JP4685029B2 - メタライズド窒化アルミニウム基板の製造方法及びそれによって得られる基板 - Google Patents

Description

本発明は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード等の発光素子を含む半導体素子を搭載するためのサブマウントとして好適に使用できるメタライズド窒化アルミニウム基板及びその製造方法に関する。

近年、レーザーダイオード素子（以下ＬＤ）や発光ダイオード素子（以下ＬＥＤ）などの半導体素子の高出力化が進んでいる。これにともない素子からの発熱は増大し、素子の寿命が短くなるという問題が発生している。このような問題を解決するために、素子搭載用の基板として、高い放熱特性を有する窒化アルミニウム基板が用いられるようになっている。

窒化アルミニウム基板を素子搭載用に使用するためには、素子を接合したり、接合された素子に電力を供給したりするために、基板表面に電極や配線を形成する必要がある。これら電極や配線の形成は、所謂メタライズ技術を用いて基板表面に所定の形状にデザインされた導電体層を形成することにより行なわれている。そして、この際に汎用的に使用されるメタライズ技術としては、コファイア法とポストファイア法が知られている。

コファイア法とは、窒化アルミニウムグリーンシートの表面に高融点金属を含むメタライズペーストを所定のパターンに印刷した後に、グリーンシートとペーストとを同時に焼成することにより高融点金属を基板表面に被着せしめ、その後必要に応じてメッキ法などによりその上に他の金属層を形成する方法である（特許文献１及び２参照）。また、ポストファイア法とは、予め焼成された窒化アルミニウム焼結体基板上にメタライズペーストを所定のパターンに印刷してからこれを焼き付けることにより基板表面に高融点金属層を被着せしめ、その後必要に応じてメッキ法などによりその上に他の金属層を形成する方法である（特許文献３参照）。

一方、ＬＤやＬＥＤを搭載するための基板は、一般にその大きさが極めて小さいため（例えば３ｍｍ×３ｍｍ）、これらを製造する場合には、製造効率の観点から、多数個取り用の大きな基板の表面上に、「個々の素子搭載用基板における配線パターン」（以下、配線パターンユニットともいう。）を多数、整列配置した配線パターンを形成し、その後基板を配線パターンユニットの境界に沿って切断する方法（以下、該方法を多数個取り法ともいう。）を採用するのが一般的である（特許文献４参照）。この多数個取り法では、配線パターンユニットを格子状に規則正しく配置することにより、基板を縦横夫々直線となる境界線に沿って切断することにより、一度に多くの基板を製造することができる。

前記コファイア法は、比較的高い密着強度で高融点金属層を基板表面に被着できるという優れた特徴を有しているが、多数個取り法を採用する場合には、焼結時に図１に示すような不均一な基板の収縮が起こってしまい、寸法精度のコントロールが難しく、歩留まりを高くすることができないという問題が発生する。すなわち、多数個取り法においては、生産効率の観点からは、大きな基板にできるだけ多くの配線パターンユニットを密に配置するのが好ましいが、コファイア法では基板は図１に示すように星型に変形するため、基板を大きくした場合には、(i)基板の周縁部近傍に配置された配線パターンユニットでは、配線パターンの形状が変化してしまうばかりでなく、(ii)焼結前に配線パターンユニットを格子状に整列配置しても焼結後には列が曲がってしまうため、基板を直線的に切断した場合には、一部の配線パターンユニットについては境界領域を越えて配線パターンを傷つけてしてしまうことになる。なお、図１において焼成（焼結）前の基板２の形状を点線で示し、焼成（焼結）後の基板１の形状を実線で示している。

このような問題を解決するための方法も提案されているが、十分なレベルで寸法精度を制御するには至っていない。例えば、そのような方法として、焼成中に基板の外表面の一部に実質的にその表面の焼結収縮を生じさせない範囲の加圧力又は拘束力を加えると同時に、材料に発生するクリープ量をコントロールして、焼結体の加圧力及び／又は拘束力を加えない面（自由表面）の焼成収縮量を補い、焼結体の最終外形形状をコントロールする方法（特許文献５参照）が提案されている。しかしながら、このような特殊な手法を用いても、５０ｍｍ角（５０ｍｍ×５０ｍｍの意である。以下□５０ｍｍと表記する。）程度の領域で±５０μm程度、□１００ｍｍ程度の領域では±１００μm程度の寸法精度を実現するのが限界であった。

また、ポストファイア法では、予め焼結された基板にメタライズペーストを印刷してからペーストを焼き付けるため、焼付け時に基板の収縮は起こらず、上記したような寸法精度の問題は起こらない。しかしながら、ポストファイア法で窒化アルミニウム焼結体表面上に形成される高融点金属層の接合強度は、必ずしも十分とはいえない。例えば前記特許文献３には、高融点金属ペーストに特定の成分を添加してメタライズ層の接合強度を高めた技術が開示されているが、そのときの接合強度は２〜４ｋｇ／ｍｍ²程度である。
特開２００３−３４２０８９号公報 特開２００３−１７９４６７号公報 特開平８−３４６８６号公報 特開平８−２３９２８６号公報 特開平５−２８３２７２号公報

このように、例えばＬＤやＬＥＤ搭載用基板として好適に使用されるメタライズド窒化アルミニウム基板を製造する際に使用される多数個取用のメタライズド基板であって、配線パターンユニット自体及びその配列の寸法精度が良好で、しかも配線パターンの接合強度が高い基板はこれまで知られていない。
そこで、本発明は、このような要求を満足するメタライズド窒化アルミニウム基板を提供することを目的とする。

本発明者らは、ポストファイアにおいて高融点金属層と基板との密着強度を高くすれば上記課題は解決できると考え、そのための方法として、高融点金属ペーストに窒化アルミニウム粉末を添加し、焼成過程において導電体層中の窒化アルミニウムの焼結を促進させて、基板を構成する窒化アルミニウムと導電体層中に分散する窒化アルミニウムを一体化させることにより焼結基板と導電体層とを強固に接合することを着想した。そして、当該着想に基づき鋭意検討を行なった結果、高融点金属ペーストに更に焼結助剤を添加すると共に、焼成に際して“この焼結助剤と同種の焼結助剤を用いて焼結した窒化アルミニウム基板”を、上記高融点金属ペーストからなるパターン（層）上に配置して焼成を行なった場合には、メタライズ層に分散する窒化アルミニウムと基板の窒化アルミニウムとを焼結することができ、高融点金属層の接合強度を大幅に向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、第一の本発明は、タングステン粉末及びモリブデン粉末からなる群より選ばれた少なくとも１種の高融点金属粉末、窒化アルミニウム粉末、及び窒化アルミニウムの焼結助剤を含有する組成物からなる層を表面に有する窒化アルミニウム焼結体基板を準備する中間材料基板準備工程、及び当該工程で準備された基板を焼成することにより前記層を焼結する焼成工程を含むメタライズド窒化アルミニウム基板の製造方法であって、前記焼成工程では、前記組成物に含まれる焼結助剤の揮発を抑制しながら焼成を行なうことを特徴とする方法であり、第二の本発明は、当該本発明の製造方法で得られるメタライズド窒化アルミニウム基板である。

本発明の製造方法では、ポストファイア法を採用しているにもかかわらず、導電体層中の窒化アルミニウムと基板の窒化アルミニウムが一体化した特殊な界面構造を実現することができ（この点については後で詳述する。）、従来のポストファイア法では得るこのできない高い接合強度（例えば５０ＭＰａ以上、好ましくは７０ＭＰａ以上）で基板に接合したメタライズ層を形成することができ、ヘリウム漏れ試験（ＪＩＳ Ｚ ２３３１）において5×10-9Pa・m3/s以下の気密性を確保することができる。このため、接合強度を高めるために高融点金属にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆといった活性金属を添加する必要もない。なお、コファイア法を用いた場合には上記したような界面構造が得られることは知られていたが、ポストファイア法でこのような界面構造が得られたという報告は、本発明者が知る限りにおいて存在しない。

本発明の製造方法により上記のような界面構造が得られる理由は定かではないが、本発明者等は次のように推定している。すなわち、本発明の製造方法では、例えば導電体層の露出表面の近傍に“焼結助剤を含む窒化アルミニウム焼結体”を配置することにより焼成中に当該焼結体から焼結助剤を揮発させて導電体層近傍の焼結助剤の分圧が高くなるように雰囲気を制御している。このため、焼成時に導電体層中の焼結助剤成分が揮発して外部に出て行くことが抑制され、導電体層内部において十分な液相が形成されるようになり、導電体層中の窒化アルミニウムが窒化アルミニウム焼結基板と焼結することができるようになったものと推定している。このような焼結助剤の揮発抑制効果は焼成温度下での揮発性が高い酸化カルシウムなどの焼結助剤を用いた場合に顕著であるが揮発性の低い酸化イットリウムなどの焼結助剤を用いた場合にも発現し、複雑な焼結メカニズムのなかで窒化アルミニウムの焼結や粒成長を促進する方向に作用しているものと考えられる。

さらに、導電体層中に液相が形成されることで導電体層中の高融点金属がより緻密化しやすくなり、導電体層も強固になり、導電体層の電気伝導率を高くすることもできる。
このように、本発明の製造方法によれば、基板の変形が起こらないというポストファイア法の利点を保持したまま、コファイア法と同等の接合強度を得ることができる。このため、本発明は、第三の本発明として、多数個取り用の基板として有用な下記基板をも提供する。

即ち、第三の本発明は、実質的に同一な複数の配線パターンユニットが一方向に５個以上整列配置された列が１列以上配置された配線パターンを表面に有するメタライズド窒化アルミニウム基板であって、
（１） 前記配線パターンは、タングステン及びモリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１種の高融点金属及び窒化アルミニウム焼結体を含有する高融点金属層を含み且つ当該高融点金属層で前記窒化アルミニウム焼結体基板と接合する導電体層からなり、
（２） 前記導電体層は少なくとも５０ＭＰａ（５．１ｋｇｆ／ｍｍ²）以上の接合強度で窒化アルミニウム焼結体基板に接合しており、且つ
（３）前記配線パターンについて、以下に定義されるパターン配列公差が１０μm以下であることを特徴とするメタライズド窒化アルミニウム基板をも提供する。

なお、ここで、「パターン配列公差」とは、配線パターンユニット内に存在する任意の１点を基準点として定め、基板上に存在する全ての「配線パターンユニットが５個以上整列配置された列」について夫々の列の両端に位置する配線パターンユニットの基準点を結んだ直線を基準線とし、各列に属する全ての配線パターンユニットについて各配線パターンユニットの基準点から基準線までの最短距離を求めたときの最大値を意味する。

さらに本発明は、第四の本発明として、上記第三本発明のメタライズド窒化アルミニウム基板を、前記配線パターンユニットの境界に沿って切断することにより、表面に１つの配線パターンユニットを有するメタライズド基板チップを製造することを特徴とする基板チップの製造方法をも提供する。

本発明の製造方法によれば、ポストファイア法によって従来にない接合力を有する配線パターンを形成することができ、更に多数個取りの基板においても配列寸法精度の高い（パターン配列公差の小さい）配線基板を作製することが可能となる。

本図は、コファイア法における基板の変形を模式的に示した図である。 本図は、代表的な配線パターンユニットを示す図である。 本図は、本発明の製造方法で使用する代表的な中間材料基板の上面図である。 本図は、パターン配列公差を説明するための模式図である。 本図は、実施例１で得られたメタライズド基板の、メタライズ層と基板の接合界面近傍の断面のＳＥＭ写真である。 本図は、実施例１で得られたメタライズド基板の、メタライズ層と基板の接合界面近傍の断面のＥＰＭＡによるWおよびＡｌのマッピング像である。 本図は、比較例２で得られたメタライズド基板の、メタライズ層と基板の接合界面近傍の断面のＳＥＭ写真である。 本図は、比較例２で得られたメタライズド基板の、メタライズ層と基板の接合界面近傍の断面のＥＰＭＡによるWおよびＡｌのマッピング像である。

符号の説明

１・・・焼成（焼結）後基板の形状
２・・・焼成（焼結）前基板の形状
３・・・窒化アルミニウム焼結体基板
３０１・・・切り欠き
４、４’・・・電極用の未焼成導電体層
４０１、４０１’・・・ポートとなる未焼成導電体層
４０２・・・タイバーパターン
５・・・配線パターンユニット
６・・・中間材料基板
７、７ａ、７ｂ、７ｃ・・・基準点
８・・・基準線
ｄ・・・基準点と基準線との最短距離

本発明のメタライズド窒化アルミニウム基板の製造方法は、タングステン粉末及びモリブデン粉末からなる群より選ばれた少なくとも１種の高融点金属粉末、窒化アルミニウム粉末、及び窒化アルミニウムの焼結助剤を少なくとも含有する組成物からなる層（未焼成導電体層ともいう。）を表面に有する窒化アルミニウム焼結体基板（以下、単に中間材料基板ともいう。）を準備する中間材料基板準備工程；及び当該工程で準備された基板を焼成することにより前記未焼成導電体層を焼結する焼成工程を含む（以下、焼結された導電体層を焼結導電体層ともいう。）。

前記中間材料基板準備工程では、まず、窒化アルミニウム焼結基板と、タングステン粉末及びモリブデン粉末からなる群より選ばれた少なくとも１種の高融点金属粉末、窒化アルミニウム粉末、及び窒化アルミニウムの焼結助剤を少なくとも含有する組成物と、を準備する。そして、窒化アルミニウム焼結体基板の表面上に上記組成物を例えばペースト状にして印刷法により塗布することにより所定のパターン（電極や配線部分となる配線パターン）を形成した後に乾燥し、さらに必要に応じて脱脂することにより中間材料基板を得ることができる。

窒化アルミニウム焼結体基板としては、窒化アルミニウム焼結体からなる基板であれば特に限定されないが、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導度は高いほうが好ましく、例えば、熱伝導率が１７０W／ｍ・Ｋ以上のものを使用するのが好適である。なお、基板の形状や大きさは、目的とする基板に応じて適宜設定すればよい。このような窒化アルミニウム焼結体基板は、従来のポストファイア法で使用されているものと特に変わる点は無く、例えば(i)窒化アルミニウム粉末を含むグリーンシートを略四角形に切り出したのち、更に必要に応じてスルーホール形成や積層等の加工を行なったのち焼結したもの、(ii)コファイア法を用いて作製されたタングステンビアや内層配線を有する焼結体基板及び(iii)これらに、研削、研磨或いは穿孔などの加工処理を施したものを含んでいる。一般に窒化アルミニウムは焼結し難いため、その焼結に際しては焼結助剤が使用される。焼結助剤としては、窒化アルミニウム用の焼結助剤として汎用的に使用されている、酸化イットリウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、リン酸カルシウム、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃等の希土類元素やアルカリ土類元素を含む化合物が特に制限無く使用できるが、焼結性の観点から酸化イットリウム等のＹ元素を含む化合物を使用するのが好適である。また、焼結助剤の使用量は窒化アルミニウム粉末１００重量部に対して１〜２０重量部、特に３〜１０重量部であるのが好適である。

また、窒化アルミニウム焼結体基板として、例えばホットプレス法によって得られる、焼結助剤を含まない窒化アルミニウム焼結体を使用することもできる。
上記窒化アルミニウム基板の表面に形成される未焼成導電体層は、タングステン粉末及びモリブデン粉末からなる群より選ばれた少なくとも１種の高融点金属粉末、窒化アルミニウム粉末、及び窒化アルミニウムの焼結助剤を少なくとも含有する組成物からなる必要がある。上記組成物に含まれる金属粉末がタングステン粉末及びモリブデン粉末以外の金属粉末である場合には、金属の融点が低いため焼結温度を高くすることができないため、焼成工程において該組成物に含まれる窒化アルミニウムを焼結させることができず、結果として十分な接合強度を得ることができない。また、組成物が窒化アルミニウム粉末を含有しない場合には、高い接合強度が得られないばかりでなく、焼成工程において高融点金属粉末を焼結させた後における冷却時において高融点金属焼結体と基板の窒化アルミニウム焼結体との熱膨張係数の違いによる歪に起因して欠陥が発生しやすいため、接合の信頼性が低下する。さらに、焼結助剤を含まない場合には、該組成物に含まれる窒化アルミニウム粉末の焼結が進行しにくいばかりでなく、下地の窒化アルミニウムとの焼結（一体化）も起こらないため十分な接合強度を得ることができない。なお、本発明の製造方法では、上記組成物にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分を添加しなくても十分に高い接合強度を得ることができる。これら活性金属成分の添加は、最終的に得られる焼結導電体層の電気伝導度を低下させるため、上記組成物はこれら活性金属成分を含まないのが好ましい。

上記組成物に含まれる高融点金属粉末としては、従来のポストファイア法やコファイア法で使用されている高融点金属ペーストで使用されているものと同様のものが使用できるが、ファインパターンが形成しやすく、また高い接合強度が得られやすいという理由から、平均粒子径が０．１〜５μｍのものを用いることが好ましい。また、同様に窒化アルミニウム粉末も平均粒径が０．１〜５μｍであることが好ましい。焼結助剤としては、窒化アルミニウム焼結体基板に関する説明で例示したのと同じ化合物が使用できる。これらの中でも高い接合強度が得られるという理由から窒化アルミニウム焼結体基板で使用されている焼結助剤と同じもの、或いはＹを含む化合物を使用するのが好適である。焼結助剤の粒径は、特に制限されるものではないが、均一分散性の観点から小さいほうが好ましい。

上記組成物における高融点金属粉末、窒化アルミニウム粉末、及び焼結助剤の配合量は、高い接合強度、高い接合の信頼性及び高い導電率が得られるという観点から、高融点金属粉末１００質量部に対して窒化アルミニウム粉末が１〜１０質量部、特に２〜８質量部であり、焼結助剤が０．０１〜１．５質量部、特に０．０３〜１質量部であるのが好適である。なお、焼結助剤については、焼結導電体層の電気伝導率が特に高くなるという理由から、上記基準で０．１０〜０．２５質量部とするのが最も好ましい。また、電気伝導度を高くする為に、窒化アルミニウム焼結体の表面上に高融点金属粉末、窒化アルミニウム粉末及び焼結助剤を含有する組成物からなる未焼成導体層を形成し、該未焼成導体層上の一部あるいは全体に、高融点金属を含有し、窒化アルミニウム粉末及び焼結助剤を含有しない組成物からなる未焼成導体層を形成しても何ら差し支えはない。

窒化アルミニウム焼結体の表面上に上記組成物からなる未焼成導電体層で構成される配線パターンを形成（パターニング）するためには、前記組成物をペースト状とし、例えば印刷法により所定のパターンに塗布すればよい。上記組成物をペースト状とするためには前記の必須成分に加えて、エチルセルロース、ニトロセルロース、アクリル樹脂などのバインダーやトルエン、アセトン、エタノール、テルピネオールなどの溶媒、更に、分散剤、必要に応じて可塑剤等を加え十分に混練すればよい。このとき、印刷性の観点から２５℃における粘度を８００〜５０００Ｐに調節することが好ましい。特に、スクリーン印刷法等でパターニングを行なう場合は、にじみを低減する為に、ペーストの２５℃における粘度を１５００〜３５００Ｐ程度に調節することが好ましい。なお、上記ペースト状の組成物を窒化アルミニウム焼結体基板の表面に塗布してパターニングする手法としては、スクリーン印刷法以外にも、メタルマスク印刷法、バブルジェット（登録商標）印刷法、転写法などを用いることが出来る。

形成される配線パターンの形状は特に限定されず、目的とする基板に応じて適宜決定すればよい。パターン形成に際して、例えば基板としてスルーホール（穿孔）を有する基板を使用した場合には、このスルーホール内にペーストを充填してもよい。本発明の製造方法によれば、表面に複数の配線パターンユニットを有する中間材料基板を用いた場合、焼結工程後においても各配線パターンユニットの形状や各配線パターンユニットの相対的位置関係を保持したまま高い接合強度でパターンの焼付けを行なうことができる。このため、本発明の製造方法は、数ｍｍ角という非常に小さな基板表面に一つの配線パターンユニットが形成されたメタライズド基板チップ（例えば半導体素子搭載用の基板）を多数個取りするための多数個取り用基板を製造する方法として特に好適である。

このような多数個取り用の基板を製造する場合には、基板チップ製造効率の観点から、配線パターンユニットは、図２に示すように、隣接して配置される配線パターンユニットと電気的に接続するようになっているのが好ましい。図２は、１つの基板チップに形成される配線パターン（配線パターンユニット）の一例であり、該配線パターンユニット５においては、窒化アルミニウム焼結体基板３の表面上に夫々同一形状の互いに電気的に接合しない（パターンユニットに切り出された状態で電気的に接続しないという意味である）電極用の未焼成導電体層４及び４’が形成されるとともに、配線パターンユニットを横に並べたときに両隣の対応する電極と電極どうしが電気的に接合するようなポートとなる未焼成導電体層４０１及び４０１’を有している。こうすることにより、焼成工程終了後に一度に全ての配線パターンユニット上にメッキを施すことが可能になる。焼成工程終了後、切断を行い、基板チップをバラバラにしてからメッキを施すのは非常に煩雑であり、製造効率の観点からは、切断前にメッキを行いそれから切断するのが好ましいが、電解メッキ法により一度にメッキを施すためには、メッキを施したいメタライズ層は電気的に導通している必要がある。なお、この場合、図３に示すように、中間材料基板６の周縁部にはメッキ処理用のタイバーの役割を果たすためのタイバーパターン４０２（配線パターンユニットとは異なる形状のパターン）を形成するのが好ましい。さらに、図３に示すようにメッキのラックを掛ける為の切り欠き３０１を設けることも可能である。

基板チップ製造効率の観点から、１枚の多数個取り用基板上に形成される配線パターンユニットの数は多いほうが好ましい。また、各配線パターンユニットは、図３に示すように格子状に配置するのが好ましい。こうすることにより直線的な切断により各基板チップを切り離すことが可能になる。したがって、本発明の方法により多数個取り用基板を製造する場合には、実質的に同一な複数の配線パターンユニットが一方向（通常は上下（縦）方向又は左右（横）方向）に５個以上、特に１０個以上整列配置された列を１列以上、特に１０列以上配置するのが好ましい。ここで、パターン形成に際しては、全く同一の配線パターンユニットを複数配列して形成するのが最も好ましいが、ペースト塗布方法（例えば印刷技術）の限界として同一形状を意図しても不可避的に形状が僅かに変わり得る。「実質的に同一な配線パターンユニット」としたのはこのような不可避的な変形を除いて同一であるという意味である。

このように、実質的に同一な複数の配線パターンユニットが一方向に５個以上、特に１０個以上整列配置された列が１列以上、特に１０列以上配置されたパターンを形成する場合には、パターン配列公差、即ち、“配線パターンユニット内に存在する任意の１点を基準点として定め、基板上に存在する全ての「配線パターンユニットが５個以上整列配置された列」について夫々の列の両端に位置する配線パターンユニットの基準点どうしを結んだ直線を基準線とし、各列に属する全ての配線パターンユニットについて各配線パターンユニットの基準点から基準線までの最短距離を求めたときの最大値”を可及的に小さくするのが好ましい。パターン配列公差が１０μｍを越える場合には、配線パターンユニットの間隔を大きくしないと基板を直線的に切断した場合に一部の配線パターンユニットを傷つけることがある。また、配線パターンユニットの幅を大きくした場合には、基板チップを切り出した後に、各チップを所定形状に研削する必要が生じてしまう。このような弊害をなくすために、上記の場合、パターン配列公差は１０μｍ以下、特に８μｍ以下とするのが好ましく、５μｍ以下とするのが最も好ましい。前記したような塗布方法を採用すればパターン配列公差を容易に１０μｍ以下にすることができ、例えばスクリーン印刷法によりパターン形成した場合には、パターン配列公差を５μｍ以下とすることもできる。

以下、図面を参照してパターン公差についてより詳しく説明する。図４は、配線パターンユニットが３個以上横に連なった列についてのパターン公差を説明するための模式図である。図４では、配列公差を分かりやすくするため、列の両端の配線パターンと中央付近の１つの配列パターンユニットのみを示している（実際には３個以上の配列パターンユニットが連続的に連なっている）。パターン配列公差を求めるためには、配列パターンユニットについて基準点７を定める必要がある。この基準点７は図２に示すように配列パターンユニット内であれば任意の位置、例えば配列パターンユニットごとにｘ軸とそれに直交するｙ軸を設定した場合の任意の点（ｘ₁、ｙ₁）に定めることができる。列内に存在する各配列パターンユニットは全て実質的に同一形状を有するので、各配列パターンユニットにおける基準点も配列パターンユニット内の座標で（ｘ₁、ｙ₁）となる点が基準点となる。次に列の両端に位置する２つの配列パターンユニットの基準点７ａと７ｂを結ぶ基準線８を引く。そして、列内における全ての配列パターンユニットとの基準点７からこの基準先への最短距離ｄを求めたときの最大値ｄ_maxがパターン配列公差となる。図４においては、列中央の配列パターンユニットの基準点７ｃと基準線８との最短距離ｄが最大となるので、この距離ｄ（μｍ）がパターン配列公差となる。基板内にこのような列が複数存在する場合には、全ての列について基準点７と基準線８との最短距離を求め、全体の中での最大値がパターン配列公差となる。たとえば、図３に示す中間材料基板６（該基板では図２に示す配線パターンユニットが横に５個連なった列が、縦方向に５列平行に配置されている）では、５列全てについて基準点７と基準線８との最短距離を求めた時の最大値がパターン配列公差となる。なお、このパターン配列公差の概念については、配線パターンユニットを構成するのが未焼成導電体層から焼結導電体層に変わるだけで、中間材料基板だけでなく最終的に得られるメタライズド基板についても同じである。

このようにしてパターンニングを行なった後、上記ペースト状の組成物を乾燥して溶媒を除去した後、必要に応じて脱脂処理を行なうことにより中間材料基板を得ることができる。乾燥は、例えば空気中、６０〜１２０℃で１〜２０分程度行なえばよい。乾燥後、脱脂処理を省略しても、引き続き行なわれる焼成工程で未焼成導電体層に含まれる有機成分は除去される。このため、焼成工程前に脱脂処理を行なう必要は特にない。

本発明の製造方法では、中間材料基板準備工程に引き続き焼成工程が行なわれる。この焼成工程では、中間材料基板準備工程で準備された中間材料基板を焼成することにより未焼成導電体層を焼結し、メタライズド窒化アルミニウム基板を得る。このとき、高い接合強度を得るためには、未焼成導電体層に含まれる焼結助剤の揮発を抑制しながら焼成を行なう必要がある。例えば、未焼成導電体層近傍の雰囲気制御を行なわずに、未焼結導電体層内の焼結助剤が揮発して外部に出易い条件下で焼成を行なった場合には、焼成によって未焼成導電体層中に分散する窒化アルミニウムと基板の窒化アルミニウムを焼結させることができず、高い接合強度を得ることができない。

焼成中に未焼成導電体層に含まれる焼結助剤の揮発を抑制する方法は、焼成中における未焼成導電体層近傍の雰囲気中に含まれる焼結助剤蒸気の分圧を高くする方法、より具体的には、未焼成導体層近傍に外部から焼結助剤の蒸気を供給する方法であれば特に限定されない。例えば、被焼成体である中間材料基板の近傍（基板からの距離が１０ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の位置）に焼結助剤蒸気の供給源となる物質を配置して焼成する方法が好適に採用できる。特に、操作の簡便性及び効果の観点から、中間材料基板の焼成に際し、“未焼成導電体層に含まれる焼結助剤と同種の焼結助剤を用いて焼結した窒化アルミニウム焼結体”（以下、雰囲気制御用焼結体ともいう。）を未焼成導電体層の露出表面に接触させるか又は当該露出表面の近傍（露出表面からの距離が１０ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の位置）に配置して焼成するのが好適である。

このとき使用される雰囲気制御用焼結体としては、焼成導電体層に含まれる焼結助剤と同種の焼結助剤を用いて焼結した窒化アルミニウム焼結体であれば特に限定されないが、通常は、窒化アルミニウム粉末１００質量部に対して焼結助剤を１〜２０質量部、好ましくは３〜１０質量部添加した混合物を焼結した基板を使用するのが好適である。また、雰囲気制御用焼結体は、例えば未焼成導電体層の上に載置しても、未焼成導電体層の上方に僅かに間隔を空けて配置してもよいが、効果の観点からは前者の方が好適である。この場合、未焼成導電体層の露出表面と雰囲気制御用焼結体は接触することになるが、荷重を特にかけずに単に載置するだけでは焼成により導電体層と雰囲気制御用焼結体が固着することは無く、焼成工程終了後に両者は容易に分離することができる。

焼成工程における焼成は、効果の観点から、中間材料基板を非酸化性雰囲気中で１７００℃〜１９００℃の温度に３０分以上（例えば０．５〜２４時間）保持して行なうのが好適であり、非酸化性雰囲気中で１７５０℃〜１８５０℃の温度に０．５時間以上（例えば０．５〜２４時間、特に１〜１０時間）保持して行なうのがより好適である。焼成温度が低すぎる場合には、導電体層内において十分な液相形成ができないため高い接合強度を得ることができず、焼成温度が高すぎる場合には導電体層中の焼結助剤の揮発を抑制するのが困難である。また、焼成時の雰囲気は、窒素や水素などの非酸化性雰囲気であれば特に限定はされないが、雰囲気中に含まれるカーボンが多くなるとＹなどを含む焼結助剤の揮発が促進されるため、カーボンを炉材として使用している炉を使用する場合には、雰囲気中に炉材のカーボンが混入しないようにするのが好適である。このような理由から、焼成に際しては中間材料基板を窒化アルミニウム製或いは窒化ほう素製の容器に入れて焼成するのが好ましい。なお、この容器は外部との均圧が保てるような構造であるのが好ましい。このような構造とすることにより焼成と同時に未焼成導電体層の脱脂を行なう場合でも有機成分の熱分解は４００〜５００℃といった低温で起こるので、容器外において非酸化性ガスを流通させておくことにより焼結時における影響をなくすことができる。

焼成工程終了後は、基板を冷却して取り出し、必要に応じて焼成導電体層上にＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等からなる導電層を形成してもよい。このような導電層の形成方法としては、例えばメッキ法（電解メッキ法又は無電解メッキ法）、蒸着法等の薄膜メタライズ法が採用できる。このような導電層を形成することにより半田付けやワイヤーボンディングが容易に行なえるようになる。

本発明の製造方法で得られるメタライズド基板は、ポストファイア法で製造しているにもかかわらず、従来のポストファイア法では得るこのできない高い接合強度（例えば５０ＭＰａ以上、好ましくは７０ＭＰａ以上）で基板に接合したメタライズ層（焼結導電体層）を形成することができる。また、本発明の方法では焼結導電体層の接合強度を高めるために電気伝導度を低下させるような活性化金属（例えばＴｉ、Ｚｒ又はＨｆ）を添加する必要も無く、更に高融点金属の焼結も高度に進んでいる。このため、本発明の製造方法で製造されるメタライズド基板のうち、焼結導電体層中にＴｉ、ＺｒおよびＨｆの何れの金属成分も含まないものは、従来のコファイアで有られる基板のメタライズ層と比べて（Ｔｉ等の金属を含まないものと比べても）焼結導電体層の電気伝導率が特に高いという特徴を有も有する。

このような効果が得られるのは、既に説明したように、焼成工程において焼結導電体層中の窒化アルミニウムが窒化アルミニウム焼結基板と焼結したためであると考えられる。そして、このことは、本発明の方法で製造された基板の断面の観察結果からも支持される。
図５に本発明の製造方法で得られたメタライズド基板（具体的には実施例１で得られた基板）断面（導体層との接合部分を含む領域の断面）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示すと共に、図６は同様の断面におけるエレクトロンプローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）によるWおよびＡｌのマッピング像を示している。なお、図６の左側の写真はＷのマッピング像であり、Ｗ濃度が高い部分が白くなっている。また、図６の右側の写真はＡｌのマッピング像であり、Ａｌ濃度の高い部分が白くなっている。

これら図に示されるように、本発明の製造方法で得られたメタライズド基板においては、焼結導電体層（高融点金属層）は、高融点金属（タングステン及び／又はモリブデン）の焼結体からなる連続相中に窒化アルミニウム焼結体相が分散した構造を有するとともに、当該焼結導電体層（高融点金属層）と前記窒化アルミニウム焼結体基板との接合界面近傍（例えば界面から±１μm以内の領域）では、前記窒化アルミニウム焼結体基板を構成する窒化アルミニウムと前記連続相に分散する窒化アルミニウムとが一体化していることが分かる。すなわち、接合界面では高融点金属相と窒化アルミニウム層とが相互に入り込んだ構造となっていることが分かる。このため、化学的な接合に加えて所謂アンカー効果による強固な物理的接合が起こるため高い接合力が得られるものと考えられる。

これに対し、従来のポストファイア法で得られたメタライズド基板（具体的には比較例２で得られた基板）の界面構造は図７及び図８に示されるようになっており、基板の窒化アルミニウムと焼成導電体層中の窒化アルミニウムの焼結が起こっていないことが分かる。なお、図７は基板断面（導体層との接合部分を含む領域の断面）のＳＥＭ写真であり、図８は同様の断面のＥＰＭＡによるWおよびＡｌのマッピング像である。

本発明の製造方法によれば、基板の変形が起こらないというポストファイア法の利点を保持したまま、コファイア法と同等の接合強度を得ることができる。このため、本発明の製造方法により多数個取り用の基板を製造した場合には、導電体層の接合強度が高く、パターン配列公差が極めて小さい多数個取り用基板を効率的に製造することができる。
たとえば、本発明の製造方法によれば、“実質的に同一な複数の配線パターンユニットが一方向に５個以上整列配置された列が１列以上配置された配線パターンを表面に有するメタライズド窒化アルミニウム基板であって、該配線パターンユニットは、タングステン及びモリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１種の高融点金属を含有する高融点金属層（焼結導電体層に相当する）を含み且つ当該高融点金属層で前記窒化アルミニウム焼結体基板と接合する導電体層からなるメタライズド窒化アルミニウム基板において、前記導電体層は少なくとも５０MPa（５．１ｋｇｆ／ｍｍ²）以上の接合強度で窒化アルミニウム焼結体に接合しており、更に前記配線パターンについて、以下に定義されるパターン配列公差が１０μm以下であることを特徴とするメタライズド窒化アルミニウム基板”からなる多数個取り用基板を製造することができる。

なお、焼結導電体層の接合強度は、例えば、焼結導電体層上にメッキ処理を施した後に先端が１ｍｍ²の金属ピンをＰｂ−Ｓｎ半田にてメタライズ表面にハンダ付けを行ない、ハンダ付けされた金属ピンを垂直方向に１０ｍｍ／ｍｉｎにて引っ張るいわゆるプル強度試験にて評価をすることができる。
従来のポストファイア法では、パターン配列公差については上記条件を満足させることはできるが、接合強度について上記条件を満足させることはできない。また、従来のコファイア法では、接合強度に関する条件を満足させることできるが、パターン配列公差についての条件を満足させることはできない。

多数個取り用基板においては、配線パターンユニットの境界に沿って切断することにより、表面に１つの配線パターンユニットを有するメタライズド基板チップを製造するのであるが、このときの切断はダイヤモンドを含む切断用のブレードを用いて直線的に切断するのが一般的である。このため、多数個取り用基板が多くの配線パターンユニットを有し、しかもパターン配列公差が大きい場合には、切断時に一部のパターンを傷つけてしまい歩留まりが低下してしまう。上記の多数個取り用基板は、パターン配列公差が小さいばかりでなく導電体層の接合強度も高いので、このような多数個取り用基板を使用した場合には、メタライズの信頼性の高いチップを高い歩留まりで製造することができる。高品位のメタライズド基板チップを効率的に製造できるという観点から、本発明の製造方法で製造される多数個取り用基板としては、“実質的に同一な複数の配線パターンユニットが一方向に５〜２００個、特に１０〜５０個整列配置された列が５〜２００列、特に１０〜５０列配置された配線パターンを有し、且つ導電体層の接合強度が５０〜１２０ＭＰａ、特に７０〜１００ＭＰａであるもの”が好ましい。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例１
平均粒径２．５μｍのタングステン粉末１００質量部、平均粒径１．５μｍの窒化アルミニウム粉末３質量部、平均粒径０．５μｍの酸化イットリウム粉末０．１５質量部とエチルセルロース２質量部、テルピネオール１０質量部を混練し、２５℃における粘度が３０００Ｐの高融点金属ペーストを調製した。次いで、該ペーストを、酸化イットリウムを５重量部含有する窒化アルミニウム焼結体基板（□５０ｍｍ）の表面を研磨し（研磨後の基板の厚み０．３ｍｍ）、表面粗さをＲａで０．０３μｍ（いわゆる鏡面加工）とした基板上に印刷法にて塗布し、図２に示すような配線パターンユニット（□４ｍｍ）が縦横夫々１０個ずつ格子状に配置されたパターンを形成し、その後６０℃で１０分乾燥することにより中間材料基板を得た。なお、乾燥後のパターンの厚さは１５μｍであった。

上記のようにして得られた中間材料基板上に、雰囲気制御用基板としての酸化イットリウムを５重量部添加して焼結した窒化アルミニウム焼結体基板（□５６ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）を前記パターン表面に接触するようにして載置し、窒素ガス中、１８１０℃にて４時間焼成を行なった。
得られたメタライズド基板の２５℃での電気抵抗率は、４端子法にて幅１．５ｍｍ、長さ３．５ｍｍの領域の抵抗とメタライズ膜厚より測定したところ、その値は２．１×１０^-7Ω・ｍであった。また、該メタライズド基板に電解法にてＮｉ／Ａｕを施し、メタライズの接合強度（密着強度）、パターン配列公差の測定を行なった。なお、メタライズ層の接合強度は、メッキ処理後のメタライズ層に先端が１ｍｍ²の金属ピンをＰｂ−Ｓｎ半田にてハンダ付けを行ない、ハンダ付けされた金属ピンを垂直方向に１０ｍｍ／ｍｉｎにて引っ張った時のプル強度試験（ピンが剥がれたときの強度）で評価した。その結果は、接合強度が７６ＭＰａであり、パターン配列公差は４μｍであった。

実施例２
焼成条件を１８１０℃、１時間とした他は実施例１と同様にしてメタライズド基板を製造し、得られた基板について実施例１と同様の評価を行なった。その結果を表１に示した。
実施例３
高融点金属ペーストを印刷する窒化アルミニウム焼結体基板として助剤を含んでいないものを使用し実施例１と同様にしてメタライズド基板を製造し、得られた基板について実施例１と同様の評価を行なった。その結果を表１に示した。

実施例４
高融点金属ペーストに含まれるタングステン粉末、窒化アルミニウム粉末及び酸化イットリウム粉末の量を、タングステン粉末１００質量部、窒化アルミニウム粉末８質量部、酸化イットリウム０．４質量部とした他は実施例１と同様にしてメタライズド基板を製造し、得られた基板について実施例１と同様の評価を行なった。その結果を表１に示した。

実施例５
高融点金属ペーストを印刷する窒化アルミニウム焼結体基板として助剤を含んでいないものを使用し、焼成条件を１，７５０℃、４時間とした他は、実施例１と同様にしてメタライズド基板を製造し、得られた基板について実施例１と同様の評価を行なった。その結果を表１に示した。

比較例１（コファイア法の例）
窒化アルミニウム粉末１００質量部に対して焼結助剤としての酸化イットリウム５質量部を含む窒化アルミニウムグリーンシート（□５０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）の表面上に実施例１と同様にしてパターンを形成した。次いで、６０℃で１０分間乾燥してから、水分を含む水素雰囲気中で９００℃に１時間保持して脱脂を行なった。その後、脱脂体を窒素雰囲気中で１８１０℃、４時間焼成してメタライズド基板を得た。得られた基板について実施例１と同様にして評価を行なった。その結果を表１に示した。

比較例２
実施例１において、中間材料基板を焼成する際に、雰囲気制御用基板を用いない他は同様にしてメタライズド基板を製造した。得られた基板について実施例１と同様にして評価を行なった。その結果を表１に示した。
比較例３
実施例５において、雰囲気制御用基板に代えて酸化イットリウムを含まない窒化アルミニウム焼結体からなる基板を使用し、焼成条件を１，７５０℃、４時間とした他は、実施例５と同様にしてメタライズド基板を製造し、得られた基板について実施例５と同様の評価を行なった。その結果を表１に示した。

表１に示されるように本発明の製造方法を採用した実施例１〜５では、メタライズ層の接合強度が高く、しかもパターン配列公差が小さいメタライズド基板を得ることができた。これに対し、コファイア法を採用した比較例１で得られたメタライズド基板においては、メタライズ層の接合強度は高いもののパターン配列公差が大きくなっている。また、ポストファイア法を採用した場合でも雰囲気制御を行なわない比較例２及び比較例３で得られたメタライズド基板においては、パターン配列公差は小さいもののメタライズ層の接合強度が低くなっている。更に、実施例１と比較例２とを比べると、実施例１のほうがメタライズ層の電気抵抗率が小さく、電気伝導性が高くなっている。

Claims (7)

1. タングステン粉末及びモリブデン粉末からなる群より選ばれる少なくとも１種の高融点金属粉末１００質量部、窒化アルミニウム粉末１〜１０質量部、及び窒化アルミニウムの焼結助剤０．０３〜１質量部を含有する組成物からなる層を表面に有する窒化アルミニウム焼結体基板を準備する中間材料基板準備工程、及び当該工程で準備された基板を焼成することにより前記層を焼結する焼成工程を含むメタライズド窒化アルミニウム基板の製造方法であって、
   前記焼成工程では、被焼成体である中間材料基板からの距離が１０ｍｍ以下の位置に焼結助剤蒸気の供給源になる物質を配置して前記組成物に含まれる焼結助剤の揮発を抑制しながら焼成を行うことを特徴とするメタライズド窒化アルミニウム基板の製造方法。
2. 前記焼成工程において、中間材料基板準備工程で準備された基板を１７００℃〜１９００℃の温度に３０分以上保持することにより焼成を行なうことを特徴とする請求項１に記載のメタライズド窒化アルミニウム基板の製造方法。
3. 前記焼成工程で焼結された層上にタングステン及びモリブデン以外の金属からなる層を形成する工程を更に含む請求項１または２に記載のメタライズド窒化アルミニウム基板の製造方法。
4. 前記中間材料基板の表面上に形成される層が、実質的に同一形状を有する複数の配線パターンユニットが規則的に配置された配線パターンを構成することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のメタライズド窒化アルミニウム基板の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の方法で得られるメタライズド窒化アルミニウム基板。
6. 請求項１に記載の方法によって製造されるメタライズト窒化アルミニウム基板であって、実質的に同一な複数の配線パターンユニットが一方向に５個以上整列配置された列が１列以上配置された配線パターンを表面に有し、
   （１） 前記配線パターンは、タングステン及びモリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１種の高融点金属及び窒化アルミニウム焼結体を含有する高融点金属層を含み且つ当該高融点金属層で前記窒化アルミニウム焼結体基板と接合する導電体層からなり、
   （２） 前記導電体層は少なくとも５０MＰａ（５．１ｋｇｆ／ｍｍ²）以上の接合強度で窒化アルミニウム焼結体に接合しており、且つ
   （３） 前記配線パターンについて、以下に定義されるパターン配列公差が１０μm以下であることを特徴とするメタライズド窒化アルミニウム基板。
   〔パターン配列公差〕
   配線パターンユニット内に存在する任意の一点を基準点として定め、基板上に存在する全ての「配線パターンユニットが５個以上整列配置された列」について夫々の列の両端に位置する配線パターンユニットの基準点を結んだ直線を基準線とし、各列に属する全ての配線パターンユニットについて各配線パターンユニットの基準点から基準線までの最短距離を求めたときの最大値。
7. 請求項６に記載のメタライズド窒化アルミニウム基板を、前記配線パターンユニットの境界に沿って切断することにより、表面に１つの配線パターンユニットを有するメタライズド基板チップを製造することを特徴とする基板チップの製造方法。

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