(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板の少なくとも１つの面に、タングステンおよび／またはモリブデンを主成分とし、ＣａＯ，ＭｇＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，Ｂ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＰｂＯ，希土類酸化物より選択される１種または２種以上から形成されたガラスを１５重量部以下含むメタライズ層、及び該メタライズ層上にニッケルを主成分とするめっき層が形成されている窒化アルミニウムメタライズ基板において、ニッケルめっき層の厚みが２μｍ以下、ニッケルめっき層の表面粗度がＲａにて２μｍ以下であることを特徴とする平滑なめっき層を有するセラミックスメタライズ基板。
【請求項２】
窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板の少なくとも１つの面にタングステンおよび／またはモリブデンを主成分とし、ＣａＯ，ＭｇＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，Ｂ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＰｂＯ，希土類酸化物より選択される１種または２種以上から形成されたガラスを１５重量部以下含むメタライズ層、及び該メタライズ層上にニッケルを主成分とするめっき層と金を主成分とするめっき層が形成されている窒化アルミニウムメタライズ基板において、ニッケルめっき層の厚みが２μｍ以下、金めっき層の厚みが１μｍ以下、金めっき層の表面粗度がＲａにて２μｍ以下であることを特徴とする平滑なめっき層を有するセラミックスメタライズ基板。
【請求項３】
硬度がロックウェール硬度１００ＨＲＳ以下である窒化アルミニウム未焼結体上に、主成分としてのタングステン粉末および／またはモリブデン粉末１００重量部と、ＣａＯ，ＭｇＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，Ｂ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＰｂＯ，希土類酸化物、焼成により該酸化物を生成する化合物及び該化合物の複合化合物よりなる群より選択される１種または２種以上からなるガラス形成成分１５重量部以下を含むメタライズペーストを塗布後、メタライズペースト塗布面に、表面粗度がＲａで０．７μｍ以下の板を載せて、１５℃以上の温度でメタライズペースト塗布面に１５ｋｇ／ｃｍ2以上の圧力を印加し加圧する平坦化処理を施した後、非酸化性雰囲気中にて焼成し、さらにニッケルを主成分とする２μｍ以下のめっき層を形成することを特徴とする平滑なめっき層を有するセラミックスメタライズ基板の製造方法。
【請求項４】
前記ニッケルめっき層の上に更に、厚みが１μｍ以下の金めっき層を形成することを特徴とする請求項３項記載の平滑なめっき層を有するセラミックスメタライズ基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＩＣ基板・パッケージ材料をはじめとする電子材料等に、高熱伝導性、放熱性に優れた基板として広範囲に使用される窒化アルミニウムセラミックスに関し、特にＩＣ、トランジスター、ダイオード、サイリスタ等の電子部品を搭載することのできる窒化アルミニウムメタライズ基板とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路等の半導体装置は、多機能化に伴う素子集積密度の増加、高速化あるいは高出力化といった特性の著しい向上が図られている。これにともなって半導体装置から発生する熱量の増加も著しく、この発生熱を外部に有効に放出させるために半導体装置を搭載するセラミックス基板に熱伝導率の高い材料が要求されてきている。ところで、かかる半導体装置用基板として汎用性の高いアルミナ基板は、熱伝導率が約１７Ｗ／ｍ・Ｋと低く、また、熱膨張係数が半導体素子の材料であるシリコンに比べて大きいためシリコンとの接合性が悪い等の問題があった。かかるアルミナの問題点を解消しうる材料として熱伝導率が約１８０Ｗ／ｍ・Ｋと高く、かつ熱膨張係数がシリコンに近い窒化アルミニウム（以下ＡｌＮと略）が注目されている。このＡｌＮ焼結体は半導体素子との接合、リードフレーム、シールリング等の組立部材との接合等を目的として、その表面にメタライズ層を賦与した状態で用いられることが一般的であり、特開平３−１９３６８６号公報等に成功例が報告されている。
しかしながら、これまで開発されてきたメタライズ層は、ＡｌＮ焼結体との接合強度に優れるものの、半田濡れ性が悪いという問題点があった。
【０００３】
半田濡れ性が悪い場合、以下の問題点が生じる。例えばＡｌＮ焼結体上にメタライズ層を介して半導体素子を接合する場合には、半田濡れ性が悪いと半導体素子からＡｌＮ焼結体への伝熱効率が低下するため、ＡｌＮ焼結体の放熱量の低下、さらには半導体素子温度の上昇を招き、その結果半導体素子の正常な作動が妨げられるという問題点が生じる。別の例として、例えばＡｌＮ焼結体上にメタライズ層を介してシールリングを接合する場合には、半田濡れ性が悪いと半田層においてリークパスが形成されやすいため、充分な気密性が確保できないという問題点が生じている。
そこで半田濡れ性を改善するために、一般的にはメタライズ層上に形成するめっき層の厚みを例えば５μｍ程度に厚くする手法が行われてきた。この場合、めっき層形成に多大なコストを要するばかりでなく、めっき層の凹凸が大きく、半田溜りができやすいため、搭載したＩＣの放熱性が損なわれるという問題点があった。
また、特開平５−２３８８５７号公報に記載された発明では、接合強度と半田濡れ性の両立を図られてはいるが、非常に高価な水素化チタンをメタライズペーストに含有せしめた方法であり、コスト的に不利という問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は従来法の欠点を克服して、高価なメタライズ方法によらずして接合強度と半田濡れ性に優れた平滑なめっき層を有するセラミックスメタライズ基板とその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、上記事情に鑑み更に鋭意研究の結果、平滑なメタライズ層を形成し、その上に凹凸の少ない平滑なめっき層を形成することにより、半田濡れ性に優れ、かつ同時に優れた接合強度をも兼備するセラミックス基板を得ることができることを見出し、本発明のセラミックスメタライズ基板とその製造方法を開発した。
本願発明の一つはこの目的を達するために、窒化アルミニウム未焼結体上に、タングステンおよび／またはモリブデンを主成分とするメタライズペーストを塗布後、メタライズペースト塗布面に特定の平坦化処理を施した後、非酸化性雰囲気中にて焼成し、さらにめっき層を形成することを特徴とする平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板の製造方法を構成したことにある。
【０００６】
本願はすなわち、窒化アルミニウム未焼結体上に、タングステンおよび／またはモリブデンを主成分とするメタライズペーストを塗布後、メタライズペースト塗布面に、表面粗度がＲａにて０．７μｍ以下の板を用いて平坦化処理を施した後、非酸化性雰囲気中にて焼成し、さらにめっき層を形成することを特徴とする平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板の製造方法である。
本願発明の製造方法は、▲１▼硬度の低いセラミックス未焼結体に、▲２▼メタライズペースト塗布面に平坦化処理を施し、▲３▼ガラス添加量の少ないメタライズペーストを用い、▲４▼めっき層の厚みを薄くすることが必須である。即ちスクリーン印刷、スピンコート等の公知の塗布方法によりメタライズペーストを塗布後、▲１▼メタライズ塗布面の凹凸をセラミックス未焼結体の塑性変形能でもって吸収させるために、▲２▼メタライズ塗布面に平坦化処理を行うこと、▲３▼メタライズ面の凹凸の原因となるメタライズペースト中のガラス添加量を抑え、▲４▼めっき面の凹凸の原因となるめっき層の厚みを抑え、以上の結果平坦なメタライズペースト塗布面を形成することができる。
【０００７】
さらにその平坦化処理条件の最適化、メタライズペーストに含まれるガラス量、焼成条件を最適化することにより、より一層高い接合強度と半田濡れ性に優れた平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板を得ることができるものである。
メタライズペースト塗布面の平坦化処理としては、表面粗度がＲａにて０．７μｍ以下の板を用いることに限定される。この上限値より大きい場合には、メタライズペースト塗布面の平坦化効果が不十分となって、その結果平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板を得ることが困難となる。
板材質としては金属の他、樹脂、ゴム、セラミックスを用いることができる。樹脂、ゴムを用いる場合、硬度が平坦化処理を行う温度領域にてロックウェール硬度５０ＨＲＳ以上のものが好ましい。
【０００８】
平坦化処理条件としては１５℃以上の温度にてメタライズペースト塗布面に１５ｋｇ／ｃｍ２以上の圧力を印加することが好ましい。温度、圧力がこの下限値未満であると、メタライズペーストの可塑流動性が乏しく、メタライズペースト塗布面の平坦化効果が不十分となって、その結果平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板を得ることが困難となる。
本願発明の窒化アルミニウムメタライズ基板の製造方法に用いるメタライズペーストはタングステンおよび／またはモリブデンを主成分とするものである。
ここで用いるメタライズペーストに含まれるガラス成分は、タングステン粉末、モリブデン粉末の総量１００重量部に対して１５重量部以下であることが好ましい。焼成前にメタライズ塗布面を平坦化しても、ガラス成分は焼成時に溶融拡散するため、焼成後のメタライズ層表面に凹凸が生じやすく、ガラス成分含有量が前記上限値より多い場合、得られるメタライズ層の凹凸が大きくなり、その結果平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板を得ることが困難となる。
ここで用いるメタライズペーストに含まれるガラス成分としては、ＣａＯ，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ｂ２Ｏ３，ＺｎＯ，ＰｂＯ，希土類酸化物および焼成により上記酸化物を生成する化合物、上記化合物の複合化合物よりなる群より選択される１種または２種以上であることが好ましい。上記以外のガラス成分を用いると接合強度の高い窒化アルミニウムメタライズ基板を得ることが困難となる。
【０００９】
ここで用いる非酸化性雰囲気中での焼成温度は１６００℃以上１９５０℃以下であることが好ましい。この温度範囲以外であると、接合強度の高い窒化アルミニウムメタライズ基板を得ることが困難となる。
ここで用いるメタライズペースト中に、ニッケル、鉄、コバルトおよびこれらの酸化物、合金より選択される１種以上の合計含有量が、タングステン粉末、モリブデン粉末の総量１００重量部に対して０．００１〜５重量部であることが好ましい。この範囲以外であると、接合強度の高い窒化アルミニウムメタライズ基板を得ることが困難となる。
非酸化性雰囲気中の水素含有率は１０体積％以下であることが好ましい。水素含有率が１０体積％を越えると、タングステン、モリブデンの粒成長が過度に進行して、得られるメタライズ面の凹凸が大きくなるからである。
【００１０】
メタライズ層上に形成するめっき層としては、ニッケルめっきもしくはニッケルめっき上にさらに金めっきを施すことが好ましい。ニッケルめっきのみを形成する場合、ニッケルめっき層の厚みは２μｍ以下が好ましい。ニッケルめっきを施し、その上にさらに金めっきを施す場合、ニッケルめっき層の厚みは２μｍ以下、金めっき層の厚さは１μｍ以下であることが好ましい。これら上限値より大きい場合には、たとえ平滑なメタライズ層を形成した場合でも、めっき層にて凹凸が生じやすくなり、その結果平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板を得ることが困難となる。なお、めっき層の厚みは、コーナー部分のめっき異常析出部分の厚みは除外する観点から、めっき面中央部を測定することにより求めた値により定義される。
本願のもう一つ発明である平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板は、上記製造方法により得ることのできる基板である。
即ち、本発明の基板は窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板の少なくとも１つの面にタングステンおよび／またはモリブデンを主成分とするメタライズ層、ニッケルを主成分とするめっき層が形成されている窒化アルミニウムメタライズ基板において、ニッケルめっき層の厚みが２μｍ以下、ニッケルめっき層の表面粗度がＲａにて２μｍ以下であることを特徴とする平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板を構成したことにある。
【００１１】
さらに本発明の別の基板は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板の少なくとも１つの面にタングステンおよび／またはモリブデンを主成分とするメタライズ層、ニッケルを主成分とするめっき層と金を主成分とするめっき層が形成されている窒化アルミニウムメタライズ基板において、ニッケルめっき層の厚みが２μｍ以下、金めっき層の厚みが１μｍ以下、金めっき層の表面粗度がＲａにて２μｍ以下であることを特徴とする平滑なめっき層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板を構成したことにある。
これら窒化アルミニウムメタライズ基板は、ガラス成分含有量の少なくかつ粗大二次粒子の少ないメタライズペーストの使用、平坦なメタライズ層、薄いめっき層により、平滑なめっき層を得ることができ、その結果半田濡れ性にも優れるものである。さらにメタライズペーストに添加するガラス成分の最適化と焼成条件の最適化により、高い接合強度も同時に有するものであり、これらについては上記製造方法において詳細に述べたとおりである。
本発明の平滑なめっき層を有するセラミックメタライズド基板は、コンピューター基板の他に、耐振性が要求される輸送機器に用いる制御装置内半導体搭載基板などに用いることができる。
【００１２】
【実施例】
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に述べる。
実施例１
平均粒径１．１μｍのＡｌＮ粉末に平均粒径０．６μｍのＹ２Ｏ３粉末を３重量％、有機バインダーとしてポリメタクリレート１０重量％を添加し、ボールミルを用いて粉砕・混合した後、ドクターブレード法により５０×５０×０．６ｍｍのシート成形体を得た。
一方、平均粒径１．５μｍのタングステン粉末と平均粒径２５μｍの鉄粉、平均粒径１２μｍのＣａ（ＮＯ３）２、平均粒径４．６μｍのα−Ａｌ２Ｏ３、平均粒径１８μｍのＳｉＯ２とを、タングステン１００重量部に対してそれぞれ０．５重量部、１重量部、０．８重量部、３重量部を含有するメタライズペーストを作製した。ここでメタライズペースト中のガラス成分含有量は、タングステン１００重量部に対して４．８重量部である。
また、ペーストには溶剤としてテルピネオールと酢酸エチルを、また有機バインダーとしてエチルセルロースを、タングステン１００重量部に対してそれぞれ１７重量部、３．５重量部、８重量部添加した。
【００１３】
このペーストを２００メッシュ、乳剤厚２０μｍのステンレススクリーンを用いて、前記ＡｌＮシート成形体にスクリーン印刷法により塗布し、乾燥後、平坦化処理を行った。
平坦化処理は該シート成形体の印刷面上に表面粗度がＲａにて０．５１μｍのＳＵＳ３０４製の金属板を載せた後、７５℃の温度に加熱しつつ３０ｋｇ／ｃｍ２の圧力を印加することにより行った。
さらに窒素雰囲気中７００℃３時間保持することにより有機バインダーを揮発除去させた後、窒素雰囲気中１８００℃にて３時間焼成を行い、ＡｌＮメタライズ基板を得た。焼成時の雰囲気露点は−５６℃であった。
これにニッケル−リン無電解めっき法によりニッケルめっき層を形成した。ニッケルめっき層の厚みは蛍光Ｘ線にて測定した結果１．８μｍであった。また、ニッケルめっき層の表面粗度はＲａにて０．９μｍであった。
次いで半田（Ｓｎ６０，Ｐｂ４０）を２３０℃でディップした後、半田濡れ面積／めっき層面積により半田濡れ性を評価した結果１００％とめっき層全面に半田が濡れるという優れた半田濡れ性を有していた。
さらに半田ディップ面に０．８ｍｍφのＳｎめっきをした軟銅線を半田付けした。ここで接合強度の評価として引張強度を測定した結果、４．３ｋｇ／ｍｍ２であり良好なレベルであった。
【００１４】
比較例１
実施例１記載のＡｌＮシート成形体に、平坦化処理のみを行わずに、他の全ての工程は実施例１記載の方法に従い、ＡｌＮメタライズ基板を得た。
さらに実施例１記載の方法によりニッケルめっき層を形成した。ニッケルめっき層の厚みは１．９μｍであり、ニッケルめっきの表面粗度はＲａにて２．２μｍであった。
さらに実施例１記載の方法により半田濡れ性と半田付けした軟銅線の引張強度を測定した結果、引張強度は４．５ｋｇ／ｍｍ２であり良好なレベルであるものの、半田濡れ性は３８面積％と実施例１記載のＡｌＮメタライズ基板と比較して半田濡れ性が著しく劣っていた。
【００１５】
実施例２
実施例１記載の方法に従い、ＡｌＮメタライズ基板を得た。これに電解めっき法によりニッケルめっき層を形成し、表１記載のニッケルめっき層厚を種々変えたニッケルめっき層を有するセラミックスメタライズ基板を作製し、実施例１記載の方法に従い、半田濡れ性および引張強度の評価を行った。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
実施例３
実施例１記載の方法に従い、ニッケルめっき層（厚み１．８μｍ）を有するセラミックスメタライズ基板を得た。これに電解めっき法により金めっき層を形成し、表２記載の金めっき層厚を種々変えたニッケル／金めっき層を有するセラミックスメタライズ基板を作製し、実施例１記載の方法に従い、半田濡れ性および引張強度の評価を行った。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
実施例４
実施例１記載の方法に従い、ＡｌＮシート成形体上にメタライズペーストを塗布、乾燥を行った。これを表３記載の平坦化条件により平坦化処理を行った後、実施例１記載の方法に従い、焼成、めっき、半田濡れ性および引張強度の評価を行った。
【００２０】
【表３】
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【００２１】
表３からも明らかなように、平坦化処理板の表面粗度（Ｒａ）が０．７μｍ以下で、処理温度が１５℃以上で、処理圧力が１５ｋｇ／ｃｍ２以上で、それぞれ半田濡れ性および引張強度の両立する良好な結果が得られた。
【００２２】
実施例５
実施例１記載のＡｌＮ粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、有機バインダーを用いて、ボールミルでの粉砕条件を種々変えて、シート硬度の種々異なるシート成形体を得た。
これに実施例１記載の方法に従い、メタライズペーストを塗布、平坦化処理、焼成、ニッケルめっき、評価を行った。その結果を表４に示す。
【００２３】
【表４】
0003575068.tif 000005
【００２４】
実施例６
実施例１記載の方法に従いＡｌＮシート成形体を作製した。さらに表５記載のガラス添加量を種々変えたメタライズペーストを作製し、実施例１記載の方法に従い、塗布、乾燥、平坦化処理、焼成、めっき、半田濡れ性および引張強度の評価を行った。
【００２５】
【表５】
0003575068.tif 000006
【００２６】
表５からも明らかなように、ガラス量が１５重量部以下で、半田濡れ性および引張強度の両立する良好な結果が得られた。
【００２７】
実施例７
実施例１記載の方法に従い、ＡｌＮシート成形体を作製した。さらに表６および７記載のガラス組成を種々変えたメタライズペーストを作製し、実施例１記載の方法に従い、塗布、乾燥、平坦化処理、焼成、めっき、半田濡れ性および引張強度の評価を行った。
【００２８】
【表６】
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【００２９】
【表７】
0003575068.tif 000008
【００３０】
実施例８
実施例１記載の方法に従い、ＡｌＮシート成形体を作製した。さらに表８記載のＦｅ添加量を種々変えたメタライズペーストを作製し、実施例１記載の方法に従い、塗布、乾燥、平坦化処理、焼成、めっき、半田濡れ性および引張強度の評価を行った。
【００３１】
【表８】
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【００３２】
表８からも明らかなようにガラス添加量がＷ，Ｍｏ１００重量部に対して０．００１〜５重量部で、半田濡れ性および引張強度の両立する良好な結果が得られた。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、平坦化処理を行いメタライズペースト組成を制御することにより、従来法と比較して安価な方法にて、半田濡れ性および引張強度の両立する平滑なめっき層を有するセラミックスメタライズ基板を得ることができた。