(57)【要約】【課題】金属化層が厚くなったとき及びビア形が大きくなったときにも、金属化層のクラックが発生せず、窒化アルミニウムとの密着強度が高い金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を提供する。【解決手段】本発明の表面及び／又は内部に金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体は、金属化層がＷと無機物からなることを特徴とする。Ｗの平均粒径は２〜５μｍが好ましく、無機物の含有量は１〜３０重量％が好ましい。無機物としては、窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び酸化イットリウムから選ばれる１種が金属化層のクラック防止に効果的である。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面及び／又は内部に金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体において、前記金属化層は平均粒径が２μｍ以上、５．５μｍ以下のＷと、該窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び酸化イットリウムから選ばれる１種以上の無機物とを含有することを特徴とする金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項２】
前記無機物が窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料であることを特徴とする請求項１記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項３】
前記無機物が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項４】
前記無機物が窒化ケイ素であることを特徴とする請求項１記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項５】
前記無機物が炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項６】
前記無機物が酸化イットリウムであることを特徴とする請求項１記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項７】
前記Ｗの平均粒径が２．５μｍ以上、４．５μｍ以下である請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項８】
前記無機物の含有量が１〜３０重量％である請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項９】
前記無機物の含有量が５〜１５重量％である請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項１０】
窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートに、平均粒径が２μｍ以上、５μｍ以下のＷ粉末と、焼結によって得られる窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料、前記グリーンシートにおけるのと同じ混合割合の窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び酸化イットリウムから選ばれる１種以上の無機物の粉末とを含有するペーストを塗布した後、全体を同時に焼結することを特徴とする、金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項１１】
窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し、該スルーホール内部にＷ粉末と、焼結によって得られる窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料、前記グリーンシートにおけるのと同じ混合割合の窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び酸化イットリウムから選ばれる１種以上の無機物の粉末とを含むペーストを充填した後、全体を同時に焼結することを特徴とする、金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項１２】
前記Ｗ粉末として平均粒径が２．５〜４μｍの粉末を使用する請求項１０又は１１に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項１３】
前記無機物の含有量が１〜３０重量％である請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項１４】
前記無機物の含有量が５〜１５重量％である請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体やＩＣ用の基板、パッケージ材料として有用な、金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム焼結体は熱伝導率が高いため放熱性に優れると共に、電気絶縁性や機械的強度にも優れているため、発熱量の大きな半導体やＩＣを搭載する基板、パッケージ材料として用いられることが多い。窒化アルミニウム焼結体を基板やパッケージとして用いる場合には、この窒化アルミニウム焼結体の表面及び／又は内部に金属化層を形成することが必要となる。
【０００３】
ところが、窒化アルミニウムは金属との濡れ性に劣るため、金属化が困難である。そこで、濡れ性を改善し、金属化した時の窒化アルミニウムとの接着強度を確保するために、様々な接着増強用成分が検討されてきた。このような接着増強用成分を配合してなる金属化層形成材料を用いることにより、窒化アルミニウム焼結体母材と金属化層との接合強度を高めている従来技術には、例えば次のものがある。
【０００４】
（特開平８−１０９０８４号公報）
Ｍｏ、Ｗ、Ｔａから選ばれた１種以上の金属に、Ａｌ及び希土類元素から選ばれた１種以上、並びにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれた１種以上からなる接着増強用成分を添加したものを金属化層の形成材料とすることにより接合強度を高めている。
【０００５】
（特開昭６３−１１５３９３号公報）
Ｗ及び／又はＭｏの金属に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯを主成分とし、これに必要に応じてＭｇＯ、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ３のいずれか１種以上を混合した接着増強用成分を添加したものを金属化層の形成材料とすることにより接合強度を高めている。
【０００６】
（特開昭６３−１９５１８３号公報）
Ｗ及び／又はＭｏの金属に、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｇｄ２Ｏ３の１種以上と、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮの１種以上とからなる接着増強用成分を添加したものを金属化層の形成材料とすることにより接合強度を高めている。
【０００７】
（特開平６−１１６０６８号公報）
Ｍｏ、Ｗ、Ｔａから選ばれた１種以上を含有する第１の金属化層に第２の金属化層を積層し、第２の金属化層には少なくともＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３を含有した接着増強用成分を含ませることにより接合強度を高めている。
【０００８】
また、金属化層に添加する無機物として、特に着目されてきたのは窒化アルミニウムである。例えば特開昭６１−２９１４８０号公報には、金属化層をＷ、Ｍｏ及びこれらのホウ化物、炭化物から選ばれた１種又は２種の１００重量部と、窒化アルミウム又は窒化アルミニウム基材と同成分の０．１〜５０重量部とからなるように構成することにより、接合強度を高められるとある。また、特開平４−８３７８３号公報には、金属化層を平均粒径１．０乃至１．５μｍのＷ粉末に窒化アルミニウム焼結体と実質的に同一組成からなる無機物を３．０乃至１０．０重量％含有することにより、接合強度を高められるとある。
【０００９】
さらに近年、金属化層には低抵抗化が要求されるようになり、金属化層厚を厚くする必要が出てきた。通常、金属化層厚は０．０２ｍｍ程度であるが、場合に応じて０．１ｍｍ程度にすることもある。また、近年パッケージとして窒化アルミニウムを用いることが多くなったが、この場合、多層配線基板構造への要求が高く、層間の導通を確保するためにスルーホール（ビアホール）を金属化した導通孔であるビアを形成する必要がある。従来ビア径は焼成前で０．２〜０．２５ｍｍであった。焼結後は一般的に０．１５〜０．２ｍｍとなる。ところが、ビアに対しても低抵抗化への要求は強く、近年は０．３〜０．４５ｍｍ、焼結後で０．２５〜０．４ｍｍというビア径が求められることが多い。
【００１０】
ところが、従来とられていた方策によれば、金属化層と窒化アルミニウムとの接合強度は向上するものの金属化層が厚くなったり、ビアに金属化層を充填しようとすると、金属の内部にクラックが生じることがあることが分かった。すなわち、通常の金属化層の厚みである０．０２ｍｍ程度では、接合強度は問題なく強く、金属化層内にクラック等の不具合は全く発生していないが、金属化層の厚みが０．１ｍｍ程度と厚くなると金属化層内にクラックが生じ、金属化層自体の強度が小さくなり、ひどい場合には金属化層が破壊するという問題が発生した。また、ビアに金属化層を充填しようとする場合にも、同様の問題が生じた。従来のビア径を有するビアの金属化では問題は生じなかったものの、ビア径が焼結前で０．３ｍｍと大きくなったときに問題が生じたことより、金属化層が厚くなった場合と同じ原因によるものと考えられた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、金属化層が厚い場合でも、金属化層内にクラックが生じるのを防ぐと共に、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度が強い、金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意検討の結果、特定材料を含む金属化層の形成が有効であることを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は以下の（１）〜（１４）である。
【００１３】
（１）表面及び／又は内部に金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体において、前記金属化層は平均粒径が２μｍ以上、５．５μｍ以下のＷと、該窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び酸化イットリウムから選ばれる１種以上の無機物とを含有することを特徴とする金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【００１４】
（２）前記無機物が窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料であることを特徴とする上記（１）記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
（３）　前記無機物が窒化アルミニウムであることを特徴とする上記（１）記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
（４）前記無機物が窒化ケイ素であることを特徴とする上記（１）記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【００１５】
（５）前記無機物が炭化ケイ素であることを特徴とする上記（１）記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
（６）前記無機物が酸化イットリウムであることを特徴とする上記（１）記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【００１６】
（７）前記Ｗの平均粒径が２．５μｍ以上、４．５μｍ以下である上記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
（８）前記無機物の含有量が１〜３０重量％である上記（１）〜（７）のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
（９）前記無機物の含有量が５〜１５重量％である上記（１）〜（７）のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体。
【００１７】
（１０）窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートに、平均粒径が２μｍ以上、５μｍ以下のＷ粉末と、焼結によって得られる窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料、前記グリーンシートにおけるのと同じ混合割合の窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び酸化イットリウムから選ばれる１種以上の無機物の粉末とを含有するペーストを塗布した後、全体を同時に焼結することを特徴とする、金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【００１８】
（１１）窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートにスルーホールを穿孔し、該スルーホール内部にＷ粉末と、焼結によって得られる窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料、前記グリーンシートにおけるのと同じ混合割合の窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び酸化イットリウムから選ばれる１種以上の無機物の粉末とを含むペーストを充填した後、全体を同時に焼結することを特徴とする、金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【００１９】
（１２）前記Ｗ粉末として平均粒径が２．５〜４μｍの粉末を使用する上記（１０）又は（１１）に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（１３）前記無機物の含有量が１〜３０重量％である上記（１０）〜（１２）のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（１４）前記無機物の含有量が５〜１５重量％である上記（１０）〜（１２）のいずれか一項に記載の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【発明の実施の形態】
【００２０】
以下に、本発明の窒化アルミニウム焼結体をさらに具体的に説明する。
本発明の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を構成する窒化アルミニウム基体は、窒化アルミニウム粉末を主成分とし、これに焼結助剤として広く知られているイットリウム、希土類金属、アルカリ土類金属等の化合物の粉末を０．１〜１０重量％程度添加した焼結用粉末を成形し、焼結して得られる。
【００２１】
成形方法としては、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末にポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等の樹脂結合剤、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）等の可塑剤を混合し、これを造粒した後、プレス等で成形を行ってもよいし、混合後、ドクターブレード法でグリーンシートを作製してもよい。また、押し出し法等も適用することができる。
【００２２】
上記のような窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスグリーンシートは、この上にＷと無機物とを含むペーストが塗布され、全体を同時に焼結することにより本発明の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を得られる。金属化層を有する窒化アルミニウムの製造方法としては、セラミックスグリーンシートにスルーホール（ビアホール）を穿孔し、該スルーホール内部に導体高融点金属であるＷを含有するペーストを充填した後、全体を焼結してもよい。
【００２３】
ただし、多層構造とするためには、窒化アルミニウムと金属化層とを焼結前に積層し、同時焼成する必要がある。この場合、プレス成形では困難であるため、グリーンシートを用いることが多い。また、スルーホールやビアを形成する場合もプレス成形では困難であるので、グリーンシートを用いて、同時焼成を行うのが一般的である。
【００２４】
以下では、主にグリーンシートを用いて同時焼成を行う本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明する。グリーンシートには必要に応じて、パンチ等を用いてスルーホールを形成する。このスルーホールには後述する組成のペーストが充填される。充填方法としては、スクリーン印刷など周知の方法を適用することができる。更に、必要に応じて回路配線等を同様に後述する組成のペーストを塗布して形成する。塗布方法としては、スクリーン印刷、刷毛塗り、スピンローラー塗りなど周知の方法を適用することができる。
【００２５】
本発明において、ビア、回路配線形成に用いるペーストは、導体粉末、無機物粉末、樹脂結合剤、溶剤からなり、導体粉末としてはＷ粉末を用いる。
導体粉末としてＷ粉末を用いるのは、グリーンシートの焼結においては、窒化アルミニウムと導体形成用組成物とを同時に焼結する必要があるが、窒化アルミニウム粉末とＷ粉末とは焼結温度を近くすることができ、さらに熱膨張率も近いため、導体粉末としてＷ粉末を用いることがふさわしいからである。
【００２６】
また、前記無機物としては、焼結によって得られる窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料、前記グリーンシートにおけるのと同じ混合割合の窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合物、窒化アルミニウム粉末、炭化ケイ素粉末、窒化ケイ素粉末及び酸化イットリウム粉末から選ばれる１種以上を使用する。
これは、次の調査結果に関係する。すなわち、金属化層の厚みや、ビア径が大きくなったときに生じる金属化層のクラック、接合強度の低下の原因を調査した結果、本発明者らは、これらの原因は窒化アルミニウム母材と金属化層部分の焼結開始温度、すなわち収縮開始温度が大きく異なるのが原因であることを突き止めたのである。
【００２７】
一般的に、Ｗの焼結開始温度は窒化アルミニウムの焼結温度に比べて低い。例えば、１８００〜１９００℃で焼結する窒化アルミニウムを考えると、窒化アルミニウムは１７００〜１８００℃で焼結開始されるのに対して、Ｗは１４００〜１５００℃で焼結開始される。このように、窒化アルミニウムとＷの焼結開始温度が大きく異なるため、例えばペーストが充填されたスルーホールを考えると、窒化アルミニウム母材が焼結開始、すなわち収縮開始するより前に、ペースト部分が収縮開始することになる。そのため、スルーホール周辺の結合が弱い部分にクラックが生じやすくなる。例えば、スルーホールに充填したペーストに不均一部分があればビア内部にクラックが生じ、一方で窒化アルミニウム母材に何かしらの欠陥があれば母材にクラックが生じる。ビア、窒化アルミニウムの両方ともに欠陥が無い場合は、母材とビアの界面でクラックが生じることになる。同様に、印刷された金属化層を考えても、金属化層周辺にクラックが生じやすく、これに起因して接合強度も低下する。
【００２８】
このクラック及び接合強度の低下を避けるためには、窒化アルミニウムとＷペースト部分の焼結開始温度を近づける必要がある。一つの方策が、使用するＷ粉末の粒径等の最適化である。ただし、一般的にＷ粒径だけで窒化アルミニウムとＷの焼結開始温度を近づけるのは困難である。もう一つの方策がＷ焼結開始温度を調節する無機物を添加することである。この無機物は窒化アルミニウム母材が収縮開始するまでは、少なくともＷの焼結を阻害する必要がある。
【００２９】
このような働きをする無機物を種々検討した結果、焼結によって得られる窒化アルミニウム焼結体と同一の組成からなる材料、前記グリーンシートにおけるのと同じ混合割合の窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合物、窒化アルミニウム粉末、炭化ケイ素粉末、窒化ケイ素粉末及び酸化イットリウム粉末の一種又はその混合物を使用することが効果的であることが判った。これらの無機物粉末は１７００℃程度では焼結が進まないため、Ｗの焼結を阻害する効果がある。一方、窒化アルミニウム母材は窒化アルミニウムと焼結助剤とが混合されたものであり、これらが反応して液相が出現したときに母材が収縮開始するが、この液相はＷペースト部分へも毛細管現象により浸透していく。この液相とＷペーストに混合した無機物粉末とが反応して、窒化アルミニウム収縮後にＷペーストが母材と同様に収縮していくのである。
【００３０】
窒化アルミニウムが収縮開始すると同時にＷの阻害効果がなくなるようにするには、無機物として窒化アルミニウム母材と実質的に同一成分の窒化アルミニウムを使用することが効果的である。これにより、Ｗペースト部分も窒化アルミニウム母材と近い収縮挙動を示すようになる。また、窒化アルミニウム単体粉末を無機物として使用してもよい。
【００３１】
さらに、無機物粉末として窒化ケイ素を用いれば、ビアの強度をさらに高めることができる。窒化アルミニウムを基板材料として用いる際には、基板表面を鏡面研磨して、その上に蒸着等によって回路基板を薄膜で形成することがある。回路形成精度の向上や、回路配線抵抗の低下が必要な用途に用いるためである。この回路基板において基板表面を研磨する際に、ビア強度が弱ければビア中のＷ粒が脱落することがある。ビアが脱落した基板は、薄膜による回路形成ができないため、回路基板として用いることができない。これを避けるためには、ビア強度を高める必要があり、ビア中に混合する無機物として、それ自体が非常に強度の強い窒化ケイ素を用いるのが非常に効果的なのである。
【００３２】
また、無機物として炭化ケイ素を用いることによって、ビアの熱伝導率を更に高めることができる。昨今、窒化アルミニウムをパッケージとして用いる際に、電気信号をパッケージ外に接続する端子として半田ボールを使用するボール・グリッド・アレイと言われるパッケージ形態が採用されることが多い。このパッケージ形態では、パッケージとマザーボード等は、半田ボールを介して接合される。
【００３３】
一方、このパッケージに搭載されるＩＣ素子は高速化、高機能化が進んでおり、それとともにＩＣ素子からの発熱量が増大している。そのため、ＩＣから発生する熱を速やかに放熱しないと、ＩＣが自身の発熱のため熱破壊するという問題がある。ＩＣからの熱はパッケージに伝熱し、さらに半田ボールを介して、マザーボード等に伝熱した後に放熱される。半田ボールはパッケージ内のスルーホールに接合されているため、スルーホールの熱伝導率が極めて重要な役割を果たす。Ｗは熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫであるが、ビア中のＷは完全には焼結されておらず、ところどころに気泡を含んだ構造をしているため、ビアの実質的な熱伝導率は１８０Ｗ／ｍＫより低下する。この熱伝導率の低下を補う必要があり、これに対して、ビア中に混合する無機物として熱伝導率が窒化アルミニウムより高い炭化ケイ素を用いるのが非常に効果的なのである。
【００３４】
また、無機物として酸化イットリウムを用いることにより、ビアと窒化アルミニウムとの接合強度を効果的に高めることができる。焼結中に酸化イットリウムは窒化アルミニウムの液相と反応して一部溶解するため、ビアと窒化アルミニウムとの間に連続的に分布する。酸化イットリウムは窒化アルミニウムの焼結助剤として一般的に用いられることから分かるように、窒化アルミニウムとの接合強度は高い。その酸化イットリウムがビアと窒化アルミニウムとの間に連続的に分布することにより、ビアと窒化アルミニウムとの接合強度が高くなるのである。
【００３５】
一方、原料として使用するＷ粉末の平均粒径としては２μｍ以上、５μｍ以下が好ましい。Ｗ粒径を数種類混合して用いることも多いが、その場合、２μｍ以上、５μｍ以下の粒径のＷを５０重量％以上用いることが好ましい。Ｗ粉末の平均粒径が２μｍより小さくなると、Ｗの焼結開始温度が窒化アルミニウムの焼結温度に比べて、かなり低くなる。例えば、１８００〜１９００℃で焼結する窒化アルミニウムを考えると、窒化アルミニウムは１７００〜１８００℃で焼結開始されるのに対して、Ｗは１３００〜１４００℃で焼結開始される。このように窒化アルミニウムとＷの焼結温度が大きく異なるため、特に金属化層厚が厚くなったり、ビア径が０．３ｍｍ以上と大きくなった場合には、上述のように無機物粉末をＷペーストに混合しても、無機物がその効果を発揮できなくなることが分かった。これはＷの焼結開始温度を高くして、窒化アルミニウムの焼結開始温度に近づけることができなくなったからである。これを避けるためにはＷ粉末の粒径を２μｍ以上にすることが望ましい。
【００３６】
一方、原料のＷ粉末の粒径が３μｍ等と大きくなるとＷの焼結性が劣化し、窒化アルミニウムの焼給温度でＷの焼結が充分に行われない可能性がある。しかしながら、Ｗの焼結開始温度を遅らせるために混合していた無機物粉末が、窒化アルミニウムの焼結開始温度を超えると逆に焼結促進効果を発揮する。そのため、Ｗ粒径が少々大きくてもＷの焼結は十分可能である。
【００３７】
ところで、特開平４−８３７８３号公報には、金属化層を平均粒径１．０乃至１．５μｍのＷ粉末に窒化アルミニウム焼結体と実質的に同一組成からなる無機物を３．０乃至１０．０重量％含有した構成とすることにより、接合強度を高めることが記載されている。そして、上記公報には、このＷ粉末の粒径の選定理由として、粒径が１．５μｍより大きいとＷ部分の収縮率と母材の収縮率が異なるためクラック等が避けられないことが記載されている。これに対して、本発明ではＷ粉末は２μｍ以上のものを用いている。なぜならば、Ｗ部分の収縮率はＷ粉末の粒径だけで決まるものではなく、混合する無機物粉末の粒径にも依存するからである。
【００３８】
例えば、スルーホールにペーストを充填する場合を考える。まず、Ｗ粉末だけを使用する場合を考える。Ｗ粒径が細かいと粉末の嵩密度が低くなることに起因して、ペースト内のＷの充填密度が低くなり、焼結時の収縮が極端に大きくなるため、窒化アルミニウム母材の収縮率と大きく異なるようになり、ビアにクラックが生じやすくなる。また、Ｗ粒径が細かいと凝集を避けることができず、ビアに均一にＷを充填できなくなり、同様にクラックが生じやすくなる。一般的には、Ｗ粉末の平均粒径が１μｍより小さくなると、Ｗの充填密度が極端に低くなったり、凝集が起こりやすくなったりするため、ビア内に生じるクラックを避けることが出来ない。逆にＷ粉末粒径が大きくなると、ペースト内のＷの充填密度が高くなる。同様に無機物粉末もＷ粉末と同じ効果があり、Ｗ粉末として粒径の大きなものを用いたとしても、細かい無機物粉末を用いると、それを打ち消すことができる。
【００３９】
今回、本発明者らは無機物粉末を用いることで、Ｗ粉末が２μｍ以上となっても収縮率の問題が発生しにくくなること、特に平均粒径２μｍ以下の窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び酸化イットリウム粉末のいずれかを用いることで、この問題を効果的に防げることを突き止めることができた。また、後述するようにＷ粉末には粒度分布のロット間ばらつき等が存在するが、これらのばらつきにできるだけ左右されないためには、平均粒径１．５μｍ以下の上記無機物粉末を用いるのが好ましいことも判った。
【００４０】
一方、Ｗの平均粒径が５μｍより大きくなると、Ｗの焼結性が著しく悪化するため、上記の無機物粉末を混合していても、窒化アルミニウムの焼結温度でＷの焼結が充分に行われない。そのため、金属化層と窒化アルミニウムとの接合強度が著しく弱くなり用いることが困難である。
【００４１】
これらＷの平均粒径が２〜５μｍの粉末を使用した場合、焼結後の平均粒径が同様に２〜５．５μｍとなる。一般的に、粉末を焼結した場合、粉末が粒成長するため、粉末の平均粒径より焼結後の平均粒径が大きくなるのが普通である。しかしながら、Ｗは難焼結材であり、窒化アルミニウムの窒素等の焼結雰囲気、焼結温度では、焼結があまり進まない。Ｗ粉末の粒子同士の一部が接合してはいるものの、粒全体が成長している構造とはならない。そのため、平均粒径としては焼結前とほぼ同じとなるのである。この構造は焼結体内部では顕著である。焼結体表面に形成されたＷでは、ある程度粒成長した構造とはなっており、粒同士も密に結合されてはいるが、焼結体内部と大差はない粒径となっている。焼結体中のＷの平均粒径は、好ましくは２．５μｍ〜４．５μｍ以下である。
【００４２】
一方、無機物粉末は、焼結後の平均粒径が１μｍ以上、４μｍ以下となる。特に１．５μｍといった細かい粉末を使用した場合は１μｍ以上、３μｍ以下となる。これらの粒子はＷ粉末とお互い影響しながら粒成長するため、粒径が小さくなる。
【００４３】
Ｗ粉末の平均粒径は、好ましくは２．５〜４μｍである。異なる平均粒径を有するＷ粉末を数種類混合して用いることも多いが、その場合には、２．５〜４μｍの平均粒径Ｗを５０重量％以上用いることが好ましい。一般的にＷは平均粒径に対して、ある程度ブロードな粒度分布を持っている。この粒度分布の広がりは粉末ロットによって、ある程度上下する。通常、平均粒径を中心に１〜２μｍ程度の幅を持っているが、場合によっては２〜３μｍ程度に広がることもある。その場合、Ｗ粉末の平均粒径が２．５μｍより小さいと、粒度分布が大きかった場合、分布の中の小さなＷ粉末が起点となって金属化層にクラックが生じることがある。平均粒径が２μｍ以上あっても、分布の中の小さなＷ粉末が低い温度で焼結、すなわち収縮開始してしまうからである。一方、Ｗ粉末の平均粒径が４μｍより大きいと、粒度分布が大きかった場合、平均粒径が５μｍ以下であっても、分布の中の大きな粉末が未焼となることがある。これらを避けるには、Ｗ粉末の平均粒径を２．５〜４μｍとすることが好ましいのである。
【００４４】
前記無機物粉末の含有量は１重量％以上、３０重量％以下であることが望ましい。無機物の含有量が１重量％より小さいと、前述したＷ粉末の焼給開始温度の阻害効果が充分に得られないため、クラックや接合強度の低下を十分に避けることができない。また、３０重量％より大きいと、金属化層の抵抗値が高くなるため、半導体やＩＣ用の基板、パッケージとして用いることができない。
【００４５】
さらには、前記無機物粉末の含有量は５重量％以上、１５重量％以下であると好ましい。前述したようにＷ粉末には粒度分布のロット間ばらつき等が存在するが、これらのばらつきに出来るだけ左右されないためには、無機物の含有量を５重量％以上にした方がよい。細かい粒径のＷ粉末を多く含む場合、無機物がより多くする必要があるためである。また、昨今の低抵抗化の要求に応えるには、無機物の含有量が３０重量％では、抵抗が高くなりすぎるため、１５重量％以下が望ましい。
【００４６】
上述したようなＷ粉末及び無機物粉末をエチルセルロース、ニトロセルロース等の樹脂結合剤とブチルカルビトール、テルピネオール等の溶剤に分散させることによってペーストを得る。通常樹脂結合剤は、Ｗ粉末及び無機物粉末を１００重量部とした場合、１〜３重量部混合し、溶剤は３〜１５重量部程度混合する。
【００４７】
上記のペーストを窒化アルミニウムのグリーンシートのスルーホールに充填、もしくは回路印刷した後、必要に応じてグリーンシートを積層する。積層はシートをモールド中にセットした後に、プレス機により５０〜８０℃程度に熱しながら、５〜１０ＭＰａ程度の圧力を１０〜２０分程度かけることにより、熱圧着する。シート間には必要に応じて溶剤や接着剤を塗布してもよい。
【００４８】
積層したシートは、任意の形に切断された後に焼結される。焼結に先立ち、窒化アルミニウムのグリーンシートの樹脂結合剤、可塑剤、及びペーストの媒体を除去するために、例えば３００〜８００℃というような温度で脱脂処理をしてもよい。焼結は非酸化性雰囲気中で行うが、窒素雰囲気中で行うのが好ましい。焼結温度、焼結時間は、焼結後の窒化アルミニウム焼結体が熱伝導率等の特性が所望の値となるように設定される。一般的に焼結温度は１６００〜２０００℃であり、焼結時間は１〜５時間程度に設定される。
【００４９】
前記のごとく、本発明の金属化層を有する窒化アルミニウム基板は、金属化層が厚くなった場合でも、金属化層内に生じるクラックを防ぎ、窒化アルミニウムとの接合強度を高めることができる。また、グリーンシートを用いた同時焼結法によらなくても、例えば、窒化アルミニウム基板単体を一旦焼結した後に、本発明の特徴である金属化層を実現するペーストを基板に塗布し、非酸化雰囲気中、１６００〜２０００℃で焼結することによっても、金属化層が厚くなった場合でも、金属化層内に生じるクラックを防ぎ、窒化アルミニウムとの接合強度も高めることができ金属化層を有する窒化アルミニウム基板を得ることができる。
ただし、この方法では、多層構造やスルーホールやビアを有する窒化アルミニウム焼結体を得ることは困難である。
【００５０】
【実施例】
＜窒化アルミニウム母材と同一の組成物＞
実施例１
９７重量部の窒化アルミニウム粉末と３重量部のＹ２Ｏ３粉末を混合し、ポリビニルブチラールを樹脂結合剤とし、ジブチルフタレートを可塑剤として、それぞれ１０重量部、５重量部混合して、ドクターブレード法にて、０．５ｍｍ厚さのグリーンシートを成形した。これを、金型を使用して１００×１００ｍｍに打ち抜いた後、パンチャーにて直径０．４ｍｍのスルーホールを形成した。
【００５１】
次に、Ｗ粉末と、窒化アルミニウム粉末及びＹ２Ｏ３粉末を前記グリーンシートにおけるのと同じ割合になるように混合した粉末とを９０：１０の割合で混合した。混合した無機物粉末の平均粒径は２．０μｍであった。これらの粉末を１００重量部として、５重量部の樹脂結合剤であるエチルセルロースと、５重量部の溶媒であるブチルカルビトールに分散させてペーストを作製した。使用したＷ粉末の平均粒径を後掲の表１に示す。このペーストをスクリーン印刷機にてスルーホールに充填した。
【００５２】
さらに、同じペーストに５重量部のブチルカルビトールを混合して粘度を低下させ、スクリーン印刷機にて、３２５メッシュ、乳剤厚２０μｍのスクリーンを用いて回路印刷を行った。
次に、印刷後のシートを２枚重ねて積層した。積層はモールドにシートを２枚重ねてセットし、プレス機にて５０℃に熱しつつ、１０ＭＰａの圧力で２分間熱圧着することで行った。
【００５３】
その後、窒素雰囲気中で６００℃にて脱脂を行い、窒素雰囲気中で１８００℃、３時間の条件で焼結を行った。焼結後、窒化アルミニウム上には、回路配線の部分は１０μｍの厚みの金属化層が形成されており、ビア部分は直径０．３５ｍｍのビアに金属化層が形成されていた。この状態で、回路印刷部分、ビア部分にクラックが発生していないかどうかを４０倍の顕微鏡で確認した。
【００５４】
この金属化層が形成された窒化アルミニウム基板の金属化層の上に、無電解めっき法にて、厚み３〜５μｍのＮｉめっき層を形成した。次に８００℃のホーミングガス中でめっき層をアニールし、その後、直径０．５ｍｍ、引っ張り強度５００ＭＰａのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金ピンを銀ろうを用いてろう付けした。ろう付け温度は８００℃、雰囲気は水素及び窒素の混合ガス雰囲気であった。
【００５５】
次に、窒化アルミニウム基板を固定し、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金ピンを引っ張り、強度を測定し、破壊モードを観察した。さらに、回路印刷部分及びビア部分にクラックが発生していないかどうかを確認するために、断面を研磨し、電子顕微鏡でクラックの有無を１０００倍にて観察した。これらの評価結果をペースト配合内容と同様に後掲の表１に示す。
【００５６】
Ｗ粉末粒径が２〜５μｍであり、Ｗ粒径が２〜５．５μｍであるものは、引っ張り強さ２０ＭＰａで金属化層とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ線とのろう付け部分が破断した。これより、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度は、２０ＭＰａであることが分かる。一方、Ｗ粉末粒径及び焼結後のＷ粒径が細かいものについては、接合強度が２０ＭＰａより低く、強度の低いペーストはビアの真上の金属化層内で破壊していた。
【００５７】
【表１】
2004018297.tif 000002
【００５８】
実施例２
Ｗ粉末のロットを変更して、実施例１と同様の試料を作製し、実験を行い、Ｗ粉末ロットによって引っ張り強度、金属化層のクラックがどう影響を受けるかを調べた。使用したＷ粉末ロット数はそれぞれの粒径に対して１０ロットである。これらのロットに対して、実施例１と同様の評価を行った。１０ロットの中で、引っ張り強度が一番低かったロットの結果を表２に示す。
Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及びＷ粒径が２〜５．５μｍを外れるもののうち、Ｗ粉末、焼結後のＷ粒径が細かいものについては、ビアにクラックが認められた。
また、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及びＷ粒径が２〜５．５μｍであっても、Ｗ粉末粒径が２．５μｍより小さいものには、ビアにクラックが認められた。
【００５９】
引っ張り強度及び破壊モードについては、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及び焼結後のＷ粒径が２〜５．５μｍの範囲内であっても、Ｗ粉末粒径が２．５μｍより小さいもの、４μｍより大きいものは、接合強度が２０ＭＰａより低く、ビアの真上の金属層内で破壊していた。Ｗ粉末粒径が２．５〜４μｍ及びＷ粒径が２．５〜４．５μｍのものは、引っ張り強さ２０ＭＰａで金属化層とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ線とのろう付け部分が破断した。これより、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度は２０ＭＰａ以上であることが分かる。
【００６０】
【表２】
2004018297.tif 000003
【００６１】
実施例３
実施例１の試料４と同様のＷ粉末を用い、無機物がビアの金属化層中に占める役割を変化させて、その影響を調べた。金属化層中に占める無機物の割合を後掲の表３に示す。実施例１と同様にして試料を作製し、評価方法も実施例１と同様の方法を用いた。
【００６２】
各試料のピンの引っ張り強度、ビア部分のクラックを測定した結果を後掲の表３に示す。また、試料のビア上下面の導通をテスターにて測定し、ビアの電気抵抗を測定した結果を併せて表３に示す。無機物のビアの金属化層中に占める割合が１重量％以上、３０重量％以下であれば、引っ張り強度は２０ＭＰａ以上であり、クラックも生じなかった。また、ビアの電気抵抗も５ｍΩ以下と良好であった。一方、この割合が１重量％より小さくなるとビアにクラックが認められた。逆に３０重量％より大きくなると電気抵抗の非常に大きなビアが認められた。
【００６３】
【表３】
2004018297.tif 000004
【００６４】
実施例４
実施例３の各試料に対して、Ｗ粉末のロットを変更して、実施例３と同様の実験を行い、Ｗ粉末ロットによって引っ張り強度、金属化層のクラックがどう影響を受けるかを調べた。使用したＷ粉末ロット数はそれぞれの粒径に対して１０ロットである。これらのロットに対して、実施例３と同様に試料を作製し、評価を行った。１０ロットの中で引っ張り強度が一番低かったロットの結果を後掲の表４に示す。
【００６５】
表４から分かるように、無機物の金属化層中に占める割合が５重量％より小さいと、Ｗ粉末のロットによっては接合強度が２０ＭＰａより低く、強度の低いペーストはビアの真上の金属化層内で破壊していた。また、この試料には同様にビアクラックが発生していたことが分かった。
【００６６】
【表４】
2004018297.tif 000005
【００６７】
実施例５
実施例１の試料５について、混合する無機物粒径を変化させて、その影響を調査した。無機物の粒径を後掲の表５に示す。実施例１と同様にして試料を作製し、評価方法も実施例１と同様の方法を用いた。実施例１と同様にして、各試料にピンの引っ張り強度、ビア部分のクラックを測定した結果を表５に示した。
【００６８】
無機物粉末の粒径が３．０μｍ以上の場合は、ビア部分にクラックが生じることが分かった。このとき、ピンの引っ張り強度も若干弱くなっていた。焼結した基板を観察すると、試料４４及び４５はビア部分が突出していた。特に、試料４５の微細構造を観察した結果、添加した無機物が完全には焼結していなかった。また、試料３９及び４４のビア部分の微細構造を観察すると、実使用上に問題となるクラックには至っていないものの、マイクロクラックが所々観察された。
【００６９】
【表５】
2004018297.tif 000006
【００７０】
実施例６
実施例１の試料５について、混合する無機物を窒化アルミニウム単体に替えて、その影響を調査した。試料の作製、その評価方法は実施例１と同様であった。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。
【００７１】
実施例７
実施例１の試料６について、混合する窒化アルミニウム母材と同一組成の無機物を１重量％及び５重量％として、その影響を調査した。また、同時にＷ粉末ロットによって引っ張り強度、金属化層のクラックがどう影響を受けるかを調べた。使用したＷ粉末ロット数は１０ロットである。実験方法等は実施例１と同じとした。その結果、無機物の添加量が５重量％の試料は全てのＷ粉末ロットでクラックが認められず、ピンの引っ張り強度も２０ＭＰａであった。一方無機物の添加量が１重量％のものも、クラックが認められず、ピンの引っ張り強度も２０ＭＰａのＷ粉末ロットもあったが、５ロットには金属化層中に微少なクラックが認められ、クラックが認められたロットのピンの引っ張り強度も１６ＭＰａと２０ＭＰａより小さくなった。
【００７２】
＜窒化ケイ素＞
実施例８
Ｗペーストを、Ｗ粉末と窒化ケイ素粉末とを９０：１０の割合で混合して作製した以外は、実施例１と同様にして金属化層が形成された窒化アルミニウム焼結体を製造した。さらに、得られた窒化アルミニウム基板に、実施例１と同様にして、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金ピンをろう付けし、引っ張り強度測定及び破壊モードの観察を行ったほか、その断面を研磨し、電子顕微鏡で観察した。これらの評価結果を以下の表６に示す。
【００７３】
Ｗ粉末粒径が２〜５μｍであり、焼結後のＷ平均粒径が２〜５．５μｍであるものは、回路印刷面、ビア部分ともにクラックは生じていなかった。一方、上記範囲を外れるもので、Ｗ粉末及び焼結後の平均粒径が細かいものについては、ビアにクラックが認められた。また、引っ張り強度については、引っ張り強さ２０ＭＰａで金属化層とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ線とのろう付け部分が破断した。これより、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度は、２０ＭＰａであることが分かる。一方、Ｗ粉末粒径及び焼結後のＷ粒径が細かいものについては、接合強度が２０ＭＰａより低く、強度の低いペーストはビアの真上の金属化層内で破壊していた。
【００７４】
【表６】
2004018297.tif 000007
【００７５】
実施例９
Ｗ粉末のロットを変更して、実施例８と同様の実験を行い、Ｗ粉末ロットによって引っ張り強度、金属化層のクラックがどう影響を受けるかを調べた。使用したＷ粉末ロット数はそれぞれの粒径に対して１０ロットである。これらのロットに対して、実施例８と同様の評価を行った。１０ロットの中で、引っ張り強度が一番低かったロットの結果を下記表７に示す。Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及びＷ粒径が２〜５．５μｍを外れるもののうち、Ｗ粉末、焼結後のＷ粒径が細かいものについては、ビアにクラックが認められた。
また、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及びＷ粒径が２〜５．５μｍであっても、Ｗ粉末粒径が２．５μｍより小さいものには、ビアにクラックが認められた。
【００７６】
引っ張り強度及び破壊モードについては、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及び焼結後のＷ粒径が２〜５．５μｍの範囲内であっても、Ｗ粉末粒径が２．５μｍより小さいもの、４μｍより大きいものは、接合強度が２０ＭＰａより低く、ビアの真上の金属層内で破壊していた。Ｗ粉末粒径が２．５〜４μｍ及びＷ粒径が２．５〜４．５μｍのものは、引っ張り強さ２０ＭＰａで金属化層とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ線とのろう付け部分が破断した。これより、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度は２０ＭＰａ以上であることが分かる。
【００７７】
【表７】
2004018297.tif 000008
【００７８】
実施例１０
実施例８の試料５０と同様の、平均粒径が３．０μｍのＷ粉末を用い、無機物がビアの金属化層中に占める役割を変化させて、その影響を調べた。金属化層中に占める無機物の割合を後掲の表３に示す。実施例８と同様にして試料を作製し、評価方法も実施例８と同様の方法を用いた。
【００７９】
各試料のピンの引っ張り強度、ビア部分のクラックを測定した結果を後掲の表８に示す。また、試料のビア上下面の導通をテスターにて測定し、ビアの電気抵抗を測定した結果を併せて表８に示す。無機物のビアの金属化層中に占める割合が１〜３０重量％であれば、引っ張り強度は２０ＭＰａ以上であり、クラックも生じなかった。また、ビアの電気抵抗も５ｍΩ以下と良好であった。一方、この割合が１重量％より小さくなるとビアにクラックが認められた。逆に３０重量％より大きくなると電気抵抗の非常に大きなビアが認められた。
【００８０】
【表８】
2004018297.tif 000009
【００８１】
実施例１１
実施例１０の各試料に対して、Ｗ粉末のロットを変更して、実施例１０と同様の実験を行い、Ｗ粉末ロットによって引っ張り強度、金属化層のクラックがどう影響を受けるかを調べた。使用したＷ粉末ロット数はそれぞれの粒径に対して１０ロットである。これらのロットに対して、実施例１０と同様に試料を作製し、評価を行った。１０ロットの中で引っ張り強度が一番低かったロットの結果を後掲の表９に示す。
【００８２】
表９から分かるように、無機物の金属化層中に占める割合が５重量％より小さいと、Ｗ粉末のロットによっては接合強度が２０ＭＰａより低く、強度の低いペーストはビアの真上の金属化層内で破壊していた。また、この試料には同様にビアクラックが発生していたことが分かった。
【００８３】
【表９】
2004018297.tif 000010
【００８４】
実施例１２
実施例８の試料５０について、混合する無機物粒径を変化させて、その影響を調査した。無機物の粒径を後掲の表１０に示す。実施例８と同様にして試料を作製し、評価方法も実施例８と同様の方法を用いた。実施例８と同様にして、各試料にピンの引っ張り強度、ビア部分のクラックを測定した結果を表１０に示した。
【００８５】
無機物粉末の粒径が３．０μｍ以上の場合は、ビア部分にクラックが生じることが分かった。このとき、ピンの引っ張り強度も若干弱くなっていた。焼結した基板を観察すると、試料８９及び９０はビア部分が突出していた。特に、試料９０の微細構造を観察した結果、添加した無機物が完全には焼結していなかった。また、試料８４及び８９のビア部分の微細構造を観察すると、実使用上に問題となるクラックには至っていないものの、マイクロクラックが所々観察された。
【００８６】
【表１０】
2004018297.tif 000011
【００８７】
＜炭化ケイ素＞
実施例１３
Ｗペーストを、Ｗ粉末と炭化ケイ素粉末とを９０：１０の割合で混合して作製した以外は、実施例１と同様にして金属化層が形成された試料を作製した。さらに、得られた窒化アルミニウム基板に、実施例１と同様にして、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金ピンをろう付けし、引っ張り強度測定及び破壊モードの観察を行ったほか、その断面を研磨し、電子顕微鏡で観察した。これらの評価結果を以下の表１１に示す。
【００８８】
Ｗ粒径が２〜５μｍであり、焼結後のＷ平均粒径が２〜５．５μｍであるものは、回路印刷面、ビア部分ともにクラックは生じていなかった。一方、Ｗ粒径及び焼結後の平均粒径が細かいものについては、ビアにクラックが認められた。また、引っ張り強度については、引っ張り強さ２０ＭＰａで金属化層とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ線とのろう付け部分が破断した。これより、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度は、２０ＭＰａであることが分かる。一方、Ｗ粉末粒径及び焼結後のＷ粒径が細かいものについては、接合強度が２０ＭＰａより低く、強度の低いペーストはビアの真上の金属化層内で破壊していた。
【００８９】
【表１１】
2004018297.tif 000012
【００９０】
実施例１４
Ｗ粉末のロットを変更して、実施例１３と同様の実験を行い、Ｗ粉末ロットによって引っ張り強度、金属化層のクラックがどう影響を受けるかを調べた。使用したＷ粉末ロット数はそれぞれの粒径に対して１０ロットである。これらのロットに対して、実施例１３と同様の評価を行った。１０ロットの中で、引っ張り強度が一番低かったロットの結果を下記表１２に示す。Ｗ粉末、焼結後のＷ粒径が細かいものについては、ビアにクラックが認められた。
また、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及びＷ粒径が２〜５．５μｍであっても、Ｗ粉末粒径が２．５μｍより小さいものには、ビアにクラックが認められた。
【００９１】
引っ張り強度及び破壊モードについては、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及び焼結後のＷ粒径が２〜５．５μｍの範囲内であっても、Ｗ粉末粒径が２．５μｍより小さいもの、４μｍより大きいものは、接合強度が２０ＭＰａより低く、ビアの真上の金属層内で破壊していた。Ｗ粉末粒径が２．５〜４μｍ及びＷ粒径が２．５〜４．５μｍのものは、引っ張り強さ２０ＭＰａで金属化層とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ線とのろう付け部分が破断した。これより、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度は２０ＭＰａ以上であることが分かる。
【００９２】
【表１２】
2004018297.tif 000013
【００９３】
実施例１５
実施例１３の試料９５と同様の、平均粒径が３．０μｍのＷ粉末を用い、無機物がビアの金属化層中に占める役割を変化させて、その影響を調べた。金属化層中に占める無機物の割合を後掲の表１３に示す。実施例１３と同様にして試料を作製し、評価方法も実施例１３と同様の方法を用いた。
【００９４】
各試料のピンの引っ張り強度、ビア部分のクラックを測定した結果を後掲の表１３に示す。また、試料のビア上下面の導通をテスターにて測定し、ビアの電気抵抗を測定した結果を併せて表１３に示す。無機物のビアの金属化層中に占める割合が１〜３０重量％であれば、引っ張り強度は２０ＭＰａ以上であり、クラックも生じなかった。また、ビアの電気抵抗も５ｍΩ以下と良好であった。一方、この割合が１重量％より小さくなるとビアにクラックが認められた。逆に３０重量％より大きくなると電気抵抗の非常に大きなビアが認められた。
【００９５】
【表１３】
2004018297.tif 000014
【００９６】
実施例１６
実施例１５の各試料に対して、Ｗ粉末のロットを変更した以外は同様に試料を作製し、実施例１５と同様の実験を行い、Ｗ粉末ロットによって引っ張り強度、金属化層のクラックがどう影響を受けるかを調べた。使用したＷ粉末ロット数はそれぞれの粒径に対して１０ロットである。これらのロットに対して、実施例１５と同様に試料を作製し、評価を行った。１０ロットの中で引っ張り強度が一番低かったロットの結果を後掲の表１４に示す。
【００９７】
表１４から分かるように、無機物の金属化層中に占める割合が５重量％より小さいと、Ｗ粉末のロットによっては接合強度が２０ＭＰａより低く、強度の低いペーストはビアの真上の金属化層内で破壊していた。また、この試料には同様にビアクラックが発生していたことが分かった。
【００９８】
【表１４】
2004018297.tif 000015
【００９９】
実施例１７
実施例１３の試料９５について、混合する無機物粒径を変化させて、その影響を調査した。無機物の粒径を後掲の表１５に示す。実施例１３と同様にして試料を作製し、評価方法も実施例１３と同様の方法を用いた。この試料について、ピンの引っ張り強度、ビア部分のクラックを測定した結果を表１５に示した。
【０１００】
無機物粉末の粒径が３．０μｍ以上の場合は、ビア部分にクラックが生じることが分かった。このとき、ピンの引っ張り強度も若干弱くなっていた。焼結した基板を観察すると、試料１３４及び１３５はビア部分が突出していた。特に、試料１３５の微細構造を観察した結果、添加した無機物が完全には焼結していなかった。また、試料１２９及び１３４のビア部分の微細構造を観察すると、実使用上に問題となるクラックには至っていないものの、マイクロクラックが所々観察された。
【０１０１】
【表１５】
2004018297.tif 000016
【０１０２】
＜酸化イットリウム＞
実施例１８
Ｗペーストを、Ｗ粉末と酸化イットリウム粉末とを９０：１０の割合で混合して作製した以外は、実施例１と同様にして金属化層が形成された試料を作製した。さらに、得られた窒化アルミニウム基板に、実施例１と同様にして、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金ピンをろう付けし、引っ張り強度測定及び破壊モードの観察を行ったほか、その断面を研磨し、電子顕微鏡で観察した。これらの評価結果を以下の表１６に示す。
【０１０３】
Ｗ粉末粒径が２〜５μｍであり、焼結後のＷ平均粒径が２〜５．５μｍであるものは、回路印刷面、ビア部分ともにクラックは生じていなかった。一方、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及びＷ粒径が２〜５．５μｍを外れるもののうち、Ｗ粉末、焼結後のＷ粒径が細かいものについては、ビアにクラックが認められた。
また、引っ張り強度については、引っ張り強さ２０ＭＰａで金属化層とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ線とのろう付け部分が破断した。これより、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度は、２０ＭＰａであることが分かる。一方、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍの範囲外の配合のペーストは、接合強度が２０ＭＰａより低く接合強度が２０ＭＰａより低く、強度の低いペーストはビアの真上の金属化層内で破壊していた。
【０１０４】
【表１６】
2004018297.tif 000017
【０１０５】
実施例１９
Ｗ粉末のロットを変更して、実施例１８と同様の試料を作製し、実験を行い、Ｗ粉末ロットによって引っ張り強度、金属化層のクラックがどう影響を受けるかを調べた。使用したＷ粉末ロット数はそれぞれの粒径に対して１０ロットである。これらのロットに対して、実施例１８と同様の評価を行った。１０ロットの中で、引っ張り強度が一番低かったロットの結果を表１７に示す。
Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及び焼結後のＷ粒径が２〜５．５μｍを外れるもののうち、Ｗ粉末、焼結後のＷ粒径が細かいものについては、ビアにクラックが認められた。
また、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及びＷ粒径が２〜５．５μｍであっても、Ｗ粉末粒径が２．５μｍより小さいものには、ビアにクラックが認められた。
【０１０６】
引っ張り強度及び破壊モードについては、Ｗ粉末粒径が２〜５μｍ及び焼結後のＷ粒径が２〜５．５μｍの範囲内であっても、Ｗ粉末粒径が２．５μｍより小さいもの、４μｍより大きいものは、接合強度が２０ＭＰａより低く、ビアの真上の金属層内で破壊していた。Ｗ粉末粒径が２．５〜４μｍ及びＷ粒径が２．５〜４．５μｍのものは、引っ張り強さ２０ＭＰａで金属化層とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ線とのろう付け部分が破断した。これより、窒化アルミニウムと金属化層との接合強度は２０ＭＰａ以上であることが分かる。
【０１０７】
【表１７】
2004018297.tif 000018
【０１０８】
実施例２０
実施例１８の試料１４０と同様の、平均粒径が３．０μｍのＷ粉末を用い、無機物がビアの金属化層中に占める役割を変化させて、その影響を調べた。金属化層中に占める無機物の割合を後掲の表１８に示す。実施例１８と同様にして試料を作製し、評価方法も実施例１８と同様の方法を用いた。
【０１０９】
各試料のピンの引っ張り強度、ビア部分のクラックを測定した結果を後掲の表１８に示す。また、試料のビア上下面の導通をテスターにて測定し、ビアの電気抵抗を測定した結果を併せて表１８に示す。無機物のビアの金属化層中に占める割合が１〜３０重量％であれば、引っ張り強度は２０ＭＰａ以上であり、クラックも生じなかった。また、ビアの電気抵抗も５ｍΩ以下と良好であった。一方、この割合が１重量％より小さくなるとビアにクラックが認められた。逆に３０重量％より大きくなると電気抵抗の非常に大きなビアが認められた。
【０１１０】
【表１８】
2004018297.tif 000019
【０１１１】
実施例２１
実施例２０の各試料について、Ｗ粉末のロットを変更した以外は実施例２０と同様にして試料を作製し、実験を行い、Ｗ粉末ロットによって引っ張り強度、金属化層のクラックがどう影響を受けるかを調べた。使用したＷ粉末ロット数はそれぞれの粒径に対して１０ロットである。これらのロットに対して、実施例２０と同様に試料を作製し、評価を行った。１０ロットの中で引っ張り強度が一番低かったロットの結果を後掲の表１９に示す。
【０１１２】
表１９から分かるように、無機物の金属化層中に占める割合が５重量％より小さいと、Ｗ粉末のロットによっては接合強度が２０ＭＰａより低く、強度の低いペーストはビアの真上の金属化層内で破壊していた。また、この試料には同様にビアクラックが発生していたことが分かった。
【０１１３】
【表１９】
2004018297.tif 000020
【０１１４】
実施例２２
実施例１８の試料１４０について、混合する無機物粒径を変化させて、その影響を調査した。無機物の粒径を後掲の表２０に示す。実施例１８と同様にして試料を作製し、評価方法も実施例１８と同様の方法を用いた。各試料のピンの引っ張り強度、ビア部分のクラックを測定した結果を表２０に示した。
【０１１５】
無機物粉末の粒径が３．０μｍ以上の場合は、ビア部分にクラックが生じることが分かった。このとき、ピンの引っ張り強度も若干弱くなっていた。焼結した基板を観察すると、試料１７９及び１８０はビア部分が突出していた。特に、試料１８０の微細構造を観察した結果、添加した無機物が完全には焼結していなかった。また、試料１７４及び１７９のビア部分の微細構造を観察すると、実使用上に問題となるクラックには至っていないものの、マイクロクラックが所々観察された。
【０１１６】
【表２０】
2004018297.tif 000021
【０１１７】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化アルミニウム上に形成する主に導体高融点金属からなる金属化層において、この金属化層を、導体高融点金属として窒化アルミニウムと熱膨張率の近いＷを含み、更に窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化イットリウム等の無機物を含有するペーストから形成することにより、金属化層のクラックを防ぎ、窒化アルミニウムとの密着強度を高くすることができる。本発明は、金属化層が０．１ｍｍ程度に厚くなったときや、ビア径が０．３ｍｍと大きくなったときにも有効である。そのため、窒化アルミニウムをＩＣ用の基板及びパッケージとして好適に用いることができる。