(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基板の少なくとも表面にメタライズ金属層を具備してなる配線基板において、前記メタライズ金属層が、モリブデン、タングステンのうちの少なくとも１種を主金属成分とし、該主金属成分１００重量部に対してＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種を酸化物換算にて０．１〜２重量部、アルカリ土類元素を酸化物換算にて０．０１〜０．１重量部、及びアルミニウムを酸化物換算にて３〜１０重量部の割合で含むとともに、窒化アルミニウムを実質上含まないことを特徴とする窒化アルミニウム質基板。
【請求項２】
前記絶縁基板と前記メタライズ金属層との界面にアルカリ土類元素の高濃度層が存在することを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム質基板。
【請求項３】
前記メタライズ金属層の接合強度が３ｋｇｆ以上であり、導通抵抗が１５ｍΩ／□以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の窒化アルミニウム質基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか記載の窒化アルミニウム質基板の表面に、前記メタライズ金属層を介して電子素子を気密に封止するための蓋体が接合されてなることを特徴とするパッケージ。
【請求項５】
前記蓋体による封止構造におけるＨｅリークレートが１×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項４記載のパッケージ。
【請求項６】
窒化アルミニウム質絶縁基板用成形体の表面に有機成分以外の固形成分を基準として、モリブデン、タングステンのうちの少なくとも１種の金属を主金属成分とし、該主金属成分１００重量部に対してＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種を酸化物換算にて０．１〜２重量部、アルカリ土類元素化合物を酸化物換算にて０．０１〜０．１重量部、酸化アルミニウムを３〜１０重量部の割合で含有するメタライズペーストを塗布した後、１７００℃以下の非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とする窒化アルミニウム質基板の製造方法。
【請求項７】
前記焼成において、１２００℃以下において一時的に保持し、前記絶縁基板と前記メタライズ金属層との界面にアルカリ土類元素の高濃度層を形成させることを特徴とする請求項６記載の窒化アルミニウム質基板の製造方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７記載の窒化アルミニウム質基板の製造方法で作製した窒化アルミニウム質基板の表面に電気素子を実装した後、前記メタライズ金属層の表面に蓋体をロウ付けし、前記電気素子を前記蓋体によって気密に封止することを特徴とするパッケージの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種配線基板や半導体素子収納用パッケージ等に適用されるメタライズ金属層を有する窒化アルミニウム質基板に関するものであり、詳細には１７００℃以下の低温で焼結ができ、緻密質なメタライズ金属層を有する窒化アルミニウム質基板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の高集積化に伴って、半導体装置からの発生熱が増大する傾向にあり、これによって生じる半導体装置の誤動作をなくすために、放熱性に優れた基板材料が求められている。
【０００３】
各種絶縁基板や半導体素子収納用パッケージには、従来よりアルミナ材が使用されているが、その熱伝導率は約２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度という低い値であるために、これに代わって高熱伝導率の窒化アルミニウム材が注目されている。
【０００４】
この窒化アルミニウム材については、熱伝導率の理論値が３２０Ｗ／ｍ・Ｋという高い値であるために、それに近づける研究開発の結果、最近では２００Ｗ／ｍ・Ｋという高い熱伝導率の窒化アルミニウム質焼結体が得られている。
【０００５】
かかる窒化アルミニウム質焼結体の製造方法としては、窒化アルミニウムに対して希土類化合物またはアルカリ土類化合物等の焼結助剤を添加して１８００℃以上の高温で焼成する方法が提案されている。
【０００６】
しかしながら、この製造方法においては、焼成に使用する治具の消耗や、焼成炉の構造、さらにランニングコスト等を考慮すると製造コストが相当に高くなるという問題点がある。
【０００７】
そこで、かかる問題点を解消して製造コストを低減させるために、焼結助剤として希土類化合物とアルカリ土類化合物との双方を添加して１６００〜１７００℃の温度で低温で焼成する方法が提案されている。加えて、窒化アルミニウム質基板とタングステン等を主成分とするメタライズ金属層とを同時焼成する際、活性金属等を添加する方法あるいは焼結助剤として窒化アルミニウム成分を添加する技術も提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように低温での同時焼成によって窒化アルミニウム質基板を作製する場合には、基板自体が低温焼成可能であるとともに、メタライズ金属層においても低温焼成が可能であることが要求されている。
【０００９】
ところが、従来のメタライズ組成物は１８００℃以上の高温焼成に適用されるもので、メタライズ金属層中に窒化アルミニウム成分を存在させることにより、メタライズ金属層と絶縁基板との密着性を高めることが出来るものの、１７００℃以下の同時焼成において、メタライズ組成物に窒化アルミニウム質成分を添加したり、焼結過程で窒化アルミニウムが生成されてしまうと、その窒化アルミニウムが逆に焼結を阻害するように作用してしまい、また、絶縁基板との接合強度が十分に得られないという問題点があった。
【００１０】
そこで、メタライズ金属層中へのＴｉなどの活性金属の添加により焼結性を向上させる技術も提案されているが、メタライズ金属層中に窒化アルミニウム成分が存在すると、焼結性が阻害され、さらに導通抵抗が高くなる要因ともなっていた。
【００１１】
したがって、本発明は、１７００℃以下の低温で絶縁基板とメタライズ金属層とを同時焼成することができるとともに、窒化アルミニウム質絶縁基板に対して高い接合強度を有する緻密質なメタライズ金属層を有する窒化アルミニウム質基板およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化アルミニウム質基板は、タングステン、モリブデンの少なくとも１種を主金属成分として含有するメタライズ金属層を有するものであるが、特に、このメタライズ金属層中に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種、アルカリ土類元素、及びアルミニウムを所定比率で含有させるとともに、メタライズ金属中に実質上、窒化アルミニウムを含まないことによって上記目的が達成されることを見いだし、本発明に至った。
【００１３】
即ち、本発明の窒化アルミニウム質基板は、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基板の少なくとも表面にメタライズ金属層を具備してなり、前記メタライズ金属層が、モリブデン、タングステンのうちの少なくとも１種を主金属成分とし、該主金属成分１００重量部に対してＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種を酸化物換算にて０．１〜２重量部、アルカリ土類元素を酸化物換算にて０．０１〜０．１重量部、及びアルミニウムを酸化物換算にて３〜１０重量部の割合で含むとともに、窒化アルミニウムを実質上含まないことを特徴とするものであり、さらには前記絶縁基板と前記メタライズ金属層との界面にアルカリ土類元素の高濃度層が存在すること、前記メタライズ金属層の接合強度が３ｋｇｆ以上であり、導通抵抗が１５ｍΩ／□以下であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記絶縁基板の表面には、前記メタライズ金属層を介して電気素子を気密に封止するための蓋体が接合されてなることを特徴とし、かかる封止構造におけるＨｅリークレートが１×１０-8ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であることを特徴とする。
【００１５】
また、上記窒化アルミニウム質基板の製造方法としては、窒化アルミニウム質絶縁基板用成形体の表面に有機成分以外の固形成分を基準として、モリブデン、タングステンのうちの少なくとも１種の金属を主金属成分とし、該主金属成分１００重量部に対してＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の素化合物を酸化物換算にて０．１〜２重量部、アルカリ土類元素化合物を酸化物換算にて０．０１〜０．１重量部、酸化アルミニウムを３〜１０重量部の割合で含有するメタライズペーストを塗布した後、１７００℃以下の非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とするものであり、前記焼成において、１２００℃以下において一時的に保持し、前記絶縁基板と前記メタライズ金属層との界面にアルカリ土類元素の高濃度層を形成させることによって接合強度を高めることができる。
【００１６】
また、前記窒化アルミニウム質基板の表面に電子素子を実装した後、前記メタライズ金属層の表面に蓋体をロウ付けし、前記電気素子を前記蓋体によって気密に封止することによって優れた封止構造を得ることができるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化アルミニウム質基板は、その一例として、パッケージ構造体の概略断面図である図１に示される通り、窒化アルミニウム質焼結体からなる絶縁基板１と、その表面にタングステン（Ｗ）および／またはモリブデン（Ｍｏ）を主成分としたメタライズ金属層２が被着形成された基本構造からなる。
【００１８】
本発明によれば、このメタライズ金属層２中には、上記主金属成分１００重量部に対して、アルカリ土類元素を酸化物換算で０．０１〜０．１重量部、好適には０．０３〜０．０７重量部、アルミニウムを酸化物換算で３〜１０重量部、好適には５〜８重量部に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種を酸化物換算で０．１〜２重量部、好適には０．２〜１重量部の割合で含有することが重要である。
【００１９】
上記副成分を上記の範囲に限定した理由について述べると、まず、上記アルミニウム量が３重量部未満の場合には、焼結性が劣化し、絶縁基板との接合強度が低下し、１０重量部を越えると導通抵抗が高くなるためである。また、上記アルカリ土類元素量が酸化物換算で０．０１重量部未満の場合には、絶縁基板への濡れ性が低下し、接合強度が低下し、０．１重量部を越えると焼結性を阻害し、接合強度および導通抵抗のそれぞれが劣化するためである。また、上記Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種が酸化物換算で０．１重量部未満であると焼結性が劣化し、オープンポアが増加するため気密性、導通抵抗のそれぞれが劣化し、２．０重量部を越えると異常焼結になり、絶縁基板との接合強度が低下するためである。
【００２０】
上記アルカリ土類元素としては、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒなどがあり、これらの中でも、Ｓｒが最も好適であり、また、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの中ではＮｉが最も好適である。
【００２１】
これらアルカリ土類元素、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種、およびアルミニウムは前記主成分の粒界に酸化物、あるいは複合酸化物として存在していることが望ましく、さらには、窒化アルミニウムが実質上存在しないことも重要である。
【００２２】
本発明によれば、上記メタライズ金属層２と絶縁基板１との界面にはアルカリ土類元素の高濃度層が存在することが望ましく、このアルカリ土類元素の高濃度層の存在によってメタライズ金属層と絶縁基板との密着性を高めることができる。
【００２３】
また、本発明による前記メタライズ金属層２は、後述する実施例から明らかなように、絶縁基板との接合強度が３ｋｇｆ以上であり、その導通抵抗が１５ｍΩ／□以下の低抵抗を有するものである。
【００２４】
なお、上記組成からなるメタライズ金属層としては、絶縁基板１表面に配線層として形成される金属層２のみならず、絶縁基板１内部に形成される内部メタライズ金属層３および／またはスルーホール導体４を上記組成物から形成することも可能である。
【００２５】
さらに、本発明の前記メタライズ金属層は、緻密質であるために、図１に示すように、絶縁基板１の表面に実装されたＩＣ素子などの電気素子５を表面のメタライズ金属層２に実装し、メタライズ金属層２を介して蓋体６を絶縁基板１にロウ材７によって接合することにより、電気素子５を絶縁基板１表面にて気密に封止したパッケージ構造体を形成することができる。
【００２６】
このようなパッケージ構造体において、メタライズ金属層２が緻密質であるために、Ｈｅリークレートが１×１０-8ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下、特に１×１０-9ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下の優れた封止性を実現することができる。
【００２７】
一方、絶縁基板を構成する窒化アルミニウム質焼結体は、窒化アルミニウムを主成分とし、焼結助剤成分として、希土類元素を酸化物換算にて３〜１５重量部、アルカリ土類元素を酸化物換算にて０．３〜５重量部の割合で含有するのが望ましい。とくに１７００℃以下の低温で相対密度９５％以上まで緻密化可能であることが望ましく、たとえば希土類元素を酸化物換算で３〜１０重量部、アルカリ土類元素を酸化物換算で０．５〜３．０重量部の割合で含むことが最も望ましい。
【００２８】
なお、この焼結体中には上記低温焼結性を阻害しない範囲で、着色成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏなど周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属のうち少なくとも１種を酸化物換算で０．０５〜１重量部の割合で含んでいてもよい。
【００２９】
次に、本発明の窒化アルミニウム質基板の製造方法を詳述する。窒化アルミニウム粉末に対して、焼結助剤として希土類元素酸化物、アルカリ土類元素酸化物を合計で３〜２０重量部の割合で添加する。特に１７００℃以下での焼結性を高める上では、希土類元素酸化物を３〜１５重量部、アルカリ土類元素酸化物を０．３〜５．０重量部の割合で添加するのが望ましい。さらにＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏなどの周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のうちの少なくとも１種の金属または化合物を酸化物換算で０．０５〜１重量部の割合で添加してもよい。
【００３０】
そして、上記混合物に、バインダー、有機溶剤を用いてスラリーを調製し、このスラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法、圧延法などの手法によりシート化してグリーンシートを作製する。
【００３１】
また、メタライズ金属層用のメタライズペーストとして、有機成分以外の固形成分を基準としてモリブデンおよび／またはタングステンを主金属成分とし、この主金属成分１００重量部に対して、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の化合物を酸化物換算にて０．１〜２重量部、アルカリ土類元素化合物を酸化物換算にて０．０１〜０．１重量部、酸化アルミニウムを３〜１０重量部の割合で添加し、窒化アルミニウムを添加することなく、ペースト化する。
【００３２】
この時、用いられる各化合物としては、酸化物、あるいは焼成によって酸化物を形成することのできる炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩であってもよい。
【００３３】
そして、上記メタライズペーストを前記窒化アルミニウム質グリーンシート上に塗布し、水素窒素混合雰囲気などの非酸化性雰囲気中で１７００℃以下、特に１６００〜１６８０℃の温度で焼成して、前記絶縁基板とメタライズ金属層とを同時焼成によって形成することができる。
【００３４】
このように、１７００℃以下の低い温度で焼成することによって、１８００℃以上の高温で焼成する場合に比較して焼成用治具の消耗の程度が低くなり、さらに焼成炉の構造やランニングコスト等も考慮すると、製造コストが相当に低減できる。
【００３５】
また、１７００℃以下の温度で焼成すると、メタライズ金属層は、主金属成分の粒界に、アルカリ土類元素酸化物、酸化アルミニウム、もしくはそれらの化合物（アルカリ土類元素アルミネート）として存在する。しかしながら、１７００℃を越える温度で焼成すると、酸化アルミニウムが徐々に窒化されて窒化アルミニウムが生成されやすくなる結果、メタライズの焼結性が阻害される。
【００３６】
かくして得られた窒化アルミニウム質基板によれば、窒化アルミニウム質絶縁基板とメタライズ金属層との接合強度が３ｋｇｆ以上となり、メタライズ金属層の導通抵抗が１５ｍΩ／□以下の低抵抗のメタライズ金属層を形成することができる。
【００３７】
また、本発明によれば、絶縁基板中にアルカリ土類元素酸化物を含有する場合、上記焼成工程において、昇温過程、あるいは降温過程で、１０００〜１２００℃において一時的に保持すると、基板中のアルカリ土類元素酸化物とメタライズ金属層中のタングステン等の酸化物との反応に伴い、アルカリ土類元素が界面に引き寄せられる結果、前記絶縁基板と前記メタライズ金属層との界面にアルカリ土類金属元素の高濃度層を形成させることができる。この高濃度層の形成によってメタライズ金属層と絶縁基板との密着性を高めることができる。
【００３８】
さらに、本発明によれば、上記のようにして作製された窒化アルミニウム質基板の表面に対して、ＩＣ素子などの電気素子を接着材によって接着後、ワイヤボンディング法によってメタライズ金属層と電気的に接続したり、メタライズ金属層に対して電気素子を直接ロウ材を用いて実装することができる。そして、絶縁基板表面に実装された電気素子に対して、セラミックスや金属からなる蓋体をメタライズ金属層に対して、Ａｕ−Ｓｎなどのロウ材を用いて接合することによって、前記電気素子を蓋体内に気密に封止することができる。
【００３９】
【実施例】
窒化アルミニウムが９０．０重量％、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）が８．０重量％、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）が２．０重量％の比率になるように、各粉末を混合し、これにアクリル系樹脂をバインダーとして添加混合し、これをドクターブレード法により成形し、窒化アルミニウム質グリーンシートを作製した。
【００４０】
また、表１〜表３に示すようにタングステン（Ｗ）もしくはモリブデン（Ｍｏ）と、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の酸化物、アルカリ土類酸化物を混合してメタライズ層用組成物と成し、そして、かかる組成物を混合粉末１００重量％に対して５重量％のエチルセルロースおよび５重量％のフタル酸ジブチルを混合分散させ、これによってメタライズペーストを作製した。
【００４１】
そして、このメタライズペーストを３２５メッシュのスクリーンを通して上記窒化アルミニウム質グリーンシート上にスクリーン印刷し、次いでＮ2 とＨ2 との雰囲気中、表１〜３の焼成温度で焼成し、１５μｍの厚さのメタライズ金属層を有する基板を作製した。また、焼成に際しては、１１００℃の温度で１時間一次保持を行った後、上記焼成温度で３時間焼成した。
【００４２】
かくして得られた窒化アルミニウム質基板において、電子線マイクロアナライザによってメタライズ金属層と絶縁基板との界面におけるアルカリ土類元素の高濃度層の有無を確認するとともに、メタライズ金属層のＸ線回折測定によって、窒化アルミニウムの有無を確認した。
【００４３】
また、メタライズ金属層と絶縁基板との接合強度を測定した。接合強度の測定は、２．５ｍｍ×２０ｍｍのメタライズ部にリードを銀ロウ付けし、リード線を９０°方向に引張り、リード線が剥がれた時の荷重を接着強度として評価した。また、厚さ１５μｍ、線幅１００μｍのメタライズ金属層のパターンを作製し、４端子法によって導通抵抗の測定をおこなった。
【００４４】
さらに、パッケージ構造体における封止性について次の実験を行った。まず、６×６ｍｍ基板外周部に１ｍｍ幅のメタライズ金属層を形成し、凹型のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる蓋体をＡｕ／Ｓｎ合金にてロウ付けした。そして、後、Ｈｅリーク測定器によりリーク測定を行なった。Ｈｅリークテストは、封止されたパッケージを５気圧×１時間のＨｅガス中に保持した後、Ｈｅリークディテクタに入れ、減圧下でパッケージから発生するＨｅガス量（Ｈｅリークレート）を測定した。
【００４５】
【表１】
0003850152.tif 000002
【００４６】
【表２】
0003850152.tif 000003
【００４７】
【表３】
0003850152.tif 000004
【００４８】
表１〜３の結果によれば、アルミニウム量が３重量部よりも少ない試料Ｎｏ．１では、接合強度および気密封止性が低く、１０重量部よりも多い試料Ｎｏ．６では、導通抵抗が高くなった。また、上記Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種が無添加の試料Ｎｏ．７では、焼結性が劣化し、接合強度、気密封止性、導通抵抗がいずれも劣化し、２重量部を越える試料Ｎo.１１では異常焼結になり、絶縁基板との接合強度が低下し導通抵抗も低下した。
【００４９】
また、アルカリ土類元素量が０．０１重量部未満の試料Ｎo.１２では、接合強度が低下し、０．１重量部を越える試料Ｎo.１６では、接合強度および導通抵抗のそれぞれが劣化した。
【００５０】
さらに、焼成温度が１７００℃よりも高い試料Ｎo.１９では、メタライズ金属層中に窒化アルミニウムの生成が確認され、その結果、接合強度が低下した。
【００５１】
これらの比較例に対して、本発明の試料Ｎo.２〜５、８〜１０、１３〜１５、１７、１８、２０〜３０は、接合強度が３ｋｇｆ以上で、導通抵抗が１５ｍΩ／□以下の特性が達成できた。特に、試料Ｎo.１７とＮo.１８、Ｎo.２２とＮo.２３との比較によって、界面にアルカリ土類金属の高濃度層の存在によって接合強度が高くなることが確認された。また、いずれもＨｅリークレートが１×１０-8以下の優れた封止性が達成された。
【００５２】
また、これら各本発明の試料については、メタライズ金属層主成分の粒界には主として酸化アルミニウムおよびＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の酸化物が存在し、他のアルカリ土類金属のアルミネートが若干量存在し、窒化アルミニウムの生成はまったく認められなかった。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の窒化アルミニウム質基板によれば、メタライズ金属層が、１７００℃以下の絶縁基板との同時焼成においても、メタライズ金属層が優れた焼結性を示し、その結果、絶縁基板との接合強度が高く、また低抵抗を有するとともに、緻密性に優れることから、蓋体を接合した場合においても優れた気密封止性を達成することができる。
【００５４】
従って、メタライズ金属層が多層に形成された多層配線基板はもちろんのこと、ＩＣ素子などの電気素子を気密に封止したパッケージ構造体においても高信頼性を有する製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化アルミニウム質基板の一例としてパッケージ構造体の概略断面図である。
【符号の説明】
１  絶縁基板
２  メタライズ金属層
３  内部メタライズ金属層
４  スルーホール導体
５  電気素子
６  蓋体
７  ロウ材
【図１】
0003850152.tif 000005