【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
（産業上の利用分野）
本発明は表面に金属層を形成したセラミツク基
板に関するものである。
（従来の技術）
セラミツク基板を電子回路用の基板又はヒート
シンク、絶縁基板として用いる場合、セラミツク
ス上に金属層を形成することが必要である。従来
からセラミツクス上に金属層を形成する方法とし
ては、スパツタ、蒸着などの薄膜法、スクリーン
印刷などを用い、電極ペーストを焼き付ける厚膜
法、無電解メツキによる方法、薄膜又は厚膜法で
電極を付け、この上に電解メツキを施す方法など
種々の方法が行われている。
セラミツク上に形成した金属層は次に示すよう
なことが一般に要求される。すなわち、(1)金属層
とセラミツクスの層の密着性が良いこと、(2)金属
層の電気抵抗が低いこと、(3)微細なパターンを形
成できることなどである。
これに加え電気回路の中で特に高密度、高出力
デバイスを実装するようなパツケージング基板、
ヒートシンクなどでは金属層とセラミツクスが熱
的にも抵抗を持つことなく接合されることが要求
されている。
（発明が解決しようとする問題点）
従来から行われているセラミツクス上の金属層
形成方法はこれらの点を全て満足することは難し
く、その用途によつて使い分けていた。すなわち
電極、導体の精度が要求されるものについては薄
膜法が利用されているが、この場合生産性コスト
の点と、金属層の厚さを厚くすることが困難なた
め、金属層の抵抗値の点で問題があつた。
また電極ペーストを用いる厚膜法では工程的に
も容易に、量産化ができるため低コストになるが
配線などの精度に限界があり、電極としての電気
抵抗もバルク金属と同等にすることはむずかしく
使用用途は限られていた。
これらの問題を解決するため、薄膜法と電解メ
ツキ、厚膜法と電解メツキを組み合せて、特性の
改善を計ることも行われているが、この場合は工
程が複雑になり、コストの増加を伴うため、使用
用途が限定されてしまつていた。
このような問題点を解決する方法として、無電
解メツキ法によつてセラミツクス上に金属を形成
する技術が研究開発されており、アルミナ基板な
どでは一部の用途に使用されている例もある。
しかしながら従来の無電解メツキ技術では金属
層とセラミツクスと密着強度を充分に上げること
ができない問題点があつた。
高密度、高出力用半導体デバイスのパツケージ
ング基板やヒートシンクのような金属層とセラミ
ツクスとの界面での熱抵抗が問題となるような用
途ではセラミツクスと金属層が直接密着すること
が望まれるが、密着強度が比較的大きい厚膜法を
用いると、金属層およびセラミツクスと金属層の
間に密着性を保つためのガラスあるいは酸化物が
存在するため、熱抵抗が大きくなる問題があつ
た。
また最近高熱伝導率セラミツクス材料として注
目されている窒化アルミニウムセラミツクス基板
では、従来の厚膜法を用いても充分な密着強度が
得られなかつたり、金属層とセラミツクス層の間
に酸化物あるいは酸素が拡散した層が形成され、
熱抵抗の値を大幅に大きくするなどの問題があつ
た。
本発明では以上の点にかんがみ、密着強度が優
れ、金属層とセラミツクスの間に熱の伝導を阻害
する物質の介在を全くなくすことによつて、熱抵
抗を小さくし、しかも金属層は緻密な純度の高い
金属層を形成することによつて、電気抵抗の低い
金属層を形成することができる、窒化アルミニウ
ム基板を提供しようとするものである。
（問題点を解決するための手段）
本発明はセラミツク基板表面に微細な空孔が形
成されており、該空孔は基板表面形状より内部断
面形状が大きいつぼ型構造であり、該空孔内を含
む窒化アルミニウム基板表面には金属が形成され
ていることを特徴とする窒化アルミニウム基板で
ある。
すなわち、窒化アルミニウム表面にあらかじめ
微細な前記つぼ型構造のオープンポアを形成し、
この中に金属層となる金属又は金属層の下地とな
る金属を充填することによつて、物理的、機械的
に金属層とセラミツクスを強固に接合する構造を
形成している。
（作用）
つぼ型構造またはアンカー状構造の空孔中に金
属が埋め込まれた構造となるため、アンカー効果
によつて金属層とセラミツクスの密着性は飛躍的
に向上する。
また金属層とセラミツクスの間に何も介在する
層が存在せず、しかも金属とセラミツクスの接合
している面積が実効的に広くなるため、金属層と
セラミツクスの間の熱抵抗は著しく低下する。
さらに、本発明の構造によるとセラミツクス中
に多数の金属柱が埋め込まれたような構造である
ため、エツチングなどの手段によつて容易に微細
な配線パターンを形成することが可能であり、し
かも介存層が存在しないため、エツチングによる
密着強度の低下も全く起らない。
実施例 １
常圧焼結法により合成した窒化アルミニウム基
板をエタノール中で超音波洗浄を10分間行う。
この後、1mol／ｄm3の濃度に調整した水酸化
ナトリウム水溶液中に所定時間室温で浸漬する。
浸漬後、水洗し、次に市販されている一液型触
媒液（日立化成製HS−101B）中に４分間浸漬す
る。
さらに水洗後、促進液（日立化成製、ADP−
101）の中に１分間浸漬する。
この後、水洗し、次の第１表に示すニツケル無
電解メツキ浴中に浸漬し、ニツケルの無電解メツ
キを行う。約2μｍの厚みになるように80分間メ
ツキ浴中に浸漬しニツケルを析出し、水洗乾燥を
行う。ニツケルメツキ浴は90℃の温度に保ち、
HQ4.0であつた。
(Industrial Application Field) The present invention relates to a ceramic substrate having a metal layer formed on its surface. (Prior Art) When using a ceramic substrate as a substrate for electronic circuits, a heat sink, or an insulating substrate, it is necessary to form a metal layer on the ceramic. Conventional methods for forming metal layers on ceramics include thin film methods such as sputtering and vapor deposition, screen printing, etc., thick film methods by baking electrode paste, electroless plating methods, and thin film or thick film methods for forming electrodes. Various methods have been used, such as attaching the plate and applying electrolytic plating thereon. The metal layer formed on ceramic is generally required to: That is, (1) good adhesion between the metal layer and the ceramic layer, (2) low electrical resistance of the metal layer, and (3) ability to form fine patterns. In addition to this, packaging boards that mount especially high-density, high-output devices in electrical circuits,
In heat sinks and the like, metal layers and ceramics are required to be bonded together without any thermal resistance. (Problems to be Solved by the Invention) Conventional methods for forming metal layers on ceramics have difficulty satisfying all of these points, and have been used differently depending on the application. In other words, the thin film method is used for electrodes and conductors that require precision, but in this case, the resistance value of the metal layer is There was a problem with this. In addition, the thick film method using electrode paste is easy in terms of process and can be mass-produced, resulting in low costs, but there are limits to the precision of wiring, etc., and it is difficult to make the electrical resistance of the electrode the same as that of bulk metal. Its uses were limited. To solve these problems, attempts are being made to improve properties by combining thin film methods and electrolytic plating, or thick film methods and electrolytic plating, but in this case, the process becomes complicated and costs increase. As a result, its usage has been limited. As a way to solve these problems, research and development has been carried out on technology for forming metal on ceramics by electroless plating, and there are examples of this being used for some applications, such as on alumina substrates. However, the conventional electroless plating technique has the problem that it is not possible to sufficiently increase the adhesion strength between the metal layer and the ceramic. In applications where thermal resistance at the interface between a metal layer and ceramic is a problem, such as packaging substrates and heat sinks for high-density, high-output semiconductor devices, it is desirable that the ceramic and metal layer be in direct contact with each other. When a thick film method with relatively high adhesion strength is used, there is a problem that thermal resistance becomes large due to the presence of glass or oxide to maintain adhesion between the metal layer and the ceramic and metal layer. Furthermore, with aluminum nitride ceramic substrates, which have recently attracted attention as a high thermal conductivity ceramic material, sufficient adhesion strength may not be obtained even when using conventional thick film methods, and oxides or oxygen may be present between the metal layer and the ceramic layer. A diffused layer is formed,
There were problems such as significantly increasing the value of thermal resistance. In view of the above points, the present invention has excellent adhesion strength, reduces thermal resistance by completely eliminating the presence of substances that inhibit heat conduction between the metal layer and ceramics, and has a dense metal layer. The present invention aims to provide an aluminum nitride substrate on which a metal layer with low electrical resistance can be formed by forming a metal layer with high purity. (Means for Solving the Problems) In the present invention, fine pores are formed on the surface of a ceramic substrate. The aluminum nitride substrate is characterized in that a metal is formed on the surface of the aluminum nitride substrate. That is, by forming fine open pores in the pot-shaped structure on the surface of aluminum nitride,
By filling this with a metal that will become the metal layer or a metal that will serve as the base of the metal layer, a structure is formed in which the metal layer and the ceramic are firmly bonded physically and mechanically. (Function) Since the structure is such that the metal is embedded in the pores of the pot-shaped structure or the anchor-like structure, the adhesion between the metal layer and the ceramic is dramatically improved due to the anchor effect. Furthermore, since there is no intervening layer between the metal layer and the ceramic, and the area where the metal and the ceramic are bonded is effectively widened, the thermal resistance between the metal layer and the ceramic is significantly reduced. Furthermore, since the structure of the present invention has a structure in which a large number of metal pillars are embedded in ceramics, it is possible to easily form a fine wiring pattern by means such as etching, and moreover, it is possible to form fine wiring patterns by means such as etching. Since there is no existing layer, there is no reduction in adhesion strength due to etching. Example 1 An aluminum nitride substrate synthesized by pressureless sintering is ultrasonically cleaned in ethanol for 10 minutes. Thereafter, it is immersed in an aqueous sodium hydroxide solution adjusted to a concentration of 1 mol/dm 3 at room temperature for a predetermined time. After immersion, the sample is washed with water, and then immersed in a commercially available one-component catalyst solution (HS-101B manufactured by Hitachi Chemical) for 4 minutes. Furthermore, after washing with water,
101) for 1 minute. Thereafter, it is washed with water and immersed in a nickel electroless plating bath shown in Table 1 below to perform nickel electroless plating. The nickel is deposited by immersing it in a plating bath for 80 minutes to a thickness of approximately 2 μm, followed by washing with water and drying. The Nikkelmecki bath is kept at a temperature of 90°C.
It was HQ4.0.
【表】
このようにして窒化アルミニウム基板上にニツ
ケル層を形成したあと、実施例１と同様の方法に
よつて２mm×２mmのパツド状にニツケルをエツチ
ングし、リード線をハンダ付けして密着強度を測
定した。
第１図は前記方法により作成した本発明のセラ
ミツクス基板の断面図であり、図示するようにセ
ラミツクス基板２表面に金属層１が形成され、微
細なつぼ型構造の空孔の中に金属が充填され、金
属の柱を形成している。
第２図は本発明を適用して金属を充填する前の
セラミツクス表面のSEM写真で、微細な空孔が
形成されている。
第２図は本発明の適用されたセラミツク基板を
セラミツク部分をエツチングして、金属層のみを
残したものの、セラミツク接合面側の横から見た
金属組織の走査電子顕微鏡写真であり、セラミツ
クス表面に形成した空孔の中に充填されたつぼ状
またはアンカー状の金属の柱が認められる。
第３図は第２図で示した金属の柱（アンカー）
の数と金属層とセラミツクスの密着強度の関係を
示すもので柱（アンカー）の数の増加とともに密
着強度が大幅に上昇している。
なお、この実施例ではセラミツクとして室化ア
ルミニウム基板の例を示したが他の材料でも適切
な処理剤を用いることにより、つぼ状構造の空孔
を形成することができる。
実施例 ２
常圧焼結法により合成した窒化アルミニウム基
板をエタノール中で超音波洗浄を10分間行う。
この後1mol／ｄm3の濃度に調整した水酸化カ
リウム水溶液中に60分浸漬する。
浸漬後水洗し、次に市販されている一液型触媒
液（日立化成製HS−101B）中に４分間浸漬す
る。
さらに水洗後促進液（日立化成製ADP−101）
の中に１分間浸漬する。
この後水洗し、第３表に示す銅無電解メツキ浴
中に浸漬し、銅の無電解メツキを行う。約2μｍ
のメツキ厚さになるように80分間メツキ浴中に浸
漬し、水洗乾燥を行う。
銅メツキ浴は60℃の温度に保ち、PHはNaOH
によつて12.5に調整し、空気中でメツキを行つ
た。
このようにして窒化アルミニウム基板上に銅の
金属層を形成した後、実施例と同様の方法でフオ
トリングラフイー技術によつて所定のレジスト層
を形成し、塩化第２鉄溶液によつてエツチング処
理を行い、２mm×２mmの寸法の銅パツドが形成す
るように銅をエツチングした。
このようにして形成した銅パツド上にリード線
をハンダ付けし、引張り試験機を用い銅層のセラ
ミツクとの密着強度を測定した結果3.0Kg／mm2の
密着強度を示した。この密着強度は充分実用に耐
えうる強度である。[Table] After forming the nickel layer on the aluminum nitride substrate in this way, the nickel was etched into a 2 mm x 2 mm pad shape using the same method as in Example 1, and the lead wires were soldered to strengthen the adhesion. was measured. FIG. 1 is a cross-sectional view of a ceramic substrate of the present invention produced by the method described above, and as shown in the figure, a metal layer 1 is formed on the surface of the ceramic substrate 2, and the pores of the fine pot-shaped structure are filled with metal. and form a metal pillar. FIG. 2 is a SEM photograph of the ceramic surface before being filled with metal according to the present invention, in which fine pores are formed. Figure 2 is a scanning electron micrograph of the metal structure of a ceramic substrate to which the present invention has been applied, after etching the ceramic part and leaving only the metal layer, as seen from the side of the ceramic bonding surface. A pot-shaped or anchor-shaped metal pillar is seen filled in the void formed. Figure 3 shows the metal pillar (anchor) shown in Figure 2.
This shows the relationship between the number of pillars (anchors) and the adhesion strength between the metal layer and ceramics, and the adhesion strength increases significantly as the number of pillars (anchors) increases. In this embodiment, a chambered aluminum substrate is used as the ceramic, but pores having a pot-like structure can be formed in other materials by using an appropriate treatment agent. Example 2 An aluminum nitride substrate synthesized by pressureless sintering is ultrasonically cleaned in ethanol for 10 minutes. Thereafter, it is immersed in an aqueous potassium hydroxide solution adjusted to a concentration of 1 mol/dm 3 for 60 minutes. After immersion, the sample is washed with water, and then immersed in a commercially available one-component catalyst solution (HS-101B manufactured by Hitachi Chemical) for 4 minutes. Furthermore, after washing with water, the accelerator solution (ADP-101 manufactured by Hitachi Chemical)
Soak in water for 1 minute. Thereafter, it is washed with water and immersed in a copper electroless plating bath shown in Table 3 to perform electroless plating of copper. Approximately 2μm
Soak in a plating bath for 80 minutes to a plating thickness of 100 ml, then wash and dry with water. The copper plating bath is kept at a temperature of 60℃, and the pH is NaOH.
It was adjusted to 12.5 using After forming a copper metal layer on the aluminum nitride substrate in this way, a prescribed resist layer was formed by photolithography technology in the same manner as in the example, and etched with a ferric chloride solution. The process etched the copper to form a copper pad measuring 2 mm x 2 mm. A lead wire was soldered onto the copper pad thus formed, and the adhesion strength between the copper layer and the ceramic was measured using a tensile tester, and the result showed an adhesion strength of 3.0 kg/mm 2 . This adhesion strength is sufficient for practical use.
【表】
℃空気雰囲気
（発明の効果）
本発明を適用するならばセラツミツクスと金属
層を物理的、機械的に接合することによつて、セ
ラミツクスと金属層の密着性を著しく向上せし
め、しかも熱伝導性を問題とする用途にも、介在
層、接着層が存在しないため、接合面での熱抵抗
はほとんど考慮する必要がなく、また、電子回路
形成のためのパターニングについても、エツチン
グ法などにより薄膜と同程度の精度を実現するこ
とが可能である。
またこのような構造によつて、金属層の信頼性
が増すため、生産時のバラツキが少なくなり、大
量生産によるコストダウンも可能となる。
なお、本発明の実施例では同一金属で金属層を
形成しているが、柱（アンカー）部分と金属層を
別の金属にしても本発明の目的とする効果は実現
される。
なお、本発明の実施例では無電解メツキで一般
に行われている感応化工程、活性化工程あるいは
アクチベーターアクセレータ法などの触媒化処理
工程を用いて無電解メツキを行つているが、本発
明の方法を用いると、これらの触媒化処理工程を
行なわず単に水洗後、無電解メツキ浴中にセラミ
ツク基板を浸漬して金属を析出させても２Kg／mm2
以上の充分実用に耐えうる密着強度を実現した。
これは本発明により密着性を得るに充分なアン
カーがセラミツク基板表面に存在し、しかもこの
部分が若干の触媒活性もあるためと考えられる。[Table] °C air atmosphere (effects of the invention) If the present invention is applied, the adhesion between the ceramics and the metal layer can be significantly improved by physically and mechanically bonding the ceramics and the metal layer. Even in applications where conductivity is an issue, there is no need to consider the thermal resistance at the bonding surface because there is no intervening layer or adhesive layer, and patterning for forming electronic circuits is also possible using etching methods. It is possible to achieve accuracy comparable to that of thin films. Furthermore, such a structure increases the reliability of the metal layer, thereby reducing variations during production and making it possible to reduce costs through mass production. In the embodiment of the present invention, the metal layer is made of the same metal, but the desired effect of the present invention can be achieved even if the pillar (anchor) portion and the metal layer are made of different metals. In addition, in the examples of the present invention, electroless plating is performed using a catalytic treatment process such as a sensitization process, an activation process, or an activator-accelerator method, which are generally performed in electroless plating. If this method is used, the metal can be deposited at 2 kg/mm 2 by simply immersing the ceramic substrate in an electroless plating bath after washing with water without performing these catalytic treatment steps.
We have achieved adhesion strength that is sufficient for practical use. This is thought to be because sufficient anchors exist on the surface of the ceramic substrate to obtain adhesion according to the present invention, and this portion also has some catalytic activity.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図は本発明にかかるセラミツクス基板の部
分拡大断面図、第２図はアンカー状構造の空孔形
状を示す金属組織の走査型電子顕微鏡写真、第３
図はセラミツクス中に埋め込まれた金属の柱（ア
ンカー）の数と密着強度の関係を示したものであ
る。
図において、１は金属層、２はセラミツクス、
３は金属の柱を示す。
FIG. 1 is a partially enlarged sectional view of a ceramic substrate according to the present invention, FIG. 2 is a scanning electron micrograph of a metal structure showing the shape of pores in an anchor-like structure, and FIG.
The figure shows the relationship between the number of metal pillars (anchors) embedded in ceramics and the adhesion strength. In the figure, 1 is a metal layer, 2 is a ceramic layer,
3 indicates a metal pillar.