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JPH075402B2 - Aluminum nitride sintered body and surface treatment method - Google Patents
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JPH075402B2 - Aluminum nitride sintered body and surface treatment method - Google Patents

Aluminum nitride sintered body and surface treatment method

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JPH075402B2
JPH075402B2 JP61157367A JP15736786A JPH075402B2 JP H075402 B2 JPH075402 B2 JP H075402B2 JP 61157367 A JP61157367 A JP 61157367A JP 15736786 A JP15736786 A JP 15736786A JP H075402 B2 JPH075402 B2 JP H075402B2
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aluminum nitride
sintered body
nitride sintered
aluminum
dysprosium
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英子 福島
裕介 井寄
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体用基板、IC基板等に使用する窒化アル
ミニウム燒結体の外周面に、α−Al2O3とディスプロシ
ウム(Dy)およびアルミニウムの固溶酸化物との二相よ
りなる酸化物層を形成してメタライズしやすくするとと
もに、耐水性を持たせた窒化アルミニウム燒結体とその
表面処理方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to α-Al 2 O 3 and dysprosium (Dy) on the outer peripheral surface of an aluminum nitride sintered body used for semiconductor substrates, IC substrates, etc. Also, the present invention relates to an aluminum nitride sintered body having a water resistance while forming an oxide layer composed of two phases of aluminum and a solid solution oxide of aluminum to facilitate metallization.

[従来の技術] 窒化アルミニウムは、熱伝導率が高く、熱膨張率が小さ
く、しかも機械的強度が強いことから絶縁基板材料とし
て使用されるようになってきた。
[Prior Art] Aluminum nitride has come to be used as an insulating substrate material because of its high thermal conductivity, low thermal expansion coefficient, and high mechanical strength.

窒化アルミニウム製の基板材料を半導体等のパッケージ
として使用する場合、窒化アルミニウム基板上にSiチッ
プを載せ、その上面を窒化アルミニウム等のセラミック
で密封状に覆い、Siチップに接続したリードフレーム
を、窒化アルミニウム基板とそれを覆うセラミックとの
接合間を通して外部に突出させていた。そして窒化アル
ミニウム基板とそれを覆うセラミックとの接合面は、密
着させるためそれぞれメタライズさせ、リードフレーム
の部分はさらにハンダ付けしている。
When using a substrate material made of aluminum nitride as a package for semiconductors, etc., place the Si chip on the aluminum nitride substrate, cover the top surface with ceramic such as aluminum nitride hermetically, The aluminum substrate and the ceramic covering it were joined together and projected outside. The bonding surface between the aluminum nitride substrate and the ceramic covering it is metallized for close contact, and the lead frame portion is further soldered.

しかし、窒化アルミニウムは化学的に安定なためメタラ
イズが困難であり、そのため窒化アルミニウム燒結体の
表面を酸化させながらメタライズする方法が特開昭50−
75208号公報に開示されている。
However, it is difficult to metallize aluminum nitride because it is chemically stable. Therefore, a method of metallizing while oxidizing the surface of the aluminum nitride sintered body is disclosed in JP-A-
It is disclosed in Japanese Patent No. 75208.

また、特開昭61−84037号公報には、窒化アルミニウム
系セラミック基板の表面にアルミナ層を形成させる方法
が開示されている。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-84037 discloses a method of forming an alumina layer on the surface of an aluminum nitride ceramic substrate.

[発明が解決しようとする課題] 窒化アルミニウム燒結体を半導体等のパッケージとして
使用する場合、窒化アルミニウム燒結体は、耐水性が悪
く、水と反応してアンモニアを生じやすいという問題が
あった。
[Problems to be Solved by the Invention] When an aluminum nitride sintered body is used as a package for a semiconductor or the like, there is a problem that the aluminum nitride sintered body has poor water resistance and easily reacts with water to generate ammonia.

また窒化アルミ燒結体は、メタライズが困難なため、そ
のメタライズのために窒化アルミニウム燒結体の表面を
酸化させながらメタライズするという複雑な手段をとら
なければならなかった。
Further, since the aluminum nitride sintered body is difficult to metallize, a complicated means of metallizing while oxidizing the surface of the aluminum nitride sintered body had to be taken for the metallization.

そこで本発明は、窒化アルミニウム燒結体を種々の熱処
理試験をして窒化アルミニウム燒結体の表面にあらかじ
めα−Al2O3と、ディスプロシウムおよびアルミの固溶
酸化物との二相よりなる層を形成し、耐水性を持たせる
とともに、メタライズを容易にできるようにした窒化ア
ルミ燒結体とその表面処理方法を提供するものである。
Therefore, the present invention is a layer consisting of two phases of α-Al 2 O 3 and a solid solution oxide of dysprosium and aluminum in advance on the surface of the aluminum nitride sintered body by performing various heat treatment tests on the aluminum nitride sintered body. The present invention provides an aluminum nitride sinter that is formed to have water resistance and can be easily metallized, and a surface treatment method thereof.

[課題を解決するための手段] 本発明は、ディスプロシウムを燒結助剤に使用した窒化
アルミニウム燒結体の外表面にα−Al2O3と、ディスプ
ロシウムおよびアルミの固溶酸化物との二相よりなる酸
化物層が形成されていることを特徴とする窒化アルミニ
ウム燒結体である。
[Means for Solving the Problems] The present invention provides α-Al 2 O 3 and a solid solution oxide of dysprosium and aluminum on the outer surface of an aluminum nitride sintered body using dysprosium as a sintering aid. The aluminum nitride sintered body is characterized in that an oxide layer consisting of two phases is formed.

またもう1つの発明は、ディスプロシウムを燒結助剤に
使用した窒化アルミニウム燒結体を酸素を含む雰囲気
中、950〜1200℃で30分以下加熱することにより窒化ア
ルミニウム燒結体の外表面にα−Al2O3と、ディスプロ
シウムおよびアルミの固溶酸化物との二相よりなる酸化
物層を形成する窒化アルミニウム燒結体の表面処理方法
である。
Another invention is to heat the aluminum nitride sintered body using dysprosium as a sintering aid at 950 to 1200 ° C. for 30 minutes or less in an atmosphere containing oxygen to form α- on the outer surface of the aluminum nitride sintered body. A surface treatment method for an aluminum nitride sintered body, which comprises forming an oxide layer having two phases of Al 2 O 3 and a solid solution oxide of dysprosium and aluminum.

外表面の層は、酸素が21%以下の酸化性雰囲気中で熱処
理温度950〜1200℃、30分以下の処理を行なうことによ
り形成される。
The outer surface layer is formed by performing a heat treatment at 950 to 1200 ° C. for 30 minutes or less in an oxidizing atmosphere in which oxygen is 21% or less.

この層は、窒化アルミニウムの燒結助剤としてディスプ
ロシウムを添加するために得られるディスプロシウムと
アルミの固溶酸化物と、α−Al2O3とよりなることが望
ましい。α−Al2O3の層だけでは耐水性が必ずしも十分
でなく、固溶酸化物が存在することでα−Al2O3粒子間
のバインダーの役割をはたすため十分な耐水性を持たせ
ることができるのである。
This layer is preferably made of α-Al 2 O 3 and a solid solution oxide of dysprosium and aluminum obtained by adding dysprosium as a sintering aid for aluminum nitride. Water resistance is not always sufficient with the α-Al 2 O 3 layer alone, and the presence of solid solution oxides serves as a binder between α-Al 2 O 3 particles so that it has sufficient water resistance. Can be done.

酸素が21%以下の酸化性雰囲気でするのは、それ以上に
すると耐水性のある緻密な層を形成することが困難なた
めである。
The oxidizing atmosphere containing 21% or less of oxygen is used because it is difficult to form a water-resistant and dense layer if the oxygen content is more than 21%.

熱処理温度を950〜1200℃としたのは、950℃より低いと
α−Al2O3層は形成されず、1200℃より高いと外表面層
に多数の小孔が生じ、またバインダーとなるディスプロ
シウムとアルミの固溶酸化物の形成が困難なためであ
る。処理時間を30分以下としたのは、それ以上にすると
外表面層に多数の小孔が生じ、また層が5μm以上とな
って、窒化アルミニウム本来の高熱伝導性を十分利用す
ることが困難なためである。
The heat treatment temperature is set to 950 to 1200 ° C. because if it is lower than 950 ° C., the α-Al 2 O 3 layer is not formed, and if it is higher than 1200 ° C., many small holes are formed in the outer surface layer, and the binder becomes a binder. This is because it is difficult to form a solid solution oxide of prosium and aluminum. The treatment time of 30 minutes or less means that if it is longer than that, a large number of small holes are generated in the outer surface layer and the layer becomes 5 μm or more, which makes it difficult to sufficiently utilize the high thermal conductivity inherent to aluminum nitride. This is because.

α−Al2O3層の厚さを0.5〜3μmとするのは、0.5μm
より小さいとメタライズが困難となり、3μmより大き
いと熱伝導性が低下し、半導体素子の放熱が困難となる
ためである。
The thickness of the α-Al 2 O 3 layer is 0.5 to 3 μm because it is 0.5 μm.
This is because if it is smaller than this, metallization becomes difficult, and if it is larger than 3 μm, the thermal conductivity deteriorates and it becomes difficult to radiate heat from the semiconductor element.

またAl2O3層の表面アラサは、メタライズをよくするた
め6.3μm以下が望ましい。
The surface roughness of the Al 2 O 3 layer is preferably 6.3 μm or less in order to improve the metallization.

[実施例] ディスプロシウムを燒結助剤として燒結した窒化アルミ
ニウム燒結体を大気中、6種類の温度900、950、1000、
1100、1200、1300℃の各温度でそれぞれ30分加熱し、燒
結体表面にα−Al2O3と、ディスプロシウムおよびアル
ミの固溶酸化物との二相よりなる層を形成した。
[Example] An aluminum nitride sintered body sintered by using dysprosium as a sintering aid was exposed to air at six temperatures of 900, 950, and 1000.
Each was heated at 1100, 1200, and 1300 ° C. for 30 minutes to form a two-phase layer of α-Al 2 O 3 and solid solution oxides of dysprosium and aluminum on the surface of the sintered body.

上記各熱処理を窒化アルミニウム燒結体の表面と破断面
とでの電子顕微鏡組織写真をとり、第1図(a)〜
(f)に示した。なお図中、上側が表面で、下側が破断
面である。また、比較のため本発明の熱処理をしない窒
化アルミニウム燒結体の表面と破断面の電子顕微鏡写真
も第1図(g)に示した。第1図(a)〜(g)から分
かるように、加熱温度が950〜1300℃のものは表面にα
−Al2O3と、ディスプロシウムおよびアルミの固溶酸化
物との2層からなる層が0.3〜3μmの厚さで生じてい
ることがわかる。しかし加熱温度1200℃以上のものは、
窒化アルミ燒結体粒子中に多数の小孔が生じ耐水性がな
いので、半導体素子のパッケージに使用するのは望まし
くない。また加熱温度900℃のものはα−Al2O3と固溶酸
化物の2層からなる層が生じないことがわかる。
Each of the above heat treatments was taken by taking an electron microscopic structure photograph of the surface and the fracture surface of the aluminum nitride sintered body, and FIG.
It is shown in (f). In the figure, the upper side is the surface and the lower side is the fracture surface. For comparison, an electron micrograph of the surface and fracture surface of the aluminum nitride sintered body of the present invention which is not heat-treated is also shown in FIG. 1 (g). As can be seen from FIGS. 1 (a) to 1 (g), when the heating temperature is 950 to 1300 ° C.
It can be seen that a layer composed of two layers of -Al 2 O 3 and solid solution oxides of dysprosium and aluminum is formed in a thickness of 0.3 to 3 µm. However, if the heating temperature is 1200 ° C or higher,
Since a large number of small holes are formed in the aluminum nitride sintered particles and there is no water resistance, it is not desirable to use it in a semiconductor device package. Further, it can be seen that a layer having a heating temperature of 900 ° C. does not form a layer consisting of α-Al 2 O 3 and a solid solution oxide.

次にX線解析法により加熱温度が900、1000、1100、120
0、1300℃の窒化アルミ燒結体の表面の組成を同定し、
その測定結果を第2図に示した。
Next, the heating temperature is 900, 1000, 1100, 120 by X-ray analysis method.
The composition of the surface of the aluminum nitride sintered body at 0, 1300 ° C was identified,
The measurement results are shown in FIG.

第2図から、燒結温度が950〜1300℃の試料でα−Al2O3
とディスプロシウムおよびアルミの固溶酸化物[DyAl
O3、DyAl2(AlO4]とが生じており、比較例(g)
では生じていないことがわかる。なお950℃では第1図
(b)の写真に、他の同様の表面層が生じていることか
ら、α−Al2O3と、ディスプロシウムおよびアルミの固
溶酸化物とが生じていると推定した。
From Fig. 2, it is found that α-Al 2 O 3 in the sample whose sintering temperature is 950-1300 ℃
And solid solution oxides of dysprosium and aluminum [DyAl
O 3 and DyAl 2 (AlO 4 ) 3 ] are generated, and a comparative example (g)
You can see that it has not occurred. At 950 ° C., other similar surface layers are formed in the photograph of FIG. 1 (b), so α-Al 2 O 3 and solid solution oxides of dysprosium and aluminum are formed. I presume.

次に加熱温度が1000、1100、1200、1300℃の窒化アルミ
ニウム燒結体の耐水性を試験(プレッシャークッカーテ
スト)するため、それぞれを121℃、2atm、温度100%の
条件下におき、腐食による重量増加を時間経過で第3図
に示した。第3図には、比較のため未処理のものも測定
して示した。
Next, in order to test the water resistance (pressure cooker test) of the aluminum nitride sintered bodies with heating temperatures of 1000, 1100, 1200, and 1300 ° C, place each under 121 ° C, 2 atm, and 100% temperature conditions, and weigh the weight due to corrosion. The increase is shown in Figure 3 over time. In FIG. 3, untreated ones are also measured and shown for comparison.

熱処理温度950〜1200℃の試料は、重量増加(g/m2)が
約0.7g/m2であり、耐水性を有する。熱処理温度1300℃
の試料は、重量増加が大きく耐水性を有さないがこれは
α−Al2O3と、他の固溶酸化物との層が生じていても、
第1図(f)のように多孔性であるためと考えられる。
また未処理の試料は、表面に窒化アルミニウムが露出し
ているためである。
The sample at the heat treatment temperature of 950 to 1200 ° C. has a weight gain (g / m 2 ) of about 0.7 g / m 2 and has water resistance. Heat treatment temperature 1300 ℃
The sample of 1 has a large weight increase and does not have water resistance, but this is because even if a layer of α-Al 2 O 3 and another solid solution oxide is generated,
It is considered that this is because it is porous as shown in FIG. 1 (f).
This is also because the untreated sample has aluminum nitride exposed on the surface.

次に第1図(a)〜(g)に対応する各試料についてメ
タライズし、さらにコバール治具をハンダ付けし、コバ
ール治具に引っ張り荷重を与えて接着強度を測定した。
Next, each sample corresponding to FIGS. 1A to 1G was metallized, a Kovar jig was soldered, and a tensile load was applied to the Kovar jig to measure the adhesive strength.

その結果、本実施例に対応する(b)〜(f)の各試料
では、約7kg/cm2であり、比較例(g)の場合の3kg/cm2
よりかなり強いことがわかった。
As a result, in each of the samples (b) to (f) corresponding to this example, it was about 7 kg / cm 2 , and 3 kg / cm 2 in the case of the comparative example (g).
Turns out to be much stronger.

さらに第1図(a)〜(g)に対応する試料の表面アラ
サを測定した結果、本実施例(b)〜(f)の方が比較
例(g)より若干荒いが、それでも5.4μm以下であり
熱伝導上、の基準値0.8μmよりかなり小さく問題はな
い。
Further, as a result of measuring the surface roughness of the samples corresponding to FIGS. 1 (a) to (g), the results of Examples (b) to (f) are slightly rougher than those of Comparative Example (g), but still 5.4 μm or less. In terms of heat conduction, it is much smaller than the standard value of 0.8 μm and there is no problem.

[発明の効果] 本発明では、窒化アルミ燒結体の表面にα−Al2O3の、
ディスプロシウムおよびアルミの固溶酸化物との二相よ
りなる酸化物層を形成している。そのため、それを半導
体のパッケージ等の絶縁基板として使用すれば、熱伝導
率が高く、しかもその表面のAl2O3層によりメタライズ
が容易となり、かつ耐水性も十分なものとなる。また本
発明の方法によれば、前記効果を有する窒化アルミ燒結
体を確実に作成することができる。
[Effect of the Invention] In the present invention, α-Al 2 O 3 of the surface of the aluminum nitride sintered body,
An oxide layer consisting of two phases of dysprosium and a solid solution oxide of aluminum is formed. Therefore, when it is used as an insulating substrate for a semiconductor package or the like, the thermal conductivity is high, and the Al 2 O 3 layer on the surface facilitates metallization and has sufficient water resistance. Further, according to the method of the present invention, it is possible to reliably produce an aluminum nitride sintered body having the above effects.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図(a)〜(g)は本発明試料および比較例の窒化
アルミニウム燒結体の表面(図中上側)と破断面(図中
下側)との電子顕微鏡組織写真(2000倍)であり、第2
図は同じく本発明試料および比較例のX線回折法による
成分テストの結果を示すグラフ、第3図は本発明試料お
よび比較例の耐水性を示すグラフである。
1 (a) to 1 (g) are electron micrographs (2000 times) of the surface (upper side in the figure) and the fracture surface (lower side in the figure) of the aluminum nitride sintered bodies of the samples of the present invention and the comparative example. , Second
Similarly, FIG. 3 is a graph showing the results of the component test of the sample of the present invention and the comparative example by the X-ray diffraction method, and FIG. 3 is a graph showing the water resistance of the sample of the present invention and the comparative example.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ディスプロシウムを燒結助剤に使用した窒
化アルミニウム燒結体の外表面にα−Al2O3と、ディス
プロシウムおよびアルミの固溶酸化物との二相よりなる
酸化物層が形成されていることを特徴とする窒化アルミ
ニウム燒結体。
1. An oxide layer comprising two phases of α-Al 2 O 3 and a solid solution oxide of dysprosium and aluminum on the outer surface of an aluminum nitride sintered body using dysprosium as a sintering aid. An aluminum nitride sintered body characterized by being formed.
【請求項2】ディスプロシウムを燒結助剤に使用した窒
化アルミニウム燒結体を酸素を含む雰囲気中、950〜120
0℃で30分以下加熱することにより窒化アルミニウム燒
結体の外表面にα−Al2O3と、ディスプロシウムおよび
アルミの固溶酸化物との二相よりなる酸化物層を形成す
る窒化アルミニウム燒結体の表面処理方法。
2. An aluminum nitride sintered body using dysprosium as a sintering aid in an atmosphere containing oxygen in a range of 950 to 120.
Aluminum nitride that forms an oxide layer consisting of two phases of α-Al 2 O 3 and solid solution oxides of dysprosium and aluminum on the outer surface of the aluminum nitride sintered body by heating at 0 ° C for 30 minutes or less Surface treatment method of sintered body.
【請求項3】外表面の酸化物層の厚さを0.5〜3μmと
した特許請求の範囲第2項に記載の窒化アルミニウム燒
結体の表面処理方法。
3. The surface treatment method for an aluminum nitride sintered body according to claim 2, wherein the oxide layer on the outer surface has a thickness of 0.5 to 3 μm.
【請求項4】外表面の表面アラサを6.3μm以下とする
特許請求の範囲第2項に記載の窒化アルミニウム燒結体
の表面処理方法。
4. The surface treatment method for an aluminum nitride sintered body according to claim 2, wherein the surface roughness of the outer surface is 6.3 μm or less.
JP61157367A 1986-07-04 1986-07-04 Aluminum nitride sintered body and surface treatment method Expired - Lifetime JPH075402B2 (en)

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