DE69713540T2

DE69713540T2 - Siliziumnitrid-Platine und ihre Herstellung

Info

Publication number: DE69713540T2
Application number: DE69713540T
Authority: DE
Inventors: Takashi Takahashi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: US5912066A; KR100270149B1; EP0798781A2; EP0798781B1; KR970067544A; EP0798781A3; DE69713540D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Siliciumnitridleiterplatte, bei der eine Schaltkreisplatte mit Kupfersystem (Kupfer und Kupferlegierung) unter Anwendung des Kupferdirektkontaktierverfahrens auf ein Siliciumnitridsubstrat gebondet wird, und ein Herstellungsverfahren dafür.
Herkömmlicherweise sind verschiedene Substratarten, wie z. B. ein Keramiksubstrat, ein Harzsubstrat usw., als Substrat zur Montage von elektronischen Bauelementen, wie z. B. Halbleiterbauelementen usw., eingesetzt worden. Insbesondere sind für die Leiterplatte viele Keramiksubstrate zur Montage der elektronischen Bauelemente mit hoher Strahlungsleistung verwendet worden, da das Keramiksubstrat eine befriedigende elektrische Isolierung und Wärmestrahlungsleistung usw. aufweist.
Herkömmlicherweie ist auch das obenerwähnte Keramiksubstrat hauptsächlich aus gesintertem Aluminiumoxid hergestellt worden. Das Aluminiumoxidsubstrat hat jedoch seine Grenze bezüglich der Wärmeableitungsleistung. Der Grund dafür ist, daß die in dem Halbleiterbauelement entwickelte Wärme mit den Steigerungen des Integrationsgrades, der Frequenz und der Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements, die in den letzten Jahren realisiert wurden, Jahr für Jahr ansteigt. Daher wird ein Keramiksubstrat aus einem Aluminiumnitrid (AlN) praktisch eingesetzt, das eine etwa zehnmal höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumoxid aufweist und in seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Silicium (Si) nahekommt.
Da das Aluminiumnitridsubstrat die obenerwähnte Eigenschaft, aber keine hohe mechanische Festigkeit und Zähigkeit aufweist, hat es die Nachteile, daß wegen des im Bestückungsschritt vorgenommenen Einspannens bestimmte Merkmale entstehen, und daß bei Temperaturwechselbeanspruchung eine Neigung zur Rißbildung auftritt. Daher weist das Aluminiumnitridsubstrat unter den Keramiksubstraten für die Montage der elektronischen Bauelemente eine geringere mechanische Zuverlässigkeit auf, die von der Elementcharakteristik abhängig ist.
Bekannt ist das aus Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) bestehende Keramiksubstrat, das im Vergleich zum Aluminiumnitridsubstrat eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist, aber in der Wärmeausdehnung dem Silicium (Si) nahekommt und eine höhere mechanische Festigkeit und Zähigkeit aufweist. Durch Steuerung der Teilchengröße des Siliciumnitrid-Ausgangsmaterials, der Zusammensetzung der Sinterhilfsstoffe usw. konnte bei Siliciumnitridsubstrat eine Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als beispielsweise 40 W/m K erreicht werden.
Falls das obenerwähnte Siliciumnitridsubstrat als Leiterplatte usw. verwendet wird, ist es unumgänglich, ähnlich wie bei den gewöhnlichen Keramiksubstraten eine Metallschaltkreisplatte auf eine Oberfläche des Substrats zu bonden. Beim Bonden der Schaltkreisplatte auf das Siliciumnitridsubstrat ist man bestrebt, als Schaltkreisplatte eine Kupfersystem-Schaltkreisplatte zu verwenden, und dann wird diese Kupfersystem-Schaltkreisplatte unter Anwendung des Kupferdirektkontaktierverfahrens (nachstehend als "DBC-Verfahren" bezeichnet) oder des Metallaktivierungsverfahrens auf das Siliciumnitridsubstrat gebondet.
US-A-4 693 409 beschreibt eine Laminatstruktur aus einer Keramik und einem Metall. In Beispiel 6 ist die Keramik Siliciumnitrid, und das Metall ist Kupfer. Das Kupfer wird durch Oxidieren der Bondfläche des Siliciumnitridelements direkt auf das Siliciumnitrid gebondet.
Falls die Kupfersystemplatte durch Anwendung des Kupferdirektkontaktierverfahrens (DBC- Verfahrens) auf das Siliciumnitridsubstrat gebondet wird, muß auf einer Oberfläche des Siliciumnitridsubstrats eine Oxidschicht ausgebildet werden, weil für das DBC-Verfahren eine eutektische Verbindung des Kupfer-Sauerstoff-Systems verwendet wird. Die Oxidschicht wird gewöhnlich durch Anwendung des thermischen Oxidationsverfahrens auf der Oberfläche des Keramiksubstrats ausgebildet. Dabei gibt es jedoch das Problem, daß die Ausbildung der für das DBC-Verfahren erforderlichen stabilen Oxidschicht auf dem Siliciumnitrid mit Hilfe des thermischen Oxidationsverfahrens schwierig ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Siliciumnitrid eine komplizierte Feinstruktur aufweist und daß ein durch das thermische Oxidationsverfahren ausgebildetes Oxid des Si-O-Systems (SiO&sub2; usw.) verschiedene Arten von Kristallstrukturen aufweisen kann.
Das heißt, wegen des DBC-Verfahrens ist eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 1 bis 3 um für das Bonden der Kupfersystem-Schaltkreisplatte notwendig. Wenn die Oxidschicht mit einer solchen Dicke durch Anwendung des thermischen Oxidationsverfahrens auf der Oberfläche des Siliciumnitridsubstrats ausgebildet wird, entstehen unvermeidlich feine Risse und Poren von großem Durchmesser. Die bei hoher Temperatur erzeugte flüssige Phase der eutektischen Verbindung des Kupfer- Sauerstoff-Systems (eutektische Cu-Cu&sub2;O-Verbindung) wird zum Bonden nach dem DBC-Verfahren genutzt; die verflüssigte eutektische Verbindung durchdringt die Oxidschicht bis zum Siliciumnitridsubstrat , wenn in der Oxidschicht Risse und Poren vorhanden sind. Die verflüssigte eutektische Verbindung, die das Siliciumnitridsubstrat erreicht hat, wirkt auf das Siliciumnitrid ein und entwickelt Stickstoffgas, das zur Entstehung von Blasen und zu einer schlechten Bindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat und der Kupfersystem-Schaltkreisplatte führt.
Ferner hat ein Oxid des Si-O-Systems, wie z. B. SiO&sub2;, den Nachteil, daß seine Wärmeleitfähigkeit sehr niedrig ist. Falls die Kupfersystem-Schaltkreisplatte über die Oxidschicht des Si-O-Systems mit niedriger Wärmeleitfähigkeit auf das Siliciumnitridsubstrat gebondet wird, bewirkt die Oxidschicht des Si- O-Systems, daß die Wärmeübertragung (Strahlung) von den Halbleiterbauelementen usw. zum Siliciumnitridsubstrat verhindert wird. Daher kann die Wärmeleitfähigkeit, die das Siliciumnitridsubstrat im wesentlichen aufweist, nicht genutzt werden.
Aus obenstehenden Bemerkungen folgt, daß bei dem nach dem DBC-Verfahren eingesetzten Siliciumnitridsubstrat die Fähigkeit zur leichten Ausbildung einer stabilen Oxidschicht von ausreichender Dicke erforderlich ist, und daß es bei der Anwendung des DBC-Verfahrens auf das Siliciumnitridsubstrat unumgänglich ist, den Anstieg des Wärmedämmwerts aufgrund der Oxidschicht zu vermindern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Oxidschicht bereitzustellen, die stabil ist und eine ausreichende Dicke aufweist und die dann bei Anwendung des DBC-Verfahrens auf das Siliciumnitridsubstrat unentbehrlich ist, sowie eine Siliciumnitridleiterplatte und ein Herstellungsverfahren dafür bereitzustellen, das in der Lage ist, die schlechte Bondverbindung, Blasenbildung usw. mit Hilfe einer solchen Oxidschicht einzudämmen. Ferner besteht eine weitere Aufgabe darin, eine Siliciumnitridleiterplatte bereitzustellen, die den Anstieg des Wärmedämmwerts aufgrund der Oxidschicht vermindern kann.
Eine Siliciumnitridleiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Siliciumnitridsubstrat, eine im wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehende Oxidschicht, die auf einer Oberfläche des Siliciumnitridsubstrats angeordnet ist, und eine Kupfersystem-Schaltkreisplatte aufweist, die über die Oxidschicht direkt auf das Siliciumnitridsubstrat gebondet wird. Bei der Siliciumnitridleiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Oxidschicht 10 bis 1000 Millionstel Gewichtsteile (ppm) mindestens eines Elements aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumnitridleiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet: Auftragen von superfeinkörnigem Aluminiumoxid-Sol auf eine Oberfläche eines Siliciumnitridsubstrats, dann Ausbilden einer Aluminiumoxidschicht durch Wärmebehandlung in einer Luftatmosphäre; Inkontaktbringen einer Kupfersystem-Schaltkreisplatte mit dem Siliciumnitridsubstrat über die Aluminiumoxidschicht; und Bonden der Kupfersystem- Schaltkreisplatte auf das Siliciumnitridsubstrat durch Wärmebehandlung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Siliciumnitridleiterplatte kann das superfeinkörnige Aluminiumoxid-Sol 10 bis 1000 ppm mindestens eines Elements enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht.
Bei der erfindungsgemäßen Siliciumnitridleiterplatte wird als Oberflächenoxidschicht die Aluminiumoxidschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit verwendet, die höher ist als bei einem Oxid des Si-O- Systems, wie z. B. SiO&sub2; usw., das man bei Anwendung des gewöhnlichen thermischen Oxidationsverfahrens auf das Siliciumnitridsubstrat erhält. Dementsprechend kann die durch die Oxidschicht verursachte Abnahme der Strahlungsleistung der Siliciumnitridleiterplatte in Schranken gehalten werden.
Da die Aluminiumoxidschicht als Oxidschicht verwendet wird, zum Beispiel bei Anwendung des DBC-Verfahrens auf das Aluminiumnitridsubstrat, kann man außerdem daraus mühelos eine dichte Schicht erhalten, die wenig Poren und Risse usw. aufweist. Die Aluminiumoxidschicht kann durch verschiedenartige Ausbildungsverfahren auch auf dem Siliciumnitridsubstrat stabil ausgebildet werden. Dementsprechend können die schlechte Bondverbindung, Blasenbildung usw. eingedämmt werden, die auf die Mikrodefekte, wie z. B. Poren, Risse usw., in der Oxidschicht zurückzuführen sind.
Ferner ist mindestens ein Element, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht, in einem Anteil im Bereich von 10 bis 1000 ppm in der Aluminiumoxidschicht enthalten, was zu einer weiteren Verbesserung der Grenzflächenbindefähigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat und der Aluminiumoxidschicht führt.
Das bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren verwendete superfeinkörnige Aluminiumoxid-Sol erhält man durch direktes Dispergieren des superfeinkörnigen Aluminiumoxids in Wasser. Das superfeinkörnige Aluminiumoxid kann in relativ großen Mengen in dem Wasser dispergiert werden. Durch Verwendung eines solchen superfeinkörnigen Aluminiumoxid-Sols kann man eine Aluminiumoxidschicht mit einer Schichtdicke, die für das DBC-Verfahren notwendig ist, beispielsweise durch einen einmaligen Beschichtungs- und Brennprozeßn erhalten, was zu einer Verringerung der Arbeitsstunden und der Kosten führt, die zur Ausbildung der Aluminiumoxidschicht erforderlich sind.
Außerdem ist das superfeinkörnige Aluminiumoxid-Sol hochaktiv und erleichtert dadurch die Ausbildung der Reaktionsschicht mit dem Siliciumnitridsubstrat. Die Reaktionsschicht bewirkt eine Verbesserung der Bindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat und der Aluminiumoxidschicht. Ferner kann durch Verwendung des superfeinkörnigen Aluminiumoxid-Sols, das mindestens ein Element, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht, in einem Gewichtsanteil von 10 bis 1000 ppm enthält, die Grenzflächenbindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat und der Aluminiumoxidschicht weiter verbessert werden.
Da außerdem die erhaltene Aluminiumoxidschicht eine gesinterte Schicht aus granuliertem, superfeinkörnigem Aluminiumoxid ist, wird die Aluminiumoxidschicht ein dichter Film und weist extrem glatte Oberflächen auf. Dementsprechend erreicht beim DBC-Verfahren die flüssige Phase der eutektischen Verbindung des Cu-O-Systems eine befriedigende Benetzung, wodurch die Bindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat und den Kupfersystem-Schaltkreisplatten erhöht wird. Ferner bewirkt die dichte Aluminiumoxidschicht, daß die schlechte Bondverbindung, Blasenbildung usw. verhindert und der Wärmedämmwert verringert wird.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht, die einen Aufbau einer Siliciumnitridleiterplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittansicht, die eine gebondete Grenzfläche zwischen dem Siliciumnitridsubstrat und der Aluminiumoxidschicht der in Fig. 1 dargestellten Siliciumnitridleiterplatte darstellt.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Dicke der auf der Oberfläche des Siliciumnitridsubstrats aufgebrachten Oxidschicht und dem Wärmedämmwertverhältnis R/R0 des Siliciumnitridsubstrats mit der Oxidschicht darstellt; und
Fig. 4A bis Fig. 4C zeigen Schnittansichten, die ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Siliciumnitridleiterplatte darstellen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen ausführlich beschrieben, die eine Ausführung der Erfindung darstellen.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Siliciumnitridleiterplatte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Siliciumnitridsubstrat, das vorzugsweise aus einem Substrat mit einer Wärmeleitfähigkeit von insbesondere nicht weniger als 50 W/m K besteht.
Der Sinterkörper aus Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), der das Siliciumnitridsubstrat 1 bildet, ist als Keramik von hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit bekannt. Ferner kann z. B. durch Herstellung von feinkörnigem und hochreinem Siliciumnitridpulver als Rohmaterial für den Sinterkörper mittels Steuerung der Zusammensetzung der Sinterhilfsstoffe usw. das Siliciumnitrid (Siliciumnitridsubstrat 1) mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise nicht weniger als 50 W/m K gewonnen werden, ohne wesentliche mechanische Eigenschaften, wie z. B. die hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit, zu beeinträchtigen. Bei der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise das Siliciumnitridsubstrat 1 verwendet, das eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Die Aluminiumoxidschichten 2, 2 werden jeweils als Oxidschicht auf den Oberflächen des Siliciumnitridsubstrats 1 ausgebildet. Die Dicke der Aluminiumoxidschicht 2 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 5 um. Wenn die Dicke der Aluminiumoxidschicht 2 kleiner als 1 um ist, ist zu befürchten, daß die Verbindung instabil wird, wenn die weiter unten beschriebenen Kupfersystem- Schaltkreisplatten 4, 5 unter Anwendung eines Kupferdirektkontaktierverfahrens (DBC-Verfahrens) darauf gebondet werden, während bei einer größeren Dicke als 5 um zu befürchten ist, daß die Aluminiumoxidschicht 2 selbst abblättert, und so weiter.
Die Aluminiumoxidschicht 2 hat eine glatte Oberfläche und weist wenig Poren, Risse usw. auf, kann leicht hergestellt werden und läßt sich durch Anwendung verschiedener Arten von Filmbildungsverfahren auf dem Siliciumnitridsubstrat 1 stabilisieren. Obwohl die Aluminiumoxidschicht 2 durch ein Membranverfahren, wie z. B. das Sputterverfahren, oder durch ein Filmbildungsverfahren, wie z. B. das Sol-Gel-Verfahren usw. mit Verwendung von Aluminiumalkoxid und dergleichen ausgebildet werden kann, ist es vorzuziehen, die Aluminiumoxidschicht 2 insbesondere durch Auftragen und Brennen eines superfeinkörnigen Aluminiumoxid-Sols auszubilden, wie weiter unten ausführlich beschrieben.
Durch das Auftragen und Brennen des superfeinkörnigen Aluminiumoxid-Sols läßt sich ohne weiteres eine dichte Aluminiumoxidschicht 2 erzielen. Zum Beispiel läßt sich der Durchmesser der Poren in der Aluminiumoxidschicht 2 so verkleinern, daß er nicht größer als 100 nm ist, und dann kann eine Aluminiumoxidschicht 2 aus hochreinem α-Al&sub2;O&sub3; erzielt werden, was zu einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumoxidschicht 2 führt. Ferner bewirkt die Feinheit der Poren in der Aluminiumoxidschicht 2 eine Verbesserung der Bindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und den Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5.
Ein superfeinkörniges Aluminiumoxid-Sol erhält man z. B. durch direktes Dispergieren von granuliertem, superfeinkörnigem Aluminiumoxid mit einer Korngröße von 2 bis 20 nm in Wasser. Derartiges granuliertes superfeinkörniges Aluminiumoxid weist eine ausreichend hohe Aktivität auf Wie in einer vergrößerten Darstellung von Fig. 2 gezeigt, kann an einer Grenzfläche zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und der Aluminiumoxidschicht 2 relativ leicht eine Reaktionsschicht 3 ausgebildet werden, indem das obenerwähnte granulierte, superfeinkörnige Aluminiumoxid als Ausgangsmaterial der Aluminiumoxidschicht 2 verwendet wird.
Die obenerwähnte Reaktionsschicht 3 wird durch Dispersion/Lösungsbehandlung der Elementarbestandteile Al und O der Aluminiumoxidschicht 2 in Oberflächennähe des Siliciumnitridsubstrats 1 ausgebildet. Eine solche Reaktionsschicht 3 bewirkt eine Verbesserung der Bindefestigkeit der Aluminiumoxidschicht 2 auf dem Siliciumnitridsubstrat 1. Mit anderen Worten, die Reaktionsschicht 3 wird an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und der Aluminiumoxidschicht 2 ausgebildet, um dadurch die Bindefestigkeit zwischen diesen zu erhöhen. Die Zuverlässigkeit einer Siliciumnitridleiterplatte 6 wird durch die Verbesserung der Bindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und der Aluminiumoxidschicht 2 verbessert.
Die Aluminiumoxidschicht 2 kann mindestens ein Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht, in einem Anteil im Bereich von 10 bis 1000 ppm enthalten. Diese Elemente bezwecken eine Erhöhung der Grenzflächenbindefähigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und der Aluminiumoxidschicht 2. Die obenerwähnten Elemente bewirken jeweils eine Verbesserung der Grenzflächenbindefähigkeit zwischen der Aluminiumoxidschicht 2 und den weiter unten beschriebenen Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5. Da jedoch eine Neigung zur Entstehung von Mikrodefekten besteht, wie z. B. von Poren, Rissen usw., wenn die Konzentration der obenerwähnten Elemente zu hoch ist, soll deren Anteil nicht höher als 1000 ppm sein. Ist der Anteil der obenerwähnten Elemente niedriger als 10 ppm, dann kann die Wirkung einer Verbesserung der Grenzflächenbindefähigkeit nicht erzielt werden; dementsprechend ist es vorzuziehen, daß der Anteil der Elemente größer als 10 ppm ist.
Das obenerwähnte, mindestens eine Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht, wird dem Material zur Ausbildung der Aluminiumoxidschicht 2 vorher zugesetzt, z. B. einem superfeinkörnigen Aluminiumoxid-Sol, damit es in der Aluminiumoxidschicht 2 enthalten ist. Dabei kann das Oxid des obigen Zusatzelements, eine Verbindung, die sich bei Erhitzen in das Oxid umwandelt usw. zugesetzt werden. Diese zusätzlichen Elemente verteilen sich aus der Aluminiumoxidschicht 2 in das Siliciumnitridsubstrat 1 und sind dadurch auch in der obigen Reaktionsschicht 3 enthalten. Zusätzlich zu den obigen Elementen Si, N, Al und O bewirkt die Reaktionsschicht 3, welche die obigen Zusatzelemente enthält, eine viel stärkere Verbesserung der Bindefähigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und der Aluminiumoxidschicht 2.
Si als elementarer Hauptbestandteil des Siliciumnitridsubstrats 1 und Ti, Y, Er, die von den entsprechenden, obenerwähnten Elementen wahlweise als Sinterhilfsstoffzusammensetzung usw. dem Siliciumnitridsubstrat 1 beigemischt werden, können durch Dispersion aus dem Siliciumnitridsubstrat 1 in die Aluminiumoxidschicht 2 gelangen. Die aus dem Siliciumnitridsubstrat 1 in die Aluminiumoxidschicht 2 dispergierten Elemente bewirken außerdem eine Verbesserung der Ausbildung der Reaktionsschicht 3 an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und der Aluminiumoxidschicht 2 und ferner eine Verbesserung der Bindefestigkeit zwischen ihnen.
Die Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5 werden über die Aluminiumoxidschicht 2 nach dem DBC-Verfahren direkt auf das Siliciumnitridsubstrat 1 gebondet, das die Aluminiumoxidschicht 2 als Oxidschicht an der Oberfläche aufweist. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Siliciumnitridleiterplatte 6 wurde weiter oben beschrieben. Als Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5 können eine Kupferplatte oder eine Platte aus Kupferlegierung verwendet werden, ähnlich dem gewöhnlichen Substrat, das nach dem DBC-Verfahren aufgebracht wird. Ferner kann dafür eine Platte mit Kupferbelag usw. verwendet werden, bei der eine andere Metallplatte mit Kupferblech plattiert wird.
Das durch Ätzen oder Drucken usw. zu einer gewünschten Schaltkreisform strukturierte Blech kann auf die Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5 gebondet werden. Außerdem wird ein einzelnes Blech, wie z. B. aus Kupfer, Kupferlegierung usw., darauf gebondet und kann dann durch Ätzen usw. in Schaltkreisform strukturiert werden. Die Dicke jeder der Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5 ist vorzugsweise nicht größer als 0,5 mm. Wenn die Dicke der jeweiligen Kupfersystem-Schaltkreisplatte 4, 5 größer als 0,5 mm ist, erhöht sich die beim Abkühlungsvorgang nach dem Erhitzen/Bonden usw. entstehende Wärmebeanspruchung, und es ist zu befürchten, daß eine schlechte Bondverbindung entsteht.
Bei der obenerwähnten Siliciumnitridleiterplatte 6 erfolgt das Bonden der Kupfersystem- Schaltkreisplatten 4, 5 auf das Siliciumnitridsubstrat 1 mit Hilfe des DBC-Verfahrens über die Aluminiumoxidschicht 2, die dicht ist, eine hervorragende Oberflächenglätte aufweist und im Vergleich zum Siliciumnitrid einen höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweist, wodurch verhindert wird, daß eine eutektische Verbindung des Cu-O-Systems die Oxidschicht (Aluminiumoxidschicht 2) durchdringt und dann das Siliciumnitridsubstrat 1 erreicht, wodurch eine Gasbildung verhindert wird. Daher können das Siliciumnitridsubstrat 1 und die Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5 stabil miteinander verbunden werden, mit einer Bindefestigkeit, die dazu führt, daß eine schlechte Bondverbindung und Blasenbildung verhindert wird.
Wenn ferner die Aluminiumoxidschicht 2 mindestens ein Element, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht, in einem Anteil im Bereich von 10 bis 1000 ppm enthalten kann, dann läßt sich die Grenzflächenbindefähigkeit verbessern, wodurch auf stabilere Weise eine schlechte Bondverbindung und Blasenbildung verhindert werden kann. Dann kann die Bindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und den Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5 viel stärker erhöht werden.
Die Aluminiumoxidschicht 2 weist eine Wärmeleitfähigkeit von 20 W/m K auf, die für das Oxid recht zufriedenstellend ist, im Vergleich zu Siliciumdioxid mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 2 W/m K, wodurch der durch die Oxidschicht verursachte Anstieg des Wärmedämmwerts in Schranken gehalten wird. Fig. 3 zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Dicke der auf die Oberfläche des Siliciumnitridsubstrats 1 aufgebrachten Oxidschicht und einem Wärmedämmwertverhältnis R/R&sub0; des Siliciumnitridsubstrats 1 mit dem Oxid darstellt (R bezeichnet einen Wärmedämmwert pro Flächeneinheit, der hervorgerufen wird, wenn die Oberflächenoxidschichten mit einer Dicke von jeweils x um auf beiden Oberflächen des Siliciumnitridsubstrats 1 ausgebildet sind, und R&sub0; bezeichnet einen Wärmedämmwert pro Flächeneinheit, der hervorgerufen wird, wenn keine Oberflächenoxidschicht vorhanden ist und die Wärmeleitfähigkeit des Siliciumnitrids 100 W/m K beträgt).
In Fig. 3 stellt die ausgezogene Linie A die Ergebnisse dar, die man erhält, wenn die Aluminiumoxidschicht 2 (Wärmeleitfähigkeit = 20 W/m K) als Oxid aufgebracht wird. Die gestrichelte Linie B stellt im Vergleich zur Erfindung die Ergebnisse dar, die man erhält, wenn die Siliciumdioxidschicht (Wärmeleitfähigkeit = etwa 2 W/m K) als Oxid verwendet wird. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, erhöht sich bei Verwendung der Siliciumdioxidschicht als Oxidschicht der Wärmedämmwert beträchtlich, wenn die Oxidschicht mit einer für das DBC-Verfahren erforderlichen Schichtdicke ausgebildet wird, während bei Verwendung einer Aluminiumoxidschicht 2 als Oxidschicht die Erhöhung des Wärmedämmwerts auch dann in Schranken gehalten werden kann, wenn die Oxidschicht mit einer für das DBC-Verfahren erforderlichen Schichtdicke ausgebildet wird, wodurch die durch das Oxid verursachte Abnahme der (Wärme-) Strahlung eingedämmt wird. Außerdem können, wie oben erwähnt, bei Verwendung der Aluminiumoxidschicht 2 die schlechte Bondverbindung und die Blasenbildung verhindert werden, wodurch man eine Siliciumnitridleiterplatte 6 mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit erhält.
Die Siliciumnitridleiterplatte 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist einen befriedigenden Bondzustand und eine hervorragende Bindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und den Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5 sowie einen niedrigeren Wärmedämmwert und einen hervorragenden Wärmetransport auf, wodurch Halbleiterbauelemente usw. montiert werden können, die eine große Wärmemenge ableiten, und die Zuverlässigkeit der Leiterplatte selbst beträchtlich erhöht wird.
Die Siliciumnitridleiterplatte 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann hergestellt werden, wie z. B. nachstehend beschrieben wird. Im folgenden werden Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Siliciumnitridleiterplatte 6 unter Bezugnahme auf Fig. 4A bis Fig. 4D beschrieben.
Zunächst wird das Siliciumnitridsubstrat 1 hergestellt. Nach der Herstellung des Siliciumnitridsubstrats 1 werden zunächst Sinterhilfsstoffe, wie z. B. Seltenerdoxidpulver, Hafniumoxidpulver, Aluminiumoxidpulver usw. zugesetzt und mit dem Siliciumnitridpulver vermischt, wodurch das pulverförmige Material für ein Siliciumnitridsintergut hergestellt wird. Vorzugsweise wird feinkörniges Pulver mit einer mittleren Korngröße von nicht mehr als 5 um als Ausgangsmaterial für das Siliciumnitridpulver verwendet. Unter Verwendung des obigen feinkörnigen Siliciumnitridpulvers kann der Siliciumnitrid-Sinterkörper, d. h. das Siliciumnitridsubstrat 1, mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist die mittlere Korngröße des Siliciumnitridpulvers nicht größer als 1 um, noch stärker bevorzugt nicht größer als 0,5 um.
Die als Sinterhilfsstoffe zugesetzten Seltenerdelemente sind Oxide von beispielsweise Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Gd, Er usw. oder Material, das während des Sintervorgangs zu dem obigen Oxid oxidiert wird. Außerdem kann das Oxid von Hf verwendet werden. Diese Materialien sind einzeln oder als Kombination von zwei oder mehr Materialarten in den Sinterhilfsstoffen enthalten. Insbesondere wird vorzugsweise Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) eingesetzt. Diese Sinterhilfsstoffe wirken auf das pulverförmige Siliciumnitridmaterial ein, um eine flüssige Phase zu erzeugen, und wirken dadurch als Sinterungsbeschleuniger.
Der Zuschlagsanteil der obigen Sinterhilfsstoffe wird vorzugsweise auf einen Bereich von 2 bis 7,5 Gew.-% des Siliciumnitridpulvers festgesetzt, bezogen auf das Oxid. Wenn dieser Zuschlagsanteil weniger als 2 Gew.-% beträgt, ist die Herstellung eines dichten Siliciumnitrid-Sinterkörper schwierig, und man erhält eine niedrige mechanische Festigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit, während bei einem höheren Zuschlagsanteil als 7,5 Gew.-% der erzeugte Grenzschichtphasenanteil im Sinterkörper zu hoch wird, wodurch dessen Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit abzunehmen beginnen. Insbesondere liegt der Zuschlagsanteil vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 3 bis 6 Gew.-%.
Ferner dient Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) als weitere Zuschlagszusammensetzung dazu, die Wirkung der obigen Seltenerdelemente als Sinterungsbeschleuniger zu fördern. Wenn der Zuschlagsanteil von Aluminiumoxid als Aluminiumquelle weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, dann wird die Dichte des Sinterkörpers unzureichend, während bei einem höheren Zuschlagsanteil als 2 Gew.-% der erzeugte Grenzschichtphasenanteil zu hoch wird oder eine Auflösung in dem Siliciumnitrid hervorgerufen wird, wodurch die Wärmeleitfähigkeit abnimmt. Daher wird der Zuschlagsanteil von Aluminiumoxid vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 2 Gew.-% festgesetzt. Insbesondere liegt der Zuschlagsanteil vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,7 bis 1,5 Gew.-%.
Ferner können Tantaloxid, Niobiumoxid, Titanoxid, Wolframoxid usw. dem pulverförmigen Siliciumnitridmaterial zugesetzt werden, um zu verhindern, daß nach dem Entfetten Kohlenstoff zurückbleibt. Da jedoch Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn, B usw. als die anderen elektropositiven Verunreinigungselemente zu der Substanz werden, welche die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt, wird der Zuschlagsanteil der obigen elektropositiven Verunreinigungselemente auf nicht mehr als 0,3 Gew.-% festgesetzt, damit die Wärmeleitfähigkeit größer als 50 W/m K wird.
Dann werden dem pulverförmigen Siliciumnitridmaterial ein organisches Bindemittel, ein organisches Lösungsmittel und dergleichen beigemischt, wodurch das Pulver aufgeschlämmt wird. Diese Aufschlämmung wird mit Hilfe eines gewöhnlichen Formgebungsverfahrens, z. B. durch Ausstreichen mit einem Streichmesser usw., zu einer Tafel geformt, um dadurch die ungesinterte Siliciumnitridtafel herzustellen. Diese ungesinterte Siliciumnitridtafel wird in Luft oder in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, wie z. B. einer Stickstoffatmosphäre, entfettet und dann in der nichtoxidierenden Atmosphäre, beispielsweise der Stickstoffatmosphäre, gebrannt, um dadurch das Siliciumnitridsubstrat 1 zu erhalten.
Als nächstes wird ein superfeinkömiges Aluminiumoxid-Sol hergestellt, das ein Ausgangsmaterial zum Ausbilden der Aluminiumoxidschicht 2 ist. Dabei wird eine kolloidale Flüssigkeit, in der das granulierte, superfeinkörnige Aluminiumoxid mit einer Korngröße von beispielsweise etwa 2 bis 20 nm in Wasser (als Dispersionsmittel) in einem Anteil im Bereich von 5 bis 20 Gew.-% dispergiert ist, als superfeinkörniges Aluminiumoxid-Sol eingesetzt. Ein solches granuliertes, superfeinkörniges Aluminiumoxid kann in Form des Aluminiumgranulats direkt in Wasser dispergiert werden. Ferner kann, wie oben beschrieben, eine große Menge Aluminiumgranulat von 5 bis 20 Gew.-% in dem Wasser als Dispersionsmittel dispergiert werden.
Einem superfeinkörnigen Aluminiumoxid-Sol kann gegebenenfalls mindestens ein Element, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht, in einem Anteil im Bereich von 10 bis 1000 ppm zugesetzt werden. Die obenerwähnten Elemente können nicht nur in Form eines aus einem einzelnen Element oder einer Legierung bestehenden Pulvers der Elemente zugesetzt werden, sondern auch als Oxid jedes der Elemente, als Verbindung, die sich durch Erhitzen in das Oxid umwandeln kann, usw.
Wie in Fig. 4A dargestellt, wird das obige superfeinkörnige Aluminiumoxid auf die Oberflächen des Siliciumnitridsubstrats 1 aufgebracht, wodurch die Überzüge 2' aus Aluminiumoxid-Sol auf der Oberfläche des Siliciumnitridsubstrats 1 ausgebildet werden. Das Aluminiumoxid-Sol wird durch übliche Verfahren aufgebracht, wie z. B. das Schleuderbeschichtungsverfahren, das Tauchbeschichtungsverfahren, das Sprühbeschichtungsverfahren usw. Die Dicke der Überzugsschicht wird entsprechend der Schichtdicke der nach dem Brennen gebildeten Aluminiumoxidschicht 2 festgesetzt.
Als nächstes wird das Siliciumnitridsubstrat 1 mit der aufgebrachten Schicht 2'aus Aluminiumoxid-Sol in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von beispielsweise 1173 bis 1573 K wärmebehandelt (gebrannt). Infolge dieser Wärmebehandlung in der Atmosphäre wird das superfeinkörnige Aluminiumoxid in dem Aluminiumoxid-Sol gebrannt, wodurch die Aluminiumoxidschicht 2 entsteht, wie in Fig. 4B dargestellt. Wenn dabei ein superfeinkörniges Aluminiumoxid-Sol verwendet wird, das mindestens ein Element enthält, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht, kann man eine Aluminiumoxidschicht 2 erhalten, welche diese Elemente in einem Konzentrationsbereich von 10 bis 1000 ppm enthält. Auf diese Weise werden auf den Oberflächen des Siliciumnitridsubstrats 1 die Aluminiumoxidschichten 2, 2 ausgebildet.
Übrigens wird das superfeinkörnige Aluminiumoxid-Sol, das zur Ausbildung der Aluminiumoxidschichten 2, 2 verwendet wird, in Form des granulierten Aluminiumoxids in relativ großen Mengen direkt in dem Wasser dispergiert, wie oben beschrieben. Dementsprechend kann man z. B. durch Einstellen der Beschichtungsbedingungen die Aluminiumoxidschicht 2 mit der für das DBC-Verfahren erforderlichen Schichtdicke, d. h. konkret mit der Schichtdicke von 1 bis 5 um, durch einen einmaligen Beschichtungs-Brennvorgang erhalten.
Zum Beispiel müssen bei Anwendung eines gewöhnlichen Sol-Gel-Verfahrens mit Verwendung von Metallalkoxiden als Rohmaterial-Sol die Beschichtungs-Brennvorgänge mehrmals wiederholt werden, um die Aluminiumoxidschicht 2 mit entsprechender Schichtdicke zu erhalten, wodurch Erhöhungen der für die Herstellung erforderlichen Arbeitsstunden und der Produktionskosten nicht verhindert werden können. Ferner ist im Falle des Sputterverfahrens die Erhöhung der Produktionskosten nicht vermeidbar. Die Reaktionsschicht 3 zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und der Aluminiumoxidschicht 2 kann durch das Sputterverfahren nicht zufriedenstellend ausgebildet werden, was zu einer niedrigen Bindefestigkeit der Aluminiumoxidschicht 2 führt.
Dagegen kann man nach dem obenerwähnten Formgebungsverfahren die Aluminiumoxidschicht 2 mit der notwendigen Schichtdicke durch ein einfaches und billiges Verfahren erhalten, wie z. B. durch Auftragen/Brennen des superfeinkörnigen Aluminiumoxid-Sols und durch einen einmaligen Beschichtungs- Brennvorgang, der zu Verminderung der Arbeitsstundenzahl und der Kosten für die Ausbildung der Aluminiumoxidschicht 2 führt. Ferner kann relativ leicht die Reaktionsschicht 3 ausgebildet werden. Die Reaktionsschicht 3 dient dazu, die Bindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und der Aluminiumoxidschicht 2 zu erhöhen. Außerdem kann auch mindestens ein Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht, mühelos in die Aluminiumoxidschicht 2 eingebracht werden.
Außerdem ist die erhaltene Aluminiumoxidschicht 2 eine gesinterte Schicht aus dem granulierten, superfeinkörnigen Aluminiumoxid, die einen sehr dünnen Film und äußerst glatte Oberflächen realisiert. Dementsprechend wird verhindert, daß in dem später ausgeführten DBC-Verfahren eine im Wärmebehandlungsprozeß ausgebildete eutektische Verbindung des Cu-O-Systems das Oxid (die Aluminiumoxidschicht 2) durchdringt und dann das Siliciumnitridsubstrat 1 erreicht. Ferner wird eine befriedigende Benetzung durch die flüssige Phase der eutektischen Verbindung des Cu-O-Systems erzielt, wodurch die Bindefestigkeit zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und den Kupfersystem- Schaltkreisplatten 4, 5 erhöht wird.
Danach werden, wie in Fig. 4C dargestellt, nach dem üblichen DBC-Verfahren die Kupfersystem- Schaltkreisplatten 4, 5 über die Aluminiumoxidschichten 2, 2 auf das Siliciumnitridsubstrat 1 gebondet, um dadurch das fertige Siliciumnitrid-Leiterplattensubstrat 6 zu erhalten.
Konkret ausgedrückt, die Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5 werden zunächst so angeordnet, daß sie in Kontakt mit den Aluminiumoxidschichten 2, 2 an der Oberfläche des Siliciumnitrid-Substrats 1 gebracht werden, das als nächstes der Wärmebehandlung in einer Inertgasatmosphäre, wie z. B. einer Stickstoffatmosphäre mit gesteuertem Sauerstoffpartialdruck, bei einer Temperatur vom Schmelzpunkt (1338 K) einer eutektischen Verbindung des Kupfer-Sauerstoff-Systems bis zum Schmelzpunkt von Kupfer (1356 K) ausgesetzt wird. Durch diese Wärmebehandlung werden die Oberflächen des Siliciumnitridsubstrats 1 durch die flüssige Phase der eutektischen Verbindung des Kupfer-Sauerstoff- Systems benetzt, und dann wird diese flüssige Phase abgekühlt und zum Erstarren gebracht, wodurch das Siliciumnitridsubstrat 1 und die Kupfersystem-Schaltkreisplatten 4, 5 gebondet werden.
Als Ergebnis der Ausführung der obenerwähnten Verfahren kann man mit zufriedenstellender Reproduzierbarkeit und zu niedrigen Kosten das Siliciumnitrid-Leiterplattensubstrat 6 mit niedrigem Wärmedämmwert und hoher Bindefestigkeit erhalten, wodurch eine schlechte Bondverbindung und Blasenbildung verhindert werden.
Als nächstes werden im folgenden Experimentalbeispiele der obenerwähnten Ausführungsform und die Auswertungsergebnisse beschrieben.

EXPERIMENTALBEISPIEL 1

Zunächst wurde das Siliciumnitridsubstrat 1 mit einer Wärmeleitfähigkeit von 70 W/m K und einer Dicke von 0,5 mm hergestellt. Auf das Siliciumnitridsubstrat 1 wurde durch eine Schleuderbeschichtungsvorrichtung ein superfeinkörniges Aluminiumoxid-Sol (Wasserdispersionskörper/Aluminiumoxid-Sol-10 (Handelsbezeichnung), hergestellt von Kawaken Fine Chemical Kabushiki Kaisha) aufgebracht, das ein granuliertes, superfeinkörniges Aluminiumoxid mit einer Korngröße von 2 bis 20 nm in einem Anteil von 10 Gew.-% enthielt. Die Beschichtungsbedingungen wurden so eingestellt, daß die Schichtdicke des ausgebildeten Aluminiumoxids nach dem Brennen 2 um betrug.
Als nächstes wurde das Siliciumnitridsubstrat 1 mit dem darauf ausgebildeten Überzug aus superfeinkörnigem Aluminiumoxid-Sol in einer Luftatmosphäre wärmebehandelt. Die Wärtnebehandlungstemperatur wurde auf 1473 K eingestellt, d. h. auf einen höheren Wert als die Bondtemperatur nach dem DBC-Verfahren. Bei dem Wärmebehandlungsprozeß in der obigen Atmosphäre wurden auf den Oberflächen des Siliciumnitridsubstrats 1 die Aluminiumoxidschichten 2, 2 mit einer Dicke von jeweils etwa 2 um ausgebildet. Die Aluminiumoxidschicht 2 mit einer solchen Schichtdicke erhielt man durch einen einmaligen Beschichtungs-Brennvorgang des superfeinkörnigen Aluminiumoxid-Sols.
Die Mikrostruktur der erhaltenen Aluminiumoxidschicht 2 wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtet. Als Ergebnis hatte die Schicht eine dichte Mikrostruktur mit wenig Rissen und ohne grobe Poren, wobei lediglich einige Mikroporen von nicht mehr als 100 nm Durchmesser auftraten. Ferner wurde beobachtet, daß an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumnitridsubstrat 1 und der Aluminiumoxidschicht 2 die Reaktionsschicht 3 ausgebildet wurde. Die Oberfläche der Aluminiumoxidschicht 2 wies eine hervorragende Glätte auf.
Als nächstes wurden die Kupferbleche 4, 5 mit einer Dicke von jeweils 0,3 mm so angeordnet, daß sie in Kontakt mit der Aluminiumoxidschicht 2 gebracht wurden, und dann der Wännebehandlung in einem Stickstoffgas (Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als 100 ppm) bei einer Temperatur von 1443 K ausgesetzt. Durch diese Wärmebehandlung wurden die Kupferplatten 4, 5 jeweils auf das Siliciumnitridsubstrat 1 gebondet. Das so erhaltene Siliciumnitrid-Leiterplattensubstrat 6 wurde einer weiter unten beschriebenen Beurteilung seiner Eigenschaften unterworfen.

VERGLEICHSBEISPIEL 1

Die Siliciumnitridleiterplatte wurde ähnlich wie im obigen Experimentalbeispiel 1 hergestellt, dann der später beschriebenen Eigenschaftsbeurteilung unterworfen, wobei aber durch die thermische Oxidationsbehandlung (1473 K) im Experimentalbeispiel 1 Oxidschichten des Si-O-Systems auf den Oberflächen der Siliciumnitridleiterplatte ausgebildet wurden.

BEZUGSBEISPIEL 1

Ein allgemeines Sol, das Aluminiumethylat enthielt, wurde als Material zur Ausbildung der Siliciumnitridleiterplatte eingesetzt. Die Siliciumnitridleiterplatte wurde ähnlich wie im obigen Experimentalbeispiel 1 hergestellt, dann der später beschriebenen Eigenschaftsbeurteilung unterworfen, wobei aber die Aluminiumoxidschicht durch einmaliges Auftragen/Brennen des Sols ausgebildet wurde. Übrigens war die Dicke der erhaltenen Aluminiumoxidschicht nicht größer als 1 um.
Der Bondzustand der Kupferbleche 4, 5 wurde bei den jeweiligen Siliciumnitridsubstraten untersucht, die im Experimentalbeispiel 1, dem Vergleichsbeispiel und dem Bezugsbeispiel hergestellt wurden. Als Ergebnis wurde keine schlechte Bondverbindung und keine Blasenbildung auf der Siliciumnitridleiterplatte des Experimentalbeispiels 1 beobachtet. Dagegen wurden auf der Siliciumnitridleiterplatte des Vergleichsbeispiels 1 mehrere Blasen beobachtet. Außerdem wurden die Bindefestigkeit und der Wärmedämmwert der Kupferbleche der jeweiligen Siliciumnitridleiterplatte gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. TABELLE 1
Wie aus den obenerwähnten Meßergebnissen ersichtlich, kann bei der erfindungsgemäßen Siliciumnitridleiterplatte durch Anwendung des DBC-Verfahrens das Kupferblech zufriedenstellend und mit hoher Bindefestigkeit auf das Siliciumnitridsubstrat gebondet werden, wodurch man eine befriedigende Wärmeleitfähigkeit erzielt.
Außerdem wird bei der Siliciumnitridleiterplatte gemäß dem Bezugsbeispiel 1 die Aluminiumoxidschicht durch Anwendung des Sol-Gel-Verfahrens mit einem einmaligen Beschichtungs- /Brennvorgang ausgebildet. Daher ist die Schichtdicke der Aluminiumoxidschicht kleiner als die im Experimentalbeispiel 1, und die im wesentlichen gebondete Fläche ist klein, wodurch die obigen Ergebnisse erzielt werden. Die gegenüber dem Vergleichsbeispiel 1 befriedigenden Ergebnisse, obwohl schlechter als die von Experimentalbeispiel 1, können durch die Anwendung des Sol-Gel-Verfahrens erzielt werden, indem die Beschichtungs-Brennvorgänge mehrmals ausgeführt werden. Diese Ergebnisse sind jedoch in Bezug auf Arbeitsstunden und Herstellungskosten schlechter als im Experimentalbeispiel 1. Außerdem können mit dem Aluminiumoxid-Sol-Verfahren befriedigendere Ergebnisse bezüglich der Haftfestigkeit und der Dichte des Aluminiumoxidschicht erzielt werden als beim Sol-Gel-Verfahren.

EXPERIMENTALBEISPIELE 2 BIS 6

In den Experimentalbeispielen 2-6 wurden die Siliciumnitrid-Leiterplattensubstrate 6 jeweils auf ähnliche Weise wie im Experimentalbeispiel 1 hergestellt, wobei aber ein superfeinkörniges Aluminiumoxid-Sol (Wasserdispersionsmittel/Aluminiumoxid-Sol-10 (Handelsbezeichnung), hergestellt von Kawaken Fine Chemical Kabushiki Kaisha) verwendet wurde, dem 500 ppm Sn (Experimentalbeispiel 2), 1000 ppm Si (Experimentalbeispiel 3), 50 ppm Ti (Experimentalbeispiel 4), 200 ppm Y (Experimentalbeispiel 5) und 500 ppm Er (Experimentalbeispiel 6) zugesetzt wurden. Die Bindefestigkeit dieser Kupferbleche wurde gemessen und ähnlich wie im Experimentalbeispiel 1 ausgewertet; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. TABELLE 2
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, kann die Bindefestigkeit der Kupferbleche dadurch verbessert werden, daß in der Aluminiumoxidschicht mindestens ein Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht, in einem Anteil im Bereich von 10 bis 1000 ppm enthalten ist.
Wie oben beschrieben, kann bei der erfindungsgemäßen Siliciumnitridleiterplatte reproduzierbar eine Oxidschicht ausgebildet werden, die auf dem Siliciumnitridsubstrat stabil ist, wodurch das Auftreten einer schlechten Bondverbindung und Blasenbildung usw. infolge von Mikrodefekten der Oxidschicht, wie z. B. Poren oder Risse usw., vermindert werden kann, und ferner kann der durch die Oxidschicht verursachte Anstieg des Wärmedämmwerts minimiert werden. Dementsprechend kann durch Verwendung des Siliciumnitridsubstrats auf stabile Weise eine DBC-Leiterplatte mit hervorragender Wätmetransportfähigkeit bereitgestellt werden. Außerdem kann gemäß der vorliegenden Erfindung auf reproduzierbare Weise eine Siliciumnitridleiterplatte hergestellt werden, die, wie oben beschrieben, eine hohe Zuverlässigkeit und einen niedrigeren Wärmedämmwert aufweist.
Es können viele sehr verschiedene Ausführungsformen der Erfindung konstruiert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die in der Patentbeschreibung dargelegten konkreten Ausführungsformen, sondern nur durch die Definitionen in den beigefügten Patentansprüchen beschränkt ist.

Claims

1. Siliciumnitrid-Leiterplatte (6), die aufweist:

ein Siliciumnitridsubstrat (1);

eine Oxidschicht (2), die auf einer Oberfläche des Siliciumnitridsubstrats angeordnet ist, wobei die Oxidschicht (2) im wesentlichen aus Aluminiumoxid besteht; und

eine Kupfer-Systemschaltkreisplatte (4, 5), die über die Oxidschicht direkt auf das Siliciumnitridsubstrat gebondet ist.

2. Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 1, wobei die Oxidschicht (2) Poren von nicht mehr als 100 nm enthält.

3. Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 1, wobei die Oxidschicht (2) im wesentlichen aus hochreinem α-Al&sub2;O&sub3; besteht.

4. Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 1, wobei an einer Grenzfläche zwischen dem Siliciumnitridsubstrat (1) und der Oxidschicht (2) eine Reaktionsschicht (3) aus dem Siliciumnitrid und dem Aluminiumoxid angeordnet ist.

5. Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 4, wobei die Reaktionsschicht (3) Si, N, Al und O aufweist.

6. Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 1, wobei die Oxidschicht (2) ferner in einem Bereich von 10 bis 1000 ppm mindestens ein Element aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht.

7. Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 5, wobei die Reaktionsschicht (3) mindestens ein Element aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht.

8. Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 1, wobei die Oxidschicht (2) eine aufgetragene und gebrannte Schicht aus superfeinkörnigem Aluminiumoxid-Sol aufweist.

9. Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 1, wobei das Siliciumnitridsubstrat (1) eine Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 50 W/m K aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Siliciumnitrid-Leiterplatte (6), mit den folgenden Schritten:

Auftragen von superfeinkörnigem Aluminiumoxid-Sol auf eine Oberfläche eines Siliciumnitridsubstrats (1), dann Ausbilden einer Aluminiumoxidschicht (2) durch Wärmebehandlung in einer Luftatmosphäre;

Inkontaktbringen einer Kupfer-Systemschaltkreisplatte (4, 5) mit dem Siliciumnitridsubstrat (1) über die Aluminiumoxidschicht; und

Bonden der Kupfer-Systemschaltkreisplatte (4, 5) auf das Siliciumnitridsubstrat (1) durch Wärmebehandlung.

11. Verfahren zur Herstellung einer Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 10, wobei das superfeinkörnige Aluminiumoxid-Sol eine kolloide Flüssigkeit aufweist, in der superfeine Aluminiumoxidkörner mit einer Korngröße von etwa 2 bis 20 mn in Wasser in einem Anteil im Bereich von 5 bis 20 Gew.-% dispergiert sind.

12. Verfahren zur Herstellung einer Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 10, wobei das superfeinkörnige Aluminiumoxid-Sol in einem Bereich von 10 bis 1000 ppm mindestens ein Element aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sn, Si, Ti, Y und Er besteht.

13. Verfahren zur Herstellung einer Siliciumnitrid-Leiterplatte (6) nach Anspruch 10, wobei die Wärmebehandlung nach dem Auftragen des superfeinkörnigen Aluminiumoxid-Sols in einer Atmosphäre mit einer Temperatur von 1173 bis 1573 K ausgeführt wird.