JP3208438B2

JP3208438B2 - 金属層を備えたセラミックス基板とその製造方法

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Publication number: JP3208438B2
Application number: JP02608492A
Authority: JP
Inventors: 康昭深津
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1992-01-16
Filing date: 1992-01-16
Publication date: 2001-09-10
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JPH05191038A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非酸化系セラミックス
基板の表面に化学メッキにより金属層を形成する方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】セラミ
ックス基板を回路形成、ヒートシンク、絶縁等の用途に
使用する場合、その表面には金属によってメタライズ層
を形成することが必要である。従来、メタライズ層を形
成する方法として、薄膜法、厚膜法、同時焼成法及びメ
ッキ法等が行われている。

【０００３】薄膜法では、真空蒸着、スパッタリング等
を用いて基板表面に金属薄膜が形成される。薄膜法の利
点は信頼性が高く、かつメタライズ層の精度、ファイン
化が良好なため高密度化に適していることである。しか
し、蒸着装置等を必要とするため、生産性及びコストの
点で不利であり、また膜厚が薄いためメタライズ層の低
抵抗化が十分図れない。

【０００４】厚膜法では、基板表面に金、銀、銅等を含
むペーストが印刷され、その後焼成が施される。厚膜法
の利点は工程数が少なくて済むため、基板の量産化に適
していることである。しかし、ペースト印刷による方法
であるため、メタライズ層の高精度化、高密度化を十分
に達成することはできない。また、前記ペースト内には
ガラス成分が含まれているため、メタライズ層に対する
はんだ濡れ性が悪くなる。

【０００５】同時焼成法では、グリーンシートの表面に
高融点金属を含むペーストが印刷され、その後グリーン
シートとペーストとが同時に焼成される。同時焼成法の
利点も工程数が少なくて済むため、基板の量産化に適し
ていることである。しかし、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属が
用いられるため、メタライズ層の導体抵抗は高く、また
はんだ濡れ性が悪いためＮｉメッキ等の処理を必要とす
る。更に、ペースト印刷による方法であるため、メタラ
イズ層の高精度化、高密度化を十分に達成することはで
きない。

【０００６】このように、薄膜法、厚膜法及び同時焼成
法は前記の各種条件を満足するものではなく基板の用途
に応じて異なる形成方法を選択することを余儀なくされ
ていた。

【０００７】一方、基板表面に銅等を用いてメッキを施
すメッキ方によれば、厚膜法及び同時焼成法と同様に工
程の簡略化及び基板の量産化が可能になるのみならず、
メタライズ層の低抵抗化も達成できる。更に、薄膜法と
同様にメタライズ層の高精度化、高密度化が可能であ
る。このようにメッキ法は幅広い分野に応用できるた
め、実用性の観点からも前記方法に比べて有利である。

【０００８】この種のメッキ法においては、例えば特開
昭６１−６３５８１号公報に開示されたメッキ法では、
基板はメッキの前にアルカリを用いて表面粗化される。
また、特開昭６１−２７０８９０号公報に開示されたメ
ッキ法では、基板はメッキの前に酸を用いて表面粗化さ
れる。そして、前記処理により基板表面にはメタライズ
層との間の密着性を改善するために、微細なアンカーが
形成される。

【０００９】ところが、前記のアンカー形成による密着
は、単に物理的接合に過ぎず、基板とメタライズ層との
間に十分な密着強度を確保することは難しいかった。ま
た、例えば特開昭６１−１９７４８８号公報に開示され
たメッキ法では、酸素含有雰囲気下にて加熱処理を行
い、基板とメタライズ層との間にて化学結合を促し密着
性を改善している。

【００１０】しかし、前記加熱処理は雰囲気中の酸素し
か反応に関与せず、化学結合を促進するのに十分な酸素
量ではなく、基板とメタライズ層との間に十分な密着強
度を確保することは難しかった。本発明は上記の事情に
鑑みて成されたものであり、その目的は、アンカー効果
による物理的接合に加え、酸化物層とメタライズ層の化
学的結合を促すことにより、基板とメタライズ層との間
に十分な密着強度を確保し得るメタライズ層を備えたセ
ラミックス基板の製造方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の課題を解
決するために、本発明では、表面の少なくとも１部に金
属層（３）を備えた非酸化物系セラミックス基板（１）
であって、非酸化物系セラミックス基板（１）の金属層
（３）との接合面側には、表面が粗化された状態の酸化
物層（２）が形成されてなり、且つ該酸化物層（２）と
金属層（３）との間には複合酸化物層（５）を介在して
なることを特徴とする金属層を備えたセラミックス基板
と、セラミックス基板表面を塩基性溶液（アルカリ）な
どを用いて粗化した後、セラミックス基板表面に酸化物
層を形成し、この酸化物層上に化学銅メッキなどの金属
メッキを施し、このメッキされた基板を酸素含有不活性
雰囲気下にて加熱処理を行う方法を提案する。

【００１２】このような構成が望ましい理由を化学銅メ
ッキを行った場合を例にして説明を行う。非酸化物系セ
ラミックス基板の表面に酸化物層（Ｍ_xＯ_y）を形成
し、化学銅メッキを施した後、銅の酸化物と銅との共晶
温度以上、銅の融点以下の温度にて加熱処理を行うこと
により、銅と前記酸化物層（Ｍ_xＯ_y）との界面におい
てＣｕ−Ｍ−Ｏの複合酸化物が形成される。この反応に
より生成したＣｕ−Ｍ−Ｏ化合物層は化学的結合に優れ
ており、十分な密着強度を確保し得る。

【００１３】以下に本発明の金属層を備えたセラミック
ス基板の製造方法について工程に基づき説明する。本発
明では、セラミックス基板を塩基性溶液、例えばアルカ
リ金属水酸化物を用い、この水溶液に浸漬することによ
り基板表面粗化を行う。アルカリ金属水酸化物として
は、ＬｉＯＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨ等が使用できる。次
に、表面粗化を施されたセラミックス基板に酸化物層を
形成する。酸化物層形成方法としては、熱処理（空気
中）、ＵＶオゾン処理、酸素プラズマ処理等が上げられ
る。また水酸化物の生成も有効である。これは共晶反応
を行う加熱処理時に酸化物へと変化するからである。

【００１４】この酸化物層の厚みは０．１μｍ〜２０μ
ｍであることが望ましい。前記酸化物層厚みが０．１μ
ｍ未満であると、複合酸化物を生成するのに酸素量が不
十分となり、満足し得る密着強度を確保することは難し
いからである。一方、２０μｍを越えると、セラミック
スと酸化物層との間において熱膨張の差により界面に応
力が発生し、その結果逆に密着強度は劣化する。

【００１５】その後、セラミックス基板上に化学銅メッ
キを施す。化学メッキ後、必要に応じて化学メッキ、又
は電解メッキにより厚付けメッキを行う。メッキ後、複
合酸化物層を生成するため不活性雰囲気下にて加熱処理
を行う。加熱処理雰囲気は酸素濃度が２５ｐｐｍ以下で
あることが望ましい。酸素濃度が２５ｐｐｍを越えると
メタライズ層が酸化し、導体層として十分な機能をしな
くなるからである。

【００１６】加熱温度は銅と銅の酸化物との共晶温度以
上、銅の融点未満であることが望ましい。ここで言う共
晶温度は１０６５℃であり、融点は１０８３℃である。
１０６５℃未満では、複合酸化物層の生成が不十分であ
り満足し得る密着強度を確保することは難しい。一方、
１０８３℃以上では、銅が溶融してしまう。

【００１７】加熱時間は数分で十分である。長時間加熱
処理を行うとメタライズ層の酸化が進行し、メタライズ
特性が劣化する。上記の手順に従ってメタライズ層を形
成すれば、密着強度の優れたセラミックス基板を容易に
かつ確実に製造することができる。

【実施例及び比較例】以下に、本発明の実施例について
図面に基づき詳細に説明する。

【００１８】実施例１平均粒径が１．１μｍの窒化アルミニウム粉末に焼結助
剤としてＹ₂Ｏ₃粉末を５．０重量％、溶剤を３６重量
％及びバインダーを１１重量％添加した後、その混合物
を混練してスラリーを作製した。次いで、シート成形法
によって前記スラリーからグリーンシートを製造した
後、４００℃、１２時間の脱脂を行った。その後、脱脂
したグリーンシートをるつぼ内に配置し、１８３０℃、
５時間の条件下で焼成し、窒化アルミニウム基板１を得
た。

【００１９】前記窒化アルミニウム基板１を６０℃の２
０％水酸化ナトリウム水溶液に１０分間浸漬し、基板最
表層の窒化アルミニウム粒子のみを溶解した。粗化処理
によって粒子が溶解された跡には多数のアンカーＡが形
成される。

【００２０】前記粗化処理を行った窒化アルミニウム基
板１を空気中にて１２００℃、１時間の条件下で焼成
し、前記窒化アルミニウム基板１の表面に酸化物層２
（アルミナ）を形成した。前記酸化物層２厚みは１０μ
ｍであった。

【００２１】前記窒化アルミニウム基板１の酸化物層２
上に化学銅メッキを施して、厚さ０．５μｍの銅薄層３
を形成した。更に、銅薄層３上に電解銅メッキを施し、
厚さ５μｍの銅層３ａを形成した。

【００２２】次いで、前記銅層３ａを備えた窒化アルミ
ニウム基板１を雰囲気中酸素濃度２ｐｐｍ下において、
１０７０℃、１０分の条件にて加熱処理し、銅層３ａを
備えた窒化アルミニウム基板４を得た。冷却後、銅層３
ａと窒化アルミニウム基板１との界面には複合酸化物層
５であるＣｕＡｌ₂Ｏ₄の生成が確認された。

【００２３】実施例２実施例１で用いたのと同じ窒化アルミニウム基板１を、
同様の粗化条件にて粗化処理を行い、加熱処理により酸
化物層２を３μｍ形成した。前記酸化物２上に実施例１
と同様に銅層３ａを形成した後、雰囲気中酸素濃度５ｐ
ｐｍ下において、１０７０℃、１０分の条件にて加熱処
理し、銅層３ａを備えた窒化アルミニウム基板４を得
た。冷却後、銅層３ａと窒化アルミニウム基板１との界
面には実施例１と同様、複合酸化物層５であるＣｕＡｌ
₂Ｏ₄の生成が確認された。

【００２４】実施例３実施例１で用いたのと同じ窒化アルミニウム基板１を、
同様の粗化条件にて粗化処理を行い、加熱処理により酸
化物層２を５μｍ形成した。

【００２５】前記酸化物２上に実施例１と同様に銅層３
ａを形成した後、雰囲気中酸素濃度５ｐｐｍ下におい
て、１０７５℃、１０分の条件にて加熱処理し、銅層３
ａを備えた窒化アルミニウム基板４を得た。冷却後、銅
層３ａと窒化アルミニウム基板１との界面には実施例１
と同様、複合酸化物層５であるＣｕＡｌ₂Ｏ₄の生成が
確認された。

【００２６】比較例１実施例１で用いたのと同じ窒化アルミニウム基板１を、
同様の粗化条件にて粗化処理を行った。前記粗化表面を
有する窒化アルミニウム基板１上に実施例１と同様に銅
層３ａを形成した後、雰囲気中酸素濃度５ｐｐｍ下にお
いて、１０７０℃、１０分の条件にて加熱処理し、銅層
３ａを備えた窒化アルミニウム基板４を得た。

【００２７】比較例２実施例１で用いたのと同じ窒化アルミニウム基板１を、
同様の粗化条件にて粗化処理を行い、加熱処理により酸
化物層２を１０μｍ形成した。前記酸化物２上に実施例
１と同様に銅層３ａを形成した後、雰囲気中酸素濃度４
０ｐｐｍ下において、１０７０℃、１０分の条件にて加
熱処理し、銅層３ａを備えた窒化アルミニウム基板４を
得た。

【００２８】比較例３実施例１で用いたのと同じ窒化アルミニウム基板１を、
同様の粗化条件にて粗化処理を行い、加熱処理により酸
化物層２を３０μｍ形成した。前記酸化物２上に実施例
１と同様に銅層３ａを形成した後、雰囲気中酸素濃度２
ｐｐｍ下において、１０７０℃、１０分の条件にて加熱
処理し、銅層３ａを備えた窒化アルミニウム基板４を得
た。冷却後、銅層３ａと窒化アルミニウム基板１との界
面には実施例１と同様、複合酸化物層５であるＣｕＡｌ
₂Ｏ₄の生成が確認された。

【００２９】上記の方法により製造された窒化アルミニ
ウム基板４の物理的特性を評価するために、以下のよう
な試験を行った。窒化アルミニウム基板１と銅層３ａと
の間の密着強度は、垂直プル強度によって評価した。こ
の試験では、１×１ｍｍのパターンにはんだ付けされた
ワイヤーを垂直方向に引っ張った際、パターンが窒化ア
ルミニウム基板１から剥離するときの強度（ｋｇ／ｍｍ
²）を測定した。また、表面酸化に伴う窒化アルミニウ
ム基板１の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）についても測定を行っ
た。それらの結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１の結果から明らかなように、実施例で
はいずれの場合においても窒化アルミニウムと銅層との
間の密着強度が優れていることがわかる。これは前記し
たように、窒化アルミニウムと銅層との間においてＣｕ
Ａｌ₂Ｏ₄層の生成に伴い、化学的結合が起こった結果
である。比較例１では、単にアンカー効果による物理的
接合の結果であるが、このレベルのアンカーでは、１．
２ｋｇ／ｍｍ²という低い密着強度しか得られなかっ
た。

【００３２】比較例２では、雰囲気中酸度濃度を４０ｐ
ｐｍとし、雰囲気中から酸素源を付与したが銅層を酸化
するという結果になり、メタライズ層としての使用はで
きなかった。

【００３３】比較例３では、酸化物層を３０μｍ形成し
た。窒化アルミニウムと銅層との間の密着強度は２．１
ｋｇ／ｍｍ²と良好な値を示しているが、破壊モードが
酸化物層と窒化アルミニウムとの間であった。これは酸
化物層と窒化アルミニウムとの間において熱膨張の差に
より、酸化物層と窒化アルミニウムとの界面に応力が発
生したためと考えられる。このため、温度サイクル試験
及び熱衝撃試験に対する信頼性が低くなり、メタライズ
層としては疑問が残る。

【００３４】熱伝導率は、酸化物層の厚みが１０μｍに
おいて１７０Ｗ／ｍＫという良好な値を示しており、使
用上問題はない。

【００３５】以上の結果を総合すると、各実施例の製造
方法によれば適切な複合酸化物層が形成されるため、密
着強度に優れるメタライズ層が容易に得られることは明
白である。また、本発明は基本的にはメッキ法であるた
め、工程の簡略化、基板の量産化、並びに金属層の低抵
抗化、ファイン化及び高密度化が実現できる点におい
て、薄膜法、厚膜法及び同時焼成法より優れている。そ
して、この製造方法により従来抱えていた密着強度の問
題が解消されたことになり、従来とは異なり基板の用途
に応じて異なるメタライズ層の形成方法を選択する必要
もなくなる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の金属層を
備えた非酸化物系セラミックス基板の製造方法によれ
ば、アンカー効果による物理的接合に加え、金属と酸化
物層との界面において複合酸化物が形成されるため化学
的結合も促進されることになり、セラミックスと金属層
との間に十分な密着強度を確保できるという優れた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１におけるメタライズ層を備えたセラミ
ックス基板の製造工程を示す概略説明図である。

【符号の説明】

１セラミックス基板、２酸化物層３化学メッキ層３ａ金属層４金属層を備えたセラミックス基板５複合酸化物層Ａアンカー

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面の少なくとも１部に金属層（３）を
備えた非酸化物系セラミックス基板（１）であって、非
酸化物系セラミックス基板（１）の金属層（３）との接
合面側には、表面が粗化された状態の酸化物層（２）が
形成されてなり、且つ該酸化物層（２）と金属層（３）
との間には複合酸化物層（５）を介在してなることを特
徴とする金属層を備えたセラミックス基板。
【請求項２】セラミックス基板のメタライズ方法にお
いて、非酸化物系セラミックス基板（１）の表面を粗化
してアンカー（Ａ）を形成する工程と、非酸化物系セラ
ミックス基板（１）表面に酸化物層（２）の形成を行う
工程と、酸化物層（２）上に化学メッキにより金属層
（３）を形成する工程と、金属層（３）を不活性雰囲気
下において加熱処理を行う工程とからなることを特徴と
する金属層を備えたセラミックス基板の製造方法。
【請求項３】前記酸化物層（２）は非酸化物系セラミ
ックス表面上にのみ形成することを特徴する請求項２に
記載の金属層を備えたセラミックス基板の製造方法。
【請求項４】前記化学メッキ層（３）は銅メッキ層で
あることを特徴とする請求項２または３に記載の金属層
を備えたセラミックス基板の製造方法。
【請求項５】前記加熱処理は処理温度が金属とその酸
化物の共晶温度以上、金属の融点未満であることを特徴
とする請求項２〜４の何れか１つに記載の金属層を備え
たセラミックス基板の製造方法。
【請求項６】前記加熱処理は雰囲気中酸素濃度が２５
ｐｐｍ以下の不活性雰囲気下にて処理することを特徴と
する請求項２〜５の何れか１つに記載の金属層を備えた
セラミックス基板の製造方法。
【請求項７】請求項２において、化学メッキにより金
属層（３）を形成した後、さらに厚付メッキ層（３ａ）
を形成する金属層を備えたセラミックス基板の製造方
法。