JP2004111770A

JP2004111770A - 配線基板

Info

Publication number: JP2004111770A
Application number: JP2002274457A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Fujioka; 藤岡　孝昭
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】ロウ材層と光半導体素子との接合性を劣化させずにロウ材層の光半導体素子側面への這い上がりを抑制し、光半導体素子を確実かつ強固に接合して搭載することができる配線基板を提供すること。
【解決手段】配線基板は、絶縁基板１の上側主面に、密着金属層４ａ、第一の拡散防止層４ｂおよび主導体層４ｃが順次積層されて成る導体層４が形成されているとともに、導体層４上に、導体層４の上面の面積よりも小さい面積の第二の拡散防止層３とその上面および側面を覆うロウ材層２とが順次積層されて成る光半導体素子５の搭載部６が形成されており、第二の拡散防止層３は、その外形寸法が光半導体素子５の下面の外形寸法よりも小さい。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ等の光半導体素子を搭載するサブマウント等として用いられる配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子は、サブマウントと呼ばれる配線基板に搭載される。この配線基板は、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（デジタルビデオディスク）、ＬＢＰ（レーザビームプリンタ）、ＤＶＤ−ＲＯＭなどの光ピックアップ用の部品や光通信用の光モジュールの部品として幅広く使用されている。
【０００３】
従来の光半導体素子を搭載する配線基板の断面図を図２に示す。図２において、１１はシリコン、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体（ＡｌＮセラミックス）等から成る絶縁基板、１２はＡｕ−Ｓｎ合金等から成るロウ材層、１３はＰｔ等から成る第二の拡散防止層、１４は導体層、１４ａはＴｉ等から成る密着金属層、１４ｂはＰｔ等から成る第一の拡散防止層、１４ｃはＡｕ等から成る主導体層、１５は光半導体素子である。
【０００４】
従来の配線基板は、例えば絶縁基板１１の上側主面に被着されたＡｕから成る主導体層１４ｃと光半導体素子１５を接合固定するＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層１２との間に、Ｐｔから成る第二の拡散防止層１３を形成した構造にすることで、光半導体素子１５をロウ材層１２を介して搭載部１６に接合し搭載する際、主導体層１４ｃのＡｕがロウ材層１２のＡｕ−Ｓｎ合金中に拡散するのを第二の拡散防止層１３によって有効に防止するものである。また、ロウ材層１２は組成および組成比が変化することにより融点が高くなることはなく、接合時の所定の温度で完全に溶融して光半導体素子１５を配線基板上に確実、強固に接合できるものである（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３０７６９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の配線基板においては、ロウ材層１２を薄くすることが要求されてきているが、これは、光半導体素子１５を搭載する際にロウ材層１２が光半導体素子１５の接合面（下面）から側面へ這い上がり、光半導体素子１５の側面に設けられたレーザ発光部や受光部がロウ材層１２により塞がれるという不具合が生じ易いためである。また、ロウ材層１２が厚いと、光半導体素子１５を接合し搭載した際に光半導体素子１５の下面と絶縁基板１１の上側主面とが平行に接合されず、傾いた状態で接合され易いので、半導体素子１５のレーザ光が絶縁基板１１の上側主面に対して平行に出射されないという不具合が生じていた。その結果、光半導体素子１５を搭載した配線基板を光ピックアップや光モジュールに組み込んだときに、光半導体素子１５のレーザ光の光軸がレンズ、光ビームスプリッタ、ハーフミラー、光ディスク、光ファイバ等の他の部品に対してずれてしまい、光損失が増大したり光結合が損なわれるといった問題が発生していた。
【０００７】
そこで、ロウ材層１２が厚いことによる上記の不具合を解消するために、ロウ材層１２を薄くすると、光半導体素子１５を接合するために配線基板を加熱した際、第二の拡散防止層１３を構成するＰｔ中に、その上部のロウ材層１２を構成するＡｕ−Ｓｎ合金中のＳｎが急速に拡散し、その結果、ロウ材層１２を構成するＡｕ−Ｓｎ合金の組成がＡｕ過多（Ａｕリッチ）となり、融点の上昇を招き易いことがわかった。その場合、接合時の所定の温度でロウ材層１２のＡｕ−Ｓｎ合金を完全に溶融させることができず、光半導体素子１５と配線基板とが強固に接合され難いという問題点があった。
【０００８】
また、ロウ材層１２の融点上昇という問題点を解消するために、ロウ付け温度を上げ、ロウ材層１２を完全に溶融させることも考えられるが、ロウ付け温度を上げると光半導体素子１５に不要な熱的負荷が加わり、光半導体素子１５に熱破壊が生じたり、発光特性等の動作特性が劣化し、光半導体素子１５が誤作動するという問題を誘発していた。
【０００９】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、ロウ材層と光半導体素子との接合性を劣化させずにロウ材層の光半導体素子側面への這い上がりを抑制し、光半導体素子を確実かつ強固に接合して搭載することができる配線基板を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、絶縁基板の上側主面に、密着金属層、第一の拡散防止層および主導体層が順次積層されて成る導体層が形成されているとともに、該導体層上に、前記導体層の上面の面積よりも小さい面積の第二の拡散防止層とその上面および側面を覆うロウ材層とが順次積層されて成る光半導体素子の搭載部が形成されており、前記第二の拡散防止層は、その外形寸法が前記光半導体素子の下面の外形寸法よりも小さいことを特徴とする。
【００１１】
本発明の配線基板は、導体層上にその上面の面積よりも小さい面積の第二の拡散防止層とその上面および側面を覆うロウ材層とが順次積層されて成る光半導体素子の搭載部が形成されており、第二の拡散防止層は、その外形寸法が光半導体素子の下面の外形寸法よりも小さいことから、光半導体素子を搭載するためにロウ材層を加熱溶融させた際に、溶融したロウ材は光半導体素子の側面に這い上がるよりも側方（周囲）に濡れて広がるように挙動する。即ち、図２の従来の構成では、ロウ材層の側面はその下方の第二の拡散防止層の側面に略面一となっているため、溶融したロウ材は表面張力によって第二の拡散防止層の側面側（下側）へ濡れ広がりにくくなり、そのため光半導体素子の側面側（上側）へ這い上がり易くなるのに対して、本発明の構成では、溶融したＡｕ−Ｓｎ等から成るロウ材はＡｕ等から成る主導体層に容易に濡れ馴染むとともに自重で周囲に広がる傾向が強くなる。従って、ロウ材層の厚さを必要以上に薄くせずに溶融したロウ材が光半導体素子の側面へ這い上がるのを防止できるため、光半導体素子の良好な作動性を保持して確実かつ強固に接合することができる。
【００１２】
本発明の配線基板は、好ましくは、前記搭載部の前記ロウ材層は、側面の下端部に全周にわたって鍔状部が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の配線基板は、搭載部のロウ材層は側面の下端部に全周にわたって鍔状部が形成されていることから、溶融したＡｕ−Ｓｎ等から成るロウ材はＡｕ等から成る主導体層に容易に濡れ馴染むとともに自重で周囲に広がる傾向がさらに強くなる。即ち、ロウ材層の側面で溶融したロウ材は鍔状部へ向かってきわめて容易に広がるとともに、鍔状部の下面で溶融したロウ材は主導体層に容易に濡れ馴染むこととなるため、結果的に溶融したロウ材は鍔状部に引っ張られるようにして広がることとなる。従って、溶融したロウ材が光半導体素子の側面へ這い上がるのをより有効に防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の配線基板について以下に詳細に説明する。図１は、本発明の配線基板について実施の形態の一例を示す断面図である。同図において、１は絶縁基板、２はロウ材層、３は第二の拡散防止層、４は導体層、４ａは密着金属層、４ｂは第一の拡散防止層、４ｃは主導体層である。
【００１５】
本発明の配線基板は、絶縁基板１の上側主面に、密着金属層４ａ、第一の拡散防止層４ｂおよび主導体層４ｃが順次積層されて成る導体層４が形成されているとともに、導体層４上に、導体層４の上面の面積よりも小さい面積の第二の拡散防止層３とその上面および側面を覆うロウ材層２とが順次積層されて成る光半導体素子５の搭載部６が形成されており、第二の拡散防止層３は、その外形寸法が光半導体素子５の下面の外形寸法よりも小さい。
【００１６】
本発明の絶縁基板１は、例えば酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、ガラスセラミックス、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体、石英、ダイヤモンド、サファイア（単結晶アルミナ）、立方晶窒化硼素（ＢＮ）、または熱酸化膜を形成したシリコン（Ｓｉ）のうち少なくとも１種より成る。この絶縁基板１は、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ダイヤモンド、シリコンで形成するのがよく、これらの材料は熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、ロウ材層２上に接合固定された光半導体素子５が駆動時に熱を発しても、その熱は絶縁基板１を介して良好に伝達される。そのため、光半導体素子５の放熱性が向上し、光半導体素子５を長期にわたり正常かつ安定的に作動させることが可能となる。
【００１７】
また、絶縁基板１の材料にガラスセラミックスや石英等を用いるのもよく、これらの比誘電率は小さいため、絶縁基板１が浮遊容量を持たず、その結果、光半導体素子５に電気信号（高周波信号）を高速で伝達させることが可能となる。
【００１８】
ロウ材層２は、蒸着法、スパッタリング法等により所定厚みに被着されることにより、光半導体素子５を接合する際にロウ材のプリフォームを配置する手間を省くことができる。ロウ材層２としては、Ａｕ−Ｇｅ合金ロウ材（融点約３５６℃）、Ａｕ−Ｓｉ合金ロウ材（融点約３７０℃）、Ａｕ−Ｓｎ合金ロウ材（融点約２８０℃）、Ｐｂ−Ｓｎ合金ロウ材（融点約１８３℃）、Ｉｎ−Ｐｂ合金ロウ材（融点約１７２℃）、Ｉｎロウ材（融点約１５７℃）等が好ましい。これらは融点が４００℃以下であるため、接合温度を低くすることができる。その結果、光半導体素子５が熱衝撃破壊されることがないという利点がある。また、組立工程において、低温接合ができることにより、昇温時間および冷却時間を短くすることができる。その結果、生産コストを低くすることができる。
【００１９】
ロウ材層２は、第二の拡散防止層３の上面および側面を覆うように形成されており、第二の拡散防止層３は、その外形寸法が光半導体素子５の下面の外形寸法よりも小さいものとなっている。その結果、光半導体素子５を接合する際に溶融したロウ材のうち余分なものは導体層４上に濡れ広がることにより、溶融したロウ材が光半導体素子５の側面へ這い上がるのを防止できる。その結果、ロウ材層２の厚さを必要以上に薄くせずに溶融したロウ材が光半導体素子５の側面へ這い上がるのを防止できるため、光半導体素子５の良好な作動性を保持して確実かつ強固に接合することができる。
【００２０】
また、ロウ材層２の側面と第二の拡散防止層３の側面との間の距離Ｌ_１（図１）は０．０１〜０．１ｍｍ程度が良く、０．０１ｍｍ未満では、ロウ材層２が第二の拡散防止層３の上面および側面を完全に覆うことが困難となり、その結果、光半導体素子５側面へのロウ材の這い上がりを防止することが困難となる。０．１ｍｍを超えると、主導体層４ｃを構成するＡｕがロウ材層２内へ拡散し易くなり、その結果、ロウ材層２の組成がＡｕリッチとなり、その融点の上昇を招き、光半導体素子５を配線基板上に強固に搭載するのが難しくなる。
【００２１】
光半導体素子５を接合するロウ材層２の厚みは０．５〜５μｍ程度が良く、０．５μｍ未満では、光半導体素子５を強固に接合することが困難となる。５μｍを超えると、ロウ材層２の成膜時の内部応力により、ロウ材層２に剥離が生じ易くなる。また、例えばＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層２を構成するＡｕは貴金属で高価であることから高コスト化することとなる。
【００２２】
また、ロウ材層２の上面に０．１μｍ程度の厚さのＡｕ層を被着して、ロウ材層２の表面酸化を防ぐようにしてもよい。
【００２３】
本発明において、図３に示すように、搭載部６のロウ材層２は側面の下端部に全周にわたって鍔状部２ａが形成されていることが好ましい。この場合、ロウ材層２の側面で溶融したロウ材は鍔状部２ａへ向かってきわめて容易に広がるとともに、鍔状部２ａの下面で溶融したロウ材は主導体層４ｃに容易に濡れ馴染むこととなるため、結果的に溶融したロウ材は鍔状部２ａに引っ張られるようにして広がることとなる。従って、溶融したロウ材が光半導体素子５の側面へ這い上がるのをより有効に防止できる。
【００２４】
鍔状部２ａの厚さはロウ材層２の厚さの１／３以上３／３未満がよく、１／３未満では、ロウ材層２の側面のロウ材のボリュームが小さくなり鍔状部２ａによって側方へ広げる効果が劣化し易くなる。３／３以上では、ロウ材層２の側面のロウ材のボリュームが大きくなり、光半導体素子の側面へ這い上り易くなる。より好ましくは２／３以下がよい。
【００２５】
第二の拡散防止層３は、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔｉ−Ｗ合金等の少なくとも１種より成るのが良い。また、第二の拡散防止層３の厚みは０．０５〜１μｍ程度が良い。０．０５μｍ未満では、ピンホール等の欠陥が発生して拡散防止層としての機能を果たしにくくなる。１μｍを超えると、成膜時の内部応力により剥離を生じ易くなり、また、Ｐｔ，Ｐｄ等もＡｕと同様に貴金属で高価であることから高コスト化することとなる。
【００２６】
導体層４は、密着金属層４ａ、第一の拡散防止層４ｂ、主導体層４ｃが順次積層された３層構造の導体層から成る。そして、密着金属層４ａは絶縁基板１との密着性の点で、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔａ_２Ｎ等の少なくとも１種より成るのが良い。密着金属層４ａの厚さは０．０１〜０．２μｍ程度が良い。０．０１μｍ未満では強固に密着することが困難となり、０．２μｍを超えると成膜時の内部応力によって剥離が生じ易くなる。
【００２７】
第一の拡散防止層４ｂは、密着金属層４ａと主導体層４ｃとの相互拡散を防ぐうえで、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔｉ−Ｗ合金等の少なくとも１種より成るのが良い。第一の拡散防止層４ｂの厚さは０．０５〜１μｍ程度が良く、０．０５μｍ未満では、ピンホール等の欠陥が発生して拡散防止層としての機能を果たしにくくなる。１μｍを超えると、成膜時の内部応力により剥離が生じ易くなる。第一の拡散防止層４ｂにＮｉ−Ｃｒ合金を用いる場合は、密着性も確保できるため、密着金属層４ａを省くことも可能である。
【００２８】
さらに主導体層４ｃは電気抵抗の小さいＡｕ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ等より成るのが良く、その厚さは０．１〜５μｍ程度が良い。０．１μｍ未満では、電気抵抗が大きくなる傾向があり、５μｍを超えると、成膜時の内部応力により剥離を生じ易くなる。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、低コスト化の点でなるべく薄く形成することが好ましい。Ｃｕは酸化し易いので、その上にＮｉおよびＡｕから成る保護層をメッキ法等で被着するのが良い。
【００２９】
【実施例】
本発明の配線基板の実施例を以下に説明する。
【００３０】
（実施例１）
図１の配線基板を以下の工程［１］，［２］により作製した。
【００３１】
［１］絶縁基板１として、寸法が縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚さ０．４ｍｍで窒化アルミニウム質焼結体から成るものを用意し、絶縁基板１を洗浄後、真空蒸着法により、厚さ０．１μｍのＴｉより成る密着金属層４ａ、厚さ０．２μｍのＰｔより成る第一の拡散防止層４ｂ、厚さ０．５μｍのＡｕより成る主導体層４ｃを順次積層した。
【００３２】
［２］主導体層４ｃ上に、厚さ０．５μｍのＰｔより成る第二の拡散防止層３、厚さ３μｍのＡｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層２をスパッタリング法により順次形成した。そして、ロウ材層２の側面と第二の拡散防止層３の側面との間の距離Ｌ_１は０．０５ｍｍとした。
【００３３】
また、比較例として、ロウ材層２の側面が第二の拡散防止層３の側面と略面一である以外は上記配線基板と同様にして図２の配線基板を作製し、上記本実施例の配線基板と比較例の配線基板について、光半導体素子（ＬＤ）５，１５の側面へのロウ材の這い上がりに関して比較評価した。即ち、３３０℃の温度に保持したヒータブロック上に配線基板を置き、５秒後に光半導体素子５，１５を配線基板のロウ材層２上に置き、配線基板と光半導体素子５，１５とを接合固定し、光半導体素子５，１５の側面へのロウ材の這い上がりの有無を調べた。その結果、本実施例の配線基板では、ロウ材層２の光半導体素子５の側面への這い上がりは観られなかったが、比較例の配線基板ではロウ材層１２の光半導体素子１５の側面への這い上がりが観られた。以上より、ロウ材層２が第二の拡散防止層３の側面まで覆っている方が、光半導体素子５の側面へのロウ材の這い上がりを防止することができるということがわかった。
【００３４】
また、ロウ材層２としてＡｕ−Ｇｅ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金、Ｐｂ−Ｓｎ合金、Ｉｎ−Ｐｂ合金、Ｉｎを用いた場合についても、上記実施例と同様にしてそれぞれ光半導体素子５，１５の側面への這い上がりについて調べたが、上記実施例と同様の結果が得られた。
【００３５】
（実施例２）
図３の配線基板を以下の工程［１］，［２］により作製した。
【００３６】
［１］絶縁基板１として、寸法が縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚さ０．４ｍｍで窒化アルミニウム質焼結体から成るものを用意し、絶縁基板１を洗浄後、真空蒸着法により、厚さ０．１μｍのＴｉより成る密着金属層４ａ、厚さ０．２μｍのＰｔより成る第一の拡散防止層４ｂ、厚さ０．５μｍのＡｕより成る主導体層４ｃを順次積層した。
【００３７】
［２］主導体層４ｃ上に、厚さ０．５μｍのＰｔより成る第二の拡散防止層３、厚さ３μｍのＡｕ−Ｓｎ合金より成るとともに側面に鍔状部２ａを有するロウ材層２をスパッタリング法により順次形成した。更に、鍔状部２ａの厚みをロウ材層２の厚みの２／３である２μｍとした。
【００３８】
また、比較例として、ロウ材層２の側面が第二の拡散防止層３の側面と略面一である以外は上記配線基板と同様にして図２の配線基板を作製し、上記本実施例２の配線基板と比較例の配線基板について、光半導体素子（ＬＤ）５，１５の側面へのロウ材の這い上がりに関して比較評価した。即ち、３３０℃の温度に保持したヒータブロック上に配線基板を置き、５秒後に光半導体素子５，１５を配線基板のロウ材層２，１２上に置き、配線基板と光半導体素子５，１５とを接合固定し、光半導体素子５，１５の側面へのロウ材の這い上がりの有無を調べた。その結果、本実施例２の配線基板では、ロウ材層２の光半導体素子５の側面への這い上がりはまったく観られず、ロウ材は溶融した際に速やかに側方に広がることが観察された。これに対して、比較例の配線基板ではロウ材層１２の光半導体素子１５の側面への這い上がりが観られた。以上より、ロウ材層２に鍔状部２ａが形成された本発明の配線基板は、光半導体素子５の側面へのロウ材の這い上がりを有効に防止できることがわかった。
【００３９】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことは何等差し支えない。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の配線基板は、絶縁基板の上側主面に、密着金属層、第一の拡散防止層および主導体層が順次積層されて成る導体層が形成されているとともに、導体層上に、導体層の上面の面積よりも小さい面積の第二の拡散防止層とその上面および側面を覆うロウ材層とが順次積層されて成る光半導体素子の搭載部が形成されており、第二の拡散防止層は、その外形寸法が光半導体素子の下面の外形寸法よりも小さいことにより、光半導体素子を搭載するためにロウ材層を加熱溶融させた際に、溶融したロウ材は光半導体素子の側面に這い上がるよりも側方（周囲）に濡れて広がるように挙動する。即ち、従来の構成では、ロウ材層の側面はその下方の第二の拡散防止層の側面に略面一となっているため、溶融したロウ材は表面張力によって第二の拡散防止層の側面側（下側）へ濡れ広がりにくくなり、そのため光半導体素子の側面側（上側）へ這い上がり易くなるのに対して、本発明の構成では、溶融したＡｕ−Ｓｎ等から成るロウ材はＡｕ等から成る主導体層に容易に濡れ馴染むとともに自重で周囲に広がる傾向が強くなる。従って、ロウ材層の厚さを必要以上に薄くせずに溶融したロウ材が光半導体素子の側面へ這い上がるのを防止できるため、光半導体素子の良好な作動性を保持して確実かつ強固に接合することができる。
【００４１】
本発明の配線基板は、好ましくは、搭載部のロウ材層は側面の下端部に全周にわたって鍔状部が形成されていることにより、溶融したＡｕ−Ｓｎ等から成るロウ材はＡｕ等から成る主導体層に容易に濡れ馴染むとともに自重で周囲に広がる傾向がさらに強くなる。即ち、ロウ材層の側面で溶融したロウ材は鍔状部へ向かってきわめて容易に広がるとともに、鍔状部の下面で溶融したロウ材は主導体層に容易に濡れ馴染むこととなるため、結果的に溶融したロウ材は鍔状部に引っ張られるようにして広がることとなる。従って、溶融したロウ材が光半導体素子の側面へ這い上がるのをより有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来の配線基板の断面図である。
【図３】本発明の配線基板について実施の形態の他の例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１：絶縁基板
２：ロウ材層
３：第二の拡散防止層
４：導体層
４ａ：密着金属層
４ｂ：第一の拡散防止層
４ｃ：主導体層
５：光半導体素子
６：搭載部

Claims

絶縁基板の上側主面に、密着金属層、第一の拡散防止層および主導体層が順次積層されて成る導体層が形成されているとともに、該導体層上に、前記導体層の上面の面積よりも小さい面積の第二の拡散防止層とその上面および側面を覆うロウ材層とが順次積層されて成る光半導体素子の搭載部が形成されており、前記第二の拡散防止層は、その外形寸法が前記光半導体素子の下面の外形寸法よりも小さいことを特徴とする配線基板。
前記搭載部の前記ロウ材層は、側面の下端部に全周にわたって鍔状部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の配線基板。