JP2004200499A

JP2004200499A - 配線基板

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Publication number: JP2004200499A
Application number: JP2002368652A
Authority: JP
Inventors: Yuji Suwawaki; 裕二諏訪脇
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】熱的負荷により光半導体素子が誤動作することのない、高い放熱性を有する信頼性の高い配線基板を提供すること。
【解決手段】配線基板は、炭化シリコンから成る基板２の上側主面に、光半導体素子が搭載される第一の導体層３が形成されているとともに、第一の導体層３に隣接して、光半導体素子の上面に形成された電極とボンディングワイヤを介して電気的に接続される第二の導体層４が基板２との間に絶縁層６を介して形成されており、基板２の下側主面の略全面に外部接続用の第三の導体層７が形成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等で用いられ、半導体レーザ（ＬＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）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、ＬＤ，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を介して放熱用金属ブロックや光半導体素子収納用パッケージ等に搭載される。この配線基板は、ＣＤ（コンパクトディスク），ＤＶＤ（ディジタルビデオディスク），ＬＢＰ（レーザビームプリンタ），ＤＶＤカーナビゲーション，ＤＶＤ−ＲＡＭ／ＲＷ，ＤＶＤ−ＲＯＭなどの光ピックアップ用の部品、光通信用の光モジュ−ルの部品として幅広く使用されている。最近、ＣＤ，ＤＶＤ等の高密度記録、ＬＤ等の短波長化および高出力化、光通信装置等の高速化に伴い、熱伝導率が200Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱放散性の高い基板材料が益々要求されている。
【０００３】
そして、光半導体素子を搭載して光半導体素子収納用パッケージに収納される配線基板の断面図を図２に示す。図２において、11は配線基板、12は半導体材料である炭化シリコン（ＳｉＣ：シリコンカーバイト），Ｓｉ，Ｇｅ等から成る基板、15は光半導体素子を配線基板11に接合するためのＡｕ−Ｓｎ合金，Ｐｂ−Ｓｎ合金等から成るロウ材層、16は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から成る絶縁層、17は基板12の両主面に絶縁層16を介して形成された導体層、17ａはチタン（Ｔｉ）等から成る密着金属層、17ｂは白金（Ｐｔ）等から成る拡散防止層、17ｃは金（Ａｕ）等から成る主導体層である。
【０００４】
基板12としては、光半導体素子が発生する熱を効率的に放熱させて光半導体素子に熱的なダメージが発生するのを回避するために、熱伝導性の高いＳｉＣが好適に使用される。絶縁層16は、導電性材料である基板12に対する導体層17の絶縁を確保するためのものであり、厚さ0.5μｍ程度のＳｉＯ_２層から成る。この絶縁層16は、Ｏ_２雰囲気中でＳｉＣを焼成して形成するか、蒸着法、スパッタリング法でＳｉＯ_２層を被着することによって形成される。絶縁層16上には、密着金属層17ａ、拡散防止層17ｂ、主導体層17ｃから成る３層構造の導体層17が形成される。ロウ材層15は、光半導体素子が熱衝撃破壊されないように、融点が400°以下である低融点ロウ材であるＰｂ−Ｓｎ合金，Ａｕ−Ｓｎ合金等から成る。
【０００５】
上記従来の配線基板11においては、基板12の両主面に絶縁層16を形成し、10^９Ω以上の絶縁性を確保した状態で、導体層17およびろう材層15を順次積層していた。
【０００６】
また、他の従来例として、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体材料から成るサブマウント基体の上側主面全面にのみ絶縁層を形成し、下側主面には絶縁層を形成しないようにすることにより、絶縁性を確保するとともに放熱効果が良くなるようにしているものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−283948号公報
【０００８】
【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11においては、作動時に発熱する光半導体素子の直下に、熱伝導率が１〜２Ｗ／ｍ・Ｋで放熱性が良好でないＳｉＯ_２から成る絶縁層16が存在することにより、熱放散の効率が著しく低下し、光半導体素子に不要な熱的負荷が加わり、光半導体素子に熱破壊が生じてしまうという問題点があった。
【０００９】
また、熱放散性の劣化により、光半導体素子の発光特性等の動作特性が低下して光半導体素子が誤動作し、光半導体素子の信頼性が低下するという問題点があった。
【００１０】
さらに、特許文献１に記載されたものでは、Ｓｉ，Ｇｅ等から成るサブマウント基体の上側主面全面にのみ絶縁層を形成しているが、光半導体素子で発生した熱は熱伝導率が１〜２Ｗ／ｍ・Ｋである絶縁層を介して高熱伝導率のサブマウント基板に熱が伝達されるため、十分な放熱特性が得られないという問題点があった。
【００１１】
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、熱的負荷により光半導体素子が誤動作することのない、高い放熱性を有する信頼性の高い配線基板を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、炭化シリコンから成る基板の上側主面に、光半導体素子が搭載される第一の導体層が形成されているとともに、該第一の導体層に隣接して、前記光半導体素子の上面に形成された電極とボンディングワイヤを介して電気的に接続される第二の導体層が前記基板との間に絶縁層を介して形成されており、前記基板の下側主面の略全面に外部接続用の第三の導体層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、炭化シリコンから成る基板の上側主面に、光半導体素子が搭載される第一の導体層が形成されているとともに、第一の導体層に隣接して、光半導体素子の上面に形成された電極とボンディングワイヤを介して電気的に接続される第二の導体層が基板との間に絶縁層を介して形成されており、基板の下側主面の略全面に外部接続用の第三の導体層が形成されていることから、第一の導体層は絶縁層を介することなく基板に直接形成されているため、光半導体素子で発生した熱は熱伝導性が高い基板に効率良く伝熱されて放熱される。その結果、光半導体素子は熱衝撃破壊等が発生することなく、安定した発光特性や受光特性を有するものとなる。
【００１４】
即ち、第二の導体層は高周波信号等の電気信号が伝送される導体層であるため、半導体から成る基板との絶縁性を確保して電気信号の信号波形等が乱れたり伝送性が劣化するのを防ぐ必要があるのに対して、第一の導体層は光半導体素子を搭載するための導体層であるため、基板との絶縁性を確保せずともよいことから、第一の導体層は基板に直接形成することができる。
【００１５】
本発明の配線基板において、好ましくは、前記第一の導体層上の前記光半導体素子が搭載される部位にロウ材層が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の配線基板は、第一の導体層上の光半導体素子が搭載される部位にロウ材層が形成されていることから、光半導体素子を第一の導体層上に接合する際にロウ材のプリフォームを配置する必要がなくなり、高い生産性で配線基板を作製することができる。また、配線基板を母基板から多数個取りで作製する場合には、多数の第一の導体層上にロウ材層をスパッタリング法や蒸着法で一度に形成することができ、より高い生産性で配線基板を作製することができる。
【００１７】
【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（ａ）は本発明の配線基板について実施の形態の一例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。同図において、１は配線基板、２はＳｉＣから成る基板、３は光半導体素子が搭載される第一の導体層、３ａ，４ａ，７ａは密着金属層、３ｂ，４ｂ，７ｂは拡散防止層、３ｃ，４ｃ，７ｃは主導体層、４は光半導体素子の上面の電極がボンディングワイヤを介して電気的に接続される第二の導体層、５は光半導体素子を配線基板１に接合するためのＡｕ−Ｓｎ合金，Ｐｂ−Ｓｎ合金等から成るロウ材層、６は絶縁層、７は基板２の下側主面に形成された、外部電気回路基板やパッケージ等の導体層等に接続される外部接続用の第三の導体層である。
【００１８】
本発明の配線基板は、炭化シリコンから成る基板２の上側主面に、光半導体素子が搭載される第一の導体層３が形成されているとともに、第一の導体層３に隣接して、光半導体素子の上面に形成された電極とボンディングワイヤを介して電気的に接続される第二の導体層４が基板２の上側主面との間に絶縁層６を介して形成されており、基板２の下側主面の略全面に外部接続用の第三の導体層７が形成されている。
【００１９】
本発明の基板２は、光半導体素子が発生する熱を効率的に放熱して光半導体素子に熱衝撃破壊等が発生するのを回避するために、熱伝導率が240Ｗ/ｍ・Ｋ以上と極めて高いため熱伝導性に優れ、熱膨張係数がＧａＮ（窒化ガリウム）に近いＳｉＣから成る。ＳｉＣから基板２は、化学気相成長法により反応性の高いガスを黒鉛（カーボン）の基板上に流してＳｉＣ膜を成長させ、所望の厚み以上に形成されたＳｉＣ膜から高温で熱処理して黒鉛の基板を剥離することにより作製される。ＳｉＣから成る基板２は半導体材料であることから、電気抵抗が10^６Ω程度と絶縁性が不十分なため、絶縁層６を形成して絶縁性を確保する必要がある。
【００２０】
第一の導体層３、第二の導体層４および第三の導体層７は、それぞれ密着金属層３ａ，４ａ，７ａ、拡散防止層３ｂ，４ｂ，７ｂ、主導体層３ｃ，４ｃ，７ｃが順次積層された３層構造の金属層からなり、蒸着法、スパッタリング法等で成膜して形成される。密着金属層３ａ，４ａ，７ａは、基板２および絶縁層６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。この密着金属層３ａ，４ａ，７ａ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。
【００２１】
拡散防止層３ｂ，４ｂ，７ｂは、密着金属層３ａ，４ａ，７ａと主導体層３ｃ，４ｃ，７ｃ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。拡散防止層３ｂ，４ｂ，７ｂ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。
【００２２】
さらに主導体層３ｃ，４ｃ，７ｃ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。
【００２３】
第一の導体層３上の光半導体素子が搭載される部位には、光半導体素子を固定するための低融点ロウ材から成るロウ材層５をスパッタリング法、蒸着法等により所定の厚みに被着させるのが好ましい。これにより、光半導体素子を第一の導体層３上に接着固定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。
【００２４】
ロウ材層５としては、Ａｕ−Ｇｅ合金（融点約356℃）、Ａｕ−Ｓｉ合金（融点約370℃）、Ｐｂ−Ｓｎ合金（融点約183℃）、Ａｕ−Ｓｎ合金（融点約280℃）、Ｉｎ−Ｐｂ合金（融点約172℃）、Ｉｎ（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、接着温度を低くすることができる。その結果、光半導体素子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着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、生産コストを低くすることができる。
【００２５】
第一の導体層３上にスパッタリング法、蒸着法等により被着されるロウ材層５の厚みは0.5〜５μｍ程度が良い。0.5μｍ未満では、光半導体素子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５の成膜時の内部応力により、ロウ材層５に剥離が生じ易くなる。また、例えばロウ材層５がＡｕ−Ｓｎ合金から成る場合、ロウ材層５を構成するＡｕは貴金属で高価であることから、なるべく薄く形成してコストを抑えることがよい。
【００２６】
また、ロウ材層５の上面に厚さ0.1μｍ程度のＡｕ層を被着して、ロウ材層５の表面酸化を防ぐようにしてもよい。
【００２７】
さらに、ロウ材層５と第一の導体層３との間にＰｔ，Ｐｄ，Ｔｉ等から成る拡散防止層を形成しても良い。これにより、ロウ材層５の第一の導体層３への拡散を防止し、光半導体素子を強固に接合することができる。
【００２８】
また、ロウ材層５は、第一の導体層３上で第二の導体層４と反対側に形成されているのがよい。この場合、ロウ材層５が加熱溶融された際に、第二の導体層４側に流れて第二の導体層４に接触して短絡するのを防ぐことができる。また、第一の導体層３上で絶縁層６が存在する第二の導体層４から離して光半導体素子を搭載することができるため、光半導体素子の熱を絶縁層６の存在しない基体２の上側主面から基体２内部へ効果的に放熱させることができる。
【００２９】
本発明の絶縁層６は、厚さ0.5μｍ程度のＳｉＯ_２等からなり、ＳｉＣ層をＯ_２雰囲気中で焼成して形成するか、またはＳｉＯ_２層等を蒸着法、スパッタリング法で成膜して形成される。この絶縁層６は、ＳｉＯ_２の他にポリイミド等から成っていてもよい。
【００３０】
絶縁層５の厚みは0.2〜0．8μｍが良い。0.2μｍ未満では、絶縁性を確保することが困難に成り、0.8μｍを超えると、基板２の熱膨張係数（４×10^−６〜５×10^−６／℃）と絶縁層６の熱膨張係数（ＳｉＯ_２の場合0.5×10^−６〜0.6×10^−６／℃）との差により、Ａｕ−Ｓｎ等のロウ材（融点約280℃）で光半導体素子を搭載した際、応力で基板２と絶縁層６との間で剥離を生じ易くなる。
【００３１】
基板２の上側主面と第二の導体層４との間に形成される絶縁層６は、第二の導体層４の直下全面に形成されるが、第二の導体層４および絶縁層６の形成時の寸法ばらつき、アライメント（位置合わせ）ばらつきを考慮し、絶縁層６が全周にわたって第二の導体層４よりも50μｍ程度以上の幅で大きいほうが好ましい。50μｍより小さくなると、第一の導体層３と第二の導体層４とが近接することとなり、それらの間の絶縁性を確保するのが困難になる。
【００３２】
基板２の下側主面と第三の導体層７との間に形成される絶縁層６は、第三の導体層７の直上全面に形成される。これにより、第一の導体層３と第三の導体層７との絶縁性を十分に確保することができる。
【００３３】
第一の導体層３は、絶縁層６を介することなく基板２に直接形成されるため、光半導体素子で発生した熱は基板２に効率良く伝熱され放熱される。その結果、光半導体素子は熱衝撃破壊等が発生することなく、安定した発光特性や受光特性を得ることができる。
【００３４】
また、光半導体素子の下面電極と第三の導体層７とを電気的に接続する場合、第一の導体層３と第三の導体層７との絶縁性を確保する必要がなくなるため、基板２の下側主面と第三の導体層７との間の絶縁層６はなくてもよい。これにより、光半導体素子で発生した熱はより効率的に放熱される。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の配線基板は、炭化シリコンから成る基板の上側主面に、光半導体素子が搭載される第一の導体層が形成されているとともに、第一の導体層に隣接して、光半導体素子の上面に形成された電極とボンディングワイヤを介して電気的に接続される第二の導体層が基板との間に絶縁層を介して形成されており、基板の下側主面の略全面に外部接続用の第三の導体層が形成されていることから、第一の導体層は絶縁層を介することなく基板に直接形成されているため、光半導体素子で発生した熱は熱伝導性が高い基板に効率良く伝熱されて放熱される。その結果、光半導体素子は熱衝撃破壊等が発生することなく、安定した発光特性や受光特性を有するものとなる。
【００３７】
即ち、第二の導体層は高周波信号等の電気信号が伝送される導体層であるため、半導体から成る基板との絶縁性を確保して電気信号の信号波形等が乱れたり伝送性が劣化するのを防ぐ必要があるのに対して、第一の導体層は光半導体素子を搭載するための導体層であるため、基板との絶縁性を確保せずともよいことから、第一の導体層は基板に直接形成することができる。
【００３８】
本発明の配線基板は、好ましくは第一の導体層上の光半導体素子が搭載される部位にロウ材層が形成されていることから、光半導体素子を第一の導体層上に接合する際にロウ材のプリフォームを配置する必要がなくなり、高い生産性で配線基板を作製することができる。また、配線基板を母基板から多数個取りで作製する場合には、多数の第一の導体層上にロウ材層をスパッタリング法や蒸着法で一度に形成することができ、より高い生産性で配線基板を作製することができる。
【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し、（ａ）は配線基板の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図２】従来の配線基板の断面図である。
【符号の説明】
１：配線基板
２：基板
３：第一の導体層
４：第二の導体層
５：ロウ材層
６：絶縁層
７：第三の導体層

Claims

炭化シリコンから成る基板の上側主面に、光半導体素子が搭載される第一の導体層が形成されているとともに、該第一の導体層に隣接して、前記光半導体素子の上面に形成された電極とボンディングワイヤを介して電気的に接続される第二の導体層が前記基板との間に絶縁層を介して形成されており、前記基板の下側主面の略全面に外部接続用の第三の導体層が形成されていることを特徴とする配線基板。
前記第一の導体層上の前記光半導体素子が搭載される部位にロウ材層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。