JP2004332017A - ハンダ皮膜の製造方法、ハンダ皮膜を備えたヒートシンク、および半導体素子とヒートシンクの接合体 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎ等からなるハンダ皮膜であって、所望の組成や融点を有するものを、蒸着やメッキなどにより、組成の制御や融点制御の困難を伴うことなく製造できる方法、ならびにレーザーダイオードチップなどの熱劣化しやすい半導体素子のベアチップ実装用として好適なハンダ皮膜を備えるヒートシンクおよび該ヒートシンクと半導体素子との接合体を提供する。
【解決手段】Ｚｎ、ＢｉもしくはＳｎの単体、またはＺｎ、ＢｉおよびＳｎから選ばれる２種からなる合金、のいずれかからなる層の複数種類を積層して形成される単位層を、複数積層する工程を有し、好ましくは最表面層をＳｎ層とする工程を有することを特徴とするハンダ皮膜の製造方法ならびにこのようなハンダ皮膜を備えるヒートシンクおよび該ヒートシンク上に実装された半導体素子を有することを特徴とする半導体素子とヒートシンクの接合体。
【選択図】 なし
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【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなるＰｂフリーハンダ皮膜の製造方法、Ｐｂフリーハンダ皮膜を備えた半導体素子接合用のヒートシンク、および半導体素子とヒートシンクの接合体に関する。特に、レーザーダイオードチップのベアチップ実装用などに好ましく用いられるＰｂフリーハンダ皮膜の製造方法、Ｐｂフリーハンダ皮膜を備えたヒートシンク、および該ヒートシンクに半導体素子を実装した半導体素子とヒートシンクの接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーダイオードを用いた電子部品は、レーザーダイオードチップを、該チップから発生する熱を除去するためのヒートシンク上へ、ベアチップ実装されて製造されている。このベアチップ実装は、メタライズされたヒートシンクの表面にハンダ皮膜を形成し、その上にレーザーダイオードチップを、ダイボンディングやハンダリフローなどにより該レーザーダイオードチップを接合する方法により行われている。
【０００３】
レーザーダイオードチップは、熱に弱く、熱によりレーザー特性が劣化しやすい。そこで、実装時における熱劣化を防ぐため、レーザーダイオードチップのヒートシンク上への実装温度を低く押さえる必要がある。従ってヒートシンク表面に形成されるハンダ皮膜は、融点（共晶点）の低いものでなければならず、従来は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダ（共晶点：１８３℃）が用いられてきた。しかし、人体に有害なＰｂを含むハンダは、環境対策上好ましくないので、近年、Ｐｂを含まないＰｂフリーハンダがその代替として盛んに開発されている。
【０００４】
しかし、従来のＰｂフリーハンダの多くは、共晶ハンダより融点が高く（Ａｕ−Ｓｎハンダは２８０℃、Ｓｎ−Ａｇハンダは２２０℃など）、従ってレーザーダイオードチップの実装時にレーザー特性を劣化させるという問題が生じる。
【０００５】
近年、Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダと同等の融点を有する多元系合金のＰｂフリーハンダが開発されてきている。例えば、特許第３２３２９６３号公報（特許文献１）や特許第３３４００２１号公報（特許文献２）の請求項１には、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎなどからなるハンダがプリント基板実装用途として開示されており、これらのハンダはプリント基板実装向けソルダーペースト製品として市販されている。しかし、これらのハンダを用いたプリント基板実装ではフラックスが使用されるが、ベアチップ実装の用途では、チップ汚染の原因となるフラックスを使用することはできない。一方、ハンダをフラックスレスで使用すると、溶け性、濡れ性が悪く、リフローハンダ付けが困難となるので、ベアチップ実装用途にこれらのハンダを用いることはできないと考えられていた。
【０００６】
また、レーザーダイオードチップの、ヒートシンク上へのベアチップ実装においては、チップサイズが２００μｍ程度と小さく、その位置精度としては２０μｍ以下が要求されている。従来、半導体素子実装用のハンダ皮膜は、ペースト印刷方法により形成されていたが、この方法では、このような位置精度に対応することができない。
【０００７】
そこで、フォトリソグラフィーにより、この高い位置精度でハンダ皮膜を形成する方法が考えられる。すなわち、パターニングされたレジスト層上に、蒸着やメッキによりハンダ皮膜を形成し、リフトオフにより、レーザーダイオードチップなどの半導体素子を実装する部分のハンダ皮膜を形成する方法である。この方法により半導体素子実装用のハンダ皮膜を、２０μｍ以下のすぐれた位置精度で形成することができる。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３２３２９６３号公報（請求項１）
【０００９】
【特許文献２】
特許第３３４００２１号公報（請求項１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎの間では、蒸着速度やメッキ形成速度が異なる。そこで、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなるハンダに上記の方法を適用すると、組成の制御や、融点制御が困難になるとの問題が生じる。例えば、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎを蒸着させる場合、蒸着速度はＳｎ、Ｂｉ、Ｚｎの順で大きくなり、特にＺｎは蒸着速度が他の２金属に比べて非常に大きく、ＢｉもＺｎよりは小さいものの、Ｓｎに比べて非常に大きい。その結果、厚いハンダ皮膜を一回の蒸着で形成すると、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層と分離してしまい、ハンダの持つ低融点を実現することができない。従って、所望の組成の合金を得ること、しいては所望の融点を得ることが困難である。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の問題を解決し、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなるハンダ皮膜であって、所望の組成や融点を有するものを、蒸着やメッキなどにより、組成の制御や融点制御の困難を伴うことなく製造できる方法を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明はさらに、レーザーダイオードチップなどの熱劣化しやすい半導体素子のベアチップ実装用として好適な、特定の組成を有するハンダ皮膜を備えるヒートシンクを提供することを目的とする。
本発明はさらにまた、このヒートシンクを用いることを特徴とする半導体素子とヒートシンクの接合体を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は検討の結果、Ｚｎ、ＢｉもしくはＳｎの単体、またはＺｎ、ＢｉおよびＳｎから選ばれる２種からなる合金、のいずれかからなる薄膜の積層（本明細書では、単位層という。）を形成し、この単位層形成の繰返しにより、即ちこの単位層を積層してハンダ皮膜を形成することにより、上記の問題が解決されることを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
すなわち、本発明の請求項１は、Ｚｎ、ＢｉもしくはＳｎの単体、またはＺｎ、ＢｉおよびＳｎから選ばれる２種からなる合金、のいずれかからなる層の複数種類を積層して形成される単位層を、複数積層する工程を有することを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものである。
【００１５】
この方法により製造されるハンダ皮膜は、単位層が複数積層されたものであり、各単位層は、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層、およびこれらの金属中の２種からなる合金の層から選ばれる複数種類の層が積層されたものである。それぞれ層を形成する工程を、層を変えながら繰返して各層を積層することにより、各単位層が形成される。
【００１６】
この方法によれば、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎの各金属またはこれらの金属中の２種からなる合金毎に層が形成されるので、その層の厚みを調整することにより、積層後の全体としての組成を容易に調整することができる。従って、所望の組成が容易に得られ、組成の制御や融点の制御を容易にすることができる。
【００１７】
このハンダ皮膜は、金属層毎に見れば、ハンダの組成を有する合金からなるものではない。しかし、それぞれの層を薄くすることにより、単位層全体として同じ組成を有する合金の融点と近い融点が得られる。
また、各単位層が、実質的にＺｎ、ＢｉおよびＳｎから構成されれば、単位層毎にハンダの融点が達成され、ハンダ皮膜全体として、同じ組成を有するハンダの融点と近い融点が得られやすく、好ましい。
さらに、同じ構成を有する単位層を積層することによりハンダ皮膜を形成すれば、ハンダ皮膜の厚み方向に均一な構成となり、従って融点に関しても均一となるので、ハンダ皮膜全体として、同じ組成を有するハンダの融点と近い融点がより得られやすく、好ましい。
本発明の請求項２および請求項３は、これらの好ましい態様に該当するものである。
【００１８】
すなわち、本発明の請求項２は、請求項１に記載のハンダ皮膜の製造方法であって、各単位層が、実質的にＺｎ、ＢｉおよびＳｎから構成されることを特徴とする製造方法を提供するものである。
また、本発明の請求項３は、請求項１に記載のハンダ皮膜の製造方法であって、各単位層を構成する層構造が、単位層毎に実質的に同じであることを特徴とする製造方法を提供するものである。
【００１９】
本発明の請求項４は、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層、ＺｎとＳｎの合金層またはＢｉとＳｎの合金層のいずれか一層を形成する工程、該工程を、層を変えながら繰返して各層を積層することにより、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなる単位層を形成する工程、および該単位層を形成する工程を繰返して各単位層を積層する工程を有することを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものである。
【００２０】
この方法により製造されるハンダ皮膜は、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなる単位層が複数積層されたものである。
さらに各単位層は、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層、ＺｎとＳｎの合金層および／またはＢｉとＳｎの合金層が積層されたものであり、それぞれ層を形成する工程を、層を変えながら繰返して各層を積層することにより、各単位層が形成される。即ち、単位層には、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎの全ての金属がいずれかの層に含まれている。
【００２１】
本発明の請求項５は、上記請求項４のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層を形成する工程が、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の順またはＢｉ層、Ｓｎ層、Ｚｎ層、Ｓｎ層の順でそれぞれの層を形成する工程からなることを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものである。
Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の形成の順序は、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎの全ての金属を、所望の組成で含有する単位層が得られる限りは、特に限定されるものではない。しかし、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の順またはＢｉ層、Ｓｎ層、Ｚｎ層、Ｓｎ層の順でそれぞれの層を形成する方法が好ましい。すなわち、Ｚｎ層の形成工程とＢｉ層の形成工程との間に、Ｓｎ層の形成工程を挟むことで、単位層全体としての組成と同じ組成のハンダに近い融点がより得られやすく好ましい。さらに、好ましくは、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の順である。
【００２２】
本発明の請求項６は、上記請求項４のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層を形成する工程が、ＺｎとＳｎの合金層を形成する工程および／またはＢｉとＳｎの合金層を形成する工程を含むことを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものである。
単位層の形成は、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の各金属層の形成を繰り返す代わりに、これらの金属から選ばれる２種からなる合金層の形成を繰り返すことにより行うこともできる。この合金層の形成を繰り返す態様としては、ＺｎとＳｎの合金層を形成する工程およびＢｉとＳｎの合金層を形成する工程を繰り返す方法が好ましく、請求項６はこの態様に該当する。
ＺｎとＳｎの合金層の形成とＢｉとＳｎの合金層の形成の順序も、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎの全ての金属を所望の組成で含有する単位層が得られる限りは、特に限定されるものではない。
ハンダ皮膜の最表面層は、Ｓｎ層であることが好ましい。そこで、本発明の製造方法としては、ハンダ皮膜の最表面層をＳｎ層とする工程を含むことが好ましい。本発明の請求項７は、この態様に該当するものである。
【００２３】
Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の各金属層の形成や、これらの金属から選ばれる２種からなる合金層の形成は、蒸着またはメッキにより行うことができる。
本発明の請求項８は、上記のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層が、蒸着により形成されることを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものであり、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の各金属層の形成やこれらの金属から選ばれる２種からなる合金層の形成が、蒸着により行われる態様に該当する。
【００２４】
本発明の請求項９は、上記のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層が、メッキにより形成されることを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものであり、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の各金属層の形成やこれらの金属から選ばれる２種からなる合金層の形成が、メッキにより行われる態様に該当する。
メッキとは通常電気メッキである。ヒートシンク上に最初に形成される金属層は、メタライズされたヒートシンクを一方の電極とした電気メッキにより行うことができる。
【００２５】
本発明の請求項１０は、上記のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層の厚みが、８０００Å以下であることを特徴とするハンダ皮膜の製造方法である。
単位層を構成する各金属層の厚みが厚いと、単位層全体の組成と同じ組成を有するハンダと同等の融点は得られない。各金属層の厚み、しいては単位層全体の厚みを薄くすることにより、所望の組成のハンダの融点に近づけることができる。具体的には、単位層全体の厚みは８０００Å以下が好ましく、より好ましくは５０００Å以下である。
ハンダ皮膜は、この単位層を積層して得られるが、通常厚み３μｍ程度以上必要である。従って、通常単位層は４層以上積層され、より好ましくは６層以上積層される。
【００２６】
本発明の請求項１１は、上記のハンダ皮膜の製造方法であって、ハンダ皮膜が、パターニングされたレジスト層上に形成され、該ハンダ皮膜の形成後に、リフトオフにより該ハンダ皮膜をパターニングする工程を有することを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものであり、この方法により、２０μｍ程度以下、条件によっては５μｍ程度の位置精度で、半導体素子実装用のハンダ皮膜を、ヒートシンク上などに形成することができる。
【００２７】
ここで、パターニングされたレジスト層は、フォトリソグラフィーにより形成することができる。好ましくは、レジスト層は、逆テーパー状にパターニングされる。このようにして、ハンダ用パターンが形成された後、蒸着またはメッキなどにより、ハンダ皮膜がその上に形成される。その後、リフトオフすることにより、レジストパターン上のハンダ皮膜は除去され、残部が、半導体素子実装用のハンダ皮膜となる。
【００２８】
本発明の請求項１２は、上記のハンダ皮膜の製造方法により製造されるハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。
上記のハンダ皮膜の製造方法により製造されるハンダ皮膜は、熱により劣化しやすい半導体素子をヒートシンク上に実装する用途に好適に用いられるが、請求項１２は、この好ましい態様のヒートシンクに該当するものである。
【００２９】
ここで、ヒートシンクとは放熱基板であって、素子が発生する熱を効率よく除去するものである。ヒートシンクとしては、高熱伝導率、周辺部材と同じ線膨張率、低誘電率などの特性を有するＡｌＮ（窒化アルミニウムセラミックス）、Ｓｉ、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＡＩＮ／ダイヤなどが広く知られており、本発明においても、これらが好ましく用いられる。
【００３０】
ヒートシンク上への、半導体素子のベアチップ実装においては、通常、先ずヒートシンク上へメタル層（メタライズ）を形成し、その上にハンダ皮膜が形成される。メタル層は、通常、パターニングされ、このパターニングされたメタル層（メタルパターン）は、フォトリソグラフィーとリフトオフにより、位置精度、寸法精度よく形成することができる。すなわち、レジスト層を、フォトリソグラフィーにより、好ましくは逆テーパー状にパターニングして、その上に、蒸着などによりメタル層を形成した後、リフトオフする。その結果、レジストパターン上のメタル層は除去され、残部のメタル層が、ハンダ皮膜形成用のメタルパターンとなる。
メタルパターン形成に用いられる金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏなどが挙げられ、特にメタルパターンの最上層にはＰｔ、Ｎｉ、Ｃｏなどが好ましく用いられる。
【００３１】
メタルパターン上に、ハンダ皮膜が形成された後、該ハンダ皮膜を酸化などから保護するための膜を、該ハンダ皮膜上に、蒸着などの方法により、形成してもよい。このような膜としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｎなどの金属膜が例示され、膜の厚みとしては、Ａｌの場合は１０〜５０Å、Ｉｎの場合は５０〜２５０Åで充分である。
【００３２】
本発明の請求項１３は、上記のハンダ皮膜の製造方法により製造されるハンダ皮膜を備えたヒートシンクであって、半導体素子のベアチップ実装用であることを特徴とするヒートシンクを提供するものである。
上記のように請求項１２のヒートシンクは、熱により劣化しやすい半導体素子の実装、特にベアチップ実装に好ましく用いられるが、請求項１３はこの用途に該当するものである。中でも、レーザーダイオードチップのベアチップ実装がその代表的な用途として挙げられる。
【００３３】
本発明の請求項１４は、フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：２〜１０重量％、Ｂｉ：２〜４０重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。
本発明者は、上記のハンダ皮膜の製造方法およびハンダ皮膜に加えて、さらに、従来はフラックスレスでは使用困難と考えられていたＺｎ、ＢｉおよびＳｎからなるハンダであっても、特定の組成範囲にあるものは、フラックスレスでも溶け性、濡れ性が悪いとの問題がなく、かつ低い融点を達成できることを見出した。従って、このＺｎ：２〜１０重量％、Ｂｉ：２〜４０重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなるハンダ皮膜を備えたヒートシンクは、フラックスレスで行われる半導体素子の実装、特にレーザーダイオードチップのベアチップ実装用途に用いることができる。請求項１４の発明は、この知見に基づき完成されたものである。
【００３４】
本発明の請求項１５は、フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：３〜９重量％、Ｂｉ：２〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。
Ｚｎ：３〜９重量％、Ｂｉ：２〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダは、１９５℃以下の液相線の温度、および１５０℃以上の固相線の温度を有するので、この組成のハンダ皮膜を有するヒートシンクはレーザーダイオードチップのベアチップ実装用としてより好ましい。請求項１５は、この好ましい態様に該当するものである。
【００３５】
本発明の請求項１６は、フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：５〜７重量％、Ｂｉ：８〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。
Ｚｎ：５〜７重量％、Ｂｉ：８〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダは、１８５℃程度の液相線の温度、および１５０℃以上の固相線の温度を有する。すなわち、液相線の温度が、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダに近い１８５℃程度であるので、ヒートシンク上へのベアチップ実装用途のハンダ皮膜の組成としてさらに好ましい。従って、この組成のハンダ皮膜を備えたヒートシンクは、レーザーダイオードチップのベアチップ実装用としてさらに好適なものである。請求項１６は、この特に好ましい態様に該当するものである。
【００３６】
本発明の請求項１７は、フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：６〜７重量％、Ｂｉ：８〜１０重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。このＰｂフリーハンダ組成は、１８５℃程度、すなわち従来のＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダに近い液相線の温度を有するとともに、１６０℃程度の固相線の温度を有する。従って、このハンダ皮膜を備えその上にレーザーダイオードチップを実装したヒートシンクを、さらに他のヒートシンク上に、１５０〜１６０℃より低い温度で２次実装することが可能である。すなわち、２次実装時の熱により、レーザーダイオードチップを実装するハンダの接合強度が低下し接合不良が生じるとの問題が生じにくい。従って、この点からも請求項１７のヒートシンクは、好ましく用いることができ、本発明のヒートシンクとして特に好ましい態様である。
【００３７】
なお、上記の本発明のヒートシンクに備えられるハンダ皮膜を形成するＰｂフリーハンダは、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎに加えて、他の金属を微量含有してもよい。他の金属としては、Ｇｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎなどが挙げられる。例えば、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎの合計量に対して、Ｇｅを０．００１〜０．１重量％およびＣｕを０．１〜３重量％含有すると、ハンダの濡れ性が向上し好ましい。
【００３８】
本発明の請求項１８は、上記の本発明のヒートシンクおよび該ヒートシンクに備えられたハンダ皮膜に実装された半導体素子を有することを特徴とする半導体素子とヒートシンクの接合体を提供するものである。
上記の様に、本発明のヒートシンクには、フラックスレスで半導体素子を実装することができる。従って、半導体素子のベアチップ実装が可能であるので、半導体素子としてはレーザーダイオードチップなどを挙げることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、実施例を用いて説明するが、この実施例は、本発明を限定するものではない。
【００４０】
実施例１
ＡｌＮ基板にフォトリソグラフィーによりレジスト層を逆テーバー状にパターニングし、Ａｕ層を蒸着で形成後、有機溶媒でレジストを溶解させ、リフトオフにより、ハンダ皮膜形成用メタルパターンを形成した。
該メタルパターン上に、フォトリソグラフィーによりレジスト層を逆テーバー状にパターニングしてハンダ用パターンを形成後、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で蒸着を行った。
【００４１】
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの蒸着は、複数個のボートで蒸着可能な蒸着装置を用い、抵抗加熱法により行った。先ず、各々のボートに、各元素の蒸着材を装填し、Ｚｎを蒸着後、Ｓｎを蒸着し、次いでＢｉを蒸着後、Ｓｎを蒸着することにより、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で積層された単位層を得た。蒸着材の装填量は、それぞれの厚みが、３５０Å、３９００Å、３５０Å、３００Åとなるような値に設定した。
【００４２】
触針段差計（Ｄｅｋｔａｋ）を用いて測定したところの、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の厚みは、それぞれ、３５０Å、３９００Å、３５０Å、３００Åであり、所望の厚みであった。この厚みと各金属の比重より、単位層全体としては、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉの組成を有すると計算される。
このハンダ皮膜の単位層の融点をＤＳＣにより測定したところ、融点１８５℃を実現し、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ三元系合金のハンダと同等の融点を示した。なお、ＤＳＣの測定条件は、窒素流量２５０ｍｌ／分、昇温速度１０℃／分であった。
【００４３】
上記と同じ条件で、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で各金属層が積層された単位層の形成を、さらに５回（合計６回）行い、厚み約３μｍのハンダ皮膜を得た。その後、再びリフトオフすることで、高寸法精度且つ高位置精度を持つハンダ皮膜を形成した。
このようにして得られたハンダ皮膜上に、ＩｎＰまたはＧａＡｓのレーザーダイオードを基材とし、実装面にＡｕ電極面を備えたペアチップ（サイズ：３００μｍ×３００μｍ×２００μｍ）を実装した。実装は、ＮＩＤＥＫＴＯＳＯＣＧＤ２０００を用い、Ｎ２雰囲気下で以下の条件にて行った。
加重：１８ｇ、プレヒート温度：１００℃、ピーク温度：融点（液相線）＋２５℃（すなわち本実施例では２１０℃）、ピーク温度保持時間：１０秒
【００４４】
実装後、ダイシアテスターｄａｚｙ２４００Ａ−ＷｌＯＯを用い、ハンダ接合強度を評価した結果、強度は３００ｇであった。この強度は、チップ破壊強度である２００〜３００ｇより大きく、またワイヤボンディングに耐えうる強度が１００ｇ程度であることから考えても、実用に充分耐えうる強度と考えられる。
【００４５】
実施例２
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で蒸着を行う代わりに、Ｓｎ−１３．６Ｚｎ合金、Ｓｎ−１８．８Ｂｉ合金の順で、単位層中のそれぞれの厚みが２５００Åづつとなるように蒸着を行う以外は、実施例１と同じ条件で、厚み約３μｍのハンダ皮膜をヒートシンク上に形成することができる。その結果、全体としてＳｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉの組成を有し、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ三元系合金のハンダと同等の融点（１８５℃）を示し、かつ実用に充分耐えうるハンダ接合強度を有するハンダ皮膜、およびそれを備えたヒートシンクが得られる。
【００４６】
実施例３
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で蒸着を行う代わりに、同じ順で、メッキにより、それぞれ同じ厚みを有する各金属層を形成する以外は、実施例１と同じ条件で、厚み約３μｍのハンダ皮膜をヒートシンク上に形成することができる。その結果、全体としてＳｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉの組成を有し、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ三元系合金のハンダと同等の融点（１８５℃）を示し、かつ実用に充分耐えうるハンダ接合強度を有するハンダ皮膜、およびそれを備えたヒートシンクが得られる。
【００４７】
実施例４
Ｓｎ−１３．６Ｚｎ合金、Ｓｎ−１８．６Ｂｉ合金の順で蒸着を行う代わりに、同じ順で、メッキにより、それぞれ同じ厚みを有する各合金層を形成する以外は、実施例２と同じ条件で、厚み約３μｍのハンダ皮膜をヒートシンク上に形成することができる。その結果、全体としてＳｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉの組成を有し、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ三元系合金のハンダと同等の融点（１８５℃）を示し、かつ実用に充分耐えうるハンダ接合強度を有するハンダ皮膜、およびそれを備えたヒートシンクが得られる。
【００４８】
比較例
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの蒸着を、それぞれの厚みが、２１００Å、２３４００Å、２１００Å、１８００Åとなるような蒸着量で、１回のみ行い、他は実施例１と同じ条件で、厚み約３μｍのハンダ皮膜をヒートシンク上に形成した。その結果、融点は２２５℃以上であり、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ３元系になっていないことがわかった。しかも、実施例１と同じ条件での実装時には全く濡れず、接合強度はほとんど０であった。
【００４９】
参考例１〜６
各金属の蒸着量を変える以外は、実施例１と同様にして、ハンダ皮膜を形成し、その組成、液相線の融点および固相線の融点を測定した。その結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【発明の効果】
本発明のハンダ皮膜の製造方法により、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎ等からなるＰｂフリーハンダ皮膜であって、所望の組成や融点を有するものを、蒸着やメッキなどにより、組成の制御や融点制御の困難を伴うことなく製造することができる。この方法を、フォトリソグラフィーと組合せることにより、レーザーダイオードチップなどのベアチップ実装用のハンダ皮膜を、優れた位置精度でヒートシンク上などに形成することができる。
また、本発明のハンダ皮膜を備えるヒートシンクは、実装時の熱による劣化をおこすことなく、レーザーダイオードチップなどを、優れた位置精度で、ベアチップ実装することができ、その接合強度も充分実用に耐えるものである。そして、このヒートシンク上に半導体素子を接合した本発明の接合体は、優れた電子部品として、レーザーダイオードなどの用途に用いられる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなるＰｂフリーハンダ皮膜の製造方法、Ｐｂフリーハンダ皮膜を備えた半導体素子接合用のヒートシンク、および半導体素子とヒートシンクの接合体に関する。特に、レーザーダイオードチップのベアチップ実装用などに好ましく用いられるＰｂフリーハンダ皮膜の製造方法、Ｐｂフリーハンダ皮膜を備えたヒートシンク、および該ヒートシンクに半導体素子を実装した半導体素子とヒートシンクの接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーダイオードを用いた電子部品は、レーザーダイオードチップを、該チップから発生する熱を除去するためのヒートシンク上へ、ベアチップ実装されて製造されている。このベアチップ実装は、メタライズされたヒートシンクの表面にハンダ皮膜を形成し、その上にレーザーダイオードチップを、ダイボンディングやハンダリフローなどにより該レーザーダイオードチップを接合する方法により行われている。
【０００３】
レーザーダイオードチップは、熱に弱く、熱によりレーザー特性が劣化しやすい。そこで、実装時における熱劣化を防ぐため、レーザーダイオードチップのヒートシンク上への実装温度を低く押さえる必要がある。従ってヒートシンク表面に形成されるハンダ皮膜は、融点（共晶点）の低いものでなければならず、従来は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダ（共晶点：１８３℃）が用いられてきた。しかし、人体に有害なＰｂを含むハンダは、環境対策上好ましくないので、近年、Ｐｂを含まないＰｂフリーハンダがその代替として盛んに開発されている。
【０００４】
しかし、従来のＰｂフリーハンダの多くは、共晶ハンダより融点が高く（Ａｕ−Ｓｎハンダは２８０℃、Ｓｎ−Ａｇハンダは２２０℃など）、従ってレーザーダイオードチップの実装時にレーザー特性を劣化させるという問題が生じる。
【０００５】
近年、Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダと同等の融点を有する多元系合金のＰｂフリーハンダが開発されてきている。例えば、特許第３２３２９６３号公報（特許文献１）や特許第３３４００２１号公報（特許文献２）の請求項１には、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎなどからなるハンダがプリント基板実装用途として開示されており、これらのハンダはプリント基板実装向けソルダーペースト製品として市販されている。しかし、これらのハンダを用いたプリント基板実装ではフラックスが使用されるが、ベアチップ実装の用途では、チップ汚染の原因となるフラックスを使用することはできない。一方、ハンダをフラックスレスで使用すると、溶け性、濡れ性が悪く、リフローハンダ付けが困難となるので、ベアチップ実装用途にこれらのハンダを用いることはできないと考えられていた。
【０００６】
また、レーザーダイオードチップの、ヒートシンク上へのベアチップ実装においては、チップサイズが２００μｍ程度と小さく、その位置精度としては２０μｍ以下が要求されている。従来、半導体素子実装用のハンダ皮膜は、ペースト印刷方法により形成されていたが、この方法では、このような位置精度に対応することができない。
【０００７】
そこで、フォトリソグラフィーにより、この高い位置精度でハンダ皮膜を形成する方法が考えられる。すなわち、パターニングされたレジスト層上に、蒸着やメッキによりハンダ皮膜を形成し、リフトオフにより、レーザーダイオードチップなどの半導体素子を実装する部分のハンダ皮膜を形成する方法である。この方法により半導体素子実装用のハンダ皮膜を、２０μｍ以下のすぐれた位置精度で形成することができる。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３２３２９６３号公報（請求項１）
【０００９】
【特許文献２】
特許第３３４００２１号公報（請求項１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎの間では、蒸着速度やメッキ形成速度が異なる。そこで、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなるハンダに上記の方法を適用すると、組成の制御や、融点制御が困難になるとの問題が生じる。例えば、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎを蒸着させる場合、蒸着速度はＳｎ、Ｂｉ、Ｚｎの順で大きくなり、特にＺｎは蒸着速度が他の２金属に比べて非常に大きく、ＢｉもＺｎよりは小さいものの、Ｓｎに比べて非常に大きい。その結果、厚いハンダ皮膜を一回の蒸着で形成すると、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層と分離してしまい、ハンダの持つ低融点を実現することができない。従って、所望の組成の合金を得ること、しいては所望の融点を得ることが困難である。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の問題を解決し、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなるハンダ皮膜であって、所望の組成や融点を有するものを、蒸着やメッキなどにより、組成の制御や融点制御の困難を伴うことなく製造できる方法を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明はさらに、レーザーダイオードチップなどの熱劣化しやすい半導体素子のベアチップ実装用として好適な、特定の組成を有するハンダ皮膜を備えるヒートシンクを提供することを目的とする。
本発明はさらにまた、このヒートシンクを用いることを特徴とする半導体素子とヒートシンクの接合体を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は検討の結果、Ｚｎ、ＢｉもしくはＳｎの単体、またはＺｎ、ＢｉおよびＳｎから選ばれる２種からなる合金、のいずれかからなる薄膜の積層（本明細書では、単位層という。）を形成し、この単位層形成の繰返しにより、即ちこの単位層を積層してハンダ皮膜を形成することにより、上記の問題が解決されることを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
すなわち、本発明の請求項１は、Ｚｎ、ＢｉもしくはＳｎの単体、またはＺｎ、ＢｉおよびＳｎから選ばれる２種からなる合金、のいずれかからなる層の複数種類を積層して形成される単位層を、複数積層する工程を有することを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものである。
【００１５】
この方法により製造されるハンダ皮膜は、単位層が複数積層されたものであり、各単位層は、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層、およびこれらの金属中の２種からなる合金の層から選ばれる複数種類の層が積層されたものである。それぞれ層を形成する工程を、層を変えながら繰返して各層を積層することにより、各単位層が形成される。
【００１６】
この方法によれば、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎの各金属またはこれらの金属中の２種からなる合金毎に層が形成されるので、その層の厚みを調整することにより、積層後の全体としての組成を容易に調整することができる。従って、所望の組成が容易に得られ、組成の制御や融点の制御を容易にすることができる。
【００１７】
このハンダ皮膜は、金属層毎に見れば、ハンダの組成を有する合金からなるものではない。しかし、それぞれの層を薄くすることにより、単位層全体として同じ組成を有する合金の融点と近い融点が得られる。
また、各単位層が、実質的にＺｎ、ＢｉおよびＳｎから構成されれば、単位層毎にハンダの融点が達成され、ハンダ皮膜全体として、同じ組成を有するハンダの融点と近い融点が得られやすく、好ましい。
さらに、同じ構成を有する単位層を積層することによりハンダ皮膜を形成すれば、ハンダ皮膜の厚み方向に均一な構成となり、従って融点に関しても均一となるので、ハンダ皮膜全体として、同じ組成を有するハンダの融点と近い融点がより得られやすく、好ましい。
本発明の請求項２および請求項３は、これらの好ましい態様に該当するものである。
【００１８】
すなわち、本発明の請求項２は、請求項１に記載のハンダ皮膜の製造方法であって、各単位層が、実質的にＺｎ、ＢｉおよびＳｎから構成されることを特徴とする製造方法を提供するものである。
また、本発明の請求項３は、請求項１に記載のハンダ皮膜の製造方法であって、各単位層を構成する層構造が、単位層毎に実質的に同じであることを特徴とする製造方法を提供するものである。
【００１９】
本発明の請求項４は、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層、ＺｎとＳｎの合金層またはＢｉとＳｎの合金層のいずれか一層を形成する工程、該工程を、層を変えながら繰返して各層を積層することにより、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなる単位層を形成する工程、および該単位層を形成する工程を繰返して各単位層を積層する工程を有することを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものである。
【００２０】
この方法により製造されるハンダ皮膜は、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなる単位層が複数積層されたものである。
さらに各単位層は、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層、ＺｎとＳｎの合金層および／またはＢｉとＳｎの合金層が積層されたものであり、それぞれ層を形成する工程を、層を変えながら繰返して各層を積層することにより、各単位層が形成される。即ち、単位層には、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎの全ての金属がいずれかの層に含まれている。
【００２１】
本発明の請求項５は、上記請求項４のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層を形成する工程が、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の順またはＢｉ層、Ｓｎ層、Ｚｎ層、Ｓｎ層の順でそれぞれの層を形成する工程からなることを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものである。
Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の形成の順序は、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎの全ての金属を、所望の組成で含有する単位層が得られる限りは、特に限定されるものではない。しかし、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の順またはＢｉ層、Ｓｎ層、Ｚｎ層、Ｓｎ層の順でそれぞれの層を形成する方法が好ましい。すなわち、Ｚｎ層の形成工程とＢｉ層の形成工程との間に、Ｓｎ層の形成工程を挟むことで、単位層全体としての組成と同じ組成のハンダに近い融点がより得られやすく好ましい。さらに、好ましくは、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の順である。
【００２２】
本発明の請求項６は、上記請求項４のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層を形成する工程が、ＺｎとＳｎの合金層を形成する工程および／またはＢｉとＳｎの合金層を形成する工程を含むことを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものである。
単位層の形成は、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の各金属層の形成を繰り返す代わりに、これらの金属から選ばれる２種からなる合金層の形成を繰り返すことにより行うこともできる。この合金層の形成を繰り返す態様としては、ＺｎとＳｎの合金層を形成する工程およびＢｉとＳｎの合金層を形成する工程を繰り返す方法が好ましく、請求項６はこの態様に該当する。
ＺｎとＳｎの合金層の形成とＢｉとＳｎの合金層の形成の順序も、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎの全ての金属を所望の組成で含有する単位層が得られる限りは、特に限定されるものではない。
ハンダ皮膜の最表面層は、Ｓｎ層であることが好ましい。そこで、本発明の製造方法としては、ハンダ皮膜の最表面層をＳｎ層とする工程を含むことが好ましい。本発明の請求項７は、この態様に該当するものである。
【００２３】
Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の各金属層の形成や、これらの金属から選ばれる２種からなる合金層の形成は、蒸着またはメッキにより行うことができる。
本発明の請求項８は、上記のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層が、蒸着により形成されることを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものであり、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の各金属層の形成やこれらの金属から選ばれる２種からなる合金層の形成が、蒸着により行われる態様に該当する。
【００２４】
本発明の請求項９は、上記のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層が、メッキにより形成されることを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものであり、Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の各金属層の形成やこれらの金属から選ばれる２種からなる合金層の形成が、メッキにより行われる態様に該当する。
メッキとは通常電気メッキである。ヒートシンク上に最初に形成される金属層は、メタライズされたヒートシンクを一方の電極とした電気メッキにより行うことができる。
【００２５】
本発明の請求項１０は、上記のハンダ皮膜の製造方法であって、単位層の厚みが、８０００Å以下であることを特徴とするハンダ皮膜の製造方法である。
単位層を構成する各金属層の厚みが厚いと、単位層全体の組成と同じ組成を有するハンダと同等の融点は得られない。各金属層の厚み、しいては単位層全体の厚みを薄くすることにより、所望の組成のハンダの融点に近づけることができる。具体的には、単位層全体の厚みは８０００Å以下が好ましく、より好ましくは５０００Å以下である。
ハンダ皮膜は、この単位層を積層して得られるが、通常厚み３μｍ程度以上必要である。従って、通常単位層は４層以上積層され、より好ましくは６層以上積層される。
【００２６】
本発明の請求項１１は、上記のハンダ皮膜の製造方法であって、ハンダ皮膜が、パターニングされたレジスト層上に形成され、該ハンダ皮膜の形成後に、リフトオフにより該ハンダ皮膜をパターニングする工程を有することを特徴とするハンダ皮膜の製造方法を提供するものであり、この方法により、２０μｍ程度以下、条件によっては５μｍ程度の位置精度で、半導体素子実装用のハンダ皮膜を、ヒートシンク上などに形成することができる。
【００２７】
ここで、パターニングされたレジスト層は、フォトリソグラフィーにより形成することができる。好ましくは、レジスト層は、逆テーパー状にパターニングされる。このようにして、ハンダ用パターンが形成された後、蒸着またはメッキなどにより、ハンダ皮膜がその上に形成される。その後、リフトオフすることにより、レジストパターン上のハンダ皮膜は除去され、残部が、半導体素子実装用のハンダ皮膜となる。
【００２８】
本発明の請求項１２は、上記のハンダ皮膜の製造方法により製造されるハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。
上記のハンダ皮膜の製造方法により製造されるハンダ皮膜は、熱により劣化しやすい半導体素子をヒートシンク上に実装する用途に好適に用いられるが、請求項１２は、この好ましい態様のヒートシンクに該当するものである。
【００２９】
ここで、ヒートシンクとは放熱基板であって、素子が発生する熱を効率よく除去するものである。ヒートシンクとしては、高熱伝導率、周辺部材と同じ線膨張率、低誘電率などの特性を有するＡｌＮ（窒化アルミニウムセラミックス）、Ｓｉ、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＡＩＮ／ダイヤなどが広く知られており、本発明においても、これらが好ましく用いられる。
【００３０】
ヒートシンク上への、半導体素子のベアチップ実装においては、通常、先ずヒートシンク上へメタル層（メタライズ）を形成し、その上にハンダ皮膜が形成される。メタル層は、通常、パターニングされ、このパターニングされたメタル層（メタルパターン）は、フォトリソグラフィーとリフトオフにより、位置精度、寸法精度よく形成することができる。すなわち、レジスト層を、フォトリソグラフィーにより、好ましくは逆テーパー状にパターニングして、その上に、蒸着などによりメタル層を形成した後、リフトオフする。その結果、レジストパターン上のメタル層は除去され、残部のメタル層が、ハンダ皮膜形成用のメタルパターンとなる。
メタルパターン形成に用いられる金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏなどが挙げられ、特にメタルパターンの最上層にはＰｔ、Ｎｉ、Ｃｏなどが好ましく用いられる。
【００３１】
メタルパターン上に、ハンダ皮膜が形成された後、該ハンダ皮膜を酸化などから保護するための膜を、該ハンダ皮膜上に、蒸着などの方法により、形成してもよい。このような膜としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｎなどの金属膜が例示され、膜の厚みとしては、Ａｌの場合は１０〜５０Å、Ｉｎの場合は５０〜２５０Åで充分である。
【００３２】
本発明の請求項１３は、上記のハンダ皮膜の製造方法により製造されるハンダ皮膜を備えたヒートシンクであって、半導体素子のベアチップ実装用であることを特徴とするヒートシンクを提供するものである。
上記のように請求項１２のヒートシンクは、熱により劣化しやすい半導体素子の実装、特にベアチップ実装に好ましく用いられるが、請求項１３はこの用途に該当するものである。中でも、レーザーダイオードチップのベアチップ実装がその代表的な用途として挙げられる。
【００３３】
本発明の請求項１４は、フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：２〜１０重量％、Ｂｉ：２〜４０重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。
本発明者は、上記のハンダ皮膜の製造方法およびハンダ皮膜に加えて、さらに、従来はフラックスレスでは使用困難と考えられていたＺｎ、ＢｉおよびＳｎからなるハンダであっても、特定の組成範囲にあるものは、フラックスレスでも溶け性、濡れ性が悪いとの問題がなく、かつ低い融点を達成できることを見出した。従って、このＺｎ：２〜１０重量％、Ｂｉ：２〜４０重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなるハンダ皮膜を備えたヒートシンクは、フラックスレスで行われる半導体素子の実装、特にレーザーダイオードチップのベアチップ実装用途に用いることができる。請求項１４の発明は、この知見に基づき完成されたものである。
【００３４】
本発明の請求項１５は、フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：３〜９重量％、Ｂｉ：２〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。
Ｚｎ：３〜９重量％、Ｂｉ：２〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダは、１９５℃以下の液相線の温度、および１５０℃以上の固相線の温度を有するので、この組成のハンダ皮膜を有するヒートシンクはレーザーダイオードチップのベアチップ実装用としてより好ましい。請求項１５は、この好ましい態様に該当するものである。
【００３５】
本発明の請求項１６は、フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：５〜７重量％、Ｂｉ：８〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。
Ｚｎ：５〜７重量％、Ｂｉ：８〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダは、１８５℃程度の液相線の温度、および１５０℃以上の固相線の温度を有する。すなわち、液相線の温度が、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダに近い１８５℃程度であるので、ヒートシンク上へのベアチップ実装用途のハンダ皮膜の組成としてさらに好ましい。従って、この組成のハンダ皮膜を備えたヒートシンクは、レーザーダイオードチップのベアチップ実装用としてさらに好適なものである。請求項１６は、この特に好ましい態様に該当するものである。
【００３６】
本発明の請求項１７は、フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：６〜７重量％、Ｂｉ：８〜１０重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンクを提供するものである。このＰｂフリーハンダ組成は、１８５℃程度、すなわち従来のＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダに近い液相線の温度を有するとともに、１６０℃程度の固相線の温度を有する。従って、このハンダ皮膜を備えその上にレーザーダイオードチップを実装したヒートシンクを、さらに他のヒートシンク上に、１５０〜１６０℃より低い温度で２次実装することが可能である。すなわち、２次実装時の熱により、レーザーダイオードチップを実装するハンダの接合強度が低下し接合不良が生じるとの問題が生じにくい。従って、この点からも請求項１７のヒートシンクは、好ましく用いることができ、本発明のヒートシンクとして特に好ましい態様である。
【００３７】
なお、上記の本発明のヒートシンクに備えられるハンダ皮膜を形成するＰｂフリーハンダは、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎに加えて、他の金属を微量含有してもよい。他の金属としては、Ｇｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎなどが挙げられる。例えば、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎの合計量に対して、Ｇｅを０．００１〜０．１重量％およびＣｕを０．１〜３重量％含有すると、ハンダの濡れ性が向上し好ましい。
【００３８】
本発明の請求項１８は、上記の本発明のヒートシンクおよび該ヒートシンクに備えられたハンダ皮膜に実装された半導体素子を有することを特徴とする半導体素子とヒートシンクの接合体を提供するものである。
上記の様に、本発明のヒートシンクには、フラックスレスで半導体素子を実装することができる。従って、半導体素子のベアチップ実装が可能であるので、半導体素子としてはレーザーダイオードチップなどを挙げることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、実施例を用いて説明するが、この実施例は、本発明を限定するものではない。
【００４０】
実施例１
ＡｌＮ基板にフォトリソグラフィーによりレジスト層を逆テーバー状にパターニングし、Ａｕ層を蒸着で形成後、有機溶媒でレジストを溶解させ、リフトオフにより、ハンダ皮膜形成用メタルパターンを形成した。
該メタルパターン上に、フォトリソグラフィーによりレジスト層を逆テーバー状にパターニングしてハンダ用パターンを形成後、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で蒸着を行った。
【００４１】
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの蒸着は、複数個のボートで蒸着可能な蒸着装置を用い、抵抗加熱法により行った。先ず、各々のボートに、各元素の蒸着材を装填し、Ｚｎを蒸着後、Ｓｎを蒸着し、次いでＢｉを蒸着後、Ｓｎを蒸着することにより、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で積層された単位層を得た。蒸着材の装填量は、それぞれの厚みが、３５０Å、３９００Å、３５０Å、３００Åとなるような値に設定した。
【００４２】
触針段差計（Ｄｅｋｔａｋ）を用いて測定したところの、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の厚みは、それぞれ、３５０Å、３９００Å、３５０Å、３００Åであり、所望の厚みであった。この厚みと各金属の比重より、単位層全体としては、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉの組成を有すると計算される。
このハンダ皮膜の単位層の融点をＤＳＣにより測定したところ、融点１８５℃を実現し、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ三元系合金のハンダと同等の融点を示した。なお、ＤＳＣの測定条件は、窒素流量２５０ｍｌ／分、昇温速度１０℃／分であった。
【００４３】
上記と同じ条件で、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で各金属層が積層された単位層の形成を、さらに５回（合計６回）行い、厚み約３μｍのハンダ皮膜を得た。その後、再びリフトオフすることで、高寸法精度且つ高位置精度を持つハンダ皮膜を形成した。
このようにして得られたハンダ皮膜上に、ＩｎＰまたはＧａＡｓのレーザーダイオードを基材とし、実装面にＡｕ電極面を備えたペアチップ（サイズ：３００μｍ×３００μｍ×２００μｍ）を実装した。実装は、ＮＩＤＥＫＴＯＳＯＣＧＤ２０００を用い、Ｎ２雰囲気下で以下の条件にて行った。
加重：１８ｇ、プレヒート温度：１００℃、ピーク温度：融点（液相線）＋２５℃（すなわち本実施例では２１０℃）、ピーク温度保持時間：１０秒
【００４４】
実装後、ダイシアテスターｄａｚｙ２４００Ａ−ＷｌＯＯを用い、ハンダ接合強度を評価した結果、強度は３００ｇであった。この強度は、チップ破壊強度である２００〜３００ｇより大きく、またワイヤボンディングに耐えうる強度が１００ｇ程度であることから考えても、実用に充分耐えうる強度と考えられる。
【００４５】
実施例２
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で蒸着を行う代わりに、Ｓｎ−１３．６Ｚｎ合金、Ｓｎ−１８．８Ｂｉ合金の順で、単位層中のそれぞれの厚みが２５００Åづつとなるように蒸着を行う以外は、実施例１と同じ条件で、厚み約３μｍのハンダ皮膜をヒートシンク上に形成することができる。その結果、全体としてＳｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉの組成を有し、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ三元系合金のハンダと同等の融点（１８５℃）を示し、かつ実用に充分耐えうるハンダ接合強度を有するハンダ皮膜、およびそれを備えたヒートシンクが得られる。
【００４６】
実施例３
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの順で蒸着を行う代わりに、同じ順で、メッキにより、それぞれ同じ厚みを有する各金属層を形成する以外は、実施例１と同じ条件で、厚み約３μｍのハンダ皮膜をヒートシンク上に形成することができる。その結果、全体としてＳｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉの組成を有し、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ三元系合金のハンダと同等の融点（１８５℃）を示し、かつ実用に充分耐えうるハンダ接合強度を有するハンダ皮膜、およびそれを備えたヒートシンクが得られる。
【００４７】
実施例４
Ｓｎ−１３．６Ｚｎ合金、Ｓｎ−１８．６Ｂｉ合金の順で蒸着を行う代わりに、同じ順で、メッキにより、それぞれ同じ厚みを有する各合金層を形成する以外は、実施例２と同じ条件で、厚み約３μｍのハンダ皮膜をヒートシンク上に形成することができる。その結果、全体としてＳｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉの組成を有し、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ三元系合金のハンダと同等の融点（１８５℃）を示し、かつ実用に充分耐えうるハンダ接合強度を有するハンダ皮膜、およびそれを備えたヒートシンクが得られる。
【００４８】
比較例
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｎの蒸着を、それぞれの厚みが、２１００Å、２３４００Å、２１００Å、１８００Åとなるような蒸着量で、１回のみ行い、他は実施例１と同じ条件で、厚み約３μｍのハンダ皮膜をヒートシンク上に形成した。その結果、融点は２２５℃以上であり、Ｓｎ−６．８Ｚｎ−９．４Ｂｉ３元系になっていないことがわかった。しかも、実施例１と同じ条件での実装時には全く濡れず、接合強度はほとんど０であった。
【００４９】
参考例１〜６
各金属の蒸着量を変える以外は、実施例１と同様にして、ハンダ皮膜を形成し、その組成、液相線の融点および固相線の融点を測定した。その結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【発明の効果】
本発明のハンダ皮膜の製造方法により、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎ等からなるＰｂフリーハンダ皮膜であって、所望の組成や融点を有するものを、蒸着やメッキなどにより、組成の制御や融点制御の困難を伴うことなく製造することができる。この方法を、フォトリソグラフィーと組合せることにより、レーザーダイオードチップなどのベアチップ実装用のハンダ皮膜を、優れた位置精度でヒートシンク上などに形成することができる。
また、本発明のハンダ皮膜を備えるヒートシンクは、実装時の熱による劣化をおこすことなく、レーザーダイオードチップなどを、優れた位置精度で、ベアチップ実装することができ、その接合強度も充分実用に耐えるものである。そして、このヒートシンク上に半導体素子を接合した本発明の接合体は、優れた電子部品として、レーザーダイオードなどの用途に用いられる。
Claims (18)
- Ｚｎ、ＢｉもしくはＳｎの単体、またはＺｎ、ＢｉおよびＳｎから選ばれる２種からなる合金、のいずれかからなる層の複数種類を積層して形成される単位層を、複数積層する工程を有することを特徴とするハンダ皮膜の製造方法。
- 各単位層が、実質的にＺｎ、ＢｉおよびＳｎから構成されることを特徴とする請求項１に記載のハンダ皮膜の製造方法。
- 各単位層を構成する層構造が、単位層毎に実質的に同じであることを特徴とする請求項２に記載のハンダ皮膜の製造方法。
- Ｚｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層、ＺｎとＳｎの合金層またはＢｉとＳｎの合金層のいずれか一層を形成する工程、該工程を、層を変えながら繰返して各層を積層することにより、Ｚｎ、ＢｉおよびＳｎからなる単位層を形成する工程、および該単位層を形成する工程を繰返して各単位層を積層する工程を有することを特徴とするハンダ皮膜の製造方法。
- 単位層を形成する工程が、Ｚｎ層、Ｓｎ層、Ｂｉ層、Ｓｎ層の順またはＢｉ層、Ｓｎ層、Ｚｎ層、Ｓｎ層の順で積層する工程からなることを特徴とする請求項４に記載のハンダ皮膜の製造方法。
- 単位層を形成する工程が、ＺｎとＳｎの合金層を形成する工程および／またはＢｉとＳｎの合金層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載のハンダ皮膜の製造方法。
- ハンダ皮膜の最表面層にＳｎ層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のハンダ皮膜の製造方法。
- 単位層が、蒸着により形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のハンダ皮膜の製造方法。
- 単位層が、メッキにより形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のハンダ皮膜の製造方法。
- 単位層の厚みが、８０００Å以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のハンダ皮膜の製造方法。
- ハンダ皮膜が、パターニングされたレジスト層上に形成され、該ハンダ皮膜の形成後に、リフトオフにより該ハンダ皮膜をパターニングする工程を有することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のハンダ皮膜の製造方法。
- 請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の製造方法により製造されるハンダ皮膜を備えたヒートシンク。
- 半導体素子のベアチップ実装用であることを特徴とする請求項１２に記載のハンダ皮膜を備えたヒートシンク。
- フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：２〜１０重量％、Ｂｉ：２〜４０重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンク。
- フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：３〜９重量％、Ｂｉ：２〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンク。
- フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：５〜７重量％、Ｂｉ：８〜１４重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンク。
- フラックスレスで実装される半導体素子の実装用であり、ハンダ皮膜がＺｎ：６〜７重量％、Ｂｉ：８〜１０重量％、残部Ｓｎの組成を有するＰｂフリーハンダからなることを特徴とするハンダ皮膜を備えたヒートシンク。
- 請求項１４ないし請求項１７のいずれかに記載のヒートシンクおよび該ヒートシンクに備えられたハンダ皮膜に実装された半導体素子を有することを特徴とする半導体素子とヒートシンクの接合体。
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