JP2006203051A - サブマウントおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子の実装信頼性を良好にするとともに、半導体素子の特性不良や発光する光の遮断が生じるのを有効に防止できる高性能のサブマウントを提供すること。
【解決手段】 絶縁基板２の上面に配線導体層３と拡散防止層５とろう材層４とが順次積層されているサブマウント１において、拡散防止層５の外周の少なくとも一部を配線導体層３の外周の内側に位置させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁基板の上面に配線導体層およびろう材層が形成されており、例えばその配線導体層に半導体レーザ、受光素子等の半導体素子の電極を接続して半導体素子を搭載するのに用いられるサブマウントおよびそれを用いた半導体装置に関する。

近年、ＣＤ（Compact Disk）、ＤＶＤ（Digital Video Disk）等に用いられる光半導体装置の半導体素子は高出力化が要求されており、これに伴い、半導体素子は長尺化し、消費電力が大きくなり、そのため発熱量が大きくなってきている。

このような半導体素子で発生する熱が外部に効果的に放熱されるように、半導体素子の裏面側には、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等の金属から成るヒートシンクが放熱部材として設けられている。更に、半導体素子とヒートシンクとの間には、熱膨張係数の差によるストレスや歪みなどが発生しないよう、半導体素子の基板材料と比較的熱膨張係数が近い材料として熱伝導性のよい窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックスから成る絶縁基板を用いたサブマウントが使用されている。

特に光ピックアップに用いられる半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）等の半導体素子は高出力化が急速に進んでおり、これに伴い従来の半導体素子に比べて高出力型の半導体素子は長尺化されてきている。

従来のサブマウントの平面図を図４（ａ）に示し、Ｂ−Ｂ’線における断面図を図４（ｂ）に示す。また、半導体素子とサブマウントの接着工程を図５（ａ）〜（ｄ）に示す。これらの図において、11はサブマウント、12は絶縁基板、13は半導体素子16をろう材層を介して接合するための搭載用としての配線導体層、13ａ，13ｂは搭載した半導体素子16の電極を電気的に接続するための端子用配線導体層、13ｃはサブマウント11をヒートシンク等の他の基板に接続するための下部導体層、14はろう材層、15は拡散防止層、16は半導体素子である。

従来の半導体素子16とサブマウント11との接着工程の工程を次に示す。例えば、Ａｕ−Ｓｎ合金から成るろう材層14が上面に形成されたサブマウント11は、パルスヒータ等で瞬時に約300℃程度まで加熱され、それと同時にろう材層14は固相状態から液相状態になり、中央部が盛り上がった形状と成る（図５（ｂ）参照）。この溶融状態を維持している間にろう材層14上に半導体素子16を加圧搭載し（図５（ｃ）参照）、その後、急冷することにより、半導体素子16とサブマウント11は強固に接合される（図５（ｄ）参照）。
特開平10−12977号公報

しかしながら、上記従来のサブマウント11では、半導体素子16をサブマウント11に搭載したとき、半導体素子16の側面をろう材が這い上がって発光素子16の側面に位置している発光部16ａにろう材が被着し、半導体素子16の特性不良が生じたり、さらには半導体素子16ａの発光する光を遮断するという問題点があった。

また、半導体素子16の側面にろう材が這い上がるため、半導体素子16とサブマウント11との間のろう材層14の量が減少し、半導体素子16の実装信頼性が低下するという問題点もあった。

従って、本発明は上記従来の問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、半導体素子の実装信頼性を良好にするとともに、半導体素子の特性不良や発光する光の遮断が生じるのを有効に防止できる高性能のサブマウントを提供することにある。

本発明のサブマウントは、絶縁基板の上面に配線導体層と拡散防止層とろう材層とが順次積層されているサブマウントにおいて、前記拡散防止層の外周の少なくとも一部を前記配線導体層の外周の内側に位置させたことを特徴とする。

本発明のサブマウントにおいて、好ましくは、前記ろう材層の一部が前記拡散防止層の存在しない前記配線導体層の上面まで延在されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置は、基体と、該基体に搭載された上記本発明のサブマウントと、前記サブマウントに搭載された半導体素子と、前記基体に前記サブマウントおよび前記半導体素子を覆うように接合された蓋体とを具備していることを特徴とする半導体装置。

本発明の半導体装置において、好ましくは、前記半導体素子は発光素子または受光素子であり、前記発光素子の発光部または前記受光素子の受光部の直下で前記半導体素子が前記配線導体層にろう材層を介して直接接合されていることを特徴とする。

本発明のサブマウントは、絶縁基板の上面に配線導体層と拡散防止層とろう材層とが順次積層されているサブマウントにおいて、拡散防止層の外周の少なくとも一部を配線導体層の外周の内側に位置させたことにより、配線導体層の一部が拡散防止層に覆われず、直接ろう材をぬれ性のよい配線導体層上にぬれ広がらすことができ、ろう材層が配線導体層に強く密着して半導体素子の側面を這い上がろうとするのをこの密着力で有効に防止できる。その結果、半導体素子とサブマウントとの間のろう材層が減少するのを有効に防止して、半導体素子の実装信頼性を向上できる。

本発明のサブマウントは、好ましくは、ろう材層の一部が拡散防止層の存在しない配線導体層の上面まで延在されていることから、ろう材層が配線導体層に強く密着して半導体素子の側面を這い上がろうとするのをこの密着力で有効に防止でき、さらに半導体素子と配線導体層との間にろう材層を隙間なく設けることができ、半導体素子を強固に固着するとともに半導体素子で発生した熱をろう材層を介して絶縁基板に良好に放熱することができる。

本発明の半導体装置は、基体と、この基体に搭載された上記本発明のサブマウントと、サブマウントに搭載された半導体素子と、基体にサブマウントおよび半導体素子を覆うように接合された蓋体とを具備していることから、半導体素子へのろう材の這い上がりを有効に防止することが可能な、高性能の半導体装置を提供することができる。

本発明の半導体装置は、好ましくは、半導体素子は発光素子または受光素子であり、発光素子の発光部または受光素子の受光部の直下で半導体素子が配線導体層にろう材層を介して直接接合されていることから、半導体素子の側面をろう材が這い上がって発光素子の発光部や受光部にろう材が被着するのを有効に防止でき、半導体素子の特性を安定化させるとともに半導体素子の発光や受光を良好に行なうことができる。

次に本発明のサブマウントを添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明のサブマウントの平面図であり、図１（ｂ）はＡ−Ａ’線における断面図である。また、図２（ａ）〜（ｄ）は本発明のサブマウントへの半導体素子の接着工程を示す工程ごとの断面図である。これらの図において、１はサブマウント、２は絶縁基板、３は配線導体層、４はろう材層、５は拡散防止層、６は半導体素子である。

サブマウント１は、その上面に搭載された半導体素子６と、サブマウント１の下面に取着された、熱を効果的に放熱するためのヒートシンクなどの基板との間に、熱膨張係数の差によるストレスや歪みなどが発生しないように設けられる機能部品である。

サブマウント１の上面には、半導体素子６をろう材層４を介して接合するための搭載用としての配線導体層３や、この半導体素子６の電極を電気的に接続するための端子用配線導体層３ａ，３ｂが形成されており、また、サブマウント１の下面には、ヒートシンク等の他の基板に接続するための下部導体層３ｃが形成されている。

絶縁基板２は、例えば酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体、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焼結体、窒化珪素（ＳｉＮ）質焼結体、石英、ダイヤモンド、サファイア（単結晶アルミナ）、またはその表面に熱酸化膜を形成したシリコン（Ｓｉ）等から成る。

なお、絶縁基板２は、窒化アルミニウム質焼結体、ダイヤモンド、シリコンで形成するのがよく、これらの材料はその熱伝導率が100Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、サブマウント１の上面に接着固定される半導体素子６が駆動時に発生した熱はサブマウント１を介して良好に伝達される。そのため、半導体素子６を長時間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。

絶縁基板２の表面に形成される配線導体層３や端子用配線導体層３ａ，３ｂ、下部導体層３ｃの成膜は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜形成法によりなされ、パターン加工が必要な場合、フォトリソグラフィ法、エッチング法、リフトオフ法等によって行なわれる。

配線導体層３や端子用配線導体層３ａ，３ｂ、下部導体層３ｃは例えば、絶縁基板２の表面に密着金属層、拡散防止用金属層、主導体層の順に積層さえた３層構造で形成される。密着金属層は、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴａ_２Ｎ等から成り、拡散防止用金属層は、例えばＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴｉ−Ｗ合金等から成り、主導体層はＡｕ等から成る。

密着金属層の厚みは0.01〜0.5μｍ程度が好ましい。0.1μｍ未満では絶縁基板２に強固に密着させることが困難となる傾向があり、0.5μｍを超えると、成膜時の内部応力によって絶縁基板２から剥離し易くなる傾向がある。

また、拡散防止用金属層の厚みは0.1〜0.5μｍ程度が好ましい。0.1μｍ未満では密着金属層に強固に密着させることが困難となるとともに、拡散防止効果が小さくなる傾向があり、0.5μｍを超えると、成膜時の内部応力によって密着金属層から剥離し易くなる傾向がある。

さらに、主導体層の厚みは0.5〜２μｍ程度が好ましい。0.5μｍ未満では主導体層の電気抵抗が大きくなる傾向があるとともに、半導体素子６の電極と端子用配線導体層３ａ，３ｂとを電気的に接続するためのワイヤボンディングの密着性が十分でなくなる傾向があり、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。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。

また、配線導体層３は、半導体素子６をろう材層４を介して接合するための搭載部としての機能を有しており、その上面には拡散防止層５とろう材層４とが順次積層されている。この拡散防止層５はろう材層４に配線導体層３中の成分が拡散して半導体素子６とサブマウント１との接合信頼性が低下するのを有効に防止するためのものであり、例えばＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴｉ−Ｗ合金等から成る。

また、拡散防止層５の厚みは0.1〜0.5μｍ程度が好ましい。0.1μｍ未満では配線導体層３に強固に密着させることが困難となるとともに、拡散防止効果が小さくなる傾向があり、0.5μｍを超えると、成膜時の内部応力によって配線導体層３から剥離し易くなる傾向がある。

本発明のサブマウント１では、拡散防止層５の外周の少なくとも一部を配線導体層３の外周の内側に位置させたことにより、配線導体層３の一部が拡散防止層５に覆われず、直接ろう材をぬれ性のよい配線導体層３上にぬれ広がらすことができ、ろう材層４が配線導体層３に強く密着して半導体素子６の側面を這い上がろうとするのをこの密着力で有効に防止できる。その結果、半導体素子６とサブマウント１との間のろう材層４が減少するのを有効に防止して、半導体素子６の実装信頼性を向上できる。

拡散防止層５の配線導体層３の外周よりも内側に位置する部位では、上面に拡散防止層５が形成されていない配線導体層３が平面透視して半導体素子６の外周と重なるように配置するのがよい。これにより、ろう材が半導体素子６の側面を這い上がろうとするのをその直下の拡散防止層５のない配線導体層３で有効に抑制することができる。

拡散防止層５上に形成されるろう材層４の平面視形状は、例えば、図３のように、拡散防止層５の形状に合わせたものであってもよく、図１のように、拡散防止層５よりも外側に延出して、拡散防止層５に覆われていない配線導体層３上にまで形成したものであってもよい。

特に、半導体素子６の発光部６ａが側面の中央部にある場合は、図１のように、拡散防止層５の外周を平面透視して発光素子６の外周よりも内側に位置するように形成するとともに、拡散防止層５が形成されていない配線導体層３の発光部６の直下に位置する部位（中央部）を覆うようにろう材層４を延出するのがよい。これにより、発光素子６を搭載する際、発光部６の直下においてろう材層４が不足して接合不良が生じるのを有効に防止できるとともに、ろう材層４の延出部Ｓから両側のろう材層４の配線導体層３上にろう材が流動するときの横方向に引っ張る表面張力によってろう材が半導体素子６の側面を這い上がろうとする上方向の流動を良好に防止することができる。

ろう材層４は、Ａｕ−Ｇｅ合金（融点約356℃）、Ａｕ−Ｓｉ合金（融点約370℃）、Ｐｂ−Ｓｎ合金（融点183℃）、Ａｕ−Ｓｎ合金（融点約280℃）、Ａｇ−Ｓｎ合金（融点約220℃）、Ｉｎ−Ｐｂ合金（約172℃）、Ｉｎ（融点約157℃）等から成り、その成膜は真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜形成法によりなされ、パターン加工はマスク成膜法、フォトリソグラフィ法、エッチング法、リフトオフ法等によって行なわれる。

また、ろう材層４の厚さは１〜５μｍ程度がよい。１μｍより小さくなると、サブマウント１と半導体素子６の接合強度が弱くなる傾向があり、５μｍより大きくなると、ろう材の量が多すぎて半導体素子６よりも外側にはみ出る傾向があり、半導体素子６の特性を低下させやすくなる。

そして、本発明のサブマウント１を金属や絶縁体等から成る基体に搭載し、サブマウント１の配線導体層３に半導体素子６を搭載するとともに半導体素子６の電極を端子用配線導体層３ａ，３ｂに電気的に接続した後、基体にサブマウント１および半導体素子６を覆うように金属や絶縁体等から成る蓋体を接合して半導体素子６を気密に封止することによって、本発明の半導体装置となる。これにより、半導体素子６へのろう材の這い上がりを有効に防止することが可能な、高性能の半導体装置を提供することができる。

好ましくは、半導体素子６は発光素子または受光素子であり、発光素子の発光部６ａまたは受光素子の受光部の直下で半導体素子６が配線導体層３にろう材層４を介して直接接合されているのがよい。これにより、半導体素子６の側面をろう材が這い上がって発光素子６の発光部６ａや受光部にろう材が被着するのを有効に防止でき、半導体素子６の特性を安定化させるとともに半導体素子６の発光や受光を良好に行なうことができる。

なお、本発明は上述の実施の最良の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

（ａ）は本発明のサブマウントの実施の形態の一例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のサブマウントのＡ−Ａ’線における断面図である。 本発明のサブマウントへの半導体素子の搭載工程を示す工程ごとの断面図である。 （ａ）は本発明のサブマウントの実施の形態の他の例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のサブマウントのＡ−Ａ’線における断面図である。 （ａ）は従来のサブマウントの平面図、（ｂ）は（ａ）のサブマウントのＢ−Ｂ’線における断面図である。 従来のサブマウントへの半導体素子の搭載工程を示す工程ごとの断面図である。

符号の説明

１：サブマウント
２：絶縁基板
３：配線導体層
４：ろう材層
５：拡散防止層
６：半導体素子

Claims (4)

1. 絶縁基板の上面に配線導体層と拡散防止層とろう材層とが順次積層されているサブマウントにおいて、前記拡散防止層の外周の少なくとも一部を前記配線導体層の外周の内側に位置させたことを特徴とするサブマウント。
2. 前記ろう材層の一部が前記拡散防止層の存在しない前記配線導体層の上面まで延在されていることを特徴とする請求項１記載のサブマウント。
3. 基体と、該基体に搭載された請求項１または請求項２記載のサブマウントと、前記サブマウントに搭載された半導体素子と、前記基体に前記サブマウントおよび前記半導体素子を覆うように接合された蓋体とを具備していることを特徴とする半導体装置。
4. 前記半導体素子は発光素子または受光素子であり、前記発光素子の発光部または前記受光素子の受光部の直下で前記半導体素子が前記配線導体層にろう材層を介して直接接合されていることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。

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