JP2006216766A - セラミックス配線基板とそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス配線基板上に半導体素子等を半田層を介して接合搭載するにあたって、半田層の濡れ広がりを抑制することによって、半田層の融点上昇による溶融不良や半導体素子の位置ずれ等を防止する。
【解決手段】セラミックス配線基板１０は、セラミックス基板１１とその上に形成された配線層１２とを具備する。配線層１２は、セラミックス基板１１の表面に順に積層形成された下地金属層１５、第１の拡散防止層１６および第１のＡｕ層１７を有する配線部１３と、配線部１３上の所望の位置に順に積層形成された第２の拡散防止層１９、第２のＡｕ層２０、第３の拡散防止層２１および半田層１８を有する接続部１４とを備える。第２の拡散防止層１９は第３の拡散防止層２１より幅広の形状を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子の搭載基板等として用いられるセラミックス配線基板とそれを用いた半導体装置に関する。

レーザダイオードやフォトダイオード等の光半導体素子を始めとする各種半導体素子の搭載基板として、窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板等の絶縁性セラミックス基板が用いられている。セラミックス基板を光半導体素子のサブマウント基板等に適用するにあたっては、その表面に真空蒸着法やスパッタ法等のＰＶＤ法、あるいはＣＶＤ法等の薄膜形成技術を適用して配線層を形成している（例えば特許文献１参照）。

図４は従来のセラミックス配線基板の構造を示す断面図である。同図において、１は例えば窒化アルミニウム焼結体からなる絶縁性セラミックス基板であり、その表面にはＴｉ等からなる下地金属層２とＰｔ等からなる第１の拡散防止層３を介して、Ａｕからなる主導体層４が形成されている。主導体層４の半導体素子との接続部（電極接続部）には、Ｐｔ等からなる第２の拡散防止層５を介して、Ａｕ−Ｓｎ合金からなる半田層６が形成されている。Ａｕ−Ｓｎ半田合金層６の表面は酸化防止のためにＡｕ層７で覆われている。

なお、図４に示すセラミックス配線基板においては、絶縁性セラミックス基板１の下面側にも下地金属層２、第１の拡散防止層３、Ａｕ層（主導体層）４を順に積層形成した導体層が設けられている。下面側の導体層は、絶縁性セラミックス基板１を外部回路基板上やパッケージ内に配置固定する際の接合用金属層として用いられたり、また接地導体層等として使用される場合もある。

上述した主導体層４とＡｕ−Ｓｎ半田合金層６との間に介在される第２の拡散防止層５は、半導体素子をＡｕ−Ｓｎ半田合金層６を介して接合固定する際に、主導体層４のＡｕがＡｕ−Ｓｎ半田合金層６中に拡散することを防止するものである。これは、主導体層４のＡｕがＡｕ−Ｓｎ半田合金層６中に拡散するとＡｕ−Ｓｎ合金の組成がＡｕ過多（Ａｕリッチ）となり、融点の上昇を招いてＡｕ−Ｓｎ合金を接合時温度で完全溶融させることができず、その結果として接合強度の低下等を招くためである。
特開2002-252316号公報

上述したように、従来のセラミックス配線基板では主導体層４と半田層６との間に第２の拡散防止層５を介在させているものの、半導体素子を接合するために配線基板を加熱した際に、Ａｕ−Ｓｎ半田合金層６が溶融して濡れ広がることで、主導体層４のＡｕと反応してＡｕ−Ｓｎ半田合金がＡｕリッチとなることが分かってきた。前述したように、Ａｕ−Ｓｎ半田合金がＡｕリッチとなると融点が上昇し、その結果として配線基板と半導体素子とを強固に接合することが困難となる。

また、Ａｕ−Ｓｎ半田合金の組成変動に基づく不完全溶融等を防ぐためには、半田付け温度（加熱温度）を上げて、組成変動が生じた場合においても半田合金を完全に溶融させることが考えられる。しかしながら、半田付け温度を上げると半導体素子に不要な熱的負荷が加わり、半導体素子の熱破壊や特性劣化等を招くことになる。これらは半導体素子の誤動作や動作不良等の原因となる。

さらに、Ａｕ−Ｓｎ半田合金層６が溶融して濡れ広がると、その上に搭載した半導体素子の高さ方向の位置に変動が生じる。半導体素子の高さ方向の位置は半田層６の濡れ広がり度合いに依存するため、半導体素子の位置ずれによる不良が発生する。半田層６の濡れ広がりによる主導体層４のＡｕとの反応量は、Ａｕ−Ｓｎ半田合金の組成により異なり、また濡れ広がりにもばらつきが生じる。特に、レーザダイオードやフォトダイオード等の光半導体素子では、高さ方向の位置にずれが生じると動作不良等を招くことから、半田層６の濡れ広がりによる位置ずれを抑制することが強く求められている。

本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、セラミックス配線基板上に半導体素子等を半田層を介して接合搭載するにあたって、半田層の拡散（濡れ広がり）を抑制することによって、半田層の融点上昇による溶融不良や半導体素子の位置ずれ等を防ぐことを可能にしたセラミックス配線基板とそれを用いた半導体装置を提供することを目的としている。

本発明のセラミックス配線基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に順に積層形成された下地金属層、第１の拡散防止層および第１のＡｕ層を有する配線部と、前記配線部上の所望の位置に順に積層形成された第２の拡散防止層、第２のＡｕ層、第３の拡散防止層および半田層を有する接続部とを備える配線層とを具備し、前記第２の拡散防止層は前記第３の拡散防止層より広い幅を有することを特徴としている。

本発明の半導体装置は、上記した本発明のセラミックス配線基板と、前記セラミックス配線基板の前記配線層上に、前記接続部の前記半田層を介して接合搭載された半導体素子とを具備することを特徴としている。

本発明のセラミックス配線基板においては、接続部を構成する第２の拡散防止層の幅を第３の拡散防止層より広く設定しているため、半導体素子等を接合搭載する際の半田層の濡れ広がりを第２の拡散防止層で抑制することができる。これによって、半田層の融点上昇による溶融不良や半導体素子の位置ずれ等を防ぐことが可能となる。その上で、第２の拡散防止層と第３の拡散防止層との間に第２のＡｕ層を介在させているため、半田層を第２のＡｕ層と反応させることで十分な密着強度を得ることができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のみの目的のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定するものではない。

図１は本発明の一実施形態によるセラミックス配線基板の要部構成を示す断面図である。図１に示すセラミックス配線基板１０は、絶縁性基板としてセラミックス基板１１を有している。セラミックス基板１１には、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等を主成分とする窒化物系セラミックス（焼結体）、また酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等を主成分とする酸化物系セラミックス（焼結体）が使用される。これらのうち熱伝導性等に優れることから、窒化物系セラミックスを適用することが好ましい。なお、炭化ケイ素は導電性を具備することから、セラミックス基板１１に適用する場合には表面に絶縁膜を形成するものとする。

上述したようなセラミックス基板１１の主表面１１ａ上には、例えば真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、レーザデポジション法、イオンビームデポジション法のようなＰＶＤ法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法のようなＣＶＤ法、めっき法等の薄膜形成法により配線層１２が形成されている。配線層１２は配線部１３と接続部１４とを有している。配線部１３はセラミックス基板１１上に順に積層形成された下地金属層１５、第１の拡散防止層１６、主導体層としての第１のＡｕ層１７を有している。

下地金属層１５はセラミックス基板１１と配線層１２との密着性や密着強度の向上等に寄与するものであり、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｃｒ、ＴａおよびＮｉから選ばれる少なくとも1種やこれらを基とする合金が用いられる。これらのうち、セラミックス基板１１に窒化物系セラミックスを適用する場合には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等の活性金属を適用することが好ましい。下地金属層１５の厚さは特に限定されるものではないが、例えば0.1〜0.4μmの範囲とすることが好ましい。

第１の拡散防止層１６は、セラミックス基板１１や下地金属層１５と第１のＡｕ層１７との間における元素の拡散を防止するものであり、例えばＰｔ、ＰｄおよびＮｉから選ばれる少なくとも1種やこれらを基とする合金が用いられる。第１の拡散防止層１６の厚さは、例えば0.1〜0.4μmの範囲とすることが好ましい。第１のＡｕ層１７は配線部１３の主導体層として機能するものであり、その厚さは例えば0.1〜0.3μmの範囲とすることが好ましい。配線部１３は所望の回路形状等に応じた配線パターンを有している。

上述した配線部１３の半導体素子との接続位置には、半田層１８を有する接続部１４が設けられている。接続部１４はセラミックス配線基板１０上に接合搭載される半導体素子の電極と対応する位置に所望の形状で設けられており、配線部１３と半導体素子とを電気的および機械的に接続する機能を有するものである。接続部１４は半導体素子の電極に対応させた形状、例えば矩形や円形等の形状を有しており、その大きさも同様である。このような接続部１４は、配線部１３上の所望の位置に順に積層形成された第２の拡散防止層１９、第２のＡｕ層２０、第３の拡散防止層２１、半田層１８を有している。

半田層１８には、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、ＴｉおよびＺｎから選ばれる少なくとも1種を含むＳｎ合金（半田合金）が用いられる。半田層１８を構成するＳｎ合金中のＳｎ量は、組合せて使用する元素の種類等に応じて適宜に選択されるものであり、例えば15〜99.9質量％の範囲とすることが好ましい。このようなＳｎ合金（半田合金）の代表例としては、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金等が挙げられる。

半田層１８の厚さは例えば1〜5μmの範囲とすることが好ましい。半田層１８の厚さが1μm未満であると、半導体素子等と接合する際に半導体素子の電極に設けられたＡｕ膜と反応（半田層とＡｕ膜とが混合）し、組成ずれが生じやすくなる。その結果、接合層が硬化し応力が生じて、例えば半導体素子（レーザダイオード等）にクラックが入る等の不良を引き起こす原因になる。一方、半田層１８の厚さを5μmを超えて厚くしても、それ以上の接合効果が得られないだけでなく、製造コストの増大要因になる。

上記した半田層１８は1種類のＳｎ合金により形成したものに限らず、例えば組成が異なる2種類以上のＳｎ合金の積層膜で構成してもよい。この場合、適用するＳｎ合金は構成元素が異なる2種類以上のＳｎ合金に限らず、同一構成元素の組成比を異ならせた2種類以上のＳｎ合金であってもよい。例えば、組成比が異なる2種類以上のＡｕ−Ｓｎ合金、すなわち溶融温度が異なるＡｕ−Ｓｎ合金の積層膜で半田層１８を構成することによって、半田層１８の溶融状態を制御することができる。

第２の拡散防止層１９および第３の拡散防止層２１は、主導体層としての第１のＡｕ層１７と例えばＳｎ合金からなる半田層１８との間における元素の拡散を防止するものであり、特にＳｎ合金からなる半田層１８中に主導体層のＡｕが拡散して合金組成がＡｕリッチとなることを防ぐものである。ここで、第３の拡散防止層２１は半田層１８と同形状を有しているのに対して、第２の拡散防止層１９は第３の拡散防止層２１より幅広の形状（Ｗ₁＞Ｗ₂）を有している。言い換えると、第２の拡散防止層１９はその外周部が第３の拡散防止層２１の端部からはみ出した形状を有している。

半田層１８は半導体素子等の接合時に加熱溶融して濡れ広がる。この際、第２の拡散防止層１９は半田層１８と同形状の第３の拡散防止層２１より幅広の形状を有することから、半田層１８の濡れ広がりはＳｎ合金に対する濡れ性が低い第２の拡散防止層１９で抑制される。言い換えると、半田層１８が濡れ広がる領域は第２の拡散防止層１９上のみとなる。従って、半田層１８の濡れ広がりによる第１のＡｕ層１７との反応、それによるＳｎ合金の組成変動および融点の上昇、さらにＳｎ合金の融点上昇に基づく溶融不良（不完全溶融）を防ぐことができる。これは半導体素子等の強固な接合を可能にする。さらに、半田層１８の濡れ広がり領域を制限することで、半田層１８の高さ変動が抑制される。従って、半導体素子の高さ方向の位置変動や位置不良を防ぐことが可能となる。

第２の拡散防止層１９の形状は、上記した半田層１８の濡れ広がり領域の拡大抑制効果を得る上で、その外周部が第３の拡散防止層２１の端部から1μm以上100μm以下の範囲ではみ出していることが好ましい。すなわち、第２の拡散防止層１９の第３の拡散防止層２１からのはみ出し量Ｌを1〜100μmの範囲とすることが好ましい。例えば、第２の拡散防止層１９が矩形形状を有する場合、その各辺のはみ出し量Ｌが1〜100μmの範囲であればよく、各辺のはみ出し量が同じである必要はない。

上記した第２の拡散防止層１９のはみ出し量Ｌが1μmより小さいと、半田層１８が溶融した際に第２の拡散防止層１９を超えて濡れ広がるおそれが生じるため、半田層１８の濡れ広がりを確実に抑制することができない場合がある。なお、はみ出し量Ｌが100μmを超えても濡れ広がりの抑制効果は変わらないが、第２の拡散防止層１９の幅Ｗ₁を無駄に広くすることになるため、配線や電極の高密度化等を妨げるおそれがある。第２の拡散防止層１９のはみ出し量Ｌは、半田層１８の高さと同等もくしはそれ以上とすることがより好ましい。また、接続部１３の形成密度等を考慮すると、第２の拡散防止層１９のはみ出し量Ｌは50μm以下とすることがより好ましい。

また、第２の拡散防止層１９の厚さは0.05〜1μmの範囲とすることが好ましい。第２の拡散防止層１９の厚さが0.05μm未満では、その効果を十分に得ることができないおそれがある。一方、第２の拡散防止層１９の厚さを1μmを超えて設定しても、それ以上の効果を得ることはできず、逆に製造コストの上昇等を招くことになる。同様に、第３の拡散防止層２１の厚さは0.02〜1μmの範囲とすることが好ましい。第３の拡散防止層２１は以下に詳述するように、半田層１８と第２のＡｕ層２０との間の拡散防止効果を有していればよいため、その厚さは第２の拡散防止層１９より薄くしてもよい。

ここで、半田層１８の濡れ広がり領域の拡大を抑制するだけであれば、半田層１８より幅広の第２の拡散防止層１９のみを適用した積層構造（第２のＡｕ層２０および第３の拡散防止層２１を省いた構造）であってもよい。しかしながら、このような積層構造では半田層１８が第２の拡散防止層１９のみに接触した状態となり、これらの間では十分な反応が起こらないため、半田層１８の密着強度が低下してしまう。図４に示した従来構造においては、半田層６が濡れ広がって主導体層４のＡｕと反応することによって、半田層６の十分な密着強度を得ている。

そこで、この実施形態では第２の拡散防止層１９と第３の拡散防止層２１との間に第２のＡｕ層２０を介在させている。半田層１８は第２の拡散防止層１９上のみを濡れ広がると同時に第２のＡｕ層２０と反応するため、この半田層１８と第２のＡｕ層２０との反応に基づいて十分な密着強度を得ることが可能となる。この際、半田層１８は第２のＡｕ層２０のみと反応するため、半田層１８の組成が大きく変動することはない。従って、所定の半田付け温度（加熱温度）で半田層１８を完全溶融させることができ、その上で半田層１８の十分な密着強度を得ることが可能となる。

第２のＡｕ層２０の形状は、第３の拡散防止層２１と同形状、もしくはその外周部の少なくとも一部が第３の拡散防止層２１の端部からはみ出した形状のいずれであってもよい。第２のＡｕ層２０を第３の拡散防止層２１と同形状とした場合においても、第２のＡｕ層２０の側面が反応部となるため、半田層１８の密着強度を高めることができるが、上記した半田層１８との反応による密着強度の向上効果をより有効に得る上で、第２のＡｕ層２０の外周部の少なくとも一部が第３の拡散防止層２１の端部からはみ出していることが好ましい。

また、第２のＡｕ層２０の形状は第２の拡散防止層１９と同形状まで拡大してもよいが、この場合には半田層１８と第２のＡｕ層２０との反応が過剰になるおそれがある。そこで、第２のＡｕ層２０の第３の拡散防止層２１からのはみ出し量は、第２の拡散防止層１９のはみ出し量Ｌより狭くすることが好ましく、具体的には0.5〜25μmの範囲とすることが好ましい。このような第２のＡｕ層２０の厚さは0.1〜0.3μmの範囲とすることが好ましい。第２のＡｕ層２０の厚さが0.1μm未満では、その効果を十分に得ることができないおそれがある。一方、第２のＡｕ層２０の厚さを0.3μmを超えて設定しても、それ以上の効果を得ることはできず、逆に製造コストの上昇等を招くことになる。

なお、半田層１８の表面は図２に示すように第３のＡｕ層２２等で覆っていてもよい。第３のＡｕ層２２は半田層１８の酸化防止層等として機能するものである。また、上記した実施形態ではセラミックス基板１１の主表面１１ａのみに配線層（金属積層膜）１２を形成した構造について説明したが、図２に示すようにセラミックス基板１１の裏面１１ｂ側にも下地金属層１５、第１の拡散防止層１６、主導体層としてのＡｕ層１７を順に積層形成してもよい。このようなセラミックス基板１１の裏面１１ｂ側の積層導体層は、セラミックス基板１１を外部回路基板上やパッケージ内に配置固定する際の接合用金属層として用いたり、また接地導体層等として使用することができる。

次に、本発明の一実施形態による半導体装置について、図３を参照して説明する。図３は本発明の半導体装置を適用したレーザ装置の一構成例を示している。図３において、３０は２波長型レーザダイオードである。すなわち、２波長型レーザダイオード３０は例えば発光波長が650nmの第１の発光素子部３１と発光波長が780nmの第２の発光素子部３２とを有している。これら第１および第２の発光素子部３１、３２は、それぞれ半導体層等をＧａＡｓ基板３３上に結晶成長させることで形成されている。第１および第２の発光素子部３１、３２は、それぞれ個別に電極３４、３５を有している。また、ＧａＡｓ基板３３の裏面側には共通電極３６が形成されている。

このような２波長型レーザダイオード３０は、前述した実施形態のセラミックス配線基板１０上に接合搭載されている。セラミックス配線基板１０は第１の配線層１２Ａと第２の配線層１２Ｂとを備えており、それぞれ配線部１３と接続部１４とを有している。第１の配線層１２Ａの接続部１４には第１の発光素子部３１の電極３４が接合されており、第２の配線層１２Ｂの接続部１４には第２の発光素子部３２の電極３５が接合されている。これらによって、本発明の半導体装置を適用したレーザ装置が構成されている。

上述した実施形態のレーザ装置（半導体装置）では、セラミックス配線基板１０上にレーザダイオード３０を接合搭載するにあたって、接続部１４を構成する半田層１８の濡れ広がりによる融点上昇およびそれに基づく溶融不良（不完全溶融）を抑制することができ、その上で半田層１８と第２のＡｕ層２０との反応に基づいて半田層１８の密着強度を高めることができる。これらによって、セラミックス配線基板１０に対してレーザダイオード３０を強固に接合することが可能になると共に、レーザダイオード３０の高さ方向の位置変動や位置不良を防ぐことができる。すなわち、高品質、高信頼性のレーザ装置を再現性よく提供することが可能となる。

なお、図３はセラミックス配線基板上に接合搭載する半導体素子としてレーザダイオードを適用した実施形態を示したが、本発明の半導体装置はこれに限定されるものではなく、各種の半導体素子をセラミックス配線基板上に接合搭載した半導体装置に適用することができる。また、本発明の半導体装置に適用される半導体素子は限定されるものではないが、特にレーザダイオードやフォトダイオード等の高さ方向の位置制御が動作特性等に影響を及ぼす光半導体素子に対して有効である。

次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。

実施例１〜７
まず、セラミックス基板１１として直径75mm×高さ0.2mmの窒化アルミニウム質焼結体製基板を用意した。この窒化アルミニウム基板１１を洗浄した後、スパッタ法により厚さ0.1μmのＴｉ膜から下地金属層１５、厚さ0.2μmのＰｔ膜からなる第１の拡散防止層１６、主導体層として厚さ0.5μmの第１のＡｕ層１７を順に積層した。

次いで、主導体層としての第１のＡｕ層１７上に、スパッタ法により第２の拡散防止層１９、第２のＡｕ層２０、第３の拡散防止層２１を順に積層した。これら各層１９、２０、２１の構成材料および厚さはそれぞれ表１に示す通りである。第２の拡散防止層１９の形状は第３の拡散防止層２１に対するはみ出し量Ｌが10μmとなるように設定し、第２のＡｕ層２０は第３の拡散防止層２１に対するはみ出し量が5μmとなるように設定した。これら各層はレジストによりパターニングした。

次に、第３の拡散防止層２１の上面に、真空蒸着法により厚さ2μmの半田層１８を形成した。半田層１８の形状は1000×500μmとした。半田層１８の組成はそれぞれ表１に示す通りである。このような各試料を2mm×2mmとなるようにダイシングした後、それぞれ後述する特性評価に供した。

実施例８
第２の拡散防止層１９の各辺の第３の拡散防止層２１に対するはみ出し量Ｌが10〜30μmとなるように設定する以外は、上記した実施例１〜７と同様にして試料を作製し、後述する特性評価に供した。

実施例９〜１１
第２の拡散防止層１９の第３の拡散防止層２１に対するはみ出し量Ｌを変更する以外は、上記した実施例１〜７と同様にして試料を作製し、後述する特性評価に供した。実施例９〜１１におけるはみ出し量Ｌは表１に示す通りである。

実施例１２〜１６
第２の拡散防止層１９および第３の拡散防止層２１の構成材料および厚さを変更する以外は、上記した実施例１〜７と同様にして試料を作製し、後述する特性評価に供した。実施例１２〜１６における第２の拡散防止層１９および第３の拡散防止層２１の構成材料および厚さは表１に示す通りである。

実施例１７〜１９
半田層１８の組成を変更する以外は、上記した実施例１〜７と同様にして試料を作製し、後述する特性評価に供した。実施例１７〜１９における半田層１８の組成は表１に示す通りである。

実施例２０
半田層１８を2層構造（組成の異なる半田合金の2層構造）に変更する以外は、上記した実施例１〜７と同様にして試料を作製し、後述する特性評価に供した。半田層１８の具体的な構成は表１に示す通りである。

実施例２１〜２４
第２の拡散防止層１９や第３の拡散防止層２１の厚さ、第２の拡散防止層１９の第３の拡散防止層２１に対するはみ出し量Ｌ等を変更する以外は、上記した実施例１〜７と同様にして試料を作製し、後述する特性評価に供した。各層の具体的な構成は表１に示す通りである。

比較例１〜３
第２のＡｕ層２０や第３の拡散防止層２１の有無等を変更する以外は、上記した実施例１〜７と同様にして試料を作製し、後述する特性評価に供した。なお、比較例１は第２のＡｕ層２０と第３の拡散防止層２１を省いた例、比較例２は第２のＡｕ層２０と第３の拡散防止層２１を省くと共に、第２の拡散防止層１９を半田層１８からはみ出した形状（はみ出し量：10μm）とした例、比較例３は第３の拡散防止層２１を省いた例である。

上述した実施例１〜２４および比較例１〜３の各セラミックス配線基板（表１に構成を示す各試料）について、半田層の濡れ広がり性、半田層の完全溶融時間、半導体素子との密着性を以下のようにして測定、評価した。各例の評価結果を表２に示す。

［半田層の完全溶融時間］
Ａｕ−Ｓｎ半田合金層を有する実施例１〜１６、１９〜２４および比較例１〜３については300〜330℃程度の温度、Ａｇ−Ｓｎ半田合金層を有する実施例１７については250〜260℃程度の温度、Ｃｕ−Ｓｎ半田合金層を有する実施例１８については240〜260℃程度の温度に保持したヒータブロック上に、各例の配線基板を載置し、表面に酸化膜層ができないように不活性ガスを吹き付けながら、半田層表面の光沢変化を約60秒間観察することによって、半田層の溶融性（濡れ性）を評価した。これは、半田層の融点が保持温度より上昇した場合には高融点相が析出し、表面光沢が弱くなる現象を利用したものである。半田層の完全溶融時間の判定は、表面光沢が維持された時間で評価した。

［半田層の濡れ広がり状態］
上記した半田層の完全溶融時間試験を実施した各試料について、金属顕微鏡（100倍）で半田層の濡れ広がり状態を観察、評価した。半田層の濡れ広がり領域が第２の拡散防止層上のみである場合を○、半田層の濡れ広がり領域が第２の拡散防止層から僅かにはみ出した場合を△、半田層の濡れ広がり領域が完全に第１のＡｕ層上まではみ出した場合をXとして評価した。

［半導体素子との密着性］
上記した半田層の完全溶融時間試験と同様に、各例の配線基板をヒータブロック上に置き、約5秒後に配線基板上にＳｉチップを載置して接合搭載した。Ｓｉチップは配線基板との接合面に厚さ0.05μmのＴｉ膜、厚さ0.1μmのＰｔ膜、厚さ1.0μmのＡｕ膜が順に被着形成されたものであり、その形状は1mm×1mm×高さ0.4mmとした。このようにしてＳｉチップを搭載した配線基板を冷却した後、Ｓｉチップの横方向から荷重を加えるシェアテストを行った。シェアテストは各例に対して10個ずつ実施した。

配線基板と半導体素子との密着性の判定は、シェアテストの破壊モードがＳｉチップ自体の破壊、またはＳｉチップに被着形成された配線導体層の剥がれによる場合を、密着性良好（○）とした。また、破壊モードが半田層の内部破断または配線導体層内の界面での剥がれによる場合を、密着性不良（×）とした。さらに、破壊が生じるまでの強度（シェア強度）を測定した。

表２から明らかなように、各実施例の配線基板は半導体素子との密着性および半田層の濡れ性が良好であることが分かる。実施例８は第２の拡散防止層のはみ出し量が各辺で異なる場合であるが、寸法差が十分であるために特に問題とならないことが分かる。実施例２０は半田層を2層化した場合であるが、半導体素子との密着性、半田層の完全溶融時間や濡れ広がり性に特に影響は見られず、いずれも良好な結果を示した。また、実施例２１〜２４の結果から、第２の拡散防止層１９の厚さは0.05〜1μmの範囲が好ましいこと、第３の拡散防止層の厚さは0.02〜1μmの範囲が好ましいことが分かる。

一方、比較例１は第２のＡｕ層２０と第３の拡散防止層２１を適用していないため、半田層が第１のＡｕ層１７に濡れ広がり、接合後の半田層の高さが大きく変化して高さ不良が生じる。また、比較例２は第２の拡散防止層１９を半田層からはみ出して形成しているため、半田層の濡れ広がり性は良好であるものの、半田層の密着強度が低下することから、半導体素子の密着性に劣ることが分かる。さらに、比較例３の結果から、第２の拡散防止層１９、第２のＡｕ層２０および第３の拡散防止層２１を有していたとしても、第２の拡散防止層１９を第３の拡散防止層２１より幅広形状としなければ効果は得られないことが分かる。

なお、接合強度（シェア強度）については、比較例１および比較例３は半田層の完全溶融時間内である5秒で接合しているため、実施例と同等の値が得られている。そこで、実施例１および比較例１について、半田層の溶融時間（ヒータブロック上にセラミックス配線基板を配置している時間）を20秒に変更して、それぞれセラミックス配線基板を作製した。これら各セラミックス配線基板についても同様な特性評価を行った。その結果を表３に示す。

表３から明らかなように、実施例１は半田層の溶融時間を20秒にしても良好な結果が得られている。これに対して、比較例１は半田層の完全溶融時間（11秒）を超えた時間が経っているため、半田層中に高融点相が析出して接合ができなかった。この結果を踏まえると、実施例のように半田層の完全溶融時間が長い方が、配線基板を加熱する時間に幅を持たせることができるため、製造時間の選択肢が増えることになる。

本発明の一実施形態によるセラミックス配線基板の要部構成を示す断面図である。 図１に示すセラミックス配線基板の変形例を示す断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態としてのレーザ装置の構成例を示す図である。 従来のセラミックス配線基板の要部構成を示す断面図である。

符号の説明

１０…セラミックス配線基板、１１…セラミックス基板、１２…配線層、１３…配線部、１４…接続部、１５…下地金属層、１６…第１の拡散防止層、１７…第１のＡｕ層、１８…半田層、１９…第２の拡散防止層、２０…第２のＡｕ層、２１…第３の拡散防止層、２２…第３のＡｕ層、３０…レーザダイオード、３１，３２…発光素子部、３３…ＧａＡｓ基板、３４，３５…個別電極、３６…共通電極。

Claims (9)

1. セラミックス基板と、
   前記セラミックス基板の表面に順に積層形成された下地金属層、第１の拡散防止層および第１のＡｕ層を有する配線部と、前記配線部上の所望の位置に順に積層形成された第２の拡散防止層、第２のＡｕ層、第３の拡散防止層および半田層を有する接続部とを備える配線層とを具備し、
   前記第２の拡散防止層は前記第３の拡散防止層より広い幅を有することを特徴とするセラミックス配線基板。
2. 請求項１記載のセラミックス配線基板において、
   前記第２の拡散防止層の外周部は前記第３の拡散防止層の端部から1μm以上100μm以下の範囲ではみ出していることを特徴とするセラミックス配線基板。
3. 請求項１または請求項２記載のセラミックス配線基板において、
   前記第１、第２および第３の拡散防止層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉおよびこれらを基とする合金から選ばれる少なくとも1種からなることを特徴とするセラミックス配線基板。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のセラミックス配線基板において、
   前記第２の拡散防止層は0.05μm以上1μm以下の範囲の厚さを有し、かつ前記第３の拡散防止層は0.02μm以上1μm以下の範囲の厚さを有することを特徴とするセラミックス配線基板。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のセラミックス配線基板において、
   前記半田層はＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、ＴｉおよびＺｎから選ばれる少なくとも1種を含むＳｎ合金からなることを特徴とするセラミックス配線基板。
6. 請求項５記載のセラミックス配線基板において、
   前記半田層は組成が異なる2種類以上の前記Ｓｎ合金の積層膜を有することを特徴とするセラミックス配線基板。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載のセラミックス配線基板と、
   前記セラミックス配線基板の前記配線層上に、前記接続部の前記半田層を介して接合搭載された半導体素子と
   を具備することを特徴とする半導体装置。
8. 請求項７記載の半導体装置において、
   前記半田層の濡れ広がる領域が前記第２の拡散防止層上のみとされていることを特徴とする半導体装置。
9. 請求項７または請求項８記載の半導体装置において、
   前記半導体素子は光半導体素子であることを特徴とする半導体装置。

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