JP2007081412A - Substrate for submount material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はレーザダイオード等を保持搭載するためのサブマウント材用基板に係り、特に金属回路層の剥離が少なく耐久性および放熱性に優れたサブマウント材用基板に関する。 The present invention relates to a substrate for a submount material for holding and mounting a laser diode or the like, and more particularly to a substrate for a submount material that has less peeling of a metal circuit layer and is excellent in durability and heat dissipation.
従来から、光信号を面受光し電気信号として外部回路に供給するために、セラミックス基板と金属回路層とから成るサブマウント材にフォトダイオードを搭載し、フォトダイオードからの電気信号を、金属回路層を介して外部回路に供給する光素子としてフォトダイオード・サブアセンブリが広く用いられている。また、フォトダイオードの代りに面発光するレーザダイオードを用いたレーザダイオード発光素子も、家電製品や電子機器の表示用部品として広く使用されている。 Conventionally, a photodiode is mounted on a submount made of a ceramic substrate and a metal circuit layer in order to receive an optical signal as a surface light and supply it to an external circuit as an electric signal, and the electric signal from the photodiode is transferred to the metal circuit layer. A photodiode sub-assembly is widely used as an optical element that supplies an external circuit via a semiconductor device. Laser diode light-emitting elements using laser diodes that emit surface light instead of photodiodes are also widely used as display parts for home appliances and electronic devices.
図2はレーザダイオード発光素子の一構成例を示す断面図である。図においてレーザダイオード発光素子1は、セラミックス基板2と、その表面に、例えばスパッタリング法によって形成された金属回路層3とから成るサブマウント材4に半田層5を介してレーザダイオード6を一体に接合して構成されている。レーザダイオード6と、金属回路層3と、図示しない外部回路とは、それぞれ図示しないボンディングワイヤ等によって電気的に接続されている。また、レーザダイオード6で発生した熱を、サブマウント材4を経由して系外に放出するために、サブマウント材4の下部には、熱伝導性が良好な銅(Cu)等で形成されたヒートシンク7が一体に接合されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of a laser diode light emitting element. In the figure, a laser diode light-emitting
従来、上記レーザダイオード6用のサブマウント材4としては、板状のSi板表面に酸化膜を形成したSiO基板の表面にスパッタリング法などの薄膜形成技術を利用して金属回路層を形成したサブマウント材が広く用いられている。さらに金属回路層とレーザダイオードとの間の導通性や密着性またはボンディング性を良好にするために金属回路層表面に金(Au)めっき層を形成したり、さらにAuめっき層の上面にAu−Sn合金またはPb−Sn合金から成る半田層を形成したりする場合もある。近年、ダイオードの出力増加に対応し、より高い放熱特性を実現するために、サブマウント材を構成するセラミックス基板として高熱伝導性を有する窒化アルミニウム(AlN)基板も多用化されるに至っている。
Conventionally, as the
しかしながら、上記従来例のようにセラミックス基板として窒化アルミニウム(AlN)基板を用い、さらにスパッタリング法を利用して金属回路層を形成した従来のサブマウント材においては、金属回路層の接着強度が低いため、光電素子の組立工程や使用中に繰り返して作用する熱によって金属回路層が剥離し易い難点があり、光電素子の耐久性および信頼性が低いという問題点があった。 However, in the conventional submount material in which an aluminum nitride (AlN) substrate is used as a ceramic substrate and a metal circuit layer is formed using a sputtering method as in the conventional example, the adhesive strength of the metal circuit layer is low. However, there is a problem that the metal circuit layer is easily peeled off due to heat that repeatedly acts during the assembly process or use of the photoelectric element, and the durability and reliability of the photoelectric element are low.
また、従来のサブマウント材を構成するセラミックス基板(サブマウント材用基板)の厚さについては、何ら考慮がなされていなかったため、熱伝導率が高いAlN基板を使用した場合においても熱抵抗が大きくなり、放熱性が不十分であるという問題点もあった。 In addition, since no consideration has been given to the thickness of the ceramic substrate (submount material substrate) constituting the conventional submount material, even when an AlN substrate having high thermal conductivity is used, the thermal resistance is large. Therefore, there is also a problem that heat dissipation is insufficient.
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、組立工程や使用中に熱衝撃が作用した場合においても金属回路層の剥離が少なく、放熱性,耐久性および信頼性に優れたサブマウント材用基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. Even when a thermal shock is applied during an assembly process or use, the metal circuit layer is hardly peeled off, and is excellent in heat dissipation, durability and reliability. An object is to provide a substrate for a submount material.
上記目的を達成するため本発明者らは種々の寸法,熱伝導率および表面粗さを有するAlN基板表面にスパッタリング法により金属回路層を形成してサブマウント材を調製し、各サブマウント材の仕様が、耐熱衝撃性,耐剥離性等に及ぼす影響を比較検討した。その結果、特にサブマウント材を構成するセラミックス基板の熱伝導率と板厚との関係を一定の範囲に調整したり、またはセラミックス基板の表面粗さを一定の範囲に規定したりしたときに、サブマウント材の放熱性を改善できる上に、金属回路層の剥離を効果的に防止でき、優れた放熱性および耐久性を有するサブマウント材が初めて得られるという知見を得た。本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。 In order to achieve the above object, the present inventors prepared a submount material by forming a metal circuit layer by sputtering on an AlN substrate surface having various dimensions, thermal conductivity, and surface roughness. We compared the effects of specifications on thermal shock resistance and peel resistance. As a result, especially when the relationship between the thermal conductivity and the plate thickness of the ceramic substrate constituting the submount material is adjusted to a certain range, or the surface roughness of the ceramic substrate is regulated to a certain range, In addition to improving the heat dissipating property of the submount material, it was found that a submount material having excellent heat dissipating property and durability can be obtained for the first time, as it can effectively prevent peeling of the metal circuit layer. The present invention has been completed based on the above findings.
すなわち、本発明に係るサブマウント材用基板は、熱伝導率170W/m・K以上の窒化アルミニウム基板を用いたサブマウント材用基板において、窒化アルミニウム基板の縦および横の長さがそれぞれ1mm以下であり、窒化アルミニウム基板の熱伝導率をK(W/m・K)、厚さをt(mm)とした場合にK/t比が700以上であることを特徴とする。 That is, the submount material substrate according to the present invention is a submount material substrate using an aluminum nitride substrate having a thermal conductivity of 170 W / m · K or more, and the vertical and horizontal lengths of the aluminum nitride substrate are each 1 mm or less. The K / t ratio is 700 or more when the thermal conductivity of the aluminum nitride substrate is K (W / m · K) and the thickness is t (mm).
また、本発明で得られるサブマウント材は、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体から成るセラミックス基板と、このセラミックス基板上に形成された金属回路層とを具備し、ダイオードを搭載するためのサブマウント材において、上記セラミックス基板の熱伝導率をK(W/m・K)とする一方、厚さをt(mm)とした場合にK/t比が700以上であることを特徴とする。 Further, the submount material obtained by the present invention comprises a ceramic substrate made of a sintered body mainly composed of aluminum nitride, and a metal circuit layer formed on the ceramic substrate, for mounting a diode. In the submount material, the thermal conductivity of the ceramic substrate is K (W / m · K), and the K / t ratio is 700 or more when the thickness is t (mm). .
また、本発明で得られる他のサブマウント材は、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体から成るセラミックス基板と、このセラミックス基板上に形成された金属回路層とを具備し、ダイオードを搭載するためのサブマウント材において、上記セラミックス基板の表面粗さが算術平均粗さ(Ra)基準で0.1〜0.5μmであることを特徴とする。 Another submount material obtained by the present invention includes a ceramic substrate made of a sintered body mainly composed of aluminum nitride, and a metal circuit layer formed on the ceramic substrate, and is mounted with a diode. The surface roughness of the ceramic substrate is 0.1 to 0.5 μm on the basis of arithmetic average roughness (Ra).
さらに上記サブマウント材において、セラミックス基板表面に形成される金属回路層の幅が100μm以上であることが好ましい。また、セラミックス基板表面に形成される金属回路層が、セラミックス基板表面全体を被覆していることが好ましい。さらに、セラミックス基板の熱伝導率が100W/m・K以上であることが望ましい。また、セラミックス基板の熱伝導率が170W/m・K以上であることがより好ましい。さらに、K/t比が750〜850であることが、より好ましい。 Furthermore, in the submount material, the width of the metal circuit layer formed on the surface of the ceramic substrate is preferably 100 μm or more. Moreover, it is preferable that the metal circuit layer formed on the ceramic substrate surface covers the entire ceramic substrate surface. Furthermore, it is desirable that the thermal conductivity of the ceramic substrate is 100 W / m · K or more. The thermal conductivity of the ceramic substrate is more preferably 170 W / m · K or more. Furthermore, it is more preferable that K / t ratio is 750-850.
本発明のサブマウント材用基板を構成するセラミックス基板の厚さt(mm)に対する熱伝導率(W/m・K)の比(K/t)は、良好な放熱性と金属回路層の耐剥離性とを共に確保するために700以上とされる。すなわち、熱伝導率Kが高く、板厚tを薄くすることによってサブマウント材の放熱性を向上させこるとが可能になるとともに、サブマウント材にダイオードチップを半田付けしてマウントする際に350℃以上の高温度がサブマウント材に作用した場合においても、熱衝撃による金属回路層とセラミックス基板との接合部の損傷が少なくなり、金属回路層の剥離を効果的に防止することができる。 The ratio (K / t) of the thermal conductivity (W / m · K) to the thickness t (mm) of the ceramic substrate constituting the substrate for submount material of the present invention is good heat dissipation and resistance of the metal circuit layer. It is set to 700 or more to ensure both peelability. That is, the thermal conductivity K is high, and it is possible to improve the heat dissipating property of the submount material by reducing the thickness t, and at the time of mounting the diode chip by soldering to the submount material, 350 Even when a high temperature of ℃ or higher acts on the submount material, damage to the joint portion between the metal circuit layer and the ceramic substrate due to thermal shock is reduced, and peeling of the metal circuit layer can be effectively prevented.
すなわち、セラミックス基板(サブマウント材用基板)の熱伝導率Kがより高く、または板厚tがより薄い方がサブマウント材の放熱性を高めるためには有利であるが、金属回路層の剥離を防止するためには、セラミックス基板の板厚t(mm)に対する基板の熱伝導率K(W/m・K)の比(K/t値)は700以上の範囲とされるが、750〜850の範囲がより好ましい。 That is, the higher the thermal conductivity K of the ceramic substrate (submount material substrate) or the thinner the plate thickness t is, the more advantageous for improving the heat dissipation of the submount material. In order to prevent this, the ratio (K / t value) of the thermal conductivity K (W / m · K) of the substrate to the plate thickness t (mm) of the ceramic substrate is set to a range of 700 or more. A range of 850 is more preferred.
サブマウント材を構成する本発明のサブマウント材用基板(セラミックス基板)の具体的な厚さtは、熱伝導率によって変化する。すなわち、熱伝導率が200W/m・KのAlN基板を使用する場合には、AlN基板の厚さtは0.286mm以下とされる。また熱伝導率が170W/m・KのAlN基板を使用する場合には、AlN基板の厚さtは0.243mm以下とされる。 The specific thickness t of the submount material substrate (ceramics substrate) of the present invention constituting the submount material varies depending on the thermal conductivity. That is, when an AlN substrate having a thermal conductivity of 200 W / m · K is used, the thickness t of the AlN substrate is set to 0.286 mm or less. When an AlN substrate having a thermal conductivity of 170 W / m · K is used, the thickness t of the AlN substrate is set to 0.243 mm or less.
なお、K/t比が750〜850の範囲であると、熱伝導導率およびAlN基板の板厚が最も好ましい範囲となることから、AlN基板の縦および横の長さが1mm以下の小型のサブマウント材を作製する際のAlN基板の切断時に破損が起きにくくなるため、歩留りを向上させることができる。 When the K / t ratio is in the range of 750 to 850, the thermal conductivity and the thickness of the AlN substrate are the most preferable ranges. Therefore, the vertical and horizontal lengths of the AlN substrate are 1 mm or less. Since the AlN substrate is less likely to be damaged when the submount material is produced, the yield can be improved.
またサブマウント材を構成する本発明のサブマウント材用基板(セラミックス基板)表面を目荒しして、その表面粗さを算術平均粗さ(Ra)基準で0.1〜0.5μmの範囲に規定することにより、スパッタリング法で形成された金属回路層の接合強度をアンカー効果によって向上させることができ、結果として、ダイオードチップをサブマウント材に半田接合する際に過大な熱衝撃が作用した場合においても、金属回路層のセラミックス基板からの剥離を効果的に防止することができる。 Further, the surface of the submount material substrate (ceramic substrate) of the present invention constituting the submount material is roughened, and the surface roughness is in the range of 0.1 to 0.5 μm on the basis of the arithmetic average roughness (Ra). By defining, the bonding strength of the metal circuit layer formed by the sputtering method can be improved by the anchor effect, and as a result, when excessive thermal shock acts when soldering the diode chip to the submount material In this case, peeling of the metal circuit layer from the ceramic substrate can be effectively prevented.
また、サブマウント材の放熱性を確保するためにサブマウント材を構成するセラミックス基板の熱伝導率Kは100W/m・K以上、さらに好ましくは170W/m・K以上にすることが望ましい。さらに、セラミックス基板の表面を積極的に粗面化し、その表面粗さをRa基準で0.1〜0.5μmに規定した場合において、回路幅が小さい金属回路層をスパッタリング法で形成すると、金属回路層がセラミックス基板表面の凹凸によって影響を受け、断線が生じ易くなる。したがって、金属回路層の幅は100μm以上に設定することが好ましい。特に金属回路層は、セラミックス基板の表面の全体を被覆するように形成することがより好ましい。 In order to ensure the heat dissipation of the submount material, the thermal conductivity K of the ceramic substrate constituting the submount material is preferably 100 W / m · K or more, more preferably 170 W / m · K or more. Furthermore, when the surface of the ceramic substrate is actively roughened and the surface roughness is specified to be 0.1 to 0.5 μm on the basis of Ra, a metal circuit layer having a small circuit width is formed by sputtering. The circuit layer is affected by the irregularities on the surface of the ceramic substrate, and disconnection is likely to occur. Therefore, the width of the metal circuit layer is preferably set to 100 μm or more. In particular, the metal circuit layer is more preferably formed so as to cover the entire surface of the ceramic substrate.
上記構成に係るサブマウント材用基板によれば、サブマウント材を構成するセラミックス基板の熱伝導率と板厚との関係またはセラミックス基板の表面粗さを所定の範囲に調整しているため、サブマウント材の放熱性が改善される上に、組立中または使用中に熱衝撃が作用した場合においても、金属回路層のセラミックス基板からの剥離が効果的に防止でき、優れた放熱性と耐久性とを兼ね備えたサブマウント材が得られる。したがって、このサブマウント材にダイオードを接合することにより、信頼性に優れた光電素子を高い製造歩留りで量産することが可能になる。 According to the substrate for a submount material according to the above configuration, the relationship between the thermal conductivity and the plate thickness of the ceramic substrate constituting the submount material or the surface roughness of the ceramic substrate is adjusted to a predetermined range. In addition to improving the heat dissipation of the mounting material, it is possible to effectively prevent the metal circuit layer from peeling off from the ceramic substrate even when a thermal shock is applied during assembly or use, and excellent heat dissipation and durability A submount material that combines with the above can be obtained. Therefore, by joining a diode to the submount material, it is possible to mass-produce photoelectric elements with excellent reliability with a high manufacturing yield.
次に本発明の実施形態について以下に示す実施例および比較例に基づいて、より具体的に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described more specifically based on the following examples and comparative examples.
[実施例1〜11および比較例1〜5]
表1に示すように160〜202W/m・Kの熱伝導率Kおよび0.177〜0.309mmの板厚tを有する窒化アルミニウム(AlN)焼結体を用意し、各AlN焼結体の表面を研磨加工することにより、表1に示す表面粗さを有するAlN基板をそれぞれ調製した。
[Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 5]
As shown in Table 1, aluminum nitride (AlN) sintered bodies having a thermal conductivity K of 160 to 202 W / m · K and a plate thickness t of 0.177 to 0.309 mm are prepared. By polishing the surface, AlN substrates having the surface roughness shown in Table 1 were prepared.
次に各AlN基板の表面にスパッタリング法を使用して厚さ0.05μmのTi膜と厚さ0.2μmのPt膜と厚さ0.5μmのAu膜とを順次形成し、3層構造の金属回路層を形成した。次に金属回路層を形成した各AlN基板をパターンエッチング処理した後に、ダイシングカッターを使用して1mm角の形状に切断することにより、各実施例および比較例に係るサブマウント材を多数調製した。 Next, a Ti film having a thickness of 0.05 μm, a Pt film having a thickness of 0.2 μm, and an Au film having a thickness of 0.5 μm are sequentially formed on the surface of each AlN substrate by using a sputtering method. A metal circuit layer was formed. Next, each AlN substrate on which the metal circuit layer was formed was subjected to pattern etching treatment, and then cut into a 1 mm square shape using a dicing cutter, thereby preparing a large number of submount materials according to the respective examples and comparative examples.
調製したサブマウント材4aは、図1に示すように、所定の表面粗さと熱伝導率Kと板厚tとを有するAlN基板2aの表面に、所定厚さのTi膜8とPt膜9とAu膜10との3層構造から成る金属回路層3aを一体に形成して構成される。
As shown in FIG. 1, the prepared submount material 4a has a
次に上記のように調製した各サブマウント材の耐熱衝撃特性を評価するために、下記のような熱衝撃試験を実施した。すなわち各サブマウント材を窒素雰囲気中で温度400℃の金属板上に1分間載置して加熱した後、直ちに温度25℃のアルミニウム板上に移し替えることにより、迅速に冷却した。なお、この加熱−冷却操作において作用する熱衝撃は、サブマウント材にダイオードチップを半田接合する際の熱履歴に相当するものである。 Next, in order to evaluate the thermal shock characteristics of each submount material prepared as described above, the following thermal shock test was performed. That is, each submount material was placed on a metal plate having a temperature of 400 ° C. for 1 minute in a nitrogen atmosphere and heated, and then immediately transferred to an aluminum plate having a temperature of 25 ° C., thereby quickly cooling. The thermal shock acting in this heating-cooling operation corresponds to the thermal history when the diode chip is solder-bonded to the submount material.
そして冷却後における各サブマウント材の金属回路層の接合強度の劣化状況を確認するために、市販の粘着テープを金属回路層の表面に貼り付けた後に、一定の速度で粘着テープを剥したときに、金属回路層が剥離したサブマウント材の試料数の全体に占める割合を測定して、下記表1に示す結果を得た。なお、金属回路層の剥離率(%)については、各実施例および比較例のサブマウント材を各200個作製し測定したものである。
上記表1に示す結果から明らかなように、サブマウント材を構成するAlN基板の熱伝導率Kと板厚tとの関係またはAlN基板の表面粗さを所定の範囲に調整した各実施例に係るサブマウント材においては、金属回路層の剥離率が0〜4%と小さく、熱衝撃が作用した場合においても、金属回路層がAlN基板から剥離することが効果的に防止でき、優れた耐熱衝撃性を有することが確認できた。 As is clear from the results shown in Table 1 above, in each example in which the relationship between the thermal conductivity K and the plate thickness t of the AlN substrate constituting the submount material or the surface roughness of the AlN substrate was adjusted to a predetermined range. In such a submount material, the peeling rate of the metal circuit layer is as small as 0 to 4%, and even when a thermal shock is applied, the metal circuit layer can be effectively prevented from peeling from the AlN substrate, and has excellent heat resistance. It was confirmed to have impact properties.
特に、K/t比が700以上かつAlN基板の表面粗さが、0.1〜0.5μmの実施例については金属回路層の剥離率が0%であり、両方の構成を具備することにより相乗的効果が得られていることが判明した。 In particular, in an example in which the K / t ratio is 700 or more and the surface roughness of the AlN substrate is 0.1 to 0.5 μm, the peeling rate of the metal circuit layer is 0%. It was found that a synergistic effect was obtained.
なお、K/t比が960である実施例7においても金属回路層の剥離率は0%と良好であるが、AlN基板の板厚が薄いために、実施例のように1mm角の形状に切断する際に破損してしまうものが確認された。従って、K/t比は750〜800が最も効果的な範囲であると言える。このような観点からするとK/t比が700以上の本発明のサブマウント材は、縦横が1mm角以下の小型のサブマウント材として特に適していると言える。 In Example 7 where the K / t ratio is 960, the peeling rate of the metal circuit layer is as good as 0%, but since the plate thickness of the AlN substrate is thin, it has a 1 mm square shape as in the example. What was damaged when cutting was confirmed. Therefore, it can be said that the K / t ratio is the most effective range of 750 to 800. From this point of view, it can be said that the submount material of the present invention having a K / t ratio of 700 or more is particularly suitable as a small-sized submount material having a length and width of 1 mm square or less.
一方、AlN基板の表面粗さを過小にした比較例に係るサブマウント材においては、十分なアンカー効果による金属回路層の高い接合強度が得られず、剥離の発生率が大きくなることが判明した。同様に表面粗さを粗くした比較例についても金属回路層の剥離率が高いことが確認された。これはAlN基板の表面を粗面化することによりアンカー効果は得られているものの、AlN基板の表面が粗すぎるためにスパッタ膜が均一に形成され難いためであると考えられる。特に縦横が1mm角以下の小型のサブマウント材においては、影響を受けやすいものである。また、金属回路層のパターン幅を50μmと過小に設定した比較例に係るサブマウント材においては、金属回路層の断線が発生し、回路層全体の接合強度が低下するため、剥離の発生率も上昇した。 On the other hand, in the submount material according to the comparative example in which the surface roughness of the AlN substrate is excessively low, it has been found that a high bonding strength of the metal circuit layer due to a sufficient anchor effect cannot be obtained and the occurrence rate of peeling increases. . Similarly, it was confirmed that the peeling rate of the metal circuit layer was high for the comparative example having a rough surface. This is considered to be because although the anchor effect is obtained by roughening the surface of the AlN substrate, it is difficult to form a sputtered film uniformly because the surface of the AlN substrate is too rough. In particular, a small submount material whose vertical and horizontal dimensions are 1 mm square or less is easily affected. Further, in the submount material according to the comparative example in which the pattern width of the metal circuit layer is set to be too small as 50 μm, the disconnection of the metal circuit layer occurs and the bonding strength of the entire circuit layer is reduced, so the occurrence rate of peeling is also Rose.
1 レーザダイオード発光素子
2,2a セラミックス基板(AlN基板、サブマウント材用基板)
3,3a 金属回路層
4,4a サブマウント材
5 半田層
6 レーザダイオード
7 ヒートシンク
8 Ti膜
9 Pt膜
10 Au膜
1 Laser diode
3, 3a Metal circuit layers 4, 4a Submount material 5
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