JP2007095930A - サブマウントおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サブマウントの実装信頼性を改善し、さらに半導体素子を正常に作動させることが可能な高性能のサブマウントを提供すること。
【解決手段】 一方の主面に半導体素子の搭載部を有する絶縁基板２と、絶縁基板２の一方の主面から他方の主面にかけて形成された貫通孔６と、貫通孔６の内壁に、絶縁基板２の一方の主面から他方の主面にかけて形成された配線導体層３とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光通信分野等で用いられる、面発光半導体レーザ等に代表される半導体レーザ素子（ＬＤ：レーザダイオード）等の半導体素子を搭載するための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、このような半導体装置および半導体装置に搭載される従来のサブマウントについて説明する。

図３（ａ）は従来のサブマウントの平面図であり、Ｂ−Ｂ’線における断面図を図３（ｂ）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は配線導体層、１４はろう材層を示している。そして、絶縁基板１２の上面にろう材層１４を形成し、これが溶融されることによりサブマウント１１の一方主面に半導体素子が搭載される。また、同様に絶縁基板１２の他方主面にろう材層１４を形成し、これが溶融されることによりサブマウント１１と外部回路基板とが接合される。さらに、必要に応じて半導体素子とサブマウント１１とを覆うように蓋体を取着することにより、半導体装置が得られる。

このような半導体装置は、たとえば半導体素子が光半導体素子である場合、外部電気回路から外部リード端子を介して供給される駆動信号によって光半導体素子を光で励起させ、この励起された光を光ファイバ等を介して外部に伝達することによって高速光通信等に使用される。近年、このような光半導体装置に対して、２.５Ｇｂｐｓ以上での良好な高周波特性，小型化，低背化および低コスト化等が益々要求されてきている。
特開２００１-１７６８８７号公報

しかしながら、上述の従来のサブマウントは次のような問題点を有していた。

すなわち、半導体素子をサブマウントの一方主面に搭載する際に熱を加えてロウ材を溶融すると、半導体素子と外部電気回路との間や半導体素子とサブマウントとの間で余剰なロウ材が生じる。このような余剰ロウ材は、外部回路基板とサブマウントとの接続を不安定としたり、あるいは半導体素子の側面を這い上がって、例えば半導体素子とサブマウントとがワイヤーボンディングで接続されているような場合に、半導体素子がショートするという問題があった。

また特に、発光部や受光部から成る作動部が一般的に側面に位置している発光素子や受光素子を半導体素子として用いる場合、余剰なろう材が半導体素子に這い上がり半導体素子の作動部に被着して、ろう材が光を遮断してしまうという問題があった。

また、このような半導体素子の側面を這い上がろうとするろう材の力は、サブマウントから半導体素子を引き剥がす方向に加わろうとするため、半導体素子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、サブマウントの実装信頼性を改善し、さらに半導体素子を正常に作動させることが可能な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、一方の主面に半導体素子の搭載部を有する絶縁基板と、該絶縁基板の一方の主面から他方の主面にかけて形成された貫通孔と、該貫通孔の内壁に、前記絶縁基板の一方の主面上から他方の主面上にかけて形成された配線導体層とを有することを特徴とする。

本発明のサブマウントは、前記絶縁基板の一方の主面から他方の主面にかけて、前記配線導体層にろう材層が積層形成されたことを特徴とする。

本発明のサブマウントは、平面視で、前記貫通孔に形成された配線導体層の内径をＸ、外径をＡとすると、Ｘ／Ａが８０％以上９５％以下であることを特徴とする。

本発明のサブマウントにおいて、前記ろう材はＡｕ−Ｓｎからなることを特徴とする。

本発明のサブマウントにおいて、前記絶縁基体が窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする。

本発明の半導体装置は、上記本発明記載のサブマウントと、前記絶縁基板の搭載部に搭載された半導体素子とを具備することを特徴とする。

本発明の半導体装置は、前記半導体素子が発光素子または受光素子であり、前記貫通孔が前記発光素子または前記受光素子の発光部または受光部直下に近接するように設けられたことを特徴とする。

本発明のサブマウントは、一方の主面に半導体素子の搭載部を有する絶縁基板と、絶縁基板の一方の主面から他方の主面にかけて形成された貫通孔と、貫通孔の内壁に、絶縁基板の一方の主面から他方の主面にかけて形成された配線導体層とを有することによって、まず半導体素子が搭載される絶縁基板の一方の主面について考えると、サブマウント上に半導体素子をろう材を介して接続する際に余剰なろう材は、半導体素子の搭載される絶縁基板の一方の主面側から貫通孔の中へ流れ込む。よって、余剰なろう材が半導体素子の側面等に這い上がることを抑制でき、例えば半導体素子の電極とサブマウントとがワイヤボンディング法等により接続されている場合にもショート等が生じることを抑制できる。

また、特に、発光部や受光部からなる作動部が一般的に側面に位置している発光素子や受光素子を半導体素子として用いる場合、ろう材が半導体素子を這い上がって作動部を塞ぐことを抑制できるため、高信頼に半導体素子を作動させることができる。

また、このように貫通孔が絶縁基板の一方の主面から他方の主面にかけて連続して形成されているため、余剰なろう材が半導体素子の側面を這い上がろうとする際に生じる、半導体素子をサブマウントから引き剥がそうとする力が半導体素子に加わらずに、半導体素子を搭載した絶縁基板の一方主面側で余剰となったろう材が貫通孔へ流れ込む際に、半導体素子を絶縁基板側へひきつけることができる。よって、半導体素子のサブマウントへの実装信頼性が向上する。

また一方、絶縁基板の他方の主面について考えると、サブマウントと外部回路基板とをろう材を介して接続する際に余剰となるろう材は、外部回路基板と接続される絶縁基板の他方の主面側から貫通孔の中へ流れ込む。よって、余剰ろう材によってサブマウントが外部回路基板に不安定に搭載されることがなく、サブマウントと外部回路基板とを強固に安定して接合することができる。

本発明のサブマウントは、絶縁基板の一方の主面から他方の主面にかけて、配線導体層にろう材層が積層形成されたことによって、絶縁基板の両主面に形成されたろう材はともに、溶融した際絶縁基板から貫通孔内へ濡れ性よく導かれる。よって、半導体素子をサブマウント側へ引き付けることができるとともに、余剰なろう材がはみ出して半導体素子の側面を這い上がることを有効に抑制でき、長期間にわたり半導体素子を安定に作動させることができる。

また、このようにろう材が濡れ性よく貫通孔の中へ導かれるため、貫通孔の縁部でろう材が途切れ難い。よって特に、半導体素子と絶縁基板の熱伝導率よりも大きい値の熱伝導率を持つろう材を用いる場合、半導体素子の作動時等の熱を外部回路基板に効率よく放熱することができる。その結果、半導体素子と絶縁基板との間に生じる熱ひずみを抑制できる。

本発明のサブマウントは、平面視で、貫通孔に形成された配線導体層の内径をＸ、外径をＡとすると、Ｘ／Ａを、８０％以上９５％以下とすることで、半導体素子の作動時の熱を効率よく放熱することができ、その結果、半導体素子に生じようとする熱応力による歪をより一層抑制することができる。仮にＸ／Ａの値が８０％より小さいと、余剰なろう材がサブマウントに形成された貫通孔に収まりきらず、半導体素子の側面や作動部に被着する可能性がある。また、９５％より大きいと、ろう材層の厚みが貫通孔に対して小さくなり、ろう材が溶融しても貫通孔内を十分に充填し難くなる可能性があり外部回路基板への放熱性を十分とし難くなることがある。

本発明のサブマウントにおいて、ろう材がＡｕ−Ｓｎからなることによって、Ａｕ−Ｓｎ合金の融点が約２８０℃程度であり、一般的に半導体素子は約４００℃程度の耐熱性を有するため、半導体素子を熱劣化させることなく実装することができるとともに、ろう材と半導体素子との接合強度を強固に保つことが可能となる。

本発明のサブマウントにおいて、絶縁基体は窒化アルミニウム質焼結体からなることによって、窒化アルミニウムが高熱伝導材料（１００Ｗ／ｍＫ以上）であることから、半導体素子から発生した熱を効率よく放熱させることができる。

本発明の半導体装置において、上記本発明のサブマウントと、絶縁基板の搭載部に搭載された半導体素子とを具備することによって、半導体素子の熱放散性が向上して長期間にわたり安定に作動でき、さらに半導体素子に生じる歪をより一層抑制することができる。

本発明の半導体装置において、半導体素子は発光素子または受光素子であり、貫通孔は発光素子または受光素子の発光部または受光部直下に近接するように設けられたことによって、素子の作動時に熱が発生しても、内壁のろう材を介して絶縁基板の他方主面側の外部回路基板に熱を逃がすことができる。また特に、素子と絶縁基板との端部を揃えて搭載する場合、素子と絶縁基板との接着強度を強固に保つことができる。なぜなら、一般的に発光素子または受光素子（以下、発光素子または受光素子を「素子Ａ」と呼ぶ）の発光部または受光部（以下、発光部または受光部を「作動部Ｂ」とよぶ）は素子Ａの側面に位置するため、仮に貫通孔を素子Ａの作動部Ｂ直下に設けると平面視で素子Ａの端部が絶縁基板端部に形成された貫通孔上に重なるように形成されることとなり、よって、溶融したろう材が貫通孔に流れ込んだあと絶縁基板端部下面から外部回路基板へと流れ出して、素子Ａの端部を支えにくくなり安定性に欠くことがあるからである。よって、貫通孔を素子Ａの作動部Ｂ直下ではなく、作動部Ｂ直下に近接するように設けた本発明の半導体装置は、長期間にわたり安定に作動できる。

次に、本発明の回路基板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実施の形態の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）はＡ−Ａ’線における断面図である。また、図２（ａ）〜（ｄ）はサブマウントに半導体素子を接着する工程ごとの断面図を示しており、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は貫通孔、７は半導体素子、８は外部基板を示す。

サブマウント１は、一方の主面（図１（ｂ）における上面）に半導体素子７の搭載部を有する絶縁基板２と、絶縁基板２の一方の主面から他方の主面（図１（ｂ）における下面）にかけて形成された貫通孔６と、貫通孔６の内壁に、絶縁基板２の一方の主面から他方の主面にかけて形成された配線導体層３とを有する。サブマウント１をヒートシンク等の外部基板８に接続する際には、このような配線導体層３を介して接続できる。

絶縁基板２は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体，窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂，ポリイミドシロキサン樹脂等の樹脂、石英、ダイヤモンド、サファイア（単結晶アルミナ）、シリコン等から成る。

半導体素子として光半導体素子を用いる場合、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料、例えば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好ましい。

このような材料を用いることによって、サブマウント１に搭載された半導体素子７の駆動時に発生した熱は、サブマウント１を介して良好に放熱される。このため、半導体素子７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。このような絶縁基板２は、例えば絶縁基板２がセラミックスからなる場合、シート状に形成したセラミックグリーンシートを積層し、約１５００℃の温度で焼成する方法等により形成できる。

絶縁基板２に形成された配線導体層３は半導体素子７と外部電気回路（図示せず）とを電気的に接続する機能を有している。このような配線導体層３は、従来周知の蒸着法やスパッタリング法，ＣＶＤ法，めっき法等の薄膜形成法により絶縁基板２に形成された後、従来周知のフォトリソグラフィ法やエッチング法，リフトオフ法等によって所定パターンに加工される。

また、配線導体層３は、例えば密着金属層、拡散防止層および主導体層が順次積層された３層構造の導体層から成るのがよい。

密着金属層は、セラミックス等から成る絶縁基板２との密着性を良好とするという観点からは、チタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），タンタル（Ｔａ），ニオブ（Ｎｂ），ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金，窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）等の熱膨張率がセラミックスと近い金属のうち少なくとも１種より成るのが好ましく、その厚みは０．０１〜０．２μｍ程度が好ましい。密着金属層の厚みが０．０１μｍ未満では、密着金属層を絶縁基板２に強固に密着することが困難となる傾向があり、０．２μｍを超えると、成膜時の内部応力によって密着金属層が絶縁基板２から剥離し易くなる傾向がある。

また、拡散防止層は、密着金属層と主導体層との相互拡散を防ぐという観点からは、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），ニッケル（Ｎｉ），Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔｉ−Ｗ合金等の熱伝導性の良好な金属のうち少なくとも１種より成ることが好ましく、その厚みは０．０５〜１μｍ程度が好ましい。拡散防止層の厚みが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傾向があり、１μｍを超えると、成膜時の内部応力により拡散防止層が密着金属層から剥離し易く成る傾向がある。なお、拡散防止層にＮｉ−Ｃｒ合金を用いる場合は、Ｎｉ−Ｃｒ合金は絶縁基板２との密着性が良好なため、密着金属層を省くことも可能である。

さらに、主導体層は、配線導体層３の電気抵抗を小さくするという観点からは、電気抵抗の小さい金（Ａｕ），Ｃｕ，Ｎｉ，銀（Ａｇ）の少なくとも１種より成ることが好ましく、その厚みは０．１〜５μｍ程度が好ましい。主導体層の厚みが０．１μｍ未満では、電気抵抗が大きなものとなり配線導体層３に要求される電気抵抗を満足できなくなる傾向があり、５μｍを超えると、成膜時の内部応力により主導体層が拡散防止層から剥離し易く成る傾向がある。なお、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、Ｃｕは酸化し易いので、その上にＮｉおよびＡｕからなる保護層を被覆してもよい。

絶縁基板２は、一方の主面から他方の主面にかけて貫通孔６が形成されており、貫通孔６の内壁には一方の主面から他方の主面にかけて上述の配線導体層３が形成されている。このような貫通孔６は、絶縁基板２にＣＯ_２レーザや、ＹＡＧレーザ等を照射する方法や、あるいは、絶縁基板２がセラミックスからなる場合にはセラミックグリーンシートを積層する際に所望の位置に貫通孔を形成するようにして積層し、その後焼成する方法等により形成される。

このような貫通孔６をサブマウント１に形成したことにより、サブマウント１は半導体素子７を安定して搭載することができる。なぜなら、まず半導体素子７が搭載される絶縁基板２の一方の主面について考えると、半導体素子７をサブマウント１に搭載する際にろう材を加熱すると、図２（ｂ）に示すようにろう材層４の中央部が球状に盛り上がる。その後、図２（ｃ）に示すように半導体素子７をろう材層４を介して接合しようとすると、余剰なろう材４が絶縁基板２の一方の主面側から貫通孔６の中へと矢印Ｃに沿って流れ込んで半導体素子７が接合される（図２（ｄ）の状態）。このため、余剰なろう材が半導体素子７の側面等に這い上がることを抑制でき、例えば半導体素子７の電極とサブマウント１とがワイヤボンディング法等により接続されている場合にもショート等が生じることを抑制できる。また、このように貫通孔６が絶縁基板２の一方の主面から他方の主面にかけて連続して形成されているため、半導体素子７を搭載した絶縁基板２の一方主面側で余剰となったろう材が貫通孔６へ流れ込む際に、半導体素子７を絶縁基板２側へひきつけ、半導体素子とのサブマウント１とを強固に接合することができる。

また一方、絶縁基板２の他方の主面について考えると、サブマウント１を外部基板８にろう材層４を介して接合する際（図２（ｃ））、余剰なろう材は絶縁基板２の他方の主面側から貫通孔６の中へと流れ込む（図２（ｄ））。このため、余剰ろう材によってサブマウント１が不安定となることがなく、サブマウント１と外部基板８とを強固に安定して接合することができる。

また、好ましくは絶縁基板２の一方の主面から他方の主面にかけて、配線導体層３上にろう材層４が積層形成されているのがよい。なぜなら、配線導体層３上に形成されることによって、半導体素子７の搭載時等に溶融した絶縁基板２の両主面に形成されたろう材はともに、配線導体層３を伝って絶縁基板２から貫通孔６内へ濡れ性よく導かれるからである。よって、溶融したろう材が貫通孔６内へ流れ込む際に半導体素子７をサブマウント側へ引き付け、半導体素子７をさらに安定して接続することができる。また、このようにろう材が濡れ性よく貫通孔の中へ導かれるため、貫通孔６の縁部、言い換えると、貫通孔６が形成された位置の絶縁基板２の角部でろう材が途切れず、滑らかに貫通孔６内へ流れ込むことができる。特に、ろう材層４に半導体素子７と絶縁基板２の熱伝導率よりも大きい値の熱伝導率を持つろう材を用いると、半導体素子７の作動時等の熱を外部基板８に効率よく放熱することができるため、半導体素子７と絶縁基板２との間に生じる熱ひずみを抑制でき、好ましい。

また、さらに好ましくは平面視で、貫通孔に形成された配線導体層３の内径をＸ、外径をＡとすると、Ｘ／Ａを、８０％以上９５％以下とすることで、半導体素子７の作動時の熱を効率よく放熱することができ、その結果、半導体素子７に生じようとする熱応力による歪をより一層抑制することができる。仮にＸ／Ａの値が８０％より小さいと、余剰ろう材が貫通孔６内に収まりきらず、半導体素子７を這い上がる可能性がある。また、９５％より大きいと、配線導体層３が貫通孔６に対し大きな割合で形成されることになるため、ろう材層４の厚みが貫通孔６に対して小さくなり、ろう材が溶融しても貫通孔６内を十分に充填し難くなる可能性があり外部基板８への放熱性を十分とし難くなることがある。

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（融点約１８３℃）、Ａｕ−Ｓｎ合金（融点約２８０℃）、Ａｇ−Ｓｎ合金（融点約２２０℃）、Ｉｎ−Ｐｂ合金（融点約１７２℃）、Ｉｎ（融点約１５７℃）等から成り、中でも特にＡｕ−Ｓｎ合金からなるのが好ましい。なぜなら、一般的に半導体素子は約４００℃程度の耐熱性を有しており、上述のＡｕ−Ｇｅ合金およびＡｕ−Ｓｉ合金で実装する際の実装温度は４００℃以上となり、半導体素子が熱劣化する可能性がある。また、上述のＩｎ−Ｐｂ合金およびＩｎの低融点ろう材は半導体素子との接合強度が弱い傾向がある。よって、ＡｕーＳｎ合金からなるろう材を用いることにより、半導体素子７を搭載時にろう材層４を溶融しても熱劣化させることなく実装することができ、且つ、接合強度を強いものとすることができる。また、このようなろう材層４は、真空蒸着法、スパッタリング法等により薄膜が形成された後、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パターン加工されることにより絶縁基板２の所望の位置に１〜５μｍ程度の厚みで形成される。

次に、本発明のサブマウントを用いた半導体装置について説明する。図４は、サブマウント１を用いた半導体装置の一例を示しており、１００は半導体装置、１０１は蓋体、１０２は基体、１０３はボンディングワイヤ、１０４はリード端子を示している。

半導体装置１００は、サブマウント１を金属や絶縁体等から成る基体１０２に搭載し、半導体素子７をサブマウント１に搭載した後、半導体素子７の電極をボンディングワイヤ１０３によって配線導体層やリード端子１０４に電気的に接続し、基体１０２にサブマウント１および半導体素子７を覆うように金属や絶縁体等から成る蓋体１０１をシーム溶接等の方法で接合することによって形成される。このような半導体装置１００は、半導体素子７の熱放散性に優れ、長期間にわたり安定に作動可能なものとすることができる。

上述の半導体装置１００において好ましくは、半導体素子７は発光素子または受光素子（以下素子Ａとよぶ）であり、サブマウント１に形成された貫通孔６は発光素子または受光素子の発光部または受光部（以下作動部Ｂとよぶ）直下に近接するように設けられているのがよい。ここで、作動部Ｂ直下に貫通孔６が近接して設けられているとは、作動部Ｂの直下から３０μｍ〜５０μｍ程度離れて貫通孔６が設けられていることをさす。このように作動部Ｂの直下から離れた位置に貫通孔６が形成されていることによって、素子Ａの作動時に熱が発生しても、貫通孔６内壁のろう材を介して基体１０２に熱を逃がすことができる。また特に、一般的に作動部Ｂは素子Ａの側面に位置するため、素子Ａと絶縁基板２との端部が揃えて搭載されている場合、素子Ａと絶縁基板２との接着強度を強固に保つことができる。

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。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明のサブマウントに半導体素子を搭載する各工程の断面図である。 （ａ）は従来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Ｂ−Ｂ’線における断面図である。 本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。

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
６：貫通孔
７：半導体素子

Claims (7)

1. 一方の主面に半導体素子の搭載部を有する絶縁基板と、該絶縁基板の一方の主面から他方の主面にかけて形成された貫通孔と、該貫通孔の内壁に、前記絶縁基板の一方の主面から他方の主面にかけて形成された配線導体層とを有することを特徴とするサブマウント。
2. 前記絶縁基板の一方の主面から他方の主面にかけて、前記配線導体層にろう材層が積層形成されたことを特徴とする請求項１に記載のサブマウント。
3. 平面視で、前記貫通孔に形成された配線導体層の内径をＸ、外径をＡとすると、Ｘ／Ａが８０％以上９５％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサブマウント。
4. 前記ろう材はＡｕ−Ｓｎからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のサブマウント。
5. 前記絶縁基体は窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のサブマウント。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のサブマウントと、前記絶縁基板の搭載部に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。
7. 前記半導体素子は発光素子または受光素子であり、前記貫通孔は前記発光素子または前記受光素子の発光部または受光部直下に近接するように設けられたことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。

Images