JP4363761B2

JP4363761B2 - 配線基板

Info

Publication number: JP4363761B2
Application number: JP2000263031A
Authority: JP
Inventors: 雄一朗山口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP2002151629A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を支持するための配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体素子を搭載するための配線基板を図２に示す。同図において、１１は窒化アルミニウムセラミックス等から成る絶縁基板、１２はＴｉ等から成る密着金属層、１３はＰｔ等から成る第１の拡散防止層、１４はＡｕから成る主導体層であり、１５はＰｔから成る第２の拡散防止層であり、１６は半導体素子を接着させるためのＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層である。
【０００３】
絶縁基板１１の上面に被着されたＡｕから成る主導体層１４と半導体素子を接着固定するＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層１６との間に、Ｐｔから成る第２の拡散防止層１５を配した構造にすることで、半導体素子をロウ材層１６を介して接着固定する際、主導体層１４のＡｕがロウ材層１６のＡｕ−Ｓｎ合金中に拡散するのを第２の拡散防止層１５によって有効に防止するものである。また、ロウ材層１６はその融点が高くなることはなく、接着時の所定の温度で完全に溶解して半導体素子を配線基板上に確実、強固に接着できることができるものであり、この構成は本出願人が提案したものである（特開平１１−３０７６９２号公報参照）。
【０００４】
なお、図２において、絶縁基板１１の下面にはその略全面に密着金属層１２、第１の拡散防止層１３、主導体層１４が順次積層されて成る導体層が形成されており、この導体層は、絶縁基板１１を外部電気回路基板上やパッケージ内に載置固定するための接続用として用いられる。また、この導体層は接地導体層としても使用される場合がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例において、第２の拡散防止層１５を構成するＰｔの厚みが厚い場合、半導体素子を接着するために配線基板を加熱した際、第２の拡散防止層１５を構成するＰｔ中に、その上部に被着されたロウ材層１６を構成するＡｕ−Ｓｎ合金中のＳｎが急速に拡散し、その結果、ロウ材層１６を構成するＡｕ−Ｓｎ合金の組成がＡｕ過多（Ａｕリッチ）となり、融点の上昇を招き易いことがわかった。従って、接着時の所定の温度でロウ材層１６のＡｕ−Ｓｎ合金を完全に溶融させることができず、半導体素子と配線基板とが強固に接着され難いという問題があった。
【０００６】
また、このような問題を解消するために、ロウ付け温度を上げ、ロウ材を完全に溶融させることも考えられるが、ロウ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に熱破壊が生じたり、特性が劣化し、半導体素子が誤作動するという問題を誘発していた。
【０００７】
一方、レーザダイオード（ＬＤ：半導体レーザ）やフォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を搭載する配線基板の場合、ロウ材層１６が光半導体素子の側壁面に這い上がると光の進路が塞がれてしまう。これを防ぐために、ロウ材層１６の厚みをさらに薄くすることが検討されている。しかし、この場合も上述したように、半導体素子を接着するために配線基板を加熱した際に、第２の拡散防止層１５を構成するＰｔ中に、ロウ材層１６を構成するＡｕ−Ｓｎ合金中のＳｎが急速に拡散して、ロウ材層１６を構成するＡｕ−Ｓｎ合金の組成がＡｕリッチとなり、ロウ材層１６の融点の上昇を招き、接着時の所定の温度でＡｕ−Ｓｎ合金を完全に溶融させることができず、半導体素子と配線基板とが強固に接着され難いという問題があった。
【０００８】
従って、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は、半導体素子を配線基板に、Ａｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層を介して接着固定するにあたり、Ａｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層のＳｎが第２の拡散防止層に拡散し、Ａｕ−Ｓｎ合金の融点が上昇するのを有効に防止し、接着時の所定の温度でＡｕ−Ｓｎ合金を完全に溶融させ、半導体素子を確実、強固に接着固定することができる配線基板を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、絶縁基板の上面に、密着金属層、第１の拡散防止層、Ａｕより成る主導体層、ＰｔとＳｎとのモル比が１：２〜６：１であるＰｔ−Ｓｎ合金より成る第２の拡散防止層、Ａｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層が順次積層された配線導体層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、Ａｕより成る主導体層とＡｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層との間に、ＰｔとＳｎとのモル比が１：２〜６：１であるＰｔ−Ｓｎ合金より成る第２の拡散防止層を設けたことにより、Ａｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層中のＳｎが多量に第２の拡散防止層内に拡散することを防ぐことができる。その結果、Ａｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層がＡｕリッチになることによるロウ材層の融点上昇を防ぐことができる。つまり、ロウ材層中のＡｕとＳｎとの組成比が大きく変化することがないため、接着時の所定の温度によってＡｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層を完全に溶融させることができ、半導体素子を確実、強固に接着固定することができる。
【００１１】
また、Ｐｔ−Ｓｎ合金より成る第２の拡散防止層のＰｔとＳｎとのモル比を１：２〜６：１としたことにより、Ｐｔ₃ＳｎまたはＰｔＳｎと表される融点の高いＰｔ−Ｓｎ合金層が形成されるため、Ａｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層中のＳｎが多量に第２の拡散防止層内に拡散することをより効果的に防ぐことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の配線基板について以下に説明する。図１は、本発明の配線基板の断面図である。同図において、１は絶縁基板、２は密着金属層、３は第１の拡散防止層、４はＡｕより成る主導体層、５はＰｔ−Ｓｎ合金より成る第２の拡散防止層、６はＡｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層である。絶縁基板１は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）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、ガラスセラミック焼結体、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）質焼結体、石英、ダイヤモンド、サファイア、立方晶窒化硼素、または熱酸化膜を形成したシリコンのうち少なくとも１種より成るのがよく、これらは体積抵抗率ρが１０¹⁰Ω・ｍ以上で絶縁性が良好である。
【００１３】
なお、絶縁基板１は、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ダイヤモンド、シリコンで形成するのがより好ましく、これらの熱伝導率は４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、配線基板の上面に接着固定される半導体素子が駆動時に熱を発しても、その熱は配線基板を介して良好に外部に伝達されるため、半導体素子を長時間にわたり正常かつ安定に作動させることが可能となる。
【００１４】
また、絶縁基板１としてガラスセラミック焼結体や石英を用いることもより好ましく、これらの比誘電率は６以下（１ＭＨｚでの測定）と小さいために、絶縁基板１が浮遊容量を持たず、その結果半導体素子に電気信号を高速で伝達させることが可能となる。
【００１５】
絶縁基板１の上面に被着される配線導体層の成膜は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ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は、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。
【００１６】
密着金属層２は、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴａ₂Ｎ等のうち少なくとも１種類より成るのがよく、第１の拡散防止層３は、例えばＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴｉ−Ｗ合金等のうち少なくとも１種類より成るのがよい。
【００１７】
密着金属層２の厚さは０．０１〜０．２μｍ程度が良い。０．０１μｍ未満では、強固に密着することが困難となる傾向にあり、０．２μｍ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。
【００１８】
また、第１の拡散防止層３の厚さは０．０５〜１μｍ程度が良く、０．０５μｍ未満ではピンホール等の欠陥が発生して第１の拡散防止層３としての機能を果たしにくい傾向にあり、１μｍを超えると成膜時の内部応力により剥離が生じ易くなる。
【００１９】
さらに、Ａｕより成る主導体層４の厚さは０．１〜５μｍ程度が良い。０．１μｍ未満では、電気抵抗が大きくなる傾向にあり、５μｍを超えると成膜時の内部応力により剥離を生じ易くなる。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、低コスト化の点で薄く形成することが好ましい。
【００２０】
Ａｕより成る主導体層４とＡｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層６との間に配置された、Ｐｔ−Ｓｎ合金より成る第２の拡散防止層５の厚みは０．０１〜１μｍ程度が良い。０．０１μｍ未満では、第２の拡散防止層５の上層のＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層６中のＳｎが、第２の拡散防止層５の下層のＡｕ層から成る主導体層４中に拡散することを防ぐのに十分でない。また１μｍを超えると成膜時の内部応力により剥離を生じ易くなる。
【００２１】
本発明において、第２の拡散防止層５を形成するＰｔ−Ｓｎ合金のＰｔとＳｎのモル比は１：２〜６：１の範囲内である。このモル比が１：２、即ちＰｔが３３．３％未満の含有率の場合、Ｓｎがリッチな状態となり、このＳｎが第２の拡散防止層５の下層の主導体層４のＡｕ中へ拡散し、Ａｕ−Ｓｎ化合物が形成される。その際に生じる体積収縮によってカーケンダールボイドと呼ばれる脆い合金層が出来てしまい、その結果この脆い合金層から剥離が発生する危険性がある。
【００２２】
また、モル比が６：１、即ちＰｔが８５．７％を超える含有率の場合、Ｐｔがリッチな状態となり、第２の拡散防止層５の上面のＡｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層６中のＳｎが第２の拡散防止層５側へ拡散してしまい、ロウ材層６の融点の上昇を招く。その結果、接着時の所定の温度（２８０〜３３０℃程度）でＡｕ−Ｓｎ合金を完全に溶融させることができず、半導体素子と配線基板とが強固に接続され難い傾向にある。好ましくは、ＰｔとＳｎのモル比は１：１〜３：１がよい。
【００２３】
第２の拡散防止層５を構成するＰｔ−Ｓｎ合金のＰｔとＳｎとのモル比を制御する方法としては、スパッタリング法であれば、スパッタリングターゲットを所望のＰｔとＳｎとのモル比で作製し、そのターゲットを用いて成膜する方法がある。
【００２４】
半導体素子を接着固定するＡｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層６の厚みは、０．５〜５μｍ程度が良く、０．５μｍ未満では、半導体素子を強固に接着することが困難となり、５μｍを超えると成膜時の内部応力により剥離を生じ易くなり、またＡｕ−Ｓｎ合金を構成するＡｕは貴金属で高価であることから、薄く形成する方が低コスト化の点で好ましい。
【００２５】
また、Ａｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層６の上面に０．１μｍ程度の厚さのＡｕ層を被着して、ロウ材層６の表面酸化を防ぐ構造としてもよい。
【００２６】
なお、図１において、絶縁基板１の下面にはその略全面に密着金属層２、第１の拡散防止層３、主導体層４が順次積層されて成る導体層が形成されており、この導体層は、絶縁基板１を外部電気回路基板上やパッケージ内に載置固定するための接続用として用いられる。また、その際接地導体層として使用してもよい。
【００２７】
配線基板に形成する配線導体層は、配線基板の一方の主面だけでなく、その主面の反対側の主面や側面に形成してもよい。また、その層構成を主面と同様にしても、または異なるものとしても構わない。
【００２８】
かくして、本発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層６中のＳｎが多量に第２の拡散防止層５内に拡散することを防ぎ、ロウ材層６がＡｕリッチになることによるその融点上昇を防ぐことができる。また、Ｐｔ−Ｓｎ合金より成る第２の拡散防止層５のＰｔとＳｎとのモル比を１：２〜６：１としたことにより、Ｐｔ₃ＳｎまたはＰｔＳｎと表される融点の高いＰｔ−Ｓｎ合金層が形成されるため、ロウ材層６中のＳｎが多量に第２の拡散防止層５内に拡散することをより効果的に防ぐことができる。
【００２９】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明する。
【００３０】
（実施例）
図１の配線基板を以下の工程［１］〜［３］により作製した。
【００３１】
［１］絶縁基板１として、寸法が縦３ｍｍ×横３ｍｍ×高さ０．４ｍｍで窒化アルミニウム質焼結体から成るものを用意し、絶縁基板１を洗浄後、真空蒸着法により、厚さが０．１μｍのＴｉより成る密着金属層２、厚さが０．２μｍのＰｔより成る第１の拡散防止層３、厚さが０．５μｍのＡｕより成る主導体層４を順次積層させた。
【００３２】
［２］この主導体層４上に、ＰｔとＳｎの２つのターゲットを用いて同時に成膜を行う２元同時スパッタリング法により、Ｐｔ−Ｓｎ合金より成る第２の拡散防止層５を形成した。このとき、２つのターゲットに印加される電力を変化させることによりＰｔとＳｎとのモル比を制御して、下記表１のように各種のモル比のＰｔ−Ｓｎ合金から成る第２の拡散防止層５をそれぞれ被着し、各種サンプルを作製した。各サンプルの第２の拡散防止層５の厚みは０．２μｍで一定となるようにした。
【００３３】
［３］第２の拡散防止層５の上面に、Ａｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層６をスパッタリング法により厚さ２μｍ形成した。
【００３４】
上記のようにして作製した各種配線基板（表１のサンプル番号１〜１２）について、半導体素子との密着性およびロウ材層６の濡れ性に関して以下のような評価を行った。
【００３５】
［半導体素子との密着性］３００〜３３０℃程度の温度に保持したヒータブロック上に配線基板を置き、約１０秒後に、配線基板に接着される側の面にＴｉ（厚さ０．０５μｍ）、Ｐｔ（厚さ０．１μｍ）、Ａｕ（厚さ０．１μｍ）が順次被着形成されたＳｉチップ（寸法は縦１ｍｍ×横１ｍｍ×高さ０．４ｍｍであり、Ｓｉを半導体材料とした半導体素子）を、ロウ材層６上に載置し接着して搭載した。
【００３６】
Ｓｉチップを搭載した配線基板を冷却後、Ｓｉチップの横方向から荷重を加えるシェアテストを１２種類のサンプルについて、各１０個づつ行った。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チップ自身の破壊または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に密着性良好とした。破壊モードがロウ材層６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に密着性不良とした。なお、１０個全ての試料がすべて密着性良好のものを◎、１個密着性不良のものを○、２個密着性不良のものを△とし、３個以上の密着不良が発生したものを×とした。
【００３７】
［ロウ材層の濡れ性］３３０℃の温度に保持したヒータブロック上に配線基板を置き、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、約３０秒後のロウ材層６表面の光沢の変化によって、ロウ材層６の濡れ性の評価を行った。ロウ材層６の融点が保持されている温度より上昇した場合、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。ロウ材層６の濡れ性の判定は、表面光沢があるものを○、やや光沢に劣るものを△、光沢が無くざらついた表面になったものを×とした。
【００３８】
１２種類のサンプルの構成と、上記２種類の評価結果をまとめたものを表１に示す。この結果から、第２の拡散防止層５を形成するＰｔとＳｎのモル比は１：２〜６：１の範囲において、半導体素子との密着性およびロウ材層の濡れ性が良好であることがわかった。
【００３９】
【表１】

【００４０】
なお、本発明は上記実施例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内において種々の変更を行なうことは何等差し支えない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、絶縁基板の上面に、密着金属層、第１の拡散防止層、Ａｕより成る主導体層、ＰｔとＳｎとのモル比が１：２〜６：１であるＰｔ−Ｓｎ合金より成る第２の拡散防止層、Ａｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層が順次積層された配線導体層が形成されていることにより、半導体素子を配線基板にＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層を介して接着固定するにあたり、Ａｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層のＳｎが第２の拡散防止層に拡散してＡｕ−Ｓｎ合金の融点が上昇するのを有効に防止し、接着時の所定の温度でＡｕ−Ｓｎ合金を完全に溶融させ、半導体素子を確実、強固に接着固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の断面図である。
【図２】従来の配線基板の断面図である。
【符号の説明】
１：絶縁基板
２：密着金属層
３：第１の拡散防止層
４：主導体層
５：第２の拡散防止層
６：ロウ材層

Claims

絶縁基板の上面に、密着金属層、第１の拡散防止層、Ａｕより成る主導体層、ＰｔとＳｎとのモル比が１：２〜６：１であるＰｔ−Ｓｎ合金より成る第２の拡散防止層、Ａｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層が順次積層された配線導体層が形成されていることを特徴とする配線基板。