JP4537877B2 - Ceramic circuit board and semiconductor device using the same - Google Patents
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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。 The present invention relates to a ceramic wiring board used as a semiconductor element mounting board and the like and a semiconductor device using the same.
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)。 An insulating ceramic substrate such as an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate is used as a mounting substrate for various semiconductor elements such as an optical semiconductor element such as a laser diode or a photodiode. When a ceramic substrate is applied to a submount substrate of an optical semiconductor element, a wiring layer is formed on the surface by applying a thin film forming technique such as a vacuum deposition method or a PVD method such as a sputtering method, or a CVD method. (For example, refer to Patent Document 1).
図4は従来のセラミック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合金等からなる半田層6が形成されている。半田層6の表面は酸化防止のためにAu層7で覆われている場合もある。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional ceramic wiring board. In the figure,
なお、図4に示すセラミック配線基板においては、絶縁性セラミック基板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。
In the ceramic wiring substrate shown in FIG. 4, a conductor layer in which a
上述した主導体層4と半田層6との間に介在される第2の拡散防止層5は、半導体素子を半田層6のAu−Sn合金等を介して接合固定する際に、主導体層4のAuがAu−Sn合金等からなる半田層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が半田層6のAu−Sn半田合金中に拡散すると合金組成がAu過多(Auリッチ)となり、融点の上昇を招いてAu−Sn合金を半田付け温度(加熱温度)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。
しかしながら、従来のセラミック配線基板においてはAu−Sn合金半田の接合温度(半導体素子のマウント時の接合温度)が300℃以上必要であるため、接合後の冷却過程で半導体素子に熱応力が加わり、例えばレーザダイオードの場合、発光領域のダークリージョンやダークラインが導入され長期信頼性の低下や発光不良等の問題が生じていた。 However, in the conventional ceramic wiring board, the bonding temperature of the Au—Sn alloy solder (the bonding temperature at the time of mounting the semiconductor element) is required to be 300 ° C. or higher, so that a thermal stress is applied to the semiconductor element in the cooling process after bonding, For example, in the case of a laser diode, dark regions and dark lines in the light emitting region have been introduced, causing problems such as deterioration in long-term reliability and defective light emission.
Sn合金半田の接合温度を低くするためにSnにTi,Ag,Cu,Bi等を含有したSn系半田を用いることが考えられる。Ti,Ag,Cu,Bi等の少なくとも1種を含有したSn系半田の接合温度は250℃以下と低くなるため、半導体素子接合後の冷却過程での熱応力を小さくすることができる。
しかしながら、前記Sn系半田は、半導体素子のマウント時の熱によりTi,Ag,Cu,Bi等とSnが反応(合金化)してSn半田層中でSn合金が大きな塊となってしまう。Sn半田層中にSn合金の大きな塊が存在すると、冷却過程でSnとSn合金の熱膨張差からSnとSn合金塊の界面にクラックが入り、配線層の電気特性が劣化する。例えば、レーザダイオードをマウントした配線基板の配線層にクラックがあると、レーザダイオードの発光時の熱によりSnとSn合金の界面のクラックが進展してしまう(クラックが大きくなる)。クラックが進展すると、配線層の導電性が低下するのでレーザ発光する際のしきい値電流が徐々に上昇し、ついには発光しなくなるという問題を生じていた。
In order to lower the bonding temperature of the Sn alloy solder, it is conceivable to use Sn-based solder containing Ti, Ag, Cu, Bi or the like in Sn. Since the joining temperature of the Sn-based solder containing at least one of Ti, Ag, Cu, Bi, etc. is as low as 250 ° C. or less, the thermal stress in the cooling process after joining the semiconductor elements can be reduced.
However, the Sn-based solder reacts (alloys) with Ti, Ag, Cu, Bi, etc. due to heat at the time of mounting the semiconductor element, and the Sn alloy becomes a large lump in the Sn solder layer. If a large mass of Sn alloy is present in the Sn solder layer, cracks enter the interface between the Sn and Sn alloy mass due to the difference in thermal expansion between Sn and Sn alloy during the cooling process, and the electrical characteristics of the wiring layer deteriorate. For example, if there is a crack in the wiring layer of the wiring board on which the laser diode is mounted, the crack at the interface between Sn and Sn alloy develops due to the heat generated when the laser diode emits light (the crack becomes larger). When the crack progresses, the conductivity of the wiring layer is lowered, so that the threshold current when laser light is emitted gradually increases, and finally there is a problem that light is not emitted.
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、Sn半田層中のSn合金塊の発生を抑制することによって、配線層中のクラック等を防ぐことを可能にしたセラミック配線基板、および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。 The present invention has been made to cope with such problems, and suppresses the generation of Sn alloy lumps in the Sn solder layer when a semiconductor element or the like is bonded and mounted on the ceramic wiring board via the solder layer. Accordingly, an object of the present invention is to provide a ceramic wiring board that can prevent cracks in the wiring layer and the like, and a semiconductor device using the same.
本発明のセラミック配線基板は、セラミック基板の上面に、下地金属層、第1拡散防止層、導体層、第2拡散防止層、Ti、Ag、Cu、Biの少なくとも1種を主成分とする層と、AuまたはAu−Sn合金層、SnまたはSn合金からなる半田層が順次積層された配線層を具備していることを特徴とするものである。
また、前記AuまたはAu−Sn合金層の厚さが0.05μm以上0.5μm以下であることが好ましい。また、前記Au−Sn合金がAuを63%以上含有していることが好ましい。
また、前記第1拡散防止層および前記第2拡散防止層が、Pt、Pd、Niの少なくとも1種またはそれらを基とする合金からなることが好ましい。
また、前記Sn合金はSn含有量が90wt%以上であることが好ましい。また、前記Sn合金がAu,Ag,Al,Bi,Cu,Cr,Ga,Ge,Ni,Pt,Si,Ti,Znから選ばれる少なくとも1種以上を含有するSn合金であることが好ましい。
また、前記半田層が、組成の異なるSn合金を2層以上を具備した構造であることが好ましい。
また、前記Ti、Ag、Cu、Biの少なくとも1種を主成分とする層がTi層と、Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層の2層構造であることが好ましい。
The ceramic wiring board according to the present invention has a base metal layer, a first diffusion prevention layer, a conductor layer, a second diffusion prevention layer, and a layer mainly comprising at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi on the upper surface of the ceramic substrate. And a wiring layer in which a solder layer made of Au or Au—Sn alloy layer and Sn or Sn alloy is sequentially laminated.
The Au or Au—Sn alloy layer preferably has a thickness of 0.05 μm or more and 0.5 μm or less. The Au—Sn alloy preferably contains 63% or more of Au.
The first diffusion preventing layer and the second diffusion preventing layer are preferably made of at least one of Pt, Pd, and Ni or an alloy based on them.
The Sn alloy preferably has an Sn content of 90 wt% or more. The Sn alloy is preferably an Sn alloy containing at least one selected from Au, Ag, Al, Bi, Cu, Cr, Ga, Ge, Ni, Pt, Si, Ti, and Zn.
Moreover, it is preferable that the solder layer has a structure including two or more layers of Sn alloys having different compositions.
Moreover, it is preferable that the layer mainly containing at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi has a two-layer structure of a Ti layer and a layer mainly containing at least one of Ag, Cu, and Bi.
このような構成を具備するセラミックス配線基板は、前記半田層を介して半導体素子を搭載したことを半導体装置に用いることが可能である。また、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。 The ceramic wiring board having such a configuration can be used in a semiconductor device by mounting a semiconductor element through the solder layer. The semiconductor element is an optical semiconductor element.
本発明のセラミックス配線基板においては、セラミックス基板の上面に、下地金属層、第1拡散防止層、導体層、第2拡散防止層、Ti、Ag、Cu、Biの少なくとも1種を主成分とする層と、AuまたはAu−Sn合金層、SnまたはSn合金からなる半田層が順次積層された配線層を具備しているため、半導体素子との接合性(密着性および接合強度)が良い。従って、信頼性や動作特性等に優れる半導体装置を再現性よく提供することが可能となる。 In the ceramic wiring board of the present invention, the upper surface of the ceramic substrate is mainly composed of at least one of a base metal layer, a first diffusion prevention layer, a conductor layer, a second diffusion prevention layer, Ti, Ag, Cu, and Bi. Since a wiring layer in which a layer, an Au or Au—Sn alloy layer, and a solder layer made of Sn or Sn alloy are sequentially laminated is provided, the bondability (adhesiveness and bonding strength) to the semiconductor element is good. Therefore, it is possible to provide a semiconductor device with excellent reproducibility and operational characteristics with high reproducibility.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the drawings are provided for the purpose of illustration only, and the present invention is not limited to the drawings.
図1は本発明の一実施形態によるセラミック配線基板の要部構成を示す断面図である。
図1に示すセラミック配線基板は、絶縁性基板としてセラミック基板1を有している。セラミック基板1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(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(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を適用することが好ましい。また、熱伝導性の点からすると炭化ケイ素(SiC)も基板に好適である。なお、炭化ケイ素は半導電性を具備していることから、表面に絶縁膜を施すことにより配線基板として使用可能である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main configuration of a ceramic wiring board according to an embodiment of the present invention.
The ceramic wiring substrate shown in FIG. 1 has a
上述したようなセラミック基板1の主表面上には、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または半田材料の塗布等により配線層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はセラミック基板1上に順に積層形成された下地金属層2、第1の拡散防止層3、導体層4とを有している。また、導体層4はAuまたはAu合金からなる層であることが好ましい。
On the main surface of the
下地金属層2はセラミック基板1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、セラミック基板1に窒化物系セラミック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2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。
The
第1の拡散防止層3は、セラミック基板1や下地金属層2と導体層4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3の厚さは、例えば0.05〜0.4μmの範囲とすることが好ましい。厚さが0.05μm未満では拡散防止効果が十分得られない場合がある。一方、0.4μmを越えるとそれ以上の拡散防止効果が得られないだけでなくコストアップの要因にもなる。導体層4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。
The first
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10を有する接続部14が設けられている。接続部14はセラミック配線基板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5、Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8、AuまたはAu−Sn合金からなる層9、SnまたはSn合金からなる半田層10を有している。
A connecting
半田層10はSnまたはSn合金からなる。このような半田層10にはSn単体、あるいは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合金が用いられる。これらのうち、半田層10は上記したSn合金で構成することが好ましい。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、特にSn量が90質量%以上のSn合金であることが好ましい。Sn量が90質量%以上であると接合温度を250℃以下にすることができるので好ましい。半田層10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10の厚さが1μm未満だと半導体素子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膜が混合され)し組成ズレが起き易くなる。組成ズレの結果、接合層が硬化し応力が生じて半導体素子(例えばレーザダイオード)にクラックが入る等の不良を引き起こす原因になり易い。一方、5μmを越えて厚いとそれ以上の接合効果が得られないだけでなく、コストアップの要因になる。
The
上記した半田層10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10を構成することによって、半田層10の溶融状態を制御することができる。
The
また、半田層10の下層にはAuまたはAu−Sn合金からなる層9がある。AuまたはAu−Sn合金からなる層9は半田層10とTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8の間に形成される。AuまたはAu−Sn合金からなる層9は、半導体素子をマウントする際の加熱により、Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8とSnが反応し、Sn合金の大きな塊が生成されるのを抑制することができる。
AuまたはAu−Sn合金からなる層9としては、Au−Sn合金層であることが好ましく、さらに好ましくはAuを63質量%以上含有するAu−Sn合金である。Auが63質量%以上であるとTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種とSnの合金からなる大きな塊ができるのを抑制する効果が高くなる。
Further, there is a layer 9 made of Au or Au—Sn alloy below the
The layer 9 made of Au or Au—Sn alloy is preferably an Au—Sn alloy layer, more preferably an Au—Sn alloy containing 63 mass% or more of Au. When Au is 63 mass% or more, the effect of suppressing the formation of a large lump made of an alloy of at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi and Sn is enhanced.
次に、AuまたはAu−Sn合金からなる層9の下には、Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8が存在する。Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8は各元素1種類からなる層であってもよいし、各元素を主成分とする合金層であってもよい。合金としてはAg−Cu合金、Ag−Bi合金等が挙げられる。Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8はSnと合金化し、接続部14の融点を下げることができる。接続部14の融点が下がれば半導体素子のマウント時の加熱温度を250℃以下と下げることができるのでマウント時の加熱で発生する熱応力を抑制することができる。Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8の厚さは0.5〜1.5μmの範囲が好ましい。
Next, under the layer 9 made of Au or Au—Sn alloy, there is a layer 8 whose main component is at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi. The layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi may be a layer composed of one kind of each element, or may be an alloy layer mainly composed of each element. Examples of the alloy include an Ag—Cu alloy and an Ag—Bi alloy. The layer 8 containing at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi as a main component can be alloyed with Sn, and the melting point of the
また、Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8は、図2に示したようなTi層8−1とAg,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8−2の2層構造であってもよい。また、下層(第2の拡散防止層5側)にTi層8−1、上層(AuまたはAu−Sn合金からなる層9側)にAg,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8−2を形成する構成が好ましい。Ti層8−1は第2の拡散防止層5と濡れ性が良いので接合強度を向上させることができる。
例えば、蒸着やスパッタ法によりTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする合金膜を形成する場合、蒸着源(またはスパッタターゲット)として2種を用意した2元蒸着法または予め合金化した蒸着源(または合金ターゲット)を用意する必要がある。しかしながら、Ti,Ag,Cu,Biから2種以上を含有した合金では、それぞれの元素の蒸着レート(またはスパッタレート)が異なることから目的とする合金組成の合金膜を形成し難い。一方、上記のような2層構造であれば、加熱により溶融混合した際に目的とする合金組成となるような膜厚で形成する方法を用いることができる。この場合、1種の元素の蒸着源(またはスパッタターゲット)を用いて1層ずつ形成する方法により2層構造を形成することができるので製造性が向上する。
The layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi is a layer mainly composed of Ti layer 8-1 and Ag, Cu, and Bi as shown in FIG. It may be a two-layer structure of 8-2. In addition, the lower layer (second
For example, when forming an alloy film containing at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi as a main component by vapor deposition or sputtering, a binary vapor deposition method in which two types are prepared as a vapor deposition source (or sputtering target) or an alloy in advance It is necessary to prepare a vaporized vapor deposition source (or alloy target). However, in an alloy containing two or more of Ti, Ag, Cu, and Bi, the deposition rate (or sputtering rate) of each element is different, so that it is difficult to form an alloy film having a target alloy composition. On the other hand, if it is the above two-layer structure, the method of forming with the film thickness which becomes the target alloy composition when it melt-mixes by heating can be used. In this case, since a two-layer structure can be formed by a method of forming one layer at a time using a deposition source (or sputtering target) of one kind of element, productivity is improved.
また、Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8の下には第2の拡散防止層5が存在する。第2の拡散防止層5は導体層4とTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8との間における元素の拡散を防止するものである。材質としては第1の拡散防止層3と同様に、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2の拡散防止層3の厚さは、例えば0.05〜0.4μmの範囲とすることが好ましい。
第2の拡散防止層5は、導体層4としてのAu層と例えばTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8を具備する接続部14との間における元素の拡散を防止するものである。層8中に導体層4のAuが拡散すると、マウント時の加熱により層8、層9、層10が混ざり合った際にAuリッチな接続層13になってしまう。Auリッチな接続層になると接合強度が低下する。
The second
The second
このように、配線層12として下地金属層2、第1の拡散防止層3、導体層4を具備し、接続部14として、第2の拡散防止層5、Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8、AuまたはAu−Sn合金からなる層9、SnまたはSn合金からなる半田層10を具備したセラミック配線基板は、半導体素子マウント時に接合部13中にSnとTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種からなるSn合金の大きな塊の発生を抑制できる。例えば、SnとTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種からなるSn合金の最大径を1.5μm以下にすることができる。この結果、接続部14中にSnとTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種からなるSn合金の粒が小さく分散した状態となり、SnとSn合金の界面に掛かる応力を小さく分散させることができSnとSn合金の界面にクラックが発生し難くなり、半導体素子の接合をより強固なものにすることができる。また、接合が強固になると半導体素子稼動中においても接合部にクラックが生じ難くなる。このため、本発明の半導体装置は信頼性および動作特性が向上したものであると言える。
As described above, the
ここで、図1および図2は配線部13と接続部14の横方向のサイズは「配線部13の幅≧接続部14の幅」であれば特に問題はなく、それぞれパターン形状に形成されていても良い。また、配線部13を構成する下地金属層2、第1の拡散防止層3、導体層4の幅方向のサイズも「下地金属層2の幅≧第1の拡散防止層3の幅≧導体層4の幅」の関係であれば問題はない。また、接続部14の横方向の幅も「第2の拡散防止層5の幅≧Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8の幅≧AuまたはAu−Sn合金層9の幅≧SnまたはSn合金半田層10の幅」の関係であれば問題はない。
Here, in FIGS. 1 and 2, there is no particular problem if the horizontal size of the
また、好ましい形態としては、「導体層4の幅≧第2の拡散防止層5>Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8の幅≧AuまたはAu−Sn合金層9の幅≧SnまたはSn合金半田層10の幅」が挙げられる。「第2の拡散防止層5>Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8の幅」であると、半導体素子等の接合時に加熱溶融して半田層10が濡れ広がった際、半田層10より幅広の第2の拡散防止層5があれば半田層10の濡れ広がりを抑制することができる。
言い換えると、半田層10の濡れ広がり領域をSn合金等に対して濡れ性が低い第2の拡散防止層5上のみとすることができる。これによって、半田層10の濡れ広がりによる導体層4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)等を抑制することが可能となる。さらに、半田層10の濡れ広がり領域を制限することで、半田層10の高さ変動が抑制されるため、半導体素子等の高さ方向の位置不良等を防ぐことが可能となる。
Further, as a preferable form, “width of
In other words, the wet spreading area of the
第2の拡散防止層5の形状は、半田層10の濡れ広がり領域の拡大抑制効果を得る上で、その外周部が半田層10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。第2の拡散防止層5の半田層10の端部からのはみ出し量が1μmより小さいと、半田層10が溶融した際に第2の拡散防止層5を超えて濡れ広がるおそれがある。なお、はみ出し量が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5の幅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5のはみ出し量は、半田層10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14の形成密度等を考慮すると、第2の拡散防止層10のはみ出し量は50μm以下とすることがより好ましい。
The shape of the second
また、実施の形態としては図3に示したようにSnまたはSn合金からなる半田層10上にAu層11を設けても良い。Au層11はSnまたはSn合金からなる半田層10の酸化を防止することができる。
As an embodiment, the Au layer 11 may be provided on the
次に、本発明の一実施形態による半導体装置について、図5を参照して説明する。図5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5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。
Next, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a structural example of a laser device to which the semiconductor device of the present invention is applied. In FIG. 5, 30 is a two-wavelength laser diode. That is, the two-
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配線基板10上に接合搭載されている。セラミック配線基板20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。
Such a two-
上述した実施形態のレーザ装置(半導体装置)では、セラミック配線基板20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中に大きなSn合金塊の発生を抑制することができる。これらよって、セラミック配線基板20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、接続部14の抵抗増大およびそれに基づくレーザダイオード30の動作電流の上昇等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。
In the laser device (semiconductor device) of the above-described embodiment, when the
なお、図5はセラミック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光半導体素子に対して有効である。
製造方法は特に限定されるものではないが、好ましい製法の一例として次のものが挙げられる。
まず、配線層12を構成する下地金属層2、第1拡散防止層3、導体層4をスパッタ法により順次成膜していく。次に必要に応じ、接続部14となる部分を開口させてレジストを塗布した後、第2拡散防止層5をスパッタ法により成膜する。
次に、Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8、AuまたはAu−Sn合金からなる層9、SnまたはSn合金からなる半田層10を真空蒸着により順次成膜していく。
また、必要に応じ、SnまたはSn合金からなる半田層10上にAu層11を真空蒸着法により形成するものとする。
このようにスパッタ法または真空蒸着法を用いることが好ましい。特にTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8、AuまたはAu−Sn合金からなる層9、SnまたはSn合金からなる半田層10は半導体素子マウント時の加熱により溶融混合されて所定組成の半田層を形成する。このとき、各層の厚さが均一でないと溶融混合した際の半田層中の組成にバラツキが生じてしまう。組成のバラツキが生じると、Ti、Ag等を主成分とする層8の厚い部分では大きなSn合金粒ができ易くなってしまう。
また、半導体素子をマウントする際、本発明のセラミック配線基板はTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8を設けていることから、AuまたはAu−Sn合金からなる層9、SnまたはSn合金からなる半田層10を設けているにも関わらず、接合温度を300℃以下、さらには250℃以下と低くすることができる。
Although FIG. 5 shows an embodiment in which a laser diode is applied as a semiconductor element bonded and mounted on a ceramic wiring board, the semiconductor device of the present invention is not limited to this, and various semiconductor elements are connected to ceramic wiring. It can be applied to a semiconductor device bonded and mounted on a substrate. The semiconductor element applied to the semiconductor device of the present invention is not limited, but is particularly effective for an optical semiconductor element such as a laser diode or a photodiode.
Although a manufacturing method is not specifically limited, The following are mentioned as an example of a preferable manufacturing method.
First, the
Next, a layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi, a layer 9 made of Au or Au—Sn alloy, and a
If necessary, the Au layer 11 is formed on the
Thus, it is preferable to use a sputtering method or a vacuum evaporation method. In particular, the layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi, the layer 9 made of Au or Au—Sn alloy, and the
Further, when mounting the semiconductor element, the ceramic wiring substrate of the present invention is provided with the layer 8 containing at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi as a main component, and therefore a layer made of Au or Au—Sn alloy. 9. Although the
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。 Next, specific examples of the present invention and evaluation results thereof will be described.
実施例1〜12、参考例1
まず、セラミック基板1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1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2、厚さ0.2μmのPt膜からなる第1の拡散防止層3、導体層4として厚さ0.5μmのAu層を順に積層した。
Examples 1 to 12, Reference Example 1
First, an aluminum nitride sintered body substrate having a diameter of 75 mm and a height of 0.2 mm was prepared as the
次いで、導体層4上に、1mm×0.5mmの矩形の開口部を有するレジストを形成した後、スパッタ法により厚さ0.2μmのPt膜からなる第2の拡散防止層5を積層形成した。
第2の拡散防止層5の上面に、真空蒸着法により表1に示したTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8、AuまたはAu−Sn合金層9、SnまたはSn合金半田層10を形成した。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。
Next, a resist having a rectangular opening of 1 mm × 0.5 mm was formed on the
On the upper surface of the second
比較例1〜3
AuまたはAu−Sn合金層9の形成を省略する以外は、上記した実施例1〜12、参考例1と同様にして試料を作製し、後述する特性評価に供した。
上述した実施例1〜12、参考例1および比較例1〜3の各セラミック配線基板(表1に構成を示す各試料)について、接続層13中のSn合金粒の最大径、半導体素子との密着性および接合強度(シェア強度)を以下のようにして測定、評価した。
Comparative Examples 1-3
Samples were prepared in the same manner as in Examples 1 to 12 and Reference Example 1 except that the formation of the Au or Au—Sn alloy layer 9 was omitted, and subjected to characteristic evaluation described later.
About each ceramic wiring board (each sample which shows a structure in Table 1) of Examples 1-12 mentioned above , Reference example 1, and Comparative Examples 1-3, the maximum diameter of Sn alloy grain in
[接続部14中のSn合金粒の最大径]
半導体素子接合後の接続部14の断面をSEMにより拡大写真を取り、そこに写ったSn合金粒の最も長い対角線を最大径とした。なお、拡大写真は50μm×50μmを3箇所測定した。
[半導体素子との密着性]
各例の配線基板上にSiチップを搭載した後、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6個ずつ実施した。シェアテストにおいて、密着性が良好な場合はSiチップ内部での破壊モードを示す。この際、Siの破壊強度は材料強度によるので、シェア強度の数値はばらつきが大きいものとなる。そこで、密着性の判断は一定強度(当該サイズでは1200kgf)以上の値でSi破壊モードを示す場合に密着性良好と判断し、全ての試料が良好なものを○、3〜5個の試料が良好なものを△、良好な試料が2個以下の場合を×とした。シェア強度の平均値と併せて評価結果を表1に示す。
[Maximum diameter of Sn alloy grain in connecting portion 14]
An enlarged photograph of the cross section of the connecting
[Adhesion with semiconductor elements]
After mounting the Si chip on the wiring board of each example, a shear test was performed in which a load was applied from the lateral direction of the Si chip. Six share tests were conducted for each case. In the shear test, when the adhesion is good, the fracture mode inside the Si chip is shown. At this time, since the fracture strength of Si depends on the material strength, the numerical value of the shear strength varies greatly. Therefore, the judgment of adhesion is judged as good adhesion when the Si fracture mode is shown with a value of a certain strength (1200 kgf for the size) or more, and all samples are good. A good sample was indicated by Δ, and a sample having two or less good samples was indicated by ×. The evaluation results are shown in Table 1 together with the average value of the shear strength.
表1から分かる通り、本実施例にかかるセラミック配線基板は半導体素子との密着性も良好で、かつ接合強度(シェア強度)も高いことが分かった。
一方、比較例のものはAuまたはAu−Sn合金からなる層9がないので密着性および接合強度が共に悪い値であった。
As can be seen from Table 1, it was found that the ceramic wiring board according to the present example has good adhesion to the semiconductor element and high bonding strength (shear strength).
On the other hand, since the comparative example does not have the layer 9 made of Au or Au—Sn alloy, both the adhesion and the bonding strength were bad values.
実施例14〜16
実施例1のセラミックス配線基板に対して、第2の拡散防止層5の幅(a)とTi,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層8の幅(b)の関係を、(a)=(b)を実施例14、(a)−(b)=10μmを実施例15、(a)−(b)=40μmを実施例16とした。
各実施例に係るセラミックス配線基板おいて、半田層の濡れ広がり性試験を行った。試験としては、半導体素子は載せずに各セラミックス配線基板を250℃×30秒加熱した後、金属顕微鏡(100倍)で半田層の濡れ広がり状態を確認した。
その際、最初の状態から比較して、実施例14は50μm、実施例15および実施例16は共に2μmであった。
濡れ広がり状態が小さければ、半導体素子を搭載した際の高さ不良等の接続不良がおき難くなる。また、実施例15および実施例16の結果から(a)−(b)は10μm以上あれば十分であることが分かる。
Examples 14-16
The relationship between the width (a) of the second
In the ceramic wiring board according to each example, the solder layer wettability test was performed. As a test, each ceramic wiring board was heated at 250 ° C. for 30 seconds without placing a semiconductor element, and then the wet spreading state of the solder layer was confirmed with a metal microscope (100 times).
At that time, compared with the initial state, Example 14 was 50 μm, and both Example 15 and Example 16 were 2 μm.
If the wetting and spreading state is small, it becomes difficult to cause a connection failure such as a height failure when the semiconductor element is mounted. Further, from the results of Example 15 and Example 16, it is understood that it is sufficient that (a)-(b) is 10 μm or more.
1…セラミック基板
2…下地金属層
3…第1の拡散防止層
4…導体層
5…第2の拡散防止層
6…半田層
7…酸化防止層
8…Ti,Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層
8−1…Ti層
8−2…Ag,Cu,Biの少なくとも1種を主成分とする層
9…AuまたはAu−Sn合金からなる層
10…SnまたはSn合金からなる半田層
11…Au層
12…配線層
13…配線部
14…接続部
20…セラミックス配線基板
30…レーザダイオード
31,32…発光素子部
34,35…個別電極
36…共通電極
DESCRIPTION OF
Claims (9)
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。 The semiconductor device according to claim 8 .
The semiconductor device is an optical semiconductor element.
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