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, reference numeral 1 denotes an insulating ceramic substrate made of, for example, an aluminum nitride sintered body. The surface of the insulating substrate is Au via a base metal layer 2 made of Ti or the like and a first diffusion prevention layer 3 made of Pt or the like. A main conductor layer 4 is formed. A solder layer 6 made of an Au—Sn alloy or the like is formed on a connection portion (electrode connection portion) of the main conductor layer 4 with the semiconductor element via a second diffusion prevention layer 5 made of Pt or the like. The surface of the solder layer 6 may be covered with an Au layer 7 to prevent oxidation.

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 base metal layer 2, a first diffusion prevention layer 3, and an Au layer (main conductor layer) 4 are sequentially laminated on the lower surface side of the insulating ceramic substrate 1. Is provided. The conductor layer on the lower surface side may be used as a bonding metal layer when the insulating ceramic substrate 1 is disposed and fixed on an external circuit board or in a package, or may be used as a ground conductor layer or the like.

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。
特開2002-252316号公報
The second diffusion prevention layer 5 interposed between the main conductor layer 4 and the solder layer 6 described above is used when the semiconductor element is bonded and fixed via the Au—Sn alloy or the like of the solder layer 6. 4 Au is prevented from diffusing into the solder layer 6 made of Au—Sn alloy or the like. This is because if the Au of the main conductor layer 4 diffuses into the Au—Sn solder alloy of the solder layer 6, the alloy composition becomes excessively Au (Au rich), leading to an increase in melting point and the soldering temperature (heating) of the Au—Sn alloy. (Temperature) cannot be completely melted, resulting in a decrease in bonding strength.
JP 2002-252316 A

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(Si34)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(Al23)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 ceramic substrate 1 as an insulating substrate. The ceramic substrate 1 includes, for example, a nitride-based ceramic (sintered body) mainly composed of aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), or the like, or mainly composed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or the like. An oxide ceramic (sintered body) is used. Of these, nitride ceramics are preferably applied because of their excellent thermal conductivity. From the viewpoint of thermal conductivity, silicon carbide (SiC) is also suitable for the substrate. In addition, since silicon carbide has semiconductivity, it can be used as a wiring board by providing an insulating film on the surface.

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 ceramic substrate 1 as described above, for example, a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, a laser deposition method, a PVD method such as an ion beam deposition method. The wiring layer 12 is formed by a thin film forming method such as a CVD method such as a thermal CVD method, a plasma CVD method or a photo CVD method, or a plating method, or by applying a solder material. The wiring layer 12 has a wiring part 13 and a connection part 14. The wiring portion 13 includes a base metal layer 2, a first diffusion prevention layer 3, and a conductor layer 4 that are sequentially stacked on the ceramic substrate 1. The conductor layer 4 is preferably a layer made of Au or an Au alloy.

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 base metal layer 2 contributes to improvement in adhesion and adhesion strength between the ceramic substrate 1 and the wiring layer 12, for example, at least one selected from Ti, Zr, Hf, Nb, Cr, Ta and Ni. Alloys based on these are used. Of these, when a nitride ceramic is applied to the ceramic substrate 1, it is preferable to apply an active metal such as Ti, Zr, Hf, or Nb. The thickness of the base metal layer 2 is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.1 to 0.4 μm, for example.

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 diffusion prevention layer 3 prevents diffusion of elements between the ceramic substrate 1 or the base metal layer 2 and the conductor layer 4. For example, at least one selected from Pt, Pd and Ni, or these may be used. A base alloy is used. The thickness of the first diffusion preventing layer 3 is preferably in the range of 0.05 to 0.4 μm, for example. If the thickness is less than 0.05 μm, the diffusion preventing effect may not be sufficiently obtained. On the other hand, if the thickness exceeds 0.4 μm, not only a further diffusion preventing effect cannot be obtained, but also the cost increases. The conductor layer 4 functions as the main conductor layer of the wiring part 13, and the thickness thereof is preferably in the range of 0.1 to 0.3 μm, for example. The wiring part 13 has a wiring pattern according to a desired circuit shape or the like.

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 portion 14 having a solder layer 10 is provided at a position where the wiring portion 13 is connected to the semiconductor element. The connecting portion 14 is provided in a desired shape at a position corresponding to the electrode of the semiconductor element bonded and mounted on the ceramic wiring substrate, and has a function of electrically and mechanically connecting the wiring portion 13 and the semiconductor element. Is. The connection portion 14 has a shape corresponding to the electrode of the semiconductor element, for example, a shape such as a rectangle or a circle, and the size is also the same. Such a connection portion 14 includes a second diffusion prevention layer 5 that is sequentially stacked at a desired position on the wiring portion 13, a layer 8 that contains at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi as a main component, Au Or it has the layer 9 which consists of Au-Sn alloy, and the solder layer 10 which consists of Sn or Sn alloy.

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 solder layer 10 is made of Sn or Sn alloy. For such a solder layer 10, Sn alone or Sn alloy containing at least one selected from Au, Ag, Al, Bi, Cu, Cr, Ga, Ge, Ni, Pt, Si, Ti and Zn is used. . Of these, the solder layer 10 is preferably composed of the above-described Sn alloy. The amount of Sn in the Sn alloy is appropriately selected according to the type of elements used in combination, and is preferably in the range of 15 to 99.9% by mass, for example. Typical examples of such an Sn alloy (solder alloy) include an Au—Sn alloy, an Ag—Sn alloy, a Cu—Sn alloy, and the like. In particular, an Sn alloy having an Sn content of 90% by mass or more is preferable. . It is preferable that the Sn amount be 90% by mass or more because the bonding temperature can be 250 ° C. or less. The thickness of the solder layer 10 is preferably in the range of 1 to 5 μm, for example. If the thickness of the solder layer 10 is less than 1 μm, it will react with the Au film provided on the electrode of the semiconductor element when it is bonded to the semiconductor element (the solder layer and the Au film are mixed), and composition deviation will easily occur. As a result of the composition shift, the bonding layer is hardened and stress is generated, which easily causes a defect such as a crack in a semiconductor element (for example, a laser diode). On the other hand, if the thickness exceeds 5 μm, not only a further bonding effect cannot be obtained, but also the cost increases.

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 solder layer 10 described above is not limited to one formed of one type of Sn alloy, and may be formed of a laminated film of two or more types of Sn alloys having different compositions, for example. In this case, the applied Sn alloy is not limited to two or more kinds of Sn alloys having different constituent elements, but may be two or more kinds of Sn alloys having different composition ratios of the same constituent elements. For example, the molten state of the solder layer 10 can be controlled by forming the solder layer 10 with a laminated film of two or more kinds of Au—Sn alloys having different composition ratios, that is, Au—Sn alloys having different melting temperatures.

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 solder layer 10. The layer 9 made of Au or Au—Sn alloy is formed between the solder layer 10 and the layer 8 containing at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi as a main component. The layer 9 made of Au or Au—Sn alloy reacts with the layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi by heating at the time of mounting the semiconductor element, and the Sn alloy is large. The generation of lumps can be suppressed.
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 connection portion 14 can be lowered. If the melting point of the connection portion 14 is lowered, the heating temperature at the time of mounting the semiconductor element can be lowered to 250 ° C. or lower, so that the thermal stress generated by the heating at the time of mounting can be suppressed. The thickness of the layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi is preferably in the range of 0.5 to 1.5 μm.

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 diffusion prevention layer 5 side) is a Ti layer 8-1 and the upper layer (Au or Au—Sn alloy layer 9 side) is a layer mainly composed of at least one of Ag, Cu, and Bi. The structure which forms 8-2 is preferable. Since the Ti layer 8-1 has good wettability with the second diffusion preventing layer 5, the bonding strength can be improved.
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 diffusion preventing layer 5 is present under the layer 8 containing at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi as a main component. The second diffusion prevention layer 5 prevents the diffusion of elements between the conductor layer 4 and the layer 8 containing at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi as a main component. As the material, for example, at least one selected from Pt, Pd, and Ni and alloys based on these are used as in the first diffusion preventing layer 3. The thickness of the second diffusion preventing layer 3 is preferably in the range of 0.05 to 0.4 μm, for example.
The second diffusion preventing layer 5 diffuses elements between the Au layer as the conductor layer 4 and the connection portion 14 including the layer 8 containing, for example, at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi as a main component. It is to prevent. When Au in the conductor layer 4 diffuses into the layer 8, when the layers 8, 9, and 10 are mixed by heating during mounting, the Au-rich connection layer 13 is formed. When an Au-rich connection layer is formed, the bonding strength decreases.

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 wiring layer 12 includes the base metal layer 2, the first diffusion prevention layer 3, and the conductor layer 4, and the connection portion 14 includes at least the second diffusion prevention layer 5, Ti, Ag, Cu, and Bi. A ceramic wiring board having a layer 8 mainly composed of one kind, a layer 9 made of Au or Au—Sn alloy, and a solder layer 10 made of Sn or Sn alloy has Sn and Ti in the joint 13 when the semiconductor element is mounted. , Ag, Cu, and Bi, the generation of a large lump of Sn alloy composed of at least one kind can be suppressed. For example, the maximum diameter of the Sn alloy made of at least one of Sn and Ti, Ag, Cu, Bi can be made 1.5 μm or less. As a result, the Sn alloy grains composed of at least one of Sn and Ti, Ag, Cu, and Bi are dispersed in the connection portion 14 in a small dispersed state, and the stress applied to the interface between the Sn and Sn alloy can be dispersed small. Cracks are unlikely to occur at the interface between Sn and the Sn alloy, and the bonding of the semiconductor elements can be made stronger. In addition, when the bonding is strengthened, cracks are less likely to occur at the bonding portion even during operation of the semiconductor element. Therefore, it can be said that the semiconductor device of the present invention has improved reliability and operating characteristics.

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 wiring portion 13 and the connecting portion 14 is “width of the wiring portion 13 ≧ width of the connecting portion 14”, and each is formed in a pattern shape. May be. In addition, the size in the width direction of the base metal layer 2, the first diffusion prevention layer 3, and the conductor layer 4 constituting the wiring portion 13 is also “width of the base metal layer 2 ≧ width of the first diffusion prevention layer 3 ≧ conductor layer” If there is a relationship of “width of 4”, there is no problem. The width of the connecting portion 14 in the horizontal direction is “the width of the second diffusion preventing layer 5 ≧ the width of the layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi ≧ Au or Au—Sn alloy layer. If there is a relationship of “width of 9 ≧ Sn or width of Sn alloy solder layer 10”, there is no problem.

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 conductor layer 4 ≧ second diffusion preventing layer 5> width of layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, Bi ≧ Au or Au—Sn alloy layer 9 width ≧ Sn or Sn alloy solder layer 10 width ”. When “the second diffusion preventing layer 5> the width of the layer 8 containing at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi as a main component”, the solder layer 10 wets and spreads by heating and melting at the time of joining a semiconductor element or the like. In this case, if there is the second diffusion prevention layer 5 wider than the solder layer 10, wetting and spreading of the solder layer 10 can be suppressed.
In other words, the wet spreading area of the solder layer 10 can be made only on the second diffusion prevention layer 5 having low wettability with respect to Sn alloy or the like. As a result, the reaction with the conductor layer 4 due to the wetting and spreading of the solder layer 10, the compositional variation of the Sn alloy and the melting point increase, and the melting failure (incomplete melting) due to the melting point increase of the Sn alloy can be suppressed. It becomes possible. Furthermore, since the variation in the height of the solder layer 10 is suppressed by limiting the wet spreading area of the solder layer 10, it is possible to prevent a position defect in the height direction of a semiconductor element or the like.

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 diffusion preventing layer 5 is that the outer peripheral portion of the second diffusion preventing layer 5 protrudes from the end of the solder layer 10 in the range of 1 μm to 100 μm in order to obtain the effect of suppressing the expansion of the wet spreading area of the solder layer 10. preferable. If the amount of protrusion of the second diffusion preventing layer 5 from the end of the solder layer 10 is smaller than 1 μm, there is a possibility that the solder layer 10 will wet and spread beyond the second diffusion preventing layer 5 when the solder layer 10 is melted. Even though the amount of protrusion exceeds 100 μm, the effect of suppressing wetting and spreading does not change, but the width of the second diffusion preventing layer 5 is unnecessarily widened, which may hinder the increase in the density of wiring and electrodes. There is. The protrusion amount of the second diffusion preventing layer 5 is more preferably equal to or higher than the height of the solder layer 10. In consideration of the formation density of the connection portion 14 and the like, the amount of protrusion of the second diffusion preventing layer 10 is more preferably 50 μm or less.

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 solder layer 10 made of Sn or Sn alloy as shown in FIG. The Au layer 11 can prevent oxidation of the solder layer 10 made of Sn or Sn alloy.

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-wavelength laser diode 30 includes, for example, a first light emitting element portion 31 having an emission wavelength of 650 nm and a second light emitting element portion 32 having an emission wavelength of 780 nm. The first and second light emitting element portions 31 and 32 are formed by crystal growth of a semiconductor layer or the like on the GaAs substrate 33, respectively. The first and second light emitting element portions 31 and 32 have electrodes 34 and 35, respectively. A common electrode 36 is formed on the back side of the GaAs substrate 33.

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-wavelength laser diode 30 is bonded and mounted on the ceramic wiring substrate 10 of the above-described embodiment. The ceramic wiring board 20 includes a first wiring layer 12A and a second wiring layer 12B, and includes a wiring part 13 and a connection part 14, respectively. An electrode 34 of the first light emitting element portion 31 is joined to the connection portion 14 of the first wiring layer 12A, and an electrode 35 of the second light emitting element portion 32 is joined to the connection portion 14 of the second wiring layer 12B. Are joined. These constitute a laser device to which the semiconductor device of the present invention is applied.

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 laser diode 30 is bonded and mounted on the ceramic wiring substrate 20, the generation of a large Sn alloy lump in the connection portion 14 can be suppressed. Accordingly, it is possible to firmly bond the laser diode 30 to the ceramic wiring substrate 20, and it is possible to prevent an increase in the resistance of the connecting portion 14 and an increase in the operating current of the laser diode 30 based thereon. That is, it is possible to provide a high-quality, high-reliability laser apparatus with high reproducibility.

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 base metal layer 2, the first diffusion prevention layer 3, and the conductor layer 4 constituting the wiring layer 12 are sequentially formed by sputtering. Next, if necessary, after opening the part which becomes the connection part 14 and apply | coating a resist, the 2nd diffusion prevention layer 5 is formed into a film by sputtering method.
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 solder layer 10 made of Sn or Sn alloy are sequentially formed by vacuum deposition. To go.
If necessary, the Au layer 11 is formed on the solder layer 10 made of Sn or Sn alloy by a vacuum deposition method.
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 solder layer 10 made of Sn or Sn alloy are melt-mixed by heating at the time of mounting the semiconductor element. Thus, a solder layer having a predetermined composition is formed. At this time, if the thickness of each layer is not uniform, the composition in the solder layer at the time of melt mixing will vary. When the composition is varied, large Sn alloy grains are likely to be formed in the thick portion of the layer 8 mainly composed of Ti, Ag or the like.
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 solder layer 10 made of Sn or Sn alloy is provided, the bonding temperature can be lowered to 300 ° C. or lower, and further to 250 ° C. or lower.

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 ceramic substrate 1. After the aluminum nitride substrate 1 is cleaned, a thickness of 0.5 as a conductor layer 4 is formed by sputtering from a 0.1 μm thick Ti film to a base metal layer 2, a 0.2 μm thick Pt film. A μm Au layer was laminated in order.

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 conductor layer 4, and then a second diffusion preventing layer 5 made of a Pt film having a thickness of 0.2 μm was formed by sputtering.
On the upper surface of the second diffusion prevention layer 5, a layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, Bi shown in Table 1 by vacuum deposition, Au or Au-Sn alloy layer 9, Sn or An Sn alloy solder layer 10 was formed. Each of these samples was diced to a size of 2 mm × 2 mm and then subjected to characteristic evaluation described later.

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 connection layer 13, and a semiconductor element Adhesion and bonding strength (shear strength) were measured and evaluated as follows.

[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 portion 14 after joining the semiconductor elements was taken with an SEM, and the longest diagonal line of the Sn alloy grains shown there was taken as the maximum diameter. In addition, the enlarged photograph measured 3 places of 50 micrometers x 50 micrometers.
[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.

Figure 0004537877
Figure 0004537877

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 diffusion prevention layer 5 and the width (b) of the layer 8 mainly composed of at least one of Ti, Ag, Cu, and Bi with respect to the ceramic wiring board of Example 1 is shown. , (A) = (b) was Example 14, (a)-(b) = 10 μm was Example 15, and (a)-(b) = 40 μm was Example 16.
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.

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。It is sectional drawing which shows the principal part structure of the ceramic wiring board by one Embodiment of this invention. 図1に示すセラミック配線基板の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the ceramic wiring board shown in FIG. 図1に示すセラミック配線基板の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the ceramic wiring board shown in FIG. 従来のセラミック配線基板の要部構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part structure of the conventional ceramic wiring board. 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。It is a figure which shows the structural example of the laser apparatus as one Embodiment of the semiconductor device of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 ... Ceramic substrate 2 ... Underlying metal layer 3 ... 1st diffusion prevention layer 4 ... Conductive layer 5 ... 2nd diffusion prevention layer 6 ... Solder layer 7 ... Antioxidation layer 8 ... At least 1 of Ti, Ag, Cu, Bi Layer 8-1 mainly composed of seed ... Ti layer 8-2 ... Layer 9 mainly composed of at least one of Ag, Cu, Bi ... Layer 10 composed of Au or Au-Sn alloy ... From Sn or Sn alloy Solder layer 11 ... Au layer 12 ... wiring layer 13 ... wiring portion 14 ... connecting portion 20 ... ceramic wiring substrate 30 ... laser diodes 31, 32 ... light emitting element portions 34, 35 ... individual electrode 36 ... common electrode

Claims (9)

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層と、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セラミックス配線基板。 On the upper surface of the ceramic substrate, a base metal layer, a first diffusion prevention layer, a conductor layer, a second diffusion prevention layer, a Ti layer, a layer mainly composed of at least one of Ag, Cu, Bi, and Au or Au- A ceramic wiring board comprising a wiring layer in which a solder layer made of Sn alloy layer and Sn or Sn alloy is sequentially laminated. 前記AuまたはAu−Sn合金層の厚さが0.05μm以上0.5μm以下であることを特徴とする請求項1記載のセラミックス配線基板。 The ceramic wiring board according to claim 1, wherein a thickness of the Au or Au-Sn alloy layer is 0.05 µm or more and 0.5 µm or less. 前記Au−Sn合金がAuを63%以上含有していることを特徴する請求項1または請求項2記載のセラミックス配線基板。 The ceramic wiring board according to claim 1 or 2, wherein the Au-Sn alloy contains 63% or more of Au. 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を特徴とする請求項1または請求項2記載のセラミックス配線基板。 3. The ceramic wiring board according to claim 1, wherein the first diffusion prevention layer and the second diffusion prevention layer are made of at least one of Pt, Pd, and Ni or an alloy based thereon. . 前記Sn合金はSn含有量が90wt%以上であることを特徴とする請求項1または請求項2記載のセラミックス配線基板。 3. The ceramic wiring board according to claim 1, wherein the Sn alloy has an Sn content of 90 wt% or more. 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合金であることを特徴とする請求項5記載のセラミックス配線基板。 The Sn alloy is an Sn alloy containing at least one selected from Au, Ag, Al, Bi, Cu, Cr, Ga, Ge, Ni, Pt, Si, Ti, and Zn. 5. The ceramic wiring board according to 5. 前記半田層が、組成の異なるSn合金を2層以上を具備したことを特徴とする請求項5または請求項6記載のセラミックス配線基板。   The ceramic wiring board according to claim 5 or 6, wherein the solder layer comprises two or more Sn alloys having different compositions. 前記半田層を介して半導体素子を搭載したことを特徴とする請求項1乃至請求項7いずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to claim 7, characterized in that mounting the semiconductor element via the solder layer. 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。
The semiconductor device according to claim 8 .
The semiconductor device is an optical semiconductor element.
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