JP4605883B2

JP4605883B2 - 配線基板

Info

Publication number: JP4605883B2
Application number: JP2000315379A
Authority: JP
Inventors: 裕二諏訪脇; 孝昭藤岡; 光彦野妻
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-10-16
Also published as: JP2002124524A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ等の半導体素子を搭載するサブマウント等として用いられる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は半導体素子の電極等を接着するための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は組成および組成比が変化することにより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る（特開平１１−３０７６９２号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、上記従来の配線基板において、ロウ材層１６を薄くすることが要求されており、これは、半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）やフォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子等の半導体素子を搭載する配線基板の場合、ロウ材層１６の厚みが厚いと半導体素子を接着固定させた際、ロウ材層１６が半導体素子の接着面（下面）から側面へ這い上がり、半導体素子の側面に設けられたレーザ発光部がロウ材層１６により塞がれるという不具合が生じ易いためである。また、ロウ材層１６の厚みが厚いと半導体素子を接着固定させた際、半導体素子と配線基板とが平行に接着されず、傾いた状態で接着され易いので、半導体素子のレーザが絶縁基板１１の上面に対して平行に出射されないという不具合が生じていた。
【０００５】
一方、ロウ材層１６が厚いことによる上記の不具合を解消するために、ロウ材層１６の厚みを薄くすると、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、その上部のロウ材層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。その場合、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点があった。
【０００６】
また、ロウ材層１６の融点上昇という問題点を解消するために、ロウ付け温度を上げ、ロウ材層１６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、発光特性等の動作特性が劣化し、半導体素子が誤作動するという問題を誘発していた。
【０００７】
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。
【０００８】
【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より成る第２の拡散防止層、Ｓｎ層およびＡｕ−Ｍ（ＭはＳｉまたはＧｅ）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。
【０００９】
本発明は、Ｐｔより成る第２の拡散防止層とＡｕ−Ｍ合金より成るロウ材層との間にＳｎ層を設けたことにより、配線基板をロウ付け温度まで加熱した際、第２の拡散防止層のＰｔとＳｎ層との界面においてＰｔ_３Ｓｎ，ＰｔＳｎで表される高融点のＰｔ−Ｓｎ合金層を形成する。このＰｔ−Ｓｎ合金層が、ロウ材層中のＳｎ等が多量に第２の拡散防止層に拡散することを防ぐ。また、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ＳｉまたはＧｅ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。
【００１０】
【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より成る第２の拡散防止層、６はＳｎ層、７はＡｕ−Ｍ（ＭはＳｉまたはＧｅ）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（Ａｌ_２Ｏ_３）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（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
Ｐｔ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。また、第２の拡散防止層５の上部に形成されるＳｎ層の厚みは０．０１〜１μｍ程度がよい。半導体素子を接着固定するために配線基板をロウ付け温度まで加熱した際、第２の拡散防止層５を形成するＰｔとその上に形成されたＳｎ層６とによってＰｔ₃Ｓｎ，ＰｔＳｎで表される高融点のＰｔ−Ｓｎ合金層が形成される。第２の拡散防止層５の厚みおよびＳｎ層６の厚みがそれぞれ０．０１μｍ未満では、両者によって形成されるＰｔ−Ｓｎ合金層が、主導体層４を形成するＡｕのロウ材層７内への拡散を十分に抑えることができない。それぞれの厚みが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。
【００１９】
さらに、Ｐｔより成る第２の拡散防止層５とＳｎ層６のＰｔとＳｎについて、ＰｔとＳｎのモル比が１：２〜６：１の範囲内になるようにすることが好ましい。
【００２０】
モル比においてＰｔ／Ｓｎが１／２未満の場合、即ちＰｔが３３．３モル％未満の含有量の場合、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Ａｕ−Ｓｎ合金層が、主導体層４中の上側（第２の拡散防止層５側）にできてしまい、その結果この脆いＡｕ−Ｓｎ合金層から剥離が発生する危険性がある。
【００２１】
また、モル比においてＰｔ／Ｓｎが６／１を超える場合、即ちＰｔが８５．７モル％を超える含有量の場合、Ｐｔがリッチな状態となり、ロウ材層７中のＳｎ等が第２の拡散防止層５へ拡散してしまい、ロウ材層７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）でロウ材層７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くなる。
【００２２】
半導体素子を接着固定するロウ材層７の厚みは、０．５〜３μｍ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、３μｍを超えると半導体素子を接着固定させた際、ロウ材層７が半導体素子の接着面から側面へ這い上がり、半導体素子が半導体レーザの場合、その側面に設けられたレーザ発光部が塞がれるという不具合が生じ易い。また、Ａｕ−Ｍ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。
【００２３】
また、ロウ材層７の上面に０．１μｍ程度の厚さのＡｕ層を被着して、ロウ材層７の表面酸化を防ぐ構造としてもよい。
【００２４】
ロウ材層７としては、Ａｕ−Ｇｅ合金またはＡｕ−Ｓｉ合金を用いるものであり、それぞれ同様の作用効果が得られる。
【００２５】
配線基板に形成する配線導体層は、配線基板の上面だけでなく、下面や側面に形成してもよい。また、その層構成を上面と同様にしても、または異なるものとしても構わない。
【００２６】
かくして、本発明は、配線基板をロウ付け温度まで加熱した際、第２の拡散防止層５のＰｔとＳｎ層６との界面においてＰｔ_３Ｓｎ，ＰｔＳｎで表される高融点のＰｔ−Ｓｎ合金層を形成し、このＰｔ−Ｓｎ合金層がロウ材層中のＳｎが多量に第２の拡散防止層に拡散することを防ぐ。また、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。従って、ロウ材層中のＡｕとＳｉまたはＧｅとの組成比が大きく変化しないため、接着時の所定の温度によって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。
【００２７】
【実施例】
本発明の参考例を以下に説明する。
【００２８】
（実施例）
図１の配線基板を以下の工程［１］、［２］により作製した。
【００２９】
［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を順次積層した。
【００３０】
［２］この主導体層４上に、厚さが０．２μｍのＰｔより成る第２の拡散防止層５、厚さが０．２μｍのＳｎ層６、厚さが２μｍのＡｕ−Ｓｎ合金より成るロウ材層７をスパッタリング法により順次形成した。
【００３１】
上記のようにして作製した配線基板と、Ｓｎ層６が形成されていない以外は上記実施例と同様にして作製した配線基板とを用いて、ロウ材層７の濡れ性を比較した。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、表面に酸化膜ができないように不活性ガス（Ａｒガス）を吹き付け、３０秒後にロウ材層７表面の光沢の有無を調べた。Ｓｎ層６を有する本発明の配線基板では光沢があったが、Ｓｎ層６のない配線基板では、高融点相の析出により光沢のないざらついた表面状態となった。この結果から、Ｓｎ層６を設けた方がロウ材層７の濡れ性が良好であることがわかった。
【００３２】
また、ロウ材層７としてＡｕ−Ｓｉ合金，Ａｕ−Ｇｅ合金を用いた本発明の実施例は、上記参考例と同様にしてそれぞれロウ材層７表面の光沢について調べたが、上記参考例と同様の結果が得られた。
【００３３】
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。
【００３４】
【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より成る第２の拡散防止層、Ｓｎ層およびＡｕ−Ｍ（ＭはＳｉまたはＧｅ）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ロウ材層を介して接着固定するにあたり配線基板を加熱する際に、第２の拡散防止層のＰｔとＳｎ層とがそれらの界面において高融点のＰｔ−Ｓｎ合金層を形成するため、ロウ材層のＳｎが第２の拡散防止層に拡散してロウ材層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ロウ材層を完全に溶融させ、その結果半導体素子を確実、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：Ｓｎ層
７：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より成る第２の拡散防止層、Ｓｎ層およびＡｕ−Ｍ（ＭはＳｉまたはＧｅ）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。