JP4726457B2

JP4726457B2 - サブマウント

Info

Publication number: JP4726457B2
Application number: JP2004282789A
Authority: JP
Inventors: 光彦野妻
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-09-28
Also published as: JP2006100440A

Description

本発明は、絶縁基板の上面に配線導体層およびろう材層が形成されており、例えばその配線導体層に半導体レーザ、受光素子等の半導体素子の電極を接続して半導体素子を搭載するのに用いられる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）等に用いられる光半導体装置の半導体素子は高出力化が要求されており、これに伴い、半導体素子は長尺化し、消費電力が大きくなり、そのため発熱量が大きくなってきている。

このような半導体素子で発生する熱が外部に効果的に放熱されるように、半導体素子の裏面側には、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等の金属から成るヒートシンクが放熱部材として設けられている。更に、半導体素子とヒートシンクとの間には、熱膨張係数の差によるストレスや歪みなどが発生しないよう、半導体素子の基板材料と比較的熱膨張係数が近い材料として熱伝導性のよい窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックスから成る絶縁基板を用いたサブマウントが使用されている。

特に光ピックアップに用いられる半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）等の半導体素子は高出力化が急速に進んでおり、これに伴い従来の半導体素子に比べて高出力型の半導体素子は長尺化されてきている。

従来のサブマウントの平面図を図３（ａ）に示し、Ｂ−Ｂ’線における断面図を図３（ｂ）に示す。また、半導体素子とサブマウントの接着工程を図４（ａ）〜（ｄ）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、13ａは配線導体層13のうちの上面側配線導体層、13ｂは配線導体層13のうちの下面側配線導体層、14はろう材層、15は半導体素子搭載部、16は半導体素子である。

従来の半導体素子16とサブマウント11との接着工程を次に示す。例えば、Ａｕ−Ｓｎ合金から成るろう材層14が上面に形成されたサブマウント11は、パルスヒータ等で瞬時に約300℃程度まで加熱され、それと同時にろう材層14は固相状態から液相状態になり、中央
部が盛り上がった形状と成る（図４（ｂ）参照）。この溶融状態を維持している間にろう材層14上に半導体素子16を加圧搭載し（図４（ｃ）参照）、その後、急冷することにより、半導体素子16とサブマウント11は強固に接合される（図４（ｄ）参照）。

しかしながら、上記従来のサブマウント11では、近年の半導体素子16の大型化に伴い、半導体素子16をサブマウント11に搭載した後、半導体素子16が搭載時の熱歪みにより、半導体素子16の特性不良が生じたり、さらには半導体素子16が破壊されるという問題点があった。

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、半導体素子の特性不良や破壊が生じるのを有効に防止できる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、絶縁基板の上面に配線導体層が形成されるとともに、該配線導体層上に長方形状の半導体素子を搭載するための長方形状のろう材層が形成されているサブマウントにおいて、前記ろう材層は、両短辺側の２つの端部と中央部とに３分割されているとともに、２つの前記端部の厚みが前記中央部の厚みよりも厚いことを特徴とする。

本発明の半導体装置は、基体と、該基体に搭載された上記本発明のサブマウントと、前記サブマウントに搭載された前記半導体素子と、前記基体に前記サブマウントおよび前記半導体素子を覆うように接合された蓋体とを具備していることを特徴とする。

本発明のサブマウントは、ろう材層が、ろう材層の両短辺側の２つの端部と中央部とに３分割されており、ろう材層の２つの端部と中央部との間隔は10〜100μｍであるととも
に、２つの端部の厚みが中央部の厚みよりも厚く、ろう材層の２つの端部と中央部との厚みの差は0.5〜３μｍであることにより、半導体素子をサブマウントに搭載する際に、半
導体素子の両端部直下のろう材の量が少なくなることなく、半導体素子を歪みなくサブマウントに搭載することができ、その結果、歪みによる半導体素子の特性不良や破壊が生じることのない高性能のサブマウントを提供することができる。

つまり、サブマウントを加熱してろう材層を溶融状態にさせた際、ろう材層に表面張力が生じてもろう材層が３分割された状態を維持しているので、両端部のろう材層が中央部に集中することはないとともに両端部のろう材層を厚くしているので、十分な量のろう材を両端部に保持することができる。そして、これらのろう材層の上に半導体素子を載置することによって、分割されたろう材層が半導体素子の下面に濡れ広がって一体となり、半導体素子の下面全面に厚いろう材層をむらなく均一に形成することができ、半導体素子に歪みが生じるのを有効に防止できる。

次に本発明のサブマウント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）は半導体素子とサブマウントの接着工程を示す工程ごとの断面図である。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は半導体素子搭載部、６は半導体素子である。

サブマウント１は、半導体素子６と、半導体素子６から発生した熱を効果的に放熱するためのヒートシンクとの間に、熱膨張係数の差によるストレスや歪みなどが発生しないように設けられる機能部品である。

絶縁基板２は、例えば酸化アルミニウム（アルミナ：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、ガラスセラミックス焼結体、窒化珪素（ＳｉＮ）質焼結体、石英、ダイヤモンド、サファイア（単結晶アルミナ）、またはその表面に熱酸化膜を形成したシリコン（Ｓｉ）のうち少なくとも１種より成る。

なお、絶縁基板２は、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よく、これらの材料はその熱伝導率が100Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、サブマウント１の上面に接着固定される半導体素子が駆動時に発生した熱はサブマウント１を介して良好に伝達される。そのため、半導体素子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。

絶縁基板２の上面に形成される配線導体層３の成膜は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング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、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行なわれる。

配線導体層３ａ、３ｂは例えば、密着金属層、拡散防止層、主導体層の３層構造で形成される。密着金属層は、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴａ_２Ｎ等のうち少なくとも１種類より成り、拡散防止層は、例えばＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴｉ−Ｗ合金等の少なくとも１種類より成り、主導体層はＡｕより成る。密着金属層の厚みは0.01〜0.5μｍ程度が好ましい。0.1μｍ未満では絶縁基板２に強固に密着させることが困難となる傾向があり、0.5μｍを超えると、成膜時の内部応力によって絶縁基板２から剥離し易くなる傾向がある。

また、拡散防止層の厚みは0.1〜0.5μｍ程度が好ましい。0.1μｍ未満では密着金属層に強固に密着させることが困難となるとともに、拡散防止効果が小さくなる傾向があり、0.5μｍを超えると、成膜時の内部応力によって密着金属層から剥離し易くなる傾向がある。

さらに、主導体層の厚みは0.5〜２μｍ程度が好ましい。0.5μｍ未満では主導体層の電気抵抗が大きくなる傾向があるとともに、半導体素子６と配線導体層３ａ、３ｂとを電気的に接続するためのワイヤボンディングの密着性が十分でなくなる傾向があり、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。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、低コスト化の点でなるべく薄く形成することが好ましい。

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183℃）、Ａｕ−Ｓｎ合金（融点約280℃）、Ａｇ−Ｓｎ合金（融点約220℃）、Ｉｎ−Ｐｂ合金（約172℃）、Ｉｎ（融点約157℃）等から成り、その成膜は真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜形成法によりなされ、パターン加工はマスク成膜法、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行なわれる。また、ろう材層４の厚さは１〜５μｍ程度がよい。１μｍより小さくなると、サブマウント１と半導体素子６の接合強度が弱くなる傾向があり、５μｍより大きくなると、半導体素子６の発光面にろう材が這い上がり、半導体素子６が発光する光を遮断する傾向がある。

また、ろう材層４は両端部と中央部とに分割されるとともに、両端部４ａ、４ｃのろう材層４の厚みは、中央部４ｂのろう材層の厚みより、厚く形成されていることが特に重要である。

本発明のサブマウント１は、上記の構成により、半導体素子６をサブマウント１に接着固定する際にろう材層４が溶融し、固化する際に発生する応力をろう材層４全体に分散させることにより、半導体素子６の歪みを緩和させることができる。その結果、半導体素子６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。

ろう材層４の両端部４ａ、４ｃと、中央部４ｂとの厚みの差は0.5〜３μｍである。0.5μｍより小さくなると、歪みを軽減する効果が得られにくい傾向にあり、３μｍより大きくなると、半導体素子６と中央部４ｂが接合され難くなることから、接合強度が弱くなる傾向にある。

また、両端部４ａ、４ｃと、中央部４ｂとの間隔は10〜100μｍである。10μｍより小
さくなると、サブマウント１を加熱してろう材層４が溶融した瞬間に、両端部４ａ、４ｃと、中央部４ｂとが濡れ拡がり一体化する傾向があり、100μｍより大きくなると、半導
体素子６を接着しても両端部４ａ、４ｃと、中央部４ｂとの間隔が濡れ拡がりきれず、半導体素子６とサブマウント１との接着部に隙間が発生する傾向にあり、その結果、半導体素子６とサブマウント１との接着強度が劣化するとともに、半導体素子６が発生する熱の放熱性も劣化する傾向にある。

半導体素子６とサブマウント１との接着工程は、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、例えば、Ａｕ−Ｓｎ合金から成るろう材層４が上面に形成されたサブマウント１は、パルスヒータ等で瞬時に約300℃程度まで加熱され、それと同時にろう材層４は固相状態から液相状態になり、３分割されたろう材層４ａ〜４ｃのそれぞれの中央部が盛り上がった形状と成る。この際、両端部４ａ、４ｃが中央部４ｂより、高く盛り上がった状態になる（図２（ｂ）参照）。

そして、この溶融状態を維持している間にろう材層４上に半導体素子６を加圧搭載する（図２（ｃ）参照）ことにより、両端部４ａ、４ｃと中央部４ｂとが濡れ拡がり、半導体素子６の下面の一部でろう材量が少なくなることなく、一体化する。その結果、半導体素子６に歪みが発生することなく、強固に半導体素子６とサブマウント１とを接着することができる。その結果、半導体素子６の特性不良、さらには半導体素子６が破壊されない高性能のサブマウントを提供することができる。

なお、本発明のろう材層４の中央部４ｂは、さらに複数に分割されていてもよい。これにより、ろう材層４を加熱して溶融させた際、中央部４ｂにおいてろう材が中央に集中するのを抑制でき、より均一な厚みのろう材層４によって半導体素子６を搭載可能となる。

そして、本発明のサブマウント１に半導体素子６を搭載し、このサブマウント１を金属やセラミックス、樹脂等から成る基体に搭載し、しかる後、基体にサブマウント１および半導体素子６を覆うように、金属やセラミックス、樹脂等から成る蓋体を接合して半導体素子６を気密に封止することによって本発明における半導体装置となる。

このような基体としては、上面にサブマウント１および半導体素子６を収容するための凹部を有するものであってもよく、平板状であってもよい。また、同様に蓋体も下面に凹部が形成されていてもよく、平板状であってもよい。

また、基体には半導体装置の内面から外面にかけて、リード端子や入出力端子などの電気導電路が形成されており、サブマウント１の配線導体層３が半導体装置の内面側の電気導電路に電気的に接続されるとともに、半導体装置の外面側の電気導電路が外部電気回路基板に電気的に接続されることによって、外部電気回路基板と半導体素子６とが電気的に接続されることとなる。

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。

本発明のサブマウントの実施の形態の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。本発明のサブマウントと半導体素子との接着工程を示す断面図である。従来のサブマウントの平面図を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。従来のサブマウントと半導体素子との接着工程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
４ａ、４ｃ：端部
４ｂ：中央部
５：半導体素子搭載部
６：半導体素子

Claims

絶縁基板の上面に配線導体層が形成されるとともに、該配線導体層上に長方形状の半導体素子を搭載するための長方形状のろう材層が形成されているサブマウントにおいて、前記ろう材層は、前記ろう材層の両短辺側の２つの端部と中央部とに３分割されており、前記ろう材層の前記２つの端部と前記中央部との間隔は１０〜１００μｍであるとともに、２つの前記端部の厚みが前記中央部の厚みよりも厚く、前記ろう材層の前記２つの端部と前記中央部との厚みの差は０．５〜３μｍであることを特徴とするサブマウント。