JP7237687B2 - 配線基板、電子装置及び電子モジュール - Google Patents

Description

本開示は、配線基板、電子装置及び電子モジュールに関する。

ＬＤなどの電子部品をパッケージ又はモジュール用基板に搭載するために、電子部品とパッケージとの間、あるいは、電子部品とモジュール用基板との間に介在される配線基板がある。このような配線基板はサブマウントとも呼ばれる。配線基板には、電気信号の伝達あるいは電子部品を接地させる機能、電子部品の熱をモジュール用基板へ逃がす機能などを有する。

特許文献１には、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）基板にオーミック接合された金属膜を有する基板、並びに、このような基板を用いた光素子が開示されている。

特開２００７－１４９９８３号公報

基板として単結晶ＳｉＣを採用し、一方の基板面からＳｉＣ層への導通を要する配線基板について検討する。このような配線基板においては、ＳｉＣ基板の基板面に、オーミック接合される金属層と、金スズ、半田、金線又は金バンプなどの接合剤が配置される金属層とが形成される。これらの金属層の間には、密着性を向上するための密着層と、層間の元素拡散を防ぐバリア層などが形成される場合もある。このようにＳｉＣ基板に複数種類の金属層が形成された構成では、例えば熱膨張の差に起因した応力が各層間に生じる。したがって、応力により金属層に界面破壊又はバルク破壊が生じないよう、応力に対する耐性の向上が望まれる。

本開示は、ＳｉＣ基板とこれにオーミック接合されるＮｉＳｉ層とを含む配線基板において、各層の熱膨張の差に起因する応力に対する耐性を向上することを目的とする。本開示は、このような配線基板を備えることで信頼性が向上された電子装置及び電子モジュールを提供することを目的とする。

本開示に係る配線基板は、
ＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板にオーミック接合され、多孔質構造を有するＮｉＳｉ層と、
該ＮｉＳｉ層に接続された導体層と、
を備え、
前記多孔質構造の空孔内にカーボンが含まれており、
前記ＮｉＳｉ層の中央と、前記ＮｉＳｉ層および前記導体層の界面側との間に位置しており、前記ＮｉＳｉ層および前記導体層の界面側よりもカーボンの分布量が多い空孔を有する構成とした。
本開示に係るもう一つの態様の配線基板は、
ＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板にオーミック接合され、多孔質構造を有するＮｉＳｉ層と、
該ＮｉＳｉ層に接続された導体層と、
を備え、
前記多孔質構造の空孔内にカーボンが含まれており、
前記ＮｉＳｉ層の中央と、前記ＮｉＳｉ層および前記導体層の界面との間に位置しており、前記ＮｉＳｉ層の空孔外よりもカーボンの分布量が多い空孔を有する構成とした。

本開示に係る電子装置は、
上記の配線基板と、
前記配線基板に搭載された電子部品と、
を備える構成とした。

本開示に係る電子モジュールは、
上記の電子装置と、
前記電子装置が搭載されたモジュール用基板と、
を備える構成とした。

本開示によれば、ＳｉＣ基板とこれにオーミック接合されるＮｉＳｉ層とを含む配線基板において、各層の熱膨張の差に起因する応力に対する耐性を向上できる。本開示によれば、このような配線基板を備えることで、信頼性の向上された電子装置及び電子モジュールを提供できるという効果が得られる。

本開示の実施形態に係る配線基板を示す縦断面図である。 図２（Ａ）はＮｉＳｉ層の透過型電子顕微鏡写真、図２（Ｂ）はＮｉ元素のマッピング画像、図２（Ｃ）はＳｉ元素のマッピング画像、図２（Ｄ）はＣ元素のマッピング画像である。 実施形態の配線基板の製造方法を説明する図である。 本開示の実施形態の電子装置及び電子モジュールを示す図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本開示の実施形態に係る配線基板を示す縦断面図である。

本実施形態の配線基板１は、電子部品をパッケージ又はモジュール用基板に搭載するために、電子部品とパッケージとの間、あるいは、電子部品とモジュール用基板との間に介在され、電子部品からパッケージ又はモジュール用基板までを導通させる。さらに、配線基板１は、電子部品が発熱した場合に、電子部品からパッケージ又はモジュール用基板へ熱を放出させる。配線基板１は、サブマウントと呼んでもよい。

配線基板１は、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）基板１０と、ＳｉＣ基板１０にオーミック接合されたＮｉＳｉ（ニッケルシリサイド）層１１と、ＮｉＳｉ層１１上に形成された導体膜２０とを備える。導体膜２０は、例えばＮｉＳｉ層１１側から順に、密着層２１、バリア層２２及び導体層２３を含んでいてもよい。さらに、配線基板１は、導体膜２０上にＡｕＳｎ（金スズ）などの接合剤パターン２５を有していてもよい。ＮｉＳｉ層１１及び導体膜２０は、配線基板１の両方の基板面に設けられていてもよいし、一方の基板面のみに設けられていてもよい。

密着層２１は、例えばＴｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）又はこれら両方を主成分として含む。バリア層２２は、例えばＰｔ（白金）を主成分として含む。導体層２３は、例えばＡｕ（金）を主成分として含む。

図２（Ａ）はＮｉＳｉ層の透過型電子顕微鏡写真、図２（Ｂ）はＮｉ（ニッケル）元素のマッピング画像、図２（Ｃ）はＳｉ（シリコン）元素のマッピング画像、図２（Ｄ）はＣ（カーボン）元素のマッピング画像である。図２（Ｂ）～図２（Ｄ）は、図２（Ａ）と同一箇所を示している。

ＮｉＳｉ層１１は、導電性を有し、ＳｉＣ基板１０とオーミック接合している。ＮｉＳｉ層１１は、図２（Ａ）に示すように、多孔質構造を有し、複数の空孔Ｄが含まれる。空孔Ｄは、主に５～５０ｎｍの径のものが、縦断面の面積比で１０～５０％の割合で分布していてもよい。空孔Ｄとは、Ｎｉ及びＳｉが存在しない空間あるいはＮｉ及びＳｉの分布が、ＮｉＳｉ層１１の他の箇所と比較して非常に少ない空間を意味する。

空孔Ｄは、第１層Ｌｙ１、第２層Ｌｙ２、第３層Ｌｙ３など、特定の複数層に多く分布している。すなわち、これら特定の複数層に含まれる空孔Ｄの分布量は、これら以外の層における空孔Ｄの分布量に比べて、縦断面における面積比で多い。ＳｉＣ基板１０に近い方の層（例えば第１層Ｌｙ１）に分布する空孔Ｄの径は、ＳｉＣ基板１０から遠い方の層（例えば第３層Ｌｙ３）に分布する空孔Ｄの径よりも平均的に大きい。

図２（Ｄ）に示すように、空孔Ｄ内には、カーボンが多く分布する。ＮｉＳｉ層１１において、導体膜２０との界面側には、カーボンの分布量が他の層（例えば中央の層）と比較して低いカーボン低濃度層Ｌｙ４がある。

＜製造方法＞
図３は、実施形態の配線基板の製造方法の一例を説明する図である。

本実施形態の配線基板１は、次のような製造方法により製造できる。この製造方法は、時系列順に、単結晶ＳｉＣであるＳｉＣ基板１０の基板面にＮｉ膜１１Ｐｒを蒸着するＮｉ膜蒸着工程Ｊ１と、例えば光を用いて基板面を加熱する加熱（アニール）工程Ｊ２と、基板面に導体膜２０を形成する導体膜形成工程Ｊ３と、接合剤パターン２５に対応するレジストパターンＲｇを加工するレジスト加工工程Ｊ４と、ＡｕＳｎなどを用いて接合剤パターン２５を形成するパターン形成工程Ｊ５と、レジストを除去するリンス工程Ｊ６とを含む。導体膜形成工程Ｊ３は、蒸着により順に密着層２１、バリア層２２、導体層２３を形成する工程であってもよい。パターン形成工程Ｊ５は、蒸着によりＡｕＳｎ膜を形成する工程であってもよい。

加熱工程Ｊ２では、例えば基板面にレーザ光をスポット照射し、レーザ光を基板面に沿って走査させることで、基板面の各部を加熱する。加熱により、Ｎｉ膜とＳｉＣ基板１０の表層とが反応し、ＮｉＳｉ層が形成される。そして、ＮｉＳｉ層１１とＳｉＣ基板１０とのオーミック接合が実現される。基板面のアニール条件（各部のアニール温度及びアニール時間）の調整により、複数の空孔Ｄを有するＮｉＳｉ層１１の多孔質構造を実現できる。

以上のように、本実施形態の配線基板１によれば、ＳｉＣ基板１０と導体膜２０との間に、多孔質構造を有するＮｉＳｉ層１１を有する。したがって、ＮｉＳｉ層１１とＳｉＣ基板１０とのオーミック接合により、ショットキー障壁の少ない配線基板１の電気伝導性を実現できる。さらに、ＮｉＳｉ層１１の多孔質構造により、ＳｉＣ基板１０と導体膜２０との間に生じる熱膨張差に起因した応力に対する耐性を向上できる。すなわち、温度変化が生じたときに、ＳｉＣ基板１０と導体膜２０との熱膨張差に起因して、これらの間に応力が生じるが、多孔質構造によりＮｉＳｉ層１１が弾性変形し、応力が緩衝される。これにより、応力によるＮｉＳｉ層１１の界面破壊又はバルク破壊に対する耐性が向上し、これにより導体膜２０の剥離を抑制することができる。

さらに、本実施形態の配線基板１によれば、ＮｉＳｉ層１１の空孔Ｄの中にＣ（カーボン）が多く含まれる。カーボンは、高い熱伝導率を有していることから、ＮｉＳｉ層１１に多数の空孔Ｄが含まれていても、多数の空孔Ｄが配線基板１の一方の基板面から他方の基板面への熱伝導の障壁となることが抑制される。これにより、配線基板１に電子部品が搭載される場合に、配線基板１を介した電子部品の高い放熱性を実現できる。

さらに、本実施形態の配線基板１によれば、ＮｉＳｉ層１１における導体膜２０との界面側においてカーボンの分布量が少ないため、導体膜２０とＮｉＳｉ層との密着強度を向上できる。

さらに、本実施形態の配線基板１によれば、ＮｉＳｉ層１１には、空孔Ｄが他の層に比べて多く分布する複数の特定層（第１層Ｌｙ１、第２層Ｌｙ２及び第３層Ｌｙ３）が含まれる。このように複数の層に空孔Ｄが多く分布することで、ＳｉＣ基板１０と導体膜２０との熱膨張差に起因し、ＮｉＳｉ層１１に応力が生じた場合でも、ＮｉＳｉ層１１のバルク破壊を抑制しつつ、応力を有効に緩衝することができる。例えば、空孔Ｄが縦に連続してしまう構造では、ＮｉＳｉ層１１の応力に対する耐性が低下し、バルク破壊の恐れが高くなるが、このような構造と比較して、バルク破壊の耐性を向上できる。

さらに、本実施形態の配線基板１によれば、ＳｉＣ基板１０側に近い第１層Ｌｙ１の空孔Ｄの平均径が、ＳｉＣ基板１０から遠い第３層Ｌｙ３の空孔Ｄの平均径よりも大きい。熱膨張差に基づきＳｉＣ基板１０と導体膜２０との間に応力が生じた場合、比較的に応力は密着層２１の界面側に集中する。このため、密着層２１の界面側の第３層Ｌｙ３の空孔Ｄの方が、径が小さいことで、ＮｉＳｉ層１１のバルク破壊に対する耐性が向上する。これにより、バルク破壊による導体膜２０の剥離を抑制できる。

＜電子装置及び電子モジュール＞
図６は、本開示の実施形態に係る電子装置及び電子モジュールを示す断面図である。

本実施形態に係る電子装置６０は、配線基板１に電子部品５０が実装されて構成される。電子部品５０は、接合剤パターン２５上に接合されてもよい。配線基板１の基板面に、導体膜２０と絶縁された別の導体パターンが形成され、この導体パターンと電子部品５０の電極とがボンディングワイヤーを介して接続されてもよい。さらに、電子装置６０は、配線基板１と電子部品５０とを収容するパッケージを有する構成であってもよい。

電子部品５０としては、ＬＤ（Laser Diode）、ＰＤ（Photo Diode）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光素子、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型等の撮像素子、水晶振動子等の圧電振動子、弾性表面波素子、半導体集積回路素子（ＩＣ：Integrated Circuit）等の半導体素子、電気容量素子、インダクタ素子又は抵抗器等の種々の電子部品を適用できる。

本実施形態に係る電子モジュール１００は、モジュール用基板１１０に電子装置６０を実装して構成される。モジュール用基板１１０には、電子装置６０に加えて、他の電子装置、電子素子及び電気素子などが実装されていてもよい。モジュール用基板１１０には電極パッド１１１が設けられ、電子装置６０は、電極パッド１１１に半田又は金スズ等の接合材１１３を介して接合されてもよい。また、電子装置６０がパッケージを有する場合、モジュール用基板１１０の電極パッド１１１にはパッケージの配線導体が接合されてもよい。

本実施形態の電子装置６０及び電子モジュール１００によれば、導体膜２０の剥離が抑制された配線基板１が搭載されることで、信頼性の向上を図ることができる。

以上、本開示の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、実施形態に示した多孔質構造の空孔Ｄのサイズ、分布の割合、偏在性などは一例にすぎない。また、ＮｉＳｉ層に接合される導体層の数又は種類は、適宜変更可能である。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 配線基板
１０ ＳｉＣ基板
１１ ＮｉＳｉ層
２０ 導体膜
２１ 密着層
２２ バリア層
２３ 導体層
２５ 接合剤パターン
Ｌｙ１ 第１層
Ｌｙ２ 第２層
Ｌｙ３ 第３層
Ｌｙ４ カーボン低濃度層
Ｄ 空孔
５０ 電子部品
６０ 電子装置
１００ 電子モジュール
１１０ モジュール用基板

Claims (7)

1. ＳｉＣ基板と、
   前記ＳｉＣ基板にオーミック接合され、多孔質構造を有するＮｉＳｉ層と、
   該ＮｉＳｉ層に接続された導体層と、
   を備え、
   前記多孔質構造の空孔内にカーボンが含まれており、
   前記ＮｉＳｉ層の中央と、前記ＮｉＳｉ層および前記導体層の界面側との間に位置しており、前記ＮｉＳｉ層および前記導体層の界面側よりもカーボンの分布量が多い空孔を有する、
   配線基板。
2. ＳｉＣ基板と、
   前記ＳｉＣ基板にオーミック接合され、多孔質構造を有するＮｉＳｉ層と、
   該ＮｉＳｉ層に接続された導体層と、
   を備え、
   前記多孔質構造の空孔内にカーボンが含まれており、
   前記ＮｉＳｉ層の中央と、前記ＮｉＳｉ層および前記導体層の界面との間に位置しており、前記ＮｉＳｉ層の空孔外よりもカーボンの分布量が多い空孔を有する、
   配線基板。
3. 前記ＮｉＳｉ層および前記導体層の界面側におけるカーボンの分布量が、前記ＮｉＳｉ層の中央におけるカーボンの分布量よりも少ない、
   請求項１又は請求項２記載の配線基板。
4. 前記ＮｉＳｉ層の多孔質構造は、空孔が他の層よりも多く分布する複数の特定層を有する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の配線基板。
5. 前記ＳｉＣ基板に近い前記特定層に含まれる空孔の径の平均値が、前記ＳｉＣ基板から遠い前記特定層に含まれる空孔の径の平均値よりも大きい、
   請求項４記載の配線基板。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の配線基板と、
   前記配線基板に搭載された電子部品と、
   を備える電子装置。
7. 請求項６記載の電子装置と、
   前記電子装置が搭載されたモジュール用基板と、
   を備える電子モジュール。

Images