JP7406417B2

JP7406417B2 - 電極構造および当該電極構造を備えた接合構造体

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Publication number: JP7406417B2
Application number: JP2020048184A
Authority: JP
Inventors: 光教宮本; 隆俊木内; 美泉角龍
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2023-12-27
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: JP2021150464A

Description

本発明は、レーザー素子などの電子部品をサブマウントなどのセラミックス基板や金属筐体に接合する際の電極構造および当該電極構造を備えた接合構造体に関する。

レーザー素子などの電子部品をサブマウントなどの支持基板（放熱基板）に接合した接合構造体の場合、電子部品と基板との間に信頼性の高い接合が求められる。この接合としては、例えば、接合強度が高い、耐候性に優れる、アウトガスが少ない、環境にやさしい（ＲｏＨＳ指令の特定有害物質非含有）などの要求事項が挙げられる。このような要求事項を満たすろう材として、主に鉛フリーＳｎ系はんだであるＡｕＳｎはんだを利用することができる。鉛フリーＳｎ系はんだとしては、ＡｕＳｎはんだのほかにもＳｎＡｇはんだやＳｎＡｇＣｕはんだなども候補に挙げられる。

接合構造体に利用される支持基板の一例として、レーザー素子実装用サブマウントがある（例えば、特許文献１参照。）。図６は、レーザー素子実装用サブマウントの一例を示す図である。サブマウント１１０は、ＡｌＮ基板１１の表裏面のそれぞれに電極膜としてＴｉ膜１２ａ、１２ｂ、Ｐｔ膜１３ａ、１３ｂ、Ａｕ膜１４ａ、１４ｂがＡｌＮ基板１１の表面より順に積層配置されている。さらに、レーザー素子が実装されるサブマウント１１０の一方の面のＡｕ膜１４ａ上には、実装するレーザー素子の大きさに応じてパターン化された接合用のＡｕＳｎはんだ１６ａが配置されている。

サブマウント１１０に実装されるレーザー素子は、ＧａＡｓやＩｎＰなどの半導体材料により構成されおり、その発光波長によって材質が選択される。レーザー素子におけるサブマウント１１０との接合面にはＴｉ／Ａｕ膜などのメタライズが施され、このメタライズはサブマウント１１０のＡｕＳｎはんだ１６ａとの接合におけるろう材として機能する。また、レーザー素子が実装されないサブマウント１１０の他方の面には、ＡｕＳｎはんだ１６ｂが配置され、ＡｕＳｎはんだ１６ｂは、サブマウント１１０を筐体やステムなどに接合する際のろう材として機能する。

ＡｕＳｎはんだ１６ａは、ＡｕＳｎはんだ１６ａとレーザー素子が接合されたとき、その組成が共晶点になるように調整されている。つまり、ＡｕＳｎはんだ１６ａとレーザー素子メタライズのＡｕは、両者を接合する際の加熱によって融解して混ざり合い、その融解した合金の組成が共晶点にくるように調整されている。図７は、ＡｕＳｎ合金の状態図である。ＡｕＳｎ合金は、Ｓｎ＝２９ａｔｏｍｉｃ％の組成に共晶点を持っている。

特開特開２００３－２５８３６０号公報

レーザー素子実装用サブマウントでは、サブマウント１個に対してレーザー素子１個をダイボンドするのが通常であったが、サブマウントなどの支持基板上に複数のレーザー素子を実装する要求が高まっている。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザー素子を一つのサブマウント上にダイボンドしようとした場合、３色のレーザー素子を加熱によりろう材を融解させたサブマウント上に順にダイボンドしていく。したがって、複数のレーザー素子をサブマウント上にダイボンドするためには、一つのレーザー素子をダイボンドする場合と比較し、倍以上の実装時間が必要となる。ここで、当然ながらろう材は、サブマウントへのレーザー素子の実装が完了するまで融解持続していなければならないが、その間にろう材の融解が終了する等、ろう材の融解状態が変化することでレーザー素子の実装が適切に実施できないことがあった。

本発明は、上記課題を鑑み、ろう材の溶融時間を長時間保持することが可能な電極構造および当該電極構造を備えた接合構造体を提供することを目的とする。

本発明は、基板表面に形成される下地電極膜と、前記下地電極膜上に形成される第１拡散バリア膜と、前記第１拡散バリア膜上に形成されるろう材とを備えた電極構造であって、前記第１拡散バリア膜は、結晶配向が無配向多結晶体で構成されたＰｔ膜を備えることを特徴とする電極構造とする。さらに、前記下地電極膜は、前記基板上に形成された前記基板との密着膜と、前記密着膜上に形成された第２拡散バリア膜と、前記第２拡散バリア膜上に形成された貴金属膜を備えた電極構造としてもよい。また、前記ろう材はＳｎ系はんだであり、前記第１拡散バリア膜上で前記Ｓｎ系はんだを３２０℃で溶融した時に、前記第１拡散バリア膜のＰｔ溶解速度が０．６ｎｍ／ｓ以下である電極構造としてもよい。

さらにまた、基板表面に形成される下地電極膜と、前記下地電極膜上に形成される第１拡散バリア膜と、前記第１拡散バリア膜上に形成されるろう材と、前記ろう材上に接合される電子部品とを備えた接合構造体であって、前記第１拡散バリア膜は、結晶配向が無配向多結晶体で構成されたＰｔ膜を備えた接合構造体とする。さらに、前記ろう材を複数備え、前記ろう材に接合された複数の前記電子部品を備える接合構造体としてもよい。

本発明によれば、ろう材の溶融時間を長時間保持することが可能な電極構造および当該電極構造を備えた接合構造体を提供することが可能である。

本発明の電極構造における第一実施形態を示す図であり、レーザー素子実装用サブマウントを示す図である。従来のＡｕＳｎはんだ溶融時におけるＡｕＳｎとＰｔの界面反応を示した模式図である。本発明の第二実施形態のＰｔバリア膜と比較例のＰｔバリア膜のＸ線回折スペクトルである。本発明の第二実施形態の電極構造と比較例の電極構造とにおけるＡｕＳｎはんだ膜を３２０℃～３６０℃で融解した融解時間を示す図である。本発明の第二実施形態の電極構造と比較例の電極構造において、それぞれのＰｔバリア膜上でＡｕＳｎはんだ膜を３２０℃で６０秒間溶融させたときのＰｔバリア膜の変化を示す図である。レーザー素子実装用サブマウントの一例を示す図である。ＡｕＳｎ合金の状態図である。

以下図面を参照して、本発明に係る電極構造および当該電極構造を備えた接合構造体について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ。

図１は、本発明の電極構造における第一実施形態を示す図であり、レーザー素子実装用サブマウントを示す図である。なお、図◆を用いて説明した従来技術のレーザー素子実装用サブマウントと同一または同様の構成については同じ符号を付して説明する。

レーザー実装用サブマウント１０は、任意の面質に研磨された窒化アルミニウムからなるＡｌＮ基板１１とＡｌＮ基板１１の表裏面に形成された電極膜を備える。ＡｌＮ基板１１の一方の面には、電極膜としてＡｌＮ基板１１の表面側より順に、Ｔｉ膜１２ａ、Ｐｔ膜１３ａ、Ａｕ膜１４ａ、Ｐｔバリア膜１５およびＡｕＳｎはんだ膜１６ａが積層されている。ここで、本発明におけるＰｔバリア膜１５は、結晶配向がランダム、すなわち無配向であり、数ナノ～数十ナノ程度の結晶サイズを有する多結晶体である。なお、Ｔｉ膜１２ａ、Ｐｔ膜１３ａ、Ａｕ膜１４ａは本発明の下地電極膜であり、Ｔｉ膜１２ａはＡｌＮ基板１１との密着膜、Ｐｔ膜１３ａは密着膜（Ｔｉ膜１２ａ）がＡｕ膜１４ａへと拡散することを防止する拡散バリア膜、Ａｕ膜１４ａはワイヤーのボンディング等に利用される貴金属膜である。また、Ｐｔバリア膜１５は、貴金属膜（Ａｕ膜１４ａ）がＡｕＳｎはんだ膜へと拡散することを防止する拡散バリア膜、ＡｕＳｎはんだ膜１６ａはレーザー素子等の電子部品との接合材として機能するろう材である。

ＡｌＮ基板１１の他方の面には、電極膜としてＡｌＮ基板１１の表面側より順に、Ｔｉ膜１２ｂ、Ｐｔ膜１３ｂ、Ａｕ膜１４ｂおよびＡｕＳｎはんだ膜１６ｂが積層されている。

本実施例では、Ｔｉ膜１２ａ，１２ｂは０．０６μｍ、Ｐｔ膜１３ａ，１３ｂは０．２０μｍ、Ａｕ膜１４ａ，１４ｂは０．５０μｍの厚さで形成されている。これらの膜の成膜手段はスパッタリング、真空蒸着、湿式めっき、またはこれらを複合した手段で良い。また、これらの膜の目的は、電気的に低抵抗であることと、さらにＡｕ膜１４ａはその膜上にワイヤーボンドできれば良いため、形成する膜の結晶性に制約は無い。

Ｐｔバリア膜１５は、サブマウント１０の面内方向において、サブマウント１０に実装するレーザー素子等の電子部品の大きさに応じたサイズで形成されており、その厚さは０．０２μｍである。Ｐｔバリア膜１５は、サブマウント１０の一方の面（電子部品実装面）、具体的には、ＡｌＮ基板１１上に形成したＡｕ膜１４ａ上にフォトリソによって電子部品を実装する部分だけ開口するようにレジスト形成し、その開口内へ真空蒸着法により成膜した。

Ｐｔバリア膜１６ａの成膜は、ＡｌＮ基板１１の加熱温度１００℃、真空炉内の真空度８×１０^-3Ｐａ、約１Å／ｓｅｃのレートの条件で蒸着した。この条件により成膜を行うことで無配向、多結晶のＰｔバリア膜１５を形成できる。このような無配向なＰｔバリア膜１５を得るには、真空蒸着法のような、成膜中の粒子エネルギーが小さいことが望ましい。もし、成膜中の粒子エネルギーが大きいと、Ｐｔバリア膜１５はサブマウント１０の基材であるＡｌＮ基板１１の結晶面に沿って配向しやすくなる。

また、ＡｕＳｎはんだ膜１６ａは、Ｐｔバリア膜１５および前記レジスト上へ真空蒸着法により３μｍの厚さで成膜し、前記レジストをリフトオフすることによって、パターン化した。ＡｌＮ基板１１の他方の面に形成されるＡｕＳｎはんだ１６ｂは、ＡｌＮ基板１１の他方の面全面に形成され、真空蒸着法で５μｍの厚さで成膜した。

サブマウントとレーザー素子等の電子部品を高強度に接合するには、最終的なＡｕＳｎ接合層の組成、本実施例においてはＡｕＳｎはんだ膜１６ａとサブマウント１０に実装されるレーザー素子のメタライズとが混ざり合った合金の組成が共晶点になるように精密に調整する必要がある。そのためにＡｕＳｎはんだ１６ａの直下に拡散バリア膜としてＰｔバリア膜１５を挿入している。拡散バリア膜は、溶融したＡｕＳｎに拡散しにくい、または金属間化合物を生成しにくい物質であって、代表的にはＰｔである。拡散バリア膜を挿入しない場合、すなわちＡｕ膜１４ａ上にＡｕＳｎはんだ膜１５を直接配置した場合、Ａｕ膜１４ａがＡｕＳｎはんだ膜１６ａと混ざり合い、サブマウントと電子部品との接合膜であるろう材は組成変化を引き起こす。本実施例のように、Ａｕ膜１４ａがＡｌＮ基板１１の面内方向においてＡｕＳｎはんだ膜１６ａより広く存在する場合、両者が混ざり合った合金の組成変化量を調整するのは困難である。Ａｕ膜１４ａとＡｕＳｎはんだ膜１６ａとの間に拡散バリア膜としてＰｔバリア膜１５を挿入することで、Ａｕ膜１４ａの影響を受けず、接合後のＡｕＳｎ接合層（ろう材）の組成を調整しやすくなる。

次に、従来知られているＡｕＳｎはんだとＰｔバリア膜との反応について説明する。図２は、従来のＡｕＳｎはんだ溶融時におけるＡｕＳｎとＰｔの界面反応を示した模式図である。Ｐｔ膜２１上にＡｕＳｎはんだ膜２２が形成された例を見た場合、ＡｕＳｎはんだ膜２２の融点以下の時、ＡｕＳｎはんだ膜２２とＰｔ膜２１は明瞭な界面を有している（図２（ａ）、参照。）。ＡｕＳｎはんだ膜２２を融点以上に加熱した場合、もし組成変動（外部影響も無い）が全くゼロであれば、理論上は半永久的に溶け続けるはずである。しかし、ＡｕＳｎはんだ膜２２が融点以上の温度になると、ＡｕとＳｎとＰｔによる金属間化合物（以下、ＩＭＣと呼ぶ。）２３が生成される（図２（ｂ）、参照。）。ＩＭＣ２３は時間経過とともにその生成量が増加し、ＡｕＳｎはんだ膜２２とＰｔ膜２１との間に厚く形成される。このＩＭＣ２３は、ＰｔＳｎ４Ａｕのような組成と考えられ、Ｐｔが１原子に対してＳｎが４原子、Ａｕが１原子で構成されている。このようにＩＭＣ２３はＳｎの消費量が多く、結果的に融解時のＡｕＳｎはんだ２２は、融解前のＡｕＳｎはんだ２２に比べて、Ａｕリッチ方向に組成変化してしまう。Ｐｔの消費速度（ＩＭＣ２３の生成速度）が速いほど、ＡｕＳｎの組成変化が速くなるため、ＡｕＳｎはんだ膜２２を長時間融解保持するのに不利である。本発明では、Ｐｔ膜である拡散バリア膜を無配向、多結晶体により構成することで、従来と比較し拡散バリア膜とその表面上に形成したろう材との間で形成されるＩＭＣの生成速度を抑え、ろう材の長時間融解を可能としている。

以上のように本実施形態の電極構造では、電極構造におけるろう材の長時間融解が可能であるが、この電極構造を採用することで支持基板上にレーザー素子等の電子部品を複数実装した接合構造体における電子部品の実装を良好に行うことができる。電子部品を複数実装する場合は、電子部品を搭載したい支持基板上にＰｔバリア膜、ろう材を複数配置すればよく、本実施形態の電極構造に適用する場合は、ＡｌＮ基板１１上に形成されたＡｕ膜１４ａの上面であり電子部品を配置したい箇所に、Ｐｔバリア膜１５およびＡｕＳｎはんだ膜１６ａの積層体を複数配置すればよい。

次に、本発明の第二実施形態の電極構造と、本発明とは異なる従来の電極構造（以下、比較例とよぶ。）との比較例を説明する。本発明の第二実施形態の電極構造は、支持基板としてのＡｌＮ基板上に、下地電極膜としてＴｉ膜を０．０６μｍ、Ｔｉ膜上に拡散バリア膜としてＰｔバリア膜を０．０２μｍ、Ｐｔバリア膜上にろう材としてＡｕ組成６０．８ａｔ％のＡｕＳｎはんだ膜を３μｍ備えた電極構造である。本実施形態のＰｔバリア膜は、第一実施形態のＰｔバリア膜１５と同様の製造方法により形成され、無配向、多結晶体の構造である。

比較例の電極構造は、支持基板としてのＡｌＮ基板上に、下地電極膜としてＴｉ膜を０．０６μｍ、Ｔｉ膜上に拡散バリア膜としてＰｔバリア膜を０．０２μｍ、Ｐｔバリア膜上にろう材としてＡｕ組成６０．８ａｔ％のＡｕＳｎはんだ膜を３μｍ備えた電極構造である。比較例のＰｔバリア膜は、（２２０）面に配向傾向を備えた構造であり、電力密度４．０Ｗ／ｃｍ^２、導入ガスＡｒ、加熱温度２７０℃の条件によってスパッタすることで成膜されている。Ｐｔバリア膜は、電力密度３．１～４．３Ｗ／ｃｍ^２、導入ガスＡｒ、加熱温度２５０～３００℃の条件のスパッタにより成膜することで特定の結晶配向を持つ膜となる。なお、本発明の電極構造と比較例とは、ＡｌＮ基板、下地電極膜、ろう材はそれぞれ同一構成であり、拡散バリア膜としてのＰｔバリア膜は厚みが同一であり、その結晶配向性が異なる。

図３は、本発明の第二実施形態のＰｔバリア膜と比較例のＰｔバリア膜のＸ線回折スペクトルである。本発明のＰｔバリア膜は、ＩＣＤＤ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｅｎｔｒｅｆｏｒＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎＤａｔａ）のＰｔデータと比べて、強度比が近い状態であり、結晶配向がランダム（無配向）であると言える。一方で、比較例のＰｔバリア膜は（２２０）面に強く配向傾向であることがわかる。

図４は、本発明の第二実施形態の電極構造と比較例の電極構造とにおけるＡｕＳｎはんだ膜を３２０℃～３６０℃で融解した融解時間を示す図である。横軸は加熱温度、縦軸はＡｕＳｎはんだ膜の融解時間を示している。本発明のＰｔバリア膜は、Ｐｔの融解速度（消費速度）が約０．６ｎｍ／ｓで、ＡｕＳｎはんだ膜を３２０℃で溶融した時、１３５秒間融解維持した。比較例のＰｔバリア膜は、Ｐｔ消費速度は約１．９ｎｍ／ｓであり、ＡｕＳｎはんだ膜を３２０℃で溶融した時、４９秒間融解維持した。このように、（２２０）面に配向傾向があるＰｔバリア膜（比較例）の場合のＰｔ消費速度は、無配向のＰｔバリア膜に比べて約３倍程度、消費速度が速く、無配向多結晶のＰｔバリア膜の方が長時間融解した状態を保持されることがわかった。また、ＡｕＳｎはんだ膜は、加熱温度が高温になるほど融解時間が短くなることがわかった。これは、ＡｕＳｎはんだ膜の下地膜であるＰｔバリア膜の消費速度が高温になるほど速くなるためであると推測される。

図５は、本発明の第二実施形態の電極構造と比較例の電極構造において、それぞれのＰｔバリア膜上でＡｕＳｎはんだ膜を３２０℃で６０秒間溶融させたときのＰｔバリア膜の変化を示す図である。比較例のＰｔバリア膜は、融解後に厚さが明らかに薄くなっておりＰｔ消費速度が速いことがわかり、更には局所的にその下地層であるＴｉ膜まで消費されている箇所も見られる（図４（ａ）、参照。）。一方、本発明のＰｔバリア膜は、融解後も明瞭かつ均一にＰｔバリア膜が残っていることがわかる（図４（ｂ）、参照。）。

以上のように、本発明の電極構造では、Ｐｔバリア膜がろう材と反応し生成されるＩＭＣの生成速度を抑制、すなわちＰｔ消費速度を低減させることで、ろう材の溶融を長時間保持することが可能となる。また、複数のレーザー素子等の電子部品を本発明の電極構造と接合した接合構造体においては、複数の電子部品と電極構造との接合を良好に行うことができる。

１０サブマウント
１１ＡｌＮ基板
１２ａ，１２ｂＴｉ膜
１３ａ，１３ｂＰｔ膜
１４ａ，１４ｂＡｕ膜
１５Ｐｔバリア膜
１６ａ，１６ｂＡｕＳｎはんだ膜

Claims

基板表面に形成される下地電極膜と、前記下地電極膜上に形成される第１拡散バリア膜と、前記第１拡散バリア膜上に形成されるろう材とを備えた電極構造であって、
前記第１拡散バリア膜は、結晶配向が無配向多結晶体で構成されたＰｔ膜を備えることを特徴とする電極構造。
前記下地電極膜は、前記基板上に形成された前記基板との密着膜と、前記密着膜上に形成された第２拡散バリア膜と、前記第２拡散バリア膜上に形成された貴金属膜を備えることを特徴とする請求項１に記載の電極構造。
前記ろう材はＳｎ系はんだであり、前記第１拡散バリア膜上で前記Ｓｎ系はんだを３２０℃で溶融した時に、前記第１拡散バリア膜のＰｔ溶解速度が０．６ｎｍ／ｓ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の電極構造。
基板表面に形成される下地電極膜と、前記下地電極膜上に形成される第１拡散バリア膜と、前記第１拡散バリア膜上に形成されるろう材と、前記ろう材上に接合される電子部品とを備えた接合構造体であって、
前記第１拡散バリア膜は、結晶配向が無配向多結晶体で構成されたＰｔ膜を備えることを特徴とする接合構造体。
前記ろう材を複数備え、前記ろう材に接合された複数の前記電子部品を備えることを特徴とする請求項４に記載の接合構造体。