JPWO2005020315A1 - 素子接合用基板、素子接合基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
通常、窒化アルミニウム焼結体等のセラミックス基板上に素子を接合する場合には、メタライゼーションによりセラミックス基板に強固に接合した第一、及び第二下地金属層を形成した後、該下地金属層上に金等の貴金属からなる電極層を形成し、該電極層に素子をハンダ付けするのが一般的である。このような素子のハンダ付け法としては、効率性の観点からリフロー法が採用されることが多く、そのために基板の電極層上には素子を接合するための特定パターンのハンダ層を予め形成しておく必要がある。
このような薄膜積層ハンダ層付きセラミックス基板におけるハンダ層としては、Au−Sn系の薄膜積層ハンダ層が形成された基板(特許文献1参照)、融点が183℃のSn−37重量%Pb共晶ハンダ或いはこれに微量の異種金属を添加したハンダ(以下、総称してSn−Pb共晶ハンダともいう。)を溶融時に与える薄膜積層ハンダ層が形成された基板等が知られている(特許文献2参照)。上記Sn−Pb共晶ハンダは、電子工業用ハンダとして最も一般的なもので広く普及しており、薄膜積層ハンダ層(例えば図12に示すPb層とSn層を交互に積層したハンダ層)であっても高い接合強度で素子を接合することができる。
しかしながら、薄膜積層ハンダ層は溶融した状態で層全体が所定のハンダ組成となるため、合金ハンダ層の場合とは異なりその性能は層構造に大きく影響を受ける(この点は、後述する実施例と比較例との対比からも明らかである)。例えば、合金ハンダ層では高い接合強度が得られても、溶融時にその合金ハンダ層と同一組成を与えるように形成された薄膜積層ハンダ層では十分な接合強度が得られないことも多い。また、Sn−Pb共晶薄膜積層ハンダ層を有するセラミックス基板に素子を接合するプロセスは完成されており、Sn−Pb共晶薄膜積層ハンダ層からPbフリーの薄膜積層ハンダ層への移行に際しては、Sn−Pb共晶薄膜積層ハンダ層を用いた時と同等の接合強度が得られることは勿論、プロセス上の大きな変更を伴わないことが望まれている。そして、この要望を満足するためには、採用されるPbフリーの薄膜積層ハンダ層の融点は170〜230℃、好ましくは180〜200℃であることが必要である。
[1]電極層を有する基板と該電極層上に形成されたハンダ層とからなる素子接合用基板であって、
該ハンダ層が、
(1)(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inからなる基本金属と、
(2)Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と、
(3)Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と、を含んでなるPbフリーハンダ層であり、
該ハンダ層の厚さが1〜15μm、表面粗さ(Ra)が0.11μm以下である素子接合用基板。
[2]前記ハンダ層が、
(1)(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inからなる基本金属層と、
(2)Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる1以上の低融点化金属層と、
(3)Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる1以上の表面平滑化金属層と、を含み、
該低融点化金属層の各々が該表面平滑化金属層の何れかと隣接している[1]に記載の素子接合用基板。
[3]電極層を有する基板の該電極層上に、
(1)(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inからなる基本金属と、
(2)Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と、
(3)Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とを含んでなる、
厚さが1〜15μm、表面粗さ(Ra)が0.11μm以下のPbフリーハンダ層を形成するハンダ層形成工程を含んでなる[1]又は[2]に記載の素子接合用基板を製造する方法であって、
該ハンダ層形成工程が、前記基本金属からなる層を形成する工程と、Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる低融点化金属層を形成する工程と、Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる表面平滑化金属層を形成する工程と、をそれぞれ1以上含み、
該低融点化金属層を形成する工程の直前および/または直後には該表面平滑化金属層を形成する工程の何れかが行われる素子接合用基板の製造方法。
[4]電極層を有する基板の該電極層上に、遷移金属からなる接着層を形成する接着層形成工程と、
該接着層上に、
(1)(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inからなる基本金属と、
(2)Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と、
(3)Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とを含んでなる、
厚さが1〜15μm、表面粗さ(Ra)が0.11μm以下のPbフリーハンダ層を形成するハンダ層形成工程とを含んでなる[1]又は[2]に記載の素子接合用基板を製造する方法であって、
該ハンダ層形成工程が、前記基本金属からなる層を形成する工程と、Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる低融点化金属層を形成する工程と、Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる表面平滑化金属層を形成する工程と、をそれぞれ1以上含み、
該低融点化金属層を形成する工程の直前および/または直後には該表面平滑化金属層を形成する工程の何れかが行われる素子接合用基板の製造方法。
[5][1]又は[2]に記載の素子接合用基板のハンダ層上に、電極を有する素子を当該電極が前記ハンダ層に接触するように載置した後にリフローハンダ付けする素子接合基板の製造方法。
[6][5]に記載の方法で製造される素子接合基板。
さらに、本発明の製造方法によれば、上記のような優れた素子接合用基板を効率よく製造することが可能である。
本発明における「電極層を有する基板」は、その表面の一部又は全面に電極として機能する貴金属からなる電極層が形成された基板であれば特に限定されないが、半導体素子を接合して使用した時の高周波の誘電損失が少ないという観点から、窒化アルミニウム、アルミナ、SiC等のセラミックス基板又はSi基板、特に表面粗さRaが0.05μm以下でRmaxが0.2μm以下であるセラミックス基板上にメタライゼーションにより貴金属電極層を形成したメタライズ基板を用いるのが好適である。電極層を構成する貴金属としては、Au、Ag、Pd、Pt等を挙げることができるが、導通抵抗が極めて低いAuを使用するのが好適である。
本発明におけるハンダ層の表面粗さ(Ra)は0.11μm以下であり、好ましくは0.06μm以下、特に好ましくは0.05μm以下である。このようなハンダ層の表面粗さ(Ra)であれば、素子をハンダ付けした際に高い接合強度が得られるが、0.11μmを超える場合には高い接合強度が得られないことがある。さらに、接合強度はハンダ層の表面形状にも敏感であり、Raが上記範囲であることに加えてRmaxは0.90μm以下が好適であり、0.55μm以下であればより好適である。
本発明において、表面粗さ(Ra)およびRmaxの測定はAFM(原子間力顕微鏡)を用いて行う。AFMは、原子レベル(Åオーダー)の分解能で3次元的に試料の表面微細形状を計測でき、得られた3次元プロファイルを画像処理することにより、正確な表面粗さ(Ra)およびRmaxを知ることができる。
基本金属(base metal)は、ハンダの基本となる金属であり、基本的な融点を決定し更に基本的な接合強度を発現させる成分である。基本金属としては、(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inが使用できるが、接合後の信頼性が高いという理由から(i)Sn又は(ii)Sn及びAuを使用するのが好適である。
低融点化金属は、ハンダ層の融点を低下させる機能を有する。低融点化金属は、Bi、In、Zn、Au及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属である。但し、低融点化金属としてInが使用されるのは基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限られ、低融点化金属としてAuが使用されるのは基本金属がInであるときに限られる。低融点化金属としては、全ての基本金属に対して融点低下効果が高いという理由からBiを使用するのが好適である。また、基本金属がSn、又はSn及びAuである場合にはBiの他にInも同様の理由から好適に使用できる。Inについては、低融点化効果だけでなく、それ自体が柔らかいため接合時の緩衝効果が高いという利点もある。
表面平滑化金属は、ハンダ層の表面を平滑化する機能を有する。表面平滑化効果が高く、しかも融点を低下させる効果もあることから表面平滑化金属としてはAgを使用するのが好適である。
表面平滑化金属の含有量は、その平滑化効果の観点からハンダ層の総重量を基準として4.9〜60重量%、特に7〜50重量%であるのが好適である。
上記のような特性のハンダ層を有する本発明の素子接合用基板は、高接合強度の素子ハンダ付けを170〜230℃の温度範囲で行なうことが可能であり、従来のSn−Pb共晶ハンダ用リフロープロセスを大きく変更する事無く適用できる。
本発明におけるハンダ層に含まれる上記各種成分の存在形態は特に限定されない。すなわち、当該ハンダ層は、たとえば前述した薄膜積層ハンダ層であっても合金ハンダ層であってもよいが、微細なパターンのハンダ層を高精度で形成できるので、薄膜積層ハンダ層であることが好ましい。薄膜積層ハンダ層を形成する方法は特に限定されず、例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、蒸着法、CVD法、メッキ法が好適である。
低融点化金属層の上に表面平滑化金属層が存在する層構造では、薄膜積層ハンダ層形成の際、表面平滑化金属層以外の層(Pbフリーハンダの層など)の上に低融点化金属層が形成される。このとき形成された低融点化金属層は一部が凝集し、きれいな連続層とならずに表面が荒れてしまうが、その上にさらに表面平滑化金属層が形成される際に、恐らく低融点化金属と表面平滑化金属の相互作用によるものと思われるが、表面の荒れは修復され平滑な表面が形成される。
低融点化金属層の上下に表面平滑化金属層が存在する層構造では、薄膜積層ハンダ層形成の際、低融点化金属の凝集は最も起こりにくく、低融点化金属層は平滑性の高い連続層になる。
上記のように、ハンダ層に含まれる低融点化金属層が表面平滑化金属層と隣接していれば、低融点化金属層は、表面が平滑な連続層となるか、一時的に凝集して不連続な層になってもさらに上に積層される表面平滑化金属層によって修復されて平滑な表面を与える。したがって、最終的に得られるハンダ層は表面平滑性の高いものとなり、素子接合の際に大きな接合力を発揮する。中でも、低融点化金属層の上下に表面平滑化金属層が存在する層構造が、最も平滑性が高く接合力が大きいハンダ層を与えるので特に好ましい。
なお本発明の素子接合用基板において、電極層を有する基板とハンダ層との間に、該電極層側から順に該電極層を構成する貴金属以外の貴金属からなる層(たとえばPt)及び遷移金属からなる接着層(たとえばTi)が存在していてもよい。
次に、上記した特定の層構造を有するハンダ層の好ましい実施態様を以下図面を参照しながら具体的に説明する。
これら態様において、各層の厚さは全体の組成を考慮して適宜決定すればよいが、図1に示す態様においては、基板に近い側に位置するAu10−Sn層501は遠い側のAu10−Sn層504の厚さの1/32〜1/2であるのが好適である。
本発明の素子接合用基板の製造方法は特に限定されず、例えば電極層を有する基板の該電極層上に上記組成のハンダ層を形成した後に、その厚さと表面粗さが前記条件を満足するようにハンダ層表面を研磨することによって得ることもできるが、簡便且つ高歩留まりで再現性よく素子接合用基板を得ることができるという理由から次のような方法(本発明の製造方法)を採用するのが好適である。すなわち、電極層を有する基板の該電極層上に、(1)(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inからなる基本金属と、(2)Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と、(3)Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とを含んでなる、厚さが1〜15μm、表面粗さ(Ra)が0.11μm以下のPbフリーハンダ層を形成するハンダ層形成工程を含んでなる素子接合用基板を製造する方法であって、該ハンダ層形成工程が、前記基本金属からなる層を形成する工程と、Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる低融点化金属層を形成する工程と、Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる表面平滑化金属層を形成する工程と、をそれぞれ1以上含み、該低融点化金属層を形成する工程の直前および/または直後には該表面平滑化金属層を形成する工程の何れかを行う方法を採用するのが好適である。
本発明の素子接合用基板に半導体素子等の素子を接合する方法は特に限定されず、公知のハンダ付け法が限定なく採用できるが、精度よい接合を効率的に行なうことができるという理由より、本発明の素子接合用基板のハンダ層上に電極を有する素子を当該電極が前記ハンダ層に接触するように載置した後にリフローハンダ付けするのが好適である。なお、リフローハンダ付け(リフローソルダリング)とは、基板の所定のランド上、又は部品電極、あるいはその両方に予めハンダを供給しておき、部品を基板上の所定の位置に固定した後に、ハンダを溶かし(フローさせ)て、部品と基板との接合を行なう方法である。上記方法において、ハンダをリフローさせる方法は特に限定されずリフローコンベヤを利用する方法、熱板を用いる方法、ベーパーリフロー法等が採用できる。また、加熱温度や加熱時間は用いるハンダの種類に応じて適宜決定すればよいが、本発明の素子接合用基板を用いた場合には、Sn−Pb共晶薄膜積層構造ハンダパターンを有するセラミックス基板に素子を接合する時とほぼ同じ温度、具体的には170〜230℃、より好適には180〜200℃で良好なハンダ付けを行なうことが可能である。
なお、ハンダ層内の最下層が表面平滑化金属層である場合、上記素子接合方法においてハンダ層を加熱溶融した際に、当該表面平滑化金属は溶融したハンダ層全体に拡散する。このとき必ずしも当該表面平滑化金属層を構成する表面平滑化金属の全てが拡散するとは限らず、当該平滑化金属層の底面近傍では層状に表面平滑化金属が残ることもある。
図1に示すような構造の素子接合用基板を、以下の様にして作製した。なお図1は、代表的な本発明の素子接合用基板101の断面図であり、窒化アルミニウム焼結体基板201上に、Tiを主成分とする第1下地層202、白金を主成分とする第2下地層203、及び金電極層204がこの順番で積層された基板200の金電極層上に、ハンダ流れ出し防止用Pt層301、Tiを主成分とする密着層401、並びに第一Ag層500、第一Au10−Sn層501、Bi層502、第二Ag層503および第二Au10−Sn層504がこの順番で積層されてなるハンダ層509が積層された構造を有する。
先ず、窒化アルミニウム焼結体基板{50.8mm×50.8mm×0.3mmt、表面粗さRa=0.02μm、Rmax=0.179μm(株)トクヤマ製}の表面にスパッタリング装置を用いてスパッタリング法により厚さ0.06μmのTiを主成分とする第1下地層、厚さ0.2μmの白金を主成分とする第2下地層、及び厚さ0.6μmの金電極層を順次形成した。次いで、フォトリソを用いてハンダ流れ出し防止用のパターニングを行い、スパッタリング法を用いてPtを0.25μm成膜した。さらにフォトリソを用いてハンダパターニングを行い、真空蒸着装置を用いて上記ハンダ流れ出し防止用のPt上に、厚さ0.06μmの密着層Ti及び1.5μmのAg層を形成し、引続きターゲットとしてAu及びSnを用いた二元同時蒸着法により、金含有量が10重量%のAu−Sn合金{融点217℃及びヤング率45.0GPa(at25℃)}から成る厚さ1.0μmのAu−Sn層を形成し、次いでBi層を0.33μm、Ag層を0.2μm、最後にAu及びSnを用いた二元同時蒸着法により、金含有量が10重量%のAu−Sn層を2.47μm成膜し、本発明の素子接合用基板(No.1)を作製した。
Ra=F(1,LXLY)I(0,LY,I(0,LX|f(x,y)|dx)dy)(1)
尚、f(x,y)は中心面を基準にした表面、LX、LYは、表面の寸法を表す。
また、Bi層、金含有量が10重量%のAu−Sn層(Au10−Sn層)、Ag層の膜厚を表1に示すように変更し、本発明の素子接合用基板No.2〜8を製造し、同様に表面粗さ及び接合強度の測定を行なった。その結果を併せて表1に示す。
ハンダ層の構造を図2の510に示されるように、厚さ1.5μmの第一Ag層500上に厚さ0.33μmのBi層511、厚さ0.2μmの第二Ag層512および厚さ3.47μmの第一Au10−Sn層513がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして、素子接合用基板を作製し、接合温度を実施例1と同様にして素子接合基板(No.9)を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.044μm、Rmax=0.390μmであり、平均接合強度は3.1kgf/mm2であり、主な剥離モードは半導体素子内であった。また、Bi層、Au10−Sn層、Ag層の厚さを表1に示すように変更し、本発明の素子接合用基板No.10〜15を製造し、同様に接合強度の測定を行なった。その結果を併せて表1に示す。
ハンダ層の構造を図3の520に示されるように、厚さ1.5μmの第一Ag層500上に厚さ0.33μmのBi層521、および厚さ3.67μmの第一Au10−Sn層522がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして、素子接合基板(No.16)を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.101μm、Rmax=0.807μmであり、平均接合強度は3.2kgf/mm2であり、主な剥離モードは半導体素子内であった。また、Bi層、Au10−Sn層の厚さを表1に示すように変更し、本発明の素子接合用基板No.17〜19を製造し、同様に接合強度の測定を行なった。その結果を併せて表1に示す。
ハンダ層の構造を図4の530に示されるように、厚さ1.5μmの第一Ag層500上に厚さ1.0μmの第一Au10−Sn層531、厚さ0.33μmのIn層532、厚さ0.2μmの第二Ag層533および厚さ2.47μmの第二Au10−Sn層534がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして、素子接合用基板を作製し、接合温度を実施例1と同様にして素子接合基板(No.21)を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.049μm、Rmax=0.644μmであり、平均接合強度は2.5kgf/mm2であり、主な剥離モードは半導体素子内であった。また、In層、Au10−Sn層、第二Ag層の膜厚を表2に示すように変更し、本発明の素子接合用基板No.22〜28を製造し、同様に接合強度の測定を行なった。その結果を併せて表2に示す。
ハンダ層の構造を図5の540に示されるように、厚さ1.5μmの第一Ag層500上に厚さ0.33μmのIn層541、厚さ0.2μmの第二Ag層542および厚さ3.47μmの第一Au10−Sn層543がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして、素子接合基板(No.29)を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.035μm、Rmax=0.370μmであり、平均接合強度は2.7kgf/mm2であり、主な剥離モードは半導体素子内であった。また、In層、Au10−Sn層の膜厚を表2に示すように変更し、本発明の素子接合用基板No.30〜35を製造し、同様に接合強度の測定を行なった。その結果を併せて表2に示す。
ハンダ層の構造を図6の550に示されるように、厚さ1.5μmの第一Ag層500上に厚さ0.33μmのIn層551、および厚さ3.67μmの第一Au10−Sn層552がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして、素子接合基板(No.36)を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.105μm、Rmax=0.854μmであり、平均接合強度は2.7kgf/mm2であり、主な剥離モードは半導体素子内であった。また、In層、Au10−Sn層の膜厚を表2に示すように変更し、本発明の素子接合用基板No.37〜39を製造し、同様に接合強度の測定を行なった。その結果を併せて表2に示す。
ハンダ層の構造を図7の560に示されるように、厚さ1.5μmの第一Ag層500上に厚さ0.33μmのBi層561、厚さ0.2μmの第二Ag層562および厚さ3.47μmの第一Sn層563がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして、素子接合基板(No.40)を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.044μm、Rmax=0.410μmであり、平均接合強度は2.5kgf/mm2であり、主な剥離モードは半導体素子内であった。また、Bi層、Sn層の膜厚を表3に示すように変更し、本発明の素子接合用基板No.41〜43を製造し、同様に接合強度の測定を行なった。その結果を併せて表3に示す。
ハンダ層の構造を図8の570に示されるように、厚さ1.5μmの第一Ag層500上に厚さ0.33μmのIn層571、厚さ0.2μmの第二Ag層572および厚さ3.47μmの第一Sn層573がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして、素子接合基板(No.44)を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.046μm、Rmax=0.512μmであり、平均接合強度は3.1kgf/mm2であり、主な剥離モードは半導体素子内であった。また、In層、Sn層の膜厚を表3に示すように変更し、本発明の素子接合用基板No.44〜47を製造し、同様に接合強度の測定を行なった。その結果を併せて表3に示す。
ハンダ層の構造を図9の580に示されるように、厚さ1.5μmの第一Ag層500上に厚さ1.735μmの第一Au10−Sn層581、厚さ0.33μmのBi層582および厚さ1.735μmの第二Au10−Sn層583がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして、素子接合用基板(No.20)を作製し、接合温度や条件を実施例1と同様にして素子接合基板を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.120μm、Rmax=1.06μmであり、平均接合強度は0.7kgf/mm2であり、剥離モードは全て半導体素子−ハンダ間であった。
比較例2
ハンダ層の構造を図10の590に示されるように、厚さ1.5μmの第一Ag層500上に厚さ1.156μmの第一Au10−Sn層591、厚さ0.33μmのBi層592および厚さ1.156μmの第二Au10−Sn層593、厚さ0.2μmの第二Ag層594および厚さ1.156μmの第三Au10−Sn層595がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして、素子接合用基板を作製し、接合温度や条件を実施例1と同様にして素子接合基板を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.119μm、Rmax=0.972μmであり、平均接合強度は0.8kgf/mm2であり、剥離モードは全て半導体素子−ハンダ間であった。
第一Ag層を形成せず、更にハンダ層の構造を図11の5A0に示されるようにハンダ流れ出し防止用Pt側から順に厚さ0.33μmのBi層5A1、および厚さ3.67μmの第一Au10−Sn層5A2がこの順番で積層された構造とする他は実施例1と同様にして素子接合基板を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして表面粗さ及び接合強度を測定したところ、Ra=0.131μm、Rmax=1.272μmであり、平均接合強度は0.4kgf/mm2であり、剥離モードは全て半導体素子−ハンダ間であった。
参考例1
第一Ag層を形成せず、ハンダ層を図12に示されるSn−Pbハンダ層600、即ちハンダ流れ出し防止用Pt層側から順に厚さ0.55μm第一Pb層601、厚さ1.45μmの第一Sn層602、厚さ0.55μm第二Pb層603、厚さ1.45μmの第二Sn層604が積層された構造のハンダ層とする他は実施例1と同様にして、素子接合用基板を作製し、接合温度を実施例1と同様にして素子接合基板を作製した。同様にして10個の素子接合基板を作製し、実施例1と同様にして接合強度を測定したところ、平均接合強度は3.4kgf/mm2であり、主な剥離モードは半導体素子内であった。
200:表面に金電極層が形成されてなる基板
201:窒化アルミニウム焼結体基板
202:Tiを主成分とする第一下地層
203:Ptを主成分とする第二下地層
204:金電極層
301:ハンダ流れ出し防止用Pt
401:Tiを主成分とした密着層
500:第一Ag層(表面平滑化金属層)
509、510、520、530、540、550、560、570、580、590及び5A0:ハンダ層
501、513、522、531、543、552、581、591及び5A2:第一Au10−Sn層
502、511、521、561、582、592及び5A1:Bi層(低融点化金属層)
503、512、533、542、562、572及び594:第二Ag層(表面平滑化金属層)
504、534、583及び593:第二Au10−Sn層
532、541、551及び571:In層(低融点化金属層)
563及び573:第一Sn層
595:第三Au10−Sn層
600:Sn−Pbハンダ層
601:第一Pb層
602:第一Sn層
603:第二Pb層
604:第二Sn層
Claims (6)
- 電極層を有する基板と該電極層上に形成されたハンダ層とからなる素子接合用基板であって、
該ハンダ層が、
(1)(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inからなる基本金属と、
(2)Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と、
(3)Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と、を含んでなるPbフリーハンダ層であり、
該ハンダ層の厚さが1〜15μm、表面粗さ(Ra)が0.11μm以下である素子接合用基板。 - 前記ハンダ層が、
(1)(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inからなる基本金属層と、
(2)Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる1以上の低融点化金属層と、
(3)Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる1以上の表面平滑化金属層と、を含み、
該低融点化金属層の各々が該表面平滑化金属層の何れかと隣接している請求項1に記載の素子接合用基板。 - 電極層を有する基板の該電極層上に、
(1)(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inからなる基本金属と、
(2)Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と、
(3)Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とを含んでなる、
厚さが1〜15μm、表面粗さ(Ra)が0.11μm以下のPbフリーハンダ層を形成するハンダ層形成工程を含んでなる請求項1又は2に記載の素子接合用基板を製造する方法であって、
該ハンダ層形成工程が、前記基本金属からなる層を形成する工程と、Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる低融点化金属層を形成する工程と、Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる表面平滑化金属層を形成する工程と、をそれぞれ1以上含み、
該低融点化金属層を形成する工程の直前および/または直後には該表面平滑化金属層を形成する工程の何れかが行われる素子接合用基板の製造方法。 - 電極層を有する基板の該電極層上に、遷移金属からなる接着層を形成する接着層形成工程と、
該接着層上に、
(1)(i)Sn、(ii)Sn及びAu又は(iii)Inからなる基本金属と、
(2)Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と、
(3)Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とを含んでなる、
厚さが1〜15μm、表面粗さ(Ra)が0.11μm以下のPbフリーハンダ層を形成するハンダ層形成工程とを含んでなる請求項1又は2に記載の素子接合用基板を製造する方法であって、
該ハンダ層形成工程が、前記基本金属からなる層を形成する工程と、Bi、In(基本金属がSn、又はSn及びAuであるときに限る)、Zn、Au(基本金属がInであるときに限る)及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる低融点化金属層を形成する工程と、Ag、Ni、Fe、Al、Cu及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる表面平滑化金属層を形成する工程と、をそれぞれ1以上含み、
該低融点化金属層を形成する工程の直前および/または直後には該表面平滑化金属層を形成する工程の何れかが行われる素子接合用基板の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の素子接合用基板のハンダ層上に、電極を有する素子を当該電極が前記ハンダ層に接触するように載置した後にリフローハンダ付けする素子接合基板の製造方法。
- 請求項5に記載の方法で製造される素子接合基板。
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