WO2020138278A1 - 電子部品の接合方法および接合構造体 - Google Patents

電子部品の接合方法および接合構造体 Download PDF

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賢太郎 村川
克明 正木
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京セラ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a joining method and a joining structure for an electronic component, in which an electronic component and an article to be joined are joined using a solder made of a gold-tin alloy.
  • An electronic component joining method of the present disclosure is a method of joining an electronic component side having an electrode and a mounted object side having a mounting surface on which the electronic component is mounted, which is a layer forming step and a joining step.
  • a solder layer made of a gold-tin alloy containing tin in an amount of 20 mass% or more is formed on the electrode of the electronic component, and gold is a main component on the mounting surface of the mounted object.
  • the solder layer and the joining layer are heated and joined at a temperature lower than the melting point of the gold-tin alloy.
  • the electronic component joint structure of the present disclosure is an electronic component joint structure in which an electronic component side having an electrode and a mounted object side having a mounting surface for mounting the electronic component are joined.
  • the bonding structure is located on the electrode of the electronic component, is located on the solder layer made of a gold-tin alloy containing 20% by mass or more of tin, and is located on the mounting surface of the mounted object,
  • a bonding layer that is a main component, and an intermediate layer that is located between the solder layer and the bonding layer and that is made of a gold-tin alloy having a lower melting point than the solder layer are provided.
  • the joining method of the present embodiment is a method of joining the side of an electronic component having an electrode and the side of a mounted object having a mounting surface on which the electronic component is mounted. Further, this method can be applied as long as it has a layer forming step and a joining step and can be joined by a gold-tin alloy as described later.
  • the electronic component is a light emitting element such as a light emitting diode and the mounted object is a submount, but the present invention is not limited to this.
  • the electrode (semiconductor layer) of the light emitting element and the submount are joined using solder.
  • soldering the solder is once melted and then solidified and joined.
  • internal stress is generated in the solidified solder layer, which causes damage such as cracking of the solder layer and peeling of the solder layer.
  • a constant pressure is applied between the light emitting element and the submount. Then, the melted solder may spread laterally due to the applied pressure, and adjacent electrodes may be short-circuited.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of the joining method of the first embodiment.
  • the light emitting device obtained by the joining method of the present embodiment includes a light emitting element 1, a solder layer 2, a submount 3, and a joining layer 4.
  • the light emitting element 1 and the submount 3 are joined via the solder layer 2 and the joining layer 4.
  • a light emitting element having a known configuration without particular limitation.
  • a sapphire substrate on which a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor is formed can be used.
  • the light is extracted from the surface of the sapphire substrate opposite to the surface on which the semiconductor layer is provided.
  • the semiconductor layer has a structure in which an n layer, a light emitting layer, and a p layer are stacked in this order from the sapphire substrate side.
  • a first electrode 12 is provided on the p-layer of the semiconductor layer, and a second electrode 13 is provided on the n-layer exposed on the bottom surface of the groove reaching the n-layer from the p-layer side.
  • the first electrode 12 and the second electrode 13 are two electrodes formed on the same surface.
  • the edge of the first electrode 12 and the edge of the second electrode 13 are separated by, for example, about 50 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the first adhesion layer 14 may be located on the first electrode 12 and the second electrode 13, and the diffusion prevention layer 15 may be located on the first adhesion layer 14.
  • the first adhesion layer 14 contains, for example, at least one of Cr and Ti as a main component.
  • the diffusion prevention layer 15 contains a platinum group element such as Pt, Rh, Pd, Ir, Ru, and Os as a main component, for example.
  • the "main component” means 50% by mass or more of all components. The same applies to the "main component” described below.
  • the diffusion prevention layer 15 makes it difficult for the metal of the solder layer 2 described below to diffuse to the first electrode 12 and second electrode 13 sides.
  • the first adhesion layer 14 has a thickness of, for example, 5 nm or more and 50 nm or less, and the diffusion prevention layer 15 has a thickness of, for example, 10 nm or more and 100 nm or less.
  • the submount 3, which is the mounted object, is not particularly limited, but an AlN substrate or a SiC substrate having good thermal conductivity can be used for the purpose of releasing heat generated in the mounted light emitting element 1.
  • a pattern electrode (not shown) is previously formed on the mounting surface of the submount 3. The pattern electrode side and the first electrode 12 and the second electrode 13 side of the light emitting element 1 are bonded to each other via the solder layer 2 and the bonding layer 4.
  • the submount 3 may be divided in advance for each element.
  • the pattern electrode is provided with, for example, a first adhesion layer 14 containing at least one of Cr and Ti as a main component, and a platinum group element such as Pt as a main component is provided on the first adhesion layer 14.
  • the diffusion prevention layer 15 including the above may be provided.
  • the diffusion prevention layer 15 makes it difficult for the metal of the solder layer 2 described later to diffuse to the pattern electrode side.
  • the first adhesion layer 14 has a thickness of, for example, 5 nm or more and 50 nm or less, and the diffusion prevention layer 15 has a thickness of, for example, 10 nm or more and 100 nm or less.
  • the bonding layer 4 is a layer containing gold as a main component, and particularly contains 80 mass% or more of gold, and is formed on (above) the mounting surface of the submount 3. Specifically, the bonding layer 4 is formed on (above) the pattern electrode.
  • the bonding layer 4 is bonded to the below-described solder layer 2 to bond and fix the light emitting element 1 above the submount 3 (below in the figure).
  • the bonding layer 4 has a thickness of 30 nm or more and 500 nm or less, for example. In the configuration in which the first adhesion layer 14 and the diffusion prevention layer 15 are provided on the pattern electrode, the bonding layer 4 is formed on the diffusion prevention layer 15.
  • the solder layer 2 is a layer made of a gold-tin alloy containing tin in an amount of 20% by mass or more (for example, tin is 20% by mass or more and 30% by mass or less), and is formed on each of the first electrode 12 and the second electrode 13. ..
  • the solder layer 2 is bonded to the bonding layer 4 to bond and fix the light emitting element 1 on the submount 3.
  • the solder layer 2 has a thickness of 0.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less, for example. In the configuration in which the first adhesion layer 14 and the diffusion prevention layer 15 are provided on the first electrode 12 and the second electrode 13, the solder layer 2 is formed on the diffusion prevention layer 15.
  • the solder layer 2 made of a gold-tin alloy containing 20 mass% or more of tin is formed on each of the first electrode 12 and the second electrode 13 of the light emitting element 1. Further, the bonding layer 4 containing gold as a main component is formed on the mounting surface of the submount 3. Any method can be used to form the solder layer 2 on the first electrode 12 and the second electrode 13 of the light emitting element 1 as long as it is a method capable of forming a gold-tin alloy film such as a two-source vapor deposition method or a sputtering method. It may be a method.
  • the method of forming the bonding layer 4 on the pattern electrode of the submount 3 may be any method as long as it can form a gold film, such as a vapor deposition method, a sputtering method or a plating method. Good.
  • the first adhesion layer 14 and the diffusion prevention layer 15 can be formed by using the vapor deposition method or the sputtering method.
  • the solder layer 2 made of a gold-tin alloy containing 20 mass% or more of tin is formed on the light emitting element 1 side, and the bonding layer 4 is formed on the submount 3 side. Then, in the bonding step, the light emitting element 1 side and the submount side are bonded. The first electrode 12 side and the second electrode 13 side of the light emitting element 1 are joined to the pattern electrode side of the submount 3 and these electrodes are electrically connected to each other.
  • the solder layer 2 and the joining layer 4 are pressure-welded while being heated at a temperature lower than the melting point of the gold-tin alloy of the solder layer 2 while using a heater in vacuum, for example.
  • the melting point of a gold-tin alloy containing 23.5 mass% of tin is about 330° C., and this is pressed while heating at about 310° C.
  • a gold-tin alloy containing 20% by mass or more and 30% or less of tin may be used.
  • the heating temperature in the bonding step is a temperature lower than the melting point of the gold-tin alloy, and is, for example, 280° C. or higher and 380° C. or lower.
  • the solder layer 2 made of an alloy When the solder layer 2 made of an alloy is heated at a temperature lower than the melting point of the gold-tin alloy, the surface layer portion thereof melts. The solder layer 2 melts at the interface between the solder layer 2 and the bonding layer 4 in the pressed state. Similarly, when the bonding layer 4 also melts near the interface, and when both the solder layer 2 and the bonding layer 4 melt near the interface, the gold of the bonding layer 4 diffuses into the gold-tin alloy of the solder layer 2 and the bonding layer Tin is diffused into the steel. In the vicinity of the interface, the composition of the gold-tin alloy changes, the melting point rises, and the melted portion near the interface solidifies.
  • the entire solder is melted by heating, and the melted solder spreads to easily cause a short circuit or the like.
  • the composition of the gold-tin alloy is locally changed, and the melting point of that portion is increased.
  • the coefficient of thermal expansion of this solidified portion is an intermediate value between the solder layer 2 and the bonding layer 4.
  • the solder layer 2 made of a gold-tin alloy may be formed, the solder layer 2 can be easily formed. Further, since it melts in the vicinity of the interface between the solder layer 2 and the bonding layer 4, even if the thickness of the solder layer 2 is increased, the spread does not easily increase.
  • the pressure applied to the light emitting element 1 and the submount 3 during joining may be 0.1 MPa or more and 3 MPa or less, and the pressure welding time may be 30 seconds or more and 1 hour or less.
  • FIG. 2 is a diagram showing an outline of the joining method of the second embodiment.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that at least one of an adhesion layer and an antioxidant layer is further formed on the first electrode 12 and the second electrode 13 of the light emitting element 1, and other points are the same. It is similar to that of the first embodiment.
  • the second adhesion layer 16 is a layer containing gold as a main component, and is formed between the first electrode 12 and the second electrode 13 and the solder layer 2.
  • the second adhesion layer 16 improves the adhesion between the solder layer 2 and the electrode. Further, in the configuration in which the diffusion prevention layer 15 is formed, the second adhesion layer 16 improves the adhesion between the diffusion prevention layer 15 side and the solder layer 2 side.
  • the second adhesion layer 16 has a thickness of 30 nm or more and 300 nm or less, for example.
  • the antioxidant layer 17 is a layer containing gold as a main component, and is formed on the surface of the solder layer 2.
  • the antioxidant layer 17 makes the surface of the solder layer 2 difficult to oxidize. When the surface of the solder layer 2 is oxidized, the adhesive strength is reduced.
  • the antioxidant layer 17 has a thickness of 30 nm or more and 300 nm or less, for example.
  • the oxidation-preventing layer 17 is a layer containing gold as a main component like the bonding layer 4, and in the bonding step, oxidation is performed by heating at a temperature lower than the melting point of the solder layer 2 as in the first embodiment. Including the prevention layer 14, the vicinity of the interface between the solder layer 2 and the bonding layer 4 melts. In the vicinity of the interface, gold and tin diffuse, the melting point of the molten portion locally rises, and it is possible to solidify without cooling.
  • either one of the second adhesive layer 16 and the antioxidant layer 17 may be provided, or both of them may be provided.
  • the method of forming the second adhesion layer 16 and the antioxidant layer 17 may be any method as long as it can form a gold film such as a vapor deposition method or a sputtering method.
  • Various joining conditions in the joining step may be the same as those in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an outline of the bonded structure of the third embodiment.
  • the bonding structure of the present embodiment is a structure in which the submount 3 side and the light emitting element 1 side are bonded by the bonding method of the first embodiment. Since each layer is the same as that of the first embodiment, the same reference numeral is given and its description is omitted.
  • the intermediate layer 18 is formed between the solder layer 2 and the bonding layer 4 when the bonding method of the first embodiment is used.
  • the intermediate layer 18 located between the solder layer 2 and the bonding layer 4 is made of a gold-tin alloy having a lower melting point than the solder layer 2.
  • the intermediate layer 18 has a higher proportion of gold than, for example, the composition of the gold-tin alloy of the solder layer 2.
  • the thermal expansion coefficient of such an intermediate layer 18 becomes an intermediate value between the solder layer 2 and the bonding layer 4.
  • the intermediate layer 18 has a thickness of, for example, 0.1 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
  • the gold-tin alloy of the intermediate layer 18 contains 19% by mass or more and less than 20% by mass of tin, and has a melting point higher than 280° C. and lower than or equal to 360° C.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the outline of the bonded structure of the fourth embodiment.
  • the bonding structure of the present embodiment is a structure in which the submount 3 side and the light emitting element 1 side are bonded by the bonding method of the second embodiment. Since each layer is the same as that of the second embodiment, the same reference numerals are given and the description thereof is omitted.
  • the entire antioxidant layer 17 diffuses into the solder layer 2, and further a portion of the joining layer 4 diffuses.
  • the antioxidant layer 17 does not remain by diffusing into the solder layer 2, and the intermediate layer 18 is located between the solder layer 2 and the joint layer 4.
  • the intermediate layer 18 is made of a gold-tin alloy having a melting point lower than that of the solder layer 2, can reduce the internal stress generated, and can suppress damage such as crack generation and peeling. ..
  • the solder layer 2 may be formed on the submount 3 side and the bonding layer 4 may be formed on the light emitting element 1 side.
  • Example A quartz substrate was prepared as a test substrate, and an adhesion layer (Cr) 14 (thickness 10 nm), a diffusion prevention layer (Pt) 15 (thickness 25 nm), an adhesion layer (Au) 16 (thickness 100 nm) were prepared. ), the solder layer 2 (thickness 1 ⁇ m or 2 ⁇ m), and the antioxidation layer (Au) 17 (thickness 100 nm) were laminated in this order.
  • Cr adhesion layer
  • Pt diffusion prevention layer
  • Au adhesion layer
  • the solder layer 2 was a layer made of a gold-tin alloy (melting point of 360° C.) containing 27.2 mass% of tin in the sample in which the thickness of the solder layer 2 was 1 ⁇ m.
  • the sample in which the thickness of the solder layer 2 was 2 ⁇ m was a layer made of a gold-tin alloy (melting point: 330° C.) containing 23.5% by mass of tin.
  • the heating temperature was 340° C. for the sample with a film thickness of 1 ⁇ m, 310° C. for the sample with a film thickness of 2 ⁇ m, the set pressure was 5 mbar, and the pressure welding time was 1 minute.
  • Comparative Example The comparative example is the same as the example except that the heating temperature was 380° C.
  • the intermediate layer 18 was formed between the solder layer 2 and the bonding layer 4 in any of the examples in the connection structure obtained after the bonding step was performed.
  • the intermediate layer 18 contains 19.5 mass% of tin and has a melting point of 310°C.
  • the confirmation of the intermediate layer 18 was performed by a known measurement method using a combination of SEM (scanning electron microscope) and EDX (energy dispersive X-ray analysis).
  • SEM scanning electron microscope
  • EDX energy dispersive X-ray analysis
  • the width of the solder layer before joining was set to 20 ⁇ m for both the example and the comparative example, and the width of the solder layer after joining was compared.
  • the width after joining was 23.6 ⁇ m in the comparative example.
  • the width after joining was 23 ⁇ m, and the spread of the solder layer was slightly suppressed.
  • the width after joining was 37.6 ⁇ m in the comparative example.

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Abstract

本開示は、電子部品の接合方法および接合構造体に関する。発光素子側に、錫を２０質量％以上含む金－錫合金からなるはんだ層を形成し、サブマウント側に、はんだ層と接合する接合層として、金を主成分として含む層を形成する。はんだ層と接合層とを、はんだ層の金－錫合金の融点未満の温度で加熱して発光素子とサブマウントとを接合する。

Description

電子部品の接合方法および接合構造体
　本開示は、電子部品と被接合物とを金－錫合金からなるはんだを用いて接合する電子部品の接合方法および接合構造体に関する。
　電子部品である発光素子とサブマウントとを、はんだ層を介して接合する発光装置の製造方法において、はんだ層のはみ出しを抑制する技術が知られている（例えば、下記の特許文献１を参照）。
特開２０１５－１３８８７０号公報
　本開示の電子部品の接合方法は、電極を有する電子部品の側と、前記電子部品を搭載する搭載面を有する被搭載物の側とを接合する方法であって、層形成工程と、接合工程と、を備える。層形成工程では、前記電子部品の前記電極の上に、錫を２０質量％以上含む金－錫合金からなるはんだ層を形成し、前記被搭載物の前記搭載面の上に、金を主成分として含む接合層を形成する。接合工程では、前記はんだ層と、前記接合層とを、前記金－錫合金の融点未満の温度で加熱して接合する。
　本開示の電子部品の接合構造体は、電極を有する電子部品の側と、前記電子部品を搭載する搭載面を有する被搭載物の側とが接合された電子部品の接合構造体である。接合構造体は、前記電子部品の前記電極の上に位置し、錫を２０質量％以上含む金－錫合金からなるはんだ層と、前記被搭載物の前記搭載面の上に位置し、金を主成分とする接合層と、前記はんだ層と前記接合層との間に位置し、前記はんだ層より融点の低い金－錫合金からなる中間層と、を備える。
第１実施形態の接合方法の概略を示す断面図である。 第２実施形態の接合方法の概略を示す断面図である。 第３実施形態の接合構造体の概略を示す断面図である。 第４実施形態の接合構造体の概略を示す断面図である。
　本発明の目的、特色、および利点は、以下の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
　以下、本開示の一実施形態に係る電子部品の接合方法およびその接合構造体について説明する。本実施形態の接合方法は、電極を有する電子部品の側と、この電子部品を搭載する搭載面を有する被搭載物の側とを接合する方法である。また、この方法は、層形成工程と接合工程とを有し、後述するように金－錫合金によって接合可能なものであれば、適用することができる。以下では、電子部品を、発光ダイオードなどの発光素子とし、被搭載物をサブマウントとして説明するが、これに限定されない。
　例えば、発光素子をサブマウントに固定する場合には、発光素子の電極（半導体層）とサブマウントとをはんだを用いて接合する。はんだ接合では、はんだが一度融解したのち固化して接合することになる。このとき、固化したはんだ層には、内部応力が生じており、はんだ層のクラック発生、はんだ層の剥離などの破壊を引き起こす。また接合時には、発光素子とサブマウントとの間には、一定の圧力が付加される。そうすると、融解したはんだが、付加された圧力によって横方向に広がり、隣接する電極同士が短絡するおそれがある。
　従来の接合方法では、金層と金－錫層のペアを複数積層する必要があり、はんだの形成工程が複雑になる。さらに、複数のはんだ層において、上記のような破壊が生じる可能性がある。また、例えば、電極の高さが異なるような場合には、接合高さを揃えるために一部の電極上のはんだの量を増やそうとすると、はんだの広がりを抑えることが難しくなる。
　図１は、第１実施形態の接合方法の概略を示す図である。図１に示すように、本実施形態の接合方法によって得られる発光装置は、発光素子１と、はんだ層２と、サブマウント３と、接合層４と、を含んで構成されている。発光素子１とサブマウント３とは、はんだ層２および接合層４を介して接合される。
　発光素子１は、特に限定されない公知の構成を有するものを使用することが可能である。例えば、本実施形態では、サファイア基板上に、III族窒化物半導体からなる半導体層が形成されたものを使用することができる。光の取り出しは、サファイア基板の、半導体層が設けられた面とは反対の面から行う。半導体層は、サファイア基板側から順にｎ層、発光層およびｐ層が積層された構造を有する。半導体層のｐ層上には、第１電極１２が設けられ、ｐ層側からｎ層に達する溝の底面に露出するｎ層上には第２電極１３が設けられている。第１電極１２と第２電極１３とは、同一面に形成される２つの電極である。第１電極１２の縁と第２電極１３の縁とは、例えば、５０μｍ以上２００μｍ以下程度離れている。
　第１電極１２および第２電極１３は、それぞれの上に、第１密着層１４が位置しており、第１密着層１４の上に拡散防止層１５が位置していてもよい。第１密着層１４は、例えば、ＣｒおよびＴｉの少なくとも一方を主成分として含む。拡散防止層１５は、例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓなどの白金族元素を主成分として含む。ここで、上記「主成分」とは全成分中の５０質量％以上の成分をいうものとする。以下に記述される「主成分」も同様とする。拡散防止層１５は、後述のはんだ層２の金属が第１電極１２、第２電極１３側に拡散しにくくする。第１密着層１４は、例えば、厚さが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、拡散防止層１５は、例えば、厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
　被搭載物であるサブマウント３は、特に限定されないが、搭載する発光素子１で生じた熱を逃がす目的で、熱伝導性が良好な、ＡｌＮ基板またはＳｉＣ基板などを用いることができる。サブマウント３の搭載面には予めパターン電極（不図示）が形成されている。このパターン電極の側と発光素子１の第１電極１２、第２電極１３の側とが、はんだ層２および接合層４などを介して接合される。ここで、サブマウント３は、予め素子ごとに分割されているものを用いてもよい。
　パターン電極は、その上に、例えば、ＣｒおよびＴｉの少なくとも一方を主成分として含む第１密着層１４が設けられ、第１密着層１４の上に、例えば、Ｐｔなどの白金族元素を主成分として含む拡散防止層１５が設けられていてもよい。拡散防止層１５は、後述のはんだ層２の金属をパターン電極側に拡散しにくくする。第１密着層１４は、例えば、厚さが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、拡散防止層１５は、例えば、厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
　接合層４は、金を主成分として含む層であり、特に金を８０質量％以上含み、サブマウント３の搭載面の上（上方）に形成される。具体的には、接合層４は、パターン電極の上（上方）に形成されている。接合層４は、後述のはんだ層２と接合することで、サブマウント３の上方（図示では下方）に発光素子１を接合して固定する。接合層４は、例えば、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。パターン電極に第１密着層１４および拡散防止層１５が設けられる構成では、拡散防止層１５上に接合層４が形成される。
　はんだ層２は、錫を２０質量％以上（例えば、錫が２０質量％以上３０質量％以下）含む金－錫合金からなる層であり、第１電極１２および第２電極１３にそれぞれ形成される。はんだ層２は、接合層４と接合することで、サブマウント３上に発光素子１を接合して固定する。はんだ層２は、例えば、厚さが０．５μｍ以上５μｍ以下である。第１電極１２および第２電極１３に第１密着層１４および拡散防止層１５が設けられる構成では、拡散防止層１５上にはんだ層２が形成される。
　層形成工程では、発光素子１の第１電極１２および第２電極１３のそれぞれに、錫を２０質量％以上含む金－錫合金からなるはんだ層２を形成する。また、サブマウント３の搭載面に、金を主成分として含む接合層４を形成する。発光素子１の第１電極１２および第２電極１３に、はんだ層２を形成する方法は、例えば、２源蒸着法またはスパッタリング法など金－錫合金膜を形成できる方法であれば、どのような方法であってもよい。また、サブマウント３のパターン電極の上に、接合層４を形成する方法は、例えば、蒸着法、スパッタリング法またはメッキ法など、金膜を形成できる方法であれば、どのような方法であってもよい。第１密着層１４および拡散防止層１５も同様に、蒸着法またはスパッタリング法などを用いて形成することができる。
　このように、層形成工程において、発光素子１の側に錫を２０質量％以上含む金－錫合金からなるはんだ層２を形成し、サブマウント３の側に接合層４を形成する。その後、接合工程において、発光素子１の側とサブマウントの側とを接合する。発光素子１の第１電極１２および第２電極１３の側を、サブマウント３のパターン電極の側に接合し、これらの電極同士を電気的に接続する。接合工程では、はんだ層２と、接合層４とを、例えば、真空中でヒーターを用いながら、はんだ層２の金－錫合金の融点未満の温度で加熱しながら圧接する。例えば、錫を２３．５質量％含む金－錫合金の融点は約３３０℃であり、これを約３１０℃で加熱しながら圧接する。ただし、本実施形態におけるはんだ層２には、例えば、錫を２０質量％以上３０％以下含む金－錫合金を用いてもよい。このとき、接合工程における加熱温度は、金－錫合金の融点未満の温度であって、例えば２８０℃以上３８０℃以下である。
　合金からなるはんだ層２は、金－錫合金の融点未満での温度で加熱されると、その表層部分が融解する。圧接された状態で、はんだ層２と接合層４との界面において、はんだ層２が融解する。同様に接合層４も界面付近で融解し、はんだ層２と接合層４が界面付近でいずれも融解すると、はんだ層２の金－錫合金中に、接合層４の金が拡散され、接合層４中に錫が拡散される。界面付近で、金－錫合金の組成が変化し、融点の上昇が生じて、融解していた界面付近部分が固化する。従来のはんだによる接合では、加熱によってはんだ全体が融解し、融解したはんだが広がって短絡などが生じやすくなる。本実施形態では、融点未満の温度で加熱することで、はんだ層２と接合層４との界面付近を融解させ、金－錫合金の組成が局所的に変化し、その部分の融点が上昇して、冷却せずとも固化させることができる。この固化した部分の熱膨張係数は、はんだ層２と接合層４の中間の値となる。これにより、冷却固化時に生じる内部応力を低減することができ、クラック発生および剥離などの破壊を抑制することができる。さらに、はんだ層２と接合層４の界面付近のみが融解するので、接合時のはんだ層２の広がりを抑えることができる。本実施形態は、金－錫合金からなるはんだ層２を形成すればよいので、はんだ層２の形成が容易である。また、融解するのが、はんだ層２と接合層４の界面付近であるので、はんだ層２の厚さを厚くしても、広がりが大きくなりにくい。
　接合工程における加熱温度以外の各種条件については、例えば、接合時に発光素子１とサブマウント３に加える圧力は、０．１ＭＰａ以上３ＭＰａ以下でよく、圧接時間は、３０秒間以上１時間以下でよい。
　図２は、第２実施形態の接合方法の概略を示す図である。本実施形態では、発光素子１の第１電極１２および第２電極１３に、さらに密着層および酸化防止層の少なくともいずれかを形成する点で第１実施形態と異なっており、その他の点は第１実施形態と同様である。
　第２密着層１６は、金を主成分として含む層であり、第１電極１２および第２電極１３と、はんだ層２との間に形成されている。第２密着層１６は、はんだ層２と電極との密着性を向上させる。また、拡散防止層１５が形成される構成では、第２密着層１６は、拡散防止層１５の側とはんだ層２の側との密着性を向上させる。第２密着層１６は、例えば、厚さが３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
　酸化防止層１７は、金を主成分として含む層であり、はんだ層２の表面に形成されている。酸化防止層１７は、はんだ層２の表面を酸化しにくくする。はんだ層２の表面が酸化すると、接着強度が落ちる。酸化防止層１７は、例えば、厚さが３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。酸化防止層１７は、接合層４と同様に金を主成分とする層であり、接合工程においては、第１実施形態と同様に、はんだ層２の融点未満の温度で加熱することで、酸化防止層１４を含んで、はんだ層２と接合層４の界面付近が融解する。界面付近において、金と錫とが拡散して、溶融部分の融点が局所的に上昇して、冷却せずとも固化させることができる。
　第２密着層１６および酸化防止層１７は、本実施形態において、いずれか一方を設けていればよく、両方を設けていてもよい。第２密着層１６および酸化防止層１７を形成する方法は、例えば、蒸着法またはスパッタリング法など金膜を形成できる方法であれば、どのような方法であってもよい。接合工程における各種接合条件については、第１実施形態と同じであってよい。
　図３は、第３実施形態の接合構造体の概略を示す断面図である。本実施形態の接合構造体は、第１実施形態の接合方法によって、サブマウント３の側と発光素子１の側とが接合された構造体である。各層については、第１実施形態と同じであるので、同じ参照符号を付して説明を省略する。本実施形態では、第１実施形態の接合方法で接合した場合に、はんだ層２と接合層４との間に、中間層１８が形成される。はんだ層２と接合層４との間に位置する中間層１８は、はんだ層２より融点の低い金－錫合金からなる。中間層１８は、例えば、はんだ層２の金－錫合金の組成に比べて、金の割合が多くなっている。このような中間層１８は、熱膨張係数が、はんだ層２と接合層４の中間の値となる。これにより、冷却時に生じる内部応力を低減することができ、クラック発生および剥離などの破壊を抑制することができる。
　中間層１８は、例えば、厚さが０．１μｍ以上１μｍ以下である。中間層１８の金－錫合金は、錫を１９質量％以上２０質量％未満含み、融点は、２８０℃より高く３６０℃以下である。
　図４は、第４実施形態の接合構造体の概略を示す断面図である。本実施形態の接合構造体は、第２実施形態の接合方法によって、サブマウント３の側と発光素子１の側とが接合された構造体である。各層については、第２実施形態と同じであるので、同じ参照符号を付して説明を省略する。本実施形態では、第２実施形態の接合方法で接合した場合に、酸化防止層１７全体がはんだ層２に拡散し、さらに、接合層４の一部が拡散する。本実施形態の接合構造体には、酸化防止層１７は、はんだ層２に拡散することで残っておらず、はんだ層２と接合層４との間に中間層１８が位置する。中間層１８は、第３実施形態と同様に、はんだ層２より融点の低い金－錫合金からなり、生じる内部応力を低減することができ、クラック発生および剥離などの破壊を抑制することができる。
　また、変形例として、上記の各実施形態とは逆に、はんだ層２がサブマウント３の側に形成され、接合層４が発光素子１の側に形成されていてもよい。
　次に本実施形態の実施例について説明する。
・実施例
　試験用基板として石英製の基板を準備し、密着層（Ｃｒ）１４（厚さ１０ｎｍ）、拡散防止層（Ｐｔ）１５（厚さ２５ｎｍ）、密着層（Ａｕ）１６（厚さ１００ｎｍ）、はんだ層２（厚さ１μｍもしくは２μｍ）、酸化防止層（Ａｕ）１７（厚さ１００ｎｍ）の順に積層した。はんだ層２は、はんだ層２の膜厚が１μｍの試料は、錫を２７．２質量％含む金－錫合金（融点は３６０℃）からなる層とした。はんだ層２の膜厚が２μｍの試料は、錫を２３．５質量％含む金－錫合金（融点は３３０℃）からなる層とした。接合工程では、加熱温度を膜厚１μｍの試料は３４０℃、膜厚２μｍの試料は３１０℃とし、設定圧力を５ｍｂａｒとし、圧接時間を１分間とした。
・比較例
　比較例は、加熱温度を３８０℃とした以外は、実施例と同じである。
　接合工程の実施後に得られた接続構造体において、いずれの実施例でも、はんだ層２と接合層４との間に中間層１８が生じていることが確認できた。中間層１８は、錫を１９．５質量％含んでおり、融点は３１０℃である。中間層１８の確認は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）およびＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）の組み合わせによる公知の測定方法で行った。また、比較例においては、はんだ層２全体が融解し、その後、冷却固化したため、中間層１８は存在していないことを確認した。実施例では、中間層１８の存在によって、クラック発生および剥離などの破壊を抑制することができる。一方、比較例では、中間層１８が存在しないので、クラック発生および剥離などの破壊を抑制することができない。
　接合前のはんだ層の幅は、実施例、比較例ともに２０μｍとし、接合後のはんだ層の幅を比較した。はんだ層２の膜厚が１μｍの試料では、比較例では、接合後の幅が２３．６μｍであった。これに対して、実施例では接合後の幅が２３μｍであり、はんだ層の広がりは、わずかながら抑えられた。はんだ層２の膜厚が２μｍの試料では、比較例では、接合後の幅が３７．６μｍであった。これに対して、実施例では３１μｍであり、はんだ層の広がりが大きく抑えられることがわかった。
　本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形および変更は全て本発明の範囲内のものである。
　１　　　発光素子
　２　　　はんだ層
　３　　　サブマウント
　４　　　接合層
　１２　　第１電極
　１３　　第２電極
　１４　　第１密着層
　１５　　拡散防止層
　１６　　第２密着層
　１７　　酸化防止層
　１８　　中間層

Claims (10)

  1. 　電極を有する電子部品の側と、前記電子部品を搭載する搭載面を有する被搭載物の側とを接合する電子部品の接合方法であって、
    　前記電子部品の前記電極の上に、錫を２０質量％以上含む金－錫合金からなるはんだ層を形成し、前記被搭載物の前記搭載面の上に、金を主成分として含む接合層を形成する層形成工程と、
    　前記はんだ層と、前記接合層とを、前記金－錫合金の融点未満の温度で加熱して接合する接合工程と、を備える電子部品の接合方法。
  2. 　前記層形成工程は、前記はんだ層の表面に金を主成分として含む酸化防止層を、さらに形成する、請求項１記載の電子部品の接合方法。
  3. 　前記層形成工程は、前記電極の上に第１密着層を形成し、前記第１密着層の表面に前記はんだ層を形成する、請求項１または２記載の電子部品の接合方法。
  4. 　前記層形成工程は、前記第１密着層の上に、白金族元素を主成分とする拡散防止層を介して金を主成分として含む第２密着層を形成する、請求項３に記載の電子部品の接合方法。
  5. 　前記電子部品は、発光素子を有する、請求項１～４のいずれか１つに記載の電子部品の接合方法。
  6. 　前記電子部品は、前記被搭載物の前記搭載面に対向する面に少なくとも２つの前記電極を有している、請求項１～５のいずれか１つに記載の電子部品の接合方法。
  7. 　電極を有する電子部品の側と、前記電子部品を搭載する搭載面を有する被搭載物の側とが接合された電子部品の接合構造体であって、
    　前記電子部品の前記電極の上に位置し、錫を２０質量％以上含む金－錫合金からなるはんだ層と、
    　前記被搭載物の前記搭載面の上に位置し、金を主成分とする接合層と、
    　前記はんだ層と前記接合層との間に位置し、前記はんだ層より融点の低い金－錫合金からなる中間層と、を備える、電子部品の接合構造体。
  8. 　前記はんだ層は、錫を２０質量％以上３０質量％以下含む金－錫合金である、請求項７に記載の電子部品の接合構造体。
  9. 　前記電極と前記はんだ層との間に位置し、金を主成分として含む密着層をさらに備える、請求項７または８に記載の電子部品の接合構造体。
  10. 　前記電子部品は、前記被搭載物の前記搭載面に対向する面に少なくとも２つの前記電極を有している、請求項７～９のいずれかに記載の電子部品の接合構造体。
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