(57)【要約】【課題】Ｂｉを含有するはんだ接続部の放熱性を向上させ、Ｂｉが接続部の外部へ拡散し接続部にカーケンダルボイドが形成されることを防止して光素子等の機能素子の特性を向上させる。【解決手段】機能素子１が搭載される基板２の主面側の、機能素子１が搭載される領域の少なくとも一部に第１の導体層５を形成し、第１の導体層５の少なくとも一部に第２の導体層６を形成する導体層形成工程と、第２の導体層６の少なくとも一部に凹凸形状状の第３の導体層８を形成し、第３の導体層８の少なくとも一部にはんだ９を形成し、第２の基板１７を挟持し、はんだ９を溶融させて機能素子１を接続して搭載し、はんだ９が第３の凹凸状の導体層８により堰き止められて第１の導体層５に接しない接続工程を備えた機能素子搭載方法とする。【選択図】図１６
2010212646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能素子を、導体層を有する基板にはんだを用いて接続して搭載する機能素子搭載方法であって、
前記機能素子が搭載される前記基板の主面側の、前記機能素子が搭載される領域の少なくとも一部に第１の導体層を形成する導体層形成工程と、
前記第１の導体層の少なくとも一部に第２の導体層を形成する導体層形成工程と、
前記第２の導体層の少なくとも一部に凹凸形状の第３の導体層を形成する導体層形成工程と、
前記第３の導体層で、前記機能素子が接続される領域の最も外側に形成された凸部の最も高い箇所よりも、前記機能素子が接続される領域の内側の少なくとも一部にはんだを形成するはんだ形成工程と、
前記はんだを溶融させて前記機能素子を前記基板の主面側の前記第３の導体層に接続して搭載する接続工程と、
溶融させた前記はんだが前記第３の導体層により堰き止められて前記第１の導体層に接しない接続部を形成する接続工程と、を備え、
前記接続部が前記第１の導体層に接しないことを特徴とする機能素子搭載方法。
【請求項２】
前記機能素子の主面側の少なくとも一部に、前記接続工程において前記はんだと接続される第４の導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の機能素子搭載方法。
【請求項３】
凹凸形状の前記第３の導体層を形成する導体層形成工程において、形成する凹凸形状の高さが、最も高い箇所で２μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の機能素子搭載方法。
【請求項４】
前記接続工程において、前記機能素子に予め形成されたＡｕ層若しくはＡｕバンプを溶融した前記はんだに押し付けてＡｕとはんだ成分との反応により前記接続部を形成することを特徴とする請求項１乃至３の何れかの一つに記載の機能素子搭載方法。
【請求項５】
凹凸形状の前記第３の導体層を形成する導体層形成工程において、形成する凹凸形状の前記第３の導体層を構成する複数の導体層が金属材料であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の機能素子搭載方法。
【請求項６】
凹凸形状の前記第３の導体層を形成する導体層形成工程において、前記第３の導体層を構成する材料がＣｕまたはＣｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金、ＮｉまたはＮｉ合金の金属、またはＡｕまたはＡｕ合金であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかの一つに記載の機能素子搭載方法。
【請求項７】
前記はんだ形成工程において、形成される前記はんだが、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ、Ｓｎ―Ａｇ―Ｉｎ―Ｂｉ、Ｉｎ−Ｂｉ等、Ｂｉが含まれるはんだであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の機能素子搭載方法。
【請求項８】
前記はんだ形成工程において、形成される前記はんだが、Ｂｉ−ＳｎはんだまたはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉはんだであって、Ｂｉの濃度が２１％以上９９．９％以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の機能素搭載方法。
【請求項９】
前記はんだ形成工程において、形成されるＢｉ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ、Ｓｎ―Ａｇ―Ｉｎ―Ｂｉ、Ｉｎ−Ｂｉ等、Ｂｉが含まれるはんだ表面に、Ａｇ、Ａｕ若しくはＡｇとＡｕを積層して構成される膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の機能素子搭載方法。
【請求項１０】
前記はんだ形成工程において、前記はんだの表面に、前記Ａｇ、Ａｕ若しくはＡｇとＡｕを積層して構成される膜が蒸着、スパッタまたはめっきにより形成されることを特徴とする請求項９に記載の機能素子搭載方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一つに記載の機能素子搭載方法において、前記機能素子が前記はんだにより接続される前記基板が耐熱温度２００℃以下の有機材料を有するフレキシブル基板であることを特徴とする機能素子搭載方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１０の何れか一つに記載の機能素子搭載方法において、前記機能素子と前記基板の間に第２の基板を挟持することを特徴とする機能素子搭載方法。
【請求項１３】
導体層を有する基板にはんだを用いて機能素子を接続して搭載した機能素子搭載基板であって、
前記機能素子が搭載される前記基板の主面側の、前記機能素子が搭載される領域の少なくとも一部に形成された第１の導体層と、
前記第１の導体層の少なくとも一部に形成された第２の導体層と、
前記第２の導体層の少なくとも一部に形成された凹凸形状の第３の導体層と、
前記第３の導体層で、前記機能素子が接続される領域の最も外側に形成された凸部の最も高い箇所よりも、前記機能素子が接続される領域の内側の少なくとも一部に形成されたはんだと、
前記はんだを溶融させ、前記機能素子が前記基板の主面側の前記第３の導体層に接続して搭載され、溶融させた前記はんだが前記第３の導体層により堰き止められて前記第１の導体層に接しない接続部と、を備え、
前記接続部が前記第１の導体層に接しないことを特徴とする機能素子搭載基板。
【請求項１４】
請求項１３に記載の機能素子搭載基板において、接続された前記はんだが前記第３の導体層と接していないことを特徴とする機能素子搭載基板。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の機能素子搭載基板において、前記機能素子と前記基板の間に挟持された第２の基板を備えていることを特徴とする機能素子搭載基板。
【請求項１６】
請求項１３乃至１５のいずれか一つに記載の機能素子搭載基板において、前記第２の基板の機能素子を搭載する面および前記基板と接する面の少なくとも一部に第４の導体層が形成されており、前記第４の導体層の少なくとも一部にはんだが形成されていることを特徴とする機能素子搭載基板。
【請求項１７】
請求項１３乃至１６のいずれか一つに記載の機能素子搭載基板において、前記第２の基板の機能素子が接続される側に形成されているはんだの方が、機能素子を接続しない側に形成されているはんだより熱伝導率が高いことを特徴とする機能素子搭載基板。
【請求項１８】
請求項１３乃至１７のいずれか一つに記載の機能素子搭載基板において、前記第２の基板の一部に貫通穴が開いていることを特徴とする機能素子搭載基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子等の機能素子を導電層上にはんだが形成されたフレキシブル基板に接続して搭載する機能素子搭載方法および機能素子を搭載した機能素子搭載基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の機能素子搭載方法としては、特許文献１及び特許文献２に記載の技術が知られている。特許文献１には、基板とこの基板上に形成され、半導体素子のパッドとバンプで接続される領域に凹凸部が形成された導電層とを備え、半導体素子は前記バンプが前記導電層の接続領域に接続されるように前記フリップチップ実装基板にマウント・ボンディングする半導体装置が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、半導体基板上に設けられた配線層と、前記配線層上に設けられた検査用電極パッドとを備え、前記検査用電極パッドは、バリアメタル層およびコンタクト層が積層した構造を有し、前記検査用電極パッドの表面に凹凸が設けられた半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０９９８７号公報
【特許文献２】特開２００３−１７９１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、光素子等の機能素子を導電層及び、はんだが形成されたフレキシブル基板に実装する要求がある。フレキシブル基板とはプリント配線板の一種で、薄くて屈曲性がある。絶縁体には柔軟性の高いポリイミドや高周波特性の良い液晶ポリマを用い、片面、両面、多層のものがある。また、光導波路用のフレキシブル基板には導波路層が形成されており、マルチモードの前記導波路層の耐熱温度は１６０℃〜２００℃程度である。この場合の課題としては、前記導波路層の耐熱温度が低いことから低融点の接続材料で接続する必要がある。また、機能素子から出る熱が大きくなることから、接続部の高い放熱性を確保する必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、はんだ接続部において、はんだの良好な濡れ性を確保して放熱性を向上し、Ｂｉの接続部以外の導体層への拡散を防止することで光素子等の機能素子の特性を向上させた機能素子搭載方法および機能素子搭載基板搭載構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の機能素子搭載方法は、機能素子を、導体層を有する基板にはんだを用いて接続して搭載する機能素子搭載方法であって、前記機能素子が搭載される前記基板の主面側の、前記機能素子が搭載される領域の少なくとも一部に第１の導体層を形成する導体層形成工程と、前記第１の導体層の少なくとも一部に第２の導体層を形成する導体層形成工程と、前記第２の導体層の少なくとも一部に凹凸形状の第３の導体層を形成する導体層形成工程と、前記第３の導体層で、前記機能素子が接続される領域の最も外側に形成された凸部の最も高い箇所よりも、前記機能素子が接続される領域の内側の少なくとも一部にはんだを形成するはんだ形成工程と、前記はんだを溶融させて前記機能素子を前記基板の主面側の前記第３の導体層に接続して搭載する接続工程と、溶融させた前記はんだが前記第３の導体層により堰き止められて前記第１の導体層に接しない接続部を形成する接続工程と、を備え、前記接続部が前記第１の導体層に接しないことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、前記機能素子搭載方法において、前記機能素子の主面側の少なくとも一部に、前記接続工程において前記はんだと接続される第４の導体層を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、凹凸形状の前記第３の導体層を形成する導体層形成工程において、形成する凹凸形状の高さが、最も低い箇所では、第３の導体層が形成される基板や、導体層１および導体層２の表面粗さより明らかに高い２μｍ以上とし、最も高い箇所では、はんだの高さで最も高い１０μｍと同じ１０μｍ以下とし、接続に関与するはんだの体積を十分確保することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記接続工程において、前記機能素子に予め形成されたＡｕ層若しくはＡｕバンプを溶融した前記はんだに押し付けてＡｕとはんだ成分との反応により前記接続部を形成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、凹凸形状の前記第３の導体層形成工程において、形成する凹凸形状の前記第３の導体層を構成する導体層７および導体層８が金属材料であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、凹凸形状の前記第３の導体層形成工程において、前記第３の導体層を構成する材料がＣｕまたはＣｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金、ＮｉまたはＮｉ合金の金属、またはＡｕまたはＡｕ合金であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記はんだ形成工程において、形成される前記はんだが、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ、Ｓｎ―Ａｇ―Ｉｎ―Ｂｉ、Ｉｎ−Ｂｉ等、Ｂｉが含まれるはんだであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記はんだ形成工程において、形成される前記はんだが、Ｂｉ−ＳｎはんだまたはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉはんだであって、Ｂｉの濃度が２１％以上９９．９％以下であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記はんだ形成工程において、形成されるＢｉ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ、Ｓｎ―Ａｇ―Ｉｎ―Ｂｉ、Ｉｎ−Ｂｉ等、Ｂｉが含まれるはんだ表面に、Ａｇ、Ａｕ若しくはＡｇとＡｕを積層して構成される膜が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記はんだ形成工程において、前記はんだの表面に、前記Ａｇ、Ａｕ若しくはＡｇとＡｕを積層して構成される膜が蒸着、スパッタまたはめっきにより形成されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の方法に用いる基板は、前記機能素子をはんだにより接続される基板が耐熱温度２００℃以下の有機材料を有するフレキシブル基板であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記接続工程において接続された前記はんだが前記第３の導体層と接していないことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の機能素子搭載方法では、前記機能素子と前記基板の間に第２の基板を挟持することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の機能素子搭載基板は、導体層を有する基板にはんだを用いて機能素子を接続して搭載した機能素子搭載基板であって、前記機能素子が搭載される前記基板の主面側の、前記機能素子が搭載される領域の少なくとも一部に形成された第１の導体層と、前記第１の導体層の少なくとも一部に形成された第２の導体層と、前記第２の導体層の少なくとも一部に形成された凹凸形状の第３の導体層と、前記第３の導体層で、前記機能素子が接続される領域の最も外側に形成された凸部の最も高い箇所よりも、前記機能素子が接続される領域の内側の少なくとも一部に形成されたはんだと、前記はんだを溶融させ、前記機能素子が前記基板の主面側の前記第３の導体層に接続して搭載され、溶融させた前記はんだが前記第３の導体層により堰き止められて前記第１の導体層に接しない接続部と、を備え、前記接続部が前記第１の導体層に接しないことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の機能素子搭載基板は、接続された前記はんだが前記第３の導体層と接していないことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の機能素子搭載基板は、前記機能素子と前記基板の間に挟持された第２の基板を備えていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の機能素子搭載基板は、前記第２の基板の機能素子を搭載する面および前記基板と接する面の少なくとも一部に第４の導体層が形成されており、前記第４の導体層の少なくとも一部にはんだが形成されていることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の機能素子搭載基板は、前記第２の基板の機能素子が接続される側に形成されているはんだの方が、機能素子を接続しない側に形成されているはんだより熱伝導率が高いことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の機能素子搭載基板は、前記第２の基板の一部に貫通穴が開いていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、比較的接続温度が低く、比較的熱伝導率が小さいＳｎ−Ｂｉはんだ等を用いて機能素子と基板を接続した接続部の放熱性を向上することが可能となる。
【００２７】
また、本発明によれば、機能素子と基板をＳｎ−Ｂｉはんだ等を用いて接続後、接続部と基板上に形成され、接続部以外の領域まで続いて形成されている導電層が接することのないようにすることで、Ｂｉの導電層への拡散による接続部に形成されるカーケンダルボイドの形成を抑止することが可能となる。
【００２８】
また、本発明によれば、基板上の凹凸形状の導電層により、機能素子との接続時にはんだ表面に形成されていた酸化膜を破り濡れの良い良好な接続を実現できる。
【００２９】
また、本発明によれば、第２の基板を挟持することにより、機能素子と基板を接続した接続部の放熱性の向上と熱膨張率の違いを緩和することができる。
【００３０】
また、本発明によれば、第２の基板に貫通穴を設けることにより、光素子等の機能素子からの光を第２の基板を通過させて第１の基板の導波路層に導くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は本発明に係わる基本構造である機能素子１を基板２上に実装する前の状態を示す断面図である。
【図２】図２は本発明に係わる基本構造である機能素子１を基板２上に実装した状態を示す断面図である。
【図３】図３は本発明に係わる基本構造である機能素子１を基板２上に実装後、接続部とその周囲の領域にアンダーフィルを注入した状態を示す断面図である。
【図４】図４は本発明に係わる基本構造である機能素子１を基板２上に実装する前の状態の半分を拡大した断面図である。
【図５】図５は本発明に係わる基本構造である機能素子１を基板２上に実装する前の状態の半分を拡大した断面図である。
【図６】図６は本発明に係わる基本構造である機能素子１を基板２上に実装後の状態の半分を拡大した断面図である。
【図７】図７は本発明に係わる基本構造である機能素子１を基板２上に実装後の状態の半分を拡大した断面図である。
【図８】図８は本発明に係わる接続前の基板２側を平面的に上方より見た図である。
【図９】図９は本発明に係わる接続前の基板２側を平面的に上方より見た図である。
【図１０】図１０は本発明に係わるＢｉ−Ｓｎはんだの組成範囲を説明するための二元平衡状態図である。
【図１１】図１１は本発明の実施例２について示す図である。
【図１２】図１２は本発明の実施例２について示す図である。
【図１３】図１３は本発明の実施例３について示す図である。
【図１４】図１４は本発明の実施例４について示す図である。
【図１５】図１５は本発明の実施例４について示す図である。
【図１６】図１６は本発明の実施例６の基板２上に基板１７を接続し、基板１７上に機能素子１を実装する前の断面図である。
【図１７】図１７は本発明の実施例６の機能素子１と基板２の間に挟持される基板１７および基板１７の主面に形成される導体層２１、導体層２２を斜方向から見た立体図である。
【図１８】図１８は本発明の実施例６の基板２上に基板１７を接続し、基板１７上に機能素子１を実装後に金属ワイヤーを形成した後の断面図である。
【図１９】図１９は本発明の実施例７ついて示す図である。
【図２０】図２０は本発明の実施例７ついて示す図である。
【図２１】図２１は本発明の実施例７ついて示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明に係わる機能素子搭載方法及び機能素子を基板に搭載した機能素子基板搭載構造体の実施の形態について、図１乃至図２１を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００３３】
本発明に係わる第１の実施の形態である高出力でサイズの大きな光素子などの半導体チップ搭載用のフレキシブル基板について、図１乃至図１０を用いて説明する。図１は、光素子などの機能素子１を基板２上に実装する前の断面図である。図２は光素子などの機能素子１を基板２上に実装した後の断面図である。図３は光素子などの機能素子１を基板２に実装後、アンダーフィルを接続部の周囲に流し込んだ図である。図４および図５は、図１の光素子などの機能素子１を基板２に接続する前の拡大図である。図６および図７は、図１の光素子などの機能素子１を基板２に接続した後の拡大図であり、図４と図６、図５と図７がそれぞれ対応する。図８および図９は、接続前の基板２側を平面的に上方より見た図である。
【００３４】
機能素子１に例えばＧａＡｓが主成分の面発光タイプの光素子（半導体レーザ）を用いた場合、基板２を構成する基材３にはポリイミドや液晶ポリマなどの樹脂を用い、導波路層４には、光導波路モードがマルチモード対応の場合ＵＶエポキシ樹脂などの樹脂を用いるが、低光損失、高速光信号が伝送可能、良好な屈曲特性をもち、好適である。
【００３５】
なお、光素子としてはＧａＡｓに限定されるものではなく、ＧａＮやＩｎＧａＮなどにも適用可能である。そして、機能素子である光素子が搭載（実装）される基板２の主面側に外部から光素子へ送電すること、および光素子から発生する熱を放熱するために導体層５としてＣｕやＡｕおよびＣｕやＡｕで構成される金属で形成する。
【００３６】
前記導体層５の主面に、機能素子である光素子が搭載される少なくとも一部に前記導体層５の主面の酸化防止のための導体層６が形成される。導体層６にはＡｕおよびＮｉと導体層５の主面側から順にＮｉ，Ａｕ（以降Ｎｉ／Ａｕと表記）の金属を用いることで酸化防止ができる。
【００３７】
前記導体層６上に、機能素子である光素子が搭載される少なくとも一部に接続後の接続部の放熱性向上およびＳｎ−Ｂｉはんだ等のＢｉが導体層５との接触を防止することを目的に、凹凸形状の導体層７としてＣｕおよびＣｕ合金が形成される。
【００３８】
凹凸形状の導体層７がＣｕで形成される場合、形成する凹凸形状の高さが、最も低い箇所では、基板３や、導体層５および導体層６の表面粗さより明らかに高い２μｍ以上とし、最も高い箇所では、はんだの高さで最も高い１０μｍと同じ１０μｍ以下とすることで、接続に関与するはんだの体積を十分確保できる。
【００３９】
ただし、導体層の種類はＡｌやＡｕおよびＡｇの金属でもよい。また、凹凸形状は四角形でも良いし、三角形でも良いし、２〜１０μｍ程度の厚さである凹凸が形成されていればその断面形状によらず同様の効果を奏することができる。導体層７の少なくとも一部に、導体層７の主面の酸化防止を目的に導体層７の主面側から順にＮｉ／Ａｕなどの導体層８が形成される。
【００４０】
導体層８がＮｉ／Ａｕで形成される場合、Ｎｉは０・０５〜５μｍ程度、Ａｕは０・０５〜５μｍ程度の厚さとすることができる。ただし、導体層の種類、層の数はこれに限定されるものではない。さらに、導体層８の少なくとも一部にはんだ９が形成される。該はんだ９は薄膜はんだであることが必須である。
【００４１】
その理由は、機能素子１が光素子の場合、（１）はんだが厚いと接続後のはんだの体積膨張や、接続後の原子の拡散が原因で接続部に体積移動が起こるため、光素子の位置ずれ量が大きくなり、光軸がずれてしまうこと、（２）溶融中に接続部外部へのはんだの流出量が増えることにより光素子の側面にはんだが付着し、光素子の特性が劣化してしまうこと、（３）熱伝導率が比較的低いはんだを薄くすることで高放熱性を得ることが挙げられる。なお、薄膜はんだ９の厚さは１μｍ〜１０μｍ程度が好適である。
【００４２】
なお、薄膜はんだ９の組成としては、後述するように例えばＢｉ−Ｓｎはんだ（融点１３９℃）、またはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉはんだ（融点１３８℃）、またはＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉはんだ（融点１９７℃）、またはＳｎ―Ａｇ―Ｉｎ―Ｂｉはんだ（融点２０５〜２１４）、またはＩｎ−Ｂｉ−Ｓｎはんだ（融点６０℃）等の共晶組成が好適であるが、必ずしも共晶組成に限定されるものではなく、共晶組成から多少ずれていても、望ましい接続状態が得られれば良い。
【００４３】
機能素子１を構成する基板１０の主面上に、主面側から順に密着層／拡散防止層／電極層としてのＴｉ，Ｐｔ，Ａｕ（以降、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕと表記）やＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ、およびＣｒ／Ｎｉ／Ａｕなどの半導体チップ側導体層１１が形成される。
【００４４】
機能素子側導体層１１がＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成される場合、Ｔｉは０．１μｍ程度、Ｐｔは０．２μｍ程度、Ａｕは０．０５μｍ〜５μｍ程度の厚さとすることができる。ただし、導体層の種類、層の数、厚さはこれに限定されるものではなく、また機能素子側導体層１１とは同じである必要はない。光素子を形成する基板１０の主面上の導体層１１の一部にＡｕ層１２が形成されている。このＡｕ層８の厚さははんだ９との濡れ性を良好にするために、０．０５μｍ〜５μｍ程度が好適である。
【００４５】
ところで、図４および図５に示すように、接続前の、導体層８の主面の少なくとも一部に形成されているはんだ９は、凹凸形状の導体層７の中で機能素子１が接続される領域の最外部に形成された凸部より外側には形成しない。この様にはんだ９を形成することで図６および７に示すように、接続後の、接続部に存在するはんだ９の成分であるＢｉと導体層５が接することはない。
【００４６】
接続部のはんだ９の成分であるＢｉと導体層５が接すると、はんだ９の成分であるＢｉが導体層５に拡散することで接続部のＢｉが存在する領域にカーケンダルボイドが形成され、接続部の接続強度や放熱性が低下する。
【００４７】
接続部のはんだ９の成分であるＢｉと導体層５が接しないようにするために図８および図９のように基板２の主面側に形成された凹凸形状の導体層７および導体層８形成領域の、機能素子接続領域１３に形成された凸部１４のみ、導体層５側に面するように凹凸形状の向きが決められる。機能素子接続領域１３に接する導体層５以外の領域は基板２を構成する基材３である。ここでの基材３は金属以外の屈曲性のよい材料であればよい。
【００４８】
次に、本発明に係る基板２の主面側に形成される導電層形成プロセスの概略について説明する。まず、基板２を構成する基材３の主面に、電極となる基板側導体層５および６をフォトリソグラフィー技術を用いた半導体プロセスにより形成する。
【００４９】
次に凹凸形状の導体層７の形成に移る。導体層７および導電層８の形成は、まず導体層５および６と同様にフォトリソグラフィー技術を用いた半導体プロセスにより導体層７および導電層８の凹凸形状を有していない状態を形成し、転写技術やナノインプリント技術や溶液を使ったウェットエッチングを適用することで凹凸形状を形成する。
【００５０】
次に、はんだ９の形成に移る。はんだ９の形成は、蒸着、スパッタ、あるいはめっきなどを用いるが、大きく分けて二つのプロセスが適用できる。一つ目のプロセスはマスクパターンを形成した後に、はんだ部の形成を行い、余分なはんだ部を取り除くプロセスである。レジストパターンを用いたリフトオフや、メタルマスクを用いての成膜などが当てはまる。
【００５１】
二つ目のプロセスは、先に蒸着、スパッタなどを用いてはんだ膜を成膜して、その上にマスクパターンを形成し、余分なはんだ膜をエッチングで除去するプロセスである。該除去プロセスとしては、ミリングなどのドライのエッチングや、溶液を使ったウェットエッチングを適用することができる。また、その他のプロセスとしては基板側導電層８上に、めっき法によりはんだ９を形成することも考えられる。
【００５２】
本技術は、Ｂｉが混入した比較的低融点のはんだ（融点が２００℃を超えないはんだ）に対し効果的である。比較的低融点のはんだを代表してＳｎ−Ｂｉ薄膜はんだについて説明する。Ｓｎ−Ｂｉは接続温度が１６０℃〜２００℃程度であり、融点の低い有機物を有する材料の接続に好適である。使用するＳｎ−Ｂｉはんだは、共晶が含まれる組成範囲、すなわち、Ｂｉ濃度２１ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下と規定する。
【００５３】
図１０は、Ｂｉ−Ｓｎの二元平衡状態図である。まず、Ｂｉ濃度２１ｗｔ％以上とすることで、１３９℃で液相が生成することがわかる。次に、図１０より１３９℃で溶融するＢｉ−Ｓｎ共晶は、Ｂｉが９９．９ｗｔ％まで存在することがわかる。接続温度は、融点の２０℃〜４０℃程度、多少高めならば５０℃程度高い温度を選択するのが一般的である。
【００５４】
したがって、１３９℃で溶融するＢｉ−Ｓｎはんだならば、例えば１６０℃〜１８０℃、多少高めで２００℃などが典型的な接続温度と言え、はんだの接続温度としては比較的低い。その結果、融点が低い有機材料を有する基板２の上に機能素子を接続することが可能となる。
【００５５】
本発明は、接続後、図３に示すように接続部全体が樹脂１５でモールドされていてもよいが、樹脂１５でモールドすることが必須ではない。以上、機能素子が光素子で構成される場合について説明したが、光素子以外としてホトダイオードなどの機能素子全般に適用可能である。
【実施例２】
【００５６】
次に本発明に係わる第２の実施の形態について図１１および図１２を用いて説明する。第２の実施の形態において、第１の実施形態と相違する点は、はんだ９を基板２側に形成せず、機能素子１を構成する基板１０の主面上に形成にされた導体層１１上に形成された場合である。導体層１１の種類、層の数は第１の実施例で説明した通りである。このようにはんだ９を形成することで、接続時において、はんだ９の表面に酸化膜が形成されている場合、凹凸形状の導体層７および８により該酸化膜の少なくとも一部を突き破ることではんだ９の濡れ性が向上し、濡れの良い良好な接続部を得ることができる。また、このような第２の実施の形態においても、接続後、図１２に示す通り接続部が導体層５と接することはない。
【実施例３】
【００５７】
次に本発明に係わる第３の実施の形態について図１３および図１４を用いて説明する。第３の実施の形態において、第１の実施形態と相違する点は、基板２側に凹凸形状の導体層を形成せず、機能素子１側に形成された場合である。この場合、凹凸形状の導体層７および８は、導体層１１上に形成され、はんだ９は導体層８上に形成される。これらの導体層の膜厚、層の数は第１の実施例で説明した通りである。
【００５８】
接続時において、はんだ９の表面に酸化膜が形成されている場合、凹凸形状の導体層７および８により該酸化膜の少なくとも一部を突き破ることではんだ９の濡れ性が向上し、濡れの良い良好な接続部を得ることができる。また、このような第２の実施の形態においても、図１４に示す通り、接続後、接続部が導体層５と接することはない。
【実施例４】
【００５９】
次に本発明に係わる第４の実施の形態について図１５を用いて説明する。第４の実施の形態において、第１乃至第３の実施形態と相違する点は、はんだ９を用いて接続する代わりに、バンプ形状のはんだまたは金属１６を用いて接続する場合である。このような第４の実施の形態においても、接続時において、凹凸形状の導体層７および８により該酸化膜の少なくとも一部を突き破ることではんだ９の濡れ性が向上し、濡れの良い良好な接続部を得ることができる。また、接続後、接続部が導体層５と接することはない。
【実施例５】
【００６０】
次に本発明に係わる第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態は、第１乃至４の実施の形態で説明したはんだ９の表面に、さらにＡｇ膜あるいはＡｕ膜が形成されており、Ａｇ膜を形成する場合は、さらにＡｇ膜の表面にＡｕ膜が形成され、はんだ表面の酸化を防止している。Ａｇ膜は０・１μｍ程度の厚さで、酸化防止能力を発揮し、特にノンフラックスの接続プロセスに有効な技術である。ただし、Ａｇ膜あるいはＡｕ膜の形成は必須ではない。例えば、フラックスが使える場合や、はんだ表面の酸化防止をしなくても良好な接続ができる場合など、Ａｇ膜あるいはＡｕ膜の形成が必要ないこともある。
【００６１】
以上説明したように、第５の実施の形態によれば、はんだの濡れ性を向上させるはたらきのあるフラックスをはんだに塗布することもフラックスを洗浄することも必要ないため、フラックスによる光素子などの機能素子が特性劣化を起こす懸念も、フラックス残渣によって配線部を腐食させて電子部品が故障することも防止することが可能となる。
【実施例６】
【００６２】
次に本発明に係わる第６の実施の形態について、図１６乃至図１８を用いて説明する。図１６は、基板２上に基板１７を接続し、基板１７上に機能素子１を実装する前の断面図である。
【００６３】
図１７は、機能素子１と基板２の間に挟持される基板１７および基板１７の主面に形成される導体層２１、導体層２２を斜方向から見た立体図である。
【００６４】
図１８は、基板２上に基板１７を接続し、基板１７上に機能素子１を実装後に金属ワイヤーを形成した後の断面図である。第６の実施の形態において、第１乃至４の実施の形態と相違する点は、機能素子１と基板２の間に基板１７を挟持し、基板１７の片面に機能素子１を接続し、基板１７の面のうち、機能素子１を接続する面と反対向きの面に基板２を接続する場合である。
【００６５】
基板１７の機能素子１と接続する側の主面の一部に導体層２１を形成し、導体層２１の少なくとも一部にはんだ１９を形成する。基板１７の基板２を接続する側の主面の一部に導体層２２を形成する。
【００６６】
基板１７の機能素子を接続する側の主面には、主面側から順に密着層／拡散防止層／電極層／拡散防止層／電極層としてのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／ＡｕやＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕなどの半導体チップ側導体層２１が形成される。
【００６７】
機能素子側導体層２１がＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕで形成される場合、Ｔｉは０．１μｍ程度、Ｐｔは０．２μｍ〜０．４μｍ程度、Ａｕは０．０５μｍ〜５μｍ程度の厚さとすることができる。ただし、導体層の種類、層の数、厚さはこれに限定されるものではない。基板２側導体層２２は、実施例１の導体層１１と同じ種類、層である。導体層２１の主面に形成されるはんだ１９には、熱伝導率がはんだ９以上のはんだを使う。導体層５、６、７、８、および１１、はんだ９の種類、層の数は第１の実施例で説明した通りである。
【００６８】
図１７に示すように、第６の実施の形態では、機能素子１と基板２の間に挟持する基板１７の一部に貫通穴２５が施されている。
【００６９】
図１８に示すように基板２上に基板１７を接続し、基板１７上に機能素子１を接続後に金属ワイヤー２４で基板２の主面に形成された導体層５と基板１７の主面に形成された導体層２１の導通を確保する。金属ワイヤーにはＡｕを用いるが、Ａｕ以外にＡｌやＣｕを使ってもよい。
【００７０】
本発明に係わる第６の実施の形態では、第２の基板を挟持することにより、機能素子と基板を接続した接続部の放熱性の向上と熱膨張率の違いの緩和を図ることができる。
【００７１】
また、本発明に係わる第６の実施の形態では、第２の基板１７に貫通穴２５を設けることにより、光素子等の機能素子１からの光を第２の基板１７を通過させて第１の基板２の導波路層４に導くことができる。
【実施例７】
【００７２】
次に本発明に係わる第７の実施の形態について、図１９乃至２１を用いて説明する。図１９は、基板２上に基板１７を接続し、基板１７上に機能素子１を実装する前の断面図である。
【００７３】
図２０は、機能素子１と基板２の間に挟持され、貫通穴を施された基板１７および基板１７の主面に形成される導体層１８を斜方向から見た立体図である。
【００７４】
図２１は、基板２上に基板１７を接続し、基板１７上に機能素子１を実装後の断面図である。第７の実施の形態においては、第６の実施の形態と同様に、機能素子１と基板２の間に挟持する基板１７の一部に貫通穴２５が施されており、第６の実施の形態と相違する点は、基板１７の主面に形成される導体層１８が基板１７の機能素子１を接続する面から側面まで連続し、さらに側面から基板２を接続する面に連続することである。
【００７５】
導体層１８は、実施例１の導体層１１と同じ種類、層である。導体層２１の主面に形成されるはんだ１９には、熱伝導率がはんだ９以上のはんだを使う。導体層５、６、７、８、および１１、はんだ９の種類、層の数は第１の実施例で説明した通りである。基板１７の一部に施される貫通穴２５の形状は円状でも三角形でも四角形等の多角形でもよく、その大きさに制限はなく、基板１７の面内に収まればよい。
【００７６】
本発明に係わる第７の実施の形態では、第２の基板１７を挟持することにより、機能素子１と基板２を接続した接続部の放熱性の向上と熱膨張率の違いの緩和を図ることができる。
【００７７】
また、本発明に係わる第７の実施の形態では、第２の基板１７に貫通穴２５を設けることにより、光素子等の機能素子１からの光を第２の基板１７を通過させて第１の基板２の導波路層４に導くことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、比較的接続温度が低く、比較的熱伝導率が小さいＳｎ−Ｂｉはんだ等を用いて機能素子と基板を接続した接続部の放熱性を向上することが可能となる。
【００７９】
また、本発明によれば、機能素子と基板をＳｎ−Ｂｉはんだ等を用いて接続後、接続部と基板上に形成され、接続部以外の領域まで続いて形成されている導電層が接することのないようにすることで、Ｂｉの導電層への拡散による接続部に形成されるカーケンダルボイドの形成を抑止することが可能となる。
【００８０】
また、本発明によれば、基板上の凹凸形状の導電層により、機能素子との接続時にはんだ表面に形成されていた酸化膜を破り濡れの良い良好な接続を実現するものである。本発明は、特に以下の分野に適用できる可能性がある。
【００８１】
融点が低い有機材料を含む基板の上に機能素子を接続する場合、Ａｕ−Ｓｎなどのはんだなどの接続温度が３００℃程度のはんだは、有機材料が劣化してしまうため使えない。
【００８２】
そこで候補となる実施例が、比較的接続温度の低いＳｎ−Ｂｉはんだである。Ｓｎ−Ｂｉは、Ａｕ−Ｓｎはんだに比べ放熱性が悪い。また、Ｓｎ−Ｂｉはんだで接続する場合、接続部がＣｕやＡｕの金属と接していると、接続部のＢｉが接続部の外へ拡散してしまい、Ｂｉが存在していた領域にカーケンダルボイドが形成されてしまう。
【００８３】
そこで、Ｓｎ−Ｂｉはんだより放熱性のよい凹凸形状の導体層を形成し、接続部に占めるＳｎ−Ｂｉはんだの割合を減らすことで放熱性を向上させ、凹凸形状の導体層により接続部とＣｕやＡｕの金属が接することのないようにすることで、放熱性が良く、良好な接続部を得ることができる。この様に、比較的低温で接続する必要があるときに必要になる技術である。
【符号の説明】
【００８４】
１  機能素子
２  基板
３  基板２を構成する基材
４  導波路層
５  第１の導体層（基板２側）
６  第２の導体層（基板２側）
７  凹凸形状の第３の導体層（１）
８  凹凸形状の第３の導体層（２）
９  はんだ
１０  基板（機能素子側）
１１  導体層（機能素子側）
１２  Ａｕ層
１３  機能素子接続領域
１４  第１の導体層と唯一接する凸部
１５  樹脂
１６  バンプ
１７  第二の基板
１８  導体層
１９  はんだ
２１  導体層（機能素子側）
２２  導体層（基板２側）
２３  Ａｕ層
２４  金属ワイヤー
２５  貫通穴
２０１  Ｂｉ−Ｓｎ共存領域
２０２  Ｓｎ／液相共存領域
２０３  Ｂｉ／液相共存領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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