(57)【要約】【課題】  電子素子の特性不良や電子素子の破壊を防止するとともに、電子素子で発生する熱を外部に更に効果的に放熱することのできる高性能のサブマウントを提供すること。【解決手段】  絶縁基板２の上面に配線層３が形成されたサブマウントであって、配線層３を上下に貫通するとともに、一端部が配線層３の上面から上側に突出し、他端部が絶縁基板２の内部に入り込むように形成された柱状金属体７が形成されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の上面に配線層が形成されたサブマウントであって、前記配線層を上下に貫通するとともに、一端部を前記配線層の上面から上側に突出させ、他端部を前記絶縁基板の内部に入り込ませた柱状金属体が形成されていることを特徴とするサブマウント。
【請求項２】
前記配線層は密着金属層、拡散防止層および主導体層が順次積層されて成ることを特徴とする請求項１記載のサブマウント。
【請求項３】
前記柱状金属体が銅または銅を主成分とする合金であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のサブマウント。
【請求項４】
基体と、該基体の上面に搭載された請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のサブマウントと、該サブマウントに搭載された電子素子と、前記基体の上面に前記サブマウントおよび前記電子素子を覆うように接合された蓋体とから成ることを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、受光素子等の半導体素子や圧電振動子等の電子素子の電極を接続して電子素子を搭載することに用いられるサブマウントに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＤ（Compact  Disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等に用いられる光半導体装置に搭載されている半導体素子は高出力化が要求されており、これに伴い、半導体素子は大型化するとともに、消費電力が大きくなり、そのため発熱量が大きくなってきている。
【０００３】
このような半導体素子で発生する熱が外部に効果的に放熱されるように、半導体素子の裏面側には、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等の金属から成るヒートシンクが放熱部材として設けられている。更に、半導体素子とヒートシンクとの間には、熱膨張係数の差によるストレスや歪みなどが発生しないよう、半導体素子の基板材料と比較的熱膨張係数が近い材料として熱伝導性のよい窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックスから成る絶縁基板を用いたサブマウントが使用されている。
【０００４】
従来のサブマウントの平面図を図３に示す。同図において、11はサブマウント、12は絶縁基板、13は配線層、15はロウ材層である。従来、サブマウント11の上に半導体素子を載置し、サブマウント11を加熱することにより、ロウ材層15を加熱溶融させ、サブマウント11上に半導体素子を強固に接着させていた。
【特許文献１】特開平９−36274号公報
【特許文献２】特開2004−72048号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、近年の高出力型の半導体素子は大型化されるとともに発熱量が大きくなってきており、半導体素子の発した熱によって半導体素子とサブマウントとの熱膨張差が生じ、半導体素子の角部に応力が集中して半導体素子に歪みが生じることによって、半導体素子の特性不良、さらには半導体素子の破壊が生じるという問題点があった。
【０００６】
また、半導体素子で発生した熱が十分に放熱されず、半導体素子が正常に作動しなくなるという問題点もあった。
【０００７】
従って、本発明は上記従来の問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、半導体素子などの電子素子の特性不良や電子素子の破壊を防止するとともに、電子素子で発生する熱を外部に更に効果的に放熱することのできる高性能のサブマウントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のサブマウントは、絶縁基板の上面に配線層が形成されたサブマウントであって、前記配線層を上下に貫通するとともに、一端部を前記配線層の上面から上側に突出させ、他端部を前記絶縁基板の内部に入り込ませた柱状金属体が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明のサブマウントにおいて、好ましくは、配線層は密着金属層、拡散防止層および主導体層が順次積層されて成ることを特徴とする。
【００１０】
本発明のサブマウントにおいて、好ましくは、前記柱状金属体が銅または銅を主成分とする合金であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の電子装置は、基体と、該基体の上面に搭載された請求項１または請求項２記載のサブマウントと、該サブマウントに搭載された電子素子と、前記基体の上面に前記サブマウントおよび前記電子素子を覆うように接合された蓋体とから成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のサブマウントは、配線層を上下に貫通するとともに、一端部を配線層の上面から上側に突出させ、他端部を絶縁基板の内部に入り込ませた柱状金属体が形成されていることから、電子素子とサブマウントとの熱膨張差に起因する応力を、柱状金属体が緩衝材、緩衝部品となって電子素子に歪みが生じるのを有効に防止でき、電子素子の特性不良や、電子素子が破壊されることのない高性能のサブマウントを提供することができる。
【００１３】
また、電子素子が絶縁基板上面に形成された配線層の表面から離れた高さ位置に搭載されることから、電子素子から発振される例えばレーザ光の発光位置が、サブマウントの配線層のメタライズバリ、ロウ材のホイスカ等により阻害されず、特性不良が起こらない高性能のサブマウントを提供することができる。
【００１４】
本発明のサブマウントは、配線層が密着金属層、拡散防止層および主導体層が順次積層されて成ることから、絶縁基板との密着性が非常に高く、配線層の剥離などが生じにくいサブマウントとなる。
【００１５】
本発明のサブマウントは、柱状金属体が銅または銅を主成分とする合金であることから、柱状金属体の緩衝材、緩衝部品としての機能がより向上し、電子素子に歪みが生じるのをより有効に防止できる。
【００１６】
また、柱状金属体が高い熱伝導率を有するので、電子素子からの発熱を速やかに、絶縁基板や放熱部材のヒートシンク材に放熱することができる。よって、さらに高発熱の電子素子を搭載しても、発熱による例えばレーザ発振特性が低下することのない、より高性能なサブマウントを提供することができる。
【００１７】
本発明の電子装置は、基体と、この基体の上面に搭載された上記本発明のサブマウントと、このサブマウントに搭載された電子素子と、基体の上面にサブマウントおよび電子素子を覆うように接合された蓋体とから成ることから、電子素子の特性不良や電子素子の破壊を良好に防止するとともに、電子素子で発生する熱を外部に効果的に放熱することのできる高性能の電子装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のサブマウントについて、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明のサブマウントの実施の形態の一例を示す平面図、図２はその断面図である。図１および図２において、１はサブマウント、２は絶縁基板、３は絶縁基板１の上面に積層されて成る配線層である。なお、配線層３のうち３ａは密着金属層、３ｂは密着金属層３ａの上面に積層された白金（Ｐｔ）等から成る拡散防止層、３ｃは拡散防止層３ｂの上面に積層された金（Ａｕ）等から成る主導体層である。また、４は配線層３の上面に積層されたＰｔから成るロウ材用拡散防止層、５はＡｕ−錫（Ｓｎ）合金等から成るロウ材層である。６は絶縁基板２に形成された凹部、７は柱状金属体である。
【００２０】
絶縁基板２は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体，ガラスセラミックス，窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体等のセラミックス，石英，ダイヤモンド，サファイア，立方晶窒化硼素，および熱酸化膜を形成したシリコンのうち少なくとも１種から成る。これらから成る基板は体積抵抗率ρが1010Ωｍ以上の良好な絶縁性が得られるため、絶縁基板２に好適である。
【００２１】
なお、絶縁基板２は、窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，ダイヤモンド，表面に熱酸化膜を形成したシリコンから成るのがより好ましい。これらから成る絶縁基板２の熱伝導率は、40Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、絶縁基板２の上面に接着固定される発光素子等の電子素子８が駆動時に熱を発しても、その熱は高熱伝導体７から絶縁基板２を介して良好に外部に伝達される。このため、電子素子８を長時間にわたり正常かつ安定に作動させることが可能となる。
【００２２】
本発明の配線層３は、単層の金属層であってもよく、図２に示すように、複数層からなるものであってもよい。好ましくは、配線層３が密着金属層３ａ、拡散防止層３ｂおよび主導体層３ｃが順次積層されて成るのがよい。これにより、絶縁基板２との密着性が非常に高く、配線層３の剥離などが生じにくいサブマウント１となる。
【００２３】
絶縁基板２の上面に順次積層される密着金属層３ａ、拡散防止層３ｂおよび主導体層３ｃは、蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等の薄膜形成法により積層され、パターン加工が必要な場合は、フォトリソグラフィ法，エッチング法，リフトオフ法等の加工方法を組み合わせることによってパターン加工される。
【００２４】
密着金属層３ａは、例えばチタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），タンタル（Ｔａ），ニオブ（Ｎｂ），ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金および窒化タンタル（Ｔａ２Ｎ）等のうち少なくとも１種類から成るのがよく、第１の拡散防止層３ｂは、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），ニッケル（Ｎｉ），Ｎｉ−Ｃｒ合金およびチタン（Ｔｉ）−タングステン（Ｗ）合金等のうち少なくとも１種類から成るのがよい。
【００２５】
密着金属層３ａの厚さは0.01〜0.2μｍ程度が良い。0.01μｍ未満では、絶縁基板２および高熱伝導材７の上面に密着金属層３ａを強固に密着させることが困難となる傾向がある。0.2μｍを超える場合は、密着金属層３ａの成膜時の内部応力によって密着金属層３ａの剥離が生じ易くなる。
【００２６】
また、第１の拡散防止層３ｂの厚さは0.05〜1μｍ程度が良い。0.05μｍ未満では、ピンホール等の欠陥が発生して第１の拡散防止層２ｂとしての機能を果たしにくくなる傾向がある。１μｍを超える場合は、成膜時の内部応力により第１の拡散防止層３ｂの剥離が生じ易くなる。
【００２７】
さらに、Ａｕ等から成る主導体層３ｃの厚さは0.1〜5μｍ程度が良い。0.1μｍ未満では、電気抵抗が大きくなる傾向がある。５μｍを超える場合は、成膜時の内部応力により主導体層３ｃの剥離を生じ易くなる。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、低コスト化の点で薄く形成することが好ましい。
【００２８】
そして、絶縁基板２の上面に、密着金属層３ａ、第１の拡散防止層３ｂ、主導体層３ｃが順次積層されて成る配線層３の上面の電子素子が電気的に接続され搭載される複数の搭載部には配線層３の上面に、第２の拡散防止層４およびロウ材層５が形成される。
【００２９】
柱状金属体７は、搭載される一つの電子素子８に対して、複数個が接続されるようにし、この柱状金属体７で電子素子７を支持することにより、柱状金属体７が緩衝材、緩衝部品となって電子素子８に歪みが生じるのを有効に防止できる。
【００３０】
柱状金属体７としては、種々の金属を用いることができるが、好ましくは、銅または銅を主成分とする合金（もっとも含有率の高い成分が銅である合金）であるのがよい。これにより、柱状金属体７の緩衝材、緩衝部品としての機能がより向上し、電子素子８に歪みが生じるのをより有効に防止できる。また、柱状金属体７が高い熱伝導率を有することとなり、電子素子８からの発熱を速やかに、絶縁基板２や放熱部材のヒートシンク材に放熱することができる。よって、さらに高発熱の電子素子８を搭載しても、発熱による例えばレーザ発振特性が低下することのない、より高性能なサブマウント１を提供することができる。
【００３１】
柱状金属体７は、絶縁基板２の電子素子８の搭載部に相当する部分に形成された複数の凹部６に下側先端部が入り込んでおり、上側先端部が絶縁基板２の上面よりも突出するように形成されて成る。
【００３２】
そして、柱状金属体７の上端面に電子素子８がロウ材層５を介して接続される。このようなロウ材層５は柱状金属体７の上端面に直接形成されてもよく、図２に示すように、柱状金属体７の上端面に配線層３やロウ材用拡散防止層４などの金属層を介してロウ材層５が形成されてもよい。このように柱状金属体７の上端面に金属層を介する場合、ロウ材層５と柱状金属体７との接合強度を高めることができる。
【００３３】
このような柱状金属体７の上端面に配線層３やロウ材用拡散防止層４などの金属層を介してロウ材層５を形成する場合、絶縁基板２に予め柱状金属体７を形成しておき、この絶縁基板２および柱状金属体７の両方の上面に同時に配線層３を形成し、さらに、絶縁基板２上に形成された配線層３の電子素子８の搭載部に相当する部位、および柱状金属体７に形成された配線層３の両方の上面に同時にロウ材用拡散防止層４およびロウ材層５を形成するのがよい。これにより、複雑なレジストパターンを形成する必要がなく、ロウ材用拡散防止層４およびロウ材層５を形成工程が簡略化できる。また、柱状金属体７と絶縁基板２上に形成された配線層３との接続をロウ材層５によって補強することができ、電気的な接続の信頼性が向上する。
【００３４】
凹部６は、絶縁基板２をプレス金型による成型法や機械研削，サンドブラスト法等により形成される。凹部６の深さは、絶縁基板２の厚みの１／２倍〜２／３倍がよい。凹部６の深さが、絶縁基板２の厚みの１／２倍未満では、高熱伝導体７からの熱が速やかに絶縁基板２へ伝わらず、電子素子８の発熱により電子素子８が破損しやすくなる。また、２／３倍を超える深さであると、絶縁基板２の強度が低下し、電子素子８をサブマウント１に搭載する際や、サブマウント１にワイヤボンディングする際や、サブマウント１をヒートシンク材に接合する際に、絶縁基板２が破壊しやすくなる。
【００３５】
また、凹部６の開口径は、直径0.2ｍｍ〜0.5ｍｍの円形状が好ましい。直径0.2ｍｍ未満だと、柱状金属体７が細くなるため強度が不足し、電子素子８の接合強度が低下して、電子素子８が脱落しやすくなる。一方、直径0.5ｍｍを越えると、電子素子８の直下に形成されるべき柱状金属体７が太くなりすぎ、電子素子８が発熱する際の電子素子８の熱歪みを吸収できなくなり、電子素子８が破壊しやすくなる。
【００３６】
また、凹部６に入り込んだ柱状金属体７は電子素子８からの発熱を速やかに放熱させるという観点から、高い熱伝導を有していることが好ましく、絶縁基板２の熱伝導率以上の熱伝導率を有するのがよい。例えばＣｕを用いた場合、Ｃｕの熱伝導率は、約400Ｗ/ｍ・ｋと良好な熱伝導特性を有しているため好適である。
【００３７】
柱状金属体７は、Ｃｕ等の金属を蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法、電解めっき法，無電解めっき法等の従来周知の薄膜形成技術によって形成する。また、パターン加工が必要な場合は、フォトリソグラフィ法，エッチング法，リフトオフ法、アディティブ法等の加工方法を組み合わせることによって凹部６の開口形状にパターン加工されることにより、凹部６に入り込んだ柱状金属体７を形成することができる。
【００３８】
また、柱状金属体７は、凹部６の開口径に従った直径を有する柱状に形成される。柱状金属体７の絶縁基板２の表面からの突出高さは、配線層３の厚み（配線層３の表面にロウ材層５等の金属層がある場合は配線層３と金属層との合計の厚み）の1.5倍〜2.0倍の高さで形成されることが望ましい。1.5倍未満の柱状金属体７の突出高さでは、ロウ材層５のロウ材が溶融した際に、半導体素子８と絶縁基板２の間にロウ材が充填されて、高熱伝導体７が緩衝材、緩衝部品となる機能が低下しやすくなり、電子素子８の発熱による熱膨張歪みを吸収することが困難となって電子素子８の特性不良の発生や、電子素子８の破壊が起こりやすくなる。一方、2.0倍を越える柱状金属体７の突出高さの場合は、電子素子８を実装する際に柱状金属体７が変形したり破損したりしやすくなり、電子素子８としてレーザ素子を用いた場合にレーザ発光部位置がずれたりして特性不良を起こしやすくなる。また、柱状金属体７が変形したり破損したりすると、ロウ材層５のロウ材が溶融した際に、半導体素子８と絶縁基板２の間にロウ材が充填されて、高熱伝導体７が緩衝材、緩衝部品となる機能が低下しやすくなり、半導体素子８の発熱による熱膨張歪みを吸収することが低下しやすくなり電子素子８の特性不良の発生や、電子素子８の破壊が起こりやすくなる。
【００３９】
ロウ材用拡散防止層４は、蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等の薄膜形成法により形成され、パターン加工が必要な場合は、フォトリソグラフィ法，エッチング法，リフトオフ法等の加工方法を組み合わせることによってパターン加工されることにより、配線層３の上面の所定の搭載部に積層される。
【００４０】
また、ロウ材層５も同じように蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等の薄膜形成法によりなされ、パターン加工が必要な場合は、フォトリソグラフィ法，エッチング法，リフトオフ法等の加工方法を組み合わせることによってパターン加工されることにより、配線層３の上面のロウ材用拡散防止層４の上面に積層される。
【００４１】
Ａｕ−Ｓｎ合金等から成るロウ材層５の厚みは0.5μｍ〜３μｍが好ましい。0.5μｍ未満では、電子素子８を強固に接着することが困難となる。３μｍを超える場合は、ロウ材の量が多くなり過ぎ、電子素子８を接着固定させた際、電子素子８と配線層３の間の空隙がロウ材で充填され、電子素子８の側面へロウ材が這い上がり、電子素子８の側面にあるレーザ発光部等が塞がれるという不具合が生じ易い。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、薄く形成する方が低コスト化の点で好ましい。
【００４２】
また、ロウ材層５がＡｕ−Ｓｎ合金からなる場合、ＡｕとＳｎとの質量比は85：15〜65：35の範囲になるように調整することが好ましい。ここで、Ａｕの質量比が85％を超える含有量となる場合、Ａｕ−Ｓｎ合金の状態図（不図示）からも明らかなように溶融温度が400℃以上となり、実装温度が400℃以上と非常に高くなって電子素子８が破損しやすくなる。またＡｕの質量比の合計が、65％未満の含有量となる場合も同様に、溶融温度が400℃以上となり電子素子８が破損しやすくなる。
【００４３】
そして、本発明のサブマウント１を、基体の上面に搭載し、このサブマウントに電子素子８を実装し、基体の上面にサブマウント１および電子素子８を覆うように蓋体を接合することにより、本発明の電子装置となる。これにより、電子素子８の特性不良や電子素子８の破壊を良好に防止するとともに、電子素子８で発生する熱を外部に効果的に放熱することのできる高性能の電子装置となる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行なうことは何等差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のサブマウントの実施の形態の一例を示す平面図である。
【図２】本発明のサブマウントに電子素子を搭載した状態を示す断面図である。
【図３】従来のサブマウントの平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：サブマウント
２：絶縁基板
３：配線層
３ａ：密着金属層
３ｂ：拡散防止層
３ｃ：主導体層
７：柱状金属体
８：電子素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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