(57)【要約】      （修正有）【課題】金電極上に白金バリア層を介して金−スズ合金ハンダにより素子を実装する際に、安定した接合強度を達成することが可能なハンダ付き基板を提供する。【解決手段】  基板の表面に形成された金電極層に、白金バリア層を介して金−スズ合金ハンダ層が積層された回路基板であって、該金−スズ合金ハンダ層は合金組成の異なる多層より構成され、白金バリア層に接する第一ハンダ層は、金の割合が５８〜６６質量％であり、且つ、全ハンダ層における金の割合が６６質量％を超え、８０質量％以下となるように調整する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に形成された金電極層に、白金バリア層を介して金−スズ合金ハンダ層が積層された回路基板であって、該金−スズ合金ハンダ層は合金組成の異なる多層より構成され、白金バリア層に接する第一ハンダ層は、金の割合が５８〜６６質量％であり、且つ、全ハンダ層における金の割合が６６質量％を超え、８０質量％以下であることを特徴とするハンダ層付き基板。
【請求項２】
第一ハンダ層の厚みが、０．１〜４μｍである請求項１記載のハンダ層付き基板。
【請求項３】
基板が窒化アルミニウム焼結体である請求項１又は２記載のハンダ層付き基板。
【請求項４】
セラミックス基板上に、Ｔｉを主成分とする第一下地層、Ｐｔを主成分とする下地層を介して金電極層が形成された請求項３記載のハンダ層付き基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金（Ａｕ）電極層を形成した窒化アルミニウム焼結体よりなる基板上に、発光素子（以下、ＬＤともいう）等の素子をハンダにより実装するための新規な回路基板に関する。詳しくは、前記金電極上に白金バリア層を介して金−スズ合金ハンダにより素子を実装する際に、安定した接合強度を達成することが可能なハンダ付き基板板である。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話や光通信などの普及に伴い高周波帯域で作動する高出力・高消費電力のＧａＡｓ系ＦＥＴ、Ｓｉ−Ｇｅ系ＨＢＴ、Ｓｉ系ＭＯＳＦＥＴあるいはＧａＮ系レーザーダイオードなどの半導体素子実装用基板としてセラミックス基板が高周波の誘電損失が少ないため使用されている。このセラミックス基板の中でも窒化アルミニウム焼結体基板は、熱伝導率が高く熱膨張係数が半導体素子に近い事から特に注目されている。
【０００３】
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Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ等の貴金属からなる電極層を形成した後に、該貴金属電極層に素子をハンダ付けするのが一般的である。電極層については、導通抵抗が極めて小さい事、ワイヤボンディング性に優れている事からＡｕが好適に用いられている。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予め素子を接合するためのハンダ層パターンを形成しておく必要がある。
【０００４】
このようなリフロー法に用いられるハンダ層としては、金の含有量を約８０重量％とした際の融点が２８０℃と低く、しかも、高いヤング弾性係数を有し、接合が強固である等の理由により金−スズ合金ハンダが好適に使用されている。例えば、セラミックス基板に形成された電極上に拡散防止金属層（バリア層）を介してＡｕ層とＳｎ層の交互層を有する多層ハンダを積層した基板は、金電極を有する半導体素子を充分な接合強度で接合できることが知られている。（特許文献１参照）。また、特許文献１においては、多層ハンダとして、全体のＡｕとＳｎの重量比が溶融時に金リッチＡｕ−Ｓｎ系ハンダ組成になるようにＡｕ／Ｓｎで７０／３０〜７６／２４となるような重量比で積層されたものが好適であると説明されており、更に上記拡散防止金属層としては白金族元素、特にＰｔが好適であると説明されている。
【０００５】
しかしながら、上記Ａｕ層とＳｎ層の交互層を有する多層ハンダによってハンダ層を形成した場合、経時的に層間で金属の拡散が起こり、ハンダ層のリフロー時の特性が安定しないという問題を有する。
【０００６】
上記問題に対して、金−スズ合金ハンダ層の組成を溶融時の組成に予め調整することも考えられるが、本発明者らの確認の結果、かかる金−スズ合金ハンダを使用した場合には、原因は明らかではないが、白金よりなるバリア層との界面にボイドの発生が生じ、素子の接合強度を低下させるという問題を有する。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２８８７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、ハンダ層が経時的に変化せず、リフロー条件が安定であり、しかも、リフローによる素子の接合において、ボイドの発生が無く高い強度で素子の接合を行うことができる、金−スズ合金ハンダを使用したハンダ付き基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、前記ハンダ付き基板を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、多層化されたハンダ層のうち、バリア層と接する層における組成を金−スズ合金ハンダの組成において安定で、且つスズリッチな組成近傍に調整することによって、ハンダ層の経時的な組成の変化を起こさず、しかも、リフロー時にボイドの発生が無く、素子を安定且つ確実に接合し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明は、基板の表面に形成された金電極層に、白金バリア層を介して金−スズ合金ハンダ層が積層された回路基板であって、該金−スズ合金ハンダ層は合金組成の異なる多層より構成され、白金バリア層に接する第一ハンダ層は、金の割合が５８〜６６質量％であり、且つ、全ハンダ層における金の割合が６６質量％を超え、８０質量％以下であることを特徴とするハンダ層付き基板である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のハンダ付き基板によれば、金電極層の表面に白金バリア層を介して金−スズ合金ハンダ層を形成する際、該白金バリア層と接する層として、組成の安定な領域の金−スズ合金ハンダ組成を採用することにより、経時的に安定なハンダ層を形成することができ、また、作用機構は明らかではないが、かかる組成によりバリア層との界面におけるボイドの発生を極めて効果的に防止することができ、高い強度の接合を再現性良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（金電極層が形成されてなる基板）
本発明において、表面に金電極層が形成されてなる基板は、その表面の一部又は全面に電極として機能するＡｕからなる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、Ｓｉ等のセラミックス基板上にメタライゼーションにより金電極を形成したメタライズ基板を用いるのが好適である。
【００１３】
これらメタライズ基板において金電極層は、セラミックス基板に強固に接合した下地金属層上に直接又は間接的に形成されるのが一般的であり、例えばアルミナ基板においてはアルミナグリーンシート上にタングステン又はモリブデン等の高融点金属ペーストからなる電極パターンを印刷し、該パターンをグリーンシートと同時焼結した後に、必要に応じて高融点金属層状にニッケル層を形成し、更にその上に金電極を形成したものが好適に使用できる。
【００１４】
また、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板においては、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加して成形した後に焼結した基板の表面にスパッタリング法等により基本的に電極パターンと同一形状のＴｉを主成分とする下地金属層（第一下地金属層ともいう。）を形成した後に該下地金属層上に同じくスパッタリング法等によりＰｔを主成分とする下地金属層（第二下地金属層ともいう。）を形成し、その上にスパッタリング法等により金電極層を形成して得たメタライズ基板が好適に使用できる。
【００１５】
本発明のハンダ付き基板においては、素子を接合して使用した時に発生する熱を放熱する放熱特性が良好であるという観点から、上記の様にして得られる窒化アルミニウム系メタライズ基板を用いるのが特に好適である。
【００１６】
上記下地金属層及び金電極層の厚みは特に制限されないが、下地金属層はその機能を十分に発揮するためにその合計の厚みが０．１〜３μｍ、また、金電極層の厚みは、０．１〜１０μｍの範囲となるように決定することが好ましい。
【００１７】
（白金バリア層）
本発明において、白金バリア層は、前記基板に形成された金電極層と金−スズ合金ハンダ層との間での拡散を防止するための層であり、その厚みは０．１〜５μｍ、特に０．２〜３μｍが好適である。
【００１８】
また、上記白金バリア層はＡｕ電極表面の全面を被覆するのが好適であるが、上に形成される各種金属層が直接Ａｕ電極層と接触しなければ必ずしもＡｕ電極層の全面を覆う必要はない。
【００１９】
（金−スズ合金ハンダ層；第一ハンダ層）
本発明の特徴は、前記金電極に白金バリア層を介して金−スズ合金ハンダ層を形成させる際、該白金バリア層と接する第一ハンダ層の組成として、金の割合が５８〜６６質量％、好ましくは、６０〜６４質量％となる金−スズ合金ハンダ組成を採用することにある。
【００２０】
即ち、上記白金バリア層と接する層のハンダ組成において、金の割合が５８％より少ない場合は、経時的に層間で金属の拡散が起こり、ハンダ層のリフロー時の特性が安定しないという問題が発生する。
【００２１】
一方、金の組成が６６質量％を超えた場合は、前記したように、白金バリア層との界面にボイドの発生が起こり、ハンダ付け後の素子の接合強度が大きく低下する。
【００２２】
また、第一ハンダ層において、金−スズ合金ハンダの前記組成を大きく外れた場合には、各層からの拡散が起こり、各層のハンダ組成が経時的に変化し、リフロー条件を統一することが困難となる。
【００２３】
従来の技術において、白金バリア層と接する面の金−スズ合金ハンダの組成を検討した文献、特許等は見当たらず、かかる層における組成範囲は本発明者らによって始めて提供されるものである。しかも、後述の実施例より理解されるように、かかる組成を採用することによって、リフローハンダ付けにおいて、極めて強固な接合を再現性良く実現することができるという優れた効果を発揮することができる。
【００２４】
（金−スズ合金ハンダ層；第一ハンダ層以外）
本発明の金−スズ合金ハンダ層において、該第一ハンダ層に積層される他のハンダ層の組成は、後記の全ハンダ層の組成を満足するものであれば特に制限されないが、第一ハンダ層より金の割合を高く設定しながら、全ハンダ層の組成を満足するように決定することが好ましい。また、かかる他の層は、１層以上、好ましくは、１〜３層で形成することが好ましい。
【００２５】
（金−スズ合金ハンダ層；全体）
本発明において、前記金−スズ合金ハンダ層の全ハンダ層における金の割合は、６６質量％を超え、８０質量％以下、好ましくは、６８〜７５質量％の範囲で決定することが好ましい。かかる組成は、ハンダ層にハンダ付け（接合）される金電極を有する素子による金の拡散量を考慮したものであり、対象となる素子による金の拡散後のハンダ組成が、金の割合で８０質量％或いはその近傍となるように決定されるのが最も好ましい。
【００２６】
また、本発明において、金−スズ合金ハンダ層全体の厚さは、１〜１０μｍ、特に２〜６μｍ  とするのが好適である。該層の厚さが１μｍ  未満ではハンダの絶対量が少ないために十分な接合強度が得られない傾向があり、逆に１０μｍ  を越える厚さとした時はハンダ量が多すぎるために接合後にハンダが素子の側面や上面（半導体素子においては発光面ともなる）を遮る不具合が生じたりするおそれがある。
【００２７】
その中で、前記第一ハンダ層の厚みは、０．１〜４μｍ、特に０．３〜２μｍとなるように決定することが好ましい。
【００２８】
（ハンダ層の形成方法）
本発明において、白金バリヤー層上に金−スズ合金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、メッキ法により好適に行なうことができる。
【００２９】
（素子の接合方法）
本発明のハンダ付き基板に上記素子を接合する方法は、ハンダ付き基板である本発明のハンダ付き基板のハンダ層上に金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方法が採用される。
【００３０】
なお、リフローハンダ付け（リフローソルダリング）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。
【００３１】
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利用する方法、熱板用いる方法、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、本発明のハンダ付き基板を用いた場合には、３５０℃以下、一般には３００〜３４０℃で安定して良好なハンダ付けを行なうことが可能である。
【００３２】
上記ハンダ付けにおいて接合の対象となる素子は、金電極を有するものであれば特にされない。このような金電極を有する素子をハンダ付けする際には、金電極のＡｕ原子がハンダに拡散するが、前記金−スズ合金ハンダ層の全ハンダ組成は、かかる拡散を考慮して決定されているため、ハンダ組成において金の量が増加することにより、金−スズ合金ハンダ層を最適組成とすることになる。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３４】
実施例１
窒化アルミニウム焼結体基板（５０．８ｍｍ×５０．８ｍｍ×０．３ｍｍｔ（株）トクヤマ製）の表面に、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。
【００３５】
次いで、真空蒸着装置を用いて上記金電極層上に、厚さ０．４μｍの白金バリヤー層を形成し、引続き、ターゲットとしてＡｕ及びＳｎを用いた同時蒸着法により、表１に示す金の割合、厚みを有する、金−スズ合金よりなる第一ハンダ層を形成した。更に、その表面に、同様な方法で、表１に示す金の割合、厚みを有する金−スズ合金よりなる第二ハンダ層を形成した。また、併せて、上記のように形成した金−スズ合金ハンダ層の全層における金の割合を表１に示した。
【００３６】
上記のようにして得られたハンダ付き基板のハンダ層上に金電極を有する半導体素子を載置し、ダイボンダー装置を用いて、３４０℃で５秒接合し、素子接合基板を作製した。
【００３７】
得られた素子接合基板について、ダイシェアテスタ（ＩＭＡＤＡ社製）により接合強度を測定した結果を表１に併せて示す。
【００３８】
また、ハンダ付き基板を製造後、温度２０℃、湿度６５％の恒温室に保存し、第一ハンダ層に積層した金−スズ合金ハンダ層について、１ヶ月後、２ヶ月後の組成変化を見た。結果を表１に併せて示す。
【００３９】
尚、以上の各種測定値は、１０サンプル同じものを製造し、その平均値を示した。
【００４０】
【表１】
2006100625.tif 000002