JP2024003845A - セラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法、チップオンサブマウントの製造方法、および、半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電回路を形成した大型セラミックス薄膜メタライズ基板から効率よく小型基板を製造可能にした製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法は、ａ）１０％以上５０％以下に希釈したエッチング液にてセラミックス基板表面を粗化する工程と、ｂ）前記セラミックス基板に薄膜メタライズを形成する工程と、ｃ）前記エッチング液にて回路を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

実施形態は、おおむね、セラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法、チップオンサブマウントの製造方法、および、半導体モジュールの製造方法に関する。

近年、レーザーダイオード（ＬＤ）をはじめ、一般照明ＬＥＤからヘッドランプ用のハイパワーＬＥＤ、また高放熱性の要求が強い深紫外ＬＥＤ（殺菌ランプ・樹脂硬化ランプ）などの高性能の発光が可能である光半導体素子が発展している。この半導体素子の発展に伴って放熱性と電気絶縁性を兼ね備えたセラミックス基板の需要は年々増加している。特に、高性能化に伴い光半導体素子の発熱が増加するにつれ、放熱を効率よく行うために、セラミックス基板は小さく、かつ薄くなる傾向にある。

セラミックス基板のなかで放熱性が高い窒化アルミニウム基板（ＡｌＮ）では、絶縁支持部材が窒化アルミニウム質焼結体から成り、かつ下面及び上面にチタン（Ｔｉ）層と白金（Ｐｔ）層と金（Ａｕ）層とを順次被着させて成る金属層が形成された光反動素子用パッケージに使用される部品が開示されている（特許文献１）。特許文献１によると窒化アルミニウム質焼結体の熱伝導率は５５ないし２５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱伝導率約２０Ｗ／ｍ・Ｋの酸化アルミニウム質焼結体に比較して光半導体素子が駆動時に発した熱は絶縁支持部材および金属基板を介して外部に放散される。その結果、光半導体素子を常に適温として長期間にわたり正常、かつ安定に駆動させることができる。

また、放熱性と電気絶縁性を兼ね備えたセラミックス基板の製造コストを下げるために、より大きな形状で製造をすることが行われている。製造コストを下げるために大きく製造した窒化アルミニウム基板を、半導体レーザー素子用サブマウントに分割する製法のひとつとして、熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ０．５ｍｍ、２インチの基板から１ｍｍの角正方形に切断する製法が開示されている（特許文献２）。

これらの絶縁基板上に形成された金属層は金属被着面の表面性を向上させ、密着性を高めるために、セラミックス基板表面にポリッシュ仕上やラッピング加工を施した後、さらに酸やアルカリによりエッチング処理を施し、比表面積を増やしてから金属層を形成する手法がとられる。エッチング処理では、酸やアルカリによる処理が開示されている（特許文献３、４）。特許文献３によると４０℃に保温された２０％希釈濃度の酸液に５～６０分間程度浸漬することによりエッチングができる。また、特許文献４によるとＮａＯＨ等を溶解した強アルカリ液や、ＮａＣＯ等を溶解した弱アルカリ液を用いてエッチングができる。

製造コストを下げるためには、より大きな基板から加工することが有利であるが、切断される製品は組み込まれる半導体製品の小型化・高性能化に伴い、製品サイズは小さくなりパターン回路はファイン（微細）化が進んでいる。しかしながら基板が大型化するに伴い、個片に分割された製品のセラミックス基板と薄膜メタライズの接合強度は大きな基板全面に均一に製造することが求められる。また、接合強度を大きくするためのエッチング処理条件を強くすると粗化したセラミックス基板表面の影響が薄膜メタライズ表面にまで及び基板表面の視認性を阻害する。このため、切断前の基板サイズの大型化に伴い製造方法は難しくなる。

また、セラミックス基板表面を粗化するために酸溶液やアルカリ溶液に浸漬した後に薄膜メタライズによる回路を形成するためのエッチング工程でエッチング液にセラミックス基板が晒される。セラミックス基板は組成や製法により表面や内部の組織が変化するため、粗化に使用する酸溶液やアルカリ溶液とエッチング工程に使用するエッチング液のセラミックス基板に与える影響に差が発生する。このためエッチング工程にて必要以上の粗化が進み、セラミックス基板の表面状態が変化する場合がある。これらの知見により大型のセラミックス基板に薄膜メタライズを形成するにはセラミックス基板の粗化をする工程から薄膜メタライズによるエッチング工程の両方の制御が必要であることが判明した。

特許第３１９９６１１号公報 特許第４５２８５１０号公報 特開２００４－１７２６４４号公報 特開２００３－１８３０７７号公報

近年、レーザーダイオードやＬＥＤなどの高性能の発光が可能である光半導体素子の発展に伴って、放熱性と電気絶縁性および回路導電性を兼ね備えたセラミックス回路基板の需要は年々増加している。特に、小型化・高性能化に伴い素子の発熱が増加するに伴いセラミックス回路基板の高信頼化が求められている。このため高信頼性を損なうことなく、放熱性と電気絶縁性を兼ね備え導電回路を形成したセラミック薄膜メタライズ基板（サブマウント）が求められている。

実施形態は、このような問題を解決するものであり、導電回路を形成した大型セラミックス薄膜メタライズ基板から効率よく小型基板を製造可能にしたコストパフォーマンスに優れたセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法に関する。

実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法は、１０％以上５０％以下に希釈したエッチング液にてセラミックス基板表面を粗化する工程と、前記セラミックス基板に薄膜メタライズを形成する工程と、前記エッチング液にて回路を形成する工程と、
によりパターン回路を形成する製造方法である。

実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板の切断前の一例を示す上面図。 実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板の一例を示す上面図。 実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板の一例を示す側面図。 実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板の一例を示す下面図。 実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板のパターン回路の製造工程の一例を示す断面図。 実施形態に係るチップオンサブマウント基板の一例を示す断面図。 実施形態に係る半導体モジュールの一例を示す断面図。

以下、図面を参照しながら、セラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法、チップオンサブマウントの製造方法、および、半導体モジュールの製造方法の実施形態について詳細に説明する。

実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板に設けられるパターン回路とは、セラミックス基板表面上の薄膜メタライズによる導電部および絶縁部を示し、製品サイズに分割前および分割後の両方を示すものとする（以下「パターン回路」と呼ぶ）。また、パターン回路形成とは、セラミックス基板表面上に薄膜メタライズによる導電部および絶縁部を形作るためのものであり、セラミックス基板を分割する前に形成するパターン回路を示すものとする（以下、「パターン回路形成」と呼ぶ）。

実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法とは、
ａ）１０％以上５０％以下に希釈したエッチング液にてセラミックス基板表面を粗化する工程と、
ｂ）前記セラミックス基板に薄膜メタライズを形成する工程と、
ｃ）前記エッチング液にて回路を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする。以下、実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法、チップオンサブマウントの製造方法、および、半導体モジュールの製造方法について詳細に説明する。

図１に実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板の切断前の一例の上面図を示した。１は切断前のセラミックス薄膜メタライズ基板、２はセラミックス薄膜メタライズ基板、３は切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板である。なお、セラミックス薄膜メタライズ基板は、切断（分割）により複数の切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板３を取得可能な大型なセラミックス薄膜メタライズ基板２を含む。図１では、切断前のセラミックス薄膜基板は円形状をしているが、四角形状でも良い。また、切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板３は平面図で略長方形状をしているが、略多角形状をしていても良い。

図２に実施形態に係る切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板３の上面図の一例を示す。４は薄膜メタライズ、５はセラミックス基板である。セラミックス基板５が窒化アルミニウム基板である場合は、熱伝導率１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには２４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高熱伝導率にすることができる。その他のセラミックス基板５としては、酸化アルミニウム、炭化ケイ素などがある。これらのセラミックス基板５は単板であっても良いし、多層構造などの立体構造を有していても良い。

図３は図２セラミックス薄膜メタライズ基板の側面図である。６は薄膜メタライズである。図４は図２の薄膜メタライズ基板の下面図である。図４ではセラミックス基板の下面全面に薄膜メタライズが形成されているが、上面と同様に回路を形成しても良いし、薄膜メタライズがなくセラミック基板の状態でも良い。下面に薄膜メタライズが形成されている場合は、ろう付けや半田付けなどでヒートシンクに接合され、薄膜メタライズ層が形成されていない場合は樹脂などの接着剤にてヒートシンクに接合される。

図５は実施形態に係るセラミックス薄膜メタライズ基板のパターン回路の製造工程の一例を示す断面図である。（Ａ）は研磨加工後のセラミックス基板５の断面図である。７はラップやポリッシュ等により研磨加工面である。（Ｂ）は粗化処理を行ったセラミックス基板の断面図である。８は粗化したセラミックス基板表面である。（Ｃ）はセラミックス基板５の粗化した基板表面にレジスト９を塗布した状態である。（Ｄ）はプリベークをしたセラミックス基板５にマスク１０により露光を行い、露光によりマスクされていない部分の露光したレジスト１１に紫外線などが照射された状態である。（Ｅ）は露光後に露光したレジスト１１がセラミックス基板に感光した状態である。（Ｆ）はレジスト面をエッチング（現像）することにより露光したレジスト１１をセラミックス基板５の表面に形成した状態である。（Ｇ）は露光したレジスト１１およびセラミックス基板５の表面に薄膜メタライズ１２を成膜した状態である。（Ｈ）は露光したレジスト１１を除去（リフトオフ）することによりセラミックス基板５の表面に薄膜メタライズ４を形成した状態である。

研磨加工したセラミックス基板表面を粗化する工程（Ｂ）では、（Ｆ）のレジスト面をエッチング（現像）する工程において使用するエッチング液を希釈した液にセラミックス基板５を浸漬することによりセラミックス基板表面を粗化する。エッチング液と違う液で粗化した場合は、浸食される成分が異なるため、それぞれの液による浸食度合いを制御する必要がある。これに対して、粗化する工程（Ｂ）とエッチングする工程（Ｆ）で同じ液を使用することにより、浸食するセラミックス基板の成分が同じとなる。セラミックス基板は、セラミックス主成分と粒界相から成ることが多く、これらが浸食する比率も両工程で同じ割合で行われる。

このとき、同じ基板表面であれば、希釈が多くなれば、すなわち希釈エッチング液が薄くなれば、粗化する効果は小さくなる。これとは逆に希釈が少なく希釈エッチング液が濃くなれば、エッチングの効果が大きくなり粗化が大きくなる。また、希釈する量が同じであれば、浸漬する時間が短くなれば粗化する効果は小さく、長くなればエッチング効果が大きくなり粗化は大きくなる。また、希釈する量と浸漬する時間が同じであれば、希釈したエッチング液の液温が低ければ粗化する効果は小さく、液温が高ければエッチングの効果が大きくなり、粗化は大きくなる。

セラミックス基板表面を粗化する工程（Ｂ）で使用する希釈エッチング液は、レジスト面をエッチング（現像）する工程（Ｆ）において使用するエッチング液を１０％以上５０％以下に純水などで希釈した液である。エッチング液を１０％未満に希釈すると粗化させる効果が小さくなり浸漬時間が長くなり製造時間が増加する。また、５０％を超えた割合で希釈した場合は、粗化の効果が大きくなり、浸漬時間を短くすることにより調整をすると基板全面やロット全体への十分な浸漬が難しくなる。また、粗化反応は発熱反応であるため液温を低温側で調整することは工程に負荷をかける。このため、エッチング液を希釈する場合は、好ましくは１０％以上４５％以下、より好ましくは２０％以上３５％以下である。

また、希釈エッチング液にセラミックス基板を浸漬する時間は、２０秒以上２４０秒以下である。浸漬時間が２０秒未満であると基板全面やロット全体への十分な浸漬が難しくなる。また、２４０秒を超えるとセラミックス基板の表面を粗化するための時間が長くなり製造能力が高くならない。このため、希釈エッチング液にセラミックス基板を浸漬する時間は、好ましくは３０秒以上１８０秒以下、より好ましくは４０秒以上１２０秒以下である。

また、セラミックス基板を浸漬する希釈エッチング液の液温は、室温前後である１０℃以上４０℃以下である。液温を１０℃満に設定すると、浸漬時の発熱反応を相殺するための冷却が必要となり液温調整が難しくなる。また、４０℃を超えると発熱反応による反応速度を制御するための液温調節が必要となり工程に負荷がかかる。希釈エッチング液の液温は、好ましくは１５℃以上３５以下、より好ましくは２０℃以上３０℃以下である。

セラミックス基板に薄膜メタライズを製造する工程は、セラミックス基板にレジストを塗布後のベークについて温度が７０℃以上９０℃以下、時間が８０秒以上１００秒以下である。ベークの目的はレジストを均一に乾燥することであるが、温度が７０℃よりも低くなり、時間が８０秒より短くなるとレジストが液状または半乾燥になる箇所が発生し、露光によるパターン感光ができない。これとは逆に温度が９０℃よりも高くなり、時間が１００秒を超えるとレジストが過剰に熱架橋する箇所が発生して、同様にパターンの感光ができなくなる。さらには、ベークの温度は７５℃以上８５℃以下、時間が８５秒以上９５秒以下の方が好ましい。

ベーク後の露光積算照射量は２０ｍＪ/ｃｍ2以上３０ｍJ/ｃｍ2以下である。露光の目的は、レジストにマスクを通して露光を行い、感光部分のレジストが変質することにより、パターン形状をセラミックス基板に感光することである。積算照射量が２０ｍＪ/ｃｍ2より小さいとパターン形状が十分に感光できない箇所が発生する。逆に積算照射量が３０ｍJ/ｃｍ2よりも大きいとマスク内側まで感光が進んでしまい、パターン精度が悪くなる箇所が発生するためである。さらには、ベーク後の露光積算照射量は２２ｍＪ/ｃｍ2以上２８ｍＪ/ｃｍ2以下であることが好ましい。

露光後にはエッチング（現像）を行い、セラミックス基板に感光したレジストの露光部が残った状態になる（Ｆ）。レジスト露光部が残ったセラミックス基板をアッシングした後に表面に薄膜メタライズ膜を形成する（Ｇ）。薄膜メタライズを形成する方法は蒸着法やスパッタ法などがある。薄膜メタライズを形成する金属は、たとえば密着層、バリア層、表面層の３層構造などである。密着層はセラミックス基板の表面に金属を接合するために形成する金属層でありチタン（Ｔｉ）などがあげられる。バリア層は密着層と表面層の間にあり相互の金属の拡散を防止するために形成する金属層であり白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などがあげられる。表面層は他の部品との接合をするために形成する金属層であり金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）などがあげられる。薄膜メタライズ後にレジストを剥離（リフトオフ）することにより薄膜メタライズのパターン回路を形成する（Ｈ）。

パターン回路の裏面に薄膜メタライズを行う場合には、続けて表面と同様にアッシング後に薄膜メタライズを形成する。薄膜メタライズ後に接合層を形成する場合は、半田などにより接合層を形成する。接合層はたとえば金－スズ（Ａｕ－Ｓｎ）半田層などがあげられる。これらの薄膜メタライズや接合層による回路を形成後に製品の大きさに切断する。切断はダイサーなどにより行う。このような切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板３は、接合層を介して半導体素子を搭載したことを特徴とするチップオンサブマウント１３に好適である。

図６に実施形態にチップオンサブマウントの一例を示す。図６中、５はセラミックス基板、４と６は薄膜メタライズ、１４は半田、１５は半導体素子である。このようなチップオンサブマウント１３は、接合層を介してヒートシンクにチップオンサブマウント１３を実装したことを特徴とする半導体モジュール１６に好適である。

図７に実施形態に係る半導体モジュール（半導体装置）の一例を示す。図７中、１７はワイヤーボンディング、１８はチップオンサブマウントとヒートシンクを接合する接合層である半田、１９はリードフレームである。２０はヒートシンクである。

図７では、ヒートシンク２０の上に接合層１８を介してチップオンサブマウント１３を接合している。半導体素子１５と薄膜メタライズ４をワイヤーボンディング１７で導通している。また、半導体素子１５の他にワイヤーボンディング１７で薄膜メタライズ４とリードフレーム１９を接合している。ワイヤーボンディング１７とリードフレーム１９、接合層１８とヒートシンク２０、により接続されたチップオンサブマウント１３で半導体モジュール１６としている。半導体モジュール１６は、このような構造に限定されるものではない。たとえば、ワイヤーボンディング１７とリードフレーム１９はどちらか一方であっても良い。また、半導体素子１５、ワイヤーボンディング１７およびリードフレーム１９は、半導体モジュール１６にそれぞれ複数個設けても良い。

また、半導体素子１５やヒートシンク２０を接合する接合層１４および接合層１８は、半田、ろう材などが挙げられる。半田は鉛フリー半田が好ましい。また、半田は融点が４５０℃以下のものを示す。ろう材は融点が４５０℃を越えたものを示す。また、融点が５００℃以上のものを高温ろう材と呼ぶ。高温ろう材は銀（Ａｇ）を主成分とするものが挙げられる。

半導体素子１５は小型化が進む一方でチップからの発熱量は増加の一途をたどっている。そのため、半導体素子１５を搭載する切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板３においては放熱性の向上が重要になっている。また、半導体モジュール１６の高性能化のために、半導体モジュール１６内に複数の半導体素子１５を実装するようになっている。半導体素子１５が１つだけでも素子の真性温度を超えてしまうと、抵抗が負のマイナス側の温度係数に変化してしまう。これに伴い、電力が集中的に流れる熱暴走を起こして瞬時に破壊してしまう現象がおきる。よって、放熱性を向上させることは有効である。また、半導体モジュール１６は、レーザーダイオードをはじめ、一般照明ＬＥＤからヘッドランプ用のハイパワーＬＥＤ、また高放熱性の要求が強い深紫外ＬＥＤ（殺菌ランプ・樹脂硬化ランプ）などに用いることができる。レーザーやＬＥＤは、高出力化が進んでいる。半導体モジュール１６の信頼性が向上することは、そのままレーザー装置やＬＥＤ照明の信頼性向上につながることである。

次に、実施形態に係る切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板３のうち窒化アルミニウム基板の薄膜メタライズのパターン回路形成方法について説明する。窒化アルミニウム基板のパターン回路形成は前述の構成を有していれば、その製造方法は特に限定されるものではないが、歩留まり良く得るための方法として次のものが挙げられる。

まず、窒化アルミニウム基板を用意する。特に、窒化アルミニウム基板から生成される切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板３全体の放熱性を考慮すると、窒化アルミニウム基板の熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。また、パターン回路を形成する薄膜メタライズ側と反対面の薄膜メタライズ側の導通を行うときは、スルーホールやビアホールによる貫通孔を有する窒化アルミニウム基板を用意する。窒化アルミニウム基板に貫通孔を設ける場合は、予め成形体の段階で貫通孔を設けても良い。また、窒化アルミニウム基板に貫通孔を設ける工程を行っても良い。貫通孔を設ける工程は、レーザー加工、ドリルやなどの切削加工などにより行われる。これらの窒化アルミニウム基板の表面を固定砥粒や遊離砥粒によりラッピング加工する。ラッピング加工後の窒化アルミニウム基板表面の算術平均粗さは概ね０．１μｍ以下である。

後述のエッチング処理で使用するエッチング液を所定の比率に希釈して容器に入れ恒温槽中で一定液温に保つ。エッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウムが望ましく、例えば、多摩化学工業株式会社製ＡＤ－１０、株式会社トクヤマ製ＳＤ－１などである。窒化アルミニウム基板をフッ素樹脂のカセットに入れて、希釈エッチング液に浸漬し、揺動や攪拌により希釈エッチング液が窒化アルミニウム基板全面で反応が行われるようにする。所定時間浸漬後に容器から取り出し水洗乾燥する。

窒化アルミニウム基板にレジスト９を塗布する。塗布にはコーターなどを使用する。レジストはフェノール樹脂系のフォトレジストなどが挙げられる。次にレジスト塗布を行った窒化アルミニウム基板をベークする。ベークは専用の加熱装置を使用しても良いし、コーターにベークする機能が備えられている場合は、そのままベークしても良い。所定の温度と時間にて加熱した後に冷却する。

次に、ベークした窒化アルミニウム基板を露光装置にセットして露光を行う。露光はパターンを形成したマスク１０を通して紫外線などを照射することによりマスクされていない部分を露光する。ベークは所定の加熱温度と時間にて保持した後に冷却する。

次にエッチング（現像）処理により露光したレジスト１１以外のレジスト９を除去する。露光したレジスト１１がある窒化アルミニウム基板に薄膜メタライズ１２を行う。薄膜メタライズは蒸着法、スパッタ法などがある。薄膜メタライズ１２を行った窒化アルミニウム基板から露光したレジスト１１を剥離（リフトオフ）して薄膜メタライズ４によるパターン回路を形成する。

次に窒化アルミニウム基板裏面（薄膜メタライズを行った反対の面）に、同様に薄膜メタライズ行う。裏面は表面と同様にパターン回路を形成しても良いし、回路を形成せずに全面に薄膜メタライズ層を形成しても良い。裏面の薄膜メタライズは、表面の薄膜メタライズ形成後に行っても良いし、表面と裏面の薄膜メタライズ工程を同時に、または交互に行っても良い。

薄膜メタライズの表面にリソグラフィーにより半田などの接合層１４を成膜する場合は、薄膜形成する場合と同様にレジスト塗布・露光・エッチング（現像）・半田成膜・剥離（リフトオフ）の工程で形成する。半田はＡｕ－Ｓｎ半田、Ａｕ－Ｓｉ（ケイ素）半田、などが挙げられる。リソグラフィーで接合層などを形成する以外には、接合性を向上するために全面にめっきをする ことも可能である。めっきはニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）を下地にしたＡｕめっき、などが挙げられる。

次に、窒化アルミニウム基板を製品サイズに切断する工程を行う。パターン回路を形成した窒化アルミニウム基板を製品形状に切断する。切断はダイサー（ダイシングソー）などによって行われる。次に、半導体素子１５などを接合する工程を行う。半導体素子１５を接合する箇所に接合層を設ける。接合層は、半田またはろう材が好ましい。接合層を設けて、その上に半導体素子１５を設ける。

次に、半導体素子１５を接合した窒化アルミニウム基板を半導体モジュールに接合するする工程を行う。接合層を介してヒートシンク２０に接合する。また、必要に応じ、ワイヤーボンディング１７により薄膜メタライズ４によるパターン回路とリードフレーム１９を接合する。また、ワイヤーボンディング１７により半導体素子１５と薄膜メタライズ４によるパターン回路とを接合する。また、半導体素子１５、リードフレーム１９、ワイヤーボンディング１７は必要な数を設けるものとする。

以上では、窒化アルミニウム基板のパターン回路の裏面に薄膜メタライズ６が形成された状態で半田などの接合層を介してヒートシンク２０に接合することで製造されるものとして説明したが、その場合に限定されるものではない。例えば、パターン回路の裏面に薄膜メタライズ６がなく窒化アルミニウム基板の状態であれば、ヒートシンク２０に接着剤などで接合する。

（実施例１～７、比較例１～６）
直径１００ｍｍで厚さが０．３ｍｍの窒化アルミニウム焼結基板（熱伝導率２４０Ｗ／ｍ・Ｋ）を用意した。基板表面の算術平均粗さが０．０２～０．０３μｍになるように窒化アルミニウム両面をポリッシュ加工した。多摩化学工業株式会社ＡＤ－１０（２．３８％水酸化テトラメチルアンモニウムと非イオン性界面活性剤からなるエッチング液）を希釈し表１にあるように浸漬を行った。

表１から分かる通り、実施例１～７では、エッチング液の希釈濃度、窒化アルミニウムの浸漬時間、希釈エッチング液の液温は好ましい範囲内であった。一方、比較例１～６では、それらの値が好ましい範囲外となった。

次に窒化アルミニウム基板にスピンコーターを使用して回転数２００ｒｐｍで１０秒、１０００ｒｐｍで１５秒、２０００ｒｐｍで１５秒、２００ｒｐｍで２秒の条件で３ｃｍ3のレジストを滴定することにより基板全面に紫外線硬化型レジストを塗布した。レジスト塗布後にスピンコーターによりベークを行った。次に図１および図２に示すように切断後の製品サイズである０．９ｍｍ×０．９ｍｍに０．６ｍｍ×０．３ｍｍの２カ所のパターン回路が０．１ｍｍの間を空けるように露光ができるようなガラスマスクを準備した。露光機（パラレルライトマスクアライナー）に窒化アルミニウム基板とガラスマスクをセットして露光作業を行った。次に、窒化アルミニウム基板をスピンコーターにセットして裏面（パターン回路の反対面）でベークを行った。次に露光機に窒化アルミニウム基板をセットして露光を行った。

次に露光後の窒化アルミニウム基板を耐溶剤性カセットにセットして恒温槽のエッチング液（ＡＤ－１０）中にて２５℃１５０秒で揺動してエッチングをした。エッチングした窒化アルミニウム基板を純水で洗浄した後にスピンドライヤーにて３０００ｒｐｍで３分間回転することにより乾燥した。

次に窒化アルミニウム基板をアッシャー装置にてアッシングを行った。アッシング条件はＲＦパワー４００Ｗ、酸素量（どうする）にて１分間で行った。次に電子ビーム蒸着装置にてチタン（Ｔｉ）０．１μｍ、白金（Ｐｔ）０．２μｍ、金（Ａｕ）０．３μｍの順に窒化アルミニウム基板上に金属を三層蒸着した。次に窒化アルミニウム基板を耐溶剤性カセットにセットして恒温槽のレジスト剥離液中にて５０℃４５分間で揺動してレジストを剥離した。レジスト剥離液は非Ｎ-メチル-２-ピロリドンベースのアルカリ系レジスト剥離液を使用した。レジスト剥離した窒化アルミニウム基板を純水中で洗浄した。次に窒化アルミニウム基板をダイサーにより切断した。

ダイサーにて切断した製品について分光エリプソメトリーを使用して金表面の７００ナノメートルの表面反射率（％）を測定した。

切断した個々の製品について表面視認状態について実態顕微鏡にて確認をした。半導体素子を搭載する際の自動認識ではパターンの角部を認識させるため、窒化アルミニウム基板の表面形状の影響で金表面が黒点状に視認されるとパターンマッチング率が下がる。このため、パターンマッチング率に影響がある黒点が観察されたものを視認不良とした。

また、薄膜メタライズの密着状態についても実態顕微鏡にて確認をした。剥がれ不良が発生した製品形状を剥がれ不良とした。

また、実施例および比較例に係る切断後の窒化アルミニウム薄膜メタライズ基板１００個について回路パターンの１カ所にＡｕ－Ｓｎ半田により半導体素子であるレーザーダイオード素子を接合してチップオンサブマウントを製造した。

ヒートシンク部分と２カ所のリード端子部分がある銅製のステム部品のヒートシンク部分にチップオンサブマウントを半田接合した。次にレーザーダイオード素子、パターン回路、およびリード端子をワイヤーボンディングで接合した。次にウィンドウキャップを接合してレーザーデバイス用の半導体モジュールを作製した。

半導体モジュールを１００℃で２００時間の高温連続通電試験をして、半導体モジュールのレーザー特性を確認した。２００時間後にレーザー特性が低下したモジュールについて要因を調査した。モジュールの不良は通電不良と熱暴走不良の２種類の不良であった。通電不良はパターン回路間で電気ショートが起こったことにより半導体素子が破損した不良である。熱暴走不良は、半導体の発生する熱が十分に基板側に伝わらずに半導体素子が破損または能力が低下した不良である。これら２種類の不良をモジュールの不良としてカウントした。

実施例および比較例の基板反射率、基板不良の発生率、モジュール不良の発生率を表２に示す。

表２の表面反射率から分かる通り、実施例に係る窒化アルミニウム薄膜メタライズ基板の表面反射率は５０％以上と良好であった。窒化アルミニウム基板の表面がエッチングされ過ぎず、エッチングによる粗化された表面の影響が薄膜メタライズにまであらわれずに高い反射率となったためである。

それに対して比較例２、４、６では表面反射率が５０％未満と低い値になった。エッチング条件が過剰であるため窒化アルミニウム基板の粗化が進み、それにより粗化された表面の影響が薄膜メタライズ表面にまで現れたためである。

また、表２の基板不良から分かる通り、実施例に係る窒化アルミニウム薄膜メタライズ基板は、視認不良が発生しないか不良発生率が小さかった。エッチングによる粗化された表面の影響が薄膜メタライズにまであらわれなかったためである。

それに対して比較例２、４、６では、視認不良が多く発生した。窒化アルミニウム基板の粗化が進み、それにより粗化された表面の影響が薄膜メタライズ表面にまで現れ金表面に黒点状欠陥が発生したためである。

また、表２の基板不良から分かる通り、実施例に係る窒化アルミニウム薄膜メタライズ基板は、剥がれ不良が発生しないか不良率が小さかった。適切なエッチング条件により窒化アルミニウム基板の表面が粗化されたことにより薄膜メタライズの接合強度が向上したためである。

それに対して比較例１、３、５では、剥がれ不良が多く発生した。エッチング条件が弱いため窒化ル三ニウム基板表面が十分に粗くならないため必要なアンカー効果が得られずに接合強度の弱い部分が発生したためである。

また、表２のモジュール不良から分かる通り、実施例に係る窒化アルミニウム薄膜メタライズ基板は、導通不良が発生しなかった。窒化アルミニウム基板表面の粗化が大きくなくパターン間距離が確保され絶縁状態が適正に保たれたためである。

それに対して比較例２、４、６では、導通不良が発生した。窒化アルミニウム基板表面の粗さが大きくなったことによりパターン形状に凹凸が発生して凸部分から電流がリークする、またレジスト層が十分に架橋せずにパターン間の絶縁部分にも薄膜メタライズの一部が侵入する、などが原因としてあげられる。

また、表２のモジュール不良から分かる通り、実施例に係る窒化アルミニウム薄膜メタライズ基板は、熱暴走不良が発生しなかった。窒化アルミニウム基板と薄膜メタライズの間が良好に接合しているため、半導体素子、半田、薄膜メタライズ、窒化アルミニウム基板へと良好に放熱でき、半導体素子で発生した熱による動作への影響がなかったためである。

それに対して比較例１、３、５では、熱暴走不良が発生した。不良基板を観察すると半導体素子と薄膜メタライズの間にある半田接合層には異常は見られなかったが、薄膜メタライズと窒化アルミニウム基板の間に空孔が観察された。このため熱暴走不良が起きたのは発生した空孔により十分な放熱ができなかったのが原因である。この空孔発生の原因は、窒化アルミニウム基板の表面が十分に粗化されなかったため、窒化アルミニウム基板と薄膜メタライズ間の接合強度が低い部分が発生し空孔の原因になったためである。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１…切断前のセラミックス薄膜メタライズ基板
２…セラミックス薄膜メタライズ基板
３…切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板
４、６、１２…薄膜メタライズ
５…セラミックス基板
７…セラミックス基板表面
８…粗化したセラミックス基板表面
９…レジスト
１０…マスク
１１…露光したレジスト
１３…チップオンサブマウント
１４、１８…接合層
１５…半導体素子
１６…半導体モジュール
１７…ワイヤーボンディング
１９…リードフレーム
２０…ヒートシンク

また、セラミックス基板を浸漬する希釈エッチング液の液温は、室温前後である１０℃
以上４０℃以下である。液温を１０℃未満に設定すると、浸漬時の発熱反応を相殺するため
の冷却が必要となり液温調整が難しくなる。また、４０℃を超えると発熱反応による反応
速度を制御するための液温調節が必要となり工程に負荷がかかる。希釈エッチング液の液
温は、好ましくは１５℃以上３５℃以下、より好ましくは２０℃以上３０℃以下である。

まず、窒化アルミニウム基板を用意する。特に、窒化アルミニウム基板から生成される
切断後のセラミックス薄膜メタライズ基板３全体の放熱性を考慮すると、窒化アルミニウ
ム基板の熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。また、パターン回路を形
成する薄膜メタライズ側と反対面の薄膜メタライズ側の導通を行うときは、スルーホール
やビアホールによる貫通孔を有する窒化アルミニウム基板を用意する。窒化アルミニウム
基板に貫通孔を設ける場合は、予め成形体の段階で貫通孔を設けても良い。また、窒化ア
ルミニウム基板に貫通孔を設ける工程を行っても良い。貫通孔を設ける工程は、レーザー
加工、ドリルなどの切削加工などにより行われる。これらの窒化アルミニウム基板の表
面を固定砥粒や遊離砥粒によりラッピング加工する。ラッピング加工後の窒化アルミニウ
ム基板表面の算術平均粗さは概ね０．１μｍ以下である。

次に、半導体素子１５を接合した窒化アルミニウム基板を半導体モジュールに接合す
る工程を行う。接合層を介してヒートシンク２０に接合する。また、必要に応じ、ワイ
ヤーボンディング１７により薄膜メタライズ４によるパターン回路とリードフレーム１９
を接合する。また、ワイヤーボンディング１７により半導体素子１５と薄膜メタライズ４
によるパターン回路とを接合する。また、半導体素子１５、リードフレーム１９、ワイヤ
ーボンディング１７は必要な数を設けるものとする。

次に窒化アルミニウム基板をアッシャー装置にてアッシングを行った。アッシング条件は
ＲＦパワー４００Ｗ、酸素量５００ｃｃｍにて１分間で行った。次に電子ビーム蒸着装置
にてチタン（Ｔｉ）０．１μｍ、白金（Ｐｔ）０．２μｍ、金（Ａｕ）０．３μｍの順に
窒化アルミニウム基板上に金属を三層蒸着した。次に窒化アルミニウム基板を耐溶剤性カ
セットにセットして恒温槽のレジスト剥離液中にて５０℃４５分間で揺動してレジストを
剥離した。レジスト剥離液はＮ-メチル-２-ピロリドンベースのアルカリ系レジスト剥
離液を使用した。レジスト剥離した窒化アルミニウム基板を純水中で洗浄した。次に窒化
アルミニウム基板をダイサーにより切断した。

Claims (9)

1. ａ）１０％以上５０％以下に希釈したエッチング液にてセラミックス基板表面を粗化する工程と、
   ｂ）前記セラミックス基板に薄膜メタライズを形成する工程と、
   ｃ）前記エッチング液にて回路を形成する工程と、
   を備えたことを特徴とするセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法。
2. 工程ａ）の希釈したエッチング液の液温は１０℃以上４０℃以下であり、浸漬する時間が２０秒以上２４０秒以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法。
3. 前記エッチング液が、水酸化テトラメチルアンモニウムであることを特徴とする請求項２に記載のセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法。
4. 前記セラミックス基板が、窒化アルミニウム基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法。
5. 前記薄膜メタライズが、チタン、白金、金であることを特徴とする請求項４に記載のセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法。
6. 前記薄膜メタライズの金表面の７００ナノメートルの反射率が５０％以上であることを特徴とする請求項５に記載のセラミックス薄膜メタライズ基板の製造方法。
7. セラミックス薄膜メタライズ基板のパターン回路に接合層を有するチップオンサブマウントの製造方法において、請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の製造方法により得られたセラミックス薄膜メタライズ基板に接合層を形成する工程を備えることを特徴とするチップオンサブマウントの製造方法。
8. 前記チップオンサブマウントの製造方法における接合層が金―スズ半田であることを特徴する請求項７に記載のチップオンサブマウントの製造方法。
9. チップオンサブマウントに半導体素子を搭載する半導体モジュールの製造方法において、請求項８に記載の製造方法により得られたチップオンサブマウントに半導体素子を搭載する工程を備えることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。

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