JP4409553B2 - サブマウント材用基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザダイオード等を保持搭載するためのサブマウント材用基板の製造方法に係り、特に金属回路層の剥離が少なく耐久性および放熱性に優れたサブマウント材用基板の製造方法に関する。

従来から、光信号を面受光し電気信号として外部回路に供給するために、セラミックス基板と金属回路層とから成るサブマウント材にフォトダイオードを搭載し、フォトダイオードからの電気信号を、金属回路層を介して外部回路に供給する光素子としてフォトダイオード・サブアセンブリが広く用いられている。また、フォトダイオードの代りに面発光するレーザダイオードを用いたレーザダイオード発光素子も、家電製品や電子機器の表示用部品として広く使用されている。

図２はレーザダイオード発光素子の一構成例を示す断面図である。図においてレーザダイオード発光素子１は、セラミックス基板２と、その表面に、例えばスパッタリング法によって形成された金属回路層３とから成るサブマウント材４に半田層５を介してレーザダイオード６を一体に接合して構成されている。レーザダイオード６と、金属回路層３と、図示しない外部回路とは、それぞれ図示しないボンディングワイヤ等によって電気的に接続されている。また、レーザダイオード６で発生した熱を、サブマウント材４を経由して系外に放出するために、サブマウント材４の下部には、熱伝導性が良好な銅（Ｃｕ）等で形成されたヒートシンク７が一体に接合されている。

従来、上記レーザダイオード６用のサブマウント材４としては、板状のＳｉ板表面に酸化膜を形成したＳｉＯ基板の表面にスパッタリング法などの薄膜形成技術を利用して金属回路層を形成したサブマウント材が広く用いられている。さらに金属回路層とレーザダイオードとの間の導通性や密着性またはボンディング性を良好にするために金属回路層表面に金（Ａｕ）めっき層を形成したり、さらにＡｕめっき層の上面にＡｕ−Ｓｎ合金またはＰｂ−Ｓｎ合金から成る半田層を形成したりする場合もある。近年、ダイオードの出力増加に対応し、より高い放熱特性を実現するために、サブマウント材を構成するセラミックス基板として高熱伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板も多用化されるに至っている。

しかしながら、上記従来例のようにセラミックス基板として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用い、さらにスパッタリング法を利用して金属回路層を形成した従来のサブマウント材においては、金属回路層の接着強度が低いため、光電素子の組立工程や使用中に繰り返して作用する熱によって金属回路層が剥離し易い難点があり、光電素子の耐久性および信頼性が低いという問題点があった。

また、従来のサブマウント材を構成するセラミックス基板（サブマウント材用基板）の厚さについては、何ら考慮がなされていなかったため、熱伝導率が高いＡｌＮ基板を使用した場合においても熱抵抗が大きくなり、放熱性が不十分であるという問題点もあった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、組立工程や使用中に熱衝撃が作用した場合においても金属回路層の剥離が少なく、放熱性，耐久性および信頼性に優れたサブマウント材用基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明者らは種々の寸法，熱伝導率および表面粗さを有するＡｌＮ基板表面にスパッタリング法により金属回路層を形成してサブマウント材を調製し、各サブマウント材の仕様が、耐熱衝撃性，耐剥離性等に及ぼす影響を比較検討した。その結果、特にサブマウント材を構成するセラミックス基板の熱伝導率と板厚との関係を一定の範囲に調整したり、またはセラミックス基板の表面粗さを一定の範囲に規定したりしたときに、サブマウント材の放熱性を改善できる上に、金属回路層の剥離を効果的に防止でき、優れた放熱性および耐久性を有するサブマウント材が初めて得られるという知見を得た。本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明に係るサブマウント材用基板の製造方法は、熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化アルミニウム基板を用いたダイオード発光素子を搭載するためのサブマウント材用基板の製造方法において、窒化アルミニウム基板の熱伝導率をＫ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、厚さをｔ（ｍｍ）とした場合にＫ／ｔ比が７０１以上９６０以下である窒化アルミニウム基板の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）基準で０．１〜０．５μｍに研磨加工する工程と、研磨加工した面に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの３層構造の金属回路層を形成する工程と、窒化アルミニウム基板の縦および横の長さをそれぞれ１ｍｍ以下に切断する工程とを具備することを特徴とする。

また、本発明方法で得られるサブマウント材は、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体から成るセラミックス基板と、このセラミックス基板上に形成された金属回路層とを具備し、ダイオードを搭載するためのサブマウント材において、上記セラミックス基板の熱伝導率をＫ（Ｗ／ｍ・Ｋ）とする一方、厚さをｔ（ｍｍ）とした場合にＫ／ｔ比が７０１以上９６０以下であることを特徴とする。

また、本発明で得られるサブマウント材は、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体から成るセラミックス基板と、このセラミックス基板上に形成された金属回路層とを具備し、ダイオードを搭載するためのサブマウント材において、上記セラミックス基板の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）基準で０．１〜０．５μｍであることを特徴とする。

さらに上記サブマウント材において、セラミックス基板表面に形成される金属回路層の幅が１００μｍ以上であることが好ましい。また、セラミックス基板表面に形成される金属回路層が、セラミックス基板表面全体を被覆していることが好ましい。さらに、セラミックス基板の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。また、セラミックス基板の熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましい。さらに、Ｋ／ｔ比が７５０〜８５０であることが、より好ましい。

本発明で得られるサブマウント材用基板を構成するセラミックス基板の厚さｔ（ｍｍ）に対する熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）の比（Ｋ／ｔ）は、良好な放熱性と金属回路層の耐剥離性とを共に確保するために７００以上とされる。すなわち、熱伝導率Ｋが高く、板厚ｔを薄くすることによってサブマウント材の放熱性を向上させこるとが可能になるとともに、サブマウント材にダイオードチップを半田付けしてマウントする際に３５０℃以上の高温度がサブマウント材に作用した場合においても、熱衝撃による金属回路層とセラミックス基板との接合部の損傷が少なくなり、金属回路層の剥離を効果的に防止することができる。

すなわち、セラミックス基板（サブマウント材用基板）の熱伝導率Ｋがより高く、または板厚ｔがより薄い方がサブマウント材の放熱性を高めるためには有利であるが、金属回路層の剥離を防止するためには、セラミックス基板の板厚ｔ（ｍｍ）に対する基板の熱伝導率Ｋ（Ｗ／ｍ・Ｋ）の比（Ｋ／ｔ値）は７００以上の範囲とされるが、７５０〜８５０の範囲がより好ましい。

サブマウント材を構成するサブマウント材用基板（セラミックス基板）の具体的な厚さｔは、熱伝導率によって変化する。すなわち、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・ＫのＡｌＮ基板を使用する場合には、ＡｌＮ基板の厚さｔは０．２８６ｍｍ以下とされる。また熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・ＫのＡｌＮ基板を使用する場合には、ＡｌＮ基板の厚さｔは０．２４３ｍｍ以下とされる。

なお、Ｋ／ｔ比が７５０〜８５０の範囲であると、熱伝導導率およびＡｌＮ基板の板厚が最も好ましい範囲となることから、ＡｌＮ基板の縦および横の長さが１ｍｍ以下の小型のサブマウント材を作製する際のＡｌＮ基板の切断時に破損が起きにくくなるため、歩留りを向上させることができる。

またサブマウント材を構成するサブマウント材用基板（セラミックス基板）表面を目荒しして、その表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）基準で０．１〜０．５μｍの範囲に規定することにより、スパッタリング法で形成された金属回路層の接合強度をアンカー効果によって向上させることができ、結果として、ダイオードチップをサブマウント材に半田接合する際に過大な熱衝撃が作用した場合においても、金属回路層のセラミックス基板からの剥離を効果的に防止することができる。

また、サブマウント材の放熱性を確保するためにサブマウント材を構成するセラミックス基板の熱伝導率Ｋは１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好ましくは１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることが望ましい。さらに、セラミックス基板の表面を積極的に粗面化し、その表面粗さをＲａ基準で０．１〜０．５μｍに規定した場合において、回路幅が小さい金属回路層をスパッタリング法で形成すると、金属回路層がセラミックス基板表面の凹凸によって影響を受け、断線が生じ易くなる。したがって、金属回路層の幅は１００μｍ以上に設定することが好ましい。特に金属回路層は、セラミックス基板の表面の全体を被覆するように形成することがより好ましい。

上記構成に係るサブマウント材用基板の製造方法によれば、サブマウント材を構成するセラミックス基板の熱伝導率と板厚との関係またはセラミックス基板の表面粗さを所定の範囲に調整しているため、サブマウント材の放熱性が改善される上に、組立中または使用中に熱衝撃が作用した場合においても、金属回路層のセラミックス基板からの剥離が効果的に防止でき、優れた放熱性と耐久性とを兼ね備えたサブマウント材が得られる。したがって、このサブマウント材にダイオードを接合することにより、信頼性に優れた光電素子を高い製造歩留りで量産することが可能になる。

次に本発明の実施形態について以下に示す実施例および比較例に基づいて、より具体的に説明する。

［実施例１〜１１および比較例１〜５］
表１に示すように１６０〜２０２Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率Ｋおよび０．１７７〜０．３０９ｍｍの板厚ｔを有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を用意し、各ＡｌＮ焼結体の表面を研磨加工することにより、表１に示す表面粗さを有するＡｌＮ基板をそれぞれ調製した。

次に各ＡｌＮ基板の表面にスパッタリング法を使用して厚さ０．０５μｍのＴｉ膜と厚さ０．２μｍのＰｔ膜と厚さ０．５μｍのＡｕ膜とを順次形成し、３層構造の金属回路層を形成した。次に金属回路層を形成した各ＡｌＮ基板をパターンエッチング処理した後に、ダイシングカッターを使用して１ｍｍ角の形状に切断することにより、各実施例および比較例に係るサブマウント材を多数調製した。

調製したサブマウント材４ａは、図１に示すように、所定の表面粗さと熱伝導率Ｋと板厚ｔとを有するＡｌＮ基板２ａの表面に、所定厚さのＴｉ膜８とＰｔ膜９とＡｕ膜１０との３層構造から成る金属回路層３ａを一体に形成して構成される。

次に上記のように調製した各サブマウント材の耐熱衝撃特性を評価するために、下記のような熱衝撃試験を実施した。すなわち各サブマウント材を窒素雰囲気中で温度４００℃の金属板上に１分間載置して加熱した後、直ちに温度２５℃のアルミニウム板上に移し替えることにより、迅速に冷却した。なお、この加熱−冷却操作において作用する熱衝撃は、サブマウント材にダイオードチップを半田接合する際の熱履歴に相当するものである。

そして冷却後における各サブマウント材の金属回路層の接合強度の劣化状況を確認するために、市販の粘着テープを金属回路層の表面に貼り付けた後に、一定の速度で粘着テープを剥したときに、金属回路層が剥離したサブマウント材の試料数の全体に占める割合を測定して、下記表１に示す結果を得た。なお、金属回路層の剥離率（％）については、各実施例および比較例のサブマウント材を各２００個作製し測定したものである。

上記表１に示す結果から明らかなように、サブマウント材を構成するＡｌＮ基板の熱伝導率Ｋと板厚ｔとの関係またはＡｌＮ基板の表面粗さを所定の範囲に調整した各実施例に係るサブマウント材においては、金属回路層の剥離率が０〜４％と小さく、熱衝撃が作用した場合においても、金属回路層がＡｌＮ基板から剥離することが効果的に防止でき、優れた耐熱衝撃性を有することが確認できた。

特に、Ｋ／ｔ比が７００以上かつＡｌＮ基板の表面粗さが、０．１〜０．５μｍの実施例については金属回路層の剥離率が０％であり、両方の構成を具備することにより相乗的効果が得られていることが判明した。

なお、Ｋ／ｔ比が９６０である実施例７においても金属回路層の剥離率は０％と良好であるが、ＡｌＮ基板の板厚が薄いために、実施例のように１ｍｍ角の形状に切断する際に破損してしまうものが確認された。従って、Ｋ／ｔ比は７５０〜８００が最も効果的な範囲であると言える。このような観点からするとＫ／ｔ比が７００以上のサブマウント材は、縦横が１ｍｍ角以下の小型のサブマウント材として特に適していると言える。

一方、ＡｌＮ基板の表面粗さを過小にした比較例に係るサブマウント材においては、十分なアンカー効果による金属回路層の高い接合強度が得られず、剥離の発生率が大きくなることが判明した。同様に表面粗さを粗くした比較例についても金属回路層の剥離率が高いことが確認された。これはＡｌＮ基板の表面を粗面化することによりアンカー効果は得られているものの、ＡｌＮ基板の表面が粗すぎるためにスパッタ膜が均一に形成され難いためであると考えられる。特に縦横が１ｍｍ角以下の小型のサブマウント材においては、影響を受けやすいものである。また、金属回路層のパターン幅を５０μｍと過小に設定した比較例に係るサブマウント材においては、金属回路層の断線が発生し、回路層全体の接合強度が低下するため、剥離の発生率も上昇した。

本発明方法で得られるサブマウント材の一実施例を示す断面図。 サブマウント材にダイオードを搭載した光電素子の構成例を示す断面図。

１ レーザダイオード発光素子
２，２ａ セラミックス基板（ＡｌＮ基板、サブマウント材用基板）
３，３ａ 金属回路層
４，４ａ サブマウント材
５ 半田層
６ レーザダイオード
７ ヒートシンク
８ Ｔｉ膜
９ Ｐｔ膜
１０ Ａｕ膜

Claims (2)

1. 熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化アルミニウム基板を用いたダイオード発光素子を搭載するためのサブマウント材用基板の製造方法において、
   窒化アルミニウム基板の熱伝導率をＫ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、厚さをｔ（ｍｍ）とした場合にＫ／ｔ比が７０１以上９６０以下である窒化アルミニウム基板の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）基準で０．１〜０．５μｍに研磨加工する工程と、
   研磨加工した面に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの３層構造の金属回路層を形成する工程と、
   窒化アルミニウム基板の縦および横の長さをそれぞれ１ｍｍ以下に切断する工程、
   を具備することを特徴とするサブマウント材用基板の製造方法。
2. 前記Ｋ／ｔ比が７５０以上８５０以下であることを特徴とする請求項１に記載のサブマウント材用基板の製造方法。

Images