半田層及びそれを用いたデバイス接合用基板並びにその製造方法
【課題】デバイスの基板への簡略化した接合方法においてもデバイスの接合強度が高くかつ接合不良率も少ない半田層及びデバイス接合用基板並びにその製造方法を提供する。
【解決手段】基板２と基板上に形成する鉛を含まない半田層５とを含むデバイス接合用基板１であって、半田層５は互いに相が異なる複数の層からなり、かつ、半田層の上層表面における酸素濃度は、半田層５の上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満である。半田層５の上層表面における炭素濃度は、半田層上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満であってもよい。
【解決手段】基板２と基板上に形成する鉛を含まない半田層５とを含むデバイス接合用基板１であって、半田層５は互いに相が異なる複数の層からなり、かつ、半田層の上層表面における酸素濃度は、半田層５の上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満である。半田層５の上層表面における炭素濃度は、半田層上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満であってもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子回路用基板等に用いられる半田層と、この半田層を用いたデバイス接合用基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、各種の電子部品はプリント基板上に形成される銅配線パターン上の所定箇所に搭載され、半田付けされて電子回路の結線を行っている。従来の電子回路は、紙フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂などから成るプリント基板上に電子デバイスを、Ｐｂ（鉛）を主成分とする半田層により接合していた。
【０００３】
しかしながら、環境負荷低減のため鉛を含む半田は、近年、使用が制限される傾向となっている。特に欧州では、ＲｏＨＳ指令（電気電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する欧州議会および理事会指令）により２００６年７月１日から使用が禁止されるに至っている。このため、鉛及び錫からなる半田の代替半田として、例えば、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｚｎ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎなどの鉛を含まない半田で形成することが提案されている。
【０００４】
非特許文献１には、鉛を含まない半田を室温に放置しても平衡に達する迄には１０ケ月以上掛かることが報告されている。非特許文献２には、鉛を含まない半田を用いた半導体レーザパッケージにおいて、半田接合後の熱サイクルによる負荷が加わった場合に、この熱サイクル負荷により、徐々に半田接合の接合強度が変化することが報告されている。
【０００５】
非特許文献３には、半田層の加熱開始時からデバイスを半田層に接触させ、デバイスを半田層に押圧し、その圧力を半田層の温度により変化させることで、電子デバイスを基板に接合する方法が開示されている。図１７は、非特許文献３で用いられているＡｕ及びＳｎから成る合金（Ａｕ−Ｓｎ系合金）の原子比による相を示す状態図である（非特許文献４参照）。
【０００６】
【非特許文献１】V. SIMIC and Z. MARINKOVIC, “Thin film interdiffusion of Au and Sn at room temperature”, J. Less-Common Metals, 51, pp.177-179, 1977
【非特許文献２】J-H. Kuang他５名, “Effect of Temperature Cycling on Joint Strength of PbSn and AuSn Solders in Laser Packages", IEEE Trans., Adv. Pack, Vol.24, No.4, pp.563-568, 2001
【非特許文献３】山口健司 他３名、「挟ピッチ多層リードフレーム製造におけるＡｕ／Ｓｎ接合の検討（１）」、溶接学会全国大会講演概要、第４９集、ｐ４１０−４１１、１９９１年９月
【非特許文献４】日本金属学会編、「金属データブック」、改訂３版、丸善、平成５年（１９９３年）３月２５日、ｐ４１０
【非特許文献５】O. Kubachewski et.al, “Materials Thermochemistry”, 6th Edition, Pergamon Press，pp.258-323(Table 1), 1993
【非特許文献６】O. Kubachewski et.al, “Metallurgical Thermochemistry”, 5th Edition, Pergamon Press，pp.268-323(Table A), 1979
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の基板とデバイスとの半田接合において、半田層を溶解させてデバイスを接合し、半田層を凝固させてデバイスを接合した際の強度である初期接合強度を向上させるためには、半田層を３００℃以上の温度で溶解させて、基板とデバイスを半田接合することが好ましいが、３００℃以上の温度で半田接合を行った場合には、半導体装置や電子部品などのデバイスへの熱負荷が大きくなり、デバイスの損傷が生じる場合がある。
【０００８】
一方、３００℃以下の温度で半田接合を行った場合には、デバイスへの熱負荷が小さくなるのでデバイスの損傷が生じる可能性は低くなるが、半田接合の初期接合強度が弱く、落下等により半田接合が外れてしまうおそれがあることから、デバイスを実装した基板の取扱いに注意が必要である。従って、半田接合の接合強度を短期間に増大させることが課題となっている。
【０００９】
特に鉛を実質的に含まない半田を用いてデバイスを基板に接合する場合、非特許文献１、２のように、半田層を構成する半田の相状態が非平衡になりやすく、初期接合強度が不安定な状態になってしまう。
【００１０】
そのため従来は、デバイスと基板との初期接合強度を得るために、図１８に示すように、図示しない基板に形成された半田層５１の溶解前の温度Ｔ1において半田層５１へデバイス５２を載置し、押圧治具５３を用いて押圧した状態に保持し、半田接合温度Ｔ2を経て、半田層５１の凝固まで押圧治具５３による押圧状態を保持する方法で、デバイス５２と半田層５１との初期接合強度を高めていた。図１８において、横軸は時間であり、縦軸は温度である。すなわち、電子デバイスを半田層に押圧する時間を長くすることで初期接合強度を高めていたが、初期接合強度のばらつきが大きく、接合不良率が高くなり歩留まりが悪かった。また、上記のような押圧時間の長い接合方法では、一度に多くのデバイスを接合させるためには複雑な製造装置が必要となっていた。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑み、デバイスの基板への簡略化した接合方法においてもデバイスの接合強度が高く、かつ接合不良率も少ない半田層及びデバイス接合用基板並びにその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の半田層は、基板上に形成された鉛を含まない半田層であって、この半田層は互いに相が異なる複数の層からなり、かつ、その上層の表面における酸素濃度が、その上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満であることを特徴とする。
上記構成において、半田層の上層表面における炭素濃度は、好ましくは、その上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満である。好ましくは、半田層は金又銀の何れかと錫とを主成分とし、最も酸化し易い金属が錫である。
上記構成によれば、半田層表面を均一に溶解することが可能となり、半田層を溶解凝固後にも平衡状態となるため、デバイスと半田層とで形成される半田接合の初期接合強度を安定させることができると共に、半田接合における不良率を低減できる。
【００１３】
本発明他の構成は、基板とこの基板上に形成される鉛を含まない半田層とを含むデバイス接合用基板であって、半田層は互いに相が異なる複数の層からなり、かつ、その上層表面における酸素濃度が、半田層の上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満であることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、半田層の上層表面における炭素濃度はこの上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満である。好ましくは、半田層は金又銀の何れかと錫とを主成分とし、最も酸化し易い金属が錫である。
上記構成によれば、半田接合の初期接合強度が高く、半田接合における不良率を低減化できるデバイス接合用基板を提供することができる。
【００１４】
本発明のさらに他の構成は、基板と基板上に形成される鉛を含まない半田層とを含むデバイス接合用基板の製造方法であって、半田層を基板上に形成した後、還元雰囲気中で熱処理を行うことを特徴とする。熱処理温度は、好ましくは、１５０℃より高く、かつ、共晶反応温度未満である。好ましくは、熱処理工程により、半田層を、共晶反応温度で溶解を開始する相と溶解を開始しない相とからなる複数の層に分離する。
上記構成によれば、半田層内に複数の層を分離させて形成することができ、半田層を平衡状態にすることが可能となり、デバイスと半田層との初期接合強度が高く、半田接合における不良率を低減化できる、デバイス接合用基板を製造することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、鉛を含まない半田層を用いたデバイスと基板との簡略化した接合方法においても、デバイスの接合強度が高く、かつ接合不良率も少ないデバイス接合用基板と半田層並びにその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明によるデバイス接合用基板の構造を模式的に示す断面図である。図１に示すように、デバイス接合用基板１は、基板２の片面及び／又は両面に形成される電極層４、図示例では基板２の両面に形成した電極層４と、この電極層４表面の所定箇所に形成される半田層５と、から構成されている。この半田層５は、密着層３を介して電極層４上に形成されてもよい。図示の場合、密着層３の表面側及び裏面側には、それぞれ符号３ａ、３ｂを付している。同様に、電極層４は表面側電極層４ａと裏面側電極層４ｂとからなり、半田層５は表面側半田層５ａと裏面側半田層５ｂとから形成されている。ここで、電極層４は、上記基板２の全面に形成してもよいし、電極パターンとして形成してもよい。また、電極層４の一部には、金線を接続して電気回路を形成してもよい。
【００１７】
基板２としては、ＳｉやダイヤモンドＩＩａなどの半導体単結晶基板、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などのセラミックス基板などを用いることができる。また、基板２の側面にも、上記と同様な電極層を形成して基板２の上面と下面を電気的に接続してもよい。この基板２としては、発光ダイオードなどの発光素子を搭載するようなサブマウント基板であってもよい。
【００１８】
図２及び図３は、本発明によるデバイス接合用基板の第二及び第三の実施形態の構造を模式的に示す断面図である。図２において、デバイス接合用基板１０は、金属−セラミック複合基板として構成されており、金属基板１１と、この金属基板１１の表面及び裏面にてこの金属基板１１の全体を覆うように形成されたセラミック層１２，１２と、この表面側のセラミック層１２の一部又は全面を覆うようにセラミック層１２の表面に形成された電極層１３と、この電極層１３の表面の所定箇所１３ａに形成された半田層１４と、から構成されている。
【００１９】
ここで、電極層１３の所定箇所１３ａとしては、発光ダイオードなどの場合には、全面でもよい。また、半田層が形成されない電極層１３ｂが存在していてもよい。この電極層１３ｂにはパターンが形成されていてもよい。電極層１３ｂの一部には、金線を接続し、電気回路を形成してもよい。
【００２０】
金属基板１１の裏面側にも、電極層１３や半田層１４を設けてもよい。図３に示す金属−セラミック複合基板１０ａの場合には、金属基板１１の裏面側に、セラミック層１２と電極層１３と半田層１４と、を順に積層した例を示している。上記金属基板１１とセラミック層１２との間及び／又は上記電極層１３と半田層１４との間には、成膜時の密着性を高めるための密着層を配置してもよい。この密着層としては、チタンが好適である。
【００２１】
上記金属基板１１は、デバイスから発生した熱を効率的に放熱させるため、銅やアルミニウム等の金属からなるメタルベース基板が使用され得る。このようなメタルベース基板は、例えば２３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有していることが望ましい。
【００２２】
上記セラミック層１２は、金属基板１１との密着性が良好なセラミック薄膜、好ましくは、熱抵抗が小さい窒化アルミニウム等の窒化物系セラミック薄膜を使用することができる。
【００２３】
なお、デバイス接合用基板１，１０の二例を説明したが、上記例示に限らず、電極層４，１３とその上部に形成される半田層５，１４を備え、デバイスが半田層５，１４により接合される、即ち実装できる基板であればどのような構造の基板でもよい。
【００２４】
上記電極層４，１３は金属が望ましく、特に金（Ａｕ），白金（Ｐｔ），銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ），鉄（Ｆｅ），アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ）の何れかあるいはこれらの金属の何れかを含む合金が使用され得る。電極層４，１３は、上記金属の多層膜から形成してもよい。
【００２５】
上記密着層３は、基板２との密着性が良好で半田層５との相互拡散が生じにくい高融点の金属を使用することが好ましい。密着層３に用いる金属材料としては、チタン（Ｔｉ），Ｃｒ（クロム），Ｎｉ（ニッケル），Ｍｏ（モリブデン）などの何れか一つを主成分とする材料を用いることができる。また、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏの何れか一つの合金を主成分とする材料を用いて形成してもよい。また、電極層４，１３との間には、例えば、白金層からなる半田拡散防止層を介してもよい。
【００２６】
上記半田層５，１４には、鉛（Ｐｂ）を含まない半田材料を用いることが望ましい。本発明における鉛を含まない半田層５，１４とは、故意には鉛を成分としない半田である。鉛を含まない半田層の成分中に精製の際に不可避的に含まれる残留物としての鉛は、環境等に影響を与えない程度で含まれていてもよい。半田層５，１４の材料としては、銀，金，銅，亜鉛（Ｚｎ），ニッケル（Ｎｉ），インジウム（Ｉｎ），ガリウム（Ｇａ），ビスマス（Ｂｉ），アルミニウム，錫（Ｓｎ）のうち、２種類以上の元素を含んだ半田を好ましく使用することができる。
【００２７】
図４は、図１に示す本発明の表面側の半田層５ａを拡大した模式図である。図４に示すように、鉛を含まない半田層５ａが複数の層５ｃ，５ｄから形成されていて、上部の層がデバイス接合面側の層５ｃであり、下部の層が基板接合面側の層５ｄである。これらの複数の各層５ｃ，５ｄは、異なる相を有している。半田層５ａ全体の組成がＡｕ：Ｓｎ＝７０：３０（重量比）の場合、上層５ｃは相対的に低い温度で溶解する相であるＡｕ5 Ｓｎであり、下層５ｄは相対的に高い温度で溶解する相であるＡｕＳｎとなっている。この半田層５ａを、２７８℃以上に温度を上昇させるとデバイス接合面側の上層５ｃであるＡｕ5 Ｓｎ相が最初に溶解する。つまり、半田層５ａのデバイス接合面側の上層５ｃが相対的に低い温度で均一に溶解する層となっており、均一な濡れ性が得られる。
【００２８】
鉛を含まない半田層５ａの材料として、Ａｕ−Ｓｎ系合金を用いる場合には、半田層５ａを共晶組成以外の組成、例えば、Ａｕ：Ｓｎ（重量比）＝７０：３０とすることができる。半田層５ａがＡｇ及びＳｎからなる合金（Ａｇ−Ｓｎ系合金）の場合には、例えば、Ａｇ：Ｓｎ（重量比）＝９０：１０とすると、各相の溶解し始める温度(以下、溶解開始温度と呼ぶ)の差を大きくすることが可能になって好ましい。後述するように、鉛を含まない半田層５ａにおいて、半田層５ａの成膜後に熱処理を施すことにより、半田層５ａを相の異なる複数の層５ｃ，５ｄとすることができる。例えば、Ａｕ−Ｓｎ系合金の場合には、半田層５ａの成膜後に、熱処理を施すことにより、半田層の表面側の層５ｃをＡｕ5 Ｓｎ相からなる層とし、基板２側の層５ｄをＡｕ−Ｓｎ相からなる層とし、溶解開始温度の異なる２層５ｃ，５ｄに分離することができる。
【００２９】
次に、上記デバイス接合用基板１，１０による半導体装置の実装について説明する。
図５は、図１に示したデバイス接合用基板１に半導体装置７を実装した構造を模式的に示す断面図である。図５に示すように、デバイス接合用基板１において、半導体装置７は表面側の半田層５ａにより半田接合をすることができる。
【００３０】
図６は、図３のデバイス接合用基板１０に半導体装置を実装した構造を模式的に示す断面図である。図６に示すように、上記デバイス接合用基板１０において、半導体装置１５の下部電極１５ａは半田層１４によりデバイス接合用基板１０へ半田接合をすることができる。また、汎用的に使用されているＡｕ−Ｓｎ系合金からなる半田層１４を用いた場合には、半導体装置１５はフラックス無しで半田接合をすることができる。
【００３１】
一方、図示するように、右側の電極層１３ａとは絶縁され、かつ、半田層が形成されていない左側の電極層１３ｂ上には、半導体装置１５の上部電極１５ｂをＡｕ線１６などによりワイヤボンディングをして接続することができる。
【００３２】
ここで、半導体装置７，１５が、レーザダイオード又は発光ダイオードのような発光素子等のダイオード、高周波増幅やスイッチングに使用されるトランジスタやサイリスタのような能動素子の場合には、その動作層となるｐｎ接合の位置を放熱面側に接合する場合がある。この場合には、半田層５，１４の厚みを１０μｍ以下とすることにより能動素子の動作層との短絡故障を効果的に防止することができる。
なお、図５及び図６では実装するデバイスとして半導体装置７，１５を示しているが、受動素子、スイッチ等や各種能動素子を含む、所謂電子デバイスであれば何でもよく、複数のデバイスが基板上の半田層５，１４に半田接合されてもよい。
【００３３】
図７は、本発明の表面側の半田層５ａでデバイス７を接合するときの各段階における拡大断面模式図であり、それぞれ、（Ａ）は半田層５ａの溶解前、（Ｂ）は半田層５ａとデバイス７との溶解接合時、（Ｃ）は半田層５ａを凝固した後のデバイス７との接合状態を示している。
図７（Ａ）に示すように、本発明の半田層５ａは、その溶解前には、溶解開始温度の異なる相が２層５ｃ，５ｄに分離されて平衡状態になっている。図７（Ｂ）は図７（Ａ）の半田層５ａを加熱して半田接合温度とした状態、すなわち半田層５ａが溶解した状態を、液相５ｅとして示している。このとき、デバイス７の接合面側である半田層の上層５ｃは相対的に低い溶解開始温度のＡｕ5 Ｓｎ相であり、半田層の下層５ｄは相対的に高い溶解開始温度のＡｕＳｎ相であるので、デバイス７の接合面側のＡｕ5 Ｓｎ相５ｃが先に溶解状態となる。すなわち、本発明の半田層５ａは上層５ｃに相対的に低融点のＡｕ5 Ｓｎが分離されているため、デバイス接合面側を均一に溶解させることができる。従って、半田層５ａの均一な濡れ性を確保することができるため、デバイス７の接合部全体を、半田層５ａを介して基板２と接合することができる。さらに、半田層５ａのＡｕ5 Ｓｎ上層５ｃのみを溶解させて接合するため、図７（Ｃ）に示すように、半田層５ａを冷却してデバイス接合した後も、半田層を２層５ｃ，５ｄに分離した平衡状態に維持することができ、初期接合強度を向上させることができる。
なお、本発明における半田層５の初期接合強度とは、半田層５にデバイス７を半田接合した後、２５±１０℃の室温雰囲気で放置された状態で、接合後1日以内に測定した接合強度である。
【００３４】
さらに、半田層の上層５ｃのデバイス７との接合面、つまり、上層５ｃの最表面における酸素濃度を、上層５ｃを構成する金属の主要成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％以下とすることが好ましい。最も酸化し易い金属成分とは、半田を構成する金属の主要成分のうち、３００℃（５７３Ｋ）における標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が最も小さい金属元素である。
ここで、原子％とは、本発明においてはＸ線光電子分光分析装置で半田層５の表面を測定した値から算出される値である。データの解析は、最初にバックグラウンド除去を行い、スムージング後、相対感度補正を行ってピーク面積を算出し、錫のピーク面積で規格化した酸素及び炭素の原子濃度である。
【００３５】
標準生成自由エネルギーは、下記（１）式で求められる。
【数１】
ここで、Ｒは気体定数、ＰO2は酸素分圧、ΔＨ゜は標準エンタルピー変化、ΔＳ゜は標準エントロピー変化であり、ΔＨ゜およびΔＳ゜は、下記（２）式で求められる。
【数２】
・ 式中の熱力学データ（比熱Ｃｐ，融点Ｔｍ，潜熱ΔＨｍ、標準エンタルピー変化ΔＨ°（２９８Ｋ）、標準エントロピーＳ°（２９８Ｋ））としては、非特許文献５及び６に記載のデータを用い、標準生成自由エネルギーを計算した。
図８は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｓｎ及びＰの標準生成自由エネルギーと温度との関係を示す図である。この図は所謂エリンガム図である。図８において、横軸は絶対温度（Ｋ）であり、縦軸は標準生成自由エネルギー（ｋＪ／ｍｏｌ）である。図８から明らかなように、Ａｕ−Ｓｎ系合金又はＡｇ−Ｓｎ系合金等から成る半田を用いる場合には、最も酸化し易い金属成分はＳｎとなる。
【００３６】
表面側の半田層の上層５ｃを構成する金属が金と錫、又は銀と錫を主成分とする場合には、上記酸素濃度を、錫濃度の３０原子％以下とすれば、熱処理後の半田層の上層５ｃをより均一に溶解することが可能となり、接合時の半田接合面での溶解反応を効率的に進めることができる。
【００３７】
さらに、上層５ｃのデバイス７との接合面、つまり、上層５ｃの最表面の炭素濃度を、上層５ｃを構成する金属の主要成分の内で最も酸化し易い金属の濃度の１０原子％以下とすることが好ましい。上層５ｃを構成する金属が金と錫又は銀と錫を主成分とする場合には、上記炭素濃度を錫濃度の１０原子％以下とすることで半田層５とデバイス７との接合面への不純物混入を防止できる。
【００３８】
上層５ｃ表面の酸素濃度や炭素濃度を上記濃度とすれば、デバイス７を上層５ｃに接触させた状態で上層５ｃを溶解、すなわち、デバイス接合時の押圧を、半田層５が溶解している時間に短縮しても、初期接合強度が２０ＭＰａ以下となる接合不良率を低減させることが可能となる。
これにより、半田層５を相の異なる複数層とし、さらにその半田層５のデバイス接合面の炭素濃度や酸素濃度を低減することで、電子デバイス接合用基板１の製造における生産性の向上が可能となる。さらに、デバイス接合後の熱サイクル試験におけるデバイス７の生存率も向上、つまりデバイス接合における信頼性も向上させることができる。
【００３９】
図９は、後述する表面側の半田層５ａに熱処理を行わない場合に、半田層５ａを用いて接合するときの各段階における模式的な拡大断面図であり、それぞれ、（Ａ）は半田層５ａの溶解前、（Ｂ）は半田層５ａとデバイス７との溶解接合時、（Ｃ）は半田層５ａを凝固した後のデバイス７との接合状態を示している。
図９（Ａ）に示す状態から、図９（Ｂ）に示す半田層５ａの接合温度に上昇させて、半田層５ａを溶解すると、ＡｕとＳｎとの溶解開始温度が高い相５ｆ（図の粒状物）がデバイス接合面付近にも存在するため、一部が半田層５ａの表面にまで飛び出ている状態となり、デバイス接合面側の半田層５ａを均一に溶解することができない。そのため、半田層５ａの溶解している箇所とデバイス７との接触面積を小さくし、デバイス７と半田層５ａとの接合が局所的に阻害されるため、良好な半田接合強度が得られなくなる。
【００４０】
ここで、具体的なデバイス接合用基板の製造方法について説明する。
図１０は図１のデバイス接合用基板の製造工程を順次に示すフローチャートである。
ステップＳＴ１にて、ＡｌＮから成る基板２を用意する。ステップＳＴ２にて、上記基板２の表面をラップ，ポリッシュ等の工程により研削及び研磨した後、ステップＳＴ３にて、フォトリソグラフィ法等によりパターニングを行い、電極層４が形成される領域のみを露出させる。
【００４１】
ステップＳＴ４では、基板２の表面上に電極層４を蒸着法等により形成し、さらにリフトオフ工程により、上記電極層４の所定のパターンのみを残して、他の部分を除去する。ステップＳＴ５にて、再びフォトリソグラフィ法等によりパターニングを行い、半田層５を形成すべき領域のみを露出させる。
次にステップＳＴ６にて、上記基板上に半田層５を各種の蒸着法を用いて形成し、さらにリフトオフ工程により、上記半田層５の所定のパターンのみを残して、他の部分を除去する。
【００４２】
ステップＳＴ７において、上述したデバイス接合用基板１全体を、オーブン等に収容することにより所定温度にて所定時間の間、熱処理を行う。具体的には、例えば、１５０℃より高い温度で、半田層５の共晶反応温度未満の温度熱処理温度にて、１時間以上の熱処理を行うことが効果的に接合強度を向上させることができる。例えば、Ａｕ−Ｓｎ系合金又はＡｇ−Ｓｎ系合金等から成る半田を用いた場合には、上記熱処理温度として、特に、熱処理の温度を１８０℃以上とすると、半田層５の相分離を促進させることが可能となる。しかし、熱処理温度を融点以上、すなわち溶解させると、半田層を相分離させることができず好ましくない。
【００４３】
上記熱処理は、熱処理温度を一定温度に保つように温度制御されることが好適であるが、熱処理温度を２段階以上で行ってもよい。例えば、最初の熱処理温度を２００℃以上とし、次に２５０℃で行うようにすることができる。また、最初の１５０℃よりも高い熱処理温度から半田層５の融点を越えない温度領域で連続的に変化させてもよい。例えば、上記熱処理温度で熱処理した後、一度室温まで冷却した後、再度熱処理を施してもよい。その際、１５０℃より高い温度で、かつ、共晶反応温度未満の融点を越えない熱処理時間が累積１時間以上とすればよい。熱処理は、半田接合に用いる加熱装置や、専用の熱処理用の電気炉などを用いた加熱装置により実施することができる。
【００４４】
熱処理時における雰囲気ガスとしては、還元性ガスを用いることが好ましい。還元性ガスを用いて熱処理を行うことにより、半田層５表面の酸化膜を還元し、かつ熱処理時に生じる半田層５内部への酸素の混入を防止し、さらには、半田層５内に混入する炭素等の不純物の混入を防止できる。この還元性ガス雰囲気中の熱処理により熱処理終了後の半田層の上層５ｃの最表面における酸素濃度を、上層５ｃの錫（Ｓｎ）濃度の３０原子％以下とすることが好ましい。さらに、好ましくは、上層５ｃの最表面の炭素濃度を上層５ｃの錫濃度の１０原子％以下となるように、還元性ガス濃度、還元性ガス雰囲気中での熱処理時間を設定することが好ましい。すなわち、熱処理時における雰囲気中の還元ガス濃度は、熱処理開始から熱処理終了まで同一濃度に設定、または時間的に変化させても良く、熱処理終了後に上層５ｃ表面の酸素濃度、炭素濃度が、上層５ｃ表面のＳｎ濃度に対して、それぞれ３０原子％以下、１０原子％以下となるように設定されていれば良い。
【００４５】
還元性ガスは不活性ガス等を混合してもよいが、希釈還元性ガスの濃度を９０％以上とすることで、半田層５ｃ表面の酸素濃度や炭素濃度を低減させることができる。また、熱処理開始から熱処理終了時まで還元性ガス雰囲気に維持することが好ましいが、当初に還元ガス雰囲気中で一定時間熱処理した後に酸素、炭素を含まない不活性ガスで熱処理、または最初に大気中で一定時間熱処理した後に還元性ガス雰囲気で熱処理しても良く、熱処理終了後に半田層５表面の酸素濃度、炭素濃度が、半田層５表面の錫濃度に対して、それぞれ３０原子％以下、１０原子％以下となるように設定されていれば良い。この還元性ガスとしては、水素、ＣＯ等が挙げられる。特に、水素を用いる場合、上層５ｃ表面における酸素濃度、炭素濃度を効果的に低減させることが可能となる。
【００４６】
最後に、ステップＳＴ８にて、上述したデバイス接合用基板１は、ダイシング等により個別に切断され、デバイス接合用基板製品として出荷可能な状態となる。上記製造方法において、半田層５を蒸着法で形成した場合には、デバイス接合用基板１を安価に製造することができ好ましい。しかしながら、蒸着により作製しただけの半田層５は、平衡状態で見られる各相が層状に分離した状態にすることはできず、ＡｕとＳｎとの溶解開始温度が高い相５ｅのような粒状物が分散した半田層５となる。そこで、本発明のように、蒸着法で形成した半田層５に熱処理を行うことで、半田層５が溶解開始温度の異なる相の複数層に分離して平衡状態、すなわち、デバイスの接合面側である半田層の上層５ｃに相対的に低い溶解開始温度の相、半田層の下層５ｄは相対的に高い溶解開始温度の相に層分離することができる。
【００４７】
このようなデバイス接合用基板１に対して半導体装置等のデバイス７を実装する場合には、デバイス７の下部電極を、デバイス接合用基板１の対応する半田層５上に載置した状態で、ランプ加熱法等によって、例えば３００℃の大気雰囲気にて加熱され、半田層５を構成する半田が溶解する。これにより、上記半田がデバイス７の下部電極に接触し、いわゆる濡れた状態となる。加熱が終了すると、半田層５を構成する半田が室温まで降温することにより硬化し、半田接合が行われる。
【００４８】
図１１は、本発明におけるデバイス７と半田層５との半田層接合に用いるタイムチャートを模式的に示す図である。図において、横軸は時間であり、縦軸は温度である。
図１１に示すように、半田層５とデバイス７は別々に加熱し、半田層５が半田接合温度Ｔ2に到達したときにデバイス７を半田層５上に載置した後、半田層５の温度を下げ始めるまで押圧治具２２により押圧する方法である。この場合には、デバイス７を押圧している時間を短くしても、デバイス７と半田層５の接合不良を低減化できるため、簡単な装置で半田接合を行うことができ、さらにデバイス接合用基板の生産性を向上させることが可能になる。
【００４９】
本発明のデバイス接合用基板によれば、半田層５を構成する半田は、前述した熱処理により安定した状態にあるので、室温まで降温したとき、初期接合強度が高く、かつ、安定している。従って、デバイス７の半田接合が確実に行われる。半田接合の接合強度は十分に高いので、デバイス７の実装工程における半田不良の発生が抑制され、デバイス実装の歩留まりが向上、つまり、接合不良率が低下することになる。
【００５０】
本実施の形態では、半田層５を還元性ガス雰囲気中で熱処理したデバイス接合用基板１を分割し、その後でデバイス７の接合を行った場合について説明した。尤も、これに限定されること無く、半田層５を成膜したデバイス接合用基板１を分割した後のデバイス接合時に還元性ガス雰囲気中での熱処理を施し、続いてデバイス７の接合を行っても良い。
【００５１】
上記デバイス接合用基板１は、片面基板として構成してもよく、基板２の表面側の片面だけでなく裏面側にも、電極層４ｂ，半田層５ｂを設けてもよい。また必要に応じて、電極層４及び半田層５の間に、密着層４を挿入してもよい。
【実施例１】
【００５２】
以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
最初に、デバイス接合用基板１の製造方法について、サブマウント１に適用した実施例について説明する。
ＡｌＮからなる基板２の両面を洗浄して表面清浄化を行い、この基板２の表面上に厚さ０．０５μｍのＴｉ密着層３、密着層３上に厚さが０．２μｍのＰｔと厚さが０．５μｍのＡｕから成る電極層４、電極層４上の一部に、厚さ３μｍで組成比としてＡｕ：Ｓｎ＝７０：３０（重量比）の半田層５を真空蒸着法により形成した。成膜条件は真空度を１×１０-4Ｐａ、基板温度を８０℃とした。
上記の加工を施した基板２を、水素濃度が９５％の還元性ガス雰囲気中において、共晶反応温度の２７８℃未満である２２０℃で１０時間、半田層５の熱処理を施し、実施例１のサブマウント１を製造した。次に、サブマウント１の半田層５の密着強度を調べるためにテープ剥離テストを行った。
【００５３】
テープ剥離試験で半田層５が剥離しなかったサブマウント１をダイシング装置で所定の形状に切断した。切断したサブマウント１に発光ダイオード７を半田接合した。具体的には、大気雰囲気中においてサブマウント１の半田層５をランプ加熱する。その際、半田層５の温度が２４０℃から３００℃になるまで、昇温速度が２℃／ｓｅｃとした。その後、半田層５の温度が３００℃に達したとき、１５０℃で予備加熱していた発光ダイオード７の接合面を半田層５に接触させ、発光ダイオード７に２Ｎ(ニュートン)の圧力をかけて半田層５に押し付け、１０秒間保持した。その後、発光ダイオード７への圧力を解除し、室温まで２℃／ｓｅｃで２４０℃まで冷却して発光ダイオード７を半田接合した（図１０参照）。なお、テープ剥離テストは、一般に金属の密着強度測定に用いられる手法と同じであり、剥離を評価するために所定の粘着力を有するテープを使用した。
【実施例２】
【００５４】
実施例２としては、熱処理温度を２５０℃とした以外は実施例１と同様にして、半田層５に熱処理を施したサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【実施例３】
【００５５】
実施例３としては、熱処理温度を１８０℃とした以外は実施例１と同様にして、半田層５に熱処理を施したサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【実施例４】
【００５６】
実施例４では、熱処理温度を２００℃とした以外は実施例１と同様にして、半田層５に熱処理を施したサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【００５７】
次に、比較例について説明する。
（比較例１）
半田層５の熱処理温度を１２０℃とした以外は、実施例１と同様にして、比較例１のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【００５８】
（比較例２）
半田層５の熱処理温度を１５０℃とした以外は、実施例１と同様にして、比較例２のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【００５９】
（比較例３）
半田層５の熱処理温度を２８０℃、すなわち半田層を溶解させた以外は、実施例１と同様にして、比較例３のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【００６０】
次に、発光ダイオード７と半田層５との接合強度を調べるために、ダイシェアせん断試験を行い、所謂チップせん断強度を測定した。ダイシェアせん断試験は、ＭＩＬ規格（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃ、Ｍｅｔｈｏｄ ２０１９．４）に準拠して行い、各条件Ｎ数＝１００とし、その平均値からチップせん断強度を得た。接合強度はダイシェアテスターで測定した。具体的には、発光ダイオード７のチップの接合面に垂直な側面である横方向からシェアツールを当て、水平方向に移動させていった時に、発光ダイオード７のチップと接触した後（ここを原点とする）、発光ダイオード７のチップから受けた荷重（ｋｇ）と発光ダイオード７が相対的に移動した変位（ｍ）を測定した。上記の測定で得た荷重及び変位から、接合強度τ（Ｐａ）を下記（３）により算出した。
接合強度τ＝荷重（ｋｇ）×重力加速度（ｍ／ｓ2 ）／せん断面の面積（ｍ2）（３）
ここで、せん断面の面積は、半田接合される面、すなわち、発光ダイオード７底面の面積（３００μｍ×３００μｍ）である。せん断方向のせん断面の長さは、発光ダイオード７のチップ側面に垂直な方向の長さであり、３００μｍである。
【００６１】
表１は、実施例１〜４及び比較例１〜３のサブマウント１において、熱処理温度を種々に変更して接合した発光ダイオードチップに対する、ダイシェアせん断試験により測定した１００個のチップせん断強度の平均値を示す表である。
【表１】
【００６２】
表１から明らかなように、実施例１〜４のサブマウント１のチップせん断強度は、それぞれ、３４．１ＭＰａ，３１．３ＭＰａ，３０．２ＭＰａ，３１．５ＭＰａとなり、１０時間の熱処理を行ったサブマウント１で３０ＭＰａ以上のチップせん断強度を得た。
【００６３】
一方、比較例１の熱処理温度を１２０℃とした場合のサブマウントのチップせん断強度は２３．５ＭＰａであった。比較例２の熱処理温度を１５０℃とした場合のサブマウントのチップせん断強度は２４．５ＭＰａであった。熱処理温度を２８０℃とした比較例３のサブマウントのチップせん断強度は１２．６ＭＰａであった。
【００６４】
この結果から明らかなように、実施例１〜４のサブマウント１のように、還元ガス雰囲気中で１５０℃よりも高い温度とし、かつ、半田層５の共晶反応温度未満の温度で熱処理を行うことで、押圧時間の短い接合方法においても、接合強度が３０ＭＰａ以上と高い初期半田強度が得られることが分かった。しかも、この熱処理は、デバイス７の実装前に行われることから、デバイス７に熱的影響を与えないようにすることができる。さらに、接合時におけるデバイス７の熱負荷も低減し、信頼性を向上させることができる。
【実施例５】
【００６５】
Ａｕ電極層４と半田層５との間に厚さが０．２μｍのＰｔ層を挿入したこと及び熱処理を２２０℃で１２時間行った以外は実施例１と同様にして、半田層５に熱処理を施した実施例５のサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合は、実施例1と同様に行った。
【実施例６】
【００６６】
半田層５の熱処理を一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が９５％の雰囲気中で行った以外は、実施例５と同様にして実施例６のサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合は、実施例1と同様に行った。
【００６７】
（比較例４）
半田層５の熱処理を大気中で行った以外は、実施例５と同様にして比較例４のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合は、実施例1と同様に行った。
【００６８】
（比較例５）
半田層５の熱処理を行わない以外は、実施例５と同様にして比較例５のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合は、実施例1と同様に行った。
【００６９】
図１２は、比較例５及び実施例５のサブマウントにおける発光ダイオード７の接合前、すなわち半田層溶解前の半田層のＸ線回折プロファイルであり、（Ａ）は比較例５における半田層の蒸着による成膜直後、（Ｂ）は実施例５における半田層の熱処理後を示している。図１２において、縦軸はＸ線回折強度（任意目盛）を示し、横軸は角度（°）、即ち、Ｘ線の原子面への入射角θの２倍に相当する角度を示している。Ｘ線回折装置（理学電機製、ＲＩＮＴ−２５００）は、Ｘ線源がＣｕであり、電子の加速電圧は３０ｋＶである。Ｘ線回折を行った半田層５の表面は、デバイス７との接合面である。図１２（Ａ）及び（Ｂ）から明らかなように、実施例５の半田層５に熱処理を行った場合には、比較例５における半田層の熱処理無しの場合に比較して、Ａｕ5 Ｓｎ相の回折強度が増大していることが分かる。また、実施例６及び比較例４の試料も実施例５と同様なＸ線回折プロファイルが得られた。
【００７０】
図１３は、比較例５の半田層溶解前、すなわち実施例５のサブマウントにおける熱処理前の半田層断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。電子の加速電圧は１５ｋＶであり、倍率は１万倍で測定を行った。
図１３から明らかなように、半田層５の蒸着直後において、半田層５内には粒状に偏析した箇所が観察され、各相が、ナノオーダーの寸法で局在化していると推定される。図１３（Ａ）からも明らかなように、蒸着直後は、ＡｕＳｎ相及びＡｕ5 Ｓｎ相の各相が粒子状に分布していることを確認した。半田層に熱処理を施さない比較例４における半田層の断面も、上記実施例５のサブマウントにおける熱処理前の半田層５の断面と同様であった。
【００７１】
図１４は、実施例５のサブマウント１における半田層断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。測定条件は、図１３と同じである。図１４から明らかなように、半田層５を２２０℃で１２時間熱処理した後では、半田層５が２層に分離していることが分かった。図１２（Ｂ）に示したＸ線回折の結果と対応させると、半田層５のデバイス接合面である表面５ｃにはＡｕ5 Ｓｎ相が層状に形成され、半田層の基板２側、つまり、下層５ｄにはＡｕＳｎ相が層状に形成されていることが判明した。
【００７２】
図１５は、実施例５のサブマウントにおける半田層の熱処理後に３００℃で溶解させた後に凝固させた断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。測定条件は、図１３と同じである。図１５から明らかなように、半田層５を３００℃で溶解し凝固させた後の断面においては、熱処理後と同様に半田層５中が２層に相分離している状態であることから、溶解後においても半田は安定な状態を保っていることが分かる。実施例６、比較例４においても、実施例５と同様、熱処理により半田層５は２層に相分離していた。
【００７３】
図１６は、比較例５のサブマウントにおける半田層を３００℃で溶解し凝固させた後の断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。測定条件は図１３と同じである。図１６から明らかなように、熱処理を行わずに半田層５を３００℃で溶解し凝固させた後の断面においては、半田層５内部にはＡｕＳｎ及びＡｕ5 Ｓｎの２つの相が同様に確認されるが、半田層５の下部に存在するＡｕＳｎは、局所的に半田層の表面に突出しているのが確認でき、これらの２相は層状に相分離していない状態であることが分かった。
【００７４】
以上の実施例５及び比較例５のＸ線回折プロファイル、断面の走査型電子顕微鏡写真から、蒸着法により基板上に作製した半田層５の相状態は、ＡｕＳｎ相及びＡｕ5 Ｓｎ相の各相が粒子状に分布していることが分かった。これらの半田層５を溶解凝固させた直後においても、半田層５が平衡状態となっていないことが分かった。
一方、図１４から明らかなように、基板上に作製した半田層５に熱処理を行った半田層５は、相状態が異なる２層に分離されて、さらに半田層５の溶解凝固後においても層状に分離されている。このように、熱処理により半田層５中が相の異なる層に分離され、それぞれの相が平衡状態となっていることが分かる。さらに、溶解凝固後にも同様の相状態、層構造を維持していることから、半田層５のデバイス接合面である上層５ｃが溶解していることが判明した。
【００７５】
実施例５、６及び比較例４、５の半田層５におけるサブマウント基板１とデバイス７の接合強度測定を行い、それぞれのサブマウント基板１とデバイス７との接合強度であるチップせん断強度の平均と、接合強度が２０ＭＰａ以下となった割合である接合不良率を、それぞれ表２に示す。
【表２】
【００７６】
表２から明らかなように、実施例５、６、比較例４の熱処理を行った半田層５を有するサブマウント１において、接合不良率はそれぞれ、０％、５％、２５％と、熱処理を行わない比較例５の接合不良率である８０％と比較して著しく低い値となった。特に、還元性ガス雰囲気中の熱処理を行った実施例５、６の半田層５のサブマウント１と発光ダイオード７の接合不良率はそれぞれ、０％、５％と、大気中の熱処理を行った比較例４の接合不良率である２５％よりもさらに低い値を示し、接合不良率が低下した。実施例５及び６の半田層接合の接合強度はそれぞれ、３４．１ＭＰａ、３０．１ＭＰａとなり、初期接合強度が３０ＭＰａ以上と高く、大気中の熱処理を行った比較例４の接合強度２３．５ＭＰａよりも高い値を示した。
【００７７】
実施例５、６と比較例４のサブマウントにおいて、半田層熱処理後（発光ダイオード接合前）の半田層表面の酸素濃度をＸ線光電子分光分析装置（ＥＳＣＡ）で酸素濃度の測定を行った。
表２に示す半田層５の表面酸素濃度及び炭素濃度は、実施例５、６及び比較例４のサブマウント１において、半田層５の熱処理後の発光ダイオード７を接合する前に、半田層５の最外層表面における酸素及び炭素濃度をＸ線光電子分光分析装置（ＥＳＣＡ、日本電子製、ＪＰＳ−９０００ＭＣ）で測定した値である。Ｘ線源としてはＭｇのＫα線を用い、Ｘ線源における電子の加速条件は、電圧が１０ｋＶで、電流が２０ｍＡである。データは５回のスキャンの積算値を取得した。データの解析は、最初にバックグラウンド除去を行い、スムージング後、相対感度補正を行い、ピーク面積を算出し、錫のピーク面積で規格化した酸素及び炭素の原子濃度を得た。
【００７８】
実施例５、６、比較例４の半田層５の表面における錫濃度に対する酸素の原子濃度は、それぞれ、２３．７％、２６．６％、３９．３％となり、還元性ガス雰囲気中の熱処理においては、半田層表面の酸素濃度が減少することが分かった。同様に、実施例５、６及び比較例４の半田層５の表面における錫濃度に対する炭素の原子濃度は、それぞれ、６．４％、８．３％、１３．５％となり、酸素濃度と同様な傾向が見られた。
以上のことから、半田接合前に半田層５を還元性ガス雰囲気中で熱処理を行うことで、短時間の半田接合においても、発光ダイオード７を半田層５に高い初期接合強度で接合することが可能となり、歩留まりも向上できることが分かる。
これにより、発光ダイオード７を接合前に、半田層５を還元性ガス雰囲気中での熱処理を行うことで、半田層５を相が異なる２層に分離し、かつ半田層５ｃ表面の酸素濃度や炭素濃度を減少させることができる。このような半田層５を用いた半田接合において、半田層５を溶解させた後に発光ダイオード７を接触させて半田層５を凝固する半田接合方法においても、発光ダイオード７と半田層５を高い初期接合強度で接合することが可能となり、歩留まりも向上できることが判明した。
【００７９】
次に、実施例５、６、比較例４のサブマウントに搭載した発光ダイオード７の熱サイクル試験を行った。熱サイクル試験は、サブマウント１の裏面側をＴＯ−１８ステム上に、発光ダイオードの接合と同時に半田接合した。ＥＴＡＣ社製熱サイクル試験機（モデルＮＴ５１０）を用い、１サイクルの条件を、１５０℃で１５分、−６５℃１５分とし、これを繰り返すことで行った。なお、熱サイクル試験中は、発光ダイオードに１５０ｍＡを連続通電させた。実施例５、６及び比較例４のサブマウント１において、５０回の熱サイクル試験後に発光ダイオード７の通電不良を起こさなかった割合、つまり発光出力の低下が見られなかった発光ダイオード７の割合である発光ダイオードの生存率（％）を表２に示す。
【００８０】
表２から明らかなように、還元性ガス雰囲気中で熱処理を行った実施例５、６における熱サイクル試験経過後の発光ダイオード７の生存率は、それぞれ、１００％、９５％となり、大気中で熱処理を施した比較例４の熱サイクル試験経過後の６８％に比べて高い生存率を示した。
【００８１】
上記の実施例より、還元性ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、半田層を相状態が異なる相に分離し、かつ、半田層のデバイス接合面の酸素濃度、炭素濃度を低減することが可能となり、デバイスと基板との接合時の押圧時間を短くしても初期接合強度を高めて高信頼性の接合が可能になることが分かる。
【００８２】
上述した実施形態においては、デバイスとして発光ダイオード７を実装する場合について説明したが、これに限らず、裏面電極を有する半導体装置や回路部品等のデバイスであれば適用でき、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態においては、基板２は、セラミックス材料であるＡｌＮから構成されているが、これに限らず、他の材料から構成されていてもよい。さらに、電極層４，１３や半田層５，１４のパターンは、目的の回路構成となるように適宜に設計すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明によるデバイス接合用基板の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明によるデバイス接合用基板の第二の実施形態の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明によるデバイス接合用基板の第三の実施形態の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の半田層を拡大した模式図である。
【図５】図１に示したデバイス接合用基板に半導体装置を実装した構造を模式的に示す断面図である。
【図６】図３のデバイス接合用基板に半導体装置を実装した構造を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の半田層でデバイスを接合するときの各段階における拡大断面模式図であり、それぞれ、（Ａ）は半田層の溶解前、（Ｂ）は半田層とデバイスとの溶解接合時、（Ｃ）は半田層を凝固した後のデバイスとの接合状態を示している。
【図８】Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｓｎ及びＰの標準生成自由エネルギーと温度との関係を示す図である。
【図９】後述する半田層に熱処理を行わない場合に、半田層を用いて接合するときの各段階における模式的な拡大断面図であり、それぞれ、（Ａ）は半田層の溶解前、（Ｂ）は半田層とデバイス７との溶解接合時、（Ｃ）は半田層を凝固した後のデバイスとの接合状態を示している。
【図１０】図１のデバイス接合用基板の製造工程を順次に示すフローチャートである。
【図１１】本発明におけるデバイスと半田層との半田層接合に用いるタイムチャートを模式的に示す図である。
【図１２】比較例４及び実施例５のサブマウントにおける半田層のＸ線回折プロファイルであり、（Ａ）は比較例４における半田層の蒸着による成膜直後、（Ｂ）は実施例５における半田層の熱処理後を示している。
【図１３】実施例５のサブマウントにおける熱処理前の半田層断面の走査型電子顕微鏡像を示す。
【図１４】実施例５のサブマウントにおける熱処理後の半田層断面の走査型電子顕微鏡像を示す。
【図１５】実施例５のサブマウントにおける半田層の熱処理後に３００℃で溶解させた後に凝固させた断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
【図１６】比較例５のサブマウントにおける半田層を３００℃で溶解し凝固させた後の断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
【図１７】Ａｕ及びＳｎから成る合金（Ａｕ−Ｓｎ系合金）の原子比による相を示す状態図である。
【図１８】非特許文献３において、デバイスと半田層との半田層接合に用いるタイムチャートを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１，１０，１０ａ：デバイス接合用基板（サブマウント）
２：基板
３：密着層
４，１３：電極層
５，５ａ，５ｂ，１４：半田層
５ｃ：半田層のデバイス接合面側の半田層（Ａｕ5 Ｓｎ）
５ｄ：半田層の基板接合面側の半田層（ＡｕＳｎ）
５ｅ：液相
５ｆ：溶解開始温度が高い相
７，１５：半導体装置（デバイス）
１１：金属基板
１２：セラミック層（セラミック薄膜）
１５ａ：半導体装置の下部電極
１５ｂ：半導体装置の上部電極
１６：Ａｕ線
２２：押圧治具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子回路用基板等に用いられる半田層と、この半田層を用いたデバイス接合用基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、各種の電子部品はプリント基板上に形成される銅配線パターン上の所定箇所に搭載され、半田付けされて電子回路の結線を行っている。従来の電子回路は、紙フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂などから成るプリント基板上に電子デバイスを、Ｐｂ（鉛）を主成分とする半田層により接合していた。
【０００３】
しかしながら、環境負荷低減のため鉛を含む半田は、近年、使用が制限される傾向となっている。特に欧州では、ＲｏＨＳ指令（電気電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する欧州議会および理事会指令）により２００６年７月１日から使用が禁止されるに至っている。このため、鉛及び錫からなる半田の代替半田として、例えば、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｚｎ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎなどの鉛を含まない半田で形成することが提案されている。
【０００４】
非特許文献１には、鉛を含まない半田を室温に放置しても平衡に達する迄には１０ケ月以上掛かることが報告されている。非特許文献２には、鉛を含まない半田を用いた半導体レーザパッケージにおいて、半田接合後の熱サイクルによる負荷が加わった場合に、この熱サイクル負荷により、徐々に半田接合の接合強度が変化することが報告されている。
【０００５】
非特許文献３には、半田層の加熱開始時からデバイスを半田層に接触させ、デバイスを半田層に押圧し、その圧力を半田層の温度により変化させることで、電子デバイスを基板に接合する方法が開示されている。図１７は、非特許文献３で用いられているＡｕ及びＳｎから成る合金（Ａｕ−Ｓｎ系合金）の原子比による相を示す状態図である（非特許文献４参照）。
【０００６】
【非特許文献１】V. SIMIC and Z. MARINKOVIC, “Thin film interdiffusion of Au and Sn at room temperature”, J. Less-Common Metals, 51, pp.177-179, 1977
【非特許文献２】J-H. Kuang他５名, “Effect of Temperature Cycling on Joint Strength of PbSn and AuSn Solders in Laser Packages", IEEE Trans., Adv. Pack, Vol.24, No.4, pp.563-568, 2001
【非特許文献３】山口健司 他３名、「挟ピッチ多層リードフレーム製造におけるＡｕ／Ｓｎ接合の検討（１）」、溶接学会全国大会講演概要、第４９集、ｐ４１０−４１１、１９９１年９月
【非特許文献４】日本金属学会編、「金属データブック」、改訂３版、丸善、平成５年（１９９３年）３月２５日、ｐ４１０
【非特許文献５】O. Kubachewski et.al, “Materials Thermochemistry”, 6th Edition, Pergamon Press，pp.258-323(Table 1), 1993
【非特許文献６】O. Kubachewski et.al, “Metallurgical Thermochemistry”, 5th Edition, Pergamon Press，pp.268-323(Table A), 1979
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の基板とデバイスとの半田接合において、半田層を溶解させてデバイスを接合し、半田層を凝固させてデバイスを接合した際の強度である初期接合強度を向上させるためには、半田層を３００℃以上の温度で溶解させて、基板とデバイスを半田接合することが好ましいが、３００℃以上の温度で半田接合を行った場合には、半導体装置や電子部品などのデバイスへの熱負荷が大きくなり、デバイスの損傷が生じる場合がある。
【０００８】
一方、３００℃以下の温度で半田接合を行った場合には、デバイスへの熱負荷が小さくなるのでデバイスの損傷が生じる可能性は低くなるが、半田接合の初期接合強度が弱く、落下等により半田接合が外れてしまうおそれがあることから、デバイスを実装した基板の取扱いに注意が必要である。従って、半田接合の接合強度を短期間に増大させることが課題となっている。
【０００９】
特に鉛を実質的に含まない半田を用いてデバイスを基板に接合する場合、非特許文献１、２のように、半田層を構成する半田の相状態が非平衡になりやすく、初期接合強度が不安定な状態になってしまう。
【００１０】
そのため従来は、デバイスと基板との初期接合強度を得るために、図１８に示すように、図示しない基板に形成された半田層５１の溶解前の温度Ｔ1において半田層５１へデバイス５２を載置し、押圧治具５３を用いて押圧した状態に保持し、半田接合温度Ｔ2を経て、半田層５１の凝固まで押圧治具５３による押圧状態を保持する方法で、デバイス５２と半田層５１との初期接合強度を高めていた。図１８において、横軸は時間であり、縦軸は温度である。すなわち、電子デバイスを半田層に押圧する時間を長くすることで初期接合強度を高めていたが、初期接合強度のばらつきが大きく、接合不良率が高くなり歩留まりが悪かった。また、上記のような押圧時間の長い接合方法では、一度に多くのデバイスを接合させるためには複雑な製造装置が必要となっていた。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑み、デバイスの基板への簡略化した接合方法においてもデバイスの接合強度が高く、かつ接合不良率も少ない半田層及びデバイス接合用基板並びにその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の半田層は、基板上に形成された鉛を含まない半田層であって、この半田層は互いに相が異なる複数の層からなり、かつ、その上層の表面における酸素濃度が、その上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満であることを特徴とする。
上記構成において、半田層の上層表面における炭素濃度は、好ましくは、その上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満である。好ましくは、半田層は金又銀の何れかと錫とを主成分とし、最も酸化し易い金属が錫である。
上記構成によれば、半田層表面を均一に溶解することが可能となり、半田層を溶解凝固後にも平衡状態となるため、デバイスと半田層とで形成される半田接合の初期接合強度を安定させることができると共に、半田接合における不良率を低減できる。
【００１３】
本発明他の構成は、基板とこの基板上に形成される鉛を含まない半田層とを含むデバイス接合用基板であって、半田層は互いに相が異なる複数の層からなり、かつ、その上層表面における酸素濃度が、半田層の上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満であることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、半田層の上層表面における炭素濃度はこの上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満である。好ましくは、半田層は金又銀の何れかと錫とを主成分とし、最も酸化し易い金属が錫である。
上記構成によれば、半田接合の初期接合強度が高く、半田接合における不良率を低減化できるデバイス接合用基板を提供することができる。
【００１４】
本発明のさらに他の構成は、基板と基板上に形成される鉛を含まない半田層とを含むデバイス接合用基板の製造方法であって、半田層を基板上に形成した後、還元雰囲気中で熱処理を行うことを特徴とする。熱処理温度は、好ましくは、１５０℃より高く、かつ、共晶反応温度未満である。好ましくは、熱処理工程により、半田層を、共晶反応温度で溶解を開始する相と溶解を開始しない相とからなる複数の層に分離する。
上記構成によれば、半田層内に複数の層を分離させて形成することができ、半田層を平衡状態にすることが可能となり、デバイスと半田層との初期接合強度が高く、半田接合における不良率を低減化できる、デバイス接合用基板を製造することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、鉛を含まない半田層を用いたデバイスと基板との簡略化した接合方法においても、デバイスの接合強度が高く、かつ接合不良率も少ないデバイス接合用基板と半田層並びにその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明によるデバイス接合用基板の構造を模式的に示す断面図である。図１に示すように、デバイス接合用基板１は、基板２の片面及び／又は両面に形成される電極層４、図示例では基板２の両面に形成した電極層４と、この電極層４表面の所定箇所に形成される半田層５と、から構成されている。この半田層５は、密着層３を介して電極層４上に形成されてもよい。図示の場合、密着層３の表面側及び裏面側には、それぞれ符号３ａ、３ｂを付している。同様に、電極層４は表面側電極層４ａと裏面側電極層４ｂとからなり、半田層５は表面側半田層５ａと裏面側半田層５ｂとから形成されている。ここで、電極層４は、上記基板２の全面に形成してもよいし、電極パターンとして形成してもよい。また、電極層４の一部には、金線を接続して電気回路を形成してもよい。
【００１７】
基板２としては、ＳｉやダイヤモンドＩＩａなどの半導体単結晶基板、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などのセラミックス基板などを用いることができる。また、基板２の側面にも、上記と同様な電極層を形成して基板２の上面と下面を電気的に接続してもよい。この基板２としては、発光ダイオードなどの発光素子を搭載するようなサブマウント基板であってもよい。
【００１８】
図２及び図３は、本発明によるデバイス接合用基板の第二及び第三の実施形態の構造を模式的に示す断面図である。図２において、デバイス接合用基板１０は、金属−セラミック複合基板として構成されており、金属基板１１と、この金属基板１１の表面及び裏面にてこの金属基板１１の全体を覆うように形成されたセラミック層１２，１２と、この表面側のセラミック層１２の一部又は全面を覆うようにセラミック層１２の表面に形成された電極層１３と、この電極層１３の表面の所定箇所１３ａに形成された半田層１４と、から構成されている。
【００１９】
ここで、電極層１３の所定箇所１３ａとしては、発光ダイオードなどの場合には、全面でもよい。また、半田層が形成されない電極層１３ｂが存在していてもよい。この電極層１３ｂにはパターンが形成されていてもよい。電極層１３ｂの一部には、金線を接続し、電気回路を形成してもよい。
【００２０】
金属基板１１の裏面側にも、電極層１３や半田層１４を設けてもよい。図３に示す金属−セラミック複合基板１０ａの場合には、金属基板１１の裏面側に、セラミック層１２と電極層１３と半田層１４と、を順に積層した例を示している。上記金属基板１１とセラミック層１２との間及び／又は上記電極層１３と半田層１４との間には、成膜時の密着性を高めるための密着層を配置してもよい。この密着層としては、チタンが好適である。
【００２１】
上記金属基板１１は、デバイスから発生した熱を効率的に放熱させるため、銅やアルミニウム等の金属からなるメタルベース基板が使用され得る。このようなメタルベース基板は、例えば２３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有していることが望ましい。
【００２２】
上記セラミック層１２は、金属基板１１との密着性が良好なセラミック薄膜、好ましくは、熱抵抗が小さい窒化アルミニウム等の窒化物系セラミック薄膜を使用することができる。
【００２３】
なお、デバイス接合用基板１，１０の二例を説明したが、上記例示に限らず、電極層４，１３とその上部に形成される半田層５，１４を備え、デバイスが半田層５，１４により接合される、即ち実装できる基板であればどのような構造の基板でもよい。
【００２４】
上記電極層４，１３は金属が望ましく、特に金（Ａｕ），白金（Ｐｔ），銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ），鉄（Ｆｅ），アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ）の何れかあるいはこれらの金属の何れかを含む合金が使用され得る。電極層４，１３は、上記金属の多層膜から形成してもよい。
【００２５】
上記密着層３は、基板２との密着性が良好で半田層５との相互拡散が生じにくい高融点の金属を使用することが好ましい。密着層３に用いる金属材料としては、チタン（Ｔｉ），Ｃｒ（クロム），Ｎｉ（ニッケル），Ｍｏ（モリブデン）などの何れか一つを主成分とする材料を用いることができる。また、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏの何れか一つの合金を主成分とする材料を用いて形成してもよい。また、電極層４，１３との間には、例えば、白金層からなる半田拡散防止層を介してもよい。
【００２６】
上記半田層５，１４には、鉛（Ｐｂ）を含まない半田材料を用いることが望ましい。本発明における鉛を含まない半田層５，１４とは、故意には鉛を成分としない半田である。鉛を含まない半田層の成分中に精製の際に不可避的に含まれる残留物としての鉛は、環境等に影響を与えない程度で含まれていてもよい。半田層５，１４の材料としては、銀，金，銅，亜鉛（Ｚｎ），ニッケル（Ｎｉ），インジウム（Ｉｎ），ガリウム（Ｇａ），ビスマス（Ｂｉ），アルミニウム，錫（Ｓｎ）のうち、２種類以上の元素を含んだ半田を好ましく使用することができる。
【００２７】
図４は、図１に示す本発明の表面側の半田層５ａを拡大した模式図である。図４に示すように、鉛を含まない半田層５ａが複数の層５ｃ，５ｄから形成されていて、上部の層がデバイス接合面側の層５ｃであり、下部の層が基板接合面側の層５ｄである。これらの複数の各層５ｃ，５ｄは、異なる相を有している。半田層５ａ全体の組成がＡｕ：Ｓｎ＝７０：３０（重量比）の場合、上層５ｃは相対的に低い温度で溶解する相であるＡｕ5 Ｓｎであり、下層５ｄは相対的に高い温度で溶解する相であるＡｕＳｎとなっている。この半田層５ａを、２７８℃以上に温度を上昇させるとデバイス接合面側の上層５ｃであるＡｕ5 Ｓｎ相が最初に溶解する。つまり、半田層５ａのデバイス接合面側の上層５ｃが相対的に低い温度で均一に溶解する層となっており、均一な濡れ性が得られる。
【００２８】
鉛を含まない半田層５ａの材料として、Ａｕ−Ｓｎ系合金を用いる場合には、半田層５ａを共晶組成以外の組成、例えば、Ａｕ：Ｓｎ（重量比）＝７０：３０とすることができる。半田層５ａがＡｇ及びＳｎからなる合金（Ａｇ−Ｓｎ系合金）の場合には、例えば、Ａｇ：Ｓｎ（重量比）＝９０：１０とすると、各相の溶解し始める温度(以下、溶解開始温度と呼ぶ)の差を大きくすることが可能になって好ましい。後述するように、鉛を含まない半田層５ａにおいて、半田層５ａの成膜後に熱処理を施すことにより、半田層５ａを相の異なる複数の層５ｃ，５ｄとすることができる。例えば、Ａｕ−Ｓｎ系合金の場合には、半田層５ａの成膜後に、熱処理を施すことにより、半田層の表面側の層５ｃをＡｕ5 Ｓｎ相からなる層とし、基板２側の層５ｄをＡｕ−Ｓｎ相からなる層とし、溶解開始温度の異なる２層５ｃ，５ｄに分離することができる。
【００２９】
次に、上記デバイス接合用基板１，１０による半導体装置の実装について説明する。
図５は、図１に示したデバイス接合用基板１に半導体装置７を実装した構造を模式的に示す断面図である。図５に示すように、デバイス接合用基板１において、半導体装置７は表面側の半田層５ａにより半田接合をすることができる。
【００３０】
図６は、図３のデバイス接合用基板１０に半導体装置を実装した構造を模式的に示す断面図である。図６に示すように、上記デバイス接合用基板１０において、半導体装置１５の下部電極１５ａは半田層１４によりデバイス接合用基板１０へ半田接合をすることができる。また、汎用的に使用されているＡｕ−Ｓｎ系合金からなる半田層１４を用いた場合には、半導体装置１５はフラックス無しで半田接合をすることができる。
【００３１】
一方、図示するように、右側の電極層１３ａとは絶縁され、かつ、半田層が形成されていない左側の電極層１３ｂ上には、半導体装置１５の上部電極１５ｂをＡｕ線１６などによりワイヤボンディングをして接続することができる。
【００３２】
ここで、半導体装置７，１５が、レーザダイオード又は発光ダイオードのような発光素子等のダイオード、高周波増幅やスイッチングに使用されるトランジスタやサイリスタのような能動素子の場合には、その動作層となるｐｎ接合の位置を放熱面側に接合する場合がある。この場合には、半田層５，１４の厚みを１０μｍ以下とすることにより能動素子の動作層との短絡故障を効果的に防止することができる。
なお、図５及び図６では実装するデバイスとして半導体装置７，１５を示しているが、受動素子、スイッチ等や各種能動素子を含む、所謂電子デバイスであれば何でもよく、複数のデバイスが基板上の半田層５，１４に半田接合されてもよい。
【００３３】
図７は、本発明の表面側の半田層５ａでデバイス７を接合するときの各段階における拡大断面模式図であり、それぞれ、（Ａ）は半田層５ａの溶解前、（Ｂ）は半田層５ａとデバイス７との溶解接合時、（Ｃ）は半田層５ａを凝固した後のデバイス７との接合状態を示している。
図７（Ａ）に示すように、本発明の半田層５ａは、その溶解前には、溶解開始温度の異なる相が２層５ｃ，５ｄに分離されて平衡状態になっている。図７（Ｂ）は図７（Ａ）の半田層５ａを加熱して半田接合温度とした状態、すなわち半田層５ａが溶解した状態を、液相５ｅとして示している。このとき、デバイス７の接合面側である半田層の上層５ｃは相対的に低い溶解開始温度のＡｕ5 Ｓｎ相であり、半田層の下層５ｄは相対的に高い溶解開始温度のＡｕＳｎ相であるので、デバイス７の接合面側のＡｕ5 Ｓｎ相５ｃが先に溶解状態となる。すなわち、本発明の半田層５ａは上層５ｃに相対的に低融点のＡｕ5 Ｓｎが分離されているため、デバイス接合面側を均一に溶解させることができる。従って、半田層５ａの均一な濡れ性を確保することができるため、デバイス７の接合部全体を、半田層５ａを介して基板２と接合することができる。さらに、半田層５ａのＡｕ5 Ｓｎ上層５ｃのみを溶解させて接合するため、図７（Ｃ）に示すように、半田層５ａを冷却してデバイス接合した後も、半田層を２層５ｃ，５ｄに分離した平衡状態に維持することができ、初期接合強度を向上させることができる。
なお、本発明における半田層５の初期接合強度とは、半田層５にデバイス７を半田接合した後、２５±１０℃の室温雰囲気で放置された状態で、接合後1日以内に測定した接合強度である。
【００３４】
さらに、半田層の上層５ｃのデバイス７との接合面、つまり、上層５ｃの最表面における酸素濃度を、上層５ｃを構成する金属の主要成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％以下とすることが好ましい。最も酸化し易い金属成分とは、半田を構成する金属の主要成分のうち、３００℃（５７３Ｋ）における標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が最も小さい金属元素である。
ここで、原子％とは、本発明においてはＸ線光電子分光分析装置で半田層５の表面を測定した値から算出される値である。データの解析は、最初にバックグラウンド除去を行い、スムージング後、相対感度補正を行ってピーク面積を算出し、錫のピーク面積で規格化した酸素及び炭素の原子濃度である。
【００３５】
標準生成自由エネルギーは、下記（１）式で求められる。
【数１】
ここで、Ｒは気体定数、ＰO2は酸素分圧、ΔＨ゜は標準エンタルピー変化、ΔＳ゜は標準エントロピー変化であり、ΔＨ゜およびΔＳ゜は、下記（２）式で求められる。
【数２】
・ 式中の熱力学データ（比熱Ｃｐ，融点Ｔｍ，潜熱ΔＨｍ、標準エンタルピー変化ΔＨ°（２９８Ｋ）、標準エントロピーＳ°（２９８Ｋ））としては、非特許文献５及び６に記載のデータを用い、標準生成自由エネルギーを計算した。
図８は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｓｎ及びＰの標準生成自由エネルギーと温度との関係を示す図である。この図は所謂エリンガム図である。図８において、横軸は絶対温度（Ｋ）であり、縦軸は標準生成自由エネルギー（ｋＪ／ｍｏｌ）である。図８から明らかなように、Ａｕ−Ｓｎ系合金又はＡｇ−Ｓｎ系合金等から成る半田を用いる場合には、最も酸化し易い金属成分はＳｎとなる。
【００３６】
表面側の半田層の上層５ｃを構成する金属が金と錫、又は銀と錫を主成分とする場合には、上記酸素濃度を、錫濃度の３０原子％以下とすれば、熱処理後の半田層の上層５ｃをより均一に溶解することが可能となり、接合時の半田接合面での溶解反応を効率的に進めることができる。
【００３７】
さらに、上層５ｃのデバイス７との接合面、つまり、上層５ｃの最表面の炭素濃度を、上層５ｃを構成する金属の主要成分の内で最も酸化し易い金属の濃度の１０原子％以下とすることが好ましい。上層５ｃを構成する金属が金と錫又は銀と錫を主成分とする場合には、上記炭素濃度を錫濃度の１０原子％以下とすることで半田層５とデバイス７との接合面への不純物混入を防止できる。
【００３８】
上層５ｃ表面の酸素濃度や炭素濃度を上記濃度とすれば、デバイス７を上層５ｃに接触させた状態で上層５ｃを溶解、すなわち、デバイス接合時の押圧を、半田層５が溶解している時間に短縮しても、初期接合強度が２０ＭＰａ以下となる接合不良率を低減させることが可能となる。
これにより、半田層５を相の異なる複数層とし、さらにその半田層５のデバイス接合面の炭素濃度や酸素濃度を低減することで、電子デバイス接合用基板１の製造における生産性の向上が可能となる。さらに、デバイス接合後の熱サイクル試験におけるデバイス７の生存率も向上、つまりデバイス接合における信頼性も向上させることができる。
【００３９】
図９は、後述する表面側の半田層５ａに熱処理を行わない場合に、半田層５ａを用いて接合するときの各段階における模式的な拡大断面図であり、それぞれ、（Ａ）は半田層５ａの溶解前、（Ｂ）は半田層５ａとデバイス７との溶解接合時、（Ｃ）は半田層５ａを凝固した後のデバイス７との接合状態を示している。
図９（Ａ）に示す状態から、図９（Ｂ）に示す半田層５ａの接合温度に上昇させて、半田層５ａを溶解すると、ＡｕとＳｎとの溶解開始温度が高い相５ｆ（図の粒状物）がデバイス接合面付近にも存在するため、一部が半田層５ａの表面にまで飛び出ている状態となり、デバイス接合面側の半田層５ａを均一に溶解することができない。そのため、半田層５ａの溶解している箇所とデバイス７との接触面積を小さくし、デバイス７と半田層５ａとの接合が局所的に阻害されるため、良好な半田接合強度が得られなくなる。
【００４０】
ここで、具体的なデバイス接合用基板の製造方法について説明する。
図１０は図１のデバイス接合用基板の製造工程を順次に示すフローチャートである。
ステップＳＴ１にて、ＡｌＮから成る基板２を用意する。ステップＳＴ２にて、上記基板２の表面をラップ，ポリッシュ等の工程により研削及び研磨した後、ステップＳＴ３にて、フォトリソグラフィ法等によりパターニングを行い、電極層４が形成される領域のみを露出させる。
【００４１】
ステップＳＴ４では、基板２の表面上に電極層４を蒸着法等により形成し、さらにリフトオフ工程により、上記電極層４の所定のパターンのみを残して、他の部分を除去する。ステップＳＴ５にて、再びフォトリソグラフィ法等によりパターニングを行い、半田層５を形成すべき領域のみを露出させる。
次にステップＳＴ６にて、上記基板上に半田層５を各種の蒸着法を用いて形成し、さらにリフトオフ工程により、上記半田層５の所定のパターンのみを残して、他の部分を除去する。
【００４２】
ステップＳＴ７において、上述したデバイス接合用基板１全体を、オーブン等に収容することにより所定温度にて所定時間の間、熱処理を行う。具体的には、例えば、１５０℃より高い温度で、半田層５の共晶反応温度未満の温度熱処理温度にて、１時間以上の熱処理を行うことが効果的に接合強度を向上させることができる。例えば、Ａｕ−Ｓｎ系合金又はＡｇ−Ｓｎ系合金等から成る半田を用いた場合には、上記熱処理温度として、特に、熱処理の温度を１８０℃以上とすると、半田層５の相分離を促進させることが可能となる。しかし、熱処理温度を融点以上、すなわち溶解させると、半田層を相分離させることができず好ましくない。
【００４３】
上記熱処理は、熱処理温度を一定温度に保つように温度制御されることが好適であるが、熱処理温度を２段階以上で行ってもよい。例えば、最初の熱処理温度を２００℃以上とし、次に２５０℃で行うようにすることができる。また、最初の１５０℃よりも高い熱処理温度から半田層５の融点を越えない温度領域で連続的に変化させてもよい。例えば、上記熱処理温度で熱処理した後、一度室温まで冷却した後、再度熱処理を施してもよい。その際、１５０℃より高い温度で、かつ、共晶反応温度未満の融点を越えない熱処理時間が累積１時間以上とすればよい。熱処理は、半田接合に用いる加熱装置や、専用の熱処理用の電気炉などを用いた加熱装置により実施することができる。
【００４４】
熱処理時における雰囲気ガスとしては、還元性ガスを用いることが好ましい。還元性ガスを用いて熱処理を行うことにより、半田層５表面の酸化膜を還元し、かつ熱処理時に生じる半田層５内部への酸素の混入を防止し、さらには、半田層５内に混入する炭素等の不純物の混入を防止できる。この還元性ガス雰囲気中の熱処理により熱処理終了後の半田層の上層５ｃの最表面における酸素濃度を、上層５ｃの錫（Ｓｎ）濃度の３０原子％以下とすることが好ましい。さらに、好ましくは、上層５ｃの最表面の炭素濃度を上層５ｃの錫濃度の１０原子％以下となるように、還元性ガス濃度、還元性ガス雰囲気中での熱処理時間を設定することが好ましい。すなわち、熱処理時における雰囲気中の還元ガス濃度は、熱処理開始から熱処理終了まで同一濃度に設定、または時間的に変化させても良く、熱処理終了後に上層５ｃ表面の酸素濃度、炭素濃度が、上層５ｃ表面のＳｎ濃度に対して、それぞれ３０原子％以下、１０原子％以下となるように設定されていれば良い。
【００４５】
還元性ガスは不活性ガス等を混合してもよいが、希釈還元性ガスの濃度を９０％以上とすることで、半田層５ｃ表面の酸素濃度や炭素濃度を低減させることができる。また、熱処理開始から熱処理終了時まで還元性ガス雰囲気に維持することが好ましいが、当初に還元ガス雰囲気中で一定時間熱処理した後に酸素、炭素を含まない不活性ガスで熱処理、または最初に大気中で一定時間熱処理した後に還元性ガス雰囲気で熱処理しても良く、熱処理終了後に半田層５表面の酸素濃度、炭素濃度が、半田層５表面の錫濃度に対して、それぞれ３０原子％以下、１０原子％以下となるように設定されていれば良い。この還元性ガスとしては、水素、ＣＯ等が挙げられる。特に、水素を用いる場合、上層５ｃ表面における酸素濃度、炭素濃度を効果的に低減させることが可能となる。
【００４６】
最後に、ステップＳＴ８にて、上述したデバイス接合用基板１は、ダイシング等により個別に切断され、デバイス接合用基板製品として出荷可能な状態となる。上記製造方法において、半田層５を蒸着法で形成した場合には、デバイス接合用基板１を安価に製造することができ好ましい。しかしながら、蒸着により作製しただけの半田層５は、平衡状態で見られる各相が層状に分離した状態にすることはできず、ＡｕとＳｎとの溶解開始温度が高い相５ｅのような粒状物が分散した半田層５となる。そこで、本発明のように、蒸着法で形成した半田層５に熱処理を行うことで、半田層５が溶解開始温度の異なる相の複数層に分離して平衡状態、すなわち、デバイスの接合面側である半田層の上層５ｃに相対的に低い溶解開始温度の相、半田層の下層５ｄは相対的に高い溶解開始温度の相に層分離することができる。
【００４７】
このようなデバイス接合用基板１に対して半導体装置等のデバイス７を実装する場合には、デバイス７の下部電極を、デバイス接合用基板１の対応する半田層５上に載置した状態で、ランプ加熱法等によって、例えば３００℃の大気雰囲気にて加熱され、半田層５を構成する半田が溶解する。これにより、上記半田がデバイス７の下部電極に接触し、いわゆる濡れた状態となる。加熱が終了すると、半田層５を構成する半田が室温まで降温することにより硬化し、半田接合が行われる。
【００４８】
図１１は、本発明におけるデバイス７と半田層５との半田層接合に用いるタイムチャートを模式的に示す図である。図において、横軸は時間であり、縦軸は温度である。
図１１に示すように、半田層５とデバイス７は別々に加熱し、半田層５が半田接合温度Ｔ2に到達したときにデバイス７を半田層５上に載置した後、半田層５の温度を下げ始めるまで押圧治具２２により押圧する方法である。この場合には、デバイス７を押圧している時間を短くしても、デバイス７と半田層５の接合不良を低減化できるため、簡単な装置で半田接合を行うことができ、さらにデバイス接合用基板の生産性を向上させることが可能になる。
【００４９】
本発明のデバイス接合用基板によれば、半田層５を構成する半田は、前述した熱処理により安定した状態にあるので、室温まで降温したとき、初期接合強度が高く、かつ、安定している。従って、デバイス７の半田接合が確実に行われる。半田接合の接合強度は十分に高いので、デバイス７の実装工程における半田不良の発生が抑制され、デバイス実装の歩留まりが向上、つまり、接合不良率が低下することになる。
【００５０】
本実施の形態では、半田層５を還元性ガス雰囲気中で熱処理したデバイス接合用基板１を分割し、その後でデバイス７の接合を行った場合について説明した。尤も、これに限定されること無く、半田層５を成膜したデバイス接合用基板１を分割した後のデバイス接合時に還元性ガス雰囲気中での熱処理を施し、続いてデバイス７の接合を行っても良い。
【００５１】
上記デバイス接合用基板１は、片面基板として構成してもよく、基板２の表面側の片面だけでなく裏面側にも、電極層４ｂ，半田層５ｂを設けてもよい。また必要に応じて、電極層４及び半田層５の間に、密着層４を挿入してもよい。
【実施例１】
【００５２】
以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
最初に、デバイス接合用基板１の製造方法について、サブマウント１に適用した実施例について説明する。
ＡｌＮからなる基板２の両面を洗浄して表面清浄化を行い、この基板２の表面上に厚さ０．０５μｍのＴｉ密着層３、密着層３上に厚さが０．２μｍのＰｔと厚さが０．５μｍのＡｕから成る電極層４、電極層４上の一部に、厚さ３μｍで組成比としてＡｕ：Ｓｎ＝７０：３０（重量比）の半田層５を真空蒸着法により形成した。成膜条件は真空度を１×１０-4Ｐａ、基板温度を８０℃とした。
上記の加工を施した基板２を、水素濃度が９５％の還元性ガス雰囲気中において、共晶反応温度の２７８℃未満である２２０℃で１０時間、半田層５の熱処理を施し、実施例１のサブマウント１を製造した。次に、サブマウント１の半田層５の密着強度を調べるためにテープ剥離テストを行った。
【００５３】
テープ剥離試験で半田層５が剥離しなかったサブマウント１をダイシング装置で所定の形状に切断した。切断したサブマウント１に発光ダイオード７を半田接合した。具体的には、大気雰囲気中においてサブマウント１の半田層５をランプ加熱する。その際、半田層５の温度が２４０℃から３００℃になるまで、昇温速度が２℃／ｓｅｃとした。その後、半田層５の温度が３００℃に達したとき、１５０℃で予備加熱していた発光ダイオード７の接合面を半田層５に接触させ、発光ダイオード７に２Ｎ(ニュートン)の圧力をかけて半田層５に押し付け、１０秒間保持した。その後、発光ダイオード７への圧力を解除し、室温まで２℃／ｓｅｃで２４０℃まで冷却して発光ダイオード７を半田接合した（図１０参照）。なお、テープ剥離テストは、一般に金属の密着強度測定に用いられる手法と同じであり、剥離を評価するために所定の粘着力を有するテープを使用した。
【実施例２】
【００５４】
実施例２としては、熱処理温度を２５０℃とした以外は実施例１と同様にして、半田層５に熱処理を施したサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【実施例３】
【００５５】
実施例３としては、熱処理温度を１８０℃とした以外は実施例１と同様にして、半田層５に熱処理を施したサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【実施例４】
【００５６】
実施例４では、熱処理温度を２００℃とした以外は実施例１と同様にして、半田層５に熱処理を施したサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【００５７】
次に、比較例について説明する。
（比較例１）
半田層５の熱処理温度を１２０℃とした以外は、実施例１と同様にして、比較例１のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【００５８】
（比較例２）
半田層５の熱処理温度を１５０℃とした以外は、実施例１と同様にして、比較例２のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【００５９】
（比較例３）
半田層５の熱処理温度を２８０℃、すなわち半田層を溶解させた以外は、実施例１と同様にして、比較例３のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合方法は実施例１と同様の方法で行った。
【００６０】
次に、発光ダイオード７と半田層５との接合強度を調べるために、ダイシェアせん断試験を行い、所謂チップせん断強度を測定した。ダイシェアせん断試験は、ＭＩＬ規格（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃ、Ｍｅｔｈｏｄ ２０１９．４）に準拠して行い、各条件Ｎ数＝１００とし、その平均値からチップせん断強度を得た。接合強度はダイシェアテスターで測定した。具体的には、発光ダイオード７のチップの接合面に垂直な側面である横方向からシェアツールを当て、水平方向に移動させていった時に、発光ダイオード７のチップと接触した後（ここを原点とする）、発光ダイオード７のチップから受けた荷重（ｋｇ）と発光ダイオード７が相対的に移動した変位（ｍ）を測定した。上記の測定で得た荷重及び変位から、接合強度τ（Ｐａ）を下記（３）により算出した。
接合強度τ＝荷重（ｋｇ）×重力加速度（ｍ／ｓ2 ）／せん断面の面積（ｍ2）（３）
ここで、せん断面の面積は、半田接合される面、すなわち、発光ダイオード７底面の面積（３００μｍ×３００μｍ）である。せん断方向のせん断面の長さは、発光ダイオード７のチップ側面に垂直な方向の長さであり、３００μｍである。
【００６１】
表１は、実施例１〜４及び比較例１〜３のサブマウント１において、熱処理温度を種々に変更して接合した発光ダイオードチップに対する、ダイシェアせん断試験により測定した１００個のチップせん断強度の平均値を示す表である。
【表１】
【００６２】
表１から明らかなように、実施例１〜４のサブマウント１のチップせん断強度は、それぞれ、３４．１ＭＰａ，３１．３ＭＰａ，３０．２ＭＰａ，３１．５ＭＰａとなり、１０時間の熱処理を行ったサブマウント１で３０ＭＰａ以上のチップせん断強度を得た。
【００６３】
一方、比較例１の熱処理温度を１２０℃とした場合のサブマウントのチップせん断強度は２３．５ＭＰａであった。比較例２の熱処理温度を１５０℃とした場合のサブマウントのチップせん断強度は２４．５ＭＰａであった。熱処理温度を２８０℃とした比較例３のサブマウントのチップせん断強度は１２．６ＭＰａであった。
【００６４】
この結果から明らかなように、実施例１〜４のサブマウント１のように、還元ガス雰囲気中で１５０℃よりも高い温度とし、かつ、半田層５の共晶反応温度未満の温度で熱処理を行うことで、押圧時間の短い接合方法においても、接合強度が３０ＭＰａ以上と高い初期半田強度が得られることが分かった。しかも、この熱処理は、デバイス７の実装前に行われることから、デバイス７に熱的影響を与えないようにすることができる。さらに、接合時におけるデバイス７の熱負荷も低減し、信頼性を向上させることができる。
【実施例５】
【００６５】
Ａｕ電極層４と半田層５との間に厚さが０．２μｍのＰｔ層を挿入したこと及び熱処理を２２０℃で１２時間行った以外は実施例１と同様にして、半田層５に熱処理を施した実施例５のサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合は、実施例1と同様に行った。
【実施例６】
【００６６】
半田層５の熱処理を一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が９５％の雰囲気中で行った以外は、実施例５と同様にして実施例６のサブマウント１を製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウント１の半田層５に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合は、実施例1と同様に行った。
【００６７】
（比較例４）
半田層５の熱処理を大気中で行った以外は、実施例５と同様にして比較例４のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合は、実施例1と同様に行った。
【００６８】
（比較例５）
半田層５の熱処理を行わない以外は、実施例５と同様にして比較例５のサブマウントを製造した。テープ剥離テストを行った後、剥離不良の無かったサブマウントの半田層に３００℃で発光ダイオード７を接合した。発光ダイオード７の接合は、実施例1と同様に行った。
【００６９】
図１２は、比較例５及び実施例５のサブマウントにおける発光ダイオード７の接合前、すなわち半田層溶解前の半田層のＸ線回折プロファイルであり、（Ａ）は比較例５における半田層の蒸着による成膜直後、（Ｂ）は実施例５における半田層の熱処理後を示している。図１２において、縦軸はＸ線回折強度（任意目盛）を示し、横軸は角度（°）、即ち、Ｘ線の原子面への入射角θの２倍に相当する角度を示している。Ｘ線回折装置（理学電機製、ＲＩＮＴ−２５００）は、Ｘ線源がＣｕであり、電子の加速電圧は３０ｋＶである。Ｘ線回折を行った半田層５の表面は、デバイス７との接合面である。図１２（Ａ）及び（Ｂ）から明らかなように、実施例５の半田層５に熱処理を行った場合には、比較例５における半田層の熱処理無しの場合に比較して、Ａｕ5 Ｓｎ相の回折強度が増大していることが分かる。また、実施例６及び比較例４の試料も実施例５と同様なＸ線回折プロファイルが得られた。
【００７０】
図１３は、比較例５の半田層溶解前、すなわち実施例５のサブマウントにおける熱処理前の半田層断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。電子の加速電圧は１５ｋＶであり、倍率は１万倍で測定を行った。
図１３から明らかなように、半田層５の蒸着直後において、半田層５内には粒状に偏析した箇所が観察され、各相が、ナノオーダーの寸法で局在化していると推定される。図１３（Ａ）からも明らかなように、蒸着直後は、ＡｕＳｎ相及びＡｕ5 Ｓｎ相の各相が粒子状に分布していることを確認した。半田層に熱処理を施さない比較例４における半田層の断面も、上記実施例５のサブマウントにおける熱処理前の半田層５の断面と同様であった。
【００７１】
図１４は、実施例５のサブマウント１における半田層断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。測定条件は、図１３と同じである。図１４から明らかなように、半田層５を２２０℃で１２時間熱処理した後では、半田層５が２層に分離していることが分かった。図１２（Ｂ）に示したＸ線回折の結果と対応させると、半田層５のデバイス接合面である表面５ｃにはＡｕ5 Ｓｎ相が層状に形成され、半田層の基板２側、つまり、下層５ｄにはＡｕＳｎ相が層状に形成されていることが判明した。
【００７２】
図１５は、実施例５のサブマウントにおける半田層の熱処理後に３００℃で溶解させた後に凝固させた断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。測定条件は、図１３と同じである。図１５から明らかなように、半田層５を３００℃で溶解し凝固させた後の断面においては、熱処理後と同様に半田層５中が２層に相分離している状態であることから、溶解後においても半田は安定な状態を保っていることが分かる。実施例６、比較例４においても、実施例５と同様、熱処理により半田層５は２層に相分離していた。
【００７３】
図１６は、比較例５のサブマウントにおける半田層を３００℃で溶解し凝固させた後の断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。測定条件は図１３と同じである。図１６から明らかなように、熱処理を行わずに半田層５を３００℃で溶解し凝固させた後の断面においては、半田層５内部にはＡｕＳｎ及びＡｕ5 Ｓｎの２つの相が同様に確認されるが、半田層５の下部に存在するＡｕＳｎは、局所的に半田層の表面に突出しているのが確認でき、これらの２相は層状に相分離していない状態であることが分かった。
【００７４】
以上の実施例５及び比較例５のＸ線回折プロファイル、断面の走査型電子顕微鏡写真から、蒸着法により基板上に作製した半田層５の相状態は、ＡｕＳｎ相及びＡｕ5 Ｓｎ相の各相が粒子状に分布していることが分かった。これらの半田層５を溶解凝固させた直後においても、半田層５が平衡状態となっていないことが分かった。
一方、図１４から明らかなように、基板上に作製した半田層５に熱処理を行った半田層５は、相状態が異なる２層に分離されて、さらに半田層５の溶解凝固後においても層状に分離されている。このように、熱処理により半田層５中が相の異なる層に分離され、それぞれの相が平衡状態となっていることが分かる。さらに、溶解凝固後にも同様の相状態、層構造を維持していることから、半田層５のデバイス接合面である上層５ｃが溶解していることが判明した。
【００７５】
実施例５、６及び比較例４、５の半田層５におけるサブマウント基板１とデバイス７の接合強度測定を行い、それぞれのサブマウント基板１とデバイス７との接合強度であるチップせん断強度の平均と、接合強度が２０ＭＰａ以下となった割合である接合不良率を、それぞれ表２に示す。
【表２】
【００７６】
表２から明らかなように、実施例５、６、比較例４の熱処理を行った半田層５を有するサブマウント１において、接合不良率はそれぞれ、０％、５％、２５％と、熱処理を行わない比較例５の接合不良率である８０％と比較して著しく低い値となった。特に、還元性ガス雰囲気中の熱処理を行った実施例５、６の半田層５のサブマウント１と発光ダイオード７の接合不良率はそれぞれ、０％、５％と、大気中の熱処理を行った比較例４の接合不良率である２５％よりもさらに低い値を示し、接合不良率が低下した。実施例５及び６の半田層接合の接合強度はそれぞれ、３４．１ＭＰａ、３０．１ＭＰａとなり、初期接合強度が３０ＭＰａ以上と高く、大気中の熱処理を行った比較例４の接合強度２３．５ＭＰａよりも高い値を示した。
【００７７】
実施例５、６と比較例４のサブマウントにおいて、半田層熱処理後（発光ダイオード接合前）の半田層表面の酸素濃度をＸ線光電子分光分析装置（ＥＳＣＡ）で酸素濃度の測定を行った。
表２に示す半田層５の表面酸素濃度及び炭素濃度は、実施例５、６及び比較例４のサブマウント１において、半田層５の熱処理後の発光ダイオード７を接合する前に、半田層５の最外層表面における酸素及び炭素濃度をＸ線光電子分光分析装置（ＥＳＣＡ、日本電子製、ＪＰＳ−９０００ＭＣ）で測定した値である。Ｘ線源としてはＭｇのＫα線を用い、Ｘ線源における電子の加速条件は、電圧が１０ｋＶで、電流が２０ｍＡである。データは５回のスキャンの積算値を取得した。データの解析は、最初にバックグラウンド除去を行い、スムージング後、相対感度補正を行い、ピーク面積を算出し、錫のピーク面積で規格化した酸素及び炭素の原子濃度を得た。
【００７８】
実施例５、６、比較例４の半田層５の表面における錫濃度に対する酸素の原子濃度は、それぞれ、２３．７％、２６．６％、３９．３％となり、還元性ガス雰囲気中の熱処理においては、半田層表面の酸素濃度が減少することが分かった。同様に、実施例５、６及び比較例４の半田層５の表面における錫濃度に対する炭素の原子濃度は、それぞれ、６．４％、８．３％、１３．５％となり、酸素濃度と同様な傾向が見られた。
以上のことから、半田接合前に半田層５を還元性ガス雰囲気中で熱処理を行うことで、短時間の半田接合においても、発光ダイオード７を半田層５に高い初期接合強度で接合することが可能となり、歩留まりも向上できることが分かる。
これにより、発光ダイオード７を接合前に、半田層５を還元性ガス雰囲気中での熱処理を行うことで、半田層５を相が異なる２層に分離し、かつ半田層５ｃ表面の酸素濃度や炭素濃度を減少させることができる。このような半田層５を用いた半田接合において、半田層５を溶解させた後に発光ダイオード７を接触させて半田層５を凝固する半田接合方法においても、発光ダイオード７と半田層５を高い初期接合強度で接合することが可能となり、歩留まりも向上できることが判明した。
【００７９】
次に、実施例５、６、比較例４のサブマウントに搭載した発光ダイオード７の熱サイクル試験を行った。熱サイクル試験は、サブマウント１の裏面側をＴＯ−１８ステム上に、発光ダイオードの接合と同時に半田接合した。ＥＴＡＣ社製熱サイクル試験機（モデルＮＴ５１０）を用い、１サイクルの条件を、１５０℃で１５分、−６５℃１５分とし、これを繰り返すことで行った。なお、熱サイクル試験中は、発光ダイオードに１５０ｍＡを連続通電させた。実施例５、６及び比較例４のサブマウント１において、５０回の熱サイクル試験後に発光ダイオード７の通電不良を起こさなかった割合、つまり発光出力の低下が見られなかった発光ダイオード７の割合である発光ダイオードの生存率（％）を表２に示す。
【００８０】
表２から明らかなように、還元性ガス雰囲気中で熱処理を行った実施例５、６における熱サイクル試験経過後の発光ダイオード７の生存率は、それぞれ、１００％、９５％となり、大気中で熱処理を施した比較例４の熱サイクル試験経過後の６８％に比べて高い生存率を示した。
【００８１】
上記の実施例より、還元性ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、半田層を相状態が異なる相に分離し、かつ、半田層のデバイス接合面の酸素濃度、炭素濃度を低減することが可能となり、デバイスと基板との接合時の押圧時間を短くしても初期接合強度を高めて高信頼性の接合が可能になることが分かる。
【００８２】
上述した実施形態においては、デバイスとして発光ダイオード７を実装する場合について説明したが、これに限らず、裏面電極を有する半導体装置や回路部品等のデバイスであれば適用でき、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態においては、基板２は、セラミックス材料であるＡｌＮから構成されているが、これに限らず、他の材料から構成されていてもよい。さらに、電極層４，１３や半田層５，１４のパターンは、目的の回路構成となるように適宜に設計すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明によるデバイス接合用基板の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明によるデバイス接合用基板の第二の実施形態の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明によるデバイス接合用基板の第三の実施形態の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の半田層を拡大した模式図である。
【図５】図１に示したデバイス接合用基板に半導体装置を実装した構造を模式的に示す断面図である。
【図６】図３のデバイス接合用基板に半導体装置を実装した構造を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の半田層でデバイスを接合するときの各段階における拡大断面模式図であり、それぞれ、（Ａ）は半田層の溶解前、（Ｂ）は半田層とデバイスとの溶解接合時、（Ｃ）は半田層を凝固した後のデバイスとの接合状態を示している。
【図８】Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｓｎ及びＰの標準生成自由エネルギーと温度との関係を示す図である。
【図９】後述する半田層に熱処理を行わない場合に、半田層を用いて接合するときの各段階における模式的な拡大断面図であり、それぞれ、（Ａ）は半田層の溶解前、（Ｂ）は半田層とデバイス７との溶解接合時、（Ｃ）は半田層を凝固した後のデバイスとの接合状態を示している。
【図１０】図１のデバイス接合用基板の製造工程を順次に示すフローチャートである。
【図１１】本発明におけるデバイスと半田層との半田層接合に用いるタイムチャートを模式的に示す図である。
【図１２】比較例４及び実施例５のサブマウントにおける半田層のＸ線回折プロファイルであり、（Ａ）は比較例４における半田層の蒸着による成膜直後、（Ｂ）は実施例５における半田層の熱処理後を示している。
【図１３】実施例５のサブマウントにおける熱処理前の半田層断面の走査型電子顕微鏡像を示す。
【図１４】実施例５のサブマウントにおける熱処理後の半田層断面の走査型電子顕微鏡像を示す。
【図１５】実施例５のサブマウントにおける半田層の熱処理後に３００℃で溶解させた後に凝固させた断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
【図１６】比較例５のサブマウントにおける半田層を３００℃で溶解し凝固させた後の断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
【図１７】Ａｕ及びＳｎから成る合金（Ａｕ−Ｓｎ系合金）の原子比による相を示す状態図である。
【図１８】非特許文献３において、デバイスと半田層との半田層接合に用いるタイムチャートを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１，１０，１０ａ：デバイス接合用基板（サブマウント）
２：基板
３：密着層
４，１３：電極層
５，５ａ，５ｂ，１４：半田層
５ｃ：半田層のデバイス接合面側の半田層（Ａｕ5 Ｓｎ）
５ｄ：半田層の基板接合面側の半田層（ＡｕＳｎ）
５ｅ：液相
５ｆ：溶解開始温度が高い相
７，１５：半導体装置（デバイス）
１１：金属基板
１２：セラミック層（セラミック薄膜）
１５ａ：半導体装置の下部電極
１５ｂ：半導体装置の上部電極
１６：Ａｕ線
２２：押圧治具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された鉛を含まない半田層であって、
上記半田層が互いに相は異なる複数の層からなり、かつ、該複数の層の上層の表面における酸素濃度が、その上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満であることを特徴とする、半田層。
【請求項２】
前記半田層の上層の表面における炭素濃度は、該上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の半田層。
【請求項３】
前記半田層が金又銀の何れかと錫とを主成分とし、前記最も酸化し易い金属が錫であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半田層。
【請求項４】
基板と該基板上に形成される鉛を含まない半田層とを含むデバイス接合用基板であって、
上記半田層は互いに相が異なる複数の層からなり、かつ、該複数の層の上層の表面における酸素濃度は、その上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満であることを特徴とする、デバイス接合用基板。
【請求項５】
前記半田層の上層表面における炭素濃度は、該上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満であることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス接合用基板。
【請求項６】
前記半田層が金又銀の何れかと錫とを主成分とし、前記最も酸化し易い金属が錫であることを特徴とする、請求項４又は５に記載のデバイス接合用基板。
【請求項７】
基板と該基板上に形成される鉛を含まない半田層とを含むデバイス接合用基板の製造方法であって、
上記半田層を基板上に形成した後、還元雰囲気中で熱処理を行うことを特徴とする、デバイス接合用基板の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理温度が、１５０℃より高く、かつ、共晶反応温度未満であることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス接合用基板の製造方法。
【請求項９】
前記熱処理工程により、前記半田層を、共晶反応温度で溶解を開始する相と溶解を開始しない相とからなる複数の層に分離することを特徴とする、請求項７又は８に記載のデバイス接合用基板の製造方法。
【請求項１】
基板上に形成された鉛を含まない半田層であって、
上記半田層が互いに相は異なる複数の層からなり、かつ、該複数の層の上層の表面における酸素濃度が、その上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満であることを特徴とする、半田層。
【請求項２】
前記半田層の上層の表面における炭素濃度は、該上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の半田層。
【請求項３】
前記半田層が金又銀の何れかと錫とを主成分とし、前記最も酸化し易い金属が錫であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半田層。
【請求項４】
基板と該基板上に形成される鉛を含まない半田層とを含むデバイス接合用基板であって、
上記半田層は互いに相が異なる複数の層からなり、かつ、該複数の層の上層の表面における酸素濃度は、その上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の３０原子％未満であることを特徴とする、デバイス接合用基板。
【請求項５】
前記半田層の上層表面における炭素濃度は、該上層を構成する金属成分の内で最も酸化し易い金属成分濃度の１０原子％未満であることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス接合用基板。
【請求項６】
前記半田層が金又銀の何れかと錫とを主成分とし、前記最も酸化し易い金属が錫であることを特徴とする、請求項４又は５に記載のデバイス接合用基板。
【請求項７】
基板と該基板上に形成される鉛を含まない半田層とを含むデバイス接合用基板の製造方法であって、
上記半田層を基板上に形成した後、還元雰囲気中で熱処理を行うことを特徴とする、デバイス接合用基板の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理温度が、１５０℃より高く、かつ、共晶反応温度未満であることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス接合用基板の製造方法。
【請求項９】
前記熱処理工程により、前記半田層を、共晶反応温度で溶解を開始する相と溶解を開始しない相とからなる複数の層に分離することを特徴とする、請求項７又は８に記載のデバイス接合用基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１８】
【図８】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１８】
【図８】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−２１１１０１（Ｐ２００８−２１１１０１Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４８１７０（Ｐ２００７−４８１７０）
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（５０６３３４１８２）ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（５０６３３４１８２）ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
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