專利名稱：元件焊接用基板及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于焊接、固定元件的基板及其制造方法。
背景技術：
近年來，隨著攜帶電話和光通信的普及，作為在高頻帶中工作的高輸出、高消耗電力的GaAs系FET、Si-Ge系HBT、Si系MOSFET或GaN系激光二極管等半導體元件的封裝用基板，使用陶瓷基板，以便減少高頻介質損失。在這種陶瓷基板中，氮化鋁燒結基板因其導熱率高、熱膨脹系數(shù)接近半導體元件而特別引人注目。
通常，一般是在將元件焊接于氮化鋁燒結體等陶瓷基板上的情況下，通過金屬鍍敷在陶瓷基板上形成牢固焊接的第一和第二二襯底金屬層后，在該襯底金屬層上形成金電極，在該金電極上焊料附加元件(參照(日本)特開平7-94786號公報、特開平10-242327號公報和特開2000-288770號公報)。而且，作為此時使用的焊料，一般使用金含量為約80重量％的組成下的融點為280℃的Au-Sn系焊料(以下，也稱為‘高濃度金的Au-Sn系焊料’。楊氏模量為59.2GPa(25℃時))。而作為使用上述高濃度金的Au-Sn系焊料的焊料附加方法，由于可高精度地控制元件的搭載位置，自動化也容易，所以最好采用熔化預先供給到基板上的焊料來進行焊接的回流法。
因此，作為焊接元件的基板，大多使用在基板電極層上的規(guī)定位置上預先形成焊料膜的基板。例如，在上述特開2000-288770號公報中公開了在陶瓷襯底上形成襯底層/鍍Ni層/鍍Au層等構成的多層電極，在該電極上疊層‘最下層為Au薄膜，在Au薄膜上疊層防止擴散金屬層，在該防止擴散金屬層上形成具有Au層和Sn層的交替層的多層焊料’的基板，在該基板上可按充分的焊接強度焊接具有Au電極的半導體元件。在該公報中，作為上述多層焊料，為了Au和Sn的整體重量比與熔融時高濃度金的Au-Sn系焊料的組成相同，說明了最好是以Au/Sn為70/30～76/24的重量比來疊層Au層和Sn層。而且，上述防止擴散金屬層防止在鍍Au層等的電鍍時混入的電鍍液造成的空隙或雜質的擴散，同時防止該層上的AuSn多層焊料腐蝕襯底的鍍Au層，作為構成該層的金屬，說明了最好使用鉑族元素，特別是Pt。
但是，近年來，在半導體元件中，為了提高記錄密度和數(shù)據(jù)的電送距離而設計高輸出化，使用時元件產(chǎn)生的熱量也增大。這樣的發(fā)熱量增大，意味著使用時的溫度變化增大，帶來因基板和元件的熱膨脹系數(shù)差造成的應力而引起焊接部的破壞問題。作為解決這種問題的方法，提出了以下方法(1)使用融點更低的焊料來進行低溫焊接，在焊接后冷卻至室溫時盡量減小殘留在元件和基板的焊接位置中的應力；以及(2)使用具有緩和因使用時的溫度變化引起的產(chǎn)生于焊接部位的應力的能力的軟焊料。
上述(1)和(2)的方法可通過使用低融點并且軟焊料，例如在Au-Sn系合金中錫含量超過80重量％并且其融點低于280℃的合金構成的焊料(以下也稱為‘高濃度錫的Au-Sn系焊料’)來實現(xiàn)。但是，實際上，在基板上形成了金電極上，形成高濃度錫的Au-Sn系焊料構成的層并附加元件的焊料時，可知焊料的融點上升，同時焊料的熔融特性惡化。引起這種現(xiàn)象的原因可從圖1所示的Au-Sn合金狀態(tài)圖(出處‘金屬臨時增刊號實用二維合金狀態(tài)圖集’，株式會社ァゲネ，平成4年10月10日發(fā)行，第92頁)來理解，可認為在高濃度錫的Au-Sn系焊料層的制膜中或制膜后的保存中，金電極層中的金原子擴散到該焊料層中，變化為融點高的組成，同時在金電極和焊料的界面附近，形成呈現(xiàn)所謂AuSn或AuSn脆弱性質的金屬間化合物。
本發(fā)明人考慮通過設置上述特開2000-288770號公報中公開的防止擴散金屬層(以下也稱為金屬阻擋層)會不會防止上述那樣的金擴散(換句話說，高濃度錫的Au-Sn系焊料造成的金腐蝕)，在金電極層上設置厚度為2μm的Pt構成的金屬阻擋層，嘗試在其上形成高濃度錫的Au-Sn系焊料膜層，附加帶有金電極的元件的焊料。其結果，雖然確認了融點上升得以改善，焊料的熔融特性也可提高，但判明存在焊接強度低的問題。即，在通過管芯共用測試器(die sharetester)測定焊接強度時，在金屬阻擋層和焊料層之間會引起剝離，并判明管芯共用強度也低至1.4kgf/mm2。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種元件焊接用基板，可將焊料用高焊接強度進行焊接，在表面上具有金電極層。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種結合元件用基板，該基板表面具有金電極層，使用低融點柔軟的焊料如富錫的Au-Sn系焊料，能在低溫下使元件附加焊料。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種元件焊接用基板的制造方法，可將焊料用高焊接強度進行焊接，在表面上具有金電極層。
本發(fā)明的其他目的可從以下說明中變得清楚。
本發(fā)明人為了解決上述課題而進行了深入的研究。其結果，作為在表面上形成了金電極層的基板的該金電極層上設置特定金屬構成的金屬阻擋層的基板，在使用該基板通過高濃度錫Au-Sn系焊料來附加元件的焊料時，發(fā)現(xiàn)可以在低溫下焊接，而且此時的焊接強度高。然后，根據(jù)該發(fā)現(xiàn)進一步研究的結果，發(fā)現(xiàn)這樣的效果不限于使用高濃度Au-Sn系焊料，也可使用金含量低于20重量％的In系焊料，從而完成了本發(fā)明。
即，本申請第一發(fā)明是元件焊接用基板，其特征在于，具有在表面上形成金電極層的基板的該金電極層上疊層從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層的疊層結構。
本發(fā)明的元件焊接用基板的特征在于，使用含有以高濃度錫的Au-Sn系焊料等的Sn或In為主要成分并且金含量不大于20重量％的金屬構成的焊料層，可將元件高焊接強度焊接。在上述本發(fā)明的元件焊接用基板中，作為表面上形成金電極層的基板，使用在以氮化鋁為主要成分的陶瓷基板上，依次疊層以Ti為主要成分的第一襯底層、以Pt為主要成分的第二襯底層、以及金構成的電極層的金屬化基板，具有焊接元件使用時的高頻介電損失小，將此時產(chǎn)生的熱進行散熱的功能強的特征。
在從所述Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層上具有還疊層了以Au-Sn為主要成分并且金的含有量低于20重量％的金屬構成的焊料層的疊層結構的元件焊接用基板可適用于回流焊接。而且，形成焊料層的金屬含有Sn或In作為主要成分，金的含有量低于20重量％，25℃時的楊氏模量低于50GPa，而且融點低于280℃的元件焊接用基板具有以下特征即使焊接元件并長期使用，焊接面也難以受到破壞。
本申請第二發(fā)明是元件焊接用基板的制造方法，其特征在于，在表面上焊接了金電極層的基板的其金電極層上，形成從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層。在這種制造方法中，通過在形成了從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層上，形成以Sn或In為主要成分并且金含量低于20重量％的金屬構成的焊料層，也可以制造可適用于上述回流焊接的元件焊接用基板。
本申請第三發(fā)明是一種元件焊接用基板的制造方法，其特征在于，在可適用于上述回流焊接的元件焊接用基板的焊料層上，搭載帶有電極的元件后，以使該電極接觸所述焊料層，從而回流焊接。根據(jù)上述制造方法，例如可在低于280℃的低溫下，對元件高精度高效率地焊接。
本申請第四發(fā)明是按上述方法制造的元件焊接用基板。本申請第四發(fā)明的元件焊接用基板可長期穩(wěn)定地使用。


圖1是Au-Sn合金狀態(tài)圖。
圖2是本發(fā)明的元件焊接用基板的代表性的剖面圖。
附圖中各標號具有下述含義。
100元件焊接用基板200表面形成有金電極層的基板201氮化鋁燒結體基板202以Ti為主要成分的第一襯底層203以Pt為主要成分的第二襯底層204金電極層300阻擋層400由以Sn或In為主要成分的并且金含量低于20重量％的金屬構成的焊料層具體實施方式
本發(fā)明的元件焊接用基板具有在表面上形成金電極層的基板的該金電極層上疊層從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層的疊層結構。這里，元件指具有可直接連接其他電氣布線端子的電阻或電容器等電子部件和半導體元件。
本發(fā)明的元件焊接用基板中使用的‘在表面上形成了金電極層的基板’只要是在其一部分表面或整個表面上形成了具有作為電極功能的金構成的層的基板就可以，沒有特別限定。從焊接半導體元件使用時的高頻介電損失少的觀點來看，最好采用在氮化鋁、鋁、SiC、Si等陶瓷基板上通過金屬鍍敷形成了金電極的金屬化基板。再有，在這些金屬化基板中，如上述那樣，金電極層一般直接或間接地形成牢固地焊接在陶瓷基板上的襯底金屬層上，例如在陶瓷基板中，在鋁清潔薄板上印刷鎢或鉬等高融點金屬膏構成的電極圖形，在將該圖形與清潔薄板同時燒結后，根據(jù)需要將鎳層形成為高融點金屬層狀，而且最好在其上形成金電極。此外，在以氮化鋁為主要成分的陶瓷基板中，最好使用在氮化鋁粉末中添加助燒結劑并成形后，在燒結過的基板表面上通過濺射法等形成基本上與電極圖形相同形狀的以鈦為主要成分的金屬層(第一襯底層)后，在該第一襯底層上同樣通過濺射法等形成以鉑為主要成分的第二襯底層，然后在其上通過濺射法等形成金電極層而獲得的金屬化基板。在本發(fā)明的元件焊接用基板中，從散熱焊接元件使用時產(chǎn)生的熱的散熱特性良好的觀點來看，最好采用上述那樣獲得的氮化鋁系金屬化基板。
本發(fā)明的元件焊接用基板需要在上述金電極層上形成從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇至少一種金屬構成的金屬層。通過形成這樣的金屬層，在該層上以高濃度錫的Au-Sn系焊料等低融點形成軟焊料層并焊接的情況下，可在低溫下附加焊接強度高的焊料?？烧J為該金屬層具有與上述金屬阻擋層同樣的作用(因此，以下將該金屬層簡稱為阻擋層)，而作為用于金屬阻擋層的金屬，在使用最一般的鉑的情況下，在與使用的焊料金屬種類的關系上，不能進行高強度的焊接。該阻擋層的厚度沒有特別限定，但從價格性能比的觀點來看，為0.2～5μm較好，特別是最好為1～3μm。如果該層的厚度低于0.2μm，則效果下降，而即使在5μm以上，其效果與1～3μm時大致相同。
上述金屬層(阻擋層)不限定于從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇至少一種金屬構成的金屬層，也可以是單一金屬構成的金屬層，或是由多種金屬形成的合金或金屬間化合物或固溶體，但從效果來看，最好是Ag構成的金屬層。再有，阻擋層不需要覆蓋金電極層的整個面，但金電極層的元件焊接部分或與焊料接觸的部分最好至少用阻擋層覆蓋。在上述金電極層上形成阻擋層的方法沒有特別限定，例如可采用濺射法、離子鍍敷、蒸鍍法、CVD法、電鍍法。
本發(fā)明的元件焊接用基板在金電極層上形成了上述阻擋層的狀態(tài)下，可在焊接時供給焊料并與元件焊接，但為了將元件高精度地焊接在規(guī)定的位置，最好僅在元件的焊接預定部位形成焊料層。通過形成這樣方式的基板(以下也簡稱為焊接基板)，可以精密地控制元件的搭載位置，可容易地進行自動化容易的回流焊接。此時，焊料層上形成的焊料層用的焊料沒有特別限定，由于所述焊料層的效果特別好，其本身比較軟并且可進行低溫下的焊接，所以最好使用含有以Sn或In為主要成分并且金含量低于20重量％、特別是低于10重量％的金屬構成的焊料。如果具體地示例這樣的焊料，可示例上述的高濃度錫的Au-Sn系焊料、100％的Sn焊料、Sn-Ag焊料、Sn-Pb焊料、Sn-Bi焊料、Sn-Sb焊料、Sn-In焊料、100％的In焊料、In-Au焊料(其中金含量低于20重量％)、In-Ag焊料、In-Bi焊料、In-Sb焊料、In-Zn焊料及將它們?nèi)我饨M合的焊料等。
其中，從與元件焊接后的管芯共用試驗的焊接強度最高的理由來說，最好采用Au-Sn系焊料。在本發(fā)明中，在上述那樣的含有以Sn或In為主要成分并且金含量低于20重量％的金屬構成的焊料中，從不易引起焊接使用上述那樣的元件時溫度變化造成的焊接部位的損壞的觀點來看，最好采用融點低于280℃、特別是在235℃以下并且楊氏模量低于50GPa(25℃時)的金屬構成的焊料。
本發(fā)明的焊接基板的上述焊料層由單一組成的金屬構成一層，而為了各層熔融混合時滿足上述條件的組成，也可以由不同組成的金屬構成的多層的疊層構成。該焊料層整體的厚度為1～10μm較好，更好為2～6μm。該層的厚度低于1μm時，由于焊料的絕對量少，所以存在不能獲得充分的焊接強度的傾向，相反在形成超過10μm的厚度時，由于焊料量過多，所以有焊接后產(chǎn)生焊料遮擋元件的側面或上表面(在半導體元件中為發(fā)光面)的不良情況。沒有特別限定在上述阻擋層上形成上述焊料構成的層的方法，例如可采用濺射法、離子鍍敷、蒸鍍法、CVD法、電鍍法。
沒有特別限定在本發(fā)明的元件焊接用基板上焊接半導體元件等元件的方法，可采用沒有限定的公知的焊料附加法，但根據(jù)高效率地進行精度高的焊接的理由，最好在作為焊接基板的本發(fā)明的元件焊接用基板的焊料層上搭載具有電極的元件，以使該電極接觸所述焊料層后進行回流焊接。再有，回流焊接(軟融焊接)有以下方法在基板的規(guī)定焊盤上或在部件電極或其兩者上預先供給焊料，在將部件固定在基板上的規(guī)定位置后，將焊料熔化(流動)，進行部件和基板的焊接。在上述方法中，沒有特別限定使焊料回流的方法，可采用使用回流傳送帶的方法、使用熱板的方法、蒸汽回流法等。此外，加熱溫度或加熱時間可根據(jù)使用的焊料種類來適當確定，在使用本發(fā)明的元件焊接用基板的情況下，由于沒有損害使用的焊料的特性，所以例如在使用高濃度錫的Au-Sn系焊料時，可在低于280℃的低溫下進行良好的焊接。
再有，焊接的元件只要具有可通過焊料進行焊接的金屬構成的電極就可以，沒有特別限定。在一般的半導體元件中，上述電極大多用金構成。在對具有這樣的金電極的元件焊接時，考慮了金電極的金原子擴散到焊料中，但如后述的實施例所示，由于在對具有金電極的元件焊接時也可獲得良好的焊接強度，所以認為此時引起的擴散對焊接強度幾乎不產(chǎn)生重大影響。但是，為了更好地防止這樣的金原子的擴散，最好用從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組選擇至少一種金屬、特別是Ag來覆蓋與焊料接觸的元件的電極表面。
實施例以下，列舉實施例和比較例，更詳細地說明本發(fā)明，但本發(fā)明不限于這些實施例。
實施例1如下那樣制作圖2所示結構的元件焊接用基板。再有，圖2是本發(fā)明的有代表性的元件焊接用基板100的剖面圖，具有以下結構在氮化鋁燒結體基板201上，在依次疊層以Ti為主要成分的第一襯底層202、以鉑為主要成分的第二襯底層203、以及金電極層204的基板200的金電極層上，疊層銀等金屬構成的阻擋層300和Sn系或In系的并且金含量低于20重量％的金屬構成的焊料層400。
首先，在氮化鋁燒結體基板(50.8mm×50.8mm×0.3mmt(株)トクャマ制)的表面上，使用濺射裝置，通過濺射法依次形成厚度為0.06μm的以Ti為主要成分的第一襯底層、厚度為0.2μm的以鉑為主要成分的第二襯底層、以及厚度為0.6μm的金電極層。接著，使用真空鍍敷裝置，在上述金電極層上，形成厚度2μm的Ag膜構成的阻擋層，接著，作為靶，通過使用Au和Sn的同時鍍敷法，形成金含量為10重量％的Au-Sn合金(融點217℃，楊氏模量為45.0GPa(25℃時))構成的厚度5μm的阻擋層，制作本發(fā)明的元件焊接用基板。接著，在這樣制作的元件焊接用基板的焊料層上搭載具有Au電極的半導體元件，使用管芯連接裝置在250℃下進行30秒焊接，制作元件焊接基板。
同樣地制作10個元件焊接基板，通過管芯共用測定器(1MADA社制)測定焊接強度時，平均焊接強度為2.8kgf/mm2，玻璃模式全部在焊料內(nèi)(焊料層被破壞剝離，而沒有各層間的剝離)。
實施例2作為靶，除了通過使用In(融點156℃，楊氏模量為12.7GPa(25℃時))的鍍敷法來形成厚度5μm的阻擋層以外，與實施例1同樣，制作元件焊接用基板，除了焊接溫度為210℃以外，與實施例1同樣，制作元件焊接基板。同樣制作10個元件焊接基板，與實施例1同樣，在測定焊接強度時，平均焊接強度為2.5kgf/mm2，剝離模式全部在焊料內(nèi)。
實施例3除了在實施例1中將阻擋層的材質從Ag改變?yōu)楸?所示的金屬以外，與實施例1同樣，制作元件焊接用基板和元件焊接基板，與實施例1同樣，測定焊接強度。其結果同時示于表1。
實施例4除了在實施例1中將阻擋層的膜厚改變?yōu)楸?所示的膜厚以外，與實施例1同樣，制作元件焊接用基板和元件焊接基板，與實施例1同樣，測定焊接強度。其結果同時示于表1。
實施例5除了在實施例1中將阻擋層的膜厚改變?yōu)楸?所示的膜厚以外，與實施例1同樣，制作元件焊接用基板和元件焊接基板，與實施例1同樣，測定焊接強度。其結果同時示于表1。
比較例1在實施例1中，不設置阻擋層，其他與實施例同樣，制作元件焊接用基板和元件焊接基板，測定焊接強度。其結果同時示于表1。如表1所示，在不設置阻擋層時，平均焊接強度為0.8kgf/mm2。
比較例2在實施例1中，將阻擋層的材質從Ag改變?yōu)镻t，其他與實施例1同樣，制作元件焊接用基板和元件焊接基板，測定焊接強度。其結果同時示于表1。如表1所示，即使設置阻擋層，而其材質不是本發(fā)明特定的金屬時，平均焊接強度僅為1.4kgf/mm2。
表1

Au10-Sn金含有量為10重量％的Au-Sn合金如以上那樣，通過使用本發(fā)明的元件焊接用基板，在表面上形成了金電極的基板的金電極上，使用高濃度錫的Au-Sn系焊料那樣的融點低、柔軟的焊料，可在低溫下高焊接強度地焊接半導體元件。而且，這樣焊接的本發(fā)明的元件焊接基板即使使用時的溫度差增大，也可以使焊接部位不被破壞，長期穩(wěn)定使用。特別是作為基板，使用在表面上形成了金電極的以氮化鋁為主要成分的陶瓷基板，除了這樣的特長以外，高頻介電損失也很小，同時還具有散熱使用時產(chǎn)生的熱的散熱特性良好的特長，是非常良好的元件焊接基板。
權利要求
1.一種元件焊接用基板，其特征在于，具有在表面上形成金電極層的基板的該金電極層上疊層從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層的疊層結構。
2.如權利要求1所述的元件焊接用基板，其中，表面上形成金電極層的基板是在以氮化鋁為主要成分的陶瓷基板上，依次疊層以Ti為主要成分的第一襯底層、以Pt為主要成分的第二襯底層、以及金構成的電極層的金屬化基板。
3.如權利要求1所述的元件焊接用基板，其中，從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層的厚度為0.2～5μm。
4.如權利要求1或2所述的元件焊接用基板，其中，在從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層上，還具有疊層以含有Sn或In為主要成分并且金含量低于20重量％的金屬構成的焊料層的疊層結構。
5.如權利要求4所述的元件焊接用基板，其中，形成焊料層的含有以Sn或In為主要成分并且金含量低于20重量％的金屬是25℃時的楊氏模量低于50GPa，而且融點低于280℃的金屬。
6.一種制造權利要求1或2所述的元件焊接用基板的方法，其特征在于，在表面上結合了金電極層的基板的該金電極層上，形成從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層。
7.如權利要求6所述的方法，其中，在形成了從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬構成的金屬層上，接著形成以Sn或In為主要成分并且金含量低于20重量％的金屬構成的焊料層。
8.一種元件焊接用基板的制造方法，其特征在于，在權利要求4或5所述的元件焊接用基板的焊料層上，搭載帶有電極的元件，以使該電極接觸所述焊料層，接著附加回流焊料。
9.一種元件焊接用基板，由權利要求8所述的方法制造成。
全文摘要
一種用于焊接元件的基板，包括氮化鋁等的基板，在其表面上形成金電極層，在金電極層上形成的金屬層包括從Ag、Cu、Ni和Pb構成的組中選擇的至少一種金屬，和在該金屬層上形成包含具有低融點的軟焊料的層，例如具有金含量不大于20wt％的Au－Sn型焊料層。通過以電極接觸上述基板的焊料層，然后在低溫下進行回流焊接的方式，來焊接具有電極的元件。上述基板使元件與基板高焊接強度地連接。
文檔編號H01L21/60GK1509499SQ0280836
公開日2004年6月30日 申請日期2002年5月29日 優(yōu)先權日2001年6月14日
發(fā)明者橫山浩樹 申請人:株式會社德山