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JP5413707B2 - 金属−セラミック複合基板及びその製造方法 - Google Patents

金属−セラミック複合基板及びその製造方法 Download PDF

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JP5413707B2 JP2005166162A JP2005166162A JP5413707B2 JP 5413707 B2 JP5413707 B2 JP 5413707B2 JP 2005166162 A JP2005166162 A JP 2005166162A JP 2005166162 A JP2005166162 A JP 2005166162A JP 5413707 B2 JP5413707 B2 JP 5413707B2
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solder
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Description

本発明は、電子回路用基板に用いられる、金属−セラミック複合基板及びその製造方法に関する。
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。
しかしながら、プリント基板の材料として、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の各種樹脂が使用されているので、低コストではあるが、放熱性がよくない。
特許文献１には、半導体搭載用回路基板の高密度実装化のために、Ａｌ，Ｃｕ等のパターニングされたメタルベース基板上に、絶縁フィラーを流し込んで、回路を形成するようにした半導体搭載用回路基板が開示されている。この文献においては、絶縁フィラーとして、厚さ１００μｍのシリカ含有エポキシ樹脂と、この樹脂の上面にアルミニウム及び銅からなる箔が配線層として形成されている。
特許文献２には、ＡｌＮからなるセラミック基板上に、Ｃｕ等の導電層を貼付等により設けて、この導電層をパターンニングすることにより、回路を形成するようにした、ＩＣパッケージなどに用いることができる金属薄膜積層セラミック基板が開示されている。
特許第３１５６７９８号 特許第２７６２００７号
ところで、上述した特許文献１による半導体搭載用回路基板においては、メタルベース基板を使用していることから、プリント基板よりも放熱性は良くなるが、配線層が、０．１ｍｍという厚いシリカ含有エポキシ樹脂上に形成されているために、放熱性が比較的低くなってしまうという課題がある。また、プリント基板よりも高価ではあるが比較的低コストで製造され得る。
また、上述した特許文献２によるセラミック基板においては、ＡｌＮのような熱伝導率の高いセラミック基板を用いた場合には、プリント基板や特許文献１によるメタルベース基板よりも放熱性は良好である。しかしながら、セラミック基板自体の焼結工程が必要であるなど、工程が複雑であると共に、歩留まりが悪く、プリント基板や特許文献１によるメタルベース基板よりもコストが高くなってしまうという課題がある。
また、回路構造が微細化してくると、所詮、ＣｕやＡｌを基板とする金属基板よりも熱伝導率熱が小さいセラミック基板の体積当りの熱抵抗は大きくなる。したがって、半導体素子を搭載するような微小回路、例えばサブマウントにおいては、サブマウント全体におけるＡｌＮ基板の熱抵抗が９０％以上となって放熱性が悪くなり、放熱性といった面で必ずしも適しているとはいえない。
これに対して、電子デバイスとしての半導体素子搭載用の回路基板においては、低コストの要求はあるものの、放熱性が最優先されている。このため、さらに、熱抵抗の小さい基板が望まれている。
本発明は、以上の点に鑑み、良好な放熱性を備え、かつ、低コストで製造することができる電子回路用基板に用いられる、金属−セラミック複合基板及びその製造方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の金属−セラミック複合基板は、金属基板と、金属基板上に形成されたセラミック層と、セラミック層上に形成されたセラミック層保護膜と、セラミック層保護膜上に形成された電極層と、電極層上に形成された半田層と、を備え、セラミック層は、窒化アルミニウムを用いたセラミック薄膜から構成され、セラミック層保護膜は、電極層とは異なるチタン、白金、ニッケル、タングステン、モリブデン、銀、銅、鉄、アルミニウム、金の何れか又はこれらの金属を２種類以上含んでなり、電極層及び半田層のパターンを形成する際にエッチングによりセラミック層がエッチングされないよう、且つ、セラミック層の表面粗さが大きくなるのを防止し、半田層は、フラックス無しでハンダ接合をすることができる鉛を用いない半田層であることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、前記セラミック保護層を形成していない領域のセラミック層上に、さらに上記半田層とは別の半田層が直接形成される。また、好ましくは、セラミック層、セラミック層保護膜、電極層及び半田層は、金属基板の表面及び裏面の両面にそれぞれ積層されている。
金属基板は、好ましくは、銅又はアルミニウムからなる。
半田層は、好ましくは、銀、金、銅、亜鉛、ニッケル、インジウム、ガリウム、ビスマス、アルミニウム、スズのうち、２種類以上の元素を含む。半田層は、好ましくは、金及びスズを含む。
上記構成によれば、金属基板として、好ましくは銅、アルミニウム等の金属を使用すると共に、この金属基板の表面にセラミック薄膜、好ましくは窒化物系セラミック、特に窒化アルミニウムからなる薄いセラミック層を形成することによって、セラミック薄膜自体の熱抵抗が小さくなり、金属基板の表面の熱抵抗を低くすることができる。したがって、金属基板の表面の熱抵抗が低減され、金属−セラミック複合基板の放熱性が向上することになる。このように、熱伝導率の大きい金属基板の体積を大きくし、かつ、回路形成が可能となるので、セラミック基板よりも熱抵抗の小さい金属−セラミック複合基板を提供することができる。
本発明の金属−セラミック複合基板の製造方法は、金属基板と、金属基板上に形成されたセラミック層と、セラミック層上に形成されたセラミック層保護膜と、セラミック層保護膜上に形成された電極層と、電極層上に形成された半田層と、から構成される金属−セラミック複合基板の製造方法であって、金属基板の表面を研磨し、金属基板の表面清浄化を行う工程と、表面清浄化を行った金属基板の表面に、セラミック層として窒化アルミニウムを用いたセラミック薄膜を形成する工程と、セラミック薄膜上の全面に、セラミック層保護膜を物理蒸着法により形成する工程と、セラミック層保護膜上に所定のパターンの上記電極層と上記半田層とをリフトオフ法により形成する工程と、上記所定のパターンの上記電極層と上記半田層とを形成した後で、所定のパターンを形成しない領域の不要なセラミック層保護膜を除去する工程と、を含み、セラミック層保護膜を、電極層とは異なるチタン、白金、ニッケル、タングステン、モリブデン、銀、銅、鉄、アルミニウム、金の何れか又はこれらの金属を２種類以上含んで形成することで、電極層及び半田層のパターンを形成する際にエッチングによりセラミック層がエッチングされないようにすると共に、セラミック層の表面粗さが大きくなるのを防止し、半田層を、フラックス無しでハンダ接合をすることができる鉛を用いない半田層とすることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、前記セラミック保護層を形成していない領域のセラミック層上に、さらに別の半田層を直接形成する工程を含む。また、好ましくは、セラミック層、セラミック層保護膜、電極層及び半田層を、金属基板の表面及び裏面の両面にそれぞれ形成する。
半田層を、好ましくは、銀、金、銅、亜鉛、ニッケル、インジウム、ガリウム、ビスマス、アルミニウム、スズのうち、２種類以上の元素を含む組成とする。半田層を、好ましくは、金及びスズを含む組成とする。
上記構成によれば、基板として金属を使用すると共に、この金属基板の表面にセラミック薄膜を形成することにより、熱伝導率の大きい金属基板の体積を大きくし、かつ、回路形成が可能となるので、セラミック基板よりも熱抵抗の小さい金属−セラミック複合基板を製造することができる。さらに、金属基板がメタルベース基板の場合とほぼ同様に低コストで製造され得ると共に、セラミック層としてのセラミック薄膜は、例えばＰＶＤ法等により形成され得るので、セラミック薄膜が焼結工程等の複雑な工程を必要とせず、全体として比較的低コストで製造されることになる。
本発明によれば、例えば半導体装置を搭載したときに半導体装置からの熱が熱抵抗の低いセラミック薄膜を介した後に、さらに、金属基板を通して放熱されることになり、放熱性が向上するので、熱抵抗の小さい金属−セラミック複合基板が得られる。従って、本発明の金属−セラミック複合基板を用いた半導体装置における温度上昇が小さくなり、半導体装置の性能や寿命を向上させることができる。この場合、金属基板及びこの金属基板の表面にセラミック薄膜を使用しているので、全体として低コストに製造することができることになる。
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及び図２は、本発明による金属−セラミック複合基板の構造を模式的に示す断面図である。図１において、金属−セラミック複合基板１０は、金属基板１１と、この金属基板１１の片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と、このセラミック層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。
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があってもよい。この電極層１３Ｂには、パターンが形成されていてもよい。また、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。
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。また、金属基板１１の裏面側と、電極層１３及び半田層１４と、の間にセラミック層１２を挿入してもよい。図２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としては、銅，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ることができる。このようなメタルベース基板は、例えば２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有していることが望ましい。
上記セラミック層１２としては、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（ＡｌＮ）等の窒化物系セラミック薄膜が使用される。
電極層１３としては金属が望ましく、とくに、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）の何れかを用いることができる。また、これらの金属の何れかを含む合金でもよい。
半田層１４については、鉛（Ｐｂ）を用いない、すなわち、Ｐｂフリーハンダが望ましい。さらには、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，スズ（Ｓｎ）のうち、２種類以上の元素を含んだハンダが好ましく用いられる。
また、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に密着層を配置してもよい。密着層としては、チタンを好適に用いることができる。
次に、本発明の金属−セラミック複合基板による半導体装置の実装について説明する。 図３は、本発明の金属−セラミック複合基板に半導体装置を搭載した構造を模式的に示す断面図である。図３に示すように、本発明の金属−セラミック複合基板１０において、半導体装置１５の下部電極１５Ａは半田層１４により金属−セラミック複合基板１０へハンダ接合をすることができる。また、Ａｕ−Ｓｎ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ハンダ接合をすることができる。
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などによりワイヤーボンディングして、接続することができる。
ここで、半導体装置１５とは、レーザーダイオード又は発光ダイオードのような発光素子、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、集積回路などである。
なお、図２においては搭載する電子部品として半導体装置１５を示しているが、受動素子や各種能動素子を含む電子回路であってもよい。
次に、半導体装置を搭載した金属−セラミック複合基板１０の熱抵抗について説明する。金属基板１１の裏面側がパッケージや放熱体に搭載され、金属−セラミック複合基板１０が半導体装置１５を搭載できる程度の面積であるときには、金属−セラミック複合基板１０の熱抵抗ＲT は、下記（１）式で計算することができる。
Figure 0005413707
 ここで、第１項は金属−セラミック複合基板１０の熱抵抗成分である。ｔM ，ｔC ，ｔE ，ｔS 及びκM ，κC ，κE ，κS は、それぞれ、金属基板１１，セラミック層１２，電極層１３Ａ，半田層１４の厚さ及び熱伝導率であり、Ａは半導体装置１５の面積である。第２項は半導体装置１５の熱抵抗成分であり、接合深さがｔD で、熱伝導率がκD である。第３項は、熱伝導率がκh であるパッケージや放熱体による熱抵抗成分である。
金属基板１１の厚さは、その取り扱いの容易さなどを考慮すると１００μｍ〜１ｍｍ程度であり、セラミック層１２，電極層１３Ａ，半田層１４の何れもそれらの厚さは概ね１０μｍ程度以下である。従って、上記（１）式は下記（２）式のように近似される。
Figure 0005413707
例えば、金属基板１１が銅（κM ＝３００Ｗ／ｍＫ）からなり、その厚さｔM を５００μｍとする。セラミック層１２は窒化アルミニウム（κC ＝２００Ｗ／ｍＫ）からなり、その厚さｔC を１０μｍとする。電極層１３ＡはＡｕ（κE ＝３１５Ｗ／ｍＫ）からなり、その厚さｔE を０．１μｍとする。そして、半田層１４がＡｕ−Ｓｎ（κS ＝５０Ｗ／ｍＫ）からなり、その厚さｔS を５μｍとする。
この場合には、上記（１）式の第１項で表わされる金属−セラミック複合基板１０において、金属基板１１の熱抵抗を１とすれば、セラミック層１２，電極層１３Ａ，半田層１４の熱抵抗は、それぞれ、０．０３，０．０００２，０．０６程度となる。これらの各層において、半田層１４，セラミック層１２，電極層１３Ａの順に熱抵抗は大きい。それでも、これらの各層による熱抵抗の合計は、金属基板１１による熱抵抗の約１／１５であり、本発明の金属−セラミック複合基板１０の熱抵抗は、上記（２）で近似できることが分かる。
次に、金属−セラミック複合基板１０Ａの熱抵抗について説明する。この場合には、金属基板１１の裏面にも、その表面側と同様にセラミック層１２，電極層１３Ａ，半田層１４を設け、金属基板１１の裏面側の各層の材質と厚さとが表面側の値と同じとする。金属−セラミック複合基板１０Ａの熱抵抗ＲT ’は、上記（１）式に、さらに、金属基板１１の裏面側に設けたセラミック層１２，電極層１３Ａ，半田層１４による熱抵抗成分を加えた下記（３）式で計算することができる。
Figure 0005413707
熱抵抗ＲT ’も、金属−セラミック複合基板１０で説明したと同様に、金属基板１１の熱抵抗に比べて、金属基板１１の両面側に設けたセラミック層１２，電極層１３Ａ，半田層１４による熱抵抗成分が十分に小さい。したがって、金属基板１１の表面及び裏面にセラミック層１２，電極層１３Ａ，半田層１４を設けた金属−セラミック複合基板１０Ａの熱抵抗ＲT ’も、上記（２）式で近似することができる。
これにより、本発明の金属−セラミック複合基板１０及び１０Ａによれば、絶縁物であるセラミック層１２の厚さを金属基板１１よりも十分に薄くすれば、熱抵抗は最も厚い金属基板１１により決まる。したがって、本発明の金属−セラミック複合基板１０の熱抵抗は金属基板１１とほぼ同程度の値となる。
次に、本発明による金属−セラミック複合基板の変形例について説明する。
図４及び図５は、本発明による金属−セラミック複合基板の変形例の構造を模式的に示す断面図である。図４に示す金属−セラミック複合基板２０が、図１に示した金属−セラミック複合基板１０と異なるのは、セラミック層１２上に直接、上記半田層１４とは別に、半田層２２を形成している点である。この半田層２２は、電極層１３と接続して電気回路を構成してもよい。また、他の電子回路部品を搭載するための配線パターンとすることもできる。半田層２２は、電極層１３上に設ける半田層１４の形成時に同時に形成することができる。
金属基板１１の裏面側にも電極層１３や半田層１４を設けることができる。また、金属基板１１の裏面側と、電極層１３及び半田層１４と、の間にセラミック層１２を挿入してもよい。図５に示す金属−セラミック複合基板２０Ａ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。
次に、本発明による金属−セラミック複合基板の別の変形例３０について説明する。
図６及び図７は、本発明による金属−セラミック複合基板の別の変形例の構造を模式的に示す断面図である。図６に示す金属−セラミック複合基板３０が、図１に示した金属−セラミック複合基板１０と異なるのは、セラミック層１２と電極層１３との間に、セラミック層保護膜２４を挿入した点にある。
セラミック層保護膜２４は、本発明の金属−セラミック複合基板３０を製造する際に、最初にセラミック層１２の全面に被覆する層であり、電極層１３及び半田層１４のパターンを形成する際の工程においてエッチングなどによりセラミック層１２がエッチングされたり、その表面粗さが大きくなるのを防止するために設けている。そして、このセラミック層保護膜２４は、半田層１４を形成した後で、不要な領域を除去することにより金属−セラミック複合基板３０上に形成する電極層１３との絶縁分離をすることができる。
ここで、セラミック層保護膜２４は、セラミック層１２との密着性が良好で、電極層１４とは異なる金属が望ましく、チタン、白金、ニッケル、タングステン、モリブデン（Ｍｏ）、銀、銅、鉄、アルミニウム、金の何れかを用いることができる。また、これらの金属を２種類以上含んでもよい。例えば、セラミック層１２上にチタンを積層して形成することができる。
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。また、金属基板１１の裏面側と、電極層１３及び半田層１４と、の間にセラミック層１２を挿入してもよい。図７に示す金属−セラミック複合基板３０Ａ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。
本発明の金属−セラミック複合基板１０，２０，３０において、上記セラミック層１２は、金属基板１１の表面全体に形成してもよい。また、必要に応じて、金属基板１１の表面の所定部分に形成してもよい。この場合には、セラミック層１２の堆積の前に、フォトリソグラフィー法でパターニングを施した後で、セラミック層１２を堆積して、その後でパターニングに用いたレジスト膜をエッチングする、所謂リフトオフ法で、所定の領域にのみセラミック層１２を形成することができる。また、所定部分が開口した金属マスクを金属基板１１の上に載置した状態で、セラミック層１２を堆積してもよい。この場合には金属マスクの開口部だけにセラミック層１２が形成される。
さらに、本発明の金属−セラミック複合基板１０Ａ，２０Ａ，３０Ａに示したように、金属基板１１の表面側の片面だでけでなく裏面側にも、即ち両面に、セラミック層１２，電極層１３，半田層１４を設けてもよい。また、必要に応じて、セラミック層１２と電極層１３との間に、セラミック層保護膜２４を挿入してもよい。
本発明の金属−セラミック複合基板１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０，３０Ａの特徴は、低コストの金属基板１１の表面に、放熱性の良好なセラミック薄膜によるセラミック層１２を形成したことにある。これにより、本発明の金属−セラミック複合基板１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０，３０Ａによれば、熱抵抗の小さい接合を形成することができる。このため、本発明の金属−セラミック複合基板１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０，３０Ａを用いた半導体装置における熱抵抗が小さくなり、半導体装置の性能や寿命を向上できる。
次に、本発明の金属−セラミック複合基板の製造方法について説明する。
最初に、金属基板１１を用意し、その両面を研磨した後、研磨済み金属基板１１を洗浄し、表面清浄化を行い、金属基板１１の表面に、セラミック層１２としてのＡｌＮ薄膜を形成する。このセラミック層１２は、例えばＰＶＤ法（物理蒸着法：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ法（化学気相反応法：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成することができる。
続いて、フォトリソグラフィー法によるパターニングを行う。具体的には、金属基板１１の表面全体をスピナーを用いてレジストを均一塗布した後、ベーキング炉によって所定のベーキングを行い、マスクアライナー装置を用いてガンマ線コンタクト露光を行う。
露光後、テトラメチルアミン系の現像液により、電極層１３となる部分のレジストを溶解し、セラミック層１２を露出させる。
次に、リフトオフ工程によりセラミック層１２の上面に電極層１３の形成を行なう。具体的には、レジスト剥離液により上記パターニング工程において形成されたレジスト膜を、レジスト膜上に蒸着した金属層とともに、レジスト膜の膨潤を利用して除去する。これにより、セラミック層１２上に所定のパターンを有する電極層１３を形成することができる。レジスト剥離液としては、アセトン、イソプロピルアルコールやその他のレジスト剥離液を用いることができる。
続いて、上記電極層１３と同様にフォトリソグラフィー法及び真空蒸着装置を用いたリフトオフ工程を行い、金属基板１１の表面に形成された電極層１３の一部に半田層１４を形成する。
最後に、得られた金属基板１１を、ダイシング装置などを用いて所定のサブマウント１０の寸法に分割する。以上で、金属−セラミック複合基板１０が完成する。
また、金属−セラミック複合基板２０の場合には、電極層１３上の半田層１４の形成と同時に、セラミック層１２上に形成する半田層２２を形成すればよい。
さらに、金属−セラミック複合基板３０の場合には、セラミック層１２の形成後に、セラミック層１２の表面の全面にセラミック層保護膜２４となる金属膜を形成する。この後の工程は、金属−セラミック複合基板１０の場合と同様に行なうことができる。そして、半田層１４の形成後に必要に応じて、不要なセラミック層保護膜２４をエッチングにより除去すればよい。
また、本発明の金属−セラミック複合基板１０Ａ，２０Ａ，３０Ａの場合には、基板表面側だけではなく、さらに、金属基板１１の表面側と同様の工程でその裏面側にも、セラミック層１２，電極層１３，半田層１４を設けることにより製造することができる。また、必要に応じて、セラミック層１２と電極層１３との間に、セラミック層保護膜２４を挿入してもよい。
本発明の金属−セラミック複合基板１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０，３０Ａの製造方法の特徴は、Ｃｕ，Ａｌ等の金属基板１１の表面、又は表面及び裏面、つまり、両面にＡｌＮ等のセラミック薄膜１２を形成したことにある。
これにより、本発明の金属−セラミック複合基板１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０，３０Ａの製造方法によれば、半導体装置１５との熱抵抗が小さく、放熱性の良好な金属−セラミック複合基板を、低コストで歩留まりよく製造することができる。
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、実施例の金属−セラミック複合基板３０Ａの製造方法について説明する。
５０ｍｍ×５０ｍｍの大きさで、厚さが３００μｍであり、熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫのＣｕからなる金属基板１１の両面を洗浄して表面清浄化を行ない、この金属基板１１の表面及び裏面全体に、厚さ１０μｍのＡｌＮからなるセラミック層１２をＰＶＤ法により形成した。ＰＶＤ法としては、スパッタ装置を用いた。ターゲットとしてＡｌを用い、さらに、窒素ガスを同時に供給することでＡｌＮ薄膜１２を堆積した。このＡｌＮ薄膜の熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫであった。
次に、ＡｌＮ薄膜１２の表面及び裏面の全面にセラミック層保護膜２４となる、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫのＴｉを、真空蒸着装置により０．０５μｍ堆積した。
続いて、フォトリソグラフィー法によるパターニングを行うため、ＡｌＮ薄膜１２及びセラミック層保護膜２４を形成した金属基板１１の表面全体をスピナーを用いてレジストを均一に塗布した後、ベーキング炉によって所定のベーキングを行い、マスクアライナー装置を用いてガンマ線コンタクト露光を行った。露光用のマスクは１ｍｍ角のサブマウント寸法で２５００個分を同時にパターニングできるように、マスクを設計した。
露光後、テトラメチルアミン系液現像液により、電極層１３となる部分のレジストを溶解し、セラミック層保護膜２４を露出させた。この際、金属基板１１の裏面側のセラミック層保護膜２４には、パターニングを施さなかった。
次に、真空蒸着装置により金属基板１１の表面及び裏面側のセラミック層保護膜２４に、熱熱伝導率が３１５Ｗ／ｍＫの金を蒸着した。そして、金属基板１１の表面側のセラミック層保護膜２４膜に形成したレジストパターンにリフトオフ工程を施した。具体的には、アセトンを用いてレジスト全体を溶解させることにより、電極層１３以外のＡｕを除去し、所定の電極層１３を形成した。電極層１３の厚さは０．１μｍであり、そのサイズは両面共に８００μｍ角であった。
続いて、電極層１３と同様にフォトリソグラフィー法および真空蒸着装置を用い、金属基板１１の表面に形成した電極層１３の一部に、厚さ５μｍの半田層１４をリフトオフ工程により形成した。半田層１４としては、熱熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫのＡｕ0.8 Ｓｎ0.2 （元素比）を使用した。半田層１４のサイズは、半導体素子接合面が５００μｍ角、サブマウント接合面が８００μｍ角である。この際、金属基板１１の裏面側に設けたＡｕ層上の半田層１４には、パターニングを施さなかった。
最後に、得られた金属基板１１を、ダイシング装置を用いて、１ｍｍ角に切断し、実施例の金属−セラミック複合基板３０Ａを製造した。
次に、比較例について説明する。
（比較例１）
図８に示すように、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫで厚さが５２０μｍのＡｌＮからなるセラミック基板５１の表面及び裏面に、蒸着法により厚さ０．０５μｍのＴｉ及び厚さ０．１μｍのＡｕからなる電極層５２及び厚さ５μｍのＡｕ0.8 Ｓｎ0.2 （元素比）からなる半田層５３を形成して、セラミック基板による回路基板５０を製造した。セラミック基板５１の大きさと、その表面側に設けた電極層５２及び半田層５３のパターン寸法と、は実施例と同じとした。
（比較例２）
図９に示すように、熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫで、厚さ５００μｍのＣｕからなる金属基板６１の両面に、厚さ１０μｍのフィラー（１０Ｗ／ｍＫ）による絶縁層６２を形成し、さらにその上から蒸着法により厚さ０．０５μｍのＴｉ及び厚さ０．１μｍのＡｕからなる電極層６３及び厚さ５μｍのＡｕ0.8 Ｓｎ0.2 （元素比）からなる半田層６４を形成して、回路基板６０を製造した。金属基板６１の大きさと、その表面側に設けた電極層６３及び半田層６４のパターン寸法とは実施例と同じとした。
次に、実施例の金属−セラミック複合基板３０Ａ及び比較例１，２の回路基板５０，６０の諸特性について説明する。
実施例で製造した金属−セラミック複合基板３０Ａ及び比較例１，２で製造した回路基板５０，６０に対して、それぞれ半田層に対して発光ダイオードを接合し、通電後の温度上昇及び熱抵抗を測定した（表１参照）。
Figure 0005413707
実施例による金属−セラミック複合基板３０Ａでは、熱抵抗は２．０℃／Ｗであり、またチップ側温度と放熱側温度との温度差は３．０℃であった。
これに対して、比較例１の回路基板５０では、熱抵抗は２．８℃／Ｗであり、またチップ側温度と放熱側温度との温度差は４．２℃であった。さらに、比較例２の回路基板６０では、熱抵抗は３．９℃／Ｗであり、またチップ側温度と放熱側温度との温度差は５．８℃であった。
このようにして、上記実施例及び比較例によれば、実施例の半導体装置１５を搭載する金属−セラミック複合基板３０Ａにおいて、金属基板１１の表面にセラミック薄膜によるセラミック層１２を形成することによって、低コストでしかも熱抵抗の小さい金属−セラミック複合基板３０Ａが得られた。
本発明は、上記実施例に記載の発光ダイオードに限定されるものではなく、裏面電極を有する半導体装置や回路部品であれば適用でき、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。例えば、半導体装置は発光ダイオードなどにに限定されることなく、また、金属基板１１として、Ｃｕ，Ａｌを使用した場合について説明したが、これに限らず、金属基板１１は、他の金属から構成されていてもよい。
また、上述した実施形態においては、セラミック層１２は、ＡｌＮから構成されているが、これに限らず、他のセラミック材料から構成されていてもよい。さらに、電極層１３や半田層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。
本発明による金属−セラミック複合基板の構造を模式的に示す断面図である。 本発明による金属−セラミック複合基板の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の金属−セラミック複合基板に半導体装置を搭載した構造を模式的に示す断面図である。 本発明による金属−セラミック複合基板の変形例の構造を模式的に示す断面図である。 本発明による金属−セラミック複合基板の変形例の構造を模式的に示す断面図である。 本発明による金属−セラミック複合基板の別の変形例の構造を模式的に示す断面図である。 本発明による金属−セラミック複合基板の別の変形例の構造を模式的に示す断面図である。 比較例１の構成を模式的に示す断面図である。 比較例２の構成を模式的に示す断面図である。
符号の説明
１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０，３０Ａ：金属−セラミック複合基板
１１，６１：金属基板
１２：セラミック層（セラミック薄膜）
１３，５２，６３：電極層
１４，５３，６４：半田層
１５：半導体装置
１５Ａ：上部電極
１５Ｂ：下部電極
１６：Ａｕ線
２２：半田層（セラミック層上に形成される半田層）
２４：セラミック層保護膜

Claims (11)

  1. 金属基板と、該金属基板上に形成されたセラミック層と、該セラミック層上に形成されたセラミック層保護膜と、該セラミック層保護膜上に形成された電極層と、該電極層上に形成された半田層と、を備え、
    上記セラミック層は、窒化アルミニウムを用いたセラミック薄膜から構成され、
    上記セラミック層保護膜は、上記電極層とは異なるチタン、白金、ニッケル、タングステン、モリブデン、銀、銅、鉄、アルミニウム、金の何れか又はこれらの金属を２種類以上含んでなり、上記電極層及び上記半田層のパターンを形成する際にエッチングにより上記セラミック層がエッチングされないよう、且つ、該セラミック層の表面粗さが大きくなるのを防止し、
    上記半田層は、フラックス無しでハンダ接合をすることができる鉛を用いない半田層であることを特徴とする、金属−セラミック複合基板。
  2. 前記セラミック保護層を形成していない領域の前記セラミック層上に、さらに別の半田層が直接形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミック複合基板。
  3. 前記セラミック層、前記セラミック層保護膜、前記電極層及び前記半田層は、前記金属基板の表面及び裏面の両面にそれぞれ積層されていることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミック複合基板。
  4. 上記金属基板が、銅又はアルミニウムからなることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミック複合基板。
  5. 上記半田層は、銀、金、銅、亜鉛、ニッケル、インジウム、ガリウム、ビスマス、アルミニウム、スズのうち、２種類以上の元素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミック複合基板。
  6. 上記半田層は、金及びスズを含むことを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミック複合基板。
  7. 金属基板と、該金属基板上に形成されたセラミック層と、該セラミック層上に形成されたセラミック層保護膜と、該セラミック層保護膜上に形成された電極層と、該電極層上に形成された半田層と、から構成される金属−セラミック複合基板の製造方法であって、
    上記金属基板の表面を研磨し、該金属基板の表面清浄化を行う工程と、
    上記表面清浄化を行った金属基板の表面に、上記セラミック層として窒化アルミニウムを用いたセラミック薄膜を形成する工程と、
    上記セラミック薄膜上の全面に、セラミック層保護膜を物理蒸着法により形成する工程と、
    上記セラミック層保護膜上に所定のパターンの上記電極層と上記半田層とをリフトオフ法により形成する工程と、
    上記所定のパターンの上記電極層と上記半田層とを形成した後で、該所定のパターンを形成しない領域の不要なセラミック層保護膜を除去する工程と、
    を含み、
    上記セラミック層保護膜を、上記電極層とは異なるチタン、白金、ニッケル、タングステン、モリブデン、銀、銅、鉄、アルミニウム、金の何れか又はこれらの金属を２種類以上含んで形成し、上記電極層及び上記半田層のパターンを形成する際にエッチングにより上記セラミック層がエッチングされないようにすると共に、該セラミック層の表面粗さが大きくなるのを防止し、
    上記半田層を、フラックス無しでハンダ接合をすることができる鉛を用いない半田層とすることを特徴とする、金属−セラミック複合基板の製造方法。
  8. 前記セラミック保護層を形成していない領域の前記セラミック層上に、さらに別の半田層を直接形成する工程を含むことを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミック複合基板の製造方法。
  9. 前記セラミック層、前記セラミック層保護膜、前記電極層及び前記半田層を、前記金属基板の表面及び裏面の両面にそれぞれ形成することを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミック複合基板の製造方法。
  10. 上記半田層を、銀、金、銅、亜鉛、ニッケル、インジウム、ガリウム、ビスマス、アルミニウム、スズのうち、２種類以上の元素を含む組成とすることを特徴とする、請求項７〜９の何れかに記載の金属−セラミック複合基板の製造方法。
  11. 上記半田層を、金及びスズを含む組成とすることを特徴とする、請求項１０に記載の金属−セラミック複合基板の製造方法。
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