CN109643748B - 光半导体装置及光半导体装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
发光装置(10)包括：具有上表面(31)开口的凹部(34)的封装基板(30)、收纳在凹部(34)中的发光元件(20)、配置为覆盖凹部(34)的开口的窗部件(40)、以及对封装基板(30)与窗部件(40)之间进行密封的金属接合部(53)。封装基板(30)具有：设置有金属电极的安装面(61)，其中，该金属电极安装有发光元件(20)；框状地设置在安装面(61)的外侧的分离面(62)；以及从分离面(62)向上表面(31)倾斜的光反射面(63)，并且避开分离面(62)在光反射面上设置有金属层。
Description
技术领域
本发明涉及光半导体装置，尤其涉及具有光半导体元件的光半导体装置。
背景技术
近年来，输出蓝色光的二极管或激光二极管等半导体发光元件被实用化，并且输出波长更短的深紫外光的发光元件的开发正在被推进。因深紫外光具有较高的杀菌能力，所以能够输出深紫外光的半导体发光元件作为在医疗或食品加工现场的无水银的杀菌用光源而受到瞩目。另外，无论输出波长如何，发光强度更高的半导体发光元件的开发正在被推进。
发光元件收纳在用于保护元件免受外部环境影响的封装内。例如，通过将安装有发光元件的基板与配置在该基板上的玻璃盖共晶接合来密封发光元件。盖体是在金属框体的开口部嵌入透光性的窗部件，在基板的外周设置有金属制的密封圈，在金属框体和密封圈之间经由钎料安装。(例如，参照专利文献1)。
[在先技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本特开2005-191314号公报
发明内容
[发明要解决的课题]
经由钎料接合基板和盖体时，为提高接合性希望一边向基板与盖体之间的钎料施加负荷一边密封。这时，从基板和盖体间被挤出的钎料的一部分如果流到发光元件的安装面，就会存在使布线间短路、造成制造成品率下降的顾虑。
本发明是鉴于以上课题而完成的，其示例性的目的之一在于提供一种提高光半导体装置的可靠性以及制造成品率的技术。
[用于解决技术课题的技术方案]
本发明的一种方案的光半导体装置，包括：具有上表面开口的凹部的封装基板，收纳在凹部中的光半导体元件，配置为覆盖凹部开口的窗部件，以及对封装基板与窗部件之间进行密封的金属接合部。封装基板具有：设置有金属电极的安装面，其中，该金属电极安装有光半导体元件；框状地设置在安装面的外侧的分离面；以及从分离面向上表面倾斜的光反射面，并且避开分离面在光反射面上设置有金属层。
根据本方案，通过在倾斜的光反射面上设置金属层，能够使被输出到光半导体元件侧面的光由金属层反射而射向窗部件，提高光半导体装置的光输出。另外，通过在光反射面和安装面之间设置不被金属层覆盖的分离面，能够在使用金属接合材料对封装基板与窗部件之间进行密封时，通过分离面阻止顺着倾斜的光反射面流动的金属接合材料的流动。由此，能够抑制金属接合材料流到安装面而造成的成品率的下降。
分离面也可以设置在比安装面高一级的位置。
金属层也可以避开安装面与分离面之间的侧面而设置。
金属层也可以进一步框状地设置在封装基板的上表面上，金属接合部也可以与设置在上表面的金属层接合。
分离面也可以具有100μm以上的宽度。
光半导体元件可以为发出深紫外光的发光元件，窗部件可以包含深紫外光的透光率为 80％以上的玻璃板。金属层包含金(Au)，金属接合部也可以包含金锡合金(AuSn)。
本发明的其他方案为光半导体装置的制造方法。该方法包括：在具有上表面开口的凹部的封装基板的凹部中收纳光半导体元件的步骤，将窗部件配置为覆盖凹部开口的步骤，以及通过金属接合材料对封装基板与窗部件之间进行密封的步骤。封装基板具有：设置有金属电极的安装面，其中，该金属电极安装有光半导体元件；框状地设置在安装面的外侧的分离面；以及从分离面向上表面倾斜的光反射面，并且避开分离面在光反射面和上表面上设置有金属层，密封步骤包括一边在封装基板与窗部件之间施加负荷一边加热金属接合材料的步骤。
根据本方案，在一边在封装基板的上表面与框体之间施加负荷一边加热熔融金属接合材料时，能够通过分离面阻止顺着倾斜的光反射面流动的金属接合材料的流动。由此，能够抑制金属接合材料流到安装面而造成的成品率的下降，并通过施加负荷的接合工序实现高可靠性的密封结构。
发明效果
根据本发明，能够提高具有光半导体元件的光半导体装置的可靠性。
附图说明
图1是概略地示出实施方式涉及的发光装置的截面图。
图2是概略地示出图1的发光装置的俯视图。
图3是示出实施方式涉及的发光装置的制造方法的流程图。
图4是概略地示出发光装置的制造工序的截面图。
图5是概略地示出变形例涉及的发光装置的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。在说明中对相同的要素标注相同的符号，并适当省略重复的说明。为帮助理解说明，各附图中的各构成要素的尺寸比未必与实际装置的尺寸比一致。
图1是概略地示出实施方式的发光装置10的截面图，图2是概略地示出图1的发光装置10的俯视图。发光装置10包括：发光元件20、封装基板30、窗部件40、以及密封结构50。发光装置10为包括作为光半导体元件的发光元件20的光半导体装置。
发光元件20为构成为发出中心波长λ约在360nm以下的“深紫外光”的LED(LightEmitting Diode：发光二极管)芯片。为了输出上述波长的深紫外光，发光元件20由禁带宽度约为3.4eV以上的氮化铝镓(AlGaN)系半导体材料构成。本实施方式尤其示出发出中心波长λ约为240nm～350nm的深紫外光的情况。
发光元件20具有：半导体层叠结构22、光出射面24、第一元件电极26、以及第二元件电极27。
半导体层叠结构22包括：层叠在作为光出射面24的基板上的模板层(テンプレート層)， n型包覆层、有源层、以及p型包覆层等。在发光元件20构成为输出深紫外光的情况下，作为光出射面24的基板使用蓝宝石(Al2O3)基板，作为半导体层叠结构22的模板层使用氮化铝(AlN)层。另外，半导体层叠结构22的包覆层和有源层由AlGaN系半导体材料构成。
第一元件电极26和第二元件电极27是用于向半导体层叠结构22的有源层提供载流子的电极，分别为阳极电极或阴极电极。第一元件电极26和第二元件电极27设置在光出射面24的相反侧。第一元件电极26安装在基板30的第一内侧电极36上，第二元件电极 27安装在基板30的第二内侧电极37上。
封装基板30是具有上表面31和下表面32的矩形部件。封装基板30是包含氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)等的陶瓷基板，并且是所谓的高温共烧陶瓷多层基板(HTCC、 HighTemperature Co-fired Ceramic)。
在封装基板30的上表面31上设置有用于收纳发光元件20的凹部34。凹部34中设置有安装面61、分离面62、以及光反射面63。安装面61设置在凹部34的中央部，设置有用于安装发光元件20的第一内侧电极36和第二内侧电极37。分离面62设置为包围安装面61的外侧或者外周，并设置在比安装面61高一级的位置。光反射面63设置在分离面62的外侧，从分离面62向上表面31倾斜。在封装基板30的下表面32上设置有用于将发光装置10安装在外部基板等的第一外侧电极38和第二外侧电极39。
窗部件40是设置为覆盖凹部34的开口的板状保护部件。窗部件40由透过发光元件20发出的紫外光的材料构成，例如可使用玻璃、石英、水晶、蓝宝石等。窗部件40特别优选为由深紫外光的透射率高，耐热性及气密性高的材料构成，优选为由比封装基板30 的热膨胀系数小的材料构成。作为具备上述特性的材料，希望将石英玻璃用于窗部件40。发光元件20发出的紫外光经由窗部件40从窗部件40的外表面43被输出到封装的外部。
密封结构50具有：第一金属层51、第二金属层52、以及金属接合部53。
第一金属层51框状地设置在封装基板30的上表面31。第一金属层51具有与矩形的封装基板30对应的矩形框形状，四角为R倒角(R面取り)。第一金属层51例如通过对陶瓷基板进行金属化处理而形成。第一金属层51通过在包含钨(W)或钼(Mo)等的基材上镀镍(Ni)或金(Au)等而形成，例如具有W/Ni/Au的层叠结构。第一金属层51与金属接合部53接合。
第一金属层51也设置在封装基板30的光反射面63上。通过在倾斜的光反射面63上设置金属层，能够使被输出到发光元件20侧面的深紫外光向窗部件40反射而出射到封装的外部。另一方面，第一金属层51避开分离面62来设置。即，分离面62上未形成金属层，也可以说未形成第一金属层51的区域为分离面62。另外，位于安装面61与分离面 62之间的侧面64上也未形成第一金属层51。
第二金属层52框状地设置在窗部件40的内表面44。第二金属层52具有与矩形的窗部件40对应的矩形框形状，四角为R倒角。第二金属层52由真空蒸镀或溅射等方法形成。第二金属层52为在窗部件40的内表面44上以钛(Ti)、铂(Pt)、金(Au)的顺序层叠的多层膜。此外，也可以用铬(Cr)代替钛(Ti)，可以用铜(Cu)或镍(Ni)代替铂(Pt)。第二金属层52与金属接合部53接合。
金属接合部53设置在第一金属层51与第二金属层52之间，在封装的外周部将封装基板30与窗部件40之间接合并密封。金属接合部53构成为填充第一金属层51与第二金属层52之间并位于隔着第二金属层52的两侧(封装的内侧和外侧的两侧)。金属接合部 53由低熔点的金属材料构成，例如包含金锡(AuSn)或银锡(AgSn)的合金。金属接合部53在熔融状态下在第一金属层51与第二金属层52之间扩散形成共晶接合。为使金属接合部53具有高密封可靠性并且熔融温度为300℃以下的低温，优选为由锡(Sn)的含量为20％wt～24％wt的金锡合金构成。
密封结构50构成为第二金属层52的全体重叠在第一金属层51上，并构成为第二金属层52的全体未位于设置有第一金属层51的区域内。即，构成为第二金属层52不位于未设置有第一金属层51的区域上，第一金属层51与第二金属层52未被错位配置。具体来说，第一金属层51和第二金属层52各自的外形尺寸和内形尺寸调整为如下详述的预定尺寸。
图2概略地示出封装基板30和窗部件40的尺寸。如图所示，第一金属层51的外形尺寸w11比第二金属层52的外形尺寸w21大，第一金属层51的内形尺寸w12比第二金属层52的内形尺寸w22小。所以，第一金属层51的外形尺寸w11与内形尺寸w12的差对应的宽度w13比第二金属层52的外形尺寸w21与内形尺寸w22的差对应的宽度w23大。另外，第一金属层51的宽度w13构成为第二金属层52的宽度w23的2倍以上。
在一个实施例中，封装基板30的外形尺寸w10为3.5mm，第一金属层51的外形尺寸w11为3.2mm，第一金属层51的内形尺寸w12为2.3mm，第一金属层51的宽度w13为 0.45mm。另外，窗部件40的外形尺寸w20为3.4mm，第二金属层52的外形尺寸w21为 3.0mm，第二金属层52的内形尺寸w22为2.6mm，第二金属层52的宽度w23为0.2mm。在本实施例中，第一金属层51与第二金属层52的内形尺寸差(0.3mm)比第一金属层51 与第二金属层52的外形尺寸差(0.2mm)大。
分离面62包围安装面61外周的宽度w3设置为100μm以上，优选为宽度w3设置为 150μm以上。通过将分离面62的宽度w3设置为一定程度以上，即使在熔融状态的金属接合材料从上表面31向光反射面63流动，也能够通过未设置第一金属层51的分离面62 阻止其流动，使金属接合材料停留在分离面62上。
接下来说明发光装置10的制造方法。
图3是示出实施方式的发光装置10的制造方法的流程图。在封装基板30的凹部34中收纳发光元件20(S10)，使封装基板30的第一金属层51和窗部件40的第二金属层52 对位，在第一金属层51与第二金属层52之间配置有金属接合材料56(参照后文说明的图4)(S12)。接下来，一边在封装基板30与窗部件40之间施加负荷一边加热金属接合材料至熔融状态(S14)。然后，一边在封装基板30与窗部件40之间施加负荷一边冷却金属接合部53使其固化(S16)。
图4是概略地示出发光装置10的制造工序的截面图，示出配置金属接合材料56，并将封装基板30和窗部件40对位的工序。封装基板30和窗部件40进行对位使得第二金属层52的全体位于第一金属层51的区域上。例如，通过将封装基板30和窗部件40的中心位置对齐来进行对位，从而能够将第二金属层52的全体配置在第一金属层51上。除此之外，也可以以封装基板30的四角中的某一个与窗部件40的四角中的某一个对齐来进行对位。这种情况下，根据上述尺寸的实施例，封装基板30与窗部件40的中心位置在±50μ m的范围内错位，即使发生这样的错位也能够配置为第二金属层52的全体位于第一金属层51上。
对位后的第一金属层51与第二金属层52之间配置有金属接合材料56。金属接合材料56为具有与第二金属层52对应的矩形框装的金锡预制件(プリフォーム)。金属接合材料56例如具有与第二金属层52相同的外形尺寸和内形尺寸。金属接合材料56也可以预先被临时固定在第一金属层51或第二金属层52上。金属接合材料56的厚度为10μm～ 50μm的程度，优选为15μm～30μm的程度。通过使用上述形状及厚度的预制件一边施加负荷60一边密封，能够形成厚度为5μm～20μm的程度的金属接合部53。此外，密封时施加的负荷60为50g以上，优选为100g以上，最优选为200g以上。
金属接合材料56被一边施加负荷60一边加热熔融，在第一金属层51与第二金属层52之间扩散。因金属接合材料56被从封装基板30与窗部件40之间挤压出来，所以金属接合材料56的一部分可能顺着倾斜的光反射面63流到凹部34的内侧。但是，因为光反射面63与安装面61之间设置有未覆盖金属层的分离面62，所以利用针对熔融金属的润湿性的不同能够使接合材料的流动在分离面62上停下。例如，使熔融金属在润湿性低的分离面62上鼓起为球状而停在该处。
将金属接合材料56加热熔融的工序，优选为在氮气(N2)等惰性气体的环境下进行。由此，能够防止成为熔融状态的金锡预制件氧化并向封装的内部填充惰性气体。但是，本实施方式涉及的加热熔融工序也可以在包含氧气(O2)的干燥空气的环境下完成。通过一边施加负荷一边使金锡预制件加热熔融，能够防止第一金属层51与第二金属层52之间的金属接合材料56氧化并进行密封。
通过以上构成，根据本实施方式，能够提高发光装置10的光提取效率及密封可靠性并防止密封工序的成品率下降。根据一个实施例，为了能够以较低温(300℃程度)进行密封使用金锡合金作为金属接合材料，并对光反射面63进行镀金。因为金(Au)是对深紫外光的反射率较高的材料，所以通过形成为镀金的光反射面63能够进一步提高光提取效率。另外，即使金属接合材料56的一部分流到光反射面63，由于接合材料的主要成分是金(Au)，所以金锡结合材料的附着对光反射面63的反射率造成的影响也较小。所以，为提高密封可靠性而增加金属结合材料56的量，即使流到光反射面63的接合材料的量增加，也能维持光反射面63较高的反射率。
图5是概略地示出变形例的发光装置110的截面图。在本变形例中，封装基板130的安装面161的外侧设置有第一光反射层163和第二光反射层164，在第一光反射层163与第二光反射层164之间设置有分离面162这一点上与上述的实施方式不同。即，在本变形例中，安装面161的外周设置有第一光反射层163，第一光反射层163的外周设置有分离面162。在第一光反射层163和第二光反射层164设置有金属层，而分离面162上未设置有金属层。本变形例也能够与上述的实施方式取得相同的效果。
以上，基于实施方式说明了本发明。本领域技术人员应理解，本发明并不限于上述实施方式，可能有各种设计变更、各种变形例，并且这些变形例也属于本发明的范围内。
在上述实施方式及变形例中，示出了发光装置的封装内仅包含发光元件的情况。在更进一步的变形例中，也可以为具有附加功能而将发光元件以外的电子部件组装到封装内。例如，也可以将用于保护发光元件免受电涌的齐纳二极管组装到壳体内。另外，也可以将用于转换发光元件输出的光的波长的荧光体组装到其中，也可以将用于控制发光元件发出的光的取向的光学元件组装到其中。
在上述实施方式及变形例中，示出了将半导体发光元件密封在封装内的发光装置。在更进一步的变形例中，也可以将上述密封结构用于密封受光元件。例如，也可以将上述的封装结构用于接收深紫外光的受光元件的密封。即，上述封装也可以用于光半导体元件的密封。
在上述实施方式以及变形例中，示出了在窗部件的外周设置金属层使其接合的结构。在更进一步的变形例中，也可以在窗部件的外周设置金属框，将该框体与封装基板之间进行金属接合。设置在窗部件外周的金属框可以是热膨胀系数与窗部件接近的材料，例如，可以是柯伐合金。也可以在柯伐合金的金属框表面进行镀金，提高与金锡合金的接合性。
[附图标记说明]
10…发光装置，20…发光元件，30…封装基板，31…上表面，34…凹部，40…窗部件， 53…金属接合部，56…金属接合材料，60…负荷，61…安装面，62…分离面，63…光反射面，64…侧面
[工业可利用性]
根据本发明，能够提高具有光半导体元件的光半导体装置的可靠性。
Claims (6)
1.一种光半导体装置，其特征在于，包括：
封装基板，其具有向上表面开口的凹部，
光半导体元件，其收纳在上述凹部中，
窗部件，其配置为覆盖上述凹部的开口，以及
金属接合部，其对上述封装基板与上述窗部件之间进行密封；
上述封装基板具有：
设置有金属电极的安装面，该金属电极用于安装上述光半导体元件，
框状地设置在上述安装面的外侧的分离面，上述分离面设置在比上述安装面高一级的位置，以及
从上述分离面向上述上表面倾斜的光反射面，
并且，在从上述光反射面到上述上表面的范围内设置有金属层，上述分离面上未设有金属层；
上述金属接合部与设置在上述上表面的上述金属层接合。
2.如权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
上述安装面与上述分离面之间的侧面上没有设置金属层。
3.一种光半导体装置，其特征在于，包括：
封装基板，其具有向上表面开口的凹部，
光半导体元件，其收纳在上述凹部中，
窗部件，其配置为覆盖上述凹部的开口，以及
金属接合部，其对上述封装基板与上述窗部件之间进行密封；
上述封装基板具有：
设置有金属电极的安装面，该金属电极用于安装上述光半导体元件，
框状地设置在上述安装面的外侧的分离面，
从上述安装面向上述分离面倾斜的第1光反射面，以及
从上述分离面向上述窗部件倾斜的第2光反射面，
并且，上述第1光反射面和上述第2光反射面上设置有金属层，上述分离面上未设有金属层。
4.如权利要求1至3的任何一项所述的光半导体装置，其特征在于，
上述分离面具有100μm以上的宽度。
5.如权利要求1至3的任何一项所述的光半导体装置，其特征在于，
上述光半导体元件为发出深紫外光的发光元件，上述窗部件包含上述深紫外光的透过率为80％以上的玻璃板，
上述金属层包含金，上述金属接合部包含金锡合金。
6.一种光半导体装置的制造方法，其特征在于，包括：
在具有向上表面开口的凹部的封装基板的上述凹部中收纳光半导体元件的步骤，
以覆盖上述凹部的开口的方式配置窗部件的步骤，以及
利用金属接合材料对上述封装基板与上述窗部件之间进行密封的步骤；
上述封装基板具有：设置有金属电极的安装面，该金属电极用于安装上述光半导体元件，
框状地设置在上述安装面的外侧的分离面，上述分离面设置在比上述安装面高一级的位置，以及
从上述分离面向上述上表面倾斜的光反射面，
并且，在从上述光反射面到上述上表面的范围内设置有金属层，上述分离面上未设有金属层；
上述密封步骤包含一边在上述封装基板与上述窗部件之间施加负荷一边加热上述金属接合材料的步骤，
上述金属接合材料与设置在上述上表面的上述金属层接合。
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