CN109690796A - 光半导体装置以及光半导体装置的制造方法 - Google Patents

光半导体装置以及光半导体装置的制造方法 Download PDF

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Abstract

光半导体装置(10)包括：具有在上表面(31)开口的凹部(34)的封装基板(30)；收纳在凹部(34)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)之间进行密封的密封结构(50)。密封结构(50)构成为：具有框状地设置在封装基板(30)的上表面(32)的第一金属层(51)；框状地设置在窗部件(40)的内表面(44)的第二金属层(52)；以及设置在第一金属层(51)与第二金属层(52)之间的金属接合部(53)，第一金属层(51)和第二金属层(52)的一个的整体位于设置有第一金属层(51)和第二金属层(52)的另一个的区域内。

Description

光半导体装置以及光半导体装置的制造方法
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。这时，选定线膨胀系数尽可能接近的材料作为基板和玻璃盖的材料(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2012-69977号公报
发明内容
[发明要解决的课题]
收纳发光元件的封装的窗部件优选为发光波长的透过率高的材料，但根据发光元件的发光波长可供选择的窗部件的材料有限。其结果，可能难以使共晶接合的封装基板与窗部件的热膨胀系数接近。即使在封装基板和窗部件使用热膨胀系数不同的材料的情况下，也希望能够得到可靠性高的密封结构。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具有光半导体元件的光半导体装置的可靠性的技术。
[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；以及密封封装基板与窗部件之间的密封结构。密封结构构成为具有：框状地设置在封装基板的上表面的第一金属层；框状地设置在窗部件的内表面的第二金属层；以及设置在第一金属层与第二金属层之间的金属接合部，第一金属层和第二金属层的一个的整体位于设置有第一金属层和第二金属层的另一个的区域内。
根据本方案，因构成为相对较宽广的金属层的区域内设有相对较狭窄的另一金属层的整体，所以与一金属层和另一金属层错位配置的情况相比，双方金属层的重叠范围较大。由此，能够扩大双方金属层重叠接合的范围而提高密封性。另外，通过扩大双方金属层的重叠范围，能够缩小金属接合部沿任意一金属层形成为薄片状(薄くフィレット状)的范围。由此，能够防止起因于热膨胀系数差的应力集中在薄片处造成窗部件发生破碎或缺口。
密封结构也可以构成为第二金属层的整体位于设置有第一金属层的区域内。
密封结构也可以构成为金属接合部位于夹着第二金属层的两侧。
第一金属层的外形尺寸比第二金属层的外形尺寸大，第一金属层的内尺寸比第二金属层的内尺寸小，第一金属层与第二金属层的内尺寸差比第一金属层与第二金属层的外形尺寸差大。
第一金属层的外形尺寸与内尺寸的差也可以为第二金属层的外形尺寸与内尺寸的差的2倍以上。
窗部件也可以由热膨胀系数比封装基板小的材料构成。
光半导体元件为发出深紫外光的发光元件，窗部件由石英玻璃构成，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：封装基板的上表面具有开口的凹部，在上表面设置有框状的第一金属层的封装基板的凹部中收纳光半导体元件的步骤，将内表面设置有框状的第二金属层的窗部件配置为覆盖凹部开口的步骤，以及加热配置在第一金属层与第二金属层之间的金属接合材料而密封封装基板与窗部件之间的步骤。配置步骤包含使第一金属层和第二金属层的一个整体位于配置有第一金属层和第二金属层的另一个的区域内而进行对位(位置合わせ)的步骤。
根据本方案，由于为使相对较宽广的金属层区的域内设有相对较狭窄的另一金属层的整体而对位，所以与一金属层与另一金属层错位配置的情况相比，双方金属层重叠的范围扩大。由此，能够扩大双方金属层重叠接合的范围而提高密封性。另外，通过扩大双方金属层的重叠范围，能够缩小金属接合部沿任意一个金属层形成为薄片状的范围。由此，能够防止起因于热膨胀系数差的应力集中在薄片处造成窗部件发生破碎或缺口。
密封步骤也可以包含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。
密封步骤也可以包含在金属接合材料加热后一边在封装基板与窗部件之间施加负荷一边冷却金属接合材料的步骤。
金属接合材料，也可以为具有与第一金属层或第二金属层对应的框形状的金锡合金(AuSn)的金属板。
金属接合材料的厚度可为10μm以上50μm以下。
发明效果
根据本发明，能够提高包括光半导体元件的光半导体装置的可靠性。
附图说明
图1是概略地表示实施方式的发光装置的截面图。
图2是概略地表示图1的发光装置的俯视图。
图3是表示实施方式的发光装置的制造方法的流程图。
图4是概略地表示发光装置的制造工序的截面图。
图5是概略地表示比较例的发光装置的密封结构的截面图。
图6是概略地表示实施方式的发光装置的密封结构的截面图。
图7是概略地表示变形例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，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为具有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。在本实施方式中尤其示出发出中心波长λ约为240nm～350nm的深紫外光的情形。
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为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为具有上表面31和下表面32的矩形部件。封装基板30为包含氧化铝(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)。
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的底面上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。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为设置为覆盖凹部34的开口的板状保护部件。窗部件40由透过发光元件20输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，耐热性以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，优选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上。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，并且四角为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)、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。
第二金属层52框状地设置在窗部件40的内表面44上。第二金属层52具有与矩形的窗部件40对应的矩形框形状，并且四角为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，可以用铬(Cr)代替钛(Ti)，也可以用铜(Cu)或镍(Ni)代替铂(Pt)。第二金属层52与金属接合部53接合。
金属结合部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之间并位于夹着第二金属层的两侧(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的整体重叠在第一金属层51上，并构成为第二金属层52的整体位于设置有第一金属层51的区域内。即，构成为未设有第一金属层51的区域上未设有第二金属层52，第一金属层51与第二金属层52未被错位地配置。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尺寸调整为如下详述的规定尺寸。
图2概略地示出第一金属层51和第二金属层52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的内尺寸w12比第二金属层52的内尺寸w22小。所以，第一金属层51的外形尺寸w11与内尺寸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。
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收纳发光元件20(S10)，将封装基板30的第一金属层51和窗部件40的第二金属层52对位，并在第一金属层51与第二金属层52之间配置金属接合材料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，表示配置金属接合材料56，并将封装基板30和窗部件40进行对位的工序。封装基板30和窗部件40进行对位使得第二金属层52的整体位于第一金属层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的整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和窗部件40的中心位置在±50μm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的整体位于第一金属层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对应的矩形框形状的金锡预制件(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，从而能够形成厚度为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。
在将金属接合材料56加热熔融的工序中，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能够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。
接下来，参照比较例说明本实施方式取得的效果。
图5是概略地示出比较例的密封结构150的截面图。在本比较例中，窗部件40的第二金属层52与上述实施方式为同样构成，但是，封装基板30的第一金属层151的外形尺寸w41构成为比上述实施方式小。具体来说，第一金属层151的外形尺寸w41与第二金属层52的外形尺寸w21基本相等。因为第一金属层151的内尺寸w42与上述实施方式相同，所以第一金属层151的宽度w43比上述实施方式小。
在比较例中，如果能高精度地将封装基板130和窗部件40对位，可能会使第二金属层52的整体位于第一金属层151上。但是，由于制造时的尺寸误差或对位的精度等会发生微妙的错位，其结果如图5所示，可以以第一金属层151与第二金属层52相互部分地重叠的状态错位配置。例如当封装基板130和窗部件40配置为端面对齐(如图所示的尺寸d＝0)时，第二金属层52向第一金属层151的范围外侧伸出(はみ出し)。
在上述错位状态下对第一金属层151与第二金属层52之间进行接合时，形成包括第一薄片(フィレット)153a和第二薄片153b的金属接合部153。第一薄片153a为形成在第一金属层151上的薄片，形成在比第一金属层151与第二金属层52重叠的范围靠内侧处。第二薄片153b为形成在第二金属层52上的薄片，形成在比第一金属层151与第二金属层52重叠的范围靠外侧处。关于如上所述的第一薄片153a和第二薄片153b，当第一金属层151与第二金属层52的错位越大时，其宽度越大厚度越薄。另外，如未在封装基板130和窗部件40之间施加适当的负荷进行密封，因不能适当地控制薄片形状，所以薄片的宽度可能增大。
金属接合部如上所述形成为薄片状时，由发明人们的知识可知，该处会成为剥落的起点而有损密封性。尤其，可知沿窗部件40的第二金属层52形成的第二薄片153b的宽度增大时，窗部件40容易以第二薄片153b所形成处为起点发生龟裂。因此，如本比较例所示，当第一金属层151与第二金属层52之间发生错位则不能保持气密密封，封装的可靠性降低。
图6是概略地示出实施方式的密封结构50的截面图。在本图中示出封装基板30和窗部件40配置为端面对齐(如图所示的尺寸d＝0)，且封装基板30和窗部件40的中心位置错位的情况。根据本实施方式，因第一金属层51的外形尺寸w11比第二金属层52的外形尺寸w21大，所以能够吸收由于制造时的尺寸误差或对位的精度造成的错位，而使第二金属层52的整体位于设置有第一金属层51的范围内。其结果，能够使双方金属层重叠接合的范围最大化。另外，通过密封时施加负荷而适当地控制形成于第一金属层51与第二金属层52之间的金属接合部53的形状，并能够抑制如比较例所示的薄片的形成。根据本实施方式，能够防止薄片导致的窗部件40的龟裂发生并使双方金属层重叠而牢固地接合，所以能够适宜地保持气密密封。
根据本实施方式，即使在封装基板30和窗部件40的热膨胀系数不同的情况下也能够保持良好的气密性。例如，作为封装基板30使用氮化铝(热膨胀系数：4.6×10－6/℃)，作为窗部件40使用石英玻璃(热膨胀系数：0.6×10－6/℃)，实施2000次温度循环实验(-40℃/85℃)后，未发现窗部件40的破碎和剥离。因为石英玻璃比AlN或Al2O3等的陶瓷材料热膨胀系数小，所以在将金属接合材料加热熔融后冷却的过程中，会受到来自封装基板30的压缩应力。一般来说，因玻璃具有较强的抗压缩应力特性，所以通过使用热膨胀系数较小的石英玻璃能够实现较强的抗破碎或剥离的封装结构。
根据本实施方式，通过使第一金属层51与第二金属层52的内尺寸差(例如0.3mm)大于第一金属层51与第二金属层52的外形尺寸差(例如0.2mm)，能够再现性良好地形成金属接合部53内部侧的薄片状。封装基板30的上表面31和第一金属层51，因制造上的情况等有时平坦性较低，根据位置会产生微小的凹凸。其结果，根据凹凸的形成位置，会产生熔融状态的金属接合材料56容易流入封装内侧的位置或容易流入封装外侧的位置。这样的话，可能无法在封装基板30的上表面31四周的范围内再现适当的薄片状。在本实施方式中，通过将第一金属层51与第二金属层52的内尺寸差扩大，能够使熔融状态的金属接合材料相对地容易流入内侧。由此，能够使封装内侧形成适当的薄片状，实现密封性高的封装结构。
图7是概略地示出变形例的发光装置210的构成的截面图。在本变形例中，在形成为设置在窗部件40的第二金属层252比设置在封装基板30的第一金属层251大这点上与上述实施方式不同。即，在本变形例中，构成为第一金属层251的整体位于设置有第二金属层252的区域内。以下，以与上述实施方式的不同为中心说明发光装置210。
发光装置210包括：发光元件20、封装基板30、窗部件40、以及密封结构250。密封结构250具有：第一金属层251、第二金属层252、以及金属接合部253。
第一金属层251例如形成为与上述实施方式的第二金属层52具有相同的形状和尺寸，第二金属层252例如形成为与上述实施方式的第一金属层51具有相同的形状和尺寸。第一金属层251的外形尺寸比第二金属层252的外形尺寸小，第一金属层251的内尺寸比第二金属层252的内尺寸大。另外，第二金属层252的宽度构成为第一金属层251的宽度的2倍以上。在本变形例中，由于能够取得与上述实施方式相同的效果，所以能够适当地保持封装内的气密密封。
以上，基于实施方式说明本了发明。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输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。
[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，44…内表面，50…密封结构，51…第一金属层，52…第二金属层，53…金属接合部，56…金属接合材料。
[工业可利用性]
根据本发明，能够提高包括光半导体元件的光半导体装置的可靠性。

Claims (12)

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
密封结构，其对上述封装基板与上述窗部件之间进行密封；
上述密封结构被构成为具有：
框状地设置在上述封装基板的上表面的第一金属层，
框状地设置在上述窗部件的内表面的第二金属层，以及
设置在上述第一金属层与上述第二金属层之间的金属接合部；
上述第一金属层和上述第二金属层的一者的整体位于设置有上述第一金属层和上述第二金属层的另一者的区域内。
2.如权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
上述密封结构被构成为：上述第二金属层的整体位于设置有上述第一金属层的区域内。
3.如权利要求2所述的光半导体装置，其特征在于，
上述密封结构被构成为：上述金属接合部位于夹着上述第二金属层的两侧。
4.如权利要求2或者3所述的光半导体装置，其特征在于，
上述第一金属层的外形尺寸比上述第二金属层的外形尺寸大，上述第一金属层的内尺寸比上述第二金属层的内尺寸小，上述第一金属层与上述第二金属层的内尺寸差比上述第一金属层和上述第二金属层的外形尺寸差大。
5.如权利要求2至4的任意一项所述的光半导体装置，其特征在于，
上述第一金属层的外形尺寸与内尺寸的差为上述第二金属层的外形尺寸与内尺寸的差的2倍以上。
6.如权利要求1至5的任意一项所述的光半导体装置，其特征在于，
上述窗部件由热膨胀系数比上述封装基板小的材料构成。
7.如权利要求1至6的任意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输出深紫外光的发光元件，上述窗部件由石英玻璃构成，上述金属接合部包含金锡合金。
8.一种光半导体装置的制造方法，其特征在于，包括：
将光学半导体元件收纳在封装基板的凹部中的步骤，该封装基板具有在上表面开口的凹部，并且在上述上表面设置有框状的第一金属层，
将在内表面设置有框状的第二金属层的窗部件配置为覆盖上述凹部的开口的步骤，以及
加热配置在上述第一金属层与上述第二金属层之间的金属接合材料，来对上述封装基板与上述窗部件之间进行密封的步骤；
上述配置步骤包含为使上述第一金属层和上述第二金属层的一者的整体位于设置有上述第一金属层和上述第二金属层的另一者的区域内而进行对位的步骤。
9.如权利要求8所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
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。
10.如权利要求8或者9所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
上述密封步骤包含在上述金属接合材料加热后，一边在上述封装基板与上述窗部件之间施加负荷一边冷却上述金属接合材料的步骤。
11.如权利要求8至10的任意一项所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
上述金属接合材料为具有与上述第一金属层或者上述第二金属层对应的框形状的金锡合金的金属板。
12.如权利要求11所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
上述金属接合材料的厚度为10μm以上50μm以下。
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