JP2005159088A - 光半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 透光性蓋体と絶縁基体とが強固に接合されて、光半導体素子を収納する密閉空間の気密性に優れ、光半導体素子に外光を長期にわたって歪を生じることなく正常に受光させることができる信頼性の高い光半導体装置を提供すること。
【解決手段】 光半導体装置９は、上面に光半導体素子３を収容するための凹部１ａを有する絶縁基体１と、絶縁基体１の凹部１ａの内側から外側に導出された配線導体２と、絶縁基体１の凹部１ａの底面に接合されるとともに電極４が配線導体２に電気的に接続された光半導体素子３と、絶縁基体１の上面に凹部１ａを塞ぐようにして接合材７を介して接合された透光性蓋体５とから成り、絶縁基体１は、上面が凹部１ａの内側に向かって低くなるように傾斜している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトダイオード、ラインセンサ、イメージセンサ等の受光素子である光半導体素子またはこれらの受光部を有する光半導体素子等を具備した光半導体装置に関する。
従来のフォトダイオード（ＰＤ）、ラインセンサ、イメージセンサ等の受光素子である光半導体素子またはこれらの受光部を有する光半導体素子を具備した光半導体装置を構成する絶縁基体は、上面に光半導体素子を収容するための凹部が形成されている。また、絶縁基体の凹部の内側から外側に配線導体が導出されている。
光半導体素子は絶縁基体の凹部内に収容されるとともに凹部の底面に樹脂接着剤等により接合されて搭載されており、その光半導体素子の上面の外周部等には電極が設けられている。光半導体素子の電極と上記配線導体のうち凹部の内側に露出した部位とが、Ａｕ，Ａｌ等から成るボンディングワイヤにより電気的に接続される。また、透光性蓋体が絶縁基体の上面に凹部を塞ぐようにして接合材を介して取着されている。
このように従来の光半導体装置は、透光性蓋体を有することにより、光半導体装置の内部空間にゴミなどの異物が侵入することを防止するとともに、光半導体装置の内部空間を密閉空間とすることで、外部雰囲気の湿気が光半導体装置内に侵入するのを極力防ぐようにして、光半導体素子の耐久性を向上させるようにしている。
なお、一般的な光半導体装置では、外部機器との電気的接続を行うために絶縁基体の外周部に外部接続端子が配設されており、その外部接続端子は配線導体のうち凹部の外側に導出された部位と接続されている。
そして、光半導体素子により透光性蓋体を通して外光を受光して変換されて生じた電気信号は、配線導体および外部接続端子を経由して光半導体装置の外部に配置された各種の機器や素子などに送られる。
なお、従来のＰＤ、ラインセンサ、イメージセンサ等の受光素子である光半導体素子またはこれらの受光部を有する光半導体素子を具備した光半導体装置において、絶縁基体と透光性蓋体とを接合する接合材としては、一般的にシリカフィラーを混入させたエポキシ樹脂やフェノール樹脂，クレゾール樹脂，粉体カーボンとシリコン樹脂粒子の混合体等が使用されている。また、接合材は、通常、透光性蓋体を絶縁基体の上面に接合し取着しておくのに必要な程度の量が用いられており、透光性蓋体と絶縁基体との間に介在するとともに、蓋体と絶縁基体との接合面の外側から透光性蓋体の側面にかけてはみ出すようにして被着されている。また、このような光半導体装置において、互いに接合される絶縁基体の上面および透光性蓋体（下面）は、通常、ともに平坦な面であり、上下に平行になっている。
特開平１０−１１６９４０号公報
しかしながら、従来の光半導体装置においては、絶縁基体と透光性蓋体とを接合している接合材が透光性蓋体と絶縁基体との間に介在するとともに、透光性蓋体と絶縁基体との接合面の外側から透光性蓋体の側面にかけてはみ出す程度であるため、絶縁基体と透光性蓋体との接合材を介しての接合を効果的に強固なものとすることが難しいこと、また近時、光半導体装置の小型化にともない絶縁基体と透光性蓋体との接合面積が小さくなってきていること等から、絶縁基体と透光性蓋体との接合強度が不十分になる傾向があるという問題があった。
透光性蓋体の絶縁基体に対する接合が弱くなると、光半導体素子を収納する密閉空間の気密性が劣化し、密閉空間内に外部雰囲気の湿気等が侵入しやすくなって光半導体装置としての信頼性が低くなってしまう。
特に、近時、ＰＤ、ラインセンサ、イメージセンサ等の光半導体素子は、画像の精細化や、センサとしての検知精度の高精度化等の要求に応じて受光部が非常に精細に形成されているため、蓋体の接合強度のわずかな劣化によっても、信頼性の低下等の問題点を生じてしまう。
また、絶縁基体と透光性蓋体との接合を強固なものとするために、両者を接合する接合材の量を多くして接合材の厚みを厚くするという手段も考えられるが、この場合、絶縁基体と透光性蓋体との接合面が互いに平行であり、この間に接合材の大きな溜まりを形成することが難しいことから、接合材が絶縁基板と透光性蓋体の接合部よりはみ出し易いこととなる。その結果、凹部の内側に露出した配線導体やボンディングワイヤ、またはボンディングワイヤの接続部分等を覆ってしまい、正常な電気信号の伝送が妨げられてしまったり、透光性蓋体を外部の光が正常に透過することが妨げられて正確な受光ができなくなったりしてしまう。
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、透光性蓋体と絶縁基体とが強固に接合されて、光半導体素子を収納する密閉空間の気密性に優れ、光半導体素子に外光を長期にわたって歪を生じることなく正常に受光させることができ、正常な電気信号を外部の機器や素子などに送ることが可能な信頼性の高い光半導体装置を提供することである。
本発明の光半導体装置は、上面に光半導体素子を収容するための凹部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記凹部の内側から外側に導出された配線導体と、前記絶縁基体の前記凹部の底面に接合されるとともに電極が前記配線導体に電気的に接続された光半導体素子と、前記絶縁基体の上面に前記凹部を塞ぐようにして接合材を介して接合された透光性蓋体とから成る光半導体装置において、前記絶縁基体は、上面が前記凹部の内側に向かって低くなるように傾斜していることを特徴とするものである。
本発明の光半導体装置は、好ましくは、前記絶縁基体は、上面と前記凹部の内側面との間に段差が形成されていることを特徴とするものである。
また本発明の光半導体装置は、好ましくは、前記透光性蓋体は、下面と側面との間が平面状に面取りされていることを特徴とするものである。
本発明の光半導体装置によれば、絶縁基体は、上面が凹部の内側に向かって低くなるように傾斜していることから、接合材の絶縁基板に対する接合面積を傾斜の分だけ大きくすることができるとともに、絶縁基体と透光性蓋体との間に、凹部の内側に向かうほど大きくなるようなスペースを確保してこのスペース内に大きな接合材の溜まりを形成することができることから、透光性蓋体を絶縁基体に接合材を介して強固に接合することができる。また、接合材が絶縁基体と透光性蓋体との接合面からはみ出すことを有効に防止することができる。その結果、光半導体装置が小型化されたとしても、絶縁基体と透光性蓋体とから成る密閉空間の気密性を良好に確保し、光半導体素子に外光を長期にわたって正常に受光させることができ、正常な電気信号を外部の機器や素子などに送ることが可能な信頼性の高い光半導体装置を作製することができる。
また、本発明の光半導体装置は、好ましくは、絶縁基体は上面と凹部の内側面との間に段差が形成されていることから、この段差の分だけ接合材と絶縁基体との接合面積を大きくすることができるとともに、この段差内にも接合材の溜まりが形成されるので、絶縁基体と透光性蓋体との間により大きな接合材の溜まりを形成することができ、絶縁基体と透光性蓋体との接合の強度および信頼性をより一層優れたものとすることができる。
また、本発明の光半導体装置は、好ましくは、透光性蓋体は下面と側面との間が平面状に面取りされていることから、透光性蓋体の外周部においても、絶縁基体と透光性蓋体との間に有効に接合材の溜まりを形成することができるとともに、絶縁基体の上面の位置が外部から見やすくなるので、透光性蓋体を絶縁基体の上面により正確かつ容易に位置決め接合することができ、さらに信頼性に優れた光半導体装置を提供することができる。
本発明の光半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の光半導体装置について実施の形態の例を示す断面図である。図１において、１は絶縁基体、２は配線導体、３は光半導体素子、４は光半導体素子の電極、５は透光性蓋体、６は光半導体素子３を絶縁基体１に接合し搭載するための接着材、７は接合材、８はボンディングワイヤである。これらの絶縁基体１、配線導体２、半導体素子３、蓋体５、接合材７およびボンディングワイヤ８により、光半導体装置９が主に構成されている。
本発明の絶縁基体１は、その上面に形成された凹部１ａに光半導体素子３が収容されて凹部１ａの底面に接着剤６により接合されて搭載される。この光半導体素子３は上面に受光部が設けられており、また光半導体素子３の上面の外周部には電源用や信号用等の電極４が設けられている。また、凹部１ａの内側から外側に配線導体２が導出されており、凹部１ａの内側に露出した配線導体２と光半導体素子３の電極４とがＡｕ，Ａｌ等から成るボンディングワイヤ８で電気的に接続されている。
さらに、絶縁基体１の上面の凹部１ａの周囲の全周に樹脂接着剤等から成る接合材７を塗布し、ガラス，石英，サファイア，透明樹脂等から成る透光性蓋体５が接合されて取着される。
本発明における絶縁基体１は、アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウムセラミックス，炭化珪素セラミックス，窒化珪素セラミックス，ガラスセラミックス等のセラミックス、樹脂等から成る。そして、絶縁基体１はその底板部の上面の外周部に別体の枠状の側壁部が設けられているか、または絶縁基体１の底板部と側壁部とが一体的に形成されていてもよい。
絶縁基体１は、例えば、アルミナ質焼結体から成る場合、アルミナ等の原料粉末を有機溶剤，樹脂バインダとともにシート状に成形して複数のセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を作製し、これらのグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施して所定の形状に形成するとともに上下に積層し、高温で焼成することにより製作される。
絶縁基体１の上面には、光半導体素子３を収容し底面に載置するための凹部１ａが形成されており、配線導体２が凹部１ａの内側から外側に導出されるとともに、この配線導体２のうち凹部１ａの内側に露出した部位に光半導体素子３の電極４がボンディングワイヤ８を介して接続されることにより、絶縁基体１に搭載された光半導体素子３は、電極４、ボンディングワイヤ８および配線導体２を介して外部電気回路に電気的に接続される。
この配線導体２は、タングステン，モリブデン，銅，銀等のメタライズ導体等により形成されている。そして、配線導体２は、例えば絶縁基体１となるグリーンシートに予め所定の貫通孔を形成し、タングステン，モリブデン，銅，銀等の金属ペーストを貫通孔の内面に印刷塗布したり充填しておくことにより形成される。
また、光半導体素子３は、その上面の中央部に受光部が設けられており、その上面の受光部の周囲である外周部には、電源用や信号用の電極４が設けられている。光半導体素子３は、ＰＤ，ラインセンサ，イメージセンサ，ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＥＰＲＯＭ（Erasable and Programmable ＲＯＭ）等の受光素子、またはこれらの受光部を有する光半導体素子などからなるものである。
この光半導体素子３は絶縁基体１の凹部１ａの底面に載置され、樹脂接着剤，ろう材，
低融点ガラス等から成る接着材６によって接着されており、光半導体素子３の上面の外周部には電極４が設けられている。光半導体素子３の電極４と、配線導体２の凹部１ａの内側に露出している部分とは、Ａｕ，Ａｌ等からなるボンディングワイヤ８により電気的に接続される。
なお、ボンディングワイヤ８は、その長さを０．３〜３ｍｍとすることが好ましい。０．３ｍｍ未満では、ボンディングワイヤ８が短すぎて十分なループを形成することが難しくなるため、光半導体素子３の電極４と配線導体２とを確実に接続することが難しくなり、接続不良が生じやすくなる。３ｍｍを超えると、ボンディングワイヤ８が長くなりすぎてループが不要に高くなる傾向があり、ボンディングワイヤ８に不要なインダクタンスが発生して高周波信号の伝送性が劣化しやすくなるとともにコスト高となる。
また、光半導体素子３の電極４と配線導体２との接続は、ボンディングワイヤ８により行うものに限らず、いわゆるリボン等の帯状の接続線等を用いてもよい。
また、透光性蓋体５が樹脂接着剤等からなる接合材７を介して絶縁基体１の上面に接合されて取着されており、これにより、光半導体素子３を収容し搭載した凹部１ａが気密封止される。この接合材７は、例えば樹脂接着剤からなる場合、アクリル系樹脂，エポキシ系樹脂，フェノール系樹脂，クレゾール系樹脂，シリコーン系樹脂，ポリエーテルアミド系樹脂等から成る。また接合材７は、余計な外光の入射を遮断するために、黒色，茶褐色，暗褐色，暗緑色，濃青色等の暗色系の顔料や染料を混入させてもよい。また、接合材７は、ガラス等の無機材料からなるものや、無機材料からなるフィラー粉末を樹脂接着剤に添加したものでもよい。
絶縁基体１と透光性蓋体５との接合は、例えば、絶縁基体１の外周に透光性蓋体の外部を位置合わせするとともに、両者の間に未硬化のアクリル樹脂を介在させてセットし、その後、これらをオーブン中で加熱して未硬化のアクリル樹脂を加熱硬化させることにより行われる。
また、透光性蓋体５の上下面の少なくとも一方に、紫外線を遮断するための光学膜を形成してもよい。
この光半導体装置９は、画像認識装置，センサ等の光学機器や電子機器の部品として使用される。例えば、光学機器や電子機器を構成する電気回路基板の所定位置に実装され、外光を受光するとともに光半導体素子３で電気信号に変換し、その電気信号を光学機器や電子機器を構成する電気回路基板の回路に供給する。
なお、光半導体装置９の外部電気回路基板への実装の際には、複数の光半導体装置９を搬送用トレイ等に収納し、まとめて実装用の装置まで搬送する必要があり、また、光半導体装置９をチャック等の保持装置で保持し、外部電気回路基板の所定位置に位置合わせする必要がある。また、光半導体装置９のトレイへの出し入れは、手作業による方法や自動搬送装置等の設備を用いる方法により行われる。
本発明の光半導体装置９において、絶縁基体１は、凹部１ａの周囲の上面が凹部１ａの内側に向かって低くなるように傾斜している傾斜面１ｂとされている。本発明の光半導体装置９によれば、絶縁基体１について、上面を凹部１ａの内側に向かって低くなるように傾斜している傾斜面１ｂとしたことから、接合材７の絶縁基体１に対する接合面積を傾斜の分だけ大きくすることができるとともに、絶縁基体１と透光性蓋体５との間に、凹部１ａの内側に向かうほど大きくなるようなスペースを確保してこのスペース内に大きな接合材７の溜まりを形成することができることから、透光性蓋体５を絶縁基体１に接合材７を介して強固に接合することができる。また、接合材７が絶縁基体１と透光性蓋体５との接合面からはみ出すことを有効に防止することができる。
その結果、光半導体装置９が小型化されたとしても、絶縁基体１と透光性蓋体５とから成る密閉空間の気密性を良好に確保し、光半導体素子３に外光を長期にわたって正常に受光させることができ、正常な電気信号を外部の機器や素子などに送ることが可能な信頼性の高い光半導体装置９を提供することができる。
このような傾斜面１ｂは、例えば、絶縁基体１を形成するグリーンシートのうち、最上層となるものを枠状とするとともに、その枠状のグリーンシートの上端面の内周側にそって加圧加工をして下側に傾斜したような形状に加工するというプレス加工等の方法を用いることができる。
この場合、絶縁基体１の上面の傾斜面１ｂは、傾斜角度が１０度未満では絶縁基体１と透光性蓋体５との間に有効にスペースを確保して絶縁基体１と透光性蓋体５との接合材７を介しての接合の強度を向上させることが難しくなる傾向にある。２０度を超えると、絶縁基体１と透光性蓋体５とを接合するときに、未硬化の接合材が絶縁基体１と透光性蓋体５との間から凹部１ａの内側等に流れ出してしまい、接合材７の量が不足して透光性蓋体５の接合強度が不足したり、流れ出た接合材７が配線導体２やボンディングワイヤ８等を覆って正常な信号の伝送が妨げられたりするおそれがある。したがって、絶縁基体の上面の傾斜面１ｂは、傾斜角度が１０〜２０度であることが好ましい。
また、この傾斜面１ｂの傾斜角度は、全域で同じ角度とすると傾斜面１ｂの形成が容易で光半導体装置９の生産性を良好に維持することができる。また、傾斜面１ｂの傾斜角度を、絶縁基体１の凹部１ａに近づくほど緩やかな傾斜となるようにしておくと、接合材７が凹部１ａ内に流れ出ることをより有効に防止することができ、より一層信頼性に優れた光半導体装置９を作製することができる。
また、この傾斜面１ｂは、接合材７との接合の強度をより一層強固なものとするために、表面状態を、用いる接合材７に応じて調整してもよい。例えば、接合材７がアクリル樹脂等の樹脂系接着剤から成る場合、傾斜面１ｂは表面粗さが算術平均粗さＲａで１〜２μｍ程度の比較的粗い面としておくことが好ましい。
また、凹部１ａを有する絶縁基体１と透光性蓋体５を接合する接合材７は、最も厚い部分の厚みが２０μm以上であることが好ましい。この場合、接合材７の充分な量を確保することができ、より正確に電気信号を外部の機器や素子などに送ることが可能な信頼性の高い光半導体装置９を作製することができる。さらにこの場合、接合材７の厚みは２０〜５０μｍ程度とすることがより一層好ましい。２０μｍ未満では、絶縁基板１と透光性蓋体５の充分な接合に必要な量が得られなくなり、光半導体装置９が小型化された場合に、絶縁基体１と透光性蓋体５とから成る密閉空間の気密性が低下するおそれがある。また、接合材７の最薄部の厚みが５０μｍを超える場合、絶縁基板１と透光性蓋体５の接合に必要以上の量となり、光半導体素子３に対する透光性蓋体５の平行度が規定値を超え、光半導体素子３に外光を長期にわたって正常に受光させることができなくなるおそれがある。
また、接合材７が透明な樹脂接着剤から成る場合、接合材７の屈折率が透光性蓋体５と同じであってもよい。この場合、接合材７と透光性蓋体５との界面で光の反射や散乱等が発生するのを効果的に抑制することができ、光半導体素子３に余分な反射光や散乱光が入射するのを防ぐことができる。また、接合材７が透明な樹脂接着剤から成る場合、その内部に含まれる気泡の体積が３０体積％以下であることがよい。３０体積％を超えると、接合材７の接合力が低下するとともに、気泡によって光が散乱され光半導体素子３に余分な散乱光が入射する場合がある。接合材７に含まれる気泡の割合を小さくするには、減圧室や真空装置内で接合材７を使用する方法、予め接合材７に含まれる気泡を真空脱泡する方法等がある。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、透光性蓋体５は、その全面が一様に透光性を有するものである必要は無く、光半導体素子３の受光部に受光される外光が通る部分を透光性に優れたものとするとともに、接合材７で上面が覆われる外周部分を、接合材７との接合が強固となるようなセラミックスや樹脂等からなるものとしてもよい。
本発明の光半導体装置の実施の形態の例を示す断面図である。
符号の説明
１・・・絶縁基体
１ａ・・・凹部
１ｂ・・・絶縁基板１の上面に形成された傾斜面
２・・・配線導体
３・・・光半導体素子
４・・・電極
５・・・透光性蓋体
７・・・接合材
９・・・光半導体装置

Claims (3)

  1. 上面に光半導体素子を収容するための凹部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記凹部の内側から外側に導出された配線導体と、前記絶縁基体の前記凹部の底面に接合されるとともに電極が前記配線導体に電気的に接続された光半導体素子と、前記絶縁基体の上面に前記凹部を塞ぐようにして接合材を介して接合された透光性蓋体とから成る光半導体装置において、前記絶縁基体は、上面が前記凹部の内側に向かって低くなるように傾斜していることを特徴とする光半導体装置。
  2. 前記絶縁基体は、上面と前記凹部の内側面との間に段差が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
  3. 前記透光性蓋体は、下面と側面との間が平面状に面取りされていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014072472A (ja) * 2012-10-01 2014-04-21 Seiko Instruments Inc 光学デバイス、光学デバイスの製造方法、電子デバイス製造装置、プログラム及び記録媒体
JP2018022931A (ja) * 2017-11-14 2018-02-08 セイコーインスツル株式会社 光学デバイスの製造方法
WO2022059261A1 (ja) * 2020-09-16 2022-03-24 浜松ホトニクス株式会社 光検出モジュール及びビート分光装置

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