JP2005235857A - 光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 生産性に極めて優れると共に、安価で且つ高さを低くすることが可能な光半導体装置を提供すること。
【解決手段】 キャップ部材3は、金属製の窓枠7と、窓材9とを備える。窓枠7の中央に円形状を呈した開口7aが形成されている。窓枠7は、窓材9が固定される内側部11と、内側部11よりも薄肉状に形成された外側部13とを含む。内側部11と外側部13とで段差15が形成される。窓材9は、窓枠7の開口7aを覆うように固定されている。容器5は、絶縁材料からなり、底部21と当該底部21から伸びる壁部23とを含む。容器5には、底部21と壁部23とで窪み25が形成されている。窓枠7は、窪み25を覆うように、壁部23に固定されている。窓枠7と容器5とは、壁部23と外側部13との間に配置されたロウ材31を外側部13に照射した電子ビームにて溶融することにより固定されている。
【選択図】 図2
【解決手段】 キャップ部材3は、金属製の窓枠7と、窓材9とを備える。窓枠7の中央に円形状を呈した開口7aが形成されている。窓枠7は、窓材9が固定される内側部11と、内側部11よりも薄肉状に形成された外側部13とを含む。内側部11と外側部13とで段差15が形成される。窓材9は、窓枠7の開口7aを覆うように固定されている。容器5は、絶縁材料からなり、底部21と当該底部21から伸びる壁部23とを含む。容器5には、底部21と壁部23とで窪み25が形成されている。窓枠7は、窪み25を覆うように、壁部23に固定されている。窓枠7と容器5とは、壁部23と外側部13との間に配置されたロウ材31を外側部13に照射した電子ビームにて溶融することにより固定されている。
【選択図】 図2
Description
本発明は、光半導体装置に関する。
この種の光半導体装置として、絶縁材料からなり、底部と当該底部から伸びる壁部とにより窪みが形成された容器と、底部に固定される光半導体素子と、開口が形成されており、窪みを覆うように容器に固定される金属製の枠体と、開口を覆うように枠体に固定される窓材とを備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載された光半導体装置では、容器としてのセラミック基板にシールフレームが固着されており、当該シールフレームに枠体としてのコバール金属製のキャップがシーム溶接されている。
特開昭61−12048号公報
枠体とシールフレームとをシーム溶接する場合、枠体におけるシールフレームに対応する部分に一対のローラー電極を接触させた状態で、ローラー電極間に溶接のための大電流を流しながら一対のローラー電極を転動させている。このため、ローラー電極の移動速度が比較的遅いこともあって、溶接時間が長くなり、生産性が低下してしまうという問題点が生じる。
また、シールフレームを必要とする分、光半導体装置の高さが高くなってしまうと共に、コストが高くなってしまうという問題点も生じる。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、生産性に極めて優れると共に、安価で且つ高さを低くすることが可能な光半導体装置を提供することを目的とする。
本発明者等は、生産性に優れ且つ製造コストが安価となる電子ビーム溶接に着目し、調査研究の結果、以下のような事実を新たに見出した。
電子ビーム溶接を用いる場合、容器の壁部と枠体との間にロウ材を配置した状態で枠体側から電子ビームを照射し、電子ビーム照射による熱をロウ材に伝えて当該ロウ材を溶融させることにより、容器と枠体とをロウ付け固定することとなる。このため、シールフレームを必要としない分、光半導体装置の高さが高くなるようなことはなく、また、コストが高くなることもない。また、電子ビームは磁界によって移動させながら照射するので、電子ビームを高速に移動させることができ、照射時間が短くてすみ、生産性が極めて優れる。
電子ビームを照射すると、枠体における電子ビームが照射された領域は、局部的に高温となる熱衝撃を受ける。例えば、ロウ材として銀ロウ材を用いる場合、当該銀ロウ材の融点が800℃程度であることから、枠体における電子ビームが照射された領域は800℃以上の高温となる。
ところで、枠体には、当該枠体とは熱膨張率が異なる窓材が固定されている。このため、電子ビームが照射されて枠体が加熱されると、枠体と窓材の熱膨張率の違いにより、枠体に熱応力が発生する。発生した熱応力は窓材に伝えられ、窓材の歪み(フラット性を損ねる)や、窓材の脱落、破損、窓材の気密性劣化等を招く要因となる。
かかる調査研究結果を踏まえ、本発明に係る光半導体装置は、絶縁材料からなり、底部と当該底部から伸びる壁部とにより窪みが形成された容器と、底部に固定される光半導体素子と、開口が形成されており、窪みを覆うように容器に固定される金属製の枠体と、開口を覆うように枠体に固定される窓材と、を備え、容器と枠体とは、壁部と枠体との間に配置されたロウ材を枠体に照射した電子ビームにて溶融することにより固定されており、枠体には、電子ビームが照射される部分と窓材が固定される部分との間に段差が形成されていることを特徴とする。
本発明に係る光半導体装置では、容器と枠体とがロウ材を介して固定されることとなるので、シールフレームを必要としない分、光半導体装置の高さを低くすることができると共に、低コストで実現することができる。また、電子ビーム照射による熱が伝わることによりロウ材が溶融して容器と枠体とを固定するので、シーム溶接にて固定するものに比して、作業時間が短くてすみ、生産性が極めて優れる。
また、本発明では、電子ビームが照射される部分と窓材が固定される部分との間に段差が形成されているので、発生した熱応力は段差に集中することとなり、窓材に伝わるのが抑制されることとなる。この結果、窓材の歪み、窓材の脱落、破損、窓材の気密性劣化等を防ぐことができる。
電子ビームが照射される部分の厚みを窓材が固定される部分の厚みよりも薄くすることにより段差が形成されることが好ましい。
上記枠体には、当該枠体における電子ビームを照射する側の最表面となるようにニッケル層が形成されていることが好ましい。この場合、電子ビームが照射される最表面にニッケル層が位置することとなる。このため、電子ビームの照射により気化した枠体の構成物質等がニッケル層に蒸着しても、当該構成物質はニッケル層と結合し、枠体の外観上の変化は抑制されると共に、ゴミとして剥がれ落ちるようなことはない。
枠体の表面は、通常、酸化防止のため、ニッケル(Ni)−金(Au)などでメッキ処理が施されている。例えば、枠体にNi−Auメッキ処理を施した場合、電子ビームが照射される最表面には、Au層が位置することとなる。電子ビームが枠体に照射されると、メッキ層及び枠体が高温に熱せられ、メッキ層及び枠体の構成物質が気化する。上述したように段差が形成されていると、電子ビームの照射位置近傍に、枠体の電子ビームの照射方向に伸びる壁部が存在することとなり、気化した構成物質が、電子ビームによる蒸着法と同様の原理で、枠体の壁部に付着することとなる。気化した構成物質は、Ni−Auメッキ処理が施されている場合、最表面に位置するAu層の表面に蒸着する。
Au層に蒸着した物質は、真空状態から大気状態へ移行した際に、酸化して、外観不良が生じてしまうことが判明した。また、蒸着物質は粉体化し、ゴミとして剥がれ落ちる可能性も存在する。これは、Auは、枠体の構成物質に比べて安定であり、活性な蒸着物質と結合できないためであると考えられる。
そこで、発明者等は、枠体にNiメッキ処理を施し、電子ビームが照射される最表面にNi層を位置させて、同様に電子ビームを照射することを試みた。すると、Au層を最表面に位置させていた場合に生じていた外観不良が生じないことが新たに判明した。これは、気化した構成物質がNi層に蒸着する場合、Ni層と同金属種であること、また、NiはAuに比べて活性であり、活性な蒸着物質と結合しやすいためであると考えられる。また、蒸着物質は、Ni層と結合することで、ゴミとして剥がれ落ちるようなことはないと考えられる。
上記ニッケル層は、更に壁部に対向する側の最表面となるように枠体に形成されており、上記ロウ材は、銀ロウ材であることが好ましい。この場合、銀ロウ材は、ニッケルに対する濡れ性が良く、枠体と容器とを適切に固定することができる。また、銀ロウ材は、一般に融点が高く、高温環境下での使用に適した光半導体装置を実現することができる。
上記枠体には、ニッケル層が単層に形成されていることが好ましい。この場合、メッキ処理が一回ですみ、生産性がより一層優れることとなる。
上記壁部におけるロウ材を介して枠体に固定される面には、金属層が形成されていることが好ましい。この場合、枠体と容器とを強固に固定することができる。
本発明によれば、生産性に極めて優れると共に、安価で且つ高さを低くすることが可能な光半導体装置を提供することができる。
また、本発明によれば、電子ビームを照射した場合でも、発生した熱応力が窓材に伝わるのを抑制して、窓材の位置ズレや、窓材の脱落、破損等を防ぐことができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
(第1実施形態)
まず、第1実施形態に係る光半導体装置について説明する。図1は、第1実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図2は、第1実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。図3は、第1実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための概略断面斜視図である。
まず、第1実施形態に係る光半導体装置について説明する。図1は、第1実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図2は、第1実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。図3は、第1実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための概略断面斜視図である。
光半導体装置OS1は、光半導体素子としての半導体光検出素子(例えば、表面照射型のフォトダイオード等)PD1と、半導体光検出素子PD1を収容するパッケージ1とを備え、光検出装置として機能する。パッケージ1は、キャップ部材3と容器5とを有する。
キャップ部材3は、枠体としての窓枠7と、窓枠7に固定される窓材9とを備える。窓枠7は、コバール合金(Fe−Ni−Co合金)からなる略平板状の部材であり、中央に円形状を呈した開口7aが形成されている。開口7aの内径は、窓材9の外径と略同じに設定されており、本実施形態においては、窓材9の外径は2.3mm、開口7aの外径は2.4mmである。
窓枠7には、図4に示されるように、窓枠7の全体を覆うように、ニッケル(Ni)層10が単層に形成されている。Ni層10は、Niメッキ処理(電解メッキ処理)により形成することができる。Ni層10の厚みは、例えば、2μm程度である。
窓枠7は、窓材9が固定される内側部11と、当該内側部11よりも薄肉状に形成された外側部13とを含んでいる。内側部11の一方の主面(容器5に対向する面)と外側部13の一方の主面(容器5に対向する面)とは、同一平面上にある。これにより、内側部11と外側部13とで段差15が形成されることとなる。内側部11の厚みは、窓材9の厚みと同じに設定されており、本実施形態においては0.6mm程度である。外側部13の厚みは、0.15mm程度に設定されている。
窓材9は、円板形状を呈しており、石英ガラスからなる。窓材9は、窓枠7の開口7aを覆う(本実施形態では、開口7aを塞ぐ)ように開口7aに挿入されて、内側部11における開口7aを臨む内壁(Ni層10)に隣接している。窓材9は、高融点ガラス17により接着されている。窓枠7は、窓材9及び高融点ガラス17の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有している。高融点ガラス17は、窓材9の融点よりも低い温度で窓枠7及び窓材9に融着する。窓材9は、高融点ガラス17とは、窓材9の厚み方向に沿った面でのみ接触している。内側部11の両主面と窓材9の両主面とは、それぞれ同一平面上にある。
キャップ部材3は、以下のように、製造することができる。
まず、予め、高融点ガラス17を、プレス成型等を用いてリング状に成型しておく。そして、窓枠7、窓材9及び高融点ガラス17を、一対のカーボン製の治具で挟み、固定する。次に、治具にて固定した窓枠7、窓材9及び高融点ガラス17を窓材9の融点より低く高融点ガラス17の融点よりも高い温度(本実施形態においては、1000℃程度)に加熱して、高融点ガラス17を溶融させる。
その後、常温まで冷却し、高融点ガラス17を硬化させて、窓枠7と窓材9とを接着、固定する。このとき、窓枠7の熱収縮が、窓材9及び高融点ガラス17の熱収縮に比べて大きく、窓枠7から窓材9の方向(窓材9の厚み方向に垂直な方向)に収縮力が作用することとなる。なお、窓枠7、窓材9及び高融点ガラス17の加熱には、電気炉等を用いることができる。
容器5は、絶縁材料(例えば、セラミック等)からなる。容器5は、底部21と当該底部21から伸びる壁部23とを含んでいる。容器5には、底部21と壁部23とで窪み25が形成されている。底部21には、半導体光検出素子PD1が固定されている。半導体光検出素子PD1は、金ロウ材(例えば、Au−Sn、Au−Si、Au−Ge等)26または樹脂によりダイボンドされている。
底部21より所定高さを有して形成された段部27には、半導体光検出素子PD1の電極を外部に取り出すためのボンディングパッド(図1〜3にて、不図示)が設けられている。ボンディングパッドは容器5内に形成された金属層を通って、容器5の外部に導出されている。半導体光検出素子PD1の電極とボンディングパッドとは、ボンディングワイヤ29を介して、結線されている。
キャップ部材3(窓枠7)は、窪み25を覆うように、容器5の壁部23に固定されている。窓枠7と容器5とは、壁部23と外側部13との間に配置されたロウ材31により、ロウ付け固定されている。窓枠7は、内側部11、外側部13及び窓材9が面一とされた面を容器5に対向した状態で、固定される。
壁部23におけるロウ材31を介して窓枠7に固定される面、及び、底部21における半導体光検出素子PD1がダイボンドにより固定される面には、図5に示されるように、メタライズ処理が施されることにより、金属層(ハッチングを付した領域)33,35が形成されている。また、段部27には、上記ボンディングパッドに対応する領域にも、メタライズ処理により金属層37が形成されている。この金属層37がボンディングパッドとして機能する。金属層33,35,37は、容器5側から順に、W(タングステン)またはMo−Mn(モリブデン−マンガン)層、Ni(ニッケル)層、Au(金)層が積層された層構造を有している。
窓枠7と容器5とのロウ付けは、図6に示されるようにして行われる。壁部23と窓枠7との間にロウ材31を配置した状態で、キャップ部材3と容器5とを治具で挟んでプレスした状態で、外側部13(Ni層10)に電子ビームEBを照射する。Ni層10は、窓枠7における電子ビームEBを照射する側の最表面に位置している。
電子ビームEBが照射されると、Ni層10及び外側部13の照射部分は高温に熱せられ、溶融して液体金属状態の溶融領域(溶融池)Fが形成される。溶融領域Fは容器5に到達しておらず、溶融領域Fの熱がロウ材31に伝導して、ロウ材31を溶融させる。このように、ロウ材31を溶融させることにより、容器5の壁部23と窓枠7の外側部13とをロウ付け固定する。
ロウ材31は、Ni層10が窓枠7における壁部23に対向する側の最表面となっていることから、銀ロウ材(例えば、Ag−Cu等)であることが好ましい。銀ロウ材は、Niに対する濡れ性が良く、融点も高い。Ag−Cuロウ材の融点は、780℃程度である。したがって、Ag−Cuロウ材を用いる場合は、ロウ材31の温度が800℃程度となるように、電子ビームの照射条件(出力等)を設定する必要がある。
ところで、電子ビームが外側部13に照射され、Ni層10及び外側部13が高温に熱せられると、Ni層10及び外側部13の構成物質(Ni,Fe等)が気化して、段差15における電子ビームの照射方向に伸びる壁部分に付着する。段差15における壁部分においても最表面にNi層10が位置することから、電子ビームの照射により気化した構成物質がNi層10に蒸着しても、当該構成物質はNi層10と結合するので、ゴミとして剥がれ落ちるようなことはない。また、上記構成物質とNi層10とが結合することにより、窓枠7の外観上変化も抑制されることとなる。
また、電子ビームが照射されて窓枠7が加熱されると、窓枠7と窓材9の熱膨張率の違いにより、窓枠7に熱応力が発生することとなる。発生した熱応力は窓材9に伝えられ、窓材9の歪み、窓材9の脱落、破損、窓材9と高融点ガラス17との接合部の気密性劣化等を招く要因となる。しかしながら、電子ビームが照射される外側部13と窓材9が固定される内側部11との間に段差15が形成されているので、発生した熱応力は外側部13に集中することとなり、窓材9に伝わるのが抑制されることとなる。この結果、窓材9の歪み、窓材9の脱落、破損、窓材9と高融点ガラス17との接合部の気密性劣化等を防ぐことができる。
以上のように、本第1実施形態においては、容器5と窓枠7とがロウ材31を介してロウ付け固定されることとなるので、シールフレームを必要としない分、光半導体装置OS1の高さを低くすることができると共に、低コストで実現することができる。また、電子ビーム照射による熱が伝わることによりロウ材31が溶融して容器5と窓枠7とを固定するので、シーム溶接にて固定するものに比して、作業時間が短くてすみ、生産性が極めて優れる。
また、本第1実施形態において、Ni層10は、壁部23に対向する側の最表面となるように窓枠7に形成されており、ロウ材31は、銀ロウ材である。これにより、窓枠7と容器5とを適切に固定することができる。また、高温環境下での使用に適した光半導体装置OS1を実現することができる。
また、本第1実施形態においては、窓枠7には、Ni層10が単層に形成されている。これにより、メッキ処理が一回ですみ、生産性がより一層優れることとなる。
また、本第1実施形態においては、壁部23におけるロウ材31を介して窓枠7に固定される面には、金属層33が形成されている。これにより、容器5と窓枠7とを強固に固定することができる。
また、本第1実施形態においては、窓枠7から窓材9の方向に収縮力が作用することとなり、窓枠7と窓材9との接着強度が高められる。特に、窓材9は、窓材9の厚み方向に沿った面でのみ高融点ガラス17に接触しているので、窓材9に対し当該窓材9の厚み方向に垂直な方向のみから窓枠7の収縮力が作用することとなり、窓枠7と窓材9との接着強度を極めて高くすることができる。
なお、高融点ガラス17は、窓材9の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有していることが好ましい。この場合、窓材9に対し窓枠7の収縮力を窓材9の厚み方向に垂直な方向から適切に作用させることができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に係る光半導体装置について説明する。図7は、第2実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図8は、第2実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。第2実施形態に係る光半導体装置OS2は、キャップ部材の構成等の点で第1実施形態に係る光半導体装置OS1と相違する。
次に、第2実施形態に係る光半導体装置について説明する。図7は、第2実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図8は、第2実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。第2実施形態に係る光半導体装置OS2は、キャップ部材の構成等の点で第1実施形態に係る光半導体装置OS1と相違する。
光半導体装置OS2は、半導体光検出素子(例えば、裏面照射型のフォトダイオード等)PD2と、半導体光検出素子PD2を収容するパッケージ1とを備え、光検出装置として機能する。パッケージ1は、キャップ部材3と容器51とを有する。
キャップ部材3は、窓枠61と、窓枠61に固定される窓材43とを備える。窓枠61は、コバール合金からなる略平板状の部材であり、内側部63と、当該内側部63よりも薄肉状に形成された外側部65とを含んでいる。内側部63の一方の主面(容器51に対向する面)と外側部65の一方の主面(容器51に対向する面)とは、異なる平面上にある。窓枠61には、図9に示されるように、窓枠61の全体を覆うように、Ni層10が単層に形成されている。
内側部63には、窓材43を収容する窪み63aが形成されており、その中央に窪み63aに連通する円形状の開口61aが形成されている。窪み63aの内径は2.25mmに設定されており、開口61aの内径は1.0mmに設定されている。内側部63と外側部65とで段差67が形成されることとなる。内側部63の厚みは、0.6mm程度である。外側部65の厚みは、0.2mm程度に設定されている。
窓材43は、窪み63aに位置し、開口61aを覆う(本実施形態では、開口61aを塞ぐ)ように内側部63に低融点ガラス50により接着されている。窓材43は、その直径が開口61aの直径よりも大きく且つ窪み63aの内径よりも小さく設定されている。本実施形態において、窓材43の直径は1.9mmに設定されており、厚みは0.25mmに設定されている。
容器51は、絶縁材料(例えば、セラミック等)からなる。容器51は、底部53と当該底部53から伸びる壁部55とを含んでいる。容器51には、底部53と壁部55とで窪み57が形成されている。底部53には、半導体光検出素子PD2が、バンプ58(例えば、金バンプ)によりパッド電極(図7及び8にて、不図示)にフリップチップ接続された状態で固定されている。パッド電極は容器51内に形成された金属層を通って、容器51の外部に導出されている。半導体光検出素子PD2の電極の取り出しは、バンプ58、パッド電極及び外部メタライズにより実現される。
キャップ部材3(窓枠61)は、窪み57を覆うように、容器51の壁部55に固定されている。窓枠61と容器51とは、壁部55と外側部65との間に配置されたロウ材31(銀ロウ材)により、ロウ付け固定されている。
壁部55におけるロウ材31を介して窓枠61に固定される面には、図10に示されるように、メタライズ処理が施されることにより、金属層(ハッチングを付した領域)33が形成されている。また、底部53には、上記パッド電極に対応する領域にも、メタライズ処理により金属層39が形成されている。この金属層39がパッド電極として機能する。金属層33,39は、容器51側から順に、WまたはMo−Mn層、Ni層、Au層が積層された層構造を有している。
窓枠61と容器51とのロウ付けは、第1実施形態と同じく、壁部55と外側部65との間にロウ材31を配置した状態で、キャップ部材3と容器51とを治具で挟んでプレスした状態で外側部65(Ni層10)に電子ビームを照射し、ロウ材31を溶融させることにより、容器51の壁部55と窓枠61の外側部65とをロウ付け固定する。Ni層10は、窓枠61における電子ビームを照射する側の最表面に位置している。
以上のように、本第2実施形態においては、第1実施形態と同様に、光半導体装置OS2の高さを低くすることができると共に、低コストで実現することができる。また、シーム溶接にて固定するものに比して、作業時間が短くてすみ、生産性が極めて優れる。
また、本第2実施形態においても、電子ビームが照射される最表面にNi層10が位置することとなる。このため、電子ビームの照射により気化したNi層10及び外側部65の構成物質(Ni,Fe等)がNi層10に蒸着しても、当該構成物質はNi層10と結合し、窓枠61の外観上の変化は抑制されると共に、ゴミとして剥がれ落ちるようなことはない。
また、本第2実施形態において、Ni層10は、壁部55に対向する側の最表面となるように窓枠61に形成されており、ロウ材31は、銀ロウ材である。これにより、窓枠61と容器51とを適切に固定することができる。また、高温環境下での使用に適した光半導体装置OS2を実現することができる。
また、本第2実施形態においては、電子ビームが照射される外側部65と窓材43が固定される内側部63との間に段差67が形成されているので、電子ビームの照射により窓枠61に発生した熱応力は段差67に集中することとなり、窓材43に伝わるのが抑制されることとなる。この結果、窓材43の位置ズレや、窓材43の脱落、破損等を防ぐことができる。
なお、窓枠61と窓材43との固定に低融点ガラス50を用いる場合、ホイスカの発生、及び、耐湿性への影響などを考慮して、低融点ガラス50での固定の前にメッキ処理を施し、Ni層10を形成しておくことが好ましい。また、低融点ガラス50での固定の前にメッキ処理にてAu層を形成した場合、低融点ガラス50での封着時にAu層の組成が変化してAuが拡散し、低融点ガラス50の接合強度が低下するおそれがある。このことからも、Ni層10を単層に形成することが好ましい。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態に係る光半導体装置について説明する。図11は、第3実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図12は、第3実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。第3実施形態に係る光半導体装置OS3は、キャップ部材の構成等の点で第1実施形態に係る光半導体装置OS1と相違する。
次に、第3実施形態に係る光半導体装置について説明する。図11は、第3実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図12は、第3実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。第3実施形態に係る光半導体装置OS3は、キャップ部材の構成等の点で第1実施形態に係る光半導体装置OS1と相違する。
光半導体装置OS3は、半導体光検出素子PD1と、パッケージ1とを備え、光検出装置として機能する。パッケージ1は、キャップ部材3と容器71とを有する。
キャップ部材3は、窓枠91と、窓枠91に固定される窓材92とを備える。窓枠91は、コバール合金からなる略平板状の部材であり、中央に円形状を呈した開口91aが形成されている。開口91aの内径は、1.02mmに設定されている。窓枠91には、図13に示されるように、窓枠91の全体を覆うように、Ni層が単層に形成されている。
窓枠91は、窓材92が固定される内側部93と、当該内側部93よりも薄肉状に形成された外側部95とを含んでいる。内側部93の一方の主面(容器71に対向する面の裏面)と外側部95の一方の主面(容器71に対向する面の裏面)とは、同一平面上にある。内側部93と外側部95の厚みが異なることから、内側部93と外側部95とで段差97が形成されることとなる。内側部93の厚みは、窓材92の厚みと同じに設定されており、本実施形態においては0.35mm程度である。外側部95の厚みは、0.15mm程度に設定されている。
窓材92は、円板形状を呈しており、ホウ珪酸系ガラスからなる。窓材92は、窓枠91の開口91aを覆う(本実施形態では、開口91aを塞ぐ)ように、内側部93における開口91aを臨む内壁(Ni層)に接している。内側部93の両主面と窓材92の両主面とは、それぞれ同一平面上にある。窓材92は、当該窓材92を溶融することにより窓枠91に固定される。
容器71は、絶縁材料(例えば、セラミック等)からなる。容器71は、底部73と当該底部73から伸びる壁部75とを含んでいる。容器71には、底部73と壁部75とで窪み77が形成されている。底部73には、半導体光検出素子PD1が固定されている。半導体光検出素子PD1は、ダイボンド樹脂48により、底部73に固定されている。
底部73より所定高さを有して形成された段部79には、半導体光検出素子PD1の電極を外部に取り出すためのボンディングパッド(図11及び12にて、不図示)が設けられている。ボンディングパッドは容器71内に形成された金属層を通って、容器71の外部に導出されている。半導体光検出素子PD1の電極とボンディングパッドとは、ボンディングワイヤ29を介して、結線されている。
キャップ部材3(窓枠91)は、窪み77を覆うように、容器71の壁部75に固定されている。窓枠91と容器71は、壁部75と窓枠91の外側部95との間に配置されたロウ材31により、ロウ付け固定されている。窓枠7は、内側部93、外側部95及び窓材92が面一とされた面の反対面を容器71に対向した状態で、固定される。キャップ部材3と容器71とが固定された状態では、内側部93の一部及び窓材92の一部は、容器71の窪み77内に位置することとなる。
窓枠91と容器71とのロウ付けは、第1及び第2実施形態と同じく、壁部75と窓枠91の外側部95との間にロウ材31を配置した状態で、キャップ部材3と容器71とを治具で挟んでプレスした状態で窓枠91の外側部95(Ni層10)に電子ビームを照射し、ロウ材31を溶融させることにより、容器71の壁部75と窓枠91の外側部95とをロウ付け固定する。Ni層10は、窓枠91における電子ビームを照射する側の最表面に位置している。
キャップ部材3と容器71とは、電子ビームを照射する際に、治具で挟んでプレスされる。このとき、キャップ部材3の表面(容器71に対向する面の裏面)において、内側部93、外側部95及び窓材92が面一であるので、段差97にストレスが加わるようなことはない。
壁部75におけるロウ材31を介して窓枠91に固定される面には、図14に示されるように、メタライズ処理が施されることにより、金属層(ハッチングを付した領域)33が形成されている。また、段部79には、上記ボンディングパッドに対応する領域にも、メタライズ処理により金属層37が形成されている。この金属層37がボンディングパッドとして機能する。金属層33,37は、容器71側から順に、WまたはMo−Mn層、Ni層、Au層が積層された層構造を有している。
以上のように、本第3実施形態においては、第1及び第2実施形態と同様に、光半導体装置OS3の高さを低くすることができると共に、低コストで実現することができる。また、シーム溶接にて固定するものに比して、作業時間が短くてすみ、生産性が極めて優れる。
また、本第3実施形態においても、電子ビームが照射される最表面にNi層10が位置することとなる。このため、電子ビームの照射により気化したNi層10及び窓枠91の構成物質(Ni,Fe等)がNi層10に蒸着しても、当該構成物質はNi層10と結合し、窓枠91の外観上の変化は抑制されると共に、ゴミとして剥がれ落ちるようなことはない。特に、窓枠91において電子ビームの照射位置近傍に段差が存在しないため、上記構成物質の付着そのものが生じることは極めて少ない。
また、本第3実施形態において、Ni層10は、壁部75に対向する側の最表面となるように窓枠91に形成されており、ロウ材31は、銀ロウ材である。これにより、窓枠91と容器71とを適切に固定することができる。また、高温環境下での使用に適した光半導体装置OS3を実現することができる。
また、本第3実施形態においては、電子ビームが照射される外側部95と窓材92が固定される内側部93との間に段差97が形成されているので、電子ビームの照射により窓枠91に発生した熱応力は段差97に集中することとなり、窓材92に伝わるのが抑制されることとなる。この結果、窓材92の位置ズレや、窓材92の脱落、破損等を防ぐことができる。
(第4実施形態)
次に、第4実施形態に係る光半導体装置について説明する。図15は、第4実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図16は、第4実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。第4実施形態に係る光半導体装置OS4は、キャップ部材を固定する向きの点で第1実施形態に係る光半導体装置OS1と相違する。
次に、第4実施形態に係る光半導体装置について説明する。図15は、第4実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図16は、第4実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。第4実施形態に係る光半導体装置OS4は、キャップ部材を固定する向きの点で第1実施形態に係る光半導体装置OS1と相違する。
光半導体装置OS4は、半導体光検出素子PD1と、パッケージ1とを備え、光検出装置として機能する。パッケージ1は、キャップ部材3と容器5とを有する。キャップ部材3は、窓枠7と、窓材9とを備える。
窓枠7は、内側部11、外側部13及び窓材9が面一とされた面の反対面を容器5に対向した状態で、固定される。キャップ部材3と容器5とが固定された状態では、内側部11の一部及び窓材9の一部は、容器5の窪み25内に位置することとなる。
以上のように、本第4実施形態においては、第1実施形態と同じく、光半導体装置OS4の高さを低くすることができると共に、低コストで実現することができる。また、シーム溶接にて固定するものに比して、作業時間が短くてすみ、生産性が極めて優れる。
また、本第4実施形態においても、電子ビームが照射される最表面にNi層10が位置することとなる。このため、電子ビームの照射により気化したNi層10及び窓枠7の構成物質(Ni,Fe等)がNi層10に蒸着しても、当該構成物質はNi層10と結合し、窓枠7の外観上の変化は抑制されると共に、ゴミとして剥がれ落ちるようなことはない。特に、窓枠7において電子ビームの照射位置近傍に段差が存在しないため、上記構成物質の付着そのものが生じることは極めて少ない。
また、本第4実施形態においては、電子ビームが照射される外側部13と窓材9が固定される内側部11との間に段差15が形成されているので、電子ビームの照射により窓枠7に発生した熱応力は段差15に集中することとなり、窓材9に伝わるのが抑制されることとなる。この結果、窓材9の位置ズレや、窓材9の脱落、破損等を防ぐことができる。
また、本第4実施形態においては、キャップ部材3の表面(容器5に対向する面の裏面)において内側部11、外側部13及び窓材9が面一であるので、キャップ部材3と容器71とを治具で挟んでプレスしても、段差15にストレスが加わるようなことはない。
(第5実施形態)
次に、第5実施形態に係る光半導体装置について説明する。図17は、第5実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図18は、第5実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。第5実施形態に係る光半導体装置OS5は、キャップ部材の構成の点で第4実施形態に係る光半導体装置OS4と相違する。
次に、第5実施形態に係る光半導体装置について説明する。図17は、第5実施形態に係る光半導体装置を示す平面図である。図18は、第5実施形態に係る光半導体装置の断面構成を説明するための模式図である。第5実施形態に係る光半導体装置OS5は、キャップ部材の構成の点で第4実施形態に係る光半導体装置OS4と相違する。
光半導体装置OS5は、半導体光検出素子PD1と、パッケージ1とを備え、光検出装置として機能する。パッケージ1は、キャップ部材3と容器5とを有する。キャップ部材3は、窓枠7と、窓材9とを備える。
光半導体装置OS5においては、高融点ガラス17が、キャップ部材3(窓枠7)における容器5に対向する面側に位置している。
以上のように、本第5実施形態においては、第1〜第4実施形態と同じく、光半導体装置OS5の高さを低くすることができると共に、低コストで実現することができる。また、シーム溶接にて固定するものに比して、作業時間が短くてすみ、生産性が極めて優れる。また、窓枠7の外観上の変化は抑制されると共に、ゴミとして剥がれ落ちるようなことはない。特に、窓枠7において電子ビームの照射位置近傍に段差が存在しないため、上記構成物質の付着そのものが生じることは極めて少ない。
また、本第5実施形態においても、電子ビームが照射される外側部13と窓材9が固定される内側部11との間に段差15が形成されているので、電子ビームの照射により窓枠7に発生した熱応力が窓材9に伝わるのを抑制して、窓材9の歪み、窓材9の脱落、破損、窓材9と高融点ガラス17との接合部の気密性劣化等を防ぐことができる。
また、本第5実施形態においては、高融点ガラス17がキャップ部材3における容器5に対向する面側に位置しているので、高融点ガラス17を保護することができる。
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、第1〜第5実施形態においては、本発明を、光検出装置として機能する光半導体装置OS1〜OS5に適用しているが、これに限られることなく、光半導体素子として、半導体レーザ、又は発光ダイオード等を用いて発光装置として機能する光半導体装置にも適用することができる。
また、第1〜第5実施形態においては、Ni層10を単層に形成しているが、これに限られるものではなく、複数回のメッキ処理により複数の金属層を積層してもよい。この場合、窓枠7,61,91における電子ビームを照射する側の最表面となるようにNi層10が形成されていればよい。
また、第1〜第5実施形態においては、Ni層10が容器5,51,71に対向する側の最表面となるように窓枠7,61,91に形成されているが、必ずしも、Ni層10が最表面である必要はない。例えば、図19に示されるように、窓枠7における容器(壁部)に対向する側の最表面となるように、Ni層10の上にAu層120を形成してもよい。Au層120は、Auメッキ処理(電解メッキ処理)により形成することができる。Au層120を形成した場合、ロウ材31として、金ロウ材(例えば、Au−Sn、Au−Si、Au−Ge等)を用いることができる。これらの金ロウ材は、銀ロウ材よりも融点が低いことから、電子ビームの出力を低くすることができる。
1…パッケージ、3…キャップ部材、5,51,71…容器、7,61,91…窓枠、7a,61a,91a…開口、9,43,92…窓材、10…ニッケル(Ni)層、11,63,93…内側部、13,65,95…外側部、15,67,97…段差、21,53,73…底部、23,55.75…壁部、25,57,77…窪み、31…ロウ材、33,35,37,39…金属層、EB…電子ビーム、F…溶融領域、OS1〜OS5…光半導体装置、PD1,PD2…半導体光検出素子。
Claims (6)
- 絶縁材料からなり、底部と当該底部から伸びる壁部とにより窪みが形成された容器と、
前記底部に固定される光半導体素子と、
開口が形成されており、前記窪みを覆うように前記容器に固定される金属製の枠体と、
前記開口を覆うように前記枠体に固定される窓材と、を備え、
前記容器と前記枠体とは、前記壁部と前記枠体との間に配置されたロウ材を前記枠体に照射した電子ビームにて溶融することにより固定されており、
枠体には、電子ビームが照射される部分と前記窓材が固定される部分との間に段差が形成されていることを特徴とする光半導体装置。 - 電子ビームが照射される前記部分の厚みを前記窓材が固定される前記部分の厚みよりも薄くすることにより前記段差が形成されることを特徴とする請求項1に記載の光半導体装置。
- 前記枠体には、当該枠体における電子ビームを照射する側の最表面となるようにニッケル層が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光半導体装置。
- 前記ニッケル層は、更に前記壁部に対向する側の最表面となるように前記枠体に形成されており、
前記ロウ材は、銀ロウ材であることを特徴とする請求項3に記載の光半導体装置。 - 前記枠体には、前記ニッケル層が単層に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の光半導体装置。
- 前記壁部における前記ロウ材を介して前記枠体に固定される面には、金属層が形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光半導体装置。
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