JP2011159968A - 化合物半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、化合物半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の化合物半導体素子収納用パッケージは、互いに対向する第一表面及び第二表面を有する基板と、基板を貫いてその第一表面及び第二表面を導通する複数の金属柱と、基板の第一表面に被着形成される金属層と、金属層上に積層され、機能領域を画定し、前記機能領域の中央部に貫通穴を有する反射枠と、反射枠の内表面及び機能領域上に被着されて、金属柱に電気接続する前記金属層の第一電極領域及び第二電極領域を露出するガラス反射層と、機能領域のガラス反射層上に載置固定され且つ第一電極領域及び第二電極領域に電気接続する少なくとも1つの化合物半導体素子と、化合物半導体素子を封止する透明樹脂と、を備え、ガラス反射層の表面の孔の直径は、基板及び反射枠の表面の孔の直径より小さい。
【選択図】図5I

Description

本発明は、化合物半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法に関するものである。
発光ダイオード(Light Emitting Diode,LED)は、低消費電力、高輝度、小型、長寿命である等の利点を有することから、次世代省エネランプの発光素子として、広く応用される。
発光装置の発光効率を高める従来の技術として、図1を参照すると、発光素子収納用パッケージ100は、セラミック基体102と、このセラミック基体102上面に積層され、中央部に発光素子118を収容するための貫通穴116を有するセラミック窓枠104と、を備える。発光素子118の発する光を前記貫通穴116内で反射させて発光装置の発光効率を高めるために、貫通穴116の内壁にニッケルめっき層や金めっき層を表面に有するメタライズ金属層114を被着させている。セラミック基体102は、上面中央部に発光素子118を搭載するための搭載部112を有し、搭載部112から下面にかけて導出するメタライズ配線導体106及び前記搭載部112の周辺から下面にかけて導出するメタライズ配線導体108が被着形成されている。メタライズ配線導体106・108は、パッケージ内部に収容する発光素子118を外部に電気的に接続するための導電路として機能する。そして、メタライズ配線導体106の搭載部112部位には発光ダイオード等の前記発光素子118が導電性接合材により固着されるとともに、メタライズ配線導体108の搭載部112周辺部位には発光素子118の電極がボンディングワイヤ110を介して電気的に接続される(特許文献1を参照)。
メタライズ配線導体108の搭載部112周辺部位とメタライズ金属層114との電気的短絡を防止するために、メタライズ配線導体108の搭載部112周辺部位とメタライズ金属層114との間に隙間120を形成したが、隙間120の幅が狭いため、上記の電気的短絡を避け難く、従って発光装置の発光効率を低減する。
上記の電気的短絡を避けることができる従来の技術として、図2を参照すると、発光素子収納用パッケージ200において、金属反射膜206を発光素子202を収容する凹部204の内壁面の全面に設けるのではなく、凹部204の底面から例えば0.01〜0.3mm程度離間して被着させているとともに、凹部204の底面と金属反射膜206との間に凹部204内に突出する絶縁層208を配設させていることから、発光素子202の発する光を金属反射膜206により効率良く反射させることができるとともに、絶縁層208により金属反射膜206と凹部204の底面の配線層210との電気的短絡を有効に防止でき、その結果、配線層210を介して発光素子202に電力を正常に供給して発光素子202を正常に発光させることができる(特許文献2を参照)。
絶縁層208により金属反射膜206と凹部204の底面の配線層210との電気的短絡を有効に防止できるが、絶縁層208は反射作用を有しないため、発光装置の発光効率を低減する。又、金属材料を反射材料とする場合、光吸収問題が存在する。発光ダイオードの波長が400nmより小さいと、金(Au)及びニッケル(Ni)の反射率は50%より小さい。発光ダイオードの波長が350nmより小さいと、銀(Ag)の反射率は50%より小さく、且つ銀は波長が300〜350nmの光線を吸収する。なお、金属材料には酸化問題が存在し、長時間の使用により、金属材料は空気の中の酸素と深色の金属酸化物を形成して反射膜の表面を覆うので、反射効率を低減させる。
発光装置の発光効率を高める他の従来の技術として、図3を参照すると、発光素子収納用パッケージ300の絶縁基体302は、白色の酸化アルミニウム質焼結体から成り、その上面側に発光素子としての発光ダイオード素子が収容される凹部304が多数マトリクス状に配列される。絶縁基体302が白色を呈することから、絶縁基体302の凹部304に収容された発光素子の発する光は凹部304内壁で効率良く反射することによって輝度が実質的に高くなり、凹部304の内壁面に金属反射膜を設ける必要がない(特許文献3を参照)。
しかし、焼結体表面の孔の直径が比較的大きいので、光線を反射する際、平坦ではない表面で散乱が発生して、光線の反射効率を低減する。
特開2002−232017号公報 特開2003−273405号公報 特開平08−274378号公報
本発明の目的は、前記課題を解決し、発光効率が高く、優れた放熱性能を有し、反射層の黒化による反射効率の低減を改善することができる化合物半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法を提供することである。
本発明に係る化合物半導体素子収納用パッケージは、互いに対向する第一表面及び第二表面を有する基板と、前記基板を貫いて前記第一表面及び前記第二表面を導通する複数の金属柱と、前記基板の第一表面に被着形成され、前記金属柱に電気接続する金属層と、前記金属層上に積層され、機能領域を画定し、前記機能領域の中央部に貫通穴を有する反射枠と、前記反射枠の内表面及び前記機能領域上に被着されて、前記金属層の第一電極領域及び第二電極領域を露出するガラス反射層と、前記機能領域のガラス反射層上に載置固定され且つ前記第一電極領域及び前記第二電極領域に電気接続する少なくとも1つの化合物半導体素子と、前記化合物半導体素子を封止する透明樹脂と、を備え、前記ガラス反射層の表面の孔の直径は、前記基板及び前記反射枠の表面の孔の直径より小さい。
本発明に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造方法は、互いに対向する第一表面及び第二表面を有する基板を提供するステップと、前記基板に複数の貫通孔を形成して前記第一表面及び前記第二表面を導通するステップと、複数の前記貫通孔に金属材料を充填して複数の金属柱を形成するステップと、前記基板の第一表面に前記金属柱に電気接続する金属層を形成するステップと、中央部に貫通穴を有する反射枠を前記金属層上に積層して機能領域を形成するステップと、前記反射枠の内表面及び前記機能領域上にガラス反射層を被着し、且つ前記金属層の第一電極領域及び第二電極領域を露出するステップと、前記機能領域のガラス反射層上に少なくとも1つの化合物半導体素子を載置固定し、少なくとも1つの前記化合物半導体素子を前記第一電極領域及び前記第二電極領域に電気接続するステップと、透明樹脂で前記化合物半導体素子を封止するステップと、を備え、前記ガラス反射層の表面の孔の直径は、前記基板及び前記反射枠の表面の孔の直径より小さい。
本発明に係わる化合物半導体素子収納用パッケージは、以下の利点を有する。基板を貫く複数の金属柱は、化合物半導体素子を外部に電気的に接続するための導電路として機能するとともに、化合物半導体素子の熱を外部に放熱するための熱伝導路として機能する。ガラス反射層の表面の孔の直径は、基板及び反射枠の表面の孔の直径より小さいので、化合物半導体素子の発する光は、前記ガラス反射層で効率良く反射することによって輝度が実質的に高くなる。ガラス反射層は温度を均一にする効果を有するから、ガラス反射層上に載置固定された化合物半導体素子が生じる熱を機能領域の表面に均一に伝導されてから基板によって放熱されて、化合物半導体素子の寿命を延長する。ガラス反射層で金属反射層を替えるため、金属反射層の黒化による反射効率の低減を改善することができ、且つ金属反射層と電極との間の電気的短絡も発生しない。
本発明の従来の技術に係る発光素子収納用パッケージの構造を示す図である。 本発明の従来の技術に係る発光素子収納用パッケージの構造を示す図である。 本発明の従来の技術に係る発光素子収納用パッケージの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージのハウジングの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図5Iに示されたように、本発明の実施形態に係わる化合物半導体素子収納用パッケージは、基板506と、前記基板506の片側に位置する少なくとも1つの化合物半導体素子534と、前記基板506の上面で前記化合物半導体素子534を囲んで機能領域532を形成し且つ中央部に前記化合物半導体素子534を収容するための貫通穴を有する反射枠524と、前記反射枠524の内表面及び前記機能領域532上に被着されて第一電極領域528及び第二電極領域530を露出する反射層526と、を備え、前記反射枠524の貫通穴内に透明な封止樹脂538を充填して前記化合物半導体素子534を封止することによって発光装置となる。前記基板506は、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体又はセラミックグリーンシートを多層積層してなる積層体であり、互いに対向する第一表面510及び第二表面512を有する(図5Cを参照)。前記基板506には、前記第一表面510及び前記第二表面512を貫く複数の貫通孔508が設けられ、前記貫通孔508を充填する金属材料514は、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、錫(Sn)、アルミニウム(Al)又はこれらの合金である。前記反射層526は、二酸化珪素(SiO)、酸化ホウ素(B)及び酸化マグネシウム(MgO)の混合物であることができる。前記反射層526は、ガラス反射層である。前記化合物半導体素子534は、エポキシ樹脂を介して前記機能領域532のガラス反射層上に載置固定されており、前記化合物半導体素子534の電極と前記第一電極領域528及び前記第二電極領域530とを金線のような金属導線536を介して電気的に接続する。前記化合物半導体素子534は、発光ダイオード、レーザーダイオード又は光感知チップであることができる。前記透明な封止樹脂538は、エポキシ(Epoxy)樹脂又はシリコーン(Silicone)樹脂であることができ、前記透明な封止樹脂538に蛍光材料540を混ぜることで、前記発光装置が白光又は他の必要とする色の光を発することができる。前記蛍光材料540は、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系蛍光体材料、TAG(テルビウム・アルミニウム・ガーネット)系蛍光体材料、硫化物(Sulfide)、リン化物(Phosphate)、酸窒化物(Oxynitride)又はシリケイト(Silicate)であることができる。
本発明に係わる化合物半導体素子収納用パッケージにおいて、前記反射枠524の表面に特別なガラス反射層が被着されているため、従来の技術のように金属酸化による反射層の黒化によって反射機能が低減することを避けることができる。
図4は、本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージのハウジングの製造方法を示すフローチャートである。
ステップ402:互いに対向する第一表面及び第二表面を有する基板を提供する。前記基板は、酸化アルミニウム質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体である。前記基板は、絶縁基板に属する。
ステップ404:レーザー処理又は打ち抜き機械加工を施すことにより、前記基板に複数の貫通孔を形成して前記第一表面及び前記第二表面を導通する。
ステップ406:複数の前記貫通孔に金属材料を充填する。複数の前記貫通孔に金属材料を充填することにより複数の金属柱を形成して、前記基板の第一表面及び第二表面を電気的に接続することができ、且つ熱を伝導することもできる。前記金属材料は、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、錫(Sn)、アルミニウム(Al)又はこれらの合金である。
ステップ408:前記基板の第一表面に金属層を形成し、前記基板の第二表面に第一金属パッド及び第二金属パッドを形成する。前記金属層は、互いに離間して形成される第一導電領域及び第二導電領域を含む。
ステップ410:前記金属層上に反射枠を積層して形成する。前記反射枠は、その中央部に化合物半導体素子を収容するための貫通穴を有する。前記反射枠は、前記基板と実質的に同一組成の材料からなる。焼成することによって製作された前記基板及び前記反射枠の表面は粗面であるので、前記化合物半導体素子の発する光を反射する際、散乱現象が発生し易く、従って光線の反射効率が低減する。又、前記基板は熱伝導特性を有するが、前記化合物半導体素子が生じる熱は、前記化合物半導体素子の下方に集中するので、熱伝導が均一ではない。
ステップ412:前記反射枠の内表面及び前記金属層上にガラス反射層を形成する。モールディング方式によって、前記反射枠の内表面、前記第一導電領域上及び前記第二導電領域上にガラス反射層を形成し且つ第一電極領域及び第二電極領域を露出してから、低温焼成セラミックス(Low Temperature Cofired Ceramics,LTCC)技術を利用して900度程度の温度で焼成することによって、ガラス反射層を有する化合物半導体素子収納用パッケージのハウジングが製作された。前記ガラス反射層は、二酸化珪素(SiO)、酸化ホウ素(B)及び酸化マグネシウム(MgO)の混合物であることができる。前記ガラス反射層は、優れた光沢、透明性、耐熱性、絶縁性、化学安定性及び強い力学性能を有する。前記ガラス反射層の表面の孔の直径は、前記基板及び前記反射枠の表面の孔の直径より小さいので、前記化合物半導体素子の発する光は、前記ガラス反射層で効率良く反射することによって輝度が実質的に高くなる。前記ガラス反射層は温度を均一にするので、前記化合物半導体素子を前記反射枠の貫通穴内のガラス反射層上に固定すると、前記化合物半導体素子が生じる熱は前記ガラス反射層に均一に分散されてから、前記基板によって放熱される。
他の実施形態において、前記基板は、セラミックグリーンシートを多層積層してなる積層体であることができる。具体的に説明すると、低温セラミックス粉末に適当な有機バインダ、溶剤、可塑剤、分散剤等を添加混合して得たセラミックスラリーを従来周知のドクターブレード法を採用してシート状に成形して複数枚のセラミックグリーンシートを得てから、それらのセラミックグリーンシートに貫通孔を形成するための打ち抜き加工を施すとともにそれらのセラミックグリーンシートを積層し、最後にその積層体を焼成することによって所定の厚さ及び複数の貫通孔を有する基板が製作される。
図5A〜図5Iは、本発明の実施形態に係る化合物半導体素子収納用パッケージの製造過程における各ステップの構造を示す図である。図5Aに示されたように、貫通孔504を有する複数枚のセラミックグリーンシート502を提供してから、図5Bに示されたように、複数の前記セラミックグリーンシート502を積層し且つその積層体を焼成することによって所定の厚さ及び複数の貫通孔508を有する基板506が製作される。図5Cは、図5Bに示す基板のA―A’線に沿う断面図であり、前記基板506は、互いに対向する第一表面510及び第二表面512を有し、複数の貫通孔508が前記基板506の第一表面510及び第二表面512を貫く。
図5Dに示すように、前記基板506の複数の貫通孔508に金属材料514を充填することにより、複数の金属柱を形成して、前記基板506の第一表面510及び第二表面512を電気的に接続することができ、且つ熱を伝導することもできる。
図5Eに示すように、前記基板506の第一表面510に金属層を形成し前記基板506の第二表面512に第一金属パッド520及び第二金属パッド522を形成する。前記金属層は、互いに離間して形成される第一導電領域516及び第二導電領域518を含む。前記金属層の材料は、銀であることができる。
図5Fに示すように、前記第一導電領域516上及び第二導電領域518上に反射枠524を積層して形成する。前記反射枠524は、その中央部に化合物半導体素子を収容するための貫通穴を有する。前記反射枠524は、前記基板506と実質的に同一組成の材料からなる。
図5G−1に示すように、前記反射枠524の内表面全体、一部分の前記第一導電領域516上及び一部分の前記第二導電領域518上に反射層526を形成する。前記第一導電領域516及び前記第二導電領域518における前記反射枠524に囲まれる領域を機能領域532とする。前記第一導電領域516の前記反射層526に被着されない領域は第一電極領域528であり、前記第二導電領域518の前記反射層526に被着されない領域は第二電極領域530である。図5G−2に示されたように、前記反射枠524は、前記機能領域532を囲み、前記反射層526は、前記反射枠524の内表面全体及び前記機能領域532の表面を覆い、且つ前記第一電極領域528及び前記第二電極領域530を露出する。
図5Hに示すように、エポキシ樹脂を介して少なくとも1つの化合物半導体素子534を前記機能領域532内の前記反射層526上に固定してから、前記化合物半導体素子534の電極と前記第一電極領域528及び前記第二電極領域530とを金属導線536を介して電気的に接続する。前記金属導線536は、金線であることができ、前記化合物半導体素子534は、発光ダイオード、レーザーダイオード又は光感知チップであることができる。
図5Iに示すように、エポキシ(Epoxy)樹脂又はシリコーン(Silicone)樹脂のような透明な封止樹脂538で前記化合物半導体素子534を封入することによって最終製品としての発光装置となる。前記封止樹脂538は、前記化合物半導体素子534が外界の汚染を受けないように保護し、且つ湿気が滲みこんで前記化合物半導体素子534が損害されるか又はその寿命が短縮することを免れる。前記透明な封止樹脂538に蛍光材料540を混ぜることで、前記発光装置が白光又は他の必要とする色の光を発することができる。前記蛍光材料540は、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系蛍光体材料、TAG(テルビウム・アルミニウム・ガーネット)系蛍光体材料、硫化物(Sulfide)、リン化物(Phosphate)、酸窒化物(Oxynitride)又はシリケイト(Silicate)であることができる。
本発明に係る化合物半導体素子収納用パッケージは、以下の利点を有する。基板の複数の貫通孔に金属材料を充填してなる複数の金属柱は、化合物半導体素子を外部に電気的に接続するための導電路として機能するとともに、化合物半導体素子の熱を外部に放熱するための熱伝導路として機能する。ガラス反射層の表面の孔の直径は、基板及び反射枠の表面の孔の直径より小さいので、化合物半導体素子の発する光は、前記ガラス反射層で効率良く反射することによって輝度が実質的に高くなる。ガラス反射層は温度を均一にする効果を有するから、ガラス反射層上に載置固定された化合物半導体素子が生じる熱は機能領域の表面に均一に分散されてから基板によって放熱されて、化合物半導体素子の寿命を延長する。ガラス反射層で金属反射層を替えるため、金属反射層の黒化による反射効率の低減を改善することができ、且つ金属反射層と電極との間の電気的短絡も発生しない。
以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種種変更可能であることは勿論であって、本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲から決まる。
100,200,300 発光素子収納用パッケージ
102 セラミック基体
104 セラミック窓枠
106,108 メタライズ配線導体
110 ボンディングワイヤ
112 搭載部
114 メタライズ金属層
116 貫通穴
118,202 発光素子
120 隙間
204,304 凹部
206 金属反射膜
208 絶縁層
210 配線層
302 絶縁基体
506 基板
508 貫通孔
510 第一表面
512 第二表面
514 金属材料
516 第一導電領域
518 第二導電領域
520 第一金属パッド
522 第二金属パッド
524 反射枠
526 反射層
528 第一電極領域
530 第二電極領域
532 機能領域
534 化合物半導体素子
536 金属導線
538 封止樹脂
540 蛍光材料

Claims (5)

  1. 互いに対向する第一表面及び第二表面を有する基板と、
    前記基板を貫いて前記第一表面及び前記第二表面を導通する複数の金属柱と、
    前記基板の第一表面に被着形成される金属層と、
    前記金属層上に積層され、機能領域を画定し、前記機能領域の中央部に貫通穴を有する反射枠と、
    前記反射枠の内表面及び前記機能領域上に被着されて、前記金属柱に電気接続する前記金属層の第一電極領域及び第二電極領域を露出するガラス反射層と、
    前記機能領域のガラス反射層上に載置固定され且つ前記第一電極領域及び前記第二電極領域に電気接続する少なくとも1つの化合物半導体素子と、
    前記化合物半導体素子を封止する透明樹脂と、
    を備えてなる化合物半導体素子収納用パッケージであって、
    前記ガラス反射層の表面の孔の直径は、前記基板及び前記反射枠の表面の孔の直径より小さいことを特徴とする化合物半導体素子収納用パッケージ。
  2. 前記ガラス反射層は、二酸化珪素、酸化ホウ素及び酸化マグネシウムの混合物であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体素子収納用パッケージ。
  3. 前記金属層は、互いに離間して形成される第一導電領域及び第二導電領域を含むことを特徴とする請求項2に記載の化合物半導体素子収納用パッケージ。
  4. 前記第一導電領域の前記ガラス反射層に被着されない領域が第一電極領域であり、前記第二導電領域の前記ガラス反射層に被着されない領域が第二電極領域であることを特徴とする請求項3に記載の化合物半導体素子収納用パッケージ。
  5. 互いに対向する第一表面及び第二表面を有する基板を提供するステップと、
    前記基板に複数の貫通孔を形成して前記第一表面及び前記第二表面を導通するステップと、
    複数の前記貫通孔に金属材料を充填して複数の金属柱を形成するステップと、
    前記基板の第一表面に金属層を形成するステップと、
    中央部に貫通穴を有する反射枠を前記金属層上に積層して機能領域を形成するステップと、
    前記反射枠の内表面及び前記機能領域上にガラス反射層を被着し、且つ前記金属柱に電気接続する前記金属層の第一電極領域及び第二電極領域を露出するステップと、
    前記機能領域のガラス反射層上に少なくとも1つの化合物半導体素子を載置固定し、少なくとも1つの前記化合物半導体素子を前記第一電極領域及び前記第二電極領域に電気接続するステップと、
    透明樹脂で前記化合物半導体素子を封止するステップと、
    を備えてなる化合物半導体素子収納用パッケージの製造方法であって、
    前記ガラス反射層の表面の孔の直径は、前記基板及び前記反射枠の表面の孔の直径より小さいことを特徴とする化合物半導体素子収納用パッケージの製造方法。
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