JP2016207683A - 貫通電極基板および半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】高熱伝導性および高気密信頼性を有し、さらに深紫外耐候性も具備した貫通電極基板および半導体パッケージを提供する。【解決手段】シリコンベース１１と、このシリコンベースに設けた通孔に挿通した高密度電導体からなる貫通リード１２と、このリードとシリコンベースとを気密に封着した封止ガラス１３とを備えたことを特徴とする貫通電極基板である。さらに、この貫通電極基板を利用した半導体パッケージとして、シリコンベースと、このシリコンベースに設けた通孔に挿通した高密度電導体からなる貫通リードと、この貫通リードとシリコンベースとを気密に封着した封止ガラスとを備え、さらにシリコンベースに固着した半導体素子と、この半導体素子と貫通リードとを導通する配線手段と、半導体素子の周辺を気密に覆ってシリコンベースと固着したガラス蓋体とを設けた。【選択図】図１

Description

本発明は電気・電子装置に用いられる貫通電極基板およびそれを利用した半導体パッケージに関する。

近年、紫外（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ：ＵＶ）光よりも、さらに短い波長（２００〜３００ｎｍ）の深紫外（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ：ＤＵＶ）光を照射可能な深紫外ＬＥＤデバイスが注目されている。深紫外ＬＥＤは、高密度光情報記録、高輝度・長寿命蛍光照明装置などの情報・電子分野、公害物質やアレルゲンなどの高速分解処理、殺菌、皮膚治療、レーザメス、細胞選別などの殺菌・医療等への応用が期待されている。ＬＥＤデバイスは、発熱により発光効率が低下することが知られている。深紫外ＬＥＤデバイスにおいても、ＬＥＤ素子の発熱をいかに排熱するかが、効率の良い発光と装置の長寿命化を図る上で重要となる。

従来、ＬＥＤデバイスなどの半導体用パッケージ基板には種々の材料が提案されている。例えば、特許文献１に基板材料にガラス基板を用いた貫通電極基板としてＴＧＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｇｌａｓｓ−Ｖｉａ）技術を用いたガラス貫通基板が開示されている。しかし、これらのガラス貫通基板は、貫通電極部の気密性は好適であるが、ガラス基板の放熱性が１Ｗ／ｍ・Ｋ以下のため高熱伝導が要求されるパワー半導体デバイスや深紫外ＬＥＤパッケージなどには不向きである。

特許文献２には、熱伝導に優れるシリコン基板を用いた貫通電極基板としてＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｖｉａ）技術を用いたシリコン貫通基板が開示されている。ＴＳＶ配線基板を実現するには、貫通電極をシリコン基板から電気絶縁しなければならない。電気的な絶縁手段として、特許文献２は、貫通電極を取り囲むようにシリコン基板を貫通するリング状の分離溝を設け、分離溝の底面及び側面上に直接シリコン膜を形成し、次に分離溝内に残された隙間を埋めるようにシリコン膜上に絶縁膜を形成し、分離溝の内周側面及び外周側面とそれぞれ接するシリコン膜の表面を熱酸化して、シリコン熱酸化膜とする技術を開示している。しかし、シリコン貫通基板は、十分に厚い絶縁膜を形成することが困難であり、貫通電極ビアを構成する金属成分が、シリコン酸化膜やシリコン基板中に拡散することで電気絶縁特性が損なわれ易いと言う欠点がある。さらにＴＳＶの貫通電極ビアはめっきまたは金属ペーストを用いて構成されるが、ビアを構成する金属粒子が荒くボイドや界面剥離の惧れがあるため、パッケージの高気密信頼性が確保し難いという欠点もある。

特開２００１−１６０６７８号公報 特開２００８−２５１９６４号公報

本発明の目的は、上記課題を解消するため提案するものであり、高熱伝導性および高気密信頼性を有し、さらに深紫外耐候性も具備した貫通電極基板および半導体パッケージを実現することにある。

本発明によれば、シリコンベースと、このシリコンベースに設けた通孔に挿通した高密度電導体からなる貫通リードと、この貫通リードとシリコンベースとを気密に封着した封止ガラスとを備えたことを特徴とする貫通電極基板が提供される。シリコンベース表面は、必要に応じて所望の面にシリコン酸化膜を設けてもよい。例えば、通孔壁面にシリコン酸化膜を設け、貫通リードをシリコンベースに気密封着する際の封着代としてもよい。

本発明の別形態によれば、シリコンベースと、このシリコンベースに設けた通孔に挿通した高密度電導体からなる貫通リードと、この貫通リードとシリコンベースとを気密に封着した封止ガラスとを備え、さらにシリコンベースに固着した半導体素子と、この半導体素子と貫通リードとを導通する配線手段と、半導体素子の周辺を気密に覆ってシリコンベースと固着したガラス蓋体とを設けたことを特徴とする半導体パッケージが提供される。シリコンベースとガラス蓋体との固着手段は、ロウ材や低融点ガラス材を用いた接合または陽極接合が用いられる。

本発明に係る貫通リード材を構成する高密度電導体は、めっき金属材や金属ペーストより形成した金属材を除く、ボイドを含まない一様一体なバルク導体からなる。

本発明に係る貫通電極基板および半導体パッケージは、高密度電導体の貫通リードをシリコンベースにガラス封着するためパッケージを高度に気密封止できる。従って、パッケージへの不活性ガス封入や真空封止が可能となり、パッケージに収容された半導体素子を汚染や劣化から保護して半導体装置の寿命を延ばし信頼性を向上する。さらに基板が熱伝導に優れるシリコンベースを使用するため、搭載された半導体素子の発熱を効率よく外部に排熱することができ、半導体素子の熱による機能低下を防止する。例えば、深紫外ＬＥＤ装置においては、熱による発光効率の低下を防止する。また、波長エネルギーが１００ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上の高エネルギーの深紫外光に曝されても材料劣化が無く、深紫外ＬＥＤ装置の長寿命化も対応できる。

さらに本発明に係る貫通電極基板および半導体パッケージは、基板材にシリコンを用いているので、必要に応じてシリコンベースに種々の半導体素子を組み込むことが可能である。例えば、ＬＥＤ素子を搭載するＬＥＤデバイスの場合、電流安定化のためにツェナーダイオード素子を併用することが多いが、ツェナーダイオード素子をシリコンベースに形成させることでツェナーダイオード部品の実装工程を省くこともできる。

本発明に係る貫通電極基板１０の斜視図を示す。 本発明に係る半導体パッケージ２０を示し、（ａ）は蓋体を分離させた斜視図を、（ｂ）は平面図を、（ｃ）は（ｂ）のＤ−Ｄに沿って切断した正面断面図を、（ｄ）は下面図を示す。

以下、本発明の貫通電極基板および半導体パッケージについて、図面を参照しながら説明する。

本発明に係る貫通電極基板１０は、図１に示すように、シリコンベース１１と、このシリコンベース１１に設けた通孔に挿通した高密度電導体からなる貫通リード１２と、この貫通リード１２とシリコンベース１１とを気密に封着した封止ガラス１３とを備えたことを特徴とする。貫通リード１２を構成する高密度電導体は、ボイドを含まない一様一体なバルク導体からなり、例えば、タングステン材、モリブデン材、コバール合金材、高ドープシリコン材が好適である。封止ガラス１３は、ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス、硼酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、アルミノ硼酸ガラスの群から選定される。シリコンベース１１は、必要に応じて所望表面にシリコン酸化膜を設けてもよい。

本発明に係る半導体パッケージ２０は、図２に示すように、シリコンベース２１と、このシリコンベース２１に設けた通孔に挿通した高密度電導体からなる貫通リード２２と、この貫通リード２２とシリコンベース２１とを気密に封着した封止ガラス２３とを備え、さらにシリコンベース２１に固着したパワー半導体素子またはＬＥＤ素子からなる半導体素子２４と、この半導体素子２４と貫通リードとを導通する配線手段２５と、半導体素子２４の周辺を気密に覆ってシリコンベース２１と固着したガラス蓋体２６とを設けたことを特徴とする。貫通リード２２を構成する高密度電導体は、ボイドを含まない一様一体なバルク導体からなり、例えば、タングステン材、モリブデン材、コバール合金材、高ドープシリコン材が好適である。封止ガラス２３およびガラス蓋体２６は、ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス、硼酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、アルミノ硼酸ガラスの群から選定される。シリコンベース２１とガラス蓋体２６との固着手段、およびガラス天板２６−２と硼珪酸ガラス製のリフレクター２６−２との固着手段は、ＡｕＳｎ合金などのロウ材やビスマス含有ガラスなどの低融点ガラス材を用いた接合または陽極接合が用いられる。

本発明に係る貫通電極基板１０の実施例１は、図１に示すように、シリコンベース１１と、このシリコンベース１１に設けた通孔に挿通したタングステン製の貫通リード１２と、この貫通リード１２とシリコンベース１１とを気密に封着した硼珪酸ガラスの封止ガラス１３とを備えたことを特徴とする。シリコンベース１１は、通孔壁面にシリコン酸化膜を設け、貫通リード１２をシリコンベース１１に気密封着する際の封着代とする。

本発明に係る半導体パッケージ２０の実施例２は、シリコンベース２１と、このシリコンベース２１に設けた通孔に挿通したタングステン製の貫通リード２２と、この貫通リード２２とシリコンベース２１とを気密に封着した硼珪酸ガラスの封止ガラス２３とを備え、さらにシリコンベース２１に固着した深紫外ＬＥＤ素子からなる半導体素子２４と、この半導体素子２４と貫通リード２２とを導通するワイヤーボンディング２５−１およびパッド電極２５−２からなる配線手段２５と、半導体素子２４の周辺を気密に覆ってシリコンベース２１と固着したガラス蓋体２６とを設けたことを特徴とする。ガラス蓋体２６は、互いに融着された深紫外光透過性の低アルカリ硼珪酸ガラス（ＳＣＨＯＴＴ社製 品番８３３７番）からなる透明ガラス天板２６−２と、硼珪酸ガラス製のリフレクター２６−２とからなる。ガラス蓋体２６とシリコンベース２１との固着手段、および透明ガラス天板２６−１とリフレクター２６−２との固着手段は陽極接合を用いる。

実施例２の半導体パッケージ２０は、シリコンベース２１に深紫外ＬＥＤ素子の電流安定化のためのツェナーダイオード素子やコントロール回路等を形成させてもよい。また、リフレクター２６−２の反射面および接合面にはアルミニウムなどの金属層を施してもてもよい。

本発明に係る貫通電極基板および半導体パッケージは、深紫外ＬＥＤデバイスに好適である。深紫外ＬＥＤデバイスのパッケージ材は、波長エネルギーが１００ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上の高エネルギーの深紫外光に曝されるので、ＤＵＶ耐候性材料のシリコン材およびガラス材で構成するのが好ましい。なお、結合エネルギーが５８ｋｃａｌ／ｍｏｌと比較的低いＡｌＮなどのセラミック材やプラスチック等の有機材料は、強力な深紫外光に曝されると分解劣化する惧れがあり深紫外ＬＥＤパッケージ材に使用し難い。

本発明は電気・電子装置に用いられる貫通電極基板およびパワー半導体デバイスやＬＥＤ照明デバイスの半導体パッケージに適用できる。特に高エネルギーの深紫外光に対して長期の耐久性が要求される高出力の深紫外光ＬＥＤ装置、例えば、高密度光情報記録装置、高輝度・長寿命蛍光照明装置、公害物質やアレルゲンなどの高速分解処理装置、殺菌灯、皮膚治療装置、レーザメス、細胞選別装置等に利用できる。

１０・・・貫通電極基板、
２０・・・半導体パッケージ、
１１，２１・・・シリコンベース、
１２，２２・・・貫通リード、
１３，２３・・・封止ガラス、
２４・・・半導体素子、
２５・・・配線手段、
２５−１・・・ワイヤーボンディング、
２５−２・・・パッド電極、
２６・・・ガラス蓋体、
２６−１・・・天板
２６−２・・・リフレクター。

Claims (8)

1. シリコンベースと、このシリコンベースに設けた通孔に挿通した高密度電導体からなる貫通リードと、この貫通リードと前記シリコンベースとを気密に封着した封止ガラスとを備えたことを特徴とする貫通電極基板。
2. 前記高密度電導体は、タングステン材、モリブデン材、コバール合金材、高ドープシリコン材の群から選ばれたことを特徴とする請求項１に記載の貫通電極基板。
3. 前記封止ガラスは、ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス、硼酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、アルミノ硼酸ガラスの群から選定されたガラス材からなる請求項１または請求項２に記載の貫通電極基板。
4. シリコンベースと、このシリコンベースに設けた通孔に挿通した高密度電導体からなる貫通リードと、この貫通リードと前記シリコンベースとを気密に封着した封止ガラスとを備え、さらに前記シリコンベースに固着した半導体素子と、この半導体素子と前記貫通リードとを導通する配線手段と、前記半導体素子の周辺を気密に覆って前記シリコンベースと固着したガラス蓋体とを設けたことを特徴とする半導体パッケージ。
5. 前記高密度電導体は、タングステン材、モリブデン材、コバール合金材、高ドープシリコン材の群から選ばれたことを特徴とする請求項４に記載の貫通電極基板。
6. 前記封止ガラスおよび前記ガラス蓋体は、ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス、硼酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、アルミノ硼酸ガラスの群から選定されたガラス材からなる請求項４または請求項５に記載の半導体パッケージ。
7. 前記ガラス蓋体は、深紫外光透過性の透明ガラス材からなる請求項４ないし請求項６の何れか１つに記載の深紫外ＬＥＤデバイス用半導体パッケージ。
8. 前記シリコンベースは、ＬＥＤ素子の電流安定化のためのツェナーダイオード素子を形成させたことを特徴とする請求項４ないし請求項７の何れか１つに記載の深紫外ＬＥＤデバイス用半導体パッケージ。
   

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