JP2019216217A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】接合状態の確認とパッケージの位置合わせが両立可能である半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】第１金属面及び第２金属面を有するパッケージと、第１金属パターン及び第２金属パターンを有する実装基板と、前記第１金属面と前記第１金属パターンとを繋ぐ位置に配置された第１接合材と、前記第２金属面と前記第２金属パターンとを繋ぐ位置に配置された第２接合材と、を準備する準備工程と、前記第１接合材及び前記第２接合材をそれぞれの接合温度以上に加熱することにより、前記第１接合材及び前記第２接合材を介して前記パッケージと前記実装基板とが接合される、加熱工程と、を備え、前記加熱工程の前後における前記第２接合材の形状の変化率は、前記加熱工程の前後における前記第１接合材の形状の変化率よりも小さい、半導体装置の製造方法。【選択図】図５

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
特許文献１には、チップ状電子部品を実装基板にはんだ付けする実装方法が記載されている。実装基板の上にはんだペーストを介してチップ状電子部品を配置し、はんだペーストを溶解する。溶解したはんだの表面張力によってチップ状電子部品はセルフアライメントされ、位置決め精度よくはんだ付けされる。特許文献１には、溶解したはんだが形成するフィレットによってバランスの取れたセルフアライメントが生じ、チップ状電子部品が実装基板に対して位置決めされることが記載されている。
特開２００９−１３０１４７号公報
このようにフィレットが形成されることにより、はんだの接合状態の良否を外観検査によって判断し易いというメリットもある。しかしながら、はんだを利用したセルフアライメントとは、電子部品や実装基板のそれぞれの金属パターンに対応して位置決めされるものであり、それらの金属パターンに依存せずに位置決めすることが難しい。
本開示は以下の複数の発明を含む。
下面の外周付近に配置された第１金属面、及び、前記下面の前記第１金属面とは異なる位置に設けられた第２金属面を有するパッケージと、
前記パッケージの下方に配置されており、上面に、前記第１金属面の下方に位置する第１金属パターン、及び、前記第２金属面の下方に位置する第２金属パターンを有する実装基板と、
前記第１金属面と前記第１金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第１接合材と、
前記第２金属面と前記第２金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第２接合材と、を準備する準備工程と、
前記第１接合材及び前記第２接合材をそれぞれの接合温度以上に加熱することにより、前記第１接合材及び前記第２接合材を介して前記パッケージと前記実装基板とが接合される、加熱工程と、を備え、
前記加熱工程の前後における前記第２接合材の形状の変化率は、前記加熱工程の前後における前記第１接合材の形状の変化率よりも小さい、半導体装置の製造方法。
下面の外周付近に配置された第１金属面、及び、前記下面の前記第１金属面とは異なる位置に設けられた第２金属面を有するパッケージと、
前記パッケージの下方に配置されており、上面に、前記第１金属面の下方に位置する第１金属パターン、及び、前記第２金属面の下方に位置する第２金属パターンを有する実装基板と、
前記第１金属面と前記第１金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第１接合材と、
前記第２金属面と前記第２金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第２接合材と、を準備する準備工程と、
前記第１接合材及び前記第２接合材をそれぞれの接合温度以上に加熱することにより、前記第１接合材及び前記第２接合材を介して前記パッケージと前記実装基板とが接合される、加熱工程と、を備え、
前記加熱工程において、前記第１接合材にフィレットを形成し、且つ、前記第２接合材を遷移的液相焼結する、半導体装置の製造方法。
下面の外周付近に配置された第１金属面、及び、前記下面の前記第１金属面とは異なる位置に設けられた第２金属面を有するパッケージと、
前記パッケージの下方に配置されており、上面に、前記第１金属面の下方に位置する第１金属パターン、及び、前記第２金属面の下方に位置する第２金属パターンを有する実装基板と、
前記第１金属面と前記第１金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第１接合材と、
前記第２金属面と前記第２金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第２接合材と、を準備する準備工程と、
前記第１接合材及び前記第２接合材をそれぞれの接合温度以上に加熱することにより、前記第１接合材及び前記第２接合材を介して前記パッケージと前記実装基板とが接合される、加熱工程と、を備え、
前記準備工程において、前記第２接合材は、有機溶剤と、前記有機溶剤中に含有される金属粒子と、を有し、
前記加熱工程において、前記第１接合材にフィレットを形成し、且つ、前記第２接合材の前記有機溶剤を蒸発させる、半導体装置の製造方法。
下面の外周付近に配置された第１金属面、及び、前記下面の前記第１金属面とは異なる位置に設けられた第２金属面を有するパッケージと、
前記パッケージの下方に配置されており、上面に、前記第１金属面の下方に位置する第１金属パターン、及び、前記第２金属面の下方に位置する第２金属パターンを有する実装基板と、
前記第１金属面と前記第１金属パターンとを接合している、金属材料を含有する第１接合材と、
前記第２金属面と前記第２金属パターンとを接合している、金属材料を含有する第２接合材と、を備え、
前記第１接合材は、前記第１金属面の外縁から前記第１金属パターンの外縁にかけてフィレットが形成されており、
前記第２接合材は、前記第１接合材と異なる形状であり、上面視において前記第２金属パターンより小さな面積を有する主要部と、前記主要部から前記第２金属パターンの外縁に向かって広がった濡れ広がり部と、を有する、半導体装置。
上記の製造方法により、接合状態の確認と、金属面等の形状に依存せずにパッケージと実装基板とを位置合わせすることが両立可能である。また、接合状態の確認が可能であり、且つ、金属面等の形状に依存せずにパッケージと実装基板とが位置合わせされた半導体装置を得ることができる。
実施形態に係る半導体装置の製造工程を概略的に示すフローチャートである。 実施形態に係るパッケージの模式的底面図である。 図２Ａ中のIIＢ−IIＢ線における模式的断面図である。 パッケージの模式的側面図である。 実施形態に係る実装基板の模式的平面図である。 図３Ａ中のIIIＢ−IIIＢ線における模式的断面図である。 実装基板の上にパッケージを配置した状態の模式的断面図である。 実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 半導体装置の変形例を示す模式的断面図である。 半導体モジュールを示す模式的断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
図１は、実施形態に係る半導体装置の製造工程を概略的に示すフローチャートである。図１に示すとおり、実施形態の半導体装置の製造方法は、準備工程Ｓ１０１と、加熱工程Ｓ１０２とを有する。第１接合材と第２接合材という異なる種類の接合材を併用することにより、接合状態の確認が可能であり、且つ、金属面等の形状に依存せずに位置合わせが可能である半導体装置を製造することができる。すなわち、第１接合材を用いることにより接合状態の確認が可能であり、また、第２接合材を用いることにより第１接合材のみを用いる場合と比較してセルフアライメント効果を小さくすることができる。以下に各工程及び各部材について詳説する。
（準備工程Ｓ１０１）
図２Ａ〜図４に示すように、パッケージ１０と、実装基板２０と、第１接合材３０と、第２接合材４０と、を準備する。図２Ａはパッケージ１０の下面１０ｂを示す模式的底面図であり、図２Ｂは図２Ａ中のIIＢ−IIＢ線における模式的断面図であり、図２Ｃはパッケージ１０の模式的側面図である。図３Ａは、実装基板２０の模式的平面図であり、図３Ｂは図３Ａ中のIIIＢ−IIIＢ線における模式的断面図である。図４は実装基板２０の上にパッケージ１０を配置した状態の模式的断面図である。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、パッケージ１０は、上面１０ａ及び下面１０ｂを有する。パッケージ１０は、下面１０ｂの外周付近に配置された第１金属面１１と、下面１０ｂの第１金属面１１とは異なる位置に設けられた第２金属面１２と、を有する。第１金属面１１が配置される下面１０ｂの外周付近とは、下面１０ｂの外縁（例えば下面１０ｂが矩形状である場合はその外周を構成する辺）から１ｍｍ以内の領域を指す。すなわち、下面１０ｂの外縁と第１金属面１１との最短距離を１ｍｍ以下とすることができる。下面１０ｂの外縁と第１金属面１１との最短距離はゼロ、すなわち、下面１０ｂの外縁と第１金属面１１の外縁とは一致していてもよい。
第１金属面１１は、例えばパッケージ１０の端子である。この場合、第１金属面１１は複数配置することが好ましい。これにより、第１金属面１１は１以上のアノードと１以上のカソードとを含むことができる。図２Ａに示すパッケージ１０では、矩形状の下面１０ｂの一辺にアノードの第１金属面１１が配置され、その対向辺にカソードの第１金属面１１が配置されている。
第１金属面１１は、金属材料を含む第１接合材３０と接続しやすい材料によって構成し、例えばＡｕによって構成する。第１金属面１１は、例えば後述する絶縁部１７Ａの表面に形成された外側金属層１６Ａの下面である。図２Ｂに示すように、絶縁部１７Ａに形成された凹部内に内側金属層１６Ｂを設けることができる。そして、内側金属層１６Ｂが例えばワイヤ１８Ｃを介してレーザ素子１８Ａと電気的に接続され、その内側金属層１６Ｂが導電部材１６Ｃを介して外側金属層１６Ａと電気的に接続されることにより、外側金属層１６Ａがパッケージ１０の端子として機能する。外側金属層１６Ａは、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉの１以上を含むことができる。この場合、外側金属層１６Ａの最下面をＡｕ層とすることで、第１金属面１１をＡｕによって構成することができる。
第２金属面１２は、下面１０ｂの中央部に配置することができる。第１金属面１１がアノードとカソードとを有する場合、第２金属面１２は、アノードの第１金属面１１とカソードの第１金属面１１に挟まれる位置に配置することができる。第２金属面１２はパッケージ１０の端子ではないことが好ましい。これは、第２金属面１２には形状変化率が比較的小さい第２接合材４０を接続するからである。すなわち、加熱工程Ｓ１０２によって、第１接合材３０は例えばフィレットが形成される等により外観観察が容易であるが、第１接合材３０と比較して第２接合材４０は濡れ広がり難く外観観察が難しい。したがって、パッケージ１０の端子の接合材の状態を外観観察できるように、外観観察容易な第１接合材３０を端子の接続用として用いて、外観観察困難な第２接合材４０をそれ以外の接続用として用いることが好ましい。
第２金属面１２は、例えばパッケージ１０に搭載する素子の放熱用の金属面である。このためには、図２Ｂに示すように、第２金属面１２の直上にレーザ素子１８Ａ等の素子を搭載することが好ましい。これにより、素子から第２金属面１２までの距離を小さくすることができ、効率的に放熱することができる。パッケージ１０は、その上面を素子載置面とし下面を第２金属面１２とする放熱体１７Ｂを有していてもよい。これにより、より効率的に素子を放熱することができる。放熱体１７Ｂは、例えばＣｕ等の金属を主材料とすることができる。第２金属面１２は複数でもよいが、放熱面として用いる場合は１つである方が好ましい。複数で設ける場合よりも面積を大きくできる傾向があるためであり、そして面積が大きいほど放熱に有利であるためである。第２金属面１２は、金属材料を含む第２接合材４０と接続しやすい材料によって構成し、例えばＡｕによって構成する。
図２Ａに示すように、第２金属面１２の面積は、第１金属面１１の面積よりも大きくすることができる。第２金属面１２の面積が第１金属面１１の面積以下であったとしても第２接合材４０によるセルフアライメント阻害効果は得られると考えられるが、第２金属面１２の面積の方を大きくすることで、パッケージ１０に働くセルフアライメント効果をより小さくすることが可能である。第１金属面１１及び第２金属面１２の少なくともいずれか一方が複数である場合は、それぞれの合計面積の大小を比較し、第２金属面１２の方を大きくすることができる。第２金属面１２の面積は第１金属面１１の面積（合計面積）の２倍以上とすることができる。パッケージ１０の小型化の観点からは、第２金属面１２の面積は第１金属面１１の面積（合計面積）の５倍以下とすることができる。パッケージ１０の下面１０ｂにおいて、加熱工程Ｓ１０２で変形する接合材が接続される面は、第１金属面１１及び第２金属面１２のみとすることができる。
パッケージ１０は、レーザ素子１８Ａが設けられたレーザパッケージとすることができる。この場合、実装基板２０に対するパッケージ１０の位置合わせは、パッケージ１０の形状を基準にするよりもレーザ素子１８Ａを実際に駆動させ、レーザ素子１８Ａが発する光の位置及び／又は偏光の向き等を基準とすることが好ましい。これは、レーザパッケージの場合、その発光の位置等は、パッケージ１０の形状よりも、レーザ素子１８Ａの実装位置等に依存して変化しやすいためである。実装基板２０に対してパッケージ１０の発光位置等を位置合わせすることで、実装基板２０の形状を基準にレンズ等を組み合わせることが容易となる。そして、レーザ素子１８Ａを実際に駆動させ、パッケージ１０の発光位置等を基準に実装基板２０に対して位置決めし、接合材によって固定するためには、接合材によるセルフアライメント効果が働き難い方が有利である。したがって、パッケージ１０がレーザパッケージである場合は特に、第２接合材４０を用いて、セルフアライメント効果が働き難い接合状態とすることが好ましい。
パッケージ１０は、１以上、例えば３つのレーザ素子１８Ａを有することができる。これらのレーザ素子１８Ａが放射する光は同じ色で揃っていてもよく、異なる色であってもよい。例えば、赤色レーザ光を発する第１レーザ素子、緑色レーザ光を発する第２レーザ素子、青色レーザ光を発する第３レーザ素子、の３つのレーザ素子１８Ａを有することができる。赤色レーザ光の発光ピーク波長は、例えば６０５ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲内にある。このようなレーザ素子としては、例えば、ＩｎＡｌＧａＰ系やＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓ系やＡｌＧａＡｓ系の半導体を含む半導体レーザ素子が挙げられる。緑色レーザ光の発光ピーク波長は、例えば４９５ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲内にある。青色レーザ光の発光ピーク波長は、例えば４２０ｎｍ〜４９４ｎｍの範囲内にある。緑色レーザ光及び青色レーザ光を発するレーザ素子としては、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子が挙げられる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＧａＮを用いることができる。レーザ素子１８Ａは、素子載置面に、サブマウント１８Ｂを介して配置することができる。パッケージ１０は、レーザ素子１８Ａからの光を上方に向かって反射させる光反射部材をさらに有していてもよい。
図２Ｃに示すように、第１金属面１１と連結された第３金属面１３がパッケージ１０の側面に配置されていてもよい。第３金属面１３を設けることで、加熱工程Ｓ１０２において加熱された第１接合材３０が第３金属面１３に這い上がることができる。このため、加熱工程Ｓ１０２を経た第１接合材３０の接合状態を観察し易い。図２Ｃに示すように、１つの側面に３つの第３金属面１３が形成されている。中央部の第３金属面１３は、両隅に設けられた２つの第３金属面１３よりも、幅広で設けることができる。第３金属面１３は、例えば下面１０ｂと上面１０ａとを繋ぐ長さで設けることができる。第３金属面１３は、上面１０ａに達しない長さであってもよい。
パッケージ１０は、さらに、絶縁部１７Ａを有することができる。絶縁部１７Ａの材料としては、樹脂又はセラミックスが挙げられる。パッケージ１０がレーザ素子を搭載する場合は、絶縁部１７Ａとして樹脂を用いるとレーザ光によって劣化する場合があるため、絶縁部１７Ａとしてセラミックスを用いることが好ましい。セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３セラミックスやＡｌＮセラミックスが挙げられる。絶縁部１７Ａがセラミックスである場合、第３金属面１３は、例えば、絶縁部１７Ａの側面に凹部を形成し、その凹部の表面に形成する。第３金属面１３の数は第１金属面１１の数と同じでなくてもよく、例えば第３金属面１３は絶縁部１７Ａの四隅のみに形成されていてもよい。
パッケージ１０は、さらに蓋部１９を有することができる。絶縁部１７Ａと蓋部１９に囲まれた空間は気密封止された空間であることが好ましい。このようにレーザ素子１８Ａを気密封止することで、レーザ素子１８Ａの光出射端面に有機物等が集塵することを抑制することができる。蓋部１９としては、例えば、ガラスに金属膜が設けられたもの又はサファイアに金属膜が設けられたものを用いることができる。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、実装基板２０は上面２０ａ及び下面２０ｂを有し、上面２０ａに第１金属パターン２１及び第２金属パターン２２を有する。実装基板２０は、さらに、第１金属パターン２１及び第２金属パターン２２がその表面に形成された絶縁部２９を有することができる。実装基板２０は、絶縁部２９の下方に金属部２８をさらに有していてもよい。
図３Ａに示すように、第２金属パターン２２の面積は、第１金属パターン２１の面積よりも大きくすることができる。第２金属パターン２２の面積が第１金属パターン２１の面積以下であったとしても第２接合材４０によるセルフアライメント阻害効果は得られると考えられるが、第２金属パターン２２の面積の方を大きくすることで、パッケージ１０に働くセルフアライメント効果をより小さくすることが可能である。第１金属パターン２１及び第２金属パターン２２の少なくともいずれか一方が複数である場合は、それぞれの合計面積の大小を比較し、第２金属パターン２２の方を大きくすることができる。第２金属パターン２２の面積は第１金属パターン２１の面積（合計面積）の２倍以上とすることができる。実装基板２０の小型化の観点からは、第２金属パターン２２の面積は第１金属パターン２１の面積（合計面積）の５倍以下とすることができる。実装基板２０の上面２０ａにおいて、加熱工程Ｓ１０２で変形する接合材が接続される面は、第１金属パターン２１及び第２金属パターン２２のみとすることができる。
第１金属パターン２１及び第２金属パターン２２の材料としては、それぞれ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ等を挙げることができる。その表面は、金属材料を含有する第１接合材３０及び第２接合材４０との接続に適した材料によって構成することができ、例えばＡｕによって構成する。第１金属面１１がパッケージ１０の端子である場合、実装基板２０は、第１金属パターン２１と電気的に接続された電極２３を有することができる。図３Ｂに示すように、絶縁部２９の上方に金属層２４を形成し、その一部を第１金属パターン２１とし、その別の一部を電極２３とすることができる。この場合、第１金属パターン２１と電極２３との間を絶縁膜２５で被覆することで、加熱工程Ｓ１０２において第１接合材３０が電極２３まで濡れ広がらないようにすることができる。金属層２４として、第１金属パターン２１と同様の材料を用いることができる。
金属部２８としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ合金、又は、Ａｌ合金等を用いることができる。絶縁部２９としては、ＳｉＯ２、樹脂、無機フィラー、又は、ソルダレジスト等を用いることができ、Ａｌ２Ｏ３又はＡｌＮ等のセラミックスを用いてもよい。放熱性を向上するためには実装基板２０は金属部２８を有していることが好ましい。金属部２８に替えて、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、又は、ガラスエポキシ等の絶縁性部材を用いる場合には、絶縁部２９を省略することができる。
図４に示すように、実装基板２０は、パッケージ１０の下方に配置されている。第１金属パターン２１は第１金属面１１の下方に位置しており、第２金属パターン２２は第２金属面１２の下方に位置している。なお、本明細書において下方とは、パッケージ１０から実装基板２０に向かう方向を指す。第１接合材３０は、金属材料を含有し、第１金属面１１と第１金属パターン２１とを繋ぐ位置に配置されている。第２接合材４０は、金属材料を含有し、第２金属面１２と第２金属パターン２２とを繋ぐ位置に配置されている。
後述するように、加熱工程Ｓ１０２の前後における第２接合材４０の形状の変化率が、加熱工程Ｓ１０２の前後における第１接合材３０の形状の変化率よりも小さくなるように、第１接合材３０及び第２接合材４０の材料を選択する。第１接合材３０としては、金属材料を含む接合材を用いることができる。金属材料としては例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ等の合金材料が挙げられる。第１接合材３０は例えば金属材料とフラックスとを含むはんだである。
第２接合材４０としては、遷移的液相焼結（ＴＬＰＳ（Transient Liquid Phase Sintering））を利用した接合材を用いることができる。第２接合材４０は、例えば、低融点金属と、その低融点金属よりも融点の高い高融点金属と、を含む。その低融点金属と高融点金属を加熱工程Ｓ１０２において遷移的液相焼結することができる。第２接合材４０として、ＴＬＰＳを利用した接合材でなく、例えば、有機溶剤中にＡｕやＡｇ等の金属粒子を含有するペーストを用いてもよい。このようなペーストを用いる場合は、有機溶剤の全部又は一部を加熱工程Ｓ１０２で蒸発させ、加熱工程Ｓ１０２後は主に金属で構成された第２接合材４０となる。
なお、第１接合材３０は、ＴＬＰＳを利用した接合材でないことが好ましい。このような接合材は加熱しても形状が変化し難く、外観観察による接合状態の確認のためには不向きであるためである。また、第１接合材３０及び第２接合材４０として、金属材料を含有しない接合材を用いてもよいが、第１金属面１１が端子である場合は、少なくとも第１接合材３０には導電性の接合材を用いる。また、第２金属面１２が放熱面である場合は、金属材料を含有する接合材が放熱性向上の観点から好ましい。
第１接合材３０を複数形成する場合、その複数の第１接合材３０はすべて同じ材料でなくてもよい。複数の第１接合材３０をすべて同じ材料とすれば形成用の装置を途中で切り替える必要なく一括で形成することができる。第２接合材４０についても同様に、複数形成する場合はすべて同じ材料でなくてもよいが、すべて同じ材料としてもよく、すべて同じ材料であれば一括形成が可能である。第１接合材３０と第２接合材４０に加えて、さらなる別の接合材を用いてもよい。この接合材の形成位置や量等は、第２接合材４０のセルフアライメント阻害効果が得られる程度に調整する。
例えば、実装基板２０の第１金属パターン２１及び第２金属パターン２２のそれぞれに、第１接合材３０及び第２接合材４０を配置する。第１接合材３０は変形し易いため形成時には厚かったとしても容易に薄くすることができるが、第２接合材４０は第１接合材３０よりも変形し難い。このため、各接合材の形成時に、第２接合材４０は第１接合材３０よりも薄く形成することが好ましい。これにより、加熱工程Ｓ１０２後の第２接合材４０の厚みを比較的薄くすることができるため、パッケージ１０の発熱をより効率的に実装基板２０へ伝えることができる。第１接合材３０は、例えばディスペンサを用いて第１金属パターン２１に形成することができる。第２接合材４０としてＴＬＰＳを利用した接合材を用いる場合は、第２接合材４０は例えばスクリーン印刷により第２金属パターン２２に形成することができる。これにより、ディスペンサを用いて塗布する場合と比較して、加熱工程Ｓ１０２後の第２接合材４０の厚みを薄くすることができる。第１接合材３０及び第２接合材４０のいずれか一方又は両方は、実装基板２０ではなく、パッケージ１０の第１金属面１１及び第２金属面１２のそれぞれに形成することも可能である。
（加熱工程Ｓ１０２）
加熱工程Ｓ１０２において、第１接合材３０及び第２接合材４０をそれぞれの接合温度以上に加熱する。これにより、第１接合材３０及び第２接合材４０を介してパッケージ１０と実装基板２０とが接合される。これにより、図５に示すように、半導体装置１００が得られる。図５は、加熱工程Ｓ１０２を経た半導体装置１００の模式的断面図である。
図４及び図５に示すように、加熱工程Ｓ１０２の前後における第２接合材４０の形状の変化率は、加熱工程Ｓ１０２の前後における第１接合材３０の形状の変化率よりも小さい。すなわち、第１接合材３０は、加熱工程Ｓ１０２の前はその断面が略四角形状であるが、加熱工程Ｓ１０２の後は第１金属面１１及び第１金属パターン２１の実質的に全体に濡れ広がり、第１金属パターン２１の外縁から第１金属面１１の外縁を越えて第３金属面１３まで到達するフィレットを形成する。一方、第２接合材４０は、加熱工程Ｓ１０２の前は第１接合材３０と同様にその断面が略四角形状であるが、加熱工程Ｓ１０２の後は第１接合材３０のように全体の形状は変化していない。加熱工程Ｓ１０２を経た第２接合材４０は、その一部が第２金属パターン２２に濡れ広がっているが、その主要部は略四角形状の断面形状を維持している。
第１接合材３０の形状の変化率は、図４及び図５に示すような断面視において、第１接合材３０のうち、第１金属パターン２１と第１金属面１１とを最短距離で結んでいる部分の長さの変化率で示すことができる。ここでの長さとは、第１金属面１１と平行な方向における長さを指す。第１接合材３０の当該長さは、図４ではＬ１Ａであり、図５ではＬ１Ｂである。（Ｌ１Ｂ−Ｌ１Ａ）／Ｌ１Ａを第１接合材３０の形状の変化率とすることができる。同様に、第２接合材４０の形状の変化率は、図４及び図５に示すような断面視において、第２接合材４０のうち、第２金属パターン２２と第２金属面１２とを最短距離で結んでいる部分の長さの変化率で示すことができる。当該長さは、図４ではＬ２Ａであり、図５ではＬ２Ｂであり、（Ｌ２Ｂ−Ｌ２Ａ）／Ｌ２Ａを第２接合材４０の形状の変化率とすることができる。例えば図５において第２接合材４０はその一部が第２金属パターン２２の表面に濡れ広がっているが、主要な部分は濡れ広がらずにほぼ元の形状を維持している。濡れ広がった部分を除外した部分の長さをＬ２Ａとして形状の変化率を算出することで、このようにほぼ元の形状を維持しているかどうかを評価することができる。第１接合材３０及び／又は第２接合材４０が複数である場合は、それぞれの平均値を比較すればよい。
このような第１接合材３０及び第２接合材４０を用いることにより、接合状態の確認と、金属面等の形状に依存せずにパッケージ１０と実装基板２０とを位置合わせすることが両立可能である。すなわち、第１接合材３０は、例えばフィレットを形成する等、第１金属面１１及び第１金属パターン２１に濡れ広がる。このため、外観観察等によって第１接合材３０の接合状態を確認することができる。そして、第２接合材４０は、形状の変化率が小さいためセルフアライメント効果が働き難い。このため、第１金属面１１、第２金属面１２、第１金属パターン２１、及び、第２金属パターン２２の形状に依存せずに、パッケージ１０と実装基板２０とを位置合わせすることができる。
第１接合材３０が合金材料を有する場合、加熱工程Ｓ１０２ではその合金材料の融点以上に加熱する。第１接合材３０の接合温度は、第１接合材３０がはんだである場合は、はんだの溶融温度を指す。はんだの溶融温度は、例えば、２００℃〜２３０℃程度である。第２接合材４０の接合温度は、第２接合材４０がＴＬＰＳを利用した接合材である場合はその焼結温度を指す。例えば、第２接合材４０が低融点金属と高融点金属を少なくとも有し、加熱工程Ｓ１０２でその低融点金属の融点以上に加熱する。これにより、低融点金属と高融点金属を遷移的液相焼結する。加熱工程Ｓ１０２における加熱温度は、例えば２３０℃以上とすることができる。加熱温度は、レーザ素子１８Ａをサブマウント１８Ｂに固定するための接着材の溶融温度など、第１接合材３０及び第２接合材４０以外の接合箇所における接合強度が低下する温度よりも低い温度とすることが好ましい。これにより、それらの接合されている部材の位置ずれを抑制可能である。加熱温度は例えば３００℃以下とする。加熱温度とは、例えば実装基板２０を載置したリフロー炉のステージの温度を指す。
（半導体装置１００）
図５に示すように、半導体装置１００は、パッケージ１０と、実装基板２０と、第１接合材３０と、第２接合材４０と、を有する。パッケージ１０は、第１金属面１１と第２金属面１２を有する。実装基板２０は、パッケージ１０の下方に配置されている。実装基板２０は、第１金属面１１の下方に位置する第１金属パターン２１と、第２金属面１２の下方に位置する第２金属パターン２２を有する。
第１接合材３０は、第１金属面１１及び第３金属面１３と第１金属パターン２１とを接合している。第１接合材３０には、第３金属面１３の外縁から第１金属パターン２１の外縁に至るフィレットが形成されている。第２接合材４０は、第２金属面１２と第２金属パターン２２とを接合しており、第１接合材３０と異なる形状を有する。言い換えれば、第２接合材４０はフィレットがない形状である。より具体的には、第２接合材４０は、上面視において第２金属パターン２２より小さな面積を有する主要部と、その主要部から第２金属パターン２２の外縁に向かって広がった濡れ広がり部と、を有する。図５では１つの実装基板２０に１つのパッケージ１０を配置したが、パッケージ１０は複数でもよい。複数のパッケージ１０の発光色は、すべて同じ色でもよく、異なる色でもよい。
図６は、半導体装置の変形例を示す模式的断面図である。図６に示すように、半導体装置１００Ｂは、さらに、レンズ５０Ａを有していてもよい。レンズ５０Ａを有することにより、レーザ素子１８Ａからの光をコリメート、集光、又は、拡散することができる。半導体装置１００Ｂは、レンズ５０Ａ及び接着剤５０Ｂを有すること以外は半導体装置１００と同様である。レンズ５０Ａは樹脂等の接着剤５０Ｂによってパッケージ１０の蓋部１９に固定されている。レンズ５０Ａは、レーザ素子１８Ａからの光をコリメートする機能を有する。レンズ５０Ａとして、レーザ素子１８Ａからの光を集光又は拡散するレンズを用いてもよい。レンズ５０Ａをパッケージ１０に固定する工程は、加熱工程Ｓ１０２の前でもよいが、加熱工程Ｓ１０２の後の方が、加熱工程Ｓ１０２による接着剤５０Ｂの接着強度低下等によるレンズ５０Ａの位置ずれが生じ難いため好ましい。
図７は、半導体装置１００を有する半導体モジュール５００を示す模式的断面図である。半導体モジュール５００において、半導体装置１００の電極２３がそれぞれ、通電端子６１と接合材６２を介して接続されている。通電端子６１は外部の電源と電気的に接続される。第２接合材４０がＴＬＰＳを利用した接合材である場合、その焼結温度よりも高い融点を有する金属間化合物が加熱工程Ｓ１０２によって形成される。このため、接合材６２として、その接合温度が第２接合材４０の再溶融温度よりも低い材料を用いることができ、接合材６２の接合温度まで半導体装置１００を加熱してもパッケージ１０の実装基板２０に対する位置がずれ難いという利点が期待できる。通電端子６１を接合材６２を用いて固定することにより、接合材６２を用いない場合と比較して通電端子６１と電極２３をより確実に接続することができる。例えば振動等により通電端子６１が電極２３から離れた場合、パッケージ１０への通電が止まってしまうが、接合材６２を用いればその可能性を低減することができる。接合材６２としては、例えば、上述の第１接合材３０で挙げた合金材料を有するはんだ等を用いることができる。加熱工程Ｓ１０２の後の第２接合材４０の再溶融温度は、例えば４００℃より高い。
（実験例）
実験例として、図２Ａ〜図２Ｃに示すパッケージ１０と、レーザ素子１８Ａ、サブマウント１８Ｂ、ワイヤ１８Ｃ、及び、蓋部１９を設けていない点以外は同様である疑似パッケージを準備し、これを、第１接合材３０及び第２接合材４０によって、図３Ａ及び図３Ｂに示す実装基板２０に接合した。第１接合材３０は第１金属面１１と第１金属パターン２１を繋ぐ位置に設け、第２接合材４０は第２金属面１２と第２金属パターン２２を繋ぐ位置に設けた。第１接合材３０として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金を含有するはんだを用いた。第２接合材４０として、ＴＬＰＳを利用したペーストを用いた。
（比較例）
比較例では、第２金属面１２と第２金属パターン２２とを繋ぐ位置に、第２接合材４０ではなく第１接合材３０を用いたこと以外は実験例と同様にして、疑似パッケージを実装基板２０に接合した。
（実験結果）
実験例及び比較例においてそれぞれ、疑似パッケージと実装基板２０とを５つずつ接合し、加熱工程後の第１接合材３０の接合状態の観察と、疑似パッケージの加熱工程前後でのずれ量の測定を行った。第１接合材３０の接合状態については、実験例及び比較例のいずれも観察することができた。すなわち、実験例及び比較例のいずれも、加熱工程を経た後に外観観察すると、第１接合材３０の第３金属面１３への這い上がりが確認できた。疑似パッケージの加熱工程前後でのずれ量の測定については、それぞれの平均値を表１に示す。
Figure 2019216217
ｘ軸方向のずれとは、図３Ａにおける横方向のずれであり、ｙ軸方向のずれとは、図３Ａにおける縦方向のずれである。回転角度とは、上面視において疑似パッケージが回転した角度である。ｘ軸方向のずれ及びｙ軸方向のずれは、パッケージ１０に形成された２つのマーカーを結ぶ仮想線の中点を基準として、実装基板２０におけるその中点の変位量を測定した。回転角度は、２つのマーカーを結ぶその仮想線を基準として、実装基板２０におけるその仮想線の回転角度を測定した。実験例の比較例に対するずれの減少率はそれぞれ、ｘ軸方向のずれが約９７．２％、ｙ軸方向のずれが約９３．５％、回転角度が約９６．６％であった。以上のとおり、実施例は比較例と比べてずれ量が低減したことが確認された。なお、比較例について、パッケージ１０の上述の２つのマーカーを結ぶ仮想線の中点の狙い位置からのずれ量を測定したところ、ｘ軸方向のずれの平均値が７．６μｍ、ｙ軸方向のずれの平均値が１０．８μｍ、回転角度の平均値が０．１３度であった。このように、セルフアライメントではパッケージ１０が狙い位置からずれることがある。したがって、実験例のように形状変化率が小さい第２接合材４０を用いて、セルフアライメントに頼らずに位置決めする方がより正確に位置合わせができると考えられる。
実施形態に記載の発光装置は、プロジェクタ、車載ヘッドライト、照明、ディスプレイのバックライト等に使用することができる。
１０ パッケージ
１０ａ 上面、１０ｂ 下面
１１ 第１金属面
１２ 第２金属面
１３ 第３金属面
１６Ａ 外側金属層、１６Ｂ 内側金属層、１６Ｃ 導電部材
１７Ａ 絶縁部、１７Ｂ 放熱体
１８Ａ レーザ素子、１８Ｂ サブマウント、１８Ｃ ワイヤ
１９ 蓋部
２０ 実装基板
２０ａ 上面、２０ｂ 下面
２１ 第１金属パターン
２２ 第２金属パターン
２３ 電極
２４ 金属層
２５ 絶縁膜
２８ 金属部
２９ 絶縁部
３０ 第１接合材
４０ 第２接合材
５０Ａ レンズ、５０Ｂ 接着剤
６１ 通電端子
６２ 接合材
１００、１００Ｂ 半導体装置
５００ 半導体モジュール

Claims (10)

  1. 下面の外周付近に配置された第１金属面、及び、前記下面の前記第１金属面とは異なる位置に設けられた第２金属面を有するパッケージと、
    前記パッケージの下方に配置されており、上面に、前記第１金属面の下方に位置する第１金属パターン、及び、前記第２金属面の下方に位置する第２金属パターンを有する実装基板と、
    前記第１金属面と前記第１金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第１接合材と、
    前記第２金属面と前記第２金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第２接合材と、を準備する準備工程と、
    前記第１接合材及び前記第２接合材をそれぞれの接合温度以上に加熱することにより、前記第１接合材及び前記第２接合材を介して前記パッケージと前記実装基板とが接合される、加熱工程と、を備え、
    前記加熱工程の前後における前記第２接合材の形状の変化率は、前記加熱工程の前後における前記第１接合材の形状の変化率よりも小さい、半導体装置の製造方法。
  2. 下面の外周付近に配置された第１金属面、及び、前記下面の前記第１金属面とは異なる位置に設けられた第２金属面を有するパッケージと、
    前記パッケージの下方に配置されており、上面に、前記第１金属面の下方に位置する第１金属パターン、及び、前記第２金属面の下方に位置する第２金属パターンを有する実装基板と、
    前記第１金属面と前記第１金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第１接合材と、
    前記第２金属面と前記第２金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第２接合材と、を準備する準備工程と、
    前記第１接合材及び前記第２接合材をそれぞれの接合温度以上に加熱することにより、前記第１接合材及び前記第２接合材を介して前記パッケージと前記実装基板とが接合される、加熱工程と、を備え、
    前記加熱工程において、前記第１接合材にフィレットを形成し、且つ、前記第２接合材を遷移的液相焼結する、半導体装置の製造方法。
  3. 下面の外周付近に配置された第１金属面、及び、前記下面の前記第１金属面とは異なる位置に設けられた第２金属面を有するパッケージと、
    前記パッケージの下方に配置されており、上面に、前記第１金属面の下方に位置する第１金属パターン、及び、前記第２金属面の下方に位置する第２金属パターンを有する実装基板と、
    前記第１金属面と前記第１金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第１接合材と、
    前記第２金属面と前記第２金属パターンとを繋ぐ位置に配置された、金属材料を含有する第２接合材と、を準備する準備工程と、
    前記第１接合材及び前記第２接合材をそれぞれの接合温度以上に加熱することにより、前記第１接合材及び前記第２接合材を介して前記パッケージと前記実装基板とが接合される、加熱工程と、を備え、
    前記準備工程において、前記第２接合材は、有機溶剤と、前記有機溶剤中に含有される金属粒子と、を有し、
    前記加熱工程において、前記第１接合材にフィレットを形成し、且つ、前記第２接合材の前記有機溶剤を蒸発させる、半導体装置の製造方法。
  4. 前記準備工程において、前記第１接合材は、合金材料を含み、
    前記加熱工程において、前記第１接合材を前記合金材料の融点以上に加熱する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第２金属面は、前記第１金属面よりも面積が大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第２金属パターンは、前記第１金属パターンよりも面積が大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第１金属面は、前記パッケージの端子である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記パッケージは、レーザ素子が設けられたレーザパッケージである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記準備工程において、前記第１接合材はディスペンサを用いて前記第１金属パターンに形成し、前記第２接合材はスクリーン印刷により前記第２金属パターンに形成する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 下面の外周付近に配置された第１金属面、及び、前記下面の前記第１金属面とは異なる位置に設けられた第２金属面を有するパッケージと、
    前記パッケージの下方に配置されており、上面に、前記第１金属面の下方に位置する第１金属パターン、及び、前記第２金属面の下方に位置する第２金属パターンを有する実装基板と、
    前記第１金属面と前記第１金属パターンとを接合している、金属材料を含有する第１接合材と、
    前記第２金属面と前記第２金属パターンとを接合している、金属材料を含有する第２接合材と、を備え、
    前記第１接合材は、前記第１金属面の外縁と前記第１金属パターンの外縁とを少なくとも繋ぐフィレットが形成されており、
    前記第２接合材は、前記第１接合材と異なる形状であり、上面視において前記第２金属パターンより小さな面積を有する主要部と、前記主要部から前記第２金属パターンの外縁に向かって広がった濡れ広がり部と、を有する、半導体装置。
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