JP2021057408A - 光半導体装置の製造方法及び光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置の製造方法及び光半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、高温動作において、光半導体チップが長期信頼性を維持する光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、セラミックスからなるパッケージ基板３上に光半導体チップ２を設置するマウント工程と、マウント工程後のパッケージ基板３を第１乾燥雰囲気下で保管する保管工程と、保管工程後の前記パッケージ基板上の光半導体チップ２の周囲を第２乾燥雰囲気下とし、パッケージ基板の接合部５に、接合材を介して透光性窓材４を載せる載置工程と、酸素濃度１ｖｏｌ％以下の低酸素濃度雰囲気において接合材により接合部５及び透光性窓材４を接合することで、パッケージ基板３及び透光性窓材４により形成される閉鎖空間１内に光半導体チップ２を封入する封止工程と、を有し、封止工程後における、閉鎖空間１の水分濃度を１０００ｐｐｍ以下、酸素濃度を３ｖｏｌ％以下とする、光半導体装置の製造方法。【選択図】図３

Description

本発明は、光半導体装置の製造方法及び光半導体装置に関する。
光半導体チップは発光素子及び受光素子に大別される。このうち、発光素子を使用した光半導体装置としては、発光ダイオード、半導体レーザー等が挙げられる。発光素子は、発光する光の波長に応じて、各種センサーに使用される赤外光、照明や電子機器の表示光源等として使用される可視光、又は殺菌や樹脂硬化等に使用される紫外光など様々な用途で使用されている。いずれの光半導体チップであっても、種々の使用環境において長期間性能を維持できる構造が求められている。例えば、光半導体チップをパッケージ基板（キャリアとも呼ばれる）に収容した光半導体装置は、高信頼性の長期間維持を実現するため、光半導体チップの波長に合った光を十分に透過する透明な窓材（以下、透光性窓材と記載する）により封止され、外気の流入が無い閉じた空間（以下、閉鎖空間と記載する）内に光半導体チップを収容する構造を備えている。そして、このような閉鎖空間を形成するための封止方法には、ＡｕＳｎ又はＡｇＳｎ等の半田の接合材を用いて、発光素子が設置されたパッケージ基板などの容器と透光性窓材とを接合して封止する技術が一般的に採用されている。光半導体素子の封止技術として、例えば以下の特許文献１のような技術が挙げられる。
特許文献１には、光半導体素子を収容したパッケージ基板と蓋体とを酸素を含む雰囲気下で仮封止した後、仮封止した状態で雰囲気の酸素濃度を低下させて、パッケージ基板と蓋体とを接合して封止する技術が開示されている。
特開２０１８−９３１３７号公報
しかしながら上記特許文献１の製造方法のように、酸素を少量含む雰囲気ガス中で光半導体チップを封止するだけでは、光半導体チップの信頼性を確保できないことが確認された。中でも、発光波長が短いほど駆動電圧が大きくなるため、例えば波長２００〜３５０ｎｍの紫外光を発する発光素子では通電時に発する熱が他に比べて大きく、熱に対する信頼性の確保が必要であった。さらに、高温高湿の環境下での使用若しくは長時間の連続使用といった、光半導体チップに高温動作を要求する環境下においては、通電時に光半導体チップから発する熱が大きいほど、高温での動作の信頼性を確保することが困難であった。
そこで、本発明は、高温動作において、光半導体チップが高信頼性を長期間維持する光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らが上記課題の解決に関し鋭意検討した結果、光半導体チップに高温動作を要求する環境下において、閉鎖空間内に収容された光半導体チップの周囲に残留する残留水分が一定以上存在すると、光半導体チップの信頼性を確保できないことが本発明者らにより確認された。そして、仮に光半導体チップが設置されているセラミックス製のパンケージ基板と透光性窓材とを窒素雰囲気下で封止工程を行ったとしても、封止後の閉鎖空間内の水分が１０００ｐｐｍを超えて含まれれば、光半導体チップの信頼性を確保できないことが分かった。閉鎖空間内に含まれる水分の原因を検討したところ、封止する際に一時的に窒素ガスなどを用いて光半導体チップ周囲の雰囲気を水分濃度が低い雰囲気にしたとしても、セラミックス中に浸透された水分は容易には除去が難しく、封止工程での加熱時において放出されて閉鎖空間内の水分量が多くなることが分かった。マウント工程でパッケージ基板が加熱されてセラミックス表面の水分の多くが除去された場合でも、マウント工程後にセラミックスのパッケージ基板を一定時間以上大気中に曝した場合にはパッケージ基板に水分が浸透する。マウント工程での加熱から封止工程での加熱までの間に、水分濃度１０００ｐｐｍ以下の環境においてセラミックスが水分を吸わないようにしなければ、封止後の閉鎖空間内の残留水分を低く制御できないことが分かった。
本発明はかかる知見に基づきなされたもので、以下のような構成を有する。
［１］本発明は、セラミックスからなるパッケージ基板上に光半導体チップを設置するマウント工程と、前記マウント工程後のパッケージ基板を第１乾燥雰囲気下で保管する保管工程と、前記保管工程後の前記パッケージ基板上の光半導体チップの周囲を第２乾燥雰囲気下とし、前記パッケージ基板の接合部に、接合材を介して透光性窓材を載せる載置工程と、酸素濃度１ｖｏｌ％以下の低酸素濃度雰囲気において前記接合材により前記接合部及び前記透光性窓材を接合することで、前記パッケージ基板及び前記透光性窓材により形成される閉鎖空間内に前記光半導体チップを封入する封止工程と、を有し、
前記封止工程後における、前記閉鎖空間の水分濃度を１０００ｐｐｍ以下、酸素濃度を３ｖｏｌ％以下とする、光半導体装置の製造方法である。
［２］本発明において、前記第１乾燥雰囲気は、水分濃度１０００ｐｐｍ以下であり、
前記第２乾燥雰囲気は、水分濃度１０００ｐｐｍ以下であり、かつ酸素濃度４ｖｏｌ％以下である［１］に記載の光半導体装置の製造方法。
［３］ 前記封止工程後における、前記閉鎖空間の水分濃度を３００ｐｐｍ以下、酸素濃度を０．８ｖｏｌ％以下とする、［１］または［２］に記載の光半導体装置の製造方法。
［４］ 前記第２乾燥雰囲気は、水分濃度２００〜１０００ｐｐｍであり、かつ酸素濃度３ｖｏｌ％以下である、［１］または［２］に記載の光半導体装置の製造方法。
［５］ 前記第２乾燥雰囲気は、水分濃度２００〜５５０ｐｐｍである、［４］に記載の光半導体装置の製造方法。
［６］本発明において、セラミックスからなるパッケージ基板と、
前記パッケージ基板上に設置された光半導体チップを有し、
前記パッケージ基板の接合部に接合材を介して接合された透光性窓材と前記パッケージ基板との間の閉鎖空間内に前記光半導体チップが封入されており、
前記閉鎖空間の水分濃度が１０００ｐｐｍ以下であり、かつ酸素濃度が３ｖｏｌ％以下である、光半導体装置。
［７］本発明において、前記光半導体チップは、発光中心波長が２００〜３５０ｎｍである［６］に記載の光半導体装置。
本発明によれば、高温動作においても、光半導体チップが高信頼性を長期間維持する光半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
本発明に係る光半導体装置の製造方法におけるマウント工程の一例を示す。 本発明に係る光半導体装置の製造方法における載置工程の一例を示す。 本発明の一実施形態に係る光半導体装置の断面模式図を示す。 本発明に係る光半導体装置の製造方法における態様の一例を示す。
（分析方法）
本明細書における、第１乾燥雰囲気、第２乾燥雰囲気の水分濃度および酸素濃度を測定する方法としては、水分濃度には水分濃度計を用い、酸素濃度には酸素濃度計を用いて測定することができる。水分濃度計としては、静電容量式（インピーダンス式）露点計を使用することができ、例えば株式会社テクネ計測社製ＴＫ−１００を使用できる。酸素濃度計としては、ガルバニ電池式酸素分析計を使用することができ、例えば株式会社テクネ計測社製２０１ＲＳを使用できる。
パッケージ基板及び透光性窓材により形成される閉鎖空間内の水分濃度および酸素濃度を測定する方法としては、質量分析計（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｖａｐｏｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＩＶＡ分析）により定量分析を行うことができ、試料導入部において透光性窓材を剥がすことで、閉鎖空間内の分析が可能となる。なお、当該ＩＶＡ分析は、ＭＩＬ規格（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３）に準拠している。
（光半導体チップ）
光半導体チップは、設置されるパッケージ基板にセラミックスが用いられ、閉鎖空間内に封入されるのであれば任意の発光素子または受光素子であってよい。そのような状態で使用される光半導体チップの例としては、波長が深紫外光（波長２００〜３５０ｎｍ）である光半導体チップが挙げられる。特に、深紫外光（波長２００〜３５０ｎｍ）の発光素子は駆動時の発熱が大きいため好適である。なお、以下に記載の実施形態ではフリップチップ型の光半導体チップを例に記載するが、垂直型の光半導体チップであっても良い。
（パッケージ基板）
パッケージ基板は、セラミックスからなる。セラミックスは、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ：ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏ−ｆｉｒｅｄ ｃｅｒａｍｉｃ）又は高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ：ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏ−ｆｉｒｅｄ ｃｅｒａｍｉｃ）のいずれでもよい。また、前記セラミックスの材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）等が挙げられる。必要により、セラミックスは公知の絶縁材料、金属化合物、可塑剤、有機バインダー又は溶剤を含んでもよい。
（透光性窓材）
透光性窓材は、上記の光半導体チップの波長に対し光を十分に透過する透明な窓材であればよい。光半導体チップが深紫外光（波長２００〜３５０ｎｍ）である光半導体チップの場合には、その波長に対して透過率が８０％以上の材料であることが好ましく、例えば、石英、溶融石英、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）を例示することができる。本実施形態では、透光性窓材の形状の一例として、平板状の板体を説明しているが、光取り出し側に曲面を有する窓材であっても本発明の光半導体装置に使用可能である。そのため透光性窓材の形状は特に限定されることはない。さらには、透光性を向上させるために、公知のＡＲコート（光反射防止膜）又はフォトニック結晶を、透光性窓材の本体の片面または両面に設けてもよい。
本発明に係る製造方法は、マウント工程と、保管工程と、載置工程と、封止工程とを有し、必要により暴露工程をさらに有してもよい。以下、実施形態の一つについて各工程について詳説する。
（マウント工程）
セラミックスからなるパッケージ基板上に、光半導体チップを設置するマウント工程について、図１を用いて説明する。マウント工程は、光半導体チップ２を設置可能なパッケージ基板３上の設置部に光半導体チップを設置する工程である。まず、基板２１と半導体積層体２２と電極層２３ａ，ｂとを備えた光半導体チップ２を用意する。そして、光半導体チップ２の電極層２３ａ，ｂ表面に、Ａｕバンプ等の接合金属５１ａ，ｂを形成する。
図１において、パッケージ基板３は、中央部に凹部１を有しており、その凹部１内に光半導体チップ２を設置する一例を図示している。この例では、パッケージ基板３の凹部１の底部に形成された表面電極Ｅ2、Ｅ1の表面（設置部）に、光半導体チップ２の電極層２３ａ，ｂ表面に具備された接合金属５１ａ，ｂを対向させ、付着させると共に、光半導体チップ２に対して適切な荷重を負荷しながら超音波接合する。この際、設置部に熱を伝えるためにパッケージ基板３を加熱することが好ましい。
光半導体チップ２を収容でき、かつ窓材（図示せず）とパッケージ基板３とを接合によって封止できれば、当該設置部の位置及びその形状は特に制限されることは無い。
なお、上記の表面電極Ｅ1、Ｅ2は、パッケージ基板３内を貫通する配線電極（図示せず）を介して、パッケージ基板３の裏面に設けられた裏面電極Ｅcw1、Ｅcw2にそれぞれ電気的に接続されている。
マウント工程中の作業雰囲気は、接合金属５１ａ，ｂの種類に応じて、適宜選択される。例えば、接合金属５１ａ，ｂとして金バンプを用いる場合は作業雰囲気を空気中としてもあるいは低酸素雰囲気としてもよい。ＡｕＳｎ等の半田を使用する場合は、接合金属５１ａ，ｂの酸化を抑制する観点から、マウント工程中の作業雰囲気は、窒素又はアルゴン等の低酸素雰囲気が好ましい。金バンプの接合を確実にするためには、設置部が１７０〜２５０℃となるまで加熱し、ＡｕＳｎ等の半田を使用する場合は、設置部がその半田の融点付近（例えば２００〜３２０℃）となるまで加熱することが好ましい。マウント工程での加熱において、パッケージ基板の水分は大部分が放散される。
本発明におけるマウント工程を行う前に、必要に応じて、パッケージ基板を１２５℃〜２５０℃の温度範囲で、３０分以上ベーキングする工程をさらに備えてもよい。それにより、パッケージ基板からほぼ完全に水分を拡散し脱離させることができる。マウント工程での加熱後の水分が減った状態のパッケージ基板を、水分が存在する環境にさらすと、水分が表面に吸着し、そこからパッケージ内部に向かって浸透していくと考えられる。
（保管工程）
次に、上述したマウント工程後のパッケージ基板を第１乾燥雰囲気下で保管する保管工程について説明する。この工程により、上記のマウント工程における加熱によってある程度水分が脱離した状態のパッケージ基板に、水分が吸着しセラミックス中に再び浸透することを抑制する。そのために、次の工程（載置工程および封止工程）に進むまでの間、第１乾燥雰囲気下で保管を行う。この時のパッケージ基板の温度は、前記マウント工程での温度より低い温度であればよく、室温でもあってもよい。保管工程内での保管時間は、次の載置工程を行うタイミングにより任意に決まるものであり、１分以上が好ましい。マウント工程と保管工程とその後の載置工程とは連続して行うことが好ましく、それらの工程間に、人の作業環境に起因する１分以上の大気環境への暴露時間を挟むことがない様にすることが好ましい。
＜保管工程における第１乾燥雰囲気＞
本明細書における第１乾燥雰囲気は、水分がパッケージ基板に浸透していくことを抑制する程度に、パッケージ基板を乾燥させる雰囲気をいう。第１乾燥雰囲気の水分濃度は、１０００ｐｐｍ以下であることが好ましく、５５０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。さらに、露点温度が−２０℃以下であることが好ましく、−２７℃以下であることがより好ましい。
水分がパッケージ基板に浸透していくことを抑制する程度に、パッケージ基板を乾燥させる雰囲気とするには、第１乾燥雰囲気を減圧とすることも好ましい。例えば、第１乾燥雰囲気の圧力が１０-2［Ｐａ］以下であることが好ましく、１０-5［Ｐａ］以下であることがより好ましい。
上記の第１乾燥雰囲気をもたらす装置としては、例えば、デシケータ、エアーオーブンといったバッチ式の乾燥機構、並びにヒートロール、ホットエアースルー機構（開放式の乾燥炉内を被乾燥体が移動、通過しながら、送風を受けつつ加熱・乾燥される設備等）といった連続式の乾燥機構等が挙げられる。前記減圧機構による乾燥でもよく、例えば、減圧格納庫、真空デシケータ、アスピレーターなどが挙げられる。また、このような乾燥機構又は減圧機構は、温度調節機構を有していることが好ましく、必要により、第１乾燥雰囲気を０℃以上１００℃以下の範囲に設定してもよい。また、第１乾燥雰囲気をもたらす装置としては、窒素ガス置換方式が好ましい。
デシケータとしては、電子ドライ（電子防湿保管庫）を使うことが好ましい。例示すれば、東洋リビング（株）ＳＤ−２５２−０１、ヤマト科学ＳＤＣ−１５０２−１Ａなどが挙げられる。
また、マウント工程で使用する装置と載置工程で使用する装置との間をベルトコンベアーなどの移動機構で結んでもよい。また、これら各工程を区画するシャッターを備えてもよい。さらには、マウント工程で使用する装置と載置工程で使用する装置との間に、前記移動機構及び前記シャッターを備えると共に、上記の第１乾燥雰囲気をもたらす装置を連結した構造を設けても良い。
（載置工程）
前記保管工程後の前記パッケージ基板上の光半導体チップの周囲を第２乾燥雰囲気下とし、前記パッケージ基板の接合部に、接合材を介して透光性窓材を載せる載置工程について、図２を用いて説明する。
保管工程における第１乾燥雰囲気から取り出された、光半導体チップがマウント済みのパッケージ基板３は、凹部１の周面部の上部３４の接合部５に封止用の第１金属層５ｆが凹部１を取り囲むよう形成された構成を備えている。そして、透光性窓材４にも、封止用の第２金属層５ｄが外周を取り囲むように形成されている。載置工程では、上記第１金属層５ｆと、上記第２金属層５ｄとを対向させ、接合材５ｅを介して互いに接する状態とする。このとき、接合材５ｅは、上記第１金属層５ｆと、上記第２金属層５ｄのどちら側に先に付けても構わない。パッケージ基板上３に透光性窓材４が載置された状態を維持できるように図２に例示するような仮押さえ冶具６０を用いることが好ましい。仮押さえ冶具６０は、パッケージ基板３を収容する仮押さえ冶具本体６１、透光性窓材４がズレないように押さえるアーム６２、およびウエイト６３により構成される。
本載置工程により、パッケージ基板３と透光性窓材４とにより囲まれる空間内１に光半導体チップ２が収容され、かつその空間１が、完全ではないものの概ね閉じた空間になる。そのため、前記パッケージ基板３上の光半導体チップ２（および透光性窓材４）の周囲を第２乾燥雰囲気下とすると、第２乾燥雰囲気が、後の封止工程における加熱でのセラミックスからの放散を除き概ねその後の閉鎖空間内１の環境となる。なお、蓋体である透光性窓材４を載せる工程以降において、窒素雰囲気下において閉じた空間内の酸素濃度が変化（減少）するとの記載が特許文献１にある。しかし、発明者らが検討したところ、温度等による気圧差を生じさせない限り蓋体で概ね閉じてしまっている空間と外気との間の気体の交換は少ないことが分かった。
＜載置工程の第２乾燥雰囲気条件＞
本明細書における第２乾燥雰囲気は、第１乾燥雰囲気によって水分が増加するのを抑制された状態を保つと共に、光半導体チップが収容されているパッケージ基板と透光性窓材により生じる空間内（後の閉鎖空間内）の酸素を低減させる雰囲気をいう。第２乾燥雰囲気の水分濃度は、１０００ｐｐｍ以下であることが好ましく、５５０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。そして、第２乾燥雰囲気の酸素濃度は、４ｖｏｌ％以下であることが好ましく、３ｖｏｌ％以下とすることがより好ましい。
第２乾燥雰囲気の酸素濃度を上記範囲にするために、少なくとも不活性ガス（例えば窒素）を使用して第２乾燥雰囲気を作ることが好ましい。載置工程を手作業で行う場合は、グローブボックス等を用いて安全面に考慮して行うことが好ましい。不活性ガスと空気とが混合する状態の第２乾燥雰囲気を作る場合、不活性ガスを流す位置を調整して少なくとも光半導体チップが収容されているパッケージ基板と透光性窓材とにより形成された空間内（後の閉鎖空間内）を、第２乾燥雰囲気となるようにすればよい。載置工程において、例えば後述の実施例１の図４で説明するように、保管工程における保管庫（電子ドライ又は真空デシケータ等）から出した部材（透光性窓材が載置された光半導体チップが収容されているパッケージ基板）を手作業で前室からグローブボックス内へ入れる場合、当該グローブボックスの前室における空気を含む雰囲気がグローブボックス内に混入し、混合気体の第２乾燥雰囲気を作ることになる。混合気体での第２乾燥雰囲気が、水分濃度２００〜１０００ｐｐｍであり、かつ酸素濃度３ｖｏｌ％以下であれば、より確実に、その後の閉鎖空間内の水分濃度を１０００ｐｐｍ以下、かつ酸素濃度を３ｖｏｌ％以下とすることができる。
一方、載置工程においてグローブボックスの前室内で雰囲気の窒素置換を行う場合又はロボット等により保管工程以降を自動化して行う場合、第２乾燥雰囲気を窒素雰囲気のような不活性ガスとしてもよい。その場合は、前記混合気体での第２乾燥雰囲気よりもさらに酸素濃度および水分濃度を低下させることによって、封止工程後における、前記閉鎖空間の水分濃度を３００ｐｐｍ以下、酸素濃度を０．８ｖｏｌ％以下とすることもできる。
上述した不活性ガスと空気とが混合した混合気体状態の第２乾燥雰囲気では、不活性ガスと空気との混合比が５：１から１０：０までの間とすることが好ましい。この場合の空気は、水分量の少ない空気であることが好ましい。このようにすることにより、当該雰囲気中に含まれる水分量を下げ、不活性ガスと混合した際の第２乾燥雰囲気に含有される水分濃度を、第２乾燥雰囲気の上記範囲内に制御することができる。
（暴露工程）
上記に記載の載置工程において、パッケージ基板上の光半導体チップの周囲を第２乾燥雰囲気下としてから、パッケージ基板の接合部に接合材を介して透光性窓材を載せるまでの間である暴露時間を１０秒以上１分以下とすることが好ましい。光半導体チップが収容されているパッケージ基板を第２乾燥雰囲気に前記時間曝すことを暴露工程とする。第２乾燥雰囲気での暴露工程が無くとも、パッケージ基板上の光半導体チップの周囲に残存する第１乾燥雰囲気は、第２乾燥雰囲気下に置くことによりある程度、第２乾燥雰囲気と置換されるが、暴露時間を設けることで第２乾燥雰囲気に完全に置換され、酸素濃度の低減を確実にすることができる。なお、暴露時間を増やしてもパッケージ基板に浸透した水分までは低減させることは困難であるため、上記の保管工程が必要となる。
なお、暴露工程において、第２乾燥雰囲気を作るために使用するガス（不活性ガス等）の噴射口が、光半導体チップが位置する方向を向いており、光半導体チップが収容されているパッケージ基板と透光性窓材から囲まれる空間内（後の閉鎖空間内）の雰囲気を押し流す形になっていることが好ましい。
また、一般的に透光性窓材へのガス吸着は少ないため、透光性窓材は第２乾燥雰囲気下に入れてから載置すればよく、透光性窓材に対する暴露時間の設定は任意である。
（封止工程）
本工程は、前記載置工程において互いに接しているパッケージ基板に設けられた接合部と、前記透光性窓材とを、前記接合材を用いて接合して封止することにより、光半導体チップが収容されているパッケージ基板と透光性窓材により囲まれる閉鎖空間を形成する工程である。図３を用いて説明すると、接合部の第１金属層５ｆと透光性窓材４側の第２金属層５ｄとが、接合材５ｅによって隙間なく接合されて、外界から遮断された光半導体チップ２が収容されている閉鎖空間１を形成する。当該接合部の第１金属層５ｆと透光性窓材４側の第２金属層５ｄとは、各々パッケージ基板３と透光性窓材４に密着しやすく、後述の接合材とメタライズ可能な金属であれば特に制限されることはない。
封止工程における接合材の接合方式は特に制限されることはなく、ろう接、融着、熱融着等、使用する接合材の特性又は使用目的に応じて適宜選択される。気密性が高くなる点で、ＡｕＳｎ半田等による加熱による半田接合、または金属微粒子を含有する接合用ペーストを使用すること好ましく、ＡｕＳｎ等の半田を使用する場合は、設置部がその半田の融点付近（例えば２００〜３２０℃）となるまで加熱することが好ましく、接合用ペーストでも１５０℃以上の加熱を行うことが好ましい。そして、保管工程における第１乾燥雰囲気に保管してマウント工程後にセラミックスのパッケージ基板が一定時間以上大気中に曝されないようにした場合には、封止工程における加熱によってセラミックスから閉鎖空間１内に放出される水分により閉鎖空間１内の水分濃度が上昇すること抑制することができる。そして、閉鎖空間１の酸素濃度上昇を抑制し、封止工程における接合材が酸化しないように、封止工程における雰囲気は、酸素濃度１ｖｏｌ％以下、好ましくは酸素濃度０．１ｖｏｌ％以下の低酸素濃度雰囲気である。低酸素濃度雰囲気は、窒素、又はアルゴンなどの不活性ガスを使用することが好ましい。封止工程における水分濃度は、第２乾燥雰囲気と同様に、１０００ｐｐｍ以下であることが好ましく、５５０ｐｐｍ以下であることがより好ましいく、３００ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。
また、封止工程は、載置工程における仮押さえ冶具に収容された状態で行うことが好ましい。パッケージ基板３と透光性窓材４との位置ずれを抑制すると共に、ウエイトによって接合材に対して適切な荷重をかけながら接合を行うことで気密性の向上が期待される。
＜光半導体チップが収容された閉鎖空間の水分濃度＞
閉鎖空間１の水分濃度は、１０００ｐｐｍ以下であり、５５０ｐｐｍ以下であることが好ましく、３００ｐｐｍ以下であることがより好ましい。そして、酸素濃度は３ｖｏｌ％以下であることが好ましく、１ｖｏｌ％以下であることがより好ましく、０．８ｖｏｌ％以下であることがさらに好ましい。
水分濃度を１０００ｐｐｍ以下かつ酸素濃度を３ｖｏｌ％以下にすることで、内部の残留水分と光半導体チップの構成材料との反応を抑制し、例えば、８５℃で１００ｍＡを１００００時間通電したときの、初期出力に対する残存出力の割合が８１％以上であるような、高信頼性を得ることができる。
第２乾燥雰囲気に用いる不活性ガスとして窒素を使用した場合、閉鎖空間１の気体組成は、酸素（Ｏ2）０．０〜３．０ｖｏｌ％、窒素（Ｎ2）９５．０〜９９．９ｖｏｌ％、水（Ｈ2Ｏ）０〜０．１ｖｏｌ％（０〜１０００ｐｐｍ）であることが好ましく、酸素（Ｏ2）０．０〜１．０ｖｏｌ％、窒素（Ｎ2）９８．０〜９９．９９ｖｏｌ％、水（Ｈ2Ｏ）０．０〜０．０３ｖｏｌ％（０〜３００ｐｐｍ）であることがより好ましい。
（他の実施形態）
本実施形態では、パッケージ基板の形状の一例として、上面が開放された、直方体の凹部を有する四角形体の筐状体を説明しているが、パッケージ基板の凹部は、後述する透光性窓材を載置することで閉鎖空間を得るための形状であり、透光性窓材の形状との組み合わせで光半導体チップを収容する閉鎖空間が得られる形状であればどのような形状でもよく、他の実施形態としては、例えば透光性窓材の方に下向きの凹部を有するならばパッケージ基板が凹部を有さない平板であってもよい。また、パッケージ基板が凹部を有する場合は、開口先の開口面積が広くなる、逆テーパー状（又はテーパー状）の凹部であってもよい。
また、マウント工程における他の実施形態としては、図１で示した態様から変更することができる。具体的なマウント工程の変形例としては、あらかじめ、パッケージ基板３上に設けられた設置部の表面電極Ｅ1、Ｅ2に、Ａｕバンプ５１ａ，ｂを付着させる、または、あらかじめ、パッケージ基板３上に設けられた設置部の表面電極Ｅ1、Ｅ2に、半田片を付着させる方法をとっても良い。また、あらかじめ、パッケージ基板３上に設けられた設置部の表面電極Ｅ1、Ｅ2に、半田ペーストを塗布する方法としてもよい。さらに、光半導体チップ２の電極層２３ａ，ｂの表面にＡｕＳｎ等の半田層５４を形成（蒸着等）してもよく、あらかじめ、光半導体チップ２の電極層２３ａ，ｂの表面にＡｕＳｎ等の半田層５４を形成（蒸着等）しておき、パッケージ基板３上に設けられた設置部の表面電極Ｅ１、Ｅ２に、フラックスを塗布してもよい。
また、載置工程における他の実施形態としては、仮押さえ治具の形状は図２から変更することができる。また、荷重の掛け方や位置合わせの方法は図２に記載以外の様々な態様に変更してもよく、さらに、例えば、仮押さえ治具本体６１側に透光性窓材４を置き、パッケージ基板３の開口部が透光性窓材を向くように載せてからパッケージ基板３の方に荷重をかけてもよい。
これまで説明してきた製造方法の実施形態により、セラミックスからなるパッケージ基板と、前記パッケージ基板上に設置された光半導体チップを有し、前記パッケージ基板の接合部に接合材を介して接合された透光性窓材と前記パッケージ基板との間の閉鎖空間内に前記光半導体チップが封入されており、前記閉鎖空間の水分濃度が１０００ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素濃度が３ｖｏｌ％以下である、光半導体装置を得ることができる。また、この光半導体チップは、発光中心波長が２００〜３５０ｎｍであることが好ましい。
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
（実施例１）
本実施例で使用した光半導体チップ（ＬＥＤ（ＤｏＵＶＬＥＤｓ（登録商標）技術を用いた商品名ＤＦ８ＸＣ−００００１（ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社製）））は、２８０ｎｍの波長を発光するＡｌＧａＮ結晶からなるＬＥＤチップである。当該ＬＥＤチップのサイズは１ｍｍ×１ｍｍ×０．４３ｍｍであった。
本実施例で使用したパッケージ基板は、原料としてセラミックス原料にＡｌＮ粉末を使った高温同時焼成セラミックス（ＨＴＣＣ）を使用し、厚さ１５０μｍのグリーンシートを６枚重ね合わせて作製した。当該パッケージの外形サイズは３．５０ｍｍ×３．５０ｍｍであり、厚みは０．９ｍｍであり、凹部の深さは０．６ｍｍであった。また、当該パッケージ基板において、表面電極Ｅ1、Ｅ2及び裏面電極Ｅcw1、Ｅcw2、図示しない貫通孔並びに枠状の第１金属層は、Ａｕメッキを用いて形成された。
本実施例で使用した透光性窓材には石英ガラスを用いた。石英ガラス上に枠状の第２金属層を形成した。前記第２金属層は、石英ガラス基板上に下地金属としてＣｒを蒸着し、その上にＰｔを蒸着し、その上にＡｕを蒸着して作製した。当該窓材の外形サイズは３．４５ｍｍ×３．４５ｍｍであり、厚み０．５ｍｍであった。
上記ＬＥＤチップに予めＡｕバンプを合計２５個取り付け、Ａｕバンプ付きチップを用意した。マウント工程において、Ａｕバンプ付きチップを上記パッケージ基板の表面電極Ｅ1、Ｅ2に載せ、パッケージ基板を２００℃のステージ上に載せて加熱し、加圧によりＡｕバンプを押しつぶしながら超音波接合した。マウント工程時の環境は大気である。
マウント工程の直後に、保管工程におけるデシケータとして電子ドライ（電子防湿保管庫）を使用し、ＬＥＤチップを備えたパッケージ基板を、以下の保管工程時乾燥雰囲気条件下のデシケータ内に保管する保管工程を行った。この保管工程時乾燥雰囲気条件は、水分濃度０．０３ｖｏｌ％（３００ｐｐｍ）であり、開閉をしてもデシケータ内の水分濃度は１０００ｐｐｍ以下を維持するようにした（実施形態における「第１乾燥雰囲気に相当」）。
次いで、図４に記載のグローボックスを用いて載置工程を行った。以下図４を用いて、載置工程から光半導体装置の完成までを説明する。より詳細には、載置工程を行うために、保管工程におけるデシケータ内からＬＥＤチップ２を備えたパッケージ基板を、パッケージ基板の凹部の開口部を上にして仮押さえ冶具６０の本体内に納め、グローブボックス横の前室内に即座に移動させて投入口ＩＮを閉じ、前室内を窒素置換した。前室とグローブボックスとの間のシャッターＳｔを開いて前室からグローブボックス内に移動させた。グローブボックス内において、窒素ガス（載置工程時の雰囲気であり、実施形態における「第２乾燥雰囲気」に相当）がＬＥＤチップ２に当たるようにして４０秒間維持する暴露工程を行った。その後、パッケージ基板の上部の第１金属層上に枠状のＡｕＳｎ半田シート（接合材）を置き、第１金属層と透光性窓材の第２金属層とで接合材を挟むようにして、透光性窓材を置いた。そして、前記仮押さえ冶具６０のアームとウエイトとを用いて透光性窓材を固定した。この際、ウエイトによって５．５ｇｆの荷重をかけた。載置工程におけるグローブボックスの排気を分析した結果、載置工程時の雰囲気は窒素ガスであり、排気の水分濃度が２．６ｐｐｍ、であることを確認した。なお、保管工程時の乾燥雰囲気と載置工程時の雰囲気との分析には、静電容量式（インピーダンス式）露点計（（株）テクネ計測 ＴＫ−１００）を使用した。
その後、封止工程において、ＬＥＤチップ２を備えたパッケージ基板を収納した仮押さえ冶具６０ごと、窒素ガスによる低酸素濃度雰囲気（酸素濃度０．１ｖｏｌ％、水分濃度２．６ｐｐｍ）に満たされた雰囲気下に移動させた。前記ウエイトによる荷重をかけながら、前記半田シートの溶融点以上の温度（３００〜３１０℃）まで加熱し、半田が溶解したところで後室に移動させ、窒素中で冷却して第１金属層と第２金属層を接合させ、閉鎖空間内にＬＥＤチップ２が収容されている光半導体装置を作製した。本実施例の製造方法で作製した光半導体装置の構造は、図３に示す通りであった。
（実施例２）
マウント工程を行う前に、パッケージ基板を２５０℃で、３０分ベーキングした以外は、実施例１と同様にして、実施例２にかかるＬＥＤパッケージを得た。
（実施例３）
保管工程後のパッケージ基板（ＬＥＤチップ）を、パッケージ基板の凹部の開口部を上にして仮押さえ冶具６０の本体内に納め、空気（１０℃、相対湿度１５．４％）を流したグローブボックスの前室に入れて投入口を閉じた後、前室内の窒素置換を行わずに、すぐに前室とグローブボックスとの間のシャッターＳｔを開いて前室からグローブボックス内に移動した。これにより、実施例３の載置工程時の雰囲気を、窒素ガスと空気（１０℃、相対湿度１５．４％）との混合ガスとし、この窒素ガスと空気との混合ガス（第２乾燥雰囲気）中に４０秒間維持する暴露工程を行った以外は、実施例１と同様にして実施例３にかかるＬＥＤパッケージを得た。載置工程におけるグローブボックスの排気について、ガルバニ電池式酸素分析計（（株）テクネ計測 ２０１ＲＳ）および上記静電容量式（インピーダンス式）露点計を用いて分析した結果、載置工程時の雰囲気は水分濃度が２００ｐｐｍ、酸素濃度が２．３ｖｏｌ％であった。載置工程時の雰囲気における混合体積比率（窒素ガス：空気）は、８：１であった。
（実施例４）
前室に入れる空気を１０℃、相対湿度２１．５％とした以外は、実施例３と同様にした。載置工程におけるグローブボックスの排気について、上記ガルバニ電池式酸素分析計および上記静電容量式（インピーダンス式）露点計を用いて分析した結果、実施例４の載置工程時の雰囲気は水分濃度が３０３ｐｐｍ、酸素濃度が２．５ｖｏｌ％であった。載置工程時の雰囲気における混合体積比率（窒素ガス：空気）は、７．４：１であった。
（実施例５）
前室に入れる空気を１０℃、相対湿度３０％とした以外は、実施例３と同様にした。載置工程におけるグローブボックスの排気について、上記ガルバニ電池式酸素分析計および上記静電容量式（インピーダンス式）露点計を用いて分析した結果、実施例５の載置工程時の雰囲気は水分濃度が５０５ｐｐｍ、酸素濃度が３．０ｖｏｌ％であった。載置工程時の雰囲気における混合体積比率（窒素ガス：空気）は、６：１であった。
（比較例１）
保管工程を、実施例１における保管工程時乾燥雰囲気に替えて、空気（温度２３度、相対湿度３０％）に１時間おいた以外は、実施例１と同様にして比較例１におけるＬＥＤパッケージを得た。
（比較例２）
保管工程を、実施例１における保管工程時乾燥雰囲気に替えて、空気（温度２３度、相対湿度３０％）に１時間おいて、さらに、載置工程でのグローブボックスの前室の雰囲気を空気（温度５０℃、相対湿度１５．４％）に変更した以外は、実施例５を同様にして比較例２におけるＬＥＤパッケージを得た。載置工程時の雰囲気における混合体積比率（窒素ガス：空気）は、６：１であった。
載置工程におけるグローブボックスの排気について、上記ガルバニ電池式酸素分析計および上記静電容量式（インピーダンス式）露点計を用いて分析した結果、比較例２の載置工程時の雰囲気は水分濃度が２２７５ｐｐｍ、酸素濃度が３．０ｖｏｌ％であった。
（比較例３）
保管工程を、実施例１における保管工程時乾燥雰囲気に替えて、空気（温度２３度、相対湿度３０％）に１時間おいて、さらに、載置工程でのグローブボックスの前室の雰囲気を空気（温度２３℃、相対湿度３０％）に変更した以外は、実施例５と同様にして比較例２におけるＬＥＤパッケージを得た。載置工程時の雰囲気における混合体積比率（窒素ガス：空気）は、６：１であった。
載置工程におけるグローブボックスの排気について、上記ガルバニ電池式酸素分析計および上記静電容量式（インピーダンス式）露点計を用いて分析した結果、比較例３の載置工程時の雰囲気は水分濃度が１１０２ｐｐｍ、酸素濃度が３．０ｖｏｌ％であった。
（比較例４）
載置工程を行うグローブボックスへ窒素ガスを供給せず、載置工程でのグローブボックスの前室およびグローブボックス内の雰囲気を空気（温度２３℃、相対湿度１２％）とした以外は、比較例１と同様にして比較例４におけるＬＥＤパッケージを得た。載置工程におけるグローブボックスの排気について、上記ガルバニ電池式酸素分析計および上記静電容量式（インピーダンス式）露点計を用いて分析した結果、比較例４の載置工程時の雰囲気は水分濃度が３０８０ｐｐｍ、酸素濃度が２１．０ｖｏｌ％であった。
（比較例５）
載置工程を行うグローブボックスへ窒素ガスを供給せず、載置工程でのグローブボックスの前室およびグローブボックス内の雰囲気を空気（温度２６℃、相対湿度１６．５％）とした以外は、比較例４と同様にして比較例５におけるＬＥＤパッケージを得た。載置工程におけるグローブボックスの排気について、上記ガルバニ電池式酸素分析計および上記静電容量式（インピーダンス式）露点計を用いて分析した結果、比較例５の載置工程時の雰囲気は水分濃度が５０１７ｐｐｍ、酸素濃度が２１．０ｖｏｌ％であった。
（比較例６）
保管工程を実施例１における保管工程時乾燥雰囲気とし、載置工程を行うグローブボックスへ窒素ガスを供給せず、載置工程でのグローブボックスの前室およびグローブボックス内の雰囲気を空気（１０℃、相対湿度８．５％）とした以外は、実施例５と同様にして比較例６におけるＬＥＤパッケージを得た。載置工程におけるグローブボックスの排気について、上記ガルバニ電池式酸素分析計および上記静電容量式（インピーダンス式）露点計を用いて分析した結果、比較例６の載置工程時の雰囲気は水分濃度が１００１ｐｐｍ、酸素濃度が２１．０ｖｏｌ％であった。
上記実施例１〜５および比較例１〜６の光半導体装置について、当該光半導体装置内の酸素濃度及び水分濃度、並びにＬＥＤパッケージの信頼性評価を、以下評価方法に従って分析した。
＜光半導体装置内の酸素濃度及び水分濃度の評価方法＞
光半導体装置（ＬＥＤパッケージ）のパッケージ基板及び窓材に囲まれた領域のガス成分は、質量分析計（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｖａｐｏｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＩＶＡ分析）により定量分析を行うことができ、試料導入部において透光性窓材を剥がすことで、閉鎖空間内の分析を行った。ＩＶＡ分析による酸素濃度（ＯＸＹＧＥＮ）の測定下限は０．１［ｖｏｌ％］であり、水分濃度（ＭＯＩＳＴＵＲＥ）の測定下限は１００［ｖｏｌｐｐｍ］であった。
＜高温通電寿命の評価方法＞
本発明又は比較例の製造方法で得られた光半導体装置をアルミ製の放熱基板に半田実装した後、光半導体装置を実装した放熱基板をヒートシンクと冷却ファンが付いた放熱ユニットに取り付け、空気中８５℃で１００ｍＡ通電の条件での高温通電寿命の評価を行った。
実装直後の光半導体装置に３５０ｍＡの電流を流し、初期の光出力を積分球によって測定した。この測定は、常温で行った。その後、ヒートシンクを含めて光半導体装置が実装された基板を、８５℃のオーブン（空気）に投入し、この温度環境を保ちながらＬＥＤに１００ｍＡの電流を流し、ＬＥＤを発光させた。１００ｍＡの通電開始から１６８時間後、５００時間後、１０００時間後、５０００時間後、１００００時間後の各時点でオーブンから取り出し、光半導体装置を常温、常湿に戻した後に光出力を積分球で測定し、初期の光出力の値と比較した。初期の光出力を１とした時、１０，０００時間後の光出力（３５０ｍＡ）との相対値（残存光量）Ｐ10000／Ｐ0の値を表１に示す。
高温通電寿命（８５℃、１００ｍＡ）の判定基準は以下に従って行った（下３桁四捨五入）。
◎ Ｐ10000／Ｐ0値 ０．９１以上
○ Ｐ10000／Ｐ0値 ０．８１以上０．９０以下
△ Ｐ10000／Ｐ0値 ０．７１以上０．８０以下
× Ｐ10000／Ｐ0値 ０．７０以下
これらの実施例１〜実施例５及び比較例１〜比較例６の実験結果及び製造条件を、以下の表１に示す。
Figure 2021057408
 以上のことから、実施例１〜５により得られた光半導体装置は、比較例１〜６の製造方法で得られた光半導体装置と比べて高温寿命がいずれも良好であった。また、実施例１と比較例１の比較に代表されるように、保管工程においてパッケージ基板等に水分が一度浸透されると、その後に乾燥雰囲気を経たとしても、実装後のパッケージ基板内の水分量を十分に下げることができず、結果として良好な高温寿命を備えた半導体装置を作製できないことが確認された。
本発明によれば、高温動作において、光半導体チップの高信頼性を長期間維持可能な光半導体装置及びその製造方法を提供することができるため、有用である。
１ 凹部、空間、または閉鎖空間
２ 光半導体チップまたはＬＥＤチップ
３ パッケージ基板
４ 透光性窓材
５ 接合部
５ｆ 第１金属層
５ｄ 第２金属層
５ｅ 接合材
２１ 基板
２２ 半導体積層体
２３ａ，ｂ 電極層
５１ａ，ｂ 接合金属
６０ 仮押さえ冶具
６１ 仮押さえ冶具本体
６２ アーム
６３ ウエイト
Ｅ1，Ｅ2 表面電極
Ｅｃｗ1，Ｅｃｗ2 裏面電極

Claims (7)

  1. セラミックスからなるパッケージ基板上に光半導体チップを設置するマウント工程と、
    前記マウント工程後のパッケージ基板を第１乾燥雰囲気下で保管する保管工程と、
    前記保管工程後の前記パッケージ基板上の光半導体チップの周囲を第２乾燥雰囲気下とし、前記パッケージ基板の接合部に、接合材を介して透光性窓材を載せる載置工程と、
    酸素濃度１ｖｏｌ％以下の低酸素濃度雰囲気において前記接合材により前記接合部及び前記透光性窓材を接合することで、前記パッケージ基板及び前記透光性窓材により形成される閉鎖空間内に前記光半導体チップを封入する封止工程と、を有し、
    前記封止工程後における、前記閉鎖空間の水分濃度を１０００ｐｐｍ以下、酸素濃度を３ｖｏｌ％以下とする、光半導体装置の製造方法。
  2. 前記第１乾燥雰囲気は、水分濃度１０００ｐｐｍ以下であり、
    前記第２乾燥雰囲気は、水分濃度１０００ｐｐｍ以下であり、かつ酸素濃度４ｖｏｌ％以下である、請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
  3. 前記封止工程後における、前記閉鎖空間の水分濃度を３００ｐｐｍ以下であり、酸素濃度を０．８ｖｏｌ％以下とする、請求項１または２に記載の光半導体装置の製造方法
  4. 前記第２乾燥雰囲気は、水分濃度２００〜１０００ｐｐｍであり、かつ酸素濃度３ｖｏｌ％以下である、請求項１または２に記載の光半導体装置の製造方法。
  5. 前記第２乾燥雰囲気は、水分濃度２００〜５５０ｐｐｍである、請求項４に記載の光半導体装置の製造方法。
  6. セラミックスからなるパッケージ基板と、
    前記パッケージ基板上に設置された光半導体チップを有し、
    前記パッケージ基板の接合部に接合材を介して接合された透光性窓材と前記パッケージ基板との間の閉鎖空間内に前記光半導体チップが封入されており、
    前記閉鎖空間の水分濃度が１０００ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素濃度が３ｖｏｌ％以下である、光半導体装置。
  7. 前記光半導体チップは、発光中心波長が２００〜３５０ｎｍである請求項６に記載の光半導体装置。
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