JP2022082880A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】長期の使用においても高い気密性が維持される高い信頼性、及び、耐湿性、耐腐食性など高い耐環境性を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光素子と、半導体発光素子の搭載部と、搭載部の外周部に立設され、頂面１１Ｔ上に環形状の基板金属層１２が固着された基板接合面を有する枠部と、を有する基板と、ガラスからなり、半導体発光素子の放射光を透過する窓部と、基板金属層に対応する大きさを有する環形状のキャップ金属層が固着されたキャップ接合面とを有し、接合層によってキャップ接合面が基板金属層に接合されて半導体発光素子を収容する内部空間を有して基板に封止接合された透光キャップ１３と、を有している。枠部の頂面は、枠部の外周部から内周部に向って高さが減ずるように傾斜している。【選択図】図２Ｃ
Description
本発明は、半導体発光装置及びその製造方法、特に紫外光を放射する半導体発光素子が内部に封入された半導体発光装置及びその製造方法に関する。
従来、半導体素子を半導体パッケージの内部に封入する半導体装置が知られている。半導体発光モジュールの場合では、半導体発光素子が載置された支持体に、発光素子からの光を透過するガラスなどの透明窓部材が接合されて気密封止される。
例えば、特許文献１、２には、半導体発光素子を収容する凹部が設けられた基板と、窓部材とが接合された半導体発光モジュールが開示されている。
また、特許文献３には、紫外線発光素子が搭載された実装基板と、スペーサと、ガラスにより形成されたカバーとが接合された紫外光発光装置が開示されている。
また、特許文献４には、光半導体素子の側面に出力される光を、傾斜する光反射面上に設けた金属層で反射させて窓部材に向かわせ、光出力を高める光半導体装置が開示されている。
しかしながら、基板と窓部材との間の封止性、接合信頼性について一層の向上が求められている。紫外光を放射する半導体発光素子、特にＡｌＧａＮ系の半導体発光素子は、気密が不十分であると劣化し易く、当該半導体発光素子が搭載された半導体装置には高い気密性が求められる。
また、ＡｌＧａＮ系結晶は水分によって劣化する。特に、発光波長が短波長になるほどＡｌ組成が増加して劣化し易い。そこで、発光素子を収めるパッケージ内部に水分が侵入しない気密構造として、基板とガラス蓋を金属接合材で気密する構造が採用されていたが、多湿環境下又は水回りで使用される場合に気密が十分でないという問題があった。
例えば、セラミック基板及び窓部材にそれぞれ金属層を設け、これらの金属層の間にＡｕＳｎシート等の接合材を挟み溶融することにより、気密構造が形成されていた。しかしながら、本願の発明者は、ＡｕＳｎシートが金属層と接している部分と、接していない部分とで溶融時差が生じてしまうことにより気密不良が生じることについて知見を得た。
より具体的には、先に溶融した部分はメタライズのＡｕが溶け込み、Ａｕ比率により融点が上がり固化する。その為、先に溶融して固化した部分以外の箇所で後溶融が起こる。この溶融開始点の不定によって接合不良、気密不良が発生することがある。また、接合層内に溶融・固化に起因する歪みが残り（残留歪み）、使用時にクラック等が発生して気密不良が生じることがある。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、長期の使用においても高い気密性が維持される高い信頼性、及び、耐湿性、耐腐食性など高い耐環境性を有する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。さらに、接合部のクラック発生の原因となる残留応力が無く、また、接合層の内部の劣化を防止することができる、信頼性の高い気密接合を有する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。
本発明の１実施形態による半導体発光装置は、
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の搭載部と、前記搭載部の外周部に立設され、頂面上に環形状の基板金属層が固着された基板接合面を有する枠部と、を有する基板と、
ガラスからなり、前記半導体発光素子の放射光を透過する窓部と、前記基板金属層に対応する大きさを有する環形状のキャップ金属層が固着されたキャップ接合面とを有し、接合層によって前記キャップ接合面が前記基板金属層に接合されて前記半導体発光素子を収容する内部空間を有して前記基板に封止接合された透光キャップと、を有し、
前記枠部の前記頂面は、前記枠部の外周部から内周部に向って高さが減ずるように傾斜している。
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の搭載部と、前記搭載部の外周部に立設され、頂面上に環形状の基板金属層が固着された基板接合面を有する枠部と、を有する基板と、
ガラスからなり、前記半導体発光素子の放射光を透過する窓部と、前記基板金属層に対応する大きさを有する環形状のキャップ金属層が固着されたキャップ接合面とを有し、接合層によって前記キャップ接合面が前記基板金属層に接合されて前記半導体発光素子を収容する内部空間を有して前記基板に封止接合された透光キャップと、を有し、
前記枠部の前記頂面は、前記枠部の外周部から内周部に向って高さが減ずるように傾斜している。
以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
［第１の実施形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施形態による半導体発光装置１０の上面を模式的に示す平面図である。図１Ｂは、半導体発光装置１０の側面を模式的に示す図である。図１Ｃは、半導体発光装置１０の裏面を模式的に示す平面図である。図１Ｄは、半導体発光装置１０の内部構造を模式的に示す図である。
［第１の実施形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施形態による半導体発光装置１０の上面を模式的に示す平面図である。図１Ｂは、半導体発光装置１０の側面を模式的に示す図である。図１Ｃは、半導体発光装置１０の裏面を模式的に示す平面図である。図１Ｄは、半導体発光装置１０の内部構造を模式的に示す図である。
また、図２Ａは、図１ＡのＡ－Ａ線に沿った半導体発光装置１０の断面を模式的に示す断面図である。図２Ｂは、図２Ａの接合部（Ｗ部）の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。また、図２Ｃは、接合材の溶融後の接合部の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。
図１Ａ及び図２Ａに示すように、半導体発光装置１０の基板１１は、半導体発光素子１５をその内部に収容する空間である凹部ＲＣを有している。より詳細には、基板１１は、基板１１の外周部に立設されて形成された枠部である枠１１Ａによって画定される角柱状の凹部ＲＣを有するハウジング構造（枠体構造）として構成されている。枠１１Ａは矩形枠形状（すなわち、中空の四角柱形状）を有している。
なお、基板１１の側面がｘ方向及びｙ方向に平行であり、基板１１の上面がｘｙ平面に平行であるとして示している。
図１Ａ～図１Ｄに示すように、半導体発光装置１０は、矩形枠形状の枠１１Ａを有する基板１１と、矩形状の平板ガラスからなる透光性窓である透光キャップ１３と、が接合されて構成されている。より詳細には、図１Ｄに示すように、基板１１の枠１１Ａの頂面１１Ｔ上には、矩形環形状の金属層１２（以下、基板金属層１２ともいう。）が形成され、透光キャップ１３と接合されている。
図２Ａに示すように、透光キャップ１３は、窓部１３Ａとキャップ外縁部（以下、単に外縁部ともいう）１３Ｂとを有している。より詳細には、透光キャップ１３の矩形環形状の外縁部がキャップ外縁部１３Ｂであり、その内側が透光部である窓部１３Ａである。キャップ外縁部１３Ｂの底面には矩形環形状のキャップ金属層２１が固着されており、接合面（以下、キャップ接合面ともいう。）が形成されている。なお、透光キャップ１３の窓部１３Ａは凸状、凹状、凸レンズ状、凹レンズ状とすることもできる。
また、図２Ａに示すように、キャップ金属層２１が接合層２２によって基板金属層１２に接合されることによって接合部２４が形成され、基板１１と透光キャップ１３との気密が保たれている。すなわち、キャップ金属層２１は、基板金属層１２に対応する形状及び大きさを有し、接合層２２によって互いに接合されている。
図１Ｄ及び図２Ａに示すように、基板１１上には、半導体発光装置１０内の配線電極である第１配線電極（例えば、アノード電極）１４Ａ及び第２配線電極（例えば、カソード電極）１４Ｂが備えられている（以下、特に区別しない場合には、配線電極１４と称する。）。
また、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザなどの半導体発光素子１５が第１配線電極１４Ａ上に金属接合層１５Ａによって接合され、発光素子１５のボンディングパッド１５Ｂがボンディングワイヤ１８Ｃを介して第２配線電極１４Ｂに電気的に接続されている。
（発光素子、基板、電極、保護素子）
発光素子１５は、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を含む半導体構造層が形成されたアルミ窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）系の半導体発光素子（ＬＥＤ）である。また、発光素子１５は、半導体構造層が、反射層を介して導電性の支持基板（シリコン：Ｓｉ）上に形成（接合）されている。
発光素子１５は、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を含む半導体構造層が形成されたアルミ窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）系の半導体発光素子（ＬＥＤ）である。また、発光素子１５は、半導体構造層が、反射層を介して導電性の支持基板（シリコン：Ｓｉ）上に形成（接合）されている。
発光素子１５は、支持基板の半導体構造層が接合された面の反対面（発光素子１５の裏面とも称する）にアノード電極を備え（図示せず）、基板１１上の第１配線電極１４Ａに電気的に接続されている。また、発光素子１５は、半導体構造層の支持基板が接合された面の反対面（発光素子１５の表面とも称する）にカソード電極（パッド１５Ｂ）を備え、ボンディングワイヤを介して第２配線電極１４Ｂに電気的に接続されている。
発光素子１５は、前述したように支持基板に半導体構造層を接合したタイプ以外に、半導体構造層から放射される光を透光する成長基板上に半導体構造層を有するものを用いることもできる。
例えば、成長基板が導電性の場合においては、成長基板の裏面（半導体構造層の反対の面）にカソード電極を備え（図示せず）、半導体構造層の上面にアノード電極（ボンディングワイヤ接続用のパッド電極）を備える。当該発光素子は、カソード電極を第１配線電極１４Ａ上に金属接合層１５Ａを介して接合され、パッド電極と第２配線電極１４Ｂはボンディングワイヤ１８Ｃを介して電気的に接続される。
また、成長基板が絶縁性の場合においては、半導体構造層の上面側のｐ型半導体層上にアノード電極を備え、ｎ型半導体層上にカソード電極を備える。当該発光素子は、アノード電極とカソード電極の各々を、第１配線電極１４Ａと第２配線電極１４Ｂの各々に、金属接合層を介して接合されている。
発光素子１５は、波長２６５～４１５ｎｍの紫外光を発光する窒化アルミ系の発光素子であることが好適である。具体的には、発光中心波長が、２６５ｎｍ、２７５ｎｍ、３５５ｎｍ、３６５ｎｍ、３８５ｎｍ、４０５ｎｍ又は４１５ｎｍの発光素子を用いた。
窒化アルミ系の紫外線を放射する発光素子（ＵＶ-ＬＥＤ素子）を構成する半導体結晶のＡｌ組成は高く、酸素（Ｏ2）や水分（Ｈ2Ｏ）によって酸化劣化され易い。なお、発光素子１５の第１配線電極１４Ａへの接合にフラックス等の有機物を含む接合部材を用いた場合には、当該残留フラックス（有機物）による発光素子表面への炭化物堆積が起こる。封入ガスに若干のＯ2を混合することで炭化物堆積は防止でき、同時に、混合したＯ2は発光素子１５を劣化させる以前に不活性化されるので問題とならない。
また、基板１１上には、第１配線電極１４Ａ及び第２配線電極１４Ｂに接続されたツェナーダイオード（ＺＤ）である保護素子１６が設けられ、発光素子１５の静電破壊を防止する。
図１Ｃに示すように、基板１１の裏面には、第１配線電極１４Ａ及び第２配線電極１４Ｂにそれぞれ接続された第１実装電極１７Ａ及び第２実装電極１７Ｂ（以下、特に区別しない場合には、実装電極１７と称する。）が設けられている。具体的には、第１配線電極１４Ａ及び第２配線電極１４Ｂの各々は、金属ビア１８Ａ、１８Ｂ（以下、特に区別しない場合には、金属ビア１８と称する。）を介してそれぞれ第１実装電極１７Ａ及び第２実装電極１７Ｂに接続されている。
配線電極１４、実装電極１７及び金属ビア１８は、例えば、タングステン／ニッケル／金（Ｗ／Ｎｉ／Ａｕ）、もしくは、ニッケルクロム／金／ニッケル／金 （ＮｉＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ）である。
図２Ａを参照すると、半導体発光装置１０は配線回路基板（図示しない）上に実装されるように構成され、第１実装電極１７Ａ及び第２実装電極１７Ｂへの電圧印加によって、発光素子１５は発光し、発光素子１５の表面（光取り出し面）からの放射光ＬＥは透光キャップ１３を経て外部に放射される。
次に、基板１１と透光キャップ１３のキャップ外縁部１３Ｂとの接合について説明する。
（透光キャップ１３及びキャップ外縁部１３Ｂの接合）
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、基板１１は、基板１１の外周部に立設された枠１１Ａ（枠部）を有している。枠１１Ａの上端面である頂面１１Ｔは環形状（本実施例形態では、矩形環形状）を有し、枠１１Ａの外周部から内周部に向って（凹部ＲＣの方向に）傾斜角θで下方に（すなわち、透光キャップ１３から離れる方向に）傾斜した傾斜面として形成されている。すなわち、枠１１Ａの頂面１１Ｔが、外周部から内周部に向って高さが減ずるように傾斜角θで傾斜した構造を有している。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、基板１１は、基板１１の外周部に立設された枠１１Ａ（枠部）を有している。枠１１Ａの上端面である頂面１１Ｔは環形状（本実施例形態では、矩形環形状）を有し、枠１１Ａの外周部から内周部に向って（凹部ＲＣの方向に）傾斜角θで下方に（すなわち、透光キャップ１３から離れる方向に）傾斜した傾斜面として形成されている。すなわち、枠１１Ａの頂面１１Ｔが、外周部から内周部に向って高さが減ずるように傾斜角θで傾斜した構造を有している。
図２Ｂは、透光キャップ１３と基板１１の枠１１Ａとを接合する際の接合安定性について説明する図である。枠１１Ａの傾斜面である頂面１１Ｔ上に固着された基板金属層１２と、キャップ外縁部１３Ｂ（キャップ接合部）のキャップ接合面１３Ｔ上に固着されたキャップ金属層２１とが接合材２２Ａによって接合され、接合層２２が形成される（図２Ｃ）。
本実施例形態では、接合材２２Ａとしてフラックスを含まない円環状のＡｕＳｎリボンが用いられる。枠体上端部の基板金属層１２とキャップ金属層２１との間で接合材（ＡｕＳｎリボン）２２Ａを押圧（接合時押圧ＰＦ）すると、リボンは外側の端が基板金属層１２及びキャップ金属層２１の両面から押されて密着する。
加熱（例えば、280℃）によって、リボン外側の密着部が溶融起点ＭＰとなり、そこから内側に向かって接合材２２Ａが溶融及び固化することで接合が行われる。すなわち、溶融起点ＭＰから内側へ向かって溶融及び固化が進行するので、接合層２２に残留応力が内包されることが防止される。従って、接合部のクラック発生の原因となる残留応力のない信頼性の高い接合が得られる。
枠１１Ａの頂面１１Ｔがキャップ接合面１３Ｔに対して傾斜角θで傾斜した形状に基づいて、接合層容積（Ｖｃ）が規定される。よって、ＡｕＳｎ接合材の接合材容積（Ｖｓ）を接合層容積（Ｖｃ）と同等（Ｖｓ≒Ｖｃ）に設定することで、ＡｕＳｎ接合材がはみ出すことなく接合層２２を形成することができる。
ところで、図２Ｃに示すように、半導体発光装置１０の内圧が、室温～使用定格温度（８０℃）の範囲において減圧に設定されている場合、窓部材（ガラス）には装置内側方向に応力が働く。この応力（負圧応力ＮＰ）は、接合の外側端部を支点ＦＣとして、接合層２２に対して圧縮方向に働く（圧縮応力ＣＳ）ので、クラックの発生が抑制される。
なお、基板金属層１２は枠１１Ａの内側壁１１Ｅ（図中、破線で示す）へ延在することができる。これにより、水分、フラックス残渣がセラミック基板１１の表面に吸着することを防止できる。
上記したように、本実施形態の半導体発光装置１０においては、接合材の溶融起点が定まるため、接合安定性が向上する。また、接合層２２の容積を設定、調整することができるので接合材の漏れ及び垂れを防止することができる。
［第２の実施形態］
図３Ａは、第２の実施形態の半導体発光装置５０における透光キャップ１３を模式的に示す平面図である。なお、基板１１に接合する前の透光キャップ１３を示している。
［第２の実施形態］
図３Ａは、第２の実施形態の半導体発光装置５０における透光キャップ１３を模式的に示す平面図である。なお、基板１１に接合する前の透光キャップ１３を示している。
透光キャップ１３のキャップ金属層２１上には、接合材であるフラックスを含まないＡｕＳｎバンプ２２Ｂ（接合材バンプ）が配列されている。複数のＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、矩形環形状のキャップ金属層２１の全周に亘って形成され、基板１１に接合時において、溶融した際に隣接するバンプが互いに合体する間隔で配列されている。
図３Ｂは、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂの形成方法を模式的に説明する図である。具体的には、ノズルＮＺから溶融したＡｕＳｎ融液２２Ｄをキャップ金属層２１上に打ち付けてＡｕＳｎバンプ２２Ｂが形成される。
ＡｕＳｎバンプ２２Ｂはキャップ金属層２１に溶着された状態で形成されるので、キャップ金属層２１の表面及びＡｕＳｎバンプ２２Ｂの界面の熱抵抗は小さい。ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、基板１１の枠１１Ａの基板金属層１２に形成することもできる。
図４Ａは、透光キャップ１３と基板１１の枠１１Ａ（枠部）との接合部の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。枠１１Ａの上端面である頂面１１Ｔが凹部ＲＣの内側方向に傾斜角θで傾斜した傾斜面として形成されている点は、上記した第１の実施形態と同様である。
ＡｕＳｎバンプ２２Ｂはキャップ金属層２１に溶着され、熱伝導が良好なので、加熱によりＡｕＳｎバンプ２２Ｂの全数が同時に溶融する。また、基板金属層１２に対しては点接触している。そのため、弱い押圧でも熱抵抗の小さい接触となるので、安定した加熱溶融点ＭＰとなる。
図４Ｂは、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂが溶融した際にＡｕＳｎバンプ２２Ｂが合体した状態を模式的に説明する平面図である。互いに隣接したバンプが溶融によって合体し、基板金属層１２及びキャップ金属層２１間に接合層２２が形成される。
ＡｕＳｎバンプ２２Ｂの接合材容積（Ｖｓ）を接合層容積（Ｖｃ）と同量（Ｖｓ≒Ｖｃ）に設定することで、ＡｕＳｎ接合材が基板金属層１２又はキャップ金属層２１からはみ出すことなく接合層２２を形成することができる（図４Ｂ、図２Ｃ）。
従って、ドット状に形成されて配列された接合材（ＡｕＳｎバンプ）であっても、全バンプが同時に溶融して基板金属層１２及びキャップ金属層２１上に濡れ広がり、その過程で各々のバンプが互いに合体するので、信頼性の高い気密接合が得られる。
また、本実施形態の半導体発光装置は、第１の実施形態の半導体発光装置と同様の利点を有する。すなわち接合材の溶融起点が定まるため、接合安定性が向上する、また、接合層２２の容積を設定、調整することができるので接合材のはみ出しを防止することができる。
［第３の実施形態］
図５Ａは、第３の実施形態の半導体発光装置６０における、透光キャップ１３と基板１１の枠１１Ａとの接合部の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。枠１１Ａの上端面である頂面１１Ｔが枠１１Ａの外周部から内周部に向って傾斜角θで傾斜し、高さが減じる傾斜面として形成されている点は、上記した第１、第２の実施形態実施形態と同様である。
図５Ａは、第３の実施形態の半導体発光装置６０における、透光キャップ１３と基板１１の枠１１Ａとの接合部の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。枠１１Ａの上端面である頂面１１Ｔが枠１１Ａの外周部から内周部に向って傾斜角θで傾斜し、高さが減じる傾斜面として形成されている点は、上記した第１、第２の実施形態実施形態と同様である。
本実施形態においては、基板金属層１２は、枠１１Ａの内側壁（内側面）１１Ｅの少なくとも一部を覆うように、枠１１Ａの頂面１１Ｔから内側壁１１Ｅまで延在している。
そして、接合層２２は、基板金属層１２の当該延在部（金属層延在部）１２Ｅ上に至るように延在している。接合層２２の当該延在部（接合層延在部）２２Ｅは、第２の実施形態において説明したＡｕＳｎバンプ２２Ｂの接合材容積（Ｖｓ）を、接合層容積（Ｖｃ）＋垂れ量（α）として、溶融の際にＡｕＳｎが基板金属層１２の延在部１２Ｅ上に垂れるように設定した。
図５Ｂは、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂが溶融してバンプが合体した状態を模式的に説明する平面図（上側の図）、及び、枠１１Ａの内側壁１１Ｅ上の基板金属層１２の延在部１２Ｅを模式的に示す側面図（下側の図）である。
平面図（上側の図）に示すように、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂの溶融により、バンプが合体するとともに溶融した接合材（ＡｕＳｎ）が枠１１Ａの頂面１１Ｔの傾斜によって枠１１Ａの内側壁１１Ｅに垂れ、接合層２２の延在部２２Ｅが形成される。
本実施形態の半導体発光装置６０によれば、枠１１Ａの内側壁１１Ｅに垂れた接合材（ＡｕＳｎ）が半導体発光装置６０の内部空間（凹部ＲＣの空間）に残留する活性なガス（水分、フラックス成分ガス）を吸着・固定化する。これにより、基板金属層１２及びキャップ金属層２１の間の接合部、すなわち接合層２２の内部の紫外線と活性ガスによる劣化を防止することができ、信頼性の高い気密接合が得られる。
また、本実施形態の半導体発光装置は、上記した実施形態の半導体発光装置と同様の利点を有する。すなわち接合材の溶融起点が定まるため、接合安定性が向上する、また、接合層２２の容積を規定、調整することができるので接合材の漏れを防止することができる。
［第４の実施形態］
図６Ａは、第４の実施形態の半導体発光装置７０における、透光キャップ１３と基板１１の枠１１Ａとの接合部の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。枠１１Ａの上端面である頂面１１Ｔが枠１１Ａの外周部から内周部に向って高さが減じるように傾斜角θで傾斜した傾斜面として形成されている点は、上記した第１～第３実施形態と同様である。また、図６Ｂは、枠１１Ａの内側壁上の基板金属層１２の延在部１２Ｅを模式的に示す側面図である。
図６Ａは、第４の実施形態の半導体発光装置７０における、透光キャップ１３と基板１１の枠１１Ａとの接合部の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。枠１１Ａの上端面である頂面１１Ｔが枠１１Ａの外周部から内周部に向って高さが減じるように傾斜角θで傾斜した傾斜面として形成されている点は、上記した第１～第３実施形態と同様である。また、図６Ｂは、枠１１Ａの内側壁上の基板金属層１２の延在部１２Ｅを模式的に示す側面図である。
本実施形態の半導体発光装置７０は、枠１１Ａの内側壁が内部空間（凹部ＲＣの空間）に突出した突出面１１Ｐとして構成されている点で第３の実施形態の半導体発光装置６０とは異なる。また、突出面１１Ｐの下端には突出面１１Ｐよりも内部空間側に突出し、基板１１の素子搭載面（及び電極配置面）１１Ｕに対して段差として形成された段差部１１Ｊが設けられている。
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、基板金属層１２の延在部１２Ｅを段差部１１Ｊに至るまで延在させることにより、垂れるＡｕＳｎ接合材を段差部１１Ｊまで延在させることが容易になる。これにより、活性ガスを吸着・固定化する量を増加することができる、従って、基板金属層１２及びキャップ金属層２１の間の接合部、すなわち接合層２２の内部の劣化を防止することができ、信頼性の高い気密接合が得られる。
［第１～第４の実施形態の基板１１の製造方法］
（第１及び第２の実施形態の基板１１）
図７Ａ及び図７Ｂは、第１及び第２の実施形態における基板１１の製造方法を模式的に示す断面図である。
・まず、枠体部である枠１１Ａとなるセラミックシート１１Ｆに基板金属層１２となるタングステン（Ｗ）パターンを印刷する（STEP 1）。
・次に、枠の上端面が傾斜するようにプレス形成によって凹部ＤＰを形成する（STEP 2）。
・続いて、型抜きによって開口ＯＰを形成する（STEP 3）。
・開口となる部分が型抜きして形成され、段差部１１Ｊとなるセラミックシート１１Ｂを準備する。また、配線電極１４、実装電極１７及び金属ビア１８が設けられた基板平板部１１Ｃを準備する（STEP 4）。
・上記した枠１１Ａ、セラミックシート１１Ｂ及び基板平板部１１Ｃを重ねて密着し、１０００℃前後で焼成してセラミック製の基板１１を形成する（STEP 5）。
（第３の実施形態の基板１１）
図８は、第３の実施形態における基板１１の製造方法を模式的に示す断面図である。
・まず、枠体部（枠１１Ａ）となるセラミックシート１１Ｆに枠の上端面が傾斜するような凹部ＤＰをプレス形成する（STEP 1）。
・次に、型抜きによって開口ＯＰを形成する（STEP 2）
・続いて、基板金属層１２及び延在部１２Ｅとなるタングステン（Ｗ）パターンをスプレー塗布して形成する（STEP 3）。
・上記したSTEP 4及びSTEP 5と同様にして、基板金属層１２及び延在部１２Ｅが形成された枠１１Ａを、セラミックシート１１Ｂ及び基板平板部１１Ｃに重ねて密着し、１０００℃前後で焼成してセラミック製の基板１１を形成する（図７Ｂ参照）。
（第４の実施形態の基板１１）
図９は、第４の実施形態における基板１１の製造方法を模式的に示す断面図である。
・まず、枠体部（枠１１Ａ）となるセラミックシート１１Ｆに開口ＯＰを型抜きによって形成する（STEP 1）。
・次に、基板金属層１２及び延在部１２Ｅとなるタングステン（Ｗ）パターンをスプレー塗布して形成する（STEP 2）。
・続いて、枠１１Ｆの上端面が傾斜するようにプレス形成を行い、基板金属層１２及び延在部１２Ｅが形成された枠１１Ａを形成する（STEP 3）。
・上記したSTEP 4及びSTEP 5と同様にして、基板金属層１２及び延在部１２Ｅが形成された枠１１Ａを、セラミックシート１１Ｂ及び基板平板部１１Ｃに重ねて密着し、１０００℃前後で焼成してセラミック製の基板１１を形成する（図７Ｂ参照）。
（第１及び第２の実施形態の基板１１）
図７Ａ及び図７Ｂは、第１及び第２の実施形態における基板１１の製造方法を模式的に示す断面図である。
・まず、枠体部である枠１１Ａとなるセラミックシート１１Ｆに基板金属層１２となるタングステン（Ｗ）パターンを印刷する（STEP 1）。
・次に、枠の上端面が傾斜するようにプレス形成によって凹部ＤＰを形成する（STEP 2）。
・続いて、型抜きによって開口ＯＰを形成する（STEP 3）。
・開口となる部分が型抜きして形成され、段差部１１Ｊとなるセラミックシート１１Ｂを準備する。また、配線電極１４、実装電極１７及び金属ビア１８が設けられた基板平板部１１Ｃを準備する（STEP 4）。
・上記した枠１１Ａ、セラミックシート１１Ｂ及び基板平板部１１Ｃを重ねて密着し、１０００℃前後で焼成してセラミック製の基板１１を形成する（STEP 5）。
（第３の実施形態の基板１１）
図８は、第３の実施形態における基板１１の製造方法を模式的に示す断面図である。
・まず、枠体部（枠１１Ａ）となるセラミックシート１１Ｆに枠の上端面が傾斜するような凹部ＤＰをプレス形成する（STEP 1）。
・次に、型抜きによって開口ＯＰを形成する（STEP 2）
・続いて、基板金属層１２及び延在部１２Ｅとなるタングステン（Ｗ）パターンをスプレー塗布して形成する（STEP 3）。
・上記したSTEP 4及びSTEP 5と同様にして、基板金属層１２及び延在部１２Ｅが形成された枠１１Ａを、セラミックシート１１Ｂ及び基板平板部１１Ｃに重ねて密着し、１０００℃前後で焼成してセラミック製の基板１１を形成する（図７Ｂ参照）。
（第４の実施形態の基板１１）
図９は、第４の実施形態における基板１１の製造方法を模式的に示す断面図である。
・まず、枠体部（枠１１Ａ）となるセラミックシート１１Ｆに開口ＯＰを型抜きによって形成する（STEP 1）。
・次に、基板金属層１２及び延在部１２Ｅとなるタングステン（Ｗ）パターンをスプレー塗布して形成する（STEP 2）。
・続いて、枠１１Ｆの上端面が傾斜するようにプレス形成を行い、基板金属層１２及び延在部１２Ｅが形成された枠１１Ａを形成する（STEP 3）。
・上記したSTEP 4及びSTEP 5と同様にして、基板金属層１２及び延在部１２Ｅが形成された枠１１Ａを、セラミックシート１１Ｂ及び基板平板部１１Ｃに重ねて密着し、１０００℃前後で焼成してセラミック製の基板１１を形成する（図７Ｂ参照）。
以上、本発明の半導体発光装置について詳細に説明した。なお、上記した実施形態においては、矩形枠形状の枠体部を有する基板及び矩形状の平板ガラスの透光キャップからなる半導体発光装置について説明したがこれに限定されない。例えば、基板の枠体部は、多角形枠形状、円形枠形状、長円形枠形状などであっても良く、透光キャップは、多角板形状、円板形状、長円板形状などであっても良い。
以上、詳細に説明したように、本実施形態の半導体発光装置及びその製造方法によれば、接合材の溶融起点が定まるため、接合安定性が向上する。また、基板金属層及びキャップ金属層間の接合層の容積を規定、調整することにより接合材の漏れを防止することができる。
また、接合部のクラック発生の原因となる残留応力が無い、信頼性の高い気密接合を有する半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
さらに、基板金属層及びキャップ金属層間の接合部、すなわち接合層の内部の紫外線と活性ガスによる劣化を防止することができる、信頼性の高い気密接合が得られる。
従って、本実施形態による半導体発光装置及びその製造方法によれば、長期の使用においても高い気密性が維持される高い信頼性、及び、耐湿性、耐腐食性など高い耐環境性を有する半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
１０，５０，６０，７０ 半導体発光装置
１１ 基板
１１Ａ 枠
１１Ｅ 内側壁
１１Ｊ 段差部
１１Ｐ 突出面
１１Ｔ 頂面
１２ 基板金属層
１２Ｅ 基板金属層延在部
１３ 透光キャップ
１３Ａ 窓部
１３Ｂ キャップ接合部
１３Ｔ キャップ接合面
１４，１４Ａ，１４Ｂ 配線電極
１５ 半導体発光素子
２１ キャップ金属層
２２ 接合層
２２Ｂ 接合材バンプ
２２Ｅ 接合層延在部
２４ 接合部
ＲＣ 凹部
１１ 基板
１１Ａ 枠
１１Ｅ 内側壁
１１Ｊ 段差部
１１Ｐ 突出面
１１Ｔ 頂面
１２ 基板金属層
１２Ｅ 基板金属層延在部
１３ 透光キャップ
１３Ａ 窓部
１３Ｂ キャップ接合部
１３Ｔ キャップ接合面
１４，１４Ａ，１４Ｂ 配線電極
１５ 半導体発光素子
２１ キャップ金属層
２２ 接合層
２２Ｂ 接合材バンプ
２２Ｅ 接合層延在部
２４ 接合部
ＲＣ 凹部
Claims (12)
- 半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の搭載部と、前記搭載部の外周部に立設され、頂面上に環形状の基板金属層が固着された基板接合面を有する枠部と、を有する基板と、
ガラスからなり、前記半導体発光素子の放射光を透過する窓部と、前記基板金属層に対応する大きさを有する環形状のキャップ金属層が固着されたキャップ接合面とを有し、接合層によって前記キャップ接合面が前記基板金属層に接合されて前記半導体発光素子を収容する内部空間を有して前記基板に封止接合された透光キャップと、を有し、
前記枠部の前記頂面は、前記枠部の外周部から内周部に向って高さが減ずるように傾斜している、半導体発光装置。 - 前記透光キャップは平板形状を有する、請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記基板金属層は、前記枠部の内側壁の少なくとも一部を覆うように前記頂面から内側壁上に至って延在する金属層延在部を有する、請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
- 前記接合層は、前記金属層延在部上に至るように延在する接合層延在部を有する、請求項３に記載の半導体発光装置。
- 前記枠部の内側壁は、前記内部空間に突出した突出面を有する、請求項３又は４に記載の半導体発光装置。
- 前記枠部の内側壁は、前記内部空間に突出し、前記搭載部の搭載面に対して段差として形成された段差部を有する、請求項３ないし５のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記接合層延在部は、少なくとも一部が前記段差部に達するように形成されている、請求項６に記載の半導体発光装置。
- 前記枠部の前記頂面は、円環形状又は多角形形状を有する、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記接合層はＡｕＳｎ接合材からなる、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 請求項１ないし９のいずれか一項に記載の半導体発光装置の製造方法であって、
前記キャップ金属層上または前記基板金属層に複数の接合材バンプを溶着して配列し、
前記複数の接合材バンプを押圧しつつ加熱し、互いに隣接したバンプを溶融によって合体させて前記キャップ金属層及び前記基板金属層を接合する、半導体発光装置の製造方法。 - 前記複数の接合材バンプの接合材容積は、前記接合層が基板金属層又はキャップ金属層からはみ出さない容積として設定されている、請求項１０に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 請求項３ないし７のいずれか一項に記載の半導体発光装置の製造方法であって、
前記キャップ金属層または前記基板金属層上に複数の接合材バンプを溶着して配列し、
前記複数の接合材バンプを押圧しつつ加熱し、互いに隣接したバンプを溶融によって合体させて前記キャップ金属層及び前記基板金属層を接合し、
前記複数の接合材バンプの接合材容積は、溶融によって前記基板金属層延在部上に垂れるように設定されている、半導体発光装置の製造方法。
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