JP2022139545A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部のクラックの発生が抑制され、長期の使用においても高い気密性が維持され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。【解決手段】半導体発光素子と、半導体発光素子に接続された配線と、半導体発光素子を囲む環形状の基板金属層１２が固着された基板接合面とを有する気密性の基板と、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環形状のキャップ金属層が固着されたキャップ接合部とを有し、接合層２２によってキャップ金属層２１が基板金属層１２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気密接合された気密性の透光キャップと、を有している。基板金属層及びキャップ金属層のうち１つは金属層の延在方向に沿って配列された複数のディンプル１２Ｄを有し、複数のディンプル内には接合層の接合材が流入している。【選択図】図３

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には、凹部を備えるセラミックの基板に、ガラス製の窓部材を接合する際に、封止部にフィレットを形成させた構造が開示されている。

特許文献２には、半導体発光素子を収容する凹部が設けられたセラミック基板に、ガラス製の蓋体に設けられた金属層が金属接合部材に埋設された構造が開示されている。

また、特許文献３には、セラミックの支持体と、スペーサ本体をＡｕＳｎ接合層で接合する構造が開示されている。

また、特許文献４には、凹部を備えるセラミック基板に、ガラス製の窓部材に設けた第２金属層が金属接合部材に埋設された構造が開示されている。
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。

特開２０１５－１８８７３号公報 特開２０１８－９３１３７号公報 特開２０１６－１２７２５５号公報 特開２０１８－０３７５８３号公報

長瀬産業株式会社 https://www.nagase-pactech.jp/solder/spec/

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。特に紫外光を放射する半導体発光素子、例えば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金スズ（ＡｕＳｎ）シートやバンプ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、金属層間にバンプ状に配された接合材片を挟み、接合材を圧着溶融して接合して形成された接合部について知見を得た。すなわち、溶融接合する際、隣接するバンプ同士が合体する。そして当該合体部に応力が掛かることによって接合部にクラック等が生じて気密不良及び信頼性悪化が生じる。また、余剰の接合材がパッケージ内外に流出し、外観不良や短絡不良を生じさせる場合があった。

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応力が抑制され、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に接続された配線と、前記半導体発光素子を囲む環形状の基板金属層が固着された基板接合面とを有する気密性の基板と、
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環形状のキャップ金属層が固着されたキャップ接合部とを有し、接合層によって前記キャップ金属層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気密接合された気密性の透光キャップと、を有し、
前記基板金属層及び前記キャップ金属層のうち１つは、当該１つの金属層の延在方向に沿って配列された複数のディンプルを有し、
前記複数のディンプル内には前記接合層の接合材が流入している。

本発明の他の実施形態による半導体発光装置の製造方法は、上記半導体発光装置の製造方法であって、
（ａ）前記基板金属層の延在方向に沿って前記基板金属層上に複数の接合材バンプを配列し、
（ｂ）前記複数の接合材バンプ上に前記キャップ金属層を載置するように前記キャップ接合部を押圧しつつ加熱して前記複数の接合材バンプを溶融し、
（ｃ）前記複数の接合材バンプを溶融した後に冷却して前記基板金属層及び前記キャップ金属層を接合し、
前記複数の接合材バンプの各々は、前記複数の接合材バンプが溶融した際に隣接する接合材バンプの接合材が前記複数のディンプルの各々内に流入する位置に配列される、ことを特徴とする。

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。 半導体発光装置１０の側面を模式的に示す図である。 半導体発光装置１０の裏面を模式的に示す平面図である。 半導体発光装置１０の内部構造を模式的に示す図である。 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。 基板金属層とキャップ金属層との接合部を模式的に示す図である。 透光キャップと基板との接合工程を模式的に示す断面図である。 ＡｕＳｎバンプが加熱溶融時に拡がり、合体する様子を模式的に示す平面図である。 本発明の第２の実施形態によるＡｕＳｎバンプの配列を模式的に示す平面図である。 本発明の第３の実施形態によるＡｕＳｎバンプの配列を模式的に示す平面図である。 ＡｕＳｎバンプが合体する際のキャビティを示す模式図である。 第１の実施形態の改変例を模式的に示す図である。

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。

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。

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ＨＳ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。

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。
（基板１１、透光キャップ１３、基板金属層１２及びキャップ金属層２１）
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。

基板１１は、ガス等を透過しない気密性に優れたセラミック基板である。例えば、高い熱伝導率を有し、ガスに対する気密性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられる。ＡｌＮセラミックの熱伝導率は１５０～１７０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、また熱膨張係数は４．５～４．６ （１０^－６・Ｋ^－１）である。

なお、基板１１の基材として、熱伝導率の高い炭化ケイ素（ＳｉＣ）、反射率の高い白アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などを用いることができる。ＳｉＣの熱伝導率は２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり熱膨張係数は４．４ （１０^－６・Ｋ^－１）である、またＡｌ_２Ｏ_３の熱伝導率は２９～３２（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり熱膨張係数は７．７～８ （１０^－６・Ｋ^－１）である。

また、図２Ａ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、気密性を有する透光キャップ１３と接合されている。

基板金属層１２は、基板１１上に、順にタングステン（又は銅）、ニッケル、金を積層した構造（Ｗ（又はＣｕ）／Ｎｉ／Ａｕ）を有している（Ａｕ層が最表面層）。あるいは、ニッケルクロム、金、ニッケル、金 積層した構造（ＮｉＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ）を用いることができる。なお、基板１１の基材セラミック焼成後に形成する場合は、基材セラミックに接する金属に窒化（酸化物セラミックの場合は酸化）し易い金属を選択することで基板１１に対する高い固着性を得ることができる。

透光キャップ１３は、窓部１３Ａとキャップ接合部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接合部１３Ｂであり、その内側が透光部である窓部１３Ａである。

透光キャップ１３は、半導体発光装置１０内に配された発光素子１５からの放射光を透過する透光性のガラスからなる。例えば、石英ガラス又はホウ珪酸ガラス又はサファイアガラスを好適に用いることができる。

キャップ接合部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１３Ｓ（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。

キャップ金属層２１には、例えば、クロム／ニッケル／金（Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ）層、もしくは、チタン／パラジウム／銅／ニッケル／金（Ｔｉ／Ｐｄ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ）層（Ａｕ層が最表面層）などを用いることができる。

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によって同心であるように互いに接合されている。

なお、基板金属層１２が固着される基板１１の面（基板接合面）１１Ｓ及びキャップ金属層２１が固着されるキャップ接合面１３Ｓは平坦面であることが好ましい。

（配線電極、発光素子、保護素子）
図１Ｄ及び図２Ａに示すように、基板１１の主面上には、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と総称する。）。

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）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、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。

半導体発光装置１０内の封入ガスとしては、ドライな窒素ガス（又は不活性ガス）及びドライな酸素ガスを３～２０％の範囲で含む混合ガスを用いることが好適である。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Ｏ_２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。

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。

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。

基板金属層１２は、第１配線電極１４Ａ、第２配線電極１４Ｂ、発光素子１５及び保護素子１６とは電気的に絶縁され、これらを取り囲むように形成されている。

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は、例えば、タングステン／ニッケル／金（Ｗ／Ｎｉ／Ａｕ）、もしくは、銅／ニッケル／金（Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ）である。また、金属ビア１８は、タングステン（Ｗ）又は銅（Ｃｕ）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。

［発光装置１０の製造方法］
以下に、発光装置１０の製造方法について、詳細かつ具体的に説明する。

（素子接合工程）
まず、基板１１の第１配線電極１４Ａ上に、素子接合のための揮発性ソルダーペーストはんだを塗布する。揮発性ソルダーペーストとしては、融点付近で揮発するフラックスと金錫合金（ＡｕＳｎ）の微粒子からなる揮発性ソルダーペーストはんだを用いた。金錫合金の組成は、溶融温度が約２８０℃のＡｕ－Ｓｎ：２０ｗｔ％のものを用いた。粒子サイズは、数ｎｍ～数十μｍである。フラックスは、例えば、発光素子１５の光（３６５ｎｍ）で炭化するロジン類、アルコール類、糖類、エステル類、脂肪酸類、油脂類、重合油類、界面活性剤、有機酸、などである。

次に、発光素子１５をＡｕＳｎペースト上に載せて、基板を３００℃まで加熱して、ＡｕＳｎを溶融・固化して第１配線電極１４Ａ上に発光素子１５を接合した。発光素子１５は溶融したＡｕＳｎ合金によりセルフアライメントされつつ接合された。なお、保護素子１６を搭載する場合には同時に行う。このとき、ＡｕＳｎペーストに含まれるフラックスは殆ど揮発する。

次に、発光素子１５の上部電極のボンディングパッド１５Ｂと第２配線電極１４Ｂとの間をボンディングワイヤ１８Ｃ（Ａｕワイヤ）によって電気的に接続する。
（透光キャップ１３と基板１１との接合）
図３は、基板金属層１２とキャップ金属層２１との接合部２４を模式的に示す図である。具体的には、図３の下側には接合部２４の断面図を示し、当該断面図に示すＡ－Ａ線に平行な面における断面図（上面視）を上側に示している。

基板金属層１２の延在方向（ｘ方向）の中心線ＣＸに沿って接合層２２が形成されている。また、基板金属層１２に中心線ＣＸに沿って一定周期ＤＰ（図５）でディンプル（窪み）１２Ｄが形成されている。本実施形態において、ディンプル１２Ｄは半球状の窪みとして形成されている。

図４は、透光キャップ１３と基板１１との接合工程を模式的に示す断面図である。図４を参照して基板１１の基板金属層１２と透光キャップ１３のキャップ金属層２１との接合工程について以下に詳細に説明する。

（ＳＴＥＰ１）
まず、基板１１と、透光キャップ１３とをキャップ接合装置にセットする。次に、基板１１及び透光キャップ１３の雰囲気を真空状態にし、温度２７５℃で１５分間、加熱処理（アニール処理）した。

続いて、基板１１及び透光キャップ１３の雰囲気をドライ窒素（Ｎ_２）ガス、１気圧（１０１．３ｋＰａ）で満たした。次に、図４に示す工程１（ＳＴＥＰ１）の断面図に示すように、ノズルＮＺ１から溶融したＡｕＳｎ融液２２Ｄを基板金属層１２上に打ち付けて接合材（ＡｕＳｎ）のバンプ２２Ｂを形成した。

ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、基板金属層１２の延在方向の中心線ＣＸに沿って、互いに隣接するディンプル１２Ｄの中間に位置するように一定周期で形成されるのが好ましい。また、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、同一サイズ及び同一形状を有することが好ましい。

また、同様に、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、基板金属層１２の他の延在方向（ｙ方向）の中心線ＣＹに沿って一定周期で形成された。すなわち、矩形環形状の基板金属層１２の延在方向に沿って基板金属層１２の延在方向の全体に亘って形成された。

ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、球形状又は半球形状を有して形成されることが好ましい。例えば、非特許文献１に記載のように、溶融したはんだボールをキャピラリから射出し、半球状のはんだバンプを基板上に形成することができる。

（ＳＴＥＰ２）
次に、透光キャップ１３のキャップ金属層２１をＡｕＳｎバンプ２２Ｂ上から載置し、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂを溶融させつつ透光キャップ１３を押圧した。これにより、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂが基板金属層１２及びキャップ金属層２１間で拡がり、隣接するＡｕＳｎバンプ２２Ｂが合体した。ディンプル１２Ｄ内には溶融によってＡｕＳｎが流入した。

（ＳＴＥＰ３）
透光キャップ１３を十分に押圧した後、室温まで冷却した。これにより、基板金属層１２及びキャップ金属層２１間に接合層２２が形成された。

（応力の低減）
図５は、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂ（中心Ｃ）が加熱溶融時に拡がり、合体する様子を模式的に示す平面図である。ＡｕＳｎバンプ２２Ｂが基板金属層１２の延在方向の中心線ＣＸに沿って一定周期で形成されている。

半球状のＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、加熱溶融時に同心円状（図中、破線及び一点鎖線）に濡れ拡がりつつ（図中、破線矢印）、隣接するバンプ２２Ｂ同士が互いに合体して気密接合である接合層２２が形成される。

この際、隣接するバンプ２２Ｂが合体する合体境界線は、ディンプル１２Ｄを境に、中心線ＣＸと直交する方向ＲＳに直線状に形成され、同時に合体境界線に生じる応力は中心線ＣＸと直交する方向ＲＳに放散される。本発明においては、合体境界線の略中央にディンプル１２を配置しているので、隣接するバンプ２２Ｂの溶融したＡｕＳｎがディンプル１２Ｄに流入して混合する。これにより、合体境界線はディンプル１２Ｄの部分で消失または乱れるので上下に２分割される。

また、溶融したＡｕＳｎがディンプル１２Ｄ内で固化する際に生じる残留応力は、ディンプル１２Ｄによって放射状に分散される。

従って、本実施形態によれば、接合材（ＡｕＳｎ）の合体部に生じる応力を放散でき、またディンプル１２Ｄ内においては分散されるので、接合信頼性が向上する。
例えば、部発光装置１０を配線回路基板（図示せず）に実装する際の半田付けによるヒートショック、また発光装置１０の利用時における温度変化（通電のＯＮ／ＯＦＦ、環境温度）による応力が接合層２２に働き、合体境界線にクラックが生じても、ディンプル１２Ｄによってクラックの成長を防止できる。

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態によるＡｕＳｎバンプ２２Ｂの配列を模式的に示す平面図である。第２の実施形態においても、基板金属層１２の延在方向（ｘ方向及びｙ方向）に一定周期でディンプル１２Ｄが形成されている点では第１の実施形態と同様である。

図６を参照して説明すると、第２の実施形態における接合層２２の形成においては、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、基板金属層１２の延在方向の両側、すなわち基板金属層１２の延在方向の中心線ＣＸに垂直な方向（この場合、ｙ方向）にそれぞれｄ１及びｄ２だけ隔たった中心線Ｂ１及びＢ２上の２列のバンプ列として配列される。

より詳細には、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂを配列するステップ（ＳＴＥＰ１）において、ディンプル１２Ｄが配列された線を中心線（この場合、ＣＸ）として、中心線ＣＸに沿って中心線ＣＸの両側に交互にＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２（それぞれ中心Ｃ１，Ｃ２）を一定角度（例えば、４５°）で千鳥状に配列した２列のバンプ列として配列される。

なお、図６に示す場合では、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２は同一の大きさであり、線Ｂ１及びＢ２は同一間隔ｄ（＝ｄ１＝ｄ２）である。すなわち、半球状のＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２は、加熱溶融時に同心円状に拡がりつつ（図中、破線矢印）、隣接するバンプ２２Ｂ同士が互いに合体して気密接合である接合層２２が形成される。

なお、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２の大きさ及び配列位置は、溶融時にＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２のＡｕＳｎが拡がり、ＡｕＳｎバンプの合体部がディンプル１２Ｄに合致するようにＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２の大きさ及び配列が決められていれば良い。

第２の実施形態においても、バンプ２２Ｂの合体部において応力はディンプル１２Ｄによって分散される。また、合体部に生じた応力は半球状のディンプル１２Ｄ内において放射状に分散される。なお、ディンプル１２Ｄは半球状に限らず半長球状又は半楕円体状であってもよい。本明細書においては、半球状の用語は、半長球状又は半楕円体状を含む。

また、第２の実施形態によれば、基板金属層１２の延在方向（ｘ方向）に対して傾斜（θ＝４５°）した方向ＲＳに応力が放散される（図中、矢印）。また、基板金属層１２の延在方向（ｘ方向）は、発熱時、主に熱膨張する方向であるので、バンプ２２Ｂの合体部（方向ＲＳに傾斜した合体境界線）に働く引っ張り応力（ｘ方向）が傾斜分だけ分散されて小さくなりクラックの発生および成長を抑制できる。なお、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２の基板金属層１２の延在方向に対する配列角θは４５°に限定されないが、応力の分散及び応力成分が相殺される点で３０°≦θ＜６０°であることが好ましい。

第２の実施形態においては、千鳥状にＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２を配列することにより、接合時の溶融によって濡れ拡がる接合材（ＡｕＳｎ）の幅を狭くすることができ、接合材がパッケージの内側及び外側に漏れることを防止できる。

さらに、第２の実施形態においては、環状の基板金属層１２には、その両端部の辺に沿って複数のディンプル１２Ｅ（追加のディンプル）が配列されている。ディンプル１２Ｅは、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２の各配置位置に対応した位置に少なくとも１つずつ設けられている。溶融によって拡がる接合材がディンプル１２Ｅによってトラップされるので、接合材がパッケージの内側及び外側に漏れることを防止できる。

従って、第２の実施形態においても、接合材（ＡｕＳｎ）の合体部に生じる応力を放散でき、またディンプル１２Ｄ内においては分散されるので、接合信頼性が向上する。

［第３の実施形態］
図７Ａは、本発明の第３の実施形態によるＡｕＳｎバンプ２２Ｂの配列を模式的に示す平面図である。第３の実施形態においては、基板金属層１２の延在方向（ｘ方向及びｙ方向）に一定周期ＤＰでディンプル群１２Ｄが形成されている。ディンプル群１２Ｄは、ディンプル１２Ｄ１，１２Ｄ２Ａ及び１２Ｄ２Ｂ（以下、特に区別しない場合には１２Ｄ２と称する）、及び１２Ｄ３を有している。

ディンプル群１２Ｄのディンプル１２Ｄ１，１２Ｄ２及び１２Ｄ３は、中心線ＧＣ上に一列に配列されている。第３の実施形態においては、ディンプル１２Ｄ１，１２Ｄ２Ａ及び１２Ｄ３からなるディンプル群１２Ｄの中心線ＧＣは基板金属層１２の延在方向（ｘ方向）に対して傾斜角θ＝θ_Ｄ（以下、θ）だけ傾斜している。また、ディンプル１２Ｄ１，１２Ｄ２Ｂ及び１２Ｄ３からなるディンプル群１２Ｄについても同様である。

第３の実施形態において、ディンプル群１２Ｄの中心線ＧＣの、基板金属層１２の中心線ＣＸに対する傾斜角θは６０°である。ディンプル群１２Ｄは稠密に配された正三角形ＴＲの一辺であるように配されている。すなわち、ディンプル群１２Ｄは基板金属層１２の延在方向（ｘ方向）に傾斜角θ（＝６０°又は－６０°）及び一定間隔ＤＰで配されており、ディンプル群１２Ｄの長さ（ディンプル１２Ｄ１の中心からディンプル１２Ｄ３の中心までの距離）は正三角形ＴＲの一辺の長さに等しい。なお、ディンプル１２Ｄ２の一方，すなわちディンプル１２Ｄ２Ａ又は１２Ｄ２Ｂの一方が設けられていなくともよい。

より詳細には、接合層２２の形成において、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、基板金属層１２の中心線ＣＸの両側に間隔ｄだけ隔たった中心線Ｂ１及びＢ２上に２列のバンプ列として配列される。

より詳細には、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂを配列するステップ（ＳＴＥＰ１）において、中心線ＣＸの両側に交互にＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２（それぞれ中心Ｃ１，Ｃ２）を６０度の角度で千鳥状に配列した２列のバンプ列として配列される。

換言すれば、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２は、その中心Ｃ１，Ｃ２が正三角形の頂点に位置するように配列されている。ＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２は同一の大きさであり、隣接するＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２の合体部はディンプル１２Ｄ１，１２Ｄ２及び１２Ｄ３に合致する。

この配置によって、接合材（ＡｕＳｎ）の加熱溶融時に、半球状のＡｕＳｎバンプ２２Ｂは同心円状（図中、破線及び一点鎖線）に濡れ拡がりつつ（図中、破線矢印）、隣接するバンプ２２Ｂ同士が互いに合体して気密接合である接合層２２が形成される。

そして、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２の合体部において応力は放散される。また、ディンプル１２Ｄ内に生じた応力は半球状のディンプル１２Ｄ内において放射状に分散される。

また、本実施形態の場合、基板金属層１２の延在方向に対して傾斜した一直線上の合体部、すなわちディンプル１２Ｄ１，１２Ｄ２及び１２Ｄ３の３箇所が同時に破断しない限りリークは発生しないので、リーク耐性が向上する。

さらに、図７Ｂに模式的に示すように、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂ１及び２２Ｂ２が合体しない部分には、接合材（ＡｕＳｎ）の無い部分（キャビティ）１２Ｃが残る。キャビティ１２Ｃによって接合部（接合境界線）が分断され、応力の伝播が分断される。従って、破断し難くリーク耐性が向上する。

従って、第２の実施形態においても、接合材（ＡｕＳｎ）の合体部に生じる応力が分散され、低減できるので、接合信頼性が向上する。また、基板金属層１２の延在方向に対して傾斜した一直線上に形成された接合材の合体部の３箇所が同時に破断しない限りリークは発生しないので、高いリーク耐性の封止構造が得られる。

［第１～第３の実施形態の改変例］
図８は、本発明の第１の実施形態の改変例によるＡｕＳｎバンプ２２Ｂの配列を模式的に示す平面図である。上記した第１～第３の実施形態においては、ディンプル１２Ｄが基板金属層１２に設けられた場合について説明したが、ディンプル２１Ｄが、キャップ金属層２１に設けられていてもよい。

図８は、図４を参照して説明した第１の実施形態の改変例の接合工程を示す図であり、ディンプル２１Ｄはキャップ金属層２１に設けられている。

まず、ＳＴＥＰ１において、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、基板金属層１２の延在方向の中心線ＣＸに沿って、一定周期で配列されて形成される。当該周期は、キャップ金属層２１に配列されて設けられたディンプル２１Ｄの周期と同一である。

次に、ＳＴＥＰ２において、透光キャップ１３のキャップ金属層２１をＡｕＳｎバンプ２２Ｂ上から載置する。この際、キャップ金属層２１の各ディンプル２１Ｄが隣接するＡｕＳｎバンプ２２Ｂの中間に位置するように載置する。

ＡｕＳｎバンプ２２Ｂを溶融させつつ透光キャップ１３を押圧した。これにより、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂが基板金属層１２及びキャップ金属層２１間で拡がり、隣接するＡｕＳｎバンプ２２Ｂが合体した。ディンプル２１Ｄ内には溶融によって隣接するＡｕＳｎバンプ２２ＢのＡｕＳｎが流入した。

次に、ＳＴＥＰ３において、透光キャップ１３を十分に押圧した後、室温まで冷却し、基板金属層１２及びキャップ金属層２１間に接合層２２が形成された。

以上、第１の実施形態の改変例について説明したが、第２及び第３の実施形態において、ディンプル２１Ｄ又はディンプル群２１Ｄをキャップ金属層２１に設けてもよい。これらの改変例においても第１～第３の実施形態と同様な効果が得られる。

以上、本発明の半導体発光装置及びその製造方法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、基板の接合部は、多角形環形状、円環形状、長円形状などであっても良く、透光キャップの形状は、多角板形状、円板形状、長円板形状、あるいは半球形状などであっても良い。従って、基板金属層及びキャップ金属層の形状は矩形環形状に限らず、多角形環形状、円環形状、長円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、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。さらに、接合部のクラック発生及び成長が抑制され、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ができる。

１０：半導体発光装置、１１：基板、１１Ａ：枠、１１Ｓ：基板接合面、１１Ｔ：枠頂面、１２：基板金属層、１２Ｃ：キャビティ、１２Ｄ：ディンプル（群）、１２Ｄ１～１２Ｄ３：ディンプル、１２Ｅ：追加のディンプル、１３：透光キャップ、１３Ａ：窓部、１３Ｂ：キャップ接合部、１３Ｓ：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、２１Ｄ：ディンプル（群）、２２：接合層、２２Ｂ，２２Ｂ１，２２Ｂ２：接合材バンプ、２４：接合部、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２：バンプ中心、ＣＸ，ＣＹ：延在方向の中心線、ＤＰ：ディンプル（群）の間隔

Claims (11)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子に接続された配線と、前記半導体発光素子を囲む環形状の基板金属層が固着された基板接合面とを有する気密性の基板と、
   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環形状のキャップ金属層が固着されたキャップ接合部とを有し、接合層によって前記キャップ金属層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気密接合された気密性の透光キャップと、を有し、
   前記基板金属層及び前記キャップ金属層のうち１つは、当該１つの金属層の延在方向に沿って配列された複数のディンプルを有し、
   前記複数のディンプル内には前記接合層の接合材が流入している、半導体発光装置。
2. 前記複数のディンプルは半球形状を有する、請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記基板金属層及び前記キャップ金属層のうち少なくともいずれかの最表面層は金（Ａｕ）層であり、前記接合層の前記接合材は金スズ（ＡｕＳｎ）を含む、請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. 前記複数のディンプルは前記延在方向に一定周期で形成されている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
5. 前記複数のディンプルは、前記延在方向に対して傾斜角θだけ傾斜した一直線上に配列された少なくとも３つのディンプルからなるディンプル群を有し、前記ディンプル群は前記延在方向に一定周期で形成されている、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
6. 前記基板金属層及び前記キャップ金属層のうち１つは、当該１つの金属層の端辺に沿って配列された複数の追加のディンプルを有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
7. 請求項１ないし６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、
   （ａ）前記基板金属層の延在方向に沿って前記基板金属層上に複数の接合材バンプを配列し、
   （ｂ）前記複数の接合材バンプ上に前記キャップ金属層を載置するように前記キャップ接合部を押圧しつつ加熱して前記複数の接合材バンプを溶融し、
   （ｃ）前記複数の接合材バンプを溶融した後に冷却して前記基板金属層及び前記キャップ金属層を接合し、
   前記複数の接合材バンプの各々は、前記複数の接合材バンプが溶融した際に隣接する接合材バンプの接合材が前記複数のディンプルの各々内に流入する位置に配列される、半導体発光装置の製造方法。
8. 前記複数の接合材バンプは半球状で同一の大きさを有する、請求項７に記載の半導体発光装置の製造方法。
9. 前記複数の接合材バンプを配列するステップ（ｃ）において、前記基板金属層の延在方向に対して一定角度で千鳥状に配列した２列のバンプ列を配列する、請求項７又は８に記載の半導体発光装置の製造方法。
10. 請求項９に記載の半導体発光装置の製造方法であって、
    前記複数の接合材バンプは半球状で同一の大きさを有し、前記一定角度は４５°である、半導体発光装置の製造方法。
11. 請求項９に記載の半導体発光装置の製造方法であって、
    前記複数のディンプルは、前記延在方向に対して傾斜角θだけ傾斜した一直線上に配列されている少なくとも３つのディンプルを有し、
    前記複数の接合材バンプは半球状で同一の大きさを有し、前記傾斜角θは６０°である、半導体発光装置の製造方法。

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