JP3628187B2 - 半導体素子支持部材及びこれを用いた半導体素子収納用パッケージ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子を支持するための支持部材及び該支持部材を搭載した半導体素子収納用パッケージに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体素子、特にガリウムー砒素等から成る光半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは一般に、銅や鉄−ニッケルーコバルト合金、鉄−ニッケル合金等の金属材料から成る基体と、該基体上に取着され、上面に光半導体素子が載置される酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成る半導体素子支持部材と、該半導体素子支持部材を囲繞するようにして前記基体上に取着され、側面に光ファイバーが固定される固定領域を有する枠体と、前記基休もしくは枠体に絶縁物を介して固定された外部リード端子と、前記枠体の上面に取着され、枠体の内側を気密に封止する蓋体とで構成されており、半導体素子支持部材に光半導体素子を金ー錫合金等の低融点ロウ材を介して接着固定するとともに該光半導体素子の各電極をボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して外部リード端子に接続し、次に枠体の上面に蓋体を取着させ、基体と枠体と蓋体とから成る容器内部に光半導体素子を収容し、最後に枠体側面に設けた光ファイバー固定領域に光ファイバーが取着されたフランジをレーザー光線の照射による溶接によって接合させ、光ファイバーを枠体側面に固定することによって製品としての光半導体装置となる。
【0003】
かかる光半導体装置は外部電気回路から供給される駆動信号によって光半導体素子に光信号を励起させ、該励起された光信号を光ファイバーを介して外部に伝送することによって高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。
【0004】
なお、前記半導体素子収納用パッケージにおいては、半導体素子支持部材の上面に予めチタンー白金一金から成る金属層が薄膜形成技術によって被着されており、該金属層に光半導体素子を金一錫合金から成る低融点ロウ材を介しロウ付けすることによって光半導体素子は支持部材上に接着固定されるようになっている。また同時に光半導体素子の電極、例えば、接地電極が金属層に接続されるようになっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体素子収納用パッケージにおいては、半導体素子支持部材の上面に被着されている金属層に光半導体素子を低融点ロウ材を介して取着固定する際、金属層の金が低融点ロウ材中に拡散してロウ材の融点を高いものとしてしまい、その結果、所定の低温で低融点ロウ材を完全に溶融させることができず、光半導体素子の半導体素子支持部材上への接着固定が強度の弱いものとなる欠点を有していた。
【0006】
またこれを解消するためにロウ付け温度を上げ、ロウ材を完全に溶融させることも考えられるが、ロウ付け温度を上げると光半導体素子に不要な熱負荷が印加されて光半導体素子に熱破壊が招来したり、特性に熱劣化を招来し、光半導体素子が誤動作するという欠点を誘発してしまう。
【0007】
本発明は上記諸欠点に鑑み案出されたもので、その目的は半導体素子支持部材に設けた金属層に半導体素子を低融点ロウ材を介して接着固定するにあたり、金属層を形成している金が低融点ロウ材に拡散して低融点ロウ材の融点が上昇するのを有効に防止し、低融点ロウ材の溶融温度を低温として半導体素子を半導体素子支持部材上にを熱破壊や特性に劣化を招来することなく確実、強固に接着固定することができる半導体素子支持部材及びこれを用いた半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子支持部材は、基板と、該基板の上面に薄膜形成技術によって被着され、半導体素子が金−錫合金から成るロウ材を介して接合されるとともに該半導体素子の電極が接続される金属層とから成り、前記金属層は基板側から接着層、バリア層、金から成る主導体層の3層構造を有しているとともに前記主導体層の一部に前記バリア層を露出するように前記主導体層の非形成領域が形成されており、該非形成領域に半導体素子が接合され、前記主導体層は前記半導体素子の固定される領域以外の全ての領域に形成されていることを特徴とするものである。
【0009】
また本発明は、基体と、該基体の上面に取著された枠体と、前記基体もしくは枠体に固定された外部リード端子と、前記枠体の上面に取着され、枠体の内側を気密に封止する蓋体とから成るパッケージ本体の内部に前記半導体素子支持部材を配したことを特徴とするものである。
【0010】
本発明の半導体素子支持部材によれば、基板の上面に被着されている金属層が薄膜形成技術を採用することによって形成されていることからその上面が極めて平坦なものとなり、その結果、半導体素子を基板上面に被着させ金属層の所定位置に極めて正確に固定することができる。
【0011】
また本発明の半導体素子支持部材によれば、半導体素子は接着層、バリア層、金から成る主導体層の3層構造を有する金属層のうち主導体層の非形成領域に低融点ロウ材を介して取着される、即ち、バリア層に低融点ロウ材を介して取着されることから主導体層の金が低融点ロウ材中に拡散し、低融点ロウ材の融点が高くなることはなく、その結果、低融点ロウ材は所定の低温で完全に溶融して半導体素子を半導体素子支持部材上に確実、強固に接着固定することが可能となり、同時に低融点ロウ材は低いロウ付け温度で溶融するため、半導体素子に不要な熱負荷が印加されることはなく、半導体素子に熱破壊や特性に熱劣化を招来するのを有効に防止して半導体素子を常に正常、かつ安定に作動させることができる。更に本発明の半導体素子支持部材によれば、前記金属層は接着層と金から成る主導体層の相互拡散がバリア層によって有効に防止され、これによって金属層及び該金属層上に固定される半導体素子を基板上に極めて強固に取着させることができる。
【0012】
また更に本発明の半導体素子支持部材によれば、金属層の主導体層は半導体素子の固定される領域以外の全ての領域に形成されていることから金属層の導通抵抗は低いものとなり、その結果、金属層に接続されている半導体素子の電極に金属層を介して所定の電力、電気信号を正確に入力することができる。
【0013】
更にまた、前記半導体素子支持部材を使用した半導体素子収納用パッケージは、パッケージ内での半導体素子の接着固定が強固となって、半導体素子と外部リード端子との電気的接続を確実となすことができ、その結果、半導体素子を所定の外部電気回路に正確に電気的接続して半導体素子を常に正常に作動させることが可能となる。同時にパッケージ内での半導体素子の固定位置が正確となって、半導体素子が光半導体素子である場合、光半導体素子と光ファイバーとの光結合が良好となり、光半導体素子の発する光を光ファイバーに効率良く授受させることができる。
【0014】
【発明の実施の形懸】
次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図1及び図2は本発明にかかる半導体素子支持部材及び該半導体素子支持部材を用いた半導体素子収納用パッケージの一実施例を示し、1は基体、2は枠体、3は蓋体である。この基体1と枠体2と蓋体3とで内部に半導体素子、例えば、ガリウムー砒素等から成る光半導体素子4を収容するための容器が構成される。前記基体1は例えば、銅や鉄−ニッケルーコバルト合金、銅ータングステン合金等の金属材料から成り、銅等のインゴット(塊)に圧延加工法やプレス打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を採用することによって所定の板状に形成される。
【0015】
また前記基体1はその上面に、光半導体素子4が接着固定された半導体素子支持部材Aが取着されており、該半導体素子支持部材Aは光半導体素子4を基体1に対し電気的に絶縁した状態で支持する作用をなす。
【0016】
前記半導体素子支持部材Aは図1に示す如く、電気絶縁性の基板5とその上下両面に被着された下部金属層6及び上部金属層7とから構成されており、下部金属層6を基体1の上面に金ー錫合金等から成るロウ材を介しロウ付けすることによって半導体素子支持部材Aは基体1上に取着される。
【0017】
前記半導体素子支持部材Aの基板5は酸化アルミニウム質焼結体、石英、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体、シリコンの少なくとも1種より成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合には、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の粉末及び適当な有機バインダー、溶剤を添加混合して原料粉末を調整し、次に前記原料粉末を所定金型内に充填するとともに一定圧力で押圧して成形体を得、最後に前記成形体を約1600℃の温度で焼成することによって製作される。
【0018】
なお、前記半導体素子支持部材Aの基板5は、窒化アルミニウム質焼結体や炭化珪素質焼結体、或いはシリコンで形成しておくと、該窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、シリコン等はその熱伝導率が40W/m・k以上と高いため半導体素子支持部材Aの上面に接着固定される光半導体素子4が駆動時に熱を発生したとしてもその熱は半導体素子支持部材Aを介して基体1に良好に伝達されるとともに基体1を介して大気中に放散され、その結果、光半導体素子4は常に適温となり、光半導体素子4を長期間にわたり正常、且つ安定に作動させることが可能となる。
【0019】
また前記半導俸素子支持部材Aの基板5をガラスセラミックス焼結体や石英等で形成しておくと該ガラスセラミックス焼結体や石英は比誘電率が小さいため光半導体素子4に電気信号を高速で伝達させることが可能となる。
【0020】
前記半導体素子支持部材Aはまた基板5の上下両面に下部金属層6及び上部金属層7が各々、薄膜形成技術によって被着されており、該基板5の下面に被着されている下部金属層6は半導体素子支持部材Aを基体1上にロウ付け取着する際の下地金属層として作用し、下部金属層6と基体1とを例えば、金ー錫合金から成るロウ材で取着することによって半導体素子支持部材Aは基体1の上面所定位置に固定され、また基板5上面に被着されている上部金属層7は光半導体素子4を半導体素子支持部材Aに低融点ロウ材8を介し接着固定する際の下地金属層として作用するとともに光半導体素子4の電極を外部リード端子9に接続するための導電路として作用し、上部金属層7に光半導体素子4を金ー錫合金から成る低融点ロウ材8を介しロウ付けすることによって光半導体素子4は半導体素子支持部材A上に接着固定されるとともに電極、例えば、接地電極が上部金属層7に接続される。
【0021】
前記基板5の上下両面に被着される下部金属層6及び上部電極層7は図1に示す如く、接着層6a、7aと、バリア層6b、7bと、主導体層6c、7cの3層構造を有している。
【0022】
前記接着層6a、7aはチタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケルクロム合金(NiーCr)、タンタル(Ta)等から成り、蒸着法やイオンプレーティング法、スパッタリング法等の薄膜形成技術を採用することによって基板1の上下面に被着される。
【0023】
前記接着層6a、7aは基板1と下部金属層6及び上部金属層7との被着強度を上げる作用をなし、その厚みは0.05μm未満であると下部金属層6及び上部金属層7を基板1に強固に被着させるのが困難となる傾向にあり、また0.5μmを超えると接着層6a、7aを薄膜形成技術により形成する際に大きな応力が発生するとともにこれが内部に内在し、該内在応力によって基板1と接着層6a、7aとの被着強度が低下してしまう傾向にある。従って、前記チタン等から成る接着層6a、7aはその厚みを0.05μm〜0.5μmの範囲とすることが好ましく、好適には0.1μm〜0.3μmの範囲とするのがよい。
【0024】
また前記接着層6a、7aの上面にはバリア層6b、7bが被着されており、該バリア層6b、7bは接着層6a、7a、主導体層6c、7c及び後述する低融点のロウ材8と接合性、濡れ性が良く、接着層6a、7aと主導体層6c、7cとを強固に接合させるとともにバリア層6b、7bに低融点ロウ材8を強固に接合させ、同時に接着層6a、7aと主導体層6c、7cとの相互拡散を防止する作用ななす。
【0025】
前記バリア層6b、7bは白金(Pt)、ロジウム(Rh)等から成り、蒸着法やイオンプレーティング法、スパッタリング法等の薄膜形成技術を採用することによって接着層6a、7aの上面に被着される。
【0026】
前記バリア層6b、7bはその厚みが10nm未満であると接着層6a、7aと主導体層6c、7cとの相互拡散を有効に防止することができなくなるとともにバリア層6b、7bに低融点ロウ材8を強固に接合させるのが困難となる傾向にあり、また1500nmを超えるとバリア層6b、7bを薄膜形成技術により形成する際に大きな応力が発生するとともにこれが内部に内在し、該内在応力によって接着層6a、7aとバリア層6b、7bとの被着強度が低下してしまう傾向にある。従って、前記白金やロジウム等から成るバリア層6b、7bはその厚みを10nm〜1500nmの範囲とすることが好ましく、好適には100nm〜500nmの範囲とするのがよい。
【0027】
更に前記バリア層6b、7bの上面には金から成る主導体層6c、7cが被着されており、該主導体層6c、7cはロウ材との接合性を良好となすとともに電気信号や電力を通す通路として作用し、主導体層6c、7cを形成する金はロウ材と接合が良好であることから下部金属層6をロウ材を介して基体1の上面に強固に接合させ、基体1上に半導体素子支持部材Aを強固に接合させるとともに導電率が高いことから上部金属層7の導通抵抗を極めて小さな値として上部金属層7に接続される光半導体素子4の電極に上部金属層7を介して所定の電力や電気信号を極めて正確に入力することが可能となる。
【0028】
前記金から成る主導体層6c、7cは蒸着法やイオンプレーティング法、スパッタリング法、メッキ法等の薄膜形成技術を採用することによってバリア層6b、7bの上面に被着され、その厚みは2.0μm未満であると上部金属層7の導通抵抗が高くなって、上部金属層7を介して半導体素子4に電力や電気信号を正確に入力するのが困難となる傾向にある。従って、前記金から成る主導体層6c、7cはその厚みを2.0μm以上とすることが好ましく、コストの点も考慮すると3.0μm〜7.0μmの範囲が好適である。
【0029】
前記基板1の上下面に接着層6a、7a、バリア層6b、7b、主導体層6c、7cの3層構造を有する下部金属層6、上部金属層7を設けた半導体素子支持部材Aは接着層6a、7a、バリア層6b、7b、主導体層6c、7cの各々が薄膜形成技術を採用することにより形成されていることから下部金属層6及び上部金属層7の表面が極めて平坦なものとなすことができ、その結果、半導体素子支持部材Aを基体1の所定位置に極めて正確に固定することができるとともに半導体素子支持部材Aの上面所定位置に光半導体素子4を極めて正確に固定することができる。
【0030】
また前記半導体素子支持部材Aは接着層6a、7aと主導体層6c、7cの間に両者に対し接合性が良いバリア層6b、7bを配したことから接着層6a、7aと主導体層6c、7cとは強固に接合し、同時に上部金属層7に光半導体素子4を低融点ロウ材8を介して接合させた場合、低融点ロウ材8を溶融させる熱が下部金属層6及び上部金属層7に印加され、接着層6a、7aと主導体層6c、7cとの間に相互拡散が起ころうとしてもその相互拡散はバリア層6b、7bによって有効に防止され、下部金属層6及び上部金属層7の基板1への接合を強固となすことがでる。更に前記上部金属層7はその主導体層7cの一部に非形成領域Bが形成されており、該非形成領域Bに露出するバリア層7bに光半導体素子4が金−錫合金の低融点ロウ材8を介して接続される。この場合、光半導体素子4は金から成る主導体層7cに低融点ロウ材8を介して接合されるのではなく、バリア層7bに接合されることから主導体層7cを形成する金が低融点ロウ材8中に拡散し、低融点ロウ材8の融点を高くすることはなく、その結果、低融点ロウ材8の溶融を完全として、光半導体素子4を上部金属層7に確実、強固に接合させることができる。また同時に白金やロジウム等から成るバリア層7bは低融点ロウ材8に対する濡れ性が良いことからバリア層7bに低融点ロウ材8が強固に接合し、これによって半導体素子支持部材Aに光半導体素子4をより強固に固定することができる。更に前記低融点ロウ材8は低いロウ付け温度で溶融するため、光半導体素子4に不要な熱負荷が印加されることはなく、光半導体素子4に熱破壊や特性に熱劣化を招来することはなく、光半導体素子4を常に正常、かつ安定に作動させることができる。
【0031】
また更に前記半導体素子支持部材Aへの光半導体素子4の固定位置が正確となるため光半導体素子4と後述する外部リード端子9との電気的接続を確実となして光半導体素子4を所定の外部電気回路に正確に電気的接続することができ、また光半導体素子4と後述する光ファイバー12との光結合も極めて良好なものとなすことができる。
【0032】
また一方、前記上面に半導体素子支持部材Aが取着された基体1は、その支持部材Aの周辺に該基体1を貫通する複数個の外部リード端子9がガラス等の絶縁物10を介して固定されている。
【0033】
前記外部リード端子9は光半導体素子4の各電極を外部の電気回路に電気的に接続する作用をなし、その一端に光半導体素子4の電極及び光半導体素子4の電極が接続されている上部金属層7がボンディングワイヤ等の電気的接続手段11を介して接続され、また他端側は外部電気回路に半田等のロウ材を介して接続される。
【0034】
前記外部リード端子9は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等の金属材料から成り、基体1への固定は、基体1に外部リード端子9より若干大きな径の穴をあけておき、この穴にリング状のガラスから成る絶縁物10と外部リード端子9を挿通させ、しかる後、前記ガラスから成る絶縁物10を加熱溶融させることによって行われる。
【0035】
前記外部リード端子9はまたその表面にニッケルメッキ層、金メッキ層等の耐蝕牲に優れ、且つロウ材と濡れ性が良いメッキ金属層を1μm乃至20μmの厚みに被着させておくと外部リード端子9の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともに外部リード端子9とボンディングワイヤ等の電気的接続手段11との接続を強固なものとなすことができる。従って、前記外部リード端子9はその表面にニッケルメッキ層、金メッキ層等の耐蝕性に優れ、且つロウ材と濡れ性が良いメッキ金属層を1.0μm乃至20μmの厚みに被着させておくことが好ましい。
【0036】
更に前記基体1の上面には半導体素子支持部材Aを囲繞するようにして枠体2が接合されており、これによって枠体2内側に光半導体素子4を収容するための空所が形成される。
【0037】
前記枠体2は例えば、銅、鉄−ニッケルーコバルト合金、鉄ーニッケル合金等の金属材料から成り、基体1の上面で、光半導体素子4が接着固定される半導体素子支持部材Aを囲繞するようにして銀ロウ等のロウ材を介して接合される。
【0038】
前記枠体2は更にその側面に貫通孔2aが設けてあり、該貫通孔2aは光ファイバー12を固定する固定領域として作用し、貫通孔2a内に光ファイバー12の先端を光半導体素子4と対向するようにして挿通させるとともに該光ファイバー12に取着されたフランジ13を枠体2にレーザー光線の照射による溶接によって接合固定し、これによって枠体2に光ファイバー12を取着するようになっている。
【0039】
前記枠体2に取着される光ファイバー12は光半導体素子4との間で光信号の授受を行い、光半導体素子4が励起した光信号を外部に伝送する作用をなす。
【0040】
更に前記枠体2の上面には例えば、銅や鉄ーニッケルーコバルト合金、鉄−ニッケル合金等の金属材料からなる蓋体3が接合され、これによって基体1と枠体2と蓋体3とから成る容器内部に光半導体素子4が気密に封止されることとなる。
【0041】
前記蓋体3の枠体2上面への接合は例えば、シームウェルド法等の溶接によって行われる。
【0042】
かくして上述の半導体素子支持部材を使用した半導体素子収納用パッケージによれば、基体1上面に搭載されている半導体素子支持部材A上に光半導体素子4を低融点ロウ材8を介してロウ付け取着するとともに光半導体素子4の各電極をボンデイングワイヤ等の電気的接続手段11を介して外部リード端子9に電気的に接続し、次に枠体2の上面に蓋体3を接合させ、基体1と枠体2と蓋体3とから成る容器内部に光半導体素子4を気密に収容させ、最後に枠体2の光ファイバー固定傾域に光ファイバー12を取着させれば最終製品としての光半導体装置が完成し、外部電気回路から供給される駆動信号によって光半導体素子4に光を励起させ、該励起した光信号を光ファイバー12に授受させるとともに光ファイバー12内を伝送させることによって高速光通信等に使用される。
【0043】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるもではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば上述の実施例では外部リード端子9を基体1に設けたがこれを枠体2に設けてもよく、また上述の実施例では基体1と枠体2とを別個に準備したがこれを一体的に形成したものを使用してもよい。
【0044】
【発明の効果】
本発明の半導体素子支持部材によれば、基板の上面に被着されている金属層が薄膜形成技術を採用することによって形成されていることからその上面が極めて平坦なものとなり、その結果、半導体素子を基板上面に被着させ金属層の所定位置に極めて正確に固定することができる。
【0045】
また本発明の半導体素子支持部材によれば、半導体素子は接着層、バリア層、金から成る主導体層の3層構造を有する金属層のうち主導体層の非形成領域に低融点ロウ材を介して取着される、即ち、バリア層に低融点ロウ材を介して取着されることから主導体層の金が低融点ロウ材中に拡散し、低融点ロウ材の融点が高くなることはなく、その結果、低融点ロウ材は所定の低温で完全に溶融して半導体素子を半導体素子支持部材上に確実、強固に接着固定することが可能となり、同時に低融点ロウ材は低いロウ付け温度で溶融するため、半導体素子に不要な熱負荷が印加されることはなく、半導体素子に熱破壊や特性に熱劣化を招来するのを有効に防止して半導体素子を常に正常、かつ安定に作動させることができる。更に本発明の半導体素子支持部材によれば、前記金属層は接着層と金から成る主導体層の相互拡散がバリア層によって有効に防止され、これによって金属層及び該金属層上に固定される半導体素子を基板上に極めて強固に取着させることができる。
【0046】
また更に本発明の半導体素子支持部材によれば、金属層の主導体層は半導体素子の固定される領域以外の全ての領域に形成されていることから金属層の導通抵抗は低いものとなり、その結果、金属層に接続されている半導体素子の電極に金属層を介して所定の電力、電気信号を正確に入力することができる。
【0047】
更にまた、前記半導体素子支持部材を使用した半導体素子収納用パッケージは、パッケージ内での半導体素子の接着固定が強固となって、半導体素子と外部リード端子との電気的接続を確実となすことができ、その結果、半導体素子を所定の外部電気回路に正確に電気的接続して半導体素子を常に正常に作動させることが可能となる。同時にパッケージ内での半導体素子の固定位置が正確となって、半導体素子が光半導体素子である場合、光半導体素子と光ファイバーとの光結合が良好となり、光半導体素子の発する光を光ファイバーに効率良く授受させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体素子支持部材の一実施例を示す拡大断面図。
【図2】図1に示す半導体素子支持部材を用いた半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・・基体
2・・・・・・枠体
3・・・・・・蓋体
4・・・・・・光半導体素子
5・・・・・・基板
6・・・・・・下部金属層
7・・・・・・上部金属層
8・・・・・・低融点ロウ材
9・・・・・・外部リード端子
12・・・・・・光ファイバー
A・・・・・・半導体素子支持部材
B・・・・・・上記金属層の主導体層の非形成領域
Claims (2)
- 基板と、該基板の上面に薄膜形成技術によって被着され、半導体素子が金−錫合金から成るロウ材を介して接合されるとともに該半導体素子の電極が接続される金属層とから成り、前記金属層は基板側から接着層、バリア層、金から成る主導体層の3層構造を有しているとともに前記主導体層の一部に前記バリア層を露出するように前記主導体層の非形成領域が形成されており、該非形成領域に半導体素子が接合され、前記主導体層は前記半導体素子の固定される領域以外の全ての領域に形成されていることを特徴とする半導体素子支持部材。
- 請求項1記載の半導体素子支持部材が、基体と、該基体の上面に取着された枠体と、前記基体もしくは枠体に固定された外部リード端子と、前記枠体の上面に取着され、枠体の内側を気密に封止する蓋体とから成るパッケージ本体の前記枠体の内側に位置する基体上面に取着されていることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
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