JP4258367B2 - 光部品搭載用パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光部品搭載用パッケージ及びその製造方法に関するものである。

光部品搭載するためのパッケージとして、特開平１１−２６５９５７号公報（特許文献１）に記載のグリーンシートにキャビティ部を打ち抜きにより形成したものを枠体、別のグリーンシートにスルーホール，メタライズ処理等を施したものを底板とし、枠体と底板を積層，熱プレス加工，還元雰囲気での焼結を行い所定の寸法に積層体を切断する手法がある。また、特開２０００−１３８３０５号公報（特許文献２）に記載の射出成形法あるいはトランスファー成形法によりエポキシ樹脂製の枠体を形成し、枠体とセラミックス基板をエポキシ樹脂接着剤により接合する手法がある。

特開平１１−２６５９５７号公報 特開２０００−１３８３０５号公報

特許文献１のグリーンシートを用いる手法は、焼結工程が有るため、枠体及び底板の面荒れ発生，熱履歴起因のメタライズ信頼性低下，熱収縮起因の寸法ばらつき発生などの課題がある。面荒れ発生は、光部品と底板との接触面積低下を引き起こし、光部品の作動時に発生する多量の熱を良好に放散させることが困難であり、誤動作や熱破壊などの課題が発生する。焼結による熱履歴は、メタライズの信頼性を低下させるだけではなく、焼結温度により薄膜はんだ，アルミニウム等の低融点金属が溶解してしまうためパッケージの構成に制約が生じる。

また、特許文献２の枠体としてエポキシ樹脂を用いる手法は、枠体の作製に成形法を適用するため、金型をパッケージの形状が代わる度に製作し直さなければならず、枠体完成寸法のばらつきが大きい。エポキシ樹脂とセラミックス基板の熱膨張差に起因する熱ストレスにより剥離やクラックが発生する可能性が有り、エポキシ樹脂自体の耐熱性，熱伝導性も低い。

本発明の目的は、絶縁基板と枠体との接合信頼性，熱放散特性，面状態，寸法精度の良好な光部品搭載用パッケージ及びその製造方法を提供することである。

本発明は、絶縁基板にＳｉ製枠体を搭載した光部品搭載用パッケージにおいて、前記光部品搭載用パッケージの絶縁基板をＳｉＣ基板とすることを特徴とする。

本発明によると、絶縁基板と枠体との接合信頼性，熱放散特性，面状態，寸法精度の良好な光部品搭載用パッケージ及びその製造方法を提供することができる。

発光ダイオード，レーザダイオードなどの発熱する光部品を組み込んだパッケージは、光部品の温度上昇による特性劣化を抑える必要がある。本発明の実施の形態では、発熱する光部品の組み込みを前提としたパッケージの構造及び製造方法について説明する。

本発明の実施の形態では、絶縁基板の上にＳｉ製の枠体を載せて接合した構造とすることにより、接合信頼性，熱放散特性，面状態，寸法精度が良好で、膜構成の多様化が可能となるようにしたものである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１（ａ）は実施の形態に係るパッケージを概略的に示した断面図であり、図１（ｂ）は平面図である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、光部品搭載用パッケージは、絶縁基板２の上にウェットエッチングを表裏面から実施して形成したＳｉ製の枠体１を載せた構成になっている。つまり、光部品搭載用パッケージの絶縁基板２にＳｉ製の枠体１を搭載している。絶縁基板２の上面には、入出力端子３ａ及び入出力端子３ｂが形成され、絶縁基板２の下面には、入出力パッド４ａ及び入出力パッド４ｂが形成されている。これらは、スルーホール７を介して電気的に接続されている。入出力端子３ａと入出力パッド４ａとは、スルーホール７により電気的に接続され、入出力端子３ｂと入出力パッド４ｂとは、スルーホール７により電気的に接続されている。

ここで、Ｓｉ製の枠体１と絶縁基板２の接合を本パッケージ内蔵の薄膜はんだ６の融点よりも低い温度で行うことにより、薄膜はんだ６を形成することも可能である。

絶縁基板２に形成される入出力端子３ａ，入出力端子３ｂ，入出力パッド４ａ，入出力パッド４ｂ，薄膜はんだ６は、絶縁基板としてミラー加工を施した面状態が平滑なＳｉＣ，ＡｌＮ，アルミナなどのセラミックス基板を用いる場合、高精度のパターニングが可能である。

Ｓｉ製の枠体１は、結晶面（１００）のＳｉ基板にウェットエッチングを表裏面から実施することにより形成され、斜面の結晶面は（１１１）面、すなわち平坦面とのなす角は結晶学的に５４.７４°となる。斜面の面状態はＲａ＝０.０２〜０.０６μｍ であり、焼結体（Ｒａ＝０.２μｍ 程度）と比較して格段に平滑である。更に、この斜面にＡｌ薄膜５をマスク蒸着等により形成することにより、光の反射特性を向上させることが出来る。この場合の薄膜としては、ＡｌだけでなくＡｕ，Ａｇ等も有効である。斜面にＡｌ薄膜５を形成した後にＳｉ製の枠体１と絶縁基板２を接合するため、斜面のＡｌ薄膜５は絶縁基板２に接触することは無い。

図１（ａ）及び図２（ｂ）の構造では、本パッケージ内蔵の薄膜はんだ６の融点よりも融点の低い薄膜はんだ９を用いて絶縁基板２とＳｉ製の枠体１の接合を実施しているが、薄膜はんだ９の代わりに薄膜Ａｕによる固相接合、またはガラス，樹脂，ロウ剤等の接着剤による接着接合などを適用しても良い。

次に、パッケージの製造方法の実施例について、図６，図７，図８を用いて説明する。

まず、絶縁基板の加工工程について、図６を用いて説明する。
（１）ミラー加工を施したＳｉＣ基板１１を準備する。
（２）ＳｉＣ基板１１にスルーホール７を形成し、スルーホール内へメタライズ処理を施す。
（３）スルーホール付きＳｉＣ基板１１′の上面に入出力端子３ａ，３ｂ、下面に入出力パッド４ａ，４ｂを形成する。
（４）スルーホール付きＳｉＣ基板１１′の上面にＳｉ基板との接合に用いる薄膜はんだ９とパッケージに内蔵される薄膜はんだ６を形成する。ここで薄膜はんだ９としては、融点が薄膜はんだ６よりも低い温度のはんだを用いる。

図７を用い、Ｓｉ製の枠体の加工工程について、説明する。
（１）Ｓｉ基板１２を準備する。
（２）Ｓｉ基板１２の表裏面にホト加工を施した後、Ｓｉ基板１２を水酸化カリウム水溶液などのアルカリ水溶液に浸漬し、貫通穴を形成する。
（３）貫通穴を形成したＳｉ基板１２′の下面にメタライズ１３を形成する。このメタライズ１３形成の目的は、薄膜はんだ９との接合用である。
（４）貫通穴を形成したＳｉ基板１２′の斜面に必要に応じてＡｌなどの光反射用の薄膜５を形成する。薄膜の形成は、マスクなどを用いて斜面内のみに形成しても良いし、Ｓｉ基板上面から全面に形成しても良い。

図８を用い、貫通穴を形成したＳｉ基板１２′とスルーホール付きＳｉＣ基板１１′との接合以降の工程について、説明する。
（１）スルーホール付きＳｉＣ基板１１′と貫通穴を形成したＳｉ基板１２′を薄膜はんだ９を介して接合する。薄膜はんだ９の融点よりも２０〜５０℃程度高い温度に設定したヒーターの上にＳｉＣ基板１１′とＳｉ基板１２′を載せ、Ｓｉ基板１２′の上方から加圧することにより基板同士の接合を実施する。
（２）ＳｉＣ基板１１′とＳｉ基板１２′を接合した積層体を所定の外形寸法に切断することにより、図１に示す絶縁基板２の上にＳｉ製枠体１を載せた構造のパッケージか完成する。

図９に本パッケージに発光ダイオード１４，フォトダイオード１５，蛍光体１６，レンズ１７を組み込んだ一実施例を示す。発光ダイオード１４からの発熱はＳｉＣ製の絶縁基板２から効果的に放散され、発光される光は反射特性が良好な斜面のＡｌ薄膜５により効果的に反射される。

上記の工程により製作したパッケージは、従来のグリーンシートを用いるパッケージ、エポキシ樹脂製の枠体とセラミックス基板を接合するパッケージと比較して、以下に示す優位性を有する。
（１）枠体であるＳｉの熱膨張係数が３.５×１０^-6／Ｋ 、絶縁基板であるＳｉＣの熱膨張係数が３.２×１０^-6／Ｋ とほぼ同一であるため、熱履歴に対する接合信頼性が極めて良い。このため図１に示す１〜２個の光部品を搭載する小さなパッケージだけでなく、図１０に示すような数百〜数千個の光部品を同時に搭載する基板状態のパッケージを作製することも容易である。
（２）ＳｉＣの熱伝導が３００Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｓｉの熱伝導が１４５Ｗ／ｍ・Ｋと良好であるため、光部品からの発熱を容易に放散させることが可能であり、光部品の温度上昇による特性劣化を抑えることが容易である。
（３）ＳｉＣ基板とＳｉ基板は共に基板の状態で作製するため、ホトリソグラフィー等の半導体プロセスをそのまま適用することができ、経済的に作製することが出来る。また、焼結などの熱収縮の発生する工程が無いため、完成品の寸法精度が良好である。

図２（ａ）は実施の形態に係るパッケージを概略的に示した断面図であり、図２（ｂ）は平面図である。

本実施例は、実施例１に記載のパッケージを、更に、小型化したものであり、図７に示す枠体であるＳｉ基板１２′を形成後、追加でウェットエッチングを実施し、つまり、ウェットエッチングを表裏面から実施してＳｉ製の枠体１′を形成し、５４.７４° 斜面同士で形成される角を所望の量だけ落とすことにより形成している。

図３（ａ）は実施の形態に係るパッケージを概略的に示した断面図であり、図３（ｂ）は平面図である。

本実施例は、実施例２に記載のパッケージを、更に、小型化したものであり、図７に示す枠体であるＳｉ基板１２′を形成後、追加ウェットエッチング量を実施例２の場合よりも多く行い、５４.７４° 斜面同士で形成される角を完全に落すことにより形成される。なお本構造は、Ｓｉ基板にドライエッチングを施し貫通穴を形成することによっても製作可能である。Ｓｉ製の枠体１″は、ウェットエッチングを表裏面から実施、またはドライエッチングを実施して形成している。

図４（ａ）は実施の形態に係るパッケージを概略的に示した断面図であり、図４（ｂ）は平面図である。

本実施例は、図７に示す枠体であるＳｉ基板１２′の形成工程にて、片面からのみホト加工を施したものである。実施例１に記載のパッケージと比較しサイズは大きくなるが、Ａｌ薄膜５の形成された斜面の領域が広くなるため反射効率がより良好となる。Ｓｉ製の枠体１′′′は、ウェットエッチングを表面からのみ実施して形成している。

図５（ａ）は実施の形態に係るパッケージを概略的に示した断面図であり、図４（ｂ）は平面図である。

本実施例は、実施例４に記載のパッケージと比較し、ＳｉＣ基板の表裏面の導通をスルーホール形成の代わりに側面メタライズにより確保したものである。表裏面の導通確保に側面メタライズを適用する手法は、実施例１，実施例２，実施例３にも適用可能である。

本発明は、光部品搭載用パッケージ及びその製造方法であって、絶縁基板と枠体との接合信頼性，熱放散特性，面状態，寸法精度の向上が図れる。

本発明の一実施例であるパッケージの構造図である。 本発明の一実施例であるパッケージの構造図である。 本発明の一実施例であるパッケージの構造図である。 本発明の一実施例のＳｉ製枠体の形成を片面からのみ実施したパッケージの構造図である。 本発明の一実施例の絶縁基板の表裏面の導通を側面メタライズにより確保したパッケージの構造図である。 本発明の一実施例である絶縁基板の加工工程を示す図である。 本発明の一実施例であるＳｉ製の枠体の加工工程を示す図である。 貫通穴を形成したＳｉ基板とスルーホール付きセラミックス基板の接合以降の工程を示す図である。 発光ダイオード，フォトダイオード，蛍光体，レンズを組み込んだパッケージの構造図である。 本発明の一実施例である多数の光部品を搭載した基板状態のパッケージの構造図である。

符号の説明

１，１′，１″，１′′′…Ｓｉ製の枠体、２…絶縁基板、３ａ，３ｂ…入出力端子、４ａ，４ｂ…入出力パッド、５…薄膜、６，９…薄膜はんだ、７…スルーホール、８…側面メタライズ、１０…熱酸化膜、０１…ＳｉＣ基板、１１′…スルーホール付きＳｉＣ基板、１２…Ｓｉ基板、１２′…貫通穴を形成したＳｉ基板、１３…貫通穴を形成したＳｉ基板の下面のメタライズ、１４…発光ダイオード、１５…フォトダイオード、１６…蛍光体、１７…レンズ、１８…基板状態のパッケージ。

Claims (10)

1. 絶縁基板にＳｉ製枠体を搭載した光部品搭載用パッケージにおいて、
   前記光部品搭載用パッケージの絶縁基板をＳｉＣ基板とすることを特徴とする光部品搭載用パッケージ。
2. 請求項１に記載の光部品搭載用パッケージにおいて、
   前記Ｓｉ製枠体は、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより形成した貫通穴構造であることを特徴とする光部品搭載用パッケージ。
3. 請求項１に記載の光部品搭載用パッケージにおいて、
   前記Ｓｉ製枠体と、前記光部品搭載用パッケージの絶縁基板との接合構造を、薄膜はんだによる接合構造，薄膜Ａｕによる固相接合構造、或いは、接着剤による接着接合構造とすることを特徴とする光部品搭載用パッケージ。
4. 請求項１に記載の光部品搭載用パッケージにおいて、
   前記光部品搭載用パッケージの絶縁基板の上面に形成される入出力端子と絶縁基板の下面に形成される入出力パッドとの電気的接続構造を、スルーホールへのメタライズ処理により形成することを特徴とする光部品搭載用パッケージ。
5. 請求項１に記載の光部品搭載用パッケージにおいて、
   前記光部品搭載用パッケージの絶縁基板の上面に形成される入出力端子と絶縁基板の下面に形成される入出力パッドとの電気的接続構造を、側面メタライズより形成することを特徴とする光部品搭載用パッケージ。
6. 請求項１に記載の光部品搭載用パッケージにおいて、
   前記Ｓｉ製枠体に斜面が形成され、該斜面に光の反射特性を向上させる薄膜を形成することを特徴とする光部品搭載用パッケージ。
7. 請求項１に記載の光部品搭載用パッケージにおいて、
   前記Ｓｉ製枠体として、表面からウェットエッチングにて貫通穴を形成したＳｉ製枠体を適用することを特徴とする光部品搭載用パッケージ。
8. 請求項１に記載の光部品搭載用パッケージにおいて、
   前記Ｓｉ製枠体として、表裏面からウェットエッチングにて貫通穴を形成したＳｉ製枠体を適用することを特徴とする光部品搭載用パッケージ。
9. 請求項１に記載の光部品搭載用パッケージにおいて、
   前記Ｓｉ製枠体として、ドライエッチングにて貫通穴を形成したＳｉ製枠体を適用することを特徴とする光部品搭載用パッケージ。
10. 光部品を搭載する光部品搭載用パッケージの製造方法であって、
    前記光部品搭載用パッケージの絶縁性のＳｉＣ基板に、Ｓｉ製枠体を接合することを特徴とする光部品搭載用パッケージの製造方法。

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