JP5144477B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関するものであり、詳しくは、不活性ガスが封入された気密空間内に光半導体素子が配置されると共に気密空間内で前記光半導体素子の電極に接続された金属リードが気密空間外に導出されてなる構造を有する光半導体装置及びその製造方法に関する。

従来、この種の半導体装置としては、図１０に示す構造のものが提案されている。それは、夫々セラミック材料からなる絶縁基体５０と蓋体５１を封止用ガラス部材５２で接合して気密空間５３を形成し、該気密空間５３内に半導体素子５４を収納すると共に半導体素子５４の電極に接続した外部リード端子５５が封止用ガラス部材５２を気密に挿通して気密空間５３外に導出するようにしたものである（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−１６３３５５号公報

上記構造の半導体装置はその製造上、封止用ガラス部材５２による絶縁基体５０と蓋体５１の接合時に該封止用ガラス部材５２を溶融するための加熱工程が必要であり、封止用ガラス部材５２の加熱加工に伴う受熱により半導体素子５４の特性劣化が生じる恐れがある。

また、封止用ガラス部材５２による絶縁基体５０と蓋体５１の接合工程において、絶縁基体５０に固定された半導体素子５４の電極にボンディングワイヤ５６を介して電気的に接続された外部リード端子５５が、溶融した封止用ガラス部材５２によって所定の位置からずれることがないように外部リード端子５５の位置決め手段が必要であり、製造装置の複雑化及び生産効率の低下が懸念される。

さらに、外部リード端子５５の位置決め時に、絶縁基体５０に対して外部リード端子５５の位置が移動するとボンディングワイヤ５６に外部応力が加わり、該ボンディングワイヤ５６を介する半導体素子５４の電極と外部リード端子５５の接続信頼性が低下することになる。

一方、半導体装置はその使用上、半導体素子５４が接着剤５７を介して直接絶縁基体５０の凹部底面５８に固定されており、半導体素子５４が発熱体の場合その熱が絶縁基体５０の半導体素子５４の直下領域に集中して伝導されるために放熱効率が悪く、半導体素子５４の素子特性や素子寿命に悪影響を及ぼす。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、気密空間内に光半導体素子を配置してなる光半導体装置において、使用時に光半導体素子の発熱に対する放熱効率が良好な光半導体装置であって、製造時に光半導体半素子の素子特性及び光半導体装置の信頼性に悪影響を及ぼすことがなく生産効率が良好な製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、透光性部材からなる筒状の本体部と、前記本体部の両端に一方の端部が接合された一対の筒状の外部電極端子と、前記一対の外部電極端子の夫々の他方の端部近傍内に位置して前記外部電極端子に接合された金属ディスクとにより気密空間が形成され、前記気密空間内に熱伝導性が良好なサブマウント、前記サブマウントに載置された光半導体素子、前記サブマウントに取り付けられた一対の金属リード及び不活性ガスが配置され、前記一対の金属リードの夫々の一方の端部が前記金属ディスクに接合されると共に夫々の他方の端部が前記光半導体素子の電極に電気的に接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記一対の金属リードの少なくとも一方は、前記サブマウントと前記金属ディスクの間で略直線状に形成又はコイル状に迂曲形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は２の何れか１項において、前記透光性部材は、アルミナからなるセラミック、サファイア及びガラスのうちの何れか１つの材料からなることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３の何れか１項において、前記サブマウントはセラミックベースからなることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１〜４の何れか１項において、前記外部電極端子はニオブからなることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、透光性部材からなる筒状の本体部の両端に筒状の外部電極端子を接合して封体を形成する工程と、
金属リードが取り付けられたサブマウントに光半導体素子を載置して前記光半導体素子の電極と前記金属リードの一方の端部を電気的に接続し、前記金属リードの他方の端部に金属ディスクを接合して光半導体素子モジュールを形成する工程と、
前記封体内に前記光半導体素子モジュールを挿入・収容して不活性ガス中で前記外部電極端子と前記金属ディスクを接合封止する工程とを有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項７に記載された発明は、請求項６において、前記本体部と前記外部電極端子との接合はフリットによる溶着によるものであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項８に記載された発明は、請求項６又は７の何れか１項において、前記金属リードと前記金属ディスクの接合はラッシュバット溶接によるものであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項９に記載された発明は、請求項６〜８の何れか１項において、前記外部電極端子と前記金属ディスクの接合封止はカシメ封止によるものであることを特徴とするものである。

本発明の光半導体装置は、筒状の本体部内に光半導体素子を載置したサブマウントを配置した。それにより、光半導体素子の発光時の発熱がサブマウントを介して熱伝導により本体部に伝熱されると共に熱放射によっても本体部に伝熱され、本体部から外部に放散されて光半導体素子の温度上昇が抑制される。

また、生産性を考慮したシンプルな構成とすることにより容易に小型化が可能となる。そのため、熱伝導性のよくない気密空間の容積を小さくすることにより放熱効果を妨げる要因が低減して光半導体素子の温度上昇の抑制が可能となる。

また、製造工程において、外部電極端子と金属ディスクの接合封止部が、光半導体素子が載置されたサブマウントから離れた位置にあるため、接合封止時の加工熱は光半導体素子の特性劣化を生じさせることはない。そのため、簡易で廉価な接合封止が可能となる。

つまり、使用時に光半導体素子の発熱に対する放熱効率が良好な光半導体装置であって、製造時に光半導体素子の素子特性及び光半導体装置の信頼性に悪影響を及ぼすことがなく生産効率が良好な製造方法を提供することが可能になる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図９を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明の光半導体装置１５に係る実施形態の概略上面図、図２は概略側面図、図３は図１のＡ−Ａ断面図、図４は図１のＢ−Ｂ断面図である。

両端を開口とする筒状の透光性セラミックからなる本体部１の両開口端部の夫々に、両端を開口とする筒状の外部電極端子２の一方の開口端部がフリット３により溶着され、夫々の外部電極端子２の他方の開口端部近傍内にブロック状の金属ディスク４が配置されてカシメ封止され、電気的にも接続状態となっている。これにより、本体部１と外部電極端子２とフリット３と金属ディスク４とで気密空間５が形成されている。本体部１を形成する透光性セラミックは例えばアルミナからなり、外部電極端子２は例えばニオブ又はニオブ合金からなっている。

気密空間５内には、本体部１で囲まれた領域に凹部６を有するブロック状のサブマウント７が配置され、凹部６の底面上に光半導体素子８が載置されている。サブマウント７は例えばセラミックベースからなっている。

本体部１内に配置されたサブマウント７は、本体部１が図４（ａ）のように中心軸に垂直な方向の断面形状を略矩形環状とする場合、あるいは図４（ｂ）のように中心軸に垂直な方向の断面形状を略円形環状とする場合のいずれにおいても、本体部１の中心軸に略垂直な方向となる側の面及び凹部が形成された側の面以外の面の略全面が本体部１の内面に接触している。

サブマウント７には一対の金属リード９が取り付けられており、各金属リード９の一方の端面はサブマウント７の凹部６の対向する内側面の夫々から該凹部６内に露出しており、他方の端部は夫々金属ディスク４に接続されている。金属リード９は気密空間５内でコイル状に配線されている。

サブマウント７の凹部６底面上に載置された光半導体素子８は、その各電極がボンディングワイヤ１０を介して金属リード９の、サブマウント７の凹部６内に露出した端面に接続されている。そのため、光半導体素子８の各電極はボンディングワイヤ１０及び金属リード９を介して金属ディスク４に電気的に接続された状態となっている。

そこで、両外部電極端子２間に電圧を印加すると一対の金属ディスク４、一対の金属リード９及び一対のボンディングワイヤ１０を通して光半導体素子８に電流が供給され、光半導体素子８が発光する（但し、光半導体素子８が発光素子の場合）。この発光光は透光性セラミックからなる本体部１を透過して外部に出射される。

一方、光半導体素子８は発光体であると共に発熱体でもあるため光半導体素子８からは熱が発生し、その自己発熱による光半導体素子８自体の温度上昇が光変換効率の低下及び発光寿命（素子寿命）の短縮等の性能劣化を招くことになる。そのため、発光時の自己発熱による光半導体素子８自体の温度上昇を抑制する必要があり、放熱効率の良否が光半導体素子８の温度上昇の抑制効果に大きな影響を与えることになる。

その点、本実施例の光半導体素子の場合、光半導体素子８で発せられた熱の一部は該光半導体素子８が載置された、熱伝導性が良好なサブマウント７に移動してサブマウント７を伝導され、さらにサブマウント７に面接触する、同様に熱伝導性が良好な本体部１に移動し、本体部１を伝導されて該本体部１の表面に達する。そして、本体部１の表面に達した熱は該表面に接触する低温度の外気に熱伝達により移動し、外気中に放散される。

同時に、光半導体素子８から発せられた熱の一部は熱放射により直接本体部１に移動し、本体部１の表面から該表面に接触する低温度の外気に熱伝達により移動して外気中に放散される。

そのため、光半導体素子８から発せられた熱が効率よく放散されて良好な放熱効果が得られ、光半導体素子８の温度上昇が好適に抑制される。その結果、発光時に光変換効率の低下が少なく、発光寿命（素子寿命）の短縮も低減された光半導体装置１５が実現する。

また、図５（ａ）、（ｂ）のように、本体部１の外側に該本体部１の外面に接するように銅、アルミニウム等の熱伝導率が高い放熱部材１１を配置することにより、更なる放熱効果を得ることができる。

なお、気密空間５内には窒素ガス等の不活性ガス１４が封入されており、気密空間５内の湿気除去及び光半導体素子の酸化防止等による信頼性の維持についても十分確保されている。

次に、上記構成の光半導体装置の製造方法について、図６の製造工程図を参照して説明する。

まず、（ａ）の光半導体素子モジュール１２の準備工程において、凹部６を有するブロック状のサブマウント７にコイル状に迂曲形成された一対の金属リード９を、該金属リード９の一方の端部を前記サブマウント７の凹部６の対向する内側面の夫々から該凹部６内に露出させた状態で取り付ける。

その後、サブマウント７の凹部６底面上に光半導体素子８を載置し、該光半導体素子８の各電極にボンディングワイヤ１０の一方の端部を接続し、他方の端部を金属リード９の、サブマウント７の凹部６内に露出した端面に接続する。

更に、金属リード９の他方の端部とブロック状の金属ディスク４をフラッシュバット溶接により接続する。これにより、光半導体素子８の各電極がボンディングワイヤ１０及び金属リード９を介して金属ディスク４に電気的に接続される。

なお、この工程において、金属リード９と金属ディスク４のフラッシュバット溶接は、一方の端部がボンディングワイヤ１０を介して光半導体素子８の電極に接続された金属リード９の他方の端部の局部溶接によるものであり、そのためフラッシュバット溶接時の熱が光半導体素子８の特性に悪影響を及ぼすようなことはない。

次の（ｂ）の封体１３の準備工程において、両端を開口とする筒状の本体部１の両開口端部の夫々に、両端を開口とする筒状の外部電極端子２の一方の開口端部をフリット３により溶着する。フリット３の溶着温度は約１５００℃である。

次の（ｃ）の光半導体素子モジュール１２の収容工程において、上記（ｂ）の工程を経て準備された封体１３の内部に、同じく（ａ）の工程を経て準備された光半導体素子モジュール１２を挿入して収容する。

次の（ｄ）の封止工程にいて、封体１３の光半導体素子モジュール１２が収容された内部の空気を窒素ガス等の不活性ガス１４で置換し、その後不活性ガス雰囲気中で外部電極端子２の他方の開口端部近傍と金属ディスク４をカシメ封止する。更に、このカシメ封止部をレーザによる局部加熱溶着あるいはレーザのみによる溶着することも可能である。

これにより、本体部１、外部電極端子２及び金属ディスク４で形成された気密空間５内に、サブマウント７に載置された光半導体素子８が配置されると共に不活性ガス１４が封入されてなる光半導体装置１５が完成せる。

なお、この工程において、外部電極端子２と金属ディスク４のカシメ封止時に金属ディスク４が移動、変位してもその応力はコイル状に迂曲形成された金属リード９で吸収され、ボンディングワイヤ１０及び光半導体素子８に悪影響を及ぼすことがなく、良好な信頼性を確保することができる。

また、外部電極端子２と金属ディスク４のカシメ封止時のレーザによる局部溶着の熱は、その溶着部位が、光半導体素子８が載置されたサブマウント７から離れた位置にあるため、光半導体素子８の特性劣化を生じさせることはない。

図７は本発明の光半導体装置に係る他の実施形態の概略上面図、図８は図７のＣ−Ｃ部分断面図である。

本実施形態は、上述した実施形態に対して、金属リード９が略直線状に形成されている点及び金属リード９が金属ディスク４に気密に挿通して気密空間５外に導出した構成とされている点のみが異なる。

これにより、光半導体素子８の発光（但し、光半導体素子８が発光素子の場合）に際して、外部電極端子２及び金属リード９のいずれか一方又は両方を外部電極として電圧を印加することができる。

なお、金属リード９は必ずしも略直線状に形成する必要はなく、上述の実施形態にあるように、コイル状に迂曲形成してもよい。

このような構成の光半導体装置１５の製造方法は、図９（ａ）の光半導体素子モジュール１２の準備工程において、金属リード９が取り付けられたサブマウント７の凹部６底面に光半導体素子８を載置して該光半導体素子８の電極と金属リード９をボンディングワイヤ１０を介して電気的に接続し、（ｂ）の封体１３の準備工程において、本体部１と外部電極端子２をフリット３により溶着し、（ｃ）の光半導体素子モジュール１２の収容・封止工程において、上記（ｂ）の工程を経て準備された封体１３の内部に、同じく（ａ）の工程を経て準備された光半導体素子モジュール１２を挿入して収容すると共に、外部電極端子２の開口端部近傍内に、金属リード挿通孔１６が設けられた金属ディスク４を金属リード挿通孔１６に金属リード９を挿通した状態で配置し、不活性ガス１４雰囲気中で外部電極端子２と金属ディスク４のカシメ封止及び金属ディスク４と金属リード９の気密封止を行うものである。

なお、上記いずれの実施形態においても、本体部１を形成する透光性セラミックをサファイアに替えてもよい。また、本体部１の中心軸に垂直な方向の断面形状は、上述した略矩形環状あるいは略円形環状の他に略楕円環状あるいは略台形環状、又はそれらの複合環状が可能である。また、光半導体装置の小型化のみを目的とする場合は、本体部１を形成する透光性セラミックをガラスに替えることも可能である。

以上説明したように、本発明の光半導体装置は、筒状セラミック本体部内に光半導体素子を載置したサブマウントを接触配置した。それにより、光半導体素子の発光時の発熱がサブマウントを介して熱伝導により本体部に伝熱されると共に熱放射によっても本体部に伝熱され、本体部から外部に放散されて光半導体素子の温度上昇が抑制される。

また、生産性を考慮したシンプルな構成とすることにより容易に小型化が可能となる。そのため、熱伝導性のよくない気密空間の容積を小さくすることにより放熱効果を妨げる要因が低減して光半導体素子の温度上昇の抑制が可能となる。

また、製造工程において、外部電極端子と金属ディスクのカシメ封止の部位が、光半導体素子が載置されたサブマウントから離れた位置にあるため、カシメ封止時の溶着熱は光半導体素子の特性劣化を生じさせることはない。そのため、レーザによる簡易で廉価なカシメ封止が可能となる。

本発明の光半導体装置に係る実施形態の概略上面図である。 同じく、本発明の光半導体装置に係る実施形態の概略側面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の光半導体装置に係る実施形態の実装説明図である。 本発明の光半導体装置に係る実施形態の製造方法を示す工程図である。 本発明の光半導体装置に係る他の実施形態の概略上面図である。 図７のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の光半導体装置に係る他の実施形態の製造方法を示す工程図である。 従来例の半導体装置の説明図である。

符号の説明

１ 本体部
２ 外部電極端子
３ フリット
４ 金属ディスク
５ 気密空間
６ 凹部
７ サブマウント
８ 光半導体素子
９ 金属リード
１０ ボンディングワイヤ
１１ 放熱部材
１２ 光半導体素子モジュール
１３ 封体
１４ 不活性ガス
１５ 光半導体装置
１６ 金属リード挿通孔

Claims (9)

1. 透光性部材からなる筒状の本体部と、前記本体部の両端に一方の端部が接合された一対の筒状の外部電極端子と、前記一対の外部電極端子の夫々の他方の端部近傍内に位置して前記外部電極端子に接合された金属ディスクとにより気密空間が形成され、前記気密空間内に熱伝導性が良好なサブマウント、前記サブマウントに載置された光半導体素子、前記サブマウントに取り付けられた一対の金属リード及び不活性ガスが配置され、前記一対の金属リードの夫々の一方の端部が前記金属ディスクに接合されると共に夫々の他方の端部が前記光半導体素子の電極に電気的に接続されていることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記一対の金属リードの少なくとも一方は、前記サブマウントと前記金属ディスクの間で略直線状に形成又はコイル状に迂曲形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記透光性部材は、アルミナからなるセラミック、サファイア及びガラスのうちの何れか１つの材料からなることを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の光半導体装置。
4. 前記サブマウントはセラミックベースからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光半導体装置。
5. 前記外部電極端子はニオブからなることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光半導体装置。
6. 透光性部材からなる筒状の本体部の両端に筒状の外部電極端子を接合して封体を形成する工程と、
   金属リードが取り付けられたサブマウントに光半導体素子を載置して前記光半導体素子の電極と前記金属リードの一方の端部を電気的に接続し、前記金属リードの他方の端部に金属ディスクを接合して光半導体素子モジュールを形成する工程と、
   前記封体内に前記光半導体素子モジュールを挿入・収容して不活性ガス中で前記外部電極端子と前記金属ディスクを接合封止する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
7. 前記本体部と前記外部電極端子との接合はフリットによる溶着によるものであることを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置の製造方法。
8. 前記金属リードと前記金属ディスクの接合はラッシュバット溶接によるものであることを特徴とする請求項６又は７の何れか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
9. 前記外部電極端子と前記金属ディスクの接合封止はカシメ封止によるものであることを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の光半導体装置の製造方法。

Images