JP5770674B2 - 光学半導体装置用基板及びその製造方法、並びに光学半導体装置 - Google Patents
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Description
特に、大量の熱を発生する高出力の光学半導体装置において、高放熱性であると同時に、長時間にわたって高反射率を保持する基板を用いることが重要である。
このようなものであれば、放熱性により優れたものとなる。また、金属層により他の基板と接続できるものとなる。
繊維強化材がガラス繊維であれば、更に、良好な耐紫外線性および耐熱性を示す基板となり、繊維強化材とシリコーン樹脂組成物との良好な接着も確保される。さらに、ガラス繊維は、安価で扱いやすい材料であるため、コスト面からも有利である。
このようなものであれば、所望の厚さを有する、より機械的安定性に優れたものとなる。
このようなものであれば、機械的特性、耐熱性、耐変色性に優れ、表面のタックの少ない光学半導体装置用基板となる。
このように、リフレクター構造を有するものであれば高光束なものとなり、封止材ダム構造を有するものであれば封止材の形状を維持できる高品質なものとなる。
このようなものであれば、機械的安定性が高く、かつ高耐久性、高放熱性なものとなる。
このようにすれば、所望の深さを有する素子搭載用凹部を容易に形成できる。
このようにすれば、素子搭載用凹部を形成する工程の工程時間を低減できる。
このようにすれば、放熱性により優れた光学半導体装置用基板を製造できる。この製造した光学半導体装置用基板では、金属層により他の基板と接続できる。
このような製造方法であれば、リフレクター構造を形成して高光束な光学半導体装置用基板を製造でき、又は封止材ダム構造を形成して封止材の形状を維持できる高品質な光学半導体装置用基板を製造できる。
従来より、機械的安定性が高く、かつ高耐久性、高放熱性の光学半導体装置を実現できる光学半導体装置用基板が望まれていた。
本発明者等は、このような課題を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、繊維強化材にシリコーン樹脂組成物を含浸させ硬化させた樹脂層を有する基台を用いることにより機械的安定性、高耐久性が達成され、光学半導体素子の搭載領域として基台に素子搭載用凹部を形成し、その素子搭載用凹部の内面にメッキを形成することにより高放熱性が達成されることを見出し、本発明を完成させた。
〔基台〕
図1(A)に、本発明の光学半導体装置用基板10の上面図を示し、図1(B)に、図1(A)におけるAA線に沿った断面図を示す。基台1は、3層の繊維強化材2にシリコーン樹脂組成物を含浸させ硬化させた樹脂層1aの表面(下面)に金属層1bが接合されたものである。このように、従来のエポキシ基板(FR−4など)と比較して耐熱性の高いシリコーン樹脂を主体とした樹脂層1aを有する基台とすることで、耐熱性が高く長期環境試験(高温高湿試験等)において基台の黄変も無く、長時間にわたり高反射率を保持する耐久性に優れた光学半導体装置用基板となる。その上、このような基板は機械的安定性が高く、かつ可撓性に優れ、取り扱いが容易である。
このようなものであれば、所望の厚さを有する、より機械的安定性に優れたものとなる。
高出力ダイオード(光出力が高く、したがって大量の廃熱も発生させるもの)の場合や、温度が上昇する環境(例:自動車のエンジン付近のヘッドライト)において光学半導体装置用基板を使用する場合には耐熱性に関して厳しい要件が求められる。本発明の光学半導体装置用基板であれば、これらの要求にも応えることができる。
このようなものであれば、光学半導体素子から発生する熱を素子搭載用凹部4の内面に形成されたメッキ5から効率良く外部に排出することができ、高放熱性を有する光学半導体装置用基板となる。
金属層1b及びメッキ5は、特に制限されないが、銅、ニッケル、金、パラジウム、銀、又はこれらの合金によって形成できる。或いは、これらを無機質充填材(透明導電性酸化物(略してTCO)としても知られている)などの透明な導電性材料から形成することも可能である。
シリコーン樹脂は、耐熱性が高く、高耐久性であり、誘電率も低いことにより低ノイズ性であるため、基台1の樹脂層1aの構成材料に極めて適している。シリコーン樹脂組成物としては、特に制限されないが、硬化性のシリコーン樹脂組成物であって、付加硬化型や縮合硬化型のシリコーン樹脂組成物が望ましい。このようなシリコーン樹脂組成物であれば、従来の成型装置でも容易に成型可能であり、機械的特性に優れ、表面のタックが少ない基台を容易に得ることができる。ひいては、機械的特性、耐熱性、耐変色性に優れ、表面のタックが少ない光学半導体装置用基板を容易に得ることができる。
繊維強化材としては、炭素繊維、ガラス繊維、石英ガラス繊維、金属繊維などの無機繊維、芳香族ポリアミド繊維、ポリイミド繊維、ポリアミドイミド繊維などの有機繊維、さらには炭化ケイ素繊維、炭化チタン繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維など、製品特性に応じていかなるものも使用することができる。好ましい繊維としてはガラス繊維、石英繊維、炭素繊維などである。中でも絶縁性の高いガラス繊維や石英ガラス繊維が特に好ましい。他の観点からは、繊維強化材としては、シリコーン樹脂組成物への良好な接着性と高い機械的負荷能力とを示す材料が特に好ましい。また、繊維強化材は、少なくともシリコーン樹脂組成物と同程度の耐熱性と、低い熱膨張係数とを有することが好ましい。
また、繊維強化材はシリコーン樹脂により完全に囲まれたものとすることができる。このようなものであれば、繊維強化材がシリコーン樹脂により保護されて金属又は金属イオンが繊維に達しないため、例えば金属イオンが繊維に沿って移動することを防ぐことができる。
図1(A)(B)に示すように、本発明の光学半導体装置用基板10は、基台1の上面に、光学半導体素子と電気的に接続される少なくとも2つの電気的接続部3を有する。それぞれの電気的接続部3は金ワイヤー等を介して光学半導体素子に接続するように設計することができる。或いは、フリップチップ実装方式で光学半導体素子に接続するように設計することもできる。
電気的接続部3は、図1(B)に示すように、基台1の樹脂層1a側に形成された少なくとも樹脂層1aを厚さ方向に貫通した電気的接続部用凹部6の内面にメッキによって形成され、金属層1bと電気的に接続したものであることが好ましい。
電気的接続部3の材質は、上記した素子搭載用凹部4内面のメッキ5と同様なものとすることができる。
例えば、電気的接続部3において、基台1に最も近い位置にある第1の層を銅層とすることが好ましい。第1の層の厚さは、好ましくは8μm以上500μm未満である。更に第1の層上に、ニッケル、パラジウム、金、銀のうちの少なくとも1つの第2の金属層を形成することができる。これらの層の厚さは、25μm未満が好ましく、5μm未満が特に好ましく、2μm未満が最も好ましい。特にニッケル−金の層を銅層上に形成する場合は500nm未満であることが好ましい。このような第2の層は、費用効果が高く、簡単な工程で形成することができ、さらには効果的に構造化することができる。
図6(A)に示すように、本発明の光学半導体装置用基板20は、基台上に熱硬化性樹脂のリフレクター構造7を有するものとすることができる。リフレクター構造7を有するものであれば高光束なものとなる。リフレクター構造7は光学半導体素子を囲繞し、光学半導体素子からの光を反射する構造であれば特に限定されない。或いは、図6(B)に示す本発明の光学半導体装置用基板30のように、封止材ダム構造8を有するものであっても良い。封止材ダム構造8は光学半導体素子の搭載領域の周囲に形成され、光学半導体素子の封止時に封止材の流れを止め、封止材の形状を維持するためのものである。
[樹脂層作製工程]
樹脂層作製工程では、繊維強化材にシリコーン樹脂組成物を含浸させ硬化させて樹脂層1aを作製する(図4のA)。樹脂層1aはプリプレグを少なくとも1層以上用いて硬化させて作製することが好ましい。プリプレグは溶剤法又はホットメルト法によって製造できる。シリコーン樹脂組成物、繊維強化材としては、上記光学半導体装置用基板で記載したものと同様のものを用いることができる。
より具体的には、シリコーン樹脂組成物の溶液または分散液に、ガラスクロスを含浸させ、好ましくは50〜150℃、より好ましくは60〜120℃の乾燥炉中で溶剤を除去することにより、シリコーンプリプレグを得ることができる。
このようにして製造したプリプレグを用いて樹脂層1aを作製する。この際、絶縁層の厚みに応じた枚数のプリプレグを重ね、加圧加熱して樹脂層1aとすることができる。
金属層形成工程では、樹脂層1aの表面に金属層1bを接合して基台1を作製する(図4のB)。この工程は例えば以下のようにして実施できる。
樹脂層1aの下面に8〜500μmの金属箔を重ねて、5〜50MPaの圧力、70〜180℃の温度の範囲で真空プレス機等を用いて加圧加熱することによって金属層1bを接合する。この場合の金属箔としては特に限定されないが、銅、ニッケル、金、パラジウム、又は銀などを用いることができ、電気的、経済的な面から銅箔が好ましく用いられる。
素子搭載用凹部形成工程では、上記で作製した基台1に素子搭載用凹部4を形成する(図4のC)。この際、素子搭載用凹部4は少なくとも樹脂層1aを厚さ方向に貫通するように形成する。素子搭載用凹部4の深さは特に限定されず、金属層1bの内部、例えば金属層1bの表面から数十μm以上の深さに到達するように形成しても良い。素子搭載用凹部4はダイパット又はワイヤーボンドパッドの面積の15%〜100%を占めていることが好ましい。素子搭載用凹部4は、例えば、ルータ等によって形成することができる。この際、必要に応じて電気的接続部用凹部6も形成することができる。
メッキ形成工程では、素子搭載用凹部4の内面にメッキ5を形成する(図4のD)。上記したように、電気的接続部3を電気的接続部用凹部6の内面にメッキによって形成する場合には、図4のDに示すように、素子搭載用凹部4の内面、電気的接続部用凹部6の内面、基台1の表面全てにメッキを形成し、後工程でこのメッキを電気的接続部3に形成するパターニング処理を行うようにしても良い。このようにすれば、メッキ形成工程及び後述する電気的接続部形成工程を容易に行うことができる。
電気的接続部形成工程では、上記工程で形成したメッキを、光学半導体素子と電気的に接続される少なくとも2つの電気的接続部3に形成する(図4のE)。例えば、メッキをサブトラクト法や穴あけ加工などの通常用いられる方法により加工したり、エッチング処理することで電気的接続部3を有する基板(印刷配線板)を得ることができる。
電気的接続部用凹部6又は素子搭載用凹部4の内面に形成するメッキの上端が基台の表面より高くなるように形成することでリフレクター構造、封止材ダム構造を形成することもできる。
上記工程を経て、本発明の光学半導体装置用基板が製造される。
上記した方法では、光学半導体素子を収容して搭載するための素子搭載用凹部を形成する工程において、樹脂層の表面に金属層を接合した後の基台に素子搭載用凹部を形成したが、これに限定されず、金属層を接合する前の樹脂層に素子搭載用凹部に対応する貫通孔を形成し、その後、樹脂層と金属層とを接合しても良い。素子搭載用凹部形成工程において複数の凹部を形成する場合にはルータ等の装置にて律速されてしまうが、このような方法で素子搭載用凹部形成工程を行うことで工程時間を低減できる。この場合、樹脂層の貫通孔をカット金型による打ち抜きにより形成することができる。
図5の(A)では、素子搭載用凹部4の内面にメッキ5が形成され、メッキ5上の凹形状部内に光学半導体素子が収容され搭載される。また、電気的接続部用凹部6の内面に形成されたメッキから電気的接続部3が形成されている。
図5の(B)では、金属層形成工程後に基台上面に8〜500μmの金属箔13を重ねて、金属層形成工程と同様に5〜50MPaの圧力、70〜180℃の温度の範囲で真空プレス機等を用いて加圧加熱する工程を実施し、その後、素子搭載用凹部形成工程以降の工程を実施して得られた基板を示している。
図5の(D)では、金属層を接合する前の樹脂層に素子搭載用凹部4に対応する貫通孔を形成し、その後、樹脂層と金属層とを接合して得られた基板である。この基板では、素子搭載用凹部4の下端の位置は樹脂層の下端と同一となる。
図7に示すように、本発明の光学半導体装置11は、上記本発明の光学半導体装置用基板10の素子搭載用凹部4に光学半導体素子12を収容、搭載、封止して製造されたものである。本発明の光学半導体装置11は、本発明の光学半導体装置用基板を用いたものであるので、機械的安定性が高く、かつ高耐久性、高放熱性なものとなる。図7では、フェイスアップ型の光学半導体装置を示しているが、フリップチップ型の光学半導体装置であってもよく、この場合も同様に、機械的安定性が高く、かつ高耐久性、高放熱性のものとなる。
図8(A)に示すように、本発明の光学半導体装置21は、基台上に熱硬化性樹脂のリフレクター構造7を有するものである。リフレクター構造7を有するものであれば高光束なものとなる。リフレクター構造7は光学半導体素子を囲繞し、光学半導体素子からの光を反射する構造であれば特に限定されない。或いは、図8(B)に示すように、封止材ダム構造8を有するものであっても良い。封止材ダム構造8は光学半導体素子の搭載領域の周囲に形成され、光学半導体素子の封止時に封止材の流れを止め、封止材の形状を維持できる。このように、基台の表面に熱硬化性樹脂によるリフレクター構造もしくは封止材ダム構造を形成することで、より耐久性が向上した高機能の光学半導体装置31となる。
R1 aSi(OR2)b(OH)c O(4−a−b−c)/2 (1)
(式中、R1は同一又は異種の炭素数1〜20の有機基、R2は同一又は異種の炭素数1〜4の有機基を示し、0.8≦a≦1.5、0≦b≦0.3、0.001≦c≦0.5、0.801≦a+b+c<2を満たす数である。)
このほかに付加硬化型シリコーン樹脂組成物も使用できる。
上記3)のシリコーン樹脂とエポキシ樹脂のハイブリット樹脂としては、エポキシ樹脂とシリコーン樹脂からなる共重合体などが挙げられる。
無機質充填材として酸化チタンを含むフェニル系シリコーン樹脂組成物をガラス繊維に含浸させた1枚当り70μmのシートを2層積層し、下面に200μmの銅層(金属層)を熱圧着させて基台を作製した。そして、ルータにより素子搭載用凹部及び電気的接続部用凹部を形成し、銅層の下面板厚100μmを残した状態にした。その後、無電解メッキにて基台の上面、素子搭載用凹部及び電気的接続部用凹部の内面の全面に銅メッキを形成した。その後、エッチング処理により基台上面に2つの電気的接続部を形成し、さらにその表面にNi/Pd/Auのメッキを施した金属被覆層を形成し、本発明の光学半導体装置用基板を得た。
FR−4基板(比較例1)、AlN基板(比較例2)を基台として用いた以外は実施例1と同様にして、光学半導体装置を作製した。
その後、実施例1、比較例1〜2で作製した光学半導体装置に対して、85℃/85%の高温高湿通電試験を実施し、100h、500h、1,000h初期光束値の変動状況を確認した。その結果を表1に示す。初期光束を100%とすると実施例1の光学半導体装置は、セラミックであるAlN基板(比較例2)の光学半導体装置と同程度の光束を維持した。
リフレクター構造を成型する際に、トランスファー成型にてエポキシ樹脂(実施例2)又は、シリコーン樹脂とエポキシ樹脂のハイブリット樹脂(実施例3)を用いたこと以外は実施例1と同様にして光学半導体装置を作製した。
実施例2〜3にて作製した光学半導体装置に対し、85℃/85%の高温高湿通電試験を実施し、100h、500h、1,000h初期光束値の変動状況を確認した。その結果を表4に示す。基台の耐久性が高いため、2種類とも大きな光束の低下がなく、良好であることが分かった。
2’、2’’…繊維、 3…電気的接続部、 4…素子搭載用凹部、
5…メッキ、 6…電気的接続部用凹部、 7…リフレクター構造、
8…封止材ダム構造、 9…レジスト、 10、20、30…光学半導体装置用基板、
11、21、31…光学半導体装置、 12…光学半導体素子、 13…金属箔。
Claims (12)
- 光学半導体素子と電気的に接続される少なくとも2つの電気的接続部を有する光学半導体装置用基板であって、
繊維強化材にシリコーン樹脂組成物を含浸させ硬化させた樹脂層の表面に金属層が接合された基台を有し、該基台の前記樹脂層側に前記光学半導体素子を収容して搭載するための少なくとも前記樹脂層を厚さ方向に貫通した素子搭載用凹部が形成され、該素子搭載用凹部の内面にメッキが形成されたものであることを特徴とする光学半導体装置用基板。 - 前記電気的接続部は、前記基台の前記樹脂層側に形成された少なくとも前記樹脂層を厚さ方向に貫通した電気的接続部用凹部の内面にメッキによって形成され、前記金属層と電気的に接続したものであることを特徴とする請求項1に記載の光学半導体装置用基板。
- 前記繊維強化材は、ガラス繊維であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光学半導体装置用基板。
- 前記基台の樹脂層は、前記繊維強化材に前記シリコーン樹脂組成物を含浸させたプリプレグを少なくとも1層以上を用いて硬化させたものであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の光学半導体装置用基板。
- 前記シリコーン樹脂組成物は、縮合硬化型又は付加硬化型のシリコーン樹脂組成物であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の光学半導体装置用基板。
- 前記基台上に熱硬化性樹脂のリフレクター構造又は封止材ダム構造を有するものであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の光学半導体装置用基板。
- 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の光学半導体装置用基板に光学半導体素子を搭載した光学半導体装置。
- 光学半導体素子と電気的に接続される少なくとも2つの電気的接続部を有する光学半導体装置用基板を製造する方法であって、
繊維強化材にシリコーン樹脂組成物を含浸させ硬化させた樹脂層の表面に金属層が接合された基台の前記樹脂層側に前記光学半導体素子を収容して搭載するための少なくとも前記樹脂層を厚さ方向に貫通した素子搭載用凹部を形成する工程と、前記素子搭載用凹部の内面にメッキを形成する工程とを含むことを特徴とする光学半導体装置用基板の製造方法。 - 前記光学半導体素子を収容して搭載するための素子搭載用凹部を形成する工程において、前記樹脂層の表面に前記金属層を接合した後の前記基台に前記素子搭載用凹部を形成することを特徴とする請求項8に記載の光学半導体装置用基板の製造方法。
- 前記光学半導体素子を収容して搭載するための素子搭載用凹部を形成する工程において、前記金属層を接合する前の前記樹脂層に前記素子搭載用凹部に対応する貫通孔を形成し、その後、前記樹脂層と前記金属層とを接合することを特徴とする請求項8に記載の光学半導体装置用基板の製造方法。
- 前記基台の前記樹脂層側に少なくとも前記樹脂層を厚さ方向に貫通した電気的接続部用凹部を形成し、該電気的接続部用凹部の内面にメッキによって前記金属層と電気的に接続した前記電気的接続部を形成する工程を有することを特徴とする請求項8乃至請求項10のいずれか1項に記載の光学半導体装置用基板の製造方法。
- 前記基台上に熱硬化性樹脂のリフレクター構造又は封止材ダム構造を形成する工程を有することを特徴とする請求項8乃至請求項11のいずれか1項に記載の光学半導体装置用基板の製造方法。
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