JP6166617B2 - 光半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窓材にリン酸塩系のガラスを用いた中空構造の光半導体装置の製造方法に関する。

近年、光学センサを搭載する機器が増えている。携帯電話やスマートホンなどの小型携帯機器にとどまらず、いわゆる生活家電である薄型テレビジョン、冷蔵庫、エアコンディショナー、照明器具などにもエコの観点から光学センサを搭載している。これらは具体的には人体の接近を検知する近接センサ、外界の明るさを検知して家人の不在を推定する照度センサ、同じく外界の明るさを検知してバックライトや照明の発光量を調節する照度センサなどである。

この理由には、薄型テレビや、屋内家電、屋内外照明機器では、年々性能が高まることに加えて省エネ率が開発課題とされており、照度の細かなコントロール機能を設けたものが多くを占めるようになった。これら携帯端末や薄型テレビ、屋内家電、屋内外照明機器に使用する電子部品は、多機能化や携帯性の追求に伴い、より小型、薄型、省電力、低コストが常に求められるようになった。その結果、樹脂モールドパッケージの採用が多く見受けられるようになっている。背景には部品や材料の共通化が挙げられる。低消費電力を担う搭載電子部品の一つである光学センサも例外ではなく、他の電子部品と同様に、樹脂モールドパッケージによる小型、薄型、低コストとするものが多い。

図１２は、樹脂モールドしたリードフレーム基板２の上に光半導体素子３を実装した光半導体用パッケージが開示されている例である（たとえば、特許文献１参照）。中空構造の部分に光半導体素子３を実装して光を透過するガラス１９で密閉している。

照度センサの用途には光半導体素子３としてシリコンフォトダイオードを使う例がある。シリコンフォトダイオードは赤外線領域まで受光感度を有する。この感度の波長域を人間の視感度に合わせるために赤外線カットフィルタを実装する例が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。

また、光半導体として固体撮像素子を収納する樹脂パッケージでガラスリッドをエポキシ樹脂接着剤で密封接着する例が開示されている（たとえば特許文献３の７頁および図１）。

赤外線カットフィルタには一般に銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラスや表面に多層膜を形成した干渉フィルタガラスが使われる。リン酸塩ガラスは干渉フィルタガラスに比して耐湿性に劣るが入射光角度が変わっても分光特性が変わらないという特徴がある。干渉フィルタガラスはリン酸塩系ガラスに比して耐湿性は良好であるが入射光角度が変わると入射光の透過する干渉膜の光路長が変わるため分光特性が変化するという特徴がある。

特開２００５−１９１４９８号公報（図２） 特開２０１１−０６０７８８号公報（５頁および図１） 特開平１０−３２６８４５号公報（７頁および図１）

中空構造の光半導体装置にリン酸塩系ガラスを窓材として使おうとした場合に耐湿性が問題であった。中空構造ではリードフレーム基板のモールド部と窓材との接着部が窓材周囲の額縁部分しかとれず接着面積が小さかった。また固体撮像素子と組み合わせる窓材は撮像する像のゆがみを避けるために、表面を精密研磨やポリッシュすることで平滑にしている。接着面積が小さく表面が平滑なため高温多湿環境を経ると接着強度が不足し窓材が剥離しやすい傾向があった。

上記課題を解決するために、以下の手段を用いた。
中空構造の光半導体装置において、光半導体装置の上面に接着するリン酸塩系ガラス窓材の表面に二酸化珪素（ＳｉＯ₂）もしくは三酸化二アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）などの酸化膜薄膜を成膜した。また、リードフレーム基板に接着剤を使って窓材を接着するリン酸塩系ガラスの窓材額縁部分の表面を粗化し、接着剤と窓材が接する表面積を増やした。

具体的には、１）リン酸塩系ガラス窓材の全面に酸化膜薄膜を成膜する。２）成膜した酸化膜の上にフォトレジストを成膜する。３）フォト工程で粗化したい部分のパターンを露光現像し、粗化したい部分をむき出しにする。４）アルカリ系溶液で窓材のリン酸塩ガラスを弱くエッチングし表面を粗化する。５）下側樹脂ケースに接着剤を塗布し窓材を貼り付ける。６）接着剤を加熱し硬化する、の工程でリン酸塩系ガラスの表面に保護膜を形成し、かつ接着する部分の表面粗化処理を行うことができる。

また表面を粗化する別の工程では、１）リン酸塩系ガラス窓材の全面に酸化膜薄膜を成膜する。２）成膜した酸化膜の上に表面粗化したい部分を抜いたメタルマスクを被せる。３）メタルマスクの上からサンドブラスト処理を行い、メタルマスクを抜いた部分の表面を粗化する、の工程で同様な処理を行うことができる。

以上に示した構成とすることで高温多湿環境を経てもリードフレーム基板と窓材との間に十分な接着強度が得られ、中空構造の光半導体装置の耐湿信頼性が向上するようになった。

本発明の中空構造の光半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の光半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。 本発明の光半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。 本発明の光半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。 シリコン半導体の分光感度の一例を示す図である。 人間の視感度（明視野）を示す図である。 リン酸塩系ガラスの分光透過率の一例を示す図である。 本発明の光半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。 サンドブラスト用メタル版の一例を模式的に示す図である。 サンドブラスト用メタル版の別の一例を模式的に示す図である。 サンドブラスト後のリン酸塩系ガラスの一例を模式的に示す図である。 従来公知の中空構造の光半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。

本発明の光半導体装置は、赤外線カットフィルタ機能を有するリン酸塩系ガラスの窓材と、樹脂モールドによって中空部を形成した樹脂モールドリードフレーム基板と、前記中空部の下に位置する実装面に実装した光半導体素子とから構成される。図１に本発明の中空部を有する中空構造の光半導体装置の断面構成を模式的に示す。

赤外線カットフィルタ機能を有するリン酸塩系ガラスの窓材の表面には耐湿性向上のために二酸化珪素（ＳｉＯ₂）もしくは三酸化二アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の薄膜が成膜してある。前記窓材と光半導体素子を実装した樹脂モールドリードフレーム基板を接着剤で接着する。窓材側の接着部表面は接着信頼性向上のために粗化してある。
以下では本発明の中空構造の半導体装置の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例の半導体装置の断面を示す模式図である。中空部を有する樹脂モールドしたリードフレーム基板２の一部である、中空部の下に位置する実装面に光半導体素子３が金線４でワイヤボンド実装してある。赤外線カットフィルタ機能を有するリン酸塩系ガラス窓材１は、表面の粗化部５において樹脂モールドしたリードフレーム基板２に接着してある。

該光半導体装置の製造方法について説明する。図２にリン酸塩系ガラスブロック６からリン酸塩系ガラス窓材１を得る工程について示す。図２（２）および（３）に示すように、リン酸塩系ガラスブロック６をワイヤソー７で所望の板厚より若干厚い薄板８にスライスし、個片化する。図２（４）および（５）に示すように、薄板８に加工したリン酸塩系ガラスの矢印で指し示す両表面を研磨・ポリッシュして滑らかにする。図２（６）に示すように、表面を滑らかにしたリン酸塩系ガラスの該表面に、耐候性を向上させ、かつフィルタガラス表面での光反射による光の損失を減らす目的で二酸化珪素もしくは三酸化二アルミニウムの薄膜９をスパッタ法やＥＢ蒸着法で成膜する。これで所望の厚みの表面保護膜付きリン酸塩系ガラス１０が得られる。

図３はリン酸塩系ガラスの表面の一部を粗化する工程を示す模式図である。図３（２）に示すように、表面に薄膜（図示しない）を成膜した表面保護膜付きリン酸塩系ガラス１０にエッチングレジスト１１を塗布する。エッチングレジスト１１の塗布方法にはロールコーター、スピンナーによる液体レジスト塗布や、ドライフィルム貼付などがある。図３（３）に示すように、エッチングレジスト１１をパターニングして、後に接着剤と接する面を剥き出しにする。図３（４）に示すように、ガラス表面の二酸化珪素もしくは三酸化二アルミニウムの薄膜をエッチング後、アルカリ系の薬剤でリン酸塩系ガラスの表面をエッチングして粗化部５形成する。図３（５）に示すように、エッチングレジストを剥離し、ダイシングやスクライブ・ブレイクの手段により切断線１３で個片に分断して光半導体装置に貼り付ける単個の赤外線カットフィルタ機能を有するリン酸塩系ガラス窓材１を得る。

図４は中空構造の光半導体装置を製造する工程を示す。図４（１）は、樹脂モールドしたリードフレーム基板２からなる中空パッケージである。中空部の周囲を形成している内壁は、実装面である底面とともに樹脂によって形成され、中空部に露出するリードは樹脂の中を通り、樹脂外に露出して外部端子となる。

図４（２）および（３）に示すように、樹脂モールドしたリードフレーム基板２のリードに光半導体素子３を金線４にてワイヤボンド実装する。光半導体素子の例としては、ＣＣＤ方式やＣＭＯＳ方式の撮像素子、シリコンフォトダイオード素子などがある。シリコン半導体を使った光学センサ素子の分光感度は、人間の視感度と異なり可視光領域から赤外線領域まで拡がっている。

図５にシリコン光半導体の分光感度の一例を示す。図６に人間の明視野視感度を示す。図７にシリコン半導体の分光感度を視感度に補正するためのリン酸塩系ガラスの分光透過率の一例を示す。これらのグラフからシリコン半導体を使った光学センサ素子の分光感度は赤外線領域まで拡がっていること、およびリン酸塩系ガラスの分光透過率が人間の明視野視感度と非常に似た形状を有していることが分かる。

図４（４）に示すように、光半導体素子３を実装したリードフレーム基板２の上面に粗化部５を有するリン酸塩系ガラス窓材１の粗化部５をエポキシ系接着剤１５で接着するので、前記粗化部と前記リードフレーム基板との接着部との間に熱硬化型エポキシ樹脂の層が形成される。リン酸塩系ガラス窓材１が図７の分光透過率のグラフで示すように紫外線を透過させないので、エポキシ系接着剤１５には紫外線硬化型エポキシ接着剤ではなく熱硬化型エポキシ接着剤を用いる。なお、ここでは接着剤１５として熱硬化型エポキシ系接着剤を選定したが、良好な接着力を得られるのであればアクリル系接着剤やシリコン系接着剤を用いても良い。以上の工程でリン酸塩系ガラス窓材を用いた中空構造の光半導体装置が得られる。

図８は本発明の光半導体装置の別の製造方法を示す模式図である。ここでは粗化部を形成する手段として実施例１のエッチング法の代わりにサンドブラスト法を用いる例を説明する。

実施例１と同様の工程により所望の厚みを有する表面保護膜付きリン酸塩系ガラス１０を準備する。図８（２）に示すように表面保護膜付きリン酸塩系ガラス１０の上にメタルマスク１６を密着させる。メタルマスク１６には空隙１７がある。図８（３）に示すように、メタルマスクの空隙１７の部分のリン酸塩系ガラス１０の表面にサンドブラスト法によって粗化部５を形成する。

ここで粗化部５を額縁領域だけにする目的で、図９に示すような空隙１７が孤立して配置された第一のメタルマスクと、図１０に示すような第一のメタルマスクの空隙配置とは異なる空隙配置をした第二のメタルマスクとを交換してサンドブラストを複数回繰り返す。このように加工することで、図１１に示すような空隙１７が孤立することなく格子状に粗化部５が配置された粗化後のリン酸塩系ガラス１８が得られる。

図８（４）および（５）及び図１１に示すように切断線１３で分離することで個片化されたリン酸塩系ガラス窓材１が得られる。以降実施例１と同様の工程で窓材にリン酸塩系ガラスを用いた中空構造の光半導体装置が得られる。この後に実施例１と同様の工程で加工を行うことでリン酸塩系ガラス窓材を用いた中空構造の光半導体装置が得られる。

リン酸塩系ガラスによる赤外線カットフィルタ機能を有する窓材を使った中空構造の半導体装置が高信頼性に提供できるので、屋内や屋外用途、さらには過酷な環境への使用にまで配慮した携帯端末や照明器具をはじめとする様々な光学センサ装置搭載機器への供給に寄与することができる。

１ リン酸塩系ガラス窓材
２ リードフレーム基板
３ 光半導体素子
４ 金線
５ 粗化部
６ リン酸塩ガラスブロック
７ ワイヤソー
８ ガラスの薄板
９ 二酸化珪素もしくは三酸化二アルミニウムの薄膜
１０ 表面保護膜付きリン酸塩系ガラス
１１ エッチングレジスト
１３ 切断線
１５ 接着剤
１６ メタル版
１７ 空隙
１８ 粗化後のリン酸塩系ガラス
１９ ガラス

Claims (2)

1. リン酸塩系のガラス基板の表面に二酸化ケイ素もしくは三酸化二アルミニウムの薄膜を形成する工程と、
   マスクで前記ガラス基板をマスキングした後に前記ガラス基板をサンドブラストして前記ガラス基板の表面の一部に粗化部を形成する粗化処理工程と、
   樹脂モールドしたリードフレーム基板に光半導体素子を実装する工程と、
   前記ガラス基板を前記粗化部において前記樹脂モールドしたリードフレーム基板に接着する工程と、
   を有し、
   前記粗化処理工程は、マスクの空隙形状が異なる２個以上のマスクを交換して、サンドブラスト処理を２回以上繰り返す工程であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
2. 前記粗化部で切断して個片のガラス基板に分割する工程を有することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置の製造方法。

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