JP6294418B2 - 光半導体装置および光半導体装置の製造方法 - Google Patents

光半導体装置および光半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光半導体装置に関し、特に、半導体光半導体素子を有する光半導体装置に関する。
近年、青色光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子が実用化されており、さらに波長の短い深紫外光を出力する発光素子の開発が進められている。深紫外光は高い殺菌能力を有することから、深紫外光の出力が可能な半導体発光素子は、医療や食品加工の現場における水銀フリーの殺菌用光源として注目されている。また、出力波長を問わず、より発光強度の高い半導体発光素子の開発が進められている。
発光素子は、外部環境から素子を保護するためのパッケージ内に収容される。例えば、発光素子が実装される基板と、その基板上に配置される蓋体とを接合することで発光素子が封止される。蓋体は、金属枠体の開口部に透光性の窓部材が嵌め込まれ、基板の外周には金属製のシールリングが設けられ、金属枠体とシールリングの間でろう材を介して取り付けされる(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−191314号公報
基板と蓋体をろう材を介して接合する際、接合性を向上させるために基板と蓋体の間でろう材に荷重をかけながら封止することが望ましい。このとき、基板と蓋体の間から押し出されたろう材の一部が発光素子の実装面に向けて流れ出してしまうと、配線間をショートさせてしまい、製造歩留まりを低下させてしまう懸念がある。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、光半導体装置の信頼性および製造歩留まりを向上させる技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光半導体装置は、上面に開口する凹部を有するパッケージ基板と、凹部に収容される光半導体素子と、凹部の開口を覆うように配置される窓部材と、パッケージ基板と窓部材の間を封止する封止構造と、を備える。窓部材は、光半導体素子に対向する内面を有するガラス板と、ガラス板の内面上に設けられる枠体とを有する。封止構造は、パッケージ基板の上面に枠状に設けられる第1金属層と、枠体の下面および内周面に設けられる第2金属層と、第1金属層と第2金属層の間に設けられる金属接合部とを有し、金属接合部の少なくとも一部が内周面上に設けられる。
この態様によると、枠体の内周面に金属層が設けられているため、パッケージ基板の上面と枠体の間で荷重をかけながら金属接合部を形成する際、下面と枠体の間から押し出される接合材が枠体の内周面に沿って上方向に延伸するようになる。その結果、押し出された接合材が基板の凹部に向けて流れ出すことを防ぎ、枠体の近傍に接合材を留めることができる。これにより、接合時の製造歩留まりを向上させるとともに、荷重を加えた接合プロセスによって信頼性の高い封止構造を実現できる。
枠体の外形寸法はパッケージ基板の外形寸法より小さく、枠体の内形寸法はパッケージ基板の凹部の内形寸法より大きい。
枠体は、下面からガラス板の内面までの高さが10μm以上200μm以下であってもよい。
光半導体素子は、深紫外光を発する発光素子であってよく、窓部材は、深紫外光の透過率が80%以上となるよう構成されてもよい。
ガラス板は、厚さが300μm以下のホウ酸塩ガラスで構成され、枠体は、コバール合金で構成され、金属接合部は、金錫(AuSn)を含んでもよい。
本発明の別の態様は、光半導体装置の製造方法である。この方法は、上面に開口する凹部を有するパッケージ基板の凹部に光半導体素子を収容するステップと、凹部の開口を覆うように窓部材を配置するステップと、パッケージ基板と窓部材の間を封止するステップと、を備える。窓部材は、光半導体素子に対向する内面を有するガラス板と、ガラス板の内面上に設けられる枠体とを有する。パッケージ基板の上面には枠状の第1金属層が設けられており、枠体の下面および内周面には第2金属層が設けられており、封止するステップは、パッケージ基板と窓部材の間で荷重を加えながら第1金属層と第2金属層の間に配置される金属接合材を加熱するステップを含む。
この態様によると、枠体の内周面に金属層が設けられているため、パッケージ基板の上面と枠体の間で荷重をかけながら金属接合材を加熱溶融させる際、下面と枠体の間から押し出される金属接合材が枠体の内周面に沿って上方向に延伸するようになる。その結果、押し出された金属接合材が基板の凹部に向けて流れ出すことを防ぎ、枠体の近傍に金属接合材を留めることができる。これにより、接合時の製造歩留まりを向上させるとともに、荷重を加えた接合プロセスによって信頼性の高い封止構造を実現することができる。
封止するステップは、金属接合材の加熱後にパッケージ基板と窓部材の間で荷重を加えながら金属接合材を冷却するステップを含んでもよい。
金属接合材は、枠体の下面に対応した枠形状を有する金錫(AuSn)の金属板であってもよい。
本発明によれば、半導体光半導体素子を有する光半導体装置の信頼性を高めることができる。
実施の形態に係る発光装置を概略的に示す断面図である。 図1の発光装置を概略的に示す上面図である。 実施の形態に係る発光装置の製造方法を示すフローチャートである。 発光装置の製造工程を概略的に示す断面図である。 比較例に係る発光装置を概略的に示す断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は必ずしも実際の装置の寸法比と一致しない。
図1は、実施の形態に係る発光装置10を概略的に示す断面図であり、図2は、図1の発光装置10を概略的に示す上面図である。発光装置10は、発光素子20と、パッケージ基板30と、窓部材40と、封止構造50とを備える。発光装置10は、光半導体素子である発光素子20を有する光半導体装置である。
発光素子20は、中心波長λが約360nm以下となる「深紫外光」を発するように構成されるLED(Light Emitting Diode)チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、発光素子20は、バンドギャップが約3.4eV以上となる窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長λが約240nm〜350nmの深紫外光を発する場合について示す。
発光素子20は、半導体積層構造22と、光出射面24と、第1素子電極26と、第2素子電極27とを有する。
半導体積層構造22は、光出射面24となる基板上に積層されるテンプレート層、n型クラッド層、活性層、p型クラッド層などを含む。発光素子20が深紫外光を出力するように構成される場合、光出射面24となる基板としてサファイア(Al)基板が用いられ、半導体積層構造22のテンプレート層として窒化アルミニウム(AlN)層が用いられる。また、半導体積層構造22のクラッド層や活性層はAlGaN系半導体材料で構成される。
第1素子電極26および第2素子電極27は、半導体積層構造22の活性層にキャリアを供給するための電極であり、それぞれがアノード電極またはカソード電極である。第1素子電極26および第2素子電極27は、光出射面24と反対側に設けられる。第1素子電極26は、基板30の第1内側電極36に取り付けられ、第2素子電極27は、基板30の第2内側電極37に取り付けられる。
パッケージ基板30は、上面31と下面32を有する矩形状の部材である。パッケージ基板30は、アルミナ(Al)や窒化アルミニウム(AlN)などを含むセラミック基板であり、いわゆる高温焼成セラミック多層基板(HTCC、High Temperature Co-fired Ceramic)である。
パッケージ基板30の上面31には、発光素子20を収容するための凹部34が設けられる。凹部34の底面には、発光素子20を取り付けるための第1内側電極36および第2内側電極37が設けられる。パッケージ基板30の下面32には、発光装置10を外部基板などに実装するための第1外側電極38および第2外側電極39が設けられる。
窓部材40は、凹部34の開口を覆うように設けられる保護部材である。発光素子20が発する紫外光は、窓部材40を介して窓部材40の外面43からパッケージの外部へと出力される。窓部材40は、ガラス板42と、枠体46とを有する。
ガラス板42は、矩形状を有し、四隅がR面取りされている。ガラス板42は、深紫外光の透過率が高く、枠体46と熱膨張係数が近似した材料で構成されることが好ましい。枠体46は、例えばホウ珪酸ガラスなどのホウ酸塩ガラスで構成される。ガラス板42は、発光素子20が発する深紫外光の透過率が80%以上、好ましくは85%以上となるように薄く形成される。ガラス板42の厚さtは、例えば300μm以下であり、150−200μm程度であることが好ましい。ガラス板42は、深紫外光の透過率が高い石英ガラスで構成されてもよい。
枠体46は、いわゆるシールリングであり、矩形枠状に形成され、四隅がR面取りされている。枠体46は、ガラス板42と同じ外形寸法を有し、パッケージ基板30の凹部34よりも大きい内形寸法を有する。枠体46は、ガラス板42の内面44上に設けられ、ガラス板42の外周に沿って取り付けられる。枠体46は、ガラス板42と熱膨張係数が近似した材料であることが好ましく、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金であるコバール合金で構成されることが望ましい。
枠体46は、下面46aと、内周面46bと、外周面46cと、上面46dとを有する。下面46aは、パッケージ基板30の上面31と対向する。内周面46bは、下面46aとガラス板42の内面44の間に位置し、パッケージの内側に露出する側面である。外周面46cは、パッケージの外側に露出する側面である。上面46dは、ガラス板42の内面44と接合されている。
枠体46は、凹部34の開口から広配光角で出力される発光素子20の出力光を遮らないようにある程度薄く形成されることが好ましい。一方で、枠体46の内周面46bの高さを確保するためにある程度厚く形成されることが好ましい。枠体46の厚さtは、例えば20−200μm程度であり、好ましくは50−150μm程度である。
封止構造50は、第1金属層51と、第2金属層52と、金属接合部53とを有する。
第1金属層51は、パッケージ基板30の上面31に枠状に設けられる。第1金属層51は、矩形のパッケージ基板30に対応した矩形枠形状を有し、四隅がR面取りされている。第1金属層51は、例えばセラミック基板へのメタライズ処理により形成される。第1金属層51は、タングステン(W)やモリブデン(Mo)等を含む基材にニッケル(Ni)や金(Au)等がメッキされて形成され、例えば、W/Ni/Auの積層構造を有する。第1金属層51は、金属接合部53と接合される。
第2金属層52は、枠体46の少なくとも下面46aおよび内周面46bに設けられる。第2金属層52は、図示されるように外周面46cに設けられてもよい。第2金属層52は、例えば、枠体46をガラス板42に取り付けた後にめっき処理を施すことにより形成される。第2金属層52は、枠体46の表面上にニッケル(Ni)、金(Au)が順に積層される多層膜であってもよい。第2金属層52は、金属接合部53と接合される。
金属接合部53は、第1金属層51と第2金属層52の間に設けられ、パッケージの外周部においてパッケージ基板30と窓部材40の間を接合して封止する。金属接合部53は、第1金属層51と第2金属層52の間を充填するとともに、その一部が枠体46の内周面46b上に設けられる。金属接合部53は、枠体46の内周面46bに沿ってフィレットを形成するように設けられる。
金属接合部53は、低融点の金属材料で構成され、例えば金錫(AuSn)や銀錫(AgSn)の合金を含む。金属接合部53は、溶融状態において第1金属層51と第2金属層52の間に広がって共晶接合を形成する。金属接合部53は、高い封止信頼性を有するとともに溶融温度が300℃以下の低温となるように、錫(Sn)の含有量が20%wt〜24%wtの金錫で構成されることが好ましい。
図2は、パッケージ基板30および窓部材40の寸法を概略的に示す。図示されるように、窓部材40(枠体46)の外形寸法w20は、パッケージ基板30の外形寸法w10より小さい。第1金属層51の外形寸法w11は、枠体46の外形寸法w20より小さく、第1金属層51の内形寸法w12は、枠体46の内形寸法w22より小さい。
ある実施例において、パッケージ基板30の外形寸法w10は3.5mmであり、第1金属層51の外形寸法w11は3.2mmであり、第1金属層51の内形寸法w12は2.3mmであり、第1金属層51の幅w13は0.45mmである。また、窓部材40の外形寸法w20は3.4mmであり、枠体46の内形寸法w22は2.8mmであり、枠体46の幅w23は0.3mmである。また、ガラス板42の厚さtは170μmであり、枠体46の厚さt2は150μmである。この実施例において、第1金属層51と枠体46の内形寸法差は0.5mmであり、第1金属層51の内形(凹部34の外周)と枠体46の内周面46bの間の幅wは250μmである。したがって、第1金属層51の領域上で枠体46が重畳していない範囲の幅wは、枠体46の厚さtより大きい。
つづいて、発光装置10の製造方法について説明する。
図3は、実施の形態に係る発光装置10の製造方法を示すフローチャートである。パッケージ基板30の凹部34に発光素子20を収容し(S10)、凹部34の開口を覆うように窓部材40を配置し、パッケージ基板30の上面31と枠体46の下面46aの間に金属接合材56(後述の図4参照)が配置されるようにする(S12)。つづいて、パッケージ基板30と窓部材40の間で荷重をかけながら金属接合材を加熱して溶融状態とする(S14)。その後、パッケージ基板30と窓部材40の間で荷重をかけながら金属接合部53を冷却して固化させる(S16)。
図4は、発光装置10の製造工程を概略的に示す断面図であり、金属接合材56を配置してパッケージ基板30および窓部材40を位置合わせする工程を示している。パッケージ基板30および窓部材40は、例えば、パッケージ基板30と窓部材40の中心位置が揃うように位置合わせされる。パッケージ基板30および窓部材40は、パッケージ基板30の四隅のいずれかと窓部材40の四隅のいずれかが揃うように位置合わせしてもよい。この場合、上述した寸法の実施例によれば、パッケージ基板30と窓部材40の中心位置が±50μmの範囲でずれてしまうが、そのずれがあったとしても、第1金属層51の上に枠体46の内周面46bが位置するように配置できる。
位置合わせされたパッケージ基板30の上面31と枠体46の下面46aの間には金属接合材56が配置される。金属接合材56は、パッケージ基板30の上面31と枠体46の下面46aが接合される領域に対応した矩形枠形状を有する金錫のプリフォームである。金属接合材56は、第1金属層51より小さい内形寸法および外形寸法を有し、例えば、外形寸法が3.0mm、内形寸法が2.6mmである。金属接合材56は、第1金属層51または第2金属層52にあらかじめ仮止めされていてもよい。金属接合材56の厚さは10〜50μm程度であり、好ましくは15〜30μm程度である。このような形状および厚さのプリフォームを用いて荷重60をかけながら封止することで、厚さが5〜20μm程度の金属接合部53を形成することができる。なお、封止時に加える荷重60は50g以上であり、好ましくは100g以上、より好ましくは200g以上である。
金属接合材56は荷重60をかけながら加熱溶融され、第1金属層51と第2金属層52の間で広がっていく。金属接合材56は、第1金属層51に沿って水平方向に広がるとともに、枠体46の内周面46b上に設けられる第2金属層52に沿って鉛直方向に広がる。したがって、金属接合材56の一部は、枠体46の内周面46bに沿ってガラス板42の内面44に向かって延伸して内周面46b上にフィレットを形成する。
金属接合材56を加熱溶融させる工程は、窒素(N)などの不活性ガスの雰囲気下でなされることが好ましい。これにより、溶融状態となった金錫プリフォームの酸化を防ぐとともに、パッケージの内部に不活性ガスを充填できる。しかしながら、本実施の形態に係る加熱溶融工程は、酸素(O)を含む乾燥空気の雰囲気下でなされてもよい。荷重をかけながら金錫プリフォームを加熱溶融させることで、第1金属層51と第2金属層52の間での金属接合材56の酸化を防ぎつつ封止することが可能となる。
つづいて、本実施の形態が奏する効果について比較例を参照しながら説明する。
図5は、比較例に係る発光装置110を概略的に示す断面図である。本比較例では、ガラス板142の外周を囲むように枠体146が形成され、ガラス板142の内面144と枠体146の下面146aとが一つの平坦面を形成するように窓部材140が構成される点で上述の実施の形態と相違する。パッケージ基板30に形成される第1金属層51と窓部材140の枠体146の間は、金属接合部153により接合されている。
本比較例では、図示されるように、金属接合材の一部がパッケージの内側にはみ出して球状に固化した張出部154が形成されている。張出部154は、パッケージ基板30と窓部材140の間を荷重をかけながら接合する際、パッケージ基板30と窓部材140の間から金属接合材の一部が押し出されることにより形成される。このような張出部154が形成されると、発光素子20が発する深紫外光の一部が張出部154に遮蔽され、外部への光取出効率の低下につながりうる。また、張出部154として窓部材140の内面144に留まらずに凹部34の実装面に金属接合材が流れ出してしまうと、第1内側電極36と第2内側電極37の間のショートにつながるおそれがある。一方で、金属接合材の一部がはみ出ないように金錫プリフォームの量を減らしてしまうと、封止信頼性の高い接合ができなくなるおそれがある。製造上の都合等によりパッケージ基板30の上面31は完全な平坦面であるとは限らず、場所に応じて微細な凹凸があるため、パッケージ基板30の上面31の一部で接合材の量が不足して適切に封止接合されないかもしれない。
一方、本実施の形態によれば、第1金属層51の上に枠体46の内周面46bが位置するため、第1金属層51と枠体46の下面46aとの間からはみ出した金属接合材をガラス板42に向けて鉛直上方向に延伸させることができる。これにより、金属接合材が水平方向にのみ延伸して張出部154を形成したり、凹部34の内部に流れ落ちたりすることを防ぐことができる。したがって、本実施の形態によれば、製造不良による歩留低下を防ぎつつ、封止に十分な量の金属接合材を用いて荷重をかけながら信頼性の高い封止接合を実現することができる。
本実施の形態によれば、枠体46の厚さtを20μm以上200μm以下とすることにより、金属接合材の落下を防止する効果と枠体46の厚みに起因する光取出効率の低下を防止する効果の双方を両立できる。仮に、枠体46の厚さを200μmより大きくしてしまうと、広配光角(例えば、150度)で発光素子20から出力される深紫外光の一部が枠体46によって遮蔽されてしまう。また、枠体46の厚さtを20μmより小さくすると、金属接合材のはみ出しを吸収するための空間が狭くなり、金属接合材の流れ落ちを十分に防止できないおそれがある。一方、本実施の形態によれば、枠体46の厚さtを適切に調整することにより、封止信頼性、製造歩留および光取出効率の向上を実現することができる。
本実施の形態によれば、枠体46の内周面46bに形成されるフィレットを目視で確認することにより、封止接合が適切になされているかの検査を簡易的に実施できる。内周面46b上のフィレットは、パッケージ基板30の上面31と枠体46の下面46aの間からのはみ出しにより形成されるため、フィレットにより上面31と下面46aの間に金属接合材が充填されていることを確認できる。一方、内周面46b上にフィレットが形成されていなければ、上面31と下面46aの間に金属接合材が充填されておらず、確実な封止接合がなされていないことが示唆される。したがって、本実施の形態によれば、フィレットが枠体46の内周面46bに沿って全周にわたって形成されているかを画像認識技術等を用いて確認することで封止性を簡易検査できる。
以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
上述の実施の形態および変形例では、発光装置のパッケージ内に発光素子のみを含める場合を示した。さらなる変形例においては、付加的な機能を持たせるために発光素子以外の電子部品をパッケージ内に組み込むこととしてもよい。例えば、電気的サージから発光素子を保護するためのツェナーダイオードを筐体内に組み込むこととしてもよい。また、発光素子が出力する光の波長を変換するための蛍光体を組み込んでもよいし、発光素子が発する光の配向を制御するための光学素子を組み込んでもよい。
上述の実施の形態および変形例では、半導体発光素子をパッケージ内に封止した発光装置について示した。さらなる変形例においては、受光素子を封止するために上述の封止構造を用いてもよい。例えば、深紫外光を受光するための受光素子の封止に上述のパッケージ構造を用いてもよい。つまり、上記パッケージを光半導体素子の封止に用いてもよい。
10…発光装置、20…発光素子、30…パッケージ基板、31…上面、34…凹部、40…窓部材、42…ガラス板、44…内面、46…枠体、46a…下面、46b…内周面、50…封止構造、51…第1金属層、52…第2金属層、53…金属接合部、56…金属接合材、60…荷重。

Claims (8)

  1. 上面に開口する凹部を有するパッケージ基板と、
    前記凹部に収容される光半導体素子と、
    前記凹部の開口を覆うように配置される窓部材と、
    前記パッケージ基板と前記窓部材の間を封止する封止構造と、を備え、
    前記窓部材は、前記光半導体素子に対向する内面を有するガラス板と、前記ガラス板の前記内面上に設けられる枠体とを有し、
    前記封止構造は、前記パッケージ基板の前記上面に枠状に設けられる第1金属層と、前記枠体の下面および内周面に設けられる第2金属層と、前記第1金属層と前記第2金属層の間に設けられる金属接合部とを有し、前記金属接合部の少なくとも一部が前記内周面上に設けられ、
    前記パッケージ基板と前記窓部材が重なる方向の平面視において、前記枠体と前記第1金属層の内形寸法差の半分の幅は、前記枠体の厚さより大きいことを特徴とする光半導体装置。
  2. 前記枠体の外形寸法は前記パッケージ基板の外形寸法より小さく、前記枠体の内形寸法は前記パッケージ基板の前記凹部の内形寸法より大きく、前記第1金属層の外形寸法は前記枠体の外形寸法より小さいことを特徴とする請求項1に記載の光半導体装置。
  3. 前記枠体は、前記下面から前記ガラス板の前記内面までの高さが10μm以上200μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の光半導体装置。
  4. 前記光半導体素子は、深紫外光を発する発光素子であり、前記窓部材は、前記深紫外光の透過率が80%以上となるよう構成されることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の光半導体装置。
  5. 前記ガラス板は、厚さが300μm以下のホウ酸塩ガラスで構成され、
    前記枠体は、コバール合金で構成され、
    前記金属接合部は、金錫(AuSn)を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の光半導体装置。
  6. 上面に開口する凹部を有するパッケージ基板の前記凹部に光半導体素子を収容するステップと、
    前記凹部の開口を覆うように窓部材を配置するステップと、
    前記パッケージ基板と前記窓部材の間を封止するステップと、を備え、
    前記窓部材は、前記光半導体素子に対向する内面を有するガラス板と、前記ガラス板の前記内面上に設けられる枠体とを有し、
    前記パッケージ基板の前記上面には枠状の第1金属層が設けられており、
    前記枠体の下面および内周面には第2金属層が設けられており、
    前記パッケージ基板と前記窓部材が重なる方向の平面視において、前記枠体と前記第1金属層の内形寸法差の半分の幅は、前記枠体の厚さより大きく、
    前記封止するステップは、前記パッケージ基板と前記窓部材の間で荷重を加えながら前記第1金属層と前記第2金属層の間に配置される金属接合材を加熱するステップを含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
  7. 前記封止するステップは、前記金属接合材の加熱後に前記パッケージ基板と前記窓部材の間で荷重を加えながら前記金属接合材を冷却するステップを含む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. 前記金属接合材は、前記枠体の前記下面に対応した枠形状を有する金錫(AuSn)の金属板であることを特徴とする請求項6または7に記載の光半導体装置の製造方法。
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