JP6565973B2 - 実装用部品、それを用いた半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、実装用部品、それを用いた半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体レーザ素子を実装するためのサブマウントとして、例えば特許文献１に記載のサブマウントが知られている。特許文献１に記載のサブマウントは、その表面に金属電極が形成され、且つ、その一部に半導体レーザ素子を位置合わせするためのマーカが形成されている。マーカとしては、金属電極の縁で認識される形状が挙げられる。
特開２００５−０９３８０４号公報
しかしながら、特許文献１に記載のように、金属電極の縁の内外での光反射率の差によって生じるコントラストを利用してマーカを検出する場合には、これらのコントラストが十分に高くないと検出が難しくなる。例えば、金属電極の縁の内外に亘って金属電極とは別の金属層が設けられている場合や、サブマウントの本体部と金属電極の光反射率の差が小さい場合などに、金属電極の縁の内外でのコントラストは低くなる。
本開示は以下の発明を含む。
第１主面及び第２主面を有する本体部と、前記第１主面に設けられた金属層と、を備え、前記金属層には、前記金属層の主面に対して傾斜した傾斜面を有する凹状の認識マークが設けられている、実装用部品。
上述の実装用部品と、前記実装用部品に実装された半導体素子と、を備える半導体装置。
上述の実装用部品を準備し、前記認識マークを用いて半導体素子の実装位置を決定し、前記実装用部品の前記実装位置に前記半導体素子を固定する、半導体装置の製造方法。
これにより、金属層とそれ以外の部材とのコントラストに頼る必要なしに、精度良く検出可能な認識マークを有する実装用部品を得ることができる。また、このような実装用部品を用いた半導体装置及びその製造方法によれば、認識マークを用いて精度良く半導体素子を実装可能な半導体装置を得ることができる。
実施形態に係る実装用部品の模式平面図である。 図１Ａ中のＩＢ−ＩＢ線における模式断面図である。 図１Ａ中のＩＣ−ＩＣ線における模式断面図である。 図１Ｃの一部拡大図である。 第１金属層が設けられた位置を示す図である。 第２金属層が設けられた位置を示す図である。 実施形態に係る半導体装置の模式的な分解図である。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を概略的に示すフローチャートである。 実施形態に係る半導体装置の製造工程の一工程を模式的に示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
図１Ａは、実施形態に係る実装用部品１０の模式平面図である。図１Ｂは図１Ａ中のＩＢ−ＩＢ線における模式断面図であり、図１Ｃは図１Ａ中のＩＣ−ＩＣ線における模式断面図であり、図１Ｄは図１Ｃの一部拡大図である。図１Ａ〜１Ｄに示すように、実装用部品１０は、第１主面１１ａ及び第２主面１１ｂを有する本体部１１と、第１主面１１ａに設けられた金属層１２と、を有する。金属層１２には、金属層１２の主面１２ａに対して傾斜した傾斜面を有する凹状の認識マーク１２Ｂが設けられている。
認識マーク１２Ｂは傾斜面を有するため、主面１２ａとは光が反射する方向が異なる。例えば、主面１２ａに対して垂直な方向から観察し、同じ方向から光を照射した場合、金属層１２は光を反射するので、主面１２ａは主に観察方向に光を反射して明るい色に見える。一方、認識マーク１２Ｂの傾斜面はそれとは異なる方向に光を反射するため暗い色に見える。これにより、認識マーク１２Ｂは、金属層１２とそれ以外の部材とのコントラストに頼る必要なしに、精度良く検出可能である。
このような実装用部品１０には半導体素子を実装することができる。図２は、実施形態に係る半導体装置１００の模式的な分解図である。図２に示すように、半導体装置１００は、実装用部品１０と、実装用部品１０に実装された半導体素子２０と、を有する。上述のとおり実装用部品１０に設けられた認識マーク１２Ｂは精度良く検出可能であるので、このような認識マーク１２Ｂを用いて精度良く半導体素子２０が実装された半導体装置１００を得ることができる。
以下、各部材について詳細に説明する。
（本体部１１）
本体部１１は第１主面１１ａと第２主面１１ｂを有している。第１主面１１ａ側が半導体素子２０を実装する側である。本体部１１には、実装する半導体素子２０の熱を効率的に外部に放出できるよう、熱伝導性の高い部材が用いられることが好ましい。具体的には、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ダイヤモンド、ＳｉＣ、セラミックスなどを実装用部品１０として用いることが好ましい。また、本体部１１には、後述するパッケージ本体３０よりも半導体素子２０との熱膨張係数差が小さい部材を用いることが好ましい。これにより、熱膨張係数差による半導体素子２０の実装用部品１０からの剥離の可能性を低減することができる。
（金属層１２）
金属層１２は、第１主面１１ａに設けられている。平面視において、実装用部品１０のうち金属層１２が設けられた領域の少なくとも一部を、半導体素子２０が実装される実装領域とすることができる。なお、本明細書において平面視とは、第１主面１１ａに対して垂直な方向から観察することを指す。金属層１２の膜厚としては、１０μｍ以上が挙げられ、３０μｍ以上とすることが好ましい。これにより金属層１２に認識マーク１２Ｂを形成しやすい。また、金属層１２の膜厚が増大するほど製造コストも増大するため、金属層１２の膜厚は１００μｍ以下が好ましい。
（認識マーク１２Ｂ）
金属層１２には、凹状の認識マーク１２Ｂが設けられている。図１Ｂ及び１Ｃに示すように、認識マーク１２Ｂは逆錐形状の凹部とすることが好ましい。もし認識マーク１２Ｂが錐台形状などの底面がある形状であれば、傾斜面の平面視形状はリング状などの底面を囲む線状の形状になる。この場合、検出対象はその線状の形状であるが、その幅は傾斜面の傾きや凹部の深さによって変化し得る。一方、逆錐形状であれば、凹部全体が傾斜面であるため、錐台形状の場合と比較して、傾斜面の平面視形状が傾斜面の傾き等に影響されにくい。これにより、実際に形成した認識マーク１２Ｂを予め登録した認識マーク１２Ｂの画像との比較により検出する際に、より確実に検出することができる。
傾斜面を有する認識マーク１２Ｂは、ウェットエッチングを用いることで容易に形成することができる。ウェットエッチングは等方的なエッチングになる傾向があるため、ウェットエッチングにより形成しやすいよう、認識マーク１２Ｂの平面視形状は丸みを帯びた形状であることが好ましい。認識マーク１２Ｂの平面視形状としては、楕円形、円形、又はこれらの複合形状が挙げられる。図１Ａに示す認識マーク１２Ｂは、第１主面１１ａ側から見て円形状である。認識マーク１２Ｂをウェットエッチングにより形成する場合、認識マーク１２Ｂ形成位置において仮に金属層１２を完全に削りきるまでエッチングを行うと、サイドエッチングが進行して平面視における傾斜面の面積が減少する。認識マーク１２Ｂの深さを金属層１２の厚み未満とすることにより、サイドエッチングの過度な進行を抑えることができるので、平面視において確認可能な傾斜面を形成することができる。
図１Ａに示すように、金属層１２は複数の認識マーク１２Ｂを有することが好ましい。これにより、後述する図４に示すように、複数の認識マーク１２Ｂ同士を結んだ仮想線Ｙを基準として半導体素子２０等を位置合わせすることができる。特に、認識マーク１２Ｂをウェットエッチングで形成する場合は、認識マーク１２Ｂの外縁を直線状とすることは困難であるので、そのような仮想線Ｙを用いて実装用部品１０のｘ方向又はｙ方向を特定することが好ましい。また、半導体素子２０が半導体レーザ素子である場合には、実装した半導体レーザ素子の共振器方向（導波路領域の延伸方向）に対して、複数の認識マーク１２Ｂ同士を結んだ仮想線Ｙが平行となるように配置することが好ましい。これにより、実装用部品と半導体素子２０の共振器方向との角度合わせを容易にすることができる。また、半導体レーザ素子は共振器方向を長手方向に設計することが一般的であるので、半導体レーザ素子の長手方向と仮想線Ｙの長手方向を一致させることで、実装用部品１０の小型化が可能である。このため、仮想線Ｙが実装用部品１０の長手方向と平行になるように複数の認識マーク１２Ｂ同士を配置することが好ましい。
認識マーク１２Ｂのサイズは、画像認識等で検出可能な程度に大きくする。具体的には、１つの認識マーク１２Ｂの平面視形状の面積が５０μｍ２以上であることが好ましい。また、認識マーク１２Ｂの平面視形状が円形である場合は、直径１０μｍ以上であることが好ましい。一方で、ウェットエッチングにより逆錐形状の認識マーク１２Ｂを形成する場合には、平面視における認識マーク１２Ｂの最大幅が金属層１２の厚み未満であることが好ましい。認識マーク１２Ｂの平面視形状が円形である場合は、その直径が金属層１２の厚み未満であることが好ましい。
（第１金属層１２１、第２金属層１２２）
図１Ｄに示すように、金属層１２は、本体部１１側から順に、凹部１２１Ａが設けられた単層の第１金属層１２１と、第１金属層１２１よりも膜厚が薄い単層又は複層の第２金属層１２２と、を有することができる。この場合、認識マーク１２Ｂは、凹部１２１Ａが第２金属層１２２によって被覆されることにより形成されていることが好ましい。金属層１２が多層構造である場合、多層構造を形成した後に凹部を形成すると、凹部の傾斜面が平坦になりにくく、認識マーク１２Ｂの平面視における見え方にむらが生じやすい。図１Ｄに示す認識マーク１２Ｂであれば、凹部１２１Ａが形成されているのは厚膜の第１金属層１２１であるので、認識マーク１２Ｂの傾斜面に凹凸が生じにくく、平面視における見え方にむらが生じにくい。
図１Ｅにおいて着色した領域が第１金属層１２１が設けられた領域であり、図１Ｆにおいて着色した領域が第２金属層１２２が設けられた領域である。第１金属層１２１は、第１主面１１ａの外縁の少なくとも一部から離間して設けられていることが好ましい。これは、実装用部品１０は例えばダイシングによりウェハ状の基板から個片化されるが、ダイシング等を行う位置に厚膜の第１金属層１２１があるとバリが生じる懸念があるためである。さらには、図１Ｅに示すように、第１金属層１２１が第１主面１１ａの外縁のすべてから離間して設けられていることが好ましい。
第１金属層１２１の膜厚は、凹部１２１Ａを検出可能なサイズで形成することができる程度に厚くする。第１金属層１２１の膜厚としては、１０μｍ以上が挙げられ、３０μｍ以上とすることが好ましい。また、第１金属層１２１の膜厚が増大するほど製造コストも増大するため、第１金属層１２１の膜厚は１００μｍ以下が好ましい。凹部１２１Ａの好ましい形状は認識マーク１２Ｂと同じである。凹部１２１Ａのサイズについても、認識マーク１２Ｂと同様の範囲を採用することができる。また、認識マーク１２Ｂと同様に、凹部１２１Ａはウェットエッチングにより形成することが好ましい。
第１金属層１２１は、Ｃｕ層とすることができる。これにより、平面視において第１金属層１２１が設けられた領域の少なくとも一部が半導体素子２０等が実装される実装領域である場合に、放熱性を向上させることができる。また、本体部１１と後述するパッケージ本体３０との熱膨張係数差による実装用部品１０のパッケージ本体３０からの剥離の可能性を低減するために、第２主面１１ｂ側には裏面金属層１５を設けることが好ましい。パッケージ本体３０は例えば主としてＣｕからなるため、裏面金属層１５としてＣｕ層を設けることで、これらの熱膨張係数が同等となり、剥離しにくい。
図１Ｆに示すように、第２金属層１２２は、第１主面１１ａのうち第１金属層１２１から露出した部分の全体及び第１金属層１２１の全体を実質的に覆うことが好ましい。上述のとおり認識マーク１２Ｂはその内外で材料を変更する必要なくコントラストを生じさせることができるため、第２金属層１２２をパターニングせずに設けることができる。これによりコストダウンが可能である。また、第１金属層１２１がＣｕ層である場合、第１導電部材１３及び第２導電部材１４をＣｕ層の表面に直接設けることは難しいため、これらの間に第２金属層１２２を設けることが好ましい。この場合、第２金属層１２２をパターニングせずに設けることで、第１金属層１２１の外縁まで確実に第２金属層１２２で覆うことができる。これにより第１導電部材１３も第１金属層１２１の外縁まで確実に設けることができるので、半導体素子２０の端面を実装用部品１０の外縁付近に位置させやすい。この構成は、後述する半導体レーザ素子をジャンクションダウン実装する場合に特に好ましい。
第２金属層１２２の膜厚は０．２μｍ以上が挙げられる。また、第２金属層１２２の膜厚は個片化時のダイシング等にバリが生じにくい程度に小さいことが好ましい。第２金属層１２２の膜厚は、２μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がさらに好ましい。なお、「全体を実質的に覆う」とは、第２金属層１２２をパターニングせずに設けることを指しており、例えばダイシングにより一部が欠けていたとしてもこの範囲に含まれる。
後述するように、金属層１２の表面には、例えば金属ワイヤ７０がボンディングされる。このため、第２金属層１２２の最表面はＡｕ層であることが好ましい。また、最表面がＡｕ層であれば、第１導電部材１３及び第２導電部材１４との密着性を良好なものとすることができる。第２金属層１２２としては、例えば第１金属層１２１側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが積層された構造が挙げられる。
（第１導電部材１３、第２導電部材１４）
図１Ａ〜１Ｃに示すように、金属層１２の表面に第１導電部材１３を設けることができる。第１導電部材１３は、半導体素子２０を接合するための接合材料である。金属層１２の表面にはさらに第２導電部材１４を設けてもよい。第２導電部材１４には例えば保護素子６０を接合することができる。第１導電部材１３及び第２導電部材１４の材料としては、半導体素子２０等と接合可能である導電性の部材を選択でき、例えばＡｕＳｎ合金が挙げられる。第１導電部材１３及び第２導電部材１４は接合層だけでなくカバー層等の他の層を有していてもよく、例えばＰｔ／ＡｕＳｎ／Ａｕの積層構造とすることができる。第１導電部材１３及び第２導電部材１４の膜厚は、それぞれ、例えば２μｍ〜５μｍ程度が挙げられる。
（半導体装置１００）
図２に半導体装置１００の一例を示す。半導体装置１００は、パッケージ本体３０とキャップ８０とを有する。パッケージ本体３０は例えばベース部３１とヒートシンク部３２とを有する。ベース部３１に設けられた貫通孔にリード端子４１及び４２が挿入されており、これらの一方がアノードであり、他方がカソードである。ヒートシンク部３２に実装用部品１０が固定されている。また、実装用部品１０の第１導電部材１３に半導体素子２０が接合され、第２導電部材１４に保護素子６０が接合されている。これらの部材とリード端子４１及び４２とは複数の金属ワイヤ７０によって電気的に接続されている。キャップ８０とベース部３１によって囲まれた封止空間に半導体素子２０と保護素子６０が配置されるように、キャップ８０がベース部３１に溶接等によって固定される。
（ベース部３１）
ベース部３１には、半導体素子２０で発生する熱を効率的に外部に放出できるよう、熱伝導度が比較的高い材料、例えば、２０Ｗ／ｍＫ程度以上の材料を用いることが好ましい。具体的には、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏなどの金属が挙げられ、例えばＣｕを用いる。ベース部３１としては、円形、楕円形、矩形などの多角形又はこれらに近似する形状を主面とする板状の部材が挙げられる。例えば、３〜１０ｍｍ程度の直径の円形で平板状の部材をベース部３１として用いることができる。
ヒートシンク部３２にはベース部３１に用いる材料と同じ材料を用いてもよいが、異なる材料を用いてもよい。例えば、ベース部３１の材料としてキャップ８０を溶接するために鉄合金を用い、ヒートシンク部３２の材料として放熱性の良好な銅又は銅合金を用いることができる。これにより、ヒートシンク部３２において半導体素子２０からの熱を効果的に放熱することができる。ヒートシンク部３２は少なくともその一部がベース部３１の上方に配置される。ベース部３１とヒートシンク部３２は、別々の部材であってもよいし、１つの部材の一部であってもよい。ヒートシンク部３２への実装用部品１０の固定には、ＡｕＳｎ合金、半田ペースト材などの接合材料を用いることができる。金属ナノ粒子又は金属サブミクロン粒子と有機溶剤とを含む接合材料を用いてもよい。
（リード端子４１、４２）
リード端子４１、４２は半導体素子２０を外部電源に電気的に接続するための部材である。リード端子４１、４２には導電性の材料を用いる。リード端子４１、４２は、例えば、金属からなる棒状の部材である。リード端子４１、４２は、例えば、ベース部３１に設けられた貫通孔を貫通するように配置され、ベース部３１にガラスなどで接着される。
（半導体素子２０）
半導体素子２０は第１導電部材１３に接合される。半導体素子２０は、例えば発光素子であり、好ましくは半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）よりも高い実装精度が求められるが、上述の認識マーク１２Ｂを用いれば半導体素子２０を高精度に実装することができる。また、高精度に実装可能であるので、半導体素子２０は、実装用部品１０に対してジャンクションダウン実装されていることが好ましい。半導体素子２０として半導体レーザ素子をジャンクションダウン実装する場合には、出射するレーザ光の主要部が実装用部品１０に当たらないように、平面視において半導体素子２０の光出射端面を実装用部品１０の端面と一致させるか、光出射端面をやや外側に突出させることが好ましい。一方で、光出射端面及びその付近の発熱を実装用部品１０側に放散できるように突出量は少ないことが好ましい。認識マーク１２Ｂを用いて半導体素子２０を精度良く実装することにより、これらをバランス良く両立させることが可能である。
半導体素子２０にはＩＩＩ−Ｖ族などの化合物半導体を用いることができる。例えば、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ等の窒化物半導体からなる半導体積層体を有する半導体レーザ素子を用いる。半導体素子２０は、例えば、導電性又は絶縁性の基板上に、ｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層を含む半導体積層体を有し、さらに、ｎ型半導体層と電気的に接続されたｎ電極と、ｐ型半導体層と電気的に接続されたｐ電極と、を有する。
（保護素子６０）
保護素子６０は第２導電部材１４に接合される。保護素子６０は、半導体素子２０をサージ電流による電気的破壊から保護するための部材である。保護素子６０には、例えばツェナーダイオードを用いることができる。
（金属ワイヤ７０）
金属ワイヤ７０は金属からなる線状の部材であり、Ａｕ、Ａｇ等の材料の直径１０〜１００μｍ程度のものを用いることができる。
キャップ８０には、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ合金、コバール、真鍮などの材料を用いることができる。キャップ８０は、抵抗溶接などでベース部３１に接着することができる。キャップ８０をベース部３１に接着することにより、半導体素子２０を気密封止することが好ましい。これにより、レーザ発振することによる半導体素子２０への集塵を抑制することができる。半導体素子２０が発光素子である場合は、図２に示すように、半導体素子２０からの光を透過させる窓８１を有する。窓８１は、例えば、ガラス、サファイア、セラミックス等の透光性部材により形成することができる。
（半導体装置１００の製造方法）
図３に示すように、半導体装置１００の製造方法は、実装用部品１０を準備する工程Ｓ１０１と、認識マーク１２Ｂを用いて半導体素子２０の実装位置を決定する工程Ｓ１０２と、実装用部品１０の実装位置に半導体素子２０を固定する工程Ｓ１０３と、を有する。これにより、半導体素子２０を実装用部品１０に精度良く実装することができる。半導体素子２０の実装位置を決定する工程Ｓ１０２において、認識マーク１２Ｂを検出する際に用いる照明としては、例えば観察方向と同じ方向から照射する落射照明が挙げられる。また、その照明からの光は、例えば金属層１２の主面１２ａに対して垂直な方向から照射される。また、保護素子６０も半導体素子２０と同様の手法で実装してよい。
図４に示すように、実装用部品１０が少なくとも２つの認識マーク１２Ｂを有する場合、半導体素子２０の実装位置を決定する工程Ｓ１０２において、認識マーク１２Ｂの中心同士を結ぶ線（仮想線Ｙ）を基準として実装位置を決定することが好ましい。認識マーク１２Ｂの外縁を基準とするよりも平面視形状における中心を基準とする方が目標形状からのずれを小さくすることができるため、より高精度に半導体素子２０を実装することができる。また、上述のとおり認識マーク１２Ｂをウェットエッチングにより形成すると認識マーク１２Ｂの外縁が直線状とならない場合があるので、このように仮想線Ｙを用いて実装用部品１０のｘ方向又はｙ方向を特定することが好ましい。
１０ 実装用部品
１１ 本体部
１１ａ 第１主面
１１ｂ 第２主面
１２ 金属層
１２ａ 金属層の主面
１２Ｂ 認識マーク
１２１ 第１金属層
１２１Ａ 凹部
１２２ 第２金属層
１３ 第１導電部材
１４ 第２導電部材
１５ 裏面金属層
１００ 半導体装置
２０ 半導体素子
３０ パッケージ本体
３１ ベース部
３２ ヒートシンク部
４１、４２ リード端子
６０ 保護素子
７０ 金属ワイヤ
８０ キャップ
８１ 窓
Ｙ 仮想線

Claims (12)

  1. 第１主面及び第２主面を有する本体部と、
    前記第１主面に設けられた金属層と、を備え、
    前記金属層には、前記金属層の主面に対して傾斜した傾斜面を有する凹状の認識マークが設けられており、
    前記金属層は、前記本体部側から順に、凹部が設けられた単層の第１金属層と、前記第１金属層よりも膜厚が薄い単層又は複層の第２金属層と、を有し、
    前記認識マークは、前記第１金属層の凹部が前記第２金属層によって被覆されることにより形成されていることを特徴とする実装用部品。
  2. 前記認識マークは、逆錐形状の凹部であることを特徴とする請求項１に記載の実装用部品。
  3. 前記第１金属層は、前記第１主面の外縁の少なくとも一部から離間して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の実装用部品。
  4. 前記第１金属層が設けられた領域の少なくとも一部が実装領域であり、
    前記第１金属層はＣｕ層であることを特徴とする請求項３に記載の実装用部品。
  5. 前記第２金属層は、前記第１主面のうち前記第１金属層から露出した部分の全体及び前記第１金属層の全体を実質的に覆うことを特徴とする請求項３又は４に記載の実装用部品。
  6. 前記認識マークは、前記第１主面側から見て円形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の実装用部品。
  7. 前記金属層は、複数の前記認識マークを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の実装用部品。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の実装用部品と、
    前記実装用部品に実装された半導体素子と、
    を備える半導体装置。
  9. 前記半導体素子はレーザ素子であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体素子は、前記実装用部品に対してジャンクションダウン実装されていることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
  11. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の前記実装用部品を準備し、
    前記認識マークを用いて半導体素子の実装位置を決定し、
    前記実装用部品の前記実装位置に前記半導体素子を固定する、半導体装置の製造方法。
  12. 前記実装用部品は少なくとも２つの前記認識マークを有し、
    前記半導体素子の前記実装位置を決定する工程において、
    前記認識マークの中心同士を結ぶ線を基準として、前記実装位置を決定することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
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