JP7482015B2 - キャップ部材、半導体パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、キャップ部材、及び半導体パッケージに関する。

従来、発光素子がキャップ部材で気密封止された状態でステムに搭載された半導体パッケージが知られている。そのような半導体パッケージのキャップ部材では、キャップ本体の天板部の中央に開口部が設けれ、開口部を塞ぐように、天板部の内面に接着剤で接着された透明部材が配置されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－１３５２３５号公報

しかしながら、上記のようなキャップ部材では、天板部と透明部材との接着力が弱く、外力に対する接着耐性が十分ではなかった。そのため、外力により天板部の変形で天板部と接着剤との間で剥がれ、透明部材が脱落するおそれがあった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、外力に対する接着耐性を向上することが可能なキャップ部材を提供することを課題とする。

本キャップ部材は、筒状部と、前記筒状部の一端から前記筒状部の中心側に延伸する、開口部を備えた天板部と、前記開口部を塞ぐように、前記天板部の内面に接着剤で接着された透明部材と、を有し、前記天板部の前記開口部の外側に１以上の貫通孔が形成され、前記接着剤は、前記天板部と前記透明部材の互いに対向する領域の間に位置する第１部分と、前記第１部分と連続し、前記貫通孔内に位置する第２部分と、を含む。

開示の技術によれば、外力に対する接着耐性を向上することが可能なキャップ部材を提供できる。

第１実施形態に係るキャップ部材を例示する図である。 比較例に係るキャップ部材を例示する図である。 比較例に係るキャップ部材の問題点を説明する図である。 第１実施形態の変形例１に係るキャップ部材を例示する部分断面図である。 第１実施形態の変形例２に係るキャップ部材を例示する平面図である。 第２実施形態に係る半導体パッケージを例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１実施形態〉
図１は、第１実施形態に係るキャップ部材を例示する図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線に沿う断面図である。

図１を参照すると、第１実施形態に係るキャップ部材１は、キャップ本体１０と、透明部材２０と、接着剤３０とを有している。

キャップ本体１０は、筒状部１２と、天板部１４と、フランジ部１６とを有している。筒状部１２は、例えば、内部が空洞の円筒状である。天板部１４は、平面視において、筒状部１２の一端から筒状部１２の中心側に延伸する板状の部材である。ここで、平面視とは、対象物を図１（ａ）の方向から視ることである。フランジ部１６は、平面視において、筒状部１２の下端から外側に環状に突き出る板状の部材である。天板部１４とフランジ部１６とは、例えば、平行に配置されている。

筒状部１２、天板部１４、及びフランジ部１６は、例えば、鉄（Ｆｅ）系の金属板が加工されて一体に形成されたものである。鉄（Ｆｅ）系の金属としては、好適には、４２アロイ（鉄（Ｆｅ）／ニッケル（Ｎｉ）合金）、又はコバール（鉄（Ｆｅ）／ニッケル（Ｎｉ）／コバルト（Ｃｏ）合金）などを使用できる。筒状部１２、天板部１４、及びフランジ部１６の表面に、めっきが施されていてもよい。筒状部１２、天板部１４、及びフランジ部１６の厚さは、略一定であり、例えば、０．１ｍｍ～０．２ｍｍ程度である。

天板部１４は、中央部に開口部１４ｘを備えている。また、天板部１４の開口部１４ｘの外側に１以上の貫通孔１４ｙが形成されている。なお、ここでいう外側とは、天板部１４において、天板部１４と筒状部１２が繋がった部分から開口部１４ｘまでの領域のことを指す。

図１の例では、天板部１４の開口部１４ｘの外側に４つの貫通孔１４ｙが形成されている。貫通孔１４ｙは、例えば、筒状部１２の中心から所定の半径の円弧上に等間隔で配置される。開口部１４ｘは、例えば平面形状が円形である。貫通孔１４ｙは、例えば平面形状が開口部１４ｘよりも小径の円形であり、その場合、直径は０．３ｍｍ～１ｍｍ程度である。貫通孔１４ｙの直径が０．３ｍｍ以上であれば天板部１４の貫通孔１４ｙの内部に接着剤３０が入り込み十分な接着力が得られ、貫通孔１４ｙの直径が１ｍｍ以下であれば天板部１４の接着平面を確保しつつ、接着剤３０が容易に貫通孔１４ｙ内に入り込む。

透明部材２０は、所定の波長範囲の光を透過可能な板状の部材である。透明部材２０の表面には、例えば、無反射コートが施されている。透明部材２０は、キャップ本体１０の内部に配置されている。具体的には、透明部材２０は、開口部１４ｘを塞ぐように、天板部１４の内面に接着剤３０で接着されている。透明部材２０の材料としては、例えば、ガラスを用いることができる。なお、天板部１４の内面とは、天板部１４において筒状部１２の内側に露出する面であり、天板部１４の外面とは、天板部１４の内面の反対面である。

透明部材２０は、例えば、平面視で正六角形状であるが、これには限定されず、平面視で円形などの各種の形状を採用できる。ただし、大型ガラス基板を切断して個々の透明部材２０を得る際に正六角形状は加工しやすいため、この観点では、透明部材２０は平面視で正六角形状であることが好ましい。透明部材２０の厚さは、略一定であり、例えば、０．１５ｍｍ～１．２０ｍｍ程度である。

接着剤３０は、天板部１４の内面と透明部材２０の上面との間に環状に配置され、さらに貫通孔１４ｙの内部に入り込んでいる。言い換えれば、接着剤３０は、天板部１４と透明部材２０の互いに対向する領域の間に位置する環状の第１部分と、第１部分と連続し、貫通孔１４ｙ内に位置する第２部分とを含む。天板部１４の開口部１４ｘは、透明部材２０で封着されて気密封止されている。接着剤３０の材料としては、例えば、ビスマス系の低融点ガラス等を用いることができる。なお、低融点ガラスとは透明部材２０を構成するガラスよりも融点の低いガラスである。

キャップ部材１を作製するには、まず、平坦な金属板をプレス加工等により加工して、筒状部１２と天板部１４とフランジ部１６とを備えたキャップ本体１０を作製する。なお、天板部１４には、この工程で開口部１４ｘ及び貫通孔１４ｙを形成してもよいし、この工程では開口部１４ｘのみを形成しておき、別工程で貫通孔１４ｙを形成するようにしてもよい。あるいは、この工程では貫通孔１４ｙのみを形成しておき、別工程で開口部１４ｘを形成するようにしてもよい。別工程で開口部１４ｘを形成する場合には、後から形成する開口部１４ｘの真円度を高くすることができる。開口部１４ｘ及び貫通孔１４ｙを形成後、必要に応じ、開口部１４ｘ及び貫通孔１４ｙの内壁も含めたキャップ本体１０の表面にめっきを施してもよい。この工程では、例えば、貴金属を含むめっきを好適に使用できる。

次に、キャップ本体１０を図１（ｂ）の状態とは上下反対に配置し、キャップ本体１０の天板部１４の内面に接着剤３０を配置する。接着剤３０としては、例えば、低融点ガラスを用いる。接着剤３０は、例えばドーナツ型に形成され、キャップ本体１０の天板部１４の内面の開口部１４ｘの外周側に配置される。続いて、接着剤３０の上に透明部材２０を配置する。透明部材２０の外周部は、ドーナツ型の接着剤３０に接する。この状態で、キャップ本体１０、透明部材２０、及び接着剤３０を溶融炉に配置し、５００℃程度の温度で加熱処置を行う。

これにより、接着剤３０が溶融し、透明部材２０の重みによって接着剤３０が濡れ広がり、接着剤３０の一部は貫通孔１４ｙ内に流れ込み冷却固着する。透明部材２０がガラスであり、接着剤３０が低融点ガラスである場合、低融点ガラスはガラスよりも融点が低い。例えば、低融点ガラスの融点は５００℃程度であり、ガラスの融点は７３０℃程度である。接着剤３０として低融点ガラスを使用することにより、ガラスである透明部材２０をキャップ本体１０の天板部１４に気密性よく接着できる。

図２は、比較例に係るキャップ部材を例示する図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ－Ｂ線に沿う断面図である。従来は、図２に示す比較例に係るキャップ部材１Ｘのように、天板部１４に貫通孔１４ｙは設けられていなかった。そのため、キャップ部材１Ｘでは、天板部１４の内面と透明部材２０の上面の外周部のみが接着剤３０で接着されている。

キャップ部材１Ｘにおいて、例えば、キャップ本体１０にめっきが施されており、接着剤３０として低融点ガラスを用いた場合、キャップ本体１０のめっきと低融点ガラスとの間は、共晶反応により形成されたナノレベルの非常に薄い共晶層のみで接着される。そのため、図３に示すように、天板部１４にキャップ本体１０が弾性変形する程度の外力Ｆが加わった場合、非常に薄い共晶層はキャップ本体１０の弾性変形により破壊され、天板部１４の内面から低融点ガラスごと透明部材２０が剥がれ落ちてしまうおそれがある。

これに対して、キャップ部材１では、天板部１４に貫通孔１４ｙが設けられているため、接着剤３０は、天板部１４の内面と透明部材２０の上面の外周部を接着すると共に、貫通孔１４ｙの内部に入り込んで、天板部１４と透明部材２０とを３次元的に接合している。すなわち、キャップ部材１では、キャップ本体１０のめっきと低融点ガラスとの間が共晶反応により形成された非常に薄い共晶層で接着されるだけではなく、貫通孔１４ｙ内で物理的に接合される。従って、共晶層の接着と物理的な接合により、強固な接合が得られるため、図３に示すような外力に対して接着耐性が向上し、封着強度品質の向上が可能となる。なお、図１では、４つの貫通孔１４ｙが設けられているが、貫通孔１４ｙが１つであっても接着耐性は向上する。

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、貫通孔に入り込む接着剤の形態のバリエーションについて示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図４は、第１実施形態の変形例１に係るキャップ部材を例示する部分断面図である。図４（ａ）に示すように、接着剤３０が貫通孔１４ｙの少なくとも一部に入り込むことで、天板部１４と透明部材２０とを３次元的に接合する効果が得られる。また、図４（ｂ）に示すように、接着剤３０が貫通孔１４ｙの内壁のすべてに接していることで、接着剤３０と貫通孔１４ｙとの接触面積が増えるため、図４（ａ）の場合よりも更に接合強度が高まる。また、図４（ｃ）に示すように、接着剤３０が貫通孔１４ｙ内から天板部１４の外面に延伸してもよい。この場合、接着剤３０が天板部１４の外面から突出し、天板部１４の外面とも接着されることで、アンカー効果が生じ、図４（ｂ）の場合よりも更に接合強度が高まる。

図４（ｄ）では、貫通孔１４ｙは、天板部１４の外面側の開口面積が天板部１４の内面側の開口面積よりも大きいテーパー部１４ｔを備え、接着剤３０がテーパー部１４ｔに達している。接着剤３０がテーパー部１４ｔに達することでアンカー効果が生じ、図４（ｂ）の場合よりも更に接合強度が高まる。図４（ｅ）では、貫通孔１４ｙは、天板部１４の外面側の開口面積が天板部１４の内面側の開口面積よりも大きい段差部１４ｓを備え、接着剤３０が貫通孔１４ｙ内の段差部１４ｓよりも天板部１４の外面側に達している。接着剤３０が貫通孔１４ｙ内の段差部１４ｓよりも天板部１４の外面側に達することでアンカー効果が生じ、図４（ｂ）の場合よりも更に接合強度が高まる。

図４（ｄ）又は図４（ｅ）の例では、接着剤３０が天板部１４の外面から突出しなくてもアンカー効果が得られる点で好適である。接着剤３０が天板部１４の外面から突出しないことにより、接着剤３０が他の部品等に触れにくくなるため、低融点ガラス等からなる接着剤３０が欠けるおそれを低減できる。但し、図４（ｄ）又は図４（ｅ）において、接着剤３０が天板部１４の外面から突出させることも可能である。図４（ｄ）又は図４（ｅ）と図４（ｃ）とを組み合わせることで、さらに大きなアンカー効果が得られる。なお、接着剤３０を貫通孔１４ｙのどこまで流れ込ませるかは、接着剤３０の量によっても調整できるし、透明部材２０に圧力をかけることでも調整できる。

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、貫通孔の形状のバリエーションについて示す。なお、第１実施形態の変形例２において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図５は、第１実施形態の変形例２に係るキャップ部材を例示する平面図である。貫通孔１４ｙの平面形状は円形には限定されず、図５（ａ）に示すキャップ部材１Ａのように、六角形状であってもよい。また、図５（ｂ）に示すキャップ部材１Ｂのように、四角形状であってもよい。また、貫通孔１４ｙの個数は、必要に応じて決定できる。

なお、加工性を考慮すると、貫通孔１４ｙの平面形状は円形が好ましい。貫通孔１４ｙの平面形状が円形であれば、貫通孔１４ｙ内にバリが生じにくいからである。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、第１実施形態に係るキャップ部材を搭載した半導体パッケージの例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図６は、第２実施形態に係る半導体パッケージを例示する図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ－Ｃ線に沿う断面図である。ただし、図６（ａ）において、キャップ部材１の図示は省略されている。

図６を参照すると、半導体パッケージ２は、キャップ部材１と、アイレット１１０と、金属ブロック１２０と、第１リード１３１と、第２リード１３２と、封止部１４０と、発光素子１５０とを有する。なお、アイレット１１０と、金属ブロック１２０と、第１リード１３１と、第２リード１３２と、封止部１４０とを含めて、ステムと称する場合がある。

アイレット１１０は、円板状の部材である。アイレット１１０の直径は、特に制限がなく、目的に応じて適宜決定できるが、例えば、φ５．６ｍｍやφ９．０ｍｍ等である。アイレット１１０の厚さは、特に制限がなく、目的に応じて適宜決定できるが、例えば、０．５～３ｍｍ程度である。アイレット１１０は、例えば、鉄やステンレス等の金属材料から形成できる。アイレット１１０の表面にめっきを施してもよい。

アイレット１１０の外縁部には、平面視において、外周側から中心側に窪んだ形状の切り欠き部１１１、１１２、及び１１３が形成されている。切り欠き部１１１、１１２、及び１１３は、例えば、平面形状が略三角状や略四角状の窪みである。切り欠き部１１１、１１２、及び１１３は、例えば、発光素子１５０を搭載する際の位置出し等に用いることができる。

金属ブロック１２０は、ろう材等によりアイレット１１０の上面１１０ａに接合され、アイレット１１０の上面１１０ａから突出している。金属ブロック１２０は、発光素子１５０を搭載する素子搭載面１２０ｒを含んでいる。素子搭載面１２０ｒは、アイレット１１０の上面１１０ａに対して略垂直になるように設けられている。

金属ブロック１２０の上面とアイレット１１０の上面１１０ａとの距離（金属ブロック１２０のアイレット１１０の上面１１０ａからの突出量）は、例えば、２～３ｍｍ程度である。金属ブロック１２０には、アイレット１１０よりも熱伝導率の高い材料を用いることができる。アイレット１１０の材料が鉄であれば、例えば、金属ブロック１２０の材料は銅である。

第１リード１３１及び第２リード１３２は、アイレット１１０を厚さ方向に貫通する貫通孔に、長手方向を厚さ方向に向けて挿入されている。アイレット１１０の貫通孔内において、第１リード１３１及び第２リード１３２の周囲は封止部１４０に封止されている。第１リード１３１及び第２リード１３２の一部は、アイレットの上面１１０ａ及びアイレットの下面１１０ｂから突出している。第１リード１３１及び第２リード１３２は、例えば、５０％鉄－ニッケル合金やコバール等の金属から形成されており、封止部１４０は、例えば、ガラス材等の絶縁材料から形成されている。なお、搭載する発光素子１５０の仕様に合わせて、リードの数を増やしてもよい。

発光素子１５０は、例えば、波長が４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、又は７８０ｎｍの半導体レーザチップである。発光素子１５０は、一方の端面が上側（透明部材２０側）を向き、他方の端面が下側（アイレット１１０の上面１１０ａ側）を向くように、金属ブロック１２０の素子搭載面１２０ｒに搭載されている。半導体パッケージ２において、例えば、平面視において、発光素子１５０の発光点位置がアイレット１１０の上面１１０ａの中心と略一致するように、発光素子１５０が搭載される。発光素子１５０の電極（図示せず）は、例えば、ボンディングワイヤ等により第１リード１３１及び第２リード１３２と接続されている。

キャップ部材１は、例えば、フランジ部１６が溶接等によりアイレット１１０の上面１１０ａの外縁部近傍に接合されている。このように、キャップ部材１がステムに固定されることで、発光素子１５０がキャップ部材１によって気密封止される。発光素子１５０の一方の端面側から出射された光（例えば、レーザ光）は、天板部１４の開口部１４ｘ内に位置する透明部材２０を透過して半導体パッケージ２の外部に出射される。なお、発光素子１５０の他方の端面側から出射された光をフォトダイオード等により受光して、発光素子１５０の出射光量をモニタするようにしてもよい。フォトダイオードで受光する光量が一定になるように、半導体パッケージ２の外部に配置された回路で制御することにより、環境温度等によらず、半導体パッケージ２の出射光量を一定にできる。

このように、半導体パッケージ２の素子搭載面１２０ｒに発光素子１５０を搭載してキャップ部材１で気密封止し、半導体パッケージ２を実現できる。前述のようにキャップ部材１は、図３に示すような外力に対して接着耐性が向上し、封着強度品質が向上しているため、信頼性の高い半導体パッケージ２を実現できる。

なお、第２実施形態では半導体パッケージ２に発光素子１５０を搭載する例を示したが、これには限定されず、半導体パッケージ２に発光素子以外の発熱性の半導体素子を搭載してもよい。

以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、１Ａ、１Ｂ キャップ部材
２ 半導体パッケージ
１０ キャップ本体
１２ 筒状部
１４ 天板部
１４ｓ 段差部
１４ｔ テーパー部
１４ｘ 開口部
１４ｙ 貫通孔
１６ フランジ部
２０ 透明部材
３０ 接着剤
１１０ アイレット
１１０ａ 上面
１１０ｂ 下面
１１１、１１２、１１３ 切り欠き部
１２０ 金属ブロック
１２０ｒ 素子搭載面
１３１ 第１リード
１３２ 第２リード
１４０ 封止部
１５０ 発光素子

Claims (7)

1. 筒状部と、
   前記筒状部の一端から前記筒状部の中心側に延伸する、開口部を備えた天板部と、
   前記開口部を塞ぐように、前記天板部の内面に接着剤で接着された透明部材と、を有し、
   前記天板部の前記開口部の外側に１以上の貫通孔が形成され、
   前記接着剤は、前記天板部と前記透明部材の互いに対向する領域の間に位置する第１部分と、前記第１部分と連続し、前記貫通孔内に位置する第２部分と、を含む、キャップ部材。
2. 前記接着剤は、前記貫通孔の内壁のすべてに接している、請求項１に記載のキャップ部材。
3. 前記接着剤は、前記貫通孔内から前記天板部の外面に延伸する、請求項１又は２に記載のキャップ部材。
4. 前記貫通孔は、前記天板部の外面側の開口面積が前記天板部の内面側の開口面積よりも大きいテーパー部を備え、
   前記接着剤は、前記テーパー部に達している、請求項１乃至３の何れか一項に記載のキャップ部材。
5. 前記貫通孔は、前記天板部の外面側の開口面積が前記天板部の内面側の開口面積よりも大きい段差部を備え、
   前記接着剤は、前記貫通孔の前記段差部よりも前記天板部の外面側に達している、請求項１乃至３の何れか一項に記載のキャップ部材。
6. 前記透明部材はガラスであり、前記接着剤は前記ガラスよりも融点の低いガラスである、請求項１乃至５の何れか一項に記載のキャップ部材。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載のキャップ部材と、
   ステムの素子搭載面に搭載された半導体素子と、を有し、
   前記キャップ部材が前記ステムに固定され、前記半導体素子が前記キャップ部材によって気密封止されている、半導体パッケージ。

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