KR100455881B1 - Package structure of optical device and method of manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
광 반도체 소자 패키지 구조체와 그 제조방법이 개시된다. 광 반도체 소자 패키지 구조체는 알루미나를 주성분으로 하여 형성되되 복수의 열전도홀이 형성된 베이스 플레이트, 알루미나 소재 보다 열전도율이 높은 소재로 열전도홀을 통해 베이스 플레이트 상부 및 하부에 소정 두께로 형성된 적어도 하나의 열전도층이 형성된 기판과, 기판의 가장자리에서 소정 높이로 형성되어 광 반도체 소자를 안착하기 위한 내부 공간을 형성하는 측벽부 및 광 반도체소자와 외부와의 결선용으로 측벽부 내외를 관통하여 형성된 도전 패드를 구비한다. 이러한 광 반도체소자 패키지 구조체 및 그 제조방법에 의하면, 열전도홀을 통해 베이스 플레이트 상하에 알루미나 소재 보다 열전도율이 높은 소재로 형성시킨 열전도층을 통해 내장되는 광반도체 소자의 방열 능력을 향상시킬 수 있다. 또한, 지지력 확보 및 패키지의 기본 구조는 알루미나 소재로 형성하되, 적용되는 광 반도체 소자의 발열 특성에 맞게 열전도홀의 직경 및 개수, 열전도층의 적층 두께를 적절하게 조절할 수 있어 다양한 출력의 광 반도체 소자 각각에 대해 최적의 방열구조를 제공할 수 있다. 또한, 알루미나 소재에 대한 열전도층 소재의 소요비율이 상대적으로 적어 패키지 구조체의 제조 단가 상승 요인이 크지 않는 장점도 있다.An optical semiconductor device package structure and a method of manufacturing the same are disclosed. The optical semiconductor device package structure is formed of alumina as a main component, but includes a base plate having a plurality of heat conductive holes, and a material having a higher thermal conductivity than the alumina material, and at least one heat conductive layer formed at a predetermined thickness on the upper and lower portions of the base plate through the heat conductive holes. And a sidewall portion formed at a predetermined height at an edge of the substrate to form an internal space for seating the optical semiconductor element, and a conductive pad formed through the inside and the sidewall portion for connection between the optical semiconductor element and the outside. . According to such an optical semiconductor device package structure and a method of manufacturing the same, it is possible to improve the heat dissipation capability of the optical semiconductor device embedded through the heat conduction layer formed of a material having a higher thermal conductivity than the alumina material through the heat conduction hole. In addition, the supporting structure and the basic structure of the package is formed of alumina material, but the diameter and number of the thermally conductive holes and the thickness of the thermally conductive layer can be appropriately adjusted according to the heating characteristics of the optical semiconductor device to be applied, so that each of the optical semiconductor devices of various outputs It is possible to provide an optimal heat dissipation structure for. In addition, since the required ratio of the thermally conductive material to the alumina material is relatively small, there is an advantage that the manufacturing cost increase factor of the package structure is not large.
Description
본 발명은 광 반도체 소자 패키지 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹 패키지내에 내장되는 광 반도체 소자의 열적 안정성을 제공할 수 있는 방열구조를 갖는 광 반도체 소자 패키지 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical semiconductor device package structure and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an optical semiconductor device package structure having a heat dissipation structure capable of providing thermal stability of an optical semiconductor device embedded in a ceramic package mainly composed of alumina, and It relates to a manufacturing method.
전기적으로 신호를 처리하는 전기소자는 광신호에 비해 신호 전송 및 처리속도가 떨어지고 노이즈에 약한 단점 때문에 통신용 소자로서 광반도체 소자의 이용이 점진적으로 증가하고 있다.Electrical devices that electrically process signals are gradually increasing the use of optical semiconductor devices as communication devices due to the weakness of signal transmission and processing speed and weak noise compared to optical signals.
광 반도체 소자는 반도체 레이저 다이오드, 광증폭소자(SOA; Semiconductor optical amplifier), 광스위치 소자 등 알려진 다양한 소자들이 있다.Optical semiconductor devices include various known devices such as semiconductor laser diodes, semiconductor optical amplifiers (SOAs), and optical switch devices.
이러한 광 반도체 소자 부품은 반도체 소자를 제조하는 통상적인 반도체 소자 제조공정을 통해 제조된 칩을 패키징 공정을 통해 패키징 처리한다.The optical semiconductor device component packages a chip manufactured through a conventional semiconductor device manufacturing process for manufacturing a semiconductor device through a packaging process.
도 1은 패키징된 일반적인 레이저 다이오드 소자를 분리해 보인 개략적인 분리 사시도이다.1 is a schematic exploded perspective view showing a separate packaged general laser diode device.
도면을 참조하면, 레이저 다이오드 소자(20)는 패키지 구조체(10)내에 내장되어 있다.Referring to the drawings, the laser diode element 20 is embedded in the package structure 10.
패키지 구조체(10)는 레이저 다이오드 소자(20)가 마운트되는 기판(11)과, 기판(11)의 가장자리로부터 소정 높이로 형성된 측벽부(13) 및 캡(17)을 구비한다.The package structure 10 includes a substrate 11 on which the laser diode element 20 is mounted, a sidewall 13 and a cap 17 formed at a predetermined height from an edge of the substrate 11.
참조부호 16은 레이저 다이오드 소자(20)와 와이어 본딩 되는 도전패드이고, 참조부호 18은 도전패드와 외부에서 결합되는 리드 프레임(18)이고, 참조부호 19는 레이저 다이오드 소자(20)에서 출사되는 광을 외부로 출사시키기 위한 광출사관이다.Reference numeral 16 is a conductive pad wire-bonded with the laser diode element 20, reference numeral 18 is a lead frame 18 coupled to the conductive pad from the outside, and reference numeral 19 is light emitted from the laser diode element 20. It is a light exit tube for emitting light to the outside.
광출사관(19) 내에는 레이저 다이오드 소자(20)에서 출사되는 광을 평행빔으로 집속시키기 위한 콜리메이팅 렌즈(미도시)가 설치될 수 있다.In the light emitting tube 19, a collimating lens (not shown) may be installed to focus the light emitted from the laser diode element 20 into a parallel beam.
이러한 레이저 다이오드 소자(20)를 내장시키기 위한 종래의 패키지 구조체(10)는 가격이 저렴하고, 절연성을 갖는 알루미나 소재 즉, 세라믹소재로 형성하였다.The conventional package structure 10 for embedding the laser diode device 20 is made of alumina material, that is, ceramic material, which is inexpensive and has insulation.
즉, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 캡(17)이 결합된 상태에서 절개해 보인 패키지 구조체의 단면도를 나타내 보인 도 2를 참조하면, 패키지 구조체(10)는 레이저 다이오드 소자(20)가 마운트되는 기판(11) 및 기판(11)으로부터 소정높이로 형성된 측벽부(13)를 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹소재로 형성하였다.That is, referring to FIG. 2, which shows a cross-sectional view of a package structure shown in a cut state along the line II-II ′ of FIG. 1, the package structure 10 includes a laser diode device 20. The board | substrate 11 to be mounted and the side wall part 13 formed in the predetermined height from the board | substrate 11 were formed from the ceramic material which has alumina as a main component.
일반적으로 레이저 다이오드 소자(20)는 동작온도가 정격 동작 온도 보다 10도(℃) 증가하면, 수명이 절반 이하로 단축된다. 특히, 최근의 광통신 시스템은 채널당 10Gbps(Giga bite per second) 이상의 전송속도를 적용하고 있어, 이에 적용되는 광통신용 레이저 다이오드의 경우 스위칭 주파수의 증가에 따라 발열량이 더욱 증가하게 되어, 발열량 증가에 대한 적절한 방열구조의 채용이 요구되고 있다.In general, when the operating temperature of the laser diode device 20 increases by 10 degrees (° C.) above the rated operating temperature, the life is shortened to half or less. In particular, the recent optical communication system is applying a transmission rate of more than 10Gbps (Giga bite per second) per channel, in the case of the optical communication laser diode applied to the heating frequency is further increased with the increase in the switching frequency, it is appropriate to increase the heat generation Adoption of a heat dissipation structure is required.
또한, 초고속 광통신 시스템에서 레이저 다이오드의 허용 발진 파장은 보다 엄격하게 제한된다. 따라서, 레이저 다이오드와 같은 광 반도체 소자의 발진파장의 온도 의존성 및 고속 스위칭에 의한 발열량 증가등의 요인을 고려할 때 정격 동작온도를 제공할 수 있는 고 효율의 방열구조의 패키지가 요구된다.In addition, the allowable oscillation wavelength of the laser diode in the ultrafast optical communication system is more strictly limited. Therefore, in consideration of factors such as temperature dependence of the oscillation wavelength of an optical semiconductor device such as a laser diode and an increase in the amount of heat generated by high-speed switching, a package of a high efficiency heat dissipation structure capable of providing a rated operating temperature is required.
그런데, 종래의 기판(11)으로 이용된 세라믹 소재는 열전도도가 12(W/m°k)정도로 일반 금속에 비해 낮다. 따라서, 발진파장의 온도 의존성이 높은 레이저 다이오드와 같은 광 반도체 소자의 패키지 소재로 이용할 경우 낮은 방열 특성 때문에 탑재 가능한 광 반도체 소자의 출력이 일정 범위내로 제한되는 단점이 있다.However, the ceramic material used as the conventional substrate 11 has a thermal conductivity of about 12 (W / m ° k), which is lower than that of general metals. Therefore, when used as a package material of an optical semiconductor device such as a laser diode having a high temperature dependence of the oscillation wavelength, there is a disadvantage in that the output of the optical semiconductor device that can be mounted is limited within a certain range because of low heat dissipation characteristics.
이를 개선하기 위해 광반도체 소자의 구동시 발생되는 열을 적절하게 외부로 방출할 수 있도록 패키지의 기판(11)의 크기를 확장시키거나, 기판(11) 전체를 열전도율이 높은 금속소재로 대체하는 방안이 있다.In order to improve this, the size of the substrate 11 of the package may be expanded to appropriately dissipate heat generated when the optical semiconductor device is driven to the outside, or the entire substrate 11 may be replaced with a metal material having high thermal conductivity. There is this.
그런데, 기판(11)의 크기를 확장시키는 방안은 부품의 소형화에 역행하고, 열전도도가 높은 금속소재로 대체하기에는 가격 상승에 대한 부담이 있다. 특히, 기판(11) 전체를 금속소재로 대체하는 경우 금속 기판과 알루미나 소재의 측벽부와의 이종 소재 상호간의 접합시 결함이 발생할 수 있고, 이러한 결함은 면접합강도를 떨어뜨려 내구성을 약화 시키고, 수율의 저하를 초래할 수 있는 문제점이 있다.However, the method of expanding the size of the substrate 11 is counteract to the miniaturization of components, and there is a burden on the price increase to replace the metal material having high thermal conductivity. Particularly, when the entire substrate 11 is replaced with a metal material, defects may occur when the metal substrate and the sidewall portion of the alumina material are bonded to each other, and such defects may decrease the joint strength and weaken durability. There is a problem that can lead to a decrease in yield.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 방열 능력을 증가시키면서도 내구성 유지 및 제조 비용 상승을 완화시킬 수 있는 광 반도체 소자 패키지 구조체와 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide an optical semiconductor device package structure and a method of manufacturing the same, which can alleviate the increase in heat dissipation capability and the increase in durability and manufacturing cost.
도 1은 패키징된 일반적인 레이저 다이오드 소자를 분리해 보인 개략적인 분리 사시도이고,1 is a schematic exploded perspective view showing a separated typical laser diode device packaged,
도 2는 패키징된 도 1의 패키지 구조체에 대해 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절개해 보인 종래의 패키지 구조체의 단면도이고,FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional package structure shown along the line II-II ′ of FIG. 1 with respect to the packaged structure of FIG. 1, FIG.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 반도체 소자 패키지 구조체의 단면도이고,3 is a cross-sectional view of an optical semiconductor device package structure according to a preferred embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 반도체소자 패키지 제조공정을 나타내 보인 플로우도이고,4 is a flowchart illustrating a process of manufacturing an optical semiconductor device package according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 도 4의 적층공정에 의해 적층된 요소들을 분리해 나타내 보인 분리 사시도이고,FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating separated elements stacked by the lamination process of FIG. 4;
도 6a 내지 도 6d는 도 4의 제조 공정을 설명하기 위해 일부 공정을 거친 패키지 구조체를 나타내 보인 단면도이다.6A through 6D are cross-sectional views illustrating a package structure that has been partially processed to explain the manufacturing process of FIG. 4.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the reference numerals for the main parts of the drawings>
30: 패키지 구조체 31: 기판30: package structure 31: substrate
32: 베이스 플레이트 32a: 열전도홀32: base plate 32a: heat conduction hole
33: 측벽부 36: 도전패드33: side wall portion 36: conductive pad
39: 캡 41: 제1열전도층39: cap 41: first thermal conductive layer
42: 제2열전도층 43: 제3열전도층42: second thermal conductive layer 43: third thermal conductive layer
60: 광 반도체 소자60: optical semiconductor device
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광 반도체 소자 패키지 구조체는 기판과, 상기 기판의 가장자리에서 소정 높이로 형성되어 광 반도체 소자를 안착하기 위한 내부 공간을 형성하는 측벽부 및 상기 광 반도체소자와 외부와의 결선용으로 상기 측벽부 내외를 관통하여 형성된 도전 패드를 구비하는 광 반도체 소자 패키지 구조체에 있어서, 상기 기판은 알루미나를 주성분으로 하여 형성되되 복수의 열전도홀이 형성된 베이스 플레이트와; 상기 알루미나 소재 보다 열전도도가 높은 소재로 상기 열전도홀을 통해 상기 베이스 플레이트 상부 및 하부에 소정 두께로 형성된 적어도 하나의 열전도층;을 구비한다.In order to achieve the above object, an optical semiconductor device package structure according to the present invention comprises a substrate, a side wall portion formed at a predetermined height at the edge of the substrate to form an inner space for seating the optical semiconductor device and the optical semiconductor device; An optical semiconductor device package structure having conductive pads penetrating into and out of the sidewall portion for connection to an external device, the substrate comprising: a base plate formed of alumina as a main component and having a plurality of heat conductive holes; And a material having a higher thermal conductivity than the alumina material, and at least one thermal conductive layer formed in a predetermined thickness on the upper and lower portions of the base plate through the thermal conductive holes.
바람직하게는 상기 열전도층은 텅스텐, 몰리브덴/망간중 적어도 하나의 소재로 상기 열전도홀을 충진하되 상기 베이스 플레이트 상부 및 하부까지 형성된 제1열전도층과; 상기 제1열전도층 상부 및 하부에 니켈 소재로 형성된 제2열전도층; 및 상기 제2열전도층의 상부 및 하부에 금소재로 형성된 제3열전도층;을 포함한다.Preferably, the thermally conductive layer comprises: a first thermally conductive layer filling the thermally conductive hole with at least one of tungsten and molybdenum / manganese, and formed up to and below the base plate; Second heat conductive layers formed of nickel on upper and lower portions of the first heat conductive layer; And a third heat conductive layer formed of a gold material on the upper and lower portions of the second heat conductive layer.
상기 측벽부는 상기 베이스 플레이트와 동일 소재로 형성하는 것이 바람직하다.The side wall portion is preferably formed of the same material as the base plate.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광 반도체 소자 패키지 구조체의 제조방법은 알루미나를 주소재로한 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트를 관통하여 형성된 열전도홀이 충진되도록 상기 베이스 플레이트 상부 및하부에 형성된 제1열전도층 및 상기 베이스 플레이트의 상부에 상기 광 반도체 소자가 내장될 수 있는 내부 공간을 형성하도록 소정 높이로 형성된 측벽부를 갖는 1차 구조체를 형성하는 단계와; 상기 제1열전도층 상부 및 저부에 니켈소재로 제2열전도층을 형성하는 단계와; 상기 제2열전도층 상부 및 저부에 금소재로 제3열전도층을 형성하는 단계;를 포함한다.In addition, in order to achieve the above object, a method of manufacturing an optical semiconductor device package structure according to the present invention includes a base plate made of alumina and a heat conduction hole formed through the base plate to fill the upper and lower portions of the base plate. Forming a primary structure having a first thermal conductive layer formed on the sidewall and sidewalls formed at a predetermined height to form an inner space in which the optical semiconductor device may be embedded; Forming a second heat conductive layer on the top and bottom of the first heat conductive layer with a nickel material; And forming a third heat conductive layer of a gold material on the top and bottom of the second heat conductive layer.
바람직하게는 상기 1차 구조체는 상기 베이스 플레이트로 적용할 적어도 하나의 그린쉬트에 소정 개수의 열전도홀을 형성하는 단계와; 상기 열전도홀이 충진되도록 상기 베이스 플레이트의 상부 및 하부에 상기 알루미나 소재보다 열전도도가 높은 소정의 소재로 제1열전도층을 형성하는 단계와; 상기 베이스 플레이트 상부에 도전 패드가 형성된 측벽부용 그린쉬트를 적층하는 단계와; 상기 적층된 그린쉬트 구조체를 소성하는 단계;를 포함한다.Preferably, the primary structure comprises the steps of forming a predetermined number of thermally conductive holes in at least one green sheet to be applied to the base plate; Forming a first thermal conductive layer of a predetermined material having a higher thermal conductivity than the alumina material in the upper and lower portions of the base plate to fill the thermal conductive holes; Stacking a green sheet for the side wall portion having a conductive pad formed on the base plate; Firing the laminated green sheet structure.
또한, 상기 제1열전도층은 텅스텐, 몰리브덴/망간 중 적어도 하나의 소재로 형성된다.In addition, the first thermal conductive layer is formed of at least one material of tungsten, molybdenum / manganese.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 반도체 소자 패키지 구조체와 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, an optical semiconductor device package structure and a manufacturing method thereof according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 반도체 소자 패키지 구조체의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of an optical semiconductor device package structure according to a preferred embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 광 반도체 소자 패키지 구조체(30)는 기판(31), 측벽부(33)를 구비한다.Referring to the drawings, the optical semiconductor device package structure 30 includes a substrate 31 and sidewalls 33.
기판(31)은 베이스 플레이트(32), 제1열전도층(41), 제2열전도층(42), 제3열전도층(43)을 구비한다.The substrate 31 includes a base plate 32, a first heat conductive layer 41, a second heat conductive layer 42, and a third heat conductive layer 43.
베이스 플레이트(32)는 알루미나(Al2O3)를 주소재로한 세라믹소재로 충분한 지지력을 확보할 수 있는 두께로 형성된다. 일 예로서, 베이스 플레이트(32)는 약 0.5 내지 1mm정도의 두께로 형성한다. 베이스 플레이트(32)에는 복수의 열전도홀(32a)이 관통되게 형성되어 있다.The base plate 32 is formed of a ceramic material with alumina (Al 2 O 3 ) as a thickness to ensure sufficient supporting force. As an example, the base plate 32 is formed to a thickness of about 0.5 to 1mm. The base plate 32 has a plurality of heat conduction holes 32a formed therethrough.
베이스 플레이트(32) 상부 및 저부에는 열전도홀(32a)을 관통하여 매립되게 형성된 제1열전도층(41)이 형성되어 있다. 즉, 제1열전도층(41)을 구분하면, 상부 제1열전도층(41a)과, 관통 제1열전도층(41c) 및 하부 제1열전도층(41b)으로 되어 있다.First and second conductive layers 41 are formed in the upper and lower portions of the base plate 32 so as to penetrate the thermal conductive holes 32a. That is, the first heat conductive layer 41 is divided into an upper first heat conductive layer 41a, a through first heat conductive layer 41c, and a lower first heat conductive layer 41b.
제1열전도층(41)은 알루미나 소재 보다 열전도율이 수 내지 수십 배 높고 타금속 소재에 비해 가격이 저렴하며, 알루미나 소재와의 결합력이 좋은 텅스텐 소재(W)(178(W/m°K)), 몰리브덴/망간(Mo/Mn)중 적어도 하나의 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 상부 제1열전도층(41a) 및 하부 제1열전도층(41b)은 각각 적절한 두께 예컨대, 5 내지 40μm정도의 두께로 형성한다.The first thermal conductive layer 41 has a thermal conductivity of several to tens of times higher than that of the alumina material, and is inexpensive compared to other metal materials, and has a good bonding force with the alumina material (W) (178 (W / m ° K)). , Molybdenum / manganese (Mo / Mn) is preferably formed of at least one material. The upper first thermal conductive layer 41a and the lower first thermal conductive layer 41b are each formed to an appropriate thickness, for example, a thickness of about 5 to 40 μm.
제2열전도층(42)은 열전도홀(32a)을 통해 베이스 플레이트(32)의 상부 및 저부까지 연장되게 형성된 상부 제1열전도층(41a)의 상부 및 하부 제1열전도층(41b)의 하부에 각각 형성된다. 제2열전도층(42)은 후술하는 제3열전도층(43)의 도금시 제3열전도층(43) 소재의 타층으로의 확산 억제 및 제1열전도층(41)과 제3열전도층(43)의 결합을 매개할 수 있도록 해당 층(41)(43) 각각에 대해 적절한결합력을 갖는 소재로 형성한다. 바람직하게는 제2열전도층(42)은 니켈(Ni)(90(W/m°K)) 소재로 형성한다.The second thermal conductive layer 42 is formed on the lower portion of the upper and lower first thermal conductive layers 41b of the upper first thermal conductive layer 41a formed to extend to the upper and lower portions of the base plate 32 through the thermal conductive holes 32a. Each is formed. The second thermal conductive layer 42 may suppress diffusion into other layers of the material of the third thermal conductive layer 43 and the first thermal conductive layer 41 and the third thermal conductive layer 43 during plating of the third thermal conductive layer 43, which will be described later. It is formed of a material having an appropriate bonding force for each of the layers 41 and 43 so as to mediate the bonding. Preferably, the second thermal conductive layer 42 is formed of nickel (Ni) (90 (W / m ° K)) material.
상부 및 하부 제2열전도층(42a)(42b)은 각각 소정의 두께 예컨대, 1.27 내지 10μm정도의 두께로 형성한다.The upper and lower second thermal conductive layers 42a and 42b are each formed to have a predetermined thickness, for example, about 1.27 to 10 μm.
제2열전도층(42)은 상부 제1열전도층(41a) 위에만 형성시킬 수도 있다.The second thermal conductive layer 42 may be formed only on the upper first thermal conductive layer 41a.
제3열전도층(43)은 상부 제2열전도층(42a)의 상부 및 하부 제2열전도층(42b)의 하부에 각각 형성되어 있고, 일반적으로 이용되는 광 반도체 소자의 다이(Die)본딩용 소재인 금/주석(Au/Sn) 합금과의 결합력이 좋은 금 소재로 형성된다.The third thermal conductive layer 43 is formed on the upper portion of the upper second thermal conductive layer 42a and the lower portion of the lower second thermal conductive layer 42b, respectively, and is a die bonding material of a generally used optical semiconductor element. It is formed of a gold material having a good bonding force with a phosphorus / tin (Au / Sn) alloy.
상부 및 하부 제3열전도층(43a)(43b)은 각각 소정의 두께 예컨대, 0.1 내지 2μm정도의 두께로 형성한다.The upper and lower third thermal conductive layers 43a and 43b are each formed to have a predetermined thickness, for example, about 0.1 to 2 μm thick.
제3열전도층(43)도 상부 제2열전도층(42a) 위에만 형성시킬 수도 있다.The third thermal conductive layer 43 may also be formed only on the upper second thermal conductive layer 42a.
상부 제3열전도층(43a) 상면에는 본딩 소재에 의해 광반도체 소자가 솔더링 공정을 통해 결합된다. 솔더링 본딩소재로서는 앞서 설명된 소재 즉, 금/주석 합금 이외에도 에폭시소재가 적용될 수도 있다.The optical semiconductor element is bonded to the upper surface of the upper third thermal conductive layer 43a by a bonding material through a soldering process. As the soldering bonding material, an epoxy material may be applied in addition to the material described above, that is, a gold / tin alloy.
측벽부(33)는 베이스 플레이트(32)의 가장자리에서 상방으로 소정 높이 형성되어 있다. 베이스 플레이트(32)와 측벽부(33)에 의해 광 반도체 소자를 장착하기 위한 내부 장착 공간이 형성된다.The side wall portion 33 is formed at a predetermined height upward from the edge of the base plate 32. An internal mounting space for mounting the optical semiconductor element is formed by the base plate 32 and the side wall portion 33.
측벽부(33)는 베이스 플레이트(32)와 동일 소재 즉, 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹 소재로 형성되는 것이 바람직하다.The side wall portion 33 is preferably formed of the same material as the base plate 32, that is, a ceramic material mainly composed of alumina.
측벽부(33)는 베이스 플레이트(32)로부터 소정 높이 부분이 리드 프레임과광 반도체 소자 상호간을 연결시키기 위한 도전패드(36)가 측벽부(33)내외를 관통하여 안착될 수 있도록 단차지게 형성되어 있다. 즉, 측벽부(33)는 베이스 플레이트(32)로부터 소정 높이 상방으로 형성된 제1부분(33a)과, 상기 제1부분(33a)의 상면 일부가 노출되게 제1부분(33a) 보다 횡단면적이 좁게 형성되되 외측면이 제1부분(33a)과 나란하게 형성된 제2부분(33b)을 구비한다.The side wall portion 33 is stepped so that a predetermined height portion from the base plate 32 may be seated through the inside and outside of the side wall portion 33 for the conductive pad 36 for connecting the lead frame and the optical semiconductor elements to each other. have. That is, the side wall portion 33 has a cross-sectional area greater than that of the first portion 33a so that the first portion 33a formed above the predetermined height from the base plate 32 and a portion of the upper surface of the first portion 33a are exposed. The second surface 33 is formed to be narrow but has an outer side surface formed to be parallel to the first portion 33a.
제1부분(33a)과 제2부분(33b)의 경계면이 되는 단차진 노출면(33c)은 도전패드(38)가 측벽부(33) 내외를 관통하게 형성된다.The stepped exposed surface 33c serving as an interface between the first portion 33a and the second portion 33b is formed such that the conductive pad 38 penetrates inside and outside the sidewall portion 33.
도전패드(36)는 제3열전도층(43)에 마운트되는 광 반도체 소자의 대응되는 전극과 와이어 본딩에 의해 결선된다. 도전패드(36)는 텅스텐 또는 몰리브덴/망간(Mo/Mn) 합금으로 형성되는 것이 바람직하다.The conductive pad 36 is connected by wire bonding with a corresponding electrode of the optical semiconductor device mounted on the third thermal conductive layer 43. The conductive pad 36 is preferably formed of tungsten or molybdenum / manganese (Mo / Mn) alloy.
광 반도체 소자의 본딩 및 결선이 수행된 다음에는 측벽부(33) 상면에 실링한다. 예컨대 금(Au) 또는 니켈층 위에 금(Ni+Au)으로 도금된 코바(KOVAR) 재(材)나 니켈-철 합금(Ni-Fe) 재(材)의 캡(Cap), 또는 세라믹 캡(Ceramic Cap)을 사용하여 실링(Sealing) 이나 솔더링 (Soldering)으로 캡실링(Cap Seal)을 한다.After bonding and wiring of the optical semiconductor device are performed, the upper surface of the sidewall part 33 is sealed. For example, a KOVAR plate or a nickel-iron alloy (Ni-Fe) plate plated with gold (Ni + Au) on a gold or nickel layer, or a ceramic cap ( Cap Seal with Sealing or Soldering using Ceramic Cap.
이러한 패키지 구조체(30)는 적용되는 광 반도체 소자의 발열 특성에 맞게 열전도홀(32a)의 직경 및 개수, 열전도층(41 내지 43) 각각의 적층 두께를 적절하게 결정하여 다양한 출력의 광 반도체 소자 각각에 대해 최적의 방열 구조를 제공할 수 있다.The package structure 30 appropriately determines the diameter and number of the thermally conductive holes 32a and the stacking thickness of each of the thermally conductive layers 41 to 43 to suit the heat generation characteristics of the optical semiconductor device to which the optical semiconductor device is applied. It is possible to provide an optimal heat dissipation structure for.
이러한 패키지 구조체의 바람직한 제조공정을 도 4 내지 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.A preferred manufacturing process of such a package structure will be described in more detail with reference to FIGS. 4 to 6.
먼저, 베이스 플레이트로 적용할 적어도 하나 이상의 그린쉬트(green sheet)에 열전도홀을 형성한다(단계 100).First, a thermally conductive hole is formed in at least one green sheet to be applied as the base plate (step 100).
여기서, 그린쉬트는 알루미나의 중량비가 90%이상되게 조성된 플렉서블한 얇은 쉬트형태의 알루미나 판을 말하고, 알려진 집적 회로용 다층 세라믹 기판 제조에 일반적으로 이용되는 것으로 후공정인 소성공정을 통해 경화된 베이스 플레이트(32)가 된다. 이러한 그린쉬트의 제조방법은 공지되어 있다. 일 예를 들면, 그린쉬트는 목표 점도를 갖도록 진동 탈포 과정을 거친 알루미나 슬러리를 테이프 캐스팅방식으로 쉬트화하여 생성된 것을 말한다. 알루미나 슬러리는 알루미나(Al2O3) 분말에 불순물 예컨대 SiO2, MgO, CaO 화합물로 이루어진 소결조제에 수계 용매, 가소제, 습윤제, 해교제를 첨가 혼합하여 생성된 1차 혼합물을 소정용량의 바인더와 소포제를 첨가 혼합하여 생성된다. 통상적으로 수계용매는 물, 가소제는 폴리 에틸렌 글리콜 및 부틸 벤질 프탈레이트, 습윤제는 비이온 옥실 페놀식 에틴올, 해교제는 이릴 슬폰산, 결합제는 아크릴 수지계 에멀션, 소포제는 왁스계 에멀션이 적정비율로 적용된다.Here, the green sheet refers to a flexible thin sheet-shaped alumina plate composed of more than 90% by weight of alumina. The green sheet is generally used to manufacture a multilayer ceramic substrate for a known integrated circuit, and the base is hardened through a post-process firing process. It becomes the plate 32. Methods of making such green sheets are known. For example, the green sheet refers to a sheet produced by sheet casting the alumina slurry subjected to the vibration defoaming process to have a target viscosity. The alumina slurry is mixed with an alumina (Al2O3) powder by adding an aqueous solvent, a plasticizer, a humectant, and a peptizing agent to a sintering aid composed of impurities such as SiO2, MgO, and CaO, and then adding and mixing a binder and an antifoaming agent with a predetermined capacity. Is generated. Typically, the aqueous solvent is water, the plasticizer is polyethylene glycol and butyl benzyl phthalate, the wetting agent is a nonionic oxyl phenolic ethynol, the peptizing agent is yl sulfonic acid, the binder is an acrylic resin emulsion, the antifoam agent is a wax emulsion. do.
다음으로는, 패키지 구조체에 대응되게 가공된 그린쉬트중 메탈라이징 패턴을 인쇄할 대상으로 선택된 그린쉬트에 해당 금속 페이스트로 도포한다(단계 110).Next, the metallization pattern of the green sheet processed to correspond to the package structure is applied to the green sheet selected as the object to be printed with the corresponding metal paste (step 110).
바람직하게는 제1열전도층(41) 및 도전패드(36)를 대응되는 그린쉬트에 해당소재의 금속 페이스트로 도포한다.Preferably, the first thermal conductive layer 41 and the conductive pad 36 are applied to the corresponding green sheet with a metal paste of the material.
이후, 목표로하는 구조체의 형상에 대응되게 홀 가공 및 금속 페이스트 도포처리된 그린쉬트들을 순차적으로 적층한다(단계 120). 적층 구조의 일 예가 도시된도 5를 참조하면, 열전도홀(32a)이 형성된 복수의 그린쉬트가 적층된 베이스 플레이트(32)용 그린쉬트군과, 베이스 플레이트용 그린쉬트군의 최상단 그린쉬트의 상부 일부 영역에서 열전도홀(32a)을 통해 최하단 그린쉬트의 하부에 도포된 제1열전도층(41a)(41b), 도전패드(36)층이 형성된 측벽부(33)의 제1부분(33a)용 그린쉬트군, 제2부분(33b)용 그린쉬트군이 순차적으로 적층된다. 제2부분(33a)용의 그린쉬트군에는 광출사관 형성용 홀이 형성되어 있다.Thereafter, the green sheets subjected to the hole processing and the metal paste coating process are sequentially stacked to correspond to the shape of the target structure (step 120). Referring to FIG. 5, which shows an example of the stacked structure, the green sheet group for the base plate 32 on which the plurality of green sheets having the heat conduction holes 32 a are formed is stacked, and the uppermost green sheet group of the green sheet group for the base plate. For the first portion 33a of the sidewall portion 33 on which the first thermal conductive layers 41a and 41b and the conductive pad 36 layer are formed, which are applied to the lower portion of the lowermost green sheet through the thermally conductive holes 32a in some regions. The green sheet group and the green sheet group for the second portion 33b are sequentially stacked. In the green sheet group for the second portion 33a, a hole for forming a light exit tube is formed.
이렇게 적층된 적층 구조체는 쉬트들 및 금속페이스트 상호간이 접합 및 소결될 수 있는 알려진 조건의 가열 가압에 의해 소성 처리한다(단계 130). 소정 공정을 통해 열가소성이 있는 결합제에 의해 그린쉬트들이 상호 소결되어 딱딱한 경도를 갖는 기본 구조체가 형성된다.The laminated structure thus laminated is calcined by heating and pressing under known conditions such that the sheets and metal pastes can be bonded and sintered together (step 130). Through certain processes, the green sheets are sintered with each other by a thermoplastic binder to form a basic structure having hard hardness.
이러한 소성공정을 통해 도 6a와 같은 기본 구조체가 1차적으로 형성된다.Through this firing process, a basic structure as shown in FIG. 6A is primarily formed.
이후, 제2열전도층(42)을 형성한다(단계 140). 제2열전도층(42)은 앞서 예시된 소재로 상부 제1열전도층(41a) 상부 및 하부 제1열전도층(41b) 하부에 소정 두께로 도금 처리하여 형성한다.Thereafter, a second thermal conductive layer 42 is formed (step 140). The second thermal conductive layer 42 is formed by plating a predetermined thickness on the upper portion of the upper first thermal conductive layer 41a and the lower portion of the lower first thermal conductive layer 41b using the materials described above.
제2열전도층(42)형성 후 도전패드(36)에 본딩소재(52)로 리드 프레임(38)을 솔더링 공정을 통해 부착한다(도 6b참조). 리드프레임(38) 부착공정은 이후의 후속 공정중에 수행해도 됨은 물론이다.After the formation of the second thermal conductive layer 42, the lead frame 38 is attached to the conductive pad 36 by the bonding material 52 through a soldering process (see FIG. 6B). The process of attaching the lead frame 38 may be performed during subsequent steps.
그리고 나서, 제3열전도층(43)을 금소재로 소정 두께 형성한다(도 6c 참조)(단계 150).Then, a third thickness of the third heat conductive layer 43 is formed of a gold material (see FIG. 6C) (step 150).
이렇게 제3열전도층(43)까지 형성된 구조체의 상부 제3열전도층(43a) 상면에금/주석 합금 또는 에폭시소재와 같은 본딩소재(53)로 광 반도체소자(60)를 솔더링 공정을 통해 부착한다(도 6c 참조)(단계 160).The optical semiconductor device 60 is attached to the upper third thermal conductive layer 43a of the structure formed up to the third thermal conductive layer 43 by a bonding material 53 such as a gold / tin alloy or an epoxy material through a soldering process. (See FIG. 6C) (step 160).
이후 , 제3열전도층(43)에 마운트된 광반도체 소자(60)의 전극과 대응되는 도전패드(36)를 와이어(70)로 본딩하여 결선하고(단계 170), 베이스 플레이트(32)와 대응되는 면적을 갖는 캡(39)을 측벽부(33) 상면에 실링용 페이스트 예컨대 금/주석 소재의 실링제(54)를 이용하여 부착한다(도 6e 참조)(단계 180).Subsequently, the conductive pads 36 corresponding to the electrodes of the optical semiconductor element 60 mounted on the third thermal conductive layer 43 are bonded by wires 70 (step 170) and correspond to the base plates 32. A cap 39 having an area to be attached is attached to the upper surface of the side wall portion 33 using a sealing paste 54 such as a sealing agent 54 made of gold / tin (see FIG. 6E) (step 180).
이상의 설명에서는 도전패드(36)가 소성 공정 이전에 적층된 그린쉬트 구조체에 결합시키는 공정을 설명하였으나, 소성 공정 이전에 측벽 내외를 관통하는 도전패드 관통용 홀만 형성시킨 다음, 소성 공정 이후에 도전패드(36)를 관통용 홀을 통해 부착시킬 수 있음은 물론이다.In the above description, the process in which the conductive pad 36 is bonded to the green sheet structure laminated before the firing process has been described. However, before the firing process, only the conductive pad penetrating holes penetrating into and out of the sidewall are formed, and then the conductive pad is formed after the firing process. Of course, the 36 can be attached through the through hole.
또한, 가공이 다소 어렵지만 열전도홀(32a)을 소성 과정을 거친 이후에 형성한 후, 제1열전도층 내지 제3열전도층(41 내지 43)을 순차적으로 형성할 수도 있다.In addition, although the processing is somewhat difficult, after forming the thermally conductive holes 32a after the firing process, the first to third thermally conductive layers 41 to 43 may be sequentially formed.
지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 반도체 소자 패키지 구조체와 그 제조방법에 의하면, 알루미나 소재로 된 베이스 플레이트에 형성된 열전도홀을 관통하도록 베이스 플레이트 상하에 알루미나 소재 보다 열전도율이 높은 소재로 형성시킨 열전도층을 통해 내장되는 광반도체 소자의 방열 능력을 향상시킬 수 있다. 또한, 지지력 확보 및 패키지의 기본 구조는 알루미나 소재로 형성하되, 적용되는 광 반도체 소자의 발열 특성에 맞게 열전도홀의 직경 및 개수, 열전도층의적층 두께를 적절하게 조절할 수 있어 다양한 출력의 광 반도체 소자 각각에 대해 최적의 방열구조를 제공할 수 있다. 또한, 열전도층이 알루미나 소재로 된 기본 구조체에 형성된 열전도홀을 통해 기본 구조체 상하부에서 지지되게 연결되어 형성됨으로써, 내구성을 향상시킬 수 있다.As described so far, according to the optical semiconductor device package structure according to the present invention and a method for manufacturing the same, formed of a material having a higher thermal conductivity than the alumina material above and below the base plate so as to pass through the heat conductive holes formed in the base plate of the alumina material. It is possible to improve the heat dissipation ability of the optical semiconductor device embedded through the thermal conductive layer. In addition, the supporting structure and the basic structure of the package is formed of alumina material, but the diameter and number of the heat conduction holes and the thickness of the heat conduction layer can be appropriately adjusted according to the heat generation characteristics of the applied optical semiconductor device, so that each of the optical semiconductor devices of various outputs is provided. It is possible to provide an optimal heat dissipation structure for. In addition, the heat conduction layer is formed by being supported to be supported on the upper and lower portions of the base structure through heat conduction holes formed in the base structure made of alumina material, thereby improving durability.
또한, 알루미나 소재에 대한 열전도층 소재의 소요비가 상대적으로 적어 패키지 구조체의 제조 단가 상승 요인이 크지 않는 장점도 있다.In addition, the cost of the thermal conductive layer material relative to the alumina material is relatively small, there is an advantage that the increase in manufacturing cost of the package structure is not large.
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