TWI659544B - 光半導體裝置及光半導體裝置的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明之發光裝置10係具備：封裝基板30，於上表面31具有開口的凹部34；光半導體元件20，收容於凹部34；窗構件40，以覆蓋凹部34之開口的方式配置；以及密封構造50，將封裝基板30與窗構件40之間密封。窗構件係具有：玻璃板42，具有與光半導體元件20對向的內表面44；以及框體46，設置於玻璃板42的內表面44上。密封構造50係具有：第一金屬層51，於封裝基板30之上表面31設置成框狀；第二金屬層52，設置於框體46之下表面46a及內周面46b；以及金屬接合部53，設置於第一金屬層51與第二金屬層52之間；金屬接合部53的至少一部分設置於內周面46b上。
Description
本發明係關於一種光半導體裝置，尤其是關於一種具有光半導體元件的光半導體裝置。
近年來，輸出藍色光的發光二極體(light emitting diode)或雷射二極體(laser diode)等的半導體發光元件係已實用化，進一步地輸出短波長之深紫外光的發光元件的開發正進展中。由於深紫外光具有高度殺菌能力，能夠輸出深紫外光的半導體發光元件係在醫療或食品加工的現場中作為無水銀的殺菌用光源而受到注目。而且，無關乎輸出波長而發光強度更高的半導體發光元件之開發正進展中。
發光元件係收容於用以從外部環境保護元件的封裝(package)內。例如藉由將安裝發光元件的基板與配置於該基板上的蓋體進行接合來密封發光元件。蓋體係於金屬框體之開口部嵌入有透光性的窗構件，於基板之外周設置有金屬製的密封環(seal ring)，在金屬框體與密封環之間經由焊接材料安裝(例如參照專利文獻1)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特開2005-191314號公報。
將基板與蓋體透由焊接材料接合之時，為了提高接合性，在基板與蓋體之間一邊將荷重施加於焊接材料一邊進行密封為佳。此時，若從基板與蓋體之間被擠出之焊接材料的一部分朝著發光元件的安裝面流出的話，有著使配線之間短路而使製造良率降低的擔憂。
本發明係有鑑於如此的課題而完成，示範性目的之一係提供一種將光半導體裝置之可靠性及製造良率予以提高的技術。
本發明之一態樣的光半導體裝置係具備：封裝基板，於上表面具有開口的凹部；光半導體元件，收容於凹部；窗構件，以覆蓋凹部之開口的方式配置；以及密封構造，將封裝基板與窗構件之間密封。窗構件係具有：玻璃板，具有與光半導體元件對向的內表面；以及框體，設置於玻璃板的內表面上。密封構造係具有：第一金屬層，於封裝基板之上表面設置成框狀；第二金屬層，設置於框體之下表面及內周面；以及金屬接合部，設置於第一金屬層與第二金屬層之間；金屬接合部的至少一部分設置於內周面上。
依據此態樣，由於在框體之內周面設置有金屬層，故在封裝基板之上表面與框體之間一邊施加荷重一邊形成金屬接合部時從下表面與框體之間被擠出的接合材會沿著框體的內周面往上方向延伸。結果，能夠防止被擠出的接合材朝著基板之凹部流出，而能夠將接合材留在框體的附近。藉此，能夠提高接合時的製造良率，並藉由施加荷重的接合過程而得以實現高度可靠性的密封構造。
框體的外形尺寸係比封裝基板的外形尺寸更小，框體的內形尺寸係比封裝基板之凹部的內形尺寸更大。
框體係自下表面至玻璃板之內表面的高度亦可為10μm以上200μm以下。
光半導體元件可以是用以發出深紫外光的發光元件，窗構件亦可以深紫外光之透光率成為80%以上的方式構成。
玻璃板亦可以厚度300μm以下的硼酸鹽玻璃構成，框體亦可以科華合金(Kovar alloy)構成，金屬接合部亦可包含金錫(AuSn)。
本發明之另一態樣係一種光半導體裝置的製造方法。此方法係具備以下步驟：收容步驟，於上表面具有開口的凹部之封裝基板的凹部收容光半導體元件；配置步驟，以覆蓋凹部之開口的方式配置窗構件；以及密封步驟，將封裝基板與窗構件之間密封。窗構件係具有：玻璃板，具有與光半導體元件對向的內表面；以及框體，設置於玻璃板的內表面上。於封裝基板之上表面係設置有框狀的第一金屬層；於框體之下表面及內周面係設置有第二金屬層；密封步驟係包含一邊將荷重施加在封裝基板與窗構件之間一邊將配置於第一金屬層與第二金屬層之間之金屬接合材加熱的加熱步驟。
依據此態樣，由於在框體之內周面設置有金屬層，故在封裝基板之上表面與框體之間一邊施加荷重一邊使金屬接合材加熱熔融時從下表面與框體之間被擠出的金屬接合材會沿著框體的內周面往上方向延伸。結果，能夠防止被擠出的金屬接合材朝著基板之凹部流出，而能夠將金屬接合材留在框體的附近。藉此，能夠提高接合時的製造良率，並藉由施加荷重的接合過程得以實現高度可靠性的密封構造。
密封步驟亦可包含於金屬接合材之加熱後一邊將荷重施加在封裝基板與窗構件之間一邊冷卻金屬接合材的冷卻步驟。
金屬接合材亦可具有對應於框體之下表面的框形狀之金錫(AuSn)的金屬板。
依據本發明，能夠提高具有光半導體元件之光半導體裝置的可靠性。
10、110‧‧‧發光裝置
20‧‧‧發光元件
22‧‧‧半導體積層構造
24‧‧‧光射出面
26‧‧‧第一元件電極
27‧‧‧第二元件電極
30‧‧‧封裝基板
31‧‧‧封裝基板之上表面
32‧‧‧封裝基板之下表面
34‧‧‧凹部
36‧‧‧第一內側電極
37‧‧‧第二內側電極
38‧‧‧第一外側電極
39‧‧‧第二外側電極
40、140‧‧‧窗構件
42、142‧‧‧玻璃板
43‧‧‧窗構件之外表面
44、144‧‧‧玻璃板之內表面
46、146‧‧‧框體
46a、146a‧‧‧框體之下表面
46b‧‧‧框體之內周面
46c‧‧‧框體之外周面
46d‧‧‧框體之上表面
50‧‧‧密封構造
51‧‧‧第一金屬層
52‧‧‧第二金屬層
53、153‧‧‧金屬接合部
56‧‧‧金屬接合材
60‧‧‧荷重
154‧‧‧外伸部
t1‧‧‧玻璃板之厚度
t2‧‧‧框體之厚度
w10、w11、w20‧‧‧外形尺寸
w12、w22‧‧‧內形尺寸
w13、w23、w3‧‧‧寬度
圖1係概略地表示實施形態之發光裝置的剖視圖。
圖2係概略地表示圖1之發光裝置的俯視圖。
圖3係表示實施形態的發光裝置之製造方法的流程圖。
圖4係概略地表示發光裝置之製造步驟的剖視圖。
圖5係概略地表示比較例之發光裝置的剖視圖。
以下一邊參照圖式，一邊對用以實施本發明之形態詳細說明。在說明中對同一要件附上同一符號，並適當省略重複的說明。為了有助於理解說明，各圖式中的各構成要件的尺寸比不一定與實際的裝置之尺寸比一致。
圖1係概略地表示實施形態的發光裝置10之剖視圖， 圖2係概略地表示圖1之發光裝置10的俯視圖。發光裝置10係具備發光元件20、封裝基板30、窗構件40以及密封構造50。發光裝置10係光半導體裝置，具有作為光半導體元件的發光元件20。
發光元件20係以發出中心波長λ約360nm以下之「深紫外光」的方式構成的LED(Light Emitting Diode；發光二極體)晶片。為了輸出此種波長的深紫外光，發光元件20係以能帶隙(band gap)成為約3.4eV以上的鋁鎵氮化物(AlGaN)系半導體材料所構成。在本實施形態中，特別對發出中心波長λ約240nm至350nm之深紫外光的情形進行表示。
發光元件20係具有半導體積層構造22、光射出面24、第一元件電極26及第二元件電極27。
半導體積層構造22係包含於成為光射出面24之基板上積層的模板(template)層、n型披覆(clad)層、活性層、p型披覆層等。在發光元件20以輸出深紫外光的方式構成的情形下，使用藍寶石(Al2O3)基板作為成為光射出面24的基板，使用氮化鋁(AlN)層作為半導體積層構造22的模板層。而且，半導體積層構造22的披覆層或活性層係以AlGaN(鋁鎵氮化物)系半導體材料所構成。
第一元件電極26及第二元件電極27係用以對半導體積層構造22之活性層提供載體(carrier)的電極，分別為陽(anode)電極或是陰(cathode)電極。第一元件電極26及第二元件電極27係與光射出面24成相反側而設置。第一元件電極26係安裝於基板30的第一內側電極36，第二元件電極27係安裝於基板30的第二內側電極37。
封裝基板30係具有上表面31及下表面32之矩形狀的構件。封裝基板30係含有氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)等的陶瓷基板，即所謂的高溫共燒多層陶瓷(HTCC：High Temperature Co-fired Ceramic)基板。
於封裝基板30的上表面31係設置有用以收容發光元件20的凹部34。於凹部34的底面係設置有用以安裝發光元件20的第一內側電極36及第二內側電極37。於封裝基板30的下表面32係設置有用以將發光裝置10實際安裝於外部基板等的第一外側電極38及第二外側電極39。
窗構件40係以覆蓋凹部34之開口的方式設置的保護構件。發光元件20所發出的紫外光係經由窗構件40而從窗構件40之外表面43向封裝的外部輸出。窗構件40係具有玻璃板42及框體46。
玻璃板42係具有矩形狀，四角被施以圓倒角處理。玻 璃板42係以深紫外光的透光率高而熱膨脹係數與框體46近似的材料構成為佳。玻璃板42例如係以硼矽酸鹽玻璃等的硼酸鹽玻璃所構成。玻璃板42係以發光元件20所發出之深紫外光的透光率成為80%以上的方式薄薄地形成，較佳係以成為85%以上的方式薄薄地形成。玻璃板42之厚度t1係例如300μm以下，150μm至200μm左右尤佳。玻璃板42亦可以深紫外光之透光率高的石英玻璃構成。
框體46係所謂的密封環，形成為矩形框狀，四角被施以圓倒角處理。框體46係具有與玻璃板42相同之外形尺寸，具有比封裝基板30之凹部34更大的內形尺寸。框體46係設置於玻璃板42之內表面44上，沿著玻璃板42之外周而安裝。框體46係熱膨脹係數與玻璃板42近似之材料尤佳，例如盼望以屬於鐵-鎳-鈷合金的科華合金所構成。
框體46係具有下表面46a、內周面46b、外周面46c以及上表面46d。下表面46a係與封裝基板30之上表面31對向。內周面46b係位於下表面46a與玻璃板42之內表面44之間，為露出於封裝之內側的側面。外周面46c係露出於封裝之外側的側面。上表面46d係與玻璃板42之內表面44接合。
發光元件20係以廣配光角從凹部34之開口進行輸出，框體46係以不遮蓋發光元件20之輸出光的方式而以 一定程度的薄度形成較佳。另一方面，為了確保框體46之內周面46b的高度而以一定程度的厚度形成較佳。框體46之厚度t2例如係20μm至200μm左右，較佳係50μm至150μm左右。
密封構造50係具有第一金屬層51、第二金屬層52及金屬接合部53。
第一金屬層51係於封裝基板30的上表面31設置成框狀。第一金屬層51係具有對應於矩形之封裝基板30的矩形框形狀，四角被施以圓倒角處理。第一金屬層51係例如藉由對陶瓷基板的金屬化(metalize)處理所形成。第一金屬層51係對含有鎢(W)或鉬(Mo)等的基材鍍覆鎳(Ni)或金(Au)等而形成，例如具有鎢/鎳/金(W/Ni/Au)的積層構造。第一金屬層51係與金屬接合部53接合。
第二金屬層52係至少設置於框體46的下表面46a與內周面46b。第二金屬層52係如圖所示般設置於外周面46c亦可。第二金屬層52係例如藉由在將框體46安裝於玻璃板42後施以鍍覆處理而形成。第二金屬層52係於框體46的表面上依序積層有鎳(Ni)、金(Au)的多層膜亦可。第二金屬層52係與金屬接合部53接合。
金屬接合部53係設置於第一金屬層51與第二金屬層 52之間，於封裝的外周部將封裝基板30與窗構件40之間予以接合而密封。金屬接合部53係填充第一金屬層51與第二金屬層52之間，並且金屬接合部53的一部分設置於框體46的內周面46b上部分。金屬接合部53係以沿著框體46的內周面46b形成填角(fillet)的方式設置。
金屬接合部53係以低熔點的金屬材料構成，例如含有金錫(AuSn)的合金或銀錫(AgSn)的合金。金屬接合部53係於熔融狀態中在第一金屬層51與第二金屬層52之間擴展而形成共晶接合(eutectic bonding)。金屬接合部53係尤佳由錫(Sn)含有量為20%wt至24%wt的金錫以具有高度密封可靠性並且熔融溫度成為300℃以下低溫的方式構成。
圖2係概略地表示封裝基板30及窗構件40之尺寸。如圖所示，窗構件40(框體46)的外形尺寸w20係比封裝基板30的外形尺寸w10更小。第一金屬層51的外形尺寸w11係比框體46的外形尺寸w20更小，第一金屬層51的內形尺寸w12係比框體46的內形尺寸w22更小。
在一個實施例中，封裝基板30的外形尺寸w10係3.5mm，第一金屬層51的外形尺寸w11係3.2mm，第一金屬層51的內形尺寸w12係2.3mm，第一金屬層51的寬度w13係0.45mm。而且，窗構件40的外形尺寸w20係3.4mm，框體46的內形尺寸w22係2.8mm，框體46的寬度w23係 0.3mm。而且，玻璃板42的厚度t1係170μm，框體46的厚度t2係150μm。在此實施例中，第一金屬層51與框體46的內形尺寸差係0.5mm，第一金屬層51的內形(凹部34之外周)與框體46的內周面46b之間的寬度w3係250μm。因此，在第一金屬層51之區域上不與框體46重疊的範圍之寬度w3係比框體46的厚度t2更大。
接下來對發光裝置10的製造方法進行說明。
圖3係用以表示實施形態的發光裝置10之製造方法的流程圖。將發光元件20收容於封裝基板30之凹部34(S10)，以覆蓋凹部34之開口的方式配置窗構件40，於封裝基板30之上表面31與框體46之下表面46a之間配置金屬接合材56(參照後述的圖4)(S12)。接下來，一邊在封裝基板30與窗構件40之間施加荷重一邊將金屬接合材加熱而成為熔融狀態(S14)。之後，一邊在封裝基板30與窗構件40之間施加荷重一邊使金屬接合部53冷卻而固化(S16)。
圖4係概略地表示發光裝置10之製造步驟的剖視圖，表示將金屬接合材56配置而將封裝基板30與窗構件40對準位置的步驟。封裝基板30與窗構件40係例如以使封裝基板30與窗構件40的中心位置對齊的方式來進行對準位置。封裝基板30與窗構件40亦可以封裝基板30之四角中的任一角與窗構件40之四角中的任一角對齊的方式來對 準位置。在此情況下若依照上述之尺寸的實施例，則雖然封裝基板30與窗構件40的中心位置會以±50μm的範圍偏移，但即使存在此偏移亦能以框體46之內周面46b位於第一金屬層51之上的方式進行配置。
已對準位置的封裝基板30之上表面31與框體46之下表面46a之間係配置有金屬接合材56。金屬接合材56係具有對應於封裝基板30之上表面31與框體46之下表面46a所接合的區域之矩形框形狀的金錫預成形體(preform)。金屬接合材56例如係具有比第一金屬層51更小的內形尺寸及外形尺寸，例如外形尺寸為3.0mm，內形尺寸為2.6mm。金屬接合材56亦可事先被預固定於第一金屬層51或第二金屬層52。金屬接合材56之厚度係10μm至50μm左右，較佳係15μm至30μm左右。藉由使用此種形狀及厚度的預成形體而一邊施加荷重60一邊密封，能夠形成厚度5μm至20μm左右的金屬接合部53。另外，密封時施加的荷重60係50g以上，較佳係100g以上，更佳係200g以上。
金屬接合材56係一邊施加荷重60被加熱熔融，一邊在第一金屬層51與第二金屬層52之間擴展。金屬接合材56係沿著第一金屬層51於水平方向擴展，並且沿著設置在框體46之內周面46b上的第二金屬層52於鉛直方向擴展。因此，金屬接合材56之一部分係沿著框體46之內周面46b朝著玻璃板42之內表面44延伸而於內周面46b上形成填角。
使金屬接合材56加熱熔融的步驟較佳係於氮(N2)等之惰性氣體的氛圍下進行。藉此，能夠防止成為了熔融狀態之金錫預成形體的氧化，並能夠於封裝的內部填充惰性氣體。然而，本實施形態的加熱熔融步驟亦可於含有氧(O2)的乾燥空氣之氛圍下進行。藉由一邊施加荷重一邊使金錫預成形體加熱熔融，能夠在第一金屬層51與第二金屬層52之間一邊防止金屬接合材56的氧化一邊密封。
接下來，一邊參照比較例一邊對本實施形態所達到的功效進行說明。
圖5係用以概略地表示比較例之發光裝置110的剖視圖。在本比較例中與上述實施形態不同的點在於：以包圍玻璃板142之外周的方式形成有框體146，以玻璃板142之內表面144與框體146之下表面146a形成一個平坦面的方式構成有窗構件140。形成於封裝基板30的第一金屬層51與窗構件140之框體146之間係藉由金屬接合部153接合。
在本比較例中係如圖所示般，金屬接合材的一部分擠出於封裝的內側而形成有已固化成球狀的外伸部154。外伸部154係在一邊將荷重施加於封裝基板30與窗構件140之間一邊接合時由金屬接合材的一部分從封裝基板30與
窗構件140之間被推擠出所形成。如果形成有如此的外伸部154的話，發光元件20所發出之深紫外光的一部分會被外伸部154所遮蔽，可能會導致對外部的光取出效率降低。而且，若金屬接合材不留在作為外伸部154之窗構件140的內表面144而流出至凹部34之安裝面的話則有導致第一內側電極36與第二內側電極37之間的短路之虞。另一方面，若以不擠出金屬接合材之一部分的方式來減少金錫預成形體的量，則有無法達到密封可靠性高的接合之虞。由於製造上的狀況等導致封裝基板30之上表面31不一定是完全的平坦面，細微的凹凸會隨著場所而產生的緣故，在封裝基板30之上表面31的一部分也許會因接合材的量不足而未適切地密封接合。
另一方面，依據本實施形態，框體46之內周面46b位於第一金屬層51之上的緣故，能夠使從第一金屬層51與框體43之下表面46a之間擠出的金屬接合材朝著玻璃板42於鉛直上方向延伸。藉此，能夠防止金屬接合材只於水平方向延伸而形成外伸部154，也能夠防止金屬接合材流落至凹部34之內部。因此，依據本實施形態，能夠防止製造不良所致的良率降低，並且使用在密封上充足之量的金屬結合材一邊施加荷重一邊實現高度可靠性的密封接合。
依據本實施形態，藉由將框體46之厚度t2設為20μm以上200μm以下，能夠兼顧以下兩個功效：防止金屬接合材之掉落的功效以及防止因框體46之厚度而起的光取出效率之降低的功效。假如說，將框體46之厚度設成比200μm還大的話，從發光元件20以廣配光角(例如150度)所輸出之深紫外光的一部分會因為框體46而被遮蔽。而且，將框體46之厚度t2設成比20μm還小的話，用以吸收金屬接合材之擠出的空間會變窄，有無法充分防止金屬接合材之流落之虞。另一方面，依據本實施形態，藉由適切地調整框體46之厚度t2，而能夠實現製造良率及光取出效率的提升。
依據本實施形態，藉由以目視確認於框體46之內周面46b形成的填角，能夠簡單實施密封接合是否有適切地進行的檢查。內周面46b上的填角係藉由從封裝基板30之上表面31與框體46之下表面46a之間的擠出所形成，因此能夠藉由填角確認於上表面31與下表面46a之間填充有金屬接合材。另一方面，若未於內周面46b上形成有填角的話，則教示了上表面31與下表面46a之間未填充有金屬接合材，沒有進行確實的密封接合。因此，依據本實施形態，能夠藉由使用圖像辨識技術等確認填角是否沿著框體46之內周面46b遍及全周而形成而對密封性進行簡易檢查。
以上，雖基於實施形態進行了本發明之說明。所屬技術領域中具有通常知識者應當了解到，本發明並不限定於上述的實施形態而可有各種設計變更、各種變形例，而且 該等變形例亦屬於本發明之範圍。
在上述的實施型態及變形例中示出了於發光裝置之封裝內僅包含發光元件的情形。在進一步的變形例中，亦可於封裝內加裝發光元件以外的電子組件以使其具有附加功能。例如，亦可於殼體內加裝用以自電性突波(surge)保護發光元件的齊納二極體(zener diode)。而且，亦可加裝用以將發光元件所輸出之光的波長予以轉換的螢光體，也可加裝用以控制發光元件所發出光之配向的光學元件。
於上述的實施形態及變形例係示出了將半導體發光元件於封裝內予以密封的發光裝置。在進一步的變形例中，亦可使用上述的密封構造來將受光元件予以密封。例如，亦可將上述的封裝構造使用於用來受光深紫外光之受光元件的密封。也就是說，亦可將上述封裝用於光半導體元件的密封。
(產業可利用性)
依據本發明能夠提高具有光半導體元件之光半導體裝置的可靠性。
Claims (8)
- 一種光半導體裝置，係具備：封裝基板，於上表面具有開口的凹部；光半導體元件，收容於前述凹部；窗構件，以覆蓋前述凹部之開口的方式配置；以及密封構造，將前述封裝基板與前述窗構件之間密封；前述窗構件係具有：玻璃板，具有與前述光半導體元件對向的內表面；以及框體，設置於前述玻璃板的前述內表面上；前述密封構造係具有：第一金屬層，於前述封裝基板之前述上表面設置成框狀；第二金屬層，設置於前述框體之下表面及內周面；以及金屬接合部，設置於前述第一金屬層與前述第二金屬層之間；前述金屬接合部的至少一部分設置於前述內周面上；在前述封裝基板與前述窗構件重疊的方向俯視時，前述框體與前述第一金屬層之內形尺寸差的一半的寬度係比前述框體的厚度更大。
- 如請求項1所記載之光半導體裝置，其中前述框體的外形尺寸係比前述封裝基板的外形尺寸更小，前述框體的內形尺寸係比前述封裝基板之前述凹部的內形尺寸更大，前述第一金屬層的外形尺寸係比前述框體的外形尺寸更小。
- 如請求項1或2所記載之光半導體裝置，其中前述框體係自前述下表面至前述玻璃板之前述內表面的高度為10μm以上200μm以下。
- 如請求項1或2所記載之光半導體裝置，其中前述光半導體元件係用以發出深紫外光的發光元件，前述窗構件係以前述深紫外光之透光率成為80%以上的方式構成。
- 如請求項1或2所記載之光半導體裝置，其中前述玻璃板係以厚度300μm以下的硼酸鹽玻璃構成，前述框體係以科華合金構成，前述金屬接合部係包含金錫。
- 一種光半導體裝置的製造方法，係具備以下步驟：收容步驟，於上表面具有開口的凹部之封裝基板的前述凹部收容光半導體元件；配置步驟，以覆蓋前述凹部之開口的方式配置窗構件；以及密封步驟，將前述封裝基板與前述窗構件之間密封；前述窗構件係具有：玻璃板，具有與前述光半導體元件對向的內表面；以及框體，設置於前述玻璃板的前述內表面上；於前述封裝基板之前述上表面係設置有框狀的第一金屬層；於前述框體之下表面及內周面係設置有第二金屬層；在前述封裝基板與前述窗構件重疊的方向俯視時，前述框體與前述第一金屬層之內形尺寸差的一半的寬度係比前述框體的厚度更大；前述密封步驟係包含：加熱步驟，係一邊將荷重施加在前述封裝基板與前述窗構件之間一邊將配置於前述第一金屬層與前述第二金屬層之間之金屬接合材加熱。
- 如請求項6所記載之光半導體裝置的製造方法，其中前述密封步驟係包含：冷卻步驟，係於前述金屬接合材之加熱後一邊將荷重施加在前述封裝基板與前述窗構件之間一邊冷卻前述金屬接合材。
- 如請求項6或7所記載之光半導體裝置的製造方法，其中前述金屬接合材係具有對應於前述框體之前述下表面的框形狀之金錫的金屬板。
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