JP2005236146A - 光半導体装置および光半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板と蓋部材として異なる部材を用いた場合でも、基板と蓋部材とを確実に接着し、剥離や接着不良などを防止した光半導体装置を提供する。
【解決手段】 光半導体装置Ｍは、ベース部材１およびガラス窓材２を備えている。ベース部材１には、凹部１５が形成されており、凹部１５には、ホトダイオード４が設けられている。ガラス窓材２は、青色光を透過するものである。また、ガラス窓材２は、ベース部材１の壁部１２の上面に接着剤３を介して接着されており、接着剤３としては、常温硬化型のものが用いられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光半導体素子を搭載する光半導体装置および光半導体装置の製造方法に係り、特に、青色光または青色光よりも短波長の光（以下「青色光等」という）を受発光する光半導体素子を搭載する光半導体装置および光半導体装置の製造方法に関する。

光半導体装置として、容器（ベース部材）に半導体素子を収容し、蓋をして内部を密閉したものがある。このような光半導体装置として、従来、特開２００２−３５３３５２号公報に開示された撮像素子収納用パッケージがある。

この撮像素子収納用パッケージにおいては、凹状のセラミック収納容器における凹部の底面に撮像素子を搭載している。この底面に対向する裏面より配線導体を取り出すとともに、エポキシ樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂などの接着剤を介して透光性蓋体を接着したものである。
特開２００２−３５３３５２号公報

ところで、可視光から近赤外光の検出を行う光半導体装置では、可視光から赤外光を受光する光半導体素子と、たとえば、これらの光を透過する熱硬化型透明樹脂モールドによって製造されていた。ところが、青色光等に対してこのような熱硬化型透明樹脂モールドを用いようとすると、熱硬化型透明樹脂モールドの光の透過特性が青色光等の照射によって低下し、利用が難しいものとなる。そこで、上記特許文献１に開示されたような中空のパッケージを用いることが考えられる。

ところが、上記特許文献１に開示された撮像素子収納用パッケージでは、セラミック収容部と蓋体とを接着する際に熱硬化性樹脂を用いているので、セラミック収容体と透光性蓋体とを接着する際、高温下に晒す必要がある。透光性蓋体は、水晶板および多層膜層を積層して構成されており、セラミック収容体とはその材料が異なり、セラミック収容体と透光性蓋体とは膨張率が異なるものである。このように、膨張率が異なる収容体と蓋体とを高温下で接着しようとすると、両者の膨張率の相違から、剥離や接着不良といった問題が生じるものであった。

そこで、本発明の課題は、ベース部材と蓋部材として異なる部材を用いた場合でも、ベース部材と蓋部材とを確実に接着し、剥離や接着不良などを防止した光半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る光半導体装置は、凹部が形成されたベース部材と、ベース部材における凹部に搭載された光半導体素子と、ベース部材とは異なる材料で形成され、青色光または青色光より短波長の光を透過するとともに、ベース部材における凹部の開口部を閉塞する蓋部材と、常温で硬化し、ベース部材と蓋部材とを接着する接着剤と、を備えるものである。

本発明に係る光半導体装置においては、ベース部材と青色光等を透過する蓋部材とを接着して光半導体装置を製造しているが、ベース部材と蓋部材とを接着する際に、常温で硬化する接着剤を用いている。このように、接着剤として常温で硬化するものを用いているので、高温下に晒すことなく、ベース部材と蓋部材とを接着することができる。したがって、ベース部材と蓋部材とが異なる材料で形成されていた場合でも、ベース部材と蓋部材との膨張率の相違による応力の発生を防止し、もってベース部材と蓋部材とを確実に接着し、剥離や接着不良などを防止することができる。

ここで、接着剤が、吸湿硬化型シリコーン樹脂からなる態様とすることができる。

吸湿硬化性シリコーン樹脂は、常温での硬化が可能で硬化後も柔軟性があるため、膨張係数の違う材料の接着に適している。

また、ベース部材が、セラミック製である態様とすることができる。

ベース部材がセラミック製であることにより、半田付け時の熱でベース部材から青色光等を吸収するガスが発生しないため、光半導体素子の青色光等に対する感度低下を防止することができる。

さらに、蓋部材における表面および裏面の少なくとも一方に、反射防止膜が形成されている態様とすることもできる。

反射防止膜が形成されていることにより、蓋部材による光の反射を防止し、蓋部材の光の透過率を向上することができる。

また、ベース部材における開口部の裏面側には電極端子が設けられており、半導体素子と電極端子とを接続する側面電極を有する切り欠き部がベース部材に形成され、切り欠き部は、ベース部材における開口部を除いた位置に配置され、表面側の蓋部材接着面には貫通していない態様とすることもできる。

このように、ベース部材の裏面側に電極端子が形成され、この電極端子と光半導体を接続する側面電極を有する切り欠き部を形成するにあたり、切り欠き部がベース部材における開口部を除いた位置に配置され、表面側の蓋部材接着面には貫通していない。このため、蓋部材を接着剤で接着する際、接着剤が切り欠き部を介して裏面側に流れ出すのを防止することができる。したがって、電極端子に半田付けなどを行う際に、切り欠き部を通して流れ出した接着剤が半田付けの障害となる事態を防止することができる。

また、上記課題を解決した本発明に係る光半導体素子の製造方法は、凹部が形成されたベース部材における凹部に光半導体素子を搭載する第一工程と、ベース部材とは異なる材料で形成され、青色光または青色光よりも短波長の光を透過する蓋部材を、常温で硬化する接着剤によってベース部材に接着して、ベース部材における凹部の開口部を蓋部材で閉塞する第二工程と、を含むものである。

本発明に係る光半導体装置の製造方法によれば、ベース部材と蓋部材とを接着する際に、常温で硬化する接着剤を用いているので、高温下に晒すことなく、ベース部材と蓋部材とを接着することができる。したがって、ベース部材と蓋部材とが異なる材料で形成されていた場合でも、ベース部材と蓋部材との膨張率の相違による応力の発生を防止し、もってベース部材と蓋部材とを確実に接着し、剥離や接着不良などを防止することができる。

ここで、第一工程が、複数の凹部が同一面に形成されたシート基板における複数の凹部のそれぞれに対して光半導体素子を搭載する工程からなり、第二工程が、青色光または青色光よりも短波長の光を透過する蓋部材母材を、常温で硬化する接着剤によってシート基板の凹部における開口部を蓋部材母材で閉塞する工程からなり、シート基板、蓋部材母材、および接着剤を、凹部ごとにダイシングする工程、を含み、ダイシングが行われた後におけるシート基板がベース部材となり、蓋部材母材が蓋部材となる態様とすることもできる。

本発明に係る光半導体装置の製造方法によれば、複数の凹部が形成されたシート基板における凹部に順次光半導体素子を搭載し、その後、蓋部材母材で凹部における開口部を閉塞し、最後に凹部ごとにダイシングすることで光半導体装置を製造している。このため、多数の光半導体装置を容易に製造することができる。また、シート基板に蓋部材母材を接着した後、凹部ごとにダイシングすることで光半導体装置としていることから、ベース部材と蓋部材との側面の接着部から接着樹脂がはみ出すこともなく、精度よく面一な状態となるようにすることができる。

本発明に係る光半導体装置によれば、ベース部材と蓋部材として異なる部材を用いた場合でも、ベース部材と蓋部材とを確実に接着し、剥離や接着不良などを防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。また、図示の便宜上、図面の寸法比率が説明のものと一致しない場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係る光半導体装置の平面図、図２は図１のII−II線断面図、図３はその左側面図、図４はその裏面図である。

図１ないし図２に示すように、本実施形態に係る光半導体装置Ｍは、ベース部材１および蓋部材であるガラス窓材２を有している。また、ベース部材１とガラス窓材２とは、常温で硬化する接着剤３によって接着されており、ベース部材１には、光半導体素子である４分割されたマルチチャンネルのホトダイオード４が搭載されている。

ベース部材１は、アルミナセラミックなどのセラミック製のグリーンシート（セラミック板）を３枚積層した３層構造を有しており、図２に示すように最下層が基板本体１１を形成し、その上層に形成された２層が壁部１２を形成している。基板本体１１は、平面視した形状が矩形をなしており、この基板本体１１上にホトダイオード４が載置されている。

壁部１２は、下層壁部１３と上層壁部１４とを備えて構成されており、基板本体１１と壁部１２とは、全体で３枚のセラミック板（グリーンシート）を重ね合わせ、焼結することによって形成されている。

壁部１２の上面にガラス窓材２が載置され、接着剤３によって接着されている。さらに、壁部１２に囲まれた部位にベース部材１における凹部１５の開口部が形成されており、この開口部がガラス窓材２によって閉塞されて、凹部１５内が密閉されている。

ガラス窓材２は、青色光を透過するホウ珪酸ガラスなどからなり、ベース部材１とは異なる材料から構成されている。また、ガラス窓材２における下面は、接着剤３によってベース部材１における壁部１２の上面と接着されている。

また、壁部１２における下層壁部１３の上面には、４個の上層電極パッド２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｅが設けられている。

さらに、基板本体１１の表面側には、ホトダイオード４が、電極パッド２１Ｄ上に配置されている。さらに、４分割されたホトダイオード４には、４個の接続電極が設けられている。これらの４個の接続電極は、それぞれボンディングワイヤ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｅを介して、上層電極パッド２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｅにそれぞれ電気的に接続されている。

また、下層壁部１３には、４個の導電部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｅが形成されている。これらの導電部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｅは、それぞれ上層電極パッド２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｅと、図３および図４に示す側面電極２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｅと裏面電極端子２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｅとを電気的に接続している。なお、電極パッド２１Ｄは、基板本体１１の上面に形成されているため接続電極はなく、側面電極２４Ｄを介して裏面電極端子２５Ｄに電気的に接続している。

さらに、基板本体１１には、６個の切り欠き部２６Ａ〜２６Ｆが形成されている。切り欠き部２６Ａ〜２６Ｆは、いずれも基板本体１１の側端部に配置されている。また、これらの切り欠き部２６Ａ〜２６Ｆは、平面視して半円形状をなしている。この切り欠き部２６Ａ〜２６Ｅは、上層壁部１４および下層壁部１３の裏面に覆われており、凹部１５には露出しないようにして形成されている。

これらの６個のうち５個の切り欠き部２６Ａ〜２６Ｅには、それぞれ側面電極２４Ａ〜２４Ｅが形成されている。本実施形態に係る光半導体装置Ｍでは、基板本体１１にのみ切り欠き部が形成されており、ガラス窓材２と接着される壁部１２には、切り欠き部は形成されていない。このため、切り欠き部２６Ａ〜２６Ｆは、ベース部材１における開口部が形成された面を除いた位置、本実施形態では、基板本体１１の表面と裏面との間の位置に配置されている。そして、ベース部材１における開口面側に位置するガラス窓材２との接触面である壁部１２の表面は、切り欠き部非形成領域とされている。

さらに、ガラス窓材２における表面および裏面の両面には、それぞれ図示しない本発明の反射防止膜が単層または多層に形成されている。この反射防止膜によって、ガラス窓材２における光の反射を防止し、特定波長の透過率を向上させている。なお、本実施形態では、ガラス窓材２として青色光を透過するホウ珪酸ガラス材を用いているが、青色光の波長よりも短波長の光を透過する石英ガラス材等を用いることもできる。また、反射防止膜は、ガラス窓材２の表面または裏面の一方に形成することもできるし、反射防止膜を形成しないようにすることもできる。

ベース部材１とガラス窓材２とを接着する接着剤３としては、常温硬化型、さらにいえば吸湿硬化型の接着剤が用いられており、具体的には吸湿硬化型シリコーン樹脂が用いられている。吸湿硬化型シリコーン樹脂は、常温下において硬化して接着効果を発揮するものである。

以上の構成を有する本実施形態に係る光半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態に係る光半導体装置は、ベース部材の母材であるシート基板にホトダイオードおよび蓋部材の母材である蓋部材母材などを取り付け、ダイシングすることによって製造される。

光半導体装置の製造にあたり、まず、図５および図６に示すようなシート基板１０を準備する。シート基板１０は、図６に示す３枚のセラミック板３１，３２，３３を積層し、焼結して形成されている。シート基板１０としては、ガラスエポキシなども用いることができるが、青色光等を扱う場合、半田付け時の高温処理でガラスエポキシから有機性のアウトガスが発生し、ガラス窓やホトダイオード４などに付着して感度低下を招くおそれがある。この点、無機物であるセラミックでは、有機性のアウトガスの発生はないので、その分有利なものとなる。

最下層に配置される第一セラミック板３１は、凹部となる孔は形成されておらず、ベース部材１の基板本体１１となるものである。その上層に配置される第二セラミック板３２には、ｍ×ｎ個、本実施形態では１７×１５＝２５５個の貫通孔が二次元的にマトリクス状に配置されており、その貫通孔は、ベース部材１に形成される凹部１５の開口部よりも小さいものである。この第二セラミック板３２がベース部材１の壁部１２における下層壁部１３となる。この凹部の配置は一次元的であってもよい。

第二セラミック板３２の上層に配置される第三セラミック板３３には、第二セラミック板３２の貫通孔に対応する位置に、やはり２５５個の貫通孔がマトリクス状に配置され、その貫通孔はベース部材１に形成される凹部１５の開口部と同じ大きさの孔である。この第三セラミック板３３がベース部材１の壁部１２における上層壁部１４となる。

基板本体１１となる第一セラミック板３１には、切り欠き部となる貫通孔（円形穴）が形成され、貫通孔内壁には側面電極２４Ａ〜２４Ｅを形成するための金属層が形成される。さらに、裏面には電極端子２５Ａ〜２５Ｅを形成するための金属層が形成される。この３枚のセラミック板３１〜３３を積層して焼結した後、外部に露出している金属層部分に金メッキを施す。

このシート基板１０の各凹部１５における電極パッド２１Ｄの上にホトダイオード４が実装される。ホトダイオード４を実装する際には、たとえば導電性接着剤等でダイボンドしてホトダイオード４の裏面のカソードコモン電極（図示せず）に接続するとともに、ホトダイオード４表面の各チャンネルの電極からアノードを接続するために、本実施形態では下層壁部１３に形成された電極パッドにワイヤボンディングする。こうして、シート基板１０における１７×１５の凹部１５のそれぞれにおいて、シート基板１０（ベース部材１）とホトダイオード４との電気的接続を完成させる。

なお、シート基板１０には、複数のザグリ孔１６が形成されており、複数のザグリ孔１６は、第三セラミック板３３と第二セラミック板３２を貫通し、第一セラミック板３１表面で止まっている。ザグリ孔１６の第一セラミック板３１表面には、図７（ａ）に示すように、各凹部１５のピッチ中心を示す十字型の金属配線で作られたマーカー１７が配置されている。金属配線で作られたマーカー１７は、電極パッド２１Ｄと同一の表面において、図７（ｂ）に示すようにパターン形成され、切り欠き部となる貫通孔（円形穴）の中心に一致している。

このようにして、シート基板１０を用意したら、図８に示すように、ホトダイオード４が搭載されたシート基板１０における凹部１５の周囲を取り囲む壁部１２を構成する上層の上面に、接着剤３を塗布する。この接着剤３は、吸湿硬化型シリコーン樹脂である。この接着剤３により、シート基板１０における凹部１５のすべてを覆うように蓋部材母材２０を壁部１２の上面に接着し、凹部１５の開口部を蓋部材母材２０で封止する。

ここで、シート基板１０においては、最下層の第一セラミック板３１にのみ切り欠き部となる貫通孔が形成されており、蓋部材母材２０を接着した最上層を含むその他の層には貫通孔が形成されていない。このため、蓋部材母材２０を接着した際に用いる接着剤３が貫通孔を介してシート基板１０の裏面側に流れ出さないようにすることができる。電極端子２５Ａ〜２５Ｅが形成されているシート基板１０の裏面側に接着剤３が流れ出ると、電極端子２５Ａ〜２５Ｅの金メッキ表面に半田付けができなくなるという問題が発生する。この点、本実施形態では、基板本体１１の裏面側の貫通孔を介して接着剤が流れることは防止されるので、このような問題を発生させないようにすることができる。

蓋部材母材２０をシート基板１０に接着する際、吸湿硬化型の接着剤３が用いられている。この接着剤３は、常温で硬化するため、高温下に晒す必要はなくなるので、接着後に発生するガラス窓材２とベース部材１との膨張係数の違いによる応力を低減することができる。したがって、膨張係数が１桁異なる石英ガラス（ガラス窓材２）とアルミナセラミック（ベース部材１）などであっても、確実に接着することができ、剥離や接着不良を防止することができる。

特に、吸湿硬化型シリコーン樹脂は、被着体の水酸基（−ＯＨ）と反応して接着する。このため、ガラスとセラミックを接着する際には、非常に好適な接着剤となる。また、シリコーンは硬化後も柔軟性に富んだものであり、エポキシ接着剤などと異なり吸湿性も低い。さらには、樹脂の中では耐熱性が非常に高いという性質を有しているので、半田付け時の蓋部材母材の剥がれや蓋部材母材の脱落などを防止することができる。

さらに、接着剤３は常温で硬化するので、密封状態となっている凹部１５内の空気が、硬化時に膨張して接着面にボイドを発生させ、硬化不良を起こすといった事態を防止することもできる。そして、シリコーン樹脂は短波長域の光にも透過性が高いので、接着剤がわずかに受光部に付着したとしても、ホトダイオード４の受光感度の低下を起こさないようにすることができる。

こうして、シート基板１０に蓋部材母材２０を接着したら、図９に示すように、凹部１５ごとにシート基板１０、蓋部材母材２０、および接着剤３をダイシングブレード３０によって一括してダイシングする。ダイシングブレード３０は、シート基板１０において、マトリクス状に配置された凹部１５を囲むザグリ孔１６の貫通孔部の内部の十字型の金属配線で作られたマーカー１７に位置合わせしてダイシングを行う。

このように、ダイシングブレード３０によってマトリクス状のシート基板１０と蓋部材母材２０とを同時に切断することで、１７×１５個のホトダイオード４が搭載された凹部１５の個々を分離して２５５個の半導体装置Ｍを製造することができる。位置合わせを行うための十字型の金属配線で作られたマーカー１７は、光半導体装置Ｍのダイボンド用電極パッド２１Ｄと同一層のパターンで形成されている。このため、光半導体装置Ｍとするための切断の位置基準と、光半導体装置Ｍにおける光半導体素子のダイボンドの位置基準が一致する。したがって、光半導体装置Ｍの外形基準に対する光半導体素子の位置精度を向上させることができる。

また、マーカー１７は、少なくともシート基板１０の上層を通過するものであって、かつ下層に形成された切り欠き部となる貫通孔（円形孔）の略中央をダイシングブレードが通過するように設定されている。こうして、ダイシングが行われた際、貫通孔の一部が外部に露出して、光半導体装置Ｍの側端片に切り欠きとなって現れる。

また、ダイシングブレード３０で切断することによってベース部材１およびガラス窓材２が接着した状態で製造される。このため、ベース部材１、ガラス窓材２、および接着剤３の側面端部が連続した直線状で面一の状態となる。このため、ベース部材１の端面が欠けたり、突起がでたりといった問題を生じないようにすることができ、コンパクトになるとともに、他の部品との位置合わせを容易に行うことができる。

こうして形成された光半導体装置Ｍにおいては、常温硬化性の接着剤３を用いてベース部材１とガラス窓材２とを接着して凹部１５にホトダイオード４を気密状態で密封している。このため、熱応力が発生しにくく、高温の鉛フリー半田付けに対応可能となる。また、ベース部材１とガラス窓材２との接着に用いたシリコーン樹脂は、硬化後でも柔軟性があるので、ベース部材１に通気穴を形成することなく、高温の半田付けを行うことができる。

さらに、ガラス窓材２に石英ガラスを用いることで、青色等の短波長の光に対する面実装光半導体装置を製造することができる。また、大面積の半導体素子の面実装も容易なものとなる。その他、ガラス窓材として色ガラスや干渉膜付ガラスを用いることにより、特定波長を選択するバンドパスフィルタ付の光半導体素子とすることもできる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、光半導体素子としては、レーザダイオードなどの発光素子などを用いることもできる。

本発明の実施形態に係る光半導体装置の平面図である。 図１のII−II線断面図である。 本発明の実施形態に係る光半導体装置の左側面図である。 本発明の実施形態に係る光半導体装置の裏面図である。 光半導体装置の製造に用いるシート基板の平面図である。 蓋部材母材を接着する前のシート基板の斜視図である。 （ａ）はザグリ孔の拡大図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 光半導体装置の製造工程を示す工程図である。 図８に示す工程に続く工程を示す工程図である。

符号の説明

１…ベース部材、２…ガラス窓材、３…接着剤、４…ホトダイオード、１０…シート基板、１１…基板本体、１２…壁部、１３…下層壁部、１４…上層壁部、１５…凹部、１６…ザグリ孔、１７…マーカー、２０…蓋部材母材、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｅ…上層電極パッド、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｅ…ボンディングワイヤ、２４Ａ〜２４Ｅ…側面電極、２５Ａ〜２５Ｅ…電極端子、２６Ａ〜２６Ｆ…切り欠き部、３０…ダイシングブレード、Ｍ…光半導体装置。

Claims (7)

1. 凹部が形成されたベース部材と、
   前記ベース部材における凹部に搭載された光半導体素子と、
   前記ベース部材とは異なる材料で形成され、青色光または青色光より短波長の光を透過するとともに、前記ベース部材における前記凹部の開口部を閉塞する蓋部材と、
   常温で硬化し、前記ベース部材と前記蓋部材とを接着する接着剤と、
   を備えることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記接着剤が、吸湿硬化型シリコーン樹脂からなる請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記ベース部材が、セラミック製である請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
4. 前記蓋部材における表面および裏面の少なくとも一方に、反射防止膜が形成されている請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の光半導体装置。
5. 前記ベース部材における前記開口部の裏面側には電極端子が設けられており、
   前記半導体素子と前記電極端子とを接続する側面電極を有する切り欠き部が前記ベース部材に形成され、
   前記切り欠き部は、前記ベース部材における前記開口部を除いた位置に配置されている請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の光半導体装置。
6. 凹部が形成されたベース部材における前記凹部に光半導体素子を搭載する第一工程と、
   前記ベース部材とは異なる材料で形成され、青色光または青色光よりも短波長の光を透過する蓋部材を、常温で硬化する接着剤によって前記ベース部材に接着して、前記ベース部材における前記凹部の開口部を蓋部材で閉塞する第二工程と、
   を含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
7. 前記第一工程が、複数の凹部が同一面に形成されたシート基板における前記複数の凹部のそれぞれに対して光半導体素子を搭載する工程からなり、
   前記第二工程が、青色光または青色光よりも短波長の光を透過する蓋部材母材を、常温で硬化する接着剤によって前記シート基板の前記凹部における開口部を前記蓋部材母材で閉塞する工程からなり、
   前記シート基板、前記蓋部材母材、および前記接着剤を、前記凹部ごとにダイシングする工程、を含み、
   前記ダイシングが行われた後における前記シート基板が前記ベース部材となり、前記蓋部材母材が前記蓋部材となる請求項６に記載の光半導体装置の製造方法。

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