JP2005093675A - 蓋体およびこれを用いた光半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 シーム溶接により蓋体と窓体とを接合する際に発生する熱応力あるいは外部からの機械的衝撃による蓋体と窓体との接合の破壊を有効に防止できる、気密信頼性の高い蓋体および光半導体素子収納用パッケージを提供すること。
【解決手段】 蓋体１は、光を透過させるための四角形状の開口部１ｄを有する金属枠体１ａと、開口部１ｄよりも大きく、平面視で角部を除いて開口部１ｄを同じ幅Ａで囲むような四角形状とされて開口部１ｄの周囲に接合されたガラスから成る窓体１ｂとを具備しており、窓体１ｂの角とそれに向き合っている開口部１ｄの角との間の平面視での距離が幅Ａの２^1／２倍を超え１．９倍以下である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水分等の浸入を防止し光半導体素子を保護するための蓋体および光半導体素子収納用パッケージに関し、特にＣＣＤ，ＣＭＯＳ等の撮像素子、光スイッチ，ミラーデバイス等のＭＥＭＳ、ＣＤ，ＤＶＤ用のＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子等を保護するための蓋体およびこれを用いた光半導体素子収納用パッケージに関する。

従来の光半導体素子収納用パッケージを図３に示す。図３において、101は蓋体であり、101ａは金属枠体、101ｂは窓体、101ｃは接合材、102は基体である。

蓋体101のみを上面から見た平面図を図４に示す。図４において、103は接合材101ｃと窓体101ｂとの封止領域（接合領域）であり、その他の符号は図３と同じ部位を示す。なお、Ａは封止領域103の幅を示す。

近年、移動体通信機器は軽薄短小化が急激に進展し、これに伴って搭載される光半導体素子を気密に封止する光半導体素子収納用パッケージも軽薄短小化が進んでいる。

このような光半導体素子収納用パッケージは、光を透過するための開口部を有する金属枠体101ａおよび開口部の周囲に接合材101ｃで接合された透光性の窓体101ｂから成る平板状の蓋体101と、切削やプレスなどの機械加工が可能な鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属材料から成り、上面に光半導体素子が収容され搭載される凹部を有する基体102とを具備しており、蓋体101と基体102はシーム溶接などで接合される。
特開平３−２３６２９４号公報

しかしながら、上記従来の光半導体素子収納用パッケージは、シーム溶接により蓋体101と基体102とを接合する際に加えられる熱や光半導体素子が作動する際の発熱によって蓋体101に応力が発生し、窓体101ｂの角部付近にクラックが発生して蓋体101と基体102との接合が破壊されるという問題点があった。

また、外部からの機械的衝撃が加えられた場合、その衝撃による応力が窓体101ｂの角部に集中しやすく、その結果、窓部材101ｂの角部付近にクラックが発生して蓋体101と基体102との接合が破壊されるという問題点があった。

従って、本発明はかかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、シーム溶接により蓋体と窓体とを接合する際に発生する熱応力あるいは外部からの機械的衝撃による蓋体と窓体との接合の破壊を有効に防止できる、気密信頼性の高い蓋体および光半導体素子収納用パッケージを提供することにある。

本発明の蓋体は、光を透過させるための四角形状の開口部を有する金属枠体と、前記開口部よりも大きく、平面視で角部を除いて前記開口部を同じ幅で囲むような四角形状とされて前記開口部の周囲に接合されたガラスから成る窓体とを具備しており、前記窓体の角とそれに向き合っている前記開口部の角との間の平面視での距離が前記幅の２^1／２倍を超え１．９倍以下であることを特徴とするものである。

また、本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上面に光半導体素子が収容され搭載される凹部を有する基体と、該基体の上面の前記凹部の周囲に接合された本発明の蓋体とを具備していることを特徴とするものである。

本発明の蓋体によれば、光を透過させるための四角形状の開口部を有する金属枠体と、開口部よりも大きく、平面視で角部を除いて開口部を同じ幅で囲むような四角形状とされて開口部の周囲に接合されたガラスから成る窓体とを具備しており、窓体の角とそれに向き合っている開口部の角との間の平面視での距離が上記の幅の２^1／２倍を超え１．９倍以下であることより、基体と蓋体とを接合する際の熱や光半導体素子から発生した熱による応力、あるいは外部からの機械的衝撃による応力が発生しても、応力が集中しやすい窓体の角部において接合面積を適度に大きくして応力を分散することができるとともに接合強度も大きくすることができ、窓体が角部で破損したり、剥離したりするのを有効に抑制することができる。

また、蓋体と基体とをシーム溶接などにより溶接する際、蓋体の外周部の溶接部分が局所的に高温となるために金属枠体が歪みやすく、特に金属枠体の開口部の角付近が矩形状となっているため大きく歪もうとするが、本発明のように窓体の角部における金属枠体との接合面積を適度に大きくすることにより、金属枠体の矩形部を窓体によって拘束するとともに金属枠体の熱を窓部材に伝達して放熱しやすくし、金属枠体が歪むことによって窓体が傾き、所望の光を光半導体素子に良好に入力できなるのをきわめて有効に抑制することができる。

また、本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、上面に光半導体素子が収容され搭載される凹部を有する基体と、この基体の上面の凹部の周囲に接合された本発明の蓋体とを具備していることにより、基体と蓋体とを接合する際の熱や光半導体素子から発生した熱による応力、あるいは外部からの機械的衝撃による応力による金属枠体と窓体との剥離を有効に防止することが可能であるとともに、所望の光を光半導体素子に良好に入力することが可能な気密信頼性の高い光半導体素子収納用パッケージを提供することができる。

次に、本発明の蓋体およびこれを用いた光半導体素子収納用パッケージを添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の蓋体およびこれを用いた光半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、また、図２は蓋体を上面から見た平面図である。これらの図において、１は蓋体、１ａは金属枠体、１ｂは窓体、１ｃは接合材、１ｄは金属枠体１ａの開口部、２は基体、３は金属枠体１ａと窓体１ｂと接合部である封止領域である。封止領域３の幅は、金属枠体１ａの開口部１ｄと窓体１ｂの外周との間の平面視における幅方向の距離Ａで示される。なお、封止領域３は平面視における開口部１ａの外周から窓体１ｂの外周にいたる領域を示す。この封止領域３全面において接合材１ｃを介して金属枠体１ａと窓体１ｂとが接合されている。

本発明の蓋体１は、これら金属枠体１ａ，窓体１ｂおよび接合材１ｃで主に構成され、光半導体素子収納用パッケージは蓋体１および基体２で主に構成される。

蓋体１を構成する金属枠体１ａは、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金や42アロイ、50アロイ等の金属材料から成り、これらの金属材料から成る板材を金属枠体１ａに対応した形状を有する打抜き金型で打抜いたり、プレス加工，切削加工またはエッチングなどによる加工により中央部に開口部１ｄを有する形状に製作される。なお、金属枠体１ａの接合材１ｃが被着されない領域には、厚み２μｍ以上のＮｉめっき層や厚み0.5μｍ以上のＡｕめっき層が形成されるのが好ましい。これらめっき層により耐腐食性が向上し、高い信頼を得ることができる。

金属枠体１ａは、四角平板状であり、その中央部に上下主面間を貫通して、光を光半導体素子収納用パッケージ内部に透過させるための開口部１ｄが形成されている。

また、窓体１ｂは、例えばホウケイ酸等のガラスや樹脂などの透明部材から成る四角平板状のものであり、好ましくは、封止性を良好にするという観点からはガラスからなるのがよい。このような窓体１ｂはダイシング加工やインゴット成型による加工方法によって作製される。

窓体１ｂは、金属枠体１ａの開口部１ｄよりも大きく、平面視で角部を除いて開口部１ｄを同じ幅で囲むように、接合材１ｃによって開口部１ｄの周辺に接合される。

このような蓋体１の具体的な例としては、金属枠体１ａが（縦）２乃至60ｍｍ×（横）２乃至60ｍｍ×（厚み）0.3乃至2.5ｍｍの四角平板状である。また、金属枠体１ａの開口部１ｄは（縦）１乃至55ｍｍ×（横）1乃至55ｍｍの四角形状である。窓体１ｂは（縦）１乃至55ｍｍ×（横）1乃至55ｍｍ×（厚み）0.2乃至1.5ｍｍの四角形状である。なお、窓体１ｂと接合される領域の金属枠体１ａの厚みは、例えば0.1〜２ｍｍと金属枠体１ａの外周部よりも薄くなっていてもよい。これにより、金属枠体１ａを基体２にシーム溶接により溶接接合する際、溶接部分で局所的に高温となって金属枠体１ａが歪もうとしても、金属枠体１ａの厚みの厚い領域と薄い領域の境界付近で適度に変形することによって歪みを吸収し、窓体１ｂと金属枠体１ａとの接合部に歪みが伝わるのを有効に抑制することができ、窓体１ｂが傾くのを有効に防止できる。

また、接合材１ｃは、低融点ガラスや樹脂接着剤が用いられ、特に気密性を向上するという観点からは低融点ガラスであるのがよい。低融点ガラスとしては、例えば、鉛ケイ酸塩ガラス（ＰｂＯ−ＳｉＯ_２系，ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系等）、ホウ酸塩ガラス（Ｂ_２Ｏ_３系，Ｌｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３系，Ｎａ₂Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３系等）、リン酸塩ガラス（Ｎａ_２Ｏ−Ｐ_２Ｏ_５系，Ｂ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５系等）やリン酸スズ亜鉛ガラス（Ｐ_２Ｏ_５−ＳｎＯ−ＺｎＯ系）等が挙げられ、地球環境的には鉛フリーガラスであるホウ酸塩ガラスやリン酸塩ガラス、リン酸スズ亜鉛ガラス等が好ましい。

このような接合材１ｃは次に述べる方法により、金属枠体１ａに被着される。まず、接合材１ｃとなるガラス粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た混合ペーストを金属枠体１ａの開口部１ｄの周囲に、厚みが100乃至300μｍとなるようにスクリーン印刷またはディスペンサによる塗布方法にて塗布し、大気中で温度約350乃至470℃で溶融させて金属枠体１ａに被着させる。

次に金属枠体１ａに被着された接合材１ｃの上に窓体１ｂを載置し、大気中で温度約350乃至470℃にて接合材１ｃを再溶融させることによって金属枠体１ａの開口部１ｄの周囲に窓体１ｂが接合された蓋体１が得られる。

本発明の蓋体１は、窓体１ｂの角とそれに向き合っている開口部１ｄの角との平面視での距離Ｂが、窓体１ｂと金属枠体１ａの角部を除く封止領域３の幅Ａの２^1／２倍を超え１．９倍以下である。

このような構成は、四角形状の開口部１ｄの角を張出させて、角部の開口縁が斜めにカットされたような直線状となるようにしたり、図２に示すようなＣ面状等の曲線状とすることにより所望のものとすることができる。また、窓体１ｂの角部を外側に張出すようにしてもよい。

窓体１ｂの角から金属枠体１ａの開口部１ｄの角までの距離Ｂが、幅Ａの２^1／２倍以下である場合、角部における封止領域３が狭くなり、接合強度が低下して接合界面の剥離が発生しやすくなる。また、金属枠体１ａを拘束し難くなってシーム溶接する際に生じる金属枠体１ａの歪みを抑制するのが困難となる。一方、窓体１ｂの角から金属枠体１ａの開口部１ｄの角までの距離Ｂが、幅Ａの1.9倍を超える場合、接合材１ｃと金属枠体１ａとの密着面積が大きくなり、シーム溶接する際に接合材１ｃと金属枠体１ａとの熱膨張差によってこれらの密着界面に剥離が生じたり、窓体１ｂが破損し易くなる。

また、窓体１ｂの上面は、金属枠体１ａとの接合部である封止領域３の上側において、少なくとも窓体１ｂの角部に、低融点ガラスや樹脂等から成る被覆層が形成されているのがよい。これにより、蓋体１を基体２に接合する際等に窓体１ｃに熱が加わることにより、接合材１ｃと窓体１ｂとの熱膨張差に起因して窓体１ｃに歪みが生じるのを有効に抑制することができ、窓体１ｂと金属枠体１ａとの接合が破壊されるのをさらに有効に防止できる。好ましくは、窓体１ｂの上面と下面とで熱膨張係数を近づけるという観点からは、窓体１ｂの上面に形成される被覆層が接合材１ｃと同じ材料であるのがよい。さらに好ましくは、窓体１ｂの上面の封止領域３の上側の部位全面に被覆層が形成されているのがよい。

次に、本発明の光半導体素子収納用パッケージについて、図１に基づいて詳細に説明する。基体２は、その上面中央部にＣＣＤ（Carge Coupled Device），ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子や光スイッチ，ミラーデバイス等のＭＥＭＳ（Micro Electornic Mechanical System）、ＣＤ（Compact Disc），ＤＶＤ（Degital Video Disc）用のＬＤ（Laser Diode），ＰＤ（Photo Diode）等の光半導体素子（図示せず）が収容され搭載される凹部が設けられており、この凹部の底面には光半導体素子がガラスや樹脂，ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。

また、凹部の側面や底面より基体２の外側にかけて複数のリード端子や複数のメタライズ配線層(図示せず)が設けられており、このリード端子やメタライズ配線層の凹部の底面に露出した部位には光半導体素子の各電極がボンディングワイヤ（図示せず）を介して電気的に接続される。一方、リード端子やメタライズ配線層の基体２の外部に導出された部位には外部電気回路基板の配線導体（図示せず）に導電性接続部材を介して電気的に接続される。

基体２に使用される材料としては、金属材料や樹脂材料，セラミック材料等の絶縁材料が用いられる。金属材料の場合は、例えば42アロイやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属が好ましく、母材を基体２に対応した形状を有する打抜き金型で打抜いたり、切削などの機械加工によって製作される。なお、基体２にはその表面に耐食性に優れ、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）や半田等のロウ材との濡れ性の良好な金等をめっき法等により、0.1〜１μｍの厚さに被着させておくのが好ましい。

そして、基体２の上面の凹部の周囲に、蓋体１がシーム溶接などの抵抗溶接にて接合される。すなわち、基体２の上面の凹部の周囲に蓋体１を載置し、しかる後、蓋体１を基体２側に電極で一定加圧しつつ2.5〜４Ｖで通電しながら窒素雰囲気の下、圧着ローラーでシーム溶接部を走破させることにより、蓋体１が基体２に気密に接合される。なお、接合性を良くするため、基体２の上面の凹部の周囲に金属製のシールリングを接合し、このシールリングに蓋体１を接合してもよい。

一方、基体２に使用される材料が絶縁材料の場合は、酸化アルミニウムやムライト，窒化アルミニウム，炭化珪素，ガラス等を主成分とする焼結体等の無機材料が好ましく、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、先ずアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２），カルシア（ＣａＯ），マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合して泥漿状と成し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してシート状に成形しセラミックグリーンシートを得、その後、セラミックグリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに複数枚積層し、約1600℃の温度で焼成することにより製作される。

また、基体２が絶縁材料の場合、基体２の上面の凹部の周囲のシーム溶接部には本発明の蓋体１との接合用として枠状のメタライズ金属層（図示せず）が被着される。枠状のメタライズ金属層および基体２に形成されるメタライズ配線層は、タングステンやモリブデン，マンガン等の高融点金属から成り、これらの粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合した金属ペーストをそれぞれセラミックグリーンシートの所定位置に従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに被着形成させておき、セラミックグリーンシートと同時に焼成することにより形成される。なお、枠状のメタライズ金属層には、その表面に耐食性に優れ、Ａｕ−Ｓｎや半田等のロウ材との濡れ性の良好な金等をめっき法等により、0.1〜1μｍの厚さに被着させておくと、フラックスを用いることなく蓋体１と接合することが可能となる。

フラックスは光半導体素子用パッケージの内部に飛散すると、光半導体素子の電極を腐蝕し断線を発生させる原因となることから、枠状のメタライズ金属層の表面には、金等をめっき法等により被着させておくことにより、メタライズ金属層と蓋体１との接合をフラックスを用いずに行なうことが好ましい。そして、基体２の上面の凹部の周囲に形成されたメタライズ金属層と蓋体１がシーム溶接により接合される。

かくして本発明の蓋体１およびこれを用いた光半導体素子収納用パッケージは、基体２の凹部の底面に光半導体素子が接着剤等を介して搭載されるとともに光半導体素子の各電極がボンディングワイヤ等を介してリード端子やメタライズ配線層に接続され、しかる後、基体２の上面の凹部の周囲に凹部を塞ぐように蓋体１がシーム溶接によって接合され、基体２の凹部が封止されることによって最終製品としての電子装置となる。

本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、本発明の蓋体１を具備していることより、基体２と蓋体１とを接合する際の熱や光半導体素子から発生した熱による応力、あるいは外部からの機械的衝撃による応力による金属枠体１ａと窓体１ｂとの剥離を有効に防止することが可能であるとともに、所望の光を光半導体素子に良好に入力することが可能な気密信頼性の高い光半導体素子収納用パッケージを提供することができる。

以下、本発明の蓋体１およびこれを用いた光半導体素子収納用パッケージの実施例について説明する。

蓋体１における封止領域３の幅Ａを１ｍｍとし、窓体１ｂの角からそれに向き合っている金属枠体１ａの開口部１ｄの角との間の平面視での距離Ｂを変えた試料を作製して評価した。

試料は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る縦２５ｍｍ×横３５ｍｍ×厚み０．３ｍｍの長方形の外形であり、中央部に距離Ｂを変えるために種々の曲率半径の円弧状の面取りを施した縦２０ｍｍ×横１５ｍｍの長方形状である開口部１ｄを有する金属枠体１ａと、縦23.0ｍｍ×横18.0ｍｍ×厚み1.0ｍｍのホウケイ酸ガラスから成る窓体１ｂを用い、両者をディスペンサで塗布した軟化点280℃の低融点ガラスから成る接合材１ｃにて接合し蓋体１を製作した。その後、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る基体２と蓋体１とをシーム溶接にて接合させて、光半導体素子収納用パッケージとした。なお、試料は、距離Ｂの幅Ａに対する比率Ｂ／Ａの異なる６種類のものを容易し、各試料について５個、合計３０個の試料を用意し、以下の評価を行なった。

評価方法は、10〜40倍の双眼顕微鏡（ニコン（株）製ＳＭＺ６４５）を用いて外観を検査することにより行ない、光半導体素子収納用パッケージ作製後の試料を観察し、窓体１ｂに入ったクラックの有無および窓体１ｂの剥がれの発生の有無によって良否を判定した。その結果を表１に示す。

表１において、寸法比Ｌは窓体１ｂの角からそれに向き合っている開口部１ｄの角までの距離Ｂの幅Ａに対する比率Ｂ／Ａを示す。

表１の結果より、距離Ｂが幅Ａの２^１／２倍を超え1.9倍以下である試料では良好な結果であるが、２^１／２倍以下および1.9倍を超える試料では窓体１ｂにクラックが入り不良が発生しやすいことが分かった。

なお、本発明は上記実施の形態の例および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施例では光半導体素子としてＣＣＤ，ＣＭＯＳ等の撮像素子や光スイッチ，ミラーデバイス等のＭＥＭＳ、ＣＤ，ＤＶＤ用のＬＤ，ＰＤ等を例に挙げ、光半導体素子を収容した光半導体素子収納用パッケージについて詳述したが、圧電振動子や弾性表面波素子等の電子部品を収容した電子機器にも適用可能である。

本発明の蓋体を用いた光半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の蓋体の実施の形態の一例を示す平面図である。 従来の光半導体素子収納用パッケージの断面図である。 従来の蓋体の平面図である。

符号の説明

１：蓋体
１ａ：金属枠体
１ｂ：窓体
１ｃ：接合材
１ｄ：開口部
２：基体
３：封止領域

Claims (2)

1. 光を透過させるための四角形状の開口部を有する金属枠体と、前記開口部よりも大きく、平面視で角部を除いて前記開口部を同じ幅で囲むような四角形状とされて前記開口部の周囲に接合されたガラスから成る窓体とを具備しており、前記窓体の角とそれに向き合っている前記開口部の角との間の平面視での距離が前記幅の２^1／２倍を超え１．９倍以下であることを特徴とする蓋体。
2. 上面に光半導体素子が収容され搭載される凹部を有する基体と、該基体の上面の前記凹部の周囲に接合された請求項１記載の蓋体とを具備していることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。

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