TWI649902B - 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
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；以及金屬接合部53，將封裝基板30與窗構件40之間密封。封裝基板30係具有：安裝面61，設置有供光半導體元件20安裝的金屬電極；分離面62，於安裝面61之外側設置成框狀；以及光反射面63，自分離面62朝上表面31傾斜；於光反射面上避開分離面62而設置有金屬層。
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。
將基板與蓋體經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較佳。此時，若從基板與蓋體之間被擠壓出之焊接材料的一部分朝著發光元件的安裝面流出，則有導致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；以及金屬接合部，將封裝基板與窗構件之間密封。封裝基板係具有：安裝面，設置有供光半導體元件安裝的金屬電極；分離面，於安裝面之外側設置成框狀；以及光反射面，自分離面朝上表面 31傾斜；於光反射面上避開分離面而設置有金屬層。
依據此態樣，藉由將金屬層設置於傾斜的光反射面上，能夠以金屬層使於光半導體元件之側方輸出的光朝向窗構件反射，而能夠提升光半導體裝置的光輸出。而且，藉由在光反射面與安裝面之間設置未以金屬層被覆的分離面，在以金屬接合材將封裝基板與窗構件之間密封時能夠以分離面阻止沿著傾斜的光反射面流動之金屬接合材的液流。藉此，能夠抑制金屬接合材流落至安裝面所致的良率降低。
分離面亦可設置於比安裝面更高一層的位置。
金屬層亦可避開安裝面與分離面之間的側面而設置。
金屬層亦可進一步地於封裝基板之上表面設置成框狀，金屬接合部亦可與設置於上表面的金屬層接合。
分離面亦可具有100μm以上的寬度。
光半導體元件亦可係用以發出深紫外光的發光元件，窗構件亦可包含深紫外光之透光率為80%以上的玻璃板。金屬層亦可包含金(Au)，金屬接合部亦可包含金錫(AuSn)。
本發明之另一態樣係光半導體裝置製造方法。此方法係具備以下步驟：收容步驟，於在上表面具有開口之凹部的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以金屬接合材密封。封裝基板係具有：安裝面，設置有供光半導體元件安裝的金屬電極；分離面，於安裝面之外側設置成框狀；以及光反射面，自分離面朝上表面傾斜；以避開分離面的方式於光反射面及上表面設置有金屬層；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金屬接合材加熱的加熱步驟。
依據此態樣，於一邊在封裝基板之上表面與框體之間施加荷重一邊使金屬接合材加熱熔融時，能夠以分離面阻止沿著傾斜的光反射面流動之金屬接合材的液流。藉此能夠抑制金屬接合材流落至安裝面所導致的良率降低，並藉由加上了荷重的接合過程而得以實現高度可靠性的密封構造。
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、130‧‧‧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‧‧‧窗構件
43‧‧‧窗構件之外表面
44‧‧‧窗構件之內表面
50‧‧‧密封構造
51‧‧‧第一金屬層
52‧‧‧第二金屬層
53‧‧‧金屬接合部
56‧‧‧金屬接合材
60‧‧‧荷重
61、161‧‧‧安裝面
62、162‧‧‧分離面
63‧‧‧光反射面
64‧‧‧側面
163‧‧‧第一光反射層
164‧‧‧第二光反射層
w10、w11、w20、w21‧‧‧外形尺寸
w12、w22‧‧‧內形尺寸
w3、w13、w23‧‧‧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係概略地表示變形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係安裝於封裝基板30的第一內側電極36，第二元件電極27係安裝於封裝基板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係設置有安裝面61、分離面62以及光反射面63。安裝面61係設置於凹部34之中央部，且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。分離面62係以包圍安裝面61之外側或外周的方式設置，設置於比安裝面61更高一層的位置。光反射面63係設置於分離面62之外側，從分離面62朝著上表面31傾斜。於封裝基板30的下表面32係設置有用以將發光裝置10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。窗構件40係以使發光元件20所發出的紫外光透過的材料所構成，例如能夠使用玻璃、石英、水晶、藍寶石等。窗構件40係特別較佳以深紫外光的透光率高、耐熱性及氣密性高的材料所構成，且更佳以熱膨脹係數比封裝基板30小的材料所構成。期望將石英玻璃作為具備此種特性的材料而用於窗構件40。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。
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。
第一金屬層51也設置於封裝基板30之光反射面63上。藉由在傾斜的光反射面63上設置金屬層，能夠使於發光元件20之側方輸出的深紫外光朝著窗構件40反射而射出至封裝的外部。另一方面，第一金屬層51係避開分離面62而設置。亦即，可以理解為於分離面62上未形成有金屬層，未形成有第一金屬層51之區域為分離面62。而且，位於安裝面61與分離面62之間的側面64亦未形成有第一金屬層51。
第二金屬層52係於窗構件40的內表面44設置成框狀。第二金屬層52係具有對應於矩形之窗構件40的矩形框形狀，四角被施以圓倒角處理。第二金屬層52係藉由真空蒸鍍或濺鍍(sputtering)等的方法所形成。第二金屬層52係於窗構件40之內表面44上依序積層有鈦(Ti)、鉑(Pt)、金(Au)的多層膜。另外，可以使用鉻(Cr)來取代鈦，可以使 用銅(Cu)及鎳(Ni)來取代鉑(Pt)。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，且於封裝的外周部將封裝基板30與窗構件40之間予以接合並密封。金屬接合部53係以填充於第一金屬層51與第二金屬層52之間並位於夾著第二金屬層52的兩側(封裝的內側及外側雙方)之方式構成。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係較佳由錫(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。
密封構造50係以第二金屬層52的整體重合於第一金屬層51之上且第二金屬層52的整體位於第一金屬層51所設置之區域內的方式構成。也就是說，以第二金屬層52不位於未設置第一金屬層51之區域上的方式構成，第一金屬層51與第二金屬層52不偏移配置。具體來說，第一金屬層51及第二金屬層52個別的外形尺寸及內形尺寸係調整成如下面所詳細描述的預定尺寸。
圖2係概略地表示封裝基板30及窗構件40的尺寸。 如圖所示，第一金屬層51的外形尺寸w11係比第二金屬層52的外形尺寸w21更大，第一金屬層51的內形尺寸w12係比第二金屬層52的內形尺寸w22更小。因此，第一金屬層51的外形尺寸w11與內形尺寸w12之差所對應的寬度w13係比第二金屬層52的外形尺寸w21與內形尺寸w22之差所對應的寬度w23更大。而且，第一金屬層51的寬度w13係以成為第二金屬層52的寬度w23之兩倍以上的方式構成。
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，第二金屬層52的外形尺寸w21係3.0mm，第二金屬層52的內形尺寸w22係2.6mm，第二金屬層52的寬度w23係0.2mm。在此實施例中，第一金屬層51與第二金屬層52的內形尺寸差(0.3mm)係比第一金屬層51與第二金屬層52的外形尺寸差(0.2mm)更大。
分離面62係以使安裝面61之外周包圍的寬度w3成為100μm以上的方式設置，較佳係以寬度w3成為150μm以上的方式設置。藉由將分離面62之寬度w3設為一定程度以上，就算熔融狀態之金屬接合材從上表面31朝著光反射面63流落，亦能夠藉著未設置有第一金屬層51之分離面62阻止金屬接合材的液流，能夠使金屬接合材留在分離面 62上。
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)，將封裝基板30之第一金屬層51與窗構件40之第二金屬層52對準位置，而在第一金屬層51與第二金屬層52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。使封裝基板30及窗構件40以第二金屬層52之整體位於第一金屬層51之區域上的方式對準位置。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，藉此能夠將第二金屬層52之整體配置於第一金屬層51之上。另外，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亦可。在此情況下若依照上述之尺寸的實施例，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第二金屬層52之整體位於第 一金屬層51之上的方式進行配置。
已對準位置的第一金屬層51與第二金屬層52之間係配置有金屬接合材56。金屬接合材56係具有對應於第二金屬層52之矩形框形狀的金錫預成形體(preform)。金屬接合材56例如係具有與第二金屬層52相同的外形尺寸與內形尺寸。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，而能夠形成厚度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60一邊被加熱熔融，於第一金屬層51與第二金屬層52之間擴展。由於金屬接合材56係於封裝基板30與窗構件40之間被擠壓出，故金屬接合材56之一部分也許會沿著已傾斜的光反射面63流落至凹部34之內側。然而，由於在光反射面63與安裝面51之間係設置有未由金屬層所被覆的分離面62，故能夠利用對熔融金屬之濕潤性的差異而將接合材的液流留在分離面62。例如熔融金屬係於濕潤性低的分離面62之上以膨脹成球狀的方式停留在該場所。
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。
由以上之構成，依據本實施形態能夠提高發光裝置10的光取出效率及密封可靠性並能夠防止在密封步驟中良率降低。依據一實施例，將金錫作為能夠以相對低溫(300℃左右)來密封的金屬接合材56使用，在光反射面63施以金鍍覆。由於金(Au)係對深紫外光的反射率相對高之材料，故藉由形成金鍍覆的光反射面63能夠更提高光取出效率。而且，就算金屬接合材56的一部分已流出到光反射面63，由於接合材的主成分係金(Au)，故金錫接合材的附著導致的對光反射面63反射率的影響少。因此，即使為了提高密封可靠性而增多金屬接合材56的量且流出到光反射面63之接合材的量增加，仍能夠維持光反射面63之相對高的反射率。
圖5係用以概略地表示變形例之發光裝置110的剖視圖。在本變形例中與上述實施形態不同的點在於：於封裝基板130之安裝面161的外側設置有第一光反射層163與 第二光反射層164，於第一光反射層163與第二光反射層164之間設置有分離面162。也就是說在本變形例中，於安裝面161之外周設置有第一光反射層163，於第一光反射層163之外周設置有分離面162。於第一光反射層163及第二光反射層164係設置有金屬層，另一方面於分離面162係未設置有金屬層。即使在本變形例中也能夠達到與上述實施形態同樣的功效。
以上，雖基於實施形態進行了本發明之說明。所屬技術領域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以有各種的設計變更、各種的變形例，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。亦即，亦可將上述封裝用於光半導體元件的密封。
在上述的實施形態及變形例中係示出了於窗構件之外周設置金屬層而使之接合的構成。在進一步的變形例中亦可於窗構件的外周設置金屬框，將金屬框的框體與封裝基板之間予以金屬接合。設置於窗構件外周的金屬框亦可係熱膨脹係數與窗構件近似的材料，例如亦可係科華合金(Kovar alloy)。亦可於科華合金之金屬框表面施以金鍍覆而提高與金錫合金的接合性。
(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 (7)
- 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；以及金屬接合部，將前述封裝基板與前述窗構件之間密封；前述封裝基板係具有：安裝面，設置有供前述光半導體元件安裝的金屬電極；分離面，於前述安裝面之外側設置成框狀；以及光反射面，自前述分離面朝前述上表面傾斜；避開前述分離面而自前述光反射面遍及前述上表面設置有金屬層；前述金屬接合部係與設置於前述上表面的前述金屬層接合。
- 如請求項1所記載之光半導體裝置，其中前述分離面係設置於比前述安裝面更高一層的位置。
- 如請求項2所記載之光半導體裝置，其中前述金屬層係避開前述安裝面與前述分離面之間的側面而設置。
- 如請求項1或2所記載之光半導體裝置，其中前述封裝基板係進一步具有：其他光反射面，係自前述安裝面朝向前述分離面傾斜，且設置有金屬層。
- 如請求項1至3中任一項所記載之光半導體裝置，其中前述分離面係具有100μm以上的寬度。
- 如請求項1至3中任一項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，前述窗構件係包含前述深紫外光之透光率為80%以上的玻璃板；前述金屬層係包含金，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，於在上表面具有開口之凹部的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以金屬接合材密封；前述封裝基板係具有：安裝面，設置有供前述光半導體元件安裝的金屬電極；分離面，於前述安裝面之外側設置成框狀；以及光反射面，自前述分離面朝前述上表面傾斜；避開前述分離面而自前述光反射面遍及前述上表面設置有金屬層；前述密封步驟係包含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前述金屬接合材加熱的加熱步驟；前述金屬接合材係與設置於前述上表面的前述金屬層接合。
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