JP2006013264A - 光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓋体を絶縁基体の上面に傾きを生じることなく強固に接合することが可能であり、また薄型化および小型化が容易な信頼性の高い光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置を提供すること。
【解決手段】 光半導体装置９は、上面の中央部に光半導体素子３を収容し搭載するための凹部１ａを有する絶縁基体１と、絶縁基体１の凹部１ａの内側から外側に導出された配線導体２と、下面の外周部に複数の穴５ａが形成されるとともに下面の複数の穴５ａを含む枠状の部位が絶縁基体１の上面の外周部に接合材７を介して接合される蓋体５とを具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトダイオード、ラインセンサ、イメージセンサ等の受光素子である光半導体素子またはこれらの受光部を有する光半導体素子を気密に収納するための光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置に関する。

従来のフォトダイオード（ＰＤ）、ラインセンサ、イメージセンサ等の受光素子である光半導体素子またはこれらの受光部を有する光半導体素子を気密に収納するための光半導体素子収納用パッケージは、光半導体素子をするための凹部が上面に形成された絶縁基体と、絶縁基体の凹部の内側から外側に導出された配線導体とを具備した構造である。

光半導体素子は、上面の中央部に受光部を有し、外周部等に電極が設けられている。

絶縁基体の凹部内に光半導体素子が収容されるとともに、凹部の底面に樹脂接着剤等により接合され、光半導体素子の電極と配線導体のうち凹部の内側に露出した部位とが、Ａｕ，Ａｌ等から成るボンディングワイヤにより電気的に接続される。

また、平板状で少なくとも中央部に透光部を有する蓋体が絶縁基体の上面に凹部を塞ぐようにして接合材を介して取着され、絶縁基体の凹部と蓋体とで構成される密閉空間内に光半導体素子が気密に収納される。

このように従来の光半導体装置は、透光性の蓋体を有することにより、光半導体装置の内部空間にゴミなどの異物が侵入することを防止するとともに、光半導体装置の内部空間を密閉空間とすることで、外部雰囲気の湿気が光半導体装置内に侵入するのを極力防ぐようにして、光半導体素子の耐久性を向上させるようにしている。

そして、光半導体素子により蓋体を通して外光を受光して変換されて生じた電気信号は、配線導体を介して光半導体装置の外部に配置された各種の機器や素子などに送られる。

なお、従来のＰＤ、ラインセンサ、イメージセンサ等の受光素子である光半導体素子またはこれらの受光部を有する光半導体素子を具備した光半導体装置において、絶縁基体と蓋体とを接合する接合材としては、一般的にシリカフィラーを混入させたエポキシ樹脂やフェノール樹脂，クレゾール樹脂，粉体カーボンとシリコン樹脂粒子の混合体等が使用されている。また、接合材は、通常、蓋体を絶縁基体の上面に接合し取着しておくのに必要な程度の量が用いられており、蓋体と絶縁基体との間に介在するとともに、蓋体と絶縁基体との接合面の外側から蓋体の側面にかけてはみ出すようにして被着されている。
特開平１０−１１６９４０号公報

しかしながら、従来の光半導体素子収納用パッケージおよびそれを用いて成る光半導体装置においては、絶縁基体の上面に蓋体が接合材を介して接合され、接合の強度を確保するために接合材の厚さを例えば約５０μｍ程度として、ある程度厚くする必要があるため、接合材の厚さを接合面の全周にわたって同じ厚さに揃えることが難しく、接合材の厚みバラツキが生じ易い。

そのため、接合材の厚さのバラツキに起因して、蓋体が傾いて接合されるという問題や、接合材を介した蓋体の接合強度が不十分になるという問題があった。蓋体が傾いて接合されると、光半導体素子の受光部に対して蓋体の透光性の面が傾くため、蓋体を通って凹部内に入射する外光に歪みを生じ、正確に受光できなくなるおそれがあり、受光精度が劣化する。また、蓋体の絶縁基体に対する接合強度が弱くなると、光半導体素子を収納する密閉空間の気密性が劣化し、密閉空間内に外部雰囲気の湿気等が侵入しやすくなって光半導体装置としての信頼性が低くなってしまう。

特に、近時、ＰＤ、ラインセンサ、イメージセンサ等の光半導体素子は、画像の精細化や、センサとしての検知精度の高精度化等の要求に応じて受光部が非常に精細に形成されているため、蓋体のわずかな傾きや接合強度のわずかな劣化によっても、上記のような受光精度の低下や信頼性の低下等の問題点を生じてしまう。

また、蓋体と絶縁基体との間に、両者を強固に接合させるための接合材がある程度の厚さで介在しているため、その厚さの分だけ光半導体装置の薄型化が難しくなるという問題があった。また、接合材の厚さを薄くしても蓋体と絶縁基体との間の接合強度を確保できるようにするために両者の接合面積を広くすることも考えられるが、その場合、平面視における面積の小型化が難しくなってしまう。

従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、蓋体を絶縁基体の上面に傾きを生じることなく強固に接合することが可能であり、また薄型化および小型化が容易で信頼性の高い光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置を提供することである。

本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上面の中央部に光半導体素子を収容し搭載するための凹部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記凹部の内側から外側に導出された配線導体と、下面の外周部に複数の穴が形成されるとともに前記下面の前記複数の穴を含む枠状の部位が前記絶縁基体の上面の外周部に接合材を介して接合される蓋体とを具備することを特徴とする。

本発明の光半導体装置は、上記構成の光半導体素子収納用パッケージと、前記凹部に収容されるとともに電極が前記配線導体に電気的に接続された光半導体素子と、前記絶縁基体の上面の外周部に接合材を介して接合された蓋体とを具備しており、前記接合材は前記複数の穴に入り込んでいることを特徴とする。

また、本発明の光半導体装置は好ましくは、前記接合材は、前記絶縁基体および前記蓋体から成る容器の内側および外側にはみ出さないように設けられていることを特徴とする。

本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上面の中央部に光半導体素子を収容し搭載するための凹部を有する絶縁基体と、絶縁基体の凹部の内側から外側に導出された配線導体と、下面の外周部に複数の穴が形成されるとともに下面の複数の穴を含む枠状の部位が絶縁基体の上面の外周部に接合材を介して接合される蓋体とを具備することから、絶縁基体と蓋体とを接合する接合材の大部分は蓋体に形成された穴の中に入り込むこととなり、その結果、穴に入り込んだ接合材により絶縁基体に対する蓋体の接合強度を確保することができる。そのため、絶縁基体の上面と蓋体との間に接合材を厚く介在させる必要はなく、接合材の厚さのバラツキを抑制し、蓋体が傾いて接合されることを効果的に防止することができる。

本発明の光半導体装置は、上記構成の光半導体素子収納用パッケージと、凹部に収容されるとともに電極が配線導体に電気的に接続された光半導体素子と、絶縁基体の上面の外周部に接合材を介して接合された蓋体とを具備しており、接合材は複数の穴に入り込んでいることから、接合材の厚さのバラツキに起因する蓋体の傾きや蓋体の接合強度の不足等は効果的に防止され、絶縁基体に対する蓋体の平行度が良好で、受光特性に優れるとともに、光半導体素子の気密封止の信頼性に優れた光半導体装置となる。

また、本発明の半導体装置は好ましくは、接合材は、絶縁基体および蓋体から成る容器の内側および外側にはみ出さないように設けられていることから、蓋体の外周面を接合材が這い上がって、蓋体の上面の中央部側に向かって広がったり、蓋体の下面の中央部側に向かって広がるようなことが無く、外光が通る蓋体の中央部が接合材で塞がれたり透光性が低下することを防ぎ、より一層受光特性の安定した光半導体装置となる。

本発明の光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置について実施の形態の例を示す断面図である。図１において、１は絶縁基体、２は配線導体、３は光半導体素子、４は光半導体素子３の電極、５は蓋体、６は光半導体素子３を絶縁基体１に接合し搭載するための接着材、７は接合材、８はボンディングワイヤである。これらの絶縁基体１、配線導体２により本発明の光半導体素子収納用パッケージが主に構成されている。また、絶縁基体１の上面には凹部１ａが形成され、この凹部１ａに光半導体素子３を収容し、蓋体５で凹部１ａを封止することにより光半導体装置９が基本的に構成される。

本発明における絶縁基体１は、その上面に凹部１ａが形成されている。この凹部１ａに光半導体素子３が収容されて凹部１ａの底面に接着剤６により接着されて搭載される。光半導体素子３は、上面に受光部が設けられており、また外周部には電源用や信号用等の電極４が設けられている。また、凹部１ａの内側から外側に配線導体２が導出されており、凹部１ａの内側に露出した配線導体２と光半導体素子３の電極４とがＡｕ，Ａｌ等から成るボンディングワイヤ８で電気的に接続される。

絶縁基体１は、アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウムセラミックス，炭化珪素セラミックス，窒化珪素セラミックス，ガラスセラミックス等のセラミックス、エポキシ樹脂,ポリイミド樹脂等の樹脂、樹脂とセラミックスとの複合材料等から成る。絶縁基体１は、平板状の底板部の上面の外周部に別体の枠状の側壁部が設けられて、上面の中央部に凹部１ａが形成されている。または絶縁基体１の底板部と側壁部とは一体的に形成されていてもよい。

絶縁基体１は、例えば、アルミナ質焼結体から成り、底板部と側壁部とが一体に焼成して形成されている場合、アルミナ，シリカ等の原料粉末を有機溶剤，樹脂バインダーとともにシート状に成形して複数のセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を作製するとともに、一部のものを枠状に打ち抜いて枠状のグリーンシートを作製し、その後、枠状のグリーンシートが上層に位置するようにしてグリーンシートを複数積層し、原料粉末の組成に応じて約１３００〜１６００℃の温度で焼成することにより形成される。底板部および側壁部は、１層のグリーンシートで形成されても、複数のグリーンシートが積層されて形成されてもよい。

絶縁基体１の上面には、光半導体素子３を収容し底面に載置するための凹部１ａが形成されており、配線導体２が凹部１ａの内側から外側に導出されている。この配線導体２のうち凹部１ａの内側に露出した部位に光半導体素子３の電極４がボンディングワイヤ８を介して接続されるとともに、凹部１ａの外側に導出された部位が外部電気回路（図示せず）に半田等の接続材（図示せず）を介して接続されることにより、絶縁基体１に搭載された光半導体素子３は、電極４、ボンディングワイヤ８および配線導体２を介して外部電気回路に電気的に接続される。

配線導体２は、タングステン，モリブデン，銅，銀等のメタライズ導体等により形成されている。配線導体２は、例えば絶縁基体１となるグリーンシートに必要に応じて予め所定のスルーホールを形成し、タングステン，モリブデン，銅，銀等の金属ペーストをグリーンシートの表面やスルーホールの内面に印刷塗布したり充填しておくことにより形成される。

また、光半導体素子３は、その上面の中央部に受光部が設けられており、その上面の受光部の周囲である外周部には電源用や信号用の電極４が設けられている。光半導体素子３は、ＰＤ，ラインセンサ，イメージセンサ，ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＥＰＲＯＭ（Erasable and Programmable ＲＯＭ）等の受光素子、またはこれらの受光部を有する光半導体素子などである。

光半導体素子３は絶縁基体１の凹部１ａの底面に載置され、樹脂接着剤，ろう材，低融点ガラス等から成る接着材６によって接着されており、上面の電極４と、配線導体２の凹部１ａの内側に露出している部分とは、Ａｕ，Ａｌ等からなるボンディングワイヤ８により電気的に接続される。

なお、ボンディングワイヤ８は、その長さが０．３〜３ｍｍであることが好ましい。０．３ｍｍ未満では、ボンディングワイヤ８が短すぎて十分なループを形成することが難しくなるため、光半導体素子３の電極４と配線導体２とを確実に接続することが難しくなり、接続不良が生じやすくなる。３ｍｍを超えると、ボンディングワイヤ８が長くなりすぎてループが不要に高くなる傾向があり、ボンディングワイヤ８に不要なインダクタンスが発生して高周波信号の伝送性が劣化しやすくなるとともにコスト高となる。

また、光半導体素子３の電極４と配線導体２との接続は、ボンディングワイヤ８により行うものに限らず、いわゆるリボン等の帯状の接続線等を用いてもよい。

凹部１ａに光半導体素子３が収容された絶縁基体１について、その上面の外周部に接合材７を介して蓋体５を接合することにより、絶縁基体１の凹部１ａと蓋体５とで構成される密閉空間内に光半導体素子３が気密封止され、光半導体装置９が形成される。

絶縁基体１の上面の外周部に接合材７を介して接合される蓋体５は、少なくとも中央部（外光が通って凹部内に入射するのに必要な領域）に透光性の部位を有する構造であり、例えば、全体が透光性の材料で形成されたものでもよい。また、蓋体５は、下面の外周部に複数の穴５ａが形成され、下面の複数の穴５ａを含む枠状の部位が絶縁基体１の上面の外周部に接合される。この構成により、絶縁基体１と蓋体５とを接合する接合材７の大部分を蓋体５に形成された穴５ａの中に入り込ませることができ、その穴５ａに入り込んだ接合材７により絶縁基体１に対する蓋体５の接合強度を確保することができる。そのため、絶縁基体１の上面と蓋体５との間に接合材７を厚く介在させる必要はなく、接合材７の厚さのバラツキを抑制し、蓋体５が傾いて接合されることを効果的に防止することが可能な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。

また、本発明の光半導体装置９によれば、上記構成の光半導体素子収納用パッケージと、凹部１ａに収容されるとともに電極が配線導体２に電気的に接続された光半導体素子３と、絶縁基体１の上面の外周部に接合材を介して接合された蓋体とを具備しており、接合材７は複数の穴５ａに入り込んでいることから、絶縁基体１の上面と蓋体５とが、間に接合材７を介在させることなく直接接触することができる。その結果、接合材７の厚さのバラツキに起因する蓋体５の傾きや蓋体５の接合強度の不足等は効果的に防止され、絶縁基体１に対する蓋体５の平行度が良好で、受光特性に優れるとともに、光半導体素子３の気密封止の信頼性に優れた光半導体装置９を提供することができる。

光半導体装置９は、画像認識装置，センサ等の光学機器や電子機器の部品として使用される。例えば、光学機器や電子機器を構成する電気回路基板の所定位置に実装され、外光を受光するとともに光半導体素子３で電気信号に変換し、その電気信号を光学機器や電子機器を構成する外部電気回路基板の電気回路に供給する。

なお、光半導体装置９の外部電気回路基板への実装の際には、複数の光半導体装置９を搬送用トレイ等に収納し、まとめて実装用の装置まで搬送する必要があり、また、光半導体装置９をチャック等の保持装置で保持し、外部電気回路基板の所定位置に位置合わせする必要がある。また、光半導体装置９のトレイへの出し入れは手作業による方法や自動搬送装置等の設備を用いる方法により行われる。

接合材７は、樹脂接着剤やガラス等の無機材料等からなり、例えば樹脂接着剤からなる場合、アクリル系樹脂，エポキシ系樹脂，フェノール系樹脂，クレゾール系樹脂，シリコン系樹脂，ポリエーテルアミド系樹脂等から成る。また接合材７は、余計な外光の入射を遮断するために、黒色，茶褐色，暗褐色，暗緑色，濃青色等の暗色系の顔料や染料を混入させてもよい。また、接合材７は、無機材料からなるフィラー粉末を樹脂接着剤に添加したものでもよい。

蓋体５は、透光性のガラスや樹脂，サファイア，水晶，石英ガラス等からなっている。蓋体５は、凹部１ａを塞いで気密封止することができるような形状、寸法を有し、例えば、凹部１ａが平面視で四角形状であれば、平面視で凹部１ａよりも少し大きな四角板状に形成される。

また、蓋体５の上下面の少なくとも一方に紫外線を遮断するための光学膜を形成してもよい。

蓋体５の下面の外周部の穴５ａは、下面から厚さ方向の途中までの深さで非貫通穴として形成されていても、また下面から上面まで貫通していてもよい。穴５ａを蓋体５の下面から上面まで貫通させる場合、穴５ａの上端付近の内面を段状に削って開口幅を広げてもよい。この場合、穴５ａの上端部の内寸法が大きくなるので、穴５ａに入り込んだ接合材７を上端部の段差部に留めることができ、穴５ａから蓋体５の上面に接合材が流れ出すようなことをより確実に抑制することができる。

この穴５ａは、蓋体５の下面の外周部に、厚さ方向にドリル等による切削加工を施すこと等の方法により形成することができる。この場合、穴５ａは、横断面形状が四角形状や楕円状、円形状のものとしておくと、切削加工等による形成が容易で、蓋体５の生産性がよい。また、穴５ａは、接合材７の入り込みやすさを重視すると、横断面形状が円形状、楕円形状が好ましい。また、角部を円弧状に面取りした四角形状でもよい。

また、穴５ａの縦断面形状は、長方形状、または下辺が上辺よりも大きい台形形状としておくことが好ましい。これにより、絶縁基板１の上面に対する接合材７の接触面積が大きくなり、接合材７を介した蓋体５と絶縁基体１との間の接合強度をさらに向上させて、気密封止の信頼性により一層優れる光半導体装置９とすることができる。

また接合材７は、絶縁基体１および蓋体５から成る容器の内側および外側にはみ出さないようにしておくことが好ましい。これにより、蓋体５の外周面（側面）を接合材７が這い上がって、蓋体５の上面の中央部側に広がったり、蓋体５の下面の中央部側に広がるようなことが無く、外光が通る蓋体５の中央部が接合材で塞がれたり透光性が低下することを防ぎ、より一層受光特性の安定した光半導体装置９を提供できる。

さらに、接合材７は、穴５ａ内にのみ存在し、絶縁基体１上面の外周部と蓋体５下面の外周部との接触面に存在しないようにしてもよい。この場合、絶縁基体１上面の外周部と蓋体５下面の外周部との間に接合材７が全く存在しないため、接合材７の厚みによる光半導体装置９の高背化、蓋体５が傾斜することをより防ぐことができる。またこの場合、絶縁基体１上面の外周部および蓋体５下面の外周部よりも穴５ａの内面の方が、接合材７に対する濡れ性が良いようにすることもでき、例えば、絶縁基体１上面の外周部、蓋体５下面の外周部、穴５ａの内面のそれぞれの表面粗さを違えたり、穴５ａの内面に接合材７に対する濡れ性が良好なコーティングを施してもよい。

また、穴５ａは、蓋体５の下面の外周部に全周にわたって形成されていることが好ましい。これにより、蓋体５の絶縁基体１に対する枠状の接合面の全周にわたって確実に接合材７を穴５ａの中に入り込ませることができ、蓋体５の傾きや接合強度の不足等の問題の発生をより確実に防ぐことができる。

穴５ａを、蓋体５の下面の外周部に全周にわたって形成する場合、穴５ａ同士の隣接間隔は全部同じ間隔とする必要はない。例えば、凹部１ａが平面視で四角形状で、蓋体５の下面の四角枠状の部位が絶縁基体１に接合される場合、接合材７の表面張力等の関係で接合材７が集まりやすく、また蓋体５と絶縁基体１との間の熱膨張係数の違いに起因する熱応力等の応力が大きく作用する傾向のある角部分に穴５ａを多く形成し、角部分においてより多くの接合材７を穴５ａに入り込ませるようにしてもよい。

接合材７について、絶縁基体１および蓋体５から成る容器の内側および外側にはみ出さないようにするには、接合材７を介して絶縁基体１と蓋体５とを接合するときに、接合材７の粘度を低くして穴５ａの中に入り込みやすくする方法、また接合材７の粘度が高い場合、蓋体５に形成された穴５ａのパターンと同じパターンのスクリーン用マスクを作製し、そのパターンで接合材７をスクリーン印刷により印刷形成し、穴５ａのパターンと接合材７の印刷パターンとを合致させて接合する方法等がある。また、蓋体５を絶縁基体１の上面に向かって上方より降下させて載せる際に、接合材７が穴５ａからはみ出ずに穴５ａの中に徐々に入り込むことができる程度に降下させる速さを遅く調整すること等の方法を用いることができる。

また、穴５ａの内面と蓋体５の下面との間の角部を円弧状に面取りして、穴５ａの中に下方から接合材７がより入り込み易くなるようにして、接合面から外側や内側に接合材７が流れ出難くなるようにしてもよい。

なお、本発明は上記実施の形態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、蓋体５は、その全面が一様に透光性を有するものである必要は無く、光半導体素子３の受光部に受光される外光が通る部分を透光性に優れたものとするとともに、接合材７を介して絶縁基体１に接合される部位を粗面とし、アンカー効果で接合をより強固にして、気密封止の信頼性により一層優れる光半導体装置９としてもよい。

また、蓋体５の外周部分を、遮光性の樹脂膜を貼り付ける等の手段で遮光性とし、余計な外光が凹部５ａ内に入り込んだり、凹部５ａ内で光が乱反射したりすることを防止し、余計な光が受光面で受光されることをより確実に防止して受光特性を向上させるようにしてもよい。

本発明の光半導体装置の実施の形態の例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁基体
１ａ・・・凹部
２・・・配線導体
３・・・光半導体素子
４・・・電極
５・・・蓋体
５ａ・・・穴
７・・・接合材
９・・・光半導体装置

Claims (3)

1. 上面の中央部に光半導体素子を収容し搭載するための凹部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記凹部の内側から外側に導出された配線導体と、下面の外周部に複数の穴が形成されるとともに前記下面の前記複数の穴を含む枠状の部位が前記絶縁基体の上面の外周部に接合材を介して接合される蓋体とを具備することを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
2. 請求項１記載の光半導体素子収納用パッケージと、前記凹部に収容されるとともに電極が前記配線導体に電気的に接続された光半導体素子と、前記絶縁基体の上面の外周部に接合材を介して接合された蓋体とを具備しており、前記接合材は前記複数の穴に入り込んでいることを特徴とする光半導体装置。
3. 前記接合材は、前記絶縁基体および前記蓋体から成る容器の内側および外側にはみ出さないように設けられていることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。

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