JP6871184B2 - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置の製造方法に関する。

近年、紫外線を発光する半導体発光素子と、この半導体発光素子を収容するパッケージを含む半導体発光装置が提供されている。特に波長３００ｎｍ以下の深紫外線を発光する半導体発光素子を有する半導体発光装置では、半導体発光素子を石英などのガラスで封止するガラス封止パッケージが用いられている（特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の半導体発光装置は、パッケージ基板上にＬＥＤ素子を実装し、該ＬＥＤ素子に蛍光物質を混入したガラス蓋を被せ、前記ＬＥＤ素子の発光を波長変換して出射する半導体発光装置であって、前記パッケージ基板はセラミック等の無機材質基板であり、該無機材質基板上に前記ＬＥＤ素子をフリップチップ実装し、前記ＬＥＤ素子を蛍光物質を混入したガラス蓋で封止した構成を有している。

特開２０１２−６９９７７号公報

しかし、特許文献１に記載の半導体発光装置によれば、ガラス蓋を石英ガラスで形成すると、その熱膨張係数が、セラミック等から形成される無機材質基板の熱膨張係数よりも１桁程度小さいため、ガラス蓋を被せてＬＥＤ素子を封止した後、ある時間が経過すると、前記熱膨張係数差による残留応力が前記ガラス蓋と前記無機材質基板との間に作用して前記ガラス蓋が前記無機材質基板から剥がれてしまうことがあった。

そこで、本発明は、前記ガラス蓋が前記無機材質基板から剥がれるのを抑制するため、前記ガラス蓋と前記無機材質基板との間に作用する両者の熱膨張係数差による残留応力を解放する接合部材によって、ＬＥＤ素子を封止するガラス蓋とＬＥＤ素子を搭載した無機材質基板とを接合するようにした半導体発光装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、第１の熱膨張係数を有するセラミックを含む無機材質基板に半導体発光素子を搭載する第１のステップと、前記第１の熱膨張係数よりも小さい第２の熱膨張係数を有する石英ガラスを含むガラス蓋を前記無機材質基板に搭載された前記半導体発光素子に被せる第２のステップと、前記ガラス蓋を前記無機材質基板にＡｕＳｎ共晶半田によって接合する第３のステップと、を含み、前記ＡｕＳｎ共晶半田は、前記第１及び第２の熱膨張係数の差に基づいて発生する残留応力を解放する特性を有すると共に、１６０℃から２１０℃の温度で所定の時間にわたって熱処理を受けたＡｕＳｎ共晶半田であり、２０重量％のＳｎを含む、半導体発光装置の製造方法を提供する。

本発明の半導体発光装置及びその製造方法によれば、ＬＥＤ素子を封止するガラス蓋が前記ＬＥＤ素子を搭載した無機材質基板から剥がれるのを抑制することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置の構成を説明する分解図である。 図２は、半導体発光素子の積層構造の一例を概略的に示す説明図ある。 図３は、実装基板への半導体発光装置の実装の一例を示す説明図である。 図４は、図３に示す半導体発光装置の実装から一部を抜き出して説明する説明図である。 図５は、実験の手順を示すフローチャートである。 図６は、蓋部材の剥がれを目視確認した結果を示すグラフ図である。 図７は、温度とＡｕＳｎ接合部材の線膨張係数との関係を示す図である。 図８は、温度とＡｕＳｎ接合部材の体積膨張係数との関係を示す図である。

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置の構成を説明する分解図である。図１に示すように、半導体発光装置１は、紫外線等の所定の波長域の光を発光する半導体発光素子２と、電流の値によらずに電圧の値が一定となる定電圧素子４と、これら半導体発光素子２及び定電圧素子４を収容するパッケージ３とを備えて構成されている。

半導体発光素子２には、例えば、トランジスタ、レーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）等が含まれる。本実施の形態では、半導体発光素子２として、紫外領域の波長の光（特に、中心波長が３００ｎｍ以下の深紫外光）を発する発光ダイオードを例に挙げて説明する。半導体発光素子２の詳細については後述する。定電圧素子４には、例えば、ツェナーダイオードを用いることができる。

（パッケージ３）
パッケージ３は、下地部を構成するパッケージ基板３１と、このパッケージ基板３１と接合する蓋部材３２と、パッケージ基板３１及び蓋部材３２を互いに接合するＡｕＳｎ接合部材３３と、蓋部材３２の下面とＡｕＳｎ接合部材３３との間に挿入されたシーリング部材３４と、半導体発光素子２をパッケージ基板３１に搭載する搭載部材３５とを有して構成されている。ＡｕＳｎ接合部材３３は、接合部材の一例である。

パッケージ基板３１は、半導体発光素子２を搭載する。パッケージ基板３１は、略直方体形状に形成されると共に、その上面に半導体発光素子２を搭載する凹部３１ａが形成されている。パッケージ基板３１は、セラミックを含む無機材質基板である。具体的には、パッケージ基板３１は、例えば、高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ、High Temperature Co-fired Ceramic）により形成される。パッケージ基板３１は、基板の一例である。

蓋部材３２は、パッケージ基板３１の凹部３１ａを覆うように配置される。蓋部材３２は、例えば、石英ガラスを含むガラス蓋である。蓋部材３２の下面の縁部３２ａと、パッケージ基板３１の上面の縁部３１ｂとがＡｕＳｎ接合部材３３による半田付けにより面接触することにより、蓋部材３２とパッケージ基板３１とが接合して一体化し、蓋部材３２及びパッケージ基板３１で形成される内部空間を外部から気密に封止する。また、石英ガラスには、後述するＡｕＳｎ半田プリフォームを仮付けする積層のメタライズ膜（不図示、以下、「積層メタライズ」ともいう。）が形成されている。一例として、積層メタライズは、１辺が約３．０ｍｍの略正方形状の外形を有する。

ＡｕＳｎ接合部材３２は、蓋部材３２を半導体発光素子２に被せて蓋部材３２をパッケージ基板３１に接合して半導体発光素子２を封止する。具体的には、ＡｕＳｎ接合部材３３は、パッケージ基板３１及び蓋部材３２を半田付けにより接合する。ＡｕＳｎ接合部材３３は、例えば、金（Ａｕ）と錫（Ｓｎ）とを主成分として含む合金であり、半田付けに利用される半田プリフォームを構成する。より具体的には、ＡｕＳｎ接合部材は、例えば、２０重量％のＳｎを含むＡｕＳｎ半田プリフォームである。一例として、ＡｕＳｎ半田プリフォームは、１辺が約３．０ｍｍの略正方形状の外形を有する。

また、ＡｕＳｎ接合部材３３は、後述するように、パッケージ基板３１と蓋部材３２との熱膨張係数差に基づく残留応力を解放する接合部材である。以下、説明の便宜上、パッケージ基板３１の熱膨張係数は、「第１の熱膨張係数」ともいう。また、蓋部材３２の熱膨張係数は、「第２の熱膨張係数」ともいう。第２の熱膨張係数は、第１の熱膨張係数よりも約１桁程度小さい。

シーリング部材３４は、蓋部材３２の下面とＡｕＳｎ接合部材３３との間に設けられた充填材である。

搭載部材３５には、例えば、スタッドバンプを用いることができる。半田付けやリードピンを用いてもよい。半導体発光素子２は、搭載部材３５により、凹部３１ａの底面に搭載される。

（半導体発光素子２）
図２は、図１に示す半導体発光装置１に含まれる半導体発光素子２の積層構造の一例を概略的に示す説明図である。図２に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子２は、透明基板２１と、透明基板２１上に形成されたＡｌＧａＮ系の窒化物半導体層２２と、電極２３と、を有している。

本実施の形態では、窒化物半導体層２２は、透明基板２１側から、ＡｌＮを含むバッファ層２２ａ、ｎ型ＡｌＧａＮを含むｎクラッド層２２ｂ、ＡｌＧａＮを含む発光層２２ｃ、ｐ型ＡｌＧａＮを含むｐクラッド層２２ｄ、ｐ型ＧａＮを含むコンタクト層２２ｅを順次形成して構成されている。電極２３は、コンタクト層２２ｅ上に形成されたアノード側電極部（ｐ電極）２３ａと、ｎクラッド層２２ｂ上に形成されたカソード側電極部（ｎ電極）２３ｂと、を有している。なお、図２における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。

（半導体発光装置１の実装基板への実装）
図３は、実装基板への半導体発光装置１の実装の一例を示す説明図である。図３に示すように、実装基板５上に、８行（図３の図示縦方向）及び１５列（図３の図示横方向）の合計１２０個の半導体発光装置１が実装されている。互いに隣接する半導体発光装置１の間隔は、約１ｍｍに調整されている。８行や１５列（１２０個）は一例であり、実装基板５に実装される半導体発光装置１の数は、８行１５列（１２０個）に限定されるものではない。実装基板５は、例えば、銅（Ｃｕ）を主成分として含んで構成されている。

図４を参照して、実装基板５への半導体発光装置１の実装の詳細について説明する。図４は、図３に示す半導体発光装置１の実装から一部を抜き出して説明する説明図である。図４に示すように、半導体発光装置１は、それぞれ、例えば、鉛を含まない鉛フリー半田６により実装基板５上に半田付けにより固定される。鉛フリー半田６には、例えば、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）を主成分として含む錫−銀−銅半田プリフォームを用いることができる。

半導体発光装置１、すなわち、半導体発光素子２を収容した状態のパッケージ３には、実装基板５への実装の前に、所定の時間にわたってアニール処理が施される。アニール処理とは、高温で放置する工程をいう。所定の時間は、好ましくは、１２時間である。アニール処理は、熱処理の一例である。

（実装の実験）
発明者らは、本実施の形態において、半導体発光装置１にアニール処理が施された場合、石英ガラスで形成された蓋部材３２がパッケージ基板３１から剥がれにくくなることを調べることを目的として、上述した実装において石英ガラスで形成された蓋部材３２がパッケージ基板３１から剥がれるか否かを調べる実験を行った。

＜実験１＞
まず、発明者らは、半導体発光装置１にアニール処理を施して、実装基板５に半導体発光装置１を実装して、蓋部材３２がパッケージ基板３１から剥がれるか否かを調べた。図５を参照して実験の詳細を説明する。図５は、実験の手順を示すフローチャートである。まず、発明者らは、１２０個の半導体発光装置１を準備した（Ｓ１）。なお、実験１は、後述する実験２の予備試験ともいうべきものであり、実験２と比較して、蓋部材３２がパッケージ基板３１から剥がれ易い状態の半導体発光装置１を準備した。

ここで、蓋部材３２がパッケージ基板３１から剥がれ易くするために、以下の構成を採用した。つまり、積層メタライズ膜のメタライズパターンの外形寸法をＡｕＳｕ半田プリフォームの外形寸法（１辺約３．０ｍｍの略正方形）よりも小さくすることで、パッケージ基板３１の接合強度を所定の接合強度よりも小さくした。具体的には、蓋部材３２の石英ガラスに形成されている積層メタライズ膜として、ＡｕＳｕ半田接続用の第１の積層メタライズ膜と、この第１の積層メタライズ膜の外形寸法と等しい寸法を有する、セラミックパケージの半田接続用の第２の積層メタライズ膜（不図示）を組み合わせたものを用いた。そして、無荷重の状態で、ＡｕＳｕ半田プリフォームを溶融して蓋部材３２とパッケージ基板３１とを接合した。第２の積層メタライズ膜は、焼成により縮小する性質を有している。そのため、第２のメタライズ膜が組み合わせられた積層メタライズ膜を用いて、接合時に積層メタライズ膜の外形寸法を縮小させることにより、パッケージ基板３１の接合強度は、所定の接合強度よりも小さくできる。

次に、これら半導体発光装置１に対して、１６０度、１８０度、２００度及び２２０度の条件で１２時間、空気雰囲気下でアニール処理を実施した（Ｓ２）。次に、鉛フリー半田６を使用して実装基板５に半導体発光装置１を実装した（Ｓ３）。次に、半導体発光装置１に対して−４０度〜８５度の範囲で温度の変化を繰り返す温度サイクル試験を１０００サイクル実施した（Ｓ４）。次に、パッケージ基板３１からの蓋部材３２（石英ガラス）の剥がれを目視により確認した（Ｓ５）。なお、温度を示す場合、「度」は、摂氏（℃）を示す。

図６は、蓋部材の剥がれを目視確認した結果を示すグラフ図である。図６の横軸は、アニール処理を実施した温度（度）（以下、「アニール温度」ともいう。）を示し、縦軸は、蓋部材３２が剥がれている半導体発光装置１の個数（以下、「剥がれの個数」ともいう。）を示す。

図７は、温度とＡｕＳｎ接合部材の線膨張係数との関係を示す図である。図８は、温度とＡｕＳｎ接合部材の体積膨張係数との関係を示す図である。なお、図７及び図８は、Microelectronics Reliability 52 (2012) 1306-1322から抜粋して引用したものであり、それぞれ当該文献に記載のＦｉｇ．９（図９）のａ及びｂに対応する。また、図７及び図８には、当該文献のＦｉｇ．９（図９）のａ及びｂからこの明細書に用いない情報を削除するとともに、英語表記の内容を日本語に翻訳する加工を施した。

図６に示すように、剥がれの個数は、アニール温度が２００度のときに、最小となった。ここで使用されるＡｕＳｎ接合部材３３は、Ｓｎの重量百分率が２０％（以下、単に「Ａｕ−２０％Ｓｎ」ともいう。）で残部がＡｕの共晶合金半田である。図６では、石英ガラスで形成された蓋部材３２とセラミックで形成されたパッケージ基板３１とをＡｕＳｎ接合部材３３で接合した後、図７に示すＡｕＳｎ接合部材３３の温度対線膨張係数の極小点、及び図８に示すＡｕＳｎ接合部材３３の温度対体積膨張率の不連続点である２００度で１２時間アニール処理をしたものが、ＡｕＳｎ接合部材３３が蓋部材３２及びパッケージ基板３１の熱膨張係数差により生じる残留応力を十分に解放して蓋部材３２の剥がれを最も抑制することができることを確認した。前記した残留応力の解放のメカニズムについては、現在検討中であるが、いまのところ不明である。

図６より明らかなように、アニール温度は、前記した２００度において、最も残留応力が解放されることが確認できたが、１６０度から２１０度の範囲であっても、所定の効果を奏することができることを確認できた。なお、ＡｕＳｎ接合部材３３は、他の共晶半田部材に替えることができる。

＜実験２＞
次に、発明者らは、別の１２０個の半導体発光装置１に対して上述した実験１と同様の手順（ステップＳ１〜Ｓ５）で実験を行った。実験２では、実験１と比較して蓋部材３２とパッケージ基板３１とを所定の強度で接合した半導体発光装置１を準備した。なお、ステップＳ２において、アニール処理は、残留応力の解放に最も効果的であった２００度で実施した。また、ステップＳ４において、温度サイクル試験の回数は、２０００サイクルとした。

この結果、前記温度サイクル後において、パッケージ基板３１から蓋部材３２（石英ガラス）が剥がれた半導体発光装置１が１つもなかったことを確認した。

＜実験３（比較例）＞
次に、発明者らは、比較例として、半導体発光装置１にアニール処理を施さずに、実装基板５に半導体発光装置１を実装した例で、蓋部材３２がパッケージ基板３１から剥がれるか否かを調べた。具体的には、上述したステップにおいて、ステップ２、ステップ５及びステップ６を除く手順で実験を実施した。すなわち、半導体発光装置１を準備し（Ｓ１）、実装基板５に半導体発光装置１を実装し（Ｓ３）、半導体発光装置１に温度サイクル試験を１０００サイクル実施し（Ｓ４）、蓋部材３２（石英ガラス）の剥がれを目視により確認した（Ｓ５）。

その結果、半導体発光装置１が実装された状態で実装基板５を室温（例えば、２５度）で１４日保管したとき、全１２０個の約１３％に相当する１６個の半導体発光装置１において、蓋部材３２がパッケージ基板３１から剥がれた。また、さらに実装基板５を室温で継続して保管したとき（例えば、約６ヵ月程度）、全数に当たる１２０個の半導体発光装置１において、蓋部材３２がパッケージ基板３１から剥がれた。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置１は、半導体発光素子２と、半導体発光素子２を収容するパッケージ３とを備え、パッケージ３は、半導体発光素子２を搭載するパッケージ基板３１と、ガラスで形成された蓋部材３２と、パッケージ基板３１及び蓋部材３２を接合する接合部材とを備え、接合部材は、パッケージ基板３１と蓋部材３２との熱膨張係数差に基づく残留応力を解放する接合部材である。この結果、蓋部材３２及びパッケージ基板３１の熱膨張係数差により生じる残留応力が解放されて、蓋部材３２がパッケージ基板３１から剥がれることを抑制することが可能となる。

（実施形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］第１の熱膨張係数を有し、半導体発光素子（２）を搭載した基板と、前記第１の熱膨張係数よりも小さい第２の熱膨張係数を有し、前記半導体発光素子（２）に被せられる蓋部材（３２）と、前記蓋部材（３２）を前記半導体発光素子（２）に被せて前記蓋部材（３２）を前記基板に接合して前記半導体発光素子（２）を封止する接合部材と、を含み、前記接合部材は、共晶合金半田よりなる、半導体発光装置（１）。
［２］前記基板は、セラミックを含む無機材質基板であり、前記蓋部材（３２）は、石英ガラスを含むガラス蓋であり、前記共晶合金半田は、ＡｕＳｎ半田である、前記［１］に記載の半導体発光装置（１）。
［３］前記ＡｕＳｎ半田は、２０重量％のＳｎを含む、前記［２］に記載の半導体発光装置（１）。
［４］前記ＡｕＳｎ半田を１６０℃から２１０℃の温度で所定の時間にわたって熱処理する、前記［２］又は［３］に記載の半導体発光装置（１）の製造方法。
［５］前記ＡｕＳｎ半田を２００℃で１２時間にわたって熱処理する、前記［４］に記載の半導体発光装置（１）の製造方法。

１…半導体発光装置
２…半導体発光素子
２０…バッファ層
２１…透明基板
２２…窒化物半導体層
２２ａ…バッファ層
２２ｂ…ｎクラッド層
２２ｃ…発光層
２２ｄ…ｐクラッド層
２２ｅ…コンタクト層
２３…電極
２３ａ…アノード側電極部（ｐ電極）
２３ｂ…カソード側電極部（ｎ電極）
３…パッケージ
３１…パッケージ基板
３２…蓋部材
３３…ＡｕＳｎ接合部材
３４…シーリング部材
３５…搭載部材

Claims (2)

1. 第１の熱膨張係数を有するセラミックを含む無機材質基板に半導体発光素子を搭載する第１のステップと、
   前記第１の熱膨張係数よりも小さい第２の熱膨張係数を有する石英ガラスを含むガラス蓋を前記無機材質基板に搭載された前記半導体発光素子に被せる第２のステップと、
   前記ガラス蓋を前記無機材質基板にＡｕＳｎ共晶半田によって接合する第３のステップと、を含み、
   前記ＡｕＳｎ共晶半田は、前記第１及び第２の熱膨張係数の差に基づいて発生する残留応力を解放する特性を有すると共に、１６０℃から２１０℃の温度で所定の時間にわたって熱処理を受けたＡｕＳｎ共晶半田であり、２０重量％のＳｎを含む、
   半導体発光装置の製造方法。
2. 前記ＡｕＳｎ共晶半田は、２００℃で１２時間にわたって熱処理を受けたＡｕＳｎ共晶半田である、
   請求項１に記載の半導体発光装置の製造方法。

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