(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体装置において、キャンとベースを溶接する際の溶接飛びやひずみによる不良などを防止することによって高信頼性半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１０１は、ベース１０９の上に、レーザーダイオード素子１０２及びフォトダイオード素子１０４がマウントされている。レーザーダイオード素子１０２、フォトダイオード素子１０４、ワイヤ１０８ａ，１０８ｂを覆うように、キャン１１０が設けられている。このキャン１１０は、フランジ部１１２がベース１０９の主面上に有機被膜１１３で接合されて固定されている。有機被膜１１３は、有機分子２００が、フランジ部１１２の表面上に自己組織化して配列されてなる膜である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が搭載されたベースと、前記ベースに絶縁物を介して接続されたリード端子と、前記半導体素子と前記リード端子とを導通接続する接合材と、前記半導体素子と前記接合材とを被覆する蓋体とからなり、
前記ベースと前記蓋体とは、
有機化合物が自己組織化して形成された有機被膜によって接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ベース及び前記蓋体は、
互いに接合される部分の表面に金属を含み、
前記有機化合物は、
主鎖部の両端に、金属結合性の官能基を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記有機化合物において、
前記主鎖部は、
メチレン鎖、フルオロメチレン鎖、シロキサン鎖、グリコール鎖から選択される一種以上を含むことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記有機化合物において、
前記金属結合性の官能基は、
チオール化合物、スルフィド化合物、含窒素複素環化合物、あるいはそれらの誘導体の一種以上を含むことを特徴とする請求項２又は３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記有機被膜は、
前記ベースと前記蓋体とが互いに接する部分に介在し、
前記有機化合物は、
前記ベースに対する結合性を有する官能基と、前記蓋体に対する結合性を有する官能基とを備えた構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を搭載するベースと半導体素子を覆う蓋体とを備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ベース上に半導体素子が搭載され、半導体素子を覆うように蓋体（キャン）が取り付けられた半導体装置が知られている。このような半導体装置において、ベースとキャンを接合する方法として、抵抗溶接が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３に、特許文献１に記載された従来技術にかかる半導体装置３０１を示す。
この半導体装置３０１において、レーザーダイオード素子３０２は、放熱用ブロック３０３に半田付けされ、この放熱用ブロック３０３を介してベース３０９にマウントされている。また、ベース３０９の主面には、フォトダイオード素子３０４がマウントされている。
【０００４】
ベース３０９には、電気的に絶縁されたリード３０５，３０６と、電気的に接続されたリード３０７が取り付けられている。レーザーダイオード素子３０２とリード３０５とはワイヤ３０８ａで、フォトダイオード素子３０４とリード３０６とは、ワイヤ３０８ｂでボンディングされている。
【０００５】
そして、レーザーダイオード素子３０２、フォトダイオード素子３０４、ワイヤ３０８ａ，３０８ｂを覆うように、キャン３１０が設けられている。このキャン３１０は、フランジ３１２がベース３０９の主面上に溶接されて固定されている。キャン３１０の中央部はレーザー光を取り出せるように開口されている。この開口には、透明な窓ガラス３１１が取り付けられ、レーザーダイオード素子３０２、フォトダイオード素子３０４は外部と遮断され気密封止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２３６６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記半導体装置を製造する際に、キャン３１０をベース３０９の主面に溶接するが、そのときに、スプラッシュと称される溶接飛びやろう材の漏れが発生すると、異物がレーザーダイオード素子３０２やフォトダイオード素子３０４に接触し、ショート不良を引き起こす問題がある。
【０００８】
また、ベース３０９とキャン３１０を溶接すると、各構成要素に多大な応力が加わるので、ひずみを引き起こしてクラックなどの品質不良が生じ得る。特に窓ガラス３１１に溶接時の熱ストレスが集中し、ひずみが発生して気密性を失ってしまうこともある。
【０００９】
そこで上記特許文献１に開示されている装置では、ベース３０９の主面におけるキャン３１０を溶接する位置に、フランジ３１２が嵌り込むリング状の溝３１３を形成し、溝３１３の段差によって溶接時の溶接飛びを防止できるようにしている。
【００１０】
しかし、ベース主面にキャン３１０を溶接する限り、溶接飛びやろう材の漏れ、流出を完全に防止することはできず、溝３１３によってそれらの発生数が低減するに留まる。
また、ベース主面にリング状の溝３１３を有する構造では、溝３１３を形成する分、装置がかさ高くなるので、装置の小型、薄型化には不向きであり、ベースに溝を加工する工程とそのための費用も生じる。
【００１１】
このように、従来のキャンとベースを溶接する方法で作製する半導体装置においては、溶接飛びを完全に抑えることはできず、気密性の喪失及び、小型化が制限されるという課題を有している。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するもので、半導体素子を搭載するベースと半導体素子を覆うキャンを備える半導体装置において、キャンとベースを溶接する際の溶接飛びやひずみによる不良などを防止することによって高信頼性半導体装置を提供し、その製造工程の煩雑さも低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体素子が搭載されたベースと、ベースに絶縁物を介して接続されたリード端子と、半導体素子とリード端子とを導通接続する接合材と、半導体素子と接合材とを被覆する蓋体とからなり、ベースと蓋体とは、有機化合物が自己組織化して形成された有機被膜によって接合されている。
【発明の効果】
【００１４】
上記本発明の構成によれば、ベースと蓋体とは、有機化合物が自己組織化して形成された有機被膜によって接合されているので、ベースと蓋体とを溶接する必要がない。従って、抵抗溶接などで応力衝撃を受けたり熱的衝撃を受けることがないため、窓ガラスを始めとする装置内の各構成要素に、溶接飛びやひずみを生じることがなく、クラックや剥離が生じるのを抑えることができる。よって、装置の気密性を保持して素子を保護する機能が優れるため、高信頼性半導体装置を得ることができる。
【００１５】
また、上記従来技術のようにベースに溝を形成する必要もないため、装置の小型化も可能となる。
上記ベース及び上記蓋体が、互いに接合される部分の表面に金属を含む場合、有機化合物としては、主鎖部の両端に、金属結合性の官能基を備えるものを用いればよい。
【００１６】
主鎖部としては、メチレン鎖、フルオロメチレン鎖、シロキサン鎖、グリコール鎖から選択される一種以上を含むものが好ましい。
また、金属結合性の官能基としては、チオール化合物、スルフィド化合物、含窒素複素環化合物、あるいはそれらの誘導体の内の一種以上を含むものを用いることが好ましい。
【００１７】
また上記有機被膜は、ベースと蓋体とが互いに接する部分に介在し、有機化合物が、ベースに対する結合性を有する官能基と、蓋体に対する結合性を有する官能基とを備えた構造を有してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態にかかる半導体装置の断面図である。
【図２】上記半導体装置のベースとキャンとが接する界面部分の断面図である。
【図３】従来技術にかかる半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。
【００２０】
図２は、上記半導体装置のベースと、光透過窓を備えたキャンと称される蓋体（以下、キャンと称す）とが接する界面部分の断面図である。
図１に示されるように、半導体装置１０１においては、金属材料が円形状に成型されてなるベース１０９の上に、レーザーダイオード素子１０２及びフォトダイオード素子１０４がマウントされている。レーザーダイオード素子１０２は、放熱用ブロック１０３に半田付けされ、放熱用ブロック１０３と共にベース１０９にマウントされ、フォトダイオード素子１０４はベース１０９の主面上にマウントされている。
【００２１】
ベース１０９には、貫通孔が形成され、リード１０５，１０６が絶縁物を介してベース１０９の貫通孔に電気的に絶縁された状態で取り付けられ、リード１０７が放熱用ブロック１０３に接続された状態で取り付けられている。レーザーダイオード素子１０２とリード１０５とはワイヤ１０８ａでボンディングされ、フォトダイオード素子１０４とリード１０６とは、ワイヤ１０８ｂでボンディングされている。
【００２２】
そして、上記レーザーダイオード素子１０２、フォトダイオード素子１０４、ワイヤ１０８ａ，１０８ｂを覆うように、キャン１１０が設けられている。このキャン１１０は、フランジ部１１２がベース１０９の主面上に接合されて固定されている。キャン１１０の中央部にはレーザー光を取り出せるように開口部１１０ａが形成されている。この開口部１１０ａには、透明な窓ガラス１１１が取り付けられて、樹脂材料を含む封止部材で封止されている。それによって、レーザーダイオード素子１０２、フォトダイオード素子１０４は、外部と遮断され気密封止されている。
【００２３】
ベース１０９を形成する金属材料は、鉄−ニッケル合金等、鉄を主体とする合金であって、その表面にニッケルめっきを施すことが好ましい。
キャン１１０は、円筒状の金属部材からなり、その上部が内方に折り曲げられて開口部１１０ａが形成され、下部が外方に折り曲げられてフランジ部１１２が形成されている。キャン１１０の好ましい材料として、鉄−ニッケル合金で、その表面にニッケルめっきを施したものを挙げることができる。
【００２４】
図２に示されるように、キャン１１０におけるフランジ部１１２の表面と、ベース１０９の主面とは、有機被膜１１３を介して接合されている。
この有機被膜１１３ は、有機分子２００が、フランジ部１１２の表面上に自己組織化することによって形成された膜である。
【００２５】
有機被膜１１３を形成する有機分子２００は、主鎖部２０２の一端に官能基２０１ａ，他端に官能基２０１ｂを有し、官能基２０１ａがフランジ部１１２の表面に結合している。
【００２６】
官能基２０１ａ、２０１ｂは、共に金属結合性であって、チオール化合物、スルフィド化合物、含窒素複素環化合物の内の一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体で構成されることが好ましい。
【００２７】
主鎖部２０２にはメチレン鎖、フルオロメチレン鎖、シロキサン鎖、含窒素複素環、またはアリール骨格、アセン骨格の少なくとも一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体で構成されていることが好ましい。
【００２８】
（ベース１０９とキャン１１０との接合方法）
窒素、アルゴンなどの不活性気体下で、キャン１１０のフランジ部１１２の表面に有機被膜１１３を形成した後、塗布した有機被膜１１３にベース１０９の主面を合わせることによって、ベース１０９とキャン１１０とを接合する。このとき、表面に酸化膜が存在していないベース１０９とキャン１１０を用いることが好ましい。
【００２９】
フランジ部１１２の表面に有機被膜１１３を形成する工程では、まず、有機分子２００を所定の溶媒に分散させて、分散液を作製する。溶媒としては、有機溶媒，水またはその混合物が用いられる。溶媒に水を用いる際には、機能性有機分子の分散性を得るため、必要に応じてアニオン系、カチオン系またはノニオン系の界面活性剤を添加してもよい。さらに機能性有機分子を安定化させるため、ホウ酸系やリン酸系のｐＨ緩衝剤、酸化防止剤等を添加しても良い。
【００３０】
そして、分散液中に、キャン１１０のフランジ部１１２を浸漬させる。分散液中では、有機分子２００は、比較的高いギブス自由エネルギーを有し、単分子毎に互いに反発するように相互作用することによって、ランダムな運動（所謂ブラウン運動）をしている。この分散液中に、キャン１１０のフランジ部１１２を浸漬すると、分散液中の有機分子２００は、より安定な状態に移行しようとして、その官能基２０１ａが、キャン１１０のフランジ部１１２表面に存在する金属と結合し、図２に示すように各有機分子２００が、フランジ部１１２の表面上に自己組織化して配列され、有機被膜１１３が単分子膜で形成される。有機被膜１１３の膜厚は、有機分子２００の大きさに依存し、例えば数ｎｍ程度に調整される。
【００３１】
キャン１１０を分散液から引き上げれば、フランジ部１１２の表面上に有機被膜１１３が形成されたキャン１１０が得られる。
このように有機被膜１１３を形成したフランジ部１１２の表面に、ベース１０９の主面を合わせ、３０〜１００℃の加熱によりベース１０９とキャン１１０を圧着させることによって、キャン１１０とベース１０９とを接合する。
【００３２】
なお、フランジ部１１２の表面上に有機被膜１１３を形成する方法として、上記のような浸漬法に限らず、例えば、分散液を噴き付け等の方法でフランジ部１１２の表面に付着させる方法を用いてもよい。
【００３３】
また、有機被膜１１３を介してベース１０９とキャン１１０とを密着させるために、ベース１０９とキャン１１０の各表面状態が鏡面状態に近づくように、表面粗さＲａを５ｎｍ未満（Ｒａ＜５ｎｍ）にしておくことが望ましい。それによって、有機分子２００を秩序立てて配列させ、より緻密性の高い有機被膜１１３を形成することができる。
【００３４】
（半導体装置１による効果）
以上の半導体装置１の構成によれば、ベース１０９とキャン１１０とは、溶接することなく、有機被膜１１３を介してその化学的結合力により接合されている。
【００３５】
従って、溶接で接合する場合のように、窓ガラス１１１をはじめとする各構成要素に熱ストレスや熱的衝撃を受けることがないため、各構成要素にクラックや剥離が生じることなく、気密性を保持できる。
【００３６】
よって、レーザーダイオード素子１０２及びフォトダイオード素子１０４を、外部環境からしっかりと保護することができ、高信頼性半導体装置を得ることができる。
また、ベース１０９に溝を形成する工程も必要ないので、簡易に製造することができる。
【００３７】
さらに、ベースに溝、段差等の余分なスペースを確保する必要がないので、装置の小型化、薄型化も可能となる。
有機分子２００の構造について、以下にさらに詳細に説明する。
（官能基２０１ａ、２０１ｂについて）
官能基２０１ａ、２０１ｂはいずれも、上述の通り金属結合性、すなわち、金属材料に対して親和性、金属結合性（配位結合を含む）を有するものであればよい。ここで、官能基２０１ａと官能基２０１ｂとは、互いに異なる官能基であってもよいが、同一の官能基であることが構造上シンプルであり、有機被膜１１３を良好に形成する上で好ましい。
【００３８】
具体的には、官能基２０１ａ、２０１ｂとして、チオール及びこれを含むチオール化合物、スルフィド化合物（ジスルフィド化合物等）、含窒素複素環化合物（アゾール化合物、アジン化合物等）、またはこれらの一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体のいずれかであれば、金属原子に対して水素結合性又は配位結合性を有するので好適である。
【００３９】
官能基２０１ａ、２０１ｂが、チオール基（Ｒ−ＳＨ、ただし、Ｒはアルカンやアルケン等の任意の官能基）を有する場合、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）など１価以上の陽イオンになりうる金属原子に配位し、Ａｕ−Ｓ−Ｒ又はＡｇ−Ｓ−Ｒ等の共有結合により、有機分子が被着される。同様に、官能基２０１ａ、２０１ｂがジスルフィド基（Ｒ１−Ｓ−Ｓ−Ｒ２）の場合、金属原子との間に、Ａｕ（−Ｓ−Ｒ１）（−Ｓ−Ｒ２）又はＡｇ（−Ｓ−Ｒ１）（−Ｓ−Ｒ２）等の共有結合が形成され、強固な結合構造が形成される。
【００４０】
官能基２０１ａ、２０１ｂが、アゾール化合物、アジン化合物を含む場合は、当該化合物をなす分子中の窒素原子の非共有電子対が２価以上の陽イオンになりうる金属に配位結合できる。例えば、イミダゾール化合物、トリアゾール化合物、トリアジン化合物等は、主にＣｕ、Ｆｅ等の金属と配位結合を形成しやすいため好適である。
【００４１】
なお、上記官能基２０１ａ、２０１ｂの種類によっては、共有結合や配位結合または水素結合等が同時に形成され得るが、このような複数種類の結合がなされることで、より強固な結合構造を期待できる。
（主鎖部２０２について）
主鎖部２０２は、一般的なメチレン系有機分子及びその類型種（メチレン鎖、フルオロメチレン鎖、シロキサン鎖、グリコール鎖のうち一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体）等である。
【００４２】
メチレン鎖は、分子間で互いに会合し、超分子的に炭化水素鎖の緻密な炭素鎖を形成できるので主鎖部２０２として好適である。また、メチレン鎖を用いれば、比較的迅速に有機被膜１１３を形成できることが発明者らの検討により明らかにされている。
【００４３】
主鎖部２０２にフルオロメチレン鎖を用いる場合、疎水性がメチレン鎖よりも強いため、有機被膜１１３形成後に、ベース１０９とフランジ部１１２との間に水分が浸入するのが抑制される。その結果、ベース１０９と有機被膜１１３とフランジ部１１２との結合が良好に保たれ、熱によっても有機被膜１１３の剥離が生じにくくなるので好適である。
【００４４】
主鎖部２０２にシロキサン鎖を用いた場合、耐熱性および耐候性に優れる有機被膜１１３を形成できる。このため、例えば半導体装置１０１を実装する工程において、有機被膜１１３が比較的高温環境下に曝された場合にも、有機被膜１１３自体の変質・損傷を防止する効果が奏される。
【００４５】
主鎖部２０２にグリコール鎖を用いた場合、水等の極性溶媒に簡単に溶解させることができるので、有機被膜１１３を形成する上で利点を有する。
従って、主鎖部２０２に、グリコール鎖を用いること、あるいは、メチレン鎖、フルオロメチレン鎖、シロキサン鎖の一種以上とグリコール鎖とで構成された構造を用いることも好ましい。
【００４６】
また、主鎖部２０２は、窒素を２原子以上含有する含窒素複素環系有機分子及びその類型種（イミダソール、トリアゾール、テトラゾール、チアジアゾール、ピリミジン、ピリダジン、ピラジン、トリアジンのうち一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体のいずれか）等も用いることができる。
【００４７】
窒素を２原子以上含有する含窒素複素環化合物は、化合物自身の耐熱性が高いので、主鎖部２０２にこれを用いれば、金属結合性の官能基２０１ａ、２０１ｂと、ベース１０９表面およびキャン１１０表面の金属との結合の熱安定性を向上させることができるので好適である。
【００４８】
また、イミダゾール、トリアゾール、テトラゾール、チアジアゾール等の五員環化合物を主鎖部２０２に用いれば、有機被膜１１３を形成した後に熱履歴が加わった場合に、金属内部から表面拡散しようとする金属と、窒素原子中の非共有電子対とが表面で錯体を形成することにより、拡散金属の最表面への露出をブロックすることが発明者らの検討により明らかにされている。
【００４９】
主鎖部２０２にピリミジン、ピリダジン、ピラジン、トリアジン等の六員環化合物を用いた場合、その化学構造上、六員環化合物に官能基２０１ａあるいは官能基２０１ｂを２つ結合させることも可能である。そのため、官能基の結合力を五員環化合物の２倍相当にする事が可能となり、有機被膜１１３自体の結合安定性を更に強くできる。その結果、有機被膜１１３とベース１０９およびキャン１１０との結合が良好に保たれ、熱履歴によって有機被膜１１３の剥離も生じにくくなる。
【００５０】
また、このような主鎖部２０２を有する有機分子２００を用いれば、有機被膜１１３において隣接する有機分子の主鎖部２０２同士の間に、強力な相互結合作用（水素結合やロンドン分散力によるスタッキング効果）が発揮され、これによって有機被膜１１３を強化することが可能となる。すなわち、高温環境下における有機被膜１１３の飛散が上記相互結合作用によって効果的に防止されるので、有機被膜１１３の耐熱性を飛躍的に向上させることができる。
【００５１】
また、主鎖部２０２に、アリール骨格(フェニル、ビフェニル、ターフェニル、クオターフェニル、キンキフェニル、セキシフェニル)、アセン骨格(ナフタレン、アントラセン、ナフタセン、ペンタセン)、ピレン骨格、フェナントレン骨格、フルオレン骨格またはそれらの誘導体のうち一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体のいずれか）等の芳香族化合物も利用できる。
【００５２】
主鎖部２０２がアリール骨格の場合、芳香族環の数が増えるほど、隣接する主鎖部２０２同士の間に、強力な相互結合作用（ロンドン分散力によるπ-πスタッキング効果）が発揮され、さらに有機被膜１１３の熱安定性が向上する。
【００５３】
また、主鎖部２０２がアセン骨格の場合、芳香環の数が増えるほどアリール骨格より強固な主鎖部２０２同士の間の相互結合作用が発揮される。それにより腐食性ガスや水分の透過性を大きく減少させることができる。このため、キャン１１０で封止した後、その内部に結露が生じることがないので、ショート不良を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
接触面に、主鎖部の両端に金属と結合する官能基を備えた有機分子を含む有機被膜を備えることによって、溶接飛びなどの異物を生じず接合でき、小型、薄型化が必要な用途にも適用できる。
【００５５】
または、ＬＥＤのような発光装置を始め、受光装置においても有用であり、特に気密性と高信頼性が必要とされる装置に適している。
【符号の説明】
【００５６】
１０１  半導体装置
１０２  レーザーダイオード素子
１０３  放熱用ブロック
１０４  フォトダイオード素子
１０５，１０６，１０７  リード
１０８ａ、１０８ｂ  ワイヤ
１０９  ベース
１１０  キャン
１１１  窓ガラス
１１２  キャンのフランジ部
１１３  有機被膜
２００    有機分子
２０１ａ、２０１ｂ  官能基
２０２  主鎖部
【図１】
2011222618.tif 000003
【図２】
2011222618.tif 000004
【図３】
2011222618.tif 000005