(57)【要約】【課題】半導体装置において、簡便な構成で、中空封止された半導体パッケージの内部の有害成分を有効に除去することを目的とする。【解決手段】半導体パッケージにて封止された半導体装置において、半導体パッケージの中空領域に、有害なガスや余剰な湿度を吸着する吸着材料を含む塗料を半導体パッケージの内側に塗布することにより、簡便な構成で、中空封止された半導体パッケージの内部の有害成分を有効に除去することができる。【選択図】図１
2008270375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを半導体パッケージ内に中空封止してなる半導体装置であって、
前記半導体パッケージによって封止された中空領域内に、有害なガスや余剰な湿度を吸着する吸着体を含む塗料を前記半導体パッケージの内側に塗布することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記吸収体を塗布する領域に微小突起、もしくは襞状の凹凸を設け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】
前記半導体パッケージが金属製パッケージ、もしくはセラミック製パッケージであり、１．０Ｘ１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以上の機密性を有する場合、前記中空領域の内部面積の少なくとも５％以上の面積に前記吸着体を塗布することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体パッケージが樹脂材料パッケージであり、１．０Ｘ１０−３Ｐａ・ｍ３／ｓ以上で１．０Ｘ１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下の機密性を有する場合、前記中空領域の内部面積の少なくとも２０％以上の面積に前記吸着体を塗布することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体チップが発光もしくは受光の機能を有することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体チップが４２０ｎｍ以下の波長を発光する半導体レーザチップであることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体チップがセンサー機能を有することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記吸着体が前記半導体パッケージ内の動作中温度の低い部分に選択的に塗布もしくは配置されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体チップを半導体パッケージ内に中空封止してなる半導体装置の製造方法であって、
金属ベースに前記半導体チップを搭載する工程と、
吸着材料を含む塗料を前記金属ベースの所定の位置に塗布する工程と、
乾燥、ベーキングおよびブローを行う工程と、
前記乾燥、ベーキングおよびブローを行った後に前記半導体チップと前記金属ベースをワイヤーボンドする工程と、
前記半導体チップを前記半導体パッケージ内に封止する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光や受光機能、もしくはセンサー機能を有する半導体チップが中空構造を持った半導体パッケージに搭載された半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報機器分野や民生映像機器分野の電子機器は、ますますその情報量の拡大に伴う高密度情報記録方式が求められている。これらの機器の代表的なものとしてブルーレイディスクが挙げられる。ハイビジョン映像信号などのように高精細な映像情報は情報量が大きくなるため、従来に増して、一定時間の再生に必要な情報量が飛躍的に増大する。一方で、その情報量を記録するためのメディアは、光ディスクであれば直系１２ｃｍのディスクで統一されており、より多くの情報量を記録するためには、より高密度に情報量を記録する手段を講じる必要がある。その手段が、光ディスクに記録、再生するのに用いる半導体レーザの短波長化である。レーザ光の短波長化が実現すれば、光ディスク上にフォーカスされた光のスポット径は、より微細化できるために、一定面積の光ディスク上に記録できる情報量を高めることができる。実際に、従来のＤＶＤに使用される半導体レーザの発振波長は６８０ｎｍで、赤色であるのに対して、ブルーレイディスクに用いられる半導体レーザの発振波長は４０５ｎｍの青紫色の光である。これに伴って、１枚のブルーレイディスクに記録できる情報量は、ＤＶＤが４．７ＧＢであるのに対して２５ＧＢの記録容量をもつようになった。
【０００３】
以下、図７を用いて従来の半導体レーザ装置の構成を説明する。
図７は従来の半導体レーザの構成を例示する図である。
図７に示すように、半導体レーザチップ１はサブマウント２の上に搭載されている。サブマウント２は半導体レーザチップ１と主に銅からなるヒートシンク３の熱膨張係数の差を緩和し、良好に熱を伝える役割がある。ヒートシンク３はステム４に接合されており、ステム４からは、電極リードが引き出され、外部との電気接続手段となっている。また、ステム４には金属製のキャップ５が溶接されている。キャップ５には、その前端のガラス６が接着されており、レーザ光の出射窓となっている。このキャップ５によって囲まれた空間は外部と遮断された気密空間であり、その雰囲気は、露点−４０℃で、酸素約２０％をふくみ、揮発性有機化合物や、シロキサンなどを含むガスを取り除いたガスで充填されている。本図では、半導体レーザチップ１がＧａＮ半導体からなる４００ｎｍ近傍の青紫色の半導体レーザであるとする。半導体レーザの発振波長の短波長化によって、光のもつエネルギーが増大し、その光による物質の分解や堆積が発生する。この結果、青紫色の半導体レーザ装置はその半導体レーザチップの発光点において、連続発光中に、異物の堆積が発生し、発光出力の一部を吸収するようになって発光効率が劣化し、さらには発光しなくなる現象が発生するという問題点があった。そのため、それらの要因となるガスを厳密に除去した上で、気密性を確保しているのである。従ってこれら短波長の半導体レーザ装置のパッケージは光による分解のない金属で構成されており、さらに気密封止されて内部の雰囲気管理されている。このパッケージ内部の雰囲気については、先行例特開２００４−２８９１０によれば組み立て実装に用いる銀ペースト剤の使用量を制限することによって内部で発生する揮発性有機化合物などのガスの発生を抑制している。また、先行例特開２００６−１３４３６では、雰囲気中の水分量を抑えるために特別に低い露点の乾燥した空気中での封止工程を必要としている。このような制限下においては、封止工程が高コスト化するという問題があるために、ゼオライト吸着剤もしくは活性炭をそのパッケージの内部に載置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、昨今の小型パッケージ内部に固形状態の吸着剤を接着するような部位を確保することが難しいという課題があった。また、短波長の半導体レーザ装置のパッケージには気密性が劣る構造や材料を使用することができないという問題点がある。
【０００５】
さらに、半導体レーザ装置のみならず半導体装置一般のパッケージには樹脂材料を用いるが、場合によっては内部の半導体チップの品質に影響を与えるガスが発生する。樹脂系の材料においては、硬化反応が永続的に継続するため微量ながらガスが発生し続けている。また、短波長の光が照射される環境では、光のエネルギーが高いため樹脂系材料の分子構造を破壊し、これによって発生するガスによって発光源である半導体レーザチップなどの光源自体は品質上の影響を受けることになる。これらの理由によって短波長の半導体レーザ装置のパッケージは金属製材料が専ら用いられており、さらに気密封止されて、その内部雰囲気のガスが管理されたものとなっている。
【０００６】
以上では発光デバイスについての課題について述べたが、受光関係デバイスについても同様の問題が発生し得る。受光素子にフォーカスされた光信号が入射した場合には、その受光面での光密度が、シロキサンなどの物質の堆積条件を満たす場合があり、発光の場合と同様に、堆積による感度劣化の要因になることがある。このような受光素子の場合は、半導体レーザ装置のように金属製のパッケージに密閉封止することが製造コストの観点から難しく、気密性と、内部のアウトガスといった観点で、半導体レーザ装置の内部雰囲気よりも厳しい条件になる。このため、より多くの吸着剤を内部に配置する必要が生じて、必要量の配置は難しいといった課題が発生する。
【特許文献１】特開２００４−１４８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の半導体レーザ装置では、管理された雰囲気環境でキャップ封止工程を実施するためにキャップ封止装置の加工点において所望の環境ガスで充満されている必要があるため、装置全体が大掛かりなものとなって設備コストが増大するという問題点があった。また、充満させるガスは常時流し続ける必要があるため、そのガスの製造コストが増大する問題があった。さらに青紫色など短波長の半導体レーザにおいてはそのパッケージが金属製のものに限られ、低コスト化、複合機能化への障害になっていた。また、それらの課題を避けるために、吸着体の載置が提案されているが、必要量の載置は困難であるという課題があった。また、気密性が十分でない構造や材料を用いたパッケージにおいては、組立工程を経た後も、有害ガスや余剰な水分を吸い込んだり、内部からのガスの発生が永続的に発生する場合があり、それらが原因で、パッケージの十分な信頼性が得られなかったり、場合によってはパッケージ内部に結露が発生して、製品の光学性能を阻害することがあり、非常に大きな吸着剤を内部に配置する必要があった。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、半導体装置において、簡便な構成で、中空封止された半導体パッケージの内部の有害成分を有効に除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の半導体装置は、半導体チップを半導体パッケージ内に中空封止してなる半導体装置であって、前記半導体パッケージによって封止された中空領域内に、有害なガスや余剰な湿度を吸着する吸着体を含む塗料を前記半導体パッケージの内側に塗布することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記吸収体を塗布する領域に微小突起、もしくは襞状の凹凸を設けることを特徴とする。
請求項３記載の半導体装置は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置において、前記半導体パッケージが金属製パッケージ、もしくはセラミック製パッケージであり、１．０Ｘ１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以上の機密性を有する場合、前記中空領域の内部面積の少なくとも５％以上の面積に前記吸着体を塗布することを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の半導体装置は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置において、前記半導体パッケージが樹脂材料パッケージであり、１．０Ｘ１０−３Ｐａ・ｍ３／ｓ以上で１．０Ｘ１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下の機密性を有する場合、前記中空領域の内部面積の少なくとも２０％以上の面積に前記吸着体を塗布することを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の半導体装置は、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体装置において、前記半導体チップが発光もしくは受光の機能を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の半導体装置は、請求項５記載の半導体装置において、前記半導体チップが４２０ｎｍ以下の波長を発光する半導体レーザチップであることを特徴とする。
請求項７記載の半導体装置は、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体装置において、前記半導体チップがセンサー機能を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項８記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記吸着体が前記半導体パッケージ内の動作中温度の低い部分に選択的に塗布もしくは配置されることを特徴とする。
【００１５】
請求項９記載の半導体装置の製造方法は、半導体チップを半導体パッケージ内に中空封止してなる半導体装置の製造方法であって、金属ベースに前記半導体チップを搭載する工程と、吸着材料を含む塗料を前記金属ベースの所定の位置に塗布する工程と、乾燥、ベーキングおよびブローを行う工程と、前記乾燥、ベーキングおよびブローを行った後に前記半導体チップと前記金属ベースをワイヤーボンドする工程と、前記半導体チップを前記半導体パッケージ内に封止する工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
以上により、簡便な構成で、中空封止された半導体パッケージの内部の有害成分を有効に除去することができる。
【発明の効果】
【００１７】
半導体パッケージにて封止された半導体装置において、半導体パッケージの中空領域に、有害なガスや余剰な湿度を吸着する吸着材料を含む塗料を半導体パッケージの内側に塗布することにより、簡便な構成で、中空封止された半導体パッケージの内部の有害成分を有効に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は第１の実施の形態における半導体装置の構成を示す図であり、ＣＡＮパッケージに構成された半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。図７の従来の構成と比較して、ゼオライトもしくは活性炭を主成分とする塗料が吸着体８としてステム４の一部の表面に塗布されている。
【００１９】
ここで、吸着体８は、塗料としてパッケージの内部に塗布、乾燥、ベーキングされて載置されている。吸着体８は活性炭やゼオライトなど微小多孔質の材料が有効に機能する。
塗布する場所は、光信号の障害にならないパッケージの奥側が望ましく、さらには発熱体である半導体レーザチップ１から遠い場所が望ましい。高温状態では吸着体８が捕らえたガス成分を放散する場合があるからである。図１における吸収体８の塗布位置は、封止された内部の位置としては、発熱源である半導体レーザチップ１から遠く、外部の放熱機構と接するステム４に塗布されているため温度の上昇が最も少ない領域等の動作中温度の低い部分である。
【００２０】
この塗布位置にすることによって吸収体８が一旦捉えたガス成分を再放出することを防止できる。
図１に示す半導体レーザ装置７においては、金属製のパッケージにＣＡＮ封止された構造であるため、機密性は十分に確保されて通常は、１．０Ｘ１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以上の気密性を有している。このため外部と遮断された環境に内部の半導体レーザチップ１を置くことが出来る。この場合には、組立工程時に取り込まれた雰囲気ガス中に存在する有害ガスを除去できれば良い。従って、吸着体８の量も少なくてよく、実験によればパッケージ内部面積の５％程度の塗布面積を確保すれば、その効果を確認できた。
【００２１】
図２は半導体レーザ装置における吸着体の塗布面積の動作安定性に対する影響を示す図であり、継続して半導体レーザ装置を動作させた場合における連続動作時間と発光動作における動作電流の関係を塗布面積毎に測定した結果を示している。
【００２２】
図２において、塗布を行なわない場合は３００時間程度の連続動作で動作電流が急増しており、半導体レーザ装置が発光しなくなる現象が起こる。一方、５％程度の面積で吸着体８を塗布したものは１０００Ｈ以上の連続動作に対しても安定であることが複数のサンプルで確認された。
【００２３】
第１の実施の形態における半導体レーザ装置の組立工程を示す図を図３に示す。
図３において、ステム４と呼ばれる金属ベースの支持体のヒートシンク３上に先ずはサブマウント２を、さらにその上に金錫をハンダ材として半導体レーザチップ１を接合する（図３（ａ），図３（ｂ））。その後、前述のような所定の部位に塗料状の吸着体８を塗布する（図３（ｃ））。１２０℃で１時間程度の乾燥工程と、２００℃で１時間程度のベーキング工程を行なって、部材や吸収体に含まれる水分を蒸散させた後、塗布した吸着体８がダストの発生源とならないようにドライ窒素でブローする。その後にワイヤーボンドを行なって（図３（ｄ））、キャップ封止を行なう（図３（ｅ））。ベーキング工程から３時間程度以内にキャップ封止を行なえば封止工程は通常の空気中で実施出来る。キャップ封止実施後、吸着体８が内部の水分および有害成分ガスを吸収するため、内部の雰囲気がクリーン化され、半導体レーザとしての良好な品質が維持できる。
【００２４】
また、ＣＡＮパッケージにおいては、そのＣＡＮ部分の内側に吸着剤を塗布することも可能である。この場合には、吸着体が低反射率であることから、キャップ内部の壁面での不要な反射光も除去できる効果もある。
【００２５】
図４は第２の実施の形態における半導体装置の構成を示す図である。
図４において、樹脂系のパッケージ９にフォトダイオードもしくは撮像素子などの受光素子チップ１０が搭載され、ワイヤ１１で受光素子チップ１０の端子とパッケージ９の配線が接続された後に、透明ガラスの蓋体１２をパッケージ９の開口部に接着することによってパッケージ９が中空封止されたものである。ここでは、パッケージ９の内壁面における受光素子チップ１０周辺のワイヤーボンド領域の外側に吸着体８を塗布したものである。
【００２６】
樹脂を主な材料とするパッケージにおいては、図１に示したような金属系のパッケージに比べてその気密性が劣り、通常、１．０Ｘ１０−３Ｐａ・ｍ３／ｓ以上、１．０Ｘ１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下程度の気密性を示す。従って、多少ながら外部と水分やガスのやり取りが発生する。また、内部で、ガスを発生してしまうケースもある。これらのガスを吸収するため、ここでの吸着体８は、その面積にして、内部面積の２０％以上あればよいことがわかった。
【００２７】
図５は半導体レーザ装置における吸着体の塗布面積の劣化に対する影響を示す図であり、継続して半導体レーザ装置を動作させた場合における連続動作時間と受光動作における受光感度の関係を塗布面積毎に測定した結果を示している。
【００２８】
図５に示すように、吸着体の塗布面積に対して、受光感度の低減が緩和される。つまり、吸着体を塗布しない場合には受光素子チップ１０の受光面に４００ｎｍの波長の光がフォーカスされて入射する部分にシロキサンの堆積による劣化が認められた。一方吸着体を内部の総壁面積の２０％以上に活性炭を含んだ塗料を塗布した場合にはそれが認められなかった。このように、これらのガス、水蒸気に対しても、その外部からの取り込み量や、内部からの発生量に対して余力のある吸収体を塗布しておくことによって腐食、堆積、結露といったトラブルを回避できることがわかった。
【００２９】
また、２０％の塗布面積の確保が難しい場合には、図６の第２の実施の形態における吸着体塗布面面積を拡大した半導体装置の構成を示す図に示すように、パッケージ９の内部構造に凹凸や、襞状の構造を形成し、その部分に吸着体８を塗布することによって塗布の面積を拡大することが出来る。
【００３０】
また、本発明によれば、吸着体の塗布面積を２０％以上確保することによって、気密性が不十分なパッケージにおいても内部の雰囲気を良好に保つことが出来るため、４００ｎｍ帯の半導体レーザのパッケージ材料として、高気密性の樹脂であれば採用が可能になる。
【００３１】
上記の場合と同様に樹脂系パッケージにＭＥＭＳ（Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍｉｃｒｏ  Ｓｙｓｔｅｍ）技術によって形成されたシリコンの加速度センサーや振動センサーを中空封止した半導体装置の場合にも、センサーチップが機械的に非常に繊細な構造を有するために、封止された内部のガスの状態によっては感度劣化などの課題を引き起こすことがある。本願の構成においてはキャップ部分の裏側に吸収体を塗布して内部の有害ガスの除去と湿度の低減を実現すれば高信頼性なセンサーデバイスを得ることが出来る。
【００３２】
以上の実施の形態においては、半導体チップとして半導体レーザチップや半導体センサーチップを用いる場合を例に説明したが、その他の半導体チップを搭載する半導体装置に対しても実現可能である。また、吸着体としてはゼオライトや活性炭を用いたがカーボンブラックなど、その他の微小多孔性の吸着体を用いることも可能である。また、それら吸着体を刷り込んだシートなどもそれを切り取って内部に載置しても良い。しかしながら、封止工程以降に温度ストレスや、振動衝撃で吸着体が粉体となって分離することの無いような材料の選択をすること、もしくは、吸着体を載置後の封止前にブローなどの工程を加えてダスト原因を除去することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、簡便な構成で、中空封止された半導体パッケージの内部の有害成分を有効に除去することができ、発光や受光機能、もしくはセンサー機能を有する半導体チップが中空構造を持った半導体パッケージに搭載された半導体装置および半導体装置の製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の実施の形態における半導体装置の構成を示す図
【図２】半導体レーザ装置における吸着体の塗布面積の動作安定性に対する影響を示す図
【図３】第１の実施の形態における半導体レーザ装置の組立工程を示す図
【図４】第２の実施の形態における半導体装置の構成を示す図
【図５】半導体レーザ装置における吸着体の塗布面積の劣化に対する影響を示す図
【図６】第２の実施の形態における吸着体塗布面面積を拡大した半導体装置の構成を示す図
【図７】従来の半導体レーザの構成を例示する図
【符号の説明】
【００３５】
１    半導体レーザチップ
２    サブマウント
３    ヒートシンク
４    ステム
５    キャップ
６    ガラス（出射窓）
７    半導体レーザ装置
８    吸収体
９    パッケージ
１０    受光素子チップ
１１    ワイヤ
１２    ガラス蓋体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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