(57)【要約】【課題】  透光性蓋体と絶縁基体とが強固に接合されて、光半導体素子を収納する密閉空間の気密性に優れ、光半導体素子に外光を長期にわたって歪を生じることなく正常に受光させることができる信頼性の高い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、絶縁基体１の凹部１ａの底面に搭載されるとともに電極４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の上面に凹部１ａを塞ぐようにして接合材７を介して取着された透光性蓋体５とを具備し、透光性蓋体５は、その下面の凹部１ａの内側面の直上の部位に溝５ａが形成されているとともに溝５ａの内側に接合材７が入り込んでいる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面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、前記絶縁基体の前記凹部の底面に搭載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に前記凹部を塞ぐようにして接合材を介して取着された透光性蓋体とを具備しており、前記透光性蓋体は、その下面の前記凹部の内側面の直上の部位に溝が形成されているとともに該溝の内側に前記接合材が入り込んでいることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記接合材は、ヤング率が１０００乃至１００００ＭＰａであることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記接合材は、光の透過率が５０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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等を具備した光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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具備した光半導体装置を構成する絶縁基体は、上面に光半導体素子を収容するための凹部が形成されている。また、絶縁基体の凹部の内側から外側に配線導体が導出されている。
【０００３】
光半導体素子は絶縁基体の凹部内に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て搭載されており、その光半導体素子の上面の外周部等には電極が設けられている。光半導体素子の電極と上記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、透光性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ている。
【０００４】
このように従来の光半導体装置は、透光性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。
【０００５】
なお、一般的な光半導体装置では、外部機器との電気的接続を行うために絶縁基体の外周部に外部接続端子が配設されており、その外部接続端子は、配線導体のうち凹部の外側に導出された部位と接続され、配線導体等を介して電極パッドと接続されている。
【０００６】
そして、光半導体素子により透光性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、配線導体および外部接続端子を経由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。
【０００７】
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、絶縁基体と透光性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，カーボン粉体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、透光性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、透光性蓋体と絶縁基体との間に介在するとともに、透光性蓋体と絶縁基体との接合面の外側から透光性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。
【特許文献１】特開平１０−１１６９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の光半導体装置においては、絶縁基体と透光性蓋体とを接合している接合材が透光性蓋体と絶縁基体との間に介在するとともに、透光性蓋体と絶縁基体との接合面の外側から透光性蓋体の側面にかけてはみ出す程度であるため、絶縁基体と透光性蓋体との接合材を介しての接合を効果的に強固なものとすることが難しいこと、また近時、光半導体装置の小型化にともない絶縁基体と透光性蓋体との接合面積が小さくなってきていること等から、絶縁基体と透光性蓋体との接合強度が不十分になる傾向があるという問題があった。
【０００９】
透光性蓋体の絶縁基体に対する接合が弱くなると、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。
【００１０】
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、絶縁基体と透光性蓋体との接合強度のわずかな劣化によっても、このような信頼性の低下等の問題点を生じてしまう。
【００１１】
また、光の透過率をより高めたり、光半導体装置の薄型化のために透光性蓋体の厚みが薄くなる傾向にあるため、透光性蓋体と絶縁基体との熱膨張係数の差に起因する熱応力等の応力が透光性蓋体に作用したときに、透光性蓋体が破損しやすいという問題もあった。
【００１２】
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、透光性蓋体と絶縁基体とが強固に接合されて、光半導体素子を収納する密閉空間の気密性に優れ、光半導体素子に外光を長期にわたって歪を生じることなく正常に受光させることができ、正常な電気信号を外部の機器や素子などに送ることが可能な信頼性の高い光半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光半導体装置は、上面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、前記絶縁基体の前記凹部の底面に搭載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に前記凹部を塞ぐようにして接合材を介して取着された透光性蓋体とを具備しており、前記透光性蓋体は、その下面の前記凹部の内側面の直上の部位に溝が形成されているとともに該溝の内側に前記接合材が入り込んでいることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の光半導体装置は、好ましくは、前記接合材は、ヤング率が１０００乃至１００００ＭＰａであることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の光半導体装置は、好ましくは、前記接合材は、光の透過率が５０％以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光半導体装置によれば、透光性蓋体は、その下面の凹部の内側面の直上の部位に溝が形成されているとともに溝の内側に接合材が入り込んでいることから、絶縁基体と透光性蓋体との間に介在する接合材の量が多くなるとともに、溝の部位において接合材が水平面と垂直面とが組み合わされた入り組んだ面を形成することができ、透光性蓋体を絶縁基体に接合材を介して強固に接合することができる。その結果、光半導体装置が小型化されたとしても、絶縁基体と透光性蓋体とから成る密閉空間の気密性を良好に確保し、光半導体素子に外光を長期にわたって正常に受光させることができ、正常な電気信号を外部の機器や素子などに送ることが可能な信頼性の高い光半導体装置を作製することができる。
【００１７】
また、絶縁基体と透光性蓋体との熱膨張係数の差に起因する熱応力等の応力が透光性蓋体に作用したときに、接合材が入り込んだ溝部分で透光性蓋体がわずかに変形することによりその熱応力を緩和することができるので、透光性蓋体の破損等の不具合も効果的に防止することができる。
【００１８】
また、本発明の光半導体装置は好ましくは、接合材は、ヤング率が１０００乃至１００００ＭＰであり、わずかな変形は可能であるが大きく位置ずれするような変形を起こすことのない適度な弾性を有するものであることから、接合材により絶縁基体と透光性蓋体とを、接合材を介してより確実に強固に接合することができるとともに、接合材がわずかに変形することにより絶縁基体と透光性蓋体との間に生じる熱応力を接合材により吸収、緩和することができ、透光性蓋体の破損等を長期にわたってより効果的に防止することが可能な、長期信頼性の高い光半導体装置とすることができる。
【００１９】
また、本発明の光半導体装置は好ましくは、接合材は、光の透過率が５０％以下であることから、接合材を通して外部の光が凹部内に入射することをより確実に防止することができ、より確実に正常な受光を行うことが可能な、受光の精度に優れた光半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の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は透光性蓋体、５ａは透光性蓋体５の下面に形成された溝、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剤、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、光半導体素子３、透光性蓋体５、接合材７およびボンディングワイヤ８により、光半導体装置９が主に構成されている。
【００２１】
本発明の絶縁基体１は、その上面に形成された凹部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により接合されて搭載される。この光半導体素子３は上面に受光部が設けられており、光半導体素子３の上面の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ている。さらに、絶縁基体１の上面の凹部１ａの周囲の全周に樹脂接着剤等から成る接合材７を塗布し、ガラス，石英，サファイア，透明樹脂等から成る透光性蓋体５が接合されて取着される。
【００２２】
本発明における絶縁基体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、樹脂等から成る。そして、絶縁基体１はそ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いるか、または絶縁基体１の底板部と側壁部とが一体的に形成されていてもよい。
【００２３】
絶縁基体１は、例えばアルミナ質焼結体から成る場合、アルミナ，ガラス等の原料粉末を有機溶剤，バインダー等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）を作製し、次に、グリーンシートのうち所定のものに打ち抜き加工を施して枠状に成形し、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複数のグリーンシートを積層するとともに約１３００乃至１６００℃の温度で焼成することにより形成される。
【００２４】
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るとともに、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。
【００２５】
この配線導体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。そして、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および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。
【００２６】
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 Devices）、ＥＰＲＯＭ（Erasable 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からなるものである。
【００２７】
この光半導体素子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剤６によって接着されており、光半導体素子３の上面の外周部には電極４が設けられている。光半導体素子３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。
【００２８】
なお、ボンディングワイヤ８は、その長さを０．３乃至３ｍｍとすることが好ましい。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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、透光性蓋体５が樹脂接着剤等からなる接合材７を介して絶縁基体１の上面に接合されて取着されており、これにより、光半導体素子３を収容し搭載した凹部１ａが気密封止される。この接合材７は、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，シリコーン系樹脂，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、ガラス等の無機材料からなるものや、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。
【００３１】
また、透光性蓋体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。
【００３２】
この光半導体装置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電気回路基板に供給する。
【００３３】
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。
【００３４】
本発明の光半導体装置９において、透光性蓋体５は、その下面の凹部１ａの内側面の直上の部位に溝５ａが形成されているとともに溝５ａの内側に接合材７が入り込んでいる。
【００３５】
本発明の光半導体装置によれば、透光性蓋体５の下面の凹部１ａの内側面の直上の部位に溝５ａを形成するとともに溝５ａの内側に接合材７を入り込ませていることから、絶縁基体１と透光性蓋体５との間に介在する接合材７の量が多くなるとともに、溝５ａの部位において接合材７が水平面と垂直面とが組み合わされた入り組んだ面を形成することができ、透光性蓋体５を絶縁基体１に接合材７を介して強固に接合することができる。その結果、光半導体装置９が小型化されたとしても、絶縁基体１と透光性蓋体５とから成る密閉空間の気密性を良好に確保し、光半導体素子３に外光を長期にわたって正常に受光させることができ、正常な電気信号を外部の機器や素子などに送ることが可能な信頼性の高い光半導体装置９を作製することができる。
【００３６】
また、絶縁基体１と透光性蓋体５との熱膨張係数の差に起因する熱応力等の応力が透光性蓋体５に作用したときに、接合材７が入り込んだ溝５ａ部分で透光性蓋体５がわずかに変形することによりその熱応力を緩和することができるので、透光性蓋体５の破損等の不具合も効果的に防止することができる。
【００３７】
この場合、溝５ａの内側に接合材７が入り込んでいるので、溝５ａが形成されている部位で透光性蓋体５の機械的な強度が低下して変形しやすくなり過ぎたり、割れやすくなったりすることを防止でき、透光性蓋体５が溝５ａの部位で破損するようなことは効果的に防止することができる。例えば、単に溝５ａを設けただけでは、上記のような応力の吸収緩和は効果的に行えるものの、溝５ａが形成されている部位で透光性蓋体５に破損，破断等の不具合が生じやすくなるおそれがある。
【００３８】
このような溝５ａを有する透光性蓋体５は、透光性のガラス，樹脂，石英，サファイア等からなり、例えばガラスからなる場合、板状のガラス材を所定の透光性蓋体５の寸法に切断した後、その下面の、絶縁基体１の凹部１ａの内側面の直上の部位に研磨加工を施して溝５ａを形成する方法等の方法により作製することができる。
【００３９】
溝５ａは、その内側の端が凹部１ａの内側面の直上の部位から内側に０．１乃至０．５ｍｍにあるように形成するのがよい。０．１ｍｍ未満では、接合材７が十分に溝５ａに入り込まないため、凹部１ａの内側面の上部における接着力が低下する。０．５ｍｍを超えると、接合材７が部分的に透光性蓋体５の下面の中央部側に流れ出易くなり、外光が透光性蓋体５を通ることの妨げになるおそれがある。
【００４０】
また、溝５ａの幅は０．５ｍｍ以上が好ましい。溝５ａの幅が０．５ｍｍ未満では、接合材７の透光性蓋体５に対する接合性を効果的に向上させることが難しくなる傾向がある。なお、溝５ａの幅は、透光性蓋体５の下面全周にわたって同じ幅とする必要は無く、透光性蓋体５の角部で幅を広くして接合材７をより多く入り込ませて、より強固に接合させるようにしてもよい。
【００４１】
また、溝５ａの深さは、０．１乃至０．５ｍｍ確保することが好ましい。深さが０．１ｍｍ未満では、十分な接合材７が得られないため強固に接合できず、０．５ｍｍを超えると、透光性蓋体５の機械的強度が弱くなるおそれがある。なお、透光性蓋体５の厚みは０．５乃至１．２ｍｍ程度である。
【００４２】
なお、溝５ａは、縦断面形状が円弧状や楕円弧状のものに形成しておくことが好ましい。溝５ａについて、縦断面形状を円弧状や楕円弧状等としておくと、溝５ａの内面が連続した滑らかな曲面で構成されるため、溝５ａ内に接合材７が、溝５ａと接合材７との間に空隙部等の欠陥を生じることなく入り込みやすく、絶縁基体１と透光性蓋体５との接合、取着の信頼性をより一層良好とすることができる。
【００４３】
この場合、接合材７は、ヤング率が１０００乃至１００００ＭＰａであることがよい。接合材７について、ヤング率が１０００乃至１００００ＭＰａと、わずかな変形は可能であるが大きく位置ずれするような変形を起こすことのない適度な弾性を有するものとした場合には、接合材７により絶縁基体１と透光性蓋体５とを、接合材７を介してより確実に強固に接合することができるとともに、接合材７がわずかに変形することにより絶縁基体１と透光性蓋体５との間に生じる熱応力を接合材７により吸収、緩和することができ、透光性蓋体５の破損等を長期にわたってより効果的に防止することが可能な、長期信頼性の高い光半導体装置９とすることができる。
【００４４】
接合材７のヤング率が１０００ＭＰａ未満では、接合材７が柔軟過ぎて十分な機械的強度を得ることができなくなるおそれがある。ヤング率が１００００ＭＰａを超えると、接合材７が硬くなりすぎる傾向があるので、熱応力等の応力を吸収する作用が低下する傾向がある。
【００４５】
また、本発明の光半導体装置９は好ましくは、接合材７は、光の透過率が５０％以下であることが好ましい。これにより、接合材７を通して外部の光が凹部１ａ内に入射することをより確実に防止することができ、より確実に正常な受光を行うことが可能な、受光の精度に優れた光半導体装置９を提供することができる。接合材７の光の透過率が５０％を超える場合、例えば、応力の緩和をより効果的に行わせるために接合材７の厚さを厚くしたような場合、外部の光が凹部１ａ内に入射しやすくなるおそれがある。
【００４６】
また、接合材７が透明な樹脂接着剤から成る場合、接合材７の屈折率が透光性蓋体５と同じであってもよい。この場合、接合材７と透光性蓋体５との界面で光の反射や散乱等が発生するのを効果的に抑制することができ、光半導体素子３に余分な反射光や散乱光が入射するのを防ぐことができる。また、接合材７が透明な樹脂接着剤から成る場合、その内部に含まれる気泡の体積が３０体積％以下であることがよい。３０体積％を超えると、接合材７の接合力が低下するとともに、気泡によって光が散乱され光半導体素子３に余分な散乱光が入射する場合がある。接合材７に含まれる気泡の割合を小さくするには、減圧室や真空装置内で接合材７を使用する方法、予め接合材７に含まれる気泡を真空脱泡する方法等がある。
【００４７】
また本発明の光半導体装置９は、接合材７は、その下面が透光性蓋体５の下面に連続した面とされていることが好ましい。この場合、接合材７が透光性蓋体５の下面に広がって外光の正常な通過を妨げ光半導体素子３の受光特性を劣化させるのを防ぐことができる。
【００４８】
なお、上述の光は、波長が３８０乃至７７０ｎｍの可視光である。
【００４９】
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、透光性蓋体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で上面が覆われる外周部分を、接合材７との接合が強固となるようなセラミックスや樹脂，金属等からなるものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の光半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・絶縁基体
１ａ・・・凹部
２・・・配線導体
３・・・光半導体素子
４・・・電極
５・・・透光性蓋体
５ａ・・・溝
７・・・接合材
９・・・光半導体装置
【図１】
2005210045.tif 000003