(57)【要約】ガラス基板により形成されたベース２と、ベースの第一主面側３に形成された凹部５と、凹部の底面部４からベースの第二主面６に貫通するスルーホール７と、スルーホールの内壁面に形成された内壁導電皮膜と、凹部の底面部におけるスルーホールの開口部周囲に内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる配線パターン９と、配線パターンに導電性接合材１４を介して接合された光半導体素子８と、第二主面におけるスルーホールの開口部周囲に内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる端子部１０と、スルーホールを閉塞し内壁導電皮膜と接合された金属部１３とを備える。小型薄型で、気密性が高く、かつ製造コストを抑制できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板により形成されたベースと、
前記ベースの第一主面側に形成された凹部と、
前記凹部の底面部から前記ベースの第二主面に貫通するスルーホールと、
前記スルーホールの内壁面に形成された内壁導電皮膜と、
前記凹部の底面部における前記スルーホールの開口部周囲に前記内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる配線パターンと、
前記配線パターンに導電性接合材を介して接合された光半導体素子と、
前記第二主面における前記スルーホールの開口部周囲に前記内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる端子部と、
前記スルーホールを閉塞し前記内壁導電皮膜と接合された金属部とを備えた表面実装型光半導体装置。
【請求項２】
前記凹部の壁面は、底面から表面に向かって放射状に広がる放射壁を形成し、前記放射壁に、前記配線パターンと絶縁された状態で反射皮膜が形成された請求項１に記載の表面実装型光半導体装置。
【請求項３】
前記スルーホールは、前記凹部の底面部における開口部よりも前記第二主面における開口部の方が面積が大きい請求項１または２に記載の表面実装型光半導体装置。
【請求項４】
前記凹部に透光樹脂が充填された請求項１〜３のいずれかに記載の表面実装型光半導体装置。
【請求項５】
前記第一主面側に前記凹部を覆う透光性の蓋が固定された請求項１〜３のいずれかに記載の表面実装型光半導体装置。
【請求項６】
ガラス基板の第一主面側に凹部を形成し、
前記凹部の底面部から前記ガラス基板の第二主面に貫通するスルーホールを形成し、
前記スルーホールの内壁と、前記第一主面および前記第二主面における前記スルーホールの開口部周囲とに導電皮膜を形成し、
前記スルーホールに金属部を充填して前記導電皮膜と接合し、
前記第一主面に形成した前記導電皮膜に導電性接合材を介して光半導体素子を接合する表面実装型光半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記スルーホールに金属部を充填する工程を、キャピラリーツール先端に形成した球状ワイヤを前記スルーホールに充填し、超音波併用熱圧着法により溶着すること
により行う請求項４に記載の表面実装型光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、受発光素子をベースに形成された凹部に収納してパッケージを構成した表面実装型光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の表面実装型光半導体装置として、パッケージ用のベースに端子部を有する配線パターンが形成され、配線パターン上に発光素子がフェイスダウンボンディングされた表面実装型発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。図５は、特許文献１に記載された表面実装型発光ダイオード１０１を示す。【０００３】  図５において、１０２は、アルミナ、窒化アルミ、窒化ホウ素などからなるセラミックで形成したベースである。ベース１０２の一方の面には、銅箔をエッチングした配線パターン１０３が形成されている。ベース１０２の他方の面には、実装回路基板（図示せず）に取付けるための端子部１０４が、導電性部材のメッキ、印刷・焼成などにより形成されている。配線パターン１０３と端子部１０４とは導通接続されている。ベース１０２の上面には、配線パターン１０３を包囲してランプハウス１０５が接合されて、凹部１０６を形成している。【０００４】  上記構成のベース１０２の配線パターン１０３上には、金、或いは、ハンダなどによりバンプ１０７が形成され、バンプ１０７と発光素子１０８の電極パッドとを超音波溶着により接合することにより、発光素子１０８が実装されている。実装後、凹部１０６に透明樹脂１０９を充填し、加熱による硬化を行って表面実装型発光ダイオードが構成されている。
【特許文献１】特開２００３−３７２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかし、上記従来の構成では、ベース１０２を構成するセラミックは、最小０．７μｍのアルミナ粒子が集合した粒界を持つため、ベース１０２の厚みを１５０μｍ以下に薄くした場合、気密性を維持することに問題がある。また、薄くすることで、焼結後にセラミックの基板に反りが生じて加工性に劣り、さらに実装回路基板への搭載が困難であるという課題を有していた。【０００６】  本発明は、上記従来の課題を解決するもので、小型薄型で気密性が高く、かつ製造コストが抑制された表面実装型光半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記従来の課題を解決するために、本発明の表面実装型光半導体装置は、ガラス基板により形成されたベースと、前記ベースの第一主面側に形成された凹部と、前記凹部の底面部から前記ベースの第二主面に貫通するスルーホールと、前記スルーホールの内壁面に形成された内壁導電皮膜と、前記凹部の底面部における前記スルーホールの開口部周囲に前記内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる配線パターンと、前記配線パターンに導電性接合材を介して接合された光半導体素子と、前記第二主面における前記スルーホールの開口部周囲に前記内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる端子部と、前記スルーホールを閉塞し前記内壁導電皮膜と接合された金属部とを備える。【０００８】  また、本発明の表面実装型光半導体装置の製造方法は、ガラス基板の第一主面側に凹部を形成し、前記凹部の底面部から前記ガラス基板の第二主面に貫通するスルーホールを形成し、前記スルーホールの内壁と、前記第一主面および前記第二主面における前記スルーホールの開口部周囲とに導電皮膜を形成し、前記スルーホールに金属部を充填して前記導電皮膜と接合し、前記第一主面に形成した前記導電皮膜に導電性接合材を介して光半導体素子を接合するものである。
【発明の効果】
【０００９】  上記構成の表面実装型光半導体装置によれば、気密性が高く、小型薄型化された構造とすることができ、さらに、小型薄型化しても反りが生じることなく加工性と実装回路基板への搭載性の良好な特性を得ることができる。【００１０】  また上記構成の製造方法によれば、セラミックでは困難であった、小型で薄い表面実装型光半導体装置を安価に製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における表面実装型発光ダイオードの平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態２における表面実装型発光ダイオード装置の平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、同表面実装型発光ダイオード装置の裏面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２ＡのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態３における表面実装型光半導体装置の製造方法を示す工程フローに沿った断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態４における表面実装型発光ダイオードの断面図である。
【図５】図５は、従来例の表面実装型発光ダイオードの断面図である。
【符号の説明】
【００１２】１  表面実装型発光ダイオード
２  ベース
３  第一主面
４  平坦部
５  凹部
６  第二主面
７  スルーホール
７ａ  導電皮膜
８  発光素子
９  配線パターン
１０  端子部
１１  放射壁
１２  反射皮膜
１３  金属部
１４  バンプ
１５  透光性樹脂
１６  ガラス基板
１７  導電パターン
１８  スルーホール
１９  金属部
２２  透光性蓋
１０１  表面実装型半導体装置
１０２  ベース
１０３  配線パターン
１０４  端子
１０５  ランプハウス
１０６  凹部
１０７  バンプ
１０８  発光素子
１０９  透明樹脂
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】  本発明の表面実装型光半導体装置において好ましくは、前記凹部の壁面は、底面から表面に向かって放射状に広がる放射壁を形成し、前記放射壁に、前記配線パターンと絶縁された状態で反射皮膜が形成される。【００１４】  また好ましくは、前記スルーホールは、前記凹部の底面部における開口部よりも前記第二主面における開口部の方が面積が大きい。それにより、第二主面に露出する金属部の面積を大きくして、放熱性を高めることができる。【００１５】  また好ましくは、前記凹部に透光樹脂が充填される。それにより、光半導体素子およびその搭載部を保護して、安定した特性を維持することができる。凹部に透光樹脂を充填する構造に代えて、前記第一主面側に、前記凹部を覆う透光性の蓋が固定された構造にしてもよい。【００１６】  本発明の表面実装型光半導体装置の製造方法において好ましくは、前記スルーホールに金属部を充填する工程を、キャピラリーツール先端に形成した球状ワイヤを前記スルーホールに充填し、超音波併用熱圧着法により溶着することにより行う。それにより、ワイヤーボンダーを使用し超音波併用熱圧着法により、スルーホールに形成された導電膜と、ワイヤーボンダーで形成された球状の金属材とを高速で高精度に接合することが出来る。【００１７】  以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。【００１８】  （実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１における表面実装型光半導体装置である発光ダイオード１の平面図、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。【００１９】  図１Ａ、１Ｂにおけるベース２は、線膨張係数が３０×１０−７／℃〜８０×１０−７／℃の硼珪酸ガラスか無アルカリガラス、若しくは線膨張係数が８０×１０−７／℃〜１２０×１０−７／℃のソーダガラスのガラス基板により形成されている。本実施の形態では、ガラス基板の厚みは、例えば０．１５ｍｍとすることができる。【００２０】  ベース２の第一主面３には、底面に平坦部４を有する凹部５が形成されている。平坦部４の少なくとも２箇所に、ベース２を貫通してベース２の第二主面６に至るスルーホール７が形成されている。第一主面３におけるスルーホール７の開口部周囲には、導電皮膜からなり発光素子８が搭載される配線パターン９が形成されている。第二主面６におけるスルーホール７の開口部周囲には、外部回路（図示せず）と接続される導電皮膜からなる端子部１０が形成されている。【００２１】  凹部５は、例えば、平板のガラス基板にブラスト処理を施すことにより形成することができる。あるいは、ガラス基板の成形時に、同時に凹部５も成形する方法を用いてもよい。凹部５は、底面から上面に向かって放射状に広がる形状を有している。底面から放射状に広がる放射壁１１に、蒸着法やスパッタリング法などを用いて銀、ロジウム、アルミニウムなどからなる反射皮膜１２が、配線パターン９を形成する導電皮膜と絶縁された状態に形成されている。【００２２】  スルーホール７は、第一主面３から第二主面６に向かってその内壁の径が漸次小さくなるように形成されている。スルーホール７の直径は、一例では、第一主面３側で１２０μｍ、第二主面６では８０μｍとした。【００２３】  スルーホール７の内壁には導電皮膜７ａが形成され、それにより、配線パターン９と端子部１０とは導通接続されている。また、第一主面３側の開口部を閉塞するとともに、導電皮膜と接合された金属部１３が形成されている。導電皮膜は、例えば、ベース２のガラス面にスパッタリング法を用いて、クロムまたはチタンを０．０５μｍ以上０．１μｍ以下の厚さに形成し、さらにパラジウムを形成し、最上面に金を形成した構成を有する。この導電皮膜の構成によれば、クロムまたはチタンはガラスとの接合性に優れ、パラジウムはバリアメタルの作用を有し、金は耐食性と金属との接合性に有効である。【００２４】  配線パターン９上には、金、或いは、ハンダなどによりバンプ１４が形成され、発光素子８の電極パッド（図示せず）とバンプ１４とが超音波溶着されている。さらに、ベース２の凹部５には、発光素子８搭載部分を保護するエポキシ樹脂、シリコン樹脂などからなる液状透光性樹脂を充填して加熱による硬化を行うことにより、透光性樹脂１５の層を形成し、表面実装型発光ダイオード１のパッケージが形成されている。【００２５】  以上のような構成によれば、スルーホール７に形成されている導電皮膜７ａは、金属部１３と接合されているので、スルーホール７の気密性が高い。【００２６】  なお、本実施の形態において、透光性樹脂１５を発光素子８搭載部の保護を目的として用いたが、透光樹脂に蛍光���を混合して光の色調を変換することも可能である。【００２７】  さらに、透光性樹脂１５に変えて、ガラスや透光性樹脂で予め成型されたレンズなどで覆い接着することで、気密性に優れたパッケージを形成することができる。【００２８】  また、ベース２として透光性を高めたガラス基板を用い、反射皮膜１２の形成を省略して、凹部５の形状を適宜設定することで、指向角を広く確保することができ、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトＩＣなどの受光素子への受光量を大きくすることができる。【００２９】  （実施の形態２）
図２Ａ〜２Ｃは、実施の形態２における表面実装型発光ダイオード装置を示す。この装置は、各々発光素子８を実装した表面実装型発光ダイオード１を複数個配列して、アレイタイプに構成したものである。図２Ａは平面図、図２Ｂは裏面図、図２Ｃは図２ＡにおけるＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。図２Ａ〜２Ｃにおいて、図１に示した構成要素と同じものについては、同じ参照番号を付して、説明を簡略化する。【００３０】  図２Ａ〜２Ｃの表面実装型発光ダイオード装置には、シート状のガラス基板１６が用いられ、図１Ａ、１Ｂと同様のベース２が複数個形成されている。すなわち、第一主面３には、底面に平坦部４を有する凹部５が形成され、各凹部５の底面平坦部４には、少なくとも２箇所にベース２の第二主面６に貫通したスルーホール７が形成されている。第一主面３におけるスルーホール７の開口部周囲には、発光素子８を搭載するための、導電皮膜からなる配線パターン９が形成されている。第二主面６におけるスルーホール７の開口部周囲には、外部回路（図示せず）と接続される導電皮膜からなる端子部１７が形成されている。端子部１７は、第二主面６上で各ベース２間が導通接続された導電パターンを形成し、外部回路（図示せず）に接続する機能と共に、複数個の表面実装型発光ダイオード１をアレイタイプ状に接続する機能も有する。【００３１】  スルーホール７は、その内壁に導電皮膜が形成されて配線パターン９と端子部１７とを導通接続し、さらに、第一主面３の開口部と導電皮膜とを接合する金属部１３が形成されている。【００３２】  配線パターン９上には、金、或いは、ハンダなどによりバンプ１４が形成され、発光素子８の電極パッドとバンプ１４とが超音波溶着されている。さらに、ベース２の凹部５に透光性樹脂１５を充填して加熱による硬化を行って、表面実装型発光ダイオード装置が構成されている。この構成によれば、シート状のガラス基板１６に複数のベース２が形成されているので、多数の発光ダイオードを集積して小型化することができる。【００３３】  （実施の形態３）
図３Ａ〜３Ｅは、実施の形態３における表面実装型光半導体装置の製造方法を説明するための工程フローに沿った断面図である。図３Ａ〜３Ｅにおいて、図１Ａ、１Ｂに示した構成要素と同じものについては、同じ参照番号を付して、説明を簡略化する。【００３４】  まず図３Ａに示すように、ベース２を形成するためのガラス基板１６として、絶縁性及び気密性が高い硼珪酸ガラス、無アルカリガラス、ソーダガラスなどの、例えば、厚さが約０．１５ｍｍの無アルカリガラスからなる基板を用意する。【００３５】  次に、ガラス基板１６の第一主面３にサンドブラスト法やエッチング法などを施して、図３Ｂに示すように、底面に平坦部４を備えた凹部５を形成する。さらに、平坦部４の少なくとも２箇所に、ベース２の第二主面６に貫通するスルーホール７を形成する。凹部５は、底面から表面に向かって放射状に広がる形状とする。【００３６】  次に図３Ｃに示すように、放射状に広がる凹部５の放射壁１１に、蒸着法やスパッタリング法などを用いて、銀、ロジウム、アルミニウムなどからなる反射皮膜１２を形成する。さらに、第一主面３におけるスルーホール７の開口部周囲に、発光素子８を搭載するための導電皮膜からなる配線パターン９を形成する。また、第二主面６におけるスルーホール７の開口部周囲に、外部回路（図示せず）と接続される導電皮膜からなる端子部１０を形成する。配線パターン９と端子部１０とは、スルーホール７内で導電皮膜７ａにより導通接続されている。導電皮膜は例えば、無アルカリガラス上にスパッタリング法でクロムを０．１μｍ成膜し、その上にパラジウムを０．０５μｍ成膜後に、電解金めっきを０．５μｍ施して形成する。【００３７】  なお、透光性を高めたガラス基板１６を用いて、反射皮膜１２の形成を省略し凹部５の形状を適宜設定することにより、指向角を広く確保することができ、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトＩＣなどの受光素子への受光量を大きくすることができる。【００３８】  次に図３Ｄに示すように、第一主面３におけるスルーホール７の開口部周囲と、導電皮膜７ａとを接合する金属部１３を形成する。金属部１３を形成する方法としては、ボールボンダーを用いる方法を用いることができる。具体的には以下のようにする。スルーホール７の大きさは直径１００μｍ〜１５０μｍであり、第一主面３から第二主面６に向かってその内壁の径が漸次小さくなる形状を成している。このスルーホール７は、ボンディングされる金属ワイヤの寸法・材質、ボンディング方法に応じて、適切な寸法が選定される。【００３９】  一方、ベース２の上方に、上下動式のキャピラリーツール（図示せず）をスルーホール７の位置に合わせて配置する。このキャピラリーツールの中心に金属ワイヤを挿通し、その先端部を略半球状に形成しておく。金属ワイヤとしては、金、銅などから選択することができ、ベース２に形成された導電皮膜の材質などに応じて、適宜選定する。ここでは金を主成分とした金属ワイヤを用いる場合について説明する。この金属ワイヤの太さは、例えば直径２５μｍ〜５０μｍである。金ワイヤを用いた場合、耐食性が高く、また、導電皮膜の材質すべての接合に有効である。【００４０】  上述のとおり設定��、トーチ（図示せず）により金属ワイヤの先端部を加熱溶融して、ボール部を形成する。このボール部は、直径が金属ワイヤの直径の約３〜４倍程度になるから、３８μｍの金ワイヤの場合で約１２０μｍ程度の大きさとなる。なお、ボール部は、金属ワイヤの先端部と他の電位点との間で火花放電を発生させることにより形成することもできる。【００４１】  次に、１５０℃〜３５０℃に加熱されたベース２のスルーホール７に、キャピラリーツールの下降動に合わせＹ方向に超音波振動を、また、Ｘ方向に機械的な微振動を加えながら、ボール部を下向きに押圧する。その後、キャピラリーツールを上昇させて、金属ワイヤを適宜の長さの部分で切断する。この金属ワイヤの切断時に、例えばトーチ（図示せず）で加熱溶断する場合には、切断部にボール部が形成されるから、ベース２を連続して製造する場合の作業性が向上する。【００４２】  以上のようにして、金属ワイヤの先端部が略半球状に形成されたボール部が、スルーホール７に充填されると同時に、スルーホール７の内壁に形成された導電皮膜７ａと接合されて、電気的導通のための金属部１３が形成される。したがって、スルーホール７の気密性は従来に比べて著しく向上し、気密性が安定して維持される。【００４３】  次に図３Ｅに示すように、ベース２の第一主面３の配線パターン９に、金、或いは、ハンダなどのバンプ１４を形成し、発光素子８の電極パッドと超音波溶着する。これにより、ベース２の第二主面６に形成された端子部１０は、スルーホール７の内壁に形成された導電皮膜７ａ、配線パターン９およびバンプ１４を介して発光素子８と電気的に接続される。【００４４】  最後に、発光素子８が搭載された凹部５に、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などからなる液状透光性樹脂を充填、硬化して透光性樹脂１５の層を形成し、表面実装型発光ダイオードのパッケージを完成する。【００４５】  （実施の形態４）
本発明の実施の形態４における表面実装型光半導体装置である発光ダイオードについて、図４の断面図を参照して説明する。この発光ダイオードは、基本的な構造は図１に示した実施の形態１の構造と同様である。実施の形態１の構造との相違点は、スルーホール１８およびそこに充填された金属部１９の形状である。【００４６】  スルーホール１８は、凹部５の底面部４における開口部よりも、第二主面６における開口部の方が大きい面積を有する。それにより、第二主面６に露出する金属部１９の面積を大きくして、放熱性を高めることができる。そのため、金属部１９を形成する材料としては、熱伝導性の優れた金属材を充填することが望ましい。金属材の充填は、上記実施の形態に記載した例の他、電鋳、導電ペーストの塗布等を用いて行うことができる。【００４７】  また、この実施の形態では、凹部５に透光樹脂を充填する構造に代えて、第一主面３に、凹部５を覆う平板状の透光性蓋２０が固定されている。透光性蓋２０としては、ガラスや透光性樹脂で予め成型したものを用い、レンズとすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】  本発明によれば、発光素子や受光素子などを搭載したパッケージを小型薄型で気密性良好に構成でき、表面実装型発光ダイオードあるいはアレイタイプの表面実装型発光ダイオード装置に有用である。
【図１Ａ】
2006112039.tif 000002
【図１Ｂ】
2006112039.tif 000003
【図２Ａ】
2006112039.tif 000004
【図２Ｂ】
2006112039.tif 000005
【図２Ｃ】
2006112039.tif 000006
【図３Ａ】
2006112039.tif 000007
【図３Ｂ】
2006112039.tif 000008
【図３Ｃ】
2006112039.tif 000009
【図３Ｄ】
2006112039.tif 000010
【図３Ｅ】
2006112039.tif 000011
【図４】
2006112039.tif 000012
【図５】
2006112039.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月22日(2007.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板により形成されたベースと、
前記ベースの第一主面側に形成された凹部と、
前記凹部の底面部から前記ベースの第二主面に貫通するスルーホールと、
前記スルーホールの内壁面に形成された内壁導電皮膜と、
前記凹部の底面部における前記スルーホールの開口部周囲に前記内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる配線パターンと、
前記配線パターンに導電性接合材を介して接合された光半導体素子と、
前記第二主面における前記スルーホールの開口部周囲に前記内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる端子部と、
前記スルーホールを閉塞し前記内壁導電皮膜と接合された金属部とを備えた表面実装型光半導体装置。
【請求項２】
前記凹部の壁面は、底面から表面に向かって放射状に広がる放射壁を形成し、前記放射壁に、前記配線パターンと絶縁された状態で反射皮膜が形成された請求項１に記載の表面実装型光半導体装置。
【請求項３】
前記スルーホールは、前記凹部の底面部における開口部よりも前記第二主面における開口部の方が面積が大きい請求項１または２に記載の表面実装型光半導体装置。
【請求項４】
前記凹部に透光樹脂が充填された請求項１〜３のいずれかに記載の表面実装型光半導体装置。
【請求項５】
前記第一主面側に前記凹部を覆う透光性の蓋が固定された請求項１〜３のいずれかに記載の表面実装型光半導体装置。
【請求項６】
ガラス基板の第一主面側に凹部を形成し、
前記凹部の底面部から前記ガラス基板の第二主面に貫通するスルーホールを形成し、
前記スルーホールの内壁と、前記第一主面および前記第二主面における前記スルーホールの開口部周囲とに導電皮膜を形成し、
前記スルーホールに金属部を充填して前記導電皮膜と接合し、
前記第一主面に形成した前記導電皮膜に導電性接合材を介して光半導体素子を接合する表面実装型光半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記スルーホールに金属部を充填する工程を、キャピラリーツール先端に形成した球状ワイヤを前記スルーホールに充填し、超音波併用熱圧着法により溶着することにより行う請求項４に記載の表面実装型光半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受発光素子をベースに形成された凹部に収納してパッケージを構成した表面実装型光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の表面実装型光半導体装置として、パッケージ用のベースに端子部を有する配線パターンが形成され、配線パターン上に発光素子がフェイスダウンボンディングされた表面実装型発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。図５は、特許文献１に記載された表面実装型発光ダイオード１０１を示す。
【０００３】
図５において、１０２は、アルミナ、窒化アルミ、窒化ホウ素などからなるセラミックで形成したベースである。ベース１０２の一方の面には、銅箔をエッチングした配線パターン１０３が形成されている。ベース１０２の他方の面には、実装回路基板（図示せず）に取付けるための端子部１０４が、導電性部材のメッキ、印刷・焼成などにより形成されている。配線パターン１０３と端子部１０４とは導通接続されている。ベース１０２の上面には、配線パターン１０３を包囲してランプハウス１０５が接合されて、凹部１０６を形成している。
【０００４】
上記構成のベース１０２の配線パターン１０３上には、金、或いは、ハンダなどによりバンプ１０７が形成され、バンプ１０７と発光素子１０８の電極パッドとを超音波溶着により接合することにより、発光素子１０８が実装されている。実装後、凹部１０６に透明樹脂１０９を充填し、加熱による硬化を行って表面実装型発光ダイオードが構成されている。
【特許文献１】特開２００３−３７２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の構成では、ベース１０２を構成するセラミックは、最小０．７μｍのアルミナ粒子が集合した粒界を持つため、ベース１０２の厚みを１５０μｍ以下に薄くした場合、気密性を維持することに問題がある。また、薄くすることで、焼結後にセラミックの基板に反りが生じて加工性に劣り、さらに実装回路基板への搭載が困難であるという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、小型薄型で気密性が高く、かつ製造コストが抑制された表面実装型光半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記従来の課題を解決するために、本発明の表面実装型光半導体装置は、ガラス基板により形成されたベースと、前記ベースの第一主面側に形成された凹部と、前記凹部の底面部から前記ベースの第二主面に貫通するスルーホールと、前記スルーホールの内壁面に形成された内壁導電皮膜と、前記凹部の底面部における前記スルーホールの開口部周囲に前記内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる配線パターンと、前記配線パターンに導電性接合材を介して接合された光半導体素子と、前記第二主面における前記スルーホールの開口部周囲に前記内壁導電皮膜と導通状態に形成された導電皮膜からなる端子部と、前記スルーホールを閉塞し前記内壁導電皮膜と接合された金属部とを備える。
【０００８】
また、本発明の表面実装型光半導体装置の製造方法は、ガラス基板の第一主面側に凹部を形成し、前記凹部の底面部から前記ガラス基板の第二主面に貫通するスルーホールを形成し、前記スルーホールの内壁と、前記第一主面および前記第二主面における前記スルーホールの開口部周囲とに導電皮膜を形成し、前記スルーホールに金属部を充填して前記導電皮膜と接合し、前記第一主面に形成した前記導電皮膜に導電性接合材を介して光半導体素子を接合するものである。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成の表面実装型光半導体装置によれば、気密性が高く、小型薄型化された構造とすることができ、さらに、小型薄型化しても反りが生じることなく加工性と実装回路基板への搭載性の良好な特性を得ることができる。
【００１０】
また上記構成の製造方法によれば、セラミックでは困難であった、小型で薄い表面実装型光半導体装置を安価に製造することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の表面実装型光半導体装置において好ましくは、前記凹部の壁面は、底面から表面に向かって放射状に広がる放射壁を形成し、前記放射壁に、前記配線パターンと絶縁された状態で反射皮膜が形成される。
【００１２】
また好ましくは、前記スルーホールは、前記凹部の底面部における開口部よりも前記第二主面における開口部の方が面積が大きい。それにより、第二主面に露出する金属部の面積を大きくして、放熱性を高めることができる。
【００１３】
また好ましくは、前記凹部に透光樹脂が充填される。それにより、光半導体素子およびその搭載部を保護して、安定した特性を維持することができる。凹部に透光樹脂を充填する構造に代えて、前記第一主面側に、前記凹部を覆う透光性の蓋が固定された構造にしてもよい。
【００１４】
本発明の表面実装型光半導体装置の製造方法において好ましくは、前記スルーホールに金属部を充填する工程を、キャピラリーツール先端に形成した球状ワイヤを前記スルーホールに充填し、超音波併用熱圧着法により溶着することにより行う。それにより、ワイヤーボンダーを使用し超音波併用熱圧着法により、スルーホールに形成された導電膜と、ワイヤーボンダーで形成された球状の金属材とを高速で高精度に接合することが出来る。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１における表面実装型光半導体装置である発光ダイオード１の平面図、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００１７】
図１Ａ、１Ｂにおけるベース２は、線膨張係数が３０×１０-7／℃〜８０×１０-7／℃の硼珪酸ガラスか無アルカリガラス、若しくは線膨張係数が８０×１０-7／℃〜１２０×１０-7／℃のソーダガラスのガラス基板により形成されている。本実施の形態では、ガラス基板の厚みは、例えば０．１５ｍｍとすることができる。
【００１８】
ベース２の第一主面３には、底面に平坦部４を有する凹部５が形成されている。平坦部４の少なくとも２箇所に、ベース２を貫通してベース２の第二主面６に至るスルーホール７が形成されている。第一主面３におけるスルーホール７の開口部周囲には、導電皮膜からなり発光素子８が搭載される配線パターン９が形成されている。第二主面６におけるスルーホール７の開口部周囲には、外部回路（図示せず）と接続される導電皮膜からなる端子部１０が形成されている。
【００１９】
凹部５は、例えば、平板のガラス基板にブラスト処理を施すことにより形成することができる。あるいは、ガラス基板の成形時に、同時に凹部５も成形する方法を用いてもよい。凹部５は、底面から上面に向かって放射状に広がる形状を有している。底面から放射状に広がる放射壁１１に、蒸着法やスパッタリング法などを用いて銀、ロジウム、アルミニウムなどからなる反射皮膜１２が、配線パターン９を形成する導電皮膜と絶縁された状態に形成されている。
【００２０】
スルーホール７は、第一主面３から第二主面６に向かってその内壁の径が漸次小さくなるように形成されている。スルーホール７の直径は、一例では、第一主面３側で１２０μｍ、第二主面６では８０μｍとした。
【００２１】
スルーホール７の内壁には導電皮膜７ａが形成され、それにより、配線パターン９と端子部１０とは導通接続されている。また、第一主面３側の開口部を閉塞するとともに、導電皮膜と接合された金属部１３が形成されている。導電皮膜は、例えば、ベース２のガラス面にスパッタリング法を用いて、クロムまたはチタンを０．０５μｍ以上０．１μｍ以下の厚さに形成し、さらにパラジウムを形成し、最上面に金を形成した構成を有する。この導電皮膜の構成によれば、クロムまたはチタンはガラスとの接合性に優れ、パラジウムはバリアメタルの作用を有し、金は耐食性と金属との接合性に有効である。
【００２２】
配線パターン９上には、金、或いは、ハンダなどによりバンプ１４が形成され、発光素子８の電極パッド（図示せず）とバンプ１４とが超音波溶着されている。さらに、ベース２の凹部５には、発光素子８搭載部分を保護するエポキシ樹脂、シリコン樹脂などからなる液状透光性樹脂を充填して加熱による硬化を行うことにより、透光性樹脂１５の層を形成し、表面実装型発光ダイオード１のパッケージが形成されている。
【００２３】
以上のような構成によれば、スルーホール７に形成されている導電皮膜７ａは、金属部１３と接合されているので、スルーホール７の気密性が高い。
【００２４】
なお、本実施の形態において、透光性樹脂１５を発光素子８搭載部の保護を目的として用いたが、透光樹脂に蛍光体を混合して光の色調を変換することも可能である。
【００２５】
さらに、透光性樹脂１５に変えて、ガラスや透光性樹脂で予め成型されたレンズなどで覆い接着することで、気密性に優れたパッケージを形成することができる。
【００２６】
また、ベース２として透光性を高めたガラス基板を用い、反射皮膜１２の形成を省略して、凹部５の形状を適宜設定することで、指向角を広く確保することができ、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトＩＣなどの受光素子への受光量を大きくすることができる。
【００２７】
（実施の形態２）
図２Ａ〜２Ｃは、実施の形態２における表面実装型発光ダイオード装置を示す。この装置は、各々発光素子８を実装した表面実装型発光ダイオード１を複数個配列して、アレイタイプに構成したものである。図２Ａは平面図、図２Ｂは裏面図、図２Ｃは図２ＡにおけるＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。図２Ａ〜２Ｃにおいて、図１に示した構成要素と同じものについては、同じ参照番号を付して、説明を簡略化する。
【００２８】
図２Ａ〜２Ｃの表面実装型発光ダイオード装置には、シート状のガラス基板１６が用いられ、図１Ａ、１Ｂと同様のベース２が複数個形成されている。すなわち、第一主面３には、底面に平坦部４を有する凹部５が形成され、各凹部５の底面平坦部４には、少なくとも２箇所にベース２の第二主面６に貫通したスルーホール７が形成されている。第一主面３におけるスルーホール７の開口部周囲には、発光素子８を搭載するための、導電皮膜からなる配線パターン９が形成されている。第二主面６におけるスルーホール７の開口部周囲には、外部回路（図示せず）と接続される導電皮膜からなる端子部１７が形成されている。端子部１７は、第二主面６上で各ベース２間が導通接続された導電パターンを形成し、外部回路（図示せず）に接続する機能と共に、複数個の表面実装型発光ダイオード１をアレイタイプ状に接続する機能も有する。
【００２９】
スルーホール７は、その内壁に導電皮膜が形成されて配線パターン９と端子部１７とを導通接続し、さらに、第一主面３の開口部と導電皮膜とを接合する金属部１３が形成されている。
【００３０】
配線パターン９上には、金、或いは、ハンダなどによりバンプ１４が形成され、発光素子８の電極パッドとバンプ１４とが超音波溶着されている。さらに、ベース２の凹部５に透光性樹脂１５を充填して加熱による硬化を行って、表面実装型発光ダイオード装置が構成されている。この構成によれば、シート状のガラス基板１６に複数のベース２が形成されているので、多数の発光ダイオードを集積して小型化することができる。
【００３１】
（実施の形態３）
図３Ａ〜３Ｅは、実施の形態３における表面実装型光半導体装置の製造方法を説明するための工程フローに沿った断面図である。図３Ａ〜３Ｅにおいて、図１Ａ、１Ｂに示した構成要素と同じものについては、同じ参照番号を付して、説明を簡略化する。
【００３２】
まず図３Ａに示すように、ベース２を形成するためのガラス基板１６として、絶縁性及び気密性が高い硼珪酸ガラス、無アルカリガラス、ソーダガラスなどの、例えば、厚さが約０．１５ｍｍの無アルカリガラスからなる基板を用意する。
【００３３】
次に、ガラス基板１６の第一主面３にサンドブラスト法やエッチング法などを施して、図３Ｂに示すように、底面に平坦部４を備えた凹部５を形成する。さらに、平坦部４の少なくとも２箇所に、ベース２の第二主面６に貫通するスルーホール７を形成する。凹部５は、底面から表面に向かって放射状に広がる形状とする。
【００３４】
次に図３Ｃに示すように、放射状に広がる凹部５の放射壁１１に、蒸着法やスパッタリング法などを用いて、銀、ロジウム、アルミニウムなどからなる反射皮膜１２を形成する。さらに、第一主面３におけるスルーホール７の開口部周囲に、発光素子８を搭載するための導電皮膜からなる配線パターン９を形成する。また、第二主面６におけるスルーホール７の開口部周囲に、外部回路（図示せず）と接続される導電皮膜からなる端子部１０を形成する。配線パターン９と端子部１０とは、スルーホール７内で導電皮膜７ａにより導通接続されている。導電皮膜は例えば、無アルカリガラス上にスパッタリング法でクロムを０．１μｍ成膜し、その上にパラジウムを０．０５μｍ成膜後に、電解金めっきを０．５μｍ施して形成する。
【００３５】
なお、透光性を高めたガラス基板１６を用いて、反射皮膜１２の形成を省略し凹部５の形状を適宜設定することにより、指向角を広く確保することができ、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトＩＣなどの受光素子への受光量を大きくすることができる。
【００３６】
次に図３Ｄに示すように、第一主面３におけるスルーホール７の開口部周囲と、導電皮膜７ａとを接合する金属部１３を形成する。金属部１３を形成する方法としては、ボールボンダーを用いる方法を用いることができる。具体的には以下のようにする。スルーホール７の大きさは直径１００μｍ〜１５０μｍであり、第一主面３から第二主面６に向かってその内壁の径が漸次小さくなる形状を成している。このスルーホール７は、ボンディングされる金属ワイヤの寸法・材質、ボンディング方法に応じて、適切な寸法が選定される。
【００３７】
一方、ベース２の上方に、上下動式のキャピラリーツール（図示せず）をスルーホール７の位置に合わせて配置する。このキャピラリーツールの中心に金属ワイヤを挿通し、その先端部を略半球状に形成しておく。金属ワイヤとしては、金、銅などから選択することができ、ベース２に形成された導電皮膜の材質などに応じて、適宜選定する。ここでは金を主成分とした金属ワイヤを用いる場合について説明する。この金属ワイヤの太さは、例えば直径２５μｍ〜５０μｍである。金ワイヤを用いた場合、耐食性が高く、また、導電皮膜の材質すべての接合に有効である。
【００３８】
上述のとおり設定し、トーチ（図示せず）により金属ワイヤの先端部を加熱溶融して、ボール部を形成する。このボール部は、直径が金属ワイヤの直径の約３〜４倍程度になるから、３８μｍの金ワイヤの場合で約１２０μｍ程度の大きさとなる。なお、ボール部は、金属ワイヤの先端部と他の電位点との間で火花放電を発生させることにより形成することもできる。
【００３９】
次に、１５０℃〜３５０℃に加熱されたベース２のスルーホール７に、キャピラリーツールの下降動に合わせＹ方向に超音波振動を、また、Ｘ方向に機械的な微振動を加えながら、ボール部を下向きに押圧する。その後、キャピラリーツールを上昇させて、金属ワイヤを適宜の長さの部分で切断する。この金属ワイヤの切断時に、例えばトーチ（図示せず）で加熱溶断する場合には、切断部にボール部が形成されるから、ベース２を連続して製造する場合の作業性が向上する。
【００４０】
以上のようにして、金属ワイヤの先端部が略半球状に形成されたボール部が、スルーホール７に充填されると同時に、スルーホール７の内壁に形成された導電皮膜７ａと接合されて、電気的導通のための金属部１３が形成される。したがって、スルーホール７の気密性は従来に比べて著しく向上し、気密性が安定して維持される。
【００４１】
次に図３Ｅに示すように、  ベース２の第一主面３の配線パターン９に、金、或いは、ハンダなどのバンプ１４を形成し、発光素子８の電極パッドと超音波溶着する。これにより、ベース２の第二主面６に形成された端子部１０は、スルーホール７の内壁に形成された導電皮膜７ａ、配線パターン９およびバンプ１４を介して発光素子８と電気的に接続される。
【００４２】
最後に、発光素子８が搭載された凹部５に、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などからなる液状透光性樹脂を充填、硬化して透光性樹脂１５の層を形成し、表面実装型発光ダイオードのパッケージを完成する。
【００４３】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における表面実装型光半導体装置である発光ダイオードについて、図４の断面図を参照して説明する。この発光ダイオードは、基本的な構造は図１に示した実施の形態１の構造と同様である。実施の形態１の構造との相違点は、スルーホール１８およびそこに充填された金属部１９の形状である。
【００４４】
スルーホール１８は、凹部５の底面部４における開口部よりも、第二主面６における開口部の方が大きい面積を有する。それにより、第二主面６に露出する金属部１９の面積を大きくして、放熱性を高めることができる。そのため、金属部１９を形成する材料としては、熱伝導性の優れた金属材を充填することが望ましい。金属材の充填は、上記実施の形態に記載した例の他、電鋳、導電ペーストの塗布等を用いて行うことができる。
【００４５】
また、この実施の形態では、凹部５に透光樹脂を充填する構造に代えて、第一主面３に、凹部５を覆う平板状の透光性蓋２０が固定されている。透光性蓋２０としては、ガラスや透光性樹脂で予め成型したものを用い、レンズとすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によれば、発光素子や受光素子などを搭載したパッケージを小型薄型で気密性良好に構成でき、表面実装型発光ダイオードあるいはアレイタイプの表面実装型発光ダイオード装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における表面実装型発光ダイオードの平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態２における表面実装型発光ダイオード装置の平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、同表面実装型発光ダイオード装置の裏面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２ＡのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態３における表面実装型光半導体装置の製造方法を示す工程フローに沿った断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態４における表面実装型発光ダイオードの断面図である。
【図５】図５は、従来例の表面実装型発光ダイオードの断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  表面実装型発光ダイオード
２  ベース
３  第一主面
４  平坦部
５  凹部
６  第二主面
７  スルーホール
７ａ  導電皮膜
８  発光素子
９  配線パターン
１０  端子部
１１  放射壁
１２  反射皮膜
１３  金属部
１４  バンプ
１５  透光性樹脂
１６  ガラス基板
１７  導電パターン
１８  スルーホール
１９  金属部
２２  透光性蓋
１０１  表面実装型半導体装置
１０２  ベース
１０３  配線パターン
１０４  端子
１０５  ランプハウス
１０６  凹部
１０７  バンプ
１０８  発光素子
１０９  透明樹脂
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2006112039.tif 000014
【図１Ｂ】
2006112039.tif 000015
【図２Ａ】
2006112039.tif 000016
【図２Ｂ】
2006112039.tif 000017
【図２Ｃ】
2006112039.tif 000018
【図３Ａ】
2006112039.tif 000019
【図３Ｂ】
2006112039.tif 000020
【図３Ｃ】
2006112039.tif 000021
【図３Ｄ】
2006112039.tif 000022
【図３Ｅ】
2006112039.tif 000023
【図４】
2006112039.tif 000024
【図５】
2006112039.tif 000025
【国際調査報告】
2006112039.tif 000026
2006112039.tif 000027
2006112039.tif 000028
2006112039.tif 000029