专利名称：光半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及光半导体装置及其制造方法。
背景技术：
图1是示出现有的光半导体装置的结构例的剖视图。光半导体装置由以下部分构 成树脂基板等的封装基板200 ;设于封装基板200的表面且相互电绝缘的导体布线201和 202 ;载置于导体布线201上的光半导体元件100 ;以及设于光半导体元件100的上方、用于 保护光半导体元件100的透明罩400。光半导体100隔着接合材料300与位于导体布线201 端部的下垫板部(未图示)电接合。并且，在光半导体元件100的上表面设有电极垫(未 图示)，该电极垫和导体布线202通过焊接线203电连接。 伴随近年来的光半导体元件的高输出化，作为在封装基板上接合光半导体元件时 的接合材料，广泛使用热传导性比以往的Ag焊膏优良的AuSn焊膏。例如在下垫板部上接 合光半导体元件的情况下，在下垫板上涂布适量的AuSn焊膏后，在下垫板部上安装光半导 体元件，通过回流焊(Reflow)处理使光半导体元件和下垫板部共晶连接(例如参照日本特 开2008-166311号)。 表1示出用作光半导体元件的接合材料的AuSn焊膏的成分和各成分的沸点。表1
构成材料含有率沸点
焊锡粉末金(Au)70 75%2700°C
锡(Sn)17 22%2275 °C
有机溶剂二乙二醇己醚 C6H13(OCH2CH2)2-OH1 2%259 °C
2-乙基-l,3-己二醇 C3H7CH(OH)CH(C2H5)CH2OH<2%244 °C
助焊剂松香 C19H29COOH3 6%— AuSn焊膏是在由金(含有率70 75% )和锡(含有率17 22% )的合金构成 的球状的焊锡粉末中混合了有机溶剂和助焊剂后的膏状的接合剂，熔点温度为280°C 。为了 去除接合面的表面氧化被膜、防止焊锡接合时的再氧化、以及降低溶融焊锡的表面张力，而 加入助焊剂，以松香((:1911290)011，含有率3 6%)为主要成分。有机溶剂溶解固态成分而具 有适度的粘稠性，例如包含二乙二醇己醚(CeH^(0CH2CH入-0H，含有率1 2%，沸点259°C ) 和2-乙基-1，3-己二醇(C3H7CH(0H)CH(C2Hs)CH20H，含有率2%以下，沸点244。C )等。
在使用AuSn焊膏在封装基板的下垫板上接合光半导体元件的情况下，在下垫板 上涂布AuSn焊膏后，安装光半导体元件，进行回流焊处理。下垫板表面为平坦面，光半导体 元件和下垫板在隔着AuSn焊膏密接的状态下被搬入软熔炉。这里，如表1所示，AuSn焊膏 中包含的溶剂的成分的沸点温度低于AuSn的熔点。在回流焊处理中，当省略预热工序或预热不充分时，有时事前无法使溶剂充分挥发。该情况下，在焊膏中含有溶剂的状态下，到达 溶剂的沸点温度。即，当回流焊处理中的温度上升梯度朝向AuSn的溶融温度为急梯度时， 可能在AuSn溶融前，溶剂繃沸。光半导体元件和下垫板密接，没有放出气化的溶剂的通道。 因此，产生由于溶剂气化时的压力而使安装在下垫板上的光半导体元件飞溅这种所谓的芯 片飞溅。为了消除这种飞溅，需要用于使溶剂充分挥发的预热处理。即，需要进行如下的温 度曲线设定在回流焊工序中，在到达AuSn的溶融温度之前，在溶剂的沸点温度以下保持 规定时间，导致处理时间的增大。
发明内容
本发明正是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供如下的光半导体装置及其
制造方法在使用焊锡膏在封装基板上装配光半导体元件时的回流焊处理中，能够消除焊
锡膏中包含的溶剂繃沸而使光半导体元件飞溅这种所谓的芯片飞溅的问题。
本发明的光半导体装置包含在主面上具有由金属构成的下垫板的封装基板、以
及隔着焊锡材料接合在所述下垫板上的光半导体元件，其特征在于，所述封装基板的基体
材料是陶瓷，设有贯通所述封装基板和所述下垫板的多个贯通孔，各个所述贯通孔具有露
出所述基体材料的陶瓷的侧壁。 各个所述贯通孔的接合所述光半导体元件和所述下垫板的一侧的上端部被焊锡 材料堵住。并且，各个所述贯通孔的开口直径为40ym以上lOOym以下，并且，所述多个贯 通孔的开口面积的合计形成为包含被焊锡材料堵住的贯通孔在内的所述下垫板的面积的 50%以下。 并且，本发明的光半导体装置的制造方法的特征在于，该光半导体装置的制造方 法包含以下工序在由陶瓷构成的封装基板的主面上形成由金属构成的下垫板的工序；形 成贯通所述下垫板和所述封装基板的多个贯通孔的工序；在所述下垫板上涂布包含焊锡粉 末和溶剂的焊锡膏的工序；以及隔着所述焊锡膏在所述下垫板上配置光半导体元件并通过 回流焊处理进行接合的工序。 在本发明的光半导体装置中，贯通构成基板的陶瓷基体材料和下垫板而设有通 孔。该通孔作为在回流焊工序中由于焊锡膏中包含的溶剂气化而产生的气体的放出路径而 发挥功能。由此，几乎能够完全消除气体繃沸引起的芯片飞溅的问题。其结果，在回流焊工 序中不需要预热处理，能够大幅縮短回流焊时间。
图1是示出现有的光半导体装置的结构的剖视图。 图2是示出本发明的实施例的光半导体装置的结构的剖视图。 图3是本发明的实施例的陶瓷基板的下垫板形成部的俯视图。 图4是本发明的实施例的光半导体元件的剖视图。 图5是示出本发明的光半导体装置和现有的光半导体装置的回流焊温度曲线的 图表。 图6是本发明的实施例的光半导体装置的通孔形成部的剖视图。 图7是扩大了通孔的开口直径时的比较例的通孔形成部的剖视图。
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图8是示出接合部面积比率和热阻之间的关系的图表。
具体实施例方式
下面，参照
本发明的光半导体装置的实施例。另外，在以下所示的图中， 对实质上相同或等效的结构要素、部分标注相同参照标号。 图2是示出本发明的实施例的光半导体装置的结构的剖视图。图3是构成光半导 体装置的陶瓷基板的下垫板形成部的俯视图。 光半导体装置例如由以下部分构成作为光半导体元件的LED芯片10 ;搭载LED 芯片10的作为封装基板的陶瓷基板20 ;以包围LED芯片10的方式设置在陶瓷基板20上 的反射部件40 ;以及填充由反射部件40所包围的空间并设置成埋设LED芯片10的光透射 性树脂部50。 在陶瓷基板20上设有下垫板22和焊盘24。 LED芯片10搭载于下垫板22上。LED 芯片10和下垫板22的接合使用焊锡材料。例如使用AuSn焊膏30。设于LED芯片表面的 电极通过Au线25与陶瓷基板20上的焊盘24连接。具有圆环状的光反射面的反射部件40 例如由氧化铝(A1203)等细陶瓷构成。反射部件40通过硅酮树脂系粘接剂粘接在陶瓷基板 20表面。在由反射部件40所包围的凹状空间内部，以埋设LED芯片10的方式填充硅酮树 脂等，硬化后形成光透射性树脂部50。由此，保护LED芯片10和Au线25不受尘埃、水分和 振动等的影响。另外，在光透射性树脂部50中，根据发光色也可以适当含有荧光体。
图4是示出LED芯片10的结构的剖视图。LED芯片10例如是InGaN系的光半导 体元件，具有由n-GaN层11、发光层12、p-GaN层13构成的半导体膜的层积结构。在p-GaN 层13的表面设有例如由Ti/Al等构成的p电极14。在n-GaN层11侦U，隔着光反射膜15和 接合金属16接合由Si等构成的导电性支承基板17。在与陶瓷基板20的接合面侧、即导电 性支承体17的表面，设有例如由Ti/Au等构成的n电极18。另外，LED芯片10不限于上述 在对置面配置n电极和p电极的结构，也可以是在p电极的相同侧具有n电极的结构(倒 装片型元件)。该情况下，使用焊锡材料将朝向下表面的两个电极接合在封装基板上与各个 电极对应的布线图案(下垫板)上。 构成陶瓷基板20的基体材料21例如可以使用氧化铝陶瓷(A1203)或氮化铝陶瓷 (A1N)。与玻璃环氧树脂等树脂系的基体材料相比，这些陶瓷的散热性优良，防止LED芯片 发热引起的可靠性降低。 在基体材料21上设有焊盘24，该焊盘24用于连接搭载LED芯片10的下垫板22 和Au线。例如通过依次使鸨、钛、镍、金成膜，来形成下垫板22和焊盘24。如本实施例那 样，在具有背面电极的芯片结构的情况下，在下垫板22和焊盘24上连接有设于陶瓷基板上 的导体布线(未图示)，能够对LED芯片IO进行供电。 如图2和图3所示，在下垫板22的形成部设有贯通陶瓷基板20的多个通孔23。 各个通孔23承担作为在回流焊时由于AuSn焊膏中包含的溶剂气化而产生的气体的放出路 径的作用。在俯视时，各个通孔23例如呈圆形，均一地配置在下垫板22的形成部上。为了 有效地发挥作为气体的放出路径的功能，优选各个通孔23的开口直径设定为大于AuSn焊 膏中包含的焊锡粉末的粒径(16 32iim)。并且，在回流焊后利用焊锡嵌入通孔23的上端 部，由此确保了散热性，所以，优选通孔23的开口直径形成为40 100ym。另外，不需要对通孔23的内壁面实施电镀加工等表面处理，成为直接露出基体材料的陶瓷的状态即可。
陶瓷基板20例如通过以下步骤制作。首先，使用钻孔器、激光器等对陶瓷成形体 实施开孔加工，形成通孔23。然后，在下垫板22和焊盘24的形成部上丝网印刷由钨等高熔 点金属构成的导体焊膏，形成导体印刷图案。接着，同时烧成陶瓷成形体和高熔点金属，形 成烧成体。然后，在导体印刷图案上依次形成由钛、镍、金构成的电镀被膜，由此，陶瓷基板 完成。另外，也可以在下垫板22的印刷后形成通孔23。 在陶瓷基板20的下垫板22上，例如通过分配(Dispense)法来涂布焊锡膏即AuSn 焊膏30。在涂布有AuSn焊膏30的下垫板22上安装LED芯片10。此时，各个通孔23的开 口直径大于AuSn焊膏中包含的焊锡粉末的粒径，所以，由于安装时的按压，剩余的AuSn焊 膏30侵入通孔23内部。由此，即使在AuSn焊膏30的涂布量变多的情况下，也能够防止焊 锡倚上LED芯片10的侧面。因此，AuSn焊膏30的涂布量管理和安装器的按压控制变得容 易。 一般地，焊锡涂布量越多，空隙率(焊锡空隙相对于接合部面积的面积比率)越低。根 据本实施例的光半导体装置，难以产生焊锡的倚上，所以，能够使AuSn焊膏30的涂布量较 多，因此，能够降低空隙率，能够得到良好的散热特性。 安装有LED芯片10的陶瓷基板20被搬入软熔炉。在软熔炉内进行加热处理，从 而使AuSn焊膏30溶融。然后进行冷却，由此，LED芯片10接合在陶瓷基板20上。此时， 由于AuSn焊膏30中包含的溶剂气化而产生的气体经由通孔23放出到外部。此时，各个通 孔23的开口直径大于焊锡粉末的粒径，所以，通孔23的上端面不会被焊锡粒子堵住，有效 地发挥作为气体的放出路径的功能。 这样，由于AuSn焊膏中包含的溶剂气化而产生气体。但是，各个通孔23发挥作为 气体的放出路径的功能，所以，几乎能够完全消除回流焊工序中的芯片飞溅的问题。由此， 在回流焊工序中不需要用于防止芯片飞溅的预热处理，与以往相比，能够大幅縮短回流焊 处理时间。图5用于比较对现有的光半导体装置进行回流焊时的温度曲线(虚线所示)和 对本发明的光半导体装置进行回流焊时的温度曲线(实线所示)。 在下垫板和基板上没有设置通孔的现有的光半导体装置的情况下，为了避免芯片 飞溅，需要如下的预热处理在到达AuSn焊膏的溶融温度(大约300°C )之前，在溶剂的沸 点温度以下(大约20(TC)保持一定时间。AuSn焊膏中包含的溶剂在AuSn溶融前的预热 期间气化而放出到外部。预热处理结束后，升温到AuSn的溶融温度，在该温度下保持一定 时间后进行冷却，由此进行焊锡接合。 另一方面，在下垫板22和基板20上设有多个通孔23的本发明的半导体装置1的 情况下，各个通孔23发挥作为气体排放路径的功能。因此，不需要使溶剂气化的预热处理。 因此，能够成为如下的温度曲线从回流焊处理的最初阶段起，以更急峻的温度梯度(3 40°C /sec)到达AuSn的溶融温度。溶剂在该升温期间到达沸点，但是，气化的溶剂经由通 孔放出到外部，所以不会引起芯片飞溅。然后，在AuSn焊膏的溶融温度下保持5 30秒后 进行冷却，由此进行焊锡接合。 这样，根据本发明的半导体装置1的结构，能够省略预热处理，所以，与以往相比， 能够大幅縮短回流焊处理时间，能够实现生产性的提高。并且，不需要以往那样的阶段性的 加热处理，所以不需要进行严密的温度曲线设定，因此，不使用软熔炉，使用更简便的热板 就能够进行回流焊处理。并且，本实施例的光半导体装置使用热传导性高的陶瓷基板20，所
6以，与树脂系基板相比，能够縮短回流焊时间。 并且，通常在回流焊工序中，使焊锡长时间暴露于高温中，由于焊锡的氧化反应而产生水蒸气，该水蒸气残留在焊锡内部。该水蒸气成为焊锡空隙的原因。与此相对，在本实施例中，通过使用热传导率高的陶瓷基板20，从而能够使焊锡接合部的温度梯度急峻。通过基于该温度控制的工序，焊锡在氧化前溶融。并且，所产生的水蒸气经由通孔23放出，所以，更有效地防止了焊锡空隙的产生。 图6是回流焊处理后的半导体装置1的通孔形成部的放大剖视图。如上所述，通孔23的内壁面成为直接露出基体材料21的陶瓷的状态。与金属材料相比，陶瓷的表面能量小，焊锡浸润性极低。因此，在LED芯片10的安装时，即使AuSn焊膏30侵入通孔23内部，在回流焊时焊锡向浸润性高的下垫板22扩大浸润，所以焊锡不会附着在通孔23的内壁上。因此，能够防止AuSn焊膏通过通孔23流出。如果流出，则LED芯片10和下垫板22的接合面的焊锡量减少，散热性恶化。通孔23的内壁面直接露出基体材料21的陶瓷，由此还能够防止该散热性的恶化。 并且，各个通孔23的开口直径形成为100iim以下，但是，如上所述AuSn焊锡不会从通孔23内部流出。因此，通孔23的上端部被AuSn焊锡覆盖。即，在通孔23的上端部，相邻的焊锡彼此融合而形成焊锡桥。因此，与通孔23的形成部分对应地，不形成未涂布焊锡的区域(即焊锡空隙)。因此，在通孔形成部中，也能够使LED芯片IOO发出的热经由图6中箭头所示的散热路径向陶瓷基板20散热。 这样，通过使通孔23的开口直径为100iim以下，能够防止在通孔形成部中产生焊锡空隙，能够将对散热性的影响抑制在最小限度。 图7示出使各通孔23的开口直径为100iim以上的比较例的半导体装置的通孔形成部的放大剖视图。该情况下，开口直径过大，所以难以在通孔23的上端部形成焊锡桥。于是，与通孔23的形成部对应地形成焊锡空隙(图7的焊膏30中所示的空间)，无法确保图6所示的本发明的实施例的散热路径，散热性恶化。 图8示出在基板中使用不形成通孔的陶瓷基板的各种样品中的、焊锡接合部的面积相对于光半导体元件的底面面积的比率(以下记为接合部面积比率)和热阻之间的关系。在本样品中，下垫板面积与光半导体元件的底面积相同。由于产生焊锡空隙，接合部面积比率变低。 如图表所示，特别地，在接合部面积比率为50%以下时，热阻急剧上升，散热性恶化。 因此，优选对通孔整体的开口面积的合计、与隔着焊锡材料接合下垫板和光半导体元件的区域(包含贯通孔部分。以下为接合区域)的面积之间的关系进行控制。在本发明中，优选通孔的开口面积为接合区域面积的50%以下。8卩，优选为作为接合区域的下垫板面积(包含贯通孔部分的仅为外形的面积)或光半导体元件底面积中某一个较小的面积的50%以下。 上述实施例的LED芯片在上表面和背面形成成对的电极，隔着下垫板进行LED芯片的供电，但是，本发明不限于这些结构。即，也可以使用仅在LED芯片上表面设有成对的电极的LED芯片(倒装片型)，该情况下，使用多个焊盘和导电线进行LED芯片的供电，而不
隔着下垫板。
由以上说明可知，根据本发明的光半导体装置，在陶瓷基板上的下垫板形成部设有通 L。该通孔作为在回流焊工序中由于焊锡膏中包含的溶剂气化而产生的气体的放出路径而发挥功能。由此，几乎能够完全消除芯片飞溅的问题。其结果，在回流焊工序中不需要预热处理，能够大幅縮短回流焊时间。并且，通过使通孔的开口直径为40iim以下100 iim以下，能够有效地发挥作为气体排放路径的功能，并且，在通孔的形成部中确保了焊锡接合区域，能够将对散热性的影响抑制在最小限度。并且，通过使通孔相对于光半导体元件和下垫板的接合区域的占有率为50%以下，几乎能够消除对散热性的影响。
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权利要求
一种光半导体装置，其特征在于，该光半导体装置包含由陶瓷构成的封装基板，其在主面上具有由金属构成的下垫板，并具有贯通下垫板和基体材料的多个贯通孔，各个所述贯通孔具有露出所述基体材料的陶瓷的侧壁；以及光半导体元件，其隔着焊锡材料接合在所述下垫板上。
2. 根据权利要求l所述的光半导体装置，其特征在于，各个所述贯通孔的接合所述光半导体元件和所述下垫板的一侧的上端部被所述焊锡 材料堵住。
3. 根据权利要求1或2所述的光半导体装置，其特征在于，各个所述贯通孔的开口直径为40 m以上100 m以下，并且，所述多个贯通孔的开口 面积的合计为包含被焊锡材料堵住的贯通孔在内的所述光半导体元件和所述下垫板的接 合区域的面积的50%以下。
4. 一种光半导体装置的制造方法，其特征在于，该光半导体装置的制造方法包含以下 工序在由陶瓷构成的封装基板的主面上形成由金属构成的下垫板的工序； 形成贯通所述下垫板和所述封装基板的多个贯通孔的工序； 在所述下垫板上涂布包含焊锡粉末和溶剂的焊锡膏的工序；以及隔着所述焊锡膏在所述下垫板上配置光半导体元件并通过回流焊处理进行接合的工序。
5. 根据权利要求4所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于， 各个所述贯通孔的接合所述光半导体元件和所述下垫板的一侧的上端部被所述焊锡材料堵住。
6. 根据权利要求4或5所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于， 各个所述贯通孔的开口直径为40 m以上100 m以下，并且，所述多个贯通孔的开口面积的合计为包含被焊锡材料堵住的贯通孔在内的所述光半导体元件和所述下垫板的接 合区域的面积的50%以下。
全文摘要
本发明提供使用焊锡膏在封装基板上装配光半导体元件而构成的光半导体装置。光半导体装置包含在主面上具有下垫板的封装基板、以及与下垫板焊锡接合的光半导体元件。封装基板的基体材料使用陶瓷。基板设有贯通其基体材料和下垫板的多个贯通孔。各个贯通孔具有露出基体材料的陶瓷的侧壁。各个贯通孔的开口直径为40μm以上100μm以下，并且，多个贯通孔的开口面积的合计为包含被焊锡材料堵住的贯通孔在内的光半导体元件和下垫板的接合区域的面积的50％以下。各个贯通孔的形成有光半导体元件和下垫板的接合部的一侧的上端部被焊锡材料堵住。在回流焊处理中，焊锡膏中包含的溶剂漰沸而使光半导体元件飞溅。上述光半导体装置能够防止这种情况。
文档编号H01L33/48GK101740709SQ20091022186
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者近藤亮介, 酒井隆照 申请人:斯坦雷电气株式会社