特許 6294417 光半導体装置および光半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6294417

(24)【登録日】2018年2月23日

(45)【発行日】2018年3月14日

(54)【発明の名称】光半導体装置および光半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/52 20100101AFI20180305BHJP

   H01L 23/02 20060101ALI20180305BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/52

   H01L23/02 C

【請求項の数】12

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-171230(P2016-171230)

(22)【出願日】2016年9月1日

(65)【公開番号】特開2018-37581(P2018-37581A)

(43)【公開日】2018年3月8日

【審査請求日】2017年5月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】一ノ倉 啓慈

(72)【発明者】

【氏名】石黒 永孝

(72)【発明者】

【氏名】浦 健太

【審査官】 吉野 三寛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０１８８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２１７６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０２−１２５３４５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／００１４７１１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

Ｈ０１Ｌ ２３／０２−２３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上面に開口する凹部を有するパッケージ基板と、
前記凹部に収容される光半導体素子と、
前記凹部の開口を覆うように配置される窓部材と、
前記パッケージ基板と前記窓部材の間を封止する封止構造と、を備え、
前記封止構造は、前記パッケージ基板の上面に枠状に設けられる第１金属層と、前記窓部材の内面に枠状に設けられる第２金属層と、前記第１金属層と前記第２金属層の間に設けられる金属接合部とを有し、
前記パッケージ基板と前記窓部材とが重なる方向の平面視において、前記窓部材の外形寸法は、前記パッケージ基板の外形寸法より小さく、前記第１金属層と前記第２金属層の外形寸法差は、前記窓部材と前記パッケージ基板の外形寸法差よりも大きく、前記パッケージ基板の外周よりも内側に前記窓部材が配置され、
前記封止構造は、前記第１金属層および前記第２金属層の一方が設けられる領域内に前記第１金属層および前記第２金属層の他方の全体が位置するよう構成されることを特徴とする光半導体装置。

【請求項2】

前記第１金属層の外形寸法は、前記窓部材の外形寸法よりも小さく、前記窓部材と前記第１金属層の外形寸法差は、前記窓部材と前記パッケージ基板の外形寸法差よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。

【請求項3】

前記封止構造は、前記第１金属層が設けられる領域内に前記第２金属層の全体が位置し、前記第２金属層を挟んだ両側に前記金属接合部が位置するよう構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。

【請求項4】

前記第１金属層の外形寸法は前記第２金属層の外形寸法より大きく、前記第１金属層の内形寸法は前記第２金属層の内形寸法より小さく、前記第１金属層と前記第２金属層の内形寸法差は前記第１金属層と前記第２金属層の外形寸法差より大きいことを特徴とする請求項３に記載の光半導体装置。

【請求項5】

前記第１金属層の外形寸法と内形寸法の差は、前記第２金属層の外形寸法と内形寸法の差の２倍以上であることを特徴とする請求項３または４に記載の光半導体装置。

【請求項6】

前記窓部材は、前記パッケージ基板よりも熱膨張係数の小さい材料で構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光半導体装置。

【請求項7】

前記光半導体素子は深紫外光を発する発光素子であり、前記窓部材は石英ガラスで構成され、前記金属接合部は金錫（ＡｕＳｎ）を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光半導体装置。

【請求項8】

上面に開口する凹部を有するパッケージ基板であって前記上面に枠状の第１金属層が設けられるパッケージ基板の前記凹部に光半導体素子を収容するステップと、
内面に枠状の第２金属層が設けられる窓部材を前記凹部の開口を覆うように配置するステップと、
前記第１金属層と前記第２金属層の間に配置される金属接合材を加熱して前記パッケージ基板と前記窓部材の間を封止するステップと、を備え、
前記パッケージ基板と前記窓部材とが重なる方向の平面視において、前記窓部材の外形寸法は、前記パッケージ基板の外形寸法より小さく、前記第１金属層と前記第２金属層の外形寸法差は、前記窓部材と前記パッケージ基板の外形寸法差よりも大きく、
前記配置するステップは、前記パッケージ基板と前記窓部材とが重なる方向の平面視において、前記パッケージ基板の外周よりも内側に前記窓部材を配置することにより、前記第１金属層および前記第２金属層の一方が設けられる領域内に前記第１金属層および前記第２金属層の他方の全体が位置するよう位置合わせすることを特徴とする光半導体装置の製造方法。

【請求項9】

前記封止するステップは、前記パッケージ基板と前記窓部材の間で荷重を加えながら前記金属接合材を加熱するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の光半導体装置の製造方法。

【請求項10】

前記封止するステップは、前記金属接合材の加熱後に前記パッケージ基板と前記窓部材の間で荷重を加えながら前記金属接合材を冷却するステップを含むことを特徴とする請求項８または９に記載の光半導体装置の製造方法。

【請求項11】

前記金属接合材は、前記第１金属層または前記第２金属層に対応した枠形状を有する金錫（ＡｕＳｎ）の金属板であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の光半導体装置の製造方法。

【請求項12】

前記金属接合材は、１０μ以上５０μｍ以下の厚さであることを特徴とする請求項１１に記載の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、光半導体装置に関し、特に、光半導体素子を有する光半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、青色光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子が実用化されており、さらに波長の短い深紫外光を出力する発光素子の開発が進められている。深紫外光は高い殺菌能力を有することから、深紫外光の出力が可能な半導体発光素子は、医療や食品加工の現場における水銀フリーの殺菌用光源として注目されている。また、出力波長を問わず、より発光強度の高い半導体発光素子の開発が進められている。

【0003】

発光素子は、外部環境から素子を保護するためのパッケージ内に収容される。例えば、発光素子が実装される基板と、その基板上に配置されるガラス蓋とを共晶接合することで発光素子が封止される。このとき、基板およびガラス蓋の材料として線膨張係数ができるだけ近似した材料が選定される（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−６９９７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

発光素子を収容するパッケージの窓部材は、発光波長の透過率が高い材料であることが好ましいが、発光素子の発光波長によっては選択可能な窓部材の材料が限られてしまう。その結果、共晶接合するパッケージ基板と窓部材の熱膨張係数を近似させることが難しいかもしれない。パッケージ基板および窓部材に熱膨張係数の異なる材料を用いる場合であっても信頼性の高い封止構造が得られることが望ましい。

【0006】

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、光半導体素子を有する光半導体装置の信頼性を高める技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明のある態様の光半導体装置は、上面に開口する凹部を有するパッケージ基板と、凹部に収容される光半導体素子と、凹部の開口を覆うように配置される窓部材と、パッケージ基板と窓部材の間を封止する封止構造と、を備える。封止構造は、パッケージ基板の上面に枠状に設けられる第１金属層と、窓部材の内面に枠状に設けられる第２金属層と、第１金属層と第２金属層の間に設けられる金属接合部とを有し、第１金属層および第２金属層の一方が設けられる領域内に第１金属層および第２金属層の他方の全体が位置するよう構成される。

【0008】

この態様によると、相対的に広い一方の金属層の領域内に相対的に狭い他方の金属層の全体が位置するよう構成されるため、一方の金属層と他方の金属層がずれて配置される場合と比べて双方の金属層が重なる範囲を大きくできる。これにより、双方の金属層が重畳して接合される範囲を大きくして封止性を高めることができる。また、双方の金属層が重なる範囲を大きくすることで、いずれかの金属層に沿って金属接合部が薄くフィレット状に形成される範囲を小さくできる。これにより、熱膨張係数の差に起因する応力が薄いフィレットに集中して窓部材に割れや欠けが生じるのを防ぐことができる。

【0009】

封止構造は、第１金属層が設けられる領域内に第２金属層の全体が位置するよう構成されてもよい。

【0010】

封止構造は、第２金属層を挟んだ両側に金属接合部が位置するよう構成されてもよい。

【0011】

第１金属層の外形寸法は第２金属層の外形寸法より大きく、第１金属層の内形寸法は第２金属層の内形寸法より小さく、第１金属層と第２金属層の内形寸法差は第１金属層と第２金属層の外形寸法差より大きい。

【0012】

第１金属層の外形寸法と内形寸法の差は、第２金属層の外形寸法と内形寸法の差の２倍以上であってもよい。

【0013】

窓部材は、パッケージ基板よりも熱膨張係数の小さい材料で構成されてもよい。

【0014】

光半導体素子は深紫外光を発する発光素子であり、窓部材は石英ガラスで構成され、金属接合部は金錫（ＡｕＳｎ）を含んでもよい。

【0015】

本発明の別の態様は、光半導体装置の製造方法である。この方法は、上面に開口する凹部を有するパッケージ基板であって上面に枠状の第１金属層が設けられるパッケージ基板の凹部に光半導体素子を収容するステップと、内面に枠状の第２金属層が設けられる窓部材を凹部の開口を覆うように配置するステップと、第１金属層と第２金属層の間に配置される金属接合材を加熱してパッケージ基板と窓部材の間を封止するステップと、を備える。配置するステップは、第１金属層および第２金属層の一方が設けられる領域内に第１金属層および第２金属層の他方の全体が位置するよう位置合わせするステップを含む。

【0016】

この態様によると、相対的に広い一方の金属層の領域内に相対的に狭い他方の金属層の全体が位置するよう位置合わせされるため、一方の金属層と他方の金属層がずれて配置される場合と比べて双方の金属層が重なる範囲を大きくできる。これにより、双方の金属層が重畳して接合される範囲を大きくして封止性を高めることができる。また、双方の金属層が重なる範囲を大きくすることで、いずれかの金属層に沿って金属接合部が薄くフィレット状に形成される範囲を小さくできる。これにより、熱膨張係数の差に起因する応力が薄いフィレットに集中して窓部材に割れや欠けが生じるのを防ぐことができる。

【0017】

封止するステップは、パッケージ基板と窓部材の間で荷重を加えながら金属接合材を加熱するステップを含んでもよい。

【0018】

封止するステップは、金属接合材の加熱後にパッケージ基板と窓部材の間で荷重を加えながら金属接合材を冷却するステップを含んでもよい。

【0019】

金属接合材は、第１金属層または第２金属層に対応した枠形状を有する金錫（ＡｕＳｎ）の金属板であってもよい。

【0020】

金属接合材は、１０μ以上５０μｍ以下の厚さであってもよい。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、光半導体素子を有する光半導体装置の信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】実施の形態に係る発光装置を概略的に示す断面図である。

【図2】図１の発光装置を概略的に示す上面図である。

【図3】実施の形態に係る発光装置の製造方法を示すフローチャートである。

【図4】発光装置の製造工程を概略的に示す断面図である。

【図5】比較例に係る発光装置の封止構造を概略的に示す断面図である。

【図6】実施の形態に係る発光装置の封止構造を概略的に示す断面図である。

【図7】変形例に係る発光装置を概略的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は必ずしも実際の装置の寸法比と一致しない。

【0024】

図１は、実施の形態に係る発光装置１０を概略的に示す断面図であり、図２は、図１の発光装置１０を概略的に示す上面図である。発光装置１０は、発光素子２０と、パッケージ基板３０と、窓部材４０と、封止構造５０とを備える。発光装置１０は、光半導体素子である発光素子２０を有する光半導体装置である。

【0025】

発光素子２０は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、発光素子２０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長λが約２４０ｎｍ〜３５０ｎｍの深紫外光を発する場合について示す。

【0026】

発光素子２０は、半導体積層構造２２と、光出射面２４と、第１素子電極２６と、第２素子電極２７とを有する。

【0027】

半導体積層構造２２は、光出射面２４となる基板上に積層されるテンプレート層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層などを含む。発光素子２０が深紫外光を出力するように構成される場合、光出射面２４となる基板としてサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板が用いられ、半導体積層構造２２のテンプレート層として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層が用いられる。また、半導体積層構造２２のクラッド層や活性層はＡｌＧａＮ系半導体材料で構成される。

【0028】

第１素子電極２６および第２素子電極２７は、半導体積層構造２２の活性層にキャリアを供給するための電極であり、それぞれがアノード電極またはカソード電極である。第１素子電極２６および第２素子電極２７は、光出射面２４と反対側に設けられる。第１素子電極２６は、基板３０の第１内側電極３６に取り付けられ、第２素子電極２７は、基板３０の第２内側電極３７に取り付けられる。

【0029】

パッケージ基板３０は、上面３１と下面３２を有する矩形状の部材である。パッケージ基板３０は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを含むセラミック基板であり、いわゆる高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ、High Temperature Co-fired Ceramic）である。

【0030】

パッケージ基板３０の上面３１には、発光素子２０を収容するための凹部３４が設けられる。凹部３４の底面には、発光素子２０を取り付けるための第１内側電極３６および第２内側電極３７が設けられる。パッケージ基板３０の下面３２には、発光装置１０を外部基板などに実装するための第１外側電極３８および第２外側電極３９が設けられる。

【0031】

窓部材４０は、凹部３４の開口を覆うように設けられる板状の保護部材である。窓部材４０は、発光素子２０が発する紫外光を透過する材料で構成され、例えば、ガラス、石英、水晶、サファイアなどを用いることができる。窓部材４０は、特に深紫外光の透過率が高く、耐熱性および気密性の高い材料で構成されることが好ましく、パッケージ基板３０に比べて熱膨張係数の小さい材料で構成されることが好ましい。このような特性を備える材料として、石英ガラスを窓部材４０に用いることが望ましい。発光素子２０が発する紫外光は、窓部材４０を介して窓部材４０の外面４３からパッケージの外部へと出力される。

【0032】

封止構造５０は、第１金属層５１と、第２金属層５２と、金属接合部５３とを有する。

【0033】

第１金属層５１は、パッケージ基板３０の上面３１に枠状に設けられる。第１金属層５１は、矩形のパッケージ基板３０に対応した矩形枠形状を有し、四隅がＲ面取りされている。第１金属層５１は、例えばセラミック基板へのメタライズ処理により形成される。第１金属層５１は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等を含む基材にニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等がメッキされて形成され、例えば、Ｗ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造を有する。第１金属層５１は、金属接合部５３と接合される。

【0034】

第２金属層５２は、窓部材４０の内面４４に枠状に設けられる。第２金属層５２は、矩形の窓部材４０に対応した矩形枠形状を有し、四隅がＲ面取りされている。第２金属層５２は、真空蒸着やスパッタリングなどの方法により形成される。第２金属層５２は、窓部材４０の内面４４上にチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）が順に積層される多層膜である。なお、チタンの代わりにクロム（Ｃｒ）を用いてもよいし、白金（Ｐｔ）の代わりに銅（Ｃｕ）およびニッケル（Ｎｉ）を用いてもよい。第２金属層５２は、金属接合部５３と接合される。

【0035】

金属接合部５３は、第１金属層５１と第２金属層５２の間に設けられ、パッケージの外周部においてパッケージ基板３０と窓部材４０の間を接合して封止する。金属接合部５３は、第１金属層５１と第２金属層５２の間を充填するとともに、第２金属層５２を挟んだ両側（パッケージの内側および外側の双方）に位置するよう構成される。金属接合部５３は、低融点の金属材料で構成され、例えば金錫（ＡｕＳｎ）や銀錫（ＡｇＳｎ）の合金を含む。金属接合部５３は、溶融状態において第１金属層５１と第２金属層５２の間に広がって共晶接合を形成する。金属接合部５３は、高い封止信頼性を有するとともに溶融温度が３００℃以下の低温となるように、錫（Ｓｎ）の含有量が２０％ｗｔ〜２４％ｗｔの金錫で構成されることが好ましい。

【0036】

封止構造５０は、第１金属層５１の上に第２金属層５２の全体が重なるよう構成され、第１金属層５１が設けられる領域内に第２金属層５２の全体が位置するよう構成されている。つまり、第１金属層５１が設けられていない領域上に第２金属層５２が位置しないように構成され、第１金属層５１と第２金属層５２がずれて配置されていない。具体的には、第１金属層５１および第２金属層５２のそれぞれの外形寸法および内形寸法が下記に詳述されるような所定のサイズに調整される。

【0037】

図２は、第１金属層５１および第２金属層５２の寸法を概略的に示す。図示されるように、第１金属層５１の外形寸法ｗ_１１は、第２金属層５２の外形寸法ｗ_２１よりも大きく、第１金属層５１の内形寸法ｗ_１２は、第２金属層５２の内形寸法ｗ_２２よりも小さい。したがって、第１金属層５１の外形寸法ｗ_１１と内形寸法ｗ_１２の差に対応する幅ｗ_１３は、第２金属層５２の外形寸法ｗ_２１と内形寸法ｗ_２２の差に対応する幅ｗ_２３よりも大きい。また、第１金属層５１の幅ｗ_１３は、第２金属層５２の幅ｗ_２３の２倍以上となるよう構成されている。

【0038】

ある実施例において、パッケージ基板３０の外形寸法ｗ_１０は３．５ｍｍであり、第１金属層５１の外形寸法ｗ_１１は３．２ｍｍであり、第１金属層５１の内形寸法ｗ_１２は２．３ｍｍであり、第１金属層５１の幅ｗ_１３は０．４５ｍｍである。また、窓部材４０の外形寸法ｗ_２０は３．４ｍｍであり、第２金属層５２の外形寸法ｗ_２１は３．０ｍｍであり、第２金属層５２の内形寸法ｗ_２２は２．６ｍｍであり、第２金属層５２の幅ｗ_２３は０．２ｍｍである。この実施例において、第１金属層５１と第２金属層５２の内形寸法差（０．３ｍｍ）は、第１金属層５１と第２金属層５２の外形寸法差（０．２ｍｍ）より大きい。

【0039】

つづいて、発光装置１０の製造方法について説明する。
図３は、実施の形態に係る発光装置１０の製造方法を示すフローチャートである。パッケージ基板３０の凹部３４に発光素子２０を収容し（Ｓ１０）、パッケージ基板３０の第１金属層５１と窓部材４０の第２金属層５２を位置合わせして第１金属層５１と第２金属層５２の間に金属接合材５６（後述の図４参照）が配置されるようにする（Ｓ１２）。つづいて、パッケージ基板３０と窓部材４０の間で荷重をかけながら金属接合材を加熱して溶融状態とする（Ｓ１４）。その後、パッケージ基板３０と窓部材４０の間で荷重をかけながら金属接合部５３を冷却して固化させる（Ｓ１６）。

【0040】

図４は、発光装置１０の製造工程を概略的に示す断面図であり、金属接合材５６を配置してパッケージ基板３０および窓部材４０を位置合わせする工程を示している。パッケージ基板３０および窓部材４０は、第１金属層５１の領域上に第２金属層５２が全体が位置するように位置合わせされる。例えば、パッケージ基板３０と窓部材４０の中心位置が揃うように位置合わせすることにより第１金属層５１の上に第２金属層５２の全体を配置することができる。その他、パッケージ基板３０の四隅のいずれかと窓部材４０の四隅のいずれかが揃うように位置合わせしてもよい。この場合、上述した寸法の実施例によれば、パッケージ基板３０と窓部材４０の中心位置が±５０μｍの範囲でずれてしまうが、そのずれがあったとしても、第１金属層５１の上に第２金属層５２の全体が位置するように配置することができる。

【0041】

位置合わせされた第１金属層５１と第２金属層５２の間には金属接合材５６が配置される。金属接合材５６は、第２金属層５２に対応した矩形枠形状を有する金錫のプリフォームである。金属接合材５６は、例えば、第２金属層５２と同じ外形寸法および内形寸法を有する。金属接合材５６は、第１金属層５１または第２金属層５２にあらかじめ仮止めされていてもよい。金属接合材５６の厚さは１０〜５０μｍ程度であり、好ましくは１５〜３０μｍ程度である。このような形状および厚さのプリフォームを用いて荷重６０をかけながら封止することで、厚さが５〜２０μｍ程度の金属接合部５３を形成することができる。なお、封止時に加える荷重６０は５０ｇ以上であり、好ましくは１００ｇ以上、より好ましくは２００ｇ以上である。

【0042】

金属接合材５６を加熱溶融させる工程は、窒素（Ｎ_２）などの不活性ガスの雰囲気下でなされることが好ましい。これにより、溶融状態となった金錫プリフォームの酸化を防ぐとともに、パッケージの内部に不活性ガスを充填できる。しかしながら、本実施の形態に係る加熱溶融工程は、酸素（Ｏ_２）を含む乾燥空気の雰囲気下でなされてもよい。荷重をかけながら金錫プリフォームを加熱溶融させることで、第１金属層５１と第２金属層５２の間での金属接合材５６の酸化を防ぎつつ封止することが可能となる。

【0043】

つづいて、本実施の形態が奏する効果について比較例を参照しながら説明する。
図５は、比較例に係る封止構造１５０を概略的に示す断面図である。本比較例は、窓部材４０の第２金属層５２が上述の実施の形態と同様に構成される一方、パッケージ基板３０の第１金属層１５１の外形寸法ｗ_４１が上述の実施の形態より小さくなるよう構成されている。具体的には、第１金属層１５１の外形寸法ｗ_４１が第２金属層５２の外形寸法ｗ_２１とほぼ等しい。第１金属層１５１の内形寸法ｗ_４２は上述の実施の形態と同様であるため、第１金属層１５１の幅ｗ_４３は上述の実施の形態よりも小さい。

【0044】

比較例において、精度良くパッケージ基板１３０と窓部材４０を位置合わせすることができれば、第１金属層１５１の上に第２金属層５２の全体が位置するようにできるかもしれない。しかしながら、製造時の寸法誤差や位置合わせの精度等により微妙な位置ずれが生じることがあり、その結果、図５に示されるように第１金属層１５１と第２金属層５２が互いに部分的に重畳するような形態でずれて配置されうる。例えば、パッケージ基板１３０と窓部材４０の端面が揃う（図示される寸法ｄ＝０となる）ように配置されると、第１金属層１５１の範囲の外側に第２金属層５２がはみ出してしまう。

【0045】

このようにずれた状態で第１金属層１５１と第２金属層５２の間を接合すると、第１フィレット１５３ａおよび第２フィレット１５３ｂを含む金属接合部１５３が形成される。第１フィレット１５３ａは、第１金属層１５１の上に形成されるフィレットであり、第１金属層１５１と第２金属層５２が重畳する範囲よりも内側に形成される。第２フィレット１５３ｂは、第２金属層５２の上に形成されるフィレットであり、第１金属層１５１と第２金属層５２が重畳する範囲よりも外側に形成される。このような第１フィレット１５３ａおよび第２フィレット１５３ｂは、第１金属層１５１と第２金属層５２のずれが大きくなるほど、その幅が大きくなり厚さが薄くなる。また、パッケージ基板１３０と窓部材４０の間に適切な荷重をかけずに封止すると、フィレット形状を適切に制御できないためにフィレットの幅が増大しうる。

【0046】

このように金属接合部が薄くフィレット状に形成されると、その箇所が剥がれの起点となって封止性が損なわれることが発明者らの知見により分かっている。特に、窓部材４０の第２金属層５２に沿って形成される第２フィレット１５３ｂの幅が大きくなると、第２フィレット１５３ｂが形成される箇所を起点として窓部材４０に亀裂が生じやすくなることが分かっている。したがって、本比較例に示すように、第１金属層１５１と第２金属層５２の間に位置ずれが生じると気密封止を保つことができず、パッケージの信頼性が低下してしまう。

【0047】

図６は、実施の形態に係る封止構造５０を概略的に示す断面図である。本図では、パッケージ基板３０と窓部材４０の端面が揃う（図示される寸法ｄ＝０となる）ように配置され、パッケージ基板３０と窓部材４０の中心位置がずれている場合を示している。本実施の形態によれば、第１金属層５１の外形寸法ｗ_１１が第２金属層５２の外形寸法ｗ_２１よりも大きいため、製造時の寸法誤差や位置合わせの精度等による位置ずれを吸収し、第１金属層５１が設けられる範囲内に第２金属層５２の全体を位置させることができる。その結果、双方の金属層が重畳して接合される範囲を最大化することができる。また、封止時に荷重をかけることにより第１金属層５１と第２金属層５２の間に形成される金属接合部５３の形状を適切に制御し、比較例に示すような薄いフィレットの形成を抑制できる。本実施の形態によれば、薄いフィレットに起因する窓部材４０の亀裂の発生を防ぐとともに、双方の金属層を重畳させて強固に接合できるため、気密封止を好適に保つことができる。

【0048】

本実施の形態によれば、パッケージ基板３０と窓部材４０の熱膨張係数が異なる場合であっても良好な気密性を維持できる。例えば、パッケージ基板３０として窒化アルミニウム（熱膨張係数：４．６×１０^−６／℃）を使用し、窓部材４０として石英ガラス（線膨張係数：０．６×１０^−６／℃）を使用し、２０００回の温度サイクル試験（−４０℃／８５℃）を実施したところ、窓部材４０の割れや剥離はみられなかった。石英ガラスは、ＡｌＮやＡｌ_２Ｏ_３などのセラミック材料より熱膨張係数が小さいため、金属接合材を加熱溶融した後に冷却される過程においてパッケージ基板３０から圧縮応力を受けることとなる。一般にガラスは圧縮応力に強い特性を有するため、熱膨張係数の小さい石英ガラスを用いることにより、割れや剥離に対して強いパッケージ構造を実現できる。

【0049】

本実施の形態によれば、第１金属層５１と第２金属層５２の外形寸法差（例えば０．２ｍｍ）に対し、第１金属層５１と第２金属層５２の内形寸法差（例えば０．３ｍｍ）を大きくすることで、金属接合部５３の内形側のフィレット形状を再現性よく形成できる。パッケージ基板３０の上面３１および第１金属層５１は、製造上の都合等により平坦性が低い場合があり、場所に応じて微細な凹凸が生じていることがある。その結果、凹凸の形成位置によっては、溶融状態の金属接合材５６がパッケージの内側に流れ込みやすい場所や、パッケージの外側に流れ込みやすい場所が生じることがある。そうすると、パッケージ基板３０の上面３１の全周にわたって適切なフィレット形状を再現できなくなるかもしれない。本実施の形態では、第１金属層５１と第２金属層５２の内形寸法差を大きくすることで、溶融状態の金属接合材が相対的に内側に流れ込みやすくなるようにできる。これにより、パッケージの内側に適切なフィレット形状が形成されるようにして、封止性の高いパッケージ構造を実現することができる。

【0050】

図７は、変形例に係る発光装置２１０の構成を概略的に示す断面図である。本変形例は、パッケージ基板３０に設けられる第１金属層２５１よりも窓部材４０に設けられる第２金属層２５２が大きくなるよう形成される点で上述の実施の形態と相違する。つまり、本変形例では、第２金属層２５２が設けられる領域内に第１金属層２５１の全体が位置するように構成される。以下、発光装置２１０について上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【0051】

発光装置２１０は、発光素子２０と、パッケージ基板３０と、窓部材４０と、封止構造２５０とを備える。封止構造２５０は、第１金属層２５１と、第２金属層２５２と、金属接合部２５３とを有する。

【0052】

第１金属層２５１は、例えば、上述の実施の形態に係る第２金属層５２と同等の形状および寸法を有するように形成され、第２金属層２５２は、例えば、上述の実施の形態に係る第１金属層５１と同様の形状および寸法を有するように形成される。第１金属層２５１の外形寸法は、第２金属層２５２の外形寸法より小さく、第１金属層２５１の内形寸法は、第２金属層２５２の内形寸法より大きい。また、第２金属層２５２の幅は、第１金属層２５１の幅の２倍以上となるよう構成される。本変形例においても、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができるため、パッケージ内の気密封止を好適に保つことができる。

【0053】

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

【0054】

上述の実施の形態および変形例では、発光装置のパッケージ内に発光素子のみを含める場合を示した。さらなる変形例においては、付加的な機能を持たせるために発光素子以外の電子部品をパッケージ内に組み込むこととしてもよい。例えば、電気的サージから発光素子を保護するためのツェナーダイオードを筐体内に組み込むこととしてもよい。また、発光素子が出力する光の波長を変換するための蛍光体を組み込んでもよいし、発光素子が発する光の配向を制御するための光学素子を組み込んでもよい。

【0055】

上述の実施の形態および変形例では、半導体発光素子をパッケージ内に封止した発光装置について示した。さらなる変形例においては、受光素子を封止するために上述の封止構造を用いてもよい。例えば、深紫外光を受光するための受光素子の封止に上述のパッケージ構造を用いてもよい。つまり、上記パッケージを光半導体素子の封止に用いてもよい。

【符号の説明】

【0056】

１０…発光装置、２０…発光素子、３０…パッケージ基板、３１…上面、３４…凹部、４０…窓部材、４４…内面、５０…封止構造、５１…第１金属層、５２…第２金属層、５３…金属接合部、５６…金属接合材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】