專利名稱：發(fā)光元件安裝用構(gòu)件以及使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光元件安裝用構(gòu)件以及使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置。更具體而言，本發(fā)明涉及用于安裝發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光等的發(fā)光安裝元件(a light-emitting mounting element)以及使用該元件的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
日本公開專利出版編號2002-232017描述了用于安裝半導(dǎo)體發(fā)光元件的傳統(tǒng)構(gòu)件的實例。
在該出版物中描述的半導(dǎo)體安裝構(gòu)件中，圍繞著發(fā)光元件的基材和陶瓷窗口框架是由主要組分為氧化鋁、氮化鋁等的陶瓷形成的。
最近幾年，隨著發(fā)光元件輸出量的增加，由半導(dǎo)體發(fā)光元件產(chǎn)生的熱也增加。當作為主要組分為氧化鋁的陶瓷用于基材和窗口框架時，不可能有充分散熱，因而導(dǎo)致溫度增加。
此外，如果是使用具有高導(dǎo)熱系數(shù)的氮化鋁，則該原料更昂貴，并且比氧化鋁難于加工。此外，如果表面上形成金屬化層，則通常必需首先形成含有W或Mo的金屬化層。在這種情況下，所使用的方法是含有W或Mo(作為其主要組分)的金屬膏狀物首先施用到生板(green sheet)上，然后與主要氮化鋁陶瓷單元一起燒結(jié)(共燒結(jié)金屬化)。然而，使用這種方法，在燒結(jié)過程中要發(fā)生熱變形等，因而難于精確形成帶有精細圖案的金屬化層，例如小于100μm的金屬化層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述問題，并提供發(fā)光元件安裝用構(gòu)件和使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置，所述構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)高，并且易于加工。
本發(fā)明人對能充分消散半導(dǎo)體發(fā)光元件產(chǎn)生的熱并且易于加工的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件進行了各種研究。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過使用由于在反射構(gòu)件內(nèi)含有金屬而具有高導(dǎo)熱系數(shù)的安裝構(gòu)件，能夠獲得優(yōu)選性質(zhì)。
為了獲得上述目的，根據(jù)本發(fā)明發(fā)光元件安裝用構(gòu)件包括基材，其包括安裝半導(dǎo)體發(fā)光元件的元件安裝表面以及安置在元件安裝表面上并與半導(dǎo)體發(fā)光元件連接的第一和第二導(dǎo)電區(qū)域；反射構(gòu)件，包括限定用于容納半導(dǎo)體發(fā)光元件的內(nèi)部空間的反射表面并且含有安置在元件安裝表面上的金屬；以及安置在反射表面上的金屬層。反射表面相對于元件安裝表面是傾斜的，因而內(nèi)部空間的直徑更遠離元件安裝表面。
在以這種方式形成的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件中，基材用作高導(dǎo)熱系數(shù)構(gòu)件，這樣可以使半導(dǎo)體發(fā)光元件產(chǎn)生的熱充分消散。此外，因為反射構(gòu)件含有金屬，因此相比于其中反射構(gòu)件由陶瓷形成的結(jié)構(gòu)，該反射構(gòu)件更易于加工。這使得能夠提供更易于加工的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件。
而且，因為反射構(gòu)件含有金屬，因此改善了與安置在反射構(gòu)件的反射表面上的金屬層的結(jié)合。因而，能夠提供易于生產(chǎn)的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件。
發(fā)光元件安裝用構(gòu)件優(yōu)選還包括結(jié)合層，該結(jié)合層用于結(jié)合元件安裝表面和反射構(gòu)件。該結(jié)合層的耐熱性溫度至少為300℃。結(jié)合層在不超過700℃的溫度熔融，并且結(jié)合元件安裝表面和反射構(gòu)件。在這種情況下，因為結(jié)合層具有至少300℃的耐熱性溫度，因此該結(jié)合層能夠防止基材和反射構(gòu)件剝落，并且即使當半導(dǎo)體發(fā)光元件安裝在發(fā)光元件安裝用構(gòu)件上時的溫度為250～300℃，該結(jié)合層也是能應(yīng)用的。因此，能夠獲得高度可靠的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件。而且，因為結(jié)合溫度不超過700℃，因此如果在基材表面上形成由Au、Ag或Al等構(gòu)成的金屬化圖案，則能夠防止金屬化圖案的降解。因為這些金屬化圖案的耐熱性溫度通常都不超過700℃，因此在不超過700℃溫度進行結(jié)合時不會使金屬化圖案降解。
更優(yōu)選地，基材是絕緣的，并且在該基材上形成了第一和第二通孔，在第一通孔處形成了第一導(dǎo)電區(qū)域，而在第二通孔處又形成了第二導(dǎo)電區(qū)域。在這種情況下，因為第一和第二導(dǎo)電區(qū)域從在其上形成元件安裝表面的基材表面上延伸到相反表面上，因此電能能夠從相反表面上供應(yīng)給第一和第二導(dǎo)電區(qū)域。更優(yōu)選地，第一和/或第二導(dǎo)電區(qū)域金屬膜圖案的最小形成尺寸為至少5微米且小于100微米。結(jié)果，發(fā)光元件能夠使用倒裝法(theflip-chip method)安裝。更優(yōu)選地，該尺寸為小于50微米。圖案的最小形成尺寸在此處指的是在金屬化圖案中的最小寬度、圖案之間的最小距離以及類似情況。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，其包括上面任何一項所述的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件；以及安裝在元件安裝表面上的半導(dǎo)體發(fā)光元件。該半導(dǎo)體發(fā)光元件包括面向元件安裝表面的主表面，而基材包括位于和元件安裝表面相反放置的底表面。從底表面到元件安裝表面的距離H與沿半導(dǎo)體發(fā)光元件主表面長邊方向的距離L之間的比值H/L為至少0.3。
在這種情況下，因為長邊長度L與底表面到元件安裝表面的距離H之間的比值H/L是最佳的，因而能夠獲得散熱高的半導(dǎo)體裝置。如果長邊長度L與底表面到元件安裝表面的距離H之間的比值H/L小于0.3，則底表面到元件安裝表面的距離H相對于長邊長度L變得太小，因而阻礙了充分散熱。
優(yōu)選電極安置在半導(dǎo)體發(fā)光元件的主表面?zhèn)?，并且與第一和/或第二導(dǎo)電區(qū)域電連接。在這種情況下，因為電極安置在主表面?zhèn)炔⑶译姌O與第一和/或第二導(dǎo)電區(qū)域直接電連接，因此發(fā)光層(其是特別產(chǎn)生熱的半導(dǎo)體發(fā)光元件部分)產(chǎn)生的熱借助于電極直接轉(zhuǎn)移給基材。因而，由發(fā)光層產(chǎn)生的熱有效消散到基材上，從而提供了帶有優(yōu)異冷卻性質(zhì)的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件。而且主表面也優(yōu)選具有至少1mm2的面積。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的發(fā)光元件的橫截面圖，以及使用該發(fā)光元件的半導(dǎo)體裝置的橫截面圖。圖1A是根據(jù)一方面半導(dǎo)體裝置的橫截面圖。圖1B是根據(jù)本發(fā)明另一方面半導(dǎo)體裝置的橫截面圖。
圖2是發(fā)光元件安裝用構(gòu)件的透視圖以及圖1所示的半導(dǎo)體裝置。
圖3A是圖1所示半導(dǎo)體發(fā)光元件的透視圖。圖3B示出樣品的元件主表面的輪廓形狀。
圖4是描述用于制備圖1所示半導(dǎo)體裝置的方法的流程圖。
圖5是示出用于制備圖1～圖3所示半導(dǎo)體裝置方法的第一步的橫截面圖。
圖6是示出用于制備圖1～圖3所示半導(dǎo)體裝置方法的第二步的橫截面圖。
圖7是從圖6中箭頭VII指示的方法看到的基材平面圖。
圖8是示出用于制備圖1～圖3所示半導(dǎo)體裝置方法的第三步的橫截面圖。
圖9是示出用于制備圖1～圖3所示半導(dǎo)體裝置方法的第四步的橫截面圖。
圖10是示出用于制備圖1～圖3所示半導(dǎo)體裝置方法的第五步的橫截面圖。
圖11是示出用于制備圖1～圖3所示半導(dǎo)體裝置方法的第六步的橫截面圖。
圖12是示出用于制備圖1～圖3所示半導(dǎo)體裝置方法的第七步的橫截面圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件以及使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置的橫截面圖。
具體實施例方式
下面，參考圖描述本發(fā)明的實施方案。在下列實施方案中，相同或類似的元件用相同數(shù)字標記，并且省略重復(fù)的描述。
(第一實施方案)圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件以及使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置的橫截面圖。圖1A是根據(jù)一方面的半導(dǎo)體裝置的橫截面圖。圖1B是根據(jù)另一方面半導(dǎo)體裝置的橫截面圖。圖2是圖1A所示半導(dǎo)體裝置的透視圖。圖3是圖1A所示半導(dǎo)體發(fā)光裝置的透視圖。圖1A、圖2和圖3所示，根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的半導(dǎo)體裝置100包括發(fā)光元件安裝用構(gòu)件200；安裝在元件安裝表面2a上的半導(dǎo)體發(fā)光元件1。該半導(dǎo)體發(fā)光元件1包括面對元件安裝表面2a的主表面1a。在該實施例中，主表面1a形成為包括長的第一邊11和短的第二邊12的矩形?；?包括在元件安裝表面2a反面的底表面2b。從底表面2b到元件安裝表面2a的距離H和第一邊11的長度L具有至少為0.3的比值H/L。
發(fā)光元件安裝用構(gòu)件200包括基材2和反射表面6a，并且安裝有反射構(gòu)件6和金屬層13。基材2包括用于安裝半導(dǎo)體發(fā)光元件1的安裝表面2a；以及安置在元件安裝表面2a上并且與半導(dǎo)體發(fā)光元件1連接的第一和第二導(dǎo)電區(qū)域21，22。反射表面6a限定了放置半導(dǎo)體發(fā)光元件1的內(nèi)部空間6b。反射構(gòu)件6安裝在元件安裝表面2a上，并且含有金屬。金屬層13安置在反射表面6a上。反射表面6a相對于元件安裝表面2a是傾斜的，因此內(nèi)部空間6b的直徑更遠離元件安裝表面2a。
發(fā)光元件200還安裝有結(jié)合層9，結(jié)合層9連接元件安裝表面2a和反射構(gòu)件6。結(jié)合層9具有至少300℃的溫度額定值(temperature rating)，并且該結(jié)合層9在不超過700℃的溫度熔融以將元件安裝表面2a與反射構(gòu)件6結(jié)合。
基材2是絕緣的，并且形成有第一和第二通孔2h，2i。該第一導(dǎo)電區(qū)域21安置在第一通孔2h上，而第二導(dǎo)電區(qū)域22安置在第二通孔2i上。而且，如上所述，在半導(dǎo)體裝置中，在第一和/或第二導(dǎo)電區(qū)域21，22處的元件安裝表面上形成的金屬膜的圖案最小寬度以及圖案之間的最小距離都保持在至少5微米并小于10微米的范圍內(nèi)。這樣能夠安裝倒裝片(flip-chip)發(fā)光元件等。優(yōu)選至少10微米并小于50微米的范圍。特別是，在第一和第二導(dǎo)電區(qū)域21，22中的圖案之間優(yōu)選更小的距離，只要能避開不利的連接即可。這樣做的原因是當更大面積被金屬化時，可以改善反射效率。小于5微米，會傾向于形成不利的連接。
電極層1b和1f安置在半導(dǎo)體發(fā)光元件1的主表面1a上，并且與第一和第二導(dǎo)電區(qū)域21，22連接。該主表面的面積至少為1mm2。
基材2是電絕緣的，并且由導(dǎo)熱性良好的材料形成。該材料可以根據(jù)使用環(huán)境選擇。例如，該材料可以是主要組分為氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)等的陶瓷。作為備選地，可以使用主要組分為電絕緣硅(Si)的材料或復(fù)合材料，或者上述材料的組合。
基材2作為消散熱的散熱器。因此，優(yōu)選更高的導(dǎo)熱性，并且優(yōu)選導(dǎo)熱速率為至少140W/m·K，更優(yōu)選導(dǎo)熱速率為170W/m·K。如果周期表III-V族化合物的半導(dǎo)體發(fā)光元件或II-VI族化合物的半導(dǎo)體發(fā)光元件用于半導(dǎo)體發(fā)光元件1，則為了匹配該發(fā)光元件的熱膨脹系數(shù)，優(yōu)選熱膨脹系數(shù)(線性膨脹率)為至少3.0×10-6/K并不超過10×10-6/K。
Au膜3a，、3b、3形成于元件安裝表面2a上。Au膜3用于改善結(jié)合層9和基材2之間的結(jié)合。為此，Au膜3是由可改善結(jié)合層9與基材2之間結(jié)合的材料形成的。使用Au膜3是因為在本實施方案中氮化鋁陶瓷用于基材2，而Au-Ge用于結(jié)合層9。如果改變用于結(jié)合層的材料，則能夠形成作為層的Au膜3、3a、3b，這些層具有作為主要組分的鋁或作為主要組分的銀。Au膜3、3a、3b通過電鍍、氣相沉積等形成。也能夠在Au膜3、3a、3b和元件安裝表面2a之間插入中間層，以改善結(jié)合，例如插入鈦層或鉑層。
安置在元件安裝表面2a和Au膜3、3a、3b之間的中間層實例包括Ni、Ni-Cr、Ni-P、Ni-B，和NiCo。這些中間層能夠通過電鍍、氣相沉積等形成。如果使用氣相沉積，則能夠使用諸如Ti，V，Cr，Ni，NiCr合金，Zr，Nb，Ta之類的材料。這些電鍍層和/或氣相沉積層也能夠疊加。中間層厚度優(yōu)選為至少0.01mm并不超過5mm，更優(yōu)選至少0.1mm并不超過1mm。
在本實施例中，在基材2和Au膜3、3a、3b之間也能夠形成中間層，例如由Ti/Pt分層膜形成的中間層。在該疊加膜中含有Ti的膜用作改善與基材2結(jié)合的結(jié)合層，并且形成該膜以使得其與基材2的上表面接觸。用于結(jié)合層的材料并不是必需為鈦，而是能夠為例如釩(V)、鉻(Cr)、鎳-鉻合金(NiCr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)或它們的化合物。
而且，在Ti/Pt層疊膜中的鉑(Pt)膜是擴散阻擋層，并且形成于Ti膜的上表面上。該材料并不是必需為鉑(Pt)，而是能夠為鈀(Pd)、鎳-鉻合金(NiCr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、銅(Cu)等。
上述的Ti/Pt層疊膜和Au膜共同地稱作金屬化膜。該金屬化膜能夠使用上述傳統(tǒng)的膜形成方法形成。例如，能夠使用氣相沉積、濺射或電鍍。Ti/Pt層疊膜和Au膜的圖案化能夠使用金屬掩膜、干蝕刻、化學(xué)蝕刻或涉及光刻法的脫除(lift-off)進行。當形成限制為小于100微米或小于50微米的精細圖案時，這些方法都適合。
在Ti/Pt層疊膜中的鈦(Ti)膜厚度優(yōu)選為至少0.01mm并且不超過1.0mm，而鉑(Pt)膜厚度優(yōu)選為至少0.01mm并且不超過1.5mm。
基材2的厚度，即從底表面2b到元件安裝表面2a的距離H能夠根據(jù)半導(dǎo)體元件1的尺寸設(shè)定，但是作為舉例，該距離H能夠設(shè)定為至少0.3mm并不超過10mm。
安置半導(dǎo)體發(fā)光元件1，以使其與Au膜3a、3b接觸。半導(dǎo)體發(fā)光元件1能夠由II-VI族化合物的半導(dǎo)體發(fā)光元件或III-V族化合物的半導(dǎo)體發(fā)光元件形成。在此處的II族元素包括鋅(Zn)和鎘(Cd)。III族元素包括硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)和銦(In)。V族元素包括氮(N)、磷(P)，、砷(As)，和銻(Sb)。VI族元素包括氧(O)、硫(S)、硒(Se)和碲(Te)。半導(dǎo)體發(fā)光元件1能夠以GaAs-基、InP-基、GaN-基等的化合物半導(dǎo)體形成。
通孔2h、2i以在基材上的通路孔形成。用于填充該通孔2h、2i的導(dǎo)體形成第一和第二導(dǎo)電區(qū)域21、22。用于導(dǎo)體(經(jīng)過填充)的主要組分優(yōu)選具有鋯熔點的金屬，尤其是鎢(W)或鉬(Mo)。該導(dǎo)體也可以還包括過渡金屬如鈦(Ti)或玻璃組分或者基材材料(如氮化鋁(AlN))。而且，如果通孔2h、2i的內(nèi)表面通過電鍍等被金屬化，則通孔2h、2i并不需要用導(dǎo)體填充。
元件安裝表面2a的表面粗糙度優(yōu)選不超過1微米Ra，更優(yōu)選不超過0.1微米Ra。平坦度優(yōu)選不超過5微米，更優(yōu)選1微米。如果Ra超過1微米或者平坦度超過5微米，則在結(jié)合過程中，半導(dǎo)體發(fā)光元件1與基材2之間傾向于形成縫隙，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體發(fā)光元件的冷卻減小。表面粗糙度Ra和平坦度根據(jù)JIS標準(分別是JIS B0601和JIS B0621)確定。
上述化合物半導(dǎo)體是本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光元件1的材料實例，但是這些層或塊狀物也能夠?qū)盈B在諸如藍寶石基材之類的基材上。發(fā)光部分既可以在上表面也可以在底表面。在本實施方案中，發(fā)光層1c安置在基材側(cè)。因為屬于產(chǎn)熱部分的發(fā)光層1c更靠近基材安置，因此能夠改善半導(dǎo)體元件的散熱。
由氧化硅膜(SiO2)形成的金屬化層，如電極層和絕緣層能夠在安置于基材2上的半導(dǎo)體發(fā)光元件1表面上形成。用作電極層的金(Au)厚度優(yōu)選為至少0.1微米并且不超過10微米。
半導(dǎo)體發(fā)光元件1包括由藍寶石等形成的基本元件；與基本單元1e接觸的半導(dǎo)體層1d；與半導(dǎo)體層1d部分接觸的發(fā)光層1c；與發(fā)光層1c接觸的半導(dǎo)體層1g；以及與半導(dǎo)體層1g接觸的電極層1b；以及與半導(dǎo)體層1d接觸的電極層1f。
半導(dǎo)體發(fā)光元件1的結(jié)構(gòu)并不是限制于圖1A所示的情況。例如，也能夠具有圖1B所示的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，電極層1f、半導(dǎo)體層1d、發(fā)光層1c、半導(dǎo)體層1g和電極層1b層疊在一起。在這種情況下，電極存在于半導(dǎo)體發(fā)光元件1的前面和后面這兩面上，而電極層1b通過Au結(jié)合線71與Au膜3b連接。在圖1B中，只有第一導(dǎo)電區(qū)域直接與半導(dǎo)體發(fā)光元件1結(jié)合。
如圖3A所示，在形成主表面1a的邊中，第一邊11是長邊，而第二邊12是短邊。但是，也能夠為第一邊11為短邊，而第二邊12為長邊。在本實施例中，半導(dǎo)體發(fā)光元件的主表面是矩形的，因此長邊等于沿著長邊方向的長度L。第一邊11約垂直于其中發(fā)光層1c延伸的方向延伸。第二邊12約平行于發(fā)光層1c延伸。而且，第一邊11和第二邊12可以大約為相同長度。如果第一邊11和第二邊12大約一樣長，則第一邊11作為長邊。此外，如果主表面1a不是矩形，例如，如果拐角是圓的，則在主表面1a近似為矩形的基礎(chǔ)上限定長邊。而且，當這種情況應(yīng)用到本發(fā)明的其它實施方案時，如果主表面是如本實施例中那樣的矩形，則相反表面通常約略為相同形狀，但是這不需要這種情況。而且，如圖3B中主表面形狀的實施例中所示，該主表面可以是非矩形的。沿著本發(fā)明半導(dǎo)體元件主表面的長邊方向的長度由投影在垂直于主表面方向上的圖像輪廓測量。圖3B1～3B5是其一些實例，所表示的長度L為沿著長邊方向的長度。例如，如果該形狀為圓形或正方形，則該長度分別是直徑或所述邊中之一。如果形狀為橢圓形，則使用主軸的長度。
在本實施例中，半導(dǎo)體發(fā)光元件1的長邊長度L相等于第一邊11的長度。該長度和從底表面2b到元件安裝表面2a的距離H之間的比值H/L優(yōu)選為至少0.3。該比值H/L更優(yōu)選為至少4.5并且不超過1.5。該比值H/L還更優(yōu)選為至少0.5并且不大于1.25。
反射構(gòu)件6圍繞著半導(dǎo)體發(fā)光元件1安置。使用導(dǎo)熱系數(shù)接近于形成基材2的氮化鋁的材料。例如，反射構(gòu)件能夠具有至少3×10-6/K并且不大于7×10-6/K的熱膨脹系數(shù)。反射構(gòu)件6優(yōu)選具有至少4×10-6/K并且不大于6×10-6/K的熱膨脹系數(shù)。此外，根據(jù)加工的容易性，優(yōu)選使用金屬或合金或金屬復(fù)合材料。更具體而言，反射構(gòu)件6由Ni-Co-Fe合金形成，該合金主要組分為29質(zhì)量％比的Ni、18質(zhì)量％比的Co以及53質(zhì)量％比的Fe。
反射表面6a是安置在反射構(gòu)件6上的錐形、傾斜的表面。反射表面6a相對于元件安裝表面2a形成角度，該角度優(yōu)選為30～70度，更優(yōu)選為40～60度。由Ni/Au形成的鍍層7安裝在反射構(gòu)件6上。當Au基焊劑(Au-Ge)用于結(jié)合層9時，使用該電鍍層，并用于增加結(jié)合層9和反射構(gòu)件6之間的結(jié)合強度。電鍍層7也可以沿著反射構(gòu)件6的整個周邊安置。
形成金屬層13，以覆蓋反射構(gòu)件6的表面。該金屬層13通過電鍍或氣相沉積形成，并用于放出由半導(dǎo)體發(fā)光元件1發(fā)射的光。
反射表面6a限定了內(nèi)部空間6b，而內(nèi)部空間6b形成錐體狀。圖2所示的圓錐體形狀只是舉例。然而，內(nèi)部空間6b也能夠形成斜的錐體狀，比如四面錐體或三角形錐體。而且，反射表面6a能夠形成彎曲表面，如拋物線表面。
接著，描述用于制備圖1～圖3所示的半導(dǎo)體裝置100的方法。圖4是解釋用于制備圖1所示的半導(dǎo)體裝置的方法的流程圖。圖5～圖12是為了描述用于制備圖3所示半導(dǎo)體裝置的方法的圖。
參照圖4～圖5，首先制備基材(步驟201)。因為這種基材2的長度和寬度都非常小，約幾個毫米，因此，制備出具有約50mm長度和寬度的基材基底，并且在該基材基底材料上形成通孔2h，2i。在通孔2h，2i上形成第一和第二導(dǎo)電區(qū)域21，22。然后，該基材基底精確切割成預(yù)定尺寸。在本方法中的基材基底尺寸能夠為例如寬50mm、長50mm、厚0.3mm。用標準方法制備作為基材材料的燒結(jié)氮化鋁。例如，可以在結(jié)合(步驟206)或其它步驟之后將基材基底切割并分離出預(yù)定尺寸。
接著，來自第二步的基材的表面進行打磨(步驟202)。已打磨基材表面的表面粗糙度優(yōu)選為不大于1.0微米的Ra，更優(yōu)選為不超過0.1微米的Ra。打磨可以使用標準方法如使用磨床、噴砂處理、砂紙或使用打磨顆粒的其它方法進行。
如圖4、圖6和圖7所示，使用電鍍或氣相沉積在基材2的元件安裝表面2a和底表面2b上形成Au膜(步驟203)。更具體而言，在本實施方案的情況下，例如，Ti/Pt首先氣化作為背襯層，然后Au膜氣化到背襯層上。氣相沉積法可以例如包括照相平版印刷術(shù)，其中抗蝕劑膜形成于膜在其上形成的區(qū)域之外的基材部分上，同時在抗蝕劑膜和基材上形成層。首先，用作結(jié)合層的Ti膜氣化，然后是Pt膜氣化用作擴散阻擋層，最后是電極層Au膜氣化作為最外層。然后，進行抗蝕劑剝離(lift-off)。更具體而言，使用抗蝕劑去除流體，將上述步驟中形成的抗蝕劑膜與來自結(jié)合層、擴散阻擋層和電極層的膜一起除去。結(jié)果，如圖6和圖7所示，Au膜3，3a，3b，3c，3d以預(yù)定圖案形成于基材上。Au膜3a，3b形成于基材中心部分，而Au膜3圍繞著Au膜3a，3b形成。通過使用如上所述的方法如照相平版印刷術(shù)形成金屬膜，能夠形成圖案尺寸為不大于100微米的圖案，也能夠形成尺寸不大于50微米的圖案。尺寸指的是圖案之間的最小距離、圖案寬度等。因而，能夠安裝需要高精確尺寸的外圍元件如倒裝式半導(dǎo)體發(fā)光元件。
如圖4和圖8所示，制備反射構(gòu)件6。如上所述，反射構(gòu)件6由熱膨脹系數(shù)接近于氮化鋁熱膨脹系數(shù)的材料形成，例如由Ni-Co-Fe形成的熱膨脹系數(shù)低的合金。
如圖4和圖9所示，反射表面6a通過加工反射構(gòu)件6形成(步驟204)。反射表面6a向外張開，與反射構(gòu)件6的最寬表面形成一角度(例如，45°)。
如圖4和圖10所示，在反射構(gòu)件6上形成電鍍層7(步驟205)。該電鍍層7為Ni/Au迭加。沿著反射構(gòu)件6的整個周邊形成電鍍層7都是可以接受的。
如圖4和圖11所示，連接反射構(gòu)件6和基材2(步驟206)。結(jié)合層9能夠是焊劑、密封/涂敷玻璃、耐熱性粘合劑等，并且在不超過金屬化圖案的溫度容忍性的溫度下連接反射構(gòu)件和基材。焊劑的實例為Au-Ge焊劑。由于結(jié)合強度和其無鉛含量而優(yōu)選使用焊劑。耐熱性粘合劑的實例包括無機粘合劑和樹脂粘合劑。焊劑的實例為Ag-基焊劑。無機粘合劑的實例包括玻璃和陶瓷粘合劑。樹脂粘合劑的實例包括聚酰亞胺樹脂、聚酰胺-酰亞胺樹脂、環(huán)氧樹脂、丙烯酸環(huán)氧樹脂和液晶聚合物樹脂。
如圖4和圖12所示，例如通過電鍍或氣相沉積形成金屬層13(步驟207)。金屬層13用于放出由半導(dǎo)體發(fā)光元件發(fā)射出的光，優(yōu)選最外層由主要組分為高反射率材料如Ag、Al或含有這兩種元素的金屬形成。如果反射構(gòu)件6自身的反射率高，則金屬層13可以不使用。而且，在某些情況下，為了改善與半導(dǎo)體元件結(jié)合的可靠性，在安裝有元件的Au膜3a、3b上可以不使用金屬層13。
如圖4和圖1所示，安裝半導(dǎo)體發(fā)光元件(步驟208)。在這種情況下使用倒裝連接進行安裝，使發(fā)光層1c朝向基材2安置。因此，發(fā)光層1c產(chǎn)生的熱立即轉(zhuǎn)移到基材2上，從而形成良好的散熱。在連接中使用的元件實例包括Sn-基焊劑，如Sn，Au-Sn，Ag-Sn和Pb-Sn焊劑，以及由Au或這些焊劑中的任一種形成的接塊(bump)。
在如上所述本發(fā)明發(fā)光元件安裝用元件200以及使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置100中，反射構(gòu)件6含有金屬。因此，金屬層13可以直接在反射構(gòu)件6的表面上形成。而且，如果反射構(gòu)件6以圖9所示的步驟進行加工，則加工易于進行，從而降低了生產(chǎn)成本。
(第二實施方案)圖13是根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件以及使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置的橫截面圖。如圖13所示，在根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件200中，在元件安裝表面2a上形成金屬膜4，4a，4b，并且該金屬膜4，4a，4b由Ag或Al形成。在這種情況下，如圖13所示，能夠具有只形成于反射構(gòu)件6上的金屬層13。
在這種情況下，可以提供與根據(jù)第一實施方案的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件200和半導(dǎo)體裝置100相同的優(yōu)點。
工作實施例使用工作實施例詳細研究用于結(jié)合基材2與反射構(gòu)件6的結(jié)合層9的性質(zhì)。參考圖1，插入結(jié)合層9，使反射構(gòu)件6連接到基材2的元件安裝表面2a上，所述基材2由氮化鋁形成。反射構(gòu)件6是Ni-Co-Fe合金，其中Ni比例為29質(zhì)量％，Co比例為18質(zhì)量％，而Fe比例為53質(zhì)量％。而且，反射構(gòu)件6的尺寸設(shè)定為5mm×5mm×1mm(高×寬×厚)。對于結(jié)合層9，使用表1中的樣品1～樣品8。
表1

表1中，在“用于結(jié)合層9的材料”欄的組分含量百分比指的是質(zhì)量百分比。這些結(jié)合層9在表1中的“結(jié)合溫度”熔融，使基材2和反射構(gòu)件6結(jié)合。
以這種方式獲得的樣品進行了強度、耐熱性和電極金屬化圖案劣化的研究。對于強度，測定結(jié)合后冷卻到室溫(25℃)時的強度(初始強度)。測定是通過將負荷從圖1箭頭51所示的方向施用到反射構(gòu)件6上，并且測定當反射構(gòu)件6從基材2上分離時的壓力進行的?；谶@些結(jié)果，至少為10MPa的初始強度確定為良好，因此在“強度”欄填入圓圈。填入的“×”表示樣品的初始強度小于10MPa。
為了評價耐熱性，結(jié)合層在300℃氣氛中停留1分鐘，以及在相同溫度停留24小時。其中結(jié)合層9沒有再熔融或軟化并且其結(jié)合強度降低小于10％的樣品(根據(jù)圖1所示方法測定)評價為良好，并且在“耐熱性”欄中填入圓圈。在300℃停留1分鐘的結(jié)果在“耐熱性1”欄中，而在相同樣品溫度停留24小時的結(jié)果在“耐熱性2”欄中。對于結(jié)合強度降低10％或更多的樣品，在“耐熱性”欄中填入“×”。結(jié)合強度降低使用式((A1-A2)/A1)計算，其中A1為初始強度，而A2為在300℃加熱后在室溫的強度。
在本說明書中，“至少300℃的結(jié)合溫度”指的是即使結(jié)合層在300℃氣氛中保持1分鐘之后，該結(jié)合層也不再熔融或軟化，并且根據(jù)圖1所示的方法測定時，該結(jié)合層的結(jié)合強度降低小于10％。結(jié)合強度的降低利用式((A1-A2)/A1)計算，其中A1為初始強度(結(jié)合層在300℃保持之前的結(jié)合強度)，而A2為在300℃氣氛中保持1分鐘之后在室溫的強度。
電極金屬化圖案(Au膜3，3a，3b)的劣化也進行測定。更具體而言，在發(fā)光元件安裝用構(gòu)件200在300℃氣氛中保持24小時之后，對電極金屬化圖案進行肉眼檢測和厚度測量。Au膜3，3a，3b沒有發(fā)生諸如褪色之類劣化的樣品用圓圈表示。如果Au膜3，3a，3b存在劣化或如果Au膜3，3a，3b的厚度降低，則用“×”表示。
如表1所示，樣品1，4，5，6，7，8獲得了良好的結(jié)果。樣品1，4，5具有特別優(yōu)良的結(jié)果。
所描述實施方案的所有方面都表示實施例，并不是限制性的。本發(fā)明的范圍不是由上述說明書表示，而是由本發(fā)明的權(quán)利要求表示，并且本發(fā)明涵蓋在權(quán)利要求范圍之內(nèi)以及在等價于這些權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的所有改進。
工業(yè)實用性利用本發(fā)明，可易于加工并且具有優(yōu)異的散熱性質(zhì)的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件以及使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光元件安裝用構(gòu)件，所述構(gòu)件包括基材，其包括安裝半導(dǎo)體發(fā)光元件的元件安裝表面以及安置在所述元件安裝表面上并與所述半導(dǎo)體發(fā)光元件連接的第一和第二導(dǎo)電區(qū)域；反射構(gòu)件，其包括限定用于容納所述半導(dǎo)體發(fā)光元件的內(nèi)部空間的反射表面并且含有安置在所述元件安裝表面上的金屬；以及安置在所述反射表面上的金屬層；其中所述反射表面相對于所述元件安裝表面是傾斜的，以便所述內(nèi)部空間的直徑離所述元件安裝表面越遠越大。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件，其還包括結(jié)合所述元件安裝表面和所述反射構(gòu)件的結(jié)合層，其中所述結(jié)合層的耐熱性溫度為至少300℃；以及所述結(jié)合層在不超過700℃的溫度下熔融，并結(jié)合所述元件安裝表面和所述反射構(gòu)件。
3.如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)光元件安裝用表面，其中所述基材是絕緣的；第一和第二通孔形成于所述基材上；所述第一導(dǎo)電區(qū)域形成于所述第一通孔處；以及所述第二導(dǎo)電區(qū)域形成于所述第二通孔處。
4.如權(quán)利要求1～3所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一和/或所述第二導(dǎo)電區(qū)域的金屬膜圖案的最小形成尺寸為至少5微米并且小于100微米。
5.一種半導(dǎo)體裝置，其包括權(quán)利要求1～權(quán)利要求4中任何一項所述的發(fā)光元件安裝用構(gòu)件；和安裝在所述元件安裝表面上的半導(dǎo)體發(fā)光元件；其中所述半導(dǎo)體發(fā)光元件包括面向所述元件安裝表面的主表面，而所述基材包括其位置與所述元件安裝表面相反的底表面；以及從所述底表面到所述元件安裝表面的距離H與沿所述半導(dǎo)體發(fā)光元件的所述主表面長邊方向的距離L之間的比值H/L為至少0.3。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其中在所述半導(dǎo)體發(fā)光元件的所述主表面?zhèn)劝仓糜须姌O，并且所述電極與所述第一和/或所述第二導(dǎo)電區(qū)域電連接。
7.如權(quán)利要求5或6所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述主表面具有至少1mm2的面積。
全文摘要
本發(fā)明目的是提供發(fā)光元件安裝用構(gòu)件以及使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置，所述發(fā)光元件安裝用構(gòu)件以及使用該構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置易于加工，并且可以進行充分散熱。發(fā)光元件安裝用構(gòu)件200包括如下配置基材2，其包括安裝半導(dǎo)體發(fā)光元件1的元件安裝表面2a以及安置在所述元件安裝表面2a上并與所述半導(dǎo)體發(fā)光元件1連接的第一和第二導(dǎo)電區(qū)域21，22；反射構(gòu)件6，其包括限定用于容納所述半導(dǎo)體發(fā)光元件1的內(nèi)部空間6b的反射表面6a并且含有安置在所述元件安裝表面2a上的金屬；以及安置在所述反射表面6a上的金屬層13。所述反射表面6a相對于所述元件安裝表面2a是傾斜的，因而所述內(nèi)部空間直徑更遠離所述元件安裝表面2a。
文檔編號H01S5/022GK1833322SQ20048000742
公開日2006年9月13日 申請日期2004年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月18日
發(fā)明者石津定, 檜垣賢次郎, 石井隆, 筑木保志 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社