CN102214894B - 半导体激光器装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于得到能够低价且简单地制造的在高温特性方面优良的半导体激光器装置及其制造方法。利用模塑树脂（2）将导线（3）固定在框架（1）上。利用焊料（4）将副固定件（5）接合在框架（1）上，利用焊料（6）将半导体激光器芯片（7）接合在副固定件（5）上。这样，利用焊料（4）将框架（1）和副固定件（5）连接，所以能够改善散热性。并且，采用耐热温度比焊料（4、6）的熔点高的模塑树脂（2）。因此，将装载的框架（1）、副固定件（5）及半导体激光器芯片（7）加热，使焊料（4、6）熔融，能够使框架（1）、副固定件（5）及半导体激光器芯片（7）彼此同时接合。

Description

半导体激光器装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及在DVD驱动器、CD驱动器或者激光器TV等中所使用的半导体激光器装置及其制造方法。 
背景技术
作为制造成本低的半导体激光器装置，使用利用模塑树脂成型所制造出的模塑封装（例如，参照专利文件1）。在以往的模塑封装中，利用模塑树脂将导线固定在框架上，利用Ag膏或者环氧树脂将副固定件（Submount）接合到框架上，利用AuSn或者SnAg焊料将半导体激光器芯片接合到副固定件上。 
对以往的模塑封装的制造方法进行说明。首先，利用焊料将半导体激光器芯片接合到副固定件上。然后，利用Ag膏将接合有该半导体激光器的副固定件粘接在框架上，利用烘烤使Ag膏的溶剂蒸发而固化。然后，为了除去该蒸发后的溶剂所导致的封装表面污染，进行O2等离子体处理。之后，进行引线接合，从排列有多个装置的框架上将半导体激光器装置单片化，并且送到检查工序。 
【专利文件1】 日本特开2003-31885号公报。 
【专利文件2】 日本特开2007-19470号公报。 
由于以往的制造工序复杂，所以，必须使用几种制造装置，还需要必要人员进行各制造装置之间的载物盒移动。虽然能够使盒移动自动化，但是，设备费用庞大。此外，Ag膏或者环氧树脂与焊料相比，热传导较差，所以，还存在元件的高温特性恶化这一问题。 
此外，作为CAN封装的制造方法，公知如下方法：在副固定件的上表面和下表面附着焊料，在框架上依次放置副固定件和半导体激光器芯片，对封装整体进行加热，使焊料熔融，同时将彼此接合（例如，参照专利文件2）。对于玻璃密封的CAN封装来说，耐热温度为400℃以上，所以，采用这样的制造方法。但是，对于模塑封装来说，存在树脂部分，所以，耐热温度非常低。因此，不能采用对封装整体进行加热的制造方法。 
发明内容
本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于得到能够低价且简单地制造的在高温特性方面优良的半导体激光器装置及其制造方法。 
本发明的半导体激光器装置的特征在于，具有：框架；导线，利用模塑树脂固定在所述框架上；副固定件，利用第一焊料接合在所述框架上；半导体激光器芯片，利用第二焊料接合在所述副固定件上，其中所述模塑树脂的耐热温度比所述第一以及第二焊料的熔点高。 
根据本发明，能够得到可低价且简单地制造的在高温特性方面优良的半导体激光器装置及其制造方法。 
附图说明
图1是表示实施方式1的半导体激光器装置的平面图。 
图2是表示实施方式1的半导体激光器装置的剖面图。 
图3是用于说明实施方式1的半导体激光器装置的制造方法的平面图。 
图4是用于说明实施方式1的半导体激光器装置的制造方法的剖面图。 
图5是用于说明实施方式1的半导体激光器装置的制造方法的平面图。 
图6是用于说明实施方式1的半导体激光器装置的制造方法的平面图。 
图7是用于说明实施方式1的半导体激光器装置的制造方法的剖面图。 
图8是用于说明实施方式1的半导体激光器装置的制造方法的平面图。 
图9是用于说明实施方式1的半导体激光器装置的制造方法的平面图。 
图10是表示比较例的半导体激光器装置的剖面图。 
图11是将实施方式3的半导体激光器装置放大后的剖面图。 
图12是表示试制实施方式3的半导体激光器装置并实施了可靠性试验的结果的图。 
图13是表示试制实施方式3的半导体激光器装置并实施了可靠性试验的结果的图。 
图14是将实施方式4的半导体激光器装置放大后的剖面图。 
其中附图标记说明如下： 
1  框架
2  模塑树脂
3  导线
4  焊料（第一焊料）
5  副固定件
6  焊料（第二焊料）
7  半导体激光器芯片
11  Au镀层
13  Pt层（第一Pt层）
14  Ti层（高熔点金属层）
15  Pt层（第二Pt层）。
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式的半导体激光器装置及其制造方法进行说明。对相同的构成要素标注相同的附图标记，有时省略重复说明。 
实施方式1 
图1是示出实施方式1的半导体激光器装置的平面图，图2是其剖面图。
利用模塑树脂2将导线3固定在框架1上。利用焊料4（第一焊料）将副固定件5接合在框架1上。利用焊料6（第二焊料）将半导体激光器芯片7接合在副固定件5上。利用引线8将半导体激光器芯片7的上表面和框架1连接，利用引线9将导线3和副固定件5上的布线连接。该副固定件5的布线连接到半导体激光器芯片7的下表面。 
模塑树脂2是热硬化性树脂。对于热硬化性树脂的耐热温度来说，若选择种类，则可高达400℃。在保持为该温度的状态下，即使对模塑树脂2施加负荷也几乎不发生变形。 
焊料4、6是在半导体激光器装置中通常使用的AuSn类焊料。Au组成比为80%的AuSn焊料的熔点是280℃。因此，模塑树脂2的耐热温度比焊料4、6的熔点高。 
接着，对实施方式1的半导体激光器装置的制造方法进行说明。图3、5、6、8、9是用于说明实施方式1的半导体激光器装置的制造方法的平面图，图4、7是其剖面图。 
首先，对框架1进行冲压工序，如图3以及图4所示，在框架1上形成冲切图形（抜きパターン），设置下安装件。 
然后，如图5所示，利用模塑树脂2将导线3固定在框架1上。模塑树脂2是热硬化性树脂。对于热硬化性树脂来说，成型时的粘度较低，所以，能够在框架1上形成较薄的毛刺的情况较多，为了除去该较薄的毛刺，在成型后，进行喷射（blast）处理。此时，在镀层上也有损伤，导致组装时的引线接合未接不良。因此，为了实现稳定的引线接合性，在模塑树脂2的成型后，进行框架1以及导线3的电镀。之后，将模塑封装单片化。 
然后，将封装移动到副固定件搭载台。并且，如图6以及图7所示，对在上表面和下表面分别附着有焊料4和焊料6的副固定件5进行对位，放置在框架1上。 
然后，将封装移动到芯片焊接台。并且，如图8所示，对半导体激光器芯片7进行对位，放置在副固定件5上。 
之后，提高芯片焊接台的温度，对所装载的框架1、副固定件5以及半导体激光器芯片7进行加热，使焊料4、6熔融。由此，利用焊料4将副固定件5接合到框架1上，利用焊料6将半导体激光器芯片7接合到副固定件5上。 
然后，使封装移动到引线接合台上。并且，如图9所示，利用引线8对半导体激光器芯片7和框架1进行连接，利用引线9对副固定件5的电极图形和导线3进行连接。将通过以上工序所制造的半导体激光器装置容纳在容纳托盘中。 
与比较例进行比较，对本实施方式的半导体激光器装置的效果进行说明。图10是示出比较例的半导体激光器装置的剖面图。在比较例中，利用Ag膏10将框架1和副固定件5接合在一起。此外，也存在使用环氧树脂来代替Ag膏10的情况。以下的表1中示出接合材料的热导率的一览。 
【表1】 
接合材料 热导率（W/m·K）
AuSn焊料 57.0
SnAg焊料 33.0
Ag膏 2.0
环氧树脂 0.2
Ag膏或环氧树脂与焊料相比，热传导不好，所以，在比较例中，元件的高温特性恶化。
另一方面，在本实施方式的半导体激光器装置中，利用焊料4接合框架1和副固定件5。由此，与比较例相比，能够大幅度地改善散热性。通过发明者的模拟可知，在实际的安装形态及使用状态下，将半导体激光器装置的Ag膏变更为SnAg或AuSn焊料，由此，能够将高温特性改善1℃以上至数℃左右。因此，实施方式的半导体激光器装置在高温特性方面优良。 
此外，在本实施方式的半导体激光器装置中，采用耐热温度比焊料4、6的熔点高的模塑树脂2。因此，对装载的框架1、副固定件5以及半导体激光器芯片7进行加热，使焊料4、6熔融，能够同时将框架1、副固定件5以及半导体激光器芯片7彼此接合。并且，由于在粘接中未使用Ag膏或环氧树脂，所以，不需要烘烤炉。并且，也不需要用于除去溶剂污染的O2离子体处理。因此，能够简单地制造本实施方式的半导体激光器装置。 
此外，能够以在目前的CAN封装产品的生产中成为主流的芯片焊接-引线接合总制造装置实施上述图6～图9的工序。即，改变现有的CAN封装用的制造装置的支架部或输送系统，由此，模塑封装能够与CAN封装同样地组装。此外，与CAN相比，模塑封装能够更稳定地进行芯片焊接。 
此外，在CAN封装的情况下，对孔眼的外周部进行加热，利用热传导对带有元件的面进行加热。但是，为了确保间隙，需要将加热器外径加工得比孔眼外径大一些，所以，仅孔眼的上表面和下表面与加热器接触，孔眼的侧面几乎不接触。若封装尺寸小，则几乎不能够确保其接触面积，得不到稳定的芯片焊接温度。另一方面，在本实施方式的半导体激光器装置的情况下，对框架的下部的平坦的较宽的部分进行加热即可，所以，加热器形状变得简单，能够容易且稳定性好地进行加热。 
此外，将现有的模塑封装的制造装置和本实施方式的模塑封装的制造装置进行比较时，在生产数量少的情况下，本实施方式对制造装置的投资费用低廉。生产数量越增加，两者的差异越小。但是，本发明的应用产品是少量定制规格的产品。此外，在改变产品形状的情况下，需要在现有的模塑封装的制造装置中变更所有的支架部，定做对应较为困难并且也花费成本。另一方面，在本实施方式中，可以仅改变一个组装装置的支架形状。因此，本实施方式能够使对制造装置的投资费用变低。 
实施方式2 
在实施方式2中，与实施方式1不同，模塑树脂2是热可塑性树脂。焊料4、6是SnAg焊料。在框架1以及导线3的表面形成镀层之后，利用冲压，在框架1上形成下安装件。其他结构与实施方式1相同。
在使用LCP树脂（液晶聚合物树脂）作为热可塑性树脂的情况下，软化温度为280℃左右，开始变形的温度为350℃左右。因此，需要做成在组装时不对模塑树脂2施加负荷的加热器结构。 
热可塑性树脂与热硬化性树脂相比，材料价格便宜。热可塑性树脂的模塑成型时所需要的时间（20秒）与热硬化性树脂的模塑成型时所需要的时间（2分钟）相比，非常地短。因此，树脂单价便宜并且处理能力也高，所以，能够降低装置单价。 
Ag的组成比为3%的SnAg焊料的熔点是221℃。因此，模塑树脂2的软化温度比焊料4、6的熔点高，所以，组装非常容易。例如，在将框架封装小型化的情况下，由于没有组装时的焊条夹持部分，所以，夹具接触到模塑树脂2。与此相对，使用低熔点的SnAg焊料，从而能够降低组装温度，所以，能够防止与夹具接触相伴的模塑树脂2的变形。 
此外，若使用SnAg焊料，则与使用含有高价的Au的AuSn焊料的情况相比，能够大幅削减成本。 
在以环带（hoop）状态对形成有下安装件的框架1进行电镀的情况下，必须使电镀送入用的辊形状成为避开下安装件的结构。并且，在环带卷曲时必须放入层间纸不使下安装件变形。因此，在框架1以及导线3的表面形成镀层之后，利用冲压在框架1上形成下安装件。由此，由于框架1是平板，所以，电镀送入辊可以是任意的形状，能够高精度地控制镀层的膜厚。此外，部分电镀也能够容易进行，能够削减电镀材料的贵金属的使用量。 
实施方式3 
图11是将实施方式3的半导体激光器装置放大后的剖面图。副固定件5和半导体激光器芯片7的接合部以外的结构都与实施方式1相同。
在半导体激光器芯片7的表面的焊接部形成有Au镀层11。在副固定件5的表面形成有阻挡金属12。利用SnAg焊料6以结向下（Junction Down）的方式将半导体激光器芯片7接合到副固定件5上。 
此处，在SnAg焊料6与Au镀层11直接接触的情况下，当将SnAg焊料加热至熔点温度（在Ag组成比为3%的情况下为221℃）时，SnAg和Au镀层瞬时彼此扩散，在0.1秒左右熔点温度上升至280℃以上，并进行再凝固。因此，不能够保持充分的熔融时间，所以，产生焊料润湿不良等问题。此外，当加热温度为280℃以上时，焊料再次熔融，但是，此次超过了热可塑性模塑树脂的软化温度280℃，模塑封装发生变形。此外，组装时的熔点温度越高，半导体激光器工作温度的焊料中的残留应力越大，元件的光学特性恶化，特别是偏光特性恶化。 
因此，在本实施方式中，在半导体激光器芯片7的Au镀层11和副固定件5的焊料4之间设置有高熔点的Pt层13（第一Pt层）。由此，能够防止Au和SnAg的彼此扩散。因此，不会发生熔点上升，所以，能够容易地将SnAg焊料6的熔点为221℃的保持时间确保为1秒以上。由此，能够在半导体激光器芯片7的整个接合面得到非常好的焊料接合。 
此处，在Pt层13的厚度不充分的情况下，SnAg焊料和Au彼此扩散，熔点瞬间变成280℃以上，不能够实现稳定的芯片焊接。另一方面，Pt层13越厚，形成时的材料的使用量越增加，并且，处理时间变长，所以，带来成本上升的问题。此外，由于Pt层13的硬度高，所以，Pt层13自身成为应力原因，使元件的可靠性下降。因此，使Pt层13的厚度为150nm以上且350nm以下。对于该数值范围，以下详细地进行说明。 
图12以及图13是表示试制实施方式3的半导体激光器装置并实施了可靠性试验的结果的图。图12表示针对热处理过程的DVD部的偏振角（PA）的变化率，图13表示针对热处理过程的CD部的偏振角的变化率。 
首先，在组装之后马上测量偏振角。然后，在以180℃高温保存2小时之后测量偏振角。然后，进行－40℃～+125℃的热循环（HC），在第50次和第200次时测量偏振角。此外，对Pt层13的厚度为100nm、200nm、300nm的情况分别进行测量。 
由测量的结果可知，与Pt层13的厚度无关，偏振角在高温保存下恶化，在热循环下会改善。对于Pt层13的厚度为100nm的元件来说，高温保存以及HC引起的变动非常大。Pt层13的厚度为200nm的元件和Pt层13的厚度为300nm的元件示出几乎相同的变化趋势。 
利用SEM观察Pt层13的剖面的结果是，能够确认在Pt层13的厚度为100nm的元件中Pt层13部分地发生溃决。对于Pt层13的厚度为200nm的元件和Pt层13的厚度为300nm的元件来说，未确认Pt层13的溃决。 
当考虑这些结果和Pt层13的厚度的测量精度时，使Pt层13的厚度为150nm以上，由此，能够充分防止彼此扩散。并且，使Pt层13的厚度为350nm以下，从而能够防止Pt层13的应力所引起的对光学特性以及可靠性的不良影响。 
实施方式4 
图14是将实施方式4的半导体激光器装置放大后的剖面图。副固定件5以外的结构与实施方式2相同。
在副固定件5的表面形成有Ti层14（高熔点金属层）。在Ti层14上形成有Pt层15（第二Pt层）。焊料4、6是SnAg焊料。Pt层15与焊料4、6接触。 
通常，为了降低成本，存在将贵金属的Pt层变更为Ni层的情况。在焊料为AuSn焊料的情况下，即使将Pt层13、15变更为Ni层，焊料的熔融时间也不会极端长。但是，在使用了SnAg焊料的情况下，焊料熔融的同时Ni层进行扩散，熔点下降一些，但是，Ti层也进行扩散，熔点瞬时上升。该扩散的速度非常快，不能够确保用于得到正常的焊接的熔融保持时间为1秒以上。因此，在使用SnAg焊料的情况下， 需要采用Pt层15作为Ti层14的阻挡层。 

Claims (1)

1.一种半导体激光器装置，其特征在于，具有：
框架；
导线，利用模塑树脂固定在所述框架上；
副固定件，利用第一焊料接合在所述框架上；以及
半导体激光器芯片，利用第二焊料接合在所述副固定件上，
所述模塑树脂的耐热温度比所述第一以及第二焊料的熔点高，
所述半导体激光器芯片具有Au镀层，
所述第一焊料是SnAg焊料，
在所述半导体激光器芯片的所述Au镀层和所述副固定件的所述第一焊料之间设置有第一Pt层，
所述第一Pt层的厚度为150nm以上且350nm以下。
CN 201110083417 2010-04-06 2011-04-02 半导体激光器装置及其制造方法 Expired - Fee Related CN102214894B (zh)

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