JP2003060282A - Submount material - Google Patents

Submount material

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JP2003060282A
JP2003060282A JP2001249457A JP2001249457A JP2003060282A JP 2003060282 A JP2003060282 A JP 2003060282A JP 2001249457 A JP2001249457 A JP 2001249457A JP 2001249457 A JP2001249457 A JP 2001249457A JP 2003060282 A JP2003060282 A JP 2003060282A
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silicon nitride
submount material
nitride substrate
metal plate
substrate
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JP2001249457A
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Inventor
Takao Shirai
隆雄 白井
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a submount material that can be assembled easily to and removed from electronic equipment, prevents a metal circuit layer from being peeled off greatly even if thermal shock operates during an assembly process and use, and has superior heat radiation properties, durability, and reliability. SOLUTION: A submount material 4a has a silicon nitride substrate 2a, a metal circuit board 11 jointed to the surface of the silicon nitride substrate 2a, and a back metal plate 12 jointed onto the back of the silicon nitride substrate 2a. In the submount material 4a, a laser diode 6 should be mounted onto the metal circuit board 11, and the area of the back metal plate 12 is to be larger than that of the silicon nitride substrate 2a.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はレーザダイオード等
を保持搭載するためのサブマウント材に係り、特に金属
回路層の剥離が少なく耐久性および放熱性に優れたサブ
マウント材に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a submount material for holding and mounting a laser diode or the like, and more particularly to a submount material having less peeling of a metal circuit layer and excellent durability and heat dissipation.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、光信号を面受光し電気信号と
して外部回路に供給するために、セラミックス基板と金
属回路層とから成るサブマウント材にフォトダイオード
を搭載し、フォトダイオードからの電気信号を金属回路
層を介して外部回路に供給する光素子としてフォトダイ
オード・サブアセンブリが広く用いられている。また、
フォトダイオードの代りに面発光するレーザダイオード
を用いたレーザダイオード発光素子も、家電製品や電子
機器の表示用部品として広く使用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a photodiode is mounted on a submount material composed of a ceramic substrate and a metal circuit layer to receive an optical signal on a surface and supply it to an external circuit as an electrical signal. Photodiode subassemblies are widely used as optical devices that supply light to an external circuit via a metal circuit layer. Also,
A laser diode light emitting element using a surface emitting laser diode instead of a photodiode is also widely used as a display component for home electric appliances and electronic devices.

【0003】図6はレーザダイオード発光素子の一構成
例を示す断面図である。図においてレーザダイオード発
光素子1は、厚さ(t)が1.5mm程度のセラミック
ス基板2と、その表面に、例えばスパッタリング法によ
って形成された金属回路層3とから成るサブマウント材
4に半田層5を介してレーザダイオード6を一体に接合
して構成されている。レーザダイオード6と、金属回路
層3と、図示しない外部回路とは、それぞれ図示しない
ボンディングワイヤ等によって電気的に接続されてい
る。また、レーザダイオード6で発生した熱をサブマウ
ント材4を経由して系外に放出するために、サブマウン
ト材4の下部には、熱伝導性が良好な銅(Cu)等で形
成されたヒートシンク7が一体に接合されている。
FIG. 6 is a sectional view showing an example of the structure of a laser diode light emitting element. In the figure, a laser diode light emitting device 1 includes a ceramic substrate 2 having a thickness (t) of about 1.5 mm and a solder layer on a submount material 4 including a metal circuit layer 3 formed on the surface by, for example, a sputtering method. The laser diode 6 is integrally bonded via the element 5. The laser diode 6, the metal circuit layer 3, and an external circuit (not shown) are electrically connected to each other by a bonding wire (not shown) or the like. Further, in order to radiate the heat generated by the laser diode 6 to the outside of the system via the submount material 4, the lower part of the submount material 4 is formed of copper (Cu) or the like having good thermal conductivity. The heat sink 7 is integrally joined.

【0004】従来、上記レーザダイオード6用のサブマ
ウント材4としては、板状のSi板表面に酸化膜(Si
膜)を形成した基板表面にスパッタリング法などの
薄膜形成技術を利用して金属回路層を形成したサブマウ
ント材が広く用いられている。さらに金属回路層とレー
ザダイオードとの間の導通性や密着性またはボンディン
グ性を良好にするために金属回路層表面に金(Au)め
っき層を形成したり、さらにAuめっき層の上面にAu
−Sn合金またはPb−Sn合金から成る半田層を形成
する場合もある。近年、ダイオードの出力増加に対応
し、より高い放熱特性を実現するために、サブマウント
材を構成するセラミックス基板として高熱伝導性を有す
る窒化アルミニウム(AlN)基板も多用化されるに至
っている。
Conventionally, as the submount material 4 for the laser diode 6, an oxide film (Si
Submount materials in which a metal circuit layer is formed on a surface of a substrate having an (O 2 film) formed thereon by using a thin film forming technique such as a sputtering method are widely used. Further, a gold (Au) plating layer is formed on the surface of the metal circuit layer in order to improve conductivity, adhesion, or bondability between the metal circuit layer and the laser diode, and Au is further formed on the upper surface of the Au plating layer.
In some cases, a solder layer made of —Sn alloy or Pb—Sn alloy is formed. In recent years, an aluminum nitride (AlN) substrate having high thermal conductivity has been widely used as a ceramic substrate that constitutes a submount material in order to cope with an increase in output of a diode and to realize higher heat radiation characteristics.

【0005】上記のようなサブマウント材上にレーザダ
イオード素子を搭載した発光素子基板を電子機器に組み
込む際には、発光素子基板の裏面を、Pb−Sn合金や
Au−Sn合金から成る半田を用いてろう付けしたり、
樹脂接着剤によって接着して固定する方法が採用されて
いた。
When a light emitting element substrate having a laser diode element mounted on a submount material as described above is incorporated into an electronic device, the back surface of the light emitting element substrate is soldered with a Pb-Sn alloy or an Au-Sn alloy. Brazing with
A method of adhering and fixing with a resin adhesive has been adopted.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
半田や樹脂を介して接合固定する方法では、半田および
樹脂の熱抵抗値が大きいため、放熱性が低下してしまう
問題点がある一方、接合操作が煩雑であるため、組込み
作業や脱着作業に手間が掛かる難点がある。さらに半田
付け方式においては、高温度での接合となる場合が多
く、サブマウント材上の素子に熱による損傷をもたらし
易いという問題点もあった。特に、近年になって環境に
与える影響がクローズアップされており、人体や環境に
対して悪影響を及ぼすPb成分を含有する半田材料や樹
脂材料を使用することを控える方策も模索されている。
However, in the method of joining and fixing via the above-mentioned solder or resin, the heat resistance of the solder and the resin is large, so that there is a problem in that the heat dissipation is lowered, while the joining is done. Since the operation is complicated, there is a problem that it takes a lot of time for assembling work and detaching work. Further, in the soldering method, the joining is often performed at a high temperature, and there is a problem that the element on the submount material is easily damaged by heat. Particularly, in recent years, the influence on the environment has been highlighted, and a measure for refraining from using a solder material or a resin material containing a Pb component that adversely affects the human body and the environment is being sought.

【0007】また、上記従来例のようにセラミックス基
板として窒化アルミニウム(AlN)基板を用い、さら
にスパッタリング法を利用して金属回路層を形成した従
来のサブマウント材においては、金属回路層の接着強度
が低いため、光電素子の組立工程や使用中に繰り返して
作用する熱によって金属回路層が剥離し易い難点があ
り、光電素子の耐久性および信頼性が低いという問題点
があった。
Further, in the conventional submount material in which the aluminum nitride (AlN) substrate is used as the ceramics substrate and the metal circuit layer is formed by using the sputtering method as in the conventional example, the adhesive strength of the metal circuit layer is increased. Therefore, there is a problem that the metal circuit layer is easily peeled off by heat repeatedly applied during the assembling process of the photoelectric element or during use, and there is a problem that the durability and reliability of the photoelectric element are low.

【0008】また、従来のサブマウント材を構成するセ
ラミックス基板の厚さについては、何ら考慮がなされて
いなかったため、熱伝導率が高いAlN基板を使用した
場合においても熱抵抗が大きくなり、放熱性が不十分で
あるという問題点もあった。
Further, since no consideration has been given to the thickness of the ceramic substrate which constitutes the conventional submount material, the thermal resistance becomes large even when an AlN substrate having a high thermal conductivity is used, and the heat dissipation is improved. There was also a problem that was insufficient.

【0009】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、特に電子機器への組付けや取外しが容
易であり、組立工程や使用中に熱衝撃が作用した場合に
おいても金属回路層の剥離が少なく、放熱性,耐久性お
よび信頼性に優れたサブマウント材を提供することを目
的とする。
The present invention has been made to solve the above problems, and is particularly easy to assemble and remove from electronic equipment, and even when a thermal shock is applied during the assembly process or during use, a metal circuit is provided. It is an object of the present invention to provide a submount material which has little peeling of layers and has excellent heat dissipation, durability and reliability.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明者らは種々の寸法,熱伝導率および表面粗さを有
する窒化けい素基板の表裏面に種々の金属回路板および
裏金属板を接合してサブマウント材を調製し、各サブマ
ウント材の仕様が、組付け性、耐熱衝撃性,耐剥離性等
に及ぼす影響を比較検討した。その結果、特にサブマウ
ント材を構成する窒化けい素基板と裏金属板との面積関
係を一定の範囲に調整したり、金属回路板と裏金属板と
の体積比または窒化けい素基板の表面粗さを一定の範囲
に規定したときに、サブマウント材の放熱性を改善でき
る上に、金属回路板および裏金属板の剥離を効果的に防
止でき、優れた放熱性および耐久性を有するサブマウン
ト材が初めて得られるという知見を得た。本発明は上記
知見に基づいて完成されたものである。
In order to achieve the above object, the inventors of the present invention have various metal circuit boards and back metal plates on the front and back surfaces of a silicon nitride substrate having various dimensions, thermal conductivity and surface roughness. Submount materials were prepared by bonding with each other, and the effects of the specifications of each submount material on the assemblability, thermal shock resistance, peeling resistance, etc. were compared and examined. As a result, in particular, the area relationship between the silicon nitride substrate and the back metal plate that form the submount material is adjusted to a certain range, the volume ratio between the metal circuit board and the back metal plate, or the surface roughness of the silicon nitride substrate. The heat dissipation of the submount material can be improved when the thickness is regulated within a certain range, and the separation of the metal circuit board and the back metal plate can be effectively prevented, and the submount has excellent heat dissipation and durability. We have obtained the knowledge that wood can be obtained for the first time. The present invention has been completed based on the above findings.

【0011】すなわち、本発明に係るサブマウント材
は、窒化けい素基板と、窒化けい素基板の表面に接合し
た金属回路板と、上記窒化けい素基板の裏面に接合した
裏金属板とを具備し、上記金属回路板上にレーザダイオ
ードを搭載するためのサブマウント材において、上記裏
金属板の面積が窒化けい素基板の面積よりも大きいこと
を特徴とする。
That is, the submount material according to the present invention comprises a silicon nitride substrate, a metal circuit board bonded to the front surface of the silicon nitride substrate, and a back metal plate bonded to the back surface of the silicon nitride substrate. In the submount material for mounting the laser diode on the metal circuit board, the area of the back metal plate is larger than the area of the silicon nitride substrate.

【0012】また、上記サブマウント材において、前記
裏金属板の外周縁の少なくとも一部が、窒化けい素基板
の外周縁より2.5mm以上の幅で張り出していること
が好ましい。さらに、上記サブマウント材において、前
記裏金属板の張出し部に、固定ねじを挿通するための取
付孔が穿設されていることが好ましい。
Further, in the submount material, it is preferable that at least a part of the outer peripheral edge of the back metal plate is projected to a width of 2.5 mm or more from the outer peripheral edge of the silicon nitride substrate. Further, in the submount material, it is preferable that a mounting hole for inserting a fixing screw is formed in the projecting portion of the back metal plate.

【0013】また、上記サブマウント材において、前記
金属回路板の体積をVaとする一方、前記裏金属の体積
をVbとした場合に、Vb/Va比が5以上であること
が好ましい。さらに、前記窒化けい素基板の表面粗さが
算術平均粗さ(Ra)基準で0.1〜0.5μmである
ことが好ましい。また、前記窒化けい素基板の板厚が
0.8mm以下であることが好ましく、さらに、前記窒
化けい素基板の縦および横の長さがそれぞれ1mm以上
であることが好ましい。また、前記裏金属板の窒化けい
素基板との接合端部に溝を形成することも可能である。
In the submount material, it is preferable that the Vb / Va ratio is 5 or more when the volume of the metal circuit board is Va and the volume of the back metal is Vb. Further, the surface roughness of the silicon nitride substrate is preferably 0.1 to 0.5 μm on the basis of arithmetic average roughness (Ra). Further, it is preferable that the silicon nitride substrate has a plate thickness of 0.8 mm or less, and further that each of the vertical and horizontal lengths of the silicon nitride substrate is 1 mm or more. Further, it is also possible to form a groove at the joint end portion of the back metal plate with the silicon nitride substrate.

【0014】本発明に係るサブマウント材を構成する窒
化けい素基板としては、特に大容量で高出力のレーザダ
イオード素子を搭載するために、耐熱衝撃特性、放熱性
および構造強度が優れ、金属板と接合した場合に高い接
合強度が得られるような窒化けい素焼結体から成る窒化
けい素基板を使用することが好ましい。
The silicon nitride substrate constituting the submount material according to the present invention is excellent in thermal shock resistance, heat dissipation and structural strength, especially for mounting a large capacity and high power laser diode element, and a metal plate. It is preferable to use a silicon nitride substrate made of a silicon nitride sintered body that can obtain high bonding strength when bonded to.

【0015】具体的には、本出願人に係る先行出願であ
る特開2000−34172号公報に記載されているよ
うな、70W/m・K以上の高熱伝導性を有し、粒界相
の少なくとも一部を結晶化させた窒化けい素焼結体から
成る窒化けい素基板を使用することが好適である。
Specifically, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-34172, which is a prior application filed by the present applicant, it has a high thermal conductivity of 70 W / m · K or more and has a grain boundary phase. It is preferable to use a silicon nitride substrate made of a silicon nitride sintered body having at least a part thereof crystallized.

【0016】上記窒化けい素焼結体は、希土類元素を酸
化物に換算して2.0〜17.5重量%、Mgを酸化物
に換算して0.3〜3.0重量%、不純物陽イオン元素
としてのAl,Li,Na,K,Fe,Ba,Mn,B
を合計で0.3重量%以下含有し、窒化けい素結晶およ
び粒界相から成るとともに粒界相中における結晶化合物
相の粒界相全体に対する割合が20%以上であることを
特徴とする高熱伝導性窒化けい素焼結体である。このよ
うな窒化けい素焼結体は熱伝導率が70W/m・K以上
と高いだけでなく、三点曲げ強度(室温)も600MP
a以上と優れている。
In the above silicon nitride sintered body, the rare earth element is converted into an oxide in an amount of 2.0 to 17.5% by weight, the Mg is converted into an oxide in an amount of 0.3 to 3.0% by weight, and an impurity positive electrode is added. Al, Li, Na, K, Fe, Ba, Mn, B as ionic elements
Of 0.3% by weight or less in total, which is composed of a silicon nitride crystal and a grain boundary phase, and the ratio of the crystal compound phase in the grain boundary phase to the entire grain boundary phase is 20% or more. It is a conductive silicon nitride sintered body. Such a silicon nitride sintered body not only has a high thermal conductivity of 70 W / mK or more, but also has a three-point bending strength (room temperature) of 600 MP.
Excellent as a or higher.

【0017】また、上記高熱伝導性窒化けい素焼結体
は、例えば下記の製造方法によって製造される。
The high thermal conductivity silicon nitride sintered body is manufactured, for example, by the following manufacturing method.

【0018】すなわち、酸素を1.7重量%以下、不純
物陽イオン元素としてのAl,Li,Na,K,Fe,
Ba,Mn,Bを合計で0.3重量%以下、α相型窒化
けい素を90重量%以上含有し、平均粒径1.0μm以
下の窒化けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算して
2.0〜17.5重量%、Mgを酸化物に換算して0.
3〜3.0重量%添加した原料混合体を成形して成形体
を調製し、得られた成形体を脱脂後、温度1700〜1
900℃で焼結し、上記焼結温度から、上記希土類元素
およびMgOにより焼結時に形成された液相が凝固する
温度までに至る焼結体の冷却速度を毎時100℃以下に
して徐冷することにより製造できる。
That is, oxygen of 1.7% by weight or less, Al, Li, Na, K, Fe as impurity cation elements,
A total of 0.3% by weight or less of Ba, Mn, and B, 90% by weight or more of α-phase silicon nitride, and a silicon nitride powder having an average particle size of 1.0 μm or less, and rare earth elements are converted to oxides. 2.0 to 17.5% by weight, and Mg in the form of an oxide of 0.
A raw material mixture added with 3 to 3.0% by weight is molded to prepare a molded body, and the obtained molded body is degreased and then the temperature is set to 1700 to 1
Sinter at 900 ° C., and gradually cool the sintered body from the above sintering temperature to a temperature at which the liquid phase formed by sintering the above rare earth element and MgO solidifies at 100 ° C. or less per hour. It can be manufactured.

【0019】上記高熱伝導性窒化けい素焼結体から成る
窒化けい素基板の表裏面に一体に接合される金属回路板
および裏金属板の構成材としては、主として通電容量、
電気抵抗(導電性)、放熱性の観点から、銅(Cu)、
アルミニウム(Al)が好ましい。
The components of the metal circuit board and the back metal plate, which are integrally bonded to the front and back surfaces of the silicon nitride substrate made of the silicon nitride sintered body having high thermal conductivity, are mainly current-carrying capacity,
From the viewpoint of electrical resistance (conductivity) and heat dissipation, copper (Cu),
Aluminum (Al) is preferred.

【0020】また、上記窒化けい素基板と金属回路板ま
たは裏金属板との接合方法は、特に限定されるものでは
ないが、サブマウント材におけるダイオードチップの保
持性や熱抵抗の観点から厚さ0.2mm以上の厚い金属
板が接合される場合が多いことを考慮して、その場合で
も高い接合強度が得られる活性金属法や直接接合法(D
BC法)によって接合することが好ましい。
The method of joining the silicon nitride substrate to the metal circuit board or the back metal plate is not particularly limited, but the thickness is considered from the viewpoint of the holding property of the diode chip in the submount material and the thermal resistance. Considering that a thick metal plate of 0.2 mm or more is often joined, the active metal method or the direct joining method (D
Bonding is preferably performed by the BC method).

【0021】ここで上記活性金属法は、Ti,Zr,H
fなどの活性金属を含有するAg−Cu系ろう材を介し
て金属板とセラミックス基板とを一体に接合する方法で
あり、上記直接接合法は、金属板とセラミックス基板と
を接触させた状態で加熱したときに生成する金属板成分
と酸素や基板成分との共晶化合物によって両部材を直接
的に接合する方法である。また、直接接合法の場合、必
要に応じセラミックス基板上に酸化膜を設けた後に金属
板を接触させて一体に接合する方法もある。
Here, the active metal method is based on Ti, Zr, H
This is a method of integrally joining a metal plate and a ceramics substrate through an Ag-Cu-based brazing filler metal containing an active metal such as f. The above-mentioned direct joining method is a state in which the metal plate and the ceramics substrate are in contact with each other. This is a method of directly joining both members by a eutectic compound of a metal plate component and oxygen or a substrate component generated when heated. Further, in the case of the direct bonding method, there is also a method in which an oxide film is provided on the ceramics substrate and then a metal plate is brought into contact with the ceramics substrate to integrally bond them.

【0022】本発明におけるサブマウント材において
は、裏金属板の面積が窒化けい素基板の面積よりも大き
く構成されているため、裏金属板を介した伝熱面積が大
きくなり、また所定の接合強度を得るために必要な半田
や樹脂接着剤の使用量が減少するため、放熱性が大幅に
改善される。また裏金属板を電子機器に接合した際に変
形が生じた場合においても、その変形に基づく応力は、
広面積を有する裏金属板内において吸収されるため、そ
の応力が窒化けい素基板や金属回路板に及ぶことが少な
く、耐久性に優れたサブマウント材が得られる。
In the submount material of the present invention, the area of the back metal plate is larger than the area of the silicon nitride substrate, so that the heat transfer area through the back metal plate is large, and the predetermined bonding is performed. Since the amount of solder or resin adhesive used to obtain strength is reduced, heat dissipation is greatly improved. Even when deformation occurs when the back metal plate is joined to the electronic device, the stress due to the deformation is
Since it is absorbed in the back metal plate having a large area, the stress is less likely to reach the silicon nitride substrate and the metal circuit board, and a submount material having excellent durability can be obtained.

【0023】また窒化けい素基板に厚い裏金属板や金属
回路板を接合した場合には、窒化けい素基板に大きな応
力が作用するが、窒化アルミニウム(AlN)などの脆
弱なセラミックスと比較して構造強度が高い窒化けい素
基板を用いているため、応力によって破損することは少
ない。
When a thick back metal plate or a metal circuit board is bonded to a silicon nitride substrate, a large stress acts on the silicon nitride substrate, but compared with a fragile ceramic such as aluminum nitride (AlN). Since a silicon nitride substrate with high structural strength is used, it is unlikely to be damaged by stress.

【0024】また本発明の好ましい態様において、前記
裏金属板の外周縁の少なくとも一部が、窒化けい素基板
の外周縁より2.5mm以上の幅で張り出すように構成
することにより、前記放熱性の改善効果、変形応力の吸
収効果、耐久性の改善効果を、より確実にすることがで
きる上に、後述するようにねじ止め用の取付孔を設ける
ことが可能になり、サブマウント材の取付構造を抜本的
に改善することが可能になる。
Further, in a preferred aspect of the present invention, at least a part of an outer peripheral edge of the back metal plate is formed so as to project at a width of 2.5 mm or more from an outer peripheral edge of the silicon nitride substrate, so that the heat dissipation can be improved. In addition to making it possible to more reliably improve the effect of improving the durability, absorbing the deformation stress, and improving the durability, it becomes possible to provide a mounting hole for screwing as described later, and the submount material It becomes possible to drastically improve the mounting structure.

【0025】上記裏金属板の窒化けい素基板からの張出
し量が5mmを超えても、上記改善効果のさらなる増加
は期待できない上に、実装スペースの確保が困難になる
ので、上記張出し幅は2.5〜5mmの範囲が好まし
い。さらに好ましい範囲は3〜4mmである。
Even if the amount of protrusion of the back metal plate from the silicon nitride substrate exceeds 5 mm, the above-mentioned improvement effect cannot be expected to further increase, and it becomes difficult to secure a mounting space. The range of 0.5-5 mm is preferable. A more preferable range is 3 to 4 mm.

【0026】さらに本発明の好ましい態様において、前
記裏金属板の張出し部に、固定ねじを挿通するための取
付孔を穿設することにより、熱抵抗が高い半田や樹脂接
着剤を使用せずにサブマウント材をビス等の固定ねじを
使用して容易迅速に電子機器等に直接に組付け固定する
ことが可能になる。しかも取外しも極めて容易になる。
また、半田や樹脂を使用しないため、サブマウント材の
熱抵抗を小さくでき、特に放熱性を必要とする高出力の
レーザダイオード素子を搭載するサブマウント材として
好適である。
Further, in a preferred aspect of the present invention, a mounting hole for inserting a fixing screw is formed in the projecting portion of the back metal plate without using solder or resin adhesive having high heat resistance. It becomes possible to easily and quickly assemble and fix the submount material directly to an electronic device or the like by using a fixing screw such as a screw. Moreover, it is extremely easy to remove.
Further, since no solder or resin is used, the thermal resistance of the submount material can be reduced, and it is particularly suitable as a submount material for mounting a high-power laser diode element that requires heat dissipation.

【0027】なお、取付孔は、単なる貫通孔であっても
よいし、ねじ溝を設けた態様など特に限定されるもので
はない。そのため、本発明のサブマウント材を固定する
際のねじの固定方法は、ねじのみで固定する方法やボル
トとナットで固定する方法に限らず、固定ピンを取付孔
に挿入後、上記ピンの先端を折り曲げたり半田付け等に
より固定する方法など特に限定されるものではない。
The mounting hole may be a mere through hole, and is not particularly limited to a mode in which a screw groove is provided. Therefore, the fixing method of the screw when fixing the submount material of the present invention is not limited to the method of fixing only with the screw or the method of fixing with the bolt and the nut, and after inserting the fixing pin into the mounting hole, the tip of the pin There is no particular limitation on the method of bending, fixing by soldering or the like.

【0028】本発明の好ましい態様において、前記金属
回路板の体積をVaとする一方、前記裏金属板の体積を
Vbとした場合に、Vb/Va比を5以上に規定するこ
とにより、裏金属板がヒートシンクとしての放熱機能を
備えることになり、サブマウント材における放熱性が大
幅に改善される。
In a preferred embodiment of the present invention, when the volume of the metal circuit board is Va and the volume of the back metal board is Vb, the back metal is defined by setting the Vb / Va ratio to 5 or more. Since the plate has a heat dissipation function as a heat sink, the heat dissipation of the submount material is greatly improved.

【0029】なお、通常のセラミックス基板の表裏面に
体積差が5倍以上も異なる金属板を接合した場合には、
セラミックス基板の表裏面において大きな熱膨張差を生
じ基板に割れ等が発生し易いが、上記態様のように強靭
性で高強度を有する窒化けい素(Si)基板を使
用しているため、熱膨張差に起因する疲労剥離や割れの
発生の問題は少ない。
When a metal plate having a volume difference of 5 times or more is joined to the front and back surfaces of an ordinary ceramic substrate,
A large difference in thermal expansion between the front and back surfaces of the ceramic substrate easily causes cracks and the like on the substrate, but since a silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate having high toughness and high strength is used as in the above embodiment, However, there are few problems of fatigue peeling and cracking due to the difference in thermal expansion.

【0030】また本発明のサブマウント材を構成するセ
ラミックス基板の表面粗さを算術平均粗さ(Ra)基準
で0.1〜0.5μmの範囲に規定することにより、金
属回路板および裏金属板の接合強度を適度なアンカー効
果によって向上させることができ、結果として、ダイオ
ードチップをサブマウント材に半田接合する際に過大な
熱衝撃が作用した場合においても、金属回路板等の窒化
けい素基板からの剥離を効果的に防止することができ
る。
Further, the surface roughness of the ceramic substrate constituting the submount material of the present invention is regulated in the range of 0.1 to 0.5 μm on the basis of arithmetic average roughness (Ra), whereby the metal circuit board and the back metal are The bonding strength of the board can be improved by an appropriate anchor effect, and as a result, even when an excessive thermal shock acts when soldering the diode chip to the submount material, silicon nitride such as metal circuit board Peeling from the substrate can be effectively prevented.

【0031】また、サブマウント材の放熱性を確保する
ためにサブマウント材を構成する窒化けい素基板の熱伝
導率Kは70W/m・K以上、さらに好ましくは90W
/m・K以上にすることが望ましい。
Further, in order to ensure the heat dissipation of the submount material, the thermal conductivity K of the silicon nitride substrate constituting the submount material is 70 W / mK or more, more preferably 90 W.
/ M · K or more is desirable.

【0032】なお、前述の本出願人による先行出願であ
る特開2000−34172号公報に開示している高熱
伝導性窒化けい素焼結体は、上記のように規定した高熱
伝導性を満足するとともに、焼結したままの状態での表
面粗さ(Ra)が0.4μm以下となるため、特に本発
明で使用する窒化けい素基板の構成材として好適であ
る。言い換えれれば、本発明における窒化けい素焼結体
は、必ずしも特開2000−34172号公報に記載さ
れたものに限定されるものではないことは言うまでもな
い。
The high thermal conductivity silicon nitride sintered body disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-34172, which is a prior application by the present applicant, satisfies the high thermal conductivity defined as described above. Since the surface roughness (Ra) in the as-sintered state is 0.4 μm or less, it is particularly suitable as a constituent material of the silicon nitride substrate used in the present invention. In other words, it goes without saying that the silicon nitride sintered body according to the present invention is not necessarily limited to the one described in JP-A-2000-34172.

【0033】また、本発明の好ましい態様において、前
記窒化けい素基板の板厚を0.8mm以下とすることに
より、窒化けい素基板のたわみ量を増加させることが可
能になり、サブマウント材を電子機器等にねじ止め固定
して組み込む際においても、締め付け割れが発生するこ
とが少なく、製造歩留りを大幅に改善することができ
る。
Further, in a preferred aspect of the present invention, by setting the plate thickness of the silicon nitride substrate to be 0.8 mm or less, it becomes possible to increase the amount of bending of the silicon nitride substrate, and to use the submount material. Even when assembled by being fixed by screwing to an electronic device or the like, tightening cracks are less likely to occur, and the manufacturing yield can be greatly improved.

【0034】さらに、前記窒化けい素基板の縦および横
の長さをそれぞれ1mm以上とすることにより、特に光
ファイバ用大容量レーザダイオード素子等を搭載するサ
ブマウント材として好適である。さらに高出力化に対応
するために、窒化けい素基板の縦横の長さはそれぞれ2
mm以上、さらには5mm以上であることが好ましい。
Furthermore, by setting the length and width of the silicon nitride substrate to be 1 mm or more, it is particularly suitable as a submount material for mounting a large-capacity laser diode element for optical fibers. To support higher output, the vertical and horizontal lengths of the silicon nitride substrate are 2 each.
It is preferably at least mm, more preferably at least 5 mm.

【0035】また、本発明の好ましい態様において、前
記裏金属板の窒化けい素基板との接合端部の溝を形成す
ることにより、裏金属板と窒化けい素基板との接合後に
おいて発生する応力が上記溝によって吸収緩和されるた
め、サブマウント材の耐久性を大幅に改善することがで
きる。特に高出力用レーザダイオード素子を搭載する場
合に有効である。なお、溝の幅は0.1〜0.5mm程
度が好ましい。0.1mm未満では溝を設ける効果が小
さく、0.5mmを超えてもそれ以上の改善が見られな
いからである。
In a preferred aspect of the present invention, the stress generated after the back metal plate and the silicon nitride substrate are joined by forming a groove at the joint end of the back metal plate with the silicon nitride substrate. Is absorbed and relaxed by the groove, so that the durability of the submount material can be significantly improved. This is particularly effective when mounting a high-power laser diode element. The width of the groove is preferably about 0.1 to 0.5 mm. If it is less than 0.1 mm, the effect of providing the groove is small, and if it exceeds 0.5 mm, no further improvement is observed.

【0036】上記構成に係るサブマウント材によれば、
裏金属板の面積が窒化けい素基板の面積よりも大きく構
成されているため、裏金属板を介した伝熱面積が大きく
なり、また、裏金属板にねじ止め用の取付孔を設けるこ
とによりサブマウント材を取り付けるために必要な半田
や樹脂接着剤の使用量(塗布厚さ)が減少するため、放
熱性が大幅に改善される。また裏金属板を電子機器に接
合した際に変形が生じた場合においても、その変形に基
づく応力は、広面積を有する裏金属板内において吸収さ
れるため、その応力が窒化けい素基板や金属回路板に及
ぶことが少なく、耐久性に優れたサブマウント材が得ら
れる。
According to the submount material having the above structure,
Since the area of the back metal plate is configured to be larger than the area of the silicon nitride substrate, the heat transfer area through the back metal plate is large, and by providing the back metal plate with mounting holes for screwing, Since the amount of solder or resin adhesive (coating thickness) required for attaching the submount material is reduced, heat dissipation is greatly improved. Even when deformation occurs when the back metal plate is bonded to an electronic device, the stress due to the deformation is absorbed in the back metal plate having a large area, and therefore the stress is applied to the silicon nitride substrate or the metal. A submount material that does not extend to the circuit board and has excellent durability can be obtained.

【0037】また窒化けい素基板に厚い裏金属板や金属
回路板を接合した場合には、窒化けい素基板に大きな応
力が作用するが、窒化アルミニウム(AlN)などの脆
弱なセラミックスと比較して構造強度が高い窒化けい素
基板を用いているため、応力によって破損することは少
ない。したがって、このサブマウント材にダイオード素
子を接合することにより、信頼性に優れた光電素子を高
い製造歩留りで量産することが可能になる。
When a thick back metal plate or a metal circuit board is bonded to a silicon nitride substrate, a large stress acts on the silicon nitride substrate, but compared with a fragile ceramic such as aluminum nitride (AlN). Since a silicon nitride substrate with high structural strength is used, it is unlikely to be damaged by stress. Therefore, by bonding a diode element to this submount material, it becomes possible to mass-produce a highly reliable photoelectric element with a high production yield.

【0038】[0038]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について以
下に示す実施例および参考例に基づいて、より具体的に
説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, the embodiments of the present invention will be described more specifically based on the following examples and reference examples.

【0039】実施例1および参考例1〜2 熱伝導率が90W/m・Kかつ三点曲げ強度(室温)が
700MPaであり、表面粗さ(Ra)が0.3μmで
あり、縦3mm×横5mm×厚さ0.635mmの窒化
けい素(Si)基板を用意する一方、縦2.5m
m×横4.5mm×厚さ0.5mmの銅(Cu)回路板
(金属回路板)と縦3.5mm×横11mm×厚さ0.
5mmの裏銅板(裏金属板)とを用意した。
Example 1 and Reference Examples 1 and 2 The thermal conductivity was 90 W / m · K, the three-point bending strength (room temperature) was 700 MPa, the surface roughness (Ra) was 0.3 μm, and the length was 3 mm × A silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate having a width of 5 mm and a thickness of 0.635 mm is prepared, while a length of 2.5 m
m × width 4.5 mm × thickness 0.5 mm copper (Cu) circuit board (metal circuit board) and length 3.5 mm × width 11 mm × thickness 0.
A 5 mm back copper plate (back metal plate) was prepared.

【0040】一方、活性金属としてのTiを含有し、重
量比率で70%Ag−27%Cu−3%Tiなる組成を
有するろう材を上記Si基板の両面に厚さ25μ
mで塗布した後に、上記銅回路板および裏銅板を接触配
置した状態で1.33×10 −4Pa以下の真空中で温
度850℃で10分間保持し接合体とした。さらに裏銅
板の張出し部に2個の取付孔を穿設し、さらに銅回路板
に回路形成した後にレーザダイオードチップを半田接合
して実施例1に係るサブマウント材を調製した。
On the other hand, since it contains Ti as an active metal,
The composition is 70% Ag-27% Cu-3% Ti in terms of quantity ratio.
The brazing material having the above SiThreeNFour25μ thick on both sides of the substrate
After coating with m, contact the copper circuit board and back copper plate
1.33 × 10 when placed -4Warm in a vacuum below Pa
The temperature was maintained at 850 ° C. for 10 minutes to obtain a joined body. Further back copper
Two mounting holes are drilled in the overhanging part of the board, and further copper circuit board
Laser diode chip is soldered after circuit is formed on
Then, the submount material according to Example 1 was prepared.

【0041】この実施例1に係るサブマウント材4aは
図1および図2に示す通り、Si基板2aの表面
側に金属回路板11としての銅回路板が接合される一
方、裏面側には裏金属板12としての裏銅板が一体に接
合され、回路形成された銅回路板11の所定位置にレー
ザダイオード(LD)素子6が半田接合され、裏銅板1
2の張出し部(2箇所)に固定ねじを挿通するための取
付孔13が穿設された構造を有する。上記実施例1にお
いて張出し部の幅Wは3mmである。
As shown in FIGS. 1 and 2, the submount material 4a according to Example 1 has a copper circuit board serving as the metal circuit board 11 joined to the front surface side of the Si 3 N 4 substrate 2a, while the back surface side thereof. A back copper plate serving as a back metal plate 12 is integrally joined to the above, and a laser diode (LD) element 6 is soldered to a predetermined position of a copper circuit plate 11 on which a circuit is formed.
It has a structure in which mounting holes 13 for inserting fixing screws are formed in two overhanging portions (two places). In Example 1, the width W of the overhanging portion is 3 mm.

【0042】一方、固定ねじを挿通するための取付孔を
穿設しない点以外は実施例1と同様に処理して参考例に
係るサブマウント材を調製した。そして実施例1に係る
サブマウント材4aの取付孔13に固定ねじを挿通締着
してサブマウント材4aを放熱板上に直接的に固定し
た。一方、参考例のサブマウント材をPb−Sn半田を
介して放熱板上に固定して参考例1に係る接合構造とし
た。また参考例のサブマウント材について、エポキシ系
樹脂接着剤を介して放熱板上に固定して参考例2に係る
接合構造とした。なお、参考例1のPb−Sn半田層お
よび参考例2の樹脂接着剤層の厚さはいずれも0.2m
mに統一した。
On the other hand, a submount material according to the reference example was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mounting hole for inserting a fixing screw was not formed. Then, a fixing screw was inserted into and tightened in the mounting hole 13 of the submount material 4a according to the first embodiment to directly fix the submount material 4a on the heat dissipation plate. On the other hand, the submount material of the reference example was fixed on the heat dissipation plate via Pb-Sn solder to obtain the joint structure according to the reference example 1. Further, the submount material of the reference example was fixed on the heat dissipation plate via the epoxy resin adhesive to obtain the joint structure according to the reference example 2. The Pb-Sn solder layer of Reference Example 1 and the resin adhesive layer of Reference Example 2 each had a thickness of 0.2 m.
unified to m.

【0043】そして、各接合構造としたサブマウント材
の銅回路板表面と放熱板表面との間の熱抵抗を測定し
た。その結果、サブマウント材を固定ねじによって直接
放熱板上に固定した実施例1に係るサブマウント材の熱
抵抗値を基準(100%)として、半田接合による参考
例1では平均熱抵抗値が122%であった一方、樹脂接
着とした参考例2においては平均153%であった。
Then, the thermal resistance between the surface of the copper circuit board and the surface of the heat sink of the submount material having each joint structure was measured. As a result, with the thermal resistance value of the submount material according to Example 1 in which the submount material was directly fixed on the heat dissipation plate by the fixing screw as a reference (100%), the average thermal resistance value in the reference example 1 by soldering was 122. On the other hand, in Reference Example 2 in which resin adhesion was used, the average was 153%.

【0044】このように、熱抵抗値が高い半田や樹脂を
使用せず、ねじ止めにより直接放熱板に固定した実施例
1に係るサブマウント材4aにおいては、熱抵抗値を大
幅に低下させることが可能であり、特に高出力のLD素
子を搭載するサブマウント材として好適であることが判
明した。
As described above, in the submount material 4a according to the first embodiment, which is directly fixed to the heat sink by screwing without using solder or resin having a high heat resistance value, the heat resistance value should be significantly reduced. It has been found that it is particularly suitable as a submount material for mounting a high-power LD element.

【0045】なお、上記実施例では長方形状の窒化けい
素基板および金属板を使用した例で示しているが、図3
に示すように実質的に正方形状の窒化けい素基板2bお
よび裏金属板12bを用いて構成してもよい。
In the above embodiment, an example using a rectangular silicon nitride substrate and a metal plate is shown.
Alternatively, the silicon nitride substrate 2b and the back metal plate 12b having a substantially square shape may be used as shown in FIG.

【0046】また、上記実施例においては、長方形状の
裏金属板12に断面が円形の取付孔13を穿設した例で
示しているが、図4(a),(b)に示すように、一端
を開口した切欠穴状の取付孔13aを形成した裏金属板
12b,12cを使用することにより、放熱板に設けた
ねじ穴との誤差を吸収することが可能になる。さらに図
4(b),(c)に示すように、4つの角部を曲線状に
形成した裏金属板12c,12dを使用することによ
り、歪みの発生が少ないサブマウント材が得られる。
In the above embodiment, the rectangular back metal plate 12 is provided with the mounting hole 13 having a circular cross section, but as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). By using the back metal plates 12b and 12c having the notched hole-shaped mounting hole 13a having one end opened, it is possible to absorb an error from the screw hole provided in the heat dissipation plate. Further, as shown in FIGS. 4B and 4C, by using the back metal plates 12c and 12d in which four corners are formed in a curved shape, a submount material with less distortion can be obtained.

【0047】実施例2〜6および比較例1 実施例1に係るサブマウント材において、裏金属板(裏
銅板)の寸法、すなわち張出し部の幅を表1に示す値と
なるようにそれぞれ調整して実施例2〜6に係るサブマ
ウント材を調製した。そして、各サブマウント材の耐久
性および信頼性を評価するために下記のような熱衝撃試
験(ヒートサイクル試験:TCT)を実施しSi
基板にクラックが発生する割合を測定した。
Examples 2 to 6 and Comparative Example 1 In the submount materials according to Example 1, the size of the back metal plate (back copper plate), that is, the width of the overhanging portion was adjusted so as to be the values shown in Table 1. Thus, the submount materials according to Examples 2 to 6 were prepared. Then, in order to evaluate the durability and reliability of each submount material, a thermal shock test (heat cycle test: TCT) as described below was performed to perform Si 3 N 4
The rate at which cracks were generated on the substrate was measured.

【0048】上記ヒートサイクル試験は、−40℃で3
0分間保持した後に昇温し室温(25℃)で10分間保
持し、次に加熱して125℃で30分間保持した後に室
温まで戻して10分間保持するまでを1サイクルとする
昇温−降温サイクルを1000サイクル繰り返し、10
00サイクル終了後においてクラックが発生した割合を
測定した。ヒートサイクル試験では各実施例に係るサブ
マウント材を100個用意してクラックが発生したもの
の割合を調査した。また、「ねじ止め固定時における裏
金属板の剥離率(%)」の測定として、各実施例に係る
サブマウント材を各1000個以上用意し、ねじ止めす
る際に裏金属板が剥離する割合を調査した。
The above heat cycle test was conducted at -40 ° C. for 3 hours.
Hold for 0 minutes, then heat up and hold at room temperature (25 ° C) for 10 minutes, then heat and hold at 125 ° C for 30 minutes, then return to room temperature and hold for 10 minutes as one cycle Temperature rising / falling temperature Repeat 1000 cycles, 10
The rate at which cracks occurred after the completion of 00 cycles was measured. In the heat cycle test, 100 submount materials according to each of the examples were prepared, and the ratio of cracks generated was investigated. Further, as a measurement of the “peeling rate (%) of the back metal plate when fixed by screwing”, 1000 or more submount materials according to each example are prepared, and the back metal plate peels off when screwed. investigated.

【0049】比較例1として窒化けい素基板を窒化アル
ミニウム基板(熱伝導率160W/m・K、三点曲げ強
度(室温)300MPa)に代えた以外は実施例3と同
一形状のサブマウント材を用意し、同様の測定を行っ
た。測定結果を下記表1に示す。
As Comparative Example 1, a submount material having the same shape as in Example 3 was used except that the silicon nitride substrate was replaced with an aluminum nitride substrate (heat conductivity 160 W / mK, three-point bending strength (room temperature) 300 MPa). It prepared, and the same measurement was performed. The measurement results are shown in Table 1 below.

【0050】[0050]

【表1】 [Table 1]

【0051】上記表1に示す結果から明らかなように、
Si基板に対する裏金属板の張出し部の幅が1m
mと狭い実施例2に係るサブマウント材においては、ね
じ止めによる裏金属板の変形に起因する応力が十分に緩
和されないため、クラックが発生し易いことが判明し
た。
As is clear from the results shown in Table 1 above,
The width of the protruding portion of the back metal plate with respect to the Si 3 N 4 substrate is 1 m
It was found that in the submount material according to Example 2 having a small m, the stress caused by the deformation of the back metal plate due to screwing was not sufficiently relaxed, and thus cracks were likely to occur.

【0052】また、実施例3〜6においてTCT試験後
における窒化けい素基板の割れの発生量が、いずれもゼ
ロとなることから、Si基板に対する裏金属板の
張出し幅Wは2.5mm以上であることが好ましいこと
が判明した。また裏金属板の張出し部の幅Wが5.0以
上とした実施例4〜6において、裏金属板の剥離率の低
減効果はほぼ飽和することが明らかである。したがっ
て、サブマウント材の実装スペースをも考慮した場合に
は、裏金属板の張出し部の幅Wは、2.5〜5mmの範
囲が最も好ましい形態であると言える。
In each of Examples 3 to 6, the amount of cracks in the silicon nitride substrate after the TCT test was zero, so that the overhang width W of the back metal plate with respect to the Si 3 N 4 substrate was 2. It has been found that it is preferably 5 mm or more. Further, in Examples 4 to 6 in which the width W of the protruding portion of the back metal plate is 5.0 or more, it is clear that the effect of reducing the peeling rate of the back metal plate is almost saturated. Therefore, when the mounting space of the submount material is also taken into consideration, the width W of the overhanging portion of the back metal plate is most preferably in the range of 2.5 to 5 mm.

【0053】一方、比較例1のAlN基板を用いたサブ
マウント材において、「ねじ止め固定時における裏金属
板の剥離率」は7%程度であったが、「TCT試験後の
クラックの発生率」は50%以上となっていた。これは
強度の弱いAlN基板では1000サイクルという厳し
いTCT試験条件においては十分な信頼性が得られない
ことを示すものである。
On the other hand, in the submount material using the AlN substrate of Comparative Example 1, the "peeling rate of the back metal plate at the time of screwing and fixing" was about 7%, but the "generation rate of cracks after TCT test". Was over 50%. This indicates that the AlN substrate with weak strength cannot obtain sufficient reliability under the severe TCT test condition of 1000 cycles.

【0054】実施例7〜11および参考例3〜5 実施例1に係るサブマウント材において、Si
板の厚さ,熱伝導率,金属回路板および裏金属板の材
質,厚さ,体積(Va,Vb),Vb/Va比,金属板
の接合方法を表2に示すように変化させた以外は実施例
1と同様に処理して各実施例および参考例に係るサブマ
ウント材を調製した。なお、各Si基板の三点曲
げ強度は室温で600MPa以上のものを使用した。
Examples 7 to 11 and Reference Examples 3 to 5 In the submount materials according to Example 1, the thickness of the Si 3 N 4 substrate, the thermal conductivity, the material and thickness of the metal circuit board and the back metal plate, The submount materials according to each Example and Reference Example were processed in the same manner as in Example 1 except that the volume (Va, Vb), the Vb / Va ratio, and the joining method of the metal plates were changed as shown in Table 2. Prepared. The three-point bending strength of each Si 3 N 4 substrate was 600 MPa or more at room temperature.

【0055】なお、活性金属法を用いた接合処理では、
活性金属としてTiを含有し、重量比で70%Ag−2
7%Cu−3%Tiなる組成を有するAg−Cu系ろう
材をSi基板の両面に厚さ25μm塗布した後に
金属回路板または裏金属板を接触配置した後に、真空中
で温度850℃で10分間保持して接合した。
In the joining process using the active metal method,
Contains Ti as an active metal and has a weight ratio of 70% Ag-2.
After applying an Ag—Cu based brazing material having a composition of 7% Cu-3% Ti to both sides of a Si 3 N 4 substrate with a thickness of 25 μm, a metal circuit board or a back metal plate is placed in contact, and then a temperature of 850 is set in vacuum. Bonding was performed by holding at 10 ° C. for 10 minutes.

【0056】一方、直接接合法を用いた接合処理では、
予めSi基板を大気中で加熱することにより表面
に厚さ1μmの酸化被膜(SiO被膜)を設け、しか
る後に、Si基板に金属回路板および裏金属板を
押圧した状態で温度1070℃で10分間加熱すること
により接合した。
On the other hand, in the joining process using the direct joining method,
An oxide film (SiO 2 film) having a thickness of 1 μm is provided on the surface by heating the Si 3 N 4 substrate in advance, and then the metal circuit board and the back metal plate are pressed against the Si 3 N 4 substrate. Were joined by heating at a temperature of 1070 ° C. for 10 minutes.

【0057】調製した各サブマウント材について実施例
2〜6と同一条件でヒートサイクル試験(TCT)を実
施し、TCT試験後における金属回路板の剥離の発生率
を測定した。測定結果を下記表2に示す。
A heat cycle test (TCT) was carried out on each of the prepared submount materials under the same conditions as in Examples 2 to 6, and the incidence of peeling of the metal circuit board after the TCT test was measured. The measurement results are shown in Table 2 below.

【0058】[0058]

【表2】 [Table 2]

【0059】上記表2に示す結果から明らかなように、
サブマウント材を構成する金属回路板の体積Vaに対す
る裏金属板の体積Vbの比(Vb/Va)を所定の範囲
に調整した実施例7〜11に係るサブマウント材におい
ては、金属回路板の剥離率が0%であり、熱衝撃が作用
した場合においても、金属回路板がSi基板から
剥離することが効果的に防止でき、優れた耐熱衝撃性を
有することが確認できた。また、金属回路板に対する裏
金属板の体積比(Vb/Va)は5〜10の範囲が好ま
しいことが判明した。
As is clear from the results shown in Table 2 above,
In the submount materials according to Examples 7 to 11 in which the ratio (Vb / Va) of the volume Vb of the back metal plate to the volume Va of the metal circuit board constituting the submount material was adjusted to a predetermined range, The peeling rate was 0%, and it was confirmed that the metal circuit board could be effectively prevented from peeling from the Si 3 N 4 substrate even when a thermal shock was applied, and that it had excellent thermal shock resistance. It was also found that the volume ratio (Vb / Va) of the back metal plate to the metal circuit plate is preferably in the range of 5-10.

【0060】一方、参考例3に係るサブマウント材のよ
うに、Si基板の厚さが0.8mmを超えるよう
に厚い場合には、Si基板の強度が高いことか
ら、たわみ量が小さくなり、金属回路板とSi
板との熱膨張差が顕著となるために、金属回路板の剥離
が発生することが確認できた。
[0060] On the other hand, as the submount member according to the reference example 3, when thick as Si 3 N 4 thickness of the substrate is more than 0.8mm, since Si 3 N 4 strength of the substrate is high, It was confirmed that the amount of flexure became small and the difference in thermal expansion between the metal circuit board and the Si 3 N 4 substrate became remarkable, so that peeling of the metal circuit board occurred.

【0061】また、参考例4のようにVb/Va比を2
0と大きくしても、それ以上の剥離防止効果は得られな
い。また、参考例5のように、熱伝導率が低いSi
基板を用いた場合では、放熱性が低下するため、金属
回路板とSi基板との熱膨張差が顕著になるた
め、金属回路板の剥離率が高くなるものと考えられる。
Also, as in Reference Example 4, the Vb / Va ratio was set to 2
Even if it is set to 0, no further peeling prevention effect can be obtained. Further, as in Reference Example 5, Si 3 N having a low thermal conductivity is used.
In the case of using four substrates, it is considered that since the heat dissipation property is lowered, the difference in thermal expansion between the metal circuit board and the Si 3 N 4 substrate becomes remarkable, and the peeling rate of the metal circuit board increases.

【0062】実施例12〜14 実施例1に係るサブマウント材において、Si
板の表面粗さ(Ra)を表3に示すように変化させた点
以外は実施例1と同様に処理して各実施例に係るサブマ
ウント材を調製した。
Examples 12 to 14 Sub-mount materials according to Example 1 were treated in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness (Ra) of the Si 3 N 4 substrate was changed as shown in Table 3. Then, a submount material according to each example was prepared.

【0063】調製した各サブマウント材について実施例
2〜6と同一条件でヒートサイクル試験(TCT)を実
施し、TCT試験後における金属回路板の剥離の発生率
を測定し、下記表3に示す結果を得た。
A heat cycle test (TCT) was carried out on each of the prepared submount materials under the same conditions as in Examples 2 to 6, and the incidence of peeling of the metal circuit board after the TCT test was measured. The results are shown in Table 3 below. I got the result.

【0064】[0064]

【表3】 [Table 3]

【0065】上記表3に示す結果から明らかなように、
Si基板の表面粗さ(Ra)を0.1〜0.5μ
mの範囲に調整することにより、金属回路板の剥離を効
果的に防止でき、LD素子の信頼性を向上させることが
可能になることが確認できた。
As is clear from the results shown in Table 3 above,
The surface roughness (Ra) of the Si 3 N 4 substrate is 0.1 to 0.5 μm.
It was confirmed that the peeling of the metal circuit board can be effectively prevented and the reliability of the LD element can be improved by adjusting the thickness within the range of m.

【0066】実施例15〜19 実施例2に係るサブマウント材において、図5に示すよ
うに裏金属板12bの窒化けい素基板2aとの接合端部
に表4に示したように、幅0.02mm〜0.8mmで
深さ0.2mmの溝14をさらに形成して実施例15〜
19に係るサブマウント材4bを調製した。
Embodiments 15 to 19 In the submount materials according to Embodiment 2, as shown in FIG. 5, at the joint end portion of the back metal plate 12b with the silicon nitride substrate 2a, as shown in Table 4, the width 0 A groove 14 having a depth of 0.2 mm and a diameter of 0.02 mm to 0.8 mm is further formed, and the groove of Example 15 to
Submount material 4b according to No. 19 was prepared.

【0067】このサブマウント材4bについて、実施例
2と同一条件でヒートサイクル試験(TCT)を実施
し、TCT試験後におけるSi基板2aにクラッ
クが発生する割合を測定したところ、表4に示すように
発生率は0〜6%であり、実施例2の場合と比較して耐
久性が向上することが判明した。これは接合部において
発生する変形が溝14によって緩和されるためである。
A heat cycle test (TCT) was carried out on the submount material 4b under the same conditions as in Example 2, and the rate of crack generation in the Si 3 N 4 substrate 2a after the TCT test was measured. As shown in FIG. 5, the occurrence rate was 0 to 6%, and it was found that the durability was improved as compared with the case of Example 2. This is because the deformation generated in the joint portion is mitigated by the groove 14.

【0068】[0068]

【表4】 [Table 4]

【0069】[0069]

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係るサブマウ
ント材によれば、裏金属板の面積が窒化けい素基板の面
積よりも大きく構成されているため、裏金属板を介した
伝熱面積が大きくなり、また所定の接合強度を得るため
に必要な半田や樹脂接着剤の使用量が減少するため、放
熱性が大幅に改善される。また裏金属板を電子機器に接
合した際に変形が生じた場合においても、その変形に基
づく応力は、広面積を有する裏金属板内において吸収さ
れるため、その応力が窒化けい素基板や金属回路板に及
ぶことが少なく、耐久性に優れたサブマウント材が得ら
れる。
As described above, according to the submount material of the present invention, since the area of the back metal plate is larger than the area of the silicon nitride substrate, the heat transfer through the back metal plate is performed. Since the area is increased and the amount of solder or resin adhesive used to obtain a predetermined bonding strength is reduced, heat dissipation is greatly improved. Even when deformation occurs when the back metal plate is bonded to an electronic device, the stress due to the deformation is absorbed in the back metal plate having a large area, and therefore the stress is applied to the silicon nitride substrate or the metal. A submount material that does not extend to the circuit board and has excellent durability can be obtained.

【0070】また窒化けい素基板に厚い裏金属板や金属
回路板を接合した場合には、窒化けい素基板に大きな応
力が作用するが、窒化アルミニウム(AlN)などの脆
弱なセラミックスと比較して構造強度が高い窒化けい素
基板を用いているため、応力によって破損することは少
ない。したがって、このサブマウント材にダイオード素
子を接合することにより、信頼性に優れた光電素子を高
い製造歩留りで量産することが可能になる。
Further, when a thick back metal plate or a metal circuit board is bonded to a silicon nitride substrate, a large stress acts on the silicon nitride substrate, but compared with fragile ceramics such as aluminum nitride (AlN). Since a silicon nitride substrate with high structural strength is used, it is unlikely to be damaged by stress. Therefore, by bonding a diode element to this submount material, it becomes possible to mass-produce a highly reliable photoelectric element with a high production yield.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係るサブマウント材の一実施例を示す
平面図。
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a submount material according to the present invention.

【図2】図1に示すサブマウント材の断面図。FIG. 2 is a sectional view of the submount material shown in FIG.

【図3】窒化けい素基板および裏金属板の形状例を示す
平面図。
FIG. 3 is a plan view showing a shape example of a silicon nitride substrate and a back metal plate.

【図4】(a),(b),(c)はそれぞれ裏金属板お
よび取付孔の形状例を示す平面図。
4A, 4B, and 4C are plan views showing examples of the shapes of a back metal plate and a mounting hole, respectively.

【図5】裏金属板の窒化けい素基板との接合端部に溝を
形成したサブマウント材の実施例を示す断面図。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an embodiment of a submount material in which a groove is formed at a joining end portion of a back metal plate with a silicon nitride substrate.

【図6】サブマウント材にダイオードを搭載した光電素
子の構成例を示す断面図。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration example of a photoelectric device in which a diode is mounted on a submount material.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザダイオード発光素子 2,2a,2b セラミックス基板(AlN基板,Si
基板) 3 金属回路層 4,4a,4b サブマウント材 5 半田層 6 レーザダイオード 7 ヒートシンク 8 Ti膜 9 Pt膜 10 Au膜 11 金属回路板(銅回路板) 12,12a,12b 裏金属板(裏銅板) 13,13a 取付孔 14 溝
1 Laser diode light emitting element 2, 2a, 2b Ceramic substrate (AlN substrate, Si
3 N 4 substrate) 3 metal circuit layers 4, 4a, 4b submount material 5 solder layer 6 laser diode 7 heat sink 8 Ti film 9 Pt film 10 Au film 11 metal circuit board (copper circuit board) 12, 12a, 12b back metal Plate (back copper plate) 13, 13a Mounting hole 14 Groove

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化けい素基板と、窒化けい素基板の表
面に接合した金属回路板と、上記窒化けい素基板の裏面
に接合した裏金属板とを具備し、上記金属回路板上にレ
ーザダイオードを搭載するためのサブマウント材におい
て、上記裏金属板の面積が窒化けい素基板の面積よりも
大きいことを特徴とするサブマウント材。
1. A silicon nitride substrate, a metal circuit board bonded to the front surface of the silicon nitride substrate, and a back metal plate bonded to the back surface of the silicon nitride substrate, and a laser on the metal circuit board. A submount material for mounting a diode, wherein the area of the back metal plate is larger than the area of the silicon nitride substrate.
【請求項2】 前記裏金属板の外周縁の少なくとも一部
が、窒化けい素基板の外周縁より2.5mm以上の幅で
張り出していることを特徴とする請求項1記載のサブマ
ウント材。
2. The submount material according to claim 1, wherein at least a part of an outer peripheral edge of the back metal plate is projected to a width of 2.5 mm or more from an outer peripheral edge of the silicon nitride substrate.
【請求項3】 前記裏金属板の張出し部に、固定ねじを
挿通するための取付孔が穿設されていることを特徴とす
る請求項2記載のサブマウント材。
3. The submount material according to claim 2, wherein a mounting hole for inserting a fixing screw is bored in the projecting portion of the back metal plate.
【請求項4】 前記金属回路板の体積をVaとする一
方、前記裏金属の体積をVbとした場合に、Vb/Va
比が5以上であることを特徴とする請求項1記載のサブ
マウント材。
4. When the volume of the metal circuit board is Va and the volume of the back metal is Vb, Vb / Va
The submount material according to claim 1, wherein the ratio is 5 or more.
【請求項5】 前記窒化けい素基板の表面粗さが算術平
均粗さ(Ra)基準で0.1〜0.5μmであることを
特徴とする請求項1記載のサブマウント材。
5. The submount material according to claim 1, wherein the surface roughness of the silicon nitride substrate is 0.1 to 0.5 μm on the basis of arithmetic average roughness (Ra).
【請求項6】 前記窒化けい素基板の板厚が0.8mm
以下であることを特徴とする請求項1記載のサブマウン
ト材。
6. The thickness of the silicon nitride substrate is 0.8 mm.
The submount material according to claim 1, wherein:
【請求項7】 前記窒化けい素基板の縦および横の長さ
がそれぞれ1mm以上であることを特徴とする請求項1
記載のサブマウント材。
7. The vertical and horizontal lengths of the silicon nitride substrate are each 1 mm or more.
The listed submount material.
【請求項8】 前記裏金属板の窒化けい素基板との接合
端部に溝を形成したことを特徴とする請求項1記載のサ
ブマウント材。
8. The submount material according to claim 1, wherein a groove is formed at a joint end portion of the back metal plate with the silicon nitride substrate.
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