JP2003318475A - 光半導体素子のマウント構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光半導体素子の発光部を有する側面にロウ材
が拡がるのを防止して、光半導体素子を搭載部に強固に
接合できる光半導体素子のマウント構造を提供するこ
と。 【解決手段】 絶縁基板２の上面の端部から側面にかけ
て上面側導体層３ａが延設されたサブマウント１に、一
側面に発光部を有する光半導体素子５が絶縁基板２の側
面よりも外側に一側面を突出させて上面側導体層３ａに
ロウ付けされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体素子を絶
縁基板に搭載して成る光半導体素子のマウント構造に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザ（ＬＤ），フォトダ
イオード（ＰＤ）等の光半導体素子は、サブマウントと
呼ばれる絶縁基板に搭載された状態で光半導体素子収納
用パッケージ等に収納されて使用される。このサブマウ
ントは、例えば絶縁基板の上面に光半導体素子を搭載し
てヒートシンク（銅等の金属製ブロック）上に載置され
るものであり、光半導体素子から発生される熱をヒート
シンク側へ効率よく伝達するものである。このようなサ
ブマウントは、近年、ＣＤ（コンパクトディスク）、Ｄ
ＶＤ（デジタルビデオディスク）、ＬＢＰ（レーザビー
ムプリンタ）、ＤＶＤ−ＲＯＭなどの光ピックアップ用
部品や、光通信用の光モジュール部品として幅広く使用
されている。

【０００３】従来の光半導体素子を搭載するためのサブ
マウントの断面図を図２に示す。図２において、11はサ
ブマウント、12は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体
等から成る絶縁基板、13は導体層、13ａは光半導体素子
が搭載される上面側導体層、13ｂはヒートシンク等に載
置される側の下面側導体層、14は光半導体素子の電極等
を接合するためのＡｕ−Ｓｎ合金等から成るロウ材、15
は光半導体素子である。そして、ロウ材14上に光半導体
素子15が載置され、ロウ材14が加熱され溶融して光半導
体素子15が上面側導体層13ａに接合される。

【０００４】例えば、特許第2951077号公報に記載され
ているように、光半導体素子の発光面の端面とサブマウ
ントの端面とを面一に合わせるように搭載したり、特開
2001−291812公報に記載されているように、光半導体素
子の発光面を有する端面がサブマウントの端面より外側
に突出するように搭載する。このような構成にすること
により、光半導体素子から発光された光がサブマウント
で遮断されないようにしている。

【０００５】また、光半導体素子の実装時にボール状や
涙滴状に固化して光を遮るようにはみだして形成された
ロウ材を除去するために、溶融してはみだしてロウ材を
強制的に流すか除去するといった製造方法が特開平10−
12977号公報に提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特許第
2951077号公報に記載されているように、光半導体素子
の発光面の端面とサブマウントの端面を合わせるように
搭載する場合、加熱溶融されたロウ材がサブマウントの
端面からはみ出し、光半導体素子の発光面にロウ材が付
着したり、はみ出したロウ材がボール状や涙滴状になっ
た状態で固化し、発光された光を遮断するという問題点
があった。

【０００７】また、特開2001−291812公報に記載されて
いるように、光半導体素子の発光面がサブマウントの端
面から外側に突出するように搭載する場合、光半導体素
子の下面の一部はサブマウントと接合されないため、接
合強度が弱くなるという問題点があった。

【０００８】さらに、特開平10−12977号公報では、は
み出したロウ材がボール状や涙滴状になった状態で固化
し発光された光を遮断するという問題点を解消するため
の製造方法が提案されているが、このような製造方法で
は固化したロウ材が剥離して再付着し易いという問題点
があった。

【０００９】従って、本発明は上記事情に鑑みて完成さ
れたものであり、その目的は、光半導体素子の発光面に
ロウ材が拡がって付着するのを防止するとともに、光半
導体素子を絶縁基板の搭載部に強固に接合できる光半導
体素子のマウント構造を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の光半導体素子の
マウント構造は、絶縁基板の上面の端部から側面にかけ
て導体層が延設されたサブマウントに、一側面に発光部
を有する光半導体素子が前記絶縁基板の側面よりも外側
に前記一側面を突出させて前記端部の前記導体層にロウ
付けされていることを特徴とする。

【００１１】本発明の光半導体素子のマウント構造は、
上記の構成により、光半導体素子の発光部を有する一側
面に加熱溶融されたロウ材がはみ出して付着したり、は
み出したロウ材がボール状や涙滴状になった状態で固化
して発光された光を遮断するのを防止することができ、
また光半導体素子は、突出した一側面付近の直下の下面
と延設された導体層との間にロウ材のメニスカスが形成
されるため、搭載部である導体層に強固に接合されるこ
ととなる。従って、発光特性に優れるとともに搭載部に
強固に接合された高信頼性のマウント構造となる。

【００１２】本発明の光半導体素子のマウント構造にお
いて、好ましくは、前記光半導体素子は、前記発光部を
有する一側面が前記絶縁基板の側面よりも外側に0.05〜
0.1ｍｍ突出していることを特徴とする。

【００１３】本発明の光半導体素子のマウント構造は、
上記の構成により、光半導体素子を接合するためのロウ
材がボール状や涙滴状になった状態で発光部を有する一
側面にはみだして固化するがことが有効に防止される。
また、光半導体素子の突出した一側面付近の直下の下面
と延設された導体層との間に良好なロウ材のメニスカス
が形成され、光半導体素子が搭載部である導体層により
強固に接合されることとなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の光半導体素子のマウント
構造について以下に詳細に説明する。図１は本発明の光
半導体素子のマウント構造の断面図である。図１におい
て、１はサブマウント、２は絶縁基板、３は導体層、３
ａは光半導体素子が搭載される側の上面側導体層、３ｂ
はヒートシンク等に載置される側の下面側導体層、３ｃ
は上面側導体層３ａの端部から絶縁基板２の側面に延設
された延設部、４はＡｕ−Ｓｎ合金等から成るロウ材、
５は光半導体素子である。

【００１５】本発明の絶縁基板２は、例えば酸化アルミ
ニウム（アルミナ：Ａｌ₂Ｏ₃）質焼結体、窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結
体、ガラスセラミック焼結体、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）質
焼結体、石英、ダイヤモンド、サファイア（単結晶アル
ミナ）、立方晶窒化硼素（ＢＮ）、または熱酸化膜を形
成したシリコン（Ｓｉ）のうち少なくとも１種より成
る。この絶縁基板２は、窒化アルミニウム質焼結体、炭
化珪素質焼結体、ダイヤモンド、シリコンで形成するの
がよく、これらの材料は熱伝導率が40Ｗ／ｍ・Ｋ以上と
高いため、サブマウント１の上面に接着固定された光半
導体素子５が駆動時に熱を発しても、その熱はサブマウ
ント１を介して良好に伝達される。そのため、光半導体
素子５の放熱性が向上し、光半導体素子５を長期にわた
り正常かつ安定的に作動させることが可能となる。

【００１６】また、絶縁基板２にガラスセラミックス焼
結体や石英等を用いるのもよく、これらの比誘電率は小
さいため、サブマウント１が浮遊容量を持たず、その結
果、光半導体素子５に電気信号（高周波信号）を高速で
伝達させることが可能となる。

【００１７】導体層３は、例えば密着金属層、拡散防止
層、主導体層が順次積層された３層構造の導体層から成
る。そして、密着金属層は絶縁基板との密着性の点で、
Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔａ₂Ｎ等
の少なくとも１種より成るのが良い。密着金属層の厚さ
は0.01〜0.2μｍ程度が良い。0.01μｍ未満では強固に
密着することが困難となり、0.2μｍを超えると成膜時
の内部応力によって剥離が生じ易くなる。

【００１８】拡散防止層は、密着金属層と主導体層との
相互拡散を防ぐうえで、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｎｉ
−Ｃｒ合金，Ｔｉ−Ｗ合金等の少なくとも１種より成る
のが良い。拡散防止層の厚さは0.05〜１μｍ程度が良
く、0.05μｍ未満では、ピンホール等の欠陥が発生して
拡散防止層としての機能を果たしにくくなる。１μｍを
超えると、成膜時の内部応力により剥離が生じ易くな
る。拡散防止層にＮｉ−Ｃｒ合金を用いる場合は、密着
性も確保できるため、密着金属層を省くことも可能であ
る。

【００１９】さらに主導体層は電気抵抗の小さいＡｕ，
Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ等より成るのが良く、その厚さは0.1
〜５μｍ程度が良い。0.1μｍ未満では、電気抵抗が大
きくなる傾向があり、５μｍを超えると、成膜時の内部
応力により剥離を生じ易くなる。また、Ａｕは貴金属で
高価であることから、低コスト化の点でなるべく薄く形
成することが好ましい。Ｃｕは酸化し易いので、その上
にＮｉおよびＡｕから成る保護層をメッキ法等で被着す
るのが良い。

【００２０】上面側導体層３ａは、絶縁基板２の少なく
とも端部に形成されるとともに端部から絶縁基板の側面
に延設されている。上面側導体層３ａの絶縁基板２上面
における大きさ（面積）は、搭載される光半導体素子５
よりも大きいのが好ましい。光半導体素子５よりも小さ
くなると、光半導体素子５の接着強度が弱くなる。また
上面側導体層３ａは、光半導体素子５の外形寸法よりも
0.02〜0.1ｍｍ程度の幅で大きくなっていることが好ま
しい。これにより、光半導体素子５の下面の周囲にロウ
材４の良好なメニスカスが形成され、光半導体素子５が
より強固に接合される。上記の幅が0.02ｍｍ未満では、
ロウ材４のメニスカスが小さくなるため接合力が低下
し、0.1ｍｍを超えると、ロウ材４が光半導体素子５の
周囲に広がりすぎるため、接合力が低下し易くなる。

【００２１】下面側導体層３ｂは、絶縁基板２の下面の
略全面に形成されているのが好ましい。これにより、ヒ
ートシンク等に強固に接着固定することができる。

【００２２】延設部３ｃは、上面側導体層３ａが絶縁基
板２上面の端部から側面に延設されて成るものである。
延設部３ｃの上下方向の長さＬ₁（図１）は0.05ｍｍ以
上が良い。0.05ｍｍ未満の場合、ロウ材４が実装時にボ
ール状や涙滴状になって固化し易くなる。その結果、光
半導体素子５の発光部を有する側面にロウ材４がはみだ
して、発光部から発光された光が遮断され易くなる。ま
た、より好ましくはＬ ₁は0.1ｍｍ以下がよく、0.1ｍｍ
を超えると、ロウ材４のメニスカスが引き延ばされた略
平坦な形状となり、接合力が低下し易くなる。

【００２３】また延設部３ｃは、突出した光半導体素子
５の発光部を有する一側面よりも左右方向の長さが長
く、発光部を有する一側面よりも左右端で若干の幅ずつ
広がっていることが好ましい。これにより、光半導体素
子５の突出した一側面付近の接合力が増大し、光半導体
素子５の剥がれ等を抑えることができる。延設部３ｃの
左右端の広がり幅は、それぞれ0.2〜0.1ｍｍが好まし
い。0.2ｍｍ未満では、接合力が向上しにくく、0.1ｍｍ
を超えると、ロウ材４が左右に広がりすぎて同様に接合
力が向上しにくくなる。

【００２４】さらに延設部３ｃは、その中央部の上下方
向の長さが最も長くなっていることが好ましい。これに
より、ロウ材４が延設部３ｃの中央部で下方に向かって
濡れ易くなり、光半導体素子５の発光部にはみだすこと
をより有効に防ぐことができる。この場合、上下方向の
長さが最も長い延設部３ｃの中央部は、その左右方向の
長さが全長の１／４〜３／４程度の領域に設けられてい
ればよい。

【００２５】ロウ材４は、蒸着法、スパッタリング法等
により所定厚みに被着されることにより、光半導体素子
５を接着固定する際にロウ材のプリフォームを配置する
手間を省くことができる。ロウ材４としては、Ａｕ−Ｇ
ｅ合金ロウ材（融点約356℃）、Ａｕ−Ｓｉ合金ロウ材
（融点約370℃）、Ａｕ−Ｓｎ合金ロウ材（融点約280
℃）、Ｐｂ−Ｓｎ合金ロウ材（融点約183℃）、Ｉｎ−
Ｐｂ合金ロウ材（融点約172℃）、Ｉｎロウ材（融点約1
57℃）等が好ましい。これらは融点が400℃以下である
ため、接着温度を低くすることができる。その結果、光
半導体素子５が熱衝撃破壊されることがないという利点
がある。また、組立工程において、低温接着ができるこ
とにより、昇温時間および冷却時間を短くすることがで
きる。その結果、生産コストを低くすることができる。

【００２６】光半導体素子５を接着固定するロウ材４の
厚みは0.5〜５μｍ程度が良く、0.5μｍ未満では、光半
導体素子５との接着を強固にすることが困難となる。５
μｍを超えると、成膜時の内部応力により剥離を生じ易
くなり、またＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材４を構成す
るＡｕは貴金属で高価であることから高コスト化するこ
ととなる。

【００２７】また、ロウ材４は上面側導体層３ａおよび
延設部３ｃとの間にＰｔ，Ｔｉ，Ｐｂ等の拡散防止層を
設けても良い。これにより、上面側導体層３および延設
部３ｃにロウ材４が拡散することがなく、光半導体素子
５をより強固に接着固定することができる。

【００２８】本発明において、発光部を有する一側面が
絶縁基板２の側面よりも外側に0.05〜0.1ｍｍ突出して
いることが好ましい。0.05ｍｍ未満では、ロウ材４が延
設部３ｃに十分に濡れ広がらず、光半導体素子５とサブ
マウント１との接合強度が弱くなる傾向にある。0.1ｍ
ｍを超えると、光半導体素子５の下面（突出部の下面）
にロウ材４が濡れ広がりにくくなり、光半導体素子５と
サブマウント１との接合強度が弱くなる傾向にある。

【００２９】また本発明において、延設部３ｃが形成さ
れた絶縁基板２の側面は、光半導体素子５の下面に垂直
ではなく、20°程度以下傾いていることが好ましい。即
ち、絶縁基板２の側面と光半導体素子５の下面とのなす
角度は90°を超え110°以下がよい。これにより、ロウ
材４が光半導体素子５の発光部にはみだすのをより有効
に防ぐことができる。また、ロウ材４の量が多すぎた
り、ロウ材４の濡れる速度が速すぎる場合であっても、
ロウ材４のはみだしを防ぐのに有効である。あるいは、
ロウ材４の量が少ない場合でも、上記の角度範囲程度で
あれば、ロウ材４のメニスカスを形成するのを阻害する
ようなことはない。

【００３０】

【実施例】本発明の光半導体素子のマウント構造の実施
例を以下に説明する。

【００３１】（実施例１）図１のサブマウント１の絶縁
基板２として、外形寸法が縦２ｍｍ×横２ｍｍ×厚さ0.
5ｍｍで窒化アルミニウム質焼結体から成る略四角形の
ものを用意した。絶縁基板２の上下面の略全面にそれぞ
れ、真空蒸着法により、厚さ0.1μｍのＴｉより成る密
着金属層、厚さ0.2μｍのＰｔより成る拡散防止層、厚
さ0.5μｍのＡｕから成る主導体層を順次積層し、導体
層３を形成した。また、絶縁基板２の上面の一端部（一
辺部）から中央部にかけて、縦１ｍｍ×横１ｍｍ×厚さ
５μｍのＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材４をスパッタリ
ング法にて被着させた。そして、絶縁基板２の上面の一
端部から側面に延設された延設部３ｃの長さＬ₁が、0.0
1ｍｍ（サンプルＡ）、0.03ｍｍ（サンプルＢ）、0.05
ｍｍ（サンプルＣ）、0.1ｍｍ（サンプルＤ）、0.2ｍｍ
（サンプルＥ）、0.3ｍｍ（サンプルＦ）のものを各10
個ずつ作製した。

【００３２】また、比較例として、図２の従来構成のマ
ウント構造に係るサブマウント11（サンプルＧ）を10個
作成した。

【００３３】そして、これらのサンプルＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの各10個について、340℃に設定したヒ
ータブロック上に載せ、約10秒後に、上面側導体層に接
合される側の面に、厚さ0.05μｍのＴｉ層、厚さ0.1μ
ｍのＡｕ層が順次被着された導体層が被着された、Ｓｉ
半導体材料を用いた光半導体素子（寸法：縦１ｍｍ×横
１ｍｍ×高さ0.5ｍｍ）を搭載した。これらを双眼顕微
鏡（倍率40倍）により、ロウ材の濡れ拡がりを観察し
た。その結果、サンプルＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆにおいては、光
半導体素子実装時にはみ出したロウ材は延設部３ｃに濡
れ拡がり、ボール状や涙滴状に固化した状態のものは観
られなかった。これに対し、サンプルＡ，Ｂ，Ｇにおい
ては、ボール状や涙滴状に固化して発光部にはみだした
ロウ材の形成が観られた。

【００３４】（実施例２）実施例１と同様に作製したサ
ブマウント１について、延設部３ｃの長さＬ₁が0.05ｍ
ｍ（サンプルＣ）、0.1ｍｍ（サンプルＤ）、0.2ｍｍ
（サンプルＥ）、0.3ｍｍ（サンプルＦ）であるもの、
および図２の従来のサブマウント11（サンプルＧ）を作
製した。

【００３５】さらに、これらのサブマウント１（サンプ
ルＣ〜Ｆ）およびサブマウント11（サンプルＧ）につい
て、光半導体素子５の発光部を有する一側面をサブマウ
ント１の上面の一端から外側に突出させた長さが、０ｍ
ｍ（サンプルＣ１〜Ｇ１）、0.02ｍｍ（サンプルＣ２〜
Ｇ２）、0.05ｍｍ（サンプルＣ３〜Ｇ３）、0.07ｍｍ
（サンプルＣ４〜Ｇ４）、0.1ｍｍ（サンプルＣ５〜Ｇ
５）、0.12ｍｍ（サンプルＣ６〜Ｇ６）、0.15ｍｍ（サ
ンプルＣ７〜Ｇ７）、0.17ｍｍ（サンプルＣ８〜Ｇ
８）、0.2ｍｍ（サンプルＣ９〜Ｇ９）としたものを各1
0個作製した。

【００３６】上記４５種のサンプル（Ｃ１〜Ｇ１・・・
Ｃ９〜Ｇ９）について、光半導体素子の横方向から荷重
を加えるシェアテストを行った。サブマウントと光半導
体素子との密着性の判定は、シェアテストの破壊モード
が光半導体素子自身の破壊または光半導体素子に被着形
成された導体層の剥がれによる場合を密着性良好とし、
破壊モードがロウ材４の内部破断またはサブマウントの
導体層３内の界面での剥がれによる場合を密着不良とし
た。なお、10個すべてのサンプルが密着性良好のものを
◎、１個密着性不良のものを○、２個が密着性不良のも
のを△とし、３個以上に密着性不良が発生したものを×
とした。上記の評価結果を表１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１より、本発明のマウント構造に係るサ
ブマウント１にロウ材４を介して接合された光半導体素
子５はサブマウント１の上面の一端から突出させた長さ
が0.05〜0.1ｍｍの範囲内（Ｃ３〜Ｆ３，Ｃ４〜Ｆ４，
Ｃ５〜Ｆ５）において、良好なメニスカスを形成し、強
固に接合することがわかった。また、ロウ材４が延設部
３ｃに流れ、光半導体素子５の発光面に拡がったり、ボ
ール状や涙滴状に固化したものが発生しないことがわか
った。

【００３９】なお、本発明は上記実施の形態および実施
例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
の変更を行うことは何等差し支えない。

【００４０】

【発明の効果】本発明の光半導体素子のマウント構造
は、絶縁基板の上面の端部から側面にかけて導体層が延
設されたサブマウントに、一側面に発光部を有する光半
導体素子が絶縁基板の側面よりも外側に一側面を突出さ
せて端部の導体層にロウ付けされていることにより、光
半導体素子の発光部を有する一側面に加熱溶融されたロ
ウ材がはみ出して付着したり、はみ出したロウ材がボー
ル状や涙滴状になった状態で固化して発光された光を遮
断するのを防止することができ、また光半導体素子は、
突出した一側面付近の直下の下面と延設された導体層と
の間にロウ材のメニスカスが形成されるため、搭載部で
ある導体層に強固に接合されることとなる。従って、発
光特性に優れるとともに搭載部に強固に接合された高信
頼性のマウント構造となる。

【００４１】本発明の光半導体素子のマウント構造は、
好ましくは、光半導体素子は、発光部を有する一側面が
絶縁基板の側面よりも外側に0.05〜0.1ｍｍ突出してい
ることにより、光半導体素子を接合するためのロウ材が
ボール状や涙滴状になった状態で発光部を有する一側面
にはみだして固化するがことが有効に防止される。ま
た、光半導体素子の突出した一側面付近の直下の下面と
延設された導体層との間に良好なロウ材のメニスカスが
形成され、光半導体素子が搭載部である導体層により強
固に接合されることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光半導体素子のマウント構造について
実施の形態の一例を示す断面図である。

【図２】従来の光半導体素子のマウント構造の断面図で
ある。

【符号の説明】

１：サブマウント ２：絶縁基板 ３：導体層 ３ａ：上面側導体層 ３ｂ：下面側導体層 ３ｃ：延設部 ４：ロウ材 ５：光半導体素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板の上面の端部から側面にかけて
   導体層が延設されたサブマウントに、一側面に発光部を
   有する光半導体素子が前記絶縁基板の側面よりも外側に
   前記一側面を突出させて前記端部の前記導体層にロウ付
   けされていることを特徴とする光半導体素子のマウント
   構造。
2. 【請求項２】 前記光半導体素子は、前記発光部を有す
   る一側面が前記絶縁基板の側面よりも外側に0.05〜0.1
   ｍｍ突出していることを特徴とする請求項１記載の光半
   導体素子のマウント構造。