JP2005223083A5 - - Google Patents

Description

半導体装置

本発明は、半導体素子をヒートシンクに載置した半導体装置に関する。

半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置は、ＤＶＤレコーダー等のさまざまな製品に応用されている。このような製品に用いられている半導体レーザ素子は、高出力を要求されているため高温度になりやすく、半導体レーザ素子を内蔵する部分において放熱対策が施されている。図５は、従来の高出力半導体レーザ装置３１の要部を示すものである。この半導体レーザ装置３１は、レーザ光を発光する半導体レーザ素子３２が、サブマウント基板３３を介して角柱状のヒートシンク３４の上に実装されている。すなわち、半導体レーザ素子３２は、上面に電極４３を有したサブマウント基板３３上に接合される。この場合、半導体レーザ素子３２の裏面の例えばｐ側電極とサブマウント基板３３の電極４３が接合され、サブマウント基板３３は、ヒートシンク３４上に例えばＡｇペーストによる導電材３７を介して接合されている。また、半導体レーザ素子３２のｐ側電極は、サブマウント基板３３の電極４３の端子部４１から金属細線３９ａを介して外部端子３８にワイヤボンディングで接続されている。そして、半導体レーザ素子３２のｎ側電極４０は、金属細線３９ｂを介して直接ヒートシンク３４にワイヤボンディングで接続され、ヒートシンク３４も他の外部端子（図示せず）に接続されている。なお、図示しないが、ヒートシンク３４と一体の半導体レーザ素子３２は、パッケージ内に封入されて上記の外部端子に接続される。

なお、サブマウント基板とレーザ素子の両方に凹凸を設けて嵌合させること（特許文献１参照）、あるいは、レーザ素子の裏面を加工することで熱応力を緩和すること（特許文献２参照）が提案されている。
特開昭６２−１２９１号公報 特開平７−１９３３１５号公報

上述の高出力の半導体レーザ装置３１では、半導体レーザ素子３２が発する熱によってキンク、熱飽和、劣化などの特性悪化を招くことが知られている。このようなキンク、熱飽和、劣化などを組み立て工程で解決するには、ヒートシンク３４の大きさ及び導電材３７のＡｇペースト量を適正にするなどの対策が必要とされている。例えば、ヒートシンク３４とサブマウント基板３３を接合するための導電材３７のＡｇペーストを少なくすると熱伝導が悪くなる。逆に熱伝導を上げるためにＡｇペースト３７を増やすと、過剰のＡｇペースト３７Ａの這い上がりが原因となり、ヒートシンク３４とサブマウント基板３３の電極４３間のショートを引き起こす。このため単純にＡｇペーストを増やすことができない。また、ヒートシンク３４の表面３５とサブマウント基板３３の接合面同士が、メッキや蒸着面のため滑らかとなりＡｇペースト３７ののりが悪くなってしまう。

本発明は、上述の点に鑑み、半導体素子の発熱をヒートシンクで放熱させる半導体装置において、熱放散性及び密着性を向上し、さらに、導電材の這い上がりによる電気的な短絡を回避させた半導体装置を提供するものである。

本発明の半導体装置は、ヒートシンク上に半導体素子が導電材を介して接合され、前記ヒートシンクの接合面が、導電材の這い上がりが抑制される程度の微細凹凸面とされて成ることを特徴とする。

本発明の半導体装置における好ましい形態としては、前記の微細凹凸は、規則性を有して成ることが適当であり、また、前記の微細凹凸は、溝により形成されて成ることが好ましい。前記溝は、電気的短絡に影響しない方向に沿って形成されて成ることが好ましい。前記溝の深さ及び前記溝の幅は、前期導電材の導電粒子径より小さいことが好ましい。

本発明の半導体装置では、ヒートシンクの接合面が微細凹凸面とされヒートシンク上に半導体素子が導電材を介して接合されるので、ヒートシンクの接合面積を広げることができ、より放熱性、接合の密着性が良好になる。また、ヒートシンクの表面を微細凹凸面とすることにより余分な導電材の這い上がりを抑えることができる。

本発明の半導体装置によれば、ヒートシンクの接合面が微細凹凸面とされているので、表面積を広げることができ、熱放射及び密着性を向上させることができる。また、ヒートシンクの接合面が微細凹凸とされているので、過剰な導電材の這い上がりが抑制され、電気的接合面全域で均一に表面積を広げることができ、接合面全域で均一に、かつ熱放散及び密着性を向上することができ、さらに過剰な短絡を防止することができる。なお、ヒートシンクの接合面を規則的な粗さに形成する際に、導電材を排出することができるので、導電材の這い上がりを防ぐことができる。
また、ヒートシンクの接合面の粗さを溝で形成し、この溝を電気的短絡させない方向に導電材を誘導するように形成する場合には、過剰な導電材が短絡しない方向に誘導され、より確実に導電材の這い上がりを防ぎ、短絡事故防止できる。
さらに、ヒートシンクの接合面の溝として、溝深さ及び溝幅を導電材の導電粒子径より小さくすることにより、接合面が平坦化されず、這い上がりを防止することができる。すなわち、溝より導電粒子径が小さいと導電粒子が溝内に埋まり平坦化され易いが、本発明では導電粒子を溝より大きくしているため、接合面が平坦化されず、表面積を広くすることができるので、導電材の流れが起き難くなる。したがって、例えば半導体レーザ装置に適用した場合にキンク、熱飽和レベルの改善を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置を半導体レーザ装置に適用した場合の一実施の形態を示す。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置１は、レーザ発光する半導体レーザ素子２をサブマウント基板３の上に実装し、このサブマウント基板３をヒートシンク４上に実装して形成される。そして、ヒートシンク４には、半導体レーザ素子２の共振器長方向と直交する一方の側部に表面５より低くなった段差部４ａが形成されている。
サブマウント基板３の上面には電極１５が形成され、この電極１５上に半導体レーザ素子２の下面の例えばｐ側電極が接続されるように、半導体レーザ素子２がサブマウント基板３上に実装される。半導体レーザ素子２とサブマウント基板３は、例えばＳｎ半田材からなる導電材１４を介して接合されている。また、ヒートシンク４とサブマウント基板３とは、例えばＡｇペーストからなる導電材７を介して接合される。サブマウント基板３の電極１５の端子部１１と、例えば導電ピンに相当するリード８とは、金属配線９ａ（例えばＡｕワイヤ）を介してワイヤボンディングにより接続される。また、半導体レーザ素子２の上面の例えばｎ側電極とヒートシンク４の段差部４ａとは、金属配線９ｂ（例えばＡｕワイヤ）を介してワイヤボンディングにより接続される。なお、サブマウント基板３は、例えばＡｌＮ（アルミ・ナイトライド）基板で形成することができるが、これに限らない。ヒートシンク４は、例えば表面ＡｕメッキしたＣｕ基板で形成することができるが、これに限らない。

そして、本実施の形態においては、特に、図２に示すように、サブマウント基板３を接合するヒートシンク４の接合面５ａを粗すようにしている。すなわち、後述で明らかなように、ヒートシンク４の接合面５ａは、導電材７の這い上がりが抑制される程度の微細凹凸（溝を含む）面とされる。この接合面５ａの粗らしは、導電材７の密着性の向上、接触面積の拡大、さらには導電材７の這い上がりを防止することを目的として行われる。接合面５ａとしては、無規則に粗してもよく、規則的に粗してもよい。例えば、接合面５ａを球状もしくは角状の凹凸が無規則に形成されるように粗してもよいが、好ましくは、規則的に粗す方がより効果的である。

図３Ａ〜Ｄは、ヒートシンク４の接合面５ａの粗しの形態を示す。図３Ａは、半導体レーザ素子２の共振器長方向と直交する方向（すなわち図２のＸ方向）に伸びる多数の溝６Ａを、接合面５ａの全面に均一に形成して規則的に粗した形態である。
図３Ｂは、半導体レーザ素子２の共振器長方向に沿う方向（すなわち図２のＹ方向）に伸びる多数の溝６Ｂを、接合面５ａの全面に均一に形成して規則的に粗した形態である。
図３Ｃは、互いに交差する溝６Ｃ、すなわち例えばＸ方向と所定角度で伸びる多数の溝とこれに直交する多数の溝を、接合面５ａの全面に均一に形成して規則的に粗した形態である。この場合、共振器長方向に対角に整列する凹凸が形成される。
図３Ｄは、互いに交差する溝６Ｄ、すなわちＸ方向に伸びる多数の溝とこれに直交するＹ方向に伸びる溝を、接合面５ａの全面に均一に形成して規則的に粗した形態である。この場合、共振器長方向に並行に整列する格子状の凹凸が形成される。

各溝６Ａ〜６Ｄの断面形状としては、三角形、四角形、円弧形など、種々の形態を取り得る。溝６Ａ〜６Ｄとしては、その溝の大きさ（すなわち、溝の幅、溝の深さ夫々）を例えば１０μｍ以下に設定することが好ましい。
一方、ヒートシンク４とサブマウント基板３とを接合する導電材７として、導電粒子とバインダーとからなる導電ペーストを用いるときは、その導電粒子径を溝６［６Ａ〜６Ｄ］の溝の幅、溝の深さより大きくすることが好ましい。逆に言えば、溝６［６Ａ〜６Ｄ］の溝の幅及び溝の深さは、導電粒子径より小さく形成することが好ましい。例えばＡｇペーストを用いる場合、そのＡｇ粒子径は、一例として３０μｍとすることが適当である。

接合面５ａの粗さの方向は、特に導電材７の例えばＡｇペーストが這い上がりによる電気的短絡に影響しない方向に誘導されればよいので、条件を調整することによりさまざま方向に溝もしくは凹凸を形成することができる。すなわち、溝であれば、電気的短絡に影響しない方向に沿って形成される。この粗さの幅や深さは、導電材の種類によって変更して形成されるものである。

本実施の形態に係る半導体レーザ装置１は、レーザ素子２をサブマウント基板３と一体にした状態でヒートシンク４上に実装したが、サブマウント基板３を用いないでレーザ素子２をヒートシンク４上に直接実装する場合にも適用することができる。

図４は、本実施の形態を適用した半導体レーザ装置の一例を示す。この半導体レーザ装置は、上述した接合面５ａを粗したヒートシンク４上に半導体レーザ素子２を実装したサブマウント基板３を一体化したものを、レーザ光を透過させる窓１７を有したパッケージ１８に封入し、半導体レーザ素子２及びヒートシンク４を所要の端子ピン１９に接続して構成される。（図４において、図１に対応する部分には同一符号を付して示す。）なお、本実施の形態の表面５を粗らしたヒートシンク４は、この半導体レーザ装置に限らず、他の構成を有する半導体レーザ装置にも適用することができる。

本実施の半導体装置１によれば、ヒートシンク４の接合面となる表面５を粗して溝もしくは凹凸を設けることによりヒートシンク４の表面積を広げることができ、熱放射を向上することができる。
また、ヒートシンク４の表面５に溝もしくは凹凸を設けることによりヒートシンク表面５の表面積を広げることができるので、サブマウント基板３との密着性が良くなる。
さらに、ヒートシンク４の表面５に溝もしくは凹凸を形成することにより、ヒートシンク４とサブマウント基板３間の導電材７、例えばＡｇペーストを介して接合したときに、過剰なＡｇペーストが排出され、這い上がるのを抑えることができ、導電材７のＡｇペーストの這い上がりによる電気的なショートを抑制することができる。
また、図１に示すように、ヒートシンク４の表面５に半導体レーザ素子２の共振器長方向と直交する方向に溝６Ａを形成して表面５を粗す形態のものでは、Ａｇペースト７を介してヒートシンク４とサブマウント基板３を接合するとき、過剰なＡｇペースト７が溝６Ａに沿って段差部４ａ側に流れるので、共振器長方向からのＡｇペースト７の這い上がりを防ぐことができる。これにより、さらに確実にＡｇペーストの這い上がりによる電気的なショートを回避することができる。
さらに、Ａｇペースト７のＡｇ粒子径をヒートシンク７の表面５の溝の幅及び溝の深さより大きくする場合は、溝内がＡｇ粒子で埋まることがなくヒートシンクとしての表面積を広げ、且つＡｇペーストを流れにくくすることができ、結果として熱放散、Ａｇペーストの這い上がりによる電気的ショートを回避することができる。
この結果、レーザが発する熱によるキンク、熱飽和、劣化などの特性悪化を抑制することができる。

上例では、本発明を高出力レーザ装置に適用したが、本発明は半導体レーザ装置に限定することなく、導電材の這い上がりと放熱対策を同時に行うことが必要な半導体装置であれば全てのものに適用することができる。また、ヒートシンクとしての機能を有する基体であれば基体表面を粗して用いることもできる。

本発明を半導体レーザ装置に適用した場合の一実施の形態を示す要部の斜視図である。 図１のヒートシンクの表面を示す斜視図である。 Ａ〜Ｄ 本発明に係るヒートシンクの表面の粗らしの形態を示す上面図である。 図１の実施の形態を適用した半導体レーザ装置の一例を示す全体構成図である。 Ａ 従来の半導体レーザ装置の要部を示す斜視図である。 Ｂ 図５Ａの側面図である。

符号の説明

１・・半導体レーザ装置、２・・半導体レーザ素子、３・・サブマウント基板、４・・ヒートシンク、５・・表面、５ａ・・接合面、７・・導電材、８・・リード、９ａ、９ｂ・・金属配線、１１・・端子部、１５・・電極、１７・・窓、１８・・パッケージ、１９・・端子ピン、３１・・半導体レーザ装置、３２・・半導体レーザ素子、３３・・サブマウント基板、３４・・ヒートシンク、３５・・表面、３８・・外部端子、３７・・導電材、３９ａ、３９ｂ・・金属細線、４０、４３・・電極

Claims (5)

1. ヒートシンク上に半導体素子が導電材を介して接合され、
   前記ヒートシンクの接合面が、前記導電材の這い上がりが抑制される程度の微細凹凸面とされて成る
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 微細凹凸は、規則性を有して成る
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 微細凹凸は、溝により形成されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記溝は、電気的短絡に影響しない方向に沿って形成されて成る
   ことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
5. 前記溝の深さ及び前記溝の幅は、前記導電材の導電粒子径より小さい
   ことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。