JP2006032454A

JP2006032454A - 半導体レーザパッケージおよび半導体レーザパッケージの製造方法

Info

Publication number: JP2006032454A
Application number: JP2004205701A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Fujikawa; 康夫藤川
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】薄型でしかも低コストの半導体レーザパッケージおよび半導体レーザパッケージの製造方法の提供。
【解決手段】ＬＤ４の出射光は、ミラー５で上面に反射されて光軸方向が変わり、ガラス基板６の上面からＬａの方向に放射される。ＬＤ４とミラー５は、平面状の基板２の表面に半田材料Ａにより実装され、上下面が開口している枠体３はその後半田材料Ｂ基板２に実装される。このため、ＬＤ４とミラー５を実装する基板２の表面研磨が、特殊の治具を要することなく精度良く行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノートＰＣ、小型情報機器システムなどに使用される薄型の半導体レーザパッケージ、および半導体レーザパッケージの製造方法に関するものである。

ノートＰＣ、小型情報機器システムなどに使用される半導体レーザパッケージは、省スペースの観点から薄型であることが要求されている。ここで、薄型化の要求とは、半導体レーザ（ＬＤ）の光軸方向に対して、垂直である面（幅方向と厚さ方向）のどちらか一軸方向の寸法が小さいことの要求である。このような要求に対処するために、Ｉカットパッケージが用いられている。半導体レーザパッケージは、信頼性を高めるために気密封止構造のパッケージを採用されている。このような気密封止は、キャップをステムに溶接することにより行われており、この形態のパッケージは最も量産性があり、気密性にも優れている。

図８は、前記のような気密封止構造のパッケージを採用した半導体レーザパッケージ２１の例を示す説明図、図９は、図８の構成の断面形状を示す説明図である。図８、図９において、２２はステム、２３はキャップ、２４はステムのブロック、２５はステムのフランジ、２６はカバーガラス、２７はＬＤ、２８はリードである。光軸はＬ方向であるものとする。キャップ２３はステムのフランジ２５に溶接により固定される。この場合には、半導体レーザパッケージ２１の薄型化の要求は、光軸方向に対して垂直である一軸のＸ方向の寸法（幅方向の寸法）が小さいことの要求となる。特許文献１には、図８に示されているような半導体レーザパッケージにおいて、放熱特性を改善した例が記載されている。

図９において、前記薄型であることが要求されるＸ軸方向の各部材間の寸法Ａ〜Ｆは、表１のようになる（単位はｍｍ）。ここに、Ａはステムのフランジ２５の外周とキャップ２３の鍔部２３ａの端部間の寸法（０．１５）、Ｂはキャップ２３の鍔部２３ａとキャップ２３の円筒状部の外周間の寸法（０．３）、Ｃはキャップ２３の円筒状部の外周とキャップ２３の円筒状部の内周間の寸法（０．１５）、Ｄはキャップ２３の円筒状部の内周とステムのブロック２４の外側との間の寸法（０．１５）、Ｅはステムのブロック２４の外側と内側との間の寸法（０．６）、ＦはＬＤ２７の厚さの寸法（０．１５）である。

表１に示されているように、半導体レーザパッケージ２１において、Ａ〜Ｆの寸法は、放熱特性を良好にしなければならない、などの要因で小さくすることには一定の制約を受けており、合計で１．５ｍｍである。したがって、半導体レーザパッケージのＸ方向寸法は、その２倍の３ｍｍが限界となっている。

ところで、最近のノートＰＣのような情報機器の小型化に伴い、半導体レーザパッケージに対して一層の薄型化の要請がなされてきている。その寸法の具体例として、幅方向で２ｍｍ程度のものが要求されている。このため、前記のようなＩカットパッケージでは対応できないので、図１０、図１１に示すような構成の半導体レーザパッケージが開発されている。図１０は半導体レーザパッケージの分解斜視図、図１１はその平面図である。図１０において、枠体１１にＬＤ４、ミラー５を実装し、ガラス基板６を枠体１１の上面に接着する。ＬＤ４の出射光はミラー５で上方に反射されて光軸方向が変わり、ガラス基板６より外部に放射される。なお、図１１の１０は、図示を省略しているＬＤの電極と枠体１１の裏面に形成される導電部とを電気的に接続するためのビアである。

図１１の平面図におけるＡ〜Ｃの寸法の例を表２に示す（単位ｍｍ）。ここで、Ａはガラス基板６を枠体１１の上面に接着するための貼りしろの寸法（０．５）、Ｂは枠体１１の側面とミラー５の側面間のギャップの寸法（０．２）、Ｃは光軸Ｌとミラー５の側面間の寸法（０．３）で、ＬＤおよびミラーを対象とする実装部品の幅の半分の寸法である。図１１の例ではＡ〜Ｃ間の寸法は１ｍｍなので、図８に示したＸ方向の幅寸法は２ｍｍとなり、薄型化の要求に対処した半導体レーザパッケージを作製することができる。

特開２００４−３１９００号公報

特許文献１に記載の技術では、前記のような半導体レーザパッケージの薄型化の要求に対応できないという問題があった。また、図１０のように枠体の底面にＬＤを実装する場合には、枠体底面の研磨を安価に実施できないという問題があった。すなわち、ＬＤ実装面の表面粗さは、一般的にＲａ０．０２μｍ以下でかつＲｙ１．５μｍ以下でないと放熱性を良好に保持した実装ができない。しかしながら、図１０のＬＤを実装する枠体１１は、四周に側壁が形成されているので、底面を研磨するには特別な治具を必要とするため、コストが高くなるという問題があった。

本発明は上記のような問題に鑑み、薄型でしかも低コストの半導体レーザパッケージ、および、ＬＤとミラーを実装する際に位置ずれが生じない構成とした半導体レーザパッケージの製造方法の提供を目的とする。

（１）上記目的を達成するために、本発明の第１の半導体レーザパッケージは、基板と、半導体レーザ（ＬＤ）と、前記ＬＤの出射光を反射して光軸方向を変えるミラーと、上下面が開放されている枠体と、ガラス基板とを備え、前記基板に実装された前記ＬＤおよびミラーを前記枠体で囲み、前記枠体を前記基板および前記ガラス基板に固着して封止し、前記ガラス基板より前記ＬＤの出射光を放射することを特徴とする。この発明は、図１〜図４に示された実施形態が対応する。この構成によれば、ＬＤを実装する基板が枠体に遮られることなくフラットなので、特別の治具は不要であり安価に研磨できコストを低減することが可能となる。また、幅方向の寸法が小さくなり、薄型化の要求に対応することができる。

（２）本発明の第２の半導体レーザパッケージは、基板と、前記基板に実装される複数対のＬＤおよびミラーと、複数の貫通穴を有する枠体と、ガラス基板とよりなり、前記枠体の前記貫通穴で前記ＬＤおよびミラーの対を囲み、前記枠体と前記基板および前記ガラス基板とを固着して封止し、ダイシングによりチップ化したことを特徴とする。この発明は、図５に示された実施形態が対応する。この構成によれば、半導体レーザパッケージをウェハレベルで処理するため、材料費、加工費を低減することができる。

（３）本発明の第１、または第２の半導体レーザパッケージは、前記基板および前記枠体がＡｌＮまたはＳｉＣからなる焼結材であることを特徴とする。この発明は、図１〜図５に示された実施形態が対応する。この構成によれば、放熱特性が向上するのでＬＤに対する熱放散の影響を抑制し、ＬＤを精度良く動作させることができる。

（４）本発明の第１、または第２の半導体レーザパッケージは、前記基板と前記ＬＤおよびミラーとを同一の半田材料Ａで固着し、前記枠体と前記基板および前記ガラス基板とを同一の半田材料Ｂで固着し、前記半田材料Ａの融点は、前記半田材料Ｂの融点よりも所定温度以上高いことを特徴とする。この発明は、図１〜図５に示された実施形態が対応する。このように、融点の異なる２種類の半田材料を用いることにより、２回の熱処理で半導体レーザパッケージを気密封止することができる。このため、ＬＤに対する熱負荷が少なくなり、ＬＤの特性を向上させることができる。

（５）本発明の第１、または第２の半導体レーザパッケージは、前記ガラス基板に予め前記ミラーを固着させたことを特徴とする。この発明は、図７に示された実施形態が対応する。このような構成とすることにより、ミラーは基板と隙間を介して配置されるので、基板からの熱が伝達されない。このため、ミラーからＬＤに対する放射熱が減少し、ＬＤを精度良く動作させることができる。

（６）本発明の第１、または第２の半導体レーザパッケージは、前記枠体がＳｉからなり、前記ミラーを異方性エッチングにより予め前記枠体に形成したことを特徴とする。この発明は、図６に示された実施形態が対応する。このように、枠体とミラーとを一体化した構成とすることにより、部品点数が少なくなり、コストを低減することができる。

（７）前記（６）の半導体レーザパッケージは、前記基板と前記ＬＤを半田材料Ａで固着し、前記枠体と前記基板および前記ガラス基板とを同一の半田材料Ｂで固着し、前記半田材料Ａの融点は、前記半田材料Ｂの融点よりも所定温度以上高いことを特徴とする。この発明は、図６に示された実施形態が対応する。このような構成とすることにより、枠体とミラーとを一体化した場合でも、２回の熱処理で半導体レーザパッケージを気密封止することができる。このため、ＬＤに対する熱負荷がすくなくなり、ＬＤの特性を向上させることができる。

（８）本発明の第１、または第２の半導体レーザパッケージは、前記ＬＤが窒化物半導体レーザであることを特徴とする。この発明は、図１〜図７に示された実施形態が対応する。このため、ＬＤとして窒化物半導体レーザを用いた場合に、コストを低減することが可能となる。また、幅方向の寸法が小さくなり、薄型化の要求に対応することができる。

（９）本発明の第１の半導体レーザパッケージの製造方法は、基板に半田材料Ａを塗布してＬＤとミラーを第１の熱処理で基板に固着したあとに、枠体の表裏両面に融点が前記半田材料Ａよりも低い半田材料Ｂを塗布して前記枠体と前記基板、および前記枠体とガラス基板を第２の熱処理で固着することを特徴とする。この発明は、図１、図２に示された実施形態が対応する。このように、融点が異なる２種類の半田材料を用いているので、２度の熱処理を行ってもＬＤおよびミラーの位置がずれることなく、精度良くＬＤの出射光を外部に放射することができる。

（１０）本発明の第２の半導体レーザパッケージの製造方法は、基板およびガラス基板に半田材料Ａを塗布し、第１の熱処理でＬＤを前記基板に、ミラーを前記ガラス基板に固着したあとに、前記枠体の表裏両面に融点が前記半田材料Ａよりも低い半田材料Ｂを塗布して前記枠体と前記基板、および前記枠体と前記ガラス基板を第２の熱処理で固着することを特徴とする。この発明は、図７に示された実施形態が対応する。このため、ＬＤを発光させながらミラー位置の調整ができるので、ＬＤの出射光を精度良く外部に放射させることが可能となる。

（１１）本発明の第３の半導体レーザパッケージの製造方法は、基板に半田材料Ａを塗布して、第１の熱処理でＬＤとミラーが形成された枠体を前記基板に固着したあとに、枠体の表裏両面に融点が前記半田材料Ａよりも低い半田材料Ｂを塗布して前記枠体と前記基板、および前記枠体とガラス基板を第２の熱処理で固着することを特徴とする。この発明は、図６に示された実施形態が対応する。このような構成とすることにより、ミラーと枠体は１個所で固着されることになり、ミラーと枠体が分離された状態で２個所で固着する場合のように、両者間で固着の際に位置ずれが生じることがなく、固着の精度が向上する。

本発明の半導体レーザパッケージは、ＬＤを基板に実装する際に特別な治具を必要とすることなく基板の実装面を研磨できるのでコストの低減が可能となる。また、薄型化の要求に対応することができる。さらに、本発明の半導体レーザパッケージの製造方法は、融点が異なる２種類の半田材料を用いてＬＤとミラーの実装および枠体による気密封止を行っているので、２度の熱処理でＬＤおよびミラーの位置がずれることなく、精度良くＬＤの出射光を外部に放射することができる。

以下図に基づいて本発明の実施形態について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態にかかる構成を分解して示す説明図である。図２において、基板２の裏面２個所に金パターン７が形成されている。また、基板２の表面の適所にも複数個所に金パターン７が形成されている。ＬＤ４、ミラー５の底面には、金をパターニングする。基板２の表面に形成された金パターン７の中央側の部分には、その上面に半田材料Ａ８が設けられている。半田材料Ａ８は、例えば融点が２７８℃の金錫であり、基板２にＬＤ４、ミラー５を載置した状態で前記金錫の融点以上の温度で熱処理し、半田材料Ａ８により、ＬＤ４、ミラー５を基板上に固着して実装する。

ＬＤ４は両面電極としており、ＬＤ４の一方電極（アノード）と金パターン７をワイヤボンデングによりワイヤ１２で接続する。ＬＤ４の他方電極（カソード）は、基板２の表面に形成された金パターン７と電気的に接続される。基板２の裏面に形成した金パターン７と、基板２の表面に形成した金パターン７は、基板を貫通する孔内に適宜の導電材料、例えばタングステンを埋めて形成されたビア１０により電気的に接続される。

枠体３は、図１に示されているように上下面が開口した矩形状の形状であり、その上下の面には半田材料Ｂ９が塗布されている。また、ガラス基板６の裏面には、金パターン７が形成されている。半田材料Ｂ９は、例えば融点が２２１℃の銀錫である。枠体３を基板２の上に載置し、次にガラス基板６を枠体３の上に載置してＬＤ４、ミラー５を覆う。この状態で、前記半田材料Ｂ９の融点以上の温度で熱処理し、枠体３と基板２を半田付けで固着する。また、枠体３とガラス基板６を半田付けで固着して密封封止する。

このように、図２の例では、先に融点の高い半田材料Ａ８によりＬＤ４とミラー５を基板に半田付する。次に、半田材料Ａ８よりも融点が５０℃以上低い半田材料Ｂ９で枠体３とガラス基板６を半田付する。この際に、半田材料Ｂ９の融点は、半田材料Ａ８の融点よりも５０℃以上低いので、先に半田付したＬＤ４とミラー５の半田が溶融することはない。このため、ＬＤ４とミラー５の位置ずれによる精度低下を防止することができる。また、図２の例では、熱処理は２回だけになっているので、ＬＤ４に加わる熱負荷が少なく信頼性を向上させることができる。

基板２の材料として、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）あるいはＳｉＣ（炭化珪素）からなる焼結材を用いる。また、枠体３の材料も例えばＡｌＮあるいはＳｉＣからなる焼結材を用いる。このような焼結材は、熱伝導が良好な絶縁物なので放熱特性が向上し、ＬＤ４に対して温度上昇に起因する特性劣化を防止することができる。このように、図２の例では、半導体レーザパッケージの幅方向の寸法が２ｍｍ以下となり、薄型化の要請に対応することができる。また、熱抵抗が小さく気密性の高い半導体レーザパッケージを得ることができる。

図３、図４は、半田材料Ａ８、半田材料Ｂ９の塗布位置を示す平面図である。図３は基板２を上面からみた図であり、半田材料Ａ８はＬＤ４、ミラー５の実装位置に塗布されている。また、図４は基板２に枠体３を載置して上からみた図であり、半田材料Ｂ９は、枠体３の底面と表面に塗布されている。

図１は、図２のようにして形成される半導体レーザパッケージ１の概略構成を示す分解斜視図である。図１に示すように、ＬＤ４の出射光は、ミラー５で上面に反射されて光軸方向が変更され、ガラス基板６の上面からＬａの方向に放射される。ＬＤ４とミラー５は、平面状の基板２の表面に半田材料Ａ８により実装され、上下面が開口している枠体３はその後半田材料Ｂ９により基板２に実装される。基板２の表面はフラットな面となっている。このため、ＬＤ４とミラー５を実装する基板２の表面研磨が、特殊の治具を要することなく精度良く行える。

図５は、本発明の他の実施形態を示す概略の分解斜視図である。図５において、基板２ａには、複数のＬＤとミラーを実装する。ＬＤとミラーは対になって基板に配置されている。基板２ａに対するこれらのＬＤとミラーの実装の際には、図２で説明したように金パターン７、半田材料Ａ８がメタライスされる。また、基板２ａの両面を貫通する孔内にはビア１０が充填される。なお、各ＬＤの一方電極にはワイヤがワイヤボンデングで接続される。

次に、枠体３ａの裏面と基板２の表面、および枠体３ａの表面とガラス基板６ａを半田材料Ｂ９により接着する。この際に、枠体３ａに形成されているそれぞれの貫通部３ｘが個別のＬＤとミラーの対を囲むようにしている。その後、横方向に設定される複数のライン１３、縦方向に設定される複数のライン１４に沿ってダイシングし、個別の半導体レーザパッケージを得る。このようにチップ化した処理を行うことにより、大量の半導体レーザパッケージを迅速に作製することが可能となる。

図６は、本発明の他の実施形態を示す説明図である。図６の例では、一面にミラー５を形成した枠体３ｂを使用する。枠体３ｂの材料としてＳｉ（シリコン）を使用し、異方性エッチングによりミラーを形成する。すなわち、Ｓｉの結晶構造で定まる傾斜角５４度をエッチングにより再現して、これをミラーとして適用するものである。この例では、ミラーと枠体を一体化しているので部品点数を削減し、コストの低減を図ることができる。

なお、図６の例においても、図５で説明した基板２ａに複数個のＬＤを実装して、最後にダイシングで個別の半導体レーザパッケージを作製する製法を採用することができる。この場合には、予め枠体３ａの貫通部の一方側壁にミラーを形成しておく。枠体３ａはＳｉを用いているので、化学エッチングによりこのような矩形状の貫通部と、その側壁にミラーとして機能する傾斜面を形成することは容易である。

図７は、本発明の他の実施形態を示す説明図である。図７の例では、ミラー５を予めガラス基板の裏面に半田材料Ａ８により実装しておくものである。ミラー５は、ガラスまたはＳｉを材料としている。枠体３を半田材料Ｂ９で固定する前に、ＬＤ４を発光させた状態でミラー５の位置を調整することが可能となる。このため、ＬＤ４の出射光を精度良くガラス基板６より外部に放射することができる。また、ミラー５は基板２と隙間を介して配置されるので、基板２からの熱が伝達されない。このため、ミラー５からＬＤ４に対する放射熱が減少し、ＬＤ４を精度良く動作させることができる。

図７の例においても、図５で説明した基板２ａに複数個のＬＤを実装して、最後にダイシングで個別の半導体レーザパッケージを作製する製法を採用することができる。この場合には、個別のコンポーネント毎に、ＬＤの出射光でガラス基板の裏面に実装されているミラー位置を調整し、すべてのミラー位置の調整が終了してから、枠体とガラス基板を半田材料Ｂ９により接着する。

光源のＬＤとしては、例えば窒化物半導体レーザを用いることができる。この場合には、本発明の半導体レーザパッケージの気密性が高いので、窒化物半導体レーザの寿命を長くすることができる。また、発光層に
Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦_X≦１、０≦_Y≦１、_X+Y≦１）
を用いた窒化物系半導体発光素子を光源に用いることもできる。

以上説明したように、本発明によれば、コストを低減し、薄型化の要求に対応した半導体レーザパッケージと、ＬＤとミラーを実装する際に位置ずれが生じない半導体レーザパッケージの製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態を示す分解斜視図である。本発明の実施形態を示す説明図である。本発明の実施形態を示す平面図である。本発明の実施形態における平面図である。本発明の他の実施形態を示す分解斜視図である。本発明の他の実施形態を示す説明図である。本発明の他の実施形態を示す説明図である。半導体レーザパッケージの例を示す説明図である。図８の断面形状を示す説明図である。半導体レーザパッケージの例を示す説明図である。図１０の平面図である。

符号の説明

１・・・半導体レーザパッケージ、２・・・基板、３・・・枠体、４・・・半導体レーザ（ＬＤ）、５・・・ミラー、６・・・ガラス基板、７・・・金パターン、８・・・半田材料Ａ、９・・・半田材料Ｂ、１０・・・ビア、１１・・・ケース、１２・・・ワイヤ、Ｌ・・・光軸

Claims

基板と、半導体レーザ（ＬＤ）と、前記ＬＤの出射光を反射して光軸方向を変えるミラーと、上下面が開放されている枠体と、ガラス基板とを備え、前記基板に実装された前記ＬＤおよびミラーを前記枠体で囲み、前記枠体を前記基板および前記ガラス基板に固着して封止し、前記ガラス基板より前記ＬＤの出射光を放射することを特徴とする、半導体レーザパッケージ。
基板と、前記基板に実装される複数対のＬＤおよびミラーと、複数の貫通穴を有する枠体と、ガラス基板とよりなり、前記枠体の前記貫通穴で前記ＬＤおよびミラーの対を囲み、前記枠体と前記基板および前記ガラス基板とを固着して封止し、ダイシングによりチップ化したことを特徴とする、半導体レーザパッケージ。
前記基板および前記枠体がＡｌＮまたはＳｉＣからなる焼結材であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体レーザパッケージ。
前記基板と前記ＬＤおよびミラーとを同一の半田材料Ａで固着し、前記枠体と前記基板および前記ガラス基板とを同一の半田材料Ｂで固着し、前記半田材料Ａの融点は、前記半田材料Ｂの融点よりも所定温度以上高いことを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体レーザパッケージ。
前記ガラス基板に予め前記ミラーを固着させたことを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体レーザパッケージ。
前記枠体がＳｉからなり、前記ミラーを異方性エッチングにより予め前記枠体に形成したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体レーザパッケージ。
前記基板と前記ＬＤを半田材料Ａで固着し、前記枠体と前記基板および前記ガラス基板とを同一の半田材料Ｂで固着し、前記半田材料Ａの融点は、前記半田材料Ｂの融点よりも所定温度以上高いことを特徴とする、請求項６に記載の半導体レーザパッケージ
前記ＬＤが窒化物半導体レーザであることを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の半導体レーザパッケージ。
基板に半田材料Ａを塗布してＬＤとミラーを第１の熱処理で基板に固着したあとに、枠体の表裏両面に融点が前記半田材料Ａよりも低い半田材料Ｂを塗布して前記枠体と前記基板、および前記枠体とガラス基板を第２の熱処理で固着することを特徴とする、半導体レーザパッケージの製造方法。
基板およびガラス基板に半田材料Ａを塗布し、第１の熱処理でＬＤを前記基板に、ミラーを前記ガラス基板に固着したあとに、前記枠体の表裏両面に融点が前記半田材料Ａよりも低い半田材料Ｂを塗布して前記枠体と前記基板、および前記枠体と前記ガラス基板を第２の熱処理で固着することを特徴とする、半導体レーザパッケージの製造方法。
基板に半田材料Ａを塗布して、第１の熱処理でＬＤとミラーが形成された枠体を前記基板に固着したあとに、枠体の表裏両面に融点が前記半田材料Ａよりも低い半田材料Ｂを塗布して前記枠体と前記基板、および前記枠体とガラス基板を第２の熱処理で固着することを特徴とする、半導体レーザパッケージの製造方法。