JP2006344764A

JP2006344764A - 放熱基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP2006344764A
Application number: JP2005169090A
Authority: JP
Inventors: Takashi Chikuno; 孝築野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】放熱性と熱膨張係数を両立させる放熱基板及びその安価な製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも２層以上の層構造からなるレーザダイオードを実装するための放熱基板であって、少なくとも最表面層の一部に基板の一辺に沿って平行な複数の溝が形成されている放熱基板である。また少なくとも２層以上の層構造からなる放熱基板の、少なくとも最表面層の一部に基板の一辺に沿って並行な複数の溝をエッチングまたはレーザ加工により形成する放熱基板の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザダイオードを実装するための安価で高放熱性の放熱基板に関する。

レーザダイオードの実装において問題は二つある。一つは放熱性能であり、もう一つは素子と放熱板の間に発生する熱応力である。放熱が不十分であるとレーザ発振が不安定になるし、また熱応力が大きいとレーザダイオードに歪みが入り素子を破壊することもある。特にレーザダイオードと放熱板の熱膨張係数が異なる場合に顕著に現れる。そのため半導体レーザ用の放熱基板は熱応力が小さく、かつ放熱性が十分でなければならない。

このような放熱基板は、実装する素子に適合した熱膨張係数を持ち、なおかつ高い熱伝導率を有する材料が望ましいことは言うまでもない。たとえば、Ｗ（タングステン）の骨格の中にＣｕ（銅）を含浸させたＣｕ−Ｗ材は広く高熱伝導材料として用いられている。また、物質中最も熱伝導率の高い材料であるダイヤモンドをＣｕと混合させた材料も提案されている。

３次元的に混合させる以外に、熱膨張係数の異なる材料を積層した複合による熱伝導材も実用化されている。たとえば、Ｃｕ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｕを積層したものが実用化している。また、Ｓｉ（珪素）や窒化アルミ（ＡｌＮ）の上に薄膜状のダイヤモンドを形成したもの（特許文献１）も提案されている。特にレーザダイオードのような長い形状であって、且つ応力に敏感な素子では、十分に熱応力を低減させるためには、各層の比率や層の厚みを適宜制御することが必要であるが、それだけでは高放熱性を維持したままで熱膨張係数を調整することは十分にはできない場合もある。

複合化以外の方法としては、特許文献２（コイトルペーターら）は、自立したダイヤモンド基板について、素子の接合により生じるであろう応力に対して垂直な方向に少なくとも１つの長い凹みないし切欠きを設置することによって、応力を低減させることを提案している。しかしながら、自立したダイヤモンド膜は高価である。また、自立可能な厚みのダイヤ膜では刻み目を相当細かくいれなければ応力の低減は不可能であった。

特開平１１−２６８８７特表２００１−５０８６００（Ｐ２００１−５０８６００Ａ）

そのため、レーザダイオードを実装するための放熱材料及びそれを得る方法であって、放熱性と熱膨張係数を両立させる基板及びその安価な製造方法を提供することを目的とする。

２層以上の異なる材質の層を結合させた複合によりなる放熱基板の実装面最上層に、基板の一辺に沿って平行な複数の溝を形成することで上記の目的を達成できることが見い出された。なお、実装に当たっては、レーザダイオードの長辺を上記の溝と直角若しくは略直角に実装するのが好ましい。
すなわち本発明は以下の通りである。

（１）少なくとも２層以上の層構造からなるレーザダイオードを実装するための放熱基板であって、少なくとも最表面層の一部に基板の一辺に沿って平行な複数の溝が形成されていることを特徴とする放熱基板。
（２）前記放熱基板が、セラミックもしくは半導体、またはセラミックもしくは半導体と金属の複合物より形成されていることを特徴とする上記（１）に記載の放熱基板。
（３）前記最表面層がダイヤモンドを含むことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の放熱基板。
（４）前記放熱基板が、２種類またはそれ以上の異なる金属圧延により融合したことを特徴とする上記（１）に記載の放熱基板。
（５）少なくとも２層以上の層構造からなる放熱基板の、少なくとも最表面層の一部に基板の一辺に沿って並行な複数の溝をエッチングまたはレーザ加工により形成することを特徴とする放熱基板の製造方法。

本発明による放熱基板、すなわち２層以上の複合であって、かつ実装面側最上層に基板の一辺に沿って平行な複数の溝が形成されている放熱基板上に、レーザダイオードの長辺を上記の溝と直角若しくは略直角に実装することでレーザダイオードと放熱基板の熱膨張係数の相違を問わず高放熱特性と低熱応力の両立が可能となる。

積層された素材を放熱基板として用いる場合、放熱特性に最も影響のあるのは最表面層である。したがって、Ｃｕやダイヤモンドなど熱伝度率の高い材料が最表面層としてもちいられる。積層型とすることで、放熱基板の熱膨張係数が下層の影響により、レーザダイオード導体素子と近くはなるが、十分ではないこともある。

最表面層の厚みを薄くすれば、レーザダイオードと一致させることは可能ではあるが、その場合は最表面層の厚みが小さくなりすぎて、放熱性が満足できない。
図１に示すように長軸の発熱体２の場合、応力の発生する軸方向と熱伝導の方向は直交することから、放熱基板１の最表面層上に、あらかじめ応力の発生する方向に溝３を入れることで応力は緩和でき、かつ熱伝導にはほとんど障害とならない。

また溝３の幅、周期を調節することで、応力と熱伝導の両立が可能となる。
さらに溝３はたとえば、Ｓｉ上のダイヤモンドの場合は、縞状のパターンにダイヤモンドを成膜させることにより形成できるが、溝のない層構造を形成した後に、エッチングやレーザ加工により形成するほうが、均一で安定した製造が可能である。

（実施例１）
Ｃｕ、Ｍｏのクラッド材（圧延により融合した板材）を２個用意し、一方にはあらかじめ最上層のＣｕに、１００μｍ間隔で幅１０μｍ、深さ４００μｍの溝をレーザ加工により形成した［図２（ａ）及び（ｂ）］。
その後、放熱特性を評価するため、これらの上に３ｍｍ×１ｍｍ、厚み０．３ｍｍのダイヤモンドヒータをＡｕＳｎ半田付けにて設置した。溝を形成した放熱基板は、図２（ｂ）に示すように溝とヒータ長辺が直角となるようにした。
それぞれの底面を、２０℃に固定した冷却支持台の上に接触させ、いずれも同じ発熱量で発熱させた。それぞれのヒータ上面の温度を調べたところ、７０±２℃及び７５±２℃であった。ダイヤモンドヒータの熱伝導率は非常に大きいため、ヒータの上下面の温度はほぼ同一と考えられることから溝を形成した方［図２（ｂ）］は、しない方［図２（ａ）］に対して８９±４％の放熱特性を有していることが分かった。

（実施例２）
縦横５ｍｍ、厚み１ｍｍのＣｕ、Ｍｏ、Ｃｕのクラッド材３個を用意し、このうち２個には、図２（ｂ）の放熱基板１に示す如く、あらかじめ最上層のＣｕに、１００μｍ間隔で幅１０μｍ、深さ４００μｍの溝３をレーザ加工により形成した。溝３はクラッド材の１辺と平行とした。
そして裏面の反りを測定したところ、いずれも１〜２μｍであった。
その後、これらの上に、メタライズしたＧａＮ半導体２（３ｍｍ×１ｍｍ×０．５ｍｍ）をＡｕＳｎ半田付けを行った。ＧａＮ基板の長辺がクラッド材の１辺と平行になるように中央に配置し、溝３を形成したもののうち、一方はＧａＮ基板の長辺と溝とを平行とし、他方は直角［図２（ｂ）］とした。
半田付けの後の反り（ここで、「反り」は、基板両端を結ぶ直線と実際の基板面との差の最大値と定義する）を測定したところ、
１）溝なし［図２（ａ）］、２）溝３とＧａＮの長辺が平行、３）溝３とＧａＮの長辺が直角［図２（ｂ）］のそれぞれに対して、ＧａＮの長辺の裏面側での測定結果は、それぞれ２０μｍ、１９μｍ、１１μｍと、溝３とＧａＮの長辺を直角としたもの［図２（ｂ）］が最もそりが少なかった。

（実施例３）
熱フィラメントＣＶＤ法により加熱した３インチＳｉ基板の上に水素ガス、メタンガスを吹き込んで１５μｍ厚のダイヤモンド膜を合成した。条件は以下の通りである。
基板：Ｓｉ基板７６ｍｍφ×０．５ｍｍｔ
フィラメント温度：２１００℃
基板温度：８５０℃
ガス流量：水素４００ｓｃｃｍ、メタン５ｓｃｃｍ
ガス圧力：８０Ｔｏｒｒ
合成時間と膜厚：５時間

このダイヤモンド膜を合成後に研磨し、表面粗さを評価したところ、Ｒ_max ４０ｎｍ、Ｒ_a １０ｎｍであった。Ｓｉ基板からダイヤモンド膜を分離せず、基板に付いたままのダイヤモンドを次のように加工した。ダイヤモンド被覆Ｓｉ基板を全面にわたって、ＹＡＧレーザによって、６０μｍ間隔で幅８μｍの図２（ｂ）に示すような溝３を形成した。溝３の深さは、少なくともダイヤ膜の厚みよりは深いことを確認した。その後、３ｍｍ×３ｍｍの正方形状に切断した。
溝３の部分を除く周囲全面（表面、裏面、側面）をＴｉ、Ｐｔ、Ａｕによってメタライズした。これはロウ付けを可能にするためである。メタライズしたダイヤモンド被覆板に、ＡｕＳｎ合金ロウ材を用いて、長さ０．７ｍｍ×幅０．３ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのＩｎＧａＡｓＰからなる半導体レーザチップを、温度２９０℃でロウ付けした。
このとき、半導体レーザチップ２における長尺の方向が溝３に直角となるように配置させた。こうして実装した半導体レーザチップ２を、２０℃の冷却支持台の上に設置し、５００ｍＷの出力パワーで連続発振させたところ、２００時間安定した出力を示した。

（比較例１）
実施例３と同じ条件でダイヤ膜を成長させた。すなわち、熱フィラメントＣＶＤ法により加熱した３インチＳｉ基板の上に水素ガス、メタンガスを吹き込んで１５μｍ厚のダイヤモンド膜を合成した。
このダイヤモンド膜を合成後に研磨し、表面粗さを評価したところ、Ｒ_max４０ｎｍ、Ｒ_a ９ｎｍであった。Ｓｉ基板からダイヤモンド膜を分離せず、基板に付いたままのダイヤモンドを、図２（ａ）に示す如く、３ｍｍ×３ｍｍの正方形状に切断し、さらに周囲全面をＴｉ、Ｐｔ、Ａｕによってメタライズした。メタライズしたダイヤモンド被覆板に、ＡｕＳｎ合金ロウ材を用いて、長さ０．７ｍｍ×幅０．３ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのＩｎＧａＡｓＰからなる半導体レーザチップ２を、温度２９０℃でロウ付けした。
こうして実装した半導体レーザチップ２を、２０℃の冷却支持台の上に設置し、５００ｍＷの出力パワーで連続発振させたところ、１時間以内にレーザ発振が停止した。

本発明は高発熱素子用の放熱基板に関する。とくに、レーザダイオードと放熱基板の間に発生する熱応力を緩和することのできる高放熱特性と低熱応力の両立が可能な放熱基板を安価に提供できる。

本発明に係る溝を形成した放熱基板上に、溝と直角になるようにヒータを長辺が直角となるよう設置した状態を示す平面図である。放熱基板上にヒータを載置する状態を示す斜視図である。（ａ）は溝のない放熱基板上に載置した状態を示し、（ｂ）は本発明に係る溝を形成した放熱基板上に載置した状態を示すものである。

Claims

少なくとも２層以上の層構造からなるレーザダイオードを実装するための放熱基板であって、少なくとも最表面層の一部に基板の一辺に沿って平行な複数の溝が形成されていることを特徴とする放熱基板。
前記放熱基板が、セラミックもしくは半導体、またはセラミックもしくは半導体と金属の複合物により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
前記最表面層が、ダイヤモンドを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱基板。
前記放熱基板が、２種類またはそれ以上の異なる金属を圧延により融合したことを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
少なくとも２層以上の層構造からなる放熱基板の、少なくとも最表面層の一部に基板の一辺に沿って並行な複数の溝をエッチングまたはレーザ加工により形成することを特徴とする放熱基板の製造方法。