JP2017515303A - 高パワーレーザーダイオードパッケージング及びレーザーダイオードモジュール - Google Patents

Abstract

多層レーザーダイオードマウントは、熱及び電気伝導物質製のサブマウントを備えて構成される。サブマウントの対向する両表面の一方はレーザーダイオードを支持する。サブマウントの他方の表面はヒートシンクに面し且つヒートシンクから離隔される。サブマウント及びヒートシンクは互いに異なる熱膨張係数（ＴＥＣ）を備えて構成される。サブマウントの対向する両表面はそれぞれ金属層で電気めっきされて、一方の金属層は軟質はんだ層に結合される。本開示の一態様では、マウントは、サブマウントのＴＥＣと同じＴＥＣを有するスペーサであって、軟質はんだ層に結合されたスペーサを更に備えて構成される。硬質はんだの層が、スペーサとヒートシンクを互いに結合させる。本開示の更なる態様では、サブマウントの他方の表面に接触する電気めっき金属層の厚さは百マイクロメートル以上である。軟質はんだはヒートシンクに直接結合される。本開示の両態様において、レーザーダイオードのｐｎ接合の温度は、数百回にわたって繰り返される所定の量の熱サイクルに対して０から２℃の温度範囲内で実質的に一定のままであり、これは、軟質はんだの妥協無い完全性を示している。

Description

本開示は、半導体レーザー技術に係り、特に安定性の増大を特徴とする高パワーレーザーダイオードモジュールに関する。

半導体レーザー技術の急速な発展は高パワーレーザーダイオードの採用をより手軽なものにしている。より高いレーザーパワーが求められ続けていて、制御された動作を促進するためパッケージング設計におけるより良い熱管理性能が必要とされている。レーザーダイオードは、性能及び信頼性に悪影響を与え得る多量の熱流束を発生させるので、レーザーダイオードに発生した過剰な熱をその周囲に速やかに逃がす熱効果的なパッケージング解決策が必要とされている。

高パワー応用については、熱の問題だけではなくて、モジュールの接合における機械的完全性も考慮しなければならない。これは、更に検討すべき因子が理想的なパッケージング設計を生じさせる試みを複雑にするので、パッケージングの大きな問題を生じさせる。

図１を参照すると、典型的なレーザーダイオードパッケージが例示されていて、ダイオードをサブマウント上に取り付けることによって、レーザーダイオードに発生した熱が周囲環境に伝達される。熱界面を介した効率的な熱伝達を保証するように、レーザーダイオードをパッケージに最適に取り付けなければならない。軟質はんだ等の薄い熱結合界面が、ダイ取り付けプロセスを通じて効果的な放熱チャネルを生じさせる。この例示に基づくと、レーザーダイオードパッケージの熱設計を改善するためには、特に、ダイオードレーザー等の熱源を可能な限りヒートシンクに近付け、軟質はんだの界面を可能な限り薄くして、物質の熱伝導率を増大させて、レーザーダイオードとヒートシンクとの間の密接した熱接触を提供することが望ましい。

熱結合界面又ははんだは、その電気的相互接続性能、機械的支持性能及び放熱性能のため、レーザーダイオードアセンブリの全ての部分で使用されている。はんだは一般的には硬質はんだと軟質はんだとの二種類に分類可能である。一般的には、はんだ物質は以下の要求を満たさなければならない：
・ 高温動作をサポートするための所望の加工温度を有すること；
・ レーザーダイオードとヒートシンクとの間の熱膨張の不整合に起因する熱誘起応力を減らすこと；
・ 長期間動作中にほとんど又は全く変形しないこと；
・ 高注入電流においてジュール加熱を低減するためサブマウンドダイのはんだが低い電気抵抗を示すこと。

軟質はんだは、一般的に多量の鉛、スズ及びインジウムを含み、非常に低い降伏力を有し、応力下で塑性変形する。塑性変形性能は、結合構造に広がる応力を緩和するのに役立つ。しかしながら、これにより、軟質はんだは熱疲労及びクリープ破断を受け、長期信頼性の問題が生じる。

従来、図１に示されるように、軟質インジウム／Ｓｎ／Ｂｉ等系はんだが、ヒートシンクをセラミックサブマウントに結合するのに用いられている。例えば銅製のヒートシンクの熱膨張係数（ＴＥＣ，ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）はサブマウントの熱膨張係数と一致しない。レーザー動作で繰り返されるオンオフサイクル（熱サイクルとも称される）が、シンクとサブマウントの異なるＴＥＣに起因した機械的応力を生じさせ得て、軟質層物質のひび割れ／せん断等及び／又はインジウムの移動をもたらす。こうした欠陥はまずダイオードの温度上昇につながる。軟質はんだの層が破壊される時には、サブマウントがヒートシンクから分離されて、最終的には、過熱によってレーザーダイオードが破壊される。これは、特に高パワーレーザーに関連している。何故ならば、高パワーレーザーは、ダイとヒートシンクとの間の大きな接触表面を有し、オンオフサイクル間の温度差が大きいからである。

他方、硬質はんだは非常に高い降伏力を有し、応力下においては塑性変形よりもむしろ弾性変形する。従って、硬質はんだは、優れた熱伝導性を有し、熱疲労及びクリープ移動現象がない。残念ながら、既知の硬質はんだの溶融温度は高過ぎて、サブマウントとヒートシンクの取り付けの完全性を損ない得る。

米国特許出願第６１／６５３０８３号

従って、高パワーで安定なレーザーダイオードモジュールをもたらす熱サイクル耐性レーザーダイオードパッケージングの改善が必要とされている。

本開示の一態様によると、本発明のレーザーダイオードパッケージは、ヒートシンクとセラミックサブマウントとの間に挿入された二つの追加放熱層を備えて構成される。これらの層のうち一方は、軟質はんだの層と硬質はんだの層との間のスペーサとして機能し、硬質はんだの層はヒートシンクに結合される。スペーサは、セラミックサブマウントのＴＥＣに実質的に一致するＴＥＣを有するように選択された物質製である。従って、熱サイクル中において、スペーサ及びサブマウントの両方の幾何学的形状は実質的に均一に変化して、こうれは、軟質はんだ層に悪影響を与える張力／圧縮力を最少にする。しかしながら、本開示の構成のスペーサについて、印加される力は、軟質はんだの完全性を損なうには不十分である。

硬質はんだの層は、スペーサをヒートシンクに結合させるのに用いられる。硬質はんだは、それを挟みそれぞれ異なるＴＥＣを有する物質の層（この場合はスペーサとヒートシンクの物質）の不均一な変形の影響を事実上受け難い。更に、スペーサをヒートシンクに接合する間において、高温は、軟質はんだ及びダイの完全性に影響しない。

本開示の更なる態様では、軟質はんだの層を用いてヒートシンクにセラミックサブマウントを結合させる前にセラミックサブマウントに電気めっきされた又は直接結合された高可塑性の一様な金属の層を、パッケージが含む。１〜２マイクロメートルを超えない薄い金属層を典型的には有する傾向にある既知の従来技術とは対照的に、本開示の構造の金属層は、少なくとも厚さ１０マイクロメートルのものであり、サブマウントのＴＥＣとは異なるＴＥＣを有する。しかしながら、メッキされた又は直接結合された金属の可塑性が、熱誘起応力を補償し、また、その厚さが、寿命を実質的に増大させる。

上記に基づき、本開示の多層レーザーダイオードマウントの基本構造は、ダイオードレーザーを支持する一表面を有するサブマウントを備えて構成される。その構造は、その一表面の反対側のサブマウントの反対表面から離隔されて且つその反対表面に面するヒートシンクを含む。サブマウント及びヒートシンクは、互いに異なる熱膨張係数（ＴＥＣ）を備えて構成される。この構造の金属層は、サブマウントの反対表面上に接触して堆積され、略数百マイクロメートルのものである。各サイクル内における温度差ΔＴが１００℃を超える少なくとも数百サイクルにわたって繰り返される所定の量の熱サイクルに対して、ダイオードレーザーのｐｎ接合の温度が実質的に一定のままになるように、軟質はんだ層は金属層及びヒートシンクに結合される。

本開示のマウントの上記構造のｐｎ接合は、繰り返される所定の量の熱サイクルに対して、０から２℃の温度範囲内で一定のままの温度で動作する。好ましくは、ｐｎ接合の温度は、繰り返される所定の量の熱サイクルに対して、１℃未満のままである。

マウントの基本構造は、サブマウントのＴＥＣに一致するＴＥＣを有する物質製のスペーサであって、軟質はんだ層に結合されたスペーサと、スペーサとヒートシンクの間に配置されて且つスペーサとヒートシンクとに結合された硬質はんだ層とを更に含む。これらの追加構成要素は、０から２℃まで、好ましくは１℃未満で変化するｐｎ接合の特定温度が変化しないままとなるように作用する。

上記の及び他の特徴は、図面と共に以下の具体的な説明から容易に明らかとなるものである。

典型的なダイオードレーザーパッケージの分解図である。 図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ本開示の一態様に係る本発明のダイオードレーザーパッケージの等角分解図及び側面分解図である。 図２Ａ及び図２Ｂに従ってパッケージングされるダイオードレーザーに適用される熱負荷に対するダイオードレーザーのＰＮ接合の温度変化依存性を示す。 本開示の更なる態様に係る本発明のダイオードレーザーパッケージの側面図を示す。 図４の本発明のパッケージの製造プロセス中のベースの底面図である。 図４の加工済みパッケージの側面図を示す。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。可能であれば、図面及び明細書において同じ又は同様の参照番号は同じ又は同様の部分又はステップを指称する。図面は単純化されていて縮尺通りではない。特に断らない限り、明細書及び図面の用語及び語句は、ダイオード及びレーザー分野の当業者にとって一般的で慣用されている意味のものである。“結合”及び同様の用語は、必ずしも直接的接続や直の接続を指称するものではなく、自由空間や中間要素を介した機械的接続や光学的接続も含むものである。

実装／パッケージングプロセスによって導入される熱管理、機械的応力、物質欠陥は、高パワーレベルでの確実なレーザー性能を達成するために解決する必要がある重要な問題である。動作温度そのものに加えて、ダイオードレーザーの経年劣化に関わる重要な要因は熱機械的応力である。パッケージングプロセスで生じる高い応力レベルは、本開示の構造よって最小にされ、その構造の実施形態を図２〜図４を参照して以下十分に開示する。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明のレーザーダイオードパッケージ２０の一実施形態を示す。ダイオードレーザー（ＤＬ，ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ）２２が、サブマウント１８のダイオード支持表面上にめっきされた金属層に結合される。軟質はんだの層１６が、サブマウント１８の反対側の金属化面とスペーサ１４との間の確実な接触を提供する。スペーサ１４の物質は、サブマウント１８の熱膨張係数（ＴＥＣ，ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）に実質的に一致する熱膨張係数を有するように選択され、また、スペーサ１４の幾何学的形状は、数百マイクロメートルの厚さを有し得るサブマウント１８の幾何学的形状と同様のものである。サブマウント構造全体は、硬質はんだ層１２によってヒートシンク１０に更に結合される。

一般的に、電流がＤＬ２２を流れると、その温度が上昇する。サブマウント１８とヒートシンク１０との間の結合が良好であると、熱がＤＬから逃げるので、温度上昇は小さい。結合が良くないと、熱がチップに蓄積するので、温度上昇は大きい。高パワーダイオードレーザー応用におけるサブマウント１８を製造するのに一般的に用いられる物質として、ＢｅＯ及びＡｌＮセラミックが挙げられる。ヒートシンク１０は、典型的には、銅製、又は銅の熱及び電気伝導特性に近い特性を有する他の金属製である。

ヒートシンク１０及びサブマウント１８それぞれに用いられる物質に関わらず、それらのＴＥＣの間には不整合が存在する。これは、軟質はんだ１６に多量の熱機械的応力を生じさせ得る。一般的な延性はんだは、鉛、錫及びインジウム並びこれらの合金、例えばインジウム錫であり、その塑性のため軟質はんだに分類される。従って、インジウム等の軟質はんだの延性は、塑性変形（クリープ変形）によって生じる不整合を補償するのに用いられる。

しかしながら、繰り返されるオンオフの熱サイクルはそれぞれ数十分間続くものであり、軟質はんだ界面物質にはボイドが発達する。ボイドに関する主な問題として、軟質はんだ界面内の熱伝導性が損なわれることが挙げられる。ボイドは、不良放熱経路の領域を生じさせることによって、ホットスポットを生じさせ得る。従って、軟質はんだ界面のボイドは、放熱性能を制限するだけではなく、接合の電気的特性及び機械的特性も損なう。これは、サブマウント及びその上に備わるＤＬが支持構造の残りの部分から分離して、ＤＬが破壊されることに繋がり得る。

本開示の構成は、追加の中間層１４及び１２を挿入することによって、軟質はんだ１６に対する望ましくない応力と、界面のボイド形成とを最小にする。スペーサとも称される層１４は、サブマウント１８のＴＥＣに実質的に一致するＴＥＣを有するように選択される。好ましくは、スペーサ１４は、サブマウント１８の物質と同じ物質製である。従って、熱サイクル中におけるスペーサ１４とサブマウント１８との間の相対的変位が最小になる。結果として、軟質はんだ界面１６は、図１の従来技術の構成の軟質はんだの寿命よりも顕著に長い寿命を享受する。

スペーサ１４は勿論ヒートシンク１０のＴＥＣとは異なるＴＥＣを有する。軟質はんだ材料とは対照的に、硬質はんだは、非常に高い降伏力を有するので、応力下において塑性変形よりもむしろ弾性変形する。Ａｕ‐Ｓｎ、Ａｕ‐Ｇｅ、Ａｕ‐Ｓｉ等の多様な合金、例えば、延性Ａｕ８０Ｓｎ２０合金が、信頼性の問題を解決するために高パワーレーザーダイオード応用において一般的に採用されている。従って、半導体分野の当業者には周知なように、硬質はんだ界面１６には、比較的、熱疲労及びクリープ移動現象がない。

上述のように、従来技術において、多様なパッケージング構成が開示されている。勿論、全ての構成が厳しい試験を受ける。典型的に試験されるのは、一般的に数百回、場合によっては千回以上にも達し得る所定の量の熱サイクルにわたる熱負荷に応答して、どれくらい放出光の波長が変化するかである。各熱サイクル内において、最高温度と最低温度との間の温度差は１００℃を超える。ｐｎ接合の温度上昇に対する波長の依存性は、特定の各動作波長について周知である。例えば、９７０ｎｍの光を放出するＤＬについて、１度は、長波長側への０．３ｎｍの波長シフトに対応する。当業者に知られているように、ワット数は、ＤＬに印加される注入電流、ＤＬにわたる電圧の関数であって、そこから光学パワー損失の分を引いたものである。従って、活性接合の温度変化は、ヒートシンクに面するサブマウント表面と隣接層との間の接合の劣化の確実な指標となる。図２Ａ及び図２Ｂの実施形態において、この接合は軟質はんだ界面１６である。

試験したＤＬパッケージを“良品”と呼ぶのに十分な所定の数で繰り返されるオンオフサイクルを必要とする法定の世界標準の試験は存在しないが、半導体産業における慣習は周知である。具体的には、３００回から１０００回までの間の回数の熱サイクル中における対象となるｐｎ接合の温度に基づく振る舞いが、パッケージの品質の確実な指標として許容される。

図３は、所定量で繰り返されるオンオフサイクルにわたる熱負荷の関数として、ＤＬ２２の活性接合の温度を示す。熱負荷は、注入電流、ＤＬ２２にわたる電圧、及び光学パワー損失の関数である。光学パワー損失は、典型的には無駄な熱又は損失としてデバイス内に残る変換されなかったパワーの大部分を含む。低いパワー損失は低い接合温度を意味する。高パワーレーザーダイオードの劣化率は、典型的には、温度と共に指数関数的に増大するので、低い温度は長い寿命を意味する。

試験結果は、４３０回の熱サイクルにわたって増大する熱負荷に応答して、ｐｎ接合の温度が実質的に連続的（０〜０．５℃の範囲内で変化する）であることを明確に示している。対照的に、本発明のパッケージと同じ条件下で試験された図１の構造は、７．５℃に近い温度上昇を受ける。これらの結果は、本発明の構造の軟質はんだ界面１６の完全性の改善を明確に示す。本発明を１０００回のサイクル法を含む異なる条件下で試験したが、試験の終わりにおいて０から１．５℃の範囲で変化するｐｎ接合の実質的に一定の温度を変わらずに示した。対照的に、図１の従来技術の構造は、試験の終わりにおいて４から１３度の間の温度変化を示した。

図４を参照すると、本開示の更なる実施形態は、軟質はんだ界面１６を介してサブマウント１８に直接結合されたヒートシンク１０を備えて構成されたパッケージ３０を含む。しかしながら、図１の従来技術の構造とは対照的に、パッケージ３０は、比較的厚い純金属層３４で電気めっきされた底部表面３２を有する。パッケージング産業における慣習は、可能な限り薄い金属層を設けることを含み、典型的には、その厚さは略１マイクロメートルである。対照的に、本開示の構造の金属層３４は、従来技術のものよりも少なくとも１０倍厚く、数十マイクロメートルにも達し得る。その試験結果は、図２Ａ〜図２Ｂの構造で得られる図３に示される結果に極めて似ている。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、典型的には、レーザーダイオードをサブマウント１８に結合する前に、熱伝導物質製のベース４０が電気めっきされて、その後、複数のサブマウント１８に分割される。図４の底部めっき金属層３４は比較的厚いので、ベースの切断は金属バリを生じさせる。これは非常に望ましくない。金属バリという望ましくない結果を防止するのに役立つ方法は特許文献１に開示されている。特に、バリの形成を防止するため、各サブマウント１８の底部表面の両端がめっき金属層３４の領域を有さないように、ベース４０が加工される。

上記例に関して本開示を説明してきたが、レーザー分野の当業者には、添付の特許請求の範囲の範囲及び要旨から逸脱せずに、上記実施形態の多様な修正及び／又は追加が明らかなものである。

１０ ヒートシンク
１２ 硬質はんだ層
１４ スペーサ
１６ 軟質はんだ層
１８ サブマウント
２０ レーザーダイオードパッケージ

Claims (6)

1. 多層レーザーダイオードマウントであって、
   ダイオードレーザーを支持する一表面を有するサブマウントと、
   前記サブマウントの前記一表面の反対側の反対表面から離隔され且つ該反対表面に面するヒートシンクであって、前記サブマウント及び前記ヒートシンクが互いに異なる熱膨張係数を備えて構成されている、ヒートシンクと、
   前記サブマウントの前記反対表面上に接触して堆積された金属層と、
   各サイクル内の温度差ΔＴが１００℃を超える少なくとも数百サイクルにわたって繰り返される所定の量の熱サイクルに対して、前記ダイオードレーザーのｐｎ接合の温度が実質的に一定のままであるように金属層及び前記ヒートシンクに結合された軟質はんだ層とを備えるマウント。
2. 前記ｐｎ接合の温度が、繰り返される前記所定の量の熱サイクルに対して０から２℃の温度範囲内で一定のままである、請求項１に記載のマウント。
3. 前記ｐｎ接合の温度が、繰り返される前記所定の量の熱サイクルに対して１℃未満で一定のままである、請求項２に記載のマウント。
4. 前記サブマウントの熱膨張係数に一致する熱膨張係数を有する物質製のスペーサであって、前記軟質はんだ層に結合されたスペーサと、前記スペーサと前記ヒートシンクとの間に配置されて結合された硬質はんだ層とを更に備える請求項１に記載のマウント。
5. 前記金属層が数百マイクロメートルの厚さを有する、請求項１に記載のマウント。
6. 前記金属層が、前記サブマウントの前記反対表面の周辺から或る距離で終端している、請求項５に記載のマウント。