JP2018073943A - 半導体発光装置、ステム部品 - Google Patents

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Koichi Koyama
浩一 児山
章 古谷
Akira Furuya
章 古谷
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Abstract

【課題】キャップ下端を主面の主面の外縁に近づけることを可能な半導体発光装置を提供する。
【解決手段】半導体発光装置は、第１面、第２面、及び第１面から前記第２面への第１方向に延在する開口を有するインナー部分、並びに前記インナー部分の外周に設けられたアウター部分を含むステムベースと、開口において支持されたリード部材と、インナー部分を囲むようにアウター部分の上面に設けられた閉じた形状の金属部材とを備えるステム部品と、ステム部品のインナー部分上に設けられた半導体光素子と、ステム部品の金属部材上に設けられたキャップと、を備え、インナー部分及びアウター部分は、第１方向に交差する基準面に沿って配置され、金属部材は、アウター部分の上面によって支持された第１部分と、アウター部分の縁より外側に延出する第２部分とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置、及び半導体発光装置のためのステム部品に関する。
特許文献１は、窒化物半導体発光装置を開示する。特許文献２は、半導体レーザ素子ユニットを開示する。
国際公開ＷＯ２０１３−０８０３９６号公報 特開平０４−０２８２８２号公報
特許文献１の窒化物半導体発光装置は、ベース、ポスト、ベースの主面に設けられた溶接台を含む。ベースの主面は、主面の周辺に設けられた段差を有する。溶接台は、段差の側面に沿ってポストを取り囲むようにベースに固定される。溶接台は、ベースの周辺の全体にわたって、ベースの縁から離れている。
特許文献２は、第１ステム板及び第２ステム板を含む貼合構造を開示する。第１ステム板は、鋼板と、この鋼板に張り合わされた炭素鋼薄板とを含む。炭素鋼薄板は、鋼板の上面の形状と同じ上面形状を有する。
ステムは、半導体発光素子を搭載する台座を有しており、この台座は、半導体発光素子に放熱経路を提供する。ステムは、ステムに抵抗溶接されるキャップを搭載して、ステム及びキャップは、半導体発光素子を気密に封止するキャビティを形成する。発明者の検討によれば、より大きな台座は、例えばより高い放熱性能を有することができる。大きな台座は、大きなキャビティを必要とする。
求められていることは、所与のステムサイズにおいてより大きなキャビティの形成を可能にするステムを提供することである。
本発明の一側面は、キャップ下端をステムの主面の外縁に近づけることを可能にする半導体発光装置を提供することを目的とする。また、本発明の別の側面は、半導体発光装置のためのステム部品を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る半導体発光装置は、第１面、第２面、及び前記第１面から前記第２面への第１方向に延在する開口を有するインナー部分、並びに前記インナー部分の外周に設けられたアウター部分を含むステムベースと、前記開口において支持されたリード部材と、前記インナー部分を囲むように前記アウター部分の上面に設けられた閉じた形状の金属部材とを備えるステム部品と、前記ステム部品の前記インナー部分上に設けられた半導体光素子と、前記ステム部品の前記金属部材上に設けられたキャップと、を備え、前記インナー部分及び前記アウター部分は、前記第１方向に交差する基準面に沿って配置され、前記金属部材は、前記アウター部分の前記上面によって支持された第１部分と、前記アウター部分の縁より外側に延出する第２部分とを有する。
本発明の別の側面に係るステム部品は、第１面、第２面、及び前記第１面から前記第２面への第１方向に延在する開口を有するインナー部分、並びに前記第１方向に交差する基準面に沿って前記インナー部分の外周に設けられたアウター部分を含むステムベースと、前記開口において支持されたリード部材と、前記インナー部分を囲むように前記インナー部分の側面上及び前記アウター部分の上面上に位置決めされた閉じた金属部材と、を備え、前記金属部材は、前記アウター部分の縁より外側に延出する部分を有する。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、キャップ下端をステムの主面の外縁に近づけることを可能にする半導体発光装置が提供される。また、本発明の別の側面によれば、この半導体発光装置のためのステム部品が提供される。
図１は、本実施形態に係る半導体発光装置を模式的に示す一部破断図である。 図２は、本実施形態に係る半導体発光装置のステム部品を模式的に示す図面である。 図３は、半導体発光装置の具体例として、同軸型光モジュールを模式的に示す図面である。 図４は、本実施形態に係る半導体発光装置を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図５は、本実施形態に係る作製方法に適用可能な位置合わせ治具の具体例を模式的に示す図面である。 図６は、本実施形態に係る半導体発光装置を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
いくつかの具体例を説明する。
具体例に係る半導体発光装置は、（ａ）第１面、第２面、及び前記第１面から前記第２面への第１方向に延在する開口を有するインナー部分、並びに前記インナー部分の外周に設けられたアウター部分を含むステムベースと、前記開口において支持されたリード部材と、前記インナー部分を囲むように前記アウター部分の上面に設けられた閉じた形状の金属部材とを備えるステム部品と、（ｂ）前記ステム部品の前記インナー部分上に設けられた半導体光素子と、（ｃ）前記ステム部品の前記金属部材上に設けられたキャップと、を備え、前記インナー部分及び前記アウター部分は、前記第１方向に交差する基準面に沿って配置され、前記金属部材は、前記アウター部分の前記上面によって支持された第１部分と、前記アウター部分の縁より外側に延出する第２部分とを有する。
半導体発光装置によれば、キャップは、ステム部品の金属部材に接合されて、ステム部品及びキャップは、半導体光素子を収容するキャビティを提供する。ステムベースは、キャップをステム部品に溶接する際における位置決めのための凹みをステムベースのアウター部分の側面に有する一又は複数の部分と、該凹みを有なさい一又は複数の残りの部分とを有する。凹みは、アウター部分からインナー部分への方向に延在すると共に、該凹みを規定する側面は、第１方向に延在する。金属部材は、アウター部分の上面によって支持された第１部分に加えて、アウター部分の主面の縁より外側に延出して凹みを覆う第２部分を有する。第２部分を有する金属部材によれば、キャップ下端は、アウター部分の凹みによって後退したステム主面のサイズに制限されることなく、金属部材の外縁の近くに位置することができる。
具体例に係る半導体発光装置では、前記ステム部品の前記金属部材と前記キャップの一端とを接合する溶接部は、前記金属部材の前記第２部分を横切る。
半導体発光装置によれば、キャップは、金属部材の第１部分だけでなく第２部分にも支持されることができる。ステム部品及びキャップは、閉じた溶接部によって接合されて、キャビティは気密に封止される。
具体例に係るステム部品は、（ａ）第１面、第２面、及び前記第１面から前記第２面への第１方向に延在する開口を有する内側部、並びに前記第１方向に交差する基準面に沿って前記内側部から延出する外側部を含むステムベースと、（ｂ）前記開口において支持されたリード部材と、（ｃ）前記内側部を囲むように前記内側面の側面及び前記外側部の上面に位置決めされた閉じた金属部材と、を備え、前記金属部材は、前記アウター部分の縁より外側に延出する部分を有する。
ステム部品によれば、金属部材は、キャップを搭載可能なようにインナー部分の側面及びアウター部分の上面に設けられる。金属部材は、また、アウター部分の上面によって支持された第１部分に加えて、アウター部分の縁より外に延出する第２部分を有する。第２部分を有する金属部材によれば、ステムベースの形状（アウター部分の縁）から独立したサイズを有するキャップを用いることを可能にする。
具体例に係るステム部品では、前記金属部材は前記ステムベースの熱伝導性より小さい金属を備える。
ステム部品によれば、位置合わせ治具及びステムベースの金属材料に依らずに、抵抗溶接による良好な溶接部を提供できる。
具体例に係るステム部品では、前記金属部材は、前記ステムベースの前記アウター部分の縁に到達する。
ステム部品によれば、金属部材は、ステムベースの周縁における多くの部分においてステムベースにより支持される。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、半導体発光装置、ステム部品、及び半導体発光装置を作製する方法に係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図１は、本実施形態に係る半導体発光装置を模式的に示す一部破断図である。図２の（ａ）部は、本実施形態に係る半導体発光装置のステム部品を模式的に示す平面図である。図２の（ｂ）部は、図２の（ａ）部に示されたＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿ってとられた断面を模式的に示す図面である。図２の（ｃ）部は、図２の（ａ）部に示されたＩＩｃ−ＩＩｃ線に沿ってとられた断面を模式的に示す図面である。
半導体発光装置１１は、ステム部品１３と、半導体光素子１５と、キャップ１７とを備える。ステム部品１３は、ステムベース１９、金属部材２１、及びリード部材２３を備える。ステムベース１９は、第１面１９ａ、第２面１９ｂ及び側面１９ｃを含む。また、ステムベース１９は、インナー部分１９ｄ及びアウター部分１９ｅを含む。インナー部分１９ｄは、第１面１９ａから第２面１９ｂへの第１軸Ａｘ１の方向に延在する開口１９ｆ（１９ｆａ、１９ｆｂ）を有し、アウター部分１９ｅは、インナー部分１９ｄの外周に設けられ、具体的にはインナー部分１９ｄを囲む閉じた形状を有する。インナー部分１９ｄ及びアウター部分１９ｅは、第１軸Ａｘ１の方向に交差する基準面に沿って配置され、一体の部材であることができる。本実施例では、インナー部分１９ｄは、アウター部分１９ｅの上面１９ｇに基準にして盛り上がっており、この盛り上がり部は、インナー部分１９ｄの側面１９ｊによって規定される段差を形成する。アウター部分１９ｅの上面１９ｇは、インナー部分１９ｄに比べて、金属部材２１の厚さの分だけ凹む。キャップ１７の位置ズレを考慮して、アウター部分１９ｅの上面１９ｇの幅ＷＯＵＴ（インナー部分からアウター部分に向かう方向における長さ）は、例えば７５０〜９５０マイクロメートル程度であることが良い。この上面１９ｇの幅は、ステム側面における凹み３９の深さより大きい。ステムベース１９は、例えば銅または銅合金を備える。金属部材２１は、ステムベース１９のインナー部分１９ｄを囲むようにアウター部分１９ｅの上面１９ｇに設けられ、アウター部分１９ｅの上面１９ｇにおいて閉じた形状を成す。金属部材２１はステムベース１９の熱伝導性より小さい金属を備える。金属部材２１は、例えば鉄または鉄ニッケル合金または鉄ニッケルコバルト合金から成る。また、ステムベース１９のインナー部分１９ｄは、金属部材２１の熱伝導性より大きな金属を備えることがよい。金属部材２１の第１部分２１ａにおいて、金属部材２１は、ステムベース１９のアウター部分１９ｅの縁１９ｉに到達する。
図２の（ｂ）部に示されるように、金属部材２１の厚さＴＳＴＭは、抵抗溶接によって形成される溶接部の貫通を避けるために，例えば１００マイクロメートル以上であることが好ましい。また、金属部材２１の厚さＴＳＴＭは、ステムベース１９の側面１９ｃからの放熱ルートを確保するために、例えば３５０マイクロメートル以下にあることが好ましい。また、金属部材２１の幅ＷＳＴＭは、キャップ１７の抵抗溶接のために７５０マイクロメートル以上であることができる。金属部材２１は、第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂを有する。第１部分２１ａは、アウター部分１９ｅの上面１９ｇによって支持される。第２部分２１ｂは、アウター部分１９ｅの縁１９ｉから延出して、架橋２１ｃを形成する。この架橋２１ｃは、上面１９ｇ上の第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂにより、２方向又は３方向で支持される。金属部材２１は、例えば銀ロウ（ＪＩＳ ＢＡｇ−８相当）といった接着材によってステムベース１９に固定されることができ、具体的にはアウター部分１９ｅの上面１９ｇ及びインナー部分１９ｄの側面１９ｃに固定される。
図１を参照すると、半導体光素子１５は、ステムベース１９のインナー部分１９ｄ上に設けられる。本実施例では、ステム部品１３は、インナー部分１９ｄ上に設けられた台座１９ｈを含み、台座１９ｈは、インナー部分１９ｄの第１面１９ａを基準にして第１軸Ａｘ１の方向に盛り上がっている。半導体光素子１５は台座１９ｈの側面上に設けられる。半導体光素子１５は、例えばレーザダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）を包含する。より具体的には、台座１９ｈの側面は、サブマウント３１を搭載しており、サブマウント３１は半導体光素子１５を搭載する。
キャップ１７は、ステム部品１３の金属部材２１上に設けられる。具体的には。キャップ１７は、光学窓部品３３及びキャップベース３５を含む。キャップベース３５は、側壁１７ａ及び天井１７ｂを有しており、側壁１７ａの一端１７ｃがステム部品１３の金属部材２１に固定される。好ましくは、側壁１７ａの一端１７ｃは金属部材２１の表面に溶接部２７により固定されて、ステム部品１３及びキャップ１７は、気密に封止されたキャビティ３７を形成する。溶接部２７は、側壁１７ａの一端１７ｃ及び金属部材２１の表面に設けられ、閉じた形状を有する。側壁１７ａの他端は、天井１７ｂに連なり、天井１７ｂは、例えばレンズ又はガラス基体といった光学窓部品３３を支持する。光学窓部品３３は、半導体光素子１５と光学的に結合される。
リード部材２３は、半導体光素子１５への電気接続のために設けられる。また、リード部材２３は、ステムベース１９の開口１９ｆを貫通しており、開口１９ｆに設けられた封止材２５によって支持される。封止材２５は、金属パイプ及びガラスを備える。リード部材２３は、開口１９ｆにおいて第１軸Ａｘ１の方向に延在する。リード部材２３は、半導体光素子１５に電気的に接続される。本実施例では、半導体光素子１５は、ボンディングワイヤを介して直接にリード部材２３に接続されることができ、またサブマウント３１の配線層を介してリード部材２３に接続されることができる。
半導体発光装置１１によれば、キャップ１７は、ステム部品１３の金属部材２１に接合されて、ステム部品１３及びキャップ１７は、半導体光素子１５を収容するキャビティ３７を提供する。ステムベース１９のアウター部分１９ｅは、キャップ１７をステム部品１３に溶接する際における位置決めのための凹み３９（具体的には、３９ａ、３９ｂ、３９ｃ）をステムベース１９のアウター部分１９ｅの側面１９ｋに有する部分と、凹み３９（３９ａ、３９ｂ、３９ｃ）を有なさい残りの部分とを有する。凹み３９（３９ａ、３９ｂ、３９ｃ）は、アウター部分１９ｅの側面１９ｋからインナー部分１９ｄへの方向に延在すると共に、該凹み３９ａ、３９ｂ、３９ｃを規定する側面１９ｃは、第１軸Ａｘ１の方向にアウター部分１９ｅの上面１９ｇから第２面１９ｂまで延在する。金属部材２１は、アウター部分１９ｅの上面１９ｇによって支持された第１部分２１ａに加えて、アウター部分１９ｅの上面１９ｇの縁１９ｉより外側に延出して凹み３９ａ、３９ｂ、３９ｃに係る開口を覆う第２部分２１ｂを有する。第２部分２１ｂを有する金属部材２１によれば、キャップ１７の一端１７ｃは、アウター部分１９ｅの凹み３９ａ、３９ｂ、３９ｃによって後退した主面１３ａのサイズに制限されることなく、金属部材２１の縁２１ｊ及びアウター部分１０ｅの縁１９ｉの近くに位置することができる。
図１に示されるように、ステム部品１３の金属部材２１とキャップ１７の一端１７ｃとを接合する溶接部２７は、金属部材２１の第２部分２１ｂを横切る。キャップ１７は、金属部材２１の第１部分２１ａだけでなく第２部分２１ｂにも支持されることができる。ステム部品１３及びキャップ１７は、閉じた溶接部２７によって接合されて、キャビティ３７は気密に封止される。
図３の（ａ）部を参照すると、キャップ１７は、コリメートレンズといった光学窓部品３３を支持している。キャビティ３７内の半導体光素子１５は、コリメートレンズを介して外部の光学部品に光学的に結合される。図３の（ｂ）部を参照すると、キャップ１７は、半導体光素子１５に係る光を透過可能なガラス基板といった光学窓部品３３を支持している。キャビティ３７内の半導体光素子１５は、このような透明基板を介して外部の光学部品に光学的に結合される。図３の（ａ）部及び図３の（ｂ）部に示される半導体発光装置１１は、例えば同軸型光モジュールとして参照される。同軸型光モジュールは、例えば同軸方向に延び直径１０ミリメートル以下を有する円柱内に収まるような大きさである。また、キャップ１７の内径ＣＰＲとステム部品１３の外径ＳＴＲとの比（ＣＰＲ／ＳＴＲ）は、例えば０．５以上であることができる。
図４〜図６を参照しながら、半導体発光装置を作製する方法における主要な工程を記述する。図４の（ａ）部に示されるように、ステム組立体５１及びキャップ部品５３を準備する。ステム組立体５１は、ステム部品（簡単のために符合「１３」として参照する）、及びステム部品１３のインナー部分１９ｄ上にダイボンドされた半導体光素子１５を含む。キャップ１７にまだ抵抗溶接されていないので、この工程におけるステム部品１３は、厳格には、溶接部２７のための溶融部分がステム部品１３に形成されていない点で、図１に示されたステム部品１３と異なる。キャップ部品５３は、キャップ１７と同様に側壁１７ａ及び天井１７ｂを有する。キャップ部品５３は、まだ抵抗溶接が行われていないので、この工程におけるキャップ部品５３は、厳格には、溶接部２７のための溶融突起（図６の（ａ）部における溶融突起５３ａ）が側壁１７ａの一端１７ｃの底面に残っている点で、図１に示されたキャップ１７と異なる。
また、位置決め治具５５を準備する。位置決め治具５５は、図５に示されるように、ステム組立体５１を受け入れる窪み５５ａを含む。この窪み５５ａは、位置決め治具にステム組立体５１を設置する際にステムベース１９の側面１９ｃをガイドするガイド面５５ｂと、位置決め治具５５に対してステム組立体５１の向きを規定するオリエンテーション突起５５ｃとを含む。窪み５５ａは、ステム組立体５１の背面（第２面１３ｂ）を支持する底面５５ｄを有する。オリエンテーション突起５５ｃの高さＰＨは、ステムベース１９の凹み３９ａにおけるステムベース１９のアウター部分１９ｅの厚さＴに関連しており、この厚さＴに関する公差は、例えば−５０〜＋５０マイクロメートルである。高さＰＨに関する公差は、例えば−５０〜＋５０マイクロメートルである。位置決め治具５５は、例えばアルミニウムといった金属製であることができる。図５を参照すると、本実施例における位置決め治具５５の主要な寸法が理解される。
アルミニウム製の位置決め治具５５のサイズ。
ＤＸ：１２ミリメートル。
ＤＹ：６ミリメートル。
ＤＺ：２ミリメートル。
図４の（ｂ）部に示されるように、ステム組立体５１及びキャップ部品５３を位置決め治具５５に設置する。ステム組立体５１のステムベース１９及びリード部材２３を位置決め治具５５の窪み５５ａに挿入すると共に、必要な場合には、ステム組立体５１を軸回りに回転させて、ステム組立体５１の凹み３９ａを位置決め治具５５のオリエンテーション突起５５ｃに填め合わせる。
設置の後において位置合わせが完了したとき、図６の（ａ）部に示されるように、ステム組立体５１の金属部材２１の第２部分２１ｂは、オリエンテーション突起５５ｃの上面とキャップ部品５３の一端１７ｃとの間に位置する。また、キャップ部品５３の溶融突起５３ａは、ステム組立体５１の主面に接触している。
ステム組立体５１及びキャップ部品５３を位置決め治具５５に設置した後に、キャップ部品５３と位置決め治具５５との間に電流を流して、図６の（ａ）部に示されるように、抵抗溶接法によりステム組立体５１及びキャップ部品５３を溶接する。この溶接により、半導体発光装置のキャビティ３７が完成される。この作製方法によれば、ステムベース１９の形状（アウター部分１９ｅの縁１９ｉ）から独立したサイズを有するキャップ１７を半導体発光装置１１のために用いることができる。
この半導体発光装置１１を作製する方法は、ステム部品１３の主面１３ａの縁にキャップ１７の一端１７ｃの外縁を近づけることを可能にする。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
以上説明したように、本実施形態によれば、キャップ下端をステムの主面の外縁に近づけることを可能にする半導体発光装置が提供される。また、本実施形態によれば、キャップ下端を主面の主面の外縁に近づけることを可能なステム部品が提供される。さらに、本実施形態によれば、ステムの主面の外縁にキャップ下端を近づけることを可能にする半導体発光装置を作製する方法が提供される。
１１…半導体発光装置、１３…ステム部品、１５…半導体光素子、１７…キャップ、１９…ステムベース、２１…金属部材、２３…リード部材。

Claims (5)

  1. 半導体発光装置であって、
    第１面、第２面、及び前記第１面から前記第２面への第１方向に延在する開口を有するインナー部分、並びに前記インナー部分の外周に設けられたアウター部分を含むステムベースと、前記開口において支持されたリード部材と、前記インナー部分を囲むように前記アウター部分の上面に設けられた閉じた形状の金属部材とを備えるステム部品と、
    前記ステム部品の前記インナー部分上に設けられた半導体光素子と、
    前記ステム部品の前記金属部材上に設けられたキャップと、
    を備え、
    前記インナー部分及び前記アウター部分は、前記第１方向に交差する基準面に沿って配置され、
    前記金属部材は、前記アウター部分の前記上面によって支持された第１部分と、前記アウター部分の縁より外側に延出する第２部分とを有する、半導体発光装置。
  2. 前記ステム部品の前記金属部材と前記キャップの一端とを接合する溶接部は、前記金属部材の前記第２部分を横切る、請求項１に記載された半導体発光装置。
  3. ステム部品であって、
    第１面、第２面、及び前記第１面から前記第２面への第１方向に延在する開口を有するインナー部分、並びに前記インナー部分の外側に設けられたアウター部分を含むステムベースと、
    前記開口において支持されたリード部材と、
    前記インナー部分を囲むように前記インナー部分の側面及び前記アウター部分の上面に位置決めされた閉じた金属部材と、
    を備え、
    前記インナー部分及び前記アウター部分は、前記第１方向に交差する基準面に沿って配置され、
    前記金属部材は、前記アウター部分の縁より外側に延出する部分を有する、ステム部品。
  4. 前記ステムベースは前記金属部材の熱伝導性より大きな金属を備える、請求項３に記載されたステム部品。
  5. 前記金属部材は、前記ステムベースの前記アウター部分の縁に到達する、請求項３又は請求項４に記載されたステム部品。
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