JP3929705B2 - 半導体装置及びチップキャリア - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びチップキャリアに関し、より詳しくは、半導体装置の温度検知部の構成、主たる利用形態としては例えば半導体発光装置のレーザチップの温度制御に使用されるサーミスタ素子部分の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子、例えばレーザチップが搭載されるセラミックキャリアの上には、レーザチップの動作時の温度を制御するために、例えば図１に示すようにサーミスタがロウ付けされている。
図１において、セラミックキャリア１０１の主面上の一端寄りの第１領域には矩形状の第１導電パターン１０２ａとＬ字状の第２導電パターン１０２ｂが形成され、また、その主面上の他端寄りの第２領域には矩形状の第３導電パターン１０２ｃが形成されている。
【０００３】
そのような第１導電パターン１０２ａの上には、レーザチップ１０３の下側電極１０３ａが導電性ロウ材１０４により接続されるとともに第１の金線１０５ａがボンディングによって接続されている。半導体レーザ１０３の上側電極１０３ｂ上には、第２導電パターン１０２ｂを中継する第２及び第３の金線１０５ｂ，１０５ｃが電気的に接続されている。
【０００４】
また、第３導電パターン１０２ｃの上には、サーミスタ１０６が接続され、その抵抗の変化によって温度が検知される。
サーミスタ１０６は、セラミック基板１０６ａの主面上に形成された第１及び第２電極１０６ｂ，１０６ｃと、これらの第１及び第２電極１０６ｂ，１０６ｃに接続されるサーミスタ素子１０６ｄを有している。そのような構造のサーミスタは、例えば特開平６−６１０１２号公報に記載されている。
【０００５】
そして、セラミック基板１０６ａの下面は、はんだ１０７を介して第３導電パターン１０２ｃに接続され、また、第１及び第２電極１０６ｂ，１０６ｃにはそれぞれ第４の金線と第５の金線がボンディングされて外部に電気的に引き出されている。なお、第３導電パターン１０２は、セラミック基盤１０６ａとセラミックキャリア１０１との密着性を向上するために形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構造では、セラミックキャリア１０１とサーミスタ素子１０６ｄとの間に介在しているはんだ１０７の熱抵抗が、半導体発光装置の稼働後のはんだ（半田）クリープによる組織変化やクラックの進行によって経時変化する。
このため、半導体発光装置の稼働年数が経つにつれて、サーミスタ素子１０６ｄによるレーザチップ１０３の温度検知抵抗値が変化してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、半導体チップの温度を高精度に制御することができる半導体装置及びチップキャリアを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、キャリア基体と、前記キャリア基体の主面上に、互いに間隔をおいて形成された第１導電体パターン及び第２導電体パターンと、前記第１導電体パターンと前記第２導電体パターンの間の前記キャリア基体の前記主面に、前記第１及び第２導電体パターンに接続されるように被着された温度感知抵抗体と、前記キャリア基体に設けられた半導体素子の搭載部と、前記搭載部に搭載された半導体素子とを有し、前記第１及び第２導電体パターンは、外部と電気的に接続されるボンディングポイントを備えており、当該ボンディングポイントと前記温度感知抵抗体との間の前記第１及び第２導電体パターンには熱伝導性の低い部位として屈曲部が介在することを特徴とする半導体装置により解決する。
【０００９】
または、上記した課題は、キャリア基体と、前記キャリア基体の主面上に、互いに間隔をおいて形成された第１導電体パターン及び第２導電体パターンと、前記第１導電体パターンと前記第２導電体パターンの間の前記キャリア基体の前記主面に、前記第１及び第２導電体パターンに接続されるように被着された温度感知抵抗体と、前記キャリア基体に設けられた半導体素子の搭載部と、前記搭載部に搭載された半導体素子とを有し、前記第１及び第２導電体パターンは、外部と電気的に接続されるボンディングポイントを備えており、当該ボンディングポイントと前記温度感知抵抗体との間の前記第１及び第２導電体パターンには熱伝導性の低い部位として細線部が介在することを特徴とする半導体装置により解決する。
上記した半導体装置において、前記キャリア基体は、セラミックスにより構成されてなることを特徴とする。
【００１０】
上記した半導体装置において、前記温度感知抵抗体は、Mn、Ni、Co、Feの少なくとも一つを含むことを特徴とする。
または、上記した半導体装置において、前記半導体素子は、半導体レーザであることを特徴とする。この場合、前記半導体レーザと前記搭載部との間には、ヒートシンクを介在させてもよい。
【００１１】
上記した課題は、キャリア基体と、前記キャリア基体の主面上に、互いに間隔をおいて形成された第１導電体パターン及び第２導電体パターンと、前記第１導電体パターンと前記第２導電体パターンの間の前記キャリア基体の前記主面に、前記第１及び第２導電体パターンに接続されるように被着された温度感知抵抗体と、前記キャリア基体に設けられた半導体素子の搭載部とを有し、前記第１及び第２導電体パターンは、外部と電気的に接続されるボンディングポイントを備えており、当該ボンディングポイントと前記温度感知抵抗体との間の前記第１及び第２導電体パターンには熱伝導性の低い部位として屈曲部が介在することを特徴とするチップキャリアによって解決する。
【００１２】
または、上記した課題は、キャリア基体と、前記キャリア基体の主面上に、互いに間隔をおいて形成された第１導電体パターン及び第２導電体パターンと、前記第１導電体パターンと前記第２導電体パターンの間の前記キャリア基体の前記主面に、前記第１及び第２導電体パターンに接続されるように被着された温度感知抵抗体と、前記キャリア基体に設けられた半導体素子の搭載部とを有し、前記第１及び第２導電体パターンは、外部と電気的に接続されるボンディングポイントを備えており、当該ボンディングポイントと前記温度感知抵抗体との間の前記第１及び第２導電体パターンには熱伝導性の低い部位として細線部が介在することを特徴とするチップキャリアによって解決する。
上記したチップキャリアにおいて、前記キャリア基体は、セラミックスにより構成されてなることを特徴とする。
【００１３】
上記したチップキャリアにおいて、前記温度感知抵抗体は、前記キャリア基体上で焼成されて形成されたものであることを特徴とする。この場合、前記温度感知抵抗体は、Mn、Ni、Co、Feの少なくとも一つを含むことを特徴とする。
次に、本発明の作用について説明する。
本発明によれば、半導体チップ、例えばレーザチップが搭載されるキャリア基体上に直にモノリシックに温度感知抵抗体膜（サーミスタ）を形成している。
【００１４】
これにより、キャリア基体を介して伝達される半導体チップの温度を温度感知抵抗体膜により検出する場合に、半導体チップの稼働時間が経過しても、温度感知抵抗体膜とキャリア基体の間の熱抵抗が変化することがない。
従って、レーザチップの温度を従来よりも長期的に変動がなくかつ高精度で制御することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図２〜図４は、本発明の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程を示す斜視図である。
図２に示す状態になるまでの工程を説明する。
【００１６】
まず、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミックスよりなるセラミックキャリア（基体）１の主面上に金属膜を形成する。金属膜は、例えば、セラミックキャリア１上にチタンとプラチナと金を順にスパッタリングして形成される。
次に、配線及びパッド形状のレジストパターン（不図示）を金属膜の上に形成した後に、レジストパターンに覆われていない部分の金属膜をスパッタエッチングにより除去する。これにより、セラミックキャリア１の主面の一端寄りの一隅には、島形状の第１導電パターン２が形成され、その第１導電パターン２の周囲には間隔をおいてレーザチップ搭載用のＬ字形状の第２導電パターン３が形成される。また、セラミックキャリア１の主面の他端寄りの領域には、その両側に沿ってジグザク状に屈曲しながら延びる第３導電パターン４と第４導電パターン５が間隔を置いて形成されている。第３及び第４導電パターン４，５のうちセラミックキャリア１の他端近傍はワイヤボンディングポイントとなっている。また、第３及び第４導電パターン４，５の中央の屈曲部分は、熱伝導性の低い部位であり、その両端よりもパターン幅が狭くなっている。
【００１７】
次に、セラミックキャリア１主面と第１〜第４導電パターン電極２〜５の上に、直に、マンガン（Mn）、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）、鉄（Fe）等の少なくとも１つ含む単体又は複合の酸化物よりなる焼結体膜をスパッタリングにより０．１〜２．０μｍの厚さに形成した後に、その焼結体膜を数百℃で数時間加熱焼成する。
【００１８】
続いて、図３に示すように、焼結体膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、第３，第４導電パターン３，４のうちのセラミックキャリア１の中央に近い一端部の上の部分と第３及び第４導電パターン４，５間の領域に残す。これにより、セラミックキャリア１の主面上には、両端が第３及び第４導電パターン４，５に接続された焼結体膜（温度感知抵抗体膜）よりなるなるサーミスタ素子６が直にモノリシックに形成された状態になる。これにより、レーザチップ搭載領域（半導体素子搭載部）を有するサーミスタキャリアが完成する。
【００１９】
次に、図４に示すように、はんだ７を用いて、レーザチップ８を第２導電パターン３の上に接合する。この場合、レーザチップ８の第１電極８ａを第２導電パターン３に接合して、レーザチップ８の第２電極８ａを上側に位置させる。なお、レーザチップ８とセラミックキャリア１の間にヒートシンク（不図示）を介在させてもよい。
【００２０】
以上のような工程によりサーミスタキャリア上にレーザチップが取り付けられた構造が形成される。
上記構造は、図５に示すように、第１のレンズ１１とともに絶縁基板１２上に取り付けられ、レーザチップ８の出力端が第１のレンズ１１に向くような位置で固定される。その絶縁基板１１はベルチェ素子２０の上に取り付けられる。
【００２１】
ところで、図４に示した構造において、第２導電パターン３のうちのセラミックキャリア１の一端寄りのワイヤボンディングポイントには、第１の金ワイヤ１３がボンディングされて外部のレーザ駆動回路（不図示）に接続される。また、レーザチップ８の第２電極８ｂ上と第１導電パターン２上には第２の金ワイヤ１４がボンディングされ、さらに、第１導電パターン２には第３の金ワイヤ１５がボンディングされて外部のレーザ駆動回路１８に接続される。
【００２２】
さらに、一端部にサーミスタ素子６が接続された第３及び第４導電パターン４，５の他端部には、それぞれ第４の金ワイヤ１６と第５の金ワイヤ１７がボンディングされて図５に示した温度制御回路１８の差動増幅器１８ａに接続される。即ち、サーミスタ素子６は、金ワイヤ１６，１７と第４及び第５導電パターン４，５を介して温度制御回路１８の差動増幅器１８ａに接続される。
【００２３】
差動増幅器１８ａは、サーミスタ素子６の抵抗と基準抵抗１８ｂの基準抵抗値とを比較してその差がゼロになるように増幅器１８ｃを介してペルチェ素子（温度加熱・冷却素子）２０への電流値を調整して、サーミスタ素子６が基準抵抗値になるようにペルチェ素子２０の温度を制御してセラミックキャリア１の温度、即ちレーザチップ８の温度を所定の温度になるようにする。その基準抵抗１８ｂの基準抵抗値は、例えばレーザチップ８の温度が２５℃になる場合のサーミスタ素子６の抵抗値に予め設定される。
【００２４】
以上のような光モジュールは、レーザチップ８を搭載するためのセラミックキャリア１上に、熱抵抗が変化し易いはんだやロウ材を介さずに、直にモノリシックにサーミスタ素子６を形成しているので、レーザチップ８の駆動時間の経過にかかわらず、レーザチップ８の温度をセラミックキャリア１を介して常に精度良く検出することができ、これにより温度制御回路１８とペルチェ素子２０によるレーザチップ８の冷却又は加熱の制御を高精度に行うことが可能になる。
【００２５】
従って、レーザチップを稼働した後の半田クリープによる組織変化やクラックの進行がないため、セラミックキャリア１上に取り付けられたレーザチップ８の温度は長期的に変動することなく一定に保たれ、レーザチップ８の光学特性も一定に保たれることになる。
なお、図５において、符号２１は、第２のレンズ２２を介して第１のレンズ１１に光学的に接続される光ファイバを示している。
【００２６】
なお、上述した実施形態では、レーザチップ（半導体レーザ）をサーミスタ用キャリア上の半導体搭載領域に取り付けたが、半導体搭載領域にその他の半導体素子を取り付けて半導体素子の温度が一定になるように制御してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、半導体素子（例えばレーザチップ）が搭載されるキャリア基体上に直にモノリシックに温度感知抵抗体を形成したので、キャリア基体を介して伝達される半導体素子の温度を温度感知抵抗体膜により検出する場合に、半導体素子の稼働時間が長くなっても温度感知抵抗体膜とキャリア基体の間の熱抵抗が変化することを防止でき、半導体素子の温度を従来よりも長期的に変動がなく且つ高精度で制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体発光装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態の装置の製造工程を示す斜視図（その１）である。
【図３】本発明の実施形態の装置の製造工程を示す斜視図（その２）である。
【図４】本発明の実施形態の装置の製造工程を示す斜視図（その３）である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体発光装置の使用状態を示す側面図である。
【符号の説明】
１…セラミックキャリア、２〜５…導電パターン、６…サーミスタ素子、７…はんだ（接合材）、８…レーザチップ（半導体素子）。

Claims (11)

  1. キャリア基体と、
    前記キャリア基体の主面上に、互いに間隔をおいて形成された第１導電体パターン及び第２導電体パターンと、
    前記第１導電体パターンと前記第２導電体パターンの間の前記キャリア基体の前記主面に、前記第１及び第２導電体パターンに接続されるように被着された温度感知抵抗体と、
    前記キャリア基体に設けられた半導体素子の搭載部と、
    前記搭載部に搭載された半導体素子とを有し、
    前記第１及び第２導電体パターンは、外部と電気的に接続されるボンディングポイントを備えており、当該ボンディングポイントと前記温度感知抵抗体との間の前記第１及び第２導電体パターンには熱伝導性の低い部位として屈曲部が介在することを特徴とする半導体装置。
  2. キャリア基体と、
    前記キャリア基体の主面上に、互いに間隔をおいて形成された第１導電体パターン及び第２導電体パターンと、
    前記第１導電体パターンと前記第２導電体パターンの間の前記キャリア基体の前記主面に、前記第１及び第２導電体パターンに接続されるように被着された温度感知抵抗体と、
    前記キャリア基体に設けられた半導体素子の搭載部と、
    前記搭載部に搭載された半導体素子とを有し、
    前記第１及び第２導電体パターンは、外部と電気的に接続されるボンディングポイントを備えており、当該ボンディングポイントと前記温度感知抵抗体との間の前記第１及び第２導電体パターンには熱伝導性の低い部位として細線部が介在することを特徴とする半導体装置。
  3. 前記キャリア基体は、セラミックスにより構成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記温度感知抵抗体は、Mn、Ni、Co、Feの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
  5. 前記半導体素子は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
  6. 前記半導体レーザと前記搭載部との間には、ヒートシンクが介在してなることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
  7. キャリア基体と、
    前記キャリア基体の主面上に、互いに間隔をおいて形成された第１導電体パターン及び第２導電体パターンと、
    前記第１導電体パターンと前記第２導電体パターンの間の前記キャリア基体の前記主面に、前記第１及び第２導電体パターンに接続されるように被着された温度感知抵抗体と、
    前記キャリア基体に設けられた半導体素子の搭載部とを有し、
    前記第１及び第２導電体パターンは、外部と電気的に接続されるボンディングポイントを備えており、当該ボンディングポイントと前記温度感知抵抗体との間の前記第１及び第２導電体パターンには熱伝導性の低い部位として屈曲部が介在することを特徴とするチップキャリア。
  8. キャリア基体と、
    前記キャリア基体の主面上に、互いに間隔をおいて形成された第１導電体パターン及び第２導電体パターンと、
    前記第１導電体パターンと前記第２導電体パターンの間の前記キャリア基体の前記主面に、前記第１及び第２導電体パターンに接続されるように被着された温度感知抵抗体と、
    前記キャリア基体に設けられた半導体素子の搭載部とを有し、
    前記第１及び第２導電体パターンは、外部と電気的に接続されるボンディングポイントを備えており、当該ボンディングポイントと前記温度感知抵抗体との間の前記第１及び第２導電体パターンには熱伝導性の低い部位として細線部が介在することを特徴とするチップキャリア。
  9. 前記キャリア基体は、セラミックスにより構成されてなることを特徴とする請求項７又は請求項８記載のチップキャリア。
  10. 前記温度感知抵抗体は、前記キャリア基体上で焼成されて形成されたものであることを特徴とする請求項７又は請求項８記載のチップキャリア。
  11. 前記温度感知抵抗体は、Mn、Ni、Co、Feの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１０記載のチップキャリア。
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