JP4380940B2

JP4380940B2 - ダイボンディング装置

Info

Publication number: JP4380940B2
Application number: JP2001169330A
Authority: JP
Inventors: 一彦安達
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2021-06-05
Also published as: JP2002368022A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスクの記録及び再生を行う光ピックアップにおいて、ＣＤ及びＤＶＤ兼用光ピックアップ用光源及びピックアップモジュールと、レーザプリンタやデジタル複写機の複数ビーム書き込み用光源における、複数の半導体レーザ素子からなる半導体レーザ光源製造用のダイボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
ＤＶＤプレーヤーではＤＶＤとＣＤの両者を互換再生できることが望まれる。そのためには、ＤＶＤ再生用に波長の短い６３５ｎｍ又は６５０ｎｍの赤色半導体レーザとＣＤ再生用に７８０ｎｍの近赤外半導体レーザを搭載する光ピックアップが必要とされ、装置の小型化のために、２種類の半導体レーザ素子（チップ）からなる光源を一つのパッケージの中に組み込んだ集積型光ピックアップの実現が期待されている。しかし、２つの光源を一つのパッケージに組み込んで光学系を共通化するためには、二つ半導体レーザ素子（チップ）の発光点間隔をできるだけ接近させる必要があり、その間隔としては１００μｍ以下が望ましく、更にその実装公差は±１０μｍ程度と厳しい精度が要求されている。
ところが、一般的な半導体レーザ素子（チップ）は幅が３００μｍ程度であり、その中央に発光点が形成されているので、二つの半導体レーザ素子（チップ）を並列に配置した場合には、発光点間隔は３００μｍ以上となり前記要求を満足出来ない。
【０００３】
発光点間隔を狭くする従来技術としては、例えば特開平１１−１１２０８９号公報に、図９に示す構造の半導体レーザ素子が開示されている。
図９には、発光波長７８０ｎｍの第一の半導体レーザチップ８４（７４）、及び発光波長６５０ｎｍの第二の半導体レーザチップ８０（７０）が、サブマウント上にジャンクションダウンで実装されている様子が示されている。なお、６５０ｎｍの半導体レーザチップの出射端面形状は、結晶成長の関係から平行四辺形となっている。
この技術は、図に示すように、半導体レーザチップの発光点位置（８２、８６、７２、７６）を端部に偏らせることにより発光点間隔を狭くするものであり、例えば、半導体レーザチップの発光点が発光点間隔方向において端部から３０μｍの位置に形成され、これらチップを３０μｍの間隔でダイボンディングすれば、その発光点間隔は９０μｍと見積もられ要求仕様を満足させることができる。
【０００４】
他の従来技術としては、特開平１１−３９６８４号公報に、図１０に示す様な発光点が出射端面のほぼ中央にある従来構造の半導体レーザと４５°の反射部を用いて発光点間隔を狭くする方法が開示されている。
この方法では、シリコン基板の一部に、基板表面に対して４５°の傾斜面からなる断面三角形の反射部３２Ａを配置し、前記反射部の各反射面に対向して二つの半導体レーザ３４、３６を配置している。
二つの半導体レーザ３４、３６から出射した光ビームは、前記４５°の傾斜面からなる反射部の反射面３２Ｃと３２Ｂで反射されて、基板に垂直な方向に出射される。その結果、二つの半導体レーザの発光点は、半導体レーザを平行に配置した場合よりも狭くすることが可能になる。
この発明の前記反射部はシリコンの異方性エッチングで作られる。
【０００５】
しかしながら、上記従来例に示すような２種類の半導体レーザ素子を精度よく同一のサブマウントに実装することは容易ではなかった。
一般に、半導体レーザ素子は、ＡｌＮ（窒化アルミ）やシリコンなどのサブマウント材にＡｕ−Ｓｎ共晶ハンダでダイボンディングされる。Ａｕ−Ｓｎ（２０ｗｔ％）共晶ハンダは、比較的低温の２８０℃で溶解し、接合強度も強いことからダイボンド用のボンド材として広く使用されている。
ところが、二種類の半導体レーザ素子を同じハンダでダイボンディングする場合には以下のような不具合があった。即ち、ハンダでダイボンディングする場合には数１０ｇ程度の加重で押し付ける必要があり、二個の半導体レーザ素子を同じハンダでダイボンディングしようとすると、コレットを二個用意した高額なダイボンディング装置を必要とするのである。
【０００６】
このような従来技術の欠点を解決する方法として、特開平２０００−２６８３８７号公報には、融点の異なる半田（ハンダ）を用いてダイボンディングを行う方法が開示されており、図１１にその実施形態を示す。
この従来例によれば、二つの（半導体レーザ）光源チップ２２、２３を一つの基板（サブマウント）２１に実装するに当り、第１の半田２４を用いて第１の光源チップ２２を接着し〔図１１（ｂ）〕、続いて、第１の半田２４の融点よりも低い第２の半田２５を用いて第２の光源チップ２３を接着する〔図１１（ｃ１）〕ことにより、従来のダイボンディング装置を用いて二つの光源チップをダイボンディングすることができる。
具体的な半田の例としては、低融点半田として、１８２℃の融点を持つ鉛３７％、錫６３％の共晶半田を、高融点半田として、錫の量を６３％からずらして融点を高くしたものを用いている。また、低融点半田として、融点が１５６℃のインジウムを用いることも開示されている。
しかし、この従来技術では、二種類の半田を必要とするために工程が煩雑になることや、低融点半田のボンディングでは密着強度が低いなどの欠点があった。また、３個以上の半導体レーザチップのダイボンディングでは適切な半田を選択することが難しい欠点もある。
このように、従来のダイボンディング方法では、二つ或いはそれ以上の複数の半導体レーザ素子（チップ）を同じサブマウントにダイボンディングすることは困難であった。
【０００７】
集積型光ピックアップを実現するための他の問題点としては実装精度の高精度化がある。
ＣＤ及びＤＶＤ兼用のホログラム型ピックアップでは、ＣＤ用及びＤＶＤ用の半導体レーザの発光点間隔、光路長、及び発光点の厚さ方向高さなどの実装公差としては、±１０μｍ以下が要求される。特に発光点間隔の実装精度は厳しい。従って、要求される実装精度を満足するためには、２つの半導体レーザの発光点を観察して実装する必要があった。
一般に、発光点を観察する手法としては、実際に電流を流して発光させる方法が採用されているため、サブマウントにボンディングする前に、中間ステージで一度発光させ、発光点位置を特定することが行われているが、この方法では中間ステージや半導体レーザ駆動装置などが必要なため装置が複雑になったり、測定後にチップ位置がずれてしまったりする不具合があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の欠点を解決し、一回のハンダ付けで複数の半導体レーザ素子をダイボンドし、かつ発光させずに簡便に各半導体発光素子の発光点を測定して実装することができるダイボンディング装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は次の１）〜７）の発明（以下、本発明１〜７という）によって解決される。
１）複数の半導体発光素子をサブマウントにダイボンディングするダイボンディング装置において、ダイボンディングステージ上に複数の半導体発光素子を配置する手段、前記半導体発光素子上に複数のハンダ領域が形成されたサブマウントを乗せる手段、サブマウントを加圧しながら熱処理する手段、前記半導体発光素子及びサブマウントを冷却する手段を有し、かつ、ダイボンディングステージ上に、複数の半導体発光素子の出射端面位置を規定する基準面が形成された位置決め部材が配置されていることを特徴とするダイボンディング装置。
２）前記ダイボンディングステージ上に、半導体発光素子とサブマウントの相対位置を規定する位置決め部材が配置され、前記位置決め部材は、半導体発光素子の出射端面位置を規定する第一基準面、サブマウントの位置を規定する第二基準面を有することを特徴とする１）記載のダイボンディング装置。
３）前記位置決め部材の基準面において、複数の半導体発光素子に対応する各基準面領域の一部に、湾曲又は窪みが形成されていることを特徴とする１）又は２）記載のダイボンディング装置。
４）前記位置決め部材において、複数の半導体発光素子に対応する各基準面が互いにずれて形成され同一平面にないことを特徴とする１）〜３）の何れかに記載のダイボンディング装置。
５）前記位置決め部材において、半導体発光素子が接触する基準面の高さが、全ての半導体発光素子の発光点位置よりも低いことを特徴とする１）〜４）の何れかに記載のダイボンディング装置。
６）前記ダイボンディングステージ上に、複数の半導体発光素子ボンディング面が同じになるように、各素子の厚みに対応した段差を設けたことを特徴とする１）〜５）の何れかに記載のダイボンディング装置。
７）半導体発光素子のダイボンディング側にある電流狭窄層を観測する手段、観測した画像を解析して発光点位置を特定する手段を備えた１）〜６）の何れかに記載のダイボンディング装置。
【００１０】
以下、上記本発明について詳しく説明する。
本発明１の装置では、従来とは逆に、複数の半導体発光素子の上にハンダ領域が形成されたサブマウントを押し付けてダイボンディングするので、一回のハンダ付けで複数の半導体発光素子をダイボンディングできる。また、ボンディングステージ上に、半導体発光素子端面を接触させて位置を決めるための位置決め部材を配置したので、複数の半導体発光素子の出射端面の相対位置を正確に決めることができる。
本発明２の装置では、第一及び第二の基準面を有する位置決め部材を設けたので、サブマウントと半導体発光素子の端面を所定の距離だけ離して正確に配置することができる。
本発明３の装置では、半導体発光素子が接触する位置決め部材の基準面の一部に湾曲又は窪みを形成して逃げを作ったので、基準面にゴミが付着した場合に、ゴミによる位置精度の劣化を低減させることができる。
【００１１】
本発明４の装置では、位置決め部材における半導体発光素子の接触する基準面が同一平面にないので、各半導体発光素子の出射端面の位置を任意に設定できる。
本発明５では、位置決め部材において、半導体発光素子の接触する基準面を、全ての半導体発光素子の発光点位置よりも低くしたので、半導体発光素子を基準面に接触させた際の出射端面へのキズ付きや汚れの付着を防ぐことができる。
本発明６の装置では、ボンディングステージ上に、複数の半導体発光素子ボンディング面が同じになるように、各素子の厚みに対応した段差を設けたので、厚さの異なる半導体発光素子をダイボンディングすることができる。
本発明７では、半導体発光素子、特に半導体レーザ素子には電流を集中させるための電流狭窄層が形成されており、その構造の特徴からダイボンディングする面に凹や凸の断面形状を反映した細い線として観察できるという特性を利用して、半導体発光素子のダイボンディング面を上にして配置することにより、電気的に発光させることなく発光点を測定することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００１３】
実施例１
図１及び図２に本発明の第一実施例を示す。
図１は、本発明のダイボンディング装置を使って、二つの半導体レーザ素子を平行に接近して配置した発光装置のダイボンディング状態を示しているが、説明を容易にするために、ダイボンディング装置中のダイボンディングステージ１、位置決め部材５及びコレット６しか図示していない。
図１及び図２を用いて二つの半導体レーザ素子２、３を、一つのサブマウント４に実装する手段を説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、第一の半導体レーザ素子２を位置決め部材近傍に移動させ、次に、図２（ｂ）に示すように、該半導体レーザ素子の出射端面を位置決め部材５に接触させて、素子の回転方向ずれを修正する。
次に、図２（ｃ）に示すように、該半導体レーザ素子２を降下させてコレット６から離し、真空吸引して固定する。
次に、第一の半導体レーザ素子２と同様にして、第二の半導体レーザ素子３を配置する。
【００１４】
このようにして配置された二つの半導体レーザ素子２、３は、位置決め部材の基準面に突き当てて配置されるので相対位置のずれは極めて少ない。
更に、本装置では半導体レーザ素子のダイボンド面を上にして配置するため、ダイボンド面の発光点位置を示す電流狭窄層（２ａ、３ａ）が線となり、これを確認することができる。従って、最初に配置した第一の半導体レーザ素子２の電流狭窄層（２ａ）、つまり発光点位置を観察しながら第二の半導体レーザ素子３を配置することができるので、発光点間隔も極めて高精度で配置することができる利点がある。
続いて、図１に示す様に、Ａｕ−Ｓｎハンダ層が形成されたサブマウント４をコレット６で吸着しながら前記半導体レーザ素子上方の所定の位置まで搬送し、コレット６を降下させて半導体レーザ素子上に配置し、コレット６で１０ｇ程度の加重を加えながら窒素雰囲気中で３００℃の熱処理を行ってＡｕ−Ｓｎハンダを溶解させ、次いで、所定時間経過後に急冷して共晶合金を形成させ両者を接合する。
このように、従来技術とは逆に、半導体レーザ素子の上にサブマウントを乗せる本装置では、ハンダ付けが一回で済むため、同じハンダ材が使える利点とハンダ付けの際の位置ずれが少ない利点を有する。
【００１５】
実施例２
図３に第二実施例として、サブマウント４の端面及び半導体レーザ素子２の出射端面方向の相対位置を合わせる様子を示す。
図３の位置決め部材５は、半導体レーザ素子２の出射端面を接触させて位置を規定する第一基準面５ａ、及びサブマウント４の端面を接触させて位置を規定する第二基準面５ｂから構成され、サブマウント４の端面と半導体レーザ素子２の出射端面の相対位置を規定するために、第一基準面５ａと第二基準面５ｂの間隔は所定の距離に設定される。
通常、図３に示すように、第一基準面５ａは第二基準面５ｂよりも数μｍ後退させて設定され、その結果、半導体レーザ素子２の出射端面はサブマウント４の端面から数μｍ突き出してダイボンディングされる。これは、ハンダが半導体レーザ素子の出射端面に回り込まないようにするためで、一般的には５〜１０μｍ程度が選ばれる。
本実施例では、第一及び第二基準面５ａ、５ｂに半導体レーザ素子２の出射端面及びサブマウント４の端面をそれぞれ突き当てることにより、各半導体レーザ素子の回転誤差を補正し、かつ相対位置を正確に規定して配置することができる。
【００１６】
実施例３
図４に第三実施例を示す。
位置決め部材５を用いて半導体レーザ素子を配置する際に、その基準面付近にゴミがあった場合には、ゴミの影響により高い精度で半導体レーザ素子を配置することは出来ない。
そこで、本実施例では、位置決め部材５の半導体レーザ素子が接触する基準面５ａの領域の一部を湾曲又は窪ませて（５ｃ）逃げを形成することにより、ゴミの影響の少ないダイボンディング装置を提供できる。
【００１７】
実施例４
図５に第四実施例を示す。
出射される光の波長が異なる半導体レーザ素子を同じ光学系で取り扱う場合、各半導体レーザ素子の出射端面位置を同一平面とせず、適当な距離だけずらした方が好ましい場合がある。図５はそのような発光装置を作製するための実施例を示したものであり、位置決め部材５において、二つの半導体レーザ素子が接触する基準面５ａが同一平面になくて所定の距離を置いて（５ａ−１、５ａ−２）形成されている。その結果、二つの半導体レーザ素子の出射端面を所定の距離だけ離して配置することが出来る。
【００１８】
実施例５
図６に、第五実施例として、二つの半導体レーザチップの出射端面が対向した半導体発光装置用のダイボンディング装置を示す。
本実施例では、図のように、出射端面間隔を規定する位置決め部材５を介して第一及び第二の半導体レーザチップ２及び３を配置し、更にその上にサブマウント４を配置してハンダ付けを行う。
図７は、この時の実装状態を側面から描写したものである。
図６には、サブマウント４の位置を合わせる基準面は示されていないが、所定の位置に位置決め部材を設けることは容易である。
【００１９】
実施例６
図８に、第六実施例として、二つの半導体レーザの厚さが異なる場合に対応したダイボンディング装置を示すが、実装形態を上面から見た図は、図１とほぼ同じであるので省略し、図８には実装状態の出射端面から見た図を示してある。
図８において、７は半導体レーザ素子の金電極、８は半導体レーザ素子のボンド面側の金電極、９はＡｕ−Ｓｎハンダ、１０はサブマウント４の表面の金電極、１１は発光点位置を示している。
図に示すように、本発明のダイボンディング装置のボンディングステージ１には、第一の半導体レーザチップ２と第二の半導体レーザチップ３のボンディング面が同じになるように段差を設けている。この様に、使用する半導体レーザ素子の厚みに対応したボンディングステージを用意することにより、使用できる半導体レーザ素子の種類が増し、発光装置の応用範囲も広がる利点がある。
なお、以上の実施例では、半導体発光素子として半導体レーザ素子を用いたが、他の光源として、発光ダイオード、又は複数の発光点を集積化した発光ダイオードアレイなどを用いた場合でも、本発明のダイボンディング装置はその作用及び効果を失うことはない。
【００２０】
【発明の効果】
本発明１によれば、複数の半導体発光素子をサブマウントにダイボンディングする際に、半導体発光素子の上にサブマウントを乗せてダイボンディングすることにより、一回のハンダ付け工程でダイボンディングが終了するので、半導体発光素子の位置ずれの少ない高精度な実装が可能になる。また、工程時間を短縮することが出来る。また、ダイボンディングステージ上に半導体発光素子の出射端面位置を規定する位置決め部材を設けたことにより、複数の発光素子出射端面の相対位置を正確に規定できるため、歩留まりが飛躍的に向上する。
本発明２によれば、半導体発光素子及びサブマウントの相対位置を決める位置決め部材を設けたことにより、サブマウントの端面から半導体発光素子の端面を所定距離だけ離して正確にダイボンディングできるので、ハンダ付けの際に半導体発光素子の出射端面にハンダが回り込む不良が無くなり歩留まりが向上する。
本発明３によれば、位置決め部材に湾曲部又は窪みを設けたことにより、ゴミの影響を減少させることが出来るので、更に歩留まりが向上する。
【００２１】
本発明４によれば、位置決め部材における複数の半導体発光素子の接する基準面が同一平面にないため、複数の半導体発光素子の出射端面をずらしてダイボンディングすることが出来るので、レンズを含む光学系及び発光波長に適した位置にダイボンディングすることが可能になり、発光装置の応用範囲が広がる。
本発明５によれば、位置決め部材における半導体発光素子の接する基準面の高さを、全ての半導体発光素子の発光点位置よりも低く設定しているので、発光点にキズや汚れが付かず、従って、出射される光ビーム品質が劣化せず、歩留まりも一層向上する。
本発明６によれば、ボンディングステージに、複数の半導体発光素子ボンディング面が同じになるように、各素子の厚みに対応した段差を設けたことにより、厚さの異なる半導体発光素子を一回のハンダ付け工程でダイボンディングすることが出来るので、取り扱える発光素子の範囲が広がり、その製品の応用範囲も広がる。
本発明７によれば、半導体発光素子のダイボンディング側にある発光点位置を示す電流狭窄層を観察してダイボンディングできるので、従来の様な電気的に発光させるための装置を必要とせず、装置を低コスト化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例を示す図。
【図２】本発明の第一実施例の動作を説明する図。
（ａ）半導体レーザを位置決め部材近傍に移動させる動作。
（ｂ）半導体レーザ出射端面を位置決め部材に接触させて素子の回転方向ずれを修正する動作。
（ｃ）半導体レーザを降下させてコレットから離し、真空吸引して固定する動作。
（ｄ）（ｃ）の部分断面図。
【図３】本発明の第二実施例を示す図。
【図４】本発明の第三実施例を示す図。
【図５】本発明の第四実施例を示す図。
【図６】本発明の第五実施例を示す図。
【図７】図６の側面図。
【図８】本発明の第六実施例を示す図。
【図９】特開平１１−１１２０８９号公報に開示された従来技術を示す図。
（ａ）断面平行四辺形の鋭角側に発光点を形成した半導体レーザの例。
（ｂ）断面平行四辺形の鈍角側に発光点を形成した半導体レーザの例。
【図１０】（ａ）特開平１１−３９６８４号公報に開示された従来技術を示す図。
（ｂ）（ａ）の部分拡大図。
【図１１】特開２０００−２６８３８７号公報に開示された従来技術を示す図。
（ａ）基板を示す。
（ｂ）第１の半田２４を用いて第１の光源チップ２２を接着する工程。
（ｃ１）第２の半田２５を用いて第２の光源チップ２３を接着する工程。
（ｃ２）半導体光源モジュールを示す斜視図。
【符号の説明】
１ダイボンディングステージ
２第一の半導体レーザ素子
２ａ第一の半導体レーザ素子の電流狭窄層
３第二の半導体レーザ素子
３ａ第二の半導体レーザ素子の電流狭窄層
４サブマウント
５位置決め部材
５ａ第一基準面
５ａ−１所定距離ずらして設けた第一基準面
５ａ−２所定距離ずらして設けた第一基準面
５ｂ第二基準面
５ｃ湾曲又は窪み
６コレット
７半導体レーザ素子の金電極
８半導体レーザ素子のボンド面側の金電極
９サブマウント表面のＡｕ−Ｓｎハンダ
１０サブマウント表面の金電極
１１半導体レーザ素子の発光点
１２真空吸引孔
２１基板
２２第一の光源チップ
２３第二の光源チップ
２４第一の半田
２５第二の半田
２６出射光
２７出射光
３０支持板
３２支持体
３２Ａサブマウント
３２Ｂ反射面
３２Ｃ反射面
３４レーザダイオード
３６レーザダイオード
３８キャップ
７０半導体レーザチップ
７２発光点（ストライプ）
７４半導体レーザチップ
７６発光点（ストライプ）
８０半導体レーザチップ
８２発光点（ストライプ）
８４半導体レーザチップ
８６発光点（ストライプ）
ＰＢ発光点間隔
ＰＡ発光点間隔
Ｂ１第一光ビーム
Ｂ２第二光ビーム

Claims

複数の半導体発光素子をサブマウントにダイボンディングするダイボンディング装置において、ダイボンディングステージ上に複数の半導体発光素子を配置する手段、前記半導体発光素子上に複数のハンダ領域が形成されたサブマウントを乗せる手段、サブマウントを加圧しながら熱処理する手段、前記半導体発光素子及びサブマウントを冷却する手段を有し、かつ、ダイボンディングステージ上に、複数の半導体発光素子の出射端面位置を規定する基準面が形成された位置決め部材が配置されていることを特徴とするダイボンディング装置。
前記ダイボンディングステージ上に、半導体発光素子とサブマウントの相対位置を規定する位置決め部材が配置され、前記位置決め部材は、半導体発光素子の出射端面位置を規定する第一基準面、サブマウントの位置を規定する第二基準面を有することを特徴とする請求項１記載のダイボンディング装置。
前記位置決め部材の基準面において、複数の半導体発光素子に対応する各基準面領域の一部に、湾曲又は窪みが形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のダイボンディング装置。
前記位置決め部材において、複数の半導体発光素子に対応する各基準面が互いにずれて形成され同一平面にないことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のダイボンディング装置。
前記位置決め部材において、半導体発光素子が接触する基準面の高さが、全ての半導体発光素子の発光点位置よりも低いことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のダイボンディング装置。
前記ダイボンディングステージ上に、複数の半導体発光素子ボンディング面が同じになるように、各素子の厚みに対応した段差を設けたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のダイボンディング装置。
半導体発光素子のダイボンディング側にある電流狭窄層を観測する手段、観測した画像を解析して発光点位置を特定する手段を備えた請求項１〜６の何れかに記載のダイボンディング装置。