JP4850172B2 - 半導体レーザ装置の実装方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体レーザ素子を実装してなる半導体レーザ装置の実装方法に関するものである。

半導体レーザ素子を光通信、光ディスク、レーザ、ビームプリンタ等のシステムに使用する場合、その用途に適合したパッケージ化が行われる。このパッケージ化においては半導体レーザ素子をパッケージ内の所定部品、例えば金属ブロックや円形ステム等に直接接続する方法があるが、この直接接続法では作製される構造が簡単である反面、半導体レーザ素子の放熱特性が悪いことによる温度上昇及び熱膨張率の違いによる接合面での応力が発生し、これらが原因となって半導体レーザ素子の寿命が低下してしまう。そのため、近年の高出力化された半導体レーザ素子では直接接続法の使用が困難になってきている。

このような問題を解消するために、熱伝導性及び加工性に優れ、且つ半導体レーザ素子と熱膨張率の近いＳｉＣなどからなるサブマウントに半導体レーザ素子を実装し、この半導体レーザ装置をパッケージに接続する方法があり、近年では優れた放熱特性の得られるサブマウントを用いた接続方法が主流となってきている。

以下、従来の半導体レーザ装置の実装方法について説明する。図６は半導体レーザ装置の実装工程を示し、１は半導体レーザ素子、２はサブマウント、３は接合部材、４はコレット、５はテーブルである。

半導体レーザ素子を実装する場合、まず図６の(a)に示すように、加熱用のテーブル５上にサブマウント２を載置し、サブマウント２上の接合部材３が溶融する温度以上になるまでサブマウント２を加熱する。その間に、コレット４には真空吸着等によって半導体レーザ素子１を保持し、サブマウント２の搭載位置上へ移動させる。接合部材３が溶融すると、同図の(b)に示すように、半導体レーザ素子１を保持したコレット４を降下させ、半導体レーザ素子１をサブマウント２の接合部材３上に搭載し、その状態のままで冷却する。その際、接合部材３による半導体レーザ素子１とサブマウント２との間の接合面積を十分に確保し、且つ接合部材３の厚さを極力薄くして伝熱特性を良くするために、コレット４によって半導体レーザ素子１をサブマンウト２に押圧する。接合部材３が完全に凝固すると、同図の(c)に示すように、半導体レーザ素子１をコレット４から解放してコレット４を上昇させると、半導体レーザ素子をサブマウント２上に実装することができる。

以上のようなサブマウントを用いた接続方法により、半導体レーザ素子の高出力化が可能となったが、更なる高出力化の要請に伴い、サブマウントの大型化と、接合部材３による半導体レーザ素子１とサブマウント２との間の接合面積の大型化が行われる傾向にある。

しかしながら、半導体レーザ素子の高出力化に伴うサブマウント２の大型化及び接合面積の大型化により以下のような問題が生じてきた。

物体は温度によってその体積が変化し、その変化率（熱膨張係数）は物質によって異なる。そのため、異なる物質を加熱して接合する場合、接合部が完全に凝固してから常温に戻るまでの間に温度差があるので、接合部分には熱膨張係数の差による剪断力が発生し、この剪断力に起因して物体に残留応力が生じる。また、この残留応力は物体の寸法、形状或いは材質によって変化し、半導体レーザ素子１に生じる残留応力は以下に説明する理由によりサブマウント２が大型化することにより増大する。

図７はサブマウント２の寸法の違いによって残留応力に差異が生じることを示す概念図であり、同図の(a-1)及び(a-2)はサブマウント２が小さい場合の概観図及び応力発生状況の概念図、同図の(b-1)及び(b-2)はサブマウント２が大きい場合の概観図及び応力発生状況の概念図である。半導体レーザ素子１の熱膨張係数の方が大きい場合、相対的に半導体レーザ素子１には接合面積を小さくする方向に力が働き、サブマウント２には接合面積を保持しようとする方向に力が働く。サブマウント２が小さい場合、接合面積を保持しようとする力は図７の(a-2)に示されるように接合面下のサブマウント２が圧縮された時に生じる剪断力である。それに対し、サブマウント２が大きい場合には接合面積を保持しようとする力は図７の(b-2)に示されるように接合面下のサブマウント２が圧縮された時に生じる剪断力と、この剪断力が生じるサブマウント２の周囲のサブマウント２が引張られた時に生じる剪断力である。

半導体レーザ素子１がサブマウント２と同じ大きさの場合、サブマウント２が圧縮された時に生じる剪断力は同じなので、サブマウント２が大きい場合の方が引張りによって生じる剪断力の分だけ接合面積を保持しようとする力が強くなり、この剪断力はサブマウント２が大きいほど強い。そのため、サブマウント２が大きいほど半導体レーザ素子１に与える剪断力が強くなる。その結果、半導体レーザ素子１に生じる残留応力はサブマウント２が大型化することにより増大する。半導体レーザ素子１の熱膨張係数の方が小さい場合も同様である。

また、伝熱特性をよくするために接合部材３を介しての半導体レーザ素子１とサブマウント２との間の接合面積を広くとると、以下に説明する理由により半導体レーザ素子１の残留応力は増大する。即ち、異なる物質が接合した状態で冷却されると、接合面での収縮は中心部を基準に起こる。そのため、中心部から離れた所ほど異なる物質間の収縮量の差は大きくなり、それに伴って剪断力も大きくなる。接合面積が広くなると、中心部から離れた場所が接合されることになるので、面積比以上に剪断力が大きくなる。その結果、この剪断力により物体に生じる残留応力は増大する。

さらに、接合部材３を介しての半導体レーザ素子１とサブマウント２との間の接合面積を十分に確保し、且つ接合部材３の厚さを極力薄くして伝熱特性を良くするために、コレット４によって半導体レーザ素子１を押圧しているが、押圧によって半導体レーザ素子１及びサブマウント２は応力が発生した状態で接合されるので、コレット４の押圧を解放した後にも半導体レーザ素子１には押圧による応力が残る。この時、接触面積が大きくなると、接合部材３の流動抵抗が大きくなるので、押圧に要する力も増大する。そのため、押圧により半導体レーザ素子１に残る応力は接触面積の大型化に伴い増大する。

また、半導体レーザ装置では加熱接合をしているので、半導体レーザ素子１の接合面近傍及びサブマウント２は高温となるが、通常はコレット４を加熱していないので、半導体レーザ素子１のコレット４との接触面近傍及びコレット４は低温のままである。そのため、実装時に半導体レーザ素子１内には１００°Ｃ以上の温度差が発生し、高温部は熱膨張により膨張する。その結果、半導体レーザ素子１には図８の(a)に示されるように反りが発生する。その後、冷却プロセスにおいて半導体レーザ装置を冷却すると、半導体レーザ素子１は最終的に均一の温度に冷却されるので、図８の(b)に示されるように反りのない元の平坦な形状に戻ろうとする。しかしながら、接合部材３は図８の(a)に示されるように反った状態で凝固しているので、半導体レーザ素子１が冷却により元の形状に戻ろうとするのを妨げ、残留応力が接合部分近傍に発生する。

また、半導体レーザ装置ではその放熱特性をよくするために半導体レーザ素子１の発光領域の近傍にサブマウント２が接合されている。そのため、発光領域は半導体レーザ素子１の中でも残留応力が高い領域に存在する。

さらに、近年の半導体レーザ装置では半導体レーザ素子１の高出力化だけでなく、装置の小型化及び集積化も進んできている。そのため、従来の半導体レーザ装置では半導体レーザ素子１の緩衝材及び放熱部材としてのみ用いられてきたサブマウント２も、それ以外の機能を持たせる必要が出てきた。その結果、サブマウント２の材質が自由に選べなくなり、サブマウント２本来の機能を充分に果せなくなってきている。

一般に、半導体レーザ素子１は発光領域に１００ＭＰａ以上の応力が加わった状態で電流注入すると、結晶転位が起こり、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子１の破損が起こるおそれがあり、この現象は発光領域の一部でも１００ＭＰａ以上の応力が加わると起こる。また、近年の半導体レーザ素子１の高出力化に伴い、発光領域における残留応力は増大し、電流注入時のレーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子１の破損が懸念されるようになってきた。

以上説明したように、半導体レーザ素子１の残留応力は複数の異なる要因によって局所的に生じており、その応力の分布は半導体レーザ素子１、サブマウント２、コレット４の寸法や形状あるいはコレット４の押圧力等の種々な条件によって変化するので、半導体レーザ素子１の巨視的な変形（反り）と残留応力との間には相関関係がなく、要因の特定が非常に困難であった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体レーザ素子の温度上昇による寿命低下を抑制しつつ、残留応力によるレーザ特性の劣化や半導体レーザ素子の破損を抑制することができるようにした半導体レーザ装置の実装方法を提供することを課題とする。

そこで、本発明に係る半導体レーザ装置の実装方法は、前記目的を達成するために、発光部を備えた半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を搭載するサブマウントと、前記サブマウントに半導体レーザ素子を接合する接合部材とを備えた半導体レーザ装置の実装方法において、前記サブマウントが載置されかつサブマウントを介して前記接合部材を加熱するテーブルと、前記半導体レーザ素子を保持するとともに半導体レーザ素子を前記接合部材を介してサブマウント上の搭載位置に押圧しかつ発熱コイルにより加熱されるコレットとを用い、
前記テーブルを加熱してサブマウントを前記接合部材の融点以上の温度まで加熱するとともに、前記発熱コイルによって前記接合部材の融点以上の温度まで加熱されたコレットによって前記半導体レーザ素子を保持して前記接合部材上に搭載し、
その後前記テーブルとコレットの加熱を終了するとともに、前記半導体レーザ素子を接合部材に押圧し、前記接合部材が凝固した後、前記コレットによる半導体レーザ素子の保持を解放するように構成し、
かつ前記テーブル及びコレットの加熱時は、前記コレットを前記テーブルよりも高い温度に加熱し、前記半導体レーザ素子の冷却時は、前記接合部材が凝固するまで前記コレットを前記テーブルよりも高い温度に維持することにより、前記半導体レーザ素子内の温度差による残留応力と、前記半導体レーザ素子とサブマウントとの熱膨張係数差による残留応力とが互いに打消し合うように構成したことを特徴とする。

半導体レーザ素子の反りを抑制する上で、前記テーブル及びコレットの加熱時に前記コレットを前記テーブルと同一温度まで加熱し、前記半導体レーザ素子の冷却時に前記コレットに前記テーブルと同一の温度プロファイルを与えるようにするのがよい。温度プロファイルの付与の方法は特に限定されず、例えばコレットを加熱する発熱コイルの通電を制御することにより付与することができる。

また、半導体レーザ素子の接合面近傍を低温、半導体レーザ素子のコレットとの接触面近傍を高温とすると、温度差による半導体レーザ素子の反りは従来とは逆に凸状となり、半導体レーザ素子とサブマウントとの間の熱膨張係数差及びコレットの押圧によって生じる反りは共に半導体レーザ素子の凹状の反りであり、相互に打消し合い、半導体レーザ素子１の反りによって生じる残留応力を減少させることができる。

そこで、前記テーブル及びコレットの加熱時に前記コレットを前記テーブルよりも高い温度に加熱し、前記半導体レーザ素子の冷却時に前記接合部材が完全に凝固するまで前記コレットを前記テーブルよりも高い温度に維持するようにするのが好ましい。

コレットによって保持する時に、半導体レーザ素子を例えば室温のままとしてもよいが、予め加熱しておくと、半導体レーザ素子の急激な温度変化を回避してレーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができ、しかも実装時間を短縮することができる。

そこで、前記コレットによって前記半導体レーザ素子を保持する前に、前記半導体レーザ素子を前記コレットと実質的に同一の温度まで加熱するようにするのがよい。

本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。加熱用のテーブル上にサブマウントを設置し、テーブル及びコレットを接合部材の融点以上まで加熱し、半導体レーザ素子をコレットに真空吸着し、コレットにより保持されている半導体レーザ素子をサブマウントの搭載位置へ移動してコレットにより半導体レーザ素子をサブマウントに押圧し、コレットによる押圧を保持したままテーブル及びコレットの加熱を終了して半導体レーザ装置を冷却させ、接合部材が完全に凝固してから半導体レーザ素子をコレットから解放することにより、半導体レーザ素子内の温度差による残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、上記一連の実装方法において、コレットをテーブルと同じ温度まで加熱し、且つ半導体レーザ素子の冷却時に、コレットにテーブルと同じ温度プロファイルを持たせることにより、半導体レーザ素子内の温度差による残留応力は発生しなくなるので、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、上記一連の実装方法において、コレットをテーブルよりも高い温度に加熱し、且つ半導体レーザ素子の冷却時に、接合部材が完全に凝固するまでコレットをテーブルよりも高い温度に維持することにより、半導体レーザ素子内の温度差による残留応力と半導体レーザ素子とサブマウントとの熱膨張係数差による残留応力が互いに打消し合うので、レーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、上記一連の実装方法において、半導体レーザ素子がコレットに真空吸着される前に半導体レーザ素子をコレットと同じ温度まで加熱することにより、急激な温度変化によるレーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制し、且つ実装時間を短縮することができる。

また、加熱用のテーブル上にサブマウントを設置し、テーブルを接合部材の融点以上まで加熱し、半導体レーザ素子をコレットに真空吸着し、コレットにより保持されている半導体レーザ素子をサブマウントの搭載位置へ移動してコレットにより半導体レーザ素子をサブマウントに押圧し、コレットによる押圧を保持したままテーブルの加熱を終了して半導体レーザ装置を冷却させ、接合部材の一部が凝固した時に半導体レーザ素子をコレットから解放することにより、半導体レーザ素子内の温度差による残留応力及びコレットの押圧による残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、上記一連の実装方法において、接合部材は融点の異なる複数の材質で構成することにより、接合部材の一部が凝固した状態で半導体レーザ素子をコレットから解放させることができるので、残留応力を減少させ、レーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、上記一連の実装方法において、コレットによる押圧時に強制空冷により接合部材の一部を凝固させることにより、接合部材の一部が凝固した状態で半導体レーザ素子をコレットから解放させることができるので、残留応力を減少させ、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、コレットの半導体レーザ素子と接触する面部分を、半導体レーザ素子の接触される面部分よりも広くし、コレットによって半導体レーザ素子が保持された時に半導体レーザ素子の接触面がコレットの接触する面部分に内包されるようにすることにより、コレットの押圧による残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制できる。

また、半導体レーザ素子との接触する面部分近傍に低熱伝導率な材質を有するコレットを使用することにより、半導体レーザ素子内の温度差による残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、半導体レーザ素子の接合面の長軸辺近傍にのみ接合部材を使用し、在府には低接合性の伝熱部材を介在させることにより、半導体レーザ素子の放熱能力を損なうことなく発光領域の残留応力を低減させることができるので、レーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、共晶半田よりも融点の低い材質の接合部材を使用することにより、半導体レーザ素子内の温度差による残留応力と半導体レーザ素子とサブマウントとの熱膨張係数差による残留応力を低減させることができるので、レーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による半導体レーザ装置の実装方法を模式的に示す。半導体レーザ装置は、発光部を備えた半導体レーザ素子１と、半導体レーザ素子１を搭載するサブマウント２と、半導体レーザ素子１とサブマウント２を接合する接合部材３とによって構成されている。

本発明の実施の形態１による方法によって半導体レーザ素子を実装する場合、加熱用のテーブル５上にサブマウント２を設置し、サブマウント２上の接合部材３が溶融する温度以上になるまでテーブル５によってサブマウント２を加熱する。他方、コレット４で半導体レーザ素子１を保持する前に、発熱コイル６によってコレット４を加熱した後、コレット４の真空吸着等によって半導体レーザ素子１を保持し、サブマウント２の搭載位置上へ移動する（図６の(a)参照）。

接合部材３が溶融すると、半導体レーザ素子１を保持したコレット４を降下させ、半導体レーザ素子１をサブマウント２の接合部材３上に搭載し、そのまま冷却する。コレット４の加熱及び冷却についてはコレット４を接合部材３の融点以上の温度まで加熱し、コレット４の加熱をテーブル５の加熱と同時に終了させ、コレット４にテーブルと同一の温度プロファイルを持たせる。また、コレット４はテーブル５よりも高い温度に加熱し、冷却時もコレット４をテーブル５よりも高い温度に維持するようにしてもよい。

また、この時、接合部材３を介しての半導体レーザ素子１とサブマウント２との間の接合面積を十分に確保し、且つ接合部材３の厚さを極力薄くして伝熱特性をよくするために、コレット４によって押圧する（図６の(b)参照）。接合部材３が完全に凝固すると、コレット４の真空吸着による半導体レーザ素子１の保持を解放してコレット４を上昇させると（図６の(c)参照）、半導体レーザ装置が得られる。

次に、本実施の形態１における実装方法による効果について図１及び図８を参照しつつ説明する。従来の実装方法では加熱接合を行っているが、コレット４は加熱していないので、半導体レーザ素子１内には１００°Ｃ以上の温度差が発生する。その結果、半導体レーザ素子１は図８の(a)に示されるように凹状に反る。その後、冷却プロセスにおいて半導体レーザ装置が冷却されると、半導体レーザ素子１は図８の(b)に示されるように反りのない平坦な形状に戻ろうとする。しかしながら、接合部材３は図８の(a)に示されるように凹状に反った状態で凝固しているので、半導体レーザ素子１が冷却により元の形状に戻ろうとするのを妨げ、残留応力が接合部分近傍に発生する。

また、接合部材３が完全に凝固してから常温に戻るまでの間の温度差と熱膨張係数の差とに起因する残留応力も接合部分近傍に発生する。一般的には半導体レーザ素子１の方がサブマウント２よりも熱膨張係数が大きいので、半導体レーザ素子１は凹状に反ろうとし、その動きを妨げるために残留応力が接合部分近傍に発生する。

さらに、半導体レーザ素子１からサブマウント２への伝熱特性を良くするために、半導体レーザ素子１をコレット４によって押圧することにより接合部材３の接合面積を十分に確保し、且つ厚さを極力薄くしている。一般的にコレット４は半導体レーザ素子１の中央を押圧しているので、半導体レーザ素子１は凹状に反る。そのため、半導体レーザ素子１及びサブマウント２は押圧によって応力が発生した状態で接合され、コレット４の押圧を解放した後にも半導体レーザ素子１には押圧による応力が残る。

上記三つの要因による半導体レーザ素子１に起こる反りはすべて同一方向であるので、これらの要因が重なると残留応力は打消し合うことなく倍加する。また、これら残留応力は半導体レーザ素子１の高出力化に伴うサブマウント２の大型化及び接触面積の大型化に伴って増大する傾向にある。さらに、半導体レーザ素子１は放熱特性を良くするためにその発光領域の近傍にサブマウント２が接合されており、半導体レーザ素子１内に発生する残留応力もサブマウント２との接合面付近に集中している。そのため、発光領域における残留応力が高くなる。

一般に、半導体レーザ素子１は発光領域に１００ＭＰａ以上の応力が加わった状態で電流注入すると、結晶転位が起こり、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子１の破損が起こるおそれがある。従来の半導体レーザ素子１では残留応力が小さかったので、結晶転位による半導体レーザ素子１の破壊は起きなかったが、近年の高出力化に伴う残留応力の増加により、結晶転位による半導体レーザ素子１の破壊が起こるようになってきた。

これに対し、本実施の形態では、半導体レーザ素子１の残留応力を減少させるために、図１に示すようにコレット４によって半導体レーザ素子１を保持する前に発熱コイル６によってコレット４を接合部材３の融点以上まで加熱し、且つ冷却時にテーブル５及びコレット４の加熱を同時に終了させている。コレット４をテーブル５と同じ温度まで加熱し、且つ冷却時にはコレット４とテーブル５とを同じ温度プロファイルでもって冷却すると、実装時の半導体レーザ素子１内の温度差は小さく、ほぼ均一な温度分布となり、半導体レーザ素子１内の温度差による反りは発生しなくなる。そのため、残留応力発生の原因の一つとなっている半導体レーザ素子１内の温度差による残留応力は発生しなくなり、半導体レーザ素子１の残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、コレット４はテーブル５よりも高い温度に加熱し、冷却時もコレット４はテーブル５よりも高い温度に維持すると、実装時の半導体レーザ素子１内の温度分布は従来の方法による実装の場合とは逆に半導体レーザ素子１の接合面近傍が低温となり、半導体レーザ素子１のコレット４との接触面近傍が高温となる。その結果、半導体レーザ素子１内の温度差による反りは従来とは逆に凸状となる。半導体レーザ素子１とサブマウント２との間の熱膨張係数差及びコレット４の押圧によって生じる反りは共に半導体レーザ素子１の凹状の反りであるので、半導体レーザ素子１内の温度差による反りが他の二つの要因による反りを打消し合い、半導体レーザ素子１の反りによって生じる残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。なお、コレット４の加熱温度の最適値は半導体レーザ素子１、サブマウント２及び接合部材３の材質及び寸法により決定される。

さらに、コレット４に真空吸着させる前に、半導体レーザ素子１をコレット４と同じ温度まで加熱することにより、真空吸着時及び実装時における半導体レーザ素子１の急激な温度変化を回避することができる。そのため、半導体レーザ素子１の急激な温度変化によるレーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができ、しかも実装時間を短縮することができる。

なお、上記実施の形態においてコレット４の加熱に発熱コイル６を用いているが、それ以外の方法でコレット４を加熱してもよい。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２を示す側面図である。半導体レーザ装置の構成については実施の形態１と、基本的な実装方法については従来の実装方法の場合と同様である。本実施の形態２が実施の形態１と異なるのは、実施の形態１では半導体レーザ素子１の残留応力を減少させるためにコレット４によって半導体レーザ素子１を保持する前に、コレット４を接合部材３の融点以上まで加熱し、且つ冷却時にテーブル５及びコレット４の加熱を同時に終了させているのに対し、本実施の形態２では冷却時に、接合部材３の一部が凝固した状態で半導体レーザ素子１をコレット４から解放させる点である。

次に、本実施の形態２における実装方法の効果について図２を用いて説明する。半導体レーザ素子１の残留応力は半導体レーザ素子１内の温度差、半導体レーザ素子１とサブマウント２との間の熱膨張係数差、コレット４による押圧の三つの要因により生じているが、半導体レーザ素子１内の温度差及びコレット４の押圧による残留応力はコレット４が半導体レーザ素子１に接触している状態において接合部材３が凝固することにより発生している。つまり、接合部材３が凝固する前にコレット４を半導体レーザ素子１から解放すれば、上記二つの要因による残留応力の発生を抑制することができる。しかしながら、接合部材３が凝固する前にコレット４を半導体レーザ素子１から解放すると、半導体レーザ素子１が所定の位置から動いてしまい所望の機能を有する半導体レーザ装置を製造することができなくなる。

そこで、接合部材３の一部が凝固した状態でコレット４を半導体レーザ素子１から解放するようにすると、接合部材３の一部が凝固しているためコレット４の解放時に半導体レーザ素子１が所定の位置から動くことがなく、しかも接合部材３の大部分が溶融した状態でコレット４を半導体レーザ素子１から解放するので、図２の(a)に示されるようにコレット４の押圧によって半導体レーザ素子１が反っている状態においてコレット４を半導体レーザ素子１から解放することにより、図２の(b)に示されるように半導体レーザ素子１の反りがなくなって元の平坦な状態に戻り、半導体レーザ素子１の反りのない状態で接合部材３が完全に凝固する。そのため、上記二つの要因による残留応力は発生しなくなり、半導体レーザ素子１の残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することが出来る。

本実施の形態２において接合部材３の一部を凝固させる方法として、図２に示されるように融点の異なる２種類の材質３１、３２を組合せた接合部材３を用いる方法がある。融点の異なる材質３１、３２を用いることにより、半導体レーザ装置の冷却時に接合部材３のうち、先ず融点の高い材質部分３１が凝固し、さらに冷却が進むと今度は融点の低い材質部分３２が凝固する。このため、融点の高い材質部分３１と低い材質部分３２との間には凝固に時間差が生じるので、接合部材３の一部が凝固した状態でコレット４を半導体レーザ素子１から解放することができる。

前記接合部材３の融点の高い材質部分３１は半導体レーザ素子１及びサブマウント２と接していない接合部材３の外周部の一部に用いるのが効果的である。その理由を以下に説明する。一般的に、固体及びその集合体が外部の流体に放熱する場合、熱は固体及びその集合体の外部表面より放出されるため、中心部が最も温度が高く外部表面に近づくに従い温度は低くなっていく。つまり、接合部材３においては半導体レーザ素子１及びサブマウント２と接していない接合部材３の外周部が最も温度が低い個所となる。温度の低い個所に融点の高い材質部分３１を配置することにより、融点の高い材質部分３１のみを先に凝固させ、且つ融点の高い材質部分３１が凝固してから融点の低い材質部分３２が凝固するまでの時間を長くとれるので、本実施の形態２における工程を行いやすくすることができる。

また、本実施の形態２において接合部材３の一部を凝固させる別の方法として、コレット４による押圧時に強制空冷によって接合部材３の一部を凝固させる方法がある。半導体レーザ装置の冷却時に冷却ファン等を用いた強制空冷を行うことにより、半導体レーザ装置の外表面近傍の温度が内部に比して著しく降下し、接合部材３の一部を凝固させることができる。そのため、接合部材３の一部が凝固した状態でコレット４を半導体レーザ素子１から解放することができる。

なお、上記実施の形態２において接合部材３を融点の異なる２種類の材質で構成しているが、融点の異なる２種類以上の材質で構成していてもよい。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３を示す側面図である。半導体レーザ装置の構成については実施の形態１と、基本的な実装方法については従来の実装方法と同様である。本実施の形態が上記実施の形態１、２と異なるのは、コレット４の半導体レーザ素子１と接触する面部分の面積を半導体レーザ素子１のコレット４と接触される面部分の面積よりも大きくし、コレット４が半導体レーザ素子１を真空吸着した時に半導体レーザ素子１の接触面がコレット４の接触する面部分に内包されるようにした点にある。

次に、本実施の形態３における実装方法の効果について図３を用いて説明する。半導体レーザ素子１に残留応力は発生する要因の一つに、コレット４による押圧がある。一般的にコレット４は半導体レーザ素子１の中央を押圧しているので、半導体レーザ素子１は凹状に反る。そのため、半導体レーザ素子１及びサブマウント２はコレット４の押圧によって応力が発生した状態で接合され、コレット４の押圧を解放した後にも半導体レーザ素子１には押圧による応力が残る。

コレット４の半導体レーザ素子１と接触させるべき面部分の面積が小さい場合、図３の(a)に示されるように押圧時に半導体レーザ素子１に加わる圧力が高くなり、しかもコレット４の接触する面部分の大きさが小さいので、半導体レーザ素子１が反るのを押さえ込む働きが弱い。そのため、半導体レーザ素子１の反りは大きくなり、残留応力は増大する。

これに対し、コレット４の半導体レーザ素子１と接触する面部分の面積が大きくなると、コレット４によって同じ荷重をかけても、半導体レーザ素子１に加わる単位面積あたりの圧力は低くなり、しかもコレット４の接触する面部分が大きいので、半導体レーザ素子１が反るのを押さえ込む働きが強くなる。その結果、半導体レーザ素子１の反りは小さくなり、残留応力は減少する。この傾向はコレット４の接触する面部分が大きくなるに従い強くなり、半導体レーザ素子１のコレット４と接触面がコレット４の半導体レーザ素子１と接触する面部分の面積と等しくなったとき最大となる。上記理由により、半導体レーザ素子１の残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

また、本実施の形態３において、コレット４が図３の(b)に示されるように半導体レーザ素子１を真空吸着した時に半導体レーザ素子１の接触される面部分がコレット４の接触する面部分に内包されているとしたのは次の理由による。即ち、コレット４と半導体レーザ素子１との間の接触位置は実装装置の精度にもよるが常に同じではなく、実装毎にズレが生じるので、ズレが生じた際にも半導体レーザ素子１の接触面の全てがコレット４の半導体レーザ素子１との接触面に接するようにするためである。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４を示す側面図及びその高さ方向における温度分布を示す図である。半導体レーザ装置の構成は実施の形態１と、基本的な実装方法は従来の実装方法と同様である。本実施の形態４が上記実施の形態１、２、３と異なるのは、コレット４の半導体レーザ素子１との接触部分近傍に熱伝導率の低い材質を使用している点である。

次に、本実施の形態における実装方法の効果について図４を用いて説明する。半導体レーザ素子１に残留応力が発生する要因の一つに、半導体レーザ素子１内における温度差がある。半導体レーザ素子１内の温度差によって残留応力が発生する原因は、半導体レーザ装置の実装時に加熱されて高温となった半導体レーザ素子１内の熱が温度の低いコレット４に移動するために、図４の特性(a)に示されるように半導体レーザ素子１内に温度差が生じ、反りが発生することである。つまり、半導体レーザ素子１内の熱がコレット４に向けて移動するのを防ぐことで、図４の特性(b)に示されるように半導体レーザ素子１内の温度はほぼ均一となり、半導体レーザ素子１の残留応力を減少させることができる。

そのため、実施の形態１ではコレット４を加熱することにより、半導体レーザ素子１内の熱がコレット４に移動するのを防ぎ、半導体レーザ素子１内の温度を均一に保っている。これに対し、本実施の形態４ではコレット４が半導体レーザ素子１との接触部分近傍に低熱伝導率の材質を使用することにより、半導体レーザ素子１内の熱がコレット４に移動するのを防ぎ、半導体レーザ素子１内の温度を均一に保っている。上記理由により、半導体レーザ素子１の残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５を示す斜視図である。半導体レーザ装置の構成は実施の形態１と、基本的な実装方法は従来の実装方法と同様である。本実施の形態５が上記他の実施の形態と異なるのは、半導体レーザ素子１の接合面においてその長軸辺近傍にのみ接合部材３を使用し、残部、即ち左右の接合部材３の間には低接合性の伝熱部材７を介在させている点である。

次に、本実施の形態５における実装方法の効果について図５を用いて説明する。一般に、半導体レーザ素子１は放熱特性をよくするために、半導体レーザ素子１の発光領域をサブマウント２との接合面近傍の中央長軸方向に配置している。また、残留応力は半導体レーザ素子１内の温度差、半導体レーザ素子１とサブマウント２との熱膨張係数差、コレット４による押圧の三つの要因により生じているが、上記三要因とも残留応力は接合部材３が凝固することにより生じるので、半導体レーザ素子１に発生する残留応力はサブマウント２との接合部を中心に発生する。つまり、半導体レーザ素子１の発光領域は半導体レーザ素子１の中でも残留応力の高い位置に配置されている。

一般に、半導体レーザ素子１は発光領域に１００ＭＰａ以上の応力が加わった状態で電流注入すると、結晶転位が起こり、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子１の破損が起こるおそれがある。従って、残留応力による半導体レーザ素子１の破損を防ぐためには、サブマウント２との接合部分を発光領域から離す方法が有効であるが、発光領域を接合部から離すと放熱能力が低下し、今度は熱による破損を起こすようになる。

半導体レーザ素子１とサブマウント２の間に介在させる接合部材３を放熱能力の観点から見ると、接合面は発光領域の近傍に配置し且つ接合面積を可能な限り広く取る必要があるが、結合強さの観点から見ると半導体レーザ素子１をサブマウント２に取り付ける能力があればよいので、必ずしも半導体レーザ素子１とサブマウント２とが接触する領域の全てに接合力の強い接合部材３を使用する必要はない。

そこで、放熱能力を損なうことなく発光領域の残留応力を低減する方法として、図５に示されるようにサブマウント２との接合面のうち、発光領域から最も離れた接合面の長軸辺近傍を本来の接合部とし、その部分にのみ接合部材３を用いる一方、接合面において接合部材３が使用されていない部位には低接合性の伝熱部材７を介在させる方法がある。半導体レーザ素子１をサブマウント２に取付ける接合力を必要最低限の接合部材３によって確保し、残留応力の発生個所となる接合部を接合面内で発光領域から最も離れた接合面の長軸辺近傍に配置することにより、発光領域での残留応力を低減することができる。

また、接合面の長軸辺近傍に接合部材３を用いただけでは放熱能力が不足するので、接合面において接合部材３以外の部位には伝熱部材７を介在させることにより、必要な放熱能力を得ることができる。

上記の理由により、半導体レーザ素子１の放熱能力を損なうことなく発光領域の残留応力を低減させることができるので、レーザ特性の劣化、或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することが出来る。

なお、上記実施の形態に於いて接合部材３は接合面の長軸辺全体に配置されていたが、長軸辺の一部に配置されていてもよい。

（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６について説明する。半導体レーザ装置の構成は実施の形態１と、基本的な実装方法は従来の実装方法と同様である。本実施の形態６が上記他の実施の形態と異なるのは、接合部材３に共晶半田よりも融点の低い材質を使用している点である。

次に、本実施の形態６における実装方法の効果について説明する。半導体レーザ素子１に発生する残留応力は半導体レーザ素子１内における温度差、半導体レーザ素子１とサブマウント２との間の熱膨張係数の差、コレット４による押圧の三つの要因により生じているが、上記三要因のうち、半導体レーザ素子１内の温度差、半導体レーザ素子１とサブマウント２との熱膨張係数差の二つの要因については残留応力の大きさは接合部材３が凝固してから常温に戻るまでの温度差によって左右される。以下に、その理由を説明する。

半導体レーザ素子１内の温度差による残留応力は以下のメカニズムにより生じる。実装時の加熱により半導体レーザ素子１の接合面近傍及びサブマウント２は高温となるが、コレット４は加熱しないために半導体レーザ素子１のコレット４との接触面近傍及びコレット４は低温となるため、実装時に半導体レーザ素子１内には温度差が発生し、半導体レーザ素子１は凹状に反る。この状態で接合部材３が凝固し常温まで冷却されると、半導体レーザ素子１は反りのない元の平坦な形状に戻ろうとする力が働き、その力が残留応力となって残る。そのため、接合部が凝固する温度が低くなると、接合時の半導体レーザ素子１の反りは小さくなり、残留応力も低くなる。

また、半導体レーザ素子１とサブマウント２との間の熱膨張係数の差による残留応力は以下のメカニズムにより生じる。接合部材３が完全に凝固してから常温に戻るまでの温度差と熱膨張の係数の差による残留応力が接合部分近傍に発生する。一般的には半導体レーザ素子１の熱膨張係数の方がサブマウント２のそれよりも大きいので、半導体レーザ素子１は凹状に反ろうとし、その動きを妨げるために残留応力が接合部分近傍に発生する。そのため、接合部材３が凝固する温度が低くなると、接合時の半導体レーザ素子１の反りは小さくなり、残留応力も低くなる。

一般的に、半導体レーザ装置の接合部材３には共晶半田が用いられている。そのため、接合部材３に共晶半田よりも融点の低い材質を使用することにより、半導体レーザ素子１の残留応力を減少させることができるので、レーザ特性の劣化或いは半導体レーザ素子の破損を抑制することができる。

なお、上記実施の形態において示した各部の具体的な形状及び構造は、本発明を実施するに当たっての具体化の一例を示したに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。

本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置の実装方法を示す側面図。 本発明の実施の形態２における半導体レーザ装置の実装方法を示す側面図。 本発明の実施の形態３における半導体レーザ装置の実装方法を示す側面図。 本発明の実施の形態４における半導体レーザ装置の実装方法を示す側面図。 本発明の実施の形態５における半導体レーザ装置の実装方法を示す斜視図。 半導体レーザ装置の実装工程を示す側面図。 サブマウント寸法の違いにより残留応力に差異が生じる理由を説明するための概念図。 コレットにより残留応力が発生する理由を説明するための概念図。

符号の説明

１ 半導体レーザ素子
２ サブマウント
３ 接合部材
３１ 接合部材（高融点）
３２ 接合部材（低融点）
４ コレット
５ テーブル
６ 発熱コイル
７ 伝熱部材

Claims (1)

1. 発光部を備えた半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を搭載するサブマウントと、前記サブマウントに半導体レーザ素子を接合する接合部材とを備えた半導体レーザ装置の実装方法において、
   前記サブマウントが載置されかつサブマウントを介して前記接合部材を加熱するテーブルと、前記半導体レーザ素子を保持するとともに半導体レーザ素子を前記接合部材を介してサブマウント上の搭載位置に押圧しかつ発熱コイルにより加熱されるコレットとを用い、
   前記テーブルを加熱してサブマウントを前記接合部材の融点以上の温度まで加熱するとともに、前記発熱コイルによって前記接合部材の融点以上の温度まで加熱されたコレットによって前記半導体レーザ素子を保持して前記接合部材上に搭載し、
   その後前記テーブルとコレットの加熱を終了するとともに、前記半導体レーザ素子を接合部材に押圧し、前記接合部材が凝固した後、前記コレットによる半導体レーザ素子の保持を解放するように構成し、
   かつ前記テーブル及びコレットの加熱時は、前記コレットを前記テーブルよりも高い温度に加熱し、前記半導体レーザ素子の冷却時は、前記接合部材が凝固するまで前記コレットを前記テーブルよりも高い温度に維持することにより、前記半導体レーザ素子内の温度差による残留応力と、前記半導体レーザ素子とサブマウントとの熱膨張係数差による残留応力とが互いに打消し合うように構成したことを特徴とする半導体レーザ装置の実装方法。

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