JP5644160B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＶＤドライブ、ＣＤドライブ、又はレーザＴＶ等に用いられる半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。

製造コストが低い半導体レーザ装置として、モールド樹脂成型により製造されたモールドパッケージが用いられている（例えば、特許文献１参照）。従来のモールドパッケージでは、フレームにモールド樹脂によりリードが固定され、フレーム上にＡｇペースト又はエポキシ樹脂によりサブマウントが接合され、サブマウント上にＡｕＳｎ又はＳｎＡｇ半田により半導体レーザチップが接合されている。

従来のモールドパッケージの製造方法について説明する。まず、サブマウント上に半田により半導体レーザチップを接合する。次に、この半導体レーザを接合させたサブマウントをＡｇペーストによりフレーム上に接着し、ベークによりＡｇペーストの溶剤を蒸発させて固化する。次に、この蒸発させた溶剤によるパッケージ表面汚染を除去するためにＯ_２プラズマ処理を行う。その後、ワイヤボンドを行い、複数の装置が並んだフレームから半導体レーザ装置を個片化し、検査工程に送る。

特開２００３−３１８８５号公報 特開２００７−１９４７０号公報

従来の製造工程は複雑であったため、幾つもの製造装置を用いなければならず、各製造装置間のキャリアカセット移動のための要員も必要であった。カセット移動を自動化することもできるが、設備費用が膨大になる。また、Ａｇペーストやエポキシ樹脂は半田に比べて熱伝導が悪いために、素子の高温特性が劣化するという問題もあった。

なお、ＣＡＮパッケージの製造方法として、サブマウントの上面と下面に半田を付け、フレーム上にサブマウントと半導体レーザチップを順次載せ、パッケージ全体を加熱して半田を溶融させて互いを同時に接合する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。硝子封止のＣＡＮパッケージは耐熱温度が４００℃以上あるため、このような製造方法が用いられる。しかし、モールドパッケージは樹脂部分があるために耐熱温度が非常に低い。従って、パッケージ全体を加熱する製造方法は用いられていなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、安価で簡単に製造することができる高温特性に優れた半導体レーザ装置及びその製造方法を得るものである。

本発明は、フレームと、前記フレームにモールド樹脂により固定されたリードと、前記フレーム上に、第１の半田により接合されたサブマウントと、前記サブマウント上に、第２の半田により接合された半導体レーザチップとを備え、前記モールド樹脂の耐熱温度は、前記第１及び第２の半田の融点よりも高く、前記第１及び第２の半田はＳｎＡｇ半田であり、前記サブマウントの表面に高融点金属層が形成され、前記高融点金属層上に第１のＰｔ層が形成され、前記第１のＰｔ層が前記第１及び第２の半田に接することを特徴とする半導体レーザ装置である。

本発明により、安価で簡単に製造することができる高温特性に優れた半導体レーザ装置及びその製造方法を得ることができる。

実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す平面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明するための平面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明するための平面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明するための平面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明するための平面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明するための平面図である。 比較例に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ装置を拡大した断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ装置を試作して信頼性試験を実施した結果を示す図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ装置を試作して信頼性試験を実施した結果を示す図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ装置を拡大した断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す平面図であり、図２はその断面図である。

フレーム１にモールド樹脂２によりリード３が固定されている。フレーム１上に、半田４（第１の半田）によりサブマウント５が接合されている。サブマウント５上に、半田６（第２の半田）により半導体レーザチップ７が接合されている。半導体レーザチップ７の上面とフレーム１がワイヤ８により接続され、リード３とサブマウント５上の配線がワイヤ９により接続されている。このサブマウント５の配線は半導体レーザチップ７の下面に接続されている。

モールド樹脂２は熱硬化性樹脂である。熱硬化性樹脂の耐熱温度は種類を選ぶと４００℃と高い。この温度に保った状態でモールド樹脂２に荷重を加えてもほとんど変形しない。

半田４，６は、半導体レーザ装置において一般的に使用されるＡｕＳｎ系半田である。Ａｕ組成比が８０％のＡｕＳｎ半田の融点は２８０℃である。従って、モールド樹脂２の耐熱温度は、半田４，６の融点よりも高い。

続いて、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法について説明する。図３，５，６，８，９は実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明するための平面図であり、図４，７はその断面図である。

まず、フレーム１にプレス工程を行って、図３及び図４に示すように、フレーム１に抜きパターンを形成し、ダウンセットを設ける。

次に、図５に示すように、フレーム１にリード３をモールド樹脂２により固定する。モールド樹脂２は熱硬化性樹脂である。熱硬化性樹脂は成型時の粘度が低いためにフレーム１上に薄いバリができる場合が多く、この薄いバリを除去するために成型後にブラスト処理を行う。この時にメッキにもダメージが入り、組立時のワイヤボンド未着不良に繋がる。そこで、安定なワイヤボンド性を実現するために、モールド樹脂２の成型後にフレーム１及びリード３のメッキを行う。その後、モールドパッケージを個片化する。

次に、パッケージをサブマウント搭載ステージに移動させる。そして、図６及び図７に示すように、上面と下面にそれぞれ半田４と半田６を付けたサブマウント５を位置合わせしてフレーム１上に載せる。

次に、パッケージをダイボンドステージに移動させる。そして、図８に示すように、半導体レーザチップ７を位置合わせしてサブマウント５上に載せる。

その後、ダイボンドステージの温度を上げて、積載されたフレーム１、サブマウント５、及び半導体レーザチップ７を加熱して半田４，６を溶融させる。これにより、フレーム１上に半田４によりサブマウント５を接合し、サブマウント５上に半田６により半導体レーザチップ７を接合する。

次に、パッケージをワイヤボンドステージに移動させる。そして、図９に示すように、半導体レーザチップ７とフレーム１をワイヤ８により接続し、サブマウント５の電極パターンとリード３をワイヤ９により接続する。以上の工程により製造された半導体レーザ装置を収納トレイに納める。

本実施の形態に係る半導体レーザ装置の効果について比較例と比較しながら説明する。図１０は、比較例に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。比較例では、フレーム１とサブマウント５がＡｇペースト１０により接合されている。なお、Ａｇペースト１０の代わりにエポキシ樹脂を用いる場合もある。以下の表１に接合材の熱伝導率の一覧を示す。

Ａｇペーストやエポキシ樹脂は半田に比べて熱伝導が悪いために、比較例では素子の高温特性が劣化する。

一方、本実施の形態に係る半導体レーザ装置では、フレーム１とサブマウント５が半田４により接合されている。これにより、比較例に比べて放熱性を大幅に改善できる。発明者のシミュレーションよると、実際の実装形態及び使用状態において半導体レーザ装置のＡｇペーストをＳｎＡｇ又はＡｕＳｎ半田に変えることで、１℃以上から数℃程度まで高温特性を改善できることが分かっている。よって、実施の形態に係る半導体レーザ装置は高温特性に優れている。

また、本実施の形態に係る半導体レーザ装置では、耐熱温度が半田４，６の融点よりも高いモールド樹脂２を用いている。このため、積載されたフレーム１、サブマウント５、及び半導体レーザチップ７を加熱して半田４，６を溶融させて、フレーム１、サブマウント５、及び半導体レーザチップ７を互いに同時に接合することができる。そして、接着にＡｇペーストやエポキシ樹脂を使用しないので、ベーク炉は必要ない。さらに、溶剤汚染を除去するためのＯ_２プラズマ処理も必要ない。よって、本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、簡単に製造することができる。

また、上記の図６〜図９の工程は、現在ＣＡＮパッケージ製品の生産で主流になっているダイボンド−ワイヤボンド一括製造装置で実施することができる。即ち、既存のＣＡＮパッケージ用の製造装置のホルダー部や搬送系を変更することでモールドパッケージもＣＡＮパッケージと同様に組立てられる。さらに、ＣＡＮよりもモールドパッケージの方がダイボンドを安定に行うことができる。

また、ＣＡＮパッケージの場合、アイレット外周部を加熱し、熱伝導により素子付け面を加熱する。しかし、クリアランスを確保するためにアイレット外径よりヒーター外径を若干大きくする必要があるため、アイレットの上面と下面のみがヒーターに接触し、アイレットの側面はほとんど接触しない。パッケージ寸法が小さくなると、この接触面積がほとんど確保できず、安定なダイボンド温度が得られない。一方、本実施の形態に係る半導体レーザ装置の場合、フレームの下部の平らな広い部分を加熱すればよいので、ヒーター形状が簡単になり、容易に安定性よく加熱できる。

また、従来のモールドパッケージの製造装置と本実施の形態に係るモールドパッケージの製造装置を比較すると、生産数が少ない場合は、本実施の形態の方が製造装置への投資費用が安い。生産数が増加するほど両者の差は小さくなる。しかし、本発明の適用製品は少量カスタム仕様の製品である。また、製品形状を変更する場合、従来のモールドパッケージの製造装置では全てのホルダー部を変更する必要があり、カスタム対応が難しく、かつコストもかかる。一方、本実施の形態では、一つの組立装置のホルダー形状を変更するだけでよい。よって、本実施の形態は、製造装置への投資費用を安くすることができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１と異なり、モールド樹脂２は熱可塑性樹脂である。半田４，６はＳｎＡｇ半田である。フレーム１及びリード３の表面にメッキを形成した後に、プレスによりフレーム１にダウンセットを形成する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

熱可塑性樹脂としてＬＣＰ樹脂（液晶ポリマー樹脂）を用いた場合、軟化温度は２８０℃程度で、変形が始まる温度は３５０℃程度である。従って、組立時にモールド樹脂２に負荷がかからないようなヒーター構造にしておく必要がある。

熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比べて材料価格が安い。熱可塑性樹脂のモールド成型に要する時間（２０秒）は、熱硬化性樹脂のモールド成型に要する時間（２分）に比べて非常に短い。従って、樹脂単価も安く、スループットも高いため、装置単価を安価にできる。

Ａｇの組成比が３％のＳｎＡｇ半田の融点は２２１℃である。従って、モールド樹脂２の軟化温度が半田４，６の融点よりも高いため、組立が非常に容易である。例えば、フレームパッケージを小型化した場合、組立時のつかみ代がないため、モールド樹脂２に治具が接触する。これに対して、低融点のＳｎＡｇ半田を用いることで組立温度を低くできるので、治具接触に伴うモールド樹脂２の変形を防止できる。

また、ＳｎＡｇ半田を用いれば、高価なＡｕを含むＡｕＳｎ半田を用いた場合に比べて、コストを大幅に削減できる。

ダウンセットを形成したフレーム１をフープ状態でメッキする場合、メッキ送り用のローラー形状をダウンセットを避ける構造にしなければならない。そして、フープ巻取り時に層間紙を入れてダウンセットが変形しないようにしなければならない。そこで、フレーム１及びリード３の表面にメッキを形成した後に、プレスによりフレーム１にダウンセットを形成する。これにより、フレーム１は平板であるためにメッキ送りローラーはいかなる形状のものでもいいし、メッキの膜厚を高精度に制御できる。また、部分メッキも容易に行え、メッキ材料の貴金属の使用量も削減できる。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置を拡大した断面図である。サブマウント５と半導体レーザチップ７との接合部以外の構成は実施の形態１と同様である。

半導体レーザチップ７の表面の半田付け部にはＡｕメッキ層１１が形成されている。サブマウント５の表面にはバリアメタル１２が形成されている。半導体レーザチップ７は、ジャンクションダウンでＳｎＡｇ半田６によりサブマウント５に接合されている。

ここで、ＳｎＡｇ半田６とＡｕメッキ層１１が直接接触している場合、ＳｎＡｇ半田を融点温度（Ａｇ組成比が３％の場合、２２１℃）まで加熱すると、瞬時にＳｎＡｇとＡｕメッキが相互拡散し、０．１秒程度で融点温度が２８０℃以上に上昇して再凝固する。従って、十分な溶融時間を保持できないため、半田ヌレ不良等のトラブルに繋がる。また、加熱温度を２８０℃以上にすると半田は再び溶融するが、今度は熱可塑性モールド樹脂の軟化温度２８０℃を超えてしまい、モールドパッケージが変形してしまう。また、組立時の融点温度が高いほど、半導体レーザ動作温度での半田中の残留応力が大きくなり、素子の光学特性、特に偏光特性が悪化する。

そこで、本実施の形態では、半導体レーザチップ７のＡｕメッキ層１１とサブマウント５の半田４との間に高融点のＰｔ層１３（第１のＰｔ層）が設けている。これによりＡｕとＳｎＡｇの相互拡散を防止できる。従って、融点上昇が起きないので、ＳｎＡｇ半田６の融点を２２１℃に１秒以上の保持時間を容易に確保できる。これにより、半導体レーザチップ７の接合面全面に渡ってきれいな半田接合を得ることができる。

ここで、Ｐｔ層１３の厚みが不十分な場合、ＳｎＡｇ半田とＡｕが相互拡散し、一瞬にして融点が２８０℃以上になり、安定なダイボンドを実現できない。一方、Ｐｔ層１３が厚いほど形成時の材料の使用量が増え、かつ処理時間が長くなるため、コストアップに繋がる。さらに、Ｐｔ層１３の硬度が高いために、Ｐｔ層１３自身が応力原因になって素子の信頼性を低下させる。そこで、Ｐｔ層１３の厚みを１５０ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下にする。この数値範囲について以下に詳細に説明する。

図１２及び図１３は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置を試作して信頼性試験を実施した結果を示す図である。図１２は熱処理履歴に対するＤＶＤ部の偏光角（ＰＡ）の変化率を示し、図１３は熱処理履歴に対するＣＤ部の偏光角の変化率を示す。

まず、組立直後に偏光角を測定した。次に、１８０℃で２時間の高温保存の後に偏光角を測定した。次に、−４０℃〜＋１２５℃のヒートサイクル（ＨＣ）を行い、５０回目と２００回目で偏光角を測定した。なお、Ｐｔ層１３の厚みが１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍの場合についてそれぞれ測定を行った。

測定の結果、Ｐｔ層１３の厚みに関わらず、偏光角は、高温保存で悪化し、ヒートサイクルで改善することが分かった。Ｐｔ層１３の厚みが１００ｎｍの素子は高温保存及びＨＣによる変動が非常に大きい。Ｐｔ層１３の厚みが２００ｎｍの素子と３００ｎｍの素子は、ほぼ同じような変化傾向を示している。

Ｐｔ層１３の断面をＳＥＭで観察した結果、Ｐｔ層１３の厚みが１００ｎｍの素子では、Ｐｔ層１３が部分的に決壊していることが確認できた。Ｐｔ層１３の厚みが２００ｎｍの素子と３００ｎｍの素子はＰｔ層１３の決壊は確認されなかった。

これらの結果とＰｔ層１３の厚みの測定精度を考慮すると、Ｐｔ層１３の厚みを１５０ｎｍ以上とすることで、相互拡散を十分に防止できる。そして、Ｐｔ層１３の厚みを３５０ｎｍ以下とすることで、Ｐｔ層１３の応力による光学特性及び信頼性への悪影響を防ぐことができる。

実施の形態４．
図１４は、実施の形態４に係る半導体レーザ装置を拡大した断面図である。サブマウント５以外の構成は実施の形態２と同様である。

サブマウント５の表面にＴｉ層１４（高融点金属層）が形成されている。Ｔｉ層１４上にＰｔ層１５（第２のＰｔ層）が形成されている。半田４，６はＳｎＡｇ半田である。Ｐｔ層１５が半田４，６に接する。

一般にコスト低減のために貴金属のＰｔ層をＮｉ層に変える場合がある。半田がＡｕＳｎ半田の場合、Ｐｔ層１３，１５をＮｉ層に変えても半田の溶融時間が極端に長くならない。しかし、ＳｎＡｇ半田を使用した場合、半田溶融と同時にＮｉ層が拡散し融点が若干下がるが、Ｔｉ層も拡散し瞬時に融点が上昇してしまう。この拡散の速度は非常に速く、正常な半田接合を得るための溶融保持時間１秒以上を確保できない。従って、ＳｎＡｇ半田を使用する場合はＴｉ層１４のバリア層としてＰｔ層１５を用いる必要がある。

１ フレーム、２ モールド樹脂、３ リード、４ 半田（第１の半田）、５ サブマウント、６ 半田（第２の半田）、７ 半導体レーザチップ、１１ Ａｕメッキ層、１３ Ｐｔ層（第１のＰｔ層）、１４ Ｔｉ層（高融点金属層）、１５ Ｐｔ層（第２のＰｔ層）

Claims (3)

1. フレームと、
   前記フレームにモールド樹脂により固定されたリードと、
   前記フレーム上に、第１の半田により接合されたサブマウントと、
   前記サブマウント上に、第２の半田により接合された半導体レーザチップとを備え、
   前記モールド樹脂の耐熱温度は、前記第１及び第２の半田の融点よりも高く、
   前記第１及び第２の半田はＳｎＡｇ半田であり、
   前記サブマウントの表面に高融点金属層が形成され、
   前記高融点金属層上に第１のＰｔ層が形成され、
   前記第１のＰｔ層が前記第１及び第２の半田に接することを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記半導体レーザチップはＡｕメッキ層を有し、
   前記半導体レーザチップの前記Ａｕメッキ層と前記第２の半田との間に第２のＰｔ層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記第２のＰｔ層の厚みは１５０ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。

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