JP6926497B2 - 半導体光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体光モジュールおよびサブマウントに関するものである。

従来、例えば国際公開第２０１３−１１８４７８号公報に開示されているように、導電パターン側面に溝を設けた導電パターン付き基板を備える半導体装置が知られている。この公報における半導体装置は電力用の装置であり、インバータおよびコンバータなどの電力変換装置に用いられる。導電パターン付き基板の上には半導体チップが実装され、さらにモールド樹脂により半導体チップが封止される。導電パターン側面に溝を設けることでアンカー効果を発揮させることができ、モールド樹脂の剥離を防止することができる。

国際公開第２０１３−１１８４７８号公報

半導体光モジュールはサブマウントという部品を備える。典型的なサブマウントは、セラミックス材料の基材にメタライズによる電気配線パターンを形成したものである。サブマウントには、半導体チップが実装される。この半導体チップには、発光素子あるいは受光素子などの半導体光デバイスが形成されている。

上記従来の電力用半導体装置とは異なり、半導体光モジュールはモールド樹脂により封止されない構造がよく用いられている。従って、国際公開第２０１３−１１８４７８号公報とは異なり、半導体光モジュールではサブマウントとモールド樹脂との剥離は一般的に問題とならない。

サブマウントは、キャリア又はステムなどと呼ばれる台座の表面にハンダ付けされる。台座へのハンダ付けに伴ってサブマウントの下面に力が加わり、サブマウントに応力が発生する。これに伴ってサブマウントの上面が歪むと、この歪みが上面に実装された半導体チップにも伝わる。半導体チップの歪みが過大になると半導体チップに形成された半導体光デバイスの特性が変化するという問題があった。

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、台座へのサブマウントのハンダ付けに起因してサブマウント上の半導体チップの特性が変化することを抑制することができる半導体光モジュールおよびサブマウントを提供することを目的とする。

本発明にかかる半導体光モジュールは、台座と、前記台座にハンダ付けされた下面と、前記下面の反対側に位置する上面と、前記上面および前記下面を繋ぐ側周面と、を備えるサブマウントと、前記上面に設けられ、半導体光デバイスが形成された半導体チップと、を備え、前記サブマウントの周方向に伸びる溝が前記側周面に設けられ、前記溝は、前記側周面の全周にわたって連続的に伸びるものである。

本発明によれば、サブマウント下面がハンダ付けされた場合においても側周面の溝によってサブマウントの上面に歪みが伝わることを抑制できるので、半導体光デバイスの特性が変化することを抑制することができる。

本発明の実施の形態にかかるサブマウントに半導体チップを実装した状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかるサブマウントの平面図である。 本発明の実施の形態にかかるサブマウントの図２におけるＡ−Ａ´線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態にかかるサブマウントの図２におけるＢ−Ｂ´線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態にかかるサブマウントが有する溝の形状のバリエーションを示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体光モジュールを示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体光モジュールの内部構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる他の半導体光モジュールの内部構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の変形例にかかる半導体光モジュールの内部構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例にかかる半導体光モジュールの内部構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかるサブマウントの変形例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかるサブマウントの変形例を示す平面図である。

図１は、本発明の実施の形態にかかるサブマウント１に半導体チップ３を実装した状態を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態にかかるサブマウント１の平面図であり、図３はサブマウント１の図２におけるＡ−Ａ´線に沿う断面図であり、図４はサブマウント１の図２におけるＢ−Ｂ´線に沿う断面図である。

図１には、キャリア４、サブマウント１、および半導体チップ３の積層構造が図示されている。図６、図７、図９および図１０を用いて後述する半導体光モジュール１０、１１０、２１０は、図１の積層構造をそのまま備えている。また、図８を用いて後述する半導体光モジュール５０では、キャリア４が設けられておらず、サブマウント１がステム２０（図８参照）に直接に固定されている。このように、サブマウント１は、半導体チップ３を実装する基板として半導体光モジュール１０〜２１０に内蔵される。

サブマウント１は、キャリア４にハンダ付けにより実装されている。サブマウント１の上面１ａには、半導体チップ３がハンダ付けにより実装されている。半導体チップ３およびサブマウント１の実装に用いるハンダは、一例として、ＡｕＳｎハンダまたはＳｎＡｇＣｕハンダを用いてもよい。なおハンダの成分は一例でありこれに限定されない。

キャリア４は、サブマウント１を乗せる台座である。キャリア４は一例として矩形の金属ブロックである。

図２〜図４を参照しつつサブマウント１の形状を説明する。図２の平面図に示すようにサブマウント１は平板状である。図３および図４の断面図からわかるように、サブマウント１は、半導体チップ３を実装するための上面１ａと、上面１ａの反対側に位置する下面１ｂと、上面１ａおよび下面１ｂを繋ぐ環状の側周面１ｃと、を備えている。側周面１ｃには、サブマウント１の周方向に伸びる溝２が設けられている。ここでいう「周方向」とは、図２の破線矢印Ｒで示した方向を意味しており、環状の側周面１ｃの表面を辿ってサブマウント１の周りを一周する方向を意味している。

図３および図４にはサブマウント１の断面が示されている。図３および図４に示すように溝２の断面形状は一例として矩形とされている。溝２は側周面１ｃに複数個設けられている。つまり、溝２は、側周面１ｃの全周にわたって伸びる第一の溝２と、側周面１ｃの全周にわたって第一の溝２と平行に伸びる第二の溝２と、を含んでいる。溝２は、側周面１ｃの全周にわたって連続的に伸びる。溝２の個数は少なくとも一つであればよいが、複数の溝２を設けることが好ましい。側周面１ｃの全周にわたって互いに平行に延びる３つ以上の溝２が設けられても良い。

サブマウント１は、セラミックス材料からなり、具体的には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されている。サブマウント１の上面１ａは、Ｔｉ，Ｐｄ，またはＡｕ等でメタライズされている。メタライズによりサブマウント１の上面１ａには電気配線パターン（図示せず）が形成されている。

上面１ａには、電気配線パターン（図示せず）が設けられている。半導体チップ３の電極（図示せず）が、ワイヤ接続あるいはダイボンドによりこの電気配線パターンと接続される。

溝２が上面１ａではなく側周面１ｃに設けられているので、上面１ａの配線パターンの形成を溝２が阻害することがない。溝２が下面１ｂではなく側周面１ｃに設けられているので、下面１ｂをキャリア４にハンダ付けする際の影響もない。

半導体チップ３には、半導体光デバイスが形成されている。半導体光デバイスは、発光素子でも受光素子でもよい。発光素子は、レーザダイオードあるいはＬＥＤでもよい。また、端面発光素子でもよく、面発光素子でもよい。受光素子は、ＰＮフォトダイオードあるいはアバランシェフォトダイオードでもよい。半導体チップ３は、上面１ａの端によせて配置されていてもよく、上面１ａの中央に配置されていてもよい。

溝２により、サブマウント１とキャリア４実装時の応力がサブマウント１の上面１ａにハンダ付けされた半導体チップ３まで伝わることを抑制することができる。具体的には、キャリアへのハンダ付けに伴ってサブマウント１が受ける力により、サブマウント１の下面１ｂに歪みが生じる。一方、側周面１ｃに溝２が設けられることでサブマウント１の高さ方向中央部にくびれが設けられる。このくびれがあることで、サブマウント１の下面１ｂがキャリアにハンダ付けされた場合に、サブマウント１の下面１ｂに生じた歪みをサブマウント１の上面１ａ側に伝達されにくくすることができる。例えばサブマウント１の下面１ｂにおける周縁部で歪みが生じた場合でも、周縁部の歪みがサブマウント１の上面１ａへと伝わることを溝２によって抑制できる。その結果サブマウント１の上面１ａに設けられた半導体チップ３に力が加わることが抑制されるので、半導体チップ３に形成された半導体光デバイスの特性が変化することを抑制することができる。

また、溝２を設けることで側周面１ｃに凹凸ができるので、サブマウント１の表面積が大きくなり、サブマウント１の放熱性が向上する。これにより、半導体チップ３の自己発熱による特性劣化を防止することもできる。

複数の溝２を設けることで、サブマウント１の下面１ｂに生じた歪みをサブマウント１の上面１ａ側により一層伝達されにくくすることができる。さらに、側周面１ｃにおける表面積を増やすことができ、放熱性をさらに高めることもできる。

溝２は、側周面１ｃの全周にわたって連続的に伸びている。これにより、溝２により形成されるサブマウント１のくびれを、サブマウント１の端部全周にわたって形成することができる。その結果、サブマウント１の下面１ｂに生じた歪みをサブマウント１の上面１ａ側により一層伝達されにくくすることができる。

溝２の深さは様々に変形できる。この点について図２の平面図を用いて説明する。以下、図２の紙面縦横方向を参照しつつ「縦」および「横」という用語を用いるが、これは便宜上の呼称である。なお、縦寸法および横寸法は、サブマウント１の平面形状が四角形であれば隣り合う第一辺の寸法および第二辺の寸法にそれぞれ対応し、より具体的にはサブマウント１の平面形状が長方形であれば一例として長辺寸法と短辺寸法にそれぞれ対応する。

図２には、サブマウント１の上面１ａを平面視した場合における、サブマウント１の縦幅Ｌと横幅Ｗとを図示している。図２には、サブマウント１の上面１ａを平面視した場合における、溝２の縦寸法深さＬ１および横寸法深さＷ１も図示している。溝２の深さは、サブマウント１の生産性および強度などを考慮して設計することができる。溝２が深すぎると強度に不安がある場合には、溝２を浅くしてもよい。下面１ｂの歪みを可能な限り上面１ａに伝えないようにする観点からは、溝２を深くしてもよい。具体例を挙げると、溝２の縦寸法深さＬ１を、例えば、縦幅Ｌの５％〜３０％としても良い。縦寸法深さＬ１を、例えば縦幅Ｌの４分の１つまり２５％にしてもよく、例えば縦幅Ｌの３分の１つまり３３％にしてもよい。溝２の横寸法深さＬ１を、例えば、横幅Ｗの５％〜３０％としても良い。横寸法深さＷ１を、例えば横幅Ｗの４分の１つまり２５％にしてもよく、例えば横幅Ｗの３分の１つまり３３％にしてもよい。縦寸法深さＬ１と横寸法深さＷ１は、互いに等しくともよく、あるいは互いに異なっていても良い。

図５は、本発明の実施の形態にかかるサブマウント１が有する溝２の形状のバリエーションを示す図である。溝２が、図５（ａ）のようにＶ形溝２ａであってもよく、図５（ｂ）に示すように逆台形溝２ｂであってもよく、図５（ｃ）に示すようにＵ形溝２ｃであってもよい。これらの形状とすることで溝２の作製コストを低く抑えることができる。複数の溝２のうち一つをＶ形溝２ａとして他の一つをＵ形溝２ｃにするといったように、形状の異なる溝を組み合わせても良い。

図６は、本発明の実施の形態にかかる半導体光モジュール１０を示す斜視図である。半導体光モジュール１０は、いわゆるＣＡＮパッケージであり、キャップ１２と、ステム２０と、キャップ１２でカバーされたステム２０上の実装部品を備えている。キャップ１２は、光を透過させるレンズが嵌め込まれた窓部１４を備えている。

キャップ１２は、キャリア４、サブマウント１、および半導体チップ３を覆うようにステム２０に接続している。キャップ１２は一例として金属製のキャップである。キャップ１２の鍔部とステム２０の鍔部とが電気溶接により固着されることで、ステム２０とキャップ１２とが接続されている。なお、キャップ１２が樹脂製である場合は、キャップ１２がステム２０に接着剤で接着される。キャップ１２に覆われた内部空間は気密封止されている。封止ガスは、空気、ドライガス又は窒素などである。

図７は、本発明の実施の形態にかかる半導体光モジュール１０の内部構造を示す斜視図である。半導体光モジュール１０は発光モジュールである。従って、半導体チップ３は、発光素子である。窓部１４を介して、内部の半導体チップ３のレーザ光が外部に出射される。

ステム２０の上面中央には、キャリア４が固定されている。キャリア４は金属ブロックとして後付けでステム２０に固定されていてもよい。あるいは、ステム２０を作製する時点で、ステム２０の上面中央に凸部を設けてキャリア４としてもよい。これにより、キャリア４とステム２０とが一体化されている。

ステム２０には、複数のリードピン２２が設けられている。リードピン２２は、ワイヤを介してサブマウント１の上の電気配線パターン（図示せず）に電気接続されている。

図８は、本発明の実施の形態にかかる他の半導体光モジュール５０の内部構造を示す斜視図である。半導体光モジュール５０は受光モジュールである。従って、半導体チップ３は、受光素子である。半導体光モジュール５０は、図８に示した構造に、図６に示したキャップ１２を接続したものである。ただし、キャップ１２が備える窓部１４は、光を透過させるガラス製のものである。窓部１４を通過した光を半導体チップ３が受光する。

半導体光モジュール５０は、キャリア４を備えていない。その代わりに、ステム２０がサブマウント１を載せる台座として用いられている。ステム２０には、サブマウント１の下面１ｂが直接にハンダ付けされている。また、ステム２０には高周波アンプ５がハンダ付けされている。サブマウント１の上面１ａに設けられた電気配線パターン（図示せず）および高周波アンプ５の電極（図示せず）は、ワイヤを介してリードピン２２に電気接続されている。

図９は、本発明の実施の形態の変形例にかかる半導体光モジュール１１０の内部構造を示す断面図である。半導体光モジュール１１０は、箱型のケース１０１にキャリア４、サブマウント１、半導体チップ３およびレンズ１１３が収納されたものである。ケース１０１は、ケース底部１０２、ケース側壁１０３、および蓋１０５からなる。ケース底部１０２およびケース側壁１０３が、ケース１０１のケース下部を構成している。ケース１０１の内部空間は気密封止されている。ケース側壁１０３には光ファイバ１１４が接続しており、光ファイバ１１４はレンズ１１３を介して半導体チップ３に結合している。ケース底部１０２上におけるケース側壁１０３の内側には、キャリア４が固定されている。蓋１０５がケース側壁１０３に装着されることで、キャリア４、サブマウント１、レンズ１１３、および半導体チップ３を覆う。

図１０は、本発明の実施の形態の変形例にかかる半導体光モジュール２１０の内部構造を示す断面図である。半導体光モジュール２１０は、ステム２２０と、このステム２２０に被せられるレンズキャップ２２１と、レンズキャップ２２１に固定されるレセプタクル用ホルダ２１８と、レセプタクル２１９とを備えている。レンズキャップ２２１は、一例として、鏡筒２３０に対してレンズ２１４がプレス成形されたものである。鏡筒２３０とステム２２０とが接続されることで空洞２３７が形成されており、空洞２３７に半導体チップ３、サブマウント１、キャリア４、およびペルチエモジュール２１５が収納されている。空洞２３７は気密封止される。

なお、半導体光モジュール２１０はＴＯＳＡ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ ＳｕｂＡｓｓｅｍｂｌｙ）であり、半導体チップ３はレーザダイオードである。半導体チップ３を受光素子とすることで、半導体光モジュール２１０をＲＯＳＡ（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ ＳｕｂＡｓｓｅｍｂｌｙ）に変形してもよい。

図６〜図１０に示した半導体光モジュール１０〜２１０によれば、ＣＡＮパッケージ、バタフライ型などの箱型パッケージ、およびＴＯＳＡ／ＲＯＳＡモジュールパッケージにおいて、半導体チップ３の特性を安定化させることができる。

図１１〜図１２は、本発明の実施の形態にかかるサブマウント１の変形例を示す平面図である。図１１および図１２に示すように、溝２はサブマウント１の側周面１ｃの全周ではなく一部のみに形成されてもよい。一例として、図１１に示すようにサブマウント１の側周面１ｃのうち、溝２が設けられていない端面１ｃ１があってもよい。また、図１２に示すように、サブマウント１の端面の１つに、溝２が形成されない部分１ｄが設けられていてもよい。

１ サブマウント
１ａ 上面
１ｂ 下面
１ｃ 側周面
１ｃ１ 一部の端面
１ｄ 部分
２ 溝
２ａ Ｖ形溝
２ｂ 逆台形溝
２ｃ Ｕ形溝
３ 半導体チップ
４ キャリア
５ 高周波アンプ
１２ キャップ
１４ 窓部
１０〜２１０ 半導体光モジュール
２０、２２０ ステム
２２ リードピン
１０１ ケース
１０２ ケース底部
１０３ ケース側壁
１０５ 蓋
１１３、２１４ レンズ
１１４ 光ファイバ
２１５ ペルチエモジュール
２１８ レセプタクル用ホルダ
２１９ レセプタクル
２２１ レンズキャップ
２３０ 鏡筒
２３７ 空洞

Claims (6)

1. 台座と、
   前記台座にハンダ付けされた下面と、前記下面の反対側に位置する上面と、前記上面および前記下面を繋ぐ側周面と、を備えるサブマウントと、
   前記上面に設けられ、半導体光デバイスが形成された半導体チップと、
   を備え、
   前記サブマウントの周方向に伸びる溝が前記側周面に設けられ、
   前記溝は、前記側周面の全周にわたって連続的に伸びる半導体光モジュール。
2. 前記溝は、前記周方向に伸びる第一の溝と、前記周方向に前記第一の溝と平行に伸びる第二の溝と、を含む請求項１に記載の半導体光モジュール。
3. 前記溝が、Ｖ形溝、Ｕ形溝、または逆台形溝である請求項１または２に記載の半導体光モジュール。
4. 前記台座が別部品として固定された又は前記台座と一体に形成されたケース下部と、
   前記台座、前記サブマウント、および前記半導体チップを覆うように前記ケース下部に接続された蓋と、
   前記蓋および前記ケース下部で構成されたケース内部空間に設けられ前記半導体チップと結合するレンズと、
   を備え、
   前記ケース内部空間が気密封止された請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光モジュール。
5. 前記台座が別の部品として固定された又は前記台座と一体化されたステムと、
   光を透過させる窓部を備え、前記台座、前記サブマウント、および前記半導体チップを覆うように前記ステムに接続されたキャップと、
   を備え、
   前記ステムおよび前記キャップで構成されたパッケージ内部空間が気密封止された請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光モジュール。
6. 前記台座として用いられ、前記サブマウントの前記下面が直接にハンダ付けされるステムと、
   光を透過させる窓部を備え、前記台座、前記サブマウント、および前記半導体チップを覆うように前記ステムに接続されたキャップと、
   を備え、
   前記ステムおよび前記キャップで形成されたパッケージ内部空間が気密封止された請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光モジュール。

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