JPH04127491A - 半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザ素体が放熱体にろう付けされて
いる半導体レーザ素子の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

半導体レーザ素子は、レーザ素体の活性層から発生する
熱を逃がすために、通常活性層に近い方に設けた電極を
放熱体に接合するＪｕｎｃｔｉｏｎＤｏｗｎ方式に組み
立てられる。第２図はこの状態を説明するための模式断
面図である。第２図においてチップ状の半導体レーザ素
体１は活性層２を有し、素体ｌの両面にそれぞれ電極金
属３．４を設けである。素体１に活性層２のほかのエピ
タキシアル成長によって形成される各半導体層について
は図示を省略しである。電極金属３．４はいずれも表面
がろう付は性の良好なＡｕ層とする多層金属膜からなる
。レーザ素体１の放熱のために、電極金属３は無酸素銅
からなる放熱体７にＳｎまたはＰｂ−３ｎ合金などの低
融点合金からなる軟ろう５によって接合されるが、その
ために放熱体７にも表面がＡｕからなる金属層６を被着
させている。

この半導体レーザ素体１と放熱体７を接合する手順を第
３図により説明する。第３図は、従来のダイボンダの加
熱部の主要部模式断面図を示したものであり、リード！
８１．８２が貫通した鉄からなるヘッダ８に銀ろう付け
された放熱体７の先端部には、Ｐｂ−５ｎはんだ５の層
がめつきあるいは蒸着等の手法により形成されている。

内部ヒータ１１が埋め込まれ、ヘッダ８の形状に合致す
るように加工されたＭｏ製のヒート治具１０の所定位置
にヘッダ８を固定し、真空チャック機構２１を備えたコ
レット２０により半導体レーザ素体１を、図示していな
いチンブトレーより運搬し、放熱体７の所定位置に載置
する。載置後、ヒータ１１に通電し、ヒート治具１０．
放熱体８．金属層６．はんだ５を経て熱伝達させ、はん
だ５を溶融し、放熱体７の表面の金属層６および電極３
の表面膜と充分反応させた後、通電を停止し、強制空冷
により冷却・固化し接合を完了させ、ヘッダ８をヒート
治具１０から取りはずす。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような手法で接合を行うと、接合完了までに加熱
保持、冷却に要する時間が７０秒以上と長く、製品の価
格の低減のための大きな障害となっていた。

上記の手法のほか、トンネル炉方式等の手法も考えられ
たが、半導体レーザのダイボンディングは、他の半導体
デバイスと大きく異なり、高い位置精度、すなわち発光
点精度が求められるため、制約が多く実現されていない
、従って、放熱体を１個をセットし、素体１個を位置合
わせ後、加熱・溶融、冷却・固化する接合方式が最も現
実的であり、位置合わせ時間がパターン認識等の手法の
採用により、大幅に短縮されている現在、熱プロセス時
間の短縮が急務である。

加熱、冷却の熱プロセス時間の短縮のためには、あらか
じめヘッダを予備加熱し、昇温時間を短縮するとともに
、接合後のヘッダ取出し温度を室温より高い温度にする
ことによって、４０秒にまで短縮することができた。

しかし、接合に要する時間をさらに短くすることが望ま
しく、本発明の目的は、レーザ素体を放熱体とさらに短
い熱プロセス時間で接合する半導体レーザ素子の製造方
法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明は、半導体レーザ
素体をその一面に当接する保持具により保持して他面側
の電極表面を放熱体の表面の所定の部分に被着させたろ
う材に接触させてレーザ素体の電極表面を放熱体の表面
の所定の部分にろう付けするに際し、保持具に熱源を備
え、レーザ素体の電極表面をろう材に接触させる前にレ
ーザ素体の温度をろう材の融点以上になるまで加熱して
おき、レーザ素体の電極表面をろう材に接触させてろう
材を溶融させたのち、保持具をレーザ素体から離脱させ
てろう材を凝固させるものとする。

その場合、レーザ素体の電極表面を放熱体表面上のろう
材に接触させる前にろう材の融点以下の温度に加熱して
おくことが有効である。あるいは、レーザ素体の電極表
面をろう材に接触させる前にレーザ素体を加熱しておく
と共にろう材を溶融させておき、レーザ素体の電極表面
を溶融したろう材に接触させたのち、保持具をレーザ素
体から離脱させてろう材を凝固させるものとする。その
ようにろう材を溶融させておくには、加温した不活性気
体を接触させるか、レーザ光を照射することによるのが
望ましい。

〔作用〕

半導体レーザ素体を接合すべき放熱体上のろう材に接触
させるために保持する保持具に熱源を備えて、保持具に
当接するレーザ素体の温度がろう材の融点温度以上にな
るように加熱したのちろう材に接触させれば、熱がろう
材に供給され、従来のレーザ素体に比して表面積の大き
いヒート治具に内蔵するヒータからの熱伝達により熱を
供給する場合にくらべて極めて短時間にろう材の溶融が
始まる。そして、溶融ろう材と被接合面との反応が充分
なされた後の冷却においても、放熱体の温度の高い部分
はレーザ素体との接合面に近い分だけで、従来の場合に
比して小さい部分であり、かつ熱源を備えた保持具がレ
ーザ素体より離されるので急速に冷却する０以上により
加熱溶融から冷却・固化までの熱プロセスに要する時間
が極めて短縮される。また、放熱体をろう材の融点以下
の温度に予備加熱しておき、ろう材の融点以上に加熱さ
れたレーザ素体電橋からの熱によってろう材を溶融させ
れば、加熱・溶融時間が一層短縮され、冷却・固化の時
間は多少長くなるものの、全体としての熱プロセス時間
を短縮させることが可能である。

あるいは、レーザ素体の電極表面を放熱体表面上のろう
材に接触させる前に、熱源を備えた保持具を当接させる
ことによりレーザ素体を加熱すると共に、加温した不活
性気体を接触させるかレーザ光を照射するなどの方法で
ろう材を短時間に溶融させておけば、レーザ素体の電極
表面を接触させてもろう材は溶融したままで、接触後の
溶融に要する時間がなくなり、より一層の熱プロセス時
間の短縮がはかられる。

〔実施例〕

以下、図を引用して本発明の四つの実施例について説明
する。各図において、第２図、第３図を共通の部分には
同一の符号が付されている。

実施例１： 第１図はこの実施例に用いられたダイボンダの加熱部の
主要部の模式断面図である。このダイボンダの加熱部の
第３図に示したダイボンダ加熱部との相違点は、真空チ
ャック機構２１を備えたコレット２０を図示されないダ
イボンダ本体に上下動可能に支持するためのコレット支
持棒２２に、加熱用ヒータ２３が埋め込まれていること
である。このボンダを用いて次のように半導体レーザ素
子の組立てを行った。まず放熱体７の表面金属層上のレ
ーザ素体を接合すべき位置に選択電気めっきにより３１
ｍ厚さのＰｂ−３ｎ共晶はんだ（融点約１８０℃）５の
層を形成した０次に、レーザ素体１をコレット２０で吸
着し、レーザ素体の電極３の表面温度が２５０℃になる
ように加熱用ヒータ２３を昇温した。

その時、ヒータ２３の近傍の温度は３２０℃であった。

この熱が図示されていないダイボンダ本体に伝達しない
ように、コレット支持棒２２の一部は、断熱しである。

加熱したコレット２０でチップトレーよリレーザ素体１
を吸着し、接合位置の直上に位置決めするのに要する時
間は約１０秒であり、その間に電極３の温度は２５０℃
まで昇温しでいることが確認出来た。その後、治具９に
ヘッダ８を固定することによりセントされ、室温にある
放熱体７のはんだ５の面上にコレット２０を降下させ、
素体１の電極３の表面をはんだ５に接触させた。　１０
秒後にはんだ５は溶融し、さらにその状態を１０秒間保
持後、コレット２０の吸着を停止し、コレットを上昇さ
せた。約３秒後、はんだ５は固化し、その２秒後にヘッ
ダ８を治具９より取り出した、接合状態を比較するため
従来品と実施例による製品の熱抵抗を調べたが、いづれ
の場合も４０℃／Ｗ〜５０℃／Ｗの範囲にあり、差異は
認められなかった。すなわち、従来の熱プロセスに要し
た時間が短くても約４０秒であったものが、実施例では
、約２５秒に短縮されたことになる。さらに、電極３の
表面温度を変え、その接合状態、すなわち熱抵抗との相
関を調べた。従来品と同程度の良好な接合状態を得るた
めの熱プロセスに要する時間は、電極３の表面の温度が
低い程長くなる傾向があり、２００では約３５秒を要し
た。逆に表面の温度を高くすると時間は短縮していくが
、３００℃を越えると冷却時間が長くなり、かえって時
間が増大することが判明した。さらに３５０℃を越える
と、電極が変質し、電極の接触抵抗の増大等の問題が発
生することも判明した。すなわち、電極３の表面温度は
はんだ融点以上であって、電極３の表面をＡｕ層とし、
はんだ５に共晶はんだを用いた場合には３５０℃以下に
抑さえ、より好ましくは２３０〜２８０℃の範囲にする
ことにより、従来品と同等の接合状態を、従来より短時
間で得ることを確認した。

実施例２： 第４図はこの実施例に用いられたダイボンダの加熱部の
主要部の模式断面図である。第１図に示したダイボンダ
の加熱部と異なる点は、ヘッダ８を固定する治具に埋め
込みヒータ１１を有するヒート治具１０を用いた点であ
る。

埋め込みヒータ１１の働きはばんだ５の予備加熱にあり
、それによりはんだ６の融点以上に加熱された素体１を
放熱体７上のはんだ５に接触させてからのはんだの溶融
および反応時間をさらに短縮しようとするものである。

従ってヒータ１１の温度はばんだ５が融点以下のなるべ
く高温になるようにすることが好ましい、そこで、ヒー
タ１１の温度が１７０℃に、実施例１と同様電極３の温
度が２５０℃になるようにそれぞれ設定し、接合を行っ
た。

その結果素体１をはんだ５に接触させてかられずか１秒
後にはんだ５が溶融した。さらにはんだ反応を行わせる
保持時間は、実施例１では１０秒程度必要であったが、
本実施例ではわずか３秒で充分であることが熱抵抗測定
等の結果から明らかとなった。冷却・固化に要する時間
は従来に比べ約２秒長くなったものの、本実施例では熱
プロセスに要する時間に合計１１秒になり、実施例１の
場合よりさらに時間の短縮がはかられることが判明した
。

レーザ素体１をチ７ブトレーより取出し、位置決めする
までに要する時間は現在最短で１０秒であり、熱プロセ
スがほぼ同程度の１１秒で完了できるようになったため
、組立装置の自動化を図る上でも効果的である。なお、
放熱体７およびはんだ５の予備加熱を、治具上で行わな
いで、放熱体を予備加熱した上でヘッダ８を治具上に固
定すれば、冷却・固化時間を本実施例よりさらに短縮す
ることも可能である。

実施例３＝ 第５図は、この実施例に用いられたダイボンダの加熱部
の主要部の接合持直前の状態の模式断面図である。第１
図に示したダイボンダの加熱部と興なる点は、ヒータ３
１を内部に備えた石英管３２の先端ノズル３３から、ヒ
ータ３１により加温された窒素ガス３４をろう材５の表
面へ吹き付けることのできるフレームレストーチ３０を
備えている点である。

トーチ３０の先端ノズル３３の径は０．２日に加工され
ており、吹き出るＮ２の温度はヒータ３１に加える電圧
とＮ！流量により決まる。フレームレストーチ３０の働
きはろう材５の加熱・溶融にあるので、ノズル３３から
吹き出るＮ３ガス３４の温度はろう材５の融点より高（
、約３００℃になるように設定しである。

このダイボンダを用い、レーザ素体１の電極３をろう材
５に接触させせる直前にろう材５の近傍にトーチ３０を
近接させ、ろう材５を局部加熱して溶融させると同時に
レーザ素体１をろう材５に接触させた。これと平行して
トーチ３０はろう材５から遠ざけた。トーチ３０による
ろう材５の溶融に要する時間は約３秒であったが、パタ
ーン認識による素体１の位置決めの時間内に平行して行
うためプロセス時間の増加にはつながらない。

ろう材５溶融後の素体１の接触は、ろう材の酸化１組成
変動等の点でなるべく短時間、すなわち溶融後２秒以内
に行わせしめるのが好ましい、実施例１と同様電極３の
温度が２５０℃になるように設定し、本実施例での接合
実験を行ったところ、はんだ反応を行わせる保持時間は
３秒で充分であることが明らかになった。冷却・固化に
要する時間も実施例１と同様５秒であり本実施例では熱
プロセスに要する時間が約８秒と短縮されることを確認
した。

実施例４： 第６図は、この実施例に用いられたダイボンダの加熱部
の主要部の接合持直前の状態の模式断面図である。第５
図に示したダイボンダの加熱部と異なる点は、トーチ３
０の代わりに集光レンズ４１゜半導体レーザ４２を有す
るレーザ光加熱器４０を備えた点にある。加熱器４０の
働きは、トーチと同様、ろう材５の加熱・溶融にある。

レーザ光加熱器４０は、局部加熱性１位置制御性等の点
でトーチより優れており、レーザ光４３を絞ることによ
り純粋にろう材５部のみを加熱することが可能になる利
点がある。半導体レーザ４２としては、波長８３０ｎ曽
、光出力ＩＷのものを用い、集光レンズ４１で一辺０．
２５閣方形のろう材面の中心に直径０．２簡に絞ったレ
ーザ光４３が照射できるように設置した。レーザ光４３
は図示していないレーザ電源によりオン・オフされる。

レーザ光４３をＩＷで２秒間照射することにより、０．
２５Ｗ角、厚み３．ｆＩＩのＰｂ　−Ｓｎはんだろう材
５は溶融した。実施例３と同様、レーザ素体１の電極を
ろう材５に接触させる直線にレーザ光加熱器４０を２秒
間動作させ、ろう材゛５を溶融すると同時に、レーザ素
体１をろう材５に接触させた。実施例１と同様、電極３
の温度が２５０℃になるように設定し、本実施例での接
合実験を行ったところ、実施例３と同様、熱プロセスに
要する時間が約８秒に短縮されることが判明した。

なお、実施例３および４において接合前の電極３の温度
を２５０℃より低くし、はんだの融点より低い、例えば
１７０℃にした場合も実施例２より熱プロセス時間を短
縮する効果が得られることが認められた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体レーザ素体をろう付けすべき放
熱体の所定の位置上に移動させるために用いる保持具に
熱源を備え、レーザ素体をろう材の融点以上に加熱させ
てから放熱体表面のろう材に接触させることにより、ま
たろう材の溶融後は保持具よりレーザ素体を離脱させる
ことにより、従来にくらべ接合のための熱プロセス時間
を半減することができた。それと共に放熱体をろう材が
融点に達しない程度に予備加熱しておくことにより、ろ
う材の溶融時間をさらに短縮することができる。また、
レーザ素体をろう材に接触させる直前に熱源を備えた保
持具によりレーザ素体をろう材の融点前後に加熱すると
共に、加温したＮ８あるいはレーザ光などを用いてろう
材を加熱溶融することにより、接合に要する時間のより
一層の短縮が可能となった。そして、本発明により熱プ
ロセス時間がレーザ素体を定位置ヘセットするまでの時
間と同程度以下になるので、半導体レーザ素子組立ての
自動化に育効に適用することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に用いるダイボンダの加熱部
の主要部の模式断面図、第２図は本発明により製造され
る半導体レーザ素子の主要部断面図、第３図は従来のレ
ーザ素体の接合方式に用いられたダイボンダの加熱部の
主要部の模式断面図第４図、第５図、第６図はそれぞれ
本発明の異なる実施例に用いるダイボンダの加熱部の主
要部の模式断面図である。 １：半導体レーザ素体、２：活性層、３，４：電極金属
、５：ろう材、６：金属層、７：放熱体、９：治具、１
０：ヒート治具、１１．２３．３１：ヒータ、２０：コ
レット＝３０：フレームレストーチ、４０：レーザ光加
熱器、４３：レーザ光。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体レーザ素体をその一面に当接する保持具によ
   り保持して他面側の電極表面を放熱体の表面の所定の部
   分に被着させたろう材に接触させてレーザ素体の電極表
   面を放熱体の表面の所定の部分にろう付けするに際し、
   保持具に熱源を備え、レーザ素体の電極表面をろう材に
   接触させる前にレーザ素体の温度をろう材の融点以上に
   なるまで加熱しておき、レーザ素体の電極表面をろう材
   に接触させてろう材を溶融させたのち、保持具をレーザ
   素体から離脱させてろう材を凝固させることを特徴とす
   る半導体レーザ素子の製造方法。２）請求項１記載の方
   法において、レーザ素体の電極表面を放熱体表面上のろ
   う材に接触させる前に放熱体をろう材の融点以下の温度
   に加熱しておく半導体レーザ素子の製造方法。 ３）半導体レーザ素体をその一面に当接する保持具によ
   り保持して他面側の電極表面を放熱体の表面の所定の部
   分に被着させたろう材に接触させてレーザ素体の電極表
   面を放熱体の表面の所定の部分にろう付けするに際し、
   保持具に熱源を備え、レーザ素体の電極表面をろう材に
   接触させる前にレーザ素体を加熱しておくと共にろう材
   を溶融させておき、レーザ素体の電極表面を溶融したろ
   う材に接触させたのち、保持具をレーザ素体から離脱さ
   せてろう材を凝固させることを特徴とする半導体レーザ
   素子の製造方法。 ４）請求項３記載の方法において、加温した不活性気体
   を接触させることによりろう材を溶融させておく半導体
   レーザ素子の製造方法。 ５）請求項３記載の方法において、レーザ光を照射する
   ことによりろう材を溶融させておく半導体レーザ素子の
   製造方法。