JPWO2019176912A1 - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

表面と、裏面と、表面と裏面とをつなぐ側面とを備えたサブマウントと、サブマウントの表面上にはんだ接合された半導体素子と、サブマウントの裏面上にはんだ接合されたブロックとを含み、半導体素子は、サブマウントの第１側面より外方に突出し、サブマウントの第１側面と直交する第２側面および第３側面に、それぞれサブマウントの表面から裏面方向に向かって凹部が形成され、凹部は、サブマウントの表面をコレットで吸着した状態で、コレットの凸部が凹部に固定されるように配置される。

Description

本発明は、半導体モジュールおよびその製造方法に関し、特に、光通信に用いられる光半導体モジュールおよびその製造方法に関する。

光半導体モジュールが内蔵されているトランシーバは、光通信システムにおいて不可欠な部品であり、需要の増加に伴い小型化や低コスト化が強く望まれている。
光半導体モジュールの製造工程では、セラミック基板等のサブマウントに予めはんだ接合された光半導体素子が、例えば角錐コレットで真空吸着されて、ステム等の支持体にはんだで固定される。このとき、はんだを確実に接合面全体に濡れ広がらせ、かつはんだ膜厚を均一にするために、支持体に対してサブマウントのスクラブ（こすり付け）が行なわれる。また、角錐コレットにより光半導体素子と外部光学系との間の光軸合わせが行われる。

角錐コレットは、先端部に四角形の凹部を有し、凹部の内壁にサブマウントの４つの側面が接触した状態で、凹部内を排気し、真空吸着によりサブマウントを保持する。スクラブ工程において、サブマウントが角錐コレットの凹部にすれてサブマウントの表面に傷がついたり、サブマウントの周囲が欠けるのを防止するために、例えば、サブマウントの周囲に沿って段差を設けて、サブマウントの表面に角錐コレットの凹部が接触しない構造も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−３１５４８６号公報

しかしながら、光半導体モジュールの小型化に伴い、サブマウントを小さくし、サブマウントの上に固定された光半導体素子がサブマウントの外周から飛び出した構成とした場合、内部に凹部を有する角錐コレットでは、角錐コレットが光半導体素子に接触し、十分な吸着が出来なくなったり、光半導体素子が破損するという問題があった。

一方で、表面が平坦なコレットを用いてサブマウントの表面を吸着することも可能であるが、スクラブ工程で吸着の位置がずれたり、吸着自体がはずれるという問題があった。

そこで、本発明は、サブマウントの上に固定された光半導体素子がサブマウントの外周から飛び出した構成等においても、コレットで吸着してスクラブが可能な半導体モジュールの提供を目的とする。

本発明の１つの態様は
第１の部材と、
表面と、裏面と、前記表面と前記裏面とをつなぐ側面とを備え、前記第１の部材と前記裏面とが接合材を介して接合された第２の部材と、を含み、
前記側面は、該１側面と、該第１側面の両側にそれぞれ配置された第２側面および第３側面を含み、
第１側面に半導体素子が設けられ、
前記第２側面および前記第３側面に、それぞれ前記第２の部材の前記表面から前記裏面の方向にむかって凹部が形成されたことを特徴とする半導体モジュールである。

本発明の他の態様は、
第１の部材と、
表面と、裏面と、前記表面と前記裏面とをつなぐ側面とを備え、前記第１の部材と前記裏面とが接合材を介して接合された第２の部材と、を含み、
前記側面は、該１側面と、該第１側面の両側にそれぞれ配置された第２側面および第３側面を含み、
前記第２の部材の表面に含まれる接続領域に半導体素子が設けられ、
前記第２側面および前記第３側面に、それぞれ前記第２の部材の前記表面から前記裏面の方向にむかって凹部が形成され、
前記凹部は、前記第２の部材の前記表面に開口部を有し、前記開口部は前記接続領域から離間して設けられ、前記開口部の幅は、前記第２側面および前記第３側面の幅より小さいことを特徴とする半導体モジュールである。

本発明の他の態様は、
半導体素子を搭載した第２の部材を、第１の部材に接合する半導体モジュールの製造方法であって、
コレットで前記第２の部材の表面を吸着し、かつ前記コレットの凸部を、前記第２の部材に形成された少なくとも２つの凹部に挿入して固定する工程と、
前記第２の部材を、接合材を介して第１の部材に搭載する工程と、
前記コレットで前記第１の部材を前記第２の部材の表面に向かって押圧しながらスクラブする工程と、
を含むことを特徴とする半導体モジュールの製造方法である。

本発明の他の態様は、
表面と、裏面と、表面と裏面とをつなぐ側面とを備えたサブマウントと、
前記サブマウントの表面上にはんだ接合された半導体素子と、
前記サブマウントの裏面上にはんだ接合されたブロックと、を含み、
前記半導体素子は、前記サブマウントの第１側面より外方に突出し、
前記サブマウントの第１側面と直交する第２側面および第３側面に、それぞれ前記サブマウントの表面から裏面方向に向かって凹部が形成され、
前記凹部は、前記サブマウントの表面をコレットで吸着した状態で、前記コレットの凸部が前記凹部に固定されるように配置されたことを特徴とする半導体モジュールである。

本発明の他の態様は、
表面と、裏面と、表面と裏面とをつなぐ側面とを備えたサブマウントと、
前記サブマウントの第１側面上にはんだ接合された半導体素子と、
前記サブマウントの裏面上にはんだ接合されたブロックと、を含み、
前記サブマウントの第１側面と直交する第２側面および第３側面に、それぞれ前記サブマウントの表面から裏面方向に向かって凹部が形成され、
前記凹部は、前記サブマウントの表面をコレットで吸着した状態で、前記コレットの凸部が前記凹部に固定されるように配置されたことを特徴とする半導体モジュールである。

本発明の他の態様は、
表面と裏面とを備えたサブマウントと、
前記サブマウントの表面上にはんだ接合された半導体素子と、
表面と、裏面と、表面と裏面とをつなぐ側面とを備えたブロックと、を含み、
前記サブマウントが、前記ブロックの第１側面上にはんだ接合され、
前記ブロックの第１側面と直交する第２側面および第３側面に、それぞれ前記ブロックの表面から裏面方向に向かって凹部が形成され、
前記凹部は、前記ブロックの表面をコレットで吸着した状態で、前記コレットの凸部が前記凹部に固定されるように配置されたことを特徴とする半導体モジュールである。

本発明の他の態様は、
表面と裏面とを備えたサブマウントと、
前記サブマウントの表面上にはんだ接合された半導体素子と、
表面と、裏面と、表面と裏面とをつなぐ側面とを備えたブロックと、を含み、
前記サブマウントが、前記ブロックの表面上にはんだ接合され、
前記サブマウントは、前記ブロックの第１側面より外方に突出し、
前記ブロックの第１側面と直交する第２側面および第３側面に、それぞれ前記ブロックの表面から裏面方向に向かって凹部が形成され、
前記凹部は、前記ブロックの表面をコレットで吸着した状態で、前記コレットの凸部が前記凹部に固定されるように配置されたことを特徴とする半導体モジュールである。

本発明の他の態様は、
このような半導体モジュールの製造方法であって、
前記サブマウントに前記半導体素子をはんだ接合する工程と、
前記コレットで前記サブマウントの表面を吸着し、かつ前記コレットの凸部を前記サブマウント凹部に挿入して固定する工程と、
前記ブロックの表面上ではんだを溶融させ、前記コレットで前記サブマウントを前記ブロックの表面に向かって押圧しながらスクラブする工程と、
前記コレットで前記サブマウントを所定の位置に保持しながら前記はんだを冷却し、前記ブロックの表面上に前記サブマウントをはんだ接合する工程と、
前記コレットの吸着を解除し、前記コレットの凸部を前記サブマウントの凹部から抜去する工程と、
を含むことを特徴とする半導体モジュールの製造方法である。

本発明の他の態様は、
このような半導体モジュールの製造方法であって、
前記サブマウントに前記半導体素子をはんだ接合する工程と、
前記サブマウントを前記ブロックにはんだ接合する工程と、
前記コレットで前記ブロックの表面を吸着し、かつ前記コレットの凸部を前記ブロックの凹部に挿入して固定する工程と、
サーモモジュールの表面上ではんだを溶融させ、前記コレットで前記ブロックを前記サーモモジュールの表面に向かって押圧しながらスクラブする工程と、
前記コレットで前記ブロックを所定の位置に保持しながら前記はんだを冷却し、前記サーモモジュールの表面上に前記ブロックをはんだ接合する工程と、
前記コレットの吸着を解除し、前記コレットの凸部を前記凹部から抜去する工程と、
を含むことを特徴とする半導体モジュールの製造方法である。

本発明にかかる半導体モジュールでは、コレットが半導体レーザチップ等に接触することなく、サブマウントやブロックを吸着できる。これにより、スクラブにより、はんだを確実に接合面全体に濡れ広がらせ、かつはんだ膜厚を均一にすることができる。またスクラブ終了後、コレットを所定の位置に移動させて冷却することで、接合位置の正確な制御が可能となり、特に半導体レーザチップの正確な光軸調整が可能となる。さらにサブマウントやブロックに設けられた凹部の内壁にもフィレットが形成されるため、耐熱衝撃性に優れたはんだ接合を得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる光半導体モジュールの（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。 従来のサブマウントをコレットで吸着した場合の模式図である。 本発明の実施の形態１にかかるサブマウントをコレットで吸着した場合の、（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる光半導体モジュールに使用される他のサブマウントの平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる光半導体モジュールに使用される他のサブマウントの平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる光半導体モジュールに使用される他のサブマウントの平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる光半導体モジュールに使用される他のサブマウントの平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる光半導体モジュールに使用される他のサブマウントの平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる光半導体モジュールに使用される他のサブマウントの（ａ）平面図および（ｂ）Ｘ軸方向に見た場合の側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の光半導体モジュールの（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の光半導体モジュールの（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。 本発明の実施の形態２にかかる光半導体モジュールの（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。 本発明の実施の形態２にかかる光半導体モジュールに使用される他のブロックの平面図である。 本発明の実施の形態２にかかる光半導体モジュールに使用される他のブロックの平面図である。 本発明の実施の形態２にかかる光半導体モジュールに使用される他のブロックの平面図である。 本発明の実施の形態２にかかる光半導体モジュールに使用される他のブロックの平面図である。 本発明の実施の形態２にかかる光半導体モジュールに使用される他のブロック（ａ）平面図および（ｂ）Ｘ軸方向に見た場合の側面図である。 本発明の実施の形態２にかかる他の光半導体モジュールの（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。 本発明の実施の形態２にかかる他の光半導体モジュールの（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。 本発明の実施の形態２にかかる他の光半導体モジュールの（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。

本発明の実施の形態にかかる光半導体モジュールについて、図を参照しながら以下に説明する。各図において、同一または相当箇所には同じ符号を付している。また、説明が不必要に冗長になるのを避けて理解を容易にするために、既によく知られた事項の詳細な説明および実質的に同一の構成に対する重複した説明は省略する場合がある。なお、以下の説明および図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

各図の間では、対応する各構成部分のサイズあるいは縮尺はそれぞれ独立している。例えば、構成の一部を変更した図と変更していない図において、同一構成部分のサイズあるいは縮尺が異なっている場合もある。また、光半導体モジュールについて、実際に実施する場合は、さらにいくつかの構成を備える必要があるが、説明を簡単にするために、説明に必要な部分のみを記載しその他の部分については説明を省略している。

なお、以下においては、半導体レーザチップを用いた光半導体モジュールを例に説明するが、光以外にも、同様の課題を有する電力用の半導体モジュールや通常電流を扱う半導体モジュールに対しても、本発明を適用することは可能である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる光半導体モジュールの（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。光半導体モジュール１００は、ブロック３０を有する。ブロック３０には、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｌ等の金属、セラミックや樹脂等の絶縁体に金属が被覆されたもの等、熱および電気を良く伝達する材料が用いられる。ブロック３０は、Ｚ軸と直交する表面および裏面を有する。ブロック３０は、直方体形状、板状等でもよく、特に形状は問わない。

ブロック３０の表面には、はんだ６０によりサブマウント２０が接合されている。サブマウント２０の表面には、はんだ７０により半導体レーザチップ１０が接合されている。
一方、ブロック３０の裏面には、はんだ８０によりサーモモジュール４０が接合されている。

サーモモジュール４０は、吸熱部４１と放熱部４２を有し、吸熱部４１が受けた熱を、ペルチェ素子を介して放熱部４２に伝達し、放熱部４２から例えば金属ステム等（図示せず）に放出する。このようにして、半導体レーザチップ１０は、サーモモジュール４０によって、その温度が制御され、安定動作が可能となる。

サブマウント２０は、セラミック基板２１と、セラミック基板２１の表面に設けられた導体パターン２２と、セラミック基板２１の裏面に設けられた導体パターン２３とを含む。セラミック基板２１は電気的絶縁体であり、半導体レーザチップ１０を効果的に冷却するために、熱伝導率の大きい材料であることが好ましい。例えば厚さ０．３ｍｍのＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミック基板が用いられる。

導体パターン２２、２３は、同じ材料から形成されることが好ましい。導体パターン２２には、半導体レーザチップ１０のレーザ出力側の一部がサブマウント２０の外周から外部に突出した状態で、半導体レーザチップ１０がはんだ７０によって接合される。また、導体パターン２２は、Ａｕワイヤ等により、半導体レーザチップ１０等と電気的に接続される。導体パターン２２は、半導体レーザチップ１０と、外部の回路（図示せず）とを電気的に接続するための配線部材でもあるため、電気抵抗の小さい金属から形成されることが好ましい。導体パターン２２、２３は、一般的には、例えば厚さ３．０μｍ以下のＡｕ等によるメタライズにより形成される。なお、導体パターン２２、２３は薄膜であるため、図１（ｂ）等では厚みは示されていない。

セラミック基板２１の４つの側面の内、半導体レーザチップ１０が突出する方向と直交する２つの側面（図１ではＸ軸に直交する側面）には、凹部２５が形成されている。凹部２５は、ＸＹ断面が半円形の半円柱形状であり、この断面形状はＺ軸方向で同じである。
図１では、２つの凹部２５は対向配置されているが、後述するように他の配置も可能である。

凹部２５の側面を含む、サブマウント２０の導体パターン２３と接する側面には導体パターン２３の全周に渡って、導体パターン２３と接する位置から０．１ｍｍの高さまで、側面上に導体パターン２４が形成されている。これにより、はんだ６０が導体パターン２４の上に濡れ上がってフィレットを形成することで、ブロック３０との接合が強化される。

半導体レーザチップ１０は、セラミック基板２１の表面に設けられた導体パターン２２の上に、はんだ７０で固定される。半導体レーザチップ１０の一部、例えばレーザ出力側の一部は、例えば図１に示すように、Ｚ軸方向に見た場合に、サブマウント２０の周囲から外方に突出するように固定される。半導体レーザチップ１０は、例えばＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）であり、電気信号を光信号に変換し、またはその逆の変換を行う。

なお、図１に示す光半導体モジュール１００では、コンデンサ、金属ステム、サーモスタット、ワイヤ等の他の構成については省略してある。

はんだ６０は、サブマウント２０の裏面に形成された導体パターン２３に、ブロック３０を接合する。はんだ６０によってサブマウント２０がブロック３０に接合される工程では、ブロック３０は、既にはんだ８０によりサーモモジュール４０に接合されている。このため、はんだ６０は、はんだ６０の接合時にはんだ８０が再溶融しないように、融点がはんだ８０の融点より低く、熱伝導率の大きい金属であることが好ましい。一般に、はんだ材料として、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｕ，Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇｅ等を含有し、その融点が４５０℃未満の合金が用いられるが、はんだ６０には、主にＳｎ、Ａｇ、Ｃｕ等を含有し、その融点が２５０℃未満の合金を用いることが好ましい。また、はんだ６０の厚さは、良好な放熱性を得るために、０．１ｍｍ以下とすることが好ましい。はんだ６０を溶融してはんだ接合するためには、例えばサーモモジュール４０の裏面からのホットプレートによる全体加熱が行われる。

はんだ７０は、サブマウント２０の上面に形成された導体パターン２２に、半導体レーザチップ１０を接合する。はんだ７０により半導体レーザチップ１０がサブマウント２０に接合される工程では、サブマウント２０は、まだブロック３０に接合されていない。このため、はんだ７０は、はんだ６０の接合時にはんだ７０が再溶融しないように、融点がはんだ６０の融点より高く、熱伝導率の大きい金属であることが好ましい。はんだ７０には、主にＡｕ、Ｓｎ、Ｇｅ等を含有し、その融点が２５０℃以上の合金を用いるのが好ましい。また、はんだ７０の厚さは良好な放熱性を得るために、はんだ６０と同様に、０．１ｍｍ以下とすることが好ましい。

はんだ８０は、サーモモジュール４０の吸熱部４１の表面と、ブロック３０の裏面とを接合する。はんだ８０によりブロック３０が吸熱部４１に接合された後に、半導体レーザチップ１０がはんだ７０によって接合されたサブマウント２０が、ブロック３０の表面にはんだ６０によって接合される。このため、はんだ８０は、はんだ６０の接合時にはんだ８０が再溶融しないように、融点がはんだ６０の融点より高く、熱伝導率の大きい金属であることが好ましい。はんだ８０には、主にＡｕ、Ｓｎ、Ｇｅ等を含有し、その融点が２５０℃以上の合金を用いることが好ましい。加えて、サーモモジュール４０の耐熱温度未満、例えば融点が３５０℃未満の合金であることが好ましい。

サブマウント２０をブロック３０の表面にはんだ接合する工程では、はんだを確実に部材全体に濡れ広がらせ、かつはんだ膜厚の偏りによるサブマウント２０の傾きを防ぐために、ブロック３０の表面上でサブマウント２０のスクラブが行われる。加えて、サブマウント２０に予め固定された半導体レーザチップ１０と外部光学系（図示せず）との間の光軸を合わせるのに正確な位置合わせが必要となる。このため、従来は、図２の断面図に示すような、先端に４角錐の凹部５０１を有し、真空源に通じる流路５０２が凹部５０１に接続されたコレット５００で、サブマウント２０を４辺が凹部５０１の内壁に接触するように吸着した状態で、搬送とはんだ接合を行っていた。

このコレット５００でサブマウント２０をブロック３０に向かって加圧した状態で、コレット５００を図２のＸ−Ｙ面内で移動させることにより、サブマウント２０のスクラブを行っていた。サブマウント２０はコレット５００で加圧されている状態では、スクラブしてもコレット５００内で位置ズレしないため、スクラブ終了時にコレット５００を所定の位置に移動させて冷却することで、サブマウント２０の正確な位置調整を行うことができた。

しかし、光半導体モジュールの小型化に伴い、サブマウント２０も小さくなり、例えば図１に示すように、半導体レーザチップ１０の一部が、サブマウント２０の周囲から外部に突出した状態でサブマウント２０の表面に固定される場合がある。このような場合、従来のコレット５００を用いると、コレット５００の凹部５０１がサブマウント２０の周囲から突出した半導体レーザチップ１０に接触して、半導体レーザチップ１０が破損したり、剥離するといった問題が生じた。

かかる問題を解決するために、本発明の実施の形態１では、サブマウント２０の４つの側面の内、半導体レーザチップ１０が突出する方向と直交する２つの側面に、ＸＹ断面が半円形状の円柱形の凹部２５を形成し、この凹部２５をコレットで挟んでサブマウントを保持する。

具体的には、図３に示すように、コレット３００は、２つの凸部３０１と、真空源に通じる流路３０２とを備える。２つの凸部３０１は、それぞれ四角柱形状である。コレット３００の底面がサブマウント２０の表面に接した状態で、真空源で流路３０２を排気することにより、コレット３００にサブマウント２０が真空吸着される。吸着は、サブマウント２０の表面の、半導体レーザチップ１０がはんだ接合されていない部分にコレット３００を接触させて行われる。また、この状態で、凸部３０１が凹部２５の側面に接する状態で凹部２５の中に挿入される。これにより、コレット３００にサブマウント２０が固定され、スクラブを行っても、コレット３００からサブマウント２０が外れたり、相対位置がずれることがない。

図３に示すように、コレット３００でサブマウント２０を吸着した状態で、四角柱の凸部３０１の中心軸が、サブマウント２０の凹部２５の中心軸と一致することが好ましい（図３において中心軸をａで表す）。

コレット３００でサブマウント２０を吸着することにより、コレット３００が半導体レーザチップ１０に接触することなくサブマウント２０を吸着でき、半導体レーザチップ１０が破壊したり、剥離したりするのを防止できる。

コレット３００でサブマウント２０を吸着する場合、半導体レーザチップ１０やはんだ７０が凹部２５の開口部に重なっていると、コレット３００の凸部３０１を凹部２５に挿入する際に、凸部３０１が半導体レーザチップ１０に接触して、半導体レーザチップ１０を破損する。このため、半導体レーザチップ１０がはんだ７０で接合される導体パターン２２は、凹部２５の開口部や、コレット３００がサブマウント２０に接触する部分に配置されないように設計する必要がある。例えば、コレット３００の凸部３０１が半導体レーザチップ１０に接触するのを防止するため、図１に示すように、凹部２５は、半導体レーザチップ１０のレーザ出力方向に存在する側面と直交する側面に設けることが好ましい。

また、図３のＸ−Ｙ平面で見た場合（図３（ａ））に、凸部３０１の中心から角部までの長さを、凹部２５の半径と等しくなるように設計することで、サブマウント２０をコレット３００で吸着した場合に、凹部２５の内壁に凸部３０１の角部が接触し、サブマウント２０がコレット３００に固定される。このコレット３００でサブマウント２０をブロック３０に加圧した状態で、コレット３００を図３のＸ−Ｙ面内で移動させると、サブマウント２０は凹部２５に挿入された凸部３０１に固定された状態で、コレット３００と一緒に移動し、スクラブを行える。コレット３００とサブマウント２０との位置ズレが生じないため、スクラブ終了時にコレット３００を所定の位置に移動させて冷却することで、サブマウント２０の正確な位置合わせをすることができる。

また、Ｘ−Ｙ平面において、サブマウント２０の凹部２５を半円形、コレット３００の凸部３０１を４角柱とすることで、凹部２５に凸部３０１が接触する部分が凸部３０１の角部である計４箇所のみとなるため、凹部２５に凸部３０１を挿入／抜去する際に大きな摩擦が加わることなく、容易に挿入／抜去することができる。

さらに、Ｘ−Ｙ平面において、サブマウント２０の凹部２５を半円形のような特徴的な形状とすることで、サブマウント２０の位置をカメラで認識しやすくなる。このため、製造工程において、コレット３００の位置決めや、ブロック３０にはんだ接合する場合にサブマウント２０の位置決めを正確に行うことができる。

はんだ接合する場合、余分なはんだ６０はスクラブによってサブマウント２０の外側に排出される。サブマウント２０の外側に排出されたはんだ６０が、サブマウント２０の周囲の導体パターン２２の上を濡れ広がると共に、導体パターン２２の周囲に沿って導体パターン２３と接するサブマウント２０の側面に形成された導体パターン２４の上に濡れ上がる。導体パターン２４は凹部２５の中にも形成されているため、凹部２５の内壁も含めてフィレットが形成される。この結果、従来のサブマウントのはんだ接合と比較して、より耐熱衝撃性に優れたはんだ接合を得ることができ、より信頼性の高い光半導体モジュール１００を得ることができる。

加えて、はんだ６０が導体パターン２４に沿って濡れ上がることで、供給するはんだ量が少なく、スクラブによってはんだがサブマウント２０の周囲に排出されない場合でも、凹部２５内にはんだが濡れ上がり、導体パターン２３全面にはんだ接合されているかを外観で検査することができる。

以上で説明したように、光半導体モジュール１００では、サブマウント２０の凹部２５は、サブマウント２０の対向する２つの側面の、同じＹ座標上（図３参照）に、半円形状の中心が来るように設けられている。しかし、凹部２５の位置や形状は、コレットで吸着した状態でサブマウント２０を固定できれば、以下に示すような他の配置でも良い。

図４Ａ〜図４Ｆは、本発明の実施の形態１にかかる、他のサブマウント２０の平面図であり、図４Ａ〜図４Ｆ中、図３と同一符合は、同一または相当箇所を示す。例えば、図４Ａに示すように、凹部２５を、対向する２つの側面の異なるＹ座標の位置に設けても良いし、図４Ｂに示すように、対向する角部に設けても良い。また、図４Ｃに示すように、Ｘ−Ｙ平面における凹部２５の形状を、角部にＲ面を設けた四角形としても良い。

また、図４Ｄに示すように、凹部２５を、サブマウント２０内に形成されたスルーホールとしても良い。図４Ｄでは、円柱形状のスルーホールとしたが、四角柱や多角柱形状でも構わない。

さらに、図４Ａ〜図４Ｄでは、凹部２５はサブマウント２０の表面から裏面まで貫通しているが、図４Ｅに示すように、サブマウント２０の表面から形成された凹部２５は、裏面まで貫通しなくてもよい。図４Ａ〜図４Ｄの凹部２５を、このように貫通しない構造としても良い。

また、図４Ａ〜図４Ｅでは、凹部２５のＸ−Ｙ平面での断面は、Ｚ軸方向で同じであるが、図４Ｆで示すように、凹部２５の内壁は、凹部２５のＸ−Ｙ平面での断面が下方に向かって漸次小さくなるようなテーパ形状としても良い。このようなテーパ形状とすることで、コレット３００の凸部３０１をサブマウント２０の凹部２５に挿入する際に、凸部３０１と凹部２５の位置が少々ずれていても、凹部２５の内壁に沿って凸部３０１が誘い込まれることで、位置ズレが修正される。この場合、コレット３００の底面がサブマウント２０の上面に接触した状態で、凹部２５の下端が凹部２５の内壁に接して固定されることが好ましい。

また、図１では、半導体レーザチップ１０のレーザ出力側の一部が、サブマウント２０の周囲から外方に突出した状態で、半導体レーザチップ１０とサブマウント２０が接合されているが、半導体レーザチップ１０の種類や接合位置は、これに限るものではない。例えば、図５に示すように、半導体レーザチップ１０がサブマウント２０の周囲から突出しない場合であっても、サブマウント２０を従来のコレット５００で吸着した場合に、コレット５００の内壁がサブマウント２０と接触するような場合にも適用できる。図５は、全体が１１０で表される、本発明の実施の形態１にかかる、他の光半導体モジュールであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図５中、図１と同一符合は同一または相当箇所を示す。

光半導体モジュール１１０では、半導体レーザチップ１０がサブマウント２０の周囲から外方に突出した構成ではないが、例えば、半導体レーザチップ１０の厚みが大きい等の理由で、角錐コレットの凹部５０１の内壁が、吸着時に半導体レーザチップ１０と接触する。このような場合、図３に示されたコレット３００を用いることにより、コレット３００が半導体レーザチップ１０に接触することなく、吸着が可能となる。

光半導体モジュール１１０では、上述の光半導体モジュール１００と同様に、対向する２つの側面に、半円柱形状の凹部２５がそれぞれ設けられている。コレット３００の底面は、サブマウント２０の上面（図５では、半導体レーザチップ１０の左側）に接触し、サブマウント２０を吸着する。この状態で、コレット３００の凸部３０１は、サブマウント２０の凹部２５に挿入されて、サブマウント２０をコレット３００に固定する。

図６は、全体が１２０で表される、本発明の実施の形態１にかかる他の光半導体モジュールであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図６中、図１と同一符合は同一または相当箇所を示す。

光半導体モジュール１２０では、サブマウント２０の１つの側面に、半導体レーザチップ１０がはんだ７０で接合されている。他の構成は光半導体モジュール１００と同様で、半導体レーザチップ１０が固定された側面と直交する、対向する２つの側面に、半円柱形状の凹部２５がそれぞれ設けられている。コレット３００の底面は、サブマウント２０の上面に接触し、サブマウント２０を吸着する。この状態で、コレット３００の凸部３０１は、サブマウント２０の凹部２５に挿入されて、サブマウント２０をコレット３００に固定する。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる光半導体モジュール１００、１１０、１２０では、半導体レーザチップ１０の一部が、サブマウント２０の外周から突出した構成のように、従来の角錐コレットでは半導体レーザチップ１０と角錐コレットが接触するような構成でも、コレット３００が半導体レーザチップ１０に接触することなく、サブマウント２０を吸着できる。また、サブマウント２０が対向する側面に凹部２５を有し、コレット３００の凸部３０１と接触して保持されることにより、サブマウント２０のはんだ接合時に、サブマウント２０の吸着がはずれたり、吸着位置がずれたりすることなく、サブマウント２０をブロック３０上でスクラブすることができる。これにより、はんだを確実に接合面全体に濡れ広がらせ、かつはんだ膜厚を均一にすることができる。またスクラブ終了後、コレットを所定の位置に移動させて冷却することで、サブマウント２０の正確な位置あわせが可能となり、サブマウント２０に搭載された半導体レーザチップ１０の正確な光軸調整が可能となる。加えて、凹部２５の内壁も含めてフィレットが形成されるため、耐熱衝撃性に優れたはんだ接合を得ることができる。

このような構造では、半導体レーザチップ１０との接合に必要なサブマウント２０の表面の面積が小さくなり、サブマウント２０等を小型化でき、材料を削減できる。これにより、光半導体モジュールの小型化、および低コスト化が可能となる。

実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる光半導体モジュールであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。図７中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

光半導体モジュール２００では、半導体レーザチップ１０が固定されたサブマウント２０が、ブロック３０の１つの側面に、はんだ６０で接合されている。サブマウント２０には、凹部は設けられず、代わりに、ブロック３０の側面に凹部３５が設けられている。他の構成は、光半導体モジュール１００と同じである。ここでは、光半導体モジュール１００との相違点を中心に説明し、同一部分については説明を省略する。

本発明の実施の形態２にかかる光半導体モジュール２００では、半導体レーザチップ１０がはんだ７０によりサブマウント２０に接合され、このサブマウント２０がブロック３０の側面にはんだ６０で固定されている。サブマウント２０の表面は、Ｙ軸に直交するように配置される。

さらに、サブマウント２０は凹部を有さず、代わりにブロック３０の側面に、半円柱形状の凹部３５が形成されている。凹部３５は、サブマウント２０が固定された側面に直交する２つの側面に、対向配置される。ブロック３０は、サーモモジュール４０の吸熱部４１の表面に、はんだ８０で固定される。

実施の形態２では、上述のコレット３００を用いて、ブロック３０の表面にコレット３００が接触した状態で、流路３０２内を真空源で排気し、ブロック３０の表面を真空吸着する。このとき、２つの凸部３０１は、ブロック３０の側面に形成された凹部３５に挿入され、ブロック３０を固定する。コレット３００の四角柱の凸部３０１の中心軸は、ブロック３０の凹部３５の中心軸と一致することが好ましい。コレット３００のサイズ、例えば四角柱の凸部３０１のサイズや間隔、配置等は、ブロック３０を固定できるように適宜設計される。

コレット３００でブロック３０を吸着した状態で、サーモモジュール４０の吸熱部４１の上に、はんだ８０を用いてブロック３０を接合する。この際、コレット３００でブロック３０を吸着した状態で、サーモモジュール４０の表面に向かってブロック３０を押圧しながらＸ−Ｙ平面で移動させてスクラブすることにより、サーモモジュール４０の表面全体にはんだを確実に濡れ広がらせ、かつはんだ膜厚を一定にし、ブロック３０の傾きを防止できる。

ブロック３０のサーモモジュール４０とはんだ接合される表面と、それに接する側面（凹部３５の内壁も含む）に、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ等のはんだが濡れ広がるように、めっき、スパッタ、蒸着等を施すことで、凹部３５の内壁も含めて側面にもフィレットが形成され、耐熱衝撃性に優れたはんだ接合を得ることができる。なお、ブロック３０の材料として、はんだが濡れ広がる材料を使用している場合は、めっき、スパッタ、蒸着等がなくてもフィレットが形成される。

このように、ブロック３０をコレット３００で吸着する工程において、ブロック３０の側面に固定されたサブマウント２０および半導体レーザチップ１０にコレット３００は接触せず、半導体レーザチップ１０等の剥離や破損を防止できる。

また、実施の形態１と同様に、Ｘ−Ｙ平面において、コレット３００の凸部３０１の中心から角部までの長さを、半円柱状の凹部３５の半径と等しくなるように設計することで、凹部３５の内壁にコレット３００の凸部３０１の角部が接触した状態でブロック３０が固定される。これにより、コレット３００位置ズレが生じなくなり、スクラブ終了時にコレット３００を所定の位置に移動させて冷却することで、ブロック３０の正確な位置調整が可能となる。

加えて、ブロック３０の凹部３５を半円柱形状、コレット３００の凸部３０１を四角柱形状とすることで、凹部３５と凸部３０１が接触する部分が凸部３０１の四隅のみとなるため、挿入時や抜去時に大きな摩擦が加わることなく、コレット３００の凸部３０１をブロック３０にスムーズに挿入および抜去することができる。

実施の形態２では、凹部３５の位置は、ブロック３０の対向する２つの側面の、同じＹ座標（図７）に、円柱形状の凹部３５の中心軸が来るように配置されているが、２つの凹部３５の位置や形状は、上述の実施の形態１と同様に、コレットで吸着した状態でブロック３０を固定できれば、他の形状や配置でも良い。

図８Ａ〜図８Ｅは、本発明の実施の形態２にかかる、他のブロック３０の平面図であり、図８Ａ〜図８Ｅ中、図７と同一符合は、同一または相当箇所を示す。例えば、図８Ａに示すように、凹部３５を、対向する２つの側面の異なるＹ座標の位置に設けても良いし、図８Ｂに示すように、Ｘ−Ｙ平面における凹部２５の形状を、角部にＲ面を設けた四角形としても良い。

また、図８Ｃに示すように、凹部３５を、ブロック３０内に形成されたスルーホールとしても良い。図８Ｃでは、円柱形状のスルーホールとしたが、四角柱形状や多角柱形状でも構わない。

さらに、図８Ａ〜図８Ｃでは、凹部３５はブロック３０の表面から裏面まで貫通しているが、図８Ｄに示すように、ブロック３０の表面から形成された凹部３５は、裏面まで貫通しなくてもよい。図８Ａ〜図８Ｃの凹部３５を、このように貫通しない構造としても良い。

また、図８Ｄに示すように、凹部２５の内壁は、凹部３５のＸ−Ｙ平面での断面が下方に向かって漸次小さくなるようなテーパ形状としても良い。このようなテーパ形状とすることで、コレット３００の凸部３０１をブロック３０の凹部３５に挿入する際に、凸部３０１と凹部３５の位置が少々ずれていても、凹部３５の内壁に沿って凸部３０１が誘い込まれることで、位置ズレが修正される。この場合、コレット３００の底面がブロック３０の上面に接触した状態で、凹部３５の下端が凹部３５の内壁に接して固定されることが好ましい。

図９〜図１１は、本発明の実施の形態２にかかる、他の光半導体モジュール２１０、２２０、２３０であり、それぞれ（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。図９〜図１１において、図７と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

図７に示す光半導体モジュール２００では、サブマウント２０とブロック３０とを接合するはんだ６０がブロック３０の表面にも回り込んでいるが、例えば図９に示す光半導体モジュール２１０のように、はんだ６０はブロック３０の側面にのみ接合されてもよい。

また、図１０に示す光半導体モジュール２２０のように、半導体レーザチップ１０が表面に固定されたサブマウント２０が、ブロック３０の周囲から外方に突出した状態で、ブロック３０の表面に固定されている場合も、サブマウント２０が突出する側面と直交する、ブロック３０の２つの側面に、凹部３５を設けても良い。

さらに、図１１に示す光半導体モジュール２３０では、上述の光半導体モジュール２００が、さらに、ブロック３０の表面上に、コンデンサ９１やアンプ基板９５等の必要な他の部品を備えている。このように、半導体レーザチップ１０が固定されたサブマウント２０をブロック３０の側面上に配置することで、コンデンサ９１等の他の部品をブロック３０の表面上に配置することができ、光半導体モジュール２３０を小型化できる。このような光半導体モジュール２３０でも、コレット３００を用いてスクラブおよび正確な位置合わせが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態２にかかる光半導体モジュール２００、２１０、２２０、２３０では、半導体レーザチップ１０を搭載したサブマウント２０がブロック３０の外周から突出した構成のように、従来の角錐コレットでは半導体レーザチップ１０やサブマウント２０と角錐コレットが接触するような構成でも、コレット３００が半導体レーザチップ１０やサブマウント２０に接触することなく、ブロック３０を吸着できる。また、ブロック３０が対向する側面に凹部３５を有し、コレット３００の凸部３０１と接触して保持されることにより、ブロック３０のはんだ接合時に、ブロック３０の吸着がはずれたり、吸着位置がずれたりすることなく、ブロック３０をサーモモジュール４０上でスクラブできる。これにより、はんだを確実に接合面全体に濡れ広がらせ、かつはんだ膜厚を均一にすることができる。またスクラブ終了後、コレット３００を所定の位置に移動させて冷却することで、ブロック３０の正確な位置あわせが可能となり、半導体レーザチップ１０の正確な光軸調整が可能となる。加えて、凹部３５の内壁も含めてフィレットが形成されるため、耐熱衝撃性に優れたはんだ接合を得ることができる。

本発明の実施の形態では、接合材にはんだを用いる場合について説明したが、接合材はこれに限定されるものではない。例えば、マイクロサイズの金属粒子、ナノサイズの金属粒子、またはマイクロサイズとナノサイズの金属粒子を溶剤と混合した焼結金属ペーストを接合材に用いても構わない。

１０ 半導体レーザチップ、２０ サブマウント、２１ セラミック基板、２２、２３、２４ 導体パターン、２５ 凹部、３０ ブロック、３５ 凹部、４０ サーモモジュール、６０、７０、８０ はんだ、１００ 光半導体モジュール、３００ コレット。

Claims (13)

1. 第１の部材と、
   表面と、裏面と、前記表面と前記裏面とをつなぐ側面とを備え、前記第１の部材と前記裏面とが接合材を介して接合された第２の部材と、を含み、
   前記側面は、該１側面と、該第１側面の両側にそれぞれ配置された第２側面および第３側面を含み、
   第１側面に半導体素子が設けられ、
   前記第２側面および前記第３側面に、それぞれ前記第２の部材の前記表面から前記裏面の方向にむかって凹部が形成されたことを特徴とする半導体モジュール。
2. 第１の部材と、
   表面と、裏面と、前記表面と前記裏面とをつなぐ側面とを備え、前記第１の部材と前記裏面とが接合材を介して接合された第２の部材と、を含み、
   前記側面は、該１側面と、該第１側面の両側にそれぞれ配置された第２側面および第３側面を含み、
   前記第２の部材の表面に含まれる接続領域に半導体素子が設けられ、
   前記第２側面および前記第３側面に、それぞれ前記第２の部材の前記表面から前記裏面の方向にむかって凹部が形成され、
   前記凹部は、前記第２の部材の前記表面に開口部を有し、前記開口部は前記接続領域から離間して設けられ、前記開口部の幅は、前記第２側面および前記第３側面の幅より小さいことを特徴とする半導体モジュール。
3. 前記第２の部材がサブマウントであり、
   前記凹部は、前記サブマウントの表面をコレットで吸着した状態で、前記コレットの凸部が前記凹部に固定されるように配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記第２の部材がサブマウントであり、
   前記凹部は、前記サブマウントの表面と裏面とをつなぎ、前記サブマウントの前記表面に平行な断面が半円形状の半円柱の溝であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
5. 前記第２の部材がサブマウントであり、
   前記凹部は、前記サブマウントの表面に平行な断面が半円形状の半円柱の溝であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
6. 前記第１の部材がブロックであり、前記第２の部材がサブマントであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
7. 前記第２の部材がブロックであり、前記第１の部材が前記ブロックと接合する部材であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
8. 前記半導体素子と前記ブロックとの間に、第３の部材を挟むことを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。
9. 前記凹部は、前記第２の部材の前記側面に形成された溝、または前記第２の部材の前記表面に形成された孔であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
10. 前記凹部は、前記第２の部材の前記表面から前記裏面に到達することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
11. 前記凹部の、前記第２の部材の前記表面に平行な断面の面積が、前記第２の部材の前記表面から前記裏面に向かって漸次減少することを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体モジュール。
12. 半導体素子を搭載した第２の部材を、第１の部材に接合する半導体モジュールの製造方法であって、
    コレットで前記第２の部材の表面を吸着し、かつ前記コレットの凸部を、前記第２の部材に形成された少なくとも２つの凹部に挿入して固定する工程と、
    前記第２の部材を、接合材を介して第１の部材に搭載する工程と、
    前記コレットで前記第１の部材を前記第２の部材の表面に向かって押圧しながらスクラブする工程と、
    を含むことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
13. 前記接合材ははんだであり、
    前記スクラブする工程の前に、前記はんだを溶融させる工程と、
    前記スクラブする工程の後に、前記はんだを冷却し、前記第２の部材の表面上に前記第１の部材をはんだ接合する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の半導体モジュールの製造方法。

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