KR100681655B1 - 반도체 레이저 - Google Patents

Abstract

설계자유도가 크고 간단하게 제조할 수 있으며, 동시에 종래의 캔시일형 반도체 레이저와 동일한 치수정밀도 및 설치부착의 기준면이 얻어지는 소형의 값싼 반도체 레이저를 제공한다.

도전재로 이루어지는 복수의 리드(11)∼(13)가 상하에 노출하도록 수지부재(14)에 의해 일체로 형성된 수지제 스템(1)과, 그 복수 리드(11)∼(13)의 1개의 리드(11)에 대좌(15)가 전기적으로 접속 설치되어 있다. 그리고, 그 대좌(15)에 레이저 칩(2)이 고착되어 있다.

이 레이저 칩(2)은, 실리콘 서브마운트(3)위에 설치되고, 그 서브마운트(3)가 대좌(15)위에 고착되어 있다. 이 레이저 칩(2)등의 주위에는 캡(5)이 덮이고, 스템(1)에 접착제 등에 의해 고정되어 있다.

Description

반도체 레이저{SEMICONDUCTOR LASER}

도 1은, 본 발명의 반도체 레이저의 일실시형태의 구조를 나타내는 설명도.

도 2는, 도 1의 스템부의 평면 및 측면의 설명도.

도 3은, 도 1의 반도체 레이저의 열 저항 특성을 종래의 금속스템의 반도체 레이저 특성과 대비하여 나타낸 도면.

도 4는, 종래의 반도체 레이저의 일예의 구조를 나타내는 설명도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1. 수지제 스템(stem) 2. 레이저 칩

5. 캡 11. 공통 리드

12. 리드 13. 리드

14.수지부재 15 대좌(臺座)

16. 돌기부

본 발명은 레이저 칩의 주위가 기밀로 밀봉된 캔시일형의 반도체 레이저에 관하며, 더욱 상세하게는, DVD(Digital Video Disk), LBP(Laser Beam Printer), DVD-ROM 등의 픽업용 광원으로 사용하는데 가장 적합한 저렴한 반도체 레이저에 관한 것이다.

종래의 DVD의 광원 등에 사용되는 반도체 레이저는, 도 4에 나타내고 있는 바와 같은 구조로 되어 있다.

즉, 신뢰성의 확보를 위해, 레이저 칩(23)을 외기로부터 보호할 필요에서, 레이저 칩(23)의 주위가 캡(24)으로 덮여 기밀(氣密)로 밀봉되어 있다.

도 4에 있어서, (a)는 평면도, (b)는 일부 단면의 측면도, (c)는 캡(24)을 스템(21)에 용접할 때의 단면 설명도이다.

부호 21은 스템으로서 금속의 냉간 단조 가공 등에 의해 대좌(21a)와 일체로 형성되고, 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같은 관통구멍(21b)이 2개소 설치되어 있으며, 리드(26, 27)가 저융점 유리(29) 등에 의해 절연되어 기밀로 밀봉(hermetic seal)되어 있다.

대좌(21a)에는 실리콘 기판 등으로 이루어지는 서브마운트(22)를 통하여 레이저 칩(23)이 본딩되고, 리드(26, 27)의 선단과 와이어 본딩되어 있다.

또, 스템의 저면측에는 공통리드(28)가 용접 등에 의해 접착되어 있다.

이 스템(21)의 상부는 레이저 칩(23)의 주위를 기밀로 밀봉하기 위해, 캡(24)이 용접 등에 의해 스템(21)에 부착되어 있다.

캡(24)의 레이저광 통과부분에는 관통구멍이 형성되고, 창 유리(25)가 저융점 유리 등에 의해 접착되어 있다.

또한, 이 예에서는, 레이저 다이오드와 레이저 다이오드의 출력을 모니터하 기 위한 포토다이오드의 양 쪽이 설치되어 있기 때문에, 각각의 한 쪽의 전극에 접속되는 리드(26, 27)와 각각의 다른 쪽의 전극이 공통으로 되어 접속된 공통리드(28)의 3개의 리드가 패키지의 외부로 도출되어 있다.

또, 포토다이오드는, 도시되어 있지는 않지만, 스템(21)의 중심부에 오목부가 형성되어 그 오목부내에 설치되거나, 서브마운트(22)에 직접 형성되거나 한다.

상기한 캡(24)과 스템(21)과의 용접은, 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같이, 캡(24)의 저부에 있어서의 테두리부(24a)의 저면측에 설치된 돌기(24b)에 의해 전류가 집중되도록 하여 상하에서 전극(31, 32)에 의해 끼워붙여서 용접을 하고 있다.

그리고, 스템(21)의 외주표면(A)이 위치맞춤 등의 기준면으로 되어 있다.

또한, 21c는 회전방향의 위치결정을 하는 커팅부이다.

도 4에 나타내는 종래구조의 반도체 레이저의 스템부는, 상기한 바와 같이 두꺼운 금속판을 냉간 단조 프레스에 의해, 대좌와 함께 스템의 성형가공에 의해 형성하고 있다.

이 스템과 일체로 형성되는 대좌는, 스템의 저면에 대한 수직도를 1°정도의 범위로 수렴하지 않으면 안됨과 동시에, 스템의 외경치수의 정밀도는 0.03mm 정도 미만의 공차가 요구되고 있어, 냉간단조로 제조하기 위해서는, 대단히 고도의 금형 정밀도가 요구된다.

그 때문에, 금형의 유지관리비용이 상승하여 금속스템의 단가가 상승한다는 문제가 있다.

또한, 금속스템의 성형가공에 있어서, 스템에 구멍을 뚫어 뒤쪽에서 유리로서 리드를 밀봉하지 않으면 안된다.

그 때문에, 0.45mm정도 굵기의 리드를 봉입하는 경우에 있어서도, 스템에 설치하는 구멍지름은 1mmΦ정도가 필요하게 되어, 캡의 용접부분 및 기준면으로 하는 부분도 포함하는 스템의 최대 외경이 5.6mm 정도의 작은 스템에 있어서는, 리드를 배치하는 공간의 자유도가 제한됨과 동시에, 리드를 별도로 유리 봉입하지 않으면 안되어, 공수가 한층 증가하므로서 비용상승의 원인으로 된다.

본 발명은, 이와같은 문제를 해결하고자 이루어진 것으로서, 설계의 자유도가 크고, 또한 간단하게 제조할 수 있음과 동시에, 종래의 캔시일형 반도체 레이저와 동일한 정도의 치수정밀도나 설치부착의 기준면이 얻어지는 소형이며 저렴한 반도체 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 반도체 레이저는, 도전재로 이루어지는 복수의 리드가 상하에 노출하도록 수지에 의해 일체 성형된 수지제 스템과, 그 복수의 리드의 1개와 전기적으로 접속되어 설치되는 대좌와, 그 대좌에 고착되는 레이저 칩과, 그 레이저 칩의 주위를 덮음과 동시에 정상부에 광의 투과창을 갖고 상기 스템에 고정되는 캡으로 이루어져 있다.

이와같은 구조로 하므로서, 리드를 금형으로 고정시켜 수지를 유입시키는 것만으로도 간단히 수지제 스템을 형성할 수가 있어, 대폭적으로 공수를 감소시키고 저렴하게 제조할 수가 있다.

한편, 수지제로 하는 것에 의해, 외경이나 높이의 기준면 등을 일정하게 유지하기 어려우나, 대좌를 구성하는 금속이나, 캡 등의 금속을 이용하므로서, 필요한 기준면으로 할 수가 있다.

상기 리드의 1개와 상기 대좌가 일체로 형성되며, 또한, 그 대좌와 일체로 형성됨과 동시에 상기 스템 위에 노출하고 그 스템의 주위에 연장되는 돌출부가 설치되며, 그 돌출부 위에 상기 캡의 저부가 고착되는 것에 의해, 대좌에 설치부착되는 레이저 칩의 열이, 대좌, 돌기부, 캡을 통하여 방열하기 쉽게 되어 바람직하다.

상기 캡의 저부에 상기 스템의 주위 상부 및 측부를 피복하도록 하는 단이 있는 스커트부가 형성되므로서, 수지제 스템의 지름이 정밀하게 형성되어 있지 않아도, 캡의 외경에 의해 정확한 설치부착의 위치결정이 이루어지며, 또, 스커트부의 상면을 레이저 칩의 위치맞춤(레이저 칩으로부터의 거리)의 기준면으로 할 수가 있기 때문에 바람직하다.

상기 캡이 열 전도 양호한 접착제에 의해 상기 스템에 고착되므로서, 대좌에 전달된 열을 캡으로부터 효율좋게 방출할 수가 있다.

또한, 열 전도가 양호한 접착제란, 예를들면 은 페이스트 등과 같은 금속 충전제 등의 열 전도율이 좋은 재료가 혼입된 접착제를 의미한다.

(실시예)

이하에, 도면을 참조하면서 본 발명의 반도체 레이저에 대하여 설명한다.

본 발명의 반도체 레이저는, 그 일실시형태의 캡을 절개한 측면설명도 및 저 면도가 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 도전재로 이루어지는 복수의 리드(11)∼(13)가 상하에 노출하도록 수지부재(14)에 의해 일체 성형된 수지제 스템(1)과, 그 복수의 리드(11)∼(13)중 1개의 리드(11)에 대좌(15)가 전기적으로 접속되어 설치되어 있다.

그리고, 대좌(15)에 레이저 칩(2)이 고착되어 있다.

이 레이저 칩(2)은, 실리콘 서브마운트(3)위에 설치되고, 그 서브마운트(3)가 대좌(15) 위에 고착되어 있다.

대좌(15)에는, 레이저 칩(2)의 출력을 모니터하기 위한 수광소자(4)가 설치되어 있다.

이 레이저 칩(2) 등의 주위에는 캡(5)이 씌워져서, 스템(1)에 접착제(6) 등에 의해 고정되어 있다.

캡(5)의 정상부에는, 광의 투과창(51)이 형성되어 있다.

또한, 이 투과창(51)에 창유리 등이 기밀로 밀봉 부착되는 경우도 있다.

스템(1)은, 도 2에서 그 평면도 및 측면도로 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서는 3개의 리드(11)∼(13)가 절연성 수지부재(14)에 의해 고착되어 있다.

그 가운데 1개의 리드(11)는 대좌(15)와 일체로 형성되어 있으며, 수지부재(14)의 상부에 대좌(15)가 형성되고, 하부에 리드가 공통리드(11)로서 뻗어 있다.

수지부재(14)의 상부에는, 대좌(15)와 다시 일체로 돌기부(16)가 수지부재(14)의 상부에 노출되도록 스템(1)의 외부 둘레에 뻗어나와 있다.

이 돌출부(16)는, 수지부재(14)의 표면으로부터 약간만 노출되도록 일정한 치수로 설치되며, 그 위에 상기한 캡(5)이 올려놓여서 고착되는 구조로 되어 있다.

즉, 레이저 칩(2)에서 발생하는 열이 대좌(15) 및 돌기부(16)를 거쳐서 캡(5)으로 전달되고, 캡(5)에서 열을 방출할 수 있도록 되어 있다.

또한, 수지부재(14)는, 그 치수정밀도를 금속처럼 정밀하게 형성할 수가 없어 레이저 칩(2)의 위치맞춤의 기준면을 스템(1)에 설정하기가 어렵게 되지만, 이 돌기부(16)는 대좌(15)와 일체로 형성되어 있기 때문에, 대좌(15)에 대한 돌기부(16)의 위치는 정확히 결정되고, 또, 이 돌기부(16)에 맞닿아서 캡(5)이 설치되므로서, 캡(5)의 스커트부(52)의 평면부(B)를 레이저 칩(2)의 위치맞춤을 위한 기준면으로 할 수가 있다.

돌기부(16)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 대좌(15)부분으로부터 스템(1)의 둘레테두리부에 뻗어 형성되며, 예를들면 평면형상으로 "コ" 형상으로 형성되어 있다.

이 돌기부(16)는, 이 형상에 한정되지 않으며, 본래 스템의 주위에서 캡(5)의 저부가 닿는 부분에 원주방향을 따라 설치되는 것이 열 방산이나 캡(5)을 고정시키는 관점에서 바람직한 것이다.

대좌(15)의 상부 중앙에 설치되어 있는 커팅부(15a)는 레이저 칩(2)에서 출사하는 광이 닿지 않도록 하기 위한 것이고, 도 2 (a)의 17은, 리드(12, 13)와 대좌(15)의 사이에 충전된 리드 고정용 수지로서, 와이어본딩을 할 때에 스템(1)이 수지제이므로 리드의 유지력이 저융점 유리에 의해 리드를 밀봉 고착시키는 경우에 비해 저하하기 때문에, 본딩성이 저하 하는 것을 방지하기 위한 것이다.

수지부재(14)는, 완성시킨 소자를 회로기판 등에 조립해 넣을 때의 땜납부착 등의 경우와 같이 온도가 상승하기 쉬운 경우에는, 내열성이 있는 것이 좋고, 예를들면 액정 폴리머 등을 사용할 수가 있다.

그러나, 통상의 PPS(폴리 페닐렌 설파이드) 등의 수지를 사용할 수도 있다.

이 수지(14)의 두께는, 0.8∼1mm 정도로 형성되며, 종래의 금속제(1.1∼1.3mm 정도) 보다는 약간 얇게 형성할 수가 있다.

또한, 14a∼14c는, 종래와 동일하게 스템(1)에 형성된 회전에 대한 위치결정용의 커팅부이다.

이와같은 커팅부(14a∼14c)도, 금형에 돌기를 형성해 두는 것 만으로, 바라는 형상으로 용이하게 형성할 수가 있다.

이 스템(1)을 제조하는데 있어서는, 예를들면 이 수지부재(14)의 형상의 공동(空洞)을 형성한 금형내에, 미리 대좌(15)나 돌기부(16) 등을 펀칭과 굽힘가공 등에 의해 형성한 리드(11∼13)를 세팅하여, 수지를 주입하고 경화시키므로서, 수지부재(14)내에 리드(11∼13)를 고정시킨 스템(1)을 형성시킬수가 있다.

또한, 리드(11∼13)는 리드프레임과 같이 몇 세트라도 연결해 놓고, 1개의 금형에 몇 개라도 공동을 설치해 둠으로서, 한꺼번에 수십개의 스템(1)을 동시에 제조할 수가 있다.

레이저 칩(2)은, 레이저 광을 출사하도록 형성되어 있는바, 그 크기는 250μm X 250μm 정도로 극히 작고, 그 취급을 용이하게 하기 위해 통상 0.8 X 1mm 정도 크기의 실리콘 기판 등으로 이루어지는 서브마운트(3)위에 본딩되어 있다.

그리고, 한 쪽의 전극은, 서브마운트(3)에 직접 접속되어 도전성 접착제에 의해 공통리드(11)에 접속되며, 다른 쪽의 전극은 서브마운트(3)의 전기적으로 들뜬 부분을 경유하여 와이어 본딩에 의해 리드(13)와 접속되어 있다.

이 레이저 칩(2)이 탑재된 서브마운트(3)는 흡착콜리트에 의해 반송되고, 돌기부(16)의 상면을 기준으로 하여 위치 맞춤되어 대좌(15)에 설치된다.

이 돌기부(16)의 상면을 기준으로 하므로서, 후에 설명하는 캡(5)이 이 돌기부(16)위에 고착되기 때문에, 캡(5)의 스커트부(52)의 기준면(B)에 대하여 레이저 칩(2)의 위치를 정밀하게 조립할 수가 있다.

또, 레이저 칩(2)의 발광출력을 모니터하기 위한 수광소자(4)가 마찬가지로 대좌(15)에 본딩되고, 그 한 쪽의 전극은 대좌(15)를 통하여 공통리드(11)에 접속되며, 다른 쪽의 전극은 도시하지 않은 와이어 본딩에 의해 리드(12)와 전기적으로 접속된다.

또한, 이 수광소자(4)는, 서브마운트(3)에 직접 형성할 수도 있다.

레이저 칩(2)의 주위에는, 캡(5)이 스템(1)에 접착되므로서 설치되어 있다.

캡(5)은 동 등의 열 전도가 좋은 재료로 이루어지는 것이 바람직하지만, 철 등의 금속도 좋다.

또, 무광택 은도금 등이 시행되어 있는 것이, 내면에서 광의 난반사를 방지하기 쉽기 때문에 바람직하다.

또한, 캡(5)의 정상 중심부에는, 레이저광이 통과하는 관통구멍이 설치되어 있으며, 창부(51)가 형성되어 있다.

또, 저부에는, 단이 있는 스커트부(52)가 형성되어 있다.

단형상으로 된 평면부가 위치맞춤용의 기준면(B)으로 되고, 스커트부(52)의 스템(1)을 피복하는 부분이 제품의 외경의 기준으로 되어 있다.

이 캡(5)은 금속제이기 때문에 그 치수정밀도는 극히 정밀하게 형성되며, 수지제 스템(1)의 치수오차에도 불구하고, 항상 일정한 치수의 기준면 및 기준지름으로 된다.

또한, 이 캡(5)은 에폭시계의 수지 등으로 이루어지는 접착제에 의해 스템과 접착되는바, 레이저 칩(2)에서 발생하는 열의 방산이 잘 되게 하기 위해 열 전도가 양호한 것이 바람직하고, 은 등의 금속 충전제가 혼입된 것이 바람직하다.

본 발명의 반도체 레이저에 의하면, 스템이 수지부재에 의해 리드를 고착시키는 것으로서 형성되어 있기 때문에, 종래의 금속판을 냉간 단조법에 의해 형성하도록 하는 복잡한 성형공정을 필요로 하는 것과 비교하면, 극히 저렴하게 형성할 수가 있다.

더욱이, 뒤로부터 리드를 유리 부착시킬 필요가 없어 리드부착의 공수가 필요 없게 됨과 동시에, 리드의 굵기보다 큰 스페이스를 필요로 하지 않기 때문에, 좁은 범위에서 리드를 고정시킬 수가 있으며, 리드 등의 배치의 자유도가 향상된다.

또, 대좌를 리드와 일체로 형성해 두고 수지에 의해 형성하면, 그 직각도(直角度) 등도 금형의 정밀도에 의해 극히 정밀하게 형성할 수가 있어, 굽힘이 작은 고성능의 반도체 레이저를 얻을 수가 있다.

한편, 스템을 수지제로 구성하는 것에 기인하는 불이익으로서, 방열성과 치수정밀도가 떨어지는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 방열성에 관해서는, 레이저 칩(2)을 탑재하는 대좌(15)와 일체로 수지부재(14)에서 노출되는 돌기부재(16)가 설치되어 있어, 이 돌기부재(16)에 캡(5)의 저부를 맞닿게 하므로서, 금속부재의 대좌(15), 돌기부(16)를 통하여 캡(5)에 열을 전도하고, 캡(5)에 의해 열을 방출할 수가 있다.

그 때문에, 수지부재(14)의 열 전도가 약간 저하된다 하여도 레이저 칩(2)에서 발생하는 열을 방출시키는 데는 지장이 없다.

또, 치수의 정밀도에 관해서는, 수지부재(14) 자체는 수축도가 일정하지 않으며, 레이저 칩의 광 출사방향으로의 치수설정을 위한 위치결정이나, 부착기판 등에 설치되는 구멍 등에 그 스템의 외경을 삽입하는 것에 의해 x y 방향의 위치결정을 하는데는 충분한 정밀도가 얻어지지 않는다.

그러나, 그 외부 주위에 설치되는 캡이 금속제이므로, 치수정밀도를 충분히 정밀하게 형성할 수가 있다.

이 정밀한 치수의 캡의 저부에 단이 있는 스커트부를 설치하고, 그 단부의 내면을 상기한 대좌와 일체인 돌기부에 맞닿게하여 고착시키므로서, 레이저 칩의 위치결정 기준면을 캡의 스커트부 단 부착부에 설정할 수가 있다.

또, 스템의 외주를 덮는 스커트부에 의해, 그 외경을 정밀하게 형성할 수가 있으므로, x y 방향의 위치결정도 충분히 정밀하게 형성할 수가 있다.

상기한 도 1에 나타내는 구조의 반도체 레이저를, 두께가 3mm로 30mm 각의 알루미늄으로 이루어지는 방열판에 고정시킨 경우(본 발명이 P1, 종래구조가 Q1)와 방열판에 부착시키지 않은 경우(본 발명이 P2, 종래구조가 Q2)의 양 쪽에서, 반도체 레이저의 동작조건을, 순방향 전류 I_F ＝ 30mA, 샘플링 전류 I_M ＝ 1.5mA, 샘플링 시간 T_D ＝ 1μs 의 조건으로 동작시켜, 열 저항치(R_th)의 변화를 조사한 결과를 종래의 반도체 레이저와 대비하여 도 3에 나타낸다.

도 3에 있어서도 명백한 바와 같이, 수지제 스템을 사용하는 것으로 인한 열 방산에 대한 영향은 거의 차이가 없다는 것이 명백하다.

또한, 도 3에 있어서, 가로축은 전류인가시간 T_P (초)를 나타내며, 세로축은 열 저항 R_th (℃/W) 을 나타내고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 스템을 수지부재에 의해 형성하고 있기 때문에 특수한 가공이 필요 없이 간단하게 스템을 제조할 수가 있다.

또, 리드를 유리부착으로 할 필요가 없기 때문에, 부품점수가 감소함과 동시에, 그 공수도 필요 없게 된다.

그 때문에, 극히 저렴한 반도체 레이저를 전기적, 광학적 특성을 저하시키는 일 없이 얻을 수 있게 된다.

또한, 종래의 금속스템을 사용한 것과 외형적으로도 동일한 반도체 레이저로 되기 때문에, 종래의 제품을 그대로 치환시킬수 있다.

Claims (4)

1. 도전재로 이루어지는 복수의 리드가 상하에 노출되도록 수지에 의해 일체성형된 수지제 스템과,

   상기 복수의 리드의 1개와 전기적으로 접속되어 설치되는 대좌와,

   상기 대좌에 고착되는 레이저 칩과,

   상기 레이저 칩의 주위를 덮음과 동시에 정상부에 광의 투과창을 갖고, 상기 스템에 고정되는 캡으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 리드의 1개와 상기 대좌가 일체로 형성됨과 동시에, 상기 대좌와 일체로 상기 스템위에 노출하고 상기 스템 주위에 연장되는 돌출부가 설치되며, 상기 돌출부 위에 상기 캡의 저부가 고착되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 캡의 저부에 상기 스템 주위의 상부 및 측부를 피복하도록 단이 있는 스커트부가 형성되며, 상기 캡의 스커트부가 위치맞춤의 기준면으로 되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 캡이 은 페이스트에 의해 상기 스템에 고착되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.

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