JP2003060282A

JP2003060282A - サブマウント材

Info

Publication number: JP2003060282A
Application number: JP2001249457A
Authority: JP
Inventors: Takao Shirai; 隆雄白井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】電子機器への組付けや取外しが容易であり、組
立工程や使用中に熱衝撃が作用した場合においても金属
回路層の剥離が少なく、放熱性，耐久性および信頼性に
優れたサブマウント材を提供する。【解決手段】窒化けい素基板２ａと、窒化けい素基板２
ａの表面に接合した金属回路板１１と、窒化けい素基板
２ａの裏面に接合した裏金属板１２とを具備し、金属回
路板１１上にレーザダイオード６を搭載するサブマウン
ト材４ａにおいて、裏金属板１２の面積が窒化けい素基
板２ａの面積よりも大きいことを特徴とするサブマウン
ト材４ａである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザダイオード等
を保持搭載するためのサブマウント材に係り、特に金属
回路層の剥離が少なく耐久性および放熱性に優れたサブ
マウント材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、光信号を面受光し電気信号と
して外部回路に供給するために、セラミックス基板と金
属回路層とから成るサブマウント材にフォトダイオード
を搭載し、フォトダイオードからの電気信号を金属回路
層を介して外部回路に供給する光素子としてフォトダイ
オード・サブアセンブリが広く用いられている。また、
フォトダイオードの代りに面発光するレーザダイオード
を用いたレーザダイオード発光素子も、家電製品や電子
機器の表示用部品として広く使用されている。

【０００３】図６はレーザダイオード発光素子の一構成
例を示す断面図である。図においてレーザダイオード発
光素子１は、厚さ（ｔ）が１．５ｍｍ程度のセラミック
ス基板２と、その表面に、例えばスパッタリング法によ
って形成された金属回路層３とから成るサブマウント材
４に半田層５を介してレーザダイオード６を一体に接合
して構成されている。レーザダイオード６と、金属回路
層３と、図示しない外部回路とは、それぞれ図示しない
ボンディングワイヤ等によって電気的に接続されてい
る。また、レーザダイオード６で発生した熱をサブマウ
ント材４を経由して系外に放出するために、サブマウン
ト材４の下部には、熱伝導性が良好な銅（Ｃｕ）等で形
成されたヒートシンク７が一体に接合されている。

【０００４】従来、上記レーザダイオード６用のサブマ
ウント材４としては、板状のＳｉ板表面に酸化膜（Ｓｉ
Ｏ_２膜）を形成した基板表面にスパッタリング法などの
薄膜形成技術を利用して金属回路層を形成したサブマウ
ント材が広く用いられている。さらに金属回路層とレー
ザダイオードとの間の導通性や密着性またはボンディン
グ性を良好にするために金属回路層表面に金（Ａｕ）め
っき層を形成したり、さらにＡｕめっき層の上面にＡｕ
−Ｓｎ合金またはＰｂ−Ｓｎ合金から成る半田層を形成
する場合もある。近年、ダイオードの出力増加に対応
し、より高い放熱特性を実現するために、サブマウント
材を構成するセラミックス基板として高熱伝導性を有す
る窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板も多用化されるに至
っている。

【０００５】上記のようなサブマウント材上にレーザダ
イオード素子を搭載した発光素子基板を電子機器に組み
込む際には、発光素子基板の裏面を、Ｐｂ−Ｓｎ合金や
Ａｕ−Ｓｎ合金から成る半田を用いてろう付けしたり、
樹脂接着剤によって接着して固定する方法が採用されて
いた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
半田や樹脂を介して接合固定する方法では、半田および
樹脂の熱抵抗値が大きいため、放熱性が低下してしまう
問題点がある一方、接合操作が煩雑であるため、組込み
作業や脱着作業に手間が掛かる難点がある。さらに半田
付け方式においては、高温度での接合となる場合が多
く、サブマウント材上の素子に熱による損傷をもたらし
易いという問題点もあった。特に、近年になって環境に
与える影響がクローズアップされており、人体や環境に
対して悪影響を及ぼすＰｂ成分を含有する半田材料や樹
脂材料を使用することを控える方策も模索されている。

【０００７】また、上記従来例のようにセラミックス基
板として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用い、さら
にスパッタリング法を利用して金属回路層を形成した従
来のサブマウント材においては、金属回路層の接着強度
が低いため、光電素子の組立工程や使用中に繰り返して
作用する熱によって金属回路層が剥離し易い難点があ
り、光電素子の耐久性および信頼性が低いという問題点
があった。

【０００８】また、従来のサブマウント材を構成するセ
ラミックス基板の厚さについては、何ら考慮がなされて
いなかったため、熱伝導率が高いＡｌＮ基板を使用した
場合においても熱抵抗が大きくなり、放熱性が不十分で
あるという問題点もあった。

【０００９】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、特に電子機器への組付けや取外しが容
易であり、組立工程や使用中に熱衝撃が作用した場合に
おいても金属回路層の剥離が少なく、放熱性，耐久性お
よび信頼性に優れたサブマウント材を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明者らは種々の寸法，熱伝導率および表面粗さを有
する窒化けい素基板の表裏面に種々の金属回路板および
裏金属板を接合してサブマウント材を調製し、各サブマ
ウント材の仕様が、組付け性、耐熱衝撃性，耐剥離性等
に及ぼす影響を比較検討した。その結果、特にサブマウ
ント材を構成する窒化けい素基板と裏金属板との面積関
係を一定の範囲に調整したり、金属回路板と裏金属板と
の体積比または窒化けい素基板の表面粗さを一定の範囲
に規定したときに、サブマウント材の放熱性を改善でき
る上に、金属回路板および裏金属板の剥離を効果的に防
止でき、優れた放熱性および耐久性を有するサブマウン
ト材が初めて得られるという知見を得た。本発明は上記
知見に基づいて完成されたものである。

【００１１】すなわち、本発明に係るサブマウント材
は、窒化けい素基板と、窒化けい素基板の表面に接合し
た金属回路板と、上記窒化けい素基板の裏面に接合した
裏金属板とを具備し、上記金属回路板上にレーザダイオ
ードを搭載するためのサブマウント材において、上記裏
金属板の面積が窒化けい素基板の面積よりも大きいこと
を特徴とする。

【００１２】また、上記サブマウント材において、前記
裏金属板の外周縁の少なくとも一部が、窒化けい素基板
の外周縁より２．５ｍｍ以上の幅で張り出していること
が好ましい。さらに、上記サブマウント材において、前
記裏金属板の張出し部に、固定ねじを挿通するための取
付孔が穿設されていることが好ましい。

【００１３】また、上記サブマウント材において、前記
金属回路板の体積をＶａとする一方、前記裏金属の体積
をＶｂとした場合に、Ｖｂ／Ｖａ比が５以上であること
が好ましい。さらに、前記窒化けい素基板の表面粗さが
算術平均粗さ（Ｒａ）基準で０．１〜０．５μｍである
ことが好ましい。また、前記窒化けい素基板の板厚が
０．８ｍｍ以下であることが好ましく、さらに、前記窒
化けい素基板の縦および横の長さがそれぞれ１ｍｍ以上
であることが好ましい。また、前記裏金属板の窒化けい
素基板との接合端部に溝を形成することも可能である。

【００１４】本発明に係るサブマウント材を構成する窒
化けい素基板としては、特に大容量で高出力のレーザダ
イオード素子を搭載するために、耐熱衝撃特性、放熱性
および構造強度が優れ、金属板と接合した場合に高い接
合強度が得られるような窒化けい素焼結体から成る窒化
けい素基板を使用することが好ましい。

【００１５】具体的には、本出願人に係る先行出願であ
る特開２０００−３４１７２号公報に記載されているよ
うな、７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導性を有し、粒界相
の少なくとも一部を結晶化させた窒化けい素焼結体から
成る窒化けい素基板を使用することが好適である。

【００１６】上記窒化けい素焼結体は、希土類元素を酸
化物に換算して２．０〜１７．５重量％、Ｍｇを酸化物
に換算して０．３〜３．０重量％、不純物陽イオン元素
としてのＡｌ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂ
を合計で０．３重量％以下含有し、窒化けい素結晶およ
び粒界相から成るとともに粒界相中における結晶化合物
相の粒界相全体に対する割合が２０％以上であることを
特徴とする高熱伝導性窒化けい素焼結体である。このよ
うな窒化けい素焼結体は熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
と高いだけでなく、三点曲げ強度（室温）も６００ＭＰ
ａ以上と優れている。

【００１７】また、上記高熱伝導性窒化けい素焼結体
は、例えば下記の製造方法によって製造される。

【００１８】すなわち、酸素を１．７重量％以下、不純
物陽イオン元素としてのＡｌ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，
Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３重量％以下、α相型窒化
けい素を９０重量％以上含有し、平均粒径１．０μｍ以
下の窒化けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算して
２．０〜１７．５重量％、Ｍｇを酸化物に換算して０．
３〜３．０重量％添加した原料混合体を成形して成形体
を調製し、得られた成形体を脱脂後、温度１７００〜１
９００℃で焼結し、上記焼結温度から、上記希土類元素
およびＭｇＯにより焼結時に形成された液相が凝固する
温度までに至る焼結体の冷却速度を毎時１００℃以下に
して徐冷することにより製造できる。

【００１９】上記高熱伝導性窒化けい素焼結体から成る
窒化けい素基板の表裏面に一体に接合される金属回路板
および裏金属板の構成材としては、主として通電容量、
電気抵抗（導電性）、放熱性の観点から、銅（Ｃｕ）、
アルミニウム（Ａｌ）が好ましい。

【００２０】また、上記窒化けい素基板と金属回路板ま
たは裏金属板との接合方法は、特に限定されるものでは
ないが、サブマウント材におけるダイオードチップの保
持性や熱抵抗の観点から厚さ０．２ｍｍ以上の厚い金属
板が接合される場合が多いことを考慮して、その場合で
も高い接合強度が得られる活性金属法や直接接合法（Ｄ
ＢＣ法）によって接合することが好ましい。

【００２１】ここで上記活性金属法は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆなどの活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介し
て金属板とセラミックス基板とを一体に接合する方法で
あり、上記直接接合法は、金属板とセラミックス基板と
を接触させた状態で加熱したときに生成する金属板成分
と酸素や基板成分との共晶化合物によって両部材を直接
的に接合する方法である。また、直接接合法の場合、必
要に応じセラミックス基板上に酸化膜を設けた後に金属
板を接触させて一体に接合する方法もある。

【００２２】本発明におけるサブマウント材において
は、裏金属板の面積が窒化けい素基板の面積よりも大き
く構成されているため、裏金属板を介した伝熱面積が大
きくなり、また所定の接合強度を得るために必要な半田
や樹脂接着剤の使用量が減少するため、放熱性が大幅に
改善される。また裏金属板を電子機器に接合した際に変
形が生じた場合においても、その変形に基づく応力は、
広面積を有する裏金属板内において吸収されるため、そ
の応力が窒化けい素基板や金属回路板に及ぶことが少な
く、耐久性に優れたサブマウント材が得られる。

【００２３】また窒化けい素基板に厚い裏金属板や金属
回路板を接合した場合には、窒化けい素基板に大きな応
力が作用するが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの脆
弱なセラミックスと比較して構造強度が高い窒化けい素
基板を用いているため、応力によって破損することは少
ない。

【００２４】また本発明の好ましい態様において、前記
裏金属板の外周縁の少なくとも一部が、窒化けい素基板
の外周縁より２．５ｍｍ以上の幅で張り出すように構成
することにより、前記放熱性の改善効果、変形応力の吸
収効果、耐久性の改善効果を、より確実にすることがで
きる上に、後述するようにねじ止め用の取付孔を設ける
ことが可能になり、サブマウント材の取付構造を抜本的
に改善することが可能になる。

【００２５】上記裏金属板の窒化けい素基板からの張出
し量が５ｍｍを超えても、上記改善効果のさらなる増加
は期待できない上に、実装スペースの確保が困難になる
ので、上記張出し幅は２．５〜５ｍｍの範囲が好まし
い。さらに好ましい範囲は３〜４ｍｍである。

【００２６】さらに本発明の好ましい態様において、前
記裏金属板の張出し部に、固定ねじを挿通するための取
付孔を穿設することにより、熱抵抗が高い半田や樹脂接
着剤を使用せずにサブマウント材をビス等の固定ねじを
使用して容易迅速に電子機器等に直接に組付け固定する
ことが可能になる。しかも取外しも極めて容易になる。
また、半田や樹脂を使用しないため、サブマウント材の
熱抵抗を小さくでき、特に放熱性を必要とする高出力の
レーザダイオード素子を搭載するサブマウント材として
好適である。

【００２７】なお、取付孔は、単なる貫通孔であっても
よいし、ねじ溝を設けた態様など特に限定されるもので
はない。そのため、本発明のサブマウント材を固定する
際のねじの固定方法は、ねじのみで固定する方法やボル
トとナットで固定する方法に限らず、固定ピンを取付孔
に挿入後、上記ピンの先端を折り曲げたり半田付け等に
より固定する方法など特に限定されるものではない。

【００２８】本発明の好ましい態様において、前記金属
回路板の体積をＶａとする一方、前記裏金属板の体積を
Ｖｂとした場合に、Ｖｂ／Ｖａ比を５以上に規定するこ
とにより、裏金属板がヒートシンクとしての放熱機能を
備えることになり、サブマウント材における放熱性が大
幅に改善される。

【００２９】なお、通常のセラミックス基板の表裏面に
体積差が５倍以上も異なる金属板を接合した場合には、
セラミックス基板の表裏面において大きな熱膨張差を生
じ基板に割れ等が発生し易いが、上記態様のように強靭
性で高強度を有する窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板を使
用しているため、熱膨張差に起因する疲労剥離や割れの
発生の問題は少ない。

【００３０】また本発明のサブマウント材を構成するセ
ラミックス基板の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）基準
で０．１〜０．５μｍの範囲に規定することにより、金
属回路板および裏金属板の接合強度を適度なアンカー効
果によって向上させることができ、結果として、ダイオ
ードチップをサブマウント材に半田接合する際に過大な
熱衝撃が作用した場合においても、金属回路板等の窒化
けい素基板からの剥離を効果的に防止することができ
る。

【００３１】また、サブマウント材の放熱性を確保する
ためにサブマウント材を構成する窒化けい素基板の熱伝
導率Ｋは７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好ましくは９０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上にすることが望ましい。

【００３２】なお、前述の本出願人による先行出願であ
る特開２０００−３４１７２号公報に開示している高熱
伝導性窒化けい素焼結体は、上記のように規定した高熱
伝導性を満足するとともに、焼結したままの状態での表
面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍ以下となるため、特に本発
明で使用する窒化けい素基板の構成材として好適であ
る。言い換えれれば、本発明における窒化けい素焼結体
は、必ずしも特開２０００−３４１７２号公報に記載さ
れたものに限定されるものではないことは言うまでもな
い。

【００３３】また、本発明の好ましい態様において、前
記窒化けい素基板の板厚を０．８ｍｍ以下とすることに
より、窒化けい素基板のたわみ量を増加させることが可
能になり、サブマウント材を電子機器等にねじ止め固定
して組み込む際においても、締め付け割れが発生するこ
とが少なく、製造歩留りを大幅に改善することができ
る。

【００３４】さらに、前記窒化けい素基板の縦および横
の長さをそれぞれ１ｍｍ以上とすることにより、特に光
ファイバ用大容量レーザダイオード素子等を搭載するサ
ブマウント材として好適である。さらに高出力化に対応
するために、窒化けい素基板の縦横の長さはそれぞれ２
ｍｍ以上、さらには５ｍｍ以上であることが好ましい。

【００３５】また、本発明の好ましい態様において、前
記裏金属板の窒化けい素基板との接合端部の溝を形成す
ることにより、裏金属板と窒化けい素基板との接合後に
おいて発生する応力が上記溝によって吸収緩和されるた
め、サブマウント材の耐久性を大幅に改善することがで
きる。特に高出力用レーザダイオード素子を搭載する場
合に有効である。なお、溝の幅は０．１〜０．５ｍｍ程
度が好ましい。０．１ｍｍ未満では溝を設ける効果が小
さく、０．５ｍｍを超えてもそれ以上の改善が見られな
いからである。

【００３６】上記構成に係るサブマウント材によれば、
裏金属板の面積が窒化けい素基板の面積よりも大きく構
成されているため、裏金属板を介した伝熱面積が大きく
なり、また、裏金属板にねじ止め用の取付孔を設けるこ
とによりサブマウント材を取り付けるために必要な半田
や樹脂接着剤の使用量（塗布厚さ）が減少するため、放
熱性が大幅に改善される。また裏金属板を電子機器に接
合した際に変形が生じた場合においても、その変形に基
づく応力は、広面積を有する裏金属板内において吸収さ
れるため、その応力が窒化けい素基板や金属回路板に及
ぶことが少なく、耐久性に優れたサブマウント材が得ら
れる。

【００３７】また窒化けい素基板に厚い裏金属板や金属
回路板を接合した場合には、窒化けい素基板に大きな応
力が作用するが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの脆
弱なセラミックスと比較して構造強度が高い窒化けい素
基板を用いているため、応力によって破損することは少
ない。したがって、このサブマウント材にダイオード素
子を接合することにより、信頼性に優れた光電素子を高
い製造歩留りで量産することが可能になる。

【００３８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について以
下に示す実施例および参考例に基づいて、より具体的に
説明する。

【００３９】実施例１および参考例１〜２熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋかつ三点曲げ強度（室温）が
７００ＭＰａであり、表面粗さ（Ｒａ）が０．３μｍで
あり、縦３ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍの窒化
けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板を用意する一方、縦２．５ｍ
ｍ×横４．５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの銅（Ｃｕ）回路板
（金属回路板）と縦３．５ｍｍ×横１１ｍｍ×厚さ０．
５ｍｍの裏銅板（裏金属板）とを用意した。

【００４０】一方、活性金属としてのＴｉを含有し、重
量比率で７０％Ａｇ−２７％Ｃｕ−３％Ｔｉなる組成を
有するろう材を上記Ｓｉ_３Ｎ_４基板の両面に厚さ２５μ
ｍで塗布した後に、上記銅回路板および裏銅板を接触配
置した状態で１．３３×１０ ^−４Ｐａ以下の真空中で温
度８５０℃で１０分間保持し接合体とした。さらに裏銅
板の張出し部に２個の取付孔を穿設し、さらに銅回路板
に回路形成した後にレーザダイオードチップを半田接合
して実施例１に係るサブマウント材を調製した。

【００４１】この実施例１に係るサブマウント材４ａは
図１および図２に示す通り、Ｓｉ_３Ｎ_４基板２ａの表面
側に金属回路板１１としての銅回路板が接合される一
方、裏面側には裏金属板１２としての裏銅板が一体に接
合され、回路形成された銅回路板１１の所定位置にレー
ザダイオード（ＬＤ）素子６が半田接合され、裏銅板１
２の張出し部（２箇所）に固定ねじを挿通するための取
付孔１３が穿設された構造を有する。上記実施例１にお
いて張出し部の幅Ｗは３ｍｍである。

【００４２】一方、固定ねじを挿通するための取付孔を
穿設しない点以外は実施例１と同様に処理して参考例に
係るサブマウント材を調製した。そして実施例１に係る
サブマウント材４ａの取付孔１３に固定ねじを挿通締着
してサブマウント材４ａを放熱板上に直接的に固定し
た。一方、参考例のサブマウント材をＰｂ−Ｓｎ半田を
介して放熱板上に固定して参考例１に係る接合構造とし
た。また参考例のサブマウント材について、エポキシ系
樹脂接着剤を介して放熱板上に固定して参考例２に係る
接合構造とした。なお、参考例１のＰｂ−Ｓｎ半田層お
よび参考例２の樹脂接着剤層の厚さはいずれも０．２ｍ
ｍに統一した。

【００４３】そして、各接合構造としたサブマウント材
の銅回路板表面と放熱板表面との間の熱抵抗を測定し
た。その結果、サブマウント材を固定ねじによって直接
放熱板上に固定した実施例１に係るサブマウント材の熱
抵抗値を基準（１００％）として、半田接合による参考
例１では平均熱抵抗値が１２２％であった一方、樹脂接
着とした参考例２においては平均１５３％であった。

【００４４】このように、熱抵抗値が高い半田や樹脂を
使用せず、ねじ止めにより直接放熱板に固定した実施例
１に係るサブマウント材４ａにおいては、熱抵抗値を大
幅に低下させることが可能であり、特に高出力のＬＤ素
子を搭載するサブマウント材として好適であることが判
明した。

【００４５】なお、上記実施例では長方形状の窒化けい
素基板および金属板を使用した例で示しているが、図３
に示すように実質的に正方形状の窒化けい素基板２ｂお
よび裏金属板１２ｂを用いて構成してもよい。

【００４６】また、上記実施例においては、長方形状の
裏金属板１２に断面が円形の取付孔１３を穿設した例で
示しているが、図４（ａ），（ｂ）に示すように、一端
を開口した切欠穴状の取付孔１３ａを形成した裏金属板
１２ｂ，１２ｃを使用することにより、放熱板に設けた
ねじ穴との誤差を吸収することが可能になる。さらに図
４（ｂ），（ｃ）に示すように、４つの角部を曲線状に
形成した裏金属板１２ｃ，１２ｄを使用することによ
り、歪みの発生が少ないサブマウント材が得られる。

【００４７】実施例２〜６および比較例１実施例１に係るサブマウント材において、裏金属板（裏
銅板）の寸法、すなわち張出し部の幅を表１に示す値と
なるようにそれぞれ調整して実施例２〜６に係るサブマ
ウント材を調製した。そして、各サブマウント材の耐久
性および信頼性を評価するために下記のような熱衝撃試
験（ヒートサイクル試験：ＴＣＴ）を実施しＳｉ_３Ｎ_４
基板にクラックが発生する割合を測定した。

【００４８】上記ヒートサイクル試験は、−４０℃で３
０分間保持した後に昇温し室温（２５℃）で１０分間保
持し、次に加熱して１２５℃で３０分間保持した後に室
温まで戻して１０分間保持するまでを１サイクルとする
昇温−降温サイクルを１０００サイクル繰り返し、１０
００サイクル終了後においてクラックが発生した割合を
測定した。ヒートサイクル試験では各実施例に係るサブ
マウント材を１００個用意してクラックが発生したもの
の割合を調査した。また、「ねじ止め固定時における裏
金属板の剥離率（％）」の測定として、各実施例に係る
サブマウント材を各１０００個以上用意し、ねじ止めす
る際に裏金属板が剥離する割合を調査した。

【００４９】比較例１として窒化けい素基板を窒化アル
ミニウム基板（熱伝導率１６０Ｗ／ｍ・Ｋ、三点曲げ強
度（室温）３００ＭＰａ）に代えた以外は実施例３と同
一形状のサブマウント材を用意し、同様の測定を行っ
た。測定結果を下記表１に示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】上記表１に示す結果から明らかなように、
Ｓｉ_３Ｎ_４基板に対する裏金属板の張出し部の幅が１ｍ
ｍと狭い実施例２に係るサブマウント材においては、ね
じ止めによる裏金属板の変形に起因する応力が十分に緩
和されないため、クラックが発生し易いことが判明し
た。

【００５２】また、実施例３〜６においてＴＣＴ試験後
における窒化けい素基板の割れの発生量が、いずれもゼ
ロとなることから、Ｓｉ_３Ｎ_４基板に対する裏金属板の
張出し幅Ｗは２．５ｍｍ以上であることが好ましいこと
が判明した。また裏金属板の張出し部の幅Ｗが５．０以
上とした実施例４〜６において、裏金属板の剥離率の低
減効果はほぼ飽和することが明らかである。したがっ
て、サブマウント材の実装スペースをも考慮した場合に
は、裏金属板の張出し部の幅Ｗは、２．５〜５ｍｍの範
囲が最も好ましい形態であると言える。

【００５３】一方、比較例１のＡｌＮ基板を用いたサブ
マウント材において、「ねじ止め固定時における裏金属
板の剥離率」は７％程度であったが、「ＴＣＴ試験後の
クラックの発生率」は５０％以上となっていた。これは
強度の弱いＡｌＮ基板では１０００サイクルという厳し
いＴＣＴ試験条件においては十分な信頼性が得られない
ことを示すものである。

【００５４】実施例７〜１１および参考例３〜５実施例１に係るサブマウント材において、Ｓｉ_３Ｎ_４基
板の厚さ，熱伝導率，金属回路板および裏金属板の材
質，厚さ，体積（Ｖａ，Ｖｂ），Ｖｂ／Ｖａ比，金属板
の接合方法を表２に示すように変化させた以外は実施例
１と同様に処理して各実施例および参考例に係るサブマ
ウント材を調製した。なお、各Ｓｉ_３Ｎ_４基板の三点曲
げ強度は室温で６００ＭＰａ以上のものを使用した。

【００５５】なお、活性金属法を用いた接合処理では、
活性金属としてＴｉを含有し、重量比で７０％Ａｇ−２
７％Ｃｕ−３％Ｔｉなる組成を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう
材をＳｉ_３Ｎ_４基板の両面に厚さ２５μｍ塗布した後に
金属回路板または裏金属板を接触配置した後に、真空中
で温度８５０℃で１０分間保持して接合した。

【００５６】一方、直接接合法を用いた接合処理では、
予めＳｉ_３Ｎ_４基板を大気中で加熱することにより表面
に厚さ１μｍの酸化被膜（ＳｉＯ_２被膜）を設け、しか
る後に、Ｓｉ_３Ｎ_４基板に金属回路板および裏金属板を
押圧した状態で温度１０７０℃で１０分間加熱すること
により接合した。

【００５７】調製した各サブマウント材について実施例
２〜６と同一条件でヒートサイクル試験（ＴＣＴ）を実
施し、ＴＣＴ試験後における金属回路板の剥離の発生率
を測定した。測定結果を下記表２に示す。

【００５８】

【表２】

【００５９】上記表２に示す結果から明らかなように、
サブマウント材を構成する金属回路板の体積Ｖａに対す
る裏金属板の体積Ｖｂの比（Ｖｂ／Ｖａ）を所定の範囲
に調整した実施例７〜１１に係るサブマウント材におい
ては、金属回路板の剥離率が０％であり、熱衝撃が作用
した場合においても、金属回路板がＳｉ_３Ｎ_４基板から
剥離することが効果的に防止でき、優れた耐熱衝撃性を
有することが確認できた。また、金属回路板に対する裏
金属板の体積比（Ｖｂ／Ｖａ）は５〜１０の範囲が好ま
しいことが判明した。

【００６０】一方、参考例３に係るサブマウント材のよ
うに、Ｓｉ_３Ｎ_４基板の厚さが０．８ｍｍを超えるよう
に厚い場合には、Ｓｉ_３Ｎ_４基板の強度が高いことか
ら、たわみ量が小さくなり、金属回路板とＳｉ_３Ｎ_４基
板との熱膨張差が顕著となるために、金属回路板の剥離
が発生することが確認できた。

【００６１】また、参考例４のようにＶｂ／Ｖａ比を２
０と大きくしても、それ以上の剥離防止効果は得られな
い。また、参考例５のように、熱伝導率が低いＳｉ_３Ｎ
_４基板を用いた場合では、放熱性が低下するため、金属
回路板とＳｉ_３Ｎ_４基板との熱膨張差が顕著になるた
め、金属回路板の剥離率が高くなるものと考えられる。

【００６２】実施例１２〜１４実施例１に係るサブマウント材において、Ｓｉ_３Ｎ_４基
板の表面粗さ（Ｒａ）を表３に示すように変化させた点
以外は実施例１と同様に処理して各実施例に係るサブマ
ウント材を調製した。

【００６３】調製した各サブマウント材について実施例
２〜６と同一条件でヒートサイクル試験（ＴＣＴ）を実
施し、ＴＣＴ試験後における金属回路板の剥離の発生率
を測定し、下記表３に示す結果を得た。

【００６４】

【表３】

【００６５】上記表３に示す結果から明らかなように、
Ｓｉ_３Ｎ_４基板の表面粗さ（Ｒａ）を０．１〜０．５μ
ｍの範囲に調整することにより、金属回路板の剥離を効
果的に防止でき、ＬＤ素子の信頼性を向上させることが
可能になることが確認できた。

【００６６】実施例１５〜１９実施例２に係るサブマウント材において、図５に示すよ
うに裏金属板１２ｂの窒化けい素基板２ａとの接合端部
に表４に示したように、幅０．０２ｍｍ〜０．８ｍｍで
深さ０．２ｍｍの溝１４をさらに形成して実施例１５〜
１９に係るサブマウント材４ｂを調製した。

【００６７】このサブマウント材４ｂについて、実施例
２と同一条件でヒートサイクル試験（ＴＣＴ）を実施
し、ＴＣＴ試験後におけるＳｉ_３Ｎ_４基板２ａにクラッ
クが発生する割合を測定したところ、表４に示すように
発生率は０〜６％であり、実施例２の場合と比較して耐
久性が向上することが判明した。これは接合部において
発生する変形が溝１４によって緩和されるためである。

【００６８】

【表４】

【００６９】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係るサブマウ
ント材によれば、裏金属板の面積が窒化けい素基板の面
積よりも大きく構成されているため、裏金属板を介した
伝熱面積が大きくなり、また所定の接合強度を得るため
に必要な半田や樹脂接着剤の使用量が減少するため、放
熱性が大幅に改善される。また裏金属板を電子機器に接
合した際に変形が生じた場合においても、その変形に基
づく応力は、広面積を有する裏金属板内において吸収さ
れるため、その応力が窒化けい素基板や金属回路板に及
ぶことが少なく、耐久性に優れたサブマウント材が得ら
れる。

【００７０】また窒化けい素基板に厚い裏金属板や金属
回路板を接合した場合には、窒化けい素基板に大きな応
力が作用するが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの脆
弱なセラミックスと比較して構造強度が高い窒化けい素
基板を用いているため、応力によって破損することは少
ない。したがって、このサブマウント材にダイオード素
子を接合することにより、信頼性に優れた光電素子を高
い製造歩留りで量産することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るサブマウント材の一実施例を示す
平面図。

【図２】図１に示すサブマウント材の断面図。

【図３】窒化けい素基板および裏金属板の形状例を示す
平面図。

【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ裏金属板お
よび取付孔の形状例を示す平面図。

【図５】裏金属板の窒化けい素基板との接合端部に溝を
形成したサブマウント材の実施例を示す断面図。

【図６】サブマウント材にダイオードを搭載した光電素
子の構成例を示す断面図。

【符号の説明】

１レーザダイオード発光素子２，２ａ，２ｂセラミックス基板（ＡｌＮ基板，Ｓｉ
_３Ｎ_４基板）３金属回路層４，４ａ，４ｂサブマウント材５半田層６レーザダイオード７ヒートシンク８Ｔｉ膜９Ｐｔ膜１０Ａｕ膜１１金属回路板（銅回路板）１２，１２ａ，１２ｂ裏金属板（裏銅板）１３，１３ａ取付孔１４溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化けい素基板と、窒化けい素基板の表
面に接合した金属回路板と、上記窒化けい素基板の裏面
に接合した裏金属板とを具備し、上記金属回路板上にレ
ーザダイオードを搭載するためのサブマウント材におい
て、上記裏金属板の面積が窒化けい素基板の面積よりも
大きいことを特徴とするサブマウント材。
【請求項２】前記裏金属板の外周縁の少なくとも一部
が、窒化けい素基板の外周縁より２．５ｍｍ以上の幅で
張り出していることを特徴とする請求項１記載のサブマ
ウント材。
【請求項３】前記裏金属板の張出し部に、固定ねじを
挿通するための取付孔が穿設されていることを特徴とす
る請求項２記載のサブマウント材。
【請求項４】前記金属回路板の体積をＶａとする一
方、前記裏金属の体積をＶｂとした場合に、Ｖｂ／Ｖａ
比が５以上であることを特徴とする請求項１記載のサブ
マウント材。
【請求項５】前記窒化けい素基板の表面粗さが算術平
均粗さ（Ｒａ）基準で０．１〜０．５μｍであることを
特徴とする請求項１記載のサブマウント材。
【請求項６】前記窒化けい素基板の板厚が０．８ｍｍ
以下であることを特徴とする請求項１記載のサブマウン
ト材。
【請求項７】前記窒化けい素基板の縦および横の長さ
がそれぞれ１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１
記載のサブマウント材。
【請求項８】前記裏金属板の窒化けい素基板との接合
端部に溝を形成したことを特徴とする請求項１記載のサ
ブマウント材。