JP3274647B2 - 光半導体素子の実装構造 - Google Patents

光半導体素子の実装構造

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光半導体素子の実装
構造に関し、特に光通信用光モジュールに用いられる光
半導体素子を基板上に実装するための光半導体素子の実
装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】基板上に光半導体素子を実装する方法と
して、例えば特公平５−５３３１５号公報には、基板上
の所定の位置にＳｎ膜を蒸着によって形成し、このＳｎ
膜と光半導体素子側のＡｕ電極とを融着することが開示
されている。しかし、この方法の場合、光半導体素子の
位置決め調整に手間がかかるため、近年における光通信
用モジュールの低価格化の要求に答えられない。
【０００３】そこで、光半導体素子を用いたモジュール
において、Ｓｉ基板上に光半導体素子をＡｕＳｎ等の半
田（ハンダ）で接合するモジュールが提案されている。
この接合方法は、溶融したハンダ片の表面張力に起因す
るセルフアライン効果により、Ｓｉ基板上のパッドで規
定された接合位置に光半導体素子を無調整で位置決めで
きるという特徴を持ち、モジュール低価格化の有効な手
段として注目されている。このような光モジュール構造
は、例えば '95年電子情報通信学会エレクトロニクス
ソサイエティ大会講演集、蔵田 他「表面実装型光モジ
ュールの開発」（講演番号SC-1-12）に示されている。
図５はハンダ接合法を用いた従来の光半導体素子の実装
構造を示したものである。この図に示すように、光半導
体素子１０１のＡｕ電極１０２に対応してＳｉ基板１０
３上に設けられたパッド状のＡｕ電極１０４に薄片状の
ＡｕＳｎハンダ１０５を置き、さらに、このＡｕＳｎハ
ンダ１０５を介してＳｉ基板１０３上に光半導体素子１
０１を置いてＡｕＳｎハンダ１０５を溶融、凝固するこ
とで、光半導体素子１０１が高精度に実装されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図５で示した
従来技術には次のような問題点がある。
【０００５】第１の問題点としては、光半導体素子及び
Ｓｉ基板の熱膨張係数に大きな差異があるため、ハンダ
（ＡｕＳｎ等）を溶融、凝固した時、光半導体素子に歪
み及び応力が発生する。最悪の場合、光半導体素子に欠
けや割れが発生する。そのため、光半導体素子が短命と
なり、光半導体素子を用いたモジュールの信頼性が低下
する。
【０００６】更に、光半導体素子アレイの場合はチャン
ネル数分の光半導体素子を一括して造り込んでいるた
め、光半導体素子アレイは、光半導体素子と比べて大型
化する。そのため、光半導体素子アレイを用いた場合、
ハンダの溶融、凝固時に、光半導体素子アレイには歪み
や応力だけでなく、反りや撓みが発生する。そのため、
光半導体素子アレイの寿命を劣化させるだけでなく、光
半導体素子アレイの各チャンネルの活性層（発光素子の
場合）あるいは吸収層（受光素子の場合）と光ファイバ
との光学的な結合が劣化し、モジュールの信頼性が低下
する。
【０００７】第２の問題点として、光半導体素子を安定
して動作することができない。これは、光半導体素子の
活性層（ＬＤ素子の場合）及び吸収層（ＰＤ素子の場
合）に歪みや応力が発生するためである。特に、光半導
体素子に分布帰還型ＬＤ素子（ＤＦＢ−ＬＤ）を用いた
場合、従来の方法では活性層の回折格子に歪み及び応力
が発生し、安定した単一モード動作が難しいとの問題点
がある。
【０００８】そこで本発明の目的は、上述した従来技術
の問題点に鑑み、ハンダ接合時や環境温度変動時の光半
導体素子における応力や歪みを大きく低減して、信頼性
を向上することが可能な光半導体素子の実装構造を提供
することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、１つ以上の活性層を有する光半導体素子の
電極パッドに対応して基板上に電極パッドが設けられ、
光半導体素子および基板の電極パッド間がハンダで接合
されている光半導体素子の実装構造であって、前記基板
の電極パッドは、前記基板に複数のＶ溝を平行に設ける
ことで形成された複数個のテーパ状凸部の上面にそれぞ
れ設けられており、前記光半導体素子の各活性層部分の
両側部分に前記複数個のテーパ状凸部の各々が接合さ
れ、かつ前記光半導体素子の活性層が前記複数個のテー
パ状凸部のうちの中央のテーパ状凸部に対応して配され
ていることを特徴とする。
【００１０】また、前記基板としてはシリコン基板又は
セラミック基板が適用でき、前記ハンダとしてはＡｕＳ
ｎ又はＰｂＳｎが適用できる。
【００１１】このような構成によれば、ハンダ接合の際
に溶融したハンダが凝固する時あるいは環境温度変動
時、光半導体素子及びＳｉ基板の熱膨張係数差によって
生じる、光半導体素子への歪み及び応力が、凸部の弾性
変形により大幅に低減される。この構造は素子がアレイ
化して大型になっても、ハンダ凝固時にアレイ状素子に
発生する反りや撓みを抑制するが可能である。
【００１２】特に、１つ以上の活性層を有する光半導体
素子（例えばＬＤ素子）を実装する場合、前記光半導体
素子の活性層は前記複数個の凸部のうちの中央の凸部の
位置に対応して配されていることにより、光半導体素子
の活性層で発生する熱を、中央の凸部より効果的に放熱
することが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【００１４】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態である光半導体素子の実装構造を示す断
面図である。この図に示すように、光半導体素子１の下
面に設けられた金属パッドとしてのＡｕ電極２は、Ａｕ
Ｓｎハンダ６を介してＳｉ基板３上の金属パッドとして
のＡｕ電極５に接合されている。このＡｕ電極５は光半
導体素子１のＡｕ電極２に対応して２個のテーパ状凸部
７の上面にそれぞれ設けられている。２個のテーパ状凸
部７は、Ｓｉ基板３に３本の平行なＶ溝４を設けること
で形成されている。テーパ状凸部７の間隔は、光半導体
素子１の幅と等しいか、もしくは短くなっている。
【００１５】なお、光半導体素子１は、発光素子〔例え
ばレーザダイオード（LD）〕及び受光素子〔例えばフォ
トダイオード（PD）〕のいずれでも良い。また、基板３
の材質をＳｉとしているが、セラミック等の材質でも何
ら問題はない。また、ＡｕＳｎハンダ６を用いている
が、他の成分を有するハンダ〔例えばＰｂＳｎ〕を用い
ても問題はない。
【００１６】次に図１を用いて、本形態の実装構造によ
る作用を説明する。先ず、ユーザーが光半導体素子１
を、２つのテーパ状凸部７の上部にＡｕＳｎハンダ６を
設置する。そして、ＡｕＳｎハンダ６を溶融、凝固さ
せ、光半導体素子１をテーパ状凸部７と固定する。も
し、２本のテーパ状凸部がなく、平坦なＳｉ基板に光半
導体素子をＡｕＳｎハンダで固定する場合、溶融したＡ
ｕＳｎハンダの凝固時、光半導体素子とＳｉ基板との熱
膨張係数に大きな差があるため、光半導体素子に大きな
歪みや応力が発生する。しかし、図１に示す構造では、
光半導体素子１は２本のテーパ状凸部７を用いてＳｉ基
板３に接合されている。そのため、ＡｕＳｎハンダの凝
固する時あるいは環境温度変動時、光半導体素子１及び
Ｓｉ基板３が収縮すると、テーパ状凸部７が弾性変形す
る。その結果、光半導体素子１への残留応力や歪みを大
幅に低減することができる。
【００１７】（第２の実施の形態）図２は、本発明の第
２の実施の形態である光半導体素子の実装構造を示す断
面図である。ここでは光半導体素子としてレーザダイオ
ード（LD）素子等の発光素子を用いた例を示し、第１の
実施形態と同一要素には同一符号を用いている。この図
において、発光素子８の下面に設けられたＡｕ電極２は
ＡｕＳｎハンダ６を介してＳｉ基板３上のＡｕ電極５に
接合されている。このＡｕ電極５は光半導体素子１のＡ
ｕ電極２に対応して３個のテーパ状凸部７の上面にそれ
ぞれ設けられている。３個のテーパ状凸部７は、Ｓｉ基
板３に４本の平行なＶ溝４を設けることで形成されてい
る。そして、３個のテーパ状凸部７のうちの中心のテー
パ状凸部に発光素子８の活性層９の位置が一致するよう
に、発光素子８はＡｕＳｎハンダ６にて固定されてい
る。この事により、発光素子８の活性層９で発生する熱
を、中心のテーパ状凸部７より効果的に放熱することが
可能である。
【００１８】本形態の実装構造においても、溶融ハンダ
の凝固時や環境温度変動時にテーパ状凸部７が弾性変形
により発光素子８への残留応力や歪みを大幅に低減し、
発光素子８の信頼性向上が可能であることは言うまでも
ない。
【００１９】なお、基板３の材質をＳｉとしているが、
セラミック等の材質でも何ら問題はない。また、ＡｕＳ
ｎハンダ６を用いているが、他の成分を有するハンダ
〔例えばＰｂＳｎ〕を用いても問題はない。
【００２０】（第３の実施の形態）図３は、本発明の第
３の実施の形態である光半導体素子の実装構造を示す断
面図である。ここでは光半導体素子として３チャンネル
の発光素子アレイを用いた例を示し、第１の実施形態と
同一要素には同一符号を用いている。この図において、
発光素子アレイ１０の下面に設けられたＡｕ電極２はＡ
ｕＳｎハンダ６を介してＳｉ基板３上のＡｕ電極５に接
合されている。このＡｕ電極５は発光素子アレイ１０の
Ａｕ電極２に対応して５個のテーパ状凸部７の上面にそ
れぞれ設けられている。５個のテーパ状凸部７は、Ｓｉ
基板３に６本の平行なＶ溝４を設けることで形成されて
いる。そして、５個のテーパ状凸部７のうちの中央の３
個のテーパ状凸部に発光素子アレイ１０の活性層９の位
置が一致するように、発光素子アレイ１０はＡｕＳｎハ
ンダ６にて固定されている。
【００２１】図１に示した単体の光半導体素子１と比較
すると、発光素子アレイ１０はチャンネル数分だけ幅が
広く大型化するため、ＡｕＳｎハンダ６の凝固・固定時
の発光素子アレイ１０への応力や歪みが大きくなり、光
半導体素子アレイ１０に反りや撓みが発生する場合があ
る。しかし、図３に示す構造では、５個のテーパ状凸部
７が弾性変形することによって、発光素子アレイ１０へ
の残留応力及び歪み、あるいは反りや撓みを抑制するこ
とができる。その結果、光半導体素子アレイ１０の高信
頼性化が達成できる。更に、光半導体素子アレイ１０の
反りや撓みを防止できるので、光半導体素子アレイ１０
の活性層９と光ファイバ（不図示）との光学的結合の劣
化を防止でき、この光半導体素子アレイ１０を用いた光
モジュールの高信頼性化も可能である。
【００２２】また、発光素子アレイ１０は、各チャンネ
ル毎に発熱するため、発光素子アレイ１０全体の発熱量
は大きくなる。しかし、本形態のように各活性層９の位
置に合わせてテーパ状凸部７を設けることで、発光素子
アレイ１０の各活性層９で発生する熱を各テーパ状凸部
７より効果的に放熱することが可能である。よって、発
光素子アレイ１０の放熱特性の改善も可能になる。
【００２３】このような形態では、Ｓｉ基板３に６本の
平行なＶ溝４を設けることにより、発光素子アレイ１０
のＡｕ電極２および活性層９に対応した５個のテーパ状
凸部７を形成している。しかし、テーパ状凸部７に代
え、図４に示すような矩形状凸部１２を、発光素子アレ
イ１０のＡｕ電極２および活性層９の位置に対応して設
けてもよい。この場合、矩形状凸部１２は、Ｓｉ基板３
に矩形状の溝１１を設けることで形成されている。この
構造においても、矩形状凸部が弾性変形することで、溶
融したＡｕＳｎハンダ６の凝固時あるいは環境温度変動
時に発生する発光素子アレイ１０の応力や歪み、あるい
は反りや撓みを抑制可能である。
【００２４】なお、図３及び図４に示した形態では基板
３の材質をＳｉとしているが、セラミック等の材質でも
何ら問題はない。また、ＡｕＳｎハンダ６を用いている
が、他の成分を有するハンダ〔例えばＰｂＳｎ〕を用い
ても問題はない。
【００２５】
【効果の説明】本発明は、以上のとおり構成されている
ので以下の効果を奏する。
【００２６】第一に、光半導体素子の信頼性の向上が可
能である。これは、ハンダ接合時に光半導体素子に発生
する応力や歪みを大きく低減でき、光半導体素子の欠け
や割れを防止することができるからである。
【００２７】第二に、光半導体素子の安定した動作が可
能である。光半導体素子の活性層（ＬＤ素子の場合）や
吸収層（ＰＤ素子の場合）に発生する応力や歪みを大き
く低減できるからである。特に光半導体素子に分布帰還
型ＬＤ素子（ＤＦＢ−ＬＤ素子）を用いた場合、回折格
子を設けた活性層に応力や歪が発生しないため、安定し
た単一モード発振が可能になる。
【００２８】第三に、環境温度変動対しても、この光半
導体素子の信頼性の向上が可能である。これは、Ｓｉ基
板と光半導体素子との熱膨張係数差によって、環境温度
が変動した場合でも光半導体素子に更に応力や歪みが発
生するが、本発明の実装構造ではＳｉ基板の凸部が弾性
変形して、光半導体素子に加わる歪み及び応力を緩和す
ることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である光半導体素子
の実装構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である光半導体素子
の実装構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態である光半導体素子
の実装構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態である光半導体素子
の実装構造を示す断面図である。
【図５】従来の光半導体素子の実装構造を示す断面図で
ある。
【符号の説明】
１ 光半導体素子 ２、５ Ａｕ電極 ３ Ｓｉ基板 ４ Ｖ溝 ６ ＡｕＳｎハンダ ７ テーパ状凸部 ８ 発熱素子 ９ 活性層 １０ 発光素子アレイ １１ 矩形状の溝 １２ 矩形状凸部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−112596（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−310617（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−72688（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−307191（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−36274（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−120270（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−145466（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １つ以上の活性層を有する光半導体素子
    の電極パッドに対応して基板上に電極パッドが設けら
    れ、光半導体素子および基板の電極パッド間がハンダで
    接合されている光半導体素子の実装構造であって、 前記基板の電極パッドは、前記基板に複数のＶ溝を平行
    に設けることで形成された複数個のテーパ状凸部の上面
    にそれぞれ設けられており、前記光半導体素子の各活性
    層部分の両側部分に前記複数個のテーパ状凸部の各々が
    接合され、かつ前記光半導体素子の活性層が前記複数個
    のテーパ状凸部のうちの中央のテーパ状凸部に対応して
    配されていることを特徴とする光半導体素子の実装構
    造。
  2. 【請求項２】 前記基板はシリコン又はセラミックであ
    る請求項１に記載の光半導体素子の実装構造。
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