JP3869575B2

JP3869575B2 - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP3869575B2
Application number: JP05475899A
Authority: JP
Inventors: 秀史上林
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2019-03-02
Also published as: CN1265529A; JP2000252575A; KR20000062648A; KR100681655B1; CN100388574C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザチップの周囲が気密に封止されたキャンシール型の半導体レーザに関する。さらに詳しくは、ＤＶＤ（デジタルビデオディスク）、ＬＢＰ（レーザビームプリンタ）、ＤＶＤ−ＲＯＭなどのピックアップ用光源に用いるのにとくに適した、安価な半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＤＶＤの光源などに用いられる半導体レーザは、図４に示されるような構造になっている。すなわち、信頼性確保のため、レーザチップ２３を外気から保護する必要から、レーザチップ２３の周囲がキャップ２４で覆われて気密に封止されている。
【０００３】
図４において、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部断面の側面図、（ｃ）はキャップ２４をステム２１に溶接するときの断面説明図である。２１はステムで金属の冷間鍛造加工などにより台座２１ａと一体に形成され、図４（ｃ）に示されるような貫通孔２１ｂが２か所設けられ、リード２６、２７が低融点ガラス２９などにより絶縁されてハーメチックシール（気密封止）されている。台座２１ａにはシリコン基板などからなるサブマウント２２を介してレーザチップ２３がボンディングされ、リード２６、２７の先端とワイヤボンディングされている。さらに、ステムの底面側には共通リード２８が溶接などにより接着されている。このステム２１の上部はレーザチップ２３の周囲を気密封止するため、キャップ２４が溶接などによりステム２１に取りつけられている。キャップ２４のレーザ光の通過部分には貫通孔が設けられ、窓ガラス２５が低融点ガラスなどにより接着されている。なお、この例はレーザダイオードとレーザダイオードの出力をモニターするためのフォトダイオードの両方が設けられているため、それぞれの一方の電極に接続されるリード２６、２７とそれぞれ他方の電極が共通とされて接続された共通リード２８との３本のリードがパッケージの外部に導出されている。なお、フォトダイオードは、図示されていないが、ステム２１の中心部に凹み部が形成され、その凹み部内に設けられたり、サブマウント２２に直接形成されたりする。
【０００４】
前述のキャップ２４とステム２１との溶接は、図４（ｃ）に示されるように、キャップ２４の底部における鍔部２４ａの底面側に設けられた突起２４ｂにより電流が集中するようにして上下から電極３１、３２により挟みつけて溶接をしている。そしてステム２１の外周表面Ａが位置出しなどの基準面になっている。なお、２１ｃは回転方向の位置決めをする切欠部である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の図４に示される構造の半導体レーザのステム部は、前述のように厚い金属板を冷間鍛造プレスにより、台座と共にステムの成型加工をして形成されている。このステムと一体に形成される台座は、ステムの底面に対する垂直度が１゜程度の範囲に収めなければならないと共に、ステムの外径寸法精度は０.０３ｍｍ程度未満の公差が要求されており、冷間鍛造で製造するためには、非常に高度の金型の精度が要求されている。そのため、金型のメインテナンス費用が嵩み、金属ステムの単価が上昇するという問題がある。
【０００６】
さらに、金属ステムの成型加工の際に、ステムに孔を開けて、後からガラスによりリードを封入しなければならない。そのため、０.４５ｍｍ程度の太さのリードを封入する場合でも、ステムに設ける孔径は１ｍｍφ程度必要となり、キャップの溶接部分および基準面とする部分も含めたステムの最外径が５.６ｍｍ程度の小さいステムでは、リードの配置のスペースの自由度が制限されると共に、リードを別途ガラス封入しなければならず、一層工数増となってコストアップの原因になっている。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決し、設計自由度が大きく、かつ、簡単に製造することができると共に、従来のキャンシール型半導体レーザと同程度の寸法精度や取付けの基準面が得られる小形で安価な半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体レーザは、導電材からなる複数のリードが上下に露出するように樹脂により一体成形されることにより円板状の樹脂部に複数のリードが固定された樹脂製ステムと、該複数のリードの１本と一体に形成され、前記樹脂部上に露出する台座と、該台座と一体で前記樹脂部上に露出するように形成され、該台座の両端部から前記円板状樹脂部の端部側に延出される突起部と、前記台座に固着されるレーザチップと、該レーザチップの周囲を覆うと共に頂部に光の透過窓を有し、前記突起部に突き当てて前記ステムに固定されるキャップとからなっている。
【０００９】
この構造にすることにより、リードを金型で固定して樹脂を流し込むだけで簡単に樹脂製ステムを形成することができ、非常に工数を減らして安価に製造することができる。一方、樹脂製にすることにより、外径や高さの基準面などを一定に維持しにくいが、台座を構成する金属や、キャップなどの金属を利用することにより、必要な基準面とすることができる。
【００１０】
前記複数のリードのうち、前記台座と一体ではないリードが、前記台座と前記樹脂部とは異なるリード固定用樹脂により固定されることにより、ステムが樹脂製であることによるリード保持力の低下を補うことができる。
【００１１】
前記キャップの底部に前記ステムの周囲の上部および側部を被覆するような段付きのスカート部が形成されることにより、樹脂製のステムの径が精密に形成されていなくても、キャップの外径により正確な取付けの位置決めをでき、またスカート部の上面をレーザチップの位置出し（レーザチップからの距離）の基準面とすることができるため好ましい。
【００１２】
前記キャップが金属からなり、該キャップが接着剤により前記ステムに固着されることにより、台座に伝わった熱をキャップから効率よく放熱することができる。なお、接着剤はエポキシ樹脂などを用いることができるが、熱伝導の良好なものが好ましく、熱伝導の良好な接着剤とは、たとえば銀ペーストなどのように金属フィラーなどの熱伝導率のよい材料が混入された接着剤を意味する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体レーザについて説明をする。
【００１４】
本発明の半導体レーザは、その一実施形態のキャップを切り欠いた側面説明図および底面図が図１に示されるように、導電材からなる複数のリード１１〜１３が上下に露出するように樹脂部材１４により一体成形された樹脂製ステム１と、その複数のリード１１〜１３の１本のリード１１に台座１５が電気的に接続して設けられている。そして、台座１５にレーザチップ２が固着されている。このレーザチップ２は、シリコンサブマウント３上にマウントされ、そのサブマウント３が台座１５上に固着されている。台座１５には、レーザチップ２の出力をモニターするための受光素子４が設けられている。このレーザチップ２などの周囲にはキャップ５が被せられ、ステム１に接着剤６などにより固定されている。キャップ５の頂部には、光の透過窓５１が形成されている。なお、この透過窓５１に窓ガラスなどが気密に封着される場合もある。
【００１５】
ステム１は、図２にその平面図および側面図が示されるように、この例では３本のリード１１〜１３が絶縁性の樹脂部材１４により固着されている。その内の１本のリード１１は台座１５と一体に形成されており、樹脂部材１４の上部に台座１５が形成され、下部にリードがコモンリード１１として延びている。樹脂部材１４の上部には、台座１５とさらに一体で突起部１６が樹脂部材１４の上部に露出するようにステム１の外周に延出されている。この突出部１６は、樹脂部材１４の表面から僅かに露出するような一定寸法で設けられ、その上に前述のキャップ５が載置されて固着される構造になっている。すなわち、レーザチップ２で発生する熱が台座１５および突起部１６を経てキャップ５に逃げ、キャップ５から放熱することができるようになっている。さらに、樹脂部材１４は、その寸法精度を金属のように精度よく形成することができず、レーザチップ２の位置出しの基準面をステム１に設定しにくくなるが、この突起部１６は台座１５と一体で形成されているため、台座１５に対する突起部１６の位置は正確に定まり、さらにこの突起部１６に突き当ててキャップ５が設けられることにより、キャップ５のスカート部５２の平面部Ｂをレーザチップ２の位置出しのための基準面とすることができる。
【００１６】
突起部１６は、図２に示されるように台座１５部分からステム１の周縁部に延びるように形成され、たとえば平面形状でコ字型に形成されている。この突起部１６は、この形状に限らず、本来ステムの周囲でキャップ５の底部が当たる部分に円周方向に沿って設けられることが熱放散やキャップ５の固定の観点からは好ましい。台座１５の上部中央に設けられている切欠部１５ａは、レーザチップ２から出射する光が当らないようにするためのもので、図２（ａ）の１７は、リード１２、１３と台座１５との間に充填されたリード固定用樹脂で、ワイヤボンディングの際にステム１が樹脂製であることにより、リード保持力が低融点ガラスによりリードを封着する場合に比べて低下するため、ボンディング性が低下するのを防止するためのものである。
【００１７】
樹脂部材１４は、完成した素子を回路基板などに組み込む際のハンダ付けなどのときに温度上昇しやすい場合には、耐熱性のあるものが好ましく、たとえば液晶ポリマーなどを用いることができる。しかし、通常のＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの樹脂を用いることもできる。この樹脂部材１４の厚さは、０.８〜１ｍｍ程度に形成され、従来の金属製（１.１〜１.３ｍｍ程度）よりは若干薄く形成することができる。なお、１４ａ〜１４ｃは、従来と同様にステム１に形成された回転に対する位置決め用の切欠部である。このような切欠部１４ａ〜１４ｃも、金型に突起を形成しておくだけで、好みの形状で容易に形成することができる。
【００１８】
このステム１を製造するには、たとえばこの樹脂部材１４の形状の空洞を形成した金型内に、予め台座１５や突起部１６などを打抜きと曲げ加工などにより形成したリード１１〜１３をセッティングし、樹脂を注入して硬化させることにより、樹脂部材１４内にリード１１〜１３を固定したステム１を形成することができる。なお、リード１１〜１３は、リードフレームのように何組も連結しておいて、１個の金型に何個も空洞を設けておくことにより、一度に数十個のステム１を同時に製造することができる。
【００１９】
レーザチップ２は、レーザ光を出射するように形成されているが、その大きさは２５０μｍ×２５０μｍ程度と非常に小さく、その取扱を容易にするため、通常０.８×１ｍｍ程度の大きさのシリコン基板などからなるサブマウント３上にボンディングされている。そして、一方の電極はサブマウント３に直接接続されて導電性接着剤によりコモンリード１１に接続され、他方の電極はサブマウント３の電気的に浮かした部分を経由してワイヤボンディングによりリード１３と接続されている。このレーザチップ２がマウントされたサブマウント３は吸着コレットにより搬送され、突起部１６の上面を基準として位置合せされて台座１５にマウントされる。この突起部１６の上面を基準とすることにより、後述するのキャップ５がこの突起部１６上に固着されるため、キャップ５のスカート部５２の基準面Ｂに対してレーザチップ２の位置を精度よく組み立てられる。また、レーザチップ２の発光出力をモニターするための受光素子４が同様に台座１５にボンディングされ、その一方の電極は台座１５を介してコモンリード１１に接続され、他方の電極は図示しないワイヤボンディングによりリード１２と電気的に接続されている。なお、この受光素子４は、サブマウント３に直接形成することもできる。
【００２０】
レーザチップ２の周囲には、キャップ５がステム１に接着されることにより設けられている。キャップ５は銅などの熱伝導のよい材料からなっているのが好ましいが、鉄などの金属でもよい。また、無光沢銀メッキなどが施されていることが、内面で光の乱反射を防止しやすいため好ましい。なお、キャップ５の頂部の中心部には、レーザ光が通過する貫通孔が設けられており、窓部５１が形成されている。さらに、底部には、段付きのスカート部５２が形成され、段状にされた平面部が位置出し用の基準面Ｂとされ、スカート部５２のステム１を被覆する部分が製品の外径の基準とされている。このキャップ５は金属製であるため、その寸法精度は非常に精度よく形成され、樹脂製ステム１の寸法のばらつきに拘らず、常に一定の寸法の基準面および基準径となる。なお、このキャップ５はエポキシ系の樹脂などからなる接着剤によりステムと接着されるが、レーザチップ２で発生する熱の放散をよくするため、熱伝導の良好なものが好ましく、銀などの金属フィラーが混入されたものが好ましい。
【００２１】
本発明の半導体レーザによれば、ステムが樹脂部材によりリードを固着することにより形成されているため、従来の金属板を冷間鍛造法により形成するような複雑な成形工程を必要とするのに比べて非常に安価に形成することができる。しかも、後からリードをガラス付けする必要がなく、リード付けの工数が不要であると共に、リードの太さより大きなスペースを必要としないため、狭い範囲でリードを固定することができ、リードなどの配置の自由度が向上する。また、台座をリードと一体に形成しておいて樹脂により成形すれば、その直角度なども金型の精度により非常に精密に成形することができ、曲りの小さい高性能な半導体レーザを得ることができる。一方、ステムを樹脂製で構成することによる不利益として、放熱性と寸法精度が粗くなることが考えられる。しかし、放熱性に関しては、レーザチップ２をマウントする台座１５と一体で樹脂部材１４から露出する突起部１６が設けられており、この突起部１６にキャップ５の底部を当てつけることにより、金属部材の台座１５、突起部１６を介してキャップ５に熱が伝導し、キャップ５より放熱することができる。そのため、樹脂部材１４の熱伝導が少々低下しても、レーザチップ２から発生する熱を放散させるには、支障がない。
【００２２】
また、寸法精度に関しては、樹脂部材１４自身は収縮度が一定せず、レーザチップの光出射方向への寸法設定のための位置決めや、取付基板などに設けられる孔などにそのステムの外径を挿入することによりｘｙ方向の位置決めをするには十分な精度が得られない。しかし、その外周に設けられるキャップは金属製であり、寸法精度を十分に精度よく形成することができる。この寸法精度のよいキャップの底部に段付きのスカート部を設け、その段部の内面を前述の台座と一体の突起部に当てつけて固着することにより、レーザチップの位置決めの基準面をキャップのスカート部の段付き部に設定することができる。また、ステムの外周を覆うスカート部により、その外径を精度よく形成することができるため、ｘｙ方向の位置決めも十分に精度よく形成することができる。
【００２３】
前述の図１に示される構造の半導体レーザを、厚さが３ｍｍで３０ｍｍ角のアルミニウムからなる放熱板に固定した場合（本発明がＰ１、従来構造がＱ１）と、放熱板には取り付けない場合（本発明がＰ２、従来構造がＱ２）との両方で、半導体レーザの動作条件を、順方向電流Ｉ_F＝３０ｍＡ、サンプリング電流Ｉ_M＝１.５ｍＡ、サンプリング時間Ｔ_D＝１μｓの条件で動作させて、熱抵抗値（Ｒ_th）の変化を調べた結果を、従来の半導体レーザと対比して図３に示す。図３からも明らかなように、樹脂製ステムを用いたことによる熱放散への影響は殆ど差がないことが明らかである。なお、図３において、横軸は電流印加時間Ｔ_p（秒）を表し、縦軸は、熱抵抗Ｒ_th（℃／Ｗ）を表している。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ステムを樹脂部材により形成しているため、特殊な加工をする必要がなく、簡単にステムを製造することができる。また、リードをガラス付けする必要がないため、部品点数が減ると共に、その工数も必要でなくなる。そのため、非常に安価な半導体レーザを電気的、光学的特性を低下させることなく得ることができる。さらに、従来の金属ステムを用いたものと全く外形的にも同様の半導体レーザとなるため、従来の製品をそのまま置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザの一実施形態の構造を示す説明図である。
【図２】図１のステム部の平面および側面の説明図である。
【図３】図１の半導体レーザの熱抵抗の特性を従来の金属ステムの半導体レーザの特性と対比して示した図である。
【図４】従来の半導体レーザの一例の構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１樹脂製ステム
２レーザチップ
５キャップ
１１コモンリード
１２リード
１３リード
１４樹脂部材
１５台座
１６突起部

Claims

導電材からなる複数のリードが上下に露出するように樹脂により一体成形されることにより円板状の樹脂部に複数のリードが固定された樹脂製ステムと、該複数のリードの１本と一体に形成され、前記樹脂部上に露出する台座と、該台座と一体で前記樹脂部上に露出するように形成され、該台座の両端部から前記円板状樹脂部の端部側に延出される突起部と、前記台座に固着されるレーザチップと、該レーザチップの周囲を覆うと共に頂部に光の透過窓を有し、前記突起部に突き当てて前記ステムに固定されるキャップとからなる半導体レーザ。
前記複数のリードのうち、前記台座と一体ではないリードが、前記台座と前記樹脂部とは異なるリード固定用樹脂により固定されてなる請求項１記載の半導体レーザ。
前記キャップの底部に前記ステムの周囲の上部および側部を被覆するような段付きのスカート部が形成され、該キャップのスカート部が位置出しの基準面とされてなる請求項１または２記載の半導体レーザ。
前記キャップが金属からなり、該キャップが接着剤により前記ステムに固着されてなる請求項１、２または３記載の半導体レーザ。