JP4162363B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄い金属板をプレスで板金加工することにより形成したステムを有する半導体レーザ装置、とくにその放熱性を向上させた半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体レーザー装置のステムは、例えば図１０に示すように、ベース１、ベース１に取り付けたアウトリード４及び半導体レーザ発光素子等を実装するシリコンサブマウントの取り付部であるヒートシンク３からなっており、一般にベース１は例えば、1.2mm厚の直径5.6mmの鉄材からなる円盤をプレス金型にて鍛造して形成し、その際、円盤の周縁部を押し潰すか、或いは中央部を盛り上げるかのいずれかの方法でヒートシンク部３を形成している。またアウトリード４は絶縁性融着ガラス１２によってベース１に固定されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法でステムを製造する場合には、以下に示すような問題があるため、その製造コストを下げるのは困難であった。即ち、
（１）鍛造用金型は厚手の金属板を使用し材料コストがかさむ上、厚手の金属板を鍛造するため、摩耗、破損しやすい。
（２）ステムのベースの側面寸法等は高い精度が要求されるため、鍛造による場合には、円盤周縁部の鍛造に加えその側面等の加工も必要となる。
（３）ベースとアウトリードとの接合は融点が１０００°Ｃ程度の低融点ガラスによって行われているが、この温度は金の融点を越えているため、アウトリードの金メッキはベースに対し接合した後に行わなければならない。
従って、ベースは本来であれば例えばＮｉメッキで足りるにも拘らず、アウトリードに合わせて金メッキを施さざるを得ない。
さらに、光ピックアップへの装着時、放熱がそれほど問題にならない場合には、装着面縮小のためベースを（図面参照）縮小加工することがあるが、従来の鍛造により形成したベースは切削等によらなければ装着面積縮小ができず、プレスで打ち抜く等の簡易な方法が採れない等の問題がある。
このような課題を解決するため、例えば、ステムを備えた半導体レーザ装置において、ステムのベースを例えば0.1mm〜0.5mm程度の薄い金属板からプレス加工により形成することが考えられるが、従来のステムのベースが1.2mm程度の比較的厚い金属板から鍛造により打ち出し形成していたのと異なり、薄い金属板によると、ピックアップに対する当て付け時の強度が弱く、曲がり反り等の問題が新たに生じるほか、放熱特性に関しても十分とはいい難い場合がある。
また、近年の短波長の発光素子或いは高出力発光素子の出現等によって、より放熱性の高いステムが必要となっている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ステムを備えた半導体レーザ装置において、前記ステムは、板金を折り曲げて形成した環状壁部を周縁に備えたベースを有し、該環状壁部内にヒートシンク部材を封止したことを特徴とする半導体レーザ装置である。
請求項２の発明は、請求項１に記載された半導体レーザ装置において、前記ヒートシンク部材は絶縁した銅材であることを特徴とする半導体レーザ装置である。
請求項３の発明は、ステムを備えた半導体レーザ装置において、前記ステムは、熱伝導性の異なる２種の金属をストライプ状に張り付けたクラッド材を折り曲げて形成した環状壁部を周縁に備えたベースを有し、少なくとも前記ベースに一体に形成されたレーザ発光素子の取付部が、前記異なる金属のうち熱伝導性の高い金属の部分で形成されるよう成型されたものであることを特徴とする半導体レーザ装置である。
請求項４の発明は、ベース、レーザ発光素子の取付部及び、アウトリードからなるステムを備えた半導体レーザ装置において、前記ベースは、金属板を折り曲げて形成した環状壁部を有し、前記レーザ発光素子の取付部は前記アウトリードの一部として形成されており、かつ、前記アウトリードは前記環状壁部内に封止された熱硬化性樹脂によって前記ベースに接合されていることを特徴とする半導体レーザ装置である。
請求項５の発明は、請求項４記載の半導体レーザ装置において、前記環状壁部内にさらにヒートシンク部材を封止したことを特徴とする半導体レーザ装置である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明によるステムの第１の実施例を示すものであって、図１Ａはその斜視図、図１Ｂはその断面図を示す。
図示のようにこのステムのベース１とレーザー発光素子等をシリコンサブマウントを介して取り付ける取付部（ヒートシンク）３は、薄い金属板、例えば0.1mm〜0.5mm程度の金属板から円盤状のブランクを打ち抜き、これに板金加工を施して形成したものであって、鍔状の周縁部１Ａを残して中央部に曲げ加工を施して環状連続壁１Ａ’を形成し、その環状壁部１Ａ’の一部にそれと一体に形成された取付部（ヒートシンク）３が形成されている。
図中、６は金ワイヤーであって、アウトリード４と各端子を電気的に接続している。７はシリコンサブマウントであって、取付部（ヒートシンク）３の折り返し面３Ａ（図２）に対して銀ペーストのような導電性ペーストで接合されている。８は発光素子であるＬＤ（レーザーダイオード）、９は前記ＬＤから発光されたレーザー光をモニターするための受光素子を示す。図示のように、ＬＤ８及び受光素子９はいずれも金ワイヤー６によってアウトリード４に電気的に接続されている。
【０００６】
図２は本発明によるステムのベース１の成形工程を説明するための図である。図２Ａは例えば鉄等の金属板のブランクを示す。図２Ｂはこのブランクに絞り加工を施して形成した灰皿またはハット状の、つまり鍔状部１Ａとそれに続く環状壁部分１Ａ’、及び環状壁部分１Ａ’の上に平面を有する中間加工物を示す。図２Ｃはこのように形成した中間加工物の前記平面をヒートシンクである取付部（ヒートシンク）３となる部分３Ａを残して打ち抜いた状態を示し、最後に、図２Ｄに示すように、前記取付部（ヒートシンク）３となる部分３Ａを起立させ、断面Ｌ型の取付部（ヒートシンク）３を形成する。
以上の工程で形成したベース１の環状壁部分１Ａ’によって囲まれる空間に３本のアウトリード４を配し、その状態で熱硬化性樹脂を充填して加熱し、前記アウトリード４をベース１に固着する（図１）。ここで、Ｇｎｄ端子４Ａはボンディング時に電気的導通を確保するため、図に示すように、前記取付部（ヒートシンク）３を貫通している。
【０００７】
この実施例によれば、ベース１と前記アウトリード４との接合は従来の低融点ガラスによらず、熱硬化性樹脂によって行われておりかつ、前記樹脂の熱硬化を行ってもその温度は約２００°Ｃ程度にすぎないから、前記樹脂を用いることによってアウトリード４に金メッキを施した後からベース１に接合することができる。
つまり、本実施形態によれば、ベース１とアウトリード４はそれぞれ別々にメッキを施すことができるため、ベース１はアウトリード４と同じ金メッキを施す必要がなく、例えばＮｉメッキを施すことができるという利点がある。また、ピックアップ装着面積の縮小が必要な場合であっても、ベース１をプレスで単に打ち抜くことにより簡単に切断することができる。
なお、ＤＢ（ダイボンディング）材には銀ペースト等の導電性ペーストを用い接着強度を確保する。
以上で説明した本発明の第１の実施形態のステムは、前記従来の問題を解決し得るものではあるが、ベース１の厚みが0.25〜0.3mm程度で従来品のもの（1.2mm程度）より薄いため、ピックアップに対する当て付け時の強度が弱く、曲がり反り等の問題が生じることがある。また、放熱特性に関しても十分とはいい難い。
【０００８】
そこで、次にその点を改良した実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態を示すものである。
図中図１におけると同様の部分には同じ番号を付している。この実施形態の特徴は、本発明のステムのベース１の厚みが従来品よりも薄いことに対処するため、円盤状の金属ブランクの周縁部をほぼ直角に折り曲げて環状壁部１Ａを形成し、その中央部を平面１Ｂとし、その平面から切り起こしたレーザー発光素子等の取付部（ヒートシンク）３を備えている。
この実施形態は前記環状壁部１Ａ’を放熱フィンとしかつ、環状壁部の幅を調整して必要な放熱性を確保できるようにしている。
【０００９】
図４はその製造工程を示すものであって、図４Ａは金属ブランクを示す。図４Ｂは前記金属ブランクの周縁部を下方に折り曲げて折曲部を形成し中央部を平面とした中間加工物を示している。図４Ｃは、この中間加工物の中央平面部分にシリコンサブマウントを介して前記レーザ発光素子等を取り付ける取付部（ヒートシンク）３になる部分３Ａを残して切り抜いた状態を示している。さらに、図４Ｄは、前記取付部（ヒートシンク）３になる部分３Ａを起立させ断面Ｌ字型の前記取付部（ヒートシンク）３を形成する。
【００１０】
この実施形態においては、ベース１の周縁を折曲して形成した環状側壁内部空間に熱硬化性樹脂を封止するものであるから、ベース１を薄い金属板で形成したにも拘らず強度を増大することができ、かつ、その部分をピックアップの装着時の当てつけ基準面とすることにより、曲げ、反り等が発生するおそれもない。
また、折曲部の幅Ｌを長くすることにより、放熱面積を増大させることができるから、前記第１の実施形態におけるようなＬＤ動作時における放熱性の問題も解消することができる。
【００１１】
図５は本発明によるステムの第３の実施例を示し、図５Ａはその斜視図、図５Ｂは断面図を示す。
ステムのベース１は、図示のようにその周縁部が図５Ａにおいて下方にほぼ直角に折り曲げた環状連続壁１Ａ’を有し、その上面１Ｂの開口部の一側にはシリコンサブマウントを介してレーザ発光素子等を取り付ける取付部（ヒートシンク）３が一体に形成されている。ここで使用される金属板は、既に述べたように、例えば0.1mm〜0.5mm程度の鉄板である。
図中、６は金ワイヤーであって、アウトリード４と各端子を電気的に接続している。７はシリコンサブマウントであって、取付部（ヒートシンク）３の折り返し面に銀ペーストのような導電性ペーストで接合されている。８は発光素子であるＬＤ（レーザーダイオード）、９は前記ＬＤから発光されたレーザー光をモニターするための受光素子を示す。図示のように、ＬＤ８及び受光素子９はいずれも金ワイヤー６によってアウトリード４に電気的に接続されている。
このように構成されたステムは、ベース１外周縁を折り曲げ環状壁部１Ａ’が形成されているため、ベース１を強化するとともにその環状壁部を放熱フィンとすることができ、環状壁部の幅を調整することにより、ベース１自体によっても必要な放熱性を確保することができる。
しかし、ステムの放熱性を一層高めるために、本実施形態では、図５Ｂに示すように、前記環状壁１Ａ’によって囲まれた空間内に、銅材等の放熱用のヒートシンク用円盤５Ａをアウトリード４と絶縁した状態で収容し、更にその下側空間に絶縁性の熱硬化性樹脂５Ｂを充填封着して、アウトリード４と共に前記ヒートシンク用円盤５Ａを封止している。
この構成により、ステムの放熱性は前記連続壁の幅Ｌに加え、放熱ヒートシンク用銅盤の厚さＭを調節することによって調節することができ、使用する半導体レーザ装置に最適な放熱性を容易に得ることができる。
【００１２】
この実施形態のステムのベース１の製造工程は、図４に関連して説明した第２の実施例におけると同様である。即ち、図４Ａは前記厚みを有する薄い鉄板から切り抜かれたブランクを示す。図４Ｂは前記ブランクの周縁をほぼ直角に折り曲げて得られた環状連続壁を有する椀状の中間加工物を示し、図４Ｃは、この中間加工物の中央平面部分について前記取付部（ヒートシンク）３になる部分３Ａを残して切り抜いた状態を示している。さらに、図４Ｄは、前記取付部（ヒートシンク）３になる部分３Ａに曲げ加工を施して起立させ断面Ｌ字型の取付部（ヒートシンク）３を形成する。
【００１３】
次に、本発明における放熱性を高めたステムの第４の実施形態について説明する。この実施形態は図６Ａに示すように、ステムのシリコンサブマウントを介してレーザ発光素子等を取り付ける取付部（ヒートシンク）３には放熱性の優れた銅材Ｃを用いかつ、熱伝導の少ないベース外周部はコスト削減を図るため及び、ステムの強度を確保するために鉄材Ｆを用いている。
これを作製するには、図６Ｂに示すように、例えば、鉄ー銅ー鉄ー銅ー・・・の順でストライプ状に金属を交互に張り付けたクラッド材Ｍ１を用い、このクラッド材Ｍ１からなる円形のブランクＢを打ち抜き、このブランクＢの銅の部分Ｃが前記取付部（ヒートシンク）３に来るように板金加工を施す。その加工工程は図４について説明した第３の実施形態の場合と同様である。
【００１４】
図７Ａは本発明の第５の実施形態のステムをその真上から、つまり平面図で示している。前記第４の実施態様では鉄Ｆと銅Ｃを交互に張り付けたクラッド材Ｍ１を用いたが、この実施形態では、板の厚み方向、つまりその表裏面に銅材Ｃと鉄材Ｆとを重ね合わせて張り付けたクラッド材Ｍ２を用い(図７Ｂ）、このクラッド材Ｍ２からステム加工用のブランクを打ち抜き、既に図４について説明した方法によってステムを形成する。
この場合、ステムの板金加工において、ステムのベース１の表側に鉄材Ｆが来るようにブランクの周縁部をほぼ直角に折り曲げ、更にブランクの中央部をシリコンサブマウント取付部となる取付部（ヒートシンク）３を残して打ち抜き、最後に前記取付部（ヒートシンク）３を折り曲げて起立させる。
前記取付部（ヒートシンク）３を起立させることにより、クラッド材裏面の銅材Ｃが初めて表側に現れる。つまり、図７Ａに示すように、シリコンサブマウントの取付面側は銅材Ｃとなり銅の優れた熱伝導性を活用することができる。他方、それ以外の部分は鉄材Ｆが表面に現れているから鉄材の持つ優れた強度特性を生かすことができる。
これにより、それぞれの材料の特性をうまく利用して強度的にも或いは放熱性の面からみても優れたステムを得ることができる。
【００１５】
以上で説明した半導体レーザ装置のステムは、何れもＬＤ取付部はベース１と一体に形成されているが、図８に示す第６の実施形態のステムでは、ＬＤ取付部は、アウトリード４（Ｇｎｄ端子）と一体に形成されている（図８Ａ）。ここで、アウトリードと一体に形成されの意味は、ＬＤ取付部とアウトリードが文字通り一体に形成されるもの、即ち、その一部として形成されているものをいい、溶接等の手段により接合されて一体となるものを含まない。
前記アウトリード４は、屈曲して形成したベース１の環状壁１Ａ’によって囲まれた空間内に充填した絶縁性の熱硬化性樹脂によりベース１に固定される（図８Ｂ）。
このようにして形成されたステムには、第２の実施形態と同様に、ベース外周縁を折り曲げ環状壁部１Ａ’が形成されているため、ベース１自体によって必要な放熱性を確保することができる。
また、第３の実施形態と同様に、環状壁１Ａ’によって囲まれた空間内に、銅材等の放熱用の例えば銅でできたヒートシンク用円盤８Ａをアウトリード４と絶縁した状態で収容し、更にその下側空間に絶縁性の熱可硬化性樹脂８Ｂを充填封着して、アウトリード４と共に前記ヒートシンク用円盤を封止してもよい（図８Ｃ）。
図９は本発明によるステムのベース１の成形工程を説明するための図である。図９Ａは例えば、鉄などの金属板のブランクを示す。図９Ｂはこのブランクの周縁部を下方に折り曲げて折曲部を形成しかつ中央を平面とした中間加工物を示している。図９Ｃは、この中間加工物の前記平面部分にリード挿入用の孔４Ｂを設けて形成したベース１を示す。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１乃至５の発明に対応する効果； 薄い金属板に対し、打ち抜き、曲げ等比較的簡単なプレス加工を施すのみであるから金型の摩耗、破損が起こり難く、そのため安価にステムを形成することができ、ピックアップ装着面積の縮小が必要な場合であっても、ベースをプレスで単に打ち抜くことにより簡単に切断することができる。さらに、金属板を折り曲げて環状壁部を形成したため、内部空間中においてアウトリードを熱硬化性樹脂で封止することができると共に、金属板が薄いにも拘らずその強度を確保することができる。
請求項１、２の発明に対応する効果； ベース周縁に形成された環状壁部及びヒートシンク部材によって放熱性を確保することができると共に、環状壁部の幅及びヒートシンク部材の厚さを調節することによって、適用する半導体レーザ装置に応じてその放熱特性を最適にすることができる。
請求項３の発明に対応する効果； 熱伝導特性の優れた材料を不必要な部分に用いることを大幅に制限することができるから、コストを下げつつ放熱性の優れた半導体レーザ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体レーザ装置のステムの第１の実施形態のステムを示し、図１Ａはその斜視図、１Ｂは断面図を示す。
【図２】 第１の実施形態のステムのベースの製造工程を説明する図である
。
【図３】 本発明の第２の実施形態のステムを示す斜視図である。
【図４】 第２の実施形態のステムのベースの製造工程を説明する斜視図である。
【図５】 本発明の半導体レーザ装置の第３の実施形態のステムを示すものであって、図５Ａはその斜視図、５Ｂは断面図を示す。
【図６】 本発明の半導体レーザ装置の第４の実施形態のステムの斜視図及びステムのベース用素材の平面図を示す。
【図７】 本発明の半導体レーザ装置の第５の実施形態のステムの平面図及びステムのベース用素材の断面図を示す。
【図８】 本発明の半導体レーザ装置の第６の実施形態のステムを示し、図８Ａはその斜視図、図８Ｂ、図８Ｃは断面図を示す。
【図９】 第６の実施形態のステムのベースの製造工程を説明する斜視図である。
【図１０】 従来の半導体レーザ装置のステムの断面図を示す。
【符号の説明】
１・・・ベース、 ２・・・環状壁部分、
３・・・取付部（ヒートシンク）、 ４・・・アウトリード、
６・・・金ワイヤー、 ７・・・コンサブマウント、
８・・・ＬＤ（レーザーダイオード） ９・・・受光素子。

Claims (5)

1. ステムを備えた半導体レーザ装置において、前記ステムは、板金を折り曲げて形成した環状壁部を周縁に備えたベースを有し、該環状壁部内にヒートシンク部材を封止したことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 請求項１に記載された半導体レーザ装置において、
   前記ヒートシンク部材は絶縁した銅材であることを特徴とする半導体レーザ装置。
3. ステムを備えた半導体レーザ装置において、前記ステムは、熱伝導性の異なる２種の金属をストライプ状に張り付けたクラッド材を折り曲げて形成した環状壁部を周縁に備えたベースを有し、少なくとも前記ベースに一体に形成されたレーザ発光素子の取付部が、前記異なる金属のうち熱伝導性の高い金属の部分で形成されるよう成型されたものであることを特徴とする半導体レーザ装置。
4. ベース、レーザ発光素子の取付部及び、アウトリードからなるステムを備えた半導体レーザ装置において、
   前記ベースは、金属板を折り曲げて形成した環状壁部を有し、前記レーザ発光素子の取付部は前記アウトリードの一部として形成されており、かつ、前記アウトリードは前記環状壁部内に封止された熱硬化性樹脂によって前記ベースに接合されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
5. 請求項４記載の半導体レーザ装置において、前記環状壁部内にさらにヒートシンク部材を封止したことを特徴とする半導体レーザ装置。

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