JP4547063B2

JP4547063B2 - Laser diode mount structure and mounting method thereof

Info

Publication number: JP4547063B2
Application number: JP2000048376A
Authority: JP
Inventors: 和裕小林; 直一岩崎; 千正藤沢
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Finetech Miyota Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Finetech Miyota Co Ltd
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: JP2001237481A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオード用マウント構造及びその実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザダイオード（以下、単に発光素子という）は光センサの発光光源として各種精密測長器、リモートコントロール、情報の記録再生、自動機械の位置決め用などに広く用いられている。発光素子は動作時の電流密度が１〜４ｋＡ／ｃｍ２と高いため、動作電流による発熱が大きく、これを効率よく外部へ伝達して放熱しないと、その熱により発光素子の発光効率が低下して光量が減少する。そこで光量を維持するためには更に動作電流を増加させることになる。この繰り返しから動作電流が増大して発光素子の寿命が極端に短くなってしまう。従って、放熱を効率よく行うことが重要になる。そこで、発光素子は熱伝導率の高い放熱用ブロック（ヒートシンク）にマウントした上で、電極の配線等がなされ、パッケージに納められて製品とされている。このような発光素子の従来のマウント構造を図面により説明する。図５、図６、図７は従来の発光素子のマウント構造を示す斜視図である。図８は発光素子の搭載位置を示す要部側面図である。
【０００３】
まず、従来の発光素子のマウント構造の構成について説明する。図５において、５３は発光素子であり、５１は銅、銅合金等の熱伝導率の高い金属材料を切削・研磨や粉末成型等の方法で形成した１乃至１０数ｍｍ３程度の直方体形状の放熱用ブロックである。発光素子５３をブロック５１へマウントする際には、発光素子５３とブロック５１との熱膨張係数の差が無視できないほど大きいために、インジウム合金等の柔らかい半田を用いて接合しその差を吸収させている。ところが、このマウント構造では、半田が柔らかいので初期位置精度が悪いのと長期的には無視できない位置ズレを起こすので、発光素子の信頼性を高めるのが難しい。
【０００４】
図６に示すものはこれに代わる信頼性の高いマウント構造である。図６において、５２は熱膨張係数の値が発光素子５３と近い値を持つ高熱伝導のセラミックス薄板から成るマウントであり、発光素子５３とブロック５１との間に介在する。マウント５２は発光素子５３及びブロック５１との接合のために接合面を金等でメタライズしてある。発光素子５３を搭載するに当たっては、まずマウント５２とブロック５１とを接合するが、これは半田接続用のダイボンダを用いて行う。レーザー光を所望の方向に出射させるために後述する所定の組立精度が必要であり、発光素子５３をマウント５２にマウントするには画像認識装置を持つ専用の高精度ダイボンダーを用いる。接続材料としては金合金等の高熱伝導材料を用いている。
【０００５】
図７により、更に発光素子５３の位置合わせについて説明する。５４はパッケージの基台であり、ブロック５１を基台５４に組み立て後に発光素子５３を搭載する。このときに、光軸Ｋの位置と傾きとが基台５４外形を基準として所定の精度に入っている必要がある。光軸Ｋは発光素子５３の外形と略平行であるから、まず、互いの外形を基準としてマウント５２をブロック５１に搭載しておき、次ぎにブロック１の外形を基準として発光素子５３をマウント５２にマウントする。発光素子５３の組立精度は、一般的に図７、図８に示すように、位置については、ｘｙｚ軸方向に各々±３０μｍ、傾きについては、±３度以内とし、発光素子５３の発光部５３ａのある端面がマウント５２の上端から僅かに（４０μｍ未満）突き出るようにする。発光素子５３のマウントには１個につき３秒から３０秒の工数を要している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このマウント構造の場合、ブロックとマウント間、マウントと発光素子間の２回もの高精度マウントを行う必要があり、専用の高精度なダイボンダーを用いて多くの時間をかけて発光素子を固着実装している。そのための設備費、工数ともに大きく、製品コストを増大させている。
【０００７】
上記発明はこのような従来の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、汎用性の高い装置を用いて、工数及び設備費用の低減に寄与することのできるレーザダイオード用マウント構造とその実装方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、レーザダイオードを、マウントを介して放熱ブロックに搭載するレーザダイオード用マウント構造であって、前記マウントの長さを前記レーザダイオードの長さより短くしたレーザダイオード用マウント構造において、前記マウントには、前記レーザダイオードの幅と等しい幅で、前記マウントの長さと等しい長さのメタライズパターンを設け、前記メタライズパターンには中央部両側に引き出された引き出しパターンを持つことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記引き出しパターンの幅は前記レーザダイオードの長さの半分以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３の発明は、レーザダイオードを、マウントを介して放熱ブロックに搭載するレーザダイオード用マウントの実装方法において、前記レーザダイオードの長さより短い長さと前記レーザダイオードの幅と等しい幅を持ち、長さ方向の中央部から幅方向の両側に延在する引き出しパターンを持つメタライズパターンを有し、該メタライズパターンと長さの等しいマウントを形成する工程と、該マウントにレーザダイオードを搭載する工程と、放熱ブロックを形成する工程と、前記放熱ブロックにマウントを搭載する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４の発明は、請求項３記載の発明において、前記マウントにレーザダイオードを搭載する工程において、前記メタライズパターン上に半田リボンを載置する段階と、前記レーザダイオードを該半田リボン上に載置する段階と、前記レーザダイオードと前記半田リボンとを載置した前記マウントを加熱する段階とを有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は発光素子の実装方法を示す斜視図である。図２は本発明の実施の形態である発光素子用マウント構造を示す斜視図、図３は発光素子の斜視図、図４はマウントの斜視図である。
【００１５】
まず、本発明の実施の形態である発光素子用マウント構造の構成を説明する。
図２において、１は図３に示す発光素子であり、外形は発光部１ａを通る光軸Ｋ方向の長さＬの方が幅Ｗよりも大きい直方体である。２は図４に詳細を示すセラミックス等の高熱伝導絶縁材料から成る直方体形状のマウントであり、一辺の長さＬ−αは発光素子１の長さＬに比べてα（３μｍから３０μｍ）短く形成されている。３はマウント２上に外形線に平行に形成されたメタライズパターンであり、発光素子１の幅Ｗと略等しい幅とマウント２と同じ長さとを持っており、長さ方向のほぼ中央部から幅方向の両側に延在するように、長さＬの半分以下の幅で適宜な長さを持つ引き出しパターン３ａが設けられている。発光素子１は図２に示すように、光軸に直角な端面がマウント２の端面から突き出して予めマウントへ搭載されてから、図示しない放熱ブロックへと搭載され、レンズ他の光学部品と共にパッケージされ、製品となる。
【００１６】
次ぎに、この発光素子の実装方法を説明する。図１において、４はメタライズパターン３と略同一寸法で厚さが１０μｍから３０μｍの半田リボンである。半田リボン４をマウント２のメタライズパターン３へ位置を合わせて供給後、発光素子１を半田リボン４上に配置し、窒素等の非酸化雰囲気中で無加圧で加熱する。これにより半田リボン４が溶解し、発光素子１の下面とメタライズパターン３が溶融半田に濡れる。溶融半田には表面張力が発生して発光素子１をメタライズパタ−ン３の位置に合わせようとするセルフアライメント作用が働く。そこでそのまま冷却すれば発光素子１をマウントの外形に対して高精度で位置決めし半田付けすることができる。
【００１７】
このとき、マウント２の長さＬ−αが発光素子１の長さＬよりも短く設定してあるために、図２に示すように発光素子１の両端がマウント２よりも僅かに（ほぼα／２づつ）突出する。また、メタライズパターン３の幅と発光素子１の幅Ｗとを略等しく形成してあるために両者の側縁が一致するようになる。また、半田溶融時に発光素子１を位置決め移動させた余分の半田が引き出しパターン３ａに流れ出すことにより、発光素子１下面の半田量を減少させることができる。
【００１８】
次に、本実施の形態の効果について説明する。溶融半田によるセルフアライメント作用が働くので、予めメタライズパターン３をマウント２の外形に対して精度よく平行に設けておくことによって、発光素子１をマウント２に搭載するときには０．１ｍｍ程度と低い位置決め精度しか要求されない。また、引き出しパターン３ａにより発光素子１下の半田膜を薄くできるから発光素子１の発熱を効率よくマウント２に伝達させることができる。また、発光素子の電極を配線する際にもこの引き出しパターンが用いられる。更に、発光部１ａがマウント２端面より確実に突出した構造になるために、出射光がマウント２表面で反射してしまう、いわゆる「ケラレ」が発生することがない。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マウントにメタライズパターンを形成しておき、半田リボンを介して発光素子を０．１ｍｍ程度の精度で配置し、加熱・冷却するのみで高精度の実装が汎用装置により達成できる。
【００２０】
また、マウントに発光素子を搭載して半田を加熱する時には多数個を同時に処理できるため、大量高速の処理が可能になった。故に低工数で高精度のマウントへの実装が確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である発光素子用サブマントの実装方法を示す斜視図である。
【図２】マウントの斜視図である。
【図３】発光素子の斜視図である。
【図４】マウントの斜視図である。
【図５】従来の発光素子のマウント構造を示す斜視図である。
【図６】従来の他のマウント構造を示す斜視図である。
【図７】発光素子の位置決め基準を示す斜視図である。
【図８】発光素子の搭載位置を示す要部側面図である。
【符号の説明】
１発光素子
２マウント
３メタライズパターン
３ａ引き出しパターン
４半田リボン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a mounting structure and a mounting method thereof for laser Zada diode.
[0002]
[Prior art]
Laser diodes (hereinafter simply referred to as light emitting elements) are widely used as light sources of optical sensors for various precision length measuring devices, remote control, information recording / reproduction, and automatic machine positioning. Since the current density during operation of the light emitting element is as high as 1 to 4 kA / cm 2, heat generated by the operating current is large. If this is efficiently transmitted to the outside and not dissipated, the light emission efficiency of the light emitting element is reduced by the heat. The amount of light decreases. Therefore, in order to maintain the light amount, the operating current is further increased. From this repetition, the operating current increases and the life of the light emitting element becomes extremely short. Therefore, it is important to perform heat dissipation efficiently. Therefore, the light-emitting element is mounted on a heat dissipation block (heat sink) having high thermal conductivity, and then electrode wiring and the like are made and housed in a package as a product. A conventional mounting structure of such a light emitting element will be described with reference to the drawings. 5, FIG. 6, and FIG. 7 are perspective views showing a conventional light emitting element mounting structure. FIG. 8 is a side view of the main part showing the mounting position of the light emitting element.
[0003]
First, the configuration of a conventional light emitting element mounting structure will be described. In FIG. 5, 53 is a light emitting element, 51 is a heat radiation of a rectangular parallelepiped shape of about 1 to several tens of mm 3 formed by cutting, polishing, powder molding or the like using a metal material having high thermal conductivity such as copper or copper alloy. Block. When the light emitting element 53 is mounted on the block 51, the difference in coefficient of thermal expansion between the light emitting element 53 and the block 51 is so large that it cannot be ignored. Therefore, bonding is performed using soft solder such as an indium alloy to absorb the difference. ing. However, in this mount structure, since the solder is soft, the initial position accuracy is poor and a positional shift that cannot be ignored in the long term is caused. Therefore, it is difficult to improve the reliability of the light emitting element.
[0004]
The one shown in FIG. 6 is a highly reliable mount structure instead. In FIG. 6, reference numeral 52 denotes a mount made of a high thermal conductivity ceramic thin plate having a thermal expansion coefficient value close to that of the light emitting element 53, and is interposed between the light emitting element 53 and the block 51. The mount 52 is metallized with gold or the like for bonding the light emitting element 53 and the block 51. In mounting the light emitting element 53, first, the mount 52 and the block 51 are joined, and this is performed using a solder bond die bonder. In order to emit laser light in a desired direction, a predetermined assembly accuracy described later is required, and a dedicated high-precision die bonder having an image recognition device is used to mount the light emitting element 53 on the mount 52. As the connection material, a high heat conductive material such as a gold alloy is used.
[0005]
The alignment of the light emitting element 53 will be further described with reference to FIG. Reference numeral 54 denotes a package base on which the light emitting element 53 is mounted after the block 51 is assembled to the base 54. At this time, the position and inclination of the optical axis K must be within a predetermined accuracy with reference to the outer shape of the base 54. Since the optical axis K is substantially parallel to the outer shape of the light emitting element 53, first, the mount 52 is mounted on the block 51 with the mutual outer shape as a reference, and then the light emitting element 53 is mounted with the outer shape of the block 1 as a reference. Mount on. As shown in FIGS. 7 and 8, the assembly accuracy of the light emitting element 53 is generally within ± 30 μm for the position in the xyz axis direction and within ± 3 degrees for the inclination. So that the end face having a protrusion protrudes slightly (less than 40 μm) from the upper end of the mount 52. The mounting of the light emitting element 53 requires 3 to 30 seconds for each unit.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this mount structure, it is necessary to perform high-precision mounting twice between the block and the mount, and between the mount and the light-emitting element, and the light-emitting element is fixed over a long time using a dedicated high-precision die bonder. Implemented. The equipment cost and man-hours for that are large, and the product cost is increasing.
[0007]
The above-described invention has been made to solve such a conventional problem, and the object thereof is to provide a laser diode mounting structure that can contribute to reduction of man-hours and equipment costs by using a highly versatile device. And how to implement it.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention includes a laser diode and a laser diode, a mounting structure of a laser diode to be mounted on the heat sink block through a mount, where the length of the mounting shorter than the length of the laser diode In the mount structure for use, the mount is provided with a metallized pattern having a width equal to the width of the laser diode and a length equal to the length of the mount, and the metallized pattern has a lead-out pattern drawn out on both sides of the central portion. It is characterized by that.
[0011]
The invention of claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the width of the lead pattern is equal to or less than half the length of the laser diode.
[0012]
The invention of claim 3 of the present invention, a laser diode, in the mounting method of the laser diode mount to be mounted on the heat sink block through a mount, it said shorter than the length length of the laser diode width and equal Shii width of the laser diode Chi di has lifting one metallized patterns lead pattern extending to both sides in the width direction from the central portion in the longitudinal direction, forming equal mount of the metallized patterns and length, the laser diode to the mounting , A step of forming a heat dissipation block, and a step of mounting a mount on the heat dissipation block.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, in the step of mounting the laser diode on the mount, a step of placing a solder ribbon on the metallized pattern, and the laser diode on the solder ribbon And mounting the laser diode and heating the mount on which the laser diode and the solder ribbon are mounted.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a method for mounting a light emitting element. 2 is a perspective view showing a light emitting element mount structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a perspective view of the light emitting element, and FIG. 4 is a perspective view of the mount.
[0015]
First, the configuration of the light emitting element mounting structure according to the embodiment of the present invention will be described.
In FIG. 2, 1 is the light emitting element shown in FIG. 3, and the outer shape is a rectangular parallelepiped whose length L in the optical axis K direction passing through the light emitting portion 1a is larger than the width W. Reference numeral 2 denotes a rectangular parallelepiped mount made of a high thermal conductive insulating material such as ceramics as shown in detail in FIG. 4, and the length L-α of one side is shorter than the length L of the light emitting element 1 by α (3 μm to 30 μm). Has been. Reference numeral 3 denotes a metallized pattern formed on the mount 2 in parallel to the outline, and has a width substantially equal to the width W of the light emitting element 1 and the same length as the mount 2, and the width from the substantially central portion in the length direction. A lead-out pattern 3a having an appropriate length with a width less than half of the length L is provided so as to extend on both sides in the direction. As shown in FIG. 2, the light-emitting element 1 has an end surface perpendicular to the optical axis protruding from the end surface of the mount 2 and mounted on the mount in advance, and then mounted on a heat dissipation block (not shown) and packaged together with other optical components such as a lens. Become a product.
[0016]
Next, a method for mounting the light emitting element will be described. In FIG. 1, 4 is a solder ribbon having substantially the same dimensions as the metallized pattern 3 and a thickness of 10 μm to 30 μm. After aligning and supplying the solder ribbon 4 to the metallized pattern 3 of the mount 2, the light emitting element 1 is placed on the solder ribbon 4 and heated without pressure in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen. As a result, the solder ribbon 4 is melted, and the lower surface of the light emitting element 1 and the metallized pattern 3 are wetted by the molten solder. A surface tension is generated in the molten solder, and a self-alignment action is performed to try to align the light-emitting element 1 with the position of the metallized pattern 3. Then, if it cools as it is, the light emitting element 1 can be positioned and soldered with high precision with respect to the outer shape of the mount.
[0017]
At this time, since the length L-α of the mount 2 is set to be shorter than the length L of the light emitting element 1, both ends of the light emitting element 1 are slightly smaller than the mount 2 as shown in FIG. / 2) Projects. Further, since the width of the metallized pattern 3 and the width W of the light emitting element 1 are formed to be substantially equal, the side edges of the two coincide with each other. Further, the amount of solder on the lower surface of the light emitting element 1 can be reduced by flowing the excess solder that has moved the positioning of the light emitting element 1 into the lead-out pattern 3a when the solder is melted.
[0018]
Next, the effect of this embodiment will be described. Since the self-alignment action by the molten solder works, the positioning accuracy as low as about 0.1 mm when the light emitting element 1 is mounted on the mount 2 by providing the metallized pattern 3 in parallel with the outer shape of the mount 2 with high accuracy. Only required. In addition, since the solder film under the light emitting element 1 can be thinned by the lead pattern 3a, the heat generated by the light emitting element 1 can be efficiently transmitted to the mount 2. This lead pattern is also used when wiring the electrodes of the light emitting element. Furthermore, since the light-emitting portion 1a has a structure that reliably protrudes from the end face of the mount 2, so-called “vignetting” in which the emitted light is reflected by the surface of the mount 2 does not occur.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a metallized pattern is formed on a mount, a light emitting element is arranged with an accuracy of about 0.1 mm via a solder ribbon, and high-precision mounting is performed only by heating and cooling. Can be achieved with a general purpose device.
[0020]
In addition, when a light emitting element is mounted on a mount and solder is heated, a large number of pieces can be processed at the same time. Therefore, it is possible to secure mounting on a highly accurate mount with low man-hours.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a method for mounting a light emitting element submant according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a perspective view of a mount.
FIG. 3 is a perspective view of a light emitting element.
FIG. 4 is a perspective view of a mount.
FIG. 5 is a perspective view showing a conventional light emitting device mounting structure;
FIG. 6 is a perspective view showing another conventional mounting structure.
FIG. 7 is a perspective view showing a positioning reference of a light emitting element.
FIG. 8 is a side view of an essential part showing a mounting position of a light emitting element.
[Explanation of symbols]
1 Light-Emitting Element 2 Mount 3 Metallized Pattern 3a Drawer Pattern 4 Solder Ribbon

Claims

レーザダイオードを、マウントを介して放熱ブロックに搭載するレーザダイオード用マウント構造であって、前記マウントの長さを前記レーザダイオードの長さより短くしたレーザダイオード用マウント構造において、前記マウントには、前記レーザダイオードの幅と等しい幅で、前記マウントの長さと等しい長さのメタライズパターンを設け、前記メタライズパターンには長さ方向の中央部から幅方向の両側に延在する引き出しパターンを持つことを特徴とするレーザダイオード用マウント構造。A laser diode, a mounting structure of a laser diode to be mounted on the heat sink block through a mount, in the laser diode mount structure shorter than the length of the length of the mounting said laser diode, said mount, said laser A metallized pattern having a width equal to the width of the diode and a length equal to the length of the mount is provided, and the metallized pattern has a lead pattern extending from the center in the length direction to both sides in the width direction. Laser diode mounting structure.

前記引き出しパターンの幅は前記レーザダイオードの長さの半分以下であることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード用マウント構造。Leh Zada diode mount structure according to claim 1, wherein a width of said lead pattern is equal to or less than half the length of the laser diode.

レーザダイオードを、マウントを介して放熱ブロックに搭載するレーザダイオード用マウントの実装方法において、前記レーザダイオードの長さより短い長さと前記レーザダイオードの幅と等しい幅を持ち、長さ方向の中央部から幅方向の両側に延在する引き出しパターンを持つメタライズパターンを有し、該メタライズパターンと長さの等しいマウントを形成する工程と、該マウントにレーザダイオードを搭載する工程と、放熱ブロックを形成する工程と、前記放熱ブロックにマウントを搭載する工程とを有することを特徴とするレーザダイオード用マウントの実装方法。A laser diode, in the mounting method of the laser diode mount to be mounted on the heat sink block through a mount, Chi lifting the width and equal Shii width shorter than the length length of the laser diode and the laser diode, the central portion in the longitudinal direction a width direction of lifting one metallized patterns lead pattern extending to both sides from the formation forming the same mount of the metallized patterns and length, a step of mounting the laser diode to the mounting, the heat sink block process and method for mounting rail Zada diode mount, characterized in that a step of mounting a mounting on the heat sink block to.

前記マウントにレーザダイオードを搭載する工程において、前記メタライズパターン上に半田リボンを載置する段階と、前記レーザダイオードを該半田リボン上に載置する段階と、前記レーザダイオードと前記半田リボンとを載置した前記マウントを加熱する段階とを有することを特徴とする請求項３記載のレーザダイオード用マウントの実装方法。In the step of mounting a laser diode on the mount, a step of mounting a solder ribbon on the metallized pattern, a step of mounting the laser diode on the solder ribbon, and mounting the laser diode and the solder ribbon mounting method according to claim 3, wherein the laser Zada diode mount, characterized in that it comprises a step of heating the mounting that location.