JPH11145350A - Semiconductor stem and its manufacture and optical semiconductor module thereof - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor stem which is superior in heat dissipation property and can reduce die bonding time and omit submount and is lower in price, and an optical semiconductor module of high light output wherein the semiconductor stem is used. SOLUTION: This semiconductor stem has a base part 12a, consisting of a composite material of a metallic material and ceramics of high thermal conductivity and a metallic cover 12b fixed to at least one side surface thereof. A metallic lead 5 is jointed to a through-hole of a base member 11 through a low melting point glass 6. A semiconductor laser diode element, etc., are mounted on the semiconductor stem, and a cap is further jointed to form an optical semiconductor module.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高放熱密度の半導
体素子、光半導体素子及び発光・受光デバイスなどのマ
ウントや、パッケージの構成部品として使用される、放
熱性に優れた半導体ステム、及びこれを用いた光半導体
モジュールに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor stem having excellent heat dissipation properties, which is used as a component of a mount or package of a semiconductor element, an optical semiconductor element, a light emitting / receiving device, etc. having a high heat radiation density. And an optical semiconductor module using the same.

【０００２】[0002]

【従来の技術】光通信の分野では、電気−光信号変換用
の発光素子や光−電気信号変換用の受光素子のマウン
ト、あるいは電気的又は光学的接続のためのパッケージ
の構成部品として、半導体ステムが使用されている。ま
た、情報分野においても、光ディスクや光磁気ディスク
の信号書き込み用、信号読みとり用の光ピックアップと
して使用される発光・受光デバイス用のマウントや、パ
ッケージの構成部品として半導体ステムが使用されてい
る。2. Description of the Related Art In the field of optical communication, a semiconductor device is used as a component of a light-emitting element for electrical-optical signal conversion, a light-receiving element for optical-electrical signal conversion, or a component of a package for electrical or optical connection. Stems are used. Also in the information field, semiconductor stems are used as mounts for light-emitting / light-receiving devices used as optical pickups for writing and reading signals on optical disks and magneto-optical disks, and as components of packages.

【０００３】その具体例として、高発熱密度を有する半
導体素子である半導体レーザダイオードに用いる半導体
ステムついて以下に説明するが、他の半導体素子でもス
テムの構造及び使用方法についてはほぼ同等である。As a specific example, a semiconductor stem used for a semiconductor laser diode, which is a semiconductor element having a high heat generation density, will be described below. However, the structure and usage of other semiconductor elements are almost the same.

【０００４】従来の半導体ステムは、例えば図４に示す
ように、ベースとなるＦｅ製の円板１からなり、円板１
の平板部２の一部には５°〜２０°の角度で傾斜した半
導体フォトダイオード（ＰＤ）素子を搭載するための傾
斜面部３と、平板部２から垂直に突出した半導体レーザ
ダイオード（ＬＤ）素子を搭載するための突起部４とが
設けてある。ベース材にＦｅを使用するのは、材料自体
が低価格であり、且つパンチによる低コスト加工が可能
なためである。このＦｅ製の円板１に貫通孔を開けて３
本の金属リード５を低融点ガラス６にて気密封止し、更
に円板１の裏面に一本の電気的接地（ＧＮＤ）用リード
７を圧着、溶接、鑞材などにより取り付け、全体に金め
っきを施して半導体ステムとしていた。A conventional semiconductor stem comprises, as shown in FIG. 4, for example, a disk 1 made of Fe serving as a base.
Of the flat plate portion 2 for mounting a semiconductor photodiode (PD) element tilted at an angle of 5 ° to 20 °, and a semiconductor laser diode (LD) vertically projecting from the flat plate portion 2 A projection 4 for mounting the element is provided. The reason why Fe is used as the base material is that the material itself is inexpensive, and low-cost processing by punching is possible. Open a through hole in this Fe disc 1
The metal lead 5 is hermetically sealed with a low-melting glass 6, and a single electrical grounding (GND) lead 7 is attached to the back surface of the disc 1 by crimping, welding, brazing, etc. It was plated to make a semiconductor stem.

【０００５】光通信用の半導体レーザモジュールの場合
には、図５に示すように、上記半導体ステムの円板１の
傾斜面部３に絶縁用のサブマウント８ａを介して、又は
絶縁用のサブマウント８ａを介さずにＰＤ素子８をダイ
ボンドする。その後、放熱性の良いＡｌＮなどの絶縁体
のサブマウント９ａを介して、突起部４にＬＤ素子９を
ダイボンドする。ＰＤ素子８やＬＤ素子９のダイボンド
では、シート状の半田鑞材を使用している。尚、円板１
の平板部２の側面には窪み形状部（図示せず）を数カ所
用意してあり、この部分をダイボンダーの治具にある突
起部に固定して、位置合わせを行っている。各素子８、
９と半導体ステム１の金属リード５や電気的接地部のベ
ースとの間は、ボンディングワイヤ１０により結線す
る。最後に、平面状の窓又は球状、非球状のレンズを有
したキャップ（図示せず）を気密的に溶接して半導体レ
ーザモジュールが構成される。In the case of a semiconductor laser module for optical communication, as shown in FIG. 5, an insulated submount 8a is provided on the inclined surface 3 of the disk 1 of the semiconductor stem or an insulated submount 8a. The PD element 8 is die-bonded without passing through 8a. Thereafter, the LD element 9 is die-bonded to the protrusion 4 via a submount 9a made of an insulator such as AlN having good heat dissipation. In die bonding of the PD element 8 and the LD element 9, a sheet-like solder brazing material is used. In addition, disk 1
A plurality of recessed portions (not shown) are prepared on the side surface of the flat plate portion 2 and the positioning is performed by fixing this portion to a projection on a jig of a die bonder. Each element 8,
9 is connected to the metal lead 5 of the semiconductor stem 1 and the base of the electrical grounding portion by a bonding wire 10. Lastly, a semiconductor laser module is formed by hermetically welding a flat window or a cap (not shown) having a spherical or non-spherical lens.

【０００６】かかる半導体レーザモジュールでは、ＬＤ
素子と光結合させる光ファイバーをキャップの外側に配
置するが、ＬＤ素子はダイボンド面と垂直な半導体の劈
開面から光が射出される構造を有しており、ＬＤ素子と
光結合する光ファイバーは円板の中心軸上に置かれるた
め、ＬＤ素子は突起部の平板部に垂直な平面にダイボン
ドされる。また、ＬＤ素子の光出力を時間的に安定させ
るために、光出力の変動をモニターして、制御回路によ
りＬＤ素子に流す電流を増減させている。このモニター
として、ＬＤ素子と光ファイバーの間にハーフミラーを
置き、ＰＤ素子にてＬＤ光を受光することが好ましい。In such a semiconductor laser module, an LD
An optical fiber to be optically coupled with the element is arranged outside the cap. The LD element has a structure in which light is emitted from a cleavage plane of the semiconductor perpendicular to the die bonding surface. The LD element is die-bonded to a plane perpendicular to the flat plate part of the protrusion. Further, in order to stabilize the light output of the LD element with time, the fluctuation of the light output is monitored, and the current flowing to the LD element is increased or decreased by the control circuit. As this monitor, it is preferable to place a half mirror between the LD element and the optical fiber, and to receive the LD light with the PD element.

【０００７】更に、ＬＤ素子の光ファイバー側の劈開面
から射出される光パワーと反対側の劈開面から射出され
る光パワーは正比例関係にあるため、光ファイバーと反
対側の劈開面から射出される光をＰＤ素子で受光して、
ＬＤ素子のパワー制御を行う方法が一般に取られてい
る。この時にＰＤ素子に反射した光がＬＤ素子に戻され
ると、この戻り光がＬＤ素子内部で増幅されることから
光のモードが崩れて、ノイズ源となる。そこで、この反
射戻り光をＬＤ素子に再注入させないために、ＰＤ素子
は円板の平板部表面に対して５°から２０°の角度で傾
斜させる必要があるのである。Further, since the optical power emitted from the cleavage plane on the optical fiber side of the LD element and the optical power emitted from the cleavage plane on the opposite side are in direct proportion, the light emitted from the cleavage plane on the opposite side to the optical fiber is in direct proportion. Is received by the PD element,
A method of controlling power of an LD element is generally employed. At this time, if the light reflected by the PD element is returned to the LD element, the returned light is amplified inside the LD element, so that the mode of the light is broken and becomes a noise source. Therefore, in order to prevent this reflected return light from being re-injected into the LD element, the PD element needs to be inclined at an angle of 5 ° to 20 ° with respect to the surface of the flat plate portion of the disk.

【０００８】また、ＬＤ素子と光ファイバーを光結合さ
せるためには、キャップの窓やレンズ及び光ファイバー
の位置を調整して行っているが、この調整には限度があ
り、ＬＤ素子の発光点やＬＤ素子からの射出光の角度が
大きくずれてしまうと、調整できなくなる。そこで、Ｌ
Ｄ素子の発光点をできるだけ円板の中心に置く必要性が
あり、この時の位置精度は最大でも１０〜５０μｍが要
求されている。In order to optically couple the LD element and the optical fiber, the position of the window of the cap, the lens, and the optical fiber is adjusted. However, there is a limit to this adjustment. If the angle of the light emitted from the element shifts greatly, it cannot be adjusted. Then, L
It is necessary to place the light emitting point of the D element at the center of the disk as much as possible, and the positional accuracy at this time is required to be 10 to 50 μm at the maximum.

【０００９】一方、光ディスクや光磁気ディスクのピッ
クアップ用の光デバイスでは、楕円板や長円板の形状を
有し、光通信用の発光・受光デバイスに比較してリード
数を増やした半導体ステムを使用している。ここでも、
ＬＤ素子と、ＬＤ素子の光モニター用ＰＤ素子及びシグ
ナル受光用のＰＤ素子が、光通信用のＬＤ素子と同様に
ダイボンド及びワイヤボンドされている。キャップはホ
ログラムを窓材として内蔵した物が使用されており、偏
光面が崩れている信号光だけをＰＤ素子にて受光する工
夫もなされている。On the other hand, in an optical device for picking up an optical disk or a magneto-optical disk, a semiconductor stem having an elliptical plate or an elliptical plate and having a larger number of leads than a light emitting / receiving device for optical communication is used. I'm using even here,
An LD element, a PD element for monitoring light of the LD element, and a PD element for receiving a signal are die-bonded and wire-bonded like the LD element for optical communication. The cap has a built-in hologram as a window material, and the PD element receives only the signal light whose polarization plane is broken.

【００１０】このように、半導体ステムは、パッケージ
の保持又は機構部品として作製されているが、電気的・
光学的な特性を考慮して、半導体素子のジャンクション
温度を下げるために放熱特性を向上させることが重要で
ある。この観点から以下の提案がなされている。即ち、
特開平６−３０２９１２号公報では、金属ステムの貫通
孔に放熱性の良い銅の突起部を固定し、この突起部の側
面にＬＤ素子を搭載することが記載され、突起部の形状
もＬＤ素子を中心に広がる疑扇形としている。このステ
ムによれば、熱抵抗が大きくなりがちなＬＤ素子近傍の
熱伝導を向上させることができる。[0010] As described above, the semiconductor stem is manufactured as a package holding or mechanical component.
In consideration of the optical characteristics, it is important to improve the heat radiation characteristics in order to lower the junction temperature of the semiconductor element. The following proposals have been made from this viewpoint. That is,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-302912 describes that a copper protrusion having good heat dissipation is fixed to a through hole of a metal stem, and an LD element is mounted on a side surface of the protrusion. It has a fan shape that spreads around the center. According to this stem, it is possible to improve the heat conduction near the LD element where the thermal resistance tends to increase.

【００１１】特開平６−２９１２２４号公報には、Ｆｅ
製のベースの代わりに、放熱性の良い銅などの金属板と
Ｆｅの板を重ねて同時にプレスすることによりベースを
作製する方法が記載されている。この方法では、ＬＤ素
子を搭載する突起部が放熱性の良い銅で構成されるため
熱抵抗を低減できる他、作製が容易なことからコストダ
ウンも図られている。特開昭６２−１８３１９１号公報
では、ベースの半導体素子搭載部に、銅とタングステン
の複合材料であるＣｕＷからなるサブマウントを使用し
ている。ＣｕＷは放熱性も良く、熱膨張率もガラスに近
いことから、気密性に優れ信頼性の高いステムが得られ
る。JP-A-6-291224 discloses that Fe
A method is described in which, instead of a base made of metal, a metal plate made of copper or the like having good heat dissipation and a plate made of Fe are stacked and pressed at the same time to produce a base. In this method, the protrusion for mounting the LD element is made of copper having good heat dissipation, so that the thermal resistance can be reduced, and the cost is reduced because the fabrication is easy. In Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-183191, a submount made of CuW, which is a composite material of copper and tungsten, is used for a base semiconductor element mounting portion. Since CuW has good heat dissipation and a coefficient of thermal expansion close to that of glass, a highly reliable stem with high airtightness can be obtained.

【００１２】また、放熱性の向上や位置あわせを正確に
行うために、ＬＤ素子の実装に関して次の工夫がなされ
ている。即ち、特開昭６１−３５５２８号公報では、台
座部材（サブマウント）としてＡｌＮセラミックスを使
用している。このサブマウントは金属製のステムやチッ
プキャリア上にダイボンドされ、その上にＬＤ素子をダ
イボンドして使用される。このサブマウントは、半導体
素子とステムの熱膨張の差から生まれる熱応力の緩和、
Ｆｅ製であることから放熱性の悪いステムの放熱面での
互助、導電性の大きなステムとＬＤ素子との電気的絶縁
を目的として使用されている。Further, in order to improve the heat radiation property and accurately perform the alignment, the following contrivance has been made regarding the mounting of the LD element. That is, in JP-A-61-35528, AlN ceramics is used as a pedestal member (submount). This submount is die-bonded on a metal stem or chip carrier, and an LD element is die-bonded thereon for use. This submount reduces the thermal stress generated by the difference in thermal expansion between the semiconductor element and the stem,
Since it is made of Fe, it is used for the purpose of mutually assisting the heat dissipating surface of the stem having poor heat dissipating property, and for electrically insulating the stem having large conductivity and the LD element.

【００１３】特開昭５９−３１０８５号公報には、Ｓｉ
製サブマウントの両面に金をメタライズして、ＡｕＳｉ
の鑞材層として使用することが提案されている。この両
面に鑞材を有するサブマウントを使用することで、ＬＤ
素子とサブマウントとステムを同時に加熱処理してダイ
ボンドすることが可能となる。この方法により、サブマ
ウントとＬＤ素子を別々にダイボンドするよりも位置ず
れが少なく、高精度のダイボンドが可能となる。JP-A-59-31085 discloses Si
AuSi metallized on both sides of the submount made of AuSi
It has been proposed for use as a brazing filler metal layer. By using a submount with brazing material on both sides, LD
The element, the submount, and the stem can be heat-processed at the same time and die-bonded. According to this method, the displacement is smaller than in the case where the submount and the LD element are separately die-bonded, and high-precision die bonding is possible.

【００１４】[0014]

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の半導体
ステムで最も一般的なものはＦｅ製のベースを用いた金
属ステムであり、これにＡｌＮ又はＳｉの両面に鑞材を
施したサブマウントを介してＬＤ素子を搭載する方法が
通常行われている。The most common of the above-mentioned conventional semiconductor stems is a metal stem using a base made of Fe, on which a submount in which a brazing material is applied to both surfaces of AlN or Si is provided. In general, a method of mounting an LD element via the semiconductor device is performed.

【００１５】かかる現状において、光通信の分野ではイ
ンターネットなどのマルチメディア通信の一般化に伴
い、大容量・高速通信化の傾向にある。ところが、一般
的に通信速度を上げるとノイズが増えるため、大容量・
高速通信システムでは従来よりも厳しいＳ／Ｎ比が要求
される。一方、ＬＤ素子のジャンクション温度を下げて
光出力を向上させると、信号のＳ／Ｎ比が向上する利点
がある。そのため、放熱特性が良い半導体ステムと、こ
れを使用した光出力の高いＬＤモジュールが要求されて
いる。Under these circumstances, in the field of optical communication, with the generalization of multimedia communication such as the Internet, there is a tendency for large capacity and high speed communication. However, in general, increasing the communication speed increases noise, so large capacity
In a high-speed communication system, a stricter S / N ratio than before is required. On the other hand, if the optical output is improved by lowering the junction temperature of the LD element, there is an advantage that the S / N ratio of the signal is improved. Therefore, there is a demand for a semiconductor stem having good heat radiation characteristics and an LD module having a high optical output using the semiconductor stem.

【００１６】一方、情報産業の分野でも、更に高速で高
密度の記録／再生が必要とされている。しかし、一般に
高密度な系で必要となる青色などの短波長のＬＤ素子は
未だ発光効率が低く、従ってここでも光出力とＳ／Ｎ比
の向上が要望され、放熱特性が良い半導体ステムを使用
した光出力の高いＬＤモジュールが要求されている。特
に記録系では、再生系に比較して更に高い光出力が要求
されている。On the other hand, even in the field of the information industry, higher-speed and higher-density recording / reproduction is required. However, LD elements with short wavelengths such as blue, which are generally required for high-density systems, still have low luminous efficiency. Therefore, here too, improvement in light output and S / N ratio is demanded, and a semiconductor stem with good heat dissipation characteristics is used. There is a demand for an LD module with a high light output. In particular, a recording system is required to have a higher light output than a reproducing system.

【００１７】また、一般家庭で使用される量産タイプの
ＬＤモジュールでは、低コスト化も要求されている。Ｌ
Ｄモジュールのコストの内、大きなウエイトを占めてい
るのがダイボンドの時間である。サブマウントとＬＤ素
子はステムに同時にダイボンドされるものの、Ｆｅのよ
うに熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫと悪く、単位体積当たりの
熱容量も４Ｊ／ｃｍ³と大きい金属ステムでは、ダイボ
ンド時のヒートアップに時間がかかるため、この時間が
ＬＤの製造コストを増大させている。In addition, low cost is required for mass-produced LD modules used in ordinary households. L
Die bonding time accounts for a large part of the cost of the D module. Although the submount and the LD element are die-bonded to the stem at the same time, a metal stem with a poor thermal conductivity of 60 W / mK and a large heat capacity per unit volume of 4 J / cm ³ , such as Fe, can be used to heat up during die bonding. Since it takes time, this time increases the manufacturing cost of the LD.

【００１８】更に、放熱特性を向上させるために使用す
るＡｌＮやダイヤモンドなどのサブマウントは高価であ
るほか、前述の半田鑞材付きのサブマウントを使用して
もＬＤ素子の位置ずれにより歩留まりを落としやすく、
このためサブマウントの使用自体が製造コストを増大さ
せている。Furthermore, submounts such as AlN and diamond used for improving the heat radiation characteristics are expensive, and the use of the above-mentioned submount with solder brazing reduces the yield due to displacement of the LD element. Easy,
Therefore, the use of the submount itself increases the manufacturing cost.

【００１９】前記した特開昭６２−１８３１９１号公報
に記載されたＣｕＷのサブマウントを使用すれば、放熱
性など上記した多くの問題点をほぼ解決できるものの、
サブマウントの作製にＣｕＷの切削を必要とするため加
工コストが高くなるという欠点がある。また、ＣｕＷの
射出成形では射出時に金型の劣化が激しいため、金型の
寿命が短く、型代が高くなる。更に、光半導体モジュー
ル製造時にキャップを電気溶接する場合、ＣｕＷには電
気溶接が難しいため、気密性の信頼性が低下し易いとい
う欠点もあった。このため、キャップの溶接部分にＦｅ
−Ｎｉ合金等のリングを別途鑞付けする必要があった。Although the use of the CuW submount described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-183191 can substantially solve many of the problems described above, such as heat dissipation,
The fabrication of the submount requires cutting of CuW, so that there is a disadvantage that the processing cost is increased. Further, in the injection molding of CuW, the mold is severely deteriorated at the time of injection, so that the life of the mold is short and the cost for the mold is increased. Furthermore, when the cap is electrically welded at the time of manufacturing the optical semiconductor module, it is difficult to perform the electrical welding with CuW, so that the reliability of hermeticity is liable to be reduced. For this reason, Fe
-It was necessary to separately braze a ring of Ni alloy or the like.

【００２０】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
放熱特性に優れていて熱容量が小さく、ダイボンド時間
の短縮やサブマウントの省略が可能であって、従来より
も低価格な半導体ステムを提供すること、及びこの半導
体ステムを使用することにより光出力の高い光半導体モ
ジュールを提供することを目的とする。The present invention has been made in view of such conventional circumstances,
It has excellent heat radiation characteristics, small heat capacity, can shorten the die bonding time and omit the submount, and provides a semiconductor system that is less expensive than the conventional one. An object is to provide a high optical semiconductor module.

【００２１】[0021]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する半導体ステムは、半導体素子の搭
載部を有するベース部材が、高熱伝導率のセラミックス
と金属質材料との複合材からなる基部と、該基部の少な
くとも片側表面を覆う金属カバーとからなり、このベー
ス部材の貫通孔に低融点ガラスで接合された金属リード
を備えることを特徴とする。In order to achieve the above object, a semiconductor stem provided by the present invention comprises a base member having a mounting portion for a semiconductor element formed of a composite material of a ceramic and a metallic material having high thermal conductivity. And a metal cover covering at least one surface of the base, and a metal lead joined to the through hole of the base member with low-melting glass.

【００２２】上記の半導体ステムの金属カバーはＦｅ、
Ｎｉ、Ｃｏ又はこれらの合金から選ばれた少なくとも１
種からなることが好ましく、その厚みは０.０５〜０.２
ｍｍの範囲にあることが好ましい。また、少なくとも前
記基部と固着する金属カバーの内側表面には、金属カバ
ーと基部との密着性を向上させるために、厚さ１.５〜
３.０μｍのＮｉ層を設けることが好ましい。The metal cover of the semiconductor stem is Fe,
At least one selected from Ni, Co or an alloy thereof
Preferably, the seeds have a thickness of 0.05 to 0.2.
mm. In addition, at least the inner surface of the metal cover fixed to the base has a thickness of 1.5 to 1.5 to improve the adhesion between the metal cover and the base.
It is preferable to provide a 3.0 μm Ni layer.

【００２３】上記半導体ステムの基部を構成する複合材
中のセラミックスは、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上のＳ
ｉＣ、ＡｌＮ、ｃＢＮ、ダイヤモンドから選ばれた少な
くとも１種のセラミックス粉からなることが好ましく、
特に針状又はフレーク状の上記セラミックス粉であるこ
とが好ましい。また、上記複合材中の金属質材料は、Ｃ
ｕ又はＡｇ若しくはこれらの合金であるか、若しくはＣ
ｕを溶浸したＷ又はＭｏであることが好ましい。The ceramic in the composite material constituting the base of the above-mentioned semiconductor stem has a thermal conductivity of 100 W / mK or more.
Preferably, it is made of at least one type of ceramic powder selected from iC, AlN, cBN and diamond,
In particular, it is preferable that the ceramic powder is in the form of a needle or a flake. The metallic material in the composite material is C
u or Ag or an alloy thereof, or C
It is preferably W or Mo infiltrated with u.

【００２４】上記本発明の半導体ステムの製造方法は、
ベース部材の表面形状に加工した金属カバーを金型内に
挿着し、該金型を用いて金属質材料粉とセラミックス粉
の混合物を成形し、焼成して複合材とすることにより、
片側表面に金属カバーが固着した該複合材の基部からな
るベース部材を形成した後、該ベース部材の貫通孔に金
属リードを低融点ガラスで接合することを特徴とする。
特に前記複合材がＣｕを含浸したＷ又はＭｏである場
合、金属質材料粉としてＷ又はＭｏ粉を使用し、焼成に
より得られたＷ又はＭｏのスポンジにＣｕを含浸させて
複合材とする。The method of manufacturing a semiconductor stem according to the present invention includes:
By inserting a metal cover processed into the surface shape of the base member into a mold, molding a mixture of a metallic material powder and a ceramic powder using the mold, and firing to form a composite material,
After forming a base member consisting of a base of the composite material having a metal cover fixed to one surface, a metal lead is bonded to a through hole of the base member with low-melting glass.
In particular, when the composite material is W or Mo impregnated with Cu, W or Mo powder is used as the metallic material powder, and a W or Mo sponge obtained by firing is impregnated with Cu to obtain a composite material.

【００２５】本発明の半導体ステムを用いた光半導体モ
ジュールは、半導体ステムのベース部材のダイエリアに
搭載され、ボンディングワイヤで金属リードと接続され
た半導体発光素子及び／又は半導体受光素子を備えるこ
とを特徴とし、更には光を透過する平面状の窓又は球状
若しくは非球状のレンズを有するキャップが前記半導体
ステムのベース部材の周縁部に気密に溶接されているこ
とを特徴とするものである。An optical semiconductor module using the semiconductor stem of the present invention includes a semiconductor light emitting element and / or a semiconductor light receiving element mounted on a die area of a base member of the semiconductor stem and connected to metal leads by bonding wires. In addition, a cap having a planar window or a spherical or non-spherical lens that transmits light is hermetically welded to a peripheral portion of the base member of the semiconductor stem.

【００２６】[0026]

【発明の実施の形態】本発明の半導体ステムは、例えば
図１に示すように、ＰＤ素子などの半導体素子を搭載す
べきベース部材１１が、セラミックスと金属質材料との
複合材からなる基部１２ａと、該基部１２ａの少なくと
も片側表面を覆う金属カバー１２ｂとで構成されてい
る。そのため、金属カバー１２ｂの特性を利用して、半
導体ステムの表面形状の付与を容易し、且つ電気溶接に
よる気密性の信頼性を高めると共に、複合材中のセラミ
ックスの高い熱伝導性により、放熱特性に優れた半導体
ステムを実現することができる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As shown in FIG. 1, for example, a semiconductor stem of the present invention has a base member 11 on which a semiconductor element such as a PD element is mounted, and a base 12a made of a composite material of ceramics and a metallic material. And a metal cover 12b that covers at least one surface of the base 12a. Therefore, by utilizing the characteristics of the metal cover 12b, the surface shape of the semiconductor stem can be easily provided, the reliability of the airtightness by electric welding can be improved, and the heat conductivity of the ceramics in the composite material can be improved. It is possible to realize an excellent semiconductor stem.

【００２７】ベース部材の基部を構成する複合材中の金
属質材料としては、Ｃｕ又はＡｇ、若しくはこれらの合
金、例えば銀鑞材を用いることができる。特に、基部の
熱膨張率を抑制したい場合には、金属質材料としてＣｕ
Ｗ又はＣｕＭｏ複合体、特にＣｕを含浸させたＷ又はＭ
ｏからなる複合体を使用することが好ましい。As the metallic material in the composite material forming the base of the base member, Cu or Ag, or an alloy thereof, for example, a silver brazing material can be used. In particular, when it is desired to suppress the coefficient of thermal expansion of the base, Cu is used as the metallic material.
W or CuMo complex, especially W or M impregnated with Cu
It is preferred to use a complex consisting of o.

【００２８】これらのＣｕＷやＣｕＭｏの複合体の製造
方法は、Ｃｕ粉末とＷ又はＭｏ粉末を高温下で押し固め
て作製する方法と、Ｗ粉末又はＭｏ粉末に焼結性向上の
ためＣｕやＮｉの粉末と有機バインダーを混合し、焼成
してＷ又はＭｏのスポンジを形成した後、これにＣｕを
溶浸させる方法とが知られている。また、後者の方法に
おいて形状付与する場合には、通常のプレス成形又は射
出成形によりＷ又はＭｏのスポンジを形成すれば良い。The method for producing these composites of CuW and CuMo includes a method in which a Cu powder and a W or Mo powder are compacted at a high temperature, and a method in which a W powder or a Mo powder is mixed with Cu or Ni to improve sinterability. And an organic binder are mixed and fired to form a W or Mo sponge, and then Cu is infiltrated into the sponge. In the case of imparting the shape by the latter method, a W or Mo sponge may be formed by ordinary press molding or injection molding.

【００２９】前者による複合体はＦｅ−Ｎｉ合金などに
比較して熱伝導率が高いものの、後者による複合体に比
較すると同じ組成比でも５０％程度熱伝導率が低下す
る。また、熱膨張率も後者による複合体の方が小さく、
Ｃｕが２０重量％以上でも９ｐｐｍ／ｄｅｇ以下の熱膨
張率に抑えることができる。従って、本発明において
は、ＣｕＷ又はＣｕＭｏの複合体はスポンジ状態のＷま
たはＭｏにＣｕを溶浸させる方法により製造することが
好ましい。その場合には、Ｗ又はＭｏのスポンジ中に予
めセラミックス粉をフィラーとして添加する。Although the composite of the former has a higher thermal conductivity than that of the Fe-Ni alloy or the like, the thermal conductivity is reduced by about 50% as compared with the composite of the latter even at the same composition ratio. Also, the coefficient of thermal expansion of the latter composite is smaller,
Even if Cu is 20% by weight or more, the coefficient of thermal expansion can be suppressed to 9 ppm / deg or less. Therefore, in the present invention, the composite of CuW or CuMo is preferably produced by a method of infiltrating Cu into W or Mo in a sponge state. In that case, ceramic powder is added as a filler in the W or Mo sponge in advance.

【００３０】また、ベース部材の基部を構成する複合材
中に含まれるセラミックスは、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱
伝導率を有するセラミックス、例えばＳｉＣ、ＡｌＮ、
ｃＢＮ、ダイヤモンドが好ましい。これらのセラミック
スは金属質材料中に分散させるフィラーとして用いる。
フィラーとしてのセラミックスの形状としては、球状や
立方体に近い粉末状であっても良いが、複合材中の金属
質材料よりもセラミックスの熱伝導率が高い場合には、
針状や木の葉の様なフレーク状とすることによって、複
合材の熱伝導率を一層高くすることができる。The ceramics contained in the composite material forming the base of the base member are ceramics having a thermal conductivity of 100 W / mK or more, for example, SiC, AlN,
cBN and diamond are preferred. These ceramics are used as fillers dispersed in a metallic material.
The shape of the ceramic as a filler may be a spherical or cubic powder, but if the ceramic has a higher thermal conductivity than the metallic material in the composite,
By making the shape of a flake like a needle or a leaf, the thermal conductivity of the composite material can be further increased.

【００３１】上記複合材からなる基部の片側表面を覆う
金属カバーは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ又はこれらの合金、例
えばコバールのようなＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金や、４２ア
ロイなどのＦｅ−Ｎｉ合金が好ましい。また、金属カバ
ーの厚みは、薄いほどベース部材の放熱特性が向上する
が、薄過ぎるとベース部材の形状付与の役目をなさない
他、複合材との合金化のために表面が荒れやすいため、
０.０５〜０.２ｍｍの範囲とすることが好ましい。The metal cover that covers one surface of the base made of the composite material is made of Fe, Ni, Co or an alloy thereof, for example, an Fe—Ni—Co alloy such as Kovar or an Fe—Ni alloy such as 42 alloy. preferable. In addition, the thickness of the metal cover, the heat radiation characteristics of the base member is improved as it is thin, but if it is too thin, it does not serve the role of imparting the shape of the base member, and the surface is easily roughened due to alloying with the composite material,
It is preferable that the thickness be in the range of 0.05 to 0.2 mm.

【００３２】この金属カバーの少なくとも内側表面に
は、金属カバーに固着される複合材との密着性を良くす
るため、Ｎｉ層を１.５〜３.０μｍの厚さに予め積層し
ておくことが好ましい。Ｎｉ層はめっきで積層させるの
が普通であるが、厚さが１.５μｍよりも薄いと穴が生
じたり、金属カバーと複合材の接合強度が弱くなる。ま
た、Ｎｉ層の厚さが３.０μｍよりも厚いと、ベース部
材としての熱伝導率が低下するので好ましくない。At least the inner surface of the metal cover is preliminarily laminated with a Ni layer having a thickness of 1.5 to 3.0 μm in order to improve the adhesion to the composite material fixed to the metal cover. Is preferred. The Ni layer is usually laminated by plating, but if the thickness is less than 1.5 μm, holes are formed or the bonding strength between the metal cover and the composite material is weakened. On the other hand, if the thickness of the Ni layer is greater than 3.0 μm, the thermal conductivity of the base member decreases, which is not preferable.

【００３３】本発明の半導体ステムを製造するには、ま
ず、そのベース部材の表面形状に沿って金属カバーを加
工する。ベース部材の形状には、ＰＤ素子や発光素子
（ＬＥＤ）その他の高発熱密度の半導体素子の搭載に用
いる図１の円板状のもの以外にも、図２に示すように、
ＰＤ素子とＬＤ素子を搭載するために、円形、楕円形、
長円形などの平板部の中央部に平板部の表面と５〜２０
°の角度で傾斜した傾斜面部１３と、平板部の表面に対
して垂直な平面を有する突起部１４とを備えたものなど
がある。To manufacture the semiconductor stem of the present invention, first, a metal cover is processed along the surface shape of the base member. As shown in FIG. 2, besides the disc-shaped base member shown in FIG. 1 used for mounting a PD element, a light emitting element (LED), and other semiconductor elements having a high heat generation density, as shown in FIG.
For mounting PD element and LD element, circular, elliptical,
The surface of the flat part is 5-20 at the center of the flat part such as an oval.
For example, there is provided one having an inclined surface portion 13 inclined at an angle of ° and a projection portion 14 having a plane perpendicular to the surface of the flat plate portion.

【００３４】これら図１及び図２に示すようなベース部
材１１の表面形状を有する金属カバー１２ｂは、通常は
金属の板材を圧延やプレス加工して成形する。その際、
金属リード５を通す貫通孔１２ｃも、図１及び図２に示
すように金属カバー１２ｂの一部で形成することが好ま
しい。尚、金属カバー１２ｂの貫通孔穿設部に穴だけ開
けておき、後の基部１２ａの成形の際に、金型を用いて
金属カバー１２ｂの穴に連通する貫通孔１２ｃを形成す
ることも可能である。The metal cover 12b having the surface shape of the base member 11 as shown in FIGS. 1 and 2 is usually formed by rolling or pressing a metal plate. that time,
The through hole 12c through which the metal lead 5 passes is also preferably formed by a part of the metal cover 12b as shown in FIGS. In addition, it is also possible to form only a hole in the through hole perforated portion of the metal cover 12b, and to form a through hole 12c communicating with the hole of the metal cover 12b by using a mold when forming the base 12a later. It is.

【００３５】次に、前記金属カバーを内側壁に固定保持
した金型を用いて、基部を構成する複合材の原料混合物
を射出成形又はプレス成形し、成形物を焼成して金属カ
バー付きの複合材を製造する。原料混合物は、ＣｕやＡ
ｇ又はＷやＭｏなどの金属質材料粉とＳｉＣやＡｌＮな
どのセラミックス粉に、パラフィン−ポリエチレンなど
の有機バインダーを添加混合したものである。尚、複合
材がＣｕＷ又はＣｕＭｏ複合体の場合、Ｗ又はＭｏ粉に
セラミックス粉と有機バインダーを混合し、その混合物
を金型で成形した後、焼成により得られたＷ又はＭｏの
スポンジにＣｕを含浸させて複合材とする。Next, using a mold in which the metal cover is fixed and held on the inner wall, a raw material mixture of the composite material constituting the base is injection-molded or press-molded, and the molded product is fired to form a composite with the metal cover. Produce materials. The raw material mixture is Cu or A
g or metallic material powder such as W or Mo and ceramic powder such as SiC or AlN to which an organic binder such as paraffin-polyethylene is added and mixed. When the composite material is a CuW or CuMo composite, a ceramic powder and an organic binder are mixed with the W or Mo powder, the mixture is molded in a mold, and Cu is added to the W or Mo sponge obtained by firing. Impregnated into a composite.

【００３６】このようにして得られたベース部材１１
は、図１及び図２に示すように、ＣｕＷなどの金属質材
料中にＡｌＮなどのセラミックスが分散した複合材から
なる基部１２ａと、その片側表面に固着した金属カバー
１２ｂとからなり、所定箇所に貫通孔１２ｃを備えた構
造を有している。その後、このベース部材１１の貫通孔
１２ｃに金属リード５を挿通し、低融点ガラス６により
接合する。最後に、全体にＮｉとＡｕのめっきを施して
半導体ステムが得られる。The base member 11 thus obtained
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a base portion 12a made of a composite material in which ceramics such as AlN is dispersed in a metal material such as CuW, and a metal cover 12b fixed to one surface of the base material are provided. Has a structure provided with a through hole 12c. After that, the metal lead 5 is inserted into the through hole 12 c of the base member 11 and joined with the low melting point glass 6. Finally, the entire surface is plated with Ni and Au to obtain a semiconductor stem.

【００３７】上記本発明の半導体ステムの製造にあたっ
ては、ベース部材の一部に金属カバーを使用するため、
従来は切削加工により形状付与していたＣｕＷ又はＣｕ
Ｍｏ複合体であっても、プレス加工できる金属カバーに
より容易に表面形状の付与ができるうえ、射出成形を行
う場合でも金属カバーによって金型の損傷が少なくな
り、金型の寿命を延ばすことができるので、半導体ステ
ムの製造コストを大幅に削減することが可能となる。In manufacturing the semiconductor stem of the present invention, a metal cover is used for a part of the base member.
Conventionally, CuW or Cu, which had been shaped by cutting
Even in the case of the Mo composite, the metal cover that can be press-worked can easily impart a surface shape, and even when performing injection molding, the metal cover reduces damage to the mold and can prolong the life of the mold. Therefore, the manufacturing cost of the semiconductor stem can be significantly reduced.

【００３８】この半導体ステムは、公知の方法に従って
配線などを施した後、用途に応じて半導体発光素子及び
／又は半導体受光素子、あるいは通常のＩＣのような半
導体素子を搭載し、金線などのボンディングワイヤで電
気的に接続して半導体装置とする。ＬＤ素子などの搭載
部に従来必要であったサブマウント（例えば図５の８
ａ、９ａ）は必要でなくなるが、ダイボンド時の位置ず
れを抑制するためには、ＡｕＳｎやＰｂＳｎなどの鑞材
をベース部材のＬＤ素子搭載部やＰＤ素子搭載部に予め
積層しておくことが好ましい。尚、確実で安定したダイ
ボンドを達成するためには、上記鑞材の厚みは１.５〜
４μｍ程度とするのが好ましい。This semiconductor stem is provided with a semiconductor light-emitting element and / or a semiconductor light-receiving element or a semiconductor element such as a normal IC according to the application after wiring and the like according to a known method. The semiconductor device is electrically connected by bonding wires. Conventionally, a submount (e.g., 8 in FIG.
a) and 9a) are not necessary, but in order to suppress the displacement during die bonding, a brazing material such as AuSn or PbSn is preliminarily laminated on the LD element mounting portion or the PD element mounting portion of the base member. preferable. In addition, in order to achieve a reliable and stable die bond, the thickness of the brazing material is 1.5 to 1.5.
The thickness is preferably about 4 μm.

【００３９】本発明の半導体ステムは、基部を構成する
複合材が高熱伝導率のセラミックスを含むため優れた放
熱特性を有する。その結果、上記のごとくサブマウント
が必ずしも必要ではなくなるほか、ＰＤ素子やＬＤ素子
などをダイボンドする際の昇温及び降温に要するダイボ
ンド時間を著しく短縮することができる。また、半導体
ステムの製造が簡単であると共に、ＰＤ素子やＬＤ素子
などの位置ずれを抑制して高歩留まり率の達成が可能と
なるため、低コストな光半導体モジュールを作製でき
る。The semiconductor stem of the present invention has excellent heat radiation characteristics because the composite material forming the base contains ceramics having high thermal conductivity. As a result, as described above, the submount is not necessarily required, and the die bonding time required for raising and lowering the temperature at the time of die bonding the PD element, the LD element, and the like can be significantly reduced. In addition, the manufacture of the semiconductor stem is simple, and a high yield rate can be achieved by suppressing the displacement of the PD element and the LD element, so that a low-cost optical semiconductor module can be manufactured.

【００４０】本発明の光半導体モジュールは、上記のご
とく半導体ステムに光半導体素子を搭載した後、光を透
過する平面状の窓又は球状や非球状のレンズを備えたキ
ャップを気密的に溶接する。このキャップはベース部材
の金属カバー周縁部に気密的に溶接することができるた
めに、信頼の高いＬＤデバイスなどの光半導体モジュー
ルを得ることができる。更に、本発明の光半導体モジュ
ールでは、ベース部材の熱膨張率が従来のＦｅ製のベー
スよりも小さいため、温度変動の熱応力から生まれる光
軸ずれによる光変動も小さくなる。In the optical semiconductor module of the present invention, after the optical semiconductor element is mounted on the semiconductor stem as described above, a flat window for transmitting light or a cap having a spherical or non-spherical lens is hermetically welded. . Since this cap can be hermetically welded to the periphery of the metal cover of the base member, a highly reliable optical semiconductor module such as an LD device can be obtained. Furthermore, in the optical semiconductor module of the present invention, the coefficient of thermal expansion of the base member is smaller than that of the conventional base made of Fe.

【００４１】尚、本発明の半導体ステムは、上記したＬ
Ｄ素子などを搭載した光半導体モジュール以外にも、高
放熱性のパッケージとして、マイクロ波通信用のＩＣや
伝送速度が１Ｇｂｐｓを越える高速デジタル処理ＩＣな
どの高発熱密度の半導体素子の搭載にも適用することが
できる。また、金属リードを備えない略直方体形状とす
れば、半導体素子のチップキャリアとしても使用でき
る。Incidentally, the semiconductor stem of the present invention has the above-mentioned L
In addition to optical semiconductor modules with D elements, etc., it is also applicable to mounting semiconductor elements with high heat generation such as microwave communication ICs and high-speed digital processing ICs with transmission speeds exceeding 1 Gbps as high heat dissipation packages. can do. Further, if it is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape without metal leads, it can be used as a chip carrier for a semiconductor element.

【００４２】[0042]

【実施例】図２に示す半導体レーザ（ＬＤ）用の半導体
ステムを以下のごとく製造した。まず、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金である厚さ０.２ｍｍのコバール板を圧延及びプ
レス加工することにより、長円形の平板部の中央部に平
板部表面と５°の角度で傾けた傾斜面部１３と、平板部
表面と垂直な平面を有する突起部１４と、金属リード５
を挿通する貫通孔１２ｃを３個備えた金属カバー１２ｂ
を作製した。この金属カバー１２ｂには、全体に厚さ
１.５μｍのＮｉめっきを施した。このＮｉ層は、後に
形成する複合材中の金属との密着性を改善し、且つ銀鑞
材の拡散を防止する役割を果すものである。EXAMPLE A semiconductor stem for a semiconductor laser (LD) shown in FIG. 2 was manufactured as follows. First, Fe-Ni-C
By rolling and pressing a 0.2 mm thick Kovar plate, which is an o-alloy, an inclined surface portion 13 inclined at an angle of 5 ° with the flat plate surface at the center of the oval flat plate portion, A protrusion 14 having a vertical plane and a metal lead 5
Cover 12b provided with three through-holes 12c through which holes are inserted
Was prepared. This metal cover 12b was entirely plated with Ni having a thickness of 1.5 μm. The Ni layer plays a role of improving the adhesion to the metal in the composite material to be formed later and preventing the diffusion of the silver brazing material.

【００４３】一方、複合材の構成成分であるセラミック
スとして、熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫのダイヤモンド
粉を用意した。このダイヤモンド粉は、金属質材料との
接合を良くするために、Ｔｉ／Ｐｔの蒸着工程と、蒸着
後の粉砕工程を繰り返して作製した。このダイヤモンド
粉を、焼結性向上のためにＣｕとＮｉを添加した９６重
量％Ｗ−３重量％Ｃｕ−１重量％Ｎｉの合金粉に対し
て、１５重量％の割合で混合した。この混合粉末に、更
に有機バインダーを重量比で３：１（体積比で７：３）
となるように混合した。有機バインダーは融点８０℃の
パラフィンとポリエチレンであり、有機溶剤に溶解して
使用し、混合後に有機溶剤を揮発させて原料混合物とし
た。On the other hand, a diamond powder having a thermal conductivity of 1000 W / mK was prepared as a ceramic which is a component of the composite material. This diamond powder was produced by repeating a Ti / Pt vapor deposition step and a pulverization step after vapor deposition in order to improve the bonding with the metallic material. This diamond powder was mixed at a ratio of 15% by weight with respect to an alloy powder of 96% by weight W-3% by weight Cu-1% by weight Ni added with Cu and Ni for improving sinterability. An organic binder is further added to the mixed powder in a weight ratio of 3: 1 (7: 3 in a volume ratio).
Were mixed so that The organic binder was paraffin and polyethylene having a melting point of 80 ° C., and was used after being dissolved in an organic solvent. After mixing, the organic solvent was volatilized to obtain a raw material mixture.

【００４４】次に、上記のごとく形状付与した金属カバ
ー１２ｂを金型にセットし、この原料混合物を高温で充
填した後にプレス成形した。得られた成形物を７００℃
で加熱して有機バインダーを揮発させた後、１４００℃
で焼結させることにより、片側表面が金属カバー１２ｂ
で覆われると共に、本質的にＷとダイヤモンドからな
り、ＣｕとＮｉを含むスポンジを得た。このスポンジに
更にＣｕを１１００℃で溶浸させ、ダイヤモンドが分散
したＣｕＷからなる複合材を形成した。Next, the metal cover 12b shaped as described above was set in a metal mold, and the raw material mixture was filled at a high temperature and then pressed. 700 ° C.
After heating to evaporate the organic binder at 1400 ° C
By sintering, one surface is covered with the metal cover 12b.
And a sponge essentially consisting of W and diamond and containing Cu and Ni. Cu was further infiltrated into the sponge at 1100 ° C. to form a composite material composed of CuW in which diamond was dispersed.

【００４５】尚、貫通孔１２ｃは溶浸中にＣｕが入る場
合があるので、炭素棒を差し込んで封鎖した。溶浸面に
はＣｕが残るが、光半導体モジュールではこのまま使用
することができ、またＣｕの残量が多い場合には切削に
より除去することもできる。このＣｕ溶浸時に、金属カ
バー１２ｂと反対側のスポンジ表面に、コバールなどか
らなる接地（ＧＮＤ）用金属リード７を接触して立てて
おくことにより、Ｃｕの溶浸と同時にＧＮＤ用金属リー
ド７を接合することもできる。Since the through-hole 12c may contain Cu during infiltration, a carbon rod was inserted and closed. Although Cu remains on the infiltration surface, it can be used as it is in the optical semiconductor module, and when the remaining amount of Cu is large, it can be removed by cutting. At the time of Cu infiltration, a ground (GND) metal lead 7 made of Kovar or the like is in contact with the sponge surface on the opposite side of the metal cover 12b so as to be stood up. Can also be joined.

【００４６】上記のようにして、片側表面に金属カバー
１２ｂが固着され、ダイヤモンドを分散させたＣｕＷの
複合材からなる基部１２ａを製造した後、全体にＮｉめ
っきを施して半導体ステムのベース部材１１とした。こ
のベース部材１１の金属カバー１２ｂと反対側の基部１
２ａの表面に、コバールのＧＮＤ用の金属リード７を銀
鑞により接合した。次に、ベース部材１１の貫通孔１２
ｃにコバールの金属リード５を挿通し、低融点ガラス６
により５６０℃で気密封止した。尚、ＬＤ素子用の金属
リードはワイヤボンドしやすいように予め側面を潰して
あり、またＰＤ素子用の金属リードの先端部はＰＤ素子
搭載部である傾斜面部１３と平行になるように形成して
ある。As described above, the metal cover 12b is fixed to one surface, and the base 12a made of a composite material of CuW in which diamond is dispersed is manufactured. And Base 1 of base member 11 opposite to metal cover 12b
The metal lead 7 for GND of Kovar was joined to the surface of 2a by silver solder. Next, the through hole 12 of the base member 11
c, insert the Kovar metal lead 5 into the low melting glass 6
For hermetic sealing at 560 ° C. The side of the metal lead for the LD element is crushed in advance so that wire bonding is easy, and the tip of the metal lead for the PD element is formed so as to be parallel to the inclined surface 13 which is the PD element mounting part. It is.

【００４７】金属リード５、７を取り付けたベース部材
１１は、表面を酸洗浄した後、更にＮｉ／Ａｕを順にめ
っきして、半導体ステムを完成させた。Ａｕの層厚は厚
いほど後のダイボンドやワイヤボンドが容易であるが、
コスト面からは薄くする必要があるので、Ａｕの層厚は
１.５μｍとした。The surface of the base member 11 to which the metal leads 5 and 7 were attached was washed with an acid and then plated with Ni / Au in order to complete a semiconductor stem. The later the thickness of Au is, the easier die bonding and wire bonding become,
Since it is necessary to reduce the thickness in terms of cost, the Au layer thickness is set to 1.5 μm.

【００４８】その後、この半導体ステムを用いて、図３
に示すように、モニター用のＰＤ素子８と信号用のＬＤ
素子９を実装した。即ち、半導体ステムをダイボンダー
にセットして、ヒータを予め半田鑞材であるＡｕＳｎの
融点よりも高い３５０℃に保持し、ＰＤ素子８をベース
部材１１の傾斜面部１３のダイエリアにダイボンドし
た。尚、ＰＤ素子８の裏面には予め厚さ３μｍのＡｕＳ
ｎを蒸着によりメタライズしてあるが、このＡｕＳｎは
半導体ステム表面のＡｕと合金化して融点が高温側にず
れ、３３０℃以上の融点を持つ。このＰＤ素子８のダイ
ボンドでの半導体ステムの昇温時間は３０秒であり、従
来のＦｅ製のステムが６０秒であったのに比べ半減し
た。Thereafter, using this semiconductor stem, FIG.
As shown in the figure, a monitoring PD element 8 and a signal LD
Element 9 was mounted. That is, the semiconductor stem was set in a die bonder, the heater was previously held at 350 ° C. higher than the melting point of AuSn, which is a solder solder, and the PD element 8 was die-bonded to the die area of the inclined surface portion 13 of the base member 11. The back surface of the PD element 8 is previously made of AuS having a thickness of 3 μm.
Although n is metallized by vapor deposition, this AuSn is alloyed with Au on the surface of the semiconductor stem and its melting point shifts to a higher temperature side, and has a melting point of 330 ° C. or more. The temperature rise time of the semiconductor stem by die bonding of the PD element 8 was 30 seconds, which was reduced by half compared to the conventional Fe stem of 60 seconds.

【００４９】ＬＤ素子９は光ファイバーとの光結合が必
要なため、半導体ステムの中央で且つその突起部１４に
平行に位置あわせする必要があり、昇温及び降温が可能
なダイボンダーを使用する。ヒータを２５０℃の低温状
態にしたダイボンダーにＰＤ素子８をダイボンドした半
導体ステムをセットして、裏面に予め厚さ３μｍのＡｕ
ＳｎをメタライズしたＬＤ素子９を位置あわせし、ヒー
タを３２０℃まで昇温して半田鑞材を溶かし、２５０℃
まで空冷することによりダイボンドした。このダイボン
ド時間は昇温及び降温時間が支配的であるため、従来の
Ｆｅ製のステムでは１２０秒を要していたが、７０秒に
短縮することができた。Since the LD element 9 needs to be optically coupled to an optical fiber, it needs to be positioned at the center of the semiconductor stem and parallel to the projection 14 thereof, and uses a die bonder capable of raising and lowering the temperature. The semiconductor stem on which the PD element 8 was die-bonded was set on a die bonder in which the heater was kept at a low temperature of 250 ° C., and a 3 μm thick Au
Align LD element 9 with Sn metallized, raise heater to 320 ° C to melt solder braze
It was die-bonded by air cooling to The die-bonding time is dominated by the time of temperature rise and fall, so that the conventional Fe stem required 120 seconds, but could be reduced to 70 seconds.

【００５０】その後、半導体ステムを２５０℃のヒータ
ーにセットして、ＰＤ素子８の電極と傾斜面部１３に合
わせて先端が５°傾いた金属リード５とを太さ３０μｍ
のＡｕ線のボンディングワイヤ１０でワイヤボンドし
た。次に半導体ステムをヒーターごと８５°傾けてＬＤ
素子９と別の金属リード５とをＡｕ線にてワイヤボンド
した。ここでのワイヤボンド時間は、従来とほぼ同様の
２０秒程度であり、時間短縮効果は殆どなかった。After that, the semiconductor stem was set on a heater at 250 ° C., and the electrode of the PD element 8 and the metal lead 5 whose tip was inclined by 5 ° according to the inclined surface 13 were 30 μm thick.
The wire bonding was performed using the Au wire bonding wire 10 described above. Next, the semiconductor stem is tilted 85 ° together with the heater and the LD
The element 9 and another metal lead 5 were wire-bonded with an Au wire. The wire bonding time here was about 20 seconds, which is almost the same as the conventional one, and there was almost no time reduction effect.

【００５１】上記のごとくＬＤ素子とＰＤ素子の実装が
済んだ半導体ステムに、無反射膜コートしたガラス製の
光透過窓を低融点ガラスで接合したキャップをかぶせ、
電気溶接した。得られたＬＤデバイスはＭＩＬ−ＳＴＤ
−８８３、方法１０１４、条件Ａｌに記載されている気
密性試験に合格し、良好な気密性を有していた。The semiconductor stem on which the LD element and the PD element have been mounted as described above is covered with a cap in which a light-transmitting window made of glass coated with an anti-reflection film is bonded with low-melting glass.
Electric welding. The obtained LD device is MIL-STD
-883, Method 1014, Condition Al passed the hermeticity test and had good hermeticity.

【００５２】このＬＤデバイスにレンズと光ファイバー
を位置あわせした後、ＹＡＧ溶接により固定してＬＤモ
ジュールを完成させた。このＬＤモジュールでは、８５
℃でのＬＤの効率が５％上昇し、光半導体装置であるＬ
Ｄモジュールの電流−光変換効率の向上や、最大発光強
度も向上することができた。また、セラミックスとＣｕ
Ｗの複合材からなる基部は熱膨張率が小さいため、温度
変動の熱応力から生まれる光軸ずれによるパワー変動も
小さくなった。After the lens and the optical fiber were aligned with this LD device, they were fixed by YAG welding to complete an LD module. In this LD module, 85
The efficiency of LD at 5 ° C. increases by 5%, and the optical semiconductor device L
The current-light conversion efficiency of the D module and the maximum light emission intensity were also improved. In addition, ceramics and Cu
Since the base made of the composite material of W has a small coefficient of thermal expansion, the power fluctuation due to the optical axis shift caused by the thermal stress caused by the temperature fluctuation is also small.

【００５３】尚、半導体ステムのＬＤ素子やＰＤ素子の
ような半導体素子の搭載部には、予めＡｕＳｎやＰｂＳ
ｎなどの半田材を積層しておくことができる。半田材の
積層は、プリフォーム積層させたり、蒸着や樹脂を含む
ペーストでも作製できる。この場合は半導体素子の裏面
に蒸着する半田材が不必要となり、半導体素子の歩留ま
り率を向上させて、コストダウンが可能となる。また、
少々コストアップにはなるが、ＡｌＮやＳｉのサブマウ
ントを使用して半導体素子を搭載し、放熱性を一層向上
させることもできる。The mounting portion of a semiconductor element such as an LD element or a PD element of a semiconductor stem has AuSn or PbS in advance.
A solder material such as n can be laminated. The lamination of the solder material can be performed by laminating a preform, or by vapor deposition or a paste containing a resin. In this case, a solder material deposited on the back surface of the semiconductor element is not required, and the yield rate of the semiconductor element can be improved and the cost can be reduced. Also,
Although the cost is slightly increased, the semiconductor element can be mounted using a submount of AlN or Si to further improve the heat dissipation.

【００５４】上記実施例とは別に、ＬＥＤやＰＤ素子用
の半導体ステムでは、例えば図１に示すように、突起部
のないベース部材１１を備えた半導体ステムを使用でき
る。この場合、０.２ｍｍのコバールを圧延及びプレス
により、円形の平板部と金属リードを通す貫通孔１２ｃ
を具備した構造に成形し、得られた金属カバー１２ｂに
１.５μｍのＮｉめっきを施す。これを金型にセットし
て、金属質材料粉、例えばＡｇ、Ｃｕ又はＡｇＣｕ合金
である銀鑞の粉と、セラミックス粉の混合物を充填し、
高温プレスして粉末焼結させる方法により、ベース部材
を製造することができる。Apart from the above embodiment, as a semiconductor stem for an LED or PD element, for example, as shown in FIG. 1, a semiconductor stem provided with a base member 11 having no projection can be used. In this case, a 0.2 mm Kovar is rolled and pressed to form a circular flat plate and a through hole 12c through which a metal lead passes.
, And the obtained metal cover 12b is plated with Ni of 1.5 μm. This is set in a mold, and a mixture of a metal material powder, for example, a powder of silver solder, which is Ag, Cu or an AgCu alloy, and a ceramic powder is filled therein.
The base member can be manufactured by a method of hot pressing and powder sintering.

【００５５】この方法の場合には、セラミックスの量を
増やすことができるために、例えば熱伝導率が１０００
Ｗ／ｍＫのダイヤモンドや熱伝導率が６００Ｗ／ｍＫの
ｃＢＮを使用することによって、半導体ステムの放熱性
を飛躍的に向上させることが可能である。この場合のセ
ラミックス粉の形状を針状又はフレーク状とすることに
より、セラミックスフィラーによる放熱性の向上が一層
効果的である。In the case of this method, since the amount of ceramics can be increased, for example, the thermal conductivity is 1000
By using W / mK diamond or cBN having a thermal conductivity of 600 W / mK, it is possible to dramatically improve the heat dissipation of the semiconductor stem. By making the shape of the ceramic powder in this case into a needle shape or a flake shape, the improvement of heat radiation by the ceramic filler is more effective.

【００５６】[0056]

【発明の効果】本発明によれば、ベース部材の形状付与
が容易であるため簡単に製造でき、放熱特性に優れ、半
導体素子のダイボンド時間の短縮やサブマウントの省略
が可能であって、従来よりも低価格な半導体ステムを提
供することができる。According to the present invention, since the shape of the base member can be easily provided, it can be easily manufactured, has excellent heat radiation characteristics, can shorten the die bonding time of the semiconductor element, and can omit the submount. It is possible to provide a semiconductor stem that is lower in price than the semiconductor stem.

【００５７】また、この半導体ステムを使用することに
より、光半導体素子のジャンクション温度が下がること
から発光効率が高くなり、且つ熱膨張率が小さいことか
ら光軸ずれによるパワー変動が少ない、特性に優れた光
半導体装置を提供することができる。Also, by using this semiconductor stem, the luminous efficiency is increased because the junction temperature of the optical semiconductor element is lowered, and the power fluctuation due to the optical axis shift is small because the coefficient of thermal expansion is small. Optical semiconductor device can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の半導体ステムの一具体例を示す概略の
断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a specific example of a semiconductor stem of the present invention.

【図２】本発明の半導体ステムの別の具体例を示す概略
の断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing another specific example of the semiconductor stem of the present invention.

【図３】本発明の光半導体モジュールの一具体例の要部
を示す概略の斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view showing a main part of one specific example of the optical semiconductor module of the present invention.

【図４】従来の半導体ステムを示す概略の断面図であ
る。FIG. 4 is a schematic sectional view showing a conventional semiconductor stem.

【図５】従来の光半導体モジュールの要部を示す概略の
斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view showing a main part of a conventional optical semiconductor module.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ Ｆｅ製の円板 ２ 平板部 ３ 傾斜面部 ４ 突起部 ５ 金属リード ６ 低融点ガラス ７ ＧＮＤ用金属リード ８ ＰＤ素子 ９ ＬＤ素子 １０ ボンディングワイヤ １１ ベース部材 １２ａ 基部 １２ｂ 金属カバー １２ｃ 貫通孔 １３ 傾斜面部 １４ 突起部 REFERENCE SIGNS LIST 1 Fe disk 2 Flat plate 3 Inclined surface 4 Projection 5 Metal lead 6 Low melting glass 7 GND metal lead 8 PD element 9 LD element 10 Bonding wire 11 Base member 12a Base 12b Metal cover 12c Through hole 13 Inclined surface 14 Projection

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 半導体素子の搭載部を有するベース部材
が、高熱伝導率のセラミックスと金属質材料との複合材
からなる基部と、該基部の少なくとも片側表面を覆う金
属カバーとからなり、該ベース部材の貫通孔に低融点ガ
ラスで接合された金属リードを備えることを特徴とする
半導体ステム。A base member having a mounting portion for a semiconductor element comprises a base made of a composite material of a ceramic and a metallic material having high thermal conductivity, and a metal cover covering at least one surface of the base. A semiconductor stem comprising a metal lead joined to a through hole of a member with low-melting glass. 【請求項２】 前記金属カバーがＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ又は
これらの合金からなることを特徴とする、請求項１に記
載の半導体ステム。2. The semiconductor stem according to claim 1, wherein the metal cover is made of Fe, Ni, Co, or an alloy thereof. 【請求項３】 前記金属カバーの厚みが０.０５〜０.２
ｍｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の
半導体ステム。3. The metal cover has a thickness of 0.05 to 0.2.
3. The semiconductor stem according to claim 1, wherein the diameter is in mm. 4. 【請求項４】 少なくとも前記基部と固着する金属カバ
ーの内側表面に、厚さ１.５〜３.０μｍのＮｉ層が設け
てあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記
載の半導体ステム。4. The metal cover according to claim 1, wherein a Ni layer having a thickness of 1.5 to 3.0 μm is provided on at least an inner surface of the metal cover fixed to the base. Semiconductor stem. 【請求項５】 前記基部を構成する複合材中のセラミッ
クスが、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上のＳｉＣ、Ａｌ
Ｎ、ｃＢＮ、ダイヤモンドから選ばれた少なくとも１種
のセラミックス粉からなることを特徴とする、請求項１
〜４のいずれかに記載の半導体ステム。5. The ceramic in the composite material forming the base is made of SiC or Al having a thermal conductivity of 100 W / mK or more.
2. A material comprising at least one kind of ceramic powder selected from N, cBN and diamond.
5. The semiconductor stem according to any one of items 1 to 4, 【請求項６】 前記セラミックス粉が針状又はフレーク
状であることを特徴とする、請求項５に記載の半導体ス
テム。6. The semiconductor stem according to claim 5, wherein the ceramic powder is in a needle shape or a flake shape. 【請求項７】 前記基部を構成する複合材中の金属質材
料が、Ｃｕ又はＡｇ若しくはこれらの合金からなること
を特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体
ステム。7. The semiconductor stem according to claim 1, wherein the metallic material in the composite material forming the base is made of Cu, Ag, or an alloy thereof. 【請求項８】 前記基部を構成する複合材中の金属質材
料が、Ｃｕを溶浸したＷ又はＭｏからなることを特徴と
する、請求項第１〜４のいずれかに記載の半導体ステ
ム。8. The semiconductor stem according to claim 1, wherein the metallic material in the composite material forming the base is made of W or Mo infiltrated with Cu. 【請求項９】 少なくとも１本の接地用の金属リード
が、前記ベース部材を貫通することなく、ベース部材の
基部に接合されていることを特徴とする、請求項１〜８
のいずれかに記載の半導体ステム。9. The device according to claim 1, wherein at least one metal lead for grounding is joined to a base of the base member without penetrating the base member.
The semiconductor stem according to any one of the above. 【請求項１０】 請求項１の半導体ステムの製造方法で
あって、ベース部材の表面形状に加工した金属カバーを
金型内に挿着し、該金型を用いて金属質材料粉とセラミ
ックス粉の混合物を成形し、焼成して複合材とすること
により、片側表面に金属カバーが固着した複合材からな
るベース部材を形成した後、該ベース部材の貫通孔に金
属リードを低融点ガラスで接合することを特徴とする半
導体ステムの製造方法。10. The method of manufacturing a semiconductor stem according to claim 1, wherein a metal cover processed into a surface shape of the base member is inserted into a mold, and the metal material powder and the ceramic powder are used by using the mold. After forming a base member made of a composite material having a metal cover adhered to one side surface by forming a mixture of the above and baking to form a composite material, a metal lead is joined to a through hole of the base member with low-melting glass. A method of manufacturing a semiconductor stem. 【請求項１１】 前記金属質材料粉としてＷ又はＭｏ粉
を使用し、焼成により得られたＷ又はＭｏのスポンジに
Ｃｕを含浸させて複合材とすることを特徴とする、請求
項１０に記載の半導体ステムの製造方法。11. The composite material according to claim 10, wherein W or Mo powder is used as said metallic material powder, and W or Mo sponge obtained by firing is impregnated with Cu to form a composite material. Of manufacturing a semiconductor stem. 【請求項１２】 請求項１〜９のいずれかに記載の半導
体ステムと、該半導体ステムのベース部材のダイエリア
に搭載され、ボンディングワイヤで金属リードと接続さ
れた半導体発光素子及び／又は半導体受光素子とを備え
ることを特徴とする光半導体モジュール。12. A semiconductor light emitting device and / or a semiconductor light receiving device mounted on a die area of a base member of the semiconductor stem according to claim 1 and connected to a metal lead by a bonding wire. An optical semiconductor module comprising an element. 【請求項１３】 光を透過する平面状の窓又は球状若し
くは非球状のレンズを有するキャップが前記半導体ステ
ムのベース部材の周縁部に気密に溶接されていることを
特徴とする、請求項１２に記載の光半導体モジュール。13. The semiconductor stem according to claim 12, wherein a cap having a light-transmitting flat window or a spherical or non-spherical lens is hermetically welded to a periphery of the base member of the semiconductor stem. The optical semiconductor module according to the above.