KR100351836B1 - 서브-마운트 및 그를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법 - Google Patents

Abstract

열 방출이 용이한 서브-마운트 및 그를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법에 관한 것으로, 상부에 제 1 전극들과 하부에 제 2 전극을 갖는 서브-마운트의 제 1, 제 2 전극 위에 각각 솔더를 형성하고, 그 서브-마운트를 스템의 소정 영역에 부착한 후, 서브-마운트의 제 1 전극들과 레이저 다이오드의 전극들이 서로 대응되도록 서브-마운트 위에 레이저 다이오드를 부착하여 조립한다. 즉, 상부 2 전극 형태의 레이저 다이오드를 상부 2 전극 형태로 형성된 서브-마운트에 정션-다운 방식으로 조립하여 열 방출이 용이하도록 한다.

Description

서브-마운트 및 그를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법{sub-mount and method for assembling laser diode using the same}

본 발명은 열 방출이 용이한 서브-마운트 및 그를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법에 관한 것이다.

종래에 일반적으로 사용하는 레이저 다이오드의 조립 방법은 레이저 다이오드의 전극 구조가 p형 전극은 상부에 위치하고 n형 전극은 하부에 위치하는 톱-다운(top-down) 방식이기 때문에 스템(stem)에 서브-마운트(sub-mount)를 부착시키고 나서, 레이저 다이오드의 p형 전극이 서브-마운트에 부착되는 정션-다운(junction-down)으로 레이저 다이오드를 조립하는 것이 일반적인 방법이다.

그렇지만, 사파이어를 기판으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드는 사파이어가 전기적으로 절연체이기 때문에 전류 인가를 위한 전극의 형성을 톱-다운 방식으로 하지 못하고, 상부에 p형 전극과 n형 전극이 위치하는 상부 2 전극 형태로 형성하여야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 상부 2 전극 구조의 레이저 다이오드 조립을 보여주는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 기판이 서브-마운트에 부착되는 정션-업(junction-up) 조립에서는 레이저 다이오드에서 발생하는 열이 사파이어 기판을 거쳐서 서브-마운트 및 스템을 통하여 방출되는 구조이다.

그러나, 기판으로 사용되는 사파이어는 열전도도가 매우 낮기 때문에 효율적으로 열을 방출시키기 위해서는 사파이어 기판을 아주 얇은 두께까지 갈아내야 하는 어려움이 있다.

도 2는 다양한 종류의 기판 두께와 열 저항과의 관계를 보여주는 그래프로서, 도 2에 도시된 바와 같이 현재 질화물 레이저 다이오드의 제작에 가장 보편적으로 사용하는 사파이어의 열 저항이 다른 물질의 기판에 비해서 훨씬 큰 값을 가지는 것을 알 수 있다.

이와 같이 큰 열 저항을 가지는 기판을 사용하는 레이저 다이오드의 조립 방법으로는 소자에서 발생하는 열을 효율적으로 방출시키기가 어려워 소자의 수명이 크게 단축되어 버리는 단점이 있다.

또한, 종래 기술에 의한 조립 방법에서는 스템의 서브-마운트 위에 실버 페이스트(silver paste)를 바르고 그 위에 레이저 다이오드를 올려 놓아야 하는데, 이 경우 안전하게 금 와이어링(wiring)을 하기 위해서는 실버 페이스트를 완전히 굳혀야 하기 때문에, 약 1시간 30분 동안 고온에서 쿠어링(curing) 작업을 해 주어야 한다.

하지만, 페이스트를 조금 바를 경우에는 소자가 제대로 본딩이 되지 않기 ??문에 와이어 본딩시 소자가 스템에서 떨어지게 된다.

그리고, 페이스트를 너무 많이 바를 경우에는 페이스트가 소자 상부까지 올라와 전기적으로 쇼트(short)가 발생해 소자가 동작을 하지 않게 되는 문제가 있다.

또 다른 문제는 n 전극의 경우, Al을 포함하는 전극 체계를 흔히 사용하는데, 이 전극을 사용하는 경우 쿠어링시 금속이 산화가 되어 와이어 본딩이 이루어지지 않는다.

또한, 조립 시간이 오래 걸리는 단점까지 보유하기 때문에 기존 방법은 질화물 레이저 다이오드 조립에 적합하지 않는 방식이라 할 수 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 소자의 열 방출을 용이하게 하여 소자의 동작 특성 개선 및 수명을 연장시킬 수 있는 서브-마운트 및 그를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 상부 2 전극 구조의 레이저 다이오드 조립을 보여주는 도면

도 2는 다양한 종류의 기판 두께와 열 저항과의 관계를 보여주는 그래프

도 3은 본 발명에 따른 서브-마운트를 보여주는 구조단면도

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 서브-마운트를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법을 보여주는 도면

본 발명에 따른 서브-마운트는 기판과, 기판 상부 표면 위에 일정 간격을 가지고 한 방향으로 형성되는 다수개의 제 1 전극들과, 기판 하부 표면 위에 형성되는 제 2 전극으로 구성된다.

여기서, 제 1, 제 2 전극은 Cr, Ni, Au, In, Pt, Mo, Pd, Ge, Si, Ti, W, Zr, Ta, Cu, Pb, Ag, Sn, Zn으로부터 선택된 어느 한 물질, 그 들의 합금 물질, 그 들의 적층 물질 중 어느 하나로 이루어진다.

바람직하게는 제 1, 제 2 전극이 Cr/Ni/Au로 이루어지는 것이 좋다.

또한, 상부에 제 1 전극들과 하부에 제 2 전극을 갖는 서브-마운트와 스템을 이용하여 레이저 다이오드를 조립하는 방법은 서브-마운트의 제 1, 제 2 전극 위에 각각 솔더를 형성하는 제 1 단계와, 서브-마운트를 스템의 소정 영역에 부착하는 제 2 단계와, 서브-마운트의 제 1 전극들과 레이저 다이오드의 전극들이 서로 대응되도록 서브-마운트 위에 레이저 다이오드를 부착하는 제 3 단계와, 외부와의 전기적 연결을 위하여 서브-마운트의 제 1 전극들과 스템의 핀들을 각각 와이어 본딩하는 제 4 단계로 이루어진다.

여기서, 상기 제 1 단계에서, 서브-마운트의 제 1 전극에는 일 측면에만 솔더를 형성하고, 서브-마운트의 제 2 전극에는 전면에 솔더를 형성한다.

그리고, 솔더는 In으로 이루어지고, 솔더의 두께는 1∼10㎛로 하는데, 바람직하게는 2∼3㎛가 가장 좋다.

또한, 상기 제 3 단계에서, 레이저 다이오드의 전극 중 p형 전극의 리지 부분은 솔더의 한 쪽 끝 부분과 일치하도록 부착한다.

이와 같이 조립되는 본 발명은 상부 2 전극 형태의 레이저 다이오드를 상부 2 전극 형태로 형성된 서브-마운트에 정션-다운 방식으로 조립하므로 열 방출이 용이하여 소자의 동작 특성이 개선되고 소자의 수명이 연장되는 장점을 갖는다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 열 방출을 용이하게 하기 위하여 기존의 서브-마운트를 사용하지 않고, 상부 2 전극 형태를 가지는 서브-마운트를 사용하여 레이저 다이오드를 조립하였다.

도 3은 본 발명에 따른 서브-마운트를 보여주는 구조단면도로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 서브-마운트는 기판 상부 면과 하부 면에 각각 제 1, 제 2 전극을 가지고 있다.

기판 상부 면에 형성되는 제 1 전극은 레이저 다이오드의 n형 전극과 p형 전극에 각각 대응하도록 2개의 전극이 일정한 간격을 가지고 띠(stripe) 형태로 나란히 형성되어 있다.

이 들 전극은 소자의 패키징시 와이어 본딩을 위한 일종의 전극 패드역할을 하며, 와이어 본딩시 형성되는 Au 볼이 장시간 소자 동작에 따른 확산 침투 현상을 막기 위한 금속이다.

이 들 전극에 사용되는 금속 물질로는 제한은 없으나 일반적으로 반도체 제작 공정에 널리 쓰이는 Cr, Ni, Au, In, Pt, Mo, Pd, Ge, Si, Ti, W, Zr, Ta, Cu, Pb, Ag, Sn, Zn 등으로부터 선택된 어느 한 물질, 그 들의 합금 물질, 그 들의 적층 물질 중에서 적절히 사용할 수 있다.

본 발명에서는 접착성이 우수한 Cr/Ni/Au로 이루어진 다층 구조를 서브-마운트의 전극으로 사용하였다.

여기서, 서브-마운트의 제 1 전극과 제 2 전극의 물질은 서로 동일하거나 또는 서로 다를 수도 있다.

이와 같이 본 발명의 서브-마운트는 레이저 다이오드와 같이 상부 2 전극 형태로 형성하여 레이저 다이오드 조립시 레이저 다이오드의 상부 2 전극이 서브-마운트의 상부 2 전극에 부착되도록 정션-다운 방식으로 조립된다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 서브-마운트를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법을 보여주는 도면으로서, 도 4a는 레이저 다이오드 조립 전의 레이저 다이오드와 서브-마운트를 보여주는 도면이고, 도 4b는 레이저 다이오드 조립 후의 레이저 다이오드와 서브-마운트를 보여주는 단면도이며, 도 4c는 레이저 다이오드 조립 후의 레이저 다이오드와 서브-마운트를 보여주는 평면도이다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상부에 Cr/Ni/Au로 이루어진 제 1 전극들과 하부에 Cr/Ni/Au로 이루어진 제 2 전극을 갖는 서브-마운트와 상부에 n형 전극과 p형 전극을 갖는 레이저 다이오드를 준비한다.

이어, 서브-마운트의 제 1, 제 2 전극 위에 각각 In 솔더(solder)를 형성한다.

이 때, 솔더의 두께가 매우 중요한데, 그 이유는 전극과 전극 사이가 수 십㎛(약 20㎛) 정도 밖에 되지 않기 때문에 솔더가 너무 두꺼우면 본딩시 소자를 누르면서 소자 밑에 있던 솔더가 옆으로 퍼져 두 전극이 서로 전기적으로 쇼트(short)가 되어 소자가 동작이 되지 않을 수 있기 때문이다.

그러므로, 본 발명에서는 솔더의 두께를 약 1∼10㎛로 하는데, 특히 약 2∼3㎛의 두께를 선호한다.

그리고, 솔더 형성시 주의해야 할 점은 서브-마운트의 제 1 전극에는 일 측면에만 솔더를 형성하고, 서브-마운트의 제 2 전극에는 전면에 솔더를 형성해야 한다.

즉, 서브-마운트의 제 1 전극에 형성되는 솔더의 면적이 서브-마운트의 제 1 전극의 면적보다는 좁게 형성되어야 한다.

그 이유는 외부와의 전기적 연결을 위하여 나중에 서브-마운트의 제 1 전극과 스템의 핀을 와이어 본딩시켜야 하기 때문이다.

이와 같이 솔더가 형성된 서브-마운트를 도시하지는 않았지만 스템(stem)의 소정 영역에 부착한 다음, 서브-마운트 위에 레이저 다이오드를 부착한다.

여기서, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이 서브-마운트 위에 레이저 다이오드를 부착할 때, 서브-마운트의 제 1 전극들과 레이저 다이오드의 p형 전극 및 n형 전극들이 서로 대응되도록 하고, 특히 p형 전극의 리지(ridge) 부분이 서브-마운트의 제 1 전극 위에 형성된 솔더의 한 쪽 끝 부분이 정확하게 일치하도록 한다.

이는 레이저 다이오드가 GaN 박막과 사파이어 기판과 같이 투명한 물질로 이루어져 조립시 서브-마운트 및 레이저 다이오드의 전극을 모두 현미경을 통해 눈으로 확인할 수 있기 때문에 본딩의 위치를 정확하게 조절할 수 있다.

마지막으로, 외부와의 전기적 연결을 위하여 서브-마운트의 제 1 전극들과 스템의 핀들을 각각 와이어 본딩함으로써 레이저 다이오드를 조립한다.

이와 같이 본 발명의 조립 방법에서는 기판의 종류에 관계없이 레이저 동작시에 발생하는 열이 모두 열 발생 부위로부터 서브-마운트쪽으로 직접 방출되기 때문에 특히 질화물 반도체 레이저와 같이 기판의 열 방출이 소자의 동작 특성에 크게 영향을 미치는 소자에 있어서는 반드시 필요하고 중요한 조립 방법이다.

본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드에만 국한되는 것이 아니라 발광 다이오드의 조립시에도 동일하게 적용 가능하다.

본 발명은 열이 효율적으로 방출되기 때문에 소자의 동작 특성이 크게 향상되고, 수명 연장에도 큰 효과가 있으며, 아울러 조립 시간도 단축할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (10)

1. 기판;

   상기 기판 상부 표면 위에 일정 간격을 가지고 한 방향으로 형성되는 다수개의 제 1 전극들; 그리고,

   상기 기판 하부 표면 위에 형성되는 제 2 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 서브-마운트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극들은 띠(stripe) 형태를 갖는 두 개의 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서브-마운트.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 전극은 Cr, Ni, Au, In, Pt, Mo, Pd, Ge, Si, Ti, W, Zr, Ta, Cu, Pb, Ag, Sn, Zn으로부터 선택된 어느 한 물질, 그 들의 합금 물질, 그 들의 적층 물질 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서브-마운트.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 전극은 Cr/Ni/Au로 이루어진 다층 구조인 것을 특징으로 하는 서브-마운트.
5. 상부에 제 1 전극들과 하부에 제 2 전극을 갖는 서브-마운트와 스템을 이용하여 레이저 다이오드를 조립하는 방법에 있어서,

   상기 서브-마운트의 제 1, 제 2 전극 위에 각각 솔더를 형성하는 제 1 단계;

   상기 서브-마운트를 상기 스템의 소정 영역에 부착하는 제 2 단계;

   상기 서브-마운트의 제 1 전극들과 상기 레이저 다이오드의 전극들이 서로 대응되도록 상기 서브-마운트 위에 상기 레이저 다이오드를 부착하는 제 3 단계; 그리고,

   외부와의 전기적 연결을 위하여 상기 서브-마운트의 제 1 전극들과 상기 스템의 핀들을 각각 와이어 본딩하는 제 4 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서브-마운트를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 단계에서, 상기 서브-마운트의 제 1 전극에는 일 측면에만 솔더를 형성하고, 상기 서브-마운트의 제 2 전극에는 전면에 솔더를 형성하는 것을 특징으로 하는 서브-마운트를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 솔더는 In인 것을 특징으로 하는 서브-마운트를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 솔더의 두께는 1∼10㎛인 것을 특징으로 하는 서브-마운트를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 단계에서, 상기 레이저 다이오드의 전극 중 어느 한 전극의 리지 부분은 상기 솔더의 한 쪽 끝 부분과 일치하는 것을 특징으로 하는 서브-마운트를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 솔더의 한 쪽 끝 부분과 일치하는 레이저 다이오드 전극은 p형 전극인 것을 특징으로 하는 서브-마운트를 이용한 레이저 다이오드 조립 방법.