JP4197113B2 - Semiconductor carrier and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低熱膨張率で高放熱性のWCu合金の焼結体またはMoCu合金の焼結体からなる半導体キャリヤおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体パッケージや光通信モジュール(光半導体モジュール)などの半導体装置には、ヒートシンクと呼ばれる放熱部材を設けて、半導体パッケージや光半導体モジュール内で発生した熱を効率的に系外に放散させる(排熱する)ようにしている。このようなヒートシンクにおいては、熱伝導率が高くて熱の伝導性が良好であること、およびセラミック基板やガラス基板と接合されるために、熱膨張率がセラミックやガラスの熱膨張率(4〜10ppm/K)に近似することが要求されている。このような熱伝導率と熱膨張率の相反する両特性を有する材料としては、現在のところ、タングステン−銅(WCu)合金が用いられている。
【0003】
このようなタングステン−銅(WCu)合金からなるヒートシンクとしては、タングステン(W)で構成された焼結体の空孔部に銅(Cu)を溶浸(含浸)させた溶浸焼結合金から成るヒートシンクが使用される。ところで、このような溶浸焼結合金から成るヒートシンクは、例えば、以下のような手順で製造されている。まず、タングステン(W)粉末に、有機バインダーを予備配合して原料混合体とし、この原料混合体を、金型プレスでプレスして薄板状の成形体とする。この成形体を脱脂・焼結して多孔質の焼結体とした後、この焼結体の空孔部に銅(Cu)を溶浸(含浸)させる。その後に、溶浸焼結体の表面を、フライス盤やラップ盤などにより表面加工して、最終的にヒートシンクとする製法が一般的に採用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような溶浸焼結合金から成るヒートシンクは、金型プレスでプレスした成形体を焼結しているので、複雑な形状に作製することが困難である。このため、複雑な形状のヒートシンクを作製する場合には、溶浸焼結合金に切削加工などの二次加工を施す必要がある。しかしながら、溶浸焼結合金は難加工性材料であるため、切削加工をするのは容易ではなく、切削加工のコストが高価になるとともに、生産性も悪いという問題を生じた。
【0005】
また、タングステン粉末の焼結体はスポンジ状の構造体であるため、この構造体を構成する空孔の大きさや空孔密度が不均一である。このため、空孔内に溶浸される銅の充填密度は不均一になって、熱膨張率や熱伝導率が部位により異なることとなる。この結果、このような溶浸焼結体から成るヒートシンクにあっては、熱特性が安定せず、信頼性に欠けるという問題を生じた。また、銅が溶浸された焼結体は、銅が存在する部分に沿って熱伝導がなされるが、銅の充填密度が不均一であると、熱の伝導方向はランダムな方向となる。このため、発生した熱を系外に素早く放熱することが困難になって、放熱効率が低下するという問題も生じた。
【0006】
また、焼結体の焼結密度を上げるために、タングステンと固溶するニッケル(Ni)等の焼結助剤が添加されることがある。しかしながら、焼結助剤を添加すると、焼結密度が向上する反面、タングステンの結晶粒が成長して、熱伝導の経路が絶たれて熱伝導率が低下するという問題を生じた。また、タングステンの結晶粒が成長すると、溶浸焼結体の表面粗さが粗くなるので、ラップ盤などを使用した表面研磨加工(二次加工)を施して、焼結体の表面を平滑面にする工程が必要になる。このため、ヒートシンクの製造工程が複雑になって、製造コストが上昇するという問題も生じた。
【0007】
さらに、焼結体の空孔内に銅が溶浸(含浸)されない部分が存在する場合には、焼結体の表面にピンホールが発生し易く、このピンホールの上にめっき層を形成した場合には、めっき膨れが発生し易く、めっき性が良好で高品質のヒートシンクが得にくいという問題も生じた。また、銅が溶浸(含浸)した後に、余剰の溶浸材(銅)が焼結体表面に多量に付着するため、研削加工などによって表面に固着した余剰の溶浸材を取り除いたり、この後に、表面研磨加工を実施する必要があり、ヒートシンクの仕上げ加工工数が増加して製造コストがさらに上昇するという問題も生じた。
【0008】
そこで、本発明は上記の如き問題点を解消するためになされたものであり、製造が容易で、低熱膨張率で、高放熱性のタングステン−銅(WCu)合金の焼結体またはモリブデン−銅(MoCu)合金の焼結体からなる半導体キャリヤおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、半導体素子を搭載するマウント部を有するキャリヤベースを備えた半導体キャリヤであって、マウント部を有するキャリヤベースはW−Cu複合金属粉末またはW粉末とCu粉末との混合金属粉末の射出成形により3段階の階段状に一体的に形成された成形体のWCu合金の焼結体、あるいはMo−Cu複合金属粉末またはMo粉末とCu粉末との混合金属粉末の射出成形により3段階の階段状になるように一体的に成形された成形体のMoCu合金の焼結体からなり、これらの焼結体を構成するWおよびMoの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、焼結体を構成するCuの割合が該焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下であるとともに、3段階は、底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部となる第1段と、キャップを固定する円柱状のキャップ固定部となる第2段と、第2段より小径の円柱状に形成されていて複数のリードを固定する端子部となる第3段とからなることを特徴とする。
【0010】
ここで、WCu合金またはMoCu合金において、Cuの割合が増大するに伴って熱伝導度が増大する反面、熱膨張率も増大する。これは、Cuは熱伝導に優れた金属であることから、Cuの割合が増大すればするほど熱膨張率が増大する。このため、低熱膨張率のWCu合金またはMoCu合金とするためにはCuの割合を規制する必要がある。そして、一般的に、熱膨張係数が10ppm/K以下であれば充分に低熱膨張率ということができるので、WCu合金またはMoCu合金のCuの含有割合はWCu合金またはMoCu合金の質量に対して30wt%以下にするのが望ましいということができる。
【0011】
一方、WCu合金またはMoCu合金において、WまたはMoの結晶粒の平均粒径が小さいほど熱伝導率が向上することが分かった。一般的に、熱伝導率が170W/m・K以上であれば高熱伝導性ということができる。そして、WまたはMoの結晶粒の平均粒径が3μmのものにおいては、熱伝導率が170W/m・Kのときの熱膨張率は5.5ppm/Kで、このときのCuの割合は焼結体の質量に対して5wt%という結果が得られた。
このことから、WCu合金またはMoCu合金の焼結体においては、WまたはMoの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、Cuの割合がこの焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下のものを用いるのが好ましいということができる。
【0012】
この場合、焼結体はW−Cu複合金属粉末またはW粉末とCu粉末との混合金属粉末の射出成形により成形された成形体の焼結体、あるいはMo−Cu複合金属粉末またはMo粉末とCu粉末との混合金属粉末の射出成形により成形された成形体の焼結体であると、この種の焼結体に二次加工を施すことなく、複雑な形状のヒートシンクを簡単、容易に得ることができるので望ましい。
そして、このようなヒートシンクを、半導体素子を搭載するマウント部を有するキャリヤベースを備えた半導体キャリヤに適用すると、半導体素子で生じた発熱を素早く系外に放出(排熱)することができるようになる。
【0013】
なお、半導体レーザの光出力変換効率は、通常、20〜50%とされているため、半導体レーザに投入された電力の半分以上が熱として消費されることとなる。そして、一般的に、半導体キャリヤの温度が45℃を越えると、それ以上の電圧を印加しても半導体レーザの発振出力は低下する。そこで、上述のような半導体キャリヤに半導体レーザを搭載すると、半導体レーザで生じた発熱を素早く系外に放出できるようになる。このため、半導体キャリヤの温度が45℃に達するまでの半導体レーザの発振出力を大きくすることが可能となる。
【0014】
このような半導体レーザとしては、980nm帯の半導体レーザ、あるいは1480nm帯の半導体レーザとするのが好ましい。そして、980nm帯の半導体レーザを半導体キャリヤに搭載した場合、半導体キャリヤのWまたはMoの結晶粒の平均粒径が3μmの焼結体からなるヒートシンクにおいては、半導体キャリヤの温度が45℃に達する半導体レーザの発振出力は120mWであった。このことから、半導体素子は発振波長が980nm帯の半導体レーザで、発振出力が120mW以下の半導体レーザとするのが好ましいということができる。
【0015】
一方、1480nm帯の半導体レーザを半導体キャリヤに搭載した場合、半導体キャリヤのWまたはMoの結晶粒の平均粒径が3μmの焼結体からなるヒートシンクにおいては、半導体キャリヤの温度が45℃に達する半導体レーザの発振出力は90mWであった。このことから、半導体素子は発振波長が1480nm帯の半導体レーザで、発振出力が90mW以下の半導体レーザとするのが好ましいということができる。
なお、上述の半導体キャリヤに半導体レーザを搭載する場合、半導体レーザを正確な位置に配置して、レーザ光を光ファイバに効率よく結合させる必要がある。このため、半導体キャリヤのマウント部は二次加工により平滑化(鏡面化)されているのが望ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の半導体キャリヤの実施の形態を、光半導体モジュールに用いられる半導体キャリヤに適用した場合の一例を図1に基づいて説明する。なお、図1は、本発明の半導体キャリヤをステムタイプの光半導体モジュールに用いられる半導体キャリヤに適用した一例を模式的に示す斜視図である。
【0017】
1.半導体キャリヤ(ヒートシンク)
図1の半導体キャリヤ10は、半導体レーザを搭載するマウント部15を有するキャリヤベース11を備えている。そして、これらのキャリヤベース11とマウント部15は焼結体により一体的に形成されている。ここで、キャリヤベース11は、3段階の階段状に形成されており、第1段で底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部12と、第2段で後述するキャップ(図8参照)を固定する円柱状のキャップ固定部13と、第3段で複数のリードを固定して第2段より小径の円柱状に形成された端子部14とからなるものである。また、マウント部15はキャリヤベース11の上部に位置して、六角柱状に形成されていて、その一側壁の表面は平面化されている。
【0018】
このように構成される半導体キャリヤ10は、ヒートシンクの機能を有しており、図1に示されるような形状に成形された焼結体からなる。このようなヒートシンクの機能を有する焼結体としては、WCu合金の焼結体あるいはMoCu合金の焼結体である。この場合、WCu合金の焼結体においては、Wの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、Cuの含有割合がこの焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下になるようなものである。また、MoCu合金の焼結体においては、Moの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、Cuの含有割合がこの焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下になるようなものである。
【0019】
ここで、WCu合金の焼結体あるいはMoCu合金の焼結体において、Wの結晶粒あるいはMoの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、Cuの含有割合がこの焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下のものを用いる理由は、熱膨張係数が同じであっても、焼結体組織のWの結晶粒あるいはMoの結晶粒の粒径が細かいほど、高い熱伝導度が得られたためである。このことを以下の実験結果に基づいて説明する。図2は、WCu合金の焼結体のWの結晶粒の平均粒径とCuの含有割合を変化させた場合の、熱膨張係数(ppm/K)と熱伝導率(W/m・K)の関係を求めた結果を示している。
【0020】
なお、図2において、曲線aはWの結晶粒の平均粒径が3μmのときの結果を示しており、曲線bはWの結晶粒の平均粒径が5μmのときの結果を示しており、曲線cはWの結晶粒の平均粒径が7μmのときの結果を示しており、曲線dはWの結晶粒の平均粒径が10μmのときの結果を示している。また。図2において、95W5Cuとは、Wの質量割合が95wt%でCuの質量割合が5wt%であるWCu合金のことを意味する。また、90W10Cu、85W15Cu、80W20Cu、75W25Cu、70W30Cu、65W35Cuについても同様である。
【0021】
図2の結果から明らかなように、WCu合金のCuの含有割合が増大するに伴って熱伝導率が増大する反面、熱膨張率も増大することが分かる。これは、Cuは熱伝導に優れた金属であることから、Cuの含有割合が増大するほど熱膨張率が増大する。このため、低熱膨張率のWCu合金とするためにはCuの含有割合を規制する必要がある。そして、一般的に、熱膨張係数が10ppm/K以下であれば充分に低熱膨張率ということができる。また、WCu合金のCuの含有割合が30wt%よりも多くなると、W粒の骨格体積が減少し、粗いスポンジが水を保持できなくなるようにCuを保持できなくなって、Cuが表面にフリーズアウト(しみだす)して形状が崩れるようになり、熱特性の向上が望めなくなる。このため、WCu合金のCuの含有割合はWCu合金(焼結体)の質量に対して30wt%以下にするのが望ましいということができる。
【0022】
一方、Wの結晶粒の平均粒径が10μmから3μmに向けて小さくなるほど、図2の曲線が上方に移動することから、Wの結晶粒の平均粒径が小さいほど熱伝導率が向上することが分かる。このことから、Wの結晶粒の平均粒径が小さいものを用いるのが好ましいということができる。一般的に、熱伝導率が170W/m・K以上であれば、高熱伝導性ということができる。そして、熱伝導率が170W/m・Kの場合の熱膨張係数は、Wの結晶粒の平均粒径が3μmのものにおいては、5.5ppm/Kとなり、平均粒径が5μmのものにおいては、5.8ppm/Kとなり、平均粒径が7μmのものにおいては、6.3ppm/Kとなり、平均粒径が10μmのものにおいては、6.6ppm/Kとなる。
このことから、WCu合金の焼結体においては、Wの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、Cuの割合がこの焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下のものを用いるのが好ましいということができる。
【0023】
また、図3は、MoCu合金の焼結体のMoの結晶粒の平均粒径とCuの質量割合を変化させた場合の、熱膨張係数(ppm/K)と熱伝導率(W/m・K)の関係を求めた結果を示している。なお、図3において、曲線eはMoの結晶粒の平均粒径が3μmのときの結果を示しており、曲線fはMoの結晶粒の平均粒径が5μmのときの結果を示しており、曲線gはMoの結晶粒の平均粒径が7μmのときの結果を示しており、曲線hはMoの結晶粒の平均粒径が10μmのときの結果を示している。この図3においても、図2のWCu合金の焼結体の場合とほぼ同様な結果が得られた。このことから、MoCu合金の焼結体のMoの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、Cuの含有割合がこの焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下のものを用いるのが好ましいということがいえる。
【0024】
なお、図4は、WCu合金の焼結体において、Wの結晶粒の平均粒径が3μmの場合のWの結晶粒の粒径とその頻度の関係を求めた図であり、図5は、WCu合金の焼結体において、Wの結晶粒の平均粒径が10μmの場合のWの結晶粒の粒径とその頻度の関係を求めた図である。図4より明らかなように、Wの結晶粒の粒径が3μmのときにピークとなる正規分布になっていることが分かる。また、図5より明らかなように、Wの結晶粒の粒径が10μmのときにピークとなる正規分布になっていることが分かる。
【0025】
2.半導体キャリヤの作製
ついで、上述のような構成となる半導体キャリヤ(ヒートシンク)10の作製手順を、図6〜図7に基づいて、以下に詳細に説明する。なお、図6は複合金属粉末の射出成形により形成された半導体キャリヤになるグリーン体を示す斜視図であり、図7は、図6のグリーン体を焼結して形成した半導体キャリヤを示す斜視図である。
【0026】
まず、Wの含有割合が95〜70質量%で、Cuの含有割合が5〜30質量%になるように調整した平均粒径が1μmのW−Cu複合金属粉末を用意した。この後、このW−Cu複合金属粉末をジェットミルに投入した。このとき、ジェットミルの圧力を3〜10barにし、ジェットミルの回転数を5000rpmにした。この状態でジェットミルを20分間回転させて、W−Cu複合金属粉末が互いに凝集しないようにして、W−Cu複合金属粉末を微細化、球状化した。これにより、平均粒径が0.1〜0.3μmのW−Cu複合金属粉末を得た。
【0027】
ここで、W−Cu複合金属粉末としては、所定量のタングステン酸化物と所定量の銅酸化物とから製造される。例えば、特開平8ー239219号公報、特開平8ー333119号公報に開示された製造方法によって製造されたものを用いることができる。タングステン酸化物としては、パラタングステン酸アンモニウム(APT)またはメタタングステン酸アンモニウム(AMT)が好ましい。また、銅酸化物としては、酸化第一銅、酸化第二銅または水酸化銅が好ましい。そして、パラタングステン酸アンモニウム(APT)またはメタタングステン酸アンモニウム(AMT)のいずれかと、酸化第一銅、酸化第二銅または水酸化銅のいずれかとを適宜の質量比で混合して混合粉末を形成し、この混合粉末から脱水して形成したタングステンー銅複合酸化物である、タングステン酸第二銅(CuWO4 )/三酸化タングステン(WO3)を用いることが望ましい。
【0028】
なお、W−Cu複合金属粉末に代えて、W粉末とCu粉末の混合金属粉末を用いるようにしてもよい。この場合も、Wの割合が95〜70質量%で、Cuの割合が5〜30質量%になるように調整する必要がある。
また、ジェットミルを用いることに代えて、ボールミルを用いてW−Cu複合金属粉末あるいはW粉末とCu粉末の混合金属粉末を粉砕するようにしてもよい。この場合は、回転数が50rpmで20〜200時間ボールミルを回転させて、複合金属粉末あるいは混合金属粉末を平均粒径が0.1〜0.3μmになるまで粉砕する必要がある。
【0029】
ついで、このようにして得られた平均粒径が0.1〜0.3μmのW−Cu複合金属粉末45〜50vol%に対して、バインダーを55〜50vol%添加して、混合、混練して成形用組成物とした。なお、バインダーとしては、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレン(PE)、アクリル、POM系樹脂などの有機系樹脂に、パラフィンワックス、カルナウパワックス、密蝋などのワックスを添加したものを用いるのが望ましい。
【0030】
ついで、得られた成形用組成物をペレタイザーによりペレット化した。これを型締圧が20tの射出成型機のホッパ内に投入し、射出温度が160℃で、金型温度が25℃の金型内に射出成形した。この後、金型を水冷して射出物を固化させて半導体キャリヤ10になるグリーン体(成形体)10Aを得た。図6は、このようにして得られたグリーン体10Aを示している。このグリーン体10Aは、マウント部15Aを有するキャリヤベース11Aを備えており、これらのキャリヤベース11Aとマウント部15Aは一体的に形成されている。
【0031】
なお、キャリヤベース11Aは、3段階の階段状に形成されている。第1段で底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部12Aと、第2段でキャップを固定する円柱状のキャップ固定部13Aと、第3段で複数のリードを固定して第2段より小径の円柱状の端子部14Aとからなるものである。そして、取付部12Aの両端部には取付用の開口12a−1,12a−1が形成されている。また、端子部14Aにはリード挿入用の複数の貫通孔14a−1が形成されている一方、マウント部15Aは、キャリヤベース11Aの上部に位置して、六角柱状に形成されている。
【0032】
ついで、このグリーン体10Aを図示しない脱バインダ装置内に配置した。この後、脱バインダ装置内に1リットル/分の流量の窒素ガスを流入させて、窒素雰囲気にした。そして、昇温速度が0.1℃/分で加熱し、550℃の温度を2時間保持して、グリーン体10Aを脱バインダ処理した。この脱バインダ処理により、上述したバインダは揮散して(除去されて)、WとCuからなるブラウン体とした。この後、室温まで冷却してブラウン体を脱バインダ装置から取り出した。
【0033】
ついで、得られたブラウン体を図示しない脱酸素装置内に配置した。この後、脱酸素装置内に1〜10リットル/分の流量の水素ガスを流入させて、銅の融点温度以下の500℃〜1000℃の温度環境で、ブラウン体を水素ガスの気流に充分に曝して、ブラウン体を脱酸素処理した。この脱酸素処理により、ブラウン体を構成するタングステン粒子表面の酸化層は充分に還元されて、銅との濡れ性が向上するようになる。
【0034】
ついで、脱酸素処理されたブラウン体を焼結炉に入れ、水素気流中で、昇温速度が5℃/1時間で、以下のような焼結温度になるまで昇温した。この後、この焼結温度を2時間保持することにより焼結した。これにより、グリーン体10Aが収縮して小さくなり、図7に示すような、WCu合金の焼結体からなる半導体キャリヤ10を作製した。このようにして作製された半導体キャリヤ10は、焼結時にタングステンの結晶粒が大きく成長する。しかしながら、本発明においては、焼結温度を以下のように調整しているので、タングステンの結晶粒の成長を抑えることが可能になった。
【0035】
具体的には、Cuの割合が複合金属粉末の質量に対して、5質量%になるように調整したW−Cu複合金属粉末を用いた場合は、1275〜1325℃の温度環境になるようにして焼結を行った。同様に、Cuの割合が10質量%の場合は1225〜1275℃で、Cuの割合が15質量%の場合は1175〜1225℃で、Cuの割合が20質量%の場合は1150〜1200℃で、Cuの割合が30質量%の場合は1125〜1175℃で、それぞれ焼結を行った。得られた半導体キャリヤ10のタングステンの結晶粒の平均粒径を測定すると、3μm以下であることが分かった。
【0036】
なお、この焼結により半導体キャリヤ10はグリーン体10Aよりも収縮して小さくなっているが、マウント部15を有する3段階の階段状に形成されたキャリヤベース11を備えた構成は同じである。そして、キャリヤベース11は、第1段で底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部12と、第2段でキャップを固定する円柱状のキャップ固定部13と、第3段で複数のリードを固定して第2段より小径の円柱状の端子部14とからなる。取付部12の両端部には取付用の開口12a,12aが形成されており、端子部14にはリード挿入用の複数の貫通孔14aが形成されている。一方、マウント部15は、キャリヤベース11の上部に位置して、六角柱状に形成されている。
【0037】
3.半導体キャリヤを用いた光半導体モジュール
ついで、上述のように作製した半導体キャリヤ(ヒートシンク)10を用いた光半導体モジュール20の作製手順を、図8〜図9に基づいて、以下に詳細に説明する。なお、図8は、図7の半導体キャリヤ10に半導体レーザ等を搭載して形成した光半導体モジュールを示す斜視図であり、図9は、図8の光半導体モジュールにキャップ(カバー)を装着した状態の光半導体モジュールを示す斜視図である。
【0038】
まず、上述のようにして作製された半導体キャリヤ10を用いて、この半導体キャリヤ10のマウント部15の一側面部を機械加工により、表面粗さがTIR(最大高さ)で最大3μm、Ra(平均粗さ)で0.5μm以下となるように平滑に研磨した。その後、ブラストマシンにより、加工バリを除去して、鏡面仕上げを施して二次加工を行った。この後、この平滑面にレーザが上向きに出射するように半導体レーザ21を載置して固定した。また、この半導体レーザ21の下部の平滑面に、レーザの出力を監視、制御するための受光素子22を載置して固定した。
【0039】
さらに、キャリヤベース11のリード挿入用の複数の貫通孔14a内に複数のリード線23,23,23と、アース線24を挿入した。この後、貫通孔14a内にガラス封着剤25を充填して、複数のリード線23,23,23とアース線24を各貫通孔14a内に固定した。なお、複数のリード線23,23,23の上部はキャリヤベース11の端子部14の上面に延出しており、この延出した部分は、半導体レーザ21や受光素子22等との接続のための端子となる。
【0040】
一方、半導体レーザ21や受光素子22を気密に保持するためのキャップ26を用意し、このキャップ26をキャリヤベース11のキャップ固定部13に載置した。この後、キャップ26の下端部の内周面を端子部14の周壁に固着した。この場合、キャップ26の下端部の内周面と端子部14の周壁との間に蝋材(例えば銀蝋)を介在させて、カーボン製あるいはアルミナ製の治具に配置した。ついで、この治具を40%の水素(H2)を含む窒素(N2)ガスの雰囲気のリフロー炉中で、移動速度が30mm/分のベルト上に配置し、最高温度が900℃で20分間加熱されるようなリフロー条件(昇温プロファイル)で加熱処理して、キャップ26の下端部の内周面を端子部14の周壁に固着した。
【0041】
ついで、キャップ26内に窒素ガスを封入して、キャップ26内を窒素ガスの雰囲気にして、光半導体モジュール20が作製されることとなる。なお、このキャップ26の先端部には光ファイバ27が取り付けられ、この光ファイバ27に効率よくレーザ光が入射するように、レンズ(図示せず)が収容されている。
このように構成された半導体キャリヤ10を用いた光半導体モジュール20においては、半導体レーザ21から上方に出射されたレーザ光は、レンズによって光ファイバ27に効率よく結合される。また、このような光半導体モジュール20においては、ペルチェ素子等の冷却手段を有しない構造とされているので、特に、半導体キャリヤ10においては、その材料に放熱性が要求される。
【0042】
これは、半導体レーザ21の光出力変換効率は、通常、20〜50%とされているためである。即ち、半導体レーザ21に投入された電力の半分以上が熱として消費されることとなる。そして、一般的に、半導体キャリヤ10の温度が45℃を越えると、それ以上の電圧を印加してもレーザの出力は低下する。
そこで、半導体レーザ21として、980nm帯の半導体レーザと、1480nm帯の半導体レーザが搭載された光半導体モジュール20(A,B)を構成した。これらの各光半導体モジュール20(A,B)に用いる半導体キャリヤ10として、以下のように変化させた焼結体を用いて、各光半導体モジュール20(A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4)を構成した。
【0043】
即ち、Cuの含有割合が複合金属粉末の質量に対して15質量%になるように調整したW−Cu複合金属粉末を用い、Wの結晶粒の平均粒径が3μmになるように焼結された焼結体よりなる半導体キャリヤ10を用いた光半導体モジュール20をA1,B1とした。また、同様のCuの含有割合になる複合金属粉末を用い、Wの結晶粒の平均粒径が5μmのものを用いた光半導体モジュール20をA2,B2とし、7μmのものを用いた光半導体モジュール20をA3,B3とし、10μmのものを用いた光半導体モジュール20をA4,B4とした。
【0044】
ついで、各光半導体モジュール20(A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4)の各半導体レーザへの印加電圧を変化させて、各半導体レーザの発振出力(レーザ出力)(mW)に対する半導体キャリヤ10の温度(℃)の関係を求めると、図10および図11に示すような結果となった。なお、図10は980nm帯の半導体レーザを搭載した場合を示しており、図11は1480nm帯の半導体レーザを搭載した場合を示している。
図10および図11の結果から明らかなように、980nm帯の半導体レーザであっても、1480nm帯の半導体レーザであっても、レーザ出力が増大するに伴って半導体キャリヤ10の温度が上昇することが分かる。これは、レーザ出力が増大すると、その発熱量が増大するためである。
【0045】
ところで、図10において、光半導体モジュールA4(半導体キャリヤ10のWの結晶粒の平均粒径が10μmのもの)においては、半導体キャリヤ10の温度が45℃に達するレーザ出力は50mWとなり、光半導体モジュールA3(半導体キャリヤ10のWの結晶粒の平均粒径が7μmのもの)においては、半導体キャリヤ10の温度が45℃に達するレーザ出力は70mWとなり、光半導体モジュールA2(半導体キャリヤ10のWの結晶粒の平均粒径が5μmのもの)においては、半導体キャリヤ10の温度が45℃に達するレーザ出力は100mWとなり、光半導体モジュールA1(半導体キャリヤ10のWの結晶粒の平均粒径が3μmのもの)においては、半導体キャリヤ10の温度が45℃に達するレーザ出力は120mWとなっていることが分かる。
【0046】
一方、図11において、光半導体モジュールB4(半導体キャリヤ10のWの結晶粒の平均粒径が10μmのもの)においては、半導体キャリヤ10の温度が45℃に達するレーザ出力は40mWとなり、光半導体モジュールB3(半導体キャリヤ10のWの結晶粒の平均粒径が7μmのもの)においては、半導体キャリヤ10の温度が45℃に達するレーザ出力は58mWとなり、光半導体モジュールB2(半導体キャリヤ10のWの結晶粒の平均粒径が5μmのもの)においては、半導体キャリヤ10の温度が45℃に達するレーザ出力は75mWとなり、光半導体モジュールB1(半導体キャリヤ10のWの結晶粒の平均粒径が3μmのもの)においては、半導体キャリヤ10の温度が45℃に達するレーザ出力は90mWとなっていることが分かる。
【0047】
これらのことから、WCu合金のWの結晶粒の平均粒径が3μmの半導体キャリヤ10を用いれば、この半導体キャリヤ10に980nm帯の半導体レーザを搭載すれば、半導体レーザの最大出力は120mWとなる。また、この半導体キャリヤ10に1480nm帯の半導体レーザを搭載すれば、半導体レーザの最大出力は90mWとなる。このように本発明の半導体キャリヤ10を用いると、半導体レーザの最大出力を増大させることが可能になる。なお、レーザの光出力変換効率が上がれば、更に高出力のレーザも搭載可能となる。
【0048】
4.光半導体モジュールの取付構造の変形例
上述した光半導体モジュール20においては、半導体レーザの出射方向に対して直角方向になる位置に取付部12が設けられている。このため、レーザ光を水平方向に出射させるためには、断面形状がL字状のアングルを別部材として用いて、取付部12の両端部に形成された取付用開口12a,12aと、この別部材のアングルに形成された取付用開口にボルトを挿通し、このボルトにナットを螺合させて、別部材のアングルに光半導体モジュール20を取り付ける必要があった。そこで、別部材のアングルを用いることなく、レーザ光を水平方向に出射させることができる取付構造について検討した。この結果、以下のような種々の変形例を得ることができた。
【0049】
(1)第1変形例
本第1変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図12(a)に示すように、平板状のキャリヤ保持部28aと、このキャリヤ保持部28aから垂直に立ち下がる取付部28bからなる固定部28を用いるようにしている。そして、この固定部28を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。なお、取付部28bには取付用開口28c,28cが設けられている。このような固定部28を設けることにより、別部材のアングルを用いることなく取付部28bを水平面に固定することにより、光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。
【0050】
(2)第2変形例
本第2変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図12(b)に示すように、平板状のキャリヤ保持部29aと、このキャリヤ保持部29aの両側から垂直に立ち下がる取付部29b,29bを備えた固定部29を用いるようにしている。そして、この固定部29を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。なお、各取付部29bには取付用開口29cがそれぞれ設けられている。このような固定部29を設けることにより、別部材のアングルを用いることなく取付部29bを水平面に固定することにより、光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。この場合、上述した第1変形例の取付部28bよりも取付部29b,29bの材料を減少させることができるので、この種の固定部29を軽量化できる。
【0051】
(3)第3変形例
本第3変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図12(c)に示すように、平板状のキャリヤ保持部30aと、このキャリヤ保持部30aから垂直に立ち下がる取付部30bを備えた固定部30を用いるようにしている。そして、この固定部30を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。なお、取付部30bには取付溝30c,30cが設けられている。このような固定部30を設けることにより、別部材のアングルを用いることなく取付部30bを水平面に固定することにより、光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。この場合、上述した第2変形例と同様に取付部30bの材料を減少させることができるので、この種の固定部30を軽量化できる。
【0052】
(4)第4変形例
本第4変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図13(a)に示すように、平板状のキャリヤ保持部31aと、このキャリヤ保持部31aから垂直に立ち上がる取付部31bからなる固定部31を用いるようにしている。そして、この固定部31を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。なお、取付部31bには取付用開口31c,31cが設けられている。これにより、取付部31bを水平面に固定すれば光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。この場合、取付部31bの長さをキャリヤ保持部31aの長さより長くすることにより、被固定部への取付が容易になるとともに、取付部31bがキャリヤ保持部31aから垂直に立ち上っているので、この固定部31の被固定部への取付時にリード線23,23,23やアース線24が邪魔になることがなく、容易に取り付けることができる。
【0053】
(5)第5変形例
本第5変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図13(b)に示すように、図13(a)と同様に、平板状のキャリヤ保持部32aと、このキャリヤ保持部32aから垂直に立ち上がる取付部32bからなる固定部32を用いるようにしている。そして、この固定部32を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。なお、取付部32bには取付用開口32c,32cが設けられている。これにより、取付部32bを水平面に固定すれば光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。この場合、取付部31bの長さをキャリヤ保持部31aの長さと等しくすることにより、取付部32bの材料を減少させることができるので、この種の固定部32を軽量化できる。また、固定部31と同様に、取付部32bがキャリヤ保持部32aから垂直に立ち上っているので、この固定部32の被固定部への取付時にリード線23,23,23やアース線24が邪魔になることがなく、容易に取り付けることができる。
【0054】
(6)第6変形例
本第6変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図13(c)に示すように、平板状のキャリヤ保持部33aと、このキャリヤ保持部33aの両側から垂直に立ち上がる取付部33b,33bを備えた固定部33を用いるようにしている。そして、この固定部33を円柱状のキャップ固定部33の下部に配設するようにしている。なお、取付部33bには取付用開口33cがそれぞれ設けられている。これにより、取付部33bを水平面に固定すれば光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。また、上述した第5変形例の取付部32bよりも取付部33b,233の材料を減少させることができるので、この種の固定部33を軽量化できる。また、第5変形例の固定部32と同様に、取付部33bがキャリヤ保持部33aから垂直に立ち上っているので、この固定部33の被固定部への取付時にリード線23,23,23やアース線24が邪魔になることがなく、容易に取り付けることができる。
【0055】
(7)第7変形例
本第7変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図14(a)に示すように、平板状で若干変形したキャリヤ保持部34aと、このキャリヤ保持部34aから垂直に立ち下がる取付部34bからなる固定部34を用いるようにしている。そして、この固定部34を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。これにより、取付部34bを水平面に固定すれば光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。この場合、キャリヤ保持部34aの面積を小さくするように、キャップ固定部13の直径よりも若干大きい正方形状に形成されているが、取付部34bは第1変形例と同じ大きさになるように形成されている。このため、キャリヤ保持部34aから取付部34bに向けて広がるように若干変形した形状となっている。なお、取付部34bには取付用開口34c,34cが設けられている。これにより、キャリヤ保持部34aの材料を減少させることができるので、この種の固定部34を軽量化できる。
【0056】
(8)第8変形例
本第8変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図14(b)に示すように、半円形の平板状のキャリヤ保持部35aと、このキャリヤ保持部35aから垂直に立ち下がる取付部35bからなる固定部35を用いるようにしている。そして、この固定部35を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。これにより、取付部35bを水平面に固定すれば光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。この場合、キャリヤ保持部35aの面積を小さくするように、キャップ固定部13の直径よりも若干大径の半円形状に形成されているが、取付部35bは第1変形例と同じ大きさになるように形成されている。このため、キャリヤ保持部35aから取付部35bに向けて広がった形状となっている。なお、取付部35bには取付用開口35c,35cが設けられている。これにより、キャリヤ保持部35aの材料を減少させることができるので、この種の固定部35を軽量化できる。
【0057】
(9)第9変形例
本第9変形例においては、図15(a)に示すように、上述した平板状の取付部12を用いることなく、直接、キャップ固定部13を被固定部に取り付けるようにしている。この場合、キャップ固定部13の周壁にねじ山を形成して、これを水平方向に直接螺着して、被固定部に固定するようにすればよい。このように固定しても、別部材のアングルを用いることなく、光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。
【0058】
(10)第10変形例
本第10変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図15(b)に示すように、平板で短冊状のキャリヤ保持部37aと、このキャリヤ保持部37aから垂直に立ち下がる取付部37bからなる固定部37を用いるようにしている。そして、この固定部37を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。なお、取付部37bには取付用開口37cが設けられている。これにより、取付部37bを水平面に固定すれば光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。この場合、キャリヤ保持部37aは短冊状で幅狭に形成されているとともに、取付部37bもキャリヤ保持部37aと同幅で幅狭に形成されているため、固定部37の材料を減少させることができるので、この種の固定部37を軽量化できる。
【0059】
(11)第11変形例
本第11変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図15(c)に示すように、平板で短冊状のキャリヤ保持部38aと、このキャリヤ保持部38aから垂直に立ち下がる取付部38bからなる固定部38を用いるようにしている。そして、この固定部38を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。なお、取付部38bには取付用開口38cが設けられている。これにより、取付部38bを水平面に固定すれば光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。この場合、キャリヤ保持部38aは短冊状で幅狭に形成されているが、取付部38bはキャリヤ保持部38aよりも幅広に形成されている。このため、固定部37よりも少なくなるが固定部38の材料を減少させることができるので、この種の固定部38を軽量化できる。
【0060】
(12)第12変形例
本第12変形例においては、上述した平板状の取付部12に代えて、図16(a)に示すように、平板状で若干変形したキャリヤ保持部40aと、このキャリヤ保持部40aの両側から垂直に立ち下がる取付部40b,40bを備えた固定部40を用い、この固定部40を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。なお、各取付部40b,40bには取付用開口40cがそれぞれ設けられている。これにより、取付部40b,40bを水平面に固定すれば光半導体モジュール20からレーザ光を水平方向に出射させることができるようになる。この場合、キャリヤ保持部40aの面積を小さくするように、キャップ固定部13の直径よりも若干大きい正方形状に形成されている。このため、キャリヤ保持部40aから取付部40bに向けて若干広がった形状となっていて、くびれ部40dが形成されている。これにより、キャリヤ保持部40aの材料を減少させることができるので、この種の固定部40を軽量化できる。
【0061】
(13)第13変形例
本第13変形例においては、上述した第12変形例の固定部40とほぼ同様であって、図16(b)に示すように、平板状で若干変形したキャリヤ保持部41aと、このキャリヤ保持部41aの両側から垂直に立ち下がる取付部41b,41bを備えた固定部41を用い、この固定部41を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。この場合も、各取付部41b,41bには取付用開口41cがそれぞれ設けられている。そして、キャリヤ保持部41aの面積を小さくするために、キャップ固定部13の直径よりも若干大きい正方形状に形成されている。このため、キャリヤ保持部41aから取付部41bに向けて若干広がった形状となっていて、くびれ部41dが形成されている。ところが、各取付部41b,41bの根本部に応力が集中して破断する恐れが生じるため、この第13変形例においては、両取付部41b,41bの根本部にリブ部41eを両取付部41b,41bと一体的に形成するようにして、両取付部41b,41bの強度を補強するようにしている。
【0062】
(14)第14変形例
本第14変形例においては、上述した第12変形例の固定部40とほぼ同様であって、図16(c)に示すように、平板状で若干変形したキャリヤ保持部42aと、このキャリヤ保持部42aの両側から垂直に立ち下がる取付部42b,42bを備えた固定部42を用い、この固定部42を円柱状のキャップ固定部13の下部に配設するようにしている。この場合も、各取付部42b,42bには取付用開口42cがそれぞれ設けられており、キャリヤ保持部42aから取付部42bに向けて若干広がった形状となっていて、くびれ部42dが形成されている。そして、この第14変形例においては、両取付部42b,42bの根本部にR部42eを両取付部42b,42bと一体的に形成するようにして、両取付部42b,42bの強度を補強するようにしている。
【0063】
5.半導体素子用パッケージ
上述した例においては、半導体キャリヤ10およびこの半導体キャリヤ(ヒートシンク)10を用いたステムタイプの光半導体モジュール20について説明した。しかしながら、本発明のヒートシンクを用いて半導体素子用パッケージを形成し、この半導体素子用パッケージを用いて、DIP(Dual In-line Package:ピン(リード線)がパッケージの2長辺に沿って配置されたタイプのもの)タイプの光半導体モジュールを作製することができる。以下では、DIP型光半導体モジュールを作製するために用いられる半導体素子用パッケージについて、図17(a),(b)に基づいて以下に説明する。なお、図17(a),(b)は半導体素子用パッケージを模式的に示す斜視図である。
【0064】
本発明の半導体素子用パッケージ50aは、図17(a)に示すように、フレーム部材51と、このフレーム部材51のカバーとなる蓋部材55とからなる。フレーム部材51は、略箱形形状で一側壁に略円筒形状の窓ホルダ52aを備えた本体部52と、この本体部52の底板となるべース部53と、本体部52の他の側壁から延出して該フレーム部材51を被固定部材に固定する固定部54,54とからなる。これらの本体部52とべース部53と固定部54,54は焼結により一体的に形成されている。
【0065】
また、本発明の半導体素子用パッケージ50bは、図17(b)に示すように、フレーム部材56と、このフレーム部材56のカバーとなる蓋部材55とからなる。フレーム部材56は、略箱形形状で一側壁に略円筒形状の窓ホルダ56aを備えた本体部57と、この本体部57の底板となるべース部58と、本体部57の他の側壁から延出して該フレーム部材56を被固定部材に固定する固定部59,59とからなる。これらの本体部57とべース部58と固定部59,59は焼結により一体的に形成されている。
【0066】
なお、フレーム部材51(56)のべース部53(58)には、図示しないリード挿入用の複数の貫通孔が配設されており、これらの貫通孔内に複数のリード線と、アース線を挿入した後、貫通孔内にガラス封着剤を充填して、複数のリード線とアース線を各貫通孔内にハーメチックシールにより固定するようにしている。なお、複数のリード線の上部は端子部の上面に延出しており、この延出した部分は、半導体レーザや受光素子等との接続のための端子となるようになされている。
【0067】
そして、べース部53(58)上に図示しない半導体レーザーや光学系が配置され、このフレーム部材51(56)上に蓋部材55がシーム溶接で接合されて、半導体素子用パッケージ50a(50b)が形成され、かつ光半導体モジュールが形成されることとなる。なお、半導体素子用パッケージ50aにおいては、図17(a)に示すように、固定部54に円形の固定穴54aが形成されている。一方、半導体素子用パッケージ50bにおいては、図17(b)に示すように、固定部59に半欠けの半円形の固定穴59aが形成されている。
【0068】
ここで、半導体素子用パッケージ50aのように、固定部54に円形の固定穴54aを設けるようにすると、モジュールを基板に取り付ける際に精確な位置に取り付けることができるようになる。一方、半導体素子用パッケージ50bのように、固定部59に半欠けの半円形の固定穴59aを設けるようにすると、射出成形時のウェルドの発生を抑えることができ、製品に亀裂などの欠陥が生じなくなる。
【0069】
このように構成される半導体素子用パッケージ50a(50b)のフレーム部材51(56)および蓋部材55は、上述した半導体キャリヤ10の場合と同様に、WCu合金の焼結体あるいはMoCu合金の焼結体であるのが望ましい。この場合、WCu合金の焼結体においては、Wの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、Cuの割合がこの焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下になるようなものが望ましい。また、MoCu合金の焼結体においては、Moの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、Cuの割合がこの焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下になるようなものが望ましい。
【0070】
ついで、上述のような構成となるフレーム部材51(56)および蓋部材55の製造方法について以下に説明する。まず、上述と同様に、Wの割合が95〜70質量%で、Cuの割合が5〜30質量%になるように調整した平均粒径が1μmのW−Cu複合金属粉末を用意した後、このW−Cu複合金属粉末をジェットミルに投入して、平均粒径が0.1〜0.3μmのW−Cu複合金属粉末を得た。このようにして得られたW−Cu複合金属粉末40〜45vol%に対して、バインダー(PP、PS、PE、アクリル、POM系樹脂などの有機系樹脂に、パラフィンワックス、カルナウパワックス、密蝋などのワックスを添加したもの)を60〜55vol%添加して、混合、混練して成形用組成物とした。
【0071】
ついで、得られた成形用組成物をペレタイザーによりペレット化した後、これを射出成型機のホッパ内に投入し、射出温度が160℃で、金型温度が25℃のフレーム部材用金型および蓋部材用金型内に射出成形した。この後、これらの金型を水冷して射出物を固化させて、フレーム部材51(56)および蓋部材55になるグリーン体(成形体)を得た。ついで、これらのグリーン体を図示しない脱バインダ装置内に配置した後、1リットル/分の流量の窒素ガスを流入させて、窒素雰囲気にした。そして、昇温速度が0.1℃/分で加熱し、550℃の温度を2時間保持して、グリーン体を脱バインダ処理した。この脱バインダ処理により、上述したバインダは揮散して(除去されて)、WとCuからなるブラウン体とした。この後、室温まで冷却してブラウン体を脱バインダ装置から取り出した。
【0072】
ついで、得られたブラウン体を図示しない脱酸素装置内に配置した後、脱酸素装置内に水素ガスを流入させて、銅の融点温度以下の500℃〜1000℃の温度環境で、ブラウン体を水素ガスの気流に充分に曝して、ブラウン体を脱酸素処理した。この脱酸素処理により、ブラウン体を構成するタングステン粒子表面の酸化層は充分に還元されて、銅との濡れ性が向上するようになる。ついで、脱酸素処理されたブラウン体を焼結炉に入れ、水素気流中で、以下のような焼結温度になるまで昇温した。この後、この焼結温度を2時間保持することにより焼結した。これにより、WCu合金の焼結体からなるフレーム部材51(56)および蓋部材55を作製した。このようにして作製されたフレーム部材51(56)および蓋部材55は、焼結時にタングステンの結晶粒が大きく成長する。しかしながら、本発明においては、焼結温度を以下のように調整しているので、タングステンの結晶粒の成長を抑えることが可能になった。
【0073】
具体的には、Cuの割合が複合金属粉末の質量に対して、5質量%になるように調整したW−Cu複合金属粉末を用いた場合は、1275〜1325℃の温度環境になるようにして焼結を行った。同様に、Cuの割合が10質量%の場合は1225〜1275℃で、Cuの割合が15質量%の場合は1175〜1225℃で、Cuの割合が20質量%の場合は1150〜1200℃で、Cuの割合が30質量%の場合は1125〜1175℃で、それぞれ焼結を行った。得られた半導体キャリヤ10のタングステンの結晶粒の平均粒径を測定すると、3μm以下であることが分かった。
【0074】
なお、上述した半導体素子用パッケージ50a(50b)においては、フレーム部材51(56)および蓋部材55をWCu合金あるいはMoCu合金の焼結体で構成する例について説明したが、これらの全てをWCu合金あるいはMoCu合金の焼結体で構成する必要はなく、少なくともフレーム部材51(56)のべース部53(58)をWCu合金あるいはMoCu合金の焼結体で構成するようにすればよい。この場合、フレーム部材51(56)の本体部52(57)および固定部54(59)あるいは蓋部材55は、WCu合金あるいはMoCu合金と熱膨張率と近似するコバール(FeNiCo合金)を用いるようにし、これらとWCu合金あるいはMoCu合金のべース部53(58)を焼結により一体的に形成したり、あるいはAgCuなどのロウ材によりロウ付けするようにすればよい。
【0075】
また、本発明のヒートシンクを用いて半導体素子用パッケージを形成し、この半導体素子用パッケージを用いて、図18に示すようなCANタイプの光半導体モジュールを作製することができる。このCAN型光半導体モジュールはベース径の小さい光半導体モジュールである。なお、図18はCAN型光半導体モジュールを模式的に示す斜視図である。図18のCAN型光半導体モジュール60は、半導体レーザを搭載するマウント部62を有するキャリヤベース61を備えている。そして、これらのキャリヤベース61とマウント部62は、上述と同様なWCu合金の焼結体あるいはMoCu合金の焼結体により一体的に形成されている。
【0076】
ここで、キャリヤベース61は、円板状に形成されており、マウント部62はキャリヤベース61の上部に位置して、その一側壁の表面は平面化されている。この平面化された一側壁に半導体レーザが上向きに出射するように半導体レーザが固定され、この半導体レーザの下部に、半導体レーザの出力を監視、制御するための受光素子が固定されている。一方、半導体レーザや受光素子を気密に保持するためのキャップ63がマウント部62のキャップ固定部に載置されて、キャップ63の下端部の内周面がキャップ固定部の周壁に固着されている。そして、キャップ63内には窒素ガスが封入されてCAN型光半導体モジュール60が作製されることとなる。
【0077】
なお、このキャップ63の先端部には光ファイバに効率よくレーザ光が入射するように、レンズ64が収容されている。さらに、キャリヤベース61にはリード挿入用の複数の貫通孔内に複数のリード線65,65,65が固着されている。このように構成されるCAN型光半導体キャリヤ60は、取付部が設けられていないため、レーザ光を水平方向に出射させるためにホルダを別部材として用い、この別部材のホルダに形成された取付用開口にCAN光半導体モジュール60を挿通して取り付ける。なお、別部材のホルダはFeあるいはFeNi合金で形成するのが望ましい。
【0078】
【発明の効果】
上述したように、タングステン−銅(WCu)合金またはモリブデン−銅(MoCu)合金からなる焼結体を構成するタングステン(W)またはモリブデン(Mo)の結晶粒の平均粒径が3μm以下で、焼結体を構成するCuの含有割合が、この焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下であるので、低熱膨張率で、高放熱性の半導体キャリヤ(ヒートシンク)を提供することが可能になる。また、このような低熱膨張率で、高放熱性の半導体キャリヤを用いれば、これに搭載した半導体素子の発熱を速やかに系外に放出することが可能になる。
【0079】
なお、上述した実施形態においては、本発明の半導体キャリヤおよび半導体パッケージを光半導体モジュールに適用する例について説明したが、本発明の半導体キャリヤおよび半導体パッケージは、光半導体モジュールに限らず、各種の半導体素子を搭載、収容する半導体パッケージなどの半導体装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の半導体キャリヤをステムタイプの光半導体モジュールに用いられる半導体キャリヤに適用した一例を示す斜視図である。
【図2】 W−Cu合金の焼結体のWの結晶粒の平均粒径とCuの質量割合を変化させた場合の、熱膨張係数(ppm/K)と熱伝導率(W/m・K)の関係を示す図である。
【図3】 Mo−Cu合金の焼結体のMoの結晶粒の平均粒径とCuの質量割合を変化させた場合の、熱膨張係数(ppm/K)と熱伝導率(W/m・K)の関係を示す図である。
【図4】 W−Cu合金の焼結体において、Wの結晶粒の平均粒径が3μmの場合のWの結晶粒の粒径と頻度の関係を求めた図である。
【図5】 W−Cu合金の焼結体において、Wの結晶粒の平均粒径が10μmの場合のWの結晶粒の粒径と頻度の関係を求めた図である。
【図6】 複合金属粉末の射出成形により形成された半導体キャリヤになるグリーン体を示す斜視図である。
【図7】 図5のグリーン体を焼結して形成した半導体キャリヤを示す斜視図である。
【図8】 図6の焼結体に半導体レーザ等を搭載して形成した光半導体モジュールを示す斜視図である。
【図9】 図7の光半導体モジュールにキャップ(カバー)を装着した状態の光半導体モジュールを示す斜視図である。
【図10】 980nm帯の半導体レーザを搭載した場合の半導体レーザの出力(mW)に対する半導体キャリヤの温度(℃)の関係を示す図である。
【図11】 1480nm帯の半導体レーザを搭載した場合の半導体レーザの出力(mW)に対する半導体キャリヤの温度(℃)の関係を示す図である。
【図12】 光半導体モジュールの取付構造の変形例を模式的に示す斜視図であり、図12(a)は第1変形例を示す図であり、図12(b)は第2変形例を示す図であり、図12(c)は第3変形例を示す図である。
【図13】 光半導体モジュールの取付構造の変形例を模式的に示す斜視図であり、図13(a)は第4変形例を示す図であり、図13(b)は第5変形例を示す図であり、図13(c)は第6変形例を示す図である。
【図14】 光半導体モジュールの取付構造の変形例を模式的に示す斜視図であり、図14(a)は第7変形例を示す図であり、図14(b)は第8変形例を示す図である。
【図15】 光半導体モジュールの取付構造の変形例を模式的に示す斜視図であり、図15(a)は第9変形例を示す図であり、図15(b)は第10変形例を示す図であり、図15(c)は第11変形例を示す図である。
【図16】 光半導体モジュールの取付構造の変形例を模式的に示す斜視図であり、図16(a)は第12変形例を示す図であり、図16(b)は第13変形例を示す図であり、図16(c)は第14変形例を示す図である。
【図17】 DIP型光半導体モジュールを作製するために用いられる半導体素子用パッケージを模式的に示す斜視図である。
【図18】 CAN型光半導体モジュールを模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
10…半導体キャリヤ、10A…グリーン体、11…キャリヤベース、12…取付部、12a…開口、13…キャップ固定部、14…端子部、14a…貫通孔、15…マウント部、20…光半導体モジュール、21…半導体レーザ素子、22…受光素子、23…リード線、24…アース線、25…ガラス接着剤、26…キャップ、27…光ファイバ、28,29,30,31,32,33,34,35,37,38,40,41,42…固定部、28a,29a,30a,31a,32a,33a,34a,35a,37a,38a,40a,41a,42a…キャリヤ保持部、28b,29b,30b,31b,32b,33b,34b,35b,37b,38b,40b,41b,42b…取付部、50a,50b…半導体素子用パッケージ、51…フレーム部材、51a…窓ホルダ、52…本体部、53…底部、54…固定部、54a…固定穴、55…蓋部材、56…フレーム部材、56a…窓ホルダ、57…本体部、58…底部、59…固定部、59a…固定穴、60…CAN型光半導体モジュール、61…キャリヤベース、62…マウント部、63…キャップ、64…レンズ、65…リード線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention comprises a sintered body of a WCu alloy or a MoCu alloy having a low coefficient of thermal expansion and high heat dissipation. Semiconductor carrier and manufacturing method thereof About.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a semiconductor device such as a semiconductor package or an optical communication module (optical semiconductor module) is provided with a heat radiating member called a heat sink to efficiently dissipate heat generated in the semiconductor package or optical semiconductor module outside the system. (Heat is exhausted). Such a heat sink has high thermal conductivity and good thermal conductivity, and since it is bonded to a ceramic substrate or glass substrate, the thermal expansion coefficient is the thermal expansion coefficient of ceramic or glass (4 to 4). 10 ppm / K) is required. At present, a tungsten-copper (WCu) alloy is used as a material having both the opposite characteristics of thermal conductivity and thermal expansion coefficient.
[0003]
As a heat sink made of such a tungsten-copper (WCu) alloy, an infiltrated sintered alloy in which copper (Cu) is infiltrated (impregnated) into the pores of a sintered body made of tungsten (W). A heat sink is used. By the way, the heat sink which consists of such an infiltration sintered alloy is manufactured in the following procedures, for example. First, a tungsten (W) powder is preliminarily blended with an organic binder to form a raw material mixture, and this raw material mixture is pressed by a mold press to form a thin plate-shaped molded body. The molded body is degreased and sintered to form a porous sintered body, and copper (Cu) is infiltrated (impregnated) into the pores of the sintered body. Thereafter, a method is generally employed in which the surface of the infiltrated sintered body is subjected to surface processing using a milling machine, a lapping machine or the like, and finally used as a heat sink.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, a heat sink made of such an infiltrated sintered alloy sinters a molded body pressed by a die press, and thus it is difficult to produce a complicated shape. For this reason, when manufacturing a heat sink having a complicated shape, it is necessary to subject the infiltration sintered alloy to secondary processing such as cutting. However, since the infiltrated sintered alloy is a difficult-to-process material, it is not easy to perform the cutting process, resulting in problems that the cost of the cutting process is high and the productivity is poor.
[0005]
Further, since the sintered body of tungsten powder is a sponge-like structure, the size and the density of the holes constituting the structure are not uniform. For this reason, the filling density of the copper infiltrated into the pores becomes non-uniform, and the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity vary depending on the part. As a result, the heat sink made of such an infiltrated sintered body has a problem that its thermal characteristics are not stable and it is not reliable. The sintered body infiltrated with copper is thermally conductive along the portion where copper is present. However, if the filling density of copper is not uniform, the direction of heat conduction is random. For this reason, it has become difficult to quickly dissipate the generated heat to the outside of the system, resulting in a problem that heat dissipation efficiency is reduced.
[0006]
Further, in order to increase the sintered density of the sintered body, a sintering aid such as nickel (Ni) that is solid-solved with tungsten may be added. However, when the sintering aid is added, the sintered density is improved, but the crystal grains of tungsten grow, causing a problem that the heat conduction path is cut off and the thermal conductivity is lowered. In addition, when the tungsten crystal grains grow, the surface roughness of the infiltrated sintered body becomes rough, so surface polishing (secondary processing) using a lapping machine or the like is performed to smooth the surface of the sintered body. The process to make is necessary. For this reason, the manufacturing process of the heat sink becomes complicated, resulting in a problem that the manufacturing cost increases.
[0007]
Furthermore, when there is a portion in which copper is not infiltrated (impregnated) in the pores of the sintered body, pinholes are easily generated on the surface of the sintered body, and a plating layer is formed on the pinholes. In such a case, plating blisters are likely to occur, resulting in problems that it is difficult to obtain a high-quality heat sink with good plating properties. In addition, after copper is infiltrated (impregnated), a large amount of surplus infiltrant (copper) adheres to the surface of the sintered body. Later, it was necessary to carry out a surface polishing process, and there was a problem that the number of man-hours for finishing the heat sink increased and the manufacturing cost further increased.
[0008]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and is easily manufactured, has a low thermal expansion coefficient, and has a high heat dissipation tungsten-copper (WCu) alloy sintered body or molybdenum-copper. It consists of a sintered body of (MoCu) alloy Semiconductor carrier and manufacturing method thereof The purpose is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor carrier including a carrier base having a mount portion on which a semiconductor element is mounted, wherein the carrier base having the mount portion is W-Cu composite metal powder or W powder and Cu powder. Of a WCu alloy sintered body, or a Mo-Cu composite metal powder or a mixed metal powder of Mo powder and Cu powder, which is integrally formed in a three-step step shape by injection molding of the mixed metal powder with It consists of a sintered body of a MoCu alloy of a molded body that is integrally molded so as to have a three-step staircase shape by injection molding, and the average grain size of W and Mo crystal grains constituting these sintered bodies is 3 μm. Below, the ratio of Cu which comprises a sintered compact is 5 wt% or more and 30 wt% or less with respect to the mass of this sintered compact At the same time, the three stages are a first stage that is a flat plate-shaped mounting portion having a rectangular planar shape, a second stage that is a cylindrical cap fixing part that fixes the cap, and a smaller diameter than the second stage. It is formed in a columnar shape and comprises a third stage serving as a terminal portion for fixing a plurality of leads. It is characterized by that.
[0010]
Here, in the WCu alloy or the MoCu alloy, the thermal conductivity increases as the Cu ratio increases, but the thermal expansion coefficient also increases. This is because Cu is a metal excellent in heat conduction, and as the proportion of Cu increases, the coefficient of thermal expansion increases. For this reason, in order to obtain a WCu alloy or MoCu alloy having a low thermal expansion coefficient, it is necessary to regulate the ratio of Cu. In general, if the coefficient of thermal expansion is 10 ppm / K or less, it can be said that the coefficient of thermal expansion is sufficiently low. Therefore, the Cu content ratio of the WCu alloy or MoCu alloy is 30 wt.% With respect to the mass of the WCu alloy or MoCu alloy. % Can be said to be desirable.
[0011]
On the other hand, in the WCu alloy or the MoCu alloy, it has been found that the thermal conductivity improves as the average grain size of the W or Mo crystal grains decreases. Generally, if the thermal conductivity is 170 W / m · K or more, it can be said that the thermal conductivity is high. In the case where the average grain size of W or Mo crystal grains is 3 μm, the thermal expansion coefficient is 5.5 ppm / K when the thermal conductivity is 170 W / m · K, and the ratio of Cu at this time is the firing ratio. The result of 5 wt% was obtained with respect to the mass of the bonded body.
From this, in the sintered body of WCu alloy or MoCu alloy, the average grain size of W or Mo crystal grains is 3 μm or less, and the ratio of Cu is 5 wt% or more and 30 wt% with respect to the mass of the sintered body. It can be said that it is preferable to use the following.
[0012]
In this case, the sintered body is a sintered body of a molded body formed by injection molding of W-Cu composite metal powder or a mixed metal powder of W powder and Cu powder, or Mo-Cu composite metal powder or Mo powder and Cu. If the sintered body of the molded body formed by injection molding of mixed metal powder with powder, a heat sink with a complicated shape can be obtained easily and easily without subjecting this type of sintered body to secondary processing. This is desirable.
Then, such a heat sink is provided with a semiconductor carrier having a carrier base having a mount portion for mounting a semiconductor element. To ya When applied, the heat generated in the semiconductor element can be quickly released (exhaust heat) out of the system.
[0013]
Since the light output conversion efficiency of the semiconductor laser is usually 20 to 50%, more than half of the electric power supplied to the semiconductor laser is consumed as heat. In general, when the temperature of the semiconductor carrier exceeds 45 ° C., the oscillation output of the semiconductor laser decreases even when a voltage higher than that is applied. Therefore, when a semiconductor laser is mounted on the semiconductor carrier as described above, the heat generated by the semiconductor laser can be quickly emitted out of the system. For this reason, it becomes possible to increase the oscillation output of the semiconductor laser until the temperature of the semiconductor carrier reaches 45 ° C.
[0014]
Such a semiconductor laser is preferably a 980 nm band semiconductor laser or a 1480 nm band semiconductor laser. When a 980 nm band semiconductor laser is mounted on a semiconductor carrier, the semiconductor carrier reaches a temperature of 45 ° C. in a heat sink made of a sintered body having an average grain size of W or Mo of the semiconductor carrier of 3 μm. The laser oscillation output was 120 mW. From this, it can be said that the semiconductor element is preferably a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 980 nm and an oscillation output of 120 mW or less.
[0015]
On the other hand, when a 1480 nm band semiconductor laser is mounted on a semiconductor carrier, in a heat sink composed of a sintered body having an average grain size of W or Mo of the semiconductor carrier of 3 μm, the semiconductor carrier temperature reaches 45 ° C. The laser oscillation output is 90mW Met. Therefore, the semiconductor device is a semiconductor laser with an oscillation wavelength of 1480 nm, and the oscillation output is 90mW It can be said that the following semiconductor laser is preferable.
When a semiconductor laser is mounted on the above-described semiconductor carrier, it is necessary to arrange the semiconductor laser at an accurate position and efficiently couple the laser light to the optical fiber. For this reason, it is desirable that the mount portion of the semiconductor carrier is smoothed (mirrored) by secondary processing.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention Half of An example in which the embodiment of the conductor carrier is applied to a semiconductor carrier used in an optical semiconductor module will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example in which the semiconductor carrier of the present invention is applied to a semiconductor carrier used in a stem type optical semiconductor module.
[0017]
1. Semiconductor carrier (heat sink)
A
[0018]
The
[0019]
Here, in the sintered body of the WCu alloy or the sintered body of the MoCu alloy, the average grain size of the W crystal grains or the Mo crystal grains is 3 μm or less, and the Cu content is based on the mass of the sintered body. The reason for using 5 wt% or more and 30 wt% or less is that, even if the thermal expansion coefficient is the same, the smaller the grain size of the W crystal grains or the Mo crystal grains, the higher the thermal conductivity. This is because it was obtained. This will be described based on the following experimental results. FIG. 2 shows the coefficient of thermal expansion (ppm / K) and thermal conductivity (W / m · K) when the average grain size of W crystal grains and the Cu content ratio of the sintered body of the WCu alloy are changed. The result of having obtained the relationship is shown.
[0020]
In FIG. 2, curve a shows the result when the average grain size of the W crystal grains is 3 μm, and curve b shows the result when the average grain size of the W crystal grains is 5 μm, Curve c shows the result when the average grain size of the W crystal grains is 7 μm, and curve d shows the result when the average grain size of the W crystal grains is 10 μm. Also. In FIG. 2, 95W5Cu means a WCu alloy in which the mass ratio of W is 95 wt% and the mass ratio of Cu is 5 wt%. The same applies to 90W10Cu, 85W15Cu, 80W20Cu, 75W25Cu, 70W30Cu, and 65W35Cu.
[0021]
As is apparent from the results of FIG. 2, it can be seen that the thermal conductivity increases as the Cu content ratio of the WCu alloy increases, but the thermal expansion coefficient also increases. This is because Cu is a metal excellent in heat conduction, so that the coefficient of thermal expansion increases as the content ratio of Cu increases. For this reason, in order to obtain a WCu alloy having a low thermal expansion coefficient, it is necessary to regulate the Cu content ratio. In general, it can be said that the coefficient of thermal expansion is sufficiently low when the coefficient of thermal expansion is 10 ppm / K or less. Moreover, when the content ratio of Cu in the WCu alloy is more than 30 wt%, the skeleton volume of W grains decreases, Cu cannot be retained so that a coarse sponge cannot retain water, and Cu freezes on the surface ( The shape will collapse and the thermal properties cannot be improved. For this reason, it can be said that it is desirable for the content rate of Cu of a WCu alloy to be 30 wt% or less with respect to the mass of a WCu alloy (sintered body).
[0022]
On the other hand, as the average grain size of the W crystal grains decreases from 10 μm to 3 μm, the curve in FIG. 2 moves upward, so that the thermal conductivity improves as the average grain size of the W crystal grains decreases. I understand. From this, it can be said that it is preferable to use a W crystal grain having a small average grain size. Generally, if the thermal conductivity is 170 W / m · K or more, it can be said that the thermal conductivity is high. The thermal expansion coefficient when the thermal conductivity is 170 W / m · K is 5.5 ppm / K when the average grain size of W crystal grains is 3 μm, and when the average grain size is 5 μm. When the average particle size is 7 μm, it is 6.3 ppm / K, and when the average particle size is 10 μm, it is 6.6 ppm / K.
For this reason, in the sintered body of the WCu alloy, a W crystal grain having an average grain size of 3 μm or less and a Cu ratio of 5 wt% to 30 wt% with respect to the mass of the sintered body is used. It can be said that it is preferable.
[0023]
FIG. 3 shows the coefficient of thermal expansion (ppm / K) and thermal conductivity (W / m · W) when the average grain size of Mo crystal grains and the mass ratio of Cu in the sintered body of the MoCu alloy are changed. The result of having obtained | required the relationship of K) is shown. In FIG. 3, curve e shows the result when the average grain size of the Mo crystal grains is 3 μm, and curve f shows the result when the average grain size of the Mo crystal grains is 5 μm, The curve g shows the result when the average grain size of Mo crystal grains is 7 μm, and the curve h shows the result when the average grain size of Mo crystal grains is 10 μm. In FIG. 3, the same result as that of the sintered body of the WCu alloy in FIG. 2 was obtained. From this, the MoCu alloy sintered body having an average grain size of Mo of 3 μm or less and a Cu content ratio of 5 wt% to 30 wt% with respect to the mass of the sintered body is used. Is preferable.
[0024]
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the grain size of W crystal grains and the frequency when the average grain size of W crystal grains is 3 μm in the sintered body of the WCu alloy, and FIG. In the sintered body of a WCu alloy, it is the figure which calculated | required the relationship between the particle size of the W crystal grain, and the frequency in case the average particle diameter of the W crystal grain is 10 micrometers. As is clear from FIG. 4, it can be seen that the distribution is a normal distribution that peaks when the grain size of the W crystal grains is 3 μm. Further, as is apparent from FIG. 5, it can be seen that the distribution is a normal distribution that peaks when the grain size of the W crystal grains is 10 μm.
[0025]
2. Fabrication of semiconductor carrier
Next, a manufacturing procedure of the semiconductor carrier (heat sink) 10 having the above-described configuration will be described in detail below with reference to FIGS. 6 is a perspective view showing a green body to be a semiconductor carrier formed by injection molding of a composite metal powder, and FIG. 7 is a perspective view showing a semiconductor carrier formed by sintering the green body of FIG. It is.
[0026]
First, a W—Cu composite metal powder having an average particle diameter of 1 μm adjusted so that the W content is 95 to 70 mass% and the Cu content is 5 to 30 mass% was prepared. Thereafter, this W—Cu composite metal powder was put into a jet mill. At this time, the pressure of the jet mill was set to 3 to 10 bar, and the rotational speed of the jet mill was set to 5000 rpm. In this state, the jet mill was rotated for 20 minutes so that the W-Cu composite metal powders were not aggregated together, and the W-Cu composite metal powders were refined and spheroidized. Thereby, a W—Cu composite metal powder having an average particle size of 0.1 to 0.3 μm was obtained.
[0027]
Here, the W-Cu composite metal powder is manufactured from a predetermined amount of tungsten oxide and a predetermined amount of copper oxide. The For example, those produced by the production methods disclosed in JP-A-8-239219 and JP-A-8-333119 can be used. As the tungsten oxide, ammonium paratungstate (APT) or ammonium metatungstate (AMT) is preferable. Moreover, as a copper oxide, cuprous oxide, cupric oxide, or copper hydroxide is preferable. Then, either ammonium paratungstate (APT) or ammonium metatungstate (AMT) and any one of cuprous oxide, cupric oxide or copper hydroxide are mixed at an appropriate mass ratio to form a mixed powder. Then, cupric tungstate (CuWO), which is a tungsten-copper composite oxide formed by dehydration from this mixed powder. Four ) / Tungsten trioxide (WO Three ) Is desirable.
[0028]
Note that a mixed metal powder of W powder and Cu powder may be used instead of the W-Cu composite metal powder. Also in this case, it is necessary to adjust so that the ratio of W is 95 to 70 mass% and the ratio of Cu is 5 to 30 mass%.
Further, instead of using a jet mill, a W-Cu composite metal powder or a mixed metal powder of W powder and Cu powder may be pulverized using a ball mill. In this case, it is necessary to rotate the ball mill at a rotational speed of 50 rpm for 20 to 200 hours to pulverize the composite metal powder or the mixed metal powder until the average particle size becomes 0.1 to 0.3 μm.
[0029]
Next, 55-50 vol% of a binder is added to 45-50 vol% of the W-Cu composite metal powder having an average particle size of 0.1-0.3 [mu] m thus obtained, and mixed and kneaded. A molding composition was obtained. In addition, as a binder, what added waxes, such as paraffin wax, a carnapa wax, a beeswax, to organic resin, such as a polypropylene (PP), a polystyrene (PS), polyethylene (PE), an acryl, and a POM resin, is used. It is desirable to use it.
[0030]
Subsequently, the obtained molding composition was pelletized with a pelletizer. This was put into a hopper of an injection molding machine having a mold clamping pressure of 20 t, and injection molded into a mold having an injection temperature of 160 ° C. and a mold temperature of 25 ° C. Thereafter, the mold was cooled with water to solidify the injection, and a green body (molded body) 10A to be the
[0031]
The carrier base 11A is formed in a three-step staircase shape. A flat plate-shaped mounting portion 12A that forms a bottom portion in the first step, a cylindrical cap fixing portion 13A that fixes a cap in the second step, and a plurality of leads fixed in the third step by fixing a plurality of leads. It consists of a cylindrical terminal portion 14A having a diameter smaller than two stages. And attachment opening 12a-1, 12a-1 is formed in the both ends of attachment part 12A. The terminal portion 14A is formed with a plurality of through holes 14a-1 for inserting leads, while the mount portion 15A is located in the upper part of the carrier base 11A and is formed in a hexagonal column shape.
[0032]
Next, the green body 10A was placed in a binder removal apparatus (not shown). Thereafter, nitrogen gas was introduced into the binder removal apparatus at a flow rate of 1 liter / min to create a nitrogen atmosphere. And the temperature increase rate heated at 0.1 degree-C / min, the temperature of 550 degreeC was hold | maintained for 2 hours, and 10 A of green bodies were debinder processed. By the binder removal process, the above-described binder is volatilized (removed) to obtain a brown body made of W and Cu. Then, it cooled to room temperature and took out the brown body from the binder removal apparatus.
[0033]
Next, the obtained brown body was placed in a deoxygenation device (not shown). Thereafter, hydrogen gas at a flow rate of 1 to 10 liters / minute is flown into the deoxygenation device, and the brown body is sufficiently placed in a hydrogen gas stream in a temperature environment of 500 ° C. to 1000 ° C. below the melting point temperature of copper. The brown body was deoxygenated by exposure. By this deoxygenation treatment, the oxide layer on the surface of the tungsten particles constituting the brown body is sufficiently reduced, and the wettability with copper is improved.
[0034]
Subsequently, the deoxygenated brown body was put into a sintering furnace, and heated in a hydrogen stream at a heating rate of 5 ° C./1 hour until the following sintering temperature was reached. Thereafter, the sintering was performed by maintaining this sintering temperature for 2 hours. As a result, the green body 10A contracted and became smaller, and a
[0035]
Specifically, when the W-Cu composite metal powder adjusted so that the ratio of Cu is 5% by mass with respect to the mass of the composite metal powder is used, the temperature environment is set to 1275 to 1325 ° C. Sintering was performed. Similarly, when the ratio of Cu is 10% by mass, it is 1225 to 1275 ° C., when the ratio of Cu is 15% by mass, it is 1175 to 1225 ° C., and when the ratio of Cu is 20% by mass, it is 1150 to 1200 ° C. When the ratio of Cu was 30% by mass, sintering was performed at 1125 to 1175 ° C., respectively. The average grain size of the tungsten crystal grains of the obtained
[0036]
The
[0037]
3. Optical semiconductor module using semiconductor carrier
Next, a manufacturing procedure of the
[0038]
First, by using the
[0039]
Further, a plurality of
[0040]
On the other hand, a
[0041]
Next, the
In the
[0042]
This is because the light output conversion efficiency of the semiconductor laser 21 is normally 20 to 50%. That is, more than half of the electric power supplied to the semiconductor laser 21 is consumed as heat. In general, when the temperature of the
Therefore, as the semiconductor laser 21, an optical semiconductor module 20 (A, B) on which a 980 nm band semiconductor laser and a 1480 nm band semiconductor laser are mounted is configured. As the
[0043]
That is, the W-Cu composite metal powder adjusted so that the Cu content ratio is 15% by mass with respect to the mass of the composite metal powder is used and sintered so that the average grain size of the W crystal grains becomes 3 μm. The
[0044]
Next, by changing the applied voltage to each semiconductor laser of each optical semiconductor module 20 (A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4), oscillation output (laser output) (mW) of each semiconductor laser When the relationship of the temperature (° C.) of the
As is apparent from the results of FIGS. 10 and 11, the temperature of the
[0045]
By the way, in FIG. 10, in the optical semiconductor module A4 (with an average grain size of W crystal grains of the
[0046]
On the other hand, in FIG. 11, in the optical semiconductor module B4 (the average grain size of W crystal grains of the
[0047]
From these facts, when the
[0048]
4). Modified example of optical semiconductor module mounting structure
In the
[0049]
(1) First modification
In the first modification, instead of the flat plate-like mounting
[0050]
(2) Second modification
In the second modification, instead of the above-described flat mounting
[0051]
(3) Third modification
In the third modified example, instead of the flat plate-shaped mounting
[0052]
(4) Fourth modification
In the fourth modification, instead of the flat plate-like mounting
[0053]
(5) Fifth modification
In the fifth modification, instead of the above-described flat mounting
[0054]
(6) Sixth modification
In the sixth modified example, instead of the above-described flat mounting
[0055]
(7) Seventh modification
In the seventh modified example, instead of the flat plate-like mounting
[0056]
(8) Eighth modification
In the eighth modified example, instead of the flat plate-like mounting
[0057]
(9) Ninth modification
In the ninth modified example, as shown in FIG. 15A, the
[0058]
(10) Tenth modification
In the tenth modification, instead of the above-described flat mounting
[0059]
(11) Eleventh modification
In the eleventh modified example, instead of the flat plate-like mounting
[0060]
(12) Twelfth modification
In the twelfth modified example, instead of the flat plate-like mounting
[0061]
(13) Thirteenth modification
The thirteenth modification is substantially the same as the fixing
[0062]
(14) Fourteenth modification
The fourteenth modified example is substantially the same as the fixing
[0063]
5. Package for semiconductor devices
In the example described above, the
[0064]
As shown in FIG. 17A, the
[0065]
Further, as shown in FIG. 17B, the
[0066]
The base 53 (58) of the frame member 51 (56) is provided with a plurality of through holes for lead insertion (not shown), and a plurality of lead wires and grounding are provided in these through holes. After the wires are inserted, a glass sealant is filled in the through holes, and a plurality of lead wires and ground wires are fixed in each through hole by a hermetic seal. The upper portions of the plurality of lead wires extend to the upper surface of the terminal portion, and the extended portions serve as terminals for connection with a semiconductor laser, a light receiving element, and the like.
[0067]
And base part 53 (58) A semiconductor laser and an optical system (not shown) are arranged on the top, and a
[0068]
Here, when the
[0069]
The frame member 51 (56) and the
[0070]
Next, a method for manufacturing the frame member 51 (56) and the
[0071]
Next, the obtained molding composition was pelletized by a pelletizer and then put into a hopper of an injection molding machine. The mold and lid for a frame member having an injection temperature of 160 ° C. and a mold temperature of 25 ° C. It was injection-molded in a member mold. Thereafter, these molds were water-cooled to solidify the injection, and a green body (molded body) to be the frame member 51 (56) and the
[0072]
Next, after placing the obtained brown body in a deoxygenation device (not shown), hydrogen gas is allowed to flow into the deoxygenation device, and the brown body is placed in a temperature environment of 500 ° C. to 1000 ° C. below the melting point temperature of copper. The brown body was deoxygenated by sufficiently exposing it to a hydrogen gas stream. By this deoxygenation treatment, the oxide layer on the surface of the tungsten particles constituting the brown body is sufficiently reduced, and the wettability with copper is improved. Next, the deoxygenated brown body was placed in a sintering furnace and heated in a hydrogen stream until the following sintering temperature was reached. Thereafter, the sintering was performed by maintaining this sintering temperature for 2 hours. Thereby, a frame member 51 (56) and a
[0073]
Specifically, when the W-Cu composite metal powder adjusted so that the ratio of Cu is 5% by mass with respect to the mass of the composite metal powder is used, the temperature environment is set to 1275 to 1325 ° C. Sintering was performed. Similarly, when the ratio of Cu is 10% by mass, it is 1225 to 1275 ° C., when the ratio of Cu is 15% by mass, it is 1175 to 1225 ° C., and when the ratio of Cu is 20% by mass, it is 1150 to 1200 ° C. When the ratio of Cu was 30% by mass, sintering was performed at 1125 to 1175 ° C., respectively. The average grain size of the tungsten crystal grains of the obtained
[0074]
In the
[0075]
Further, a semiconductor element package is formed using the heat sink of the present invention, and a CAN type optical semiconductor module as shown in FIG. 18 can be manufactured using this semiconductor element package. This CAN type optical semiconductor module is an optical semiconductor module having a small base diameter. FIG. 18 is a perspective view schematically showing a CAN type optical semiconductor module. The CAN
[0076]
Here, the
[0077]
A
[0078]
【The invention's effect】
As mentioned above , Ta The average grain size of the tungsten (W) or molybdenum (Mo) crystal grains constituting the sintered body composed of the Nungsten-copper (WCu) alloy or the molybdenum-copper (MoCu) alloy is 3 μm or less to constitute the sintered body. Since the content ratio of Cu is 5 wt% or more and 30 wt% or less with respect to the mass of the sintered body, it has a low thermal expansion coefficient and high heat dissipation. Semiconductor carrier (heat sink) It becomes possible to provide. In addition, such a low thermal expansion coefficient and high heat dissipation semiconductor carrier If you use It is possible to quickly release the heat generated by the semiconductor element to the outside of the system.
[0079]
In the above-described embodiment, the example in which the semiconductor carrier and the semiconductor package of the present invention are applied to the optical semiconductor module has been described. However, the semiconductor carrier and the semiconductor package of the present invention are not limited to the optical semiconductor module, but various semiconductors. It can be used for a semiconductor device such as a semiconductor package in which an element is mounted and contained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example in which a semiconductor carrier of the present invention is applied to a semiconductor carrier used in a stem type optical semiconductor module.
FIG. 2 shows the coefficient of thermal expansion (ppm / K) and thermal conductivity (W / m · W) when the average grain size of W crystal grains and the mass ratio of Cu in a sintered body of a W—Cu alloy are changed. It is a figure which shows the relationship of K).
FIG. 3 shows the coefficient of thermal expansion (ppm / K) and thermal conductivity (W / m · W) when the average grain size of Mo crystal grains and the mass ratio of Cu in a sintered body of Mo—Cu alloy are changed. It is a figure which shows the relationship of K).
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the grain size of W crystal grains and the frequency when the average grain size of W crystal grains is 3 μm in a W—Cu alloy sintered body.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the grain size of W crystal grains and the frequency when the average grain size of W crystal grains is 10 μm in a W—Cu alloy sintered body.
FIG. 6 is a perspective view showing a green body to be a semiconductor carrier formed by injection molding of composite metal powder.
7 is a perspective view showing a semiconductor carrier formed by sintering the green body of FIG. 5. FIG.
8 is a perspective view showing an optical semiconductor module formed by mounting a semiconductor laser or the like on the sintered body of FIG. 6. FIG.
9 is a perspective view showing the optical semiconductor module in a state where a cap (cover) is attached to the optical semiconductor module of FIG. 7;
FIG. 10 is a diagram showing the relationship of the temperature (° C.) of the semiconductor carrier with respect to the output (mW) of the semiconductor laser when a 980 nm band semiconductor laser is mounted.
FIG. 11 is a diagram showing the relationship of the temperature (° C.) of the semiconductor carrier with respect to the output (mW) of the semiconductor laser when a 1480 nm band semiconductor laser is mounted.
12 is a perspective view schematically showing a modified example of the mounting structure of the optical semiconductor module, FIG. 12 (a) is a view showing a first modified example, and FIG. 12 (b) is a second modified example. FIG. 12C is a diagram showing a third modification.
13 is a perspective view schematically showing a modified example of the mounting structure of the optical semiconductor module, FIG. 13 (a) is a view showing a fourth modified example, and FIG. 13 (b) is a fifth modified example. FIG. 13C is a diagram showing a sixth modification.
14 is a perspective view schematically showing a modified example of the mounting structure of the optical semiconductor module, FIG. 14 (a) is a view showing a seventh modified example, and FIG. 14 (b) is an eighth modified example. FIG.
15 is a perspective view schematically showing a modified example of the mounting structure of the optical semiconductor module, FIG. 15 (a) is a view showing a ninth modified example, and FIG. 15 (b) is a tenth modified example. FIG. 15C is a diagram illustrating an eleventh modification.
16 is a perspective view schematically showing a modified example of the mounting structure of the optical semiconductor module, FIG. 16 (a) is a view showing a twelfth modified example, and FIG. 16 (b) is a thirteenth modified example. FIG. 16C is a diagram showing a fourteenth modification.
FIG. 17 is a perspective view schematically showing a package for a semiconductor element used for manufacturing a DIP type optical semiconductor module.
FIG. 18 is a perspective view schematically showing a CAN type optical semiconductor module.
[Explanation of symbols]
10 ... Semiconductor carrier, 10A DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Green body, 11 ... Carrier base, 12 ... Mounting part, 12a ... Opening, 13 ... Cap fixing part, 14 ... Terminal part, 14a ... Through-hole, 15 ... Mount part, 20 ... Optical semiconductor module, 21 ... Semiconductor laser element 22 ... light receiving element, 23 ... lead wire, 24 ... ground wire, 25 ... glass adhesive, 26 ... cap, 27 ... optical fiber, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 37, 38 , 40, 41, 42... Fixed part, 28a, 29a, 30a, 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, 37a, 38a, 40a, 41a, 42a ... carrier holding part, 28b, 29b, 30b, 31b, 32b, 33b, 34b, 35b, 37b, 38b, 40b, 41b, 42b ... mounting portion, 50a, 50b ... package for semiconductor elements, 51 ... frame member, 5 a ... window holder, 52 ... main body, 53 ... bottom, 54 ... fixing part, 54a ... fixing hole, 55 ... lid member, 56 ... frame member, 56a ... window holder, 57 ... main body, 58 ... bottom, 59 ... Fixing part, 59a ... fixing hole, 60 ... CAN type optical semiconductor module, 61 ... carrier base, 62 ... mount part, 63 ... cap, 64 ... lens, 65 ... lead wire
Claims (5)
前記マウント部を有するキャリヤベースはW−Cu複合金属粉末またはW粉末とCu粉末との混合金属粉末の射出成形により3段階の階段状に一体的に形成された成形体のWCu合金の焼結体、あるいはMo−Cu複合金属粉末またはMo粉末とCu粉末との混合金属粉末の射出成形により3段階の階段状になるように一体的に成形された成形体のMoCu合金の焼結体からなり、
前記焼結体を構成するWおよびMoの結晶粒の平均粒径が3μm以下で、前記焼結体を構成するCuの割合が該焼結体の質量に対して5wt%以上で30wt%以下であるとともに、
前記3段階は、底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部となる第1段と、キャップを固定する円柱状のキャップ固定部となる第2段と、第2段より小径の円柱状に形成されていて複数のリードを固定する端子部となる第3段とからなることを特徴とする半導体キャリヤ。A semiconductor carrier comprising a carrier base having a mount portion for mounting a semiconductor element,
The carrier base having the mount portion is a sintered body of a WCu alloy of a formed body integrally formed in a three-step step shape by injection molding of W-Cu composite metal powder or mixed metal powder of W powder and Cu powder. Or a sintered body of a MoCu alloy of a molded body integrally molded so as to have a three-step step shape by injection molding of Mo-Cu composite metal powder or mixed metal powder of Mo powder and Cu powder,
The average grain size of the W and Mo crystal grains constituting the sintered body is 3 μm or less, and the ratio of Cu constituting the sintered body is 5 wt% or more and 30 wt% or less with respect to the mass of the sintered body. As well as
The three stages include a first stage that is a flat plate-shaped mounting part having a rectangular planar shape, a second stage that is a cylindrical cap fixing part for fixing the cap, and a circle having a smaller diameter than the second stage. A semiconductor carrier comprising a third stage which is formed in a column shape and serves as a terminal portion for fixing a plurality of leads.
Wの含有割合が95〜70質量%で、Cuの含有割合が5〜30質量%になるように調整したW−Cu複合金属粉末またはW粉末とCu粉末の混合金属粉末を平均粒径が0.1μm〜0.3μmになるまで微細化する微細化工程と、
前記微細化されたW−Cu複合金属粉末またはW粉末とCu粉末の混合金属粉末にバインダーを添加し、混合、混練して成型用組成物とした後、射出成形して底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部となる第1段と、キャップを固定する円柱状のキャップ固定部となる第2段と、第2段より小径の円柱状に形成されていて複数のリードを固定する端子部となる第3段とからなる3段階の階段状の成形体を一体的に形成する成形体形成工程と、
前記成形体を脱バインダー処理した後、焼結体を構成するWの結晶粒の平均粒径が3μm以下になるように焼結処理して焼結体を形成する焼結工程とを備えたことを特徴とする半導体キャリヤの製造方法。A method of manufacturing a semiconductor carrier comprising a carrier base having a mount portion on which a semiconductor element is mounted,
The average particle size of the W-Cu composite metal powder or the mixed metal powder of W powder and Cu powder adjusted so that the W content is 95 to 70% by mass and the Cu content is 5 to 30% by mass is 0. A miniaturization step for miniaturization to 1 μm to 0.3 μm;
A planar shape in which a binder is added to the refined W-Cu composite metal powder or mixed metal powder of W powder and Cu powder, mixed and kneaded to form a molding composition, and then injection molded to form the bottom. Is a rectangular flat plate mounting part, a second stage is a cylindrical cap fixing part for fixing the cap, and a column having a smaller diameter than the second stage is used to fix a plurality of leads. A molded body forming step of integrally forming a three-stage stepped molded body composed of a third stage to be a terminal portion to be
And a sintering step of forming a sintered body by performing a sintering process so that the average grain size of the W crystal grains constituting the sintered body is 3 μm or less after the binder is debindered. A method of manufacturing a semiconductor carrier characterized by the above.
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