(57)【要約】【課題】放熱効果に優れた発光素子用ステム、及び光半導体装置を提供すること。【解決手段】上面２２ａを備えたベース２２と、上面２２ａの上に突出するように設けられ、かつ上面２２ａの中心Cから外れた位置に発光素子２１が固着される側面２３ａを備えた放熱部２３と、ベース２２に挿通され、かつ発光素子２１に電気的に接続されるリード２４とを有し、上面視において、放熱部２３が上面２２ａの半分以上の面積を占める発光素子用ステムによる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面を備えたベースと、
前記上面の上に突出するように設けられ、かつ前記上面の中心から外れた位置に発光素子が固着される側面を備えた放熱部と、
前記ベースに挿通され、かつ前記発光素子に電気的に接続されるリードとを有し、
上面視において、前記放熱部が前記上面の半分以上の面積を占めることを特徴とする発光素子用ステム。
【請求項２】
前記側面の一部に凸部が設けられ、前記凸部に前記発光素子が固着されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子用ステム。
【請求項３】
前記リードは、前記上面から突出するように二本設けられ、
上面視で二本の前記リードの間に向かって前記凸部が延びたことを特徴とする請求項２に記載の発光素子用ステム。
【請求項４】
前記放熱部は、前記側面に繋がる円筒状の外周側面を有し、
前記ベースは、上面視で前記外周側面と同軸をなす概略円形であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子用ステム。
【請求項５】
円筒状の前記外周側面は、上面視で概略円形の前記ベースの半周を超えていることを特徴とする請求項４に記載の発光素子用ステム。
【請求項６】
ステムと、
前記ステムに固着された発光素子とを有し、
前記ステムは、
上面を備えたベースと、
前記上面の上に突出するように設けられ、かつ前記上面の中心から外れた位置に前記光半導体素子が固着された側面を備えた放熱部と、
前記ベースに挿通され、かつ前記発光素子に電気的に接続されたリードとを有し、
上面視において、前記放熱部が前記上面の半分以上の面積を占めることを特徴とする光半導体装置。
【請求項７】
前記光半導体素子が大気に解放されていることを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子用ステム、及び光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ等の発光素子は、小型で消費電力が少ないという特徴を活かして、光ピックアップ装置等の様々な電子機器に応用されている。
【０００３】
その発光素子を実装する方法の一つに、ステムと呼ばれる部品に発光素子を実装する方法がある。ステムは、発光素子に電力を供給するためのリードと、そのリードが挿通されたベースとを備え、そのベースに立設された金属製の放熱部に発光素子が固着される。
【０００４】
このようにステムに発光素子を実装することにより、発光素子で発生した熱が放熱部を介して外部に放熱されるようになるため、実使用下において発熱素子の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１２５９４６号公報
【特許文献１】特開２０１６−２２５４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、発光素子の高出力化に伴い発光素子の発熱量が増えると、発光素子の熱をステムを介して放熱するのが難しくなる。
【０００７】
一側面によれば、本発明は、放熱効果に優れた発光素子用ステム、及び光半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一側面によれば、上面を備えたベースと、前記上面の上に突出するように設けられ、かつ前記上面の中心から外れた位置に発光素子が固着される側面を備えた放熱部と、前記ベースに挿通され、かつ前記発光素子に電気的に接続されるリードとを有し、上面視において、前記放熱部が前記上面の半分以上の面積を占める発光素子用ステムが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
一側面によれば、上面視でベースの上面の半分以上の面積を占めるように放熱部を設ける。これにより放熱部が大型化されるため、発光素子の熱が放熱部にこもり難くなると共に、放熱部の広い表面積によって熱が大気中に放熱され易くなり、放熱部の放熱効果を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、検討に使用した光半導体装置の一部断面側面図である。
【図２】図２は、図１の光半導体装置を放熱部の側面の法線方向から見た部断面側面図である。
【図３】図３は、検討に使用した光半導体装置の上面図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る光半導体装置の一部断面側面図である。
【図５】図５は、放熱部の側面の法線方向から見た第１実施形態に係る光半導体装置の一部断面側面図である。
【図６】図６は、第１実施形態に係る光半導体装置の上面図である。
【図７】図７は、第２実施形態に係る光半導体装置の上面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。
【００１２】
図１は、その検討に使用した光半導体装置の一部断面側面図である。
【００１３】
この光半導体装置１は、発光素子２を封止したパッケージであって、アイレットと呼ばれる鉄製のベース３を備える。
【００１４】
ベース３には放熱部４が立設されており、その放熱部４の側面４ａにアルミナ製のサブマウント９を介して発光素子２が固着される。放熱部４は、発光素子２を支持する機能の他に、発光素子２の熱を放熱する役割も担う。その放熱効果を高めるために、放熱部４の材料としては熱伝導性に優れた銅が使用される。
【００１５】
また、この例では、放熱部４の側面４ａとベース３の上面３ａの各々の法線方向X、Yを互いに直交させる。
【００１６】
発光素子２は、上面３ａの法線方向Yに沿ってレーザ光Lを出力する半導体レーザである。なお、レーザ光Lは、発光素子２の上方だけでなくその下方にも出力される。
【００１７】
発光素子２の下方のベース３には凹部３ｘが設けられており、更にその凹部３ｘには受光素子５が収容される。受光素子５は、発光素子２が下方に出力したレーザ光Lを受光し、そのレーザ光Lの強度を監視する。
【００１８】
更に、ベース３には第１のリード６と第２のリード７が固定される。このうち、第１のリード６は、ベース３に直接固定されており、ベース３を接地するためのアース線として機能する。一方、第２のリード７は、ベース３を貫通するように設けられており、金線等のボンディングワイヤ８を介して発光素子２と電気的に接続される。
【００１９】
そして、上記したベース３、放熱部４、及び各リード６、７によりステム１０が形成される。
【００２０】
ステム１０は、各リード６、７を介して光半導体装置１を不図示の回路基板に実装する部品である。
【００２１】
そのステム１０のベース３には、キャップ１１の縁部１１ａがロウ付けされる。キャップ１１の内部は気密にされており、これにより発光素子２を外気から保護することができる。また、キャップ１１の上部には、レーザ光Lを透過するガラス製の窓１２が設けられる。
【００２２】
図２は、放熱部４の側面４ａの法線方向Xから見た光半導体装置１の一部断面側面図である。
【００２３】
図２に示されるように、ベース３には二つの貫通孔３ｙが設けられており、その各々に前述の第２のリード７が挿通される。なお、各貫通孔３ｙには、各リード７をベース３から絶縁するためのガラス１５が充填される。
【００２４】
この例では第２のリード７を二つ設け、そのうちの一方を前述のように発光素子２に接続すると共に、他方をボンディングワイヤ８を介して受光素子５に接続する。また、二つの第２のリード７の各々は、発光素子２と受光素子５の各々に電力を供給する電源線として機能する。
【００２５】
図３は、この光半導体装置１の上面図である。
【００２６】
なお、前述の図１は図３のI-I線に沿う断面図に相当し、図２は図３のII-II線に沿う断面図に相当する。
【００２７】
図３に示すようにベース３は概略円形である。そして、ベース３の中心付近に放熱部４の側面４ａを位置させることにより発光素子２と窓１２との位置合わせが行われ、発光素子２から出射したレーザ光Lが窓１２を通って外部に出力される。
【００２８】
また、放熱部４の外周側面４ｂは円筒状であって、その外周側面４ｂをベース３の縁部３ａから後退させることにより、ベース３にキャップ１１をロウ付けするための十分なエリアがベース３に確保される。
【００２９】
以上説明した光半導体装置１によれば、発光素子２で発生した熱を放熱部４を介して外部に逃がすことにより、実使用下において発光素子２が過度に発熱するのを防止できる。
【００３０】
このような放熱部４による放熱効果を高めるには、放熱部４の体積をなるべく大きくすることにより、放熱部４に熱が籠り難くなるようにすればよい。
【００３１】
しかしながら、上記した光半導体装置１においては、放熱部４に課される様々な制約によって放熱部４を大型化するのが難しい。
【００３２】
例えば、ベース３にキャップ１１をロウ付けするためのエリアを確保するために外周側面４ｂをベース３の縁部３ａから大きく後退させているため、外周側面４ｂを縁部３ａに近接させることができず、放熱部４を大型化するのが難しい。
【００３３】
更に、発光素子２と窓１２とを位置合わせするためにベース３の中央付近に側面４ａを位置させたため、側面４ａの位置を変更することができず、側面４ａの位置を変更して放熱部４を大型化することもできない。
【００３４】
以下に、放熱部を大型化してその放熱効果を高め得る各実施形態について説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図４は、本実施形態に係る光半導体装置の一部断面側面図である。
【００３６】
この光半導体装置２０は、不図示の回路基板に発光素子２１を実装するためのパッケージであって、ベース２２とその上に立設された放熱部２３とを備える。
【００３７】
ベース２２は、放熱部２３を支持するアイレットとして機能し、例えば厚さTが１．２mm程度の鉄板を機械加工することにより作製される。
【００３８】
一方、放熱部２３は、ベース２２の上面２２ａの上に突出するように設けられる。放熱部２３は、発光素子２１が固着された側面２３ａを備えており、発光素子２１の熱を外部に放熱する役割を担う。
【００３９】
その放熱部２３の放熱効果を高めるために、放熱部２３の材料としてはなるべく熱伝導率が高い金属を採用するのが好ましい。そのような金属としては、銅、及び銅とタングステンとの合金がある。
【００４０】
また、放熱部２３の放熱効果を更に高めるには放熱部２３の高さHをなるべく高くするのが好ましく、本実施形態では高さHを２．７mm程度と高くする。
【００４１】
更に、この例では、側面２３ａと上面２２ａの各々の法線方向X、Yを直交させる。これにより、発光素子２１から出力されるレーザ光Lが、上面２２ａの法線方向Yに沿って出射することになる。
【００４２】
発光素子２１の種類は特に限定されない。例えば、高出力化が容易な半導体レーザを発光素子２１として採用し得る。
【００４３】
また、この例ではアルミナ板等のサブマウント２９を介して側面２３ａに発光素子２１を固着する。サブマント２９は、小さな発光素子２１を側面２３ａに固着し易くするために用いられるが、サブマウント２９がなくても側面２３ａに発光素子２１を固着できる場合にはサブマウント２９を省いてもよい。
【００４４】
なお、レーザ光Lは、発光素子２１の上端２１ａと下端２１ｂのそれぞれから出射する。下端２１ｂから出射したレーザ光Lが上面２２ａで反射すると、その反射光が上端２１ａから出射したレーザ光Lと干渉するおそれがある。
【００４５】
これを防ぐために、この例では発光素子２１の下方の上面２２ａに斜面２２ｃを設け、下端２１ｂから出射したレーザ光Lを斜面２２ｃで反射させる。これにより、斜面２２ｃを反射したレーザ光Lの進行方向が法線方向Yからずれるようになるため、上端２１ａと下端２１ｂのそれぞれから出力されたレーザ光L同士が干渉するのを防止できる。
【００４６】
なお、斜面２２ｃに受光素子を設け、その受光素子がレーザ光Lの強度を監視するようにしてもよい。
【００４７】
また、ベース２２にはリード２４が挿通される。リード２４は、法線方向Yに沿って延びる直径が０．４５mm程度の金属線であって、その端部２４ａが上面２２ａから突出する。
【００４８】
そして、端部２４ａと発光素子２１とが金線等のボンディングワイヤ２５により接続されており、これによりリード２４が発光素子２１と電気的に接続される。
【００４９】
なお、図１の例とは異なり、本実施形態では発光素子２１を封止するためのキャップを光半導体装置２０に設けない。そのため、実使用下においては、発光素子２１は大気に解放された状態でレーザ光Lを出力することになる。
【００５０】
そして、上記したベース２２、放熱部２３、及びリード２４により、本実施形態に係る発光素子２１用のステム２６が形成される。ステム２６は、リード２４を介して光半導体装置２０を不図示の回路基板に実装する部品である。
【００５１】
図５は、放熱部２３の側面２３ａの法線方向Xから見た光半導体装置２０の一部断面側面図である。
【００５２】
図５に示されるように、発光素子２１は、正面視で一辺の長さが０．２mm程度の概略正方形状である。
【００５３】
また、ベース２２には二つの貫通孔２２ｘが設けられており、その各々に二つのリード２４の各々が挿通される。
【００５４】
リード２４の機能は特に限定されない。例えば、二つのリード２４の一方を発光素子２１に電力を供給する電源線として用い、かつ他方を発光素子２１を接地するアース線として用い得る。
【００５５】
また、各貫通孔２２ｘには、各リード２４をベース２２から絶縁するためのガラス２７が充填される。
【００５６】
図６は、この光半導体装置２０の上面図である。
【００５７】
なお、前述の図４は図６のIII-III線に沿う断面図に相当し、図５は図６のIV-IV線に沿う断面図に相当する。
【００５８】
図６に示すように、ベース２２は、中心Cを有する直径が５．６mm程度の概略円形である。
【００５９】
そのベース２２の側面２２ｙには三つの切欠き２２ｚが設けられる。各々の切欠き２２ｚは、不図示の回路基板に光半導体装置２０を実装する際に、中心Cに対する光半導体装置２０の回転角度を定めるのに使用される。なお、切欠き２２ｚがなくてもその回転角度を定めることができる場合には、切欠き２２ｚを省いてベース２２を真円にしてもよい。
【００６０】
一方、放熱部２３は、前述の側面２３ａと、その側面２３ａに繋がる円筒状の外周側面２３ｄを備える。
【００６１】
このうち、側面２３ａは平坦面であり、ベース２２の中心Cから外れた位置に設けられる。放熱部２３を大型化するには中心Cと側面２３ａとの間隔Dをなるべく大きくするのが好ましく、この例では間隔Dを１．０mm〜１．３mm程度とする。
【００６２】
また、外周側面２３ｄは、ベース２２と同軸をなす直径が５．２mm程度の円筒面である。この例では、ベース２２の側面２２ｙから外周側面２３ｄを後退量Δｄだけ後退させることにより、組み立て時の位置ずれによってベース２２から放熱部２３がはみ出るのを防止する。その後退量Δｄは、０．１mm〜０．３mm、例えば０．２mm程度である。
【００６３】
なお、位置ずれが問題にならない場合には後退量Δｄを０mmにし、上面視で側面２２ｙと外周側面２３ｄとが重なるようにしてもよい。
【００６４】
更に、外周側面２３ｄは、概略円形のベース２２の半周を超えるように設けられており、これにより側面２３ａを中心Cから外すことができる。
【００６５】
本実施形態では、上記のように中心Cから外れた位置に側面２３ａを設け、かつ外周側面２３ｄをベース２２と同軸になるように設けることで、上面視でベース２２の上面の面積の半分以上の面積を放熱部２３が占めるようにする。各面積の比率は特に限定されないが、例えばベース２２の上面の面積の６５％〜８０％程度を放熱部２３が占めるようにする。
【００６６】
これにより、図１の例と比較して放熱部２３を大型化することができるため、発光素子２１の熱が放熱部２３にこもり難くなると共に、放熱部２３の広い表面積によって熱が大気中に放熱され易くなり、放熱部２３による発光素子２１の放熱効果が高められる。
【００６７】
この光半導体装置２０は以下のように作製される。
【００６８】
まず、貫通孔２２ｘにリード２４を挿通し、この状態で１０００℃程度の温度でガラス２７を溶融させる。このとき、ベース２２の材料である鉄は銅よりも熱膨張率が小さいため、加熱に伴う熱膨張で貫通孔２２ｘが大きく広がるのを防止でき、貫通孔２２ｙからガラス２７が脱落するのを防ぐことができる。
【００６９】
そして、そのガラス２７が冷却して固化することにより、ガラス２７を介してベース２２にリード２４が固定される。
【００７０】
次に、８００℃程度の温度で銀ロウを溶融させ、その銀ロウを介してベース２２に放熱部２３を固定する。
【００７１】
その後に、ベース２２、放熱部２３、及びリード２４の各々にニッケルめっき膜と金めっき膜をこの順に形成し、ボンディングワイヤ２５の金がリード２４の表面を濡れ広がり易くする。
【００７２】
そして、放熱部２３の側面２３ａに発光素子２１を固着し、その発光素子２１とリード２４とをボンディングワイヤ２５で接続することにより、本実施形態に係る光半導体装置２０の基本構造を完成させる。
【００７３】
以上説明した本実施形態によれば、図６に示したように、上面視でベース２２の面積の半分以上の面積を放熱部２３が占めるようにした。これにより放熱部２３を大型化することが可能となるため、発光素子２１の高出力化に伴いその発熱量が増えた場合であっても放熱部２３に熱が籠り難くなり、放熱部２３による発光素子２１の放熱効果を高めることが可能となる。
【００７４】
（第２実施形態）
本実施形態では、以下のようにして第１実施形態よりも放熱部２３の放熱効果を更に高める。
【００７５】
図７は、本実施形態に係る光半導体装置２０の上面図である。なお、図７において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００７６】
図７に示すように、本実施形態においては、放熱部２３の側面２３ａの一部に凸部２３ｅを設け、その凸部２３ｅに発光素子２１を固着する。
【００７７】
これにより、第１実施形態と比較して凸部２３ｅの分だけ放熱部２３の体積が増えるため、放熱部２３に熱が籠るのを更に防止することができ、第１実施形態よりも放熱効果を一層高めることができる。
【００７８】
凸部２３ｅを設ける位置は特に限定されないが、この例のように二本のリード２４の間に向かって凸部２３ｅを延ばすことにより、凸部２３ｅとリード２４とが干渉するのを防止しつつ放熱部２３を大型化することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１、２０…光半導体装置、２…発光素子、３…ベース、３ａ…上面、３ｘ…凹部、３ｙ…貫通孔、４…放熱部、４ａ…側面、６…第１のリード、７…第２のリード、８…ボンディングワイヤ、９…サブマウント、１０…ステム、１１…キャップ、１１ａ…縁部、１２…窓、１５…ガラス、２１…発光素子、２２…ベース、２２ａ…上面、２２ｃ…斜面、２２ｘ…貫通孔、２２ｚ…切欠き、２３…放熱部、２３ａ…側面、２３ｄ…外周側面、２３ｅ…凸部、２４…リード、２４ａ…端部、２５…ボンディングワイヤ、２６…ステム、２７…ガラス、２９…サブマウント。
【図１】
2018195728.tif 000003
【図２】
2018195728.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2018195728.tif 000007
【図６】
2018195728.tif 000008
【図７】
2018195728.tif 000009