(57)【要約】【課題】従来と同程度の簡易さでより高精度な位置決めを行うことのできる部品の固定方法を提供する。【解決手段】半導体素子４が取付けられた固定部材４ｂには、最表面が基材３の固定面３ａと同種の金属からなる取付面４ｃが形成され、基材３の固定面３ａには、固定面３ａ及び取付面４ｃの最表面と同種の金属材からなる粒径が略揃った球形の微粒子１０を塗布して微粒子層１１を形成し、微粒子層１１を形成した固定面３ａに対して取付面４ｃを押し当て、微粒子層１１を加熱及び加圧して固定面３ａと取付面４ｃを接合する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を基材の固定面に固定する部品の固定方法において、
前記半導体素子または該半導体素子が取付けられた固定部材には、最表面が前記基材の固定面と同種の金属からなる取付面が形成され、
前記基材の固定面には、該固定面及び取付面の最表面と同種の金属材からなる粒径が略揃った球形の微粒子を塗布して微粒子層を形成し、該微粒子層を形成した固定面に対して前記取付面を押し当て、前記微粒子層を加熱及び加圧して前記固定面と取付面を接合することを特徴とする部品の固定方法。
【請求項２】
半導体素子を封止するために封止部材を基材の固定面に対して固定する部品の固定方法において、
前記封止部材には、最表面が前記基材の固定面と同種の金属からなると共に、前記半導体素子の周囲を全周に渡って取り囲む取付面が形成され、
前記基材の固定面には、該固定面及び取付面の最表面と同種の金属材からなる粒径が略揃った球形の微粒子を、前記取付面の形状に合わせて塗布して微粒子層を形成し、該微粒子層を形成した固定面に対して前記取付面を押し当て、前記微粒子層を加熱及び加圧して前記取付面を固定面に対し全面に渡り接合することで、前記基材の半導体素子が配置された領域を封止することを特徴とする部品の固定方法。
【請求項３】
前記微粒子層を形成して前記固定面に対し取付面を押し当てる工程に代えて、前記取付面の形状に適合する形状を有する微粒子層を加熱により仮焼結結合状態とした微粒子層シートを予め形成しておき、前記固定面と取付面で前記微粒子層シートを挟持する工程としたことを特徴とする請求項１または２記載の部品の固定方法。
【請求項４】
前記取付面の最表面と前記固定面の最表面及び前記微粒子は、金または銀あるいは銅、ないしこれらの合金によって形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の部品の固定方法。
【請求項５】
前記取付面と固定面との間に通電することによって、前記微粒子層に対する加熱をなすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の部品の固定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子や熱電変換素子のような半導体素子を基材の所定位置に固定する、または半導体素子を封止する封止部材を固定する部品の固定方法に関し、特に金属の微粒子を用いて半導体素子と基材または封止部材と基材の接合をなす部品の固定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーダイオードなどの光電変換素子を用いた光モジュールにおいては、光電変換素子から発生する熱を基材に放熱するため、光電変換素子は、基材に対して熱伝導性の良好な半田によって固定されることが多い。また、ペルチェ素子などの熱電変換素子においても、熱電変換素子と基材との間で効率よく熱交換を行うため、熱電変換素子は、基材に対して熱伝導性の良好な半田によって固定されることが多い。このような光電変換素子や熱電変換素子の固定方法としては、例えば特許文献１や２に挙げるようなものがある。
【０００３】
光電変換素子は、素子の劣化を防止するため、基材の光電変換素子が設けられる領域には封止部材が設けられ、その内部は不活性ガスで気密封止される。この封止部材を基材に固定する際には、抵抗溶接あるいはレーザー溶接によって接合がなされる。このような封止部材の固定方法としては、例えば特許文献３に挙げるようなものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１０２６１７号公報
【特許文献２】特開２００３−６９１３０号公報
【特許文献３】特開平９−３２６４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、光電変換素子や熱電変換素子のような半導体素子を基材に固定するのに半田を用いる場合、基材の接合部に半田粉とフラックスを混合した半田ペーストを塗布し、基材と半導体素子の固着面を半田の融解温度以上に加熱した上で、両者を押し当て、半田を冷却固化させることで両者を接合する。その後に、半田ペーストを構成するフラックスを洗浄除去する。
【０００６】
フラックスは、半田塗布の際に適度な流動性を持たせることと、フラックスの粘性によって実装後の電気部品の保持を行うこと、及び接合部の微小な酸化膜を除去する還元雰囲気を形成することを目的に混合されており、半田ペーストには重量比で１０％程度が含まれる。しかし、フラックスは加熱により粘性が低下するため、接合時に形状が変化し、半導体素子の位置ずれを生じることがある。また、冷却固化する際にも、位置ずれを生じる可能性がある。さらには、半田は熱伝導性が良好とは言っても、金、銀、銅などの単体金属に比べると熱伝導性が低い。
【０００７】
封止部材を基材に固定する際には、溶接のため封止部材の接合面に全周に渡る環状突起が形成されている。このような環状突起を形成するため、封止部材の材料選定や加工方法に大きな制約があり、また僅かな形状誤差により封止部材に位置ずれが生じるという問題があった。
【０００８】
本発明は前記課題を鑑みてなされたものであり、従来と同程度の簡易さでより高精度な位置決めを行うことのできる部品の固定方法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】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明に係る部品の固定方法は、半導体素子を基材の固定面に固定する部品の固定方法において、
前記半導体素子または該半導体素子が取付けられた固定部材には、最表面が前記基材の固定面と同種の金属からなる取付面が形成され、
前記基材の固定面には、該固定面及び取付面の最表面と同種の金属材からなる粒径が略揃った球形の微粒子を塗布して微粒子層を形成し、該微粒子層を形成した固定面に対して前記取付面を押し当て、前記微粒子層を加熱及び加圧して前記固定面と取付面を接合することを特徴として構成されている。
【００１０】
また、本発明に係る部品の固定方法は、半導体素子を封止するために封止部材を基材の固定面に対して固定する部品の固定方法において、
前記封止部材には、最表面が前記基材の固定面と同種の金属からなると共に、前記半導体素子の周囲を全周に渡って取り囲む取付面が形成され、
前記基材の固定面には、該固定面及び取付面の最表面と同種の金属材からなる粒径が略揃った球形の微粒子を、前記取付面の形状に合わせて塗布して微粒子層を形成し、該微粒子層を形成した固定面に対して前記取付面を押し当て、前記微粒子層を加熱及び加圧して前記取付面を固定面に対し全面に渡り接合することで、前記基材の半導体素子が配置された領域を封止することを特徴として構成されている。
【００１１】
さらに、本発明に係る部品の固定方法は、前記微粒子層を形成して前記固定面に対し取付面を押し当てる工程に代えて、前記取付面の形状に適合する形状を有する微粒子層を加熱により仮焼結結合状態とした微粒子層シートを予め形成しておき、前記固定面と取付面で前記微粒子層シートを挟持する工程としたことを特徴として構成されている。
【００１２】
さらにまた、本発明に係る部品の固定方法は、前記取付面の最表面と前記固定面の最表面及び前記微粒子は、金または銀あるいは銅、ないしこれらの合金によって形成されることを特徴として構成されている。
【００１３】
そして、本発明に係る部品の固定方法は、前記取付面と固定面との間に通電することによって、前記微粒子層に対する加熱をなすことを特徴として構成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る部品の固定方法によれば、半田等のようにフラックスを使用せず接合固定をなすことができるので、接合時の位置ずれの問題を生じることがなく、また単体金属を接合材とできるので、部品と基材間の熱伝導性を良好にすることができる。さらには、従来の溶接方法とは異なり、特殊な形状を形成する必要がなく、部品製造の自由度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態における部品の固定方法を用いる機器の概要図である。
【図２】半導体素子を固定する前の状態における機器の分解概要図である。
【図３】微粒子層の模式的な拡大図である。
【図４】第２の実施形態における部品の固定方法を用いる機器の概要図である。
【図５】封止部材を固定する前の状態における機器の分解概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態について図面に沿って詳細に説明する。図１には、第１の実施形態における部品の固定方法を用いる機器の概要図を示している。本実施形態においては、レーザーダイオードからの光をレンズで光ファイバに結合する発光モジュールについて、レーザーダイオードとペルチェ素子の固定をなす方法について説明する。
【００１７】
図１に示すように、発光モジュールは、箱状に形成されてなる本体部１に、光ファイバ７を保持し、内部にはレーザーダイオード４などの部品を配置して構成される。本体部１の内面には、基材である第１基板２が設けられ、その上には複数のペルチェ素子８が配置される。さらに、ペルチェ素子８の上には、基材である第２基板３が設けられ、その上にはレーザーダイオード４とレンズ５及びレンズ５からの光を光ファイバ７に結合するアイソレーター６が配置される。
【００１８】
レーザーダイオード４は、発光部となるレーザーチップ４ａが、取付部材４ｂの上端に固定されてなり、取付部材４ｂの下面は、第２基板３の固定面３ａに対する取付面４ｃとなっている。取付部材４ｂの取付面４ｃと第２基板３の固定面３ａは、接合材１２によって接合され、レーザーダイオード４が第２基板３に固定されている。
【００１９】
また、ペルチェ素子８は、上下端部がそれぞれ平面状の取付面８ａとなっており、下端の取付面８ａが第１基板２の上面の固定面２ａに対して接合材１２により接合され、上端の取付面８ａが第２基板３の下面の固定面３ａに対して接合材１２により接合されて、固定されている。
【００２０】
互いに接合される第１基板２の固定面２ａとペルチェ素子８の取付面８ａは、いずれも金メッキが施されて、最表面は同じ金属からなるように構成されている。また、第２基板３の固定面３ａも金メッキが施されている。さらには、第２基板３の固定面３ａと接合されるレーザーダイオード４の取付面４ｃも、金メッキが施されて、第２基板３の固定面３ａと最表面が同じ金属からなるように構成されている。これらを接合する接合材１２も、金によって構成されている。
【００２１】
レーザーダイオード３と対向する光ファイバ７は、シングルモードの光ファイバであり、また光ファイバ７の端部付近には、取付けがし易いように所定径を有する保持部材７ａが設けられている。
【００２２】
次に、発光モジュールにおけるレーザーダイオード４とペルチェ素子８の固定方法について説明する。図２には、各半導体素子を固定する前の状態における機器の分解概要図を示している。この図に示すように、第１基板２の固定面２ａと第２基板３の固定面３ａには、それぞれレーザーダイオード４を接合する部分とペルチェ素子８を接合する部分に、接合に用いる金属の微粒子１０が塗布された微粒子層１１が形成される。微粒子１０は、素材が金からなり、直径が数μｍ以下であって、より好ましくは直径０．１〜０．５μｍの粒径が略揃った球形に形成されたものであり、これを水またはアルコールなどの液体に浸して液状としたものを、印刷形成の手法により固定面２ａ、３ａに塗布し、液体については乾燥除去することで、微粒子層１１が形成される。
【００２３】
図３には、固定面２ａに形成された微粒子層１１の模式的な拡大図を示している。実際には、微粒子層１１は極めて多数の微粒子１０によって構成される。微粒子１０は極めて小さく、また粒径の略揃った球形に形成されているので、固定面２ａに塗布された微粒子１０は、図３に示すように規則的に層をなして配列された状態となる。各層において微粒子１０は隙間なく並んでおり、また隣り合う層とは互い違い状となるようになっており、全体としては千鳥状の配列となっている。
【００２４】
この場合において、微粒子１０の直径は数μｍ以下と極めて小さいので、微粒子間において原子間吸引力（ファンデルワールス力）が働く。原子間吸引力は、粒径が小さいほど微粒子１０に働く力において支配的となる。本実施形態において直径は数μｍ以下としたことで、微粒子１０に働く力は、重力よりも原子間吸引力の方が支配的となり、塗布された微粒子１０は図３に示す状態を維持することができる。
【００２５】
次に、ペルチェ素子８の下端部の取付面８ａを第１基板２の固定面２ａに押し当てると共に、ペルチェ素子８の上端部の取付面８ａを第２基板３の下面側の固定面３ａに押し当てる。すなわち、ペルチェ素子８を第１基板２と第２基板３で挟持する。また、第２基板３の上面側の固定面３ａにレーザーダイオード４の取付面４ｃを押し当てる。
【００２６】
このとき、各取付面と固定面の間には、微粒子１０の規則的配列を維持できる程度の適度な圧力を加えるようにする。いずれも金からなる微粒子１０と固定面２ａ、３ａあるいは取付面４ｃ、８ａの表面との間の原子間吸引力は、互いに球形である微粒子１０間に働く原子間吸引力よりも小さいため、適度な圧力により、微粒子１０の規則的配列は維持したまま、微粒子層１１の固定面２ａ、３ａ及び取付面４ｃ、８ａに対する境界面を滑らせ、任意の方向に移動させることができる。この状態で、特にレーザーダイオード４について精密な位置調整を行うことができる。
【００２７】
続いて、微粒子層１１を加熱して接合材１２に変化させる。微粒子層１１の加熱は、取付面と固定面の間に通電することによってなされる。微粒子層１１を加熱することにより、微粒子１０同士が結合し、また微粒子１０と固定面２ａ、３ａあるいは取付面４ｃ、８ａとの間も結合し、微粒子層１１は固定面と取付面とを接合する接合材１２へと変化する。金の融解温度は約１０６４℃であるが、微粒子１０の粒径を小さくすることにより、溶融開始温度が低くなることが知られている。本実施形態のように、粒径が数μｍ以下であれば、融解温度よりも低い温度で溶融させることができ、例えば粒径が０．３μｍの場合には、２００℃に加熱することで接合をなすことができる。
【００２８】
これらの工程により、レーザーダイオード４が第２基板３に固定されると共に、ペルチェ素子８が第１基板２及び第２基板３に挟持されるように固定される。極めて小さい直径を有する微粒子１０を塗布して微粒子層１１とし、接合に用いたことにより、接合材１２を単体金属である金とすることができ、これは半田よりも熱伝導率が高いので、レーザーダイオード４やペルチェ素子８と第１基板２あるいは第２基板３との熱伝導を効率よくなすことができる。これにより、半導体素子の効率向上や寿命の向上、並びに消費電力の低減を図ることができる。
【００２９】
また、微粒子層１１の溶融の際には、半田を用いた場合のように半導体素子の位置ずれを生じることがないので、各素子の高精度な位置決めをなすことができると共に、フラックス材を用いる必要もないので、周辺部品を汚したりすることもない。
【００３０】
本発明において、微粒子１０の材質と固定面及び取付面の最表面の材質は、同種の金属であることが必要である。本実施形態では、いずれも金を用いているが、その他の金属を用いてもよい。例えば、固定面及び取付面の最表面を銀または銅あるいは金、銀、銅のいずれか２種以上の合金メッキし、微粒子１０を同じ金属で形成するようにしてもよい。
【００３１】
本実施形態においては、半導体素子として光電変換素子であるレーザーダイオード４と熱電変換素子であるペルチェ素子８を用いているが、その他の種類の半導体素子であってもよい。また、半導体素子の数や配置は図１の例に限られるものではなく、基材の固定面と半導体素子の取付面との間に微粒子層１１を形成するものであれば、どのような数、配置であってもよいことは言うまでもない。なお、本実施形態においては、レーザーダイオード４を構成する取付部材４ｂに取付面４ｃが形成されているが、半導体素子そのものであるレーザーチップ４ａを直接固定する場合には、レーザーチップ４ａに取付面が形成されることとなる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４には、第２の実施形態における部品の固定方法を用いる機器の概要図を示している。本実施形態においては、レーザーダイオードを封止部材である鏡筒付レンズで封止したレーザーモジュールについて、封止部材の固定をなす方法について説明する。
【００３３】
レーザーモジュールの構成は、図４に示すように、基材である基板２０上に、レーザーダイオード２１が配置されると共に、このレーザーダイオード２１を覆うように鏡筒付レンズ２２が配置されてなるものである。鏡筒付レンズ２２は、鏡筒２３内にレンズ２４を保持して構成したものであり、鏡筒２３及びレンズ２４によって基板２０のレーザーダイオード３が配置された領域を密封する。
【００３４】
鏡筒２３には、基板２０に載置するための載置部２４が下端部に形成されている。載置部２４は、鏡筒２３の下端部が外周方向に伸びる鍔状に形成されており、下面が基板２０の固定面２０ａに当接し、接合材１２により接合される取付面２４ａとされている。固定面２０ａと取付面２４ａの接合は、レーザーダイオード２１が配置される領域について密封するため、全周に渡ってなされている。固定面２０ａと取付面２４ａは、いずれも金メッキされて最表面が金で構成されている。また、接合材１２も金で構成されている。
【００３５】
鏡筒２３の上部は、内径が小さく形成されたレンズ保持部２５とされており、レンズ保持部２５の内周面にはレンズ２６が保持されている。レンズ２６は、光軸がレーザーダイオード２１と一致するように配置されており、レーザーダイオード２１からの光を、光ファイバ等に集光し、光学的に結合する機能を有している。
【００３６】
次に、封止部材である鏡筒付レンズ２２の固定方法について説明する。図５には、鏡筒付レンズ２２を固定する前の状態における機器の分解概要図を示している。この図に示すように、基板２０の固定面２０ａには、接合に用いる金属の微粒子１０が塗布された微粒子層１１が形成される。微粒子層１１は、鏡筒付レンズ２２に形成された載置部２４の全周に渡るドーナツ状に形成され、取付面２４ａの全周に渡って接合がなされるようにしている。
【００３７】
ここで形成される微粒子層１１の構成は、第１の実施形態と同様であるので、説明は省略する。基板２０の固定面２０ａと鏡筒付レンズ２２の取付面２４ａは、いずれも金メッキされて最表面が金からなり、数μｍ以下の粒径の揃った微粒子１０も、金によって形成される。
【００３８】
次に、鏡筒付レンズ２２の取付面２４ａを基板２０の固定面２０ａに押し当てる。このとき、各取付面と固定面の間には、微粒子１０の規則的配列を維持できる程度の適度な圧力を加えるようにする。続いて、微粒子層１１を加熱して接合材１２に変化させる。微粒子層１１の加熱は、取付面２４ａと固定面２０ａの間に通電することによってなされる。微粒子層１１を加熱することにより、微粒子１０同士が結合し、また微粒子１０と固定面２０ａあるいは取付面２４ａとの間も結合し、微粒子層１１は固定面２０ａと取付面２４ａとを接合する接合材１２へと変化する。
【００３９】
これらの工程により、封止部材である鏡筒付レンズ２２が基板２０に固定される。極めて小さい直径を有する微粒子１０を塗布して微粒子層１１とし、接合に用いたことにより、接合に用いる材料がフラックスを含まない金属粒子のみとなるため、数ミリ秒〜数十ミリ秒のごく短い通電加熱により、周囲に熱の影響を与えず接合を行うことができる。また、溶接接合の際に必要な環状突起を取付面２４ａに形成する必要がないので、鏡筒２３の材料選定及び加工方法の自由度が大きくなり、製造効率を高めることができると共に、鏡筒付レンズ２２の位置精度も高くすることができる。
【００４０】
固定面２０ａと取付面２４ａの最表面及び微粒子１０の材質は、第１の実施形態と同様、金には限られない。
【００４１】
また、第１の実施形態と第２の実施形態のいずれにおいても、微粒子層１１の形成の工程について、別の手法を用いることもできる。この手法では、微粒子層１１は予め１つの部品として形成しておく。すなわち、取付面の形状に合わせて固定面とは別のところで微粒子１０を塗布し、加熱して仮焼結結合状態とする。微粒子１０は、加熱することで表面から次第に溶解し、隣接する微粒子１０と結合するが、この過程を途中で止めることにより、微粒子１０同士が塗布された形状をそのまま維持できる程度に結合した仮焼結結合状態の微粒子層シートとすることができる。例えば、第２の実施形態であれば、鏡筒２３の取付面２４ａに適合するドーナツ状の形状を有する微粒子層シートが形成されることになる。
【００４２】
このようにして予め形成した微粒子層シートを、固定面と取付面で挟持し、その状態で微粒子層シートを加熱し、微粒子１０同士を完全に結合させると共に、微粒子層シートを固定面及び取付面とも結合させて両者を接合する。このように、固定面に対する微粒子の塗布により微粒子層を形成して、固定面に取付面を押し当てる工程に代えて、仮焼結結合状態の微粒子層シートを予め形成し、固定面と取付面で微粒子層シートを挟持する工程とすることにより、機器の製造段階での工程を簡易化することができ、製造効率を高めることができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の適用は本実施形態には限られず、その技術的思想の範囲内において様々に適用されうるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１    本体部
２    第１基板
２ａ  固定面
３    第２基板
３ａ  固定面
４    レーザーダイオード
４ｃ  取付面
５    レンズ
６    アイソレーター
７    光ファイバ
８    ペルチェ素子
８ａ  取付面
１０    微粒子
１１    微粒子層
１２    接合材
２０    基板
２０ａ  固定面
２１    レーザーダイオード
２２    鏡筒付レンズ
２３    鏡筒
２４    載置部
２４ａ  取付面
２５    レンズ保持部
２６    レンズ
【図１】
2011119371.tif 000003
【図２】
2011119371.tif 000004
【図３】
2011119371.tif 000005
【図４】
2011119371.tif 000006
【図５】
2011119371.tif 000007