(57)【要約】【課題】成形性を低下させることなく、容易に製造できて、機械的強度が大きく、低熱膨張率で高放熱性で耐衝撃性に優れた半導体キャリヤを提供する。【解決手段】本発明の半導体キャリヤ１０は半導体素子を搭載するマウント部１１を有するキャリヤベース１２を備えている。そして、キャリヤベース１２はマウント部１１を保持する本体部１３と、キャリヤベース１２を外部部材に取り付けるための第１取付部１５と第２取付部１６とを有している。これらの取付部１５，１６は本体部１３からＬ字状に折曲して形成されており、所定の間隔を隔てて形成されている。そして、第１取付部１５と第２取付部１６との間には、これらの各取付部からそれぞれ内方に延出する内方延出部１５ｂ，１６ｂと、本体部１３から垂直に突出するリブ部１７が一体的に形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記キャリヤベースは本体部と、該キャリヤベースを外部部材に取り付けるための取付部とを有し、
前記取付部は取付用開口を備えた第１取付部と第２取付部が所定の間隔を隔てて形成されていて、これらの第１取付部と第２取付部が前記本体部からＬ字状に折曲して形成されているとともに、
前記第１取付部と第２取付部との間には、これらの各取付部からそれぞれ内方に延出する内方延出部と、前記本体部から突出するリブ部が形成されていることを特徴とする半導体キャリヤ。
【請求項２】
前記内方延出部の幅は２ｍｍ以上で、前記リブ部の高さは２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体キャリヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に使用される高出力半導体レーザなどの半導体素子を搭載するマウント部を有する半導体キャリヤに係り、特に、低熱膨張率で高放熱性で耐衝撃性に優れた半導体キャリヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の大容量化に伴い、高出力の半導体レーザ素子が用いられるようになったが、このような半導体レーザ素子は発熱量が大きい。このため、この種の半導体レーザ素子を半導体キャリアに搭載して半導体レーザモジュールを構成した場合、半導体レーザ素子から発生した熱の放熱性が悪いことにより、半導体レーザ素子の消費電力が増大するという問題が生じた。そこで、半導体レーザ素子からの発熱を効率良く放熱でき、かつ消費電力が小さくなる半導体レーザモジュールが特許文献１（特開２００１−２８４７００号公報）にて提案されるようになった。
【０００３】
ところで、上述の特許文献１にて提案された半導体レーザモジュールにおいては、ペルチェモジュールを用いて冷却するため、放熱効率が向上する反面、大型になって、ペルチェモジュールによる消費電力も大きいという問題があった。そこで、光通信に使用される高出力半導体レーザなどの半導体素子を搭載するマウント部を有する半導体キャリヤとしては、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）合金の焼結体で構成されるようになった。このような低熱膨張率で、高放熱性の合金からなる焼結体を用いれば、ペルチェモジュールを用いることなく、半導体レーザ素子から発生した熱を効率よく放熱することができるようになる。
【０００４】
この場合、この種の焼結体を正確かつ容易に成形するため、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）法により所定の形状に成形した後、焼結することにより半導体キャリヤを作製するようにしている。そして、図２（ａ）（ｂ）に示すように、この種の半導体キャリヤ２０は、半導体レーザを搭載するマウント部２１を有するキャリヤベース２２を備えて、これらのマウント部２１とキャリヤベース２２が焼結により一体的に形成されている。キャリヤベース２２は、平板状で若干変形した形状の本体部２３と、本体部２３上に形成された円板状のリード固定部２４と、本体部２２からＬ字状に折曲して形成された一対の取付部２５，２６とを有している。そして、各取付部２５，２６には、この半導体キャリヤ２０を外部部材に取り付けるための取付開口２５ａ，２６ａがそれぞれ形成されている。
【０００５】
なお、キャリヤベース２２の上部に位置するマウント部２１は、その一側壁の表面は平面化されており、この平面化された面に半導体レーザなどの半導体素子が固定、保持されることとなる。そして、このように形成された半導体キャリヤ２０を外部部材の固定部上に配置し、取付部２５，２６にネジを螺着することにより、半導体キャリヤ２０は外部部材に固定されるようになる。これにより、マウント部２１に固定された半導体レーザからの出射光は、外部部材の固定部に対して水平方向に出射されることとなる。
【０００６】
この場合、各取付部２５，２６は互いに所定の距離だけ離間して本体部２２からＬ字状に折曲して形成されているが、これは、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）法により成形する際に、成形型のキャビティー内に空気などのガスが滞留するのを防止するためである。これにより、各取付部２５，２６での強度が低下して、半導体キャリヤ２０を外部部材の固定部上に固定した状態で機械的な衝撃荷重を附加する実験を行うと、各取付部２５，２６と本体部２２との境界部付近で破損が発生するという問題を生じた。
【特許文献１】
特開２００１−２８４７００号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者等は、各取付部２５，２６での強度を補強するために、図２（ｃ）に示されるように、各取付部２５，２６の間に本体部２２から突出するリブ部２７を形成した半導体キャリヤ２０ａを作製して破壊強度の検討を行った。ところが、上述のようにリブ部２７を設けた半導体キャリヤ２０ａを外部部材の固定部上に固定し、この状態で機械的な衝撃荷重を附加する実験を行ったところ、やはり本体部２２と各取付部２５，２６との境界部（この場合は、リブ部２７の延長部分）で破壊され、捩れ剛性が低いことが分かった。
【０００８】
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って、成形性を低下させることなく、容易に製造でき、捩れ剛性などの機械的強度が大きく、かつ、低熱膨張率で高放熱性で耐衝撃性に優れた半導体キャリヤ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、本発明の半導体キャリヤ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ている。そして、キャリヤベースは本体部と、キャリヤベースを外部部材に取り付けるための取付部とを有し、取付部は取付用開口を備えた第１取付部と第２取付部が所定の間隔を隔てて形成されていて、これらの第１取付部と第２取付部が本体部からＬ字状に折曲して形成されている。また、第１取付部と第２取付部との間には、これらの各取付部からそれぞれ内方に延出する内方延出部と、本体部から垂直に突出するリブ部が一体的に形成されている。
【００１０】
ここで、取付部と本体部との境界部での強度を補強するために、各取付部にこれから内方に延出する内方延出部を設けたり、本体部から各取付部間に突出するリブ部を設けたり、あるいは各取付部の厚みを厚くしたりして強度補強の効果を確認する実験（後述のＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃ規格に規定される機械的衝撃試験）を行った。この結果、これらのいずれであっても単独での補強においては、強度向上効果が極めて少ないことが分かった。
【００１１】
そこで、本発明の半導体キャリヤにおいては、第１取付部と第２取付部との間に内方延出部とリブ部が一体的に形成されるようにしている。このように構成した本発明の半導体キャリヤを用いて、上記の如き機械的衝撃試験を行ったところ、本体部と取付部との境界部で、亀裂が発生することが防止でき、かつ破壊が生じることも防止でき、これらの本体部と取付部との境界部での捻り剛性が向上していることが分かった。この場合、内方延出部の幅を２ｍｍ以上にし、かつリブ部の高さを２ｍｍ以上にすると、捻り剛性などの機械的強度が向上するという実験結果が得られた。このことから、内方延出部の幅は２ｍｍ以上にするのが望ましく、リブ部の高さも２ｍｍ以上にするのが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明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実施の形態を図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図であり、図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は正面図である。
【００１３】
１．半導体キャリヤ
本発明の半導体キャリヤ１０は、図１に示すように、半導体レーザを搭載するマウント部１１を有するキャリヤベース１２を備えていて、これらのマウント部１１とキャリヤベース１２が、ＷＣｕ合金あるいはＭｏＣｕ合金の焼結体により一体的に形成されている。キャリヤベース１２は、平板状で若干変形した形状の本体部１３と、本体部１３上に形成された円板状のリード固定部１４と、本体部１３からＬ字状に折曲して形成されて中心部に開口１５ａ，１６ａを備えた一対の取付部１５，１６とを備えている。なお、キャリヤベース１２の上部に位置するマウント部１１は、その一側壁の表面は平面化されており、六角柱状に形成されている。そして、この平面化された面に半導体レーザなどの半導体素子が固定、保持されることとなる。
【００１４】
また、本体部１３は、小型化するために取付部１５，１６側から中央部に向けてテーパー状に狭まり、かつ中央部から先端部の間は長方形状になるように形成されている。なお、その中央部には、リード固定部１４に形成されたリード線挿通孔１４ａ，１４ａ，１４ａに連通する貫通孔（図示せず）が形成されている。円板状のリード固定部１４にはリード線挿通孔１４ａ，１４ａ，１４ａが形成されていて、このリード線挿通孔１４ａ，１４ａ，１４ａは本体部１３に形成された貫通孔に連通するように形成されている。これにより、マウント部１１に固定された半導体レーザなどの半導体素子は、これらのリード線挿通孔１４ａ，１４ａ，１４ａに挿通、固定されたリード線に接続された外部回路に接続されるようになる。
【００１５】
一対の取付部１５，１６は、本体部１３からＬ字状に折曲して形成されていて、中心部に取付用開口１５ａ，１６ａが形成されている。この場合、取付部１５には、この取付部１５より内方（図１の左側）に向けて延出する内方延出部１５ｂが取付部１５と一体的に形成されている。また、取付部１６には、この取付部１６より内方（図１の右側）に向けて延出する内方延出部１６ｂが形成されている。さらに、内方延出部１５ｂと内方延出部１６ｂとの間には、本体部１３から突出するリブ部１７が形成されている。そして、これらの本体部１３と、リード固定部１４と、取付部１５，１６と、内方延出部１５ｂと、内方延出部１６ｂと、リブ部１７は焼結により一体的に形成されている。
【００１６】
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、上述のようにＷＣｕ合金の焼結体あるいはＭｏＣｕ合金の焼結体で構成されている。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が望ましい。これは、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。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が望ましい。これも、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。
【００１７】
２．内方延出部の幅およびリブ部の高さについての検討
ついで、内方延出部の幅（図１のｘ）およびリブ部の高さ（図１のｙ）について検討した。そこで、図１に示すように、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが３．０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが０ｍｍで、取付部１５，１６の厚みｚが１．０ｍｍになるように半導体キャリア１０を作製し、これを試料ａ１とした。この場合、内方延出部１５ｂ，１６ｂがないときの各取付部１５，１６の幅Ｘは３．８５ｍｍで、高さＹは４．５ｍｍで、開口部の直径は２．６ｍｍになるように形成されており、以下においても同様である。
【００１８】
また、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが０ｍｍで、取付部１５，１６の厚みｚが１．０ｍｍになるように半導体キャリア１０を作製して試料ａ２とし、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが０ｍｍで、取付部１５，１６の厚みｚが１．２ｍｍになるよう半導体キャリア１０を作製して試料ａ３とし、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが０ｍｍで、取付部１５，１６の厚みｚが１．５ｍｍになるように半導体キャリア１０を作製して試料ａ４とした。
【００１９】
さらに、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが１．０ｍｍで、取付部１５，１６の厚みｚが１．０ｍｍになるように半導体キャリア１０を作製して試料ａ５とし、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが２．０ｍｍで、取付部１５，１６の厚みｚが１．０ｍｍになるように半導体キャリア１０を作製して試料ａ６とし、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが３．０ｍｍで、取付部１５，１６の厚みｚが１．０ｍｍになるように半導体キャリアを作製して試料ａ７とした。
【００２０】
ついで、これらの各試料ａ１〜ａ７を用いて、これらをそれぞれＭ２ネジを用いて０．９Ｋｇｆのトルクで試験用治具にネジ止めした後、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃ規格に規定される機械的衝撃試験を行った。この場合の試験条件としては、各試料ａ１〜ａ７に１５００Ｇの衝撃力が加わるように、±Ｘ方向、±Ｙ方向および±Ｚ方向に０．５ｍｓの持続時間の衝撃パルスを５回ずつ繰り返して、各試料ａ１〜ａ７が固定された試験用治具に付与した。その結果、下記の表１に示すような試験結果が得られた。なお、表１の亀裂、破壊の発生回数においては、このような試験を２回行った場合の亀裂、破壊の発生回数を示している。そして、１／２は２回の内１回だけ亀裂、破壊が生じたことを示し、２／２は２回とも亀裂、破壊が生じたことを示している。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
上記表１の結果から明らかなように、内方延出部１５ｂ，１６ｂのみを形成しても、リブ部１７のみを形成しても、あるいは取付部１５，１６の厚みのみを厚くしても、亀裂、破壊が生じることが分かった。そこで、本発明においては、上述のようにこれらを複合させるようにし、内方延出部１５ｂ，１６ｂを取付部１５，１６の内側に一体的に形成するとともに、リブ部１７を内方延出部１５ｂ，１６ｂ間にこれらと一体的に形成するようにした。この場合、内方延出部の幅ｘをどの程度に設定し、リブ部の高さｙをどの程度に設定するのが望ましいかを以下に検討した。
【００２３】
そこで、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが２．０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが２．０ｍｍで、１５，１６の厚みｚが１．５ｍｍになるように半導体キャリア１０を作製して試料ｂ１とした。この場合、内方延出部１５ｂ，１６ｂがないときの各取付部１５，１６の幅Ｘは３．８５ｍｍで、高さＹは４．５ｍｍで、開口部の直径は２．６ｍｍになるように形成されており、以下においても同様である。また、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが２．０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが２．０ｍｍで、１５，１６の厚みｚが１．０ｍｍになるように半導体キャリアを作製して試料ｂ２とした。さらに、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅ｘが０ｍｍで、リブ部１７の高さｙが２．０ｍｍで、１５，１６厚みｚが１．５ｍｍになるような半導体キャリアを作製して試料ｂ３とした。
【００２４】
そして、これらの各試料ｂ１〜ｂ３を用いて、上述と同様の試験条件で、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃ規格に規定される機械的衝撃試験を行ったところ、下記の表２に示すような試験結果が得られた。なお、表２の亀裂、破壊の発生個数においては、このような試験を各試料ｂ１〜ｂ３を３個ずつ用いて行った場合の亀裂、破壊の発生個数を示している。そして、０／３は亀裂、破壊が生じた個数が０であることを示し、１／３は亀裂、破壊が個数が１個であることを示している。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
上記表２の結果から明らかなように、取付部１５，１６間に内方延出部１５ｂ，１６ｂを設けることなく、取付部１５，１６の厚みを厚くし、リブ部１７を設けるようにした試料ｂ３においては、亀裂、破壊が生じたものがあった。一方、内方延出部１５ｂ，１６ｂおよびリブ部１７の両方を形成した試料ｂ１と試料ｂ２とを比較すると、試料ｂ１のように取付部１５，１６の厚みを厚くしても、あるいは、試料ｂ２のように取付部１５，１６の厚みを厚くしなくても、亀裂、破壊が生じることはなかった。
【００２７】
このことは、捻り剛性に対しては、取付部１５，１６間にリブ部１７を設けるとともに、取付部１５，１６間に内方延出部１５ｂ，１６ｂを設けた方が、取付部１５，１６の厚みを厚くするよりは効果的であることを意味する。したがって、内方延出部１５ｂ，１６ｂを取付部１５，１６の内側に一体的に形成するとともに、リブ部１７を内方延出部１５ｂ，１６ｂ間にこれらと一体的に形成する必要がある。この場合、内方延出部１５ｂ，１６ｂの幅は２ｍｍ以上にするのが望ましく、リブ部１７の高さも２ｍｍ以上にするのが望ましい。
【００２８】
３．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１０の作製手順を以下に詳細に説明する。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。
【００２９】
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５０００ｒｐｍ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。
【００３０】
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４０〜４５ｖｏｌ％に対して、バインダーを６０〜５５ｖｏｌ％添加し、１００〜２００℃に加熱しながら混合、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、蜜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。
【００３１】
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）を得た。この後、得られた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、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、グリーン体を脱バインダ処理した。
【００３２】
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。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。
【００３３】
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、昇温速度が５℃／１時間で、１０００〜１５００℃の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、図１に示すような半導体キャリヤ１０が得られる。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように、本発明の半導体キャリヤ１０においては、第１取付部１５と第２取付部１６との間に内方延出部１５ｂ，１６ｂとリブ部１７が一体的に形成されるようにしている。この結果、本体部１３と取付部１５，１６との境界部で、亀裂が発生することが防止でき、かつ破壊が生じることも防止でき、これらの本体部１３と取付部１５，１６との境界部での捻り剛性が向上した。この場合、内方延出部の幅を２ｍｍ以上にし、かつリブ部の高さを２ｍｍ以上にすると、捻り剛性などの機械的強度が向上するので、内方延出部の幅は２ｍｍ以上にするのが望ましく、リブ部の高さも２ｍｍ以上にするのが望ましい。
【００３５】
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模式的に示す図であり、図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は正面図である。
【図２】従来例の半導体キャリヤを模式的に示す図であり、図２（ａ）は斜視図であり、図２（ｂ）は正面図であり、図２（ｃ）は他の従来例を模式的に示す正面図である。
【符号の説明】
１０…半導体キャリヤ、１１…マウント部、１２…キャリヤベース、１３…本体部、１４…リード固定部、１４ａ…リード線挿通孔、１５…第１取付部、１５ａ…取付用開口、１５ｂ…内方延出部、１６…第２取付部、１６ａ…取付用開口、１６ｂ…内方延出部、１７…リブ部
【図１】
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【図２】
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