(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の部材をＡｕ−Ｓｎ合金で次々と接合する際に、前記Ａｕ−Ｓｎ合金と２個の部材のうち少なくとも一方の部材の表面に形成されたＡｕ層とで前記２個の部材を接合することにより、接合後の接合部におけるＡｕ−Ｓｎ合金の組成を、Ｓｎの質量分率が１３質量％以下である組成にする部材の接合方法であって、
前記Ａｕ層の前記Ａｕ−Ｓｎ合金への熱拡散により、前記接合後の接合部におけるＡｕ−Ｓｎ合金の融点が、接合前の前記Ａｕ−Ｓｎ合金の融点よりも高くなる工程を順次反復することを特徴とする部材の接合方法。
【請求項２】
前記Ａｕ層および前記Ａｕ−Ｓｎ合金に関しては、次式：
【数１】
0004514400.tif 000003
（ただし、ｓ1、ｔ1、ρ1、ｆは、それぞれ、用いるＡｕ−Ｓｎ合金の面積、厚み、比重、Ｓｎの質量分率（％）を表し、ｓ2、ｔ2、ρ2は、それぞれ、Ａｕ層の面積、厚み、比重を表す）を満たす条件を選択し、かつ接合温度を前記Ａｕ−Ｓｎ合金の共晶温度以上３８０℃以下に設定することを特徴とする請求項１に記載の部材の接合方法。
【請求項３】
前記複数の部材が、ＬＤチップとヒートシンク、または前記ＬＤチップとヒートシンクの接合部材とＬＤベースであることを特徴とする請求項１に記載の部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の部材をＡｕ−Ｓｎ合金で接合する接合方法とその方法で得られた接合部材に関し、更に詳しくは、接合時に部材相互間で起こる遊動現象を防止するように管理されていて、とくに、半導体レーザモジュールの組み立て時に適用して有効な接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体レーザモジュールの場合、ＬＤチップ、ＬＤチップのヒートシンク、サーミスタ、ホトダイオード、レンズなどの各部材が所定の位置関係で配列されている１枚のベース（ＬＤベース）を、金属製のパッケージの中に接合配置されたペルチェモジュールの上に接合して組み立てられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
そして、上記したＬＤベースにおいて、ＬＤチップとそのヒートシンクとの間、更にはＬＤチップとヒートシンクを接合一体化して成る部材とＬＤベースとの間は、従来からＡｕ−Ｓｎ合金を用いて接合されている。
一方、パッケージとペルチェモジュールの間、またペルチェモジュールとＬＤベースの間は通常、はんだを用いて接合されている。
【０００４】
したがって、例えば、パッケージとペルチェモジュールとＬＤベースを相互に接合する場合には、融点が異なる２種類のはんだを用いて接合することが必要である。仮に接合すべき部材が４種類であれば、用いるはんだは３種類になる。
上記した３部材を相互に接合する場合、まず、パッケージとペルチェモジュールを例えばＰｂ−４０％Ｓｎ（融点１８３℃）を用いて接合し、ついで得られた接合部材におけるペルチェモジュールの上に、より融点が低い例えばＩｎ−Ｐｂ−Ａｇ（融点１４４℃）を用いてＬＤベースが接合されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１２２５８５号公報（第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＬＤチップとヒートシンクの間の接合、更には得られた部材とＬＤベースの間の接合に際しては、通常、ある組成のＡｕ−Ｓｎ合金から成り、ある面積と厚みを有する箔をＬＤチップとヒートシンクの間に介装し、または、被接合部材のどちらか一方に、ある組織のＡｕ−Ｓｎ合金層をスパッタ法や蒸着法などで形成した部材を用いて被接合部材を重ね合わせ、当該Ａｕ−Ｓｎ合金の共晶点以上の温度に加熱したのち冷却し、更に、得られた部材とＬＤベースの間に別のＡｕ−Ｓｎ合金箔を介装し、または、被接合部材のどちらか一方に、ある組織のＡｕ−Ｓｎ合金層をスパッタ法や蒸着法などで形成した部材を用いて被接合部材を重ね合わせ、同様の熱処理と冷却が実施される。
【０００７】
しかしながら、後段の接合過程で、前段の接合によって形成されている接合部（冷却・固化したＡｕ−Ｓｎ合金層）が再溶融して、ＬＤチップがヒートシンクから遊動し、両者の位置関係がずれるという問題が発生する。
このような問題の発生は、ＬＤチップの駆動時に発生する熱量をヒートシンクで吸収することによりＬＤチップの駆動安定性を確保するという問題にとって不都合である。
【０００８】
一方、パッケージとペルチェモジュールとＬＤベースとのはんだ接合で組み立てられた部材の場合、その高温下での信頼性、例えば強度が確保されているか否かという問題は、組み立て時の最後に用いたはんだの融点で律せられることになる。前記した例でいえば、Ｉｎ−Ｐｂ−Ａｇ（融点１４４℃）の高温強度で大きく影響を受けることになる。
【０００９】
したがって、モジュールにおける高温信頼性を高めようとする場合には、上記したパッケージとペルチェモジュールとＬＤベースとの接合に際しては、Ｐｂはんだに代えてより融点の高い接合材を用いることが好適である。
このような接合材の１つとして、前記したＡｕ−Ｓｎ合金がある。この合金は、組成によっても異なるが、実使用されているものの融点は概ね、２７０〜３８０℃程度であり、高温強度も優れている。
【００１０】
しかしながら、３種類の部材をＡｕ−Ｓｎ合金で順次接合する場合には、ＬＤチップとヒートシンク、これら両者の接合部材とＬＤベースの接合に関して説明したような問題が発生することが考えられるので、現在までのところ、パッケージとペルチェモジュールとＬＤベースとの接合にＡｕ−Ｓｎ合金を用いる事例は知られていない。
【００１１】
本発明は、複数の部材を全てＡｕ−Ｓｎ合金で接合する際に危惧される上記した問題を解決した新規な接合方法とその方法で得られた接合部材の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、複数の部材をＡｕ−Ｓｎ合金で次々と接合する際に、前記Ａｕ−Ｓｎ合金と前記２個の部材のうち少なくとも一方の部材の表面に形成されたＡｕ層とで前記２個の部材を接合することにより、接合後の接合部におけるＡｕ−Ｓｎ合金の組成を、Ｓｎの質量分率が１３質量％以下である組成にする部材の接合方法であって、前記Ａｕ層の前記Ａｕ−Ｓｎ合金への熱拡散により、前記接合後の接合部におけるＡｕ−Ｓｎ合金の融点が、接合前の前記Ａｕ−Ｓｎ合金の融点よりも高くなる工程を順次反復することを特徴とする部材の接合方法が提供される。
【００１３】
具体的には、表面にＡｕ層が形成されている部材を、このＡｕ層側にてＡｕ−Ｓｎ合金を用いて他の部材と接合する。そして、その際に、前記Ａｕ層および前記Ａｕ−Ｓｎ合金に関しては、次式：
【００１４】
【数２】
0004514400.tif 000002
【００１５】
（ただし、ｓ1，ｔ1，ρ1，ｆは、それぞれ、用いるＡｕ−Ｓｎ合金の面積、厚み、比重、Ｓｎの質量分率（％）を表し、ｓ2，ｔ2，ρ2は、それぞれ、Ａｕ層の面積、厚み、比重を表す）
を選択し、かつ接合温度を前記Ａｕ−Ｓｎ合金の共晶温度以上３８０℃以下に設定する部材の接合方法が提供される。
【００１６】
更に、本発明においては、少なくとも２個の部材が、Ｓｎの質量分率が１３％以下である組成のＡｕ−Ｓｎ合金で接合されていることを特徴とする接合部材が提供される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の接合方法は、以下に説明する技術思想を基礎とする。
（１）一般に部材間をＡｕ−Ｓｎ合金で接合する場合、部材間の接合強度を適正化するために、少なくとも一方の部材の接合される側の表面にはＡｕ層が形成されている。
【００１８】
（２）加熱によるＡｕ−Ｓｎ合金の溶融時には、上記したＡｕ層のＡｕ成分はＡｕ−Ｓｎ合金に熱拡散するので、当該Ａｕ−Ｓｎ合金はＡｕリッチな組成に変化した状態で固化し、接合部を形成する。
（３）一方、接合に用いられる通常のＡｕ−Ｓｎ合金は、Ｓｎの質量分率（ｆ）が２０〜３０％の範囲内にある。そして、Ａｕ−Ｓｎ状態図によれば、Ａｕ−２０％Ｓｎ合金の融点は約２７８℃、Ａｕ−３０％Ｓｎ合金の融点は約３８０℃である。
【００１９】
また、Ａｕ−Ｓｎ状態図によれば、Ｓｎの質量分率（ｆ）が１３％以下になると、そのＡｕ−Ｓｎ合金は、融点が４８０℃と高温であるζ相が過半を占めた状態になる。
（４）したがって、例えばＳｎの質量分率（ｆ）が２０〜３０％のＡｕ−Ｓｎを用いて部材間を接合した場合、少なくとも一方の部材の表面Ａｕ層の熱拡散により、使用したＡｕ−Ｓｎ合金におけるＡｕ成分がリッチになる。逆にいえばＳｎ成分がプアーになる。そして固化後のＡｕ−Ｓｎ合金におけるＳｎの質量分率（ｆ）が１３％以下になれば、形成された接合部の過半はζ相で占められることになる。すなわち、形成された接合部の融点は、使用当初のＡｕ−Ｓｎ合金の融点（高くても約３８０℃）よりも高くなっている。
【００２０】
（５）したがって、得られた接合部材に、更に上記と同じＡｕ−Ｓｎ合金を用いて他の部材の接合を行っても、そのときの接合温度は高くても約３８０℃であるため、既に形成されている接合部の再溶融は起こらない。
（６）この操作を順次反復することにより、接合に用いるＡｕ−Ｓｎ合金は同じであっても、後述する点を管理すれば、前段の接合時に形成された接合部の再溶融を招くことなく、複数の部材を次々と接合することが可能になる。
【００２１】
そこで、具体的な管理事項を以下に説明する。
まず、図１で示したように、部材１Ａと部材１Ｂの間にＡｕ−Ｓｎ合金箔を介装して接合する場合を考える。ここで、部材１Ｂの表面には、Ａｕ層３が形成されているものとする。
Ａｕ−Ｓｎ合金箔２におけるＳｎの質量分率をｆ（％）、合金箔の面積をｓ1，厚みをｔ1，比重をρ1とする。また、Ａｕ層３の面積をｓ2，厚みをｔ2，比重をρ2とする。このとき、Ａｕ−Ｓｎ合金箔２におけるＳｎ量は、ｓ1・ｔ1・ρ1・ｆとなる。
【００２２】
接合後にあっては、合金箔２とＡｕ層は一体化して１個のＡｕ−Ｓｎ合金に転化して接合部になるが、そのときの接合部全体の質量は、
ｓ1・ｔ1・ρ1＋ｓ2・ｔ2・ρ2となる。
この接合部におけるＳｎ量は接合の前後では変わらず、その値はｓ1・ｔ1・ρ1・ｆのままである。
【００２３】
したがって、（１）式が成立していれば、接合部を形成するＡｕ−Ｓｎ合金は、そのＳｎの質量分率（ｆ）が１３％以下となっていて、そこではζ相が過半を占めた状態になっている。
実際の接合に際しては、部材１Ｂに形成されているＡｕ層３の厚みと面積、また使用するＡｕ−Ｓｎ合金箔２の種類、厚み、面積のそれぞれを、（１）式を満足するような値に選定する。
【００２４】
そして、Ａｕ−Ｓｎ合金箔２を介装した状態で両部材を重ね合わせ、加熱してＡｕ−Ｓｎ合金箔を溶融する。
そのときの温度は、用いたＡｕ−Ｓｎ合金箔におけるＡｕ−Ｓｎ合金の組成に対応した共晶温度以上に設定される。そして、一般に、接合に用いるＡｕ−Ｓｎ合金におけるＳｎの質量分率（ｆ）の最大値は３０％であり、そのときの共晶温度は約３８０℃であるため、結局、接合時の温度は共晶温度以上３８０℃以下に設定される。
【００２５】
Ａｕ−Ｓｎ合金箔を溶融したのち冷却して接合部が形成される。このときの接合部は、（１）式の条件選定がなされているので、Ｓｎの質量分率（ｆ）が１３％以下で、融点４８０℃のζ相が過半を占めた組成のＡｕ−Ｓｎ合金になっている。
このようにして得られた接合部材に、更にＡｕ−Ｓｎ合金で他の部材を接合する場合、そのときの接合温度は用いるＡｕ−Ｓｎ合金の共晶温度以上３８０℃以下であるため、ζ相が過半を占め、既に形成されている接合部の再溶融が起こることはない。
【００２６】
【実施例】
実施例１
Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｕ−Ｓｎ合金の薄層が順次積層されている表面１ａを有するＡｌＮから成るキャリア部材１Ａの最上層Ａｕ−Ｓｎ合金層は、面積（ｓ1）９×１０4μｍ2、厚み（ｔ1）２.５〜４.０μｍ、比重（ρ1）１.２、Ｓｎの質量分率（ｆ）３０％のＡｕ−Ｓｎ合金組成とした（図２）。
【００２７】
一方、ＬＤチップ部材１Ｂの表面１ｂにＴｉ，Ｐｔの薄層を順次積層したのち、そこに、面積（ｓ2）７.５×１０4μｍ2、厚み（ｔ2）５〜６μｍ、比重（ρ2）１９.３のＡｕ層をめっき形成した。
Ａｕ−Ｓｎ合金層とＡｕ層を重ね合わせたのち温度３６０℃に加熱して接合した。形成された接合部の合金組成は、Ａｕ−（７.５〜１１.７）％Ｓｎになっていた。
【００２８】
ついで、得られた接合部材のキャリア部材１Ａと銅タングステン合金から成るＬＤベースとの間に、組成がＡｕ−２０％Ｓｎである合金箔を介装し、温度３６０℃まで加熱して両者を接合した。
この加熱過程で、ＬＤチップ部材１Ｂとキャリア部材１Ａの接合部が再溶融することなく、したがって、ＬＤチップ部材１Ｂが遊動するという事態も起こらなかった。
【００２９】
実施例２
図３で示した半導体レーザモジュールを組み立てるに当たり、パッケージとペルチェモジュールの接合、ペルチェモジュールとＬＤベースの接合をいずれもＡｕ−Ｓｎ接合を用いて行った。
なお、ペルチェモジュールは、図４に例示したように、２枚の絶縁板と、これら絶縁板の間に介装された複数のペルチェ素子とからなる。
【００３０】
ここで、パッケージの表面はＮｉめっき層と厚み４μｍのＡｕ層が順次形成されており、ペルチェモジュールの表面は縦１０mm、幅８０mmの大きさで、上面と下面には、いずれも２μｍのＡｕ層が形成されている。また、ＬＤベースの表面は縦９mm、幅８mmの大きさで、上面と下面には、いずれも厚み２μｍのＡｕ層が形成されている。
【００３１】
パッケージとペルチェモジュールの間に、縦８mm、幅４.５mm、厚み０.０１mmのＡｕ−２０％Ｓｎ合金箔２Ａを介装し、温度３４０℃で接合処理を行った。接合部の組成は、Ａｕ−１１％Ｓｎ合金になった。
ついで、ペルチェモジュールとＬＤベースの間に、縦５mm、幅５mm、厚み０.０１mmのＡｕ−２０％Ｓｎ合金箔を介装し、再び温度３４０℃で接合処理を行った。接合部の組成は、Ａｕ−１２％Ｓｎ合金になった。
【００３２】
ＬＤベースの接合の過程で、既に接合されているペルチェモジュールとパッケージが互いに遊動するという現象は全く起こらなかった。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、Ａｕ−Ｓｎ合金を用いる本発明の部材間の接合方法は、用いるＡｕ−Ｓｎ合金の組成と形状、接合対象の部材の表面におけるＡｕ層の形状に関する各要素を（１）式が成立するように選定することにより、接合後の接合部におけるＡｕ−Ｓｎ合金の組成を、そのＳｎの質量分率（ｆ）が１３％以下となるようにして高温のζ相を過半とする状態に管理する接合方法である。
【００３４】
そのため、得られた接合部材に更に他の部材をＡｕ−Ｓｎ合金で接合した場合であっても、既に形成されている接合部の再溶融は起こらず、部材間における遊動は起こらなくなる。
また、この接合方法で例えば半導体レーザモジュールを組み立てれば、Ａｕ−Ｓｎ合金の融点は最低でも約２８０℃程度であるため、組み立てられた半導体レーザモジュールはその高温信頼性が高いものになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接合方法の条件式（１）を説明するための模式図である。
【図２】実施例１の接合方法を説明するための模式図である。
【図３】実施例２の接合方法を説明するための模式図である。
【図４】ペルチェモジュールの模式図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ        接合対象の部材
１ａ              部材１Ａの表面層
１ｂ              部材１Ｂの表面層
２，２Ａ，２Ｂ    Ａｕ−Ｓｎ合金（箔）
３                Ａｕ層
【図１】
0004514400.tif 000004
【図２】
0004514400.tif 000005
【図３】
0004514400.tif 000006
【図４】
0004514400.tif 000007