(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを搭載する搭載ステムを有する半導体装置において、
前記搭載ステムは、前記半導体チップに近似した熱膨張係数を有するＭｏまたはＷである第１金属部と、この第１金属部を両側からサンドイッチ状に挟む変形が容易なＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金のいずれかである第２金属部とを有してなり、
前記搭載ステムは、位置決めの基準となる基盤ステムに連結され、
前記搭載ステムにおける前記半導体チップの搭載面側の第２金属部のみが、位置調整により変形されてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体チップを搭載する搭載ステムを有する半導体装置において、
前記搭載ステムは、前記半導体チップに近似した熱膨張係数を有するＭｏまたはＷである第１金属部と、この第１金属部を両側からサンドイッチ状に挟む変形が容易なＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金のいずれかである第２金属部とを有してなり、
前記搭載ステムは、位置決めの基準となる基盤ステムに連結され、
前記搭載ステムは、前記第２金属部が前記第１金属部より外側に突き出した突き出し部を有し、この突き出し部の端部が前記基盤ステムに連結されることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体チップを搭載する搭載ステムを有する半導体装置において、
前記搭載ステムは、前記半導体チップに近似した熱膨張係数を有するＭｏまたはＷである第１金属部と、この第１金属部を両側からサンドイッチ状に挟む変形が容易なＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金のいずれかである第２金属部とを有してなり、
前記搭載ステムを構成する前記第１、第２金属部を延長した部分に、位置決めの基準となる基盤ステムが一体的に形成されてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップが、半導体レーザチップからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１金属部がＭｏであり、前記第２金属部がＣｕであり、
前記搭載ステムの熱膨張係数が、７．４×１０−６／Ｋ以上、１１．０×１０−６／Ｋ以下の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置決めされた半導体チップを搭載する半導体装置に関するものであり、特に、半導体チップを搭載するステムの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光計測に用いられる半導体レーザやフォトダイオードといった半導体チップを搭載する半導体装置においては、搭載される半導体チップの正確な位置決めが必要である。半導体装置内における半導体チップの搭載位置がばらつくと、同じ半導体チップを搭載した半導体装置であっても、光計測における計測値や計測精度が異なってしまう。従って、このように半導体チップの正確な位置決めが必要な半導体装置にあっては、半導体チップを搭載するステムについても、正確な位置決め調整がなされている。
【０００３】
図４に、半導体レーザチップ４を搭載した従来の半導体レーザ装置１００の構造を模式的に示す。
【０００４】
図４に示した従来の半導体レーザ装置１００においては、位置決めの基準となる基盤ステム１と、半導体レーザチップ４を搭載する搭載ステム２を備えており、搭載ステム２は基盤ステム１に対し、銀ロウ３で固定されている。搭載ステム２には、シリコン（Ｓｉ）またはセラミックス等からなるサブマウントチップ４０を介して、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる半導体レーザチップ４が搭載されている。
【０００５】
基盤ステム１は、シェル８、およびシェル８の窓９に設けたフィルタ１０と共に、半導体装置１００のパッケージを構成する。また、基盤ステム１にはハーメチックガラス６でシールされたリードピン５が貫通し、リードピン７の先端と半導体レーザチップ４が金ワイヤ７で接続されている。このようにして、リードピン５および金ワイヤ７を通して給電される半導体レーザチップ４から、レーザ光１１が発射される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す半導体レーザ装置１００では、レーザ光１１の発光点位置の精度が必要とされ、半導体レーザチップ４とサブマウントチップ４０を搭載する搭載ステム２の搭載面の位置精度を高める必要がある。しかしながら、基盤ステム１と搭載ステム２のロウ付け工程においては、位置ずれが発生し易い。このため、図５に示すように、基盤ステム１と搭載ステム２のロウ付け工程後に、ポンチ３０で叩いて搭載ステム２を変形させ、搭載ステム２の搭載面位置の調整を行う。従って、搭載ステム２の材料としては、変形が容易な、柔らかい金属である必要がある。また、半導体レーザチップ４は発熱量が大きいため、発生する熱を効率よく逃がす必要もある。以上のような要求から、熱伝導率が高くて、変形し易くて位置調整が容易な無酸素銅（Ｃｕ）のブロックが、搭載ステム２の材料として用いられている。尚、基盤ステム１の材料は、鉄（Ｆｅ）である。
【０００７】
このＣｕブロックからなる搭載ステム２を基盤ステム１に銀ロウ３で固定した後、半導体レーザチップ４とサブマウントチップ４０の搭載面の位置を調整している。
【０００８】
しかしながら、この搭載ステム２に採用されているＣｕブロックの熱膨張係数は、サブマウントチップ４０や半導体レーザチップ４のＳｉ，ＧａＡｓと比較して３倍程度ある。従って、サブマウントチップ４０と半導体レーザチップ４を搭載ステム２に接合した後には、サブマウントチップ４０や半導体レーザチップ４に残留応力が発生している。このため、長期間使用すると、冷熱の繰り返しによって半導体レーザチップ４の特性が変化したり、半導体レーザチップ４やサブマウントチップ４０に割れが発生するといった問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、搭載される半導体チップが、容易でかつ正確に位置決めされ、長期間の冷熱の繰り返しによっても、半導体チップに特性変化や割れが発生しない半導体装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の半導体装置は、半導体チップを搭載する搭載ステムを有する半導体装置において、前記搭載ステムは、前記半導体チップに近似した熱膨張係数を有するＭｏまたはＷである第１金属部と、この第１金属部を両側からサンドイッチ状に挟む変形が容易なＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金のいずれかである第２金属部とを有してなり、前記搭載ステムは、位置決めの基準となる基盤ステムに連結され、前記搭載ステムにおける前記半導体チップの搭載面側の第２金属部のみが、位置調整により変形されてなることを特徴としている。
【００１１】
搭載ステムを、半導体チップの熱膨張係数に近似した第１金属部を変形が容易な第２金属部で両側から挟んだサンドイッチ構造とすることにより、変形が容易な第２金属部のみで搭載ステムを形成した場合に較べて、搭載ステムの熱膨張係数をより半導体チップに近づけることができる。従って、搭載ステムと半導体チップの熱膨張係数の差に起因した、長期間の冷熱の繰り返しによって発生する半導体チップの特性変化や割れを低減することができる。
前記第１金属部は、ＭｏまたはＷであることが好ましい。一般的な金属が半導体チップの数倍の熱膨張係数を有するのに対し、ＭｏとＷは、半導体チップにほぼ等しい熱膨張係数を有している。従って、ＭｏまたはＷを、前記搭載ステムのサンドイッチ状の中央の第１金属部に用いることで、搭載ステムの熱膨張係数をより半導体チップに近づけることができる。これによって、搭載ステムと半導体チップの熱膨張係数の差に起因する半導体チップの特性変化や割れを低減することができる。
また、前記第２金属部は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金のいずれかであることが好ましい。これらの金属は、比較的変形し易く、また材料費も高くない。従って、これらの金属を前記搭載ステムにおけるサンドイッチ状の両側の第２金属部に用いることで、搭載ステムの搭載面を容易に変形させ、位置調整することができる。これによって、材料面と加工面の両方において、製造コストを低減することができる。
上記半導体装置において、前記搭載ステムは、位置決めの基準となる基盤ステムに連結される。これにより、搭載ステムを位置決めの基準となる基盤ステムに連結するに際して位置ずれが発生しても、当該搭載ステムは、両側に変形が容易な第２金属部を有しているため、位置調整のための変形を容易に行うことができる。 
また、ＭｏまたはＷはＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金のいずれかに較べて変形が容易でないため、当該半導体装置においては、Ｃｕからなる搭載面側の軟質金属だけを変形して、位置調整を行う。Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金のいずれかは柔らかいためポンチで叩くことにより容易に位置調整できるが、当該半導体装置は、位置調整量が少なくできる半導体装置に適している。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、半導体チップを搭載する搭載ステムを有する半導体装置において、前記搭載ステムは、前記半導体チップに近似した熱膨張係数を有するＭｏまたはＷである第１金属部と、この第１金属部を両側からサンドイッチ状に挟む変形が容易なＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金のいずれかである第２金属部とを有してなり、前記搭載ステムは、位置決めの基準となる基盤ステムに連結され、前記搭載ステムは、前記第２金属部が前記第１金属部より外側に突き出した突き出し部を有し、この突き出し部の端部が前記基盤ステムに連結されることを特徴としている。
【００１３】
これによれば、サンドイッチ状の搭載ステムにおいて、中央の第１金属部に対し両側の第２金属部を所定の位置で突き出し形成することで、突き出し部の中央は、第１金属部のない空間となる。従って、この突き出し部の端部を基盤ステムに連結した搭載ステムは、突き出し部を形成せず中央の第１金属部も共に基盤ステムに連結したものに較べ、より変形し易くなる。よって、本発明の半導体装置は、大きな位置調整範囲が必要な搭載ステムに好適である。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、半導体チップを搭載する搭載ステムを有する半導体装置において、前記搭載ステムは、前記半導体チップに近似した熱膨張係数を有するＭｏまたはＷである第１金属部と、この第１金属部を両側からサンドイッチ状に挟む変形が容易なＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金のいずれかである第２金属部とを有してなり、前記搭載ステムを構成する前記第１、第２金属部を延長した部分に、位置決めの基準となる基盤ステムが一体的に形成されてなることを特徴としている。
【００１５】
これによれば、基盤ステムと搭載ステムが一体的に形成されるため、基盤ステムと搭載ステムを連結する工程がなくなる。従って、連結の際に発生する位置ずれがなくなるため、搭載ステムの連結後の位置調整も必要がなくなり、製造コストを低減することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、前記半導体チップが、半導体レーザチップからなることを特徴としている。
【００１７】
レーザレーダ等の光計測等に用いられる半導体レーザチップは、当該チップが出射するレーザ光のビーム径が小さいため高精度の計測が可能であるが、それに呼応して、発光点の位置精度が特に要求される。本発明の半導体装置では半導体チップが簡単かつ正確に位置決めされ、高い位置決め精度が要求される半導体レーザチップを搭載する半導体装置に好適である。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、前記第１金属部がＭｏであり、前記第２金属部がＣｕであり、前記搭載ステムの熱膨張係数が、７．４×１０−６／Ｋ以上、１１．０×１０−６／Ｋ以下の範囲にあることを特徴としている。
【００１９】
半導体レーザチップは、一般的に発熱量が大きいため放熱を必要とし、搭載ステムには、熱伝導性の良い材料が好ましい。従って、搭載ステムにおけるサンドイッチ状の両側の第２金属部をＣｕとし、中央の第１金属部と両側のＣｕの厚さを前記の範囲とすることで、半導体レーザチップの搭載に必要な熱伝導性と熱膨張係数のマッチングを両立させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における半導体レーザチップを搭載した半導体レーザ装置の構造を示す模式図である。以下、図１に示した半導体レーザ装置１０１について説明するが、図１において、図４に示した従来の半導体レーザ装置１００と同様の部分については同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００２７】
図１に示した本実施形態の半導体レーザ装置１０１においては、図４に示した従来の半導体レーザ装置１００と同様に、位置決めの基準となる基盤ステム１と、半導体レーザチップ４およびサブマウントチップ４０を搭載する搭載ステム２０を備えている。搭載ステム２０には、ＳｉまたはＧａＡｓからなるサブマウントチップ４０を介して、ＧａＡｓからなる半導体レーザチップ４が搭載されている。サブマウントチップ４０と搭載ステム２０の接合は、接合部に金（Ａｕ）薄膜層を形成した搭載ステム２０と、接合部に金−スズ（Ａｕ―Ｓｎ）薄膜層を形成したサブマウントチップ４０を、半田付けにより接合している。同様にして、半導体レーザチップ４とサブマウントチップ４０の接合も、接合部に金−スズ（Ａｕ―Ｓｎ）薄膜層を形成した半導体チップ同士を、半田付けにより接合している。
【００２８】
一方、本発明の半導体装置１０１の搭載ステム２０は、図４に示した従来の半導体装置１００のＣｕブロックからなる搭載ステム２と、構造を異にしている。図１の搭載ステム２０は、中央の第１金属部２１とその両側にある第２金属部２２，２３のサンドイッチ構造を有している。この第１金属部２１は、半導体チップ４，４０の熱膨張係数に近似した低熱膨張金属２１（厚さｔ20）であり、その両側から第２金属部２２，２３として変形が容易な軟質金属２２，２３（厚さｔ21，ｔ22）で挟んだ、いわゆるクラッド材で形成されている。中央の低熱膨張金属２１はモリブデン（Ｍｏ、熱膨張係数５．１×１０-6／Ｋ）で、サブマウントチップ４０と半導体レーザチップ４の材料であるＳｉ（熱膨張係数３×１０-6／Ｋ）やＧａＡｓ（熱膨張係数５．９×１０-6／Ｋ）とほぼ等しい熱膨張係数を持っている。両側の軟質金属２２，２３は、従来と同じ、無酸素銅（Ｃｕ、熱膨張係数１７×１０-6／Ｋ）である。クラッド材の全体厚さは、１．５ｍｍである。中央のＭｏからなる低熱膨張金属２１の厚さｔ21と両側のＣｕからなる軟質金属２２，２３の厚さｔ22，ｔ23の比ｔ22：ｔ21：ｔ23は、２：１：２であり、この時のクラッド材の熱膨張係数は１１．０×１０-6／Ｋとなる。この厚さの比ｔ21：ｔ20：ｔ22は、１：２：１であってもよい。この時のクラッド材の熱膨張係数は７．４×１０-6／Ｋとなる。
【００２９】
このように、搭載ステムの構造を低熱膨張金属のＭｏを軟質金属のＣｕで挟んだサンドイッチ構造とすることにより、図４に示した従来のＣｕのみのブロックで搭載ステム２を形成した場合に較べて、搭載ステム２０の熱膨張係数を半導体チップ４，４０の熱膨張係数により近づけることができる。従って、図４に示した従来の半導体装置１００で発生していた、搭載ステムと半導体チップの熱膨張係数の差に起因した、長期間の冷熱の繰り返しによって発生する半導体チップの特性変化や割れを、低減することができる。
【００３０】
半導体レーザチップ４は一般的に発熱量が大きいため放熱を必要とするため、搭載ステム２０には高い熱伝導性も要求される。本実施形態においては、搭載ステム２０を形成しているクラッド材の両側の軟質金属２２，２３をＣｕとすることで、高い熱伝導性を確保している。前記したｔ21：ｔ20：ｔ22＝１：２：１またはｔ21：ｔ20：ｔ22＝２：１：２の厚さ比からなるクラッド材で形成した搭載ステム２０においては、この半導体レーザチップ４を搭載した場合に必要とされる熱伝導性と熱膨張係数のマッチングを両立させたものである。
【００３１】
また、図４に示した半導体装置１０１においては、サンドイッチ構造のＭｏとＣｕからなる搭載ステム２０の端部を、銀ロウ３で基盤ステム１に連結している。ＭｏはＣｕに較べて変形が容易でないため、Ｃｕからなる搭載面側の軟質金属２２だけを変形して、位置調整を行う。Ｃｕは柔らかいためポンチで叩くことにより容易に位置調整できるが、図１に示した本実施形態の半導体装置１０１は、図５に示した位置調整量ａが少なくできる半導体装置に適している。
【００３２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、低熱膨張金属と軟質金属からなるサンドイッチ状の搭載ステムの端部を基盤ステムに連結した半導体装置を示した。本実施形態は、第１金属部である中央の低熱膨張金属に対して、第２金属部である両側の軟質金属を突き出し形成し、当該突き出し部の端部を基盤ステムに連結した半導体装置に関する。以下、本実施形態を図に基づいて説明する。
【００３３】
図２は、本実施形態における半導体レーザ装置１０２を示す模式図である。以下、図２に示した半導体レーザ装置１０２について説明するが、第１の実施形態である図１の半導体レーザ装置１０１と同様の部分については同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００３４】
図２に示した半導体レーザ装置１０２は、図１に示した半導体レーザ装置１０１と比較し、搭載ステムの構造を異にしている。図２に示した半導体レーザ装置１０２の搭載ステム２５は、第１金属部である中央の低熱膨張金属２１に対して、第２金属部である両側の軟質金属２２，２３が突き出した突き出し部２４が形成され、当該突き出し部２４の端部が、銀ロウ３で基盤ステム１に連結されている。
【００３５】
この突き出し部２４を形成し、突き出し部２４の端部を基盤ステム１に固定した搭載ステム２５においては、低熱膨張金属２１が基盤ステム１に接合されず、突き出し部２４の中央は低熱膨張金属２１のない空間となる。従って、図１に示した搭載ステム２０に較べ、本実施例の搭載ステム２５はより変形し易く、図５に示した位置調整量ａが大きくできる。図２に示した本実施形態の半導体装置１０２は、大きな位置調整量が必要な半導体装置に適している。
【００３６】
（第３の実施形態）
第１と第２の実施形態では、サンドイッチ状の搭載ステムが基盤ステムにロー付けにより連結された半導体装置を示した。本実施形態は、基盤ステムが搭載ステムと同じクラッド材により、搭載ステムと共に一体的に形成された半導体装置に関する。以下、本実施形態を図に基づいて説明する。
【００３７】
図３（ａ）は、本実施形態における半導体装置の構造を示す上面模式図で、図３（ｂ）は、本実施形態における半導体装置の構造を示す断面模式図である。以下、図３（ａ），（ｂ）に示した半導体レーザ装置１０３について説明するが、第１の実施形態である図１の半導体レーザ装置１０１と同様の部分については同一の符号をつけ、その説明を省略する。また、図３（ａ），（ｂ）では簡単化のために、図１の半導体装置１０１で示したパッケージを構成するシェル８、およびシェル８の窓９に設けたフィルタ１０等については図示を省略した。
【００３８】
図３（ａ），（ｂ）に示した半導体レーザ装置１０３は、位置決めの基準となる基盤ステム１０と半導体レーザチップ４およびサブマウントチップ４０を搭載する搭載ステム２６が、サンドイッチ状のクラッド材で一体的に形成されている。サンドイッチ状のクラッド材は、図１および図２と同様、半導体チップ４，４０の熱膨張係数に近似した第１金属部である中央の低熱膨張金属２１を、第２金属部である変形が容易な軟質金属２２，２３で両側から挟んだものである。
【００３９】
基盤ステムと搭載ステムを同じクラッド材で一体的に形成することで、図３（ａ），（ｂ）に示した半導体レーザ装置１０３の製造工程においては、図１および図２に示した銀ロウ３による搭載ステム２０もしくは２５を基盤ステム１へ連結する工程がなくなる。従って、ロー付け時に発生する位置ずれがなくなるため、図３（ａ），（ｂ）の半導体レーザ装置１０３では、搭載ステム２６の搭載面の位置調整も必要がない。このため、製造コストを低減することができる。
【００４０】
また、図３（ａ），（ｂ）の半導体レーザ装置１０３では、搭載ステム２６の搭載面の位置調整も必要がないため、リードピン５と半導体チップ４の位置合わせも容易であり、リードピン５と半導体チップ４を、図のように半田等で直接接合することができる。
【００４１】
（他の実施形態）
上記各実施形態において、サンドイッチ状のクラッド材における中央の低熱膨張金属２１として、モリブデン（Ｍｏ、熱膨張係数５．１×１０-6／Ｋ）以外に、タングステン（Ｗ、熱膨張係数４．５×１０-6／Ｋ）を用いることができる。Ｍｏと同様に、Ｗも、半導体チップの材料であるＳｉ（熱膨張係数３×１０-6／Ｋ）やＧａＡｓ（熱膨張係数５．９×１０-6／Ｋ）とほぼ等しい熱膨張係数を有している。従って、ＭｏまたはＷを、搭載ステムにおけるサンドイッチ状の中央の低熱膨張金属に用いることで、搭載ステムの熱膨張係数をより半導体チップに近づけることができる。これによって、搭載ステムと半導体チップの熱膨張係数の差に起因する半導体チップの特性変化や割れを低減することができる。
【００４２】
また、サンドイッチ状のクラッド材における両側の軟質金属２２，２３として、銅（Ｃｕ）以外に、銅（Ｃｕ）合金、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム（Ａｌ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル（Ｎｉ）合金、鉄（Ｆｅ）、鉄（Ｆｅ）合金を用いることができる。これらの金属は、比較的柔らかく、変形し易い。また、材料費も高くない。従って、これらの金属を、サンドイッチ状の搭載ステムにおける両側の軟質金属に用いることで、搭載ステムの搭載面を容易に変形させ、位置調整することができる。これによって、材料面と加工面の両方において、製造コストを低減することができる。
【００４３】
また、図１〜３では半導体レーザチップを搭載した半導体レーザ装置を例に本発明を説明したが、本発明は、半導体レーザ装置に限らず、搭載する半導体チップの位置精度と冷熱による割れや特性変化への耐性が要求される半導体装置に、広く適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態における半導体装置の構造を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態における半導体装置の構造を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第３の実施形態における半導体装置の構造を示す上面模式図で、図３（ｂ）は、その断面模式図である。
【図４】図４は、従来の半導体装置の構造を示す模式図である。
【図５】図５は、搭載ステムの搭載面の位置調整の方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１００〜１０３  半導体装置
１，１０  基盤ステム
２，２０，２５，２６  搭載ステム
２１  低熱膨張金属（第１金属部）
２２，２３  軟質金属（第２金属部）
２４  突き出し部
３  銀ロウ
４  半導体レーザチップ
４０  サブマウントチップ
５  リードピン
６  ハーメチックガラス
７  金ワイヤ
８  シェル
９  窓
１０  フィルタ
１１  レーザ光
【図１】
0003800116.tif 000002
【図２】
0003800116.tif 000003
【図３】
0003800116.tif 000004
【図４】
0003800116.tif 000005
【図５】
0003800116.tif 000006