专利名称：半导体激光设备及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光设备及其制造方法，尤其是半导体激光设备所具有的半导体激光芯片是利用导电芯片焊接糊料(die-bonded paste)与焊接表面进行芯片焊接(chip die-bonded)的半导体激光设备及其制造方法。
如日本专利申请特开平6-37403中所述，在传统的半导体激光设备中，半导体激光芯片是通过例如In,Pb/Sn(焊料)，Au/Sn等的金属钎焊材料将芯片焊接于焊接表面的预定位置，例如引线框架，管座，或管座上设置的亚底座上。
图5表示第一种传统的半导体激光设备，其中半导体激光芯片50利用金属钎焊材料52焊接在亚底座51的芯片焊接表面51a的预定位置上。金属钎焊材料52在室温下是固体，通过蒸发等方法被沉积在焊接表面的预定焊接位置上。在半导体激光芯片50被放置在金属钎焊材料52上之后，将该金属钎焊材料52加热至150℃或更高温度以使之熔化。此时，半导体激光芯片50用焊接夹头等(未显示)固定。最后，将金属钎焊材料52冷却以使之硬化或定形。因此，半导体激光芯片50被芯片焊接至芯片焊接表面51a的预定位置。在图5中，标号53代表半导体激光芯片50的主发射侧(discharge side)的发光点，标号54表示半导体激光芯片50的监视次发射侧的发光点，标号55代表连接主发射侧的发光点和次发射侧发光点的半导体激光芯片50的发光轴。
在图5所示的第一种传统半导体激光设备的制造方法中，金属钎焊材料52的熔化点高。因此加热/冷却循环花费的时间多，由此制造该半导体激光设备需要的时间长。另外，硬化后的金属钎焊材料52比0.01mm薄。因此如果该半导体激光设备用在采用主寻迹控制法的三光束模式进行的光学读取中，将会产生以下问题。在已经从光盘返回的三光束中，一个辅助光束规则反射离开半导体激光芯片50的放电表面回到该光盘，然后射在信号检测光二极管上产生噪音。
为了解决半导体激光设备制造时间长的问题，提出一种制造半导体激光设备的方法(以下称为第二种现有技术)。在该方法中，利用导电的芯片焊接糊料(导电粘合剂)来代替金属钎焊材料而将半导体激光芯片焊接在焊接表面上。导电的芯片焊接糊料包括树脂和导电填料例如银片。可以根据糊料中的树脂将该导电芯片焊接糊料的硬化温度降低至约为100℃。由此，加热/冷却循环变短。因此可以减少制造半导体激光设备所需的时间。
图6表示将半导体激光芯片用导电芯片焊接糊料芯片焊接在芯片焊接表面而制成的半导体激光设备。在图6中，与图5中相同或类似的部分用相同的标号表示。标号56表示导电芯片焊接糊料。
在根据第二种现有技术制造半导体激光设备的方法中，当提高导电填料的比例来降低导电芯片焊接糊料56的电阻时，该导电芯片焊接糊料56的粘度变高。因而，当将半导体激光芯片50放置在导电芯片焊接糊料56上时，导电芯片焊接糊料56膨胀，并粘附在半导体激光芯片50的末端表面和侧面上，挡住了主发射侧发光点53和/或监视次发光点54。这一点将在下面参考图7A和图7B具体说明。
参考图7A，已经从分配器(未显示)中排出的预定的微量导电芯片焊接糊料56，位于注射器针头57的尖部。随着注射器针头的尖部57沿着58A的向下方向移动，导电芯片焊接糊料56被放置在亚底座51的芯片焊接表面51a的预定位置上。然后，随着注射器针头57的尖部如图7B所示沿着58B的向上方向移动时，导电芯片焊接糊料56被施加在亚底座51的芯片焊接表面51a的预定部分上。
然后，如图6所示，将半导体激光芯片50放置在已施加在亚底座51的芯片焊接表面51a的导电芯片焊接糊料56之上。半导体激光芯片50的下表面的尺寸约为0.2mm×0.2mm，发光点位于距离该半导体激光芯片50下表面约为0.05mm的位置处。也就是，发光点位于比半导体激光芯片安装表面51a高约0.05mm的水平上。另一方面，就向芯片焊接表面51a可靠施加导电芯片焊接糊料56而言，可以使得注射器针头57的尖部的直径小于约0.3mm。因此，导电芯片焊接糊料56的施加面积大于半导体激光芯片50的尺寸(下表面的面积)，导电芯片焊接糊料56的厚度经常大于0.05mm。所以，如图6所示，导电芯片焊接糊料56沿着其上安装的半导体激光芯片50末端表面和侧面鼓起。该末端表面分别具有主发射侧发光点53和监测发光点54。因此如果导电芯片焊接糊料56被加热和冷却至上述状态，它使得导电芯片焊接糊料56阻挡主发射侧发光点53和监测发光点54。
发明概述已经研制出本发明来解决上述问题。本发明的一个目的在于提供一种即使是在使用三光束模式进行读取时也基本不产生噪音的半导体激光设备。
本发明的另一个目的在于提供一种半导体激光设备的制造方法，该方法防止在半导体芯片安装时所使用的导电芯片焊接糊料会阻挡半导体芯片的主发射侧发光点和监测发光点。
根据本发明的一个方面，提供一种半导体激光设备，该设备具有利用导电芯片焊接糊料焊接于焊接表面的半导体激光芯片，该半导体激光芯片在其每一个相对的端面上都具有发光点。
其中导电芯片焊接糊料粘附与半导体激光芯片端面的最高位置在距离焊接表面大于0.01mm的高度，但是低于半导体激光芯片的发光点。
具有以上结构的半导体激光设备即使在使用三光束模式用于光学读取时也不会产生噪音。
在一个实施例中，导电芯片焊接糊料含有环氧树脂作为基本材料，以及银片作为导电填料。
该半导体激光设备可以根据本发明的另一方面提供的方法来制造，该方法包括以下步骤在芯片焊接表面的预定位置施加导电芯片焊接糊料；对所施加的导电芯片焊接糊料进行预加热，然后将半导体激光芯片放置在该预加热的导电芯片焊接糊料上；和将预加热的导电芯片焊接糊料加热至高于该导电芯片焊接糊料开始热定形反应的温度，由此硬化该导电芯片焊接糊料。
在本发明的方法中，导电芯片焊接糊料的预加热降低了该芯片焊接糊料的粘度，由此使得该导电芯片焊接糊料的厚度比其刚刚施加在芯片焊接表面之后薄。因此，当半导体激光芯片安装在该预加热的导电芯片焊接糊料之上时，防止了该糊料升高至该半导体激光芯片的发光点处。所以，发光点不会被该导电芯片焊接糊料阻挡。
预加热温度的下限可以是导电芯片焊接糊料的稀释体开始蒸发的温度，但是该预加热温度应当低于该导电芯片焊接糊料开始热定形反应的温度。
在一个实施例中，导电芯片焊接糊料含有环氧树脂作为基本材料，被预加热至60℃或更高的温度，但是低于100℃(优选的是60℃-80℃之间)。
含有环氧树脂作为基本材料的导电芯片焊接糊料即使在其定形或硬化之后也不会改变形状。因此，在导电芯片焊接糊料硬化过程中，防止了半导体激光芯片的位置和取向发生变化，也就是，在导电芯片焊接糊料已经定形之后，半导体激光芯片的最初的位置和取向仍很好的保持着。因此，可以容易地按照设计来制造半导体激光设备。
本发明的其它目的、特征和优点将在以下的描述中更清楚。
附图的简要说明根据以下的详细说明和附图，本发明将会更加清楚，附图只是用于图示之用，不是对本发明的限制。
图1A和1B表示本发明一个实施例制造半导体激光设备的工艺步骤，图1A表示在施加芯片焊接糊料之前的状态，图1B表示在施加芯片焊接糊料之后的状态。
图2A和图2B表示本发明一个实施例制造半导体激光设备过程中图1B步骤之后的工艺步骤，图2A表示在进行预硬化工艺之前的状态，图2B表示已经进行预硬化的状态。
图3表示本发明实施例中半导体激光设备一部分，其中半导体激光芯片已经被焊接在管座上。
图4表示在本发明实施例的半导体激光设备的制造中使用的导电芯片焊接糊料的TG和DTA的温度依赖曲线，其中糊料含有环氧树脂作为基本材料。
图5表示根据第一种现有技术的半导体激光设备的一部分，其中半导体激光芯片被芯片焊接在亚底座上。
图6表示根据第二种现有技术的半导体激光设备的一部分，其中半导体激光芯片被芯片焊接在亚底座上。
图7A和7B表示制造第二种现有技术的半导体激光设备的工艺步骤，图7A表示在施加芯片焊接糊料之前的状态，图7B表示在施加芯片焊接糊料之后的状态。
优选实施例的详细说明图3表示本发明实施例中半导体激光设备的一部分，其中半导体激光芯片5被芯片焊接在管座1上。制造该半导体激光设备的方法将在下面参考图1A和1B以及图2A和2B来描述。
首先参考图1A和1B，管座1是通过对铁合金或铜合金的基本金属进行加工，然后对加工后的部件进行表面处理例如镀金而制成的。与现有技术相类似，导电芯片焊接糊料2被施加在管座1的芯片焊接表面1a的预定位置上。也就是，预定的微量导电芯片焊接糊料2，已经由分配器(未显示)从注射器针头的尖部3推出，如图1B所示，通过注射器针头的尖部3如箭头4A所示向下移动和如箭头4B所示向上移动而被施加在管座1上。
在该实施例的半导体激光设备中所使用的导电芯片焊接糊料2含有环氧树脂作为基本材料，以及80wt％或更多的银片(Ag)导电填料。图4表示导电芯片焊接糊料2的TG(热重分析)和DTA(差热分析)的温度依赖性的实例。在图4中，横轴代表时间，图4显示在5分钟之后，温度与时间成比例上升。在TG曲线开始下降的点①的温度是稀释体开始蒸发的温度。同样，DTA曲线开始上升的点②的温度是芯片焊接糊料开始热定形反应的温度。图4显示稀释体开始蒸发的温度约是60℃，导电芯片焊接糊料开始热定形反应的温度约是100℃。
然后管座1在约70℃预加热，该温度低于施加在管座1上的导电芯片焊接糊料2开始热定形反应的温度。该导电芯片焊接糊料2粘度高，在其被施加与管座1之后立刻象水珠一样膨胀，如图2A所示。预加热降低了导电芯片焊接糊料2的粘度。因此导电芯片焊接糊料2分散形成预加热的薄导电芯片焊接糊料20，如图2B所示。进行预加热直至预加热的导电芯片焊接糊料20的厚度约为0.02mm薄。预加热时间越短，产率越高。但是，考虑到管座1的热容量，优选将其预加热2秒或更长时间。
导电芯片焊接糊料2开始热定形反应的温度约为100℃。但是，如果预加热的温度被设定在高于80℃，稀释剂的蒸发速度会变高。因此，根据预加热时间周期，导电芯片焊接糊料将会部分硬化。另一方面，如果预加热温度低于60℃，导电芯片焊接糊料的粘度不会被充分的降低。因此，优选将预加热温度范围设定在60℃-80℃。在60℃-80℃的范围内预加热会有利地降低导电芯片焊接糊料的粘度，而不会导致该糊料的部分硬化。
在半导体激光芯片5安装在预加热的导电芯片焊接糊料20后，导电芯片焊接糊料20被加热至高于该导电芯片焊接糊料2开始热定形反应的温度，因此导电芯片焊接糊料20被完全硬化或定形。按照这种方式，获得了如图3所示的半导体激光设备。在该方法中，预加热的导电芯片焊接糊料20不会膨胀或升高至半导体激光芯片5主发射侧发光点6或监视侧发光点7之上(每一个发光点在约0.05mm的高度)。
适当的硬化需要许多时间。因此，优选在芯片焊接设备上对导电芯片焊接糊料2进行短时间的加热，以将糊料硬化至当半导体激光芯片5受到轻微振动时糊料不会移动的程度，然后将导电芯片焊接糊料2转移至另一个地方，使之完全硬化。
预加热的导电芯片焊接糊料20距离半导体激光芯片5的安装表面1a的高度大于0.01mm。在采用三光束模式进行光学读取时，从光盘(未显示)返回的三光束(未显示)进入半导体激光芯片5的端面，该三光束在基本垂直于芯片焊接表面1a的方向上彼此隔开，间隔约为50μm。因此，在使用该实施例的半导体激光设备时，该三光束(未显示)之中，主光束返回至发光点，而一束辅助光束在半导体激光芯片5上传播，另一束辅助光束被导电芯片焊接糊料20散射，并且不会规则地在半导体激光芯片5的放电表面上反射。也就是，辅助光束不会返回至光检测器(未显示)。因此没有噪音产生。
在该实施例中使用的导电芯片焊接糊料含有环氧树脂作为基本材料，以及银片作为导电填料，后者的含量为80wt％或更多。作为该导电芯片焊接糊料基本材料的树脂不限于环氧树脂，也可以使用有机硅树脂或聚酰亚胺树脂。但是，由于聚酰亚胺树脂具有高热定形温度，因此需要许多时间来使其硬化。所以，聚酰亚胺树脂会对其它材料产生不好的影响。另一方面，由于有机硅树脂即使在其定形或硬化之后仍然是软的，因此半导体激光芯片的芯片焊接位置和其取向由于外界可能施加给硬化有机硅树脂的振动而可能会移动。当半导体激光芯片的芯片焊接位置和其取向移动时，半导体激光芯片的光轴相对于采用该半导体激光设备的光盘系统的光学系统的光轴移动。因此，无法读取该光盘的信息。
另一方面，当该实施例中的导电芯片焊接糊料含有环氧树脂作为基本材料时，导电芯片焊接糊料的形状在定形或硬化之前与之后几乎没有差别。因此，在导电芯片焊接糊料的硬化过程中，防止了半导体激光芯片的位置和取向发生变化。所以，当该实施例中的半导体激光设备被用于光学读取时，很容易正确设定该半导体激光设备和光学读取中的其它光学元件之间的位置关系。
以上已经描述了半导体激光芯片直接安装在管座的情况下，该实施例中的半导体激光设备及其制造方法。但是很清楚，本发明也可以用于半导体激光芯片安装在由陶瓷、硅等材料制成的亚底座上的情况，然后亚底座连同芯片被安装在管座上，本发明也可以用于半导体激光芯片安装在引线框架上的情况。
尽管已经描述了采用分配的方法作为导电芯片焊接糊料的施加方法，但是可以使用印(stamping)的方法。
作为导电填料的材料，可以使用例如金、铜或钯的金属来代替银。
如上所述，当本发明的半导体激光设备用于采用三光束模式光学读取时，导电芯片焊接糊料不会引起辅助光束的规则反射。因此，没有噪音形成。
另外，由于该半导体激光设备是利用导电芯片焊接糊料进行装配的，因此可以缩短加热/冷却的时间周期。并且，由于加热温度低，该半导体激光设备的其它组成部分不会因此而受到影响。另外，导电芯片焊接糊料不会阻塞主发射侧发光点或监视侧发光点，因为在导电芯片焊接糊料被分配至预定位置之后，它被预加热而降低了粘度。这实际上允许使用含有更多导电填料的导电芯片焊接糊料，并因此具有低电阻。所以，本发明的方法优选用于将会被施加大电流的半导体激光芯片的粘合。
另外，在本发明的半导体激光设备制造方法中，由于采用了以环氧树脂作为基本材料的导电芯片焊接糊料，半导体激光芯片的芯片焊接位置和其取向在该导电芯片焊接糊料硬化过程中不会移动。因此，在导电芯片焊接糊料硬化后，半导体激光芯片的安装位置和其取向几乎不移动。所以，当半导体激光设备被用于光学读取时，很容易正确设定该半导体激光设备和其它光学元件之间的位置关系。
以上描述了本发明，很明显该方法可以有很多变化。这些变化不应视作偏离了本发明的精神和范围，所有对于本领域的技术人员来说是显而易见的变化都包括在权利要求的范围内。
权利要求
1．一种半导体激光设备，具有利用导电芯片焊接糊料芯片焊接于焊接表面的半导体激光芯片，所述半导体激光芯片在其每一个相对的端面都具有发光点，其中导电芯片焊接糊料与半导体激光芯片端面相粘附的最高位置在距离焊接表面大于0.01mm的高度，但是低于半导体激光芯片的发光点。
2．权利要求1的半导体激光设备，其中所述导电芯片焊接糊料含有环氧树脂作为基本材料。
3．权利要求1的半导体激光设备，其中所述导电芯片焊接糊料含有银片作为导电填料。
4．一种制造半导体激光设备的方法，包括以下步骤在焊接表面的预定位置施加导电芯片焊接糊料；对所施加的导电芯片焊接糊料进行预加热，然后将半导体激光芯片放置在该预加热的导电芯片焊接糊料上；和将预加热的导电芯片焊接糊料加热至高于该导电芯片焊接糊料开始热定形反应的温度，由此硬化该导电芯片焊接糊料。
5．权利要求4的方法，其中导电芯片焊接糊料预加热的温度等于或高于导电芯片焊接糊料稀释体开始蒸发的温度，但是低于导电芯片焊接糊料开始热定形反应的温度。
6．权利要求4的方法，其中所述导电芯片焊接糊料含有环氧树脂作为基本材料，并被预加热至60℃或更高温度，但低于100℃。
7．权利要求6方法，其中所述导电芯片焊接糊料被预加热至60℃-80℃的温度范围内。
8．权利要求4的方法，其中进行预加热直至导电芯片焊接糊料约为0.02mm薄。
9．权利要求4方法，其中预加热进行2秒或更长时间。
全文摘要
在一种制造半导体激光设备的方法中,将导电芯片焊接糊料施加在焊接表面的预定位置,然后在等于或高于导电芯片焊接糊料稀释体开始蒸发的温度并低于导电芯片焊接糊料开始热定形反应的温度进行预加热。将半导体激光芯片放置在预加热的导电芯片焊接糊料上,加热后者使其硬化。在如此制备的半导体激光设备中,导电芯片焊接糊料与半导体激光芯片端面相粘附的最高位置在距离焊接表面大于0.01mm的高度,但是低于半导体激光芯片的发光点。
文档编号H01S5/022GK1310499SQ0111624
公开日2001年8月29日 申请日期2001年2月7日 优先权日2000年2月7日
发明者孝桥生郎 申请人:夏普公司