半導体レーザモジュール用パッケージ
【課題】ＣｕＷ合金からなり、放熱性が高くかつ強度に優れた半導体レーザモジュール用パッケージを得る。
【解決手段】銅タングステン合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージであって、この銅タングステン合金の微細構造がタングステン粒子間の隙間に銅が入り込んだ構造であり、銅タングステン合金中のタングステン粒子の粒径が１５μｍ以下で、かつ平均粒径が０．５〜３．５μｍであり、銅の含有量が１０〜３０重量％である半導体レーザモジュール用パッケージ。平均粒径が０．１〜５μｍのタングステン粉末と銅粉末を用い、金属射出成型法によって作成できる。
【解決手段】銅タングステン合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージであって、この銅タングステン合金の微細構造がタングステン粒子間の隙間に銅が入り込んだ構造であり、銅タングステン合金中のタングステン粒子の粒径が１５μｍ以下で、かつ平均粒径が０．５〜３．５μｍであり、銅の含有量が１０〜３０重量％である半導体レーザモジュール用パッケージ。平均粒径が０．１〜５μｍのタングステン粉末と銅粉末を用い、金属射出成型法によって作成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信装置などに使用する高出力半導体レーザ素子と光ファイバとの結合器である高出力の半導体レーザモジュールを収容するパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光信号を直接増幅する光増幅器が開発され、特にエルビウム光ファイバを用いた光増幅器が注目されている。この光増幅器は、エルビウムをドープした光ファイバにレーザ光が入射すると、信号光が増幅されるという原理を利用したものであり、レーザ光源として用いられる半導体レーザ素子やレンズ等をパッケージ内に収容して半導体レーザモジュールを構成し、これに光ファイバを結合してなるものである。
【０００３】
図５は、バタフライタイプの前記半導体レーザモジュールの一例を示すものであり、半導体レーザ装置２０が、パッケージ１０に収容されてなるものである。
前記パッケージ１０は、枠体１１と底板１２からなり、前記枠体１１の一方の側壁には光取り出し窓１４が形成され、また他の一方の側壁には、図示しない一対のリード線がハーメチックシールにより設けられている。また、枠体１１の上部には気密用のカバー１３が取り付けられている。
このようなパッケージ１０の枠体１１に囲まれた内部の底板１２上には、半導体レーザ装置２０が設置され、前記光取り出し窓１４には、光ファイバ３４との接合部が形成されている。
【０００４】
前記半導体レーザ装置２０は、絶縁板２１ａ上に設けられたベース板２３上に、半導体レーザ素子２６、レンズ２７および受光素子２９などの構成部品が搭載されてなるものである。
前記絶縁板２１は、一対の絶縁板２１ａおよび２１ｂからなり、これらの間には、複数個のＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなるペルチェ素子２２、２２…が狭持されている。
そして、前記ペルチェ素子２２においては、図示しない電極により複数のＰ型素子と複数のＮ型素子とがＰ、Ｎ、Ｐ、Ｎの順に電気的に直列に接続され、さらに、端部のＰ型素子およびＮ型素子を結合した電極にそれぞれ図示しないリード線を接続して構成されている。
なお、前記絶縁板２１ａ、２１ｂはアルミナなどから形成されており、この上にペルチェ素子２２、２２…の電極と固定を兼ねた金属導体パターン（電極パターン）が薄膜状あるいは厚膜状に形成されている。
【０００５】
前記半導体レーザ素子２６はレーザ光源として用いられ、ヒートシンク２５に搭載されており、このヒートシンク２５は、ヘッダ２４に搭載されている。
前記ヒートシンク２５は、半導体レーザ素子２６とほぼ同じ膨張係数を有する材料（例えばダイヤモンド、ＳｉＣ、シリコンなど）から構成され、半導体レーザ素子２６の放熱を行うとともに、熱応力による故障を防止している。
前記ヘッダ２４は、半導体レーザ素子２６の電極用の端子を有し、ベース板２３に固定されている。
【０００６】
そして、前記半導体レーザ素子２６の後部（レーザ出射方向と逆方向）には、モニタ用の受光素子２９が、前記ベース板２３に固定されて設けられている。
前記受光素子２９は、半導体レーザ素子２６の温度変化などによる光出力の変化を監視し、その光出力が常に一定になるように制御するものである。
そして、前記半導体レーザ素子２６の前部（レーザ出射方向）には、レンズ２７がレンズホルダ２８に保持され、設置されている。
前記レンズ２７は、半導体レーザ素子２６から出射され広がったレーザ光を、平行光とするものである。前記レンズ２７は光軸調整後、レンズホルダ２８により前記ベース板２３に、ＹＡＧレーザにより溶接固定される。
【０００７】
そして、前記レンズ２７の前方には、パッケージ１０の光取出し窓１４が設置され、この光取出し窓１４には、スリーブ３１が配置され、このスリーブ３１には、フェルール３３を介してレンズ３２が固定されている。そして、前記フェルール３３の端部には、光ファイバ３４が接続される。
レンズ３２は、光ファイバ３４に効率よくレーザ光が入射するように光軸調製された後、スリーブ３１のＡ、Ｂ部で、ＹＡＧレーザ溶接固定されている。
【０００８】
このように構成された半導体モジュール５０においては、半導体レーザ素子２６から出射されたレーザ光は、レンズ２７で平行光に変換され、この平行光が取り出し窓１４を通過して、レンズ３２によって、光ファイバ３４に効率よく結合される。
【０００９】
ところで、前記半導体レーザモジュール５０における半導体レーザ素子２６においては、レーザの高出力が要求され、数百ｍＡの駆動電流を必要とするため、半導体レーザ素子２６の発熱による光出力の低下や、寿命の低下を招くおそれがある。
また、半導体レーザ素子２６は、その雰囲気温度が変化すると波長が変化して光特性が変わることがある。そのため、半導体レーザモジュール５０においては、前記ペルチェ素子２２により、半導体レーザ素子２６を常時冷却し、その発熱量を低減するようにしている。
【００１０】
一方、半導体レーザモジュールの他の形態としては、ステムタイプ、同軸タイプ、ＤＩＰタイなどのパッケージを用いたものがある。
図６は、ステムタイプのパッケージを用いた半導体モジュールの一例を示したものである。
このステムタイプのパッケージ１５は、バタフライタイプの枠板１１に相当する部分がなく、底板１に相当する底板１７と、半導体レーザ装置２０を載置するとともに内部部品を有する載置部１６から概略構成されている。
【００１１】
このようなパッケージ１５においては、載置部１６の一側面部に、レーザが上向きに発振するようにレーザ素子２６が載置され、このレーザ素子２６の下部には、レーザの出力を監視、制御するための受光素子２９が載置される。また、載置部１６を固定する底板１７には、図示しないリード線やアースなどが接続される。
また、このパッケージ１５においては、内部の気密性を保つために、キャップ４０が取り付けられる。このキャップ４０の先端部には光ファイバ３４が接続され、この光ファイバ３４に効率よくレーザ光が入射するように、その内部には、前記半導体モジュール５０のレンズ３２に相当するレンズ（図示略）が収容されている。
【００１２】
このように構成されたステムタイプの半導体モジュール５１においては、半導体レーザ素子２６から上方に出射されたレーザ光は、レンズによって、光ファイバ３４に効率よく結合される。
また、このようなステムタイプの半導体レーザモジュール５１においては、図５に示したバタフライタイプの半導体レーザモジュール５０のように、ベルチェ素子２２などの冷却手段を有しない構造とされ、特に、載置部１６においては、その材料に放熱性が要求される。
【００１３】
ところで、このような半導体レーザモジュールのパッケージを構成する材料としては、鉄−ニッケル−コバルト合金や、銅−タングステン合金（以下、ＣｕＷ合金とする）等の合金が用いられている。
例えば、通常バタフライタイプのパッケージ１０の枠体１１は、鉄−ニッケル−コバルト合金（Ｆｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金）などの合金で構成され、底板１２は、放熱性（熱伝導性）の高い、ＣｕＷ合金などの材料で構成されている。
【００１４】
また、ステムタイプのパッケージ１５では、載置部１６はＣｕＷ合金などの材料、底板１７はＳＰＣＣ等の材料が用いられている。
そして、このようなバタフライタイプのパッケージ１０およびステムタイプのパッケージ１５のＣｕＷ材料は、溶浸法または金属粉末射出成型法（以下、ＭＩＭ法とする）により形成される。また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＳＰＣＣ等の材料は溶浸法、ＭＩＭ法により形成される。
【００１５】
このような半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、上述のように、搭載する半導体レーザ素子２６が温度依存性を有するものであるため、半導体レーザ素子を一定の温度に保つ必要があるため、これを構成する材料の放熱性は、極めて重要な特性である。
しかしながら、前記従来用いられている図５に示すバタフライタイプのパッケージ１０においては、放熱性が不十分であるため、前記半導体モジュール５０のように、ベルチェ素子２２等の冷却手段を用いる必要があった。
【００１６】
このような冷却手段を用いる場合、ベルチェ素子２２等の冷却素子は、その性能上、レーザの温度調節が可能な程度とするには、相対的に大きくする必要があり、このためにパッケージ１０全体を大きく構成する必要があり、不経済であった。
また、冷却手段を用いない図６に示すステムタイプのパッケージ１５においては、パッケージ１５の放熱性の問題から、レーザ素子２６の放熱量を抑え、安定したレーザの発振を行うために、レーザ出力を２ｍＷ程度までとしなければならなかった。
【００１７】
また、前記問題に加えて、前記パッケージを構成する材料においては、その強度が不十分なために、その組立時や、取り付け時において、ねじの締め付けなどにより、前記バタフライタイプのパッケージ１０の固定孔１３およびステムタイプのパッケージ１５の固定孔１８に割れが生じるといった問題があった。特に、前記パッケージが金属の溶浸法により製造されたものである場合には、強度に問題があることが多かった。
【特許文献１】特開平５−３２７０３１号公報
【特許文献２】特開平９−３１２３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
よって、本発明における課題は、放熱性が高く、かつ強度に優れた半導体レーザモジュール用パッケージを得ることを目的とするものである。
詳しくは、パッケージの放熱性を高めて、半導体レーザモジュールにおいて冷却装置なしでも、高レーザ出力での運転を可能とすること、およびパッケージの強度を高めて、固定時に割れることのないパッケージを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
かかる課題を解決するために、
請求項１にかかる発明は、銅タングステン合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージであって、
この銅タングステン合金の微細構造がタングステン粒子間の隙間に銅が入り込んだ構造であり、銅タングステン合金中のタングステン粒子の粒径が１５μｍ以下で、かつ平均粒径が０．５〜３．５μｍであり、銅の含有量が１０〜３０重量％であることを特徴とする半導体レーザモジュール用パッケージである。
【００２０】
請求項２にかかる発明は、平均粒径が０．１〜５μｍのタングステン粉末と銅粉末を用い、金属射出成型法によって得られたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール用パッケージである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の半導体レーザモジュール用パッケージによれば、熱伝導率に優れたＣｕＷ合金を用いているので、放熱性が高い。このため、収容するレーザ素子が発熱し、パッケージ内に放熱しても、パッケージの放熱性が高く、その熱を外部に放熱することができる。
したがって、この半導体レーザモジュール用パッケージを用いた半導体レーザモジュールにおいては、内部が高温になることがなく、レーザ素子による光出力や寿命の低下を招くおそれがなく、安定した半導体レーザ素子の光特性が得られる。
【００２２】
また、特に冷却手段を設置しなくても、レーザ素子の出力を２．５〜５ｍＷ程度の高出力とすることができる。また、前記パッケージにおいては、強度に優れるため、その組立時や、取り付け時において割れが生じることが少ない。特に、その固定時のねじの締め付けなどにより、パッケージの固定孔部分に割れ等の破損が生じることが少ない。よって製品の歩留まりがよい。また本発明の半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、放熱性かつ強度に優れるため、部品の熱等による変形が少なくなり、半導体レーザモジュールにおける光軸ずれを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１および図２は、本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの一例を示したもので、図１はバタフライタイプのパッケージ、図２はステムタイプのパッケージの一例を示しものである。
これらは、構成材料に違いはあるが、従来例で説明した、図５に示すバタフライタイプのパッケージ１０、図６に示したステムタイプのパッケージ１５と、構造はそれぞれ同様である。よって、図１および図２においては、同様の部位においては、図５および図６に用いたものと同様の符号を付すとともに、これらの説明を省略する。
【００２４】
図１に示すバタフライタイプのパッケージ１０および図２に示すステムタイプのパッケージ１５は、それぞれ以下に説明するＭＩＭ法により得られるＣｕＷ合金からなるものである。
このＭＩＭ法は、一般に、金属粉末に適当なバインダーを加え、これらを混練して成型用組成物とし、ついで、この成型組成物を造粒し、この造粒した成型用組成物を所望の形状の金型により射出成型して成型体（グリーン体）とし、ついで、このグリーン体を乾燥脱脂して、バインダーを除去したブラウン体とし、ついで、このブラウン体を焼結して焼結体とするものである。
【００２５】
以下、本発明の半導体レーザモジュール用パッケージを製造する方法についてに説明する。
まず、成型材料としてＷ粉末とＣｕ粉末とを混合して、ＣｕＷ混合粉末を得る。
Ｗ粉末としては、平均粒径が０．１〜５μｍであるものを用いる。この範囲の平均粒径の小さいＷ粉末であれば、ＣｕＷ合金としたときの熱伝達率を向上させることができるとともに、強度を十分なものとすることができる。
【００２６】
Ｃｕ粉末としては、粒径は特に限定されないが、平均粒径が０．１〜４５μｍ程度のものを用いると分散性が高く好ましい。前記Ｃｕ粉末の配合量としては、ＣｕとＷの合計重量に対して、１０〜３０重量％が好ましい。１０重量％未満であるとＣｕＷ合金における熱伝達率が十分に向上せず、３０重量％を越えるとＣｕＷ合金の強度が十分なものとならない。
【００２７】
また、前記ＣｕＷ混合粉末においては、前記ＷおよびＣｕ以外に、焼結助剤として、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）から選ばれる１種の金属を含有するものであっても良い。これらの金属によれば、放熱性をより向上させることができ、熱膨張係数が低く、熱伝導率が高いＣｕＷ合金を得ることができる。ＣｕＷ合金におけるこれらの金属の含有量としては、０．００１〜１．０重量％が好ましい。
【００２８】
前記ＣｕＷ混合粉末（前記焼結助剤の金属を配合したものも含む）においては、次のバインダー添加混練工程前に、バインダーとの結合性を増すために、またこれらの焼結を容易にするために、カップリング剤による表面処理を施すことが好ましい。
前記表面処理方法としては、湿式処理法と、乾式処理法の２つがある。
【００２９】
前記湿式処理法は、カップリング剤を大量に水に分散させたものに、未処理のＣｕＷ混合粉末を添加して撹拌し、これを常温で１０〜３０分程度放置した後、１０５℃程度の温度で、１０時間以上加熱乾燥させることによって、ＣｕＷ混合粉末を表面処理する方法である。
前記乾式処理法は、ＣｕＷ混合粉末をヘンシェルミキサー（商標名）等の高速ミキサーにより高速撹拌しながら、カップリング剤を徐々に添加し、さらに、６０〜８０℃に加湿した状態で、１０００〜１５００ｒｐｍ程度の高速で２〜１０分間程度撹拌することにより、金属粉末に表面処理を施すものである。
【００３０】
このような表面処理に用いられるカップリング剤としては、加水分解により水酸基となり金属粉末と相互作用し得る官能基と、バインダーと相互作用し得る有機官能基とを有するものが好ましく用いられ、具体的には、有機官能基側の側鎖にアミノ基、アミド基、水酸基のうち少なくとも１つの基を有するチタネート系カップリング剤や、シランカップリング剤等が挙げられる。
【００３１】
前記カップリング剤の添加量としては、ＣｕＷ混合粉末の単位重量当たり０．５〜３％であることが好ましい。０．５％未満であると、カップリング剤の添加効果が得られず、３％を越えても、カップリング剤の添加効果は、飽和状態となり変わらない。
【００３２】
ついで、前記ＣｕＷ混合粉末にバインダーを添加して、混練して成型用組成物を得る。
前記バインダーとしては、以下に例示するものを用いることが好ましい。
（１）ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアセタール、ＥＶＡ、ポリエチレングリコール、樟脳などの有機系樹脂。
（２）パラフィンワックス、カルナウパワックス、密蝋などのワックス類。
（３）前記（１）（２）の群から選ばれるを２種以上のバインダーを混合した有機バインダー。例えば、ポリスチレン、アクリル樹脂、ＡＰＰ、パラフィンワックスの混合物、ポリエチレン、ポリスチレン、パラフィンワックスの混合物、ポリエチレン、ポリエチレングリコール、パラフィンワックス、カルナバワックスの混合物などが挙げられる。
（４）寒天（アガロースを主成分とする海草からの抽出物）。
【００３３】
バインダーの添加量としては、前記ＣｕＷ混合粉末に対して、３５〜５５体積％であることが好ましい。３５体積％未満であると、射出成形時に十分な粘度が得られず、成形機内のスクリューが磨耗したり、成形機内で材料詰まりを起こし好ましくない。また５５体積％を超えると、脱バインダー工程時に膨れ、亀裂が生じやすくなったり、成型体にヒゲが生じるため好ましくない。
【００３４】
ついで、前記成型用組成物を造粒してペレット化する。ついで、所望の半導体レーザモジュール用パッケージの形状を有する金型を用意し、この金型を用いた射出成型法により、成型用組成物からグリーン体を得る。このときの射出温度としては９０〜１８０℃、金型温度としては２０〜５０℃が好ましい。
【００３５】
ついで、得られたグリーン体を、真空乾燥して水分を除去し、続いて加熱してバインダーを除去し（脱バインダー）、ブラウン体を得る。
前記真空乾燥条件としては、乾燥温度４０〜８０℃、圧力１．３３３２２×１０２Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）で、４時間以上真空乾燥し、含水率を０．５重量％以下となるようにするのが望ましい。
また前記脱バインダーの条件としては、Ｎ２、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気下で行い、昇温速度を０．１〜１℃／分、加熱温度を３８０〜４５０℃とし、０．１〜５Ｌ/ｍｉｎの気流中で行うことが望ましい。
【００３６】
ついで、得られたブラウン体を焼結炉で焼結して焼結体とし、成型体を得る。このときの焼結条件としては、昇温速度を１〜１０℃／分、昇温温度を１２００〜１５００℃、焼結時間を１〜１０時間とするのが好ましい。また、この工程は、ＡｒとＨ２の混合雰囲気下（Ｈ２濃度０．１〜１００％が好ましい）で、０．１〜１０Ｌ/ｍｉｎの気流中で行うことが好ましい。
【００３７】
ついで、パッケージのタイプによって、得られた成型体を組み立てててパッケージを作製する。パッケージが複雑な形状を有する場合、いくつかの部位に分けて成型し、これを組み立ててパッケージとすることが好ましい。
例えば、図１に示すバタフライタイプのパッケージ１０の場合、枠体１１と、底板１２の成型体を別々に前記製造方法により作製し、これらを組み立てる。このときの組立方法としては、各部位を構成する成型体を蝋付けにより固着して一体化する方法、焼結により一体化する方法等が挙げられる。
【００３８】
このようにして製造された半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、これを構成するＣｕＷ合金の微細構造が、大部分のＷが粒子形状を保ち、このＷ粒子間の隙間にＣｕが入り込んだ構造となっており、Ｗ粒子表面においては、ＷとＣｕとが溶け合い強く密着した状態となっている。
【００３９】
また、前記微細構造のＣｕＷ合金からなる成型体におけるＷ粒子の粒径は、１５μｍ以下、平均粒径が０．５〜３．５μｍ以下となっている。また、ＣｕＷ合金中のＣｕ含有量が１０〜３０重量％となっている。
このように、前記半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、粒径が小さいＷ粉末を成型したものであるため、得られる成型体におけるＷ粒子の平均粒径は小さく、これらの隙間は小さく、そこにＣｕが入り込む構造となっているため、高密度化が可能とされる。
【００４０】
このようなＣｕＷ合金であれば、熱伝達率および強度を向上させることができる。このため、このようなＣｕＷ合金においては、例えば、Ｃｕの含有量が２０重量％である場合において、２００〜２４０Ｗ／ｍＫ程度とすることができ、通常用いられるＣｕＷ合金よりも格段に向上させることができる。
前記熱伝導性に優れるＣｕＷ合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、放熱性に優れ、内部の温度が上がったときにも効率よく、熱を逃がすことができ、内部温度を安定して保つことができる。このため、冷却素子を必要とせず、２．５〜５ｍＷの高出力のレーザ運転にも耐えることができる。
【００４１】
また、このＣｕＷ合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、機械的強度に優れたものであるので、組立時や、取り付け固定時において、部品の一部、例えば、ネジ固定のための固定孔に割れが生じることがない。よって、製品の歩留まりを向上させることができる。
また、このようなＭＩＭ法を用いた製造方法によれば、前記ＣｕＷ合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージを精度よく、容易に成型することができる。
【００４２】
そして、このようなパッケージを用いた半導体モジュールであれば、パッケージ内部が高温になることがなく、レーザ素子による光出力や寿命の低下を招くおそれがなく、安定した半導体レーザ素子２６の光特性が得られる。よって、冷却手段を設置しなくても、レーザ素子の出力を２．５〜５ｍＷ程度の高出力とすることができる。
また、図１に示すバタフライタイプのパッケージ１０においては、枠体１１および底板１２に前記ＣｕＷ合金を用いれば、冷却素子を必要とすることなく、パッケージ１０をコンパクトに設計することが可能となる。
【００４３】
また、前記半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、パッケージのすべての部材に前記ＣｕＷ合金を用いたが、パッケージの一部に他の合金を用いたものであってもかまわない。
この場合、パッケージの少なくとも半導体レーザ素子を載置する部位と、固定孔が形成され部位に、前記ＣｕＷ合金を用いることが好ましい。このような場合、各部位を前記ＭＩＭ法により製造し、蝋づけ、焼結等により組み立てることによって半導体レーザモジュール用パッケージとすることができる。
【００４４】
例えば、図１に示すようなバタフライタイプのパッケージにおいては、底板１２に前記ＣｕＷ合金を用い、枠板１１を鉄−ニッケル−コバルト合金から構成したものであってもかまわない。このようなものでも、前記ＣｕＷ合金の熱伝導率が高いため、パッケージにおいて、十分な放熱性を有することができる。
【００４５】
以下、本発明の作用効果について説明する。
通常、半導体レーザモジュール用パッケージに用いられるＣｕＷ合金は、平均粒径が５μｍ以上のＷ粉末を用いてなるものである。このような比較的大きな平均粒径のＷ粉末を用いて得られるＣｕＷ合金の熱伝導率は、最大でも、Ｃｕ含有量が２０重量％のとき、２００Ｗ／ｍＫ程度であった。これに対して、本発明のように、平均粒径の小さいＷ粉末を用いることによって、かつＣｕの含有量を１０〜３０重量％とすることによって、ＣｕＷ合金の熱伝導率および強度を向上させることができる。
【００４６】
このように、ＭＩＭ法におけるＷ粒子の平均粒径を小さくすることによって、熱伝導率および強度を向上することができるのは、以下の理由によるものと考えられる。
まず、前記ＣｕＷ混合粉体の焼結の際、Ｗ粉末の平均粒径が小さいことにより、ＣｕＷ合金におけるＷ粒子とＣｕの接触部分が増大することによって、ＣｕＷ合金の高密度化が可能となる。
【００４７】
そして、このようなＣｕＷ合金の高密度化と、Ｗ粒子とＣｕとの接触界面の増大によって、ＣｕＷ合金における熱伝導率が飛躍的に向上する。また、ＣｕＷ合金の高密度化により、またＣｕＷ合金中のＷ粒子の粒径が細かくなることで、一般の金属材料と同様にして、ＣｕＷ合金の機械的強度が向上する。
【００４８】
また、ＣｕＷ合金における熱伝導率と強度は、銅の含有量にも関係し、銅の含有量が多くなれば、ＣｕＷ合金における熱伝導率は上昇するが、機械的強度は低下する。逆に、銅の含有量が少なくなれば、ＣｕＷ合金における熱伝達率は低下するが、機械的強度は向上する。これらを考慮して銅の含有量を１０〜３０重量％とすることで、熱伝達率と強度ともにバランスのとれた優れた値が得られる。
【００４９】
図３は、ＣｕＷ合金におけるＷ粉末の平均粒径と、ＣｕＷ合金の熱伝導率との関係をＣｕの含有量が１０重量％の場合と、３０重量％の場合とを示したグラフである。
また、図４は、ＣｕＷ合金におけるＷ粉末の平均粒径と、ＣｕＷ合金の強度との関係を示したグラフであり、Ｃｕの含有量が１０重量％の場合と、３０重量％の場合とを示したグラフである。
【００５０】
これらのグラフは、実際に用いるＷ粉末の平均粒径と銅の含有量を変えて、ＭＩＭ法において、ＣｕＷ合金（試料）を製造し、この熱伝導率および強度を測定したデータをもとに作成したものである。
【００５１】
このグラフから、ＣｕＷ合金中のＷ粉末の平均粒径が０．５〜３．５μｍとしたときに、ＣｕＷ合金の熱伝導率および強度が向上すること、これらの特性がＣｕ含有量に関係することがわかる。また、ＣｕＷ合金における銅の含有量を１０〜３０％とすることで、ＣｕＷ合金における熱伝導率を、１６０〜２８０Ｗ／ｍＫと高くすることができるとともに、その強度を１３００〜１６５０ＭＰａとすることができることがわかる。
【００５２】
以下、実施例を示す。
図１に示すバタフライタイプのパッケージ１０を製造した。
（１）枠体１１および底板１２の作製
最大粒径４５μｍ以下、平均粒径２５μｍのＣｕ粉末２０重量部と、最大粒径２５μｍ以下、平均粒径２μｍのＷ粉末８０重量部とを混合してＣｕＷ混合粉末とした。
【００５３】
ついで、このＣｕＷ混合粉末に、カップリング剤として、シランカップリング剤を前記混合粉末に対して単位重量あたり１．５％の割合となるように添加し、表面処理を施した。
この表面処理は、乾式処理法を用いて行い、ＣｕＷ混合粉末をヘンシェルミキサー（商標名）により、１７５０ｒｐｍの高速で５分間撹拌し、その後攪拌しながら前記カップリング剤を５分間かけて徐々に添加し、さらに添加後５分間攪拌しておこなった。
【００５４】
ついで、前記表面処理を施したＣｕＷ混合粉末に対して、４５容量％のバインダーを加え、加圧ニーダーにて１６５℃で１時間、混練して成型用組成物を得た。このとき、バインダーとしては、ポリスチレン２０重量％、アクリル樹脂２０重量％、ＡＰＰ１５重量％、パラフィンワックス４４．５重量％、滑剤として、ステアリン酸０．５重量％を適宜加えて調整したものを用いた。
【００５５】
ついで、この成型用組成物をダイス温度１５０℃でペレット化し、これを枠体１１または底板１２の形状を有する金型を用いて、射出温度１６０℃、金型温度４０℃で射出成型して、枠体１１および底板１２のグリーン体を得た。
【００５６】
ついで、枠体１１および底板１２のグリーン体を真空乾燥装置内に配置した後、８０℃、１．３３３２２×１０−３Ｐａの圧力で、４時間真空乾燥し、含水率が０．５質量％となるように水分を除去した。ついで、この乾燥されたグリーン体を、１ａｔｍ（常圧）で、常温から昇温速度を０．５℃／分として、４００℃まで加熱して、前記グリーン体を脱バインダー化してブラウン体とした。この工程は、Ｎ２雰囲気下で、１Ｌ／ｍｉｎの気流中で行った。
【００５７】
ついで、このブラウン体を焼結炉に入れ、昇温速度を５℃／分として、１２００〜１５００℃まで昇温した後、この温度を２時間保持することにより、ブラウン体を焼結して、ＣｕＷ焼結体からなる枠体１１および底板１２を得た。この工程は、ＡｒとＨ２の混合雰囲気下（Ｈ２濃度を４％とした）で行い、１Ｌ／ｍｉｎの気流中で行った。
【００５８】
（２）パッケージ１０の作製（枠体１１と底板１２との一体化） 上述のようにして得られた底板１２上の溝部に、枠体１１の下端周辺に形成された突起部に嵌合したあと、蝋材（銀蝋）によりこの嵌合部の周囲を蝋付けして固着し、枠体１１と底板１２とを一体化してパッケージ１０を得た。
【００５９】
このようにして、得られたパッケージを構成するＣｕＷ焼結体のＣｕ含有量は２０重量％であった。得られたＣｕＷ合金（２０重量％Ｃｕ）の熱伝導率を、ＪＩＳ Ｒ１６１１によるレーザフラッシュ法にて測定したところ、２４０Ｗ／ｍＫの値が安定して得られた。
さらに、得られたＣｕＷ合金において、強度をＪＩＳ Ｚ２２４８による材料曲げ試験法により測定したところ、１６００ＭＰａの破断強度が得られた。これらの値はともに従来のものに比べ高い値となり、熱伝導率および強度とも実用上有用な値である。
このように、得られたパッケージにおいては、これを構成するＣｕＷの熱伝導率が高いために、パーケージの放熱性に優れ、レーザ出力が高い場合においても内部に熱がたまることなく、安定したレーザ運転が可能である。
【００６０】
（比較例）
溶浸法により、パッケージ１０の枠体１１の作製を行った。前記用いたＷと同じ平均粒径のＷ粉末を仮焼結させて、複数の小穴のあいた金属Ｗの成型体を得た。このときの条件としては、昇温速度を５℃／分として、１３００〜１８００℃まで昇温した後、この温度を２時間保持するようにした。
【００６１】
この工程は、ＡｒとＨ２の混合雰囲気下で行った。１リットル／ｍｉｎの気流中で行った。ついで、この金属Ｗの上に、銅板をのせ、圧力１気圧〜１０気圧、温度１１００℃にてホットプレスし、銅板を溶解して前記Ｗの穴に銅を染み込ませようとしたが、穴が小さいためにＷの焼結体にＣｕが含浸せず、穴のあいたままのＣｕＷ合金となってしまった。
【００６２】
得られたＣｕＷ合金の強度は低く測定することができなかった。また、熱電導率、熱膨張係数も測定することができず、低いものであった。このように溶浸法の場合、Ｗ平均粒径が小さくなると、ＷがＣｕを含浸することが難しく、事実上、Ｗの粒径が５μｍを越えるものでないとパッケージを作製することができない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの一実施形態を示した斜視図である。
【図２】本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの一実施形態を示した斜視図である。
【図３】本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの製造方法におけるＷ粒子の平均粒径と、得られたＣｕＷ合金における熱伝導率との関係を示したグラフである。
【図４】本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの製造方法におけるＷ粒子の平均粒径と、得られたＣｕＷ合金における強度との関係を示したグラフである。
【図５】バタフライタイプの半導体レーザモジュール用パッケージを説明するための概略構成図である。
【図６】ステムタイプの半導体レーザモジュール用パッケージを説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０、１５・・・パッケージ １１・・・枠体 １２・・・底板 １３・・・固定孔 １６・・・載置部 １７・・・底板 １８・・・固定孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信装置などに使用する高出力半導体レーザ素子と光ファイバとの結合器である高出力の半導体レーザモジュールを収容するパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光信号を直接増幅する光増幅器が開発され、特にエルビウム光ファイバを用いた光増幅器が注目されている。この光増幅器は、エルビウムをドープした光ファイバにレーザ光が入射すると、信号光が増幅されるという原理を利用したものであり、レーザ光源として用いられる半導体レーザ素子やレンズ等をパッケージ内に収容して半導体レーザモジュールを構成し、これに光ファイバを結合してなるものである。
【０００３】
図５は、バタフライタイプの前記半導体レーザモジュールの一例を示すものであり、半導体レーザ装置２０が、パッケージ１０に収容されてなるものである。
前記パッケージ１０は、枠体１１と底板１２からなり、前記枠体１１の一方の側壁には光取り出し窓１４が形成され、また他の一方の側壁には、図示しない一対のリード線がハーメチックシールにより設けられている。また、枠体１１の上部には気密用のカバー１３が取り付けられている。
このようなパッケージ１０の枠体１１に囲まれた内部の底板１２上には、半導体レーザ装置２０が設置され、前記光取り出し窓１４には、光ファイバ３４との接合部が形成されている。
【０００４】
前記半導体レーザ装置２０は、絶縁板２１ａ上に設けられたベース板２３上に、半導体レーザ素子２６、レンズ２７および受光素子２９などの構成部品が搭載されてなるものである。
前記絶縁板２１は、一対の絶縁板２１ａおよび２１ｂからなり、これらの間には、複数個のＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなるペルチェ素子２２、２２…が狭持されている。
そして、前記ペルチェ素子２２においては、図示しない電極により複数のＰ型素子と複数のＮ型素子とがＰ、Ｎ、Ｐ、Ｎの順に電気的に直列に接続され、さらに、端部のＰ型素子およびＮ型素子を結合した電極にそれぞれ図示しないリード線を接続して構成されている。
なお、前記絶縁板２１ａ、２１ｂはアルミナなどから形成されており、この上にペルチェ素子２２、２２…の電極と固定を兼ねた金属導体パターン（電極パターン）が薄膜状あるいは厚膜状に形成されている。
【０００５】
前記半導体レーザ素子２６はレーザ光源として用いられ、ヒートシンク２５に搭載されており、このヒートシンク２５は、ヘッダ２４に搭載されている。
前記ヒートシンク２５は、半導体レーザ素子２６とほぼ同じ膨張係数を有する材料（例えばダイヤモンド、ＳｉＣ、シリコンなど）から構成され、半導体レーザ素子２６の放熱を行うとともに、熱応力による故障を防止している。
前記ヘッダ２４は、半導体レーザ素子２６の電極用の端子を有し、ベース板２３に固定されている。
【０００６】
そして、前記半導体レーザ素子２６の後部（レーザ出射方向と逆方向）には、モニタ用の受光素子２９が、前記ベース板２３に固定されて設けられている。
前記受光素子２９は、半導体レーザ素子２６の温度変化などによる光出力の変化を監視し、その光出力が常に一定になるように制御するものである。
そして、前記半導体レーザ素子２６の前部（レーザ出射方向）には、レンズ２７がレンズホルダ２８に保持され、設置されている。
前記レンズ２７は、半導体レーザ素子２６から出射され広がったレーザ光を、平行光とするものである。前記レンズ２７は光軸調整後、レンズホルダ２８により前記ベース板２３に、ＹＡＧレーザにより溶接固定される。
【０００７】
そして、前記レンズ２７の前方には、パッケージ１０の光取出し窓１４が設置され、この光取出し窓１４には、スリーブ３１が配置され、このスリーブ３１には、フェルール３３を介してレンズ３２が固定されている。そして、前記フェルール３３の端部には、光ファイバ３４が接続される。
レンズ３２は、光ファイバ３４に効率よくレーザ光が入射するように光軸調製された後、スリーブ３１のＡ、Ｂ部で、ＹＡＧレーザ溶接固定されている。
【０００８】
このように構成された半導体モジュール５０においては、半導体レーザ素子２６から出射されたレーザ光は、レンズ２７で平行光に変換され、この平行光が取り出し窓１４を通過して、レンズ３２によって、光ファイバ３４に効率よく結合される。
【０００９】
ところで、前記半導体レーザモジュール５０における半導体レーザ素子２６においては、レーザの高出力が要求され、数百ｍＡの駆動電流を必要とするため、半導体レーザ素子２６の発熱による光出力の低下や、寿命の低下を招くおそれがある。
また、半導体レーザ素子２６は、その雰囲気温度が変化すると波長が変化して光特性が変わることがある。そのため、半導体レーザモジュール５０においては、前記ペルチェ素子２２により、半導体レーザ素子２６を常時冷却し、その発熱量を低減するようにしている。
【００１０】
一方、半導体レーザモジュールの他の形態としては、ステムタイプ、同軸タイプ、ＤＩＰタイなどのパッケージを用いたものがある。
図６は、ステムタイプのパッケージを用いた半導体モジュールの一例を示したものである。
このステムタイプのパッケージ１５は、バタフライタイプの枠板１１に相当する部分がなく、底板１に相当する底板１７と、半導体レーザ装置２０を載置するとともに内部部品を有する載置部１６から概略構成されている。
【００１１】
このようなパッケージ１５においては、載置部１６の一側面部に、レーザが上向きに発振するようにレーザ素子２６が載置され、このレーザ素子２６の下部には、レーザの出力を監視、制御するための受光素子２９が載置される。また、載置部１６を固定する底板１７には、図示しないリード線やアースなどが接続される。
また、このパッケージ１５においては、内部の気密性を保つために、キャップ４０が取り付けられる。このキャップ４０の先端部には光ファイバ３４が接続され、この光ファイバ３４に効率よくレーザ光が入射するように、その内部には、前記半導体モジュール５０のレンズ３２に相当するレンズ（図示略）が収容されている。
【００１２】
このように構成されたステムタイプの半導体モジュール５１においては、半導体レーザ素子２６から上方に出射されたレーザ光は、レンズによって、光ファイバ３４に効率よく結合される。
また、このようなステムタイプの半導体レーザモジュール５１においては、図５に示したバタフライタイプの半導体レーザモジュール５０のように、ベルチェ素子２２などの冷却手段を有しない構造とされ、特に、載置部１６においては、その材料に放熱性が要求される。
【００１３】
ところで、このような半導体レーザモジュールのパッケージを構成する材料としては、鉄−ニッケル−コバルト合金や、銅−タングステン合金（以下、ＣｕＷ合金とする）等の合金が用いられている。
例えば、通常バタフライタイプのパッケージ１０の枠体１１は、鉄−ニッケル−コバルト合金（Ｆｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金）などの合金で構成され、底板１２は、放熱性（熱伝導性）の高い、ＣｕＷ合金などの材料で構成されている。
【００１４】
また、ステムタイプのパッケージ１５では、載置部１６はＣｕＷ合金などの材料、底板１７はＳＰＣＣ等の材料が用いられている。
そして、このようなバタフライタイプのパッケージ１０およびステムタイプのパッケージ１５のＣｕＷ材料は、溶浸法または金属粉末射出成型法（以下、ＭＩＭ法とする）により形成される。また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＳＰＣＣ等の材料は溶浸法、ＭＩＭ法により形成される。
【００１５】
このような半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、上述のように、搭載する半導体レーザ素子２６が温度依存性を有するものであるため、半導体レーザ素子を一定の温度に保つ必要があるため、これを構成する材料の放熱性は、極めて重要な特性である。
しかしながら、前記従来用いられている図５に示すバタフライタイプのパッケージ１０においては、放熱性が不十分であるため、前記半導体モジュール５０のように、ベルチェ素子２２等の冷却手段を用いる必要があった。
【００１６】
このような冷却手段を用いる場合、ベルチェ素子２２等の冷却素子は、その性能上、レーザの温度調節が可能な程度とするには、相対的に大きくする必要があり、このためにパッケージ１０全体を大きく構成する必要があり、不経済であった。
また、冷却手段を用いない図６に示すステムタイプのパッケージ１５においては、パッケージ１５の放熱性の問題から、レーザ素子２６の放熱量を抑え、安定したレーザの発振を行うために、レーザ出力を２ｍＷ程度までとしなければならなかった。
【００１７】
また、前記問題に加えて、前記パッケージを構成する材料においては、その強度が不十分なために、その組立時や、取り付け時において、ねじの締め付けなどにより、前記バタフライタイプのパッケージ１０の固定孔１３およびステムタイプのパッケージ１５の固定孔１８に割れが生じるといった問題があった。特に、前記パッケージが金属の溶浸法により製造されたものである場合には、強度に問題があることが多かった。
【特許文献１】特開平５−３２７０３１号公報
【特許文献２】特開平９−３１２３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
よって、本発明における課題は、放熱性が高く、かつ強度に優れた半導体レーザモジュール用パッケージを得ることを目的とするものである。
詳しくは、パッケージの放熱性を高めて、半導体レーザモジュールにおいて冷却装置なしでも、高レーザ出力での運転を可能とすること、およびパッケージの強度を高めて、固定時に割れることのないパッケージを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
かかる課題を解決するために、
請求項１にかかる発明は、銅タングステン合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージであって、
この銅タングステン合金の微細構造がタングステン粒子間の隙間に銅が入り込んだ構造であり、銅タングステン合金中のタングステン粒子の粒径が１５μｍ以下で、かつ平均粒径が０．５〜３．５μｍであり、銅の含有量が１０〜３０重量％であることを特徴とする半導体レーザモジュール用パッケージである。
【００２０】
請求項２にかかる発明は、平均粒径が０．１〜５μｍのタングステン粉末と銅粉末を用い、金属射出成型法によって得られたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール用パッケージである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の半導体レーザモジュール用パッケージによれば、熱伝導率に優れたＣｕＷ合金を用いているので、放熱性が高い。このため、収容するレーザ素子が発熱し、パッケージ内に放熱しても、パッケージの放熱性が高く、その熱を外部に放熱することができる。
したがって、この半導体レーザモジュール用パッケージを用いた半導体レーザモジュールにおいては、内部が高温になることがなく、レーザ素子による光出力や寿命の低下を招くおそれがなく、安定した半導体レーザ素子の光特性が得られる。
【００２２】
また、特に冷却手段を設置しなくても、レーザ素子の出力を２．５〜５ｍＷ程度の高出力とすることができる。また、前記パッケージにおいては、強度に優れるため、その組立時や、取り付け時において割れが生じることが少ない。特に、その固定時のねじの締め付けなどにより、パッケージの固定孔部分に割れ等の破損が生じることが少ない。よって製品の歩留まりがよい。また本発明の半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、放熱性かつ強度に優れるため、部品の熱等による変形が少なくなり、半導体レーザモジュールにおける光軸ずれを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１および図２は、本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの一例を示したもので、図１はバタフライタイプのパッケージ、図２はステムタイプのパッケージの一例を示しものである。
これらは、構成材料に違いはあるが、従来例で説明した、図５に示すバタフライタイプのパッケージ１０、図６に示したステムタイプのパッケージ１５と、構造はそれぞれ同様である。よって、図１および図２においては、同様の部位においては、図５および図６に用いたものと同様の符号を付すとともに、これらの説明を省略する。
【００２４】
図１に示すバタフライタイプのパッケージ１０および図２に示すステムタイプのパッケージ１５は、それぞれ以下に説明するＭＩＭ法により得られるＣｕＷ合金からなるものである。
このＭＩＭ法は、一般に、金属粉末に適当なバインダーを加え、これらを混練して成型用組成物とし、ついで、この成型組成物を造粒し、この造粒した成型用組成物を所望の形状の金型により射出成型して成型体（グリーン体）とし、ついで、このグリーン体を乾燥脱脂して、バインダーを除去したブラウン体とし、ついで、このブラウン体を焼結して焼結体とするものである。
【００２５】
以下、本発明の半導体レーザモジュール用パッケージを製造する方法についてに説明する。
まず、成型材料としてＷ粉末とＣｕ粉末とを混合して、ＣｕＷ混合粉末を得る。
Ｗ粉末としては、平均粒径が０．１〜５μｍであるものを用いる。この範囲の平均粒径の小さいＷ粉末であれば、ＣｕＷ合金としたときの熱伝達率を向上させることができるとともに、強度を十分なものとすることができる。
【００２６】
Ｃｕ粉末としては、粒径は特に限定されないが、平均粒径が０．１〜４５μｍ程度のものを用いると分散性が高く好ましい。前記Ｃｕ粉末の配合量としては、ＣｕとＷの合計重量に対して、１０〜３０重量％が好ましい。１０重量％未満であるとＣｕＷ合金における熱伝達率が十分に向上せず、３０重量％を越えるとＣｕＷ合金の強度が十分なものとならない。
【００２７】
また、前記ＣｕＷ混合粉末においては、前記ＷおよびＣｕ以外に、焼結助剤として、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）から選ばれる１種の金属を含有するものであっても良い。これらの金属によれば、放熱性をより向上させることができ、熱膨張係数が低く、熱伝導率が高いＣｕＷ合金を得ることができる。ＣｕＷ合金におけるこれらの金属の含有量としては、０．００１〜１．０重量％が好ましい。
【００２８】
前記ＣｕＷ混合粉末（前記焼結助剤の金属を配合したものも含む）においては、次のバインダー添加混練工程前に、バインダーとの結合性を増すために、またこれらの焼結を容易にするために、カップリング剤による表面処理を施すことが好ましい。
前記表面処理方法としては、湿式処理法と、乾式処理法の２つがある。
【００２９】
前記湿式処理法は、カップリング剤を大量に水に分散させたものに、未処理のＣｕＷ混合粉末を添加して撹拌し、これを常温で１０〜３０分程度放置した後、１０５℃程度の温度で、１０時間以上加熱乾燥させることによって、ＣｕＷ混合粉末を表面処理する方法である。
前記乾式処理法は、ＣｕＷ混合粉末をヘンシェルミキサー（商標名）等の高速ミキサーにより高速撹拌しながら、カップリング剤を徐々に添加し、さらに、６０〜８０℃に加湿した状態で、１０００〜１５００ｒｐｍ程度の高速で２〜１０分間程度撹拌することにより、金属粉末に表面処理を施すものである。
【００３０】
このような表面処理に用いられるカップリング剤としては、加水分解により水酸基となり金属粉末と相互作用し得る官能基と、バインダーと相互作用し得る有機官能基とを有するものが好ましく用いられ、具体的には、有機官能基側の側鎖にアミノ基、アミド基、水酸基のうち少なくとも１つの基を有するチタネート系カップリング剤や、シランカップリング剤等が挙げられる。
【００３１】
前記カップリング剤の添加量としては、ＣｕＷ混合粉末の単位重量当たり０．５〜３％であることが好ましい。０．５％未満であると、カップリング剤の添加効果が得られず、３％を越えても、カップリング剤の添加効果は、飽和状態となり変わらない。
【００３２】
ついで、前記ＣｕＷ混合粉末にバインダーを添加して、混練して成型用組成物を得る。
前記バインダーとしては、以下に例示するものを用いることが好ましい。
（１）ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアセタール、ＥＶＡ、ポリエチレングリコール、樟脳などの有機系樹脂。
（２）パラフィンワックス、カルナウパワックス、密蝋などのワックス類。
（３）前記（１）（２）の群から選ばれるを２種以上のバインダーを混合した有機バインダー。例えば、ポリスチレン、アクリル樹脂、ＡＰＰ、パラフィンワックスの混合物、ポリエチレン、ポリスチレン、パラフィンワックスの混合物、ポリエチレン、ポリエチレングリコール、パラフィンワックス、カルナバワックスの混合物などが挙げられる。
（４）寒天（アガロースを主成分とする海草からの抽出物）。
【００３３】
バインダーの添加量としては、前記ＣｕＷ混合粉末に対して、３５〜５５体積％であることが好ましい。３５体積％未満であると、射出成形時に十分な粘度が得られず、成形機内のスクリューが磨耗したり、成形機内で材料詰まりを起こし好ましくない。また５５体積％を超えると、脱バインダー工程時に膨れ、亀裂が生じやすくなったり、成型体にヒゲが生じるため好ましくない。
【００３４】
ついで、前記成型用組成物を造粒してペレット化する。ついで、所望の半導体レーザモジュール用パッケージの形状を有する金型を用意し、この金型を用いた射出成型法により、成型用組成物からグリーン体を得る。このときの射出温度としては９０〜１８０℃、金型温度としては２０〜５０℃が好ましい。
【００３５】
ついで、得られたグリーン体を、真空乾燥して水分を除去し、続いて加熱してバインダーを除去し（脱バインダー）、ブラウン体を得る。
前記真空乾燥条件としては、乾燥温度４０〜８０℃、圧力１．３３３２２×１０２Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）で、４時間以上真空乾燥し、含水率を０．５重量％以下となるようにするのが望ましい。
また前記脱バインダーの条件としては、Ｎ２、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気下で行い、昇温速度を０．１〜１℃／分、加熱温度を３８０〜４５０℃とし、０．１〜５Ｌ/ｍｉｎの気流中で行うことが望ましい。
【００３６】
ついで、得られたブラウン体を焼結炉で焼結して焼結体とし、成型体を得る。このときの焼結条件としては、昇温速度を１〜１０℃／分、昇温温度を１２００〜１５００℃、焼結時間を１〜１０時間とするのが好ましい。また、この工程は、ＡｒとＨ２の混合雰囲気下（Ｈ２濃度０．１〜１００％が好ましい）で、０．１〜１０Ｌ/ｍｉｎの気流中で行うことが好ましい。
【００３７】
ついで、パッケージのタイプによって、得られた成型体を組み立てててパッケージを作製する。パッケージが複雑な形状を有する場合、いくつかの部位に分けて成型し、これを組み立ててパッケージとすることが好ましい。
例えば、図１に示すバタフライタイプのパッケージ１０の場合、枠体１１と、底板１２の成型体を別々に前記製造方法により作製し、これらを組み立てる。このときの組立方法としては、各部位を構成する成型体を蝋付けにより固着して一体化する方法、焼結により一体化する方法等が挙げられる。
【００３８】
このようにして製造された半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、これを構成するＣｕＷ合金の微細構造が、大部分のＷが粒子形状を保ち、このＷ粒子間の隙間にＣｕが入り込んだ構造となっており、Ｗ粒子表面においては、ＷとＣｕとが溶け合い強く密着した状態となっている。
【００３９】
また、前記微細構造のＣｕＷ合金からなる成型体におけるＷ粒子の粒径は、１５μｍ以下、平均粒径が０．５〜３．５μｍ以下となっている。また、ＣｕＷ合金中のＣｕ含有量が１０〜３０重量％となっている。
このように、前記半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、粒径が小さいＷ粉末を成型したものであるため、得られる成型体におけるＷ粒子の平均粒径は小さく、これらの隙間は小さく、そこにＣｕが入り込む構造となっているため、高密度化が可能とされる。
【００４０】
このようなＣｕＷ合金であれば、熱伝達率および強度を向上させることができる。このため、このようなＣｕＷ合金においては、例えば、Ｃｕの含有量が２０重量％である場合において、２００〜２４０Ｗ／ｍＫ程度とすることができ、通常用いられるＣｕＷ合金よりも格段に向上させることができる。
前記熱伝導性に優れるＣｕＷ合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、放熱性に優れ、内部の温度が上がったときにも効率よく、熱を逃がすことができ、内部温度を安定して保つことができる。このため、冷却素子を必要とせず、２．５〜５ｍＷの高出力のレーザ運転にも耐えることができる。
【００４１】
また、このＣｕＷ合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、機械的強度に優れたものであるので、組立時や、取り付け固定時において、部品の一部、例えば、ネジ固定のための固定孔に割れが生じることがない。よって、製品の歩留まりを向上させることができる。
また、このようなＭＩＭ法を用いた製造方法によれば、前記ＣｕＷ合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージを精度よく、容易に成型することができる。
【００４２】
そして、このようなパッケージを用いた半導体モジュールであれば、パッケージ内部が高温になることがなく、レーザ素子による光出力や寿命の低下を招くおそれがなく、安定した半導体レーザ素子２６の光特性が得られる。よって、冷却手段を設置しなくても、レーザ素子の出力を２．５〜５ｍＷ程度の高出力とすることができる。
また、図１に示すバタフライタイプのパッケージ１０においては、枠体１１および底板１２に前記ＣｕＷ合金を用いれば、冷却素子を必要とすることなく、パッケージ１０をコンパクトに設計することが可能となる。
【００４３】
また、前記半導体レーザモジュール用パッケージにおいては、パッケージのすべての部材に前記ＣｕＷ合金を用いたが、パッケージの一部に他の合金を用いたものであってもかまわない。
この場合、パッケージの少なくとも半導体レーザ素子を載置する部位と、固定孔が形成され部位に、前記ＣｕＷ合金を用いることが好ましい。このような場合、各部位を前記ＭＩＭ法により製造し、蝋づけ、焼結等により組み立てることによって半導体レーザモジュール用パッケージとすることができる。
【００４４】
例えば、図１に示すようなバタフライタイプのパッケージにおいては、底板１２に前記ＣｕＷ合金を用い、枠板１１を鉄−ニッケル−コバルト合金から構成したものであってもかまわない。このようなものでも、前記ＣｕＷ合金の熱伝導率が高いため、パッケージにおいて、十分な放熱性を有することができる。
【００４５】
以下、本発明の作用効果について説明する。
通常、半導体レーザモジュール用パッケージに用いられるＣｕＷ合金は、平均粒径が５μｍ以上のＷ粉末を用いてなるものである。このような比較的大きな平均粒径のＷ粉末を用いて得られるＣｕＷ合金の熱伝導率は、最大でも、Ｃｕ含有量が２０重量％のとき、２００Ｗ／ｍＫ程度であった。これに対して、本発明のように、平均粒径の小さいＷ粉末を用いることによって、かつＣｕの含有量を１０〜３０重量％とすることによって、ＣｕＷ合金の熱伝導率および強度を向上させることができる。
【００４６】
このように、ＭＩＭ法におけるＷ粒子の平均粒径を小さくすることによって、熱伝導率および強度を向上することができるのは、以下の理由によるものと考えられる。
まず、前記ＣｕＷ混合粉体の焼結の際、Ｗ粉末の平均粒径が小さいことにより、ＣｕＷ合金におけるＷ粒子とＣｕの接触部分が増大することによって、ＣｕＷ合金の高密度化が可能となる。
【００４７】
そして、このようなＣｕＷ合金の高密度化と、Ｗ粒子とＣｕとの接触界面の増大によって、ＣｕＷ合金における熱伝導率が飛躍的に向上する。また、ＣｕＷ合金の高密度化により、またＣｕＷ合金中のＷ粒子の粒径が細かくなることで、一般の金属材料と同様にして、ＣｕＷ合金の機械的強度が向上する。
【００４８】
また、ＣｕＷ合金における熱伝導率と強度は、銅の含有量にも関係し、銅の含有量が多くなれば、ＣｕＷ合金における熱伝導率は上昇するが、機械的強度は低下する。逆に、銅の含有量が少なくなれば、ＣｕＷ合金における熱伝達率は低下するが、機械的強度は向上する。これらを考慮して銅の含有量を１０〜３０重量％とすることで、熱伝達率と強度ともにバランスのとれた優れた値が得られる。
【００４９】
図３は、ＣｕＷ合金におけるＷ粉末の平均粒径と、ＣｕＷ合金の熱伝導率との関係をＣｕの含有量が１０重量％の場合と、３０重量％の場合とを示したグラフである。
また、図４は、ＣｕＷ合金におけるＷ粉末の平均粒径と、ＣｕＷ合金の強度との関係を示したグラフであり、Ｃｕの含有量が１０重量％の場合と、３０重量％の場合とを示したグラフである。
【００５０】
これらのグラフは、実際に用いるＷ粉末の平均粒径と銅の含有量を変えて、ＭＩＭ法において、ＣｕＷ合金（試料）を製造し、この熱伝導率および強度を測定したデータをもとに作成したものである。
【００５１】
このグラフから、ＣｕＷ合金中のＷ粉末の平均粒径が０．５〜３．５μｍとしたときに、ＣｕＷ合金の熱伝導率および強度が向上すること、これらの特性がＣｕ含有量に関係することがわかる。また、ＣｕＷ合金における銅の含有量を１０〜３０％とすることで、ＣｕＷ合金における熱伝導率を、１６０〜２８０Ｗ／ｍＫと高くすることができるとともに、その強度を１３００〜１６５０ＭＰａとすることができることがわかる。
【００５２】
以下、実施例を示す。
図１に示すバタフライタイプのパッケージ１０を製造した。
（１）枠体１１および底板１２の作製
最大粒径４５μｍ以下、平均粒径２５μｍのＣｕ粉末２０重量部と、最大粒径２５μｍ以下、平均粒径２μｍのＷ粉末８０重量部とを混合してＣｕＷ混合粉末とした。
【００５３】
ついで、このＣｕＷ混合粉末に、カップリング剤として、シランカップリング剤を前記混合粉末に対して単位重量あたり１．５％の割合となるように添加し、表面処理を施した。
この表面処理は、乾式処理法を用いて行い、ＣｕＷ混合粉末をヘンシェルミキサー（商標名）により、１７５０ｒｐｍの高速で５分間撹拌し、その後攪拌しながら前記カップリング剤を５分間かけて徐々に添加し、さらに添加後５分間攪拌しておこなった。
【００５４】
ついで、前記表面処理を施したＣｕＷ混合粉末に対して、４５容量％のバインダーを加え、加圧ニーダーにて１６５℃で１時間、混練して成型用組成物を得た。このとき、バインダーとしては、ポリスチレン２０重量％、アクリル樹脂２０重量％、ＡＰＰ１５重量％、パラフィンワックス４４．５重量％、滑剤として、ステアリン酸０．５重量％を適宜加えて調整したものを用いた。
【００５５】
ついで、この成型用組成物をダイス温度１５０℃でペレット化し、これを枠体１１または底板１２の形状を有する金型を用いて、射出温度１６０℃、金型温度４０℃で射出成型して、枠体１１および底板１２のグリーン体を得た。
【００５６】
ついで、枠体１１および底板１２のグリーン体を真空乾燥装置内に配置した後、８０℃、１．３３３２２×１０−３Ｐａの圧力で、４時間真空乾燥し、含水率が０．５質量％となるように水分を除去した。ついで、この乾燥されたグリーン体を、１ａｔｍ（常圧）で、常温から昇温速度を０．５℃／分として、４００℃まで加熱して、前記グリーン体を脱バインダー化してブラウン体とした。この工程は、Ｎ２雰囲気下で、１Ｌ／ｍｉｎの気流中で行った。
【００５７】
ついで、このブラウン体を焼結炉に入れ、昇温速度を５℃／分として、１２００〜１５００℃まで昇温した後、この温度を２時間保持することにより、ブラウン体を焼結して、ＣｕＷ焼結体からなる枠体１１および底板１２を得た。この工程は、ＡｒとＨ２の混合雰囲気下（Ｈ２濃度を４％とした）で行い、１Ｌ／ｍｉｎの気流中で行った。
【００５８】
（２）パッケージ１０の作製（枠体１１と底板１２との一体化） 上述のようにして得られた底板１２上の溝部に、枠体１１の下端周辺に形成された突起部に嵌合したあと、蝋材（銀蝋）によりこの嵌合部の周囲を蝋付けして固着し、枠体１１と底板１２とを一体化してパッケージ１０を得た。
【００５９】
このようにして、得られたパッケージを構成するＣｕＷ焼結体のＣｕ含有量は２０重量％であった。得られたＣｕＷ合金（２０重量％Ｃｕ）の熱伝導率を、ＪＩＳ Ｒ１６１１によるレーザフラッシュ法にて測定したところ、２４０Ｗ／ｍＫの値が安定して得られた。
さらに、得られたＣｕＷ合金において、強度をＪＩＳ Ｚ２２４８による材料曲げ試験法により測定したところ、１６００ＭＰａの破断強度が得られた。これらの値はともに従来のものに比べ高い値となり、熱伝導率および強度とも実用上有用な値である。
このように、得られたパッケージにおいては、これを構成するＣｕＷの熱伝導率が高いために、パーケージの放熱性に優れ、レーザ出力が高い場合においても内部に熱がたまることなく、安定したレーザ運転が可能である。
【００６０】
（比較例）
溶浸法により、パッケージ１０の枠体１１の作製を行った。前記用いたＷと同じ平均粒径のＷ粉末を仮焼結させて、複数の小穴のあいた金属Ｗの成型体を得た。このときの条件としては、昇温速度を５℃／分として、１３００〜１８００℃まで昇温した後、この温度を２時間保持するようにした。
【００６１】
この工程は、ＡｒとＨ２の混合雰囲気下で行った。１リットル／ｍｉｎの気流中で行った。ついで、この金属Ｗの上に、銅板をのせ、圧力１気圧〜１０気圧、温度１１００℃にてホットプレスし、銅板を溶解して前記Ｗの穴に銅を染み込ませようとしたが、穴が小さいためにＷの焼結体にＣｕが含浸せず、穴のあいたままのＣｕＷ合金となってしまった。
【００６２】
得られたＣｕＷ合金の強度は低く測定することができなかった。また、熱電導率、熱膨張係数も測定することができず、低いものであった。このように溶浸法の場合、Ｗ平均粒径が小さくなると、ＷがＣｕを含浸することが難しく、事実上、Ｗの粒径が５μｍを越えるものでないとパッケージを作製することができない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの一実施形態を示した斜視図である。
【図２】本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの一実施形態を示した斜視図である。
【図３】本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの製造方法におけるＷ粒子の平均粒径と、得られたＣｕＷ合金における熱伝導率との関係を示したグラフである。
【図４】本発明の半導体レーザモジュール用パッケージの製造方法におけるＷ粒子の平均粒径と、得られたＣｕＷ合金における強度との関係を示したグラフである。
【図５】バタフライタイプの半導体レーザモジュール用パッケージを説明するための概略構成図である。
【図６】ステムタイプの半導体レーザモジュール用パッケージを説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０、１５・・・パッケージ １１・・・枠体 １２・・・底板 １３・・・固定孔 １６・・・載置部 １７・・・底板 １８・・・固定孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅タングステン合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージであって、
この銅タングステン合金の微細構造がタングステン粒子間の隙間に銅が入り込んだ構造であり、銅タングステン合金中のタングステン粒子の粒径が１５μｍ以下で、かつ平均粒径が０．５〜３．５μｍであり、銅の含有量が１０〜３０重量％であることを特徴とする半導体レーザモジュール用パッケージ。
【請求項２】
平均粒径が０．１〜５μｍのタングステン粉末と銅粉末を用い、金属射出成型法によって得られたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール用パッケージ。
【請求項１】
銅タングステン合金からなる半導体レーザモジュール用パッケージであって、
この銅タングステン合金の微細構造がタングステン粒子間の隙間に銅が入り込んだ構造であり、銅タングステン合金中のタングステン粒子の粒径が１５μｍ以下で、かつ平均粒径が０．５〜３．５μｍであり、銅の含有量が１０〜３０重量％であることを特徴とする半導体レーザモジュール用パッケージ。
【請求項２】
平均粒径が０．１〜５μｍのタングステン粉末と銅粉末を用い、金属射出成型法によって得られたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール用パッケージ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−４７８１６（Ｐ２００７−４７８１６Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７６５４４（Ｐ２００６−２７６５４４）
【出願日】平成１８年１０月１０日（２００６．１０．１０）
【分割の表示】特願２０００−１３７７５１（Ｐ２０００−１３７７５１）の分割
【原出願日】平成１２年５月１０日（２０００．５．１０）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月１０日（２００６．１０．１０）
【分割の表示】特願２０００−１３７７５１（Ｐ２０００−１３７７５１）の分割
【原出願日】平成１２年５月１０日（２０００．５．１０）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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