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JP3793648B2 - マルチチップモジュールの製造方法 - Google Patents

マルチチップモジュールの製造方法 Download PDF

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JP3793648B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッシブアライメントを利用するマルチチップモジュールの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
マルチチップモジュールの一種であるレーザチップモジュールは、光ファイバーを介して半導体レーザチップから出力されたレーザ光線をヒートシンクの外部に導く一方、レーザチップから出力されたモニターレーザをモニターチップに導くように設計されている。従って、レーザ光線に光ファイバーをアライメントするために、レーザチップと光ファイバーとを優れた精度で位置合わせする必要がある。従来、光ファイバーのアライメントは、ヒートシンクに固定されたレーザチップからレーザ光線を出力させる一方、ヒートシンク上で光ファイバーの位置を調整し、光ファイバーに導かれる光パワーが最大になる位置に光ファイバーを固定していた。アクティブアライメントと呼ばれるこの方法は、光ファイバーとレーザチップとを精密に位置合わせすることが可能であるが、アライメントに時間がかかるため生産性が悪く、レーザチップモジュールを低価格で生産することの弊害であった。
【0003】
近年、上記課題に対処するためにパッシブアライメントと呼ばれる方法が提案されている。この方法は、予めヒートシンクであるシリコン基板にV型溝を形成し、該V字型溝に光ファイバーを落とし込んで固定した後、レーザチップとヒートシンクとに形成されているアライメントマークを画像認識して、レーザチップのレーザ光線を出力する発光部が、光ファイバーのコア断面の直前になるようなヒートシンク上の基準点にレーザチップを固定するものである。
【0004】
詳細には、図5(a)で示すように、ヒートシンク金属膜10を備えていて、さらにその上に半田材11が形成されているヒートシンク13をボンディング装置(図示せず)に設置する。他方、内部にレーザ光線を出力する発光部6を有し、表面に半田材用金属層12を備えているレーザチップ1を上記ヒートシンク13の上方に設置する。この際、発光部6は、上記レーザ光線が入力される光ファイバー(図示せず)のコアの中心である基準点6の上方に位置する。次に、図5(b)で示すように、キャピラリ14によって、レーザチップ1をヒートシンク13に押しつけて所定の加重をかけながら、半田材11を加熱し冷却する。こうすることで基準点7に発光点6が一致する位置、即ち光ファイバーに十分にレーザ光線を供給できる位置にレーザチップ1を半田材11で固定する。
【0005】
ヒートシンクにレーザチップを固定した後、レーザ光線を十分に入力することができるヒートシンク上の位置にモニターチップを半田材で固定する。即ち、パッシブアライメントによってレーザチップとモニターチップとを固定する場合、同一のヒートシンク上で半田融解が二度行われる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらパッシブアライメントには、以下に説明するような課題があった。モニターチップを固定する際にヒートシンクを加熱するので、既にレーザチップを固定している半田材が再融解・再凝縮する。この際、キャピラリはモニターチップを押さえていて、レーザチップに適度な荷重がかかることがないので、再融解した半田材の表面張力により、レーザチップが半田材から浮いた状態で固定される。
【0007】
さらに、ヒートシンク金属膜の状態及び該金属膜の酸化状態によって、再融解・再凝固した半田材が一部ヒートシンク内部に浸透し、さらにヒートシンクが部分的に半田材をはじくので、再融解時の半田材の表面張力が不均一になり、半田材の表面が傾斜し、図6で示すようにレーザチップ1が傾斜して固定される。
【0008】
上述したような状態になると、レーザチップの発光点6が基準点7からずれた状態で固定される。このような状態では、レーザ光線を光ファイバーに適切に導くことはできない。
【0009】
さらに、融解し凝固することで体積が減少する特性を有する半田材を用いると、半田材用金属膜と半田材との間に不均一な空隙が発生する可能性がある。このような空隙はレーザチップでは発生した熱をヒートシンクに放熱することの妨げになる。特に、レーザチップモジュールの最大の発熱源である発光部の直下部分にこのような空隙が発生すると、レーザチップモジュールの高温動作に悪影響を与える。
【0010】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、(1)予め光ファイバーが固定されているヒートシンク上に光半導体チップと受光チップを優れた精度で所定の位置に固定するマルチチップモジュールの製造方法、及び(2)放熱性に優れた融着半田部を備えたマルチチップモジュールの製造方法を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明にかかるマルチチップモジュールの製造方法は、同一のヒートシンク上にレーザチップ及びモニターチップを仮固定した後に、該両チップを半田材で同時に固定する。具体的には、本発明にかかるレーザチップモジュールの製造方法は、レーザ光線を発振して出力する又は入力されたレーザ光線を増幅して出力する光半導体チップと、出力されたレーザ光線を受光する一又は二以上の受光チップと、上記光半導体チップに接続された光ファイバーとが同一のヒートシンク上に所定の位置関係で固定されていて、上記光ファイバーを上記ヒートシンクの上記所定の位置に固定するとともに上記光半導体チップと上記受光チップとを上記ヒートシンクの上記所定の位置に固定するマルチチップモジュールの製造方法であって、上記光ファイバーから入力される又は上記光ファイバーに出力される上記レーザ光線の強度が実質的に最大になる上記ヒートシンク上の光半導体チップ位置に上記光半導体チップを仮固定材によって仮固定する光半導体チップ仮固定工程と、上記受光チップに入力される上記レーザ光線の強度が実質的に最大になる上記ヒートシンク上の受光チップ位置に上記受光チップを仮固定材によって仮固定する受光チップ仮固定工程と、上記仮固定された上記光半導体チップ及び上記仮固定された上記受光チップを半田材によって固定するチップ固定工程とを含むことを特徴とするもので、上記光半導体チップと上記受光チップを同時に半田材で固定することによって、ヒートシンク上での位置ずれを防止する。
【0012】
また、上記マルチチップモジュールの製造方法は、十分な強度でチップを仮固定する為に、上記仮固定を圧着された金属又は樹脂接着剤で行うことが好ましい。
【0013】
さらに、上記マルチチップモジュールの製造方法は、上記レーザチップがその固定側表面に半田材用金属膜と、該半田材用金属膜から分離されている仮固定材用金属膜とを有する一方、上記ヒートシンクがその固定側表面に上記レーザチップ側の上記半田材用金属膜に対応する半田材用金属膜と上記レーザチップ側の上記仮固定材用金属膜に対応する仮固定材用金属膜を有しているのが好ましい。
【0014】
また、上記マルチチップモジュールの製造方法は、半田材に発生する空隙を減少させてレーザチップモジュールの放熱効率を向上させる為に、上記半田材用金属膜を、上記レーザチップの固定側表面で該レーザチップが上記レーザ光線を出力することで温度が上昇する部分に形成する一方、ヒートシンク側には上記半田材用金属膜を覆うように半田材を設け、上記チップ固定工程において、上記半田材を融解凝固させ上記レーザチップ側の上記半田材用金属膜と上記ヒートシンク側の上記半田材用金属膜との間に上記半田材よりも体積が小さく上記両金属膜に密着している融着半田部を形成するのが好ましい。
【0015】
さらに、上記マルチチップモジュールの製造方法は、融解した余剰な半田材が仮固定部を融解することを防止する為に、上記ヒートシンク上の上記半田材用ヒートシンク金属膜と上記仮固定材用ヒートシンク金属膜との間に余剰な融解した上記半田材が流れ込む半田材たまり溝が形成されているのが好ましい。
【0016】
また、上記マルチチップモジュールの製造方法は、半田材に発生する空隙を減少させるために、上記圧着された金属が、少なくとも表面に金又は金合金層で形成されたものである場合、上記半田材を、融解前後において体積が変化しないPbSn又はInPbとすることが好ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【0018】
実施の形態1.
最初に、図1を参照して、本発明の実施の形態1にかかるレーザチップモジュール20に関して説明する。図1で示すレーザチップモジュール20は、パッシブアライメントによって光ファイバー16に対して、光半導体チップであるレーザチップ1の位置決めを行ったものである。詳細には、レーザチップモジュール20は、ヒートシンク2上に設けられたV字溝17に光ファイバー16を固定した後、レーザ光線を出力する発光部6を備えたレーザチップ1を圧着金属3で仮固定し、モニターチップ15を圧着金属3で仮固定し、続いて上記両チップ1、15を融着半田材4で固定したものである。レーザチップ1が光ファイバー16及びモニターチップ15に最大限にレーザ光線を供給できるように、図1(b)に示すように、レーザチップ1の前方発光部6bと光ファイバー16のコアの中心とが対向し、レーザチップ1の後方発光部6bとモニターチップ15の受光部15aとが対向するように、光ファイバー16、レーザチップ1及びモニターチップ15が配置されている。尚、本実施の形態においては光半導体チップとしてレーザチップを用いたが、本発明はこれに限定されるものでなく、入力されたレーザ光線を増幅して出力する光半導体アンプチップ等の他の光半導体チップを用いてもよい。
【0019】
ヒートシンク2上のレーザチップ位置2cにレーザチップ1を固定して、光ファイバー16のコアの中心である基準点7に発光部6を一致させた状態を図2に示す。図2に示すように、レーザチップ1には、レーザチップ1の発光部6の直下部表面を覆う半田材用金属膜1a、及びレーザチップ1の両端部表面を覆う圧着金属用金属膜1bが形成されている一方、ヒートシンク2上のレーザチップ位置2cには、上記半田材用金属膜1aに対応する半田材金属2a及び上記圧着金属用金属膜1bに対応する圧着金属用金属膜2bが形成されている。さらに、融着半田材4は半田材用金属膜1a、2aに挟まれていて、圧着金属3は圧着金属1b、2bに挟まれている。尚、ヒートシンク2上の半田材用金属膜2aと圧着金属用金属膜2bとの間の領域には半田材たまり溝9が設けられている。
【0020】
次に、レーザチップ1及びモニターチップをヒートシンク2に固定する方法について説明する。図3(a)で示すように、内部に発光部6を有するレーザチップ1の固定側表面に、発光部6の直下部を覆う半田材用金属膜1aと該半田材用金属膜1aから分離されている圧着金属用金属膜1bとを形成し、続いて、圧着金属用金属膜1b表面に金又は金合金からなる圧着金属3aを設ける。
【0021】
一方、ヒートシンク1上のレーザチップ位置2cに、上記半田材用金属膜1aに対応する半田材用金属膜2a、該半田材用金属膜2aから分離されている上記圧着金属用金属膜1bに対応する圧着金属用金属膜2bを形成し、さらに、半田材用金属膜2aの圧着金属用金属膜2bとの間に半田たまり溝9を形成する。次に、圧着金属用金属膜2b上に金又は金合金からなる圧着金属3bを設け、半田たまり溝9で挟まれる部分の半田材用金属膜2a上に金スズ(AuSn)半田である半田材4aを載置する。
【0022】
次に、図3(a)で示すように、発光部6が基準点7に真上になり、半田材用金属膜1aと半田材用金属膜2a、及び圧着金属3aと圧着金属3bとが対向するように、上記レーザチップ1をヒートシンク2のレーザチップ位置2cの上方に設置する。
【0023】
続いて、図3(b)で示すように、圧着金属3aと圧着金属3bとが接するように、キャピラリ12によってヒートシンク2にレーザチップ1を所定の荷重をかけて押しつける一方、半田材4の融点以下の温度にヒートシンク2を加熱して圧着金属3aと圧着金属3bとを熱圧着させて、レーザチップ1をヒートシンク2上のレーザチップ位置2cに十分な強度で仮固定する。
【0024】
さらに、レーザ光線を最大限にモニターチップに供給することができるヒートシンク上のモニターチップ位置(図示せず)に、モニターチップを同様に圧着金属で十分な強度で仮固定する。
【0025】
尚、上述した圧着金属の代わりに樹脂接着材を用いて、レーザチップ1とモニターチップとをヒートシンク2に仮固定してもよい。
【0026】
同一のヒートシンクにレーザチップとモニターチップとを仮固定した後、ヒートシンクを半田材の融点以上に加熱して、レーザチップとヒートシンクとの間に介在する半田材、及びモニターチップとヒートシンクの間に介在する半田材を同時に融解させ、該半田材を冷却し凝固させ、両チップをヒートシンクに融着固定する。この際、融解した余剰な半田は半田材たまり溝9に流れ込む。こうすることで、同一のヒートシンク上にモニターチップとレーザチップとを固定する工程が完了する。尚、上記同様の方法を利用して、光ファイバーから供給されるレーザ光線の強度が最大になる位置に受信用フォトダイオードチップを固定することもできる。
【0027】
上記レーザチップ1とモニターチップとは、十分な強度でヒートシンクに仮固定がされているので、半田材を融解させる際にヒートシンクを加熱しても、熱応力によって上記両チップがヒートシンクの所定の位置からずれることがない。
【0028】
また、ヒートシンク2に半田材たまり溝9が設け、溶解したAuSn半田4が該半田材たまり溝9に流れ込むので、溶解したAuSn半田4が、金又は金合金からなる圧着金属を融解することを防止される。
【0029】
尚、半田材としては、上述したAuSn半田の代わりに、PbSn半田又はInPb半田を用いてもよい。このような材料を半田材に用いると、融解されたPbSn半田又はInPb半田によって、金又は金合金からなる圧着金属を溶解することがないので、半田材たまり溝9を形成する必要がない。さらに、PbSn半田又はInPb半田は、融解前後によって体積が減少しないので、半田材金属膜と融解半田部との間に空隙が発生することもない。
【0030】
実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2にかかるレーザチップモジュールについて説明する。レーザチップをヒートシンクに固定する方法を除いて、実施の形態2のレーザチップモジュールは、上記実施の形態1にかかるレーザチップモジュールと同様である。以下、図4(a)、(b)を参照して、実施の形態2にかかるレーザチップの固定方法について説明する。
【0031】
最初、図4(a)で示すように、レーザ光線を出力する発光部6を内部に備えたレーザチップ1の表面に、レーザ光線を出力することで温度が上昇する発光部6の直下部のみを覆う半田材用金属膜1cと該半田材用金属膜1cから分離されているレーザチップ1の両端部を覆う圧着金属用金属膜1bとを形成し、次に、圧着金属用金属膜1b上に金又は金メッキからなる圧着金属3aを設ける。
【0032】
一方、ヒートシンク2のレーザチップ位置2cに、上記半田材用金属膜1cに対応する半田材用金属膜2d、及び該半田材用金属膜2dから分離されている上記圧着金属用金属膜1bに対応する半田材用金属膜2bを形成し、さらに、半田材用金属膜2dと圧着金属用金属膜2bとの間に半田たまり溝8を設ける。続いて、ヒートシンク2上の半田たまり溝8で挟まれる部分に金スズ(AuSn)半田である半田材4aを載置し、該半田材4aで半田材用金属膜2dを完全に覆う一方、圧着金属用金属膜2b上に金又は金メッキからなるヒートシンク側圧着金属3bを設ける。
【0033】
次に、図4(a)で示すように、発光部6が基準点7に真上になり、半田材用金属膜1cと半田材用金属膜2dとが対向し、圧着金属3aと圧着金属3bとが対向するように、上記レーザチップ1をヒートシンク2のレーザチップ位置2cの上方に設置した後、上記実施の形態1と同様に、レーザチップ1をヒートシンク2に十分な強度で仮固定し、モニターチップをヒートシンクに仮固定する。
【0034】
モニターチップとレーザチップとをヒートシンクに仮固定した後、レーザチップとヒートシンクの間に介在する半田材、及びモニターチップとヒートシンクの間に介在する半田材を加熱し、融解・凝固させる。この際、半田材は金属材料になじむ性質があるので、半田材用金属膜1c、2dとの間に溶解した半田材が集中する。従って、図4(b)に示すように、発光部6の直下部にのみに融着半田部4bが形成される。
【0035】
上記実施の形態2のような構造にすると、半田材が融解後、ヒートシンク金属膜2dとレーザチップ金属膜1cの面積に応じて、半田材4の体積が減少するので、融着半田部4と半田材用金属膜1c、2dとの間に空隙が発生することはない。
【0036】
このようにして、レーザチップの発光部の直下部に空隙のない半田材を設けることで、レーザチップの発光部から発生する熱を効率よく放熱することができる。
【0037】
上述した実施の形態1及び2は、同一のヒートシンク上に二つの半導体チップ、即ちレーザチップとモニターチップとを精度よく固定する方法に関して説明したが、同じ方法によって、同一のヒートシンク上に3つ以上の半導体チップを固定することも可能である。従って、光ファイバーから供給されるレーザ光線が最大になるようなヒートシンク上の位置に受信用半導体チップを固定することも可能である。
【0038】
【発明の効果】
本発明のマルチチップモジュールの製造方法は、光半導体チップ及びモニターチップをヒートシンク上の所定の位置に仮固定した後、上記両チップを半田材によって上記所定の位置に同時に融着固定しているので、上記両チップを精度良く同一ヒートシンクに固定することができる。
【0039】
本発明のマルチチップモジュールの製造方法は、仮固定部を圧着金属又は樹脂接着剤とすることで、十分な強度でレーザチップ及びモニターチップを仮固定することができる。
【0040】
本発明のマルチチップモジュールの製造方法は、レーザチップ表面に半田部用金属膜と仮固定材用金属膜を設ける一方、ヒートシンク側に半田部用金属膜と仮固定材用金属膜とを設けることで、ヒートシンクに対するレーザチップの固定をより正確にする。
【0041】
本発明のマルチチップモジュールの製造方法は、空隙の無い半田材をレーザチップの発光部分の直下部に設けることで、マルチチップモジュールの放熱性を向上させ、マルチチップモジュールの高温での動作特性を優れたものにする。
【0042】
本発明のマルチチップモジュールの製造方法は、ヒートシンク上に半田たまり溝を設けることによって、溶解した余剰な半田材を該半田たまり溝で回収して、圧着金属部を溶解することを防止し、ヒートシンク上のレーザチップの位置決め精度を優れたものにする。
【0043】
本発明のレーザチップモジュールの製造方法は、半田材を融解前後で体積が変化しないPbSn又はInPbとすることで、半田材中の空隙の発生を防止して、レーザチップモジュールの高温動作特性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかるレーザチップモジュールを示す。
【図2】 図1のレーザチップモジュールの線II-IIに沿った断面図を示す。
【図3】 本発明の実施の形態1にかかるレーザチップモジュールの製造方法において、ヒートシンクにレーザチップを固定する方法を示すもので、(a)はヒートシンク上の所定の位置にレーザチップを設置する工程を示し、(b)はヒートシンクにレーザチップを仮固定する工程を示す。
【図4】 本発明の実施の形態2にかかるレーザチップモジュールの製造方法において、ヒートシンクにレーザチップを固定する方法を示すもので、(a)はヒートシンク上の所定の位置にレーザチップを設置する工程を示し、(b)はヒートシンクにレーザチップを仮固定する工程を示す。
【図5】 従来技術にかかるレーザチップモジュールの製造方法において、ヒートシンクにレーザチップを固定する方法を示すもので、(a)はヒートシンク上の所定の位置にレーザチップを設置する工程を示し、(b)はヒートシンクにレーザチップを仮固定する工程を示す。
【図6】 従来技術にかかるレーザチップモジュールを示すもので、ヒートシンク上の所定の位置からずれたレーザチップを示す。
【符号の説明】
1 レーザチップ、 1a 半田材用金属膜、 1b 圧着金属用金属膜、 1c 半田材用金属膜、 2 ヒートシンク、 2a 半田材用金属膜、 2b圧着金属用金属膜、 2c レーザチップ位置、 2d 半田材用ヒートシンク金属膜、 4 融着半田部、 4a 半田材、 4b 融着半田部、 6 発光部、 7 基準点、 20 レーザチップモジュール。

Claims (6)

  1. レーザ光線を発振して出力する又は入力されたレーザ光線を増幅して出力する光半導体チップと、出力されたレーザ光線を受光する一又は二以上の受光チップと、上記光半導体チップに接続された光ファイバーとが同一のヒートシンク上に所定の位置関係で固定されていて、上記光ファイバーを上記ヒートシンクの上記所定の位置に固定するとともに上記光半導体チップと上記受光チップとを上記ヒートシンクの上記所定の位置に固定するマルチチップモジュールの製造方法であって、
    上記光ファイバーから入力される又は上記光ファイバーに出力される上記レーザ光線の強度が実質的に最大になる上記ヒートシンク上の光半導体チップ位置に上記光半導体チップを仮固定材によって仮固定する光半導体チップ仮固定工程と、
    上記受光チップに入力される上記レーザ光線の強度が実質的に最大になる上記ヒートシンク上の受光チップ位置に上記受光チップを仮固定材によって仮固定する受光チップ仮固定工程と、
    上記仮固定された上記光半導体チップ及び上記仮固定された上記受光チップを半田材によって固定するチップ固定工程とを含むことを特徴とするマルチチップモジュールの製造方法。
  2. 上記仮固定が、圧着された金属又は樹脂接着剤で行われることを特徴とする請求項1記載のマルチチップモジュールの製造方法。
  3. 上記レーザチップがその固定側表面に半田材用金属膜と、該半田材用金属膜から分離されている仮固定材用金属膜とを有する一方、上記ヒートシンクがその固定側表面に上記レーザチップ側の半田材用金属膜に対応する半田材用金属膜と上記レーザチップ側の仮固定材用金属膜に対応する仮固定材用金属膜とを有することを特徴とする請求項1又は2記載のマルチチップモジュールの製造方法。
  4. 上記半田材用金属膜を、上記レーザチップの固定側表面で該レーザチップが上記レーザ光線を出力することで温度が上昇する部分に形成する一方、ヒートシンク側には上記半田材用金属膜を覆うように半田材を設け、
    上記チップ固定工程において、上記半田材を融解凝固させ上記レーザチップ側の上記半田材用金属膜と上記ヒートシンク側の上記半田材用金属膜との間に上記半田材よりも体積が小さく上記両金属膜に密着している融着半田部を形成することを特徴とする請求項3に記載のマルチチップモジュールの製造方法。
  5. 上記ヒートシンク上の上記半田材用金属膜と上記仮固定材用金属膜との間に、余剰な融解した上記半田材が流れ込む半田材たまり溝が形成されていることを特徴とする請求項3又は4記載のマルチチップモジュール製造方法。
  6. 上記圧着された金属が、少なくとも表面に金又は金合金層で形成されたものであり
    上記半田材が、PbSn又はInPbであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載のマルチチップモジュールの製造方法。
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