CN1463048A - 热电模块封装 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电模块封装，其存储用于控制大输出功率的半导体(如半导体激光器)温度的热电模块(15)，该封装由框架元件(11)和基底元件(12)构成，其上形成各种电极图案。即，基底元件具有用于与半导体元件和热电模块建立电连接的内电极(a2－h2)，以及用于与外部电路建立电连接的外电极(a1－h1)。由于电极图案在基底元件上的这种一体结构，可以减少制造热电模块封装所需的部件数量，因此可以容易地并以低成本制造该封装。热电模块封装可以通过将框架(21a)和基底(21b)一体结合到一起而形成。

Description

热电模块封装
技术领域
本发明涉及一种半导体元件，如用在光通信装置中的半导体激光器，并尤其涉及用于存储对半导体元件进行温度控制的热电模块的封装。
背景技术
近年来，随着在世界范围内诸如因特网(Internet)的网络系统方面的技术快速发展和普及，对进行大量数据或信息的高速通信的需求日益增长。大量数据或信息可以借助于现有的光纤网络以高速传送，这些光纤网络在近年来快速扩展并经常使用。即，诸如波分复用(WDM)和密集波分复用(DWDM)的所谓的宽带光网络技术适于相对于经由单根光纤传送的光信号或光束在信道上多路传输。这实现了大量数据或信息的高速双向通信。
通常，在光纤上传送的数据或信息是通过调制激光束而产生的信号，这些激光束自所谓的光学半导体模块，即储存半导体激光器的电子器件辐射(或发射)。另外，光学半导体模块也用在光放大器中，光放大器在利用光纤传输数据或信息的中点处放大信号的强度。半导体激光器的振荡波受温度影响很大，因此，在工作过程中严格控制半导体激光器的温度至关重要。对于温度控制，可以利用热电模块或热电冷却器(TEC)，后者可以包括有多个珀耳贴(Peltier)元件。
存放诸如半导体激光器和热电冷却器的电子器件的容器通常称为封装，其示例在图21、图22A和图22B中示出，其中，图21示出用于组装封装的主要部分，而图22A和图22B示出封装的组装后的状态。即，光学半导体模块封装60主要由框架61、窗口托架62、底部63、密封圈64、陶瓷的场通过元件(field through member)65、一对引线66，以及外罩(未示出)。在此，托架63、底部63、陶瓷的场通过元件65、引线66和密封圈64与铜焊(或铅焊)材料(未示出)一起如图22A那样结合到一起，并经历热处理。
从而，窗口托架62铜焊到框架61的一侧壁上，而底部63通过铜焊固定到框架61的下表面上而作为底板。另外，一对陶瓷的场通过元件65通过铜焊固定到框架61相对各侧壁上形成的切口部分上。此外，一对引线66通过铜焊连接到陶瓷的场通过元件65上，而密封圈64铜焊到陶瓷的场通过元件65和框架61上。然后，诸如热电冷却器67和半导体激光器(未示出)的电子器件或光学系统安装并存放在框架61中，然后放置到氮气环境中。此后，外罩(未示出)焊接到密封圈64上，从而形成封装60。从而，可以生产光学半导体模块。
上面，陶瓷的场通过元件65利用具有布线65a的陶瓷材料形成。具体地说，氧化铝(Al2O3)和粘结剂构成的生片(green sheet)形成为规定形状，其上烧结规定的布线。在此，热电冷却器67布置在半导体激光器和底部63之间，从而半导体激光器所产生的热量被有效地辐射(或发射)到外侧。因此，底部63由具有较高导热性的规定材料(例如，CuW)制成。另外，框架61和窗口托架62由热膨胀系数小的规定材料制成，如称作“Kovar”(商标)的铁-镍-钴(FeNiCo)合金。
上述光学半导体模块存在的问题在于：它需要相对多的部件，这些部件中每一个都要进行特定处理，并且该模块需要昂贵的材料，并因此增大了它的整体制造成本。另外，多个部件通过在高温下分别铜焊而组装到一起，这导致制造产量下降。此外，由于高温条件下进行的繁重工作，需要利用价格昂贵的特定组装机器，这不可避免地提高封装的制造成本。
另外，存在的另一个问题为：在利用陶瓷的场通过元件的光学半导体模块中需要复杂的布线。此外，散热片布置成连接CuW材料制成的底部的下表面，通过该散热片，将半导体激光器产生的热量辐射到外界。这导致相对低的热辐射效率，并因此难于快速将热量辐射到外界。
发明内容
本发明的目的是提供一种热电模块封装，用于存储诸如半导体激光器的半导体元件，并提供一种热电模块(TEC：热电冷却器)，用于对半导体元件进行温度控制，其中，可以减少部件数量并容易制造。
本发明的热电模块封装设计成用于存放控制输出功率大的半导体元件(例如，半导体激光器)进行温度控制的热电模块，并主要由框架元件和基底元件构成，在基底元件上形成各种电极图案。即，多个用于与半导体元件和热电模块建立电连接的内电极以及多个用于与外部电路建立电连接的外电极形成在基底元件上。由于形成在基底元件上的电极图案的这种集成结构，可以减少制造该封装所需的部件数量，并因此可以容易并低成本地制造。
如上所述，热电模块封装不一定由彼此独立设置的框架元件和基底元件构成，它可以通过将框架和基底一体地结合到一起来构成，从而进一步减少了制造该封装所需的部件数量。
附图说明
将参照附图详细描述本发明的这些和其他目的、各方面和实施例，图中：
图1是示出待组装到一起的光学半导体模块的主要部件的分解透视图；
图2是示出光学半导体模块封装的总体结构的透视图，在该封装中，它的一些部件组装到一起；
图3A是示出形成在基底元件表面上的电极图案的俯视图；
图3B是示出形成在基底元件内侧的导电图案的俯视图；
图4A是示出形成在基底元件的其上安装热电模块的表面上的电极图案的俯视图；
图4B是沿着图4A中的线A-A截取的横截面图；
图4C是沿着图4A中的线B-B截取的横截面图；
图5A是示出形成在基底元件表面上的电极图案的俯视图，其中基底元件与图3A所示的基底元件相比得以改进；
图5B是示出形成在图5A所示的基底元件下表面上的导电图案的底视图；
图6是示出形成在基底元件表面上的电极图案的俯视图，该基底元件可以安装具有下衬底的热电模块；
图7A是示出不带有安装到基底元件上的下衬底的热电模块的横截面图；
图7B是示出带有安装到基底元件上的下衬底的热电模块的横截面图；
图8A是示出热电模块上布置的半导体元件的横截面图，其中该热电模块与基底元件的内电极引线接合；
图8B是示出布置在基底元件上安装的热电模块附近的接合装置的横截面图；
图8C是示出接合装置的外观的透视图；
图9A是示出安装到热电模块上的半导体元件的横截面图，该热电模块不具有连接基底元件上形成的内电极的下衬底；
图9B是示出安装到热电模块上的半导体元件的横截面图，该热电模块具有连接基底元件上形成的内电极的下衬底；
图10是示出其部件要组装到一起的封装的整体结构的分解透视图；
图11是图10所示的封装的局部组装状态的透视图；
图12是示出图10所示的封装内形成的电极图案和导电图案的俯视图；
图13A是示出封装内形成的电极图案的俯视图；
图13B是示出封装内形成的导电图案的俯视图；
图14是示出有待配备具有下衬底的热电模块的封装的改进示例的俯视图；
图15A是示出在进一步改进示例的封装中形成的电极图案的俯视图；
图15B是示出封装内形成的导电图案的底视图；
图15C是沿图15A中的线C-C截取的横截面图；
图16A是示出安装到热电模块上的半导体元件的横截面图，该热电模块不具有通过引线接合连接封装内形成的内电极的下衬底；
图16B是示出安装到热电模块上的半导体元件的横截面图，该热电模块具有通过引线接合连接封装内形成的内电极的下衬底；
图17A到17F示意性示出根据示例1的热电模块的制造过程中的一系列步骤；
图18A到18C示意性示出根据示例1的热电模块的制造过程中的一系列步骤；
图19A到19F示意性示出根据示例2的热电模块的制造过程中的一系列步骤；
图20A到20D示意性示出根据示例3的热电模块的制造过程中的一系列步骤；
图21是示出有待组装到一起的光学半导体模块封装的主要部件的分解视图；
图22A是示出其中布置有热电冷却器(TEC)的光学半导体模块封装的透视图；以及
图22B是示出其中完全存储热电冷却器的光学半导体模块封装的透视图。
具体实施方式
将参照附图以示例方式进一步详细描述本发明。
即，本发明应用于光学半导体模块，其中第一实施例涉及如下的一种封装，在该封装中框架元件和基底元件彼此独立形成；而第二实施例涉及如下的一种封装，在该封装中框架元件和基底元件一体形成在一起。
第一实施例
根据本发明第一实施例，将参照图1到9描述其中框架元件和基底元件彼此独立形成的光学半导体模块封装，和利用这种封装的光学半导体模块，其中图1是示出用来构成第一实施例的封装的主要部分的分解透视图，而图2是示出其部件基本上组装好的封装的总体结构的透视图。图3A和3B是示出待形成在基底元件上的电极图案和导电图案的俯视图；具体地说，图3A示出基底元件表面上形成的电极图案，而图3B示出基底元件内侧形成的导电图案。
图4A到4C示出连接基底元件的框架元件，通过该框架元件连接热电模块。具体地说，图4A是俯视图；图4B是沿着图4A的线A-A截取的横截面图；而图4C是沿着图4A的线B-B截取的横截面图。图5A和5B示出基底元件的改进示例，其中，图5A是示出基底元件表面上形成的电极图案的俯视图，而图5B是示出基底元件下表面上形成的导电图案的底视图。图6是示出形成在基底元件表面上的电极图案的俯视图，该基底元件与具有下衬底的热电模块连接到一起。
图7A和7B示出连接基底元件的电极图案的热电模块，其中，图7A是示出不带有连接基底元件表面的下衬底的热电模块，而图7B是示出带有连接基底元件表面的下衬底的热电模块。图8A和8B示出包括在热电模块内的半导体，该热电模块通过引线接合与形成在基底元件上的内电极连接，其中图8A是示出热电模块的半导体元件接合到基底元件上的正常状态的横截面图；图8B是示出布置在热电模块附近的接合元件的横截面图，其中该热电模块要接合到基底元件上，而图8C是示出接合元件的透视图。
图9A和9B示出其中包含在热电模块中的半导体元件与形成在基底元件上的内电极通过引线接合连接的另一示例，其中，图9A是示出不具有连接到基底元件上的下衬底的热电模块的横截面图，而图9B是示出具有连接到基底元件上的下衬底的热电模块的横截面图。
(1)光学半导体模块封装
如图1和2所示，光学半导体模块封装10由大致为盒形的框架元件11、作用为框架元件11的底板的基底元件12、以及作用为框架元件11的外罩的端盖元件构成，在框架元件11中，大致为圆柱形的窗口托架11a附着到一侧壁上。框架元件11和基底元件12通过铜焊或通过铅焊一体互连到一起。热电模块15(见图4B)附着到基底元件12的表面上，而半导体激光器或光学系统布置在热电模块15上。另外，端盖元件13通过缝焊连接到框架元件11上，从而完全形成光学半导体模块。
框架元件11由热膨胀系数相对小的FeNiCo合金(例如，Kovar)构成，该合金经历金属铸模(MIM)或铸造，从而形成大致为盒形的框架元件11，在框架元件中，一对固定部分11b分别形成在侧壁的底部上。窗口托架11a可以独立于框架元件11形成，并随后连接到框架元件11上。另外，窗口托架11a可以利用相同材料与框架元件11一体形成到一起。优选地是，固定部分11b与框架元件11一体形成到一起。与框架元件11类似，端盖元件13由热膨胀系数相对小的FeNiCo合金(例如，Kovar)构成，其中FeNiCo合金的薄板承受冲压而形成为平面的。
基底元件12由多层衬底形成，其原材料例如与陶瓷材料一致，诸如铝土(Al2O3)、氮化铝(AlN)、和碳化硅(SiC)。图3B所示的规定的导电图案“a”到“h”嵌入基底元件12的内侧。基底元件12的表面形成有分别导通到导电图案a到h上的外电极图案a1到h1、内电极图案a2到h2、热电模块金属化部分i、和框架元件金属化部分j。
导电图案a-h、外电极图案a1-h1、内电极图案a2-h2、热电模块金属化部分i和框架元件金属化部分j中的每一个由规定的金属，如Cu、W、Mo、Mn和Ag构成，或由这些金属构成的规定合金构成。在外电极图案al-h1、热电模块金属化部分i、框架元件金属化部分j和内电极图案a2-h2上分别进行镀镍，其中除了镀Ni之外，还按需要进一步进行镀金。
通过利用规定的金属材料，如Ag合金、Cu合金和Au合金，框架元件11铜焊到由上述多层衬底构成的基底元件12上。另外，框架元件11可以利用规定的合金，如AuSn合金、AuSi合金、和AuGe合金铅焊到基底元件12上。即，框架元件11和基底元件12通过铜焊或铅焊一体地结合到一起，从而完全制造封装10。引线14a利用规定的金属材料，如Ag合金、Cu合金和Au合金铜焊到上述电极图案a1-h1上，电极图案形成在基底元件12的表面上。另外，它们可以利用规定的合金，如AuSn合金、AuSi合金、和AuGe合金铅焊到外电极图案a1-h1上。
如图1所示，引线元件14是利用由规定合金如FeNiCo合金(例如Kovar)和Cu合金，或者由规定的金属材料如Cu构成的薄板制成，其形成为梳状，它的齿经历切割处理而形成引线14a，引线通过互连部分14b互连到一起。在梳状的引线元件14上按需要进行电镀。另外，梳齿(即，引线)14a连接外电极图案a1-h1和其间形成的其他电极。然后，互连部分14b通过切割梳齿14a的底部而得以去除，则梳齿14a分离而作为引线保留下来。
(2)光学半导体模块
如图4A所示，光学半导体模块15连接基底元件12的热电模块金属化部分i，其中，热电模块15由多个夹在上衬底15a和对应于基底元件12的下衬底之间的珀耳贴元件15c构成。具体地说，珀耳贴元件15c在上表面15a上形成的电极图案(或导电层)15b与下衬底上形成的金属化部分i的电极图案(或导电层)15b之间串联或并联。珀耳贴元件15c另外可以由p型半导体合成元件和n型半导体合成元件构成。为了减小电极图案的电阻，可以在金属化部分i和珀耳贴元件15c之间插入薄的Cu元件，以匹配金属化部分i的电极图案。
上述珀耳贴元件15c以交替布置其P型和n型的顺序串联，其中，它们利用规定的焊料，如SnSb合金和SnAsCu合金铅焊到上衬底15a的电极图案15b和基底元件12的金属化部分i的电极图案上。上述热电模块是一种称为热电冷却器(TEC)的电子器件。与下衬底(对应于基底元件12)类似，上衬底15a由规定的陶瓷材料，如铝土(Al2O3)、氮化铝(AlN)、和碳化硅(SiC)构成，其中电极图案15b通过镀铜和蚀刻而形成在上衬底15a的表面上。优选地是，在Cu镀层上进一步进行镀Ni。另外，有可能在Ni镀层上进一步进行镀Au。
半导体激光器(未示出)布置在热电模块15上，而光学系统(未示出)布置在半导体激光器的光轴上。然后，端盖元件13布置在框架元件11的上部上。在此，端盖元件13利用规定的铜焊材料，如Ag合金、Cu合金、和Au合金铜焊到框架元件11上；或者，端盖元件13利用规定的铅焊材料，如SuASn合金、AuSi合金和AuGe合金铅焊到框架元件11上；或者端盖元件13通过缝焊连接到框架元件11上。从而，可以完全形成光学半导体模块。
(3)制造工艺
(a)示例1
接着，遵循制造步骤，给出对具有上述结构的封装10的具体示例和利用封装10的光学半导体模块的具体示例的描述。
首先，提供了两个陶瓷生片，每一个陶瓷生片主要由规定的陶瓷材料，如铝土(Al2O3)、氮化铝(AlN)、和碳化硅(SiC)构成。通过利用基本相同的金属模具和/或冲压机，在两个陶瓷生片上分别冲压用于定位的规定数量的导引孔。然后，上述导电图案a-h通过丝网印刷形成在一个陶瓷生片上。
另外，图3A所示的各种图案通过丝网印刷形成在另一个陶瓷生片上，其中，形成通孔导体，它们导通到图3B所示的上述导电图案a-h、外电极图案a1-h1和其间形成的其他电极元件、内电极图案a2-h2、热电模块金属化部分i和框架元件金属化部分j上。通过利用上述导引孔，两个陶瓷生片进行规定的定位和叠置，其中，它们在温度在从80℃到150℃的范围内且压力在从50kg/cm2到250kg/cm2的范围内的规定条件下经历热压结合，从而它们一体结合到一起，从而形成陶瓷生片层叠结构(即，多层衬底)。烧结多层衬底以形成基底元件12。顺便地说，按需要在暴露于衬底表面上的金属化层的表面上形成Ni镀层。
通过对热膨胀系数相对小的FeNiCo合金(例如Kovar)进行MIM(金属注模)或铸造形成大致为盒形的框架元件11，在框架元件11内，成对的固定部分11b形成在相对侧壁的底部上。另外，由MIM或铸造制成的大致圆柱形的窗口托架11a一体地连接到框架元件11的规定侧壁上。在此，可以实现通过MIM或铸造将窗口托架11a与框架元件11一体地形成到一起。与框架元件11类似，FeNiCo合金经历冲压，以生产“平面的”端盖元件13。此外，由FeNiCo合金(例如Kovar)、Cu合金、或其他如Cu的金属构成的薄板经历压力加工，以生产梳状的引线元件14，该引线元件14由梳齿(或引线114a和互连部分14b构成。
由上述多层衬底制成的基底元件12布置到规定器械内侧；并然后，框架元件11通过利用规定材料如Ag合金的铜焊而布置到框架元件金属化部分j上。另外，引线元件14的梳齿14a布置到基底元件12表面上的外电极图案a1-h1以及其间形成的其他电极元件上。
然后，器械经历热处理，从而封装10形成为框架元件11连接到基底元件12上，且引线元件14的引线14a分别连接基底元件12上的外电极图案a1-hi和其间形成的其他电极元件。在这种情况下，框架元件11和引线14a二者通过利用规定材料如Cu合金和Au合金的铜焊或者通过铅焊连接到基底元件12上。
在上面，可以在将框架元件11连接到基底元件12上之后连接引线14a和基底元件12。另外，也可以在将引线14a连接到基底元件12上之后连接框架元件11和基底元件12。然后，在框架元件11和引线14a以及内电极图案a2-h2和基底元件12表面上形成的热电模块金属化部分i上按需要形成Ni镀层或Pd镀层。此后，进一步在其上形成Au镀层。
如图7A所示，通过镀铜和蚀刻，电极图案15b形成在上衬底15a的表面上，上衬底由规定的陶瓷材料，如铝土(Al2O3)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)构成。另外，在Cu镀层上进一步形成Ni镀层和Au镀层。珀耳贴元件15c经由电极图案15b(对应于导电层)铅焊到上衬底15a上，其中，它们通过在p型和n型之间交替地改变它们的极性并串联到一起而排列，从而形成热电模块15的半成品。在此，热电模块15在珀耳贴元件15c下端(与电极图案15b相对)上不设置导电层；然而，优选地是，将规定材料，如Cu的导电层设置在珀耳贴元件15c的下端上。在这种情况下，热电模块仅仅在一侧设置了单独一个衬底，并连接到基底元件12上。
热电模块15的珀耳贴元件15c布置成经由焊料与基底元件12上的热电模块金属化部分i和内电极a2和b2串联，然后焊料受热并在规定温度下熔化。从而，珀耳贴元件15c通过交替在p型和n型之间交替改变它们的极性来排列并连接到上衬底15a上形成的电极图案15b上。也就是说，热电模块(即，热电冷却器，TEC)15形成为珀耳贴元件15c连接基底元件12上的热电模块金属化部分i和内电极a2和b2。顺便地说，可以进行铅焊过程和连接过程，在铅焊过程中珀耳贴元件15c铅焊到上衬底15a上，在连接过程中，珀耳贴元件15c连接基底元件12上的热电模块金属化部分i和内电极a2和b2。
半导体元件(未示出)，如半导体激光器或激光二极管(LD)、光电二极管(PD)和热敏电阻，布置在热电模块15上，其中，例如透镜系统(未示出)进一步布置在半导体激光器的光轴上，以固定激光器。然后，通过引线接合，半导体元件连接到基底元件12表面上形成的内电极图案a2-h2上。此后，端盖元件13布置成覆盖框架元件11的开口，并通过缝焊与框架元件11以气密方式连接到一起。
此后，引线元件14的互连部分14b通过切割引线14a的底部而切开，从而可以完成如图2所示的光学半导体模块的制造。在此，散热片(未示出)经由硅酯布置在基底元件12之下，并螺纹连接到基底元件12上；从而，可以制造具有优良热辐射(或发射)特性的光学半导体模块。
(b)示例2
接着，根据示例2，对于具有上述结构的封装10的制造过程加以描述。类似于上述示例1，提供了基底元件12，在该基底元件中，导电图案a-h形成在与通孔导体导通，并且在该基底元件上形成外电极图案a1-h1和其间形成的其他电极元件、内电极图案a2-h2、热电模块金属化部分i、和框架元件金属化部分i。另外，在基底元件12的金属化层上按需要形成Ni镀层和Au镀层。
类似于上述示例1，制造在其一侧具有单独一个衬底的热电模块15，其中，珀耳贴元件15c通过交替改变其极性并与基底元件12上的热电模块金属化部分i和内电极元件a2和b2经由焊料串联电连接而布置。然后，诸如半导体激光器或激光二极管(LD)、光点二极管(PD)、和热敏电阻的半导体元件(未示出)布置在热电模块15上，其中，例如透镜系统布置在半导体激光器的光轴上，以固定激光器。
类似于上述示例1，提供了大致为盒形的框架元件11，在框架元件中，大致为圆柱形的窗口托架11a布置在一侧壁上，而成对的固定部分11b布置在相对侧壁的底部上，并提供了“平面的”端盖元件13和具有梳齿14a和互连部分14b的引线元件14。另外，基底元件12布置在前述器械内侧，并且框架元件11经由基底元件12上的连接材料布置在框架元件金属化部分i上。此外，引线元件14的梳齿14a经由连接材料布置在基底元件12上的外电极图案a1-h1和其间形成的其他电极上。
然后，示例2经历热处理，从而可以生产如下的封装10，其中框架元件11连接基底元件12，而引线14a连接基底元件12上的外电极图案a1-h1和其间形成的其他电极元件。作为用于将框架元件11和基底元件12连接到一起的材料，需要使用熔点等于或低于上述用于将基底元件12和热电模块15连接到一起的连接材料(即，焊料)的熔点的材料。
在上面，可以在将框架元件11连接到基底元件12上之后连接引线14a和基底元件12。另外，可以将框架元件11与事先连接引线14a的基底元件12相连。此外，可以在基底元件12上安装的热电模块15上布置半导体元件，如激光二极管、光电二极管、和热敏电阻以及透镜系统，其中基底元件12连接框架元件11。
半导体元件通过引线接合连接基底元件12表面上形成的内电极图案a2-h2上；并然后，端盖元件13布置在框架元件11的上部上，以便以气密方式通过缝焊连接框架元件11。另外，通过切割引线14a的底部而切开引线元件14的互连部分14b，从而可以完成图2所示的光学半导体模块的制造。在此，散热片(未示出)经由硅酯布置在基底元件12之下，并螺纹连接到基底元件12上，从而，可以制造具有优越热辐射(或发射)特性的半导体模块。
(4)改进
第一实施例可以以各种方式加以改进，其示例将描述如下。
(a)第一改进
在上述第一实施例中，外电极图案a1-h1形成在基底元件12的表面上，并分别与引线14a连接。在此，可以在基底元件12的后侧或侧表面上形成外部电路电极。
在这种情况下，如图5A所示，内电极图案a2-h2、热电模块金属化部分i、以及框架元件金属化部分j形成在基底元件12的表面上，而如图5B所示外电极图案a1-h1形成在基底元件12的后侧上。从而，可以制造由多层衬底构成的基底元件12的改进示例。
上述示例消除了将外电极图案a1-h1布置到基底元件12表面上的需要，因此这可以减小平面形状的尺寸。另外，不再需要提供与引线14a的连接，这可以极大地简化制造。当然，可以将引线与上述基底元件12布置到一起，此外，外电极图案a1-h1不必形成在基底元件12的后侧上，而可以形成在基底元件12的侧表面上。
(b)第二改进
第一实施例制造热电模块15的半成品(如图7A所示)，其中珀耳贴元件15c经由电极图案15b连接上衬底15a。为此原因，热电模块金属化部分i形成在基底元件12的表面上，以使得珀耳贴元件15c通过在p型和n型之间交替改变其极性而排列并且串联电连接。
如图7B所示，可以对第一实施例加以改进，其中，热电模块15由一对上衬底15a和下衬底15e构成，在二者之间夹有多个珀耳贴元件15c，以使得经由电极图案16b连接上衬底15a的珀耳贴元件15c通过在p型和n型之间交替改变其极性而排列并且串联电连接，同时在下衬底15e上形成电极图案15d，该电极图案15d布置成基本上相对于连接电极图案15b的珀耳贴元件15c的未连接区域。在这种情况下，热电模块金属化部分i被改进成基本上匹配热电模块15下表面的整个形状，并形成在基底元件12的表面上，如图6所示。另外，内电极a2和b2(对应于电源电极图案)形成在与通孔15f(其中形成导电层)一致的规定位置处，而通孔15f形成在穿透热电模块15的下衬底15e的规定位置处。顺便地说，多个金属化层(未示出)与电极图案15d的排列相对地形成在下衬底15e的后侧上，以便连接热电模块金属化部分i和内电极(或电源电极图案)a2和b2。
(c)第三改进
在第一实施例中，半导体元件布置成通过引线接合连接基底元件12表面上形成的内电极c2-h2。然而，半导体元件布置在热电模块15上并布置得高于内电极c2-h2，这导致难于进行引线接合。因此，可以改进第一实施例，使得布线装置16布置在内电极c2-h2的附近、大致热电模块15相同高度处。
布线装置16是通过在衬底16a上布置多个镀层16b构成的，这些镀层由规定的金属材料，如Cu和Ni构成，而衬底16a由规定的陶瓷材料，如铝土(Al2O3)、氮化铝(AlN)、和碳化硅(SiC)构成，如图8C所示。镀层16b铅焊到基底元件12表面上形成的内电极c2-h2上，如图8B所示。如上所述，布线装置16的镀层16b通过引线接合连接半导体元件，由于布线装置16和半导体元件布置在大致相同的高度上，因此可以容易进行引线接合。
(d)第四改进
可以提供其他装置来减小半导体元件和基底元件12表面上形成的内电极c2-h2之间的高度差。即，如图9A和9B所示，中空部分12a基本形成在基底元件12的中心部分处，以便热电模块15布置在中空部分12a内，同时内电极c2-h2布置在基底元件12的台阶部分上。这可以可靠地减小半导体元件和基底元件12的台阶部分上形成的内电极c2-h2之间的高度差，可以通过引线接合使彼此容易连接。
2.第二实施例
接着，将参照附图给出对根据第二实施例的通过将框架元件和基底元件一体形成到一起而构成的封装以及利用这种封装的光学半导体模块的描述。图10是示出根据第二实施例的封装的主要部件的分解透视图；图11是粗略示出图10所示的封装的组装后状态的透视图。另外，图12示出图10所示的封装内形成的电极图案和导电图案。图13A和13B示出形成在封装内的电极图案和导电图案的改进示例，其中图13A是示出封装内形成的电极图案的俯视图，而图13B是示出封装内形成的导电图案的底视图。
图14是示出封装的改进示例的俯视图，具有下衬底的热电模块与该封装连接。图15A和15B示出封装的另一改进示例，其中图15A是示出封装内形成的电极图案的俯视图，图15B是示出封装内形成的导电图案的底视图，而图15C是沿着图15A的线C-C截取的横截面图。图16示意性示出一项改进，其中布置在热电模块上的半导体元件通过引线接合连接封装内形成的内电极，其中图16A是示出不带有下衬底的热电模块连接到封装上的横截面图，而图16B是示出带有下衬底的热电模块连接到封装上的横截面图。
(1)光学半导体模块封装
如图10和11所示，第二实施例的光学半导体模块封装20主要由主体21和作用为主体21的外罩的端盖元件22构成。在此，封装主体21是通过将带有侧壁的盒状的框架21a与构成平面底板的基底21b一体形成到一起而构成。另外，圆形开口21c形成在框架21a一侧壁的大致中心部分内。此外，固定部分21d从基底21b的两端沿纵向向外延伸，同时端子部分21e从基底21b的另一端沿横向向外延伸。孔21f分别形成在固定部分21d的规定位置处。
封装21通过多层衬底的一体形成而制造，多层衬底由规定的陶瓷材料构成，该陶瓷材料具有相对小的热膨胀系数，诸如是铝土(Al2O3)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)。类似于封装21，端盖元件22由热膨胀系数相对小的规定陶瓷材料，如铝土(Al2O3)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)构成，或例如它是由FeNiCo合金(例如，Kovar)构成的薄金属板制成，并形成为平面的。
类似于前述第一实施例，规定的导电图案a-h(由图12中的虚线包围；见图3B)嵌入基底21b内。另外，分别导通到前述导电图案a-h上的规定的内电极图案a1-h1形成在从基底21b向外延伸的端子部分21e的表面上。此外，在框架21a中，分别导通到导电图案a-h上的内电极图案a2-h2以及热电模块金属化部分i(与热电模块内形成的电极图案相匹配)形成在基底21b的表面上。
例如，前述导电图案a-h、外电极图案a1-h1、内电极图案a2-h2、以及热电模块金属化部分i中每一种由规定的金属材料，如Cu、W、Mo、Mn和Ag构成，或由这些金属材料构成的规定合金构成。另外，在其上形成Ni镀层，并按需要在Ni镀层上进一步形成Au镀层。引线元件23利用诸如Ag合金、Cu合金和Au合金的规定材料铜焊到外电极图案a1-h1的表面上。另外，它可以利用诸如AuSn合金、AuSi合金和AuGe合金的规定合金铅焊到外电极图案a1-h1的表面上。
如图10所示，引线元件23由梳齿23a和互连部分23b构成，其中，它是由梳状薄板制成，该薄板由规定合金，如FeNiCo合金(即Kovar)和Cu合金构成，或者它由规定金属材料，如Cu构成。在此，在梳状引线元件23上按需要形成镀层。具体地说，梳齿23a连接外电极图案a1-h1以及其间形成的其他电极元件；然后，通过切割梳齿23a的底部来切开互连部分23b(见图11)，从而梳齿23b作为与封装21的端子部分21e相连接的引线而保留下来。
类似于第一实施例，安装热电模块(未示出)，以连接封装21的基底21b上形成的热电模块金属化部分i上。半导体激光器(未示出)进一步布置在热电模块上，然后，端盖元件22布置在框架21a上，其中，它们利用规定材料，如Ag合金、Cu合金和Au合金而经历铜焊，或者它们利用规定合金，如AuSn合金、AuSi合金、和AuGe合金经历铅焊，或者，它们通过缝焊以气密方式连接到一起，从而形成光学半导体模块。在通过铅焊、铜焊或焊接而将端盖元件22连接到框架21a上时，为了改善连接性能，优选地在与端盖元件22连接到一起之前事先在框架21a上连接密封圈64(见图21)。从而，与其中端盖元件22布置成直接连接框架21a上的上述示例相比，可以改善框架21a和端盖元件22之间的连接性能。尤其是，在缝焊的情况下，可以进一步改善连接性能。
(2)制造工艺
接着，遵循制造步骤，给出对第二实施例的封装20的具体示例以及利用该封装20的光学半导体模块的具体示例的描述。
即，事先相对于封装20的每个侧壁制备主要由规定陶瓷材料，如铝土(Al2O3)、氮化铝(AlN)、和碳化硅(SiC)构成的两个陶瓷生片，其中，相对于五个侧壁总共制备十个陶瓷生片。在此，在每对陶瓷生片上利用大致相同的金属膜具或冲压机冲压出多个用于定位的导引孔。然后，通过丝网印刷，规定的导电图案a-h(由图12中的虚线包围)形成在构成基底21b的一个陶瓷生片上。
另外，导通到导电图案a-h、外电极图案a1-h1及其间形成的其他电极元件、内电极a2-h2、以及热电模块金属化部分i的通孔导体形成在构成基底21b的另一个陶瓷生片上，如图12所示。通过利用上述导引孔，两个陶瓷生片以其间建立的规定定位结合到一起，从而构成基底21b。
结合到一起而构成框架21a的四个侧壁的四对陶瓷生片排列并层叠到一起，以形成盒形，其中，前述环形开口21c相对于一对陶瓷生片形成。具体地说，它们通过在例如温度从50℃到150℃的范围内、压力在20kg/cm2到250kg/cm2的范围内的规定条件下热压结合成为一体，其中，它们经历烧结而产生由多层衬底构成的封装21。在此，在暴露于表面上的金属化表面上按需要形成Ni镀层。取代相对于一对陶瓷生片形成圆形开口21c，也可以布置第一实施例中使用的窗口托架。例如，窗口托架由陶瓷材料(或陶瓷未加工衬底)制成，它布置成与封装21的一侧壁连接，并然后经历烧结。另外，窗口托架可以由金属材料制成，其经历烧结，并然后布置成与封装21的一侧壁连接。
热膨胀系数相对小的FeNiCo合金(例如，Kovar)经历冲压，以形成端盖元件22，该端盖元件22具有平板状形状。另外，由FeNiCo合金(例如，Kovar)或Cu合金构成的薄板或由诸如Cu的金属材料构成的薄板经历压力加工，从而产生梳状的引线元件23，该引线元件23由梳齿23a和互连部分23b构成。封装21然后安装到规定器械(未示出)中，从而借助于诸如Ag合金的规定的铜焊材料，引线元件23的梳齿(或引线)23a布置到外电极图案a1-h1及其间形成的其他电极元件上。
前述器械经历热处理，从而引线23a分别布置成连接外电极图案a1-h1及其间形成的其他电极元件。从而完全形成封装20，其中，在引线23a、以及基底21b表面上形成的内电极a2-h2和热电模块金属化部分i上按需要形成Ni镀层或Pd镀层，此外，在Ni镀层或Pb镀层上可以进一步形成Au镀层。
类似于第一实施例，热电冷却器(TEC)通过将在其一侧具有单个衬底的热电模块(未示出)与基底21b表面上形成的热电模块金属化部分i连接而形成。然后，半导体激光器(未示出)安装到热电模块上，而光学系统(未示出)布置到半导体激光器的光轴上。此后，端盖元件22布置到框架21a上，其中，它们利用规定的材料，如Ag合金、Cu合金和Au合金彼此铜焊到一起，或者它们利用规定的合金，如AuSn合金、AuSi合金和AuGe合金彼此铅焊到一起，或者它们通过缝焊以气密方式连接到一起。
然后，通过切割引线元件23的引线23a的底部，切开互连部分23b，从而制成如图11所示的光学半导体模块。在此，散热片(未示出)通过硅酯布置到封装21的基底21b之下，并通过将螺栓插入孔21f内附着到基底21b的固定部分21d上，从而可以制造具有优越热辐射特性的光学半导体模块。当端盖元件22通过缝焊连接框架21a时，优选通过铜焊将环形元件(例如，由Kovar构成)结合到框架21a上。
如上所述，第二实施例是由封装21实现的，该封装21通过将框架21a和基底21b一体形成到一起而构成，这样，与第一实施例的封装10相比，可以减少部件的数量。因此，可以简化热电模块封装的组装，这可以以相对低的制造成本制造。顺便地说，框架21a和基底21b二者不需要由相同陶瓷材料制成，也就是说，例如，基底21b可以利用导热性相对高的陶瓷材料，如AlN制成，而框架21a可以利用导热性相对低的陶瓷材料，如Al2O3制成。
(3)改进
类似于第一实施例，可以相对于第二实施例提供多种改进。例如，封装21可以如图13A和13B所示改进成在宽度方向上为基底21b不形成端子部分21e，而外电极图案a1-h1形成在基底21b的后侧上。在这种情况下，内电极图案a2-h2和热电模块金属化部分i形成在基底21b的表面上。这种改进消除了在宽度方向上布置从基底21b向外延伸的端子部分21e的需要；因此，可以减小封装21的总体尺寸。另外，这种改进也消除了将引线23a与封装21相连接的需要；因此，可以简化封装21的制造。当然，也可以布置与封装21相连接的引线23a。
在利用上述热电模块(见图7B)时，该热电模块中电极图案15b形成在上衬底15a上而电极图案15b也形成在下衬底15e上，可以如图14所示改进封装21，使得热电模块金属化部分i形成在基底21b上，而内电极a2和b2(或电源电极图案)形成在基底21b的固定位置处，其中，金属化部分i基本上与热电模块下表面的形状匹配，而内电极a2和b2基本上与热电模块下衬底的通孔(在通孔中形成导电层)匹配。
另外，封装21可以改进成不形成在宽度方向上从基底21b向外延伸的端子部分21e，如图15A到15C所示，从而，外电极a1-h1分别形成在框架21a的侧表面上。在此，可以不利用引线建立电连接，或者可以按需要利用引线建立电连接。在这种情况下，固定的导电图案a-h(图15B中由虚线包围)通过丝网印刷形成在构成基底21b的一个陶瓷生片上；导电图案a、c、e和g形成在构成框架21a一侧壁的一个陶瓷生片上；而导电图案b、d、f和h形成在构成框架21a的另一侧壁的另一个陶瓷生片上。
另外，导通到导电图案a-h、内电极a2-h2、和热电模块金属化部分i的通孔导体形成在构成基底21b的另一陶瓷生片上。此外，外电极a1、c1、e1和g1形成在构成框架21a一侧壁的一个陶瓷生片上，而外电极b1、d1、fl和h1形成在构成框架21a的另一侧壁的另一个陶瓷生片上。
此外，封装21可以如图16A和16B所示改进成中空部分21g形成在基底21b的大致中心部分处，其中，热电模块15布置在中空部分21g中，而内电极c2-h2形成在基底21b的表面上。这就降低了热电模块15的上部与内电极c2-h2之间的高度差；因此，可以在热电模块15上部上安装的半导体元件上容易地进行引线接合。
3.热电模块的制造工艺
接着，结合附图，相对于热电模块的制造工艺描述各种示例。附图中：图17A到17F和图18A到图18C示意性示出在根据示例1的热电模块制造工艺中的一系列步骤；图19A到19F示出根据示例2的热电模块的制造工艺中的一系列步骤；而图20A到20D示出根据示例3的热电模块的制造工艺中的一系列步骤。详情描述如下。
(1)示例1
首先，如图17A所示，在厚度为100μm的Cu薄板31的一个表面上形成Ni镀层，从而形成厚度为4μm的层31a。然后，形成Au镀层，从而形成厚度为0.5μm的层31b。如图17B所示，耐热树脂(例如聚酰亚胺树脂)构成的树脂薄膜32粘结到Au镀层31b上。
抗蚀剂施加到Cu薄板31的表面上，然后其经过曝光和显影，从而抗蚀剂图案33形成在Cu薄板31上，如图17C所示。然后，进行蚀刻以去除Cu薄板31以及镀层31a和31b的不需要的部分，并然后也去除抗蚀剂，如图17D所示。从而，可以形成布置Cu薄元件31的规定的图案(见图17E)，该图案对应于用于连接珀耳贴元件的电极图案。此后，在布置成规定图案的Cu薄元件31的整个表面上形成化学镀层，从而形成由Ni(4μm厚)和Au(0.05μm厚)的镀层33。从而，可以制造如图17F所示的第一衬底34。
提供有一种陶瓷衬底35，在其上将Cu薄元件36以规定图案排列，其上形成Ni镀层，以形成厚度为4μm的层36a，并在其上进一步形成Au镀层，以形成厚度为0.05μm的层36b，从而制造如图18A所示的第二衬底37。陶瓷衬底35由规定的陶瓷材料，如铝土(Al2O3)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)构成。然后，两端经历了镀Ni的珀耳贴元件38经由焊料39布置到第二衬底37的Au镀层36b上。
另外，具有镀层33的上述第一衬底34经由焊料39布置到珀耳贴元件38上。从而，可以制造如下的层叠结构，即，其中，珀耳贴元件38经由焊料39夹于第一衬底34和第二衬底37之间，如图18B所示。然后这种层叠结构布置到轻便电炉上或回流熔炉(reflow furnace)(未示出)中，以熔化焊料39，从而珀耳贴元件38的两端与布置成规定图案的Cu薄元件31和Cu薄元件35连接到一起。此后，去除树脂薄膜32，以制造示例1中的热电模块，如图18C所示，在该电热模块中，珀耳贴元件38以规定顺序布置，以用来在p型和n型之间交替改变其极性。
(2)示例2
首先，如图19A所示，厚度为4μm的Ni层42形成在由耐热树脂(例如，聚酰亚胺树脂)构成的树脂薄片41的一个表面上。在此，先于在树脂薄片41上形成4μm的Ni层，可以形成厚度为0.05μm的金属层。抗蚀剂施加到形成于树脂薄片41上的Ni层42上，然后经过曝光和显影，从而如图19B所示形成抗蚀剂图案43。然后，形成Cu镀层，以在抗蚀剂图案43中形成Cu层44，如图19C所示。此后，去除抗蚀剂图案43，并然后进行蚀刻，以去除Ni层42中的不需要部分，如图19D所示。
从而，通过Ni层42的剩余部分，可以将Cu薄元件44在树脂薄片41上布置成规定图案，其中Cu薄元件44布置成连接珀耳贴元件的规定电极图案。另外，利用Ni(4μm厚)和Au(0.05μm厚)进行化学镀层，以形成镀层45，从而完全制造第一衬底46，如图19F所示。类似于前述示例1，第二衬底相对于示例2制造。然后，珀耳贴元件焊接到第一衬底46的Cu薄元件44和第二衬底的Cu薄元件(未示出)之间。此后，去除树脂薄片41，以制造示例2的热电模块，在该示例2的热电模块中，珀耳贴元件以规定顺序布置，以用来在p型和n型之间交替地改变其极性。
(3)示例3
首先，如图20A所示，形成Ni镀层，以在厚度为100μm的Cu薄板51的一个表面上形成厚度为4μm的层51a；并然后形成Au镀层，以用来形成厚度为0.05μm的层51b。然后，第一干燥薄膜52布置在Cu薄板51的另一表面上，而第二干燥薄膜53布置成与Au镀层51b接触，如图20B所示。此后，例如，利用真空层压机，图20B的层叠结构经历压缩接合。第一干燥薄膜52经历曝光和显影，并然后进行蚀刻，以在Cu薄板51上形成抗蚀剂图案52，如图20C所示。
然后，利用抗蚀剂图案52作为掩膜进行蚀刻，从而如图20D所示，去除Cu薄板51中的不需要部分，然后也去除抗蚀剂图案52。从而，可以将Cu薄板51的剩余部分布置成规定图案，该图案对应于连接珀耳贴元件的电极图案。类似于前述示例1，利用Ni(4μm厚)和Au(0.05μm厚)在Cu薄板51的剩余部分的结构上进行化学镀层，从而制造第一衬底。
然后，类似于前述示例1，同样制造第二衬底。此后，珀耳贴元件焊接到第一衬底的Cu薄元件和第二衬底的Cu薄元件之间；然后去除第二干燥薄膜53，以制造示例3的热电模块，在该热电模块中，珀耳贴元件以规定顺序布置，以用来在p型和n型之间改变其极性。
如上所述，本发明具有各种效果和技术特征，这将描述如下。
(1)由于外电极图案a1-h1和内电极图案a2-h2在基底元件表面上形成，因此不需要布置陶瓷的场通过元件，从而端盖元件可以直接焊接到框架元件上。这也消除了布置传统上所需的密封图的需求。结果，可以减少制造热电模块封装所需的部件数量，因此可以容易并以低成本制造该热电模块封装；
(2)封装可以通过将框架和基底一体地结合到一起而构成，因此可以进一步减少制造封装所需的部件总数量，并因此可以容易并以相对低的成本制造该封装；
(3)前述封装可以应用到包含有半导体激光器和用于控制半导体激光器的温度的热电模块的光通信中，当然，本发明不必局限于利用半导体激光器的这种用途。即，例如，本发明可以有效地用于其中热电模块用来控制封装中的大输出功率半导体元件的温度的其他目的中。
由于本发明可以在不背离其精髓或基本特征前提下以多种形式实施，因此，在此的实施例是说明性的而非限制性的，由于本发明的范围由所附的权利要求限定，而不是由此前的说明书限定，因此，落入权利要求书的边界和范围，或这种边界和范围的等价物之内的所有变化意在由权利要求书涵盖。

Claims (13)

1.一种热电模块封装，用于存放对半导体元件进行温度控制的热电模块(15)，包括：
框架元件(11)；以及
基底元件(12)，其与框架元件结合到一起；
其特征在于，多个用于与半导体元件和/或热电模块建立电连接的内电极(a2-h2)、以及多个用于与外部电路建立电连接的外电极(a1-h1)形成在基底元件上。
2.如权利要求1所述的热电模块封装，其特征在于，基底元件由多层衬底制成，其中嵌入布线，以将内电极和外电极互连到一起。
3.如权利要求1所述的热电模块封装，其特征在于，基底元件作用为热电模块的下衬底。
4.如权利要求2所述的热电模块封装，其特征在于，基底元件作用为热电模块的下衬底。
5.如权利要求1到4中任一项所述的热电模块封装，其特征在于，还布置有引线(14a)，以将外电极和外部电路互连到一起。
6.如权利要求1到4中任一项所述的热电模块封装，其特征在于，多个内电极形成在基底元件的表面上，而多个外电极形成在基底元件的后侧上，而多个用于将内电极和外电极互连到一起的导体(a-h)嵌入基底元件内。
7.一种热电模块封装，用于存放对半导体元件进行温度控制的热电模块(15)，包括：
封装主体(21)，其由框架(21a)和基底(21b)一体构成，
其特征在于，封装主体设置有多个用于与半导体元件和热电模块建立电连接的内电极(a1-h1)，多个用于与外部电路建立电连接的外电极(a2-h2)，以及将内电极和外电极互连到一起的布线。
8.如权利要求7所述的热电模块封装，其特征在于，封装主体由多层衬底构成，其中嵌入将内电极和外电极互连到一起的布线。
9.如权利要求7所述的热电模块封装，其特征在于，封装主体的基底作用为热电模块的下衬底。
10.如权利要求8所述的热电模块封装，其特征在于，封装主体的基底作用为热电模块的下衬底。
11.如权利要求7到10中任一项所述的热电模块封装，其特征在于，进一步布置多个引线(23a)，以将外电极与内电极互连到一起。
12.如权利要求7到10中任一项所述的热电模块封装，其特征在于，多个内电极形成在封装主体的基底的表面上，而多个外电极形成在封装主体的基底的后侧上，且将内电极和外电极互连到一起的多个导体(a-h)嵌入封装主体的基底内。
13.如权利要求7到10中任一项所述的热电模块封装，其特征在于，多个内电极形成在封装主体基底的表面上，而多个外电极形成在封装主体框架的外侧区域(21e)上，且将内电极和外电极互连到一起的多个导体(a-h)嵌入封装主体的基底和/或框架内。
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