CN1465122A - 光半导体模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光半导体模块，其中电子冷却元件和底板之间的接合面积与封壳底板面积之比增加，于是即使在封壳底板面积相同时，也可以增加电子冷却元件的吸热率。封壳(11)包括安装在其上的多个分开的电子冷却元件(16)。分开的电子冷却元件(16)插入陶瓷接线端(14)的伸入到封壳(11)内部的内部突出部分(14a)和底板(13)之间，并固定在底板上；电子冷却元件(16)通过铜片(20)串联。多个分开的电子冷却元件(16)与底板(13)之间的总接合面积不小于封壳(11)的底板(13)的面积的75％。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光通信的大功率光半导体激光模块及其制造方法。本发明尤其涉及一种带热辐射等的光纤放大器用的大功率光半导体激光模块及其制造方法。
背景技术
对于光半导体模块，尤其对于光纤放大器中使用的光半导体激光模块，使用一种封壳来密封地装盛驱动器IC、诸如激光二极管(LD)的光半导体等。
通常，图5所示的封壳1包括框架2，该框架由Fe-Ni-Co合金(商品名：柯伐合金(covar))等制造，并与由Fe-Ni-Co合金、Fe-Ni合金(商品名：42合金)、或CuW等的金属基复合物制造的底板3连接。尤其，CuW用作封壳1的因大功率消耗而需要热辐射的底板3的材料。
作为封壳1侧壁一部分的框架2具有陶瓷馈入装置4。由柯伐合金制造的引线框(未示出)形成在陶瓷馈入装置4上。另一种类型的封壳具有这样一种结构，该结构中，框架2由陶瓷绝缘体制成，且与陶瓷馈入装置4集成在一起。在封壳1的框架2中设置一个通光孔(未示出)，该通光孔允许光线贯穿封壳内外之间。
诸如框架2、底板3和陶瓷馈入装置4的部件得以组装并通过银钎焊或焊接接合在一起。组装好的封壳1镀金，这样易于在组装进半导体模块的步骤中和在用封盖形成密闭密封的步骤中进行焊接，且用于防止封壳腐蚀。正方形环5设置在封壳1的框架2的上端面上，其由柯伐合金制造，用于封盖的焊接或锡焊。
在将光半导体器件安装到封壳1的过程中，诸如珀尔帖(Peltier)元件的电子冷却元件6安装在底板3上，且其上提前安装有光半导体器件等的电路板与该电子冷却元件连接。如图4所示，电子冷却元件具有这样的结构，在该结构中，n型热电元件6a(例如，BiTeSe)和p型热电元件6b(例如，BiTeSb)交替布置成矩阵，成对的毗邻热电元件6a和6b通过设置在陶瓷基底7a或7b上的金属焊垫8而在其顶面上或在其底面上相连。
电子冷却元件6的输出电极8a连接至Cu引线9，且封壳的光半导体器件和馈入装置通过Au线相连。于是，在将封盖(未示出)安装到正方形环5上并密封后，光纤和封壳1的通光孔对准，并通过诸如YAG激光焊接在一起。于是，光半导体模块得以完成。
在光半导体模块中，为了防止诸如激光二极管(LD)的光半导体器件中光输出的下降，或者为了维持光导器件中的隔热状态，光半导体器件的温度借助诸如珀尔帖元件的电子冷却元件来控制。电子冷却元件的吸热量几乎正比于电子冷却元件和封壳底板之间的接合面积。
通常，封壳1的框架2具有陶瓷馈入装置的内和外突出部分，如图5所示。因此，为了将电子冷却元件6安装在底板3上，电子冷却元件6垂直地经过框架2两侧的陶瓷馈入装置4的内部突出部分4a之间的空间，且它们的接合通过氢气气氛中的焊接来进行。
因此，仅能安装可在陶瓷馈入装置4的内部突出部分4a之间穿过的电子冷却元件，导致电子冷却元件6的陶瓷电路板7b的将连接到底板3上的面积的限制。于是，传统封壳1的电子冷却元件6和底板之间的接合面积仅为底板面积的约70％。此外，即使电子冷却元件6以倾斜的方式插入陶瓷馈入装置4的内部突出部分4a之间，也不可能安装具有超过底板面积75％的接合面积的电子冷却元件6。
发明内容
本发明的目的是提供一种光半导体模块，并提供其制造方法，其中，通过增加电子冷却元件和封壳底板之间的接合面积与封壳底板面积的比率来获得大吸热量的电子冷却元件。
为了达到以上目的，本发明的光半导体模块的特征在于：被分割成两个或多个单元的电子冷却元件得以接合到封壳的底板上，该封壳的框架具有陶瓷馈入装置；以及，光半导体器件安装在电子冷却元件的这些单元上。
在本发明的光半导体模块中，其中有电子冷却元件的两个或多个单元与封壳的底板优选地相接触的总接合面积占据了底板面积的75％或更多。电子冷却元件的多个单元优选地通过一个或多个铜片成串地连接起来。
本发明光半导体模块的制造方法的特征在于：电子冷却元件由多个电子冷却单元构成，且多个电子冷却单元粘接在封壳底板的内表面上，该封壳的框架具有陶瓷馈入装置；以及，光半导体器件安装在这些电子冷却单元上。
优选的是，该多个电子冷却单元通过铜片连接成串。可以采用相同的焊料来同时进行多个电子冷却单元和封壳底板之间的接合、以及多个电子冷却单元和铜片之间的接合。
附图说明
图1是示出本发明电子冷却元件的两个单元的局部切割示意图；
图2是根据本发明的封壳的示意性剖视图，其中，粘接了两个电子冷却单元；
图3是示出本发明封壳的示意性剖视图，其中，图2所示的电子冷却单元具有安装在其上的光半导体器件；
图4是传统电子冷却元件的局部剖开示意图；以及
图5是其中粘贴有传统电子冷却元件的封壳的示意图。
具体实施方式
在传统封壳中，仅安装一个电子冷却元件。相反，本发明的封壳设置有电子冷却元件的多个单元。假设将一个电子冷却元件放入具有给定大小的封壳中，本发明电子冷却元件的每个分割单元的尺寸自然小于等同的传统电子冷却元件。因此，电子冷却元件的每个单元可经过自框架两个侧面突出的陶瓷馈入装置的内部突出部分之间的空间而放入，并可插入内部突出部分下方的空间，以安装在底板上。此外，本发明电子冷却元件的分割单元的总底面积(底部陶瓷基板的面积)大于传统电子冷却元件的底面积。
电子冷却元件的多个单元可粘接在封壳底板的大部分上，也就是说，不仅粘接在底板中心部分上，还粘接在底板的位于封壳的陶瓷馈入部分内部突出部分下方的其它部分上。因此，封壳底板和电子冷却元件的多个单元之间的接合面积占据了本发明封壳底板面积的75％或更多。相反，在传统封壳的情形下，电子冷却元件和封壳底板之间的接合面积约为底板面积的70％。根据本发明，如果电子冷却元件的这些单元在其数量和尺寸上得以适当调整，则接合面积可以增加到底板面积的约90％。电子冷却单元安装在封壳上的数量优选地为2到4。
电子冷却元件的每个单元可以具有连接到两个输出电极的两条引线。然而，通过用铜片将电子冷却元件的这些单元串联，可以将总引线数量减少到二条。此时，铜片的使用使得引线电阻可减少，且使得一个电流系统可控制多个电子冷却单元。
通常，电子冷却元件通过氢气炉等的氢气气氛中的焊接来粘接到封壳底板上。因此，如果这种通过铜片形成的连接利用电子冷却单元到底板上的连接中所用的相同焊料来同时进行，则电子冷却单元的串联工效可大为提高。
制造一个图2所示的封壳11。用作侧壁的框架12通过切割柯伐合金来制造，且底板13由CuW金属基复合物制造。两侧上的陶瓷馈入装置14由多层陶瓷片制造，在其上进行金属化，由柯伐合金制造的引线框(未示出)连接到陶瓷馈入装置的表面上。粘接由柯伐合金制造的导管到框架12上，该导管作为封壳11中的通光孔(未示出)，且粘接玻璃窗口材料以密闭的密封。由柯伐合金制造的正方形环安装在框架主体12的上表面上。它们通过熔点为620℃或更高的银焊料接合，且在整个表面上镀金。
制备两个电子冷却元件16来安装到封壳11上。如图1所示，n型热电元件(BiTiSe)16a和p型热电元件(BiTeSb)16b交替布置成矩阵。利用Pb60Sn40焊料(熔点：238℃)，通过形成在AlN制成的陶瓷基板17a和17b上的铜或其它材料的焊垫18，相邻热电元件的上表面和下表面分别得以串联。在每个电子冷却元件16的陶瓷基板17a的上表面和陶瓷基板17b的下表面上形成金属化层AgPd。此外，在其上表面上设置一层BiSn焊料(熔点：160℃)，光半导体器件将通过它得以接合；然而，在底板13将接合于其上的其下表面上，设置一层Pb37Sn63焊料(熔点：183℃)。
在电子冷却元件的下基板17b上形成两个焊垫18a和18b，且镀有NiSn的Cu引线通过Pb90Sn10焊料(熔点：299℃)连接到焊垫18a上。
两个电子冷却元件16中的一个通过封壳11的陶瓷馈入装置14的内部突出部分14a之间的空间插入到内部突出部分中的一个下方的空间内，并放置在其下的底板13上。然后，另一个电子冷却元件通过内部突出部分14a之间的空间以相同的方式插入到另一个内部突出部分下方的空间内，并放置在其下的底板13上。两个电子冷却元件16在底板13的中心布置得挨在一起。
放置在底板13上的两个电子冷却元件由碳夹固定。如图1所示，铜片20放置在形成在焊垫18b上的Pn37Sn63(熔点：183℃)焊料层上，该焊垫设置在电子冷却元件的下陶瓷基板17b上。在如上所述的状态下，整个封壳11放置在220℃的连续氢气炉中，且两个电子冷却元件16固定在封壳11的底板13上，并同时通过铜片串联在一起。
于是，获得了封壳11，该封壳的底板13连接在两个电子冷却元件16上，如图2所示。其后，如图3所示，在氮气气氛中，将电路板21用BiSn焊料接合在两个电子冷却元件16的上表面(图1中的两个陶瓷基板17a)上，在该电路板上事先安装诸如激光二极管元件等的光半导体器件23，该焊料已经提前设置好。电路板21提前在其底部设置有下载体22，以调整引线键合的高度位置。最后，在用Au引线连线并将封盖24接合到正方形环15上以密封之后，将光纤对准封壳11的通光孔，并用YAG激光焊接。于是，完成了光半导体模块。
在如此获得的光半导体模块中，光半导体器件23跨在两个电子冷却单元16上安装，该电子冷却单元在底板13中心布置成挨在一起。此外，两个电子元件16不仅接合在底板13的中心部分上，还接合在底板的位于封壳中内部突出部分14a下方的其它部位上。因此，两个电子冷却元件16和底板13之间的总接合面积等于封壳11中底板面积的约90％。
工业应用
根据本发明，封壳中底板和电子冷却元件之间的接合面积与底板面积之比可增加。因此，即使封壳底板面积的面积相同时，也可制备具有大吸热量电子冷却元件的光半导体模块。
Claims (6)
1.一种光半导体模块，包括：
一封壳，它的框架具有陶瓷馈入装置；
连接到所述封壳底板上的两个或多个电子冷却元件单元；以及
安装在所述两个或多个电子冷却元件单元上的光半导体器件。
2.如权利要求1所述的光半导体模块，其中，所述两个或多个电子冷却元件单元与所述封壳底板之间的接合面积占底板面积的75％或更多。
3.如权利要求1或2所述的光半导体模块，其中，所述两个或多个电子冷却元件单元通过一个或多个铜片而串联。
4.一种光半导体模块的制造方法，包括步骤：
将两个或多个电子冷却元件单元固定在其框架具有陶瓷馈入装置的封壳的底板上；以及
将光半导体器件安装在所述两个或多个电子冷却元件单元上。
5.如权利要求4所述的光半导体模块的制造方法，其中，所述两个或多个电子冷却元件单元通过一个或多个铜片而串联。
6.如权利要求4或5所述的光半导体模块的制造方法，其中，所述固定两个或多个电子冷却元件单元到封壳底板上的步骤、以及通过一个或多个铜片来连接所述两个或多个电子冷却元件单元的步骤利用相同的焊料同时进行。
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