JP2002076501A - 光半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

光半導体モジュールの製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子冷却素子を光半導体容器に接合する際
に、電子冷却素子の最上面に設けてある低温半田材の酸
化を防止して、電子冷却素子と光半導体素子との半田接
合部の熱抵抗を低減し、熱伝導を向上させた光半導体モ
ジュールの製造方法を提供する。 【解決手段】 電子冷却素子10を光半導体容器の底板
2に接合する際に、水素雰囲気中で半田接合する。電子
冷却素子10は底板2に接合される側のセラミックス基
板面にPbSn半田材14を備え、反対側の光半導体素
子が搭載される側のセラミックス基板面にはPbSn半
田材14よりも低融点のBiSn半田材13が予め施さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用の光半導
体モジュールの製造方法、特に高放熱性が必要な光ファ
イバー増幅器用の高出力光半導体レーザモジュールの製
造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光半導体装置、特に光ファイバー増幅器
用の光半導体レーザモジュール等の光半導体モジュール
においては、光半導体やドライバーIC等を気密に収納
するための光半導体容器が使用されている。
【0003】例えば、図4に示すように、一般的に光半
導体容器は、Fe/Ni/Co合金(商品名コバール)
からなる枠体1を、Fe/Ni/Co合金又はFe/N
i合金(商品名42アロイ)や、複合金属材料であるC
uWやCuMo等の底板2に接合している。特に、消費
電力が大きく、高い放熱性が要求される光半導体容器で
は、CuWの底板が使用されている。
【0004】光半導体容器の側壁部をなす枠体1はコバ
ールを切削加工又は射出成形して作製され、その一部に
複数層のセラミックスシートで構成され且つ表面にメタ
ライズ層を施したセラミックス端子部3を備え、コバー
ル製の複数の端子リード4が枠体1の外側に突出して設
けてある。尚、枠体の側壁部をセラミックス絶縁体で構
成し、端子部のセラミックスと一体化した構造を取る光
半導体容器もある。また、一部の光半導体容器では、枠
体に穿設した穴に端子リードをガラスシールした構造の
ものもある。
【0005】また、光半導体容器の枠体1には、内部と
外部で光を透過させるための光透過窓5が形成してあ
る。光透過窓5はコバール製のパイプからなり、通常は
気密封止のためにガラスの窓材を張り付けている。一部
の光透過窓5ではガラスの窓材を使用せずに、光ファイ
バーを貫通させて光ファイバーごと半田付けで気密封止
するものもある。この場合は、光透過窓5のパイプのみ
が光半導体容器の枠体1に接合されている。
【0006】これらの枠体1や底板2、端子リード4等
の部品は、銀ロウ付けや半田付けにより接合して組立て
られる。組立てた光半導体容器は最終的にキャップにて
気密封止を行なうためと、容器の腐食を防ぐためと、後
の半導体モジュール組立時の半田付けを容易にするため
に、全体に金めっきが施される。尚、光半導体容器の枠
体1の上面には、キャップの溶接又は半田付けのため
に、コバール製のリングを必要とする。また、容器の組
立に使用される銀ロウ材の融点は600℃以上、ガラス
ロウ材の融点は500℃以上、窓用の半田材はAuSn
で融点が280℃程度である。
【0007】かかる光半導体容器に光半導体素子を実装
するには、底板上に電子冷却素子を搭載し、その上に光
半導体素子等を予め実装した回路基板を接合固定する。
電子冷却素子は、N型熱電素子(例えばBiTeSe)
とP型熱電素子(例えばBiTeSb)とを交互に行列
配列し、隣り合う2つの熱電素子の上面同士及び下面同
士をそれぞれセラミックス基板上に形成した金属片に、
融点が238℃のPb60Sn40半田材により接合し
てある。セラミックス基板の取出電極には、融点299
℃融点のPb90Sn10半田材を用いて、Cuのリー
ドが接続されている。
【0008】そして、電子冷却素子と光半導体容器の間
は容器内部に形成されたリードにより、且つ光半導体素
子と光半導体容器の端子リードとはAuワイヤによって
電気的に接続される。その後、キャップをコバール製の
リング上にシールした後、光ファイバーを半導体容器の
光透過窓に位置合わせしてYAG等のレーザで溶接する
ことにより、光半導体モジュールが作製される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】光半導体モジュール用
の電子冷却素子では、各熱電素子に接合されたセラミッ
クス基板の非接合面(電子冷却素子の最上面と最下面)
にメタライズ処理が施してある。この電子冷却素子の最
下面と光半導体容器との間の接合は、融点が183℃の
Pb37Sn63半田材が使用され、また電子冷却素子
の最上面と光半導体素子の間の接合には、BiSn等の
融点が160℃以下の低温半田材が一般に使用される。
これらの半田材(予備半田とも云う)は、予め電子冷却
素子に積層されている。
【0010】光半導体モジュールにおいては、光ファイ
バーと光半導体素子との光結合のために、光半導体容器
と電子冷却素子とを正確に位置決めして半田付けしなけ
ればならない。そのため、まず電子冷却素子をダイボン
ディングツールにて位置合わせした後、183℃以上に
加熱してPb37Sn63半田材で容器の底板に接合
し、冷却してからダイボンディングツールを撤去して、
電子冷却素子上に光半導体素子をBiSn等の低温半田
材で接合している。
【0011】しかしながら、電子冷却素子を光半導体容
器に半田付けする際に、電子冷却素子の反対側の面(最
上面)に設けてあるBiSn等の低温半田材が溶けて、
酸化してしまうという問題があった。このために、Bi
Sn等の低温半田材上にスラグができてしまい、光半導
体素子を電子冷却素子の最上面に半田接合する時の半田
接合部の熱抵抗を高くしていた。この半田接合部の熱抵
抗が高いと、半田応対レーザの場合にはLD素子等の光
半導体素子の光出力が低下するほか、光導波路デバイス
では均熱性が悪くなり、波長選択特性、特に半値幅を広
げてしまい、クロストークの原因となる。
【0012】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
電子冷却素子を光半導体容器に接合する際に、電子冷却
素子の最上面に設けてある低温半田材(予備半田)の酸
化を防止して、電子冷却素子と光半導体素子との半田接
合部の熱伝導を向上させた光半導体モジュールの製造方
法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、光半導体容器の底板に電子冷却素子を接
合し、該電子冷却素子上に光半導体素子を実装した光半
導体モジュールの製造方法であって、前記電子冷却素子
を前記光半導体容器の底板に水素雰囲気中で半田接合す
ることを特徴とする光半導体モジュールの製造方法を提
供する。
【0014】上記本発明の光半導体モジュールの製造方
法においては、前記電子冷却素子は前記光半導体容器の
底板に接合される側のセラミックス基板面にPbSn半
田を備え、反対側の光半導体素子が搭載される側のセラ
ミックス基板面には前記PbSn半田よりも低融点のB
iSn半田が予め施されていることを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明方法では、電子冷却素子を
光半導体容器に接合する際に、水素雰囲気中で半田接合
するので、電子冷却素子の最上面に設けてある光半導体
素子接合用の低温半田材(予備半田)は溶融しても酸化
されることがない。逆に、低温半田材を電子冷却素子に
付ける際に生成された酸化物が除去されるので、電子冷
却素子の最上面の低温半田材に良好な半田面を得ること
ができる。
【0016】その結果、この電子冷却素子の最上面に光
半導体素子を半田付けする際に、スラグを挟むことが無
くなり、電子冷却素子と光半導体素子との半田接合部の
熱抵抗を低減して、その部分の熱伝導を向上させること
ができる。従って、本発明方法は、特に高放熱性が必要
な光ファイバー増幅器用の高出力光半導体レーザモジュ
ールの製造に適している。
【0017】
【実施例】光半導体容器は、図1に示すように、コバー
ルを切削して側壁部をなす枠体1とし、底板2は複合金
属材料のCuWで作製した。セラミックス端子部3は複
数層のセラミックスシートで構成し、表面にメタライズ
を施し、複数のコバール製の端子リード4を取り付けて
構成した。また、光半導体容器の光透過窓5としてコバ
ールのパイプを枠体1に接合し、気密封止のためにガラ
スの窓材をAuSnで接合した。更に、枠体1の上面に
は、コバールのリング(図示せず)を積載した。これら
は620℃以上の銀ロウ材で接合し、金めっきを全面に
施した。
【0018】電子冷却素子10は、図1に示すように、
N型熱電素子(BiTiSe)11aとP型熱電素子
(BiTeSb)11bとを交互に行列配列し、隣り合
う2つの熱電素子11a、11bの上面同士及び下面同
士をそれぞれAlN製のセラミックス基板12上に形成
した金属片によって直列に、融点238℃のPb60S
n40半田材を用いて接合してある。セラミックス基板
12の取出電極には、融点299℃のPb90Sn10
半田材を用いてNi/SnめっきしたCuリードを接続
した。尚、Ni/SnメッキにおけるNi厚さは3.5
μm、Sn厚さは2μmとした。
【0019】電子冷却素子10の熱電素子11a、11
bを接合していないセラミックス基板12の面(電子冷
却素子の最上面と最下面)に、それぞれAgPdペース
トを印刷し、焼成してメタライズ層を形成した。その電
子冷却素子10の光半導体素子接合側の表面(最上面)
には融点140℃のBiSn半田材13を、及び容器の
底板2との接合面(最下面)には融点183℃のPb3
7Sn63半田材14を積層した。これらは、ペースト
半田を各セラミックス基板12に印刷した後、高温に熱
して有機成分を除去して作製した。
【0020】この電子冷却素子10を、ダイボンディン
グツールとしてカーボン製治具を用いて位置合わせし、
220℃の連続水素炉に通して、水素雰囲気中において
Pb37Sn63半田材14で光半導体容器の底板2に
接合した。カーボン製治具を用いることで0.1mmの
精度で位置合わせでき、後の光結合が容易になった。
尚、この接合時に、4本の爪が出たMoの錘を電子冷却
素子10の4角に爪部が接触するように載せると接合が
容易になる。また、セラミックス基板3に、端子リード
4を予めセットして糸状態の半田材をからめておくと、
水素炉中で同時に接合されるため合理的である。上記の
連続水素炉を使用した接合では、一人で作業していても
従来の10倍のスループットが得られた。
【0021】このようにして、図2に示すように、底板
2に電子冷却素子10を接合した光半導体容器を得た。
その後、この電子冷却素子10の最上面に、予め設けて
おいたBiSn半田材13により、図3に示すように、
LD素子等の光半導体素子15等を予め実装した回路基
板16を窒素雰囲気中でダイボンドした。必要な配線は
Auワイヤー17を用いて行なった。最後に、キャップ
をコバールのリング上にシールした後、光ファイバーを
光半導体容器の光透過窓5に位置合わせしてYAGレー
ザで溶接し、光半導体モジュールを完成させた。
【0022】従来方法では、電子冷却素子10を光半導
体容器に半田付けする際にBiSn半田材13が溶け且
つ酸化されるため、スラグの生成によってBiSn半田
接合部の熱抵抗が0.5℃/Wと高かった。これに対し
て本発明方法による上記実施例では、BiSn半田材1
3が溶けても酸化されることがないため、BiSn半田
接合部の熱抵抗を0.2℃/Wにまで低減することがで
きた。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、光半導体容器に電子冷
却素子を接合する際に、電子冷却素子に予め設けてある
光半導体素子接合用の低温半田材の酸化を防止でき、従
って後の光半導体素子接合時に半田接合部の熱抵抗を低
減し、半田接合部の熱伝導を向上させた光半導体モジュ
ールの製造方法を提供することができる。
【0024】そのため、本発明による光半導体モジュー
ルでは、光半導体素子と電子冷却素子の間の熱抵抗が従
来の1/5程度にまで低減でき、LD素子等の光半導体
素子における光出力の低下がなく、光導波路デバイスに
おける均熱性が維持され、波長選択特性に優れている。
また、スループットは約10倍になり、低コスト化も期
待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法を説明するための光半導体容器と電
子冷却素子を示す概略の断面図である。
【図2】本発明方法により電子冷却素子を接合した光半
導体容器を示す概略の断面図である。
【図3】図2の光半導体容器内の電子冷却素子に光半導
体素子を搭載した状態を示す概略の断面図である。
【図4】一般的な光半導体容器を示す概略の斜視図であ
る。
【符号の説明】
1 枠体 2 底板 3 セラミックス端子部 4 端子リード 5 光透過窓 10 電子冷却素子 11a N型熱電素子 11b P型熱電素子 12 セラミックス基板 13 BiSn半田材 14 PbSn半田材 15 光半導体素子

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光半導体容器の底板に電子冷却素子を接
    合し、該電子冷却素子上に光半導体素子を実装した光半
    導体モジュールの製造方法であって、前記電子冷却素子
    を前記光半導体容器の底板に水素雰囲気中で半田接合す
    ることを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記電子冷却素子は、前記光半導体容器
    の底板に接合される側のセラミックス基板面にPbSn
    半田を備え、反対側の光半導体素子が搭載される側のセ
    ラミックス基板面には前記PbSn半田よりも低融点の
    BiSn半田が予め施されていることを特徴とする、請
    求項1に記載の光半導体モジュールの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記電子冷却素子上に光半導体素子を実
    装した後、該光半導体容器の光透過窓に光ファイバーを
    接合することを特徴とする、請求項1又は2に記載の光
    半導体モジュールの製造方法。
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