JP2003101115A - Package for optical semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信装置などに
使用する高出力の光半導体素子(例えば、半導体レー
ザ)と光ファイバとの結合器である光半導体モジュール
を収容するパッケージに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a package for accommodating an optical semiconductor module which is a coupler between a high-power optical semiconductor element (for example, a semiconductor laser) used in an optical communication device and an optical fiber.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、インターネットの急速な発展に伴
って、大容量のデータ(情報)を高速に伝送する必要性
が益々増大している。そこで、既に敷設されている光フ
ァイバー網を使用してデータ(情報)を伝送すると、デ
ータ(情報)の高速伝送が可能になることから、ここ数
年において、光ファイバー網の利用が急激に増加するよ
うになった。この場合、1本の光ファイバに異なる波長
の光を通してチャネルを多重化する、いわゆるWDM
(Wavelength Division Multiplexing:波長分割多重)
あるいはDWDM(Dense Wavelength Division Multip
lexing:高密度波長分割多重)等の広帯域の光ネットワ
ーク技術を利用することにより、大容量のデータを双方
向で高速伝送することが可能になる。なお、WDMにお
いては、現在は、1波長当たり2.5ギガビット/秒の
伝送速度を持つチャネルを4チャネル多重化して、合計
10ギガビット/秒の伝送技術が開発されている。一
方、DWDMにおいては、ギガビットからテラビットの
超大容量のデータ伝送が可能になる。2. Description of the Related Art In recent years, with the rapid development of the Internet, the need for high-speed transmission of a large amount of data (information) has been increasing. Therefore, if data (information) is transmitted using an optical fiber network that has already been installed, high-speed transmission of data (information) will be possible. Therefore, in the last few years, the use of optical fiber networks will increase rapidly. Became. In this case, so-called WDM, which multiplexes channels by passing lights of different wavelengths into one optical fiber
(Wavelength Division Multiplexing)
Or DWDM (Dense Wavelength Division Multip
Lexing: high-density wavelength division multiplexing) and other wideband optical network technologies enable high-speed bidirectional transmission of large amounts of data. In WDM, a transmission technology of 10 Gigabits / second in total is being developed by multiplexing four channels having a transmission rate of 2.5 Gigabits / second per wavelength. On the other hand, in DWDM, it becomes possible to transmit data of gigabit to terabit in an extremely large capacity.
【0003】ここで、光ファイバ中を転送するデータ
(情報)は、レーザー光を変調した信号であり、これは
光半導体モジュールと呼ばれる半導体レーザー等を収容
した電子装置から発信される。また、光ファイバを用い
てデータ(情報)を伝送する中間地点で信号強度を増幅
する、いわゆる光アンプにもこの光半導体モジュールが
用いられている。ところで、半導体レーザーの発振波長
は温度によって大きく影響を受けるので、半導体レーザ
ーの動作時には、その温度を厳密に制御することが不可
欠となる。この温度制御には、通常、電子クーラーある
いはペルチェ素子と呼ばれる電子デバイスが使用されて
いる。そして、半導体レーザー、ペルチェ素子等の電子
部品を収容する容器は、一般的にはパッケージと呼ばれ
ている。例えば、図7は、この種のパッケージに用いら
れる構成部品を示しており、図8は、これらの構成部品
を組み立てて形成されたパッケージ50を示している。Here, the data (information) transferred through the optical fiber is a signal obtained by modulating laser light, and this signal is transmitted from an electronic device containing a semiconductor laser or the like called an optical semiconductor module. The optical semiconductor module is also used in a so-called optical amplifier that amplifies signal strength at an intermediate point where data (information) is transmitted using an optical fiber. By the way, since the oscillation wavelength of the semiconductor laser is greatly affected by the temperature, it is essential to strictly control the temperature when the semiconductor laser operates. An electronic device called an electronic cooler or a Peltier device is usually used for this temperature control. A container that houses electronic components such as a semiconductor laser and a Peltier device is generally called a package. For example, FIG. 7 shows components used in this type of package, and FIG. 8 shows a package 50 formed by assembling these components.
【0004】パッケージ50を形成する主要な構成部品
は、フレーム51と、窓ホルダ52と、底板となるヒー
トシンク53と、カバー54とからなる。そして、フレ
ーム51の一側壁に窓ホルダ52を銀蝋52aによりロ
ウ付けするとともに、フレーム51の下面に底板となる
ヒートシンク53を銀蝋51aによりロウ付けしてこれ
らを固着する。また、フレーム51の一対の側壁に形成
された切欠部にセラミックフィードスルー55,55を
銀蝋55a,55aによりロウ付けしてこれらを固着す
る。さらに、これらのセラミックフィードスルー55,
55の上に一対のリード56,56を銀蝋55b,55
bによりロウ付けしてこれらを固着する。また、これら
のリード56,56の上にシールリング57を銀蝋57
aによりロウ付けしてこれらを固着する。そして、半導
体レーザー、ペルチェ素子等の電子部品をフレーム51
内に収容、固定した後、最後にカバー54を電気溶接に
より固着してパッケージ50が形成され、光半導体モジ
ュールも形成される。The main components forming the package 50 are a frame 51, a window holder 52, a heat sink 53 as a bottom plate, and a cover 54. Then, the window holder 52 is brazed to the one side wall of the frame 51 with the silver wax 52a, and the heat sink 53 serving as a bottom plate is brazed to the lower surface of the frame 51 with the silver wax 51a to fix them. Further, the ceramic feedthroughs 55, 55 are brazed with silver wax 55a, 55a to the notches formed in the pair of side walls of the frame 51 to fix them. In addition, these ceramic feedthroughs 55,
A pair of leads 56, 56 on top of 55, silver wax 55b, 55
These are fixed by brazing with b. In addition, a seal ring 57 is provided on the leads 56, 56 with a silver wax 57.
These are fixed by brazing with a. Then, electronic components such as a semiconductor laser and a Peltier element are mounted on the frame 51.
After being accommodated and fixed inside, the cover 54 is finally fixed by electric welding to form the package 50, and the optical semiconductor module is also formed.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上述のようにして形成
された光半導体モジュールにおいて、半導体レーザーが
発生した熱は、最終的にはヒートシンク53よりパッケ
ージ50の外部に放出(排熱)される。そして、ペルチ
ェ素子による冷却効率を向上させるためには、半導体レ
ーザーによる発熱を素早くパッケージ50の外部に排熱
する必要がある。このため、通常は、ヒートシンク53
は熱伝導性が良好な銅−タングステン材料により形成さ
れている。一方、フレーム51はコバールと呼ばれるF
eNiCo合金が使用されており、この熱膨張係数は、
4.5〜5.5ppm/Kで、熱伝導率は約17W/m
・Kである。In the optical semiconductor module formed as described above, the heat generated by the semiconductor laser is finally radiated (exhausted heat) from the heat sink 53 to the outside of the package 50. Then, in order to improve the cooling efficiency by the Peltier element, it is necessary to quickly exhaust the heat generated by the semiconductor laser to the outside of the package 50. Therefore, normally, the heat sink 53
Is formed of a copper-tungsten material having good thermal conductivity. On the other hand, the frame 51 is F called Kovar
eNiCo alloy is used, and its coefficient of thermal expansion is
Thermal conductivity of about 17 W / m at 4.5 to 5.5 ppm / K
・ K.
【0006】最近になって、ペルチェ素子で半導体レー
ザーの制御温度を変化させることにより、1つの半導体
レーザーを数種類の発振波長に変化させる技術、いわゆ
るチューナブルレーザーが開発されるようになった。こ
のような技術を用いると、異なる発振波長に対応する光
半導体モジュールを1つ用いるだけで、個々の発振波長
に対応する光半導体モジュールを複数個用いた場合と同
等になるため、光半導体モジュールの使用個数を減少さ
せることが可能になる。また、保守のための光半導体モ
ジュールの在庫数を減少させることも可能になる。この
ためには、ペルチェ素子を含めたパッケージ全体の構成
を見直して、より冷却特性に優れたパッケージに改良す
る要求が高まった。Recently, a technique of changing one semiconductor laser to several kinds of oscillation wavelengths by changing the control temperature of the semiconductor laser with a Peltier device, so-called tunable laser, has been developed. When such a technique is used, the use of one optical semiconductor module corresponding to different oscillation wavelengths is equivalent to the case of using a plurality of optical semiconductor modules corresponding to individual oscillation wavelengths. It is possible to reduce the number of pieces used. Further, it becomes possible to reduce the stock quantity of optical semiconductor modules for maintenance. To this end, there has been an increasing demand for reviewing the overall configuration of the package including the Peltier element and improving the package to have better cooling characteristics.
【0007】ところで、現在の光ネットワーク技術にお
いては、例えば、WDMにおいては、波長間隔が0.8
nmになるように多重化されている。そして、半導体レ
ーザーの温度が1℃だけ変化すると半導体レーザの発振
波長は0.1nmだけ変化する。このため、1つの半導
体レーザーの制御温度を変えて発振波長を変化させた場
合、4波長(4チャンネル)に対応するには0.8nm
×4=3.2nmが必要になる。これを温度変化に変換
すると、32℃(3.2(nm)/0.1(nm/
℃))になる。半導体レーザーの動作温度は、通常、2
5℃であるので、この温度を基準に考えると、半導体レ
ーザを−7℃まで冷却することが必要となる。By the way, in the current optical network technology, for example, in WDM, the wavelength interval is 0.8.
It is multiplexed so as to be nm. When the temperature of the semiconductor laser changes by 1 ° C., the oscillation wavelength of the semiconductor laser changes by 0.1 nm. Therefore, if the oscillation temperature is changed by changing the control temperature of one semiconductor laser, 0.8 nm is required to support four wavelengths (four channels).
× 4 = 3.2 nm is required. When this is converted into a temperature change, 32 ° C. (3.2 (nm) /0.1 (nm /
℃)). The operating temperature of a semiconductor laser is usually 2
Since it is 5 ° C., considering this temperature as a reference, it is necessary to cool the semiconductor laser to −7 ° C.
【0008】ところが、半導体レーザの温度を数℃ある
いはそれ以下の温度まで冷却しようとすると、パッケー
ジ内の温度の方がパッケージ外の温度(室温)よりも低
温になる。この場合、フレーム、カバーなどの熱伝導率
が約17W/m・K程度であると、図8の矢印で示すよ
うに、フレームおよびカバー等のパッケージを構する壁
面を通してパッケージの外部の熱がパッケージ内に流入
するようになる。この結果、パッケージの壁面(フレー
ム、カバーなど)を通して、パッケージの外部から流入
した熱も含めて、半導体レーザによる発熱と合わせてペ
ルチェ素子により排熱(冷却)してやらなければならな
いという事態が生じた。このため、ペルチェ素子におい
ては、従来よりも増して冷却特性に優れた高性能なもの
が求められるようになった。However, when the temperature of the semiconductor laser is cooled to a temperature of several degrees Celsius or lower, the temperature inside the package becomes lower than the temperature outside the package (room temperature). In this case, if the thermal conductivity of the frame, the cover, etc. is about 17 W / m · K, as shown by the arrow in FIG. 8, the heat outside the package passes through the wall of the frame, the cover, etc. that constitutes the package. It comes to flow in. As a result, a situation arises in which heat including the heat flowing from the outside of the package through the wall surface (frame, cover, etc.) of the package must be exhausted (cooled) by the Peltier device together with the heat generated by the semiconductor laser. For this reason, Peltier elements are required to have higher performance and superior cooling characteristics than ever before.
【0009】しかしながら、ペルチェ素子の冷却能力を
向上させるためには、ペルチェ素子に大電力を投入しな
ければならいという問題を生じた。これは、ペルチェ素
子に投入する電力を低減して、この種の光半導体モジュ
ールを小型化、低消費電力化するという市場の要望には
応えられないという問題を生じた。このため、パッケー
ジの外部から流入する熱を極力低減させる必要が生じ
た。そこで、本発明は上記の如き問題点を解決するため
になされたものであって、パッケージの外部から流入す
る熱を極力低減させて、小型化、低消費電力化が可能な
光半導体モジュールが得られるパッケージを提供するこ
とを目的とするものである。However, in order to improve the cooling capacity of the Peltier device, there arises a problem that a large amount of power has to be supplied to the Peltier device. This causes a problem that it is not possible to meet the market demand for reducing the power input to the Peltier device to reduce the size and power consumption of this type of optical semiconductor module. For this reason, it is necessary to reduce the heat flowing from the outside of the package as much as possible. Therefore, the present invention has been made in order to solve the above problems, and provides an optical semiconductor module capable of downsizing and reducing power consumption by reducing heat flowing from the outside of the package as much as possible. It is intended to provide a package that can be used.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光半導体モジュール用パッケージは、フレ
ームおよびカバーは低熱伝導性で低熱膨張率の材料で形
成され、ヒートシンクは高熱伝導性で低熱膨張率の材料
で形成されている。このように、フレームおよびカバー
が低熱伝導性の材料で形成されていると、このパッケー
ジ内を室温よりも低温に冷却しても、パッケージの外部
の熱がフレームおよびカバーを通して流入することが防
止できるようになる。また、ヒートシンクが高熱伝導性
の材料で形成されていると、パッケージ内で発生した熱
を効率よくパッケージの外部に放出(排熱)することが
できるようになる。この結果、このパッケージを用いた
光半導体モジュールの小型化、低消費電力化が可能にな
る。In order to achieve the above object, in the package for an optical semiconductor module of the present invention, the frame and the cover are made of a material having a low thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion, and the heat sink has a high thermal conductivity and a low thermal conductivity. It is made of a material having a coefficient of expansion. Thus, if the frame and the cover are made of a material having a low thermal conductivity, even if the inside of the package is cooled to a temperature lower than room temperature, the heat outside the package can be prevented from flowing through the frame and the cover. Like Further, when the heat sink is made of a material having high thermal conductivity, the heat generated in the package can be efficiently released (exhausted heat) to the outside of the package. As a result, it becomes possible to reduce the size and power consumption of the optical semiconductor module using this package.
【0011】また、フレームとヒートシンクあるいはフ
レームとカバーとの熱膨張率が大きく異なると、これら
を接合した後に、接合界面に熱応力が付加されて、最悪
の場合には破断に至る事態が生じる。このため、本発明
においては、フレームおよびカバーは低熱膨張率の材料
で形成されており、かつヒートシンクも低熱膨張率の材
料で形成されている。これにより、フレームとヒートシ
ンクあるいはフレームとカバーを接合しても、接合後の
接合界面に熱応力が付加されることが防止できるように
なり、接合部に破断を生じることがない。If the thermal expansion coefficients of the frame and the heat sink or between the frame and the cover are greatly different, thermal stress is applied to the joint interface after joining them, and in the worst case, there is a case where breakage occurs. Therefore, in the present invention, the frame and the cover are made of a material having a low thermal expansion coefficient, and the heat sink is also made of a material having a low thermal expansion coefficient. As a result, even if the frame and the heat sink or the frame and the cover are joined, it is possible to prevent thermal stress from being applied to the joint interface after joining, and the joint does not break.
【0012】この場合、フレームおよびカバーの熱膨張
率が2ppm/K以上で10ppm/K以下の範囲内の
値であると、フレームとヒートシンクあるいはフレーム
とカバーを接合しても、接合後の接合界面への熱応力の
付加が防止できることが明らかになった。また、現状よ
りも、パッケージの外部の熱がフレームおよびカバーを
通して流入することを防止するには、フレームおよびカ
バーの熱伝導率は17W/m・K以下にすれば足りる
が、熱の流入を十分に防止するためには、フレームおよ
びカバーの熱伝導率は10W/m・K以下にするのが望
ましく、好ましくは5W/m・K以下にするのがよい。
これらのことから、低熱伝導性で低熱膨張率の材料とし
ては、熱伝導率は10W/m・K以下、好ましくは5W
/m・K以下で、熱膨張率は2ppm/K以上で10p
pm/K以下の材質のものを用いるのが好ましい。In this case, if the thermal expansion coefficient of the frame and the cover is within the range of 2 ppm / K or more and 10 ppm / K or less, even if the frame and the heat sink or the frame and the cover are joined, the joining interface after joining is completed. It became clear that the addition of thermal stress to the can be prevented. In order to prevent heat from outside the package from flowing in through the frame and cover, it is sufficient to set the thermal conductivity of the frame and cover to 17 W / mK or less than the current situation, but the heat inflow is sufficient. In order to prevent the above, the thermal conductivity of the frame and the cover is desirably 10 W / m · K or less, preferably 5 W / m · K or less.
From these facts, a material having a low thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion has a thermal conductivity of 10 W / m · K or less, preferably 5 W.
/ M · K or less, thermal expansion coefficient of 2 ppm / K or more, 10p
It is preferable to use a material of pm / K or less.
【0013】そして、低熱伝導性で低熱膨張率の両方の
性質を有する材質としては、セラミックを用いるのが望
ましく、特に、酸化ジルコニウム、ムライト、ステアラ
イト、コージエライト、フォステライトから選ばれた1
つ以上を主成分とするセラミックを用いるが好ましい。
また、フレームおよびカバーをセラミックで構成する
と、フレームとカバーを接合して固着することが困難に
なる。このため、フレームの上部にセラミックとの接合
性が良好な鉄−ニッケル−コバルト合金または鉄−ニッ
ケル合金を配設するのが望ましい。あるいは、カバーの
少なくとも周囲部にセラミックとの接合性が良好な鉄−
ニッケル−コバルト合金または鉄−ニッケル合金を配設
するようにしてもよい。As a material having both properties of low thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion, it is desirable to use ceramics, and in particular, one selected from zirconium oxide, mullite, stearite, cordierite and fosterite.
It is preferable to use a ceramic containing three or more as a main component.
Further, if the frame and the cover are made of ceramic, it becomes difficult to bond and fix the frame and the cover. For this reason, it is desirable to dispose an iron-nickel-cobalt alloy or an iron-nickel alloy that has good bondability with the ceramic on the upper part of the frame. Alternatively, at least the peripheral portion of the cover is made of iron with good bondability with the ceramic.
You may make it arrange | position nickel-cobalt alloy or iron-nickel alloy.
【0014】なお、フレームの一側壁にはレーザー光を
透過させるガラス材あるいはセラミック材等からなる窓
を備えるようにしている。このため、フレームの一側壁
に窓を固定するための窓ホルダ(窓枠)を設ける必要が
ある。そこで、別途、窓ホルダを作製して、これをフレ
ームに接合するようにしてもよいが、別途作製された窓
ホルダを接合する工程が必要になるため好ましくない。
このため、本発明においては、窓ホルダをフレームと一
体的に形成するようにしている。これにより、この種の
パッケージの製造が、簡単、容易になる。さらに、ヒー
トシンクは低熱膨張率で高熱伝導性を有する材料であれ
ばどのようなものでも良いが、低熱膨張率で高熱伝導性
を有する材料としては、タングステン、銅−タングステ
ン、銅−モリブデン、窒化アルミニウムから選択される
材料から選択するようにするのが望ましい。A window made of a glass material, a ceramic material, or the like is provided on one side wall of the frame so that the laser light can be transmitted therethrough. Therefore, it is necessary to provide a window holder (window frame) for fixing the window on one side wall of the frame. Therefore, a window holder may be separately manufactured and bonded to the frame, but this is not preferable because a step of bonding the separately manufactured window holder is required.
Therefore, in the present invention, the window holder is formed integrally with the frame. This makes the manufacture of this type of package simple and easy. Further, the heat sink may be any material as long as it has a low coefficient of thermal expansion and high thermal conductivity, and examples of the material having a low coefficient of thermal expansion and high thermal conductivity include tungsten, copper-tungsten, copper-molybdenum, and aluminum nitride. It is desirable to select from materials selected from.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】ついで、本発明の実施の形態を図
1〜図3に基づいて説明する。なお、図1は、本実施の
形態のパッケージに用いられる構成部品を示す分解斜視
図であり、図2は、カバーを示す斜視図であり、図3
は、これらの構成部品を組み立てて形成された組立本体
にカバーを取り付ける前のパッケージを示す斜視図であ
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that FIG. 1 is an exploded perspective view showing components used in the package of the present embodiment, FIG. 2 is a perspective view showing a cover, and FIG.
FIG. 6 is a perspective view showing a package before a cover is attached to an assembly body formed by assembling these components.
【0016】1.光半導体モジュール用パッケージ
本発明のパッケージ10を形成する構成部品は、フレー
ム11と、窓ホルダ12と、底板となるヒートシンク1
3と、カバー14とからなる。なお、フレーム11と窓
ホルダ12はCIM(Ceramic Injection Molding)等
の方法により一体的に形成されている。そして、フレー
ム11の底面は、底板となるヒートシンク13をロウ付
けにより固着されている。また、フレーム11の一対の
側壁に形成された切欠部11a,11aには、セラミッ
クフィードスルー15,15がロウ付けにより固着され
ている。さらに、これらのセラミックフィードスルー1
5,15の上には、一対のリード16,16がロウ付け
により固着されている。また、フレーム11の上部には
フレーム11を覆うシールリング17がロウ付けにより
固着されている。そして、半導体レーザー、ペルチェ素
子等の電子部品をフレーム11内に収容、固定した後、
最後にカバー14が電気溶接により固着されて、パッケ
ージ10が形成されるとともに、光半導体モジュールも
形成されている。1. Package for optical semiconductor module The components forming the package 10 of the present invention include a frame 11, a window holder 12, and a heat sink 1 serving as a bottom plate.
3 and the cover 14. The frame 11 and the window holder 12 are integrally formed by a method such as CIM (Ceramic Injection Molding). Then, the bottom surface of the frame 11 is fixed by brazing a heat sink 13 serving as a bottom plate. Further, ceramic feedthroughs 15 are fixed to the notches 11a formed in the pair of side walls of the frame 11 by brazing. In addition, these ceramic feedthroughs 1
A pair of leads 16 and 16 are fixed on the electrodes 5 and 15 by brazing. A seal ring 17 covering the frame 11 is fixed to the upper portion of the frame 11 by brazing. Then, after housing and fixing electronic components such as a semiconductor laser and a Peltier device in the frame 11,
Finally, the cover 14 is fixed by electric welding to form the package 10 and the optical semiconductor module.
【0017】ここで、フレーム11は、低熱伝導性で低
熱膨張率の両方の性質を有するセラミック材で形成され
ており、熱膨張率は2ppm/K以上で10ppm/K
以下で、熱伝導率は10W/m・K以下、好ましくは5
W/m・K以下のものを用いている。これらの低熱伝導
性で低熱膨張率の両方の性質を有するセラミック材とし
ては、酸化ジルコニウム(ZrO2)、ムライト(3A
l2O3−2SiO2)、ステアライト(SiO−Mg
O)、コージエライト(2MgO−2Al2O3)、フォ
ステライト(2MgO−SiO2)から選ばれた1つ以
上を主成分とするものである。また、これらに酸化アル
ミニウム(Al2O3)あるいは酸化マグネシウム(Mg
2O3)等の一般的なセラミック材を加えて、他の部品と
熱膨張率を近似させるようにしたものを用いてもよい。
これらのセラミック材の熱伝導率および熱膨張率は、下
記の表1に示すような値になるものである。なお、下記
の表1において、熱伝導率は25℃〜250℃の温度範
囲における値を示している。The frame 11 is made of a ceramic material having both low thermal conductivity and low thermal expansion coefficient, and the thermal expansion coefficient is 2 ppm / K or more and 10 ppm / K.
The thermal conductivity is 10 W / mK or less, preferably 5 or less.
The one with W / m · K or less is used. Ceramic materials having both of these low thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion include zirconium oxide (ZrO 2 ) and mullite (3A).
l 2 O 3 -2SiO 2), steatite (SiO-Mg
O), cordierite (2MgO-2Al 2 O 3 ), and fosterite (2MgO—SiO 2 ), as a main component. In addition, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or magnesium oxide (Mg
It is also possible to add a general ceramic material such as 2 O 3 ) so that the coefficient of thermal expansion is approximate to that of other parts.
The thermal conductivity and the thermal expansion coefficient of these ceramic materials have the values shown in Table 1 below. In addition, in Table 1 below, the thermal conductivity shows a value in the temperature range of 25 ° C to 250 ° C.
【0018】[0018]
【表1】 [Table 1]
【0019】また、底板となるヒートシンク13は、低
熱膨張率で高熱伝導性を有する材料により形成されてお
り、タングステン(W)、銅−タングステン(Cu−
W)、銅−モリブデン(Cu−Mo)、窒化アルミニウ
ム(AlN)などから選択するのが望ましい。また、カ
バー14としては、図2(a)に示すように、上記のセ
ラミック材からなる板状で四角形状の本体部14aと、
Fe−Ni−Co合金(通称:コバール)からなる四角
形状で開口部を有するリング部材14bとをロウ付けに
より一体化したものを用いている。または、図2(b)
に示すように、上記のセラミック材からなる板状の本体
部14aと、Fe−Ni−Co合金(通称:コバール)
からなる四角形状で開口部を有しない枠部材14cとを
ロウ付けにより一体化したものを用いるようにしてもよ
い。The heat sink 13 serving as the bottom plate is made of a material having a low coefficient of thermal expansion and high thermal conductivity, and is made of tungsten (W) or copper-tungsten (Cu-).
W), copper-molybdenum (Cu-Mo), aluminum nitride (AlN) or the like is desirable. Further, as the cover 14, as shown in FIG. 2A, a plate-like rectangular main body portion 14a made of the above ceramic material,
A quadrangular ring member 14b made of Fe-Ni-Co alloy (commonly called Kovar) and having an opening is integrated by brazing. Alternatively, FIG. 2 (b)
As shown in FIG. 2, a plate-shaped body portion 14a made of the above ceramic material and an Fe—Ni—Co alloy (common name: Kovar)
Alternatively, a frame member 14c having a rectangular shape and having no opening may be integrated by brazing.
【0020】セラミックフィードスルー15は所定の配
線を有するセラミック材により形成されている。例え
ば、酸化アルミニウム(Al2O3)とバインダーからな
るグリーンシートを所定の形状に形成するとともに、所
定の配線を施したものを焼結することにより形成されて
いる。なお、セラミックフィードスルー15を用いない
場合は、フレーム11の一側壁に穴を形成し、この穴内
に金属製のリード16をガラス等で絶縁封止するように
してもよい。さらに、リード16およびシールリング1
7は、Fe−Ni−Co合金(通称:コバール)あるい
は銅合金により形成されている。The ceramic feedthrough 15 is made of a ceramic material having a predetermined wiring. For example, it is formed by forming a green sheet made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and a binder into a predetermined shape and sintering a green sheet provided with a predetermined wiring. When the ceramic feedthrough 15 is not used, a hole may be formed in one side wall of the frame 11, and the metal lead 16 may be insulated and sealed in the hole with glass or the like. Further, the lead 16 and the seal ring 1
7 is formed of a Fe—Ni—Co alloy (commonly known as Kovar) or a copper alloy.
【0021】2.実施例
ついで、上述のような構成となるパッケージ10の具体
的な実施例を、製造工程順に以下に、詳細に説明する。
(1)実施例1
まず、平均粒径が2μmのアルミナ(Al2O3)粉末と
ジルコニア(ZrO2)粉末を原料粉末として用いた。
そして、アルミナが57モル%でジルコニアが43モル
%の混合比になるように混合してセラミック混合物とし
た。このセラミック混合物に、ポリスチレン(PS)、
ポリプロピレン(PP)などの熱可塑性樹脂とワックス
が混合された混合バインダーを、60質量%添加して混
合、混練した。このとき、混合バインダーが均一に分散
されるように、加圧式ニーダーを用いて、170℃で2
時間混合、混練を行った。2. Example Next, a specific example of the package 10 having the above-described configuration will be described in detail below in the order of manufacturing steps. (1) Example 1 First, alumina (Al 2 O 3 ) powder and zirconia (ZrO 2 ) powder having an average particle size of 2 μm were used as raw material powders.
Then, alumina was mixed at a mixing ratio of 57 mol% and zirconia at a mixing ratio of 43 mol% to obtain a ceramic mixture. Polystyrene (PS),
A mixed binder in which a thermoplastic resin such as polypropylene (PP) and a wax were mixed was added in an amount of 60% by mass and mixed and kneaded. At this time, using a pressure type kneader, the mixed binder is uniformly dispersed at 170 ° C. for 2 hours.
Time mixing and kneading were performed.
【0022】ついで、この混練物をペレタイザにかけて
ペレット状にした後、射出成型機のホッパ内にペレット
状の混練物を導入し、図1に示すような所定形状のフレ
ーム11になるように射出成形してグリーン体とした。
このとき、フレーム11と窓ホルダ12が一体的に形成
されるように射出成形した。ついで、得られたグリーン
体を脱バインダ炉内に配置した後、この脱バインダ炉内
を窒素ガスで置換した。この後、1分間に0.25℃の
昇温速度で脱バインダ炉内を加熱し、550℃の温度を
120分間維持した。Next, after this kneaded product is pelletized by a pelletizer, the pelletized kneaded product is introduced into the hopper of the injection molding machine and injection molded so as to form a frame 11 having a predetermined shape as shown in FIG. And made it a green body.
At this time, injection molding was performed so that the frame 11 and the window holder 12 were integrally formed. Next, the obtained green body was placed in a binder removal furnace, and then the inside of the binder removal furnace was replaced with nitrogen gas. Thereafter, the inside of the binder removal furnace was heated at a temperature rising rate of 0.25 ° C. for 1 minute, and the temperature of 550 ° C. was maintained for 120 minutes.
【0023】これにより、グリーン体内に存在していた
バインダが除去されてブラウン体となる。このブラウン
体を室温まで冷却した後、焼結炉に移して、大気中で1
分間に5℃の昇温速度で加熱し、最終的に1550℃の
温度を2時間維持した。これにより、ブラウン体は焼結
されて、図1に示すようなフレーム11が得られる。こ
れを室温まで炉冷した後、焼結されたフレーム11を焼
結炉から取り出すことにより、フレーム11の製造工程
を完了する。なお、フレーム11と窓ホルダ12をそれ
ぞれ別々に成形した後、フレーム11と窓ホルダ12の
それぞれにニッケルメッキを施し、銀ロウを用いてロウ
付けにより接合するようにしもよい。As a result, the binder existing in the green body is removed to become a brown body. After cooling this brown body to room temperature, transfer it to a sintering furnace and
The heating was performed at a heating rate of 5 ° C. per minute, and the temperature of 1550 ° C. was finally maintained for 2 hours. As a result, the brown body is sintered to obtain the frame 11 as shown in FIG. After the furnace is cooled to room temperature, the sintered frame 11 is taken out of the sintering furnace to complete the manufacturing process of the frame 11. Alternatively, the frame 11 and the window holder 12 may be separately molded, and then the frame 11 and the window holder 12 may be plated with nickel and joined by brazing with silver brazing.
【0024】また、銅−タングステン合金(10wt%
Cu−90wt%W)のブロックを、機械加工により、
図1に示されるような平板形状に切削して、平板状の底
板とした。ついで、得られた平板状の底板をメッキ槽に
浸漬して無電解メッキを施して、平板状の底板の表面に
厚みが5μmのニッケルメッキ層を形成し、平板状のヒ
ートシンク13を作製した。なお、ヒートシンク13の
四隅には、取付部を形成し、この取付部に開口を設けて
固定穴を形成するようにしている。Further, copper-tungsten alloy (10 wt%
Cu-90 wt% W) block is machined
It was cut into a flat plate shape as shown in FIG. 1 to obtain a flat plate-shaped bottom plate. Then, the obtained flat plate-shaped bottom plate was immersed in a plating bath for electroless plating to form a nickel plating layer having a thickness of 5 μm on the surface of the flat plate-shaped bottom plate, and the flat plate-shaped heat sink 13 was produced. It should be noted that mounting portions are formed at the four corners of the heat sink 13, and openings are provided in the mounting portions to form fixing holes.
【0025】また、酸化アルミニウム(Al2O3)とバ
インダーとの混練物を射出成形してグリーンシートを形
成した。このとき、表面に所定の配線が形成されるよう
に射出成形した。得られたグリーンシートを上述と同様
に焼結して、図1に示されるような形状のセラミックフ
ィードスルー15を作製した。また、Fe−Ni−Co
合金(通称:コバール)からなる圧延板を、化学エッチ
ングにより所定の形状に加工してリード16を作製し
た。さらに、Fe−Ni−Co合金(通称:コバール)
からなる圧延板を化学エッチングにより所定の形状に加
工してシールリング17を作製した。A kneaded material of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and a binder was injection molded to form a green sheet. At this time, injection molding was performed so that a predetermined wiring was formed on the surface. The obtained green sheet was sintered in the same manner as above to produce a ceramic feedthrough 15 having a shape as shown in FIG. In addition, Fe-Ni-Co
A rolled plate made of an alloy (commonly known as Kovar) was processed into a predetermined shape by chemical etching to produce a lead 16. Furthermore, Fe-Ni-Co alloy (common name: Kovar)
The rolled plate made of was processed into a predetermined shape by chemical etching to produce a seal ring 17.
【0026】ついで、上述のように作製したフレーム1
1、ヒートシンク13、セラミックフィードスルー1
5、リード16、シールリング17およびMo−Mn合
金からなるロウ材(図示せず)を、図1に示すような配
置構成になるように、カーボン製あるいはアルミナ製の
治具に配置した。ついで、この治具を40%の水素(H
2)を含む窒素(N2)ガスの雰囲気のリフロー炉中で、
移動速度が30mm/分のベルト上に配置し、最高温度
が900℃で20分間加熱されるようなリフロー条件
(昇温プロファイル)で加熱処理した。Next, the frame 1 produced as described above
1, heat sink 13, ceramic feedthrough 1
5, lead 16, seal ring 17 and Mo-Mn
A brazing material (not shown) made of gold is placed as shown in FIG.
Made of carbon or alumina
It was placed on the jig. Then, this jig is replaced with 40% hydrogen (H
2) Containing nitrogen (N2) In a gas reflow furnace,
Placed on a belt with a moving speed of 30 mm / min, the maximum temperature
Reflow condition that the material is heated at 900 ℃ for 20 minutes
It heat-processed by (temperature rising profile).
【0027】これにより、フレーム11とヒートシンク
13が接合され、フレーム11の切欠部11aとセラミ
ックフィードスルー15が接合され、セラミックフィー
ドスルー15とリード16が接合され、セラミックフィ
ードスルー15とシールリング17が接合され、一体化
して組立本体10aが形成されることとなる。また、フ
レーム11は、一部あるいは全部にメッキを施してもよ
い。これにより、セラミックフィードスルー15の一部
の電極端子を接地することができる。なお、ロウ材とし
ては、上述したMo−Mn合金以外の他のロウ材を用い
るようにしてもよい。As a result, the frame 11 and the heat sink 13 are joined together, the notch 11a of the frame 11 and the ceramic feed through 15 are joined together, the ceramic feed through 15 and the lead 16 are joined together, and the ceramic feed through 15 and the seal ring 17 are joined together. The assembly main body 10a is formed by being joined and integrated. Further, the frame 11 may be partially or entirely plated. As a result, a part of the electrode terminals of the ceramic feedthrough 15 can be grounded. As the brazing material, a brazing material other than the Mo-Mn alloy described above may be used.
【0028】一方、図2(a)に示すように、セラミッ
ク材からなる板状で外形形状がフレーム11の外形形状
より若干小さく形成された本体部14aを用意した。ま
た、Fe−Ni−Co合金(通称:コバール)で外形形
状がフレーム11の外形形状と一致するとともに、内形
形状がフレーム11の内形形状よりも若干小さく形成さ
れた四角形状のリング部材14bを用意した。ついで、
リング部材14bの上に本体部14aを配置するととも
に、これらの間にMo−Mn合金からなるロウ材を介在
させて、カーボン製あるいはアルミナ製の治具に配置し
た。ついで、この治具を40%の水素(H2)を含む窒
素(N2)ガスの雰囲気のリフロー炉中で、移動速度が
100mm/分のベルト上に配置し、最高温度が850
℃で20分間加熱されるようなリフロー条件(昇温プロ
ファイル)で加熱処理した。これにより、本体部14a
とリング部材14bは一体化してカバー14を作製し
た。On the other hand, as shown in FIG. 2 (a), there was prepared a body portion 14a made of a ceramic material and having an outer shape slightly smaller than the outer shape of the frame 11. In addition, a quadrangular ring member 14b formed of an Fe-Ni-Co alloy (commonly called Kovar) whose outer shape matches the outer shape of the frame 11 and whose inner shape is slightly smaller than the inner shape of the frame 11. Prepared. Then,
The main body 14a was placed on the ring member 14b, and a brazing material made of a Mo—Mn alloy was interposed between them to place it on a jig made of carbon or alumina. Then, this jig was placed on a belt having a moving speed of 100 mm / min in a reflow furnace in an atmosphere of nitrogen (N 2 ) gas containing 40% hydrogen (H 2 ), and the maximum temperature was 850.
The heat treatment was performed under the reflow condition (heating profile) such that heating was performed at 20 ° C. for 20 minutes. Thereby, the main body portion 14a
The ring member 14b and the ring member 14b are integrated to produce the cover 14.
【0029】なお、カバー14の全体あるいは一部にニ
ッケルメッキまたは金(Au)表面仕上げのニッケルメ
ッキを施すようにするのが望ましい。このようなメッキ
部を設けることにより、リング部材14bの耐食性を向
上させることができ、カバー14とシールリング17と
の接合性を向上させることができるようになる。また、
図2(b)に示すように、セラミック材からなる板状で
外形形状がフレーム11の外形形状より若干小さく形成
された本体部14aと、Fe−Ni−Co合金(通称:
コバール)で外形形状がフレーム11の外形形状と一致
する四角形状の枠部材14cを用意し、これらを上述と
同様に、ロウ付けにより一体化してカバー14を作製す
るようにしてもよい。It is desirable that the whole or a part of the cover 14 be nickel-plated or gold (Au) surface-finished nickel-plated. By providing such a plated portion, the corrosion resistance of the ring member 14b can be improved, and the bondability between the cover 14 and the seal ring 17 can be improved. Also,
As shown in FIG. 2B, a main body portion 14a made of a ceramic material and having an outer shape slightly smaller than the outer shape of the frame 11, and a Fe—Ni—Co alloy (common name:
It is also possible to prepare a quadrangular frame member 14c whose outer shape is the same as the outer shape of the frame 11 by Kovar) and to integrally form these by brazing to form the cover 14 in the same manner as described above.
【0030】ついで、窓ホルダ12にガラス窓あるいは
アルミナ窓を封着するために、窓ホルダ12に低融点ガ
ラスと窓をセットして、リフロー炉中で接合した。接合
条件としては、100%窒素(N2)ガスの雰囲気のリ
フロー炉中で、移動速度が100mm/分のベルト上に
配置し、最高温度が500℃で10分間加熱されるよう
なリフロー条件(昇温プロファイル)で加熱処理した。
これにより、窓ホルダ12にガラス窓あるいはアルミナ
窓が封着されることとなる。なお、組立本体10aの全
体、または窓ホルダ12の部分に金メッキを施すように
すれば、一般的に行われているAuSn半田を用いて、
ガラス窓あるいはアルミナ窓を窓ホルダ12に接合する
ことができる。この場合、ガラス窓あるいはアルミナ窓
にも接合部に金のメタライズ処理を予め施しておく必要
がある。Then, in order to seal the glass window or the alumina window to the window holder 12, the low melting glass and the window were set in the window holder 12 and joined in a reflow furnace. The bonding conditions, with 100% nitrogen (N 2) in a reflow furnace in an atmosphere of gas, the moving speed is disposed on the 100 mm / min belt, maximum temperature reflow conditions as heated at 500 ° C. 10 minutes ( It heat-processed by the temperature rising profile.
As a result, the glass window or the alumina window is sealed to the window holder 12. If gold plating is applied to the entire assembly main body 10a or the window holder 12, a commonly used AuSn solder is used.
A glass window or an alumina window can be bonded to the window holder 12. In this case, it is necessary to preliminarily subject the glass window or the alumina window to the metallization treatment of gold at the joint.
【0031】最後に、上述のようにして作製した組立本
体10a内にペルチェ素子からなる冷却体(TEC)お
よび半導体レーザー、レンズ系などからなるレーザ装置
を固定する。この後、レンズの光軸を調整し、組立本体
10a上部にカバー14を配置し、これらを電気溶接す
ることにより、パッケージ10が形成されるとともに、
光半導体モジュールが形成される。このようにして作製
されたパッケージ10を実施例1のパッケージAとし
た。Finally, a cooling body (TEC) composed of a Peltier device, a laser device composed of a semiconductor laser, a lens system and the like are fixed in the assembly body 10a manufactured as described above. After that, the optical axis of the lens is adjusted, the cover 14 is arranged on the upper part of the assembly main body 10a, and these are electrically welded to form the package 10, and
An optical semiconductor module is formed. The package 10 manufactured in this manner is referred to as the package A of Example 1.
【0032】(2)実施例2
原料粉末として、平均粒径が2μmのムライト(3Al
2O3−2SiO2)粉末を用いたこと以外は、上述した
実施例1と同様にして、図1に示すような形状の焼結体
からなるフレーム11を作製した。この場合において
も、フレーム11と窓ホルダ12を一体的に形成した。
また、上述した実施例1と同様にして、フレーム11と
ヒートシンク13を接合し、フレーム11の切欠部11
aとセラミックフィードスルー15を接合し、セラミッ
クフィードスルー15とリード16を接合し、セラミッ
クフィードスルー15とシールリング17を接合して一
体化し、組立本体10bとした。(2) Example 2 As a raw material powder, mullite (3Al having an average particle diameter of 2 μm) was used.
A frame 11 made of a sintered body having a shape as shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that 2 O 3 −2SiO 2 ) powder was used. Also in this case, the frame 11 and the window holder 12 are integrally formed.
In addition, the frame 11 and the heat sink 13 are joined to each other in the same manner as in the first embodiment described above, and the cutout portion 11 of the frame 11 is formed.
a and the ceramic feedthrough 15 are joined, the ceramic feedthrough 15 and the lead 16 are joined, and the ceramic feedthrough 15 and the seal ring 17 are joined and integrated to form an assembly body 10b.
【0033】ついで、上述した実施例1と同様にして、
窓ホルダ12に低融点ガラスとガラス窓あるいはアルミ
ナ窓をセットし、リフロー炉中でこれらを接合して、窓
ホルダ12にガラス窓あるいはアルミナ窓を封着した。
最後に、組立本体10b内にペルチェ素子からなる冷却
体(TEC)および半導体レーザー、レンズ系などから
なるレーザ装置を固定する。この後、レンズの光軸を調
整し、組立本体10b上部に、上述した実施例1と同様
に作製されたカバー14を電気溶接することにより、パ
ッケージ10が形成されるとともに、光半導体モジュー
ルが形成される。このようにして作製されたパッケージ
10を実施例2のパッケージBとした。Then, in the same manner as in the first embodiment described above,
A low melting glass and a glass window or an alumina window were set in the window holder 12, and these were joined in a reflow furnace to seal the glass window or the alumina window to the window holder 12.
Lastly, a cooling body (TEC) composed of a Peltier element, a laser device composed of a semiconductor laser, a lens system and the like are fixed in the assembly body 10b. Thereafter, the optical axis of the lens is adjusted, and the cover 14 manufactured in the same manner as in the above-described first embodiment is electrically welded to the upper portion of the assembly body 10b to form the package 10 and the optical semiconductor module. To be done. The package 10 manufactured in this manner was used as the package B of Example 2.
【0034】3.パッケージの排熱試験
ついで、上述のように作製されたパッケージA,Bの排
熱効果を検証するため、図4に示すような測定系を組み
付けて排熱試験を以下のようにして行った。なお、比較
のために、従来例のパッケージX(図8のパッケージ5
0を参照のこと)も用いた。そして、これらのパッケー
ジA,B,Xの内底面にそれぞれペルチェ素子20の底
面をPbSn半田で接合した。また、ペルチェ素子20
の上基板21上にペルチェ素子の冷却温度を調べるため
の熱電対22を取り付けた。3. Exhaust heat test of package Next, in order to verify the exhaust heat effect of the packages A and B manufactured as described above, an exhaust heat test was conducted as follows with a measurement system as shown in FIG. 4 assembled. For comparison, the package X of the conventional example (package 5 of FIG.
0) was also used. Then, the bottom surface of the Peltier device 20 was joined to the inner bottom surfaces of these packages A, B, and X with PbSn solder. In addition, the Peltier device 20
A thermocouple 22 for checking the cooling temperature of the Peltier device was attached on the upper substrate 21.
【0035】そして、半導体レーザーの替わりに、半導
体レーザーと同等の発熱量(400mW)のヒーター2
3を用いて発熱源とした。このヒーター23へ電力を供
給するための配線24、ペルチェ素子20へ電力を供給
するための配線25および熱電対22へ電力を供給する
ため配線26を、セラミックフィードスルー15のパッ
ド(図示せず)に接続した。ついで、通常のパッケージ
と同じように窒素雰囲気中でカバー14を電気溶接し
た。ついで、このように構成した測定系を70℃に制御
したオーブン(図示せず)内に設置した。Then, instead of the semiconductor laser, a heater 2 having a heat generation amount (400 mW) equivalent to that of the semiconductor laser is used.
3 was used as the heat source. A wire 24 for supplying electric power to the heater 23, a wire 25 for supplying electric power to the Peltier element 20, and a wire 26 for supplying electric power to the thermocouple 22 are provided as pads of the ceramic feedthrough 15 (not shown). Connected to. The cover 14 was then electrowelded in a nitrogen atmosphere as in a normal package. Then, the measurement system thus constructed was installed in an oven (not shown) controlled at 70 ° C.
【0036】なお、光半導体モジュールが設置されるシ
ステム内の典型的な環境温度は70℃であるため、この
ような測定系を70℃に加熱して、通常の使用状態での
環境温度に等しくなるようにしている。ついで、ペルチ
ェ素子20の上基板21の温度とペルチェ素子20への
供給電流Itecとの関係を調べるために、ペルチェ素
子20へ供給する電流Itecを変化させて、このとき
のペルチェ素子20の上基板21の温度を測定した。測
定した結果を示すと、下記の表2に示すようになった。
また、表2の結果をグラフで表すと、図5に示すような
結果となった。Since a typical environmental temperature in the system in which the optical semiconductor module is installed is 70 ° C., such a measuring system is heated to 70 ° C. so as to be equal to the environmental temperature in a normal use condition. I am trying to become. Next, in order to investigate the relationship between the temperature of the upper substrate 21 of the Peltier device 20 and the current Itec supplied to the Peltier device 20, the current Itec supplied to the Peltier device 20 is changed, and the upper substrate of the Peltier device 20 at this time is changed. A temperature of 21 was measured. The measurement results are shown in Table 2 below.
In addition, when the results of Table 2 are represented by a graph, the results are as shown in FIG.
【0037】[0037]
【表2】 [Table 2]
【0038】なお、上記表2および図5において、必要
温度とは、半導体レーザーが所定の発振波長で安定して
発振できるための温度を表している。上記表2および図
5の結果から明らかなように、測定系を70℃に加熱し
た場合(即ち、環境温度が70℃の場合)においては、
従来例のパッケージXにおいては、−4.1℃までしか
冷却できないことが分かる。一方、実施例1のパッケー
ジAにおいては、ペルチェ素子20への供給電流Ite
cが2.2mA以上になると、ペルチェ素子20の上基
板21の温度が必要温度の−6.2℃以下に冷却される
ことが分かる。また、実施例2のパッケージBにおいて
は、ペルチェ素子20への供給電流Itecが1.9m
Aで、既にペルチェ素子20の上基板21の温度が必要
温度の−6.2℃以下に冷却されることが分かる。In Table 2 and FIG. 5, the required temperature means the temperature at which the semiconductor laser can stably oscillate at a predetermined oscillation wavelength. As is clear from the results in Table 2 and FIG. 5, when the measurement system is heated to 70 ° C. (that is, the environmental temperature is 70 ° C.),
It can be seen that the package X of the conventional example can be cooled only to -4.1 ° C. On the other hand, in the package A of the first embodiment, the supply current Ite to the Peltier device 20 is
It can be seen that when c is 2.2 mA or more, the temperature of the upper substrate 21 of the Peltier device 20 is cooled to the required temperature of -6.2 ° C or less. In the package B of the second embodiment, the current Itec supplied to the Peltier device 20 is 1.9 m.
In A, it can be seen that the temperature of the upper substrate 21 of the Peltier element 20 has already been cooled to the required temperature of -6.2 ° C or less.
【0039】このことは、実施例1のパッケージAおよ
び実施例2のパッケージBにおいては、70℃という高
温の環境であっても、ペルチェ素子20の冷却能力を充
分に発揮されて、半導体レーザーが所定の発振波長で発
振できることを意味している。これは、パッケージAお
よびパッケージBにおいては、フレーム11およびカバ
ー14は、熱伝導率が10W/m・K以下の低熱伝導率
のセラミック(アルミナ(Al2O3)+ジルコニア(Z
rO2)あるいはムライト(3Al2O3−2SiO2))
で形成されているため、図3の矢印で示すように、高温
の温度環境であっても、パッケージA、パッケージB内
に少量の熱が流入し、大部分の熱の流入を阻止すること
ができたためと考えられる。This means that, in the package A of the first embodiment and the package B of the second embodiment, even if the environment is as high as 70.degree. It means that it can oscillate at a predetermined oscillation wavelength. This is because, in the package A and the package B, the frame 11 and the cover 14 are made of a ceramic (alumina (Al 2 O 3 ) + zirconia (Z) having a low thermal conductivity of 10 W / m · K or less.
rO 2 ) or mullite (3Al 2 O 3 -2SiO 2 ))
Therefore, as shown by the arrow in FIG. 3, even in a high temperature environment, a small amount of heat can flow into the packages A and B, and most of the heat can be blocked. Probably because it was possible.
【0040】これに対して、従来例のパッケージXにお
いては、フレーム51およびカバー54は、熱伝導率が
17W/m・K以下の高熱伝導率のFe−Ni−Co合
金(通称:コバール)で形成されているため、図8の矢
印で示すように、高温の温度環境からパッケージX内に
大量の熱が流入したためと考えられる。このため、従来
例のパッケージXにおいては、70℃という高温の環境
のために、ペルチェ素子20の冷却能力が低下したと考
えられる。On the other hand, in the package X of the conventional example, the frame 51 and the cover 54 are made of a Fe-Ni-Co alloy (common name: Kovar) having a high thermal conductivity of 17 W / mK or less. Since it is formed, it is considered that a large amount of heat has flowed into the package X from the high temperature environment as indicated by the arrow in FIG. Therefore, it is considered that in the package X of the conventional example, the cooling capacity of the Peltier device 20 is lowered due to the high temperature environment of 70 ° C.
【0041】なお、光半導体モジュールが設置されるシ
ステム内の環境温度は、最悪の場合には75℃まで上昇
することがある。このため、測定系を75℃に制御した
オーブン(図示せず)内に設置して、ペルチェ素子20
の上基板21の温度とペルチェ素子20への供給電流I
tecとの関係を測定した。すると、下記の表3に示す
ような結果が得られた。そして、表3の結果をグラフで
表すと、図6に示すような結果となった。The environmental temperature in the system in which the optical semiconductor module is installed may rise to 75 ° C. in the worst case. Therefore, the measurement system is installed in an oven (not shown) controlled at 75 ° C., and the Peltier device 20 is
Temperature of the upper substrate 21 and supply current I to the Peltier device 20
The relationship with tec was measured. Then, the results shown in Table 3 below were obtained. Then, when the results of Table 3 are represented by a graph, the results are as shown in FIG.
【0042】[0042]
【表3】 [Table 3]
【0043】上記表3および図6の結果から明らかなよ
うに、測定系を75℃に加熱した場合(即ち、環境温度
が75℃の場合)においては、実施例1のパッケージA
においては、−2.8℃までしか冷却できないことが分
かる。一方、実施例2のパッケージBにおいては、ペル
チェ素子20への供給電流Itecが2.3mA以上に
なると、ペルチェ素子20の上基板21の温度が必要温
度の−6.2℃以下に冷却されることが分かる。このこ
とは、実施例2のパッケージBにおいては、75℃とい
う高温の環境であっても、ペルチェ素子20の冷却能力
を充分に発揮されて、半導体レーザーが所定の発振波長
で発振できることを意味している。As is clear from the results of Table 3 and FIG. 6, when the measurement system is heated to 75 ° C. (that is, the ambient temperature is 75 ° C.), the package A of Example 1 is used.
In, it can be seen that the cooling can be performed only to -2.8 ° C. On the other hand, in the package B of the second embodiment, when the supply current Itec to the Peltier device 20 becomes 2.3 mA or more, the temperature of the upper substrate 21 of the Peltier device 20 is cooled to the required temperature of -6.2 ° C or less. I understand. This means that in the package B of Example 2, the cooling capacity of the Peltier device 20 is sufficiently exhibited even in a high temperature environment of 75 ° C., and the semiconductor laser can oscillate at a predetermined oscillation wavelength. ing.
【0044】これは、パッケージBにおいては、フレー
ム11およびカバー14は、熱伝導率が3.5W/m・
Kの低熱伝導率のムライト(3Al2O3−2SiO2)
からなるセラミックで形成されているため、パッケージ
B内にパッケージB外の熱が流入することが防止できた
ためと考えられる。一方、実施例1のパッケージAにお
いては、熱伝導率が9.8W/m・Kの低熱伝導率のア
ルミナ(Al2O3)とジルコニア(ZrO2)からなる
複合セラミックで形成されているため、パッケージAの
外部の熱がパッケージA内に流入することが充分に防止
できなかったためと考えられる。In the package B, the frame 11 and the cover 14 have a thermal conductivity of 3.5 W / m.multidot.m.
Mullite with low thermal conductivity (3Al 2 O 3 -2SiO 2 )
It is considered that it is possible to prevent the heat outside the package B from flowing into the package B because it is formed of the ceramics. On the other hand, since the package A of Example 1 is formed of a composite ceramic composed of alumina (Al 2 O 3 ) and zirconia (ZrO 2 ) having a low thermal conductivity of 9.8 W / m · K. It is considered that the heat outside the package A could not be sufficiently prevented from flowing into the package A.
【0045】以上のことから、熱の流入を防止するため
には、フレーム11およびカバー14の熱伝導率は10
W/m・K以下にするのが望ましいということができ
る。また、熱の流入を十分に防止するためには、フレー
ム11およびカバー14の熱伝導率は5W/m・K以下
にするのが好ましいということができる。なお、フレー
ム11およびカバー14の熱膨張率が2ppm/K以上
で10ppm/K以下の範囲内の値であると、フレーム
11とヒートシンク13あるいはフレーム11とカバー
14を接合しても、接合後の接合界面に熱応力が付加さ
れることが防止できるようになる。このことから、フレ
ーム11およびカバー14の熱膨張率は2ppm/K以
上で10ppm/K以下のものを用いるのが好ましいと
いうことができる。なお、フレーム11およびカバー1
4を形成する材料は、上述したセラミックに限らず、上
述した熱伝導率および熱膨張率の条件を満たす材料を用
いて形成するようにしてもよい。From the above, in order to prevent the inflow of heat, the heat conductivity of the frame 11 and the cover 14 is 10%.
It can be said that it is desirable to set it to W / m · K or less. In addition, it can be said that the thermal conductivity of the frame 11 and the cover 14 is preferably 5 W / m · K or less in order to sufficiently prevent the inflow of heat. If the thermal expansion coefficient of the frame 11 and the cover 14 is in the range of 2 ppm / K or more and 10 ppm / K or less, even if the frame 11 and the heat sink 13 or the frame 11 and the cover 14 are joined, It becomes possible to prevent thermal stress from being applied to the bonding interface. From this, it can be said that it is preferable to use the frame 11 and the cover 14 having a coefficient of thermal expansion of 2 ppm / K or more and 10 ppm / K or less. The frame 11 and the cover 1
The material forming 4 is not limited to the above-mentioned ceramic, but may be formed using a material that satisfies the above-described conditions of thermal conductivity and thermal expansion coefficient.
【0046】[0046]
【発明の効果】上述したように、本発明においては、フ
レーム11およびカバー14が低熱伝導性の材料で形成
されているので、パッケージ10内を室温よりも低温に
冷却しても、パッケージ10の外部の熱がフレーム11
およびカバー14を通して流入することが防止できるよ
うになる。また、ヒートシンク13が高熱伝導性の材料
で形成されているので、パッケージ10内で発生した熱
を効率よくパッケージ10の外部に放出(排熱)するこ
とができるようになる。この結果、このパッケージ10
を用いた光半導体モジュールの小型化、低消費電力化が
可能になる。As described above, in the present invention, since the frame 11 and the cover 14 are made of a material having a low thermal conductivity, even if the inside of the package 10 is cooled to a temperature lower than room temperature, The external heat is the frame 11
And it becomes possible to prevent the inflow through the cover 14. Further, since the heat sink 13 is made of a material having high thermal conductivity, the heat generated in the package 10 can be efficiently released (exhausted heat) to the outside of the package 10. As a result, this package 10
It is possible to reduce the size and power consumption of the optical semiconductor module using the.
【図1】 本発明のパッケージに用いられる構成部品を
示す分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view showing components used in a package of the present invention.
【図2】 本発明のカバーを示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a cover of the present invention.
【図3】 図1及び図2に示される構成部品を組み立て
て形成された組立本体にカバーを取り付ける前のパッケ
ージを示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a package before a cover is attached to an assembly main body formed by assembling the components shown in FIGS. 1 and 2.
【図4】 パッケージA,Bの排熱効果を検証するた
め、図4に示すような測定系を組み付けて排熱試験を[Fig. 4] In order to verify the heat exhaustion effect of the packages A and B, an exhaust heat test is performed by assembling a measurement system as shown in Fig. 4.
【図5】 ヒータ熱量(W)と電子冷却素子(TEC)
への投入電流(A)の関係を示す図である。FIG. 5 Heater heat (W) and thermoelectric cooler (TEC)
It is a figure which shows the relationship of the making electric current (A) to.
【図6】 ヒータ熱量(W)と電子冷却素子(TEC)
への投入電流(A)の関係を示す図である。FIG. 6 Heater heat (W) and thermoelectric cooler (TEC)
It is a figure which shows the relationship of the making electric current (A) to.
【図7】 従来例のパッケージに用いられる構成部品を
示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing components used in a conventional package.
【図8】 図7の構成部品を組み立てて形成されたパッ
ケージを示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a package formed by assembling the components shown in FIG.
10…パッケージ、10a,10b…組立本体、11…
フレーム、11a…切欠部、12…窓ホルダ、13…ヒ
ートシンク、14…カバー、14a…本体部、14b…
リング部材、14c…枠部材、15…セラミックフィー
ドスルー、16…リード、17…シールリング、20…
ペルチェ素子、21…上基板、22…熱電対、23…ヒ
ーター、24…配線、25…配線、26…配線10 ... Package, 10a, 10b ... Assembly body, 11 ...
Frame, 11a ... Notch, 12 ... Window holder, 13 ... Heat sink, 14 ... Cover, 14a ... Main body, 14b ...
Ring member, 14c ... Frame member, 15 ... Ceramic feed through, 16 ... Lead, 17 ... Seal ring, 20 ...
Peltier element, 21 ... Upper substrate, 22 ... Thermocouple, 23 ... Heater, 24 ... Wiring, 25 ... Wiring, 26 ... Wiring
Claims (6)
と、該フレームの底板になるヒートシンクと、前記フレ
ームを気密に覆うカバーとからなる光半導体モジュール
用パッケージであって、 前記フレームおよびカバーは低熱伝導性で低熱膨張率の
材料で形成され、前記ヒートシンクは高熱伝導性で低熱
膨張率の材料で形成されていることを特徴とする光半導
体モジュール用パッケージ。1. A package for an optical semiconductor module, comprising a frame accommodating an optical semiconductor module, a heat sink serving as a bottom plate of the frame, and a cover hermetically covering the frame, wherein the frame and the cover have low thermal conductivity. And a heat sink made of a material having a low coefficient of thermal expansion, and the heat sink is made of a material having a high coefficient of thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion.
熱伝導率が10W/m・K以下で、熱膨張率が2ppm
/K以上で10ppm/K以下であ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用パッケージ。2. The material having a low thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient,
Thermal conductivity of 10 W / mK or less, thermal expansion coefficient of 2 ppm
/ K or more and 10 ppm / K or less, The package for optical-semiconductor modules of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
酸化ジルコニウム、ムライト、ステアライト、コージエ
ライト、フォステライトから選ばれた1つ以上を主成分
とするセラミックであることを特徴とする請求項1また
は請求項2に記載の光半導体モジュール用パッケージ。3. The material having a low thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion is
The package for an optical semiconductor module according to claim 1 or 2, which is a ceramic containing at least one selected from zirconium oxide, mullite, stearite, cordierite, and fosterite as a main component.
バルト合金または鉄−ニッケル合金を配設するようにし
たことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに
記載の光半導体モジュール用パッケージ。4. The optical semiconductor module according to claim 1, wherein an iron-nickel-cobalt alloy or an iron-nickel alloy is arranged on the upper portion of the frame. package.
ッケル−コバルト合金または鉄−ニッケル合金を配設す
るようにしたことを特徴とする請求項1から請求項4の
いずれかに記載の光半導体モジュール用パッケージ。5. The optical semiconductor according to claim 1, wherein an iron-nickel-cobalt alloy or an iron-nickel alloy is arranged on at least a peripheral portion of the cover. Module package.
材を固定する窓ホルダを備えるとともに、該窓ホルダは
前記フレームと一体的に形成されていることを特徴とす
る請求項1から請求項5のいずれかに記載の光半導体モ
ジュール用パッケージ。6. A window holder for fixing a window member that transmits light to one side wall of the frame is provided, and the window holder is formed integrally with the frame. Item 5. An optical semiconductor module package according to any one of items 5.
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