JP2003110154A - ペルチェモジュール付き電子装置、光モジュール及びそれらの製造方法 - Google Patents
ペルチェモジュール付き電子装置、光モジュール及びそれらの製造方法Info
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- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
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- H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
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- H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73253—Bump and layer connectors
Abstract
(57)【要約】
【課題】ペルチェモジュールを鉛フリー搭載した電子装
置（特に、光伝送モジュール）の耐熱性を向上させるこ
と。 【解決手段】ペルチェモジュールがはんだで搭載された
電子装置の製造方法であって、ペルチェモジュールとし
てセラミック基板上のランドとペルチェ素子との間にAu
-11〜37mass%Snの組成範囲のはんだで接合された部分を
有するペルチェモジュールを用い、搭載にはSnにAg又は
Znを加えた鉛フリーはんだを用いる。
置（特に、光伝送モジュール）の耐熱性を向上させるこ
と。 【解決手段】ペルチェモジュールがはんだで搭載された
電子装置の製造方法であって、ペルチェモジュールとし
てセラミック基板上のランドとペルチェ素子との間にAu
-11〜37mass%Snの組成範囲のはんだで接合された部分を
有するペルチェモジュールを用い、搭載にはSnにAg又は
Znを加えた鉛フリーはんだを用いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は鉛フリーはんだを用
いてペルチェモジュールが搭載された電子装置に関す
る。
いてペルチェモジュールが搭載された電子装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来のペルチェモジュールの電子装置へ
の搭載の多くは、Sn-37Pb（融点183℃）の組成を有する
はんだを、220℃〜230℃程度で加熱することによりなさ
れている。
の搭載の多くは、Sn-37Pb（融点183℃）の組成を有する
はんだを、220℃〜230℃程度で加熱することによりなさ
れている。
【０００３】また、特開平8-250796号公報には、ペルチ
ェモジュール内の半導体素子とセラミック基板との接続
にSn-Sb高温はんだを使用するものが記載されている。
ェモジュール内の半導体素子とセラミック基板との接続
にSn-Sb高温はんだを使用するものが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術を組み合
わせ、上述のSn-Sb高温はんだを用いて搭載した基板をS
n-37Pbはんだで電子装置へ搭載する場合、Sn-Sbはんだ
のSb添加量が5〜10wt%程度で融点が235℃〜240℃である
ため、220℃〜230℃に加熱されても溶融せずに、接触不
良が生じない電子装置を製造することができる。
わせ、上述のSn-Sb高温はんだを用いて搭載した基板をS
n-37Pbはんだで電子装置へ搭載する場合、Sn-Sbはんだ
のSb添加量が5〜10wt%程度で融点が235℃〜240℃である
ため、220℃〜230℃に加熱されても溶融せずに、接触不
良が生じない電子装置を製造することができる。
【０００５】しかし、近年の鉛フリー化に適用するため
に、ペルチェモジュールを電子装置に搭載するはんだと
して、鉛フリーはんだを用いようとすると、ペルチェモ
ジュール内のSn-Sbはんだの融点を越えてしまい、接触
不良が生じてしまう。理論上はペルチェモジュール内の
はんだ融点よりも低い融点の鉛フリーはんだを用いれば
ペルチェモジュール内部の鉛フリーはんだの溶融を防止
することができるはずであるが、実際には、セラミック
ヒータなどを用いて加熱を行うため温度ばらつきが生じ
やすく、一定幅のマージンをとって加熱する必要がある
からである。なお、セラミックヒータを用いるのは、ペ
ルチェモジュールを光モジュールなどの電子装置内に搭
載する場合、部品の搬送・位置合わせ機構、加熱機構、
冷却機構などを兼ね備えた装置が必要で、ベルトコンベ
ア式のリフロー炉などを使用するのは難しいからであ
る。
に、ペルチェモジュールを電子装置に搭載するはんだと
して、鉛フリーはんだを用いようとすると、ペルチェモ
ジュール内のSn-Sbはんだの融点を越えてしまい、接触
不良が生じてしまう。理論上はペルチェモジュール内の
はんだ融点よりも低い融点の鉛フリーはんだを用いれば
ペルチェモジュール内部の鉛フリーはんだの溶融を防止
することができるはずであるが、実際には、セラミック
ヒータなどを用いて加熱を行うため温度ばらつきが生じ
やすく、一定幅のマージンをとって加熱する必要がある
からである。なお、セラミックヒータを用いるのは、ペ
ルチェモジュールを光モジュールなどの電子装置内に搭
載する場合、部品の搬送・位置合わせ機構、加熱機構、
冷却機構などを兼ね備えた装置が必要で、ベルトコンベ
ア式のリフロー炉などを使用するのは難しいからであ
る。
【０００６】また、一般に、濡れ性などの観点から、Sn
-Sb高温はんだ（融点235℃〜240℃）ではなく、Sn-3.5A
gはんだ（融点221℃）、Sn-9Znはんだ（融点198℃）、
あるいはこれらをベースとしてCu、In、Biなどを少量加
えたものが有望と考えられているが、装置全体の鉛フリ
ー化を行うことを考えると、ペルチェモジュール内部に
用いるはんだはもっと大きな融点を有する鉛フリーはん
だを使用する必要がある。
-Sb高温はんだ（融点235℃〜240℃）ではなく、Sn-3.5A
gはんだ（融点221℃）、Sn-9Znはんだ（融点198℃）、
あるいはこれらをベースとしてCu、In、Biなどを少量加
えたものが有望と考えられているが、装置全体の鉛フリ
ー化を行うことを考えると、ペルチェモジュール内部に
用いるはんだはもっと大きな融点を有する鉛フリーはん
だを使用する必要がある。
【０００７】そこで、本発明者はAu-20Sn共晶組成近傍
の鉛フリーはんだ（共晶温度278℃）をペルチェモジュ
ール内に用いることを検討した。
の鉛フリーはんだ（共晶温度278℃）をペルチェモジュ
ール内に用いることを検討した。
【０００８】しかし、この組成領域のAu-Snはんだは硬
いはんだであり、脆く強度が低い材料で構成されるペル
チェモジュールをAu-Snはんだで基板上の配線に接続す
ると、ペルチェモジュールとペルチェモジュールを搭載
するセラミック基板の熱膨張率の差に起因する残留応力
によりペルチェモジュールが割れ、冷却能力が著しく低
下する恐れがある。
いはんだであり、脆く強度が低い材料で構成されるペル
チェモジュールをAu-Snはんだで基板上の配線に接続す
ると、ペルチェモジュールとペルチェモジュールを搭載
するセラミック基板の熱膨張率の差に起因する残留応力
によりペルチェモジュールが割れ、冷却能力が著しく低
下する恐れがある。
【０００９】また、電子装置の一種である光モジュール
においては、ペルチェモジュールの上にステムを搭載
し、さらにその上にレーザーダイオードを搭載するもの
がある。レーザーダイオードは温度条件により波長と出
力が変動してしまうので、前述のようにペルチェクーラ
ーの冷却能力が著しく低下すると光モジュールが発する
光の波長や出力が変動することになる。
においては、ペルチェモジュールの上にステムを搭載
し、さらにその上にレーザーダイオードを搭載するもの
がある。レーザーダイオードは温度条件により波長と出
力が変動してしまうので、前述のようにペルチェクーラ
ーの冷却能力が著しく低下すると光モジュールが発する
光の波長や出力が変動することになる。
【００１０】本発明の目的の一つは、ペルチェモジュー
ルを鉛フリーはんだで搭載した電子装置の耐久性を向上
させることにある。
ルを鉛フリーはんだで搭載した電子装置の耐久性を向上
させることにある。
【００１１】また、他の目的としては、ペルチェモジュ
ールを搭載した光モジュールの波長変動や出力変動を防
止することにある。
ールを搭載した光モジュールの波長変動や出力変動を防
止することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の態様としては、
（１）ペルチェモジュールとして、セラミック基板上の
ランドとペルチェ素子との間にAu-11〜37mass%Snの組成
範囲のはんだで接合された部分を有するペルチェモジュ
ールを用い、電子装置へ搭載には、SnにAg又はZnを加え
た鉛フリーはんだを用いたものや（２）筐体上に搭載さ
れたペルチェモジュールと、前記ペルチェモジュール上
に搭載されたステムと、前記ステム上に搭載されている
レーザーダイオードとを有する光モジュールの場合に、
ペルチェモジュールとして、ペルチェ素子とセラミック
基板上のランドとの間がAu-11〜37mass%Snの組成範囲の
はんだで接合されたペルチェモジュールを用い、前記ス
テムとペルチェモジュールをSnにAg又はZnを加えた鉛フ
リーはんだを用いて搭載するものがある。
（１）ペルチェモジュールとして、セラミック基板上の
ランドとペルチェ素子との間にAu-11〜37mass%Snの組成
範囲のはんだで接合された部分を有するペルチェモジュ
ールを用い、電子装置へ搭載には、SnにAg又はZnを加え
た鉛フリーはんだを用いたものや（２）筐体上に搭載さ
れたペルチェモジュールと、前記ペルチェモジュール上
に搭載されたステムと、前記ステム上に搭載されている
レーザーダイオードとを有する光モジュールの場合に、
ペルチェモジュールとして、ペルチェ素子とセラミック
基板上のランドとの間がAu-11〜37mass%Snの組成範囲の
はんだで接合されたペルチェモジュールを用い、前記ス
テムとペルチェモジュールをSnにAg又はZnを加えた鉛フ
リーはんだを用いて搭載するものがある。
【００１３】上記態様によれば、ペルチェモジュールを
鉛フリーはんだで電子装置に搭載しても、ペルチェモジ
ュールの耐熱性が高いので、熱による電子装置の機能低
下を抑制することができるようになる。特に、光モジュ
ールに適用した態様によれば、波長変動や出力変動を抑
制することができるようになる。
鉛フリーはんだで電子装置に搭載しても、ペルチェモジ
ュールの耐熱性が高いので、熱による電子装置の機能低
下を抑制することができるようになる。特に、光モジュ
ールに適用した態様によれば、波長変動や出力変動を抑
制することができるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の第一の実施例について図
４を用いて説明する。
４を用いて説明する。
【００１５】図４は、ペルチェモジュール１５を光通信
用の光モジュールに搭載した場合の光モジュールの側面
図である。
用の光モジュールに搭載した場合の光モジュールの側面
図である。
【００１６】電子装置の一種である光モジュールの筐体
１９と、その筐体１９の上にSn-3.5Agはんだ２０で搭載
されたペルチェモジュール１５と、そのペルチェモジュ
ール１５上にSn-3.5Agはんだ１７で搭載されているステ
ム１６と、そのステム１６上にSn-3.5Agはんだ１８で搭
載されているキャリア１３、１４と、Au-11〜37mass％S
nはんだ１２でキャリア１３上に搭載されているレーザ
ーダイオード（ＬＤ）１０と、Au-11〜37mass％Snはん
だ１２でキャリア１４上に搭載されている光の波長を測
定するモニター用フォトダイオード（ｍＰＤ）１１を有
する構造である。
１９と、その筐体１９の上にSn-3.5Agはんだ２０で搭載
されたペルチェモジュール１５と、そのペルチェモジュ
ール１５上にSn-3.5Agはんだ１７で搭載されているステ
ム１６と、そのステム１６上にSn-3.5Agはんだ１８で搭
載されているキャリア１３、１４と、Au-11〜37mass％S
nはんだ１２でキャリア１３上に搭載されているレーザ
ーダイオード（ＬＤ）１０と、Au-11〜37mass％Snはん
だ１２でキャリア１４上に搭載されている光の波長を測
定するモニター用フォトダイオード（ｍＰＤ）１１を有
する構造である。
【００１７】この構造において、ペルチェモジュール１
５が正常に駆動することができれば、光モジュール内の
レーザーダイオード（以下LD）の発熱に起因する発信光
の波長変動を防止できるようになる。
５が正常に駆動することができれば、光モジュール内の
レーザーダイオード（以下LD）の発熱に起因する発信光
の波長変動を防止できるようになる。
【００１８】次に、この光モジュールを正常に駆動させ
るために、搭載するペルチェモジュールに次のように製
造されたものを用いる。断面構造を図１に示す。
るために、搭載するペルチェモジュールに次のように製
造されたものを用いる。断面構造を図１に示す。
【００１９】ペルチェ効果を発生するBiTe化合物半導体
１の両面に、Ti、Cr、Pt、Pd、Ni、Cuのうち少なくとも
一つの元素を主成分とする単層あるいは二層以上のメタ
ライズ膜２を0.3mm以上の厚さで形成する。
１の両面に、Ti、Cr、Pt、Pd、Ni、Cuのうち少なくとも
一つの元素を主成分とする単層あるいは二層以上のメタ
ライズ膜２を0.3mm以上の厚さで形成する。
【００２０】次に、そのメタライズ膜２の表面にAuメタ
ライズ膜３を形成することによりペルチェ素子を形成す
る。
ライズ膜３を形成することによりペルチェ素子を形成す
る。
【００２１】次に、金属（好ましくは、Ni、Cu、W及びA
lのいずれか）で構成された配線６とその配線上に接続
されたランド５を備えたセラミック製のセラミック基板
７のランド５上にAu-11〜37mass%Snはんだ４を形成す
る。
lのいずれか）で構成された配線６とその配線上に接続
されたランド５を備えたセラミック製のセラミック基板
７のランド５上にAu-11〜37mass%Snはんだ４を形成す
る。
【００２２】Auメタライズ膜３とランド５とが対向する
ようにセラミック基板７とペルチェ素子を配置し、Au-1
1〜37mass%Snはんだ４を278℃〜310℃で加熱し溶融させ
ることによりAuメタライズ膜３とランド５とを接合す
る。これでペルチェモジュールが完成する。
ようにセラミック基板７とペルチェ素子を配置し、Au-1
1〜37mass%Snはんだ４を278℃〜310℃で加熱し溶融させ
ることによりAuメタライズ膜３とランド５とを接合す
る。これでペルチェモジュールが完成する。
【００２３】次に、光モジュールの製造工程に関して説
明する。
明する。
【００２４】LD１０あるいはmPD１１（モニタ用ホトダ
イオード）を、それぞれのキャリア１３、１４上にAu-S
nはんだ１２を用いて搭載する。（第一の搭載工程）こ
の時の加熱温度を278℃〜310℃とする。
イオード）を、それぞれのキャリア１３、１４上にAu-S
nはんだ１２を用いて搭載する。（第一の搭載工程）こ
の時の加熱温度を278℃〜310℃とする。
【００２５】次に前述したペルチェモジュール１５上に
ステム１６をSn-3.5Agはんだ１７（融点221℃）により
搭載する（第二の搭載工程）。この時の加熱温度を250
℃〜260℃とする。
ステム１６をSn-3.5Agはんだ１７（融点221℃）により
搭載する（第二の搭載工程）。この時の加熱温度を250
℃〜260℃とする。
【００２６】次に、LD１０およびmPD１１が搭載された
キャリア１３、１４を、ペルチェモジュール１５に搭載
されたステム１６上にSn-3.5Agはんだ１８を用いて搭載
する（第三の搭載工程）。なお、この時の加熱は、光ビ
ームなどの局所加熱を用いて、LDキャリア１３あるいは
mPDキャリア１４の周辺のみを250℃〜260℃で加熱する
ようにする。この際、キャリア１３とステム１６との間
のSn-3.5Agはんだ１８及びペルチェモジュール１５とス
テム１６の間のSn-3.5Agはんだ１７が溶融することがあ
るが、それ以外の部分のはんだが溶融しない程度の加熱
を行うようにすることで、ステムの位置ずれを抑制しな
がら搭載できる。
キャリア１３、１４を、ペルチェモジュール１５に搭載
されたステム１６上にSn-3.5Agはんだ１８を用いて搭載
する（第三の搭載工程）。なお、この時の加熱は、光ビ
ームなどの局所加熱を用いて、LDキャリア１３あるいは
mPDキャリア１４の周辺のみを250℃〜260℃で加熱する
ようにする。この際、キャリア１３とステム１６との間
のSn-3.5Agはんだ１８及びペルチェモジュール１５とス
テム１６の間のSn-3.5Agはんだ１７が溶融することがあ
るが、それ以外の部分のはんだが溶融しない程度の加熱
を行うようにすることで、ステムの位置ずれを抑制しな
がら搭載できる。
【００２７】最後にペルチェモジュール上に搭載された
これらの構造体を光モジュールパッケージの筐体（底
面）１９に搭載する。この時もSn-3.5Agはんだ２０を用
い、加熱はヒータなどで250℃〜260℃になるよう光モジ
ュールの筐体（底面）外側から行う。
これらの構造体を光モジュールパッケージの筐体（底
面）１９に搭載する。この時もSn-3.5Agはんだ２０を用
い、加熱はヒータなどで250℃〜260℃になるよう光モジ
ュールの筐体（底面）外側から行う。
【００２８】ペルチェモジュールのメタライズ膜２とし
て０．３μｍ以上の厚さで形成したものを用いているの
は、金属の拡散を妨げるバリアとしての機能が高く、ペ
ルチェモジュールの接続信頼性を高めることができるの
で、光モジュールの耐熱性を向上させることができるか
らである。
て０．３μｍ以上の厚さで形成したものを用いているの
は、金属の拡散を妨げるバリアとしての機能が高く、ペ
ルチェモジュールの接続信頼性を高めることができるの
で、光モジュールの耐熱性を向上させることができるか
らである。
【００２９】また、ペルチェモジュールのメタライズ膜
２としてTi、Crを用いた場合は、バリア層による接続信
頼性の他に、密着性の高さによる接続信頼性も得ること
ができるので、ペルチェモジュールの接続信頼性をさら
に高めることができ、光モジュールの耐熱性を向上させ
ることができる。
２としてTi、Crを用いた場合は、バリア層による接続信
頼性の他に、密着性の高さによる接続信頼性も得ること
ができるので、ペルチェモジュールの接続信頼性をさら
に高めることができ、光モジュールの耐熱性を向上させ
ることができる。
【００３０】また、メタライズ膜２として、Ptあるいは
Pdを用いた場合、これらの金属はAuとほとんど反応せ
ず、さらにSnとの反応も比較的遅いことから、Au-Snは
んだに対するバリア効果が高く、ペルチェモジュールの
接続信頼性を著しく高めることができるとともに、光モ
ジュールの耐熱性を向上させることができる。
Pdを用いた場合、これらの金属はAuとほとんど反応せ
ず、さらにSnとの反応も比較的遅いことから、Au-Snは
んだに対するバリア効果が高く、ペルチェモジュールの
接続信頼性を著しく高めることができるとともに、光モ
ジュールの耐熱性を向上させることができる。
【００３１】また、BiTe化合物半導体１の表面にTiある
いはCrのメタライズ膜を形成し、その上にPtあるいはPd
層を形成する2層メタライズ膜構造のペルチェモジュー
ルを用いた場合は、SnあるいはAuの拡散を防ぐのに特に
優れたバリア性を有しているので、ペルチェモジュール
の接続信頼性を高めることができるとともに、光モジュ
ールの耐熱性を向上させることができる。
いはCrのメタライズ膜を形成し、その上にPtあるいはPd
層を形成する2層メタライズ膜構造のペルチェモジュー
ルを用いた場合は、SnあるいはAuの拡散を防ぐのに特に
優れたバリア性を有しているので、ペルチェモジュール
の接続信頼性を高めることができるとともに、光モジュ
ールの耐熱性を向上させることができる。
【００３２】なお、TiとPtの複合メタライズ膜とする場
合には、（例えばTiを0.1mm、Ptを0.2mmの厚さとする）
良好なバリア性を発揮させることができるので、ペルチ
ェモジュールの接続信頼性を高めることができるととも
に、光モジュールの耐熱性を向上させることができる。
合には、（例えばTiを0.1mm、Ptを0.2mmの厚さとする）
良好なバリア性を発揮させることができるので、ペルチ
ェモジュールの接続信頼性を高めることができるととも
に、光モジュールの耐熱性を向上させることができる。
【００３３】また、Ni、Cuを用いてメタライズ膜を形成
したペルチェモジュールの場合、化合物半導体表面に2
〜3mm程度の厚みでメッキしたメタライズ膜を形成した
ものを用いる。この程度の厚みが必要なのは、メッキ厚
にばらつきがあった場合でも全面を確実にメッキできる
ので、ペルチェモジュールの接続信頼性を高めることが
できるとともに、光モジュールの耐熱性を向上させるこ
とができるからである。なお、Niを用いた場合は、Snあ
るいはAuとの反応が非常に遅いので、より拡散バリアと
しての効果を高めることができ、Cuを用いた場合は、Sn
との反応が比較的起こりやすいので厚くする必要がある
が、良好な電気伝導性、熱伝導性を得ることができるの
で、ペルチェモジュールの接続信頼性を高めることがで
きるとともに、光モジュールの耐熱性を向上させること
ができる。
したペルチェモジュールの場合、化合物半導体表面に2
〜3mm程度の厚みでメッキしたメタライズ膜を形成した
ものを用いる。この程度の厚みが必要なのは、メッキ厚
にばらつきがあった場合でも全面を確実にメッキできる
ので、ペルチェモジュールの接続信頼性を高めることが
できるとともに、光モジュールの耐熱性を向上させるこ
とができるからである。なお、Niを用いた場合は、Snあ
るいはAuとの反応が非常に遅いので、より拡散バリアと
しての効果を高めることができ、Cuを用いた場合は、Sn
との反応が比較的起こりやすいので厚くする必要がある
が、良好な電気伝導性、熱伝導性を得ることができるの
で、ペルチェモジュールの接続信頼性を高めることがで
きるとともに、光モジュールの耐熱性を向上させること
ができる。
【００３４】また、Auメタライス３は、その材料の軟質
から塑性変形により残留応力を緩和する効果を得ること
ができるので、ペルチェモジュールの耐熱性を高めるこ
とができるとともに、光モジュールの耐熱性・熱応力に
対する耐久性を向上させることができる。特に、3mm以
上形成されていると、残留応力の緩和効果もより得るこ
とができる。
から塑性変形により残留応力を緩和する効果を得ること
ができるので、ペルチェモジュールの耐熱性を高めるこ
とができるとともに、光モジュールの耐熱性・熱応力に
対する耐久性を向上させることができる。特に、3mm以
上形成されていると、残留応力の緩和効果もより得るこ
とができる。
【００３５】また、メタライズ膜２上にAuメタライズ膜
３を形成したペルチェモジュールを用いているので、メ
タライズ膜２の酸化が抑制され、Au-Snはんだ４の接続
の良好な濡れ性を確保できるので、ペルチェモジュール
の接続信頼性を高めることができるとともに、光モジュ
ールの耐熱性を向上させることができる。
３を形成したペルチェモジュールを用いているので、メ
タライズ膜２の酸化が抑制され、Au-Snはんだ４の接続
の良好な濡れ性を確保できるので、ペルチェモジュール
の接続信頼性を高めることができるとともに、光モジュ
ールの耐熱性を向上させることができる。
【００３６】また、ペルチェモジュール内のペルチェ素
子とランドとの接合を278℃から310℃で行ったのは、図
３に示すAu-Sn平衡状態図からわかるようにAu-11〜37ma
ss%Snの組成範囲のはんだがAu-Snの共晶温度278℃から3
10℃までの加熱で必ず液相が生成するからであるが、こ
の温度条件のはんだを用いれば、ペルチェモジュールの
耐熱性（ペルチェモジュール内のはんだの溶融限界）が
向上するので、ペルチェモジュールを他の装置に搭載す
る際に、２７３℃以下のはんだを利用することができる
ようになる、つまり、Sn-Ag系、あるいはSn-Zn系などの
鉛フリーはんだ（接続温度が200〜260℃の範囲）を用い
て、ペルチェモジュールを電子回路装置内に搭載して
も、ペルチェモジュール内のはんだ接続（Auメタライズ
膜３とランド間におけるはんだ接続）が保たれる（溶融
が抑制できる）ので、ペルチェモジュールの機能が維持
され、光モジュールの波長変動・出力変動を防止するこ
とができる。
子とランドとの接合を278℃から310℃で行ったのは、図
３に示すAu-Sn平衡状態図からわかるようにAu-11〜37ma
ss%Snの組成範囲のはんだがAu-Snの共晶温度278℃から3
10℃までの加熱で必ず液相が生成するからであるが、こ
の温度条件のはんだを用いれば、ペルチェモジュールの
耐熱性（ペルチェモジュール内のはんだの溶融限界）が
向上するので、ペルチェモジュールを他の装置に搭載す
る際に、２７３℃以下のはんだを利用することができる
ようになる、つまり、Sn-Ag系、あるいはSn-Zn系などの
鉛フリーはんだ（接続温度が200〜260℃の範囲）を用い
て、ペルチェモジュールを電子回路装置内に搭載して
も、ペルチェモジュール内のはんだ接続（Auメタライズ
膜３とランド間におけるはんだ接続）が保たれる（溶融
が抑制できる）ので、ペルチェモジュールの機能が維持
され、光モジュールの波長変動・出力変動を防止するこ
とができる。
【００３７】なお、一般的に、はんだの融点が低くなる
ほど、はんだのクリープ変形が起こりやすくなる。従っ
て、本実施例で用いたAu-Sn系、Sn-Ag系のはんだは、融
点が低いSn-Pb共晶はんだ、In基はんだなどに比べると
クリープ変形しにくく、光素子や部品の位置ずれが少な
いので波長変動や光強度の低下が生じにくいモジュール
を作製することができるようになる。
ほど、はんだのクリープ変形が起こりやすくなる。従っ
て、本実施例で用いたAu-Sn系、Sn-Ag系のはんだは、融
点が低いSn-Pb共晶はんだ、In基はんだなどに比べると
クリープ変形しにくく、光素子や部品の位置ずれが少な
いので波長変動や光強度の低下が生じにくいモジュール
を作製することができるようになる。
【００３８】また、今回採用したペルチェモジュールの
構造は、間隔をあけて並んだ化合物半導体素子をセラミ
ック基板で挟んだ構造であるため、ステム側へ熱が伝わ
りにくく、ペルチェモジュールの下面と上面で温度差を
つくることが容易になっている。したがって、ペルチェ
モジュールと光モジュールパッケージの間のSn-3.5Agは
んだ２０のみを溶融させて接続を行うことが容易に行う
ことができるので、不要な溶融による冷却能力の低下を
抑制することができている。
構造は、間隔をあけて並んだ化合物半導体素子をセラミ
ック基板で挟んだ構造であるため、ステム側へ熱が伝わ
りにくく、ペルチェモジュールの下面と上面で温度差を
つくることが容易になっている。したがって、ペルチェ
モジュールと光モジュールパッケージの間のSn-3.5Agは
んだ２０のみを溶融させて接続を行うことが容易に行う
ことができるので、不要な溶融による冷却能力の低下を
抑制することができている。
【００３９】なお、図１では、ペルチェモジュールの断
面構造を模式的に表したものであり、実際のペルチェモ
ジュールは、立体的に構成されるものである。従って、
配線６は図１の紙面の垂直方向にも連続しており、BiTe
化合物１は配線６に接続されて直列に通電されるように
なっている。配線６の始端および終端には、外部電源か
ら給電するための端子が接続されている。
面構造を模式的に表したものであり、実際のペルチェモ
ジュールは、立体的に構成されるものである。従って、
配線６は図１の紙面の垂直方向にも連続しており、BiTe
化合物１は配線６に接続されて直列に通電されるように
なっている。配線６の始端および終端には、外部電源か
ら給電するための端子が接続されている。
【００４０】以上のようにして、ペルチェモジュールが
搭載された耐熱性に優れた鉛フリー光モジュール作製す
ることができた。
搭載された耐熱性に優れた鉛フリー光モジュール作製す
ることができた。
【００４１】本発明の第二の実施例について図２を用い
て説明する。
て説明する。
【００４２】第二の実施例はセラミック基板７と配線６
の間に耐熱性樹脂８が形成されている以外は第一の実施
例と同じ構成である。この耐熱性樹脂８は低弾性で350
℃程度の耐熱性があるポリイミド樹脂により構成され、
樹脂層8と配線6の間には、接着層としてTi、Crなどをメ
タライズする。
の間に耐熱性樹脂８が形成されている以外は第一の実施
例と同じ構成である。この耐熱性樹脂８は低弾性で350
℃程度の耐熱性があるポリイミド樹脂により構成され、
樹脂層8と配線6の間には、接着層としてTi、Crなどをメ
タライズする。
【００４３】本態様によれば、脆いBiTe化合物半導体１
と他の部品との接続を行うとBiTe化合物１に応力がかか
るが、樹脂層８の弾性変形により応力を緩和することが
でき、ペルチェモジュールの応力に対する耐久性を高め
ることができるとともに、光モジュールの耐熱性を向上
させることができる。
と他の部品との接続を行うとBiTe化合物１に応力がかか
るが、樹脂層８の弾性変形により応力を緩和することが
でき、ペルチェモジュールの応力に対する耐久性を高め
ることができるとともに、光モジュールの耐熱性を向上
させることができる。
【００４４】なお、図２でも、図１と同様にペルチェモ
ジュールの断面構造を模式的に表したものであり、実際
のペルチェモジュールは、立体的に構成されるものであ
る。従って、配線６は図２の紙面の垂直方向にも連続し
ており、BiTe化合物半導体１が直列で配線に接続され、
配線６の始端および終端には、外部電源から給電するた
めの端子が接続されている。
ジュールの断面構造を模式的に表したものであり、実際
のペルチェモジュールは、立体的に構成されるものであ
る。従って、配線６は図２の紙面の垂直方向にも連続し
ており、BiTe化合物半導体１が直列で配線に接続され、
配線６の始端および終端には、外部電源から給電するた
めの端子が接続されている。
【００４５】本発明の第三の実施例について図５および
図６を用いて説明する。本実施例は、大型計算機などで
使用される発熱量の大きいBGAチップを、空冷あるいは
水冷方式ではなく、ペルチェモジュールにより冷却する
ものである。
図６を用いて説明する。本実施例は、大型計算機などで
使用される発熱量の大きいBGAチップを、空冷あるいは
水冷方式ではなく、ペルチェモジュールにより冷却する
ものである。
【００４６】ＢＧＡチップは基板上にBGA（Ball Grid A
rray）接続で搭載されるので、このはんだ接続部には高
い熱疲労寿命が要求される。熱疲労寿命とは、稼働時の
温度上昇と停止時の温度低下などの繰り返し、すなわち
温度サイクルにより、部材の熱膨張、収縮によるストレ
スがはんだ接続部に蓄積され、破断に至るまでの寿命の
ことである。このようなストレスをはんだの塑性変形に
より緩和することで高い熱疲労寿命が得られる。
rray）接続で搭載されるので、このはんだ接続部には高
い熱疲労寿命が要求される。熱疲労寿命とは、稼働時の
温度上昇と停止時の温度低下などの繰り返し、すなわち
温度サイクルにより、部材の熱膨張、収縮によるストレ
スがはんだ接続部に蓄積され、破断に至るまでの寿命の
ことである。このようなストレスをはんだの塑性変形に
より緩和することで高い熱疲労寿命が得られる。
【００４７】したがって、硬いはんだでは塑性変形によ
るストレスの緩和が行われないため、必要な信頼性が全
く得られず、Sn-3.5Agはんだ、あるいはSn-3Ag-0.5Cuは
んだなどのはんだ材が好適である。
るストレスの緩和が行われないため、必要な信頼性が全
く得られず、Sn-3.5Agはんだ、あるいはSn-3Ag-0.5Cuは
んだなどのはんだ材が好適である。
【００４８】実施例の構造を説明する。ＢＧＡチップ２
１の上面に冷却のためのペルチェモジュール１５が搭載
される。この場合には、はんだの温度階層には二通りの
方法が考えられる。
１の上面に冷却のためのペルチェモジュール１５が搭載
される。この場合には、はんだの温度階層には二通りの
方法が考えられる。
【００４９】まず、第一の方法としては、図５のように
Sn-Ag系はんだ２３（融点221℃近傍）よりも融点が低い
Sn-Zn系はんだ２４（融点198℃近傍）用いて、既にＢＧ
Ａチップ２１が基板２２に搭載されている状態で、ＢＧ
Ａチップ２１の上面にペルチェモジュール１５を搭載す
る方法である。
Sn-Ag系はんだ２３（融点221℃近傍）よりも融点が低い
Sn-Zn系はんだ２４（融点198℃近傍）用いて、既にＢＧ
Ａチップ２１が基板２２に搭載されている状態で、ＢＧ
Ａチップ２１の上面にペルチェモジュール１５を搭載す
る方法である。
【００５０】第二の方法は、図６に示すようにSn-Ag系
はんだ２３よりも融点が高いSn-Sbはんだ２５（融点235
℃近傍）を用いて、ＢＧＡチップ２１上面に先にペルチ
ェモジュール１５を搭載しておき、その後、Sn-Ag系は
んだ２３を用いて、ＢＧＡチップ２１を基板２２上に搭
載する方法である。
はんだ２３よりも融点が高いSn-Sbはんだ２５（融点235
℃近傍）を用いて、ＢＧＡチップ２１上面に先にペルチ
ェモジュール１５を搭載しておき、その後、Sn-Ag系は
んだ２３を用いて、ＢＧＡチップ２１を基板２２上に搭
載する方法である。
【００５１】第一の方法ではSn-Zn系はんだのみ、第二
の方法ではSn-Ag系はんだのみを溶融させるには、加熱
時の温度分布を少なくし、全体を均一に加熱することが
重要となる。
の方法ではSn-Ag系はんだのみを溶融させるには、加熱
時の温度分布を少なくし、全体を均一に加熱することが
重要となる。
【００５２】したがってこのような場合には、全体を均
一に加熱することができる強制対流型のリフロー炉など
を使用することが好ましい。
一に加熱することができる強制対流型のリフロー炉など
を使用することが好ましい。
【００５３】一方、図７あるいは図８のように、基板２
２の裏面にペルチェモジュール１５を搭載する場合で
も、ＢＧＡチップ２１を先に基板にSn-Ag系はんだ２３
を用いて搭載し、その後Sn-Zn系はんだ２４を用いてペ
ルチェモジュール１５を搭載する構造（図７）と、先に
Sn-Sbはんだ２５を用いて基板２２の裏面にペルチェモ
ジュール１５を搭載しておき、その後、Sn-Ag系はんだ
２３を用いてＢＧＡチップ２１を基板２３に搭載する構
造が考えられる。
２の裏面にペルチェモジュール１５を搭載する場合で
も、ＢＧＡチップ２１を先に基板にSn-Ag系はんだ２３
を用いて搭載し、その後Sn-Zn系はんだ２４を用いてペ
ルチェモジュール１５を搭載する構造（図７）と、先に
Sn-Sbはんだ２５を用いて基板２２の裏面にペルチェモ
ジュール１５を搭載しておき、その後、Sn-Ag系はんだ
２３を用いてＢＧＡチップ２１を基板２３に搭載する構
造が考えられる。
【００５４】
【発明の効果】本発明によれば、ペルチェモジュールを
鉛フリー搭載した電子装置（特に、光伝送モジュール）
の耐久性を向上させることができる。
鉛フリー搭載した電子装置（特に、光伝送モジュール）
の耐久性を向上させることができる。
【図１】本発明に係るペルチェモジュールの断面図であ
る。
る。
【図２】本発明に係るペルチェモジュールの断面図であ
る。
る。
【図３】Au-Sn平衡状態図を示す図である。
【図４】ペルチェモジュールを光通信用の光モジュール
に搭載した態様の側面図である。
に搭載した態様の側面図である。
【図５】ＢＧＡチップ上にペルチェモジュールを搭載し
た態様の側面図である。
た態様の側面図である。
【図６】ＢＧＡチップ上にペルチェモジュールを搭載し
た態様の側面図である。
た態様の側面図である。
【図７】ＢＧＡチップを搭載した基板の裏面にペルチェ
モジュールを搭載した態様の側面図である。
モジュールを搭載した態様の側面図である。
【図８】ＢＧＡチップを搭載した基板の裏面にペルチェ
モジュールを搭載した態様の側面図である。
モジュールを搭載した態様の側面図である。
【図９】従来のペルチェモジュールの構造を示す図であ
る。
る。
１…ペルチェ素子、２…メタライズ膜、３…Auメタライ
ズ膜、４…Au-11〜37mass%Sn、５…ランド、６…配線、
７…基板、８…耐熱性有機物（層）、９…Sn-Sbはん
だ、10…レーザダイオード(LD)、11…モニタホトダイオ
ード(mPD)、12…Au-Snはんだ、13…LDキャリア、14…mP
Dキャリア、15…ペルチェモジュール、16…ステム、17
…Sn-3.5Agはんだ、18…Sn-3.5Agはんだ、19…光モジュ
ールの筐体（底面）、20…Sn-3.5Agはんだ、21…ＢＧＡ
チップ、22…基板、23…Sn-Ag系はんだ、24…Sn-Zn系は
んだ、25…Sn-Sbはんだ
ズ膜、４…Au-11〜37mass%Sn、５…ランド、６…配線、
７…基板、８…耐熱性有機物（層）、９…Sn-Sbはん
だ、10…レーザダイオード(LD)、11…モニタホトダイオ
ード(mPD)、12…Au-Snはんだ、13…LDキャリア、14…mP
Dキャリア、15…ペルチェモジュール、16…ステム、17
…Sn-3.5Agはんだ、18…Sn-3.5Agはんだ、19…光モジュ
ールの筐体（底面）、20…Sn-3.5Agはんだ、21…ＢＧＡ
チップ、22…基板、23…Sn-Ag系はんだ、24…Sn-Zn系は
んだ、25…Sn-Sbはんだ
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 35/16 Ｈ０１Ｌ 35/16
35/34 35/34
Ｈ０１Ｓ 5/024 Ｈ０１Ｓ 5/024
Claims (8)
- 【請求項１】ペルチェモジュールがはんだで搭載された
電子装置の製造方法であって、 前記ペルチェモジュールとして、セラミック基板上のラ
ンドとペルチェ素子との間にAu-11〜37mass%Snの組成範
囲のはんだで接合された部分を有するペルチェモジュー
ルを用い、 前記搭載には、SnにAg又はZnを加えた鉛フリーはんだで
用いることを特徴とする電子装置の製造方法。 - 【請求項２】請求項１において、 前記ペルチェモジュールとして、ペルチェ素子の電極と
してTi、Cr、Pt、Pd、Ni、Cuのうち少なくとも一つの元
素を主成分とする単層あるいは二層以上のメタライズ
膜、Auメタライズ膜がこの順に形成され、Auメタライズ
膜とセラミック基板上のランドとの間にAu-11〜37mass%
Snの組成範囲のはんだが配置され、前記はんだが溶融す
る温度に加熱されることにより形成されたペルチェモジ
ュールを用いることを特徴とする電子装置の製造方法。 - 【請求項３】ペルチェモジュールが、SnにAg又はZnを加
えた鉛フリーはんだで搭載された電子装置であって、 前記ペルチェモジュールとして、セラミック基板上のラ
ンドとペルチェ素子との間がAu-11〜37mass%Snの組成範
囲のはんだで接合されたペルチェモジュールを用いるこ
とを特徴とする電子装置。 - 【請求項４】請求項３において、 前記ペルチェモジュールとして、ペルチェ素子の電極と
してTi、Cr、Pt、Pd、Ni、Cuのうち少なくとも一つの元
素を主成分とする単層あるいは二層以上のメタライズ
膜、Auメタライズ膜がこの順に形成され、Auメタライズ
膜とセラミック基板上のランドとの間にAu-11〜37mass%
Snの組成範囲のはんだが配置され、前記はんだが溶融す
る温度に加熱されることにより形成されたペルチェモジ
ュールを用いることを特徴とする電子装置。 - 【請求項５】筐体上に搭載されたペルチェモジュール
と、前記ペルチェモジュール上に搭載されたステムと、
前記ステム上に搭載されているレーザーダイオードとを
有する光モジュールの製造方法であって、 前記ペルチェモジュールとして、ペルチェ素子とセラミ
ック基板上のランドとの間がAu-11〜37mass%Snの組成範
囲のはんだで接合されたペルチェモジュールを用い、 前記ステムとペルチェモジュールは、SnにAg又はZnを加
えた鉛フリーはんだを用いて搭載することを特徴とする
光モジュールの製造方法。 - 【請求項６】請求項５において、 前記ペルチェモジュールとして、ペルチェ素子の電極と
してTi、Cr、Pt、Pd、Ni、Cuのうち少なくとも一つの元
素を主成分とする単層あるいは二層以上のメタライズ
膜、Auメタライズ膜がこの順に形成され、Auメタライズ
膜とセラミック基板上のランドとの間にAu-11〜37mass%
Snの組成範囲のはんだが配置され、前記はんだが溶融す
る温度に加熱されることにより形成されたペルチェモジ
ュールを用いることを特徴とする光モジュールの製造方
法。 - 【請求項７】レーザーダイオードが搭載されたステム
と、該ステムがペルチェモジュール上にはんだで搭載さ
れている光モジュールであって、 前記はんだはSnにAg又はZnを加えた鉛フリーはんだであ
り、 前記ペルチェモジュールは、ペルチェ素子とセラミック
基板上のランドとの間がAu-11〜37mass%Snの組成範囲の
はんだで接合されたペルチェモジュールであることを特
徴とする光モジュール。 - 【請求項８】請求項７において、 前記ペルチェモジュールとして、ペルチェ素子の電極と
してTi、Cr、Pt、Pd、Ni、Cuのうち少なくとも一つの元
素を主成分とする単層あるいは二層以上のメタライズ
膜、Auメタライズ膜がこの順に形成され、Auメタライズ
膜とセラミック基板上のランドとの間にAu-11〜37mass%
Snの組成範囲のはんだが配置され、前記はんだが溶融す
る温度に加熱されることにより形成されたペルチェモジ
ュールを用いることを特徴とする光モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001298913A JP2003110154A (ja) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | ペルチェモジュール付き電子装置、光モジュール及びそれらの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001298913A JP2003110154A (ja) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | ペルチェモジュール付き電子装置、光モジュール及びそれらの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003110154A true JP2003110154A (ja) | 2003-04-11 |
Family
ID=19119743
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001298913A Pending JP2003110154A (ja) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | ペルチェモジュール付き電子装置、光モジュール及びそれらの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003110154A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007035907A (ja) * | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Kyocera Corp | 熱電モジュール |
| JP2008277584A (ja) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Yamaha Corp | 熱電用基板部材、熱電モジュール及びそれらの製造方法 |
| WO2009150908A1 (ja) * | 2008-06-13 | 2009-12-17 | アルゼ株式会社 | 熱電変換素子及び熱電変換素子用導電性部材 |
| KR101017338B1 (ko) * | 2006-03-10 | 2011-02-28 | 가부시끼가이샤 도시바 | 반도체 패키지의 실장 장치 |
| WO2014042214A1 (ja) * | 2012-09-12 | 2014-03-20 | 株式会社Kelk | レーザダイオード用ペルチェモジュール |
| KR101423132B1 (ko) * | 2010-06-10 | 2014-07-25 | 에스티에스반도체통신 주식회사 | 반도체 패키지 |
| JP2016174114A (ja) * | 2015-03-18 | 2016-09-29 | 三菱マテリアル株式会社 | 熱電変換モジュール |
| JP2016174117A (ja) * | 2015-03-18 | 2016-09-29 | ヤマハ株式会社 | 熱電変換モジュール及びその製造方法 |
-
2001
- 2001-09-28 JP JP2001298913A patent/JP2003110154A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007035907A (ja) * | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Kyocera Corp | 熱電モジュール |
| KR101017338B1 (ko) * | 2006-03-10 | 2011-02-28 | 가부시끼가이샤 도시바 | 반도체 패키지의 실장 장치 |
| US8344462B2 (en) | 2006-03-10 | 2013-01-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Mounting device for a semiconductor package |
| JP2008277584A (ja) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Yamaha Corp | 熱電用基板部材、熱電モジュール及びそれらの製造方法 |
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| KR101423132B1 (ko) * | 2010-06-10 | 2014-07-25 | 에스티에스반도체통신 주식회사 | 반도체 패키지 |
| WO2014042214A1 (ja) * | 2012-09-12 | 2014-03-20 | 株式会社Kelk | レーザダイオード用ペルチェモジュール |
| JPWO2014042214A1 (ja) * | 2012-09-12 | 2016-08-18 | 株式会社Kelk | レーザダイオード用ペルチェモジュール |
| US9490412B2 (en) | 2012-09-12 | 2016-11-08 | Kelk Ltd. | Peltier module for laser diode |
| JP2016174114A (ja) * | 2015-03-18 | 2016-09-29 | 三菱マテリアル株式会社 | 熱電変換モジュール |
| JP2016174117A (ja) * | 2015-03-18 | 2016-09-29 | ヤマハ株式会社 | 熱電変換モジュール及びその製造方法 |
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