JP2003243730A - 熱電素子モジュールならびに半導体素子収納用パッケージおよび半導体モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電素子モジュールの熱電素子と金属部材間
の半田に熱応力が集中してクラックが入り、熱電素子モ
ジュールおよびこれを使用した半導体モジュールの性能
が低下する。 【解決手段】 一対の絶縁体基板２の間に、複数個の熱
電素子１の両端がそれぞれ金属部材５を介在させて接合
されて成り、絶縁体基板２の一方に半導体素子が搭載さ
れる熱電素子モジュール10であって、金属部材５は、熱
電素子１の端面にこの端面より小さな面積の凸部５ａで
当接するとともに、凸部５ａの周囲とこれに対向する熱
電素子１の端面との間に半田３の溜まり部を形成し、か
つ、絶縁体基板２に半田４を介して接合され、凸部５ａ
と反対側の端面を絶縁体基板２に形成されたこの端面よ
り大きな面積の凹部２ａの底面に当接するとともに、凹
部２ａの内側面とこれに対向する金属部材５の端部の外
側面との間に半田４の溜まり部を形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に光通信分野に
おいて使用される、温度制御可能な熱電素子を備えた熱
電素子モジュール、ならびにこの熱電素子モジュールを
具備する半導体素子収納用パッケージ、およびこの熱電
素子モジュールを具備する半導体モジュールに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、インターネットや電子メールに代
表されるデータトラフィックが非常な速さで急増してい
る。この情報量の増加および高速化に対応するため、有
線伝送では光ファイバを用いた光通信が、低損失かつ広
帯域といった利点を有して導入されている。

【０００３】光通信では、その信号源として一般的に半
導体レーザ素子（ＬＤ）が用いられるが、このＬＤは使
用状態でかなりの熱を発生し、この熱のためにＬＤ自体
が劣化するとともに発振波長が不安定となることから、
ＬＤを発振波長が安定するような温度に保つために熱電
素子モジュールが多く用いられている。

【０００４】熱電素子モジュールは、図４に断面図で示
すように、複数の熱電素子31を並列に並べて、これらを
金属部材34を介して電気的に直列に接続した構成となっ
ている。熱電素子31にはＰ型熱電素子とＮ型熱電素子と
があり、上記構成においてＰ型熱電素子とＮ型熱電素子
とは交互に並べられて直列に接続されており、ここに電
流を流すと、ペルチエ効果によりＮ型熱電素子からＰ型
熱電素子の方向へ電流が流れる側の金属部材34では吸熱
が起こり、Ｐ型熱電素子からＮ型熱電素子の方向へ電流
が流れる側の金属部材34では発熱が起こる。つまり、熱
電素子モジュールは電流量に応じて熱電素子モジュール
の一端の温度が低下して他端の温度が上昇し、また、電
流の方向を逆とすることにより、この熱現象が逆転する
というものである。

【０００５】この熱電素子モジュールは、通常は熱電素
子モジュールの温度が低下する側にＬＤを搭載してＬＤ
を冷却するのに用いられ、使用環境の温度が低い場合に
は熱電素子モジュールの温度が上昇する側にＬＤを搭載
してＬＤを加熱するのに用いられ、いずれの場合もＬＤ
を発振波長が安定するような温度に保つように作用す
る。

【０００６】熱電素子モジュールにおいて、金属部材34
には、金属部材34自身の電気抵抗が大きいと発熱が大き
くなるため通常は銅（Ｃｕ）が用いられる。また、熱電
素子31を並列に並べて挟み込むための基板が必要であ
り、上下に一対の絶縁体基板32を有している。その絶縁
体基板32には酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニ
ウム質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料等が
使用される。

【０００７】このような熱電素子モジュールを用いて、
図５に断面図で示すように、ＬＤ等の半導体素子16が熱
電素子モジュール30の上にフォトダイオード19およびレ
ンズ組立体18等とともに金属基板17を介して搭載され、
この熱電素子モジュール30が基体11の上面の載置部11ａ
に載置されて、基体11と、基体11の上面に載置部11ａを
囲繞するようにして接合された枠体12と、枠体12の上面
に載置部11ａを覆うように取着される蓋体13とから成る
パッケージに収納されることにより半導体モジュールが
完成し、この半導体モジュールが光通信の発振装置とし
て用いられる。

【０００８】図５に示す半導体モジュールは、半導体素
子16等が搭載された熱電素子モジュール30が載置された
載置部11ａを上面に有する基体11と戴置部11ａを囲繞す
るようにして基体11の上面に接合された枠体12とから成
るパッケージ本体と、枠体12の上面に抵抗溶接等により
接合されて取着された蓋体13と、半導体素子16と光軸を
合わせて枠体12に取着された光ファイバ21取付用の挿通
管23とにより構成される。パッケージ本体の枠体12には
光ファイバ21が接合される筒状の挿通管23が設けてあ
り、挿通管23のパッケージ内部側の端部には、サファイ
アやガラス等の透光性材料から成る透明窓20が設置さ
れ、蓋体13が取着される際に、パッケージ内部を真空状
態あるいは窒素等の不活性ガスの充填状態にして密封さ
れている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】熱電素子モジュール30
は、部品の使用目的から、一方の絶縁体基板32側で何か
を冷却すると同時に必ず熱電素子モジュール30の逆の側
の絶縁体基板32から放熱する必要があり、そのために必
ず別の部品と組み合わせて用いられる。前述の例では、
片側の絶縁体基板32上に金属基板17を介して温度制御す
べき半導体素子16等の半導体素子を搭載し、反対側の絶
縁体基板32をパッケージ本体の基体11へ取り付けられて
いる。

【００１０】しかしながら、従来の熱電素子モジュール
30は、絶縁体基板32がアルミナセラミックスから成り、
金属部材34がＣｕから成るものが主体である。このた
め、金属基板17・パッケージベースの基体11および熱電
素子モジュール30の絶縁体基板32等の素材接合間に素材
間の熱膨張率の違いから応力が発生するが、特に強度の
弱い熱電素子31と金属部材34間の半田等のロウ材33に応
力が集中することが問題となっており、結果として、長
期間にわたるヒートサイクル試験を行なうと熱電素子31
と金属部材34間のロウ材33にクラックが入り、直列に接
続されている熱電素子31への通電が不安定となるため、
温度制御を行なう熱電素子モジュール30として安定に動
作させることができなくなり、その性能が低下してしま
うという問題点があった。

【００１１】このような熱電素子モジュール30を載置し
たパッケージにＬＤ等の半導体素子16を搭載した半導体
モジュールを用いると、半導体素子16の温度制御が不十
分となるため半導体素子16自体が劣化するとともに発振
波長が不安定となり、その結果、光通信の安定した光源
として使用できなくなるという問題点があった。

【００１２】本発明は上記問題点に鑑み案出されたもの
で、その目的は、金属部材に熱電素子を強固に接続させ
るとともに金属部材に接合された熱電素子を長期間にわ
たり正常かつ安定に動作させることができる熱電素子モ
ジュールを提供することにある。

【００１３】また、本発明の他の目的は、この熱電素子
モジュールを用いることにより熱電素子モジュールに搭
載される半導体素子を長期間にわたり正常かつ安定に動
作させることができる半導体収納用パッケージおよび半
導体モジュールを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の熱電素子モジュ
ールは、一対の絶縁体基板の間に、複数個の熱電素子の
両端がそれぞれ金属部材を介在させて接合されて成り、
前記絶縁体基板の一方に半導体素子が搭載される熱電素
子モジュールであって、前記金属部材は、前記熱電素子
に第１のロウ材または接着剤を介して接合され、前記熱
電素子の端面にこの端面より小さな面積の凸部で当接す
るとともに、この凸部の周囲とこれに対向する前記端面
との間に前記第１のロウ材または接着剤の溜まり部を形
成しており、かつ、前記絶縁体基板に第２のロウ材また
は接着剤を介して接合され、前記凸部と反対側の端面を
前記絶縁体基板の表面に形成された前記端面より大きな
面積の凹部の底面に当接するとともに、前記凹部の内側
面とこれに対向する前記金属部材の端部の外側面との間
に前記第２のロウ材または接着剤の溜まり部を形成して
いることを特徴とするものである。

【００１５】また、本発明の熱電素子モジュールは、上
記構成において、前記凸部の高さが50μｍ以上かつ500
μｍ以下であり、前記熱電素子の前記端面の面積に対す
る前記凸部の上面の面積の比率が40％以上かつ70％以下
であることを特徴とするものである。

【００１６】また、本発明の熱電素子モジュールは、上
記構成において、前記凹部は、前記金属部材の端部の外
側面から前記凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300
μｍ以下であり、深さが50μｍ以上かつ500μｍ以下で
あることを特徴とするものである。

【００１７】本発明の半導体素子収納用パッケージは、
基体と、この基体の上面の載置部に他方の前記絶縁体基
板を当接させて載置された上記構成の熱電素子モジュー
ルと、前記基体の上面に前記載置部を囲繞するようにし
て接合された枠体と、この枠体の上面に前記載置部を覆
うように取着される蓋体とを具備することを特徴とする
ものである。

【００１８】本発明の半導体モジュールは、上記構成の
半導体素子収納用パッケージと、前記熱電素子モジュー
ルの一方の前記絶縁体基板に搭載された半導体素子と、
前記枠体の上面に取着された前記蓋体とを具備すること
を特徴とするものである。

【００１９】本発明の熱電素子モジュールによれば、熱
電素子の端面と金属部材の凸部の側面と凸部の周囲の金
属部材の表面との間に十分な量の第１のロウ材または接
着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形成されると
ともにこの空間および熱電素子の端面と凸部が設けられ
た金属部材の表面との間に第１のロウ材または接着剤が
充填介在して溜まり部を形成することとなり、その結
果、凸部を設けた金属部材への熱電素子の第１のロウ材
または接着剤を介しての接合が三次元的となって熱電素
子を金属部材へ極めて強固に接続させることができるた
め、また、絶縁体基板の凹部の内側面および底面と金属
部材の端部の外側面との間に十分な量の第２のロウ材ま
たは接着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形成さ
れるとともにこの空間および金属部材の端部の外側面と
凹部が設けられた絶縁体基板の凹部の内側面との間に第
２のロウ材または接着剤が充填介在して溜まり部を形成
することとなり、その結果、凹部を設けた絶縁体基板へ
の金属部材の第２のロウ材または接着剤を介しての接合
が三次元的となって金属部材を絶縁体基板へ極めて強固
に接続させることができるため、熱電素子モジュールを
長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができ
る。

【００２０】また、本発明の熱電素子モジュールによれ
ば、凸部の高さを50μｍ以上かつ500μｍ以下とするこ
とにより、熱電素子の端面と金属部材の凸部の側面と凸
部の周囲の金属部材の表面との間に形成される空間に必
要かつ十分な量の第１のロウ材または接着剤を充填して
適度な溜まり部を形成し、熱電素子を凸部が設けられた
金属部材の表面に強固に接合させることが可能となる。
また、熱電素子の端面の面積に対する凸部の上面の面積
の比率を40％以上かつ70％以下とすることにより、熱電
素子から金属部材への熱移動またはその逆の熱移動を効
率よく行なわせることができ、効率のよい温度制御を行
なうことができるものとなる。

【００２１】また、本発明の熱電素子モジュールによれ
ば、絶縁体基板に設けた凹部は、金属部材の端部の外側
面から凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以
下であり、凹部の深さが50μｍ以上かつ500μｍ以下で
あるものとすることにより、絶縁体基板の凹部の内側面
および底面と金属部材の端部の外側面との間に形成され
る空間に必要かつ十分な量の第２のロウ材または接着剤
を充填して適度な溜まり部を形成し、金属部材を凹部が
設けられた絶縁体基板に強固に接合させることが可能と
なるとともに、ヒートサイクル時の熱膨張差からくる基
板の反りに対して溜まり部の第２のロウ材または接着剤
が塑性変形して応動し、熱電素子と金属部材との接合部
に掛かる応力を緩和することができる。

【００２２】また、本発明の熱電素子モジュールをその
内部に載置した本発明の半導体素子収納用パッケージ、
および本発明の半導体素子収納用パッケージに半導体素
子を搭載し蓋体を取着した本発明の半導体モジュールに
よれば、半導体素子と熱電モジュールとの間の熱移動を
長期間にわたり正常かつ安定にしかも効率よく行なうこ
とができることから、熱電素子モジュールに搭載される
半導体素子を長期間にわたり正常かつ安定に動作させる
ことができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。

【００２４】図１は本発明の熱電素子モジュールの実施
の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１における
熱電素子と金属部材と絶縁体基板との接合部の要部拡大
断面図である。これらの図において、１は熱電素子、２
は絶縁体基板、３は接合用の第１のロウ材または接着剤
としての半田、４は接合用の第２のロウ材または接着剤
としての半田、５は金属部材、６はメタライズ金属層で
ある。

【００２５】熱電素子１は、Ｂｉ−Ｔｅ系材料・Ｆｅ−
Ｓｉ系材料・Ｓｉ−Ｇｅ系材料・Ｃｏ−Ｓｂ系材料等の
焼結体により構成されている。熱電素子１が例えばＢｉ
−Ｔｅ系材料から成る場合であれば、主な特性が、例え
ば、Ｐ型熱電素子のゼーベック係数は200μＶ／Ｋ、Ｎ
型熱電素子のゼーベック係数は−200μＶ／Ｋ、Ｐ型・
Ｎ型熱電素子共に比抵抗率は１ｍΩ・ｃｍ、Ｐ型・Ｎ型
熱電素子共に熱伝導率が1.5Ｗ／ｍＫとなっている。

【００２６】熱電素子１は、そのままでは半田３等の第
１のロウ材での接合が困難であるため、その端面には良
伝導性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性を高める
表面処理として、Ｎｉめっき等を被着させておくことが
望ましい。

【００２７】絶縁体基板２は、その表面に金属部材５の
端面が当接する凹部２ａが形成されており、熱電素子１
および金属部材５の支持部材としての機能を有してい
る。

【００２８】絶縁体基板２に設けた凹部２ａの底面に金
属部材５の端面を当接させるとともに第２のロウ材また
は接着剤としての半田４を介して接合させる際、絶縁体
基板２に設けた凹部２ａの内側面と金属部材５の端部の
外側面との間に十分な量の第２のロウ材または接着剤の
溜まり部となる適度な容積の空間が形成されるとともに
この空間内および金属部材５の端面と凹部２ａが設けら
れた絶縁体基板２の底面との間に半田４が充填介在して
溜まり部を形成することとなり、その結果、凹部２ａを
設けた絶縁体基板２への金属部材５の半田４を介しての
接合が三次元的となって接合強度は極めて強いものとな
り、金属部材５を凹部２ａが設けられた絶縁体基板２に
確実かつ強固に接合させることができるとともに、ヒー
トサイクル時の熱膨張差からくる基板の反りに対しても
溜まり部の半田４が塑性変形して応動し、熱電素子１と
金属部材５との接合部に掛かる応力を緩和することがで
きる。

【００２９】絶縁体基板２の凹部２ａの内部は、金属部
材５の端部との間で半田４の溜まり部が確保されるのに
必要な大きさとし、具体的には金属部材５の端部の外側
面から凹部２ａの内側面までの距離が50μｍ以上300μ
ｍ以下であり、凹部２ａの深さが50μｍ以上かつ500μ
ｍ以下であることが好ましい。

【００３０】凹部２ａはその大きさが金属部材５の端部
の外側面から凹部２ａの内側面までの距離が50μｍ未満
となると、凹部２ａの内側面とこれに対向する金属部材
５の端部の外側面との間に形成される空間の容積が小さ
くなって十分な半田４の溜まり部を形成できずに金属部
材５を凹部２ａが設けられた絶縁体基板２に強固に接合
させることが困難となる傾向がある。また、300μｍを
超えると金属部材５の実装間隔が大きくなり、熱電素子
モジュールの利点とされていた小型化・高密度化等の温
度制御装置としての要求に沿わなくなる傾向がある。従
って、凹部２ａの内部の大きさは、金属部材５の端部の
外側面から凹部２ａの内側面までの距離が50μｍ以上か
つ300μｍ以下の範囲とすることが好ましい。

【００３１】また、凹部２ａはその深さが50μｍ未満と
なると、凹部２ａの内側面とこれに対向する金属部材５
の端部の外側面との間に形成される空間の容積が小さく
なって十分な半田４の溜まり部を形成できずに金属部材
５を凹部２ａが設けられた絶縁体基板２に強固に接合さ
せることが困難となる傾向がある。また、500μｍを超
えると、凹部２ａの内側面とこれに対向する金属部材５
の端部の外側面との間に形成される空間の容積が大きく
なり過ぎ、その空間内に半田４を完全に充填させること
ができなくなって、やはり十分な半田４の溜まり部を形
成できずに金属部材５を凹部２ａが設けられた絶縁体基
板２に強固に接合させることが困難となる傾向がある。
従って、凹部２ａの内部は熱電素子１と半田４の溜まり
部が確保されるのに必要な大きさとし、その深さを50μ
ｍ以上かつ500μｍ以下の範囲とすることが好ましい。

【００３２】絶縁体基板２は、酸化アルミニウム質焼結
体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体等の
電気絶縁材料で形成されている。また、絶縁体基板２は
その表面の少なくとも凹部２ａの底面および内側面にメ
タライズ金属層６が被着されており、メタライズ金属層
６は金属部材５を絶縁体基板２にロウ付けする際の下地
金属となる。

【００３３】絶縁体基板２は、例えば酸化アルミニウム
質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸
化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉
末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状となす
とともに、これを従来周知のドクターブレード法やカレ
ンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグ
リーンシート（セラミック生シート）を得て、しかる
後、このセラミックグリーンシートを複数枚積層し、高
温（約1600℃）で焼成することによって製作される。

【００３４】金属部材５は、絶縁体基板２に接合された
端面とは反対側の端面に熱電素子１の端面に当接する凸
部５ａが形成されており、この凸部５ａは熱電素子１を
支持する機能を有している。

【００３５】凸部５ａは、銅やアルミニウム等から成る
金属部材５にエッチング加工法やプレス加工法等の従来
周知の加工法を施すことによって、金属部材５の表面の
所定位置に所定形状および所定の大きさに形成される。
あるいはインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工
法等を施すことによって、金属部材５を形成する際に同
時に形成される。

【００３６】このようにして金属部材５に設けた凸部５
ａに熱電素子１の端面を当接させるとともに第１のロウ
材または形成座としての半田３を介して接合させる際、
熱電素子１の端面と凸部５ａの側面と凸部５ａの周囲の
金属部材５の表面との間に十分な量の第１のロウ材また
は接着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形成され
るとともにこの空間内および熱電素子１の端面と凸部５
ａが設けられた金属部材５の表面との間に半田３が充填
介在して溜まり部を形成することとなり、その結果、凸
部５ａを設けた金属部材５への熱電素子１の半田３を介
しての接合が三次元的となって接合強度は極めて強いも
のとなり、熱電素子１を凸部５ａが設けられた金属部材
５に確実かつ強固に接合させることができる。

【００３７】金属部材５の凸部５ａは、高さが50μｍ以
上かつ500μｍ以下であることが好ましく、熱電素子１
の端面の面積に対する凸部５ａの上面の面積の比率が40
％以上かつ70％以下であることが好ましい。

【００３８】凸部５ａはその高さが50μｍ未満となる
と、熱電素子１の端面と凸部５ａの側面と凸部５ａの周
囲の金属部材５の表面との間に形成される空間の容積が
小さくなって、十分な半田３の溜まり部を形成できずに
熱電素子１を凸部５ａが設けられた金属部材５に強固に
接合させることが困難となる傾向がある。また、500μ
ｍを超えると、熱電素子１の端面と凸部５ａの側面と凸
部５ａの周囲の金属部材５の表面との間に形成される空
間の容積が大きくなり過ぎ、その空間内に半田３を完全
に充填させることができなくなって、やはり十分な半田
３の溜まり部を形成できずに熱電素子１を凸部５ａが設
けられた金属部材５に強固に接合させることが困難とな
る傾向がある。従って、凸部５ａはその高さを50μｍ以
上かつ500μｍ以下の範囲とすることが好ましい。

【００３９】また、凸部５ａの上面の面積が熱電素子１
の端面の面積の40％未満となると、熱電素子１から金属
部材５への熱移動またはその逆の熱移動を効率よく行な
うことが困難となる傾向がある。また、70％以上となる
と、熱電素子１の端面と凸部５ａの側面と凸部５ａの周
囲の金属部材５の表面との間に形成される空間の容積が
小さくなって、十分な半田３の溜まり部を形成できずに
熱電素子１を凸部５ａが設けられた金属部材５に強固に
接合させることが困難となる傾向がある。従って、凸部
５ａの上面の面積は熱電素子１の端面の面積に対して40
％以上かつ70％以下とすることが好ましい。

【００４０】凸部５ａを有する金属部材５は、その表面
に良導電性で、かつ耐蝕性および半田３および半田４と
の濡れ性が良好なニッケルをめっき法により被着させて
おくと、金属部材５と外部電気回路とを電気的に接続す
る際にその電気的接続を良好なものにできるとともに、
金属部材５に熱電素子１を半田３または半田４を介して
接合させる際にその接合を強固とすることができる。従
って、凸部５ａを有する金属部材５には、その表面に良
導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な
ニッケルをめっき法により被着させておくことが望まし
い。

【００４１】図３は、本発明の熱電素子モジュール10を
備えた本発明の半導体素子収納用パッケージおよび本発
明の半導体モジュールの実施の形態の一例を示す断面図
である。

【００４２】図３において、11は金属等から成る基体、
12は同じく金属等から成る、基体11の上面に接合された
枠体、13は枠体12の上面に取着された蓋体である。この
基体11と枠体12と蓋体13とで内部に熱電素子モジュール
10を収納するための容器が構成される。

【００４３】基体11は熱電素子モジュール10を支持する
ための支持部材となるものであり、その上面の中央部に
熱電素子モジュール10を載置するための載置部11ａを有
しており、この載置部11ａには熱電素子モジュール10が
半田等の接着剤により接着固定される。

【００４４】基体11は鉄−ニッケル−コバルト合金や銅
−タングステン合金等の金属材料から成り、例えば鉄−
ニッケル−コバルト合金から成る場合であれば、鉄−ニ
ッケル−コバルト合金のインゴット（塊）に圧延加工法
や打ち抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すこと
によって製作される。

【００４５】なお、基体11はその外表面に耐蝕性に優
れ、かつロウ材に対して濡れ性が良い金属、具体的には
厚さ２〜６μｍのニッケル層および厚さ0.5〜５μｍの
金層を順次、メッキ法等により被着させておくと、基体
11が酸化腐蝕するのを有効に防止することができるとと
もに、基体11の上面に熱電素子モジュール10を強固に接
着固定させることができる。従って、基体11には、酸化
腐蝕を有効に防止し、かつ上面に熱電素子モジュール10
を強固に接着固定させるために、その表面に厚さ２〜６
μｍのニッケル層および厚さ0.5〜５μｍの金層を順
次、メッキ法等により被着させておくことが好ましい。

【００４６】また、基体11の上面には、熱電素子モジュ
ール10が載置される載置部11ａを囲繞するようにして枠
体12が接合されており、この枠体12の内側に熱電素子モ
ジュール10を収容するための空所が形成されている。

【００４７】枠体12は鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄
−ニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄−ニ
ッケル−コバルト合金等のインゴット（塊）をプレス加
工により枠状とすることによって形成され、基体11への
取着は基体11の上面と枠体12の下面とを銀ロウ材を介し
ロウ付けすることによって行なわれている。

【００４８】さらに、枠体12はその側壁に貫通孔22およ
び切欠部24を有しており、枠体12の貫通孔22もしくは貫
通孔22周辺には、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニ
ッケル合金等の金属材料から成る筒状の挿通管23が取着
されている。また、挿通管23のパッケージ内側の端部に
は、サファイアやガラス等の透光性材料から成る透明窓
20が固定されていて、その外側に配置されるレンズ等の
光部品を内蔵した光学部品（図示せず）によってＬＤ
（図示せず）の出射信号光を光ファイバ（図示せず）に
光結合させている。

【００４９】枠体12の側壁に形成されている貫通孔22
は、枠体12に例えばドリル孔開け加工を施すことによっ
て所定形状に形成される。

【００５０】また、枠体12の側壁の切欠部24には、端子
体25が挿着されている。

【００５１】この端子体25は、酸化アルミニウム質焼結
体等の電気絶縁材料から成る絶縁体26と複数個の配線層
27とから成り、配線層27を金属枠体12に対し電気的絶縁
をもって金属枠体12の内側から外側にかけて配設するた
めのものである。この端子体25は、絶縁体26の側面に予
め金属層を被着させておくとともに、この金属層を枠体
12の切欠部24の内壁面に銀ロウ等のロウ材を介し取着す
ることによって、枠体12の切欠部24に挿着される。

【００５２】端子体25の絶縁体26は、例えば、酸化アル
ミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウ
ム等の原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して
泥漿状となすとともに、これを従来周知のドクターブレ
ード法やカレンダーロール法によりシート状に成形して
セラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得
て、しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な
打ち抜き加工を施すとともに上下に複数枚積層し、高温
（約1600℃）で焼成することによって製作される。

【００５３】また、端子体25の絶縁体26には枠体12の内
側に位置する領域に段差部26ａが形成されており、この
段差部26ａの上面から枠体12の外側にかけて複数個の配
線層27が形成されている。

【００５４】配線層27は熱電素子モジュール10の各電極
を外部電気回路に接続する際の導電路となるものであ
り、配線層27のうち絶縁体26の段差部26ａに形成されて
いる領域には熱電素子モジュール10の各電極がそれぞれ
リード線28を介して電気的に接続され、また枠体12の外
側に位置する領域には外部電気回路と接続される外部リ
ード端子（図示せず）がロウ材を介し取着されている。

【００５５】配線層27はタングステンやモリブデン・マ
ンガン等で形成されており、例えば、タングステン等の
粉末に有機溶剤・溶媒を添加混合して得た金属ペースト
を絶縁体26となるセラミックグリーンシートに予め従来
周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布
しておくことによって絶縁体26に形成される。

【００５６】配線層27は、その露出する表面にニッケル
・金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる
金属を１〜20μｍの厚みにメッキ法により被着させてお
くと、配線層27の酸化腐蝕を有効に防止することができ
るとともに配線層27へのリード線28の接続を強固となす
ことができる。従って、配線層27の露出する表面には、
ニッケル・金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性
に優れる金属を１〜20μｍの厚みに被着させておくこと
が好ましい。

【００５７】また一方、配線層27には外部リード端子が
銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、外
部リード端子は容器内部に収容する熱電素子モジュール
10の各電極を外部電気回路に電気的に接続する導電路と
なり、外部リード端子を外部電気回路に接続することに
よって容器内部に収容される熱電素子モジュール10はリ
ード線28・配線層27および外部リード端子を介して外部
電気回路に電気的に接続されることとなる。

【００５８】さらに、枠体12はその上面に、例えば鉄−
ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属材
料から成る蓋体13が取着され、これによって基体11と枠
体12と蓋体13とから成る容器の内部に熱電素子モジュー
ル10およびこれに搭載されたＬＤ等の光半導体素子や半
導体素子が気密に封止されることとなる。これにより本
発明の半導体モジュールが構成され、図５に示す半導体
モジュールと同様に、光ファイバが接続されて光通信の
発振装置等に使用される。

【００５９】蓋体13の枠体12の上面への取着は、例えば
シームウェルド法等の溶接によって行なわれる。

【００６０】なお、本発明は以上の実施の形態の例に限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。例え
ば、上述の実施の形態の例では金属部材５に形成される
凸部５ａは金属部材５と一体に形成したが、凸部５ａを
金属部材と同様の材料・方法で別体に形成しておき、ロ
ウ材等を介して金属部材５に凸部５ａを接着固定するこ
とによって形成してもよい。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の熱電素子モ
ジュールによれば、一対の絶縁体基板の間に、複数個の
熱電素子の両端がそれぞれ金属部材を介在させて接合さ
れて成り、絶縁体基板の一方に半導体素子が搭載される
熱電素子モジュールであって、金属部材は、熱電素子の
端面にこの端面より小さな面積の凸部で当接するととも
に、この凸部の周囲とこれに対向する熱電素子の端面と
の間に第１のロウ材または接着剤の溜まり部を形成して
いることから、凸部を設けた金属部材への熱電素子のロ
ウ材または接着剤を介しての接合が三次元的となって熱
電素子を金属部材へ極めて強固に接続させることができ
るため、また、絶縁体基板の凹部の内側面および底面と
金属部材の端部の外側面との間に十分な量の第２のロウ
材または接着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形
成されるとともにこの空間および金属部材の端部の外側
面と凹部が設けられた絶縁体基板の凹部の内側面との間
に第２のロウ材または接着剤が充填介在して溜まり部を
形成することとなり、その結果、凹部を設けた絶縁体基
板への金属部材の第２のロウ材または接着剤を介しての
接合が三次元的となって金属部材を絶縁体基板へ極めて
強固に接続させることができるため、金属部材と熱電素
子との接合部における熱歪みによる電極間の剥離障害等
の問題が無い状態とすることができ、熱電素子モジュー
ルを長期間にわたり正常かつ安定に動作させることがで
きる。

【００６２】また、本発明の熱電素子モジュールによれ
ば、凸部の高さを50μｍ以上かつ500μｍ以下とするこ
とにより、熱電素子の端面と金属部材の凸部の側面と凸
部の周囲の金属部材の表面との間に形成される空間に必
要かつ十分な量の第１のロウ材または接着剤を充填して
適度な溜まり部を形成し、熱電素子を凸部が設けられた
金属部材の表面に強固に接合させることが可能となる。

【００６３】また、熱電素子の端面の面積に対する凸部
の上面の面積の比率を40％以上かつ70％以下とすること
により、熱電素子から金属部材への熱移動またはその逆
の熱移動を効率よく行なわせることができ、効率のよい
温度制御を行なうことができるものとなる。

【００６４】また、絶縁体基板に設けた凹部は、金属部
材の端部の外側面から凹部の内側面までの距離が50μｍ
以上300μｍ以下であり、凹部の深さが50μｍ以上かつ5
00μｍ以下であるものとすることにより、絶縁体基板の
凹部の内側面および底面と金属部材の端部の外側面との
間に形成される空間に必要かつ十分な量の第２のロウ材
または接着剤を充填して適度な溜まり部を形成し、金属
部材を凹部が設けられた絶縁体基板の底面に強固に接合
させることが可能となるとともに、ヒートサイクル時の
熱膨張差からくる基板の反りに対して溜まり部の第２の
ロウ材が塑性変形して応動し、熱電素子接合部に掛かる
応力を緩和することができる。

【００６５】また、本発明の熱電素子モジュールをその
内部に載置した本発明の半導体収納用パッケージ、およ
び本発明の半導体モジュールによれば、熱電素子モジュ
ールの信頼性が向上し正常に動作させることができるこ
とにより、半導体素子と熱電モジュールとの間の熱移動
を長期間にわたり正常かつ安定にしかも効率よく行なう
ことができることから、熱電素子モジュールの一方の面
に実装される半導体素子を長期間にわたり正常かつ安定
に動作させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電素子モジュールの実施の形態の一
例を示す断面図である。

【図２】図１における熱電素子と金属部材と絶縁体基板
との接合部の要部拡大断面図である。

【図３】本発明の熱電素子モジュールを備えた本発明の
半導体素子収納用パッケージおよび本発明の半導体モジ
ュールの実施の形態の一例を示す断面図である。

【図４】従来の熱電素子モジュールの実施の形態の一例
を示す断面図である。

【図５】熱電素子モジュールを具えた半導体モジュール
の実施の形態の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１・・・・・熱電素子 ２・・・・・絶縁体基板 ２ａ・・・・凹部 ３・・・・・半田（第１のロウ材または接着剤） ４・・・・・半田（第２のロウ材または接着剤） ５・・・・・金属部材 ５ａ・・・・凸部 11・・・・・基体 12・・・・・枠体 13・・・・・蓋体 10・・・・・熱電素子モジュール 16・・・・・半導体素子（半導体レーザ素子：ＬＤ）

───────────────────────────────────────────────────── 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 35/18 35/18 Ｈ０１Ｓ 5/024 Ｈ０１Ｓ 5/024

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の絶縁体基板の間に、複数個の熱電
   素子の両端がそれぞれ金属部材を介在させて接合されて
   成り、前記絶縁体基板の一方に半導体素子が搭載される
   熱電素子モジュールであって、前記金属部材は、前記熱
   電素子に第１のロウ材または接着剤を介して接合され、
   前記熱電素子の端面に該端面より小さな面積の凸部で当
   接するとともに、該凸部の周囲とこれに対向する前記端
   面との間に前記第１のロウ材または接着剤の溜まり部を
   形成しており、かつ、前記絶縁基板に第２のロウ材また
   は接着剤を介して接合され、前記凸部と反対側の端面を
   前記絶縁体基板の表面に形成された前記端面より大きな
   面積の凹部の底面に当接するとともに、前記凹部の内側
   面とこれに対向する前記金属部材の端部の外側面との間
   に前記第２のロウ材または接着剤の溜まり部を形成して
   いることを特徴とする熱電素子モジュール。
2. 【請求項２】 前記凸部の高さが５０μｍ以上かつ５０
   ０μｍ以下であり、前記熱電素子の前記端面の面積に対
   する前記凸部の上面の面積の比率が４０％以上かつ７０
   ％以下であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子
   モジュール。
3. 【請求項３】 前記凹部は、前記金属部材の端部の外側
   面から前記凹部の内側面までの距離が５０μｍ以上３０
   ０μｍ以下であり、深さが５０μｍ以上かつ５００μｍ
   以下であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子モ
   ジュール。
4. 【請求項４】 基体と、該基体の上面の載置部に他方の
   前記絶縁体基板を当接させて載置された請求項１乃至請
   求項３のいずれかに記載の熱電素子モジュールと、前記
   基体の上面に前記載置部を囲繞するようにして接合され
   た枠体と、該枠体の上面に前記載置部を覆うように取着
   される蓋体とを具備することを特徴とする半導体素子収
   納用パッケージ。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体素子収納用パッケ
   ージと、前記熱電素子モジュールの一方の前記絶縁体基
   板に搭載された半導体素子と、前記枠体の上面に取着さ
   れた前記蓋体とを具備することを特徴とする半導体モジ
   ュール。