【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いられるバタフライ型の光半導モジュール及び光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信の分野においては、一般に様々な半導体素子が用いられているが、個々の応用で必要とされる特性や性能を実現するため、それら半導体素子の実装技術の開発は重要である。また、情報通信の高速化や情報量の増大に伴って、光通信の担う役割は大きくなっている。光通信に用いられる光半導体素子も、通常、素子を外部環境から保護すると共に電気的接続を確実にするため、その素子にふさわしい封止容器に封入されて光半導体モジュールとして用いられている。
【０００３】
ところで、光半導体モジュールに搭載される半導体レーザや発光ダイオードは電流を流すことによって光を発すると共に大量の熱を放出する。発熱によって発光効率が低下することを防ぐため、又はより強い光を発生させるためには、光半導体素子を効果的に冷却することが必要であり、このために従来様々な工夫がなされてきた。一つの方法として、通電によって吸熱する作用を持つ熱電冷却素子（ＴＥＣ）の上に半導体レーザ等の温度制御の必要な素子を載せ、一緒に光半導体用の気密封止容器に収容するという手段が用いられている。
【０００４】
このように熱電冷却素子をその他の半導体素子と共にパッケージングした従来技術においては、これまでそのパッケージの大きさの小型化が課題とされていた。この点に関し、特開平５−６７８４４号公報には、ペルチェ素子（熱電冷却素子）を直接底板に固定し、小型化を図った半導体レーザモジュールが開示されている。さらに、特開２００１−３３９１１６号公報には、小型化でき、モジュールの各構成部品同士の接合部の信頼性を向上させた半導体レーザモジュールが開示されている。この半導体レーザモジュールでは、底蓋とパッケージ、基板とペルチェ素子、ペルチェ素子と底蓋それぞれの接合材に融点の差を設けている。さらに、特願２００２−１１５９２９号の実施例及び比較例では、極小のＴＥＣを提供できることが示されている。
【０００５】
しかしながら、これらの従来技術においては、十分な放熱性を確保しながらさらなる小型化が要望されており、この点に関しては未だ改善の余地がある。一般に光半導体モジュールは、コバール等の金属からなる枠体に、ＣｕＷ等の高熱伝導率の複合金属材料や窒化アルミニウム等の高熱伝導性のセラミックスを底板又は回路基板として用いている。この底板には、何らかの光通信システムに組み込む際に基体にねじ止めによって固定するために、ねじ止め用のつば部分が形成されている。このような、モジュールを外部の光通信システムに組み込む方法や手順においては、これまであまり全体を小型化する工夫がされてこなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、光半導体モジュールのパッケージ自体を小型化するとともに、何らかの光通信システムに組み込んだ状態での全体のさらなる小型化が望まれている。さらに、小型化するとともに、光半導体の放熱を効率よく行えるようにし、光通信の信頼性を確保することも重要である。
【０００７】
したがって、本発明の第１の目的は、小型で放熱性のよい光半導体モジュールを提供することである。さらに、本発明の第２の目的は、光半導体モジュールを光通信システムに組み込む方法を工夫し、全体としてさらに小型化が可能で、かつ放熱性のよい光通信システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討の結果、光半導体モジュールのリード形状や光通信システムへの組み込み方を工夫することで、本発明の光半導体モジュール及び光通信システムを完成し、上記の目的を達成した。すなわち、本発明は以下の（１）〜（１０）である。
【０００９】
（１） 光半導体モジュールであって、外部部材に取り付けるための部分を持たない気密封止容器と、該気密封止容器に内蔵する熱電冷却素子と、バタフライ型の外部接続用リードとを少なくとも備え、該リードが配線基板に半田付けするために折り曲げられていることを特徴とする光半導体モジュール。
【００１０】
（２） 上記リードの先端が細く形成されていることを特徴とする（１）に記載の光半導体モジュール。
【００１１】
（３） 上記気密封止容器が、縦≦１５ｍｍ、横≦８ｍｍ、高さ≦６ｍｍであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光半導体モジュール。
【００１２】
（４） 上記気密封止容器の底板が枠体よりも大きいことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載の光半導モジュール。
【００１３】
（５） 光通信システムであって、（１）〜（４）のいずれか一項に記載の光半導体モジュールと、ケースと、配線基板と、光ファイバーと、電源と、熱電冷却素子制御回路と、光半導体制御回路とを少なくとも備え、光半導体モジュールが配線基板とケースに挟み込まれている光通信システム。
【００１４】
（６） 上記光半導体モジュールの上下がサーマルコンパウンドで挟み込まれ、さらに配線基板とケースに挟み込まれていることを特徴とする（５）に記載の光通信システム。
【００１５】
（７） 上記配線基板の、上記光半導体モジュールを搭載する面、その反対側の面又はその両方に、放熱用の配線が施されていることを特徴とする（５）又は（６）に記載の光通信システム。
【００１６】
（８） 上記ケース及び上記光半導体モジュールに熱的に接触するようにヒートパイプを備えることを特徴とする（６）に記載の光通信システム。
【００１７】
（９） 上記ヒートパイプから直接空気へ放熱するために、ケースのヒートパイプ接続部に、穴が開けられていることを特徴とする（８）に記載の光通信システム。
【００１８】
（１０） 上記光半導体モジュールと接触する部分で空気の流れが高速になるように、上記ケースの外側にガイドが設けられていることを特徴とする（５）又は（６）に記載の光通信システム。
【００１９】
以下に本発明について従来技術と比較しながら図面を用いて説明する。
図２は、従来技術による光半導体モジュールの斜視図である。光半導体モジュール１１は、リード１４が側面から水平方向に伸長し、これを基板に半田付けする。一方で、底板１５はその一部がつばを形成して光半導体モジュール１１の容器の側面から水平に飛び出している。従来はこのつば部分を基板にねじ止めすることで光半導体モジュール１１を基板に固定していた。
【００２０】
図３は、従来技術による光半導体モジュールの基板への実装の様子を示した断面図である。光半導体モジュール１１の側面から伸長するリード１４は、表面、上側にパターン配線を有する基板１６上に大部分が半田付けされている。基板１６は、Ａｌや樹脂のサポータ２０を介してＡｌ放熱板１９にねじ止めされる。また、図示はされないが、上述のように光半導体モジュール１１の底板１５もそのつば部分をＡｌ放熱板１９にねじ止めすることによって固定される。このとき、底板１５とＡｌ放熱板１９の間に、ＳｉグリースやＳｉ放熱シートを挟んで用いる。
【００２１】
一方、本発明の光半導体モジュールは、外部部材に取り付けるための部分すなわちつばのない気密封止容器を使用し、かつ、バタフライと呼ばれる外部接続用リードを折り曲げて形成する。このことによって、従来とは異なり配線基板の下側にリードを半田付けし、光通信システムを構成できる。
【００２２】
本発明の光通信システムでは、図１に示すように、光半導体モジュール１を下側に実装した配線基板５をケースを兼ねるＡｌ放熱板１０にねじ９でねじ止めする。光半導体モジュールは、内部に熱電冷却素子３と光半導体２を収納する。リード４は、図１のように上方に折り曲げられており、下側に配線６を施した基板５に挿入され、半田８で半田付けされる。従来の実装の様子を示した図３と比較すると明らかなように、本発明の光通信システムはこれらの工夫によって大幅な小型化が可能になる。さらに、Ａｌ放熱板に光半導体モジュールの一面を押し当てることになり、Ａｌ放熱板がケースを構成するため、ケース自体で放熱することができ放熱効率がよい。このとき、光半導体モジュールの封止容器上下面全体をサーマルコンパウンド７を挟んでＡｌ放熱板１０及び配線基板５に接触させることが好ましい。このことによって、さらに放熱特性を向上させることができる。また、光半導体モジュールの容器自体をねじ止めによって機械的にケースや配線基板に取り付けていないので、一部が発熱した場合にも各部材の熱膨張係数の差による歪みが発生せず、光軸が安定に保たれる。そのため、光接続の信頼性が向上する。さらに、本発明の光半導体モジュールを基板に実装する具体的な方法については、発明の実施の形態の欄に後述する。
【００２３】
さらに、本発明の光半導体モジュールは、気密封止容器を縦≦１５ｍｍ、横≦８ｍｍ、高さ≦６ｍｍの大きさに形成し、熱電冷却素子を内蔵することができる。従来、熱電冷却素子を内蔵したこの大きさのパッケージは製造されていなかったが、本発明においては、上述ような実装方法の工夫と近年さらに小型化されつつある熱電冷却素子を適宜選択することにより、従来の大きさの約１／２の光半導体モジュールを実現できる。したがって、これを用いれば光通信システム全体を小型化することができる。また、この大きさの光半導体モジュールを用いると、システムに振動が加わったときに光半導体モジュールがはがれてしまうという問題を防ぐことができ、有用である。
【００２４】
さらに、本発明の光半導体モジュールは、図４に示すように底板を側面を形成する枠体よりも大きく形成することができる。このことによって、放熱効果を大幅に高めることができ、かつ、ねじ止めが必要なくなる。例えば、ＡｌＮの底板の場合には、面積を２倍にすることにより、熱抵抗は１／２になる。ダイヤをコートしたＡｌＮでは、熱抵抗がさらに１／３となる。
【００２５】
また、リードの先端は図１０に示すように細く形成されていることが好ましい。細い部分のみが配線基板の穴に挿入されることでリードの挿入位置（深さ）を決めることができ、配線基板への装着を容易にできる。加えて、リードの挿入位置が一定に決まることから、外部から振動が加わったときにもリードがばねとして働き、光半導体モジュールの容器と基板又はケースの間の隙間でサーマルコンパウンドが緩く動くよう保持される。したがって、常にサーマルコンパウンドが光半導体モジュールの容器に接触していることになり、確実に放熱されることになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の光半導体モジュール及び光通信システムについてさらに詳細に説明する。
本発明の光通信システムにおいて用いる配線基板は、汎用されているガラスエポキシが好ましい。基板上の配線部分は、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ等で形成することができる。また、放熱板のほか、光半導体モジュールを収納するケースはＡｌで形成されることが好ましい。また、リードはＣｕ／コバール／Ｃｕ等のクラッド材であることが好ましい。より具体的には、電気伝導性のよい材料である、銅線に１．５μｍ以上のＮｉめっきをしたもの、アルミナ分散銅、コバール−Ｃｕ、ＳＵＳ−Ｃｕ等の合金である。
【００２７】
サーマルコンパウンドは放熱シートや放熱粘土であり、具体的には、シリコーン油にダイヤ粉末、アルミナ粉末、ＡｌＮ粉末等のいずれかを加えたもの、又は、シリコーンゴムにダイヤ粉末、アルミナ粉末、ＡｌＮ粉末等のいずれかを加えたものを用いることができる。サーマルコンパウンドは、配線基板へのリードの半田付けの前に挟み込んでおいてもよい。また、リードの半田付けの後に、熱硬化性の樹脂と上記の高熱伝導材料を共に流し込んで、加熱により固めてもよい。
【００２８】
本発明の光通信システムの構成例の概略を図５に示す。ケースの一部を構成するＡｌ放熱板３３上に、本発明の光半導体モジュール３２を設置する。ケースは、各部分をシャーシ、放熱板、必要に応じてヒートパイプ等で構成され、全体として箱型に形成する。ケース内には信号伝達用の光ファイバー３１が導入され、さらに光半導体モジュール３２に導入される。光半導体モジュール３２には、ＴＥＣ制御回路３４及び光半導体制御回路３５が接続されており、各制御回路は電源３６から電力を供給される。ＴＥＣ制御回路は、通常、半導体レーザ（ＬＤ）であれば２５℃に保たれるようにＴＥＣ電流を制御する。光半導体制御回路は、ＬＤであれば、そのパワーが２５０ｍＷで一定となるようにＬＤ電流を制御する。電源は、通常１００Ｖ電源から各制御回路のＬＳＩに５Ｖを供給するために用いる。この他に、増幅部としてＥｒ等希土類元素をドープしたファイバーを備える。
【００２９】
また、図６は上記の光通信システム全体をケースに構成したときの、システムの断面を模式的に表している。光半導体モジュール２１はサーマルコンパウンド２６を介して、配線基板２３及びＡｌ放熱板２４に挟まれている。光ファイバーは光コネクタ２５を通してケース内部に導入される。光通信システムはこの他に必要に応じて既知の部品やデバイス等を収納することができる。
【００３０】
また、本発明では、光半導体モジュールを取り付ける配線基板に、放熱用の配線をシート状に施すことが好ましい。放熱用配線を施す面は、最も簡便には光半導体モジュールを取り付ける面がよく、最も放熱効率を上げるには半導体モジュールを取り付ける面の反対側の面がよく、この場合には放熱用配線と共に放熱用の穴（放熱ビア）を設ける。さらに、放熱用配線は両面に施されていてもよい。配線材料としては、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕを順に積層することが好ましい。
【００３１】
図１１は、この放熱用の配線を最も放熱効率を上げるように設けた好ましい例を模式的に表している。配線基板５４の下側には、図中点線で示したように光半導体モジュールを挟んでいるサーマルコンパウンド５５が接触している。配線５３は、光半導体モジュールのリードが挿入され、電気的に接続される配線である。サーマルコンパウンド５５の接触する面と反対側の面、配線基板５４の上側には、サーマルコンパウンド５５のある位置に重なるようにして、放熱用の配線５２を施しておく。サーマルコンパウンド５５は、放熱ビア５６によって熱的に放熱用配線５２に接続する。放熱ビア５６は、基板と垂直に設けた貫通穴で、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ等が充填されている。放熱ビア５６によって、光半導体モジュール搭載面と反対側の面において、効果的に放熱することができるようになる。さらに、ケースの外縁部には放熱フィン５１を設ける。放熱フィンを取り付けることにより、放熱用配線に加えてさらに放熱特性を向上できる。
【００３２】
一方、最も簡便には、サーマルコンパウンドが直接放熱用配線に接触するように、放熱用配線を配線基板の光半導体モジュール搭載面側に設ける。この場合には、放熱ビアの形成は必要なくなり、放熱フィンも光半導体モジュールの搭載面側に取り付けることが効果的である。
【００３３】
本発明においては、放熱特性を向上させるためにヒートパイプを使用することもできる。ヒートパイプとは伝熱性のよい部品であり、中空の板又は管の内部に水等の流体が容積の１／３程度封入されているものである。ヒートパイプを用いると、断熱材の中に発熱する部品がある場合にも、断熱材を貫通するようにヒートパイプを設置し、ヒートパイプの一端を発熱部に接触させておくことで、外部に効率的に放熱することができる。ヒートパイプの内部では、発熱部で蒸発した気体が他端において冷却され、凝縮して液体となり、これが毛細管現象や重力を利用して再び発熱部へ戻るというサイクルが成り立っているためである。ヒートパイプは例えば特開平２−１６６３９１号公報に従って製造できる。本発明においては、全体をＡｌ又はＣｕで構成し、内部の流体にメタノール等のアルコールやアセトン、エーテル等を熱圧嵌で封入して用いることが好ましい。ヒートパイプ自体の厚さは、２ｍｍ程度であることが好ましい。加えて、ヒートパイプの光半導体モジュールに接している端を重力の働く方向に沿って下側に、すなわちヒートパイプ内部で加熱されて蒸発した気体が放熱によって凝縮したとき、重力によって自然に再び発熱部分に戻るように配置することが好ましい。
【００３４】
図７及び図８は、ヒートパイプを使用した光通信システムの断面を模式的に示している。図７では、Ａｌ放熱板２４の内側にヒートパイプ２７を設置し、この上にサーマルコンパウンド２６を介して光半導体モジュール２１を配置する。ヒートパイプとＡｌ放熱板は、高放熱性の樹脂で接合する。このとき、図１２に示すように、重力の働く方向に対して、ヒートパイプ４１のサーマルコンパウンド４２の接触する部分を下に、放熱する部分を上になるようにＡｌ放熱板４３を立てた状態で使用することが望ましい。また、サーマルコンパウンドを用いずに、光半導体モジュールをヒートパイプを挟むようにしてＡｌ放熱板のケースに押し当てるようにしてもよい。また、ヒートパイプを用いる場合には、図８に示すようにケースとなるＡｌ放熱板２４のヒートパイプ２７の接続部に穴を設け、ヒートパイプ２４から直接外気に放熱するような構造にしておくこともできる。さらに、ヒートパイプに特別なＡｌ、Ｃｕ等のヒートシンクを接続すると放熱効果はより高くなる。
【００３５】
また、本発明の光通信システムでは、図９に示すようにケースの外側にガイドを設けて、空気の流れが光半導体モジュールに接触する部分で高速になるようにし、放熱性をさらに高めることもできる。図９（ａ）は、光半導体モジュール２１に接触するＡｌ放熱板２４の一部を、空気ガイド２９として働くように形成している光通信システムの断面を表している。図９（ｂ）はＡｌ放熱板２４を外側から見た図を示しているが、図中で模式的に示したように、空気ガイド２９に沿って空気は一点差線の矢印のように流れ、点線で示した光半導体モジュール２１の発熱部分を効果的に冷却する。ここで、図示した例ではＡｌ放熱板２４の外側部分を空気ガイド２９として一体に形成したが、平坦なＡｌ放熱板にガイド形成部材を取り付けるようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の光半導体モジュールは、従来のものに比較して１／２程度の大きさに小型化される。また、その光半導体モジュールは、配線基板への組み付け方を工夫することにより、光通信システムとしたときにも全体を小型化できる。加えて、効率的に放熱できるため、光接続の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体モジュールを配線基板に実装したところを示す断面図である。
【図２】従来技術による光半導体モジュールの斜視図である。
【図３】従来技術による光半導体モジュールを配線基板に実装したところを示す断面図である。
【図４】本発明の光半導体モジュールの斜視図である。
【図５】本発明の光通信システムの構成例を模式的に示した図である。
【図６】本発明の光通信システムの一例の断面図である。
【図７】本発明の光通信システムのヒートパイプを用いた例の断面図である。
【図８】本発明の光通信システムのヒートパイプを用いた別の例の断面図である。
【図９】（ａ）は本発明の光通信システムの空気ガイドを設けた例の断面図であり、（ｂ）は（ａ）を外側から見て空気の流れを模式的に示した図である。
【図１０】本発明の光半導体モジュールのリードの先端部を示した図である。
【図１１】本発明の光通信システムの放熱用配線を模式的に示した図である。
【図１２】本発明の光通信システムのヒートパイプの配置を説明するための図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、３２ 光半導体モジュール
２、１２ 光半導体
３、１３ 熱電冷却素子
４、１４ リード
５、１６、２３、５４ 基板
６、５３ 配線
７、２６、４２、５５ サーマルコンパウンド
８、１７ 半田
９、１８ ねじ
１０、１９、２４、３３、４３ 放熱板
１５ 底板
２０ サポータ
２２ 制御回路
２５ 光コネクタ
２７、４１ ヒートパイプ
２９ 空気ガイド
３１ 光ファイバー
３４ 熱電冷却素子制御回路
３５ 光半導体制御回路
３６ 電源
５１ 放熱フィン
５２ 放熱用配線
５６ 放熱ビア[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a butterfly-type optical semiconductor module used for optical communication and an optical communication system.
[0002]
[Prior art]
In the field of information and communication, various semiconductor elements are generally used. However, in order to realize characteristics and performance required for each application, development of a mounting technique for these semiconductor elements is important. In addition, the role of optical communication has been increasing with the increase in information communication speed and the amount of information. An optical semiconductor element used for optical communication is also usually used as an optical semiconductor module by being sealed in a sealing container suitable for the element in order to protect the element from an external environment and ensure electrical connection.
[0003]
By the way, a semiconductor laser or a light emitting diode mounted on an optical semiconductor module emits light and emits a large amount of heat by flowing an electric current. In order to prevent the luminous efficiency from lowering due to heat generation or to generate stronger light, it is necessary to effectively cool the optical semiconductor element, and for this purpose, various devices have been conventionally devised. One method is to mount a device such as a semiconductor laser, which requires temperature control, on a thermoelectric cooling device (TEC) having a function of absorbing heat when energized, and to house it together in a hermetically sealed container for an optical semiconductor. Used.
[0004]
In the prior art in which the thermoelectric cooling element is packaged together with other semiconductor elements as described above, it has been an issue to reduce the size of the package. In this regard, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-67844 discloses a semiconductor laser module in which a Peltier element (thermoelectric cooling element) is directly fixed to a bottom plate to reduce the size. Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-339116 discloses a semiconductor laser module that can be miniaturized and has improved reliability of a joint between components of the module. In this semiconductor laser module, a difference in melting point is provided between the bonding material of the bottom cover and the package, the bonding material of the substrate and the Peltier device, and the bonding material of the Peltier device and the bottom cover. Furthermore, Examples and Comparative Examples of Japanese Patent Application No. 2002-115929 show that an extremely small TEC can be provided.
[0005]
However, in these prior arts, there is a demand for further miniaturization while ensuring sufficient heat dissipation, and there is still room for improvement in this regard. In general, an optical semiconductor module uses a composite metal material having a high thermal conductivity such as CuW or a ceramic having a high thermal conductivity such as aluminum nitride as a bottom plate or a circuit board in a frame made of a metal such as Kovar. The bottom plate is formed with a screwed collar portion for fixing the base plate to the base plate by screwing when incorporating the base plate into any optical communication system. In such a method or procedure for incorporating a module into an external optical communication system, no attempt has been made to reduce the overall size.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, it is desired to reduce the size of the package of the optical semiconductor module itself and to further reduce the size of the entire package in a state in which the package is incorporated in an optical communication system. Further, it is important to reduce the size and efficiently dissipate the heat of the optical semiconductor to ensure the reliability of optical communication.
[0007]
Accordingly, a first object of the present invention is to provide an optical semiconductor module that is small and has good heat dissipation. It is a second object of the present invention to provide a method of incorporating an optical semiconductor module into an optical communication system, and to provide an optical communication system that can be further reduced in size and has good heat dissipation.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies, the present inventors have devised the lead shape of the optical semiconductor module and how to incorporate it into the optical communication system, thereby completing the optical semiconductor module and the optical communication system of the present invention, and achieving the above object. did. That is, the present invention includes the following (1) to (10).
[0009]
(1) An optical semiconductor module, which comprises at least a hermetically sealed container having no portion for attaching to an external member, a thermoelectric cooling element incorporated in the hermetically sealed container, and a butterfly-type external connection lead. An optical semiconductor module, wherein the leads are bent for soldering to a wiring board.
[0010]
(2) The optical semiconductor module according to (1), wherein the tip of the lead is formed thin.
[0011]
(3) The optical semiconductor module according to (1) or (2), wherein the hermetically sealed container has a length of 15 mm, a width of 8 mm, and a height of 6 mm.
[0012]
(4) The optical semiconductor module according to any one of (1) to (3), wherein a bottom plate of the hermetically sealed container is larger than a frame.
[0013]
(5) An optical communication system, wherein the optical semiconductor module according to any one of (1) to (4), a case, a wiring board, an optical fiber, a power supply, a thermoelectric cooling element control circuit, An optical communication system comprising at least an optical semiconductor control circuit, wherein an optical semiconductor module is sandwiched between a wiring board and a case.
[0014]
(6) The optical communication system according to (5), wherein the upper and lower portions of the optical semiconductor module are sandwiched between thermal compounds, and further sandwiched between a wiring board and a case.
[0015]
(7) The heat-dissipating wiring is provided on the surface of the wiring substrate on which the optical semiconductor module is mounted, the surface on the opposite side, or both of them, as described in (5) or (6). Optical communication system.
[0016]
(8) The optical communication system according to (6), further including a heat pipe so as to thermally contact the case and the optical semiconductor module.
[0017]
(9) The optical communication system according to (8), wherein a hole is formed in a heat pipe connection portion of the case to radiate heat directly from the heat pipe to the air.
[0018]
(10) The optical communication according to (5) or (6), wherein a guide is provided outside the case so that a flow of air is high at a portion in contact with the optical semiconductor module. system.
[0019]
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings in comparison with the related art.
FIG. 2 is a perspective view of an optical semiconductor module according to the related art. In the optical semiconductor module 11, the leads 14 extend in the horizontal direction from the side surfaces, and are soldered to the substrate. On the other hand, a part of the bottom plate 15 forms a brim and protrudes horizontally from the side surface of the container of the optical semiconductor module 11. Conventionally, the optical semiconductor module 11 was fixed to the substrate by screwing the flange portion to the substrate.
[0020]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state of mounting an optical semiconductor module on a substrate according to the related art. The leads 14 extending from the side surfaces of the optical semiconductor module 11 are mostly soldered on a substrate 16 having a pattern wiring on the surface and on the upper side. The substrate 16 is screwed to an Al radiator plate 19 via a supporter 20 made of Al or resin. Although not shown, the bottom plate 15 of the optical semiconductor module 11 is also fixed by screwing its brim portion to the Al heat radiating plate 19 as described above. At this time, Si grease or a Si heat radiating sheet is interposed between the bottom plate 15 and the Al heat radiating plate 19 for use.
[0021]
On the other hand, the optical semiconductor module of the present invention is formed by using a portion for attaching to an external member, that is, a hermetically sealed container without a brim, and bending an external connection lead called a butterfly. Thus, unlike the related art, the leads can be soldered to the lower side of the wiring board, and an optical communication system can be configured.
[0022]
In the optical communication system of the present invention, as shown in FIG. 1, the wiring board 5 on which the optical semiconductor module 1 is mounted on the lower side is screwed to the Al heat radiating plate 10 also serving as a case with screws 9. The optical semiconductor module houses the thermoelectric cooling element 3 and the optical semiconductor 2 inside. The lead 4 is bent upward as shown in FIG. 1, inserted into a substrate 5 provided with wiring 6 on the lower side, and soldered with solder 8. As is apparent from comparison with FIG. 3 showing a conventional mounting state, the optical communication system of the present invention can be significantly reduced in size by these measures. Further, one surface of the optical semiconductor module is pressed against the Al radiator plate, and the Al radiator plate constitutes a case. Therefore, heat can be radiated by the case itself, and the heat radiation efficiency is good. At this time, it is preferable that the entire upper and lower surfaces of the sealing container of the optical semiconductor module are brought into contact with the Al radiator plate 10 and the wiring board 5 with the thermal compound 7 interposed therebetween. Thereby, the heat radiation characteristics can be further improved. Also, since the container of the optical semiconductor module itself is not mechanically attached to the case or the wiring board by screwing, even if a part of the heat is generated, no distortion occurs due to a difference in the coefficient of thermal expansion of each member. Is kept stable. Therefore, the reliability of the optical connection is improved. Further, a specific method for mounting the optical semiconductor module of the present invention on a substrate will be described later in the section of embodiments of the present invention.
[0023]
Further, in the optical semiconductor module of the present invention, the hermetically sealed container is formed to have a size of ≤15 mm, width ≤8 mm, and height ≤6 mm, and can incorporate a thermoelectric cooling element. Conventionally, a package of this size incorporating a thermoelectric cooling element has not been manufactured. However, in the present invention, by devising the above-described mounting method and appropriately selecting a thermoelectric cooling element that has been further miniaturized in recent years. Thus, it is possible to realize an optical semiconductor module of about 1/2 of the conventional size. Therefore, if this is used, the entire optical communication system can be downsized. Use of an optical semiconductor module of this size is useful because it can prevent the optical semiconductor module from peeling off when vibration is applied to the system.
[0024]
Further, in the optical semiconductor module of the present invention, as shown in FIG. 4, the bottom plate can be formed larger than the frame forming the side surface. As a result, the heat radiation effect can be greatly increased, and screwing is not required. For example, in the case of an AlN bottom plate, doubling the area reduces the thermal resistance to half. With AlN coated with diamond, the thermal resistance is further reduced to 1/3.
[0025]
Further, it is preferable that the tip of the lead is formed thin as shown in FIG. The insertion position (depth) of the lead can be determined by inserting only the narrow portion into the hole of the wiring board, and mounting on the wiring board can be facilitated. In addition, since the insertion position of the lead is fixed, the lead acts as a spring even when vibration is applied from the outside, and the thermal compound is held so that it moves slowly in the gap between the container of the optical semiconductor module and the substrate or case. Is done. Therefore, the thermal compound is always in contact with the container of the optical semiconductor module, and the heat is reliably dissipated.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the optical semiconductor module and the optical communication system of the present invention will be described in more detail.
The wiring board used in the optical communication system of the present invention is preferably glass epoxy which is widely used. The wiring portion on the substrate can be formed of Cu / Ni / Au or the like. Further, in addition to the heat radiating plate, the case for housing the optical semiconductor module is preferably made of Al. Preferably, the lead is a clad material such as Cu / Kovar / Cu. More specifically, it is a material having good electric conductivity, such as a copper wire plated with Ni of 1.5 μm or more, an alloy such as alumina-dispersed copper, Kovar-Cu, and SUS-Cu.
[0027]
The thermal compound is a heat-dissipating sheet or heat-dissipating clay. Specifically, any one of diamond oil, alumina powder, AlN powder, etc. added to silicone oil, or diamond powder, alumina powder, AlN powder, etc. to silicone rubber Can be used. The thermal compound may be sandwiched before soldering the leads to the wiring board. Further, after the lead is soldered, a thermosetting resin and the above-mentioned high heat conductive material may be poured together and may be hardened by heating.
[0028]
FIG. 5 shows an outline of a configuration example of the optical communication system of the present invention. The optical semiconductor module 32 of the present invention is installed on the Al heat radiating plate 33 constituting a part of the case. The case is composed of a chassis, a heat radiator, a heat pipe if necessary, and the like, and is formed in a box shape as a whole. An optical fiber 31 for signal transmission is introduced into the case, and further introduced into the optical semiconductor module 32. A TEC control circuit 34 and an optical semiconductor control circuit 35 are connected to the optical semiconductor module 32, and each control circuit is supplied with power from a power supply 36. The TEC control circuit normally controls the TEC current so that the semiconductor laser (LD) is kept at 25 ° C. If the LD is an LD, the optical semiconductor control circuit controls the LD current so that the power is constant at 250 mW. The power supply is usually used to supply 5V to the LSI of each control circuit from a 100V power supply. In addition, a fiber doped with a rare earth element such as Er is provided as an amplification unit.
[0029]
FIG. 6 schematically illustrates a cross section of the optical communication system when the entire optical communication system is configured as a case. The optical semiconductor module 21 is sandwiched between the wiring board 23 and the Al heat radiating plate 24 via the thermal compound 26. The optical fiber is introduced into the case through the optical connector 25. The optical communication system can also store known parts and devices as needed.
[0030]
Further, in the present invention, it is preferable that the wiring for heat dissipation is provided in a sheet shape on the wiring board on which the optical semiconductor module is mounted. The surface on which the heat-dissipating wiring is applied is most simply the surface on which the optical semiconductor module is mounted, and the surface on the opposite side of the surface on which the semiconductor module is mounted is best for the highest heat-dissipating efficiency. Holes (radiation vias) are provided. Further, the heat dissipation wiring may be provided on both surfaces. It is preferable that Cu / Ni / Au is sequentially laminated as a wiring material.
[0031]
FIG. 11 schematically illustrates a preferred example in which the heat-dissipating wiring is provided to maximize the heat-dissipating efficiency. A thermal compound 55 sandwiching the optical semiconductor module is in contact with the lower side of the wiring board 54 as shown by a dotted line in the figure. The wiring 53 is a wiring into which the lead of the optical semiconductor module is inserted and which is electrically connected. The heat-dissipating wires 52 are provided on the surface opposite to the contact surface of the thermal compound 55 and on the upper side of the wiring board 54 so as to overlap with the position where the thermal compound 55 is located. The thermal compound 55 is thermally connected to the heat radiating wiring 52 by the heat radiating via 56. The heat radiation via 56 is a through hole provided perpendicular to the substrate, and is filled with Al, Cu, Ag, or the like. The heat dissipation via 56 allows heat to be effectively dissipated on the surface opposite to the optical semiconductor module mounting surface. Further, a radiation fin 51 is provided on the outer edge of the case. By attaching the radiation fins, the radiation characteristics can be further improved in addition to the radiation wiring.
[0032]
On the other hand, most simply, the heat dissipation wiring is provided on the optical semiconductor module mounting surface side of the wiring board so that the thermal compound directly contacts the heat dissipation wiring. In this case, it is not necessary to form a heat radiation via, and it is effective to attach the heat radiation fin to the mounting surface side of the optical semiconductor module.
[0033]
In the present invention, a heat pipe may be used to improve heat radiation characteristics. A heat pipe is a component having good heat conductivity, and a fluid such as water is sealed in a hollow plate or tube in a volume of about 1/3 of its volume. By using a heat pipe, even if there is a component that generates heat in the heat insulating material, install the heat pipe so that it penetrates the heat insulating material, and keep one end of the heat pipe in contact with the heat generating part, Heat can be dissipated efficiently. This is because, inside the heat pipe, the gas evaporating in the heat generating portion is cooled at the other end and condensed into a liquid, which returns to the heat generating portion again using capillary action or gravity. The heat pipe can be manufactured, for example, according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-166391. In the present invention, it is preferable that the whole is made of Al or Cu, and that the internal fluid is filled with an alcohol such as methanol, acetone, ether or the like by hot press fitting. The thickness of the heat pipe itself is preferably about 2 mm. In addition, when the end of the heat pipe in contact with the optical semiconductor module is moved downward along the direction in which gravity acts, that is, when the gas that has been heated and evaporated inside the heat pipe is condensed by heat radiation, gravity automatically generates heat again. Preferably, it is arranged to return to the part.
[0034]
7 and 8 schematically show cross sections of an optical communication system using a heat pipe. In FIG. 7, a heat pipe 27 is provided inside the Al heat radiating plate 24, and the optical semiconductor module 21 is disposed thereon via a thermal compound 26. The heat pipe and the Al radiator plate are joined with a resin having high heat radiation. At this time, as shown in FIG. 12, a state in which the Al heat radiating plate 43 is set up so that the contact portion of the thermal compound 42 of the heat pipe 41 is below and the heat radiating portion is above in the direction in which gravity acts. It is desirable to use it. Instead of using a thermal compound, the optical semiconductor module may be pressed against the Al heat radiating case with the heat pipe interposed therebetween. When a heat pipe is used, a hole is provided at a connection portion of the heat pipe 27 of the Al heat radiating plate 24 serving as a case as shown in FIG. 8 so that heat is directly radiated from the heat pipe 24 to the outside air. You can also. Further, when a special heat sink made of Al, Cu, or the like is connected to the heat pipe, the heat radiation effect becomes higher.
[0035]
Further, in the optical communication system of the present invention, as shown in FIG. 9, a guide is provided outside the case so that the flow of air is increased at a portion where the air flows in contact with the optical semiconductor module, thereby further improving heat dissipation. it can. FIG. 9A shows a cross section of an optical communication system in which a part of the Al heat radiating plate 24 in contact with the optical semiconductor module 21 is formed so as to function as an air guide 29. FIG. 9B shows the Al heat radiating plate 24 as viewed from the outside. As schematically shown in the drawing, air flows along the air guide 29 as indicated by a dashed line arrow. The heat-generating portion of the optical semiconductor module 21 indicated by the dotted line is effectively cooled. Here, in the illustrated example, the outer portion of the Al radiator plate 24 is integrally formed as the air guide 29, but a guide forming member may be attached to a flat Al radiator plate.
[0036]
【The invention's effect】
The optical semiconductor module of the present invention is reduced in size to about half the size of the conventional one. In addition, the optical semiconductor module can be downsized as a whole when an optical communication system is formed by devising a method of assembling the optical semiconductor module to a wiring board. In addition, since the heat can be efficiently dissipated, the reliability of the optical connection is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a state where an optical semiconductor module of the present invention is mounted on a wiring board.
FIG. 2 is a perspective view of a conventional optical semiconductor module.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where an optical semiconductor module according to a conventional technique is mounted on a wiring board.
FIG. 4 is a perspective view of the optical semiconductor module of the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration example of an optical communication system of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of an example of the optical communication system of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view of an example using a heat pipe of the optical communication system of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of another example using a heat pipe of the optical communication system of the present invention.
9A is a cross-sectional view of an example in which an air guide of the optical communication system of the present invention is provided, and FIG. 9B is a diagram schematically showing the flow of air when viewing FIG. is there.
FIG. 10 is a view showing a tip of a lead of the optical semiconductor module of the present invention.
FIG. 11 is a diagram schematically showing a heat-dissipating wiring of the optical communication system of the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining the arrangement of heat pipes in the optical communication system according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 11, 21, 32 Optical semiconductor module 2, 12 Optical semiconductor 3, 13 Thermoelectric cooling element 4, 14 Lead 5, 16, 23, 54 Substrate 6, 53 Wiring 7, 26, 42, 55 Thermal compound 8, 17 Solder 9, 18 Screw 10, 19, 24, 33, 43 Heat radiating plate 15 Bottom plate 20 Supporter 22 Control circuit 25 Optical connector 27, 41 Heat pipe 29 Air guide 31 Optical fiber 34 Thermoelectric cooling element control circuit 35 Optical semiconductor control circuit 36 Power supply 51 Heat radiation Fin 52 Heat dissipation wiring 56 Heat dissipation via
