JP2004146767A - 光半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度が高くかつ接合強度のバラツキのない内部配線のリード接合を可能とする光半導体モジュールの製造方法を提供すること。
【解決手段】光半導体モジュールの電子冷却素子のリードをセラミック端子板のメタライズ配線層に接合するに際し、セラミック端子板のメタライズ配線層の部位に切り欠き又は貫通孔を設けておき、この切り欠き又は貫通孔に電子冷却素子のリード線を挿通し、次いで、切り欠き部から上方に突出したリード線に貫通孔を設けた接合材とおもりとを通し、これをリフロー炉内で加熱して、接合材を溶融させて前記リードを接合する。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体モジュール及びその製造方法に関し、詳しくは、光半導体モジュールの内部配線のリードを取付ける方法及びこれによって得られた光半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光半導体モジュールには、２つ以上のデバイスを組み合わせて同じ半導体容器に収容したものがある。そして例えばデバイスとして半導体レ−ザや発光ダイオードを用いた場合には、これらのデバイスは電流を流すことによって光を発して強く発熱する。この発熱によって温度が上がり過ぎると発光の効率が低下するので、この効率低下を防ぐため、あるいは大パワーの光を発生させるためには素子を冷却しなければならない。
【０００３】
冷却のための一つの方法として電子冷却素子（ペルチエ素子）を光半導体モジュールのパッケージ内に組み込んで、この電子冷却素子の上にレ−ザ、発光ダイオード、受光素子、各種回路素子など温度制御の必要な素子を載せるという手段が採用されている。
【０００４】
電子冷却素子は金属、ｐ型半導体、金属、ｎ型半導体、金属を接合したもので、電流の向きを変える事によって、中間の金属の部分の温度を変えることができ、ある方向に電流を流すと、中間の電極は発熱し、反対方向に電流を流すと中間電極は吸熱する性質を有している。
【０００５】
電流の向きと電流量を調整することによって中間電極の温度を制御できるので、対象となる素子を絶縁体を介して中間電極に張り付けることによって素子を加熱冷却することができ、素子の温度をチップサーミスタによって監視するようにすれば対象素子を任意の温度に維持することができる。
【０００６】
電子冷却素子を用いた光半導体モジュールの例を以下に例示する。
▲１▼　実開平３−３９８６７号「半導体レ−ザモジュール」はパッケージに電子冷却素子を取り付けその上に半導体レ−ザを取り付け半導体レ−ザの温度を制御しようとするものであり、半導体レ−ザの電極パッドとパッケージの配線をリボン状リードによって接続している。
▲２▼　実開平５−１５４４０号「光半導体素子収納用パッケージ」はパッケージの底板に電子冷却素子を載せ、その上に絶縁体を置き、その上に半導体レ−ザを取り付けている。
▲３▼　特開平５−６７８４４号「半導体レ−ザモジュール」はパッケージの底板をＡｌＮとしその上に電子冷却素子を複数単位載せてその上に半導体レ−ザ、受光素子などを設けている。半導体レ−ザはヒートシンクを介して電子冷却素子の上に載っている。
【０００７】
しかしながら、上記の文献には、パッケージと電子冷却素子の電気的な接続については何らの記述もない。
一般に光半導体モジュールパッケ−ジ内部の電気的接続には、セラミック端子板上の導電性のパターン電極と発光素子、受光素子、増幅回路、論理回路等のＩＣチップ表面に形成された電極パッドとを、金等のワイヤでボンディングすることによってなされている。この場合にはボンディング用の電極パッドや、セラミック端子板のパターン電極がほぼ同一面内にあること、つまりボンディングの機構から両電極間に高低差が少ないことが要求されている。これはボンディングのツールであるニードル部の長さが有限なことに起因している。
【０００８】
これに対して、電子冷却素子は、一般的に、発熱体である発光素子、受光素子、増幅回路、論理回路等のＩＣチップとパッケージ底面との間に位置するために、電子冷却素子の電極と端子板のパターン電極とは高低差があることが多く、このため、金等のワイヤを使用してボンディングすることが困難なことから、電子冷却素子は独自のパッケージに収容されリードピンを備えたより独立性の高い形態で使用される。
【０００９】
そして、パッケージと電子冷却素子の電気的導通を取るために、電子冷却素子のリードと端子板上のパターン電極とは半田付けされている。
ところが、パッケージのセラミック端子板の導電部（配線パターン）に電子冷却素子のリードを半田付けしようとする場合にいくつかの問題がある。半田付けという観点からはパッケージ全体を加熱することが望ましいが、電子冷却素子のリードは固定することが困難で、半田が固化する時に動いてしまうことから、全体加熱によるリード・配線の半田づけは困難であった。
【００１０】
そこで、ハンダ付けをする方法としては、電子冷却素子のピンの先を適当に曲げて配線パターンの上に載せて半田ゴテを当て、ピンと配線の両方を局所加熱してリードピンとメタライズ配線を半田付けする方法が行われている。しかし、この方法は、電子冷却素子のリードを折り曲げて対応する配線の上に接触させ、ペンチなどでリードを抑えながら半田ゴテを当てて加熱し、ついで半田を付けて半田を溶かして半田をメタライズ配線上に広がらせ、半田が固まるのを待ってペンチの先をリードから離すというものであって、メタライズ配線は幾つもあるし、リードを付けるべき配線の面積は狭く、配線部は平坦であってリードを仮止めするものがないため、ペンチやピンセットで抑えながら半田付けする必要があり、リードの位置決め、抑えなどに時間と熟練を要し、１本のリード付けに時間がかかり過ぎるという欠点があり、また、平坦な配線に硬く太いリードを半田付けするので半田付け不良が起こり易いという問題もある。
【００１１】
そこで、これを改良する一つの方法として、特開平１０−９８１４１号公報では、図６に示すように、セラミック端子板の溝に真っ直ぐな短い内向きリードを銀鑞で配線に対して固定し、この内向きリードの先端に電子冷却素子リードを折り曲げて半田付けするという方法が提案されている。
この方法は、内向きリードとメタライズ配線の接続において、溝を切って水平にリードを取り付けるためリードの保持がより完全となり、また、熱容量の小さい内向きリードに電子冷却素子のリードをハンダ付けするため加熱に要する時間も短く、半田付けに要する時間を短縮できるという利点を有する。
【００１２】
しかしながら、この方法も手作業による半田付けであるため作業性が悪く、また、リード同士が交差する箇所を半田で固定しているため、半田付け強度が低く、また、強度のバラツキが大きいという問題が依然としてあった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、接合強度が高くかつ接合強度のバラツキのない内部配線のリード接合を可能とする光半導体モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明は次の構成を有する。
（１）光半導体モジュールの内部配線のリードを取付ける方法において、貫通孔を設けた接合材をリードに通し、リフロー炉を用いて接合材を溶融させて前記リードを接合することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
（２）前記光半導体モジュールのセラミック端子板のメタライズ配線層の領域に設けた貫通孔又は切り欠き部によって前記リードを位置決めし、次いで貫通孔を設けた接合材をリードに通し、リフロー炉を用いて接合材を溶融させて前記リードを接合することを特徴とする上記（１）に記載の光半導体モジュールの製造方法
（３）前記接合材の上におもりを載せることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の光半導体モジュールの製造方法。
（４）前記リードが銅線に金を最外層として被覆した線材であることを特徴とする上記（１）〜（３）に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【００１５】
（５）前記リフロー炉の雰囲気が水素雰囲気又は窒素雰囲気であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の光半導体モジュールの製造方法。
（６）光半導体モジュールに組込む電子冷却素子と前記リードとを水素雰囲気下で同時に組み立てることを特徴とする上記（１）〜（５）に記載の光半導体モジュールの製造方法。
（７）前記接合材がＰｂ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉのいずれかであることを特徴とする上記（１）〜（６）に記載の光半導体モジュールの製造方法。
（８）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の製造方法によって製造したことを特徴とする光半導体モジュール。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施の形態を以下で、図面に基づいて詳細に説明する。
以下では、特に電子冷却素子のリードをセラミック端子に接合する場合を例に挙げて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの具体例によって何ら限定されるものではなく、本発明の方法は、光半導体モジュールの内部配線のリードを取付けるものであれば如何なる場合にも適用可能である。
【００１７】
まず、光半導体容器について説明する。
図１（Ａ）に示すように、一般的に光半導体容器は、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金（商品名コバール）からなる枠体１を、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金又はＦｅ／Ｎｉ合金（商品名４２アロイ）や、複合金属材料であるＣｕＷやＣｕＭｏ等の底板２に接合して形成される。セラミックス端子板３は複数層のセラミックスシートからなり、表面にメタライズを施し、複数のコバール製の端子リード４を取り付けて構成される。更に、枠体１の上面には、コバールのリングを積載し、これらを６２０℃以上の銀ロウ材で接合し、金めっきを全面に施す。また、図２に示すように、光半導体容器の光透過窓としてコバールのパイプを枠体１に接合し、気密封止のためにガラスの窓材をＡｕＳｎで接合する。
【００１８】
電子冷却素子の構成を図１（Ａ）に基づいて説明すると、電子冷却素子１０は、Ｎ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｅ）１１ａとＰ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｂ）１１ｂとを交互に配列し、隣り合う２つの熱電素子１１ａ、１１ｂの上面同士及び下面同士をそれぞれＡｌＮ製のセラミックス基板１２上に形成した金属片によって直列に、融点２９９℃のＰｂ９０Ｓｎ１０半田材を用いて接合して形成されている。セラミックス基板１２の取出電極には、融点２３８℃のＰｂ６０Ｓｎ４０半田材を用いてＮｉ／ＳｎめっきしたＣｕリードを接続する。
【００１９】
電子冷却素子１０の熱電素子１１ａ、１１ｂを接合していないセラミックス基板１２の面（電子冷却素子の最上面と最下面）に、それぞれＡｇＰｄペーストを印刷し、焼成してメタライズ層を形成する。その電子冷却素子１０の光半導体素子接合側の表面（最上面）には融点１４０℃のＢｉＳｎ半田材１３を、及び容器の底板２との接合面（最下面）には融点１８３℃のＰｂ３７Ｓｎ６３半田材１４を積層する。これらは、ペースト半田を各セラミックス基板１２に印刷した後、高温に熱して有機成分を除去して作製する。
【００２０】
次に、この電子冷却素子１０に接続されたＣｕリードとセラミック端子板上の電極とを電気的に接続する接合方法について述べる。
図３に示すように、前記セラミック端子板３には電子冷却素子１０の電極と接続されたリード線６が半田付けされる領域に切り欠き部（又は貫通孔）５を形成しておく。この切り欠き部（又は貫通孔）５は、セラミック端子板３となるセラミックグリーンシートに予め所定形状に打ち抜き加工を施しておくことによってセラミック端子板３の電子冷却素子１０の電極と接続されたリード線６が半田付けされる部位に形成することができる。リード線としては通常２００〜３００μｍ径のものが用いられる。
また、一方では、接合材である中央に貫通孔を有する円板状の半田の板９及びおもり７を用意しておく。
【００２１】
そして、図４に示すように、電子冷却素子１０の電極と接続されたリード線６の一端を該切り欠き部５内に挿通し、リード線６を所定のメタライズ配線層８に正確に位置決めする。このようにすることにより、リード線６がずれて隣接するメタライズ配線層８と電気的に短絡することがなくなり、内部に収容する光半導体素子１５を正確、且つ確実に作動させることができる。
【００２２】
次に、半田の板（接合材）９の適宜枚数を切り欠き部５から突出したリード線の突出部に通し、この上からおもり７をかぶせる。また、銅線に最外層が金になるように被覆したリード線を用いるような場合には、このようなおもりを用いなくても良好な引張り強度を示す接合が得られる。
次に、これをリフロー炉内に入れて水素雰囲気中で加熱し、電子冷却素子底部の半田を溶融させてリード線６と端子板３の電極とを接合させることにより、図５に示すようなリード線６とメタライズ配線層８とが接合された半導体容器が得られる。電子冷却素子１０の底部の半田を溶融させて電子冷却素子１０を半導体容器の底板２に同時に接合させてもよい。
【００２３】
このようにして、図１（Ｂ）に示すように、底板２に電子冷却素子１０を接合した光半導体容器が得られる。その後、この電子冷却素子１０の最上面に、予め設けておいた半田材１３により、図１（Ｃ）に示すように、ＬＤ素子等の光半導体素子１５等を予め実装した回路基板１６を窒素雰囲気中でダイボンドし、最後に、キャップをコバールのリング上にシールした後、光ファイバーを光半導体容器の光透過窓に位置合わせしてＹＡＧレーザで溶接し、光半導体モジュールが完成する。
【００２４】
リード線とセラミック端子板３の電極８とを接合する半田としては、Ｐｂ−Ｓｎ（ｍｐ１７８℃）、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ（ｍｐ２２０℃）、Ｓｎ−Ｃｕ（ｍｐ２２０℃）、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ（ｍｐ１７８℃）Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（ｍｐ２１７℃）などのヤング率が小さい（低い）半田が好ましい。
半田の形状は、例えば外径が１ｍｍ程度、内径が０．５ｍｍ程度で、厚みが０．１〜１ｍｍ程度のものが使用できるが、その形状は接合しようとする部材に応じて適宜に設定できる。
【００２５】
また、おもりの材質は、半田と濡れ性が悪く半田の融点よりも高い融点の材料であれば何でも良い。比重は大きい（重い）方がよい。具体的には、真鍮（Ｃｕ−Ｚｎ）やＳＵＳなど、大きさは半田と同じ程度であれば大きくても小さくても良い。おもりの厚みは、取扱の容易さから０．１〜１ｍｍ程度が好ましく、また、おもりの外径と内径は、リード線とセラミック端子板の大きさによって適宜決めることができる。
組立時にはリード線の位置決めをするためにカーボンモールドを用いると良い。
【００２６】
リフロー炉の温度は、用いる半田によって最適な値を設定すれば良く、炉内雰囲気は酸化を防止するために、水素雰囲気か窒素雰囲気とすることが好ましい。
電子冷却素子を同時に取り付ける場合は、電子冷却素子の上面には低融点半田が形成されている場合が多いので、該低融点半田の酸化を防止するために水素雰囲気とすることが望ましい（特開平２００２−７６５０１参照）。
【００２７】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示す。
【００２８】
＜実施例１＞
電子冷却素子としては、下側にＮｉ−Ａｕメッキ後Ｐｂ−Ｓｎ半田を形成、上側にＮｉ−Ａｕメッキ後Ｂｉ−Ｓｎ半田を形成したものを用いた。
半田材料としては、Ｐｂ−Ｓｎ（φ１×φ０．５×０．２ｍｍ：融点１８３℃）製の円板状の半田１枚を使用した。
リード線としては、φ３００μｍの銅線にＮｉ−Ａｕメッキ（１μｍ厚）を施したもので、熱電素子の制御信号用のものを用いた。
【００２９】
おもりとしては、真鍮製（φ１×φ０．５×１ｍｍ）のものを用いた。
上記の電子冷却素子を光半導体気密封止容器の所定位置に固定すると共に、リード線を半導体気密封止容器のセラミック端子の切り欠き部内に固定し、リード線にＰｂ−Ｓｎ半田を１枚載せ、その上におもりを１個載せた。電子冷却素子とリードとは動かないようにカーボン製のモールドで固定した。
これをリフロー炉に通して、電子冷却素子とリードの両方を同時にロー付けした。リフロー炉の雰囲気は水素雰囲気で、炉温を２１０℃とした。
得られた製品の、リードのロー付け強度（引張り強度）は、７００ｇｆ以上であり、手作業による半田付けの強度３００ｇｆの２倍以上であった。
【００３０】
＜実施例２〜５＞
下記表１に示した条件を用いた以外は実施例１と同様にして半田付けを行った。
また、得られた半田付け部の引張強度も併せて表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１に示されているように、リードのロー付け強度（引張り強度）は、実施例２では４００ｇｆ以上、実施例３では８００ｇｆ以上、実施例４、５では、６００ｇｆ以上であり、いずれも手作業による半田付けの強度３００ｇｆより高かった。また、実施例３と実施例４との対比で明らかなように、銅線に金を最外層として被覆した線材であるリードを用いた実施例３では、実施例４に比べて引張り強度がより大きくなっている。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の接合方法によれば、従来の手作業による半田付け作業に代えて、貫通孔を有する半田の板を用い、これを貫通孔又は切り欠き部によって位置決めされたリード線に通し、リフロー炉内で加熱して半田付けを行うため、作業性がよく、半田付け強度が高く、半田強度のばらつきも少なくできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】光半導体容器と電子冷却素子とを接合する工程を示した概略の断面図である。
【図２】一般的な光半導体容器を示す概略の斜視図である。
【図３】本発明におけるリードの接合方法の一工程を示す概略図である。
【図４】本発明におけるリードの接合方法の他の工程を示す概略図である。
【図５】本発明におけるリード接合方法を実施することによって得られたリードとセラミック端子板の電極との接合状態を表す概略図である。
【図６】従来法のリードとセラミック端子板の電極との接合方法の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１　枠体
２　底板
３　セラミックス端子板
４　端子リード
５　切り欠き部
６　リード
７　おもり
８　メタライズ配線層
９　半田の板（接合材）
１０　電子冷却素子
１１ａ　Ｎ型熱電素子
１１ｂ　Ｐ型熱電素子
１２　セラミックス基板
１３　ＢｉＳｎ半田材
１４　ＰｂＳｎ半田材
１５　光半導体素子

Claims (8)

1. 光半導体モジュールの内部配線のリードを取付ける方法において、貫通孔を設けた接合材をリードに通し、リフロー炉を用いて接合材を溶融させて前記リードを接合することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
2. 前記光半導体モジュールのセラミック端子板のメタライズ配線層の領域に設けた貫通孔又は切り欠き部によって前記リードを位置決めし、次いで貫通孔を設けた接合材をリードに通し、リフロー炉を用いて接合材を溶融させて前記リードを接合することを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュールの製造方法
3. 前記接合材の上におもりを載せることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体モジュールの製造方法。
4. 前記リードが銅線に金を最外層として被覆した線材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体モジュールの製造方法。
5. 前記リフロー炉の雰囲気が水素雰囲気又は窒素雰囲気であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光半導体モジュールの製造方法。
6. 光半導体モジュールに組込む電子冷却素子と前記リードとを水素雰囲気下で同時に組み立てることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光半導体モジュールの製造方法。
7. 前記接合材がＰｂ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉのいずれかであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光半導体モジュールの製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の製造方法によって製造したことを特徴とする光半導体モジュール。

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