JP2004153107A

JP2004153107A - Package for optical semiconductor module

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Publication number: JP2004153107A
Application number: JP2002317989A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Suzuki; 克典鈴木
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP3945375B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently dissipate heat produced in a thermoelectric module externally by improving the heat dissipating performance of a metallic bottom plate and preventing occurrence of bending. <P>SOLUTION: The metallic bottom plate 11 of a package 10 for the thermoelectric module is provided with a placing unit 11a whose area is nearly equal to a bottom area of a metallic frame 12, and a fixing unit 11b placed at both outer sides of the placing unit 11a to fix the package 10 to an external member. Then the plate thickness T1 of the placing unit 11a is formed thinner than the plate thickness T2 of the fixing unit 11b, and a step difference is caused at a boundary between the placing unit 11a and the fixing unit 11b. The plate thickness T1 of the placing unit 11a is formed thinner than the plate thickness T2 of the fixing unit 11b and in this way permits the heat produced in the thermoelectric module 18 mounted on the placing unit 11a to be efficiently dissipated through the placing unit 11a whose plate thickness is thinner externally. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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）を備えた光半導体モジュールを搭載する金属底板と、この金属底板上に接合された金属枠体と、この金属枠体を気密に封止する蓋体とからなる光半導体モジュール用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）あるいはＤＷＤＭ（ＤｅｎｓｅＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：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して、大容量のデータを光ファイバにより高速で伝送されるようになった。この光ファイバにより伝送されるデータ（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、光ファイバによりデータ（情報）を伝送する中間地点において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。
【０００３】
ところで、光半導体モジュールに用いられる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、多数のペルチェ素子を搭載した熱電モジュールあるいは電子クーラー（ＴＥＣ：ＴｈｅｒｍｏＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｅｒ）と呼ばれる熱電装置が使用されている。そして、半導体レーザー、ＴＥＣ等の電子部品を収容する容器は、一般的には光半導体モジュール用パッケージと呼ばれ、図７に示すような構造となっている。
【０００４】
ここで、図７に示すパッケージ３０は、基板などの外部部材に取り付ける取付孔３３を有する金属底板３２と、この金属底板３２上に筐体をなすように固定される金属枠体３１から主に構成されている。そして、金属底板３２上には、熱電モジュール（あるいはＴＥＣ）や半導体レーザー等の電子部品（図示せず）、あるいは光学系等（図示せず）が搭載される。また、金属枠体３１には光ファイバが取り付けられる窓枠３４が設けられ、金属枠体３１の一対の側面に設けられた切欠部３５にはセラミック端子３６が取り付けられ、このセラミック端子３６に電気入出力用のリード３７が接続されている。そして、このパッケージ３０内を窒素ガスの雰囲気にした後、金属枠体３１の上側にシールリング３８を介して金属蓋体（図示せず）を気密に封止して、パッケージ３０が形成されることとなる。
【０００５】
ここで、金属枠体３１は、セラミック端子３６と熱膨張率が近似していることが望ましいので、その材料としては、鉄・ニッケル（ＦｅＮｉ）合金やコバール（Ｋｏｖａｒ）と呼ばれる鉄・ニッケル・コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金が用いられる。また、金属底板３２は半導体レーザ素子で発生する熱を速やかに放散させる必要があるので、その材料としては、銅（Ｃｕ）や銅・タングステン（ＣｕＷ）合金が用いられる。なお、金属枠体３１と金属底板３２はろう材で接合される。これら金属枠体３１と金属底板３２からなるパッケージ３０は、金属底板３２の両端に形成された取付孔３３を介して外部部材にネジで取り付けられる。
【０００６】
ところで、金属枠体３１と金属底板３２が異なる金属材料で形成されたパッケージ３０では、両者の熱膨張率が相違するため、ろう付けして接合する時に歪みが発生し、金属底板３２に反りが発生する。この金属底板３２に反りが発生したパッケージ３０の金属枠体３１に光ファイバを固定し、金属底板３２に半導体レーザ素子を搭載する。その後、金属底板３２の両端に形成された取付孔３３を介してネジで締めつけて、このパッケージ３０を外部部材に取り付け固定すると、ネジの締めつけ力が金属底板３２全体に伝わり、金属底板３２が変形して反りが生ずる。
【０００７】
この反りにより、半導体レーザ素子の固定位置にずれが生じ、半導体レーザ素子と光ファイバとの間に光軸のずれが生じるという問題があった。この光軸のずれは、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合効率の低下をもたらす。そこで、外部部材に取り付ける際に金属底板が変形することなく、従って、半導体レーザ素子と光ファイバとの間に光軸のずれが生じないような半導体レーザ素子用パッケージが提案されるようになった。（例えば、特許文献１および特許文献２参照のこと）
【特許文献１】
特開平６−３１４７４７号公報
【特許文献２】
特開平９−２９８２４８号公報（０００４段落参照）
【０００８】
この特許文献１にて提案された半導体レーザ素子用パッケージ４０においては、図８（ａ）に示すように、金属底板４１はその上面中央領域に熱電モジュール（ＴＥＣ）４３を介して図示しない光半導体素子を載置するための載置部４１ａを有し、該載置部４１ａ上にＴＥＣ４３が接着剤を介して接着固定されている。また、金属底板４１の上面中央領域を囲繞するように側面に一対の絶縁端子部材４４及び光ファイバーを固定する固定部材４５が取着された金属枠体４２が銀ロウ等のロウ材を介して取着されている。
【０００９】
金属底板４１はその両端領域にネジ止め部４１ｂが設けられており、このネジ止め部４１ｂを外部部材にネジ止めすることによって、光半導体素子が固定されたパッケージ４０は外部部材に固定されることになる。金属底板４１はその両端領域の厚さ（Ｔ２）が１．０≧Ｔ２≧０．３（ｍｍ）、中央領域の厚さ（Ｔ１）がＴ１≧２Ｔ２となっていて、中央領域の載置部４１ａと両端領域のネジ止め部４１ｂとの境に段差が形成されている。
【００１０】
これは、ネジ止め部４１ｂを外部部材にネジ止めする際、金属底板４１に金属枠体４２との熱膨張係数の相違によって発生している反りが矯正され、金属底板４１の反り矯正に伴う応力が光半導体素子が固定されている中央領域の載置部４１ａに伝達されるのを防止するためである。これによって、金属底板４１の中央領域の載置部４１ａに固定されている光半導体素子の固定位置が常に一定となり、光半導体素子と金属枠体４２の側面に設けた光ファイバー固定部材４５に固定される光ファイバーとを整合させることが可能となる。
【００１１】
また、特許文献２にて提案された半導体レーザ素子用パッケージ５０においては、図８（ｂ）に示すように、金属底板５１のネジ穴が設けられるネジ止め部５１ｂの板厚を金属枠体５１との接合部５１ａよりも薄くして、金属枠体５２内の金属底板５１ａが変形しないようにしている。さらに、パッケージ５０の外形の薄型化の要求に応えるために、載置部５１ｃの板厚を他の部分５１ａよりも薄くして、光半導体素子用パッケージ５０内の全体の高さを低く抑えるようにしている。なお、このパッケージ５０においては、載置部５１ｃに熱電モジュール（ＴＥＣ）５３を介して図示しない光半導体素子が配設されている。そして、金属底板５１の上面中央領域を囲繞するように側面に一対の絶縁端子部材５４及び光ファイバーを固定する固定部材５５が取着された金属枠体５２が銀ロウ等のロウ材を介して取着されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８（ａ）に示される金属底板４１においては、熱電モジュール（ＴＥＣ）４３を介して図示しない光半導体素子を載置するための載置部４１ａの板厚が厚いため、ＴＥＣ４３からの放熱効率が低下するという問題を生じた。また、図８（ｂ）に示される金属底板５１においては、載置部５１ｃのみの板厚を他の部分５１ａよりも薄くしているため、載置部５１ｃに反りが生じやすくて、熱電モジュール（ＴＥＣ）５３との接触面積が低下して、結果として放熱特性が低下するという問題を生じた。
【００１３】
また、図８（ａ），（ｂ）に示される金属底板４１，５１においては、金属底板４１，５１の両端部に配置されたネジ止め部４１ｂ，５１ｂの板厚が薄いために、ネジを螺着した際にこのネジ止め部４１ｂ，５１ｂが破損しやすいという問題を生じた。さらに、図８（ｂ）に示される金属底板５１においては、ＣｕＷ合金からなる金属底板５１を切削加工により、板厚が薄い載置部５１ｃを形成するようにしているが、ＣｕＷ合金は難加工の合金であるためにコストが非常に高価になるという問題も生じた。
【００１４】
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、金属底板の放熱性を改善するとともに反りを生じなくして、熱電モジュールで発生した熱を効率よく外部に排熱できるようにする。これにより、当該熱電モジュールの消費電力が低減した光半導体モジュール用パッケージを提供することを目的とする。
【００１５】
【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、金属底板は金属枠体の底面積と略等しい面積を有する載置部と、該載置部の両外側に位置して当該パッケージを外部部材に固定するための固定部とを備えるとともに、載置部の板厚は固定部の板厚よりも薄く形成されていて、載置部と固定部との境界で段差を有することを特徴とする。このように、載置部の板厚が固定部の板厚よりも薄く形成されていると、載置部に搭載された熱電モジュールで発生した熱を板厚が薄い載置部を通して、効率よく外部に排熱できるようになる。
【００１６】
また、外部部材に取り付ける際には、固定部の板厚が厚いことにより、この板厚が厚い固定部が破損することなく取り付けることができる。さらに、載置部と固定部との境界で段差を有するので、この段差が金属枠体を金属底板上に接合する際のガイドとなる。このため、金属枠体と金属底板とを強固に接合することが可能となる。これにより、このパッケージの外底面（金属底板の外表面）の平面度が向上するようになるので、パッケージの外底面にヒートシンクを接合した際の接触面積が向上して、排熱効率（放熱効率）が向上する。
【００１７】
ここで、載置部の板厚（Ｔ１）が０．４０ｍｍよりも小さくなると機械加工が困難になるとともに、破損もし易くなるため、載置部の板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上（Ｔ１≧０．４０ｍｍ）にするのが望ましい。一方、載置部の板厚（Ｔ１）が１．５０ｍｍよりも大きくなると、熱電モジュールでの消費電力が大きくなって、光半導体モジュールの小型化、低消費電力化が困難になる。このため、載置部の板厚（Ｔ１）は１．５０ｍｍ以下（Ｔ１≦１．５０ｍｍ）とするのが望ましい。以上のことから、金属底板の載置部の板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上で１．５０ｍｍ以下（０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）にするのが好ましいということができる。
【００１８】
この場合、金属枠体は低熱膨張性の金属材料からなり、特に、鉄−ニッケル−コバルト合金（Ｋｏｖａｒ）あるいは鉄−ニッケル合金（Ｉｎｖａｒ）から選択して用いるのが好ましい。また、金属底板は高放熱性の金属材料からなり、特に、Ｗ，ＣｕＷ，ＣｕＭｏ，ＡｌＮから選択して用いるのが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。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はこれらの構成部品を組み立てて形成されたパッケージを示す断面図である。図３はパッケージの排熱効果を検証するための測定系を模式的に示す破断斜視図である。図４は排熱試験により得られたヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への投入電流（Ａ）の関係を示す図である。図５は金属底板の載置部の板厚を変化させた場合の、ヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への投入電流（Ａ）の関係を示す図である。
【００２０】
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、半導体レーザーや熱電モジュール（ＴＥＣ：ＴｈｅｒｍｏＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｅｒ；ペルチェ素子からなる）などの電子部品を載置する金属底板１１と、この金属底板１１に固定される金属枠体１２と、光ファイバーを固定する窓ホルダ１３と、金属枠体１２内を気密に封止する金属蓋体１４と、端子部が形成されたセラミックフィードスルー１５と、セラミックフィードスルー１５の端子部に接続されたリード１６，１６と、シールリング１７とからなる。
【００２１】
金属底板１１は、Ｗ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＡｌＮなどの高熱伝導性を有する金属材料により形成されている。そして、図１に示すように、その上面中央領域には板厚（Ｔ１）が０．５０ｍｍ（Ｔ１＝０．５０ｍｍ）と薄い載置部１１ａと、この載置部１１ａの両端部に配置されて板厚（Ｔ２）が１．５０ｍｍ（Ｔ２＝１．５０ｍｍ）と厚い固定部１１ｂとを有している。これにより、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に段差が形成されることになる。なお、載置部１１ａの表面積は、金属枠体１２の底面の面積と略等しくなるような大きさに形成されている。
【００２２】
金属枠体１２は、板厚が薄い載置部１１ａを囲繞するように金属底板１１上にロウ付けにより固着されている。この場合、載置部１１ａの表面積は金属枠体１２の底面積と略等しく、かつ、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に段差が形成されるので、この段差が金属枠体１２を載置する際のガイドとなる。これにより、金属底板１１上に金属枠体１２が強固に接合される。そして、金属枠体１２の長手方向の一対の側壁上部には一対の切欠部１２ａ，１２ａが設けられており、短辺方向の一側壁には窓ホルダ１３がロウ付けにより固着されている。また、一対の側壁上部に形成された切欠部１２ａ，１２ａ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。
【００２３】
なお、これらのセラミックフィードスルー１５，１５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、セラミックフィードスルー１５，１５の上部には金属枠体１２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、金属底板１１の載置部１１ａ上に熱電モジュール（ＴＥＣ）１８が固定され、このＴＥＣ１８上に半導体レーザーや光学系を配置、固定される。ついで、内部を窒素ガスの雰囲気にした後、最後に金属蓋体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ることとなる。
【００２４】
ここで、金属枠体１２および窓ホルダ１３は、低熱膨張性を有する金属材料により形成されており、鉄−ニッケル−コバルト合金（通称：Ｋｏｖａｒ）あるいは鉄−ニッケル合金（通称：Ｉｎｖａｒ）などから選択して用いている。金属蓋体１４としては、セラミック材からなる板状で四角形状の本体部１４ａと、ＦｅＮｉＣｏ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。
【００２５】
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（Ａｌ_２Ｏ_３）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、金属枠体１２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１７は、ＦｅＮｉＣｏ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。
【００２６】
２．光半導体モジュール用パッケージの製造方法
ついで、上述のような構成となるパッケージ１０の具体的な製造方法を以下に詳細に説明する。まず、タングステン−銅合金（８５Ｗ−１５Ｃｕ）のブロックを機械加工により平板形状に切削するとともに、その上面中央領域を切削して、板厚Ｔ１（この場合はＴ１＝０．５０ｍｍ）が薄い載置部１１ａと、この載置部１１ａの両端部に板厚Ｔ２（この場合はＴ２＝２．００ｍｍ）が厚い固定部１１ｂを形成して金属底板１１とした。この場合、載置部１１ａの表面積は金属枠体１２の底面積と略等しくなるように形成する。ついで、メッキ槽に浸漬して金属底板１１の全面に無電解メッキを施して、金属底板１１の表面に厚みが５μｍのニッケルメッキ層を形成した。
【００２７】
なお、金属底板１１の板厚が厚い固定部１１ｂに開口１１ｃを設けるようにしている。これにより、図２（ｂ）に示すように、この金属底板１１を用いたパッケージ１０を外部部材に固定する場合、開口１１ｃにネジ１９ａを螺着させることにより、外部部材に固定できるようになる。この場合、固定部１１ｂの板厚は厚いので、ネジ止め時に固定部１１ｂが破損することはない。また、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）製で、平面形状が長方形状の枠体の長手側の一対の側壁上部に切削加工により、切欠部１２ａ，１２ａを形成した。また、この枠体の短辺側の側壁に窓ホルダ１３を接合するための開口を形成して金属枠体１２を作製した。一方、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）製の丸棒を旋盤で加工して、所定の貫通孔を形成して窓ホルダ１３を作製した。
【００２８】
また、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）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。得られたグリーンシートを焼結して表面に所定の配線が形成されるようにパターンニングして、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、ＦｅＮｉＣｏ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、ＦｅＮｉＣｏ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。
【００２９】
ついで、上述のように作製した金属底板１１、金属枠体１２、セラミックフィードスルー１５、リード１６およびシールリング１７を、図１に示すような配置構成になるように配置するとともに、これらの間にＭｏＭｎ合金からなるロウ材（図示せず）を配置し、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（Ｎ_２）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。
【００３０】
これにより、金属底板１１と金属枠体１２が接合され、金属枠体１２の切欠部１２ａ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が接合されて、一体化して組立本体が形成されることとなる。この場合、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に段差が形成されいるので、図２（ｃ）に示すように、この段差の周囲にロウ材ｘが回り込んでロウ付けされるようになる。このため、接合部の剛性が向上するので、ロウ付け後の金属底板１１の平面度が向上する。なお、金属枠体１２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ＭｏＭｎ合金以外の他のロウ材を用いるようにしてもよい。
【００３１】
ついで、窓ホルダ１３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１３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（Ｎ_２）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１３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、組立本体の全体、または窓ホルダ１３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１３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。
【００３２】
最後に、上述のようにして作製した組立本体内にペルチェ素子からなる冷却体（ＴＥＣ）１８および図示しない半導体レーザー、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、内部を窒素ガスの雰囲気にした後、組立本体上部に金属蓋体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。
【００３３】
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１０の排熱効果を検証するため、図３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４０（図８（ａ）のパッケージ４０（底板４１の厚みは、Ｔ１＝２．００ｍｍ，Ｔ２＝０．５０ｍｍ）を参照）も用いた。そして、これらのパッケージ１０（４０）の内底面にそれぞれＴＥＣ２０の底面をＰｂＳｎ半田で接合した。また、ＴＥＣ２０の上基板２１上にＴＥＣの冷却温度を調べるための熱電対２２を取り付けた。なお、金属底板１１（４１）の下面はヒートシンク２７に接合した。
【００３４】
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２３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、ＴＥＣ２０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の図示しない電極（パッド）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金属蓋体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。
【００３５】
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、ヒーター２３へ供給する電力を変化させてヒーター２３の発熱量を変化させ、熱電対２２での温度が常に２５℃の一定の温度になるように、ＴＥＣ２０へ電流（ＴＥＣ投入電流（Ａ））を供給すると、下記の表１に示すようなヒータ発熱量に対するＴＥＣ投入電流（Ａ）との関係が得られた。そして、この結果をグラフで表すと図４に示すような結果となった。
【００３６】
【表１】

【００３７】
上記表１および図４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４０でのＴＥＣ投入電流（Ａ）（図４の○印）と、本発明のパッケージ１０でのＴＥＣ投入電流（Ａ）（図４の△印）とを比較すると、本発明のパッケージ１０でのＴＥＣ投入電流（Ａ）が減少していることが分かる。このことは、板厚が薄い載置部（Ｔ１＝０．５０ｍｍ）１１ａと、この載置部１１ａの両端部に板厚が厚い固定部（Ｔ２＝２．００ｍｍ）１１ｂを形成した金属底板１１の排熱効率（放熱効率）が優れていることを意味する。
【００３８】
４．金属底板の載置部の厚みの検討
ついで、金属底板１１の載置部１１ａの厚みＴ１と排熱効率（放熱効率）との関係について検討した。そこで、固定部１１ｂの板厚Ｔ２を２．００ｍｍ（Ｔ２＝２．００ｍｍ）の一定値とし、載置部１１ａの厚みＴ１がそれぞれ０．４０ｍｍ（Ｔ１＝０．４０ｍｍ），０．７５ｍｍ（Ｔ１＝０．７５ｍｍ），１．００ｍｍ（Ｔ１＝１．００ｍｍ），１．２５ｍｍ（Ｔ１＝１．２５ｍｍ），１．５０ｍｍ（Ｔ１＝１．５０ｍｍ）になるように金属底板１１を作製した。
【００３９】
この後、これらの各金属底板１１を用いて上述と同様にパッケージ１０を作製した。ついで、これらの各パッケージ１０を用いて上述と同様にして、図３に示すような測定系を組み付けて排熱試験を行った結果、下記の表２に示すような結果が得られた。そして、こ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。なお、表２および図５の結果には、上述した金属底板１１（Ｔ１＝０．５０ｍｍ，Ｔ２＝２．００ｍｍ），４１（Ｔ１＝２．００ｍｍ，Ｔ２＝０．５０ｍｍ）の結果も示している。
【００４０】
【表２】

【００４１】
上記表２および図５の結果から明らかなように、金属底板１１の載置部１１ａの板厚（Ｔ１）が、２．００ｍｍ→１．５０ｍｍ→１．２５ｍｍ→１．００ｍｍ→０．７５ｍｍ→０．５０ｍｍ→０．４０ｍｍと減少するに伴って、ＴＥＣ投入電流（Ａ）が図５の○印→図５の＋印→図５の×印→図５の◇印→図５の▽印→図５の△印→図５の□印と減少することが分かる。このことは、金属底板１１の載置部１１ａの板厚が薄くなるほど金属底板１１の排熱効率（放熱効率）が向上することを意味する。
【００４２】
しかしながら、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）が０．４０ｍｍよりも小さくなると機械加工が困難になるとともに、破損もし易くなるため、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上（Ｔ１≧０．４０ｍｍ）にするのが望ましい。一方、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）が１．５０ｍｍよりも大きくなると、ＴＥＣ投入電流（Ａ）も大きくなって消費電力が大きくなり、光半導体モジュールの小型化、低消費電力化が困難になる。このため、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）は１．５０ｍｍ以下（Ｔ１≦１．５０ｍｍ）とするのが望ましい。以上のことから、金属底板１１の載置部１１ａの板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上で１．５０ｍｍ以下（０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）にするのが好ましいということができる。
【００４３】
５．金属底板の外底面の平面度の測定
ついで、上述のように固定部１１ｂの板厚Ｔ２を２．００ｍｍ（Ｔ２＝２．００ｍｍ）の一定値とし、載置部１１ａの厚みＴ１がそれぞれ０．４０ｍｍ（Ｔ１＝０．４０ｍｍ），０．７５ｍｍ（Ｔ１＝０．７５ｍｍ），１．００ｍｍ（Ｔ１＝１．００ｍｍ），１．２５ｍｍ（Ｔ１＝１．２５ｍｍ），１．５０ｍｍ（Ｔ１＝１．５０ｍｍ）になるように作製した金属底板１１を用いて、パッケージ１０を作製した。この後、これらのパッケージ１０の底面の平面度、即ち、金属底板１１の外底面の平面度を、非接触型レーザ平面測定装置（ＫＥＹＥＮＣＥ製）を用いて測定すると、下記の表３に示すような結果が得られた。なお、参考のために，載置部４１ｂの厚みＴ１が２．００ｍｍ（Ｔ１＝２．００ｍｍ）で、固定部１１ｂの板厚Ｔ２が０．５０ｍｍ（Ｔ２＝０．５０ｍｍ）の金属底板４１を用いて作製したパッケージ４０の外底面の平面度を測定すると、下記の表３に示すような結果が得られた。
【００４４】
【表３】

【００４５】
上記表３の結果から明らかなように、本発明の金属底板（Ｔ１＜Ｔ２で、０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）１１を用いた熱電モジュール用パッケージ１０の平面度は全て２０μｍ以下で、優れた平面性を有していることが分かる。これに対して、従来例の金属底板（Ｔ２＜Ｔ１で、Ｔ１＝２．００ｍｍ）４１を用いた熱電モジュール用パッケージ４０の平面度は２０μｍ以上で、平面性が劣っていることが分かる。これは、本発明の金属底板（Ｔ１＜Ｔ２で、０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）１１においては、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差が形成されて、この段差が金属枠体１２を金属底板１１上に接合する際のガイドなる。これにより、金属底板１１と金属枠体１２とを強固に接合することが可能となって、パッケージ１０の外底面（金属底板１１の外表面）の平面度が向上した考えられる。この結果、パッケージ１０の外底面にヒートシンク２７を接合した際に、金属底板１１とヒートシンク２７との接触面積が向上して、排熱効率（放熱効率）が向上する。
【００４６】
６．変形例
ついで、上述のようにして作製される熱電モジュール用パッケージ１０の変形例について、図６に基づいて以下に説明する。この場合、図２と同一符号は同一名称を表すので、その詳細な説明は省略する。本変形例においては、載置部１１ａの表面積を金属枠体１２の底面積よりも若干大きくなるように形成した点に特徴がある。これにより、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に形成された段差部と金属枠体１２との間に、図６に示すように、間隙部１９ｂが形成される。この場合、この間隙部１９ｂにロウ材ｙが回り込んでロウ付けされるようになるため、載置部１１ａの大きさを精度良く制御する必要がなくなるので、製造が容易となって、生産性が向上する。
【００４７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の熱電モジュール用パッケージ１０は、金属底板１１は金属枠体１２の底面積と略等しい面積を有する載置部１１ａと、この載置部１１ａの両外側に位置して当該パッケージ１０を外部部材に固定するための固定部１１ｂとを備えている。そして、載置部１１ａの板厚Ｔ１は固定部１１ｂの板厚１１ｂよりも薄く形成されて、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差を有している。このように、載置部１１ａの板厚Ｔ１が固定部１１ｂの板厚Ｔ２よりも薄く形成されていると、載置部１１ａに搭載された熱電モジュール１８で発生した熱を板厚が薄い載置部１１ａを通して、効率よく外部に排熱できるようになる。
【００４８】
また、外部部材に取り付ける際には、固定部１１ｂの板厚Ｔ２が厚いことにより、この板厚が厚い固定部１１ｂが破損することなく取り付けることができる。さらに、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差を有するので、この段差が金属枠体１２を金属底板１１上に接合する際のガイドとなる。このため、金属枠体１２と金属底板１１とを強固に接合することが可能となる。これにより、このパッケージ１０の外底面（金属底板の外表面）の平面度が向上するようになるので、パッケージ１０の外底面にヒートシンク２７を接合した際の接触面積が向上して、排熱効率（放熱効率）が向上する。
【００４９】
なお、上述した実施の形態においては、金属枠体１２および窓ホルダ１３を機械加工により別々の部品として作製した後、これを接合して一体化する例について説明したが、これらの金属枠体と窓ホルダを金属粉末の射出成形（ＭＩＭ：ＭｅｔａｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇ）により、一体的に作製するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【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。
【図２】図１の構成部品を組み立てて形成されたパッケージを示す断面図である。
【図３】パッケージの排熱効果を検証するための測定系を模式的に示す破断斜視図である。
【図４】排熱試験により得られたヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への通電量（Ａ）の関係を示す図である。
【図５】金属底板の載置部の板厚を変化させた場合の、ヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への通電量（Ａ）の関係を示す図である。
【図６】変形例のパッケージを示す断面図である。
【図７】従来例のパッケージを模式的に示す斜視図である。
【図８】他の従来例のパッケージを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０…熱電モジュール用パッケージ、１１ａ…載置部、１１ｂ…固定部、１１ｃ…開口、１２…金属枠体、１２ａ…切欠部、１３…窓ホルダ、１４…金属蓋体、１５…セラミックフィードスルー、１６…リード、１７…シールリング、１８…熱電モジュール（ＴＥＣ）、１９ａ…ネジ、１９ｂ…間隙部、ｘ，ｙ…ロウ材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a metal bottom plate on which an optical semiconductor module having a high-output optical semiconductor element (for example, a semiconductor laser) used for an optical communication device or the like is mounted, a metal frame joined to the metal bottom plate, The present invention relates to a package for an optical semiconductor module including a lid for hermetically sealing a metal frame.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, large-capacity data has been transmitted at high speed through an optical fiber using a broadband optical network technology such as WDM (Wavelength Division Multiplexing) or DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). It became so. The data (information) transmitted by the optical fiber is a signal obtained by modulating a laser beam, which is transmitted from an electronic device called an optical semiconductor module containing a semiconductor laser or the like. This optical semiconductor module is also used in a so-called optical amplifier that amplifies the signal strength at an intermediate point where data (information) is transmitted by an optical fiber.
[0003]
By the way, since the oscillation wavelength of a semiconductor laser used in an optical semiconductor module is greatly affected by temperature, it is indispensable to strictly control the temperature during operation of the semiconductor laser. For this temperature control, a thermoelectric module or a thermoelectric device called an electronic cooler (TEC: Thermo Electric Cooler) having a large number of Peltier elements is usually used. A container for storing electronic components such as a semiconductor laser and a TEC is generally called an optical semiconductor module package and has a structure as shown in FIG.
[0004]
Here, the package 30 shown in FIG. 7 mainly includes a metal bottom plate 32 having a mounting hole 33 to be attached to an external member such as a substrate, and a metal frame 31 fixed to form a housing on the metal bottom plate 32. It is configured. On the metal bottom plate 32, electronic components (not shown) such as a thermoelectric module (or TEC) and a semiconductor laser, or an optical system and the like (not shown) are mounted. The metal frame 31 is provided with a window frame 34 to which an optical fiber is attached. A ceramic terminal 36 is attached to a notch 35 provided on a pair of side surfaces of the metal frame 31. An input / output lead 37 is connected. Then, after the inside of the package 30 is set to an atmosphere of nitrogen gas, a metal lid (not shown) is hermetically sealed on the upper side of the metal frame 31 via a seal ring 38 to form the package 30. It will be.
[0005]
Here, since the metal frame 31 desirably has a coefficient of thermal expansion close to that of the ceramic terminal 36, the material may be iron / nickel / cobalt called iron / nickel (FeNi) alloy or Kovar. (FeNiCo) alloy is used. Further, since the metal bottom plate 32 needs to quickly dissipate the heat generated by the semiconductor laser device, copper (Cu) or a copper-tungsten (CuW) alloy is used as the material. The metal frame 31 and the metal bottom plate 32 are joined with a brazing material. The package 30 including the metal frame 31 and the metal bottom plate 32 is attached to an external member with screws via attachment holes 33 formed at both ends of the metal bottom plate 32.
[0006]
By the way, in the package 30 in which the metal frame 31 and the metal bottom plate 32 are formed of different metal materials, since the two have different coefficients of thermal expansion, distortion occurs when brazing and joining, and the metal bottom plate 32 is warped. appear. An optical fiber is fixed to the metal frame 31 of the package 30 in which the metal bottom plate 32 is warped, and a semiconductor laser device is mounted on the metal bottom plate 32. Thereafter, when the package 30 is mounted and fixed to an external member by tightening screws via mounting holes 33 formed at both ends of the metal bottom plate 32, the tightening force of the screws is transmitted to the entire metal bottom plate 32, and the metal bottom plate 32 is deformed. Warpage occurs.
[0007]
Due to this warpage, a shift occurs in the fixed position of the semiconductor laser device, and there is a problem that a shift in the optical axis occurs between the semiconductor laser device and the optical fiber. This displacement of the optical axis causes a reduction in the optical coupling efficiency between the semiconductor laser device and the optical fiber. Therefore, a package for a semiconductor laser device has been proposed in which the metal bottom plate is not deformed when attached to an external member, so that the optical axis does not shift between the semiconductor laser device and the optical fiber. . (See, for example, Patent Documents 1 and 2)
[Patent Document 1]
JP-A-6-314747
[Patent Document 2]
JP-A-9-298248 (see paragraph 0004)
[0008]
In the semiconductor laser device package 40 proposed in Patent Document 1, as shown in FIG. 8A, a metal bottom plate 41 has an optical semiconductor (not shown) in the center region of the upper surface via a thermoelectric module (TEC) 43. It has a mounting portion 41a for mounting the element, and the TEC 43 is bonded and fixed on the mounting portion 41a via an adhesive. Further, a metal frame 42 having a pair of insulating terminal members 44 and a fixing member 45 for fixing an optical fiber attached to the side surface so as to surround a central region of the upper surface of the metal bottom plate 41 is secured via a brazing material such as silver brazing. Is being worn.
[0009]
The metal bottom plate 41 is provided with screw portions 41b at both end regions, and the package 40 to which the optical semiconductor element is fixed is fixed to the external member by screwing the screw portions 41b to the external member. become. The thickness (T2) of both end regions of the metal bottom plate 41 is 1.0 ≧ T2 ≧ 0.3 (mm), and the thickness (T1) of the central region is T1 ≧ 2T2. A step is formed at the boundary between 41a and the screwing portion 41b in both end regions.
[0010]
This is because when the screwed portion 41b is screwed to the external member, the warpage generated due to the difference in the thermal expansion coefficient between the metal bottom plate 41 and the metal frame 42 is corrected, and the stress accompanying the warp correction of the metal bottom plate 41 is corrected. Is to prevent transmission to the mounting portion 41a in the central area where the optical semiconductor element is fixed. Thus, the fixing position of the optical semiconductor element fixed to the mounting portion 41a in the central region of the metal bottom plate 41 is always constant, and the optical semiconductor element and the optical fiber fixing member 45 provided on the side surface of the metal frame 42 are fixed. Optical fiber can be matched.
[0011]
Further, in the semiconductor laser device package 50 proposed in Patent Document 2, as shown in FIG. 8B, the thickness of the screw portion 51b provided with the screw hole of the metal bottom plate 51 is changed to the metal frame 51. The metal bottom plate 51a in the metal frame 52 is not deformed. Further, in order to meet the demand for a thinner outer shape of the package 50, the thickness of the mounting portion 51c is made smaller than that of the other portion 51a so that the entire height in the optical semiconductor element package 50 is suppressed. I have to. In the package 50, an optical semiconductor element (not shown) is provided on the mounting portion 51c via a thermoelectric module (TEC) 53. Then, a metal frame 52 having a pair of insulating terminal members 54 and a fixing member 55 for fixing an optical fiber is attached to the side surface so as to surround the central region of the upper surface of the metal bottom plate 51 via a brazing material such as silver brazing. Is being worn.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the metal bottom plate 41 shown in FIG. 8A, the mounting portion 41 a for mounting an optical semiconductor element (not shown) via the thermoelectric module (TEC) 43 has a large plate thickness. There is a problem that heat radiation efficiency is reduced. Further, in the metal bottom plate 51 shown in FIG. 8B, since only the mounting portion 51c is thinner than the other portion 51a, the mounting portion 51c is likely to be warped, and the thermoelectric module There was a problem that the contact area with the (TEC) 53 was reduced, and as a result, the heat radiation characteristics were reduced.
[0013]
In the

metal bottom plates

41 and 51 shown in FIGS. 8A and 8B, since the screw thicknesses of the screwing

portions

41b and 51b disposed at both ends of the

metal bottom plates

41 and 51 are thin, screws are not used. There is a problem that the screwing

portions

41b and 51b are easily damaged when screwed. Further, in the metal bottom plate 51 shown in FIG. 8B, the mounting portion 51c having a small thickness is formed by cutting the metal bottom plate 51 made of a CuW alloy, but the CuW alloy is difficult to machine. There is also a problem that the cost is very high due to the use of the alloy.
[0014]
Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and improves the heat dissipation of the metal bottom plate and eliminates warpage, thereby efficiently discharging the heat generated by the thermoelectric module to the outside. It can be so. Accordingly, it is an object to provide an optical semiconductor module package in which the power consumption of the thermoelectric module is reduced.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a package for an optical semiconductor module according to the present invention is characterized in that the metal bottom plate has a mounting portion having an area substantially equal to the bottom area of the metal frame, and the package is located on both outer sides of the mounting portion. And a fixing portion for fixing the mounting portion to an external member, and the thickness of the mounting portion is formed to be thinner than the thickness of the fixing portion, and has a step at the boundary between the mounting portion and the fixing portion. Features. As described above, when the thickness of the mounting portion is formed to be smaller than the thickness of the fixed portion, the heat generated by the thermoelectric module mounted on the mounting portion can be efficiently passed through the mounting portion having a small thickness. Heat can be discharged to the outside.
[0016]
Further, when the fixing portion is attached to the external member, since the fixing portion has a large thickness, the fixing portion having the large thickness can be attached without being damaged. Further, since there is a step at the boundary between the mounting portion and the fixing portion, the step serves as a guide when the metal frame is joined to the metal bottom plate. For this reason, it is possible to firmly join the metal frame and the metal bottom plate. As a result, the flatness of the outer bottom surface of the package (the outer surface of the metal bottom plate) is improved, so that the contact area when a heat sink is joined to the outer bottom surface of the package is improved, and the heat dissipation efficiency (radiation efficiency) is improved. Is improved.
[0017]
Here, if the plate thickness (T1) of the mounting portion is smaller than 0.40 mm, machining becomes difficult and breakage is easily caused. Therefore, the plate thickness (T1) of the mounting portion is 0.40 mm or more (T1 ≧ 0.40 mm). On the other hand, when the plate thickness (T1) of the mounting portion is larger than 1.50 mm, the power consumption of the thermoelectric module increases, and it is difficult to reduce the size and the power consumption of the optical semiconductor module. For this reason, it is desirable that the plate thickness (T1) of the mounting portion be 1.50 mm or less (T1 ≦ 1.50 mm). From the above, it can be said that it is preferable that the thickness (T1) of the mounting portion of the metal bottom plate be 0.40 mm or more and 1.50 mm or less (0.40 mm ≦ T1 ≦ 1.50 mm).
[0018]
In this case, the metal frame is made of a metal material having low thermal expansion, and it is particularly preferable to use a metal frame selected from an iron-nickel-cobalt alloy (Kovar) or an iron-nickel alloy (Invar). Further, the metal bottom plate is made of a metal material having high heat radiation, and it is particularly preferable to use W, CuW, CuMo, or AlN.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. However, the present invention is not limited to this embodiment at all, and may be appropriately changed within a range that does not change the object of the present invention. It is possible to implement. FIG. 1 is an exploded perspective view showing components used in the package of the present embodiment, and FIG. 2 is a sectional view showing a package formed by assembling these components. FIG. 3 is a cutaway perspective view schematically showing a measurement system for verifying the heat exhausting effect of the package. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the heating value of the heater and the current (A) applied to the thermoelectric module (TEC) obtained by the exhaust heat test. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the heating value of the heater and the current (A) applied to the thermoelectric module (TEC) when the thickness of the mounting portion of the metal bottom plate is changed.
[0020]
1. Package for optical semiconductor module
The components forming the package 10 of the present invention are a metal bottom plate 11 on which electronic components such as a semiconductor laser and a thermoelectric module (TEC: Thermo Electric Cooler; composed of a Peltier element) are mounted, and are fixed to the metal bottom plate 11. A metal frame 12, a window holder 13 for fixing an optical fiber, a metal lid 14 for hermetically sealing the inside of the metal frame 12, a ceramic feedthrough 15 having a terminal portion formed thereon, and terminals of the ceramic feedthrough 15 And a seal ring 17 connected to the parts.
[0021]
The metal bottom plate 11 is formed of a metal material having high thermal conductivity such as W, CuW alloy, CuMo alloy, and AlN. Then, as shown in FIG. 1, a mounting portion 11a having a thin plate thickness (T1) of 0.50 mm (T1 = 0.50 mm) is arranged in the center region of the upper surface, and disposed at both ends of the mounting portion 11a. The fixing portion 11b has a plate thickness (T2) of 1.50 mm (T2 = 1.50 mm) and a large thickness. As a result, a step is formed at the boundary between the mounting portion 11a and the fixing portion 11b. In addition, the surface area of the mounting portion 11 a is formed to have a size substantially equal to the area of the bottom surface of the metal frame 12.
[0022]
The metal frame 12 is fixed on the metal bottom plate 11 by brazing so as to surround the mounting portion 11a having a small thickness. In this case, the surface area of the mounting portion 11a is substantially equal to the bottom area of the metal frame 12, and a step is formed at the boundary between the mounting portion 11a and the fixing portion 11b. It serves as a guide when placing. Thereby, the metal frame 12 is firmly joined to the metal bottom plate 11. A pair of

cutouts

12a, 12a are provided above a pair of longitudinal side walls of the metal frame 12, and a window holder 13 is fixed to one side wall in the short side direction by brazing.

Ceramic feedthroughs

15, 15 are fixed to the

cutouts

12a, 12a formed on the upper portions of the pair of side walls by brazing.
[0023]
A pair of

leads

16, 16 are fixed on the

ceramic feedthroughs

15, 15 by brazing. A seal ring 17 that covers the metal frame 12 is fixed to the upper portions of the ceramic feedthroughs 15 by brazing. Then, a thermoelectric module (TEC) 18 is fixed on the mounting portion 11a of the metal bottom plate 11, and a semiconductor laser and an optical system are arranged and fixed on the TEC 18. Then, after the inside is made to be in an atmosphere of nitrogen gas, finally, the metal cover 14 is fixed by electric welding, so that the package 10 is formed and the optical semiconductor module is also formed.
[0024]
Here, the metal frame 12 and the window holder 13 are formed of a metal material having a low thermal expansion property, and are selected from an iron-nickel-cobalt alloy (commonly known as Kovar) or an iron-nickel alloy (commonly known as Invar). Used. As the metal lid 14, a plate-shaped and rectangular main body portion 14a made of a ceramic material and a rectangular ring member 14b made of an FeNiCo alloy (commonly called Kovar) having an opening are integrated by brazing. Is used.
[0025]
The ceramic feedthrough 15 is formed of a ceramic material having a predetermined wiring. For example, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) And a binder are formed into a predetermined shape, and are formed by 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 metal frame 12, and a metal lead 16 may be insulated and sealed in the hole with glass or the like. Further, the lead 16 and the seal ring 17 are formed of a FeNiCo alloy (commonly called Kovar) or a copper alloy.
[0026]
2. Method for manufacturing package for optical semiconductor module
Next, a specific method for manufacturing the package 10 having the above-described configuration will be described in detail below. First, a block of a tungsten-copper alloy (85W-15Cu) is cut into a flat plate shape by machining, and a central region of the upper surface thereof is cut so that the plate thickness T1 (T1 = 0.50 mm in this case) is mounted. The metal bottom plate 11 is formed by forming a portion 11a and a fixing portion 11b having a large plate thickness T2 (T2 = 2.00 mm in this case) at both ends of the mounting portion 11a. In this case, the surface area of the mounting portion 11 a is formed so as to be substantially equal to the bottom area of the metal frame 12. Next, the metal bottom plate 11 was immersed in a plating bath to perform electroless plating on the entire surface of the metal bottom plate 11 to form a nickel plating layer having a thickness of 5 μm on the surface of the metal bottom plate 11.
[0027]
An opening 11c is provided in the fixing portion 11b of the metal bottom plate 11 having a large thickness. Thereby, as shown in FIG. 2B, when the package 10 using the metal bottom plate 11 is fixed to an external member, the package 19 can be fixed to the external member by screwing the screw 19a into the opening 11c. . In this case, since the plate thickness of the fixing portion 11b is large, the fixing portion 11b is not damaged at the time of screwing.

Notches

12a, 12a were formed by cutting an upper portion of a pair of side walls on the longitudinal side of a rectangular frame body made of an FeNiCo alloy (commonly called Kovar). Further, an opening for joining the window holder 13 was formed on the short side wall of the frame, and the metal frame 12 was manufactured. On the other hand, a round bar made of an FeNiCo alloy (commonly known as Kovar) was processed by a lathe to form a predetermined through-hole, and the window holder 13 was manufactured.
[0028]
In addition, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) And a binder were injection-molded to form a green sheet. The obtained green sheet was sintered and patterned so as to form a predetermined wiring on the surface, thereby producing a ceramic feedthrough 15 having a shape as shown in FIG. Further, a roll 16 made of a FeNiCo alloy (commonly known as Kovar) was processed into a predetermined shape by chemical etching to produce a lead 16. Further, a rolled plate made of an FeNiCo alloy (commonly known as Kovar) was processed into a predetermined shape by chemical etching to produce a seal ring 17.
[0029]
Next, the metal bottom plate 11, the metal frame 12, the ceramic feedthrough 15, the lead 16, and the seal ring 17 manufactured as described above are arranged so as to have the arrangement shown in FIG. A brazing material (not shown) made of a MoMn alloy was placed and placed on a jig made of carbon or alumina. Next, this jig was treated with 40% hydrogen (H ₂ ) Containing nitrogen (N ₂ ) In a reflow furnace in a gas atmosphere, the substrate was placed on a belt having a moving speed of 30 mm / min, and subjected to heat treatment under reflow conditions (heating profile) such that the maximum temperature was 900 ° C. for 20 minutes.
[0030]
Thereby, the metal bottom plate 11 and the metal frame 12 are joined, the notch 12a of the metal frame 12 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 are joined. 17 are joined together to form an assembled body. In this case, since a step is formed at the boundary between the mounting portion 11a and the fixing portion 11b, as shown in FIG. 2C, the brazing material x is wrapped around the step and brazed. Become. Therefore, the rigidity of the joint is improved, and the flatness of the metal bottom plate 11 after brazing is improved. The metal frame 12 may be partially or entirely plated. Thereby, a part of the electrode terminals of the ceramic feedthrough 15 can be grounded. As the brazing material, a brazing material other than the above-described MoMn alloy may be used.
[0031]
Then, in order to seal a glass window or an alumina window to the window holder 13, a low-melting glass and a window were set in the window holder 13 and joined in a reflow furnace. The bonding conditions were 100% nitrogen (N ₂ ) In a reflow furnace in a gas atmosphere, the substrate was placed on a belt having a moving speed of 100 mm / min, and heat-treated under a reflow condition (temperature rising profile) such that the maximum temperature was 500 ° C. for 10 minutes. As a result, the glass window or the alumina window is sealed to the window holder 13.
If gold plating is applied to the entire assembly body or to the window holder 13, the glass window or the alumina window can be joined to the window holder 13 using AuSn solder which is generally used. . In this case, it is necessary to preliminarily apply a gold metallizing process to the glass window or the alumina window at the joint.
[0032]
Finally, a cooling body (TEC) 18 composed of a Peltier element and a laser device composed of a semiconductor laser, a lens system, and the like (not shown) are fixed in the assembled main body manufactured as described above. Thereafter, the optical axis of the lens is adjusted, and the inside of the lens is set to an atmosphere of nitrogen gas. Then, the metal cover 14 is disposed on the upper part of the assembly main body, and these are electrically welded to form the package 10, and A semiconductor module is formed.
[0033]
3. Exhaust heat test of package
Next, in order to verify the heat dissipation effect of the package 10 manufactured as described above, a measurement system as shown in FIG. 3 was assembled and a heat dissipation test was performed as follows. For comparison, a conventional package 40 (see the package 40 of FIG. 8A (the thickness of the bottom plate 41 is T1 = 2.00 mm, T2 = 0.50 mm)) was also used. Then, the bottom surfaces of the TECs 20 were joined to the inner bottom surfaces of these packages 10 (40) by PbSn solder. Further, a thermocouple 22 for examining the cooling temperature of the TEC was mounted on the upper substrate 21 of the TEC 20. The lower surface of the metal bottom plate 11 (41) was joined to the heat sink 27.
[0034]
Then, instead of the semiconductor laser, a heater 23 having a heating value (400 mW) equivalent to that of the semiconductor laser was used as a heat source. A wire 24 for supplying power to the heater 23, a wire 25 for supplying power to the TEC 20, and a wire 26 for supplying power to the thermocouple 22 are connected to electrodes (pads) (not shown) of the ceramic feedthrough 15. did. Next, the metal lid 14 was electrically welded in a nitrogen atmosphere in the same manner as in a normal package. Next, the measuring system thus configured was set in an oven (not shown) controlled at 70 ° C.
[0035]
Since the 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 state. ing. Next, the electric power supplied to the heater 23 is changed to change the calorific value of the heater 23, and the current (the TEC input current (A)) is supplied to the TEC 20 so that the temperature in the thermocouple 22 always becomes a constant temperature of 25 ° C. ), The relationship between the heater heating value and the TEC input current (A) as shown in Table 1 below was obtained. Then, when this result was represented by a graph, the result was as shown in FIG.
[0036]
[Table 1]

[0037]
As is clear from the results of Table 1 and FIG. 4, when the measurement system is heated to 70 ° C. (that is, when the environmental temperature is 70 ° C.), the TEC input current (A) in the conventional package 40 is measured. When the TEC input current (A) in the package 10 of the present invention (marked by ○ in FIG. 4) and the TEC input current (A) in the package 10 of the present invention are compared, the TEC input current (A) in the package 10 of the present invention decreases. You can see that. This means that the metal bottom plate 11 having a thin mounting portion (T1 = 0.50 mm) 11a and fixed portions (T2 = 2.00 mm) 11b having thick mounting portions at both ends of the mounting portion 11a. Means that the exhaust heat efficiency (radiation efficiency) is excellent.
[0038]
4. Examination of the thickness of the mounting part of the metal bottom plate
Next, the relationship between the thickness T1 of the mounting portion 11a of the metal bottom plate 11 and the heat dissipation efficiency (heat dissipation efficiency) was examined. Therefore, the plate thickness T2 of the fixed portion 11b is set to a constant value of 2.00 mm (T2 = 2.00 mm), and the thickness T1 of the mounting portion 11a is 0.40 mm (T1 = 0.40 mm) and 0.75 mm (T1 = 0.75 mm), 1.00 mm (T1 = 1.00 mm), 1.25 mm (T1 = 1.25 mm), and 1.50 mm (T1 = 1.50 mm).
[0039]
Thereafter, the package 10 was manufactured using the respective metal bottom plates 11 in the same manner as described above. Next, using each of the packages 10, a measurement system as shown in FIG. 3 was assembled and a heat exhaustion test was performed in the same manner as described above. As a result, the results shown in Table 2 below were obtained. Then, when this result was represented by a graph, the result was as shown in FIG. The results of Table 2 and FIG. 5 also show the results of the above-described metal bottom plates 11 (T1 = 0.50 mm, T2 = 2.00 mm) and 41 (T1 = 2.00 mm, T2 = 0.50 mm). I have.
[0040]
[Table 2]

[0041]
As is clear from the results of Table 2 and FIG. 5, the thickness (T1) of the mounting portion 11a of the metal bottom plate 11 is 2.00 mm → 1.50 mm → 1.25 mm → 1.00 mm → 0.75 mm → As the TEC input current (A) decreases from 0.50 mm to 0.40 mm, the TEC input current (A) changes as shown by ○ in FIG. 5 → + in FIG. 5 → X in FIG. 5 → ◇ in FIG. 5 → ▽ in FIG. → △ in FIG. 5 → □ in FIG. 5 This means that the heat dissipation efficiency (radiation efficiency) of the metal bottom plate 11 improves as the thickness of the mounting portion 11a of the metal bottom plate 11 decreases.
[0042]
However, if the plate thickness (T1) of the mounting portion 11a is smaller than 0.40 mm, machining becomes difficult and breakage easily occurs. Therefore, the plate thickness (T1) of the mounting portion 11a is 0.40 mm or more ( T1 ≧ 0.40 mm). On the other hand, when the plate thickness (T1) of the mounting portion 11a is larger than 1.50 mm, the TEC input current (A) is also increased and the power consumption is increased, and it is difficult to reduce the size and the power consumption of the optical semiconductor module. become. For this reason, it is desirable that the plate thickness (T1) of the mounting portion 11a be 1.50 mm or less (T1 ≦ 1.50 mm). From the above, it can be said that it is preferable that the thickness (T1) of the mounting portion 11a of the metal bottom plate 11 be 0.40 mm or more and 1.50 mm or less (0.40 mm ≦ T1 ≦ 1.50 mm).
[0043]
5. Measurement of flatness of outer bottom of metal bottom plate
Next, as described above, the plate thickness T2 of the fixing portion 11b is set to a constant value of 2.00 mm (T2 = 2.00 mm), and the thickness T1 of the mounting portion 11a is set to 0.40 mm (T1 = 0.40 mm) and 0, respectively. Metal bottom plate manufactured to be 0.75 mm (T1 = 0.75 mm), 1.00 mm (T1 = 1.00 mm), 1.25 mm (T1 = 1.25 mm), 1.50 mm (T1 = 1.50 mm) The package 10 was manufactured by using the package 11. Thereafter, when the flatness of the bottom surface of these packages 10, that is, the flatness of the outer bottom surface of the metal bottom plate 11 is measured using a non-contact type laser flat surface measuring device (manufactured by KEYENCE), as shown in Table 3 below. Results were obtained. For reference, a metal bottom plate 41 having a thickness T1 of the mounting portion 41b of 2.00 mm (T1 = 2.00 mm) and a thickness T2 of the fixing portion 11b of 0.50 mm (T2 = 0.50 mm) is used. When the flatness of the outer bottom surface of the package 40 manufactured was measured, the results as shown in Table 3 below were obtained.
[0044]
[Table 3]

[0045]
As is clear from the results in Table 3, the flatness of the thermoelectric module package 10 using the metal bottom plate (0.40 mm ≦ T1 ≦ 1.50 mm where T1 <T2) 11 of the present invention is all 20 μm or less. It turns out that it has excellent flatness. On the other hand, it can be seen that the flatness of the thermoelectric module package 40 using the conventional metal bottom plate (T2 <T1, T1 = 2.00 mm) 41 is 20 μm or more, and the flatness is poor. This is because, in the metal bottom plate 11 of the present invention (T1 <T2, 0.40 mm ≦ T1 ≦ 1.50 mm) 11, a step is formed at the boundary between the mounting portion 11a and the fixing portion 11b. It serves as a guide when joining the frame 12 on the metal bottom plate 11. Thus, the metal bottom plate 11 and the metal frame 12 can be firmly joined together, and the flatness of the outer bottom surface of the package 10 (the outer surface of the metal bottom plate 11) is considered to be improved. As a result, when the heat sink 27 is joined to the outer bottom surface of the package 10, the contact area between the metal bottom plate 11 and the heat sink 27 is improved, and the heat dissipation efficiency (heat dissipation efficiency) is improved.
[0046]
6. Modified example
Next, a modified example of the thermoelectric module package 10 manufactured as described above will be described below with reference to FIG. In this case, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same names, and a detailed description thereof will be omitted. This modification is characterized in that the surface area of the mounting portion 11 a is formed to be slightly larger than the bottom area of the metal frame 12. As a result, as shown in FIG. 6, a gap 19b is formed between the metal frame 12 and the step formed at the boundary between the mounting portion 11a and the fixing portion 11b. In this case, since the brazing material y wraps around the gap portion 19b and is brazed, it is not necessary to control the size of the mounting portion 11a with high accuracy, so that the production becomes easy and the productivity is improved. Is improved.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, in the thermoelectric module package 10 of the present invention, the metal bottom plate 11 has the mounting portion 11a having an area substantially equal to the bottom area of the metal frame 12, and is positioned on both outer sides of the mounting portion 11a. A fixing portion 11b for fixing the package 10 to an external member. The thickness T1 of the mounting portion 11a is smaller than the thickness 11b of the fixing portion 11b, and has a step at the boundary between the mounting portion 11a and the fixing portion 11b. As described above, when the plate thickness T1 of the mounting portion 11a is formed to be smaller than the plate thickness T2 of the fixing portion 11b, the heat generated by the thermoelectric module 18 mounted on the mounting portion 11a is transferred to a thin mounting plate. Through the mounting portion 11a, heat can be efficiently exhausted to the outside.
[0048]
In addition, when the fixing portion 11b is attached to the external member, the fixing portion 11b can be attached without being damaged because the plate thickness T2 of the fixing portion 11b is large. Furthermore, since there is a step at the boundary between the mounting portion 11a and the fixing portion 11b, the step serves as a guide when the metal frame 12 is joined to the metal bottom plate 11. Therefore, the metal frame 12 and the metal bottom plate 11 can be firmly joined. As a result, the flatness of the outer bottom surface (outer surface of the metal bottom plate) of the package 10 is improved, so that the contact area when the heat sink 27 is joined to the outer bottom surface of the package 10 is improved, and the heat dissipation efficiency ( Heat dissipation efficiency) is improved.
[0049]
Note that, in the above-described embodiment, an example has been described in which the metal frame 12 and the window holder 13 are manufactured as separate parts by machining and then joined and integrated. The window holder may be integrally formed by injection molding of metal powder (MIM: Metal Injection Molding).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing components used in a package of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a package formed by assembling the components of FIG. 1;
FIG. 3 is a cutaway perspective view schematically showing a measurement system for verifying the heat exhaust effect of the package.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a heating value of a heater obtained by an exhaust heat test and an amount of electricity (A) supplied to a thermoelectric module (TEC).
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a heating value of a heater and an amount of electricity (A) to a thermoelectric module (TEC) when a thickness of a mounting portion of a metal bottom plate is changed.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a package according to a modified example.
FIG. 7 is a perspective view schematically showing a conventional package.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing another conventional package.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Package for thermoelectric modules, 11a ... Mounting part, 11b ... Fixed part, 11c ... Opening, 12 ... Metal frame, 12a ... Notch, 13 ... Window holder, 14 ... Metal lid, 15 ... Ceramic feedthrough, Reference numeral 16: lead, 17: seal ring, 18: thermoelectric module (TEC), 19a: screw, 19b: gap, x, y: brazing material

Claims

An optical semiconductor module package including a metal bottom plate on which an optical semiconductor module having an optical semiconductor element is mounted, a metal frame joined to the metal bottom plate, and a lid for hermetically sealing the metal frame. So,
The metal bottom plate includes a mounting portion having an area substantially equal to the bottom area of the metal frame, and a fixing portion for fixing the package to an external member located on both outer sides of the mounting portion,
The package for an optical semiconductor module, wherein the thickness of the mounting portion is smaller than the thickness of the fixing portion, and the mounting portion has a step at a boundary between the mounting portion and the fixing portion.

When the thickness of the mounting portion is T1 (mm) and the thickness of the fixing portion is T2 (mm), the relationship of T1 <T2 is satisfied, and the relationship of 0.40 mm ≦ T1 ≦ 1.50 mm is satisfied. The package for an optical semiconductor module according to claim 1, wherein the package is provided.

3. The optical semiconductor module package according to claim 1, wherein the metal frame is made of a metal material having low thermal expansion, and the metal bottom plate is made of a metal material having high heat dissipation.

The optical semiconductor module package according to claim 3, wherein the low thermal expansion metal material is made of an iron-nickel-cobalt alloy (Kovar) or an iron-nickel alloy (Invar).

4. The package for an optical semiconductor module according to claim 3, wherein the metal material having high heat dissipation is made of W, CuW, CuMo, or AlN.