JP2004303750A - 熱電装置用パッケージおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型のステム型の熱電装置用パッケージを用いても、熱電モジュールの冷却面に直接、半導体レーザなどの半導体素子を接合できるようにして、小型で、冷却効率に優れ、かつ組立が簡単容易な熱電装置用パッケージを提供する。
【解決手段】本発明の熱電装置用パッケージ１０は、半導体レーザ１４などの半導体素子を載置、固定して半導体素子を冷却する熱電モジュール１３と、熱電モジュール１３を載置、固定する絶縁基板１２と、絶縁基板１２を固定、保持する基台１１とを備えるとともに、絶縁基板１２が基台１１上に垂直に保持されるようにしている。これにより、半導体レーザ１４などの半導体素子から発生された熱は熱電モジュール１３により効率よく冷却され、かつ絶縁基板１２から基台１１を通して外部に排熱されることとなる。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の熱電装置用パッケージ１０は、半導体レーザ１４などの半導体素子を載置、固定して半導体素子を冷却する熱電モジュール１３と、熱電モジュール１３を載置、固定する絶縁基板１２と、絶縁基板１２を固定、保持する基台１１とを備えるとともに、絶縁基板１２が基台１１上に垂直に保持されるようにしている。これにより、半導体レーザ１４などの半導体素子から発生された熱は熱電モジュール１３により効率よく冷却され、かつ絶縁基板１２から基台１１を通して外部に排熱されることとなる。
【選択図】 図１
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される高出力の半導体素子（例えば、半導体レーザ）と、この半導体素子を冷却する熱電モジュールを保持する熱電装置用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、波長を多重化して送信する方式（ＷＤＭ）の開発、実用化が進んでいる。この方式では、複数の波長の光が１つの光ファイバ内に存在するため、１つの光源の波長を±０．１ｎｍにおさえる必要がある。このような光通信のレーザ光源としては半導体レーザが用いられ、この半導体レーザとレンズ等をパッケージ内に一体的に収容して半導体レーザモジュールを構成し、この半導体レーザモジュールを光ファイバに結合するようになされている。
【０００３】
このような半導体レーザモジュールにおいては、半導体レーザはその雰囲気温度が変化すると波長が変化するため、光ファイバと結合する半導体レーザモジュールの構成体内に、多数のペルチェ素子を搭載した電子クーラー（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）と呼ばれる熱電モジュールを備えて、半導体レーザの温度を制御している。このような半導体レーザーモジュールにおいては、例えば、特許文献１（特開平７−１３１１０６号公報）に示されるようなステムを用いたパッケージが知られている。
【０００４】
ところで、特開平７−１３１１０６号公報にて提案されたステムを用いたパッケージにおいては、半導体レーザを保持する固定具をステムに取り付け、このステムに金属部材が接合され、この金属部材に電子冷却素子の冷却面が接合されるようになされている。これにより、半導体レーザにて発生した熱は固定具からステムを介して半導体レーザに流れるようになる。そして、パッケージのキャップの円板状の面に、光学系を収容したホルダが固定され、半導体レーザから射出された光が光ファイバに光学結合するようになされている。
【特許文献１】
特開平７−１３１１０６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の特開平７−１３１１０６号公報に提案された光半導体モジュールにおいては、半導体レーザは固定具、ステムおよび金属部材を介して電子冷却素子（熱電モジュール）の冷却面に接合される構造となっている。このため、半導体レーザが直接、電子冷却素子の冷却面に半導体レーザが接合されるような構造とはなっていない。この結果、この種の光半導体モジュールは、冷却効率が悪く、電子冷却素子の消費電力が増大するという問題を生じた。
【０００６】
そこで、本発明者は先に、特願２００２−１２３５７８号において、熱電モジュールの冷却面に直接、半導体レーザが接合される構成となっている熱電装置用パッケージを提案した。この熱電装置用パッケージにおいては、半導体レーザや熱電モジュール（電子冷却素子）に電気接続するための複数の内部電極と、外部回路に電気接続するための複数の外部電極と、内部電極と外部電極とを接続する配線をパッケージを構成するベース部材に備えるようにしている。このため、部品点数を削減することを可能になる。
【０００７】
しかしながら、特願２００２−１２３５７８号にて提案した熱電装置用パッケージにおいては、バタフライ型の熱電装置用パッケージであるため、小型化が困難で、このようなパッケージを用いた光半導体モジュールが大型になるという問題があった。
【０００８】
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、小型のステム型の熱電装置用パッケージを用いても、熱電モジュールの冷却面に直接、半導体レーザなどの半導体素子を接合できるようにして、小型で、冷却効率に優れ、かつ組立が簡単容易な熱電装置用パッケージを提供できるようにすることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の熱電装置用パッケージは、半導体レーザなどの半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールと、この熱電モジュールを載置、固定する絶縁基板と、この絶縁基板を固定、保持する基台とを備えるとともに、絶縁基板が基台上に垂直に固定されるようにしている。このように、半導体素子を載置、固定して半導体素子を冷却する熱電モジュールを絶縁基板に載置、固定され、この絶縁基板が基台上に垂直に保持されていると、半導体レーザなどの半導体素子から発生された熱は熱電モジュールにより効率よく冷却され、かつ絶縁基板から基台を通して外部に排熱されることとなる。
【００１０】
この場合、絶縁基板が基台に形成された開口内に嵌め込まれて固定されるようにすると、絶縁基板の取り付けが容易になる。そして、基台を貫通する貫通孔を開口とし、さらにこの貫通孔内を貫通して絶縁基板が嵌め込み固定されるようにすると、絶縁基板を基台に強固に固定することが可能となる。また、絶縁基板を多層絶縁基板から構成し、この多層絶縁基板中に内部電極および外部電極に接続される複数の配線を埋設して備えるようにすると、基台にリード線を取り付ける必要がなくなる。これにより、電極と熱電モジュールとの接続作業、あるいは電極と半導体素子との接続作業が容易になる。
【００１１】
このような熱電装置用パッケージを製造する場合、熱電モジュールを接続固定するための金属層が形成された絶縁基板を基台上に垂直に固定する絶縁基板固定工程と、絶縁基板の金属層上に半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールを接続固定する熱電モジュール接続工程とを備えるようにすればよい。あるいは、半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールを絶縁基板の金属層上に接続固定する熱電モジュール接続工程と、熱電モジュールが接続固定された絶縁基板を基台上に垂直に固定する絶縁基板固定工程とを備えるようにしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の熱電装置用パッケージを光半導体モジュールに適用した場合の実施の形態を図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は第１実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図１（ａ）はその全体構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面の要部を拡大して示す断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。また、図２は図１の熱電装置用パッケージにキャップ（カバー）を装着して一部破断した状態の光半導体モジュールを示す側面図である。
【００１３】
また、図３は第２実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図３（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。また、図４はこれらの変形例の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図４（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。さらに、図５は熱電装置用パッケージの放熱（排熱）試験の状態を示す断面図である。
【００１４】
１．第１実施形態
（第１実施形態の熱電装置用パッケージ）
本第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０は、図１に示すように、半導体レーザ（ＬＤ）１４やフォトダイオード（ＰＤ）１５やサーミスターなどの半導体素子を載置、固定する絶縁基板１２を固定、保持する基台（キャリヤベース）１１を備えている。このキャリヤベース１１は、第１段で底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部１１ａと、第２段で後述するキャップ部材１７（図２参照）を固定する円柱状のキャップ固定部１１ｂと、第３段で複数のリードを固定するとともに絶縁基板１２が挿入固定される開口部が形成されて第２段より小径の円柱状に形成された端子部１１ｃとから構成されている。
【００１５】
なお、これらの取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂと、端子部１１ｃからなるキャリヤベース１１はＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金、Ｆｅ系合金の溶浸材を機械加工して作製されている。あるいはＣｕＷ合金、Ｃｕ系合金、Ｆｅ系合金をＭＩＭ法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）により成形したものの焼結により作製されている。そして、これらの合金の表面にはニッケル（Ｎｉ）メッキおよび金（Ａｕ）メッキが施されている。
【００１６】
絶縁基板１２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁材料により形成されている。そして、この絶縁基板１２の表面には、熱電モジュール１３を接続、固定するための銅（Ｃｕ）電極パターン（図１（ｃ）の点線内参照）１２ａが銅メッキとエッチングにより形成されている。なお、Ｃｕ電極パターン１２ａの表面にはニッケル（Ｎｉ）メッキおよび金（Ａｕ）メッキが施されている。そして、このようなＣｕ電極パターン１２ａに熱電モジュール１３が接合されると、絶縁基板１２は熱電モジュール１３の下基板となる。
【００１７】
また、絶縁基板１２の一方の端部表面にはロウ付け用のメタライズ層１２ｂが形成されている。このメタライズ層１２ｂは、絶縁基板１２の表面に形成された銅（Ｃｕ）メッキ層と、この上に形成されたニッケル（Ｎｉ）メッキ層と、この上に形成された金（Ａｕ）メッキ層からなるものである。これにより、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに形成された開口部に、メタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより絶縁基板１２をキャリヤベース１１の端子部１１ｃに対して垂直に固定することが可能となる。
【００１８】
熱電モジュール１３は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、上基板１３ａに形成された電極パターン（導電層）１３ｂと、下基板（この場合は、絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａ）との間に、多数のペルチェ素子１３ｃが電気的に直列接続されて形成されている。なお、ペルチェ素子１３ｃは、Ｐ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなるものである。そして、これらがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続されるように、上基板１３ａの電極パターン１３ｂあるいは絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａに、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けされている。
【００１９】
このような熱電モジュール１３は電子クーラー（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）とも呼ばれる電子デバイスである。なお、上基板１３ａは、下基板（絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａ）と同様なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミック材により構成されており、この基板１３ａ上に、銅（Ｃｕ）メッキとエッチングにより電極パターン１３ｂが形成されている。
【００２０】
そして、この熱電モジュール１３上に半導体レーザー（ＬＤ）１４，フォトダイオード（ＰＤ）１５などを配置、固定し、かつ半導体レーザー（ＬＤ）１４の光軸上に光学系を配置して、光軸調整をする。この後、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに熱膨張係数が小さいＦｅＮｉＣｏ合金（例えば、コバール（Ｋｏｖａｒ））製のキャップ部材１７を配置する。ついで、キャップ固定部１１ｂとキャップ部材１６とを銀蝋、銅蝋、金蝋などを用いた蝋付け、あるいはＡｇＳｎ合金、ＡｕＳｉ合金、ＡｕＧｅ合金などの半田を用いた半田付け、あるいはシーム溶接などにより気密に接合して、図２に示すような光半導体モジュール１０ａを形成するようにしている。
【００２１】
（第１実施形態の熱電装置用パッケージの作製例）
ついで、上述のような構成となる第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０の具体な作製例を以下に説明する。まず、取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂおよび端子部１１ｃを備え、ＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金あるいはＦｅ系合金からなるキャリヤベース１１を用意した。また、銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａが表面に形成され、かつ一方の端部表面にメタライズ層１２ｂが形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等からなる絶縁基板１２を用意した。さらに、上基板１３ａに形成された電極パターン１３ｂに、多数のペルチェ素子１３ｃが接続された半完成の熱電モジュール１３を用意した。なお、銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａの端部には端子部となる一対のＣｕ電極パターン１２ａ−１，１２ａ−２が形成されている。
【００２２】
この後、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに形成された開口部に、メタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより絶縁基板１２をキャリヤベース１１の端子部１１ｃに対して垂直に固定した。ついで、絶縁基板１２に形成された銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａ上に多数のペルチェ素子１３ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール１３を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けした。これにより、上基板１３ａに形成された電極パターン（導電層）１３ｂと、絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａとの間に、多数のペルチェ素子１３ｃがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続された熱電モジュール１３が完成することとなる。
【００２３】
この場合、まず、絶縁基板１２に形成された銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａ上に多数のペルチェ素子１３ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール１３を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けして熱電モジュール１３を完成させた後、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに形成された開口部に、メタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより絶縁基板１２をキャリヤベース１１の端子部１１ｃに対して垂直に固定するようにしてもよい。
【００２４】
なお、絶縁基板挿入用の開口をキャリヤベース１１の端子部１１ｃのみだけではなく、キャップ固定部１１ｂおよび取付部１１ａにも設けるようにして、開口部を貫通させて貫通孔とし、この貫通孔内にメタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入して、その端部がキャリヤベース１１から突出するようにしても、あるいはキャリヤベース１１と同一面となるようにしても良い。このようにすると、キャリヤベース１１と絶縁基板１２との接合が強固になる。
【００２５】
そして、キャリヤベース１１のリード挿入用の複数の貫通孔１１ｄ内に複数のリード線１６を挿入した。この後、貫通孔１１ｄ内にガラス封着剤を充填して、リード線１６を各貫通孔１１ｄ内に固定した。なお、これらリード線１６の上部はキャリヤベース１１の端子部１１ｃの上面に延出している。このリード線１６の延出した部分と、Ｃｕ電極パターン１２ａ−１，１２ａ−２とをワイヤーボンディング１２ｃで接続するとともに、半導体レーザ１４やフォトダイオード１５等とも接続した。
【００２６】
一方、半導体レーザ１４やフォトダイオード１５等を気密に保持するためのキャップ部材１７を用意し、このキャップ部材１７をキャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂに載置した。この後、キャップ１６の下端部の内周面をキャップ固定部１１ｂの周壁に固着した。この場合、キャップ部材１７の下端部の内周面とキャップ固定部１１ｂの周壁との間に蝋材（例えば銀蝋）を介在させて、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（Ｈ２）を含む窒素（Ｎ２）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）で加熱処理して、キャップ部材１７の下端部の内周面をキャップ固定部１１ｂの周壁に固着した。
【００２７】
ついで、キャップ部材１７内に窒素ガスを封入して、キャップ部材１７内を窒素ガスの雰囲気にして、光半導体モジュール１０ａが作製されることとなる。なお、このキャップ部材１７の先端部には光ファイバ１８が取り付けられ、この光ファイバ１８に効率よくレーザ光が入射するように、キャップ部材１７内にはレンズ系（図示せず）が収容されている。このように構成された半導体キャリヤ１０を用いた光半導体モジュール１０ａにおいては、半導体レーザ１４から出射されたレーザ光は、レンズによって光ファイバ１８に効率よく結合されるようになされている。
【００２８】
２．第２実施形態
（第２実施形態の熱電装置用パッケージ）
本第２実施形態の熱電装置用パッケージ２０は、図１に示す取付部１１ａと、キャップ固定部１１ｂおよび端子部１１ｃを有するキャリヤベース１１を備えているとともに、上述した熱電モジュール１３と同様な熱電モジュール２４を備えている点で、上述した第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０と同様である。しかしながら、絶縁基板として内部に配線パターンが形成された多層絶縁基板２１を備えた点で、上述した第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０と異なっている。このため、本第２実施形態の熱電装置用パッケージ２０に用いられる多層絶縁基板２１は、図３（ａ）（ｂ）に示されるように、上部絶縁基板２２と下部絶縁基板２３が積層、一体化されて形成されている。
【００２９】
ここで、上部絶縁基板２２および下部絶縁基板２３は、上述した絶縁基板１２と同様に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁材料により形成されている。そして、上部絶縁基板２２には、熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａと、内部電極用の銅電極パターン２２ｂと、外部電極用の銅電極パターン２２ｃと、銅電極パターン２２ｂに導通するスルーホール導体と、銅電極パターン２２ｃに導通するスルーホール導体とが形成されている。また、下部絶縁基板２３は内部配線となる導体パターン（図３（ａ）（ｂ）に点線で示している）２３ａが形成されている。
【００３０】
そして、この多層絶縁基板２１の一方の端部側の表面にはロウ付け用のメタライズ層２１ａが形成されている。このメタライズ層２１ａは上述したメタライズ層１２ｂと同様に、Ｃｕメッキ層と、このＣｕメッキ層上に形成されたＮｉメッキ層と、このＮｉメッキ層上に形成されたＡｕメッキ層からなるものである。これにより、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層２１ａが形成された多層絶縁基板２１を、外部電極用の銅電極パターン２２ｃが外部に突出するように貫通させて挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板２１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定される。
【００３１】
なお、熱電モジュール２４は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示される熱電モジュール１３と同様に、上基板２４ａに形成された電極パターン（導電層）２４ｂと、下基板（この場合は、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用のＣｕ電極パターン２２ａ）との間に、多数のペルチェ素子２４ｃがＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けされて、Ｐ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続されて形成されている。
【００３２】
そして、この熱電モジュール２４上に、半導体レーザー（ＬＤ）２５、フォトダイオード（ＰＤ）２６および図示しないサーミスタ素子を配置、固定した。ついで、内部電極用の銅電極パターン２２ｂとＬＤ２５、ＰＤ２６およびサーミスタ素子とをそれぞれ接続した後、ＬＤ２５の光軸上に光学系を配置して、光軸調整をした。この後、図２に示すように、キャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂにキャップ部材１７を配置し、キャップ固定部１１ｂとキャップ部材１７とを銀蝋、銅蝋、金蝋などを用いた蝋付け、あるいはＡｇＳｎ合金、ＡｕＳｉ合金、ＡｕＧｅ合金などの半田を用いた半田付け、あるいはシーム溶接などにより気密に接合して、光半導体モジュールが形成される。
【００３３】
（第２実施形態の熱電装置用パッケージの作製例）
ついで、上述のような構成となる第２実施形態の熱電装置用パッケージ２０の具体な作製例を以下に説明する。まず、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミック材を主成分とする２枚のセラミックグリーンシート２２，２３を用意する。ついで、これらの２枚のセラミックグリーンシート２２，２３に、実質的に同じ金型やパンチングマシーン等を使って、複数個の位置合わせ用のガイド孔を穿設した。その後、一方のセラミックグリーンシート２２にスクリーン印刷で、図３（ｂ）に示すような熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａと、内部電極用の銅電極パターン２２ｂと、外部電極用の銅電極パターン２２ｃとを形成した。また、銅電極パターン２２ｂから導体パターン２３ａに導通するスルーホール導体と、銅電極パターン２２ｃから導体パターン２３ａに導通するスルーホール導体とを形成した。
【００３４】
一方、他方のセラミックグリーンシート２３にスクリーン印刷で、図３（ｂ）の点線に示すような、内部配線となる導体パターン２３ａを形成した。ついで、先に形成したガイド孔を使って、これらの２層を形成する各セラミックグリーンシート２２，２３を位置合わせした後重ね合わせ、例えば、８０〜１５０℃、５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２で熱圧着して一体化し、セラミックグリーンシート積層体（多層基板）を形成して多層絶縁基板２１とした。そして、一方の端部側の表面にメタライズ層２１ｂを形成して多層絶縁基板２１を用意した。
【００３５】
一方、取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂおよび端子部１１ｃを備え、ＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金あるいはＦｅ系合金からなるキャリヤベース１１を用意した。また、上基板２４ａに形成された電極パターン２４ｂに、多数のペルチェ素子２４ｃが接続された半完成の熱電モジュール２４を用意した。この後、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層２１ａが形成された多層絶縁基板２１を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板２１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定した。このとき、多層絶縁基板２１に形成された外部電極用の銅電極パターン２２ｃがキャリヤベース１１の外部に突出するように貫通挿入した。
【００３６】
ついで、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａ上に多数のペルチェ素子２４ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール２４を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けした。これにより、上基板２４ａに形成された電極パターン（導電層）２４ｂと、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａとの間に、多数のペルチェ素子２４ｃがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続された熱電モジュール２４が完成することとなる。
【００３７】
この場合も、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａ上に多数のペルチェ素子２４ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール２４を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けして熱電モジュール２４を完成させた後、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層２１ａが形成された多層絶縁基板２１を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板２１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定するようにしてもよい。
【００３８】
３．変形例
上述した第１実施形態および第２実施形態においては、半完成の熱電モジュール１３，２４を用いて熱電装置用パッケージの作製時に熱電モジュール１３，２４を完成させる例について説明した。しかしながら、本発明においては、完成した熱電モジュールを用いて熱電装置用パッケージの作製するようにしてもよい。この場合は、別途、熱電モジュールを作製するので、絶縁基板への半田付け工程が容易になって、熱電モジュールの組み付け工程が容易になる。
【００３９】
ここで、図４に示すように、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミック材からなる上基板３５に形成されたＣｕ電極パターン（導電層）３５ａと、上基板３５と同様なセラミック材からなる下基板３６に形成されたＣｕ電極パターン３６ａとの間に、多数のペルチェ素子３７ｃがＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けされて、Ｐ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続され、熱電モジュール３４が形成されている。なお、Ｃｕ電極パターン（導電層）３５ａ，３６ａは、銅（Ｃｕ）メッキとエッチングにより形成されている。
【００４０】
一方、多層絶縁基板３１は、図４（ａ）（ｂ）に示されるように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁材料からなる上部絶縁基板３２と下部絶縁基板３３が積層、一体化されて形成されている。そして、上部絶縁基板３２には、熱電モジュール接合用のメタライズ層３２ａと、内部電極用の銅電極パターン３２ｂと、外部電極用の銅電極パターン３２ｃと、銅電極パターン３２ｂ，３２ｃから導体パターン３３ａに導通するスルーホール導体３２ｄとが形成されている。また、下部絶縁基板３３には内部配線となる導体パターン（図４（ａ）（ｂ）に点線で示している）３３ａが形成されている。
【００４１】
また、この多層絶縁基板３１の一方の端部側の表面にはロウ付け用のメタライズ層３１ａが形成されている。このメタライズ層３１ａはＣｕメッキ層と、このＣｕメッキ層上に形成されたＮｉメッキ層と、このＮｉメッキ層上に形成されたＡｕメッキ層からなるものである。これにより、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層３１ａが形成された多層絶縁基板３１を、外部電極用の銅電極パターン３２ｃが外部に突出するように貫通させて挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板３１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定される。
【００４２】
そして、上述のように、予め作製された熱電モジュール３４の下基板３６を、多層絶縁基板３１の表面に形成された熱電モジュール接合用のメタライズ層３２ａに配置し、ＳｎＳｂ合金からなる半田により下基板３６の下面とメタライズ層３２ａとを半田付けすることにより、熱電装置用パッケージ３０が作製されることとなる。ついで、熱電モジュール３４上に半導体レーザー（ＬＤ）３８，フォトダイオード（ＰＤ）３９および図示しないサーミスタ素子を配置、固定した。ついで、内部電極用の銅電極パターン３２ｂとＬＤ３８、ＰＤ３９およびサーミスタ素子とをそれぞれ接続した後、ＬＤ３８の光軸上に光学系を配置して、光軸調整をした。この後、図２に示すように、キャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂにキャップ部材１７を配置し、キャップ固定部１１ｂとキャップ部材１７とを銀蝋、銅蝋、金蝋などを用いた蝋付け、あるいはＡｇＳｎ合金、ＡｕＳｉ合金、ＡｕＧｅ合金などの半田を用いた半田付け、あるいはシーム溶接などにより気密に接合して、光半導体モジュールが形成される。
【００４３】
４．放熱試験
ついで、上述のようにして作製される熱電装置用パッケージの放熱性（排熱性）を検証するために、以下のようにして放熱試験を行った。即ち、まず、図５（ａ）に示すように、上述したキャリヤベース（取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂ、端子部１１ｃからなる）１１と同等で、長さが１０ｍｍでＷＣｕ合金製の基台４１に、厚みが１ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の基板４２が接合された実験台４０ａを用意した。なお、この基板４２には、上述した絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａと同様なＣｕ電極パターン（図示せず）が形成されている。
【００４４】
そして、基板４２に形成されたＣｕ電極パターン（図示せず）に、上述した半完成の熱電モジュール１３と同様な半完成の熱電モジュール（なお、これのＡｌＮ製の上基板の厚みは０．３ｍｍである）を配置した。ついで、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けして熱電モジュール４３を完成させた後、この上に温度センサが充填されたＣｕ板４４を配置し、さらに、この上に消費電力が１Ｗのヒータ４５を配置した。ここで、基台４１の下端部に温度センサ４１ａを配置し、ヒータ４５に電源を投入した。そして、熱電モジュール４３に電源を投入して、この温度センサ４１ａの温度が４０℃の一定の温度になるように制御したところ、温度センサが充填されたＣｕ板４４の温度は２５℃の一定温度に保持することができるという結果が得られた。
【００４５】
一方、図５（ｂ）に示すように、上述した基台４１と等しい大きさのＦｅ製の基台４６に、厚みが１ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の基板４７が接合された実験台４０ｂを用意した。ついで、この基板４７上に温度センサが充填されたＣｕ板４８を配置し、さらに、この上に消費電力が１Ｗのヒータ４９を配置した。ここで、基台４１の下端部に温度センサ４６ａを配置し、ヒータ４９に電源を投入したところ、温度センサが充填されたＣｕ板４８の温度は５５℃まで上昇した。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように、本発明においては、半導体レーザー１４（２５，３８）、フォトダイオード１５（２６，３９）などの半導体素子を載置、固定して、これらの半導体素子を冷却する熱電モジュール１３（２４，３７）が絶縁基板１２あるいは多層絶縁基板２１，３１に載置、固定されている。そして、これらの絶縁基板１２あるいは多層絶縁基板２１，３１が基台１１上に垂直に保持されている。
【００４７】
このため、半導体レーザー１４（２５，３８）などの半導体素子から発生された熱は熱電モジュール１３（２４，３７）により効率よく冷却され、かつ絶縁基板１２あるいは多層絶縁基板２１，３１から、ＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金あるいはＦｅ系合金からなる基台（キャリヤベース）１１を通して外部に排熱されることとなる。この結果、半導体レーザー１４（２５，３８）などの半導体素子を安定に動作させることが可能になるとともに、それらの寿命も長寿命になるという格別の効果を発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図１（ａ）はその全体構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面の要部を拡大して示す断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。
【図２】図１の熱電装置用パッケージにキャップ（カバー）を装着して一部破断した状態の光半導体モジュールを示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図３（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図４（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。
【図５】熱電装置用パッケージの放熱（排熱）試験の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…熱電装置用パッケージ、１０ａ…光半導体モジュール、１１…基台（キャリヤベース）、１１ａ…取付部、１１ｂ…キャップ固定部、１１ｃ…端子部、１１ｄ…貫通孔、１２…絶縁基板、１２ａ…電極パターン、１２ｂ…メタライズ層、１２ｃ…ワイヤーボンディング、１３…熱電モジュール、１３ａ…上基板、１３ｂ…電極パターン、１３ｃ…ペルチェ素子、１４…半導体レーザ、１５…フォトダイオード、１６…リード線、１７…キャップ部材、１８…光ファイバ、２０…熱電装置用パッケージ、２１…多層絶縁基板、２１ａ…メタライズ層、２１ｂ…メタライズ層、２２…上部絶縁基板、２２ａ…銅電極パターン、２２ｂ…内部端子、２２ｃ…銅電極パターン、２３…下部絶縁基板、２３ａ…導体パターン、２４…熱電モジュール、２４ａ…上基板、２４ｂ…電極パターン、２４ｃ…ペルチェ素子、３０…熱電装置用パッケージ、３１…多層絶縁基板、３１ａ…メタライズ層、３２…上部絶縁基板、３２ａ…メタライズ層、３２ｂ…内部端子、３２ｂ…銅電極パターン、３２ｃ…銅電極パターン、３２ｄ…スルーホール導体、３３…下部絶縁基板、３３ａ…導体パターン、３４…熱電モジュール、３５…上基板、３６…下基板、３６ａ…電極パターン、３７ｃ…ペルチェ素子、４０ａ，４０ｂ…実験台、４１…基台、４１ａ…温度センサ、４２…基板、４３…熱電モジュール、４４…Ｃｕ板、４５…ヒータ、４６…基台、４６ａ…温度センサ、４７…基板、４８…Ｃｕ板、４９…ヒータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置などに使用される高出力の半導体素子（例えば、半導体レーザ）と、この半導体素子を冷却する熱電モジュールを保持する熱電装置用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、波長を多重化して送信する方式（ＷＤＭ）の開発、実用化が進んでいる。この方式では、複数の波長の光が１つの光ファイバ内に存在するため、１つの光源の波長を±０．１ｎｍにおさえる必要がある。このような光通信のレーザ光源としては半導体レーザが用いられ、この半導体レーザとレンズ等をパッケージ内に一体的に収容して半導体レーザモジュールを構成し、この半導体レーザモジュールを光ファイバに結合するようになされている。
【０００３】
このような半導体レーザモジュールにおいては、半導体レーザはその雰囲気温度が変化すると波長が変化するため、光ファイバと結合する半導体レーザモジュールの構成体内に、多数のペルチェ素子を搭載した電子クーラー（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）と呼ばれる熱電モジュールを備えて、半導体レーザの温度を制御している。このような半導体レーザーモジュールにおいては、例えば、特許文献１（特開平７−１３１１０６号公報）に示されるようなステムを用いたパッケージが知られている。
【０００４】
ところで、特開平７−１３１１０６号公報にて提案されたステムを用いたパッケージにおいては、半導体レーザを保持する固定具をステムに取り付け、このステムに金属部材が接合され、この金属部材に電子冷却素子の冷却面が接合されるようになされている。これにより、半導体レーザにて発生した熱は固定具からステムを介して半導体レーザに流れるようになる。そして、パッケージのキャップの円板状の面に、光学系を収容したホルダが固定され、半導体レーザから射出された光が光ファイバに光学結合するようになされている。
【特許文献１】
特開平７−１３１１０６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の特開平７−１３１１０６号公報に提案された光半導体モジュールにおいては、半導体レーザは固定具、ステムおよび金属部材を介して電子冷却素子（熱電モジュール）の冷却面に接合される構造となっている。このため、半導体レーザが直接、電子冷却素子の冷却面に半導体レーザが接合されるような構造とはなっていない。この結果、この種の光半導体モジュールは、冷却効率が悪く、電子冷却素子の消費電力が増大するという問題を生じた。
【０００６】
そこで、本発明者は先に、特願２００２−１２３５７８号において、熱電モジュールの冷却面に直接、半導体レーザが接合される構成となっている熱電装置用パッケージを提案した。この熱電装置用パッケージにおいては、半導体レーザや熱電モジュール（電子冷却素子）に電気接続するための複数の内部電極と、外部回路に電気接続するための複数の外部電極と、内部電極と外部電極とを接続する配線をパッケージを構成するベース部材に備えるようにしている。このため、部品点数を削減することを可能になる。
【０００７】
しかしながら、特願２００２−１２３５７８号にて提案した熱電装置用パッケージにおいては、バタフライ型の熱電装置用パッケージであるため、小型化が困難で、このようなパッケージを用いた光半導体モジュールが大型になるという問題があった。
【０００８】
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、小型のステム型の熱電装置用パッケージを用いても、熱電モジュールの冷却面に直接、半導体レーザなどの半導体素子を接合できるようにして、小型で、冷却効率に優れ、かつ組立が簡単容易な熱電装置用パッケージを提供できるようにすることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の熱電装置用パッケージは、半導体レーザなどの半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールと、この熱電モジュールを載置、固定する絶縁基板と、この絶縁基板を固定、保持する基台とを備えるとともに、絶縁基板が基台上に垂直に固定されるようにしている。このように、半導体素子を載置、固定して半導体素子を冷却する熱電モジュールを絶縁基板に載置、固定され、この絶縁基板が基台上に垂直に保持されていると、半導体レーザなどの半導体素子から発生された熱は熱電モジュールにより効率よく冷却され、かつ絶縁基板から基台を通して外部に排熱されることとなる。
【００１０】
この場合、絶縁基板が基台に形成された開口内に嵌め込まれて固定されるようにすると、絶縁基板の取り付けが容易になる。そして、基台を貫通する貫通孔を開口とし、さらにこの貫通孔内を貫通して絶縁基板が嵌め込み固定されるようにすると、絶縁基板を基台に強固に固定することが可能となる。また、絶縁基板を多層絶縁基板から構成し、この多層絶縁基板中に内部電極および外部電極に接続される複数の配線を埋設して備えるようにすると、基台にリード線を取り付ける必要がなくなる。これにより、電極と熱電モジュールとの接続作業、あるいは電極と半導体素子との接続作業が容易になる。
【００１１】
このような熱電装置用パッケージを製造する場合、熱電モジュールを接続固定するための金属層が形成された絶縁基板を基台上に垂直に固定する絶縁基板固定工程と、絶縁基板の金属層上に半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールを接続固定する熱電モジュール接続工程とを備えるようにすればよい。あるいは、半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールを絶縁基板の金属層上に接続固定する熱電モジュール接続工程と、熱電モジュールが接続固定された絶縁基板を基台上に垂直に固定する絶縁基板固定工程とを備えるようにしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の熱電装置用パッケージを光半導体モジュールに適用した場合の実施の形態を図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は第１実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図１（ａ）はその全体構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面の要部を拡大して示す断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。また、図２は図１の熱電装置用パッケージにキャップ（カバー）を装着して一部破断した状態の光半導体モジュールを示す側面図である。
【００１３】
また、図３は第２実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図３（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。また、図４はこれらの変形例の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図４（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。さらに、図５は熱電装置用パッケージの放熱（排熱）試験の状態を示す断面図である。
【００１４】
１．第１実施形態
（第１実施形態の熱電装置用パッケージ）
本第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０は、図１に示すように、半導体レーザ（ＬＤ）１４やフォトダイオード（ＰＤ）１５やサーミスターなどの半導体素子を載置、固定する絶縁基板１２を固定、保持する基台（キャリヤベース）１１を備えている。このキャリヤベース１１は、第１段で底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部１１ａと、第２段で後述するキャップ部材１７（図２参照）を固定する円柱状のキャップ固定部１１ｂと、第３段で複数のリードを固定するとともに絶縁基板１２が挿入固定される開口部が形成されて第２段より小径の円柱状に形成された端子部１１ｃとから構成されている。
【００１５】
なお、これらの取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂと、端子部１１ｃからなるキャリヤベース１１はＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金、Ｆｅ系合金の溶浸材を機械加工して作製されている。あるいはＣｕＷ合金、Ｃｕ系合金、Ｆｅ系合金をＭＩＭ法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）により成形したものの焼結により作製されている。そして、これらの合金の表面にはニッケル（Ｎｉ）メッキおよび金（Ａｕ）メッキが施されている。
【００１６】
絶縁基板１２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁材料により形成されている。そして、この絶縁基板１２の表面には、熱電モジュール１３を接続、固定するための銅（Ｃｕ）電極パターン（図１（ｃ）の点線内参照）１２ａが銅メッキとエッチングにより形成されている。なお、Ｃｕ電極パターン１２ａの表面にはニッケル（Ｎｉ）メッキおよび金（Ａｕ）メッキが施されている。そして、このようなＣｕ電極パターン１２ａに熱電モジュール１３が接合されると、絶縁基板１２は熱電モジュール１３の下基板となる。
【００１７】
また、絶縁基板１２の一方の端部表面にはロウ付け用のメタライズ層１２ｂが形成されている。このメタライズ層１２ｂは、絶縁基板１２の表面に形成された銅（Ｃｕ）メッキ層と、この上に形成されたニッケル（Ｎｉ）メッキ層と、この上に形成された金（Ａｕ）メッキ層からなるものである。これにより、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに形成された開口部に、メタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより絶縁基板１２をキャリヤベース１１の端子部１１ｃに対して垂直に固定することが可能となる。
【００１８】
熱電モジュール１３は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、上基板１３ａに形成された電極パターン（導電層）１３ｂと、下基板（この場合は、絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａ）との間に、多数のペルチェ素子１３ｃが電気的に直列接続されて形成されている。なお、ペルチェ素子１３ｃは、Ｐ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなるものである。そして、これらがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続されるように、上基板１３ａの電極パターン１３ｂあるいは絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａに、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けされている。
【００１９】
このような熱電モジュール１３は電子クーラー（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）とも呼ばれる電子デバイスである。なお、上基板１３ａは、下基板（絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａ）と同様なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミック材により構成されており、この基板１３ａ上に、銅（Ｃｕ）メッキとエッチングにより電極パターン１３ｂが形成されている。
【００２０】
そして、この熱電モジュール１３上に半導体レーザー（ＬＤ）１４，フォトダイオード（ＰＤ）１５などを配置、固定し、かつ半導体レーザー（ＬＤ）１４の光軸上に光学系を配置して、光軸調整をする。この後、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに熱膨張係数が小さいＦｅＮｉＣｏ合金（例えば、コバール（Ｋｏｖａｒ））製のキャップ部材１７を配置する。ついで、キャップ固定部１１ｂとキャップ部材１６とを銀蝋、銅蝋、金蝋などを用いた蝋付け、あるいはＡｇＳｎ合金、ＡｕＳｉ合金、ＡｕＧｅ合金などの半田を用いた半田付け、あるいはシーム溶接などにより気密に接合して、図２に示すような光半導体モジュール１０ａを形成するようにしている。
【００２１】
（第１実施形態の熱電装置用パッケージの作製例）
ついで、上述のような構成となる第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０の具体な作製例を以下に説明する。まず、取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂおよび端子部１１ｃを備え、ＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金あるいはＦｅ系合金からなるキャリヤベース１１を用意した。また、銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａが表面に形成され、かつ一方の端部表面にメタライズ層１２ｂが形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等からなる絶縁基板１２を用意した。さらに、上基板１３ａに形成された電極パターン１３ｂに、多数のペルチェ素子１３ｃが接続された半完成の熱電モジュール１３を用意した。なお、銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａの端部には端子部となる一対のＣｕ電極パターン１２ａ−１，１２ａ−２が形成されている。
【００２２】
この後、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに形成された開口部に、メタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより絶縁基板１２をキャリヤベース１１の端子部１１ｃに対して垂直に固定した。ついで、絶縁基板１２に形成された銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａ上に多数のペルチェ素子１３ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール１３を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けした。これにより、上基板１３ａに形成された電極パターン（導電層）１３ｂと、絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａとの間に、多数のペルチェ素子１３ｃがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続された熱電モジュール１３が完成することとなる。
【００２３】
この場合、まず、絶縁基板１２に形成された銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａ上に多数のペルチェ素子１３ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール１３を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けして熱電モジュール１３を完成させた後、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに形成された開口部に、メタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより絶縁基板１２をキャリヤベース１１の端子部１１ｃに対して垂直に固定するようにしてもよい。
【００２４】
なお、絶縁基板挿入用の開口をキャリヤベース１１の端子部１１ｃのみだけではなく、キャップ固定部１１ｂおよび取付部１１ａにも設けるようにして、開口部を貫通させて貫通孔とし、この貫通孔内にメタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入して、その端部がキャリヤベース１１から突出するようにしても、あるいはキャリヤベース１１と同一面となるようにしても良い。このようにすると、キャリヤベース１１と絶縁基板１２との接合が強固になる。
【００２５】
そして、キャリヤベース１１のリード挿入用の複数の貫通孔１１ｄ内に複数のリード線１６を挿入した。この後、貫通孔１１ｄ内にガラス封着剤を充填して、リード線１６を各貫通孔１１ｄ内に固定した。なお、これらリード線１６の上部はキャリヤベース１１の端子部１１ｃの上面に延出している。このリード線１６の延出した部分と、Ｃｕ電極パターン１２ａ−１，１２ａ−２とをワイヤーボンディング１２ｃで接続するとともに、半導体レーザ１４やフォトダイオード１５等とも接続した。
【００２６】
一方、半導体レーザ１４やフォトダイオード１５等を気密に保持するためのキャップ部材１７を用意し、このキャップ部材１７をキャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂに載置した。この後、キャップ１６の下端部の内周面をキャップ固定部１１ｂの周壁に固着した。この場合、キャップ部材１７の下端部の内周面とキャップ固定部１１ｂの周壁との間に蝋材（例えば銀蝋）を介在させて、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（Ｈ２）を含む窒素（Ｎ２）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）で加熱処理して、キャップ部材１７の下端部の内周面をキャップ固定部１１ｂの周壁に固着した。
【００２７】
ついで、キャップ部材１７内に窒素ガスを封入して、キャップ部材１７内を窒素ガスの雰囲気にして、光半導体モジュール１０ａが作製されることとなる。なお、このキャップ部材１７の先端部には光ファイバ１８が取り付けられ、この光ファイバ１８に効率よくレーザ光が入射するように、キャップ部材１７内にはレンズ系（図示せず）が収容されている。このように構成された半導体キャリヤ１０を用いた光半導体モジュール１０ａにおいては、半導体レーザ１４から出射されたレーザ光は、レンズによって光ファイバ１８に効率よく結合されるようになされている。
【００２８】
２．第２実施形態
（第２実施形態の熱電装置用パッケージ）
本第２実施形態の熱電装置用パッケージ２０は、図１に示す取付部１１ａと、キャップ固定部１１ｂおよび端子部１１ｃを有するキャリヤベース１１を備えているとともに、上述した熱電モジュール１３と同様な熱電モジュール２４を備えている点で、上述した第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０と同様である。しかしながら、絶縁基板として内部に配線パターンが形成された多層絶縁基板２１を備えた点で、上述した第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０と異なっている。このため、本第２実施形態の熱電装置用パッケージ２０に用いられる多層絶縁基板２１は、図３（ａ）（ｂ）に示されるように、上部絶縁基板２２と下部絶縁基板２３が積層、一体化されて形成されている。
【００２９】
ここで、上部絶縁基板２２および下部絶縁基板２３は、上述した絶縁基板１２と同様に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁材料により形成されている。そして、上部絶縁基板２２には、熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａと、内部電極用の銅電極パターン２２ｂと、外部電極用の銅電極パターン２２ｃと、銅電極パターン２２ｂに導通するスルーホール導体と、銅電極パターン２２ｃに導通するスルーホール導体とが形成されている。また、下部絶縁基板２３は内部配線となる導体パターン（図３（ａ）（ｂ）に点線で示している）２３ａが形成されている。
【００３０】
そして、この多層絶縁基板２１の一方の端部側の表面にはロウ付け用のメタライズ層２１ａが形成されている。このメタライズ層２１ａは上述したメタライズ層１２ｂと同様に、Ｃｕメッキ層と、このＣｕメッキ層上に形成されたＮｉメッキ層と、このＮｉメッキ層上に形成されたＡｕメッキ層からなるものである。これにより、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層２１ａが形成された多層絶縁基板２１を、外部電極用の銅電極パターン２２ｃが外部に突出するように貫通させて挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板２１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定される。
【００３１】
なお、熱電モジュール２４は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示される熱電モジュール１３と同様に、上基板２４ａに形成された電極パターン（導電層）２４ｂと、下基板（この場合は、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用のＣｕ電極パターン２２ａ）との間に、多数のペルチェ素子２４ｃがＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けされて、Ｐ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続されて形成されている。
【００３２】
そして、この熱電モジュール２４上に、半導体レーザー（ＬＤ）２５、フォトダイオード（ＰＤ）２６および図示しないサーミスタ素子を配置、固定した。ついで、内部電極用の銅電極パターン２２ｂとＬＤ２５、ＰＤ２６およびサーミスタ素子とをそれぞれ接続した後、ＬＤ２５の光軸上に光学系を配置して、光軸調整をした。この後、図２に示すように、キャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂにキャップ部材１７を配置し、キャップ固定部１１ｂとキャップ部材１７とを銀蝋、銅蝋、金蝋などを用いた蝋付け、あるいはＡｇＳｎ合金、ＡｕＳｉ合金、ＡｕＧｅ合金などの半田を用いた半田付け、あるいはシーム溶接などにより気密に接合して、光半導体モジュールが形成される。
【００３３】
（第２実施形態の熱電装置用パッケージの作製例）
ついで、上述のような構成となる第２実施形態の熱電装置用パッケージ２０の具体な作製例を以下に説明する。まず、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミック材を主成分とする２枚のセラミックグリーンシート２２，２３を用意する。ついで、これらの２枚のセラミックグリーンシート２２，２３に、実質的に同じ金型やパンチングマシーン等を使って、複数個の位置合わせ用のガイド孔を穿設した。その後、一方のセラミックグリーンシート２２にスクリーン印刷で、図３（ｂ）に示すような熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａと、内部電極用の銅電極パターン２２ｂと、外部電極用の銅電極パターン２２ｃとを形成した。また、銅電極パターン２２ｂから導体パターン２３ａに導通するスルーホール導体と、銅電極パターン２２ｃから導体パターン２３ａに導通するスルーホール導体とを形成した。
【００３４】
一方、他方のセラミックグリーンシート２３にスクリーン印刷で、図３（ｂ）の点線に示すような、内部配線となる導体パターン２３ａを形成した。ついで、先に形成したガイド孔を使って、これらの２層を形成する各セラミックグリーンシート２２，２３を位置合わせした後重ね合わせ、例えば、８０〜１５０℃、５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２で熱圧着して一体化し、セラミックグリーンシート積層体（多層基板）を形成して多層絶縁基板２１とした。そして、一方の端部側の表面にメタライズ層２１ｂを形成して多層絶縁基板２１を用意した。
【００３５】
一方、取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂおよび端子部１１ｃを備え、ＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金あるいはＦｅ系合金からなるキャリヤベース１１を用意した。また、上基板２４ａに形成された電極パターン２４ｂに、多数のペルチェ素子２４ｃが接続された半完成の熱電モジュール２４を用意した。この後、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層２１ａが形成された多層絶縁基板２１を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板２１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定した。このとき、多層絶縁基板２１に形成された外部電極用の銅電極パターン２２ｃがキャリヤベース１１の外部に突出するように貫通挿入した。
【００３６】
ついで、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａ上に多数のペルチェ素子２４ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール２４を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けした。これにより、上基板２４ａに形成された電極パターン（導電層）２４ｂと、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａとの間に、多数のペルチェ素子２４ｃがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続された熱電モジュール２４が完成することとなる。
【００３７】
この場合も、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａ上に多数のペルチェ素子２４ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール２４を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けして熱電モジュール２４を完成させた後、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層２１ａが形成された多層絶縁基板２１を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板２１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定するようにしてもよい。
【００３８】
３．変形例
上述した第１実施形態および第２実施形態においては、半完成の熱電モジュール１３，２４を用いて熱電装置用パッケージの作製時に熱電モジュール１３，２４を完成させる例について説明した。しかしながら、本発明においては、完成した熱電モジュールを用いて熱電装置用パッケージの作製するようにしてもよい。この場合は、別途、熱電モジュールを作製するので、絶縁基板への半田付け工程が容易になって、熱電モジュールの組み付け工程が容易になる。
【００３９】
ここで、図４に示すように、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミック材からなる上基板３５に形成されたＣｕ電極パターン（導電層）３５ａと、上基板３５と同様なセラミック材からなる下基板３６に形成されたＣｕ電極パターン３６ａとの間に、多数のペルチェ素子３７ｃがＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けされて、Ｐ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続され、熱電モジュール３４が形成されている。なお、Ｃｕ電極パターン（導電層）３５ａ，３６ａは、銅（Ｃｕ）メッキとエッチングにより形成されている。
【００４０】
一方、多層絶縁基板３１は、図４（ａ）（ｂ）に示されるように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁材料からなる上部絶縁基板３２と下部絶縁基板３３が積層、一体化されて形成されている。そして、上部絶縁基板３２には、熱電モジュール接合用のメタライズ層３２ａと、内部電極用の銅電極パターン３２ｂと、外部電極用の銅電極パターン３２ｃと、銅電極パターン３２ｂ，３２ｃから導体パターン３３ａに導通するスルーホール導体３２ｄとが形成されている。また、下部絶縁基板３３には内部配線となる導体パターン（図４（ａ）（ｂ）に点線で示している）３３ａが形成されている。
【００４１】
また、この多層絶縁基板３１の一方の端部側の表面にはロウ付け用のメタライズ層３１ａが形成されている。このメタライズ層３１ａはＣｕメッキ層と、このＣｕメッキ層上に形成されたＮｉメッキ層と、このＮｉメッキ層上に形成されたＡｕメッキ層からなるものである。これにより、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層３１ａが形成された多層絶縁基板３１を、外部電極用の銅電極パターン３２ｃが外部に突出するように貫通させて挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板３１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定される。
【００４２】
そして、上述のように、予め作製された熱電モジュール３４の下基板３６を、多層絶縁基板３１の表面に形成された熱電モジュール接合用のメタライズ層３２ａに配置し、ＳｎＳｂ合金からなる半田により下基板３６の下面とメタライズ層３２ａとを半田付けすることにより、熱電装置用パッケージ３０が作製されることとなる。ついで、熱電モジュール３４上に半導体レーザー（ＬＤ）３８，フォトダイオード（ＰＤ）３９および図示しないサーミスタ素子を配置、固定した。ついで、内部電極用の銅電極パターン３２ｂとＬＤ３８、ＰＤ３９およびサーミスタ素子とをそれぞれ接続した後、ＬＤ３８の光軸上に光学系を配置して、光軸調整をした。この後、図２に示すように、キャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂにキャップ部材１７を配置し、キャップ固定部１１ｂとキャップ部材１７とを銀蝋、銅蝋、金蝋などを用いた蝋付け、あるいはＡｇＳｎ合金、ＡｕＳｉ合金、ＡｕＧｅ合金などの半田を用いた半田付け、あるいはシーム溶接などにより気密に接合して、光半導体モジュールが形成される。
【００４３】
４．放熱試験
ついで、上述のようにして作製される熱電装置用パッケージの放熱性（排熱性）を検証するために、以下のようにして放熱試験を行った。即ち、まず、図５（ａ）に示すように、上述したキャリヤベース（取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂ、端子部１１ｃからなる）１１と同等で、長さが１０ｍｍでＷＣｕ合金製の基台４１に、厚みが１ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の基板４２が接合された実験台４０ａを用意した。なお、この基板４２には、上述した絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａと同様なＣｕ電極パターン（図示せず）が形成されている。
【００４４】
そして、基板４２に形成されたＣｕ電極パターン（図示せず）に、上述した半完成の熱電モジュール１３と同様な半完成の熱電モジュール（なお、これのＡｌＮ製の上基板の厚みは０．３ｍｍである）を配置した。ついで、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けして熱電モジュール４３を完成させた後、この上に温度センサが充填されたＣｕ板４４を配置し、さらに、この上に消費電力が１Ｗのヒータ４５を配置した。ここで、基台４１の下端部に温度センサ４１ａを配置し、ヒータ４５に電源を投入した。そして、熱電モジュール４３に電源を投入して、この温度センサ４１ａの温度が４０℃の一定の温度になるように制御したところ、温度センサが充填されたＣｕ板４４の温度は２５℃の一定温度に保持することができるという結果が得られた。
【００４５】
一方、図５（ｂ）に示すように、上述した基台４１と等しい大きさのＦｅ製の基台４６に、厚みが１ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の基板４７が接合された実験台４０ｂを用意した。ついで、この基板４７上に温度センサが充填されたＣｕ板４８を配置し、さらに、この上に消費電力が１Ｗのヒータ４９を配置した。ここで、基台４１の下端部に温度センサ４６ａを配置し、ヒータ４９に電源を投入したところ、温度センサが充填されたＣｕ板４８の温度は５５℃まで上昇した。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように、本発明においては、半導体レーザー１４（２５，３８）、フォトダイオード１５（２６，３９）などの半導体素子を載置、固定して、これらの半導体素子を冷却する熱電モジュール１３（２４，３７）が絶縁基板１２あるいは多層絶縁基板２１，３１に載置、固定されている。そして、これらの絶縁基板１２あるいは多層絶縁基板２１，３１が基台１１上に垂直に保持されている。
【００４７】
このため、半導体レーザー１４（２５，３８）などの半導体素子から発生された熱は熱電モジュール１３（２４，３７）により効率よく冷却され、かつ絶縁基板１２あるいは多層絶縁基板２１，３１から、ＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金あるいはＦｅ系合金からなる基台（キャリヤベース）１１を通して外部に排熱されることとなる。この結果、半導体レーザー１４（２５，３８）などの半導体素子を安定に動作させることが可能になるとともに、それらの寿命も長寿命になるという格別の効果を発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図１（ａ）はその全体構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面の要部を拡大して示す断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。
【図２】図１の熱電装置用パッケージにキャップ（カバー）を装着して一部破断した状態の光半導体モジュールを示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図３（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図４（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。
【図５】熱電装置用パッケージの放熱（排熱）試験の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…熱電装置用パッケージ、１０ａ…光半導体モジュール、１１…基台（キャリヤベース）、１１ａ…取付部、１１ｂ…キャップ固定部、１１ｃ…端子部、１１ｄ…貫通孔、１２…絶縁基板、１２ａ…電極パターン、１２ｂ…メタライズ層、１２ｃ…ワイヤーボンディング、１３…熱電モジュール、１３ａ…上基板、１３ｂ…電極パターン、１３ｃ…ペルチェ素子、１４…半導体レーザ、１５…フォトダイオード、１６…リード線、１７…キャップ部材、１８…光ファイバ、２０…熱電装置用パッケージ、２１…多層絶縁基板、２１ａ…メタライズ層、２１ｂ…メタライズ層、２２…上部絶縁基板、２２ａ…銅電極パターン、２２ｂ…内部端子、２２ｃ…銅電極パターン、２３…下部絶縁基板、２３ａ…導体パターン、２４…熱電モジュール、２４ａ…上基板、２４ｂ…電極パターン、２４ｃ…ペルチェ素子、３０…熱電装置用パッケージ、３１…多層絶縁基板、３１ａ…メタライズ層、３２…上部絶縁基板、３２ａ…メタライズ層、３２ｂ…内部端子、３２ｂ…銅電極パターン、３２ｃ…銅電極パターン、３２ｄ…スルーホール導体、３３…下部絶縁基板、３３ａ…導体パターン、３４…熱電モジュール、３５…上基板、３６…下基板、３６ａ…電極パターン、３７ｃ…ペルチェ素子、４０ａ，４０ｂ…実験台、４１…基台、４１ａ…温度センサ、４２…基板、４３…熱電モジュール、４４…Ｃｕ板、４５…ヒータ、４６…基台、４６ａ…温度センサ、４７…基板、４８…Ｃｕ板、４９…ヒータ
Claims (6)
- 半導体素子と該半導体素子を冷却する熱電モジュールを保持する熱電装置用パッケージであって、
前記半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールと、
前記熱電モジュールを載置、固定する絶縁基板と、
前記絶縁基板を固定、保持する基台とを備えるとともに、
前記絶縁基板が前記基台上に垂直に固定されていることを特徴とする熱電装置用パッケージ。 - 前記絶縁基板が前記基台に形成された開口内に嵌め込まれて固定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電装置用パッケージ。
- 前記開口は前記基台を貫通する貫通孔であって、該貫通孔内を貫通して前記絶縁基板が嵌め込み固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電装置用パッケージ。
- 前記絶縁基板を多層絶縁基板から構成し、該多層絶縁基板中に内部電極および外部電極に接続される複数の配線を埋設して備えるようにしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱電装置用パッケージ。
- 半導体素子と該半導体素子を冷却する熱電モジュールを保持する熱電装置用パッケージの製造方法であって、
前記熱電モジュールを接続固定するための金属層が形成された絶縁基板を基台上に垂直に固定する絶縁基板固定工程と、
前記絶縁基板の金属層上に前記半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールを接続固定する熱電モジュール接続工程とを備えたことを特徴とする熱電装置用パッケージの製造方法。 - 半導体素子と該半導体素子を冷却する熱電モジュールを保持する熱電装置用パッケージの製造方法であって、
前記半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールを絶縁基板の金属層上に接続固定する熱電モジュール接続工程と
前記熱電モジュールが接続固定された前記絶縁基板を基台上に垂直に固定する絶縁基板固定工程とを備えたことを特徴とする熱電装置用パッケージの製造方法。
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