JP2006222145A - レーザモジュール及び実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用する半田種の制限を緩和し、熱電冷却器の性能低下を防ぎ、かつ設備コストを抑えた方法で製造することの可能なレーザモジュールを提供する。
【解決手段】 レーザモジュール１０は、基材１２と、第１の半田３１によって基材に接合された下面１４ａを有する熱電冷却器１４と、第１の半田の融点よりも低い融点を有する第２の半田３２によって熱電冷却器の上面１４ｂに接合され、少なくともレーザダイオード１８を搭載するキャリア１５を備える。熱電冷却器の下面が、当該下面側に配置された加熱手段によって、第１の半田を溶融可能な温度まで加熱されると、熱電冷却器の上面は第２の半田を溶融可能な温度になる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、レーザダイオードを搭載したレーザモジュール、及びその製造に利用可能な実装方法に関する。

熱電冷却器（Thermoelectric Cooler：ＴＥＣ）の一つとしてペルチェ素子が、レーザモジュール内のレーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）を冷却するために、よく使用される。下記の特許文献１には、ＬＤおよび小型のペルチェ素子を封入したレーザモジュールの製造方法が開示されている。この方法では、ＬＤとペルチェ素子が半田付けにより固定される。下記の特許文献２には、コレットを加熱してＬＤを実装するコレットヒーティングという手法が開示されている。下記の特許文献３、４には、ペルチェ素子の下面でＰｂＳｎ半田、上面でＢｉＳｎ半田をそれぞれ用いてＬＤおよびペルチェ素子を実装する方法が開示されている。また、ＢｉＳｎ半田の酸化を防ぐため、水素雰囲気下での実装が提案されている。ただし、環境への配慮から鉛フリー化が要望されている現在では、ＰｂＳｎ半田の使用はあまり望ましくない。下記の特許文献５、６には、ＬＤおよびペルチェ素子を内蔵する同軸の送信サブアッセンブリ（（Transmitter Optical Subassembly：ＴＯＳＡ）が開示されている。
特開２００２−９４１７１号公報 特開２００３−１５８３２８号公報 特開２００２−７６５０１号公報 米国特許第６５０６６２４号明細書 特開２００４−２５３７７９号公報 アツシ・ミキ（Atsushi Miki）、他２名、「広温度範囲のＤＷＤＭおよびＣＷＤＭシステム用の極めて小型なＤＦＢレーザモジュール（Extremely Compact DFB Laser Modules for the DWDM and CWDM Systems in the Wide Temperature Range）」、ECOC2004、Th.2.4.4

一般に、熱電冷却器（ＴＥＣ）は、その電源オフ時には熱的に断熱材となるため、ＴＥＣの上面と下面とに大きな温度差が生じる。ＴＥＣの性能はＴＥＣの熱伝導度に反比例するため、性能のよいＴＥＣほど、生じる温度差は大きくなる。このような温度差のため、レーザモジュールに使用できる半田種が限定され、実装の自由度が制限される。

上記のコレットヒーティングは、半田種の制限を緩めて、実装の自由度を高めるため提案された方法であるが、製造設備のコストの増大が懸念される。また、ＴＥＣを複数回にわたって急熱急冷するため、ＴＥＣの性能が低下するおそれもある。

本発明は、上記に鑑みなされたもので、使用する半田種の制限を緩和し、熱電冷却器の性能低下を防ぎ、かつ製造設備のコストを抑えて製造することの可能なレーザモジュール及びその製造に利用可能な実装方法を提供することを課題とする。

一つの側面において、本発明は、基材と、第１の半田によって基材に接合された下面を有する熱電冷却器と、第１の半田の融点よりも低い融点を有する第２の半田によって熱電冷却器の上面に接合され、少なくともレーザダイオードを搭載するキャリアとを備えるレーザモジュールに関する。熱電冷却器の下面が、当該下面側に配置された加熱手段によって、第１の半田を溶融可能な温度まで加熱されると、熱電冷却器の上面は、第２の半田を溶融可能な温度になる。第１の半田が金錫系の材料からなり、第２の半田が錫金系または錫アンチモン系の材料からなっていてもよい。

別の側面において、本発明は、レーザダイオードを搭載するキャリア及び該キャリアを搭載する熱電冷却器の基材上へ実装方法に関する。この方法では、基材と熱電冷却器の下面との間に第１の半田を配置し、熱電冷却器の上面とキャリアとの間に第１の半田よりも融点の低い第２の半田を配置し、熱電冷却器の下面側に配置された加熱手段により、第１の半田及び第２の半田を同時に溶融させて、基材上に熱電冷却器を実装すると共に、熱電冷却器上にキャリアを実装する。第１の半田が金錫系の材料からなり、第２の半田が錫金系または錫アンチモン系の材料からなっていてもよい。

本発明に係るレーザモジュールは、熱電冷却器の下面側からの加熱により第１および第２の半田を同時に溶融させて製造することができる。第２の半田として、自身の溶融時に第１の半田を溶融させない低融点の半田種を選定する必要はないので、使用する半田種の制限を緩和することができる。また、熱電冷却器の加熱および冷却の回数を削減して、熱電冷却器の性能低下を防ぐことができる。さらに、コレットヒーティングを行う必要がないので、製造設備のコストを抑えることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

最初に、従来技術の課題を詳しく説明する。従来技術には、Ａ）使用半田種の制限、Ｂ）ペルチェ素子の性能低下という、解決すべき課題がある。

課題Ａ：使用半田種の制限
図１は、レーザモジュールの製造方法を説明するための概略図である。ペルチェ素子を内蔵するレーザモジュールの製造では、まず、ペルチェ素子１４の下面１４ａをパッケージのステム１２に接合し、その後、レーザダイオード（ＬＤ）１８などが実装されたＬＤキャリア１６をペルチェ素子１４の上面１４ａに接合する２体実装が主流である。ステム１２とペルチェ素子１４の間には半田３１が、ペルチェ素子１４とＬＤキャリア１６の間には半田３２がそれぞれ配置される。まず、下側の半田３１が、ステム１２の下に配置されたヒータ２０を用いて加熱、溶融された後、急冷されて硬化する。これにより、ペルチェ素子１４がステム１２に接合される。次に、上側の半田３２がヒータ２０を用いて加熱、溶融された後、急冷されて硬化する。これにより、ＬＤキャリア１６がペルチェ素子１４の上面１４ａに接合される。

図１に示すように、ペルチェ素子１４の上面１４ａにおけるＬＤキャリア１６の実装は、ペルチェ素子１４の下面１４ｂをヒータ２０によって加熱し、それによって上面１４ａ上の半田３２を間接的に暖めることによって行われる。ところが、一般に、ペルチェ素子の熱伝導度はかなり低い（１．５Ｗ／ｍ／Ｋ）ので、ペルチェ素子１４の上下面に大きな温度差が生じる。したがって、上面１４ａで用いる半田３２を溶融させるためには、半田３２の融点よりもはるかに高い温度まで下面１４ｂを加熱する必要がある。

図２は、半田３２を溶融させる際にステム１２、下面１４ｂおよび上面１４ａでそれぞれ測定された温度を示すグラフである。従来技術では、このような温度差を考慮して、下面１４ｂで使う半田３１と上面１４ａで使う半田３１を選定する必要がある。

図３は、ペルチェ内蔵同軸ＴＯＳＡ内のレーザモジュール１０の一例を示す概略側面図である。理解の容易のため、図３では、リードピンやボンディングワイヤを省略している。図３に示されるレーザモジュール１０では、ペルチェ素子１４−Ｌ字キャリア１５間の半田３２としてＳｎＳｂ（融点２３９℃）を用いると、ステム１２−ペルチェ素子１４間の半田３１として既に硬化済みのＡｕＳｎ（融点２８３℃）が半田３２の溶融中に軟化し、Ｌ字キャリア１５の実装と同時にペルチェ素子１４が位置ずれを起こすおそれがある。このため、Ｌ字キャリア１５の実装には、より融点の低い半田（たとえば、ＳｎＡｕ）を用いる必要がある。この結果、Ｌ字キャリア１５上にＬＤキャリア１６を実装するために用いる半田３３の選択肢をさらに狭めてしまうことになる。

このように、鉛フリー化など、環境面からの要請により、使用できる半田種が限定されている現状では、２体実装において半田種を選定することは容易ではなく、実装の自由度が大きく損ねられている。たとえば、実装温度の変動誤差などのマージンを見込むと、ＬＤキャリア１６の実装に用いる半田３３には、Ｌ字キャリア１５の実装に用いるＳｎＡｕ（融点２２０℃）よりもはるかに低い融点を持つＩｎ系半田など、希少物質を使用せざるを得なくなる。

課題Ｂ：ペルチェ素子の性能低下
ペルチェ素子は急激な加熱冷却に比較的弱いデバイスである。上述の上面／下面実装では、ペルチェ素子１４に対し３００度前後までの温度上昇が短時間（例えば１分間）で行われるので、ペルチェ素子の性能低下のおそれがある。

上記の課題Ａを克服する手法としては、上記の特許文献２に開示されているように、コレットそのものを加熱するという方法が挙げられる。この方法によると、ペルチェ素子の下面での実装に用いた半田の融点よりも高い融点を有する半田をペルチェ素子の上面での実装に用いることができるようになる。しかし、その反面、コレットとヒータステージの両方を加熱する装置を準備する必要があるので、製造設備の大型化、高コスト化を招いてしまう。しかも、この方法でもペルチェ素子を複数回にわたり急熱急冷するので、上記の課題Ｂは残ったままである。

これに対し、本発明は、ペルチェ素子の上面と下面とで同時に半田を溶融させることにより製造可能なレーザモジュールを提供する。以下では、本発明に係るレーザモジュールの一実施形態として、図３に示されるレーザモジュール１０を挙げ、その構造と製造方法を詳細に説明する。

図３に示されるように、レーザモジュール１０は、基材であるステム１２上に実装されたペルチェ素子１４、Ｌ字キャリア１５およびＬＤキャリア１６を有している。ペルチェ素子１４の下面１４ａは、半田３１によってステム１２の上面に接合されている。Ｌ字キャリア１５は、半田３２によってペルチェ素子１４の上面１４ａに接合されている。ＬＤキャリア１６は、半田３３によってＬ字キャリア１５上に固定されている。ＬＤキャリア１６上にはＬＤ１８が実装されている。ペルチェ素子１４は、下部電極１４ｃおよび上部電極１４ｄを有しており、これらの電極間に電圧を印加することにより、下面１４ａおよび上面１４ｂの一方で吸熱を行い、他方で発熱を行う。ペルチェ素子１４の下部電極１４ｃ上には、モニタフォトダイオード（Photodiode：ＰＤ）２２を搭載したＰＤキャリア２４が固定されている。

図２に示すように、ペルチェ素子１４の上下面の温度差は３０〜４０℃くらいである。図２を参考にすると、下面１４ａの温度が２８０度付近になれば、上面１４ｂの温度は２４０度付近になる。本実施形態では、この温度差を利用して、上下面同時に、融点の異なる半田を用いた３部品同時実装を行う。具体的には、ステム１２とペルチェ素子１４の間の半田３１としてＡｕＳｎを、Ｌ字キャリア１５とペルチェ素子１４の間の半田３２としてＳｎＳｂを使用し、ステム１２の下に配置されたヒータ（図示せず）を用いて、ステム１２、ペルチェ素子１４およびＬ字キャリア１５を同時に加熱する。ここで、ＡｕＳｎ半田３１は、ＡｕとＳｎの含有比が８：２の共晶合金（融点：約２８３℃）であり、ＳｎＳｂ半田３２は、ＳｎとＳｂの含有比が９１．５：８．５の共晶合金（融点：約２３８℃）である。ヒータは、図１に示されるヒータ２０と同様に、ペルチェ素子１４の下面１４ａ側に配置され、ステム１２はそのヒータ上に載置される。

ペルチェ素子１４の下面１４ｂが、上記のヒータによって、ＡｕＳｎ半田３１が溶融可能な温度まで加熱されると、ペルチェ素子１４の上面１４ａは、ＳｎＳｂ半田３２が溶融可能な温度になる。この結果、二つの半田３１、３２が同時に溶融する。この後、半田３１および３２を冷却すれば、ステム１２、ペルチェ素子１４およびＬ字キャリア１５の３部品が同時に実装される。

このような方法によれば、２部品ずつ実装していたときにくらべて融点の高い半田種をＬ字キャリア１５とペルチェ素子１４の間の半田３２として使用することができるようになる。半田３１を溶融させずに溶融する低融点の半田種を半田３２として選定する必要はないので、使用する半田種の制限が緩和される。また、ペルチェ素子１４が受ける３００度付近くらいまでの急激な加熱とその後の急激な冷却は、実装工程において１度だけになるため、ペルチェ素子１４の性能が低下しにくい。さらに、従来技術のようにコレットを加熱する必要はないので、製造設備のコストを抑えることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

本発明のレーザモジュールの製造に使用する半田は、上記実施形態で挙げたものに限られない。例えば、上記の半田３２として、ＳｎＳｂの代わりにＳｎＡｕ（含有比Ｓｎ：Ａｕ＝９：１）の共晶合金（融点：約２２１℃）を使用してもよい。

図１は、レーザモジュールの製造方法を説明するための概略図である。 図２は、ペルチェ素子の上下面の温度差を示すグラフである。 図３は、ペルチェ内蔵同軸ＴＯＳＡの内部構造を示す概略側面図である。

符号の説明

１０…レーザモジュール、１２…ステム、１４…ペルチェ素子、１５…Ｌ字キャリア、１６…ＬＤキャリア、１８…ＬＤ、２０…ヒータ、２２…モニタＰＤ、２４…ＰＤキャリア、３１〜３３…半田

Claims (4)

1. 基材と、
   第１の半田によって前記基材に接合された下面を有する熱電冷却器と、
   前記第１の半田の融点よりも低い融点を有する第２の半田によって前記熱電冷却器の上面に接合され、少なくともレーザダイオードを搭載するキャリアと、
   を備え、
   前記熱電冷却器の下面が、当該下面側に配置された加熱手段によって、前記第１の半田を溶融可能な温度まで加熱されると、前記熱電冷却器の上面は、前記第２の半田を溶融可能な温度になる、レーザモジュール。
2. 前記第１の半田は、金錫系の材料からなり、
   前記第２の半田は、錫金系または錫アンチモン系の材料からなる、
   請求項１に記載のレーザモジュール。
3. レーザダイオードを搭載するキャリア及び該キャリアを搭載する熱電冷却器の基材上へ実装方法であって、
   前記基材と前記熱電冷却器の下面との間に第１の半田を配置し、
   前記熱電冷却器の上面と前記キャリアとの間に第１の半田よりも融点の低い第２の半田を配置し、
   前記熱電冷却器の下面側に配置された加熱手段により、前記第１の半田及び前記第２の半田を同時に溶融させて、前記基材上に前記熱電冷却器を実装すると共に、前記熱電冷却器上に前記キャリアを実装する方法。
4. 前記第１の半田は、金錫系の材料からなり、
   前記第２の半田は、錫金系または錫アンチモン系の材料からなる、
   請求項３に記載の実装方法。

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