JP2008078173A

JP2008078173A - 光通信装置及びその製造方法

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Publication number: JP2008078173A
Application number: JP2006252145A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamashita; 博之山下; Naoki Kamimura; 直樹神村
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: JP5023633B2

Abstract

【課題】はんだ接合強度が高く、信頼性に優れた光通信装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】光通信装置は、表面にＡｕ膜２が設けられた光通信部品１と、この光通信部品１上にＳｎを主成分とするはんだによって接続されこの接続面にＡｕ膜４が設けられた熱電モジュール８と、を有し、はんだによって光通信部品１と熱電モジュール８とが接続された接合層９の金属組織がＳｎを主成分とする相１０とＡｕＳｎ_４相１１とからなり、ＡｕＳｎ_４相１１が接合層９内で厚さ方向に堆積していない。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信部品に熱電モジュールを実装した光通信装置及びその製造方法に関する。

従来、半導体レーザモジュール、半導体増幅器モジュール、外部変調器モジュール及び受信モジュール等の光通信部品に熱電モジュールを実装する場合、はんだ濡れ性を重視し、４μｍ以上の厚さを有するＡｕめっきを施した光通信部品に対し、Ｓｎ−Ａｇはんだを使用して熱電モジュールを実装しているが、このはんだによる実装の際に、接合部にＡｕ−Ｓｎ系の層状の金属間化合物が生成され、これにより光通信部品と熱電モジュールとの接合強度を低下させている。

特許文献１に、Ａｕめっきが施された第１の導体パターン上にＳｎ含有はんだを使用して電子部品等をはんだ接合する際に、はんだ付け部の表面に、Ｎｉ膜と、はんだ付けに支承が生じない範囲で可及的に薄く、具体的には０．１乃至０．３μｍの厚さで形成されたＡｕ膜とを積層した第２の導体パターンを形成する技術が開示されている。

この技術は、Ｓｎ含有はんだによって第２の導体パターンの表面のＡｕ膜に電子部品を接続する際に、このＡｕ膜が極めて薄く形成されているため、接合部において、Ａｕ−Ｓｎ系の金属間化合物の生成がごく僅かな膜厚内に制限され、また、このＡｕ膜の下側にはＳｎとの間に金属間化合物を生成しないＮｉ膜が形成されているため、このＮｉ膜がバリアになってＡｕ−Ｓｎ系金属化合物がこのＮｉ膜及びこの下側に設けられた第１の導体パターンのＡｕめっきにまで拡大されることがないというものである。

また、特許文献２には、Ａｎ−Ｓｎ合金層とＳｎ含有はんだ層との界面に、多様な高さ及び深さを有する複数個の山及び谷からなる不規則な非直線状パターンを形成しているはんだアンカー構造が含まれている導体パターンは、Ａｎ−Ｓｎ合金層とＳｎ含有はんだ層との界面での剥離の発生を抑制できることが開示されている。

特開平６−２８３８４４号公報特開２００４−０２２６０８号公報

しかしながら、上述の従来技術には以下に示すような問題点がある。特許文献１に開示された技術は、Ａｕ膜を極めて薄く形成する必要があるが、極端に薄い膜厚は制御しにくい。

また、特許文献２に開示された技術では、Ａｎ−Ｓｎ合金層とＳｎ含有はんだ層との界面においては、強固なはんだ接合を得ることができるため、この界面における剥離の発生を抑制することができるが、界面以外のはんだ接合部においては、硬質且つ脆弱なＡｕＳｎ_４層が支配的となるため、必ずしもはんだ接合部全体の強度は良好ではない。

また、はんだ接合部におけるＡｕ−Ｓｎ系の層状の金属間化合物の生成が光通信部品と熱電モジュールとの接合強度を低下させる原因になっているが、この金属間化合物の生成を抑制するためには、光通信部品にめっきされたＡｕの厚さに対するＳｎ含有はんだ層の厚さの比を大きくすることが考えられる。しかしながら、Ｓｎ含有はんだ層の厚さの比を必要以上に大きくすることは、技術的な困難及び経済的な不利を伴い好ましくない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、はんだ接合強度が高く、信頼性に優れた光通信装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光通信装置は、表面にＡｕ膜が設けられた光通信部品と、この光通信部品上にＳｎを主成分とするはんだによって接続されこの接続面にＡｕ膜が設けられた熱電モジュールと、を有し、前記はんだによって前記光通信部品と前記熱電モジュールとが接続された接合層の金属組織がＳｎを主成分とする相とＡｕＳｎ_４相とからなり、前記ＡｕＳｎ_４相が前記接合層内で厚さ方向に堆積していないことを特徴とする。

前記ＡｕＳｎ_４相が前記光通信部品の表面に設けられたＡｕ膜及び前記熱電モジュールの接続面に設けられたＡｕ膜の両方から前記接合層の厚さ方向に延びるように形成されていてもよい。

前記接合層の厚さ方向における中心線が横切る相のうち少なくとも２０％は前記Ｓｎを主成分とする相であることが好ましい。

本発明に係る他の光通信装置は、表面にＡｕ膜が設けられた光通信部品と、この光通信部品上にＳｎを主成分とするはんだによって接続されこの接続面にＡｕ膜が設けられた熱電モジュールと、を有し、前記はんだによって前記光通信部品と前記熱電モジュールとが接続された接合層の金属組織がＳｎを主成分とする相のみからなることを特徴とする。

前記光通信部品の表面に設けられる前記Ａｕ膜の膜厚は、０．３乃至１μｍであることが好ましい。

本発明に係る光通信装置の製造方法は、表面にＡｕ膜が設けられた光通信部品にＳｎを主成分とするはんだを設ける工程と、前記はんだの上に前記光通信部品に対向する面にＡｕ膜が設けられた熱電モジュールを配置する工程と、前記はんだを介して配置された前記光通信部品と前記熱電モジュールとを加熱してはんだを溶融させる工程と、前記はんだを凝固させて前記光通信部品と前記熱電モジュールとを接合する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、光通信部品と熱電モジュールとのはんだ接合部において、接合強度が高く、信頼性に優れた光通信装置を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光通信装置を示す模式的断面図、図２（ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態に係る光通信装置の製造方法を段階的に示す模式的断面図である。

本実施形態に係る光通信装置は、図１に示すように、光通信部品１の表面にＮｉ膜２とＡｕ膜３とが順に積層されている。このとき、Ａｕ膜３は、厚さが０．３乃至１．０μｍであることが好ましい。また、熱電モジュール８の裏面にはＮｉ膜５とＡｕ膜４とが熱電モジュール８の裏面側から順に積層され、熱電モジュール８の表面にはＮｉ膜６とＡｕ膜７とが順に積層され、光通信部品１に設けられたＡｕ膜３と熱電モジュール８に設けられたＡｕ膜４とが対向するようにして配置され、この２個のＡｕ膜３及びＡｕ膜４が、Ａｇ；３質量％、Ｃｕ；０．５質量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物からなる組成を有するはんだによって接続されて構成されている。

このとき、はんだによる接合層９は、主に、はんだのＳｎを主成分とするＳｎ相１０と、Ａｕ膜３及びＡｕ膜４から接合層９の厚さ方向に延びるように形成された化合物ＡｕＳｎ_４によるＡｕＳｎ_４相１１とからなり、ＡｕＳｎ_４相１１は、接合層９内で柱状の晶（柱状晶）を形成している。即ち、Ｓｎ相１０とＡｕＳｎ_４相１１とが接合層９内で厚さ方向に堆積していない。そして、この接合層９に対し、厚さ方向に対し、中心線Ａ−Ａを引いたときに、この中心線Ａ−Ａが横切る相のうち少なくとも２０％はＳｎ相１０である。これにより、本実施形態に係る光通信装置が構成されている。

次に、上述の如く構成された本実施形態に係る光通信装置の動作について説明する。光通信部品１が動作し、熱が発生すると、この熱がＮｉ膜２、接合層９及びＮｉ膜５を介して熱電モジュール８の一方の電極に伝わる。このとき、熱電モジュール８の他方の電極との温度差が発生し、この温度差がゼーベック効果により電圧に変換される。これにより、光通信部品１から発生する熱を吸収することができ、光通信部品１の精密な温度制御を行うことができる。

次に、本実施形態に係る光通信装置の製造方法について説明する。

先ず、図２（ａ）に示すように、光通信部品１の表面にめっきによってＮｉ膜２を形成し、このＮｉ膜２の上にめっきによって０．３乃至１．０μｍの膜厚でＡｕ膜３を形成する。

また、熱電モジュール８の光通信部品１と接続する側の電極に対し、Ｎｉ膜５をめっきし、この上から０．２乃至０．３μｍの膜厚でＡｕ膜４をめっきし、他方の電極に対しＮｉ膜６をめっきし、この上からＡｕ膜７をめっきする（ステップ１）。

次に、図２（ｂ）に示すように、Ａｇ；３質量％、Ｃｕ；０．５質量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物からなる組成を有するクリームはんだ１２を、マスクを使用して光通信部品１のＡｕ膜３上に塗布する（ステップ２）。

次に、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、クリームはんだ１２が塗布された光通信部品１に、熱電モジュール８のＡｕ膜４がめっきされた面を配置し（ステップ３）、ホットプレートで加熱し、クリームはんだ１２を溶融させ、これを冷却してはんだを凝固させることによって光通信部品１に熱電モジュール８を接合する（ステップ４）。これにより、本実施形態に係る光通信装置が形成される。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図３は、熱電モジュール８とＣｕＷ基板とをクリームはんだ１２によって接続するときのホットプレートの温度プロファイルである。

先ず、ＣｕＷ基板表面に対し、Ｎｉ膜２をめっきし、下記表１に示す厚さでＡｕ膜３をめっきし、これを表面にＡｕ膜３が設けられた光通信装置１の代替とした。また、熱電モジュール８のＡｕ膜４の厚さは０．２乃至０．３μｍとした。

次に、以下の手順によって、表面にＡｕ膜３が形成されたＣｕＷ基板に対し、２．５ｍｍ×３．５ｍｍの熱電モジュール８を実装した。

先ず、Ａｇ；３質量％、Ｃｕ；０．５質量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物からなる組成を有するクリームはんだ１２を、厚さ８０μｍのマスクを使用してＣｕＷ基板のＡｕ膜３上に塗布した。

次に、ホットプレートで、図３及び表２に示す温度プロファイルにより、クリームはんだ１２を溶融させ、熱電モジュール８とＣｕＷ基板とを接合した。

上述の製造方法によって、各実施例及び各比較例について夫々１１個作成し、以下に示す評価を行った。

先ず、下記記表１に示す各実施例及び各比較例の夫々１１個に対し、先ず、熱電モジュール８に通電したときの上下面に生じる最大温度差及びＡＣＲ（Alternate Current Resistance）を測定した。次に、熱電モジュール８の高温端温度を８５℃に固定し、信頼性試験として、最大電流を５０００時間印加し続ける連続通電試験を行った。そして、この信頼性試験後に、再度、各実施例及び各比較例の夫々１１個に対し、熱電モジュール８に通電したときの上下面に生じる最大温度差及びＡＣＲを測定し、信頼性試験前後において、ＡＣＲ変化率又は最大温度差変化率が５％を超えたものが１１個のうち１個でもあれば不合格（×）、１個もなければ合格（○）とした。ここで、ＡＣＲ変化率とは、熱電モジュール８に通電したときのＡＣＲの信頼性試験前後における変化率、最大温度差変化率とは、熱電モジュール８に通電したときの上下面に生じる最大温度差の信頼性試験前後における変化率のことである。

図４は、上述の信頼性試験後の実施例２のはんだ組織像（反射電子像）、図５は、同じく比較例１のはんだ組織像（反射電子像）である。ここで、Ａｇ及びＣｕは、Ｓｎ及びＡｕＳｎ_４層に微量に存在するものである。

信頼性試験によって、熱電モジュール８の熱電材料部の電気的な抵抗が増大することにより熱電モジュール８の特性が低下したり、ＣｕＷ基板との接合界面の機械的な破壊（クラック）が発生することにより熱抵抗が増大したりすると、最大温度差変化率が大きくなる。後者の場合、クラックが発生した直後は、ＡＣＲは変化しないが、クラックが発生した状態で長時間上述の信頼性試験を継続すると、熱電材料部の熱応力が大きくなり、熱電材料部にもクラックが発生し、ＡＣＲが大きくなる。

比較例１及び２では、最大温度差変化率が生じているが、ＡＣＲ異常は生じなかった。これは、上述の信頼性試験を行ったことによって、熱電モジュール８とＣｕＷ基板との間の接合界面にクラックが発生し、熱抵抗が増大したために、最大温度差が小さくなったためである。即ち、熱抵抗となるはんだ接合界面にクラックが発生したということを示している。これは、クリームはんだ１２に含有されるＳｎが隣接するＡｕ相に拡散し、図５に示すようなＡｕＳｎ系の層状化合物が形成されたためである。また、熱電モジュール８の熱電材料部には、クラックが発生しなかったことも示している。また、比較例３では、熱電モジュール８とＣｕＷ基板とを接合することができなかったため、信頼性試験は行わなかった。

これに対し、実施例１乃至３は、各１１個全てについて、信頼性試験前後で、ＡＣＲ変化率及び最大温度差変化率が５％未満であった。

次に、金属顕微鏡によって、Ｎｉ膜２との接合界面及び熱電モジュール８のＮｉ膜５との接合界面を含む接合層９の断面を写真撮影した。そして、この写真において、接合層９の厚さ方向に対し、中心線Ａ−Ａを引いた。このとき、接合界面は直線ではないが、平均的に中心となる位置を選定して中心線Ａ−Ａを引いた。そして、この中心線Ａ−Ａが横切る相のうちＳｎ層１０を横切る長さの割合を算出した。表１に示す「接合層の中心線が横切るＳｎ層の割合」は、各１１個における平均値である。

実施例１では、接合層９の断面において、ＡｕＳｎ系の化合物が生成されていなかった。また、実施例２及び３の接合層９の断面においては、図４の実施例２の写真に示すように、Ｓｎ相１０中でＡｕＳｎ_４相１１が接合層９の厚さ方向に延びるように形成されていた。これに対し、比較例１及び２の接合層９の断面においては、図５の比較例２の写真に示すように、Ｎｉ膜２上にＡｕＳｎ系の層状化合物が形成され、また、Ｓｎ相１０中にＡｕＳｎ系の相が粒子状に点在していた。実施例１乃至３においては、「接合層の中心線が横切るＳｎ層の割合」が２０乃至１００％であるのに対し、比較例１及び２では、この割合が０％であった。

以上により、本発明によれば、はんだによって光通信部品１と熱電モジュール８とが接続された接合層９の金属組織がＳｎを主成分とするＳｎ相１０とＡｕＳｎ_４相１１とからなり、このＳｎ相１０とＡｕＳｎ_４相１１とが接合層９内で厚さ方向に堆積していないため、接合界面におけるクラックの発生を抑制し、また、接合層の強度が高く、信頼性に優れた光通信装置を得ることができることが分かる。

本発明の第１実施形態に係る光通信装置を示す模式的断面図である。（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係る光通信装置の製造方法を段階的に示す模式的断面図である。熱電モジュール８とＣｕＷ基板とをクリームはんだ１２によって接続するときのホットプレートの温度プロファイルである。信頼性試験後の実施例２のはんだ組織像（反射電子像）である。信頼性試験後の比較例１のはんだ組織像（反射電子像）である。

符号の説明

１；光通信部品、２、５、６；Ｎｉ膜、３、４、７；Ａｕ膜、８；熱電モジュール、９；接合層、１０；Ｓｎ相、１１；ＡｕＳｎ_４相、１２；クリームはんだ

Claims

表面にＡｕ膜が設けられた光通信部品と、この光通信部品上にＳｎを主成分とするはんだによって接続されこの接続面にＡｕ膜が設けられた熱電モジュールと、を有し、前記はんだによって前記光通信部品と前記熱電モジュールとが接続された接合層の金属組織がＳｎを主成分とする相とＡｕＳｎ_４相とからなり、前記ＡｕＳｎ_４相が前記接合層内で厚さ方向に堆積していないことを特徴とする光通信装置。
前記ＡｕＳｎ_４相が前記光通信部品の表面に設けられたＡｕ膜及び前記熱電モジュールの接続面に設けられたＡｕ膜の両方から前記接合層の厚さ方向に延びるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
前記接合層の厚さ方向における中心線が横切る相のうち少なくとも２０％は前記Ｓｎを主成分とする相であることを特徴とする請求項２に記載の光通信装置。
表面にＡｕ膜が設けられた光通信部品と、この光通信部品上にＳｎを主成分とするはんだによって接続されこの接続面にＡｕ膜が設けられた熱電モジュールと、を有し、前記はんだによって前記光通信部品と前記熱電モジュールとが接続された接合層の金属組織がＳｎを主成分とする相のみからなることを特徴とする光通信装置。
前記光通信部品の表面に設けられる前記Ａｕ膜の膜厚は、０．３乃至１μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光通信装置。
表面にＡｕ膜が設けられた光通信部品にＳｎを主成分とするはんだを設ける工程と、前記はんだの上に前記光通信部品に対向する面にＡｕ膜が設けられた熱電モジュールを配置する工程と、前記はんだを介して配置された前記光通信部品と前記熱電モジュールとを加熱してはんだを溶融させる工程と、前記はんだを凝固させて前記光通信部品と前記熱電モジュールとを接合する工程と、を有することを特徴とする光通信装置の製造方法。