JP3804629B2 - 熱電装置用パッケージ - Google Patents
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Description
【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半導体素子(例えば、半導体レーザ)と、この半導体素子を温度制御する熱電モジュールを収容する熱電装置用パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、インターネットの急速な発展に伴って、大容量のデータ(情報)を高速に伝送する必要性が益々増大している。そこで、既に敷設されている光ファイバー網を使用してデータ(情報)を伝送すると、データ(情報)の高速伝送が可能になることから、ここ数年において、光ファイバー網の利用が急激に増加するようになった。この場合、1本の光ファイバに異なる波長の光を通してチャネルを多重化する、いわゆるWDM(Wavelength Division Multiplexing:波長分割多重)あるいはDWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing: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することにより、大容量のデータを双方向で高速伝送することが可能になる。
【0003】
ここで、光ファイバ中を転送するデータ(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、光ファイバを用いてデータ(情報)を伝送する中間地点で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。ところで、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:Thermo Electric Cooler)と呼ばれる電子デバイスが使用されている。
【0004】
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、一般的にはパッケージと呼ばれ、図14〜図15に示すような構造となっている。なお、図14はパッケージに用いられる構成部品を示しており、図15はこれらの構成部品を組み立てる状態を示している。ここで、光半導体モジュール用パッケージ60を形成する主要な構成部品は、フレーム61と、窓ホルダ62と、底板となるベース63と、シールリング64と、セラミックフィードスルー65,65と、一対のリード66,66と、カバー(図示せず)とからなる。この場合、フレーム61、ベース63、セラミックフィードスルー65、リード66、シールリング64およびロウ材(図示せず)を、図15(a)に示すような配置構成になるように配置して加熱処理する。
【0005】
これにより、フレーム61の一側壁に窓ホルダ62がロウ付けされ、フレーム61の下面に底板となるベース63がロウ付けされて固着される。また、フレーム61の一対の側壁に形成された切欠部にセラミックフィードスルー65,65がロウ付けにより固着される。さらに、これらのセラミックフィードスルー65,65の上に一対のリード66,66がロウ付けされ、これらのフレーム61およびセラミックフィードスルー65,65の上にシールリング64がロウ付けされる。そして、TEC67、半導体レーザー(図示せず)等の電子部品、あるいは光学系等をフレーム61内に収容、固定する。この後、フレーム61内を窒素ガスの雰囲気にし、最後にシールリング64にカバー(図示せず)を溶接してパッケージ60が形成される。これと同時に、光半導体モジュールも形成されることとなる。
【0006】
なお、セラミックフィードスルー65は所定の配線65a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(Al2O3)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65aを施したものを焼結することにより形成されている。この場合、半導体レーザーとベース63との間にTEC67を配置するようにして、半導体レーザーで発生した熱を能動的に外部に放出するようにしている。このため、ベース63は高熱伝導性材料であるCuWが用いられることが多い。また、フレーム61、窓ホルダ62およびシールリング64は熱膨張係数が小さいコバール(Kovar)と呼ばれるFeNiCo系合金が使用される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のようにして形成される光半導体モジュールにおいては、部品点数が多いとともに、それぞれの部品に加工を施す必要があるため、材料コストが高価になるという問題を生じた。また、各部品を高温度でロウ付けにより組み立て、かつ部品点数も多いために、組立歩留まりが低いという問題を生じた。また、高温での作業が必要であるため、これらを組み立てる装置も高価になり、得られたパッケージも必然的に高価になるという問題も生じた。
【0008】
また、セラミックフィードスルーを用いた場合には、光半導体モジュールの内部の配線が複雑になるという問題も生じた。さらに、CuW材料よりなるベースの下面にヒートシンクを接合して、半導体レーザで発生した熱を外部に放熱するようにしているため、放熱効率が悪く、素早く外部に放熱することが困難であるという問題も生じた。
【0009】
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、半導体レーザなどの半導体素子と、この半導体素子を温度制御する熱電モジュール(TEC:Thermo Electric Cooler)を収容するパッケージの部品点数を削減することを可能にするとともに、組立が簡単容易な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。
【0010】
【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、フレーム部材と、該フレーム部材の底板となるベース部材とからなるパッケージ本体を備え、半導体素子や熱電モジュール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、内部電極と前記外部電極を接続する配線とをベース部材に備えるとともに、ベース部材は多層基板から構成され、当該多層基板の表面にフレーム部材を接合するためのメタライズ部が外部電極と内部電極との間を区画するとともに内部電極を囲むように形成され、多層基板中に内部電極と外部電極とを接続する配線を埋設して備えるようにしている。
【0011】
このように、ベース部材に複数の内部電極と外部電極とを備えるようにすると、セラミックフィードスルーを設ける必要がなくなるとともに、カバーをフレームに直接溶接することが可能となるため、シールリングも設けることが不可欠でなくなる。この結果、この種の熱電装置用パッケージを作製するための部品点数を削減することが可能になるとともに、その組立も簡単容易になって、この種の熱電装置用パッケージを安価に作製することが可能になる。
【0012】
この場合、ベース部材は多層基板から構成され、この多層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、ベース部材の表面にフレーム部材を配置することが可能になるとともに、ベース部材を端子部材に兼用させることが可能となる。これにより、構造が簡単になって容易に製造できるようになる。また、ベース部材が熱電モジュールの下基板を兼ねていると、熱電モジュールからの発熱を直接ベース部材に伝導させることができるので、熱電モジュールの放熱効率を向上させることが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を光半導体モジュールに適用した場合において、フレーム部材とベース部材を別体で形成したパッケージ本体を用いた第1実施形態と、フレーム部とベース部を一体的に形成したパッケージ本体を用いた第2実施形態について、図に基づいて詳細に説明する。
【0015】
1.第1実施形態
以下に、フレーム部材とベース部材を別体で形成したパッケージ本体を用いた第1実施形態の光半導体モジュール用パッケージおよびこのパッケージを用いた光半導体モジュールについて図1〜図9に基づいて説明する。なお、図1は、本第1実施形態のパッケージを構成する部品の分解斜視図であり、図2は、図1の部品を組み立てた状態のパッケージの概略構成を示す斜視図である。図3はべース部材に形成された電極パターンあるは導体パターンを示す上面図であり、図3(a)はべース部材の表面に形成された電極パターンを示し、図3(b)はべース部材の内部に形成された導体パターンを示している。
【0016】
また、図4はべース部材にフレーム部材を接合するとともに、べース部材上に熱電モジュールを接合した状態を示す図であり、図4(a)はその上面図であり、図4(b)は図4(a)のA−A断面を示す図であり、図4(c)は図4(a)のB−B断面を示す図である。図5は変形例のべース部材を示す図であり、図5(a)はその表面に形成された電極パターンを示す上面図であり、図5(b)はその下面に形成された導体パターンを示す下面図である。図6は下基板が設けられた熱電モジュールを接合する場合の変形例のべース部材の電極パターンを示す上面図である。
【0017】
また、図7はべース部材の電極パターンに熱電モジュールを接合する状態を示す断面図であり、図7(a)は下基板がない熱電モジュールを接合する状態を示す断面図であり、図7(b)は下基板が設けられた変形例の熱電モジュールを接合する状態を示す断面図である。図8はべース部材に形成された内部電極と熱電モジュール上に配設された半導体素子をワイヤーボンディングする状態を模式的に示す図であり、図8(a)は通常の状態を示す断面図であり、図8(b)はボンディング台を設けた状態を示す断面図であり、図8(c)はボンディング台を示す斜視図である。
【0018】
さらに、図9はべース部材に形成された内部電極と熱電モジュール上に配設された半導体素子をワイヤーボンディングする改善例を模式的に示す図であり、図9(a)は下基板がない熱電モジュールを接合した状態を示し、図9(b)は下基板が設けられた変形例の熱電モジュールを接合した状態を示す断面図である。
【0019】
(1)パッケージ(光半導体モジュール用パッケージ)
本第1実施形態の光半導体モジュール用パッケージ10は、図1、図2に示すように、略箱形形状で一側壁に略円筒形状の窓ホルダ11aを備えたフレーム部材11と、フレーム部材11の底板となるべース部材12と、フレーム部材11のカバーとなるキャップ部材13とからなる。これらのフレーム部材11とべース部材12がロウ付けあるいは半田付けされて一体化されている。そして、べース部材12上に熱電モジュール15(図4参照)が配設され、この熱電モジュール15上に半導体レーザーや光学系が配置され、フレーム部材11の上にキャップ部材13がシーム溶接で接合されて、光半導体モジュールが形成されるようになされている。
【0020】
フレーム部材11は熱膨張係数が小さいFeNiCo系合金(例えば、コバール(Kovar))から構成され、このFeNiCo系合金をMIM(Metal Injection Molding)法あるいは鋳造法により、略箱形形状で一対の側壁底部に取付部11bを備えるように形成されている。なお、窓ホルダ11aは別部材としてフレーム部材11に接合してもよいし、初めからフレーム部材11と一体化している同一部材でもよい。取付部11bはフレーム部材11と一体化している同一部材の方が望ましい。また、キャップ部材13はフレーム部材11と同様に、熱膨張係数が小さいFeNiCo系合金(例えば、コバール(Kovar))から構成され、このFeNiCo系合金の薄板をプレス打ち抜き等により平板状に形成されている。
【0021】
べース部材12は、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基材とする多層基板により構成されている。そして、このべース部材12の内部には、図3(b)に示すような、所定の導体パターンa〜hが形成されて埋設されている。また、その表面には、図3(a)に示すような、導体パターンa〜hに導通する所定の外部電極パターンa1〜h1および内部電極パターンa2〜h2と、熱電モジュール接合用メタライズ部iと、フレーム部材接合用メタライズ部jとが形成されている。
【0022】
なお、導体パターンa〜h、外部電極パターンa1〜h1、内部電極パターンa2〜h2、熱電モジュール接合用メタライズ部iおよびフレーム部材接合用メタライズ部jは、Cu、W,Mo,Mn,Ag等の金属、あるいはこれらの金属の合金により形成されている。そして、外部電極パターンa1〜h1、熱電モジュール接合用メタライズ部i、フレーム部材接合用メタライズ部jおよび内部電極パターンa2〜h2の上にはNiメッキが施され、場合によっては、さらにNiメッキの上にAuメッキが施されている。
【0023】
そして、このような多層基板からなるベース部材12とフレーム部材11とがフレーム部材接合用メタライズ部jで、Agロウ、Cuロウ、Auロウなどを用いたロウ付け、あるいはAuSn合金、AuSi合金、AuGe合金などの半田を用いた半田付けにより接合、一体化されてパッケージ本体10が形成されることとなる。そして、このベース部材12の表面に形成された外部接続用の各外部電極パターンa1〜h1には、リード14aがAgロウ、Cuロウ、Auロウなどを用いたロウ付け、あるいはAuSn合金、AuSi合金、AuGe合金などの半田を用いた半田付けにより接合されている。
【0024】
なお、リード部材14は、図1に示すように、串歯部(後に切断されてリードとなる)14aと連結部14bとからなるFeNiCo系合金(Kovar)、Cu系合金あるいはCuなどの金属あるいは合金製の薄板を串歯状に成形することにより形成されている。そして、この串歯状のリード部材14は必要に応じてメッキを施し、これらの串歯部14aを各外部電極パターンa1〜h1およびこれらの間に形成された電極に接合した後、その串歯部14aの根本で連結部14bを切断(図2参照)することにより、残存した串歯部がリード14aとして形成されるものである。
【0025】
(2)光半導体モジュール
ここで、べース部材12の熱電モジュール接合用メタライズ部iには、図4(a)に示すように、熱電モジュール15が接合されている。この熱電モジュール15は、図4(b)および図4(c)に示すように、上基板15aに形成された電極パターン(導電層)15bと、下基板(この場合は、べース部材12となる)に形成されたメタライズ部iの電極パターンとの間に、多数のペルチェ素子15c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15c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。また、より電極パターンの電気抵抗を減らすために、メタライズ部iとペルチェ素子15cの間に薄板状のCu片をメタライズ部iの電極パターンと同じ形状になるように挿入してもよい。
【0026】
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15aの電極パターン15bあるいはべース部材12のメタライズ部iの電極パターンに、SnSb合金またはSnAsCu合金からなる半田により半田付けされている。このような熱電モジュール15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15aは、下基板(べース部材12)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15a上に、銅(Cu)メッキとエッチングにより電極パターン15bが形成されている。この場合、銅(Cu)メッキの上に更にニッケル(Ni)メッキを形成しておくのが好ましい。また、ニッケル(Ni)メッキ上に更に金(Au)メッキを形成しておいてもよい。
【0027】
この熱電モジュール15上に図示しない半導体レーザーを配置し、かつ半導体レーザーの光軸上に光学系を配置した後、フレーム部材11の上部にキャップ部材13を配置し、フレーム部材11とキャップ部材13とをAgロウ、Cuロウ、Auロウなどを用いたロウ付け、あるいはAuSn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を形成するようにしている。
【0028】
(3)製造工程
a.実施例1
ついで、上述のような構成となるパッケージ10の具体な作製例、およびこのパッケージ10を用いた光半導体モジュールの具体な作製例を、製造工程順に以下に詳細に説明する。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セラミックグリーンシートを2枚用意する。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にスクリーン印刷で、図3(b)に示すような所定の導体パターンa〜hを形成した。
【0029】
また、他方のセラミックグリーンシートにスクリーン印刷で、図3(a)に示すような、図3(b)の導体パターンa〜hに導通するスルーホール導体と、所定の外部電極パターンa1〜h1およびそれらの間の電極パターン並びに内部電極パターンa2〜h2と、熱電モジュール接合用メタライズ部iと、フレーム部材接合用メタライズ部jとを形成した。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、さらにセラミックグリーンシート積層体(多層基板)を焼成してベース部材12とした。なお、必要に応じて基板表面にでているメタライズ層表面にはNiメッキを施した。
【0030】
一方、熱膨張係数が小さいFeNiCo系合金(例えば、コバール(Kovar))をMIM(Metal Injection Molding)法あるいは鋳造法により、略箱形形状で一対の側壁に取付部11bが形成されているフレーム部材11を作製した。また、MIM法あるいは鋳造法により作製した略円筒形状の窓ホルダ部材11aをこのフレーム部材11に接合して一体化した。なお、窓ホルダ部材11aが予め一体化されたフレーム部材11をMIM法あるいは鋳造法により作製してもよい。また、フレーム部材11と同様のFeNiCo系合金をプレス打ち抜き法により、平板状のキャップ部材13を作製した。さらに、FeNiCo系合金(Kovar)、Cu系合金あるいはCuなどの金属あるいは合金製の薄板をプレス加工することにより、串歯部14aと連結部14bとからなる串歯状のリード部材14を作製した。
【0031】
ついで、上述のようにして作製した多層基板からなるベース部材12を治具内に配置した後、フレーム部材接合用メタライズ部jの上にAgロウなどのロウ材を介してフレーム部材11を配置した。また、リード部材14の串歯部14aを、Agロウなどのロウ材を介して、ベース部材12の外部接続用の各外部電極パターンa1〜h1およびこれらの間に形成された電極上に配置した。
【0032】
ついで、この治具を加熱処理することにより、ベース部材12の上にフレーム部材11が接合され、かつ外部接続用の各外部電極パターンa1〜h1およびこれらの間に形成された電極上に各リード14aが接合されたパッケージ10が作製されることとなる。なお、これらのフレーム部材11とリード14aをベース部材12に接合するに際しては、Cuロウ、Auロウなどを用いたロウ付け、あるいは半田付けなどにより接合するようにしてもよい。
【0033】
この場合、ベース部材12とフレーム部材11を接合した後、ベース部材12にリード14aを接合するようにしてもよいし、あるいはベース部材12にリード14aを接合した後、ベース部材12とフレーム部材11を接合するようにしてもよい。この後、フレーム部材11、リード14a、およびベース部材12の表面に形成された内部電極パターンa2〜h2、熱電モジュール接合用メタライズ部iに必要に応じてNiメッキあるいはPdメッキを施した後、この上にAuメッキを施した。
【0034】
また、図7(a)に示すように、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た上基板15aに銅(Cu)メッキとエッチングにより電極パターン15bを形成し、銅(Cu)メッキ上にはNiメッキ、更にはAuメッキを施した。ついで、この電極パターン(導電層)15bを介してペルチェ素子15cを上基板15aに半田接合し、このペルチェ素子15cの極性がP,N,P,Nの順に交互に配列されるように接続して、半完成の熱電モジュール15を作製した。なお、この熱電モジュール15においては、ペルチェ素子15cの下部(電極パターン15bと反対側)には、導電層はないがCuなどの導電層を設けるようにするのが望ましい。この場合、片側しか基板がない熱電モジュールをベース部材12に接合することになる。
【0035】
この後、この熱電モジュール15の各ペルチェ素子15cが半田を介して、べース部材12のメタライズ部iの電極パターンおよび内部電極パターンa2,b2上に電気的に直列接続されるように配置した後、所定の温度になるように加熱して半田を溶融させた。これにより、上基板15aの電極パターン15bに接合された各ペルチェ素子15cは、P,N,P,Nの順に交互に配列されることとなる。これにより、ベース部材12のメタライズ部iの電極パターンおよび内部電極パターンa2,b2上に各ペルチェ素子15cが接合されて、熱電モジュール(TEC:Thermo Electric Cooler)15が作製される。なお、上基板15aにペルチェ素子15cを半田接合する工程と、ベース部材12のメタライズ部iの電極パターンおよび内部電極パターンa2,b2と各ペルチェ素子15cを接合する工程を同時に行っても良い。
【0036】
ついで、この熱電モジュール15の上に図示しない半導体レーザー(LD)、フォトダイオード(PD)、サーミスタなどの半導体素子を配置した後、半導体レーザーの光軸上にレンズ系などを配置してレーザ装置を固定した。ついで、半導体素子とベース部材12の表面に形成された内部電極パターンc2〜h2とをワイヤーボンディングにより接合した。この後、フレーム部材11の開口部にキャップ部材13を配置した後、これをシーム溶接により気密に接合した。
【0037】
ついで、リード部材14の連結部14bをリード14aの根本で切断して、図2に示すような光半導体モジュールを作製した。この場合、ベース部材12の下面にシリコーングリースを介して図示しないヒートシンクを配置し、このヒートシンクをねじ止めによりベース部材12に取り付けることにより、放熱特性に優れた光半導体モジュールとすることが可能になる。
【0038】
b.実施例2
ついで、上述のような構成となるパッケージ10の実施例2の作製法を以下に説明する。まず、上述した実施例1と同様に、内部に導体パターンa〜hが形成され、これに導通するスルーホール導体が形成され、かつ外部電極パターンa1〜h1およびそれらの間の電極パターン並びに内部電極パターンa2〜h2と、熱電モジュール接合用メタライズ部iと、フレーム部材接合用メタライズ部jが表面に形成されたベース部材12を作製した。なお、必要に応じて基板表面にでているメタライズ層表面にはNiメッキを、更にはAuメッキを施した。
【0039】
ついで、上述した実施例1と同様に、片側しか基板がない熱電モジュール15を作製した後、この熱電モジュール15の各ペルチェ素子15cが半田を介して、べース部材12のメタライズ部iの電極パターンおよび内部電極パターンa2,b2上に電気的に直列接続されるように配置して接合した。ついで、この熱電モジュール15の上に図示しない半導体レーザー(LD)、フォトダイオード(PD)、サーミスタなどの半導体素子を配置した後、半導体レーザーの光軸上にレンズ系などを配置してレーザ装置を固定した。
【0040】
また、上述した実施例1と同様に作製した、略箱形形状で一側壁に略円筒形状の窓ホルダ部11aを備え、一対の側壁に取付部11bを備えたフレーム部材11と、平板状のキャップ部材13と、串歯部14aと連結部14bとを備えたリード部材14を用意した。ついで、治具内にベース部材12を配置した後、フレーム部材接合用メタライズ部jの上に接合材を介してフレーム部材11を配置した。また、リード部材14の串歯部14aを、接合材を介して、ベース部材12の外部接続用の各外部電極パターンa1〜h1およびこれらの間に形成された電極上に配置した。
【0041】
ついで、加熱処理することにより、ベース部材12の上にフレーム部材11が接合され、かつ外部接続用の各外部電極パターンa1〜h1およびこれらの間に形成された電極上に各リード14aが接合されたパッケージ10が作製されることとなる。この場合、ベース部材12とフレーム部材11を接合する接合部材は、ベース部材12に熱電モジュール15を接合する際に用いた接合材(この場合は半田)よりも融点が同等以下となる材質のものを用いる必要がある。
【0042】
なお、ベース部材12とフレーム部材11を接合した後、ベース部材12にリード14aを接合するようにしてもよいし、あるいはベース部材12に予めリード14aを接合した後、ベース部材12とフレーム部材11を接合するようにしてもよい。また、熱電モジュール15がベース部材12上に形成され、更にフレーム部材11がベース部材12に接合された後、熱電モジュール15上に、図示しないLD、PD、サーミスタ、レンズ系等を固定してもよい。
【0043】
ついで、半導体素子とベース部材12の表面に形成された内部電極パターンc2〜h2とをワイヤーボンディングにより接合した後、フレーム部材11の上部にキャップ部材13を配置した。この後、これをシーム溶接により気密に接合した。ついで、リード部材14の連結部14bをリード14aの根本で切断して、図2に示すような光半導体モジュールを作製した。この場合、ベース部材12の下面にシリコーングリースを介して図示しないヒートシンクを配置し、このヒートシンクをねじ止めによりベース部材12に取り付けることにより、放熱特性に優れた光半導体モジュールとすることが可能になる。
【0044】
(4)変形例
本第1実施形態においては、上述した例に限らず種々の変形を加えて実施することが可能である。以下では、本第1実施形態の変形例について説明する。
(a)第1変形例
上述した第1実施形態においては、べース部材12の表面に外部電極パターンa1〜h1を設けて、この電極パターンa1〜h1にリード14aを接続する例について説明したが、べース部材12の裏面あるいは側面に外部回路用電極を形成することが可能である。
【0045】
この場合、例えば図5に示すように、べース部材12の表面に、内部電極パターンa2〜h2と、熱電モジュール接合用メタライズ部iと、フレーム部材接合用メタライズ部jとを形成するようにし、かつべース部材12の裏面に外部電極パターンa1〜h1を形成するように、多層基板からなるベース部材12を形成するようにすればよい。
【0046】
これにより、べース部材12の表面に外部電極パターンa1〜h1を設ける必要がなくなるので、ベース部材12を、フレーム部材11の平面形状の大きさに小型化することが可能となる。また、リード14aを接続する必要もなくなることから製造の簡略化が可能となる。もちろんリード線を接合するようにしてもよい。また、裏面の外部電極パターンa1〜h1は、べース部材12の裏面ではなく側面であってもよい。
【0047】
(b)第2変形例
上述した第1実施形態においては、図7(a)に示すように、上基板15aに電極パターン15bを介してペルチェ素子15cを接合した半完成の熱電モジュール15を用いる例について説明した。このため、ペルチェ素子15cがP,N,P,Nの順に交互に直列に配列されるように、べース部材12のメタライズ部iの電極パターンを形成されている。
【0048】
本変形例においては、図7(b)に示すように、上基板15aに電極パターン15bを介してペルチェ素子15cが接合されているとともに、各ペルチェ素子15cがP,N,P,Nの順に交互に直列に接続されるように、未接合部に電極パターン15dが形成されている下基板15eを接合した熱電モジュール15を用いることもできる。この場合は、べース部材12の表面に、図6に示すように、熱電モジュール15の下面の形状に一致する接合用のメタライズ部iを設けるとともに、熱電モジュール15の下基板15eに形成されたスルーホール(このスルーホール内には導電層が形成されている)15fに対応する位置に内部電極パターン(給電用電極パターン)a2,b2を設けるようにすればよい。なお、下基板15eの電極パターン15dが形成されている面と反対側の面には、メタライズ部iや内部電極パターン(給電用電極パターン)a2,b2と接合するための複数のメタライズ層(図示せず)が形成されている。
【0049】
(c)第3変形例
上述した第1実施形態においては、半導体素子とベース部材12の表面に形成された内部電極パターンc2〜h2とをワイヤーボンディングにより接合する例について説明した。しかしながら、半導体素子は熱電モジュール15の上に配置されているため、内部電極パターンc2〜h2から半導体素子までが高くて、ワイヤーボンディングがし難いという問題を生じる。そこで、本変形例においては、内部電極パターンc2〜h2の上に熱電モジュール15の高さにほぼ等しい高さのワイヤー台16を配設するようにした。
【0050】
なお、このワイヤー台16は、図8(c)に示すように、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た基板16aに、Cu,Ni等の金属のメッキ層16bを複数層設けるようにした。これを図8(b)に示すように、これらのメッキ層16bとベース部材12の表面に形成された内部電極パターンc2〜h2とを半田などで接合するようにしている。これにより、ワイヤー台16の上部のメッキ層16bと半導体素子とをワイヤーボンディングにより接合すれば、これらの高さがほぼ等しいためにワイヤーボンディングが容易になる。
【0051】
(d)第4変形例
半導体素子とベース部材12の表面に形成された内部電極パターンc2〜h2との高さ差を小さくする手段は他にも考えられる。本変形例においては、図9に示すように、ベース部材12の中央部に凹部12aを形成し、この凹部12a内に熱電モジュール15を配設するとともに、ベース部材12の段部に内部電極パターンc2〜h2を配設するようにしている。これにより、ベース部材12の段部に形成された内部電極パターンc2〜h2と熱電モジュール15の上部に配設された半導体素子とを接合しても、これらの高さ差が小さくなるために、ワイヤーボンディングが容易になる。
【0073】
2.熱電モジュールの作製工程
ついで、熱電モジュールの作製方法のいくつかの具体例について、図10〜図13に基づいて以下に説明する。図10および図11は熱電モジュールを作製する実施例1の工程を模式的に示す図である。図12は熱電モジュールを作製する実施例2の一連の工程を模式的に示す図である。図13は熱電モジュールを作製する実施例3の一連の工程を模式的に示す図である。
【0074】
(1)実施例1
まず、図10(a)に示すように、厚みが100μmのCu薄板31の片面に、厚みが4μmのNiメッキ31aを施した後、厚みが0.05μmのAuメッキ31bを施した。ついで、図10(b)に示すように、Auメッキ31b側が接着面になるようにして、耐熱性樹脂(例えば、ポリイミド樹脂)からなる樹脂フィルム32を接着した。
【0075】
ついで、Cu薄板31の上にレジスト剤を塗布した後、露光、現像して、図10(c)に示すように、レジストパターン33aを形成した。この後、エッチングして、図10(d)に示すように、Cu薄板31およびメッキ層31a,31bの不要部を除去した後、レジストを除去した。これにより、図10(e)に示すようなCu薄片31の配列パターン(この配列パターンがペルチェ素子を接合するための電極パターンとなる)が形成されることとなる。ついで、得られたCu薄片の配列パターンの表面に、図10(f)に示すように、無電解メッキ法によりNi(4μm厚)とAu(0.05μm厚)メッキ層33を形成して、第1基板34を作製した。
【0076】
一方、表面にCu薄片36の配列パターンが形成されたセラミック基板35を用意し、このCu薄片36の上に、図11(a)に示すように、厚みが4μmのNiメッキ36aを施した後、厚みが0.05μmのAuメッキ36bを施して、第2基板37を作製した。なお、セラミック基板35は、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いる。ついで、図11(b)に示すように、得られた第2基板37のAuメッキ36bの上に半田39を介在させて、両端面にNiメッキが施されたペルチェ素子38を配置した。
【0077】
また、上述のように作製した第1基板34のメッキ層33側を、半田39を介在させてペルチェ素子38の上に配置して積層体とした。ついで、得られた積層体を、ホットプレートあるいはリフロー炉に配置して、半田39を溶解させて、複数のペルチェ素子38がCu薄片31の配列パターンとCu薄片36の配列パターンとで接合されることとなる。この後、図11(c)に示すように樹脂フィルム32を剥離することにより、複数のペルチェ素子38がP,N,P,Nの順に交互に直列に接続された熱電モジュールが得られる。
【0078】
(2)実施例2
まず、図12(a)に示すように、耐熱性樹脂(例えば、ポリイミド樹脂)からなる樹脂シート41の片面にNi層(4μm厚)42を形成した。この場合、Ni層(4μm厚)42を形成する前にAu層(0.05μm厚)を樹脂シート41上に形成してもよい。ついで、このNi層42の上にレジスト剤を塗布した後、露光、現像して、図12(b)に示すように、レジストパターン43を形成した。この後、図12(c)に示すように、レジストパターン43中にCuメッキを施して、Cu層44を形成した。ついで、図12(d)に示すように、レジスト43を除去した後、エッチングにより不要なNi層も除去した。
【0079】
これにより、図12(e)に示すように、樹脂シート41上にCu薄片44の配列パターン(この配列パターンがペルチェ素子を接合するための電極パターンとなる)が形成されることとなる。ついで、得られたCu薄片44の配列パターンの表面に、図12(f)に示すように、無電解メッキ法によりNi(4μm厚)とAu(0.05μm厚)のメッキ層45を形成して、第1基板46を作製した。そして、上述した実施例1と同様に第2基板を作製した後、第1基板46のCu薄片44の配列パターンと、第2基板のCu薄片の配列パターンとの間に複数のペルチェ素子を半田で接合した後、樹脂シート41を剥離することにより、複数のペルチェ素子がP,N,P,Nの順に交互に直列に接続された、実施例2の熱電モジュールを得た。
【0080】
(3)実施例3
まず、図13(a)に示すように、厚みが100μmのCu薄板51の片面に、厚みが4μmのNiメッキ51aを施した後、厚みが0.05μmのAuメッキ51bを施した。ついで、図13(b)に示すように、Cu薄板51側に第1ドライフィルム52を配置し、Auメッキ51b側に第2ドライフィルム53を配置した。この後、真空ラミネータ装置を用いて、これらを圧着して積層体とした。ついで、第1ドライフィルム52を露光し、現像した後、エッチングして、図13(c)に示すように、レジストパターン52を形成した。
【0081】
ついで、得られたレジストパターン52をマスクとしてエッチングし、図13(d)に示すように、Cu薄板51の不要部を除去した後、レジストパターン52を除去した。これにより、Cu薄板51の配列パターン(この配列パターンがペルチェ素子を接合するための電極パターンとなる)が形成されることとなる。ついで、得られたCu薄板の配列パターンの表面に、実施例1と同様に無電解メッキ法によりNiメッキ(4μm厚)とAuメッキ(0.05μm厚)を形成して、第1基板を作製した。
【0082】
そして、上述した実施例1と同様に第2基板を作製した後、第1基板のCu薄板51の配列パターンと、第2基板のCu薄板の配列パターンとの間に複数のペルチェ素子を半田で接合した後、第2ドライフィルム53を剥離することにより、複数のペルチェ素子がP,N,P,Nの順に交互に直列に接続された、実施例3の熱電モジュールを得た。
【0083】
【発明の効果】
上述したように、本発明の第1実施形態においては、ベース部材11に複数の外部電極パターンa1〜h1と内部電極パターンa2〜h2とを備えているので、セラミックフィードスルーを設ける必要がなくなるとともに、キャップ(カバー)13をフレーム部材11に直接溶接することが可能となる。このため、シールリングも設けることが不要となる。この結果、この種の熱電装置用パッケージを作製するための部品点数を削減することが可能になるとともに、その組立も簡単容易になって、この種の熱電装置用パッケージを安価に作製することが可能になる。
【0084】
なお、上述した実施の形態においては、本発明を光通信装置などに使用される半導体レーザと、この半導体レーザを温度制御する熱電モジュールを収容する熱電装置用パッケージについて説明したが、本発明は半導体レーザに限らず、高出力が要求される半導体素子を用い、この半導体素子を熱電モジュールで温度制御する場合のパッケージに適用するのが有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施の形態のパッケージを構成する部品の分解斜視図である。
【図2】 図1の部品を組み立てた状態のパッケージの概略構成を示す斜視図である。
【図3】 べース部材に形成された導体パターンあるは電極パターンを示す上面図であり、図3(a)はべース部材の表面に形成された電極パターンを示し、図3(b)はべース部材の内部に形成された導体パターンを示している。
【図4】 べース部材にフレーム部材を接合するとともに、べース部材上に熱電モジュールを接合した状態を示す図であり、図4(a)はその上面図であり、図4(b)は図4(a)のA−A断面を示す図であり、図4(c)のB−B断面を示す図である。
【図5】 変形例のべース部材を示す図であり、図5(a)はその表面に形成された電極パターンを示す上面図であり、図5(b)はその下面に形成された導体パターンを示す下面図である。
【図6】 下基板が設けられた熱電モジュールを接合する場合の変形例のべース部材の電極パターンを示す上面図である。
【図7】 べース部材の電極パターンに熱電モジュールを接合する状態を示す断面図であり、図7(a)は下基板がない熱電モジュールを接合する状態を示す断面図であり、図7(b)は下基板が設けられた変形例の熱電モジュールを接合する状態を示す断面図である。
【図8】 べース部材に形成された内部電極と熱電モジュール上に配設された半導体素子をワイヤーボンディングする状態を模式的に示す図であり、図8(a)は通常の状態を示す断面図であり、図8(b)はボンディング台を設けた状態を示す断面図であり、図8(c)はボンディング台を示す斜視図である。
【図9】 べース部材に形成された内部電極と熱電モジュール上に配設された半導体素子をワイヤーボンディングする改善例を模式的に示す図であり、図9(a)は下基板がない熱電モジュールを接合した状態を示し、図9(b)は下基板が設けられた変形例の熱電モジュールを接合した状態を示す断面図である。
【図10】 熱電モジュールを作製する実施例1の一連の工程の前半部を模式的に示す図である。
【図11】 熱電モジュールを作製する実施例1の一連の工程の後半部を模式的に示す図である。
【図12】 熱電モジュールを作製する実施例2の一連の工程を模式的に示す図である。
【図13】 熱電モジュールを作製する実施例3の一連の工程を模式的に示す図である。
【図14】 従来例のパッケージに用いられる構成部品を示す斜視図である。
【図15】 図14の構成部品を用いてパッケージを組み立てる状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
10…パッケージ、11…フレーム部材、11a…窓ホルダ、11b…取付部、12…ベース部材、12a…凹部、13…キャップ部材(カバー)、14…リード部材、14a…リード、14b…枠部材、15…熱電モジュール、15a…上基板、15b…電極パターン、15c…ペルチェ素子、15d…電極パターン、15e…下基板、16…ワイヤー台、16a…基板、16b…メッキ層、a1〜h1…外部電極パターン、a2〜h2…内部電極パターン、a〜h…導体パターン、i…熱電モジュール接合用メタライズ部、j…フレーム部材接合用メタライズ部、31…Cu薄板、31a…Niメッキ、31b…Auメッキ、32…樹脂フィルム、33…メッキ層、34…第1基板、35…セラミック基板、36…Cu薄片、36a…Niメッキ、36b…Auメッキ、37…第2基板、38…ペルチェ素子、39…クリーム半田、41…樹脂シート、42…Ni層、43…レジストパターン、44…Cu層、45…メッキ層、46…第1基板、51…Cu薄板、51a…Niメッキ、51b…Auメッキ、52…ドライフィルム、53…ドライフィルム、
Claims (6)
- 半導体素子と該半導体素子を温度制御する熱電モジュールを収容する熱電装置用パッケージであって、
フレーム部材と、該フレーム部材の底板となるベース部材とからなるパッケージ本体を備え、
前記半導体素子や前記熱電モジュール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、前記内部電極と前記外部電極を接続する配線とを前記ベース部材に備えるとともに、
前記ベース部材は多層基板から構成され、当該多層基板の表面に前記フレーム部材を接合するためのメタライズ部が前記外部電極と前記内部電極との間を区画するとともに前記内部電極を囲むように形成され、前記多層基板中に前記配線を埋設して備えるようにしたことを特徴とする熱電装置用パッケージ。 - 半導体素子と該半導体素子を温度制御する熱電モジュールを収容する熱電装置用パッケージであって、
フレーム部材と、該フレーム部材の底板となるベース部材とからなるパッケージ本体を備え、
前記ベース部材は多層基板から構成され、当該ベース部材の表面の全周囲部に前記フレーム部材を接合するためのメタライズ部が、当該メタライズ部の内側に前記半導体素子や前記熱電モジュールに電気接続するための複数の内部電極がそれぞれ形成されているとともに、
前記ベース部材の裏面に外部回路に電気接続するための複数の外部電極が形成されており、
前記外部電極と前記内部電極とを接続する導体を前記多層基板中に埋設して備えるようにしたことを特徴とする熱電装置用パッケージ。 - 前記ベース部材が前記熱電モジュールの下基板を兼ね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。
- 前記ベース部材上に前記熱電モジュールを接合するためのメタライズ部が形成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。
- 前記外部電極に前記外部回路に接続するためのリードを接続したことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の熱電装置用パッケージ。
- 前記ベース部材の中央部に凹部が形成され、当該凹部の周囲に段部が形成されているとともに、
前記凹部に前記熱電モジュールが配設され、前記段部に前記内部電極パターンが配設されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の熱電装置用パッケージ。
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