JP3893356B2

JP3893356B2 - 光半導体素子モジュール

Info

Publication number: JP3893356B2
Application number: JP2003087495A
Authority: JP
Inventors: 将人根岸
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2016-02-16
Also published as: JP2003304025A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、温度制御が必要な光半導体素子の出射光を光ファイバーに結合する光半導体素子モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は例えば気密を有する容器と、容器内部に電子冷却素子を接合し、電子冷却素子の上に切削加工により形成した平坦なＷとＣｕを主成分とする材料のベースを接合し、ベースの上に絶縁基板と接合している光半導体素子と、温度検知部品と接合している絶縁基板或いは温度検知部品と、片端が前記容器と接合している電子回路部品と、レンズ保持部品と同一材料よりなるポストを接合し、ポストにレンズ保持部品を溶接している従来の光半導体素子モジュールの構成説明用断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の右側より見た図である。図において１は容器、２はレンズ保持部品、３はポスト、４はベース、５は電子回路部品、６は電子冷却素子、７は絶縁基板と接合された光半導体素子、８は温度検知部品である。
【０００３】
次に動作について説明する。光半導体素子７は駆動する際の自己発熱と、光半導体素子モジュールの置かれる外部環境と、光半導体素子モジュール内部の電子回路部品５の発熱により温度が変化する。
【０００４】
そして、温度検知部品８が検知した温度が設定温度と異なる場合には光半導体素子モジュール外部の電子冷却素子駆動装置は電子冷却素子６を温度検知部品８が設定温度になるまで駆動する。これにより温度検知部品８は常に設定温度で一定となる。よって温度検知部品８と同様にベース４上に接合された光半導体素子もある一定温度となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の光半導体素子モジュールでは、ベース４は電子回路部品５と電子冷却素子６と光半導体素子７と温度検知部品８を接合するため、各々の線膨張係数に近い線膨張係数を有する材料であり且つ、光半導体素子７と電子冷却素子６の熱的に良好な接合を可能にするため、タングステン１０と銅１１を主成分とする材料が使用される。さらにレンズ保持部品２は光半導体素子７の出射光を集光、或いはコリメートさせるレンズを保持しているため、加工精度が良く、接合後の信頼性を良くするため、接合する他方の材料と線膨張係数が近い材料が使用される。
【０００６】
さらに、光半導体素子７との相対的位置決めとなるベース４と、レンズ保持部品２との接合方法については微少時間で高精度で高信頼性な接合が可能であるレーザー接合が適していると考えられる。しかしタングステンと銅を主成分とする材料はタングステンと銅の熱による特性が大きく異なり、レーザー接合においては必要な溶接強度を得るためのレーザー出力、レンズ保持部品２の材料が確認できなかったので、まずＷとＣｕを主成分とする材料のベース４に、前記レンズ保持部品２に適した材料と同じ材料のポスト３を接合し、その後レンズ保持部品２を所定の位置でポスト３とレーザー接合している。
【０００７】
よって、ポスト３を無くせないため、組立時間がかかり、部品原価が高くなるという問題があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、光半導体素子モジュールの外部環境温度と光半導体素子の設定動作温度に大きな温度差を生じた場合においても、光半導体素子にあまり影響を与えずに正常に動作させることができる光半導体素子モジュールを得るものである。
【０００９】
また、この発明は、光半導体素子モジュールに使用する部品点数を削減し、冷却特性のバラツキ削減と部品原価削減と組立時間を削減するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の光半導体素子モジュールは、タングステンと銅を主成分とする材料とでベースを形成し、レンズ保持部品をベースとほぼ同じ線膨張係数を有し、且つベース材料と異なる材料で形成し、ベースとレンズ保持部品との溶接において、銅のベーパ或いはスプラッシュによりできた前記タングステンと銅を主成分とする材料中の空隙に、溶融した前記異なる材料が入り込むことにより接合強度を得るようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す断面図で、図１（ｂ）は図１（ａ）を右側より見た図であり、図において２，３，４，５，６，７，８は従来の技術と全く同一のものであるが、容器１の面は、電子冷却素子６が挿入される開口部を有しており、電子冷却素子６が挿入された状態において、電子冷却素子６の面と同一平面上にあり、電子冷却素子６の面とで光半導体素子モジュールの主要な放熱面を構成する。また、容器１と電子冷却素子６のはめあい部分は、必要に応じて気密封止する。
【００１２】
従来の容器１の底部に載せていた構造では電子冷却素子６の放熱面から出る熱は、容器１の底部に伝わり、容器１の底部外面より外部へ放熱されていたため、容器１と電子冷却素子６の放熱面との接触熱抵抗と容器１の材料特性、形状による熱抵抗により光半導体素子モジュールの放熱効率を悪くしていた。
【００１３】
また、従来の光半導体素子モジュールにおいて、容器１の底面での熱抵抗を減らすために底面の厚さを薄くする方法もあるが、容器１の形状、材料特性により容器１の剛性バランスから光半導体素子モジュール取付けの際の応力によって、容器１の主要な放熱面である底面が撓み、取付面との間に隙間を生み、光半導体素子モジュールの放熱効果を悪くする恐れがあった。
【００１４】
そこで、前記のような構成による光半導体素子モジュールにすると、電子冷却素子の放熱面が直接外部に出ることにより、前記容器１と電子冷却素子６の絶縁基板との接触熱抵抗と、容器１の材料特性、形状による熱抵抗が削減でき、剛性バランスについては容器１の底部厚みが光半導体素子モジュールの放熱効率に与える影響が小さくなるので、厚くすることもでき、光半導体素子モジュールの熱効率を改善できる。
なお、上記実施の形態１では容器１の一部を電子冷却素子６の絶縁基板で構成したが、容器１の全部を上記絶縁基板で構成しても良い。
【００１５】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２を示す断面図であり、１，２，３，７，８は従来の技術と同じであるが、電子冷却素子６の絶縁基板に電気伝導体のパターンを配した積層基板を有するものを示す断面図で、図２（ｂ）は図２（ａ）を右側より見た図である。
【００１６】
前記のような構成による光半導体素子モジュールにすると、従来のベース４上に配置してあった電子回路部品５の機能が例えばマイクロストリップラインのような電子冷却素子６の絶縁基板に負わせることが可能な場合、発熱する光半導体素子７とその熱を吸熱する電子冷却素子６の間に介在して熱抵抗となっていたベース４を不要とすることが可能になり、電子冷却素子６の絶縁基板とベース４との熱抵抗と、ベース４の材料特性、形状による熱抵抗が削減でき、光半導体素子７の温度制御性と光半導体素子モジュールの熱効率を改善できる。
【００１７】
また、従来の光半導体素子モジュールで構造的に最も強度の小さな電子冷却素子６上に位置するベース４が不要になることで、重量が軽減された分、光半導体素子モジュールの振動、衝撃に対する信頼性を向上することができる。
【００１８】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３を示す断面図であり、図において１，５，６は従来の技術と同じであるが、例えばベース４と電子回路部品５の接合部と、容器１と電子回路部品５の接合部との距離を大きくするために、ベース４の電子回路部品５との接合部に段差を設けると、容器１と、ベース４の間の熱抵抗が増大し、外部と接する容器１からベース４へ流入する熱を低減することができる。
【００１９】
図４に段差ありの場合と段差なしの場合とで容器１からベース４へ流入する熱量の違いを示す。
【００２０】
また、段差を設けることで、ベース４とベース４上の熱を吸熱する電子冷却素子６との接合面積は変えないので、ベース４自体の熱抵抗も従来のものと殆ど変わらなくできる。
【００２１】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４を示す断面図であり、図において１，４，５，６は従来の技術と同じであるが、電子回路部品５には電子回路部品５を介して容器１からベース４へ流入する熱を極力防止するために電子回路部品５と容器１、電子回路部品５とベース４との接合に使用される例えば熱伝導性の良好な接合剤が接合箇所以外に余分に付着するのを妨げるため、例えば接合剤としてハンダを使用するとき、電子回路部品５の接合箇所以外の部分にハンダ付着を妨げるソルダーレジスト９のようなコート処理を施した図である。
【００２２】
また、ソルダーレジスト９の厚みにより、ソルダーレジスト９の表面と、電子回路部品５と、容器１とベース４との接合面に段差が生じ、例えばハンダの流動性による流れ込みを構造的にも防止できるものである。
【００２３】
前記のような構成による光半導体素子モジュールにおいては、電気伝導を阻害しないようにするために一般に使用される熱伝導の良好な接合剤を使用した場合にも、電子回路部品５に塗布する量を必要最小限に抑えることができるので、余分な接合剤による容器１からベース４への熱流入を抑えることができる。
【００２４】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５を示す模擬図であり、図６（ａ）において１０はタングステン、１１は銅、１２はレーザーがタングステン１０は溶融しないが銅１１はスプラッシュ現象を生じる出力の時に、溶融する材料であり、タングステン１０と銅１１を主成分とする材料と、材料１２を示した図である。
【００２５】
また、図６（ｂ）において１０，１１，１２は図６（ａ）と同じで、タングステン１０と銅１１を主成分とする材料と前記材料１２を突き合わせ、前記レーザー出力で突き合わせ部を照射したとき、タングステン１０と銅１１を主成分とする材料において、タングステン１０の一部と、銅１１の殆どがベーパ或いはスプラッシュ現象で空隙を生じた部分に材料１２が半溶融、或いは溶融した状態で入り込み、タングステン１０と銅１１を主成分とする材料と材料１２が接合されるのを模擬した図である。
【００２６】
また、図７に前記材料１２に例えばコバールを使用した場合、前記現象により最も接合強度のとれるレーザー照射装置電圧を調査するために実験したデータを示す。実験によれば１３〜１６［Ｋｇｆ］程度が接合強度の最大値であった。
【００２７】
また、図８は前記接合を光半導体素子モジュールに適用した場合の図であり、１，２，５，６，７，８は従来の技術と全く同一のものであるが、ポスト３はベース４と同一材料である。
【００２８】
従来から光半導体素子７の熱制御性を良くするため、ベース４の材料には熱伝導性が良好で且つ、電子冷却素子６や電子回路部品５と接合したとき、熱歪みによる接合面破断を生じないようにするため、接合する材料、例えばセラミックの線膨張係数に近い線膨張係数を有する銅とタングステンを主成分とする材料が使用されている。
【００２９】
また、レンズ保持部品２と光半導体素子７を搭載するベース４との接合はレーザー接合が接合強度、接合精度の面から採用されている。
【００３０】
さらに、レンズ保持部品２の材料はレーザー接合後も、光半導体素子７を搭載するベース４と熱膨張係数の違いによる位置ずれや熱疲労による接合強度の低下を避けるため、ベース４の線膨張係数に近い線膨張係数を有する材料、例えばベース４と同じ材料や、コバールである。
【００３１】
ところが、銅の沸点よりもタングステンの融点の方が高いので、レーザーのエネルギーにより銅とタングステンが同時に溶融、或いは半溶融する状態はあり得ず、また銅は光の反射係数が大きいのでレーザーのエネルギーを吸収しにくいため、銅とタングステンを主成分とする材料はレーザー接合しにくく、接合強度を満たす条件が見つかっていなかった。
【００３２】
しかし、図７より、光半導体素子モジュールに要求される耐振動性、耐衝撃性からみたレンズ保持部品２とベース４との接合強度は満足されており、ベース４の材料にタングステン１０と銅１１を主成分とする材料を使用した場合でも、レンズ保持部品２の材料に前記材料１２、例えばコバールを使用すれば、ベース４とレンズ保持部品２を強度、信頼性、生産効率の高い接合をすることができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によれば、従来の構造に比べ、光半導体素子モジュール個々の特性のバラツキを低減し、信頼性を高め、冷却能力の仕様基準を高くできる。
【００３４】
また、この発明によれば、ポスト３をベース４と一体化することができ、部品原価と組立時間が削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による光半導体素子モジュールの実施の形態１を示す断面図である。
【図２】この発明による光半導体素子モジュールの実施の形態２を示す断面図である。
【図３】この発明による光半導体素子モジュールの実施の形態３を示す図である。
【図４】ベース４の段差ありの場合と、段差なしの場合とで容器１からベース４へ流入する熱量の違いを示す図である。
【図５】この発明による光半導体素子モジュールの実施の形態４を示す図である。
【図６】この発明による光半導体素子モジュールの実施の形態５を示す模擬図である。
【図７】銅とタングステンを主成分とする材料とコバールをレーザー接合したときの接合強度の実験データを示した図である。
【図８】銅とタングステンを主成分とする材料とコバールをレーザー接合することを、光半導体素子モジュールに適用した場合の構成図である。
【図９】従来の光半導体素子モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
１容器、２レンズ保持部品、３ポスト、４ベース、５電子回路部品、６電子冷却素子、７光半導体素子、８温度検知部品、９ソルダーレズスト、１０タングステン、１１銅、１２タングステン１０は溶融しないが、銅１１はベーパ或いはスプラッシュで飛散するレーザー出力の時に、半溶融、或いは溶融する材料。

Claims

光半導体素子と、
前記光半導体素子が設置されたベースと、
前記ベースに接合され、前記光半導体素子の出射光を集光、或いはコリメートさせるレンズを保持するレンズ保持部品と、
前記光半導体素子およびベースを収容する容器とを備えた光半導体素子モジュールの製造方法において、
前記ベースはタングステンと銅を主成分とする材料から成り、
前記レンズ保持部品は前記ベースの材料と異なり、かつ当該ベースとほぼ同じ線膨張係数を有する材料から成り、
前記ベースと前記レンズ保持部品とを突き合わせて、その突き合わせ部をレーザー照射することにより、前記ベースの材料がベーパ或いはスプラッシュ現象で空隙を生じた部分に前記レンズ保持部品の材料が半溶融或いは溶融した状態で入り込み、前記ベースの材料と前記レンズ保持部品の材料とを接合することを特徴とする光半導体素子モジュールの製造方法。
光半導体素子と、
前記光半導体素子が設置されたベースと、
前記ベースに接合され、前記光半導体素子の出射光を集光、或いはコリメートさせるレンズを保持するレンズ保持部品と、
前記光半導体素子およびベースを収容する容器とを備えた光半導体素子モジュールの製造方法において、
前記ベースはタングステンと銅を主成分とする材料から成り、
前記レンズ保持部品はコバールを有した材料から成り、
前記ベースと前記レンズ保持部品とを突き合わせて、その突き合わせ部をレーザー照射することにより、前記ベースの材料がベーパ或いはスプラッシュ現象で空隙を生じた部分に前記レンズ保持部品の材料が半溶融或いは溶融した状態で入り込み、前記ベースの材料と前記レンズ保持部品の材料とを接合することを特徴とする光半導体素子モジュールの製造方法。
前記ベースは、タングステンと銅を主成分とする材料から成り、その上面に同一材料で構成するポストを設け、
当該ポストは、前記レンズ保持部品が接合されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体素子モジュールの製造方法。