JP4116809B2 - Thermoelectric element module, semiconductor element storage package and semiconductor module - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信分野において使用される、温度制御可能な熱電素子を備えた熱電素子モジュール、ならびにこの熱電素子モジュールを具備する半導体素子収納用パッケージ、およびこの熱電素子モジュールを具備する半導体モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、インターネットや電子メールに代表されるデータトラフィックが非常な速さで急増している。この情報量の増加および高速化に対応するため、有線伝送では光ファイバを用いた光通信が、低損失かつ広帯域といった利点を有して導入されている。
【0003】
光通信では、その信号源として一般的に半導体レーザ素子(LD)が用いられるが、このLDは使用状態でかなりの熱を発生し、この熱のためにLD自体が劣化するとともに発振波長が不安定となることから、LDを発振波長が安定するような温度に保つために熱電素子モジュールが多く用いられている。
【0004】
熱電素子モジュールは、図4に断面図で示すように、複数の熱電素子31を並列に並べて、これらを金属部材34を介して電気的に直列に接続した構成となっている。熱電素子31にはP型熱電素子とN型熱電素子とがあり、上記構成においてP型熱電素子とN型熱電素子とは交互に並べられて直列に接続されており、ここに電流を流すと、ペルチエ効果によりN型熱電素子からP型熱電素子の方向へ電流が流れる側の金属部材34では吸熱が起こり、P型熱電素子からN型熱電素子の方向へ電流が流れる側の金属部材34では発熱が起こる。つまり、熱電素子モジュールは電流量に応じて熱電素子モジュールの一端の温度が低下して他端の温度が上昇し、また、電流の方向を逆とすることにより、この熱現象が逆転するというものである。
【0005】
この熱電素子モジュールは、通常は熱電素子モジュールの温度が低下する側にLDを搭載してLDを冷却するのに用いられ、使用環境の温度が低い場合には熱電素子モジュールの温度が上昇する側にLDを搭載してLDを加熱するのに用いられ、いずれの場合もLDを発振波長が安定するような温度に保つように作用する。
【0006】
熱電素子モジュールにおいて、金属部材34には、金属部材34自身の電気抵抗が大きいと発熱が大きくなるため通常は銅(Cu)が用いられる。また、熱電素子31を並列に並べて挟み込むための基板が必要であり、上下に一対の絶縁体基板32を有している。その絶縁体基板32には酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料等が使用される。
【0007】
このような熱電素子モジュールを用いて、図5に断面図で示すように、LD等の半導体素子16が熱電素子モジュール30の上にフォトダイオード19およびレンズ組立体18等とともに金属基板17を介して搭載され、この熱電素子モジュール30が基体11の上面の載置部11aに載置されて、基体11と、基体11の上面に載置部11aを囲繞するようにして接合された枠体12と、枠体12の上面に載置部11aを覆うように取着される蓋体13とから成るパッケージに収納されることにより半導体モジュールが完成し、この半導体モジュールが光通信の発振装置として用いられる。
【0008】
図5に示す半導体モジュールは、半導体素子16等が搭載された熱電素子モジュール30が載置された載置部11aを上面に有する基体11と戴置部11aを囲繞するようにして基体11の上面に接合された枠体12とから成るパッケージ本体と、枠体12の上面に抵抗溶接等により接合されて取着された蓋体13とから構成される。パッケージ本体の枠体12には光ファイバ21が接合される筒状の挿通管23が設けてある。挿通管23のパッケージ内部側の端部には、サファイアやガラス等の透光性材料から成る透明窓20が設置され、蓋体13が取着される際に、パッケージ内部を真空状態あるいは窒素等の不活性ガスの充填状態にして密封されている。そして、挿通管23のパッケージ外部側の端部に、半導体素子16と光軸を合わせて光ファイバ21が取着される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
熱電素子モジュール30は、部品の使用目的から、一方の絶縁体基板32側で何かを冷却すると同時に必ず熱電素子モジュール30の逆の側の絶縁体基板32から放熱する必要があり、そのために必ず別の部品と組み合わせて用いられる。前述の例では、片側の絶縁体基板32上に金属基板17を介して温度制御すべき半導体素子16等の半導体素子を搭載し、反対側の絶縁体基板32がパッケージ本体の基体11へ取り付けられている。
【0010】
しかしながら、従来の熱電素子モジュール30は、絶縁体基板32がアルミナセラミックスから成り、金属部材34がCuから成るものが主体である。このため、金属基板17・パッケージベースの基体11および熱電素子モジュール30の絶縁体基板32等の素材接合間に素材間の熱膨張率の違いから応力が発生するが、特に強度の弱い熱電素子31と金属部材34間の半田等のロウ材33に応力が集中することが問題となっており、結果として、長期間にわたるヒートサイクル試験を行なうと熱電素子31と金属部材34間のロウ材33にクラックが入り、直列に接続されている熱電素子31への通電が不安定となるため、温度制御を行なう熱電素子モジュール30として安定に動作させることができなくなり、その性能が低下してしまうという問題点があった。
【0011】
このような熱電素子モジュール30を載置したパッケージにLD等の半導体素子16を搭載した半導体モジュールを用いると、半導体素子16の温度制御が不十分となるため半導体素子16自体が劣化するとともに発振波長が不安定となり、その結果、光通信の安定した光源として使用できなくなるという問題点があった。
【0012】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、金属部材に熱電素子を強固に接続させるとともに金属部材に接合された熱電素子を長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができる熱電素子モジュールを提供することにある。
【0013】
また、本発明の他の目的は、この熱電素子モジュールを用いることにより熱電素子モジュールに搭載される半導体素子を長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができる半導体収納用パッケージおよび半導体モジュールを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電素子モジュールは、一対の絶縁体基板の間に、複数の熱電素子の両端がそれぞれ金属部材を介在させて接合されて成り、前記絶縁体基板の一方に半導体素子が搭載される熱電素子モジュールであって、前記金属部材は複数個存在し、前記熱電素子は、両端面に凸部を有し、隣接する一方の前記熱電素子とともに前記一対の絶縁体基板のうち一方の絶縁体基板に接合された1つの金属部材に第1のロウ材または接着剤を介して接合され、隣接する他方の前記熱電素子とともに、他方の前記絶縁体基板に接合された別の金属部材に第1のロウ材または接着剤を介して接合され、前記凸部の周囲とこれに対向する前記金属部材の表面との間に前記第1のロウ材または接着剤の溜まり部が形成され、前記各金属部材は、対応する前記絶縁体基板に第2のロウ材または接着剤を介して接合され、前記各絶縁体基板は、その表面に、前記各金属部材の前記凸部が接続される主面と反対側の主面を収容する第2の凹部を有し、前記凹部の内側面とこれに対向する前記金属部材の外側面との間に前記第2のロウ材または接着剤の溜まり部を形成していることを特徴とするものである。
【0015】
また、本発明の熱電素子モジュールは、上記構成において、前記凸部の高さが50μm以上かつ500μm以下であり、前記熱電素子の前記端面の面積に対する前記凸部の上面の面積の比率が40%以上かつ70%以下であることを特徴とするものである。
【0016】
また、本発明の熱電素子モジュールは、上記構成において、前記凹部は、前記金属部材の端部の外側面から前記凹部の内側面までの距離が50μm以上300μm以下であり、深さが50μm以上かつ500μm以下であることを特徴とするものである。
【0017】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、基体と、この基体の上面の載置部に他方の前記絶縁体基板を当接させて載置された上記構成の熱電素子モジュールと、前記基体の上面に前記載置部を囲繞するようにして接合された枠体と、この枠体の上面に前記載置部を覆うように取着される蓋体とを具備することを特徴とするものである。
【0018】
本発明の半導体モジュールは、上記構成の半導体素子収納用パッケージと、前記熱電素子モジュールの一方の前記絶縁体基板に搭載された半導体素子と、前記枠体の上面に取着された前記蓋体とを具備することを特徴とするものである。
【0019】
本発明の熱電素子モジュールによれば、熱電素子の凸部の側面と凸部の周囲の端面とこれに対向する金属部材の表面との間に十分な量の第1のロウ材または接着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形成されるとともにこの空間および金属部材の表面と凸部が設けられた熱電素子の端面との間に第1のロウ材または接着剤が充填介在して溜まり部を形成することとなり、その結果、金属部材への凸部を設けた熱電素子の第1のロウ材または接着剤を介しての接合が三次元的となって熱電素子を金属部材へ極めて強固に接続させることができる。また、絶縁体基板の凹部の内側面および底面と金属部材の端部の外側面との間に十分な量の第2のロウ材または接着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形成されるとともにこの空間および金属部材の端部の外側面と凹部が設けられた絶縁体基板の凹部の内側面との間に第2のロウ材または接着剤が充填介在して溜まり部を形成することとなり、その結果、凹部を設けた絶縁体基板への金属部材の第2のロウ材または接着剤を介しての接合が三次元的となって金属部材を絶縁体基板へ極めて強固に接続させることができる。したがって、熱電素子モジュールを長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができる。
【0020】
また、本発明の熱電素子モジュールによれば、凸部の高さを50μm以上かつ500μm以下とすることにより、熱電素子の凸部の側面と凸部の周囲の端面とこれに対向する金属部材の表面との間に形成される空間に必要かつ十分な量の第1のロウ材または接着材を充填して適度な溜まり部を形成し、凸部が設けられた熱電素子を金属部材の表面に強固に接合させることが可能となる。また、熱電素子の端面の面積に対する凸部の上面の面積の比率を40%以上かつ70%以下とすることにより、熱電素子から金属部材への熱移動またはその逆の熱移動を効率よく行なわせることができ、効率のよい温度制御を行なうことができるものとなる。
【0021】
また、本発明の熱電素子モジュールによれば、絶縁体基板に設けた凹部は、金属部材の端部の外側面から凹部の内側面までの距離が50μm以上300μm以下であり、凹部の深さが50μm以上かつ500μm以下であるものとすることにより、絶縁体基板の凹部の内側面および底面と金属部材の端部の外側面との間に形成される空間に必要かつ十分な量の第2のロウ材または接着剤を充填して適度な溜まり部を形成し、金属部材を凹部が設けられた絶縁体基板に強固に接合させることが可能となるとともに、ヒートサイクル時の熱膨張差からくる基板の反りに対して溜まり部の第2のロウ材または接着剤が塑性変形して応動し、熱電素子と金属部材との接合部に掛かる応力を緩和することができる。
【0022】
また、本発明の熱電素子モジュールをその内部に載置した本発明の半導体素子収納用パッケージ、および本発明の半導体素子収納用パッケージに半導体素子を搭載し蓋体を取着した本発明の半導体モジュールによれば、半導体素子と熱電モジュールとの間の熱移動を長期間にわたり正常かつ安定にしかも効率よく行なうことができることから、熱電素子モジュールに搭載される半導体素子を長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【0024】
図1は本発明の熱電素子モジュールの実施の形態の一例を示す断面図であり、図2は図1における熱電素子と金属部材と絶縁体基板との接合部の要部拡大断面図である。これらの図において、1は熱電素子、2は絶縁体基板、3は接合用の第1のロウ材または接着剤としての半田、4は接合用の第2のロウ材または接着剤としての半田、5は金属部材、6はメタライズ金属層である。
【0025】
熱電素子1は、Bi−Te系材料・Fe−Si系材料・Si−Ge系材料・Co−Sb系材料等の焼結体により構成されている。熱電素子1が例えばBi−Te系材料から成る場合であれば、主な特性が、例えば、P型熱電素子のゼーベック係数は200μV/K、N型熱電素子のゼーベック係数は−200μV/K、P型・N型熱電素子共に比抵抗率は1mΩ・cm、P型・N型熱電素子共に熱伝導率が1.5W/mKとなっている。
【0026】
熱電素子1の両端の端面には、金属部材5の表面に当接する凸部1aが形成されている。この凸部1aは、高さが50μm以上かつ500μm以下であることが好ましく、熱電素子1の端面の面積に対する凸部1aの上面の面積の比率が40%以上かつ70%以下であることが好ましい。
【0027】
凸部1aはその高さが50μm未満となると、凸部1aの側面と凸部1aの周囲の熱電素子1の端面とこれに対向する金属部材5の表面との間に形成される空間の容積が小さくなって十分な半田3の溜まり部を形成できずに熱電素子1を金属部材5に強固に接合させることが困難となる傾向がある。また、500μmを超えると凸部1aの側面と凸部1aの周囲の熱電素子1の端面とこれに対向する金属部材5の表面との間に形成される空間の容積が大きくなり過ぎ、その空間内に半田3を完全に充填させることができなくなってやはり十分な半田3の溜まり部を形成できずに熱電素子1を金属部材5に強固に接合させることが困難となる傾向がある。従って、凸部1aはその高さを50μm以上かつ500μm以下の範囲とすることが好ましい。
【0028】
また、凸部1aの上面の面積が熱電素子1の端面の面積の40%未満となると、熱電素子1から金属部材5への熱移動またはその逆の熱移動を効率よく行なうことが困難となる傾向がある。また、70%以上となると凸部1aの側面と凸部1aの周囲の熱電素子1の端面とこれに対向する金属部材5の表面との間に形成される空間の容積が小さくなって十分な半田3の溜まり部を形成できずに熱電素子1を金属部材5の表面に強固に接合させることが困難となる傾向がある。従って、凸部1aの上面の面積は熱電素子1の端面の面積に対して40%以上かつ70%以下とすることが好ましい。
【0029】
熱電素子1は、そのままでは半田3等の第1のろう材での接合が困難であるため、その端面には良伝導性で、かつ耐食性およびロウ材との濡れ性を高める表面処理として、Niめっき等を被着させておくことが望ましい。
【0030】
絶縁体基板2は、その表面に金属部材5の端面が当接する凹部2aが形成されており、熱電素子1および金属部材5の支持部材として機能を有している。
【0031】
絶縁体基板2に設けた凹部2aの底面に金属部材5の端面を当接させるとともに第2のロウ材または接着剤としての半田4を介して接合させる際、絶縁体基板2に設けた凹部2aの内側面と金属部材5の端部の外側面との間に十分な量の第2のロウ材または接着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形成されるとともにこの空間内および金属部材5の端面と凹部2aが設けられた絶縁体基板2の底面との間に半田4が充填介在して溜まり部を形成することとなり、その結果、凹部2aを設けた絶縁体基板2への金属部材5の半田4を介しての接合が三次元的となって接合強度は極めて強いものとなり、金属部材5を凹部2aが設けられた絶縁体基板2に確実かつ強固に接合させることができるとともに、ヒートサイクル時の熱膨張差からくる基板の反りに対しても溜まり部の半田4が塑性変形して応動し、熱電素子1と金属部材5との接合部に掛かる応力を緩和することができる。
【0032】
絶縁体基板2の凹部2aの内部は、金属部材5の端部との間で半田4の溜まり部が確保されるのに必要な大きさとし、具体的には金属部材5の端部の外側面から凹部2aの内側面までの距離が50μm以上300μm以下であり、凹部2aの深さが50μm以上かつ500μm以下であることが好ましい。
【0033】
凹部2aはその大きさが金属部材5の端部の外側面から凹部2aの内側面までの距離が50μm未満となると、凹部2aの内側面とこれに対向する金属部材5の端部の外側面との間に形成される空間の容積が小さくなって十分な半田4の溜まり部を形成できずに金属部材5を凹部2aが設けられた絶縁体基板2に強固に接合させることが困難となる傾向がある。また、300μmを超えると金属部材5の実装間隔が大きくなり、熱電素子モジュールの利点とされていた小型化・高密度化等の温度制御装置としての要求に沿わなくなる傾向がある。従って、凹部2aの内部の大きさは、金属部材5の端部の外側面から凹部2aの内側面までの距離が50μm以上かつ300μm以下の範囲とすることが好ましい。
【0034】
また、凹部2aはその深さが50μm未満となると、凹部2aの内側面とこれに対向する金属部材5の端部の外側面との間に形成される空間の容積が小さくなって十分な半田4の溜まり部を形成できずに金属部材5を凹部2aが設けられた絶縁体基板2に強固に接合させることが困難となる傾向がある。また、500μmを超えると、凹部2aの内側面とこれに対向する金属部材5の端部の外側面との間に形成される空間の容積が大きくなり過ぎ、その空間内に半田4を完全に充填させることができなくなって、やはり十分な半田4の溜まり部を形成できずに金属部材5を凹部2aが設けられた絶縁体基板2に強固に接合させることが困難となる傾向がある。従って、凹部2aの内部は熱電素子1と半田4の溜まり部が確保されるのに必要な大きさとし、その深さを50μm以上かつ500μm以下の範囲とすることが好ましい。
【0035】
絶縁体基板2は、酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料で形成されている。また、絶縁体基板2はその表面の少なくとも凹部2aの底面および内側面にメタライズ金属層6が被着されており、メタライズ金属層6は金属部材5を絶縁体基板2にろう付けする際の下地金属となる。
【0036】
絶縁体基板2は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状となすとともに、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を得て、しかる後、このセラミックグリーンシートを複数枚積層し、高温(約1600℃)で焼成することによって製作される。
【0037】
金属部材5は、絶縁体基板2に接合された端面とは反対側の端面に熱電素子1の凸部1aが当接されて接合されており、この金属部材5は熱電素子1を支持する機能を有している。
【0038】
金属部材5は、銅やアルミニウム等にエッチング加工法やプレス加工法等の従来周知の加工法を施すことによって、所定形状および所定の大きさに形成される。あるいはインゴット(塊)に圧延加工法や打ち抜き加工法等を施すことによって、所定形状および所定の大きさに形成される。
【0039】
このようにして金属部材5に熱電素子1の凸部1aを当接させるとともに第1のロウ材または接着剤としての半田3を介して接合させる際、熱電素子1の凸部1aの側面と凸部1aの周囲の端面とこれに対向する金属部材5の表面との間に十分な量の第1のロウ材または接着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形成されるとともにこの空間内および凸部1aが設けられた熱電素子1の端面と金属部材5の表面との間に半田3が充填介在して溜まり部を形成することとなり、その結果、金属部材5への凸部1aを設けた熱電素子1の半田3を介しての接合が三次元的となって接合強度は極めて強いものとなり、熱電素子1を金属部材5に確実かつ強固に接合させることができる。
【0040】
金属部材5は、その表面に良導電性で、かつ耐蝕性および半田3および半田4との濡れ性が良好なニッケルをめっき法により被着させておくと、金属部材5と外部電気回路とを電気的に接続する際にその電気的接続を良好なものにできるとともに、金属部材5に熱電素子1を半田3を介して接合させる際にその接合を強固とすることができる。従って、金属部材5には、その表面に良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好なニッケルをめっき法により被着させておくことが望ましい。
【0041】
図3は、本発明の熱電素子モジュール10を備えた本発明の半導体素子収納用パッケージおよび本発明の半導体モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【0042】
図3において、11は金属等から成る基体、12は同じく金属等から成る、基体11の上面に接合された枠体、13は枠体12の上面に取着された蓋体である。この基体11と枠体12と蓋体13とで内部に熱電素子モジュール10を収納するための容器が構成される。
【0043】
基体11は熱電素子モジュール10を支持するための支持部材となるものであり、その上面の中央部に熱電素子モジュール10を載置するための載置部11aを有しており、この載置部11aには熱電素子モジュール10が半田等の接着剤により接着固定される。
【0044】
基体11は鉄−ニッケル−コバルト合金や銅−タングステン合金等の金属材料から成り、例えば鉄−ニッケル−コバルト合金から成る場合であれば、鉄−ニッケル−コバルト合金のインゴット(塊)に圧延加工法や打ち抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すことによって製作される。
【0045】
なお、基体11はその外表面に耐蝕性に優れ、かつロウ材に対して濡れ性が良い金属、具体的には厚さ2〜6μmのニッケル層および厚さ0.5〜5μmの金層を順次、メッキ法等により被着させておくと、基体11が酸化腐蝕するのを有効に防止することができるとともに、基体11の上面に熱電素子モジュール10を強固に接着固定させることができる。従って、基体11には、酸化腐蝕を有効に防止し、かつ上面に熱電素子モジュール10を強固に接着固定させるために、その表面に厚さ2〜6μmのニッケル層および厚さ0.5〜5μmの金層を順次、メッキ法等により被着させておくことが好ましい。
【0046】
また、基体11の上面には、熱電素子モジュール10が載置される載置部11aを囲繞するようにして枠体12が接合されており、この枠体12の内側に熱電素子モジュール10を収容するための空所が形成されている。
【0047】
枠体12は鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金等のインゴット(塊)をプレス加工により枠状とすることによって形成され、基体11への取着は基体11の上面と枠体12の下面とを銀ロウ材を介しロウ付けすることによって行なわれている。
【0048】
さらに、枠体12はその側壁に貫通孔22および切欠部24を有しており、枠体12の貫通孔22もしくは貫通孔22周辺には、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属材料から成る筒状の挿通管23が取着されている。また、挿通管23のパッケージ内側の端部には、サファイアやガラス等の透光性材料から成る透明窓20が固定されていて、その外側に配置されるレンズ等の光部品を内蔵した光学部品(図示せず)によってLD(図示せず)の出射信号光を光ファイバ(図示せず)に光結合させている。
【0049】
枠体12の側壁に形成されている貫通孔22は、枠体12に例えばドリル孔開け加工を施すことによって所定形状に形成される。
【0050】
また、枠体12の側壁の切欠部24には、端子体25が挿着されている。
【0051】
この端子体25は、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成る絶縁体26と複数個の配線層27とから成り、配線層27を金属枠体12に対し電気的絶縁をもって金属枠体12の内側から外側にかけて配設するためのものである。この端子体25は、絶縁体26の側面に予め金属層を被着させておくとともに、この金属層を枠体12の切欠部24の内壁面に銀ロウ等のロウ材を介し取着することによって、枠体12の切欠部24に挿着される。
【0052】
端子体25の絶縁体26は、例えば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状となすとともに、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を得て、しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに上下に複数枚積層し、高温(約1600℃)で焼成することによって製作される。
【0053】
また、端子体25の絶縁体26には枠体12の内側に位置する領域に段差部26aが形成されており、この段差部26aの上面から枠体12の外側にかけて複数個の配線層27が形成されている。
【0054】
配線層27は熱電素子モジュール10の各電極を外部電気回路に接続する際の導電路となるものであり、配線層27のうち絶縁体26の段差部26aに形成されている領域には熱電素子モジュール10の各電極がそれぞれリード線28を介して電気的に接続され、また枠体12の外側に位置する領域には外部電気回路と接続される外部リード端子(図示せず)がロウ材を介し取着されている。
【0055】
配線層27はタングステンやモリブデン・マンガン等で形成されており、例えば、タングステン等の粉末に有機溶剤・溶媒を添加混合して得た金属ペーストを絶縁体26となるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって絶縁体26に形成される。
【0056】
配線層27は、その露出する表面にニッケル・金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を1〜20μmの厚みにメッキ法により被着させておくと、配線層27の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともに配線層27へのリード線28の接続を強固となすことができる。従って、配線層27の露出する表面には、ニッケル・金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を1〜20μmの厚みに被着させておくことが好ましい。
【0057】
また一方、配線層27には外部リード端子が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、外部リード端子は容器内部に収容する熱電素子モジュール10の各電極を外部電気回路に電気的に接続する導電路となり、外部リード端子を外部電気回路に接続することによって容器内部に収容される熱電素子モジュール10はリード線28・配線層27および外部リード端子を介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
【0058】
さらに、枠体12はその上面に、例えば鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属材料から成る蓋体13が取着され、これによって基体11と枠体12と蓋体13とから成る容器の内部に熱電素子モジュール10およびこれに搭載されたLD等の光半導体素子や半導体素子が気密に封止されることとなる。これにより本発明の半導体モジュールが構成され、図5に示す半導体モジュールと同様に、光ファイバが接続されて光通信の発振装置等に使用される。
【0059】
蓋体13の枠体12の上面への取着は、例えばシームウェルド法等の溶接によって行なわれる。
【0060】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の熱電素子モジュールによれば、一対の絶縁体基板の間に、複数個の熱電素子の両端がそれぞれ金属部材を介在させて接合されて成り、絶縁体基板の一方に半導体素子が搭載される熱電素子モジュールであって、熱電素子は、金属部材に第1のロウ材または接着剤を介して接合され、端面に形成された凸部で金属部材に当接するとともに、この凸部の周囲とこれに対向する金属部材の表面との間に第1のロウ材または接着剤の溜まり部を形成しており、かつ金属部材は、絶縁体基板に第2のロウ材または接着剤を介して接合され、凸部が当接する面と反対側の端面で絶縁体基板の表面に形成されたその端面より大きな面積の凹部の底面に当接するとともに、凹部の内側面とこれに対向する金属部材の側面との間に第2のロウ材または接着剤の溜まり部を形成していることから、熱電素子の凸部の側面と凸部の周囲の端面とこれに対向する金属部材の表面との間に十分な量の第1のロウ材または接着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形成されるとともにこの空間および金属部材の表面と凸部が設けられた熱電素子の端面との間に第1のロウ材または接着剤が充填介在して溜まり部を形成することとなり、その結果、金属部材への凸部を設けた熱電素子のロウ材または接着剤を介しての接合が三次元的となって熱電素子を金属部材へ極めて強固に接続させることができる。また、絶縁体基板の凹部の内側面および底面と金属部材の端部の外側面との間に十分な量の第2のロウ材または接着剤の溜まり部となる適度な容積の空間が形成されるとともにこの空間および金属部材の端部の外側面と凹部が設けられた絶縁体基板の凹部の内側面との間に第2のロウ材または接着剤が充填介在して溜まり部を形成することとなり、その結果、凹部を設けた絶縁体基板への金属部材の第2のロウ材または接着剤を介しての接合が三次元的となって金属部材を絶縁体基板へ極めて強固に接続させることができる。したがって、金属部材と熱電素子との接合部における熱歪みによる電極間の剥離障害等の問題が無い状態とすることができ、熱電素子モジュールを長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができる。
【0062】
また、本発明の熱電素子モジュールによれば、凸部の高さを50μm以上かつ500μm以下とすることにより、熱電素子の凸部の側面と凸部の周囲の端面と金属部材の表面との間に形成される空間に必要かつ十分な量の第1のロウ材または接着剤を充填して適度な溜まり部を形成し、凸部が設けられた熱電素子の端面を金属部材の表面に強固に接合させることが可能となる。
【0063】
また、熱電素子の端面の面積に対する凸部の上面の面積の比率を40%以上かつ70%以下とすることにより、熱電素子から金属部材への熱移動またはその逆の熱移動を効率よく行なわせることができ、効率のよい温度制御を行なうことができるものとなる。
【0064】
また、絶縁体基板に設けた凹部は、金属部材の端部の外側面から凹部の内側面までの距離が50μm以上300μm以下であり、凹部の深さが50μm以上かつ500μm以下であるものとすることにより、絶縁体基板の凹部の内側面および底面と金属部材の端部の外側面との間に形成される空間に必要かつ十分な量の第2のロウ材または接着剤を充填して適度な溜まり部を形成し、金属部材を凹部が設けられた絶縁体基板の底面に強固に接合させることが可能となるとともに、ヒートサイクル時の熱膨張差からくる基板の反りに対して溜まり部の第2のロウ材が塑性変形して応動し、熱電素子接合部に掛かる応力を緩和することができる。
【0065】
また、本発明の熱電素子モジュールをその内部に載置した本発明の半導体収納用パッケージ、および本発明の半導体モジュールによれば、熱電素子モジュールの信頼性が向上し正常に動作させることができることにより、半導体素子と熱電モジュールとの間の熱移動を長期間にわたり正常かつ安定にしかも効率よく行なうことができることから、熱電素子モジュールの一方の面に実装される半導体素子を長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱電素子モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図2】図1における熱電素子と金属部材と絶縁体基板との接合部の要部拡大断面図である。
【図3】本発明の熱電素子モジュールを備えた本発明の半導体素子収納用パッケージおよび本発明の半導体モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図4】従来の熱電素子モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図5】熱電素子モジュールを具えた半導体モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・熱電素子
1a・・・・凸部
2・・・・・絶縁体基板
2a・・・・凹部
3・・・・・半田(第1のロウ材または接着剤)
4・・・・・半田(第2のロウ材または接着剤)
5・・・・・金属部材
11・・・・・基体
12・・・・・枠体
13・・・・・蓋体
10・・・・・熱電素子モジュール
16・・・・・半導体素子(半導体レーザ素子:LD)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is mainly used in the field of optical communication, and includes a thermoelectric element module including a temperature-controllable thermoelectric element, a semiconductor element housing package including the thermoelectric element module, and a semiconductor including the thermoelectric element module. It is about modules.
[0002]
[Prior art]
In recent years, data traffic represented by the Internet and e-mail has increased rapidly. In order to cope with the increase in the amount of information and the increase in speed, optical communication using optical fibers has been introduced in wired transmission with the advantages of low loss and wide bandwidth.
[0003]
In optical communication, a semiconductor laser element (LD) is generally used as the signal source. However, this LD generates a considerable amount of heat when in use, and the LD itself deteriorates due to this heat and the oscillation wavelength is not good. Since it becomes stable, thermoelectric element modules are often used to keep the LD at a temperature at which the oscillation wavelength is stable.
[0004]
As shown in the sectional view of FIG. 4, the thermoelectric element module has a configuration in which a plurality of
[0005]
This thermoelectric element module is usually used to cool the LD by mounting the LD on the side where the temperature of the thermoelectric element module decreases, and on the side where the temperature of the thermoelectric element module increases when the temperature of the usage environment is low Is used to heat the LD, and in any case, it acts to keep the LD at a temperature that stabilizes the oscillation wavelength.
[0006]
In the thermoelectric module, the metal member 34 is usually made of copper (Cu) because heat generation increases when the electric resistance of the metal member 34 itself is large. Further, a substrate for sandwiching the
[0007]
Using such a thermoelectric element module, as shown in a sectional view in FIG. 5, a
[0008]
The semiconductor module shown in FIG. 5 has a
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The
[0010]
However, the conventional
[0011]
When a semiconductor module in which a
[0012]
The present invention has been devised in view of the above problems, and its purpose is to firmly connect a thermoelectric element to a metal member and to operate the thermoelectric element bonded to the metal member normally and stably over a long period of time. An object of the present invention is to provide a thermoelectric element module that can be used.
[0013]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor storage package and a semiconductor module that can operate a semiconductor element mounted on the thermoelectric element module normally and stably over a long period of time by using the thermoelectric element module. There is.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The thermoelectric element module of the present invention is formed by joining both ends of a plurality of thermoelectric elements with a metal member between a pair of insulator substrates, and a semiconductor element is mounted on one of the insulator substrates. An element module, There are a plurality of the metal members, and the thermoelectric element has protrusions on both end faces, and one thermoelectric element adjacent to one of the pair of insulator substrates is bonded to one of the insulator substrates. The first brazing material or adhesive is bonded to the metal member via the first brazing material or adhesive, and the other thermoelectric element adjacent to the other metal member bonded to the other insulating substrate. The first brazing material or the adhesive reservoir is formed between the periphery of the convex portion and the surface of the metal member facing the convex portion, and each metal member has a corresponding insulating material. Bonded to a body substrate via a second brazing material or adhesive, each insulator substrate accommodates on its surface a main surface opposite to the main surface to which the convex portion of each metal member is connected Having a second recess to Of the inner surface of the recess and the metal member facing the inner surface. Outside A reservoir of the second brazing material or adhesive is formed between the side surface and the side surface.
[0015]
In the thermoelectric element module of the present invention, in the above configuration, the height of the convex portion is 50 μm or more and 500 μm or less, and the ratio of the area of the upper surface of the convex portion to the area of the end face of the thermoelectric element is 40%. It is characterized by being above and below 70%.
[0016]
In the thermoelectric element module of the present invention, in the above configuration, the recess has a distance from the outer surface of the end of the metal member to the inner surface of the recess of 50 μm or more and 300 μm or less, and a depth of 50 μm or more and It is 500 μm or less.
[0017]
The package for housing a semiconductor element of the present invention includes a base, a thermoelectric element module having the above-described configuration placed with the other insulator substrate placed in contact with a placement portion on the top of the base, and an upper surface of the base. It is characterized by comprising a frame body joined so as to surround the mounting portion, and a lid attached to the upper surface of the frame body so as to cover the mounting portion.
[0018]
A semiconductor module according to the present invention includes a semiconductor element storage package having the above-described configuration, a semiconductor element mounted on one of the insulator substrates of the thermoelectric element module, and the lid attached to the upper surface of the frame. It is characterized by comprising.
[0019]
According to the thermoelectric element module of the present invention, a sufficient amount of the first brazing material or adhesive is provided between the side surface of the convex portion of the thermoelectric element, the end surface around the convex portion, and the surface of the metal member opposed to the end surface. A space having an appropriate volume serving as a reservoir is formed, and the first brazing material or adhesive is filled and accumulated between the space and the surface of the metal member and the end surface of the thermoelectric element provided with the convex portion. As a result, the bonding of the thermoelectric element provided with the convex portion to the metal member via the first brazing material or the adhesive becomes three-dimensional and the thermoelectric element is extremely strong to the metal member. Can be connected to. In addition, a space having an appropriate volume is formed between the inner side surface and the bottom surface of the concave portion of the insulating substrate and the outer side surface of the end portion of the metal member to serve as a reservoir for the second brazing material or adhesive. In addition, a second brazing material or an adhesive is filled between the space and the outer surface of the end of the metal member and the inner surface of the recess of the insulating substrate provided with the recess to form a reservoir. As a result, the bonding of the metal member to the insulator substrate provided with the recess through the second brazing material or adhesive becomes three-dimensional, and the metal member is connected to the insulator substrate very firmly. Can do. Therefore, the thermoelectric element module can be operated normally and stably over a long period of time.
[0020]
In addition, according to the thermoelectric element module of the present invention, by setting the height of the convex portion to 50 μm or more and 500 μm or less, the side surface of the convex portion of the thermoelectric element, the end surface around the convex portion, and the metal member facing the convex portion The space formed between the surface and the surface is filled with a necessary and sufficient amount of the first brazing material or adhesive to form an appropriate reservoir, and the thermoelectric element provided with the convex portion is formed on the surface of the metal member. It becomes possible to make it join firmly. Further, the ratio of the area of the upper surface of the convex portion to the area of the end face of the thermoelectric element is 40% or more and 70% or less, so that the heat transfer from the thermoelectric element to the metal member or vice versa can be efficiently performed. Therefore, efficient temperature control can be performed.
[0021]
According to the thermoelectric element module of the present invention, the recess provided in the insulator substrate has a distance from the outer surface of the end of the metal member to the inner surface of the recess of 50 μm to 300 μm, and the depth of the recess is By setting the thickness to 50 μm or more and 500 μm or less, the second and necessary amount of the second space necessary and sufficient for the space formed between the inner surface and the bottom surface of the concave portion of the insulator substrate and the outer surface of the end portion of the metal member. It is possible to form an appropriate reservoir by filling a brazing material or an adhesive, and to firmly bond a metal member to an insulating substrate provided with a recess, and a substrate resulting from a difference in thermal expansion during a heat cycle The second brazing material or adhesive in the reservoir portion is plastically deformed and responds to the warp, and the stress applied to the joint between the thermoelectric element and the metal member can be relaxed.
[0022]
Also, the semiconductor element storage package of the present invention in which the thermoelectric element module of the present invention is placed, and the semiconductor module of the present invention in which a semiconductor element is mounted on the semiconductor element storage package of the present invention and a lid is attached. Therefore, since the heat transfer between the semiconductor element and the thermoelectric module can be performed normally, stably and efficiently over a long period of time, the semiconductor element mounted on the thermoelectric element module operates normally and stably over a long period of time. Can be made.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0024]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a thermoelectric element module of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a joint portion between the thermoelectric element, a metal member, and an insulating substrate in FIG. In these drawings, 1 is a thermoelectric element, 2 is an insulating substrate, 3 is solder as a first brazing material or adhesive for bonding, 4 is solder as a second brazing material or adhesive for bonding, 5 is a metal member, and 6 is a metallized metal layer.
[0025]
The
[0026]
Convex portions 1 a that are in contact with the surface of the
[0027]
When the height of the convex portion 1a is less than 50 μm, the volume of the space formed between the side surface of the convex portion 1a, the end surface of the
[0028]
Moreover, when the area of the upper surface of the convex part 1a is less than 40% of the area of the end face of the
[0029]
Since the
[0030]
The
[0031]
When the end surface of the
[0032]
The inside of the recess 2 a of the insulating
[0033]
When the distance from the outer surface of the end of the
[0034]
Further, when the depth of the concave portion 2a is less than 50 μm, the volume of the space formed between the inner side surface of the concave portion 2a and the outer side surface of the end portion of the
[0035]
The
[0036]
If the
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
Thus, when the convex part 1a of the
[0040]
When the
[0041]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of the semiconductor element storage package of the present invention provided with the
[0042]
In FIG. 3,
[0043]
The
[0044]
The
[0045]
The
[0046]
A
[0047]
The
[0048]
Further, the
[0049]
The through
[0050]
A
[0051]
The
[0052]
The
[0053]
Further, the
[0054]
The wiring layer 27 serves as a conductive path for connecting each electrode of the
[0055]
The wiring layer 27 is formed of tungsten, molybdenum, manganese, or the like. For example, a metal paste obtained by adding and mixing an organic solvent / solvent to a powder of tungsten or the like is well known in advance in a ceramic green sheet to be an
[0056]
The wiring layer 27 is formed by depositing a metal having excellent corrosion resistance such as nickel and gold on the exposed surface and excellent wettability with the brazing material to a thickness of 1 to 20 μm by plating. Thus, the oxidative corrosion can be effectively prevented and the connection of the
[0057]
On the other hand, external lead terminals are brazed and attached to the wiring layer 27 via a brazing material such as silver solder, and the external lead terminals serve as external electric circuits for each electrode of the
[0058]
Further, a
[0059]
Attachment of the
[0060]
It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the thermoelectric element module of the present invention, both ends of a plurality of thermoelectric elements are joined to each other with a metal member interposed between a pair of insulator substrates. A thermoelectric element module on which a semiconductor element is mounted. The thermoelectric element is bonded to a metal member via a first brazing material or an adhesive, and comes into contact with the metal member at a convex portion formed on an end surface. A first brazing material or adhesive reservoir is formed between the periphery of the convex portion and the surface of the metal member facing the convex portion, and the metal member is attached to the insulator substrate by the second brazing material or adhesive. It is bonded via an agent, and comes into contact with the bottom surface of the recess having a larger area than the end surface formed on the surface of the insulating substrate at the end surface opposite to the surface on which the convex portion abuts, and faces the inner surface of the recess. Between the side of the metal member Therefore, a sufficient amount of the first portion is formed between the side surface of the convex portion of the thermoelectric element, the end surface around the convex portion, and the surface of the metal member facing the same. The first brazing material or adhesive is formed between the space and the surface of the metal member and the end face of the thermoelectric element provided with the convex portion. As a result, the thermoelectric element is formed into a three-dimensional joint through the brazing material or adhesive of the thermoelectric element provided with the convex portion to the metal member. It can be connected very firmly to the member. In addition, a space having an appropriate volume is formed between the inner side surface and the bottom surface of the concave portion of the insulating substrate and the outer side surface of the end portion of the metal member to serve as a reservoir for the second brazing material or adhesive. In addition, a second brazing material or an adhesive is filled between the space and the outer surface of the end of the metal member and the inner surface of the recess of the insulating substrate provided with the recess to form a reservoir. As a result, the bonding of the metal member to the insulator substrate provided with the recess through the second brazing material or adhesive becomes three-dimensional, and the metal member is connected to the insulator substrate very firmly. Can do. Therefore, it can be made into the state which does not have problems, such as a peeling obstacle between electrodes by the thermal distortion in the joined part of a metallic member and a thermoelectric element, and can operate a thermoelectric element module normally and stably over a long period of time.
[0062]
Further, according to the thermoelectric element module of the present invention, the height of the convex portion is set to 50 μm or more and 500 μm or less, so that the side surface of the convex portion of the thermoelectric element, the end surface around the convex portion, and the surface of the metal member The space formed is filled with a necessary and sufficient amount of the first brazing material or adhesive to form an appropriate reservoir, and the end surface of the thermoelectric element provided with the convex portion is firmly attached to the surface of the metal member. It becomes possible to join.
[0063]
Further, the ratio of the area of the upper surface of the convex portion to the area of the end face of the thermoelectric element is 40% or more and 70% or less, so that the heat transfer from the thermoelectric element to the metal member or vice versa can be efficiently performed. Therefore, efficient temperature control can be performed.
[0064]
Further, the recess provided in the insulator substrate has a distance from the outer surface of the end of the metal member to the inner surface of the recess of 50 μm or more and 300 μm or less, and the depth of the recess is 50 μm or more and 500 μm or less. By filling the space formed between the inner side surface and the bottom surface of the concave portion of the insulator substrate and the outer side surface of the end portion of the metal member, a necessary and sufficient amount of the second brazing material or adhesive is filled. It is possible to form a reservoir and firmly bond the metal member to the bottom surface of the insulating substrate provided with the recess, and to prevent the reservoir from being warped due to the difference in thermal expansion during the heat cycle. The second brazing material is plastically deformed and responds to relieve the stress applied to the thermoelectric element joint.
[0065]
Further, according to the semiconductor storage package of the present invention in which the thermoelectric element module of the present invention is placed, and the semiconductor module of the present invention, the reliability of the thermoelectric module can be improved and can be operated normally. Since the heat transfer between the semiconductor element and the thermoelectric module can be performed normally, stably and efficiently over a long period of time, the semiconductor element mounted on one surface of the thermoelectric element module can be normally and stably over a long period of time. It can be operated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a thermoelectric element module of the present invention.
2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a joint portion between a thermoelectric element, a metal member, and an insulator substrate in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor element housing package of the present invention provided with a thermoelectric element module of the present invention and a semiconductor module of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a conventional thermoelectric element module.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor module including a thermoelectric element module.
[Explanation of symbols]
1 ... Thermoelectric element
1a ... convex part
2. Insulator substrate
2a ··· recess
3. Solder (first brazing material or adhesive)
4 ... Solder (second brazing material or adhesive)
5. Metal parts
11 ... Base
12 ... Frame
13: Lid
10 ... Thermoelectric module
16 ... Semiconductor element (semiconductor laser element: LD)
Claims (5)
前記金属部材は複数個存在し、
前記熱電素子は、両端面に凸部を有し、隣接する一方の前記熱電素子とともに前記一対の絶縁体基板のうち一方の絶縁体基板に接合された1つの金属部材に第1のロウ材または接着剤を介して接合され、隣接する他方の前記熱電素子とともに、他方の前記絶縁体基板に接合された別の金属部材に第1のロウ材または接着剤を介して接合され、
前記凸部の周囲とこれに対向する前記金属部材の表面との間に前記第1のロウ材または接着剤の溜まり部が形成され、
前記各金属部材は、対応する前記絶縁体基板に第2のロウ材または接着剤を介して接合され、
前記各絶縁体基板は、その表面に、前記各金属部材の前記凸部が接続される主面と反対側の主面を収容する第2の凹部を有し、前記凹部の内側面とこれに対向する前記金属部材の外側面との間に前記第2のロウ材または接着剤の溜まり部を形成していることを特徴とする熱電素子モジュール。Between the pair of insulator substrates, both ends of a plurality of thermoelectric elements are joined with a metal member interposed therebetween, and a thermoelectric module in which a semiconductor element is mounted on one of the insulator substrates,
There are a plurality of the metal members,
The thermoelectric element has convex portions on both end faces, and the first brazing material or one metal member joined to one of the pair of insulator substrates together with the adjacent one of the thermoelectric elements. Bonded via an adhesive, together with the other thermoelectric element adjacent thereto, bonded to another metal member bonded to the other insulator substrate via the first brazing material or adhesive,
A reservoir of the first brazing material or adhesive is formed between the periphery of the convex portion and the surface of the metal member facing the convex portion,
Each of the metal members is bonded to the corresponding insulator substrate via a second brazing material or an adhesive,
Each insulator substrate has, on its surface, a second recess that accommodates a main surface opposite to the main surface to which the convex portion of each metal member is connected, and an inner surface of the concave portion and thermoelectric element module characterized in that it forms the reservoir of the second brazing material or adhesive between the outer side surface opposing the metal member.
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