JP4116814B2 - 熱電素子モジュールならびに半導体素子収納用パッケージおよび半導体モジュール - 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、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、前記前記各金属部材は、一方の主面に、対応する前記熱電素子の端面を収容する第１の凹部を有し、前記第１の凹部の内側面とこれに対向する前記熱電素子の端部の外側面との間に前記第１のロウ材または接着剤の溜まり部を形成しており、他方の主面は、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他方の主面をそれぞれ収容する複数の第２の凹部を有し、前記第２の凹部の内側面とこれに対向する前記金属部材の前記他方の主面を含む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、前記第１の凹部は、前記熱電素子の端部の外側面から前記第１の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ深さが50μｍ以上500μｍ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、前記第２の凹部は、前記金属部材の端部の外側面から前記第２の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ深さが50μｍ以上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、金属部材の第１の凹部の内側面および底面と熱電素子の端部の外側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熱電素子の端部の外側面と第１の凹部が設けられた金属部材の第１の凹部の内側面との間に第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、第１の凹部を設けた金属部材への熱電素子の第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、絶縁体基板の第２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第２の凹部が設けられた絶縁体基板の第２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、第２の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、金属部材に設けた第１の凹部は、熱電素子の端部の外側面から第１の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第１の凹部の深さが50μｍ以上500μｍ以下であるものとすることにより、金属部材の第１の凹部の内側面および底面と熱電素子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、熱電素子を第１の凹部が設けられた金属部材の底面に強固に接合させることが可能となる。
【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第２の凹部は、金属部材の端部の外側面から第２の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第２の凹部の深さが50μｍ以上500μｍ以下であるものとすることにより、絶縁体基板の第２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、金属部材を第２の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は、そのままでは半田３等のロウ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。
【００２７】
絶縁体基板２は、その表面に金属部材５の端面が当接する第２の凹部２ａが形成されており、熱電素子１および金属部材５の支持部材としての機能を有している。
【００２８】
絶縁体基板２に設けた第２の凹部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に設けた第２の凹部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半田４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の端面と第２の凹部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、第２の凹部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を第２の凹部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。
【００２９】
絶縁体基板２の第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第２の凹部２ａの内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第２の凹部２ａの深さが50μｍ以上500μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
第２の凹部２ａはその大きさが金属部材５の端部の外側面から第２の凹部２ａの内側面までの距離が50μｍ未満となると、第２の凹部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を第２の凹部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、第２の凹部２ａの内部の大きさは、金属部材５の端部の外側面から第２の凹部２ａの内側面までの距離を50μｍ以上300μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００３１】
また、第２の凹部２ａはその深さが50μｍ未満となると、第２の凹部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を第２の凹部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、第２の凹部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を第２の凹部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、第２の凹部２ａの内部は金属部材５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、その深さを50μｍ以上500μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００３２】
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第２の凹部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にロウ付けする際の下地金属となる。
【００３３】
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。
【００３４】
金属部材５は、絶縁体基板２に接合された面とは反対の面に熱電素子１の端面が当接する第１の凹部５ａが形成されており、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。
【００３５】
第１の凹部５ａは、銅やアルミニウム等から成る金属部材５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、金属部材５の表面の所定位置に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、金属部材５を形成する際に同時に形成される。
【００３６】
このようにして金属部材５に設けた第１の凹部５ａの底面に熱電素子１の端面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、金属部材５に設けた第１の凹部５ａの内側面と熱電素子１の端部の外側面の間に十分な量の半田３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熱電素子１の端面と第１の凹部５ａが設けられた金属部材５の底面との間に半田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、第１の凹部５ａを設けた金属部材５への熱電素子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を第１の凹部５ａが設けられた金属部材５に確実かつ強固に接合させることができる。
【００３７】
金属部材５の第１の凹部５ａの内部は熱電素子１の端部との間で半田３の溜まり部が確保されるのに必要な大きさとし、具体的には熱電素子１の端部の外側面から第１の凹部５ａの内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第１の凹部５ａの深さが50μｍ以上500μｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
第１の凹部５ａはその大きさが熱電素子１の端部の外側面から第１の凹部５ａの内側面までの距離が50μｍ未満となると、第１の凹部５ａの内側面とこれに対向する熱電素子１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３の溜まり部を形成できずに熱電素子１を第１の凹部５ａが設けられた金属部材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、300μｍを超えると熱電素子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、第１の凹部５ａの内部の大きさは、熱電素子１の端部の外側面から第１の凹部５ａの内側面までの距離を50μｍ以上300μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００３９】
また、第１の凹部５ａはその深さが50μｍ未満となると、第１の凹部５ａの内側面とこれに対向する熱電素子１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３の溜まり部を形成できずに熱電素子１を第１の凹部５ａが設けられた金属部材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を超えると第１の凹部５ａの内側面とこれに対向する熱電素子１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を第１の凹部５ａが設けられた金属部材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、第１の凹部５ａの内部は熱電素子の端部との間に第１のロウ材または接着剤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500μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００４０】
第１の凹部５ａを有する金属部材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、第１の凹部５ａを有する金属部材５には、その表面に良導電性で、かつ耐食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、金属部材は、熱電素子に第１のロウ材または接着剤を介して接合され、熱電素子の端面にこの端面より大きな底面積の第１の凹部の底面で当接しているとともに、第１の凹部の内側面とこれに対向する熱電素子の端部の外側面との間に第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、第１の凹部と反対側の端面を絶縁体基板の表面に形成されたこの端面より大きな面積の第２の凹部の底面に当接させているとともに、第２の凹部の内側面とこれに対向する金属部材の端部の外側面との間に第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、金属部材の第１の凹部の内側面および底面と熱電素子の端部の外側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熱電素子の端部の外側面と第１の凹部が設けられた金属部材の第１の凹部の内側面との間に第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、第１の凹部を設けた金属部材への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、絶縁体基板の第２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第２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、第２の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を問題の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、金属部材の第１の凹部を、熱電素子の端部の外側面から第１の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第１の凹部の深さが50μｍ以上500μｍ以下であるものとすることにより、金属部材の第１の凹部の内側面および底面と熱電素子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、熱電素子を第１の凹部が設けられた金属部材の底面に強固に接合させることが可能となる。さらに、第１の凹部の内部を熱電素子の端部との間で第１のロウ材または接着剤の溜まり部が確保されるのに適度な大きさとすることで、熱電素子を金属部材へ実装する際の位置ずれを防止することも可能となる。
【００６３】
また、絶縁体基板に設けた第２の凹部を、金属部材の端部の外側面から第２の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第２の凹部の深さが50μｍ以上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、金属部材を第２の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、熱電素子接合部に掛かる応力を緩和することができる。さらに、第２の凹部の内部を金属部材の端部との間で第２のロウ材または接着剤の溜まり部が確保されるのに適度な大きさとすることで、金属部材を絶縁体基板へ実装する際の位置ずれを防止することも可能となる。
【００６４】
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
２・・・・・絶縁体基板
２ａ・・・・第２の凹部
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
５ａ・・・・第１の凹部
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）
【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、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、前記前記各金属部材は、一方の主面に、対応する前記熱電素子の端面を収容する第１の凹部を有し、前記第１の凹部の内側面とこれに対向する前記熱電素子の端部の外側面との間に前記第１のロウ材または接着剤の溜まり部を形成しており、他方の主面は、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他方の主面をそれぞれ収容する複数の第２の凹部を有し、前記第２の凹部の内側面とこれに対向する前記金属部材の前記他方の主面を含む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、前記第１の凹部は、前記熱電素子の端部の外側面から前記第１の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ深さが50μｍ以上500μｍ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、前記第２の凹部は、前記金属部材の端部の外側面から前記第２の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ深さが50μｍ以上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、金属部材の第１の凹部の内側面および底面と熱電素子の端部の外側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熱電素子の端部の外側面と第１の凹部が設けられた金属部材の第１の凹部の内側面との間に第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、第１の凹部を設けた金属部材への熱電素子の第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、絶縁体基板の第２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第２の凹部が設けられた絶縁体基板の第２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、第２の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、金属部材に設けた第１の凹部は、熱電素子の端部の外側面から第１の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第１の凹部の深さが50μｍ以上500μｍ以下であるものとすることにより、金属部材の第１の凹部の内側面および底面と熱電素子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、熱電素子を第１の凹部が設けられた金属部材の底面に強固に接合させることが可能となる。
【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第２の凹部は、金属部材の端部の外側面から第２の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第２の凹部の深さが50μｍ以上500μｍ以下であるものとすることにより、絶縁体基板の第２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、金属部材を第２の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は、そのままでは半田３等のロウ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。
【００２７】
絶縁体基板２は、その表面に金属部材５の端面が当接する第２の凹部２ａが形成されており、熱電素子１および金属部材５の支持部材としての機能を有している。
【００２８】
絶縁体基板２に設けた第２の凹部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に設けた第２の凹部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半田４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の端面と第２の凹部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、第２の凹部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を第２の凹部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。
【００２９】
絶縁体基板２の第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第２の凹部２ａの内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第２の凹部２ａの深さが50μｍ以上500μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
第２の凹部２ａはその大きさが金属部材５の端部の外側面から第２の凹部２ａの内側面までの距離が50μｍ未満となると、第２の凹部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を第２の凹部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、第２の凹部２ａの内部の大きさは、金属部材５の端部の外側面から第２の凹部２ａの内側面までの距離を50μｍ以上300μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００３１】
また、第２の凹部２ａはその深さが50μｍ未満となると、第２の凹部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を第２の凹部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、第２の凹部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を第２の凹部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、第２の凹部２ａの内部は金属部材５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、その深さを50μｍ以上500μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００３２】
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第２の凹部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にロウ付けする際の下地金属となる。
【００３３】
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。
【００３４】
金属部材５は、絶縁体基板２に接合された面とは反対の面に熱電素子１の端面が当接する第１の凹部５ａが形成されており、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。
【００３５】
第１の凹部５ａは、銅やアルミニウム等から成る金属部材５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、金属部材５の表面の所定位置に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、金属部材５を形成する際に同時に形成される。
【００３６】
このようにして金属部材５に設けた第１の凹部５ａの底面に熱電素子１の端面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、金属部材５に設けた第１の凹部５ａの内側面と熱電素子１の端部の外側面の間に十分な量の半田３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熱電素子１の端面と第１の凹部５ａが設けられた金属部材５の底面との間に半田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、第１の凹部５ａを設けた金属部材５への熱電素子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を第１の凹部５ａが設けられた金属部材５に確実かつ強固に接合させることができる。
【００３７】
金属部材５の第１の凹部５ａの内部は熱電素子１の端部との間で半田３の溜まり部が確保されるのに必要な大きさとし、具体的には熱電素子１の端部の外側面から第１の凹部５ａの内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第１の凹部５ａの深さが50μｍ以上500μｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
第１の凹部５ａはその大きさが熱電素子１の端部の外側面から第１の凹部５ａの内側面までの距離が50μｍ未満となると、第１の凹部５ａの内側面とこれに対向する熱電素子１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３の溜まり部を形成できずに熱電素子１を第１の凹部５ａが設けられた金属部材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、300μｍを超えると熱電素子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、第１の凹部５ａの内部の大きさは、熱電素子１の端部の外側面から第１の凹部５ａの内側面までの距離を50μｍ以上300μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００３９】
また、第１の凹部５ａはその深さが50μｍ未満となると、第１の凹部５ａの内側面とこれに対向する熱電素子１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３の溜まり部を形成できずに熱電素子１を第１の凹部５ａが設けられた金属部材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を超えると第１の凹部５ａの内側面とこれに対向する熱電素子１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を第１の凹部５ａが設けられた金属部材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、第１の凹部５ａの内部は熱電素子の端部との間に第１のロウ材または接着剤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500μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００４０】
第１の凹部５ａを有する金属部材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、第１の凹部５ａを有する金属部材５には、その表面に良導電性で、かつ耐食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、金属部材は、熱電素子に第１のロウ材または接着剤を介して接合され、熱電素子の端面にこの端面より大きな底面積の第１の凹部の底面で当接しているとともに、第１の凹部の内側面とこれに対向する熱電素子の端部の外側面との間に第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、第１の凹部と反対側の端面を絶縁体基板の表面に形成されたこの端面より大きな面積の第２の凹部の底面に当接させているとともに、第２の凹部の内側面とこれに対向する金属部材の端部の外側面との間に第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、金属部材の第１の凹部の内側面および底面と熱電素子の端部の外側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熱電素子の端部の外側面と第１の凹部が設けられた金属部材の第１の凹部の内側面との間に第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、第１の凹部を設けた金属部材への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、絶縁体基板の第２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第２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、第２の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を問題の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、金属部材の第１の凹部を、熱電素子の端部の外側面から第１の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第１の凹部の深さが50μｍ以上500μｍ以下であるものとすることにより、金属部材の第１の凹部の内側面および底面と熱電素子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、熱電素子を第１の凹部が設けられた金属部材の底面に強固に接合させることが可能となる。さらに、第１の凹部の内部を熱電素子の端部との間で第１のロウ材または接着剤の溜まり部が確保されるのに適度な大きさとすることで、熱電素子を金属部材へ実装する際の位置ずれを防止することも可能となる。
【００６３】
また、絶縁体基板に設けた第２の凹部を、金属部材の端部の外側面から第２の凹部の内側面までの距離が50μｍ以上300μｍ以下であり、かつ第２の凹部の深さが50μｍ以上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、金属部材を第２の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、熱電素子接合部に掛かる応力を緩和することができる。さらに、第２の凹部の内部を金属部材の端部との間で第２のロウ材または接着剤の溜まり部が確保されるのに適度な大きさとすることで、金属部材を絶縁体基板へ実装する際の位置ずれを防止することも可能となる。
【００６４】
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
２・・・・・絶縁体基板
２ａ・・・・第２の凹部
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
５ａ・・・・第１の凹部
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）
Claims (5)
- 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、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、
前記各金属部材は、一方の主面に、対応する前記熱電素子の端面を収容する第１の凹部を有し、前記第１の凹部の内側面とこれに対向する前記熱電素子の端部の外側面との間に前記第１のロウ材または接着剤の溜まり部を形成しており、他方の主面は、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他方の主面をそれぞれ収容する複数の第２の凹部を有し、前記第２の凹部の内側面とこれに対向する前記金属部材の前記他方の主面を含む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。 - 前記第１の凹部は、前記熱電素子の端部の外側面から前記第１の凹部の内側面までの距離が５０μｍ以上３００μｍ以下であり、かつ深さが５０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子モジュール。
- 前記第２の凹部は、前記金属部材の端部の外側面から前記第２の凹部の内側面までの距離が５０μｍ以上３００μｍ以下であり、かつ深さが５０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子モジュール。
- 基体と、該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請求項１乃至請求項３のいずれかに記載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、該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半導体素子収納用パッケージ。
- 請求項４記載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半導体モジュール。
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