JP4325246B2

JP4325246B2 - Thermoelectric device package and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4325246B2
Application number: JP2003091227A
Authority: JP
Inventors: 勝彦尾上
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004303750A

Description

【０００１】
【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高出力の半導体素子（例えば、半導体レーザ）と、この半導体素子を冷却する熱電モジュールを保持する熱電装置用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、波長を多重化して送信する方式（ＷＤＭ）の開発、実用化が進んでいる。この方式では、複数の波長の光が１つの光ファイバ内に存在するため、１つの光源の波長のずれを０．１ｎｍ以下におさえる必要がある。このような光通信のレーザ光源としては半導体レーザが用いられ、この半導体レーザとレンズ等をパッケージ内に一体的に収容して半導体レーザモジュールを構成し、この半導体レーザモジュールを光ファイバに結合するようになされている。
【０００３】
このような半導体レーザモジュールにおいては、半導体レーザはその雰囲気温度が変化すると波長が変化するため、光ファイバと結合する半導体レーザモジュールの構成体内に、多数のペルチェ素子を搭載した電子クーラー（ＴＥＣ：Thermo Electric Cooler）と呼ばれる熱電モジュールを備えて、半導体レーザの温度を制御している。このような半導体レーザーモジュールにおいては、例えば、特許文献１（特開平７−１３１１０６号公報）に示されるようなステムを用いたパッケージが知られている。
【０００４】
ところで、特開平７−１３１１０６号公報にて提案されたステムを用いたパッケージにおいては、半導体レーザを保持する固定具をステムに取り付け、このステムに金属部材が接合され、この金属部材に電子冷却素子の冷却面が接合されるようになされている。これにより、半導体レーザにて発生した熱は固定具からステムを介して電子冷却素子に流れるようになる。そして、パッケージのキャップの円板状の面に、光学系を収容したホルダが固定され、半導体レーザから出射された光が光ファイバに光学結合するようになされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の特開平７−１３１１０６号公報に提案された光半導体モジュールにおいては、半導体レーザは固定具、ステムおよび金属部材を介して電子冷却素子（熱電モジュール）の冷却面に接合される構造となっている。このため、半導体レーザが直接、電子冷却素子の冷却面に接合されるような構造とはなっていない。この結果、この種の光半導体モジュールは、冷却効率が悪く、電子冷却素子の消費電力が増大するという問題を生じた。
【０００６】
そこで、本発明者は先に、特願２００２−１２３５７８号において、熱電モジュールの冷却面に直接、半導体レーザが接合される構成となっている熱電装置用パッケージを提案した。この熱電装置用パッケージにおいては、半導体レーザや熱電モジュール（電子冷却素子）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、内部電極と外部電極とを接続する配線をパッケージを構成するベース部材に備えるようにしている。このため、部品点数を削減することを可能になる。
【０００７】
しかしながら、特願２００２−１２３５７８号にて提案した熱電装置用パッケージにおいては、バタフライ型の熱電装置用パッケージであるため、小型化が困難で、このようなパッケージを用いた光半導体モジュールが大型になるという問題があった。
【０００８】
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、小型のステム型の熱電装置用パッケージを用いても、熱電モジュールの冷却面に直接、半導体レーザなどの半導体素子を接合できるようにして、小型で、冷却効率に優れ、かつ組立が簡単容易な熱電装置用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。
【０００９】
【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、半導体レーザなどの半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールと、この熱電モジュールを載置、固定する絶縁基板と、この絶縁基板を固定、保持する基台とを備えるとともに、絶縁基板の一方の端部表面にはロウ付け用のメタライズ層が形成されていて、絶縁基板がその端部のロウ付けにより基台上に垂直に固定されるようにしている。このように、半導体素子を載置、固定して半導体素子を冷却する熱電モジュールを絶縁基板に載置、固定され、この絶縁基板が基台上に垂直に保持されていると、半導体レーザなどの半導体素子から発生された熱は熱電モジュールにより効率よく冷却され、かつ絶縁基板から基台を通して外部に排熱されることとなる。
【００１０】
この場合、絶縁基板が基台に形成された開口内に嵌め込まれて固定されるようにすると、絶縁基板の取り付けが容易になる。そして、基台を貫通する貫通孔を開口とし、さらにこの貫通孔内を貫通して絶縁基板が嵌め込み固定されるようにすると、絶縁基板を基台に強固に固定することが可能となる。また、絶縁基板を多層絶縁基板から構成し、この多層絶縁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、基台にリード線を取り付ける必要がなくなる。これにより、電極と熱電モジュールとの接続作業、あるいは電極と半導体素子との接続作業が容易になる。
【００１１】
このような熱電装置用パッケージを製造する場合、熱電モジュールを接続固定するための金属層が形成され、かつ一方の端部表面にはロウ付け用のメタライズ層が形成された絶縁基板をその端部のロウ付けにより基台上に垂直に固定する絶縁基板固定工程と、絶縁基板の金属層上に半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールを接続固定する熱電モジュール接続工程とを備えるようにすればよい。あるいは、半導体素子を載置、固定して該半導体素子を冷却する熱電モジュールを絶縁基板の金属層上に接続固定する熱電モジュール接続工程と、熱電モジュールが接続固定され、かつ一方の端部表面にはロウ付け用のメタライズ層が形成された絶縁基板をその端部のロウ付けにより基台上に垂直に固定する絶縁基板固定工程とを備えるようにしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の熱電装置用パッケージを光半導体モジュールに適用した場合の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。なお、図１は第１実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図１（ａ）はその全体構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面の要部を拡大して示す断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。また、図２は図１の熱電装置用パッケージにキャップ（カバー）を装着して一部破断した状態の光半導体モジュールを示す側面図である。
【００１３】
また、図３は第２実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図３（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。また、図４はこれらの変形例の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図４（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。さらに、図５は熱電装置用パッケージの放熱（排熱）試験の状態を示す断面図である。
【００１４】
１．第１実施形態
（第１実施形態の熱電装置用パッケージ）
本第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０は、図１に示すように、半導体レーザ（ＬＤ）１４やフォトダイオード（ＰＤ）１５やサーミスターなどの半導体素子を載置、固定する絶縁基板１２を固定、保持する基台（キャリヤベース）１１を備えている。このキャリヤベース１１は、第１段で底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部１１ａと、第２段で後述するキャップ部材１７（図２参照）を固定する円柱状のキャップ固定部１１ｂと、第３段で複数のリードを固定するとともに絶縁基板１２が挿入固定される開口部が形成されて第２段より小径の円柱状に形成された端子部１１ｃとから構成されている。
【００１５】
なお、これらの取付部１１ａと、キャップ固定部１１ｂと、端子部１１ｃとからなるキャリヤベース１１はＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金、Ｆｅ系合金を機械加工して作製されている。あるいはＣｕＷ合金、Ｃｕ系合金、Ｆｅ系合金をＭＩＭ法（Metal Injection Molding）により成形したものの焼結により作製されている。そして、これらの合金の表面にはニッケル（Ｎｉ）メッキおよび金（Ａｕ）メッキが施されている。
【００１６】
絶縁基板１２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁材料により形成されている。そして、この絶縁基板１２の表面には、熱電モジュール１３を接続、固定するための銅（Ｃｕ）電極パターン（図１（ｃ）の点線内参照）１２ａが銅メッキとエッチングにより形成されている。なお、Ｃｕ電極パターン１２ａの表面にはニッケル（Ｎｉ）メッキおよび金（Ａｕ）メッキが施されている。そして、このようなＣｕ電極パターン１２ａに熱電モジュール１３が接合されると、絶縁基板１２は熱電モジュール１３の下基板となる。
【００１７】
また、絶縁基板１２の一方の端部表面にはロウ付け用のメタライズ層１２ｂが形成されている。このメタライズ層１２ｂは、絶縁基板１２の表面に形成された銅（Ｃｕ）メッキ層と、この上に形成されたニッケル（Ｎｉ）メッキ層と、この上に形成された金（Ａｕ）メッキ層からなるものである。これにより、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに形成された開口部に、メタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより絶縁基板１２をキャリヤベース１１の端子部１１ｃに対して垂直に固定することが可能となる。
【００１８】
熱電モジュール１３は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、上基板１３ａに形成された電極パターン（導電層）１３ｂと、下基板（この場合は、絶縁基板１２）に形成されたＣｕ電極パターン１２ａとの間に、多数のペルチェ素子１３ｃ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１３ｃ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。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１３ａの電極パターン１３ｂあるいは絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａに、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けされている。
【００１９】
このような熱電モジュール１３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１３ａは、下基板（絶縁基板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１３ａ上に、銅（Ｃｕ）メッキとエッチングにより電極パターン１３ｂが形成されている。
【００２０】
そして、この熱電モジュール１３上に半導体レーザー（ＬＤ）１４，フォトダイオード（ＰＤ）１５などを配置、固定し、かつ半導体レーザー（ＬＤ）１４の光軸上に光学系を配置して、光軸調整をする。この後、キャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂに熱膨張係数が小さいＦｅＮｉＣｏ合金（例えば、コバール（Kovar））製のキャップ部材１７を配置する。ついで、端子部１１ｃとキャップ部材１７とを銀蝋、銅蝋、金蝋などを用いた蝋付け、あるいはＡｇＳｎ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、図２に示すような光半導体モジュール１０ａを形成するようにしている。
【００２１】
（第１実施形態の熱電装置用パッケージの作製例）
ついで、上述のような構成となる第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０の具体的な作製例を以下に説明する。まず、取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂおよび端子部１１ｃを備え、ＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金あるいはＦｅ系合金からなるキャリヤベース１１を用意した。また、銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａが表面に形成され、かつ一方の端部表面にメタライズ層１２ｂが形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化珪素（ＳｉＣ）等からなる絶縁基板１２を用意した。さらに、上基板１３ａに形成された電極パターン１３ｂに、多数のペルチェ素子１３ｃが接続された半完成の熱電モジュール１３を用意した。なお、銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａの端部には端子部となる一対のＣｕ電極パターン１２ａ−１，１２ａ−２が形成されている。
【００２２】
この後、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに形成された開口部に、メタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより絶縁基板１２をキャリヤベース１１の端子部１１ｃに対して垂直に固定した。ついで、絶縁基板１２に形成された銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａ上に多数のペルチェ素子１３ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール１３を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けした。これにより、上基板１３ａに形成された電極パターン（導電層）１３ｂと、絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａとの間に、多数のペルチェ素子１３ｃがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続された熱電モジュール１３が完成することとなる。
【００２３】
この場合、まず、絶縁基板１２に形成された銅（Ｃｕ）電極パターン１２ａ上に多数のペルチェ素子１３ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール１３を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けして熱電モジュール１３を完成させた後、キャリヤベース１１の端子部１１ｃに形成された開口部に、メタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入した後、絶縁基板１２をキャリヤベース１１の端子部１１ｃに対して垂直に固定するようにしてもよい。
【００２４】
なお、絶縁基板挿入用の開口をキャリヤベース１１の端子部１１ｃのみだけではなく、キャップ固定部１１ｂおよび取付部１１ａにも設けるようにして、開口部を貫通させて貫通孔とし、この貫通孔内にメタライズ層１２ｂが形成された絶縁基板１２を挿入して、その端部がキャリヤベース１１から突出するようにしても、あるいはキャリヤベース１１と同一面となるようにしても良い。このようにすると、キャリヤベース１１と絶縁基板１２との接合が強固になる。
【００２５】
そして、リード線１６の延出した部分と、Ｃｕ電極パターン１２ａ−１，１２ａ−２とをワイヤー１２ｃで接続するとともに、半導体レーザ１４やフォトダイオード１５等とも接続した。
【００２６】
一方、半導体レーザ１４やフォトダイオード１５等を気密に保持するためのキャップ部材１７を用意し、このキャップ部材１７をキャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂに載置した。この後、キャップ部材１７の下端部の内周面を端子部１１ｃの周壁に固着した。
【００２７】
キャップ部材１７の先端部には光ファイバ１８が取り付けられ、この光ファイバ１８に効率よくレーザ光が入射するように、キャップ部材１７内にはレンズ系（図示せず）が収容されている。このように構成された光半導体モジュール１０ａにおいては、半導体レーザ１４から出射されたレーザ光は、レンズによって光ファイバ１８に効率よく結合されるようになされている。
【００２８】
２．第２実施形態
（第２実施形態の熱電装置用パッケージ）
本第２実施形態の熱電装置用パッケージ２０は、図１に示す取付部１１ａと、キャップ固定部１１ｂおよび端子部１１ｃを有するキャリヤベース１１を備えているとともに、上述した熱電モジュール１３と同様な熱電モジュール２４を備えている点で、上述した第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０と同様である。しかしながら、絶縁基板として内部に配線パターンが形成された多層絶縁基板２１を備えた点で、上述した第１実施形態の熱電装置用パッケージ１０と異なっている。このため、本第２実施形態の熱電装置用パッケージ２０に用いられる多層絶縁基板２１は、図３（ａ）（ｂ）に示されるように、上部絶縁基板２２と下部絶縁基板２３が積層、一体化されて形成されている。
【００２９】
ここで、上部絶縁基板２２および下部絶縁基板２３は、上述した絶縁基板１２と同様に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁材料により形成されている。そして、上部絶縁基板２２には、熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａと、内部電極用の銅電極パターン２２ｂと、外部電極用の銅電極パターン２２ｃと、銅電極パターン２２ｂに導通するスルーホール導体と、銅電極パターン２２ｃに導通するスルーホール導体とが形成されている。また、下部絶縁基板２３は内部配線となる導体パターン（図３（ａ）（ｂ）に点線で示している）２３ａが形成されている。
【００３０】
そして、この多層絶縁基板２１の一方の端部側の表面にはロウ付け用のメタライズ層２１ａが形成されている。このメタライズ層２１ａは上述したメタライズ層１２ｂと同様に、Ｃｕメッキ層と、このＣｕメッキ層上に形成されたＮｉメッキ層と、このＮｉメッキ層上に形成されたＡｕメッキ層からなるものである。これにより、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層２１ａが形成された多層絶縁基板２１を、外部電極用の銅電極パターン２２ｃが外部に突出するように貫通させて挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板２１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定される。
【００３１】
なお、熱電モジュール２４は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示される熱電モジュール１３と同様に、上基板２４ａに形成された電極パターン（導電層）２４ｂと、下基板（この場合は、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用のＣｕ電極パターン２２ａ）との間に、多数のペルチェ素子２４ｃがＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けされて、Ｐ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続されて形成されている。
【００３２】
そして、この熱電モジュール２４上に、半導体レーザー（ＬＤ）２５、フォトダイオード（ＰＤ）２６および図示しないサーミスタ素子を配置、固定した。ついで、内部電極用の銅電極パターン２２ｂとＬＤ２５、ＰＤ２６およびサーミスタ素子とをそれぞれ接続した後、ＬＤ２５の光軸上に光学系を配置して、光軸調整をした。この後、図２に示すように、キャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂにキャップ部材１７を配置し、端子部１１ｃとキャップ部材１７とを銀蝋、銅蝋、金蝋などを用いた蝋付け、あるいはＡｇＳｎ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が形成される。
【００３３】
（第２実施形態の熱電装置用パッケージの作製例）
ついで、上述のような構成となる第２実施形態の熱電装置用パッケージ２０の具体的な作製例を以下に説明する。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２枚のセラミックグリーンシート２２，２３を用意する。ついで、これらの２枚のセラミックグリーンシート２２，２３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２２にスクリーン印刷で、図３（ｂ）に示すような熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａと、内部電極用の銅電極パターン２２ｂと、外部電極用の銅電極パターン２２ｃとを形成した。また、銅電極パターン２２ｂから導体パターン２３ａに導通するスルーホール導体と、銅電極パターン２２ｃから導体パターン２３ａに導通するスルーホール導体とを形成した。
【００３４】
一方、他方のセラミックグリーンシート２３にスクリーン印刷で、図３（ｂ）の点線に示すような、内部配線となる導体パターン２３ａ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２２，２３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、セラミックグリーンシート積層体（多層基板）を形成して多層絶縁基板２１とした。そして、一方の端部側の表面にメタライズ層２１ａを形成して多層絶縁基板２１を用意した。
【００３５】
一方、取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂおよび端子部１１ｃを備え、ＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金あるいはＦｅ系合金からなるキャリヤベース１１を用意した。また、上基板２４ａに形成された電極パターン２４ｂに、多数のペルチェ素子２４ｃが接続された半完成の熱電モジュール２４を用意した。この後、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層２１ａが形成された多層絶縁基板２１を挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板２１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定した。このとき、多層絶縁基板２１に形成された外部電極用の銅電極パターン２２ｃがキャリヤベース１１の外部に突出するように貫通挿入した。
【００３６】
ついで、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａ上に多数のペルチェ素子２４ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール２４を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けした。これにより、上基板２４ａに形成された電極パターン（導電層）２４ｂと、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａとの間に、多数のペルチェ素子２４ｃがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続された熱電モジュール２４が完成することとなる。
【００３７】
この場合も、多層絶縁基板２１に形成された熱電モジュール接合用の銅電極パターン２２ａ上に多数のペルチェ素子２４ｃが接続されるように、半完成の熱電モジュール２４を配置した後、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けして熱電モジュール２４を完成させた後、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層２１ａが形成された多層絶縁基板２１を挿入した後、多層絶縁基板２１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定するようにしてもよい。
【００３８】
３．変形例
上述した第１実施形態および第２実施形態においては、半完成の熱電モジュール１３，２４を用いて熱電装置用パッケージの作製時に熱電モジュール１３，２４を完成させる例について説明した。しかしながら、本発明においては、完成した熱電モジュールを用いて熱電装置用パッケージの作製するようにしてもよい。この場合は、別途、熱電モジュールを作製するので、絶縁基板への半田付け工程が容易になって、熱電モジュールの組み付け工程が容易になる。
【００３９】
ここで、図４に示すように、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミック材からなる上基板３５に形成されたＣｕ電極パターン（導電層）３５ａと、上基板３５と同様なセラミック材からなる下基板３６に形成されたＣｕ電極パターン３６ａとの間に、多数のペルチェ素子３７ｃがＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けされて、Ｐ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続され、熱電モジュール３４が形成されている。なお、Ｃｕ電極パターン（導電層）３５ａ，３６ａは、銅（Ｃｕ）メッキとエッチングにより形成されている。
【００４０】
一方、多層絶縁基板３１は、図４（ａ）（ｂ）に示されるように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁材料からなる上部絶縁基板３２と下部絶縁基板３３が積層、一体化されて形成されている。そして、上部絶縁基板３２には、熱電モジュール接合用のメタライズ層３２ａと、内部電極用の銅電極パターン３２ｂと、外部電極用の銅電極パターン３２ｃと、銅電極パターン３２ｂ，３２ｃから導体パターン３３ａに導通するスルーホール導体とが形成されている。また、下部絶縁基板３３には内部配線となる導体パターン（図４（ａ）（ｂ）に点線で示している）３３ａが形成されている。
【００４１】
また、この多層絶縁基板３１の一方の端部側の表面にはロウ付け用のメタライズ層３１ａが形成されている。このメタライズ層３１ａはＣｕメッキ層と、このＣｕメッキ層上に形成されたＮｉメッキ層と、このＮｉメッキ層上に形成されたＡｕメッキ層からなるものである。これにより、キャリヤベース１１に形成された貫通孔に、メタライズ層３１ａが形成された多層絶縁基板３１を、外部電極用の銅電極パターン３２ｃが外部に突出するように貫通させて挿入した後、銀（Ａｇ）ろうにより多層絶縁基板３１をキャリヤベース１１に対して垂直に固定される。
【００４２】
そして、上述のように、予め作製された熱電モジュール３４の下基板３６を、多層絶縁基板３１の表面に形成された熱電モジュール接合用のメタライズ層３２ａに配置し、ＳｎＳｂ合金からなる半田により下基板３６の下面とメタライズ層３２ａとを半田付けすることにより、熱電装置用パッケージ３０が作製されることとなる。ついで、熱電モジュール３４上に半導体レーザー（ＬＤ）３８，フォトダイオード（ＰＤ）３９および図示しないサーミスタ素子を配置、固定した。ついで、内部電極用の銅電極パターン３２ｂとＬＤ３８、ＰＤ３９およびサーミスタ素子とをそれぞれ接続した後、ＬＤ３８の光軸上に光学系を配置して、光軸調整をした。この後、図２に示すように、キャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｂにキャップ部材１７を配置し、端子部１１ｃとキャップ部材１７とを銀蝋、銅蝋、金蝋などを用いた蝋付け、あるいはＡｇＳｎ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が形成される。
【００４３】
４．放熱試験
ついで、上述のようにして作製される熱電装置用パッケージの放熱性（排熱性）を検証するために、以下のようにして放熱試験を行った。即ち、まず、図５（ａ）に示すように、上述したキャリヤベース（取付部１１ａ、キャップ固定部１１ｂ、端子部１１ｃからなる）１１と同等で、長さが１０ｍｍでＷＣｕ合金製の基台４１に、厚みが１ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の基板４２が接合された実験台４０ａを用意した。なお、この基板４２には、上述した絶縁基板１２に形成されたＣｕ電極パターン１２ａと同様なＣｕ電極パターン（図示せず）が形成されている。
【００４４】
そして、基板４２に形成されたＣｕ電極パターン（図示せず）に、上述した半完成の熱電モジュール１３と同様な半完成の熱電モジュール（なお、これのＡｌＮ製の上基板の厚みは０．３ｍｍである）を配置した。ついで、ＳｎＳｂ合金からなる半田により半田付けして熱電モジュール４３を完成させた後、この上に温度センサが充填されたＣｕ板４４を配置し、さらに、この上に消費電力が１Ｗのヒータ４５を配置し、ヒータ４５に電源を投入した。そして、熱電モジュール４３に電源を投入したところ、温度センサが充填されたＣｕ板４４の温度は２５℃の一定温度に保持することができるという結果が得られた。
【００４５】
一方、図５（ｂ）に示すように、上述した基台４１と等しい大きさのＦｅ製の基台４６に、厚みが１ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の基板４７が接合された実験台４０ｂを用意した。ついで、この基板４７上に温度センサが充填されたＣｕ板４８を配置し、さらに、この上に消費電力が１Ｗのヒータ４９を配置した。ここで、ヒータ４９に電源を投入したところ、温度センサが充填されたＣｕ板４８の温度は５５℃まで上昇した。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように、本発明においては、半導体レーザー１４（２５，３８）、フォトダイオード１５（２６，３９）などの半導体素子を載置、固定して、これらの半導体素子を冷却する熱電モジュール１３（２４，３７）が絶縁基板１２あるいは多層絶縁基板２１，３１に載置、固定されている。そして、これらの絶縁基板１２あるいは多層絶縁基板２１，３１が基台１１上に垂直に保持されている。
【００４７】
このため、半導体レーザー１４（２５，３８）などの半導体素子から発生された熱は熱電モジュール１３（２４，３７）により効率よく冷却され、かつ絶縁基板１２あるいは多層絶縁基板２１，３１から、ＷＣｕ合金、ＭｏＣｕ合金、Ｃｕ系合金あるいはＦｅ系合金からなる基台（キャリヤベース）１１を通して外部に排熱されることとなる。この結果、半導体レーザー１４（２５，３８）などの半導体素子を安定に動作させることが可能になるとともに、それらの寿命も長寿命になるという格別の効果を発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図１（ａ）はその全体構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面の要部を拡大して示す断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。
【図２】図１の熱電装置用パッケージにキャップ（カバー）を装着して一部破断した状態の光半導体モジュールを示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図３（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例の熱電装置用パッケージの要部を模式的に示す図であり、図４（ａ）はその要部を拡大して示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の熱電モジュールを省略した状態の側面を示す側面図である。
【図５】熱電装置用パッケージの放熱（排熱）試験の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…熱電装置用パッケージ、１０ａ…光半導体モジュール、１１…基台（キャリヤベース）、１１ａ…取付部、１１ｂ…キャップ固定部、１１ｃ…端子部、１１ｄ…貫通孔、１２…絶縁基板、１２ａ…電極パターン、１２ｂ…メタライズ層、１２ｃ…ワイヤー、１３…熱電モジュール、１３ａ…上基板、１３ｂ…電極パターン、１３ｃ…ペルチェ素子、１４…半導体レーザ、１５…フォトダイオード、１６…リード線、１７…キャップ部材、１８…光ファイバ、２０…熱電装置用パッケージ、２１…多層絶縁基板、２１ａ…メタライズ層、２１ｂ…メタライズ層、２２…上部絶縁基板、２２ａ…銅電極パターン、２２ｂ…内部端子、２２ｃ…銅電極パターン、２３…下部絶縁基板、２３ａ…導体パターン、２４…熱電モジュール、２４ａ…上基板、２４ｂ…電極パターン、２４ｃ…ペルチェ素子、３０…熱電装置用パッケージ、３１…多層絶縁基板、３１ａ…メタライズ層、３２…上部絶縁基板、３２ａ…メタライズ層、３２ｂ…内部端子、３２ｂ…銅電極パターン、３２ｃ…銅電極パターン、３３…下部絶縁基板、３３ａ…導体パターン、３４…熱電モジュール、３５…上基板、３６…下基板、３６ａ…電極パターン、３７ｃ…ペルチェ素子、４０ａ，４０ｂ…実験台、４１…基台、４１ａ…温度センサ、４２…基板、４３…熱電モジュール、４４…Ｃｕ板、４５…ヒータ、４６…基台、４６ａ…温度センサ、４７…基板、４８…Ｃｕ板、４９…ヒータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-power semiconductor element (for example, a semiconductor laser) used in an optical communication apparatus and the like, and a thermoelectric device package that holds a thermoelectric module that cools the semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a method for multiplexing and transmitting wavelengths (WDM) has been developed and put into practical use. In this method, since light of a plurality of wavelengths exists in one optical fiber, the wavelength of one light source Deviation of 0.1 nm or less It is necessary to stop. A semiconductor laser is used as a laser light source for such optical communication. The semiconductor laser and a lens are integrally accommodated in a package to form a semiconductor laser module, and the semiconductor laser module is coupled to an optical fiber. Has been made.
[0003]
In such a semiconductor laser module, since the wavelength of the semiconductor laser changes when the ambient temperature changes, an electronic cooler (TEC: Thermo) having a large number of Peltier elements mounted in the structure of the semiconductor laser module coupled to the optical fiber. It has a thermoelectric module called Electric Cooler to control the temperature of the semiconductor laser. As such a semiconductor laser module, for example, a package using a stem as disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-131106) is known.
[0004]
Incidentally, in a package using a stem proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-131106, a fixture for holding a semiconductor laser is attached to the stem, a metal member is joined to the stem, and an electronic cooling element is attached to the metal member. The cooling surfaces are joined together. As a result, the heat generated by the semiconductor laser is transferred from the fixture through the stem. Electronic cooling element To flow into. Then, a holder accommodating the optical system is fixed to the disk-shaped surface of the package cap, from the semiconductor laser. Outgoing The generated light is optically coupled to the optical fiber.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the optical semiconductor module proposed in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 7-131106, the semiconductor laser is joined to the cooling surface of the electronic cooling element (thermoelectric module) via the fixture, stem and metal member. It has become. For this reason, the semiconductor laser is directly connected to the cooling surface of the electronic cooling element. Close to It is not a structure that can be combined. As a result, this type of optical semiconductor module has a problem in that the cooling efficiency is poor and the power consumption of the electronic cooling element increases.
[0006]
Therefore, the present inventor previously proposed a package for a thermoelectric device in which a semiconductor laser is bonded directly to a cooling surface of a thermoelectric module in Japanese Patent Application No. 2002-123578. In this thermoelectric device package, a plurality of internal electrodes for electrical connection to a semiconductor laser or a thermoelectric module (electronic cooling element), a plurality of external electrodes for electrical connection to an external circuit, an internal electrode and an external electrode, The base member constituting the package is provided with wiring for connecting the two. For this reason, it becomes possible to reduce the number of parts.
[0007]
However, since the thermoelectric device package proposed in Japanese Patent Application No. 2002-123578 is a butterfly-type thermoelectric device package, it is difficult to reduce the size, and an optical semiconductor module using such a package becomes large. There was a problem.
[0008]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems. Even when a small stem-type thermoelectric device package is used, a semiconductor element such as a semiconductor laser is directly applied to the cooling surface of the thermoelectric module. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric device package that is small in size, excellent in cooling efficiency, and easy to assemble.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a package for a thermoelectric device according to the present invention includes a thermoelectric module for mounting and fixing a semiconductor element such as a semiconductor laser to cool the semiconductor element, and an insulating substrate for mounting and fixing the thermoelectric module. And a base for fixing and holding the insulating substrate, A metallized layer for brazing is formed on one end surface of the insulating substrate, Insulation board By brazing the end It is fixed vertically on the base. Thus, when the thermoelectric module for mounting and fixing the semiconductor element to cool the semiconductor element is mounted and fixed on the insulating substrate, and this insulating substrate is held vertically on the base, the semiconductor laser or the like The heat generated from the semiconductor element is efficiently cooled by the thermoelectric module, and is exhausted from the insulating substrate to the outside through the base.
[0010]
In this case, if the insulating substrate is fitted and fixed in an opening formed in the base, the insulating substrate can be easily attached. If the through hole penetrating the base is an opening and the insulating substrate is fitted and fixed through the through hole, the insulating substrate can be firmly fixed to the base. Further, when the insulating substrate is constituted by a multilayer insulating substrate and a plurality of wirings connected to the internal electrode and the external electrode are embedded in the multilayer insulating substrate, it is not necessary to attach lead wires to the base. Thereby, the connection work of an electrode and a thermoelectric module, or the connection work of an electrode and a semiconductor element becomes easy.
[0011]
When manufacturing such a thermoelectric device package, a metal layer for connecting and fixing the thermoelectric module is formed. And, a metallized layer for brazing is formed on one end surface. Insulation board By brazing the end An insulating substrate fixing step for vertically fixing on the base, and a thermoelectric module connecting step for connecting and fixing the thermoelectric module for mounting and fixing the semiconductor element on the metal layer of the insulating substrate to cool the semiconductor element. You can do it. Alternatively, the thermoelectric module is connected and fixed by connecting and fixing the thermoelectric module for mounting and fixing the semiconductor element and cooling the semiconductor element on the metal layer of the insulating substrate. And, a metallized layer for brazing is formed on one end surface. Insulation board By brazing the end An insulating substrate fixing step of fixing the substrate vertically on the base may be provided.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the package for a thermoelectric device of the present invention is applied to an optical semiconductor module will be described with reference to FIGS. 1 to 5, but the present invention is not limited to this embodiment. The present invention can be implemented with appropriate modifications without changing the object of the present invention. FIG. 1 is a diagram schematically showing the main part of the thermoelectric device package according to the first embodiment, FIG. 1 (a) is a perspective view showing the overall configuration, and FIG. 1 (b) is FIG. It is sectional drawing which expands and shows the principal part of the AA cross section of (a), FIG.1 (c) is a side view which shows the side surface of the state which abbreviate | omitted the thermoelectric module of FIG.1 (b). FIG. 2 is a side view showing the optical semiconductor module with a cap (cover) attached to the thermoelectric device package of FIG. 1 and partially broken.
[0013]
FIG. 3 is a diagram schematically showing the main part of the thermoelectric device package of the second embodiment, and FIG. 3A is an enlarged cross-sectional view showing the main part. FIG. 4 is a side view showing a side surface in a state where the thermoelectric module of FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing the main part of the thermoelectric device package of these modified examples, and FIG. 4A is an enlarged cross-sectional view showing the main part, and FIG. These are side views which show the side surface of the state which abbreviate | omitted the thermoelectric module of Fig.4 (a). Further, FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state of a heat dissipation (exhaust heat) test of the thermoelectric device package.
[0014]
1. First embodiment
(The package for the thermoelectric device of the first embodiment)
As shown in FIG. 1, the thermoelectric device package 10 of the first embodiment includes an insulating substrate 12 on which a semiconductor element such as a semiconductor laser (LD) 14, a photodiode (PD) 15, or a thermistor is placed and fixed. A base (carrier base) 11 for fixing and holding is provided. The carrier base 11 has a flat plate-shaped mounting portion 11a that forms a bottom portion in the first step, and a cylindrical cap fixing portion that fixes a cap member 17 (see FIG. 2) described later in the second step. 11b and a terminal portion 11c formed in a columnar shape having a smaller diameter than that of the second step, in which a plurality of leads are fixed in the third step and an opening for inserting and fixing the insulating substrate 12 is formed.
[0015]
These mounting portions 11a When , Cap fixing part 11b and terminal part 11c When The carrier base 11 made of WCu alloy, MoCu alloy, Cu alloy, Fe alloy Money Made by machining. Alternatively, it is produced by sintering a CuW alloy, a Cu-based alloy, or an Fe-based alloy formed by MIM (Metal Injection Molding). The surfaces of these alloys are subjected to nickel (Ni) plating and gold (Au) plating.
[0016]
The insulating substrate 12 is made of aluminum nitride (AlN), alumina (Al ₂ O _Three ) And silicon carbide (SiC). A copper (Cu) electrode pattern (see the dotted line in FIG. 1C) 12a for connecting and fixing the thermoelectric module 13 is formed on the surface of the insulating substrate 12 by copper plating and etching. The surface of the Cu electrode pattern 12a is plated with nickel (Ni) and gold (Au). When the thermoelectric module 13 is joined to such a Cu electrode pattern 12a, the insulating substrate 12 becomes the lower substrate of the thermoelectric module 13.
[0017]
Further, a metallized layer 12b for brazing is formed on one end surface of the insulating substrate 12. The metallized layer 12b includes a copper (Cu) plating layer formed on the surface of the insulating substrate 12, a nickel (Ni) plating layer formed thereon, and a gold (Au) plating layer formed thereon. It will be. Thus, after the insulating substrate 12 with the metallized layer 12b formed is inserted into the opening formed in the terminal portion 11c of the carrier base 11, the insulating substrate 12 is attached to the terminal portion 11c of the carrier base 11 by silver (Ag) brazing. It becomes possible to fix perpendicularly to.
[0018]
As shown in FIGS. 1B and 1C, the thermoelectric module 13 includes an electrode pattern (conductive layer) 13b formed on the upper substrate 13a and a lower substrate (in this case, the insulating substrate 12). ) Cu electrode pattern 12 formed on a and In between, a large number of Peltier elements 13c are electrically connected in series. The Peltier element 13c is composed of a P-type semiconductor compound element and an N-type semiconductor compound element. Then, solder made of SnSb alloy is applied to the electrode pattern 13b of the upper substrate 13a or the Cu electrode pattern 12a formed on the insulating substrate 12 so that they are electrically connected in series in the order of P, N, P, N. It is soldered by.
[0019]
Such a thermoelectric module 13 is an electronic device called an electronic cooler (TEC). The upper substrate 13a is a lower substrate (insulating substrate 12). )When Similar alumina (Al ₂ O _Three ), Alumina nitride (AlN), silicon carbide (SiC), etc., and an electrode pattern 13b is formed on the substrate 13a by copper (Cu) plating and etching.
[0020]
Then, a semiconductor laser (LD) 14 and a photodiode (PD) 15 are arranged and fixed on the thermoelectric module 13 and an optical system is arranged on the optical axis of the semiconductor laser (LD) 14 to adjust the optical axis. do. After this, the carrier base 11 Cap fixing part 11b A cap member 17 made of a FeNiCo alloy (for example, Kovar) having a small thermal expansion coefficient is disposed. Next, Terminal portion 11c And cap member 17 2 is hermetically joined by brazing using silver wax, copper wax, gold wax, or the like, or soldering using a solder such as AgSn alloy, AuSi alloy, AuGe alloy, or seam welding. Such an optical semiconductor module 10a is formed.
[0021]
(Production example of thermoelectric device package of the first embodiment)
Next, the thermoelectric device package 10 according to the first embodiment having the above-described configuration is specifically described. Target A simple manufacturing example will be described below. First, a carrier base 11 comprising a mounting portion 11a, a cap fixing portion 11b, and a terminal portion 11c and made of a WCu alloy, MoCu alloy, Cu-based alloy or Fe-based alloy was prepared. Further, aluminum nitride (AlN), alumina (Al) in which a copper (Cu) electrode pattern 12a is formed on the surface and a metallized layer 12b is formed on one end surface. ₂ O _Three ), An insulating substrate 12 made of silicon carbide (SiC) or the like was prepared. Further, a semi-finished thermoelectric module 13 in which a large number of Peltier elements 13c are connected to the electrode pattern 13b formed on the upper substrate 13a was prepared. A pair of Cu electrode patterns 12a-1 and 12a-2 serving as terminal portions are formed at the end of the copper (Cu) electrode pattern 12a.
[0022]
Thereafter, the insulating substrate 12 with the metallized layer 12b is inserted into the opening formed in the terminal portion 11c of the carrier base 11, and then the insulating substrate 12 is attached to the terminal portion 11c of the carrier base 11 by silver (Ag) brazing. It was fixed perpendicular to. Next, the semi-finished thermoelectric module 13 is arranged so that a large number of Peltier elements 13c are connected to the copper (Cu) electrode pattern 12a formed on the insulating substrate 12, and then soldered with solder made of SnSb alloy. . Thus, a large number of Peltier elements 13c are arranged in the order of P, N, P, N between the electrode pattern (conductive layer) 13b formed on the upper substrate 13a and the Cu electrode pattern 12a formed on the insulating substrate 12. The thermoelectric module 13 electrically connected in series will be completed.
[0023]
In this case, first, a semi-finished thermoelectric module 13 is arranged so that a large number of Peltier elements 13c are connected to a copper (Cu) electrode pattern 12a formed on the insulating substrate 12, and then soldered with an SnSb alloy. After completing the thermoelectric module 13 by soldering, after inserting the insulating substrate 12 having the metallized layer 12b into the opening formed in the terminal portion 11c of the carrier base 11 , Absolutely The edge substrate 12 may be fixed vertically to the terminal portion 11 c of the carrier base 11.
[0024]
An opening for inserting the insulating substrate is provided not only in the terminal portion 11c of the carrier base 11, but also in the cap fixing portion 11b and the mounting portion 11a, and the opening is penetrated to form a through hole. The insulating substrate 12 having the metallized layer 12b formed thereon may be inserted so that the end portion protrudes from the carrier base 11 or may be flush with the carrier base 11. In this way, the bond between the carrier base 11 and the insulating substrate 12 is strengthened.
[0025]
And , The extended portion of the lead wire 16 and the Cu electrode patterns 12a-1 and 12a-2 were connected by the wire 12c and also connected to the semiconductor laser 14 and the photodiode 15 and the like.
[0026]
On the other hand, a cap member 17 for holding the semiconductor laser 14 and the photodiode 15 etc. in an airtight manner was prepared, and this cap member 17 was placed on the cap fixing portion 11 b of the carrier base 11. After this, cap Member 17 The inner peripheral surface of the lower end of Terminal portion 11c Stuck to the peripheral wall.
[0027]
Ki An optical fiber 18 is attached to the distal end portion of the cap member 17, and a lens system (not shown) is accommodated in the cap member 17 so that laser light is efficiently incident on the optical fiber 18. Configured in this way Light In the semiconductor module 10a, the laser light emitted from the semiconductor laser 14 is efficiently coupled to the optical fiber 18 by a lens.
[0028]
2. Second embodiment
(The package for the thermoelectric device of the second embodiment)
The thermoelectric device package 20 according to the second embodiment includes a mounting portion 11a shown in FIG. 1, a carrier base 11 having a cap fixing portion 11b, and a terminal portion 11c, and is similar to the thermoelectric module 13 described above. The module 24 is the same as the thermoelectric device package 10 of the first embodiment described above in that the module 24 is provided. However, it differs from the thermoelectric device package 10 of the first embodiment described above in that a multilayer insulating substrate 21 having a wiring pattern formed therein is provided as an insulating substrate. For this reason, as shown in FIGS. 3A and 3B, the multilayer insulating substrate 21 used in the thermoelectric device package 20 of the second embodiment has an upper insulating substrate 22 and a lower insulating substrate 23 laminated and integrated. It is formed.
[0029]
Here, the upper insulating substrate 22 and the lower insulating substrate 23 are made of aluminum nitride (AlN), alumina (Al ₂ O _Three ) And silicon carbide (SiC). The upper insulating substrate 22 includes a copper electrode pattern 22a for joining a thermoelectric module, a copper electrode pattern 22b for an internal electrode, a copper electrode pattern 22c for an external electrode, and a through-hole conductor that is electrically connected to the copper electrode pattern 22b. And a through-hole conductor that is electrically connected to the copper electrode pattern 22c. The lower insulating substrate 23 is provided with a conductor pattern 23a (indicated by a dotted line in FIGS. 3A and 3B) that serves as an internal wiring.
[0030]
A metallized layer 21 a for brazing is formed on the surface of one end side of the multilayer insulating substrate 21. Similar to the metallized layer 12b described above, the metallized layer 21a is composed of a Cu plated layer, a Ni plated layer formed on the Cu plated layer, and an Au plated layer formed on the Ni plated layer. . As a result, the multilayer insulating substrate 21 formed with the metallized layer 21a is inserted into the through-hole formed in the carrier base 11 so that the copper electrode pattern 22c for the external electrode protrudes to the outside, and then the silver (Ag) The multilayer insulating substrate 21 is fixed perpendicularly to the carrier base 11 by brazing.
[0031]
The thermoelectric module 24 includes an electrode pattern (conductive layer) 24b formed on the upper substrate 24a and a lower substrate (in this case) in the same manner as the thermoelectric module 13 shown in FIGS. 1 (b) and 1 (c). A large number of Peltier elements 24c are soldered with solder made of SnSb alloy between the thermoelectric module bonding Cu electrode pattern 22a) formed on the multilayer insulating substrate 21, and in the order of P, N, P, N. It is formed by being electrically connected in series.
[0032]
On the thermoelectric module 24, a semiconductor laser (LD) 25, a photodiode (PD) 26, and a thermistor element (not shown) were arranged and fixed. Next, the copper electrode pattern 22b for the internal electrode, the LD 25, the PD 26, and the thermistor element were respectively connected, and then the optical system was arranged on the optical axis of the LD 25 to adjust the optical axis. Thereafter, as shown in FIG. 2, the cap member 17 is disposed on the cap fixing portion 11b of the carrier base 11, Terminal portion 11c And the cap member 17 are hermetically joined by brazing using silver wax, copper wax, gold wax or the like, or soldering using solder such as AgSn alloy, AuSi alloy, AuGe alloy, or seam welding, An optical semiconductor module is formed.
[0033]
(Production example of thermoelectric device package of second embodiment)
Next, the thermoelectric device package 20 according to the second embodiment having the above-described configuration is specifically described. Target A simple manufacturing example will be described below. First, alumina (Al ₂ O _Three ), Two ceramic green sheets 22 and 23 mainly composed of a ceramic material such as alumina nitride (AlN) or silicon carbide (SiC). Next, a plurality of alignment guide holes were formed in these two ceramic green sheets 22 and 23 using substantially the same mold, punching machine, or the like. Thereafter, a copper electrode pattern 22a for thermoelectric module bonding, a copper electrode pattern 22b for internal electrodes, and a copper electrode pattern for external electrodes as shown in FIG. 22c was formed. In addition, a through-hole conductor conducting from the copper electrode pattern 22b to the conductor pattern 23a and a through-hole conductor conducting from the copper electrode pattern 22c to the conductor pattern 23a were formed.
[0034]
On the other hand, a conductor pattern 23a serving as an internal wiring as shown by a dotted line in FIG. 3B was formed on the other ceramic green sheet 23 by screen printing. Next, using the previously formed guide holes, the ceramic green sheets 22 and 23 forming these two layers are aligned and overlapped, for example, 80 to 150 ° C., 50 to 250 kg / cm. ² Was integrated by thermocompression bonding to form a ceramic green sheet laminate (multilayer substrate) to obtain a multilayer insulating substrate 21. And the metallized layer on the surface of one end side 21a A multilayer insulating substrate 21 was prepared.
[0035]
On the other hand, a carrier base 11 comprising a mounting part 11a, a cap fixing part 11b, and a terminal part 11c and made of a WCu alloy, MoCu alloy, Cu-based alloy or Fe-based alloy was prepared. In addition, a semi-finished thermoelectric module 24 in which a large number of Peltier elements 24c were connected to the electrode pattern 24b formed on the upper substrate 24a was prepared. Thereafter, the multilayer insulating substrate 21 having the metallized layer 21a formed therein is inserted into the through hole formed in the carrier base 11, and then the multilayer insulating substrate 21 is fixed perpendicularly to the carrier base 11 with silver (Ag) brazing. did. At this time, the copper electrode pattern 22c for external electrodes formed on the multilayer insulating substrate 21 was inserted so as to protrude to the outside of the carrier base 11.
[0036]
Next, after placing the semi-finished thermoelectric module 24 so that a large number of Peltier elements 24c are connected to the copper electrode pattern 22a for thermoelectric module bonding formed on the multilayer insulating substrate 21, the solder made of SnSb alloy is used. Soldered. As a result, a large number of Peltier elements 24c are P, N between the electrode pattern (conductive layer) 24b formed on the upper substrate 24a and the copper electrode pattern 22a for thermoelectric module bonding formed on the multilayer insulating substrate 21. , P, N, the thermoelectric module 24 electrically connected in series is completed.
[0037]
Also in this case, after the semi-finished thermoelectric module 24 is arranged so that a large number of Peltier elements 24c are connected to the copper electrode pattern 22a for thermoelectric module bonding formed on the multilayer insulating substrate 21, it is made of an SnSb alloy. After the thermoelectric module 24 is completed by soldering with solder, the multilayer insulating substrate 21 having the metallized layer 21a formed therein is inserted into the through hole formed in the carrier base 11. Many The layer insulating substrate 21 may be fixed perpendicularly to the carrier base 11.
[0038]
3. Modified example
In the first embodiment and the second embodiment described above, the example in which the thermoelectric modules 13 and 24 are completed when the thermoelectric device package is manufactured using the semi-completed thermoelectric modules 13 and 24 has been described. However, in the present invention, a thermoelectric device package may be manufactured using the completed thermoelectric module. In this case, since the thermoelectric module is separately manufactured, the soldering process to the insulating substrate is facilitated, and the assembling process of the thermoelectric module is facilitated.
[0039]
Here, as shown in FIG. 4, alumina nitride (AlN), alumina (Al ₂ O _Three ), A Cu electrode pattern (conductive layer) 35a formed on the upper substrate 35 made of a ceramic material such as silicon carbide (SiC), and a Cu electrode pattern formed on the lower substrate 36 made of a ceramic material similar to the upper substrate 35 A large number of Peltier elements 37c are soldered to each other with a solder made of SnSb alloy, and are connected in series in the order of P, N, P, and N to form a thermoelectric module 34. The Cu electrode patterns (conductive layers) 35a and 36a are formed by copper (Cu) plating and etching.
[0040]
On the other hand, as shown in FIGS. 4A and 4B, the multilayer insulating substrate 31 is made of aluminum nitride (AlN), alumina (Al ₂ O _Three ), An upper insulating substrate 32 and a lower insulating substrate 33 made of an insulating material such as silicon carbide (SiC) are laminated and integrated. The upper insulating substrate 32 has a metallized layer 32a for thermoelectric module bonding, a copper electrode pattern 32b for internal electrodes, a copper electrode pattern 32c for external electrodes, and a conductor pattern 33a from the copper electrode patterns 32b and 32c. Conducting through-hole conduction Body and Is formed. The lower insulating substrate 33 is provided with a conductor pattern 33a (indicated by a dotted line in FIGS. 4A and 4B) serving as internal wiring.
[0041]
A metallized layer 31a for brazing is formed on the surface of one end side of the multilayer insulating substrate 31. The metallized layer 31a is composed of a Cu plated layer, a Ni plated layer formed on the Cu plated layer, and an Au plated layer formed on the Ni plated layer. Thus, after inserting the multilayer insulating substrate 31 with the metallized layer 31a through the through hole formed in the carrier base 11 so that the copper electrode pattern 32c for the external electrode protrudes to the outside, (Ag) The multilayer insulating substrate 31 is fixed vertically to the carrier base 11 by brazing.
[0042]
Then, as described above, the lower substrate 36 of the thermoelectric module 34 prepared in advance is disposed on the metallized layer 32a for thermoelectric module bonding formed on the surface of the multilayer insulating substrate 31, and the lower substrate is soldered with SnSb alloy. The thermoelectric device package 30 is manufactured by soldering the lower surface of 36 and the metallized layer 32a. Next, a semiconductor laser (LD) 38, a photodiode (PD) 39, and a thermistor element (not shown) were placed and fixed on the thermoelectric module 34. Next, the copper electrode pattern 32b for the internal electrode was connected to the LD 38, PD 39, and the thermistor element, and then the optical system was arranged on the optical axis of the LD 38 to adjust the optical axis. Thereafter, as shown in FIG. 2, the cap member 17 is disposed on the cap fixing portion 11b of the carrier base 11, Terminal portion 11c And the cap member 17 are hermetically joined by brazing using silver wax, copper wax, gold wax or the like, or soldering using solder such as AgSn alloy, AuSi alloy, AuGe alloy, or seam welding, An optical semiconductor module is formed.
[0043]
4). Heat dissipation test
Then, in order to verify the heat dissipation (exhaust heat) of the thermoelectric device package manufactured as described above, a heat dissipation test was performed as follows. That is, first, as shown in FIG. 5A, a base made of a WCu alloy having a length of 10 mm is equivalent to the carrier base (consisting of the mounting portion 11a, the cap fixing portion 11b, and the terminal portion 11c) 11 described above. An experimental table 40a was prepared in which a substrate 42 made of aluminum nitride (AlN) having a thickness of 1 mm was bonded to 41. The substrate 42 is formed with a Cu electrode pattern (not shown) similar to the Cu electrode pattern 12a formed on the insulating substrate 12 described above.
[0044]
Then, a Cu electrode pattern (not shown) formed on the substrate 42 is applied to a semi-finished thermoelectric module similar to the semi-finished thermoelectric module 13 described above (note that the thickness of the AlN upper substrate is 0.3 mm). Arranged). Next, after the thermoelectric module 43 is completed by soldering with a SnSb alloy solder, a Cu plate 44 filled with a temperature sensor is disposed thereon, and a heater 45 having a power consumption of 1 W is disposed thereon. Place , Hi The power was turned on. Then power on the thermoelectric module 43 did However, the result that the temperature of the Cu plate 44 filled with the temperature sensor can be maintained at a constant temperature of 25 ° C. was obtained.
[0045]
On the other hand, as shown in FIG. 5B, an experimental table 40b in which a substrate 47 made of aluminum nitride (AlN) having a thickness of 1 mm is bonded to a base 46 made of Fe having the same size as the base 41 described above. Prepared. Next, a Cu plate 48 filled with a temperature sensor was disposed on the substrate 47, and a heater 49 with a power consumption of 1 W was disposed thereon. here , Hi When the power source was turned on, the temperature of the Cu plate 48 filled with the temperature sensor rose to 55 ° C.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the thermoelectric module 13 (for mounting and fixing semiconductor elements such as the semiconductor laser 14 (25, 38), the photodiode 15 (26, 39), etc., and cooling these semiconductor elements ( 24, 37) are placed and fixed on the insulating substrate 12 or the multilayer insulating substrates 21, 31. These insulating substrates 12 or multilayer insulating substrates 21 and 31 are held vertically on the base 11.
[0047]
For this reason, the heat generated from the semiconductor element such as the semiconductor laser 14 (25, 38) is efficiently cooled by the thermoelectric module 13 (24, 37), and the WCu alloy is supplied from the insulating substrate 12 or the multilayer insulating substrates 21, 31. Then, heat is exhausted to the outside through a base (carrier base) 11 made of MoCu alloy, Cu-based alloy or Fe-based alloy. As a result, a semiconductor element such as the semiconductor laser 14 (25, 38) can be stably operated, and the special effect that the lifetime of the semiconductor device becomes long can be exhibited.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically showing a main part of a package for a thermoelectric device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1 (a) is a perspective view showing the overall configuration, and FIG. It is sectional drawing which expands and shows the principal part of the AA cross section of Fig.1 (a), FIG.1 (c) is a side view which shows the side surface of the state which abbreviate | omitted the thermoelectric module of FIG.1 (b).
2 is a diagram showing an optical semiconductor module in a state in which a cap (cover) is attached to the thermoelectric device package of FIG. 1 and is partially broken. FIG.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a main part of a thermoelectric device package according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3A is an enlarged cross-sectional view showing the main part. FIG. 4B is a side view showing a side surface in a state where the thermoelectric module of FIG.
4 is a diagram schematically showing a main part of a thermoelectric device package according to a modification of the embodiment of the present invention, and FIG. 4A is an enlarged cross-sectional view showing the main part. (B) is a side view which shows the side surface of the state which abbreviate | omitted the thermoelectric module of Fig.4 (a).
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a heat dissipation (exhaust heat) test state of a thermoelectric device package.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Package for thermoelectric devices, 10a ... Optical semiconductor module, 11 ... Base (carrier base), 11a ... Mounting part, 11b ... Cap fixing part, 11c ... Terminal part, 11d ... Through-hole, 12 ... Insulating substrate, 12a ... Electrode pattern, 12b ... metallized layer, 12c ... wire - DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Thermoelectric module, 13a ... Upper substrate, 13b ... Electrode pattern, 13c ... Peltier device, 14 ... Semiconductor laser, 15 ... Photodiode, 16 ... Lead wire, 17 ... Cap member, 18 ... Optical fiber, 20 ... For thermoelectric device Package 21. Multi-layer insulating substrate 21 a Metallized layer 21 b Metallized layer 22 Upper insulating substrate 22 a Copper electrode pattern 22 b Internal terminal 22 c Copper electrode pattern 23 Lower insulating substrate 23 a Conductor Pattern, 24 ... thermoelectric module, 24a ... upper substrate, 24b ... electrode pattern, 24c ... Peltier element, 30 ... thermoelectric device package, 31 ... multilayer insulating substrate, 31a ... metallized layer, 32 ... upper insulating substrate, 32a ... metallized layer 32b ... internal terminals, 32b ... copper electrode pattern, 32c ... copper electrode pattern 3 3 ... Lower insulating substrate, 33a ... Conductor pattern, 34 ... Thermoelectric module, 35 ... Upper substrate, 36 ... Lower substrate, 36a ... Electrode pattern, 37c ... Peltier element, 40a, 40b ... Experimental stand, 41 ... Base, 41a ... Temperature sensor 42 ... Substrate 43 ... Thermoelectric module 44 ... Cu plate 45 ... Heater 46 ... Base 46a ... Temperature sensor 47 ... Substrate 48 ... Cu plate 49 ... Heater

Claims

A package for a thermoelectric device holding a semiconductor element and a thermoelectric module for cooling the semiconductor element,
A thermoelectric module for mounting and fixing the semiconductor element to cool the semiconductor element;
An insulating substrate for mounting and fixing the thermoelectric module;
A base for fixing and holding the insulating substrate;
A metallized layer for brazing is formed on one end surface of the insulating substrate , and the insulating substrate is fixed vertically on the base by brazing the end portion. Thermoelectric device package.

The thermoelectric device package according to claim 1, wherein the insulating substrate is fitted and fixed in an opening formed in the base.

The thermoelectric device package according to claim 2 , wherein the opening is a through-hole penetrating the base, and the insulating substrate is fitted and fixed through the through-hole.

The insulating substrate is composed of a multilayer insulating substrate, and a plurality of wirings connected to an internal electrode disposed on the inner side of the base and an external electrode disposed on the outer side of the base in the multilayer insulating substrate. The thermoelectric device package according to claim 3, wherein the thermoelectric device package is embedded.

A method for manufacturing a package for a thermoelectric device that holds a semiconductor element and a thermoelectric module that cools the semiconductor element,
An insulating substrate having a metal layer for connecting and fixing the thermoelectric module and having a metallized layer for brazing formed on one end surface is fixed vertically on the base by brazing the end portion. An insulating substrate fixing step,
A thermoelectric device package manufacturing method comprising: a thermoelectric module connecting step of connecting and fixing a thermoelectric module for mounting and fixing the semiconductor element on the metal layer of the insulating substrate and cooling the semiconductor element. .

A method for manufacturing a package for a thermoelectric device that holds a semiconductor element and a thermoelectric module that cools the semiconductor element,
A thermoelectric module connecting step of mounting and fixing the semiconductor element and fixing the thermoelectric module for cooling the semiconductor element on the metal layer of the insulating substrate ;
An insulating substrate fixing step in which the thermoelectric module is connected and fixed , and the insulating substrate having a brazing metallized layer formed on one end surface thereof is fixed vertically on a base by brazing the end portion ; A method for manufacturing a package for a thermoelectric device.