JP4494587B2 - 光半導体素子用パッケージおよび前記パッケージを用いた光半導体素子モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却用部品が良好に半田接合される光半導体素子用パッケージ、および前記パッケージを用いた光半導体素子モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光半導体素子用パッケージは、図３に示すように、ペルチェ素子などの光半導体素子冷却用部品（以下冷却用部品と略記する）が半田接合される金属底板１、金属底板１の周縁に接合され電気信号入出力端子７が取り付けられる金属枠体８、金属枠体８の側壁に接合され光半導体素子からの光を外部へ出射する窓枠９を主要構成部材とするものである。図３で１８はリードである。
【０００３】
光半導体素子モジュールは、図４に示すように、前記パッケージ（図３）の金属底板１上に冷却用部品２を半田接合し、その冷却面１０上に熱・電気伝導性に優れるベース１１を半田接合し、ベース１１上にＬＤキャリア１２、ＰＤキャリア１３、第１レンズ１４、光アイソレータ１５などの部品類をアライメントをとりつつ半田接合し、次いでＬＤキャリア１２上にＬＤ（レーザーダイオード：発光素子）１６とＬＤの温度をモニターするサーミスタ（図示せず）を、ＰＤキャリア１３上にＬＤ光をモニターするＰＤ（フォトダイオード：受光素子）１７をそれぞれ半田接合し、さらに金属枠体８上面に蓋体（図示せず）をシールドリング（図示せず）を介してシーム溶接して組み立てられる。図４で１９は第２レンズ、２０は光ファイバである。
【０００４】
ところで、前記冷却用部品の半田接合は、金属底板１上に半田箔（２０〜５０μｍ）を配し、その上に冷却用部品２を配し、冷却用部品２を上から押圧しながら加熱する方法により行われている。ここで冷却用部品２は、その冷却面１０を上に、発熱面２１を下にして配置され、発熱面２１からの熱は金属底板１を介して外部へ放散される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
金属底板には、通常、Ａｕを１〜５μｍの厚みにめっきしたＣｕ−Ｗ合金が用いられており、このＡｕが半田接合の際の昇温時に半田箔に拡散して半田箔の融点を高め、半田接合後に半田箔の非溶融部分が残る。また、この非溶融部分は半田の濡れ広がりを妨げるため接合部全体に半田が回らず、空隙部分が生じることがある。この非溶融部分或いは空隙部分では金属底板と冷却部品との密着性が悪いため冷却用部品の発熱が十分に放散されずに冷却用部品の冷却能が低下しＬＤが良好に機能しなくなる。また非溶融部分や空隙部分が混在するため冷却用部品が傾いてＬＤの光軸に狂いが生じる。
【０００６】
このような不具合を解決するため、半田接合層を厚くするか、半田のＳｎ量を減らすかしてＡｕの拡散による半田箔の高融点化を抑える対策が講じられたが、前者はペルチェ素子の傾きを増大させるため、後者は半田の融点が変化して他部の半田接合性を損なうため、いずれも採用されていない。
本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、その目的は、冷却用部品が良好に半田接合される光半導体素子用パッケージ、および前記パッケージを用いた光半導体素子モジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、光半導体素子冷却用部品がＡｕめっき中のＡｕが拡散可能な半田により半田接合されるＡuめっきを施した金属底板、前記金属底板上に接合され電気信号入出力端子が取り付けられる金属枠体、前記金属枠体に接合され光半導体素子からの光を外部へ出射する窓枠を主要構成部材とする光半導体素子用パッケージにおいて、前記金属底板上の光半導体素子冷却用部品が半田接合される部分に溶融半田を流入させるための溝が設けられ、前記溝の両端が、光半導体素子冷却用部品の下面からはみでるように光半導体素子冷却用部品下面の縦または横の長さより長く設けられており、前記溝の深さが５〜１２０μｍで、光半導体素子冷却用部品下面に対する溝の面積比率が３５〜６５％であることを特徴とする光半導体素子用パッケージである。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記溝の深さが１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子用パッケージである。
【０００９】
請求項３記載の発明は、光半導体素子用パッケージの金属底板と光半導体素子冷却用部品下面に対する接合界面の非溝部への溶融半田の浸透率が９０％以上で、光半導体素子冷却用部品下面周囲の金属底板との間隔差の最大値を平行度としたときの平行度が１０μm以下であることを特徴とする請求項２に記載の光半導体素子用パッケージである。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１、２、３のいずれかに記載の光半導体素子用パッケージが用いられていることを特徴とする光半導体素子モジュールである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体素子用パッケージは、図１（イ）〜（ハ）に示すように、金属底板１上の冷却用部品（図示せず）が半田接合される部分に溶融半田を流入させるための溝３が設けられたものである。
本発明の光半導体素子用パッケージでは、溶融半田は、溝３を介して金属底板１と冷却用部品との接合界面（非溝部）に均一に浸透する。本発明では、接合界面のみならず、溝３が設けられた部分でも金属底板１と冷却用部品との半田接合が良好になされる。
【００１２】
本発明では、半田の量が溝３に流入する分だけ多くなるため、半田接合の際の昇温時に半田にＡｕが拡散してもその濃度は低く、非溶融部分が生じるようなことがなく、また溝３には溶融半田を流入させ、金属底板１と冷却用部品との接合界面には溶融半田を浸透させるので、半田箔の非溶融に起因する冷却用部品の熱放散や傾きに関する問題は発生しない。また、半田中のＡｕ濃度が高くなると固相の生成などにより半田の濡れ広がり性が低下するため、Ａｕ表面であってもフラックスの助けを必要とすることが多いが、本発明ではＡｕ濃度を低く抑制することができるのでフラックスの助けを借りることなく接合部に半田を浸透させることが可能になる。
【００１３】
本発明において、金属底板１上に冷却用部品を半田接合するには、例えば、図２（イ）〜（ニ）に示すように、溝３を、冷却用部品の下面４の縦または横の長さより長く設けておいて、溝３の端部を冷却用部品の下面４からはみ出させ、はみ出した溝部５から溶融半田を冷却用部品下の溝部６に流入させ、さらに溶融半田を金属底板１と冷却用部品下面４との接合界面（非溝部）に浸透させて行う。
【００１４】
本発明において、溝３は、単数溝でも複数溝でも良く、形状はスリット状、碁盤の目状など任意である。冷却用部品下面４に対する溝の面積比率は５０％以上にするのが、溶融半田の流入がより迅速になされ望ましい。これらの溝３は、その両端が冷却用部品下面４からはみ出るように設けておくと、溝３内部に空気が溜まるようなことがなく、また溶融半田の流入がより迅速になされる。
【００１５】
本発明において、溝３の深さ（図１ハ参照）は、１０μｍ未満では溶融半田の粘性抵抗の増加などにより半田の流入力が低下する。溝３の深さが１００μｍを超えると毛管力が低下してやはり流入力が低下する。従って溝の深さは１０〜１００μｍが望ましい。前記溝は、放電加工、機械加工、エッチング加工などの常法により容易に形成できる。
【００１６】
【実施例】
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
長さ３０ｍｍ、幅１３ｍｍ、厚み１．５ｍｍのＣｕ−Ｗ合金からなる金属底板１の上面に、長さ２０ｍｍ、幅１３ｍｍ、高さ６ｍｍ、厚み１ｍｍのｋｏｖａｒ（Ｆｅ−２９ｗｔ％Ｎｉ−１７ｗｔ％Ｃｏ合金）製金属枠体８を接合し、金属枠体８の側壁には切り欠きを設けてアルミナ製の電気信号入出力端子７を接合し、金属枠体８の別の側壁には光信号出射用の窓枠９を接合してパッケージを組み立てた。前記接合は全てＡｇろう付けにより同時に行った。次に前記組み立て体にＮｉとＡｕ（厚み２μｍ）をこの順にメッキしたのち、窓枠９の内部にガラス質のウィンドウ（図示せず）を低融点ガラスにより封着してパッケージを作製した。金属底板１上の冷却部品を半田接合する部分には、図２（イ）〜（ニ）に示したパターンの溝３を設けた。溝３の深さおよびペルチェ素子下面に対する溝の面積比率は種々に変化させた。次に、金属底板１上に下面寸法が８×１０ｍｍのペルチェ素子（冷却用部品）を置き、その脇のはみ出た溝部５にロジン系フラックスの入った線半田（Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田）を配置し、ペルチェ素子の上には重りを載せて押圧した。この状態のパッケージをホットプレート上に配して２２０℃まで加熱して半田を溶融した。溶融半田はペルチェ素子下の溝部６に流入し、この溝部６から金属底板１とペルチェ素子との接合界面へ浸透した。このようにしてペルチェ素子が半田接合されたパッケージを作製した。
【００１７】
実施例１で作製した各々のパッケージについて、接合界面の半田浸透率と半田接合部の半田の密着状態を超音波顕微鏡により調べた。またペルチェ素子の平行度を調べた。前記平行度はペルチェ素子下面周囲の金属底板との間隔を１０箇所測定し、その最大値と最小値の差（最大間隔差）で示した。１５μｍ以下を良好と判定した。比較のためペルチェ素子を従来法により半田接合したパッケージについても同様の調査を行った。結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１より明らかなように、本発明例のＮｏ．１〜９は、いずれも半田浸透率が９０％以上であり、半田の密着状態およびペルチェ素子の平行度も良好であった。これは溶融半田が、溝内に迅速に流入して金属底板と冷却用部品との接合界面へ均一に浸透したためである。
これに対し、比較例では、半田の密着不良箇所（半田非溶融部分）が４０％もあり、平行度も低下した。これは金属底板のめっき層中のＡｕが半田箔に拡散して半田箔の融点が高くなり、半田箔に溶融しない部分が生じたためである。
【００２０】
（実施例２）
実施例１で作製した本発明例品のパッケージを用いて図４に示した光半導体素子モジュールを組み立て実用に供した。これらモジュールは、いずれも、良好な光通信が安定してなされた。これはペルチェ素子が金属底板に設けられた溝により密着性良く且つ高い平行度で半田接合されたためである。
【００２１】
【効果】
以上に述べたように、本発明のパッケージは、金属底板上の冷却用部品の半田接合部分に溶融半田を流入させるための溝が設けられているので、半田の量が溝に流入する分だけ多くなり、半田接合の際の昇温時に半田にＡｕが拡散してもその濃度は低いため、非溶融部分が生じることがなく、しかも金属底板と冷却用部品との接合界面には溶融半田が均一に浸透するので、半田箔の非溶融に係わる諸問題が解消される。従って、本発明のパッケージを用いて組み立てられるモジュールでは、光半導体素子（ＬＤ）の冷却と光軸合わせが良好になされ、優れた光通信が安定してなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体素子用パッケージの実施形態を示す（イ）斜視図、（ロ）平面透視説明図および（ハ）ａ−ａ断面図である。
【図２】（イ）〜（ニ）は本発明の光半導体素子用パッケージの金属底板に設ける溝形状を示す平面図である。
【図３】従来の光半導体素子用パッケージの斜視説明図である。
【図４】従来の光半導体素子モジュールの縦断面説明図である。
【符号の説明】
１ 金属底板
２ 光半導体素子冷却用部品（ペルチェ素子など）
３ 溝
４ 冷却用部品の下面
５ 冷却用部品の下面からはみ出た溝部
６ 冷却用部品下の溝部
７ 電気信号入出力端子
８ 金属枠体
９ 窓枠
１０ 冷却用部品の冷却面
１１ ベース
１２ ＬＤキャリア
１３ ＰＤキャリア
１４ 第１レンズ
１５ 光アイソレータ
１６ ＬＤ
１７ ＰＤ
１８ リード
１９ 第２レンズ
２０ 光ファイバ
２１ 冷却用部品の発熱面

Claims (4)

1. 光半導体素子冷却用部品がＡｕめっき中のＡｕが拡散可能な半田により半田接合されるＡuめっきを施した金属底板、前記金属底板上に接合され電気信号入出力端子が取り付けられる金属枠体、前記金属枠体に接合され光半導体素子からの光を外部へ出射する窓枠を主要構成部材とする光半導体素子用パッケージにおいて、前記金属底板上の光半導体素子冷却用部品が半田接合される部分に溶融半田を流入させるための溝が設けられ、
   前記溝の両端が、光半導体素子冷却用部品の下面からはみでるように光半導体素子冷却用部品下面の縦または横の長さより長く設けられており、前記溝の深さが５〜１２０μｍで、光半導体素子冷却用部品下面に対する溝の面積比率が３５〜６５％であることを特徴とする光半導体素子用パッケージ。
2. 前記溝の深さが１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子用パッケージ。
3. 光半導体素子用パッケージの金属底板と光半導体素子冷却用部品下面に対する接合界面の非溝部への溶融半田の浸透率が９０％以上で、光半導体素子冷却用部品下面周囲の金属底板との間隔差の最大値を平行度としたときの平行度が１０μm以下であることを特徴とする請求項２に記載の光半導体素子用パッケージ。
4. 請求項１、２、３のいずれかに記載の光半導体素子用パッケージが用いられていることを特徴とする光半導体素子モジュール。

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