JPWO2003010867A1 - 光半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

パッケージの底板面積に対する電子冷却素子と底板との接合面積の割合を増やし、パッケージの底板面積が同じであっても電子冷却素子による吸熱量が大きな光半導体モジュールを提供する。パッケージ１１には、複数に分割された電子冷却素子１６が搭載されている。分割された電子冷却素子１６は、それぞれセラミックス端子部１４のパッケージ１１内側に突き出た内側突出部１４ａと底板１３との間に挿入され、底板１３に接合されると共に、各電子冷却素子１６の間が銅チップ２０により直列に接続されている。複数に分割された電子冷却素子１６と底板１３との接合面積の合計は、パッケージ１１内の底板１３の面積の７５％以上を占めている。

Description

技術分野
本発明は、光通信用の光半導体モジュール、特に高放熱性が必要な光ファイバー増幅器等に用いる高出力光半導体レーザーモジュール、及びその製造方法に関するものである。
背景技術
光半導体装置、特に光ファイバー増幅器用の光半導体レーザーモジュール等の光半導体モジュールにおいては、レーザーダイオード（ＬＤ）等の光半導体やドライバーＩＣ等を気密に収納するためのパッケージが使用されている。
例えば、一般的にパッケージ１は、図５に示すように、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金（商品名コバール）等からなる枠体２を、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金又はＦｅ／Ｎｉ合金（商品名４２アロイ）や、複合金属材料のＣｕＷ等からなる底板３に接合して構成されている。特に、消費電力が大きくて放熱性が要求されるパッケージ１では、ＣｕＷの底板３が使用されている。
パッケージ１の側壁部をなす枠体２の一部には、セラミックスシートで構成され且つメタライズを施したセラミックス端子部４が設けてあり、そのセラミックス端子部４上にはコバール製の複数の端子リード（図示せず）が形成してある。尚、パッケージの側壁部をなす枠体２をセラミックス絶縁体で構成し、セラミックス端子部４と一体化した構造を取るパッケージもある。尚、パッケージ１の枠体２には、内部と外部で光を透過させるための光透過窓（図示せず）が設けてある。
これらの枠体２や底板３、セラミックス端子部４などの各部材は、銀ロウ付けや半田付けにより接合して組立てられる。組立てたパッケージ１は、最終的にキャップにて気密封止を行なうためと、容器の腐食を防ぐためと、後の半導体モジュール組立時の半田付けを容易にするために、全体に金めっきが施される。尚、パッケージ１の枠体２の上端面には、キャップの溶接又は半田付けのために、コバール製の角リング５を必要とする。
かかるパッケージ１に光半導体素子を実装するには、底板３上にペルチェ素子のような電子冷却素子６を１個搭載し、その上に光半導体素子等を予め実装した回路基板を接合する。電子冷却素子６は、図４に示すように、多数のＮ型熱電素子６ａ（例えばＢｉＴｅＳｅ）とＰ型熱電素子６ｂ（例えばＢｉＴｅＳｂ）とを交互に行列して配列し、隣り合うＮ型熱電素子６ａとＰ型熱電素子６ｂの上端同士及び下端同士をそれぞれセラミックス基板７ａ、７ｂに形成した金属片８に接合した構造を有している。
そして、電子冷却素子６は取出電極８ａでＣｕのリード９と接続され、光半導体素子とパッケージ１の端子リードはＡｕワイヤによって電気的に接続される。その後、キャップ（図示せず）を角リング５上にシールした後、光ファイバーをパッケージ１の光透過窓に位置合わせしてＹＡＧ等のレーザで溶接することにより、光半導体モジュールが作製される。
光半導体モジュールにおいては、レーザーダイオード（ＬＤ）等の光半導体素子における光出力の低下を防ぎ、又は光導波路デバイスにおける均熱性を維持するため、ペルチェ素子等の電子冷却素子により光半導体素子の温度をコントロールしている。そして、電子冷却素子の吸熱量は、電子冷却素子とパッケージの底板との接合面積にほぼ比例する。
しかし、光半導体モジュールの一般的なパッケージでは、図５に示すように、パッケージ１の枠体２に設けたセラミックス端子部４がパッケージ１の外側及び内側に突き出ている。そのため、電子冷却素子６を底板３に搭載する際には、両側の枠体２から突き出たセラミックス端子部４の内側突出部４ａの間を通して、上方から垂直に電子冷却素子６を底板３上に載置し、水素雰囲気中にて半田で接合していた。
このため、両側のセラミックス端子部４の両側の内側突出部４ａの間を通過できる大きさの電子冷却素子６しか搭載できず、従って電子冷却素子６の底板３と接合すべき下側のセラミックス基板７ｂの面積も限られるので、電子冷却素子６とパッケージ１の底板３との接合面積はパッケージ１内の底板面積の約７０％に過ぎなかった。また、電子冷却素子６を斜めにして両側のセラミックス端子部４の両側の内側突出部４ａの間に挿入したとしても、最大で底板面積の７５％に相当する接合面積の電子冷却素子６を搭載することは困難であった。
発明の開示
本発明は、このような従来の事情に鑑み、パッケージ内の底板面積に対する電子冷却素子と底板との接合面積の割合を増やし、パッケージの底板面積が同じであっても電子冷却素子による吸熱量が大きな光半導体モジュール、及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明が提供する光半導体モジュールは、枠体にセラミックス端子部を備えたパッケージの底板に電子冷却素子を接合し、該電子冷却素子上に光半導体素子を実装した光半導体モジュールであって、前記電子冷却素子が複数に分割されていることを特徴とする。
上記本発明の光半導体モジュールにおいては、前記複数に分割された電子冷却素子とパッケージの底板との接合面積の合計が、パッケージ内の底板面積の７５％以上を占めていることを特徴とする。また、前記複数に分割された各電子冷却素子の間が、銅チップにより直列に接続されていることが好ましい。
また、本発明が提供する光半導体モジュールの製造方法は、枠体にセラミックス端子部を備えたパッケージの底板に電子冷却素子を接合し、該電子冷却素子上に光半導体素子を実装する光半導体モジュールの製造方法であって、前記電子冷却素子を複数に分割し、該分割された電子冷却素子を、パッケージ内の底板に接合することを特徴とする。
上記本発明の光半導体モジュールの製造方法においては、前記複数に分割された各電子冷却素子の間を、銅チップを用いて直列に接続することが好ましい。また、前記複数に分割された電子冷却素子のパッケージの底板への接合と、複数に分割された各電子冷却素子と銅チップとの接合を、同じ半田を用いて同時に行なうことができる。
発明を実施するための最良の形態
従来から一つのパッケージには電子冷却素子が１個のみ搭載されていたが、本発明においては電子冷却素子を２個以上に分割して搭載する。所定サイズのパッケージについてみれば、分割された個々の電子冷却素子は従来の電子冷却素子よりも小さくなるので、分割された電子冷却素子を、１個ずつ両側の枠体から突き出たセラミックス端子部の内側突出部の間を通して、セラミックス端子部の内側突出部の下方に、即ち内側突出部と底板との間に一部が挿入されるように、順次配置することができる。しかも、分割された電子冷却素子は全体として、従来の１個の電子冷却素子よりも大きな底部面積（下側のセラミックス基板の面積）を持つことができる。
従って、複数に分割された電子冷却素子の全体では、パッケージ内の底板の大部分、即ち底板の中央部と共に、パッケージ内に突き出たセラミックス端子部の内側突出部の下方にある部分とも接合させることが可能となる。その結果、電子冷却素子とパッケージ内の底板との接合面積は、１個の電子冷却素子のみを搭載していた従来はパッケージ内の底板面積の約７０％に過ぎなかったが、本発明の分割された電子冷却素子では合計でパッケージ内の底板面積の７５％以上を占めることができ、分割の数及び分割された電子冷却素子のサイズを適切に調整すれば、底板面積の９０％程度まで増加させることも可能である。尚、電子冷却素子の分割数は２〜４個が適当である。
また、複数に分割された電子冷却素子については、個々の電子冷却素子毎に２つの取出電極からそれぞれリードを引き出すこともできるが、銅チップを用いて電子冷却素子を互いに直列に接続することにより、リードの数を全体で２本にすることもできる。この場合、銅チップの使用により配線抵抗を減らすことができるうえ、一つの電流系統で複数の電子冷却素子を制御することが可能となる。
一般に、電子冷却素子をパッケージの底板に接合するには、水素炉などを用いて水素雰囲気中にて半田で接合する。従って、分割された電子冷却素子を銅チップで直列に接合する際に、電子冷却素子と底板との接合に用いる半田と同じ半田を使用して、分割された電子冷却素子の底板への接合と同時に接合することにより、作業効率を大幅に向上させることができる。
図２に示すパッケージ１１を作製した。即ち、コバールを切削して側壁部をなす枠体１２とし、底板１３は複合金属材料のＣｕＷで作製した。両側のセラミックス端子部１４は複数層のセラミックスシートで構成し、表面にメタライズを施し、その上表面に複数のコバール製の端子リード（図示せず）を取り付けた。また、パッケージ１１の光透過窓（図示せず）としてコバールのパイプを枠体１２に接合し、気密封止のためにガラスの窓材を接合した。更に、枠体１２の上端面には、コバールの角リング１５を積載した。これらは融点６２０℃以上の銀ロウ材で接合し、金めっきを全面に施した。
このパッケージ１１に搭載する２個の電子冷却素子１６は、予め２個に分割したものを使用した。各電子冷却素子１６は、図１に示すように、多数のＮ型熱電素子（ＢｉＴｉＳｅ）１６ａとＰ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｂ）１６ｂとを交互に行列して配列し、隣り合う２つの熱電素子１６ａと１６ｂの上面同士及び下面同士をそれぞれＡｌＮ製のセラミックス基板１７ａ、１７ｂ上に形成した銅などの電極１８によって互いに直列に、Ｐｂ６０Ｓｎ４０半田（融点２３８℃）を用いて接合してある。尚、各電子冷却素子１６のセラミックス基板１７ａ、１７ｂは、その最上面と最下面にＡｇＰｄのメタライズ層が予め形成してあり、その光半導体素子接合面（最上面）にはＢｉＳｎ半田（融点１６０℃）が、及び底板１３との接合面（最下面）にはＰｂ３７Ｓｎ６３半田（融点１８３℃）が積層してある。
なお、前記２個の電子冷却素子１６の下側の各セラミックス基板１７ｂには、それぞれ２個の取出電極１８ａ、１８ｂを形成し、片方の取出電極１８ａにはＮｉ／ＳｎめっきしたＣｕのリードをＰｂ９０Ｓｎ１０半田（融点２９９℃）で接続しておいた。
この状態の２個の電子冷却素子１６のうち、一方の電子冷却素子１６をパッケージ１１の対向するセラミックス端子部１４の両側の内側突出部１４ａ間を通し、片方の内側突出部１４ａの下方に挿入して底板１３上に配置した後、残りの電子冷却素子１６を同様に両側の内側突出部１４ａ間を通して、他方の内側突出部１４ａの下方に挿入して底板１３上に配置した。尚、２個の電子冷却素子１６は、底板１３の中央部で互いに近接して配置されている。
このようにして底板１３上に配置した２個の電子冷却素子１６を、カーボン製治具を用いて保持した。その後、図１に示すように、各電子冷却素子１６の下側のセラミックス基板１７ｂに予め設けた残りの取出電極１８ｂ上に、Ｐｂ３７Ｓｎ６３半田（融点１８３℃）を介して銅チップ２０を載せた。この状態でパッケージ１１全体を２２０℃の連続水素炉に通して、２個の電子冷却素子１６をパッケージ１１内の底板１３に接合すると同時に、２個の電子冷却素子１６を銅チップ２０で直列に接続した。
このようにして、図２に示すように、底板１３に２個の電子冷却素子１６が接合されたパッケージ１１を得た。その後、図３に示すように、ＬＤ素子などの光半導体素子２３等を予め実装した回路基板２１を、２個の電子冷却素子１６の最上面（上側の２個のセラミックス基板１７ａ）に、予め設けておいたＢｉＳｎ半田により窒素雰囲気中で接合した。尚、この回路基板１６の下面には、ワイヤーボンディングの高さ位置を調整するためのサブキャリア２２が予め接合してある。最後に、Ａｕワイヤーを用いて必要な配線を行ない、角リング１５上にキャップ２４を接合してシールした後、光ファイバーをパッケージ１１の光透過窓に位置合わせしてＹＡＧレーザで溶接し、光半導体モジュールを完成させた。
得られた光半導体モジュールでは、底板１３の中央部で近接している２個の電子冷却素子１６にまたがって光半導体素子２３が搭載され、同時に２個の電子冷却素子１６は底板１３の中央部のみならず、両側のセラミックス端子部１４がパッケージ１１の内側に突き出た両側の内側突出部１４ａの下方にある部分とも接合している。そのため、２個の電子冷却素子１６の合計接合面積はパッケージ１１内における底板１３の面積の約９０％を占め、２個の電子冷却素子１６による吸熱量が大きな光半導体モジュールが得られた。
産業上の利用可能性
本発明によれば、パッケージ内の底板面積に対する電子冷却素子と底板との接合面積の割合を増やすことができ、従ってパッケージの底板面積が同じであっても、電子冷却素子による吸熱量が大きな光半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係わる２分割された電子冷却素子を一部切り欠いて示した概略の斜視図である。
図２は、本発明方法により２分割された電子冷却素子を接合したパッケージを示す概略の断面図である。
図３は、図２のパッケージ内の電子冷却素子に光半導体素子を搭載した状態を示す概略の断面図である。
図４は、従来の電子冷却素子を一部切り欠いて示した概略の斜視図である。
図５は、従来の電子冷却素子を接合したパッケージを示す概略の断面図である。

Claims (6)

1. 枠体にセラミックス端子部を備えたパッケージの底板に電子冷却素子を接合し、該電子冷却素子上に光半導体素子を実装した光半導体モジュールであって、前記電子冷却素子が複数に分割されていることを特徴とする光半導体モジュール。
2. 前記複数に分割された電子冷却素子とパッケージの底板との接合面積の合計が、パッケージ内の底板面積の７５％以上を占めていることを特徴とする、請求項１に記載の光半導体モジュール。
3. 前記複数に分割された各電子冷却素子の間が、銅チップにより直列に接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光半導体モジュール。
4. 枠体にセラミックス端子部を備えたパッケージの底板に電子冷却素子を接合し、該電子冷却素子上に光半導体素子を実装する光半導体モジュールの製造方法であって、前記電子冷却素子を複数に分割し、該分割された電子冷却素子を、パッケージ内の底板に接合することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
5. 前記複数に分割された各電子冷却素子の間を、銅チップを用いて直列に接続することを特徴とする、請求項４に記載の光半導体モジュールの製造方法。
6. 前記複数に分割された電子冷却素子のパッケージの底板への接合と、複数に分割された各電子冷却素子と銅チップとの接合を、同じ半田を用いて同時に行なうことを特徴とする、請求項４又は５に記載の光半導体モジュールの製造方法。

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