KR100436408B1

KR100436408B1 - 광 반도체 기밀 밀봉 패키지, 광 반도체 모듈 및 광파이버 증폭기

Info

Publication number: KR100436408B1
Application number: KR10-2001-0046901A
Authority: KR
Inventors: 다또노부요시
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2004-06-16
Also published as: JP2002158391A; JP3433732B2; US20020060840A1; EP1211765A2; EP1211765B1; US6614590B2; KR20020040540A; EP1211765A3

Abstract

내부에 광 반도체 소자를 수용하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지는, 금속, 절연체 또는 금속 및 절연체의 복합 재료로 된 프레임과, 프레임에 고정된 금속으로 제조된 제1 바닥판과, 제1 바닥판보다 큰 영 모듈러스를 갖고 프레임에 대향하는 측면 상에서 제1 바닥판의 표면에 고정된 제2 바닥판과, 제1 바닥판의 측면과 제2 바닥판의 측면 모두의 위에서 돌출한 플랜지의 표면에 고정된 금속 블록판을 포함한다. 광 반도체 기밀 밀봉 패키지는 바닥판의 비틀림을 줄일 수 있고 더 뛰어난 방열 특성을 갖는다. 광 반도체 기밀 밀봉 패키지를 사용하는 광 반도체 모듈과 광 파이버 증폭기는 전자 냉각 장치의 악화 또는 광축 편이를 제거할 수 있다.

Description

광 반도체 기밀 밀봉 패키지, 광 반도체 모듈 및 광 파이버 증폭기{OPTICAL SEMICONDUCTOR HERMETIC SEALING PACKAGE, OPTICAL SEMICONDUCTOR MODULE AND OPTICAL FIBER AMPLIFIER}

본 발명은 내부에 광 반도체 소자를 수용하기 위한 광 반도체 기밀 밀봉 패키지와, 이 광 반도체 기밀 밀봉 패키지를 이용한 광 반도체 모듈 및 광 파이버 증폭기에 관한 것이다.

예컨대 광 통신과 같이 고속 작동이 필요한 광전자 공학(opto-electronic)용 반도체 장치, 특히 광 파이버 증폭기를 여기시키기 위한 광원 또는 광 반도체 증폭기의 반도체 모듈과 같은 반도체 모듈에는, 그 내부에 광 반도체 소자, 드라이버 IC 등을 수용하기 위해 기밀 밀봉 패키지가 사용된다.

도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 종래의 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에서는, 통상적으로, Fe-Ni-Co 합금이나 42 합금과 같은 Fe-Ni 합금 또는 CuW와 같은 복합 금속 재료로 제조된 바닥판(2)이 코바(KOVAR)와 같은 Fe-Ni-Co 합금으로 제조된 프레임(1)에 고정된다. 특히, 동력 소모가 높고 방열성을 갖는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에는 CuW 바닥판(2)이 사용된다.

광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 측벽들을 포함하는 프레임(1)은 상술한 코바 등으로 가공되거나 사출 성형됨으로써 제조되며, 일반적으로 필요한 부분에서 금속화된 복수개의 세라믹 시트로 제조된 세라믹 단자(3)와, 코바로 제조된 리드 단자를 포함한다. 여러 가지 경우에, 프레임의 부분이 세라믹 절연체로 구성되고 세라믹 단자(3)와 합체된 구조, 또는 리드 단자(4)가 프레임(1)에 마련된 관통 구멍으로 삽입되고 유리로 밀봉되어 고정된 구조가 채택된다.

이외에도, 광 투과창(5)이 패키지의 내부와 외부에서 광을 투과시키기 위해 프레임(1)에 형성된다. 광 투과창(1)은, 일반적으로 기밀 밀봉을 달성하기 위해 유리 등으로 제조된 윈도우 부재가 마련된, 예컨대 코바로 제조된 파이프를 포함한다. 여러 가지 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에서, 유리 등의 임의의 윈도우 재료가 사용되지는 않지만, 납땜에 의해 투과창에 기밀 밀봉된 광 파이버는 프레임(1)을 통과한다. 이런 경우, 윈도우 프레임 파이프만이 패키지의 프레임(1)에 결합된다.

프레임(1), 바닥판(2), 단자 리드(4)와 같은 구성 요소는 은랍땜(silver brazing) 또는 다른 땜납에 의해 결합됨으로써 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에 조립된다. 덮개(lid)를 사용한 기밀 밀봉을 수행하고 패키지의 부식을 방지하고 반도체 모듈을 조립하는 동안 납땜을 용이하게 하기 위해, 일반적으로 이러한 전체 광 반도체 기밀 밀봉 패키지는 순차적으로 금 도금을 받게 된다. 이러한 광 반도체 기밀 밀봉 패키지 내에 광 반도체 소자 등을 패키징한 후, 최종적으로, 리드(도시안됨)는 코바 등으로 제조된 링을 거쳐 용접 또는 납땜을 함으로써 패키지의 프레임(1)의 상단부면에 기밀 고정된다.

반도체 모듈에서, 광 반도체 소자 등은 상술한 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 내부에 패키지된다. 특히, 도3에 도시된 바와 같이, 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 내부에는, 레이저 다이오드(LD) 소자(6) 및/또는 광다이오드(PD) 소자에서 떨어져서, 이것을 구동시키기 위한 드라이버 IC, 온도 검색을 위한 칩 서미스터(chip thermister) 등이 회로 기판(7) 상에 장착됨으로써 패키지된다.

광 반도체 소자, 특히 LD 소자는, 온도로 인한 진동 파장 변화 외에도, 수명이 극히 단축되고 신뢰성에 역효과를 주는 고온 상태에서 광 출력이 떨어지는 것과 같은 불편함을 겪게 된다. 따라서, 전자 냉각 장치가 온도를 제어하고 LD 소자 등을 냉각시키기 위해 사용된다. 도3에 도시된 바와 같이, 전자 냉각 장치는 크리스탈 또는 복합 반도체 BiTe의 소결체로 구성된 복수개의 전자 냉각 소자(펠티에 소자(Peltier element), 8)가 금속화된 전극 또는 배선과 함께 세라믹 시트로 구성된 두 개의 절연 기판(9) 사이에 파지(grip, 把指)된 구조를 갖는다. 통상적으로 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄이 전자 냉각 장치의 절연 기판(9)으로서 이용되며, 특히 양호한 열전도성을 갖는 질화 알루미늄(AlN)이 고온 방열 능력이 요구되거나 전자 냉각 장치의 동력 소모가 낮게 유지될 때 사용된다.

각각의 전자 냉각 소자(8)는 절연 기판(9) 상의 금속화된 배선에 의해 전기 접속되며, 이것들과 반도체 기밀 밀봉 패키지 사이의 전기적 커플링을 위해 한 쌍의 리드가 마련된다. 광 반도체 모듈의 조립에서, 전자 냉각 장치는 반도체 기밀밀봉 패키지의 바닥판(2)에 납땜되며, 그 후 LD 소자(6) 또는 PD 소자 또는 다른 구성 요소와 같은 광 반도체 소자가 사전 장착된 회로 기판(7)이 전자 냉각 장치의 절연 기판(9)들 중 하나 상에 납땜되어 장착된다.

상술한 바와 같이, 서로 다른 재료로 제조된 부분들로 구성된 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에서, 광 반도체 모듈로 형성된 후, MIL-STD에서 특정된 바와 같이 -40 ℃ 내지 + 125 ℃에서의 환경 내구 시험에서 BiTe 소자와 같은 전자 냉각 소자의 성능이 때때로 악화되는 경우가 있었다. 이와 같은 전자 냉각 소자의 성능 악화는, 반도체 모듈 내의 LD 소자 또는 PD 소자가 장착된 광 반도체 기밀 밀봉 소자의 바닥판 및/또는 회로 기판의 비틀림(warping)으로 인해, 영 모듈러스(Young's Modulus)가 낮고 비교적 연성인 BiTe 소자와 같은 전자 냉각 소자에서의 열응력 집중으로 인한 균열(cracking)에 의해 발생된다. 비틀림은 모듈을 구성하는 부재 사이의 열팽창 계수차로 인해 발생한다.

전자 냉각 소자의 이와 같은 성능 악화가 발생하면, 전자 냉각 소자의 냉각 효율 악화로 인해 동력 소모가 크게 되고, 결국 최악의 경우, 광 반도체 모듈의 온도 제어가 그 자체의 열발생 때문에 달성되는 것이 불가능하게 된다는 문제를 겪게 된다. 또한, 반도체 기밀 밀봉 패키지의 바닥판의 비틀림은, 전자 냉각 장치에 어떠한 결점도 발생시키지 않는 경우에도, LD 소자 또는 PD 소자와 같은 광 반도체 소자와 광 파이버 사이에 광 커플링을 달성하는 광 시스템의 광축 편이를 발생시키게 된다. 이와 같은 광축 편이는 광 반도체 모듈의 광 파이버 단자에서의 출력을 낮춘다는 문제점을 발생시킨다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 예컨대 일본 특허 출원 공개 제6-314747호에서는 연마에 의해 바닥판의 플랜지를 얇게 만듦으로서 비틀림을 경감시키고 흡수하는 대응부에 대해 개시하고 있다. 또한, 일본 특허 출원 공개 제6-82659호에서는, 바닥판의 플랜지를 얇게 만드는 대신, 작은 모듈러스의 종방향 탄성을 갖는 다른 금속으로 된 플랜지만을 제조함으로써 동일한 효과가 얻어진다. 그러나, 양 방법에서, 처리는 어려우며, 충분한 강도를 달성하는 것이 어려웠다.

일본 특허 출원 공개 제5-67844호에서는 패키지의 바닥판이 전자 냉각 장치의 절연 기판으로서도 사용되는 광 반도체 모듈을 제안하고 있다. 특히, 이것은 반도체 기밀 밀봉 패키지의 바닥판이 AlN과 같은 세라믹에 의해 제조되는 방법이다. 이와 같은 방식에서, 전자 냉각 장치의 일 측면 상에는 어떤 또다른 절연 기판도 필요하지 않기 때문에, 반도체 모듈의 소형화, 특히 층 두께의 저감이 달성된다. 그러나, 이런 방법에 의하면, 나사 고정을 위해 마련된 바닥판의 구멍 등을 처리하는 것에 대한 문제점 외에도, 바닥판의 구멍 주위가 나사 고정될 때 균열되기 쉽게 된다는 문제점이 있었다. 또한, 반도체 모듈 및 방열판의 나사 고정후, 방열판의 비틀림 발생시 바닥판이 균열되기 쉽다는 문제점이 있다.

따라서, 이들 문제점들을 해결하기 위해, 본 출원의 발명자들은 일본 특허 출원 공개 제11-074394호(일본 특허 제3047864호)에서 신규한 광 반도체 기밀 밀봉 패키지를 제안하였다. 상기 광 반도체 기밀 밀봉 패키지는 금속, 절연체 또는 금속 및 절연체의 복합 재료로 된 프레임과, 상기 프레임에 고정된 금속으로 제조된 제1 바닥판과, 프레임에 대향하는 측면 상에서 제1 바닥판의 표면에 고정되고 제1 바닥판보다 큰 영 모듈러스를 갖는 제2 바닥판을 포함한다. 그러나, 상기 방법에 의하면, 제1 바닥판의 플랜지는 이것을 방열판 상에 장착하기 위해 절곡 과정을 받아야 하며, 제1 바닥판으로부터 방열판으로의 방열은 거의 기대될 수 없게 된다.

상술한 종래 기술과 관련해서, 본 발명의 목적은 바닥판의 비틀림이 경감될 수 있고 보다 뛰어난 방열 특성을 갖는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지와, 이러한 광 반도체 기밀 밀봉 패키지를 사용함으로써, 전자 냉각 소자의 악화 및/또는 광축 편이가 발생하지 않는 광 반도체 모뮬 및 광 파이버 증폭기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의해 마련된 광 반도체 소자를 수용하기 위한 기밀 밀봉 패키지는, 금속, 절연체 또는 금속 및 절연체의 복합 재료로 된 프레임과, 프레임에 고정된 금속으로 제조된 제1 바닥판과, 제1 바닥판보다 큰 영 모듈러스를 갖고 프레임에 대향하는 측면 상에서 제1 바닥판의 표면에 고정된 제2 바닥판과, 제1 바닥판의 측면과 제2 바닥판의 측면 모두의 위에서 돌출한 플랜지의 표면에 고정된 금속 블록판을 포함한다.

본 발명에 따른 상술한 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에서는, 0 내지 0.3 ㎜의 수준차가 제1 바닥판의 플랜지에 고정된 블록판의 표면과 제2 바닥판의 표면 사이에 제공될 수 있다. 또한, 블록판은 U자 형상을 가질 수 있으며, 광 투과창의 용접을 위한 간극이 제1 바닥판의 플랜지에 고정된 블록판과 제1 바닥판과 제2 바닥판과 프레임 사이에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에서, 제1 바닥판과 블록판의 영 모듈러스는 15 ×10³㎏/㎟ 이하이고, 제2 바닥판의 영 모듈러스는 25 ×10³㎏/㎟ 이상이다. 특히, 제2 바닥판은 적어도 90 %의 질화 알루미늄 또는 탄화 실리콘를 함유하고 적어도 25 ㎏/㎟의 굽힘 강도를 갖는 세라믹으로 제조될 수 있다. 또한, 제1 바닥판과 블록판은 구리, Fe-Ni-Co 합금 또는 Fe-Ni 합금으로 제조될 수 있다.

본 발명에 의해 제공된 광 반도체 모듈과 광 파이버 증폭기에서, 회로 기판 상에 장착된 적어도 하나의 광 반도체 소자는 상술한 발명에 따른 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 내에 수용된다. 광 반도체 모듈과 광 파이버 증폭기는 패키지의 제1 바닥판과 회로 기판 사이에서 한 쌍의 절연 기판에 의해 파지된 펠티에 소자를 포함하는 전자 냉각 장치를 포함할 수 있다. 광 파이버 증폭기에서, 광 파이버는 광 반도체 모듈로 기밀 도입되며, 양호하게는 신호 광을 효율적으로 증폭시키기 위해 광 파이버로서 Er³⁺도핑된 파이버가 사용된다.

도1은 종래 기술의 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 개략 사시도.

도2는 종래 기술의 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 개략 단면도.

도3은 종래 기술의 광 반도체 모듈의 개략 단면도.

도4는 본 발명에 따른 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 소정 예의 개략 사시도.

도5는 도4에 도시된 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 개략 측면도.

도6은 도4에 도시된 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 개략 저면도.

도7은 본 발명에 따른 광 반도체 모듈의 다른 소정 예의 개략 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 프레임

5 : 광 투과창

6 : LD 소자

7 : 회로 기판

10 : 렌즈

11 : 제1 바닥판

11a : 플랜지

11b : 구멍

11c : 노치

12 : 제2 바닥판

13 : 블록판

14 : 용접 간극

도4 내지 도6의 소정 예에 의해 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에서, 프레임(1)에 고정된 바닥판은 프레임(1)에 직접 고정된 금속으로 제조된 제1 바닥판(11)과 프레임(1)에 대향하는 측면 상에서 제1 바닥판(11)의 표면에 고정된 제2 바닥판(12)을 포함하는 이중층 구조로 이루어지며, 금속 블록판(13)은 제2 바닥판(12)의 측면 상에서 제1 바닥판(11)의 양 측면으로부터 돌출한 플랜지(11a)의 표면에 고정된다. 제1 바닥판(11)의 플랜지(11a)와그곳에 고정된 블록판(13)에는 방열판(도시 안됨) 상에 장착하기 위해 그곳에 관통 처리되는 나사 고정 구멍(11b) 및/또는 노치(11c)가 마련된다.

본 발명에서, 제1 바닥판(11)의 플랜지(11a)에 금속 블록판(13)을 고정함으로써, 제1 바닥판(11)과 방열판 사이의 접촉 영역이 증가될 수 있다. 특히, 종래의 제1 바닥판의 경우, 방열판과의 접촉은 제1 바닥판과 제2 바닥판 사이의 수준차만큼 절곡된 플랜지의 부분에서만 이루어지는 반면, 본 발명에 의하면, 방열판과의 접촉은 플랜지(11a)보다 큰 표면 영역을 갖고 편평한 블록판(13)을 통해 달성됨으로써, 제1 바닥판(11)의 플랜지(11a)로부터 방열판으로 전달된 열이 종래에 비해 증가되어서, 전체적인 방열 성능이 개선될 수 있도록 한다.

또한, 제1 바닥판(11)과 제2 바닥판(12) 사이의 수준차는 제2 바닥판(12)의 측면 상의 플랜지(11a)에 블록판(13)을 고정함으로써 저감되거나 제거될 수 있기 때문에, 제1 바닥판(11)이 비록 편평판이라 하더라도 간단한 양식으로 방열판 상에 장착될 수 있다. 또한, 수준차를 종래와 같이 제거하기 위해 제1 바닥판(11)을 절곡할 필요가 없기 때문에, 제2 바닥판(12), 프레임(1) 등에서는 균열 발생이 방지될 수 있다. 특히, 도5에 도시된 바와 같이, 블록판(13)의 표면과 제2 바닥판(12)의 표면 사이의 수준차(A)를 0 내지 0.3 ㎜가 되도록 만듦으로서, 제2 바닥판(12)과 방열판 사이의 밀착이 개선될 수 있다.

도5에 도시된 바와 같이, 양호하게는 제1 바닥판(11)에 고정된 블록판(13)과 제2 바닥판(12)의 최근접부 사이에는 적어도 0.1 ㎜의 간극(B)이 마련된다. 이 간극(B)으로 인해, 제1 바닥판(11)을 방열판에 장착할 때, 플랜지(11a)는 수준차(A)의 양만큼 용이하게 절곡될 수 있어서, 보다 나은 밀착이 달성될 수 있도록 한다. 후술하는 바와 같이, 광 투과창(5)을 프레임(1)에 고정하기 위해서는, 통상적으로 레이저 용접이 이용되지만, 이런 레이저 용접을 어려움없이 수행하기 위해서는, 블록판(13), 플래지(11a)들을 포함한 제1 바닥판(11), 제2 바닥판(12) 및 프레임(1) 사이에 임의의 간극을 제공하는 것이 필수적이다. 이를 위해서, 양호하게는 블록판(13)과 제1 바닥판(11)과 제2 바닥판(12)과 프레임(1) 사이에 용접 간극(14)을 제공하기 위해 U자 형상을 갖도록, 도6에 도시된 바와 같이 용접을 허용하기에 충분할 만큼 넓은 간극을 만들거나 블록판(13)을 처리한다.

이외에도, 일본 특허 출원 공개 제11-074394호(일본 특허 제3047864호)에서와 같은 방식으로, 본 발명의 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에서, 바닥판의 비틀림을 야기하는 주원인인 응력 변형은, 바닥판을 이중층 구조로 만들고 제2 바닥판(12)의 영 모듈러스를 제1 바닥판(11)의 영 모듈러스보다 크게 만듦으로써 금속으로 제조된 제1 바닥판(11)에 의해 흡수되어서, 어떠한 비틀림도 제2 바닥판(12)에서 발생하지 않고 그 편평도가 유지될 수 있도록 한다. 결국, 광 반도체 모듈이 구성될 때, 온도 변화로 인한 전자 냉각 장치의 악화는 방지되며, 광 시스템의 광축 편이도 또한 더 이상 발생하지 않는다.

특히, 일반적으로, 바닥판의 열 팽창 계수가 프레임의 열 팽창 계수보다 크다면, 반도체 기밀 밀봉된 패키지를 조립할 때 납땜후에는 장력이 자연스럽게 작용한다. 이것은 약 800 ℃의 고온 납땜 온도에서, 바닥판은 프레임보다 연장되지 않으며, 납땜 재료가 응고된 후 실온으로 냉각될 때 바닥판의 상대적 응축 속도는 크기 때문이다. 장력은 바닥판의 비틀림의 원인이 될 수 있다. 본 발명에서, 영 모듈러스가 낮은 얇은 연성 금속으로 제조된 제1 바닥판은 제2 바닥판과 함께 바닥판으로서 개재되기 때문에, 냉각후 제1 바닥판의 비틀림없이도 드럼의 박막과 같은 제1 표면이 얻어질 수 있다. 영 모듈러스가 큰 제2 바닥판을 상기 제1 바닥판에 고정함으로써, 제2 바닥판의 편평도는 패키지의 조립 후에도 유지된다.

따라서, 제1 바닥판에서의 응력 왜곡을 흡수함으로써 제2 바닥판의 편평도를 유지하기 위해서는, 제2 바닥판의 영 모듈러스를 제1 바닥판의 영 모듈러스보다 크게 하는 것이 필수적이다. 따라서, 바람직하게는, LD 모듈을 제조할 때 MIL-STD의 환경 내구 시험 온도 및 납땜 온도를 고려하면, -40 ℃ 내지 + 250 ℃의 온도 범위에서 제1 바닥판의 영 모듈러스는 15 ×10³㎏/㎟ 이하이고 제2 바닥판의 영 모듈러스는 25 ×10³㎏/㎟ 이상이어야 한다. 또한, 양호하게는, 제1 바닥판의 플랜지에 고정된 블록판(13)의 영 모듈러스는 제1 바닥판의 영 모듈러스와 마찬가지로 15 ×10³㎏/㎟이다.

제2 바닥판을 위한 이와 같은 재료의 소정 예는 적어도 90 %의 질화 알루미늄(AlN)과 탄화 실리콘(SiC)을 함유한 세라믹이다. 영 모듈러스가 25 ×10³㎏/㎟ 보다 작은 경우, 응력 왜곡은 금속으로 제조된 제1 바닥판에서 충분히 억제될 수 없으므로, 세라믹으로 제조된 제2 바닥판 자체는 비틀림되는 것이 중단된다. 특히, AlN은 산화 알루미늄보다 높은 열전도성을 갖기 때문에, 고출력식 모듈에 적합하다. 또한, 균열, 손상 등을 생성하지 않기 위해서, 양호하게는 제2 바닥판의 세라믹은 적어도 25 ×10³㎏/㎟의 굽힘 강도를 갖는다. 비록 제2 바닥판의 두께와 관련해서는 특별한 제한이 없지만, 일반적으로 약 0.3 내지 1.5 ㎜의 두께가 양호하다.

한편, 제1 바닥판과 블록판의 재료로서는, 구리, 코바(KOVAR)와 같은 Fe-Ni-Co 합금 또는 42 합금과 같은 Fe-Ni가 바람직하다. Fe-Ni-Co 합금 또는 Fe-Ni 합금은 그 열팽창 계수가 세라믹으로 제조된 제2 바닥판의 열팽창 계수에 근접하다는 점에서 선호되며, Cu, 특히 순동은 비록 그 열 팽창 계수가 제2 바닥판의 열 팽창 계수와 상당히 다르지만, 영 모듈러스가 작기 때문에 선호된다. 박형 금속 시트의 처리는 어렵기 때문에, 예컨대, W 또는 Mo와 같이 영 모듈러스가 15 ×10³㎏/㎟ 보다 큰 금속은 제1 바닥판으로서 적합하지 않다.

제1 바닥판의 두께는 양호하게는 0.3 내지 1.2 ㎜이다. 그 이유는, 프레임과 제1 바닥판의 열팽창 계수가 다른 경우에, 패키지에는 대략 800 ℃ 정도의 고온에서 납땜할 때 비틀림이 발생하지만, 이와 같은 비틀림을 저감시키기 위해서는 제1 바닥판의 두께를 1.2 ㎜ 이하로 저감시키는 것이 효과적이기 때문이다. 제1 바닥판의 두께가 0.3 ㎜보다 작다면, 비틀림이 증가되기 때문에 바람직하지 않다. 블록판의 두께는 제2 바닥판의 두께와 제2 바닥판의 수준차(A)에 따라 결정될 수 있다.

제1 바닥판 및 제2 바닥판과, 제1 바닥판의 플랜지와, 블록판은 각각 적층되어 있으며 땜납 재료 등을 사용해서 상호 결합되어 고정된다. 제1 바닥판은 Cu 또는 Fe-Ni-Co 합금 또는 Fe-Ni 합금으로 제조되며, 은랍땜 합금이 땜납 재료로서 사용될 때, 제1 바닥판과 은랍땜 합금의 합금이 발생할 수 있어서, 왜곡을 발생시키지만, 이것은 제1 바닥판을 Ni 또는 NiB으로 사전에 도금함으로써 방지될 수 있다. 바람직하게는, 땜납 재료에 의해 양호한 습윤을 달성하기 위해 제2 바닥판의 표면층을 Ni 또는 Nib로 도금하게 된다. 제2 바닥판이 세라믹 등으로 제조되면, 하나 이상의 W, Mo, Pt, Ti 등으로 된 층이 그 위에 금속화층으로서 초기에 형성되며, Ni 또는 NiB를 사용한 도금은 상기 금속화층의 상부 상에 수행된다. 양호하게는 Ni 또는 NiB 도금의 두께는 1.5 내지 3 ㎛의 범위에 있다.

제1 바닥판, 제2 바닥판 및 블록판이 조립될 때, 그들 각각의 형상은 방열판 상에 나사 고정 등에 대한 필요성을 고려해서 결정될 수 있다. 양호하게는, 나사 고정을 위한 구멍 또는 노치들은 제1 바닥판의 플랜지 또는 블록판에 마련되는 데, 이것들은 금속으로 제조되어 용이하게 처리되기 때문이다. 금속으로 제조된 제1 바닥판 및 블록판은 에칭 및/또는 펀칭되기가 쉬우며, 위치에 따라, 절반 에칭될 수 있다. 절반 에칭에 의해 제1 바닥판에 리세스를 형성하는 것은 프레임의 장착 동안 또는 전자 냉각 장치의 장착 동안 위치 오정렬을 방지한다는 장점을 가지며, 패키징 단계의 수율이 개선될 수 있도록 한다.

또한, 절연 기판 상에 장착된 전자 냉각 소자를 포함하는 전자 냉각 장치를 끼워맞춤(fitting)하기 위한 위치설정 구멍 또는 리세스가 제1 바닥판의 중심부에 마련될 수 있다. 이와 같은 방식에서, 전자 냉각 장치의 위치 설정 위치는 직선으로 향하며, 특히 구멍이 위치설정을 위해 마련된 경우, 전자 냉각 장치는 구멍을 통해 방열판에 직접 접촉하기 때문에, 제1 바닥판이 코바 또는 42 합금과 같이 낮은 열 전도성을 갖는 금속으로 제조되더라도 방열 능력은 개선된다는 장점이 있다.

또한, 제2 바닥판에 사용된 세라믹이 고정밀도를 갖는 복잡한 형상으로 가공되는 경우, 어려움에 직면하게 된다. 그러나, 본 발명에서와 같이 편평한 세라믹 판 세락믹, 전자 냉각 장치가 장착될 영역에 리세스를 갖는 세라믹 판 등이 사용되는 경우, 이들 세라믹 판은 압출 성형 기술에 의해 저렴하고 간단하게 제조될 수 있다.

상술한 바와 같이, 적층되어 고정된 제1 바닥판과 제2 바닥판 상에는, 프레임이 땜납 등에 의해 고정되어서 예컨대 도4에서 도시된 바와 같은 광 반도체 기밀 밀봉 패키지를 제공한다. 종래와 같이, 금속, 세라믹과 같은 절연체 또는 금속 및 절연체로 된 복합재가 프레임에 사용될 수 있다. 종래와 같이 동일한 방식에서, 전자 냉각 장치는 이와 같은 광 반도체 기밀 밀봉 패키지에 장착되며(도3), 이외에도, 도7에 도시된 바와 같이, 광 반도체 소자(6) 등이 장착된 회로 기판(7)이 상단부에서 개구를 리드(도시 안됨)로 기밀 밀봉하기 전에 전자 냉각 장치 상에 장착됨으로써, 광 반도체 모듈과 광 파이버 증폭기를 구성한다.

광 반도체 모듈과 광 파이버 증폭기를 구성함에 있어, 양호하게는 광 반도체 소자를 장착하기 위한 회로 기판, 전자 냉각 장치의 절연 기판 및 반도체 기밀 밀봉 패키지의 제2 바닥판의 열팽창 계수차 사이의 차이는 ±1×10^-6/℃ 보다 크지않다. 이런 방식에서, MIL-STD 환경 시험에서 -40 ℃ 내지 + 125 ℃의 열 주기의 온도 변화에서, 전자 냉각 소자의 위 아래에는 어떠한 비틀림도 없으며, 그 내부에 합체된 전자 냉각 소자의 추가적인 왜곡도 방지될 수 있어서, 광 시스템의 광축 편이가 없는 광 반도체 모듈과 광 파이버 증폭기를 얻을 수 있도록 한다.

예

도4에 도시된 바와 같은 광 반도체 기밀 밀봉 패키지가 제조되었다. 특히, 프레임(1)용으로 코바 판이 사용되었으며, 제1 바닥판(11)과 블록판(13)으로서, -40 ℃ 내지 +250 ℃ 범위의 반도체 모듈 조립체에 대한 일반 온도 범위 내에서 15 ×10³㎏/㎟ 이하의 영 모듈러스를 갖는 구리판이 사용되었다. 제2 바닥판으로서, 25 ×10³㎏/㎟ 이상의 영 모듈러스와 25 ㎏/㎟의 굽힘 강도와 4.5×10^-6/℃의 열팽창 계수와 150 W/mㆍK의 열전도성과 90 % 이상의 AlN 함량을 갖는 AlN 세라믹 판이 사용되었다.

제1 바닥판(11)은 펀칭되는 상술한 편평 구리판으로 제조되었으며, 도6에 도시된 바와 같이, 나사 고정을 위한 구멍(11b)과 노치(11c)을 갖는 양 측면 상에는 플랜지(11a)가 형성되며, 이외에도, 순차적으로 장착된 전자 냉각 장치용 위치 설정 구멍(11d)이 그 중간에 형성되었다. 리세스가 제1 바닥판(11)의 위치설정 구멍(11d)에 대응해서 AlN 세라믹으로 제조된 제2 바닥판(12)의 중간에 제공되었다. 다음으로, Ni 도금이 구리로 제조된 제1 바닥판(11) 상에 수행되었다. 또한,각각 500 ㎚ 이상의 두께를 갖는 W 금속화층과 Ni 금속화층(W/Ni 금속화층)이 AlN 세라믹으로 제조된 제2 바닥판(12) 상에 스퍼터링에 의해 도포되었고, 또다른 Ni 도금이 그 상부 상에 적용되었다. W/Ni 금속화 층 대신에, Ti/Pt/Ni, Ti/Pd/Ni, Ti/Mo/Ni, Ti/W /Ni 등을 사용할 수 있었다.

나사 고정 구멍(11b)을 갖는 플랜지(11a)에 고정될 블록판(13)은 용접 간극(14)이 형성될 수 있도록 U자 형상으로 처리되어서, 천공되어 나사 고정용 구멍(11b)에 맞춰진다. 노치(11c)의 위치에 대응해서, 노치(11c)를 갖는 플랜지(11a)에 고정된 블록판(13)에는 노치가 추가로 제공된다. 블록판(13)의 두께는 0.7 ㎜로 제조되었으며, 제1 바닥판의 두께는 0.8 ㎜로 제조되었으며, 제2 바닥판(12)의 두께는 1.0 ㎜로 제조되었다. 결국, 제2 바닥판(12)과 블록판(13) 사이의 수준차(A)는 0.3 ㎜이었다. 또한, 블록판(13)과 제2 바닥판(12) 사이의 최근접부의 간극(B)은 0.3 ㎜로 설정되었다.

그 후, 제1 바닥판(11)과 제2 바닥판(12)과 프레임(1)이 포개졌으며, 제1 바닥판(11)의 양 측면 상의 플랜지(11a) 상에서 각각 장착된 블록판(13)과, 도4에 도시된 바와 같이, 복수개의 세라믹 시트, 코바로 제조된 복수개의 리드 단자, 시임 용접을 위한 코바 링 및 광 투과창을 위한 코바로 제조된 원형 파이프를 포함하는 세라믹 단자(3)가 프레임(1) 상에서 조립됨과 동시에 은납땜되었다. 이들을 동시에 결합함으로써, 비용 절감이 달성될 수 있고, 이외에도, 방열 성능이 개선되었다. 그 후, 광 반도체 기밀 밀봉 패키지가 광 투과창(5)용 유리를 장착하고 전체 금 도금을 수행함으로써 완료되었다.

도7에 도시된 바와 같은 광 반도체 모듈이 획득된 광 반도체 기밀 밀봉 패키지를 사용해서 제조되었다. 무엇보다도, 전자 냉각 장치가 반도체 기밀 밀봉 패키지의 제1 바닥판(11) 상에 일반적인 방식으로 장착되었다. 상기 전자 냉각 장치는 펠티에 소자를 구성하는 복수개의 BiTe 소자가 두 개의 절연 기판에 의해 파지된 보통 전자 냉각 장치이며, 절연 기판용으로서, 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 제2 바닥판(12)의 경우와 같이 AlN 세라믹이 사용되었다.

또한, 장착을 위한 광 반도체 모듈 내의 회로 기판(7)으로서, 예컨대 산화 알루미늄과 같이, AlN 이외의 재료가 이것이 절연체인 한 사용될 수 있었지만, 이것과 절연 냉각 장치의 절연 기판 사이의 열 팽창 계수의 차이가 ±1×10^-6/℃를 초과하더라도, 전자 냉각 소자의 왜곡은 발생하기 때문에, 전자 냉각 장치의 절연 기판의 경우와 마찬가지로 AlN 세라믹이 사용되었다. 따라서, 제2 바닥판(12)과, 전자 냉각 장치의 절연 기판과, 장착 목적을 위한 회로 기판(7) 사이의 열 팽창 계수의 차는 단지 대략 0.1 ×10^-6/℃ 정도이고, 이는 열 팽창 계수의 측정 오차 정도이다.

LD 소자(6)과 렌즈(10)는 이들의 광축이 AlN으로 제조된 회로 기판(7) 상에 정렬된 상태로 고정된다. 또한, LD 소자(6) 뒤에는, PD 소자와 LD 소자(6)의 변조 구동을 위한 드라이버 IC 등이 회로 기판(7) 상에 장착되었다. 상기 AlN 세라믹 회로 기판(7) 상의 배선은 드라이버 IC로부터의 고주파수 신호의 열화를 억제하고 드라이버 IC의 수명을 연장하고 신뢰성을 개선하기 위해 금속화된다. 또한, 온도측정을 위한 칩 서미스터가 LD 소자(6)의 근처에 장착된다.

LD 소자(6)와 다른 소자가 상술한 바와 같이 장착된 회로 기판(7)은 전자 냉각 장치의 절연 기판 상에 납땜되었다. 전자 냉각 소자의 배선 리드는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지 내에 마련된 리드 단자에 고온 가압 접합에 의해 연결되었다. 다른 배선은 리본형 배선 접합에 의해 달성되었다. 마지막으로, 금 도금된 코바 덮개(도시 안됨)가 시임 용접에 의해 프레임(1)의 상단부에 기밀 밀봉되었다.

외부 광 파이버가 지르코늄 세라믹 페롤로 삽입되어 8°의 각으로 경사지게 접지되었다. 이것은 LD 소자(6)의 소음에 대한 광 파이버의 단부면으로부터의 광 반사 효과를 저감시키기 위한 것이다. 광 반도체 모듈은 원통형 형상의 Fe-Ni 합금으로 제조된 외부 프레임을 상기 페룰에 끼우고, 원통형 형상의 Fe-Ni 합금으로 제조된 외부 프레임이 부착된 렌즈 및 절연체를 광 파이버와 패키지 사이에 삽입하고, 최대량의 광이 광 파이버에 의해 수광되도록 이들 모두의 위치 정렬을 달성하고, 용접 간극(14)을 거쳐 YAG 레이저로 용접해서 조립함으로써 구성되었다. 또한, 광 파이버 증폭기는 Er³⁺도핑된 파이버와 광 커플러의 광 커플링에 의해 제조되었다.

광 파이버 증폭기는 제1 바닥판(11)의 구멍(11b)과 노치(11c)를 사용해서 길이가 200 ㎜이고, 폭이 300 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 방열판에 나사 고정되었다. 그 후, 상기 광 파이버 증폭기는 -40 ℃ 내지 + 125 ℃의 열주기 시험을 받게 된다. 상기 시험에서, 광 시스템의 광축 편이로 인한 전자 냉각 소자의 왜곡과 광 출력의저하 모두가 관찰되지 않았다.

따라서, 비록 상술한 실무 상의 예에서, AlN 세라믹이 제2 바닥판으로서 사용되었지만, 적어도 90 %의 탄화 실리콘을 갖는 SiC 세라믹을 사용할 수 있음을 알아야 한다. SiC 세라믹은 130 W/mㆍK의 높은 열전도성과 4.2×10^-6/℃의 열팽창 계수를 가지며, 전자 냉각 장치의 절연 기판을 구성하는 SiC 세라믹과 AlN 세라믹 사이의 열팽창 계수차는 0.3 ×10^-6/℃ 정도로 작다. 또한, 42 합금 또는 코바가 제1 바닥판용으로 사용될 수 있다. 광 반도체 모듈과 광 파이버 증폭기에 전자 냉각 장치를 사용하지 않을 수도 있으며, 이 경우, 장착에 사용된 회로 기판은 패키지에 직접 결합된다. 이와 같이 배열된 상기와 같은 구성의 광 반도체 모듈과 광 파이버 증폭기의 경우에도, 본 발명에 따르는 장치에는 광축 편이가 발생하지 않았다. 또한, 본 발명에 의하면, 광 파이버 증폭기의 동력 소모는 20 % 만큼 저감될 수 있었으며, 높은 신뢰도가 달성되었다.

본 발명에 의하면, 방열판에 대한 밀착을 개선하는 기부판의 비틀림을 제거하고 기부판 및 방열판에 대한 접촉 영역을 개선함으로써, 종래의 것보다 나은 방열 성능을 갖는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지가 마련된다. 또한, 이와 같은 광 반도체 기밀 밀봉 패키지를 사용함으로써, 전자 냉각 소자의 광축 편이와 왜곡으로 인한 광 출력의 하강이 발생하지 않는 광 반도체 모듈이 마련될 수 있다. 또한, 광 파이버 증폭기의 동력 소모는 저감될 수 있고 신뢰성은 개선될 수 있다.

Claims

내부에 광 반도체 소자를 수용하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지이며,

금속, 절연체 또는 금속 및 절연체의 복합 재료로 되는 프레임과,

상기 프레임에 고정된 금속제의 제1 바닥판과,

상기 제1 바닥판보다 큰 영 모듈러스를 갖고 제1 바닥판의 프레임 반대측 표면에 고정되는 제2 바닥판과,

상기 제1 바닥판의 양측에서 돌출된 플랜지의 제2 바닥판측 표면에 고정된 금속 블록판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지.
제1항에 있어서, 제1 바닥판의 플랜지에 고정된 블록판의 표면과 제2 바닥판의 표면 사이에 0 내지 0.3 ㎜의 수준차가 제공되는 것을 특징으로 하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지.
제1항에 있어서, 블록판은 U자 형상을 가지며, 광 투과창의 용접을 위한 간극이 제1 바닥판의 플랜지에 고정된 블록판과 제1 바닥판과 제2 바닥판과 프레임 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지.
제1항에 있어서, 제1 바닥판의 플랜지에는 방열판에 나사 고정하기 위한 구멍 또는 노치가 마련되는 것을 특징으로 하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지.
제1항에 있어서, 전자 냉각 장치가 끼워진 위치를 결정하기 위한 위치설정 구멍 또는 리세스가 제1 바닥판의 중심부에 마련된 것을 특징으로 하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지.
제1항에 있어서, 제1 바닥판과 블록판은 15 ×10³㎏/㎟ 이하의 영 모듈러스를 갖고, 제2 바닥판은 25 ×10³㎏/㎟ 이상의 영 모듈러스를 갖는 것을 특징으로 하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지.
제1항에 있어서, 제2 바닥판은 적어도 90 %의 질화 알루미늄 또는 탄화 실리콘를 함유하고 적어도 25 ㎏/㎟의 굽힘 강도를 갖는 세라믹으로 제조된 것을 특징으로 하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지.
제1항에 있어서, 제1 바닥판과 블록판은 구리, Fe-Ni-Co 합금 또는 Fe-Ni 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지.
제1항에 있어서, 제1 바닥판의 두께는 0.3 내지 1.2 ㎜인 것을 특징으로 하는 광 반도체 기밀 밀봉 패키지.
회로 기판에 장착된 적어도 하나의 광 반도체 소자가 제1항에 따른 광 반도체 기밀 밀봉 패키지의 내부에 수용된 것을 특징으로 하는 광 반도체 모듈.
제10항에 있어서, 한 쌍의 절연 기판에 의해 파지된 펠티에 소자를 포함하는 전자 냉각 장치가 패키지의 제1 바닥판과 회로 기판 사이에서 마련된 것을 특징으로 하는 광 반도체 모듈.
광 파이버가 제10항에 따른 광 반도체 모듈로 기밀 도입되는 것을 특징으로 하는 광 파이버 증폭기.
제12항에 있어서, 광 파이버는 Er³⁺도핑된 파이버인 것을 특징으로 하는 광 파이버 증폭기.