WO2019039221A1 - 光半導体モジュール - Google Patents

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substrate
semiconductor module
conversion element
thermoelectric conversion
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唯 齋藤
聡 前嶋
宏樹 池内
真木子 田中
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • the present invention relates to an optical semiconductor module, and more particularly to a Peltier module for cooling an optical semiconductor.
  • Peltier modules are used to cool the optical semiconductor devices.
  • the prior art has a structure as shown in FIG.
  • the package of the optical semiconductor module is required to have a certain height from the set to which it is incorporated and the installation position of the optical fiber.
  • thermoelectric element 1-2 the material of the thermoelectric element 1-2 to be used is very brittle, and it is impossible to form a thermoelectric element having an aspect ratio exceeding 1. For this reason, if the thermoelectric element 1-2 having an aspect ratio of 1 or more is used, the thermoelectric element 1-2 is broken due to an impact or the like in a general use environment, and the cooling function is significantly reduced.
  • the size of the peltier module 1-A is about 2 mm square to 10 mm square. From this, the size of the thermoelectric element 1-2 used therein is about 0.3 mm square to about 0.6 mm square from the relationship of heat absorption, and in the case of a cylindrical shape, the diameter is likewise 0.3 mm to 0.1 mm. It is about 6 mm. However, in any case, as the height of the thermoelectric element 1-2, one exceeding the aspect 1 is not used.
  • thermoelectric element 1-2 Alumina and aluminum nitride are generally used as the materials of the upper substrate 1-1 and the lower substrate 1-3 of the Peltier module 1-A.
  • a wiring pattern is provided on the thermoelectric element 1-2 side of the upper substrate 1-1 and the lower substrate 1-3 so that the thermoelectric elements 1-2 can be joined in series. Further, the thermoelectric element 1-2 and the upper substrate 1-1 or the lower substrate 1-3 are joined by solder such as Au / Sn or the like.
  • a spacer 1-8 made of Cu-Mo or the like is formed for height adjustment.
  • an optical semiconductor 1-4, a photodiode 1-6 for checking the output of the optical semiconductor, a thermistor 1-7 for confirming the ambient temperature, and a lens 1 for condensing laser light on the upper part thereof -5 is formed.
  • a solder such as Sn / Sg / Cu or the like, and is bonded to an external power supply by wire bonding or the like.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and to provide an optical semiconductor module having low cost and high reliability.
  • an optical semiconductor module includes a thermoelectric conversion element, a first substrate joined to the upper side of the thermoelectric conversion element, and a first board joined to the lower side of the thermoelectric conversion element And a photosemiconductor element mounted above the first substrate, wherein a metal layer is formed on the top surface of the first substrate, and the top surface of the metal layer and the photosemiconductor element Directly connected.
  • thermoelectric conversion element a thermoelectric conversion element, a first substrate joined to the upper side of the thermoelectric conversion element, a second substrate joined to the lower side of the thermoelectric conversion element, and And an optical semiconductor element mounted above the first substrate, wherein a metal layer is formed on the upper surface of the first substrate, and the upper surface of the metal layer and the optical semiconductor element are connected by a connection member.
  • connection member may be solder.
  • the upper surface of the metal layer may be formed of a first region in direct contact with the lower surface of the optical semiconductor device and a second region not in direct contact with the lower surface.
  • connection member may be formed in the second region.
  • the thickness of the metal layer may be smaller than the thickness of the optical semiconductor element.
  • thermoelectric conversion element may be composed of a columnar thermoelectric member and an insulator formed around the thermoelectric member.
  • the end face of the thermoelectric member may be recessed inward from the end face of the insulator, and the end face of the insulator may be directly connected to the first substrate and the second substrate.
  • the insulator may be made of a material containing glass.
  • thermoelectric conversion element may be disposed below the optical semiconductor element.
  • thermoelectric conversion element may be disposed below the thermistor.
  • thermoelectric conversion element for output confirmation of the optical semiconductor element may be mounted on the upper surface of the first substrate, and the thermoelectric conversion element may be disposed below the photodiode.
  • a lens holder mounted above the first substrate, and a lens held by the lens holder, and a distance from an upper surface of the first substrate to a light emitting portion of the optical semiconductor element The distance from the upper surface of the first substrate to the position of the maximum thickness of the lens in a cross section parallel to the upper surface of the first substrate may be equal.
  • thermoelectric conversion element may be disposed below the lens holder.
  • the thickness of the entire bottom surface of the package on which the second substrate described above is mounted may be uniform.
  • the thickness of the bottom surface of the package may be equal to or larger than the thickness of the side surface of the package.
  • the bottom surface of the package on which the second substrate described above is mounted includes a first region of a first thickness and a second region of a second thickness that is larger than the first thickness.
  • the optical semiconductor device may be mounted above the second area.
  • optical semiconductor module of the present invention an optical semiconductor module having low cost and high reliability can be provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the optical semiconductor module in the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of the upper substrate in the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged sectional view of the lower substrate in the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an example of the thermoelectric conversion element in the present invention.
  • FIG. 5 is a top view of the peltier module in the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a general optical semiconductor module.
  • FIG. 1 An example of a cross-sectional view of the optical semiconductor module according to the present embodiment is shown in FIG.
  • an optical semiconductor 1-4, a peltier module 1-B, a lens 1-5, a photodiode 1-6, and a thermistor 1-7 are formed on the package bottom surface 1-10.
  • they are disposed in an internal space surrounded by the package top / side 1-9 having an opening for extracting light from the optical semiconductor 1-4 and the package bottom 1-10, and the internal space is And filled with an inert gas such as neon gas, helium gas, or nitrogen gas and sealed.
  • an inert gas and dry gas are desirable, but the gas type is not limited.
  • the Peltier module 1-B is composed of a plurality of thermoelectric elements 1-2, and among the thermoelectric elements 1-2, there are one having p-type characteristics and one having n-type characteristics.
  • the thermoelectric element 1-2 includes the bonding metal layer 2-2 formed on the upper substrate 1-1 and the bonding metal layer 3-2 formed on the lower substrate 1-3. And electrically connected in series, for example, by an Au—Sn solder having a melting point of about 300 ° C. or a SnAgCu solder. This structure is generally called a pie-shaped structure.
  • Peltier module 1-B is not limited because it is determined by the required heat absorption and the size of the optical semiconductor module, it is larger than 2 mm square or more from the relationship of the required heat absorption and 10 mm from the size of a general optical semiconductor module It is desirable to be less than or equal to the corner.
  • the material of the upper substrate 1-1 and the lower substrate 1-2 is preferably a ceramic material, and it is desirable to use alumina, titanium nitride or silicon nitride from the viewpoints of reliability, heat conduction and cost.
  • the thickness of the upper substrate 1-1 and the lower substrate 1-2 is preferably about 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m. In particular, if the thickness is 100 ⁇ m or less, the strength is not sufficient, and cracking or chipping occurs during use. If the thickness is more than 1000 ⁇ m, the heat transfer to the thermoelectric element 1-2 may not be sufficient.
  • the upper substrate 1-1 is bonded to the optical semiconductor 1-4, the photodiode 1-6, the thermistor 1-7, etc. formed on the upper part using, for example, SnAgCu solder having a melting point of about 260 ° C.
  • the metal layer 2-1 is formed to make the The metal layer 2-1 is a single layer or a plurality of layers of Cu, Al, Ni or the like formed by using a plating method or a vapor deposition method.
  • the layer configuration, the material, and the formation method of these layers are not limited because they are merely for performing adhesion and thermal exchange with the optical semiconductor 1-4, the photodiode 1-6, the thermistor 1-7, and the like.
  • the adhesive for the metal layer 2-1, the optical semiconductor 1-4, the photodiode 1-6, and the thermistor 1-7 may be a heat dissipation grease other than the above-mentioned solder.
  • the metal layer 2-1 be thinner than the thickness of the ceramic material because the difference between the metal layer 2-1 and the ceramic material which is the substrate material is large.
  • a metal layer 2-2 for joining with the thermoelectric conversion element formed in the lower part of the upper substrate 1-1 a single layer or a plurality of layers of Cu, Al, Ni, etc. is formed by using a plating method or an evaporation method. It is formed.
  • the layer configuration, the material, and the formation method of these layers are not limited.
  • low resistance is desired as an electrical property by being joined to the thermoelectric element 1-2.
  • the metal layer 3-1 is formed because the lower portion thereof and the package bottom surface 1-10 are bonded using solder or the like.
  • the metal layer 3-1 is a single layer or a plurality of layers of Cu, Al, Ni, etc., formed by using a plating method or a vapor deposition method. is there.
  • the layer configuration, material, and formation method of these layers are not limited to merely performing thermal exchange with the bottom of the package.
  • a metal layer 3-2 for bonding to the thermoelectric conversion element is formed on the lower substrate 1-3.
  • the role of the bonding metal layer 3-2 is equivalent to that of the bonding metal layer 2-2 with the thermoelectric conversion element of the upper substrate 1-1, and a low resistance is desired as an electrical characteristic.
  • the shape of the thermoelectric element 1-2 used in the Peltier module 1-B is not particularly limited to a shape such as a prismatic shape or a cylindrical shape.
  • a large force may be applied to the thermoelectric element 1-2.
  • a cylindrical shape unlike the prismatic column, there is no corner portion, and concentration of stress at the corner portion can be avoided, and it becomes possible to prevent breakage of the brittle thermoelectric member 4-1.
  • a cylindrical shape is desirable as the shape of the thermoelectric element 1-2.
  • the width or diameter S of the thermoelectric element 1-2 and the height L are not limited because they are items designed according to the limitations of the electrical performance and the size of each module.
  • the width or diameter S of the thermoelectric element is desirably 0.1 mm to 1 mm.
  • the aspect ratio indicating the height L to the width or diameter S of the thermoelectric element 1-2 is 1 to 3, preferably 1 to 2.
  • the height of the thermoelectric element 1-2 is preferably 0.4 mm to 2.0 mm.
  • thermoelectric element 1-2 As a configuration of the thermoelectric element 1-2, as shown in FIG. 4, it is desirable that an insulator 4-2 be formed around the thermoelectric member 4-1.
  • the presence of the insulator 4-2 can protect the brittle thermoelectric member 4-1, and can realize that the aspect ratio of the thermoelectric element 1-2 is 1 or more.
  • the material of the insulator 4-2 may be an insulator material, and is not particularly limited to an inorganic material such as ceramic or glass, or a polymer material typified by epoxy.
  • quartz glass, heat-resistant glass a kind of borosilicate glass mixed with SiO 2 and B 2 O 3 and a material with an expansion coefficient of about 3 ⁇ 10 -6 / K
  • Pyrex registered trademark
  • the thickness of the insulator 1-2 is not particularly limited, but in the thermoelectric conversion module, the presence of the insulator 1-2 adversely affects the characteristics, so it is desirable to be as thin as possible. On the other hand, it is desirable that the thickness be within 0.01 mm to 0.1 mm because mechanical strength is required. More preferably, it is 0.015 mm to 0.05 mm.
  • thermoelectric member 4-1 be recessed inward from the insulator 4-2.
  • the thermoelectric member 4-1 is convex than the insulator 4-2 since the thermoelectric member 4-1 is a very brittle material, cracking may occur when the optical semiconductor element 1-4 or the like is mounted. . For this reason, the flatness of the upper substrate 1-1 is greatly deteriorated, and as a result, the optical axis generated from the optical semiconductor element 1-4 is deviated, and the quality of the optical communication module is impaired.
  • the depression amount A is preferably 20 ⁇ m or less.
  • the solder is recessed more than that, the solder can not sufficiently penetrate into the depression when the solder is hardened, and as a result, a solder void is generated and the reliability is largely deteriorated.
  • a bonding film is formed on the thermoelectric member 4-1.
  • the bonding film has a function as a barrier film that prevents a reaction between the BiTe-based material used as the thermoelectric member 4-1 and the solder material used for bonding the upper substrate 1-1 and the lower substrate 1-3.
  • the bonding film is not particularly limited in the kind of the element if there is no problem in bonding with the solder material, and may be a single metal or an alloy.
  • the bonding film be composed of a plurality of layers.
  • a metal film composed mainly of Ni and having excellent barrier properties as a metal type.
  • Au-Sn solder and Sn-Ag-Cu solder are generally used for joining the thermoelectric member 1-2 and the bonding metal layers 2-2 and 3-2, the Ni-layer is formed on the Ni layer.
  • an Au layer is formed. It is desirable from the viewpoint of cost that these metal films are formed by plating method, but they may be formed by sputtering method or thermal spraying method if there is no problem particularly in barrier property and bonding property. Is not particularly limited.
  • the film thickness of Ni is preferably about 1 ⁇ m to 20 ⁇ m. If the thickness is 1 ⁇ m or less, the barrier property is not sufficient and there is a problem in reliability. On the other hand, if the film thickness of Ni is 20 ⁇ m or more, the stress of the Ni layer is large, so there is a possibility of film peeling. Therefore, the film thickness of Ni is desirably 20 ⁇ m or less.
  • the Peltier module 1-B is configured as described above.
  • the Peltier module 1-B is bonded to the package bottom surface 1-10 using solder.
  • the package bottom surface 1-10 is desirably a metal material such as CuMo, CuW, or Kovar because of heat radiation from the Peltier module 1-B, but the material is not limited.
  • the photosemiconductor 1-4, thermistor 1-7, and the photodiode necessary as the photosemiconductor module are formed on the upper substrate 1-1 of the Peltier module 1-B.
  • thermoelectric element 1-2 On the other hand, as for the photo semiconductor 1-4, the thermistor 1-7, and the photodiode 1-6, which have the same size with respect to the thermoelectric element 1-2, in particular, as shown in FIG. Is desirable.
  • the entire thermoelectric element 1-2 By mounting the optical semiconductor 1-4, the thermistor 1-7, and the photodiode 1-6 in alignment with the center of the thermoelectric element 1-2, the entire thermoelectric element 1-2 may be subjected to pressure during mounting It becomes possible. This makes it possible to maximize the aspect ratio of the thermoelectric element 1-2.
  • thermoelectric element 1-2 there is a concern that destruction of the thermoelectric element 1-2 may occur when the mounting locations of the optical semiconductor 1-4, the thermistor 1-7, and the photodiode 1-6 deviate from the center of the thermoelectric element 1-2. Large quality problems occur.
  • the light semiconductor 1-4 is not particularly limited in its material and configuration because the output and the wavelength of the laser beam to be emitted differ depending on the application.
  • the photodiode 1-6 for monitoring the output of the optical semiconductor 1-4, the thermistor 1-7 for measuring the internal temperature, and a lens for condensing the laser light from the optical semiconductor element are the optical semiconductor 1-. There are no particular limitations as to the material and configuration that change according to 4.
  • the optical semiconductor 1-4, the thermistor 1-7, the photodiode 1-6, the lens and the lens holder 1-5 are formed on the Peltier module 1-B, and then sealed on the package on the side surface 1-9.
  • a metal material such as Kovar or a ceramic material such as alumina
  • the material is not limited as long as sealing properties can be ensured.
  • sealing is preferably performed by silver brazing or resistance welding, but the method is not limited as long as sealing can be ensured.
  • the optical semiconductor module includes the thermoelectric element 1-2, the upper substrate 1-1 joined to the upper side of the thermoelectric conversion element 1-2, and the lower side of the thermoelectric conversion element 1-2.
  • the lower layer 1-3 and the optical semiconductor 1-4 mounted above the upper layer 1-2 are provided, and the metal layer 2-1 is formed on the upper surface of the upper layer 1-1.
  • the upper surface and the optical semiconductor 1-4 are directly connected.
  • thermoelectric element 1-2 the upper substrate 1-1 joined to the upper side of the thermoelectric conversion element 1-2, and the lower side of the thermoelectric conversion element 1-2 are joined.
  • the upper surface of the semiconductor laser 1 and the optical semiconductor 1-4 are connected by a connecting member.
  • connection member may be solder.
  • the upper surface of the metal layer 2-1 is formed of a first region in direct contact with the lower surface of the optical semiconductor 1-4 and a second region not in direct contact with the lower surface of the optical semiconductor 1-4. It is also good.
  • connection member may be formed in the second region.
  • the thickness of the metal layer 2-1 may be smaller than the thickness of the optical semiconductor 1-4.
  • thermoelectric element 1-2 may be made of a columnar thermoelectric member 4-1 and an insulator 4-2 formed around the thermoelectric member 4-1.
  • thermoelectric member 4-1 is recessed inward from the end face of the insulator 4-2, and the end face of the insulator 4-2 is directly connected to the upper substrate 1-1 and the lower substrate 1-3. It is also good.
  • the insulator 4-2 may be made of a material containing glass.
  • thermoelectric element 1-2 may be disposed below the optical semiconductor 4-1.
  • the thermistor 1-7 for temperature detection may be mounted on the upper surface of the upper substrate 1-1, and the thermoelectric element 1-2 may be disposed below the thermistor 1-7.
  • the photodiode 1-6 for confirming the output of the optical semiconductor 1-4 may be mounted on the upper surface of the upper substrate 1-1, and the thermoelectric element 1-2 may be disposed below the photodiode 1-6.
  • a lens holder mounted above the upper substrate 1-1 and a lens held by the lens holder are provided, and the distance from the upper surface of the upper substrate 1-1 to the light emitting portion of the optical semiconductor 1-4 The distance from the upper surface of the upper substrate 1-1 to the position of the maximum thickness in a cross section parallel to the upper surface of the upper substrate 1-1 may be equal.
  • thermoelectric element 1-2 may be disposed below the lens holder.
  • the thickness of the entire bottom of the package on which the lower substrate 1-3 described above is mounted may be uniform.
  • the thickness of the bottom of the package may be equal to or larger than the thickness of the side of the package.
  • the bottom surface of the package on which the lower substrate 1-3 is mounted is the first region of the first thickness and the second region of the second thickness, which is larger than the first thickness.
  • the optical semiconductor 1-4 may be mounted above the second region.
  • the number of parts can be reduced, and a low cost and highly reliable optical semiconductor module can be provided.

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Abstract

光半導体モジュールにおいて、ペルチェモジュールに熱電変換素子をガラス管保護したものを用い、さらには光半導体素子やフォトダイオード、およびサーミスタを熱電変換素子の直上に設けることにより、従来レーザー光の光軸を合わすために必要であったスペーサが不要になり、低コスト半導体モジュールを提供することが可能となる。

Description

光半導体モジュール
　本発明は、光半導体モジュールに関するものであり、特に光半導体を冷却するためのペルチェモジュールを備えたものである。
　近年、情報量の増大などにより光通信のデータ量が増加している、それに伴い光半導体モジュールの需要が急速に増大している。一方でデータ量の増加に伴い、より発熱量の大きい光半導体素子が用いられている。
　その光半導体素子を冷却するためにペルチェモジュールが使われている。その従来技術は図６に示すような構造をしている。
　一般的に光半導体モジュールのパッケージは、その組み込まれるセットや光ファイバーの設置位置などから、一定の高さ必要とされている。
　一方で、ペルチェモジュール１－Ａは、使われる熱電素子１－２の材質が非常に脆く、アスペクト比１を超える熱電素子を形成することは不可能である。このため、１以上のアスペクト比の熱電素子１－２を用いると、一般的な使用環境における衝撃などで熱電素子１－２が破壊されてしまい冷却機能が著しく低下してしまう。
　また、このような分野で用いられるパッケージサイズの制約から、ペルチェモジュール１－Ａのサイズは、２ｍｍ角～１０ｍｍ角程度である。これより、その中で使われる熱電素子１－２のサイズは、吸熱量の関係から０．３ｍｍ角から０．６ｍｍ角程度、また円柱状の場合には、同様に直径０．３ｍｍから０．６ｍｍ程度である。ただし、いずれの場合であっても、熱電素子１－２の高さとしてはアスペクト１を超えるものは使われない。
　ペルチェモジュール１－Ａの上基板１－１および下基板１－３の材質は、一般的にアルミナおよびチッ化アルミが使用される。上基板１－１および下基板１－３の熱電素子１－２側には、熱電素子１－２が直列に接合できるように配線パターンが施される。また、熱電素子１－２と、上基板１－１または下基板１－３とは、Ａｕ／Ｓｎ等のハンダで接合されている。
　また、上基板１－１の上部には、高さ調整のためにＣｕ－Ｍｏなどからなるスペーサ１－８が形成されている。また、その上部に光半導体１－４、また光半導体の出力をチェックするためのフォトダイオード１－６、雰囲気温度を確認するためのサーミスタ１－７、およびレーザー光を集光させるためのレンズ１－５が形成されている。これらは、それぞれ、Ｓｎ／Ｓｇ／Ｃｕ等のハンダで接着されており、ワイヤーボンドなどで、外部電源と接合されている。
特開平９－２１９２９号公報
　しかしながら、従来技術では、光半導体モジュールとしての機能は有するものの、スペーサ１－８等により部品点数が増加してしまい、より低コストが求められる光半導体モジュールの普及が妨げられている。さらには、上基板１－１、スペーサ１－８、および光半導体１－４といった他材料同士を多段に接合することにより、熱膨張係数の差が発生し、内部応力が蓄積するため、長期に渡る信頼性、対衝撃および振動においての課題も有している。
　本発明では、上記従来の課題を解決するものであり、低コストおよび高信頼性を有する光半導体モジュールを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明の光半導体モジュールは、熱電変換素子と、前記熱電変換素子の上側に接合された第１の基板と、前記熱電変換素子の下側に接合された第２の基板と、前記第１の基板の上方に搭載された光半導体素子と、を備え、前記第１の基板の上面に金属層が形成され、前記金属層の上面と前記光半導体素子とが直接接続されている。
　また、本発明の光半導体モジュールは、熱電変換素子と、前記熱電変換素子の上側に接合された第１の基板と、前記熱電変換素子の下側に接合された第２の基板と、前記第１の基板の上方に搭載された光半導体素子と、を備え、前記第１の基板の上面に金属層が形成され、前記金属層の上面と前記光半導体素子とが接続部材により接続されている。
　また、前記接続部材は半田であってもよい。
　また、前記金属層の上面は、前記光半導体素子の下面と直接接触している第１の領域および前記下面と直接接触していない第２の領域からなっていてもよい。
　また、前記接続部材は前記第２の領域に形成されていてもよい。
　また、前記金属層の厚みは、前記光半導体素子の厚みよりも小さくてもよい。
　また、前記熱電変換素子は、柱状の熱電部材と、前記熱電部材の周囲に形成された絶縁体と、からなっていてもよい。
　また、前記熱電部材の端面は前記絶縁体の端面よりも内側に窪んでおり、前記絶縁体の端面は前記第１の基板および前記第２の基板と直接接続していてもよい。
　また、前記絶縁体は、ガラスを含む材料からなっていてもよい。
　また、前記光半導体素子の下方に前記熱電変換素子が配置されていてもよい。
　また、前記第１の基板の上面に温度検出用のサーミスタが搭載され、前記サーミスタの下方に前記熱電変換素子が配置されていてもよい。
　また、前記光半導体素子の出力確認用のフォトダイオードが前記第１の基板の上面に搭載され、前記フォトダイオードの下方に前記熱電変換素子が配置されていてもよい。
　また、前記第１の基板の上方に搭載されたレンズホルダーと、前記レンズホルダーに保持されたレンズと、を備え、前記第１の基板の上面から前記光半導体素子の光発光部までの距離と、前記第１の基板の上面から前記レンズの、前記第１の基板の上面に平行な断面で最大厚みの位置までの距離とが等しくてもよい。
　また、前記レンズホルダーの下方に前記熱電変換素子が配置されていてもよい。
　また、上記記載の前記第２の基板が搭載されたパッケージの底部全面の厚みは均一であってもよい。
　また、前記パッケージの底面の厚みは、前記パッケージの側面の厚みと同等または大きくてもよい。
　また、上記記載の前記第２の基板が搭載されたパッケージの底面は、第１の厚みの第１の領域と、第１の厚みよりも厚みが大きい第２の厚みの第２の領域とからなり、前記光半導体素子は前記第２の領域の上方に搭載されていてもよい。
　本発明の光半導体モジュールによれば、低コストおよび高信頼性を有する光半導体モジュールを提供できる。
図１は、本発明における光半導体モジュールの断面図である。 図２は、本発明における上基板の拡大断面図である。 図３は、本発明における下基板の拡大断面図である。 図４は、本発明における熱電変換素子の一例の断面図である。 図５は、本発明におけるペルチェモジュール上面図である。 図６は、一般的な光半導体モジュールの断面図である。
　以下、本実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　本実施の形態に係る光半導体モジュールの断面図の一例を図１に示す。本実施の形態に係る光半導体モジュールでは、光半導体１－４、ペルチェモジュール１－Ｂ、レンズ１－５、フォトダイオード１－６、およびサーミスタ１－７が、パッケージ底面１－１０上に形成されている。また、これらは、光半導体１－４からの光を取り出すための開口部を持ったパッケージ上・側面１－９とパッケージ底面１－１０とで囲まれた内部空間に配置され、当該内部空間は、ネオンガス、ヘリウムガス、または窒素ガスなどの不活性ガスで満たされた上で封止されている。なお、上記内部空間は、温度変化による結露、その他、構成部材の酸化が懸念されるため、不活性ガスかつドライガスが望ましいが、そのガス種は限定しない。
　また、ペルチェモジュール１－Ｂは、複数の熱電素子１－２からなり、熱電素子１－２のうち、ｐ型特性を有するものと、ｎ型特性を有するものとがある。熱電素子１－２は、図２および図３に示すように、上基板１－１に形成された接合用金属層２－２および下基板１－３に形成された接合用金属層３－２と、例えば融点が約３００℃のＡｕ－Ｓｎ半田、または、ＳｎＡｇＣｕ半田により、直列に電気的に接続される。この構造は一般にパイ型構造と呼ばれている。
　なお、ペルチェモジュール１－Ｂの大きさは、必要吸熱量や光半導体モジュールのサイズにより決まるため限定されないが、必要吸熱量の関係から２ｍｍ角以上より大きく、一般的な光半導体モジュールのサイズから１０ｍｍ角以下であることが望ましい。
　また、上基板１－１および下基板１－２の拡大断面図を図２、３に示す。上基板１－１および下基板１－２の材質としては、セラミック系材料がよく、中でも信頼性、熱伝導、コストの面からアルミナまたはチッ化アルミ、チッ化ケイ素を用いることが望ましい。
　なお、上基板１－１および下基板１－２の厚みとしては、１００μｍ～１０００μｍ程度が望ましい。特に、１００μｍ以下では強度が十分でなく、使用中に割れやカケが発生してしまう。また、厚みが１０００μｍより大きい場合には、熱電素子１－２への伝熱が十分でない恐れがあるためである。
　また、上基板１－１には、その上部に形成される光半導体１－４、フォトダイオード１－６、およびサーミスタ１－７などを、例えば融点が約２６０℃のＳｎＡｇＣｕ半田等を用いて接着させるため、金属層２－１が形成されている。金属層２－１は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉなどの単層または複数層が、めっき法や蒸着法を用いて形成されたものである。なお、これらの層構成や材質、形成方法については、単に上記光半導体１－４、フォトダイオード１－６、およびサーミスタ１－７などとの接着と熱的なやり取りを行うためだけなので限定されない。なお、金属層２－１と、光半導体１－４、フォトダイオード１－６、およびサーミスタ１－７との接着剤としては、上記半田のほか、放熱グリスであってもよい。
　一方で、金属層２－１は、基板材質であるセラミック材質との膨張係数の差が大きいため、セラミック材質の厚みより薄いことが望ましい。
　また、上基板１－１の下部に形成される熱電変換素子との接合用金属層２－２としては、ＣｕやＡｌ、Ｎｉなどの単層または複数層が、めっき法や蒸着法を用いて形成されたものである。なお、これらの層構成や材質、形成方法については限定されない。ただし、熱電素子１－２と接合され電気的な特性として、低抵抗が望まれる。このため、好適としては低抵抗のＣｕ上に保護膜としてＮｉ、さらには接合のためのＡｕをめっき法で形成することが望ましい。
　同様に、下基板１－３は、その下部とパッケージ底面１－１０とが半田等を用いて接着されるため、金属層３－１が形成される。なお、上基板１－１の金属膜２－１と同じく、金属層３－１は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉなどの単層または複数層が、めっき法や蒸着法を用いて形成されたものである。なお、これらの層構成や材質、形成方法については、単にパッケージ底面との熱的なやり取りを行うためだけに限定されない。
　上基板１－１と同じく、下基板１－３にも熱電変換素子との接合用金属層３－２が形成される。接合用金属層３－２は、上基板１－１の熱電変換素子との接合用金属層２－２と役割が同等であり、電気的な特性として低抵抗が望まれる。このため、好適としては低抵抗のＣｕ上に保護膜としてＮｉ、さらには接合のためのＡｕをめっき法で形成することが望ましい。
　また、ペルチェモジュール１－Ｂに用いられる熱電素子１－２の形状については、特に角柱状や円柱状などの形状に限定されない。上基板１－１上に光半導体１－４を実装する際に、熱電素子１－２に大きな力がかかる恐れがある。このため、円柱状の場合には、角柱状と異なり角部がなく、角部での応力の集中を避けることができ、脆いとされる熱電部材４－１の破損を防ぐことが可能になる。これにより、熱電素子１－２の形状としては円柱状が望ましい。また、熱電素子１－２の幅または直径Ｓ、および高さＬについては、各モジュールの電気的性能および使用上の大きさの制限に応じて設計される項目なため、限定されない。ただし、本実施の形態に係る光半導体モジュールに用いられるペルチェモジュール１－Ｂは、熱電素子の幅または直径Ｓが０．１ｍｍ～１ｍｍであることが望ましい。また、熱電素子１－２の幅または直径Ｓに対する高さＬを示すアスペクト比は１～３であり、望ましくは１～２である。また、熱電素子１－２の高さは、０．４ｍｍ～２．０ｍｍであることが望ましい。
　また、熱電素子１－２の構成として、図４に示すとおり、熱電部材４－１の周りに、絶縁体４－２が形成されていることが望ましい。
　絶縁体４－２が存在することにより、脆い熱電部材４－１を保護することができ、熱電素子１－２のアスペクト比が１以上であることを実現できる。絶縁体４－２の材質としては、絶縁体材料であればよく、特にセラミックやガラスなどの無機材料やエポキシを代表とする高分子材料などに限定されるものではない。ただし、強度および信頼性の観点から、石英ガラス、耐熱ガラス（ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を混合したホウケイ酸ガラスの一種で、膨張係数３×１０－６／Ｋ程度の材料）やコーニング社製パイレックス（登録商標）などを用いるのが望ましい。
　絶縁体１－２の厚みとしては、特に限定されないが、熱電変換モジュールにおいて、絶縁体１－２が存在すると特性に悪影響を与えるため、出来る限り薄いほうが望ましい。一方で、機械的強度が必要なため、０．０１ｍｍ～０．１ｍｍ以内が望ましい。さらには、０．０１５ｍｍ～０．０５ｍｍであることが望ましい。
　また、図４に示すとおり、熱電部材４－１は、絶縁体４－２から内側に窪んでいることが望ましい。熱電部材４－１が絶縁体４－２よりも凸であった場合、熱電部材４－１非常に脆い材質のため、光半導体素子１－４などを実装した際に、ワレカケを発生してしまう。このため、上基板１－１の平面度が大きく悪化し、結果的に光半導体素子１－４から発生した光軸がずれてしまい、光通信モジュールの品質を損なうこととなる。
　また、熱電素子１－２は、上基板１－１、下基板１－２と半田を通じて接合されるため、窪み量Ａとしては、２０μｍ以下であることが望ましい。それ以上窪んでいる場合、半田を硬化させると半田が十分に窪みに侵入することが出来ず、結果的に半田ボイドができ信頼性を大きく損なうためである。
　また、熱電部材４－１上には、接合膜が形成される。接合膜は、熱電部材４－１として用いられるＢｉＴｅ系材料と上基板１－１および下基板１－３との接合で使用されるはんだ材料との反応を防ぐバリア膜としての機能を有する。この観点から、接合膜は、はんだ材料との接合に問題がなければ、特に元素種類を限定したものではなく単体金属や合金でもよい。
　ただし、接合膜は、複数の層からなることが望ましい。接合膜の熱電部材１－２と接する側には、金属種類としてバリア性に優れたＮｉを主成分とした金属膜が望ましい。さらに、Ｎｉ層を形成したのちに、Ｎｉの酸化を防ぐ必要がある。このため、熱電部材１－２と、接合用金属層２－２および３－２との接合には、一般にＡｕ－ＳｎはんだやＳｎ－Ａｇ－Ｃｕはんだが使用されることから、Ｎｉ層上にはＡｕ層が形成されることが望ましい。これらの金属膜は、めっき法で形成されることがコストの面からも望ましいが、特にバリア性と接合性に問題がなければ、スパッタ法や溶射法などで形成されてもよく、形成方法については特に限定されない。
　ただし、Ｎｉの膜厚としては、１μｍ～２０μｍ程度が望ましい。１μｍ以下であるとバリア性が十分でなく、信頼性上問題がある。一方で、Ｎｉの膜厚が２０μｍ以上であると、Ｎｉ層は応力が大きいため、膜剥がれの恐れがある。よって、Ｎｉの膜厚は２０μｍ以下であることが望ましい。
　ペルチェモジュール１－Ｂは、上記のように構成される。ペルチェモジュール１－Ｂは、パッケージ底面１－１０に半田を用いて接着される。なお、パッケージ底面１－１０はペルチェモジュール１－Ｂからの放熱のため、ＣｕＭｏや，ＣｕＷ、コバールといった金属材質が望ましいが、その材料は限定されない。
　パッケージ底面１－１０とペルチェモジュール１－Ｂとを接着した後、ペルチェモジュール１－Ｂの上基板１－１上に、光半導体モジュールとして必要な光半導体１－４、サーミスタ１－７、フォトダイオード１－６、レンズおよびレンズホルダー１－５が形成される。
　なお、これらすべての部材が上基板１－１上にあることが望ましいが、必ずしも上基板１－１上にある必要はなく、光半導体１－４以外については、スペースの問題等で上基板１－１上に形成されない場合には、別の場所に形成しても問題はない。
　一方で、特に熱電素子１－２に対して同等サイズの光半導体１－４、サーミスタ１－７、およびフォトダイオード１－６については、図５に示すように、その下方に熱電素子１－２が存在することが望ましい。熱電素子１－２の中心に合わせて光半導体１－４、サーミスタ１－７、およびフォトダイオード１－６が実装されることにより、熱電素子１－２全体でそれら実装時の圧力を受けることが可能となる。これにより、熱電素子１－２のアスペクト比を最大限まで大きくすることが可能になる。
　一方で、光半導体１－４、サーミスタ１－７、およびフォトダイオード１－６の実装箇所が熱電素子１－２の中心から外れることにより熱電素子１－２の破壊等が発生する懸念があり、品質的に大きな問題が発生する。
　なお、光半導体１－４は、その用途により発するレーザー光の出力および波長は異なるため、特に材質・構成は限定されない。また、光半導体１－４の出力のモニタリングを行う、フォトダイオード１－６、内部温度を測定するためのサーミスタ１－７、光半導体素子からのレーザー光を集光させるレンズは、光半導体１－４により材質および構成が変わるので、特に限定されない。
　ペルチェモジュール１－Ｂ上に、光半導体１－４、サーミスタ１－７、フォトダイオード１－６、レンズおよびレンズホルダー１－５を形成した後、パッケージ上・側面１－９で封着する。なおパッケージ上・側面１－９の材質としては、コバールなどの金属材料やアルミナなどのセラミック材料を用いるのが望ましいが、封着性が確保できれば、材質を限定したものではない。また信頼性の面から、封着は銀ロウ溶接や抵抗溶接により行うことが望ましいが、封着性が確保できればその方法は限定されない。
　これらの構成により、低コスト・高信頼性を有する光半導体モジュールを実現できるようになる。
　（まとめ）
　上記実施の形態に係る光半導体モジュールは、熱電素子１－２と、熱電変換素子１－２の上側に接合された上基板１－１と、熱電変換素子１－２の下側に接合された下基板１－３と、上基板１－２の上方に搭載された光半導体１－４とを備え、上基板１－１の上面に金属層２－１が形成され、金属層２－１の上面と光半導体１－４とが直接接続されている。
　また、上記実施の形態に係る光半導体モジュールは、熱電素子１－２と、熱電変換素子１－２の上側に接合された上基板１－１と、熱電変換素子１－２の下側に接合された下基板１－３と、上基板１－２の上方に搭載された光半導体１－４とを備え、上基板１－１の上面に金属層２－１が形成され、金属層２－１の上面と光半導体１－４とが接続部材により接続されている。
　また、接続部材は半田であってもよい。
　また、金属層２－１の上面は、光半導体１－４の下面と直接接触している第１の領域および光半導体１－４の下面と直接接触していない第２の領域からなっていてもよい。
　また、接続部材は第２の領域に形成されていてもよい。
　また、金属層２－１の厚みは、光半導体１－４の厚みよりも小さくてもよい。
　また、熱電素１－２子は、柱状の熱電部材４－１と、熱電部材４－１の周囲に形成された絶縁体４－２と、からなっていてもよい。
　また、熱電部材４－１の端面は絶縁体４－２の端面よりも内側に窪んでおり、絶縁体４－２の端面は上基板１－１および下基板１－３と直接接続していてもよい。
　また、絶縁体４－２は、ガラスを含む材料からなっていてもよい。
　また、光半導体４－１の下方に熱電素子１－２が配置されていてもよい。
　また、上基板１－１の上面に温度検出用のサーミスタ１－７が搭載され、サーミスタ１－７の下方に熱電素子１－２が配置されていてもよい。
　また、光半導体１－４の出力確認用のフォトダイオード１－６が上基板１－１の上面に搭載され、フォトダイオード１－６の下方に熱電素子１－２が配置されていてもよい。
　また、上基板１－１の上方に搭載されたレンズホルダーと、レンズホルダーに保持されたレンズと、を備え、上基板１－１の上面から光半導体１－４の光発光部までの距離と、上基板１－１の上面からレンズの、上基板１－１の上面に平行な断面で最大厚みの位置までの距離とが等しくてもよい。
　また、レンズホルダーの下方に熱電素子１－２が配置されていてもよい。
　また、上記記載の下基板１－３が搭載されたパッケージの底部全面の厚みは均一であってもよい。
　また、パッケージの底面の厚みは、パッケージの側面の厚みと同等または大きくてもよい。
　また、上記記載の下基板１－３が搭載されたパッケージの底面は、第１の厚みの第１の領域と、第１の厚みよりも厚みが大きい第２の厚みの第２の領域とからなり、光半導体１－４は第２の領域の上方に搭載されていてもよい。
　以上のように、部品点数を減らし、低コストおよび高信頼性の光半導体モジュールを提供できる。
　１－Ａ　　従来技術のペルチェモジュール
　１－Ｂ　　本願発明のペルチェモジュール
　１－１　　上基板
　１－２　　熱電素子
　１－３　　下基板
　１－４　　光半導体
　１－５　　レンズおよびレンズホルダー
　１－６　　ＰＤ（フォトダイオード）
　１－７　　サーミスタ
　１－８　　スペーサ
　１－９　　パッケージ上・側面
　１－１０　　パッケージ底面
　２－１、３－１　　金属層
　２－２、３－２　　接合用金属層
　４－１　　熱電部材
　４－２　　絶縁体

Claims (17)

  1. 　熱電変換素子と、
    　前記熱電変換素子の上側に接合された第１の基板と、
    　前記熱電変換素子の下側に接合された第２の基板と、
    　前記第１の基板の上方に搭載された光半導体素子と、を備え、
    　前記第１の基板の上面に金属層が形成され、
    　前記金属層の上面と前記光半導体素子とが直接接続されている、
    　光半導体モジュール。
  2. 　熱電変換素子と、
    　前記熱電変換素子の上側に接合された第１の基板と、
    　前記熱電変換素子の下側に接合された第２の基板と、
    　前記第１の基板の上方に搭載された光半導体素子と、を備え、
    　前記第１の基板の上面に金属層が形成され、
    　前記金属層の上面と前記光半導体素子とが接続部材により接続されている、
    　光半導体モジュール。
  3. 　前記接続部材は半田である、
    　請求項２に記載の光半導体モジュール。
  4. 　前記金属層の上面は、前記光半導体素子の下面と直接接触している第１の領域および前記下面と直接接触していない第２の領域からなる、
    　請求項２に記載の光半導体モジュール。
  5. 　前記接続部材は前記第２の領域に形成されている、
    　請求項４に記載の光半導体モジュール。
  6. 　前記金属層の厚みは、前記光半導体素子の厚みよりも小さい、
    　請求項１または２に記載の光半導体モジュール。
  7. 　前記熱電変換素子は、
    　柱状の熱電部材と、
    　前記熱電部材の周囲に形成された絶縁体と、からなる
    　請求項１または２に記載の光半導体モジュール。
  8. 　前記熱電部材の端面は前記絶縁体の端面よりも内側に窪んでおり、前記絶縁体の端面は前記第１の基板および前記第２の基板と直接接続している、
    　請求項７に記載の光半導体モジュール。
  9. 　前記絶縁体は、ガラスを含む材料からなる、
    　請求項７に記載の光半導体モジュール。
  10. 　前記光半導体素子の下方に前記熱電変換素子が配置されている、
    　請求項７に記載の光半導体モジュール。
  11. 　前記第１の基板の上面に温度検出用のサーミスタが搭載され、前記サーミスタの下方に前記熱電変換素子が配置されている、
    　請求項７に記載の光半導体モジュール。
  12. 　前記光半導体素子の出力確認用のフォトダイオードが前記第１の基板の上面に搭載され、前記フォトダイオードの下方に前記熱電変換素子が配置されている、
    　請求項７に記載の光半導体モジュール。
  13. 　前記第１の基板の上方に搭載されたレンズホルダーと、
    　前記レンズホルダーに保持されたレンズと、を備え、
    　前記第１の基板の上面から前記光半導体素子の光発光部までの距離と、前記第１の基板の上面から前記レンズの、前記第１の基板の上面に平行な断面で最大厚みの位置までの距離とが等しい、
    　請求項１、２および７のいずれか１項に記載の光半導体モジュール。
  14. 　前記レンズホルダーの下方に前記熱電変換素子が配置されている、
    　請求項１３に記載の光半導体モジュール。
  15. 　請求項１または２に記載の前記第２の基板が搭載されたパッケージの底部全面の厚みは均一である、
    　光半導体モジュール。
  16. 　前記パッケージの底面の厚みは、前記パッケージの側面の厚みと同等または大きい、
    　請求項１５に記載の光半導体モジュール。
  17. 　請求項１または２に記載の前記第２の基板が搭載されたパッケージの底面は、第１の厚みの第１の領域と、第１の厚みよりも厚みが大きい第２の厚みの第２の領域とからなり、前記光半導体素子は前記第２の領域の上方に搭載されている、
    　光半導体モジュール。
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