(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱側絶縁基板と吸熱側絶縁基板で熱電素子を挟持し鉛フリーの第１半田材料で接合する第１工程と、前記放熱側絶縁基板にリード線を鉛フリーの第２半田材料で接続する第２工程と、前記放熱側絶縁基板をパッケージに鉛フリーの第３半田材料で接合する第３工程と、前記吸熱側基板に半導体素子のチップキャリアを鉛フリーの第４半田材料で接合する第４工程と、前記リード線を前記パッケージに設けられた端子に第２半田材料より８０℃以上低い融点の鉛フリーの第５半田材料で接合する第５工程が設けられ、該第５工程を前記第１〜５工程の最終工程で行うことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記第１半田材料および前記第２半田材料の融点が２３０℃以上であり、前記第３半田材料の融点が１９０〜２２５℃であり、前記第４半田材料および前記第５半田材料の融点が１５０℃以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項３】
前記第１半田材料および前記第２半田材料がＳｎ−Ｓｂ系半田、前記第３半田材料がＳｎ−Ｚｎ系半田、Ｓｎ−Ａｇ系半田、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系半田のいずれかであり、前記第４半田材料および前記第５半田材料がＳｎ−Ｂｉ系半田であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項４】
前記第５半田材料の成分がＳｎ／Ｂｉ＝４２／５８（重量比）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体モジュールの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子は、自らの発熱により温度が高くなると動作が不安定になり、最悪の場合は劣化する恐れがある。例えば、レーザーダイオード（以下、ＬＤと称する。）は、温度の上昇により発振出力・効率の低下や閾値電流の増加が生じ、同じ出力を維持するために、より大きな電流が必要となり、さらに温度の上昇を助長し劣化を促進する問題があった。また、温度上昇により発信波長やスペクトル分布が変化するなどの問題点もあった。ＬＤは光通信の光源として不可欠なものである。光通信は同軸ケーブルに比べて大容量で高速な通信が可能であり、通信時代の現代に重要な役割を果たしており、その安定な動作を保証することが求められていた。
【０００３】
そのために、従来技術として、「熱電半導体とその応用」（発行所：日刊工業新聞社、発行日：昭和６３年１２月２０日、６４〜６５頁）には、ＬＤを熱電半導体で冷却しているＬＤモジュールが開示されている。
【０００４】
図８は従来のＬＤモジュールの断面説明図である。サーモモジュール４０は、熱電素子４１を放熱側絶縁基板４２と吸熱側絶縁基板４３で挟持し、熱電素子４１と放熱側絶縁基板４２および熱電素子４１と吸熱側絶縁基板４３を半田層４５で接合して形成されている。放熱側絶縁基板４２、吸熱側絶縁基板４３には図示しない電極が設けられ、熱電素子４１は、良く知られているようにＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が交互に電気的に接続されるように構成されている。放熱側絶縁基板４２には一対のリード線５２の一端が半田部４８により接続されている。サーモモジュール４０の放熱側絶縁基板４２は、パッケージ４６に半田層４７により接合されている。サーモモジュール４０の吸熱側絶縁基板４３には、チップキャリア４９が半田層５１により接合されている。リード線５２の他端は、パッケージ４６に設けられた端子４４に半田部５３により接続されている。
【０００５】
チップキャリア４９上にはＬＤ５０が設けられ、ＬＤ５０のレーザー光６０放射側にボールレンズホルダ５４で保持されたボールレンズ５５が設けられている。パッケージ４６のレーザー光６０放射側の端面側には光ファイバホルダ５６で保持された光ファイバ５７が設けられ、光ファイバ５７の光入射側の端部付近にロッドレンズ５８が設けられている。
【０００６】
ＬＤ５０は、図示しないリード線を介してＬＤ５０用の端子に接続されており、それを介して電流が供給されると、ＬＤ５０からレーザー光６０が放出される。レーザー光６０はボールレンズ５５、ロッドレンズ５８を介して光ファイバ５７に入射される。これにより光通信に利用される。端子４４、リード線５２を介して外部からサーモモジュール４０に電流が流れると、吸熱側絶縁基板４３から放熱側絶縁基板４２に熱が移動し、チップキャリア４９が冷却される。図示しない制御部によりサーモモジュール４０に通電する電流を制御することによりチップキャリア４９の温度を一定に制御する。これによりＬＤ５０の温度も一定となり、安定動作が保証される。
【０００７】
従来技術では、半田層４５および半田部４８の半田材料としてＳｎ／Ｓｂ＝９５／５（重量比）（融点約２３５℃）を使用し、半田層４７および半田部５３の半田材料としてＳｎ／Ｐｂ＝６３／３７（重量比）（融点約１８３℃）を使用し、半田層５１の半田材料としてＳｎ／Ｂｉ＝４２／５８（重量比）（融点約１３８℃）を使用していた。また製造工程としては、熱電素子４１と放熱側絶縁基板４２および吸熱側絶縁基板４３の接合をし、放熱側絶縁基板４２にリード線５２を接続してサーモモジュール４０を製造していた。そこ後、サーモモジュール４０をパッケージ４６に接合し、リード線５２を端子４４を接続し、最後にＬＤ５０が設けられた状態のチップキャリア４９をサーモモジュール４０に接合していた。
【０００８】
熱電素子４１と放熱側絶縁基板４２および吸熱側絶縁基板４３の接合は、放熱側絶縁基板４２および吸熱側絶縁基板４３の外側からヒータで加熱し半田層４５の半田材料を溶融して行っていた。放熱側絶縁基板４２へのリード線５２の接続は半田ゴテで半田部４８の半田材料を溶融して行っていた。サーモモジュール４０とパッケージ４６の接合は、パッケージ４６の下面からホットプレートで加熱して半田層４７を溶融しサーモモジュール４０をスクラブして行っていた。この場合、半田層４５、半田部４８も加熱されるが、半田層４５、半田部４８の融点が半田層４７の融点より約５０℃高いので、半田層４５、半田部４８が溶融することはない。
【０００９】
リード線５２の端子４４への接続は、パッケージ４６の下面からホットプレートで加熱して端子４４を加熱しながら半田ゴテで半田部５３の半田材料を溶融して行っていた。この場合は、ホットプレートの温度は半田層４７が溶融しない温度に設定されている。ホットプレートだけの加熱では半田部５３の半田材料は溶融しないが、半田ゴテの加熱により溶融する。
【００１０】
チップキャリア４９とサーモモジュール４０の接合は、パッケージ４６の下面からホットプレートで加熱して半田層５１を溶融しチップキャリア４９をスクラブして行っている。この場合、半田層５１はホットプレートから最も遠方にあり、半田層４５、半田部４８、半田層４７の温度が半田層５１の温度より高くなる。しかし、半田層４５、半田部４８の融点は半田層５１の融点より１００℃近く高く、半田層４７の融点は半田層５１の融点より約５０℃高いので、半田層４５、半田部４８、半田層４７が溶融することはない。このように、従来技術では半田材料の融点差を利用して製造されていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術は、半田層４７および半田部５３の半田材料としてＳｎ−Ｐｂ系半田が使用されており、環境問題から鉛フリー化が要望され、問題となっていた。Ｓｎ−Ｐｂ系半田の代用としてＳｎ−Ａｇ系半田（融点約２２１℃）、Ｓｎ−Ｚｎ系半田（融点約１９９℃）の使用が検討されているが、いずれもＳｎ−Ｐｂ系半田と比較すると融点が高く、半田部４８との融点差が小さいため、リード線５２と端子４４の接続の際に、半田部４８が軟化したり溶融したりしてリード線５２とサーモモジュール４０の接続部が破壊されてしまう問題点があった。
【００１２】
本発明は上記課題を解決したもので、鉛フリー半田を使用しても、リード線とサーモモジュールの接続部が破壊されることなく製造できる半導体モジュールの製造方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、放熱側絶縁基板と吸熱側絶縁基板で熱電素子を挟持し鉛フリーの第１半田材料で接合する第１工程と、前記放熱側絶縁基板にリード線を鉛フリーの第２半田材料で接続する第２工程ロッドレンズ１８と、前記放熱側絶縁基板をパッケージに鉛フリーの第３半田材料で接合する第３工程と、前記吸熱側基板に半導体素子のチップキャリアを鉛フリーの第４半田材料で接合する第４工程と、前記リード線を前記パッケージに設けられた端子に第２半田材料より８０℃以上低い融点の鉛フリーの第５半田材料で接合する第５工程が設けられ、該第５工程を前記第１〜５工程の最終工程で行うことを特徴とする半導体モジュールの製造方法である。
【００１４】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１５】
すなわち、第５半田材料は第２半田材料より８０℃以上低い融点であり、かつリード線と端子の接続を第１〜５工程の最後に行っているので、放熱側絶縁基板とリード線の接続部にかかる熱が押さえられ、放熱側絶縁基板とリード線の接続部が破壊されることなく製造できる。
【００１６】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記第１半田材料および前記第２半田材料の融点が２３０℃以上であり、前記第３半田材料の融点が１９０〜２２５℃であり、前記第４半田材料および前記第５半田材料の融点が１５０℃以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの製造方法である。
【００１７】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１８】
すなわち、第５半田材料の融点が第３半田材料より４０℃以上低く、かつ第２半田材料の融点が８０℃以上低いので、放熱側絶縁基板とリード線の接続部にかかる熱がより押さえられ、放熱側絶縁基板とリード線の接続部が破壊されることなくより確実に製造できる。
【００１９】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記第１半田材料および前記第２半田材料がＳｎ−Ｓｂ系半田、前記第３半田材料がＳｎ−Ｚｎ系半田であり、Ｓｎ−Ａｇ系半田の少なくとも一方であり、前記第４半田材料および前記第５半田材料がＳｎ−Ｂｉ系半田であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法である。
【００２０】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２１】
すなわち、Ｓｎ−Ｓｂ系半田の融点が２３０℃以上であり、Ｓｎ−Ｚｎ系半田の融点が１９０〜２２５℃であり、Ｓｎ−Ｂｉ系半田の融点が１５０℃以下であるので、放熱側絶縁基板とリード線の接続部が破壊されることなく鉛フリーの半導体モジュールが製造できる。
【００２２】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技術的手段と称する。）は、前記第５半田材料の成分がＳｎ／Ｂｉ＝４２／５８（重量比）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法である。
【００２３】
上記第４の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２４】
すなわち、Ｓｎ／Ｂｉ＝４２／５８の融点が約１３８℃と低いため、放熱側絶縁基板とリード線の接続部が破壊されることなく鉛フリーの半導体モジュールが製造できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施例のＬＤモジュールの断面説明図である。その構造は従来技術とほぼ同じである。ＬＤモジュールは、サーモモジュール１００、ＬＤチップセット２００、パッケージ６などから構成されている。
【００２６】
サーモモジュール１００は、熱電素子１を放熱側絶縁基板２と吸熱側絶縁基板３で挟持し、熱電素子１と放熱側絶縁基板２および熱電素子１と吸熱側絶縁基板３を半田層５で接合して形成されている。放熱側絶縁基板２、吸熱側絶縁基板３には図示しない電極が設けられ、熱電素子１は、良く知られているようにＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が交互に電気的に接続されるように構成されている。放熱側絶縁基板２には一対のリード線１２の一端が半田部８により接続されている。
【００２７】
ＬＤチップセット２００は、チップキャリア９上にはＬＤ１０が設けられ、ＬＤ１０のレーザー光２０放射側にボールレンズ１５を保持するボールレンズホルダ１４が設けられている。パッケージ６は、サーモモジュール１００とＬＤチップセット２００を内包するケースで、光ファイバ１７を保持する光ファイバホルダ１６がレーザー光２０放射側の端面側に設けられ、光ファイバ１７の光入射側の端部付近にロッドレンズ１８が設けられている。パッケージ６の一側面にはリード線１２を接続する端子４が設けられている。また図示しないＬＤ１０のリード線を接続する端子も同じ側面に設けられている。これらの端子は、パッケージ６の外部の電気線に連結できるようになっている。
【００２８】
サーモモジュール１００の放熱側絶縁基板２は、パッケージ６の底面に半田層７により接合されている。サーモモジュール１００の吸熱側絶縁基板３には、ＬＤチップセット２００のチップキャリア９が半田層１１により接合されている。リード線１２の他端は、パッケージ６に設けられた端子４に半田部１３により接続されている。
【００２９】
ＬＤ１０は、図示しないリード線を介してＬＤ１０用の端子に接続されており、それを介して電流が供給されると、ＬＤ１０からレーザー光２０が放出される。レーザー光２０はボールレンズ１５、ロッドレンズ１８を介して光ファイバ１７に入射される。これにより光通信に利用される。端子４、リード線１２を介して外部からサーモモジュール１００に電流が流れると、吸熱側絶縁基板３から放熱側絶縁基板２に熱が移動し、チップキャリア９が冷却される。図示しない制御部によりサーモモジュール１００に通電する電流を制御することによりチップキャリア９の温度を一定に制御する。これによりＬＤ１０の温度も一定となり、安定動作が保証される。
【００３０】
次にＬＤモジュールの製造方法について、図２〜７に基づいて説明する。図２は熱電素子と放熱側絶縁基板および熱電素子と吸熱側絶縁基板を接合する方法を説明する説明図、図３は放熱側絶縁基板にリード線を接続する方法を説明する説明図、図４はサーモモジュールをパッケージに接合する方法を説明する説明図、図５はＬＤチップセットをサーモモジュールに接合する方法を説明する説明図、図６はリード線を端子に接続する方法を説明する説明図、図７はパッケージを完成させた状態の説明図である。
【００３１】
放熱側絶縁基板２、吸熱側絶縁基板３のそれぞれに、電極位置に合わせて第１半田材料をスクリーン印刷で塗布する。第１半田材料には、Ｓｎ／Ｓｂ＝９５／５（重量比）（固相線２３２℃、液相線２４０℃、融点約２３５℃）を使用している。熱電素子１を第１半田材料の位置すなわち電極の位置の所定位置に合わせて放熱側絶縁基板２と吸熱側絶縁基板３の間に挟持し、放熱側絶縁基板２と吸熱側絶縁基板３の外部からヒータ２１、２２で加熱しながら所定時間挟持する。ヒータ２１、２２の温度プロファイルはピークで２８０℃に設定されており、第１半田材料が溶融する。ヒータ２１、２２が冷却すると、第１半田材料が固化し半田層５が形成され、熱電素子１と放熱側絶縁基板２および熱電素子１と吸熱側絶縁基板３が接合される。（第１工程、図２）
次に、第２半田材料を使用してリード線１２を半田ゴテ２３により接続する。第２半田材料には第１半田材料と同じＳｎ／Ｓｂ＝９５／５（重量比）を使用している。半田ゴテ２３の温度は約３００℃に設定されている。リード線１２は、直径０．２〜０．３ｍｍ、長さ５０ｍｍのＳｎメッキ軟銅線を使用している。第２半田材料が固化すると半田部８が形成される。こうしてサーモモジュール１００が形成される。（第２工程、図３）
この後、サーモモジュール１００の放熱側絶縁基板２の外表面（パッケージ６に接合する側）に第３半田材料を塗布し、またサーモモジュール１００の吸熱側絶縁基板３の外表面（チップキャリア９に接合する側）に第４半田材料を塗布する。
【００３２】
次に、上部の蓋部を取ったパッケージ６の底面に第３半田材料を塗布する。このパッケージ６をホットプレート２４上に置いて加熱する。サーモモジュール１００の放熱側絶縁基板２側を下にしてパッケージ６の底面に当接させる。ホットプレート２４の加熱により第３半田材料が溶融し、その状態で適当な治具を用いてサーモモジュール１００をスクラブし、その後、ホットプレート２４からパッケージ６をおろして冷却する。第３半田材料は冷却されて半田層７を形成する。（第３工程、図４）第３半田材料としては、表１に示す半田を使用し、それぞれ実施例１〜４とした。
【００３３】
【表１】
0003636128.tif 000002
続いて、ホットプレート２４上にパッケージ６を置いて、サーモモジュール１００の吸熱側絶縁基板３の上に、ＬＤチップセット２００をチップキャリア９が吸熱側絶縁基板３側になるように当接させる。チップキャリア９の当接面には第４半田材料が予め塗布されている。ホットプレート２４の加熱により第４半田材料が溶融し、その状態で適当な治具を用いてＬＤチップセット２００をスクラブし、その後、ホットプレート２４からパッケージ６をおろして冷却する。第４半田材料は冷却されて半田層１１を形成する。（第４工程、図５）第４半田材料としては、Ｓｎ／Ｂｉ＝４２／５８（重量比）（融点約１３８℃）を使用した。
【００３４】
次に、ホットプレート２４上にパッケージ６を置いて加熱しながら、リード線１２を第５半田材料を用いて半田ゴテ２３で端子４に接続する。このときのホットプレート温度は１２０℃、半田ゴテ温度は１８０℃に設定されている。第５半田材料しては、Ｓｎ／Ｂｉ＝４２／５８（融点約１３８℃）を使用した。その後、ホットプレート２４からパッケージ６をおろして冷却すると、第５半田材料が固化して半田部１３が形成される。（第５工程、図６）
この段階で、サーモモジュール１００のリード線１２接続部（半田部８付近）を観察し、破壊されていないかどうか目視で観察した。各実施例について１０個のＬＤモジュールを製造して観察した。そのうち、サーモモジュール１００のリード線１２接続部が破壊されていた個数をＮＧ数として表１に示した。実施例１〜４のいずれにおいてもＮＧ数はゼロであった。
【００３５】
第５工程後、パッケージ６の蓋をするとＬＤモジュールが完成する。（図７）なお、ＬＤ１０のリード線は第４工程後の適当な時期に該当する端子に接続される。
【００３６】
第５半田材料として、実施例のＳｎ／Ｂｉ＝４２／５８の代わりに第３半田材料と同じ表２の材料を使用して比較例１〜４とした。第５工程以外の製造方法は実施例と同じである。比較例１〜４の第５工程においては、ホットプレート２４による予備加熱温度、半田ゴテ温度として表２の条件を使用して製造した。比較例１〜４についても、それぞれ１０個製造し、サーモモジュール１００のリード線１２接続部（半田部８付近）を観察し、破壊されていないかどうか目視で観察した。そのうち、サーモモジュール１００のリード線１２接続部が破壊されていた個数をＮＧ数として表２に示した。すべての比較例でＮＧが生じた。しかも第３半田材料の融点が高いほどＮＧが多くなっている。これは、第５工程における加熱温度を高くせざるをえないため、半田部８が軟化し、リード線１２から加わる応力などにより破壊されたためと考えられる。
【００３７】
【表２】
0003636128.tif 000003
実施例では、第５半田材料は第２半田材料より８０℃以上低い融点であり、かつリード線１２と端子４の接続を第１〜４工程の最後に行っているので、半田部８にかかる熱が押さえられ、サーモモジュール１００のリード線１２接続部が破壊されなかったと考えられる。なお、第３半田材料の融点は第１半田材料の融点より低いため、第３工程で第１半田材料が溶融し、サーモモジュール１００が壊れることはない。第４半田材料の融点は、第１半田材料、第３半田材料より低いため第４工程で第１半田材料、第３半田材料が溶融しサーモモジュール１００が壊れたり、パッケージ６から剥離することはない。こうして、鉛フリーのＬＤモジュールを製造可能にした。
【００３８】
実施例では、第１半田材料として融点２３５℃のＳｎ／Ｓｂ＝９５／５（重量比）を使用したが、融点が２３０℃以上あれば適用できる。たとえば、Ａｕ／Ｓｎ＝８０／２０（重量比）（融点２８０℃）などがある。第３半田材料として表１の材料に限定されず、融点が１９０〜２２５℃の材料なら適用できる。たとえば、Ｓｎ／Ｚｎ／Ｂｉ＝８９．５／７．５／３．０（重量比）（固相線１８９℃、液相線１９９℃）、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｉｎ＝９５．３／３．０／０．７／１．０（重量比）（固相線２１５℃、液相線２１７℃）、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｓｂ＝９５．６５／３．３５／０．７／０．３（重量比）（固相線２１８℃、液相線２２０℃）などがある。また第４半田材料、第５半田材料としてＳｎ／Ｂｉ＝４２／５８（融点約１３８℃）を使用したが、第２半田材料より８０℃以上低い融点の材料なら適用できる。たとえばＩｎ（融点１５６℃）、Ｉｎ／Ｓｎ＝５０／５０（重量比）（融点１１８℃）、Ｉｎ／Ｓｎ＝５２／４８（重量比）（融点１１８℃）、Ｉｎ／Ａｇ＝９７／３（重量比）（融点１４３℃）などがある。第５半田材料としては望ましくは融点が１５０℃以下であるとよい。すなわち、第５半田材料と第３半田材料の融点差が４０℃以上あるとよい。
【００３９】
なお、実施例はＬＤモジュールで説明したが、サーモモジュールで冷却する半導体素子を使用した半導体モジュールなら適用可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、放熱側絶縁基板と吸熱側絶縁基板で熱電素子を挟持し鉛フリーの第１半田材料で接合する第１工程と、前記放熱側絶縁基板にリード線を鉛フリーの第２半田材料で接続する第２工程ロッドレンズ１８と、前記放熱側絶縁基板をパッケージに鉛フリーの第３半田材料で接合する第３工程と、前記吸熱側基板に半導体素子のチップキャリアを鉛フリーの第４半田材料で接合する第４工程と、前記リード線を前記パッケージに設けられた端子に第２半田材料より８０℃以上低い融点の鉛フリーの第５半田材料で接合する第５工程が設けられ、該第５工程を前記第１〜５工程の最終工程で行うことを特徴とする半導体モジュールの製造方法であるので、鉛フリー半田を使用しても、リード線とサーモモジュールの接続部が破壊されることなく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のＬＤモジュールの断面説明図。
【図２】熱電素子と放熱側絶縁基板および熱電素子と吸熱側絶縁基板を接合する方法を説明する説明図。
【図３】放熱側絶縁基板にリード線を接続する方法を説明する説明図。
【図４】サーモモジュールをパッケージに接合する方法を説明する説明図。
【図５】ＬＤチップセットをサーモモジュールに接合する方法を説明する説明図
【図６】リード線を端子に接続する方法を説明する説明図。
【図７】パッケージを完成させた状態の説明図。
【図８】従来のＬＤモジュールの断面説明図。
【符号の説明】
１…熱電素子
２…放熱側絶縁基板
３…吸熱側絶縁基板
４…端子
５、７、１１…半田層
６…パッケージ
８、１３…半田部
９…チップキャリア
１０…ＬＤ（半導体素子）
１２…リード線
１００…サーモモジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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