(57)【要約】少なくとも１つの光部品とそれを収容するパッケージとを有する光モジュールであって、パッケージの内部に、Ａｕを２．０重量％以上２０．０重量％以下それぞれ更に含有する、Ａｇを２．０重量％以上５．０重量％以下含有するＳｎ−Ａｇ系半田、または、Ｚｎを６．０重量％以上１０．０重量％以下含有するＳｎ−Ｚｎ系半田によって形成された接合部を有する光モジュール。
2003081734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光部品と前記少なくとも１つの光部品を収容するパッケージとを有する光モジュールであって、前記パッケージの内部に、Ａｕを２．０重量％以上２０．０重量％以下それぞれ更に含有する、Ａｇを２．０重量％以上５．０重量％以下含有するＳｎ−Ａｇ系半田、または、Ｚｎを６．０重量％以上１０．０重量％以下含有するＳｎ−Ｚｎ系半田によって形成された接合部を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
少なくとも１つの光部品と、前記少なくとも１つの光部品を温度制御するサーモモジュールと、前記少なくとも１つの光部品と前記サーモモジュールとを収容するパッケージとを有する光モジュールであって、前記サーモモジュールと前記パッケージとの間に、Ａｕを２．０重量％以上２０．０重量％以下それぞれ更に含有する、Ａｇを２．０重量％以上５．０重量％以下含有するＳｎ−Ａｇ系半田、または、Ｚｎを６．０重量％以上１０．０重量％以下含有するＳｎ−Ｚｎ系半田によって形成された接合部を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項３】
少なくとも１つの光部品と、前記少なくとも１つの光部品を温度制御するサーモモジュールと、前記少なくとも１つの光部品と前記サーモモジュールとを収容するパッケージとを有する光モジュールであって、前記サーモモジュールと前記少なくとも１つの光部品を搭載するベース基板との間に、Ｂｉを１０重量％以上６０重量％以下含有するＳｎ−ｂｉ系半田によって形成された接合部を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項４】
前記Ｓｎ−Ａｇ系半田に、１．０重量％以上３．０重量％以下のＣｕが含まれていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記Ｓｎ−Ａｇ系半田に、１．０重量％以上１０．０重量％以下のＢｉが更に含まれていることを特徴とする、請求項４に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記Ｓｎ−Ｚｎ系半田に、１．０重量％以上５．０重量％以下のＢｉが含まれていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光モジュール。
【請求項７】
前記少なくとも１つの光部品は、半導体レーザ素子を含むことを特徴とする、請求項１から３の何れか１項に記載の光モジュール。
【請求項８】
前記接合部の厚さは、５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から３の何れか１項に記載の光モジュール。
【請求項９】
前記接合部の厚さが、前記パッケージの光を発光する方向（Ａ１−Ａ２）と平行な方向において、前記半田の厚さの前端部（ａ１）と後端部（ａ２）の差が９０μｍ以下、および／または、前記パッケージの光を発光する方向（Ａ１−Ａ２）と直交する方向（Ｂ１−Ｂ２）において、前記半田の厚さの一方の端部（ｂ１）と他方の端部（ｂ２）の差が９０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から８の何れか１項に記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記接合部は、前記半田中にＡｕが分散したＡｕ拡散部を備えており、前記Ａｕ拡散部は、前記パッケージの前記サーモモジュールとの接合面、および、前記サーモモジュールの前記パッケージとの接合面の少なくとも一方に予め形成された１μｍ以上５μｍ以下の厚さのＡｕメッキ層から拡散して形成されていることを特徴とする、請求項１から９の何れか１項に記載の光モジュール。
【請求項１１】
前記Ｓｎ−Ａｇ系または前記Ｓｎ−Ｚｎ系半田が、前記サーモモジュールと前記パッケージとの前記接合部からはみ出していることを特徴とする、請求項１から１０の何れか１項に記載の光モジュール。
【請求項１２】
少なくとも１つの光部品を温度制御する、一方の面にＡｕ層を備えたサーモモジュール、および、前記少なくとも１つの光部品および前記サーモモジュールを収容する、一方の面に１μｍ以上５μｍ以下の厚さのＡｕ層を備えたパッケージを調製する調製工程と、
前記サーモモジュールの前記Ａｕ層を備えた面および／または前記パッケージの前記Ａｕ層を備えた面を、２．０重量％以上５．０重量％以下の範囲内のＡｇを含有するＳｎ−Ａｇ系半田、または、６．０重量％以上１０．０重量％以下の範囲内のＺｎを含有するＳｎ−Ｚｎ系半田中に、
前記Ａｕ層からＡｕを含有させて接合する半田接合工程とを備えた、光モジュールの組立方法。
【請求項１３】
サーモモジュールの基板とパッケージ底面を接合する半田をＳｎ−Ａｇ合金またはＳｎ−Ｚｎ合金で調製する工程と、
ＬＤチップやレンズ等を搭載したベース基板の底面と前記サーモモジュール上面を接合する半田をＳｎ−Ｂｉ合金で調製する工程と、
前記ベース基板の底面と前記サーモモジュール上面の少なくとも一方のＡｕメッキ層を０．０１μｍ以上１μｍ以下の厚さに調製する調製工程と、
前記ベース基板の底面と前記サーモモジュール上面を接合する半田接合工程とを備えた、光モジュールの組立方法。
【請求項１４】
前記半田接合工程は、Ｓｎ−Ａｇ系半田箔を用いて接合することからなっており、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田箔は、前記サーモモジュールの前記Ａｕメッキ層を備えた面よりも大きく、且つ、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内の厚さを有している、請求項１２に記載の光モジュールの組立方法。
【請求項１５】
前記半田接合工程は、Ｓｎ−Ａｇ系半田箔を用いて接合する前に、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田箔の表面の酸化被膜を除去する前処理工程を更に含んでいる、請求項１４に記載の光モジュールの組立方法。
【請求項１６】
前記半田接合工程は、前記サーモモジュールの前記Ａｕ層を備えた面に、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田または前記Ｓｎ−Ｚｎ系半田予めをコーティングすることによって行う、請求項１２に記載の光モジュールの組立方法。
【請求項１７】
前記半田接合工程は、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田または前記Ｓｎ−Ｚｎ系半田が溶融している時間が５秒以上１２０秒以下となるように加熱する加熱工程を含んでいる、請求項１２から１６の何れか１項に記載の光モジュールの組立方法。
【請求項１８】
前記加熱工程は、前記パッケージの前記Ａｕ層を備えた面と、前記サーモモジュールの前記Ａｕ層を備えた面とを、３．０×１０４Ｐａ以下の荷重で互いに押し付けながら行うことを特徴とする、請求項１７に記載の光モジュールの組立方法。
【請求項１９】
半導体レーザを搭載するキャリア基板、前記キャリア基板を半田接合部（Ａ）を介して搭載するベース基板、前記ベース基板を半田接合部（Ｂ）を介してその上に固定し前記半導体レーザの温度を制御する、半田接合部（Ｃ）によって接合されるペルチェ素子および絶縁基板からなるサーモモジュール、前記サーモモジュールを半田接合部（Ｄ）を介してその上に搭載するパッケージを備え、前記半田接合部（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の半田の融点をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４とするとき、Ｔ１≧Ｔ２、且つ、Ｔ３≧Ｔ４≧Ｔ２である光モジュールであって、前記半田の融点が、Ｔ３≧２４０℃、且つ、２８０℃≧Ｔ４≧１９０℃である光モジュール。
【請求項２０】
前記半田接合部（Ｃ）を形成する半田が８０重量％Ａｕ−２０重量％Ｓｎである請求項１９の光モジュール。
【請求項２１】
前記半田接合部（Ｃ）を形成する半田がＢｉ−Ｓｂ系合金である請求項１９の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光ファイバとの結合効率に優れた光モジュールおよび光モジュールの組立方法に関する。
背景技術
通常、半導体レーザ素子等を有する光モジュール（半導体レーザモジュールという）は、光ファイバ通信、特に幹線系・ＣＡＴＶの信号光源や光ファイバンプの励起光源として用いられている。このような半導体レーザモジュールは、高出力および安定動作を実現するために、通電電流の大きさと向きによって温度コントロールできるサーモモジュール上に搭載された金属基板上に半導体レーザ素子、フォトダイオードチップ、レンズ等の光学部品、サーミスタ素子等を所望の位置に配置固定している。
第８図は、サーモモジュールを内蔵した従来の半導体レーザモジュールを示す図である。第８図に示す様に、半導体レーザモジュール１０１において、パッケージの底板１０２の上に半田接合部１１０を介してサーモモジュール１０３が搭載され、更に、サーモモジュール１０３の上に金属基板（ベース基板）１０５が搭載されている。ベース基板には、キャリア基板１０６、半導体レーザ素子１０７、集光レンズ１０８等が搭載されている。サーモモジュールの基板１０４とパッケージの底板１０２との間、サーモモジュールの基板１０４ａと金属基板１０５との間には、半田接合部１１０、１１１が形成されている。従来、サーモモジュールの基板１０４ａとパッケージの底板１０２との間は、６３重量％Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ合金からなる半田を用いて接合され、半田接合部１１０が形成されている。なお、第１Ｃ図のような、内部にサーモモジュール１０３を有していない構成の半導体レーザモジュール１０１もある。
しかし、従来の光モジュールには、次のような問題点があった。即ち、サーモモジュール１０３とパッケージの底板１０２とを半田接合する際に、半田を溶融しながら荷重をかけるが、この荷重のかけ方が一定でなないために、第８図に示すように、例えば、半田接合部１１０の半田厚さが不均一になっていた。このように半田厚さが不均一になると、光モジュールが使用される環境の温度変化や、光モジュールの製造時に加えられる温度変化によって、半田接合層１１０が変形し、この結果、半田接合層１１０を介して光ファイバ１０９と光結合状態で固定されている光部品（例えば）１０８が位置ずれを起こす結果、１点鎖線で示すように光軸ズレを生じて、光ファイバの結合効率が低下し、光出力が劣化するという問題がある。
また、半田厚さの薄い部分（例えば、１１２で示す部分）では、温度変化の際の被接合部材（第８図では、サーモモジュールの下側の基板１０４ａとパッケージの底板１０２）の熱膨張率差に基づく熱応力により、半田層にクラックが発生し、接合強度の低下と光結合効率の変化を引き起こすという問題がある。更に、国内外の環境への配慮として、鉛を含有しない（鉛フリーともいう）半田を使用することが望まれている。
上述した従来の光モジュールは、特開２０００−３２３７３１号公報、特開２０００−２８００９０号公報、特開平７−１２８５５０号公報、特開平１１−２９５５６０号公報等に開示されている。
発明の開示
この発明の目的は、鉛フリーの半田を使用し、半田部に変形やクラックが発生するのを抑制して、光軸ズレを生じない、光ファイバとの結合効率に優れた光モジュールおよび光モジュールの組立方法を提供することにある。
発明者は、上述した従来の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、サーモモジュールとパッケージの間を、所定のＳｎ−Ａｇ系半田またはＳｎ−Ｚｎ系半田を用いて接合すると、パッケージの表面に形成されたＡｕメッキ層、および、サーモモジュールの底部の表面のＡｕ層から、ＡｕがＳｎ−Ａｇ半田中に拡散して、ほぼ均一な相が形成され、半田部に変形やクラックが発生するのを効果的に抑制することができ、光軸ズレが生じ難いことが判明した。
即ち、サーモモジュールとパッケージ間の接合に使用する半田材として、鉛フリーのＳｎ−Ａｇの合金を選定し、合金成分の金属の配合量を所定の範囲に規定して、半田接合時の圧力、接合面のＡｕメッキ層からのＡｕの拡散量が一定になるように加熱時間を定めると、半田が略均一な高さ、かつ、所望の温度で固体化するので、サーモモジュールの位置がほぼ一定になり、光学部品搭載部材（金属基板）の位置あわせが容易になる。更に、高温、例えば、７０℃になったときの、半田の熱膨張による部材ズレがほぼ一定であるので、光軸ズレ量を従来よりも著しく低減することができ、光出力の低下を抑制することができることが判明した。
この発明は、上述した研究結果に基づいてなされたものであって、この発明の光モジュールの第１の態様は、少なくとも１つの光部品と前記少なくとも１つの光部品を収容するパッケージとを有する光モジュールであって、前記パッケージの内部に、Ａｕを２．０重量％以上２０．０重量％以下それぞれ更に含有する、Ａｇを２．０重量％以上５．０重量％以下含有するＳｎ−Ａｇ系半田、または、Ｚｎを６．０重量％以上１０．０重量％以下含有するＳｎ−Ｚｎ系半田によって形成された接合部を有することを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第２の態様は、少なくとも１つの光部品と、前記少なくとも１つの光部品を温度制御するサーモモジュールと、前記少なくとも１つの光部品と前記サーモモジュールとを収容するパッケージとを有する光モジュールであって、前記サーモモジュールと前記パッケージとの間に、Ａｕを２．０重量％以上２０．０重量％以下それぞれ更に含有する、Ａｇを２．０重量％以上５．０重量％以下含有するＳｎ−Ａｇ系半田、または、Ｚｎを６．０重量％以上１０．０重量％以下含有するＳｎ−Ｚｎ系半田によって形成された接合部を有することを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第３の態様は、少なくとも１つの光部品と、前記少なくとも１つの光部品を温度制御するサーモモジュールと、前記少なくとも１つの光部品と前記サーモモジュールとを収容するパッケージとを有する光モジュールであって、前記サーモモジュールと前記少なくとも１つの光部品を搭載するベース基板との間に、Ｂｉを１０重量％以上６０重量％以下含有するＳｎ−Ｂｉ系半田によって形成された接合部を有することを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第４の態様は、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田に、３重量％以下のＣｕが含まれていることを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第５の態様は、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田に、１．０重量％以上１０．０重量％以下のＢｉが更に含まれていることを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第６の態様は、前記Ｓｎ−Ｚｎ系半田に、１．０重量％以上５．０重量％以下のＢｉが含まれていることを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第７の態様は、前記少なくとも１つの光部品は、半導体レーザ素子を含むことを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第８の態様は、前記接合部の厚さは、５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第９の態様は、前記接合部の厚さが、前記パッケージの光を発光する方向（Ａ１−Ａ２）と平行な方向において、前記半田の厚さの前端部（ａ１）と後端部（ａ２）の差が９０μｍ以下、および／または、前記パッケージの光を発光する方向（Ａ１−Ａ２）と直交する方向（Ｂ１−Ｂ２）において、前記半田の厚さの一方の端部（ｂ１）と他方の端部（ｂ２）の差が９０μｍ以下であることを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第１０の態様は、前記接合部は、前記半田中にＡｕが分散したＡｕ拡散部を備えており、前記Ａｕ拡散部は、前記パッケージの前記サーモモジュールとの接合面、および、前記サーモモジュールの前記パッケージとの接合面の少なくとも一方に予め形成された１μｍ以上５μｍ以下の厚さのＡｕメッキ層から拡散して形成されていることを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第１１の態様は、前記Ｓｎ−Ａｇ系または前記Ｓｎ−Ｚｎ系半田が、前記サーモモジュールと前記パッケージとの前記接合部からはみ出していることを特徴とする光モジュールである。
この発明の光モジュールの第１２の態様は、半導体レーザを搭載するキャリア基板、前記キャリア基板を半田接合部（Ａ）を介して搭載するベース基板、前記ベース基板を半田接合部（Ｂ）を介してその上に固定し前記半導体レーザの温度を制御する、半田接合部（Ｃ）によって接合されるペルチェ素子および絶縁基板からなるサーモモジュール、前記サーモモジュールを半田接合部（Ｄ）を介してその上に搭載するパッケージを備え、前記半田接合部（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の半田の融点をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４とするとき、Ｔ１≧Ｔ２、且つ、Ｔ３≧Ｔ４≧Ｔ２である光モジュールであって、前記半田の融点が、Ｔ３≧２４０℃、且つ、２８０℃≧Ｔ４≧１９０℃である光モジュールである。
この発明の光モジュールの第１３の態様は、前記半田接合部（Ｃ）を形成する半田が８０重量％Ａｕ−２０重量％Ｓｎである光モジュールである。
この発明の光モジュールの第１４の態様は、前記半田接合部（Ｃ）を形成する半田がＢｉ−Ｓｂ系合金である光モジュールである。
この発明の光モジュールの組立方法の第１の態様は、少なくとも１つの光部品を温度制御する、一方の面にＡｕ層を備えたサーモモジュール、および、前記少なくとも１つの光部品および前記サーモモジュールを収容する、一方の面に１μｍ以上５μｍ以下の厚さのＡｕ層を備えたパッケージを調製する調製工程と、
前記サーモモジュールの前記Ａｕ層を備えた面および／または前記パッケージの前記Ａｕ層を備えた面を、２．０重量％以上５．０重量％以下の範囲内のＡｇを含有するＳｎ−Ａｇ系半田、または、６．０重量％以上１０．０重量％以下の範囲内のＺｎを含有するＳｎ−Ｚｎ系半田中に、
前記Ａｕ層からＡｕを含有させて接合する半田接合工程とを備えた、光モジュールの組立方法である。
この発明の光モジュールの組立方法の第２の態様は、サーモモジュールの基板とパッケージ底面を接合する半田をＳｎ−Ａｇ合金またはＳｎ−Ｚｎ合金で調製する工程と、
ＬＤチップやレンズ等を搭載したベース基板の底面と前記サーモモジュール上面を接合する半田をＳｎ−Ｂｉ合金で調製する工程と、
前記ベース基板の底面と前記サーモモジュール上面の少なくとも一方のＡｕメッキ層を０．０１μｍ以上１μｍ以下の厚さに調製する調製工程と、
前記ベース基板の底面と前記サーモモジュール上面を接合する半田接合工程とを備えた、光モジュールの組立方法である。
この発明の光モジュールの組立方法の第３の態様は、前記半田接合工程は、Ｓｎ−Ａｇ系半田箔を用いて接合することからなっており、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田箔は、前記サーモモジュールの前記Ａｕメッキ層を備えた面よりも大きく、且つ、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内の厚さを有している、光モジュールの組立方法である。
この発明の光モジュールの組立方法の第４の態様は、前記半田接合工程は、Ｓｎ−Ａｇ系半田箔を用いて接合する前に、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田箔の表面の酸化被膜を除去する前処理工程を更に含んでいる、光モジュールの組立方法である。
この発明の光モジュールの組立方法の第５の態様は、前記半田接合工程は、前記サーモモジュールの前記Ａｕ層を備えた面に、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田または前記Ｓｎ−Ｚｎ系半田予めをコーティングすることによって行う、光モジュールの組立方法である。
この発明の光モジュールの組立方法の第６の態様は、前記半田接合工程は、前記Ｓｎ−Ａｇ系半田または前記Ｓｎ−Ｚｎ系半田が溶融している時間が５秒以上１２０秒以下となるように加熱する加熱工程を含んでいる、光モジュールの組立方法である。
この発明の光モジュールの組立方法の第７の態様は、前記加熱工程は、前記パッケージの前記Ａｕ層を備えた面と、前記サーモモジュールの前記Ａｕ層を備えた面とを、３．０×１０４Ｐａ以下の荷重で互いに押し付けながら行うことを特徴とする、光モジュールの組立方法である。
発明を実施するための最良の形態
この発明の光モジュールおよび光モジュールの組立方法を図面を参照しながら詳細に説明する。
第１図は、この発明の光モジュールを説明する図である。第１Ａ図は、概略平面図であり、第１Ｂ図は、概略側断面図である。第１Ｃ図は、サーモモジュールを内蔵しない光モジュールの概略側断面図である。第１図に示すように、この発明の光モジュール１において、パッケージの底板２の上に半田接合部１０を介してサーモモジュール３が搭載され、更に、サーモモジュール３の上に金属基板（ベース基板）５が搭載されている。ベース基板には、キャリア基板６、集光レンズ８が搭載されている。更に、キャリア基板６には、レーザダイオード素子７、サーミスタ等が搭載されている。サーモモジュール３は絶縁基板４とペルチェ素子１３からなっており、サーモモジュールの基板４とパッケージの底板２との間、サーモモジュールの基板４と金属基板５との間には、半田接合部１０、１１が形成されている。
この発明の光モジュールの１つの態様は、少なくとも１つの光部品と少なくとも１つの光部品を収容するパッケージとを有する光モジュールであって、パッケージの内部に、Ａｇを２．０重量％以上５．０重量％以下、残部ＳｎからなるＳｎ−Ａｇ系半田、または、Ｚｎを６．０重量％以上１０．０重量％以下、残部ＳｎからなるＳｎ−Ｚｎ系半田によって形成された接合部を有する光モジュールである。
この発明の光モジュールの他の１つの態様は、少なくとも１つの光部品と、少なくとも１つの光部品を温度制御するサーモモジュールと、少なくとも１つの光部品とサーモモジュールとを収容するパッケージとを有する光モジュールであって、サーモモジュールとパッケージとの間に、Ａｇを２．０重量％以上５．０重量％以下、残部ＳｎからなるＳｎ−Ａｇ系半田、または、Ｚｎを６．０重量％以上１０．０重量％以下、残部ＳｎからなるＳｎ−Ｚｎ系半田によって形成された接合部を有する光モジュールである。
Ｓｎ−Ａｇ系半田、および、Ｓｎ−Ｚｎ系半田は、一般的に硬く、変形し難いという特性を備えている。この発明の光モジュールの上述した態様においては、光部品の接合に、Ａｇを２．０重量％以上５．０重量％以下、好ましくは、３．０重量％以上３．５重量％以下を含むＳｎ−Ａｇ系半田、または、Ｚｎを６．０重量％以上１０．０重量％以下、好ましくは８．５重量％を含むＳｎ−Ｚｎ系半田を用いているため、半田接合部にかかる歪みに対して、塑性変形を起こし難いので、光モジュールが使用される環境の温度変化や、光モジュールの製造時に加えられる温度変化による半田接合層の変形が抑えられる。Ｓｎ−Ａｇ系半田、Ｓｎ−Ｚｎ系半田は、従来のＳｎ−Ｐｂ半田より、いずれも引っ張り強度が大きいことが判明している。即ち、環境温度変化によって生じる歪みに対して、塑性変形しにくい。
この発明の光モジュールにおいて、上述したＳｎ−Ａｇ系半田に、３重量％以下のＣｕが含まれていてもよい。Ｃｕは、半田の融点を下げる機能を有している。
更に、この発明の光モジュールにおいて、上述したＳｎ−Ａｇ系半田に、１０．０重量％以下のＢｉが更に含まれていてもよい。更に、この発明の光モジュールにおいて、上述したＳｎ−Ｚｎ系半田に、５．０重量％以下のＢｉが含まれていてもよい。Ｂｉは、半田の濡れ性を向上させる機能を有している。
上述したようにＣｕは、半田の融点を下げる機能を有し、Ｂｉは、半田の濡れ性を向上する機能を有している。この発明の光モジュールの上述した態様において、Ｓｎ−Ａｇ系半田にＣｕ、Ｂｉを添加することによって、半田の濡れ性が向上し、ボイドの発生を抑えられる。同様に、Ｓｎ−Ｚｎ系半田にＢｉを添加することによって、半田の濡れ性が向上する。
この発明の光モジュールにおいて、上述した少なくとも１つの光部品は、半導体レーザ素子を含むことを特徴とする光モジュールである。即ち、半導体レーザ素子と光ファイバの光軸との調心が必要であり、光軸ズレによる光モジュールの性能への影響が大きい。従って、温度変化に対して、例えば、半田の厚さが部分的に偏ると、光軸ズレが大きくなり、光出力が低下するので、光軸ズレが小さくなるように、半田に対しても高い性能が要求される。
なお、半導体レーザモジュール１が、第１Ｃ図のようなサーモモジュールを内蔵していない構成にも本発明を適用することができる。第１Ｃ図に示す光モジュールにおいては、キャリア基板、集光レンズが搭載されたベース基板が直接パッケージ底板に半田によって固定される。即ち、ベース基板とパッケージ底板の間に半田接合部１０が形成されている。
更に、この発明の光モジュールにおいて、上述した接合部（即ち、半田部）の厚さは、５μｍ以上１００μｍ以下である。半田部の厚さが薄く５μｍ未満のときには、パッケージ底板の反りや曲がり等の変形歪が集中し、半田部にクラックを生じる虞れがある。一方、半田部の厚さが１００μｍを超えて厚すぎると、小さな歪みで容易に半田が塑性変形してしまう。
従って、接合部（即ち、半田部）の厚さは、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内に限定する必要がある。
第２図は、接合部の特定方向における厚さを説明する図である。第２図に示すように、パッケージの光を発光する方向を（Ａ１−Ａ２）とし、（Ａ１−Ａ２）と直交する方向を（Ｂ１−Ｂ２）とする。（Ａ１−Ａ２）方向における、例えば、サーモモジュール基板４端部直下の半田厚さを、前端部（ａ１）と後端部（ａ２）で示し、（Ｂ１−Ｂ２）方向における、例えば、サーモモジュール基板４端部直下の半田厚さを、一方の端部（ｂ１）と他方の端部（ｂ２）で示す。なお、半田厚さの測定場所は、パッケージの任意の所からの決められた位置でもよい。
更に、この発明の光モジュールにおいて、上述した接合部の厚さが、前記パッケージの光を発光する方向（Ａ１−Ａ２）と平行な方向において、前記半田の厚さの前端部（ａ１）と後端部（ａ２）の差が９０μｍ以下、および／または、前記パッケージの光を発光する方向（Ａ１−Ａ２）と直交する方向（Ｂ１−Ｂ２）において、前記半田の厚さの一方の端部（ｂ１）と他方の端部（ｂ２）の差が９０μｍ以下である。
また、半田の厚さは、ａ１とａ２のＢ１−Ｂ２方向、ならびに、ｂ１とｂ２のＡ１−Ａ２方向も含め、それらの最大値や最小値、あるいは任意の何点かの平均値であってもよい。なお、半田の厚さは、サーモモジュール基板下面とパッケージ底面間を測定した最大値や最小値、あるいは、平均値を採用してもよい（第２Ｂ図参照）。
即ち、接合部の厚さが、パッケージの光を発光する方向（Ａ１−Ａ２）と平行な方向において、半田の厚さの前端部（ａ１）と後端部（ａ２）の差が９０μｍを超え、そして／または、パッケージの光を発光する方向（Ａ１−Ａ２）と直交する方向（Ｂ１−Ｂ２）において、半田の厚さの一方の端部（ｂ１）と他方の端部（ｂ２）の差が９０μｍを超えると、高温時の半田の熱膨張によって、部材ずれにバラツキが生じて、光軸ズレ量が大きくなるという問題がある。
第２図に示すように、（Ａ１−Ａ２）方向における、前端部（ａ１）と後端部（ａ２）の半田厚さの差、および、（Ｂ１−Ｂ２）方向における、一方の端部（ｂ１）と他方の端部（ｂ２）の半田厚さの差をそれぞれ所定の値以下に制御することによって、たとえ高温になったときにもサーモモジュールの位置をほぼ一定の状態に維持することができるので、光学部品搭載部材の位置合わせが容易になり、たとえ高温になったときにも、半田の熱膨張による部材ずれが一定になる。その結果、光軸ズレ量を低減することができ、光出力の低下を少なくすることができる。
更に、この発明の光モジュールにおいて、上述した接合部が、２．０重量％以上１０．０重量％以下のＡｕを含有している。即ち、好ましくは、Ｓｎ−Ａｇ系半田、または、Ｓｎ−Ｚｎ系半田には、更に、Ａｕが２．０重量％以上２０．０重量％以下含まれている。それぞれの半田にＡｕを含ませることにより、ＡｕとＳｎの化合物（Ｓｎ４Ａｕ等）が均一に分散して半田の延性が小さくなり、熱応力によるクリープ変形を防止することができる。Ａｕが２．０重量％未満の場合には、延性の十分な低減効果を得ることが出来ないという問題がある。また、Ａｕが２０．０重量％を超える場合には、半田の融点が過度に上昇し、融点の上昇した部分から固定化してしまうので位置合わせ作業性等が悪化するという問題がある。
更に、この発明の光モジュールにおいて、上述した接合部は、半田中にＡｕが分散したＡｕ拡散部を備えており、Ａｕ拡散部は、パッケージのサーモモジュールとの接合面、および、サーモモジュールのパッケージとの接合面の少なくとも一方に予め形成された１μｍ以上５μｍ以下の厚さのＡｕメッキ層から拡散して形成されている。
第３図は、半田中にＡｕが分散したＡｕ拡散部を備えた接合部を説明する図である。第３Ａ図は、Ｓｎ−Ａｇ系半田の場合を示す図である。第３Ｂ図は、Ｓｎ−Ｚｎ系半田の場合を示す図である。また、第３Ｃ図は、従来のＳｎ−Ｐｂ系半田の場合を示す図である。
第３Ａ図に示すように、サーモモジュールの基板とパッケージ底面との間に形成されたこの発明の接合部には、サーモモジュールの基板およびパッケージの底面に形成されたＡｕメッキ層から拡散して、Ｓｎ−Ａｇ合金相中にＡｕ−Ｓｎ化合物（Ｓｎ４Ａｕ等）が均一に分散している。例えば、厚さ１００μｍの接合部には、５〜１０μｍ径程度のＳｎ４Ａｕ等の組織が均一に分散し、接合部全体として均一な相が形成されている。
また同様に、第３Ｂ図に示すように、サーモモジュールの基板およびパッケージの底面に形成されたＡｕメッキ層から拡散によって、Ｓｎ−Ｚｎ合金相中にＡｕ−Ｓｎ化合物が均一に分散している。
これに対して、従来のＳｎ−Ｐｂ系半田の場合には、第３Ｃ図に示すように、サーモモジュールの基板およびパッケージの底面に形成されたＡｕメッキ層からＡｕが拡散して、Ａｕ−Ｓｎ合金相を形成する。Ａｕ−Ｓｎ合金相は、接合部の両端から形成され、Ｐｂリッチ相が中央部に集中する。従って、Ｐｂリッチ相が中央に集まり、接合部全体として不均一な相が形成される。
また、中央部のＰｂリッチ相は低い応力で変形するため、クリープしやすい。一方、Ｓｎ−Ａｇ合金ではＡｕが均一に分散し、強化として働きクリープしにくくなり、モジュールの光軸ずれが起こりにくくなる効果がある。
また、Ｓｎ−Ｚｎ合金においても、Ａｕが均一に分散し、強化として働きクリープしにくくなり、モジュールの光軸ずれが起こりにくくなる効果がある。
また、サーモモジュールの基板とパッケージ底面、あるいは、ＬＤチップやレンズ等を搭載したベース基板の底面とサーモモジュール上面の少なくとも一方のＡｕメッキ層が０．０１μｍ以上１μｍ以下と薄い、あるいは、少なくともベース基板の底面のＡｕメッキ層を無くすことにより、半田合金へのＡｕ拡散量を低減させてもよい。
更に、サーモモジュールの基板とパッケージ底面を接合する半田がＳｎ−Ａｇ合金あるいはＳｎ−Ｚｎ合金であって、ＬＤチップやレンズ等を搭載したベース基板の底面とサーモモジュール上面を接合する半田がＳｎ−Ｂｉ合金である場合、ベース基板の底面とサーモモジュール上面の少なくとも一方のＡｕメッキ層が０．０１μｍ以上１μｍ以下と薄い、あるいは、少なくともベース基板の底面のＡｕメッキ層を無くすことにより、半田合金へのＡｕ拡散量を低減させてもよい。
次に、この発明の光モジュールの組立方法について説明する。
この発明の光モジュールの組立方法は、少なくとも１つの光部品を温度制御する、一方の面にＡｕ層を備えたサーモモジュール、および、前記少なくとも１つの光部品および前記サーモモジュールを収容する、一方の面に１μｍ以上５μｍ以下の厚さのＡｕ層を備えたパッケージを調製する調製工程と、
前記サーモモジュールの前記Ａｕメッキ層を備えた面と、前記パッケージの前記Ａｕメッキ層を備えた面とを、２．０重量％以上５．０重量％以下の範囲内のＡｇを含むＳｎ−Ａｇ系半田、または、６．０重量％以上１０．０重量％以下の範囲内のＺｎを含むＳｎ−Ｚｎ系半田によって接合する半田接合工程とを備えた、光モジュールの組立方法である。
第４図は、サーモモジュールの基板、半田、パッケージ底面の関係を示す図である。第４図に示すように、例えば、パッケージは２０重量％Ｃｕ−８０重量％Ｗの表面に少なくともＮｉ層が形成され、Ｎｉ層の上に更に１．５〜２．０μｍのＡｕ層が形成されている。サーモモジュールの基板は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミ（ＡｌＮ）の上に少なくともＮｉ層が形成され、Ｎｉ層の上に０．３μｍのＡｕ層が形成されている。上述したサーモモジュールの基板とパッケージが、それぞれのＡｕ層が向かい合うように配置され、その間に厚さ５０〜８０μｍの半田箔が配置される。
即ち、接合部の半田にＡｕを含ませる場合、被接合部材であるパッケージのサーモモジュールとの接合面およびサーモモジュールのパッケージとの接合面の少なくとも一方に、予め厚さが１μｍ以上５μｍ以下のＡｕ層を形成しておき、半田接合の際の加熱時に、これらのＡｕメッキ層からＡｕがＳｎ−Ａｇ系半田、または、Ｓｎ−Ｚｎ系半田に拡散するようにしてもよい。このように接合面に予めＡｕ層を被覆することによって、被接合面の酸化を抑制することができ、更に、Ａｕを含む半田合金を用いる場合と比較して、製造工程が簡略化される。また、最初からＡｕを含んだ半田では、半田の機械的強度が増すために、圧延して箔を製造するのが難しくなる。従って、この発明の組立方法によると製造工程・設備が簡略化され有利である。
形成するＡｕ層の厚さが１μｍ未満の場合には、延性が十分に低減しない。また、形成するＡｕ層の厚さが５μｍを超えると、溶融した半田合金とＡｕの結合による融点の過度の上昇を防止することができない。
この発明の光モジュールの組立方法において、上述した半田接合工程は、Ｓｎ−Ａｇ系半田箔を用いて接合することからなっており、Ｓｎ−Ａｇ系半田箔は、サーモモジュールのＡｕメッキ層を備えた面よりも大きく、且つ、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内の厚さを有している。さらに、半田がＡｕメッキ層に沿って拡散することによって半田層の厚さが大きく変化することを防止できる。半田箔を、サーモモジュールの基板よりも十分に大きくすることによって、サーモモジュールをパッケージ底板上に搭載するとき、位置ズレを無視することができる。更に、半田厚さを５〜１００μｍの範囲内とすることによって、熱歪みによるクラックの生成を抑制し、且つ、クリープ変形を最小限にすることができる。
更に、この発明の光モジュールの組立方法において、上述した半田接合工程は、Ｓｎ−Ａｇ系半田箔を用いて接合する前に、Ｓｎ−Ａｇ系半田箔の表面を処理する工程を更に含んでいる。例えば、酸によってＳｎ−Ａｇ系半田箔の表面をエッチング処理することによって、半田表面の酸化被膜を除去することができ、半田の濡れ性を向上することができる。
また、エッチングは酸には限定しない。さらに、ドライエッチングや機械的に、例えば、研磨等によって酸化被膜を除去してもよい。
この発明の光モジュールの組立方法において、上述した半田接合工程は、サーモモジュールのＡｕ層を備えた面に、Ｓｎ−Ａｇ系半田またはＳｎ−Ｚｎ系半田予めをコーティングすることによって行う。
即ち、予め、半田をコーティングすることによって、接合の際、半田を塗布する必要が無くなる。サーモモジュールを所定の位置に位置合わせするだけでよく、半田箔を所定の位置に置く手間が省ける。
この発明の光モジュールの組立方法において、上述した半田接合工程は、Ｓｎ−Ａｇ系半田またはＳｎ−Ｚｎ系半田が溶融している時間が５秒以上１２０秒以下となるように加熱する加熱工程を含んでいる。
半田が溶融している時間が５秒未満の場合には、Ａｕメッキが十分に溶け込まない。また、半田が溶融している時間が２００秒を超えると、溶けた半田が、パッケージの底面にどんどん広がっていくのを防ぐことができない。即ち、時間が長いと、半田が底板の金メッキと合金化し、融点にばらつきが生じ融点の高い部分から固体化するので、例えば、ボイドが生成する。なお、時間は短いほど好ましい。さらに、好ましくは、半田が溶融している時間は６０秒以下が適切である。
この発明の光モジュールの組立方法において、上述した加熱工程は、パッケージのＡｕメッキ層を備えた面と、サーモモジュールのＡｕメッキ層を備えた面とを、３．０×１０４Ｐａ以下の荷重で互いに押し付ける。
即ち、半田接合工程において供給される半田箔を、３．０×１０４Ｐａ以下の荷重で押圧しながら加熱して半田を溶融させつつ半田接合がされるので、加熱・押圧の際に半田が接合面内において不規則に広がることを防止できる結果、半田接合部におけるＳｎ−Ａｇ半田、または、Ｓｎ−Ｚｎ半田の厚さを、供給される半田箔、または、プレコートした半田と略同一とすることができるので、厚さの制御性およびその均一性を良好なものとすることができる。
更に、この発明の光モジュールは、半導体レーザ素子を搭載するキャリア基板、前記キャリア基板を半田接合部（Ａ）を介して搭載するベース基板、前記ベース基板を半田接合部（Ｂ）を介してその上に固定し前記半導体レーザ素子の温度を制御する、半田接合部（Ｃ）によって接合されるペルチェ素子および絶縁基板からなるサーモモジュール、前記サーモモジュールを半田接合部（Ｄ）を介してその上に搭載するパッケージを備え、前記半田接合部（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の半田の融点をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４とするとき、Ｔ１≧Ｔ２、且つ、Ｔ３≧Ｔ４≧Ｔ２である光モジュールであって、半田の融点がＴ３≧２４０℃、且つ、２８０℃≧Ｔ４≧１９０℃である。半田接合部（Ｃ）を形成する半田が８０重量％Ａｕ−２０重量％Ｓｎであってもよい。半田接合部（Ｃ）を形成する半田がＢｉ−Ｓｂであってもよい。
上述した態様によると、サーモモジュール内部の半田を高融点化することによって、サーモモジュールとパッケージとの接合に用いる半田を高融点化することができ、その結果、温度変化に対して著しく光軸ズレが減少し、そして、高温における耐久性も著しく向上し、信頼性を高めることができる。
（実施例）
以下、この発明の光モジュールおよび光モジュールの組立方法を実施例によって詳細に説明する。
実施例１
底面に厚さ１．５μｍの金メッキが施されたパッケージ、および、大きさ８ｍｍ×８ｍｍ、厚さ２ｍｍの基板を備えたサーモモジュールを調製した。サーモモジュールの基板表面には、厚さ０．２μｍの金メッキが施されている。
第５図に示すように、組成がＳｎ−３．０重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕからなる、１２ｍｍ×８ｍｍ×０．０５ｍｍの大きさの略板状の半田ペレット１０（半田箔ともいう）を使用して、金メッキが施された面が相対するようにして、調製されたパッケージ２とサーモモジュール３とを次の通り接合した。
即ち、半田付け直前に、３％濃度の塩酸中に半田ペレットを１０分間浸して、半田表面の酸化被膜を除去後、よく水洗いした。その後、ステージ上にパッケージを配置し、パッケージの底板の中央部に半田箔を搭載し、半田箔の上にサーモモジュールを重ねて配置した。更に、サーモモジュールの上部には、５ｇの重さの位置決めジグ（治具）を配置して、半田箔が溶融するときに、溶融した半田によってサーモモジュールが大きく移動しないようにした。（このとき、この５ｇの位置決め治具によって半田に加わる荷重は、７．７×１０２Ｐａであった。即ち、治具荷重が所定値以下であるので、半田が溶融した場合においても、半田の表面張力が働いて、治具を使用しても、初期の半田厚が維持される。）
次に、窒素で雰囲気を置換し、例えば、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下になってから、ステージ上のパッケージを加熱した。ステージのピーク温度を２２５℃に設定し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田の融点２１７℃以上の半田溶融時間が２０秒間になるように、ステージ温度を制御した。半田の溶融時間が２０秒間と短時間であること、パッケージの金メッキ厚が１．５μｍと厚いため、半田溶融による半田のパッケージ底面へのはみ出しは非常に小さくすることができた。そのため、接合部の半田厚さは、ほぼ元の半田ペレットの厚さと変わらず、４０〜５０μｍ厚であった。（時間が長いと、半田が外へはみ出す量が多くなったり、半田厚が不均一になったり、ボイドが生成しやすくなる。）
また、雰囲気は窒素等の不活性ガスまたは混合ガス等であって、酸素をできる限り含有しないものであればよい。
接合断面を観察したところ、パッケージ底面の金メッキ、サーモモジュールの金メッキとも、半田中に溶け込んでいることを確認した。半田中に溶け込んだ金含有量は、約８．０％で、半田そのものの延性が小さくなり、熱歪みによるクリープ変形が起こりにくくなった。
その後、第６図に示すように、ホトダイオード１４、ＬＤチップ７、レンズ８、偏光子１５を搭載したベース基板５をサーモモジュール３上に半田接合した。接合にはＳｎ−Ｂｉ系半田を用い、Ｓｎ−Ｂｉ半田ペレット１１をサーモモジュール３上面に置き、ベース基板５を位置合わせして、１７５℃までパッケージ２を加熱し、半田を溶融して接合した。
更に、パッケージに光ファイバを取り付け、レーザが光ファイバに集光するようにして、光モジュールを完成した。
このように組立てた本発明の光モジュールの一例に対して、温度サイクル試験（−４０℃から８５℃のくり返し）、高温放置試験（８５℃）を行った。その結果、温度サイクル試験（−４０℃から８５℃のくり返し）において、従来のＳｎ−Ｐｂ系半田の場合の１０００サイクル後光出力の劣化が平均８％であるのに対して、１０００サイクル後光出力の劣化は平均４％であり、温度変化に対して著しく光軸ズレが減少していることがわかる。更に、高温放置試験（８５℃）において、従来のＳｎ−Ｐｂ系半田の場合の２０００時間後の光出力の劣化が平均８％であるのに対して、２０００時間後の光出力の劣化は平均３％であり、高温における耐久性も著しく向上し、信頼性が高まっていることがわかる。
実施例２
この実施例は、サーモモジュールの基板に予めプレコートした場合である。サーモモジュールは、内部のペルチェ素子と上下の絶縁性のサーモモジュール基板とが、８０重量％Ａｕ−２０重量％Ｓｎ半田で接合されたものを使用した。また、サーモモジュールの上面（冷却面）には、Ｓｎ−５７重量％Ｂｉ−１．０重量％Ａｇ半田が中央部において１００μｍ厚さになるように、あらかじめコーティングしておいた。一方、サーモモジュールの下面（加熱面）には、Ｓｎ−７．５重量％Ｚｎ−３．０重量％Ｂｉ半田を中央部において１００μｍ厚さになるようにコーティングしておいた。コーティングは、ホットプレート上でサーモモジュールを加熱しながら、所定量の半田を半田コテで溶かして、温度の高いＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ半田から基板にコーティングした。
また、コーティングは半田ペーストを用いてもよい。
サーモモジュールをパッケージの底板中央に設置し、２０ｇの治具で位置合わせした。その後、パッケージを窒素雰囲気のリフロー炉に入れ、半田を加熱接合した。炉は、パッケージの到達温度が２１０℃になるように温度設定し、炉内の移送速度を１００ｃｍ／分とした。そのため、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ半田が溶ける１９０℃以上の時間を３０秒間とした。
次に、半導体レーザ素子、レンズを含むベース基板をサーモモジュール上に接合した。パッケージをステージに置き、ベース接合装置により半導体レーザ素子を光らせながら、ベース基板を動かし、パッケージ内で適正位置を決めた。その位置にベース基板を保持したまま、パッケージを窒素雰囲気内に置換した後、ステージを加熱した。パッケージは１７０℃まで加熱し、サーモモジュール上面のＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ半田のみを溶融させて、ベース基板と接合した。ベース基板は、２０ｇの押し圧で荷重を加え、約３０秒間半田を溶かした。その後、パッケージに光ファイバを光軸をあわせて固定し、光モジュールを完成させた。
このように組立てた本発明の光モジュールの一例に対して、温度サイクル試験（−４０℃から８５℃のくり返し）、高温放置試験（８５℃）を行った。その結果、温度サイクル試験（−４０℃から８５℃のくり返し）において、従来のＳｎ−Ｐｂ系半田の場合の１０００サイクル後光出力の劣化が平均８％であるのに対して、１０００サイクル後光出力の劣化は平均５％であり、温度変化に対して著しく光軸ズレが減少していることがわかる。更に、高温放置試験（８５℃）において、従来のＳｎ−Ｐｂ系半田の場合の２０００時間後の光出力の劣化が平均８％程度であるのに対して、２０００時間後の光出力の劣化は平均３％程度であり、高温における耐久性も著しく向上し、信頼性が高まっていることがわかる。
更に、次のように各種半田を用いて接合部を形成した。
実施例３
キャリア基板とベース基板との接合部を、８０重量％Ａｕ−２０重量％Ｓｎによって２８０℃の温度で半田接合して形成した。ペルチェ素子と上下のサーモモジュールの絶縁性基板との接合部を、８０重量％Ａｕ−２０重量％Ｓｎによって２８０℃の温度で半田接合して形成した。サーモモジュールとパッケージとの接合部を、Ｓｎ−３．０重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕによって２１７℃の温度で半田接合して形成した。サーモモジュールとベース基板との接合部を、Ｓｎ−５７重量％Ｂｉ−１．０重量％Ａｇによって１３８℃の温度で半田接合して形成した。
実施例４
キャリア基板とベース基板との接合部を、８０重量％Ａｕ−２０重量％Ｓｎによって２８０℃の温度で半田接合して形成した。ペルチェ素子と上下のサーモモジュールの絶縁基板との接合部を、Ｂｉ−Ｓｂによって２７１℃の温度で半田接合して形成した。サーモモジュールとパッケージとの接合部を、Ｓｎ−２．０重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ−７．５重量％Ｂｉによって２１３℃の温度で半田接合して形成した。サーモモジュールとベース基板との接合部を、Ｉｎによって１５７℃の温度で半田接合して形成した。
実施例５
キャリア基板とベース基板との接合部を、８０重量％Ａｕ−２０重量％Ｓｎによって２８０℃の温度で半田接合して形成した。ペルチェ素子と上下のサーモモジュールの絶縁基板との接合部を、Ｓｎ−５重量％Ｓｂによって２３０℃の温度で半田接合して形成した。サーモモジュールとパッケージとの接合部を、Ｓｎ−７．５重量％Ｚｎ−３．０重量％Ｂｉによって１９０〜１９７℃の温度で半田接合して形成した。サーモモジュールとベース基板との接合部を、Ｓｎ−５７重量％Ｂｉ−１．０重量％Ａｇによって約１３８℃の温度で半田接合して形成した。
上述した実施例３〜５においても、この発明の光モジュールにおいては、従来の光モジュールと比較して、温度変化に対して著しく光軸ズレが減少し、そして、高温における耐久性も著しく向上し、信頼性が高まっていた。
上述したように、接合部の半田を従来のＳｎ−Ｐｂ系合金からＳｎ−Ａｇ、または、Ｓｎ−Ｚｎ合金に変更することによって、接合部の変形を小さくすることができ、光軸ズレが起き難くすることができる。更に、半田溶融時にパッケージ底面、サーモモジュール基板の底面に施された金メッキ層から金（Ａｕ）が半田接合部に拡散して均一な組織を形成するので、半田がクリープ変形しにくくなった。更に、半田厚さを５〜１００μｍの範囲内とすることによって、熱歪みによるクラックの生成を抑制し、且つ、クリープ変形を最小限にすることができた。半田厚さの制御は、半田ペレットを用い、微少荷重（３．０×１０４Ｐａ以下）を加えることによって効果的に制御することができる。更に、半田ペレットの大きさは、サーモモジュールの基板よりも十分に大きくすることによって、サーモモジュールをパッケージ底板上に搭載するとき、位置ズレを無視することができるとともに、完成される半田接合部の厚さを、供給する半田ペレットの厚さと略同一にできるので、半田接合部厚の制御性が向上するので効果的である。更に、鉛フリーの半田を使用するので、環境上好ましい。
実施例６
第７図に示すように、この実施例のサーモモジュール３は、予めサーモモジュールの片面にＳｎ−７．５重量％Ｚｎ−３．０重量％Ｂｉの半田あるいは半田ボールを形成し、もう一方の面にＳｎ−５８．０重量％Ｂｉの半田あるいは半田ボールを形成した、半田付きのサーモモジュールである。
ここで、形成する半田はその体積、半田ボールはその大きさやそれぞれの固着間隔や数量によって、平均半田塗布厚さが５から１００μｍの範囲内になるように調製した。
上述したサーモモジュールをパッケージに接合する際、サーモモジュールのＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系半田面がパッケージ底板２内側と接合するようにし、位置決め治具２０によりサーモモジュールを１００ｇの荷重で押し付け、半田溶融温度以上に加熱して、半田を溶融した。次いで、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系半田が溶融状態で、サーモモジュールを、例えば所定位置から少なくとも前後方向に１ｍｍ程度複数回動かし擦ることにより、半田表面の酸化膜を機械的に除去して、サーモモジュールをパッケージに接合した。
なお、擦った後、半田厚さを所定値に制御するため、押し付け荷重を１０ｇに下げると、サーモモジュール端部より一部はみ出た半田が、表面張力によって半田接合部に引き寄せられる格好となり、半田厚さを厚くすることができる。
これらの加熱・冷却による半田接合の工程は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系半田やＳｎ−Ｂｉ系半田のＢｉの析出を抑えるため短時間で作業をすることが望ましく、この実施例の半田接合の工程ではＳｎ−７．５重量％Ｚｎ−３．０重量％Ｂｉの半田溶融時間約１４０℃で９０秒となるように加熱・冷却した。
また、サーモモジュールとパッケージ底板内側接合後、サーモモジュールとベース基板間では、ベース基板を１００ｇの荷重で押し付け、Ｓｎ−Ｂｉ系半田の溶融温度以上に加熱し、ベース基板を擦って接合した。
なお、接合の際、半田の再酸化を防ぐため、酸素濃度を１００ｐｐｍ以下に管理された酸素雰囲気で作業を行った。
この実施例におけるこの発明の光モジュールにおいては、従来の光モジュールと比較して、温度変化に対して著しく光軸ズレが減少し、そして、高温における耐久性も著しく向上し、信頼性が高まっていた。
産業上の利用性
この発明によると、鉛フリーの半田を使用して、半田部に変形やクラックが発生するのを抑制して、光軸ズレを生じにくく、光ファイバとの結合効率に優れた光モジュールおよび光モジュールの組立方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の光モジュールを説明する図である。第１Ａ図は、概略平面図であり、第１Ｂ図は、概略側断面図である。第１Ｃ図は、サーモモジュールを内蔵しない光モジュールの概略側断面図である。
第２図は、接合部の特定方向における厚さを説明する図である。
第３図は、半田中にＡｕが均一に分散したＡｕ拡散部を備えた接合部を説明する図である。第３Ａ図は、Ｓｎ−Ａｇ系半田の場合を示す図である。第３Ｂ図は、Ｓｎ−Ｚｎ系半田の場合を示す図である。第３Ｃ図は、従来のＳｎ−Ｐｂ系半田の場合を示す図である。
第４図は、サーモモジュールの基板、半田、パッケージ底面の関係を示す図である。
第５図は、半田箔によって、パッケージ底板にサーモモジュールを接合する方法を説明する図である。
第６図は、サーモモジュールにベース基板を接合する方法を説明する図である。
第７図は、この発明の他のサーモモジュールを接合する方法を説明する図である。
第８図は、半田の厚さが不均一である従来の光モジュールを説明する図である。
【図１Ａ】
2003081734.tif 000003
【図１Ｂ】
2003081734.tif 000004
【図１Ｃ】
2003081734.tif 000005
【図２Ａ】
2003081734.tif 000006
【図２Ｂ】
2003081734.tif 000007
【図３Ａ】
2003081734.tif 000008
【図３Ｂ】
2003081734.tif 000009
【図３Ｃ】
2003081734.tif 000010
【図４】
2003081734.tif 000011
【図５】
2003081734.tif 000012
【図６】
2003081734.tif 000013
【図７】
2003081734.tif 000014
【図８】
2003081734.tif 000015
【国際調査報告】
2003081734.tif 000016
2003081734.tif 000017
2003081734.tif 000018
2003081734.tif 000019