(57)【要約】      （修正有）【課題】サーモ・モジュールに形成するハンダコートの厚さを薄くし、光通信におけるレーザダイオードモジュールにおける光出力の低下を防止する。【解決手段】サーモ・モジュールの基板表面に形成するハンダコート９の厚さを５０μｍ以下とする。ハンダコート９を形成後、固化する前に荷重を掛けて押し潰すか、あるいは溶融ハンダ浴槽中に浸漬させて厚さ５０μｍ以下のハンダコート９を形成する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚のメタライズ処理された基板間に熱電素子を挟持してなるサーモ・モジュールであって、該基板表面に厚さが５０μｍ以下のハンダコートを具備してなることを特徴とするハンダコート付きサーモ・モジュール。
【請求項２】
２枚の基板間に熱電素子を挟持してなるサーモ・モジュールのメタライズ処理された基板表面にハンダコートを形成するに際し、該メタライズ処理された基板表面にフラックスを塗布した後、ハンダを載置して溶融させ、溶融ハンダが固化する前に押し板を介して荷重を加えハンダコートの厚さを５０μｍ以下に押圧して固化させることを特徴とするハンダコート付きサーモ・モジュールの製造方法。
【請求項３】
２枚の基板間に熱電素子を挟持してなるサーモ・モジュールのメタライズ処理された基板表面にハンダコートを形成するに際し、該メタライズ処理された基板表面にフラックスを塗布した後、溶融ハンダ浴中に浸漬させて引き上げ、厚さ５０μｍ以下のハンダコートを付着させることを特徴とするハンダコート付きサーモ・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、半導体レーザモジュールに組み込んで半導体レーザ素子を冷却するためのサーモ・モジュールの関し、さらに詳しくはサーモ・モジュールをハンダ接合する際のハンダコート及びその形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ等の半導体を利用したレーザダイオード（ＬＤ）は、光通信、レーザ複写機、ディスクメモリー、距離計などに広く使用されている。レーザダイオードと光ファイバーケーブルを組み合わせた光通信は、従来の同軸ケーブルに比べてエネルギー損失が少なく、広帯域幅・大容量の長距離通信が可能で、ケーブル径も小さく軽量で、高圧送信線や雷等からの電磁誘導も受けないので高品質の通信ができることから近年脚光を浴びている。
レーザダイオードは温度の上昇により発信出力・効率の低下及び発振しきい値電流の増加を招き、駆動回路の負担が増加し、さらには発振波長やベクトル分布が変化して雑音発生の原因になるため、作動温度を一定に保つことが重要である。レーザダイオードの作動温度を周囲の環境温度に関係なく、２９８Ｋ（２５℃）近辺の一定温度に保つために、レーザダイオードと熱電素子とを組み合わせ、熱電冷却により温度補償するレーザダイオードモジュールが開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
図１にレーザダイオードモジュールの一部断面外観図を示し、図２にその構成を断面図で示す。
図１に示すようにレーザダイオードモジュール１０は、パッケージケース４の内側にレーザダイオード２を載置したサーモ・モジュール１が納められており、パッケージケース４には光ファイバーケーブル３の一端が固定されている。
図２に示すようにパッケージケース４の底板にはサーモ・モジュール１の低温側となる放熱側基板８がハンダコート９を介して接合されており、サーモ・モジュール１の高温側となる冷却側基板７の上にはレーザダイオード２を載置したキャリア６が、ハンダコート９を介して接合されている。キャリア６は光ファイバーケーブル３と一体化されており、レーザダイオード２から発信されたレーザビームはレンズ５と通して光ファイバーケーブル３のコア中心に入射するように構成されている。ここでレーザダイオード２と光ファイバー３の端面との間の光学系の間隔Ｌは、１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。
【０００４】
【非特許文献１】
芝沼  直輝ほか著、“光通信用ＤＩＰ型ＬＤモジュール”、ＮＥＣ技報、Ｖｏｌ．３８、Ｎｏ．２、ｐ．８４〜、１９９５年２月
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図３はレーザダイオードモジュールのレーザビームと光ファイバーとの関係を示す図である。
通常図３に示すように、レーザダイオードから放出されたレーザビーム１１は、光学レンズ５，５を通過して光ファイバー３のコア３−１の端面に収束する。コア３−１の直径（ｄ）は１０μｍ程度である。光ファイバー３のコア３−１の周囲はクラッド３−２で覆われている。
レーザダイオードはサーモ・モジュールによって作動温度である２５℃に保たれるようになっているが、レーザダイオードモジュールの外気温度は−４０℃から＋８５℃程度まで変化する。外気温度が変化すると、パッケージケースが熱膨張・熱収縮することによりパッケージケースにハンダ付けされているサーモ・モジュールが数μｍ変形する。サーモ・モジュールが変形するとレーザビーム１１の光軸が正規の位置からずれてしまう。
図４にレーザダイオードモジュールの変形の様子を示す。
図４は光学系の軸の変位の様子を示した図で、判り易くするためにサーモ・モジュール基板の変形を誇張して描いてある。図４に示すように、レーザダイオード２と光ファイバー３の端面との間の光学系の間隔（Ｌ）が２０ｍｍ、サーモ・モジュールの冷却側基板７の長さ（ｌ）が１２ｍｍの場合、冷却側基板７の変形（“そり”）量（ｔ）は１μｍ以上になる。
図５はレーザダイオードモジュールのレーザビームの光軸と光ファイバーの光軸のずれの関係を示す図である。
図５は基板の変形によるレーザビーム１１の光軸と光ファイバーの光軸とがずれた様子を模式的に示した図であって、本来一致しているべき光ファイバー３の光軸Ｌ１とレーザビーム１１の光軸Ｌ２が上下にずれた状態を示している。
【０００６】
図６は図５に関係を示す正面図であって、図４に示すように冷却側基板７の１μｍの変形による光軸のずれは、コア３−１の直径１０μｍに対して２．５μｍ程度にもなる。コア３−１に入射するレーザビームの光軸がずれると電送する光信号の出力が低下するので問題となる。サーモ・モジュールの変形が１．５μｍあると、光ファイバー端面での光軸のずれが５ミクロン以上となり、光出力が半減してしまう。したがって、光軸のずれは２．５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下に抑えることが望まれる。
【０００７】
サーモ・モジュールの変形は、パッケージケースとサーモ・モジュールをハンダ付けする際のハンダコートの厚さによって影響を受ける。一般にハンダコートの厚さは１００μｍ程度とされていて、ハンダコートの厚さが厚いほどサーモ・モジュールの変形量が多くなる傾向にあった。ハンダコートの厚さが１００μｍ程度では、光ファイバー端面での光軸のずれは５μｍ以上にも達していた。
従来はパッケージケースとサーモ・モジュールをハンダ付けする際に、ハンダコートをスクラブして余分なハンダ層を除去し、ハンダコートの厚さを薄くする工程を採用していたが、作業が繁雑な上に工程が安定しない欠点があった。
本発明は上記欠点を解決すべくなされたものであって、簡単な方法でサーモ・モジュールに形成するハンダコートの厚さを薄くし、かつ安定させる方法を提供し、もって光通信におけるレーザダイオードモジュールにおける光出力の低下を防止しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では２枚のメタライズ処理された基板間に熱電素子を挟持してなるサーモ・モジュールであって、該基板表面に厚さが５０μｍ以下のハンダコートを具備してなるハンダコート付きサーモ・モジュールとした。
ハンダコートの厚さを５０μｍ以下に制限することにより、外気温が変化した時でもサーモ・モジュールの変形量を少なくすることができ、レーザダイオードモジュールにおけるレーザビームと光ファイバーとの光軸のずれを２．５μｍ以下、さらには２μｍ以下にも抑えることができるので、光通信におけるレーザダイオードモジュールにおける光出力の低下を防止することが可能となる。
また、ハンダコートの厚さは３０μｍ以上とするのが、望ましい。これより薄いと、ボイドが発生するからである。
【０００９】
また、本発明のハンダコート付きサーモ・モジュールの製造方法の一つは、２枚の基板間に熱電素子を挟持してなるサーモ・モジュールのメタライズ処理された基板表面にハンダコートを形成するに際し、該メタライズ処理された基板表面にフラックスを塗布した後、ハンダを載置して溶融させ、溶融ハンダが固化する前に押し板を介して荷重を加えハンダコートの厚さを５０μｍ以下に押圧て固化させる方法を採用した。
この方法によれば、加重を加えて押し圧するという簡単な方法で、確実にハンダコートの厚さを薄くすることが可能となる。
【００１０】
さらに、本発明のもう一つのハンダコート付きサーモ・モジュールの製造方法は、２枚の基板間に熱電素子を挟持してなるサーモ・モジュールのメタライズ処理された基板表面にハンダコートを形成するに際し、該メタライズ処理された基板表面にフラックスを塗布した後、溶融ハンダ浴中に浸漬させて引き上げ、厚さ５０μｍ以下のハンダコートを付着させる方法とした。
この方法によれば、溶融ハンダ浴中に浸漬させ引き上げする際の速度を調整することにより、簡単にハンダコートの厚さを５０μｍ以下に調整することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態のレーザダイオードモジュールの構造については、従来のレーザダイオードモジュールと同様であるので、説明を省略する。
ここでは、レーザダイオード２と光ファイバー３の端面との間の光学系の間隔Ｌは２０ｍｍとし、ハンダコート９の厚さは４０ｍｍ、使用するサーモ・モジュール１のサイズは基板が８ｍｍ×１２ｍｍ、厚さを１．６５ｍｍとした。
そして、ハンダコートの厚さを一定として、温度を−２０℃から７０℃までの間を変化させたときの光軸のずれ量を測定した。
すると、外気温が−２０℃のとき、光軸ずれ量が−１．５ｍｍ、外気温が２５℃のとき、光軸ずれ量が０ｍｍ、外気温が７０℃のとき、光軸ずれ量が１．５ｍｍとなった。
このことから、所定の厚さより薄いハンダコート厚とすると、光軸ずれ量の温度依存性が小さくなることがわかる。
【００１２】
レーザダイオードモジュールにおいて問題となるのは、光出力の低下である。光出力の低下は、外気温の変動による膨張・収縮により、光軸がずれることに起因している。実用的な光出力の低下は、−０．５ｄＢ（パワーゲイン８８％）以内とする必要がある。レーザビームの光量プロファイルは光軸を中心とした正規分布であり、光軸が２．５μｍずれた場合の光量変化は約−１２％であり、出力減の限界となる。
【００１３】
一方、本発明者らは外気温が変化した時のサーモ・モジュールの変形原因を種々検討した結果、パッケージケースとサーモ・モジュールをハンダ付けする際のハンダコートの厚さが大きく影響していることを突き止めた。
図７にはサーモ・モジュールの冷却基板７及び放熱基板８の表面にハンダコート９を形成した状態を示す。
図７に示したようなハンダコート９を形成したサーモ・モジュールにおいて、ハンダコート９のハンダ塗布厚さとサーモ・モジュールの冷却側基板７の変形量（ｄ）との関係を測定した。測定はサーモ・モジュールの平坦な基板の表面に種々の厚さのハンダコートを形成し、温度が２５℃の時を基準とし、外気温が−４０℃になった時の図７における冷却側基板７の中心部ａ点と端部ｂ点の高さの差をサーモ・モジュールの変形量と定義した。測定結果を図８に示す。
図８に示すように、ハンダコートの塗布厚さが厚くなるほどサーモ・モジュールの変形量も大きくなり、しかもそのばらつきが大きくなることが判った。
さらにハンダコート９のハンダ塗布厚さと光軸のずれ量を測定したところ、図９に示すようにハンダコートのハンダ塗布厚さが厚くなるほど光軸のずれ量も大きくなり、そのばらつきも大きくなることが判明した。光軸のずれ量とは、図５及び図６に示す光ファイバーのコア３−１の端面における、コア３−１の光軸Ｌ１とレーザビーム１１の光軸Ｌ２との距離である。
図９の結果から、光軸のずれを２．５μｍ以下に抑えるにはハンダ塗布厚さを０．０５８ｍｍ（５８μｍ）以下にすれば良く、このとき図８からサーモ−・モジュールの変形量は０．７８μｍ未満である。
光軸のずれを確実に２．５μｍ以下に抑えるには、ばらつきを考慮すれば、ハンダコートのハンダ塗布厚さは０．０５ｍｍ（５０μｍ）以下にすれば良いことがわかる。
【００１４】
サーモ・モジュールの基板表面のハンダ塗布厚さの制御は以下のようにして行うことができる。
使用するハンダには特に制限はなく、ＳｎＰｂ系、ＳｎＢｉ系等塗布する面積や使用する環境に応じて適宜選択すればよい。
第一の方法は、図１０に示すように必要量のハンダ９を秤量して載置し、加熱溶融して基板表面に拡散させ塗布する。ハンダを塗布したサーモ・モジュール１を水平な定盤の上に置き、ハンダが固化する前にセラミックスやカーボンの押し板１２を介して荷重Ｗを載せてハンダを押圧固化させる。このとき、例えば定盤と押し板との間隔をサーモ・モジュールの基板面＋（プラス）５０μｍ以下に規定すれば、ハンダ塗布厚さを５０μｍ以下に制御することができる。
【００１５】
第二の方法は、図１１に示すようにハンダを塗布したサーモ・モジュール１を溶融したハンダ浴槽１３中に浸漬させて引き上げる。このとき引き上げる速度を調整することにより、基板表面のハンダ塗布厚さを制御することができる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザダイオードモジュールにおいて外気温が変化した場合でも熱膨張・収縮による変形を小さくすることができるので、レーザビームと光ファイバーとの光軸のずれを２．５μｍ以下に抑えることができ、光出力の低下が少ない高性能なレーザダイオードモジュールが得られる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザダイオードモジュールの一部破断外観図である。
【図２】レーザダイオードモジュールの構成を説明する断面図である。
【図３】レーザダイオードモジュールのレーザビームと光ファイバーとの関係を示す図である。
【図４】レーザダイオードモジュールの変形の様子を説明する図である。
【図５】レーザダイオードモジュールのレーザビームと光ファイバーとの光軸のずれの関係を示す図である。
【図６】図５の関係を示す正面図である。
【図７】ハンダコートを形成した状態を示す図である。
【図８】ハンダ塗布厚さとサーモモジュール変形量との関係を示す図である。
【図９】ハンダ塗布厚さと光軸ずれ量との関係を示す図である。
【図１０】第１の実施形態によるハンダ塗布厚さの制御方法を示す図である。
【図１１】第２の実施形態によるハンダ塗布厚さの制御方法を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・・サーモ・モジュール、２・・・・・レーザダイオード、３・・・・・光ファイバーケーブル、４・・・・・パッケージケース、５・・・・・レンズ、６・・・・・キャリア、７・・・・・冷却側基板、８・・・・・放熱側基板、９・・・・・ハンダコート、１０・・・・・レーザダイオードモジュール、１１・・・・・レーザビーム、１２・・・・・押し板、１３・・・・・ハンダ浴槽。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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