(57)【要約】【課題】環境の温度変化によって熱電素子の劣化や光軸のずれが生じない光半導体モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の光半導体モジュールは、内部に光半導体素子と熱電素子を収納し、絶縁性セラミックスからなる底板と、その上に搭載された熱電素子と、熱電素子を底板との間に挟んで固定する絶縁性セラミックスからなる板と、底板の外縁部に固定され、底板よりもヤング率が小さい金属からなる第１の枠体と、該第１の枠体に固定される、金属、絶縁体及びそれらの複合体のいずれかからなる第２の枠体を備える。また、本発明の製造方法は、底板の外縁部に、ヤング率の小さい第１の枠体及び熱電素子用の電極を形成し、その電極の上に熱電素子を絶縁性セラミックスからなる板で挟んで固定し、第２の枠体と前記第１の枠体を固定し、該板の上に光半導体素子が搭載された基板を搭載する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に光半導体素子と熱電素子を収納した光半導体モジュールであって、絶縁性セラミックスからなる底板と、該底板の上に搭載された熱電素子と、熱電素子を底板との間に挟んで固定する絶縁性セラミックスからなる板と、底板の外縁部に固定され、底板よりもヤング率が小さい金属からなる第１の枠体と、該第１の枠体に固定される、金属、絶縁体及びそれらの複合体のいずれかからなる第２の枠体を備えることを特徴とする光半導体モジュール。
【請求項２】
上記絶縁性セラミックスが窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスであることを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュール。
【請求項３】
上記底板のヤング率は２５×１０３ｋｇ／ｍｍ２以上であり、かつ、上記第１の枠体のヤング率は１５×１０３ｋｇ／ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体モジュールの製造方法であって、絶縁性セラミックスからなる底板上に、該絶縁性セラミックスよりもヤング率が小さい金属からなる第１の枠体及び熱電素子用の電極を形成する工程と、前記熱電素子用の電極の上に熱電素子を絶縁性セラミックスからなる板で挟んで固定する工程と、金属、絶縁体及びそれらの複合体のいずれかからなる第２の枠体を前記第１の枠体上に固定する工程と、前記絶縁性セラミックスからなる板の上に光半導体素子が搭載された基板を固定する工程とを経ることを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
【請求項５】
上記第１の枠体と上記熱電素子用の電極を、同一の材料で同時にめっきによって形成することを特徴とする請求項４に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記第１の枠体と前記第２の枠体との固定方法が、電気溶接、シーム溶接及びレーザー溶接のいずれかであることを特徴とする請求項４又は５に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【請求項７】
前記第１の枠体と前記第２の枠体との固定方法が、Ｎｉ及び／又はＡｕめっきの半田付けであることを特徴とする請求項４又は５に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【請求項８】
前記第１の枠体と前記第２の枠体との固定方法が、樹脂を用いた接着であることを特徴とする請求項４又は５に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
前記樹脂として、エポキシ系樹脂及びシリコン系樹脂の２種類を用いることを特徴とする請求項８に記載の光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、光半導体気密封止容器の内部に光半導体及び熱電素子が格納される光半導体モジュール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器には一般に様々な半導体素子が用いられているが、個々の電子機器に必要とされる特性や性能を実現するため、それら半導体素子の実装技術の開発は重要である。半導体素子は通常、素子を外部環境から保護すると共に電気的接続を確実にするため、その素子にふさわしい封止容器に封入されて用いられる。
【０００３】
そのような半導体素子のうち、特に光半導体である半導体レーザや発光ダイオードは電流を流すことによって光を発すると共に大量の熱を放出する。発熱によって発光効率が低下することを防ぐため、又はより強い光を発生させるためには、光半導体素子を効果的に冷却することが必要であり、このために従来様々な工夫がなされてきた。一つの方法として、通電によって吸熱する作用を持つ熱電素子の上に半導体レーザ等の温度制御の必要な素子を載せ、一緒に光半導体用の気密封止容器に収容するという手段が用いられている。熱電素子は、それ自体が半導体素子の一種であって十分に小さく、気密封止容器に収容するのは容易である。
【０００４】
このように熱電素子をその他の半導体素子と共にパッケージングした従来技術においては、これまでそのパッケージの大きさの小型化が課題とされていた。この点に関し、特開平５−６７８４４号公報には、ペルチェ素子（熱電素子）を直接底板に固定し、小型化を図った半導体レーザモジュールが開示されている。さらに、特開２００１−３３９１１６号公報には、小型化でき、モジュールの各構成部品同士の接合部の信頼性を向上させた半導体レーザモジュールが開示されている。この半導体レーザモジュールでは、底蓋とパッケージ、基板とペルチェ素子、ペルチェ素子と底蓋それぞれの接合材に融点の差を設けている。
【０００５】
しかしながら、これらの従来技術においては、半導体モジュールの使用環境が変化したとき、特に温度変化の大きいときに生ずる問題点について考慮されていなかった。一般に光半導体モジュールは、コバール等の金属からなる枠体に、ＣｕＷ等の高熱伝導率の複合金属材料や窒化アルミニウム等の高熱伝導性のセラミックスを底板又は回路基板として用いている。そのため、光半導体モジュールの容器の枠体と底板の熱膨張率の違いによって、温度変化の生じたときに底板に反り（応力歪み）が生じやすい。すると、比較的軟らかい熱電素子に熱応力が集中し、結果的に熱電素子にクラックが発生して性能の劣化が生じる。熱電素子の性能劣化は、冷却効率を悪化させて消費電力の増大をさせたり、自己発熱によって光半導体モジュールの温度制御ができなくなったりという問題を引き起こす。また、光半導体モジュールの底板や基板が反ることによって、熱電素子に欠陥が生じなくとも、光半導体素子と光ファイバーとの間の光結合を行う精密な光学系の光軸がずれてしまう。光軸のずれは、光半導体モジュールの光ファイバー端出力を低下させるという問題の原因となる。
【０００６】
環境変化によって光半導体モジュールの気密封止容器の底板が反る問題に対処した従来技術として、特許第３０４７８６４号公報に開示された光半導体気密封止容器及び光半導体モジュールが挙げられる。この光半導体気密封止容器は、枠体に固定された第１の底板と、第１の底板の枠体と反対の側に固定された第２の底板を備え、第２の底板は第１の底板よりもヤング率が大きいものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許第３０４７８６４号公報に記載の光半導体気密封止容器では、底板や基板の反りの問題は解決されたものの、なお次のような問題があった。通常、光半導体モジュールでは、気密封止容器を組み立てた後に熱電素子や光半導体を搭載した基板を組み込むので、気密封止容器のセラミックス端子板等、他の部品の配置に制約されて熱電素子の搭載面積を大きく取れないということである。
【０００８】
そこで、本発明においては、熱電素子の性能劣化及び光軸のずれの生じない光半導体モジュールを提供することを第一の目的とする。さらに、気密封止容器全体を小型化でき、しかも冷却効率の十分な光半導体モジュールを提供することを目的とする。また、そのような光半導体モジュールを製造するための方法を提供することをも目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討の結果、特に気密封止容器の構成を工夫することにより、上記の目的を達成できることを見出した。すなわち、本発明の光半導体モジュールは以下の（１）〜（３）である。
【００１０】
（１）　内部に光半導体素子と熱電素子を収納した光半導体モジュールであって、絶縁性セラミックスからなる底板と、該底板の上に搭載された熱電素子と、熱電素子を底板との間に挟んで固定する絶縁性セラミックスからなる板と、該底板の外縁部に固定され、該底板よりもヤング率が小さい金属からなる第１の枠体と、該第１の枠体に固定される、金属、絶縁体及びそれらの複合体のいずれかからなる第２の枠体を備えることを特徴とする光半導体モジュール。
【００１１】
（２）　上記絶縁性セラミックスが窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスであることを特徴とする（１）に記載の光半導体モジュール。
【００１２】
（３）　上記底板のヤング率は２５×１０３ｋｇ／ｍｍ２以上であり、かつ、上記第１の枠体のヤング率は１５×１０３ｋｇ／ｍｍ２以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光半導体モジュール。
【００１３】
さらに、本発明者らは、本発明の第２の態様として、上記のような構成の光半導体モジュールを容易に製造する新規な方法を見出した。この製造方法は、以下の（４）〜（９）である。
【００１４】
（４）　（１）〜（３）のいずれか一項に記載の光半導体モジュールの製造方法であって、絶縁性セラミックスからなる底板上に、該絶縁性セラミックスよりもヤング率が小さい金属からなる第１の枠体及び熱電素子用の電極を形成する工程と、前記熱電素子用の電極の上に熱電素子を絶縁性セラミックスからなる板で挟んで固定する工程と、金属、絶縁体及びそれらの複合体のいずれかからなる第２の枠体を前記第１の枠体上に固定する工程と、前記絶縁性セラミックスからなる板の上に光半導体素子が搭載された基板を固定する工程とを経ることを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
【００１５】
（５）　上記第１の枠体と上記熱電素子用の電極を、同一の材料で同時にめっきによって形成することを特徴とする（４）に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【００１６】
（６）　前記第１の枠体と前記第２の枠体との固定方法が、電気溶接、シーム溶接及びレーザー溶接のいずれかであることを特徴とする（４）又は（５）に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【００１７】
（７）　前記第１の枠体と前記第２の枠体との固定方法が、Ｎｉ及び／又はＡｕめっきの半田付けであることを特徴とする（４）又は（５）に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【００１８】
（８）　前記第１の枠体と前記第２の枠体との固定方法が、樹脂を用いた接着であることを特徴とする（４）又は（５）に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【００１９】
（９）　前記樹脂として、エポキシ系樹脂及びシリコン系樹脂の２種類を用いることを特徴とする（８）に記載の光半導体モジュールの製造方法。
【００２０】
以下に、本発明の第１の態様として、新規な光半導体モジュールの構成を図面を用いて説明する。図１は、本発明の光半導体モジュールの一例を模式的に描いた断面図である。絶縁性セラミックスの底板１上には直接熱電素子（ペルチェ素子等）３の下端が電極（図示せず）を介して固定されている。熱電素子３の上端は、今ひとつの板状の絶縁性セラミックス２に電極（図示せず）を介して固定されており、絶縁性セラミックス板に挟まれたそれら熱電素子は全体として冷却効果のある回路基板の土台を構成する。絶縁性セラミックス２の上には、光半導体素子等を搭載した回路基板７が固定される。底板１の上でその外縁部には、第１の枠体４が形成されている。第１の枠体４は金属からなり、底板１よりもヤング率の小さい素材を用いている。第１の枠体４上には、セラミックス端子板６を備えた、金属、絶縁体及びそれらの複合体のいずれかからなる第２の枠体５が固定される。この第２の枠体５が気密封止容器の側面を構成する。後述の製造方法を用いることにより、熱電素子を容器の隅まで敷き詰めることができる。さらに、図示していないが、熱電素子や光半導体素子等をセラミックス端子板上のパターン電極に結線し、第２の枠体を蓋材で密閉することにより、光半導体モジュールとして完成される。
【００２１】
本発明においては、気密封止容器の底板と側面の大部分を構成する第２の枠体とを、ヤング率の小さい、すなわちより変形しやすい金属からなる第１の枠体で連結している。したがって、環境温度が変化した際には、底板の熱応力をいわばより柔軟な第１の枠体が吸収し、底板が反るのを効果的に防ぐことができる。このことにより、環境温度が変化した場合にも熱電素子に熱応力が集中することによるクラックの発生や変形を防ぐことができる。その結果、熱電素子の劣化を防ぐことができ、同時に光軸のずれも発生しない。
【００２２】
本発明の第２の態様である製造方法では、初めに絶縁性セラミックスの底板上に第１の枠体及び熱電素子用の電極を形成する。第１の枠体及び熱電素子用の電極を形成した後は、底板を上から見ると、図３に示したような形状となる。図３中、白い部分は絶縁性セラミックスの底板２２、斜線部分は第１の枠体２０及び熱電素子用電極２１とからなる金属を示している。図示していないが、これら熱電素子用の電極を外部電極と通電するために、通常適当なパターン配線が施される。この電極２１上に熱電素子を配置し、同様に電極を設けた今ひとつの絶縁性セラミックスからなる板を配置し、熱電素子をセラミックスで挟んで固定する。これが光半導体モジュールの底板を兼ねる電子冷却素子となる。この底板を第２の枠体にはめ込むようにして固定する。固定方法は、詳しくは後述するが、溶接、半田付け、樹脂を用いた接着等を用いることができる。次いで、絶縁性セラミックスからなる板の上に、光半導体素子等が搭載された基板を固定する。
【００２３】
本発明の製造方法では、底板と別の絶縁性セラミックスの板との間に熱電素子を挟んで固定してから、これを容器の側面を構成する第２の枠体にはめ込むようにして固定する。そのため、熱電素子を底板の所望の位置に配置してから底板を第２の枠体に固定することになり、熱電素子の配置を比較的自由に設計できる。これに対して、従来は気密封止容器を組み立ててからその内部に熱電素子を配置していたので、容器内部に突出しているセラミックス端子板等のほかの部品が邪魔になって素子の配置には制約があった。本発明の方法によって、図１に示したように、熱電素子は気密封止容器の側面近くまで余分な空間を残すことなく敷き詰めることができる。このことによって、同じ大きさの光半導体モジュールであっても熱電素子の搭載面積を従来よりも増やすことができ、結果としてモジュールを小型化した場合にも十分な冷却効率が得られる。
【００２４】
さらに、本発明の製造方法では、第１の枠体と熱電素子用の電極とを、同時に同一材料でめっきによって形成することができる。この場合には、特願２００１−２０４４５７号に開示されている回路基板の製造方法を応用して、底板となる絶縁性セラミックス上に第１の枠体と熱電素子用電極を形成する。この方法では、初めに、図２（ａ）に示すように、底板となる絶縁性セラミックス１１上にセラミックスと密着度の高い第１のメタル層１２、例えばＴｉ／Ｍｏ／Ｎｉ等を蒸着又はスパッタによって薄く形成する。この第１のメタル層１２は下地となる。次に、フォトマスクを使用して枠体及び電極のパターンに形成したフォトレジスト１３をこの上に形成する。この状態では底板全面を電極とすることが可能なので、図２（ｂ）に示すように、電解めっきによりフォトレジスト１３のついていないところに選択的に第１の枠体及び熱電素子用電極を構成する素材の層の厚膜、第２のメタル層１４を形成する。この第２のメタル層１４の厚膜のうち、底板を囲う外縁部分が第１の枠体１６を構成し、その内側の部分は熱電素子用電極１７を構成する。その後、図２（ｃ）に示すように、レジスト１３を薄層化し、第２のメタル層１４の上に電解めっきにより、エッチングされにくい素材、例えば金で薄い第３のメタル層１５を形成する。次いで、図２（ｄ）のように、フォトレジストを光照射して取り除き、第１及び第２のメタル層１２、１４をエッチングする。第３のメタル層１５の素材に、第１及び第２のメタル層１２、１４のエッチング液に溶解しない素材を用いれば、これがマスクとなって選択的にフォトレジストで形成したパターンをエッチングすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をさらに具体的に説明する。
本発明の光半導体モジュールにおいては、上記のように第１の枠体に熱応力を効果的に吸収させるために、底板のヤング率は２５×１０３ｋｇ／ｍｍ２以上であり、かつ、第１の枠体のヤング率は１５×１０３ｋｇ／ｍｍ２以下であることが好ましい。底板は絶縁性セラミックスであるが、窒化アルミニウムを主成分とすることが入手しやすさや強度、耐薬品性の点から好ましい。さらに、第１の枠体は主としてＣｕで形成されることがヤング率やめっきのしやすさの点から好ましい。
【００２６】
第２の枠体は、主として光半導体モジュールの側面を構成する。そのため、内部の素子を外部と電気的に接続するための端子や光ファイバーの連結部分などを必要に応じて備えていることが好ましい。通常は、モジュールの側面部分はセラミックス端子板上に配線パターンをメタライズした電極を備えている。さらに、本発明の光半導体モジュールは、蓋材や、各素子と端子板上の電極を電気的に連結するためのリードやワイヤを備えていてもよく、これ以外にも用途に応じて従来のどのような部材や部品をも具備して用いることができる。また、第２の枠体は、アルミナ製の電極付端子と、コバール製の側壁であるフレームと、フレームに貫通穴を設けそこに設置するコバール製の光ファイバー挿入用パイプと、上部のキャップ溶接を行うためのコバール製シームリングからなり、これらは、銀ロウ付けで一体化することが望ましい。
【００２７】
本発明の光半導体モジュールの製造方法においては、第１の枠体と第２の枠体を固定するために、電気溶接、シーム溶接及びレーザー溶接のいずれかを好ましく用いることができる。上述のように、第１の枠体と熱電素子用電極を同時に形成する方法を実施するときには、電気溶接又はシーム溶接では、第１の枠体を主として構成する第２のメタル層にＣｕを用い、その上に第３のメタル層としてＡｕを用いることが好ましい。熱電素子用電極も同様にＣｕ及びＡｕで形成される。この場合には、第１の枠体に連結する第２の枠体はＡｕめっきして溶接することが望ましい。
【００２８】
また、レーザー溶接を用いる場合には、第１の枠体及び熱電素子用電極として、電気溶接又はシーム溶接の場合と同様にまずＣｕ／Ａｕの各メタル層を形成する。次に、Ａｕを除去した後、第１の枠体のみをフォトレジストで保護してから、熱電素子用電極となるＣｕの上にＮｉをめっきする。さらに、熱電素子用電極はＮｉの上に連続してＡｕをめっきして用いる。逆に電極部分を保護して、第１の枠体のＡｕのみを除去して用いてもよい。その後、電極部をフォトレジストで保護してから、第１の枠体のＣｕ上に、Ｎｉ又はコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）を無電解めっきする。この第１の枠体と、めっきなしの第２の枠体とをレーザー溶接して固定する。
【００２９】
また、第１の枠体と第２の枠体を半田付けで固定することもできる。半田付けの場合には、これらにＮｉ及び／又はＡｕめっきを施すことが望ましい。この場合、電気溶接又はシーム溶接の場合と同様に、第１の枠体及び熱電素子用電極をＣｕ／Ａｕで形成し、第２の枠体もＡｕめっきしておくことが望ましい。半田としては、ＰｂＳｎ、ＡｕＳｎ、ＳｎＣｕ、ＳｎＣｕＮｉ、ＳｎＡｇＣｕ等を用いることができる。
【００３０】
また、第１の枠体と第２の枠体を樹脂による接着で固定してもよい。接着に用いる樹脂としては、エポキシ系の樹脂が好ましい。１種類の樹脂のみで固定してもよいが、より信頼性の高い気密封止を行う場合には、第１の枠体と第２の枠体の接触している容器の内側に、さらにシリコン系樹脂で肉盛りするように固定するとよい。
【００３１】
本発明の方法においては、上記の他に、基板や素子を電気的に連結する工程や気密封止容器を蓋材で密閉する工程等、従来行われている光半導体モジュールを製造するための工程をさらに経て製造してもよい。
【００３２】
実際に、本発明の光半導体モジュールを試作したところ、発光特性等実用に十分耐えるものであった。また、この光半導体モジュールについて、−４０〜８５℃で、ＭＩＬ−ＳＴＤ　８８３　に準拠するヒートサイクル試験を行った。すると、１０００サイクルでも光学系の光軸ずれも、熱電素子の劣化も観察されず、良好な動作結果を得ることができた。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の光半導体モジュールは、底板と側面部分の間にヤング率の小さい金属からなる第１の枠体を設けることにより、環境温度の変化による底板の反りを防止し、熱電素子の特性劣化を防止できる。同時に、底板の反りによって生じていたモジュール内の光軸のずれも防止することができる。また、本発明の製造方法によれば、そのような第１の枠体を備えた光半導体モジュールを容易に製造できる。さらに、モジュールを組み立てる工程を工夫することによって、底板上の熱電素子の配置を自由に設計でき、冷却効率をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体モジュールの一例を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の光半導体モジュールの製造方法を説明するための一連の図である。
【図３】本発明の光半導体モジュールの底板上に、熱電素子用電極と第１の枠体が形成された様子を示す上面図である。
【符号の説明】
１、１１、２２　底板
２　絶縁性セラミックス
３　熱電素子
４、１６、２０　第１の枠体
５　第２の枠体
６　セラミックス端子板
７　基板
１２　第１のメタル層
１３　フォトレジスト
１４　第２のメタル層
１５　第３のメタル層
１７、２１　熱電素子用電極
【図１】
2004087752.tif 000003
【図２】
2004087752.tif 000004
【図３】
2004087752.tif 000005