(57)【要約】【課題】組立時間が短く、信頼性が高く、長寿命の光半導体モジュールを提供する。【解決手段】本発明の光半導体モジュールは、気密封止容器内に電子冷却素子が装填され、電子冷却素子の配線電極と光半導体気密封止容器のセラミックス端子上の配線パターン電極とを、金属の線材を用いて電気的に接続したことを特徴とする。線材を用いることにより、半田付けにかかる時間を大幅に短縮できる。さらに、金属の線材が、（ρ×Ｉ２×Ｌ２）／（８×κ×Ｓ２）＜３０　　　　　　　　式Ｉの関係を満たす用に適宜材質や長さ、総断面積（本数）を選択することが望ましい。これにより、さらなる高信頼性と長寿命が実現される。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密封止容器内に電子冷却素子が装填される光半導体モジュールにおいて、前記気密封止容器がセラミックス端子上に形成された配線パターン電極を備え、前記電子冷却素子の配線電極と前記気密封止容器の配線パターン電極とが、金属の線材を用いて電気的に接続されていることを特徴とする光半導体モジュール。
【請求項２】
前記金属の線材が、
（ρ×Ｉ２×Ｌ２）／（８×κ×Ｓ２）＜３０　　　　　　　　式Ｉ
の関係を満たす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。
（上記式Ｉ中、ρ：電気抵抗率（Ω・ｍ）
Ｉ：電流（Ａ）
Ｌ：線材の長さ（ｍ）
κ：熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
Ｓ：線材の総断面積（ｍ２）
である。）
【請求項３】
前記電子冷却素子の配線電極の上にさらにＣｕ製のブロックが半田付けされ、該Ｃｕ製のブロックの上面と前記気密封止容器の配線パターン電極とが前記線材で電気的に接続されてい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、光半導体気密封止容器に電子冷却素子を搭載する工程と、該電子冷却素子の配線電極と前記光半導体気密封止容器のセラミックス端子の配線パターン電極とを金属の線材を用いて接続する工程と、基板を前記電子冷却素子に搭載する工程と、前記基板上に配置した電極と前記セラミックス端子の配線パターン電極とを電気的に接続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。
【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電子冷却素子（ＴＥＣ）が装填される光半導体モジュールに関する。
【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、素子に応じた封止容器に封入されて用いられる。このとき、封止容器は一部が外部に露出した端子（リード）を有し、半導体素子は封止容器内でその端子と素子の電極とを電気的に接続して用いられる。このとき、封止容器側の電極は、セラミックスの端子板上に、配線パターンをメタライズして形成されることが多い。
【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。
【０００４】
一つの方法として、電子冷却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。電子冷却素子は、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。特開平１０−９８１４１号公報では、電子冷却素子と気密封止容器のセラミックス端子上の配線パターン電極とにリードをあらかじめ取り付けておき、そのリード同士を半田付けすることで電気的に接続した光半導体モジュールが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来技術では、電気冷却素子が気密封止容器の底板に固定されセラミックス端子はそれよりも上方にあるため、電子冷却素子のリードを気密封止容器側のリードに半田付けする際、電気冷却素子のリードを上方へ折り曲げなければならなかった。そのため、この方法では折り曲げと半田付けの工程に手間がかかり、１本のリードを半田付けするのに約３分と長い時間がかかっていた。また、折り曲げと半田付けは手作業で行わなければならないため、接合強度や信号伝達の信頼性にばらつきが生じていた。また、ＳｎＡｇＢｉやＳｎＣｕ等のいわゆる鉛フリー半田を用いた場合に、耐環境試験の最中に半田部分にクラックが発生し、そのために半田部分の電気抵抗が高くなり、この電気抵抗が高くなった部分が局所的に発熱して融けてしまうという問題も生じていた。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、組立時間が短く、信頼性が高くかつ寿命の長い光半導体モジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような実情に鑑み、本発明者らは鋭意研究の結果、電子冷却素子と光半導体気密封止容器のセラミックス端子上の電極とを工夫して接続することにより目的を達成した。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。そして、（４）は本発明の光半導体モジュールの製造方法である。
【０００８】
（１）　気密封止容器内に電子冷却素子が装填される光半導体モジュールにおいて、前記気密封止容器がセラミックス端子上に形成された配線パターン電極を備え、前記電子冷却素子の配線電極と前記気密封止容器の配線パターン電極とを、金属の線材を用いて電気的に接続したことを特徴とする光半導体モジュール。
【０００９】
（２）　前記金属の線材が、
（ρ×Ｉ２×Ｌ２）／（８×κ×Ｓ２）＜３０　　　　　　　　式Ｉ
の関係を満たすことを特徴とする（１）に記載の光半導体モジュール。
上記式Ｉ中、ρ：電気抵抗率（Ω・ｍ）
Ｉ：電流（Ａ）
Ｌ：線材の長さ（ｍ）
κ：熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
Ｓ：線材の総断面積（ｍ２）
である。
【００１０】
（３）　前記電子冷却素子の配線電極の上にさらにＣｕ製のブロックが半田付けされ、該Ｃｕ製のブロックの上面と前記気密封止容器の配線パターン電極とを前記線材で電気的に接続す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。
【００１１】
（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、光半導体気密封止容器に電子冷却素子を搭載する工程と、該電子冷却素子の配線電極と前記光半導体気密封止容器のセラミックス端子の配線パターン電極とを金属の線材を用いて接続する工程と、基板を前記電子冷却素子に搭載する工程と、前記基板上に配置した電極と前記セラミックス端子の配線パターン電極とを電気的に接続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。
【００１２】
以下に本発明の光半導体モジュール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を上から見た部分図である。図の上方には、気密封止容器のセラミックス端子とその上にメタライズされた配線パターン電極、容器を封止するシームリングが描かれている。下方には、電子冷却素子（ＴＥＣ）が配置される。ＴＥＣからは図面の左方向に電極が突出している。このＴＥＣ電極と、セラミックス端子上の配線パターン電極とは、ワイヤ、リボン等の金属の線材を用い接続される。
【００１３】
図２は、図１と同一の光半導体モジュールを横方向から見た断面図である。気密封止容器の底板上に、ＴＥＣ下板及びＴＥＣ電極が載置され、一方でセラミックス端子は気密封止容器の側面のフレームの中ほどの高さに配置される。ＴＥＣの厚みは１．５〜３ｍｍ程度であり、そのため、図２に示すようにＴＥＣ電極とセラミックス端子状の配線パターン電極とは同じ高さにはならない。本発明では、この二つの電極間をワイヤ、リボン等の金属の線材で連結する。ワイヤ又はリボンは柔軟性があり、半田付け作業が容易でかつ電気的な接続には十分な信頼性がある。実際に、上記の従来技術ではリード半田付け１個につき３分程度かかっていたのに対して、本発明のワイヤボンディングでは半田付け１個につき５秒程度に短縮できることが分かった。
【００１４】
線材を用いて製造した光半導体モジュールの信頼性を確実にするために、本発明者らはワイヤそのものからの放熱の影響を考慮した。図８及び図９は、直径３０μｍ、長さ３ｍｍの同一のワイヤに電流１Ａを流したときの温度分布を示している。図８はワイヤ表面を断熱した場合、図９はワイヤ表面を放熱した場合である。ワイヤ内の最大温度差であるΔＴは、図８の場合で１６８．８７９℃、図９の場合で１６８．２１５℃とほとんど差がなかった。したがって、従来のリードに替えて細い線材をたくさん用いても、線材自身がモジュール全体に与える発熱の影響は小さく、線材を好適に用いることができると分かった。
【００１５】
本発明者らはさらに、上記の金属の線材が上記式Ｉの関係を満たすときに特に光半導体モジュールの信頼性が向上することを見出した。一般に線材のｘ点を通過する熱量Ｑ（ｘ）（単位Ｗ）は電流Ｉ　Ａと抵抗Ｒ　Ωを用いて表されるが、Ｒはさらに線材の材質特有の抵抗率ρ　Ω・ｍと線材の断面積Ｓ　ｍｍ２を用いて次のように表される。ここで、断面積Ｓは線材の総断面積である。
Ｑ（ｘ）＝Ｉ２・Ｒ＝Ｉ２・ρ・（ｘ／Ｓ）
一方、単位長さｄｘあたりの温度上昇ｄＴ　℃は、やはり線材の材質特有の熱伝導率κ　Ｗ／ｍｍ・℃と、線材の断面積Ｓ　ｍｍ２を用いて次のように表される。
ｄＴ＝（１／κ）・（ｄｘ／Ｓ）・Ｑ（ｘ）
この式に上記のＱ（ｘ）を代入すると、ｄＴは下式のようになる。
ｄＴ＝（ρ／κ）・（Ｉ２・ｘ／Ｓ２）・ｄｘ
【００１６】
このｄＴを用いて、線材がどのように発熱するかを記述する。図５に示すように、断面積Ｓの線材のある点が最高温度Ｔ２であったとすると、線材の両端に向かって熱が一様に伝わっていくと考えられる。温度Ｔ２の点を中心に両端に向かって長さＬ／２だけ進んだ点の温度をＴ１とすると、その温度差ΔＴ（℃）＝Ｔ２−Ｔ１は、上記のｄＴを用いて次のように表されることになる。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
図６には、線材の例として金線のワイヤを示した。このワイヤは、抵抗率ρが２．４×１０−５Ω・ｍｍであり、熱伝導率κが３２０×１０−３Ｗ／ｍ・℃である。この材質のワイヤについて、断面積Ｓ及び長さＬを変えたものを用意し、それぞれ１Ａの電流を流した。そのときのワイヤ内の最大温度差ΔＴを実測した結果を実線で、上記式ＩＩを用いてΔＴを計算した結果を○、△、□で図７のグラフに示した。実測及び計算に用いたワイヤは、断面積Ｓについては、０．７０７μｍ２（直径３０μｍ）、２．８３μｍ２（直径６０μｍ）、３１．４μｍ２（直径１００μｍ）と３種類であり、長さＬについてはそれぞれ１ｍｍ、３ｍｍ、１０ｍｍと３種類を用意した。図７から明らかなように、実測値と上記式ＩＩによる計算値はよく一致しており、式ＩＩによって導体内の温度差が正確に算出できることが分かる。
【００１９】
光半導体の信頼性は、上述したように電流を流したときの発熱を如何に抑制するかに関わっている。したがって、式ＩＩのΔＴを３０未満に規定した式Ｉは、線材の温度上昇値が３０℃未満となるように、電流値によって線材の材質、断面積及び長さを適宜選択することを意味している。例えば、線材の長さが短ければ、断面積も小さくて済む。本発明者らの実験により、線材の温度上昇を３０℃未満に抑えることによって、光半導体モジュールの信頼性が特に向上することが確かめられた。実際に、ＭＩＬ−ＳＴＤ（ミルスタンダード）８８３に準拠した加速寿命試験の結果、光半導体の寿命が１０年以上と長くなることが分かった。
【００２０】
本発明に用いる線材は、断面形状が円形のワイヤでもよいし、断面形状が四角形のリボンでもよい。いずれにしても、上記式Ｉの条件を満たすことが望ましい。これら線材を気密封止容器のセラミックス端子上の配線パターン電極と接続するには、局所加熱による圧着、超音波圧着等既存の圧着方法を取ることができる。線材の太さは、ワイヤの場合は直径２０〜３０μｍが好ましく、最大でも５０μｍがよい。一方、リボンの場合は市販されているものを好ましく用いることができるが、その中でも断面の長辺が長い方が好ましく３００μｍ以上、より好ましくは５００μｍ以上であり、短辺は２０〜３０μｍ、最大でも５０μｍがよい。いずれの場合も線材が太過ぎると、局所加熱圧着や超音波圧着が困難になるので、これらの範囲が好ましい。
【００２１】
一方で、細い線材１本では望ましい総断面積が不足する場合には、２本、３本と線材の本数を増やして用いることができる。実際に、下記表１に示す材質の線材を用いて、ワイヤ又はリボンの本数を増やしたときのΔＴの変化の様子を調べた結果について述べる。下記表２及び図３にはワイヤ１〜６本の場合の電流値に対するΔＴの変化、下記表３及び図４にはリボン１〜３本の場合の電流値に対するΔＴの変化を示した。以下の表中で、例えばＥ−０５の表記は、×１０−５を意味している。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
【表３】
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【００２５】
表２、表３、図３及び図４に示すように、ワイヤ又はリボンの本数を増やすことによって、電流値が増えた場合にもΔＴを小さくすることができる。そのため、１本当たりの断面積の小さい線材を用いた場合に式Ｉに示したΔＴの望ましい範囲３０℃未満を実現するには、適宜本数を増やしていくことが有効である。
【００２６】
線材の本数が増えた場合には、上記式ＩＩは本数ｎをパラメータとして導入し以下のように変形して用いることができる。
【数２】
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【００２７】
ところで、光半導体モジュールのセラミックス端子上に配線パターン電極をメタライズする際には、通常何種類かの金属を多層に形成する。その際、最外層はＡｕ、スパッタ蒸着によるＮｉＡｇ合金、Ｃｕ等である場合が多い。本発明の光半導体モジュールに好ましい組み合わせとしては、最外層と線材の組み合わせがそれぞれＡｕとＡｕ又はＣｕ、ＮｉＡｇとＡｌ、ＣｕとＣｕであることが望ましい。
【００２８】
また、ＴＥＣの電極上に、Ｃｕ製のブロックを立てておき、該ブロックの上面とセラミックス端子上の配線パターン電極とを線材で接続し、ブロックを介して両者を電気的に接続することもできる。この場合には、線材の長さを短くできるので作業性が向上する。また、総断面積を小さくすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施例を用いて具体的に説明する。
【００３０】
（実施例１）
本実施例では、図１１に示すように、窒化アルミニウム製の回路基板９上に、ＴＥＣ３から伸長するＴＥＣ電極６上にＣｕ製のブロック２を配置した。ブロックの寸法は、０．８×０．８×１．７ｍｍである。気密封止容器は、その断面図を図１０に示すように、コバールの枠体５に、窒化アルミニウムの底板７を固定して形成した。枠体５は、メタライズによって配線パターン電極４が形成された、アルミナからなるセラミックス端子８が取り付けられている。枠体５、底板７、セラミックス端子８の各部品は、銀ロウ付けによって接合し、気密封止容器に組み立てた。気密封止容器は、後に蓋体で気密封止を行うためと、容器の腐食を防ぐために、全体に金めっきを施した。この気密封止容器にＴＥＣを備える回路基板を収容し、ブロック２と気密封止容器のセラミックス端子上のＡｕの配線パターン電極４を、図１０に示すようにＡｕリボン１を半田付けすることにより接続した。Ａｕリボン１の寸法は、厚さ２５μｍ、幅２００μｍ、長さ４ｍｍであった。最後に、気密封止容器の枠体５の上端面にコバールのリングを介して蓋体を半田ロウ付けにより気密に固定した。このようにして、本発明の光半導体モジュールを製造した。
【００３１】
気密封止容器の枠体は、切削加工や射出成形で作製される。また、枠体の一部を絶縁体であるセラミックスで構成して、セラミックス端子部分と一体化した構造のものであってもよく、枠体に設けた貫通穴にリード端子を通し、ガラス封止して取り付けた構造でもよい。さらに、枠体には、気密封止容器の内部と外部に光を透過させるための光透過窓を形成してもよい。その場合には、光透過窓は通常コバール等のパイプに、ガラス等の窓材を取り付けて用いる。また、窓材を使用せず、枠体に光ファイバーを貫通させて、光ファイバーごと半田ロウ付けで気密封止した光ファイバー透過窓も使用することができる。
【００３２】
（実施例２）
実施例２では、図１２に示すように、Ｃｕ製のブロックを用いずにＴＥＣ３から伸長するＴＥＣ電極６と気密封止容器のセラミックス端子上のＡｕの配線パターン電極を、直接Ａｕリボンを熱圧着することにより接続し、光半導体モジュールを製造した。
【００３３】
（実施例３）
実施例３では、実施例２と同様にしてＴＥＣの電極と気密封止容器のセラミックス端子上の配線パターン電極を、リボンを超音波で圧着することにより接続し、光半導体モジュールを製造した。セラミックス端子上の配線パターン電極は、ＮｉＡｇ部分スパッタによるＮｉＡｇ合金で形成し、Ａｌ製リボンを用いた。
【００３４】
（実施例４）
実施例４では、実施例２と同様にしてＴＥＣの電極と気密封止容器のセラミックス端子上の配線パターン電極を、直接リボンを熱圧着することにより接続した。セラミックス端子上の配線パターン電極はＣｕスパッタにより形成し、リボンにはＣｕ製のリボンを使用した。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の光半導体モジュールは、ＴＥＣ電極と気密封止容器側の電極の接続に線材を用いるため、従来のＴＥＣが内在するタイプの光半導体モジュールに比べて短時間で製造することができる。そのため、量産性を大きく向上できる。さらに、用いる線材を式Ｉによって適切に選択することができるため、光半導体モジュールの発熱を抑制し、高い信頼性が実現できると共に、長寿命の製品が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体モジュールを模式的に示した図であり、上から見たときの部分図である。
【図２】図１に示した光半導体モジュールの断面図である。
【図３】ワイヤの本数を増やしたときの電流値変化に対するΔＴ変化のグラフである。
【図４】リボンの本数を増やしたときの電流値変化に対するΔＴ変化のグラフである。
【図５】線材におけるΔＴの定式化を説明するための図である。
【図６】線材におけるΔＴの定式化を説明するための別の図である。
【図７】金線の断面積、長さ及びΔＴ変化を示す実測値のグラフと計算値のプロットである。
【図８】ワイヤ表面を断熱したときの温度分布を示す図である。
【図９】ワイヤ表面を放熱したときの温度分布を示す図である。
【図１０】実施例１で製造した光半導体モジュールを模式的に示した断面図である。
【図１１】図１０に示した光半導体モジュールの部分図である。
【図１２】実施例２〜４で製造した光半導体モジュールの部分図である。
【符号の説明】
１　リボン
２　Ｃｕ製ブロック
３　ＴＥＣ
４　配線パターン電極
５　枠体
６　ＴＥＣ電極
７　底板
８　セラミックス端子
９　回路基板
【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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【図１２】
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