(57)【要約】【課題】少量のフラックス使用量で、熱電モジュール基板の全面にフラックスを塗布して健全なはんだ層を形成し、残留有機物の少ない熱電モジュールを提供する。【解決手段】相対湿度を５０〜８０％に管理したフラックス塗布雰囲気中で、ロジン含有量が１０〜３５ｗｔ％のロジン系液状フラックスを塗布する。【選択図】          なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の基板間に熱電素子を挟持してなる熱電モジュールのメタライズ処理された基板表面にはんだ層形成用のフラックスを塗布するに際し、ロジン成分を１０ｗｔ％〜３５ｗｔ％含むロジン系液状フラックスを、塗布雰囲気の相対湿度を５０％以上８０％以下に保持しながら塗布することを特徴とする熱電モジュールのフラックス塗布方法。
【請求項２】
前記塗布雰囲気の相対湿度を６０％以上８０％以下に保持することを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュールのフラックス塗布方法。
【請求項３】
前記フラックス塗布量を１．５〜３．５μｌ／ｃｍ２  とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モジュールのフラックス塗布方法。
【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熱電モジュールに関し、さらに詳しくは熱電モジュールをはんだ接合する際のフラックスの塗布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を載置した熱電モジュール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の底板には熱電モジュール１の放熱側基板８がはんだ層９を介して接合されており、熱電モジュール１の冷却側基板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、はんだ層９を介して接合されている。キャリア６は熱電モジュール１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。
【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】
このようなレーザダイオードモジュールを組み立てるには、あらかじめ熱電モジュールの２枚の基板表面にはんだ層を形成しておき、所定の位置に組み込んで加熱圧接する。図３にはんだ層を形成した熱電モジュールの断面構造を示す。図に示すように熱電モジュール１の冷却側基板７及び放熱側基板８の表面に厚さ１００μｍ程度のはんだ層９を形成する。
冷却側基板７及び放熱側基板８にはアルミナ等のセラミック基板を使用し、あらかじめ基板表面にスパッタ法や無電解銅メッキあるいは銅ペーストを塗布して焼成する等の手段により、メタライズ層を形成しておく。
次に、ハンダ層の形成工程を図４に示す。
基板表面にはんだ層を形成するには、先ず、図４（ａ）に示すように、熱電モジュール１の一方の基板のメタライズ層１１の表面ほぼ中央部に液状フラックス１２を滴下して、図４（ｂ）に示すように全面に拡散させて塗布する。次に、図４（ｃ）に示すように、フラックスが塗布された基板の上に例えばシート状のはんだ１３を載せ、図４（ｄ）に示すようにはんだ鏝１５等で加熱してはんだ層を形成する（図４（ｅ）参照）。１４は予熱用のホットプレートである。はんだはシート状の他に、必要量秤量した粒状あるいは糸状はんだであっても良い。
【０００６】
フラックスとしては例えばロジン等を主剤とする樹脂系フラックス、アミン等の水ベース物質を主剤とする有機系フラックス、あるいはハロゲン塩等の水溶性物質を主剤とする無機系フラックスなどが使用できる。フラックスは溶剤を使用して適度の粘性を有するように調整したものを基板表面のほぼ中央にに滴下し、均一に拡散させる。フラックスを基板表面全面に拡散させるためには、ある程度多量に（２〜６μｌ／ｃｍ２  程度）滴下する必要がある。
通常、フッラクス塗布の作業は室温で湿度４０％前後の標準状態雰囲気中で行われる。
【０００７】
はんだ合金としてはＳｎＰｂ系合金、ＳｎＢｉ系合金等が利用できる。はんだ合金は薄いシート状の他に、必要量秤量した粒状あるいは糸状はんだや、溶融槽に保持したものであっても良い。例えばシート状のはんだを使用する場合、１４０℃程度に加熱したホットプレート上にフラックスを塗布した熱電モジュールを載置し、フラクス上にシート状はんだを載せて加熱溶融させる。ホットプレートの加熱のみでははんだが拡散しないので、２２０℃前後のはんだ鏝を当てて溶融・拡散させる。
はんだ層を形成した熱電モジュールはフラックス剥離剤中に浸漬させて残留したフラックスを洗浄除去する（図４（ｆ）参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のはんだ層の形成方法においては、はんだ層を形成すべき基板表面にむら無く均一なはんだ層を形成するために、ある程度多量のフラックスを塗布する必要がある。ところが多量のフラックスを塗布するとフラックス溜まり１７が発生し、はんだがフラックス溜まりにはじかれて、基板表面にはんだで濡れないスポットが生じたり、はんだ層内部にフラックス１８が取り込まれたりして、均一なはんだ層が形成できない難点がある。この様子を図５に示す。図５（ａ）は基板のメタライズ層１１表面にフラックス１２を介してシート状のはんだ１３を載置した状態を示し、図５（ｂ）ははんだが溶融してフラックス溜まり１７や、はんだ層に取り込まれたフラックス１８が生じた状態を示し、図５（ｃ）は残留フラックスを洗浄除去した後、基板表面にはんだで濡れないスポットが生じたりはんだ層に取り込まれたフラックス１８が残留した状態を示している。
このようなはんだ層が形成された熱電モジュールをレーザダイオードモジュールに組み込むと、熱電モジュールとパッケージケースとの強固な接合ができず、レーザダイオードの温度制御ができなくなり、周囲の温度変化による熱膨張や熱収縮によって光学系の光軸に狂いが生じて、発信出力や効率の低下を招き、雑音発生の原因になる等の問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、少量のフラックス使用量で基板全面を十分濡らすことができ、残留有機物を減らし、しかも熱電モジュールの基板全面に均一で健全なはんだ層を形成し、もって信頼性の高いレーザダイオードモジュールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の熱電モジュールのフラックス塗布方法は、２枚の基板間に熱電素子を挟持してなる熱電モジュールのメタライズ処理された基板表面にはんだ層形成用のフラックスを塗布するに際し、ロジン成分を１０ｗｔ％〜３５ｗｔ％含むロジン系液状フラックスを、塗布雰囲気の相対湿度を５０％以上８０％以下に保持しながら塗布する方法を採用した。
本発明においては前記フラックス塗布雰囲気の相対湿度を６０％以上８０％以下に保持しながら塗布することが好ましい。
また、本発明においては前記フラックス塗布量は１．５〜３．５μｌ／ｃｍ２とすることが好ましい。
本方法によれば、この程度の少量のフラックス使用量でも基板全面を十分濡らすことができ、残留有機物は減少し、しかも熱電モジュールの基板全面に均一で健全なはんだ層を形成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは少量のフラックスで基板全面を濡らし、健全なはんだ層を形成するためのフラックスの塗布条件を種々探索した。
熱電モジュールとして８×１２ｍｍのアルミナ基板にメタライズしたものを準備し、この熱電モジュール基板表面にＳｎＰｂはんだ合金（ｍｐ：１８３℃）及びＳｎＢｉはんだ合金（ｍｐ：１３９℃）のはんだ層を形成する実験を試みた。フラックスとしてはロジン成分を５ｗｔ％から４０ｗｔ％含むロジン系液状フラックスを使用し、３．５μｌ（マイクロリットル）滴下した。塗布作業環境は温度を２５℃、相対湿度を３０から９０％に変化させて通常の方法により１０個のサンプルにはんだ層を形成し、基板の全面がはんだで濡れて健全なはんだ層が得られずに不良品となった個数と、洗浄後の残留有機物の量を測定した。残留有機物の量を測定はＪＩＳ  Ｚ３１９７に準拠し、１１０℃で１時間乾燥させたフラックスの減量を測定して求めた。
作業環境中の湿分はメタライズ層に対するフラックスの濡れ性を確保し、かつはんだが溶融するまでのフラックスの蒸発を抑えるために、ある程度は必要なものである。これらの測定結果を表１及び表２に示す。
【００１２】
【表１】
2004298941.tif 000002
【００１３】
【表２】
2004298941.tif 000003
【００１４】
これらの結果から、先ず作業環境の相対湿度を９０％に安定して維持管理するのは困難であり、作業環境としても良くないので現実的でないことが判った。
次に、ロジン成分が５ｗｔ％のフラックスはフラックス効果が少なく、はんだの酸化が進みメタライズ面に対して濡れ難くなるので、湿度の低い雰囲気中では不良品の発生が多くなることが判明した。一方、ロジン成分が４０ｗｔ％のフラックスは粘性が高くて滴下後拡散し難く、湿度の低い雰囲気中では不良品の発生が多くなり、洗浄後の残留有機物の量も多くなることが判明した。
ロジン成分が１０〜３５ｗｔ％のフラックスでは、滴下後の拡散状況も良好で、不良品の発生もおおむね少なかった。ただし湿度が４０％以下になるとＳｎＰｂはんだ、ＳｎＢｉはんだのいずれにおいても不良品の発生が認められた。
これらの結果から、確実に健全なはんだ層を得るには、フラックスとしてロジン成分を１０ｗｔ％〜３５ｗｔ％含むロジン系液状フラックスを使用し、塗布作業環境の相対湿度を５０％〜８０％に調節すれば良いとの結論が得られる。
【００１５】
次に、前記８×１２ｍｍの熱電モジュールのアルミナ基板に対して、雰囲気湿度を変化させてアルミナ基板全面を充分濡らすのに必要なフラックス量を求めた。結果を図６に示す。図６の結果から、フラックス中のロジン成分が多くなるほど粘性が高くなり、基板全面を充分濡らすのに必要なフラックス量が多くなることが判る。また、雰囲気湿度が低くなるほど基板との濡れ性が悪くなるので、基板全面を充分濡らすのに必要なフラックス量が多くなることが判る。いずれの場合にも雰囲気湿度が８０％になると、雰囲気湿度が５０％の時と比較して必要なフラックス量は２８％から４２％低減させることができる。
【００１６】
本発明においては、先ず作業環境として室温で相対湿度を５０％〜８０％に調節する。相対湿度が高い方が基板のメタライズ面に対するフラックスの濡れ性が良くなり、少量のフラックスで基板全面を覆うことができる。
本発明においては、フラックスとしてロジン成分を１０ｗｔ％〜３５ｗｔ％含むロジン系液状フラックスを使用する。ロジン成分が１０ｗｔ％未満ではフラックスとしての効果が無く、３５ｗｔ％を越えると粘性が高すぎて均一塗布が困難となる。ロジン成分の含有率を調整するには、濃度が高めの市販のロジン系フラックスをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を溶剤として使用して希釈すれば良い。
次に、ピペットを使用して前記ロジン系液状フラックスの所定量を、熱電モジュール基板上のメタライズ面のほぼ中央に滴下する。フラックスを基板表面に充分塗布するためにはある程度の量のフラックスを必要とする。しかしあまり過剰に塗布するとフラックス溜まりが生じて溶融はんだをはじき、はんだ層が形成されない部分を生じることがある。したがって適正量のフラックスを使用することが重要である。適正なフラックスの塗布量は、１．５〜３．５μｌ／ｃｍ２  、好ましくは２〜３μｌ／ｃｍ２  である。本発明の方法によればこの程度の少量のフラックスの使用量で基板全面に充分拡散し、確実に健全なはんだ層を得ることができる。
【００１７】
このようにしてフラックスを塗布した熱電モジュールを約１４０℃のホットプレートに載せ、熱電モジュールの基板表面に所定量のシート状はんだあるいは粒状や糸状のはんだを載置して予熱する。ホットプレートの熱でははんだが溶融しないので、約２１０〜２２０℃のはんだ鏝を使用してはんだを溶かし、基板表面全面に拡げる。フラックス効果によりはんだは基板表面全面に薄く拡散し、はんだ層が形成される。
熱電モジュールの片面にはんだ層を形成した後、同様にしてもう一方の面にもはんだ層を形成する。
【００１８】
はんだ層を形成した熱電モジュールは、フラックス剥離液に浸漬して残留するフラックスを除去する。フラックスが残留しているとレーザダイオードモジュールとして使用する際に、温度が上昇すると有機物のガスが発生したり、絶縁不良の原因になったり、パッケージケースの腐食の源になったりする不都合が生じる。したがって、フラックス使用量は、必要最少限にすることが望ましい。残留有機物量は１モジュールあたり１０μｇ以下が望ましい。
【００１９】
【実施例】
（実施例１）
基板寸法８ｍｍ×１２ｍｍの熱電モジュールを準備した。熱電モジュールはアルミナ基板の周囲０．２ｍｍの領域を除いた中心部にメッキ下地金属膜をスパッタリング後、厚さ２０μｍの銅、厚さ５μｍのニッケル、及び厚さ０．２μｍの金を順次メッキしたメタライズ層を具備したものである。
フラックスを塗布する作業環境は相対湿度を６０％に調整した。
片方の基板のメタライズ層のほぼ中央に、ロジン成分を２０ｗｔ％含むロジン系液状フラックスを２．２μｌ滴下した。目視による基板面の反射光により、フラックスがメタライズ面全面に広がっていることが確認できた。
次に、フラックスを塗布した熱電モジュールを１４０℃の加熱したホットプレート上に載置し予熱した。この上に縦５ｍｍ，横１０ｍｍ，厚さ０．１ｍｍに切ったシート状ＳｎＰｂはんだ（ｍｐ：１８３℃）を載置した。さらに２１０℃に加熱したはんだ鏝を用いてはんだを溶融させ、メタライズ層全面に広げた後、はんだ鏝を基板から離してはんだを固化させ、はんだ層を形成した。さらに熱電モジュールをホットプレートから降ろして室温まで冷却した。
【００２０】
次に、熱電モジュールのもう一方の基板のメタライズ層にも、上述と全く同様にしてフラックスを塗布し、はんだ層を形成した。
両面の基板上にはんだ層を形成した熱電モジュールを、６５℃に加熱した市販のフラックス剥離剤中に浸漬して残留フラックスを洗浄除去した。洗浄後の残留有機物量は熱電モジュール１個あたり６μｇであった。
このようにしてはんだ層を形成した熱電モジュールを使用してレーザダイオードモジュールに組み立てたところ、光軸ずれ発生率が減少し、残留有機物によるパッケージ腐食不良発生率も減少した。
【００２１】
（実施例２）
実施例１と同じ熱電モジュールを準備し、相対湿度を５０％に調整した雰囲気下でロジン成分を３５ｗｔ％含むロジン系液状フラックスを３．５μｌ滴下した。
次に、フラックスを塗布した熱電モジュールを水平に保持し、１９０℃で溶融保持されたはんだ浴に接触させて、メタライズ層表面にはんだを付着させた。洗浄後の残留有機物量は熱電モジュール１個あたり９μｇであった。
このようにしてはんだ層を形成した熱電モジュールを使用してレーザダイオードモジュールに組み立てたところ、光軸ずれ発生率が減少し、残留有機物によるパッケージ腐食不良発生率も減少した。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、少量のフラックス使用量で熱電モジュール全面を濡らすことができるので、熱電モジュール基板上のメタライズ層全面に均一にはんだ層を形成することが可能となる。また、洗浄後の残留有機物が少なく、有害ガス発生や腐食発生が無く、レーザダイオードモジュールを安定して作動させることが可能となる。
【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】熱電モジュールの断面構造を示す図である。
【図４】熱電モジュールにはんだ層を形成する工程図である。
【図５】はんだ層の欠陥の発生状況を説明する図である。
【図６】雰囲気湿度とフラックス量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・・熱電モジュール、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・・・・・はんだ層、１０・・・・・レーザダイオードモジュール、１１・・・・・メタライズ層、１２・・・・・フラックス、１３・・・・・シート状のはんだ、１４・・・・・ホットプレート、１５・・・・・はんだ鏝、１６・・・・・洗浄液、１７・・・・・フラックス溜まり、１８・・・・・フラックス
【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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