(57)【要約】【課題】ペルチェ１０上に光学部品を半田接合した場合、ペルチェに接続されたリードの折り曲げ部分の残留応力によって半田クリープ現象が発生し、ペルチェの上に接合されるＬＤ、レンズが変位して、光軸ずれが発生するという問題があった。【解決手段】リード１０ａを、ペルチェ１０上に搭載されたパターン基板１１上に接続し、光学系をなす他の部品と接続させない構成とすることにより、リード１０ａの折り曲げ部分の応力開放があった場合においても、その応力はペルチェ１０上のパターン基板リード９ａに印加されるのみで、ＬＤ２、レンズ７の変位が発生しない。【選択図】        図１
2004288669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体素子と、
下部に信号端子の設けられた電子冷却器と、
前記電子冷却器の上面に半田接合されたキャリアと、
前記キャリアとは別体に形成され、前記電子冷却器の上面に接合された接続基板と、
前記電子冷却器を収容するパッケージと、
前記接続基板と前記パッケージに接続された導体ワイヤと、
前記接続基板と前記電子冷却器の信号端子とを接続するリードと
を備えた光半導体素子モジュール。
【請求項２】
光半導体素子と、
第１の絶縁基板、当該第１の絶縁基板よりも広い第２の絶縁基板、当該第１の絶縁基板と第２の絶縁基板の間に挟まれて配置された複数の熱電素子を有した電子冷却器と、
前記第１の絶縁基板の上面に載置され、前方部の上面に光半導体素子を載置したキャリアと、
前記キャリアとは別体に形成され、前記第１の絶縁基板の上面における後方部に載置された接続基板と、
内側側壁に突設された側面基板を有し、前記第２の絶縁基板が内側底面に接合されて電子冷却器を収容するパッケージと、
前記接続基板の上面と側面基板の上面に接続された導体ワイヤと、
前記接続基板の上面と第２の絶縁基板における後方部の上面を接続するリードと
を備えた光半導体素子モジュール。
【請求項３】
電子冷却器はパッケージ内側底面に半田接合され、前記接続基板は電子冷却器上面に半田接合され、前記キャリアは電子冷却器上面に半田接合されたことを特徴とする請求項２記載の光半導体素子モジュール。
【請求項４】
第１の絶縁基板の下面、および第２の絶縁基板の上面は導体パターンが設けられて、当該第１、第２の絶縁基板の導体パターンによって前記複数の熱電素子が直列に接続されるとともに、
前記リードは一対のリードを有して、当該一対のリードが前記直列に接続された熱電素子の端子対を形成することを特徴とする請求項２記載の光半導体素子モジュール。
【請求項５】
パッケージの側面基板の導体パターンと、前記接続基板の導体パターンとを近接させるか、もしくは略同じ高さにして配置したことを特徴とする請求項２記載の光半導体素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体素子を載置した電子冷却器を、パッケージ内部に搭載する光半導体素子モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光半導体素子モジュールは、光ファイバ通信システムにおいて、電気信号を光信号に変換するために現在広く用いられている。光半導体素子モジュールとして、例えば外部から入力される電気信号を光信号に変換するレーザダイオード（ＬＤ）を搭載したレーザダイオードモジュール（ＬＤモジュール）が知られている。
【０００３】
通信用途に用いられる光半導体素子モジュールは、１０〜２５年といった長期間にわたって、安定して光信号を出力することが要求される。しかし、ＬＤはその温度により特性が容易に変化するため、発生する光信号の波長や光出力といった諸特性が変動しやすい。このため、安定した光信号を得ることができるように、ＬＤモジュール内にＬＤの温度を調整する電子冷却器とサーミスタが設置される。従来、電子冷却器として、例えばペルチェ素子を搭載したＬＤモジュールが知れられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−３３２１８６号公報（４頁、第１図）
【０００５】
この電子冷却器は、ペルチェ素子の上下面にセラミック基板を接合して構成され、両基板間に温度差を発生させて、上面のセラミック基板に載置されたＬＤの温度を制御する。ペルチェ素子は、高温側のセラミック基板に接続された一対のリード（ペルチェリード）によって電圧が印加される。一般に、ペルチェリードは、電子冷却器を収容するパッケージの側壁に接続されて、フィードスルー上の配線パターンと電気的に接続される。これによって、パッケージ外部からの制御電圧がペルチェ素子に伝達される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光半導体素子モジュールは、電子冷却器にペルチェリードを接合した後、ペルチェリードを折り曲げてフィードスルーに接続しているので、ペルチェリードの折り曲げ部分に応力が蓄積される。この残有応力の影響により、長期間にわたる使用によって、ペルチェリードの曲げ角度が広がる、または狭まる方向への応力が発生するという現象が生じた。
【０００７】
このペルチェリードからの応力によって半田クリープ現象が発生し、パッケージの底面に半田付けされた電子冷却器を僅かに変位させる。これによって、電子冷却器に載置されたＬＤの光軸と、パッケージに接合された光ファイバの光軸との間に角度変位が生じた。結果として、光ファイバの光軸ずれが発生し、光出力が低下するという問題があった。この現象は、ペルチェリードに剛性の高い材質を使用した場合に、より顕著に現れていた。
【０００８】
また、ペルチェリードに剛性の低い、軟らかい部材を使用した場合は、振動や衝撃によってペルチェリードが瞬間的に変形し、ペルチェリードとパッケージ間や、ペルチェリード同士の短絡が発生するという問題があった。
【０００９】
この発明は、係る課題を解決するために為されたものであり、電子冷却器に接続されたリードの残留応力によって、パッケージと電子冷却器との間に変位が生じないようにするとともに、振動や衝撃時のリードの短絡を防ぐような、リードの接続構造を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明による光半導体素子モジュールは、光半導体素子と、下部に信号端子の設けられた電子冷却器と、前記電子冷却器の上面に半田接合されたキャリアと、  前記キャリアとは別体に形成され、前記電子冷却器の上面に接合された接続基板と、前記電子冷却器を収容するパッケージと、前記接続基板と前記パッケージに接続された導体ワイヤと、前記接続基板と前記電子冷却器の信号端子とを接続するリードとを備えたものである。
【００１１】
また、光半導体素子と、第１の絶縁基板、当該第１の絶縁基板よりも広い第２の絶縁基板、当該第１の絶縁基板と第２の絶縁基板の間に挟まれて配置された複数の熱電素子を有した電子冷却器と、前記第１の絶縁基板の上面に載置され、前方部の上面に光半導体素子を載置したキャリアと、前記キャリアとは別体に形成され、前記第１の絶縁基板の上面における後方部に載置された接続基板と、内側側壁に突設された側面基板を有し、前記第２の絶縁基板が内側底面に接合されて電子冷却器を収容するパッケージと、前記接続基板の上面と側面基板の上面に接続された導体ワイヤと、前記接続基板の上面と第２の絶縁基板における後方部の上面を接続するリードとを備えたものであっても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１、図２は、実施の形態１による光半導体素子モジュールの構成を示す図であり、図１は光半導体素子モジュールの横断面図、図２は光半導体素子モジュールの上蓋を外した状態の上面図である。
【００１３】
図において、パッケージ１は、箱型に成形された金属筐体をベースとして、そのベースの横側壁に、セラミック基板から成るフィードスルー１ａが気密を保持する状態で嵌合され、パッケージ１を貫通する形で形成されている。フィードスルー１ａの上面には、導体の配線パターン１５が形成されており、これによって気密を保持した状態でパッケージ１内外の電気的接続がなされている。パッケージ１の上面は開口を有し、上面に上蓋１ｃが接合されて気密封止される。
【００１４】
パッケージ１の底面には、ペルチェ１０の底面が半田３ａで接合されている。ペルチェ１０の上面には、キャリア９が半田３ｂで接合されている。キャリア９の上面の前方部には、ＬＤキャリアが半田付けされており、ＬＤキャリア上には、上面に光半導体素子であるレーザダイオード（ＬＤ）２が載置されている（図では、簡略化のためにＬＤキャリアとＬＤ２を同一視して記載している）。キャリア９の上面には、ＰＤマウント８ｂの底面が半田付けされている。ＰＤマウント８ｂの側面には、ＬＤ２の後面と対向するように、受光素子であるホトダイオード（ＰＤ）８が半田付けされている。ＬＤキャリア９の前面には、ＬＤ２の前面と対向するように、レンズを保持したレンズホルダ７の下面が接合されている。ＰＤマウント８ｂの上面には、サーミスタ１３が接合されている。パッケージ１の内側の前側壁には光通過孔が設けられ、光通過孔を塞ぐように光学窓１４が接合されている。パッケージ１の外側の前側壁には、この光通過孔を塞ぐようにスペーサ６が接合され、スペーサ６にはファイバホルダ４が接合されている。ファイバホルダ４には、ファイバ５が接合されている。
【００１５】
ペルチェ１０の上面の後方部には、ＬＤキャリア９とは別体となってパターン基板１１が半田３ｂにより接合されている。ペルチェ１０上面におけるパターン基板１１の接合面積は、ペルチェ１０下面におけるパッケージ１との接合面積よりも十分に小さい。ペルチェ１０は、下面にセラミック製の絶縁基板１０ａ、上面にセラミック製の絶縁基板１０ｂが設けられ、絶縁基板１０ａと絶縁基板１０ｂの間に挟まれて、複数のペルチェ素子１０ｃの上下面が接合されて構成されている。絶縁基板１０ａは絶縁基板１０ｂよりも前後方向に長く、上方から見て、絶縁基板１０ａと絶縁基板１０ｂが重ならない部分が、絶縁基板１０ａの後方部に位置するように、絶縁基板１０ａ、１０ｂが配置される。絶縁基板１０ａの上面、絶縁基板１０ｂの下面には、配線パターンが設けられている。この配線パターンによって、全てのペルチェ素子が直列に接続される。また、ペルチェ素子の吸熱側が絶縁基板１０ｂ側、排熱側が絶縁基板１０ａ側となるように、ペルチェ素子が配向されている。
【００１６】
絶縁基板１０ａの後方部の上面には、ペルチェ素子に電圧を印加するための、一対の信号入力端子１０ｄが設けられている。ペルチェ１０と接続される一対の信号入力端子１０ｄには、一対のリード１２ａの一端が夫々接続される。また、リード１２ａの他端は、パターン基板１１の上面に接合される。リード１２ａはＣ字形状に折り曲げられて、絶縁基板１０ａとパターン基板１１に接合される。ワイヤボンド（導体ワイヤ）１２ｂはパターン基板１１の上面に一端が接合され、フィードスルー１ａ上面の配線パターン１５に他端が接合される。パターン基板１１は、フィードスルー１ａとペルチェ１０との間を中継して、電気的に接続する接続基板として用いられる。
【００１７】
本実施の形態による光半導体素子モジュールは以上のように構成され、次のように動作する。
ＬＤ２はフィードスルー１ａを介して外部から入力される電気信号を、光信号に変換する。ＬＤ２は、電流が印加された際に、その電流量に応じた光出力を前後２方向に発生させる。ＬＤ２より発生される前面光は、レンズホルダ７に保持されたレンズを用いて集光された後、光学窓１４を通過し、最終的に光ファイバ５の一端面に集光される。このようにしてＬＤ２前面光は、外部に光信号として取り出される。また、ＰＤ８はＬＤ２からの背面光を受光し、受光量に比例した電流（モニタ電流）を発生させる。このモニタ電流を、フィードスルー１ａを介して光半導体素子モジュール外部に出力することによって、ＬＤ２の発光量の変化を監視することができる。
【００１８】
ペルチェ１０は、リード１２ａに印加される電圧に応じて、ペルチェ上下面に温度差を発生させ、ＬＤ２の温度を制御するために使用される。また、サーミスタ１３は、温度に応じてその抵抗値が変化する特性を有しており、ＬＤ２の温度を検出するために使用される。ペルチェ１０の信号入力端子１０ｄは、リード１２ａ、パターン基板１１、ワイヤボンド１２ｂおよびフィードスルー１ａ上に設けられた導電パターン１５を介して、外部と電気的に接続されており、これによりパッケージ外部からの制御電圧を、ペルチェ１０に伝達することができる。
【００１９】
本実施の形態による光半導体素子モジュールは、長期間の使用によって、リード１２ａの折り曲げ部分に残有応力が蓄積され、この残有応力の開放によって、リード１２ａの曲げ角度が変化する。ここで、本実施の形態による光半導体素子モジュールは、ペルチェ下面に一端が接合されたリード１２ａの他端を、パッケージ１やキャリア９等の、光学系部品を搭載した他の部品に直接接合しない構造を用いている。この構造によって、リード１２ａの折り曲げ部分の残留応力は、ペルチェ１０の絶縁基板１０ａとの接合部を支点として、ペルチェ１０上のパターン基板１１に作用力を発生する。リード１２ａからの応力の作用によって、パターン基板１１の半田接合部分に半田クリープ現象が発生し、パターン基板１１が僅かに変位する。しかし、パターン基板１１は光学部品を搭載していないので、ＬＤ２や、レンズホルダ７の光軸方向を変動させることはない。勿論、パッケージ１に接合された光ファイバ５と、ＬＤ２との間にも光軸の変動が生じない。
【００２０】
また、リード１２ａは、Ｃ字形状に折り曲げられて接合されているので、低剛性でばね性を有するため、折り曲げ部分に蓄積される残留応力をより小さくすることができ、リード１２ａとペルチェ１０、およびパターン基板１１とワイヤボンド１２ｂとの電気的接続が切断されることを防ぐことができる。
【００２１】
また、ＬＤ２、レンズ７の変位が発生しない構成とすることができるので、半田クリープ現象による光軸ずれのない、長期的に光出力の安定した光半導体素子モジュールを得ることができる。
【００２２】
また、パターン基板１１上の導電パターン１１ｂで中継して、ペルチェ１０の下面とフィードスルー１ａとの電気的な接続を行っている。このため、ペルチェ１０の下面とフィードスルー１ａとを、ペルチェリードを用いて直接接続していた従来の光半導体素子モジュールと比べて、リードのリード長を短くすることができる。また、パターン基板１１の上面を、ペルチェ１０の上面よりも上方に配置することができるので、パターン基板１１とフィードスルー１ａを接続するワイヤボンド１２ｂの長さを短くすることが可能である。特に、パターン基板１１上の導電パターン１１ｂをフィードスルー１ａに対向させて、導電パターン１１ｂをフィードスルー１ａ上の配線パターン１５に近接させて配置することにより、ワイヤボンド１２ｂの長さを最小限にすることができる。
この結果、振動・衝撃によりワイヤボンド配線の瞬間的変形を抑制し、また、ワイヤボンド間の短絡も発生しない構成とすることが可能である。
【００２３】
勿論、パターン基板１１の上面とフィードスルー１ａの上面を同じ高さとなるように、フィードスルー１ａの上面の高さを調整することによって、ワイヤボンド１２の長さをより短くすることができることは、言うまでもない。
【００２４】
一方、図３、図４において、比較例として従来の光半導体素子モジュールの一例を示す。図３は従来の光半導体素子モジューの横断面図、図４はその上面図である。
図において、パッケージ１底面には、ペルチェ１０が半田３ａにて接合される。また、さらにその上に、ＬＤ２、ＰＤ８、レンズ７、サーミスタ１３を搭載するＬＤキャリア９が半田３ｂにより接合されている。パッケージ１前面には、光学窓１４が接合され、パッケージ１前面外部にはスペーサ６、ファイバホルダ４を介して、ファイバ５が接合されている。パッケージ１側面には、フィードスルー１ａがパッケージ１を貫通する形で設置されている。フィードスルー１ａには、配線パターンが設けられており、これによりパッケージ１内外の電気的接続がなされている。また、ペルチェ１０は、リード１００ａを介しフィードスルー１ａと接続される。リード１００ａとフィードスルー１ａは半田にて接合されている。
【００２５】
この例では、長期間にわたる使用によって、一対のリード１００ａの二箇所で屈曲された折り曲げ部分（図３の一点鎖線部）に応力が蓄積される。この残留応力の開放により、リード曲げ角度が広がる、または狭まる方向への応力が発生する。このリード１００ａからの応力により、半田１０ａに半田クリープ現象の発生が予想される。これにより、ペルチェ１０、及びその上に接合されるＬＤ２、レンズ７の変位が発生し、結果として光軸ずれが生じる。特に、ペルチェリード１０ａに剛性の高い材質を使用しているので、この現象はより顕著に現れる。
【００２６】
これに対し、この実施の形態１による光半導体素子モジュールでは、ＬＤキャリアとは別体のパターン基板１１をペルチェ１０上面に配置し、リード１２ａの一端をパターン基板１１に接続し、リード１２ａの他端をペルチェ１０下面に接続している。これによって、ペルチェ１０のリード１２ａの残有応力の影響により、リード曲げ角度が変化した場合においても、その応力が光学系に影響を及ぼさず、はんだクリープ現象による光軸ずれのない、長期的に光出力の安定した光半導体素子モジュールを得ることができる。
【００２７】
また、パターン基板１１上の導電パターン１１ｂに一端が接続されたワイヤボンド１２ｂの他端を、フィードスルー１ａに接続することによって、ペルチェ１０下面とフィードスルー１ａとの電気接続を行なっているため、ワイヤボンド１２ｂの長さを最小限にすることが可能である。この結果、振動・衝撃によりワイヤボンド配線の瞬間的変形を抑制し、短絡も発生しない構成とすることが可能である。
【００２８】
【発明の効果】
電子冷却器に接続されたリードの残有応力の影響により、リード曲げ角度が変化した場合においても、その応力が光学系に影響を及ぼさず、はんだクリープ現象による光軸ずれのない、長期的に光出力の安定した光半導体素子モジュールを得ることができる。
【００２９】
また、接続基板を介して電気接続を行なっているため、ワイヤボンドの長さを最小限にすることが可能であり、この結果、振動・衝撃によりワイヤボンド配線の短絡を防止することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１による光半導体素子モジュールの横断面図である。
【図２】実施の形態１による光半導体素子モジュールの上面図である。
【図３】従来の構成を示す一例による光半導体素子モジュールの横断面図である。
【図４】従来の構成を示す一例による光半導体素子モジュールの上面図である。
【符号の説明】
１  パッケージ、１ａ  フィードスルー、２  レーザダイオード（ＬＤ）、３半田、４  ファイバホルダ、５  ファイバ、６  スペーサ、７  レンズホルダ、８  ホトダイオード（ＰＤ）、９  ＬＤキャリア、１０  ペルチェ（電子冷却器）、１２ａ  リード（ペルチェリード）、１１  パターン基板、１１ｂ  導電パターン、１２ｂ  ワイヤボンド、１３  サーミスタ、１４  光学窓、１５  配線パターン。
【図１】
2004288669.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004288669.tif 000005
【図４】
2004288669.tif 000006