(57)【要約】【課題】光半導体モジュールの各部材の接合部の熱歪みを緩和して光半導体モジュールの信頼性を向上させること。【解決手段】光半導体モジュールにおいて、光半導体容器の底板２と枠体１とを接合する第１の接合材２１の融点を１８０℃以上８１０℃以下、電子冷却素子の絶縁体基板１２ａと熱電素子１１とを接合する第２の接合材２２の融点を１８０℃以上３７０℃以下、絶縁体基板１２ｂと熱電素子１１とを接合する第３の接合材２３の融点を１８０℃以上３７０℃以下、電子冷却素子と前記底板２とを固定する第４の接合材２４の融点を１３０℃以上２４０℃以下及び光半導体素子１５等を搭載した基板１６と絶縁体基板１２ａとを接合する第５の接合材の融点を１１０℃以上１８０℃以下とする。【選択図】　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の底板と、金属、絶縁体または金属と絶縁体との複合体からなる枠体と、前記底板の上に絶縁体基板間に熱電素子を挟んで形成される電子冷却素子を固定し、該電子冷却素子の上側の絶縁体基板の上に固定された光半導体素子を搭載した基板とからなる光半導体モジュールにおいて、前記底板と前記枠体との固定を第１の接合とし、前記絶縁体基板の一方と熱電素子との固定を第２の接合とし、前記絶縁体基板の他方と熱電素子との固定を第３の接合とし、該電子冷却素子と前記底板との固定を第４の接合とし、前記光半導体素子を搭載した基板と前記電子冷却素子の上側絶縁体基板との固定を第５の接合としたとき、第１の接合材の融点が１８０℃以上８１０℃以下であり、第２の接合材の融点が１８０℃以上３７０℃以下であり、第３の接合材の融点が１８０℃以上３７０℃以下であり、第４の接合材の融点が１３０℃以上２４０℃以下であり、第５の接合材の融点が１１０℃以上１８０℃以下であることを特徴とする光半導体モジュール。
【請求項２】
前記第２の接合材が、前記第３の接合材と同一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】
前記第２の接合材及び前記第３の接合材の融点が前記第１の接合材の融点よりも高いことを特徴とする請求項２に記載の光半導体モジュール。
【請求項４】
前記第１、第２及び第３の接合材が同一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５】
前記第１、第２、第３及び第４の接合材が同一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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置などに使用する光半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光半導体モジュールは、２つ以上のデバイスを組み合わせて同じ半導体容器に収容して構成される。例えばデバイスとして半導体レ−ザ素子や発光ダイオードを用いた場合には、これらのデバイスは電流が流れると光を発して強く発熱する。この発熱によって雰囲気温度が変化すると発光の効率が低下するので、これを防ぐため、あるいは大パワーの光を発生させるためにはこれらの素子を冷却しなければならない。
【０００３】
冷却のための一つの方法として電子冷却素子（ペルチエ素子）を光半導体モジュールのパッケージ内に組み込んで、この電子冷却素子の上に半導体レ−ザ素子、発光ダイオード、受光素子、各種回路素子など温度制御の必要な素子を載せるという手段が採用されている。
【０００４】
電子冷却素子は金属、Ｐ型半導体、金属、Ｎ型半導体、金属を接合したもので、電流の向きを変える事によって、中間の金属の部分の温度を変えることができ、ある方向に電流を流すと、中間の電極は発熱し、反対方向に電流を流すと中間電極は吸熱する性質を有している。
【０００５】
電流の向きと電流量を調整することによって中間電極の温度を制御できるので、対象となる素子を絶縁体を介して中間電極に張り付けることによって素子を加熱冷却することができ、素子の温度をチップサーミスタによって監視するようにすれば対象素子を任意の温度に維持することができる。
【０００６】
光半導体モジュールの構成の概要を図に基づいて説明する。
光半導体モジュールは、例えば、図２に示すように、側壁にリード線４をハーメチックシールで設けたバタフライ型やＤＩＰ型のパッケージを構成する光半導体用器を備えている。
【０００７】
この光半導体容器は、一般に、図１（Ａ）に示すように、例えば、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金（商品名コバール）からなる枠体１を、絶縁性のセラミック材（例：アルミナ、窒化アルミニウム等）あるいは、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金又はＦｅ／Ｎｉ合金（商品名４２アロイ）、コバールなどの金属材の表面に絶縁処理を施したものから構成される底板２に接合して形成される。セラミックス端子板３は複数層のセラミックスシートからなり、表面にメタライズを施し、複数のコバール製の端子リード４を取り付けて構成される。また、図２に示すように、このパッケージ本体の他の１つの側壁には光透過窓が設けられ、パッケージ本体の上部には図示しない気密用のカバーが取り付けられている。
【０００８】
パッケージ本体内には、電子冷却素子１０が底板２に固定されて収容される。
この電子冷却素子１０は、Ｎ型熱電素子１１ａとＰ型熱電素子１１ｂとを交互に配列し、隣り合う２つの熱電素子１１ａ、１１ｂの上面同士及び下面同士をそれぞれＡｌＮ製のセラミックス基板１２ａ、１２ｂ上に形成した金属片によって直列に、半田材を用いて接合して形成されている。
【０００９】
セラミック基板１２ａ、１２ｂには電子冷却素子１０の電極と固定を兼ねた金属導体パターン（電極パターン）が薄膜や厚膜で形成されており、光半導体素子１５等を搭載した基板１６との接合面となるセラミック基板１２ａの表面（最上面）には半田材２５を、また、光半導体容器の底板２との接合面となるセラミック基板１２ｂの表面（最下面）には半田材２４を積層する。
そして、図１（Ｂ）に示すようにセラミック基板１２ｂ側は接合材２４によって光半導体用器底板２に固定され、図１（Ｃ）に示すように、セラミック基板１２ａ側には光半導体素子１５等を搭載した基板１６が接合材２５で固定される。
【００１０】
従来の光半導体モジュールにおいては、電子冷却素子と光半導体容器とが独立した部品であるため半田もしくはその他の方法で電子冷却素子と光半導体容器とを固定しなければならないが、半田で固定する場合、温度が上がりすぎると電子冷却素子自体を破壊する可能性がある。また、各接合部で用いる半田の溶融温度が適切でないと後の接合工程で、先に接合した接合部の半田が溶融したり、接合後に熱歪みが残存したりして製品の信頼性が落ちるという問題がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、光半導体モジュールを組み立てるに際して、部材を接合する接合材として適切な融点を有するものを選択することにより、各接合部の熱歪みを緩和して光半導体モジュールの信頼性を向上させることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明は次の構成を有する。
（１）絶縁性の底板と、金属、絶縁体または金属と絶縁体との複合体からなる枠体と、前記底板の上に絶縁体基板間に熱電素子を挟んで形成される電子冷却素子を固定し、該電子冷却素子の上側の絶縁体基板の上に固定された光半導体素子を搭載した基板とからなる光半導体モジュールにおいて、前記底板と前記枠体との固定を第１の接合とし、前記絶縁体基板の一方と熱電素子との固定を第２の接合とし、前記絶縁体基板の他方と熱電素子との固定を第３の接合とし、該電子冷却素子と前記底板との固定を第４の接合とし、前記光半導体素子を搭載した基板と前記電子冷却素子の上側絶縁体基板との固定を第５の接合としたとき、第１の接合材の融点が１８０℃以上８１０℃以下であり、第２の接合材の融点が１８０℃以上３７０℃以下であり、第３の接合材の融点が１８０℃以上３７０℃以下であり、第４の接合材の融点が１３０℃以上２４０℃以下であり、第５の接合材の融点が１１０℃以上１８０℃以下であることを特徴とする光半導体モジュール。
（２）前記第２の接合材が、前記第３の接合材と同一であることを特徴とする上記（１）に記載の光半導体モジュール。
（３）前記第２の接合材及び前記第３の接合材の融点が前記第１の接合材の融点よりも高いことを特徴とする上記（２）に記載の光半導体モジュール。
（４）前記第１、第２及び第３の接合材が同一であることを特徴とする上記（１）に記載の光半導体モジュール。
（５）前記第１、第２、第３及び第４の接合材が同一であることを特徴とする上記（１）に記載の光半導体モジュール。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施の形態を以下で、図面に基づいて詳細に説明する。
図３は、光半導体素子１５等を載置する基板１６を電子冷却素子１０に接合する前の段階の光半導体モジュールの構成を概略的に示した模式図であり、図４は基板１６を電子冷却素子１０に接合した後の本発明の光半導体モジュールの構成を概略的に示した模式図である。
光半導体モジュールを組み立てるためには次の▲１▼〜▲５▼の接合工程が必要である。
▲１▼　第１接合工程：底板２と枠体１との接合
▲２▼　第２接合工程：セラミック基板１２ａと熱電素子（１１ａ，１１ｂ）と接合
▲３▼　第３接合工程：セラミック基板１２ｂと熱電素子（１１ａ，１１ｂ）との接合
▲４▼　第４接合：電子冷却素子１０と底板２との接合
▲５▼　第５接合：光半導体を搭載した基板１６と電子冷却素子１０との接合
【００１４】
本発明の光半導体モジュールを製造するに際しては、上記▲１▼〜▲５▼の接合を行うための各接合材の融点が次のような関係となるような組み合わせとする。
すなわち、第１の接合材の融点が１８０℃以上８１０℃以下であり、第２の接合材の融点が１８０℃以上３７０℃以下であり、第３の接合材の融点が１８０℃以上３７０℃以下であり、第４の接合材の融点が１３０℃以上２４０℃以下であり、第５の接合材の融点が１１０℃以上１８０℃以下であるようにする。
前記のような融点を有する接合材は次の表に記載した材料から適宜に選択することができる。
【００１５】
【表１】
2004095746.tif 000003
【００１６】
また、実装順序及び半田の溶融温度については、先に接合した半田が後の工程における接合の際の熱により溶融することがないように、後の接合工程ほど半田温度が低くなるように選択する必要がある。
実装順序と半田温度との関係を表２に示す。
【００１７】
【表２】
2004095746.tif 000004
【００１８】
【実施例１】（実装例Ａ）
第１実施例の光半導体モジュール１０の製造方法について説明する。
（１）第１接合工程
まず、上下面が開口した箱状の半導体容器の枠体１と、底板２とを用意し、枠体１の下端部に底板２を、融点が７４５℃であるＡｇＣｕＺｎ半田からなる第１接合材２１により固着した。
【００１９】
（２）第２接合工程
表面に多数の電極パターン１８ａが形成された基板１２ａと、Ｎ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｅ）１１ａとＰ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｂ）１１ｂとを用意し、基板１２ａに形成された多数の電極パターン１８ａ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂとを交互に配列して、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ａを介して電気的に直列に接続されるように、電極パターン１８ａとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの一方の端部とを融点が２４３℃であるＳｎＳｂ半田からなる第２接合材２２で半田付けした。
【００２０】
（３）第３接合工程
次いで基板１２ｂに形成された多数の電極パターン１８ｂ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ｂを介して電気的に直列に接続されるように、電極パターン１８ｂとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの一方の端部とを融点が２２７℃であるＳｎＣｕＮｉ半田からなる第３接合材２３で半田付けして電子冷却素子１０を作製した。
【００２１】
（４）第４接合工程
次に、電子冷却素子１０の基板１２ｂの熱電素子側とは反対側の表面と底板２とを融点が２１７℃であるＳｎＡｇＣｕ半田からなる第４接合材２４で接合した。
【００２２】
（５）第５接合工程
次いで、図に示すように、基板１２ａの熱電素子側とは反対側の表面に、光半導体素子１５等を搭載した基板１６を融点が１３９℃であるＢｉＳｎ半田からなる接合材２５によって固定した。
【００２３】
【実施例２】（実装例Ｂ）
第２実施例の光半導体モジュール１０の製造方法について説明する。
（１）第１接合工程
まず、上下面が開口した箱状の半導体容器の枠体１と、底板２とを用意し、枠体１の下端部に底板２を、融点が６５０℃であるＡｇＣｕＺｎＳｎ半田からなる第１接合材２１により固着した。
【００２４】
（２）第２接合工程、第３接合工程
その表面に多数の電極パターン１８ａが形成された基板１２ａ、その表面に多数の電極パターン１８ｂが形成された基板１２ｂ、Ｎ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｅ）１１ａ及びＰ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｂ）１１ｂをそれぞれ用意し、基板１２ａに形成された多数の電極パターン１８ａ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂとを交互に配列して、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ａを介して電気的に直列に接続されるようにし、一方、基板１２ｂに形成された多数の電極パターン１８ｂ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ｂを介して電気的に直列に接続されるようにし、電極パターン１８ａとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの一方の端部及び電極パターン１８ｂとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの他方の端部とを融点が２４３℃であるＳｎＳｂ半田からなる第２接合材（＝第３接合材）で半田付けして電子冷却素子１０を作製した。
【００２５】
（３）第４接合工程
次に、電子冷却素子１０の基板１２ｂの熱電素子側とは反対側の表面と底板２とを融点が２２７℃であるＳｎＣｕＮｉ半田からなる第４接合材２４で接合した。
【００２６】
（４）第５接合工程
次いで、図に示すように、基板１２ａの熱電素子側とは反対側の表面に、光半導体素子１５等を搭載した基板１６を融点が１４１℃であるＩｎＡｇ半田からなる接合材２５によって接合した。
【００２７】
【実施例３】（実装例Ｃ）
第３実施例の光半導体モジュール１０の製造方法について説明する。
（１）第２接合工程、第３接合工程
その表面に多数の電極パターン１８ａが形成された基板１２ａ、その表面に多数の電極パターン１８ｂが形成された基板１２ｂ、Ｎ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｅ）１１ａ及びＰ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｂ）１１ｂをそれぞれ用意し、基板１２ａに形成された多数の電極パターン１８ａ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂとを交互に配列して、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ａを介して電気的に直列に接続されるようにし、一方、基板１２ｂに形成された多数の電極パターン１８ｂ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ｂを介して電気的に直列に接続されるようにし、電極パターン１８ａとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの一方の端部及び電極パターン１８ｂとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの他方の端部とを融点が２４３℃であるＳｎＳｂ半田からなる第２接合材（＝第３接合材）で半田付けして電子冷却素子１０を作製した。
【００２８】
（２）第１接合工程
次に、上下面が開口した箱状の半導体容器の枠体１と、底板２とを用意し、枠体１の下端部に底板２を、融点が２２７℃であるＳｎＣｕＮｉ半田からなる（第１接合材２１）により接合した。
【００２９】
（３）第４接合工程
次いで、電子冷却素子１０の基板１２ｂの熱電素子側とは反対側の表面と底板２とを融点が２１７℃であるＳｎＡｇＣｕハンダからなる第４接合材２４で接合した。
【００３０】
（４）第５接合工程
次に、基板１２ａの熱電素子側とは反対側の表面に、光半導体素子１５等を搭載した基板１６を融点が１１７℃であるＩｎＳｎ半田からなる接合材２５によって固定する。
【００３１】
【実施例４】（実装例Ｄ）
第２実施例の光半導体モジュール１０の製造方法について説明する。
（１）第１〜第３接合工程
まず、上下面が開口した箱状の半導体容器の枠体１と、底板２とを用意する。
他方で、その表面に多数の電極パターン１８ａが形成された基板１２ａ、その表面に多数の電極パターン１８ｂが形成された基板１２ｂ、Ｎ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｅ）１１ａ及びＰ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｂ）１１ｂをそれぞれ用意する。
そして、枠体１と底板２とを融点が２４３℃であるＳｎＳｂ半田からなる第１接合材２１で接合すると同時に、基板１２ａに形成された多数の電極パターン１８ａ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂとを交互に配列して、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ａを介して電気的に直列に接続されるようにし、一方、基板１２ｂに形成された多数の電極パターン１８ｂ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ｂを介して電気的に直列に接続されるようにし、電極パターン１８ａとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの一方の端部及び電極パターン１８ｂとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの他方の端部とを融点が２４３℃であるＳｎＳｂ半田からなる第１接合材（＝第２接合材、第３接合材）で半田付けして電子冷却素子１０を作製した。
【００３２】
（２）第４接合工程
次に、電子冷却素子１０の基板１２ｂの熱電素子側とは反対側の表面と底板２とを融点が２２７℃であるＳｎＣｕＮｉ半田からなる第４接合材２４で接合する。
【００３３】
（３）第５接合工程
次いで、基板１２ａの熱電素子側とは反対側の表面に、光半導体素子１５等を搭載した基板１６を融点が１３９℃であるＢｉＳｎ半田からなる接合材２５によって固定する。
【００３４】
【実施例５】（実装例Ｅ）
第２実施例の光半導体モジュール１０の製造方法について説明する。
（１）第１〜第４接合工程
上下面が開口した箱状の半導体容器の枠体１と、底板２とを用意し、融点が２２７℃であるＳｎＣｕＮｉ半田からなる第１接合材をその間に介在させる。
また、その表面に多数の電極パターン１８ａが形成された基板１２ａ、その表面に多数の電極パターン１８ｂが形成された基板１２ｂ、Ｎ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｅ）１１ａ及びＰ型熱電素子（ＢｉＴｅＳｂ）１１ｂをそれぞれ用意する。
基板１２ａに形成された多数の電極パターン１８ａ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂとを交互に配列して、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ａを介して電気的に直列に接続されるようにし、一方、基板１２ｂに形成された多数の電極パターン１８ｂ上に、Ｎ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂが電極パターン１８ｂを介して電気的に直列に接続されるようにし、電極パターン１８ａとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの一方の端部との間及び電極パターン１８ｂとＮ型熱電素子１１ａ及びＰ型熱電素子１１ｂの他方の端部との間に前記接合材２、３（＝接合材１）を介在させる。
更に、基板１２ｂの熱電素子側とは反対側の表面と底板２との間に融点が２２７℃であるＳｎＣｕＮｉ半田からなる第４接合材２４（＝第１接合材）を介在させる。
次に、加熱して各接合材を溶融させて部材同士を接合させる。
【００３５】
（２）第５接合工程
ついで、図に示すように、基板１２ａの熱電素子側とは反対側の表面に、光半導体素子１５等を搭載した基板１６を融点が１３９℃であるＢｉＳｎ半田からなる接合材２５によって固定する。
【００３６】
本件発明の効果を前記実施例１に基づいて説明すると、まず最初に第１接合工程において半導体容器の枠体１と底板２とが第１接合材２１により接合されるので、第１接合材２１の融点が高くても他の接合部に影響を与えることがなく、枠体１と底板２とが強固に接合される。
【００３７】
ついで、第２接合工程において熱電素子１１ａ、１１ｂの一方の端部に基板１２ａが第１接合材２１より融点が低い第２接合材２２により接合され、また、この後、第３接合工程において、複数の熱電素子１１ａ、１１ｂの他方の端部に基板１２ｂに第１接合材２１より融点が低く、第２接合材２２と同程度の融点を有する第３接合材により接合されるが、この時第２接合材と第３接合材とが融点に大きな差異はないので第２接合材は殆ど再溶融することがない。
【００３８】
次いで、第４接合工程において基板１２ｂが底板２に接合材２４により接合されるが、第４接合材２４は第２接合材及び第３接合材より融点が低いため、この接合時に第１、第２及び第３接合材が溶融することはない。
【００３９】
更に、第５接合工程において基板１２ａに基板１６が第５接合材２５によって接合されるが、この第５接合材２５は第１〜４接合材よりも更に融点が低いため、この接合工程において他の接合部の接合材が溶融することはない。
このため、上記した接合方法によって作製される光半導体モジュールは接合部は良好な接合状態であり、高い信頼性を確保することができる。
他の実施例２〜５においても、後の接合工程における加熱が先の工程によって形成された接合部に影響することがないようにしているので、光半導体モジュールは接合部は良好な接合状態であり、高い信頼性を確保することができる。
【００４０】
そして、上記のようにして製造した本発明の光半導体モジュールは、その発光特性などは実用に耐えるものであった。また、−４０〜８５℃のＭＩＬ８８３準拠のヒートサイクル試験を行ったところ、１０００サイクルで、光学系の光軸ずれも熱電素子の劣化も観測されず、良好は結果を得ることができた。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の光半導体モジュールは、モジュール組み立ての際に使用する接合部材の融点を適切に選択することにより、接合部の再溶融が生じることがなく、また、熱歪みの残存も少ないため、接合強度が大きく、信頼性の高い接合部を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
光半導体容器と電子冷却素子とを接合する工程を示した概略の断面図である。
【図２】
一般的な光半導体容器を示す概略の斜視図である。
【図３】本発明の光半導体モジュールを構成する各部材の接合状態を表す概略図である。
【図４】本発明の光半導体モジュールを構成する各部材の接合状態を表す他の概略図である。
【符号の説明】
１　枠体
２　底板
３　セラミックス端子板
４　端子リード
５　光透過窓
１０　電子冷却素子
１１ａ　Ｎ型熱電素子
１１ｂ　Ｐ型熱電素子
１２ａ　セラミックス基板
１２ｂ　セラミックス基板
１３　半田材
１４　半田材
１５　光半導体素子
１６　基板
１７　リード線
１８ａ　電極パターン
１８ｂ　電極パターン
▲１▼　第１の接合材
▲２▼　第２の接合材
▲３▼　第３の接合材
▲４▼　第４の接合材
▲５▼　第５の接合材
【図１】
2004095746.tif 000005
【図２】
2004095746.tif 000006
【図３】
2004095746.tif 000007
【図４】
2004095746.tif 000008