(57)【要約】      （修正有）【課題】小型で、配線信頼性にすぐれ、パッケージ組み立てコストの低減されたサーモモジュール一体型モジュールパッケージの表現。【解決手段】パッケージ内面に印刷または薄膜法でリードパターンおよび複数の電極を形成し、前記複数の電極で複数のＮ型半導体化合物素子と複数のＰ型半導体化合物素子とをＮ，Ｐ交互に電気的に直列に接続し、前記リードパターンを介してパッケージリードフレームと直接電気的に接続することによって、サーモモジュール一体型パッケージを作製する。【選択図】        図１
2004266055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ内面に印刷または薄膜法でリードパターンおよび複数の電極が形成され、前記複数の電極により複数のＮ型半導体化合物素子と複数のＰ型半導体化合物素子とがＮ，  Ｐ交互に電気的に直列に接続され、前記リードパターンを介してパッケージリードフレーム、金属パッドまたははんだボールと直接電気的に接続されていることを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージ。
【請求項２】
請求項１において、セラミクス基板上に印刷法によりリードパターンおよび電極が同時焼成されたことを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージ。
【請求項３】
請求項１において、セラミクスで構成されたパッケージ本体がリードパターンおよび電極が印刷されたセラミクス基板と同時焼成されたことを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージ。
【請求項４】
請求項１において、セラミクス基板上に薄膜法によりリードパターンおよび電極が形成されたことを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージ。
【請求項５】
請求項１において、金属基板上に絶縁膜を介してリードパターンおよび電極が形成されたことを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージ。
【請求項６】
請求項１において、サーモモジュールエレメント横断面の一辺長とエレメント高さの比が１以上であることを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージ。
【請求項７】
パッケージ内面に印刷または薄膜法でリードパターンおよび複数の電極が形成され、前記複数の電極により複数のＮ型半導体化合物素子と複数のＰ型半導体化合物素子とがＮ，  Ｐ交互に電気的に直列に接続され、前記リードパターンを介してパッケージリードフレーム、金属パッドまたははんだボールと直接電気的に接続されていることを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージの製造方法。
【請求項８】
請求項１において、セラミクス基板上に印刷法によりリードパターンおよび電極が同時焼成されたことを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージの製造方法。
【請求項９】
請求項１において、セラミクスで構成されたパッケージ本体がリードパターンおよび電極が印刷されたセラミクス基板と同時焼成されたことを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージの製造方法。
【請求項１０】
請求項１において、セラミクス基板上に薄膜法によりリードパターンおよび電極が形成されたことを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージの製造方法。
【請求項１１】
請求項１において、金属基板上に絶縁膜を介してリードパターンおよび電極が形成されたことを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージの製造方法。
【請求項１２】
請求項１において、サーモモジュールエレメント横断面の一辺長とエレメント高さの比が１以上であることを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーモモジュールを一体化したパッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、情報化社会の進展に伴って伝達される情報量が急激に増大し、情報量の増大化に対応するため、光ファイバーケーブルを使った情報伝達システム又はデータ転送速度の速い高周波ハイパワーシステムが急速に普及しつつある。光ファイバーによる情報システムの場合には、光ファイバーを通して情報を伝達するためには、光情報光源として、例えば半導体レーザー等を、発光デバイスとして用いることにより電気信号を光信号（光パルス）に変換し、光ファイバーへ伝送するとともに、伝送された光信号をフォトダイオード等の受光素子を用いて電気信号に変換し情報として処置する必要がある。また、光ファイバー内を伝達する光信号は、伝送距離とともに強度劣化するため、光ファイバー伝送線路の途中で、半導体レーザー等の増幅素子により、光信号強度を増幅する必要がある。これら電気信号を光信号に変換する、光信号を電気信号に変換する、さらには光信号を増幅するための光電変換機構には半導体レーザー、フォトダイオード等の半導体素子が使用され、それらの半導体素子は、動作速度に極めて高速性が要求されるために、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体が選定されて、実用化されている。これら化合物半導体は、高速動作だけでなく信頼性も要求されるので、信頼性確保の点から、気密性の高いパッケージ内に搭載され、真空中もしくは、不活性ガス中で動作させる必要がある。以上のような点から、光モジュールと呼ばれる、半導体素子と光ファイバーを結合するデバイスは、金属パッケージ内に搭載され気密封止されて使用されてきた。同じく無線情報システムあるいは近年のＣＰＵなどで代表される高データ転送速度信号システムでは、データ転送速度の増加、到達距離の長距離化に伴い、信号系の高周波化、ハイパワー化がますます促進されてきている。これらの信号を増幅するために光モジュールと同じように動作速度が極めて高速なＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体が使用されている。またこれらパッケージには、半導体レーザーの高出力化および精密な発振レーザー光の波長制御のため、パッケージ内にサーモモジュールが組み込まれ、このサーモモジュール上に半導体レーザーチップがマウントされたレーザーモジュールが使用されている。近年、光通信システムの小型化に伴い、こうした光素子を使用した光通信用トランシーバー、小型で安価なパッケージの使用が望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】例えば、光通信用モジュールまたは高周波アンプモジュールは、レーザーダイオードまたは高周波アンプの出力増加に伴い、発熱量が増えるため、光デバイスパッケージにサーモモジュールが使用されている。サーモモジュールは、アルミナ、窒化アルミ、シリコンカーバイド基板上に複数のＮ型半導体化合物素子と複数のＰ型半導体化合物素子とをＮ，  Ｐ交互に電気的に直列に接続された構造になっている。このサーモモジュールはパッケージ底面の熱伝導性のよいＣｕＷ材などの上にハンダ付け、ろう付けされ、サーモモジュールからパッケージ端子までリード線で電気的に接続されている。近年、光通信システムの小型化に伴い、安価で小型なパッケージが要求されている。ところが、サーモモジュールをパッケージ底板にハンダ付けし、サーモモジュールリード線をパッケージ内で配線するため、パッケージ高さが高くなり、配線信頼性、パッケージ組み立てコストが非常に高価になるという問題があった。こうした課題を解決するためサーモモジュールとパッケージを一体化させた形状のものが実開平６−１７２６０号公報、特開平１０−６２６５９号公報、特開２００１−１５６３５号公報に提案されている。
【０００４】いずれの提案もサーモモジュールとパッケージ端子の電気的接続は特に記述はなく、通常のリード線接続になるため、パッケージ値段が高価で信頼性が低いという問題がある。さらにパッケージとサーモモジュールを組み込むのに精度良くロウ付けする必要があるため、接合冶具が非常に複雑になるという問題がある。さらに実開平６−１７２６０号公報では、パッケージとサーモモジュールをロウ材、はんだ材で結合するため、パッケージ底面とサーモモジュールの下面を精度良く接合するのが難しい、かつパッケージの耐熱性が劣るという問題がある。特開２００１−１５６３５号公報では、実開平６−１７２６０号公報と同じくパッケージとサーモモジュールをロウ材、はんだ材で結合するため、パッケージ底面とサーモモジュールの下面を精度良く接合するのが難しい、かつパッケージの耐熱性が劣るという問題がある。特開平１０−６２６５９号公報では、パッケージとサーモモジュールの接合はハンダ等で行われるため、パッケージ組み立て後の耐熱性は非常に劣るという問題がある。本発明は、これらの工程を簡素にし、小型、安価で信頼性の高いサーモモジュール一体型パッケージを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発明は、まず、請求項１、７に記載するもので、パッケージ内面に印刷または薄膜法でリードパターンおよび複数の電極が形成され、前記複数の電極により複数のＮ型半導体化合物素子と複数のＰ型半導体化合物素子とがＮ，  Ｐ交互に電気的に直列に接続され、前記リードパターンを介してパッケージリードフレームと直接電気的に接続されていることを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージおよびその製造方法に関するものである。なお、サーモモジュールについては、後述の実施例説明にて、定義的に説明する。このようなサーモモジュール一体型パッケージによれば、サーモモジュールはパッケージと一体化されるのでパッケージサイズは小型化する。さらにサーモモジュール配線パターンがあらかじめパターニングされ、リードフレーム、金属パッドまたははんだボールと電気的に接続されているために、サーモモジュールとパッケージ端子との電気的接続をリード線でワイヤリングする必要がなくなり、製作工程を減らすことができ、なおかつ安価で信頼性の高いサーモモジュール一体型パッケージを提供することが出来る。
【０００６】本発明の請求項２、３、８、９に記載の発明は、前記サーモモジュール一体型パッケージにおいてリードパターンおよびサーモモジュール配線パターンを焼成前セラミクスグリーンシート上に電極材を印刷、焼成しパッケージの一部を構成することを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージならびにそれらの製造方法に関するものである。または特にパッケージ本体がセラミクスで構成されたパッケージ本体と、リードパターンおよびサーモモジュール電極パターンが印刷された焼成前セラミクスシートを積層、セラミクスパッケージ本体と同時焼成することを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージおよびその製造方法に関するものである。本発明の請求項４，１０に記載の発明は、前記サーモモジュール一体型パッケージにおいてリードパターンおよび半導体化合物素子用電極を焼成後セラミクス基板上に薄膜法で形成しパッケージの一部を構成することを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージおよびその製造方法に関するものである。本発明の請求項５、１１に記載の発明は、前記サーモモジュール一体型パッケージにおいてリードパターンおよび半導体化合物素子用電極を金属基板上に絶縁膜を介して形成してパッケージの一部を構成することを特徴とするサーモモジュール一体型パッケージおよびその製造方法に関するものである。本発明の請求項６、１２に記載の発明は、前記載のサーモモジュール一体型パッケージにおいてパッケージとペルチェ素子の接合性、およびレーザーモジュール等発熱体の冷却効率を良くするために、サーモモジュールエレメント断面の一辺長とエレメント高さの比が１以上であることを特徴とする、サーモモジュール一体型パッケージおよびその製造方法に関するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の態様について、光通信用レーザーモジュール図面を参照して説明する。図１に第１の実施の形態を示す。この実施の形態では、従来の図５に示した光素子モジュールに対応して、パッケージの底壁に下基板のないサーモモジュール３が設けられる。このパッケージの底壁はＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ガラスセラミクス又はコバー、ステンレス、４２アロイ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等の金属を主成分とする基板３ａにより構成され、パッケージ本体１はコバール、４２アロイまたはアルミナセラミクスなどで構成される。即ち、ペルチェ素子からなるサーモモジュール３は下部にパッケージの底壁を兼ねる基板３ａを有し、上部に絶縁性基板３ｃを有する。
【０００８】基板３ａに絶縁性基板を用いる場合は、基板３ａの全面にはセラミクスと同時焼成される印刷法あるいは薄膜法によりパターニングされた電極材上ＡｕまたはＮｉメタライズおよびＡｕ／Ｎｉメタライズされたパターニング層３ｂが設けられ、このパターニング層に囲まれた上面には下基板のないサーモモジュール３のＡｕまたはＮｉメタライズおよびＡｕ／Ｎｉメタライズされた複数の上部電極３ｇが設けられる。
【０００９】図２に第２の実施の形態を示す。この実施の形態では、サーモモジュールの下基板３ａに例えば熱伝導性の良いＣｕＷなどの金属材料を用いる場合には、基板３ａ上に直接サーモモジュールパターニング層３ｂを設けるとパターニング層同士が電気的にショートしてしまうので、この場合には、あらかじめＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等絶縁層３ｄを形成しておき、その上面にパターニング層３ｂを設けることで絶縁基板を使うときと同等に使用することが可能である。
【００１０】図１、２に示すように、サーモモジュール３は複数のＮ型半導体化合物素子３ｅとＰ型半導体化合物素子３ｆとをＮ，Ｐ交互に電気的に直列に接続するように下部電極３ｂと上部電極３ｇにはんだ付けし、あらかじめ基板３ａにパターニングされたリードパターンを介してパッケージリードフレーム１４と接続して構成される。このＮ側端子であるＮ型半導体化合物素子３ｅ、Ｐ側端子であるＰ型半導体化合物素子３ｆ間に直流電圧ＶＭ（Ｖ）を印加すると、電流Ｉ（Ａ）が各素子のＮ型からＰ型に流れ、上部の各電極３ｇで吸収された熱量は各素子を通って下方に並列に輸送される。その結果、モジュール２４の上面で総熱量Ｑｃ（ｃａｌ）が吸収され、この熱が下部の電極面で総供給電力ＰＭ（Ｗ）に相当する熱量と合算され、総発熱量Ｑｈ（ｃａｌ）となってサーモモジュール３の下面に放出されるようになっている。
【００１１】サーモモジュール３の上部の絶縁性基板３ｃの上面には、レーザダイオード６の温度を一定にするためのＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ，Ｃｕ，Ｃｕ／Ｗ等からなるチップキャリア５がハンダ又はロウ材を介してサーモモジュールにより固着される。このチップキャリア５の上面にはレーザダイオード６が設けられる。パッケージ本体１の一方の側壁にはウィンドウガラス、レンズ１１および光ファイバ１５が設けられる。パッケージ本体１上端はカバーで覆われ、気密パッケージを構成する。
【００１２】なお、パッケージ本体１もセラミクス材により構成されている場合には、サーモモジュールパターンリードパターン３ｂをＡｇ、ＡｇＰｔ、Ｗ、ＭｏＷ等セラミクス同時焼成電極を印刷塗布した後、あらかじめ決められた組成のセラミクス原料を成膜機等により成型した焼成前セラミクスシートを順番に積層、プレスし基板３ａとパッケージ本体１を同時焼成することにより、あらかじめパッケージ内にサーモモジュールリードパターン及びサーモモジュール配線パターンが形成されたセラミクスパッケージが得られる。このセラミクスパッケージにサーモモジュールリードパターン３ｂとリードフレーム１４が電気的に接続されるようにパッケージ側面に電極パターン１５が印刷される。この側面電極パターン１５上にリードフレーム１４がロウ付けされ電気的に接続される。なお、上述した実施の形態では、リードフレーム１４をパッケージ底板３ａの側面にロウ付け接続したか、図４に示すようにリードフレーム１４をパッケージ底板３ａの上面にロウ付け接続してもかまわない。また、上述した実施の形態では、パッケージの電気的接続はリードフレーム１４をロウ付けした例で説明したが、リードフレーム１４のかわりに金属パッドまたははんだボール等で、電気接続されてもかまわない。
【００１３】図１において、３ａはアルミナセラミクス複合基板、あるいは、ガラス中にセラミックの微粉末を分散したガラスセラミクス複合体製の多層配線セラミクス複合基板である。前記複合セラミクス基板３ａは、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト、コージェライトのいずれかにより構成される。前記アルミナセラミクス基板は、例えば、Ａｌ２Ｏ３：９９．６〜９０ｗｔ％のグリーンシートを焼成してなるセラミクス材料である。また前記ガラスセラミクス複合体は、例えば、ＳｉＯ２：５０〜７０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：２〜１５ｗｔ％、ＣａＯ：５〜２０ｗｔ％、ＭｇＯ：０．１〜５ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３：５〜１５ｗｔ％を有する０．５〜５μｍのガラス微粉末に、０．３〜３μｍのアルミナの微粉末を３０〜７０ｗｔ％分散させたガラスセラミクス複合体製のグリーンシートを焼成してなるものである。フォルステライトを選ぶ場合には、ＳｉＯ２：５０〜７０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：２〜１５ｗｔ％、ＲＯ（ＲはＣａ，Ｓｒ，Ｂａ，のうちの一種以上）：５〜３０ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３：１〜８ｗｔ％、ＺｎＯ：２〜１５ｗｔ％、Ｒ２Ｏ（ＲはＮａ，Ｋ，Ｌｉのうちの一種以上）：５〜３０ｗｔ％の組成を有する０．３〜３μｍのガラス微粉末に、０．３〜３μｍのフォルステライトの微粉末を３０〜７０ｗｔ％分散させたガラスセラミクス複合体製のグリーンシートを焼成してなるものである。
【００１４】前記の多層配線基板となるガラスセラミクス複合体製の複合セラミクス底板３ａの上面には、Ａｇペースト，ＡｇまたはＰｄペースト、ＡｇまたはＰｔペースト、Ｃｕペースト、Ｗペースト、ＭｏまたはＭｎペースト等を塗布焼成してなる電気部品接続用電極３ｂを有する。
【００１５】図３及び図４にサーモモジュール基板３ａとリードフレーム１４を接続する実施の形態を示す。図３及び図４において図１と同一符号は同一構成部品を示す。この図３の実施の形態では、リードフレーム１４は、セラミクス基板３ａ焼成後サーモモジュールリードパターン３ｂと電気的に接続されるように側面印刷された電極パターン１５上にロウ付けされ、サーモモジュール３とリードフレーム１４が電気的に接続されている。
【００１６】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図１に示すセラミクスパッケージにおいて、次のものを作製した。
▲１▼  セラミクスパッケージ
あらかじめ成膜されたアルミナグリーンシート上にサーモモジュール電極、リードパターン及びレーザーモジュールと端子リードパターンをＷ電極材で印刷しておき、このグリーンシートを積層、焼成、切り離すことでセラミクスパッケージを作製した。さらに切り離したパッケージモジュールパターン上にＳｎＳｂクリームハンダを塗布した。
▲２▼  サーモモジュール
サーモモジュール上側セラミクス板３ｃにサーモモジュール電極パターン３ｄを印刷法により成膜パターニングした。このメタライジングパターン上にＡｕＳｎクリームハンダを塗布し、このパターン上にサーモモジュール３ｅ、３ｆを設置、窒素リフロー炉内でサーモモジュール板３ｃとサーモモジュール３ｅ、３ｆを接合させた。この接合されたサーモモジュールをセラミクスパッケージ上に設置、リフロー炉に通炉しサーモモジュール一体型パッケージを完成させた。
【００１７】なお、上記各実施の形態、実施例は特定の構成のセラミクス材について説明し、また発熱するデバイスとしてレーザ−ダイオードの例を用いて説明したが、本発明はこれらのセラミクス複合基板、金属封止パッケージに限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない範囲で各種の変形された構成が採用できる。例えば、発熱体としてＳｉ又はＧａＡｓ等の半導体パワーアンプ、パワートランジスタを使用した冷却が必要な回路パッケージとして用いても良い。さらに、本発明は、光通信デバイス用のみならず高周波アンプ、高周波通信デバイス基板等にも実施できるものである。
【００１８】
【発明の効果】本発明は以上のようにパッケージ本体とサーモモジュールをはんだ付け又はロウ付けする工程が省略されるので、パッケージの耐熱性、気密性が低下することはない。またサーモモジュール基板とパッケージが一体化されているため、パッケージ全高が低くでき、かつ従来技術で使われていたサーモモジュールとパッケージを接合するためのはんだ材等熱伝導性の悪い材料が使われないので熱効率が良くなり、サーモモジュール高さ精度も良くなる。またサーモモジュールのリードパターンは印刷または薄膜法により形成され、パッケージリードフレーム等と直接電気的に接合されているため、サーモモジュールとパッケージをつなぐリードワイヤー及び接続工程が省略されるため非常に安価で信頼性の高いパッケージが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すサーモモジュール一体型パッケージの断面図。
【図２】本発明の実施形態を示すサーモモジュール基板に金属を使用した場合のサーモモジュール一体型パッケージの断面図。
【図３】本発明の実施形態を示すサーモモジュール一体型パッケージ底板の摸式図。
【図４】本発明の実施形態を示すサーモモジュール一体型パッケージ底板の摸式図。
【図５】従来の実施形態を示すパッケージの断面図。
【符号の説明】
１          パッケージ本体
２          パッケージリード
３          サーモモジュール
４          ロウ材
５          チップキャリア
６          レーザーチップ
７          レンズホルダー
８          レンズ
９          ウィンドウ
１０        ファイバーフェルール
１１        ファイバーパイプ
１２        光ファイバー
１４        フレームリード
１５        側面印刷パターン
【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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