(57)【要約】【課題】小型化でき、放熱性のよい光半導体モジュール及びそれを用いた光通信システムを提供する。【解決手段】本発明の光半導体モジュールは、外部部材に取り付けるための部分を持たない気密封止容器と、該気密封止容器に内蔵する熱電冷却素子と、バタフライ型の外部接続用リードとを少なくとも備え、該リードが配線基板に半田付けするために折り曲げられていることを特徴とする。本発明では、リードを従来とは異なり配線基板の下側から挿入し、半田付けして光半導体モジュールをサーマルコンパウンドを挟んで固定する。従来底板と一体に設けられていたつば部分のような外部部材に取り付ける部分がないため大幅に小型化でき、さらには、熱電冷却素子を内蔵して１５×８×６ｍｍ以下に形成できる。この構造により、光通信システムを小型化でき、かつ、効果的に放熱できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体モジュールであって、外部部材に取り付けるための部分を持たない気密封止容器と、該気密封止容器に内蔵する熱電冷却素子と、バタフライ型の外部接続用リードとを少なくとも備え、該リードが配線基板に半田付けするために折り曲げら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】
上記リードの先端が細く形成されてい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】
上記気密封止容器が、縦≦１５ｍｍ、横≦８ｍｍ、高さ≦６ｍｍであ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】
上記気密封止容器の底板が枠体よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導モジュール。
【請求項５】
光通信システムであって、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光半導体モジュールと、ケースと、配線基板と、光ファイバーと、電源と、熱電冷却素子制御回路と、光半導体制御回路とを少なくとも備え、光半導体モジュールが配線基板とケースに挟み込まれている光通信システム。
【請求項６】
上記光半導体モジュールの上下がサーマルコンパウンドで挟み込まれ、さらに配線基板とケースに挟み込まれていることを特徴とする請求項５に記載の光通信システム。
【請求項７】
上記配線基板の、上記光半導体モジュールを搭載する面、その反対側の面又はその両方に、放熱用の配線が施されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の光通信システム。
【請求項８】
上記ケース及び上記光半導体モジュールに熱的に接触するようにヒートパイプを備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の光通信システム。
【請求項９】
上記ヒートパイプから直接空気へ放熱するために、ケースのヒートパイプ接続部に、穴が開けられていることを特徴とする請求項８に記載の光通信システム。
【請求項１０】
上記光半導体モジュールと接触する部分で空気の流れが高速になるように、上記ケースの外側にガイドが設けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いられるバタフライ型の光半導モジュール及び光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信の分野においては、一般に様々な半導体素子が用いられているが、個々の応用で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。また、情報通信の高速化や情報量の増大に伴って、光通信の担う役割は大きくなっている。光通信に用いられる光半導体素子も、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、その素子にふさわしい封止容器に封入されて光半導体モジュールとして用いられている。
【０００３】
ところで、光半導体モジュールに搭載され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。一つの方法として、通電によって吸熱する作用を持つ熱電冷却素子（ＴＥＣ）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。
【０００４】
このように熱電冷却素子をその他の半導体素子と共にパッケージングした従来技術においては、これまでそのパッケージの大きさの小型化が課題とされていた。この点に関し、特開平５−６７８４４号公報には、ペルチェ素子（熱電冷却素子）を直接底板に固定し、小型化を図った半導体レーザモジュールが開示されている。さらに、特開２００１−３３９１１６号公報には、小型化でき、モジュールの各構成部品同士の接合部の信頼性を向上させた半導体レーザモジュールが開示されている。この半導体レーザモジュールでは、底蓋とパッケージ、基板とペルチェ素子、ペルチェ素子と底蓋それぞれの接合材に融点の差を設けている。さらに、特願２００２−１１５９２９号の実施例及び比較例では、極小のＴＥＣを提供できることが示されている。
【０００５】
しかしながら、これらの従来技術においては、十分な放熱性を確保しながらさらなる小型化が要望されており、この点に関しては未だ改善の余地がある。一般に光半導体モジュールは、コバール等の金属からなる枠体に、ＣｕＷ等の高熱伝導率の複合金属材料や窒化アルミニウム等の高熱伝導性のセラミックスを底板又は回路基板として用いている。この底板には、何らかの光通信システムに組み込む際に基体にねじ止めによって固定するために、ねじ止め用のつば部分が形成されている。このような、モジュールを外部の光通信システムに組み込む方法や手順においては、これまであまり全体を小型化する工夫がされてこなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、光半導体モジュールのパッケージ自体を小型化するとともに、何らかの光通信システムに組み込んだ状態での全体のさらなる小型化が望まれている。さらに、小型化するとともに、光半導体の放熱を効率よく行えるようにし、光通信の信頼性を確保することも重要である。
【０００７】
したがって、本発明の第１の目的は、小型で放熱性のよい光半導体モジュールを提供することである。さらに、本発明の第２の目的は、光半導体モジュールを光通信システムに組み込む方法を工夫し、全体としてさらに小型化が可能で、かつ放熱性のよい光通信システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討の結果、光半導体モジュールのリード形状や光通信システムへの組み込み方を工夫することで、本発明の光半導体モジュール及び光通信システムを完成し、上記の目的を達成した。すなわち、本発明は以下の（１）〜（１０）である。
【０００９】
（１）　光半導体モジュールであって、外部部材に取り付けるための部分を持たない気密封止容器と、該気密封止容器に内蔵する熱電冷却素子と、バタフライ型の外部接続用リードとを少なくとも備え、該リードが配線基板に半田付けするために折り曲げられていることを特徴とする光半導体モジュール。
【００１０】
（２）　上記リードの先端が細く形成されていることを特徴とする（１）に記載の光半導体モジュール。
【００１１】
（３）　上記気密封止容器が、縦≦１５ｍｍ、横≦８ｍｍ、高さ≦６ｍｍであ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。
【００１２】
（４）　上記気密封止容器の底板が枠体よりも大きいことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載の光半導モジュール。
【００１３】
（５）　光通信システムであって、（１）〜（４）のいずれか一項に記載の光半導体モジュールと、ケースと、配線基板と、光ファイバーと、電源と、熱電冷却素子制御回路と、光半導体制御回路とを少なくとも備え、光半導体モジュールが配線基板とケースに挟み込まれている光通信システム。
【００１４】
（６）　上記光半導体モジュールの上下がサーマルコンパウンドで挟み込まれ、さらに配線基板とケースに挟み込まれていることを特徴とする（５）に記載の光通信システム。
【００１５】
（７）　上記配線基板の、上記光半導体モジュールを搭載する面、その反対側の面又はその両方に、放熱用の配線が施されていることを特徴とする（５）又は（６）に記載の光通信システム。
【００１６】
（８）　上記ケース及び上記光半導体モジュールに熱的に接触するようにヒートパイプを備えることを特徴とする（６）に記載の光通信システム。
【００１７】
（９）　上記ヒートパイプから直接空気へ放熱するために、ケースのヒートパイプ接続部に、穴が開けられていることを特徴とする（８）に記載の光通信システム。
【００１８】
（１０）　上記光半導体モジュールと接触する部分で空気の流れが高速になるように、上記ケースの外側にガイドが設けられていることを特徴とする（５）又は（６）に記載の光通信システム。
【００１９】
以下に本発明について従来技術と比較しながら図面を用いて説明する。
図２は、従来技術による光半導体モジュールの斜視図である。光半導体モジュール１１は、リード１４が側面から水平方向に伸長し、これを基板に半田付けする。一方で、底板１５はその一部がつばを形成して光半導体モジュール１１の容器の側面から水平に飛び出している。従来はこのつば部分を基板にねじ止めすることで光半導体モジュール１１を基板に固定していた。
【００２０】
図３は、従来技術による光半導体モジュールの基板への実装の様子を示した断面図である。光半導体モジュール１１の側面から伸長するリード１４は、表面、上側にパターン配線を有する基板１６上に大部分が半田付けされている。基板１６は、Ａｌや樹脂のサポータ２０を介してＡｌ放熱板１９にねじ止めされる。また、図示はされないが、上述のように光半導体モジュール１１の底板１５もそのつば部分をＡｌ放熱板１９にねじ止めすることによって固定される。このとき、底板１５とＡｌ放熱板１９の間に、ＳｉグリースやＳｉ放熱シートを挟んで用いる。
【００２１】
一方、本発明の光半導体モジュールは、外部部材に取り付けるための部分すなわちつばのない気密封止容器を使用し、かつ、バタフライと呼ばれる外部接続用リードを折り曲げて形成する。このことによって、従来とは異なり配線基板の下側にリードを半田付けし、光通信システムを構成できる。
【００２２】
本発明の光通信システムでは、図１に示すように、光半導体モジュール１を下側に実装した配線基板５をケースを兼ねるＡｌ放熱板１０にねじ９でねじ止めする。光半導体モジュールは、内部に熱電冷却素子３と光半導体２を収納する。リード４は、図１のように上方に折り曲げられており、下側に配線６を施した基板５に挿入され、半田８で半田付けされる。従来の実装の様子を示した図３と比較すると明らかなように、本発明の光通信システムはこれらの工夫によって大幅な小型化が可能になる。さらに、Ａｌ放熱板に光半導体モジュールの一面を押し当てることになり、Ａｌ放熱板がケースを構成するため、ケース自体で放熱することができ放熱効率がよい。このとき、光半導体モジュールの封止容器上下面全体をサーマルコンパウンド７を挟んでＡｌ放熱板１０及び配線基板５に接触させることが好ましい。このことによって、さらに放熱特性を向上させることができる。また、光半導体モジュールの容器自体をねじ止めによって機械的にケースや配線基板に取り付けていないので、一部が発熱した場合にも各部材の熱膨張係数の差による歪みが発生せず、光軸が安定に保たれる。そのため、光接続の信頼性が向上する。さらに、本発明の光半導体モジュールを基板に実装する具体的な方法については、発明の実施の形態の欄に後述する。
【００２３】
さらに、本発明の光半導体モジュールは、気密封止容器を縦≦１５ｍｍ、横≦８ｍｍ、高さ≦６ｍｍの大きさに形成し、熱電冷却素子を内蔵することができる。従来、熱電冷却素子を内蔵したこの大きさのパッケージは製造されていなかったが、本発明においては、上述ような実装方法の工夫と近年さらに小型化されつつある熱電冷却素子を適宜選択することにより、従来の大きさの約１／２の光半導体モジュールを実現できる。したがって、これを用いれば光通信システム全体を小型化することができる。また、この大きさの光半導体モジュールを用いると、システムに振動が加わったときに光半導体モジュールがはがれてしまうという問題を防ぐことができ、有用である。
【００２４】
さらに、本発明の光半導体モジュールは、図４に示すように底板を側面を形成する枠体よりも大きく形成することができる。このことによって、放熱効果を大幅に高めることができ、かつ、ねじ止めが必要なくなる。例えば、ＡｌＮの底板の場合には、面積を２倍にすることにより、熱抵抗は１／２になる。ダイヤをコートしたＡｌＮでは、熱抵抗がさらに１／３となる。
【００２５】
また、リードの先端は図１０に示すように細く形成されていることが好ましい。細い部分のみが配線基板の穴に挿入されることでリードの挿入位置（深さ）を決めることができ、配線基板への装着を容易にできる。加えて、リードの挿入位置が一定に決まることから、外部から振動が加わったときにもリードがばねとして働き、光半導体モジュールの容器と基板又はケースの間の隙間でサーマルコンパウンドが緩く動くよう保持される。したがって、常にサーマルコンパウンドが光半導体モジュールの容器に接触していることになり、確実に放熱されることになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の光半導体モジュール及び光通信システムについてさらに詳細に説明する。
本発明の光通信システムにおいて用いる配線基板は、汎用されているガラスエポキシが好ましい。基板上の配線部分は、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ等で形成することができる。また、放熱板のほか、光半導体モジュールを収納するケースはＡｌで形成されることが好ましい。また、リードはＣｕ／コバール／Ｃｕ等のクラッド材であることが好ましい。より具体的には、電気伝導性のよい材料である、銅線に１．５μｍ以上のＮｉめっきをしたもの、アルミナ分散銅、コバール−Ｃｕ、ＳＵＳ−Ｃｕ等の合金である。
【００２７】
サーマルコンパウンドは放熱シートや放熱粘土であり、具体的には、シリコーン油にダイヤ粉末、アルミナ粉末、ＡｌＮ粉末等のいずれかを加えたもの、又は、シリコーンゴムにダイヤ粉末、アルミナ粉末、ＡｌＮ粉末等のいずれかを加えたものを用いることができる。サーマルコンパウンドは、配線基板へのリードの半田付けの前に挟み込んでおいてもよい。また、リードの半田付けの後に、熱硬化性の樹脂と上記の高熱伝導材料を共に流し込んで、加熱により固めてもよい。
【００２８】
本発明の光通信システムの構成例の概略を図５に示す。ケースの一部を構成するＡｌ放熱板３３上に、本発明の光半導体モジュール３２を設置する。ケースは、各部分をシャーシ、放熱板、必要に応じてヒートパイプ等で構成され、全体として箱型に形成する。ケース内には信号伝達用の光ファイバー３１が導入され、さらに光半導体モジュール３２に導入される。光半導体モジュール３２には、ＴＥＣ制御回路３４及び光半導体制御回路３５が接続されており、各制御回路は電源３６から電力を供給される。ＴＥＣ制御回路は、通常、半導体レーザ（ＬＤ）であれば２５℃に保たれるようにＴＥＣ電流を制御する。光半導体制御回路は、ＬＤであれば、そのパワーが２５０ｍＷで一定となるようにＬＤ電流を制御する。電源は、通常１００Ｖ電源から各制御回路のＬＳＩに５Ｖを供給するために用いる。この他に、増幅部としてＥｒ等希土類元素をドープしたファイバーを備える。
【００２９】
また、図６は上記の光通信システム全体をケースに構成したときの、システムの断面を模式的に表している。光半導体モジュール２１はサーマルコンパウンド２６を介して、配線基板２３及びＡｌ放熱板２４に挟まれている。光ファイバーは光コネクタ２５を通してケース内部に導入される。光通信システムはこの他に必要に応じて既知の部品やデバイス等を収納することができる。
【００３０】
また、本発明では、光半導体モジュールを取り付ける配線基板に、放熱用の配線をシート状に施すことが好ましい。放熱用配線を施す面は、最も簡便には光半導体モジュールを取り付ける面がよく、最も放熱効率を上げるには半導体モジュールを取り付ける面の反対側の面がよく、この場合には放熱用配線と共に放熱用の穴（放熱ビア）を設ける。さらに、放熱用配線は両面に施されていてもよい。配線材料としては、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕを順に積層することが好ましい。
【００３１】
図１１は、この放熱用の配線を最も放熱効率を上げるように設けた好ましい例を模式的に表している。配線基板５４の下側には、図中点線で示したように光半導体モジュールを挟んでいるサーマルコンパウンド５５が接触している。配線５３は、光半導体モジュールのリードが挿入され、電気的に接続される配線である。サーマルコンパウンド５５の接触する面と反対側の面、配線基板５４の上側には、サーマルコンパウンド５５のある位置に重なるようにして、放熱用の配線５２を施しておく。サーマルコンパウンド５５は、放熱ビア５６によって熱的に放熱用配線５２に接続する。放熱ビア５６は、基板と垂直に設けた貫通穴で、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ等が充填されている。放熱ビア５６によって、光半導体モジュール搭載面と反対側の面において、効果的に放熱することができるようになる。さらに、ケースの外縁部には放熱フィン５１を設ける。放熱フィンを取り付けることにより、放熱用配線に加えてさらに放熱特性を向上できる。
【００３２】
一方、最も簡便には、サーマルコンパウンドが直接放熱用配線に接触するように、放熱用配線を配線基板の光半導体モジュール搭載面側に設ける。この場合には、放熱ビアの形成は必要なくなり、放熱フィンも光半導体モジュールの搭載面側に取り付けることが効果的である。
【００３３】
本発明においては、放熱特性を向上させるためにヒートパイプを使用することもできる。ヒートパイプとは伝熱性のよい部品であり、中空の板又は管の内部に水等の流体が容積の１／３程度封入されているものである。ヒートパイプを用いると、断熱材の中に発熱する部品がある場合にも、断熱材を貫通するようにヒートパイプを設置し、ヒートパイプの一端を発熱部に接触させておくことで、外部に効率的に放熱することができる。ヒートパイプの内部では、発熱部で蒸発した気体が他端において冷却され、凝縮して液体となり、これが毛細管現象や重力を利用して再び発熱部へ戻るというサイクルが成り立っているためである。ヒートパイプは例えば特開平２−１６６３９１号公報に従って製造できる。本発明においては、全体をＡｌ又はＣｕで構成し、内部の流体にメタノール等のアルコールやアセトン、エーテル等を熱圧嵌で封入して用いることが好ましい。ヒートパイプ自体の厚さは、２ｍｍ程度であることが好ましい。加えて、ヒートパイプの光半導体モジュールに接している端を重力の働く方向に沿って下側に、すなわちヒートパイプ内部で加熱されて蒸発した気体が放熱によって凝縮したとき、重力によって自然に再び発熱部分に戻るように配置することが好ましい。
【００３４】
図７及び図８は、ヒートパイプを使用した光通信システムの断面を模式的に示している。図７では、Ａｌ放熱板２４の内側にヒートパイプ２７を設置し、この上にサーマルコンパウンド２６を介して光半導体モジュール２１を配置する。ヒートパイプとＡｌ放熱板は、高放熱性の樹脂で接合する。このとき、図１２に示すように、重力の働く方向に対して、ヒートパイプ４１のサーマルコンパウンド４２の接触する部分を下に、放熱する部分を上になるようにＡｌ放熱板４３を立てた状態で使用することが望ましい。また、サーマルコンパウンドを用いずに、光半導体モジュールをヒートパイプを挟むようにしてＡｌ放熱板のケースに押し当てるようにしてもよい。また、ヒートパイプを用いる場合には、図８に示すようにケースとなるＡｌ放熱板２４のヒートパイプ２７の接続部に穴を設け、ヒートパイプ２４から直接外気に放熱するような構造にしておくこともできる。さらに、ヒートパイプに特別なＡｌ、Ｃｕ等のヒートシンクを接続すると放熱効果はより高くなる。
【００３５】
また、本発明の光通信システムでは、図９に示すようにケースの外側にガイドを設けて、空気の流れが光半導体モジュールに接触する部分で高速になるようにし、放熱性をさらに高めることもできる。図９（ａ）は、光半導体モジュール２１に接触するＡｌ放熱板２４の一部を、空気ガイド２９として働くように形成している光通信システムの断面を表している。図９（ｂ）はＡｌ放熱板２４を外側から見た図を示しているが、図中で模式的に示したように、空気ガイド２９に沿って空気は一点差線の矢印のように流れ、点線で示した光半導体モジュール２１の発熱部分を効果的に冷却する。ここで、図示した例ではＡｌ放熱板２４の外側部分を空気ガイド２９として一体に形成したが、平坦なＡｌ放熱板にガイド形成部材を取り付けるようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の光半導体モジュールは、従来のものに比較して１／２程度の大きさに小型化される。また、その光半導体モジュールは、配線基板への組み付け方を工夫することにより、光通信システムとしたときにも全体を小型化できる。加えて、効率的に放熱できるため、光接続の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体モジュールを配線基板に実装したところを示す断面図である。
【図２】従来技術による光半導体モジュールの斜視図である。
【図３】従来技術による光半導体モジュールを配線基板に実装したところを示す断面図である。
【図４】本発明の光半導体モジュールの斜視図である。
【図５】本発明の光通信システムの構成例を模式的に示した図である。
【図６】本発明の光通信システムの一例の断面図である。
【図７】本発明の光通信システムのヒートパイプを用いた例の断面図である。
【図８】本発明の光通信システムのヒートパイプを用いた別の例の断面図である。
【図９】（ａ）は本発明の光通信システムの空気ガイドを設けた例の断面図であり、（ｂ）は（ａ）を外側から見て空気の流れを模式的に示した図である。
【図１０】本発明の光半導体モジュールのリードの先端部を示した図である。
【図１１】本発明の光通信システムの放熱用配線を模式的に示した図である。
【図１２】本発明の光通信システムのヒートパイプの配置を説明するための図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、３２　光半導体モジュール
２、１２　光半導体
３、１３　熱電冷却素子
４、１４　リード
５、１６、２３、５４　基板
６、５３　配線
７、２６、４２、５５　サーマルコンパウンド
８、１７　半田
９、１８　ねじ
１０、１９、２４、３３、４３　放熱板
１５　底板
２０　サポータ
２２　制御回路
２５　光コネクタ
２７、４１　ヒートパイプ
２９　空気ガイド
３１　光ファイバー
３４　熱電冷却素子制御回路
３５　光半導体制御回路
３６　電源
５１　放熱フィン
５２　放熱用配線
５６　放熱ビア
【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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