(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子をパッケージ本体内に収容し、このパッケージ本体内で前記半導体レーザ素子を冷却するようにした半導体レーザモジュールであって、
前記半導体レーザ素子に熱的に結合される基板に形成された第１電極と、
前記パッケージ本体を封止する底蓋に形成された第２電極と、
前記第１および第２電極の間に接続された複数のペルチェ素子と、
前記パッケージ本体と前記底蓋とを接合する第１接合材と、
前記第１電極と前記複数のペルチェ素子の一方の端部とを接合する第２接合材と、
前記第２電極と前記複数のペルチェ素子の他方の端部とを導電層を介して接合する第３接合材とを備え、
前記第１接合材は前記第２接合材よりも融点が高い接合材であり、かつ前記第２接合材は前記第３接合材よりも融点が高い接合材もしくは前記第３接合材と融点が等しい接合材であることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
半導体レーザ素子をパッケージ本体内に収容し、このパッケージ本体内で前記半導体レーザ素子を冷却するようにした半導体レーザモジュールであって、
前記半導体レーザ素子に熱的に結合される基板に形成された第１電極と、
前記パッケージ本体と一体的に成形された底壁に形成された第２電極と、
前記第１および第２電極の間に接続された複数のペルチェ素子と、
前記第１電極と前記複数のペルチェ素子の一方の端部とを接合する第２接合材と、
前記第２電極と前記複数のペルチェ素子の他方の端部とを導電層を介して接合する第３接合材とを備え、
前記第２接合材は前記第３接合材よりも融点が高い接合材もしくは前記第３接合材と融点が等しい接合材であることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項３】
半導体レーザ素子をパッケージ本体内に収容し、このパッケージ本体内で前記半導体レーザ素子を冷却するようにした半導体レーザモジュールであって、
前記半導体レーザ素子に熱的に結合される基板に形成された第１電極と、
前記パッケージ本体と一体的に成形された底壁に形成された第２電極と、
前記第１および第２電極の間に接続された複数のペルチェ素子と、
前記パッケージ本体と一体的に成形された底壁を補強する補強板と該底壁とを接合する第１接合材と、
前記第１電極と前記複数のペルチェ素子の一方の端部とを接合する第２接合材と、
前記第２電極と前記複数のペルチェ素子の他方の端部とを導電層を介して接合する第３接合材とを備え、
前記第１接合材は前記第２接合材よりも融点が高い接合材であり、かつ前記第２接合材は前記第３接合材よりも融点が高い接合材もしくは前記第３接合材と融点が等しい接合材であることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記第１電極は前記基板上にパターン形成された薄膜あるいは厚膜であり、前記第２電極は前記底蓋あるいは前記底壁上にパターン形成された薄膜あるいは厚膜であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
半導体レーザ素子をパッケージ本体内に収容し、このパッケージ本体内で前記半導体レーザ素子を冷却するようにした半導体レーザモジュールの製造方法であって、
第２電極が形成された前記パッケージ本体を封止する底蓋を該パッケージ本体の下端に第１接合材により接合する第１接合工程と、
第１電極が形成された基板上に複数のペルチェ素子の一方の端部を前記第１接合材より融点が低い第２接合材により接合する第２接合工程と、
前記複数のペルチェ素子の他方の端部に導電層を前記第２接合材により接合して熱電素子モジュールとする第３接合工程と、
前記熱電素子モジュールに接合された導電層を前記第２電極に前記第２接合材より融点が低い第３接合材あるいは前記第２接合材と融点が等しい第３接合材により接合する第４接合工程とを備えたことを特徴とする半導体レーザモジュールの製造方法。
【請求項６】
半導体レーザ素子をパッケージ本体内に収容し、このパッケージ本体内で前記半導体レーザ素子を冷却するようにした半導体レーザモジュールの製造方法であって、
第１電極が形成された基板上に複数のペルチェ素子の一方の端部を第２接合材により接合する第１接合工程と、
前記複数のペルチェ素子の他方の端部に導電層を前記第２接合材により接合して熱電素子モジュールとする第２接合工程と、
前記熱電素子モジュールに接合された導電層を前記パッケージ本体と一体的に成形された底壁に形成された第２電極に前記第２接合材より融点が低い第３接合材あるいは前記第２接合材と融点が等しい第３接合材により接合する第３接合工程とを備えたことを特徴とする半導体レーザモジュールの製造方法。
【請求項７】
半導体レーザ素子をパッケージ本体内に収容し、このパッケージ本体内で前記半導体レーザ素子を冷却するようにした半導体レーザモジュールの製造方法であって、
内面に第２電極が形成された前記パッケージ本体と一体的に成形された底壁の外面を該底壁を補強する補強板に第１接合材により接合する第１接合工程と、
第１電極が形成された基板上に複数のペルチェ素子の一方の端部を前記第１接合材より融点が低い第２接合材により接合する第２接合工程と、
前記複数のペルチェ素子の他方の端部に導電層を前記第２接合材により接合して熱電素子モジュールとする第３接合工程と、
前記熱電素子モジュールに接合された導電層を前記パッケージ本体と一体的に成形された底壁に形成された第２電極に前記第２接合材より融点が低い第３接合材あるいは前記第２接合材と融点が等しい第３接合材により接合する第３接合工程とを備えたことを特徴とする半導体レーザモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置などに使用する半導体レーザ素子と光ファイバとの結合器である半導体レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、波長を多重化して送信する方式（ＷＤＭ）の開発、実用化が進んでいる。この方式では、複数の波長の光が１つの光ファイバ内に存在するため、１つの光源の波長を±０．１ｎｍにおさえる必要がある。
【０００３】
このような光通信のレーザ光源としては半導体レーザ素子が用いられ、この半導体レーザ素子とレンズ等をパッケージ内に一体的に収容して半導体レーザモジュールを構成し、この半導体レーザモジュールを光ファイバに結合するようになされている。このような半導体レーザモジュールにおいては、半導体レーザはその雰囲気温度が変化すると波長が変化するため、光ファイバと結合する半導体レーザモジュールの構成体内に電子冷却素子（以下、ペルチェ素子という）を備えて、半導体レーザ素子の温度を制御している。
【０００４】
このような半導体レーザモジュール７０は、例えば、図７に示すように、図示しない一対の側壁にリード線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パッケージ本体７１を備えており、このパッケージ本体７１の他の１つの側壁に光取り出し窓７１ａを設けている。また、パッケージ本体７１の上部には気密用のカバー７１ｂを取り付けるようにしている。ここで、パッケージ本体７１内には、一対の絶縁板７２ａ，７２ｂの間に複数個のＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなるペルチェ素子７２を挟み込み、図示しない電極により複数のＰ型素子と複数のＮ型素子とがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続され、更に端部のＰ型素子及びＮ型素子を接合した電極にそれぞれ図示しないリード線を接続して構成される。
【０００５】
なお、絶縁板７２ａ，７２ｂはアルミナなどから形成されており、この上にペルチェ素子７２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いる。絶縁板７２ａ側には半導体レーザ素子７４、レンズ７８および受光素子７７等を搭載したベース板７３が固定され、絶縁板７２ｂ側はパッケージ本体７１の内底に固定されている。半導体レーザ素子７４はヒートシンク７５に搭載されており、このヒートシンク７５は半導体レーザ素子７４の放熱を行うと共に、半導体レーザ素子７４とほぼ同じ膨張係数を有する材料（例えばダイヤモンド，ＳｉＣ，シリコンなど）を使用して熱応力による故障を防止している。
【０００６】
また、ヒートシンク７５はヘッダ７６に搭載され、このヘッダ７６は半導体レーザ素子７４の電極用の端子を有している。ヘッダ７６の後部にはモニタ用の受光素子７７が設けられており、この受光素子７７は半導体レーザ素子７４の温度変化等による光出力の変化を監視し、その光出力が常に一定になるように駆動回路にフィードバックをかけている。レンズ７８はレンズホルダ７９により固定されている。
【０００７】
なお、レンズホルダ７９は、半導体レーザ素子７４から出射され広がったレーザ光がレンズ７８により平行光になるように光軸調整後、ベース７３にＹＡＧレーザで固定されるようになされている。これは、光学調整後の半導体レーザ素子７４とレンズ７８の軸ずれ感度が１μｍ以下と厳しいため固定安定度の高いＹＡＧレーザ溶接を用いるものである。これにより、半導体レーザ素子７４から出射されたレーザ光はレンズ７８で平行光に変換され、この平行光が光取り出し窓７１ａを通過するようになる。
【０００８】
レンズ７８の前方には、スリーブ８２が配置され、このスリーブ８２にフェルール８３を介してレンズ８１が固定されている。ここで、半導体レーザ素子７４から出射され光取り出し窓７１ａを通過したレーザ光がレンズ８１で光ファイバ８４に効率よく入射するように光軸調整した後、スリーブ８２のＡ，Ｂ部でＹＡＧレーザ溶接固定している。これにより、半導体レーザ素子７４から出射された光はレンズ７８と８１とによって光ファイバ８４に効率良く結合される。このような半導体レーザモジュールの温度が安定なのはペルチェ素子７２で半導体レーザ素子７４を常時温度制御し、半導体レーザ素子７４の発熱による温度上昇を低減しているためである。なお、半導体レーザ素子７４とペルチェ素子７２の発熱はパッケージ本体７１に取り付けたヒートシンク（図示せず）で外部に放熱される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成による半導体レーザモジュールは、電子冷却素子（例えばペルチェ素子）７２を搭載しているため特に高さ方向が制限され、小型化が困難であるという問題点があった。そこで、小型で冷却能力に優れた構造を持つ半導体レーザモジュールが、例えば、特開平５−２２６７７９号公報において提案されるようになった。この特開平５−２２６７７９号公報において提案された半導体レーザモジュールにおいては、パッケージ本体底蓋と下基板とが共通である構造とすることにより、小型化が可能となった。
【００１０】
しかしながら、上述した特開平５−２２６７７９号公報において提案された半導体レーザモジュールにおいては、パッケージ本体の底蓋にペルチェ素子を接合した後、この底蓋にパッケージ本体を接合するような方法を採用している。
パッケージ本体の底蓋にペルチェ素子を接合した後、この底蓋にパッケージ本体を接合するようにすると、底蓋とパッケージ本体との接合は、底蓋とペルチェ素子とを接合する接合材の融点よりも低い接合材を用いて行う必要がある（なぜならば、底蓋とペルチェ素子とを接合する接合材よりも融点が高い接合材を用いると、先に接合した底蓋とペルチェ素子との接合部が溶けるためである）ため、底蓋とパッケージ本体との接合力が低くて、信頼性に欠けるという問題を生じた。
【００１１】
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、パッケージ本体とパッケージ本体の底蓋との接合部の信頼性を向上させるとともに、小型化が可能な半導体レーザモジュールを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子に熱的に結合される基板に形成された第１電極と、パッケージ本体を封止する底蓋に形成された第２電極と、これらの第１および第２電極の間に接続された複数のペルチェ素子と、パッケージ本体と底蓋とを接合する第１接合材と、第１電極と複数のペルチェ素子の一方の端部とを接合する第２接合材と、第２電極と複数のペルチェ素子の他方の端部とを導電層を介して接合する第３接合材とを備え、第１接合材は第２接合材よりも融点が高い接合材であり、かつ第２接合材は第３接合材よりも融点が高い接合材もしくは第３接合材と融点が等しい接合材であるようにしている。
【００１３】
このように、第１接合材は第２接合材よりも融点が高い接合材を用い、第２接合材は第３接合材よりも融点が高い接合材もしくは第３接合材と融点が等しい接合材を用いるようにすると、第１接合材によりパッケージ本体と底蓋とを接合した後、第２接合材で第１電極に接合された複数のペルチェ素子の他方の端部を第３接合材により第２電極に接合するようにしても、第３接合材の溶融時に第１接合材が溶融することがないため、接合強度が大きい接合部が形成されて、信頼性の高い接合部が得られるようになる。そして、第２電極と複数のペルチェ素子の他方の端部との間に導電層を備えるようにすると、第２電極の厚みを薄くできるようになるため、第２電極は薄膜で形成することが可能となり、抵抗が高い高融点金属で形成することができる。
【００１４】
なお、第２電極が形成された底壁が一体的に成形されたパッケージ本体を用いると、パッケージ本体と底蓋との接合を省略できるので、接合工程を減少させることが可能となり、この種の半導体レーザモジュールを低コストで容易に製造することができるようになる。この場合、底壁に形成する第２電極を高融点金属とすれば、パッケージ本体と底蓋を一体的に成形しても第２電極が溶融されることはない。そして、高融点金属の抵抗値が高くて導電性が低い場合は、この高融点金属に導電性が良好な導電層を備えるようにすればよい。
【００１５】
また、本発明の半導体レーザモジュールの製造方法は、第２電極が形成されたパッケージ本体を封止する底蓋を該パッケージ本体の下端に第１接合材により接合する第１接合工程と、第１電極が形成された基板上に複数のペルチェ素子の一方の端部を第１接合材より融点が低い第２接合材により接合する第２接合工程と、複数のペルチェ素子の他方の端部に導電層を第２接合材により接合して熱電素子モジュールとする第３接合工程と、前記熱電素子モジュールに接合された導電層を第２電極に第２接合材より融点が低い第３接合材あるいは第２接合材と融点が等しい第３接合材により接合する第４接合工程とを備えるようにしている。
【００１６】
このように、第１接合工程、第２接合工程、第３接合工程および第４接合工程とを備えるようにすると、第１接合工程においてパッケージ本体と底蓋とは第１接合材により接合される。このとき、第１接合材の融点が高くても他の接合部に影響を与えることがないため、パッケージ本体と底蓋とは強固に接合されることとなる。もしくは、第２接合工程と第３接合工程を同時に行えば、一度の溶融工程で済む。即ち、第２接合材の再溶融工程そのものをなくすことができる。ついで、第２接合工程において第１電極が形成された基板上に複数のペルチェ素子の一方の端部が第１接合材より融点が低い第２接合材により接合される。
【００１７】
この後、第３接合工程において、複数のペルチェ素子の他方の端部に導電層を第２接合材により接合するが、第２接合材は第２接合工程での第２接合材と同じ接合材であるため、ほとんど溶融することはない。ついで、第４接合工程において複数のペルチェ素子の他方の端部が第２電極に第３接合材により接合されるが、第３接合材は第２接合材より融点が低いため、この接合時に第１接合材および第２接合材は溶融することはない。この結果、接合強度が大きい接合部が形成されて、信頼性の高い接合部が得られるようになる。
【００１８】
また、第３接合材が第２接合材と同等の融点をもつ場合、第４接合工程において第２接合材が再溶融するデメリットがあるが、同時に溶けて同時に凝固するために、特に凝固時に発生する熱応力が小さいというメリットがある。
なお、このとき、第２接合工程で用いる第２接合材、第３接合工程で用いる第２接合材および第４接合工程で用いる第３接合材の融点は同じであってもよい。この場合、全ての接合材の融点が同じであるので、再溶融するデメリットがあるものの、全ての接合材が同一温度で凝固するのでモジュール内に残留する熱応力が少ないというメリットがある。
【００１９】
第１電極を基板上に薄膜あるいは厚膜でパターン形成し、第２電極を底蓋上に薄膜（この場合は、例えば、Ｍｏ−Ｍｎ法、Ｗ法による焼成で）あるいは厚膜（この場合は、例えば、メッキにより）でパターン形成すると、各電極の形成が容易となる。そして、第１接合材は銀蝋あるいはガラスとすることが好ましく、第２接合材はスズ−アンチモン合金ハンダとすることが好ましく、第３接合材はスズ−鉛共晶ハンダあるいはスズ−アンチモン合金ハンダとすることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の実施の形態を第１実施例，第２実施例、第３実施例の順に、図１〜図６に基づいて説明する。
【００２１】
１．第１実施例
まず、第１実施例を図１および図２に基づいて説明する。なお、図１（ａ）は本第１実施例のパッケージ本体を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は本第１実施例の底蓋を模式的に示す斜視図である。また、図２（ａ）は本第１実施例の熱電素子モジュールの要部を模式的に示す断面図であり、図２（ｂ）はこの熱電素子モジュールを図１のパッケージ本体内に接合した状態の要部を模式的に示す断面図である。
【００２２】
本第１実施例の半導体レーザモジュール１０は、図１〜図２に示すように、上下面が開口した箱状のパッケージ本体１１と、このパッケージ本体１１の底蓋１２と、パッケージ本体１１内に配置されるペルチェ素子モジュール１０ａとから構成される。なお、底蓋１２の下面には図示しないヒートシンクが設けられている。パッケージ本体１１は、フェルニコ系のＦｅ５４％，Ｎｉ２９％，Ｃｏ１７％の合金（商品名：コバール（Ｋｏｖａｒ））又はＦｅ５８％，Ｎｉ４２％の合金（商品名：４２アロイ）などで構成されている。パッケージ本体１１の一対の側壁には、リード線１１ｂが設けられたセラミックよりなる絶縁材１１ａ，１１ａがハーメチックシールで設けられて、いわゆるバタフライ型のパッケージとなされている。また、他の側壁には光取り出し窓１１ｃが設けられている。
【００２３】
底蓋１２はパッケージ本体１１の熱膨張率とほぼ同等の熱膨張率を有するセラミック材、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）など、あるいはＣｕＷ、上記したコバールなどの金属材の表面に絶縁処理したものから構成され、この底蓋１２の上表面には電極パターン（第２電極）１２ａ，１２ａ，１２ａ・・・が多数（例えば、３２個）設けられている。この電極パターン１２ａ，１２ａ，１２ａ・・・は、例えば、底蓋１２上に銅（Ｃｕ）メッキを施した後、エッチングにより不要部を除去することにより形成されるものである。この他に、Ｍｏ−Ｍｎ法、Ｗ法により、メタライズ層を焼成により形成する方式もある。この場合は、セラミック材を加工しやすい焼成前のグリーンシートの状態でパターンを形成しても、焼成工程で電極パターンが溶解することがないので、平板以外の複雑な形状にも対応できる。
【００２４】
熱電素子（ペルチェ素子）モジュール１０ａは、基板（第１基板）１３と、この基板１３上に形成された電極パターン（第１電極）１３ａと、Ｐ型半導体化合物素子１４ａと、Ｎ型半導体化合物素子１４ｂと、導電パターン（導電層）１５とから構成されている。基板１３は底蓋１２と同様なセラミック材、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）などから構成され、この基板１３上に、銅（Ｃｕ）メッキとエッチングにより電極パターン１３ａが形成されている。
【００２５】
Ｐ型半導体化合物素子１４ａおよびＮ型半導体化合物素子１４ｂの両端部にはニッケルメッキが施されており、これらのニッケルメッキの上にはハンダメッキが施されている。そして、Ｐ型半導体化合物素子１４ａとＮ型半導体化合物素子１４ｂとは交互に配置され、電極パターン１３ａと導電パターン１５とによりＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続されている。なお、Ｐ型半導体化合物素子１４ａおよびＮ型半導体化合物素子１４ｂの端部と電極パターン１３ａおよび導電パターン１５とは、融点（Ｔｍ）が約２４０℃であるスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）ハンダからなる第２接合材１６，１７によりハンダ付けされている。
【００２６】
ついで、上述のように構成される第１実施例の半導体レーザモジュール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パッケージ本体１１と、上表面に電極パターン（第２電極）１２ａ，１２ａ，１２ａ・・・が多数（例えば、３２個）設けられた底蓋１２とを用意し、このパッケージ本体１１の下端部に底蓋１２を第１接合材、例えば、銀蝋あるいはガラスにより固着する。
【００２７】
（２）第２接合工程
一方、その表面に多数の電極パターン１３ａが形成された基板１３と、両端部にニッケルメッキを施しこのニッケルメッキ上にハンダメッキを施したＰ型半導体化合物素子１４ａおよびＮ型半導体化合物素子１４ｂと、導電パターン１５とをそれぞれ用意する。そして、基板１３に形成された多数の電極パターン１３ａ上に、Ｐ型半導体化合物素子１４ａおよびＮ型半導体化合物素子１４ｂを交互に配列して、Ｐ型半導体化合物素子１４ａおよびＮ型半導体化合物素子１４ｂが電極パターン１３ａ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１３ａとＰ型半導体化合物素子１４ａおよびＮ型半導体化合物素子１４ｂの一方の端部とを融点（Ｔｍ）が約２４０℃であるＳｎ−Ｓｂハンダからなる第２接合材１６でハンダ付けする。
【００２８】
（３）第３接合工程
ついで、Ｐ型半導体化合物素子１４ａおよびＮ型半導体化合物素子１４ｂの他方の端部とが導電パターン１５を介して電気的に直列に接続されるように、Ｐ型半導体化合物素子１４ａおよびＮ型半導体化合物素子１４ｂの他方の端部上に導電パターン１５を配置し、導電パターン１５とＰ型半導体化合物素子１４ａおよびＮ型半導体化合物素子１４ｂの他方の端部とを第２接合材、例えば、融点（Ｔｍ）が約２４０℃であるＳｎ−Ｓｂハンダからなる第２接合材１７でハンダ付けして、熱電素子（ペルチェ素子）モジュール１０ａを作製する。なお、この第２接合工程と第３接合工程を同時に、即ち、１つの接合工程で行ってもよい。
【００２９】
（４）第４接合工程
ついで、底蓋１２が銀蝋付けあるいはガラス封着により固着されたパッケージ本体１１の底蓋１２に形成された多数の電極パターン１２ａ，１２ａ，１２ａ・・・上に第３接合材、例えば、融点（Ｔｍ）が約１８２℃のスズ（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）共晶ハンダからなるハンダクリーム１８を塗布する。この後、パッケージ本体１１内に、上述のようにして作製された熱電素子（ペルチェ素子）モジュール１０ａを基板１３が上になるように逆さにして、底蓋１２の電極パターン１２ａと、熱電素子（ペルチェ素子）モジュール１０ａの導電パターン１５とが一致するように上から配置する。ついで、約１８２℃の温度に加熱した後、熱電素子（ペルチェ素子）モジュール１０ａを底蓋１２に押圧しながら冷却して、電極パターン１２ａと導電パターン１５とをハンダクリーム１８で接合する。
【００３０】
ついで、図７と同様に、基板１３の上に、図示しないヒートシンクを介して半導体レーザ素子を搭載したヘッダ、レンズを固定したレンズホルダおよび受光素子等を搭載したベース板をハンダ付けにより固定し、パッケージ本体１１の上端部に上蓋を気密に封止して半導体レーザモジュールが形成される。なお、底蓋１２の下面には図示しないヒートシンクが設けられ、半導体レーザ素子とペルチェ素子の発熱はヒートシンクを介して外部に放熱されるようになされる。
【００３１】
上述したように、第１実施例においては、第１接合工程においてパッケージ本体１１と底蓋１２とは第１接合材により接合される。このとき、第１接合材の融点が高くても他の接合部に影響を与えることがないため、パッケージ本体１１と底蓋１２とは強固に接合されることとなる。ついで、第２接合工程において第１電極１３ａが形成された基板１３上に複数のペルチェ素子１４ａ，１４ｂの一方の端部が第１接合材より融点が低い第２接合材１６により接合される。
【００３２】
この後、第３接合工程において、複数のペルチェ素子１４ａ，１４ｂの他方の端部に導電パターン（導電層）１５を第２接合材１７により接合するが、第２接合材１７は第２接合工程での第２接合材１６と同じ接合材であるため、ほとんど溶融することはない。ついで、第４接合工程において複数のペルチェ素子１４ａ，１４ｂの他方の端部が電極パターン（第２電極）１２ａに第３接合材１８により接合されるが、第３接合材１８は第２接合材１６，１７より融点が低いため、この接合時に第１接合材および第２接合材１６，１７は溶融することがない。この結果、再溶融時に発生するＮｉ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ａｕ等の脆い金属間化合物量が少なくなるため、接合強度が大きい接合部が形成されて、信頼性の高い接合部が得られるようになる。
【００３３】
また、第３接合材１８が第２接合材１６，１７と同等の融点をもつ場合、第４接合工程において第２接合材１６，１７が再溶融するデメリットがあるが、同時に溶けて同時に凝固するために、特に凝固時に発生する熱応力が小さいというメリットがある。このメリットは特に長期信頼性という観点で大きい。したがって、第２接合材１６，１７および第３接合材１８の融点の選択は用途により行うことができる。
【００４４】
２．第２実施例
ついで、第２実施例を図３および図４に基づいて説明する。なお、図３は本第２実施例のパッケージ本体を模式的に示す斜視図である。また、図４（ａ）は本第２実施例の熱電素子モジュールの要部を模式的に示す断面図であり、図４（ｂ）はこの熱電素子モジュールを図３のパッケージ本体内に接合した状態の要部を模式的に示す断面図である。
【００４５】
本第２実施例の半導体レーザモジュール３０は、図３および図４に示すように、上面が開口した有底で箱状のパッケージ本体３１と、このパッケージ本体３１と一体的に成形された底壁３１ｄと、パッケージ本体３１内に配置されるペルチェ素子モジュール３０ａとから構成される。なお、底壁３１ｄの下面には図示しないヒートシンクが設けられている。ここで、底壁３１ｄの上表面には電極パターン（第２電極）３２，３２，３２・・・が多数（例えば、３２個）設けられている。この電極パターンは、例えば、底壁となるグリーンシートが板状の状態のときに高融点金属（例えば、タングステン（Ｗ）など）をパターン状に付けておき、その後パッケージ本体３１となるグリーン体と一体化させればよい。なお、底壁３１ｄはパッケージ本体３１の外周部より延出してフランジ部が設けられており、このフランジ部にパッケージ本体３１を他の部品に固定するための貫通孔が設けられている。
【００４６】
なお、有底のパッケージ本体３１は、上述した第１実施例と同様に、フェルニコ系のＦｅ５４％，Ｎｉ２９％，Ｃｏ１７％の合金（商品名：コバール（Ｋｏｖａｒ））又はＦｅ５８％，Ｎｉ４２％の合金（商品名：４２アロイ）などで構成されている。そして、有底のパッケージ本体３１の一対の側壁には、上述した第１実施例と同様に、リード線３１ｂが設けられたセラミックよりなる絶縁材３１ａ，３１ａがハーメチックシールで設けられて、他の側壁には光取り出し窓３１ｃが設けられている。
【００４７】
熱電素子（ペルチェ素子）モジュール３０ａは、基板３３と、この基板３３上に形成された電極パターン（第１電極）３４と、Ｐ型半導体化合物素子３５ａと、Ｎ型半導体化合物素子３５ｂと、導電パターン３６とから構成されている。基板３３はセラミック材、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）などから構成され、この基板３３上に、銅（Ｃｕ）メッキとエッチングにより電極パターン３４が形成されている。
【００４８】
Ｐ型半導体化合物素子３５ａおよびＮ型半導体化合物素子３５ｂの両端部にはニッケルメッキが施されており、これらのニッケルメッキの上にはハンダメッキが施されている。そして、Ｐ型半導体化合物素子３５ａとＮ型半導体化合物素子３５ｂとは交互に配置され、電極パターン３４と導電パターン３６とによりＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続されている。なお、Ｐ型半導体化合物素子３５ａおよびＮ型半導体化合物素子３５ｂの端部と電極パターン３４および導電パターン３６とは、融点（Ｔｍ）が約２４０℃であるスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）ハンダからなる第２接合材３７，３８によりハンダ付けされている。
【００４９】
ついで、上述のように構成される第２実施例の半導体レーザモジュール３０の製造方法について説明する。
まず、上表面に多数の電極パターン３２が設けられた底壁３１ｄを有する箱状のパッケージ本体３１を用意するとともに、その表面に多数の電極パターン３４が形成された基板３３と、両端部にニッケルメッキを施しこのニッケルメッキ上にハンダメッキを施したＰ型半導体化合物素子３５ａおよびＮ型半導体化合物素子３５ｂと、導電パターン（導電層）３６とをそれぞれ用意する。
【００５０】
（１）第１接合工程
ついで、基板３３に形成された多数の電極パターン３４上に、Ｐ型半導体化合物素子３５ａおよびＮ型半導体化合物素子３５ｂを交互に配列して、Ｐ型半導体化合物素子３５ａおよびＮ型半導体化合物素子３５ｂが電極パターン３４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３４とＰ型半導体化合物素子３５ａおよびＮ型半導体化合物素子３５ｂの一方の端部とを融点（Ｔｍ）が約２４０℃であるＳｎ−Ｓｂハンダからなる第２接合材３７でハンダ付けする。
【００５１】
（２）第２接合工程
ついで、Ｐ型半導体化合物素子３５ａおよびＮ型半導体化合物素子３５ｂの他方の端部とが導電パターン３６を介して電気的に直列に接続されるように、Ｐ型半導体化合物素子３５ａおよびＮ型半導体化合物素子３５ｂの他方の端部上に導電パターン３６を配置し、導電パターン３６とＰ型半導体化合物素子３５ａおよびＮ型半導体化合物素子３５ｂの他方の端部とを第２接合材、例えば、融点（Ｔｍ）が約２４０℃であるＳｎ−Ｓｂハンダからなる第２接合材３８でハンダ付けして、熱電素子（ペルチェ素子）モジュール３０ａを作製する。なお、この第１接合工程と第２接合工程を同時に、即ち、１つの接合工程で行ってもよい。
【００５２】
（３）第３接合工程
ついで、多数の電極パターン３２，３２，３２・・・上に第３接合材、例えば、融点（Ｔｍ）が約１８２℃のスズ（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）共晶ハンダからなるハンダクリーム３９を塗布する。この後、パッケージ本体３１内に、上述のようにして作製された熱電素子（ペルチェ素子）モジュール３０ａを基板３３が上になるように逆さにして、電極パターン３２と熱電素子（ペルチェ素子）モジュール３０ａの導電パターン３６とが一致するように上から配置する。ついで、約１８２℃の温度に加熱した後、熱電素子（ペルチェ素子）モジュール３０ａをパッケージ本体３１の底壁３１ｄに押圧しながら冷却して、電極パターン３２と導電パターン３６とをハンダクリーム３９で接合する。
【００５３】
ついで、図７と同様に、基板３３の上に、図示しないヒートシンクを介して半導体レーザ素子を搭載したヘッダ、レンズを固定したレンズホルダおよび受光素子等を搭載したベース板をハンダ付けにより固定し、パッケージ本体３１の上端部に上蓋を気密に封止して半導体レーザモジュールが形成される。なお、底蓋３１ｄの下面には図示しないヒートシンクが設けられ、半導体レーザ素子とペルチェ素子の発熱はヒートシンクを介して外部に放熱されるようになされる。
【００５４】
上述したように、第２実施例においては、第１接合工程において電極パターン（第１電極）３４が形成された基板３３上に複数のペルチェ素子３５ａ，３５ｂの一方の端部が第２接合材３７により接合される。この後、第２接合工程において、複数のペルチェ素子３５ａ，３５ｂの他方の端部に導電パターン（導電層）３６を第２接合材３８により接合するが、第２接合材３８は第１接合工程での第２接合材３７と同じ接合材であるため、ほとんど溶融することはない。ついで、第３接合工程において複数のペルチェ素子３５ａ，３５ｂの他方の端部が電極パターン（第２電極）３２に第３接合材３９により接合されるが、第３接合材３９は第２接合材３７，３８より融点が低いため、この接合時に第２接合材３７，３８は溶融することがない。この結果、再溶融時に発生するＮｉ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ａｕ等の脆い金属間化合物量が少なくなるため、接合強度が大きい接合部が形成されて、信頼性の高い接合部が得られるようになる。
【００５５】
また、第３接合材３９が第２接合材３７，３８と同等の融点をもつ場合、第３接合工程において第２接合材３７，３８が再溶融するデメリットがあるが、同時に溶けて同時に凝固するために、特に凝固時に発生する熱応力が小さいというメリットがある。このメリットは特に長期信頼性という観点で大きい。したがって、第２接合材３７，３８および第３接合材３９の融点の選択は用途により行うことができる。
【００６６】
３．第３実施例
ついで、第３実施例を図５および図６に基づいて説明する。なお、図５は本第３実施例のパッケージ本体を模式的に示す斜視図である。また、図６（ａ）は本第３実施例の熱電素子モジュールの要部を模式的に示す断面図であり、図６（ｂ）はこの熱電素子モジュールを図５のパッケージ本体内に接合した状態の要部を模式的に示す断面図である。
【００６７】
本第３実施例の半導体レーザモジュール５０は、図５および図６に示すように、上面が開口した有底で箱状のパッケージ本体５１と、このパッケージ本体５１と一体的に成形された底壁５１ｄと、パッケージ本体５１内に配置されるペルチェ素子モジュール５０ａとから構成される。なお、底壁５１ｄの下面には図示しないヒートシンクが設けられている。ここで、底壁５１ｄの上表面には電極パターン（第２電極）５２，５２，５２・・・が多数（例えば、３２個）設けられている。この電極パターンは、例えば、底壁となるグリーンシートが板状の状態のときに高融点金属（例えば、タングステン（Ｗ）など）をパターン状に付けておき、その後パッケージ本体５１となるグリーン体と一体化させればよい。なお、底壁５１ｄはパッケージ本体５１の外周部と同じ大きさに形成されている。
【００６８】
なお、有底のパッケージ本体５１は、上述した第１実施例と同様に、フェルニコ系のＦｅ５４％，Ｎｉ２９％，Ｃｏ１７％の合金（商品名：コバール（Ｋｏｖａｒ））又はＦｅ５８％，Ｎｉ４２％の合金（商品名：４２アロイ）などで構成されている。そして、有底のパッケージ本体５１の一対の側壁には、上述した第１実施例と同様に、リード線５１ｂが設けられたセラミックよりなる絶縁材５１ａ，５１ａがハーメチックシールで設けられて、他の側壁には光取り出し窓５１ｃが設けられている。なお、本第３実施例においては、有底のパッケージ本体５１の下端に底壁５１ｄの強度を補強するＣｕ−Ｗ、コバール、アルミナ等のセラミックなどからなる補強板５０ｂが接合されている。この補強板５０ｂの端部にはパッケージ本体５１を他の部品に固定するための貫通孔が設けられている。
【００６９】
熱電素子（ペルチェ素子）モジュール５０ａは、基板５３と、この基板５３上に形成された電極パターン（第１電極）５４と、Ｐ型半導体化合物素子５５ａと、Ｎ型半導体化合物素子５５ｂと、導電パターン５６とから構成されている。基板５３はセラミック材、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミナ（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）などから構成され、この基板５３上に、銅（Ｃｕ）メッキとエッチングにより電極パターン５４が形成されている。
【００７０】
Ｐ型半導体化合物素子５５ａおよびＮ型半導体化合物素子５５ｂの両端部にはニッケルメッキが施されており、これらのニッケルメッキの上にはハンダメッキが施されている。そして、Ｐ型半導体化合物素子５５ａとＮ型半導体化合物素子５５ｂとは交互に配置され、電極パターン５４と導電パターン５６とによりＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に接続されている。なお、Ｐ型半導体化合物素子５５ａおよびＮ型半導体化合物素子５５ｂの端部と電極パターン５４および導電パターン５６とは、融点（Ｔｍ）が約２４０℃であるスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）ハンダからなる第２接合材５７，５８によりハンダ付けされている。
【００７１】
ついで、上述のように構成される第３実施例の半導体レーザモジュール５０の製造方法について説明する。
まず、上表面に多数の電極パターン５２が設けられた底壁５１ｄを有する箱状のパッケージ本体５１と、パッケージ本体５１を他の部品に固定するための貫通孔が設けられた補強板５０ｂを用意するとともに、その表面に多数の電極パターン５４が形成された基板５３と、両端部にニッケルメッキを施しこのニッケルメッキ上にハンダメッキを施したＰ型半導体化合物素子５５ａおよびＮ型半導体化合物素子５５ｂと、導電パターン５６とをそれぞれ用意する。
【００７２】
（１）第１接合工程
まず、上表面に多数の電極パターン５２が設けられた底壁５１ｄを有する箱状のパッケージ本体５１の下面に補強板５０ｂを第１接合材、例えば、銀蝋あるいはガラスにより固着する。
【００７３】
（２）第２接合工程
ついで、基板５３に形成された多数の電極パターン５４上に、Ｐ型半導体化合物素子５５ａおよびＮ型半導体化合物素子５５ｂを交互に配列して、Ｐ型半導体化合物素子５５ａおよびＮ型半導体化合物素子５５ｂが電極パターン５４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５４とＰ型半導体化合物素子５５ａおよびＮ型半導体化合物素子５５ｂの一方の端部とを融点（Ｔｍ）が約２４０℃であるＳｎ−Ｓｂハンダからなる第２接合材５７でハンダ付けする。
【００７４】
（３）第３接合工程
ついで、Ｐ型半導体化合物素子５５ａおよびＮ型半導体化合物素子５５ｂの他方の端部とが導電パターン５６を介して電気的に直列に接続されるように、Ｐ型半導体化合物素子５５ａおよびＮ型半導体化合物素子５５ｂの他方の端部上に導電パターン（導電層）５６を配置し、導電パターン５６とＰ型半導体化合物素子５５ａおよびＮ型半導体化合物素子５５ｂの他方の端部とを第２接合材、例えば、融点（Ｔｍ）が約２４０℃であるＳｎ−Ｓｂハンダからなる第２接合材５８でハンダ付けして、熱電素子（ペルチェ素子）モジュール５０ａを作製する。なお、この第２接合工程と第３接合工程を同時に、即ち、１つの接合工程で行ってもよい。
【００７５】
（４）第４接合工程
ついで、多数の電極パターン５２，５２，５２・・・上に第３接合材、例えば、融点（Ｔｍ）が約１８２℃のスズ（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）共晶ハンダからなるハンダクリーム５９を塗布する。この後、パッケージ本体５１内に、上述のようにして作製された熱電素子（ペルチェ素子）モジュール５０ａを基板５３が上になるように逆さにして、電極パターン５２と熱電素子（ペルチェ素子）モジュール５０ａの導電パターン５６とが一致するように上から配置する。ついで、約１８２℃の温度に加熱した後、熱電素子（ペルチェ素子）モジュール５０ａをパッケージ本体５１の底壁５１ｄに押圧しながら冷却して、電極パターン５２と導電パターン５６とをハンダクリーム５９で接合する。
【００７６】
ついで、図７と同様に、基板５３の上に、図示しないヒートシンクを介して半導体レーザ素子を搭載したヘッダ、レンズを固定したレンズホルダおよび受光素子等を搭載したベース板をハンダ付けにより固定し、パッケージ本体５１の上端部に上蓋を気密に封止して半導体レーザモジュールが形成される。なお、パッケージ本体５１の底壁５１ｄに接合された補強板５０ｂの下面には図示しないヒートシンクが設けられ、半導体レーザ素子とペルチェ素子の発熱はヒートシンクを介して外部に放熱されるようになされる。
【００７７】
上述したように、第３実施例においては、第２接合工程において電極パターン（第１電極）５４が形成された基板５３上に複数のペルチェ素子５５ａ，５５ｂの一方の端部が第２接合材５７により接合される。この後、第３接合工程において、複数のペルチェ素子５５ａ，５５ｂの他方の端部に導電パターン（導電層）５６を第２接合材５８により接合するが、第２接合材５８は第２接合工程での第２接合材５７と同じ接合材であるため、ほとんど溶融することはない。ついで、第４接合工程において複数のペルチェ素子５５ａ，５５ｂの他方の端部が電極パターン（第２電極）５２に第３接合材５９により接合されるが、第３接合材５９は第２接合材５７，５８より融点が低いため、この接合時に第２接合材５７，５８は溶融することがない。この結果、再溶融時に発生するＮｉ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ａｕ等の脆い金属間化合物量が少なくなるため、接合強度が大きい接合部が形成されて、信頼性の高い接合部が得られるようになる。
【００７８】
また、第３接合材５９が第２接合材５７，５８と同等の融点をもつ場合、第４接合工程において第２接合材５７，５８が再溶融するデメリットがあるが、同時に溶けて同時に凝固するために、特に凝固時に発生する熱応力が小さいというメリットがある。このメリットは特に長期信頼性という観点で大きい。したがって、第２接合材５７，５８および第３接合材５９の融点の選択は用途により行うことができる。
【００８９】
上述したように、本発明においては、第１接合材は第２接合材よりも融点が高い接合材で、第２接合材は第３接合材よりも融点が高い接合材もしくは第３接合材と融点が等しい接合材として、各接合材の温度関係を規定しているので、接合強度が大きい接合部が形成されるとともに、信頼性の高い接合部が得られるようになる。
【００９０】
なお、上述した第１実施例においては、パッケージ本体はコバールなどの熱伝導性が良好な材料を用い、底蓋は熱伝導性が良好で、パッケージ本体の熱膨張率とほぼ等しい熱膨張率を有するセラミック材を用いる例について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、パッケージ本体は熱伝導性が良くないセラミック材料とし、底蓋は熱伝導性が良好なセラミック材料（例えば、窒化アルミニウム）としてもよい。また、第２〜第３実施例のような底壁を一体化した有底のパッケージ本体を用いる場合は、熱伝導性が徐々に変化する機能傾斜材料を用いたり、同時焼結可能な異素材を用いてもよい。
【００９１】
また、第２電極と底蓋あるいは底壁との間に薄い絶縁層を設けるようにすると、第２電極を薄膜あるいは厚膜でパターン形成できるようになるので、第２電極の形成が容易となる。さらに、パッケージ本体の上部に上蓋を接合するためのメタライズ層を設けたり、底蓋あるいは底壁の下面にヒートシンクを接合するためのメタライズ層を設けたりすると、さらに接合強度に優れたものが得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施例のパッケージ本体およびその底蓋を示す図である。
【図２】  第１実施例の熱電素子モジュールおよびこの熱電素子モジュールを図１のパッケージ本体内に接合した状態を示す図である。
【図３】  第２実施例のパッケージを示す図である。
【図４】  第２実施例の熱電素子モジュールおよびこの熱電素子モジュールを図３のパッケージ本体内に接合した状態を示す図である。
【図５】  第３実施例のパッケージ本体を示す図である。
【図６】  第３実施例の熱電素子モジュールおよびこの熱電素子モジュールを図５のパッケージ本体内に接合した状態を示す図である。
【図７】  従来例の半導体レーザモジュールを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体レーザモジュール、１０ａ…ペルチェ素子モジュール、１１…パッケージ本体、１２ａ…電極パターン（第２電極）、１３…基板、１３ａ…電極パターン（第１電極）、１４ａ…Ｐ型半導体化合物素子、１４ｂ…Ｎ型半導体化合物素子、１５…導電パターン（導電層）、１６…第２接合材、１７…第２接合材、１８…第３接合材（ハンダクリーム）、３０…半導体レーザモジュール、３０ａ…ペルチェ素子モジュール、３１…パッケージ本体、３１ｄ…底壁、３２…電極パターン（第２電極）、３３…基板、３４…電極パターン（第１電極）、３５ａ…Ｐ型半導体化合物素子、３５ｂ…型半導体化合物素子、３６…導電パターン（導電層）、３７…第２接合材、３８…第２接合材、３９…第３接合材（ハンダクリーム）、５０…半導体レーザモジュール、５０ａ…ペルチェ素子モジュール、５１…パッケージ本体、５１ｄ…底壁、５２…電極パターン（第２電極）、５３…基板、５４…電極パターン（第１電極）、５５ａ…Ｐ型半導体化合物素子、５５ｂ…型半導体化合物素子、５６…導電パターン（導電層）、５７…第２接合材、５８…第２接合材、５９…第３接合材（ハンダクリーム）
【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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