JP2004153107A - 光半導体モジュール用パッケージ - Google Patents
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Abstract
【課題】金属底板の放熱性を改善するとともに反りが生じなくして、熱電モジュールで発生した熱を効率よく外部に排熱できるようにする。
【解決手段】本発明の熱電モジュール用パッケージ１０は、金属底板１１は金属枠体１２の底面積と略等しい面積を有する載置部１１ａと、この載置部１１ａの両外側に位置して当該パッケージ１０を外部部材に固定するための固定部１１ｂとを備えている。そして、載置部１１ａの板厚Ｔ１は固定部１１ｂの板厚１１ｂよりも薄く形成されて、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差を有している。このように、載置部１１ａの板厚Ｔ１が固定部１１ｂの板厚Ｔ２よりも薄く形成されていると、載置部１１ａに搭載された熱電モジュール１８で発生した熱を板厚が薄い載置部１１ａを通して、効率よく外部に排熱できるようになる。
【選択図】 図２
【解決手段】本発明の熱電モジュール用パッケージ１０は、金属底板１１は金属枠体１２の底面積と略等しい面積を有する載置部１１ａと、この載置部１１ａの両外側に位置して当該パッケージ１０を外部部材に固定するための固定部１１ｂとを備えている。そして、載置部１１ａの板厚Ｔ１は固定部１１ｂの板厚１１ｂよりも薄く形成されて、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差を有している。このように、載置部１１ａの板厚Ｔ１が固定部１１ｂの板厚Ｔ２よりも薄く形成されていると、載置部１１ａに搭載された熱電モジュール１８で発生した熱を板厚が薄い載置部１１ａを通して、効率よく外部に排熱できるようになる。
【選択図】 図２
Description
【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高出力の光半導体素子（例えば、半導体レーザ）を備えた光半導体モジュールを搭載する金属底板と、この金属底板上に接合された金属枠体と、この金属枠体を気密に封止する蓋体とからなる光半導体モジュール用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）あるいはＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：高密度波長分割多重）等の広帯域の光ネットワーク技術を利用して、大容量のデータを光ファイバにより高速で伝送されるようになった。この光ファイバにより伝送されるデータ（情報）は、レーザー光を変調した信号であり、これは光半導体モジュールと呼ばれる半導体レーザー等を収容した電子装置から発信される。また、光ファイバによりデータ（情報）を伝送する中間地点において信号強度を増幅する、いわゆる光アンプにもこの光半導体モジュールが用いられている。
【０００３】
ところで、光半導体モジュールに用いられる半導体レーザーの発振波長は温度によって大きく影響を受けるので、半導体レーザーの動作時には、その温度を厳密に制御することが不可欠となる。この温度制御には、通常、多数のペルチェ素子を搭載した熱電モジュールあるいは電子クーラー（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）と呼ばれる熱電装置が使用されている。そして、半導体レーザー、ＴＥＣ等の電子部品を収容する容器は、一般的には光半導体モジュール用パッケージと呼ばれ、図７に示すような構造となっている。
【０００４】
ここで、図７に示すパッケージ３０は、基板などの外部部材に取り付ける取付孔３３を有する金属底板３２と、この金属底板３２上に筐体をなすように固定される金属枠体３１から主に構成されている。そして、金属底板３２上には、熱電モジュール（あるいはＴＥＣ）や半導体レーザー等の電子部品（図示せず）、あるいは光学系等（図示せず）が搭載される。また、金属枠体３１には光ファイバが取り付けられる窓枠３４が設けられ、金属枠体３１の一対の側面に設けられた切欠部３５にはセラミック端子３６が取り付けられ、このセラミック端子３６に電気入出力用のリード３７が接続されている。そして、このパッケージ３０内を窒素ガスの雰囲気にした後、金属枠体３１の上側にシールリング３８を介して金属蓋体（図示せず）を気密に封止して、パッケージ３０が形成されることとなる。
【０００５】
ここで、金属枠体３１は、セラミック端子３６と熱膨張率が近似していることが望ましいので、その材料としては、鉄・ニッケル（ＦｅＮｉ）合金やコバール（Ｋｏｖａｒ）と呼ばれる鉄・ニッケル・コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金が用いられる。また、金属底板３２は半導体レーザ素子で発生する熱を速やかに放散させる必要があるので、その材料としては、銅（Ｃｕ）や銅・タングステン（ＣｕＷ）合金が用いられる。なお、金属枠体３１と金属底板３２はろう材で接合される。これら金属枠体３１と金属底板３２からなるパッケージ３０は、金属底板３２の両端に形成された取付孔３３を介して外部部材にネジで取り付けられる。
【０００６】
ところで、金属枠体３１と金属底板３２が異なる金属材料で形成されたパッケージ３０では、両者の熱膨張率が相違するため、ろう付けして接合する時に歪みが発生し、金属底板３２に反りが発生する。この金属底板３２に反りが発生したパッケージ３０の金属枠体３１に光ファイバを固定し、金属底板３２に半導体レーザ素子を搭載する。その後、金属底板３２の両端に形成された取付孔３３を介してネジで締めつけて、このパッケージ３０を外部部材に取り付け固定すると、ネジの締めつけ力が金属底板３２全体に伝わり、金属底板３２が変形して反りが生ずる。
【０００７】
この反りにより、半導体レーザ素子の固定位置にずれが生じ、半導体レーザ素子と光ファイバとの間に光軸のずれが生じるという問題があった。この光軸のずれは、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合効率の低下をもたらす。そこで、外部部材に取り付ける際に金属底板が変形することなく、従って、半導体レーザ素子と光ファイバとの間に光軸のずれが生じないような半導体レーザ素子用パッケージが提案されるようになった。（例えば、特許文献１および特許文献２参照のこと）
【特許文献１】
特開平６−３１４７４７号公報
【特許文献２】
特開平９−２９８２４８号公報（０００４段落参照）
【０００８】
この特許文献１にて提案された半導体レーザ素子用パッケージ４０においては、図８（ａ）に示すように、金属底板４１はその上面中央領域に熱電モジュール（ＴＥＣ）４３を介して図示しない光半導体素子を載置するための載置部４１ａを有し、該載置部４１ａ上にＴＥＣ４３が接着剤を介して接着固定されている。また、金属底板４１の上面中央領域を囲繞するように側面に一対の絶縁端子部材４４及び光ファイバーを固定する固定部材４５が取着された金属枠体４２が銀ロウ等のロウ材を介して取着されている。
【０００９】
金属底板４１はその両端領域にネジ止め部４１ｂが設けられており、このネジ止め部４１ｂを外部部材にネジ止めすることによって、光半導体素子が固定されたパッケージ４０は外部部材に固定されることになる。金属底板４１はその両端領域の厚さ（Ｔ２）が１．０≧Ｔ２≧０．３（ｍｍ）、中央領域の厚さ（Ｔ１）がＴ１≧２Ｔ２となっていて、中央領域の載置部４１ａと両端領域のネジ止め部４１ｂとの境に段差が形成されている。
【００１０】
これは、ネジ止め部４１ｂを外部部材にネジ止めする際、金属底板４１に金属枠体４２との熱膨張係数の相違によって発生している反りが矯正され、金属底板４１の反り矯正に伴う応力が光半導体素子が固定されている中央領域の載置部４１ａに伝達されるのを防止するためである。これによって、金属底板４１の中央領域の載置部４１ａに固定されている光半導体素子の固定位置が常に一定となり、光半導体素子と金属枠体４２の側面に設けた光ファイバー固定部材４５に固定される光ファイバーとを整合させることが可能となる。
【００１１】
また、特許文献２にて提案された半導体レーザ素子用パッケージ５０においては、図８（ｂ）に示すように、金属底板５１のネジ穴が設けられるネジ止め部５１ｂの板厚を金属枠体５１との接合部５１ａよりも薄くして、金属枠体５２内の金属底板５１ａが変形しないようにしている。さらに、パッケージ５０の外形の薄型化の要求に応えるために、載置部５１ｃの板厚を他の部分５１ａよりも薄くして、光半導体素子用パッケージ５０内の全体の高さを低く抑えるようにしている。なお、このパッケージ５０においては、載置部５１ｃに熱電モジュール（ＴＥＣ）５３を介して図示しない光半導体素子が配設されている。そして、金属底板５１の上面中央領域を囲繞するように側面に一対の絶縁端子部材５４及び光ファイバーを固定する固定部材５５が取着された金属枠体５２が銀ロウ等のロウ材を介して取着されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８（ａ）に示される金属底板４１においては、熱電モジュール（ＴＥＣ）４３を介して図示しない光半導体素子を載置するための載置部４１ａの板厚が厚いため、ＴＥＣ４３からの放熱効率が低下するという問題を生じた。また、図８（ｂ）に示される金属底板５１においては、載置部５１ｃのみの板厚を他の部分５１ａよりも薄くしているため、載置部５１ｃに反りが生じやすくて、熱電モジュール（ＴＥＣ）５３との接触面積が低下して、結果として放熱特性が低下するという問題を生じた。
【００１３】
また、図８（ａ），（ｂ）に示される金属底板４１，５１においては、金属底板４１，５１の両端部に配置されたネジ止め部４１ｂ，５１ｂの板厚が薄いために、ネジを螺着した際にこのネジ止め部４１ｂ，５１ｂが破損しやすいという問題を生じた。さらに、図８（ｂ）に示される金属底板５１においては、ＣｕＷ合金からなる金属底板５１を切削加工により、板厚が薄い載置部５１ｃを形成するようにしているが、ＣｕＷ合金は難加工の合金であるためにコストが非常に高価になるという問題も生じた。
【００１４】
そこで、本発明は上記の如き問題点を解決するためになされたものであって、金属底板の放熱性を改善するとともに反りを生じなくして、熱電モジュールで発生した熱を効率よく外部に排熱できるようにする。これにより、当該熱電モジュールの消費電力が低減した光半導体モジュール用パッケージを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光半導体モジュール用パッケージは、金属底板は金属枠体の底面積と略等しい面積を有する載置部と、該載置部の両外側に位置して当該パッケージを外部部材に固定するための固定部とを備えるとともに、載置部の板厚は固定部の板厚よりも薄く形成されていて、載置部と固定部との境界で段差を有することを特徴とする。このように、載置部の板厚が固定部の板厚よりも薄く形成されていると、載置部に搭載された熱電モジュールで発生した熱を板厚が薄い載置部を通して、効率よく外部に排熱できるようになる。
【００１６】
また、外部部材に取り付ける際には、固定部の板厚が厚いことにより、この板厚が厚い固定部が破損することなく取り付けることができる。さらに、載置部と固定部との境界で段差を有するので、この段差が金属枠体を金属底板上に接合する際のガイドとなる。このため、金属枠体と金属底板とを強固に接合することが可能となる。これにより、このパッケージの外底面（金属底板の外表面）の平面度が向上するようになるので、パッケージの外底面にヒートシンクを接合した際の接触面積が向上して、排熱効率（放熱効率）が向上する。
【００１７】
ここで、載置部の板厚（Ｔ１）が０．４０ｍｍよりも小さくなると機械加工が困難になるとともに、破損もし易くなるため、載置部の板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上（Ｔ１≧０．４０ｍｍ）にするのが望ましい。一方、載置部の板厚（Ｔ１）が１．５０ｍｍよりも大きくなると、熱電モジュールでの消費電力が大きくなって、光半導体モジュールの小型化、低消費電力化が困難になる。このため、載置部の板厚（Ｔ１）は１．５０ｍｍ以下（Ｔ１≦１．５０ｍｍ）とするのが望ましい。以上のことから、金属底板の載置部の板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上で１．５０ｍｍ以下（０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）にするのが好ましいということができる。
【００１８】
この場合、金属枠体は低熱膨張性の金属材料からなり、特に、鉄−ニッケル−コバルト合金（Ｋｏｖａｒ）あるいは鉄−ニッケル合金（Ｉｎｖａｒ）から選択して用いるのが好ましい。また、金属底板は高放熱性の金属材料からなり、特に、Ｗ，ＣｕＷ，ＣｕＭｏ，ＡｌＮから選択して用いるのが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。なお、図１は本実施の形態のパッケージに用いられる構成部品を示す分解斜視図であり、図２はこれらの構成部品を組み立てて形成されたパッケージを示す断面図である。図３はパッケージの排熱効果を検証するための測定系を模式的に示す破断斜視図である。図４は排熱試験により得られたヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への投入電流（Ａ）の関係を示す図である。図５は金属底板の載置部の板厚を変化させた場合の、ヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への投入電流（Ａ）の関係を示す図である。
【００２０】
１．光半導体モジュール用パッケージ
本発明のパッケージ１０を形成する構成部品は、半導体レーザーや熱電モジュール（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ；ペルチェ素子からなる）などの電子部品を載置する金属底板１１と、この金属底板１１に固定される金属枠体１２と、光ファイバーを固定する窓ホルダ１３と、金属枠体１２内を気密に封止する金属蓋体１４と、端子部が形成されたセラミックフィードスルー１５と、セラミックフィードスルー１５の端子部に接続されたリード１６，１６と、シールリング１７とからなる。
【００２１】
金属底板１１は、Ｗ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＡｌＮなどの高熱伝導性を有する金属材料により形成されている。そして、図１に示すように、その上面中央領域には板厚（Ｔ１）が０．５０ｍｍ（Ｔ１＝０．５０ｍｍ）と薄い載置部１１ａと、この載置部１１ａの両端部に配置されて板厚（Ｔ２）が１．５０ｍｍ（Ｔ２＝１．５０ｍｍ）と厚い固定部１１ｂとを有している。これにより、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に段差が形成されることになる。なお、載置部１１ａの表面積は、金属枠体１２の底面の面積と略等しくなるような大きさに形成されている。
【００２２】
金属枠体１２は、板厚が薄い載置部１１ａを囲繞するように金属底板１１上にロウ付けにより固着されている。この場合、載置部１１ａの表面積は金属枠体１２の底面積と略等しく、かつ、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に段差が形成されるので、この段差が金属枠体１２を載置する際のガイドとなる。これにより、金属底板１１上に金属枠体１２が強固に接合される。そして、金属枠体１２の長手方向の一対の側壁上部には一対の切欠部１２ａ，１２ａが設けられており、短辺方向の一側壁には窓ホルダ１３がロウ付けにより固着されている。また、一対の側壁上部に形成された切欠部１２ａ，１２ａにはセラミックフィードスルー１５，１５がロウ付けにより固着されている。
【００２３】
なお、これらのセラミックフィードスルー１５，１５の上には、一対のリード１６，１６がロウ付けにより固着されている。また、セラミックフィードスルー１５，１５の上部には金属枠体１２を覆うシールリング１７がロウ付けにより固着されている。そして、金属底板１１の載置部１１ａ上に熱電モジュール（ＴＥＣ）１８が固定され、このＴＥＣ１８上に半導体レーザーや光学系を配置、固定される。ついで、内部を窒素ガスの雰囲気にした後、最後に金属蓋体１４が電気溶接により固着されて、パッケージ１０が形成されるとともに、光半導体モジュールも形成されることとなる。
【００２４】
ここで、金属枠体１２および窓ホルダ１３は、低熱膨張性を有する金属材料により形成されており、鉄−ニッケル−コバルト合金（通称：Ｋｏｖａｒ）あるいは鉄−ニッケル合金（通称：Ｉｎｖａｒ）などから選択して用いている。金属蓋体１４としては、セラミック材からなる板状で四角形状の本体部１４ａと、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）からなる四角形状で開口部を有するリング部材１４ｂとをロウ付けにより一体化したものを用いている。
【００２５】
セラミックフィードスルー１５は所定の配線を有するセラミック材により形成されている。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とバインダーからなるグリーンシートを所定の形状に形成するとともに、所定の配線を施したものを焼結することにより形成されている。なお、セラミックフィードスルー１５を用いない場合は、金属枠体１２の一側壁に穴を形成し、この穴内に金属製のリード１６をガラス等で絶縁封止するようにしてもよい。さらに、リード１６およびシールリング１７は、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）あるいは銅合金により形成されている。
【００２６】
２．光半導体モジュール用パッケージの製造方法
ついで、上述のような構成となるパッケージ１０の具体的な製造方法を以下に詳細に説明する。まず、タングステン−銅合金（８５Ｗ−１５Ｃｕ）のブロックを機械加工により平板形状に切削するとともに、その上面中央領域を切削して、板厚Ｔ１（この場合はＴ１＝０．５０ｍｍ）が薄い載置部１１ａと、この載置部１１ａの両端部に板厚Ｔ２（この場合はＴ２＝２．００ｍｍ）が厚い固定部１１ｂを形成して金属底板１１とした。この場合、載置部１１ａの表面積は金属枠体１２の底面積と略等しくなるように形成する。ついで、メッキ槽に浸漬して金属底板１１の全面に無電解メッキを施して、金属底板１１の表面に厚みが５μｍのニッケルメッキ層を形成した。
【００２７】
なお、金属底板１１の板厚が厚い固定部１１ｂに開口１１ｃを設けるようにしている。これにより、図２（ｂ）に示すように、この金属底板１１を用いたパッケージ１０を外部部材に固定する場合、開口１１ｃにネジ１９ａを螺着させることにより、外部部材に固定できるようになる。この場合、固定部１１ｂの板厚は厚いので、ネジ止め時に固定部１１ｂが破損することはない。また、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）製で、平面形状が長方形状の枠体の長手側の一対の側壁上部に切削加工により、切欠部１２ａ，１２ａを形成した。また、この枠体の短辺側の側壁に窓ホルダ１３を接合するための開口を形成して金属枠体１２を作製した。一方、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）製の丸棒を旋盤で加工して、所定の貫通孔を形成して窓ホルダ１３を作製した。
【００２８】
また、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とバインダーとの混練物を射出成形してグリーンシートを形成した。得られたグリーンシートを焼結して表面に所定の配線が形成されるようにパターンニングして、図１に示されるような形状のセラミックフィードスルー１５を作製した。また、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）からなる圧延板を、化学エッチングにより所定の形状に加工してリード１６を作製した。さらに、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）からなる圧延板を化学エッチングにより所定の形状に加工してシールリング１７を作製した。
【００２９】
ついで、上述のように作製した金属底板１１、金属枠体１２、セラミックフィードスルー１５、リード１６およびシールリング１７を、図１に示すような配置構成になるように配置するとともに、これらの間にＭｏＭｎ合金からなるロウ材（図示せず）を配置し、カーボン製あるいはアルミナ製の治具に配置した。ついで、この治具を４０％の水素（Ｈ２）を含む窒素（Ｎ２）ガスの雰囲気のリフロー炉中で、移動速度が３０ｍｍ／分のベルト上に配置し、最高温度が９００℃で２０分間加熱されるようなリフロー条件（昇温プロファイル）で加熱処理した。
【００３０】
これにより、金属底板１１と金属枠体１２が接合され、金属枠体１２の切欠部１２ａとセラミックフィードスルー１５が接合され、セラミックフィードスルー１５とリード１６が接合され、セラミックフィードスルー１５とシールリング１７が接合されて、一体化して組立本体が形成されることとなる。この場合、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に段差が形成されいるので、図２（ｃ）に示すように、この段差の周囲にロウ材ｘが回り込んでロウ付けされるようになる。このため、接合部の剛性が向上するので、ロウ付け後の金属底板１１の平面度が向上する。なお、金属枠体１２は、一部あるいは全部にメッキを施してもよい。これにより、セラミックフィードスルー１５の一部の電極端子を接地することができる。なお、ロウ材としては、上述したＭｏＭｎ合金以外の他のロウ材を用いるようにしてもよい。
【００３１】
ついで、窓ホルダ１３にガラス窓あるいはアルミナ窓を封着するために、窓ホルダ１３に低融点ガラスと窓をセットして、リフロー炉中で接合した。接合条件としては、１００％窒素（Ｎ２）ガスの雰囲気のリフロー炉中で、移動速度が１００ｍｍ／分のベルト上に配置し、最高温度が５００℃で１０分間加熱されるようなリフロー条件（昇温プロファイル）で加熱処理した。これにより、窓ホルダ１３にガラス窓あるいはアルミナ窓が封着されることとなる。
なお、組立本体の全体、または窓ホルダ１３の部分に金メッキを施すようにすれば、一般的に行われているＡｕＳｎ半田を用いて、ガラス窓あるいはアルミナ窓を窓ホルダ１３に接合することができる。この場合、ガラス窓あるいはアルミナ窓にも接合部に金のメタライズ処理を予め施しておく必要がある。
【００３２】
最後に、上述のようにして作製した組立本体内にペルチェ素子からなる冷却体（ＴＥＣ）１８および図示しない半導体レーザー、レンズ系などからなるレーザ装置を固定する。この後、レンズの光軸を調整し、内部を窒素ガスの雰囲気にした後、組立本体上部に金属蓋体１４を配置し、これらを電気溶接することにより、パッケージ１０が形成されるとともに、光半導体モジュールが形成される。
【００３３】
３．パッケージの排熱試験
ついで、上述のように作製されたパッケージ１０の排熱効果を検証するため、図３に示すような測定系を組み付けて排熱試験を以下のようにして行った。なお、比較のために、従来例のパッケージ４０（図８（ａ）のパッケージ４０（底板４１の厚みは、Ｔ１＝２．００ｍｍ，Ｔ２＝０．５０ｍｍ）を参照）も用いた。そして、これらのパッケージ１０（４０）の内底面にそれぞれＴＥＣ２０の底面をＰｂＳｎ半田で接合した。また、ＴＥＣ２０の上基板２１上にＴＥＣの冷却温度を調べるための熱電対２２を取り付けた。なお、金属底板１１（４１）の下面はヒートシンク２７に接合した。
【００３４】
そして、半導体レーザーの替わりに、半導体レーザーと同等の発熱量（４００ｍＷ）のヒーター２３を用いて発熱源とした。このヒーター２３へ電力を供給するための配線２４、ＴＥＣ２０へ電力を供給するための配線２５および熱電対２２へ電力を供給するため配線２６を、セラミックフィードスルー１５の図示しない電極（パッド）に接続した。ついで、通常のパッケージと同じように窒素雰囲気中で金属蓋体１４を電気溶接した。ついで、このように構成した測定系を７０℃に制御したオーブン（図示せず）内に設置した。
【００３５】
なお、光半導体モジュールが設置されるシステム内の典型的な環境温度は７０℃であるため、このような測定系を７０℃に加熱して、通常の使用状態での環境温度に等しくなるようにしている。ついで、ヒーター２３へ供給する電力を変化させてヒーター２３の発熱量を変化させ、熱電対２２での温度が常に２５℃の一定の温度になるように、ＴＥＣ２０へ電流（ＴＥＣ投入電流（Ａ））を供給すると、下記の表１に示すようなヒータ発熱量に対するＴＥＣ投入電流（Ａ）との関係が得られた。そして、この結果をグラフで表すと図４に示すような結果となった。
【００３６】
【表１】
【００３７】
上記表１および図４の結果から明らかなように、測定系を７０℃に加熱した場合（即ち、環境温度が７０℃の場合）においては、従来例のパッケージ４０でのＴＥＣ投入電流（Ａ）（図４の○印）と、本発明のパッケージ１０でのＴＥＣ投入電流（Ａ）（図４の△印）とを比較すると、本発明のパッケージ１０でのＴＥＣ投入電流（Ａ）が減少していることが分かる。このことは、板厚が薄い載置部（Ｔ１＝０．５０ｍｍ）１１ａと、この載置部１１ａの両端部に板厚が厚い固定部（Ｔ２＝２．００ｍｍ）１１ｂを形成した金属底板１１の排熱効率（放熱効率）が優れていることを意味する。
【００３８】
４．金属底板の載置部の厚みの検討
ついで、金属底板１１の載置部１１ａの厚みＴ１と排熱効率（放熱効率）との関係について検討した。そこで、固定部１１ｂの板厚Ｔ２を２．００ｍｍ（Ｔ２＝２．００ｍｍ）の一定値とし、載置部１１ａの厚みＴ１がそれぞれ０．４０ｍｍ（Ｔ１＝０．４０ｍｍ），０．７５ｍｍ（Ｔ１＝０．７５ｍｍ），１．００ｍｍ（Ｔ１＝１．００ｍｍ），１．２５ｍｍ（Ｔ１＝１．２５ｍｍ），１．５０ｍｍ（Ｔ１＝１．５０ｍｍ）になるように金属底板１１を作製した。
【００３９】
この後、これらの各金属底板１１を用いて上述と同様にパッケージ１０を作製した。ついで、これらの各パッケージ１０を用いて上述と同様にして、図３に示すような測定系を組み付けて排熱試験を行った結果、下記の表２に示すような結果が得られた。そして、この結果をグラフで表すと図５に示すような結果となった。なお、表２および図５の結果には、上述した金属底板１１（Ｔ１＝０．５０ｍｍ，Ｔ２＝２．００ｍｍ），４１（Ｔ１＝２．００ｍｍ，Ｔ２＝０．５０ｍｍ）の結果も示している。
【００４０】
【表２】
【００４１】
上記表２および図５の結果から明らかなように、金属底板１１の載置部１１ａの板厚（Ｔ１）が、２．００ｍｍ→１．５０ｍｍ→１．２５ｍｍ→１．００ｍｍ→０．７５ｍｍ→０．５０ｍｍ→０．４０ｍｍと減少するに伴って、ＴＥＣ投入電流（Ａ）が図５の○印→図５の＋印→図５の×印→図５の◇印→図５の▽印→図５の△印→図５の□印と減少することが分かる。このことは、金属底板１１の載置部１１ａの板厚が薄くなるほど金属底板１１の排熱効率（放熱効率）が向上することを意味する。
【００４２】
しかしながら、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）が０．４０ｍｍよりも小さくなると機械加工が困難になるとともに、破損もし易くなるため、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上（Ｔ１≧０．４０ｍｍ）にするのが望ましい。一方、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）が１．５０ｍｍよりも大きくなると、ＴＥＣ投入電流（Ａ）も大きくなって消費電力が大きくなり、光半導体モジュールの小型化、低消費電力化が困難になる。このため、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）は１．５０ｍｍ以下（Ｔ１≦１．５０ｍｍ）とするのが望ましい。以上のことから、金属底板１１の載置部１１ａの板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上で１．５０ｍｍ以下（０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）にするのが好ましいということができる。
【００４３】
５．金属底板の外底面の平面度の測定
ついで、上述のように固定部１１ｂの板厚Ｔ２を２．００ｍｍ（Ｔ２＝２．００ｍｍ）の一定値とし、載置部１１ａの厚みＴ１がそれぞれ０．４０ｍｍ（Ｔ１＝０．４０ｍｍ），０．７５ｍｍ（Ｔ１＝０．７５ｍｍ），１．００ｍｍ（Ｔ１＝１．００ｍｍ），１．２５ｍｍ（Ｔ１＝１．２５ｍｍ），１．５０ｍｍ（Ｔ１＝１．５０ｍｍ）になるように作製した金属底板１１を用いて、パッケージ１０を作製した。この後、これらのパッケージ１０の底面の平面度、即ち、金属底板１１の外底面の平面度を、非接触型レーザ平面測定装置（ＫＥＹＥＮＣＥ製）を用いて測定すると、下記の表３に示すような結果が得られた。なお、参考のために，載置部４１ｂの厚みＴ１が２．００ｍｍ（Ｔ１＝２．００ｍｍ）で、固定部１１ｂの板厚Ｔ２が０．５０ｍｍ（Ｔ２＝０．５０ｍｍ）の金属底板４１を用いて作製したパッケージ４０の外底面の平面度を測定すると、下記の表３に示すような結果が得られた。
【００４４】
【表３】
【００４５】
上記表３の結果から明らかなように、本発明の金属底板（Ｔ１＜Ｔ２で、０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）１１を用いた熱電モジュール用パッケージ１０の平面度は全て２０μｍ以下で、優れた平面性を有していることが分かる。これに対して、従来例の金属底板（Ｔ２＜Ｔ１で、Ｔ１＝２．００ｍｍ）４１を用いた熱電モジュール用パッケージ４０の平面度は２０μｍ以上で、平面性が劣っていることが分かる。これは、本発明の金属底板（Ｔ１＜Ｔ２で、０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）１１においては、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差が形成されて、この段差が金属枠体１２を金属底板１１上に接合する際のガイドなる。これにより、金属底板１１と金属枠体１２とを強固に接合することが可能となって、パッケージ１０の外底面（金属底板１１の外表面）の平面度が向上した考えられる。この結果、パッケージ１０の外底面にヒートシンク２７を接合した際に、金属底板１１とヒートシンク２７との接触面積が向上して、排熱効率（放熱効率）が向上する。
【００４６】
６．変形例
ついで、上述のようにして作製される熱電モジュール用パッケージ１０の変形例について、図６に基づいて以下に説明する。この場合、図２と同一符号は同一名称を表すので、その詳細な説明は省略する。本変形例においては、載置部１１ａの表面積を金属枠体１２の底面積よりも若干大きくなるように形成した点に特徴がある。これにより、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に形成された段差部と金属枠体１２との間に、図６に示すように、間隙部１９ｂが形成される。この場合、この間隙部１９ｂにロウ材ｙが回り込んでロウ付けされるようになるため、載置部１１ａの大きさを精度良く制御する必要がなくなるので、製造が容易となって、生産性が向上する。
【００４７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の熱電モジュール用パッケージ１０は、金属底板１１は金属枠体１２の底面積と略等しい面積を有する載置部１１ａと、この載置部１１ａの両外側に位置して当該パッケージ１０を外部部材に固定するための固定部１１ｂとを備えている。そして、載置部１１ａの板厚Ｔ１は固定部１１ｂの板厚１１ｂよりも薄く形成されて、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差を有している。このように、載置部１１ａの板厚Ｔ１が固定部１１ｂの板厚Ｔ２よりも薄く形成されていると、載置部１１ａに搭載された熱電モジュール１８で発生した熱を板厚が薄い載置部１１ａを通して、効率よく外部に排熱できるようになる。
【００４８】
また、外部部材に取り付ける際には、固定部１１ｂの板厚Ｔ２が厚いことにより、この板厚が厚い固定部１１ｂが破損することなく取り付けることができる。さらに、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差を有するので、この段差が金属枠体１２を金属底板１１上に接合する際のガイドとなる。このため、金属枠体１２と金属底板１１とを強固に接合することが可能となる。これにより、このパッケージ１０の外底面（金属底板の外表面）の平面度が向上するようになるので、パッケージ１０の外底面にヒートシンク２７を接合した際の接触面積が向上して、排熱効率（放熱効率）が向上する。
【００４９】
なお、上述した実施の形態においては、金属枠体１２および窓ホルダ１３を機械加工により別々の部品として作製した後、これを接合して一体化する例について説明したが、これらの金属枠体と窓ホルダを金属粉末の射出成形（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）により、一体的に作製するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパッケージに用いられる構成部品を示す分解斜視図である。
【図２】図１の構成部品を組み立てて形成されたパッケージを示す断面図である。
【図３】パッケージの排熱効果を検証するための測定系を模式的に示す破断斜視図である。
【図４】排熱試験により得られたヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への通電量（Ａ）の関係を示す図である。
【図５】金属底板の載置部の板厚を変化させた場合の、ヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への通電量（Ａ）の関係を示す図である。
【図６】変形例のパッケージを示す断面図である。
【図７】従来例のパッケージを模式的に示す斜視図である。
【図８】他の従来例のパッケージを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０…熱電モジュール用パッケージ、１１ａ…載置部、１１ｂ…固定部、１１ｃ…開口、１２…金属枠体、１２ａ…切欠部、１３…窓ホルダ、１４…金属蓋体、１５…セラミックフィードスルー、１６…リード、１７…シールリング、１８…熱電モジュール（ＴＥＣ）、１９ａ…ネジ、１９ｂ…間隙部、ｘ，ｙ…ロウ材
【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高出力の光半導体素子（例えば、半導体レーザ）を備えた光半導体モジュールを搭載する金属底板と、この金属底板上に接合された金属枠体と、この金属枠体を気密に封止する蓋体とからなる光半導体モジュール用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）あるいはＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：高密度波長分割多重）等の広帯域の光ネットワーク技術を利用して、大容量のデータを光ファイバにより高速で伝送されるようになった。この光ファイバにより伝送されるデータ（情報）は、レーザー光を変調した信号であり、これは光半導体モジュールと呼ばれる半導体レーザー等を収容した電子装置から発信される。また、光ファイバによりデータ（情報）を伝送する中間地点において信号強度を増幅する、いわゆる光アンプにもこの光半導体モジュールが用いられている。
【０００３】
ところで、光半導体モジュールに用いられる半導体レーザーの発振波長は温度によって大きく影響を受けるので、半導体レーザーの動作時には、その温度を厳密に制御することが不可欠となる。この温度制御には、通常、多数のペルチェ素子を搭載した熱電モジュールあるいは電子クーラー（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）と呼ばれる熱電装置が使用されている。そして、半導体レーザー、ＴＥＣ等の電子部品を収容する容器は、一般的には光半導体モジュール用パッケージと呼ばれ、図７に示すような構造となっている。
【０００４】
ここで、図７に示すパッケージ３０は、基板などの外部部材に取り付ける取付孔３３を有する金属底板３２と、この金属底板３２上に筐体をなすように固定される金属枠体３１から主に構成されている。そして、金属底板３２上には、熱電モジュール（あるいはＴＥＣ）や半導体レーザー等の電子部品（図示せず）、あるいは光学系等（図示せず）が搭載される。また、金属枠体３１には光ファイバが取り付けられる窓枠３４が設けられ、金属枠体３１の一対の側面に設けられた切欠部３５にはセラミック端子３６が取り付けられ、このセラミック端子３６に電気入出力用のリード３７が接続されている。そして、このパッケージ３０内を窒素ガスの雰囲気にした後、金属枠体３１の上側にシールリング３８を介して金属蓋体（図示せず）を気密に封止して、パッケージ３０が形成されることとなる。
【０００５】
ここで、金属枠体３１は、セラミック端子３６と熱膨張率が近似していることが望ましいので、その材料としては、鉄・ニッケル（ＦｅＮｉ）合金やコバール（Ｋｏｖａｒ）と呼ばれる鉄・ニッケル・コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金が用いられる。また、金属底板３２は半導体レーザ素子で発生する熱を速やかに放散させる必要があるので、その材料としては、銅（Ｃｕ）や銅・タングステン（ＣｕＷ）合金が用いられる。なお、金属枠体３１と金属底板３２はろう材で接合される。これら金属枠体３１と金属底板３２からなるパッケージ３０は、金属底板３２の両端に形成された取付孔３３を介して外部部材にネジで取り付けられる。
【０００６】
ところで、金属枠体３１と金属底板３２が異なる金属材料で形成されたパッケージ３０では、両者の熱膨張率が相違するため、ろう付けして接合する時に歪みが発生し、金属底板３２に反りが発生する。この金属底板３２に反りが発生したパッケージ３０の金属枠体３１に光ファイバを固定し、金属底板３２に半導体レーザ素子を搭載する。その後、金属底板３２の両端に形成された取付孔３３を介してネジで締めつけて、このパッケージ３０を外部部材に取り付け固定すると、ネジの締めつけ力が金属底板３２全体に伝わり、金属底板３２が変形して反りが生ずる。
【０００７】
この反りにより、半導体レーザ素子の固定位置にずれが生じ、半導体レーザ素子と光ファイバとの間に光軸のずれが生じるという問題があった。この光軸のずれは、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合効率の低下をもたらす。そこで、外部部材に取り付ける際に金属底板が変形することなく、従って、半導体レーザ素子と光ファイバとの間に光軸のずれが生じないような半導体レーザ素子用パッケージが提案されるようになった。（例えば、特許文献１および特許文献２参照のこと）
【特許文献１】
特開平６−３１４７４７号公報
【特許文献２】
特開平９−２９８２４８号公報（０００４段落参照）
【０００８】
この特許文献１にて提案された半導体レーザ素子用パッケージ４０においては、図８（ａ）に示すように、金属底板４１はその上面中央領域に熱電モジュール（ＴＥＣ）４３を介して図示しない光半導体素子を載置するための載置部４１ａを有し、該載置部４１ａ上にＴＥＣ４３が接着剤を介して接着固定されている。また、金属底板４１の上面中央領域を囲繞するように側面に一対の絶縁端子部材４４及び光ファイバーを固定する固定部材４５が取着された金属枠体４２が銀ロウ等のロウ材を介して取着されている。
【０００９】
金属底板４１はその両端領域にネジ止め部４１ｂが設けられており、このネジ止め部４１ｂを外部部材にネジ止めすることによって、光半導体素子が固定されたパッケージ４０は外部部材に固定されることになる。金属底板４１はその両端領域の厚さ（Ｔ２）が１．０≧Ｔ２≧０．３（ｍｍ）、中央領域の厚さ（Ｔ１）がＴ１≧２Ｔ２となっていて、中央領域の載置部４１ａと両端領域のネジ止め部４１ｂとの境に段差が形成されている。
【００１０】
これは、ネジ止め部４１ｂを外部部材にネジ止めする際、金属底板４１に金属枠体４２との熱膨張係数の相違によって発生している反りが矯正され、金属底板４１の反り矯正に伴う応力が光半導体素子が固定されている中央領域の載置部４１ａに伝達されるのを防止するためである。これによって、金属底板４１の中央領域の載置部４１ａに固定されている光半導体素子の固定位置が常に一定となり、光半導体素子と金属枠体４２の側面に設けた光ファイバー固定部材４５に固定される光ファイバーとを整合させることが可能となる。
【００１１】
また、特許文献２にて提案された半導体レーザ素子用パッケージ５０においては、図８（ｂ）に示すように、金属底板５１のネジ穴が設けられるネジ止め部５１ｂの板厚を金属枠体５１との接合部５１ａよりも薄くして、金属枠体５２内の金属底板５１ａが変形しないようにしている。さらに、パッケージ５０の外形の薄型化の要求に応えるために、載置部５１ｃの板厚を他の部分５１ａよりも薄くして、光半導体素子用パッケージ５０内の全体の高さを低く抑えるようにしている。なお、このパッケージ５０においては、載置部５１ｃに熱電モジュール（ＴＥＣ）５３を介して図示しない光半導体素子が配設されている。そして、金属底板５１の上面中央領域を囲繞するように側面に一対の絶縁端子部材５４及び光ファイバーを固定する固定部材５５が取着された金属枠体５２が銀ロウ等のロウ材を介して取着されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８（ａ）に示される金属底板４１においては、熱電モジュール（ＴＥＣ）４３を介して図示しない光半導体素子を載置するための載置部４１ａの板厚が厚いため、ＴＥＣ４３からの放熱効率が低下するという問題を生じた。また、図８（ｂ）に示される金属底板５１においては、載置部５１ｃのみの板厚を他の部分５１ａよりも薄くしているため、載置部５１ｃに反りが生じやすくて、熱電モジュール（ＴＥＣ）５３との接触面積が低下して、結果として放熱特性が低下するという問題を生じた。
【００１３】
また、図８（ａ），（ｂ）に示される金属底板４１，５１においては、金属底板４１，５１の両端部に配置されたネジ止め部４１ｂ，５１ｂの板厚が薄いために、ネジを螺着した際にこのネジ止め部４１ｂ，５１ｂが破損しやすいという問題を生じた。さらに、図８（ｂ）に示される金属底板５１においては、ＣｕＷ合金からなる金属底板５１を切削加工により、板厚が薄い載置部５１ｃを形成するようにしているが、ＣｕＷ合金は難加工の合金であるためにコストが非常に高価になるという問題も生じた。
【００１４】
そこで、本発明は上記の如き問題点を解決するためになされたものであって、金属底板の放熱性を改善するとともに反りを生じなくして、熱電モジュールで発生した熱を効率よく外部に排熱できるようにする。これにより、当該熱電モジュールの消費電力が低減した光半導体モジュール用パッケージを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光半導体モジュール用パッケージは、金属底板は金属枠体の底面積と略等しい面積を有する載置部と、該載置部の両外側に位置して当該パッケージを外部部材に固定するための固定部とを備えるとともに、載置部の板厚は固定部の板厚よりも薄く形成されていて、載置部と固定部との境界で段差を有することを特徴とする。このように、載置部の板厚が固定部の板厚よりも薄く形成されていると、載置部に搭載された熱電モジュールで発生した熱を板厚が薄い載置部を通して、効率よく外部に排熱できるようになる。
【００１６】
また、外部部材に取り付ける際には、固定部の板厚が厚いことにより、この板厚が厚い固定部が破損することなく取り付けることができる。さらに、載置部と固定部との境界で段差を有するので、この段差が金属枠体を金属底板上に接合する際のガイドとなる。このため、金属枠体と金属底板とを強固に接合することが可能となる。これにより、このパッケージの外底面（金属底板の外表面）の平面度が向上するようになるので、パッケージの外底面にヒートシンクを接合した際の接触面積が向上して、排熱効率（放熱効率）が向上する。
【００１７】
ここで、載置部の板厚（Ｔ１）が０．４０ｍｍよりも小さくなると機械加工が困難になるとともに、破損もし易くなるため、載置部の板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上（Ｔ１≧０．４０ｍｍ）にするのが望ましい。一方、載置部の板厚（Ｔ１）が１．５０ｍｍよりも大きくなると、熱電モジュールでの消費電力が大きくなって、光半導体モジュールの小型化、低消費電力化が困難になる。このため、載置部の板厚（Ｔ１）は１．５０ｍｍ以下（Ｔ１≦１．５０ｍｍ）とするのが望ましい。以上のことから、金属底板の載置部の板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上で１．５０ｍｍ以下（０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）にするのが好ましいということができる。
【００１８】
この場合、金属枠体は低熱膨張性の金属材料からなり、特に、鉄−ニッケル−コバルト合金（Ｋｏｖａｒ）あるいは鉄−ニッケル合金（Ｉｎｖａｒ）から選択して用いるのが好ましい。また、金属底板は高放熱性の金属材料からなり、特に、Ｗ，ＣｕＷ，ＣｕＭｏ，ＡｌＮから選択して用いるのが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。なお、図１は本実施の形態のパッケージに用いられる構成部品を示す分解斜視図であり、図２はこれらの構成部品を組み立てて形成されたパッケージを示す断面図である。図３はパッケージの排熱効果を検証するための測定系を模式的に示す破断斜視図である。図４は排熱試験により得られたヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への投入電流（Ａ）の関係を示す図である。図５は金属底板の載置部の板厚を変化させた場合の、ヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への投入電流（Ａ）の関係を示す図である。
【００２０】
１．光半導体モジュール用パッケージ
本発明のパッケージ１０を形成する構成部品は、半導体レーザーや熱電モジュール（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ；ペルチェ素子からなる）などの電子部品を載置する金属底板１１と、この金属底板１１に固定される金属枠体１２と、光ファイバーを固定する窓ホルダ１３と、金属枠体１２内を気密に封止する金属蓋体１４と、端子部が形成されたセラミックフィードスルー１５と、セラミックフィードスルー１５の端子部に接続されたリード１６，１６と、シールリング１７とからなる。
【００２１】
金属底板１１は、Ｗ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＡｌＮなどの高熱伝導性を有する金属材料により形成されている。そして、図１に示すように、その上面中央領域には板厚（Ｔ１）が０．５０ｍｍ（Ｔ１＝０．５０ｍｍ）と薄い載置部１１ａと、この載置部１１ａの両端部に配置されて板厚（Ｔ２）が１．５０ｍｍ（Ｔ２＝１．５０ｍｍ）と厚い固定部１１ｂとを有している。これにより、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に段差が形成されることになる。なお、載置部１１ａの表面積は、金属枠体１２の底面の面積と略等しくなるような大きさに形成されている。
【００２２】
金属枠体１２は、板厚が薄い載置部１１ａを囲繞するように金属底板１１上にロウ付けにより固着されている。この場合、載置部１１ａの表面積は金属枠体１２の底面積と略等しく、かつ、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に段差が形成されるので、この段差が金属枠体１２を載置する際のガイドとなる。これにより、金属底板１１上に金属枠体１２が強固に接合される。そして、金属枠体１２の長手方向の一対の側壁上部には一対の切欠部１２ａ，１２ａが設けられており、短辺方向の一側壁には窓ホルダ１３がロウ付けにより固着されている。また、一対の側壁上部に形成された切欠部１２ａ，１２ａにはセラミックフィードスルー１５，１５がロウ付けにより固着されている。
【００２３】
なお、これらのセラミックフィードスルー１５，１５の上には、一対のリード１６，１６がロウ付けにより固着されている。また、セラミックフィードスルー１５，１５の上部には金属枠体１２を覆うシールリング１７がロウ付けにより固着されている。そして、金属底板１１の載置部１１ａ上に熱電モジュール（ＴＥＣ）１８が固定され、このＴＥＣ１８上に半導体レーザーや光学系を配置、固定される。ついで、内部を窒素ガスの雰囲気にした後、最後に金属蓋体１４が電気溶接により固着されて、パッケージ１０が形成されるとともに、光半導体モジュールも形成されることとなる。
【００２４】
ここで、金属枠体１２および窓ホルダ１３は、低熱膨張性を有する金属材料により形成されており、鉄−ニッケル−コバルト合金（通称：Ｋｏｖａｒ）あるいは鉄−ニッケル合金（通称：Ｉｎｖａｒ）などから選択して用いている。金属蓋体１４としては、セラミック材からなる板状で四角形状の本体部１４ａと、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）からなる四角形状で開口部を有するリング部材１４ｂとをロウ付けにより一体化したものを用いている。
【００２５】
セラミックフィードスルー１５は所定の配線を有するセラミック材により形成されている。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とバインダーからなるグリーンシートを所定の形状に形成するとともに、所定の配線を施したものを焼結することにより形成されている。なお、セラミックフィードスルー１５を用いない場合は、金属枠体１２の一側壁に穴を形成し、この穴内に金属製のリード１６をガラス等で絶縁封止するようにしてもよい。さらに、リード１６およびシールリング１７は、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）あるいは銅合金により形成されている。
【００２６】
２．光半導体モジュール用パッケージの製造方法
ついで、上述のような構成となるパッケージ１０の具体的な製造方法を以下に詳細に説明する。まず、タングステン−銅合金（８５Ｗ−１５Ｃｕ）のブロックを機械加工により平板形状に切削するとともに、その上面中央領域を切削して、板厚Ｔ１（この場合はＴ１＝０．５０ｍｍ）が薄い載置部１１ａと、この載置部１１ａの両端部に板厚Ｔ２（この場合はＴ２＝２．００ｍｍ）が厚い固定部１１ｂを形成して金属底板１１とした。この場合、載置部１１ａの表面積は金属枠体１２の底面積と略等しくなるように形成する。ついで、メッキ槽に浸漬して金属底板１１の全面に無電解メッキを施して、金属底板１１の表面に厚みが５μｍのニッケルメッキ層を形成した。
【００２７】
なお、金属底板１１の板厚が厚い固定部１１ｂに開口１１ｃを設けるようにしている。これにより、図２（ｂ）に示すように、この金属底板１１を用いたパッケージ１０を外部部材に固定する場合、開口１１ｃにネジ１９ａを螺着させることにより、外部部材に固定できるようになる。この場合、固定部１１ｂの板厚は厚いので、ネジ止め時に固定部１１ｂが破損することはない。また、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）製で、平面形状が長方形状の枠体の長手側の一対の側壁上部に切削加工により、切欠部１２ａ，１２ａを形成した。また、この枠体の短辺側の側壁に窓ホルダ１３を接合するための開口を形成して金属枠体１２を作製した。一方、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）製の丸棒を旋盤で加工して、所定の貫通孔を形成して窓ホルダ１３を作製した。
【００２８】
また、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とバインダーとの混練物を射出成形してグリーンシートを形成した。得られたグリーンシートを焼結して表面に所定の配線が形成されるようにパターンニングして、図１に示されるような形状のセラミックフィードスルー１５を作製した。また、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）からなる圧延板を、化学エッチングにより所定の形状に加工してリード１６を作製した。さらに、ＦｅＮｉＣｏ合金（通称：コバール）からなる圧延板を化学エッチングにより所定の形状に加工してシールリング１７を作製した。
【００２９】
ついで、上述のように作製した金属底板１１、金属枠体１２、セラミックフィードスルー１５、リード１６およびシールリング１７を、図１に示すような配置構成になるように配置するとともに、これらの間にＭｏＭｎ合金からなるロウ材（図示せず）を配置し、カーボン製あるいはアルミナ製の治具に配置した。ついで、この治具を４０％の水素（Ｈ２）を含む窒素（Ｎ２）ガスの雰囲気のリフロー炉中で、移動速度が３０ｍｍ／分のベルト上に配置し、最高温度が９００℃で２０分間加熱されるようなリフロー条件（昇温プロファイル）で加熱処理した。
【００３０】
これにより、金属底板１１と金属枠体１２が接合され、金属枠体１２の切欠部１２ａとセラミックフィードスルー１５が接合され、セラミックフィードスルー１５とリード１６が接合され、セラミックフィードスルー１５とシールリング１７が接合されて、一体化して組立本体が形成されることとなる。この場合、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に段差が形成されいるので、図２（ｃ）に示すように、この段差の周囲にロウ材ｘが回り込んでロウ付けされるようになる。このため、接合部の剛性が向上するので、ロウ付け後の金属底板１１の平面度が向上する。なお、金属枠体１２は、一部あるいは全部にメッキを施してもよい。これにより、セラミックフィードスルー１５の一部の電極端子を接地することができる。なお、ロウ材としては、上述したＭｏＭｎ合金以外の他のロウ材を用いるようにしてもよい。
【００３１】
ついで、窓ホルダ１３にガラス窓あるいはアルミナ窓を封着するために、窓ホルダ１３に低融点ガラスと窓をセットして、リフロー炉中で接合した。接合条件としては、１００％窒素（Ｎ２）ガスの雰囲気のリフロー炉中で、移動速度が１００ｍｍ／分のベルト上に配置し、最高温度が５００℃で１０分間加熱されるようなリフロー条件（昇温プロファイル）で加熱処理した。これにより、窓ホルダ１３にガラス窓あるいはアルミナ窓が封着されることとなる。
なお、組立本体の全体、または窓ホルダ１３の部分に金メッキを施すようにすれば、一般的に行われているＡｕＳｎ半田を用いて、ガラス窓あるいはアルミナ窓を窓ホルダ１３に接合することができる。この場合、ガラス窓あるいはアルミナ窓にも接合部に金のメタライズ処理を予め施しておく必要がある。
【００３２】
最後に、上述のようにして作製した組立本体内にペルチェ素子からなる冷却体（ＴＥＣ）１８および図示しない半導体レーザー、レンズ系などからなるレーザ装置を固定する。この後、レンズの光軸を調整し、内部を窒素ガスの雰囲気にした後、組立本体上部に金属蓋体１４を配置し、これらを電気溶接することにより、パッケージ１０が形成されるとともに、光半導体モジュールが形成される。
【００３３】
３．パッケージの排熱試験
ついで、上述のように作製されたパッケージ１０の排熱効果を検証するため、図３に示すような測定系を組み付けて排熱試験を以下のようにして行った。なお、比較のために、従来例のパッケージ４０（図８（ａ）のパッケージ４０（底板４１の厚みは、Ｔ１＝２．００ｍｍ，Ｔ２＝０．５０ｍｍ）を参照）も用いた。そして、これらのパッケージ１０（４０）の内底面にそれぞれＴＥＣ２０の底面をＰｂＳｎ半田で接合した。また、ＴＥＣ２０の上基板２１上にＴＥＣの冷却温度を調べるための熱電対２２を取り付けた。なお、金属底板１１（４１）の下面はヒートシンク２７に接合した。
【００３４】
そして、半導体レーザーの替わりに、半導体レーザーと同等の発熱量（４００ｍＷ）のヒーター２３を用いて発熱源とした。このヒーター２３へ電力を供給するための配線２４、ＴＥＣ２０へ電力を供給するための配線２５および熱電対２２へ電力を供給するため配線２６を、セラミックフィードスルー１５の図示しない電極（パッド）に接続した。ついで、通常のパッケージと同じように窒素雰囲気中で金属蓋体１４を電気溶接した。ついで、このように構成した測定系を７０℃に制御したオーブン（図示せず）内に設置した。
【００３５】
なお、光半導体モジュールが設置されるシステム内の典型的な環境温度は７０℃であるため、このような測定系を７０℃に加熱して、通常の使用状態での環境温度に等しくなるようにしている。ついで、ヒーター２３へ供給する電力を変化させてヒーター２３の発熱量を変化させ、熱電対２２での温度が常に２５℃の一定の温度になるように、ＴＥＣ２０へ電流（ＴＥＣ投入電流（Ａ））を供給すると、下記の表１に示すようなヒータ発熱量に対するＴＥＣ投入電流（Ａ）との関係が得られた。そして、この結果をグラフで表すと図４に示すような結果となった。
【００３６】
【表１】
上記表１および図４の結果から明らかなように、測定系を７０℃に加熱した場合（即ち、環境温度が７０℃の場合）においては、従来例のパッケージ４０でのＴＥＣ投入電流（Ａ）（図４の○印）と、本発明のパッケージ１０でのＴＥＣ投入電流（Ａ）（図４の△印）とを比較すると、本発明のパッケージ１０でのＴＥＣ投入電流（Ａ）が減少していることが分かる。このことは、板厚が薄い載置部（Ｔ１＝０．５０ｍｍ）１１ａと、この載置部１１ａの両端部に板厚が厚い固定部（Ｔ２＝２．００ｍｍ）１１ｂを形成した金属底板１１の排熱効率（放熱効率）が優れていることを意味する。
【００３８】
４．金属底板の載置部の厚みの検討
ついで、金属底板１１の載置部１１ａの厚みＴ１と排熱効率（放熱効率）との関係について検討した。そこで、固定部１１ｂの板厚Ｔ２を２．００ｍｍ（Ｔ２＝２．００ｍｍ）の一定値とし、載置部１１ａの厚みＴ１がそれぞれ０．４０ｍｍ（Ｔ１＝０．４０ｍｍ），０．７５ｍｍ（Ｔ１＝０．７５ｍｍ），１．００ｍｍ（Ｔ１＝１．００ｍｍ），１．２５ｍｍ（Ｔ１＝１．２５ｍｍ），１．５０ｍｍ（Ｔ１＝１．５０ｍｍ）になるように金属底板１１を作製した。
【００３９】
この後、これらの各金属底板１１を用いて上述と同様にパッケージ１０を作製した。ついで、これらの各パッケージ１０を用いて上述と同様にして、図３に示すような測定系を組み付けて排熱試験を行った結果、下記の表２に示すような結果が得られた。そして、この結果をグラフで表すと図５に示すような結果となった。なお、表２および図５の結果には、上述した金属底板１１（Ｔ１＝０．５０ｍｍ，Ｔ２＝２．００ｍｍ），４１（Ｔ１＝２．００ｍｍ，Ｔ２＝０．５０ｍｍ）の結果も示している。
【００４０】
【表２】
上記表２および図５の結果から明らかなように、金属底板１１の載置部１１ａの板厚（Ｔ１）が、２．００ｍｍ→１．５０ｍｍ→１．２５ｍｍ→１．００ｍｍ→０．７５ｍｍ→０．５０ｍｍ→０．４０ｍｍと減少するに伴って、ＴＥＣ投入電流（Ａ）が図５の○印→図５の＋印→図５の×印→図５の◇印→図５の▽印→図５の△印→図５の□印と減少することが分かる。このことは、金属底板１１の載置部１１ａの板厚が薄くなるほど金属底板１１の排熱効率（放熱効率）が向上することを意味する。
【００４２】
しかしながら、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）が０．４０ｍｍよりも小さくなると機械加工が困難になるとともに、破損もし易くなるため、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上（Ｔ１≧０．４０ｍｍ）にするのが望ましい。一方、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）が１．５０ｍｍよりも大きくなると、ＴＥＣ投入電流（Ａ）も大きくなって消費電力が大きくなり、光半導体モジュールの小型化、低消費電力化が困難になる。このため、載置部１１ａの板厚（Ｔ１）は１．５０ｍｍ以下（Ｔ１≦１．５０ｍｍ）とするのが望ましい。以上のことから、金属底板１１の載置部１１ａの板厚（Ｔ１）は０．４０ｍｍ以上で１．５０ｍｍ以下（０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）にするのが好ましいということができる。
【００４３】
５．金属底板の外底面の平面度の測定
ついで、上述のように固定部１１ｂの板厚Ｔ２を２．００ｍｍ（Ｔ２＝２．００ｍｍ）の一定値とし、載置部１１ａの厚みＴ１がそれぞれ０．４０ｍｍ（Ｔ１＝０．４０ｍｍ），０．７５ｍｍ（Ｔ１＝０．７５ｍｍ），１．００ｍｍ（Ｔ１＝１．００ｍｍ），１．２５ｍｍ（Ｔ１＝１．２５ｍｍ），１．５０ｍｍ（Ｔ１＝１．５０ｍｍ）になるように作製した金属底板１１を用いて、パッケージ１０を作製した。この後、これらのパッケージ１０の底面の平面度、即ち、金属底板１１の外底面の平面度を、非接触型レーザ平面測定装置（ＫＥＹＥＮＣＥ製）を用いて測定すると、下記の表３に示すような結果が得られた。なお、参考のために，載置部４１ｂの厚みＴ１が２．００ｍｍ（Ｔ１＝２．００ｍｍ）で、固定部１１ｂの板厚Ｔ２が０．５０ｍｍ（Ｔ２＝０．５０ｍｍ）の金属底板４１を用いて作製したパッケージ４０の外底面の平面度を測定すると、下記の表３に示すような結果が得られた。
【００４４】
【表３】
上記表３の結果から明らかなように、本発明の金属底板（Ｔ１＜Ｔ２で、０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）１１を用いた熱電モジュール用パッケージ１０の平面度は全て２０μｍ以下で、優れた平面性を有していることが分かる。これに対して、従来例の金属底板（Ｔ２＜Ｔ１で、Ｔ１＝２．００ｍｍ）４１を用いた熱電モジュール用パッケージ４０の平面度は２０μｍ以上で、平面性が劣っていることが分かる。これは、本発明の金属底板（Ｔ１＜Ｔ２で、０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍ）１１においては、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差が形成されて、この段差が金属枠体１２を金属底板１１上に接合する際のガイドなる。これにより、金属底板１１と金属枠体１２とを強固に接合することが可能となって、パッケージ１０の外底面（金属底板１１の外表面）の平面度が向上した考えられる。この結果、パッケージ１０の外底面にヒートシンク２７を接合した際に、金属底板１１とヒートシンク２７との接触面積が向上して、排熱効率（放熱効率）が向上する。
【００４６】
６．変形例
ついで、上述のようにして作製される熱電モジュール用パッケージ１０の変形例について、図６に基づいて以下に説明する。この場合、図２と同一符号は同一名称を表すので、その詳細な説明は省略する。本変形例においては、載置部１１ａの表面積を金属枠体１２の底面積よりも若干大きくなるように形成した点に特徴がある。これにより、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界に形成された段差部と金属枠体１２との間に、図６に示すように、間隙部１９ｂが形成される。この場合、この間隙部１９ｂにロウ材ｙが回り込んでロウ付けされるようになるため、載置部１１ａの大きさを精度良く制御する必要がなくなるので、製造が容易となって、生産性が向上する。
【００４７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の熱電モジュール用パッケージ１０は、金属底板１１は金属枠体１２の底面積と略等しい面積を有する載置部１１ａと、この載置部１１ａの両外側に位置して当該パッケージ１０を外部部材に固定するための固定部１１ｂとを備えている。そして、載置部１１ａの板厚Ｔ１は固定部１１ｂの板厚１１ｂよりも薄く形成されて、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差を有している。このように、載置部１１ａの板厚Ｔ１が固定部１１ｂの板厚Ｔ２よりも薄く形成されていると、載置部１１ａに搭載された熱電モジュール１８で発生した熱を板厚が薄い載置部１１ａを通して、効率よく外部に排熱できるようになる。
【００４８】
また、外部部材に取り付ける際には、固定部１１ｂの板厚Ｔ２が厚いことにより、この板厚が厚い固定部１１ｂが破損することなく取り付けることができる。さらに、載置部１１ａと固定部１１ｂとの境界で段差を有するので、この段差が金属枠体１２を金属底板１１上に接合する際のガイドとなる。このため、金属枠体１２と金属底板１１とを強固に接合することが可能となる。これにより、このパッケージ１０の外底面（金属底板の外表面）の平面度が向上するようになるので、パッケージ１０の外底面にヒートシンク２７を接合した際の接触面積が向上して、排熱効率（放熱効率）が向上する。
【００４９】
なお、上述した実施の形態においては、金属枠体１２および窓ホルダ１３を機械加工により別々の部品として作製した後、これを接合して一体化する例について説明したが、これらの金属枠体と窓ホルダを金属粉末の射出成形（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）により、一体的に作製するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパッケージに用いられる構成部品を示す分解斜視図である。
【図２】図１の構成部品を組み立てて形成されたパッケージを示す断面図である。
【図３】パッケージの排熱効果を検証するための測定系を模式的に示す破断斜視図である。
【図４】排熱試験により得られたヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への通電量（Ａ）の関係を示す図である。
【図５】金属底板の載置部の板厚を変化させた場合の、ヒータ発熱量に対する熱電モジュール（ＴＥＣ）への通電量（Ａ）の関係を示す図である。
【図６】変形例のパッケージを示す断面図である。
【図７】従来例のパッケージを模式的に示す斜視図である。
【図８】他の従来例のパッケージを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０…熱電モジュール用パッケージ、１１ａ…載置部、１１ｂ…固定部、１１ｃ…開口、１２…金属枠体、１２ａ…切欠部、１３…窓ホルダ、１４…金属蓋体、１５…セラミックフィードスルー、１６…リード、１７…シールリング、１８…熱電モジュール（ＴＥＣ）、１９ａ…ネジ、１９ｂ…間隙部、ｘ，ｙ…ロウ材
Claims (5)
- 光半導体素子を備えた光半導体モジュールを搭載する金属底板と、該金属底板上に接合された金属枠体と、該金属枠体を気密に封止する蓋体とからなる光半導体モジュール用パッケージであって、
前記金属底板は前記金属枠体の底面積と略等しい面積を有する載置部と、該載置部の両外側に位置して当該パッケージを外部部材に固定するための固定部とを備えるとともに、
前記載置部の板厚は前記固定部の板厚よりも薄く形成されて前記載置部と前記固定部との境界で段差を有することを特徴とする光半導体モジュール用パッケージ。 - 前記載置部の板厚をＴ１（ｍｍ）とし、前記固定部の板厚をＴ２（ｍｍ）とした場合にＴ１＜Ｔ２の関係を有するとともに、０．４０ｍｍ≦Ｔ１≦１．５０ｍｍの関係を有し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用パッケージ。
- 前記金属枠体は低熱膨張性の金属材料からなり、前記金属底板は高放熱性の金属材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体モジュール用パッケージ。
- 前記低熱膨張性の金属材料は鉄−ニッケル−コバルト合金（Ｋｏｖａｒ）あるいは鉄−ニッケル合金（Ｉｎｖａｒ）からなることを特徴とする請求項３に記載の光半導体モジュール用パッケージ。
- 前記高放熱性の金属材料はＷ，ＣｕＷ，ＣｕＭｏ，ＡｌＮからなることを特徴とする請求項３に記載の光半導体モジュール用パッケージ。
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