JP4494587B2 - 光半導体素子用パッケージおよび前記パッケージを用いた光半導体素子モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却用部品が良好に半田接合される光半導体素子用パッケージ、および前記パッケージを用いた光半導体素子モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
光半導体素子用パッケージは、図3に示すように、ペルチェ素子などの光半導体素子冷却用部品(以下冷却用部品と略記する)が半田接合される金属底板1、金属底板1の周縁に接合され電気信号入出力端子7が取り付けられる金属枠体8、金属枠体8の側壁に接合され光半導体素子からの光を外部へ出射する窓枠9を主要構成部材とするものである。図3で18はリードである。
【0003】
光半導体素子モジュールは、図4に示すように、前記パッケージ(図3)の金属底板1上に冷却用部品2を半田接合し、その冷却面10上に熱・電気伝導性に優れるベース11を半田接合し、ベース11上にLDキャリア12、PDキャリア13、第1レンズ14、光アイソレータ15などの部品類をアライメントをとりつつ半田接合し、次いでLDキャリア12上にLD(レーザーダイオード:発光素子)16とLDの温度をモニターするサーミスタ(図示せず)を、PDキャリア13上にLD光をモニターするPD(フォトダイオード:受光素子)17をそれぞれ半田接合し、さらに金属枠体8上面に蓋体(図示せず)をシールドリング(図示せず)を介してシーム溶接して組み立てられる。図4で19は第2レンズ、20は光ファイバである。
【0004】
ところで、前記冷却用部品の半田接合は、金属底板1上に半田箔(20〜50μm)を配し、その上に冷却用部品2を配し、冷却用部品2を上から押圧しながら加熱する方法により行われている。ここで冷却用部品2は、その冷却面10を上に、発熱面21を下にして配置され、発熱面21からの熱は金属底板1を介して外部へ放散される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
金属底板には、通常、Auを1〜5μmの厚みにめっきしたCu−W合金が用いられており、このAuが半田接合の際の昇温時に半田箔に拡散して半田箔の融点を高め、半田接合後に半田箔の非溶融部分が残る。また、この非溶融部分は半田の濡れ広がりを妨げるため接合部全体に半田が回らず、空隙部分が生じることがある。この非溶融部分或いは空隙部分では金属底板と冷却部品との密着性が悪いため冷却用部品の発熱が十分に放散されずに冷却用部品の冷却能が低下しLDが良好に機能しなくなる。また非溶融部分や空隙部分が混在するため冷却用部品が傾いてLDの光軸に狂いが生じる。
【0006】
このような不具合を解決するため、半田接合層を厚くするか、半田のSn量を減らすかしてAuの拡散による半田箔の高融点化を抑える対策が講じられたが、前者はペルチェ素子の傾きを増大させるため、後者は半田の融点が変化して他部の半田接合性を損なうため、いずれも採用されていない。
本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、その目的は、冷却用部品が良好に半田接合される光半導体素子用パッケージ、および前記パッケージを用いた光半導体素子モジュールを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、光半導体素子冷却用部品がAuめっき中のAuが拡散可能な半田により半田接合されるAuめっきを施した金属底板、前記金属底板上に接合され電気信号入出力端子が取り付けられる金属枠体、前記金属枠体に接合され光半導体素子からの光を外部へ出射する窓枠を主要構成部材とする光半導体素子用パッケージにおいて、前記金属底板上の光半導体素子冷却用部品が半田接合される部分に溶融半田を流入させるための溝が設けられ、前記溝の両端が、光半導体素子冷却用部品の下面からはみでるように光半導体素子冷却用部品下面の縦または横の長さより長く設けられており、前記溝の深さが5〜120μmで、光半導体素子冷却用部品下面に対する溝の面積比率が35〜65%であることを特徴とする光半導体素子用パッケージである。
【0008】
請求項2記載の発明は、前記溝の深さが10〜100μmであることを特徴とする請求項1に記載の光半導体素子用パッケージである。
【0009】
請求項3記載の発明は、光半導体素子用パッケージの金属底板と光半導体素子冷却用部品下面に対する接合界面の非溝部への溶融半田の浸透率が90%以上で、光半導体素子冷却用部品下面周囲の金属底板との間隔差の最大値を平行度としたときの平行度が10μm以下であることを特徴とする請求項2に記載の光半導体素子用パッケージである。
【0010】
請求項4記載の発明は、請求項1、2、3のいずれかに記載の光半導体素子用パッケージが用いられていることを特徴とする光半導体素子モジュールである。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体素子用パッケージは、図1(イ)〜(ハ)に示すように、金属底板1上の冷却用部品(図示せず)が半田接合される部分に溶融半田を流入させるための溝3が設けられたものである。
本発明の光半導体素子用パッケージでは、溶融半田は、溝3を介して金属底板1と冷却用部品との接合界面(非溝部)に均一に浸透する。本発明では、接合界面のみならず、溝3が設けられた部分でも金属底板1と冷却用部品との半田接合が良好になされる。
【0012】
本発明では、半田の量が溝3に流入する分だけ多くなるため、半田接合の際の昇温時に半田にAuが拡散してもその濃度は低く、非溶融部分が生じるようなことがなく、また溝3には溶融半田を流入させ、金属底板1と冷却用部品との接合界面には溶融半田を浸透させるので、半田箔の非溶融に起因する冷却用部品の熱放散や傾きに関する問題は発生しない。また、半田中のAu濃度が高くなると固相の生成などにより半田の濡れ広がり性が低下するため、Au表面であってもフラックスの助けを必要とすることが多いが、本発明ではAu濃度を低く抑制することができるのでフラックスの助けを借りることなく接合部に半田を浸透させることが可能になる。
【0013】
本発明において、金属底板1上に冷却用部品を半田接合するには、例えば、図2(イ)〜(ニ)に示すように、溝3を、冷却用部品の下面4の縦または横の長さより長く設けておいて、溝3の端部を冷却用部品の下面4からはみ出させ、はみ出した溝部5から溶融半田を冷却用部品下の溝部6に流入させ、さらに溶融半田を金属底板1と冷却用部品下面4との接合界面(非溝部)に浸透させて行う。
【0014】
本発明において、溝3は、単数溝でも複数溝でも良く、形状はスリット状、碁盤の目状など任意である。冷却用部品下面4に対する溝の面積比率は50%以上にするのが、溶融半田の流入がより迅速になされ望ましい。これらの溝3は、その両端が冷却用部品下面4からはみ出るように設けておくと、溝3内部に空気が溜まるようなことがなく、また溶融半田の流入がより迅速になされる。
【0015】
本発明において、溝3の深さ(図1ハ参照)は、10μm未満では溶融半田の粘性抵抗の増加などにより半田の流入力が低下する。溝3の深さが100μmを超えると毛管力が低下してやはり流入力が低下する。従って溝の深さは10〜100μmが望ましい。前記溝は、放電加工、機械加工、エッチング加工などの常法により容易に形成できる。
【0016】
【実施例】
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
(実施例1)
長さ30mm、幅13mm、厚み1.5mmのCu−W合金からなる金属底板1の上面に、長さ20mm、幅13mm、高さ6mm、厚み1mmのkovar(Fe−29wt%Ni−17wt%Co合金)製金属枠体8を接合し、金属枠体8の側壁には切り欠きを設けてアルミナ製の電気信号入出力端子7を接合し、金属枠体8の別の側壁には光信号出射用の窓枠9を接合してパッケージを組み立てた。前記接合は全てAgろう付けにより同時に行った。次に前記組み立て体にNiとAu(厚み2μm)をこの順にメッキしたのち、窓枠9の内部にガラス質のウィンドウ(図示せず)を低融点ガラスにより封着してパッケージを作製した。金属底板1上の冷却部品を半田接合する部分には、図2(イ)〜(ニ)に示したパターンの溝3を設けた。溝3の深さおよびペルチェ素子下面に対する溝の面積比率は種々に変化させた。次に、金属底板1上に下面寸法が8×10mmのペルチェ素子(冷却用部品)を置き、その脇のはみ出た溝部5にロジン系フラックスの入った線半田(Sn−Pb共晶半田)を配置し、ペルチェ素子の上には重りを載せて押圧した。この状態のパッケージをホットプレート上に配して220℃まで加熱して半田を溶融した。溶融半田はペルチェ素子下の溝部6に流入し、この溝部6から金属底板1とペルチェ素子との接合界面へ浸透した。このようにしてペルチェ素子が半田接合されたパッケージを作製した。
【0017】
実施例1で作製した各々のパッケージについて、接合界面の半田浸透率と半田接合部の半田の密着状態を超音波顕微鏡により調べた。またペルチェ素子の平行度を調べた。前記平行度はペルチェ素子下面周囲の金属底板との間隔を10箇所測定し、その最大値と最小値の差(最大間隔差)で示した。15μm以下を良好と判定した。比較のためペルチェ素子を従来法により半田接合したパッケージについても同様の調査を行った。結果を表1に示す。
【0018】
【表1】
【0019】
表1より明らかなように、本発明例のNo.1〜9は、いずれも半田浸透率が90%以上であり、半田の密着状態およびペルチェ素子の平行度も良好であった。これは溶融半田が、溝内に迅速に流入して金属底板と冷却用部品との接合界面へ均一に浸透したためである。
これに対し、比較例では、半田の密着不良箇所(半田非溶融部分)が40%もあり、平行度も低下した。これは金属底板のめっき層中のAuが半田箔に拡散して半田箔の融点が高くなり、半田箔に溶融しない部分が生じたためである。
【0020】
(実施例2)
実施例1で作製した本発明例品のパッケージを用いて図4に示した光半導体素子モジュールを組み立て実用に供した。これらモジュールは、いずれも、良好な光通信が安定してなされた。これはペルチェ素子が金属底板に設けられた溝により密着性良く且つ高い平行度で半田接合されたためである。
【0021】
【効果】
以上に述べたように、本発明のパッケージは、金属底板上の冷却用部品の半田接合部分に溶融半田を流入させるための溝が設けられているので、半田の量が溝に流入する分だけ多くなり、半田接合の際の昇温時に半田にAuが拡散してもその濃度は低いため、非溶融部分が生じることがなく、しかも金属底板と冷却用部品との接合界面には溶融半田が均一に浸透するので、半田箔の非溶融に係わる諸問題が解消される。従って、本発明のパッケージを用いて組み立てられるモジュールでは、光半導体素子(LD)の冷却と光軸合わせが良好になされ、優れた光通信が安定してなされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光半導体素子用パッケージの実施形態を示す(イ)斜視図、(ロ)平面透視説明図および(ハ)a−a断面図である。
【図2】(イ)〜(ニ)は本発明の光半導体素子用パッケージの金属底板に設ける溝形状を示す平面図である。
【図3】従来の光半導体素子用パッケージの斜視説明図である。
【図4】従来の光半導体素子モジュールの縦断面説明図である。
【符号の説明】
1 金属底板
2 光半導体素子冷却用部品(ペルチェ素子など)
3 溝
4 冷却用部品の下面
5 冷却用部品の下面からはみ出た溝部
6 冷却用部品下の溝部
7 電気信号入出力端子
8 金属枠体
9 窓枠
10 冷却用部品の冷却面
11 ベース
12 LDキャリア
13 PDキャリア
14 第1レンズ
15 光アイソレータ
16 LD
17 PD
18 リード
19 第2レンズ
20 光ファイバ
21 冷却用部品の発熱面
Claims (4)
- 光半導体素子冷却用部品がAuめっき中のAuが拡散可能な半田により半田接合されるAuめっきを施した金属底板、前記金属底板上に接合され電気信号入出力端子が取り付けられる金属枠体、前記金属枠体に接合され光半導体素子からの光を外部へ出射する窓枠を主要構成部材とする光半導体素子用パッケージにおいて、前記金属底板上の光半導体素子冷却用部品が半田接合される部分に溶融半田を流入させるための溝が設けられ、
前記溝の両端が、光半導体素子冷却用部品の下面からはみでるように光半導体素子冷却用部品下面の縦または横の長さより長く設けられており、前記溝の深さが5〜120μmで、光半導体素子冷却用部品下面に対する溝の面積比率が35〜65%であることを特徴とする光半導体素子用パッケージ。 - 前記溝の深さが10〜100μmであることを特徴とする請求項1に記載の光半導体素子用パッケージ。
- 光半導体素子用パッケージの金属底板と光半導体素子冷却用部品下面に対する接合界面の非溝部への溶融半田の浸透率が90%以上で、光半導体素子冷却用部品下面周囲の金属底板との間隔差の最大値を平行度としたときの平行度が10μm以下であることを特徴とする請求項2に記載の光半導体素子用パッケージ。
- 請求項1、2、3のいずれかに記載の光半導体素子用パッケージが用いられていることを特徴とする光半導体素子モジュール。
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