專利名稱：光半導(dǎo)體模塊及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光通信的大功率光半導(dǎo)體激光模塊及其制造方法。本發(fā)明尤其涉及一種帶熱輻射等的光纖放大器用的大功率光半導(dǎo)體激光模塊及其制造方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于光半導(dǎo)體模塊，尤其對(duì)于光纖放大器中使用的光半導(dǎo)體激光模塊，使用一種封殼來密封地裝盛驅(qū)動(dòng)器IC、諸如激光二極管(LD)的光半導(dǎo)體等。
通常，圖5所示的封殼1包括框架2，該框架由Fe-Ni-Co合金(商品名柯伐合金(covar))等制造，并與由Fe-Ni-Co合金、Fe-Ni合金(商品名42合金)、或CuW等的金屬基復(fù)合物制造的底板3連接。尤其，CuW用作封殼1的因大功率消耗而需要熱輻射的底板3的材料。
作為封殼1側(cè)壁一部分的框架2具有陶瓷饋入裝置4。由柯伐合金制造的引線框(未示出)形成在陶瓷饋入裝置4上。另一種類型的封殼具有這樣一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中，框架2由陶瓷絕緣體制成，且與陶瓷饋入裝置4集成在一起。在封殼1的框架2中設(shè)置一個(gè)通光孔(未示出)，該通光孔允許光線貫穿封殼內(nèi)外之間。
諸如框架2、底板3和陶瓷饋入裝置4的部件得以組裝并通過銀釬焊或焊接接合在一起。組裝好的封殼1鍍金，這樣易于在組裝進(jìn)半導(dǎo)體模塊的步驟中和在用封蓋形成密閉密封的步驟中進(jìn)行焊接，且用于防止封殼腐蝕。正方形環(huán)5設(shè)置在封殼1的框架2的上端面上，其由柯伐合金制造，用于封蓋的焊接或錫焊。
在將光半導(dǎo)體器件安裝到封殼1的過程中，諸如珀?duì)柼?Peltier)元件的電子冷卻元件6安裝在底板3上，且其上提前安裝有光半導(dǎo)體器件等的電路板與該電子冷卻元件連接。如圖4所示，電子冷卻元件具有這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，n型熱電元件6a(例如，BiTeSe)和p型熱電元件6b(例如，BiTeSb)交替布置成矩陣，成對(duì)的毗鄰熱電元件6a和6b通過設(shè)置在陶瓷基底7a或7b上的金屬焊墊8而在其頂面上或在其底面上相連。
電子冷卻元件6的輸出電極8a連接至Cu引線9，且封殼的光半導(dǎo)體器件和饋入裝置通過Au線相連。于是，在將封蓋(未示出)安裝到正方形環(huán)5上并密封后，光纖和封殼1的通光孔對(duì)準(zhǔn)，并通過諸如YAG激光焊接在一起。于是，光半導(dǎo)體模塊得以完成。
在光半導(dǎo)體模塊中，為了防止諸如激光二極管(LD)的光半導(dǎo)體器件中光輸出的下降，或者為了維持光導(dǎo)器件中的隔熱狀態(tài)，光半導(dǎo)體器件的溫度借助諸如珀?duì)柼碾娮永鋮s元件來控制。電子冷卻元件的吸熱量幾乎正比于電子冷卻元件和封殼底板之間的接合面積。
通常，封殼1的框架2具有陶瓷饋入裝置的內(nèi)和外突出部分，如圖5所示。因此，為了將電子冷卻元件6安裝在底板3上，電子冷卻元件6垂直地經(jīng)過框架2兩側(cè)的陶瓷饋入裝置4的內(nèi)部突出部分4a之間的空間，且它們的接合通過氫氣氣氛中的焊接來進(jìn)行。
因此，僅能安裝可在陶瓷饋入裝置4的內(nèi)部突出部分4a之間穿過的電子冷卻元件，導(dǎo)致電子冷卻元件6的陶瓷電路板7b的將連接到底板3上的面積的限制。于是，傳統(tǒng)封殼1的電子冷卻元件6和底板之間的接合面積僅為底板面積的約70％。此外，即使電子冷卻元件6以傾斜的方式插入陶瓷饋入裝置4的內(nèi)部突出部分4a之間，也不可能安裝具有超過底板面積75％的接合面積的電子冷卻元件6。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光半導(dǎo)體模塊，并提供其制造方法，其中，通過增加電子冷卻元件和封殼底板之間的接合面積與封殼底板面積的比率來獲得大吸熱量的電子冷卻元件。
為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明的光半導(dǎo)體模塊的特征在于被分割成兩個(gè)或多個(gè)單元的電子冷卻元件得以接合到封殼的底板上，該封殼的框架具有陶瓷饋入裝置；以及，光半導(dǎo)體器件安裝在電子冷卻元件的這些單元上。
在本發(fā)明的光半導(dǎo)體模塊中，其中有電子冷卻元件的兩個(gè)或多個(gè)單元與封殼的底板優(yōu)選地相接觸的總接合面積占據(jù)了底板面積的75％或更多。電子冷卻元件的多個(gè)單元優(yōu)選地通過一個(gè)或多個(gè)銅片成串地連接起來。
本發(fā)明光半導(dǎo)體模塊的制造方法的特征在于電子冷卻元件由多個(gè)電子冷卻單元構(gòu)成，且多個(gè)電子冷卻單元粘接在封殼底板的內(nèi)表面上，該封殼的框架具有陶瓷饋入裝置；以及，光半導(dǎo)體器件安裝在這些電子冷卻單元上。
優(yōu)選的是，該多個(gè)電子冷卻單元通過銅片連接成串?？梢圆捎孟嗤暮噶蟻硗瑫r(shí)進(jìn)行多個(gè)電子冷卻單元和封殼底板之間的接合、以及多個(gè)電子冷卻單元和銅片之間的接合。


圖1是示出本發(fā)明電子冷卻元件的兩個(gè)單元的局部切割示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的封殼的示意性剖視圖，其中，粘接了兩個(gè)電子冷卻單元；圖3是示出本發(fā)明封殼的示意性剖視圖，其中，圖2所示的電子冷卻單元具有安裝在其上的光半導(dǎo)體器件；圖4是傳統(tǒng)電子冷卻元件的局部剖開示意圖；以及圖5是其中粘貼有傳統(tǒng)電子冷卻元件的封殼的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在傳統(tǒng)封殼中，僅安裝一個(gè)電子冷卻元件。相反，本發(fā)明的封殼設(shè)置有電子冷卻元件的多個(gè)單元。假設(shè)將一個(gè)電子冷卻元件放入具有給定大小的封殼中，本發(fā)明電子冷卻元件的每個(gè)分割單元的尺寸自然小于等同的傳統(tǒng)電子冷卻元件。因此，電子冷卻元件的每個(gè)單元可經(jīng)過自框架兩個(gè)側(cè)面突出的陶瓷饋入裝置的內(nèi)部突出部分之間的空間而放入，并可插入內(nèi)部突出部分下方的空間，以安裝在底板上。此外，本發(fā)明電子冷卻元件的分割單元的總底面積(底部陶瓷基板的面積)大于傳統(tǒng)電子冷卻元件的底面積。
電子冷卻元件的多個(gè)單元可粘接在封殼底板的大部分上，也就是說，不僅粘接在底板中心部分上，還粘接在底板的位于封殼的陶瓷饋入部分內(nèi)部突出部分下方的其它部分上。因此，封殼底板和電子冷卻元件的多個(gè)單元之間的接合面積占據(jù)了本發(fā)明封殼底板面積的75％或更多。相反，在傳統(tǒng)封殼的情形下，電子冷卻元件和封殼底板之間的接合面積約為底板面積的70％。根據(jù)本發(fā)明，如果電子冷卻元件的這些單元在其數(shù)量和尺寸上得以適當(dāng)調(diào)整，則接合面積可以增加到底板面積的約90％。電子冷卻單元安裝在封殼上的數(shù)量?jī)?yōu)選地為2到4。
電子冷卻元件的每個(gè)單元可以具有連接到兩個(gè)輸出電極的兩條引線。然而，通過用銅片將電子冷卻元件的這些單元串聯(lián)，可以將總引線數(shù)量減少到二條。此時(shí)，銅片的使用使得引線電阻可減少，且使得一個(gè)電流系統(tǒng)可控制多個(gè)電子冷卻單元。
通常，電子冷卻元件通過氫氣爐等的氫氣氣氛中的焊接來粘接到封殼底板上。因此，如果這種通過銅片形成的連接利用電子冷卻單元到底板上的連接中所用的相同焊料來同時(shí)進(jìn)行，則電子冷卻單元的串聯(lián)工效可大為提高。
制造一個(gè)圖2所示的封殼11。用作側(cè)壁的框架12通過切割柯伐合金來制造，且底板13由CuW金屬基復(fù)合物制造。兩側(cè)上的陶瓷饋入裝置14由多層陶瓷片制造，在其上進(jìn)行金屬化，由柯伐合金制造的引線框(未示出)連接到陶瓷饋入裝置的表面上。粘接由柯伐合金制造的導(dǎo)管到框架12上，該導(dǎo)管作為封殼11中的通光孔(未示出)，且粘接玻璃窗口材料以密閉的密封。由柯伐合金制造的正方形環(huán)安裝在框架主體12的上表面上。它們通過熔點(diǎn)為620℃或更高的銀焊料接合，且在整個(gè)表面上鍍金。
制備兩個(gè)電子冷卻元件16來安裝到封殼11上。如圖1所示，n型熱電元件(BiTiSe)16a和p型熱電元件(BiTeSb)16b交替布置成矩陣。利用Pb60Sn40焊料(熔點(diǎn)238℃)，通過形成在AlN制成的陶瓷基板17a和17b上的銅或其它材料的焊墊18，相鄰熱電元件的上表面和下表面分別得以串聯(lián)。在每個(gè)電子冷卻元件16的陶瓷基板17a的上表面和陶瓷基板17b的下表面上形成金屬化層AgPd。此外，在其上表面上設(shè)置一層BiSn焊料(熔點(diǎn)160℃)，光半導(dǎo)體器件將通過它得以接合；然而，在底板13將接合于其上的其下表面上，設(shè)置一層Pb37Sn63焊料(熔點(diǎn)183℃)。
在電子冷卻元件的下基板17b上形成兩個(gè)焊墊18a和18b，且鍍有NiSn的Cu引線通過Pb90Sn10焊料(熔點(diǎn)299℃)連接到焊墊18a上。
兩個(gè)電子冷卻元件16中的一個(gè)通過封殼11的陶瓷饋入裝置14的內(nèi)部突出部分14a之間的空間插入到內(nèi)部突出部分中的一個(gè)下方的空間內(nèi)，并放置在其下的底板13上。然后，另一個(gè)電子冷卻元件通過內(nèi)部突出部分14a之間的空間以相同的方式插入到另一個(gè)內(nèi)部突出部分下方的空間內(nèi)，并放置在其下的底板13上。兩個(gè)電子冷卻元件16在底板13的中心布置得挨在一起。
放置在底板13上的兩個(gè)電子冷卻元件由碳夾固定。如圖1所示，銅片20放置在形成在焊墊18b上的Pn37Sn63(熔點(diǎn)183℃)焊料層上，該焊墊設(shè)置在電子冷卻元件的下陶瓷基板17b上。在如上所述的狀態(tài)下，整個(gè)封殼11放置在220℃的連續(xù)氫氣爐中，且兩個(gè)電子冷卻元件16固定在封殼11的底板13上，并同時(shí)通過銅片串聯(lián)在一起。
于是，獲得了封殼11，該封殼的底板13連接在兩個(gè)電子冷卻元件16上，如圖2所示。其后，如圖3所示，在氮?dú)鈿夥罩?，將電路?1用BiSn焊料接合在兩個(gè)電子冷卻元件16的上表面(圖1中的兩個(gè)陶瓷基板17a)上，在該電路板上事先安裝諸如激光二極管元件等的光半導(dǎo)體器件23，該焊料已經(jīng)提前設(shè)置好。電路板21提前在其底部設(shè)置有下載體22，以調(diào)整引線鍵合的高度位置。最后，在用Au引線連線并將封蓋24接合到正方形環(huán)15上以密封之后，將光纖對(duì)準(zhǔn)封殼11的通光孔，并用YAG激光焊接。于是，完成了光半導(dǎo)體模塊。
在如此獲得的光半導(dǎo)體模塊中，光半導(dǎo)體器件23跨在兩個(gè)電子冷卻單元16上安裝，該電子冷卻單元在底板13中心布置成挨在一起。此外，兩個(gè)電子元件16不僅接合在底板13的中心部分上，還接合在底板的位于封殼中內(nèi)部突出部分14a下方的其它部位上。因此，兩個(gè)電子冷卻元件16和底板13之間的總接合面積等于封殼11中底板面積的約90％。
工業(yè)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明，封殼中底板和電子冷卻元件之間的接合面積與底板面積之比可增加。因此，即使封殼底板面積的面積相同時(shí)，也可制備具有大吸熱量電子冷卻元件的光半導(dǎo)體模塊。
權(quán)利要求
1.一種光半導(dǎo)體模塊，包括一封殼，它的框架具有陶瓷饋入裝置；連接到所述封殼底板上的兩個(gè)或多個(gè)電子冷卻元件單元；以及安裝在所述兩個(gè)或多個(gè)電子冷卻元件單元上的光半導(dǎo)體器件。
2.如權(quán)利要求1所述的光半導(dǎo)體模塊，其中，所述兩個(gè)或多個(gè)電子冷卻元件單元與所述封殼底板之間的接合面積占底板面積的75％或更多。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光半導(dǎo)體模塊，其中，所述兩個(gè)或多個(gè)電子冷卻元件單元通過一個(gè)或多個(gè)銅片而串聯(lián)。
4.一種光半導(dǎo)體模塊的制造方法，包括步驟將兩個(gè)或多個(gè)電子冷卻元件單元固定在其框架具有陶瓷饋入裝置的封殼的底板上；以及將光半導(dǎo)體器件安裝在所述兩個(gè)或多個(gè)電子冷卻元件單元上。
5.如權(quán)利要求4所述的光半導(dǎo)體模塊的制造方法，其中，所述兩個(gè)或多個(gè)電子冷卻元件單元通過一個(gè)或多個(gè)銅片而串聯(lián)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的光半導(dǎo)體模塊的制造方法，其中，所述固定兩個(gè)或多個(gè)電子冷卻元件單元到封殼底板上的步驟、以及通過一個(gè)或多個(gè)銅片來連接所述兩個(gè)或多個(gè)電子冷卻元件單元的步驟利用相同的焊料同時(shí)進(jìn)行。
全文摘要
一種光半導(dǎo)體模塊，其中電子冷卻元件和底板之間的接合面積與封殼底板面積之比增加，于是即使在封殼底板面積相同時(shí)，也可以增加電子冷卻元件的吸熱率。封殼(11)包括安裝在其上的多個(gè)分開的電子冷卻元件(16)。分開的電子冷卻元件(16)插入陶瓷接線端(14)的伸入到封殼(11)內(nèi)部的內(nèi)部突出部分(14a)和底板(13)之間，并固定在底板上；電子冷卻元件(16)通過銅片(20)串聯(lián)。多個(gè)分開的電子冷卻元件(16)與底板(13)之間的總接合面積不小于封殼(11)的底板(13)的面積的75％。
文檔編號(hào)H01L23/38GK1465122SQ02802460
公開日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月24日
發(fā)明者田遠(yuǎn)伸好, 高木大輔, 仁科真哉 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社