光半导体模块的制作方法

1.本公开涉及光半导体模块。
2.本技术主张基于2020年11月9日的日本技术第2020-186792号的优先权，并援引上述日本技术中记载的所有的记载内容。


背景技术：

3.日本公开特许特开2016-180779号公报中记载了作为箱型tosa模块的模块的光回路。模块在内部具备被称为副托板的薄板。在副托板上，通过对电介质材料进行金属镀敷或蒸镀而形成有配线图案。在副托板上搭载有激光二极管、光调制器、电阻以及电容器。模块还具有搭载副托板的托板，在托板的下方搭载有热电冷却元件(tec：thermo-electric cooler，热电冷却器)。托板及tec收容于模块的壳体。通过tec，在副托板上的元件上产生的热被吸收，该热从壳体的下部排热。模块具备从壳体外部向内部贯通的调制电信号供电用配线。调制电信号供电用配线和副托板经由线状金线或带状金线相互电连接。


技术实现要素：

4.本公开涉及的光半导体模块具备：温度控制用元件，具有温度控制面；第一基板，具有第一面和与第一面相反的第二面，并以第一面与温度控制面接触的方式载置于温度控制用元件上；半导体激光元件，载置于第二面上；第二基板，具有第三面和与第三面相反的第四面，并载置于第一基板的第二面上；及壳体，收容温度控制用元件、第一基板、第二基板以及半导体激光元件。第二基板在第四面具有配线。配线通过第一引线与壳体连接，并且通过第二引线与半导体激光元件连接。第二基板的热传导率比第一基板的热传导率小。
附图说明
5.图1是示意性表示实施方式的光半导体模块的内部结构的俯视图。
6.图2是示意性表示光半导体模块的半导体激光元件、第二基板以及引线的俯视图。
7.图3是示意性表示光半导体模块的温度控制用元件、第一基板、第二基板、半导体激光元件以及引线的侧视图。
8.图4是表示第一基板和第二基板之间的层结构的例子的侧视图。
9.图5是表示第一基板和第二基板之间的层结构的其他例子的侧视图。
10.图6是示意性表示比较例的光半导体模块的温度控制用元件、基板以及半导体激光元件的侧视图。
具体实施方式
11.参照附图对本公开的实施方式的光半导体模块的具体例进行说明。此外，本发明不限于这些例示，而是由请求保护的范围表示，意图包含与请求保护的范围等同的范围内的所有的变更。在附图的说明中，对相同或相当的要素标注相同的标号，并适当省略重复的
说明。为了容易理解，附图将一部分简化或夸张地描绘，尺寸比率等并不限定于附图所记载的内容。
12.图1是示意性地表示实施方式的光半导体模块1的内部结构的俯视图。光半导体模块1例如具备矩形状的壳体2、设置于壳体2的长度方向即方向d1的一端的多个外部端子3。多个外部端子3在壳体2的方向d1的一端沿着壳体2的宽度方向即方向d2排列。方向d2是与方向d1交叉的方向。多个外部端子3例如包括从外部接收高速电信号的端子、接收激光二极管的驱动电流的端子、接收tec的驱动电流的端子、用于检测激光二极管的温度的监视端子以及提供接地电位(基准电位)的端子等。经由多个外部端子3与外部交换的信号有高速信号和低速信号。低速信号包括dc信号。壳体2具有划分壳体2的内部空间s的内壁2b。在壳体2的方向d1上的与外部端子3相反的一侧的端部，设置有输出光l(光信号)的光输出部4。
13.光半导体模块1在壳体2的内部空间s例如具有传输线路5、作为dc用焊盘的焊盘6及作为温度控制用元件的tec(thermo electric cooler：热电冷却器)7。图2是将tec7的上部结构放大后的示意性的俯视图。图3是示意性地表示tec7的上部结构的侧视图。如图2及图3所示，光半导体模块1具备tec7、搭载于tec7的aln(aluminum nitride：氮化铝)基板即第一基板8、搭载于第一基板8的石英基板即第二基板9及半导体激光元件10。传输线路5及焊盘6形成在壳体2的内表面上。传输线路5及多个焊盘6通过贯通内壁2b的配线与多个外部端子3连接。连接传输线路5及多个焊盘6与多个外部端子3的(多个)配线例如通过金属镀敷或蒸镀形成。传输线路5包含与并行的接地配线5g隔开一定距离而沿一个方向延伸的信号配线5s。
14.第一基板8是具有比第二基板9的热传导率高的热传导率的高热传导基板。第二基板9是具有比第一基板8的热传导率低的热传导率的低热传导基板。第一基板8的厚度t1例如为600μm以下，第二基板9的厚度t2为50μm以上。在第一基板8是由aln形成的aln基板且第二基板9是由石英形成的石英基板的情况下，例如，aln基板8的厚度t1为250μm，石英基板9的厚度t2为150μm。例如，aln基板8的热传导率为170w/m
·
k(厚度为250μm的情况下的aln基板8的热阻为1.47
×
10
－6
[m2·
k/w])，石英基板9的热传导率为1.48w/m
·
k(厚度为150μm的情况下的石英基板9的热阻为1.01
×
10-4
[m2·
k/w])。aln基板8的热传导率比石英基板9的热传导率大100倍以上。作为一例，aln基板8的热阻为石英基板9的热阻的1/50以下。
[0015]
例如，aln基板8和石英基板9依次沿着作为高度方向的方向d3安装于tec7。方向d3是与方向d1及方向d2交叉的方向。壳体2在内部空间s内收容tec7、aln基板8、石英基板9以及半导体激光元件10。tec7具有散热面7a和温度控制面7b。tec7使散热面7a与壳体2接触而安装于壳体2。温度控制面7b在方向d3上位于与散热面7a相反的位置。例如，散热面7a和温度控制面7b是与方向d1及方向d2平行的平面。aln基板8与温度控制面7b接触而搭载在温度控制面7b上。aln基板8具有作为下表面的第一面8a和作为上表面的第二面8b。第一面8a与温度控制面7b面接触。第二面8b是与第一面8a相反的面。aln基板8在与tec7相反一侧具有第二面8b，在第二面8b上载置石英基板9及半导体激光元件10。石英基板9在第二面8b上与半导体激光元件10并列设置。半导体激光元件10例如是电场吸收型调制器集成激光器(eml：elecro-absorption modulator integrated laser)。例如，半导体激光元件10具备激光二极管10b和调制器10c。例如，在tec7流过规定的电流时，在温度控制面7b上进行吸热，所吸收的热量在散热面上被排出。此时，半导体激光元件10经由aln基板8被冷却。例如，
当在tec7向与上述规定的电流相反方向流过电流时，在散热面7a上进行吸热，所吸收的热量在温度控制面7b上被排出。此时，半导体激光元件10经由aln基板8被加热。通过减小aln基板的热阻，能够高效地进行tec7对半导体激光元件10的加热/冷却。
[0016]
石英基板9形成为例如包含共面波导。石英基板9具有作为下表面的第三面9a和作为上表面的第四面9b。第三面9a面向aln基板。第四面9b是与第三面9a相反的面。石英基板9在aln基板8的相反侧在第四面9b具有配线11。第四面9b例如是与方向d1及方向d2平行的平面。作为一例，石英基板9可以是透明的。配线11包括与并行的接地配线11c保持一定距离的同时沿一个方向延伸的高频配线11b。例如，接地配线11c包括搭载有管芯12、芯片13以及电阻14的第一接地配线部11d和第二接地配线部11f。从高频配线11b观察时，第二接地配线部11f位于第一接地配线部11d的相反侧。换言之，高频配线11b在方向d2上配置在第一接地配线部11d与第二接地配线部11f之间。此外，第一接地配线部11d和第二接地配线部11f在高频配线11b与光输出部之间相互连接。高频配线11b例如从外部端子3侧的石英基板的一端朝向光输出部侧的石英基板的另一端在石英基板9的长度方向d1的方向上延伸。高频配线11b与接地配线11c保持一定距离在方向d1的方向上延伸。这样，由与相邻的接地配线11c保持一定距离地在第四面9b上延伸的高频配线11b形成共面波导。石英基板9也可以形成微带线路来代替共面波导。关于微带线路，将在后面叙述。此外，接地配线11c也可以不是如高频配线11b那样沿一个方向延伸的配线，也可以是宽度较宽的配线图案。管芯12例如是管芯电容器。管芯电容器具有相互平行的平板状的电极。一个电极与石英基板9的第四面9b连接。另一个电极连接有引线w1。管芯电容器能够在2个电极之间蓄积电荷。
[0017]
引线w1、引线w2、引线w3以及引线w4分别从管芯12、第一接地配线部11d、高频配线11b以及第二接地配线部11f延伸出。例如，光半导体模块1还具备将管芯12和激光二极管10b相互连接的引线w5、将电阻14的一端和调制器10c相互连接的引线w6及将高频配线11b和调制器10c相互连接的引线w7。引线w1、w2、w3、w4、w5、w6、w7各自的直径例如为18μm、25μm或50μm。引线w1、w2、w3、w4、w5、w6以及w7各自的直径可以全部是相同的值，也可以是彼此不同的值。引线w1、w2、w3、w4、w5、w6以及w7也可以不是键合线，而是带状线。带状线例如不是键合线那样的圆形的截面，具有扁平的截面。例如，在带状线中，截面的横向宽度为截面的厚度的2倍以上。
[0018]
引线w2、引线w3以及引线w4相当于将配线11和壳体2相互连接的第一引线。例如，引线w2、引线w3以及引线w4与壳体2的传输线路5连接。引线w7相当于将配线11和半导体激光元件10相互连接的第二引线。例如，第一引线(引线w2、引线w3以及引线w4的每一个)在第四面9b上的连接点s1与半导体激光元件10的距离(最短距离)比第二引线(引线w7)在第四面9b上的连接点s2与半导体激光元件10的距离(最短距离)长。连接点s1设置于高频配线11b或接地配线11c。更详细而言，连接点s1设置于外部端子3侧的石英基板的一端的附近。连接点s2设置于高频配线11b。更详细而言，连接点s2设置于光输出部侧的石英基板的另一端的附近。例如，在方向d1上，连接点s1位于外部端子3与连接点s2之间。另外，在方向d1上，连接点s2位于连接点s1与光输出部之间。
[0019]
例如，aln基板8的第二面8b及石英基板9的第三面9a均被金属化。在金属化的第二面8b上搭载有半导体激光元件10。石英基板9例如具有露出半导体激光元件10的与aln基板8的相反的一侧的面10d的露出部(hollowed part)9d。石英基板9的形状例如从aln基板8及
石英基板9的层叠方向即方向d3观察时呈凹状。具体而言，露出部9d形成为石英基板9的光输出部4侧的1边的一部分向方向d1凹陷。露出部9d例如由与半导体激光元件10相对的侧面9f形成。侧面9f例如被金属化。由此，使石英基板9的接地配线11c与aln基板8的第二面8b的接地配线电连接，能够形成高频返回路径。例如，侧面9f包括沿着方向d1与半导体激光元件10相对的第一侧面9g、沿着方向d2与半导体激光元件10相对的一对第二侧面9h。例如，通过这样在高频配线11b的下层的第二面8b设置接地配线，能够对高频配线11b形成微带线路。例如，第一侧面9g是与方向d1垂直的平面。例如，第二侧面9h是与方向d2垂直的平面。从方向d3俯视时，半导体激光元件10的周围的4个方向中的3个方向被第一侧面9g以及一对第二侧面9h包围，4个方向中仅1个方向敞开(没有遮蔽物的状态)。即，从方向d3俯视时，半导体激光元件10以包含在石英基板9的露出部中的方式配置。半导体激光元件10在工作时向敞开的1个方向射出光束。
[0020]
图4是表示aln基板8及石英基板9的层结构的例子的图。如图4所示，例如，aln基板8也可以在第二面8b具有金属化部8c。石英基板9也可以在第三面9a具有金属化部9k。石英基板9可以通过粘接剂15固定于aln基板8。粘接剂15例如可以由金锡(ausn)构成。在该情况下，粘接剂15介于aln基板8的金属化部8c与石英基板9的金属化部9k之间。金属化部8c和金属化部9k例如通过金属镀敷或蒸镀形成。如上所述，通过经由金属化的侧面9f将金属化部8c与接地配线11c连接，能够对高频配线11b设置金属化部8c作为接地配线(接地层)。
[0021]
图5是表示aln基板8及石英基板9的层结构的其他例子的图。如图5所示，aln基板8及石英基板9的至少任一方可以不具有金属化部。石英基板9可以通过粘接剂16直接固定于aln基板8。例如，粘接剂16也可以由银(ag)膏或紫外线(uv)固化树脂构成。
[0022]
接着，对从本实施方式的光半导体模块1得到的作用效果进行说明。在光半导体模块1中，如图3例示的那样，tec7具有温度控制面7b，aln基板8以与温度控制面7b接触的方式载置于tec7上。石英基板9载置于aln基板8的与tec7相反的一侧的第二面8b上。在壳体2的内部空间s内，收容tec7、aln基板8、石英基板9以及半导体激光元件10。石英基板9的与aln基板8相反的一侧的第四面9b形成有配线11。tec7以温度控制面7b的相反侧的散热面7a与壳体2的内表面接触的方式载置。例如，tec7的散热面7a所接触的壳体2的内表面由金属材料等热传导性良好的材料形成。
[0023]
引线w2、引线w3以及引线w4分别将形成于石英基板9的第四面9b的配线11和壳体2相互连接。引线w7将配线11和半导体激光元件10相互连接。石英基板9的热传导率比aln基板8的热传导率小。即，石英基板9的热阻比aln基板8的热阻大。因此，经由引线w2、引线w3以及引线w4分别连接于壳体2的石英基板9的第四面9b与aln基板8的第二面8b之间的热阻比aln基板8的热阻大，所以能够增大aln基板8与壳体2之间的热阻。例如，从壳体2到aln基板8的热传导的路径通过引线w2、w3、w4，通过配线11，通过引线w6、w7，成为在方向d3上通过半导体激光元件10的路径。作为其他路径，有如下路径：通过引线w1，通过管芯12的上表面，通过引线w5，在方向d3上通过半导体激光元件10。其中，引线w1例如是1根键合线，与之相对，引线w2、w3、w4由5根键合线构成。因此，经由引线w1流出流入的热量比经由引线w2、w3、w4流出的热量小1/5以下。这样，半导体激光元件10与壳体2之间的热的流出流入主要经由引线w6、w7进行，因此能够抑制tec7对半导体激光元件10的加热/冷却的影响。
[0024]
图6表示比较例的光半导体模块101。光半导体模块101与图1所示的实施方式的光
半导体模块1相比，不具有石英基板9，在aln基板8的第二面8b上载置有半导体激光元件10、管芯12以及芯片13。在该情况下，由于从壳体2延伸的引线w2(w3、w4)经由aln基板8与tec7热连接，因此不能抑制热从壳体2经由热传导率大的aln基板8向tec7的温度控制面7b的流出流入。例如，在使tec7的温度控制面7b的温度比光半导体模块101的外部的温度低来冷却半导体激光元件10时，热经由引线w2(w3、w4)从壳体2流入，因此tec7为了排出这些热而需要额外的电力。另外，例如，在使tec7的温度控制面7b的温度比光半导体模块101的外部的温度高而对半导体激光元件10进行加热时，热经由引线w2(w3、w4)向壳体2流出，因此tec7为了供给这些热而需要额外的电力。这样，经由引线w2(w3、w4)的与壳体2之间的热的流出流入使tec7的消耗电力增大，使半导体激光元件10的温度控制的效率降低。
[0025]
与此相对，如图3所示，在从壳体2延伸的引线w2(w3、w4)经由石英基板9及aln基板8与tec7的温度控制面7b热连接的情况下，石英基板9的热传导率比aln基板8的热传导率小1/100以下，由此，与比较例相比，能够大幅抑制壳体2与tec7的温度控制面7b之间的热的流出流入。因此，能够抑制tec7的消耗电力的増加，并且能够高效地进行半导体激光元件10的温度控制。例如，在图6中，在由tec7的温度控制面7b对半导体激光元件10的发热进行吸热来冷却半导体激光元件10时，若壳体2与温度控制面7b之间的热阻小，则(壳体的温度比半导体激光元件的目标温度高时)为了对从壳体2流入的热进行吸热，需要在tec7中流过更多的电流。例如，在图3中，在由tec7的温度控制面7b对半导体激光元件10的发热进行吸热来冷却半导体激光元件10时，与图6相比，壳体2与温度控制面7b之间的热阻大。因此，从壳体2流入的热量大幅降低，能够减少tec7的温度控制所需的电流。由此，能够提高半导体激光元件10的温度控制的效率(电力效率)。
[0026]
如上所述，石英基板9在第二面8b上与半导体激光元件10并列设置。即，在aln基板8的与tec7相反的第二面8b上，并列设置有石英基板9和半导体激光元件10。因此，由于半导体激光元件10载置于热传导率比石英基板9大100倍以上的aln基板8的第二面8b上，因此能够更高效地进行tec7经由aln基板8的半导体激光元件10的温度控制(冷却及加热)。
[0027]
石英基板9可以经由粘接剂15或粘接剂16固定于aln基板8。在该情况下，可以经由粘接剂15或粘接剂16将热传导率比aln基板8小的石英基板9固定于aln基板8。
[0028]
引线w2、引线w3以及引线w4的每一个在第四面9b上的连接点s1与半导体激光元件10的距离比引线w7在第四面9b上的连接点s2与半导体激光元件10的距离长。因此，通过使与壳体2连接的引线w2、引线w3以及引线w4各自的连接点s1与半导体激光元件10的距离比引线w7的连接点s2与半导体激光元件10的距离长，能够进一步增大壳体2与温度控制面7b之间的热阻。而且，能够更可靠地抑制壳体2与tec7的温度控制面7b之间的热的流出流入。
[0029]
aln基板8的厚度t1可以为600μm以下，石英基板9的厚度t2可以为50μm以上。在该情况下，通过使aln基板8的厚度t1为600μm以下，能够进一步减少aln基板8对沿着方向d3的热传导的热阻，能够更高效地进行经由aln基板8的tec7对半导体激光元件10的温度控制。通过使石英基板9的厚度t2为50μm以上，能够进一步增大石英基板9对沿着方向d3的热传导的热阻，能够抑制热经由石英基板9相对于壳体2的流出流入。因此，能够更高效地进行半导体激光元件10的温度控制。例如，通过使aln基板8的厚度t1为600μm以下，使石英基板9的厚度t2为50μm以上，能够可靠地使壳体2与半导体激光元件10之间的热阻比半导体激光元件10与温度控制面7b之间的热阻大。由此，例如能够降低从壳体2流入温度控制面7b的、由半
导体激光元件10的发热产生的热量以外的热量。
[0030]
以上，对本公开涉及的光半导体模块的实施方式进行了说明。但是，本发明不限于上述实施方式。即，本领域技术人员容易认识到本发明能够在请求保护的范围所记载的主旨的范围内进行各种变形和变更。例如，在上述的实施方式中，对在配线11上搭载管芯12、芯片13以及电阻14的例子进行了说明。但是，在配线11上载置的元件的种类及数量不限于上述的例子，可以适当变更。
[0031]
在上述的实施方式中，对半导体激光元件10为eml的例子进行了说明。但是，半导体激光元件也可以是eml以外的半导体激光元件。在上述的实施方式中，对第一基板8为aln基板、在第一基板8上载置的第二基板9为石英基板的例子进行了说明。但是，第一基板的材料也可以是aln以外的材料。例如，第一基板也可以是由金属材料形成的金属板。例如，第一基板可以是铜板。铜的热传导率约为400w/m
·
k，比aln的热传导率大。第一基板也可以是由氮化硅(si3n4)形成的基板(氮化硅基板)。氮化硅的热传导率例如为85w/m
·
k。第二基板也可以由氧化铝、环氧玻璃或聚酰亚胺构成。例如，氧化铝的热传导率为32w/m
·
k，比aln的热传导率小1/5以下。例如，环氧玻璃的热传导率为0.5w/m
·
k左右，比氧化铝的热传导率更小。例如，在聚酰亚胺的情况下，可以选择具有比环氧玻璃的热传导率小的热传导率的材料。例如，在第一基板使用氮化硅基板、第二基板使用氧化铝的情况下，第一基板的热传导率为第二基板的热传导率的约2.6倍。即，第一基板及第二基板也可以是aln基板或石英基板以外的基板，第一基板及第二基板的材料没有特别限定。

技术特征：
1.一种光半导体模块，其中，具备：温度控制用元件，具有温度控制面；第一基板，具有第一面和与所述第一面相反的第二面，并以所述第一面与所述温度控制面接触的方式载置于所述温度控制用元件上；半导体激光元件，载置于所述第二面上；第二基板，具有第三面和与所述第三面相反的第四面，并载置于所述第一基板的所述第二面上；及壳体，收容所述温度控制用元件、所述第一基板、所述第二基板以及所述半导体激光元件，所述第二基板在所述第四面具有配线，所述配线通过第一引线与所述壳体连接，并且通过第二引线与所述半导体激光元件连接，所述第二基板的热传导率比所述第一基板的热传导率小。2.根据权利要求1所述的光半导体模块，其中，所述第二基板在所述第一基板的所述第二面上与所述半导体激光元件并列设置。3.根据权利要求2所述的光半导体模块，其中，所述第二基板具有露出部，在从垂直于所述第四面的方向俯视时，所述半导体激光元件配置在所述露出部中。4.根据权利要求1所述的光半导体模块，其中，所述第二基板通过粘接剂固定于所述第一基板。5.根据权利要求1所述的光半导体模块，其中，所述第一引线在所述第二面上的连接点与所述半导体激光元件之间的最短距离比所述第二引线在所述第二面上的连接点与所述半导体激光元件之间的最短距离长。6.根据权利要求1所述的光半导体模块，其中，所述第一基板的厚度为600μm以下，所述第二基板的厚度为50μm以上。

技术总结
本发明提供一种光半导体模块。一个实施方式的光半导体模块具备：温度控制用元件，具有温度控制面；第一基板，具有第一面和与第一面相反的第二面，并以第一面与温度控制面接触的方式载置于温度控制用元件上；半导体激光元件，载置于第二面上；第二基板，具有第三面和与第三面相反的第四面，并载置于第一基板的第二面上；及壳体，收容温度控制用元件、第一基板、第二基板以及半导体激光元件。第二基板在第四面具有配线。配线通过第一引线与壳体连接，并且通过第二引线与半导体激光元件连接。第二基板的热传导率比第一基板的热传导率小。板的热传导率比第一基板的热传导率小。板的热传导率比第一基板的热传导率小。


技术研发人员：板桥直树
受保护的技术使用者：住友电气工业株式会社
技术研发日：2021.11.04
技术公布日：2022/5/25