用于容放光半导体器件的密封封装容器和光半导体模块 发明领域
本发明涉及到用于容放光半导体器件和其它相关的器件(下文一概称为光半导体器件)的密封封装容器。特别是指用于容放电子器件(像光学器件、带有半导体IC的光学纤维放大装置和激发光源)的密封封装容器，而这些器件的电极的载流容量至少是传统器件的两倍。本发明还涉及还与封装结合的光半导体模块有关。
背景技术
如图6所示是一种典型的例子，它是传统的用于容放光半导体器件的密封封装容器。这个容器有以下几个部分组成：(a)铜钨合金的金属基板1，在其顶部地中间部位是用于容放光半导体器件的位置，(b)铜焊于金属基板1上的铁镍钴系合金的边框件2，这个边框所围成的区域是用于容放光半导体器件的位置，(c)边框件的前边框有一个可靠的固定光纤的装置，(d)与边框件结合的陶瓷端子件3，陶瓷端子件设置有经过金属化处理的导电条，并在其上连接有铁镍钴合金的外部引线4，和(e)密封圈5铜焊于陶瓷端子件3的顶面和边框件2的顶面所形成的平表面上，以构成用于密封封装容器的金属框。
光半导体模块组件通常作为一个单独的元件，利用以上所述的容器进行如下处理：(a)电子器件如光半导体器件和热电冷却器件安装于在金属基板上用于安装这些器件的区域。(b)这些器件的电极通过连接导线与金属化导电条连接，而金属化导电条又与外部引线连接。(c)采用钇铝石榴石(YAG)激光束焊接的方法，使光纤与位于边框件前的光纤固定环固接。(d)密封盖位于密封圈的顶面用于密封地封装所述容器。
陶瓷端子件是由至少2层预成型的陶瓷薄片烧制而成。容器内外的电气连接是通过在预成型的陶瓷表面上事先印制金属化导电条来提供的。金属化导电条是由高熔点的金属(如钨、钼或锰)制成。
本容器必须具有以下两个基本特征：(a)必须有效地把在光信号转变为电信号时或者电信号转变为光信号时所产生的热耗散掉。(b)必须有特殊的结构，使热变形不能引起光纤与光电半导体器件之间的光轴错位。业已公知，为了有效的耗散热量，在光电半导体器件之下直接安装有一个热电冷却器，并且要用高导热材料作为部件制成容器。
像这样的密封封装容器和与密封封装容器结合的光半导体模块曾经公开于例如公开于日本专利申请特开平11-145317的发明专利。在这个申请中已公开的封装，采用了如下的结构以抑制产生热变形：(a)一块金属基板与一个边框件结合在一起构成容器的主体，在边框件的前边框上提供了一个可靠的固定光纤的装置。(b)切掉边框件上部的一部分，以提供容放陶瓷端子件的空间，陶瓷端子件是由至少两层陶瓷薄片组成，并且还提供金属化导电条。(c)陶瓷端子件在空间中这样放置，使得其纵向的一端与前边框的内表面相接触，而其相对的另一端是暴露的，以与后边框的外面的表面产生表面齐平(surface flush)的效果。(d)一个金属密封圈放置于陶瓷端子件的顶面和边框件顶面形成的平面上。
如上所述，到现在为止一个容放光半导体器件的密封封装容器的散热要依靠设计来解决，例如选择构成的材料。传统的容器采用陶瓷端子件并带有较大电阻的金属化导电条。可以忽略较大的电阻引起的问题，因为电流的电阻所产生的热量较小，然而，目前的技术发展已经为光纤放大器和激发光源增加了激光二极管(LD)的输出。结果，一个用于冷却激光二极管的热电冷却器的工作电流要比传统的冷却器大两倍。在传统的冷却器中，电流最大只有2安培，产生的热量是可以忽略的。但是，至少增加了两倍的电流所产生的热量是不能忽略的。更具体地说，增加的电流不但增加了电能消耗，而且提高了温度并使金属化导电条延长，这是不能忽略的问题。温度的提高而引起金属化导电条的电阻增加，而电阻增加会产生许多问题，像引起加大热电冷却器的操作控制的难度，降低导电条的可靠性，及由于热转换而降低激光二极管的光输出。
形成在陶瓷材料本体上的导电条的电阻，是可以通过采用比钨和其它高熔点的金属较高导电性的材料来降低。然而，这种方法会增大陶瓷材料和导电条热膨胀系数的差，造成在陶瓷上产生裂纹的问题。降低电阻还可以采用增加导电条厚度的方法。但是，这种方法当陶瓷预成型烧结时，在陶瓷材料上会产生缝隙，妨碍了完全的密封。降低电阻还可以采用增加每个导电条宽度的方法，导电条一部分位于陶瓷材料的表面上，而另一部分位于陶瓷材料本体中。但是，由于像导电条相邻之间的绝缘不好的问题和减少导电条的数量问题的存在，使充分增大导电条的宽度很困难。
发明概述
为了解决如上所述问题，本发明的目的是提供用于容放光半导体器件的密封封装容器，它具有以下特点：(a)减少了设置于陶瓷端子件上的金属化导电条的电阻。(b)减少了导电条上产生的热量。(c)导电条允许的电流量比传统的容器允许的电流量要大，同时仍能维持低的耗电量。(d)维持容器内的器件稳定地输出。本发明的另一个目的是提供与密封封装容器结合的光半导体模块。
本发明的密封封装容器由如下部件组成：
(a)一具有用于安装光半导体器件的区域的基板；
(b)一连接于基板上的边框件，使边框件包围用于安装光半导体器件的区域；
(c)结合于边框件中的一个陶瓷端子件，使得陶瓷端子件的顶面和边框件的顶面构成一平面；
(d)一第一布线层，
(d1)其包括多个导电条；和
(d2)其穿过陶瓷端子件；
(e)一第二布线层(以下称为第二布线层)，
(e1)其包括至少一个导电条；
(e2)其在陶瓷端子件的外部与第一布线层连接；和
(e3)其向上延伸；
(f)另一第二布线层(以下称为另一第二布线层)，
(f1)其包括至少一导电条；
(f2)其在陶瓷端子件的内部与第一布线层连接；和
(f3)其向上延伸；
(g)至少一第三导电层，
(g1)其包括至少一导电条；
(g2)其连接第二布线层和另一第二布线层；和
(g3)其通过与第一布线层的绝缘的通路穿过陶瓷端子件；以及
(g4)当使用多于一个的第三布线层时，其与其它的第三布线层绝缘；
(h)牢固地夹持光纤的装置，此装置设置于边框件上；
(i)密封圈，放置于由陶瓷端子件的顶面和边框件的顶面所形成的平面上；
(j)密封盖，放置于密封圈的顶面；
(k)多个外部引线，与第一布线层的导电条在容器外部连接。
在一个本发明的实例中，所述多个外部引线包括至少一个外部引线(下文称之为外部引线AA)，其厚度比第一布线层与第三布线层或者最上第三布线层之间的距离要大。这个外部引线AA或者各个外部引线AA与在第一布线层的导电条连接，第一布线层的导电条与第二布线层的导电条连接。这个外部引线AA或者各个外部引线AA与第三布线层或者每个第三布线层连接。
在另一个实施例中，所述多个外部引线包括至少一个外部引线(下文称之为外部引线BB)，其具有字母L的形状。这个外部引线BB或者各个外部引线BB与在第一布线层的导电条连接，第一布线层的导电条与第二布线层的导电条连接。外部引线BB或者各个外部引线BB的短弯曲部分的长度比在第一布线层与第三布线层或者最上第三布线层之间的距离要大，并且与第三布线层或者每个第三布线层连接。
在另一个实施例中，提供了在容器的内部带有至少一个具有字母L形状的金属零件。这个金属零件或者各个金属零件的弯曲部分与第一布线层的导电条连接，这个第一布线层的导电条与其它第二层的导电条连接。金属零件或者各个金属零件的剩余直线部分的长度比在第一布线层与第三布线层或者最上第三布线层之间的距离要长，并且与第三布线层或者每个第三布线层布线层连接。
如上所述的具有字母L形状的外部引线和金属零件是由无氧铜，散布有氧化铝的铜基体，或者铜夹在铁镍钴合金之间的夹层材料制成。
本发明的光半导体模块包含有所述的用于容放光半导体器件密封封装容器。
附图的简要说明
附图如下：
图1所示为传统的陶瓷端子件的展开图；
图2所示本发明实例的陶瓷端子件的展开图；
图3所示本发明实例的陶瓷端子件和外部引线透视图；
图4所示本发明另一个实例的陶瓷端子件和外部引线透视图；
图5所示本发明一个实例的陶瓷端子件的外部与内部透视图；和
图6所示传统的用于容放光半导体器件密封封装容器的视图。
具体实施方式的详细描述
图1表示了导电条的型式和传统的密封陶瓷端子件的构造。如图1所示，多个导电条3d在第一陶瓷层3b上。导电条3d是使容器内外电气相通的连接导线。
图2表示了本发明实例的陶瓷端子件的构造。与传统的容器一样，导电条3d(第一布线层)在第一陶瓷层上。导电条3d(第一布线层)与位于第二陶瓷层外面的导电条3e连接(第二布线层)。导电条3e(第二布线层)再与位于第二陶瓷层的顶面的导电条3f(第三布线层)连接。然后，导电条3f(第三布线层)与位于第二陶瓷层内面上的其它导电条3e连接(另一第二布线层)。其它的导电条3e(另一第二布线层)再与导电条3d(第一布线层)连接。在图2中，在两个第二布线层和第三布线层的导电条数量与第一布线层的导电条数量一致。然而，两个第二布线层和第三布线层不需要与第一层一样的导电条数量。在各自的层中它们需要至少一个导电条，导电条数量要根据容器所容放器件的电流额定值确定。
虽然图2表示了第三布线层包含有一个单独的布线层，这个第三布线层可以有多个布线层用陶瓷层使其互相绝缘。这个结构提供了至少一个第三布线层通过两个第二布线层，并平行地与第一布线层连接。换句话说，容器内外的电气连接是通过多个导线电路平行连接提供的。结果，总导线电阻比传统方法的阻值减少了。(如上所述，传统方法独自的电气连接是通过位于第一陶瓷层上的单独导线电路提供的)。降低导线电阻能够抑制由于如上所述的电流增加所产生的热量。
当电流增加时，甚至两个第二布线层的电阻也会引起问题。为了减少容器外面的第二布线层的电阻，希望外部引线4要达到一定的厚度，使其能接触到第三布线层，如图3所示，让外部引线4与第三布线层连接。当第三布线层含有多个布线层时，就需要外部引线4要有一定的厚度，使其能接触到最上面的第三布线层，同时与各个第三布线层连接。在图3中，所有的导线电路都穿过陶瓷端子件，在陶瓷端子件的第三布线层上有导电条，因此所有的外部引线4都增加了厚度。然而如上所述，在第三布线层上导电条的导线电路的数量，在容器中不是固定不变的，因此，增加了厚度的外部引线的数量与在第三布线层的导电条的数量相一致。
如图4所示，外部引线4可以具有字母L的形状以使外部引线的短边部分能接触到最上第三布线层，并使每一第三布线层相连。与图3类似，图4中的所有的导线电路在第三布线层都有导电条，及所有的外部引线4均有字母L的形状。然而，如上所解释的具有字母L形状外部引线的数量与第三布线层的导电条的数量相一致。
为了减少位于容器内面的其它的第二导线层的电阻，如图5所示，需要在封装内面装有字母L形状的金属零件6。在这种情况下，每个金属零件的弯曲部分与第一布线层相连，另一个金属零件直边的长度能接触到最上第三布线层，同时与每一第三布线层相连。在图5中，所有的导线电路在第三布线层上均有导电条和具有字母L形状的金属零件6。然而，如上所解释的具有字母L形状金属零件的数量与第三布线层的导电条的数量相一致。
本发明的密封封装容器有几个由高导热和热膨胀系数差别小的材料制成的部件，如下面所举本发明的具体实例。
具有安装光半导体器件的区域的基板所用的材料是例如铜钨合金或者铜钼合金。用于包围所述安装光半导体器件的区域的边框件的材料是例如铁镍钴系合金。
陶瓷端子件是由象氮化铝或氧化铝的陶瓷制成。布线层的导电条制成方法是将高熔点的材料，如钨、钼和锰的金属粉与有机溶剂混和获得的膏印刷于陶瓷片上。此印刷是采用丝网印刷的方法。第二布线层上的导电条也可以用以下方法制成：(a)在陶瓷片上设置有特定的通孔。(b)如上所述的混有高熔点金属的膏填入通孔中。(c)陶瓷片在通孔的中心切开。这样就制成了所需要的陶瓷层。随后，经过叠层和加压形成一体化本体。这个设置有由高熔点金属制成的导电条的一体化本体经烧成和烧结来完成陶瓷端子件的制造。
由铁镍钴合金制成的密封圈5容放于陶瓷端子件3的顶面和带有前边框的边框件2的顶面所构成的平面上(见图6)。密封盖放置于密封圈5之上。具有字母L形状的金属零件6容放于陶瓷端子件的内部。外部引线4增加了厚度和具有字母L形状。构件的组成中除了密封盖都是采用了银铜焊接的方法进行组装，并完成对安装光电半导体器件的密封封装容器的制造。L形状的金属零件和外部引线最好是由无氧铜、散布有氧化铝的铜、或者在铁镍钴合金之间夹铜的夹层材料制成。
光电半导体模块是由以下步骤完成：(a)至少有一个光电半导体器件容放在按照如上所述方法制成的密封封装容器中。(b)一个光纤与该器件连接。(c)密封盖放置于密封圈上以气密地封装该容器。
通过如上所述的方法，可制成不同的结构的各种密封封装容器。陶瓷端子件上的导电条的电阻在容器的内外之间测量。在图1中表示的传统结构的导电条电阻是10.7mΩ。导电条是采用钨膏形成的。烧成之后，导电条宽1.5mm，厚10μm。
本发明的一个具体例子(例1)是一个导线电路含有两个第二布线层和一个第三布线层组成的一个平行连接的电路，如图2所示。这个导线电路的电阻是6.8mΩ。这个导电条是采用钨膏形成的。导电条宽为1.5mm，厚为10μm。形成有第二布线层的第二陶瓷层的厚度为0.5mm。
在另一个例子中(例2)，如图3所示，采用了例1中制备具有一个第三布线层的样品，并且一个由无氧铜制成的外部引线4用银铜焊连接在一起。此外部引线的宽1.5mm，厚1mm。在这种情况下，其电阻被减少到5.3mΩ。
还有一个实例(例3)，如图4所示，设置三个第三布线层，它们之间的间隔是0.5mm，并且由无氧铜制成的L形状的外部引线4连接，其它的条件与例1相同。此外部引线的宽1.5mm，厚300μm。在这种情况下，电阻减少到3.2mΩ，是传统结构阻值的1/3。
还有另外一个实例(例4)，如图5所示，一个由无氧铜制成的L形状的金属零件6与在例3中制备的所述的容器的内部相连接。金属零件的宽1.5mm，厚300μm。在这种情况下，电阻减少到2.1mΩ，是传统结构阻值的1/5。
在例1到例4中，第三布线层由单层和三层组成。但是，第三布线层的数量可以由所考虑的目标阻值和组装工时决定。
L形状的外部引线和金属零件在弯曲前，采用半蚀刻的方法，在弯曲的部位蚀刻上导线。如上所述，外部引线是由无氧铜制成的。但是，当一个由无氧铜制成的外部引线被银铜焊于导电条上时，此外部引线由于铜中晶体颗粒的生长，根据条件的不同，其强度也被不同程度地降低。如果不能排除这种可能性，那么最好不用无氧铜，而是采用散布氧化铝的铜或者在铁镍钴合金之间夹有铜的夹层材料。考虑到这种可能性，制备了包含用这种替代材料制成的外部引线的样件进行电阻测试。测试结果证明，替代材料所显示的电阻与无氧铜的材料的电阻具有可比性。比如，当采用氧化铝分散的铜制备与例2中制备的样件类似的样件时，其电阻是5.4mΩ，此值与例2中所得到的阻值5.3mΩ相近。
一个光电半导体模块是由以下几个步骤完成：(a)至少一个光电半导体器件容放于由上述方法制成的所述密封封装容器中。(b)一根光纤与该器件连接。(c)密封盖放置于密封圈上以气密封装该容器。