CN100358151C - 光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是由将陶瓷基板层叠而形成的凹形外壳(13)、设置在该外壳(13)的内部底面的沟槽(19)、设置在该沟槽(19)的内部的光半导体元件(20)、覆盖外壳(13)的开口部分而设置的盖体(12)、以及在该盖体(12)上形成的透镜(11)所构成的光器件，通过在盖体(12)上形成透镜(11)，能够提供廉价的光器件，能够实现光器件的小型化，并能降低高度。

Description

光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及光通信用的光器件及其制造方法。
背景技术
图7A及图7B所示为以往光通信用的光器件的例子。
图7A及图7B所示的受光元件组件或发光元件组件由金属制帽盖1、与金属制帽盖1封接的透镜2、安装芯片用的金属底座3、从金属底座3的主表面引出到背面用的外部引出电极4、将外部引出电极4与金属底座3进行气密封接用的低熔点玻璃5、LED或PD等发光元件或受光元件6、以及将元件6的电极与外部引出电极4进行电气连接用的金属丝7而构成。
作为金属制帽盖1及金属底座3，是采用为了防止氧化而对表面进行了Ni-Au等镀层处理的Fe-Ni-Co等合金。该金属制帽盖1与金属底座3进行电阻焊，形成气密封接的结构。气密封接的内部用氮气进行置换，或形成真空状态，以防止发光元件或受光元件6的时效恶化。
但是，在上述以往的结构中，为了将外部引出电极4与金属底座3进行气密封接，必须进行孔加工，使外部引出电极4穿过底座3。这存在的问题是，除了由于该孔加工工序是多余的但又是必须的而增加成本外，还由于要埋入低熔点玻璃5，所以金属底座3的制造成本也增加。
另外，为了使发光元件或受光元件6的电极与外部引出电极4进行电气连接，而使用金属丝7，但还存在的问题是，由于金属丝7的电感及寄生电容，因此难以适应传送信号的高频化及高速化的要求。
发明内容
本发明的光器件是具有将陶瓷基板层叠而形成的凹形外壳(package)、设置在该外壳内的底面的沟槽、设置在该沟槽内的受光元件或发光元件、覆盖所述外壳的开口部分而设置的盖体、以及在盖体上形成的透镜的光器件。通过在盖体上形成透镜，能够提供廉价的光器件，同时利用将陶瓷基板层叠的外壳，能够实现小型化，并能降低高度。
本发明的光器件的制造方法是控制固定基板的厚度来调整球透镜与发光元件或受光元件之间的距离的制造方法，由于能够利用固定基板的厚度来调整高度方向的位置一致，因此可力图降低成本。
附图说明
图1A所示为本发明实施形态1的光器件的立体图。
图1B所示为本发明实施形态1的光器件的分解立体图。
图1C所示为本发明实施形态1的外壳的剖面图。
图2A～2E所示为本发明的光器件所用的透镜的剖面图。
图3A及图3B所示为实施形态1的其它光器件的剖面图。
图4A及图4B所述为实施形态1的其它光器件的剖面图。
图5A所示为本发明实施形态2的光器件的剖面图。
图5B为本发明实施形态2的光器件的一个例子的分解立体图。
图5C为本发明实施形态2的光器件所用的外壳的剖面图。
图5D所示为本发明实施形态2的光器件的剖面图。
图6A所示为采用本发明的光器件的光耦合模块的立体图。
图6B所示为采用本发明的光器件的光耦合模块的剖面图。
图7A所示为以往的光器件的立体图。
图7B所示为以往的光器件的剖面图。
具体实施方式
下面用附图说明本发明实施形态的光器件。
实施形态1
图1A及图1B为本发明实施形态1的光器件的说明图，图1C为本发明实施形态1的外壳的说明图。实施形态1的光器件具有透镜11、形成透镜11的盖体12、将陶瓷基板131层叠而成的凹形外壳13、设置在外壳13的外表面上的外部电极14、粘结在外壳13与盖体12之间密封圈15、在陶瓷基板131的各层表面上形成的配线16、将各层表面上形成的配线16相互之间连接的通孔电极17、引线18、沟槽19及受光元件或发光元件(以下称为光半导体元件)20。对于透镜11将用图2进行详细说明。
在将形成了通孔电极17及配线16的陶瓷基板131层叠而成的凹形外壳13的内部底面，设置至少两级的沟槽19。在该沟槽19中安装光半导体元件20。用引线18连接该光半导体元件20的电极(未图示)与配线16。在外壳13与盖体12接触的一侧的表面上形成密封圈15，通过密封圈15，密封盖体12与外壳13。由于采用密封圈15，将由外壳13与盖体12包围的内部进行气密封接。这里，在外壳13的外侧的侧面或背面设置与外部连接用的外部电极14。这里，所谓通孔电极17，是对陶瓷基板131上设置的通孔填入导电性材料而形成的层间连接电极，包含仅贯穿单层陶瓷基板131的层间连接电极及连续贯穿多个陶瓷基板131的层间连接电极。
在图1C中，所示的是将4层陶瓷基板131层叠而形成凹形外壳13的例子，在外壳13内部层叠有电极及配线。与陶瓷基板131一起层叠的各层配线16利用贯穿陶瓷基板131而设置的通孔电极17连接连接。另外，最好在陶瓷基板131含有氮化铝或氮化硅那样的传热性好的材料的情况下，由于光半导体元件20产生的热量能够散热，因此能够减少特性恶化程度。
外壳13例如将生片层叠而形成。由于通过设置配线16及通孔电极17等并进行连接，能够从外壳13的内部形成的配线16引出到外壳13的外侧面或背面的外部电极14，因此也能够适合于表面安装。另外，在将陶瓷基板131层叠而形成的外壳13为矩形时，通过使激光的偏振波方向与外壳13的规定方向匹配进行安装，就能够根据外壳13的外形来确认偏振波方向。其结果，容易与光纤(未图示)等进行连接。
若使密封圈15与盖体12的线膨胀系数之差为9×10-7K-1以下，则由于能够减小热应力，因此能够提高可靠性。另外，通过使外壳13与密封圈15的线膨胀系数差为9×10-7K-1以下，能够减小热应力，提高可靠性。
在根据本实施形态的光器件中，如上所述，能够在陶瓷基板131上形成外部电极14、配线16及通孔电极17等，能够使外壳13小型化。在透镜11上设置光线或光波导那样的光通道，使光信号进行传输。
光半导体元件20装在沟槽19中。在这种情况下，将沟槽19的形状形成为与安装的光半导体元件20的外形形状近似相同的形状。通过这样，能够使光半导体元件20嵌入沟槽19中，光半导体元件20容易定位，能够提高操作性。
如图1C所示，也可以对沟槽19设置两级及两级以上的台阶。通过这样，能够适合两种及两种以上的光半导体元件20的形状。即，能够通用作为外壳13的构件，通过这样力图降低成本。
通过调整，使得透镜11的光轴与受光元件的受光面或发光元件的发光面垂直，容易与配置在透镜11上的光纤(未图示)对准位置，而且能够提高耦合效率。在作为光半导体元件20是采用LED等发光元件时，最好考虑到发光元件的发射角与焦点位置来设计透镜11。另外，作为发光元件有LED、LD、VCSEL(Vertical Carity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)等，特别是在采用VCSEL那样的面发光半导体激光器时，能够实现小型化，并降低高度。
在作为光半导体元件20是采用PD等受光元件时，最好考虑到入射至受光面的入射光量来设计透镜11。在PD的情况下，透镜11不一定必须有聚焦功能，也有的情况下即使是平板窗也没有问题。即，本实施形态的透镜11也包含平板透镜。另外，为了减少界面上的反射，最好在透镜11的主表面镀防反射膜等。
通过将外壳13的内部气密封接，能够得到高可靠性。另外，在将外壳13的内部气密封接时，通过用氮气充满外壳13的内部，能够得到更高的可靠性。
作为将盖体12与外壳13进行焊接而气密封接的方法，可以利用滚焊的方法及粘结剂的方法等。在利用滚焊时，必须在透镜11的周边部分的平坦部分利用蒸镀等设置电极。另外，在利用环氧树脂等粘结剂时，不需要密封圈15。
图2A～2E所示为本发明的光器件能够使用的各种透镜11的剖面图。图2A及2B表示折射型透镜，图2C表示衍射型透镜，图2D表示二进制透镜，图2E表示将衍射型透镜与折射型透镜组合的透镜。
即，作为透镜可以使用衍射型透镜、折射型透镜、它们的复合透镜、或在正反面分别形成这些类型的透镜等。特别是通过使用二进制透镜及衍射型透镜等，能够实现元件的小型化，并能降低高度。
透镜11材料可以采用玻璃或树脂。特别是若重视折射率的温度特性及可靠性等，则作为透镜11的材料最好是玻璃，但着重视降低成本，则最好是树脂。
图3A及3B所示为本发明的其它光器件的剖面图。图3A的光器件是在盖体12的表面形成衍射型透镜的衍射图形的例子，衍射图形构成在外壳13的外侧。另外，图3B的光器件是在盖体12的背面形成衍射图形，衍射图形构成在外壳13的内侧。图3B的光器件与图3A的光器件比较，由于能够防止因空气中的灰尘附着在衍射图形上而导致透镜污染，因此更为理想。图3B所示例子的光器件的结构在利用衍射型透镜情况下的其它实施形态中，也显示同样的效果。
密封圈15的材料考虑到焊接性，通常是采用Fe-Ni-Co的合金。另外，密封圈15在与外壳13的盖体12接触的表面用银等进行钎焊。在盖体12采用玻璃时，最好线膨胀系数尽可能与密封圈15接近。例如，在密封圈15采用Fe-Ni-Co的合金时，盖体12最好采用硼硅酸盐玻璃等。另外，可以采用热膨胀系数与Fe-Ni-Co合金一致的科伐玻璃等市售品。
图4A及4B所示为本实施形态1的其它光器件的剖面图。如图4A所示，在盖体12与外壳13接触的部分，在盖体12上设置台阶121，通过这样可以将盖体12嵌入外壳13。或者如图4B所述，在盖体12与外壳13接触的部分，在外壳13上设置台阶133，这样可以将盖体12嵌入外壳13。通过设置台阶121及133，光半导体元件20与盖体12上形成的透镜11容易对准位置，而且提高气密封接的效果。另外，这些台阶121及133也可以是两级及两级以上的多级台阶。在图4A及4B的例子中，所示的是仅在盖体12或外壳13的一方设置台阶的例子，但也可以在盖体12及外壳13的双方设置台阶。另外，也可以设置两级及两级以上的盖体12或外壳13的台阶。
在加工玻璃或树脂而形成衍射型透镜时，有利用干蚀刻法进行蚀刻的方法、利用切削进行加工的方法、以及进行压制成形的方法等。
在形成有透镜11的盖体12采用玻璃时，通过采用至少含有SiO2及B2O3、至少含有Na2O或K2O的某一种材料的玻璃，能够力图降低成本，同时由于能够减小线膨胀系数差，因此能够提高可靠性。
另外，若采用至少含有SiO2、B2O3及氟的氟冕玻璃或含有P2O5及氟的氟磷酸玻璃(fluorophosphate glass)等，则由于能够降低软化温度，因此能够降低作业温度，能够降低成本。
实施形态2
下面用图5A～5D说明本发明的实施形态2。以下对于本实施形态的光器件，结合制造工序进行详细说明。
如图5A～5C所示，在将具有通孔电极17及配线16的陶瓷基板131层叠而构成的凹形外壳13的内部底面至少设置两级沟槽19。在沟槽19中安装受光元件或发光元件(以下称为光半导体元件)20时，调整沟槽19的深度，使得外壳13的内部底面与光半导体元件20的上表面处于近似相同的高度。至少在下表面具有配线的固定基板21与外壳13之间夹住光半导体元件20，将光半导体元件20的电极与各层陶瓷基板131上形成的电极或配线16通过固定基板21上设置的配线进行连接。然后，在外壳13的上表面形成密封圈15，将形成有透镜11的盖体12与外壳13通过密封圈15进行气密封接。另外，在外壳13的外侧的侧面或背面，设置与外部连接用的外部电极14。另外，在固定基板21上，预先设置比受光元件的受光部或发光元件的发光部的尺寸大，而且比光半导体元件20的整个外形小的窗口。在光半导体元件20是发光元件时，从该窗口向外部发射光，而在光半导体元件20是受光元件时，光通过该窗口到达受光元件。
具有这样结构的实施形态2的光器件，由于将光半导体元件20夹在固定基板21与外壳13之间进行固定，能够扩大光半导体元件20与固定基板21B至外壳13的接触面积，因此提高散热效果。另外，由于能够减少配线长度的差异，同时能够减少导体电阻值，因此高频特性稳定而且得到提高。
另外，也可以如图5D所示，在固定基板21上设置球透镜22。在有球透镜22的情况下，由于通过控制固定基板21的厚度，能够容易调整发光元件或受光元件20与球透镜22的间隔，因此能够力图降低成本。
图6A及6B为采用本发明的光器件的光耦合模块的说明图。光耦合模块由光器件101及102、驱动光器件101及102用的驱动IC和前置放大器和主放大器等LSI103、构成电路的片状电阻器和层叠陶瓷电容器等分立元器件104、安装它们用的安装基板105、外部引出用的电极106、光半导体元件107、以及透镜108构成。另外，图6A及6B所示的是透镜108与盖体一体化的例子。
由以上结构组成的采用本发明的光器件的光耦合模块，能够利用本发明的廉价光器件，同时能够实现小型化，并降低高度。例如根据本实施形态，光器件的占有面积能够减少达到80％左右，实现小型化，光器件的高度能够降低达到70％左右，实现低高度。再有，根据本发明的光耦合模块，由于将光器件的电极引出到陶瓷基板的外表面，因此能够对光器件进行表面安装，能够进一步降低高度。
如上所述，本发明是由将陶瓷基板层叠而形成的凹形外壳、设置在该外壳内的底面上的沟槽、设置在该沟槽内的光半导体元件、覆盖所述外壳的开口而设置的盖体、以及形成在该盖体上的透镜构成的光器件。通过在盖体上形成透镜，能够提供廉价的光器件，同时通过采用将陶瓷基板层叠而成的外壳，能够实现小型化，并能降低高度。

Claims (18)

1.一种光器件，其特征在于，具有
将陶瓷基板层叠而形成的凹形外壳、
形成在所述外壳的底面上的沟槽、
收容于所述沟槽中的光半导体元件、
覆盖所述外壳的开口部的盖体、以及
在所述盖体上形成的透镜。
2.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，还具有收容于所述外壳中的固定基板，所述固定基板将所述光半导体元件固定在所述沟槽内。
3.如权利要求2所述的光器件，其特征在于，所述固定基板具有窗口，所述窗口的形状尺寸小于所述光半导体元件的外形尺寸，而且大于所述光半导体元件的受光部或发光部的尺寸。
4.如权利要求2所述的光器件，其特征在于，
还具有
设置在所述外壳的底面上的电极、
所述光半导体元件的电极、以及
所述固定基板的配线，
所述固定基板的配线将所述光半导体元件的电极与设置在所述外壳内的底面上的电极进行连接。
5.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，还具有
夹在层叠的所述陶瓷基板之间的层间配线、
贯穿所述陶瓷基板并将所述层间配线相互之间加以连接的通孔电极、以及
设置在所述外壳的外侧的侧面和底面中的至少一个面上的外部电极，
所述外部电极与所述层间配线连接。
6.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述沟槽具有两级或两级以上的台阶。
7.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述沟槽的形状是大于所述光半导体元件的形状的相似形状。
8.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述光半导体元件的受光面或发光面相对于所述透镜的光轴垂直配置。
9.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述透镜是衍射型透镜。
10.如权利要求9所述的光器件，其特征在于，在与所述光半导体元件相对的面上形成所述衍射型透镜的衍射图形。
11.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，再在所述外壳的与所述盖体接触的面上设置台阶，所述台阶部嵌入所述盖体。
12.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，再在所述盖体的侧面设置台阶，所述台阶部嵌入所述外壳的开口部。
13.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述外壳与所述透镜的线膨胀系数之差为9×10-7K-1以下。
14.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述透镜由至少含有SiO2及B2O3、而且至少含有Na2O和K2O中的任一种材料的玻璃材料制成。
15.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述透镜由至少含有SiO2、B2O3及氟的氟冕玻璃制成。
16.如权利要求1所述的光器件。其特征在于，所述透镜由含有P2O5、氟的氟磷酸玻璃制成。
17.如权利要求3所述的光器件，其特征在于，还具有固定在所述固定基板的窗口的球透镜，可以根据所希望的光路来改变所述固定基板的厚度。
18.一种光器件的制造方法，其特征在于，
所述光器件具有
将多个陶瓷基板层叠而形成的凹形外壳、
形成于所述外壳的底面上的沟槽、
收容于所述沟槽中的光半导体元件、
覆盖所述外壳的开口部的盖体、
形成在所述盖体上的透镜、
收容于所述外壳中，并具有窗口的固定基板、以及
固定在所述固定基板的窗口上的球透镜；
所述方法具有调整所述球透镜与所述光半导体元件的距离的工序，所述调整工序是控制所述固定基板的厚度的工序。
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