CN107658691B - 光半导体装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种光半导体装置，能提高光半导体装置的特性。光半导体装置(1)的基座(10)具有底部(11)、从底部的外周端部立设的侧壁部(12)以及从侧壁部(12)的上端朝向外侧延伸的凸缘部(13)，在侧壁部(12)形成有插入口(12a)。在基座上固定有从插入口插入到基座内的配线基板(50)的前端部(51)。基座(10)的底部(11)具有基板固定部(14)和载具固定部(15)。在载具固定部(15)固定有次载具(21)，在次载具(21)的上表面安装有发光元件(22)。发光元件(22)通过焊丝(31、32)与形成于前端部(51)的焊盘连接。发光元件的上表面与配线基板的前端部的上表面位于同一平面上。

Description

光半导体装置
技术领域
本发明涉及光半导体装置。
背景技术
以往，使用于光通信等的光半导体装置具备圆板状的金属制管座(stem)，在该管座上安装有发光元件。在管座上固定有引线管脚，该引线管脚贯通管座，对发光元件提供信号(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4279134号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在将如上述的光半导体装置使用于高速通信的情况下，有时光半导体装置的特性影响通信。例如，在对光半导体装置提供信号的传送路的特性阻抗偏离规定值(例如50Ω)的情况下，根据该偏离，有信号的反射、损失增大的危险。因此，要求光半导体装置的特性提高。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的一观点是搭载有光学元件的光半导体装置。光半导体装置具备基座、配线基板以及次载具。所述基座包括底部、从所述底部的外周端立设的侧壁部、以及从所述侧壁部的上端朝向外侧延伸的凸缘部。在所述侧壁部形成有插入口。所述配线基板包括前端部，所述前端部从所述插入口插入到所述基座内，并且固定于所述基座。所述次载具包括安装所述光学元件的上表面。所述基座的所述底部包括固定所述次载具的第一固定部、和位于比所述第一固定部高的位置且固定所述前端部的第二固定部。在所述配线基板的所述前端部的上表面形成有与所述光学元件连接的焊盘。所述前端部的所述焊盘的上表面和所述光学元件的电极的上表面位于同一平面上。
发明效果
根据本发明的一观点，能提高光半导体装置的特性。
附图说明
图1A是光半导体装置的俯视图。
图1B是图1A的光半导体装置的侧视图。
图2A是图1A的光半导体装置的局部放大俯视图。
图2B是图1A的光半导体装置的局部放大剖视图。
图3A是从上方观看图1A的光半导体装置的基座的立体图。
图3B是从下方观看图3A所示的基座的立体图。
图4A是表示图1A的光半导体装置的配线基板的正面的俯视图。
图4B是表示图4A所示的配线基板的背面的俯视图。
图5A及5B是表示图1A的光半导体装置的特性的坐标图。
图6是表示比较例的光半导体装置的立体图。
附图标记说明
10基座；11底部；12侧壁部；13凸缘部；14基板固定部(第二固定部)；15载具固定部(第一固定部)；21次载具；22发光元件；22a上表面；40窗玻璃；50配线基板；51前端部；51a上表面；52、53焊盘。
具体实施方式
以下说明一实施方式。
此外，附图为了易于理解，有时将构成要素放大表示。构成要素的尺寸比率有时与实际的尺寸比率、或者其它附图中的尺寸比率不同。另外，在一部分附图中，有时将在其它附图中表示的附图标记省略。
此外，在本说明书中，所谓“俯视”是指从竖直方向(在图1B中为上下方向)观看对象物，所谓“平面形状”是指从竖直方向观看到的对象物的形状。
如图1A及1B所示，光半导体装置1包括基座10、固定于基座10的上部的窗玻璃40、以及连接到基座10的配线基板50。此外，在图1A中，窗玻璃40用双点划线表示。
如图2A所示，在基座10上固定有配线基板50的前端部51。另外，在基座10的内部固定有次载具(sub-mount)21。次载具21形成为长方体状。作为次载具21的材料，能使用具有高导热性的材料、例如铜(Cu)。
在次载具21的上表面21a安装有发光元件22。作为发光元件22，能使用例如垂直腔面发射激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等半导体激光器。发光元件22以使其发光面朝向上侧的方式安装于次载具21。并且，发光元件22利用具有导电性的连接材料(省略图示)连接到次载具21。作为连接材料，例如能使用焊锡、导电性软膏、导电性树脂等。此外，作为发光元件22，也可以使用激光二极管(LD：laser Diode)。
另外，在次载具21的上表面21a安装有受光元件23。作为受光元件23，能使用例如光电二极管(PD：Photo Diode)。受光元件23以使其受光面朝向上侧的方式安装于次载具21。受光元件23例如与发光元件22同样，利用具有导电性的连接材料(省略图示)连接到次载具21。
受光元件23是为了监视发光元件22而设置的。从发光元件22射出的光透射过图1B所示的窗玻璃40。此时，从发光元件22射出的光的一部分由窗玻璃40反射并入射到受光元件23。这样，从发光元件22射出的光由受光元件23监视。
发光元件22通过焊丝31、32连接到配线基板50的焊盘52、53。受光元件23通过焊丝33、34连接到配线基板50的焊盘54、55。
接着，对光半导体装置1的基座10进行详述。
如图3A及3B所示，基座10包括底部11、侧壁部12、凸缘部13。
底部11的平面形状为大致圆形。侧壁部12从底部11的外周端立设。侧壁部12在俯视时形成为在周向的一部分具有开口部的大致圆形、例如C字状。如图2A所示，侧壁部12的开口部作为用于将配线基板50的前端部51插入到基座10内的插入口12a发挥作用。
如图3A及3B所示，凸缘部13从侧壁部12的上端朝向基座10的外侧延伸。凸缘部13与侧壁部12同样，形成为在俯视时在周向的一部分具有开口部的大致圆形、例如C字状。在凸缘部13的上表面13a安装有图1B所示的窗玻璃40。窗玻璃40利用例如环氧系的粘接剂固定于凸缘部13的上表面13a。
如图1B所示，在基座10上，凸缘部13相对于底部11以规定的角度倾斜。即，基座10以底部11和凸缘部13形成的角度成为规定值(例如17度)的方式形成。
如图3A及3B所示，底部11包括基板固定部(第二固定部)14和载具固定部(第一固定部)15。基板固定部14在基座10内形成于与侧壁部12的插入口12a相同侧。基板固定部14在俯视时为大致半圆状，在基座10的中央部具有矩形的凹部。在本例中，基板固定部14在俯视时形成为包括第一部分和一对第二部分的例如U字状，第一部分从插入口12a露出，一对第二部分从该第一部分的两端沿着侧壁部12在周向上延伸。
载具固定部15在基座10内形成于与侧壁部12的插入口12a相反侧。载具固定部15在俯视时为大致半圆状，具有与基板固定部14的矩形的凹部对应的矩形的延伸部。在本例中，载具固定部15在俯视时形成为包括第一部分和第二部分(矩形的延伸部)的例如T字状，第一部分在插入口12a的相反侧沿着侧壁部12在周向上延伸，第二部分从该第一部分的中央朝向插入口12a延伸。
基座10以基板固定部14的上表面14a具有与载具固定部15的上表面15a不同的高度的方式形成。在本例中，如图3A所示，基板固定部14的上表面14a位于比载具固定部15的上表面15a高的位置。因此，利用基板固定部14和载具固定部15，如图3B所示，在底部11的背面形成有凸部16。
作为基座10的材料，能使用散热性优良的材料。另外，作为基座10的材料，优选加工性良好的材料。基座10例如通过冲压装置利用拉深加工形成。作为这样的材料，例如能使用以铜(Cu)、Cu为主成分的合金等。此外，作为基座10的材料，例如也可以使用以铁-镍(Fe-Ni)或者Fe-Ni为基体的合金。
如图2A所示，配线基板50的前端部51利用未图示的连接材料连接到基座10的基板固定部14的上表面14a。作为连接材料，例如能使用焊锡、或者由导电性树脂构成的粘接剂等。如图2B所示，次载具21利用未图示的连接材料连接到载具固定部15的上表面15a。作为连接材料，例如能使用焊锡、或者由导热性良好的树脂构成的粘接剂等。
如图2A所示，在配线基板50的前端部51形成有切口部62，切口部62从该前端部51朝向基端部61(参照图1A)延伸。切口部62在配线基板50的前端部51形成一对端子部63、64。端子部63、64相互并行地延伸。端子部63、64以夹着次载具21的方式相互分开。在端子部63的上表面形成有焊盘52、54，在端子部64的上表面形成有焊盘53、55。焊盘52、53通过焊丝31、32连接到发光元件22。作为焊丝31、32的材料能使用金(Au)、Cu、铝(A1)等。焊盘54、55通过焊丝33、34连接到受光元件23。作为焊丝33、34的材料能使用金(Au)、Cu、铝(A1)等。
如图2B所示，粘接于基座10上的配线基板50的前端部51的上表面51a与发光元件22的上表面22a位于同一平面上。即，前端部51的上表面51a和发光元件22的上表面22a设定为相同的高度。换言之，以前端部51的上表面51a和发光元件22的上表面22a成为相同的高度的方式设定基座10的底部11(基板固定部14、载具固定部15)及次载具21的厚度、它们的形状。
通过这样配置前端部51和发光元件22，从而能缩短连接前端部51和发光元件22的焊丝31、32(参照图2A)的长度。与此相对，在前端部51的上表面51a的高度和发光元件22的上表面22a的高度相互不同的情况下，焊丝31、32的长度增长该高度差的量。
如图2A所示，连接到发光元件22的焊盘52、53形成于与次载具21邻接的一侧的端子部63、64的端部。即，连接到发光元件22的焊盘52、53配置于与安装有该发光元件22的次载具21邻接的位置。通过这样配置的焊盘52、53，能缩短将发光元件22和焊盘52、53相互连接的焊丝31、32的长度。
如图4A及4B所示，配线基板50是例如柔性基板。如图4A所示，配线基板50具有基材71。基材71以基端部61(在图4A中为左端部)的宽度(在图4A中为上下方向的长度)比前端部51(在图4A中为右端部)的宽度宽的方式在大致中央部拓宽。作为基材71的材料，例如能使用柔性的膜状基板，该膜状基板使用聚酰亚胺树脂、聚脂树脂等树脂、或者液晶聚合物等。
在基材71的上表面形成有第一配线层。在本实施方式中，第一配线层包括焊盘52～54、基端部61的连接端子81a～86a、以及配线图案91a～94a。配线图案91a连接焊盘52和连接端子83a。同样，配线图案92a、93a、94a分别连接焊盘53、54、55和连接端子84a、81a、86a。作为焊盘52～55、连接端子81a～86a、配线图案91a～94a的材料、即第一配线层的材料能使用铜(Cu)或者铜合金。
另外，在基材71的上表面形成有保护层72a，保护层72a包覆基材71的上表面且使第一配线层的一部分露出。在本实施方式中，保护层72a使焊盘52～55和连接端子81a～86a露出，并包覆配线图案91a～94a。作为保护层72a的材料，例如能使用感光性的环氧系绝缘树脂、丙烯酸系绝缘树脂等。
在从保护层72a露出的第一配线层的表面、即焊盘52～54和连接端子81a～86a的表面形成有镀层。镀层例如是镍(Ni)层/金(Au)层(将Ni层作为底层、在Ni层上层叠有Au层的金属层)。此外，作为镀层，也能使用Au层、或者Ni层/钯(Pd)层/Au层等。作为这些Au层、Ni层、Pd层，例如能使用利用非电解镀法形成的非电解镀金属层。另外，Au层是由Au或者Au合金构成的金属层，Ni层是由Ni或者Ni合金构成的金属层，Pd层是由Pd或者Pd合金构成的金属层。
如图4B所示，在基材71的下表面形成有第二配线层。在本实施方式中，第二配线层包括基端部61的连接端子81b～86b和配线图案91b。配线图案91b形成为覆盖基材71的下表面的大致整体的平坦状。配线图案91b与连接端子82b、85b连接。作为连接端子81a～86b、配线图案91b的材料、即第二配线层的材料能使用铜(Cu)或者铜合金。
此外，在本实施方式中，连接端子81b～86b与图4A所示的连接端子81a～86a连接。例如，连接端子81b利用在贯通基材71的贯通孔的内周面所形成的贯通配线(贯通电极)与连接端子81a连接。同样，连接端子82b～86b与连接端子82a～86a连接。
另外，在基材71的下表面形成有保护层72b，保护层72b包覆基材71的下表面，且使第二配线层的一部分露出。在本实施方式中，保护层72b使连接端子81b～86b露出，并且在前端部51使配线图案91b露出。作为保护层72b的材料，例如能使用感光性的环氧系绝缘树脂、丙烯酸系绝缘树脂等。此外，从保护层72b露出的配线图案91b的部分构成将配线基板50连接到基座10的基板固定部14(参照图3A)的连接部。
在从保护层72b露出的第二配线层的表面、即连接端子81a～86a的表面和前端部51的配线图案91b的表面形成有镀层。镀层例如是镍(Ni)层/金(Au)层(将Ni层作为底层、在Ni层上层叠有Au层的金属层)。此外，作为镀层，也能使用Au层、或者Ni层/钯(Pd)层/Au层等。作为这些Au层、Ni层、Pd层，例如能使用利用非电解镀法形成的非电解镀金属层。另外，Au层是由Au或者Au合金构成的金属层，Ni层是由Ni或者Ni合金构成的金属层，Pd层是由Pd或者Pd合金构成的金属层。此外，也可以使基材71的上表面侧的镀层的材料(层构成)和基材71的下表面侧的镀层的材料(层构成)相互不同。
如图4A所示，在基材71的两侧部(在图4A中为上下两侧部)形成有大致矩形的切口部73a、73b。在该切口部73a、73b的内侧形成有半圆状的配线图案87a、88a。配线图案87a、88a从保护层72a露出。在该配线图案87a、88a的表面与焊盘52等同样地形成有镀层。
另外，如图4B所示，在基材71的下表面且切口部73a、73b的内侧，利用从保护层72b呈半圆状露出的配线图案91b的一部分形成有配线图案87b、88b。在配线图案87b、88b的表面与配线图案91b同样地形成有镀层。配线图案87b、88b与连接端子81b～86b同样，与图4A所示的配线图案87a、87b连接。
切口部73a、73b和配线图案87a、88a、87b、88b例如作为将配线基板50固定于壳体等的固定部发挥作用。配线图案87a、88a、87b、88b用于将配线图案91b设定为壳体的规定电位(例如接地电位)。
在此，参照图6说明与上述的光半导体装置1比较的比较例。此外，对比较例所包括的构件中、与本实施方式的光半导体装置1的构件同样的构件标注相同附图标记进行说明。
如图6所示，比较例的光半导体装置100包括：形成为大致圆板状的金属制的管座101；以及引线103a、103b，其配置于在厚度方向贯通管座101的贯通孔内，且被密封材料102a、102b密封。在管座101的上表面固定有次载具21，在次载具21的上表面安装有发光元件22。发光元件22例如是表面发光激光器。发光元件22的电极通过焊丝104a、104b连接到引线103a、103b。在管座101的下表面粘接有配线基板105。配线基板105例如是柔性基板。引线103a、103b插入到配线基板105的贯通孔，并与该配线基板105的配线层连接。
在该比较例的光半导体装置100中，安装于次载具21的发光元件22的上表面比引线103a、103b的上端高。另外，因为利用密封材料102a、102b将引线103a、103b固定于管座101，所以引线103a、103b与次载具21分离。因此，将发光元件22连接到引线103a、103b的焊丝104a、104b长。另外，在该光半导体装置100中，引线103a、103b相对于配线基板105的配线层以形成直角的方式连接。这样的连接导致阻抗的不匹配、驱动发光元件22的信号的劣化等，成为阻碍特性提高的主要原因。
接着，说明本实施方式的光半导体装置1的作用。
如图2B所示，在本实施方式的光半导体装置1中，在基座10的载具固定部15固定有次载具21，在该次载具21的上表面21a固定有发光元件22。另外，在基座10的基板固定部14固定有配线基板50的前端部51。并且，前端部51的上表面51a和发光元件22的上表面22a位于同一平面上。因此，对发光元件22和形成于配线基板50的前端部51的焊盘52、53进行连接的焊丝31、32(参照图2A)的长度与上述的比较例相比能缩短。
如图2A所示，配线基板50的前端部51包括沿着次载具21延伸的端子部63、64。与发光元件22连接的焊盘52、53形成于与次载具21邻接侧的端子部63、64的端部。因此，从发光元件22到焊盘52、53的距离与上述的比较例相比短。因此，对发光元件22和焊盘52、53进行连接的焊丝31、32的长度与上述的比较例相比能缩短。
如图4A及4B所示，在配线基板50上形成有基材71的下表面的平坦状的配线图案91b和基材71的上表面的配线图案91a～94a。利用配线图案91a～94a及平坦状的配线图案91b，能容易地将对发光元件22提供信号的传送路径的特性阻抗设定为50Ω。由此，能应对高速的电信号的传送，并能应对大容量光通信(例如10Gbps以上)的应用。
图5A及5B表示本实施方式的光半导体装置1的S参数的模拟结果(实线)和比较例的光半导体装置100的S参数的模拟结果(虚线)。如图5A所示，在S参数SDD11中，与比较例的光半导体装置100相比，本实施方式的光半导体装置1中的差动传递的反射特性提高。另外，如图5B所示，在S参数SDD21中，与比较例的光半导体装置100相比，本实施方式的光半导体装置1的损失特性提高。
如上所述，根据本实施方式，起到以下效果。
(1)在光半导体装置1中，没有如比较例的光半导体装置100那样引线103a、103b相对于配线基板105以形成直角的方式连接的部分。其结果是，能实现电信号的传送路中的阻抗的匹配、特性的提高。
(2)在光半导体装置1中，在基座10的载具固定部15固定有次载具21，在该次载具21的上表面21a固定有发光元件22。另外，在基座10的基板固定部14固定有配线基板50的前端部51。并且，前端部51的上表面51a和发光元件22的上表面22a位于同一平面上。因此，对发光元件22和形成于配线基板50的前端部51的焊盘52、53进行连接的焊丝31、32的长度与比较例相比能缩短。其结果是，能减少电信号的传输路径中的损失并实现特性的提高。
(3)配线基板50的前端部51包括沿着次载具21延伸的端子部63、64。与发光元件22连接的焊盘52、53形成于与次载具21邻接侧的端子部63、64的端部。因此，从发光元件22到焊盘52、53的距离与比较例相比短。因此，对发光元件22和焊盘52、53进行连接的焊丝31、32的长度与比较例相比能缩短。其结果是，能减少电信号的传输路径中的损失并实现特性的提高。
(4)在配线基板50上形成有基材71的下表面的平坦状的配线图案91b和基材71的上表面的配线图案91a～94a。利用配线图案91a～94a及平坦状的配线图案91b，能容易地将对发光元件22提供信号的传送路径的特性阻抗设定为50Ω。其结果是，能减少电信号的反射并实现特性的提高。并且，能应对高速的电信号的传送，并能应对大容量光通信(例如10Gbps以上)的应用。
此外，上述各实施方式也可以用以下方式实施。
·在上述实施方式中，将发光元件22和受光元件23安装于一个次载具21上，但是也可以将发光元件22和受光元件23安装于各自分开的次载具上。
·在上述实施方式中，将发光元件22和受光元件23两者安装于次载具21上，但是也可以仅将受光元件23安装于次载具21上。作为受光元件23，能使用例如光电二极管。在该情况下，也可以省略窗玻璃40。
·在上述实施方式中，也可以适当变更基座10的形状。例如，将基座10的侧壁部12的平面形状设为大致圆形，但是也可以设为六边形、八边形等多边形。
·在上述实施方式中，凸缘部13的平面形状不限于图2A所示的大致C字状。只要在凸缘部13的侧壁部12形成有插入口12a即可，例如也可以将凸缘部13的平面形状设为圆环状。

Claims (6)

1.一种光半导体装置，具备基座、配线基板以及次载具，
所述基座包括底部、从所述底部的外周端立设的侧壁部、以及从所述侧壁部的上端朝向外侧延伸的凸缘部，在所述侧壁部形成有插入口，
所述配线基板包括前端部，所述前端部从所述插入口插入到所述基座内并且固定于所述基座，
所述次载具包括安装光学元件的上表面，
所述光学元件是发光元件和受光元件中的至少一方，
所述基座的所述底部包括固定所述次载具的第一固定部、和位于比所述第一固定部高的位置且固定所述前端部的第二固定部，
所述配线基板包括：
基材；
形成于所述基材的下表面的平坦状的配线层；
形成于所述前端部的上表面、与所述光学元件连接的焊盘；以及
形成于所述基材的上表面、包括连接到所述焊盘的配线图案的配线层，
所述前端部的所述焊盘的上表面和所述光学元件的电极的上表面位于同一平面上。
2.根据权利要求1所述的光半导体装置，其中，
所述次载具形成为长方体状，
所述配线基板的所述前端部包括以夹着所述次载具的方式形成的一对端子部，
与所述光学元件连接的所述焊盘形成于所述一对端子部。
3.根据权利要求2所述的光半导体装置，其中，
所述一对端子部以夹着所述次载具的方式沿着所述次载具延伸，
与所述光学元件连接的所述焊盘形成于与所述次载具邻接侧的所述一对端子部的端部。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的光半导体装置，其中，
所述光学元件是表面发光型的发光元件，以使射出光的面朝向上侧的方式安装于所述次载具。
5.根据权利要求4所述的光半导体装置，其中，
进一步具备窗玻璃，所述窗玻璃固定于所述凸缘部，覆盖所述侧壁部的上端的开口。
6.根据权利要求5所述的光半导体装置，其中，
所述基座以所述窗玻璃相对于所述底部以规定的角度倾斜的方式形成，
所述窗玻璃对从所述发光元件射出的光的一部分进行反射，
在所述基座内设置有受光元件，由所述窗玻璃反射的光入射到所述受光元件。
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