JP2000349344A

JP2000349344A - 光半導体パッケージ及び光半導体モジュール

Info

Publication number: JP2000349344A
Application number: JP11156881A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Sugizaki; 崎雅之杉
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】光半導体パッケージの放熱性を高める。【解決手段】積層セラミック１０の表面に、この積層
セラミック１０よりも熱伝導率の高い放熱板１８を設け
る。この放熱板１８に発熱の大きい発光素子２４を取り
付けるようにする。これにより、放熱板１８を介して発
光素子２４からの発熱を効率的に放熱することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体パッケー
ジ及び光半導体モジュールに関し、特に、発光素子等の
発熱性の高い半導体装置を取り付けるための光半導体パ
ッケージ、及び、このような導体装置を取り付けた光半
導体モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光半導体モジュールにおいては、
セラミックを積層して形成された積層セラミック表面に
発光素子・受光素子等の光半導体素子や、送信ＩＣや、
受信ＩＣを固定していた。そして、これら光半導体素子
や送信ＩＣ及び受信ＩＣに必要なボンディングワイヤを
形成した上で、封止部材で密封していた。さらに、この
光半導体モジュールには、光ファイバコネクタ部が取り
付けられ、全体としてコンパクトにまとめられていた。

【０００３】近年、このような光半導体モジュールを用
いた光伝送装置は、高速化と長距離伝送化が進む一方で
小型化の要請も強まっている。このため、消費電力の増
加による発光素子等からの発熱が製品仕様上無視できな
くなっており、光半導体パッケージを設計する際には放
熱効率を考える必要性が高まってきている。

【０００４】従来、高い放熱効果や高い信頼性を求める
場合には、パッケージとして金属ステムを使用していた
が、材料が高価なこと、回路用の配線を形成できないこ
と、複数の素子を搭載するハイブリッドマウントが困難
なこと等の問題があった。このような問題を回避するた
め、今日においてはパッケージとして積層セラミックが
使用されている。

【０００５】このような積層セラミックを用いた光半導
体パッケージの例を図１３に示す。この図１３は、従来
の光半導体パッケージの断面図である。

【０００６】この図１３に示すように、光半導体パッケ
ージ１００は、多層構造の積層セラミック１１０を有し
ている。この積層セラミック１１０における各層には配
線１１２が施されており、この配線１１２の層間は導電
体を充填したスルーホール１１４で接続している。

【０００７】積層セラミック１１０の表面で表に出てい
る一面、又は、複数にわたる面には、素子を実装する領
域と、ワイヤボンディングをする領域とが、形成されて
いる。この図１３の例では、素子を実装する領域には、
発光素子１２４や受光素子１２６等が取り付けられる。
さらに、積層セラミック１１０の表面には、ワイヤボン
ディングする領域を取り囲むように、封止部材を止める
ためのシール部１１６が形成されている。

【０００８】積層セラミック１１０の裏面には、外部リ
ード１２０が固着されている。この外部リード１２０
は、配線１１２に接続されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１３に示した積層セ
ラミック１１０は、材料が安価であるという利点があ
る。また、積層セラミック１１０の各層に配線１１２を
所望のパターンで形成することが可能であり、これら各
層の配線１１２をスルーホール１１４で接続することに
より、複雑な三次元配線が可能であるという利点もあ
る。さらに、発光素子１２４や受光素子１２６等の複数
の光半導体素子やＩＣ回路を搭載することができるとい
う利点もある。つまり、ハイブリッドマウントが容易で
あるという利点がある。しかし、積層セラミック１１０
は、放熱性が悪く欠けやすいという欠点もある。

【００１０】そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされ
たものであり、放熱性の高い光半導体パッケージを提供
することを目的とする。すなわち、駆動時に発熱する性
質を有する発光素子等の半導体装置を搭載した場合に、
この半導体装置を高い効率で放熱することのできる光半
導体パッケージを提供することを目的とする。そして、
このような半導体パッケージに発光素子や受光素子等の
半導体装置を搭載することにより、放熱性及び信頼性の
高い光半導体モジュールを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る光半導体パッケージは、複数の絶縁層
が積層され、前記絶縁層の各層に必要な配線を施して形
成された多層構造絶縁部と、前記多層構造絶縁部の表面
に設けられた放熱板であって、駆動時に発熱する性質を
有する半導体装置が前記配線と電気的に接続されて取り
付けられるとともに、前記多層構造部材よりも熱伝導率
の高い放熱板と、前記多層構造絶縁部の裏面に設けら
れ、前記配線と電気的に接続する外部リードと、を備え
ることを特徴とする。

【００１２】このような光半導体パッケージは、さら
に、封止部材を止めるために、前記放熱板の表面に設け
られたシール部を備えるようにしてもよい。

【００１３】また、前記放熱板は前記多層構造絶縁部か
ら少なくとも一部が突出するように設けてもよい。

【００１４】さらに、前記多層構造絶縁部には裏面から
前記放熱板まで達する貫通孔が形成されており、前記貫
通孔に冷却器が挿入され、この冷却器により前記放熱板
を冷却するよう構成してもよい。

【００１５】また、前記シール部を構成する部材は、前
記放熱板を構成する部材と同一材料であるようにしても
よく、前記多層構造絶縁部を構成する部材と同一材料で
あるようにしてもよい。

【００１６】さらに、前記放熱板は導電性材料で構成さ
れており、前記放熱板と前記配線とは電気的に接続され
るようにしてもよい。

【００１７】また、本発明に係る光半導体モジュール
は、上記光半導体パッケージの前記放熱板に、少なくと
も１つの半導体装置を取り付けたことを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕本発明の第１実
施形態に係る光半導体パッケージは、セラミックよりも
熱伝導率の高い放熱板を積層セラミック表面に設け、こ
の積層セラミックに駆動時に発熱の大きい発光素子等を
取り付けることにより、発光素子等からの発熱を外部に
強制的に放熱できるようにしたものである。以下、図面
に基づいて詳しく説明する。

【００１９】図１は本発明の第１実施形態に係る光半導
体パッケージの裏面を示す平面図であり、図２を矢印Ａ
方向から見た図である。図２は光半導体パッケージの横
方向断面図であり、図３におけるＢ−Ｂ’線の断面図で
ある。図３は光半導体パッケージの表面を示す平面図で
あり、図２を矢印Ｃ方向から見た図である。図４は光半
導体パッケージの縦方向断面図であり、図３におけるＤ
−Ｄ’線の断面図である。

【００２０】これら図１乃至図４に示すように、光半導
体パッケージ１は、多層構造の積層セラミック１０を有
している。この積層セラミック１０は、本実施形態にお
ける多層構造絶縁部を構成している。積層セラミック１
０における各層には必要な配線１２が施されており、こ
の配線１２の層間は導電体を充填したスルーホール１４
で接続している。

【００２１】積層セラミック１０の表面で表に出ている
一面、又は、複数にわたる面には、素子を実装する領域
や、ワイヤボンディングをする領域が、形成されてい
る。本実施形態においては、光半導体パッケージ１表面
は、発光素子２４を取り付ける領域である実装領域２２
ａと、受光素子２６を取り付ける領域である実装領域２
２ｂとに、分けられている。さらに、積層セラミック１
０の表面側には、ワイヤボンディングする領域を取り囲
むように、封止部材を止めるためのシール部１６が形成
されている。本実施形態においては、このシール部１６
は、リング状の金属、又は、リング形状に表面をメタラ
イズしたセラミックから構成されている。

【００２２】このシール部１６と積層セラミック１０と
の間に挟まれて、放熱板１８が設けられている。この放
熱板１８の材料としては、コバール材やＣｕＷ等の金
属、又は、ＡｌＮ等の熱伝導の良好なセラミックが好適
である。すなわち、放熱板１８は、積層セラミック１０
よりも熱伝導率の高い材料を用いればよい。本実施形態
では、この放熱板１８は１枚だけ設けられているが、複
数枚設けるようにすることも可能である。また、放熱板
１８を導電性のある金属等で構成した場合には、この放
熱板１８を介して発光素子２４を配線１２へ電気的に接
続することも可能である。

【００２３】図５はこの放熱板１８を示す図であり、
（ａ）は正面図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）
は側面図である。この図５に示すように、本実施形態で
は、放熱板１８には、開口１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１
８ｄが形成されている。この放熱板１８を積層セラミッ
ク１０とシール部１６との間に挟んだ際には、これらの
開口１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄから積層セラミッ
ク１０表面が露出することになる。

【００２４】図１乃至図４に示すように、積層セラミッ
ク１０の裏面には、外部リード２０が固着されている。
この外部リード２０は、配線１２に電気的に接続されて
いる。また、積層セラミック１０の裏面には、凹部２１
が形成されている。この凹部２１は、この光半導体パッ
ケージ１をケースに格納して光伝送装置とする場合の、
位置決めの役割を果たす。

【００２５】図６及び図７は、光半導体パッケージ１に
発光素子や受光素子等を取り付けた上で、シェルにより
封止して形成した光半導体モジュール２の断面図であ
る。図６は本実施形態に係る光半導体モジュールの横方
向断面図であり、上述した図２に相当する断面を示す図
である。図７は本実施形態に係る光半導体モジュールの
縦方向断面図であり、上述した図４に相当する図であ
る。

【００２６】これら図６及び図７に示すように、積層セ
ラミック１０の表面においては、実装領域２２ａにＬＥ
Ｄ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode ）な
どの発光素子２４が取り付けられており、実装領域２２
ｂに受光素子２６が取り付けられている。本実施形態に
係る光半導体モジュール２においては、発光素子２４は
放熱板１８表面に取り付けられており、受光素子２６は
積層セラミック１０表面に取り付けられている。

【００２７】シール部１６の表面には、シェル２８が取
り付けられている。本実施形態においては、このシェル
２８の材質は、金属、樹脂、セラミック等から形成され
ている。シェル２８における発光素子２４及び受光素子
２６の光軸上に対向する位置には、透光性の窓２８ａが
形成されている。この透光性の窓２８ａにより、この光
半導体モジュール２の外側の光ファイバケーブルと、発
光素子２４及び受光素子２６との間で、光信号の入出射
が行われる。

【００２８】次に、この光半導体モジュール２の組み立
てについて説明する。図６及び図７に示すように、この
光半導体モジュール２の組み立てにおいては、光半導体
パッケージ１の実装領域２２ａにおける放熱板１８上の
所定位置に、発光素子２４を銀ペーストやはんだで固着
する。また、光半導体パッケージ１の実装領域２２ｂに
おける積層セラミック１０上の所定位置に、受光素子２
６を銀ペーストやはんだで固着する。さらに、必要に応
じて、実装領域２２ａ、２２ｂの所定位置に、送信ＩＣ
や受信ＩＣを、銀ペーストやはんだで固着する。

【００２９】また、積層セラミック１０表面の実装領域
２２ａ、２２ｂにおける別の所定位置に、チップ抵抗や
チップコンデンサやチップコイルを配置する。続いて、
積層セラミック１０のボンディングをする領域に、ボン
ディングワイヤ３２を施すことにより所定の配線を行
う。これにより、必要な配線が形成される。

【００３０】このボンディングが完了した後に、シール
部１６上にシェル２８を溶接やはんだ付けで固定して、
素子を実装した領域やボンディングをした領域を密封封
止する。このシェル２８を取り付けることにより、この
光半導体モジュール２は完成する。

【００３１】図８は、光半導体モジュール２をケースに
格納して、光伝送装置４０とした場合の断面を示す図で
ある。

【００３２】この図８に示すように、上述した光半導体
モジュール２は、ケース４２の格納凹部４３に格納され
た後、蓋部４８が取り付けられる。ケース４２には、光
ファイバケーブル４４を貫通させて、光ファイバケーブ
ル４４の先端側を光半導体モジュール２におけるシェル
２８の窓２８ａに導くための開孔４６が形成されてい
る。この開孔４６に光ファイバケーブル４４を挿入する
際には、フェルール４９を挿入した光ファイバケーブル
４４を樹脂製の光コネクタプラグ４７に取り付けた後、
これら光ファイバケーブル４４とフェルール４９の先端
側を開孔４６に挿入していく。そして、ケース４２に形
成された凹部４２ａと、光コネクタプラグ４７に形成さ
れた凸部４７ａとが、嵌合することにより、光伝送装置
４０の組み立ては完了する。

【００３３】以上のように、本実施形態に係る光半導体
パッケージ１によれば、発熱の大きい発光素子２４等を
放熱板１８に取り付けるようにしたので、発光素子２４
等の放熱性を高効率にすることができる。すなわち、放
熱板１８を積層セラミック１０よりも熱伝導率の高い材
料で形成するとともに、この放熱板に発熱の大きい発光
素子２４等を取り付けることとしたので、発光素子２４
の発熱を効率的に放熱することができる。

【００３４】しかも、放熱板１８を積層セラミック１０
よりも機械的強度のある材料、例えば金属等で形成する
こととしたので、従来よりも高い機械的強度を得ること
ができる。つまり、本実施形態に係る光半導体パッケー
ジ１によれば、金属ステムのような高効率の放熱と機械
的強度を得ることができる。

【００３５】また、積層セラミック１０を用いたので、
三次元の高密度配線を施すことができ、ハイブリッドマ
ウントの特徴を持った光半導体パッケージ１を得ること
ができる。

【００３６】さらに、シール部１６を放熱板１８又は積
層セラミック１０と同一材料で形成するようにすれば、
使用材料の数を削減することができる。

【００３７】〔第２実施形態〕本発明の第２実施形態
は、上述した第１実施形態における光半導体パッケージ
の放熱板を積層セラミックから突出するように形成する
ことにより、冷却効率の向上等を図ったものである。以
下、図面に基づいて詳しく説明する。なお、以下の実施
形態においては、上述した第１実施形態と同様の部分に
ついては同一符号を用いるものとし、その詳しい説明は
省略する。

【００３８】図９は本発明の第２実施形態に係る光半導
体パッケージの背面を示す平面図であり、図１０を矢印
Ｅ方向から見た図である。図１０は光半導体パッケージ
の表面を示す平面図であり、図９を矢印Ｆ方向から見た
図である。図１１は光半導体パッケージ側面を示す平面
図であり、図９を矢印Ｇ方向から見た図である。

【００３９】これら図９乃至図１１に示すように、積層
セラミック１０とシール部１６との間に設けられた放熱
板５０は、光半導体パッケージ１よりも突出して設けら
れている。すなわち、光半導体パッケージ１の左右両側
から放熱板５０が張り出している。

【００４０】この放熱板５０の材料としては、コバール
材やＣｕＷ等の金属、又は、ＡｌＮ等の熱伝導の良好な
セラミックが好適である。すなわち、放熱板５０は、積
層セラミック１０よりも熱伝導率の高い材料を用いれば
よい。本実施形態では、この放熱板５０は１枚だけ設け
られているが、複数枚設けるようにすることも可能であ
る。

【００４１】この放熱板５０には、第１取付穴５２と第
２取付穴５４とが形成されている。第１取付穴５２は、
この光半導体パッケージ１を用いて光半導体モジュール
２を形成した後に、この光半導体モジュール２をケース
等に取り付けるための穴である。第２取付穴５４は、こ
の光半導体パッケージ１を用いて光半導体モジュール２
を形成した後に、この光半導体モジュール２に冷却器を
取り付けるための穴である。

【００４２】以上のように、本実施形態に係る光半導体
パッケージ１によれば、上述した第１実施形態と同様
に、発熱の大きい発光素子２４等を放熱板１８に取り付
けるようにしたので、発光素子２４等の放熱性を高効率
にするとともに、機械的強度を得ることができる。しか
も、放熱板５０を積層セラミック１０よりも突出するよ
うに形成したので、放熱性をより高めることができる。

【００４３】また、積層セラミック１０を用いたので、
三次元の高密度配線を施すことができ、ハイブリッドマ
ウントの特徴を持った光半導体パッケージ１を得ること
ができる。

【００４４】さらに、放熱板５０を成形精度の高い金属
等により形成することにより、光半導体パッケージ１の
取付位置出し精度を向上させることができる。すなわ
ち、光半導体パッケージ１をケース等に取り付ける位置
を第１取付穴５２や第２取付穴５４で定めることができ
る。放熱板５０を金属等により形成すれば、従来のセラ
ミック等と比べて成形の精度を高くすることができる。
このため、第１取付穴５２や第２取付穴５４により、光
半導体パッケージ１のケース等への取付位置を精度よく
定めることができる。

【００４５】しかも、放熱板５０を金属等により形成す
れば、従来におけるセラミックよりも機械的強度が向上
するので、光半導体パッケージ１をケース等に強固に取
り付けることができる。

【００４６】〔第３実施形態〕本発明の第３実施形態
は、上述した第１実施形態における積層セラミックに放
熱板まで達する貫通孔を形成し、この貫通孔に冷却器を
挿入することにより、放熱板を効率的に冷却するように
したものである。以下、図面に基づいて詳しく説明す
る。

【００４７】図１２は光半導体パッケージの縦方向断面
図であり、上述した第１実施形態の図４に相当する図で
ある。この図１２に示すように、本実施形態に係る光半
導体パッケージ１の積層セラミック１０には、貫通孔６
０が形成されている。この貫通孔６０は放熱板１８まで
達しているが、放熱板１８はこの貫通孔６０を気密的に
覆っている。貫通孔６０には冷却器６２の一部が挿入さ
れており、この冷却器６２は放熱板１８と接することに
より、直接的に放熱板１８を冷却するようになってい
る。貫通孔６０に挿入される冷却器６２の部分は、銅な
どの熱導電性の高い材料で形成されている。

【００４８】以上のように、本実施形態に係る光半導体
パッケージ１によれば、上述した第１実施形態と同様
に、発熱の大きい発光素子２４等を放熱板１８に取り付
けるようにしたので、発光素子２４等の放熱性を高効率
にするとともに、機械的強度を得ることができる。

【００４９】また、積層セラミック１０を用いたので、
三次元の高密度配線を施すことができ、ハイブリッドマ
ウントの特徴を持った光半導体パッケージ１を得ること
ができる。

【００５０】さらに、積層セラミック１０に貫通孔６０
を形成し、この貫通孔６０に冷却器６２を挿入すること
により、放熱板１８を直接的に冷却するようにしたの
で、放熱板１８を効率的に冷却することができる。

【００５１】なお、本発明は上記実施形態に限定されず
種々に変形可能である。例えば、上述した本実施形態に
おいては、発熱の大きい発光素子２４を放熱板１８、５
０に取り付けることとしたが、発光素子２４に加えて又
は発光素子２４の代わりに、他の素子又はＩＣを放熱板
１８、５０に取り付けるようにしてもよい。例えば、送
信ＩＣや受信ＩＣを放熱板１８、５０に取り付けるよう
にしてもよい。すなわち、駆動時に発熱する性質を有す
る発熱性の半導体装置を放熱板１８、５０に適宜取り付
けることにより、放熱板１８、５０による放熱効果を得
ることができる。

【００５２】また、上述した第２実施形態と第３実施形
態とを組み合わせて、放熱板５０を積層セラミック１０
よりも突出するように形成するとともに、積層セラミッ
ク１０に貫通孔６０を形成するようにしてもよい。

【００５３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、多層構
造絶縁部の表面に放熱板を設け、この放熱板に駆動時に
発熱する性質を有する半導体装置を取り付けるようにし
たので、放熱板を介して半導体装置を効率的に放熱する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る光半導体パッケー
ジの裏面を平面的に示す図（図２を矢印Ａ方向から見た
平面図）。

【図２】図１におけるＢ−Ｂ’線断面を示す図。

【図３】本発明の第１実施形態に係る光半導体パッケー
ジの表面を平面的に示す図（図２を矢印Ｃ方向から見た
平面図）。

【図４】図１におけるＤ−Ｄ’線断面を示す図。

【図５】（ａ）は放熱板の正面図、（ｂ）は放熱板の平
面図、（ｃ）は放熱板の側面図。

【図６】本発明の第１実施形態に係る光半導体モジュー
ルの横方向断面を示す図。

【図７】本発明の第１実施形態に係る光半導体モジュー
ルの縦方向断面を示す図。

【図８】図６及び図７に示す光半導体モジュールを組み
込んだ光伝送装置の断面を示す図。

【図９】本発明の第２実施形態に係る光半導体パッケー
ジの背面図（図１０を矢印Ｅ方向から見た図）。

【図１０】本発明の第２実施形態に係る光半導体パッケ
ージの平面図（図９を矢印Ｆ方向から見た図）。

【図１１】本発明の第２実施形態に係る光半導体パッケ
ージの側面図（図１０を矢印Ｇ方向から見た図）。

【図１２】本発明の第３実施形態に係る光半導体パッケ
ージの縦方向断面図。

【図１３】従来の光半導体パッケージの横方向断面図。

【符号の説明】

１光半導体パッケージ２光半導体モジュール１０積層セラミック１２配線１４スルーホール１６シール部１８放熱板２０シール部２１凹部２２ａ、２２ｂ実装領域２４発光素子２６受光素子２８シェル２８ａ窓４０光伝送装置４２ケース４３格納凹部４４光ファイバケーブル４６開孔４７光コネクタプラグ４８蓋部４９フェルール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA33 DA02 DA03 DA07 DA20 DA72 DA76 DA83 EE06 FF14 5F088 BA20 BB01 JA05 JA10 JA14 JA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の絶縁層が積層され、前記絶縁層の各
層に必要な配線を施して形成された多層構造絶縁部と、前記多層構造絶縁部の表面に設けられた放熱板であっ
て、駆動時に発熱する性質を有する半導体装置が前記配
線と電気的に接続されて取り付けられるとともに、前記多層構造部材よりも熱伝導率の高い放熱板と、前記多層構造絶縁部の裏面に設けられ、前記配線と電気
的に接続する外部リードと、を備えることを特徴とする光半導体パッケージ。
【請求項２】封止部材を止めるために、前記放熱板の表
面に設けられたシール部をさらに備えることを特徴とす
る請求項１に記載の光半導体パッケージ。
【請求項３】前記放熱板は前記多層構造絶縁部から少な
くとも一部が突出するように設けられていることを特徴
とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体パッケー
ジ。
【請求項４】前記多層構造絶縁部には裏面から前記放熱
板まで達する貫通孔が形成されており、前記貫通孔に冷
却器が挿入され、この冷却器により前記放熱板を冷却す
るよう構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至
請求項３のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
【請求項５】前記シール部を構成する部材は、前記放熱
板を構成する部材と同一材料であることを特徴とする請
求項２乃至請求項４のいずれかに記載の光半導体パッケ
ージ。
【請求項６】前記シール部を構成する部材は、前記多層
構造絶縁部を構成する部材と同一材料であることを特徴
とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の光半導
体パッケージ。
【請求項７】前記放熱板は導電性材料で構成されてお
り、前記放熱板と前記配線とは電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記
載の光半導体パッケージ。
【請求項８】請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の
光半導体パッケージの前記放熱板に、少なくとも１つの
半導体装置を取り付けたことを特徴とする光半導体モジ
ュール。