JP2001144361A - 光半導体素子用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高度の気密性が維持され、熱放散性に優れ、
小型化が可能な光半導体素子用パッケージを提供する。 【解決手段】 光半導体素子を搭載する金属底板１と、
金属底板１表面に接合され、光ファイバを保持する窓枠
５を有する金属枠体４とを主要構成部材とする光半導体
素子用パッケージ３において、金属底板１表面の金属枠
体４に囲まれた部分の所要箇所に面方向の熱伝導率が２
５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の異方性高熱伝導板２が接合されて
いる。 【効果】 金属底板１表面に熱伝導性に優れる異方性高
熱伝導板（黒鉛繊維複合板など）２が接合されており、
この異方性高熱伝導板２により熱放散性が改善されるの
で、金属底板１は、気密性が維持され変形が防止される
範囲で薄くでき、光半導体素子用パッケージ３の小型化
が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体素子を気
密に収納し、前記光半導体素子と光信号のやりとりを行
う光ファイバを保持するための光半導体素子用パッケー
ジに関する。

【０００２】

【従来の技術】光半導体素子用パッケージは、図３
（イ）（ロ）に示すように、光半導体素子を搭載する金
属底板１と、金属底板１表面に接合され、光ファイバを
保持する窓枠５を有する金属枠体４とを主要構成部材と
し、金属枠体４には、電気信号入出力用のセラミック端
子６およびリード７が取付けられ、場合によっては窓枠
５にはウインドウが設けられる。

【０００３】光半導体素子用パッケージ１３は、金属底
板１の素子搭載部１０に、例えば、光半導体ＬＤ（レー
ザーダイオード）素子と冷却素子とを取付けたキャリア
（図示せず）が搭載され、セラミック端子６上に形成さ
れた配線パターン１６と前記光半導体素子の電極間がボ
ンディングワイヤ（Ａｕ線など）で１００℃程度の低温
で超音波接合される。また金属枠体４上にはシーリング
１１を介して金属蓋体（図示せず）が気密に取付けられ
てＬＤモジュールが作製される。窓枠（金属枠体と同じ
金属材製）５に設けられたウインドウ８には、光ファイ
バが、その光軸を光半導体素子のレーザ光の光軸と正確
に合致させて、フランジ（ステンレス鋼製）を介してレ
ーザー溶接法などにより取付けられる。

【０００４】光半導体素子用パッケージ１３の露出部分
には、酸化防止のために、Ｎｉがめっきされ、さらにセ
ラミック端子６上に形成された配線パターン１６には良
好にワイヤボンディングするために、また金属底板１の
素子搭載部１０には光半導体素子などを取付けたキャリ
アを良好に半田付けするために、それぞれＡｕめっきが
施される。

【０００５】前記金属枠体４にはセラミック端子６と熱
膨張係数が近似したＦｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ
合金（通称、コバール）などが用いられ、金属底板１に
は金属枠体４と熱膨張係数が近似し、且つ光半導体素子
などからの発熱を速やかに放散できる熱伝導率の高いＣ
ｕ−Ｗ合金などが用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、光半
導体素子用パッケージの小型化、並びに光半導体素子
（半導体レーザー素子（ＬＤ）など）の高出力化が進
み、それに伴い、前記素子或いは前記素子を冷却するた
めの熱電冷却素子（ペルチェ素子）からの多大の発熱を
効率良く放散する方法が種々検討されるようになった。
その１つとして、前記素子を搭載するＣｕ−Ｗ合金など
からなる金属底板を厚くする方法が提案されているが、
金属底板を厚くするのはパッケージの小型化に反すると
いう問題がある。

【０００７】このようなことから、底板に黒鉛繊維複合
板を用いる方法が提案された（特公昭60-3776号公報 、
特開平5-136286号公報、特開平11-26662号公報）。この
黒鉛繊維複合板は、銅または炭素のマトリックスに黒鉛
繊維をその軸方向が複合板の面方向に平行になるように
分散させたもので、その面方向の熱伝導率は銅板の熱伝
導率より高く、従って前記複合板を底板に用いたパッケ
ージは光半導体素子や熱電冷却素子からの発熱を従来の
金属板を用いたパッケージより格段に効率よく放散する
ことができる。また前記黒鉛繊維複合板は、熱膨張係数
が低く、半導体素子に熱歪みが掛かるようなこともな
い。

【０００８】しかし、黒鉛繊維は、鱗片状黒鉛などが多
数繊維軸方向に平行に積層した層状構造からなっていて
内部に空孔が存在しており、また黒鉛繊維とマトリック
スの界面には空隙が存在している。このため黒鉛繊維複
合板は気密性に劣り、この黒鉛繊維複合板を底板に用い
たパッケージは、高度の気密性を必要とする用途には使
用できないという問題がある。本発明は、高度の気密性
が維持され、熱放散性に優れ、小型化が可能な光半導体
素子用パッケージの提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
光半導体素子を搭載する金属底板と、前記金属底板表面
に接合され、光ファイバを保持する窓枠を有する金属枠
体とを主要構成部材とする光半導体素子用パッケージに
おいて、前記金属底板表面の金属枠体に囲まれた部分の
所要箇所に面方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の
異方性高熱伝導板が接合されていることを特徴とする光
半導体素子用パッケージである。

【００１０】請求項２記載の発明は、金属枠体に囲まれ
た金属底板表面部分に占める異方性高熱伝導板の面積比
率が５０％以上であることを特徴とする請求項１記載の
光半導体素子用パッケージである。

【００１１】請求項３記載の発明は、異方性高熱伝導板
が黒鉛繊維複合板であることを特徴とする請求項１また
は２記載の光半導体素子用パッケージである。

【００１２】請求項４記載の発明は、金属底板がＦｅ−
Ｎｉ系合金またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金からなり、厚
みが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項
１、２、３のいずれかに記載の光半導体素子用パッケー
ジである。

【００１３】請求項５記載の発明は、金属枠体の金属底
板と接合する部分がリブ構造からなることを特徴とする
請求項１、２、３、４のいずれかに記載の光半導体素子
用パッケージである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の光半導体素子用パッケー
ジは、図１に示すように、金属底板１表面に異方性高熱
伝導板２が接合されたものである。ここでは、光半導体
素子などからの発熱は、異方性高熱伝導板２の面方向に
速やかに伝導されると同時に、金属底板１を介して外部
に放散される。光半導体素子用パッケージ３の気密性
は、底板に金属底板１を用いるので高度に維持される。
前記金属底板１表面への異方性高熱伝導板２の接合には
熱伝導性に優れる銀ろう付けなどの方法が望ましい。図
１において、４は金属枠体、５は窓枠、８はウインド
ウ、１０は素子搭載部、１１はシールリングで、各々の
機能は図３にて説明した通りである。なお実施形態を説
明するための全図において、同一機能を有するものは同
一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００１５】本発明では、金属底板の厚みは、パッケー
ジの気密性がヘリウムのリーク量で１×１０^-8ａｔｍ・
ｃｃ／ｓｅｃ以下に保持され、且つろう付け時の熱応力
や金属底板をベース板にねじ止めするときの機械的応力
で変形しない範囲で薄くすることができる。従って、パ
ッケージの小型化が可能である。このように、金属底板
１は厚みを薄くできるので、ある程度の熱伝導率があれ
ば、金属底板１が熱放散性を大きく妨げるようなことは
ない。一方、金属底板には、熱膨張係数が黒鉛繊維複合
板と同程度に低い材料が要求される。このような材料と
しては、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金などが
挙げられる。これらの合金は板材が市販されていて容易
に入手できる。

【００１６】本発明において、金属底板の厚みは０．１
〜０．５ｍｍが望ましい。その理由は、０．１ｍｍ未満
では剛性が著しく低下してろう付け時やねじ止め時に金
属底板が歪んで、そこに搭載される光半導体素子の光軸
がずれる恐れがあり、０．５ｍｍを超えると打抜加工性
が悪化するためである。

【００１７】本発明において、異方性高熱伝導板とは、
例えば、金属などのマトリックスに黒鉛繊維を、その繊
維軸方向が面方向に平行になるように配向させ分散させ
た黒鉛繊維複合板などである。前記マトリックスには、
Ａｇろう付け時の高温（８００℃以上）に耐える銅や炭
素などの材料が望ましい。さらに銅はメッキ処理が可能
な点、炭素は反りが生じ難い点でも有用である。

【００１８】黒鉛繊維複合板の面方向の熱伝導率は、用
いる黒鉛繊維の黒鉛化度（黒鉛質の占める体積率）によ
って５００Ｗ／ｍ・Ｋ程度まで高くできるが、黒鉛繊維
は黒鉛化度が高いほど高価になるので、黒鉛繊維の種類
は、用途と価格を配慮して選択するのが良い。本発明に
おいて、異方性高熱伝導板の面方向の熱伝導率を２５０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上に規定する理由は、２５０Ｗ／ｍ・Ｋ未
満では、光半導体素子用パッケージに必要な熱放散性が
十分に得られないためである。

【００１９】本発明にて用いる異方性高熱伝導板は、面
方向の熱膨張係数が１０ｐｐｍ／Ｋ以下であることが望
ましい。熱膨張係数が１０ｐｐｍ／Ｋを超えると搭載さ
れる光半導体素子との間で熱歪みが生じる恐れがある。

【００２０】本発明において、金属底板表面の前記異方
性高熱伝導板を接合する箇所は、少なくとも光半導体素
子などの発熱体が搭載される部位を含む箇所である。

【００２１】異方性高熱伝導板は金属底板を補強する作
用も有しているため、異方性高熱伝導板の、金属枠体に
囲まれた金属底板表面部分に占める面積比率は、５０％
以上、特には７０％以上に大きくするのが望ましい。金
属底板は、図２に示すように、金属枠体４の金属底板１
と接する部分をリブ構造９とすることによっても補強す
ることができる。

【００２２】

【実施例】以下に、本発明を実施例により詳細に説明す
る。 （実施例１）厚み０．２０ｍｍのＣｕ−Ｗ合金底板表面
にコバール製の金属枠体を接合し、前記金属底板表面の
金属枠体に囲まれた部分全面に厚み０．５０ｍｍの黒鉛
繊維複合板をＡｇろう付けにより接合して光半導体素子
用パッケージを組立てた。前記光半導体素子用パッケー
ジの露出部分にＮｉをめっきした。前記黒鉛繊維複合板
には、炭素−黒鉛繊維複合板（Ｃ−Ｃと略記）または銅
−黒鉛繊維複合板（Ｃｕ−Ｃと略記）を用いた。前記黒
鉛繊維複合板の面方向の熱伝導率はそれぞれ５００Ｗ／
ｍ・Ｋおよび３００Ｗ／ｍ・Ｋ、厚み方向の熱伝導率は
それぞれ８０Ｗ／ｍ・Ｋおよび１００Ｗ／ｍ・Ｋであっ
た。また面方向の熱膨張係数は両者とも５〜１０ｐｐｍ
／Ｋであった。

【００２３】（比較例１）金属底板に厚み０．７０ｍｍ
のＣｕ−Ｗ合金板を用い、黒鉛繊維複合板は接合しなか
った他は、実施例１と同じ方法により従来のパッケージ
を組立てた。

【００２４】実施例１および比較例１で組立てた各々の
パッケージの底板部外面にサーマルシートを介してベー
ス板を取付け底板部分の熱抵抗を常法により測定した。
結果を表１に示す。表１には炭素繊維複合板の面方向の
熱伝導率などを併記した。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１より明らかなように、本発明例のＮ
ｏ．１、２は、熱抵抗が小さかった。これは本発明のパ
ッケージは金属底板表面に、面方向の熱伝導率が大きい
黒鉛繊維複合板が接合されていて熱放散性に優れるため
である。比較例のＮｏ．３は、前記黒鉛繊維複合板が接
合されていないため熱抵抗が大きかった。

【００２７】（実施例２）厚み０．１〜０．５ｍｍのＦ
ｅ−Ｎｉ合金底板表面にコバール製の金属枠体を接合
し、前記金属底板表面の金属枠体に囲まれた部分全面
に、炭素をマトリックスとする黒鉛繊維複合板（Ｃ−
Ｃ）を、前記底板との合計厚みが１．５ｍｍになるよう
に銀ろう付けにより接合し、さらに窓枠５にウインドウ
８をＡｕ−Ｓｎ合金によりろう付けして光半導体素子用
パッケージを組立てた。

【００２８】（実施例３）厚み０．１ｍｍのＦｅ−Ｎｉ
合金底板表面に、リブ付きの金属枠体（図２参照）を接
合した他は、実施例２と同じ方法により光半導体素子用
パッケージを組立てた。

【００２９】（比較例２）厚み０．２０ｍｍ、０．８０
ｍｍ、１．５０ｍｍの３種のＦｅ−Ｎｉ合金底板を用
い、前記底板表面に炭素繊維複合板を接合しなかった他
は、実施例２と同じ方法により光半導体素子用パッケー
ジを組立てた。

【００３０】実施例２、３、および比較例２で組立てた
各々の光半導体素子用パッケージの露出面にＮｉをめっ
きし、さらに素子搭載部１０やセラミック端子上の配線
パターンなどの所要箇所にＡｕをめっきし、素子搭載部
１０上に光半導体レーザー素子（ＬＤ）およびペルチェ
素子を取付けたキャリアを半田付けし、また前記各素子
と前記配線パターンとをＡｕ線を用いて超音波接合法に
よりワイヤボンディングし、次いで金属枠体４上に金属
蓋体をシールリング１１を介して通電溶接してＬＤモジ
ュールを作製した。前記各接合はＬＤモジュール内が外
界から遮断されるように気密に行った。

【００３１】前記各々のＬＤモジュールについて、 (1)
温度サイクルに対する信頼性、 (2)パッケージ作製時の
ねじ穴部打抜加工性、 (3)熱放散性を調べた。 (1)温度サイクルに対する信頼性は、−４０℃と１２０
℃間で冷熱サイクル試験を行ったのち、光出力の低下率
を測定し評価した。前記低下率が１．０％未満のとき良
好、１．０％を超えたとき不良と判定した。 (2)打抜加工性は、パッケージ製作の際にねじ穴を打抜
加工し、そのときのねじ穴部の欠落有無を調べ評価し
た。欠落が全くない場合は良好、欠落があるが小さいた
め実用上問題ない場合はほぼ良好、欠落が大きく実用不
可能な場合は不良と判定した。 (3)熱放散性は、同一電力で熱電冷却素子を駆動させ、
熱電冷却素子の下面温度（高温側）と熱電冷却素子が配
置された部分の底板の外面温度（低温側）の差（ΔＴ）
を測定して評価した。温度差が１０度未満の場合は良
好、１０度を超えた場合は不良と判定した。結果を表２
に示す。表２には炭素繊維複合板の面方向の熱伝導率な
どを併記した。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２より明らかなように、本発明例のＮ
ｏ．４〜７は、いずれも、温度サイクルに対する信頼性
（耐光出力低下性）、パッケージ製作時のねじ穴部打抜
加工性、熱放散性に優れていた。金属底板が薄いＮｏ．
４、７のうち、Ｎｏ．４は金属底板が若干変形して、冷
熱サイクル試験後に出力が僅かながら低下したが、Ｎ
ｏ．７は金属枠体がリブ構造のため、金属底板が前記金
属枠体により補強されて変形が防止され、出力低下は全
く認められなかった。他方、比較例のＮｏ．１０〜１２
はいずれも金属底板表面に炭素繊維複合板を接合しなか
ったため熱放散性（ΔＴ）が著しく劣った。またＮｏ．
８は金属底板が薄すぎたため冷熱サイクル試験でひずみ
が生じ、出力が大幅に低下した。さらにＮｏ．９、１
１、１２は金属底板が厚すぎたため打抜加工性が劣っ
た。なお、本発明例のＮｏ．４〜７のＬＤモジュールに
ついて、内部にヘリウムガスを充満させてリーク量を測
定したが、いずれもリーク量が少なく気密性に優れるこ
とが確認された。

【００３４】実施例１で組立てたパッケージ（表１のＮ
ｏ．１、２）を用いて実施例２と同じ方法によりＬＤモ
ジュールを作製し、これらのＬＤモジュールについて温
度サイクルに対する信頼性、打抜加工性、熱放散性、気
密性を前述と同じ方法により調べた。いずれも実施例２
の場合と同様に、全ての特性に優れた特性を示した。

【００３５】

【発明の効果】本発明の光半導体素子用パッケージは、
金属底板表面に熱伝導性に優れる異方性高熱伝導板（黒
鉛繊維複合板など）が接合されており、この異方性高熱
伝導板により熱放散性が改善される。このため前記金属
底板は、気密性が維持され、且つ変形が防止される範囲
で薄くすることができる。依って、パッケージの小型化
が可能となり、工業上顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光半導体素子用パッケージの第１の実
施形態を示す縦断面説明図である。

【図２】本発明の光半導体素子用パッケージの第２の実
施形態を示す縦断面説明図である。

【図３】（イ）は従来の光半導体素子用パッケージの斜
視図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ矢視断面図である。

【符号の説明】

１ 金属底板 ２ 異方性高熱伝導板 ３ 本発明の光半導体素子用パッケージ ４ 金属枠体 ５ 窓枠 ６ 電気信号入出力用セラミック端子 ７ リード ８ ウインドウ ９ リブ構造 １０ 素子搭載部 １１ シーリング １３ 従来の光半導体素子用パッケージ １６ セラミック端子上に形成された配線パターン

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光半導体素子を搭載する金属底板と、前
   記金属底板表面に接合され、光ファイバを保持する窓枠
   を有する金属枠体とを主要構成部材とする光半導体素子
   用パッケージにおいて、前記金属底板表面の金属枠体に
   囲まれた部分の所要箇所に面方向の熱伝導率が２５０Ｗ
   ／ｍ・Ｋ以上の異方性高熱伝導板が接合されていること
   を特徴とする光半導体素子用パッケージ。
2. 【請求項２】 金属枠体に囲まれた金属底板表面部分に
   占める異方性高熱伝導板の面積比率が５０％以上である
   ことを特徴とする請求項１記載の光半導体素子用パッケ
   ージ。
3. 【請求項３】 異方性高熱伝導板が黒鉛繊維複合板であ
   ることを特徴とする請求項１または２記載の光半導体素
   子用パッケージ。
4. 【請求項４】 金属底板がＦｅ−Ｎｉ系合金またはＦｅ
   −Ｎｉ−Ｃｏ系合金からなり、厚みが０．１〜０．５ｍ
   ｍであることを特徴とする請求項１、２、３のいずれか
   に記載の光半導体素子用パッケージ。
5. 【請求項５】 金属枠体の金属底板と接合する部分がリ
   ブ構造からなることを特徴とする請求項１、２、３、４
   のいずれかに記載の光半導体素子用パッケージ。