JP2002228888A - 光通信用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 気密信頼性を備え、光ファイバーの光を確実
に通過させる光通信用パッケージを提供する。 【解決手段】 内部に光通信用の半導体素子を搭載する
ためのキャビティ１４を形成するセラミック製又は金属
製の基体１５の側面部に、キャビティ１４に連通する貫
通孔２０を形成し、貫通孔２０に挿入固着された金属製
固定部材２１の挿通孔２２中に、光ファイバーの先端と
対向させるための透光性部材２６が設けられた光通信用
パッケージ１０において、金属製固定部材２１の挿通孔
２２が大径から小径になる段差部を有すると共に、段差
部の縮径角部に切欠きを設け、しかも、段差部に透光性
部材２６が低融点ガラス２７で接合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用の半導体
素子を収容するための光通信用パッケージに係り、より
詳細には光ファイバーの先端と対向させる透光性部材を
備える光通信用パッケージに関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信用の半導体素子を収容するための
光通信用パッケージには、本体がセラミック製や金属製
のもの、外部接続端子の接合形状がデュアルインライン
（Ｄｕａｌ ｉｎ Ｌｉｎｅ）型やバタフライ（Ｂｕｔ
ｔｅｒｆｌｙ）型等のパッケージがある。例えば、金属
製でバタフライ型の光通信用パッケージ５０は、図５に
示すように、底部が放熱性に優れた銅タングステン等、
側面部がセラミックと熱膨張係数が近似するコバール等
の金属部材からなり、内部に半導体素子を搭載するため
のキャビティ５１を有する基体５２と、この基体５２の
側面部に穿孔され、キャビティ５１に連通する貫通孔５
３と、この貫通孔５３の周辺にろう付け接合され、キャ
ビティ５１に光信号を通すための挿通孔を有するコバー
ル等の金属材からなる金属製固定部材５４と、この金属
製固定部材５４の挿通孔を塞いで接合され、キャビティ
５１内を気密に保持させると同時に光ファイバーの先端
と対向させるための透光性部材５５と、基体５２の側面
部に穿設された窓枠部に接合され、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ
₃ ）等のセラミック材に、基体５２のキャビティ５１側
から基体５２の外側にかけて導通して形成される導体配
線パターン５６を備えるフィードスルー基板５７と、フ
ィードスルー基板５７の基体５２の外側部分の導体配線
パターン５６にバタフライ型にろう付け接合され、外部
からの電気的接続をするためのコバール等の金属部材か
らなる外部接続端子５８とを有している。

【０００３】この光通信用パッケージ５０には、基体５
２のキャビティ５１に半導体素子を接着し、半導体素子
とフィードスルー基板５７の基体５２のキャビティ５１
側部分の導体配線パターン５６とをボンディングワイヤ
等で接続することで外部接続端子５８と電気的に接続
し、また、光ファイバー部材を金属製固定部材５４に、
ＹＡＧ等のレーザーを使用して溶接した後、基体５２の
上面に金属やセラミック等からなる蓋体５９をガラス、
ろう材、樹脂等からなる封止材で接合することで光半導
体装置が形成され、取付け孔６０を介してねじでボード
等にねじ止めされる。

【０００４】通常、光通信用パッケージのキャビティ５
１内を気密に保つために、例えば、図６に示すように、
レンズ６１（透光性部材）を金属製のレンズホルダ６２
（金属製固定部材）に低融点ガラス６３で接合すること
が特開平１１−９５０７０号公報に開示されている。ま
た、図７に示すように、サファイアガラス板６４（透光
性部材）を金属製固定部材を用いることなく基体５２に
直接低融点ガラス６３で接合することが特開昭６３−２
２８１１２号公報に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような従来の光通信用パッケージは、次のような問題
がある。 （１）基体や金属製固定部材と透光性部材との低融点ガ
ラスでの接合は、両者の接合強度を確保するために、適
正な低融点ガラスの量と低融点ガラスの流れ出し（メニ
スカス）によって行っているが、接合面が平面どうしで
あるので、低融点ガラスのメニスカスが大きくなると透
光性部材の光ファイバーの光が透光できる有効透光面積
が小さくなる。基体や金属製固定部材に光ファイバーを
取付ける場合には、半導体素子との光の授受のために光
ファイバーを移動させながらの位置合わせが必要である
が、有効透光面積が小さいと移動に必要な光ファイバー
の移動可能範囲が狭くなり、基体や金属製固定部材に取
付ける時の作業効率を悪化させている。 （２）特に、透光性部材がレンズの場合は、レンズの曲
面部分に低融点ガラスの流れ出しが発生し、光ファイバ
ーの光が通過する部分に低融点ガラスが存在することと
なり、光の屈折を発生させ、光ファイバーの光の授受の
効率を低下させている。 （３）低融点ガラスの量を減らして、メニスカスを小さ
くし、有効透光面積を大きくすると、基体や金属製固定
部材と透光性部材の接合強度が弱くなり、気密信頼性が
低くなる。 本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、
気密信頼性を備え、光ファイバーの光を確実に通過させ
る光通信用パッケージを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う本発明に
係る光通信用パッケージは、内部に光通信用の半導体素
子を搭載するためのキャビティを形成するセラミック製
又は金属製の基体の側面部に、キャビティに連通する貫
通孔を形成し、貫通孔に挿入固着された金属製固定部材
の挿通孔中に、光ファイバーの先端と対向させるための
透光性部材が設けられた光通信用パッケージにおいて、
金属製固定部材の挿通孔が大径から小径になる段差部を
有すると共に、段差部の縮径角部に切欠きを設け、しか
も、段差部に透光性部材が低融点ガラスで接合されてい
る。

【０００７】これにより、接合時に溶融した低融点ガラ
スを段差部に設けた切欠きに溜めることができ、透光性
部材の光ファイバーの光が透光できる有効透光面積を広
くすることができるので、光ファイバーと半導体素子と
の光の位置合わせのための光ファイバーの移動可能範囲
が広がり、金属製固定部材に容易に取付けることができ
る。また、光の屈折を発生させることなく光ファイバー
の光の授受の効率を低下させない。更に、低融点ガラス
の量を減らすことなく適正なメニスカスが形成できるの
で、金属製固定部材と透光性部材の接合強度を強く保
ち、気密信頼性も高く保つことができる。更には、切欠
きの形成を基体に直接行うのではなく、基体に接合する
金属製固定部材に行うので、容易に形成することができ
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本
発明の理解に供する。ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそ
れぞれ本発明の一実施の形態に係る光通信用パッケージ
の平面図、断面図、図２は同光通信用パッケージの金属
製固定部材の拡大断面図、図３は同光通信用パッケージ
の変形例の斜視図、図４は同光通信用パッケージの変形
例の金属製固定部材の拡大断面図である。

【０００９】図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明
の一実施の形態に係る光通信用パッケージ１０は、例え
ば、枠体となる金属製のメタルウォール１１と、底部と
なりボード等に取付けるための固定用孔１２を備えた金
属製のメタルベース１３とをろう付け接合して、内部に
光通信用の半導体素子を搭載するためのキャビティ１４
を形成する基体１５を有し、この基体１５のメタルウォ
ール１１の対向する側面部には、それぞれキャビティ１
４に連通する窓枠状孔１６が設けられている。各窓枠状
孔１６には、導体パターン１８を備えたセラミックから
なるフィードスルー基板１９が嵌入、ろう付け接合さ
れ、導体パターン１８は、メタルウォール１１の外側で
外部接続端子となるリードフレーム１７とバタフライ型
にろう付け接合され、キャビティ１４側で半導体素子と
ワイヤボンディング等を介して接続される。フィードス
ルー基板１９が接合されていないメタルウォール１１の
一側面部には、キャビティ１４に連通する貫通孔２０が
形成され、この貫通孔２０に挿通孔２２を有する金属製
固定部材２１が挿入され接合されている。

【００１０】図２に示すように、この金属製固定部材２
１は、挿通孔２２中に内径が大径から小径になる段差部
２３を備えると共に、段差部２３の縮径角部に切欠き２
４を有し、光ファイバー２５の先端と対向させるための
ガラス板からなる透光性部材２６がこの段差部２３に低
融点ガラス２７で接合されている。そして、基体１５の
メタルウォール１１と金属製固定部材２１とは、低温ろ
う材や樹脂等の接合材２８で接合されている。

【００１１】次に、本発明の一実施の形態に係る光通信
用パッケージ１０の変形例である光通信用パッケージ１
０ａについて説明する。図３に示すように、光通信用パ
ッケージ１０ａは、基体３１がセラミック製で、セラミ
ックグリーンシートを積層、焼成して製造したものであ
り、基体３１の内部には、光通信用の半導体素子を搭載
するためのキャビティ３２が形成されている。基体３１
のキャビティ３２側に対向して突出した部分には半導体
素子をボンディングワイヤで接続するための導体パター
ン３３が形成され、また、基体３１の相対向する外側面
には、キャビティ３２内の導体パターン３３と導通する
導体パターン３４が形成されている。導体パターンを形
成する高融点金属とセラミックとは同時焼成して形成さ
れ、更に、導体パターン３４に外部接続端子用のリード
フレーム３５がデュアルインライン型に、また、最上層
のセラミックグリーンシートのキャビティ３２を形成す
る外周囲に形成された導体パターン３７には、半導体素
子を実装後に蓋体を被せて気密にシールするためのシー
ルリング３８が高温ろう材でろう付け接合されている。
なお、リードフレーム３５は、バタフライ型に基体３１
の表面、又は裏面側に接合されることもある。

【００１２】更に、図４に示すように、光通信用パッケ
ージ１０ａの基体３１のリードフレーム３５が接合され
ていない一側面部には、キャビティ３２に連通する貫通
孔３６が形成されている。そして、金属製固定部材２１
ａの挿通孔２２ａ中に大径から小径になる段差部２３ａ
を備えると共に、段差部２３ａの縮径角部に切欠き２４
ａを有し、光ファイバー２５の先端と対向させるための
透光性部材２６が低融点ガラス２７で接合されており、
更には、セラミック製の基体３１と、金属製固定部材２
１ａとは、低温ろう材や樹脂等の接合材２８で接合され
ている。なお、低温ろう材で接合する場合には、基体３
１の側面部、必要に応じて貫通孔３６の内周側面に高融
点金属でメタライズパターンを形成する。

【００１３】なお、光通信用パッケージ１０、１０ａに
おいて、低融点ガラス２７との接合面となる金属製固定
部材２１、２１ａの表面には、必要に応じてＮｉめっき
が施されていてもよい。また、接合材２８が低温ろう材
の場合の接合面となる金属製固定部材２１、２１ａの表
面、金属製の基体１５の表面、及びセラミック製の基体
３１に形成されたメタライズパターンの表面には、通常
Ｎｉめっき及びＡｕめっきが施されている。金属製固定
部材に接合される透光性部材の形状は、平板状、球状、
半球状等のいずれでもよい。また、材質は、ホウケイ酸
ガラス、サファイアガラス等のいずれでも適用できる。
金属製固定部材の段差部の縮径角部に形成される切欠き
の形状は、テーパー形状（図２参照）、ザグリ形状（図
４参照）、三日月形状等いずれでも適用でき、限定され
るものではない。

【００１４】上述の光通信用パッケージ１０、１０ａに
は、キャビティ１４、３２内に半導体素子が実装され、
金属製固定部材２１、２１ａに光ファイバー２５がＹＡ
Ｇ等のレーザーを使用して溶接して取付けられた後、コ
バール、４２アロイ等の金属やセラミック等で形成され
るキャップ（蓋体）をろう材、樹脂、ガラス等で接合
し、封止することで光通信用の半導体デバイスとして使
用される。

【００１５】次いで、図１、図２を参照して、本発明の
一実施の形態に係る光通信用パッケージ１０の製造工程
を説明する。セラミックと熱膨張係数が近似するコバー
ル、４２アロイ等の金属塊を切削したり、パイプ状を輪
切りにしてから押し曲げてメタルウォール１１を形成す
る。このメタルウォール１１の相対向する側面部にはそ
れぞれ、キャビティ１４に連通し実質的に矩形状からな
る窓枠状孔１６を設け、窓枠状孔１６が形成されていな
い側のメタルウォール１１の一側面部には、キャビティ
１４に連通し実質的に円形からなる貫通孔２０を形成す
る。一方、半導体素子からの発熱を放熱するのに優れる
銅タングステン等の金属板に、ボード等の取付け部材に
ねじで取付けるための固定用孔１２をあけてメタルベー
ス１３を形成する。メタルウォール１１とメタルベース
１３に、Ｎｉめっきを施した後、接合部に例えば、Ａｇ
−Ｃｕろう材等の高温ろう材を挟んで加熱し、ろう付け
接合して、内部に光通信用のレーザーダイオード、発光
ダイオード等の半導体素子を搭載するためのキャビティ
１４を有する基体１５を形成する。また、セラミックか
らなるフィードスルー基板１９は、窓枠状孔１６との接
合部の導体パターンにＮｉめっきを施した後、Ａｇ−Ｃ
ｕろう材等の高温ろう材を接合部に挟んで加熱し、窓枠
状孔１６にろう付け接合する。

【００１６】ここで、窓枠状孔１６に接合されるフィー
ドスルー基板１９は、絶縁体であるアルミナ等のセラミ
ックを形成する各セラミックグリーンシートにタングス
テンやモリブデン等の高融点金属で導体パターンを形成
し、各セラミックグリーンシートを積層した積層体を焼
成して形成する。このフィードスルー基板１９に形成さ
れる導体パターンは、窓枠状孔１６にフィードスルー基
板１９を嵌め込んでろう付け接合するために、窓枠状孔
１６と当接するフィードスルー基板１９の外周部に形成
されるもの（図示せず）と、メタルウォール１１の内側
と外側の導通用となるもの（導体パターン１８）を有し
ている。

【００１７】メタルウォール１１の外側に位置する導体
パターン１８には、外部接続端子となるリードフレーム
１７をバタフライ型に当接し、Ａｇ−Ｃｕろう材等の高
温ろう材でろう付け接合する。また、キャビティ１４内
に位置する導体パターン１８は、半導体素子とボンディ
ングワイヤ等で接続するために用いられる。なお、上述
のＡｇ−Ｃｕろう材等の高温ろう材でのろう付け接合
は、各接合部分を一度に合わせて加熱し、接合する場合
と、複数回に分けて加熱し、接合する場合がある。その
後、フィードスルー基板１９及びリードフレーム１７が
接合された基体１５には、Ｎｉめっき及びＡｕめっきを
施す。

【００１８】一方、金属製固定部材２１は、先ず、コバ
ール、４２アロイ等の金属塊から外周部をメタルウォー
ル１１の貫通孔２０に挿入及び貫通孔２０周縁のメタル
ウォール１１の側面部に当接可能となるように切削加工
等によって形成する。併せて、大径から小径になる段差
部２３と共に、段差部２３の縮径角部にテーパー形状の
切欠き２４を有する挿通孔２２を切削加工等によって形
成する。なお、切欠き２４の形状は、テーパー形状の
他、ザグリ形状、三日月形状等があり、その形状は限定
するものではない。

【００１９】次いで、段差部２３に、ガラス板からなる
透光性部材２６を、ガラスペレット状の低融点ガラス２
７を介して載置し、適当な圧力を加えながら加熱するこ
とで低融点ガラス２７を溶融させ段差部２３に透光性部
材２６を接合する。この接合においては、段差部２３に
よって透光性部材２６が安定して載置でき、低融点ガラ
ス２７が加熱溶融によって流れ出して適正なメニスカス
形状を作ることができると共に、切欠き２４によって透
光性部材２６の表面への流れ出しを抑えることができる
ので、透光性部材２６の表面を低融点ガラス２７が覆う
ことなく、有効透光面積を大きくすることができる。

【００２０】そして、基体１５のフィードスルー基板１
９が接合されていないメタルウォール１１の一側面部の
貫通孔２０に、挿通孔２２中に光ファイバー２５の先端
と対向させるための透光性部材２６が設けられた金属製
固定部材２１を挿入し、接合材２８で接合固着する。

【００２１】なお、上述の低融点ガラス２７には、融点
が６５０℃以下からなるガラスを用いることが好まし
い。これにより、ガラスのメニスカスが正常に形成でき
金属製固定部材２１に透光性部材２６を強固に接合する
ことができる。融点が６５０℃を超えると、正常なメニ
スカス形状が得られないし、透光性部材２６のガラスが
軟化して変形が発生する。また、基体１５のメタルウォ
ール１１と、金属製固定部材２１との間には、Ａｕ−Ｓ
ｎ、Ａｕ−Ｇｅ等からなる低温ろう材や樹脂等からなる
接合材２８を用いることができる。

【００２２】次いで、図３、図４を参照して、本発明の
一実施の形態に係る光通信用パッケージ１０の変形例で
ある光通信用パッケージ１０ａの製造工程を説明する。
光通信用パッケージ１０ａは、基体３１がセラミック製
で、例えば、アルミナ等のセラミックグリーンシートを
積層、焼成して製造したものである。セラミックグリー
ンシートは、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カル
シア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオキシルフ
タレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー及
び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加
え、十分に混練し、脱泡して粘度２０００〜４００００
ｃｐｓのスラリーを作製し、ドクターブレード法等によ
って例えば、厚み０．２５ｍｍのロール状のシートを形
成し、適当なサイズにカットして矩形状のシートから作
製している。

【００２３】次に、複数のセラミックグリーンシートの
上下の導体パターンの導通をとるためのスルーホールを
プレス金型やパンチングマシーン等を用いて形成し、タ
ングステンやモリブデン等の高融点金属を用いてそれぞ
れのセラミックグリーンシートのスルーホールに孔埋め
印刷、セラミックグリーンシートの表面に導体パターン
３３、３７等をスクリーン印刷して形成している。そし
て、基体３１の内部に光通信用の半導体素子を搭載する
ためのキャビティ３２を形成するために複数の各セラミ
ックグリーンシートに孔を金型等で打ち抜いて形成し、
また、金属製固定部材２１を接合するための貫通孔３６
を形成するために、複数枚のセラミックグリーンシート
に、キャビティ３２となる側から各セラミックグリーン
シート毎に幅を違えて切欠きを設け、重ね合わせたら実
質的に円形、又は複数枚のセラミックグリーンシートに
幅を同一にして切欠きを設け、重ね合わせたら実質的に
矩形からなる空洞ができるようにして、それぞれのセラ
ミックグリーンシートを積み重ね、温度と圧力を掛けて
積層する。これによりセラミックグリーンシートに打ち
抜いた孔の部分は、キャビティ３２が形成され、更に、
基体３１となるように外周を切断して形成された積層体
に貫通孔３６が形成される。

【００２４】そして、外周を切断して形成された積層体
の相対向する外側両側面には、リードフレーム３５をろ
う付け接合するための導体パターン３４を形成する。ま
た、積層体のリードフレーム３５が接合されない側の一
側面に形成されている貫通孔３６に、金属製固定部材２
１ａをろう材を用いて接合する場合には、貫通孔３６周
縁に高融点金属でメタライズパターンを形成する。そし
て、この積層体を約１５５０℃の還元雰囲気中でセラミ
ックと高融点金属を同時焼成し、基体３１を形成する。

【００２５】次いで、基体３１の導体パターン３４、３
７のそれぞれにリードフレーム３５、シールリング３８
がＡｇ−Ｃｕろう材等からなる高温ろう材でろう付け接
合される。なお、基体３１は、リードフレーム３５及び
シールリング３８がろう付けされる前に、Ｎｉめっきが
施され、ろう付け後にはＮｉめっき及びＡｕめっきが施
される。

【００２６】そして、基体３１の貫通孔３６には、金属
製固定部材２１ａが挿入され、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｇｅ
等からなる低温ろう材や樹脂等からなる接合材２８を介
し、加熱することで接合する。

【００２７】金属製固定部材２１ａの挿通孔２２ａ中の
段差部２３ａの形成方法、切欠き２４ａの形成方法、光
ファイバー２５の先端と対向させるための透光性部材２
６の低融点ガラス２７を用いての接合方法等について
は、金属製の基体１５の金属製固定部材２１の場合と同
様の製造方法が適用できる。

【００２８】

【発明の効果】請求項１記載の光通信用パッケージは、
金属製固定部材の挿通孔が大径から小径になる段差部を
有すると共に、段差部の縮径角部に切欠きを設け、しか
も、段差部に透光性部材が低融点ガラスで接合されてい
るので、低融点ガラスを段差部に設けた切欠きに溜める
ことで有効透光面積を広くすることができ、光の屈折を
発生させることがない。また、光ファイバーの光の授受
の効率を低下させない。更に、有効透光面積を広くする
ことができるので、光ファイバーと半導体素子との光の
位置合わせのための光ファイバーの移動可能範囲が広が
り、光ファイバーを金属製固定部材に容易に取付けるこ
とができる。更には、低融点ガラスの量を減らすことな
く適正なメニスカスが形成でき、金属製固定部材と透光
性部材の接合強度を強く保ち、気密信頼性も高く保つこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形
態に係る光通信用パッケージの平面図、断面図である。

【図２】同光通信用パッケージの金属製固定部材の拡大
断面図である。

【図３】同光通信用パッケージの変形例の斜視図であ
る。

【図４】同光通信用パッケージの変形例の金属製固定部
材の拡大断面図である。

【図５】従来の光通信用パッケージの斜視図である。

【図６】従来の光通信用パッケージの金属製固定部材の
断面図である。

【図７】従来の光通信用パッケージの透光性部材接合部
の断面図である。

【符号の説明】

１０、１０ａ：光通信用パッケージ、１１：メタルウォ
ール、１２：固定用孔、１３：メタルベース、１４：キ
ャビティ、１５：基体、１６：窓枠状孔、１７：リード
フレーム、１８：導体パターン、１９：フィードスルー
基板、２０：貫通孔、２１、２１ａ：金属製固定部材、
２２，２２ａ：挿通孔、２３、２３ａ：段差部、２４、
２４ａ：切欠き、２５：光ファイバー、２６：透光性部
材、２７：低融点ガラス、２８：接合材、３１：基体、
３２：キャビティ、３３、３４：導体パターン、３５：
リードフレーム、３６：貫通孔、３７：導体パターン、
３８：シールリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA02 BA11 DA04 DA06 5F073 BA01 BA02 FA07 FA27 FA28 FA29 5F088 BA16 BB01 JA03 JA05 JA09 JA10 JA14

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に光通信用の半導体素子を搭載する
   ためのキャビティを形成するセラミック製又は金属製の
   基体の側面部に、前記キャビティに連通する貫通孔を形
   成し、該貫通孔に挿入固着された金属製固定部材の挿通
   孔中に、光ファイバーの先端と対向させるための透光性
   部材が設けられた光通信用パッケージにおいて、前記金
   属製固定部材の挿通孔が大径から小径になる段差部を有
   すると共に、該段差部の縮径角部に切欠きを設け、しか
   も、前記段差部に前記透光性部材が低融点ガラスで接合
   されていることを特徴とする光通信用パッケージ。