JP2003152261A - 光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光半導体素子の気密性、光半導体素子と光フ
ァイバとの光の結合効率、光半導体素子と入出力端子と
の高周波伝送特性、光半導体素子の作動時における熱放
散性を良好とする。 【解決手段】 略直方体とされた光半導体パッケージの
基体２は、Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，ＺｒおよびＷのうちの少
なくとも一種を０．２〜１０重量部ならびにＣｕを９０
〜９９．８重量部含有する金属成分ｎが含浸された炭素
質母材ｍ内に一方向性炭素繊維ｌの集合体が分散された
金属炭素複合体Ａを基材とし、その基材の表面に金属メ
ッキ層Ｘとロウ材層Ｙと金属炭素複合体Ａの厚さの１／
１０〜１／２のＣｕ層Ｚとが順次積層されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を収
容するための光半導体素子収納用パッケージ、およびそ
の光半導体素子収納用パッケージを用いた光半導体装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光半導体素子収納用パッケージ
（以下、光半導体パッケージという）を図３〜図５にそ
れぞれ平面図，断面図および部分拡大断面図で示す（特
開２０００−１５０７４６号公報参照）。

【０００３】この光半導体パッケージは、上面に光半導
体素子１０１がペルチェ素子等の熱電冷却素子１０５を
介して載置される載置部１０２ａを有するとともに、対
向する端部に貫通穴または切欠きから成るネジ取付部１
０２ｂが設けられた基体１０２を有する。また、基体１
０２の上面に載置部１０２ａを囲繞するように銀ロウ等
のロウ材で接合されるとともに、一側部に形成された貫
通孔から成る光ファイバ固定部材取付部１０３ａと、他
の側部に形成された貫通開口または切欠き部から成る入
出力端子取付部１０３ｂが設けられた枠体１０３を有す
る。また、入出力端子取付部１０３ｂに嵌着された入出
力端子１０６を有している。さらに、光ファイバ固定部
材取付部１０３ａには、光信号を光半導体パッケージ内
外に伝送する光ファイバ（図示せず）を固定する筒状の
光ファイバ固定部材１０７が嵌着されており、その光フ
ァイバ固定部材１０７の内周面には集光用レンズとして
機能する透光性部材１０８がロウ付けされている。

【０００４】また、入出力端子１０６には、メタライズ
層１０６ａが枠体１０３内外を導通するように形成され
るとともに、外部電気回路（図示せず）に接合されるリ
ード端子１０９が枠体１０３外側のメタライズ層１０６
ａに銀ロウ等のロウ材を介して接合される。

【０００５】また、シールリング１０４は、ほぼ面一と
なる枠体１０３上面と入出力端子１０６上面に銀ロウ等
のロウ材で接合され、光半導体パッケージに蓋体（図示
せず）をシーム溶接やロウ接合する際の接合媒体として
機能する。

【０００６】なお、基体１０２は、その上面側から下面
側にかけて一方向に配列した一方向性炭素繊維を炭素で
結合した一方向性炭素繊維複合材料から成る。その一方
向性炭素繊維複合材料は、横方向（一方向性炭素繊維の
方向に垂直な方向）の弾性率が非常に低く、かつ熱膨張
係数が約７×１０^-6／℃であり、その上下面に、クロム
（Ｃｒ）−鉄（Ｆｅ）合金層から成る第１層と、銅（Ｃ
ｕ）層から成る第２層と、Ｆｅ−ニッケル（Ｎｉ）−コ
バルト（Ｃｏ）合金層から成る第３層の３層構造を有す
る金属層が被着されている。これにより、横方向の熱膨
張係数を１０×１０^-6〜１３×１０^-6／℃に調整してい
る。

【０００７】また、基体１０２の縦方向（一方向性炭素
繊維の方向に平行な方向）の熱膨張係数は、一方向性炭
素繊維の方向の弾性率が非常に高いため、その弾性率は
高く、かつその熱膨張係数は一方向性炭素繊維の方向の
熱膨張係数（殆ど０）に近似したものとなる。また、基
体１０２は、縦方向の熱伝導率が約３００Ｗ／ｍ・Ｋ以
上と非常に高いのに対し、横方向の熱伝導率は、それぞ
れの一方向性炭素繊維の間に非常に多くの気孔を有して
いるため約３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下と非常に低く、縦方向と
横方向とで熱伝導率が大きく異なっている。

【０００８】このような基体１０２は、ネジ取付部１０
２ｂを介して外部電気回路のヒートシンク部にネジ止め
されて密着固定されることにより、光半導体素子１０１
が作動時に発する熱を効率良くヒートシンク部に伝える
所謂放熱板としても機能する。

【０００９】そして、基体１０２を有する光半導体パッ
ケージに光半導体素子１０１を載置固定した後、光半導
体素子１０１とメタライズ層１０６ａとをボンディング
ワイヤ（図示せず）で電気的に接続し、蓋体により光半
導体素子１０１を気密に封止することにより、製品とし
ての光半導体装置となる。なお、光半導体素子１０１
は、外部電気回路から入力される高周波信号、または光
ファイバから入力される光信号により作動する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光半導体パッケージにおいては、基体１０２の上面
に接合される枠体１０３が所定位置に無い場合、即ち枠
体１０３の接合位置がずれている場合、基体１０２と枠
体１０３との間に隙間ができて光半導体素子１０１の気
密性が損なわれることがあるという問題点があった。

【００１１】また、この場合、略直方体の光半導体素子
１０１の一側面を略四角形の基体１０２の側面に平行に
して光半導体素子１０１を載置部１０２ａに載置固定し
た際、光半導体素子１０１と、枠体１０３の一側部に対
して略垂直方向に伸びるように光ファイバ固定部材１０
７に固定される光ファイバとの光軸の調整が非常に困難
となる。即ち、光半導体素子１０１と光ファイバとの光
の結合効率が低くなるため、光半導体素子１０１が誤作
動する等の問題点を有していた。

【００１２】さらに、基体１０２の上面で枠体１０３の
位置がずれていると、光半導体素子１０１の電極と入出
力端子１０６のメタライズ層１０６ａがボンディングワ
イヤで接続されるべき所定の位置からずれるため、光半
導体素子１０１と入出力端子１０６との電気的接続を行
うためのボンディングワイヤの長さが非常に長くなる部
位が生じる。このため、この部位におけるインピーダン
スが大きくなる。その結果、光半導体素子１０１と入出
力端子１０６との高周波信号の伝送特性が劣化するとい
う問題点があった。

【００１３】なお、このような問題点を解決する構成と
して、枠体１０３の側面（内面）を光半導体素子１０１
に対するアライメント面として、光半導体素子１０１の
一側面を枠体１０３の側面に平行となるように載置部１
０２ａに載置することも考えられる。しかし、枠体１０
３を基体１０２の上面に正確に垂直に設置することが困
難なため、基体１０２の上面に対して光ファイバが正確
に平行とはなり難い。また、そのような光軸がずれた光
ファイバを有する光半導体装置が多数ある場合、光ファ
イバの光軸を外部電気回路上で個々に調整しようとする
と、調整作業が非常に煩雑なものとなる。

【００１４】また、光半導体素子１０１の熱量が非常に
大きい場合、その熱は、基体１０２上面の熱電冷却素子
１０５が接合されている接合部（載置部１０２ａ）から
ほぼ直下のみにしか伝わらないことと、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金等から成る枠体１０３の熱伝導率が約１７Ｗ／ｍ
・Ｋであり基体１０２に比し非常に低いことから、熱は
基体１０２と枠体１０３とで構成される空所（内部空
間）に蓄熱され、その結果光半導体素子１０１の作動性
が劣化したり、光半導体素子１０１が熱破壊されるとい
った問題点があった。

【００１５】この問題点を解決する手段として、熱電冷
却素子１０５を大型化し熱伝達の効率を向上させること
も考えられるが、この場合光半導体パッケージが大型化
し近時の小型化，軽量化といった動向から外れることに
なる。

【００１６】また、光半導体パッケージと外部電気回路
のヒートシンク部との密着固定を強固なものとし、ヒー
トシンク部への熱伝達効率を高めるために、ネジ取付部
１０２ｂをネジでヒートシンク部に高いトルクで締め付
けると、圧縮強度が金属に比べて桁違いに小さいネジ取
付部１０２ｂが厚さ方向に潰れて、光半導体パッケージ
とヒートシンク部との密着固定ができなくなる。そのた
め、光半導体素子１０１の熱をヒートシンク部に良好に
伝達できなくなり、光半導体素子１０１の作動性が劣化
したり、光半導体素子１０１が熱破壊されるといった問
題点があった。

【００１７】従って、本発明は上記問題点に鑑み完成さ
れたものであり、その目的は、ＬＤ，ＰＤ等の光半導体
素子の気密性を確実なものとし、また光半導体素子と光
ファイバとの光の結合効率を良好なものとし、さらに光
半導体素子と入出力端子との間の高周波伝送特性を良好
なものとすることである。また、光半導体素子の熱を効
率良く大気中やヒートシンク部に伝えることにより、光
半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させるこ
とである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の光半導体パッケ
ージは、略直方体とされ、上面に形成された凹部の底面
に光半導体素子を載置するための載置部を、および一側
部から前記凹部にかけて形成された貫通孔から成る光フ
ァイバ固定部材取付部を、ならびに他の側部から前記凹
部にかけて形成された貫通開口または切欠き部から成る
入出力端子取付部を有するとともに、対向する一対の側
部の外面の下端に外側に突出するように形成された張出
部に貫通穴または切欠きから成るネジ取付部が設けられ
た基体と、前記光ファイバ固定部材取付部に嵌着された
筒状の光ファイバ固定部材と、前記入出力端子取付部に
嵌着された入出力端子とを具備した光半導体素子収納用
パッケージにおいて、前記基体は、銀，チタン，ジルコ
ニウムおよびタングステンのうちの少なくとも一種を
０．２〜１０重量部ならびに銅を９０〜９９．８重量部
含有する金属成分が含浸された炭素質母材内に一方向性
炭素繊維の集合体が分散された金属炭素複合体を基材と
し、該基材の表面に金属メッキ層とロウ材層と前記金属
炭素複合体の厚さの１／１０〜１／２の銅層とが順次積
層されていることを特徴とする。

【００１９】また本発明の光半導体パッケージは、略直
方体とされ、上面に形成された凹部の底面に光半導体素
子を載置するための載置部を、および一側部から前記凹
部にかけて形成された貫通孔から成る光ファイバ固定部
材取付部を、ならびに他の側部から前記凹部にかけて形
成された貫通開口または切欠き部から成る入出力端子取
付部を有するとともに、対向する一対の側部の外面の下
端に外側に突出するように形成された張出部に貫通穴ま
たは切欠きから成るネジ取付部が設けられた基体と、前
記光ファイバ固定部材取付部に嵌着された筒状の光ファ
イバ固定部材と、前記入出力端子取付部に嵌着された入
出力端子とを具備した光半導体素子収納用パッケージに
おいて、前記基体は、銀，チタン，ジルコニウムおよび
タングステンのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重
量部ならびに銅を９０〜９９．８重量部含有する金属成
分が含浸された炭素質母材内に一方向性炭素繊維の集合
体が分散された金属炭素複合体を基材とし、該基材の表
面に金属メッキ層とロウ材層と５〜１００μｍの厚さの
モリブデン層とロウ材層と１００〜１０００μｍの厚さ
の銅層とが順次積層されていることを特徴とする。

【００２０】本発明は、金属炭素複合体が炭素繊維と高
温高圧下で含浸された金属とからなるため、その表面が
緻密になり、金属炭素複合体の表面に金属メッキ層が形
成できるようになった。そして、基材の表面に金属メッ
キ層を介してロウ材層、およびＣｕ層等を強固に接合で
きるようになった。即ち、金属メッキ層の炭素繊維への
被着部における被着力の弱さを、含浸された金属が表面
に露出している部位における被着力で補強することがで
きるとともに、金属炭素複合体の表面が緻密になるため
炭素繊維に被着される金属メッキ層の表面欠陥が極めて
少なくなっており、その結果、金属炭素複合体の表面に
金属メッキ層を強固かつ信頼性よく被着することができ
る。このように、基材表面に金属メッキ層を信頼性良く
かつ強固に形成できることによって、ロウ材層を介して
熱伝導性の極めて良好なＣｕ層等を形成することができ
る。その結果、従来のＣｒ−Ｆｅ合金層，Ｆｅ−Ｎｉ−
Ｃｏ合金層等のＦｅ系の金属層を形成した構成では得ら
れない効率のよい熱伝達が可能になる。

【００２１】従って、本発明は、上記の構成により、光
半導体素子の気密性、光半導体素子と光ファイバとの光
の結合効率、光半導体素子と入出力端子との間の高周波
伝送特性、光半導体素子の熱の伝達性、および基体の剛
性を良好なものとできる。その結果、光半導体素子を長
期にわたり正常かつ安定に作動させ得る。

【００２２】本発明の光半導体装置は、本発明の光半導
体パッケージと、載置部に載置固定されるとともに入出
力端子に電気的に接続された光半導体素子と、基体の上
面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。

【００２３】本発明は、上記の構成により、上記本発明
の光半導体パッケージを用いた信頼性の高い光半導体装
置を提供できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の光半導体パッケージにつ
いて以下に詳細に説明する。図１，図２は本発明の光半
導体パッケージについて実施の形態の一例を示すもので
あり、図１は光半導体パッケージの断面図、図２
（ａ），（ｂ）はそれぞれ光半導体パッケージの基体の
部分拡大断面図である。

【００２５】図１において、１はＬＤ，ＰＤ等の光半導
体素子、２は金属炭素複合体Ａから成る基材の表面に金
属層Ｂが形成された基体、３は基体２の上面に形成され
たシールリング、４は基体２の入出力端子取付部（以
下、取付部という）２ｄに嵌着される入出力端子、６は
基体２の貫通孔から成る光ファイバ固定部材取付部（以
下、固定部材取付部という）２ｃに嵌着された筒状の光
ファイバ固定部材（以下、固定部材という）である。こ
れら基体２，シールリング３，入出力端子４，固定部材
６とで光半導体素子１を内部に収容する容器が主に構成
される。

【００２６】また、図２において、ｌは一方向性炭素繊
維、ｍは炭素質母材、ｎは銀（Ａｇ），チタン（Ｔ
ｉ），クロム（Ｃｒ），ジルコニウム（Ｚｒ），タング
ステン（Ｗ）のうちの少なくとも一種を０．２〜１０重
量部ならびに銅（Ｃｕ）を９０〜９９．８重量部含有す
る金属成分である。Ａは一方向性炭素繊維ｌ、炭素質母
材ｍ、金属成分ｎから成る金属炭素複合体であり、基体
２は金属炭素複合体Ａから成る基材の表面に金属層Ｂを
被着して成る。

【００２７】金属層Ｂは、図２（ａ）に示すように、Ｎ
ｉメッキ層，Ｃｕメッキ層等の金属メッキ層Ｘ、銀ロウ
等のロウ材層Ｙおよび金属炭素複合体Ａの厚さの１／１
０〜１／２の厚さを有するＣｕ層Ｚが順次積層されて成
る３層構造であるか、または図２（ｂ）に示すように、
金属メッキ層Ｘ、ロウ材層Ｙ、５〜１００μｍの厚さの
Ｍｏ層Ｗ、ロウ材層Ｙおよび１００〜１０００μｍの厚
さのＣｕ層Ｚが順次積層されて成る５層構造である。

【００２８】図２（ａ），（ｂ）に示すように、金属炭
素複合体Ａは、Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少
なくとも一種を０．２〜１０重量部ならびにＣｕを９０
〜９９．８重量部含有する金属成分ｎが含浸された炭素
質母材ｍ内に一方向性炭素繊維ｌの集合体が分散された
ものである。この金属炭素複合体Ａは、例えば以下の工
程［１］〜［７］のようにして作製される。

【００２９】［１］一方向性炭素繊維ｌの束を炭素で結
合した板状の塊を小さな炭素繊維の集合体となるように
破砕し、破砕された炭素繊維の集合体を集めて固体のピ
ッチあるいはコークス等の微粉末を分散させたフェノー
ル樹脂等の熱硬化性樹脂の溶液中に浸す。なお、板状の
塊を破砕して得られる小塊の大きさは矩形（略立方体）
のものに換算して一辺が約０．１〜１ｍｍ程度である。

【００３０】［２］これを乾燥させて所定の圧力を加え
るとともに加熱して熱硬化性樹脂部分を硬化させ板状の
ブロックを得る。

【００３１】［３］これを不活性雰囲気中、高温で焼成
することでフェノール樹脂とピッチあるいはコークスの
微粉末を炭化させることにより、一方向性炭素繊維ｌが
分散された炭素質母材ｍが作製される。炭素質母材ｍ
は、それ自体２００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの大きな熱伝導
率を有し、半導体素子１の発する熱の伝熱経路としても
機能する。

【００３２】［４］一方、溶融したＣｕの中に、Ａｇ，
Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少なくとも一種を０．２
〜１０重量部含有させることにより、互いに融解した液
状体を作製しておく。

【００３３】［５］次に、［４］で作製された、Ａｇ，
Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少なくとも一種を０．２
〜１０重量部ならびにＣｕを９０〜９９．８重量部含有
する金属成分ｎ（液状体）を、炭素質母材ｍ内に高温高
圧のもとで含浸させたブロックとなす。含浸された金属
成分ｎは塊状または薄板状であり、炭素質母材ｍ内に分
散される。このブロックを板状に切り出して金属炭素複
合体Ａとなる板を作製する。この板の寸法は、例えば厚
さが０．５〜２ｍｍ程度、平視面における縦×横の寸法
が１００ｍｍ角程度である。

【００３４】［６］この板を所望の形状に加工して金属
炭素複合体Ａを作製する。

【００３５】［７］金属炭素複合体Ａの表面に金属層Ｂ
を形成する。

【００３６】本発明の金属炭素複合体Ａの熱膨張係数
は、金属成分ｎが含浸されていることにより、８×１０
^-6〜１０×１０^-6／℃となる。また、金属成分ｎが含浸
されていることにより、炭素質母材ｍとの密着性が非常
に良好なものとなる。そのため、光半導体素子１が作動
時に発する熱は基体２の内部を効率良く伝達し、外部電
気回路のヒートシンク部に確実に伝熱される。さらに、
金属成分ｎが含浸されていることにより、金属炭素複合
体Ａの剛性が高くなり、光半導体パッケージをネジ取付
部２ｂを介して外部電気回路にネジ止めにより固定する
場合、金属炭素複合体Ａが潰れることなく強固に固定で
きる。そのため、光半導体素子１の熱を外部電気回路の
ヒートシンク部に確実に伝熱できる。

【００３７】なお、金属成分ｎは、その熱膨張係数が１
７×１０^-6〜２０×１０^-6／℃、熱伝導率が３５０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上、弾性率が８０ＧＰａ（ギガパスカル）以
上、融点が１０００℃以上となり、それらの諸特性は光
半導体パッケージの製作上、特性上好ましいものとな
る。

【００３８】また、金属成分ｎがＡｇとＣｕから成る場
合、金属成分ｎと炭素質母材ｍとは、それらの間の濡れ
性が高いため密着性が非常に高くなる。また、金属成分
ｎがＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少なくとも一種とＣ
ｕとから成る場合、金属成分ｎと炭素質母材ｍとは、そ
れらの間でＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗの炭素化合物が生成さ
れるため密着性が非常に高くなる。

【００３９】Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少な
くとも一種が０．２重量部未満の場合、濡れ性や炭素化
合物の生成が促進されないため密着性が低下し、その結
果、光半導体素子１の熱は基体２の内部を効率良く伝達
し難くなる。一方、１０重量部を超える場合、同様に濡
れ性や炭素化合物の生成が促進されないため密着性が低
下する。特にＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗの場合には、Ｃｕ中
に融解され難くなり、熱伝導性の低いＴｉ，Ｃｒ，Ｚ
ｒ，ＷがＣｕ中および／またはＣｕ表面に分散されるこ
ととなり、光半導体素子１の熱は基体２の内部を効率良
く伝達し難くなる。

【００４０】また、金属成分ｎのうち特にＡｇの場合は
熱伝導率が非常に高いため光半導体素子１の熱を伝える
のに有利である。また、金属炭素複合体Ａの弾性率は従
来に比し高くなるため、金属成分ｎが基体２の両端部の
ネジ取付部２ｂをネジで外部電気回路基板等に締め付け
た際の補強材として機能し、基体２の破損を有効に防止
する。

【００４１】また、金属成分ｎの融点は非常に高いた
め、光半導体パッケージを融点が７８０℃程度以上の銀
ロウ等のロウ材で組み立てても溶融されることが無く、
常に炭素質母材ｍ内を安定させておくことができる。な
お、ロウ付け時に溶融するような金属の場合は基体２の
端面から溶け出す場合があり、光半導体パッケージ用と
しては不適である。

【００４２】なお、熱膨張係数について、金属成分ｎを
炭素質母材ｍ内に適当量、即ち１０〜２０重量％程度の
含有量で含浸させれば良い。１０重量％未満の場合、横
方向（載置部２ａの面方向）で所望の熱伝導率が得られ
ない。一方、２０重量％を超えると、光半導体素子１と
基体２との熱膨張差が大きくなり、光半導体素子１の基
体２への接合を強固なものとし難い。なお、金属成分ｎ
の上記含有量に伴い金属炭素複合体Ａの表面の約６〜１
０％程度の部位に、金属成分ｎの表層が露出することに
なり、金属メッキ層Ｘとの接合を強固なものとし得る。

【００４３】基体２を成す基材の表面の金属層Ｂが、図
２（ａ）のような金属メッキ層Ｘ、ロウ材層ＹおよびＣ
ｕ層Ｚが順次積層されて成る３層構造である場合、金属
メッキ層Ｘは、Ｎｉメッキ層やＣｕメッキ層等から成
り、金属炭素複合体Ａの表面全面に被着され、金属炭素
複合体Ａとロウ材層Ｙとの接合媒体として機能する。金
属メッキ層Ｘは、一方向性炭素繊維ｌ，炭素質母材ｍと
の密着性は若干弱いが、金属炭素複合体Ａの表面に約６
〜１０％程度の表面積で露出している金属成分ｎとの密
着性が非常に強固であるため、金属炭素複合体Ａと金属
メッキ層Ｘとの密着性は全体的に強固になる。

【００４４】金属メッキ層Ｘの厚さは１〜３０μｍが良
く、１μｍ未満の場合、金属メッキ層Ｘの厚さのばらつ
きにより金属メッキ層Ｘがほとんど被着されない部位が
発生する場合がある。そのため、金属炭素複合体Ａとロ
ウ材層Ｙとの接合媒体としての機能が劣化する。一方、
３０μｍを超えると、Ｎｉメッキ層の場合はその熱伝達
効率の低さにより光半導体素子１の熱を効率良く外部に
伝え難くなり、Ｃｕメッキ層の場合は金属炭素複合体Ａ
との熱膨張差により密着性が劣化する。

【００４５】ロウ材層Ｙは、金属メッキ層ＸとＣｕ層Ｚ
との接合媒体、金属メッキ層ＸとＭｏ層Ｗ｛図２
（ｂ）｝との接合媒体、およびＭｏ層ＷとＣｕ層Ｚとの
接合媒体として機能するとともに、光半導体素子１の熱
をＣｕ層Ｚから金属メッキ層Ｘに効率良く伝える熱伝達
媒体として機能する。また、ロウ材層Ｙは他の層に比べ
て軟らかいことから、金属メッキ層ＸとＣｕ層Ｚとの
間、金属メッキ層ＸとＭｏ層Ｗとの間、およびＭｏ層Ｗ
とＣｕ層Ｚとの間に発生する熱膨張差による応力発生を
緩和する所謂応力緩和層としても機能する。なお、ロウ
材層Ｙは、主にＡｇから成る純Ａｇロウ、ＡｇとＣｕと
から成るＡｇロウ等の熱伝達性の優れた金属ロウ材から
成る。

【００４６】ロウ材層Ｙの厚さは３〜５０μｍが良く、
３μｍ未満の場合、厚さが非常に薄いため応力緩和層と
しての機能が劣化する。一方、５０μｍを超えると、厚
さが厚いため、熱伝達効率が劣化し、また金属メッキ層
ＸとＣｕ層Ｚとの間、金属メッキ層ＸとＭｏ層Ｗとの
間、およびＭｏ層ＷとＣｕ層Ｚとの間に発生する熱膨張
差による応力発生を緩和する応力緩和層としての機能が
劣化する。

【００４７】Ｃｕ層Ｚは、基体２の熱伝達効率を良好と
する機能を有するとともに、光半導体素子１の載置部２
ａを滑らかな面とする機能を有する。即ち、Ｃｕ層Ｚは
それ自体で非常に熱伝達効率が高く、またＣｕ層Ｚが無
く最表層がロウ材層Ｙである場合、最表面がロウ材層Ｙ
のボイド等により粗面となり光半導体素子１を良好に載
置できず、それに伴い光半導体素子１から基体２への熱
伝達効率が劣化する。

【００４８】Ｃｕ層Ｚは、金属層Ｂが金属メッキ層Ｘ、
ロウ材層Ｙ、Ｃｕ層Ｚから成る３層構造の場合、その厚
さは金属炭素複合体Ａの厚さの１／１０〜１／２であれ
ば良い。１／１０未満の場合、金属炭素複合体Ａの厚さ
が薄い場合は、それに伴い非常に薄いものとなり、ロウ
材層Ｙ表面の凹凸がほぼそのまま表面に現れたＣｕ層Ｚ
となり、表面が滑らかで凹凸のないものとなり難い。そ
のため、載置部２ａに凹凸が発生し光半導体素子１の載
置を良好とし難い。一方、１／２を超えると、Ｃｕ層Ｚ
が厚くなり過ぎて光半導体素子１の熱を効率良くロウ材
層Ｙに伝え難くなるとともに、金属炭素複合体ＡとＣｕ
層Ｚとの熱膨張差により密着性が劣化する傾向にある。

【００４９】金属層Ｂが図２（ｂ）のように金属メッキ
層Ｘ、ロウ材層Ｙ、Ｍｏ層Ｗ、ロウ材層ＹおよびＣｕ層
Ｚから成る５層構造の場合、Ｍｏ層Ｗの厚さは５〜１０
０μｍがよく、Ｃｕ層Ｚの厚さは１００〜１０００μｍ
が良い。Ｍｏ層Ｗの厚さが５μｍ未満の場合、基体２の
熱膨張係数を調整する効果が小さくなり、基体２にＦｅ
−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金から成るシールリン
グ３，固定部材６をロウ付けした場合にロウ材にクラッ
ク等が発生し光半導体パッケージ内部の気密性が損なわ
れ易くなる。一方、１００μｍを超えると、光半導体素
子１の熱を効率良く基体２に伝達し難くなる。また、Ｃ
ｕ層Ｚの厚さが１００μｍ未満の場合、横方向への熱伝
達効率が劣化し、光半導体素子１の発する熱を効率良く
伝え難い。一方、１０００μｍを超えると、基体２の熱
膨張係数を調整する効果が小さくなり、基体２にＦｅ−
Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金から成るシールリング
３，固定部材６をロウ付けした場合にロウ材にクラック
が発生し、光半導体パッケージ内部の気密性が損なわれ
易くなる。

【００５０】従って、金属層Ｂは上記の３層構造または
５層構造であるが、製作上のコスト，時間等の削減や、
基体２の熱伝達効率等の特性からして、５層構造よりも
３層構造のほうが好ましい。これら３層構造または５層
構造の金属層Ｂは、金属炭素複合体Ａの表面に露出して
いる一方向性炭素繊維ｌの気孔を完全に被覆し、光半導
体パッケージ内部の気密性を保持する機能を有するとと
もに、光半導体素子１の熱を縦方向（載置部２ａの面に
垂直な方向）および横方向（載置部２ａの面に平行な方
向）に効率良く伝える所謂伝熱媒体として機能する。具
体的には、基体２は、光半導体素子１の載置部２ａの面
に垂直な方向および平行な方向のいずれにおいても３０
０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率が得られる。

【００５１】また、金属層Ｂは、光半導体パッケージ内
部の気密性をヘリウム（Ｈｅ）を使用して検査する際、
Ｈｅの一部が一方向性炭素繊維ｌの気孔中にトラップさ
れるのを有効に防止し、その結果検査に対して適格な光
半導体パッケージとし得る。更に、金属層Ｂは、光半導
体素子１の熱を、載置部２ａから金属層Ｂに沿って横方
向に伝えることによって、光半導体パッケージ内部全域
から光半導体パッケージ外部全域（ヒートシンク部と大
気中）へと効率良く熱を放散させ得る。

【００５２】また、本発明においては、従来構成では載
置部２ａを囲繞する枠体（側壁部）となる部位も、載置
部２ａを有する底板部と全く同一の材質から成るととも
に底板部に一体化しているため、光半導体素子１の熱が
載置部２ａの周辺部から側壁部に迅速に伝わって側壁部
から効率良く外部（大気中）に放散される。即ち、光半
導体素子１の熱量が非常に大きい場合であっても、載置
部２ａを有する底板部から側壁部を介して大気中に伝わ
る経路と、底板部からその下方のヒートシンク部に伝わ
る経路との２経路により、効率良く熱を放散させ得る。

【００５３】具体的には、基体２は、光半導体素子１の
載置部２ａの面に垂直な方向および水平な方向のいずれ
においても３００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率が
得られる。その結果、光半導体素子１の熱量が非常に大
きい場合であっても、その熱は載置部２ａから側壁部に
ランダムな経路で効率良く伝わり、最終的に大気中に伝
わる経路と、載置部２ａからランダムな経路で下方のヒ
ートシンク部に伝わる経路との２経路により、効率良く
熱を放散させ得る。

【００５４】また、載置部２ａを有する底板部と載置部
２ａを囲繞する側壁部とが一体的に形成されているた
め、従来のようにそれらの間に隙間ができて光半導体素
子１の気密性が損なわれるという懸念が全く無い。ま
た、略直方体の光半導体素子１の光入出力端面が側壁部
の内面に平行となるように載置部２ａに光半導体素子１
を載置すると、光半導体素子１と、側壁部の内外面にほ
ぼ垂直に伸びるように固定部材６に固定される光ファイ
バ７との光軸調整が非常に容易になる。即ち、光半導体
素子１の光入出力端面と側壁部の内面とが常に平行とな
るため、光半導体素子１と光ファイバ７との光の結合効
率を常に良好とし得る。

【００５５】さらに、本発明では、基体２の底板部と側
壁部とが一体化されているため底板部と側壁部とが位置
ずれを起こすことがない。その結果、光半導体素子１の
電極は入出力端子４のメタライズ層４ａに対して、常に
接続されるべき所定位置にあるため、それらを電気的に
接続するボンディングワイヤの長さを極端に長くしなけ
ればならない部位が発生しなくなる。従って、ボンディ
ングワイヤの長さをいずれの部位においても常に一定と
でき、インピーダンスが常に一定となる光半導体素子１
となる。そのため、光半導体素子１と入出力端子４との
高周波信号の伝送特性が常に良好となる。

【００５６】基体２の側壁部の一側部には、光信号の経
路となる固定部材取付部２ｃが形成されるとともに、側
壁部の他の側部には、外部電気回路と高周波信号の入出
力を行う入出力端子４を嵌着するための貫通開口または
切欠き部から成る取付部２ｄが形成される。固定部材取
付部２ｃの内周面または固定部材取付部２ｃの基体２の
側部外面側開口の周辺部に、光ファイバ７を挿通し樹脂
接着剤等で接着したホルダー８を固定するための固定部
材６が、銀ロウ等のロウ材で接合される。この固定部材
６はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属か
ら成り、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る場合、この合金
のインゴットに圧延加工やプレス加工等の金属加工を施
すことにより所定の形状に作製される。また、その表面
には酸化腐食を有効に防止するために、０．５〜９μm
のＮｉ層や０．５〜５μmのＡｕ層等の金属層をメッキ
法により被着させておくと良い。

【００５７】なお、固定部材６の内周面には、集光レン
ズとして機能するとともに光半導体パッケージの内部を
塞ぐ非晶質ガラス等から成る透光性部材９が、その接合
部の表面に形成されたメタライズ層を介して、２００〜
４００℃の融点を有するＡｕ−錫（Ｓｎ）合金等の低融
点ロウ材で接合される。この透光性部材９は、熱膨張係
数が４×１０^-6〜１２×１０^-6／℃（室温〜４００℃）
のサファイア（単結晶アルミナ）や非晶質ガラス等から
成り、球状，半球状，凸レンズ状，ロッドレンズ状等の
形状とされる。そして、光ファイバ７を伝わってきた外
部のレーザ光等の光を光半導体素子１に入力させる、ま
たは光半導体素子１で出力したレーザ光等の光を光ファ
イバ７に入力させるための集光用部材として用いられ
る。透光性部材９が、例えば結晶軸の存在しない非晶質
ガラスの場合、酸化珪素（ＳｉＯ₂），酸化鉛（Ｐｂ
Ｏ）を主成分とする鉛系、またはホウ酸やケイ砂を主成
分とするホウケイ酸系のものを用いる。

【００５８】また、透光性部材９は、その熱膨張係数が
基体２のそれと異なっていても、固定部材６が熱膨張差
による応力を吸収し緩和するので、結晶軸が応力のため
にある方向に揃うことにより光の屈折率の変化を起こす
ようなことは発生しにくい。従って、このような透光性
部材９を用いることにより、光半導体素子１と光ファイ
バ７との間の光の結合効率を高くできる。

【００５９】また、ホルダー８は、固定部材６にＹＡＧ
レーザ溶接等で接合されるため、固定部材６と同様の金
属から成るのが良い。更に、ホルダー８は、その熱膨張
係数と固定部材６の熱膨張係数との差によって光半導体
素子１と光ファイバ７との光軸がずれることが無いよう
に、固定部材６と同様の材質であることが良い。従っ
て、ホルダー８の材料は、固定部材６がＦｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金であればＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金が良く、固定部材
６がＦｅ−Ｎｉ合金であればＦｅ−Ｎｉ合金であること
が良い。

【００６０】また、取付部２ｄには、その内周面に入出
力端子４がＡｇロウ等のロウ材で嵌着接合されている。
この入出力端子４は、絶縁性のセラミック基板に導電性
のメタライズ層４ａが被着された平板部と、メタライズ
層４ａを間に挟んで平板部上面に接合された立壁部とか
ら成り、光半導体パッケージ内部の気密性を保持する機
能を有するとともに、光半導体パッケージと外部電気回
路との高周波信号の入出力を行う機能を有する。なお、
セラミック基板の材料は、誘電率や熱膨張係数等の特性
に応じて、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックスや窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス等のセラミックスか
ら選択すれば良い。

【００６１】入出力端子４は、セラミック基板の原料で
あるセラミック粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添
加混合しペースト状と成し、このペーストをドクターブ
レード法やカレンダーロール法により成形したセラミッ
クグリーンシートに、メタライズ層４ａとなるＷ，Ｍ
ｏ，マンガン（Ｍｎ）等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加
混合して得た金属ペーストを、従来周知のスクリーン印
刷法により所望のパターン形状に印刷塗布し、約１６０
０℃の高温で同時焼結することにより作製される。

【００６２】また、メタライズ層４ａの基体２外側の上
面には、入出力端子４との接合を強固なものとするため
に熱膨張係数が入出力端子４のセラミック基板に近似し
た材料から成るリード端子（図示せず）が銀ロウ等のロ
ウ材で接合される。例えば入出力端子４のセラミック基
板がＡｌ₂Ｏ₃セラミックスから成る場合、リード端子は
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金から成る。

【００６３】このような入出力端子４，固定部材６が嵌
着接合された基体２の上面には、蓋体５をシーム溶接や
Ａｕ−Ｓｎロウで接合するための接合媒体として機能す
る、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属か
ら成るシールリング３が、Ａｇロウ等のロウ材で接合さ
れる。シールリング３は、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金
から成る場合、この合金のインゴットに圧延加工やプレ
ス加工等の金属加工を施すことにより所定の形状に製作
される。また、その表面には酸化腐食を有効に防止する
ために、０．５〜９μｍのＮｉ層や０．５〜５μｍのＡ
ｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくと良
い。このシールリング３の上面には、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ
合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等から成る金属製の蓋体５、また
はＡｌ₂Ｏ₃セラミックス，ＡｌＮセラミックス等から成
るセラミックス製の蓋体５が接合され、蓋体５により光
半導体素子１を光半導体パッケージ内部に気密に封止す
る。

【００６４】このように、本発明の光半導体パッケージ
は、略直方体とされ、上面に形成された凹部の底面に光
半導体素子１を載置するための載置部２ａを、および一
側部から凹部にかけて形成された貫通孔から成る固定部
材取付部２ｃを、ならびに他の側部から凹部にかけて形
成された貫通開口または切欠き部から成る取付部２ｄを
有するとともに、対向する一対の側部の外面の下端に外
側に突出するように形成された張出部に貫通穴または切
欠きから成るネジ取付部２ｂが設けられた基体２と、固
定部材取付部２ｃに嵌着された筒状の固定部材６と、取
付部２ｄに嵌着された入出力端子４とを具備する。

【００６５】そして、基体２は、Ａｇ，Ｔｉ，Ｚｒおよ
びＷのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部なら
びにＣｕを９０〜９９．８重量部含有する金属成分ｎが
含浸された炭素質母材ｍ内に一方向性炭素繊維ｌの集合
体が分散された金属炭素複合体Ａを基材とし、その基材
の表面に金属メッキ層Ｘとロウ材層Ｙと金属炭素複合体
Ａの厚さの１／１０〜１／２の銅層Ｚとが順次積層され
ていることを特徴とする。または、その基材の表面に金
属メッキ層Ｘとロウ材層Ｙと５〜１００μｍの厚さのＭ
ｏ層Ｗとロウ材層Ｙと１００〜１０００μｍの厚さのＣ
ｕ層Ｚとが順次積層されていることを特徴とする。

【００６６】また、上記本発明の光半導体パッケージ
と、載置部２ａに載置固定され入出力端子４に電気的に
接続された光半導体素子１と、基体２の上面に接合され
た蓋体５とを具備することにより、製品としての光半導
体装置となる。なお、固定部材６に端部が挿着される光
ファイバ７は、一般に光半導体装置の使用時に設けられ
るが、単品としての光半導体装置に付加されていてもよ
く、または光半導体装置が外部電気回路等に固定されて
使用される際に取り付けるようにしてもよい。

【００６７】光半導体装置は、具体的には、載置部２ａ
に光半導体素子１をガラス，樹脂，ロウ材等の接着剤を
介して接着固定するとともに光半導体素子１の電極をボ
ンディングワイヤを介して所定のメタライズ層４ａに電
気的に接続し、しかる後、シールリング３上面に蓋体５
をガラス，樹脂，ロウ材，シーム溶接等により接合する
ことにより、基体２，シールリング３，入出力端子４，
固定部材６，透光性部材９から成る光半導体パッケージ
内部に光半導体素子１を載置固定し蓋体５で封止して成
る製品としての光半導体装置となる。

【００６８】このような光半導体装置は、例えば外部電
気回路から供給される高周波信号により光半導体素子１
を光励起させ、励起したレーザ光等の光を透光性部材９
を通して光ファイバ７に授受させるとともに光ファイバ
７内を伝送させることにより、大容量の情報を高速に伝
送できる光電変換装置として機能し、光通信分野等に用
いられる。

【００６９】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行
うことは何等支障ない。例えば、光半導体装置は、内部
または外部に、例えば固定部材６の基体２内側または外
側に、あるいは基体２外側の光ファイバ７の途中に、戻
り光防止用の光アイソレータを設けても良い。この場
合、光半導体素子１と光ファイバ７との光の結合効率が
さらに良好なものとなる。

【００７０】

【発明の効果】本発明は、略直方体とされ、上面に形成
された凹部の底面に光半導体素子を載置するための載置
部を有する基体は、Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，ＺｒおよびＷの
うちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部ならびにＣ
ｕを９０〜９９．８重量部含有する金属成分が含浸され
た炭素質母材内に一方向性炭素繊維の集合体が分散され
た金属炭素複合体を基材とし、その基材の表面に金属メ
ッキ層とロウ材層と金属炭素複合体の厚さの１／１０〜
１／２のＣｕ層とが順次積層されているか、または、上
記基材の表面に金属メッキ層とロウ材層と５〜１００μ
ｍの厚さのＭｏ層とロウ材層と１００〜１０００μｍの
厚さのＣｕ層とが順次積層されていることにより、光半
導体素子の気密性、光半導体素子と光ファイバとの光の
結合効率、光半導体素子と入出力端子との高周波伝送特
性、および光半導体素子の作動時の熱放散性を非常に良
好とし得るという作用効果を有する。その結果、光半導
体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る。

【００７１】本発明の光半導体装置は、本発明の光半導
体パッケージと、載置部に載置固定されるとともに入出
力端子に電気的に接続された光半導体素子と、基体の上
面に接合された蓋体とを具備したことにより、上記本発
明の作用効果を有する光半導体パッケージを用いた信頼
性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光半導体パッケージについて実施の形
態の一例を示す断面図である。

【図２】（ａ）は図１の光半導体パッケージにおける基
体の部分拡大断面図、（ｂ）は他の発明による光半導体
パッケージにおける基体の部分拡大断面図である。

【図３】従来の光半導体パッケージの平面図である。

【図４】図３の光半導体パッケージの断面図である。

【図５】図３の光半導体パッケージにおける基体の部分
拡大断面図である。

【符号の説明】

１：光半導体素子 ２：基体 ２ａ：載置部 ２ｂ：ネジ取付部 ２ｃ：光ファイバ固定部材取付部 ２ｄ：入出力端子取付部 ４：入出力端子 ５：蓋体 ６：光ファイバ固定部材 ｌ：一方向性炭素繊維 ｍ：炭素質母材 ｎ：金属成分 Ａ：金属炭素複合体 Ｂ：金属層 Ｘ：金属メッキ層 Ｙ：ロウ材層 Ｚ：銅層 Ｗ：モリブデン層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 GA09 HA02 5F073 AB27 AB28 AB30 BA02 EA15 EA29 FA22 FA27 FA28 FA29 FA30 HA05 HA10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略直方体とされ、上面に形成された凹部
   の底面に光半導体素子を載置するための載置部を、およ
   び一側部から前記凹部にかけて形成された貫通孔から成
   る光ファイバ固定部材取付部を、ならびに他の側部から
   前記凹部にかけて形成された貫通開口または切欠き部か
   ら成る入出力端子取付部を有するとともに、対向する一
   対の側部の外面の下端に外側に突出するように形成され
   た張出部に貫通穴または切欠きから成るネジ取付部が設
   けられた基体と、前記光ファイバ固定部材取付部に嵌着
   された筒状の光ファイバ固定部材と、前記入出力端子取
   付部に嵌着された入出力端子とを具備した光半導体素子
   収納用パッケージにおいて、前記基体は、銀，チタン，
   ジルコニウムおよびタングステンのうちの少なくとも一
   種を０．２〜１０重量部ならびに銅を９０〜９９．８重
   量部含有する金属成分が含浸された炭素質母材内に一方
   向性炭素繊維の集合体が分散された金属炭素複合体を基
   材とし、該基材の表面に金属メッキ層とロウ材層と前記
   金属炭素複合体の厚さの１／１０〜１／２の銅層とが順
   次積層されていることを特徴とする光半導体素子収納用
   パッケージ。
2. 【請求項２】 略直方体とされ、上面に形成された凹部
   の底面に光半導体素子を載置するための載置部を、およ
   び一側部から前記凹部にかけて形成された貫通孔から成
   る光ファイバ固定部材取付部を、ならびに他の側部から
   前記凹部にかけて形成された貫通開口または切欠き部か
   ら成る入出力端子取付部を有するとともに、対向する一
   対の側部の外面の下端に外側に突出するように形成され
   た張出部に貫通穴または切欠きから成るネジ取付部が設
   けられた基体と、前記光ファイバ固定部材取付部に嵌着
   された筒状の光ファイバ固定部材と、前記入出力端子取
   付部に嵌着された入出力端子とを具備した光半導体素子
   収納用パッケージにおいて、前記基体は、銀，チタン，
   ジルコニウムおよびタングステンのうちの少なくとも一
   種を０．２〜１０重量部ならびに銅を９０〜９９．８重
   量部含有する金属成分が含浸された炭素質母材内に一方
   向性炭素繊維の集合体が分散された金属炭素複合体を基
   材とし、該基材の表面に金属メッキ層とロウ材層と５〜
   １００μｍの厚さのモリブデン層とロウ材層と１００〜
   １０００μｍの厚さの銅層とが順次積層されていること
   を特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の光半導体
   素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定される
   とともに前記入出力端子に電気的に接続された光半導体
   素子と、前記基体の上面に接合された蓋体とを具備した
   ことを特徴とする光半導体装置。