JP2004063915A - 光半導体素子収納用パッケージ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光半導体素子収納用パッケージの基体1は、その厚さが1.5〜2mmとされ、入出力端子4の直下の部位に上下面間を貫通する幅が1.5〜2mmで長さが入出力端子4と略同じとされた切欠き部1bが形成されているとともに切欠き部1bに厚さが1.5mm以上基体1の厚さ以下とされた補強部材5が嵌着されており、補強部材5は、入出力端子4よりも熱膨張係数が小さくかつ入出力端子4との熱膨張係数差が(5−2t)×10−6〜(7−2t)×10−6/℃(ただし、tは補強部材5の厚さをmm単位で表したときの数値)とされている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、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に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の光通信分野等で使用されて、半導体レーザ(LD),フォトダイオード(PD)等の光半導体素子を収納する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もいう)を図4,図5に示す。これらの図において、101は容器本体を構成する金属製の基体であり、102は側部に貫通孔102aと入出力端子104を嵌着するための取付部102bが形成された金属製の枠体である。また103は、内部に透光性部材108bが接合されるとともに外側の端面に光アイソレータ113と光ファイバ112とが挿着された金属ホルダ114が接合される金属製の筒状の光ファイバ固定部材(以下、固定部材ともいう)である。104は光半導体パッケージの内外を電気的に導通接続するためのセラミックスから成る入出力端子である。106は光半導体素子、107は蓋体である。これら基体101、枠体102、固定部材103、入出力端子104および蓋体107とで光半導体素子106を内部に収納する容器が構成される。
【0003】
この光半導体パッケージは、一般に、光半導体素子106を載置する載置用基台111と光半導体素子106からの出射光を集光したり平行光に変換する透光性部材108aを固定する固定ホルダ109とが搭載されるペルチェ素子等の電子冷却素子110が載置される載置部101aを有する基体101と、基体101上面の外周部に載置部101aを囲繞するように銀ロウ等のロウ材で接合される枠体102とを有する。また、固定部材103が貫通孔102aに金(Au)−錫(Sn)合金半田等の低融点ロウ材で接合され、入出力端子104が取付部102bに銀ロウ等のロウ材で接合される。さらに、蓋体107と枠体102は、それぞれの接合面に形成されたメタライズ層を介してAu−Sn合金半田等の低融点ロウ材で接合される。
【0004】
基体101は、銅(Cu)−タングステン(W)合金,鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金等の比較的高い熱伝導性を有する金属から成る。また基体101は、電子冷却素子110より発生する熱を吸収し大気中に放散する放熱板として機能するとともに電子冷却素子110を支持する支持部材である。また、枠体102は、基体101の熱膨張係数に近似するFe−Ni−Co合金やCu−W合金等の金属から成り、固定部材103が取着される貫通孔102aと、入出力端子104が嵌着される取付部102bが設けられる。そして、固定部材103は、枠体102に熱膨張係数が近似するFe−Ni−Co合金等の金属から成り、内部に透光性部材108bが半田や低融点ガラス等により接合される。
【0005】
また、入出力端子104は、枠体102に熱膨張係数が近似するアルミナ(Al2O3)質焼結体(アルミナセラミックス)や窒化アルミニウム(AlN)質焼結体等のセラミックスから成る。この入出力端子104には、モリブデン(Mo)−マンガン(Mn)等から成る金属ペーストを焼成してなり、枠体102内外を導通するメタライズ配線層(図示せず)が形成される。
【0006】
また、載置用基台111は、電子冷却素子110の熱膨張係数と近似するAl2O3セラミックスやAlNセラミックス等の誘電体から成る。そして、その上面には、Mo−Mn等から成る金属ペーストを焼成して成るとともに高周波信号が伝送される配線導体が形成され、また光半導体素子106を搭載するための導体層が形成される。
【0007】
そして、枠体102の上面に、Fe−Ni−Co合金等の金属またはAl2O3セラミック等のセラミックスから成る蓋体107を、枠体102の蓋体107との接合面に形成されたメタライズ層を介してAu−Sn合金半田等の低融点ロウ材で接合することにより、光半導体パッケージ内に光半導体素子106を気密に収納する。このように、載置用基台111に載置された光半導体素子106と入出力端子104とをボンディングワイヤ等で電気的に接続し、基体101、枠体102、入出力端子104、固定部材103および蓋体107とで光半導体素子106を光半導体パッケージ内部に収納することにより、光半導体素子106に高周波信号を入出力して作動させる光半導体装置となる。
【0008】
【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、基体101を構成する金属がCu−W合金、枠体102を構成する金属がFe−Ni−Co合金、入出力端子104を構成する誘電体がAl2O3セラミックスである場合、それぞれの熱膨張係数は相違する。従って、基体101と枠体102および入出力端子104を銀ロウ等のロウ材で接合するために加熱、冷却する場合、冷却する際の基体101と枠体102および入出力端子104との熱膨張係数差に起因して生じる内部応力により、基体101には最大高低差10〜30μm程度の反りが生じ、固定部材103が取着された枠体102の側部には基体101との接合部を支点として外側もしくは内側に傾きが発生していた。その結果、光半導体素子106と透光性部材108a,108bおよび光ファイバ112との光軸を調整して光半導体装置を組み立てる際に、固定部材103に取着された光ファイバ112や透光性部材8bの光軸が、光半導体素子106の光軸とずれるため、光結合効率が著しく劣化するという問題点があった。
【0009】
また、光半導体装置を外部電気回路基板等にネジ止めするために、基体101の四隅のネジ止め部(図示せず)をネジで締め付けた場合、光半導体パッケージの製造工程で生じた基体101の反りが矯正されたり、光半導体装置との接合面に反りを有する外部電気回路基板等により基体101が矯正されることにより、基体101とともに光半導体装置全体が変形する。その結果、基体101の中央部が高さ方向に変位して、枠体102に取着された固定部材103が変位する。従って、基体101上面の中央部に電子冷却素子110および載置用基台111を介して載置された光半導体素子106と、透光性部材108a,108bと、光ファイバ112との間に、位置ズレが生じ光軸がずれるため、透光性部材108a,108bを介する光半導体素子106と光ファイバ112との光結合効率が著しく劣化し、光半導体装置の外部に光信号を効率よくかつ安定して出力することできなくなるという問題点があった。
【0010】
また、近年の光通信等における情報量の大容量化に伴い、光半導体装置に収納されて光信号を出力する光半導体素子106の駆動電力も増加してきている。そこで、光半導体装置内部の載置用基台111と基体101との間に電子冷却素子110を配置し、電子冷却素子110により光半導体素子106の温度制御を行なう構成としている。しかし、電子冷却素子110の熱が基体101を介して枠体102に伝達することにより光半導体パッケージ全体が高温となり、光半導体素子106およびそれを駆動させる駆動素子が加熱され高温となることから、光半導体素子106が熱破壊を起こしたり、熱による特性劣化を引き起こし誤動作が生じるといった問題点があった。
【0011】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光半導体パッケージの製造工程で生じる基体の反りと、光半導体装置を外部電気回路基板等にネジ止めする際の光半導体パッケージの変形と、光半導体装置の作動時の電子冷却素子や光半導体素子や駆動素子の熱による光半導体パッケージの高熱化とを有効に抑制し、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光半導体パッケージとすることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上面に光半導体素子が載置用基台を介して載置される載置部を有する略四角形の金属製の基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように接合され、側部を貫通するかまたは該側部の上面側を切り欠いて成る入出力端子の取付部が形成されているとともに前記側部に隣接する側部に貫通孔が形成されている略四角形の金属製の枠体と、前記取付部に嵌着された入出力端子と、前記貫通孔に嵌着されるかまたは前記貫通孔の枠体外側開口の周囲に一端が接合された筒状の光ファイバ固定部材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、その厚さが1.5乃至2mmとされ、前記入出力端子の直下の部位に上下面間を貫通する幅が1.5乃至2mmで長さが前記入出力端子と略同じとされた切欠き部が形成されているとともに該切欠き部に厚さが1.5mm以上前記基体の厚さ以下とされた補強部材が嵌着されており、該補強部材は、前記入出力端子よりも熱膨張係数が小さくかつ前記入出力端子との熱膨張係数差が(5−2t)×10−6乃至(7−2t)×10−6/℃(ただし、tは前記補強部材の厚さをmm単位で表したときの数値)とされていることを特徴とする。
【0013】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、基体は、その厚さが1.5乃至2mmとされ、入出力端子の直下の部位に上下面間を貫通する幅が1.5乃至2mmで長さが入出力端子と略同じとされた切欠き部が形成されているとともに切欠き部に厚さが1.5mm以上基体の厚さ以下とされた補強部材が嵌着されており、補強部材は、入出力端子よりも熱膨張係数が小さくかつ入出力端子との熱膨張係数差が(5−2t)×10−6乃至(7−2t)×10−6/℃(ただし、tは補強部材の厚さをmm単位で表したときの数値)とされていることから、光半導体素子収納用パッケージの製造工程で基体と枠体と入出力端子との熱膨張係数差に起因して生じる基体の反りと枠体の変形と光ファイバ固定部材の傾きを補強部材により有効に抑制できる。これにより、光ファイバ固定部材に取着される光ファイバや透光性部材の光軸の傾きが抑制され、光半導体素子との光軸のズレが小さくなることから、光半導体素子と光ファイバとの光信号の入出力を効率よく安定して行ない得る。また、基体の反りが有効に抑制されることから、光半導体装置を基体の四隅のネジ止め部で外部電気回路基板等にネジ止めする際に、基体の反りが矯正されることによる基体の載置部に生じる高さ方向の変位と枠体および光ファイバ固定部材に生じる変位とを有効に抑制できる。その結果、光半導体素子と透光性部材と光ファイバ固定部材に取着される光ファイバとの間に発生する光軸のズレを小さくでき、光結合効率の劣化を有効に抑制できる。
【0014】
即ち、本発明者は、補強部材の厚さが基体と枠体と入出力端子との熱膨張係数差により生じる光半導体素子収納用パッケージの撓みと関係していること、およびアルミナセラミックス等の絶縁体から成る入出力端子と、入出力端子の熱膨張係数より小さい補強部材との熱膨張係数差を小さくして入出力端子に近似させることにより基体の反りを小さくできることを知見したものである。従って、補強部材の厚さが1.5〜2mm程度であれば、その数値を上記のように熱膨張係数差の式に組み込んで、基体の反りを小さくできる範囲を規定することが可能となる。
【0015】
また、基体の切欠き部に、光半導体素子と透光性部材と光ファイバとの光軸方向に略平行に補強部材を嵌着することにより、光半導体装置を反りを有する外部電気回路基板等にネジ止めする際の外力による光半導体装置全体の曲げモーメントに対する剛性が向上する。その結果、基体の載置部と光ファイバ固定部材の高さ方向の変位を有効に抑制でき、光半導体装置を外部電気回路基板等にネジ止めする際の光半導体素子と光ファイバとの光軸のズレによる光結合効率の著しい劣化を有効に抑制できる。
【0016】
また、枠体の下面に沿って熱伝導率の小さい補強部材を嵌着することにより、電子冷却素子の熱が基体から枠体に伝達し光半導体装置全体が高温になるのを抑制できる。その結果、光半導体素子が高温になるのを抑制でき、光半導体素子の熱破壊や特性劣化や誤動作を有効に抑制でき、長期にわたり光半導体素子を正常に作動させることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体素子収納用パッケージについて以下に詳細に説明する。図1〜図3は本発明の光半導体パッケージについて実施の形態の例を示し、図1は光半導体パッケージの側断面図、図2は側面図、図3は正面断面図である。これらの図において、1は容器の底板を成す基体、2は容器の側壁を成す枠体、3は透光性部材8bや光アイソレータ13を設置固定するための筒状の固定部材、4は光半導体パッケージの内外を電気的に導通接続するための入出力端子、6はLD,PD等の光半導体素子、7は蓋体である。これら基体1、枠体2、固定部材3、入出力端子4および蓋体7とで、内部に光半導体素子6を収納するための容器が基本的に構成される。また、固定部材3の外側の端面には、光アイソレータ13と光ファイバ12とを半田や樹脂等からなる接着剤15で接着した金属ホルダ14がYAGレーザ溶接等により固定される。
【0018】
基体1は、光半導体素子6および固定ホルダ9を支持する支持部材ならびに電子冷却素子10の熱を放散する放熱板として機能する。基体1上面の中央部に、光半導体素子10を載置する載置用基台11と透光性部材8aが固定された固定ホルダ9とを載置する載置部1aが設けられている。載置部1aには、載置用基台11がSn−Pb半田等の低融点ロウ材を介して取着され、固定ホルダ9がYAGレーザ溶接や半田等により接合固定された電子冷却素子10が、低融点ロウ材を介して載置される。そして、電子冷却素子10の熱がこの低融点ロウ材を介して基体1に伝えられ外部に効率良く放散されて、電子冷却素子10の作動性が良好になる。また、例えば光半導体素子6より出射される光は、透光性部材8aにより平行光に変換され、8bにより集光され光ファイバ12に授受される。
【0019】
なお、電子冷却素子10は一般に、P型素子とN型素子とから成る熱電半導体素子より構成され、熱電半導体素子に電流を流すことによりペルチェ効果を生じさせ、吸熱または発熱を行なうものであり、In−Pb−Ag半田やSn−Pb半田等の半田を介して載置部1aに取着される。また、電子冷却素子10の上面には、基体1との接合材である半田より低融点の接合材により載置用基台11や固定ホルダ9が取着固定される。
【0020】
また、基体1は、Fe−Ni−Co合金やCu−W合金等の金属から成り、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に成形され製作される。また、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ0.5〜9μmのNi層と厚さ0.5〜9μmのAu層を順次メッキ法により被着させておくのがよく、基体1が酸化腐食するのを有効に防止するとともに、基体1上面に載置用基台11を介して光半導体素子6を強固に接合できる。
【0021】
なお、載置用基台11は、放熱性および加工性に優れるシリコン(Si)、または基体1の熱膨張係数に近似するアルミナセラミックスや窒化アルミニウムセラミックス等の誘電体から成る。この載置用基台11は、光半導体素子6から基体1へ熱を伝える伝熱媒体であり、また、その高さを調整することにより、透光性部材8a,8bと光半導体素子6と光ファイバ12との光軸が合うように調節することができる。載置用基台11の上面には、高周波信号が伝送される配線導体が形成されるとともに光半導体素子6を搭載するための導体層が形成される。
【0022】
本発明の基体1は、その厚さをtaとしたとき、1.5mm≦ta≦2mmであり、入出力端子4の直下の部位に入出力端子4と略同じ長さで、幅sが1.5mm≦s≦2mmの上下面間を貫通する切欠き部1bが形成され、この切欠き部1bに、切欠き部1bと同じ幅sで厚さtbが1.5mm≦tb≦taとされた補強部材5が嵌着される。また、入出力端子4の熱膨張係数をα、補強部材5の熱膨張係数をβとしたとき、(5−2t)×10−6≦α−β≦(7−2t)×10−6である(tは補強部材5の厚さをmm単位で表したときの数値)。
【0023】
上記の構成により、光半導体パッケージの製造工程で生じる基体1と枠体2と入出力端子4との熱膨張係数差に起因して生じる、枠体2の側部2cから側部2dにわたる基体1の上下方向の反りを有効に抑制できる。即ち、光半導体パッケージの製造工程で生じる枠体2の変形を、熱膨張係数の近似する入出力端子4と補強部材5とで挟み込み矯正することで、枠体2の変形と基体1の上下方向の反りとを有効に抑制できる。
【0024】
また、基体1と枠体2とを銀ロウ等のロウ材により接合する際に生じる曲げモーメントについて、基体1のヤング率と断面形状に依存する断面2次モーメントを適切にすることで上記曲げモーメントによる基体1の上下方向の反りを抑制できる。
【0025】
即ち、補強部材5を曲げモーメントをうける直線状の棒とした場合、そのたわみの基礎式は、棒のたわみ曲線の中心点からたわみ曲線までの半径をR、棒への曲げモーメントをM、棒のヤング率をE、棒の断面形状に影響される断面2次モーメントをIとしたとき、1/R=M/(E・I)となる。ただし、凹方向のたわみの場合(下に凸にたわんだ場合)の1/Rを正とする。これにより、基体1のたわみ曲線の半径Rを大きくする、即ち1/Rを小さくし基体1の反りを抑制するためには、基体1への曲げモーメントMに対する基体1のヤング率Eと断面2次モーメントIを適切に大きくする必要がある。
【0026】
その結果、基体1と枠体2との接合部を支点とする側部2cの外側もしくは内側への傾きが小さくなり、側部2cに接合された固定部材3の中心軸の傾きを有効に抑制できる。これにより、光半導体パッケージ内部に載置された光半導体素子6と固定部材3に取着された光ファイバ12および透光性部材8bとの傾きによる光軸のズレが有効に抑制でき、透光性部材8a,8bを介する光半導体素子6と光ファイバ12との光信号の入出力を効率よく行なうことができる。
【0027】
また、光半導体パッケージの製造工程で基体1の反りが有効に抑制されることから、光半導体装置を基体1の四隅のネジ止め部で外部電気回路基板等にネジ止めする際に基体1を矯正することにより生じる、基体1と枠体2と固定部材3との高さ方向の変位が抑制される。その結果、載置用基台11等を介して載置された光半導体素子6と、固定部材3に取着された光ファイバ12と、透光性部材8bとの高さ方向の位置ズレが小さくなり、光軸のズレを抑制できる。その結果、光半導体素子6と光ファイバ12との光結合効率の低下を有効に抑制できる。
【0028】
また、光半導体素子6と光ファイバ12との光軸に沿う基体1の剛性が補強部材5により向上することから、光半導体装置を接合面に反りを有する外部電気回路基板等に接合する場合、基体1が矯正されて生じる、側部2cから側部2dにわたる基体1の変形を抑制できる。従って、枠体2の変形とともに生じる固定部材5の傾きと高さ方向の変位を抑制することができ、載置用基台11等を介して載置された光半導体素子6と、固定部材3に取着された光ファイバ12と、透光性部材8bとの高さ方向のズレが小さくなるとともに光軸のズレを抑制できる。
【0029】
また、補強部材5のヤング率は3×105N/mm2以上であることが好ましい。これにより、光半導体パッケージの製造工程で生じる補強部材5への曲げモーメントや、反りを有する外部電気回路基板に光半導体装置をネジ止めする際に生じる基体1への曲げモーメントに対し、光半導体パッケージ全体の変形を抑制するのに十分な補強部材5の剛性を得ることができる。
【0030】
また、上記熱膨張係数α,βが(5−2t)×10−6≦α−β≦(7−2t)×10−6を満足しない場合、入出力端子4と補強部材5と枠体2との熱膨張係数差により生じる、入出力端子4と枠体2との界面および補強部材5と枠体2との界面における内部応力の差が大きくなり、枠体2を挟み込む入出力端子4と補強部材5とに発生する内部応力の均衡が保てず、入出力端子4と枠体2と補強部材5と基体1とは上側または下側に反るように変形する。
【0031】
また、基体1がta≦1.5mmであり補強部材5がtb≦1.5mmの場合、光半導体パッケージの製造工程で生じる基体1や補強部材5への曲げモーメントに対し十分な強度が得られないため、補強部材5にクラックが生じ、光半導体パッケージの気密性を保持できなくなる。また、基体1の反りを抑制するために十分な断面2次モーメントを得ることができず、基体1の反りを有効に抑制できない。さらに、光半導体装置を外部電気回路基板にネジ止めする際に生じる基体1への曲げモーメントに対し、光半導体パッケージ全体の変形を抑制するのに十分な補強部材5の曲げに対する剛性を得ることができない。
【0032】
また、基体1がta≧2mmであり補強部材5がtb≧2mmの場合、補強部材5を嵌着する基体1の厚さが2mm以上と大きくなり光半導体パッケージの小型化、軽量化が困難となる。また、切欠き部1bがs≧2mmの場合、電子冷却素子10が載置される載置部1aの面積が小さくなることから、基体1を介して外部電気回路基板や大気中へ伝達する熱の放散性が劣化し、光半導体装置を長期にわたり正常かつ安定して作動させることが困難になる。さらに、補強部材5にAl2O3やAlN等のセラミックスを用いる場合、光半導体パッケージの金属部分の面積の割合が小さくなり、外部に対する電磁シールドの効果が減少し、光半導体装置が長期にわたり正常かつ安定に作動するのが困難になる。
【0033】
この補強部材5は、光半導体装置を外部電気回路基板に接合する際の支障とならない程度に、枠体2の外面から外側に突出していてもよく、光半導体パッケージの軽量化や電子冷却素子10または載置用基台11を載置する際に支障とならない程度に枠体2の内側に突出していてもよい。
【0034】
また、補強部材5は熱伝導率が20W/m・K以下であることが好ましい。これにより、光半導体素子6や駆動素子の熱が基体1を介して枠体2に伝達されて光半導体パッケージ全体が高温になることを抑制できる。即ち、電子冷却素子10の熱が基体1を介して枠体2に伝達することにより光半導体パッケージ全体が高温となり、光半導体素子6および駆動素子が加熱され高温となることから、熱破壊を起こしたり、熱による特性劣化を引き起こし誤動作を生じることを抑えることができる。
【0035】
なお、補強部材5は、基体1および入出力端子4と熱膨張係数が近似するAl2O3セラミックス(ヤング率3.5×105N/mm2),AlNセラミックス,SiNセラミックス,SiCセラミックス,ガラスセラミックス等のセラミックス、またはW(ヤング率3.5×105N/mm2),Cu−W合金等の金属などから成る。補強部材5がセラミックスの場合、その組成比を調整することにより熱膨張係数を入出力端子4の熱膨張係数に容易に整合させることができる。また、補強部材5が金属の場合、光半導体装置外部に対する光半導体素子6の電磁シールド効果を低下させずに光半導体パッケージの剛性を向上させることができる。さらに、補強部材5がWの場合、ヤング率が大きいため基体1の反りが大きく抑制される。例えば、補強部材5がない場合基体1の反りは27μm程度あるが、Wから成る補強部材5を用いた場合には4μm程度に抑えられる。
【0036】
また、入出力端子4は、基体1および補強部材5に熱膨張係数が近似するAl2O3セラミックスやAlNセラミックス等のセラミックスから成る。この入出力端子4には、Mo−Mn等から成る金属ペーストを焼成して成り、枠体2内外を導通させるメタライズ配線層(図示せず)が形成される。
【0037】
枠体2は、基体1と同様の材料のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことにより所定形状に成形され製作される。また、枠体2はドリルによる孔あけ加工等により形成される貫通孔2aと取付部2bと切欠き部2cとを有しており、貫通孔2aの枠体2外側開口の周囲に筒状の固定部材3の一端が接合されるかまたは貫通孔2aに固定部材3が嵌着接合される。枠体2の取付部2bには入出力端子4が、切欠き部2cには補強部材5が嵌着接合される。
【0038】
また、枠体2は、基体1との接合を強固にするとともに光半導体パッケージの外部に対する電磁遮蔽を行なうために、Fe−Ni−Co合金やFe−Ni合金等の金属から成るのがよい。そして、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ0.5〜9μmのNi層と厚さ0.5〜9μmのAu層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、枠体2が酸化腐食するのを有効に防止するとともに、枠体2に固定部材3と入出力端子4と補強部材5とを強固に接合できる。
【0039】
また、枠体2の貫通孔2aに設けられる固定部材3は、光ファイバ12を枠体2に固定するためのものであり、貫通孔2aの枠体2外側開口の周囲または貫通孔2aの内面にAu−Sn合金半田等の低融点ロウ材等を介して接合される。この固定部材3は枠体2の熱膨張係数に近似するFe−Ni−Co合金やCu−W合金等の金属からなり、例えばFe−Ni−Co合金等のインゴット(塊)をプレス加工で筒状とすることにより作製される。また、固定部材3の枠体2外側の端面には、戻り光防止用の光アイソレータ13と光ファイバ12とを接着剤15で接着した金属ホルダ14が半田材やYAGレーザ溶接により接合される。固定部材3の内部には、光半導体素子6より出射される光信号の消光比の劣化が生じない非晶質ガラス等から成り、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内部を塞ぐための透光性部材8bが、半田または低融点ガラス等の接合材により固定されて光半導体パッケージ内部の気密性を保つ。
【0040】
透光性部材8a,8bは、熱膨張係数が4×10−6〜12×10−6/℃(室温〜400℃)の非晶質ガラス等から成り、球状,半球状,凸レンズ状,ロッドレンズ状等とされる。そして、透光性部材8a,8bは、光半導体素子6からの出射光を集光したり平行光に変換して光ファイバ12に入力するための集光部材として用いられる。また、透光性部材8a,8bは、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(PbO)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。その結果、光半導体素子6からの出射光が透光性部材8a,8bで複屈折の影響を及ぼされず、効率良く光ファイバ12に光信号を入力できる。
【0041】
また、透光性部材8bは、例えばその外周部に予めメタライズ層を被着させておき、このメタライズ層と固定部材3の内面とをAu−Sn半田等の低融点ロウ材を介しロウ付けされる。これにより、光半導体素子6を収納した光半導体装置の気密が行なわれ、光半導体素子6を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る。この透光性部材8bは、その熱膨張係数が枠体2と異なっていても、固定部材3が熱膨張係数差による内部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って光の屈折率の変化を起こすことは発生しにくい。従って、この透光性部材8bを用いることにより、光半導体素子6と光ファイバ12との間の光結合効率の変動を小さく抑えることができ、安定した光信号の入出力を行なうことができる。
【0042】
透光性部材8aを固定する固定ホルダ9は載置用基台11の熱膨張係数と近似する金属から成り、固定ホルダ9に形成された貫通孔に透光性部材8aが嵌着される。そして、固定ホルダ9は、光半導体素子6と透光性部材8aとの光軸が一致するように調整された後に、電子冷却素子10の上面に半田やYAGレーザ溶接等の溶接法により固定される。
【0043】
また、蓋体7は、Fe−Ni−Co合金等の金属やアルミナセラミックス等のセラミックスから成り、枠体2上面にAu−Sn合金半田等の低融点ロウ材を介して接合されたり、YAGレーザ溶接等の溶接法により接合される。
【0044】
かくして、本発明の光半導体パッケージは、基体1の載置部1aに電子冷却素子10および載置用基台11を介して光半導体素子6を載置し、光半導体素子6の各電極と載置用基台11上面の配線導体および入出力端子4とをボンディングワイヤにより電気的に接続し、しかる後、枠体2上面に蓋体7を接合し、基体1と枠体2と固定部材3と蓋体7とから成る容器の内部に光半導体素子6を収納し気密封止することによって、製品としての光半導体装置となる。
【0045】
【実施例】
本発明の光半導体素子収納用パッケージの実施例を以下に説明する。
【0046】
図1〜図3の本発明の光半導体パッケージを以下のようにして構成した。Cu−W合金(熱膨張係数8.4×10−6/℃)から成る縦30mm×横13mm×厚さ1.5mmの長方形の基体1の両長辺に、長辺方向に平行に上下面間を貫通する長さ17mm×幅1.5mmの切欠き部1bを形成した。この切欠き部1bに、長さ17mm×幅1.5m×厚さ1.5mmのアルミナセラミックス(A493;熱膨張係数7.4×10−6/℃)から成る入出力端子4との熱膨張係数差α−βが、−2×10−6/℃〜5×10−6/℃である補強部材5(表1)を枠体2の外側に突出しないように設けた。
【0047】
なお、補強部材5は、α−βが−2×10−6/℃の場合Cu−W合金のCuの割合を増加させて熱膨張係数を制御したものから成り、α−βが−1×10−6/℃の場合Cu−W合金のCuの割合を増加させて熱膨張係数を制御したものから成り、α−βが0/℃の場合アルミナセラミックスから成り、α−βが1×10−6/℃の場合Cu−W合金のCuの割合を減少させて熱膨張係数を制御したものから成り、α−βが2×10−6/℃の場合窒化アルミニウムセラミックスから成り、α−βが3×10−6/℃の場合Wから成り、α−βが4×10−6/℃の場合SiNセラミックスから成り、α−βが5×10−6/℃の場合炭化シリコンセラミックスから成るものとした。
【0048】
そして、補強部材5を設けた基体1の上面の外周部に、Fe−Ni−Co合金(熱膨張係数5.19×10−6/℃)から成る縦20mm×横12mm×高さ6mmの長方形の枠体2をAgろう材で接合するとともに、枠体2に形成された切欠き部1bの内面に、入出力端子4をAgろう材で接合して、光半導体パッケージを作製した。次に、Fe−Ni−Co合金から成り、内周部に直径が2mmの非晶質ガラスから成る球状の透光性部材8bが接合された、内径が2mmで円筒状の固定部材3の一端を、枠体2に形成した貫通孔2aの枠体2外側開口の周囲に、Au−Sn合金半田で接合するように構成した。
【0049】
そして、これらの光半導体パッケージの製造工程で基体1,枠体2,補強部材5,入出力端子4,固定部材3,銀ロウ材との熱膨張係数の違いにより生じる基体1の反りと、光半導体素子6と光ファイバ12とを光軸を調整した後に光半導体装置を平らな外部電気回路基板にネジ止めし接合固定する際の、透光性部材8a,8bを介する光半導体素子6と光ファイバ12との光結合効率をシミュレーションによって評価した。その結果を表1〜表3に示す。
【0050】
なお、表2,表3においてα−βはすべて3×10−6/℃である。
【0051】
【表1】
【0052】
表1より、補強部材5と入出力端子4との熱膨張係数差α−βが2×10−6〜4×10−6/℃である場合、基体1の反りは上下方向(下方向を負、上方向を正とする)に絶対値で5μm以下と抑制された。また、光半導体装置を外部電気回路基板にネジ止めし固定したときに、ネジ止めの外力で基体1の反りを矯正して生じる光半導体素子6と透光性部材8a,8bと光ファイバ12との光軸のズレによる光結合効率は16〜51%となり、光学的な結合が良好なものとなった。
【0053】
α−βが5×10−6/℃の場合、基体1の反り量は−9μmとなり、上記光結合効率は0.2%と著しく劣化した。
【0054】
α−βが1×10−6/℃,0×10−6/℃,−1×10−6/℃,−2×10−6/℃である場合、基体1の反りは10μm以上となった。その結果、上記光結合効率は0.1%か0%となり、光学的な結合ができなくなった。
【0055】
【表2】
【0056】
表2より、補強部材5の幅sが1.5mmである場合、基体1の反りは3μmとなった。その結果、光半導体装置を外部電気回路基板にネジ止めにより接合固定する場合、ネジ止めによる外力で基体1の反りが矯正されることにより、光半導体装置内部の光半導体素子6と透光性部材8a,8bと光ファイバ12との光軸のズレが有効に抑制され、光結合効率は27%となり、光学的に十分な結合ができた。幅sが0.5mm,1mmである場合、基体1の反りは大きくなり、光半導体装置を外部電気回路基板にネジ止めにより接合固定する際、基体1の反りが矯正されることにより、光半導体装置内部の光半導体素子6と透光性部材8a,8bと光ファイバ12との光軸がずれ、光結合効率が著しく劣化した。
【0057】
【表3】
【0058】
表3より、補強部材5の厚さtbが基体1と同じ1.5mmである場合、基体1の反りは2μmとなった。その結果、光半導体装置を外部電気回路基板にネジ止めにより接合固定する場合、外力で基体1の反りが矯正されることによる光半導体装置内部の光半導体素子6と透光性部材8a,8bと光ファイバ12との光軸のズレは有効に抑制され、光結合効率は39%となり、光学的に十分な結合ができた。幅sが1mm以下である場合、基体1の反りは10μm以上となり、上記光結合効率が著しく劣化した。
【0059】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等支障ない。
【0060】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上面に光半導体素子が載置用基台を介して載置される載置部を有する略四角形の金属製の基体は、その厚さが1.5乃至2mmとされ、入出力端子の直下の部位に上下面間を貫通する幅が1.5乃至2mmで長さが入出力端子と略同じとされた切欠き部が形成されているとともに切欠き部に厚さが1.5mm以上基体の厚さ以下とされた補強部材が嵌着されており、補強部材は、入出力端子よりも熱膨張係数が小さくかつ入出力端子との熱膨張係数差が(5−2t)×10−6乃至(7−2t)×10−6/℃(ただし、tは補強部材の厚さをmm単位で表したときの数値)とされていることから、光半導体素子収納用パッケージの製造工程で基体と枠体と入出力端子との熱膨張係数差に起因して生じる基体の反りと枠体の変形と光ファイバ固定部材の傾きを補強部材により有効に抑制できる。これにより、光ファイバ固定部材に取着される光ファイバや透光性部材の光軸の傾きが抑制され、光半導体素子との光軸のズレが小さくなることから、光半導体素子と光ファイバとの光信号の入出力を効率よく安定して行ない得る。また、基体の反りが有効に抑制されることから、光半導体装置を基体の四隅のネジ止め部で外部電気回路基板等にネジ止めする際に、基体の反りが矯正されることによる基体の載置部に生じる高さ方向の変位と枠体および光ファイバ固定部材に生じる変位とを有効に抑制できる。その結果、光半導体素子と透光性部材と光ファイバ固定部材に取着される光ファイバとの間に発生する光軸のズレを小さくでき、光結合効率の劣化を有効に抑制できる。
【0061】
また、基体の切欠き部に、光半導体素子と透光性部材と光ファイバとの光軸方向に略平行に補強部材を嵌着することにより、光半導体装置を反りを有する外部電気回路基板等にネジ止めする際の外力による光半導体装置全体の曲げモーメントに対する剛性が向上する。その結果、基体の載置部と光ファイバ固定部材の高さ方向の変位を有効に抑制でき、光半導体装置を外部電気回路基板等にネジ止めする際の光半導体素子と光ファイバとの光軸のズレによる光結合効率の著しい劣化を有効に抑制できる。
【0062】
また、枠体の下面に沿って熱伝導率の小さい補強部材を嵌着することにより、電子冷却素子の熱が基体から枠体に伝達し光半導体装置全体が高温になるのを抑制できる。その結果、光半導体素子が高温になるのを抑制でき、光半導体素子の熱破壊や特性劣化や誤動作を有効に抑制でき、長期にわたり光半導体素子を正常に作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光半導体素子収納用パッケージについて実施の形態の一例を示す側断面図である。
【図2】図1の光半導体素子収納用パッケージの側面図である。
【図3】図1の光半導体素子収納用パッケージの光半導体素子部における正面断面図である。
【図4】従来の光半導体素子収納用パッケージの側断面図である。
【図5】図4の光半導体素子収納用パッケージの光半導体素子部における正面断面図である。
【符号の説明】
1:基体
1a:載置部
1b:切欠き部
2:枠体
2a:貫通孔
2b:入出力端子の取付部
3:光ファイバ固定部材
4:入出力端子
5:補強部材
6:光半導体素子
8a,8b:透光性部材
11:載置用基台
12:光ファイバ
Claims (1)
- 上面に光半導体素子が載置用基台を介して載置される載置部を有する略四角形の金属製の基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように接合され、側部を貫通するかまたは該側部の上面側を切り欠いて成る入出力端子の取付部が形成されているとともに前記側部に隣接する側部に貫通孔が形成されている略四角形の金属製の枠体と、前記取付部に嵌着された入出力端子と、前記貫通孔に嵌着されるかまたは前記貫通孔の枠体外側開口の周囲に一端が接合された筒状の光ファイバ固定部材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、その厚さが1.5乃至2mmとされ、前記入出力端子の直下の部位に上下面間を貫通する幅が1.5乃至2mmで長さが前記入出力端子と略同じとされた切欠き部が形成されているとともに該切欠き部に厚さが1.5mm以上前記基体の厚さ以下とされた補強部材が嵌着されており、該補強部材は、前記入出力端子よりも熱膨張係数が小さくかつ前記入出力端子との熱膨張係数差が(5−2t)×10−6乃至(7−2t)×10−6/℃(ただし、tは前記補強部材の厚さをmm単位で表したときの数値)と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。
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