JP2004071689A

JP2004071689A - 電子部品用のキャップ構造及びその製造方法、並びに電子装置

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Publication number: JP2004071689A
Application number: JP2002225965A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Domon; 土門　大志
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】半導体レーザ素子の小型化が可能な電子部品用のキャップ構造及びその製造方法、並びに電子装置を提供すること。
【解決手段】キャップ１０と窓ガラス２０の接合面のそれぞれの面に金からなる金属膜３０を形成した後に、この両面を低温金属拡散接合法により加圧下で接合する。これにより、キャップ１０の開口部４を塞ぐ窓ガラス２０の接合を接着材を用いずに行えるため、接着材で接合する場合に比べてキャップ１０の高さＨ２を低くできると共に、接着材のはみ出しがないので、開口部４の直径Ｄ２を小さく設計することができ、キャップサイズ自体の小型化が可能になる。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体レーザ用キャップのサイズを小さくすることにより、素子の小型化が容易な電子部品用のキャップ構造及びその製造方法、並びに電子装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の半導体レーザ用キャップ構造の一例を示す概略図である。半導体レーザ用キャップは、キャップ本体となるアイレット（以下、キャップと称する。）１と、レーザを透過させる窓ガラス２、及びキャップ１と窓ガラス２を気密封着する低融点ガラス３により構成されている。
【０００３】
この半導体レーザ素子１１は、円板状の金属製のステム５と一体化したヒートシンク６に、レーザチップ７等がマウントされ、ステム５を貫通する複数の端子８がステム５に配設されている。これらは窒素雰囲気中において、レーザチップ７及び不図示のレーザダイオードが端子８に不図示のワイヤにより電気的に接続された後に、上部の開口部４を窓ガラス２によって塞がれたキャップ１が被せられ、キャップ１の下部のフランジ９がステム５に熔接にて接合され、レーザチップ７等は窒素雰囲気内に配置されているため、外気に触れることなく、耐湿性、熱放散性を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、開口部４におけるキャップ１の内面と窓ガラス２とは低融点ガラス３によって接着されるが、低融点ガラスは溶融時に溶け方にばらつきを伴うと共に、はみ出し３ａが生じるため、図６に示すように、開口部４の有効径を狭めてしまうので、予め、ばらつきやはみ出しを見込み、これらを吸収し得る許容寸法に設計しなければならない。
【０００５】
半導体レーザ素子として要求されている項目の一つに小型化が挙げられるが、図６に示すように、熱放散性等のために、必要なキャップ内の実質的容積の確保のために、キャップ内の高さｈ_３が必要であり、このため、最低限必要な高さを除いて小型化を計ろうとする場合、キャップ１、窓ガラス２及び低融点ガラス３それぞれの厚みの変更が考えられるが、キャップ１及び窓ガラス２は強度的な問題があり、単純に薄型化するのは困難である。
【０００６】
また、気密封着材として考えた場合、低融点ガラス３の代りに硬化性樹脂や接着材が考えられるが、気密性やガス発生の観点から使用は容易でないということもあり、低融点ガラス３を使用せざるを得ない状況である。
【０００７】
なお、半導体レーザ素子のキャップ構造について、特開平０７−１７００２４号公報においては、半導体素子の外気からの保護のためにキャップ内に流体材料を充填し、開口部のキャップ上面に窓ガラスを配する構造であり、窓ガラスは紫外線硬化樹脂等の接着材により接着されている。
【０００８】
また、特開２００１−３３２８０４号公報においては、窓ガラスはキャップ上面の開口部の内面に配する構造であるが、溶着剤により固着されており、開口部縁位置の窓ガラスに円環状の溝を設け、開口領域内への溶着材の流出を防止を目的とするものである。
【０００９】
また、特開平０３−１７４７８９号公報においては、ファラデー回転子及び検光子からなる二重構造の窓材がキャップ体の上縁に接着材により接着され、その外周縁にマグネットを配し、発信光の雑音成分を持つ光を遮断する目的のものである。
【００１０】
また、特開平０５−３１３０４８号公報においては、キャップの開口部上に球レンズがホルダーを介して密着され、これに光ファイバーが光学的に結合され、半導体パッケージ、レンズ及び光ファイバーを直接一体化する目的の構造である。
【００１１】
このように、いずれも構成や目的が本発明とは異なると共に、窓ガラスの接着方法が従来と同様に接着材又は低融点ガラスを用いるものであり、副次的に小型化が可能であるが、本発明における改善方法を意図したものではない。
【００１２】
そこで本発明者は、上記の事情に鑑み鋭意検討の結果、窓ガラスの接合方法に着目して本発明に到達したものであり、本発明は、半導体装置の小型化が容易な電子部品用のキャップ構造及びその製造方法、並びに電子装置の提供を目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、電子部品を収容するキャップ本体に開口部を有し、この開口部が光透過性部材によって塞がれている電子部品用のキャップ構造において、
前記キャップ本体と前記光透過性部材とが拡散接合法によって接合されていることを特徴とする、電子部品用のキャップ構造（以下、本発明のキャップ構造と称する。）に係るものである。
【００１４】
本発明のキャップ構造によれば、キャップ本体と光透過性部材とが拡散接合法によって接合されるので、キャップ本体の接合面と光透過性部材の接合面とが元素の相互拡散によって接合される。従って、接合面に接着材が介在しないため、接着材を使用する場合に比べて、接着材の厚さ相当分のサイズを小さくでき、かつ接着材のはみ出しがないことにより、開口部の有効径が実質的に保持されるため、開口寸法を小さく設計することができ、その結果、キャップサイズの小型化が可能なキャップ構造を提供することができる。
【００１５】
また、本発明は、電子部品を収容するキャップ本体に開口部を有し、この開口部が光透過性部材によって塞がれている電子部品用のキャップ構造を製造するに際し、
前記キャップ本体と前記光透過性部材とを拡散接合法によって接合することを特徴とする、電子部品用のキャップ構造の製造方法（以下、本発明の製造方法と称する。）に係るものである。
【００１６】
本発明の製造方法によれば、キャップ本体と光透過性部材とを拡散接合法によって接合するので、キャップ本体と光透過性部材の接合面を元素の相互拡散によって接合することができる。従って、接合に接着材を使用しないので、本発明のキャップ構造と同様に、接合に接着材を使用する場合に比べて、接着材の厚さ相当分のサイズを小さくでき、接着材のはみ出しがないため、開口部の有効径を実質的に保持させることにより開口寸法を小さく設計でき、キャップサイズの小型化が可能な再現性の良い製造方法が提供できる。
【００１７】
また、本発明は、上記した本発明のキャップ構造と、このキャップ構造内に収容された電子部品とによって構成される電子装置（以下、本発明の電子装置と称する。）に係るものである。
【００１８】
本発明の電子装置によれば、電子部品を収容するキャップのキャップ本体と光透過性部材とが拡散接合法によって接合されるので、上記した効果を奏するキャップ構造内に電子部品が収容されて電子装置が構成されることにより、サイズが小型化された電子装置を提供できる。
【００１９】
なお、本発明において「拡散接合法」とは、金属元素等の元素の相互拡散によって接合界面を溶融することなしに接合する接合を指すが、接合する材質としては、同種金属同士、異種金属同士又は金属以外の材質による接合も含む概念である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【００２１】
上記した本発明のキャップ構造、製造方法及び電子装置においては、前記キャップ部材と前記光透過性部材との少なくとも一方の面（即ち、この場合は光透過性部材側の面）に金属膜が被着され、この金属膜を介して前記キャップ部材と前記光透過性部材とが金属拡散接合法により接合されていることが望ましい。
【００２２】
そして、前記キャップ本体と前記光透過性部材としてのガラス部材とが金属膜を介して、低温金属拡散接合法によって接合されていることが、キャップ本体とガラス部材との間の距離を極めて小さくでき、キャップサイズを小型化し易い点で望ましい。
【００２３】
この場合、前記金属膜が金からなっていることが、ガラス部材の融点以下の温度で拡散接合が可能である点から好ましく、但し、この場合の金属膜の厚さが０．１μｍ以上であることが望ましい。
【００２４】
更に、前記光透過性部材が前記キャップ本体の内面に接合されていることが、光透過性部材としてのガラス部材の破損防止の点で望ましい。
【００２５】
この場合、金属膜を金で形成することにより、前記拡散接合法における接合温度を２００〜２５０℃とすることができ、この接合を加圧下で行うことが、接合を助ける点で望ましい。
【００２６】
また、前記金属膜は、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、イオンビーム法、電解めっき法又は無電解めっき法によって成膜してよい。
【００２７】
そして、前記キャップ構造及び前記電子部品が支持体に固定され、前記電子部品と対向して前記光透過性部材が配置されていることが、相互の位置関係が安定し、目的方向へ光が透過し易い点で望ましい。
【００２８】
これにより、前記キャップ構造内に電子部品が収容され、小型化が可能な半導体レーザ素子を形成することができる。
【００２９】
次に、上記した本発明の好ましい実施の形態を図面参照下で具体的に説明する。
【００３０】
図１は、本実施の形態による半導体レーザ素子のキャップ構造を示す概略断面図である。
【００３１】
この半導体レーザ素子１５も図６に示した従来例と同様に、円板状の金属製のステム５と一体化したヒートシンク６に、レーザチップ７等がマウントされ、ステム５を貫通する複数の端子８がステム５に配設されている。
【００３２】
そして、これらは、窒素雰囲気中において、レーザチップ７及び不図示のレーザダイオードが、端子８に不図示のワイヤにより電気的に接続された後に、上部の開口部４を窓ガラス２０によって塞がれたキャップ１０が被せられ、キャップ１０の下部のフランジ９がステム５に熔接にて接合され、キャップ１０内に配されたレーザチップ７等は窒素雰囲気内に配設されているため、外気に触れることなく、耐湿性、熱放散性を有している。
【００３３】
ここで重要なことは、図１に示すように、開口部４を塞ぐ窓ガラス２０とキャップ１０との接合が、従来の低融点ガラスを用いた接合でなく、金からなる金属膜３０を介在させた低温金属拡散接合により接合されていることである。これにより、キャップ１０内の必要な容積確保のための内部の高さｈ_４は、図６に示した従来とほぼ同寸法に保ちつつ、外部の高さＨ２を従来よりも低く形成することができる。
【００３４】
図２及び図３は、本実施の形態におけるキャップ１０の分解斜視図を示し、図２はキャップ１０の本体の一部分を破断した図であり、図３は組立て方を示す図である。
【００３５】
このキャップ１０の材質としては、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金材又は５０％Ｎｉ−Ｆｅ合金材が用いられ、窓ガラス２０としては、軟質ガラスが用いられる。
【００３６】
そして図２に示すように、キャップ１０の開口部４の接合面と窓ガラス２０の接合面に金を用いて金属膜３０を形成後に、図３のように組立て、金を成膜したキャップ１０と窓ガラス２０とを低温金属拡散接合法に代表される金属接合技術を用い、加圧下で一体化する。
【００３７】
この場合、金属膜３０は窓ガラス２０の側のみに設けてもよい。そして、金属膜３０の材料としては、金以外に、低温金属拡散接合に用いられる従来より公知の金属がいずれも使用できる。また金属膜３０の成膜方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーディング法、イオンビーム法、電解及び無電解めっき法等に代表される従来より公知の薄膜技術を用いることができる。
【００３８】
本実施の形態で用いる低温金属拡散接合法における接合の原理は、金属の原子と原子との間のイオン交換作用により結合するものであり、同種の金属同士及び異種の金属同士の接合も可能である。実際には常温においてもこの作用は起こるが、反応を促進させるために、金の場合、比較的低温（２００〜２５０℃程度）状態で、かつ一定の圧力（数ｇ以上）を加えることでより顕著になる。従って、軟質ガラスからなる窓ガラス２０の融点（６００℃程度）以下で接合することができる。
【００３９】
即ち、成膜金属としては金（Ａｕ）を用い、成膜厚さは０．１〜１μｍが好ましい。また、成膜温度は装置によって違いはあるが、窓ガラス２０の融点（６００℃程度）以下であることが必要である。
【００４０】
このように、金を用いた金属膜３０をキャップ１０と窓ガラス２０との接合面に形成し、低温金属拡散接合法によってキャップ１０と窓ガラス２０とを接合することにより、低融点ガラスで接合する場合の低融点ガラスの厚さと比較して、金属膜３０の厚さは極めて薄くできるので、キャップ１０の高さＨ２を抑えられ、キャップの小型化が可能になる。
【００４１】
具体的には、図６におけるキャップサイズＤ１＝３．５５ｍｍ及びＨ１＝２．３ｍｍ程度に対して、本実施の形態を示す図１のキャップサイズは、Ｄ２＝２．８ｍｍ、Ｈ２＝１．９ｍｍ程度とすることができ、いずれも１０％〜２０％小型化することができる。
【００４２】
しかも、低温金属拡散接合法に用いた金属膜３０は、低融点ガラスと異なりガラスのはみ出しがないので、キャップ１０の開口部４の穴の直径と有効直径をほぼ同じにできるため、キャップの直径を小さくすることが可能となり、キャップの小型化がし易い。
【００４３】
また、低融点ガラスは、溶融時に溶け方のばらつきに伴い、高さもばらつくので、そのばらつきを吸収し得る許容寸法にて設計しなければならないが、本実施の形態では金属膜の厚みがほぼ一定となるため、許容寸法を従来より小さく設計することができ、高精度に高さが保証されたキャップの提供が可能となる。
【００４４】
更に、低融点ガラスには、一般的に鉛化合物が用いられているが、本実施の形態では低融点ガラスを使用しないために鉛レス化ができ、環境に配慮した製品の提供が可能となる。
【００４５】
上記したように、本実施の形態によれば、開口部４におけるキャップ１０と窓ガラス２０との接合が、金からなる金属膜３０を双方の接合面の少なくとも一方に形成後に、両者を低温金属拡散接合法により接合するので、低融点ガラスを用いる接合に比べて金属膜３０は極めて薄く形成できるため、キャップ高さＨ２を小さくすることができると共に、低融点ガラスのようにはみ出しがないので、はみ出しを見込んだ許容寸法で設計する必要がなく、開口部４の有効径を小さく設計できるため、この点でもキャップ直径Ｄ２を小さくでき、キャップサイズを小型化することができる。
【００４６】
図４及び図５に本実施の形態のキャップ構造の変形例を示す。
【００４７】
図４のキャップ構造は、窓ガラス２０をキャップ１０Ａの開口部４の上部外側に配置したものであり、これ以外は図１とほぼ同様な構成である。そして、キャップ１０Ａと窓ガラス２０との接合も、これらの接合面に金を用いた金属膜３０を形成し、低温金属拡散接合法によって接合される。
【００４８】
これにより、窓ガラス２０を含むキャップ高さＨ４は、窓ガラス２０をキャップ内面に配した図１におけるキャップ高さＨ１と同様であり、実際のキャップ高さＨ３は窓ガラス２０の厚さ相当分だけ図１のＨ１よりも低いが、キャップ内の有効高さｈ_５は図１と同様であるため、キャップ内の必要容積は確保されている。
【００４９】
また、図５のキャップ構造は、窓ガラス２２をキャップ１０Ｂの開口部１４に嵌め込んだ構造であり、これ以外は図１とほぼ同様な構成である。そして、キャップ１０Ｂと窓ガラス２２との接合も、これらの接合面に金を用いた金属膜３０を形成し、低温金属拡散接合法により接合される。
【００５０】
従って、窓ガラス２２が開口部１４に嵌め込まれる構造であるため、接合面の面積を確保するために、開口部１４面のキャップ１０Ｂの肉厚ｔ_２が側壁部の肉厚ｔ_１よりも厚く形成されている。
【００５１】
しかし、この場合は、窓ガラス２２を開口部１４のキャップ内面又は外面に設ける場合に比べて、キャップの高さＨ２’を図１及び図４の高さよりも低く形成することができるものの、キャップ内部の高さｈ_６は図１及び図４と同様に、キャップ内の容積を確保できる高さになっている。
【００５２】
そして、上記した変形例についても、金属膜３０の成膜方法、成膜条件及び成膜材料等も図１の場合と同様であり、このキャップ構造により、図１と同様の効果を奏することができる。
【００５３】
上記した実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて種々変形が可能である。
【００５４】
例えば、実施の形態は、キャップ１０及び窓ガラス２０のそれぞれの接合面に金からなる金属膜３０を設けたが、この金属膜３０は窓ガラス２０側のみに設けてもよい。そして、成膜材料は金以外の金属でもよく、金属膜と同等に機能し得るものであれば、金属以外の材料を金属膜の代りに使用することも可能である。更に接合は、金と金以外の金属との接合又は金以外の金属同士の接合でもよい。
【００５５】
また、キャップ１０側は金属膜３０の代りに、窓ガラス２０との接合領域をキャップの材質以外の金属（例えば金）で形成しておくか、或いはキャップ１０全体をその金属で形成してもよい。
【００５６】
また、実施の形態では開口部４をキャップ１０の上面に設けたが、開口部４はキャップ１０の側面に設け、ミラー等の光学的反射手段によってレーザ光を側方へ導いてもよい。
【００５７】
また、レーザチップからの出射光をビームスプリッタ等の如き偏光分離手段により分離して出射してもよく、窓ガラス自体を偏光分離手段として偏光可能に構成し、必要な光のみを出射するようにすることもできる。
【００５８】
また、実施の形態は、発光素子である半導体レーザ素子への適用例であるが、レーザ素子以外の各種の電子部品及び外光を受光して検出する受光素子の構成に適用することもできる。
【００５９】
また、上記した実施の形態におけるキャップの構造、材料、寸法、形状等も実施の形態に限らず適宜であってよい。
【００６０】
【発明の作用効果】
上述した如く、本発明の電子部品のキャップ構造、その製造方法及び電子装置によれば、キャップ本体と光透過性部材とが拡散接合法によって接合されるので、キャップ本体の接合面と光透過性部材の接合面とが元素の相互拡散によって接合される。従って、接合面に接着材が介在しないため、接着材を使用する場合に比べて、接着材の厚さ相当分のサイズを小さくでき、かつ接着材のはみ出しがないことにより、開口部の有効径が実質的に保持されるため、開口寸法を小さく設計することができ、その結果、キャップサイズの小型化が可能となり、サイズが小型化された電子装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による半導体レーザ素子のキャップ構造を示す概略断面図である。
【図２】同、実施の形態によるキャップを破断して示した分解斜視図である。
【図３】同、実施の形態によるキャップの組立て方を示す分解斜視図である。
【図４】同、実施の形態によるキャップの変形例の一例を示す概略断面図である。
【図５】同、実施の形態によるキャップの他の変形例の一例を示す概略断面図である。
【図６】従来例による半導体レーザ素子のキャップ構造の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、１０、１０Ａ、１０Ｂ…キャップ（アイレット）、
２、２０、２２…窓ガラス、３…低融点ガラス、３ａ…はみ出し、
４、１４…開口部、５…ステム、６…ヒートシンク、７…レーザチップ、
８…端子、９…フランジ、１１、１５…半導体レーザ素子、３０…金属膜、
Ｄ１、Ｄ２…直径、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ２’、Ｈ３…キャップの高さ、
Ｈ４…キャップの実質高さ、ｈ_３、ｈ_４、ｈ_５、ｈ_６…キャップ内部の有効高さ、
ｔ_１、ｔ_２…厚さ

Claims

電子部品を収容するキャップ本体に開口部を有し、この開口部が光透過性部材によって塞がれている電子部品用のキャップ構造において、
前記キャップ本体と前記光透過性部材とが拡散接合法によって接合されていることを特徴とする、電子部品用のキャップ構造。
前記キャップ部材と前記光透過性部材との少なくとも一方の面に金属膜が被着され、この金属膜を介して前記キャップ部材と前記光透過性部材とが金属拡散接合法により接合されている、請求項１に記載した電子部品用のキャップ構造。
前記キャップ本体と前記光透過性部材としてのガラス部材とが低温金属拡散接合法によって接合されている、請求項２に記載した電子部品用のキャップ構造。
前記金属膜が金からなっている、請求項２に記載した電子部品用のキャップ構造。
前記金属膜の厚さが０．１μｍ以上である、請求項２に記載した電子部品用のキャップ構造。
前記光透過性部材が前記キャップ本体の内面に接合されている、請求項１に記載した電子部品用のキャップ構造。
前記電子部品が半導体素子である、請求項１に記載した電子部品用のキャップ構造。
前記半導体素子が半導体レーザ素子である、請求項７に記載した電子部品用のキャップ構造。
電子部品を収容するキャップ本体に開口部を有し、この開口部が光透過性部材によって塞がれている電子部品用のキャップ構造を製造するに際し、
前記キャップ本体と前記光透過性部材とを拡散接合法によって接合することを特徴とする、電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記キャップ部材と前記光透過性部材との少なくとも一方の面に金属膜を被着し、この金属膜を介して前記キャップ部材と前記光透過性部材とを金属拡散接合法により接合する、請求項９に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記キャップ本体と前記光透過性部材としてのガラス部材とを低温金属拡散接合法によって接合する、請求項１０に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記金属膜に金を用いる、請求項１０に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記金属膜の厚さを０．１μｍ以上とする、請求項１０に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記拡散接合法における接合温度を２００〜２５０℃とする、請求項９に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記接合を加圧下で行う、請求項９に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記金属膜をスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、イオンビーム法、電解めっき法又は無電解めっき法によって形成する、請求項１０に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記光透過性部材を前記キャップ本体の内面に接合する、請求項９に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記電子部品が半導体素子である、請求項９に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
前記半導体素子としての半導体レーザ素子のキャップ構造を製造する、請求項１８に記載した電子部品用のキャップ構造の製造方法。
請求項１に記載したキャップ構造と、このキャップ構造内に収容された電子部品とによって構成される電子装置。
請求項２〜８のいずれか１項に記載したキャップ構造と電子部品とを有する、請求項２０に記載した電子装置。
前記キャップ構造及び前記電子部品が支持体に固定されている、請求項２０に記載した電子装置。
前記電子部品と対向して前記光透過性部材が配置されている、請求項２０に記載した電子装置。
前記電子部品が半導体素子である、請求項２０に記載した電子装置。
前記半導体素子が半導体レーザ素子である、請求項２４に記載した電子装置。