JP2004146467A - 蓋体およびこれを用いた光デバイス収納用パッケージ - Google Patents
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Abstract
【課題】光デバイス収納用パッケージにおいて、熱応力あるいは外部からの機械的衝撃による蓋体の破壊を有効に防止できない。
【解決手段】光を透過させるための開口部を有する金属枠体3aおよび開口部内に設置された透光性の窓体3bで構成された略平板状の蓋体3であって、金属枠体3aは、その内周面で上下面間の中央領域に上下面と略平行で高さが0.2〜1.0mmの枠状の突起部4が形成されており、窓体3bは軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体3aとの熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体3aと窓体3bとは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させた焼嵌により直接接合してある。
【選択図】 図1
【解決手段】光を透過させるための開口部を有する金属枠体3aおよび開口部内に設置された透光性の窓体3bで構成された略平板状の蓋体3であって、金属枠体3aは、その内周面で上下面間の中央領域に上下面と略平行で高さが0.2〜1.0mmの枠状の突起部4が形成されており、窓体3bは軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体3aとの熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体3aと窓体3bとは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させた焼嵌により直接接合してある。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの機械的衝撃あるいは水分の浸入から光デバイスを保護するための蓋体および光デバイス収納用パッケージに関し、特にCCD・CMOS等の撮像素子、光スイッチ・ミラーデバイス等のMEMS、CD・DVD用のLD・PD等のレーザ部品等の光デバイスを保護するための蓋体およびこれを用いた光デバイス収納用パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、移動体通信機器は軽薄短小化が急激に進展し、これに伴って搭載される光デバイスを気密に封止する光デバイス収納用パッケージも軽薄短小化が進んでいる。
【0003】
このような光デバイス収納用パッケージは、一般に酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から成り、光デバイスを搭載するための凹部を有する絶縁基体と、この絶縁基体の上面に凹部を取り囲むように接合されたシールリングと、このシールリングの上面に半田やろう材等により接合され、光を透過するための開口部を有する枠体および開口部内に設置された透光性の窓体から成る略平板状の蓋体とから構成されている。なお、枠体の材料としては、光デバイス収納用パッケージの軽薄短小化に併せ、薄型加工が可能な鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属が用いられており、窓体としては、ホウ珪酸ガラスが用いられ、低融点ガラスあるいは半田等の接合材により接合されている。
【0004】
しかしながら、このような光デバイス収納用パッケージでは、熱膨張係数の異なる金属製枠体とガラス製窓体とを、弾性率が高く歪み等の応力を緩和しにくい低融点ガラスあるいは半田等の接合材により接合しているために、光デバイスが作動する際に発生する熱によって枠体と窓体との間に大きな応力が発生するとともにこの応力が接合材に作用して接合材と被着体との界面剥離が発生し、その結果、容器の気密封止が破れ、内部に収容する光デバイスを長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができないという問題点を有していた。
【0005】
他方、金属製枠体とガラス製窓体との接合を、弾性率の低い樹脂接着剤により行なう方法が提案されている。この提案によれば、例えば熱硬化性のエポキシ系樹脂をスクリーン印刷法やディスペンサ法を用いて枠体と窓体との接合部分に塗布し、枠体と窓体との接合部分を重ね合わせ加圧・加熱して枠体と窓体とを接合することにより、光デバイスが作動する際に発生する熱によって熱膨張係数の異なる枠体と窓体との間に大きな応力が発生したとしても、弾性率の低い樹脂接着剤が応力を緩和して樹脂接着剤と被着体との界面に剥離が生じることを有効に防止できるというものである。
【0006】
【特許文献1】
特開平3−236294号公報
【特許文献2】
特開平3−149855号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような樹脂接着剤による接合では樹脂の3次元網目構造の隙間からのパッケージ内部への水分の浸入が避けられず、パッケージの気密信頼性が低下してしまうという問題点を有していた。
【0008】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、熱応力あるいは外部からの機械的衝撃による接合破壊を有効に防止でき、かつ気密信頼性の高い光デバイズ収納用パッケージを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の蓋体は、光を透過させるための開口部を有する金属枠体および前記開口部内に設置された透光性の窓体で構成された略平板状の蓋体であって、前記金属枠体はその内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部が前記内周面の全周にわたって形成されており、前記窓体は軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における前記金属枠体との熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、前記金属枠体と前記窓体とは、両者を前記軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させた焼嵌により直接接合してあることを特徴とするものである。
【0010】
本発明の蓋体によれば、金属枠体はその内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部が内周面の全周にわたって形成されていることから、金属枠体と窓体とを接合した後に、窓体は金属枠体から枠状の突起部の高さ分だけ常に圧縮方向の力が加えられ、両者の接合が非常に強固なものとなり、また、窓体は軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体との熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体と窓体とは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させ焼嵌により直接接合してあることから、光デバイスが作動する際に発生する熱によって金属枠体と窓体との間に大きな応力が発生して窓体が破壊したり、金属枠体と窓体との間で剥離することはなく、その結果、気密信頼性の良好な封止を可能とする光デバイス収納用パッケージの蓋体とすることができる。
【0011】
また、本発明の光デバイス収納用パッケージは、上面に光デバイスを搭載するための凹部およびこの凹部を取り囲むシールリングを有する絶縁基体と、上記構成の蓋体とを具備し、前記シールリングに前記凹部を前記蓋体で覆うように前記金属枠体を接合することによって前記凹部に前記光デバイスを気密に収容することを特徴とするものである。
【0012】
本発明の光デバイス収納用パッケージによれば、上面に光デバイスを搭載するための凹部およびこの凹部を取り囲むシールリングを有する絶縁基体と、上記構成の蓋体とを具備し、シールリングに凹部を蓋体で覆うように金属枠体を接合することによって凹部に光デバイスを気密に収容することから、窓体が破壊したり、蓋体を構成する金属枠体と窓体との間で剥離したりすることのない気密信頼性の高い光デバイス収納用パッケージとすることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の蓋体およびこれを用いた光デバイス収納用パッケージを添付の図面に基づき詳細に説明する。
図1は、本発明の蓋体の実施の形態の一例を示す断面図である。この図において3aは金属枠体、3bは窓体であり、主にこれらで本発明の蓋体3が構成される。
【0014】
金属枠体3aは、その外形寸法が5〜50mm、開口寸法が3〜30mm、厚みが0.2〜5mmであり、その開口部に透光性の窓体3bが設置され、これを用いて光デバイス装置を製作した場合、光デバイス5を容器内部に気密に封止する作用を成すとともに外部からの衝撃により光デバイス5が破壊されることを防止する機能を有する。
【0015】
このような金属枠体3aは、鉄・アルミニウム・銅・タングステン・鉄−ニッケル合金・鉄−コバルト合金・鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属材料により形成されている。なお、金属枠体3aは、例えば鉄−ニッケル合金から成る場合であれば、鉄−ニッケル合金のインゴット(塊)を圧延し板状にしたものを、所定の突起形状に対応して製作したプレス金型により圧縮プレス成形するとともに、従来周知の打抜き加工法により所定の寸法に形成される。または、ケミカルエッチングにより形成および所定の外形寸法や開口寸法への成形も可能である。
【0016】
また、金属枠体3aの開口部には、透光性の窓体3bが設置されている。窓体3bは、その厚みが金属枠体3aの厚みとほほ同じであり、光デバイスが受発光する光を損失が少なく効率良く透過する機能を有し、ホウ珪酸ガラス等の光学ガラスにより形成されている。このような窓体3bは、窓体3bと成る母材を、一般に用いられる切断・研磨方法を用いて、所定の形状に製作される。
【0017】
そして本発明の蓋体3においては、金属枠体3aはその内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部4が内周面の全周にわたって形成されており、窓体3bは軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体3aとの熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体3aと窓体3bとは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させ焼嵌により直接接合している。また、本発明の蓋体3においてはこのことが重要である。
【0018】
本発明の蓋体3によれば、その内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部4が内周面の全周にわたって形成されていることから、金属枠体3aと窓体3bとを接合した後に、窓体3bは金属枠体3aから枠状の突起部4の高さ分だけ常に圧縮方向の力が加えられ、両者の接合が非常に強固なものとなり、また、窓体3bは軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体3aとの熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体3aと窓体3bとは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させ焼嵌により直接接合してあることから、光デバイス5が作動する際に発生する熱によって金属枠体3aと窓体3bとの間に大きな応力が発生して窓体3bが破壊したり、金属枠体3aと窓体3bとの間で剥離することはなく、その結果、気密信頼性の良好な封止を可能とする光デバイス収納用パッケージの蓋体3とすることができる。
【0019】
なお、窓体3bの軟化点が300℃以下の場合、光デバイス5の動作環境において窓体3bが軟化し、窓体3bの脱落あるいは変形による光学特性劣化が起こりやすくなる傾向がある。従って、窓体3bの軟化点は300℃以上とすることが好ましい。
【0020】
また、金属枠体3aと窓体3bの20〜300℃範囲での熱膨張係数の差が1×10−6/℃を超える場合、金属枠体3aと窓体3bとの熱膨張係数の差が大きく、金属枠体3aからの圧縮方向の力が過剰に強くなり窓体3bが金属枠体3aの圧縮応力に耐えきれず破壊しやすくなる傾向がある。従って、金属枠体3aと窓体3bの20〜300℃範囲での熱膨張係数の差は1×10−6/℃以下の範囲とすることが重要である。
【0021】
さらに突起部4の高さが0.2mm未満の場合、金属枠体3aと窓体3bとのせん断強度が弱いものとなり、金属枠体3aと窓体3bとの接合強度の増加が得られなくなる傾向があり、1mmを超えた場合、金属枠体3aから窓体3bへの圧縮応力が大きくなり、金属枠体3aと窓体3bとの接合信頼性が劣化する傾向がある。従って、突起部4の高さは0.2〜1mmとすることが重要である。
【0022】
なお、突起部4の幅は金属枠体3aの厚みをTとしたときに、T/6〜2T/3が好ましく、T/6未満であると突起部4のせん断方向への剛性が減少する傾向があり、2T/3を超えると窓体3bのせん断方向への剛性が減少する傾向がある。従って、突起部4の幅はT/6〜2T/3が好ましい。
【0023】
なお、このような焼嵌は、表面を温度が600〜800℃程度の加熱により酸化させた金属枠体3aに、金属枠体3aの開口寸法に対して外周寸法が2〜10%小さい寸法に加工した窓体3bを設置し、両者の軟化点を超える温度、例えば700〜1000℃の温度に加熱して窓体3を一旦軟化させ、金属枠体3aの開口部に窓体3bの第1の領域を配置した後、冷却固化することにより接合される。この際、金属枠体3aと窓体3bとは、位置合わせ治具を用いて所定の位置に互いを位置決めし、接合することが好ましい。また、加熱雰囲気は金属枠体3aの過剰な酸化を防止するため、還元雰囲気が好ましく、リフロー炉等の連続炉で処理することが好ましい。
【0024】
また、金属枠体3aと窓体3bを接合して蓋体3を製作した後、窓体3bの表面を鏡面研磨し、窓体3bの材料本来の屈折率が得られるように加工を行なうことが好ましい。
【0025】
なお、金属枠体3aの内周面における上下の開口間の中央領域における突起部4は、金属枠体3aを従来周知の打抜き加工法により所定の寸法に形成した後、ケミカルエッチング法あるいは切削法により内周面の突起部4以外の箇所を除去することによって形成すればよい。
【0026】
また、本発明の蓋体3において、突起部4の形状は、金属枠体3aの縦断面における断面形状が、例えば図1の断面図に示すような四角形や、あるいは角部が丸まった四角形状・台形・台形状・三角形・三角形状・半円・半円形状等のものがあげられる。さらに、突起部4の高さとは、上下の開口間を結ぶ直線と突起部4の一番突出している箇所との距離(図1の断面図におけるT)をさす。また、突起部4の幅とは、突起部4の表面と上下の開口間を結ぶ直線との交点間の距離(図1の断面図におけるW)をいう。
【0027】
かくして本発明の蓋体によれば、熱応力あるいは外部からの機械的衝撃による接合破壊を有効に防止でき、かつこれを光デバイスに用いた場合に気密信頼性の高い封止を可能とする蓋体とすることができる。
【0028】
次に、本発明の蓋体3を用いた光デバイス収納用パッケージをを図2に基づいて詳細に説明する。
図2は本発明の光デバイス収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、1は絶縁基体、2はシールリング、3は蓋体であり、主にこれらで本発明の光デバイス収納用パッケージが構成される。
【0029】
絶縁基体1は、その凹部1a底面の略中央部に光デバイス5を搭載するための搭載部が設けてあり、この搭載部には光デバイス5がガラス・樹脂・ろう材等から成る接着剤を介して接着固定される。
【0030】
このような絶縁基体1は、酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法を採用しシート状にしてセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートに適当な打抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
【0031】
また、絶縁基体1には、搭載部周辺から下面にかけて複数の配線導体6が被着形成されており、この配線導体6の搭載部の周辺部には光デバイス5の各電極がボンディングワイヤ7を介して電気的に接続され、また、絶縁基体1の下面に導出された部位(図示せず)には外部電気回路(図示せず)が半田等の接続部材を介して電気的に接続される。
【0032】
配線導体6は、光デバイス5の各電極を外部電気回路に電気的に接続する際の導電路として作用し、例えばタングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等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等の厚膜手法を採用して絶縁基体1となるセラミックグリーンシートにあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって絶縁基体1の搭載部周辺から下面にかけて所定パターンに被着形成される。
【0033】
なお、配線導体6はその表面にニッケル・金等の良導電性で耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により1〜20μmの厚みに被着させておくと、配線導体6の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともに配線導体6とボンディングワイヤ7との接続および配線導体6と外部電気回路の配線導体との半田付けを強固となすことができる。従って、配線導体6の酸化腐蝕を防止し、配線導体6とボンディングワイヤ7との接続および配線導体6と外部電気回路の配線導体との半田付けを強固となすためには、配線導体6の表面にニッケル・金等をめっき法により1〜20μmの厚みに被着させておくことが好ましい。
【0034】
また、絶縁基体1の上面には、鉄系合金から成るシールリング2が、銀ろう等のろう材を介して接合されている。シールリング2は、蓋体3を絶縁基体1に接合する機能を有し、鉄・アルミニウム・銅・タングステン・鉄−ニッケル合金・鉄−コバルト合金・鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属材料により形成されている。このようなシールリング2は、例えば鉄−ニッケル合金から成る場合であれば、鉄−ニッケル合金のインゴット(塊)を圧延し板状にしたものを、所定の突起形状に対応して製作したプレス金型により圧縮プレス成形するとともに、従来周知の打抜き加工法により所定の寸法に形成される。または、ケミカルエッチングにより形成および所定の外寸への成形も可能である。
【0035】
また、シールリング2の上面には、金属枠体3aと窓体3bとから成る本発明の蓋体3が、シーム溶接法や銀ろう等のろう材を用いて接合されることにより、本発明の光デバイス収容用パッケージとなる。
【0036】
本発明の光デバイス収納用パッケージによれば、上面に光デバイス5を搭載するための凹部1aおよびこの凹部1aを取り囲むシールリング2を有する絶縁基体1と、上記構成の蓋体3とを具備し、シールリング2に凹部1aを蓋体3で覆うように金属枠体2aを接合することによって凹部1aに光デバイス5を気密に収容することから、窓体3bが破壊したり、蓋体3を構成する金属枠体3aと窓体3bとの間で剥離したりすることのない気密信頼性の高い光デバイス収納用パッケージとすることができる。
【0037】
かくして、本発明の光デバイス収納用パッケージによれば、絶縁基体1の凹部1a底面に光デバイス5をガラス・樹脂・ろう材等の接着剤を介して接着固定するとともに光デバイス5の各電極を配線導体6にボンディングワイヤ7を介して電気的に接続し、しかる後、絶縁基体1の上面に凹部1aを覆うように蓋体3を被せ、シールリング2と蓋体3とをシーム溶接法により接合させ、絶縁基体1と蓋体3とから成る容器の内部に光デバイス5を気密に封止することによって最終製品としての光デバイス装置と成る。
【0038】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【0039】
【実施例】
金属枠体に20〜300℃の熱膨張係数が4.6×10−6/℃であるFe−Ni−Co合金を、窓体に20〜300℃の熱膨張係数が4.6×10−6/℃であるホウ珪酸ガラスを用いた。そして表面を600℃の温度で酸化した外形寸法が30×30mm、開口寸法が20×20mm、厚みが2.0mmの金属枠体に、厚みが20mmで、枠体の開口寸法に対して外周寸法が同じで突起部の高さを0〜2.0mmに加工した窓体を用い、両者を800℃の温度に加熱して窓体を一旦軟化させるとともに膨張させ、枠体の開口部に窓体を挿入し、冷却固化することにより試料を製作した(試料番号1〜9)。
【0040】
試料は、初期の外観をチェックおよび初期のHeリークレベルを測定後、条件が0〜100℃の熱衝撃試験を行ない、試験後のHeリークレベルおよび金属枠体と窓体とのせん断面強度を測定した。結果を表1に示す。
【0041】
【表1】
【0042】
表1から、突起部の高さが0.2mm未満(試料番号1、2)では、せん断強度が20.3〜24.8Nと金属枠体と窓体との接合強度が低いことがわかった。また、1mmを超えた場合(試料番号7、8、9)、窓体を加熱溶融した後冷却しても、窓体を金属枠体の内周面にまで十分に密着させることができなくなり、その結果、熱衝撃後のHeリークレベルが7×10−7Pa・mm3/sと劣化した。さらに、せん断強度も30N未満と低い値となった。これに対して、突起部の高さが0.2〜1mmでは(試料番号3〜6)、せん断強度が30N以上と金属枠体と窓体との接合強度が高く、Heリークレベルも1×10−9Pa・mm3/s以下と良好な結果を示した。
【0043】
次に、突起部の高さを0.5mm、金属枠体の20〜300℃の熱膨張係数を4.6×10−6/℃に固定し、窓体の熱膨張係数を3.3〜5.8×10−6/℃の範囲で調製し、初期の外観チェックおよびHeリークレベルを測定した。結果を表2に示す。
【0044】
【表2】
【0045】
窓体の熱膨張係数が金属枠体の熱膨張係数より、1.3×10−6/℃小さい場合には(試料番号10)、窓体に割れが発生した。また、窓体の熱膨張係数が金属枠体の熱膨張係数より、1.2×10−6/℃大きい場合には(試料番号14)、窓体が金属枠体から外れてしまった。これに対して、窓体の熱膨張係数と金属枠体の熱膨張係数との差が1×10−6/℃以下の場合は(試料番号11〜13)は初期のガラスの割れや外れは発生せず、Heリークレベルも1×10−9Pa・mm3/s以下と良好な結果を示した。
【0046】
【発明の効果】
本発明の蓋体によれば、金属枠体はその内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部が内周面の全周にわたって形成されていることから、金属枠体と窓体とを接合した後に、窓体は金属枠体から枠状の突起部の高さ分だけ常に圧縮方向の力が加えられ、両者の接合が非常に強固なものとなり、また、窓体は軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体との熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体と窓体とは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させ焼嵌により直接接合してあることから、光デバイスが作動する際に発生する熱によって金属枠体と窓体との間に大きな応力が発生して窓体が破壊したり、金属枠体と窓体との間で剥離することはなく、その結果、気密信頼性の良好な封止を可能とする光デバイス収納用パッケージの蓋体とすることができる。
【0047】
本発明の光デバイス収納用パッケージによれば、上面に光デバイスを搭載するための凹部およびこの凹部を取り囲むシールリングを有する絶縁基体と、上記構成の蓋体とを具備し、シールリングに凹部を蓋体で覆うように金属枠体を接合することによって凹部に光デバイスを気密に収容することから、窓体が破壊したり、蓋体を構成する金属枠体と窓体との間で剥離したりすることのない気密信頼性の高い光デバイス収納用パッケージとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の蓋体の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図2】本発明の光デバイス収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・・・・絶縁基体
1a・・・・・・・凹部
2・・・・・・・・シールリング
3・・・・・・・・蓋体
3a・・・・・・・金属枠体
3b・・・・・・・窓体
4・・・・・・・・突起部
5・・・・・・・・光デバイス
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの機械的衝撃あるいは水分の浸入から光デバイスを保護するための蓋体および光デバイス収納用パッケージに関し、特にCCD・CMOS等の撮像素子、光スイッチ・ミラーデバイス等のMEMS、CD・DVD用のLD・PD等のレーザ部品等の光デバイスを保護するための蓋体およびこれを用いた光デバイス収納用パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、移動体通信機器は軽薄短小化が急激に進展し、これに伴って搭載される光デバイスを気密に封止する光デバイス収納用パッケージも軽薄短小化が進んでいる。
【0003】
このような光デバイス収納用パッケージは、一般に酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から成り、光デバイスを搭載するための凹部を有する絶縁基体と、この絶縁基体の上面に凹部を取り囲むように接合されたシールリングと、このシールリングの上面に半田やろう材等により接合され、光を透過するための開口部を有する枠体および開口部内に設置された透光性の窓体から成る略平板状の蓋体とから構成されている。なお、枠体の材料としては、光デバイス収納用パッケージの軽薄短小化に併せ、薄型加工が可能な鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属が用いられており、窓体としては、ホウ珪酸ガラスが用いられ、低融点ガラスあるいは半田等の接合材により接合されている。
【0004】
しかしながら、このような光デバイス収納用パッケージでは、熱膨張係数の異なる金属製枠体とガラス製窓体とを、弾性率が高く歪み等の応力を緩和しにくい低融点ガラスあるいは半田等の接合材により接合しているために、光デバイスが作動する際に発生する熱によって枠体と窓体との間に大きな応力が発生するとともにこの応力が接合材に作用して接合材と被着体との界面剥離が発生し、その結果、容器の気密封止が破れ、内部に収容する光デバイスを長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができないという問題点を有していた。
【0005】
他方、金属製枠体とガラス製窓体との接合を、弾性率の低い樹脂接着剤により行なう方法が提案されている。この提案によれば、例えば熱硬化性のエポキシ系樹脂をスクリーン印刷法やディスペンサ法を用いて枠体と窓体との接合部分に塗布し、枠体と窓体との接合部分を重ね合わせ加圧・加熱して枠体と窓体とを接合することにより、光デバイスが作動する際に発生する熱によって熱膨張係数の異なる枠体と窓体との間に大きな応力が発生したとしても、弾性率の低い樹脂接着剤が応力を緩和して樹脂接着剤と被着体との界面に剥離が生じることを有効に防止できるというものである。
【0006】
【特許文献1】
特開平3−236294号公報
【特許文献2】
特開平3−149855号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような樹脂接着剤による接合では樹脂の3次元網目構造の隙間からのパッケージ内部への水分の浸入が避けられず、パッケージの気密信頼性が低下してしまうという問題点を有していた。
【0008】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、熱応力あるいは外部からの機械的衝撃による接合破壊を有効に防止でき、かつ気密信頼性の高い光デバイズ収納用パッケージを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の蓋体は、光を透過させるための開口部を有する金属枠体および前記開口部内に設置された透光性の窓体で構成された略平板状の蓋体であって、前記金属枠体はその内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部が前記内周面の全周にわたって形成されており、前記窓体は軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における前記金属枠体との熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、前記金属枠体と前記窓体とは、両者を前記軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させた焼嵌により直接接合してあることを特徴とするものである。
【0010】
本発明の蓋体によれば、金属枠体はその内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部が内周面の全周にわたって形成されていることから、金属枠体と窓体とを接合した後に、窓体は金属枠体から枠状の突起部の高さ分だけ常に圧縮方向の力が加えられ、両者の接合が非常に強固なものとなり、また、窓体は軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体との熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体と窓体とは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させ焼嵌により直接接合してあることから、光デバイスが作動する際に発生する熱によって金属枠体と窓体との間に大きな応力が発生して窓体が破壊したり、金属枠体と窓体との間で剥離することはなく、その結果、気密信頼性の良好な封止を可能とする光デバイス収納用パッケージの蓋体とすることができる。
【0011】
また、本発明の光デバイス収納用パッケージは、上面に光デバイスを搭載するための凹部およびこの凹部を取り囲むシールリングを有する絶縁基体と、上記構成の蓋体とを具備し、前記シールリングに前記凹部を前記蓋体で覆うように前記金属枠体を接合することによって前記凹部に前記光デバイスを気密に収容することを特徴とするものである。
【0012】
本発明の光デバイス収納用パッケージによれば、上面に光デバイスを搭載するための凹部およびこの凹部を取り囲むシールリングを有する絶縁基体と、上記構成の蓋体とを具備し、シールリングに凹部を蓋体で覆うように金属枠体を接合することによって凹部に光デバイスを気密に収容することから、窓体が破壊したり、蓋体を構成する金属枠体と窓体との間で剥離したりすることのない気密信頼性の高い光デバイス収納用パッケージとすることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の蓋体およびこれを用いた光デバイス収納用パッケージを添付の図面に基づき詳細に説明する。
図1は、本発明の蓋体の実施の形態の一例を示す断面図である。この図において3aは金属枠体、3bは窓体であり、主にこれらで本発明の蓋体3が構成される。
【0014】
金属枠体3aは、その外形寸法が5〜50mm、開口寸法が3〜30mm、厚みが0.2〜5mmであり、その開口部に透光性の窓体3bが設置され、これを用いて光デバイス装置を製作した場合、光デバイス5を容器内部に気密に封止する作用を成すとともに外部からの衝撃により光デバイス5が破壊されることを防止する機能を有する。
【0015】
このような金属枠体3aは、鉄・アルミニウム・銅・タングステン・鉄−ニッケル合金・鉄−コバルト合金・鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属材料により形成されている。なお、金属枠体3aは、例えば鉄−ニッケル合金から成る場合であれば、鉄−ニッケル合金のインゴット(塊)を圧延し板状にしたものを、所定の突起形状に対応して製作したプレス金型により圧縮プレス成形するとともに、従来周知の打抜き加工法により所定の寸法に形成される。または、ケミカルエッチングにより形成および所定の外形寸法や開口寸法への成形も可能である。
【0016】
また、金属枠体3aの開口部には、透光性の窓体3bが設置されている。窓体3bは、その厚みが金属枠体3aの厚みとほほ同じであり、光デバイスが受発光する光を損失が少なく効率良く透過する機能を有し、ホウ珪酸ガラス等の光学ガラスにより形成されている。このような窓体3bは、窓体3bと成る母材を、一般に用いられる切断・研磨方法を用いて、所定の形状に製作される。
【0017】
そして本発明の蓋体3においては、金属枠体3aはその内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部4が内周面の全周にわたって形成されており、窓体3bは軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体3aとの熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体3aと窓体3bとは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させ焼嵌により直接接合している。また、本発明の蓋体3においてはこのことが重要である。
【0018】
本発明の蓋体3によれば、その内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部4が内周面の全周にわたって形成されていることから、金属枠体3aと窓体3bとを接合した後に、窓体3bは金属枠体3aから枠状の突起部4の高さ分だけ常に圧縮方向の力が加えられ、両者の接合が非常に強固なものとなり、また、窓体3bは軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体3aとの熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体3aと窓体3bとは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させ焼嵌により直接接合してあることから、光デバイス5が作動する際に発生する熱によって金属枠体3aと窓体3bとの間に大きな応力が発生して窓体3bが破壊したり、金属枠体3aと窓体3bとの間で剥離することはなく、その結果、気密信頼性の良好な封止を可能とする光デバイス収納用パッケージの蓋体3とすることができる。
【0019】
なお、窓体3bの軟化点が300℃以下の場合、光デバイス5の動作環境において窓体3bが軟化し、窓体3bの脱落あるいは変形による光学特性劣化が起こりやすくなる傾向がある。従って、窓体3bの軟化点は300℃以上とすることが好ましい。
【0020】
また、金属枠体3aと窓体3bの20〜300℃範囲での熱膨張係数の差が1×10−6/℃を超える場合、金属枠体3aと窓体3bとの熱膨張係数の差が大きく、金属枠体3aからの圧縮方向の力が過剰に強くなり窓体3bが金属枠体3aの圧縮応力に耐えきれず破壊しやすくなる傾向がある。従って、金属枠体3aと窓体3bの20〜300℃範囲での熱膨張係数の差は1×10−6/℃以下の範囲とすることが重要である。
【0021】
さらに突起部4の高さが0.2mm未満の場合、金属枠体3aと窓体3bとのせん断強度が弱いものとなり、金属枠体3aと窓体3bとの接合強度の増加が得られなくなる傾向があり、1mmを超えた場合、金属枠体3aから窓体3bへの圧縮応力が大きくなり、金属枠体3aと窓体3bとの接合信頼性が劣化する傾向がある。従って、突起部4の高さは0.2〜1mmとすることが重要である。
【0022】
なお、突起部4の幅は金属枠体3aの厚みをTとしたときに、T/6〜2T/3が好ましく、T/6未満であると突起部4のせん断方向への剛性が減少する傾向があり、2T/3を超えると窓体3bのせん断方向への剛性が減少する傾向がある。従って、突起部4の幅はT/6〜2T/3が好ましい。
【0023】
なお、このような焼嵌は、表面を温度が600〜800℃程度の加熱により酸化させた金属枠体3aに、金属枠体3aの開口寸法に対して外周寸法が2〜10%小さい寸法に加工した窓体3bを設置し、両者の軟化点を超える温度、例えば700〜1000℃の温度に加熱して窓体3を一旦軟化させ、金属枠体3aの開口部に窓体3bの第1の領域を配置した後、冷却固化することにより接合される。この際、金属枠体3aと窓体3bとは、位置合わせ治具を用いて所定の位置に互いを位置決めし、接合することが好ましい。また、加熱雰囲気は金属枠体3aの過剰な酸化を防止するため、還元雰囲気が好ましく、リフロー炉等の連続炉で処理することが好ましい。
【0024】
また、金属枠体3aと窓体3bを接合して蓋体3を製作した後、窓体3bの表面を鏡面研磨し、窓体3bの材料本来の屈折率が得られるように加工を行なうことが好ましい。
【0025】
なお、金属枠体3aの内周面における上下の開口間の中央領域における突起部4は、金属枠体3aを従来周知の打抜き加工法により所定の寸法に形成した後、ケミカルエッチング法あるいは切削法により内周面の突起部4以外の箇所を除去することによって形成すればよい。
【0026】
また、本発明の蓋体3において、突起部4の形状は、金属枠体3aの縦断面における断面形状が、例えば図1の断面図に示すような四角形や、あるいは角部が丸まった四角形状・台形・台形状・三角形・三角形状・半円・半円形状等のものがあげられる。さらに、突起部4の高さとは、上下の開口間を結ぶ直線と突起部4の一番突出している箇所との距離(図1の断面図におけるT)をさす。また、突起部4の幅とは、突起部4の表面と上下の開口間を結ぶ直線との交点間の距離(図1の断面図におけるW)をいう。
【0027】
かくして本発明の蓋体によれば、熱応力あるいは外部からの機械的衝撃による接合破壊を有効に防止でき、かつこれを光デバイスに用いた場合に気密信頼性の高い封止を可能とする蓋体とすることができる。
【0028】
次に、本発明の蓋体3を用いた光デバイス収納用パッケージをを図2に基づいて詳細に説明する。
図2は本発明の光デバイス収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、1は絶縁基体、2はシールリング、3は蓋体であり、主にこれらで本発明の光デバイス収納用パッケージが構成される。
【0029】
絶縁基体1は、その凹部1a底面の略中央部に光デバイス5を搭載するための搭載部が設けてあり、この搭載部には光デバイス5がガラス・樹脂・ろう材等から成る接着剤を介して接着固定される。
【0030】
このような絶縁基体1は、酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法を採用しシート状にしてセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートに適当な打抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
【0031】
また、絶縁基体1には、搭載部周辺から下面にかけて複数の配線導体6が被着形成されており、この配線導体6の搭載部の周辺部には光デバイス5の各電極がボンディングワイヤ7を介して電気的に接続され、また、絶縁基体1の下面に導出された部位(図示せず)には外部電気回路(図示せず)が半田等の接続部材を介して電気的に接続される。
【0032】
配線導体6は、光デバイス5の各電極を外部電気回路に電気的に接続する際の導電路として作用し、例えばタングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等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等の厚膜手法を採用して絶縁基体1となるセラミックグリーンシートにあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって絶縁基体1の搭載部周辺から下面にかけて所定パターンに被着形成される。
【0033】
なお、配線導体6はその表面にニッケル・金等の良導電性で耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により1〜20μmの厚みに被着させておくと、配線導体6の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともに配線導体6とボンディングワイヤ7との接続および配線導体6と外部電気回路の配線導体との半田付けを強固となすことができる。従って、配線導体6の酸化腐蝕を防止し、配線導体6とボンディングワイヤ7との接続および配線導体6と外部電気回路の配線導体との半田付けを強固となすためには、配線導体6の表面にニッケル・金等をめっき法により1〜20μmの厚みに被着させておくことが好ましい。
【0034】
また、絶縁基体1の上面には、鉄系合金から成るシールリング2が、銀ろう等のろう材を介して接合されている。シールリング2は、蓋体3を絶縁基体1に接合する機能を有し、鉄・アルミニウム・銅・タングステン・鉄−ニッケル合金・鉄−コバルト合金・鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属材料により形成されている。このようなシールリング2は、例えば鉄−ニッケル合金から成る場合であれば、鉄−ニッケル合金のインゴット(塊)を圧延し板状にしたものを、所定の突起形状に対応して製作したプレス金型により圧縮プレス成形するとともに、従来周知の打抜き加工法により所定の寸法に形成される。または、ケミカルエッチングにより形成および所定の外寸への成形も可能である。
【0035】
また、シールリング2の上面には、金属枠体3aと窓体3bとから成る本発明の蓋体3が、シーム溶接法や銀ろう等のろう材を用いて接合されることにより、本発明の光デバイス収容用パッケージとなる。
【0036】
本発明の光デバイス収納用パッケージによれば、上面に光デバイス5を搭載するための凹部1aおよびこの凹部1aを取り囲むシールリング2を有する絶縁基体1と、上記構成の蓋体3とを具備し、シールリング2に凹部1aを蓋体3で覆うように金属枠体2aを接合することによって凹部1aに光デバイス5を気密に収容することから、窓体3bが破壊したり、蓋体3を構成する金属枠体3aと窓体3bとの間で剥離したりすることのない気密信頼性の高い光デバイス収納用パッケージとすることができる。
【0037】
かくして、本発明の光デバイス収納用パッケージによれば、絶縁基体1の凹部1a底面に光デバイス5をガラス・樹脂・ろう材等の接着剤を介して接着固定するとともに光デバイス5の各電極を配線導体6にボンディングワイヤ7を介して電気的に接続し、しかる後、絶縁基体1の上面に凹部1aを覆うように蓋体3を被せ、シールリング2と蓋体3とをシーム溶接法により接合させ、絶縁基体1と蓋体3とから成る容器の内部に光デバイス5を気密に封止することによって最終製品としての光デバイス装置と成る。
【0038】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【0039】
【実施例】
金属枠体に20〜300℃の熱膨張係数が4.6×10−6/℃であるFe−Ni−Co合金を、窓体に20〜300℃の熱膨張係数が4.6×10−6/℃であるホウ珪酸ガラスを用いた。そして表面を600℃の温度で酸化した外形寸法が30×30mm、開口寸法が20×20mm、厚みが2.0mmの金属枠体に、厚みが20mmで、枠体の開口寸法に対して外周寸法が同じで突起部の高さを0〜2.0mmに加工した窓体を用い、両者を800℃の温度に加熱して窓体を一旦軟化させるとともに膨張させ、枠体の開口部に窓体を挿入し、冷却固化することにより試料を製作した(試料番号1〜9)。
【0040】
試料は、初期の外観をチェックおよび初期のHeリークレベルを測定後、条件が0〜100℃の熱衝撃試験を行ない、試験後のHeリークレベルおよび金属枠体と窓体とのせん断面強度を測定した。結果を表1に示す。
【0041】
【表1】
【0042】
表1から、突起部の高さが0.2mm未満(試料番号1、2)では、せん断強度が20.3〜24.8Nと金属枠体と窓体との接合強度が低いことがわかった。また、1mmを超えた場合(試料番号7、8、9)、窓体を加熱溶融した後冷却しても、窓体を金属枠体の内周面にまで十分に密着させることができなくなり、その結果、熱衝撃後のHeリークレベルが7×10−7Pa・mm3/sと劣化した。さらに、せん断強度も30N未満と低い値となった。これに対して、突起部の高さが0.2〜1mmでは(試料番号3〜6)、せん断強度が30N以上と金属枠体と窓体との接合強度が高く、Heリークレベルも1×10−9Pa・mm3/s以下と良好な結果を示した。
【0043】
次に、突起部の高さを0.5mm、金属枠体の20〜300℃の熱膨張係数を4.6×10−6/℃に固定し、窓体の熱膨張係数を3.3〜5.8×10−6/℃の範囲で調製し、初期の外観チェックおよびHeリークレベルを測定した。結果を表2に示す。
【0044】
【表2】
【0045】
窓体の熱膨張係数が金属枠体の熱膨張係数より、1.3×10−6/℃小さい場合には(試料番号10)、窓体に割れが発生した。また、窓体の熱膨張係数が金属枠体の熱膨張係数より、1.2×10−6/℃大きい場合には(試料番号14)、窓体が金属枠体から外れてしまった。これに対して、窓体の熱膨張係数と金属枠体の熱膨張係数との差が1×10−6/℃以下の場合は(試料番号11〜13)は初期のガラスの割れや外れは発生せず、Heリークレベルも1×10−9Pa・mm3/s以下と良好な結果を示した。
【0046】
【発明の効果】
本発明の蓋体によれば、金属枠体はその内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部が内周面の全周にわたって形成されていることから、金属枠体と窓体とを接合した後に、窓体は金属枠体から枠状の突起部の高さ分だけ常に圧縮方向の力が加えられ、両者の接合が非常に強固なものとなり、また、窓体は軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における金属枠体との熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、金属枠体と窓体とは、両者を軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させ焼嵌により直接接合してあることから、光デバイスが作動する際に発生する熱によって金属枠体と窓体との間に大きな応力が発生して窓体が破壊したり、金属枠体と窓体との間で剥離することはなく、その結果、気密信頼性の良好な封止を可能とする光デバイス収納用パッケージの蓋体とすることができる。
【0047】
本発明の光デバイス収納用パッケージによれば、上面に光デバイスを搭載するための凹部およびこの凹部を取り囲むシールリングを有する絶縁基体と、上記構成の蓋体とを具備し、シールリングに凹部を蓋体で覆うように金属枠体を接合することによって凹部に光デバイスを気密に収容することから、窓体が破壊したり、蓋体を構成する金属枠体と窓体との間で剥離したりすることのない気密信頼性の高い光デバイス収納用パッケージとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の蓋体の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図2】本発明の光デバイス収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・・・・絶縁基体
1a・・・・・・・凹部
2・・・・・・・・シールリング
3・・・・・・・・蓋体
3a・・・・・・・金属枠体
3b・・・・・・・窓体
4・・・・・・・・突起部
5・・・・・・・・光デバイス
Claims (2)
- 光を透過させるための開口部を有する金属枠体および前記開口部内に設置された透光性の窓体で構成された略平板状の蓋体であって、前記金属枠体はその内周面における上下の開口間の中央領域に高さが0.2〜1mmの突起部が前記内周面の全周にわたって形成されており、前記窓体は軟化点が300℃を超え、かつ20〜300℃における前記金属枠体との熱膨張係数の差が1×10−6/℃以下であるガラス材で形成されており、前記金属枠体と前記窓体とは、両者を前記軟化点を超えて加熱した後冷却して収縮させた焼嵌により直接接合してあることを特徴とする蓋体。
- 上面に光デバイスを搭載するための凹部および該凹部を取り囲むシールリングを有する絶縁基体と、請求項1記載の蓋体とを具備し、前記シールリングに前記凹部を前記蓋体で覆うように前記金属枠体を接合することによって前記凹部に前記光デバイスを気密に収容することを特徴とする光デバイス収納用パッケージ。
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2002
- 2002-10-22 JP JP2002307528A patent/JP2004146467A/ja active Pending
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