JP2004296456A - 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
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Abstract
【課題】光半導体装置を高集積化および多機能化させるとともに、高周波信号を効率よく伝送させ得るものとし、また内部の気密信頼性を向上させ、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ものとすること。
【解決手段】光半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴１ａが形成されているとともにこの貫通穴１ａの四隅に円弧状の拡大部１ｂが形成されている金属製の基体１と、線路導体５ｃが形成されているとともに光半導体素子２の載置部が設けられた平板部５ｂおよびこの平板部５ｂの一主面に線路導体５ｃの一部を間に挟んで接合された立壁部５ａから成り、貫通穴１ａに嵌着された入出力端子５と、貫通孔３ｂの開口の周囲に透光性部材４が接合され、基体１の上側主面の外周部に接合される金属製の蓋体３とを具備する。
【選択図】 図１
【解決手段】光半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴１ａが形成されているとともにこの貫通穴１ａの四隅に円弧状の拡大部１ｂが形成されている金属製の基体１と、線路導体５ｃが形成されているとともに光半導体素子２の載置部が設けられた平板部５ｂおよびこの平板部５ｂの一主面に線路導体５ｃの一部を間に挟んで接合された立壁部５ａから成り、貫通穴１ａに嵌着された入出力端子５と、貫通孔３ｂの開口の周囲に透光性部材４が接合され、基体１の上側主面の外周部に接合される金属製の蓋体３とを具備する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等の分野に用いられる光半導体素子を収納するための光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信等の分野において高い周波数で作動する半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を気密封止して収納した光半導体装置の例を図３に示す。図３は光半導体素子としてＬＤを内部に収納した光半導体装置の断面図である。同図において、２１は基体、２２は光半導体素子、２３は金属製の蓋体、２４は透光性部材、２５は外部接続用ピン、２６は光ファイバである。これらの基体２１と外部接続用ピン２５とで光半導体素子収納用パッケージが基本的に構成される。また、光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子２２を搭載し、透光性部材２４が接合された蓋体２３を接合することにより光半導体装置となる。
【０００３】
基体２１は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成り、その上側主面の略中央部には、光半導体素子２２が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体等のセラミックスから成る略直方体の基台２８を介して基体２１の上側主面に発光部を上側に向けて搭載固定される。この構成により、光半導体素子２２から発する光信号が基体２１の上方へ出射されることとなる。また、基体２１には、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属からなる外部接続用ピン２５を挿通させるために上下主面間を貫通する貫通孔２１ａが形成されており、貫通孔２１ａに光半導体装置内外を導通する端子としての外部接続用ピン２５を挿通させるとともに、外部接続用ピン２５と貫通孔２１ａとの隙間にガラス等の誘電体から成る接合材を充填し、基体２１と外部接続用ピン２５とを気密に接合する。これにより、外部接続用ピン２５が光半導体装置内外を導通する端子として機能する。
【０００４】
なお、基台２８に搭載された光半導体素子２２は、その電極が外部接続用ピン２５の光半導体素子２２側の先端とボンディングワイヤ２９等を介して電気的に接続されている。
【０００５】
また、基体２１の上側主面の外周部に接合され、上端が閉じられ下端が開かれた筒状であり上端面２３ａの略中央部に貫通孔２３ｂが形成されており、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体２３が設けられる。蓋体２３の下端２３ｃは、例えば図３のような鍔状となっており、これにより基体２１と蓋体２３との接合面積が大きくなり、基体２１と蓋体２３とで構成される容器内部の気密信頼性が向上する。
【０００６】
さらに、貫通孔２３ｂを塞ぐように、貫通孔２３ｂの上端面２３ａ側開口の周囲に透光性部材２４が接合される。透光性部材２４はガラスやサファイア等から成る円板状，レンズ状，球状または半球状等のものであり、ガラスによる接合や半田付け等により蓋体２３に気密に接合される。
【０００７】
このような基体２１および外部接続用ピン２５から主に構成される光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子２２を搭載し、透光性部材２４が接合された蓋体２３を接合して気密に封止することによって光半導体装置となる（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００８】
そして、光ファイバ２６固定用の筒状の金属製の固定部材２７が、蓋体２３の外周の鍔状部に溶接され、光ファイバ２６が固定部材２７の上面の貫通孔に外部から挿通固定されて透光性部材２４の上方に固定され、外部接続用ピン２５の外側の先端部が外部電気回路（図示せず）に電気的に接続される。これにより、外部電気回路から供給される電気信号によって光半導体素子２２にレーザ光等の光を励起させ、この光を透光性部材２４、光ファイバ２６の順に透過させ、光ファイバ２６を介して外部に伝送させることによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。また、この場合、光半導体素子２２から光信号が正常に発光しているか確認するためのモニタ用ＰＤ（図示せず）が搭載されていてもよい。または、外部から光ファイバ２６を介して伝送してくる光信号を、透光性部材２４を透過させ光半導体素子２２に受光させて、光信号を電気信号に変換することによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１８３３６９号公報
【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装置において、外部接続用ピン２５が基体２１の貫通孔２１ａに挿通されガラス等を介して気密に接合される構成であるため、外部接続用ピン２５の直径寸法の最小加工限界、貫通孔２１ａの孔寸法、隣接する貫通孔２１ａ間の間隔の最小加工限界等の制約があり、そのため、基体２１に外部接続用ピン２５を１本挿入するために大きな面積が必要とされ、基体２１に取り付けられる外部接続用ピン２５の本数が数本に限られるという問題点があった。
【００１１】
さらに、光半導体装置内にはＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子２２やモニタ用ＰＤのみが収容され、光半導体素子２２を駆動するためのドライバＩＣは別の半導体素子収納用パッケージ内に収納され、外部電気回路を介してドライバＩＣと光半導体装置とを電気的に接続する必要があり、光半導体素子２２を駆動させるための装置全体が大型化するという問題点もあった。
【００１２】
また、外部接続用ピン２５をガラス等の接合材を介して基体２１に接合しただけの端子構造であるため、外部接続用ピン２５に外部から応力が加わった場合に接合材にクラック等の破損が生じ、光半導体装置内部の気密が損なわれるという問題点があった。
【００１３】
さらに、外部接続用ピン２５の貫通孔２１ａに挿入されていない部位を特性インピーダンスに整合させた信号線路とするのが困難であり、外部接続用ピン２５を伝送する高周波信号が外部接続用ピン２５で反射等して伝送損失が生じ、高周波信号を効率よく伝送できなくなるという問題点もあった。特に、２ＧＨｚ以上の高周波になると伝送効率が著しく劣化し易くなっていた。
【００１４】
また、現在光信号の発光源として用いられるＬＤの多くは、光信号が光半導体素子２２の側面から発光するため、光ファイバ２６の方向に発光させるためには、光半導体素子２２を基体２１の上側主面に対して垂直な面に搭載する必要がある。従って、基体２１の上側主面に基台２８を設け、さらに基台２８の基体２１の上側主面に対して垂直な面に光半導体素子２２を搭載するため、光半導体素子２２と外部接続用ピン２５とをボンディングワイヤ２９により接続する際、作業性が悪く手間がかかるという問題点があった。
【００１５】
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、光半導体装置に取り付けられる端子数を増やして内部に収容する集積回路素子（ＩＣ）等の部品を増加させ、光半導体装置を高集積化および多機能化させるとともに、高周波信号を効率よく伝送させ得るものとし、また内部の気密信頼性を向上させ、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ものとすることにある。
【００１６】
【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、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴が形成されているとともに該貫通穴の四隅に円弧状の拡大部が形成されている金属製の基体と、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成されているとともに前記一主面の一端部に光半導体素子の載置部が設けられた誘電体から成る平板部および該平板部の前記一主面に前記線路導体の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成り、前記貫通穴に嵌着された入出力端子と、上端面の中央部に貫通孔が形成されているとともに下端が開かれた筒状とされており、前記貫通孔の上端面側開口の周囲に透光性部材が接合され、該透光性部材を前記一端部に対向させて覆うようにその下端で前記基体の上側主面の外周部に接合される金属製の蓋体とを具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴が形成されているとともに貫通穴の四隅に円弧状の拡大部が形成されている金属製の基体を具備したことから、入出力端子と基体とを接合するための接合材を拡大部に溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子と基体との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。その結果、特に応力が集中してクラック等の破損の起点となり易い入出力端子の角部において応力が集中するのを抑制し、入出力端子にクラック等の破損が発生するのを有効に抑制することができる。
【００１８】
また、拡大部において接合材の体積を大きくすることにより、入出力端子と基体との間に形成される接合材のメニスカスを大きくすることができ、入出力端子と基体との接合強度をより向上させることができる。
【００１９】
さらに、長方形状の貫通穴を形成するためにドリル，エンドミル等の円柱状の切削工具を用いて基体に金属加工を施す際に、貫通穴の四隅の角が直角にならずに円弧状の角となって貫通穴に入出力端子を嵌め込むのが困難となるため、貫通穴全体の大きさを必要以上に大きくしなければならないという問題を解消することができる。その結果、貫通穴全体の大きさを入出力端子の大きさにより近づけることができ、基体に対する入出力端子の取付位置の精度を極めて高くすることができる。従って、入出力端子の一端部に載置される光半導体素子と半導体装置に取着される光ファイバとの光結合を極めて良好なものとすることができる。
【００２０】
また、上記の貫通穴に、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成されるとともに一主面の一端部に光半導体素子の載置部が設けられた誘電体から成る平板部およびこの平板部の一主面に線路導体の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成り、貫通穴に嵌着された入出力端子を設けたことから、入出力端子に微細な間隔をもって電極パッド、配線導体および内部配線等を多数形成することができ、その結果、光半導体素子やモニタ用ＰＤだけでなく、光半導体素子を駆動するためのドライバＩＣ等を入出力端子の表面に設けることができ、信号入出力および光半導体素子の駆動や制御をこの入出力端子で行なうことができる。従って、外部電気回路に設けられていたドライバＩＣ等を光半導体装置の内部や入出力端子の外側に実装し高集積化することができることから、光半導体素子を駆動させるための装置全体を小型化できる。
【００２１】
また、貫通穴に入出力端子が嵌着されていることによって、従来のガラス接合された外部接続用ピンに比較して、外部接続用ピンの接合部にクラック等の破損が生じて光半導体装置内部の気密が破れるのを有効に抑制することができる。従って、外部接続用ピンをガラス等の接合材を介して基体の貫通孔に接合した従来の構造に比べ気密信頼性が大幅に向上する。また外部接続用ピンを介すことなく、入出力端子の線路導体で外部電気回路基板に接続することができるため、高周波信号が反射等して伝送損失が生じるのを抑制し、高周波信号の伝送効率を大幅に改善することができる。
【００２２】
さらに、従来のように光半導体素子と外部接続用ピンとをボンディングワイヤにより接続する必要はなく、線路導体と光半導体素子とを同じ平板部の一主面上においてボンディングワイヤにより接続することができるため、ボンディングワイヤによる電気的な接続が容易となるとともに、ボンディングワイヤの長さも短くすることができボンディングワイヤのインダクタンスを小さくして高周波信号の伝送効率を向上させることができる。
【００２３】
本発明の光半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記拡大部は、前記貫通穴の隣合う辺同士の成す角の二等分線上に中心を有する中心角が１８０°乃至２７０°の円弧状であることを特徴とする。
【００２４】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、拡大部が、貫通穴の隣合う辺同士の成す角の二等分線上に中心を有する中心角が１８０°乃至２７０°の円弧状であることから、拡大部の縁と貫通穴の辺との接点において、基体が９０°乃至１３５°の直角あるいは鈍角の先端部を有する形状となり、入出力端子と基体とを接合するための接合材が貫通穴の内面から拡大部の内面に沿って容易に流動することが可能となる。従って、拡大部に接合材を確実に溜めて拡大部における接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子と基体との熱膨張差による応力をこの大きな接合材によってより有効に吸収することができる。
【００２５】
本発明の光半導体装置は、上記の光半導体素子収納用パッケージの前記載置部に光半導体素子が載置固定されているとともに前記線路導体に電気的に接続され、前記透光性部材を前記光半導体素子の受光部または発光部に対向させて前記基体の上側主面の外周部に前記蓋体の下端が接合されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の光半導体装置は、上記の構成により、上記本発明の光半導体素子収納用パッケージを用いた高周波伝送特性および気密信頼性の優れたものとなる。
【００２７】
【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および光半導体装置について以下に詳細に説明する。図１（ａ），図２（ａ）は本発明の光半導体装置について実施の形態の各種例を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の下面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の下面図である。
【００２８】
図１，図２において、１は基体、２は光半導体素子、３は金属製の蓋体、４は透光性部材、５は入出力端子、６は光ファイバである。これら基体１および入出力端子５で光半導体素子収納用パッケージが基本的に構成される。また、光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子２を搭載し、透光性部材４が接合された蓋体３を接合することにより光半導体装置となる。
【００２９】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴１ａが形成されているとともにこの貫通穴１ａの四隅に円弧状の拡大部１ｂが形成されている金属製の基体１と、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体５ｃが形成されているとともに一主面の一端部に光半導体素子２の載置部が設けられた誘電体から成る平板部５ｂおよびこの平板部５ｂの一主面に線路導体５ｃの一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部５ａから成り、貫通穴１ａに嵌着された入出力端子５と、上端面３ａの中央部に貫通孔３ｂが形成されているとともに下端３ｃが開かれた筒状とされており、貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に透光性部材４が接合され、透光性部材４を一端部に対向させて覆うようにその下端３ｃで基体１の上側主面の外周部に接合される金属製の蓋体３とを具備している構成である。
【００３０】
本発明の基体１は、円板状、長方形等の平板状であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属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製作される。
【００３１】
また、基体１には、図１（ｂ）や図２（ｂ）に示すように、中央部に長方形状の貫通穴１ａが形成されている。この貫通穴１ａの内面には、入出力端子５の表面に設けられたメタライズ層が、銀（Ａｇ）ロウ等のロウ材によって接合されることにより、貫通穴１ａを塞ぐようにして入出力端子５が気密に接合される。
【００３２】
さらに、貫通穴１ａは四隅に円弧状の拡大部１ｂが形成されている。これにより、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材を拡大部１ｂに溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。その結果、特に応力が集中してクラック等の破損の起点となり易い入出力端子５の角部において応力が集中するのを抑制し、入出力端子５にクラック等の破損が発生するのを有効に抑制することができる。
【００３３】
また、拡大部１ｂにおいて接合材の体積を大きくすることにより、入出力端子５と基体１との間に形成される接合材のメニスカスを大きくすることができ、入出力端子５と基体１との接合強度をより向上させることができる。
【００３４】
さらに、長方形状の貫通穴１ａを形成するためにドリル，エンドミル等の円柱状の切削工具を用いて基体１に金属加工を施す際に、貫通穴１ａの四隅の角が直角にならずに円弧状の角となって貫通穴１ａに入出力端子５を嵌め込むのが困難となるため、貫通穴１ａ全体の大きさを必要以上に大きくしなければならないという問題を解消することができる。その結果、貫通穴１ａ全体の大きさを入出力端子５の大きさにより近づけることができ、基体１に対する入出力端子５の取付位置の精度を極めて高くすることができる。従って、入出力端子５の一端部に載置される光半導体素子２と半導体装置に取着される光ファイバ６との光結合を極めて良好なものとすることができる。
【００３５】
このような貫通穴１ａおよび拡大部１ｂは基体１にドリル，エンドミル等の円柱状の切削工具を用いて金属加工を施すことによって形成される。
【００３６】
拡大部１ｂは、長方形状の貫通穴１ａの長辺と短辺を延長した場合に形成される角部に重なるように形成される。また、拡大部１ｂの形状は上記の角部、長辺上、短辺上あるいは貫通穴１ａの内外部に中心を有する円弧状である。
【００３７】
拡大部１ｂは曲率半径が０．３〜２ｍｍであるのがよい。これにより、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材を拡大部１ｂに溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。また、貫通穴１ａの四隅に円弧状の削り残しが残存することもない。
【００３８】
曲率半径が０．３ｍｍよりも小さいと、拡大部１ｂに溜まる接合材の体積が小さくなり入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力を緩和する効果が小さくなる。また、２ｍｍよりも大きいと、拡大部１ｂが大きくなりすぎて基体１と入出力端子５との間をロウ材で埋め込むのが困難となる。
【００３９】
なお、拡大部１ｂは先端が円弧状となったＵ字状であってもよい。この場合、長方形と仮定した貫通穴１ａと拡大部１ｂの先端との距離が０．３〜２ｍｍであり、拡大部１ｂの幅が０．３〜２ｍｍであるのがよい。これにより、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材を拡大部１ｂに溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。また、貫通穴１ａの四隅に円弧状の削り残しが残存することもない。
【００４０】
先端までの距離および幅が０．３ｍｍよりも小さいと、拡大部１ｂに溜まる接合材の体積が小さくなり入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力を緩和する効果が小さくなる。また、２ｍｍよりも大きいと、拡大部１ｂが大きくなりすぎて基体１と入出力端子５との間をロウ材で埋め込むのが困難となる。
【００４１】
また、拡大部１ｂは短辺側に有るのがよい。つまり、長方形と仮定した貫通穴１ａにおいて拡大部２ｂの平面視での形状の重心が長辺よりも短辺に近い方がよい。これにより、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力を緩和する効果がより大きくなる。即ち、入出力端子５の基体１との接合部分においては、貫通穴１ａの長辺方向の熱膨張がより大きくなって貫通穴１ａの短辺側に応力が加わり易くなるため、その短辺側に拡大部１ｂを設けることによって短辺側の接合材の体積比率をより大きくし、応力をより有効に緩和することが可能となる。
【００４２】
また、拡大部１ｂは、図４に示すように、貫通穴１ａの隣合う辺同士の成す角の二等分線上に中心を有する中心角が１８０°乃至２７０°の円弧状であるのがよい。
【００４３】
この構成によって、拡大部１ｂの縁と貫通穴１ａの辺との接点において、基体１が９０°乃至１３５°の直角あるいは鈍角の先端部を有する形状となり、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材が貫通穴１ａの内面から拡大部１ｂの内面に沿って容易に流動することが可能となる。従って、拡大部１ｂに接合材を確実に溜めて拡大部１ｂにおける接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力をこの大きな接合材によってより有効に吸収することができる。
【００４４】
拡大部１ｂの中心角が１８０°未満であると、拡大部１ｂの縁が貫通穴１ａの四隅の角よりも内側になるため、貫通穴１ａに入出力端子５を嵌め込むのが困難となるとともに拡大部１ｂに溜めることのできる接合材の体積が小さくなって入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力を緩和する効果が小さくなり易い。
【００４５】
また、拡大部１ｂの中心角が２７０°を超えると、拡大部１ｂの縁と貫通穴１ａの辺との接点において、基体１が９０°未満の鋭角の先端部を有する形状となり、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材が貫通穴１ａの内面から拡大部１ｂの内面に沿って流動することが困難となり、拡大部１ｂの接合材に空隙が生じ易くなる。また、入出力端子５の角部と拡大部１ｂとの距離が大きくなりすぎるため、基体１と入出力端子５との間をロウ材で埋め込むのが困難となる。
【００４６】
本発明の入出力端子５は、図１（ａ）に示すように、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体５ｃが形成されるとともに一主面の一端部に光半導体素子２の載置部が設けられた平板部５ｂおよびこの平板部５ｂの一主面に線路導体５ｃの一部を間に挟んで接合された立壁部５ａから構成される。平板部５ｂおよび立壁部５ａは、Ａｌ２Ｏ３質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２質焼結体等の誘電体から成り、また、線路導体５ｃは、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等のメタライズ層から成る。
【００４７】
このような入出力端子５は以下のようにして作製される。例えば、平板部５ｂおよび立壁部５ａがＡｌ２Ｏ３質焼結体から成る場合、先ず酸化アルミニウム、酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して泥漿状と成す。これ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テープ成形技術により複数のセラミックグリーンシートを得る。次に、このセラミックグリーンシートに、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを、スクリーン印刷法等の厚膜形成技術により印刷塗布して、線路導体５ｃとなるメタライズ層を所定パターンに形成する。また、入出力端子５をＡｇロウ等を介して基体１にロウ付けするために、入出力端子５の基体１との接合部にも、線路導体５ｃと同様にしてメタライズ層を所定パターンに形成する。しかる後、セラミックグリーンシートを複数枚積層し、これを還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。
【００４８】
また、入出力端子５は、その表面に基体１との接合のためのメタライズ層を形成せずに焼成し、焼成後に入出力端子５の表面をスライス切断加工あるいは研磨加工した後、そのスライス切断面あるいは研磨面にＷやＭｏ等を主成分とする金属ペーストをスクリーン印刷法等の厚膜形成技術により印刷塗布して、これを還元雰囲気中、約１３００℃の温度で焼成することにより製作してもよい。これにより、入出力端子５の表面を平坦にすることができ、基体１との接合をより良好にすることができる。
【００４９】
そして、光半導体素子２と線路導体５ｃとは平板部５ｂの一主面においてボンディングワイヤ９等を介して電気的に接続される。本発明の入出力端子５を用いることにより、従来のように光半導体素子２と外部接続用ピンとをボンディングワイヤ９により接続する必要はなく、線路導体５ｃと光半導体素子２とを同じ平板部５ｂ上の一主面においてボンディングワイヤ９により接続することができるため、ボンディングワイヤ９による電気的な接続が容易となるとともに、ボンディングワイヤ９の長さも短くすることができ、ボンディングワイヤ９のインダクタンスを小さくして高周波信号の伝送効率を向上させることができる。
【００５０】
また、入出力端子５は、図２（ａ）に示すように、平板部５ｂの下面に金属板１０がＡｇロウ等のロウ材により接合されていてもよい。この構成により、光半導体素子２の作動時に発生した熱を金属板１０を介して光半導体装置の外部に効率よく放熱させることができる。従って、光半導体素子２が蓄熱して温度が上昇するのを抑制し、光半導体素子２を正常に作動させることができる。
【００５１】
金属板１０は、略長方形の形状で、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製作される。
【００５２】
また、平板部５ｂは、金属板１０が接合されている場合、図２（ａ）に示すように、光半導体素子２の載置部を基台８として分離した状態で金属板１０上に接合されていてもよい。これにより、例えば、基台８をＡｌＮ質焼結体等の熱伝導性のよい誘電体で形成して、光半導体素子２で発生した熱を良好に金属板１０に伝導させて光半導体素子２を効率よく放熱させることができる。
【００５３】
さらに、基台８に載置される光半導体素子２と線路導体５ｃとは、ボンディングワイヤ９を介して電気的に接続される。あるいは、基台８上に線路導体５ｃと同様の方法で形成した線路導体８ａをボンディングワイヤ９を介して線路導体５ｃおよび光半導体素子２にそれぞれ電気的に接続してもよい。この場合、ボンディングワイヤ９の長さを短くして、そのインダクタンスを小さくするという観点から、線路導体５ｃの上面と線路導体８ａの上面とが平板部５ｂの一主面に対して同じ高さになっていることが好ましい。また、線路導体５ｃと線路導体８ａとが、ボンディングワイヤ９を使用せずに板状の金属片や金属棒により電気的に接続されてもよく、この場合、よりインダクタンスを小さくすることができるとともにインピーダンスの調整も容易となる。
【００５４】
また、基体１の上側主面の外周部には、上端面３ａの略中央部に貫通孔３ｂが形成され下端３ｃが開かれた筒状である蓋体３が設けられる。蓋体３の下端３ｃは、鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）半田等の半田による半田付けや溶接等によって基体１と気密に接合される。なお、下端３ｃは、基体１との接合面積を大きくして、基体１と蓋体３とで構成される容器内部の気密信頼性を向上させるために、図１に示すような鍔状であることが好ましい。
【００５５】
蓋体３は、断面形状（横断面形状）が円形または長方形等の多角形の筒状であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ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製作される。なお、蓋体３は、筒状部と上端面３ａが個々に製作され、それらをロウ付け、半田付け、溶接等によって接合したものであってもよい。
【００５６】
また、蓋体３には、貫通孔３ｂを塞ぐように貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に、透光性部材４がガラス接合や半田付け等により気密に接合される。透光性部材４は、ガラスやサファイア等から成る円板状，レンズ状，球状または半球状等のものであり、球状の場合全周にわたる帯状部で、円板状やレンズ状の場合一主面の外周部で、半球状の場合平面部の外周部で蓋体３に接合される。
【００５７】
本発明において、透光性部材４は貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に接合されるのが好ましく、この場合以下の点で有利である。即ち、蓋体３の外周の鍔状部に固定部材７を溶接する際の熱が蓋体３に局所的に加わり、蓋体３の透光性部材４との接合面に熱膨張による引っ張り応力が加わると、透光性部材４が蓋体３から剥がれ易くなるが、光半導体装置は内部を気密にするため外側から内側に気圧が加わり易く、気圧によって透光性部材４が蓋体３に押し付けられて剥がれにくくなる。一方、透光性部材４が貫通孔３ｂの上端面３ａの裏面側開口の周囲に接合されていると、熱膨張による応力によって透光性部材４を剥がそうとする引っ張り応力と気圧による圧力とが、透光性部材４が蓋体３から容易に外れてしまうこととなる。
【００５８】
このような光半導体素子収納用パッケージは、基体１の貫通穴１ａに嵌着された入出力端子５に設けられた光半導体素子２の載置部に、光半導体素子２をＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ロウ材で載置固定するとともに、線路導体５ｃと光半導体素子２とをボンディングワイヤ９で電気的に接続し、基体１の上側主面の外周部に蓋体３をシーム溶接等により接合することにより、光半導体装置となる。
【００５９】
そして、光半導体装置の蓋体３の外周の鍔状部には、光ファイバ６が上端面に固定されたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る略円筒状の固定部材７の下端面がレーザ溶接法等の溶接によって接合される。光ファイバ６が固定部材７を介して透光性部材４の上方に固定されることにより、光ファイバ６を介して内部に収容する光半導体素子２と外部との光信号の授受が可能となる。
【００６０】
本発明の光半導体装置は、光半導体素子２の電極を外部電気回路に電気的に接続し、製品としての光半導体装置となる。この光半導体装置は、例えば外部電気回路から供給される電気信号によって光半導体素子２にレーザ光等の光を励起させ、この光を透光性部材４、光ファイバ６の順に透過させ、光ファイバ６を介して外部に伝送することによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。
【００６１】
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であれば種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴が形成されているとともに貫通穴の四隅に円弧状の拡大部が形成されている金属製の基体を具備したことから、入出力端子と基体とを接合するための接合材を拡大部に溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子と基体との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。その結果、特に応力が集中してクラック等の破損の起点となり易い入出力端子の角部において応力が集中するのを抑制し、入出力端子にクラック等の破損が発生するのを有効に抑制することができる。
【００６３】
また、拡大部において接合材の体積を大きくすることにより、入出力端子と基体との間に形成される接合材のメニスカスを大きくすることができ、入出力端子と基体との接合強度をより向上させることができる。
【００６４】
さらに、長方形状の貫通穴を形成するためにドリル，エンドミル等の円柱状の切削工具を用いて基体に金属加工を施す際に、貫通穴の四隅の角が直角にならずに円弧状の角となって貫通穴に入出力端子を嵌め込むのが困難となるため、貫通穴全体の大きさを必要以上に大きくしなければならないという問題を解消することができる。その結果、貫通穴全体の大きさを入出力端子の大きさにより近づけることができ、基体に対する入出力端子の取付位置の精度を極めて高くすることができる。従って、入出力端子の一端部に載置される光半導体素子と半導体装置に取着される光ファイバとの光結合を極めて良好なものとすることができる。
【００６５】
また、上記の貫通穴に、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成されるとともに一主面の一端部に光半導体素子の載置部が設けられた誘電体から成る平板部およびこの平板部の一主面に線路導体の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成り、貫通穴に嵌着された入出力端子を具備することから、入出力端子に微細な間隔をもって電極パッド、配線導体および内部配線等を多数形成することができ、その結果、光半導体素子やモニタ用ＰＤだけでなく、光半導体素子を駆動するためのドライバＩＣ等を入出力端子の表面に設けることができ、信号入出力および光半導体素子の駆動や制御をこの入出力端子で行なうことができる。従って、外部電気回路に設けられていたドライバＩＣ等を光半導体装置の内部や入出力端子の外側に実装し高集積化することができることから、光半導体素子を駆動させるための装置全体を小型化できる。
【００６６】
また、貫通穴に入出力端子が嵌着されていることによって、従来のガラス接合された外部接続用ピンに比較して、外部接続用ピンの接合部にクラック等の破損が生じて光半導体装置内部の気密が破れるのを有効に抑制することができる。従って、外部接続用ピンをガラス等の接合材を介して基体の貫通孔に接合した従来の構造に比べ気密信頼性が大幅に向上する。また外部接続用ピンを介すことなく、入出力端子の線路導体で外部電気回路基板に接続することができるため、高周波信号が反射等して伝送損失が生じるのを抑制し、高周波信号の伝送効率を大幅に改善することができる。
【００６７】
さらに、従来のように光半導体素子と外部接続用ピンとをボンディングワイヤにより接続する必要はなく、線路導体と光半導体素子とを同じ平板部の一主面上においてボンディングワイヤにより接続することができるため、ボンディングワイヤによる電気的な接続が容易となるとともに、ボンディングワイヤの長さも短くすることができボンディングワイヤのインダクタンスを小さくして高周波信号の伝送効率を向上させることができる。
【００６８】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、拡大部が、貫通穴の隣合う辺同士の成す角の二等分線上に中心を有する中心角が１８０°乃至２７０°の円弧状であることから、拡大部の縁と貫通穴の辺との接点において、基体が９０°乃至１３５°の直角あるいは鈍角の先端部を有する形状となり、入出力端子と基体とを接合するための接合材が貫通穴の内面から拡大部の内面に沿って容易に流動することが可能となる。従って、拡大部に接合材を確実に溜めて拡大部における接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子と基体との熱膨張差による応力をこの大きな接合材によってより有効に吸収することができる。
【００６９】
本発明の光半導体装置は、上記の光半導体素子収納用パッケージの載置部に光半導体素子が載置固定されているとともに線路導体に電気的に接続され、透光性部材を光半導体素子の受光部または発光部に対向させて基体の上側主面の外周部に蓋体の下端が接合されていることにより、上記本発明の光半導体素子収納用パッケージを用いた高周波伝送特性および気密信頼性の優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の光半導体装置について実施の形態の例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。
【図２】（ａ）は本発明の光半導体装置について実施の形態の他の例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。
【図３】従来の光半導体装置の例を示す断面図である。
【図４】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他の例を示す要部拡大平面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：貫通穴
１ｂ：拡大部
１ｃ：角の二等分線
２：光半導体素子
３：蓋体
３ａ：上端面
３ｂ：貫通孔
３ｃ：下端
４：透光性部材
５：入出力端子
５ａ：立壁部
５ｂ：平板部
５ｃ：線路導体
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等の分野に用いられる光半導体素子を収納するための光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信等の分野において高い周波数で作動する半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を気密封止して収納した光半導体装置の例を図３に示す。図３は光半導体素子としてＬＤを内部に収納した光半導体装置の断面図である。同図において、２１は基体、２２は光半導体素子、２３は金属製の蓋体、２４は透光性部材、２５は外部接続用ピン、２６は光ファイバである。これらの基体２１と外部接続用ピン２５とで光半導体素子収納用パッケージが基本的に構成される。また、光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子２２を搭載し、透光性部材２４が接合された蓋体２３を接合することにより光半導体装置となる。
【０００３】
基体２１は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成り、その上側主面の略中央部には、光半導体素子２２が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体等のセラミックスから成る略直方体の基台２８を介して基体２１の上側主面に発光部を上側に向けて搭載固定される。この構成により、光半導体素子２２から発する光信号が基体２１の上方へ出射されることとなる。また、基体２１には、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属からなる外部接続用ピン２５を挿通させるために上下主面間を貫通する貫通孔２１ａが形成されており、貫通孔２１ａに光半導体装置内外を導通する端子としての外部接続用ピン２５を挿通させるとともに、外部接続用ピン２５と貫通孔２１ａとの隙間にガラス等の誘電体から成る接合材を充填し、基体２１と外部接続用ピン２５とを気密に接合する。これにより、外部接続用ピン２５が光半導体装置内外を導通する端子として機能する。
【０００４】
なお、基台２８に搭載された光半導体素子２２は、その電極が外部接続用ピン２５の光半導体素子２２側の先端とボンディングワイヤ２９等を介して電気的に接続されている。
【０００５】
また、基体２１の上側主面の外周部に接合され、上端が閉じられ下端が開かれた筒状であり上端面２３ａの略中央部に貫通孔２３ｂが形成されており、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体２３が設けられる。蓋体２３の下端２３ｃは、例えば図３のような鍔状となっており、これにより基体２１と蓋体２３との接合面積が大きくなり、基体２１と蓋体２３とで構成される容器内部の気密信頼性が向上する。
【０００６】
さらに、貫通孔２３ｂを塞ぐように、貫通孔２３ｂの上端面２３ａ側開口の周囲に透光性部材２４が接合される。透光性部材２４はガラスやサファイア等から成る円板状，レンズ状，球状または半球状等のものであり、ガラスによる接合や半田付け等により蓋体２３に気密に接合される。
【０００７】
このような基体２１および外部接続用ピン２５から主に構成される光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子２２を搭載し、透光性部材２４が接合された蓋体２３を接合して気密に封止することによって光半導体装置となる（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００８】
そして、光ファイバ２６固定用の筒状の金属製の固定部材２７が、蓋体２３の外周の鍔状部に溶接され、光ファイバ２６が固定部材２７の上面の貫通孔に外部から挿通固定されて透光性部材２４の上方に固定され、外部接続用ピン２５の外側の先端部が外部電気回路（図示せず）に電気的に接続される。これにより、外部電気回路から供給される電気信号によって光半導体素子２２にレーザ光等の光を励起させ、この光を透光性部材２４、光ファイバ２６の順に透過させ、光ファイバ２６を介して外部に伝送させることによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。また、この場合、光半導体素子２２から光信号が正常に発光しているか確認するためのモニタ用ＰＤ（図示せず）が搭載されていてもよい。または、外部から光ファイバ２６を介して伝送してくる光信号を、透光性部材２４を透過させ光半導体素子２２に受光させて、光信号を電気信号に変換することによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１８３３６９号公報
【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装置において、外部接続用ピン２５が基体２１の貫通孔２１ａに挿通されガラス等を介して気密に接合される構成であるため、外部接続用ピン２５の直径寸法の最小加工限界、貫通孔２１ａの孔寸法、隣接する貫通孔２１ａ間の間隔の最小加工限界等の制約があり、そのため、基体２１に外部接続用ピン２５を１本挿入するために大きな面積が必要とされ、基体２１に取り付けられる外部接続用ピン２５の本数が数本に限られるという問題点があった。
【００１１】
さらに、光半導体装置内にはＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子２２やモニタ用ＰＤのみが収容され、光半導体素子２２を駆動するためのドライバＩＣは別の半導体素子収納用パッケージ内に収納され、外部電気回路を介してドライバＩＣと光半導体装置とを電気的に接続する必要があり、光半導体素子２２を駆動させるための装置全体が大型化するという問題点もあった。
【００１２】
また、外部接続用ピン２５をガラス等の接合材を介して基体２１に接合しただけの端子構造であるため、外部接続用ピン２５に外部から応力が加わった場合に接合材にクラック等の破損が生じ、光半導体装置内部の気密が損なわれるという問題点があった。
【００１３】
さらに、外部接続用ピン２５の貫通孔２１ａに挿入されていない部位を特性インピーダンスに整合させた信号線路とするのが困難であり、外部接続用ピン２５を伝送する高周波信号が外部接続用ピン２５で反射等して伝送損失が生じ、高周波信号を効率よく伝送できなくなるという問題点もあった。特に、２ＧＨｚ以上の高周波になると伝送効率が著しく劣化し易くなっていた。
【００１４】
また、現在光信号の発光源として用いられるＬＤの多くは、光信号が光半導体素子２２の側面から発光するため、光ファイバ２６の方向に発光させるためには、光半導体素子２２を基体２１の上側主面に対して垂直な面に搭載する必要がある。従って、基体２１の上側主面に基台２８を設け、さらに基台２８の基体２１の上側主面に対して垂直な面に光半導体素子２２を搭載するため、光半導体素子２２と外部接続用ピン２５とをボンディングワイヤ２９により接続する際、作業性が悪く手間がかかるという問題点があった。
【００１５】
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、光半導体装置に取り付けられる端子数を増やして内部に収容する集積回路素子（ＩＣ）等の部品を増加させ、光半導体装置を高集積化および多機能化させるとともに、高周波信号を効率よく伝送させ得るものとし、また内部の気密信頼性を向上させ、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ものとすることにある。
【００１６】
【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、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴が形成されているとともに該貫通穴の四隅に円弧状の拡大部が形成されている金属製の基体と、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成されているとともに前記一主面の一端部に光半導体素子の載置部が設けられた誘電体から成る平板部および該平板部の前記一主面に前記線路導体の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成り、前記貫通穴に嵌着された入出力端子と、上端面の中央部に貫通孔が形成されているとともに下端が開かれた筒状とされており、前記貫通孔の上端面側開口の周囲に透光性部材が接合され、該透光性部材を前記一端部に対向させて覆うようにその下端で前記基体の上側主面の外周部に接合される金属製の蓋体とを具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴が形成されているとともに貫通穴の四隅に円弧状の拡大部が形成されている金属製の基体を具備したことから、入出力端子と基体とを接合するための接合材を拡大部に溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子と基体との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。その結果、特に応力が集中してクラック等の破損の起点となり易い入出力端子の角部において応力が集中するのを抑制し、入出力端子にクラック等の破損が発生するのを有効に抑制することができる。
【００１８】
また、拡大部において接合材の体積を大きくすることにより、入出力端子と基体との間に形成される接合材のメニスカスを大きくすることができ、入出力端子と基体との接合強度をより向上させることができる。
【００１９】
さらに、長方形状の貫通穴を形成するためにドリル，エンドミル等の円柱状の切削工具を用いて基体に金属加工を施す際に、貫通穴の四隅の角が直角にならずに円弧状の角となって貫通穴に入出力端子を嵌め込むのが困難となるため、貫通穴全体の大きさを必要以上に大きくしなければならないという問題を解消することができる。その結果、貫通穴全体の大きさを入出力端子の大きさにより近づけることができ、基体に対する入出力端子の取付位置の精度を極めて高くすることができる。従って、入出力端子の一端部に載置される光半導体素子と半導体装置に取着される光ファイバとの光結合を極めて良好なものとすることができる。
【００２０】
また、上記の貫通穴に、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成されるとともに一主面の一端部に光半導体素子の載置部が設けられた誘電体から成る平板部およびこの平板部の一主面に線路導体の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成り、貫通穴に嵌着された入出力端子を設けたことから、入出力端子に微細な間隔をもって電極パッド、配線導体および内部配線等を多数形成することができ、その結果、光半導体素子やモニタ用ＰＤだけでなく、光半導体素子を駆動するためのドライバＩＣ等を入出力端子の表面に設けることができ、信号入出力および光半導体素子の駆動や制御をこの入出力端子で行なうことができる。従って、外部電気回路に設けられていたドライバＩＣ等を光半導体装置の内部や入出力端子の外側に実装し高集積化することができることから、光半導体素子を駆動させるための装置全体を小型化できる。
【００２１】
また、貫通穴に入出力端子が嵌着されていることによって、従来のガラス接合された外部接続用ピンに比較して、外部接続用ピンの接合部にクラック等の破損が生じて光半導体装置内部の気密が破れるのを有効に抑制することができる。従って、外部接続用ピンをガラス等の接合材を介して基体の貫通孔に接合した従来の構造に比べ気密信頼性が大幅に向上する。また外部接続用ピンを介すことなく、入出力端子の線路導体で外部電気回路基板に接続することができるため、高周波信号が反射等して伝送損失が生じるのを抑制し、高周波信号の伝送効率を大幅に改善することができる。
【００２２】
さらに、従来のように光半導体素子と外部接続用ピンとをボンディングワイヤにより接続する必要はなく、線路導体と光半導体素子とを同じ平板部の一主面上においてボンディングワイヤにより接続することができるため、ボンディングワイヤによる電気的な接続が容易となるとともに、ボンディングワイヤの長さも短くすることができボンディングワイヤのインダクタンスを小さくして高周波信号の伝送効率を向上させることができる。
【００２３】
本発明の光半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記拡大部は、前記貫通穴の隣合う辺同士の成す角の二等分線上に中心を有する中心角が１８０°乃至２７０°の円弧状であることを特徴とする。
【００２４】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、拡大部が、貫通穴の隣合う辺同士の成す角の二等分線上に中心を有する中心角が１８０°乃至２７０°の円弧状であることから、拡大部の縁と貫通穴の辺との接点において、基体が９０°乃至１３５°の直角あるいは鈍角の先端部を有する形状となり、入出力端子と基体とを接合するための接合材が貫通穴の内面から拡大部の内面に沿って容易に流動することが可能となる。従って、拡大部に接合材を確実に溜めて拡大部における接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子と基体との熱膨張差による応力をこの大きな接合材によってより有効に吸収することができる。
【００２５】
本発明の光半導体装置は、上記の光半導体素子収納用パッケージの前記載置部に光半導体素子が載置固定されているとともに前記線路導体に電気的に接続され、前記透光性部材を前記光半導体素子の受光部または発光部に対向させて前記基体の上側主面の外周部に前記蓋体の下端が接合されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の光半導体装置は、上記の構成により、上記本発明の光半導体素子収納用パッケージを用いた高周波伝送特性および気密信頼性の優れたものとなる。
【００２７】
【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および光半導体装置について以下に詳細に説明する。図１（ａ），図２（ａ）は本発明の光半導体装置について実施の形態の各種例を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の下面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の下面図である。
【００２８】
図１，図２において、１は基体、２は光半導体素子、３は金属製の蓋体、４は透光性部材、５は入出力端子、６は光ファイバである。これら基体１および入出力端子５で光半導体素子収納用パッケージが基本的に構成される。また、光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子２を搭載し、透光性部材４が接合された蓋体３を接合することにより光半導体装置となる。
【００２９】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴１ａが形成されているとともにこの貫通穴１ａの四隅に円弧状の拡大部１ｂが形成されている金属製の基体１と、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体５ｃが形成されているとともに一主面の一端部に光半導体素子２の載置部が設けられた誘電体から成る平板部５ｂおよびこの平板部５ｂの一主面に線路導体５ｃの一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部５ａから成り、貫通穴１ａに嵌着された入出力端子５と、上端面３ａの中央部に貫通孔３ｂが形成されているとともに下端３ｃが開かれた筒状とされており、貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に透光性部材４が接合され、透光性部材４を一端部に対向させて覆うようにその下端３ｃで基体１の上側主面の外周部に接合される金属製の蓋体３とを具備している構成である。
【００３０】
本発明の基体１は、円板状、長方形等の平板状であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属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製作される。
【００３１】
また、基体１には、図１（ｂ）や図２（ｂ）に示すように、中央部に長方形状の貫通穴１ａが形成されている。この貫通穴１ａの内面には、入出力端子５の表面に設けられたメタライズ層が、銀（Ａｇ）ロウ等のロウ材によって接合されることにより、貫通穴１ａを塞ぐようにして入出力端子５が気密に接合される。
【００３２】
さらに、貫通穴１ａは四隅に円弧状の拡大部１ｂが形成されている。これにより、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材を拡大部１ｂに溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。その結果、特に応力が集中してクラック等の破損の起点となり易い入出力端子５の角部において応力が集中するのを抑制し、入出力端子５にクラック等の破損が発生するのを有効に抑制することができる。
【００３３】
また、拡大部１ｂにおいて接合材の体積を大きくすることにより、入出力端子５と基体１との間に形成される接合材のメニスカスを大きくすることができ、入出力端子５と基体１との接合強度をより向上させることができる。
【００３４】
さらに、長方形状の貫通穴１ａを形成するためにドリル，エンドミル等の円柱状の切削工具を用いて基体１に金属加工を施す際に、貫通穴１ａの四隅の角が直角にならずに円弧状の角となって貫通穴１ａに入出力端子５を嵌め込むのが困難となるため、貫通穴１ａ全体の大きさを必要以上に大きくしなければならないという問題を解消することができる。その結果、貫通穴１ａ全体の大きさを入出力端子５の大きさにより近づけることができ、基体１に対する入出力端子５の取付位置の精度を極めて高くすることができる。従って、入出力端子５の一端部に載置される光半導体素子２と半導体装置に取着される光ファイバ６との光結合を極めて良好なものとすることができる。
【００３５】
このような貫通穴１ａおよび拡大部１ｂは基体１にドリル，エンドミル等の円柱状の切削工具を用いて金属加工を施すことによって形成される。
【００３６】
拡大部１ｂは、長方形状の貫通穴１ａの長辺と短辺を延長した場合に形成される角部に重なるように形成される。また、拡大部１ｂの形状は上記の角部、長辺上、短辺上あるいは貫通穴１ａの内外部に中心を有する円弧状である。
【００３７】
拡大部１ｂは曲率半径が０．３〜２ｍｍであるのがよい。これにより、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材を拡大部１ｂに溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。また、貫通穴１ａの四隅に円弧状の削り残しが残存することもない。
【００３８】
曲率半径が０．３ｍｍよりも小さいと、拡大部１ｂに溜まる接合材の体積が小さくなり入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力を緩和する効果が小さくなる。また、２ｍｍよりも大きいと、拡大部１ｂが大きくなりすぎて基体１と入出力端子５との間をロウ材で埋め込むのが困難となる。
【００３９】
なお、拡大部１ｂは先端が円弧状となったＵ字状であってもよい。この場合、長方形と仮定した貫通穴１ａと拡大部１ｂの先端との距離が０．３〜２ｍｍであり、拡大部１ｂの幅が０．３〜２ｍｍであるのがよい。これにより、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材を拡大部１ｂに溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。また、貫通穴１ａの四隅に円弧状の削り残しが残存することもない。
【００４０】
先端までの距離および幅が０．３ｍｍよりも小さいと、拡大部１ｂに溜まる接合材の体積が小さくなり入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力を緩和する効果が小さくなる。また、２ｍｍよりも大きいと、拡大部１ｂが大きくなりすぎて基体１と入出力端子５との間をロウ材で埋め込むのが困難となる。
【００４１】
また、拡大部１ｂは短辺側に有るのがよい。つまり、長方形と仮定した貫通穴１ａにおいて拡大部２ｂの平面視での形状の重心が長辺よりも短辺に近い方がよい。これにより、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力を緩和する効果がより大きくなる。即ち、入出力端子５の基体１との接合部分においては、貫通穴１ａの長辺方向の熱膨張がより大きくなって貫通穴１ａの短辺側に応力が加わり易くなるため、その短辺側に拡大部１ｂを設けることによって短辺側の接合材の体積比率をより大きくし、応力をより有効に緩和することが可能となる。
【００４２】
また、拡大部１ｂは、図４に示すように、貫通穴１ａの隣合う辺同士の成す角の二等分線上に中心を有する中心角が１８０°乃至２７０°の円弧状であるのがよい。
【００４３】
この構成によって、拡大部１ｂの縁と貫通穴１ａの辺との接点において、基体１が９０°乃至１３５°の直角あるいは鈍角の先端部を有する形状となり、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材が貫通穴１ａの内面から拡大部１ｂの内面に沿って容易に流動することが可能となる。従って、拡大部１ｂに接合材を確実に溜めて拡大部１ｂにおける接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力をこの大きな接合材によってより有効に吸収することができる。
【００４４】
拡大部１ｂの中心角が１８０°未満であると、拡大部１ｂの縁が貫通穴１ａの四隅の角よりも内側になるため、貫通穴１ａに入出力端子５を嵌め込むのが困難となるとともに拡大部１ｂに溜めることのできる接合材の体積が小さくなって入出力端子５と基体１との熱膨張差による応力を緩和する効果が小さくなり易い。
【００４５】
また、拡大部１ｂの中心角が２７０°を超えると、拡大部１ｂの縁と貫通穴１ａの辺との接点において、基体１が９０°未満の鋭角の先端部を有する形状となり、入出力端子５と基体１とを接合するための接合材が貫通穴１ａの内面から拡大部１ｂの内面に沿って流動することが困難となり、拡大部１ｂの接合材に空隙が生じ易くなる。また、入出力端子５の角部と拡大部１ｂとの距離が大きくなりすぎるため、基体１と入出力端子５との間をロウ材で埋め込むのが困難となる。
【００４６】
本発明の入出力端子５は、図１（ａ）に示すように、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体５ｃが形成されるとともに一主面の一端部に光半導体素子２の載置部が設けられた平板部５ｂおよびこの平板部５ｂの一主面に線路導体５ｃの一部を間に挟んで接合された立壁部５ａから構成される。平板部５ｂおよび立壁部５ａは、Ａｌ２Ｏ３質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２質焼結体等の誘電体から成り、また、線路導体５ｃは、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等のメタライズ層から成る。
【００４７】
このような入出力端子５は以下のようにして作製される。例えば、平板部５ｂおよび立壁部５ａがＡｌ２Ｏ３質焼結体から成る場合、先ず酸化アルミニウム、酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して泥漿状と成す。これ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テープ成形技術により複数のセラミックグリーンシートを得る。次に、このセラミックグリーンシートに、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを、スクリーン印刷法等の厚膜形成技術により印刷塗布して、線路導体５ｃとなるメタライズ層を所定パターンに形成する。また、入出力端子５をＡｇロウ等を介して基体１にロウ付けするために、入出力端子５の基体１との接合部にも、線路導体５ｃと同様にしてメタライズ層を所定パターンに形成する。しかる後、セラミックグリーンシートを複数枚積層し、これを還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。
【００４８】
また、入出力端子５は、その表面に基体１との接合のためのメタライズ層を形成せずに焼成し、焼成後に入出力端子５の表面をスライス切断加工あるいは研磨加工した後、そのスライス切断面あるいは研磨面にＷやＭｏ等を主成分とする金属ペーストをスクリーン印刷法等の厚膜形成技術により印刷塗布して、これを還元雰囲気中、約１３００℃の温度で焼成することにより製作してもよい。これにより、入出力端子５の表面を平坦にすることができ、基体１との接合をより良好にすることができる。
【００４９】
そして、光半導体素子２と線路導体５ｃとは平板部５ｂの一主面においてボンディングワイヤ９等を介して電気的に接続される。本発明の入出力端子５を用いることにより、従来のように光半導体素子２と外部接続用ピンとをボンディングワイヤ９により接続する必要はなく、線路導体５ｃと光半導体素子２とを同じ平板部５ｂ上の一主面においてボンディングワイヤ９により接続することができるため、ボンディングワイヤ９による電気的な接続が容易となるとともに、ボンディングワイヤ９の長さも短くすることができ、ボンディングワイヤ９のインダクタンスを小さくして高周波信号の伝送効率を向上させることができる。
【００５０】
また、入出力端子５は、図２（ａ）に示すように、平板部５ｂの下面に金属板１０がＡｇロウ等のロウ材により接合されていてもよい。この構成により、光半導体素子２の作動時に発生した熱を金属板１０を介して光半導体装置の外部に効率よく放熱させることができる。従って、光半導体素子２が蓄熱して温度が上昇するのを抑制し、光半導体素子２を正常に作動させることができる。
【００５１】
金属板１０は、略長方形の形状で、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製作される。
【００５２】
また、平板部５ｂは、金属板１０が接合されている場合、図２（ａ）に示すように、光半導体素子２の載置部を基台８として分離した状態で金属板１０上に接合されていてもよい。これにより、例えば、基台８をＡｌＮ質焼結体等の熱伝導性のよい誘電体で形成して、光半導体素子２で発生した熱を良好に金属板１０に伝導させて光半導体素子２を効率よく放熱させることができる。
【００５３】
さらに、基台８に載置される光半導体素子２と線路導体５ｃとは、ボンディングワイヤ９を介して電気的に接続される。あるいは、基台８上に線路導体５ｃと同様の方法で形成した線路導体８ａをボンディングワイヤ９を介して線路導体５ｃおよび光半導体素子２にそれぞれ電気的に接続してもよい。この場合、ボンディングワイヤ９の長さを短くして、そのインダクタンスを小さくするという観点から、線路導体５ｃの上面と線路導体８ａの上面とが平板部５ｂの一主面に対して同じ高さになっていることが好ましい。また、線路導体５ｃと線路導体８ａとが、ボンディングワイヤ９を使用せずに板状の金属片や金属棒により電気的に接続されてもよく、この場合、よりインダクタンスを小さくすることができるとともにインピーダンスの調整も容易となる。
【００５４】
また、基体１の上側主面の外周部には、上端面３ａの略中央部に貫通孔３ｂが形成され下端３ｃが開かれた筒状である蓋体３が設けられる。蓋体３の下端３ｃは、鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）半田等の半田による半田付けや溶接等によって基体１と気密に接合される。なお、下端３ｃは、基体１との接合面積を大きくして、基体１と蓋体３とで構成される容器内部の気密信頼性を向上させるために、図１に示すような鍔状であることが好ましい。
【００５５】
蓋体３は、断面形状（横断面形状）が円形または長方形等の多角形の筒状であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ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製作される。なお、蓋体３は、筒状部と上端面３ａが個々に製作され、それらをロウ付け、半田付け、溶接等によって接合したものであってもよい。
【００５６】
また、蓋体３には、貫通孔３ｂを塞ぐように貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に、透光性部材４がガラス接合や半田付け等により気密に接合される。透光性部材４は、ガラスやサファイア等から成る円板状，レンズ状，球状または半球状等のものであり、球状の場合全周にわたる帯状部で、円板状やレンズ状の場合一主面の外周部で、半球状の場合平面部の外周部で蓋体３に接合される。
【００５７】
本発明において、透光性部材４は貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に接合されるのが好ましく、この場合以下の点で有利である。即ち、蓋体３の外周の鍔状部に固定部材７を溶接する際の熱が蓋体３に局所的に加わり、蓋体３の透光性部材４との接合面に熱膨張による引っ張り応力が加わると、透光性部材４が蓋体３から剥がれ易くなるが、光半導体装置は内部を気密にするため外側から内側に気圧が加わり易く、気圧によって透光性部材４が蓋体３に押し付けられて剥がれにくくなる。一方、透光性部材４が貫通孔３ｂの上端面３ａの裏面側開口の周囲に接合されていると、熱膨張による応力によって透光性部材４を剥がそうとする引っ張り応力と気圧による圧力とが、透光性部材４が蓋体３から容易に外れてしまうこととなる。
【００５８】
このような光半導体素子収納用パッケージは、基体１の貫通穴１ａに嵌着された入出力端子５に設けられた光半導体素子２の載置部に、光半導体素子２をＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ロウ材で載置固定するとともに、線路導体５ｃと光半導体素子２とをボンディングワイヤ９で電気的に接続し、基体１の上側主面の外周部に蓋体３をシーム溶接等により接合することにより、光半導体装置となる。
【００５９】
そして、光半導体装置の蓋体３の外周の鍔状部には、光ファイバ６が上端面に固定されたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る略円筒状の固定部材７の下端面がレーザ溶接法等の溶接によって接合される。光ファイバ６が固定部材７を介して透光性部材４の上方に固定されることにより、光ファイバ６を介して内部に収容する光半導体素子２と外部との光信号の授受が可能となる。
【００６０】
本発明の光半導体装置は、光半導体素子２の電極を外部電気回路に電気的に接続し、製品としての光半導体装置となる。この光半導体装置は、例えば外部電気回路から供給される電気信号によって光半導体素子２にレーザ光等の光を励起させ、この光を透光性部材４、光ファイバ６の順に透過させ、光ファイバ６を介して外部に伝送することによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。
【００６１】
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であれば種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴が形成されているとともに貫通穴の四隅に円弧状の拡大部が形成されている金属製の基体を具備したことから、入出力端子と基体とを接合するための接合材を拡大部に溜めることにより接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子と基体との熱膨張差による応力をこの大きな接合材により吸収することができる。その結果、特に応力が集中してクラック等の破損の起点となり易い入出力端子の角部において応力が集中するのを抑制し、入出力端子にクラック等の破損が発生するのを有効に抑制することができる。
【００６３】
また、拡大部において接合材の体積を大きくすることにより、入出力端子と基体との間に形成される接合材のメニスカスを大きくすることができ、入出力端子と基体との接合強度をより向上させることができる。
【００６４】
さらに、長方形状の貫通穴を形成するためにドリル，エンドミル等の円柱状の切削工具を用いて基体に金属加工を施す際に、貫通穴の四隅の角が直角にならずに円弧状の角となって貫通穴に入出力端子を嵌め込むのが困難となるため、貫通穴全体の大きさを必要以上に大きくしなければならないという問題を解消することができる。その結果、貫通穴全体の大きさを入出力端子の大きさにより近づけることができ、基体に対する入出力端子の取付位置の精度を極めて高くすることができる。従って、入出力端子の一端部に載置される光半導体素子と半導体装置に取着される光ファイバとの光結合を極めて良好なものとすることができる。
【００６５】
また、上記の貫通穴に、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成されるとともに一主面の一端部に光半導体素子の載置部が設けられた誘電体から成る平板部およびこの平板部の一主面に線路導体の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成り、貫通穴に嵌着された入出力端子を具備することから、入出力端子に微細な間隔をもって電極パッド、配線導体および内部配線等を多数形成することができ、その結果、光半導体素子やモニタ用ＰＤだけでなく、光半導体素子を駆動するためのドライバＩＣ等を入出力端子の表面に設けることができ、信号入出力および光半導体素子の駆動や制御をこの入出力端子で行なうことができる。従って、外部電気回路に設けられていたドライバＩＣ等を光半導体装置の内部や入出力端子の外側に実装し高集積化することができることから、光半導体素子を駆動させるための装置全体を小型化できる。
【００６６】
また、貫通穴に入出力端子が嵌着されていることによって、従来のガラス接合された外部接続用ピンに比較して、外部接続用ピンの接合部にクラック等の破損が生じて光半導体装置内部の気密が破れるのを有効に抑制することができる。従って、外部接続用ピンをガラス等の接合材を介して基体の貫通孔に接合した従来の構造に比べ気密信頼性が大幅に向上する。また外部接続用ピンを介すことなく、入出力端子の線路導体で外部電気回路基板に接続することができるため、高周波信号が反射等して伝送損失が生じるのを抑制し、高周波信号の伝送効率を大幅に改善することができる。
【００６７】
さらに、従来のように光半導体素子と外部接続用ピンとをボンディングワイヤにより接続する必要はなく、線路導体と光半導体素子とを同じ平板部の一主面上においてボンディングワイヤにより接続することができるため、ボンディングワイヤによる電気的な接続が容易となるとともに、ボンディングワイヤの長さも短くすることができボンディングワイヤのインダクタンスを小さくして高周波信号の伝送効率を向上させることができる。
【００６８】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、拡大部が、貫通穴の隣合う辺同士の成す角の二等分線上に中心を有する中心角が１８０°乃至２７０°の円弧状であることから、拡大部の縁と貫通穴の辺との接点において、基体が９０°乃至１３５°の直角あるいは鈍角の先端部を有する形状となり、入出力端子と基体とを接合するための接合材が貫通穴の内面から拡大部の内面に沿って容易に流動することが可能となる。従って、拡大部に接合材を確実に溜めて拡大部における接合材の体積を大きくすることができ、入出力端子と基体との熱膨張差による応力をこの大きな接合材によってより有効に吸収することができる。
【００６９】
本発明の光半導体装置は、上記の光半導体素子収納用パッケージの載置部に光半導体素子が載置固定されているとともに線路導体に電気的に接続され、透光性部材を光半導体素子の受光部または発光部に対向させて基体の上側主面の外周部に蓋体の下端が接合されていることにより、上記本発明の光半導体素子収納用パッケージを用いた高周波伝送特性および気密信頼性の優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の光半導体装置について実施の形態の例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。
【図２】（ａ）は本発明の光半導体装置について実施の形態の他の例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図である。
【図３】従来の光半導体装置の例を示す断面図である。
【図４】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他の例を示す要部拡大平面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：貫通穴
１ｂ：拡大部
１ｃ：角の二等分線
２：光半導体素子
３：蓋体
３ａ：上端面
３ｂ：貫通孔
３ｃ：下端
４：透光性部材
５：入出力端子
５ａ：立壁部
５ｂ：平板部
５ｃ：線路導体
Claims (3)
- 上下主面間を貫通する長方形状の貫通穴が形成されているとともに該貫通穴の四隅に円弧状の拡大部が形成されている金属製の基体と、一主面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成されているとともに前記一主面の一端部に光半導体素子の載置部が設けられた誘電体から成る平板部および該平板部の前記一主面に前記線路導体の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成り、前記貫通穴に嵌着された入出力端子と、上端面の中央部に貫通孔が形成されているとともに下端が開かれた筒状とされており、前記貫通孔の上端面側開口の周囲に透光性部材が接合され、該透光性部材を前記一端部に対向させて覆うようにその下端で前記基体の上側主面の外周部に接合される金属製の蓋体とを具備することを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
- 前記拡大部は、前記貫通穴の隣合う辺同士の成す角の二等分線上に中心を有する中心角が１８０°乃至２７０°の円弧状であることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子収納用パッケージ。
- 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の前記載置部に光半導体素子が載置固定されているとともに前記線路導体に電気的に接続され、前記透光性部材を前記光半導体素子の受光部または発光部に対向させて前記基体の上側主面の外周部に前記蓋体の下端が接合されていることを特徴とする光半導体装置。
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Cited By (2)
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-
2003
- 2003-03-12 JP JP2003067245A patent/JP2004296456A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050810 |
|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20061120 |