JP2004363550A - 光素子モジュールパッケージ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波特性が優秀であって高速及び大容量対応の光素子モジュールに適用可能なパッケージ及び製造方法を提供する。
【解決手段】光信号を放出するレーザダイオード３０３と、このレーザダイオードから放出された光信号をモニタリングするためのフォトダイオード３０４とを備えるTO-CAN構造の光素子モジュールパッケージ３００において、長孔形状の貫通孔３１３が形成されたステム３０１と、貫通孔３１３を貫通して一例に配列される複数のリード３０２とを備え、貫通孔３１３をガラス材質のシーリング剤３０６で充填してステム３０１及びリード３０２を固定することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光素子モジュールに関し、特に、ＴＯ−ＣＡＮ構造の光素子モジュールパッケージ及びその製造方法に関する。

光素子モジュールは、印刷回路基板などの電気回路装置上に装着されて高周波信号を光信号に変換し放出する。情報化産業の急速な発展とともに、光通信網を通じた情報伝送の比重が増し、高速化及び大容量化が図られている。従って、光素子モジュールの高速化及び大容量化への対応も必須的に要求される。伝統的に低価の光素子モジュールに採用されてきたＴＯ−ＣＡＮ構造のパッケージが高速及び大容量対応の光素子モジュールに適用されている状況である。

図１は、従来技術の一例である光素子モジュールパッケージ１００を示す斜視図であって、ＴＯ−ＣＡＮ構造の光素子モジュールパッケージを示す。

図１に示すように、ＴＯ−ＣＡＮ構造の光素子モジュールパッケージ１００は、一面にヒートシンクブロック(heat sink block)１１１が突設されたステム１０１と、複数のリード１０２とを備える。その複数のリード１０２は、レーザダイオードのアノードリード(anode lead)及びカソードリード(cathod lead)と、フォトダイオードのアノードリード及びカソードリードとから構成される。一般的に、レーザダイオードのアノードリードは、ステム１０１と電気的に接続され、外部バイアスティー(external bias-tee)により供給される直流バイアス電流と結合させた高周波信号がレーザダイオードのカソードリードに入力される。

ステム１０１の上には、レーザダイオード１０３と、レーザダイオード１０３から放出された光を検出するためのフォトダイオード１０４とがそれぞれ設置され、特に、レーザダイオード１０３は、ヒートシンクブロック１１１の上に装着される。これらレーザダイオード１０３及びフォトダイオード１０４は、ワイヤボンディングなどの方法でそれぞれのリード１０２と連結される。

複数のリード１０２のそれぞれは、ステム１０１を貫通する貫通孔１１３に同軸整列させた後、ガラス材質のシーリング剤１０５で貫通孔１１３を充填し、シーリング剤１０５を溶融させて複数のリード１０２をステム１０１に固定すると同時に貫通孔１１３を密封するようにしてある。

このようなＴＯ−ＣＡＮ構造のパッケージには、ルミナント社(Luminent Inc.)の製品“Ｃ−１３−ＤＦＢ１０−ＴＪ−ＳＬＣ２１”がある。

上記構成の光素子モジュールパッケージは、外部から入力される高周波信号がそれぞれのリードを通過する間、リード自体のインダクタンス(inductance)、リードとステムとの間の寄生キャパシタンス(parasitic capacitance)、及び特性インピーダンスの不整合などの原因により数Ｇｂｐｓ以上の高速伝送には不適合である。さらに、それぞれのリードをステムの貫通孔に整列させ、複数の貫通孔をそれぞれ密封しなければならないので、製造に要する時間及び費用が上昇する問題点がある。

図２は、従来技術の他の例である光素子モジュールパッケージ２００を示す斜視図であって、セラミックフィードスルー(ceramic feedthrough)を利用したＴＯ−ＣＡＮ構造を有する。

図２に示すように、フィードスルーを利用したＴＯ−ＣＡＮ構造の光素子モジュールパッケージ２００は、一面にヒートシンクブロック２１１が突設されたステム２０１と、このステム２０１に挿入されるセラミック積層形フィードスルー２０３とを備える。フィードスルー２０３は、ヒートシンクブロック２１１の上に位置され、一面には、同平面導波路(coplanar waveguide；ＣＰＷ)２０２が形成される。このような同平面導波路型パッケージ２００は、複数のリード２０４を通じて外部から高周波信号を受信する。このような接合平面導波路型パッケージには、京セラ社(Kyocera Corp.)の製品“ＴＯ ＴＸ ＰＫＧ Ａ２５２７”がある。

フィードスルー２０３は、セラミック積層構造を有するが、ＬＴＣＣ(low temperature co-fired ceramic)工程を使用するので、工程温度が８００〜１０００℃の高温であり、従って、製造コストが上昇する問題点がある。また、フィードスルー２０３とステム２０１との間の気密性(hermeticity)を確保し難いのみならず、リード２０４とフィードスルー２０３との接着力が弱いから、製品の信頼性が低下する問題点がある。

以上の背景に鑑みて本発明の目的は、高周波特性が優秀であって高速及び大容量対応の光素子モジュールに適用可能なパッケージ及び製造方法を提供すると同時に、製造が容易であってコストの安い光素子モジュールパッケージ及びその製造方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、光信号を放出するレーザダイオードと、このレーザダイオードから放出された光信号をモニタリングするためのフォトダイオードとを備えるTO-CAN構造の光素子モジュールパッケージにおいて、長孔形状の第１貫通孔が形成されたステムと、第１貫通孔を貫通して一例に配列される複数のリードとを備え、第１貫通孔をガラス材質のシーリング剤で充填してステム及びリードを固定することを特徴とする。

そのステムの一面には、第１貫通孔に近接する位置でヒートシンクブロックを突設することができる。この場合、一面に所定の回路パターンが形成され、該回路パターンが形成された面上にレーザダイオードが装着され、そしてヒートシンクブロックの一面に取り付けられるサブマウントをさらに備えることができる。サブマウントには、高周波信号を光信号に変換するレーザダイオードと、該レーザダイオードから放出された光信号を検出するフォトダイオードとを装着可能である。また、複数のリードは、レーザダイオードの直流バイアスリード、高周波信号リード、フォトダイオード用のリード、及び１つ以上のグランドリードから構成することができる。あるいは、複数のリードは、１つ以上のグランドリードとレーザダイオードの高周波信号リードとからなるものとすることができる。

このようなパッケージは、それぞれステムを貫通する一対の第２貫通孔と、該第２貫通孔をそれぞれ貫通する一対のリードと、をさらに備え、第２貫通孔をガラス材質のシーリング剤で充填してステムとリードとを固定する構造とすることもできる。その第２貫通孔を貫通する一対のリードは、レーザダイオードの直流バイアスリードとフォトダイオード用のリードとすることが可能である。この場合、第２貫通孔の間で且つ第１貫通孔に近接する位置でステムの一面にヒートシンクブロックを突設するとよい。

さらに、本発明は、光信号を放出するレーザダイオードと、このレーザダイオードから放出された光信号を検出するフォトダイオードとを備える光素子モジュールパッケージにおいて、長孔形状の第１貫通孔及び一対の第２貫通孔を備えるステムと、第１貫通孔に配設された高周波リード及び第２貫通孔にそれぞれ配設された複数のリードと、を備えることを特徴とする。その高周波リードは、１つの高周波信号リードと一対のグランドリードとからなるものとすることができ、複数のリードは、直流バイアスリードとフォトダイオード用リードとからなるものとすることができる。

当該光素子モジュールパッケージは、回路基板に組み立てたときに、第１貫通孔に配設された高周波リードが回路基板の上面に電気的に結合され、第２貫通孔に配設された複数のリードが回路基板の下面に電気的に結合される構成とすることができる。その第１貫通孔と第２貫通孔との間の距離は回路基板の厚さに応じて調整可能である。また、このパッケージでは、ステムの一面に、第１貫通孔に近接し、第２貫通孔の間に突設されたヒートシンクブロックを備えることができ、また、第１及び第２貫通孔は、それぞれガラス材質のシーリング剤で充填されて各リードを固定する構造とすることができる。

また、本発明は、レーザダイオード及びフォトダイオードを備える光素子モジュールパッケージの製造方法において、長孔形状の貫通孔を有するステムを形成するステップと、プレートから一方向にそれぞれ延長された複数のリードを備えるリードフレームを形成するステップと、そのリードの端部をステムの貫通孔内に挿入し整列させるステップと、ガラス材質のシーリング剤で貫通孔を密封するステップと、を含むことを特徴とする。

この製法において、ステムの一面には、貫通孔に近接する位置でヒートシンクブロックを突設することができる。この場合、一面に所定の回路パターンを形成し、該回路パターンを形成した面上にレーザダイオードを装着したサブマウントを、ヒートシンクブロックの一面に装着するステップをさらに含むことができる。また、本発明の製法では、複数のリードを整列させた貫通孔をシーリング剤で密封した後、該リードフレームのプレートをリードから分離するステップをさらに含むことができる。

本発明による光素子モジュールパッケージは、金属材質のステムに複数のリードを固定するためにガラス材質のシーリング剤を使用することにより、熱特性及び高周波特性が優秀であり、製造工程が簡単で且つ製造コストが安いという長所がある。また、本発明の光素子モジュールパッケージは、ガラス材質のシーリング剤で満たした貫通孔と、これに囲まれている同一面導波路構造を提供することにより、２５Ωまたは５０Ωのインピーダンスマッチングが可能であり、寄生インピーダンス成分を減少させることにより高周波特性が向上する。さらに、ステムにリードを一列に配置してあり、印刷回路基板に組み立てる工程に利便性がよくが、リードフレームを利用することでリードの同一面導波路の設計が自在に可能になり、ステムの組立て工程も簡単である。さらに、複数のリードが一例に整列された状態でステムに挿入されて整列されるので、製造の効率性を向上させて製造コストを節減することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭するために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。なお、図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。

図３乃至図５に示すように、本発明の好適な第１実施例である光素子モジュールパッケージ３００は、一面にヒートシンクブロック３１１が形成されたステム３０１と、レーザダイオード３０３及びフォトダイオード３０４が装着されたサブマウント(sub mount)３０５と、複数のリード３０２とを備え、サブマウント３０５の上に装着されたレーザダイオード３０３及びフォトダイオード３０４に高周波信号を印加して光信号を放出するようになっている。

ステム３０１は、長孔形状（楕円／長円断面）の貫通孔３１３が両面を貫通し、一面にヒートシンクブロック３１１が突設される。

貫通孔３１３に近接するヒートシンクブロック３１１の一面に、サブマウント３０５が装着されている。サブマウント３０５には、高周波信号を光信号に変換して放出するレーザダイオード３０３と、レーザダイオード３０３から放出される光信号を検出するためのモニタ用フォトダイオード３０４とが装着される。フォトダイオード３０４は、レーザダイオード３０３の後面放出光(back face emitting light)を検出してレーザダイオード３０３が正常動作するか否かを検査し、自動出力調節(automatic power control；ＡＰＣ)動作を遂行する。

サブマウント３０５は、一面に所定の回路パターン３５１が形成されたシリコン光学ベンチ(silicon optical bench；‘ＳｉＯＢ’と略称する)から構成することができる。この回路パターン３５１は薄膜(thin film)工程を通じて形成され、チョック用インダクタ(chock inductor)及びインピーダンスマッチング用抵抗などとすることができる。

複数のリード３０２は、貫通孔３１３を貫通して一端部３２１がステム３０１の上面に突出している。これら複数のリード３０２は、レーザダイオード３０３の直流バイアスリード、フォトダイオードのアノードに連結されるアノードリード、及び３個の高周波リードで構成される。高周波リードは、高周波信号リードと一対のグランドリードとから構成される。このような複数のリード３０２は、それぞれＳｉＯＢ３０５の回路パターン３５１を通じて、外部から入力される高周波信号をレーザダイオード３０３に印加する。

複数のリード３０２は、貫通孔３１３に充填されるガラス材質のシーリング剤３０６によりステム３０１に固定される。ガラス材質のシーリング剤３０６は、ガラスシールパウダー(glass seal powder)状態でリード３０２を整列させた貫通孔３１３内に充填した後、５００℃程度の温度で溶融させて貫通孔３１３を密封するようにしてある。

一方、光素子モジュールパッケージ３００に印加される高周波信号の歪み及び損失を防止するために、光素子モジュールパッケージ３００の特性インピーダンスマッチングが要求される。現在常用化されているレーザダイオードドライバ(laser diode driver；ＬＤＤ)、パルスパターン発生器(pulse pattern generator；ＰＰＧ)などは、出力インピーダンスが２５Ωまたは５０Ωで設定されている。光素子モジュールパッケージ３００の特性インピーダンスは、ステム３０１、リード３０２またはガラス材質のシーリング剤３０６の誘電率などを調節してＬＤＤ、ＰＰＧなどの出力インピーダンスにマッチングさせることができる。

図６は、本発明の第２実施例である光素子モジュールパッケージ４００を示す平面図である。この第２実施例のモジュール４００は図３の第１実施例同様の構造を有するが、ただし、リード３０２の数が４個で構成された形態である。従って、第１実施例との重複説明は省略する。第１実施例におけるグランドリードは一対で構成されているが、第２実施例ではグランドリードが１つで構成されている。光素子モジュールパッケージ４００に備えられたリードの数が減少することにより、各リード間の間隔を確保でき、光素子モジュールパッケージ４００を印刷回路基板上に組み立てる工程が容易になる。

図７は、本発明の第３実施例である光素子モジュールパッケージ７００を示す平面図であって、ステム７０１に形成された長孔形状の第１貫通孔７１３ａに、リード７２１を構成する高周波信号リードと一対のグランドリードとを固定し、一方、ヒートシンクブロック７１１の両側にそれぞれ形成された一対の第２貫通孔７１３ｂに、それぞれリード７２５を固定して直流バイアスリードとフォトダイオードのアノードリードとを構成している。各リードを整列させると、第１及び第２貫通孔７１３ａ，７１３ｂは、ガラス材質のシーリング剤７０６，７６９で充填される。

このように構成された光素子モジュールパッケージ７００が印刷回路基板に組み立てられるとき、第１貫通孔７１３ａに構成された高周波リード７２１は印刷回路基板の上面に、第２貫通孔７１３ｂに構成された複数のリード７２５は印刷回路基板の下面にそれぞれ電気的に接続される構成である。第１貫通孔７１３ａと第２貫通孔７１３ｂとの間隔は、印刷回路基板の厚さに応じて調整することができる。本構成は、リード７２１とリード７２５との間の間隔をさらに広く確保して組立てを一層容易にするものである。

図３、図４及び図８を参照すると、光素子モジュールパッケージ３００を製造する工程は、ステム３０１に長孔形状の貫通孔３１３を形成するステップ１１と、プレート３２３から一方向に延設された複数のリード３０２を備えるリードフレーム３２５を作成するステップ２１と、複数のリード３０２を貫通孔３１３内に整列させるステップ３１と、ガラス材質のシーリング剤３０６で貫通孔３１３を密封するステップ４１と、レーザダイオード３０３及びフォトダイオード３０４が装着されたサブマウント３０５をヒートシンクブロック３１１に装着するステップ５１と、リードフレーム３２５のプレート３２３を除去して各リード３０２を構成するステップ６１と、からなる。

複数のリード３０２を貫通孔３１３内に整列する際に、複数のリード３０２の端部３２１が所定の高さでステム３０１の一面に突出している必要がある。また、ガラス材質のシーリング剤で貫通孔３１３を充填した後、５００℃の温度で加熱し、シーリング剤による貫通孔３１３内の融着でステム３０１及び複数のリード３０２を固定する。

図４を参照すると、複数のリード３０２は、最初、一枚のプレート３２３から一方向に延長された形態のリードフレーム３２５として製作される。このようなリードフレーム３２５が、リード３０２の各端部３２１(図３に図示)がステム３０１の一面、つまりヒートシンクブロック３１１が形成された面上に突出するように、ステム３０１の貫通孔３１３に挿入されて整列させられる。リードフレーム３２５を貫通孔３１３に整列させると、ガラス材質のシーリング剤３０６により貫通孔３１３内に複数のリード３０２を固定する。そして、複数のリード３０２を固定した後、複数のリード３０２からプレート３２３を分離する。このような過程を通じて複数のリードを同時に容易に組み立てることができる。

以上、本発明の詳細について具体的な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限るものでなく、特許請求の範囲のみならず、その範囲と均等なものにより定められるべきである。

従来技術の一例の光素子モジュールパッケージを示す斜視図。 従来技術の他の例の光素子モジュールパッケージを示す斜視図。 本発明による光素子モジュールパッケージをの第１実施例示す斜視図。 図３に示したリードが組み立てられる前のリードフレームを示す斜視図。 図３に示した光素子モジュールパッケージを示す平面図。 本発明による光素子モジュールパッケージの第２実施例を示す平面図。 本発明による光素子モジュールパッケージの第３実施例を示す平面図。 本発明による光素子モジュールパッケージの製造方法の一例を示すフローチャート。

符号の説明

３０１ ステム
３０２ リード
３０３ レーザダイオード
３０４ フォトダイオード
３０５ サブマウント（ＳｉＯＢ）
３０６ シーリング剤
３１１ ヒートシンクブロック
３１３ 貫通孔
３５１ 回路パターン

Claims (21)

1. 光信号を放出するレーザダイオードと、前記レーザダイオードから放出された光信号をモニタリングするためのフォトダイオードとを備えるTO-CAN構造の光素子モジュールパッケージにおいて、
   長孔形状の第１貫通孔が形成されたステムと、前記第１貫通孔を貫通して一例に配列される複数のリードとを備え、
   前記第１貫通孔をガラス材質のシーリング剤で充填して前記ステム及び前記リードを固定することを特徴とする光素子モジュールパッケージ。
2. ステムの一面には、第１貫通孔に近接する位置でヒートシンクブロックが突設される請求項１記載の光素子モジュールパッケージ。
3. 一面に所定の回路パターンが形成され、該回路パターンが形成された面上にレーザダイオードが装着され、そしてヒートシンクブロックの一面に取り付けられるサブマウントをさらに備える請求項２記載の光素子モジュールパッケージ。
4. サブマウントには、高周波信号を光信号に変換するレーザダイオードと、該レーザダイオードから放出された光信号を検出するフォトダイオードとが装着される請求項３記載の光素子モジュールパッケージ。
5. 複数のリードは、レーザダイオードの直流バイアスリード、高周波信号リード、フォトダイオード用のリード、及び１つ以上のグランドリードから構成される請求項１記載の光素子モジュールパッケージ。
6. 複数のリードは、１つ以上のグランドリードとレーザダイオードの高周波信号リードとからなる請求項１記載の光素子モジュールパッケージ。
7. それぞれステムを貫通する一対の第２貫通孔と、該第２貫通孔をそれぞれ貫通する一対のリードと、をさらに備え、
   前記第２貫通孔をガラス材質のシーリング剤で充填して前記ステムと前記リードとを固定する請求項１記載の光素子モジュールパッケージ。
8. 第２貫通孔を貫通する一対のリードは、レーザダイオードの直流バイアスリードとフォトダイオード用のリードである請求項７記載の光素子モジュールパッケージ。
9. 第２貫通孔の間で且つ第１貫通孔に近接する位置でステムの一面にヒートシンクブロックが突設される請求項７記載の光素子モジュールパッケージ。
10. レーザダイオード及びフォトダイオードを備える光素子モジュールパッケージの製造方法において、
    長孔形状の貫通孔を有するステムを形成するステップと、
    プレートから一方向にそれぞれ延長された複数のリードを備えるリードフレームを形成するステップと、
    前記リードの端部を前記貫通孔内に挿入し整列させるステップと、
    ガラス材質のシーリング剤で前記貫通孔を密封するステップと、を含むことを特徴とする光素子モジュールパッケージの製造方法。
11. ステムの一面に、貫通孔に近接する位置でヒートシンクブロックを突設する請求項１０記載の光素子モジュールパッケージの製造方法。
12. 一面に所定の回路パターンを形成し、該回路パターンを形成した面上にレーザダイオードを装着したサブマウントを、ヒートシンクブロックの一面に装着するステップをさらに含む請求項１１記載の光素子モジュールパッケージ製造方法。
13. 複数のリードを整列させた貫通孔をシーリング剤で密封した後、該リードフレームのプレートを前記リードから分離するステップをさらに含む請求項１０記載の光素子モジュールパッケージ製造方法。
14. ステムの貫通孔を密封するために５００℃でシーリング剤を加熱する請求項１０記載の光素子モジュールパッケージ製造方法。
15. 光信号を放出するレーザダイオードと、前記レーザダイオードから放出された光信号を検出するフォトダイオードとを備える光素子モジュールパッケージにおいて、
    長孔形状の第１貫通孔及び一対の第２貫通孔を備えるステムと、
    前記第１貫通孔に配設された高周波リード及び前記第２貫通孔にそれぞれ配設された複数のリードと、を備えることを特徴とする光素子モジュールパッケージ。
16. 高周波リードは、１つの高周波信号リードと一対のグランドリードとからなる請求項１５記載の光素子モジュールパッケージ。
17. 複数のリードは、直流バイアスリードとフォトダイオード用リードとからなる請求項１５記載の光素子モジュールパッケージ。
18. 当該光素子モジュールパッケージを回路基板に組み立てたときに、第１貫通孔に配設された高周波リードは前記回路基板の上面に電気的に結合され、第２貫通孔に配設された複数のリードは前記回路基板の下面に電気的に結合される請求項１５記載の光素子モジュールパッケージ。
19. 第１貫通孔と第２貫通孔との間の距離は回路基板の厚さに応じて調整される請求項１８記載の光素子モジュールパッケージ。
20. ステムの一面に、第１貫通孔に近接し、第２貫通孔の間に突設されたヒートシンクブロックが備えられる請求項１５記載の光素子モジュールパッケージ。
21. 第１及び第２貫通孔は、それぞれガラス材質のシーリング剤で充填されて各リードを固定する請求項１５記載の光素子モジュールパッケージ。

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