JP2006080418A - キャンパッケージ型光半導体装置および光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波特性優れた、キャンパッケージ型光半導体装置を用いた光モジュール提供することである。
【解決手段】 本発明の光モジュールは、ステム貫通孔を有するステムと、ステム貫通孔を貫通する貫通リードピンと、貫通リードピンをステム貫通孔内に固定するガラスとを有するキャンパッケージ型光半導体装置と、ステムが載置されるフレキシブル基板とを含む光モジュールであって、ステム貫通孔が、第１の孔部と、第１の孔部より径が大きくステムの底面に開口端を有する第２の孔部とを有する。第１の孔部に充填され、第１の孔部からはみ出して形成されたガラスのフィレットが、第２の孔部の開口端より内方の、第２の孔部内に配置されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、キャンパッケージ型の光半導体装置を用いた光モジュールに関する。

従来、気密封止を必要とする光半導体素子を有するキャンパッケージ型光半導体装置は、ステムと、ステムを貫通する貫通ピンと、ステム上に載置された光半導体素子と、光半導体素子をステムとともに気密封止するキャップとを有する。貫通ピンは、貫通ピンより大きい孔径を有するステムの貫通孔を通過し、貫通孔と貫通ピンとの間に溶融したガラスを充填して固化することにより、ステムと絶縁されるとともにステムに固定される（例えば、特許文献１参照。）。
特開平０８−１１６１３６号公報

しかしながら、図９に示すように、ステム１０と貫通リードピン１２との間のガラス１４は、ステム１０の表面１６、１８（底面１６）から一部が突出したガラスの隅肉（ガラスフィレット）２０を形成している。そのため、ステム１０の表面１６、１８は平面でなくなり、例えば、ステム１０の底面１６と他の電子部品（基板）との密着性が低下する。特に、ステム１０が導電性を有し、ステム１０の底面１６と、グラウンド面（例えば、フレキシブル回路基板が有するグラウンド電位が印加された導電層面（グラウンドプレーン））とを接着する際、ステム１０の底面１６から突出したガラスフィレット２０の分だけ、ステム底面１６とグラウンドプレーンが離れることになる。この結果、光半導体装置とフレキシブル回路基板とから構成される光モジュールの高周波特性の劣化が生じる。

そこで、本発明は、光半導体装置のステム底面と接着されるフレキシブル回路基板の面との密着性を向上させることにより、高周波特性に優れた光モジュールを提供することを目的とする。

本発明のキャンパッケージ型の光半導体装置を用いた光モジュールは、ステム貫通孔を有するステムと、上記ステム貫通孔を貫通する貫通リードピンと、上記貫通リードピンを上記ステム貫通孔内に固定するガラスとを有するキャンパッケージ型光半導体装置と、上記ステムが載置されるフレキシブル基板とを含む光モジュールであって、
上記ステム貫通孔が、
第１の孔部と、
上記第１の孔部より径が大きく上記ステムの底面に開口端を有する第２の孔部とを有し、
上記第１の孔部に充填され、上記第１の孔部からはみ出して形成された上記ガラスのフィレットが、上記第２の孔部の上記開口端より内方の、上記第２の孔部内に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、光半導体装置のステム底面と接着されるフレキシブル回路基板の面との密着性が向上するため、光半導体装置とフレキシブル回路基板とから構成される高周波特性に優れた光半導体モジュールの提供が可能になる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態の光モジュールを概略的に示す断面図である。光モジュール１１０は、キャンパッケージ型光半導体装置１１２、フレキシブル回路基板１１４、プリント回路基板１１５から構成されている。なお、一般的に、キャンパッケージ型光半導体装置も光モジュールと呼ばれることがあるが、本明細書では区別するために、光半導体装置を有する構造体を光モジュールと呼称している。

キャンパッケージ形光半導体装置１１２は、例えば、表面に金メッキされたステム１１６と、ステム１１６を貫通している貫通リードピン１１８と、ステム１１６に接合されるとともに電気的に接続されている接合リードピン１２０と、ステム１１６に取り付けられた光半導体素子１２２と、ステム１１６とともに光半導体素子１２２を気密封止するキャップ１２４とを有する。光半導体素子１２２を気密封止するとともに気密封止された光半導体素子１２２と外部（光半導体素子１２２が気密封止された空間の外部）との電気的接続を行う、ステム１１６、貫通リードピン１１８、接合リードピン１２０、キャップ１２４は、合わせてキャンパッケージと称される。

また、キャンパッケージ型光半導体装置１１２は、レンズ１２６と、レンズ１２６を保持するレンズホルダ１２８と、他の光モジュール（例えば、フェルールやファイバ）と接続されるためのレセプタクル１３０とを有する。なお、本発明は、キャンパッケージ型半導体装置を、レンズ１２６、レンズホルダ１２８、レセプタクル１３０を有する光半導体装置に限定していない。例えば、レンズ、レンズホルダ、光ファイバ、ファイバホルダ（光ファイバを保持するホルダ）からなる、いわゆる、ピグテイル型と呼ばれるキャンパッケージ型光半導体装置も含まれる。また、レンズとキャップとが一体であるキャンパッケージ型光半導体装置も含まれる。本発明のキャンパッケージ型光半導体装置は、少なくとも、光半導体素子を気密封止するとともに気密封止された光半導体素子と外部との電気的接続を行う構成要素（本明細書においては、ステム１１６、貫通リードピン１１８、接合リードピン１２０、キャップ１２４）を有する光半導体装置を言う。

図２は、図１のステム１１６を中心に拡大した断面図である。ステム１１６は、貫通リードピン１１８が通過する、貫通リードピン１１８の径より大きい孔径を備えたステム貫通孔１４０を有する。ステム貫通孔１４０は、略同一の中心軸を有する略円筒形状孔部１４２、１４４（以下、「第１の孔部１４２」、「第２の孔部１４４」と称する。）から構成されている。第２の孔部１４４は、第１の孔部１４２より大きい孔径（例えば、貫通リードピンの径が約０．３〜０．５ｍｍである場合、第１の孔部の径は約０．３〜１．５ｍｍ、第２の孔部の径は約０．３ｍｍ〜１．８ｍｍの範囲内）を有し、ステム１１６の底面１４６に開口端を有する。貫通リードピン１１８は、ステム貫通孔１４０の略中心軸上に配置されている。また、貫通リードピン１１８は、ボンディングワイヤ１４８によって光半導体素子１２２と電気的に接続されている（図１参照。）。

第１の孔部１４２と貫通リードピン１１８との間には、低融点ガラス１５０が充填されている。低融点ガラス１５０は、貫通リードピン１１８をステム１１６に固定するとともに、ステム１１６と貫通リードピン１１８とを絶縁している。低融点ガラス１５０は、貫通リードピン１１８とステム貫通孔１４０の第１の孔部１４２の間に、溶融した状態で充填される。または、ビーズ形状の低融点ガラス１５０を貫通リードピン１１８と第１の孔部１４２との間に配置し、加熱溶融されて充填される。充填されている溶融した低融点ガラス１５０を冷却すると、溶融した低融点ガラス１５０は収縮し、最終的に、第１の孔部１４２内で固化する。この低融点ガラス１５０の収縮の過程において、低融点ガラス１５０と貫通リードピン１１８との良好な濡れ性（接着性）により、低融点ガラス１５０が第１の孔部１４２内に完全に収縮しきれずに、ガラスフィレット１５２を第２の孔部１４４内に形成する。このガラスフィレット１５２がステム１１６の底面１４６から突出しないように、第２の孔部１４４はガラスフィレット１５２を略収容する深さ１５４を有する。

また、ステム１１６は底面１４６に開口端を有する窪み部１５６を有し、窪み部１５６でステム１１６と接合リードピン１２０とが、例えば、溶接や接着剤によって接合部１５８を介して接合されている。窪み部１５６は、ステム１１６と接合リードピン１２０との接合部１５８をステム１１６の底面１４６から突出しないように略収容する深さ１６０を有する。

ステム１１６の底面１４６には、フレキシブル回路基板１１４が導電性接着剤１６２によって接着されている。フレキシブル回路基板１１４は貫通リードピン１１８と接合リードピン１２０とが通過する基板貫通孔（貫通リードピン用基板貫通孔１６４，接合リードピン用基板貫通孔１６６）を有する。フレキシブル回路基板１１４の表面１６８は、基準電位、例えば、グラウンド電位が印加される導電層からなるグラウンド面（グラウンドプレーン）１７０が形成されている。ステム１１６とフレキシブル回路基板１１４のグラウンドプレーン１７０とは、導電性接着剤１６２によって接着されることにより、電気的に接続されている。また、フレキシブル回路基板１１４のグラウンドプレーン１７０と反対の面には、貫通リードピン１１８に信号を伝送する線路（図示せず）が形成されており、貫通リードピン１１８とはんだ接合部１７２によって電気的に接続されている。このようにグラウンドプレーン１７０と線路とが薄い厚さのフレキシブル回路基板１１４に形成されることにより、光モジュール１１０は優れた高周波特性を有することになる。

また、フレキシブル回路基板１１４は、プリント回路基板１１５に接続されており、フレキシブル回路基板１１４の線路（グラウンドプレーン１７０など）とプリント回路基板１１５の線路（図示せず）が電気的に接続されている。プリント回路基板１１５は、光半導体装置１１２の光半導体素子１２２にフレキシブル回路基板１１４の線路を介して送信する高周波信号を出力するドライバ１７３を有する。

上述したように、ガラスフィレット１５２のステム１１６の底面１４６からの突出を防止することにより、ステム１１６の底面１４６とフレキシブル回路基板１１４のグラウンドプレーン１７０との間の距離（ギャップ）１７４は小さくできるが、特に、約０．０５ｍｍ以下にするのが好ましい。図３、４は、ステム１１６の底面１４６とフレキシブル回路基板１１４のグラウンドプレーン１７０との間のギャップ１７４によって異なる各周波数における高周波特性（反射特性、通過振幅）を示している。図３は、ギャップによって異なる各周波数と反射特性との関係を示しており、図４は、ギャップによって異なる各周波数と通過振幅との関係を示している。両図において、ギャップが約０．０５ｍｍである場合、周波数と反射特性との関係、周波数と通過振幅との関係は直線的である。しかしながら、ギャップが増加すると、図３においてはギャップが約０．３５ｍｍ以上に大きくなると、周波数約５ＧＨｚにおいて、反射特性が大きくなる。また、図４において、ギャップが０．３５ｍｍ以上に大きくなると、周波数と通過振幅との関係が周波数によって大きく異なるようになる。このように、特定の周波数の特性が他の周波数の特性に比べて大きく異なるような光モジュールは、当然ながら好ましくない。

特に、ギャップ１７４が約０．０５ｍｍ以下である場合、ステム１１６の底面１４６とフレキシブル回路基板１１４のグラウンドプレーン１７０との接着に非導電性接着剤を用いても、光モジュール１１０は、導電性接着剤を用いた場合と同様に、良好な高周波特性を有することが可能である。

加えて、ガラスフィレット１５２のステム１１６の底面１４６からの突出を防止することにより、本発明の光モジュール１１０は、フレキシブル基板１１４とステム１１６のギャップ１７４をガラスフィレットがステムの底面から突出した従来の光モジュールに比べて小さくすることが可能となるため、光モジュール自体の大きさも従来の光モジュールに比べて小さくなる。

ステム貫通孔１４０（第１の孔部１４２、第２の孔部１４４）は、ザグリ穴のような形態（孔径が異なる２つの円筒形状孔部からなる孔）であるが、本発明はこれに限定するわけでない。例えば、図５（ａ）に示すように、第２の孔部１４４’が、第１の孔部１４２’との接続部からステム１１６’の底面１４６’に向かって直線的に拡大する孔径を有してもかまわない。または、図５（ｂ）に示すように、第２の孔部１４４”が、第１の孔部１４２”との接続部からステム１１６”の底面１４６”に向かって曲線的に拡大する孔径を有してもかまわない。これら第２の孔部の形状は、第２の孔部を形成する際に使用される工具（例えば、トリマーなど）や加工方法によって変わる。

また、ステム貫通孔１４０の断面形状（中心軸に対して直交する面）としては、様々な形状が可能であるが、略円形状が好ましい。特に、優れた高周波特性を得るには、ステム貫通孔１４０の断面を含む平面で見た場合、貫通リードピン１１８とステム貫通孔１４０の孔内面との距離が略等距離であるのが好ましい。

また、図６に示すように、ステム１１６の底面１４６と光半導体素子１２２側の面の両方に第２の孔部１４４（１４４ａ、１４４ｂ）を設けてもかまわない。この場合、光半導体素子１２２側の面側のガラスフィレット１５２ｂが第２の孔部１４４ｂに略収容されて光半導体素子１２２側の面が平面となるため、光半導体素子１２２や他の部品を貫通リードピン１１８に接近して配置することが可能になる。

実施の形態２．
本実施の形態は、実施の形態１と異なる方法で、ガラスフィレットのステムの底面からの突出を防いでいる。実施の形態１と構造的に異なる点は、ステムの形状、特に、貫通孔であるため、そこを中心に説明する。他の光モジュールの構成要素は実施の形態１と同じであり、実施の形態１の符号の数字に１００を加えて示している。

図７は、本実施の形態の光モジュールのステムの貫通孔周りの構成を示している。ステム２１６は、貫通リードピン２１８が通過する略円筒形状のステム貫通孔２４０を有する。ステム貫通孔２４０の底面２４６から規定の深さまでの第２の孔部の孔内面には、低融点ガラス２５０に対して非接着性または低接着性の材料、例えば、白金、白金ロジウム、ジルコニア、黒鉛、アルミナなどの膜２７４がメッキや塗布によって施されている。これにより、ガラスフィレット２５２は、ステム２１６の底面２４６から規定の深さまでの膜２７４を有する第２の孔部の孔内面に形成されず、膜２７４が存在しない部分（第１の孔部の孔内面）２７６と膜２７４との境界近傍から貫通リードピン２１８にかけて形成される。この膜２７４が施される第２の孔部の孔内面の底面２４６からの深さを適切に規定することで、ガラスフィレット２５２がステム２１６の底面２４６から突出することを防止する。

また、膜２７４を形成する以外に、第１の孔部の孔内面２７６と第２の孔部の孔内面の表面形状（表面粗さ）を変えることにより、第１の孔部の孔内面２７６と第２の孔部の孔内面との低融点ガラス２５０に対する接着性に違いを持たせることができる。第２の孔部の孔内面の表面を、第１の孔部の孔内面より小さい表面粗さを有する、すなわち、鏡面または鏡面に近い状態にすることにより、膜２７４と同様に、低融点ガラス２５０のステム２１６の底面２４６からの突出を防止することができる。

実施の形態３．
本実施の形態は、上記の２つの実施の形態の光モジュールにおいて、ステムの窪み部の形成が困難な場合に実施される。例えば、貫通リードピンが多い（ステム貫通孔が多い）場合、窪み部を設けるスペースが確保できないことがある。また、接合リードピンとステムの接合の強度を高めるために、接合部が大きく形成される場合がある。

図８は、本実施の形態に係る光モジュールのステムを拡大して示している。上記の実施形態１と同じ構成要素は、実施の形態１の符号の数字に２００を加えて示している。

図に示すように、接合リードピン３２０は、ステム３１６の底面３４６に接合されている。ステム３１６と接合リードピン３２０との接合部３５８は、フレキシブル回路基板３１４の接合リードピン用基板貫通孔３６６内部に配置されている。なお、このとき、接合部３５８は、接合リードピン用基板貫通孔３６６内に略収容される必要はなく、ステム３１６の底面３４６から離れている接合部３５８の一部分が、接合リードピン用基板孔３６６の表面３６８と反対の面の開口端から突出していても構わない。また、接合ピン３２０とフレキシブル回路基板３１４とが、接合部３８０によって接合されている。貫通リードピン３１８とフレキシブル回路基板３１４との接合部３７２と、接合リードピン３２０とフレキシブル回路基板３１４との接合部３８０とによって、ステム３１６の底面３４６とフレキシブル回路基板３１４の表面３６８とが密着される。

図において、ステム３１６の底面３４６とフレキシブル回路基板３１４の表面３６８との間に導電性接着剤が塗布されていないが、塗布されてもよい。その場合、接合部３８０はなくてもよい。表面３６８と反対の面にグラウンド線路（図示せず）がある場合、接合部３８０をはんだで形成することにより、接合リードピン３２０とグラウンド線路とを電気的に接続してもよい。

本発明は、キャンパッケージ型の光半導体装置に関するものであるが、キャンパッケージ型の電子部品にも実施可能であるのは明らかである。

本発明の実施の形態１に係る光モジュールの概略図である。 図１のステムの拡大図である。 本発明の光モジュールの高周波特性、特に、周波数と反射特性との関係を示した図である。 本発明の光モジュールの高周波特性、特に、周波数と通過振幅との関係を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る光モジュールの変形例である。 本発明の実施の形態１に係る光モジュールの別の変形例である。 本発明の実施の形態２に係る光モジュールのステムの部分拡大図である。 本発明の実施の形態３に係る光モジュールのステムの部分拡大図である。 従来の光半導体装置のステムの部分拡大図である。

符号の説明

１０ ステム、 １２ 貫通リードピン、 １４ ガラス、 １６ 底面、 １８ 表面、 ２０ ガラスフィレット、
１１０ 光モジュール、 １１２ 光半導体装置、 １１４ フレキシブル回路基板、 １１５ プリント回路基板、 １１６ ステム、 １１８ 貫通リードピン、 １２０ 接合リードピン、 １２２ 光半導体素子、 １２４ キャップ、 １２６ レンズ、 １２８ レンズホルダ、 １３０ レセプタクル、 １４０ ステム貫通孔、 １４２ 第１の孔部、 １４４ 第２の孔部、 １４６ 底面、 １４８ ボンディングワイヤ、 １５０ 低融点ガラス、 １５２ ガラスフィレット、 １５４ 深さ、 １５６ 窪み部、 １５８ 接合部、 １６０ 深さ、 １６２ 導電性接着剤、 １６４ 貫通リードピン用基板貫通孔、 １６６ 接合リードピン用基板貫通孔、 １６８ 表面、 １７０ グラウンドプレーン、 １７２ はんだ接合部、 １７３ ドライバ、 １７４ ギャップ、
１１６’ ステム、 １４２’ 第１の孔部、 １４４’ 第２の孔部、 １４６’ 底面、 １１６” ステム、 １４２” 第１の孔部、 １４４” 第２の孔部、 １４６” 底面、
１４４ａ 第２の孔部、 １４４ｂ 第２の孔部、 １５２ａ ガラスフィレット、 １５２ｂ ガラスフィレット、
２１６ ステム、 ２１８ 貫通リードピン、 ２４０ ステム貫通孔、 ２４６ 底面、 ２５０ 低融点ガラス、 ２５２ ガラスフィレット、 ２７４ 膜、 ２７６ 第１の孔部の孔内面
３１４ フレキシブル回路基板、 ３１６ ステム、 ３２０ 接合リードピン、 ３４６ 底面、 ３５８ 接合部、 ３６６ 接合リードピン用基板貫通孔、 ３６８ 表面、 ３８０ 接合部

Claims (14)

1. ステム貫通孔を有するステムと、上記ステム貫通孔を貫通する貫通リードピンと、上記貫通リードピンを上記ステム貫通孔内に固定するガラスとを有するキャンパッケージ型光半導体装置と、上記ステムが載置されるフレキシブル基板とを含む光モジュールであって、
   上記ステム貫通孔が、
   第１の孔部と、
   上記第１の孔部より径が大きく上記ステムの底面に開口端を有する第２の孔部とを有し、
   上記第１の孔部に充填され、上記第１の孔部からはみ出して形成された上記ガラスのフィレットが、上記第２の孔部の上記開口端より内方の、上記第２の孔部内に配置されていることを特徴とする光モジュール。
2. ステム貫通孔を有するステムと、上記ステム貫通孔を貫通する貫通リードピンと、上記貫通リードピンを上記ステム貫通孔内に固定するガラスとを有するキャンパッケージ型光半導体装置と、上記ステムが載置されるフレキシブル基板とを含む光モジュールであって、
   上記ステム貫通孔が、
   第１の孔部と、
   上記第１の孔部より低い上記ガラスに対する接着性を有する孔内面と、上記ステムの底面に開口端とを有する第２の孔部とを有し、
   上記第１の孔部に充填され、上記第１の孔部からはみ出して形成された上記ガラスのフィレットが、上記第２の孔部の上記開口端より内方の、上記第２の孔部内に配置されていることを特徴とする光モジュール。
3. 上記第２の孔部の上記孔内面に、上記ガラスに対して非接着性または低接着性の材料からなる膜が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
4. 上記ステムが、上記ステムの上記底面に接合部を介して接合された接合リードピンを有し、
   上記フレキシブル回路基板が、上記接合部が配置される接合リードピン用基板孔を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の光モジュール。
5. ステムと、上記ステムに接合された接合リードピンとを含むキャンパッケージ型光半導体装置と、上記ステムが載置されるフレキシブル基板とを含む光モジュールであって、
   上記ステムが、
   底面に開口端を有する窪み部を有し、
   上記接合リードピンが、
   上記窪み部内で接合部を介して接合され、
   上記接合部が、上記窪み部の上記開口端より内方の、上記窪み部内に配置されていることを特徴とする光モジュール。
6. 上記ステムの上記底面と上記フレキシブル回路基板の間の距離が、約０．０５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の光モジュール。
7. 上記ステムの上記底面と上記フレキシブル回路基板の間に導電性接着剤が充填されている請求項６に記載の光モジュール。
8. 上記ステムの上記底面と上記フレキシブル回路基板の間に非導電性接着剤が充填されている請求項６に記載の光モジュール。
9. 上記ステムが導電性を有し、
   上記ステムの上記底面と密着される上記フレキシブル回路基板の面に基準電位が印加された導電層を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一に記載の光モジュール。
10. 請求項１〜９のいずれか一に記載の光モジュールと、
    上記請求項１〜９のいずれか一に記載の光モジュールの上記フレキシブル回路基板が接続されるプリント回路基板とを有することを特徴とする光モジュール。
11. ステム貫通孔を有するステムと、上記ステム貫通孔を貫通するリードピンと、上記リードピンを上記ステム貫通孔内に固定するガラスとを有するキャンパッケージ型光半導体装置であって、
    上記ステム貫通孔が、
    第１の孔部と、
    上記第１の孔部より径が大きく上記ステムの底面に開口端を有する第２の孔部とを有し、
    上記第１の孔部に充填され、上記第１の孔部からはみ出して形成された上記ガラスのフィレットが、上記第２の孔部の上記開口端より内方の、上記第２の孔部内に配置されていることを特徴とする光半導体装置。
12. ステム貫通孔を有するステムと、上記ステム貫通孔を貫通するリードピンと、上記リードピンを上記ステム貫通孔内に固定するガラスとを有するキャンパッケージ型光半導体装置であって、
    上記ステム貫通孔が、
    第１の孔部と、
    上記第１の孔部より低い上記ガラスに対する接着性を有する孔内面と、上記ステムの上記底面に開口端とを有する第２の孔部とを有し、
    上記第１の孔部に充填され、上記第１の孔部からはみ出して形成された上記ガラスのフィレットが、上記第２の孔部の上記開口端より内方の、上記第２の孔部内に配置されていることを特徴とする光半導体装置。
13. 上記第２の孔部の上記孔内面に、上記ガラスに対して非接着性または低接着性の材料からなる膜が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の光半導体装置。
14. ステムと、上記ステムに接合された接合リードピンとを含むキャンパッケージ型光半導体装置であって、
    上記ステムが、
    底面に開口端を有する窪み部を有し、
    上記接合リードピンが、
    上記窪み部内で接合部を介して接合され、
    上記接合部が、上記窪み部の上記開口端より内方の、上記窪み部内に配置されていることを特徴とする光半導体装置。
    

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