JP2007109715A - 光半導体素子用パッケージおよび光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザ素子からの熱放散を十分に確保し、パッケージの構成を簡素化して製造コストを効果的に引き下げることができる光半導体素子用パッケージおよびこれを用いた光半導体装置を提供する。
【解決手段】 光半導体素子用パッケージ２０に半導体レーザ素子１６を搭載して形成された光半導体装置３０において、前記光半導体素子用パッケージ２０は、円板状に形成された金属板の外周側面から金属板の中心部に向けて切り込み部２１が設けられた金属基体２２と、前記切り込み部２１の内側面に取り付けられたリード体２５とから形成され、前記切り込み部２１の中心側の内側面２１ｃに、前記金属基体２２の中心に光軸位置を位置合わせして半導体レーザ素子１６が搭載され、該半導体レーザ素子１６と前記リード体２４とが電気的に接続されている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、半導体レーザ素子を搭載する光半導体素子用パッケージおよびこの光半導体素子用パッケージを用いた光半導体装置に関する。

光ディスク装置あるいは光通信装置においては、レーザ光源として、半導体レーザ素子を搭載した光半導体装置が使用されている。この光半導体装置は、信号用のリードピンと接地用のリードピンが取り付けられたステムに半導体レーザ素子を搭載し、光透過窓を備えたキャップをステムに封着して半導体レーザ素子を封止するように構成される。ステムにはブロック状に形成されたヒートシンクが設けられ、半導体レーザ素子はヒートシンクの側面に接合されて熱放散される。

半導体レーザ素子の発熱量がさほど大きくない場合には、金属板を絞り加工してキャップ状に形成したステムを使用し、キャップの上面を切り起こして半導体レーザ素子の搭載部とすることも可能である。しかし、発熱量の大きな半導体レーザ素子を搭載する場合には、ステムを肉厚に形成したり、半導体レーザ素子を接合するヒートシンクを大形に形成して半導体レーザ素子から効果的に熱放散されるようにしなければならない。
実開昭６２−８６５５号公報 特開２００４−３４９３２０号公報

しかしながら、金属材をプレス加工してステムの基体と一体にブロック状のヒートシンクを形成するには、何回かのプレス加工を施さなければならず、したがってステムの製造コストがかかるという問題がある。また、ステムとは別体に形成したブロック状のヒートシンクを、ステムの基体にろう付けしてヒートシンク付きのステムとする場合も、やはり製造コストがかかるという問題がある。

図８は、ステムの製造工程を簡略化してステムの製造コストを引き下げ、半導体レーザ素子の熱放散性にも優れたステムとして構成した例である。このステム１０は、外形形状が円形のステム１０に半円形の平面形状となるヒートシンク部１１を形成し、ヒートシンク部１１に対向してリング部１２を設け、リング部１２とヒートシンク部１１との間にリードピンを挿通する挿通孔１２ａを設けたものである。このステム１０では、図８に示すように、半導体レーザ素子１６をヒートシンク部１１の内側面に接合して搭載し、挿通孔１２ａに挿通したリードピン１４ａ、１４ｂを樹脂１８によって封止する。
図８に示すステム１０の場合は、ヒートシンク部１１をリング部１２よりも一段高く形成したものであるが、金属材を加工してステム１０の外形形状を円形に形成したり、ヒートシンク部１１やリング部１２を形成したりすることは、ステムにヒートシンクを立ち上がり形状に形成する方法とくらべるとはるかに加工工程を簡素化することができる。

このステム１０では、半導体レーザ素子１６は肉厚に形成したヒートシンク部１１に接合されるから、半導体レーザ素子１６からの熱放散性にも優れている。
しかしながら、このステム１０の場合は、リードピン１４ａ、１４ｂを樹脂１８によって挿通孔１２ａに封止するという工程が必要であり、リードピンを封着する工程が必要になるという問題がある。

本発明は、これらの課題を解決すべくなされたものであり、半導体レーザ素子からの熱放散を十分に確保することができ、パッケージの構成を簡素化して製造コストを効果的に引き下げることを可能にする光半導体素子用パッケージおよびこれを用いた光半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は次の構成を備える。
すなわち、光半導体素子用パッケージに半導体レーザ素子を搭載して形成された光半導体装置において、前記光半導体素子用パッケージは、円板状に形成された金属板の外周側面から金属板の中心部に向けて切り込み部が設けられた金属基体と、前記切り込み部の内側面に取り付けられたリード体とから形成され、前記切り込み部の中心側の内側面に、前記金属基体の中心に光軸位置を位置合わせして半導体レーザ素子が搭載され、該半導体レーザ素子と前記リード体とが電気的に接続されていることを特徴とする。

また、前記切り込み部は、前記金属基体の中心線に平行に、中心線を挟んだ一方側と他方側に対向して設けられた内側面と、前記半導体レーザ素子が搭載された内側面とにより、平面形状がＵ字形に形成されていることを特徴とする。
また、前記切り込み部は、前記金属基体の中心線を挟む配置に設けられた一方の内側面が、外側に開いた形状に形成されていることを特徴とする。

また、前記リード体は、電気的絶縁性を有する基板の表面に導体層が被着形成され、リード体が前記切り込み部の内側面に接合され、前記導体層と前記半導体レーザ素子とが電気的に接続されていることを特徴とする。
また、前記導体層と前記半導体レーザ素子とが、ワイヤボンディングによって電気的に接続されていることを特徴とする。

また、前記光半導体装置に用いられる光半導体素子用パッケージであって、円板状に形成された金属板の外周側面から金属板の中心部に向けて切り込み部が設けられた金属基体と、前記切り込み部の内側面に接合して取り付けられた、電気的絶縁性を有する基板の表面に導体層が被着形成されたリード体とからなることを特徴とする。

本発明に係る光半導体装置は、半導体レーザ素子を搭載する光半導体素子用パッケージがきわめて簡易な構造に形成されることから、光半導体素子用パッケージおよび光半導体装置の製造コストを効果的に引き下げることが可能となる。また、光半導体装置の小型化を図ることが可能となる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る光半導体素子用パッケージ２０に半導体レーザ素子１６を搭載して形成した光半導体装置３０の構成を示す斜視図である。
この光半導体装置３０に使用する光半導体素子用パッケージ２０は、半導体レーザ素子１６を搭載する金属基体２２と、金属基体２２に接合したリード体２４とから構成される。金属基体２２は、円板状に形成した金属板の外周側面から金属板の中心に向けて切り込み部２１を設けることによって形成され、リード体２４は切り込み部２１の金属基体２２の中心側に形成された内側面に接合して取り付けられる。

図２は、光半導体装置３０の平面図を示す。金属基体２２に設けられる切り込み部２１は、金属基体２２の中心線Ａに平行に、中心線Ａを挟んで一方側と他方側に対向して設けられる内側面２１ａ、２１ｂと、半導体レーザ素子１６とリード体２４とが接合される内側面２１ｃとにより平面形状がＵ字形の切欠として形成される。一方の内側面２１ａは他方の内側面２１ｂよりも中心線Ａにより接近して設けられ、切り込み部２１は中心線Ａに対して、他方側に若干偏位して配置される。なお、内側面２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、金属基体２２の平面に対し、面方向が垂直になるように形成される。

金属基体２２の中心側に設けられる内側面２１ｃは、中心線Ａと直交する中心線Ｂに対して平行で、かつ中心線Ｂよりも若干、奥側に偏位した位置に設けられる。内側面２１ｃを中心線Ｂよりも奥側に偏位させて設けているのは、内側面２１ｃに半導体レーザ素子１６を接合して搭載した際に、半導体レーザ素子１６が金属基体２２の中心に位置合わせできるようにするためである。
中心線Ｂと交差する金属基体２２の外周側面の位置には、光半導体装置３０を実装する際に、金属基体２２の軸線を中心として光半導体装置３０を位置決めして取り付けるための位置決め溝２６ａ、２６ｂが設けられる。また、中心線Ａ上で、切り込み部２１を設けた側と反対側の外周側面には、金属基体２２の側面を直線的に切り欠いた切欠部２８が形成される。この切欠部２８は中心線Ａ方向での金属基体２２の幅寸法を小さくするために設けている。

金属基体２２に接合されるリード体２４は、細幅の板状体に形成された電気的絶縁性を有する基板２５の両面に、全面にわたって導体層２５ａ、２５ｂが被着されて形成されている。このリード体２４は、たとえば、樹脂からなる基板の両面に銅箔を被着形成した広幅の銅張り基板を、リード体２４の幅寸法および長さに合わせて切断することによって形成することができる。リード体２４の基板２５に用いる絶縁材料、導体層２５ａ、２５ｂに用いる金属材はとくに限定されるものではなく、リード体２４の製造方法も限定されない。

リード体２４を内側面２１ｃに接合する際には、リード体２４の頂部面を金属基体２２の上面に位置合わせするとともに、他方の内側面２１ｂから若干離間させ、リード体２４の長手方向を金属基体２２の面に垂直にして接合する。リード体２４の端面を金属基体２２の上面から突出させないように取り付けることによって光半導体装置３０の小型化を図ることができる。
リード体２４は半導体レーザ素子１６の接合位置と干渉しないように、他方の内側面２１ｂに偏位した側に接合する。
本実施形態の光半導体素子用パッケージ２０では、リード体２４の長さを金属基体２２の厚さよりも長く設定し、リード体２４を金属基体２２に接合した状態で、リード体２４の先端が金属基体２２の底面から下方に延出するようにしている。

リード体２４は、はんだあるいは導電性接着剤等の導電材を用いて金属基体２２に接合する。これによって、リード体２４の他方の導体層２５ｂは金属基体２２に電気的に接続された状態になる。リード体２４の他方の導体層２５ｂは接地ラインとして用いられ、リード体２４の一方の導体層２５ａは信号ラインとして用いられる。

光半導体装置３０は、金属基体２２にリード体２４を接合して形成した光半導体素子用パッケージ２０に半導体レーザ素子１６を搭載し、半導体レーザ素子１６とリード体２４との間をワイヤボンディングすることによって形成される。
半導体レーザ素子１６は、切り込み部２１の内側面２１ｃに、リード体２４と並列させて接合する。本実施形態では、半導体レーザ素子１６を搭載したマウント１７を内側面２１ｃに接合して半導体レーザ素子１６を搭載した。マウント１７は、はんだ、導電性接着剤等の導電材により接合する。

図２に示すように、半導体レーザ素子１６は金属基体２２の中心に半導体レーザ素子１６を位置合わせして内側面２１ｃに接合する。マウント１７の厚さは、内側面２１ｃにマウント１７を接合して半導体レーザ素子１６を搭載した際に、半導体レーザ素子１６が金属基体２２の中心に位置するように設定されている。
もちろん、マウント１７を使用せずに半導体レーザ素子１６を搭載することも可能である。この場合は、半導体レーザ素子１６を切り込み部２１の内側面２１ｃに直に接合することになるから、半導体レーザ素子１６を接合した際に金属基体２２の中心に半導体レーザ素子１６が位置するように内側面２１ｃの中心からの偏位位置を設定する。

金属基体２２の中心位置に半導体レーザ素子１６を位置合わせして搭載する理由は、半導体レーザ素子１６から放射されるレーザ光の放射方向を所定方向に位置合わせする際に、光半導体装置３０を軸線の回りで回しながら調節するから、その際にレーザ光の放射源の位置が位置ずれしないようにするためである。
本実施形態においては、光半導体装置３０を軸線の回りで回転した際に、軸ずれしないように金属基体２２の外周側面に円弧状部分を残す形態とし、半導体レーザ素子１６が金属基体２２の中心に高精度に位置決めされるように形成している。

金属基体２２の切り込み部２１の内側面に半導体レーザ素子１６を接合した後、半導体レーザ素子１６とリード体２４とをワイヤボンディングして電気的に接続する。この操作は、切り込み部２１の開口側から金属基体２２の平面方向と平行にボンディングツール（キャピラリー）を差し込み、半導体レーザ素子１６の電極とリード体２４の導体層２５ａとをワイヤボンディングすることによってなされる。切り込み部２１は内側面２１ｃの前方が金属基体２２の外側面まで開口して設けられているから、開口部からキャピラリーを差し込んでワイヤボンディングする操作は簡単にできる。

本実施形態の光半導体装置３０は、半導体レーザ素子１６を金属基体２２に接合し、半導体レーザ素子１６をキャップ封止することなく外部に露出した状態で完成品となる。したがって、光半導体装置３０はきわめてコンパクトに形成でき、また、光半導体装置３０の構成をきわめて簡素化することが可能となる。これによって、光半導体装置３０の構成部品の製造コストを引き下げ、光半導体装置３０の組立作業を簡素化して、光半導体装置３０の全体としての製造コストを大きく低減させることが可能になる。

本実施形態の光半導体装置３０で使用している光半導体素子用パッケージ２０の主要部品である金属基体２２は、金属板を円形状の外形形状に抜き加工するとともに、金属板に切り込み部２１を形成するだけで製造することができるから、従来の光半導体装置で使用しているステムのように、ブロック状にヒートシンクを加工する必要がない。
また、リード体２４も切り込み部２１の内側面２１ｃに接合するだけで取り付けることができ、従来のようにリードピンをガラス封止したり、樹脂を用いて封止したりする必要がない。また、リード体２４は基板２５の両面に導体層２５ａ、２５ｂを形成したきわめて簡易な構成となるものであり、このリード体２４を製造することもきわめて容易である。

また、半導体レーザ素子１６を金属基体２２に接合することにより、金属基体２２自体がヒートシンクとして作用するから、所要の肉厚の金属材を使用することによって十分な熱放散性を備えた光半導体素子用パッケージとして形成できる。本実施形態の金属基体２２は外径が５ｍｍ、厚さ１ｍｍである。金属基体２２の材質はとくには限定されないが、本実施形態では基材に鉄を使用し、表面にニッケルめっきを施した。

光半導体装置３０を実装する際には、実装基板側に信号ラインとなる一方の導体層２５ａに接続される電極と、接地ラインとなる他方の導体層２５ｂに接続される電極を設け、導体層２５ａ、２５ｂを実装基板の信号ライン、接地ラインにそれぞれ電気的に接続して実装する。接地ラインは、半導体レーザ素子１６を搭載するマウント１７、金属基体２２および他方の導体層２５ｂを介して電気的に導通される。
光半導体装置においては、半導体レーザ素子から放射されるレーザ光をモニターする必要がある。本実施形態の光半導体装置３０は、モニター用の受光素子を備えていないから、ハーフミラーを用いて半導体レーザ素子１６から放射されるレーザ光をモニターするといった他のモニター手段を講じるようにする。

図３は、切り込み部２１を設けた金属基体２２を備える光半導体素子用パッケージ２０のいくつかの例を示す。
図３（ａ）は、上述した光半導体装置３０で使用している光半導体素子用パッケージ２０で、切り込み部２１の内側面２１ｃに直線状に形成したリード体２４を接合して形成した例である。
図３（ｂ）は、基板２５の両面に導体層２５ａ、２５ｂを形成し、頂部２５ｃをＬ字形に折曲して形成したリード体２４ａを、頂部２５ｃの内面を金属基体２２の上面に当接させるようにして金属基体２２に接合して形成した例である。これによって、リード体２４ａを確実に金属基体２２に接合して支持することができ、金属基体２２と導体層２５ｂとを確実に電気的に接続することができる。

図３（ｃ）は、リード体２４ｂを側面形状でＬ字形に形成し、Ｌ字形に折曲する下端部２５ｄを金属基体２２の下面に当接させて金属基体２２に接合した例である。リード体２４ｂを金属基体２２に接合した際に、リード体２４ｂの上端面が金属基体２２の上面と面一になるように形成されている。
図３（ｂ）、（ｃ）に示した光半導体素子用パッケージ２０を用いて形成した光半導体装置を実装する際に、実装基板側に導体層２５ａ、２５ｂに電気的に接続される信号ライン用の電極と接地ライン用の電極とを設けておくことは図３（ａ）に示す光半導体素子用パッケージ２０を使用する場合と同様である。

（第２の実施の形態）
図４は、光半導体装置の第２の実施の形態を示す斜視図である。本実施の形態の光半導体装置は、光半導体素子用パッケージ２０ａを構成する金属基体２２ａに設ける切り込み部２１の形状を第１の実施の形態とは異なる形態としたことを特徴とする。
図５に、光半導体装置の平面図を示す。本実施形態においては金属基体２２ａに設ける切り込み部２１の他方の内側面２１ｂを開口側が大きく開いた形状、すなわち中心線Ａに対して内側面２１ｂが外側に傾斜する配置に設けている。リード体２４および半導体レーザ素子１６を切り込み部２１の中心側の内側面２１ｃに取り付ける構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態の光半導体装置においては、切り込み部２１の内側面２１ｂを外側に開いた形状としたことにより、切り込み部２１の開口面積が広くなるとともに、延出片部２３の延出長さが短くなることにより、金属基体２２の径方向で切り込み部２１の開放側と金属基体２２の反対側の側面とを挟む幅寸法（図５の長さＤ）を、金属基体２２の外径よりも短くすることができる。
金属基体２２は半導体レーザ素子１６から放射されるレーザ光の光軸を調節するため、半導体装置を軸線の回りで回した際に芯振れしないよう、半導体レーザ素子１６を囲む配置に外周側面に円弧状部分を残すように形成する。本実施形態の光半導体装置は、金属基体２２の外周側面に残す円弧状部分を最大限小さくして、金属基体２２を小型化したものである。

（第３の実施の形態）
図６および図７は、光半導体装置の第３の実施の形態の構成を示す斜視図および平面図である。
本実施の形態の光半導体装置は、金属基体２２ｂに設けた切り込み部２１に２本のリード体２４を取り付けたことを特徴とする。リード体２４は、切り込み部２１の中心側の内側面２１ｃに、半導体レーザ素子１６を挟む配置に取り付けられる。

本実施形態の光半導体素子用パッケージ２０ｂでは、切り込み部２１の内側面２１ｃに２本のリード体２４、２４を接合するため、上述した金属基体２２、２２ａと比較して内側面２１ｃの長さをやや長く形成している。また、切り込み部２１は金属基体２２ｂの中心線Ａに対して左右対称配置となるＵ字形に形成する。
本実施形態の光半導体装置のように、金属基体２２ｂに２本のリード体２４を取り付けた場合には、たとえば、一方のリード体２４を信号ラインとして使用し、他方のリード体２４を接地ラインとして使用することができる。

なお、第３の実施の形態として示した光半導体装置（図６）と従来の光半導体装置について熱抵抗がどの程度になるかを解析した。なお、従来の光半導体装置とは、円板状に形成されたステムに、半導体レーザ素子を搭載するヒートシンクを一体に立ち上がり形状に形成したもので、鉄製のアイレットに、鉄−ニッケル−コバルト合金からなるリードピンをガラス封止したものである。
本実施形態の光半導体装置の金属基体２２ｂを鉄とし、半導体レーザ素子の消費電力２００ｍＷ、外気温２５℃として熱抵抗（θjc)を解析した結果、従来の光半導体装置の場合は、２３．９（℃／Ｗ）となり、本実施形態の光半導体装置では、１６．２（℃／Ｗ）となった。この解析結果は、本実施形態の光半導体装置が、従来例に比べて約３３％熱抵抗が低減し、熱放散性に優れていることを示す。

光半導体装置の第１の実施の形態の構成を示す斜視図である。 光半導体装置の第１の実施の形態の構成を示す平面図である。 光半導体素子用パッケージのいくつかの構成例を示す斜視図である。 光半導体装置の第２の実施の形態の構成を示す斜視図である。 光半導体装置の第２の実施の形態の構成を示す平面図である。 光半導体装置の第３の実施の形態の構成を示す斜視図である。 光半導体装置の第３の実施の形態の構成を示す平面図である。 外形形状が円形のステムに半円形のヒートシンク部を形成したステムの例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ ステム
１１ ヒートシンク部
１２ リング部
１４ａ、１４ｂ リードピン
１６ 半導体レーザ素子
２０、２０ａ、２０ｂ 光半導体素子用パッケージ
２１ 切り込み部
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 内側面
２２、２２ａ、２２ｂ 金属基体
２４、２４ａ、２４ｂ リード体
２５ 基板
２５ａ、２５ｂ 導体層
３０ 光半導体装置

Claims (6)

1. 光半導体素子用パッケージに半導体レーザ素子を搭載して形成された光半導体装置において、
   前記光半導体素子用パッケージは、円板状に形成された金属板の外周側面から金属板の中心部に向けて切り込み部が設けられた金属基体と、前記切り込み部の内側面に取り付けられたリード体とから形成され、
   前記切り込み部の中心側の内側面に、前記金属基体の中心に光軸位置を位置合わせして半導体レーザ素子が搭載され、該半導体レーザ素子と前記リード体とが電気的に接続されていることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記切り込み部は、前記金属基体の中心線に平行に、中心線を挟んだ一方側と他方側に対向して設けられた内側面と、前記半導体レーザ素子が搭載された内側面とにより、平面形状がＵ字形に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記切り込み部は、前記金属基体の中心線を挟む配置に設けられた一方の内側面が、外側に開いた形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
4. 前記リード体は、電気的絶縁性を有する基板の表面に導体層が被着形成され、リード体が前記切り込み部の内側面に接合され、前記導体層と前記半導体レーザ素子とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
5. 前記導体層と前記半導体レーザ素子とが、ワイヤボンディングによって電気的に接続されていることを特徴とする請求項４記載の光半導体装置。
6. 請求項１記載の光半導体装置に用いられる光半導体素子用パッケージであって、
   円板状に形成された金属板の外周側面から金属板の中心部に向けて切り込み部が設けられた金属基体と、
   前記切り込み部の内側面に接合して取り付けられた、電気的絶縁性を有する基板の表面に導体層が被着形成されたリード体とからなることを特徴とする光半導体素子用パッケージ。

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