JP2007127833A - 電子部品用パッケージ及びそれを用いた電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、気密封止性を十分に確保できる電子部品用パッケージを提供することを第１の目的としている。さらに、該パッケージの製造過程、具体的には蓋体と枠体の接合工程において光ファイバが損傷し難い電子部品用パッケージを提供することを第２の目的としている。
【解決手段】本発明は、光ファイバが接続される電子部品用パッケージであって、第１開口部と密閉された第２開口部とを有し前記光ファイバが挿通可能でハンダ濡れ性を有する切欠部が第１開口部の辺縁に形成された金属製枠体と、前記第１開口部を閉塞する蓋体と、前記蓋体と前記切欠部に挿入された光ファイバとの間隙に嵌装されるとともにハンダ濡れ性を有する嵌装部とを備え、前記嵌装部の内側に配設されたハンダプリフォームの外周に非ハンダ濡れ性部が形成されている電子部品用パッケージである。
【選択図】図１

Description

本発明は光ファイバが接続される電子部品用パッケージ及びそれを用いた電子部品に関する。

従来の光ファイバが接続される電子部品用パッケージ（以下パッケージと略す場合がある。）について、その実施形態の一例を図９に示す。

光ファイバが接続される例えば光スイッチや光分散補償器などの電子部品は特定の環境のもとで動作させる必要があり、特に湿気を嫌うため気密に封止されたパッケージに収納することが多い。

その光ファイバが接続される電子部品等の従来のパッケージの一例が下記特許文献１に記載されている。特許文献１に開示されたパッケージ２は、図９に示すように、上面に光半導体素子が載置される載置部を有する基体２１と、該基体２１の上面に前記載置部を取り囲むように取着され、上面に光ファイバを通してろう材により固定するための断面形状がＵ字状の溝から成る光ファイバ導入部２２１を有するとともにその上面に蓋体（不図示）がろう材により接合される枠体２２とを具備している。前記ろう材は、ヤング率が１０〜４０ＧＰａ、熱膨張係数が２０×１０^−６〜３０×１０^−６／℃、ビッカース硬度が１０〜１５Ｈｖである。具体的には前記ろう材は、金を１５〜２５質量％および錫を７５〜８５質量％含有しているハンダである。前記ろう材は、前記蓋体の下面で前記枠体２２の上面に接合される領域に、厚みが０．０８〜０．１２ｍｍで、幅が前記枠体の前記上面の幅の３０〜１００％である枠状に被着されている。
特開２００４−２５８２６９号公報

上記パッケージ２の場合、蓋体を枠体２２に接合するため光ファイバ導入部に封止されるハンダが蓋体へ接触するように配置されている。そのため上記特許文献１のハンダ（融点２８０℃）よりも低融点で安価な、例えば錫−銀−銅系のハンダ（融点２２０℃前後）などを使用した場合には、図１０に示すように、蓋体２４と枠体２２を接合する際に蓋体２４にハンダ１５１が濡れ拡がり、光ファイバ導入部２２１を埋めるためのハンダが不足し、パッケージ２の気密封止性が確保できないという問題があった。さらに、上記パッケージ２では、図７に示すように、蓋体２４と枠体２２を接合するハンダの厚みを０．０８〜０．１２ｍｍと薄くし、光ファイバ導入部２２１を蓋体２４の近くに配置しているため、光ファイバ２６が蓋体２４に接近するように配置されてしまう。このため、気密封止パッケージを製造するに好適なパラレルシーム溶接によって蓋体２４を枠体２２へ接合しようとしたとき、シーム溶接電極１９の角部１９１が光ファイバ２６へ接触し、光ファイバ２６を損傷させてしまうという問題があった。

本発明は、上記従来の技術の問題点を鑑みてなされたものであり、気密封止性を十分に確保できる電子部品用パッケージを提供することを第１の目的としている。さらに、該パッケージの製造過程、具体的には蓋体と枠体の接合工程において光ファイバが損傷し難い電子部品用パッケージを提供することを第２の目的としている。

本発明においては、以下の電子部品用パッケージ及びそのパッケージを用いた電子部品を提案する。
本発明は、光ファイバが接続される電子部品用パッケージであって、第１開口部と密閉された第２開口部とを有し前記光ファイバが挿通可能でハンダ濡れ性を有する切欠部が第１開口部の辺縁に形成された金属製枠体と、前記第１開口部を閉塞する蓋体と、前記蓋体と前記切欠部に挿入された光ファイバとの間隙に嵌装されるとともにハンダ濡れ性を有する嵌装部とを備え、前記嵌装部の内側に配設されたハンダプリフォームの外周に非ハンダ濡れ性部が形成されている電子部品用パッケージである。なお、嵌装部は、凸部として前記蓋体に一体に設けてもよいし、蓋体とは別体のスペーサとしてもよい。また、第２開口部を閉塞する物としては、例えば樹脂基板やセラミックス基板その他の板体等いずれも採用することができる。

かかるパッケージによれば、枠体の第１開口部は蓋体で閉塞され、また、光ファイバが導入された切欠部には、蓋体を枠体に熱接合する際の熱により溶融したハンダプリフォームからなるハンダが充填されるので、パッケージは気密に封止される。ここで、ハンダプリフォームの周囲には非ハンダ濡れ性部が形成されており、切欠部に挿入された光ファイバと蓋体の間には嵌装部が配置されているので、該非ハンダ濡れ性部と嵌装部とで形成される領域に溶融したハンダはプールされ、蓋体方向への濡れ広がりが阻害されるので、切欠部を封止するために十分な量のハンダが供給される。さらに、上記嵌装部を採用することでハンダの濡れ広がりを防止しつつ切欠部を深く設けることが可能となり、蓋体と光ファイバとの間の距離を確保することができる。

溶融したハンダプリフォームが蓋体に濡れ広がらないようにするためには、前記嵌装部の内側の側壁にはハンダ濡れ性を付与しないことが好ましい。また、前記非ハンダ濡れ性部が連続して帯状に形成されていれば、ハンダの濡れ広がりを阻止する点で好ましい。

上記非ハンダ濡れ性部は、具体的には、蓋体の裏面及び嵌装部にハンダ濡れ性を有する金属メッキを施すとともに、前記非ハンダ濡れ性部には該金属メッキを施さないことで、工業生産上好適に実現することができる。

前記ハンダプリフォームは、錫−銀−銅系ハンダであることがパッケージを工業生産上安価に製造するうえで好ましい。さらに、具体的には、前記光ファイバの素線部の直径が０．１２５ｍｍである場合には切欠部の高さが０．２〜１ｍｍであることが、ハンダの濡れ広がりを阻止する点で好ましい。

本発明は、上記パッケージを使用した電子部品であって、前記切欠部に挿入された光ファイバと、前記切欠部に充填された気密封止用ハンダを備えた電子部品である。かかる電子部品によれば、パッケージの気密封止性が損なわれず動作の安定した電子部品を提供することができる。

上記説明のように、本発明のパッケージは、蓋体と切欠部に挿入された光ファイバとの間隙に嵌装されるとともにハンダ濡れ性を有する嵌装部を備え、嵌装部の内側に配設されたハンダプリフォームの外周に非ハンダ濡れ性部を形成しているので、切欠部を封止するために十分な量のハンダが供給され、本発明の第１目的であるパッケージの気密封止性を確保することができる。さらに、上記嵌装部を採用することで、蓋体と光ファイバとの間の距離を確保することができ、本発明の第２目的である蓋体と枠体をパラレルシーム溶接で接合する際の光ファイバの損傷を防止することが可能となる。

本発明のパッケージ及びそれを用いた電子部品について、以下、その実施態様に基づいて図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態の斜視図、図２は図１の切欠部１２１を含む断面図、図３は図１の蓋体１４を裏面から見た斜視図、図４は図１のパッケージ１を組み立てた後の外観写真、図５は図３の非ハンダ濡れ性部１４１が無い場合のハンダの濡れ広がり状況を示す外観写真、図６は図３の非ハンダ濡れ性部１４１が有る場合のハンダの濡れ広がり状況を示す外観写真、図８は図１の蓋体１４と枠体１２をパラレルシーム溶接で接合している状態を示す図、図１１は図１のパッケージ１を組み立てた後の蓋体へのハンダの濡れ広がり状況を示す外観写真、図１２は図１の切欠部１２１へのハンダの充填状態を示す外観写真である。

本態様においてパッケージ１に収納されて電子部品を構成するものは、図１に示すように、基体１１に搭載された光半導体素子であるホトダイオード１７である。基体１１は導体パターンを内蔵する積層セラミックスで構成されている。該ホトダイオード１７は、ワイヤーボンディング１８、基体１１の上面に形成された表面導電パターン１１３及び基体１１の内部に形成された内部導電パターン１１４を通してリードフレーム１１５に接続されている。なお、溶接時に生じる熱歪を小さくするために、基体１１の材料としては、例えばアルミナなどの小さな熱膨張係数（１５×１０^−６／℃以下）を有する誘電体材料を用いることが好ましい。なお、基体１１は、枠体１２の下側の開口部（第２の開口部）１２３を閉塞するために、ホトダイオード１７を包囲して配設された枠体１２の下面に銀ろうなどで接合されている。

また、上記ホトダイオード１７に接続される光ファイバ１６は枠体１２の切欠部１２１からパッケージ１の内部に導入され、その被覆が剥がされた素線部１６１の先端部にある結合部１６３がホトダイオード１７に接続される。なお、この素線部１６１において、切欠部１２１に配置される部分には、例えば厚さ０．５μｍ〜６μｍのニッケルメッキを下地とした厚さ０．５μｍ〜６μｍの金メッキなどの金属メッキが施されハンダ濡れ性を有するメッキ部１６２が形成されている。

本態様のパッケージ１は、図１に示すように、基体１１の上に並列された６個のホトダイオート１７とその両端に接続された１２本の光ファイバ１６をパッケージするものであり、枠体１２、嵌装部１３、蓋体１４及びハンダプリフォーム１５で構成されている。

[枠体]
枠体１２は、蓋体１４と溶接接合可能な金属で構成されており、その上面には第１開口部１２２、底面には第２開口部１２３が形成されている。第１開口部１２２の辺縁、すなわち上面には光ファイバ１６の素線部１６１が挿通可能な１２個の切欠部１２１が形成されている。ここで、切欠部１２１の表面には、厚さ０．５μｍ〜６μｍのニッケルメッキを下地とした厚さ０．５μｍ〜６μｍの金メッキ（以下双方のメッキを併せて金属メッキという場合がある。）が施されハンダ濡れ性が付与されている。この金属メッキは、蓋体１４と溶接するために枠体１２の上面にも施されている。なお、枠体１２には、基体１１と同等の熱膨張係数を有する金属材料、例えば１７質量％コバルト−２９質量％ニッケル−鉄合金（コバール）などを用いることが望ましい。また、枠体１２の幅は、それに必要とされる強度と熱容量の極端な変化による溶接への影響を考慮して、例えば１ｍｍ±０．５ｍｍとしておくことが望ましい。さらに、切欠部１２１の幅は、通常直径が０．１２５ｍｍ程度の光ファイバ１６を挿通しやすいように１ｍｍ±０．５ｍｍの範囲であることが望ましい。

[蓋体]
上記枠体１２の第１開口部１２２を閉塞する蓋体１４は平面視において矩形状に形成され、図２に示すように、枠体１２の上面との当接部分である外周部が薄肉に構成されている。なお、蓋体１４には、上記枠体１２と同様に、例えば１７質量％コバルト−２９質量％ニッケル−鉄合金（コバール）などを用いることが望ましい。また、この薄肉外周部の厚みを０．１５ｍｍ±０．１ｍｍの範囲内としておけば、パラレルシーム溶接で良好な溶接部を得ることができ、パッケージ１の気密封止性が向上するので望ましい。

蓋体１４の裏面及び表面には、蓋体１４の酸化を防止するため上記金属メッキが施されているが、図３に示すように、後述するハンダプリフォーム１５を包囲するようにその外周部分の金属メッキは除去され非ハンダ濡れ性部１４１が形成されている。この非ハンダ濡れ性部１４１は、例えば切削加工、レーザー加工またはサンドブラスト加工などにより金属メッキを除去したり、金属メッキの表面を改質することにより形成することができる。また、蓋体１４への金属メッキを行う際に、マスキングにより非ハンダ濡れ性部１４１を形成することもできる。なお、非ハンダ濡れ性部１４１の態様は特に限定されないが、図３に示すように、ハンダプリフォーム１５の周囲を完全に包囲するように幅０．１ｍｍ〜１ｍｍの連続した帯状に形成することが好ましい。これにより、ハンダが金属メッキのバリ等を伝うなどして非ハンダ濡れ性部１４１を乗り越えることを防止することができる。

上記非ハンダ濡れ性部は、上記態様に限られることなく、例えばハンダプリフォーム１５の外周を囲むように所定の厚みを有する非ハンダ濡れ性材を蓋体１４へ接合することにより形成することもできる。

上記非ハンダ濡れ性部１４１の無有それぞれの場合における、蓋体１４の裏面のハンダ濡れ拡がり状態を図５及び図６に示す。ここで、図５，６は、組み立てられたパッケージ１を分解して得られた蓋体１４のスペーサ１３付近の角部における状態を示しており、非ハンダ濡れ性部１４１が無い場合には、図５に示すように、蓋体１４の外周付近まで溶融したハンダ１５１が濡れ拡がっている。一方、非ハンダ濡れ性部１４１が有る場合には、図６に示すように、非ハンダ濡れ性部１４１によってハンダ１５１が堰き止められ、濡れ拡がりが防止されている。

[嵌装部]
本態様の嵌装部であるスペーサ１３は、図１、２に示すように、切欠部１２１に挿通された光ファイバ１６の素線部１６１と蓋体１４とで形成される間隙とに嵌装可能に構成されている。なお、スペーサ１３には、上記枠体１２と同様に、例えば１７質量％コバルト−２９質量％ニッケル−鉄合金（コバール）などを用いることが望ましい。

少なくともスペーサ１３の切欠部１２１側にある底面には、切欠部１２１に充填されるハンダが密着可能なように金属メッキが施されている。なお、この金属メッキはスペーサ１３の全体に施されていても構わないが、図２に示すように、スペーサ１３の内側の側面１３１には金属メッキを施さず非ハンダ濡れ性部とすれば、ハンダの濡れ広がりを更に防止することができ好ましい。加えて、スペーサ１３の外側の面１３２にも金属メッキを施さず非ハンダ濡れ性部とすれば、ハンダの濡れ広がりを更に阻害することができ好ましい。

本発明の嵌装部は上記スペーサ１３に限らず、例えば図３に示すように、蓋体１４に一体に形成した凸部１３ａとしてもよい。蓋体１４と嵌装部１３とを別体とせず、一体とすることによりパッケージ１の組み立て時にける調整の手間を省略することができる。

[ハンダプリフォーム]
ハンダプリフォーム１５は、切欠部１２１の容積に対して５０％〜２００％の体積を有するとともに切欠部１２１と同程度の幅と厚みを有する錫−銀−銅系ハンダの板体である。ハンダプリフォーム１５は、スペーサ１３の内側に位置するように蓋体１４へ固着されている。このハンダプリフォーム１５は、蓋体１４と枠体１２とをパラレルシーム溶接したとき熱によって溶融する。その溶融したハンダは、蓋体１４と枠体１２との溶接と同時に切欠部１２１に充填され、冷却凝固し、切欠部１２１を封止する。

上記パッケージ１及びそれを用いた電子部品の製造方法について図１、４、８を参照しつつ説明する。なお、以下のパッケージ１を組み立てるときには、事前に各部品を十分乾燥させるとともに、不活性雰囲気内で行うことが好ましい。

まず、銀ろうなどによって基体１１と枠体１２の底面を接合し、第２開口部１２３を基体１１によって閉塞する。次に、光ファイバ１６の結合部１６３がホトダイオード１７の真上にくるように光ファイバ１６を配置し、光ファイバ１６を接着剤で固定し、結合部１６３と光部品１７の位置関係を保持する。この時、光ファイバ１６のメッキ部１６２は切欠部１２１の上へ配置されている。次いで、スペーサ１３を所定位置に配置するとともに、ハンダプリフォーム１５が固着された蓋体１４を枠体１２に位置合わせする。

次に、図８に示すように、パラレルシーム溶接によって枠体１２と蓋体１４を接合する。シーム溶接電極１９が蓋体１４を介してスペーサ１３の上を移動しながら加熱することで、スペーサ１３の内側に配設されたハンダプリフォーム１５が溶融される。ここで、非ハンダ濡れ性部１４１及びスペーサ１３により溶融したハンダの流れがブロックされるため、スペーサ１３の下にある切欠部１２１へ自重によりハンダが流れ込み、図４に示すように、切欠部１２１にハンダが充填される。なお、図８に示すシーム溶接電極１９は所定の速度で蓋体１４の外周部を常に移動しているため、シーム溶接電極１９の近傍で溶融したハンダが切欠部１２１を埋めた後、さらにスペーサ１３の外側の面を伝い溶接中のシーム溶接電極１９へ到達することは無い。また、図８に示すように、スペーサ１３を設けることにより、切欠部１２１の深さ（高さ）を深くすることができるので、シーム溶接電極１９と光ファイバ１６の間隔を取ることができ、シーム溶接電極１９の角部１９１が触れて光ファイバ１６が損傷することを防止できる。

上記、パッケージ１において、直径が０．１２５ｍｍの素線部１６１を使用した場合の、好適な切欠部１２１の高さを求めた。上記素線部１６１を挿通するためその誤差０．０５ｍｍを考慮し切欠部１２１の高さは０．２ｍｍ以上とする必要があった。そして、切欠部１２１の高さを０．２ｍｍから０．２ｍｍごとに１．２ｍｍまで変化させ、切欠部１２１に封止されたハンダの充填状態を目視で確認し良否を判定した。なお、切欠部１２１の幅は１．０ｍｍ、枠体１２の厚みは１．０ｍｍであった。合格率を表１に示す。また、ハンダプリフォーム１５には、錫−３．０質量％銀−０．５質量％銅ハンダを使用した。

表１に示すように切欠部１２１の高さが１．０ｍｍになると、自重のために切欠部１２１に充填されたハンダ１５１が落下し、切欠部１２１が封止されない場合がある（図１２参照）。したがって、切欠部１２１の高さは、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとすることが好ましい。

上記パッケージ１において、ハンダプリフォーム１５として、融点２８０℃である８０質量％金−２０質量％錫ハンダ、及び、融点２２０℃である錫−３．０質量％銀−０．５質量％銅ハンダを用い、それぞれ３０個及び５０個のパッケージ１を組み立て、気密封止性を確認した。なお、本実施例では、枠体１２の厚みは１．０ｍｍ、切欠部１２１の大きさは幅１．０ｍｍ、高さ０．４ｍｍであった。また、蓋体１４、枠体１２、スペーサ１３には、１７質量％コバルト−２９質量％ニッケル−鉄合金（コバール）を使用した。

上記気密封止性は、グロスリークテストで確認した。グロスリークテストは、組み立てたパッケージを８５℃から１２５℃に加熱したＦＣ４０フロリナート溶液中へ1分以上浸漬し、パッケージ内部からの気体漏れの有無を確認する試験方法である。結果を表２に示す。

ハンダプリフォーム１５として８０質量％金−２０質量％錫ハンダを用いた場合には、全てのパッケージにおいて気密封止することが出来なかった。これは、枠体１２の上面に設けられた金属メッキ（融点９５０℃）を溶融して蓋体１４（融点１４５０℃）と枠体１２とをシーム溶接で接合する場合には、蓋体１４が溶融しないように金属メッキのみを溶かす必要があり、加熱温度に制限があるためである。すなわち、上記パッケージ１はスペーサ１３を有するため、ハンダを充填すべき切欠部１２１の素線部１６１周辺部位と加熱部位とが離れている、したがって、ハンダプリフォーム１５自体は溶融しても切欠部１２１において上記ハンダの融点である２８０℃を超えることが出来ない。その結果、ハンダを十分に切欠部１２１に充填することが出来ず気密封止性が得られないと考えられる。これは、切欠部１２１の底部へ温度センサを取り付けて確認した切欠部１２１の底部の温度が２７５℃前後であったことでも裏付けられた。

一方で、錫−３．０質量％銀−０．５質量％銅ハンダを用いた場合には図１１に示すように蓋体１４へのハンダ拡がりが無く、切欠部１２１を充填するに十分なハンダが供給され気密封止性が確保できた。

なお、本発明においてハンダプリフォーム１５を構成するハンダは上記に限定されず、例えば錫を主成分として一部の元素を変えたもの、具体的には錫−３．５質量％銀（融点２２１℃）、錫−３．５質量％銀−０．７５質量％銅（融点２２０℃）、錫−４．０質量％銀−０．５質量％銅（融点２３５℃）、錫−０．７質量％銅（融点２２７℃）、錫−９質量％亜鉛（融点１９９℃）なども使用することができる。しかしながら、錫を主成分としたハンダであって、鉛、アンチモン、ビスマスを含むものについては、融点２７５℃以下の条件に当てはまるものもあるが、鉛、アンチモン、ビスマスは人体に有害な元素であるため、対象外とすることが望ましい。

本発明のパッケージ及び電子部品の実施態様の一例を示す斜視図である。 図１の側面断面図である。 図１の蓋体の裏面から見た斜視図である。 図１のパッケージを組み立てた後の外観写真である。 図３の非ハンダ濡れ性部が無い場合のハンダの濡れ広がり状況を示す外観写真である。 図３の非ハンダ濡れ性部が有る場合のハンダの濡れ広がり状況を示す外観写真である。 従来の蓋体及び枠体の接合状況を説明する図である。 図１の蓋体及び枠体の接合状況を説明する図である。 従来のパッケージの斜視図である。 従来のパッケージにおける蓋体へのハンダの濡れ広がりの状態を説明するための外観写真である。 図１のパッケージを組み立てた後の蓋体へのハンダの濡れ広がり状況を示す外観写真である。 図１の切欠部へのハンダの充填状態を示す外観写真である。

符号の説明

１ パッケージ
１１ 基体
１１３ 表面導電パターン
１１４ 内部導電パターン
１１５ リードフレーム
１２ 枠体
１２１ 切欠部
１２２ 第１開口部
１２３ 第２開口部
１３ 嵌装部（スペーサ）
１３１ 非ハンダ濡れ性部
１３２ 非ハンダ濡れ性部
１４ 蓋体
１４１ 非ハンダ濡れ性部
１５ ハンダプリフォーム
１５１ 溶融したハンダ
１６ 光ファイバ
１６１ 素線部
１６２ メッキ部
１６３ 結合部
１７ ホトダイオード
１８ ワイヤーボンディング
１９ シーム溶接電極
１９１ シーム溶接電極角部

Claims (9)

1. 光ファイバが接続される電子部品用パッケージであって、第１開口部と密閉された第２開口部とを有し前記光ファイバが挿通可能でハンダ濡れ性を有する切欠部が第１開口部の辺縁に形成された金属製枠体と、前記第１開口部を閉塞する蓋体と、前記蓋体と前記切欠部に挿入された光ファイバとの間隙に嵌装されるとともにハンダ濡れ性を有する嵌装部とを備え、前記嵌装部の内側に配設されたハンダプリフォームの外周に非ハンダ濡れ性部が形成されている電子部品用パッケージ。
2. 前記嵌装部は、前記蓋体に一体に設けられた凸部である請求項１に記載の電子部品用パッケージ。
3. 前記嵌装部は、スペーサである請求項１に記載の電子部品用パッケージ。
4. 前記嵌装部の内側の側壁はハンダ濡れ性を有しない請求項１に記載の電子部品用パッケージ。
5. 前記非ハンダ濡れ性部は帯状に形成されている請求項１に記載の電子部品用パッケージ。
6. 前記嵌装部及び蓋体の裏面にはハンダ濡れ性を有する金属メッキが施されており、前記非ハンダ濡れ性部には前記金属メッキが施されていない請求項１に記載の電子部品用パッケージ。
7. 前記ハンダプリフォームは、錫−銀−銅系ハンダである請求項１に記載の電子部品用パッケージ。
8. 前記光ファイバの直径が０．１２５ｍｍであり、前記切欠部の高さが０．２〜１ｍｍである請求項１に記載の電子部品用パッケージ。
9. 請求項１乃至８のいずれかの電子部品用パッケージを用いた電子部品であって、前記切欠部に挿入された光ファイバと、前記切欠部に充填された気密封止用ハンダを有する電子部品。

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