JP2008108786A - 光半導体用ステム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、かつ、半導体発光素子とレンズとの距離を設計値通りに一定に保つことができ、更に、組立の効率化を図ることができる光半導体モジュール用金属ステム、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】金属ステム１ａのベース部１１ａ外周部には、環状溝部１５が形成されている。光透過キャップ３ａを金属ステム１ａに抵抗溶接する際には、金属キャップ３ａのフランジ部３３の端面３５が金属ステム１ａのベース部１１ａの表面１６に当接する。したがって、受／発光素子２の光軸に対するレンズ４の光軸の傾斜を抑制することができ、かつ、受／発光素子２とレンズ４の中心との距離を一定に保つことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体用ステム、光半導体モジュール及び光半導体モジュールの製造方法に関し、より特定的には、光半導体素子等を気密封止するために用いられる光半導体用ステム、光半導体モジュール及び光半導体モジュールの製造方法に関する。

光ファイバに接続される光通信用光半導体モジュールは、素子搭載部に光半導体素子等を搭載された金属ステムを気密封止するために取り付けられる光透過キャップを備える。従来、光半導体モジュールを構成する一部として、光ファイバ、光ファイバと光半導体素子とを光結合させるための光透過キャップ、レーザーダイオードなどの発光素子やフォトダイオードなどの受光素子といった光半導体素子を搭載した金属ステムが知られている。

図３（ａ）は、従来の光ファイバによる光通信用光半導体モジュールを示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ部拡大図である。図３（ａ）に示される光半導体モジュールは、金属ステム１と、リード１３と、受／発光素子２と光透過キャップ３とを備える。金属ステム１は金属材料によって構成され、円盤状のベース部１１と、ベース部１１の表面に形成された素子搭載部１２とを備える。受／発光素子２は、例えば半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子と、フォトダイオード等の受光素子とを含む素子であり、金属ステム１の素子搭載部１２上に実装されている。リード１３は、光半導体モジュールの入出力端子を構成する。リード１３の各々は、金属ステム１のベース部１１を貫通し、かつ、金属ステム１との間が絶縁されるように、ベース部１１に取り付けられている。また、リード１３の各々は、ボンディングワイヤ１４を介して、受／発光素子２に電気的に接続されている。

光透過キャップ３は受／発光素子２を気密状態に封止するために、金属ステム１のベース部１１に取り付けられ、円形状のキャップ天板部３０とキャップ天板部３０の外周縁の全体に接続される円筒形状の円筒部３２と、円筒部３２の開放端に接続されるフランジ部３０１と、レンズ４を備える。キャップ天板部３０の中央部には、開孔を形成することによって、光透過用の窓部３１が形成されている。レンズ４は受／発光素子２と光ファイバ６とを光結合させるため、すなわち、受／発光素子２から出射された光を光ファイバ６へと入射し、光ファイバ６から出射された光を受／発光素子２へと入射するために設けられている。レンズ４は、例えば、低融点ガラスや半田を用いて、または、熱封着によって、キャップ天板部３０に取り付けられている。また、光透過キャップ３のフランジ部３０１には、突起部３０２が形成されている。突起部３０２は、円筒部３２の軸中心を取り囲み、かつ、フランジ部３０１の表面から環状に突出するように形成されている。また、光透過キャップ３のフランジ部３０１の端面３０３からレンズ４までの距離は、受／発光素子２の発光面（受光面）からレンズ４までの距離に応じた所定の寸法に設定されている。

光半導体モジュールは、図３（ａ）に示されるように、円筒形状の金属製スリーブ５及びフェルール部７を介して、光ファイバ６に接続される。金属製スリーブ５の内壁は、段付孔構造、すなわち、図３（ａ）における上端から下端へと段階的に内径が大きくなるように形成されている。フェルール部７は、光ファイバ６を挿入するための貫通孔を有し、金属製スリーブ５の中空内部に挿入されている。また、フェルール部７における受／発光素子２側の端面は、ファイバ端面における入射光の反射によって生じる光損失を抑制するために、光軸に対して傾斜するように研磨されている。尚、金属製スリーブ５の長さは、レンズ４から光ファイバ６の端面までの距離が所定の寸法となるように設定されている。

ここで、上記のような従来の光半導体モジュールの製造方法について説明する。まず図３（ａ）に示されるように、素子搭載部１２上に受／発光素子２が搭載された金属ステム１を用意し、突起部３０２の先端部がベース部１１表面の外周部分に当接するように、光透過キャップ３が金属ステム１に載置される。次に、受／発光素子２がレンズ４の光軸上に位置するように、金属ステム１と光透過キャップ３との相対位置が調整される。次に、突起部３０２に加圧・通電して抵抗溶接を行うことによって、光透過キャップ３は、金属ステム１に固着される。これにより、受／発光素子２は金属ステム１と光透過キャップ３とによって気密封止される。光透過キャップ３を金属ステム１に固着した後に、フェルール部７を介して光ファイバ６が取り付けられた金属製スリーブ５を、キャップ天板部３０の外方面上に配置する。その後、金属製スリーブ５をキャップ天板部３０に当接させた状態のまま、金属製スリーブ５をレンズ４の光軸と直行する方向（図３（ａ）における左右方向）に摺動させることにより、レンズ４と光ファイバ６との間で光軸の位置関係が調整される。そして、金属製スリーブ５と光透過キャップ３とをレーザ等を用いて溶接することによって、光ファイバ６はフェルール部７及び金属製スリーブ５を介して、光透過キャップ３に対して固定される。

上記のような光半導体モジュールの製造方法においては、受／発光素子２が搭載された金属ステム１に光透過キャップ３を抵抗溶接する際に、光透過キャップ３に設けられた突起部３０２の潰れの程度が一定ではなく、ばらつきやすいという問題がある。突起部３０２の潰れの程度がばらつくと、レンズ４と受／発光素子２との距離が設計値からずれるため、受／発光素子２と光ファイバ６との結合損失が増加するという問題がある。

そこで、抵抗溶接時における突起部の潰れのばらつきが大きいことに起因する結合損失を低減させるために、フランジ部に抵抗溶接用の突起が形成されていない光透過キャップを用いた光半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）特許文献１に記載の光半導体モジュールは、受／発光素子が搭載された鍔付きステムと、フランジ部を有する光透過キャップと、断面が階段状に形成され、段毎に突起部が形成された段付輪体とを備える。当該光半導体モジュールは、受／発光素子とレンズとの位置関係が一定に維持されるため、高い光結合効率を得ることができる。
特開平６−２９１３６９号公報

特許文献１に記載の従来の光半導体モジュールは、金属ステムと、光透過キャップとに加えて、これらを接続するための段付輪体を別途必要とする。段付輪体の外形は、必然的に光透過キャップの外形より大きくなるため、組立後の光半導体モジュールのサイズもまた大きくなる。したがって、特許文献１に記載の光半導体モジュールは、小型化に不向きであるという問題がある。また、互いに光軸の位置調整がされた金属ステム及び光透過キャップの各々に対して、段付輪体を抵抗溶接する際には、再度の光軸調整が必要であるため、光半導体モジュールの製造時の作業効率が悪いという問題もある。

そこで、本発明は、小型化が可能で、かつ、半導体発光素子とレンズとの距離を一定に保つことができ、更に、組立の効率化を図ることができる金属ステム及びそれを用いた光半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、光半導体モジュールの一部を構成する金属ステムであって、金属よりなるベース部と、ベース部表面に光半導体素子搭載用の素子搭載部と、ベース部とは絶縁された状態で立設してなるリード部とからなり、ベース部表面の外周端より内側に位置する環状溝部を設ける。

このような構成によれば、光半導体素子を気密封止するために、光透過キャップを金属ステムに抵抗溶接する際に、金属キャップのフランジ部端面が金属ステムのベース部端面に当接するため、フランジ部に設けられた突起部の押し込み量を一定にすることができる。

ここで、環状に設けられた溝部は、ベース部の端面と平行方向環状であることが良い。

このような構成によれば、光透過キャップを金属ステムに抵抗溶接する際に、光透過キャップのフランジ部が金属ステムのベース部の表面に面接触するため、光半導体素子の光軸に対する光透過キャップの中心軸の傾きを抑制することが可能となる。

第２の発明は、光半導体素子が封入される光半導体モジュールであって、ベース部の外周端に略垂直方向に溝部を環状に設けた金属ステムと、光透過用窓を有する天板部と、天板部の外周端から略垂直方向に延在する円筒壁部により形成された円筒部と、円筒部から天板部と平行方向環状に延出するフランジ部と、光透過用窓で封着された光学レンズと、フランジ部から略垂直方向に突出する突起部が環状に設けられた光透過キャップとからなり、光半導体素子が実装された金属ステムと、光透過キャップとからなり光学レンズを備えた窓部に結合された光ファイバとを備えた光半導体モジュールであって、突起部と金属ステムとが溶着され、フランジ部端面と金属ステムのベース部の表面とが当接した状態で抵抗溶接されてなる。

このような構成によれば、光透過キャップを金属ステムに抵抗溶接する際に、光透過キャップのフランジ部が金属ステムのベース部の表面に当接するため、フランジ部に設けられた突起部の押し込み量を一定にすることができる。

本発明に係る金属ステム、光半導体モジュールによれば、天板部に形成された開孔を覆うように取り付けられるレンズと、光半導体素子との距離が一定の光半導体モジュールを構成することが可能となる。また、金属ステムに溝部を平坦状に形成することによって、光透過キャップを金属ステムに抵抗溶接する際に、光透過キャップのフランジ部と金属ステムのベース部の表面とが面接触するため、光半導体素子の光軸と、レンズの光軸との傾きが抑制され、結合損失がより低減される光半導体モジュールを安定して構成することができる。更に、光透過キャップを金属ステムに溶接する際に、部品点数が必要最小限であり、かつ、溝部を設けたことで組立作業時の幅方向のズレを抑制することができるため、金属ステムに対する光透過キャップの位置決め精度が向上し、組立作業が容易となる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の実施の形態１に係る光通信用光半導体モジュールを示す断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示されるＡ部拡大図である。図１（ａ）に示される光半導体モジュール１００ａは、金属ステム１ａと、金属ステム１ａ上に実装された受／発光素子２と、リード１３と、光透過キャップ３ａとを備える。

金属ステム１ａは、例えば、鉄やコバール等の金属材料によって形成され、円盤状のベース部１１ａと、ベース部１１ａの表面に形成された素子搭載部１２と、ベース部１１ａの外周端に環状に設けられた環状溝部１５とを備える。環状溝部１５は、ベース部１１ａの外周に沿ってベースの軸中心を環状に取り囲むようにベース部１１ａに設けられている。受／発光素子２は、例えば、半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子、フォトダイオード等の受光素子の少なくとも一方または両方を含む素子である。リード１３は、光半導体モジュール１００ａの入出力端子を構成する。リード１３の各々は、ベース部１１ａを貫通し、かつ、ベース部１１ａとの間が絶縁された状態でベース部１１ａに取り付けられている。また、リード１３の各々は、ボンディングワイヤ１４を介して、受／発光素子２と電気的に接続されている。

光透過キャップ３ａは、金属ステム１ａ上に実装された受／発光素子２を気密状態に封止するために、ベース部１１ａの表面に取り付けられるものである。光透過キャップ３ａは、キャップ天板部３０と、円筒部３２と、フランジ部３３と、突起部３４と、レンズ４とを備える。

キャップ天板部３０は、平面視において円形状を有し、その中央に円形状の開孔によって、光を透過させるための窓部３１が形成されている。円筒部３２はキャップ天板部３０の外周縁の全体に接続され、キャップ天板部３０に対して直交する一方向（図１（ａ）においては、下方向）へと延びる円筒形状に形成されている。フランジ部３３は、円筒部３２の開放端の全体に接続され、円筒部３２の中心軸に対して直交する方向へと広がるように形成され、かつ、キャップ天板部３０の外方面を含む平面（図１（ａ）に示される二点鎖線）から所定の第２の距離Ｄ２まで環状に形成されている。第２の距離Ｄ２は受／発光素子２の発光面（受光面）からレンズ４までの距離が、所定の寸法となるように設定されている。突起部３４は、円筒部３２の軸中心を円形状に取り囲むように、かつ、キャップ天板部３０の外方面を含む平面（図１（ａ）に示される二点鎖線）から所定の第１の距離Ｄ１まで環状に突出するようにフランジ部３３に形成されている。尚、突起部３４は、光透過キャップ３ａを金属ステム１ａに抵抗溶接するために用いられるものである。

ここで、ベース部１１ａ表面の外周端より内側に環状に設けられた環状溝部１５の内径は、光透過キャップ３ａの内径よりも大きく設定されている。また、環状溝部１５の外形は光透過キャップ３ａの外形よりも小さく、かつ、突起部３４の外形より大きく設定されている。

実施の形態１においては、図１（ｂ）に示されるように、環状溝部１５のベース部１１ａ表面からの高さＬは、フランジ部３３表面からの突起部３４の高さＲより小さく設定されている。一例として、環状溝部１５の高さＬは、突起部３４の高さＲに対して、４０％以上７０％以下の範囲に設定されることが好ましい。

尚、図１（ａ）及び図１（ｂ）において、ベース部１１ａ表面の外周端より内側に形成される環状溝部１５及び突起部３４は、図示によって特定される形状以外の形状に形成されても良い。より具体的には、環状溝部１５及び突起部３４の形状及び寸法は、組立工程において、金属ステム１ａのベース部１１ａ上に光透過キャップ３ａを図１（ａ）に示される状態に配置したときに、突起部３４の先端がベース部１１ａ外周の環状溝部１５の底面に当接し、かつ、フランジ部３３の端面３５とベース部１１ａの表面１６との間に所定寸法の隙間が形成されるように設定されていれば良い。このように構成されていれば、フランジ部３３の端面３５は、抵抗溶接時に突起部３４が溶融した後に、初めてベース部１１ａに当接することができる。

またフランジ部３３の端面３５の平面度と、ベース部１１ａの表面のうち抵抗溶接時に端面３５が当接する部分の平面度とは、光透過キャップ３ａの取付精度を確保する観点から、０．０２０ｍｍ以下に設定されることが望ましい。

レンズ４は、キャップ天板部３０に形成された窓部３１を覆うように、キャップ天板部３０に取り付けられている。レンズ４は、例えば、低融点ガラスや半田等を用いて、あるいは、熱封着によってキャップ天板部３０に取り付けられる。

光半導体モジュール１００ａは、図１（ａ）に示されるように、円筒形状の金属製スリーブ５と、円筒形状のフェルール部７とを介して、光ファイバ６に接続される。金属製スリーブ５の内壁は、段付孔構造、すなわち、図１（ａ）における上端から下端へと段階的に内径が大きくなるように形成されている。フェルール部７は、その軸中心を貫通する細孔を有し、金属製スリーブ５の中空部分の上端に挿入されている。また、フェルール部７における受／発光素子２側の端面は、入射光のファイバ端面での反射による光損失を抑制するために、光軸に対して所定角度だけ傾斜するように研磨されている。尚、金属製スリーブ５の長さは、レンズ４から光ファイバ６の端面までの距離が所定の寸法となるように設定されている。

ここで、図１（ａ）に示される光半導体モジュール１００ａの製造方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る光通信用半導体モジュールの製造工程を示す概略工程図である。まず、図２（ａ）に示されるように、溶接用電極１０ａ上に、素子搭載部１２に受／発光素子２が搭載された金属ステム１ａが配置される。このとき、金属ステム１ａは、そのベース部１１ａの下面における外周部分が溶接用電極１０ａの上面に接するように配置される。一方、光透過キャップ３ａは、溶接用電極１０ｂによって保持され、キャップ天板部３０の内方面がベース部１１ａの表面に対向するように配置される。

次に、図２（ｂ）に示されるように、溶接用電極１０ａ及び１０ｂを互いに近づけるように移動させることによって、突起部３４の先端がベース部１１ａ表面の外周端より内側に設けられた環状溝部１５の底面に当接するように、光透過キャップ３ａを金属ステム１ａに対して配置する。

次に、光透過キャップ３ａのレンズ４の光軸と、受／発光素子２の光軸とが一致するように、金属ステム１ａに対する光透過キャップ３ａの位置が調整される。その後、一対の溶接用電極１０ａ及び１０ｂを互いに近づく方向に加圧しながら、溶接用電極１０ａ及び１０ｂの間に通電して、光透過キャップ３ａを金属ステム１ａに抵抗溶接する。抵抗溶接の過程において、突起部３４が溶融するため、溶接用電極１０ａ及び１０ｂの間に加えられる圧力によって、光透過キャップ３ａは、ベース部１１ａの表面１６に近づくように移動する。そして、図２（ｃ）に示されるように、突起部３４の溶融がさらに進行すると、フランジ部３３の端面３５がベース部１１ａの表面１６に当接する。

次に、溶融された突起部３４が冷却されると、受／発光素子２は、金属ステム１ａと光透過キャップ３ａとで気密封止された状態となる。そして、図２（ｄ）に示されるように、溶接用電極１０ａ及び１０ｂが、それぞれ金属ステム１ａ及び光透過キャップ３ａから取り外され、金属ステム１ａへ光透過キャップ３ａの抵抗溶接が完了する。

その後、図１（ａ）に示したように、光透過キャップ３ａのキャップ天板部３０の外方面上に、金属製スリーブ５とフェルール部７とを介して光ファイバ６が取り付けられる。組立の一例として、まず、光ファイバ６は、フェルール部７に形成された細孔に挿通するように、フェルール部７に固定される。次に、フェルール部７は金属製スリーブ５の貫通孔に嵌合するように、金属製スリーブ５に取り付けられる。そして、フェルール部７を介して、光ファイバ６が固定された金属製スリーブ５は、その開放端部がキャップ天板部３０の外方面に当接するように配置される。金属製スリーブ５は、その開放端がキャップ天板部３０の外方面に当接した状態のまま、レンズ４の光軸と直交する方向に摺動され、レンズ４の光軸と光ファイバ６の光軸との相対位置が調整される。光軸調整が完了した後、金属製スリーブ５は、レーザ等を用いて光透過キャップ３ａに溶接され、固定される。

以上のように、実施の形態１に係る金属ステム１ａは、ベース部１１ａ表面の外周端より内側に環状に設けられた環状溝部１５を備える。光透過キャップ３ａを金属ステム１ａに抵抗溶接する工程において、フランジ部３３の端面３５がベース部１１ａの表面１６に当接するため、突起部３４のベース部１１ａ表面の外周端より内側に環状に設けられた環状溝部１５への押し込み量が一定となる。したがって、ベース部１１ａ上の素子搭載部１２に実装された受／発光素子２からレンズ４までの距離を、キャップ天板部３０の外方面を含む平面からフランジ部３３の端面３５までの距離によって規定することができる。

また、実施の形態１においては、光透過キャップ３ａを金属ステム１ａに抵抗溶接する工程において、突起部３４が溶融すると、フランジ部３３の端面３５は、図２（ｄ）に示されるように、ベース部１１ａの表面１６に面接触する。したがって、受／発光素子２の光軸に対する光透過キャップ３ａの傾きが抑制されるので、金属ステム１ａと光透過キャップ３ａの組立精度が向上し、受／発光素子２の光軸に対してレンズ４の光軸が傾くことに起因する結合損失を低減することが可能となる。

更に、実施の形態１に係る光透過キャップ３ａと金属ステム１ａによれば、受／発光素子２とレンズ４との距離は、設計値通りに規定されるため、受／発光素子２に含まれる発光素子から出射された光を、レンズ４を介して、光ファイバ６に効率的に結合させることが可能となる。同様に、光ファイバ６から出射された光を、レンズ４を介して、受／発光素子２に含まれる受光素子に効率的に結合させることが可能となる。

このようにベース部１１ａ表面の外周端より内側に環状に設けられた環状溝部１５を形成することにより、組立時にベース部１１ａ外周に設けられた環状溝部１５に、金属キャップ３ａの突起部３４が収容されることによって、光軸に対して直交する方向における突起部３４の移動が規制される。これにより、組立時の作業性が向上すると共に、光透過キャップ３ａが光軸に対して直交する方向にずれることを抑制することが可能となる。また、ベース部１１ａ表面の外周端より内側に環状に環状溝部１５を設けたことで、光透過キャップ３ａを抵抗溶接する際に、突起部３４がつぶれたりすることにより発生するスプラッシュにより金属微粒がベース部１１ａ内部に入り込むのを防止することが可能となる。

本発明は、例えば、窓部を有する金属シェルと、ガラス等のレンズを含む光透過キャップを、金属ステムに抵抗溶接するため等に有用であり、特に、光ファイバを介する光通信に用いられる光半導体モジュール等に適している。

（ａ）本発明の実施形態１に係る光通信用光半導体モジュールを示す断面図、（ｂ）図１（ａ）に示されるＡ部の拡大図 本発明の実施の形態１に係る光通信用光半導体モジュールの製造工程を示す概略工程図 （ａ）従来の光通信用光半導体モジュールを示す断面図、（ｂ）図３（ａ）に示されるＢ部の拡大図

符号の説明

１ 金属ステム
２ 受／発光素子
３ 光透過キャップ
４ レンズ
５ 金属製スリーブ
６ 光ファイバ
７ フェルール部
８ 溶接用電極
１１ ベース部
１２ 素子搭載部
１３ リード
１４ ボンディングワイヤ
１５ 環状溝部
１６ 表面
３０ キャップ天板部
３１ 窓部
３２ 円筒部
３３ フランジ部
３４ 突起部
３５ 端面
３０１ フランジ部
３０２ 突起部
３０３ 端面

Claims (3)

1. 光半導体モジュールの一部を構成する金属ステムであって、金属よりなるベース部と、前記ベース部表面に光半導体素子搭載用の素子搭載部と、前記ベース部とは絶縁された状態で立設してなるリード部とからなり、前記ベース部表面の外周端より内側に位置する環状溝部を設けたことを特徴とする金属ステム。
2. 前記環状に設けられた溝部が、前記ベース部の端面と平行方向環状であることを特徴とする請求項１記載の金属ステム。
3. 前記ベース部の外周端に略垂直方向に溝部を環状に設けた金属ステムと、光透過用窓を有する天板部と、前記天板部の外周端から略垂直方向に延在する円筒壁部により形成された円筒部と、前記円筒部から前記天板部と平行方向環状に延出するフランジ部と、前記光透過用窓で封着された光学レンズと、前記フランジ部から略垂直方向に突出する突起部が環状に設けられた光透過キャップとからなり、光半導体素子が実装された前記金属ステムと、前記光透過キャップとからなり光学レンズを備えた窓部に結合された光ファイバとを備えた光半導体モジュールにおいて、前記突起部と前記金属ステムとが溶着され、前記フランジ部端面と前記金属ステムのベース部の表面とが当接していることを特徴とする光半導体モジュール。

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