JP2010021250A - 光通信用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】枠体の側壁に配設されるレンズにクラックや破損が発生せず、組立が容易で且つ低コストで製造可能となる光通信用パッケージを提供する。
【解決手段】内側のキャビティ４を囲む複数の側壁３からなる金属製の枠体２と、かかる枠体２の一側壁３に設けた貫通孔８にハンダ付けされた金属製のレンズホルダ１０と、かかるレンズホルダ１０に穿設され、且つ上記貫通孔８の軸心と平行な透孔１２を塞ぎ、該透孔１２の周縁に低融点ガラス１４を介して固着されたレンズ１５とで、構成される光通信用パッケージ１であって、上記枠体２とレンズホルダ１０とは、同一の金属材料であるコバール（Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金）で構成されている、光通信用パッケージ１。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光通信用の半導体素子を収容するキャビティを含み、該キャビティの気密性に優れた光通信用パッケージに関する。

光通信用パッケージは、光源から放射された光を平行な光束にしたり、逆に平行な光束を集光する球面レンズあるいは非球面レンズを、キャビティを内設する枠体の一側壁に取り付けている。上記レンズは、例えば、枠体の一側壁を貫通する貫通孔に接合される金属製固定部材に、低融点ガラスを介して固着されている。
即ち、金属製固定部材と非球面レンズなどとを、低融点ガラスを介して加熱・ロウ付けした後で冷却すると、上記枠体、金属製固定部材、および、非球面レンズ間の熱膨張係数の違いによって、金属筒と非球面レンズとの接合部近傍の該レンズに大きな引張り応力が生じる。該引張り応力を受けた状態で、温度サイクル試験を行うと、上記レンズにクラックや破損が生じ、キャビティ内の気密性が保てず、リーク不良を生じる、という問題があった。

前記問題を解決し、前記非球面レンズへの熱応力の集中を緩和し、前記クラックなどの発生を防ぐため、例えば、前記金属製固定部材を第１・第２レンズホルダに分割して構成し、第１レンズホルダの円筒部をキャビティ内に突出させて前記枠体の貫通孔に接合し、該第１レンズホルダの円筒部の内側に、前記非球面レンズを内側に接合した第２レンズホルダを収納し且つ接合してなる光通信用パッケージが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−３４４７２２号公報(第１〜９頁、図１〜５)

しかし、前記特許文献１の光通信用パッケージの場合、前記非球面レンズへのクラックなどの発生を抑制できる反面、前記レンズを枠体に取り付けるため、異なる形状および寸法の第１・第２レンズホルダが必要となる。その結果、組立工数が増大してコスト高を招くと共に、枠体に内設されるキャビティの容積が上記各ホルダによって低減し、実装すべき半導体素子の搭載スペースに制約が生じる、という問題点があった。

本発明は、背景技術において説明した問題点を解決し、枠体の側壁に配設されるレンズにクラックや破損が発生せず、組立が容易で且つ低コストで製造可能となる光通信用パッケージを提供する、ことを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するため、キャビティを内設する金属製の枠体と、レンズを内側に固着した金属製のレンズホルダとの熱膨張を均一化する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の光通信用パッケージ（請求項１）は、内側のキャビティを囲む複数の側壁からなる金属製の枠体と、該枠体の一側壁に設けた貫通孔にハンダ付けされた金属製のレンズホルダと、該レンズホルダに穿設され、且つ上記貫通孔の軸心と平行な透孔を塞ぎ、該透孔の周縁に低融点ガラスを介して固着されたレンズとで、構成される光通信用パッケージであって、上記枠体とレンズホルダとは、熱膨張係数が同一の金属材料で構成されている、ことを特徴とする。
尚、上記「熱膨張係数が同一」とは、一方に対し他方が±１．０ｐｐｍ／℃迄の範囲を含む。

また、本発明の光通信用パッケージ（請求項２）は、内側のキャビティを囲む複数の側壁からなる金属製の枠体と、該枠体の一側壁に設けた貫通孔にハンダ付けされた金属製のレンズホルダと、該レンズホルダに穿設され、且つ上記貫通孔の軸心と平行な透孔を塞ぎ、該透孔の周縁に低融点ガラスを介して固着されたレンズとで、構成される光通信用パッケージであって、上記枠体とレンズホルダとは、同一の金属材料で構成されている、ことを特徴とするものとしても良い。

前記光通信用パッケージによれば、金属製の前記枠体と、金属製の前記レンズホルダと、該レンズホルダの透孔の周縁に低融点ガラスを介して固着されたレンズとで構成され、上記枠体とレンズホルダとは、熱膨張係数が同一の金属材料で構成されているか、あるいは、該枠体とレンズホルダとが、同一の金属材料で構成されている。そのため、枠体の一側壁に設けた貫通孔に、レンズが低融点ガラスを介して固着されたレンズホルダをハンダ付けすべく、所要温度に加熱した後に冷却しても、枠体とレンズホルダとは、同じか、同様に収縮するので、レンズを固着している低融点レンズには、引張応力が生じないか、極く僅かしか生じなくなる。従って、低融点レンズにクラックや破損が生じず、リークに伴う不良が解消されるため、キャビティ内の気密性を確実に保つことができる。

尚、前記枠体とレンズホルダとの熱膨張係数が、一方に対し他方が±１．０ｐｐｍ／℃迄の範囲にある場合にも、前記と同様な効果を奏することが可能である。
更に、前記レンズを低融点ガラスを介して固着するレンズホルダには、単一の金属部品で、且つ枠体の一側壁に設けた貫通孔およびその近傍にハンダ付けされるため、全体がほぼリング形状を呈する比較的簡素な構造のものを用いることが可能である。その結果、ハンダ付けを含む組立工数を増大させず、且つ容易に行い得るので、製造コストの低減も可能となる。

前記レンズホルダ、低融点ガラス、およびレンズの熱膨張係数（以下、ＣＴＥと記載する）は、レンズホルダ＞低融点ガラス＞レンズの関係を満たすことで、前記ハンダ付け時におけるレンズのクラックなどの発生を確実に防止できる。
従って、本発明において、前記枠体、レンズホルダ、低融点ガラス、およびレンズのＣＴＥの関係は、枠体＝レンズホルダ＞低融点ガラス＞レンズであるか、あるいは枠体≒レンズホルダ＞低融点ガラス＞レンズであることが必要である。
上記関係を満たすには、例えば、枠体およびレンズホルダは、コバール（Ｆｅ−２９質量％Ｎｉ−１７質量％Ｃｏ：ＣＴＥ＝５．１ｐｐｍ／℃）からなり、低融点ガラスは、ＣＴＥが４．５ｐｐｍ／℃のものからなり、レンズは、石英ガラス（シリカ：ＣＴＥ＝０．５ｐｐｍ／℃）からなる組み合わせが例示される。

尚、前記レンズには、球面レンズ、および非球面レンズが含まれる。
また、前記枠体とレンズホルダとを構成する金属材料は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金（例えば、前記コバール）が挙げられる。
更に、前記枠体の底面には、ベース板が固着され、前記貫通孔が形成された一側壁を除いた他の側壁には、内側のキャビティと外部とを導通する接続配線および端子が貫通して形成される。該キャビティは、半導体素子（例えば、光通信用のフォトダイオード、レーザダイオードなど）を底面に搭載した後、上方の開口部を蓋板で封止される。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１，図２は、本発明による一形態の光通信用パッケージ１を示す異なる視覚による斜視図、図３，図４は、図１，図２中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った断面における組立中、あるいは組立後の断面図である。
光通信用パッケージ１は、図１〜図４に示すように、内側のキャビティ４を囲む四辺（複数）の側壁３からなる金属製の枠体２と、該枠体２の底面側に接合されたベース板５と、上記枠体２の一側壁３に設けた貫通孔８にハンダ付けされた金属製のレンズホルダ１０と、該レンズホルダ１０の透孔１２のキャビティ４側の周縁に、該透孔１２を塞ぐように低融点ガラス１４を介して固着された球面レンズ（レンズ）１５とから構成されている。
枠体２は、平面視がほぼ正方形を呈する四辺の側壁３によって、ほぼ立方体のキャビティ４を囲み、その底面側にベース板５がロウ付けにより接合されることで、素子搭載部７を含むキャビティ４の底面６が形成されている。尚、枠体２およびベース板５は、例えば、コバール（ＣＴＥ：５．１ｐｐｍ／℃）からなる。

図３，図４に示すように、枠体２の一側壁３には、外部とキャビティ４とを連通する断面円形の貫通孔８が形成され、該貫通孔８には、ペースト状のハンダ（例えば、Ａｕ−Ｓｎ合金）ｈを介して、レンズホルダ１０がハンダ付けされている。
上記レンズホルダ１０は、枠体２の一側壁３の外側面に接合される円盤状のフランジ１１、貫通孔８の内周面に接合され、且つこれを貫通するように、フランジ１１からキャビティ４側に延びた円筒形の筒部１３、該筒部１３の内側で且つ外部側の位置から求心状に突設された円盤状の鍔１２ａ、および該鍔１２ａの中央部に開設され、軸心が貫通孔８の軸心と平行な透孔１２を備えている。該レンズホルダ１０は、例えば、コバールを切削加工して形成される。
予め、上記レンズホルダ１０において、透孔１２のキャビティ４側を塞ぐように、石英ガラス（ＣＴＥ：０．５ｐｐｍ／℃）からなる球面レンズ１５が、筒部１３と該筒部１３側の鍔１２ａの内側面１２ｂとの全周に渉って充填された低融点ガラス（ＣＴＥ：４．５ｐｐｍ／℃）１４を介して、固着されている。

図１〜図４に示すように、枠体２において、貫通孔８が形成された一側壁３と対向する側壁３には、断面が長方形で且つ横長の貫通孔９が形成されている。該貫通孔９には、例えば、アルミナなどのセラミック（絶縁材）からなり、平面視が矩形で且つ板状の絶縁ベース１６と、該絶縁ベース１６の表面から一体に突設された直方体の凸部１７とが貫通した状態で、ロウ付けにより固着されている。上記絶縁ベース１６の表面には、凸部１７の下部および貫通孔９を貫通し、且つキャビティ４と外部との間に沿って配線された複数の平行な接続配線１８が形成されている。各接続配線１８の外端部に位置する端子１９には、互いに平行な複数のリード線２０が個別にハンダ付けされている。上記接続配線１８は、例えば、Ｗなどからなり、上記リード線２０は、例えば、コバールからなる。
複数の上記接続配線１８のキャビティ４側には、素子搭載部７上に追って搭載されるフォトダイオードやレーザダイオードなどの半導体素子（図示せず）との間を接続するＡｕ製のワイヤが、個別にボンディングされる。
尚、絶縁ベース１６および凸部１７のセラミック面を除いた接続配線１８、端子１９、枠体２の各側壁３、およびベース板５の各表面には、Ｎｉメッキ層を介して、Ａｕメッキ層が被覆されている。

例えば、レンズホルダ１０の透孔１２内に一端が配設された図示しない光ファイバ中を伝送された平行な光束は、球面レンズ１５を透過した際に、キャビティ４内に実装される前記半導体素子の受光部付近の焦点で集光され、所要の電気信号ごとに変換された後、接続配線１８、端子１９、およびリード線２０を介して、外部の電子機器に送信される。
逆に、外部の電子機器からリード線２０、端子１９、および接続配線１８を介して、前記半導体素子に送信された複数の電気信号は、所定の光信号にそれぞれ変換された後、該半導体素子の発光部から発光され、球面レンズ１５を透過した後、平行な光束となって、前記光ファイバ中を伝送される。
尚、枠体２の上端には、前記半導体素子が実装されたキャビティ４を封止するため、図示しないコバールなどからなる蓋板がシーム溶接される。

以上のような光通信用パッケージ１は、金属製の前記枠体２と、金属製のベース板５と、金属製の前記レンズホルダ１０と、該レンズホルダ１０の透孔１２の周縁に低融点ガラス１４を介して固着された球面レンズ１５とで構成され、上記枠体２とレンズホルダ１０とは、ＣＴＥが同一のコバール（金属材料）で構成されている。しかも、レンズホルダ１０、低融点ガラス１４、および球面レンズ１５の順で、ＣＴＥが低くなる関係にある。そのため、枠体２の一側壁３に設けた貫通孔８に、予め球面レンズ１５を低融点ガラス１４を介して固着したレンズホルダ１０をハンダ付けすべく、所定温度に加熱した後、冷却した際に、該冷却時の収縮に伴う引張応力が、低融点ガラス１４に集中しにくくなる。その結果、該低融点ガラス１４にクラックや破損が生じなくなる。従って、光通信用パッケージ１によれば、半導体素子が実装されるキャビティ４の気密性が確実に保たれるので、信頼性の高い光通信が保証可能となる。

ここで、本発明の具体的な実施例を、比較例と併せて説明する。
コバール（ＣＴＥ：５．１ｐｐｍ／℃）からなり、互いに同じ寸法である複数のベース板５の上に、同じくコバールからなり、四辺の側壁３によってキャビティ４を囲んだ同じ寸法の複数の枠体２を、同じ条件で個別にロウ付けした。各枠体２における一側壁３には、予め、同じ内径の貫通孔８を設けられていた。
更に、コバールからなり、各部の寸法が同じである複数のレンズホルダ１０を用意し、これらの透孔１２ごとのキャビティ４側に、同量ずつの低融点ガラス（ＣＴＥ：４．５ｐｐｍ／℃）１４を介して、石英ガラス（ＣＴＥ：０．５ｐｐｍ／℃）からなり、同じ直径の球面レンズ１５を、同じ条件で個別に固着した。
各枠体２の貫通孔８の外側面と内周面に、Ａｕ−Ｓｎ系合金からなるペースト状のハンダｈを同じ範囲で配置し、上記レンズホルダ１０のフランジ１１および筒部１３を接触させた状態で、所定温度に加熱した後、冷却する同じ温度履歴によるハンダ付けを施して、実施例である１００個の光通信用パッケージ１を得た。

一方、コバールからなり、前記と同じ寸法である複数のベース板５の上に、コバールからなり、前記と同じ寸法で同じ貫通孔８を有する複数の枠体２を、同じ条件で個別にロウ付けした。
更に、５０質量％Ｆｅ−５０質量％Ｎｉ合金（ＣＴＥ：１０．０ｐｐｍ／℃）からなり、各部の寸法が前記と同じである複数のレンズホルダを用意し、これらの透孔１２ごとのキャビティ４側に、同量ずつの低融点ガラス（ＣＴＥ：９．３ｐｐｍ／℃）を介して、ホウ珪酸ガラス（ＣＴＥ：８．６ｐｐｍ／℃）からなり、前記と同じ直径の球面レンズを、同じ条件で個別に固着した。
各枠体２の貫通孔８の外側面と内周面に、前記と同じＡｕ−Ｓｎ系合金からなるペースト状のハンダｈを同じ範囲で配置し、上記レンズホルダ１０のフランジ１１および筒部１３を接触させた状態で、所定温度に加熱した後、冷却する前記と同じ温度履歴によるハンダ付けを施して、比較例である１００個の光通信用パッケージを得た。

尚、実施例および比較例の光通信用パッケージ（１）における各部のＣＴＥを、表１において対比して示した。
更に、実施例および比較例の光通信用パッケージ（１）ごとの低融点ガラス（１４）について、蛍光液の染み出しの有無を観察し、少なくとも１個のクラック、あるいは１個の破損が確認されたものは、「破損有り」と判定し、何れも観察されなかったものは、「なし」と判定し、かかる破損数も表１中に示した。

表１によれば、実施例である１００個の光通信用パッケージ１は、何れの低融点ガラス１４にも、クラックおよび破損が全く発見されなかった。
一方、比較例の光通信用パッケージでは、１００個のうち、５７個に少なくとも１個のクラック、あるいは１個の破損が確認された。
上記結果は、実施例の光通信用パッケージ１は、枠体２とレンズホルダ１０とが同じＣＴＥのコバールからなり、且つＣＴＥがレンズホルダ１０＞低融点ガラス１４＞球面ガラス１５の関係にあったため、前記ハンダ付け時の冷却の際に、収縮に伴う引張応力が低融点ガラス１４に集中しなかったことによる、ものと推定される。
一方、比較例の光通信用パッケージは、枠体２とレンズホルダとのＣＴＥが大きく乖離していたため、レンズホルダ＞低融点ガラス＞球面ガラスのＣＴＥの関係であったにもかかわらず、前記ハンダ付け時の冷却の際に、過半数の低融点ガラスに引張応力の集中によるクラックないし破損が生じた、ものと推定される。
以上のような実施例によって、本発明の効果が裏付けられた。

図５は、異なる形態の光通信用パッケージ１ａの概略を示す平面図である。
光通信用パッケージ１ａは、図５に示すように、平面視が長方形を呈し、対向する一対の短い側壁３ａおよび一対の長い側壁３ｂによりキャビティ４ａを囲む枠体２ａと、一方の側壁（一側壁）３ａに設けた貫通孔８に、前記同様にハンダ付けしたレンズホルダ１０と、その透孔１２のキャビティ４ａ側の周縁に前記同様の低融点ガラス１４を介して固着された前記同様の球面ガラス１５とから構成されている。
尚、枠体２ａおよびレンズホルダ１０は、コバールからなる。更に、枠体２ａの底面側には、平面視が長方形のベース板（図示せず）がロウ付けされている。

図５に示すように、枠体２ａにおいて、対向する一対の側壁３ｂには、横向きに細長い長方形の貫通孔９ａが対称に形成され、該貫通孔９ａには、前記同様の絶縁ベース１６、およびその表面に内外方向に沿って平行に配線された複数の接続配線１８が貫通して配置されている。各接続配線１８の端子１９には、他端が連結片２２を介して連なる複数のリード線２０の一端が、個別にハンダ付けされている。上記連結片２２は、使用に際して除去される。
以上のような光通信用パッケージ１ａによっても、前記光通信用パッケージ１と同様の作用を招来させ、且つ同様の効果を奏することが可能である。

本発明は、以上において説明した各形態および実施例に限定されない。
前記枠体２，２ａおよびレンズホルダ１０は、例えば、４２アロイ（Ｆｅ−４２質量％Ｎｉ合金、ＣＴＥ：６．０ｐｐｍ／℃）からなるものとしても良い。あるいは、互いに異なる金属材料からなるものであっても、両者のＣＴＥが同一であるか、一方に対し他方が±１．０ｐｐｍ／℃迄の範囲にあるものとしても良い。
また、前記枠体２，２ａとレンズホルダ１０とが前記関係であり、レンズホルダ１０、低融点ガラス１４、および球面レンズ１５は、ＣＴＥがレンズホルダ＞低融点ガラス＞レンズの関係にあれば、前記の各材料に限定されない。
更に、レンズは、前記球面レンズ１５に限らず、非球面レンズとしても良い。
加えて、前記光通信用パッケージ１ａにおいて、枠体２ａの対向する側壁３ａごとに設けた貫通孔８に、透孔１２の周縁に低融点ガラス１４を介してレンズ１５を固着した一対のレンズホルダ１０を、対称にハンダ付けし、これらに隣接する前記キャビティ４ａ内に一対の半導体素子を実装する形態としても良い。

本発明による一形態の光通信用パッケージを示す斜視図。 上記光通信用パッケージの異なる視覚による斜視図。 図１，図２中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った断面における組立中の断面図。 図１，図２中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った組立後の断面図。 異なる形態の光通信用パッケージの概略を示す平面図。

符号の説明

１，１ａ…………光通信用パッケージ
２，２ａ…………枠体
３，３ａ，３ｂ…一側壁／側壁
４，４ａ…………キャビティ
８…………………貫通孔
１０………………レンズホルダ
１２………………透孔
１４………………低融点ガラス
１５………………球面レンズ（レンズ）

Claims (2)

1. 内側のキャビティを囲む複数の側壁からなる金属製の枠体と、
   上記枠体の一側壁に設けた貫通孔にハンダ付けされた金属製のレンズホルダと、
   上記レンズホルダに穿設され、且つ上記貫通孔の軸心と平行な透孔を塞ぎ、該透孔の周縁に低融点ガラスを介して固着されたレンズとで、構成される光通信用パッケージであって、
   上記枠体とレンズホルダとは、熱膨張係数が同一の金属材料で構成されている、
   ことを特徴とする光通信用パッケージ。
2. 内側のキャビティを囲む複数の側壁からなる金属製の枠体と、
   上記枠体の一側壁に設けた貫通孔にハンダ付けされた金属製のレンズホルダと、
   上記レンズホルダに穿設され、且つ上記貫通孔の軸心と平行な透孔を塞ぎ、該透孔の周縁に低融点ガラスを介して固着されたレンズとで、構成される光通信用パッケージであって、
   上記枠体とレンズホルダとは、同一の金属材料で構成されている、
   ことを特徴とする光通信用パッケージ。

Images