JP2010034287A - キャップ及び光モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】抵抗溶接用のプロジェクションを有すると共に、ステムへ抵抗溶接されてキャンパッケージとなるキャップであって、抵抗溶接の際に、溶融した部分がキャンパッケージの素子搭載空間内へ飛び散ったり広がったりすることを、低コストで防ぐことができるキャップを提供する。
【解決手段】キャップ4は、集光レンズ4aを具備し、集光レンズ4aが固定されるキャップシェル4bの円筒状の本体部Bと、本体部Bの集光レンズ4aとは反対側端に設けられステムに溶接されるキャップシェル4bのフランジ部Fと、を有し、フランジ部Fには、ステムとの抵抗溶接のための環状のプロジェクションF1と、該プロジェクションF1より内周側に、プロジェクションF1の突出方向とは反対側に凹む環状の溝F2が、プレス加工により同心円状に形成されている。
【選択図】図2
【解決手段】キャップ4は、集光レンズ4aを具備し、集光レンズ4aが固定されるキャップシェル4bの円筒状の本体部Bと、本体部Bの集光レンズ4aとは反対側端に設けられステムに溶接されるキャップシェル4bのフランジ部Fと、を有し、フランジ部Fには、ステムとの抵抗溶接のための環状のプロジェクションF1と、該プロジェクションF1より内周側に、プロジェクションF1の突出方向とは反対側に凹む環状の溝F2が、プレス加工により同心円状に形成されている。
【選択図】図2
Description
本発明は、光電変換素子等の素子が搭載される空間の封止に用いられるキャップ及び当該キャップを備えた光モジュールに関する。
光信号の送信及び/または受信に用いられる同軸型の光モジュールは、光電変換素子等の素子を実装する素子実装部を有する金属製のステムと、上記素子実装部を覆うための金属製のキャップとを有する。一般的に、ステムは円板状に形成され、キャップは、円筒状であり、光電変換素子に対する光学窓と、光学窓が固定される円筒状のキャップシェルと、を有し、キャップシェルの光学窓固定端とは反対側の端部の周囲に、ステムと接合するフランジが設けられている。また、光モジュールでは、ステムにキャップを取付けて構成されるキャンパッケージにより、素子が搭載される空間(素子搭載空間)を封止している。
このキャンパッケージの組立の際、溶接により、キャップをステムに取り付け固定しており、溶接の方式としては、抵抗溶接を用いることが多い。
キャンパッケージの組立のときの抵抗溶接では、図4に示すように、冶具を兼ねた上下の電極E1,E2により、パッケージ101のキャップ102のフランジ102aを含むキャップ102及びステム103の周辺部104に、一定の加圧条件のもとで加圧しながら瞬間的な大電流を流し、その部分に発生するジュール熱により、キャンパッケージ101の全周を一度に封止する。ただし、この方法では、溶接部における部品の汚れ、あるいは圧力分布の不均等などに起因して、溶接の際に溶けた部分が素子搭載空間S内へ飛び散り、キャンパッケージ内の回路のショートの原因となる、といった問題がある。また、溶接の際に溶けた部分は、上記のように飛び散らなくても、素子搭載空間S内へはみ出すことがあり、その場合、溶けた部分が固化した後パッケージに振動などが加わると、はみ出している部分から金属片が生じることがある。
キャンパッケージの組立のときの抵抗溶接では、図4に示すように、冶具を兼ねた上下の電極E1,E2により、パッケージ101のキャップ102のフランジ102aを含むキャップ102及びステム103の周辺部104に、一定の加圧条件のもとで加圧しながら瞬間的な大電流を流し、その部分に発生するジュール熱により、キャンパッケージ101の全周を一度に封止する。ただし、この方法では、溶接部における部品の汚れ、あるいは圧力分布の不均等などに起因して、溶接の際に溶けた部分が素子搭載空間S内へ飛び散り、キャンパッケージ内の回路のショートの原因となる、といった問題がある。また、溶接の際に溶けた部分は、上記のように飛び散らなくても、素子搭載空間S内へはみ出すことがあり、その場合、溶けた部分が固化した後パッケージに振動などが加わると、はみ出している部分から金属片が生じることがある。
また、圧力分布を均一にするために、図6(A)に示すように、キャップ110のキャップシェル111のステムとの接触部分であるフランジ部111aに、プロジェクション111bと呼ばれる高さ0.1mm程度の突起を設けて、電流を集中させて、均一にキャップシェル111を溶融させることが行われているが、素子搭載空間への飛び散りや広がりを十分に抑えることができない。これは、プロジェクション111bを設けたとしても、図6(B)に示すように、抵抗溶接を行うとプロジェクション部分が溶け、キャップ110をステム112に押付けている圧力により、逃げ場を失った溶けた部分が、キャンパッケージの素子搭載空間Sに広がったりするからである。
この金属の溶融部分がパッケージ内部(素子搭載空間)に広がるのを抑えるためには、抵抗溶接の条件を見直すことにより回避できる場合もある。しかし、その場合は、キャップを押付けている圧力を抑えることにより、溶けた金属がパッケージ内部に広がる前に固めることができるが、圧力を抑えた分、溶接部分の均一性が低下する懸念や、溶接部分の気密性の低下につながる懸念がある。
特許文献1に開示の光モジュールは、キャップシェルのフランジ部にプロジェクションを有するキャップに構造的な工夫を施し、キャップの溶接後の高さを一定に保つことを目的としたものであるが、以下の構造により、溶融部分の素子搭載空間Sへの飛び散りや広がりが抑えられるようになっている。すなわち、特許文献1に開示の光モジュールは、図7に示すように、キャップ120が、レンズ121を保持するキャップシェル122を有しており、キャップシェル122のフランジ部Yのプロジェクション122aより内側に設けた、キャップ120の高さを決める凸部122bで、溶融部分の素子搭載空間Sへの飛び散りや広がりが抑えられる構造となっている。
特開2007−134644号公報
溶けた金属の素子搭載空間への飛び散りや広がりが抑えられる構造としては、特許文献1に開示のものが有効である。しかしながら、この構造に用いるキャップのキャップシェルは、その構造的に、プレス加工ができず、切削加工などの高コストな加工方法で製造する必要がある。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされ、抵抗溶接用のプロジェクションを有すると共に、ステムへ抵抗溶接されてキャンパッケージとなるキャップであって、抵抗溶接の際に、溶融した部分がキャンパッケージの素子搭載空間内へ飛び散ったり広がったりすることを、低コストで防ぐことができるキャップ及び当該キャップを備えた光モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のキャップは、光電変換素子を含む素子が実装されるステムに抵抗溶接されてキャンパッケージを構成する、光学レンズを具備したものであって、光学レンズが固定されるキャップシェルの円筒状の本体部と、本体部の光学レンズとは反対側端に設けられステムに溶接されるキャップシェルのフランジ部と、を有し、フランジ部には、ステムとの抵抗溶接のための環状のプロジェクションと、該プロジェクションより内周側に、プロジェクションの突出方向とは反対側に凹む環状の溝が、プレス加工により同心円状に形成されていることを特徴とする。
また、溝による空間の体積が、プロジェクションの体積に比べて小さいことが好ましい。また、光学レンズとしてのボールレンズが低融点ガラスによりキャップシェルの本体部に固定されているとよい。
なお、本発明は、上記キャップを用いたことを特徴とする光モジュールとすることもできる。
なお、本発明は、上記キャップを用いたことを特徴とする光モジュールとすることもできる。
本発明によれば、キャップシェルの本体部及びフランジ部を成型するプレス加工において、フランジ部に、抵抗溶接用のプロジェクションに加えて、そのプロジェクションより素子搭載空間側に溝を形成するので、抵抗溶接の際に溶けたプロジェクションが素子搭載空間に達するのを防ぐことができる。また、プレス加工で成型するため、キャップ及びキャップを備えた光モジュールを低コストで作製することができる。
図1は、本発明の光モジュールの一例をキャップの図示を省略して示す断面図である。図2は、本発明のキャップの一例を説明する図であり、図2(A)はキャップの断面図、図2(B)はキャップの下面図、図2(C)は図2(A)の部分拡大図である。図3は、図1の光モジュールのステムに図2のキャップを抵抗溶接したときの様子を示す断面図である。
本発明の光モジュールは、光電変換機能を有しており、その光電変換機能を担う光電変換素子としては、フォトダイオード(PD:Photo Diode)等の受光素子や、半導体レーザ(LD:Laser Diode)等の発光素子が挙げられる。以下では、本発明の光モジュールについて、PDを備える受光モジュールとして構成した例で説明する。
本発明の光モジュールは、光電変換機能を有しており、その光電変換機能を担う光電変換素子としては、フォトダイオード(PD:Photo Diode)等の受光素子や、半導体レーザ(LD:Laser Diode)等の発光素子が挙げられる。以下では、本発明の光モジュールについて、PDを備える受光モジュールとして構成した例で説明する。
本例の光モジュール1は、図1及び図2(A)に示すように、PD2等の素子が搭載される素子実装部を有するステム3と、ステム3を覆うキャップ4を備える。光モジュール1の素子搭載空間Sを封止するキャンパッケージは、同軸型であり、ステム3にキャップ4をプロジェクション溶接により取付けて構成されている。
本発明の光モジュールは、キャップの構造に特徴があるものであるが、まず、ステム3について説明する。
本発明の光モジュールは、キャップの構造に特徴があるものであるが、まず、ステム3について説明する。
ステム3は、金属製の部材であり、素子実装部として機能する上面3aに、PD2等の各種素子が搭載される。ステム3は、例えば、コバール(Fe−Ni−Co合金)や薄板冷間圧延鋼(SPC)等の表面をNi/Auメッキした金属板を押し出し加工して得ることができる。また、ステム3は、略円板状に形成され、その直径は、例えば、5.6mmである。なお、ステム3の上面3aには、PD2の他に、PD2により生じた光電流を増幅するためのプリアンプIC等の素子が搭載されるようにしてもよい。
また、ステム3には、外部電気回路との電気接続のためのリードピン5がガラス封止等により取付けられている。ステム3上のPD2とリードピン5は、図示しないワイヤ等を介して電気接続される。このように電気接続することにより、光モジュール1では、後述の集光レンズ等の光学窓(光学レンズ)を介して受光した光信号をPD2で光電変換し、得られた電気信号を、リードピン5等を介して外部電気回路に出力できるようになっている。
続いて、キャップ4について説明する。キャップ4は、ステム3の上面3aを覆うものであり、集光レンズ4aと、集光レンズ4aを保持するキャップシェル4bとを有する。キャップ4の作製の際、例えば、まず、鉄−ニッケル系の合金からできた0.2mm厚の板を打ち抜き、集光レンズ4aの固定のための開口が形成された円板を得る。そして、その円板をプレス加工することにより、キャップシェル4bを成型する。このプレス加工により、後述のプロジェクションや溝がキャップシェル4bに形成されることに本発明の特徴がある。次に、成型したキャップシェル4bに集光レンズを固定することにより、キャップ4は完成する。なお、キャップシェル4bの表面は、Niメッキ仕上げとなっていることが好ましい。
このようなキャップ4のキャップシェル4bは、ステム3の上面3aと共に素子搭載空間Sを形成する本体部Bと、本体部Bのステム3側の底部の周囲に形成されているフランジ部Fとを有する。
キャップシェル4bの本体部Bは、その上部中央の開口4cに集光レンズ4aが低融点ガラスにより固定されている。集光レンズ4aは、例えば、TaF3製の1.5mmΦのボールレンズであり、その表面に、1.31μmまたは1.55μmの光に対する、反射防止膜がコーティングされている。
キャップシェル4bの本体部Bは、その上部中央の開口4cに集光レンズ4aが低融点ガラスにより固定されている。集光レンズ4aは、例えば、TaF3製の1.5mmΦのボールレンズであり、その表面に、1.31μmまたは1.55μmの光に対する、反射防止膜がコーティングされている。
また、キャップシェル4bのフランジ部Fの底部には、図2に示すように、ステム3との抵抗溶接のためのプロジェクションF1が、集光レンズ4a方向とは反対方向に突出する形態で、円状に形成されている。さらに、フランジ部Fの底部におけるプロジェクションF1より素子搭載空間S側すなわち内側の部分には、溝F2が、プロジェクションF1の突出方向とは反対側の方向である集光レンズ4a方向に凹む形態で、プロジェクションF1と同心状に形成されている。
プロジェクションF1は、例えば、図2(C)に示すように、断面において、頂角αが略75度である二等辺三角形の頂角部分を切り落としたような形状であり、その突出高さTは、0.1mmである。
一方、溝F2は、例えば、断面において、当該溝F2の内部の空間KがプロジェクションF1と同様な形状(台形状)となるようになっており、溝F2による空間Kの体積が、プロジェクションF1の体積と比べて若干少ないが略同じとなっている。また、溝F2は、その開口部が底部(図では上部)より大きく形成されている。
これらプロジェクションF1と溝F2は互いに近接するように設けられている。
また、これらプロジェクションF1及び溝F2は、プレス加工によりキャップシェルを成型した時に、本体部B等と同時に形成される。
一方、溝F2は、例えば、断面において、当該溝F2の内部の空間KがプロジェクションF1と同様な形状(台形状)となるようになっており、溝F2による空間Kの体積が、プロジェクションF1の体積と比べて若干少ないが略同じとなっている。また、溝F2は、その開口部が底部(図では上部)より大きく形成されている。
これらプロジェクションF1と溝F2は互いに近接するように設けられている。
また、これらプロジェクションF1及び溝F2は、プレス加工によりキャップシェルを成型した時に、本体部B等と同時に形成される。
キャップシェル4bは、上述のように、フランジ部Fの底面に設けられたプロジェクションF1の内側に溝F2を設けている。そのため、抵抗溶接の際、溶けたプロジェクション(以下、溶解プロジェクションという)が、プロジェクションがあった部分から、キャンパッケージに対して外側及び内側に飛び散ったり広がったりするが、図3に示すように、溶解プロジェクションMのうち内側に飛び散ったり等したものは溝F2に入り込むため、溶解プロジェクションが素子搭載空間Sに、到達することがない。したがって、振動を加えたりしても、溶接プロジェクションMから金属片が生じることがないので、キャンパッケージ内でのショート事故を未然に防ぐことができる。
このように、光モジュール1は、キャップシェル4bの本体部Bを成型する際に同時に形成されるフランジ部FのプロジェクションF1より素子搭載空間S側に、プロジェクションF1の突出方向とは反対方向に凹む溝F2を有するので、溶解プロジェクションが素子搭載空間Sに達するのを防ぐことができる。また、キャップシェル4bをプレス加工で成形可能であるので、コスト増を防ぐことができる。
また、溝F2の空間Kの体積が、上述のように、プロジェクションF1の体積と比べて若干少ないが略同じとなっているため、溝F2に入り込んだ溶解プロジェクションMが、当該溝F2内で固まり、ステム3との接合に寄与することができる。また、溝F2の開口部を底部(図では上部)より大きく形成したので、溝F2に入り込んだ溶解プロジェクションMを、効率的に接合に寄与させることができる。
なお、キャップ4とステム3の抵抗溶接の方式としては、コンデンサ式抵抗溶接が好適である。これは、この方式では、電界コンデンサに充電したエネルギーを瞬時に放出するため、短時間で大電流が得られ、熱影響の少ない溶接が可能であるからである。また、この方式では、他に比べて、入力電源を小さい容量にすることができる。
また、キャップシェル4bの溝F2は、図2に示した形状に限られず、本発明の主旨を変更しない範囲内で様々な形状を用いることができる。
また、キャップシェル4bの溝F2は、図2に示した形状に限られず、本発明の主旨を変更しない範囲内で様々な形状を用いることができる。
以下では、図2のキャップを有する光モジュールと、従来の図4のキャップを有する光モジュールとを実際に作製し、作製したこれら光モジュールに、試験規格MIL−STD−883−2020及びMIL−STD−750−2052に基づいたPIND(Particle Impact Noise Detector)試験を行った結果について説明する。なお、PIND試験とは、光モジュールなどの中空構造の部品内部に存在する、異物の有無を検出・判定する試験である。この試験の際、異物が移動しやすいように予め光モジュールに衝撃を加えた後、光モジュールを振動テーブル上で加振させ、加振により異物が存在すれば、振動周波数とは異なる衝突ノイズを発するので、そのノイズレベルにより、異物を検出し良否を判定した。試験装置としては、B&W Engineering社製のBW−4000を用いた。
従来の図4のキャップを用いた光モジュールの場合、100個製造して、3個の不良がPIND試験において検出された。一方、本発明の図2のキャップを用いた光モジュールの場合、100個製造して、不良は1個という結果が得られた。このように、本発明の光モジュールでは溶接により金属が素子搭載空間に飛び散ったり広がったりすることを抑えることができる。
図5は、参考例のキャップを説明する図である。図2等のキャップと同様の部分については、同じ参照符号を用いることにより、その説明を省略する。キャップ4’のキャップシェル4b’は、図2のキャップシェル4bと同様に、本体部Bと、本体部Bの周囲に形成されているフランジ部F’とを有する。
このフランジ部F’の上面F3は、図2のものと異なり、平らに形成されている。そのため、溶接の際の圧力印加が容易である。
なお、図2のキャップシェル4bと同様に、キャップシェル4b’のフランジ部F’の底部には、抵抗溶接のためのプロジェクションF1が円状に形成されている。さらに、フランジ部Fの底部におけるプロジェクションF1より内側の部分には、溝F2が、プロジェクションF1と同心状に形成されている。そのため、キャップ4’を用いる光モジュールにおいても、溶解プロジェクションが素子搭載空間に達するのを防ぐことができる。
このフランジ部F’の上面F3は、図2のものと異なり、平らに形成されている。そのため、溶接の際の圧力印加が容易である。
なお、図2のキャップシェル4bと同様に、キャップシェル4b’のフランジ部F’の底部には、抵抗溶接のためのプロジェクションF1が円状に形成されている。さらに、フランジ部Fの底部におけるプロジェクションF1より内側の部分には、溝F2が、プロジェクションF1と同心状に形成されている。そのため、キャップ4’を用いる光モジュールにおいても、溶解プロジェクションが素子搭載空間に達するのを防ぐことができる。
1…光モジュール、2…PD、3…ステム、3a…上面、4…キャップ、4a…集光レンズ、4b…キャップシェル、B…本体部、フランジ部…F、プロジェクション…F1、溝…F2、4c…開口、5…リードピン。
Claims (4)
- 光電変換素子を含む素子が実装されるステムに抵抗溶接されてキャンパッケージを構成する、光学レンズを具備したキャップであって、
前記光学レンズが固定されるキャップシェルの円筒状の本体部と、該本体部の前記光学レンズとは反対側端に設けられ前記ステムに溶接されるキャップシェルのフランジ部と、を有し、
該フランジ部には、前記ステムとの抵抗溶接のための環状のプロジェクションと、該プロジェクションより内周側に、プロジェクションの突出方向とは反対側に凹む環状の溝が、プレス加工により同心円状に形成されていることを特徴とするキャップ。 - 前記溝による空間の体積は、前記プロジェクションの体積に比べて小さいことを特徴とする請求項1に記載のキャップ。
- 前記光学レンズとしてのボールレンズが低融点ガラスにより前記キャップシェルの本体部に固定されていることを特徴とする請求項1または2にキャップ。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載のキャップを用いたことを特徴とする光モジュール。
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