JP2011044694A - 光半導体素子収納用パッケージ、及び光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パッケージの内外の電気的接続状態を良好に維持することが可能な光半導体素子収納用パッケージ、及び光半導体装置を提供する。
【解決手段】 光半導体素子収納用パッケージ３であって、上面に光半導体素子２を実装する実装領域を有する基板４と、基板４の実装領域を囲むように形成され、側面に貫通孔を有する枠体５と、貫通孔に形成され、枠体５の内外を電気的に接続する信号線６と、枠体５で囲まれる領域に設けられるとともに、下部の一部に空隙Ａを有する支持体７と、支持体７上に形成され、信号線６に電気的に接続される配線基板８と、を備えている。配線基板８にクラックが発生するのを効果的に抑制し、パッケージ３の内外の電気的接続状態を良好に維持することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光半導体素子収納用パッケージ、及び光半導体装置に関する。

従来から、光通信の分野等で使用される半導体レーザダイオード、フォトダイオード等の光半導体素子を収納するための光半導体素子収納用パッケージが知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、このようなパッケージの内部に光半導体素子を収納して、光半導体素子をパッケージの外部と電気的に接続されるように組み立てることにより光半導体装置が構成される。

特開２００２−２４３９９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光半導体装置においては、外部基板に例えばネジ止めする際に、光半導体装置に応力が加わり、光半導体装置が変形し、光半導体素子とパッケージ外部とが電気的に接続されない虞があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、パッケージの内外の電気的接続状態を良好に維持することが可能な光半導体素子収納用パッケージ、及び光半導体装置を提供することにある。

本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上面に光半導体素子を実装する実装領域を有する基板と、該基板の前記実装領域を囲むように形成され、側面に貫通孔を有する枠体と、前記貫通孔に形成され、前記枠体の内外を電気的に接続する信号線と、前記枠体で囲まれる領域に設けられるとともに、下部の一部に空隙を有する支持体と、該支持体上に形成され、前記信号線に電気的に接続された配線基板と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の光半導体装置は、前記光半導体素子収納用パッケージと、前記基板の前記実装領域に実装された光半導体素子と、を備えたことを特徴とする。

本発明は、パッケージの内外の電気的接続状態を良好に維持することが可能な光半導体素子収納用パッケージ、及び光半導体装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置の分解透過斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る光半導体素子収納用パッケージの分解透過斜視図である。 図３は、光半導体素子収納用パッケージの平面図である。 図４は、図３に示した仮想切断線Ｘ−Ｘ’に沿って光半導体素子収納用パッケージを切断した断面図である。 図５は、図３に示した仮想切断線Ｙ−Ｙ’に沿って光半導体素子収納用パッケージを切断した断面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る光半導体素子収納用パッケージに用いられる配線基板の斜視図を示している。 図７は、図６に示した配線基板の分解斜視図を示している。 図８は、図６に示した配線基板の側面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る光半導体素子収納用パッケージ、及び光半導体装置について、図面を参照しながら説明する。

＜光半導体装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置１を示す分解斜視図である。光半導体装置１は、電気信号を光信号に変換して外部に出力するための装置であって、例えば発光ダイオード、半導体レーザダイオード又はフォトダイオード等の光半導体素子２を実装するのに用いるものである。なお、光半導体装置１は、光半導体素子収納用パッケージ３に光半導体素子２を実装したものである。

また、図２は、図１に示した光半導体装置１から光半導体素子３を取り除いた状態を示す、光半導体素子収納用パッケージ３の透過分解斜視図である。図３は、光半導体素子収納用パッケージ３の平面図である。図４は、図３に示した仮想切断線Ｘ−Ｘ’に沿って光半導体素子収納用パッケージ３を切断した断面図である。図５は、図３に示した仮想切断線Ｙ−Ｙ’に沿って光半導体素子収納用パッケージ３を切断した断面図である。

光半導体装置１は、光半導体素子２と光半導体素子収納用パッケージ３とを含んでいる。光半導体素子収納用パッケージ３は、図１に示すように、上面に光半導体素子２を実装する実装領域Ｒを有する基板４と、基板４の実装領域Ｒを囲むように形成され、側面に貫通孔Ｈを有する枠体５と、貫通孔Ｈに形成され、枠体５の内外を電気的に接続する信号線６と、枠体５で囲まれる領域に設けられるとともに、下部の一部に空隙Ａを有する支持体７と、支持体７上に形成され、信号線６と電気的に接続される配線基板８と、を含んでいる。

基板４は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金から成る。基板４は、熱伝導性の優れた材料から成る。基板４に光半導体素子２を実装した状態で光半導体素子２が作動すると、光半導体素子２から発生した熱が基板４に伝わる。基板４は放熱板として機能し、光半導体素子２が発する熱を効率良く外部に放熱することができる。なお、基板４のヤング率は、例えば１００ＧＰａ以上４１０ＧＰａ以下に設定されている。ここで、ヤング率とは、弾性範囲で単位ひずみあたり、どれだけ応力が必要かの値を決める定数である。

また、基板４には、図１から図４に示すように、枠体５外に基板４を貫通する螺子溝ＳＨが設けられている。螺子溝ＳＨは、螺子溝ＳＨに螺子Ｓを進入させて、螺子Ｓを介して基板４と外部基板９とを接続するためのものである。なお、螺子溝ＳＨは、平面視して枠体５と重ならない領域に形成されている。

基板４上には、図１に示すように、光半導体素子２を実装する実装領域Ｒが設けられている。実装領域Ｒには、光半導体素子２を載置する台座１０が設けられる。台座１０は、光半導体素子２を載置する部材である。なお、光半導体素子２は、台座１０を介さずに基板４上に直接載置してもよい。また、実装領域Ｒは、基板４上であって枠体５で囲まれる領域のことをいう。

台座１０は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミックス等の絶縁材料から成る。台座１０上には、高周波信号が伝送されるモリブデン又はマンガン等の金属を含む金属ペーストを焼結して成る配線が形成されている。更に、台座１０上には、光半導体素子２を搭載する導体層が形成されている。台座１０は、例えば、インジウム、鉛、銀又は錫等の金属を含む半田又はろう材等の接合部材を介して基板の実装領域Ｒに接続される。

枠体５は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金から成る。枠体５は、図１から図３に示すように光半導体素子２を実装する実装領域Ｒを囲むように基板４上に設けられる。なお、枠体５は、基板４と一体的に形成されていてもよいし、基板４と別個独立に形成されていてもよい。基板４と枠体５とが別個独立に形成された場合、基板４と枠体５とは例えば、半田又はろう材等の接合部材を介して接合される。

枠体５の側面には、光部品取付け部１１が設けられている。かかる光部品取付け部１１は、光半導体素子２が発する光が通る高さ位置に設けられる。光部品取付け部１１は、枠体５に形成されたレンズ孔Ｌに設けられる部材であって、透光性封止部材１２を支持する機能を備えている。なお、光部品取付け部１１は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金から成る。

また、光部品取付け部１１には、レンズ孔Ｌを封止するように、透光性封止部材１２が設けられている。透光性封止部材１２は、光を透過させるとともに、枠体５内の気密性を保つための機能を備えている。なお、透光性封止部材１２は、サファイア又はガラス等から構成されるレンズである。そして、透光性封止部材１２は、光半導体素子２から発せられる光信号を集光或いは平行光に変換する機能を有している。そのため、透光性封止部材１２は、光半導体素子２から発せられる光信号の光軸を調整することができる。

また、枠体５の側面には、図３又は図５に示すように、貫通孔Ｈを有するコネクタ部１３が設けられている。貫通孔Ｈには、外部から枠体５に向かって、通信用コネクタ又は同軸用コネクタ等のコネクタを取り付ける機能を備えている。コネクタをコネクタ部１３の貫通孔Ｈに挿入して、コネクタをコネクタ部１３に接続する。なお、貫通孔Ｈの大きさは、外部から取り付けるコネクタを脱着可能な大きさに設定されている。

また、貫通孔Ｈには、枠体５の内外を電気的に接続する信号線６が形成されている。信号線６は、外部から取り付けるコネクタと配線基板８とを電気的に接続するものである。そして、コネクタから伝送される電気信号をコネクタ部１３の信号線６を介して配線基板８に伝える。

ここで、枠体５で囲まれる領域に設けられる支持体７について説明する。

支持体７は、配線基板８を載置する機能を備えている。支持体７は、平面視して枠体５で囲まれる領域に設けられ、基板４上に、例えば半田又はろう材等の接合部材を介して接合される。なお、支持体７は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いは酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミックス等の絶縁材料から成る。なお、支持体７のヤング率は、例えば１３０ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下に設定されている。

支持体７の下部の一部には、空隙Ａが設けられている。つまり、支持体７は、空隙Ａが設けられている箇所は、基板４から離間して設けられる。空隙Ａが設けられている箇所は、基板４から応力が伝わらない。支持体７と基板４とが接続されている箇所は、基板４から応力が伝わる。

支持体７は、一対の柱状部７ａと、その一対の柱状部７ａと一体に接続される載置部７ｂとを備えている。一対の柱状部７ａは、両者が対向して基板４上に設けられ、空隙Ａは一対の柱状部７ａ同士の間に設けられる。なお、柱状部７ａと載置部７ｂとは、両者一体に形成されており、柱状部７ａは載置部７ｂを支持する機能を備えている箇所を指し、載置部７ｂは配線基板８を実装可能な機能を備えている箇所を指す。

一対の柱状部７ａは、載置部７ｂを支持する機能を備えている。そして、載置部７ｂは、配線基板８を載置する役割を備えている。ここで、載置部７ｂの上面の高さ位置は、枠体５の側面に設けられた貫通孔Ｈの高さ位置よりも低く設定されている。そして、載置部７ｂの高さ位置と貫通孔Ｈの高さ位置との間に、配線基板８が設けられる。配線基板８を載置部７ｂ上に載置した状態で、配線基板８の上面の高さ位置よりも貫通孔Ｈの高さ位置が高くなるように設定されている。

配線基板８は、支持体７の載置部７ｂ上に実装される。配線基板８は、導電性の線路導体８ａを有している。なお、配線基板８は、例えば酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミックス等の絶縁材料から構成されている。かかる線路導体８ａは、配線基板８の上面に形成されている。そして、支持体７の載置部７ｂ上に配線基板８を実装した状態で、信号線６と線路導体８ａとが電気的に接続される。さらに、配線基板８の線路導体８ａは、例えば、ワイヤボンディングにより、台座１０上の光半導体素子２と電気的に接続される。そして、コネクタからの電気信号が信号線６及び線路導体８ａを介して、光半導体素子２に伝わる。さらに、光半導体素子２が電気信号を光信号に変換し、光信号が透光性封止部材１２を介して光半導体装置１の外部に取り出される。

ここで、配線基板８について詳述する。配線基板８は、図６又は図７に示すように、ニ枚の層が積層された構造である。ここで、配線基板８の下層に位置する層を第１層８１とし、配線基板８の上層に位置する層を第２層８２とする。また、第１層８１および第２層８２のそれぞれの上面および下面には、接地導体層８３が形成されている。

第１層８１及び第２層８２の側面には、上面と下面を電気的に接続する接続導体が形成された複数のキャスタレーションｃｓが設けられている。キャスタレーションｃｓは、高さ位置の異なる接地導体を電気的に接続する機能を備えている。なお、キャスタレーションｃｓの一つの大きさは、縦幅が０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定され、横幅が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。

また、第２層８２の上面には、線路導体８ａが形成されている。そして、第２層８２の上面には、線路導体８ａと間をあけて接地導体８３が形成されている。接地導体８ａは、信号線路８ａの電気信号の特性を良好にする機能を備えている。なお、接地導体８３と線路導体８ａとの間には、配線基板８の上面の一部が露出しており、接地導体８３と線路導体８ａとは絶縁している。

また、第１層８１の上面及び第１層の下面には、全面に接地導体８３が形成されている。そして、線路導体８ａの下面と重なる領域にも接地導体を設けることで、線路導体８ａの電気信号の特性を良好にすることができる。また、キャスタレーションｃｓの内壁面には、上下の接地導体８３同士を接続する接続導体としての接地導体が形成されている。

第１層８１のキャスタレーションｃｓと第２層８２のキャスタレーションｃｓとは、図６又は図８に示すように、平面視して互いに重ならない位置に設けられている。信号線路８ａに流れる電流に起因して発生する熱が配線基板８に伝わり、配線基板８に熱応力がかかったとしても、第１層８１と第２層８２のキャスタレーションｃｓの箇所を重ならないようにすることとで、配線基板８にかかる熱応力が特定箇所に集中するのを抑制することができ、配線基板８が破壊される虞を効果的に低減することができる。

配線基板８は、支持体７上に例えば半田又はろう材等の接合部材を介して接合される。第１層８２の側面に設けられるキャスタレーションｃｓの内壁面に、メタライズ層によって接続導体としての接地導体が形成されることで、接合部材が第１層８１のキャスタレーションｃｓ内にまで形成される。その結果、接合部材がキャスタレーションｃｓ内にて溜まりとなって、支持体７と配線基板８との接合を強固にすることができる。

また、第１層８１のキャスタレーションｃｓが、第２層８２のキャスタレーションｃｓとずれて配置されているため、第１層８１のキャスタレーションｃｓ内に這い上がった接合部材が、第１層８１のキャスタレーションｃｓから第２層８２のキャスタレーションｃｓにまで這い上がることがない。つまり、第１層８１のキャスタレーションｃｓの上部は、第２層８２の端部にて覆われている。その結果、第２層８２の上面にまで接合部材が流れるのを抑制することができ、接地導体８３と信号線路８ａとが電気的に接続されにくくすることができる。

支持体７の下部の一部に空隙Ａを設けた場合、基板４から支持体７に加わる応力を空隙Ａにて緩和し、応力が支持体７上に設けられる配線基板８に伝わるのを抑制することができる。つまり、光半導体装置１又は光半導体素子収納用パッケージ３は、基板４と外部基板９とを螺子溝ＳＨに螺子Ｓを通してネジ止めした場合、螺子Ｓを螺子溝ＳＨに締め付けて固定する。その際、螺子Ｓの回転方向の歪みに起因して、螺子Ｓから基板４に向かって応力が加わり、基板４が変形しようとする。そして、基板４に伝わる応力の一部は、基板４に設けられる支持体７に伝わろうとする。本実施形態によれば、支持体７の下部の一部に空隙Ａを設けたことにより、基板４から支持体７を介して配線基板８に伝わる応力を緩和することができる。

支持体７は、一対の柱状部７ａは、基板４から伝わる応力に起因して、変形しようとする。一対の柱状部７ａの両方が撓むことによって、一対の柱状部７ａの基板４に対する傾斜角度が変化し、基板４から支持体７に伝わる応力の一部を支持体７が吸収する。その結果、支持体７から配線基板８に伝わる応力を減少させることで、配線基板８が破損するのを効果的に抑制することができる。

また、配線基板８は、平面視して支持体７の空隙Ａと重なるように設けられている。つまり、配線基板８は、支持体７の一対の柱状部７ａと重なる領域を少なくすることで、柱状部７ａの直上に配線基板８の重なる領域を減らすことができる。その結果、支持体７から配線基板８に直接伝わる応力を緩和することができ、配線基板８が破損するのを良好に低減することができる。

また、支持体７のヤング率は、基板４のヤング率よりも小さく設定されていてもよい。支持体７のヤング率を基板４のヤング率よりも小さく設定した場合は、支持体７は基板４よりも変形しやすく設定される。例えば、支持体７をアルミナセラミックスで構成し、基板４をアルミナセラミックスよりもヤング率よりも大きいタングステンで構成した場合は、支持体７が基板４よりも変形しやすくなり、支持体７で応力を効果的に緩和することができる。なお、支持体７と基板４は、両者の構成材料を適宜選択し、材料比率を調整することによって、両者のヤング率の大小関係を調整することができる。例えば、支持体７を鉄−ニッケル−コバルト合金とし、基板４を銅−タングステンとすることによって、支持体７のヤング率を基板４のヤング率よりも小さくすることができる。

また、配線基板８を載置した支持体７を枠体５内で封止するように、枠体５上には、蓋体１４が設けられる。蓋体１４は、枠体５内の気密性を保つための機能を備えている。蓋体１４は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金、或いは酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックスから成る。また、蓋体１４は、枠体５の上面に、例えば半田又はろう材等の接合部材を介して接合される。

本実施形態によれば、枠体５で囲まれる領域に、下部の一部に空隙を有する支持体７を設け、その支持体７上に配線基板８を設けることで、基板４から支持体７を介して配線基板８に伝わる応力を緩和することができる。その結果、配線基板８にクラックが発生するのを効果的に抑制し、パッケージの内外の電気的接続状態を良好に維持することが可能な光半導体素子収納用パッケージ、及び光半導体装置を提供することができる。

＜光半導体装置の製造方法＞
ここで、図１に示す光半導体装置１の製造方法について説明する。

まず、基板４を準備する。基板４には、所定箇所に予め螺子溝ＳＨを形成する。螺子溝ＳＨは、例えば銅から成る板体に対して、例えばドリル等による切削加工を施すことにより、形成することができる。

また、枠体５についても準備する。枠体５は、例えば銅から成る金属体をプレス機で打ち抜いて作製することができる。そして、枠体５の側面の一部には、例えばプレス機を用いて、貫通孔Ｈを有するコネクタ部１３を形成する。また、枠体５の側面の一部であって、コネクタ部１３が形成された側面と異なる側面に、例えばプレス機を用いて、レンズ孔Ｌを形成する。そして、枠体５を例えば半田を介して基板４上に接続する。

次に、支持体７を準備する。支持体７が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、特定の形状に成形して、焼結することで得られる。

次に、枠体５で囲まれる基板４上に、下部の一部に空隙Ａを有する支持体７を例えばろう材を介して接続する。そして、支持体７の載置部７ｂ上に配線基板８を設ける。さらに、枠体５の側面に位置するコネクタ部１３の貫通孔Ｈに枠体５の内外を電気的に接続する信号線６を形成する。さらに、信号線６と配線基板８とを電気的に接続する。

このようにして、光半導体素子収納用パッケージ３を作製することができる。

次に、枠体５のレンズ孔Ｌに、例えば銅から成る光部品取付け部１１を設ける。そして、光部品取付け部１１に、枠体５の外側から枠体５の内側に向けて、例えばガラスから成る透光性封止部材１２を嵌合させて取り付ける。

そして、基板５の実装領域Ｒに対して、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る台座１０を接続する。台座１０の上面には、予め金属ペーストを焼結して成る配線を形成しておく。そして、光半導体素子２を、例えばろう材を介して台座１０上の配線と接続する。なお、光半導体素子２と透光性封止部材１２との配置関係は、予め両者間を通る光軸上に位置するように設定する。なお、台座１０は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、特定の形状に成形して、焼結することで得られる。

さらに、枠体５内の機密性を保つ状態で、蓋体１４を枠体５上に接続することで、光半導体装置１を作製することができる。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

上述した実施形態によれば、光半導体素子２と透光性封止部材１２とが間を空けて設けられていたが、光半導体素子２と透光性封止部材１２とが直接接続されていてもよい。

１ 光半導体装置
２ 光半導体素子
３ 光半導体素子収納用パッケージ
４ 基板
５ 枠体
６ 信号線
７ 支持体
７ａ 柱状部
７ｂ 載置部
８ 配線基板
８ａ 線路導体
９ 外部基板
１０ 台座
１１ 光部品取付け部
１２ 透光性封止部材
１３ コネクタ部
１４ 蓋体
Ｒ 実装領域
Ｈ 貫通孔
Ｌ レンズ孔
Ａ 空隙
ＳＨ 螺子溝
Ｓ 螺子

Claims (6)

1. 上面に光半導体素子を実装する実装領域を有する基板と、
   該基板の前記実装領域を囲むように形成され、側面に貫通孔を有する枠体と、
   前記貫通孔に形成され、前記枠体の内外を電気的に接続する信号線と、
   前記枠体で囲まれる領域に設けられるとともに、下部の一部に空隙を有する支持体と、
   該支持体上に形成され、前記信号線に電気的に接続された配線基板と、を備えたことを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
2. 請求項１に記載の光半導体素子収納用パッケージであって、
   前記基板には、前記枠体で囲まれない領域に螺子溝が形成されていることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光半導体素子収納用パッケージであって、
   前記配線基板と前記空隙とは、平面視して重なることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージであって、
   前記支持体のヤング率は、前記基板のヤング率よりも小さいことを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージであって、
   前記配線基板は第１層および第２層を積層して形成され、且つ前記第１層および前記第２層のそれぞれの上面および下面には、接地導体層が形成されており、前記第１層および前記第２層のそれぞれの側面には、上面の接地導体層と下面の接地導体層とを電気的に接続する、接続導体が形成されたキャスタレーションが設けられており、平面視して前記第１層の前記キャスタレーションと前記第２層の前記キャスタレーションとは互いに重ならない位置に設けられていることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージと、前記基板の前記実装領域に実装された光半導体素子と、を備えたことを特徴とする光半導体装置。

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