JP2021144962A - Cap for optical element and optical semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To obtain an optical semiconductor device with high reliability.SOLUTION: A cap for optical element 2 comprises: a cylinder part 21 having a space for passing a light beam ejected from a light semiconductor element; a lens holding part 24 provided to one end side of the cylinder part 21 and holding a lens 4 for focusing the light beam toward a target; a collar part 23 extended toward an external side of a radial direction over a whole periphery of the other end side of the cylinder part 21; and a projection for welding a ring projection 22 formed so as to be projected toward the outer side of an axial direction from the collar part 23. The projection 22 provides a joint material layer 222 formed with the joint member which is welded, fluidized, softened, or reacted under a temperature lower than a fusing point of a base metal 221 and coating a base metal 221.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本願は、光素子用キャップおよび光半導体装置に関するものである。 The present application relates to a cap for an optical element and an optical semiconductor device.

光通信、映像出力等の高出力用の光半導体装置では、レンズのついた光素子用キャップ(レンズ付きキャップ)を基板に気密接合する際、抵抗溶接の一種であるリングプロジェクション溶接が採用されている。リングプロジェクション溶接では、光素子用キャップのつば部分に設けた突起(プロジェクション)を基板に接触させ、電極を介して鍛圧をかけながら通電することにより、突起部分での電流集中による発熱で溶融させ、鍛圧により全周にわたる接合を可能としている(例えば、特許文献1参照。)。 In optical semiconductor devices for high output such as optical communication and video output, ring projection welding, which is a type of resistance welding, is used when airtightly joining a cap for an optical element with a lens (cap with a lens) to a substrate. There is. In ring projection welding, a protrusion (projection) provided on the brim of a cap for an optical element is brought into contact with a substrate, and electricity is applied while applying forging pressure through an electrode to melt the heat generated by current concentration at the protrusion. It is possible to join over the entire circumference by forging (see, for example, Patent Document 1).

特開昭58−18945号公報(1頁右欄〜2頁左上欄、第1図〜第2図、2頁右上欄〜2頁左下欄、第4図〜第7図)Japanese Unexamined Patent Publication No. 58-18945 (page 1 right column-2 page upper left column, FIG. 1-2, page 2 upper right column-2 page lower left column, FIGS. 4-7)

しかしながら、気密を確保するためには、通電中も数百kPaもの加圧を継続する必要があり、強度の弱い基板には不向きである。また、光半導体装置で使用されるステム(基板に相当)はステムと通電のためのリードの間を絶縁するためにガラス材が使用されるが、加圧が強い場合はこのガラス材に破損が発生し気密破壊が発生することもある。 However, in order to ensure airtightness, it is necessary to continue pressurizing as much as several hundred kPa even during energization, which is not suitable for a substrate having weak strength. In addition, the stem (corresponding to the substrate) used in optical semiconductor devices uses a glass material to insulate between the stem and the lead for energization, but if the pressure is strong, this glass material will be damaged. It may occur and airtight destruction may occur.

もちろん、はんだ材を用いて接合すれば、部材の破損を回避することも考えられるが、接合材の強度が不足し、基板に搭載された光半導体素子の光軸とレンズとの位置関係にズレが生じ、信頼性が低下することになる。 Of course, if the members are joined using a solder material, it is possible to avoid damage to the members, but the strength of the joining material is insufficient, and the positional relationship between the optical axis of the optical semiconductor element mounted on the substrate and the lens is deviated. Will occur, and reliability will decrease.

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、信頼性が高い光半導体装置を得ることを目的とする。 The present application discloses a technique for solving the above-mentioned problems, and an object of the present application is to obtain a highly reliable optical semiconductor device.

本願に開示される光素子用キャップは、光半導体素子から出射された光線を通す空間を有する筒状部、前記筒状部の一端側に設けられ、前記光線を目標に向かって集光するためのレンズを保持するレンズ保持部、前記筒状部の他端側の全周にわたり、径方向の外側に向かって延びるつば部、および前記つば部から軸方向の外側に向かって突出するよう形成された、リングプロジェクション溶接用のプロジェクション、を備え、前記プロジェクションには、地金の融点よりも低い温度で溶融、流動化、軟化、または反応する接合材料で形成され、前記地金を被覆する接合材層が設けられていることを特徴とする。 The cap for an optical element disclosed in the present application is provided on a tubular portion having a space for passing a light ray emitted from an optical semiconductor element, on one end side of the tubular portion, and for condensing the light ray toward a target. A lens holding portion that holds the lens, a brim portion that extends outward in the radial direction over the entire circumference of the other end side of the tubular portion, and a brim portion that projects outward in the axial direction from the brim portion. In addition, a projection for ring projection welding is provided, and the projection is formed of a bonding material that melts, fluidizes, softens, or reacts at a temperature lower than the melting point of the metal, and coats the metal. It is characterized in that a layer is provided.

本願に開示される光素子用キャップによれば、基板との機械的結合を担う接合部と気密保持を担う接合部を複合して形成できるようにしたので、信頼性が高い光半導体装置を得ることができる。 According to the cap for an optical element disclosed in the present application, a joint portion responsible for mechanical coupling with a substrate and a joint portion responsible for maintaining airtightness can be formed in a composite manner, so that a highly reliable optical semiconductor device can be obtained. be able to.

図1Aと図1Bは、それぞれ実施の形態1にかかる光素子用キャップの構成を説明するための底面図と断面図である。1A and 1B are a bottom view and a cross-sectional view for explaining the configuration of the optical element cap according to the first embodiment, respectively. 図2Aと図2Bは、実施の形態1にかかる光素子用キャップにおいて、それぞれ接合材層の被覆範囲が異なるプロジェクションの形状を示す部分断面図である。2A and 2B are partial cross-sectional views showing the shape of the projection in the cap for the optical element according to the first embodiment, in which the covering range of the bonding material layer is different from each other. 図3Aと図3Bは、実施の形態1にかかる光素子用キャップを基板に接合する工程で、光素子用キャップと基板をそれぞれ電極に装着した状態と、接合のために両電極を接近させた状態をそれぞれ示す断面図である。In FIGS. 3A and 3B, in the step of joining the optical element cap according to the first embodiment to the substrate, the optical element cap and the substrate are attached to the electrodes, respectively, and both electrodes are brought close to each other for bonding. It is sectional drawing which shows each state. 図4A、図4B、および図4Cそれぞれは、実施の形態1にかかる光素子用キャップを基板に接合する工程で、光素子用キャップのプロジェクションを基板に押し付けた状態の断面図と、さらに通電した際の状態を示す断面図、および通電した際の温度分布を示す模式図である。4A, 4B, and 4C each have a cross-sectional view of a state in which the projection of the optical element cap is pressed against the substrate in the step of joining the optical element cap according to the first embodiment to the substrate, and further energize. It is a cross-sectional view which shows the state at the time, and is a schematic diagram which shows the temperature distribution at the time of energization. 図5Aと図5Bは、実施の形態2にかかる光素子用キャップにおいて、それぞれ接合材層の被覆範囲が異なるプロジェクションの構成を示す部分断面図である。5A and 5B are partial cross-sectional views showing a projection configuration in which the covering range of the bonding material layer is different in the optical element cap according to the second embodiment. 図6Aと図6Bは、それぞれ実施の形態3にかかる光素子用キャップの構成を説明するための側面図と底面図である。6A and 6B are a side view and a bottom view for explaining the configuration of the optical element cap according to the third embodiment, respectively. 図7Aと図7Bは、実施の形態3にかかる光素子用キャップにおいて、それぞれ異なる間隔で単位プロジェクションを配置したプロジェクションの構成を説明するための部分断面図である。7A and 7B are partial cross-sectional views for explaining the configuration of projections in which unit projections are arranged at different intervals in the optical element cap according to the third embodiment. 図8A〜図8H、図8Jは、実施の形態3にかかる光素子用キャップにおいて、それぞれ形状の異なる単位プロジェクションの構成を示す部分斜視図である。8A to 8H and 8J are partial perspective views showing the configuration of unit projections having different shapes in the optical element cap according to the third embodiment. 図9A〜図8Fは、実施の形態3にかかる光素子用キャップにおいて、それぞれ形状の異なる単位プロジェクションの構成を示す部分斜視図である。9A to 8F are partial perspective views showing the configuration of unit projections having different shapes in the optical element cap according to the third embodiment. 図10A〜図10Dは、実施の形態3かかる光素子用キャップにおいて、それぞれ接合材層の被覆範囲が異なるプロジェクションの構成を示す部分断面図である。10A to 10D are partial cross-sectional views showing a projection configuration in which the covering range of the bonding material layer is different in the cap for the optical element according to the third embodiment. 実施の形態4にかかる光素子用キャップの構成を示す底面図である。It is a bottom view which shows the structure of the optical element cap which concerns on Embodiment 4. FIG.

実施の形態1.
図1〜図4は、実施の形態1にかかる光素子用キャップ、および光素子用キャップを用いて製造した光半導体装置について説明するためのものであり、図1は基板と接合する側を底面としたときの光素子用キャップの底面図(図1A)と、図1AのB−B線による断面図(図1B)である。また、図2Aと図2Bは、光素子用キャップにおいて、それぞれ接合材層の被覆範囲が異なるプロジェクションの形状を示す図1Bに対応するプロジェクション部分を拡大した部分断面図である。
Embodiment 1.
1 to 4 are for explaining the optical element cap according to the first embodiment and the optical semiconductor device manufactured by using the optical element cap, and FIG. 1 shows the bottom surface of the side to be joined to the substrate. It is a bottom view (FIG. 1A) of the optical element cap and a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 1A (FIG. 1B). Further, FIGS. 2A and 2B are enlarged partial cross-sectional views of the projection portion corresponding to FIG. 1B showing the shape of the projection in which the covering range of the bonding material layer is different in the cap for the optical element.

そして、図3はレンズを保持した光素子用キャップ(レンズ付きキャップ)を基板に接合する工程において、レンズ付きキャップと基板をそれぞれリングプロジェクション用の環状の電極と平板上の電極に装着した状態を示す図1Bに対応する断面図(図3A)と、さらに、接合のために両電極を接近させた状態を示す断面図である。また、図4はプロジェクションを基板に押し付けた状態を示す図3Bに対応するプロジェクションと基板との接触部分を拡大した断面図(図4A)と、さらに通電した際の状態を示す断面図(図4B)、および通電した際の接触部周辺での温度分布を示す模式図(図4C)である。 Then, FIG. 3 shows a state in which the cap with a lens and the substrate are attached to an annular electrode for ring projection and an electrode on a flat plate, respectively, in a process of joining a cap for an optical element holding a lens (a cap with a lens) to a substrate. It is a cross-sectional view (FIG. 3A) corresponding to FIG. 1B shown, and further is a cross-sectional view showing a state in which both electrodes are brought close to each other for bonding. Further, FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view (FIG. 4A) of the contact portion between the projection and the substrate corresponding to FIG. 3B showing a state in which the projection is pressed against the substrate, and a cross-sectional view (FIG. 4B) showing a state when the power is further applied. ), And a schematic diagram (FIG. 4C) showing the temperature distribution around the contact portion when energized.

本実施の形態1にかかる光素子用キャップ2は、例えば、SUSの一体成型品で、図1(図1A、図1B)に示すように、筒状部21の一端(図中、Z方向正側)側に、円環状のレンズ保持部24が形成され、他端側の外縁部につば部23が形成されたものである。レンズ保持部24の中央には、後述する図示しない光半導体素子から出射された光を集光するためのレンズ4が保持され、レンズ付きキャップ1となる。そして、つば部23には、軸方向の外側(同、Z方向負側)に向かって、例えば、70μmの突出量を有するプロジェクション22が周方向に沿って設けられている。 The optical element cap 2 according to the first embodiment is, for example, an integrally molded product of SUS, and as shown in FIG. 1 (FIGS. 1A and 1B), one end of a cylindrical portion 21 (in the figure, positive in the Z direction). An annular lens holding portion 24 is formed on the side) side, and a brim portion 23 is formed on the outer edge portion on the other end side. A lens 4 for condensing light emitted from an optical semiconductor element (not shown), which will be described later, is held in the center of the lens holding portion 24 to form a cap 1 with a lens. The brim portion 23 is provided with a projection 22 having a protrusion amount of, for example, 70 μm along the circumferential direction toward the outside in the axial direction (same as the negative side in the Z direction).

これにより、図示しないレーザ半導体素子等の光半導体素子を搭載した基板5(図3参照)に接合することで、光半導体素子から出射された光を、例えば、光ファイバ等の所望の対象に集光させることができる。さらに、出射光の強度を計測するフォトダイオード、制御回路等を実装することで、光通信、映像出力等を行う光半導体装置を形成することができる。ただし、ここまでの光素子用キャップ2、もしくはレンズ付きキャップ1の構成は、一般的な光素子用キャップ、もしくはレンズ付きキャップと共通する構成である。 As a result, by joining to a substrate 5 (see FIG. 3) on which an optical semiconductor element such as a laser semiconductor element (not shown) is mounted, the light emitted from the optical semiconductor element is collected on a desired object such as an optical fiber. It can be made to shine. Further, by mounting a photodiode, a control circuit, or the like for measuring the intensity of emitted light, it is possible to form an optical semiconductor device that performs optical communication, video output, and the like. However, the configuration of the optical element cap 2 or the lens cap 1 up to this point is the same as that of a general optical element cap or lens cap 1.

本願の各実施の形態にかかる光素子用キャップ2の特徴部分は、図2Aに示すように、プロジェクション22には、地金221の表面に接合材層222が形成されていることである。接合材層222は、光素子用キャップ2を構成する地金221を構成する材料の融点よりも低い温度で溶融、流動化、軟化、または熱硬化のような反応が生じる接合材料で形成されている。接合材料としては、例えば、固体状、あるいはペースト状のはんだ、低融点ガラス、接着剤等が適用でき、本例では、融点が200℃のSn−Ag−Cuはんだを蒸着、ディップ等により、20〜50μmの厚みを有する接合材層222を形成した。 As shown in FIG. 2A, the characteristic portion of the optical element cap 2 according to each embodiment of the present application is that the projection 22 has a bonding material layer 222 formed on the surface of the bare metal 221. The bonding material layer 222 is formed of a bonding material that undergoes a reaction such as melting, fluidization, softening, or thermosetting at a temperature lower than the melting point of the material constituting the base metal 221 constituting the cap 2 for an optical element. There is. As the bonding material, for example, solid or paste-like solder, low melting point glass, adhesive or the like can be applied. In this example, Sn-Ag-Cu solder having a melting point of 200 ° C. is vapor-deposited, dip or the like, and 20 A bonding material layer 222 having a thickness of ~ 50 μm was formed.

なお、接合材層222による地金221表面の被覆範囲については、図2Aで示すような径方向(r方向)の両側への被覆に限ることはなく、図2Bに示すように、径方向の片側(図では外径側)を被覆するようにしてもよい。また、本実施の形態1を含む以降の実施の形態において、プロジェクション22は円形に配置した例を示したが、これに限ることはなく、多角形、楕円等であってもよく、気密構造が形成できる閉図形(リング状)に配置していればよい。 The coverage of the surface of the bare metal 221 by the bonding material layer 222 is not limited to the coating on both sides in the radial direction (r direction) as shown in FIG. 2A, and is in the radial direction as shown in FIG. 2B. One side (outer diameter side in the figure) may be covered. Further, in the subsequent embodiments including the first embodiment, the projection 22 is arranged in a circular shape, but the present invention is not limited to this, and the projection 22 may be a polygon, an ellipse, or the like, and has an airtight structure. It suffices if it is arranged in a closed figure (ring shape) that can be formed.

つぎに、上述した光素子用キャップ2(レンズ付きキャップ1)を基板5に接合する工程について、図3と図4を用いて説明する。はじめに、図3Aに示すように、接合対象である光素子用キャップ2と基板5をそれぞれ、上部電極8と下部電極9に設置する。上部電極8は筒状をなし、光素子用キャップ2をレンズ保持部24側から、つば部23の上面が端面8eに当たるまで挿入する。このとき、レンズ保持部24およびレンズ4は上部電極8との間に隙間を有しているが、筒状部21の外周面と上部電極8の内周面とは摺動可能に接しているため、上部電極8に挿入した光素子用キャップ2は、つば部23を下側に向けた状態でも、上部電極8内に保持されている。一方、基板5は基本的には、下部電極9上に位置決めして載置されている。 Next, the step of joining the above-mentioned cap 2 for an optical element (cap 1 with a lens) to the substrate 5 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. First, as shown in FIG. 3A, the optical element cap 2 and the substrate 5 to be joined are installed on the upper electrode 8 and the lower electrode 9, respectively. The upper electrode 8 has a cylindrical shape, and the optical element cap 2 is inserted from the lens holding portion 24 side until the upper surface of the brim portion 23 touches the end surface 8e. At this time, the lens holding portion 24 and the lens 4 have a gap between the lens holding portion 24 and the upper electrode 8, but the outer peripheral surface of the tubular portion 21 and the inner peripheral surface of the upper electrode 8 are slidably in contact with each other. Therefore, the optical element cap 2 inserted into the upper electrode 8 is held in the upper electrode 8 even when the brim portion 23 is directed downward. On the other hand, the substrate 5 is basically positioned and placed on the lower electrode 9.

この状態で、図3Bに示すように、プロジェクション22が基板5の接合面5jに接触するまで、上部電極8を下部電極9に向かって降下させ、上部電極8の端面8eから、つば部23を介して、プロジェクション22に鍛圧Ljをかける。このとき、接合材層222を形成するはんだ材は地金221および基板5を構成する材料よりも柔らかいため、図4Aに示すように、通常のプロジェクション溶接の鍛圧(数百kPa)よりも軽い鍛圧であっても、プロジェクション22の地金221部分は接合材層222を突き破る。つまり、軽鍛圧(例えば、通常の鍛圧の60%程度に相当する150kPa)でも、プロジェクション22の地金221部分を基板5の接合面5jと接触させることができる。 In this state, as shown in FIG. 3B, the upper electrode 8 is lowered toward the lower electrode 9 until the projection 22 contacts the joint surface 5j of the substrate 5, and the brim portion 23 is removed from the end surface 8e of the upper electrode 8. Forging pressure Lj is applied to the projection 22 through the projection 22. At this time, since the solder material forming the bonding material layer 222 is softer than the materials constituting the base metal 221 and the substrate 5, as shown in FIG. 4A, the forging pressure is lighter than the forging pressure (several hundred kPa) of normal projection welding. Even so, the bare metal 221 portion of the projection 22 breaks through the joint material layer 222. That is, even with a light forging pressure (for example, 150 kPa corresponding to about 60% of the normal forging pressure), the bare metal 221 portion of the projection 22 can be brought into contact with the joint surface 5j of the substrate 5.

この状態で、上部電極8と下部電極9間を通電すると、図4Bに示すように、プロジェクション22と接合面5jとの接触部Pcに電流Cwが集中する。電流Cw集中部分のジュール熱により、図4Cに示すように、プロジェクション22、基板5の中で、接触部Pcが最も高温(白色)となり、遠ざかるにつれ低温(黒色)となる温度分布が生じる。なお、図4Cでは、プロジェクション22のうち、接合材層222部分については温度分布の表現対象外とし、一様のハッチングで描画している。 When the upper electrode 8 and the lower electrode 9 are energized in this state, the current Cw concentrates on the contact portion Pc between the projection 22 and the joint surface 5j as shown in FIG. 4B. As shown in FIG. 4C, the Joule heat of the current Cw concentrated portion causes the temperature distribution in which the contact portion Pc becomes the highest temperature (white) in the projection 22 and the substrate 5 and becomes low temperature (black) as the distance increases. In FIG. 4C, the bonding material layer 222 portion of the projection 22 is excluded from the expression of the temperature distribution and is drawn with uniform hatching.

なお、図4Cに示す状況は、周方向におけるある角度(θ)でのrz面の状態を示しているが、その状態が、全周にわたって必ずしも一様に生じているわけではない。しかし、一般的なリングプロジェクション溶接でも、発熱で柔らかくなった部分は、鍛圧によってさらに潰され、高温となって抵抗値が上昇するため、抵抗がより小さいまだ溶けていな、周方向の別の部分に電流の集中個所が移動する。これを繰り返すことで、溶接による周方向に一様な接合体を形成し、気密性を確保することができる。 The situation shown in FIG. 4C shows the state of the rz plane at a certain angle (θ) in the circumferential direction, but the state does not necessarily occur uniformly over the entire circumference. However, even in general ring projection welding, the part softened by heat generation is further crushed by forging pressure and becomes hot, and the resistance value rises, so the resistance is smaller and it is not yet melted, another part in the circumferential direction. The current concentration point moves to. By repeating this, a uniform joint body can be formed in the circumferential direction by welding, and airtightness can be ensured.

しかし、そのためには、地金の融点を超える1400〜1500℃までの昇温が全周にわたって必要となり、上述した高い鍛圧をかけることで、基板に負荷がかかり、歩留まりの低下が懸念される。 However, for that purpose, it is necessary to raise the temperature from 1400 to 1500 ° C., which exceeds the melting point of the bare metal, over the entire circumference, and by applying the above-mentioned high forging pressure, a load is applied to the substrate, and there is a concern that the yield may decrease.

しかし、本願の各実施の形態にかかる光素子用キャップ2(もしくはレンズ付きキャップ1)を用いれば、必ずしも全周にわたって、接触部Pcが1400℃以上の昇温履歴を経るように、高鍛圧をかける必要がない。具体的には、図4Cに示す状態で、接触部Pcからの熱は地金221を介して周方向において隣接する部分の接合材層222にも伝わる。そのとき、例えば、200〜500℃程度になれば、接合材層222部分が溶融し、地金221と基板5との間に隙間がある場合でも、その隙間を埋めてろう付けすることができる。 However, if the optical element cap 2 (or the cap 1 with a lens) according to each embodiment of the present application is used, a high forging pressure is applied so that the contact portion Pc undergoes a temperature rise history of 1400 ° C. or higher over the entire circumference. No need to call. Specifically, in the state shown in FIG. 4C, the heat from the contact portion Pc is also transferred to the bonding material layer 222 of the adjacent portion in the circumferential direction via the metal 221. At that time, for example, when the temperature reaches about 200 to 500 ° C., the bonding material layer 222 portion melts, and even if there is a gap between the base metal 221 and the substrate 5, the gap can be filled and brazed. ..

もちろん、軽鍛圧においても、1400℃を超える接触部Pcは、周方向において間欠的であっても存在する。そのため、地金221と基板5との溶接による強固な接合は維持され、一般的な高鍛圧によるリングプロジェクション溶接に対して、機械的保持力に遜色はない。さらに、上述したように、溶接部分が間欠的であっても、隙間部分を接合材層222が埋めてくれるので、気密性も確保できる。また、光素子用キャップ2と基板5との位置関係は、電極(上部電極8、下部電極9)により維持され、狂いがない。つまり、鍛圧Ljによる破損の心配がなく、気密性、機械的強度、寸法精度に優れた溶接により、信頼性が高い光半導体装置を得ることができる。 Of course, even in light forging, the contact portion Pc exceeding 1400 ° C. exists even if it is intermittent in the circumferential direction. Therefore, a strong bond between the base metal 221 and the substrate 5 by welding is maintained, and the mechanical holding force is comparable to that of general ring projection welding by high forging pressure. Further, as described above, even if the welded portion is intermittent, the joint material layer 222 fills the gap portion, so that airtightness can be ensured. Further, the positional relationship between the optical element cap 2 and the substrate 5 is maintained by the electrodes (upper electrode 8 and lower electrode 9), and there is no deviation. That is, a highly reliable optical semiconductor device can be obtained by welding having excellent airtightness, mechanical strength, and dimensional accuracy without worrying about damage due to forging pressure Lj.

実施の形態2.
上記実施の形態1においては、プロジェクションの先端部分まで地金を接合材層で覆う例を示したが、これに限ることはない。本実施の形態においては、先端部分で地金を露出させた例について説明する。図5Aと図5Bは、実施の形態2にかかる光素子用キャップにおいて、それぞれ接合材層の被覆範囲が異なるプロジェクションの構成を示す実施の形態1の説明に用いた図2に対応する部分断面図である。なお、接合材層の被覆範囲以外の部分については実施の形態1と同様であり、実施の形態1で用いた図1、図3、図4を援用し、同様部分の説明については省略する。
Embodiment 2.
In the first embodiment, the example in which the bare metal is covered with the bonding material layer up to the tip portion of the projection is shown, but the present invention is not limited to this. In the present embodiment, an example in which the bare metal is exposed at the tip portion will be described. 5A and 5B are partial cross-sectional views corresponding to FIG. 2 used in the description of the first embodiment showing the configuration of projections in which the covering range of the bonding material layer is different in the cap for the optical element according to the second embodiment. Is. The portion other than the covering range of the bonding material layer is the same as that of the first embodiment, and FIGS. 1, 3, and 4 used in the first embodiment are incorporated, and the description of the same portion will be omitted.

本実施の形態2にかかる光素子用キャップ2では、図5(図5A、図5B)に示すように、プロジェクション22の先端部(図中下方)の地金221を接合材層222から露出させるようにした。なお、図5Aでは、実施の形態1の説明に用いた図2Aと同様に、径方向における両側に接合材層222を形成し、図5Bでは、実施の形態1の説明に用いた図2Bと同様に、径方向における片側(外側)に接合材層222を形成した例を示す。 In the optical element cap 2 according to the second embodiment, as shown in FIGS. 5A and 5B, the bare metal 221 at the tip of the projection 22 (lower part in the drawing) is exposed from the bonding material layer 222. I did it. Note that, in FIG. 5A, the bonding material layers 222 are formed on both sides in the radial direction in the same manner as in FIG. 2A used for the explanation of the first embodiment, and in FIG. 5B, with FIG. 2B used for the explanation of the first embodiment. Similarly, an example in which the bonding material layer 222 is formed on one side (outside) in the radial direction is shown.

例えば、プロジェクション22の全面を固い物質で構成した接合材層222で覆った場合には、実施の形態1の図4Aで説明したような地金221が接合材層222を突き破って接触部Pcを形成する状況に至らず、接合ができない場合が発生する懸念がある。 For example, when the entire surface of the projection 22 is covered with a bonding material layer 222 made of a hard substance, the bare metal 221 as described in FIG. 4A of the first embodiment breaks through the bonding material layer 222 and forms a contact portion Pc. There is a concern that joining may not be possible without reaching the situation of formation.

しかし、本実施の形態2にように、プロジェクション22の先端部分で、あらかじめ地金221を露出させるように構成することで、地金221と基板5との接触部Pcを容易に形成することができる。そのため、図4B、図4Cで説明したように、地金221と基板5の接触部Pcで発生した熱が、プロジェクション22の先端を溶融させ、基板5と接合すると同時に、地金221を介して接合材層222に伝わる。この熱により接合材層222の溶融が始まり溶け流れた接合材料が地金221と基板5とをろう付けする。つまり、プロジェクション22の地金221の先端が基板5と必ず接触部Pcを形成して、溶接部分が形成されるので、強固な接合部が必ず形成され、接合材層222の接合材、あるいはろう材のみで接合するよりも高い接合強度を得ることができる。 However, as in the second embodiment, the contact portion Pc between the bullion 221 and the substrate 5 can be easily formed by configuring the tip portion of the projection 22 to expose the bullion 221 in advance. can. Therefore, as described with reference to FIGS. 4B and 4C, the heat generated at the contact portion Pc between the bullion 221 and the substrate 5 melts the tip of the projection 22 and joins the substrate 5 at the same time through the bullion 221. It is transmitted to the bonding material layer 222. The heat causes the bonding material layer 222 to start melting, and the molten bonding material brazes the base metal 221 and the substrate 5. That is, since the tip of the bullion 221 of the projection 22 always forms a contact portion Pc with the substrate 5 to form a welded portion, a strong joint portion is surely formed, and the joint material of the joint material layer 222, or wax. It is possible to obtain higher bonding strength than when bonding with only materials.

実施の形態3.
上記実施の形態1、2においては、プロジェクションの先端が周方向に連続している例を示したが、これに限ることはない。実施の形態3にかかる光素子用キャップでは、少なくとも地金の先端部分が分かれた複数の単位プロジェクションを周方向に配列してプロジェクションを構成した例について説明する。
Embodiment 3.
In the first and second embodiments, the tip of the projection is continuous in the circumferential direction, but the present invention is not limited to this. In the optical element cap according to the third embodiment, an example in which a plurality of unit projections in which at least the tip portions of the bare metal are separated are arranged in the circumferential direction to form the projection will be described.

図6〜図10は実施の形態3にかかる光素子用キャップの構成を説明するためのもので、図6は光素子用キャップ(レンズ付きキャップ)の側面図(図6A)と底面図(図6B)、図7Aと図7Bはそれぞれ異なる間隔で単位プロジェクションを配置したプロジェクションの構成を説明するための図6BのC−C線に対応する地金部分の部分断面図である。また、図8A〜図8H、図8J、および図9A〜図8Fは、それぞれ形状の異なる単位プロジェクションの構成を説明するための、先端部を上に向けた単位プロジェクション部分のみを描画した部分斜視図、図10A〜図10Dは、それぞれ接合材層の被覆範囲が異なるプロジェクションの構成を説明するための図6BのC−C線に対応する部分断面図である。なお、プロジェクション以外の部分については実施の形態1、あるいは2と同様であり、実施の形態1で用いた図2〜図4、あるいは実施の形態2で用いた図5を援用し、同様部分の説明については省略する。 6 to 10 are for explaining the configuration of the optical element cap according to the third embodiment, and FIG. 6 is a side view (FIG. 6A) and a bottom view (FIG. 6A) of the optical element cap (cap with lens). 6B), FIGS. 7A and 7B are partial cross-sectional views of the metal portion corresponding to the CC line of FIG. 6B for explaining the configuration of the projection in which the unit projections are arranged at different intervals. 8A to 8H, 8J, and 9A to 8F are partial perspective views in which only the unit projection portion with the tip end facing upward is drawn for explaining the configuration of the unit projection having different shapes. 10A to 10D are partial cross-sectional views corresponding to lines CC of FIG. 6B for explaining the configuration of projections in which the covering ranges of the bonding material layers are different from each other. The part other than the projection is the same as that of the first or second embodiment, and FIG. 2 to FIG. 4 used in the first embodiment or FIG. 5 used in the second embodiment is used to refer to the same part. The description will be omitted.

本実施の形態3にかかる光素子用キャップ2は、図6(図6A、図6B)に示すように、先端部分が分かれた単位プロジェクション22iを周方向に並べてプロジェクション22を形成するようにした。各単位プロジェクション22iは、例えば、図8Aに示すような四角錐状をなし、図7Aに示すように、根元部分が隣接し、先端部分が離れるように配置している。 As shown in FIGS. 6A and 6B, the optical element cap 2 according to the third embodiment forms the projection 22 by arranging the unit projections 22i having separated tip portions in the circumferential direction. Each unit projection 22i has a quadrangular pyramid shape as shown in FIG. 8A, and is arranged so that the root portion is adjacent and the tip portion is separated as shown in FIG. 7A.

この場合、基板5との接触部Pcは、周方向で間欠的に顕れることになる。しかし、先端部が周方向に連続した場合と比べ、基板5の平面度、あるいはプロジェクション22の先端部分の高さにむらがあった場合でも、接触部Pcが規則的に顕れるので、機械的に強固な接合体となる溶接部分をむらなく形成することができる。また、接触部Pcが点在しても、間隔(根元部分の周方向における長さ)に規則性があるため、接触部Pc間に位置する接合材層222をむらなく溶融温度以上に昇温することができ、気密性を確実にすることができる。 In this case, the contact portion Pc with the substrate 5 appears intermittently in the circumferential direction. However, as compared with the case where the tip portion is continuous in the circumferential direction, even if the flatness of the substrate 5 or the height of the tip portion of the projection 22 is uneven, the contact portion Pc appears regularly, so that it is mechanically Welded portions that form a strong joint can be formed evenly. Further, even if the contact portions Pc are scattered, the spacing (the length in the circumferential direction of the root portion) is regular, so that the bonding material layer 222 located between the contact portions Pc is evenly heated above the melting temperature. Can be done and airtightness can be ensured.

なお、単位プロジェクション22iの配置は、根元部分を必ずしも隣接させる必要はなく、例えば、図7Bに示すように、間隔G22を開けて間欠的に配置するようにしてもよい。この場合でも、間隔(根元部分の周方向長さ+G22)に規則性があるため、接触部Pc間に位置する接合材層222をむらなく溶融温度以上に昇温することができ、気密性を確実にすることができる。 The unit projection 22i does not necessarily have to be adjacent to each other at the root portion. For example, as shown in FIG. 7B, the unit projection 22i may be arranged intermittently with an interval G22. Even in this case, since the interval (the circumferential length of the root portion + G22) is regular, the bonding material layer 222 located between the contact portions Pc can be evenly heated above the melting temperature, and the airtightness can be improved. You can be sure.

なお、単位プロジェクション22iの形状は図8Aに示す四角錐に限ることはない。図8(図8A〜図8H、図8J)、図9(図9A〜図9F)に示すように、根元部分のつば部23に平行な形状が、円形(図8D〜図8F)、多角形(図8A〜図8C、図9A〜図9C、図9D〜図9C)星形多角形(図8G〜図8H、図8J)でもよい。また、柱型(図8C、図8F、図8J、図9C、図9F)でも、錐形(図8A、図8D、図8G、図9A、図9D)、錐台形(図8B、図8E、図8H、図9B、図9E)であってもよい。 The shape of the unit projection 22i is not limited to the quadrangular pyramid shown in FIG. 8A. As shown in FIGS. 8A to 8H and 8J and 9A to 9F, the shape parallel to the brim 23 at the base is circular (8D to 8F) and polygonal. (FIGS. 8A-8C, 9A-9C, 9D-9C) A star-shaped polygon (FIGS. 8G-8H, 8J) may be used. Further, the pillar type (FIG. 8C, FIG. 8F, FIG. 8J, FIG. 9C, FIG. 9F) also has a cone shape (FIG. 8A, FIG. 8D, FIG. 8G, FIG. 9A, FIG. 9D) and a cone shape (FIG. 8B, FIG. 8E, 8H, 9B, 9E).

また、接合材層222の周方向における被覆範囲については、図6の描画と合致する図10Aのように、地金221の全面に均等厚さで形成するようにしてもよいが、これに限ることはない。例えば、図10Bに示すように、先端部分を露出させるようにしてもよい。あるいは、図10C、図10Dに示すように、単位プロジェクション22i間の隙間を埋めるように被覆してもよく、その際、図10Cのように先端部分まで被覆して、図1のような見かけになってもよく、あるいは、図10Dのように、先端部分だけ露出させるようにしてもよい。いずれの場合でも、強度の高い溶接構造部分の均等配置と、接合材による気密の確保を実現できる。 Further, the covering range of the bonding material layer 222 in the circumferential direction may be formed on the entire surface of the bare metal 221 with a uniform thickness as shown in FIG. 10A, which matches the drawing of FIG. 6, but is limited to this. There is no such thing. For example, as shown in FIG. 10B, the tip portion may be exposed. Alternatively, as shown in FIGS. 10C and 10D, the unit projection 22i may be covered so as to fill the gap, and at that time, the tip portion is covered as shown in FIG. 10C to obtain the appearance as shown in FIG. Alternatively, as shown in FIG. 10D, only the tip portion may be exposed. In either case, it is possible to evenly arrange the welded structure parts with high strength and ensure airtightness with the joining material.

実施の形態4.
上記実施の形態1〜3においては、プロジェクションを一周分形成する例を示したが。これに限ることはない。実施の形態4にかかる光素子用キャップでは、プロジェクションを複数周形成する例について説明する。
Embodiment 4.
In the above-described first to third embodiments, an example in which the projection is formed for one round is shown. It is not limited to this. In the optical element cap according to the fourth embodiment, an example in which the projection is formed in a plurality of turns will be described.

図11は実施の形態4にかかる光素子用キャップの構成を説明するためのもので、光素子用キャップ(レンズ付きキャップ)の底面図である。なお、プロジェクション以外の部分については実施の形態1〜3と同様であり、底面図以外については、各実施の形態で用いた図を援用し、同様部分の説明については省略する。 FIG. 11 is for explaining the configuration of the optical element cap according to the fourth embodiment, and is a bottom view of the optical element cap (cap with lens). The parts other than the projection are the same as those in the first to third embodiments, and the drawings used in each embodiment are used for the parts other than the bottom view, and the description of the same parts will be omitted.

本実施の形態4にかかる光素子用キャップ2は、図11に示すように、つば部23に、外側プロジェクション22aと内側プロジェクション22bの二重リングのプロジェクション22を形成した。これにより、機械的にも、気密的にもより強固な接合が可能となる。 As shown in FIG. 11, the optical element cap 2 according to the fourth embodiment has a double ring projection 22 having an outer projection 22a and an inner projection 22b formed on the brim portion 23. This enables stronger bonding both mechanically and airtightly.

なお、図では、単位プロジェクション22iを周方向に配置した状態を描画しているが、実施の形態1のようにリング状に連なっていてもよく、接合材層222の被覆範囲についても各実施の形態で説明したように適宜変更可能である。 In the figure, a state in which the unit projection 22i is arranged in the circumferential direction is drawn, but it may be connected in a ring shape as in the first embodiment, and the covering range of the bonding material layer 222 is also described in each embodiment. It can be changed as appropriate as described in the form.

なお、本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態への適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組合せで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。 Although the present application describes an exemplary embodiment, the various features, aspects, and functions described in the embodiment are not limited to application to a specific embodiment, but are used alone. It can be applied to embodiments in or in various combinations. Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the techniques disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted.

例えば、接合材層222については、はんだ材を用いた例について説明したが、これ以外のろう材、さらには、固体状、あるいはペースト状の低融点ガラス、接着剤等でもよい。その場合、気密構造はろう付けに限らず、接着、あるいは粘着等でも実現されることになる。また光素子用キャップ2の地金についてもSUS(例えば、304、316等のステンレス)に限ることはなく、プロジェクション溶接が適用できる材料であれば、他の材料でもよい。 For example, for the bonding material layer 222, an example in which a solder material is used has been described, but other brazing materials, as well as solid or paste-like low melting point glass, adhesives, and the like may be used. In that case, the airtight structure is realized not only by brazing but also by adhesion or adhesion. Further, the base metal of the optical element cap 2 is not limited to SUS (for example, stainless steel such as 304, 316), and any other material may be used as long as it is a material to which projection welding can be applied.

以上のように、各実施の形態にかかる光素子用キャップ2によれば、光半導体素子から出射された光線を通す空間を有する筒状部21、筒状部21の一端側に設けられ、光線を目標に向かって集光するためのレンズ4を保持するレンズ保持部24、筒状部21の他端側の全周にわたり、径方向(r方向)の外側に向かって延びるつば部23、およびつば部23から軸方向(z方向)の外側に向かって突出するよう形成された、リングプロジェクション溶接用のプロジェクション22、を備え、プロジェクション22には、地金221の融点よりも低い温度で溶融、流動化、軟化、または反応する接合材料で形成され、地金221を被覆する接合材層222が設けられているように構成したので、基板5との機械的結合を担う溶接による接合部と気密保持を担う接合材料による接合部を複合して形成できるので、鍛圧による損傷を抑え、位置精度が高く、信頼性が高い光半導体装置を得ることができる。 As described above, according to the optical element cap 2 according to each embodiment, the tubular portion 21 having a space for passing the light beam emitted from the optical semiconductor element and the light beam are provided on one end side of the tubular portion 21. A lens holding portion 24 for holding a lens 4 for condensing light toward a target, a brim portion 23 extending outward in the radial direction (r direction) over the entire circumference of the other end side of the tubular portion 21, and a brim portion 23. A projection 22 for ring projection welding, which is formed so as to project outward from the brim 23 in the axial direction (z direction), is provided, and the projection 22 is melted at a temperature lower than the melting point of the base metal 221. It is formed of a bonding material that fluidizes, softens, or reacts, and is configured to be provided with a bonding material layer 222 that covers the base metal 221. Since the joint portion made of the bonding material responsible for holding can be formed in a composite manner, damage due to forging pressure can be suppressed, and an optical semiconductor device having high position accuracy and high reliability can be obtained.

プロジェクション22の先端部分は、地金221が露出しているようにすれば、接合材層222の硬度が高い場合でも、軽鍛圧で容易に地金どうしの接触部Pcを形成し、確実に溶接による接合部を形成することができる。 If the base metal 221 is exposed at the tip of the projection 22, even if the hardness of the joint material layer 222 is high, the contact portion Pc between the base metal can be easily formed by light forging and reliably welded. A joint can be formed by.

接合材層222は、プロジェクション22の根元部分において、周方向に沿って連続的に形成されているように構成すれば、接合材層222を構成する接合材料による接合部が全周にわたって基板5との隙間を埋めるように形成され、気密構造をより確実に形成できる。 If the bonding material layer 222 is configured to be continuously formed along the circumferential direction at the root portion of the projection 22, the bonding portion made of the bonding material constituting the bonding material layer 222 is formed on the entire circumference with the substrate 5. It is formed so as to fill the gap between the two, and an airtight structure can be formed more reliably.

プロジェクション22は、複数の単位プロジェクション22iをリング状に配置して形成すれば、接触部Pcを規則的な間隔で全周にわたって形成できるので、溶接構造部分が全周にわたって均等に形成できるとともに、接触部Pc間も一様に昇温できるので、接合材料による気密構造もより確実に実現できる。 If the projection 22 is formed by arranging a plurality of unit projections 22i in a ring shape, the contact portion Pc can be formed over the entire circumference at regular intervals, so that the welded structure portion can be formed evenly over the entire circumference and the contact portion 22 can be formed. Since the temperature can be uniformly raised between the parts Pc, an airtight structure made of a bonding material can be realized more reliably.

その際、接合材層222は、複数の単位プロジェクション22iどうしの周方向における隙間を埋めるように形成されているので、接合材層222を構成する接合材料による接合部が全周にわたって基板5との隙間を埋めるように形成され、気密構造をより確実に形成できる。 At that time, since the bonding material layer 222 is formed so as to fill the gaps between the plurality of unit projections 22i in the circumferential direction, the bonding portion made of the bonding material constituting the bonding material layer 222 is formed with the substrate 5 over the entire circumference. It is formed so as to fill the gap, and an airtight structure can be formed more reliably.

つば部23には、プロジェクション22として、同心状に複数のプロジェクション(外側プロジェクション22aと内側プロジェクション22b)が形成されているので、より確実に溶接による接合部と接合材料による接合部のハイブリッド構造を2重、三重に形成できる。 Since a plurality of projections (outer projection 22a and inner projection 22b) are formed concentrically as projections 22 on the brim portion 23, a hybrid structure of a joint portion by welding and a joint portion made of a joining material can be more reliably formed. It can be formed in multiple or triple layers.

また、各実施の形態にかかる光半導体装置によれば、図示しない光半導体素子が実装された基板5、および基板5に接合され、基板5との間に光半導体素子を収容する気密空間を形成する上述した光素子用キャップ2、を備えるように構成したので、基板5との機械的結合を担う溶接による接合部と気密保持を担う接合材料による接合部を複合して形成できるので、鍛圧による基板5の損傷を抑え、光路を形成する位置精度が高く、信頼性が高い光半導体装置を得ることができる。 Further, according to the optical semiconductor device according to each embodiment, the optical semiconductor device (not shown) is bonded to the substrate 5 on which the optical semiconductor element is mounted, and an airtight space for accommodating the optical semiconductor element is formed between the substrate 5 and the substrate 5. Since it is configured to include the above-mentioned cap 2 for an optical element, it is possible to form a composite of a joint portion by welding that is responsible for mechanical coupling with the substrate 5 and a joint portion that is made of a bonding material that is responsible for maintaining airtightness. It is possible to obtain an optical semiconductor device that suppresses damage to the substrate 5, has high positional accuracy for forming an optical path, and has high reliability.

1:レンズ付きキャップ、 2:光素子用キャップ、 21:筒状部、 22:プロジェクション、 22i:単位プロジェクション、 221:地金、 222:接合材層、 23:筒状部、 24:レンズ保持部、 5:基板。 1: Cap with lens, 2: Cap for optical element, 21: Cylindrical part, 22: Projection, 22i: Unit projection, 221: Bullion, 222: Bonding material layer, 23: Cylindrical part, 24: Lens holding part , 5: Substrate.

Claims (7)

光半導体素子から出射された光線を通す空間を有する筒状部、
前記筒状部の一端側に設けられ、前記光線を目標に向かって集光するためのレンズを保持するレンズ保持部、
前記筒状部の他端側の全周にわたり、径方向の外側に向かって延びるつば部、および
前記つば部から軸方向の外側に向かって突出するよう形成された、リングプロジェクション溶接用のプロジェクション、を備え、
前記プロジェクションには、地金の融点よりも低い温度で溶融、流動化、軟化、または反応する接合材料で形成され、前記地金を被覆する接合材層が設けられていることを特徴とする光素子用キャップ。
A tubular portion having a space for passing light rays emitted from an optical semiconductor element,
A lens holding portion provided on one end side of the tubular portion and holding a lens for condensing the light beam toward a target.
A projection for ring projection welding, which is formed so as to extend outward in the radial direction over the entire circumference of the other end side of the tubular portion and to protrude outward in the axial direction from the brim portion. With
The projection is characterized by being provided with a bonding material layer that is formed of a bonding material that melts, fluidizes, softens, or reacts at a temperature lower than the melting point of the metal and that covers the metal. Element cap.
前記プロジェクションの先端部分は、前記地金が露出していることを特徴とする請求項1に記載の光素子用キャップ。 The cap for an optical element according to claim 1, wherein the tip portion of the projection is exposed to the bare metal. 前記接合材層は、前記プロジェクションの根元部分において、周方向に沿って連続的に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光素子用キャップ。 The cap for an optical element according to claim 1 or 2, wherein the bonding material layer is continuously formed along the circumferential direction at the root portion of the projection. 前記プロジェクションは、複数の単位プロジェクションをリング状に配置して形成したことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光素子用キャップ。 The optical element cap according to any one of claims 1 to 3, wherein the projection is formed by arranging a plurality of unit projections in a ring shape. 前記接合材層は、前記複数の単位プロジェクションどうしの周方向における隙間を埋めるように形成されていることを特徴とする請求項4に記載の光素子用キャップ。 The cap for an optical element according to claim 4, wherein the bonding material layer is formed so as to fill a gap between the plurality of unit projections in the circumferential direction. 前記つば部には、前記プロジェクションとして、同心状に複数のプロジェクションが形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光素子用キャップ。 The cap for an optical element according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of projections are concentrically formed on the brim portion as the projection. 光半導体素子が実装された基板、および
前記基板に接合され、前記基板との間に前記光半導体素子を収容する気密空間を形成する請求項1から6のいずれか1項に記載の光素子用キャップ、
を備えたことを特徴とする光半導体装置。
The optical element according to any one of claims 1 to 6, wherein a substrate on which the optical semiconductor element is mounted and an airtight space formed between the substrate and the substrate to accommodate the optical semiconductor element. cap,
An optical semiconductor device characterized by being equipped with.
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