JP2501004B2 - カプセル封止方法 - Google Patents

カプセル封止方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオード、特に
レーザ・ダイオードを、外部環境から保護し、パッケー
ジングを簡単にするために気密シールする手段に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体発光ダイオードは、湿気に対して
非常に敏感で、洗浄剤の様な化学物質、機械的応力と歪
みに曝されるため、適切なハウジング内にカプセル封止
されねばならず、また適切なハウジングにより保護され
ねばならない。さらに、ハウジングは、電気的および光
学的相互接続が可能でなければならない。
【０００３】これらダイオードのカプセル封止とパッケ
ージングは、一方では簡単で、安価なものでなければな
らず、他方ではできるだけ信頼性かつ持続性があるべき
である。標準的な半導体デバイスのカプセル封止に対す
る種々の手段は、周知であるが、それらのほとんどは発
光ダイオードへの応用に不適当であるか、または機械的
に複雑である。しかしながら、ハウジングの複雑さを軽
減し、ダイオードを気密シールするエポキシのような物
質を使用する、幾つかの提案は知られている。
【０００４】種々の同様な提案の中の１つの例が、ヨー
ロッパ特許第０４６６９７５号公開公報、“Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄ
ｅｖｉｃｅ”に開示されている。この発光デバイスのカ
プセル封止の原理は図１に模式的に示されている。この
図にみられる様に、吸収端発光レーザ・ダイオード１０
はマウント・ベース１１上にマウントされている。この
ダイオード１０とある距離をおいて、４５°ミラー面１
３を有する立方体１２が設置され、光出力ポートを与え
ている。レーザ・ダイオード１０と既に述べた立方体１
２は透明樹脂１４内にシールされ、保持される。この樹
脂１４はレーザの発光面に接着し、レーザ１０と立方体
１２の間の空間を充填する。立方体１２の上面は樹脂１
４によって被覆されない。矢印１５に示される様に、レ
ーザ１０からの光ビームは、樹脂１４を経て伝播し、樹
脂１４の外側に反射される。
【０００５】発光ダイオードの重要な要素は発光面であ
り、レーザ・ダイオードの場合にはミラー面と称され
る。発光ダイオードの構造に依存する小さい発光領域の
故に、光束密度は非常に高くなり（＞１ＭＷ／ｃ
ｍ2 ）、腐食または汚染は、出力の低下、または熱的暴
走による発光面の溶解につながる。図１で使用された透
明樹脂のような、有機カプセル封止材はすべて非常に低
い熱伝導率を有し、このためわずかな熱吸収でも高い局
部温度上昇を生じる。この理由により、レーザ・ダイオ
ードのほとんどは、金属エンクロージャ内にシールさ
れ、これは不活性ガスのみが敏感な発光面と接触するこ
とを保証する。例えば図１に示す様に、カプセル封止材
を使用して発光ダイオードを気密シールすることの重大
な欠点は、高い光束密度の光ビームが発生する場合、カ
プセル封止材が発光面に融着して、発光面と直接に反応
して熱的問題を生じることである。更にまた、高い光束
密度により引き起こされるカプセル封止材の化学変化
が、発光面の劣化（腐食）を加速する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、既知
のカプセル封止の欠点を克服する発光ダイオードの気密
カプセル封止を提供することにある。
【０００７】本発明の他の目的は、簡単で信頼性のあ
る、低価格のカプセル封止技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】発光ダイオードの発光面
に直接に接する‘エアー’ギャップまたは不活性ガスを
有する領域を与え、発光ダイオードの他の部分をカプセ
ル封止材でシールする。
【０００９】
【実施例】本発明の種々の実施例を記述する前に、カプ
セル封止材として使用される幾つかの物質を各々説明す
る。光路に設けられる際には透明でなければならず、さ
らに、耐久性があり容易に扱えなければならない材料
は、技術的に周知である。代表的な物質は、環状脂肪族
エポキシ樹脂、ジグリジシルエステル、ポリウレタン、
ポリメチルメタクリル酸（ＰＭＭＡ）である。種々のジ
グリジシルエステルはヨーロッパ特許第００３９０１７
号明細書、“Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ ｚｕｒ Ｈｅｒｓｔ
ｅｌｌｕｎｇ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｅｒ Ｇｉｅｓ
ｓｈａｒｚｅ”に記述されている。更なる情報は光学樹
脂の製造業者または販売業者から得られる。幾つかの樹
脂のリストは、刊行物Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅ ＡＧ
（Ｂｌｅｉｃｈｓｔｒａｓｓｅ ８，ＣＨ−６３００
Ｚｕｇ／Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）により発行されたリ
ーフレット“ＵＶ−ａｕｓｈａｒｔｅｎｄｅ Ｅｐｏｘ
ｉｅｓ、Ｋｌｅｂｓｔｏｆｆｅ ｕｎｄ Ａｂｄｅｃｋ
ｍａｓｓｅｎ”に記載されている。Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎ
ｃｅ ＡＧはＥｌｅｃｔｒｏ−Ｌｉｔｅ Ｃｏｒｐｏｒ
ａｔｉｏｎ（Ｄｕｎｂｕｒｙ，ＣＴ，ＵＳ）の生産物の
販売業者である。
【００１０】本発明の第１の実施例は図２中に示されて
いる。この図には、点線２１により示される吸収端発光
レーザ・ダイオードの活性層がマウント・ベース２３に
設けられている吸収端発光レーザ・ダイオード２０を有
するモジュールの略断面図が示されている。レーザ・ダ
イオード２０の全体は、レーザ・ミラー２２の正面に直
接に接した‘エアー’ギャップ２７を設けて、透明樹脂
２４によりカプセル封止されている。前記‘エアー’ギ
ャップの幅は、一般的に１０００μｍ以下であり、好適
には５μｍ〜１００μｍである。気密シール・ギャップ
２７は、周囲環境から隔離された最適条件の環境を保証
する。レーザ・ミラー２２は、カプセル封止された後
は、機械的応力，歪みまたは化学物質に曝されない。本
発明に従ってカプセル封止されたこのダイオードの更な
るパッケージングは、例えば、米国特許第５０５２００
９号明細書“Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ
Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ａｓ
ｓｅｍｂｌｉｎｇ ｔｈｅＳａｍｅ”に記載されている
ように、窓のある標準的な金属ハウジングを用いること
により行うことができる。
【００１１】レーザ・ダイオード２０のカプセル封止の
方法は、カプセル封止の中間工程を示した図３〜図５に
基づいて説明される。図３に示されるように、レーザ・
ダイオード２０は、接合サイド・アップ（ｊｕｎｃｔｉ
ｏｎ−ｓｉｄｅ−ｕｐ）でエピタキシャル・サイド・ア
ップ（ｅｐｉ−ｓｉｄｅ−ｕｐ）とも称されるマウント
・ベース２３の上部にマウントされる。レーザ・ダイオ
ード２０は、例えばこのマウント・ベース２３に接合で
きる。明確に定められた厚さＷの薄い箔２８は、レーザ
２０のミラー面の正面に置かれ、固定される。この箔２
８は、例えばクランプによる次の工程中に正しい位置に
保持されなければならない。次に図４に示すように、レ
ーザ・ダイオード２０と箔２８は第１のカプセル封止材
２９でシールされる。カプセル封止材２９は、レーザに
より出射された光ビームが殆ど減衰せずにカプセル封止
材２９を透過できるように、レーザにより出射された判
定波長に対してはトランスペアレントでなければならな
い。図４に示すように、箔２８の上部は被覆されず残さ
れており、箔は一種のダムとして機能をする。全体構造
を最終的にカプセル封止する前に、箔２８は第１のカプ
セル封止材が固化した後に、除去されねばならない。こ
れは箔をエッチングし、適当な溶媒で溶解するか、若し
くは機械的に除去することにより行うことができる。箔
２８が除かれた後、ギャップ２７はミラーに直接接して
残り、ギャップ２７の幅は箔の厚さＷにより決定され
る。図５に示される様に、カプセル封止を完成するため
に、カプセル封止材３０のさらなる層が構造上に設けら
れ、ギャップ２７上を被覆する。ギャップ２７内に封止
された空気または例えば窒素のような不活性ガスは、こ
の追加の層３０の流入を防止する。高い粘性のカプセル
封止材とギャップの狭い幅を選択すると、ギャップ２７
が真空となるように全体のプロセスは真空中でも実行可
能である。カプセル封止材を迅速に設けて、例えばＵＶ
光を用いて急速に固化させることによって、カプセル封
止材がギャップ中に流れ込まないようにする。
【００１２】第１の実施例に基づいて記述された手段に
より、レーザは完全にシールされるが、エポキシまたは
他のカプセル封止材はレーザ・ミラーに直接接触しな
い。しかしながら、この実施例では、カプセル封止材は
光路中に存在する。図６〜図８に光路からカプセル封止
材をは除去する他の実施例が示されている。
【００１３】図６〜図８に基づいて説明される第２の実
施例は、光出力ポートとして機能する光ファイバ４２と
結合している吸収端発光レーザ・ダイオード４０に関連
している。図６に示す様に、ダイオード４０は、接合サ
イド・アップで、構造化されたマウント・ベース４３の
上部にマウントされている。図中、点線は活性層４１を
示している。このマウント・ベース４３はレーザ４０を
結合できるマウント領域と、マウント・ベース４３の一
部であるか若しくはマウント・ベース４３に取り付けら
れる、ファイバ４２用の位置決め支持部とを与えるよう
に構成されている。必要であるならば、凹部をレーザの
マウント領域と位置決め支持部との間に設けることがで
きる。前記位置決め支持部は、光ファイバがただ１つの
自由度、すなわち、レーザ・ミラー面に垂直な自由度を
もつような形状とされるている。これは、位置決め支持
部にＶ型溝を設けることにより達成できる。このことは
Ｈ．Ｋａｕｆｍａｎｎ等によるＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ，２２，Ｎｏ．１２ｐ６４２−
６４３ “Ｓｅｌｆ−Ａｄｊｕｓｔｅｄ Ｐｅｒｍａｎ
ｅｎｔ Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｉｂｅｒ ｔ
ｏ ＧａＡｓ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎ
ｔｓ”の様な文献により知られている。
【００１４】次に、薄い箔４４がミラーと光ファイバ４
２との間に設けられる。このとき、光ファイバは、図７
の右上の矢印により示される様に、レーザ４０の方に光
ファイバ４２を押すことにより、ミラーの表面に対して
箔４４を緩くクランプするために使用される。第１の実
施例に基づいて説明されたカプセル封止の第１工程と同
様に、カプセル封止材４５は、箔４４をダムとして機能
させてレーザ４０と光ファイバ４２上へ注入される。こ
の中間工程は図７に模式的に示される。カプセル封止材
４５が固化した後に、すでに説明した適当な手段を利用
して箔４４は除去される。箔の厚みにより決定される幅
のギャップ４７が、レーザ・ミラーと光ファイバ４２と
の間に残される。カプセル封止は、さらにカプセル封止
層４６を設けることにより完成される。図８に示す様
に、完成したレーザは被覆され、カプセル封止材は光路
には残っていない。効率的な光学結合がこの技術により
保証される。光ファイバ４２とレーザ４０との間の位置
決めは高い再現性と精密さを有している。
【００１５】本発明の第３の実施例は、図９〜図１２に
基づいて説明される。これらの図からわかる様に、レー
ザ・ダイオード５０の完成したパッケージングが説明さ
れる。レーザ・ダイオード５０のカプセル封止を始める
前に、図９に示す様に、基板５１へレーザ・ダイオード
５０は接合されねばならない。この基板５１は、金属ピ
ン５３を用いてベース・プレート５２に固定、または接
続される。これらの金属ピン５３上端部は、レーザのコ
ンタクト・メタライゼーションへ接続ワイヤ５４により
接続されている。次に、図１０に示す様に、薄い可溶性
の箔５５が、少なくとも発光部が被覆される様にレーザ
５０のフロント・ミラーの上部に設けられる。好ましく
は金属より作られ、上部に窓を有する円筒状のシール・
キャップ５６が、ベース・プレート５２の上部に設けら
れる。例えばマッシュルームのような形状の光学レンズ
５７が、窓内へシール・キャップの外側から挿入され
る。窓とレンズのサイズは、光学レンズ５７が上下に可
動するよう選択される。箔５５に対してレンズ５７を押
圧することにより、光学レンズ５７を正しい位置にクラ
ンプする。図１１に示す様に、全体の構造を、９０゜回
転する。第１及び第２の実施例に基づいて既に説明され
た工程と同様に、カプセル封止材５８が、基板５１上に
マウントされたレーザ５０と、箔５５と、光学レンズ５
７上に注入される。この液状カプセル封止材は、例えば
開口５９を通してシール・キャップ５６の内部に注入さ
れる。このカプセル封止材５８が固化した後、シール・
キャップ５６を除去して箔５５を適当な溶媒と接触させ
るか、またはこの溶媒を開口５９を利用してシール・キ
ャップ５６内に直接満たす。この工程の後、レーザ・ミ
ラーと光学レンズ５７の間にギャップが残される。シー
ル・キャップ５６の残りの部分は、カプセル封止材６１
により充填される。ギャップ６０は、このカプセル封止
材６１で充填されないことが保証される。
【００１６】上述した種々の実施例は、本発明の要点よ
り逸脱することなく、変更できることは明らかである。
いくつかの変更例を以下に述べる。 ・本発明によれば、種々の発光ダイオード、例えば面発
光ダイオードや、レーザダイオード・アレイ等を、カプ
セル封止できる。 ・発光面の正面に設けられる箔の形状、サイズ、厚さを
個々の環境に良く適合するように選択できる。 ・発光ダイオードは、良好なパッケージングと冷却を常
に可能とするエピタキシャル・サイド・アップまたはエ
ピタキシャル・サイド・ダウンでマウントすることがで
きる。 ・必要とされるならば、マウント・ベースと光ファイバ
位置決め支持部を変更することができる。 ・標準的なベース・プレートとシール・キャップ、およ
び特別に構成されたものを使用できる。 ・本発明によれば、マルチモード・光ファイバ、シング
ルモード・光ファイバ、ファイバ・アレイ、ロッド・レ
ンズ、収束または拡散レンズは、単一平面窓またはビー
ム・スプリッタのような他の光学手段を、、発光ダイオ
ードと共に、カプセル封止をすることができる。
【００１７】上述した手段により発光ダイオードは完全
にシールされるが、封止材はその発光面と接触しない。
要約すると、上述したパッケージ技術は広範囲の種々の
カプセル封止材の使用を可能にする。複雑さと価格の低
減は、デバイスの寿命の増大および信頼性の改善と組み
合わさって、これらデバイスの応用範囲を拡大した。
【図面の簡単な説明】
【図１】技術上既知のように、透明な樹脂でシールされ
た吸収端発光ダイオードと光出力ポートの略断面図であ
る。
【図２】本発明の第１の実施例による、ミラー面の正面
にエアーギャップを設けてカプセル封止された吸収端発
光レーザ・ダイオードの略断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例による、吸収端発光レー
ザ・ダイオードのカプセル封止の工程で、マウント・ベ
ースへレーザ・ダイオードを接合し、ミラーの正面に薄
い箔を設ける工程を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例による、吸収端発光レー
ザ・ダイオードのカプセル封止の工程で、薄い箔をダム
として機能させて、レーザ・ダイオードをシールする工
程を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例による、吸収端発光レー
ザ・ダイオードのカプセル封止の工程で、箔を除去し、
全体の構造をカプセル封止材で被覆する工程を示す図で
ある。
【図６】本発明の第２の実施例による、吸収端発光レー
ザ・ダイオードと光ファイバのカプセル封止の工程を示
し、マウント・ベースにレーザ・ダイオードを接続し、
溝に光ファイバを設ける工程を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例による、吸収端発光レー
ザ・ダイオードと光ファイバのカプセル封止の工程を示
し、レーザ・ダイオードのミラーの正面に薄い箔を設
け、この箔の方へ光ファイバを押す工程を示す図であ
る。
【図８】本発明の第２の実施例による、吸収端発光レー
ザ・ダイオードと光ファイバのカプセル封止の工程を示
し、箔を除去し、カプセル封止材で全体の構造を被覆し
て構造をシールする工程を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施例による、吸収端発光レー
ザ・ダイオードと光学レンズのカプセル封止の工程を示
し、マウント・ベースにレーザ・ダイオードをマウント
する工程を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施例による、吸収端発光レ
ーザ・ダイオードと光学レンズのカプセル封止の工程を
示し、レーザのミラーの正面に薄い箔を設け、シール・
キャップで構造を覆い、レンズを挿入する工程を示す図
である。
【図１１】本発明の第３の実施例による、吸収端発光レ
ーザ・ダイオードと光学レンズのカプセル封止の工程を
示し、全体の構造を回転させ、カプセル封止材で部分的
に充填する工程を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施例による、吸収端発光レ
ーザ・ダイオードと光学レンズのカプセル封止の工程を
示し、箔を除去し、シール・キャップをカプセル封止材
で充填する工程を示す図である。
【符号の説明】
２０，４０，５０ 発光ダイオード ２２ レーザ・ミラー ２３，４３，５１ マウント・ベース ２４ カプセル封止材 ２７，４７，６０ ギャップ ２８，４４，５５ 薄い箔 ２９，４５，５８ 第１のカプセル封止材 ３０，４６，６１ 第２のカプセル封止材 ４２ 光ファイバ ５７ 光学レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−29749（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−144508（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−92688（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−13885（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体発光ダイオードをカプセル封止する
    方法において、 （ａ）マウント・ベースに前記発光ダイオードをマウン
    トする工程と、 （ｂ）前記ダイオードの発光面の正面に、少なくとも前
    記発光面の発光部の一部を被覆する薄い箔を設ける工程
    と、 （ｃ）前記箔をダムとして機能させつつ、前記発光ダイ
    オード上に第１のカプセル封止材を流し込む工程と、 （ｄ）前記箔を前記第１のカプセル封止材が固化した後
    に除去して、前記発光面と直接に接触するギャップを残
    す工程と、 （ｅ）前記ギャップの開口を覆うがその中に注入されな
    いように、第２のカプセル封止材を前記構造に流し込む
    ことによりカプセル封止を完成する工程と、 を含むことを特徴とするカプセル封止方法。
  2. 【請求項２】請求項１記載のカプセル封止方法におい
    て、前記箔が可溶性のある箔であり、前記箔を適当な溶
    媒の使用により除去することを特徴とするカプセル封止
    方法。
  3. 【請求項３】請求項１記載のカプセル封止方法におい
    て、前記光ファイバを位置決め支持部に設けて、前記
    （ｃ）工程の前に前記箔の方へ押し、前記光ファイバを
    クランプとして機能させることを特徴とするカプセル封
    止方法。
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