JP3512648B2 - 光半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光半導体素子を収容
するための光半導体素子収納用パッケージに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、光半導体素子を収容するための光
半導体素子収納用パッケージは、一般に鉄ーニッケルー
コバルト合金や銅−タングステン合金等の金属から成
り、上面中央部に光半導体素子が載置される載置部を有
し、該載置部周辺に複数の外部リード端子が絶縁部材を
介し上面から下面に貫通するようにして固定された金属
基体と、前記光半導体素子搭載部を囲繞するようにして
金属基体上に銀ロウ等のロウ材を介して接合され、側部
に貫通孔を有する鉄ーニッケルーコバルト合金等から成
る枠体と、前記枠体の貫通孔に金ー錫合金等のロウ材を
介して取着され、内部に光信号が伝達される空間を有す
る鉄ーニッケルーコバルト合金等の金属から成る筒状の
固定部材と、前記筒状の固定部材の端面に融点が３００
〜４００℃の金ー錫合金等の低融点ロウ材を介して取着
された固定部材の内部を塞ぐ非晶質ガラス等から成る透
光性部材と、前記枠体の上面に取着され、光半導体素子
を気密に封止する蓋部材とから構成されており、前記金
属基体の光半導体素子搭載部に光半導体素子を接着固定
するとともに該光半導体素子の各電極をボンディングワ
イヤを介して外部リード端子に電気的に接続し、しかる
後、前記枠体の上面に蓋部材を接合させ、金属基体と枠
体と蓋部材とから成る容器内部に光半導体素子を気密に
収容するとともに筒状固定部材に光ファイバーを接続さ
せることによって製品としての光半導体装置となる。

【０００３】かかる光半導体装置は外部電気回路から供
給される駆動信号によって光半導体素子を光励起させ、
該励起した光を透光性部材を通して光ファイバーに授受
させるとともに該光ファイバー内を伝達させることによ
って高速光通信等に使用される光半導体装置として機能
する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の光半導体素子収納用パッケージにおいては、透光性
部材を構成する非晶質ガラスの熱膨張係数が約８．５×
１０^-6／℃（３０℃〜４００℃）であるのに対し、筒状
の固定部材を構成する鉄ーニッケルーコバルト合金等の
熱膨張係数が約４．５×１０^-6／℃（Ｒｔ〜４００℃）
であり、相違することから筒状の固定部材に透光性部材
を低融点ロウ材を介して取着させた場合、透光性部材と
固定部材との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱
応力が発生するとともにこれが透光性部材に内在してし
まい、その結果、透光性部材を通して光半導体素子が励
起した光を光ファイバーに授受させる際、光半導体素子
の励起した光は透光性部材を通過する際に前記内在する
応力によって複屈折を起こし、光の一部のみが光ファイ
バーに授受されることになって光ファイバーヘの光の授
受の効率が悪くなるとともに光信号の伝送効率が悪化す
るという欠点を有していた。

【０００５】そこで上記欠点を解消するために非晶質ガ
ラスから成る透光性部材が取着される固定部材を透光性
部材の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有する金属材
料で形成することが考えられる。

【０００６】かかる固定部材の熱膨張係数を透光性部材
の熱膨張係数に近似させると透光性部材を固定部材に取
着させる際、透光性部材と固定部材との間に両者の熱膨
張係数の相違に起因する熱応力が発生することは殆どな
く、透光性部材に応力が内在することも殆どない。

【０００７】しかしながら、この固定部材は透光性部材
を取着させる際に固定部材と透光性部材との間に応力を
発生することはないものの、鉄ーニッケルーコバルト合
金等の金属材料から成る枠体とは熱膨張係数が相違する
こととなり、枠体の貫通孔に透光性部材が取着されてい
る固定部材を金ー錫合金等のロウ材を介して取着する
際、枠体と固定部材との間に両者の熱膨張係数の相違に
起因する熱応力が発生し、これが固定部材に取着されて
いる透光性部材に作用して透光性部材を通過する光半導
体素子が励起した光に複屈折を起こさせ、光ファイバー
への光の授受の効率が悪くなるとともに光信号の伝送効
率が悪化するという欠点を誘発してしまう。

【０００８】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は光半導体素子の励起した光を透光性部材
を介し光ファイバーに効率良く授受させ、光信号の伝送
効率を高いものとした光半導体素子収納用パッケージを
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上面に光半導
体素子が載置される載置部を有する基体と、前記基体上
に光半導体素子載置部を囲繞するように取着され、側部
に貫通孔を有する枠体と、前記枠体の貫通孔に取着さ
れ、内部に光信号が伝達される空間を有する筒状の固定
部材と、前記筒状の固定部材の端面に取着され、固定部
材の内部を塞ぐ透光性部材と、前記枠体の上面に取着さ
れ、光半導体素子を気密に封止する蓋部材とから成る光
半導体素子収納用パッケージであって、前記固定部材の
端面で、前記透光性部材の端部周辺に切り欠き部を設け
たことを特徴とするものである。

【００１０】また本発明は、前記切り欠き部の深さを透
光性部材の最大厚みに対して０．２５倍以上とすること
を特徴とするものである。

【００１１】本発明の光半導体素子収納用パッケージに
よれば、透光性部材が取着される固定部材の端面で、透
光性部材の端部周辺に、例えば、透光性部材の最大厚み
に対して０．２５倍以上の深さの切り欠き部を設けたこ
とから透光性部材と固定部材との間、或いは枠体と固定
部材との間に熱膨張係数の相違があり、透光性部材を固
定部材に取着させる際、或いは透光性部材が取着されて
いる固定部材を枠体の貫通孔に取着する際に透光性部材
と固定部材間、或いは枠体と固定部材間に両者の熱膨張
係数の相違に起因する熱応力が発生したとしてもその応
力は前記切り欠き部で吸収遮断され、その結果、透光性
部材に熱応力が内在することはなく、これによって光半
導体素子が励起した光を透光性部材を通して光ファイバ
ーに伝達させた場合、光半導体素子の励起した光は透光
性部材に内在する熱応力に起因して複屈折を起こすこと
はなくそのまま光ファイバー部材に授受されることとな
り、光信号の伝送効率が極めて高いものとなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。図１及び図２は本発明の光半導体素子
収納用パッケージの一実施例を示し、１は基体、２は枠
体、３は蓋部材である。この基体１と枠体２と蓋部材３
とで内部に光半導体素子４を収容するための容器が構成
される。

【００１３】前記基体１は光半導体素子４を支持するた
めの支持部材として作用し、その上面の略中央部に光半
導体素子４を載置するための載置部１ａを有し、該載置
部１ａに光半導体素子４が間にペルチェ素子５等を挟ん
で金−シリコンロウ材等の接着剤により接着固定され
る。

【００１４】前記基体１は鉄ーニッケルーコバルト合金
や銅−タングステン合金等の金属材料から成り、例え
ば、鉄ーニッケルーコバルト合金から成る場合、鉄ーニ
ッケルーコバルト合金のインゴット（塊）に圧延加工法
や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すこと
によって製作される。

【００１５】なお、前記基体１はその外表面に耐蝕性に
優れ、かつロウ材に対して濡れ性が良い金属、具体的に
は厚さ２〜６μｍのニッケル層と厚さ０．５〜５μｍの
金層を順次、メッキ法により被着させておくと、基体１
が酸化腐蝕するのを有効に防止することができるととも
に基体１上面に光半導体素子４の下部に配されるペルチ
ェ素子５等を強固に接着固定させることができる。従っ
て、前記基体１は酸化腐蝕を有効に防止し、かつ上面に
光半導体素子４の下部に配されるペルチェ素子５等を強
固に接着固定させる場合にはその外表面に厚さ２〜６μ
ｍのニッケル層と厚さ０．５〜５μｍの金層を順次、メ
ッキ法により被着させておくことが好ましい。

【００１６】また前記基体１は光半導体素子４が載置さ
れる載置部１ａの周辺に該基体１を貫通する複数個の外
部リード端子６がガラス等の絶縁部材７を介して固定さ
れている。

【００１７】前記外部リード端子６は光半導体素子４の
各電極を外部の竃気回路に電気的に接続する作用をな
し、その一端に光半導体素子４の電極がボンディングワ
イヤ８を介して接続され、また他端側は外部電気回路に
半田等のロウ材を介して接続される。

【００１８】前記外部リード端子６は例えば、鉄ーニッ
ケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等の金属材料か
ら成り、基体１への固定は、基体１に外部リード端子６
より若干大きな径の孔をあけておき、この孔にリング状
のガラスから成る絶縁部材７と外部リード端子６を挿通
させ、しかる後、前記ガラスから成る絶縁部材７を加熱
溶融させることによって行われる。

【００１９】なお、前記外部リード端子６はその表面に
ニッケルメッキ層、金メッキ層等の耐蝕性に優れ、かつ
ロウ材と濡れ性の良いメッキ金属層を１．０μｍ乃至２
０μｍの厚みに被着させておくと外部リード端子６の酸
化腐蝕が有効に防止されるとともに外部リード端子６と
ボンディングワイヤ８との接続を強固なものとなすこと
ができる。従って、前記外部リード端子６はその表面に
ニッケルメッキ層、金メッキ層等の耐蝕性に優れ、かつ
ロウ材と濡れ性が良いメッキ金属層を１．０μｍ乃至２
０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。

【００２０】また前記基体１の上面には、光半導体素子
４が載置される載置部１ａを囲繞するようにして枠体２
が接合されており、該枠体２の内側に光半導体素子４を
収容するための空所が形成されている。

【００２１】前記枠体２は鉄ーニッケルーコバルト合金
や鉄ーニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄
ーニッケルーコバルト合金等のインゴット（塊）をプレ
ス加工により枠状とすることによって形成され、基体１
への取着は基体１上面と枠体２の下面とを銀ロウ材を介
しロウ付けすることによって行われている。

【００２２】更に前記枠体２はその側部に貫通孔２ａが
設けてあり、該貫通孔２ａには筒状の固定部材９が取着
され、更に固定部材９の内側の端面には板状、半球状、
或いは球状の透光性部材１０が取着されている。

【００２３】前記枠体２の側部に形成されている貫通孔
２ａは固定部材９を取着するための取着孔として作用
し、枠体２の側部に従来周知のドリル孔あけ加工を施す
ことによって所定形状に形成される。

【００２４】また前記枠体２の貫通孔２ａには筒状の固
定部材９が取着されており、該固定部材９は光ファイバ
ー部材１１を枠体２に固定する際の下地固定部材として
作用するとともに光半導体素子４の励起した光を光ファ
イバー部材１１に伝達させる作用をなし、その内側端面
には透光性部材１０が取着され、また外側の端面側には
光ファイバー部材１１が取着接続される。

【００２５】前記筒状の固定部材９は鉄ーニッケルーコ
バルト合金や４０乃至６０重量％の鉄と４０乃至６０重
量％のニッケルの合金等から成り、例えば、鉄ーニッケ
ルーコバルト合金等のインゴット（塊）をプレス加工に
より筒状とすることによって形成される。

【００２６】また前記固定部材９はその内側の端面に透
光性部材１０が取着されており、該透光性部材１０は固
定部材９の内部空間を塞ぎ、基体１と枠体２と蓋部材３
とから成る容器の気密封止を保持させるとともに固定部
材９の内部空間を伝達する光半導体素子４の励起した光
をそのまま固定部材９に取着接続される光ファイバー部
材１１に伝達させる作用をなす。

【００２７】前記透光性部材１０は板状、半球状、或い
は球状をなし、例えば、酸化珪素、酸化鉛を主成分とし
た鉛系及びホウ酸、ケイ砂を主成分としたホウケイ酸系
の非晶質ガラスで形成されており、該非晶質ガラスは結
晶軸が存在しないことから光半導体素子４の励起する光
を透光性部材１０を通過させて光ファイバー部材１１に
授受させる場合、光半導体素子４の励起した光は透光性
部材１０で複屈折を起こすことはなくそのまま光フアイ
バー部材１１に授受されることとなり、その結果、光半
導体素子４が励起した光の光ファイバー部材１１への授
受が高効率となって光信号の伝送効率を高いものとなす
ことができる。

【００２８】更に前記透光性部材１０の固定部材９への
取着は例えば、板状をなす透光性部材１０の主面外周部
に予めメタライズ層１２を被着させておき、該メタライ
ズ層１２と固定部材９の内側端面とを金ー錫合金等のロ
ウ材を介しロウ付けすることによって行われる。この場
合、透光性部材１０の固定部材９への取着が金ー錫合金
等によるロウ付けにより行われることから取着の信頼性
が高いものとなり、これによって固定部材９と透光性部
材１０との取着部における光半導体素子４を収容する容
器の気密封止が完全となり、容器内部に収容する光半導
体素子４を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させる
ことができる。

【００２９】また前記固定部材９を４０乃至６０重量％
の鉄と４０乃至６０重量％のニッケルの合金で形成して
おくと該４０乃至６０重量％の鉄と４０乃至６０重量％
のニッケルから成る合金はその熱膨張係数が約９．５×
１０^-6／℃（Ｒｔ〜４００℃）であり、非晶質ガラスか
ら成る透光性部材１０の熱膨張係数に近似することから
透光性部材１０を固定部材９にロウ付けする際、透光性
部材１０と固定部材９との間に両者の熱膨張係数の相違
に起因する熱応力が発生し、該熱応力が透光性部材１０
に内在して、透光性部材１０を通過する光半導体素子４
の励起した光に複屈折を起こさせることはなく、光半導
体素子４が励起した光はそのまま光ファイバー部材１１
に授受されて光信号の伝送効率が極めて高いものとな
る。従って、前記固定部材９は４０乃至６０重量％の鉄
と４０乃至６０重量％のニッケルの合金で形成しておく
ことが好ましい。

【００３０】なお、前記透光性部材１０の主面外周部に
予め被着されているメタライズ層１２は透光性部材１０
を構成する非晶質ガラスの融点が約７００℃と低く、従
来周知のＭｏーＭｎ法を採用することによって形成する
ことができないことから図２に示すように、非晶質ガラ
スに対して活性があり、強固に接合するチタン、チタン
ータングステン、窒化タンタルの少なくとも１種から成
る第１層１２ａと、この第１層１２ａが透光性部材１０
を固定部材９にロウ付けする際の熱によって後述する第
３層１２ｃに拡散し、メタライズ層１２の透光性部材１
０に対する接合強度が低下するのを有効に防止する白
金、ニッケル、ニッケルークロムの少なくとも１種から
成る第２層１２ｂと、メタライズ層１２に対するロウ材
の濡れ性を改善し、メタライズ層１２にロウ材を強固に
接合させて透光性部材１０を固定部材９に強固に取着さ
せる金、白金、銅の少なくとも１種から成る第３層１２
ｃとを順次、積層させることによって形成されており、
特にチタンー白金ー金を順次積層させて形成したメタラ
イズ層１２は透光性部材１０との接合強度が強く、かつ
ロウ材との濡れ性が良好で透光性部材１０を固定部材９
にロウ付けすることが可能なことからメタライズ層１２
として極めて好適である。

【００３１】また前記チタン、チタンータングステン、
窒化タンタルの少なくとも１種から成る第１層１２ａ
と、白金、ニッケル、ニッケルークロムの少なくとも１
種から成る第２層１２ｂと、金、白金、銅の少なくとも
１種から成る第３層１２ｃとの３層構造を有するメタラ
イズ層１２はその各々の金属材料、窒化物を透光性部材
１０の外周部にスパッタリング法や蒸着法、イオンプレ
ーティング法、メッキ法等により順次、所定厚みに被着
させることによって形成される。

【００３２】更に前記メタライズ層１２をチタン、チタ
ンータングステン、窒化タンタルの少なくとも１種から
成る第１層１２ａと、白金、ニッケル、ニッケルークロ
ムの少なくとも１種から成る第２層１２ｂと、金、白
金、銅の少なくとも１種から成る第３層１２ｃとで形成
する場合、第１層１２ａの層厚は５００オングストロー
ム未満となるとメタライズ層１２の透光性部材１０に対
する接合強度が弱くなる傾向にあり、また２０００オン
グストロームを超えると透光性部材１０に第１層１２ａ
を被着させる際に第１層１２ａ中に大きな応力が内在
し、該内在応力によって第１層１２ａが透光性部材１０
より剥離し易くな傾向にあることから第１層１２ａの厚
みは５００オングストローム乃至２０００オングストロ
ームの範囲としておくことが好ましく、第２層１２ｂの
層厚は５００オングストローム未満となると透光性部材
１０を固定部材９にロウ付けする際の熱によって第１層
１２ａが第３層１２ｃに拡散するのを有効に防止するこ
とができず、メタライズ層１２の透光性部材１０に対す
る接合強度が低下してしまう危険性があり、また１００
００オングストロームを超えると第１層１２ａ上に第２
層１２ｂを被着させる際に第２層１２ｂ中に大きな応力
が内在し、該内在応力によって第２層１２ｂが第１層１
２ａより剥離し易くなる傾向にあることから第２層１２
ｂの厚みは５００オングストローム乃至１００００オン
グストロームの範囲としておくことが好ましく、第３層
１２ｃの層厚は０．５μｍ未満であるとメタライズ層１
２に対するロウ材の濡れ性が大きく改善されず、透光性
部材１０を固定部材９に強固にロウ付け取着するのが困
難となる傾向にあり、また５μｍを超えると第２層１２
ｂ上に第３層１２ｃを被着させる際に第３層１２ｃ中に
大きな応力が内在し、該内在応力によって第３層１２ｃ
が第２層１２ｂより剥離し易くなる傾向にあることから
第３層１２ｃの厚みは０．５μｍ乃至５μｍの範囲とし
ておくことが好ましい。

【００３３】前記透光性部材１０が内側端面に取着され
ている固定部材９はまたその透光性部材１０の端部周辺
の端面に切り欠き部Ａが形成されている。

【００３４】前記切り欠き部Ａは透光性部材１０と固定
部材９との間、或いは枠体２と固定部材９との間に発生
する熱応力を吸収遮断する作用をなし、透光性部材１０
と固定部材９との間、或いは枠体２と固定部材９との間
に熱膨張係数の相違があり、透光性部材１０を固定部材
９に取着させる際、或いは透光性部材１０が取着されて
いる固定部材９を枠体２の貫通孔２ａに取着する際に透
光性部材１０と固定部材９間、或いは枠体２と固定部材
９間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生
したとしてもその応力は前記切り欠き部Ａで吸収遮断さ
れ、その結果、透光性部材１０に熱応力が内在すること
はなく、これによって光半導体素子４が励起した光を透
光性部材１０を通して光ファイバー部材１１に伝達させ
た場合、光半導体素子４の励起した光は透光性部材１０
に内在する熱応力に起因して複屈折を起こすことはなく
そのまま光ファイバー部材１１に授受されることとな
り、光信号の伝送効率が極めて高いものとなる。

【００３５】前記切り欠き部Ａは固定部材９の端面で取
着される透光性部材１０の端部周辺に切削加工やレーザ
ー加工、エッチング加工等を施すことによって所定形
状、所定深さに形成される。

【００３６】また前記切り欠き部Ａはその深さを板状、
半球状、或いは球状をなす透光性部材１０の最大厚みに
対して０．２５倍以上としておくと、透光性部材１０と
固定部材９との間、或いは枠体２と固定部材９との間に
発生する熱応力を良好に吸収遮断し、透光性部材１０に
熱応力が内在するのを有効に防止することができる。

【００３７】従って、前記切り欠き部Ａはその深さを透
光性部材１０の最大厚みに対して０．２５倍以上として
おくことが好ましい。

【００３８】更に一方、前記金属材料より成る枠体２の
上面には、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ー
ニッケル合金等の金属材料から成る蓋部材３が接合さ
れ、これによって基体１と枠体２と蓋部材３とからなる
容器の内部に光半導体素子４が気密に封止されることと
なる。

【００３９】前記蓋部材３の枠体２上面への接合は、例
えば、シームウエルド法等の溶接によって行われる。

【００４０】かくして本発明の光半導体素子収納用パッ
ケージによれば、基体１の光半導体素子載置部１ａに光
半導体素子４を間にペルチェ素子５等を挟んで載置固定
するとともに光半導体素子４の各電極をボンデイングワ
イヤ８を介して外部リード端子６に電気的に接続し、次
に枠体２の上面に蓋部材３を接合させ、基体１と枠体２
と蓋部材３とから成る容器内部に光半導体素子４を収容
し、最後に枠体２の固定部材９に光ファイバー部材１１
を取着接続させることによって最終製品としての光半導
体装置となり、外部電気回路から供給される駆動信号に
よって光半導体素子４に光を励起させ、該励起した光を
非晶質ガラスから成る透光性部材１０を通して光ファイ
バー部材１１に授受させるとともに該光ファイバー部材
１１の光ファイバー内を伝達させることによって高速光
通信等に使用される。

【００４１】なお、本発明は上述の実施例に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば
種々の変更は可能であり、例えば上述の実施例では外部
リード端子６を基体１に固定したがこれを枠体２に固定
してもよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明の光半導体素子収納用パッケージ
によれば、透光性部材が取着される固定部材の端面で、
透光性部材の端部周辺に、例えば、透光性部材の最大厚
みに対して０．２５倍以上の深さの切り欠き部を設けた
ことから透光性部材と固定部材との間、或いは枠体と固
定部材との間に熱膨張係数の相違があり、透光性部材を
固定部材に取着させる際、或いは透光性部材が取着され
ている固定部材を枠体の貫通孔に取着する際に透光性部
材と固定部材間、或いは枠体と固定部材間に両者の熱膨
張係数の相違に起因する熱応力が発生したとしてもその
応力は前記切り欠き部で吸収遮断され、その結果、透光
性部材に熱応力が内在することはなく、これによって光
半導体素子が励起した光を透光性部材を通して光ファイ
バー部材に伝達させた場合、光半導体素子の励起した光
は透光性部材に内在する熱応力に起因して複屈折を起こ
すことはなくそのまま光ファイバー部材に授受されるこ
ととなり、光信号の伝送効率が極めて高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光半導体素子収納用パッケージの一実
施例を示す断面図である。

【図２】図１に示す光半導体素子収納用パッケージの要
部拡大断面図である。

【符号の説明】

１・・・基体 １ａ・・光半導体素子載置部 ２・・・枠体 ２ａ・・貫通孔 ３・・・蓋部材 ４・・・光半導体素子 ９・・・固定部材 １０・・・透光性部材 １１・・・光ファイバー部材 Ａ・・・切り欠き部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/02 H01L 31/00 H01L 33/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面に光半導体素子が載置される載置部を
   有する基体と、前記基体上に光半導体素子載置部を囲繞
   するように取着され、側部に貫通孔を有する枠体と、前
   記枠体の貫通孔に取着され、内部に光信号が伝達される
   空間を有する筒状の固定部材と、前記筒状の固定部材の
   端面に取着され、固定部材の内部を塞ぐ透光性部材と、
   前記枠体の上面に取着され、光半導体素子を気密に封止
   する蓋部材とから成る光半導体素子収納用パッケージで
   あって、前記固定部材の端面で、前記透光性部材の端部
   周辺に切り欠き部を設け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２】前記切り欠き部の深さが前記透光性部材の
   最大厚みに対して０．２５倍以上であることを特徴とす
   る請求項１に記載の光半導体素子収納用パッケージ。