JP3553726B2

JP3553726B2 - 電子部品用キャップおよびそれを用いた半導体レーザとその製法

Info

Publication number: JP3553726B2
Application number: JP09090996A
Authority: JP
Inventors: 秀史上林; 直史青木
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2016-04-12
Also published as: JPH09283852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はキャンシール型半導体レーザのような頂部に窓部を有し、底部にステムと接合し得る開口部を有する金属シェルからなる電子部品用キャップに関する。さらに詳しくは、該キャップをステムに圧入することによりハーメチックシールをしたり、該キャップが組み立てられた電子部品の該キャップの上面から強い外圧が加わる場合でもキャップの窓部のガラスなどが破損しないような電子部品用キャップ、ならびにそれを用いた半導体レーザおよびその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キャンシール型半導体レーザは、たとえば図５（ａ）に断面図が示されるような構造になっている。図５（ａ）において、ステム２１と一体化されたヒートシンク２１ａに、シリコンサブマウント２２を介してレーザチップ２３がマウントされている。このステム２１には、リード２６がステム２１と絶縁してハーメチックシールされると共に、リード２８が溶接などにより接続されている。レーザチップ２３の一方の電極端子がシリコンサブマウント２２を介してリード２６とワイヤボンディングされている。また、レーザチップ２３の他方の電極がヒートシンク２１ａを介してリード２８と接続されている。この周囲にキャップ２４が溶接などによりステム２１と接着されてハーメチックシールされている。キャップ２４の頂部にはレーザチップ２３からの光を取り出すため貫通孔による窓部が設けられ、内部を機密にするため、窓ガラス２５が低融点ガラス（図示せず）などにより接着されている。この窓ガラス２５があらかじめキャップ２４に接着された状態で、キャップ２４がステム２１に溶接される。この溶接は電気抵抗溶接で行われることが多く、その場合、電流を集中させて溶接を確実にするため、図５（ｂ）に示されるように、キャップ２４の底面に突起状のプロジェクション２４ａが形成されている。
【０００３】
半導体レーザに限らず、窓部を有し、ハーメチックシールをするためのキャップは、ホトトランジスタ、ホトダイオード、メタルキャップの発光ダイオード（ＬＥＤ）などに用いられるものでも大体図５に示されるような構造になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の構造のキャップを用いた半導体レーザなどの電子部品では、キャップを取り付ける場合にステムと溶接によりハーメチックシールを得なければならない。しかし、溶接条件はバラツキが多く、安定したハーメチックシールが得られないと共に、プロジェクションを有するため小型化が困難であるという問題がある。そのため、キャップをステムに圧入することによりハーメチックシールを得ることが要望されているが、キャップを圧入しようとすると、窓部のガラスや接着剤の低融点ガラスなどにクラックが入ったり、ワレが生じてハーメチックシールが得られず、実用化されていない。
【０００５】
さらに、前述の半導体レーザを、たとえば回折格子を備えたピックアップ用とする場合には、図６に示されるように、半導体レーザのキャップ２４の上表面にスプリング３１の一端側を押し当て、スプリング３１の他端側により回折格子３２をホルダ３３に押し付けて取り付けられる。ホルダ３３はステム２１と接着されている。このスプリング３１による押し付けの力は３〜５ｋｇあり、この押圧力により、半導体レーザの使用中にキャップ２４の窓部に接着されたガラスなどにクラックが入ったり、破損が生じてハーメチックシールが保たれなくなるという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、キャップの上面から圧力が加わっても窓部のガラスや接着剤にクラックが入ったり、破損しない構造の電子部品用キャップおよびそれを用いた半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明のさらに他の目的は、ハーメチックシール用の複雑な溶接の必要がなく、圧入だけによる簡単な工程により製造をすることができる半導体レーザの製法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、キャップの上面から圧力が加わった場合にキャップの窓ガラスや接着剤の低融点ガラスなどにクラックが入ったり、ワレが生じたりする原因を鋭意検討して調べた。その結果、キャップの上面の全面に押圧力が加わると窓ガラスおよびその周囲部分に強い引張力が加わり、それが原因で窓ガラスや接着剤の低融点ガラスにクラックやワレが入るものであることを見出した。そして、キャップの上面の外周端にリング状の突起部を設けることにより、窓ガラス部分に加わる強い引張応力は極一部で、接着剤部分には殆ど応力が加わらず、窓ガラスや接着剤にはクラックもワレも入らないことを見出した。
【０００９】
本発明による電子部品用キャップは、頂部に窓部が形成され、底部にステムと接合され得る開口部が形成された金属シェルの前記窓部に光透過部材が接着された電子部品用キャップであって、前記金属シェルの頂部の外周端表面に前記窓部近傍における前記金属シェルの厚さより肉厚を厚くすることにより形成される突起部がリング状に形成されている。
【００１０】
本発明の半導体レーザは、ステムにレーザチップがマウントされ、その周囲がキャップによりハーメチックシールされる半導体レーザであって、そのキャップに請求項１記載のキャップを用いるものである。
【００１１】
本発明の半導体レーザの製法は、（ａ）レーザチップがマウントされるヒートシンクを有する円筒状リング内に、絶縁体を介してリードを固定することによりステムを形成し、（ｂ）該ステムのヒートシンクにレーザチップをマウントし、ついでワイヤボンディングをし、（ｃ）頂部に窓部が形成され、底部にステムと接合され得る開口部が形成された金属シェルの前記窓部に光透過部材が接着されたキャップの前記開口部を、前記ステムの円筒状リング外周の側壁に圧入することにより嵌合させることを特徴とする。前記キャップが、前記金属シェルの頂部の外周端表面に前記窓部近傍における前記金属シェルの厚さより肉厚を厚くすることによ突起部がリング状に形成されているキャップであることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の電子部品用キャップおよび半導体レーザとその製法について説明をする。
【００１３】
図１は本発明の電子部品用キャップの断面図である。図１において、キャップ１０は金属シェル１１の頂部に形成された窓部１３に、たとえばガラスやプラスティックのような光透過部材１５が低融点ガラスなどの接着剤１６により機密を保持できるように接着されることにより形成されている。金属シェル１１は、たとえばコバール板などを絞り加工することにより、その底部にステムと接合するための開口部１４が設けられ、頂部には窓部１３とする貫通孔が設けられることにより形成されている。窓部１３は、たとえば内部に封入されるレーザチップのレーザ光を通過させるためのものである。このキャップ１０の頂部の上表面の外周端にリング状の突起部１２が形成されていることに本発明の特徴がある。
【００１４】
たとえばキャップ１０の高さが３ｍｍ程度で、内径が２．２ｍｍ程度で、肉厚ｔが０．１５ｍｍ程度の場合に、突起部１２はその高さＨが０．０３ｍｍ程度、その幅Ｗが０．２５ｍｍ程度に形成される。すなわち、むやみに高い突起を形成する必要はなく、平板状部材を介してキャップ１０の上部から圧力が印加された場合に、その力がキャップ上部の全面にかかるのではなく、この突起部１２にかかる程度に突出しておればよい。また、突起部１２の幅Ｗは、あまり大きくなるとキャップ上面の全面に力が印加されるのと変わらなくなるため効果がなく、キャップ１０の側壁の厚さ、すなわち板厚ｔの２倍程度以下であることが好ましい。
【００１５】
本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、キャップ１０の頂部の上表面の外周端にこのような突起部１２が形成されることにより、光透過部材１５のガラスや接着剤１６の低融点ガラスなどにクラックやワレなどが生じるような応力がかからないことをシミュレーションの結果により見出した。すなわち、突起部１２が形成されていることにより、キャップ１０の上部から押圧力が印加されてもその圧力に伴うキャップ１０への応力は、金属シェル１１の肩部に集中し、窓部１３近傍では窓ガラスなどの光透過部材１５に弱い引張力が加わる程度で、接着剤１６部分には殆ど応力が加わらないからである。つぎに従来構造のキャップと本発明のキャップとに同じ条件の押圧力を印加し、ステムにキャップを圧入する場合のキャップ１０の窓部１３の近傍の応力のシミュレーション結果について説明をする。
【００１６】
キャップ１０の圧入の条件は、図２に示されるように、ステム固定台１７上にステム５を載置し、キャップガイド１８によりキャップ１０とステム５とのセンターを保持しながらキャップ１０の上面の外周全体まで当たる平板状の加圧器１９により矢印Ｐの方向に１７ｋｇ程度の荷重を印加する。この際、キャップは前述の大きさで、ステム５のキャップ１０との接合部の外径は２．２１ｍｍ程度で、キャップ１０の内径は２．２０ｍｍ程度に形成されている。シミュレーションにおいては、この荷重を印加する際にキャップ１０の底部の開口部１４は広がらないように完全拘束されているという前提で行った。この条件で、本発明の上表面の外周端に突起部１２が形成されたキャップ１０と、突起部が形成されていない従来のキャップに対してシミュレーションを行った結果を図３（ａ）〜（ｂ）にそれぞれ示す。
【００１７】
図３（ａ）〜（ｂ）は、金属シェル１１の頂部および光透過部材（窓ガラス）１５と接着剤１６の部分を中心線で切断した半分の部分が示されている。図３（ａ）〜（ｂ）において、Ａは引張力が４０〜２．５ｋｇ・ｆ／ｍｍ^２、Ｂは引張力が２．５〜０．９５２ｋｇ・ｆ／ｍｍ^２、Ｃ（斜線なしの領域）は引張力から圧縮力の境界部分である０．９５２〜−０．５９９ｋｇ・ｆ／ｍｍ^２、Ｄは圧縮力が−０．５９９〜−１．３７ｋｇ・ｆ／ｍｍ^２、Ｅは圧縮力が−１．３７〜−４０ｋｇ・ｆ／ｍｍ^２の応力がそれぞれ分布している範囲であることを示している。
【００１８】
図３（ａ）から明らかなように、本発明の突起部１２が形成されたキャップ１０によれば、窓ガラス１５および接着剤１６を含めて強い引張力が分布している領域Ａは窓ガラス１５の下部のごく僅かな部分に見られるだけで、他の窓ガラス１５の殆どは弱い引張力の領域Ｂで、接着剤１６の近傍には殆ど応力がかかっていない。一方、突起部が設けられていない従来のキャップでは、図３（ｂ）に示されるように、窓ガラス１５に大きな引張力が働く領域Ａの部分が広く存在する上に、接着剤１６の部分にもほぼ全体に弱い引張力（領域Ｂ）がかかっており、しかも金属シェル１１の頂部に強い圧縮力の領域Ｅが広い範囲で存在し、窓ガラス１５を引張る力として作用する。そのため、窓ガラス１５にクラックやワレが発生しやすい状態にあることが理解できる。
【００１９】
前述の大きさのキャップ１０を用い、前述の圧入条件でステムにキャップを圧入して製造した半導体レーザについてリークテスト（気密性が５．１Ｐａ・ｃｃ／ｓｅｃ以下を良品とする）を行った結果、本発明によるキャップを用いた半導体レーザでは４０個でリークテスト不良は１個も出なかった。一方、従来のキャップを用いたものは、４０個で、リークテスト不良が２個出た。この結果は、シミュレーション結果とも良く符合する。
【００２０】
つぎに、図４を参照しながらこのキャップを用いた本発明の半導体レーザについて説明をする。図４の（ａ）および（ｂ）はそれぞれ９０゜の方向ずれた面での断面図である。
【００２１】
図４（ａ）〜（ｂ）において、１は厚さが０．２〜０．４ｍｍ程度の鉄系や銅系の金属材料の板材から絞り加工と打抜き加工により形成された円筒状のリングで、その先端部には上方に延びるように折り曲げられたヒートシンク１ａを有し、レーザチップ７をマウントしたサブマウント６が接着されるようになっている。円筒状のリング１の底部には、鍔部１ｂが０．３ｍｍ程度の幅で設けられ、さらにその鍔部１ｂの一部からは共通リード１ｃが下方に延びている。このヒートシンク１ａや共通リード１ｃはリードフレームを打ち抜いたのち折り曲げるだけで簡単に形成される。また鍔部１ｂには、回転方向の位置決めをする切欠部が設けられているが図示されていない。このリング１内に、たとえば低融点ガラスなどの絶縁体２により絶縁保持されたリード３、４がハーメチックに封入され、円筒状のリング１、絶縁体２およびリード３、４によりステム５が形成されている。
【００２２】
ヒートシンク１ａにはレーザチップ７がボンディングされたサブマウント６が吸着コレットにより搬送され、位置合せされてマウントされる。このサブマウント６の位置合せは、リング１の鍔部１ｂの表面Ｆを基準面として行われる。そうすることにより、ＣＤプレーヤなどのセットに半導体レーザを取りつける場合にこの鍔部１ｂの表面Ｆを基準とするため、正確な位置決めをすることができる。その点からリング１の底部に鍔部１ｂを設けることが好ましいが、基準面とするだけで、キャップ１０の横ずれのマージンを必要としないため、その幅は０．３ｍｍ程度あれば充分である。
【００２３】
サブマウント６は、たとえばシリコン基板などにより形成され、２００μｍ×１５０μｍ程度の小さなレーザチップ７を組み立てやすくするために設けられている。この例では、シリコン基板からなるサブマウント６にレーザチップ７の発光量をモニターする受光用の図示しないフォトダイオードが形成されている。このレーザチップ７および図示しないフォトダイオードの各電極が金線８によりリード３、４とそれぞれワイヤボンディングされ接続されている。レーザチップ７およびフォトダイオードのそれぞれ他方の電極はサブマウント６の裏面を介して共通リード１ｃに接続され、３本のリード１ｃ、３、４がステム５の裏面側に延びている。
【００２４】
このレーザチップ７がマウントされたステム５の円筒状リング１の外周壁に前述の図１に示されるキャップ１０が圧入されることにより本発明の半導体レーザが製造される。すなわち、たとえば円筒状リング１の外径は２．２１ｍｍ程度で、キャップ１０の内径は２．２０ｍｍ程度に形成されており、図２に示されたのと同様の方法および条件で圧入することにより製造される。
【００２５】
本発明の製法では、キャップ１０とステム５とのハーメチックシールは円筒状のリング１の側壁の外周面とキャップ１０の内周側面の部分での圧入により行われている。そのため、キャップ１０とステム１との半径方向の位置合せをセルフアライメントで行うことができ、ステム（鍔部１ｂ）に半径方向のマージンを設ける必要がない。さらに、キャップ１０に鍔部や溶接のためのプロテクションを設ける必要もない。その結果、製造が簡単であると共に、従来キャップの鍔部および半径方向の位置ずれマージンとしてステムの鍔部１ｂがたとえば１ｍｍ以上必要であったのが０．２５ｍｍ程度ですみ、直径で１．５ｍｍ程度小さくすることができる。このように圧入によりハーメチックシールを得る場合でも、キャップの上表面にリング状の突起部１２を形成することにより、窓部１３のガラスなどにクラックが入ったり、ワレが生じたしすることがなく、簡単な製造工程で品質の安定した製品を大量生産することができる。なお、完全なハーメチックシールを得るためには、ステム５の外周壁およびキャップ１０の内周壁にＳｎＰｂ、Ｉｎ、Ａｇなどからなるメッキが施されていることが望ましい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、光透過部材が接着された窓部を有するキャップの上面から押圧力が印加されても光透過部材のガラスや接着剤の低融点ガラスなどにクラックが入ったり、破損することがない。そのため、ステムにハーメチックシールする場合でも溶接ではなく圧入により接合することができ、製造工程が簡単になると共に、部品を小形化することができる。さらに、このキャップを使用した電子部品の使用態様においても、上部から圧力がかかる使用方法に対しても信頼性が高く保持され、使用勝手がよい。そのため、この電子部品を使用する装置の設計の自由度が向上する。
【００２７】
本発明の半導体レーザによれば、上面からの押圧力が印加されても窓部にクラックが入ったり、破損しないキャップを用いているため、ステムとのハーメチックシールを圧入により行うことができる。また、従来の溶接タイプの構造で、スプリングにより回折格子を保持する場合でも、突起部が設けられていることにより、窓部にクラックが入ったり、破損することがなく、信頼性が大幅に向上する。
【００２８】
さらに、本発明の製法によれば、キャップとステムとのハーメチックシールを圧入のみで行うことができるため、少ない工数で簡単に製造することができ、半導体レーザのコストダウンおよび小形化に大いに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子部品用キャップの断面説明図である。
【図２】キャップをステムに圧入する状態の説明図である。
【図３】キャップをステムに圧入する際のステムの窓部近傍の応力分布図である。
【図４】本発明の半導体レーザの断面説明図である。
【図５】従来の半導体レーザの説明図である。
【図６】従来の半導体レーザに回折格子を取り付けた状態の説明図である。
【符号の説明】
１ａヒートシンク
５ステム
７レーザチップ
８金線
１０キャップ
１１金属シェル
１２突起部
１３窓部
１４開口部
１５光透過部材

Claims

頂部に窓部が形成され、底部にステムと接合され得る開口部が形成された金属シェルの前記窓部に光透過部材が接着された電子部品用キャップであって、前記金属シェルの頂部の外周端表面に前記窓部近傍における前記金属シェルの厚さより肉厚を厚くすることにより形成される突起部がリング状に形成されてなる電子部品用キャップ。
ステムにレーザチップがマウントされ、その周囲がキャップによりハーメチックシールされる半導体レーザであって、前記キャップが請求項１記載のキャップである半導体レーザ。
（ａ）レーザチップがマウントされるヒートシンクを有する円筒状リング内に、絶縁体を介してリードを固定することによりステムを形成し、
（ｂ）該ステムのヒートシンクにレーザチップをマウントし、ついでワイヤボンディングをし、
（ｃ）頂部に窓部が形成され、底部にステムと接合され得る開口部が形成された金属シェルの前記窓部に光透過部材が接着されたキャップの前記開口部を、前記ステムの円筒状リング外周の側壁に圧入することにより嵌合させる
ことを特徴とする半導体レーザの製法。
前記キャップが、前記金属シェルの頂部の外周端表面に前記窓部近傍における前記金属シェルの厚さより肉厚を厚くすることにより突起部がリング状に形成されているキャップである請求項３記載の半導体レーザの製法。