JP3618551B2 - 光半導体モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体モジュールに関し、特に、光半導体素子を樹脂封止したモジュールであって、寿命を改善することができる光半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光ファイバ伝送システム分野では、低コスト化が求められており、光パッケージの組み立て工程の簡略化や実装部品の簡易化、小型化などが要求されている。これに伴い、光半導体素子の封止のために、樹脂を用いた簡易封止技術の開発が進められている。
【０００３】
図１５は、従来の光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。また、図１６は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図１５は、図１６のＡ−Ａ’線断面を表している。すなわち、従来の光半導体モジュールは、所定の形状に加工された光半導体素子搭載用の金属製のステム１０１の上に、光半導体素子１０２がマウントされ、ステム１０１の一部と光半導体素子１０２が樹脂１０３で封止されている。
【０００４】
光半導体素子１０２は、レーザダイオードあるいはフォトダイオードなどの半導体素子である。光半導体素子１０２は、例えば、図示しない光ファイバと光学的に結合され、光ファイバを介して、他の光半導体素子との光信号の入出力を行うことができるようにされる。
【０００５】
なお、図１５および図１６においては、光半導体素子１０２が１つの素子の場合について例示したが、これ以外にも、レーザダイオードとモニタ用のフォトダイオードを有するものや、複数のレーザダイオードあるいはフォトダイオードがアレイ状に配列した構成とされている場合も多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような従来の光半導体モジュールにおいては、樹脂の端部１０４から、樹脂１０３と光半導体素子搭載部材１０１の界面１０５を経由して水分が浸入し、光半導体素子１０２の寿命を低下させるという問題があった。以下にこの問題について詳述する。
【０００７】
光半導体素子１０２は水分が存在すると特性が劣化するので、高信頼性を確保するためには、封止構造に高い耐湿性が必要とされる。図に示したような光半導体モジュールにおける水分の浸入経路としては、樹脂１０３が吸湿することにより、水分が樹脂の内部を拡散して透湿する経路がある。透湿に関しては、樹脂１０３の層厚を厚くすることによる改善の効果は大きく、樹脂１０３をある程度厚く形成することにより透湿を十分押さえることができる。また、樹脂１０３をある程度厚くすることは、通常のパッケージ構造では容易に実施できるので、パッケージの構造を大きく変更する必要はない。
【０００８】
もう一つの水分の浸入経路としては、樹脂端部１０４から樹脂と光半導体素子搭載部材１０１の界面１０５に水分が浸入し、界面１０５を拡散して、光半導体素子１０２に到達する経路がある。この経路での、水分の拡散係数は大きく、水分の光半導体素子１０２への到達を抑制するためには樹脂１０３を広範囲に形成する必要がある。しかし、パッケージを小型化するためには、あまり樹脂１０３を広範囲に形成することができない。従って、パッケージを小型に維持する限り、光半導体モジュールの信頼性を十分に確保できないという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、樹脂と光半導体素子搭載部材の界面を経路とする、樹脂の端部と光半導体素子との間の、樹脂と光半導体素子搭載部材の界面を経路とする距離を長くすることにより、樹脂端部から浸入し、樹脂と光半導体素子搭載部材の界面に拡散して、光半導体素子に到達する水分を抑制することにより、光半導体素子の寿命を改善し、信頼性の高い光半導体モジュールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明による光半導体モジュールは、少なくとも１つの光半導体素子搭載部材と、前記光半導体搭載部材上に設けられた光半導体素子、と封止樹脂とを備え、前記光半導体素子搭載部材の少なくとも一部と前記光半導体素子が前記封止樹脂で覆われている光半導体モジュールであって、前記光半導体素子搭載部材の前記光半導体素子のまわりには、界面経路伸長部としての複数の段差部が設けられ、前記界面経路伸長部の少なくとも一部が前記樹脂で覆われていることを特徴とする。この構成により、前記樹脂の端部から光半導体素子までの前記樹脂と光半導体素子搭載部材の界面の距離が長くなるために、前記端部から前記界面を浸入した水分の光半導体素子への到達を抑制できるので、水分の光半導体素子の劣化が遅くなり、光半導体素子の寿命が改善される。
【００１１】
また、前記界面経路伸長部が、前記光半導体素子を囲むように設けられた少なくとも１つの凸状壁または凹状溝であることを特徴とすることにより、界面経路伸長部を容易に形成することができる。
【００１２】
また、前記封止樹脂は、前記光半導体素子を覆うように内側に設けられた第１の樹脂部と、前記第１の樹脂部を覆うようにその外側に設けられた第２の樹脂部とを有することにより、信頼性をさらに改善することができる。
【００１３】
一方、少なくとも１つの光半導体素子搭載部材と、前記光半導体搭載部材上に設けられた光半導体素子、を備え、前記光半導体素子搭載部材の前記光半導体素子のまわりには、前記光半導体素子を囲むように少なくとも１つの凸状壁または凹状溝が設けられ、前記光半導体素子と前記凸状壁または凹状溝の少なくとも一部が樹脂で覆われている光半導体モジュールの製造方法であって、前記光半導体素子と前記凸状壁または凹状溝の少なくとも一部を、前記樹脂の原料である液状樹脂材料で覆う工程と、前記液状樹脂材料を重合硬化させて樹脂化させる工程と、を備えたことを特徴とすることで、樹脂形成が容易になるので、簡易に樹脂封止を行うことができる。
【００１４】
また、前記液状樹脂材料が硬化光を照射することにより重合硬化する光硬化型の液状樹脂材料であることを特徴とすることにより、液状樹脂材料に硬化光を照射することで速やかに光重合硬化させて樹脂化できる。
【００１５】
さらに、前記液状樹脂材料が加熱により重合硬化する熱硬化型の液状樹脂材料でもあることを特徴とすることにより、光の照射量が不十分で、光硬化で重合硬化できなかった液状樹脂材料も、加熱することにより完全に重合硬化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、実装部材と封止樹脂との間に、界面の経路長を伸長するための複数の段差部を設ける。このような段差部により、界面に沿った水分の侵入が抑制され、光半導体モジュールの信頼性を大幅に改善することができる。この複数の段差部は、例えば、凹状溝や凸状壁として構成することができる。以下には、本発明の具体例として、凹状溝や凸状壁を形成したモジュールを例示して説明する。
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明による第１の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【００１９】
また、図２は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図１は、図２のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００２０】
本実施形態に係る光半導体モジュールは、図１および図２に示したように、界面経路を伸長するために、光半導体素子を取り囲む凹状溝を設けたことを特徴とする。すなわち、光半導体搭載部材であるステム１の上には、光半導体素子２が配置されている。光半導体素子２は、図示しない配線経路により電気的な接続が施されている。ステム１には、光半導体素子２を囲むように、複数の凹状溝１ａが設けられている。樹脂３は凹状溝１ａと光半導体素子２とを覆うように形成され、光半導体素子２を樹脂封止している。ここで、光半導体素子２は、例えば、光伝送を行うため、図示しない光ファイバと光学的に結合することもできる。
【００２１】
次に、ステム１およびステムに形成した凹状溝１ａの構成について詳しく説明する。
【００２２】
図に示したように、凹状溝１ａは、横断面形状が幅Ｗ、深さＤの矩形状の断面形状を有し、光半導体素子２を矩形状に取り囲むようにステム１に３重に形成されている。ステム１の材料は、光半導体素子２からの放熱特性がよくなるように、熱伝導性のよい材料が望ましい。例えば、ステム１として銅または鉄材を加工形成し、表面に金（Ａｕ）がめっきされたものを用いることができる。凹状溝１ａは、銅または鉄材をステム１の形状に加工するための金型に凸部を設けることにより、ステム１の加工と同時に形成することができるので、容易かつ安価に界面経路伸長部を形成した光半導体素子搭載部材を製作することができる。
【００２３】
このような凹状溝１ａを形成することにより、ステム１と樹脂３との界面５の経路長は大幅に伸長される。すなわち、樹脂端部４と光半導体素子２との間の界面の経路長は、１つの溝部あたり少なくとも２・Ｄだけ長くすることができ、３つの溝部によって少なくとも６・Ｄだけ長くすることができる。
【００２４】
次に、樹脂３の形成方法について説明する。
ここで、液状樹脂原料は、加熱と硬化光により重合硬化する熱硬化型かつ光硬化型の液状樹脂原料である。まず、光半導体素子２と凹状溝１ａを隙間なく覆うように液状樹脂原料を盛り上げて塗布する。次に、ステム１の上方から液状樹脂原料を重合硬化させる硬化光を照射する。光硬化型の液状樹脂原料は、硬化光を照射することにより速やかに重合硬化することができるため、塗布した液状樹脂原料が、樹脂形成領域外へ広がってしまうことなく、容易に樹脂封止を行うことができる。もし、重合硬化に十分な硬化光が照射されない部分があると、未硬化部分として残ってしまい、封止特性が低下してしまう。そこで、さらに光硬化後に加熱により、もし未硬化部分があっても重合硬化させることができるので、確実にすべての液状樹脂原料を樹脂化して、封止することができる。
【００２５】
このように構造によって、ステム１と樹脂３との界面５を経路とする樹脂端部４と光半導体素子２の間の距離を少なくとも６・Ｄだけ長くすることができる。樹脂端部４から界面５に浸入した水分が光半導体素子２に到達するためには、少なくとも６・Ｄだけ長い距離を拡散しなければならず、水分の光半導体素子２への到達を抑制することができる。凹状溝１ａの深さＤを大きくすると、抑制の効果は大きくなるので、できる範囲で深さＤを大きく形成することが望ましい。
【００２６】
また、取り囲む凹状溝の数を多くすることにより、抑制の効果を大きくすることができる。
【００２７】
凹状溝の形状を決定する要素として、断面形状、溝幅、溝深さが挙げられる。断面形状に関しては、製作可能な形状のうち、製作上および樹脂形成上問題とならない範囲で、より界面経路が長くなる形状が望ましい。例えば、光半導体素子搭載部材が金属材料である場合には、加工金型に凸部を形成すると容易で安価に凹状溝を形成できるので、製作上の観点から考えて、矩形溝、Ｕ溝などが適切な形状である。溝幅に関しては、溝幅が狭すぎると、水分が界面を拡散せずに溝部の樹脂を透過して溝を通過してしまうため、水分浸入抑制効果が薄れてしまう。透湿性の低いエポキシ系樹脂を用いた本発明者の実験では、溝幅Ｗは０．０５ｍｍ以上とすることが望ましく、０．１ｍｍ以上とすることがさらに望ましいことがわかった。溝深さＤに関しては、製作可能であれば、深いほうがより界面経路を長くすることができるので望ましい。しかし、樹脂形成上の観点から、深すぎると凹状溝に液状樹脂材料を配置するとき、溝内を隙間なく埋めることが難しく、溝内に気泡が残ってしまう。これは、溝幅、液状樹脂材料の粘度、液状樹脂材料の光半導体搭載部材に対する濡れ性、塗布方法などによるが、本発明者の実験の結果、溝幅Ｗが１ｍｍ以下の矩形溝に粘度１０００ｃＰ（センチポワズ）程度のシリコーン系樹脂を塗布する場合には、溝幅Ｗに対して溝深さＤを５Ｗ以下とすることが望ましく、３Ｗ以下とすることがさらに望ましいことがわかった。また、複数の凹状溝を形成するときには、強度上の観点から、隣合う凹状溝の間隔に注意する必要がある。
【００２８】
本発明者は、フォトダイオードを搭載したモジュールを試作して本発明の効果を調べた。光半導体素子２としてフォトダイオードを搭載したときは、フォトダイオードは水分により劣化し、暗電流が上昇する。本発明者の試作の結果、例えば、図１５に示したような従来の構成で、フォトダイオードをステム上に配置し、電気的な接続をとった後、直径約１５ｍｍ、最大樹脂厚さ約２．５ｍｍの樹脂で封止したとき、８５℃８５％ＲＨの高温高湿下の連続動作試験において２０００時間程度で一部の素子の暗電流が急激に上昇した。
【００２９】
一方、同構成のステム上に幅１ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝部１ａを３重に設けたとき、同連続動作試験において３８００時間までは、暗電流の上昇が観察されれず、フォトダイオードの寿命を大幅に改善できることが確認された。
【００３０】
本発明において用いることができる液状樹脂原料としては、硬化後の樹脂の伝送光に対する透過率が高く、紫外線や可視光により重合硬化する光硬化型、かつ加熱により重合硬化する熱硬化型である液状樹脂原料を挙げることができる。例えば、シリコーン系、アクリル系、あるいは、エポキシ系の液状樹脂原料を挙げることができる。
【００３１】
本発明によれば、このように樹脂と実装部材との界面を介して水分が光半導体素子に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。例えば、周囲温度、湿度が高い各種電子機器の内部や、熱帯などの過酷は条件下においても、水分による光半導体素子の劣化を抑制し、高い信頼性で動作する光伝送システムを実現することができる。
【００３２】
また、本発明によれば、樹脂３の形成範囲を狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００３３】
なお、本実施形態においては、凹状溝１ａの断面形状は図示したような矩形状には限定されず、半円形、多角形、Ｖ字形などの種々の形状をとりうる。さらに、溝の内部において幅が拡がるような、いわゆる逆台形状の凹溝であっても良い。このようにすれば、限られた開口寸法を維持しつつ界面の経路長をさらに伸長することが可能となる。
【００３４】
一方、凹状溝の平面形状も、図示したような矩形状のパターンに限定されず、光半導体素子２を中心とした同心円状や楕円状、多角形状など種々のパターン形状をとりうる。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子搭載部材としてステムとサブマウントとを用い、界面経路伸長部としてのステム上に凸状壁を設け、サブマウントに凹状溝を設けている。
【００３６】
図３は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【００３７】
図４は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図３は、図４のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００３８】
本実施形態におけるステム１は銅または鉄材を加工成形し、表面に金めっきしたものが用いられている。ステム上の凸状壁１ｂはステム加工の金型に凹部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００３９】
また、サブマウント６は、光半導体素子２からの放熱特性がよくなるように熱伝導性がよく、ステム１と光半導体素子２の線膨脹係数の差による熱的歪みを緩和できるように中間の線膨脹係数を有する材料であることが望ましい。ここで、サブマウント６は窒化アルミニウムの焼結体の表面に金属箔を蒸着したものを用いている。サブマウント上の凹状溝６ａは、窒化アルミニウムを焼結するときの金型に凸部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００４０】
本実施形態によれば、このように、光半導体素子２を囲むようにステム上に凸状壁１ｂを設け、サブマウント上にも凹状溝１ａを設けているので、樹脂端部４と光半導体素子２との間の界面５の経路がさらに長くなっており、水分が光半導体素子２に到達することをより有効に抑制することができるので、さらに光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、サブマウント６を用いることにより、線膨脹係数の差により光半導体素子２に加わる熱的な歪みが緩和されるので、光半導体素子２の寿命がさらに改善され、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００４１】
ここで、凸状壁の形状を決定する要素として、横断面形状、幅、高さが挙げられる。横断面形状に関しては、製作可能な形状のうち、製作上および樹脂形成上問題とならない範囲で、より界面経路が長くなる形状が望ましい。例えば、光半導体素子搭載部材が金属材料である場合には、加工金型に凹部を形成すると容易で安価に凸状壁を形成できるので、製作上の観点から考えて、矩形、台形などが適切な形状である。幅に関しては、構成上、製作上、樹脂形成上および強度上問題がない範囲であればよい。高さに関しては、構成上、製作上、樹脂形成上および強度上問題がない範囲であれば、高い方がより界面経路を長くすることができるので望ましい。凸状壁を複数形成するときには、凸状壁間の幅および凸状壁の高さに、凹状溝形成時の溝幅および溝深さの形状決定条件を適用する必要がある。
【００４２】
本実施形態によれば、樹脂３の形成範囲をさらに狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージをさらに小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００４３】
なお、図示したものとは逆に、ステム１の表面に凹溝を設け、サブマウント６の表面には凸状壁をもうけても同様の効果を得られることはいうまでもない。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子搭載部材としてシリコン基板が用いられ、シリコン基板上に界面経路伸長部としての凹状溝が設けられている。
【００４５】
図５は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【００４６】
図６は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図５は、図６のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００４７】
本実施形態においては、（１００）シリコン基板７上にウエットエッチングで側面が｛１１１｝面で構成される凹状溝７ａを形成している。このエッチング液としては、例えばＫＯＨ溶液を用いることができる。また、シリコン基板７にいわゆるジャンクションダウンでレーザダイオード８がマウントされている。シリコン基板７の線膨脹係数は、レーザダイオード８の線膨脹係数に近いので、サブマウントなしでもレーザダイオード８に加わる熱的歪みは小さい。レーザダイオード８は、光ファイバ９と光学的に結合している。また、光ファイバ９は、接着剤９ａにより基板７に接着されている。
【００４８】
本実施形態においても、レーザダイオード８を囲むようにシリコン基板７上に凹状溝７ａを設けているので、樹脂端部４と光半導体素子２との間の界面５の経路が伸長され、水分が光半導体素子２に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、シリコン基板７にレーザダイオード８を配置するので、線膨脹係数の差によりレーザダイオード８に加わる熱的な歪みが小さいので、レーザダイオードの寿命がさらに改善され、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００４９】
また、本実施形態によっても、樹脂３の形成範囲を狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００５０】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子搭載部材としてステムとサブマウントが用いられ、ステム上に界面経路伸長部としての不規則な凹凸部が設けられている。
【００５１】
図７は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【００５２】
図８は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図７は、図８のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００５３】
本実施形態におけるステム１も銅または鉄材を加工形成し、表面に金めっきしたものが用いられている。ステム上の不規則な凹凸部１ｃはステム加工の金型に不規則な凹凸部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００５４】
また、サブマウント６は、光半導体素子２からの放熱特性がよくなるように熱伝導性がよく、ステム１と光半導体素子２の線膨脹係数の差により熱的歪みを緩和できるように中間の線膨脹係数を有する材料であることが望ましい。ここで、サブマウント６としてシリコンの表面に金属箔を蒸着したものを用いている。
【００５５】
本実施形態によれば、このように、光半導体素子２を囲むようにステム１上に不規則な凹凸部１ｃを設けているので、樹脂端部４と光半導体素子２との間の界面５の経路がさらに長くなっており、水分が光半導体素子２に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、サブマウント６を用いているので、線膨脹係数の差により光半導体素子２に加わる熱的な歪みが緩和されるので、光半導体素子２の寿命がさらに改善され、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００５６】
また、本実施形態によっても、樹脂３の形成範囲を狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００５７】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子はＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）であり、光半導体搭載部材としてステムを用い、界面経路伸長部としてステム上に凹状溝を設けている。また、２種類の封止樹脂を重ねて光半導体素子を封止するいわゆる２重封止構造を用いている。
【００５８】
図９は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略斜視図である。
【００５９】
図１０は、同モジュールの概略構成断面図であり、図９のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００６０】
本実施形態におけるステム１および引出し電極１２は銅または鉄材を加工成形し、表面に金めっきしたものが用いられている。ステムには、カップ部が設けられ、カップ部の底面にＬＥＤ１０がマウントされている。そしてＬＥＤ１０はボンディングワイヤ１１で引き出し電極１２と接続されている。
【００６１】
ステム上の凹状溝１ａは、ステムのＬＥＤマウント面と側面とにそれぞれ形成され、ＬＥＤ１０から樹脂の端部４までの界面５の経路上でＬＥＤ１０を取り囲むように設けられている。本実施形態におけるステム上の凹状溝１ａも、ステム加工の金型に凸部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。本実施形態では、樹脂３′（第１封止樹脂）でＬＥＤ１０を覆うように樹脂封止（第１樹脂封止）した後、樹脂３（第２封止樹脂）で樹脂３′（第１封止樹脂）を覆うように樹脂封止（第２樹脂封止）する、２重樹脂封止構造を用いている。内側の樹脂３′（第１封止樹脂）としては、樹脂硬化後でも柔らかいゲル状あるいはゴム状の樹脂が望ましい。その材料としては、例えば、ゲル状の透光性アクリル樹脂やゲル状あるいはゴム状の透光性シリコーン樹脂を挙げることができる。外側の樹脂３（第２封止樹脂）は、内側の柔らかい樹脂３′（第１封止樹脂）を保護し、且つ水分の浸入、透過を防ぐために設けられている。その材料としては、例えば、透湿性の低い透光性エポキシ樹脂を挙げることができる。
【００６２】
本実施形態によれば、樹脂硬化時あるいはＬＥＤ１０の発熱による樹脂とＬＥＤ１０との間の歪みを柔らかい樹脂３′（第１封止樹脂）で吸収し、外側の樹脂３（第２封止樹脂）で水分の浸入、透過をより効果的に抑制することができるため、より信頼性の高い光半導体モジュールを実現することができる。
【００６３】
本実施形態によれば、ＬＥＤ１０から樹脂端部４の間の界面５の経路上でＬＥＤ１０を取り囲むようにステム上に凹状溝１ａを設けているので、樹脂端部４とＬＥＤ１０との間の界面５の経路が長くなっており、水分がＬＥＤ１０に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、２重樹脂封止構造を用いているため、ＬＥＤ１０に加わる熱的な歪みが緩和されるので、ＬＥＤ１０の寿命が改善され、水分の浸入、透過もさらに抑制するので、耐湿性がさらに向上し、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００６４】
また、本実施形態によっても、樹脂３′ならびに樹脂３の形成範囲を小さくしても信頼性を維持することが出来るので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供できるようになる。
【００６５】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子はＬＥＤであり、光半導体搭載部材としてリードフレームを用い、界面経路伸長部としてリードフレーム上に凹状溝および凸状壁を設け、２重封止構造を用いている。
【００６６】
図１１は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【００６７】
図１２は、同モジュールのＡ−Ａ’線概略断面図である。
【００６８】
本実施形態におけるリードフレーム１４は銅または鉄材を加工成形し、表面に金めっきしたものが用いられている。本実施例においても、リードフレーム１４にはカップ部が設けられ、その底面にＬＥＤ１０がマウントされ、ボンディングワイヤ１１により配線されている。リードフレーム上の凹状溝１４ａおよび凸状壁１４ｂは、リードフレームのＬＥＤマウント面ならびにリードに形成され、ＬＥＤ１０から樹脂端部４の間の界面経路上でＬＥＤ１０を取り囲むように設けられている。この形態におけるリードフレーム上の凹状溝１４ａおよび凸状壁１４ｂも、リードフレーム加工の金型に凸部および凹部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００６９】
また、本実施形態でも、内側の樹脂３’と外側の樹脂３とからなる２重樹脂封止構造を用いているため、樹脂硬化時あるいはＬＥＤ１０の発熱による樹脂とＬＥＤ１０との間の歪みを柔らかい樹脂３′（第１封止樹脂）で吸収し、外側の樹脂３（第２封止樹脂）で水分の浸入、透過をより効果的に抑制することができるため、より信頼性の高い光半導体モジュールを実現することができる。
【００７０】
本実施形態によれば、ＬＥＤ１０から樹脂端部４の間の界面５の経路上でＬＥＤ１０を取り囲むようにリードフレーム上に凹状溝１４ａおよび凸状壁１４ｂを設けているので、樹脂端部４とＬＥＤ１０との間の界面５の経路が長くなっており、水分がＬＥＤ１０に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、２重樹脂封止構造を用いているため、ＬＥＤ１０の加わる熱的な歪みが緩和されるので、ＬＥＤ１０の寿命が改善され、水分の浸入、透過もさらに抑制するので、耐湿性がさらに向上し、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００７１】
また、本実施形態によっても、樹脂３′ならびに樹脂３の形成範囲を小さくしても信頼性を維持することが出来るので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供できるようになる。
【００７２】
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子はレーザダイオードであり、光半導体搭載部材としてステムとサブマウントを用い、界面経路伸長部としてステム上に凹状溝を設け、２重封止構造を用いている。
【００７３】
図１３は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略斜視図である。
【００７４】
図１４は、同モジュールのＡ−Ａ’線概略断面図である。
【００７５】
本実施形態におけるステム１および引出し電極１２も銅または鉄材を加工成形し、表面に金めっきしたものが用いられている。レーザダイオード８はサブマウント６を介してステム１にマウントされている。そして、ボンディングワイヤ１１により引き出し電極１２に接続されている。ステム１上の凹状溝１ａは、ステムのマウント面ならびに側面に形成され、レーザダイオード８から樹脂端部４の間の界面５の経路上でレーザダイオード８を取り囲むように設けられている。この形態におけるステム上の凹状溝１ａも、ステム加工の金型に凸部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００７６】
また、本実施形態でも、２重樹脂封止構造を用いているため、樹脂硬化時あるいはレーザダイオード８の発熱による樹脂とレーザダイオード８との間の歪みを柔らかい樹脂３′（第１封止樹脂）で吸収し、樹脂３（第２封止樹脂）で水分の浸入、透過をより効果的に抑制することができるため、より信頼性の高い光半導体モジュールを実現することができる。
【００７７】
本実施形態によれば、レーザダイオード８から樹脂端部４の間の界面５の経路上でレーザダイオード８を取り囲むようにステム上に凹状溝１ａを設けているので、樹脂端部４とレーザダイオード８との間の界面５の経路が長くなっており、水分がレーザダイオード８に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、サブマウントならびに２重樹脂封止構造を用いているため、レーザダイオード８に加わる熱的な歪みが緩和されるので、歪みや応力に敏感なレーザダイオード８の寿命が大幅に改善され、水分の浸入、透過もさらに抑制するので、耐湿性がさらに向上し、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００７８】
また、本実施形態によっても、樹脂３′ならびに樹脂３の形成範囲を小さくしても信頼性を維持することが出来るので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供できるようになる。
【００７９】
以上、具体例を例示しつつ、本発明の実施の形態について説明した。
【００８０】
しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、界面経路伸長部は、光半導体素子を完全に取り囲んでいなくてもよい。また、ステム上あるいはサブマウント上に設けた凹状溝の断面形状は、矩形状、Ｖ字状あるいは台形状に限定されず、Ｕ字状、逆台形状、半円形状、多角形状、底部に小さいＶ溝を有する矩形状、あるいは、もっと複雑な形状をした溝でもよく、部分的に異なった形状をしていてもよい。また、凸状壁の断面形状も、矩形に限定されず、三角形、台形、あるいは、もっと複雑な形状をしていてもよく、部分的に異なった形状をしていてもよい。
【００８１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明した形態により実施され、以下に説明する効果を奏する。
【００８２】
まず、本発明によれば、このように水分が光半導体素子に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を改善することができる。例えば、周囲温度、湿度が高い各種電子機器の内部や、熱帯などの過酷な条件下においても、水分による光半導体素子の劣化を抑制し、高い信頼性で動作する光伝送システムを実現することができる。
【００８３】
また、本発明によれば、樹脂の形成範囲を狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００８４】
さらに、本発明によれば、ステムやサブマウントに凹状溝や凸状壁を設けることにより、樹脂とこれらの部材との接触面積が増加し、これらの接着強度も改善することができる。つまり、樹脂の剥離を防止し、衝撃や振動などに対する機械的な耐久性を改善することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図２】本発明による第１の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図３】本発明による第２の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図４】本発明による第２の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図５】本発明による第３の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図６】本発明による第３の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図７】本発明による第４の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図８】本発明による第４の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図９】本発明による第５の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略斜視図である。
【図１０】本発明による第５の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図１１】本発明による第６の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図１２】本発明による第６の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図１３】本発明による第７の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略斜視図である。
【図１４】本発明による第５の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図１５】従来の光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図１６】従来の光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【符号の説明】
１，１０１ ステム
１ａ，１０１ａ 凹状溝
１ｂ 凸状壁
１ｃ 凹凸部
２，１０２ 光半導体素子
３ １０３ 樹脂
３′ 内側の樹脂
４，１０４ 樹脂端部
５ １０５ 界面
６ サブマウント
７ シリコン基板
７ａ 凹状溝
８ レーザダイオード
９ 光ファイバ
１０ ＬＥＤ
１１ ボンディングワイヤ
１２ 引出し電極
１３ ＩＣ
１４ リードフレーム
１４ａ 凹状溝
１４ｂ 凸状壁
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体モジュールに関し、特に、光半導体素子を樹脂封止したモジュールであって、寿命を改善することができる光半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光ファイバ伝送システム分野では、低コスト化が求められており、光パッケージの組み立て工程の簡略化や実装部品の簡易化、小型化などが要求されている。これに伴い、光半導体素子の封止のために、樹脂を用いた簡易封止技術の開発が進められている。
【０００３】
図１５は、従来の光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。また、図１６は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図１５は、図１６のＡ−Ａ’線断面を表している。すなわち、従来の光半導体モジュールは、所定の形状に加工された光半導体素子搭載用の金属製のステム１０１の上に、光半導体素子１０２がマウントされ、ステム１０１の一部と光半導体素子１０２が樹脂１０３で封止されている。
【０００４】
光半導体素子１０２は、レーザダイオードあるいはフォトダイオードなどの半導体素子である。光半導体素子１０２は、例えば、図示しない光ファイバと光学的に結合され、光ファイバを介して、他の光半導体素子との光信号の入出力を行うことができるようにされる。
【０００５】
なお、図１５および図１６においては、光半導体素子１０２が１つの素子の場合について例示したが、これ以外にも、レーザダイオードとモニタ用のフォトダイオードを有するものや、複数のレーザダイオードあるいはフォトダイオードがアレイ状に配列した構成とされている場合も多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような従来の光半導体モジュールにおいては、樹脂の端部１０４から、樹脂１０３と光半導体素子搭載部材１０１の界面１０５を経由して水分が浸入し、光半導体素子１０２の寿命を低下させるという問題があった。以下にこの問題について詳述する。
【０００７】
光半導体素子１０２は水分が存在すると特性が劣化するので、高信頼性を確保するためには、封止構造に高い耐湿性が必要とされる。図に示したような光半導体モジュールにおける水分の浸入経路としては、樹脂１０３が吸湿することにより、水分が樹脂の内部を拡散して透湿する経路がある。透湿に関しては、樹脂１０３の層厚を厚くすることによる改善の効果は大きく、樹脂１０３をある程度厚く形成することにより透湿を十分押さえることができる。また、樹脂１０３をある程度厚くすることは、通常のパッケージ構造では容易に実施できるので、パッケージの構造を大きく変更する必要はない。
【０００８】
もう一つの水分の浸入経路としては、樹脂端部１０４から樹脂と光半導体素子搭載部材１０１の界面１０５に水分が浸入し、界面１０５を拡散して、光半導体素子１０２に到達する経路がある。この経路での、水分の拡散係数は大きく、水分の光半導体素子１０２への到達を抑制するためには樹脂１０３を広範囲に形成する必要がある。しかし、パッケージを小型化するためには、あまり樹脂１０３を広範囲に形成することができない。従って、パッケージを小型に維持する限り、光半導体モジュールの信頼性を十分に確保できないという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、樹脂と光半導体素子搭載部材の界面を経路とする、樹脂の端部と光半導体素子との間の、樹脂と光半導体素子搭載部材の界面を経路とする距離を長くすることにより、樹脂端部から浸入し、樹脂と光半導体素子搭載部材の界面に拡散して、光半導体素子に到達する水分を抑制することにより、光半導体素子の寿命を改善し、信頼性の高い光半導体モジュールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明による光半導体モジュールは、少なくとも１つの光半導体素子搭載部材と、前記光半導体搭載部材上に設けられた光半導体素子、と封止樹脂とを備え、前記光半導体素子搭載部材の少なくとも一部と前記光半導体素子が前記封止樹脂で覆われている光半導体モジュールであって、前記光半導体素子搭載部材の前記光半導体素子のまわりには、界面経路伸長部としての複数の段差部が設けられ、前記界面経路伸長部の少なくとも一部が前記樹脂で覆われていることを特徴とする。この構成により、前記樹脂の端部から光半導体素子までの前記樹脂と光半導体素子搭載部材の界面の距離が長くなるために、前記端部から前記界面を浸入した水分の光半導体素子への到達を抑制できるので、水分の光半導体素子の劣化が遅くなり、光半導体素子の寿命が改善される。
【００１１】
また、前記界面経路伸長部が、前記光半導体素子を囲むように設けられた少なくとも１つの凸状壁または凹状溝であることを特徴とすることにより、界面経路伸長部を容易に形成することができる。
【００１２】
また、前記封止樹脂は、前記光半導体素子を覆うように内側に設けられた第１の樹脂部と、前記第１の樹脂部を覆うようにその外側に設けられた第２の樹脂部とを有することにより、信頼性をさらに改善することができる。
【００１３】
一方、少なくとも１つの光半導体素子搭載部材と、前記光半導体搭載部材上に設けられた光半導体素子、を備え、前記光半導体素子搭載部材の前記光半導体素子のまわりには、前記光半導体素子を囲むように少なくとも１つの凸状壁または凹状溝が設けられ、前記光半導体素子と前記凸状壁または凹状溝の少なくとも一部が樹脂で覆われている光半導体モジュールの製造方法であって、前記光半導体素子と前記凸状壁または凹状溝の少なくとも一部を、前記樹脂の原料である液状樹脂材料で覆う工程と、前記液状樹脂材料を重合硬化させて樹脂化させる工程と、を備えたことを特徴とすることで、樹脂形成が容易になるので、簡易に樹脂封止を行うことができる。
【００１４】
また、前記液状樹脂材料が硬化光を照射することにより重合硬化する光硬化型の液状樹脂材料であることを特徴とすることにより、液状樹脂材料に硬化光を照射することで速やかに光重合硬化させて樹脂化できる。
【００１５】
さらに、前記液状樹脂材料が加熱により重合硬化する熱硬化型の液状樹脂材料でもあることを特徴とすることにより、光の照射量が不十分で、光硬化で重合硬化できなかった液状樹脂材料も、加熱することにより完全に重合硬化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、実装部材と封止樹脂との間に、界面の経路長を伸長するための複数の段差部を設ける。このような段差部により、界面に沿った水分の侵入が抑制され、光半導体モジュールの信頼性を大幅に改善することができる。この複数の段差部は、例えば、凹状溝や凸状壁として構成することができる。以下には、本発明の具体例として、凹状溝や凸状壁を形成したモジュールを例示して説明する。
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明による第１の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【００１９】
また、図２は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図１は、図２のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００２０】
本実施形態に係る光半導体モジュールは、図１および図２に示したように、界面経路を伸長するために、光半導体素子を取り囲む凹状溝を設けたことを特徴とする。すなわち、光半導体搭載部材であるステム１の上には、光半導体素子２が配置されている。光半導体素子２は、図示しない配線経路により電気的な接続が施されている。ステム１には、光半導体素子２を囲むように、複数の凹状溝１ａが設けられている。樹脂３は凹状溝１ａと光半導体素子２とを覆うように形成され、光半導体素子２を樹脂封止している。ここで、光半導体素子２は、例えば、光伝送を行うため、図示しない光ファイバと光学的に結合することもできる。
【００２１】
次に、ステム１およびステムに形成した凹状溝１ａの構成について詳しく説明する。
【００２２】
図に示したように、凹状溝１ａは、横断面形状が幅Ｗ、深さＤの矩形状の断面形状を有し、光半導体素子２を矩形状に取り囲むようにステム１に３重に形成されている。ステム１の材料は、光半導体素子２からの放熱特性がよくなるように、熱伝導性のよい材料が望ましい。例えば、ステム１として銅または鉄材を加工形成し、表面に金（Ａｕ）がめっきされたものを用いることができる。凹状溝１ａは、銅または鉄材をステム１の形状に加工するための金型に凸部を設けることにより、ステム１の加工と同時に形成することができるので、容易かつ安価に界面経路伸長部を形成した光半導体素子搭載部材を製作することができる。
【００２３】
このような凹状溝１ａを形成することにより、ステム１と樹脂３との界面５の経路長は大幅に伸長される。すなわち、樹脂端部４と光半導体素子２との間の界面の経路長は、１つの溝部あたり少なくとも２・Ｄだけ長くすることができ、３つの溝部によって少なくとも６・Ｄだけ長くすることができる。
【００２４】
次に、樹脂３の形成方法について説明する。
ここで、液状樹脂原料は、加熱と硬化光により重合硬化する熱硬化型かつ光硬化型の液状樹脂原料である。まず、光半導体素子２と凹状溝１ａを隙間なく覆うように液状樹脂原料を盛り上げて塗布する。次に、ステム１の上方から液状樹脂原料を重合硬化させる硬化光を照射する。光硬化型の液状樹脂原料は、硬化光を照射することにより速やかに重合硬化することができるため、塗布した液状樹脂原料が、樹脂形成領域外へ広がってしまうことなく、容易に樹脂封止を行うことができる。もし、重合硬化に十分な硬化光が照射されない部分があると、未硬化部分として残ってしまい、封止特性が低下してしまう。そこで、さらに光硬化後に加熱により、もし未硬化部分があっても重合硬化させることができるので、確実にすべての液状樹脂原料を樹脂化して、封止することができる。
【００２５】
このように構造によって、ステム１と樹脂３との界面５を経路とする樹脂端部４と光半導体素子２の間の距離を少なくとも６・Ｄだけ長くすることができる。樹脂端部４から界面５に浸入した水分が光半導体素子２に到達するためには、少なくとも６・Ｄだけ長い距離を拡散しなければならず、水分の光半導体素子２への到達を抑制することができる。凹状溝１ａの深さＤを大きくすると、抑制の効果は大きくなるので、できる範囲で深さＤを大きく形成することが望ましい。
【００２６】
また、取り囲む凹状溝の数を多くすることにより、抑制の効果を大きくすることができる。
【００２７】
凹状溝の形状を決定する要素として、断面形状、溝幅、溝深さが挙げられる。断面形状に関しては、製作可能な形状のうち、製作上および樹脂形成上問題とならない範囲で、より界面経路が長くなる形状が望ましい。例えば、光半導体素子搭載部材が金属材料である場合には、加工金型に凸部を形成すると容易で安価に凹状溝を形成できるので、製作上の観点から考えて、矩形溝、Ｕ溝などが適切な形状である。溝幅に関しては、溝幅が狭すぎると、水分が界面を拡散せずに溝部の樹脂を透過して溝を通過してしまうため、水分浸入抑制効果が薄れてしまう。透湿性の低いエポキシ系樹脂を用いた本発明者の実験では、溝幅Ｗは０．０５ｍｍ以上とすることが望ましく、０．１ｍｍ以上とすることがさらに望ましいことがわかった。溝深さＤに関しては、製作可能であれば、深いほうがより界面経路を長くすることができるので望ましい。しかし、樹脂形成上の観点から、深すぎると凹状溝に液状樹脂材料を配置するとき、溝内を隙間なく埋めることが難しく、溝内に気泡が残ってしまう。これは、溝幅、液状樹脂材料の粘度、液状樹脂材料の光半導体搭載部材に対する濡れ性、塗布方法などによるが、本発明者の実験の結果、溝幅Ｗが１ｍｍ以下の矩形溝に粘度１０００ｃＰ（センチポワズ）程度のシリコーン系樹脂を塗布する場合には、溝幅Ｗに対して溝深さＤを５Ｗ以下とすることが望ましく、３Ｗ以下とすることがさらに望ましいことがわかった。また、複数の凹状溝を形成するときには、強度上の観点から、隣合う凹状溝の間隔に注意する必要がある。
【００２８】
本発明者は、フォトダイオードを搭載したモジュールを試作して本発明の効果を調べた。光半導体素子２としてフォトダイオードを搭載したときは、フォトダイオードは水分により劣化し、暗電流が上昇する。本発明者の試作の結果、例えば、図１５に示したような従来の構成で、フォトダイオードをステム上に配置し、電気的な接続をとった後、直径約１５ｍｍ、最大樹脂厚さ約２．５ｍｍの樹脂で封止したとき、８５℃８５％ＲＨの高温高湿下の連続動作試験において２０００時間程度で一部の素子の暗電流が急激に上昇した。
【００２９】
一方、同構成のステム上に幅１ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝部１ａを３重に設けたとき、同連続動作試験において３８００時間までは、暗電流の上昇が観察されれず、フォトダイオードの寿命を大幅に改善できることが確認された。
【００３０】
本発明において用いることができる液状樹脂原料としては、硬化後の樹脂の伝送光に対する透過率が高く、紫外線や可視光により重合硬化する光硬化型、かつ加熱により重合硬化する熱硬化型である液状樹脂原料を挙げることができる。例えば、シリコーン系、アクリル系、あるいは、エポキシ系の液状樹脂原料を挙げることができる。
【００３１】
本発明によれば、このように樹脂と実装部材との界面を介して水分が光半導体素子に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。例えば、周囲温度、湿度が高い各種電子機器の内部や、熱帯などの過酷は条件下においても、水分による光半導体素子の劣化を抑制し、高い信頼性で動作する光伝送システムを実現することができる。
【００３２】
また、本発明によれば、樹脂３の形成範囲を狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００３３】
なお、本実施形態においては、凹状溝１ａの断面形状は図示したような矩形状には限定されず、半円形、多角形、Ｖ字形などの種々の形状をとりうる。さらに、溝の内部において幅が拡がるような、いわゆる逆台形状の凹溝であっても良い。このようにすれば、限られた開口寸法を維持しつつ界面の経路長をさらに伸長することが可能となる。
【００３４】
一方、凹状溝の平面形状も、図示したような矩形状のパターンに限定されず、光半導体素子２を中心とした同心円状や楕円状、多角形状など種々のパターン形状をとりうる。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子搭載部材としてステムとサブマウントとを用い、界面経路伸長部としてのステム上に凸状壁を設け、サブマウントに凹状溝を設けている。
【００３６】
図３は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【００３７】
図４は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図３は、図４のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００３８】
本実施形態におけるステム１は銅または鉄材を加工成形し、表面に金めっきしたものが用いられている。ステム上の凸状壁１ｂはステム加工の金型に凹部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００３９】
また、サブマウント６は、光半導体素子２からの放熱特性がよくなるように熱伝導性がよく、ステム１と光半導体素子２の線膨脹係数の差による熱的歪みを緩和できるように中間の線膨脹係数を有する材料であることが望ましい。ここで、サブマウント６は窒化アルミニウムの焼結体の表面に金属箔を蒸着したものを用いている。サブマウント上の凹状溝６ａは、窒化アルミニウムを焼結するときの金型に凸部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００４０】
本実施形態によれば、このように、光半導体素子２を囲むようにステム上に凸状壁１ｂを設け、サブマウント上にも凹状溝１ａを設けているので、樹脂端部４と光半導体素子２との間の界面５の経路がさらに長くなっており、水分が光半導体素子２に到達することをより有効に抑制することができるので、さらに光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、サブマウント６を用いることにより、線膨脹係数の差により光半導体素子２に加わる熱的な歪みが緩和されるので、光半導体素子２の寿命がさらに改善され、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００４１】
ここで、凸状壁の形状を決定する要素として、横断面形状、幅、高さが挙げられる。横断面形状に関しては、製作可能な形状のうち、製作上および樹脂形成上問題とならない範囲で、より界面経路が長くなる形状が望ましい。例えば、光半導体素子搭載部材が金属材料である場合には、加工金型に凹部を形成すると容易で安価に凸状壁を形成できるので、製作上の観点から考えて、矩形、台形などが適切な形状である。幅に関しては、構成上、製作上、樹脂形成上および強度上問題がない範囲であればよい。高さに関しては、構成上、製作上、樹脂形成上および強度上問題がない範囲であれば、高い方がより界面経路を長くすることができるので望ましい。凸状壁を複数形成するときには、凸状壁間の幅および凸状壁の高さに、凹状溝形成時の溝幅および溝深さの形状決定条件を適用する必要がある。
【００４２】
本実施形態によれば、樹脂３の形成範囲をさらに狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージをさらに小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００４３】
なお、図示したものとは逆に、ステム１の表面に凹溝を設け、サブマウント６の表面には凸状壁をもうけても同様の効果を得られることはいうまでもない。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子搭載部材としてシリコン基板が用いられ、シリコン基板上に界面経路伸長部としての凹状溝が設けられている。
【００４５】
図５は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【００４６】
図６は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図５は、図６のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００４７】
本実施形態においては、（１００）シリコン基板７上にウエットエッチングで側面が｛１１１｝面で構成される凹状溝７ａを形成している。このエッチング液としては、例えばＫＯＨ溶液を用いることができる。また、シリコン基板７にいわゆるジャンクションダウンでレーザダイオード８がマウントされている。シリコン基板７の線膨脹係数は、レーザダイオード８の線膨脹係数に近いので、サブマウントなしでもレーザダイオード８に加わる熱的歪みは小さい。レーザダイオード８は、光ファイバ９と光学的に結合している。また、光ファイバ９は、接着剤９ａにより基板７に接着されている。
【００４８】
本実施形態においても、レーザダイオード８を囲むようにシリコン基板７上に凹状溝７ａを設けているので、樹脂端部４と光半導体素子２との間の界面５の経路が伸長され、水分が光半導体素子２に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、シリコン基板７にレーザダイオード８を配置するので、線膨脹係数の差によりレーザダイオード８に加わる熱的な歪みが小さいので、レーザダイオードの寿命がさらに改善され、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００４９】
また、本実施形態によっても、樹脂３の形成範囲を狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００５０】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子搭載部材としてステムとサブマウントが用いられ、ステム上に界面経路伸長部としての不規則な凹凸部が設けられている。
【００５１】
図７は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【００５２】
図８は、同モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。なお、図７は、図８のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００５３】
本実施形態におけるステム１も銅または鉄材を加工形成し、表面に金めっきしたものが用いられている。ステム上の不規則な凹凸部１ｃはステム加工の金型に不規則な凹凸部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００５４】
また、サブマウント６は、光半導体素子２からの放熱特性がよくなるように熱伝導性がよく、ステム１と光半導体素子２の線膨脹係数の差により熱的歪みを緩和できるように中間の線膨脹係数を有する材料であることが望ましい。ここで、サブマウント６としてシリコンの表面に金属箔を蒸着したものを用いている。
【００５５】
本実施形態によれば、このように、光半導体素子２を囲むようにステム１上に不規則な凹凸部１ｃを設けているので、樹脂端部４と光半導体素子２との間の界面５の経路がさらに長くなっており、水分が光半導体素子２に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、サブマウント６を用いているので、線膨脹係数の差により光半導体素子２に加わる熱的な歪みが緩和されるので、光半導体素子２の寿命がさらに改善され、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００５６】
また、本実施形態によっても、樹脂３の形成範囲を狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００５７】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子はＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）であり、光半導体搭載部材としてステムを用い、界面経路伸長部としてステム上に凹状溝を設けている。また、２種類の封止樹脂を重ねて光半導体素子を封止するいわゆる２重封止構造を用いている。
【００５８】
図９は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略斜視図である。
【００５９】
図１０は、同モジュールの概略構成断面図であり、図９のＡ−Ａ’線断面を表している。
【００６０】
本実施形態におけるステム１および引出し電極１２は銅または鉄材を加工成形し、表面に金めっきしたものが用いられている。ステムには、カップ部が設けられ、カップ部の底面にＬＥＤ１０がマウントされている。そしてＬＥＤ１０はボンディングワイヤ１１で引き出し電極１２と接続されている。
【００６１】
ステム上の凹状溝１ａは、ステムのＬＥＤマウント面と側面とにそれぞれ形成され、ＬＥＤ１０から樹脂の端部４までの界面５の経路上でＬＥＤ１０を取り囲むように設けられている。本実施形態におけるステム上の凹状溝１ａも、ステム加工の金型に凸部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。本実施形態では、樹脂３′（第１封止樹脂）でＬＥＤ１０を覆うように樹脂封止（第１樹脂封止）した後、樹脂３（第２封止樹脂）で樹脂３′（第１封止樹脂）を覆うように樹脂封止（第２樹脂封止）する、２重樹脂封止構造を用いている。内側の樹脂３′（第１封止樹脂）としては、樹脂硬化後でも柔らかいゲル状あるいはゴム状の樹脂が望ましい。その材料としては、例えば、ゲル状の透光性アクリル樹脂やゲル状あるいはゴム状の透光性シリコーン樹脂を挙げることができる。外側の樹脂３（第２封止樹脂）は、内側の柔らかい樹脂３′（第１封止樹脂）を保護し、且つ水分の浸入、透過を防ぐために設けられている。その材料としては、例えば、透湿性の低い透光性エポキシ樹脂を挙げることができる。
【００６２】
本実施形態によれば、樹脂硬化時あるいはＬＥＤ１０の発熱による樹脂とＬＥＤ１０との間の歪みを柔らかい樹脂３′（第１封止樹脂）で吸収し、外側の樹脂３（第２封止樹脂）で水分の浸入、透過をより効果的に抑制することができるため、より信頼性の高い光半導体モジュールを実現することができる。
【００６３】
本実施形態によれば、ＬＥＤ１０から樹脂端部４の間の界面５の経路上でＬＥＤ１０を取り囲むようにステム上に凹状溝１ａを設けているので、樹脂端部４とＬＥＤ１０との間の界面５の経路が長くなっており、水分がＬＥＤ１０に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、２重樹脂封止構造を用いているため、ＬＥＤ１０に加わる熱的な歪みが緩和されるので、ＬＥＤ１０の寿命が改善され、水分の浸入、透過もさらに抑制するので、耐湿性がさらに向上し、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００６４】
また、本実施形態によっても、樹脂３′ならびに樹脂３の形成範囲を小さくしても信頼性を維持することが出来るので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供できるようになる。
【００６５】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子はＬＥＤであり、光半導体搭載部材としてリードフレームを用い、界面経路伸長部としてリードフレーム上に凹状溝および凸状壁を設け、２重封止構造を用いている。
【００６６】
図１１は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【００６７】
図１２は、同モジュールのＡ−Ａ’線概略断面図である。
【００６８】
本実施形態におけるリードフレーム１４は銅または鉄材を加工成形し、表面に金めっきしたものが用いられている。本実施例においても、リードフレーム１４にはカップ部が設けられ、その底面にＬＥＤ１０がマウントされ、ボンディングワイヤ１１により配線されている。リードフレーム上の凹状溝１４ａおよび凸状壁１４ｂは、リードフレームのＬＥＤマウント面ならびにリードに形成され、ＬＥＤ１０から樹脂端部４の間の界面経路上でＬＥＤ１０を取り囲むように設けられている。この形態におけるリードフレーム上の凹状溝１４ａおよび凸状壁１４ｂも、リードフレーム加工の金型に凸部および凹部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００６９】
また、本実施形態でも、内側の樹脂３’と外側の樹脂３とからなる２重樹脂封止構造を用いているため、樹脂硬化時あるいはＬＥＤ１０の発熱による樹脂とＬＥＤ１０との間の歪みを柔らかい樹脂３′（第１封止樹脂）で吸収し、外側の樹脂３（第２封止樹脂）で水分の浸入、透過をより効果的に抑制することができるため、より信頼性の高い光半導体モジュールを実現することができる。
【００７０】
本実施形態によれば、ＬＥＤ１０から樹脂端部４の間の界面５の経路上でＬＥＤ１０を取り囲むようにリードフレーム上に凹状溝１４ａおよび凸状壁１４ｂを設けているので、樹脂端部４とＬＥＤ１０との間の界面５の経路が長くなっており、水分がＬＥＤ１０に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、２重樹脂封止構造を用いているため、ＬＥＤ１０の加わる熱的な歪みが緩和されるので、ＬＥＤ１０の寿命が改善され、水分の浸入、透過もさらに抑制するので、耐湿性がさらに向上し、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００７１】
また、本実施形態によっても、樹脂３′ならびに樹脂３の形成範囲を小さくしても信頼性を維持することが出来るので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供できるようになる。
【００７２】
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。本実施形態においては、光半導体素子はレーザダイオードであり、光半導体搭載部材としてステムとサブマウントを用い、界面経路伸長部としてステム上に凹状溝を設け、２重封止構造を用いている。
【００７３】
図１３は、本実施形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略斜視図である。
【００７４】
図１４は、同モジュールのＡ−Ａ’線概略断面図である。
【００７５】
本実施形態におけるステム１および引出し電極１２も銅または鉄材を加工成形し、表面に金めっきしたものが用いられている。レーザダイオード８はサブマウント６を介してステム１にマウントされている。そして、ボンディングワイヤ１１により引き出し電極１２に接続されている。ステム１上の凹状溝１ａは、ステムのマウント面ならびに側面に形成され、レーザダイオード８から樹脂端部４の間の界面５の経路上でレーザダイオード８を取り囲むように設けられている。この形態におけるステム上の凹状溝１ａも、ステム加工の金型に凸部を設けることにより、容易かつ安価に形成することができる。
【００７６】
また、本実施形態でも、２重樹脂封止構造を用いているため、樹脂硬化時あるいはレーザダイオード８の発熱による樹脂とレーザダイオード８との間の歪みを柔らかい樹脂３′（第１封止樹脂）で吸収し、樹脂３（第２封止樹脂）で水分の浸入、透過をより効果的に抑制することができるため、より信頼性の高い光半導体モジュールを実現することができる。
【００７７】
本実施形態によれば、レーザダイオード８から樹脂端部４の間の界面５の経路上でレーザダイオード８を取り囲むようにステム上に凹状溝１ａを設けているので、樹脂端部４とレーザダイオード８との間の界面５の経路が長くなっており、水分がレーザダイオード８に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を向上することができる。また、サブマウントならびに２重樹脂封止構造を用いているため、レーザダイオード８に加わる熱的な歪みが緩和されるので、歪みや応力に敏感なレーザダイオード８の寿命が大幅に改善され、水分の浸入、透過もさらに抑制するので、耐湿性がさらに向上し、光伝送システムの信頼性をさらに向上することができる。
【００７８】
また、本実施形態によっても、樹脂３′ならびに樹脂３の形成範囲を小さくしても信頼性を維持することが出来るので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供できるようになる。
【００７９】
以上、具体例を例示しつつ、本発明の実施の形態について説明した。
【００８０】
しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、界面経路伸長部は、光半導体素子を完全に取り囲んでいなくてもよい。また、ステム上あるいはサブマウント上に設けた凹状溝の断面形状は、矩形状、Ｖ字状あるいは台形状に限定されず、Ｕ字状、逆台形状、半円形状、多角形状、底部に小さいＶ溝を有する矩形状、あるいは、もっと複雑な形状をした溝でもよく、部分的に異なった形状をしていてもよい。また、凸状壁の断面形状も、矩形に限定されず、三角形、台形、あるいは、もっと複雑な形状をしていてもよく、部分的に異なった形状をしていてもよい。
【００８１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明した形態により実施され、以下に説明する効果を奏する。
【００８２】
まず、本発明によれば、このように水分が光半導体素子に到達することを抑制することができるので、光伝送システムの耐湿性および信頼性を改善することができる。例えば、周囲温度、湿度が高い各種電子機器の内部や、熱帯などの過酷な条件下においても、水分による光半導体素子の劣化を抑制し、高い信頼性で動作する光伝送システムを実現することができる。
【００８３】
また、本発明によれば、樹脂の形成範囲を狭くしても信頼性を維持することができるので、従来よりもパッケージを小型化できるようになり、また、耐湿性の低いパッケージを用いて良好な伝送特性を得ることができるようになるので、光伝送システムを安価に提供することができるようになる。
【００８４】
さらに、本発明によれば、ステムやサブマウントに凹状溝や凸状壁を設けることにより、樹脂とこれらの部材との接触面積が増加し、これらの接着強度も改善することができる。つまり、樹脂の剥離を防止し、衝撃や振動などに対する機械的な耐久性を改善することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図２】本発明による第１の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図３】本発明による第２の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図４】本発明による第２の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図５】本発明による第３の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図６】本発明による第３の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図７】本発明による第４の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図８】本発明による第４の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図９】本発明による第５の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略斜視図である。
【図１０】本発明による第５の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図１１】本発明による第６の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【図１２】本発明による第６の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図１３】本発明による第７の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略斜視図である。
【図１４】本発明による第５の実施の形態に係る光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図１５】従来の光半導体モジュールの樹脂封止構造を表す概略断面図である。
【図１６】従来の光半導体モジュールの樹脂封止構造を上方から見た概略上面図である。
【符号の説明】
１，１０１ ステム
１ａ，１０１ａ 凹状溝
１ｂ 凸状壁
１ｃ 凹凸部
２，１０２ 光半導体素子
３ １０３ 樹脂
３′ 内側の樹脂
４，１０４ 樹脂端部
５ １０５ 界面
６ サブマウント
７ シリコン基板
７ａ 凹状溝
８ レーザダイオード
９ 光ファイバ
１０ ＬＥＤ
１１ ボンディングワイヤ
１２ 引出し電極
１３ ＩＣ
１４ リードフレーム
１４ａ 凹状溝
１４ｂ 凸状壁
Claims (3)
- 光半導体素子と、
この光半導体素子が載置される載置面を有する素子搭載部材と、
前記光半導体素子及び前記素子搭載部材を覆うように設けられた封止樹脂と、
前記載置面上に、前記光半導体素子を取り囲むように設けられた第１の段差部と、
前記素子搭載部材上の、前記封止樹脂の端部と前記光半導体素子との間の界面経路上であって、前記載置面以外の部分に、前記光半導体素子を取り囲むように設けられた第２の段差部と
を具備したことを特徴とする光半導体モジュール。 - 前記第１及び第２の段差部は、少なくとも１つの凸状壁または凹状溝で構成されることを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュール。
- 前記封止樹脂は、前記光半導体素子を覆うように内側に設けられた第１の樹脂部と、前記第１の樹脂部を覆うようにその外側に設けられた第２の樹脂部とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体モジュール。
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