JP3709084B2 - 光半導体素子収納用パッケージ - 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ータングステン合金等の金属材料から成り、上面中央部に光半導体素子が電子冷却素子を間に挟んで載置される載置部を有する基体と、前記光半導体素子載置部を囲繞するようにして基体上に銀ロウ等のロウ材を介して接合され、側部に貫通孔及び切欠部を有する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、前記枠体の貫通孔もしくは貫通孔周辺の枠体に取着され、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材料から成る筒状の固定部材と、前記筒状の固定部材に融点が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、前記枠体の切欠部に挿着され、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁体に光半導体素子の各電極がボンディングワイヤを介して電気的に接続されるメタライズ配線層が形成されているセラミック端子体と、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、前記基体の光半導体素子載置部に光半導体素子を間にペルチェ素子等の電子冷却素子を挟んで載置固定させ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セラミック端子体のメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、前記枠体の上面に蓋部材を接合させ、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部材を、例えば、ＹＡＧ溶接等により取着す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電子冷却素子により光半導体素子を冷却しつつ光半導体素子に外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起を起こさせ、該励起した光を透光性部材を介し光ファイバー部材に授受させるとともに該光ファイバー部材の光ファイバー内を伝達させることによって高速通信等に使用される。
【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、基体及び枠体を形成している鉄ーニッケルーコバルト合金や銅ータングステン合金等の金属材料やセラミック端子体の絶縁体を形成している酸化アルミニウム質焼結体の熱伝導率が１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることから、光半導体素子をペルチェ素子等の電子冷却素子で冷却しつつ外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起させた場合、ペルチエ素子等の電子冷却素子は光半導体素子が載置される上面側は低温となっているものの基体と接する下面側は高温（約１００℃）となっているため電子冷却素子の発する熱が基体、枠体、セラミック端子体及びボンディングワイヤを介して光半導体素子に大きく作用し、この電子冷却素子の熱によって光半導体素子の電子冷却素子による冷却効率が大きく低下してしまうという欠点を有していた。そのため従来は光半導体素子が作動時に発する熱と、基体、枠体等を介して光半導体素子に伝達される電子冷却素子の熱の両方を吸収するために電子冷却素子の出力を高いものとする必要があった。
【０００５】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は電子冷却素子の熱が光半導体素子に作用するのを有効に防止し、低出力の電子冷却素子によっても光半導体素子を常に適温として光半導体素子を長期間にわたり正常に、かつ安定に作動させることができる光半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【０００６】
【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電子冷却素子を介して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して取着され、側部に貫通孔及び切欠部を有する枠体と、前記貫通孔もしくは貫通孔周辺の枠体に取着され、光ファイバー部材が接合される筒状の固定部材と、該固定部材の前記枠体の内側の一端に金−錫合金から成るロウ材を介して取着された、外周部にチタン、チタン−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層と、白金、ニッケル、ニッケル−クロムの少なくとも１種から成る第２層と、金から成る第３層とを順次積層させて成るメタライズ層が形成された非晶質ガラスから成る透光性部材と、前記切欠部に挿着され、絶縁体に光半導体素子の各電極が電気的に接続されるメタライズ配線層が形成されているセラミック端子体と、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なる光半導体素子収納用パッケージであって、前記セラミック端子体の絶縁体がガラスセラミックス焼結体から成ることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の光半導体素子収納用パッケージによればセラミック端子体の絶縁体を、熱伝導率が約３Ｗ／ｍ・Ｋと低く熱を伝え難いガラスセラミックス焼結体で形成したことから光半導体素子をペルチェ素子等の電子冷却素子で冷却しつつ外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起させた場合、電子冷却素子の発した熱が基体、枠体、セラミック端子体及びボンディングワイヤを介して光半導体素子に作用しようとしてもその熱の伝達はセラミック端子体で遮断されて光半導体素子に作用することはなく、その結果、光半導体素子の電子冷却素子による冷却効率が高いものとなり、低出力の電子冷却素子でも光半導体素子を常に適温として光半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【０００８】
【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乃至図３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。
【０００９】
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には光半導体素子４が間にペルチェ素子等の電子冷却素子５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。
【００１０】
前記基体１は鉄ーニッケルーコバルト合金や銅ー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。
【００１１】
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等の電子冷却素子５を強固に接着固定させることかできる。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等の電子冷却素子５を強固に接着固定させる場合にはその外表面に厚さ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ことが好ましい。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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の内壁面には筒状の固定部材９が取着され、更に筒状の固定部材９の内側の一端には透光性部材１０が取着されている。
【００１５】
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を枠体２に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。
【００１６】
前記枠体２の貫通孔２ａに取着されている固定部材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が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、その内側の一端には、例えば、透光性部材１０が取着され、また外側の一端には光ファイバー部材１１が取着接続される。
【００１７】
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、鉄ーニッケル合金のインゴット（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。
【００１８】
また前記固定部材９はその内側の一端に、例えば、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。
【００１９】
前記透光性部材１０は例えば、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ァイバー部材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。
【００２０】
前記透光性部材１０の固定部材９への取着は例えば、図３に示すように、透光性部材１０の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とを金一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への取着が金一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。
【００２１】
なお、前記透光性部材１０の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−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３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−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１０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−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から成る第３層１２ｃ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，白金，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。
【００２２】
更に前記チタン、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−クロムの少なくとも１種から成る第２層１２ｂと、金から成る第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。
【００２３】
また更に前記メタライズ層１２をチタン、チタン−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−クロムの少なくとも１種から成る第２層１２ｂと、金から成る第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中に大きな応力が発生内在し、該内在応力によって第１層１２ａが透光性部材１０より剥離し易くなる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１００００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中に大きな応力が発生内在し、該内在応力によって第２層１２ｂが第１層１２ａより剥離し易くなる傾向にあることから第２層１２ｂ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１２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１２ｂ上に第３層１２ｃを被着させる際に第３層１２ｃ中に大きな応力が発生内在し、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。
【００２４】
更に前記枠体２はその側部に切欠部２ｂが形成されており、該切欠部２ｂにはセラミック端子体６が挿着されている。
【００２５】
前記セラミック端子体６は電気絶縁材料から成る絶縁体７と複数個のメタライズ配線層８とから成り、メタライズ配線層８を枠体２に対し電気的絶縁をもって枠体２の内側から外側にかけて配設する作用をなし、絶縁体７の側面に予めメタライズ金属層を被着させておくとともに該メタライズ金属層を枠体２の切欠部２ａ内壁面に銀ロウ等のロウ材を介し取着することによって枠体２の切欠部２ａに挿着される。
【００２６】
前記セラミック端子体６の絶縁体７はガラスセラミックス焼結体から成り、該ガラスセラミックス焼結体の熱伝導率は約３Ｗ／ｍ・Ｋと低く熱を伝え難いことから光半導体素子４をペルチェ素子等の電子冷却素子５で冷却しつつ外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起させた場合、電子冷却素子５の発した熱が基体１、枠体２、セラミック端子体６及び後述するボンディングワイヤ１２を介して光半導体素子４に作用しようとしてもその熱の伝達はセラミック端子体６で遮断されて光半導体素子４に作用することはなく、その結果、光半導体素子４の電子冷却素子５による冷却効率が高いものとなり、低出力の電子冷却素子でも光半導体素子４を常に適温として光半導体素子４を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００２７】
前記セラミック端子体６のガラスセラミックス焼結体から成る絶縁体７は、例えば、酸化珪素が４４重量％、酸化アルミニウムが２８重量％、酸化マグネシウムが１１重量％、酸化亜鉛が８重量％、酸化ホウ素が９重量％から成るガラス成分７５重量％と酸化アルミニウム２５重量％とから成り、ガラス原料粉末と酸化アルミニウム粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに、該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）と成し、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約８５０〜１３００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００２８】
また前記セラミック端子体６には枠体２の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層８が埋設されており、該メタライズ配線層８の枠体２の内側に位置する領域には光半導体素子４の各電極がボンディングワイヤ１２を介して電気的に接続され、また枠体２の外側に位置する領域には外部電気回路と接続される外部リード端子１３がロウ材を介し取着されている。
【００２９】
前記メタライズ配線層８は半導体素子４の各電極を外部電気回路に接続する際の導電路として作用し、銅、金、銀等の金属材料により形成されている。
【００３０】
前記メタライズ配線層８は銅、金、銀等の金属材料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁体７となるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって絶縁体７に形成される。
【００３１】
なお、前記メタライズ配線層８は例えば、銅や銀等から成る場合、その露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により被着させておくと、メタライズ配線層８の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ配線層８への外部リード端子１３のロウ付けを強固となすことができる。従って、前記メタライズ配線層８は、銅や銀等から成る場合、その露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００３２】
また前記メタライズ配線層８には外部リード端子１３が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リード端子１３は容器内部に収容する光半導体素子４の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなし、外部リード端子１３を外部電気回路に接続することによって容器内部に収容される光半導体素子４はボンディングワイヤ１２、メタライズ配線層８及び外部リード端子１３を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００３３】
前記外部リード端子１３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金属材料から成るインゴット（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所定の形状に形成される。
【００３４】
更に前記枠体２はその上面に、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニツ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．
前記蓋部材３の枠体２上面への接合は、例えば、シームウェルド法等の溶接によって行われる。
【００３５】
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に光半導件素子４を間にペルチェ素子等の電子冷却素子５を間に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１２を介して外部リード端子３に電気的こ接続し、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に取着させた筒状の固定部材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る。
【００３６】
かかる光半導体装置は電子冷却素子５により光半導体素子４を冷却しつつ光半導体素子４に外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起を起こさせ、該励起した光を透光性部材１０を介し光ファイバー部材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通信等に使用される。なお、この場合、電子冷却素子５の発した熱が基体１、枠体２、セラミック端子体６及びボンディングワイヤ１２を介して光半導体素子４に作用しようとしてもその熱の伝達は熱伝導率が約３Ｗ／ｍ・Ｋと低く熱を伝え難いガラスセラミックス焼結体で形成されているセラミック端子体６の絶縁体７で遮断されて光半導体素子４に作用することはなく、その結果、光半導体素子４の電子冷却素子５による冷却効率が高いものとなり、低出力の電子冷却素子でも光半導体素子４を常に適温として光半導体素子４を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００３７】
また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る。
【００３８】
【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セラミック端子体の絶縁体を、熱伝導率が約３Ｗ／ｍ・Ｋと低く熱を伝え難いガラスセラミックス焼結体で形成したことから光半導体素子をペルチェ素子等の電子冷却素子で冷却しつつ外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起させた場合、電子冷却素子の発した熱が基体、枠体、セラミック端子体及びボンディングワイヤを介して光半導体素子に作用しようとしてもその熱の伝達はセラミック端子体で遮断されて光半導体素子に作用することはなく、その結果、光半導体素子の電子冷却素子による冷却効率が高いものとなり、低出力の電子冷却素子でも光半導体素子を常に適温として光半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【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に示す半導体素子収納用パッケージの蓋部材を除いた平面図である。
【図３】図１に示す半導体素子収納用パッケージの一部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・基体
１ａ・・・・・・・載置部
２・・・・・・・・枠体
２ａ・・・・・・・貫通孔
２ｂ・・・・・・・切欠部
３・・・・・・・・蓋部材
４・・・・・・・・光半導体素子
５・・・・・・・・電子冷却素子
６・・・・・・・・セラミック端子体
７・・・・・・・・絶縁体
８・・・・・・・・メタライズ配線層
９・・・・・・・・固定部材
１０・・・・・・・・透光性部材
１１・・・・・・・・光ファイバー部材
【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ータングステン合金等の金属材料から成り、上面中央部に光半導体素子が電子冷却素子を間に挟んで載置される載置部を有する基体と、前記光半導体素子載置部を囲繞するようにして基体上に銀ロウ等のロウ材を介して接合され、側部に貫通孔及び切欠部を有する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、前記枠体の貫通孔もしくは貫通孔周辺の枠体に取着され、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材料から成る筒状の固定部材と、前記筒状の固定部材に融点が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、前記枠体の切欠部に挿着され、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁体に光半導体素子の各電極がボンディングワイヤを介して電気的に接続されるメタライズ配線層が形成されているセラミック端子体と、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、前記基体の光半導体素子載置部に光半導体素子を間にペルチェ素子等の電子冷却素子を挟んで載置固定させ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セラミック端子体のメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、前記枠体の上面に蓋部材を接合させ、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部材を、例えば、ＹＡＧ溶接等により取着す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電子冷却素子により光半導体素子を冷却しつつ光半導体素子に外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起を起こさせ、該励起した光を透光性部材を介し光ファイバー部材に授受させるとともに該光ファイバー部材の光ファイバー内を伝達させることによって高速通信等に使用される。
【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、基体及び枠体を形成している鉄ーニッケルーコバルト合金や銅ータングステン合金等の金属材料やセラミック端子体の絶縁体を形成している酸化アルミニウム質焼結体の熱伝導率が１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることから、光半導体素子をペルチェ素子等の電子冷却素子で冷却しつつ外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起させた場合、ペルチエ素子等の電子冷却素子は光半導体素子が載置される上面側は低温となっているものの基体と接する下面側は高温（約１００℃）となっているため電子冷却素子の発する熱が基体、枠体、セラミック端子体及びボンディングワイヤを介して光半導体素子に大きく作用し、この電子冷却素子の熱によって光半導体素子の電子冷却素子による冷却効率が大きく低下してしまうという欠点を有していた。そのため従来は光半導体素子が作動時に発する熱と、基体、枠体等を介して光半導体素子に伝達される電子冷却素子の熱の両方を吸収するために電子冷却素子の出力を高いものとする必要があった。
【０００５】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は電子冷却素子の熱が光半導体素子に作用するのを有効に防止し、低出力の電子冷却素子によっても光半導体素子を常に適温として光半導体素子を長期間にわたり正常に、かつ安定に作動させることができる光半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【０００６】
【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電子冷却素子を介して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して取着され、側部に貫通孔及び切欠部を有する枠体と、前記貫通孔もしくは貫通孔周辺の枠体に取着され、光ファイバー部材が接合される筒状の固定部材と、該固定部材の前記枠体の内側の一端に金−錫合金から成るロウ材を介して取着された、外周部にチタン、チタン−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層と、白金、ニッケル、ニッケル−クロムの少なくとも１種から成る第２層と、金から成る第３層とを順次積層させて成るメタライズ層が形成された非晶質ガラスから成る透光性部材と、前記切欠部に挿着され、絶縁体に光半導体素子の各電極が電気的に接続されるメタライズ配線層が形成されているセラミック端子体と、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なる光半導体素子収納用パッケージであって、前記セラミック端子体の絶縁体がガラスセラミックス焼結体から成ることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の光半導体素子収納用パッケージによればセラミック端子体の絶縁体を、熱伝導率が約３Ｗ／ｍ・Ｋと低く熱を伝え難いガラスセラミックス焼結体で形成したことから光半導体素子をペルチェ素子等の電子冷却素子で冷却しつつ外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起させた場合、電子冷却素子の発した熱が基体、枠体、セラミック端子体及びボンディングワイヤを介して光半導体素子に作用しようとしてもその熱の伝達はセラミック端子体で遮断されて光半導体素子に作用することはなく、その結果、光半導体素子の電子冷却素子による冷却効率が高いものとなり、低出力の電子冷却素子でも光半導体素子を常に適温として光半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【０００８】
【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乃至図３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。
【０００９】
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には光半導体素子４が間にペルチェ素子等の電子冷却素子５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。
【００１０】
前記基体１は鉄ーニッケルーコバルト合金や銅ー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。
【００１１】
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等の電子冷却素子５を強固に接着固定させることかできる。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等の電子冷却素子５を強固に接着固定させる場合にはその外表面に厚さ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ことが好ましい。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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の内壁面には筒状の固定部材９が取着され、更に筒状の固定部材９の内側の一端には透光性部材１０が取着されている。
【００１５】
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を枠体２に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。
【００１６】
前記枠体２の貫通孔２ａに取着されている固定部材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が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、その内側の一端には、例えば、透光性部材１０が取着され、また外側の一端には光ファイバー部材１１が取着接続される。
【００１７】
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、鉄ーニッケル合金のインゴット（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。
【００１８】
また前記固定部材９はその内側の一端に、例えば、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。
【００１９】
前記透光性部材１０は例えば、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ァイバー部材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。
【００２０】
前記透光性部材１０の固定部材９への取着は例えば、図３に示すように、透光性部材１０の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とを金一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への取着が金一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。
【００２１】
なお、前記透光性部材１０の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−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３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−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１０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−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から成る第３層１２ｃ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，白金，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。
【００２２】
更に前記チタン、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−クロムの少なくとも１種から成る第２層１２ｂと、金から成る第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。
【００２３】
また更に前記メタライズ層１２をチタン、チタン−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−クロムの少なくとも１種から成る第２層１２ｂと、金から成る第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中に大きな応力が発生内在し、該内在応力によって第１層１２ａが透光性部材１０より剥離し易くなる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１００００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中に大きな応力が発生内在し、該内在応力によって第２層１２ｂが第１層１２ａより剥離し易くなる傾向にあることから第２層１２ｂ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１２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１２ｂ上に第３層１２ｃを被着させる際に第３層１２ｃ中に大きな応力が発生内在し、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。
【００２４】
更に前記枠体２はその側部に切欠部２ｂが形成されており、該切欠部２ｂにはセラミック端子体６が挿着されている。
【００２５】
前記セラミック端子体６は電気絶縁材料から成る絶縁体７と複数個のメタライズ配線層８とから成り、メタライズ配線層８を枠体２に対し電気的絶縁をもって枠体２の内側から外側にかけて配設する作用をなし、絶縁体７の側面に予めメタライズ金属層を被着させておくとともに該メタライズ金属層を枠体２の切欠部２ａ内壁面に銀ロウ等のロウ材を介し取着することによって枠体２の切欠部２ａに挿着される。
【００２６】
前記セラミック端子体６の絶縁体７はガラスセラミックス焼結体から成り、該ガラスセラミックス焼結体の熱伝導率は約３Ｗ／ｍ・Ｋと低く熱を伝え難いことから光半導体素子４をペルチェ素子等の電子冷却素子５で冷却しつつ外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起させた場合、電子冷却素子５の発した熱が基体１、枠体２、セラミック端子体６及び後述するボンディングワイヤ１２を介して光半導体素子４に作用しようとしてもその熱の伝達はセラミック端子体６で遮断されて光半導体素子４に作用することはなく、その結果、光半導体素子４の電子冷却素子５による冷却効率が高いものとなり、低出力の電子冷却素子でも光半導体素子４を常に適温として光半導体素子４を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００２７】
前記セラミック端子体６のガラスセラミックス焼結体から成る絶縁体７は、例えば、酸化珪素が４４重量％、酸化アルミニウムが２８重量％、酸化マグネシウムが１１重量％、酸化亜鉛が８重量％、酸化ホウ素が９重量％から成るガラス成分７５重量％と酸化アルミニウム２５重量％とから成り、ガラス原料粉末と酸化アルミニウム粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに、該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）と成し、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約８５０〜１３００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００２８】
また前記セラミック端子体６には枠体２の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層８が埋設されており、該メタライズ配線層８の枠体２の内側に位置する領域には光半導体素子４の各電極がボンディングワイヤ１２を介して電気的に接続され、また枠体２の外側に位置する領域には外部電気回路と接続される外部リード端子１３がロウ材を介し取着されている。
【００２９】
前記メタライズ配線層８は半導体素子４の各電極を外部電気回路に接続する際の導電路として作用し、銅、金、銀等の金属材料により形成されている。
【００３０】
前記メタライズ配線層８は銅、金、銀等の金属材料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁体７となるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって絶縁体７に形成される。
【００３１】
なお、前記メタライズ配線層８は例えば、銅や銀等から成る場合、その露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により被着させておくと、メタライズ配線層８の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ配線層８への外部リード端子１３のロウ付けを強固となすことができる。従って、前記メタライズ配線層８は、銅や銀等から成る場合、その露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００３２】
また前記メタライズ配線層８には外部リード端子１３が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リード端子１３は容器内部に収容する光半導体素子４の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなし、外部リード端子１３を外部電気回路に接続することによって容器内部に収容される光半導体素子４はボンディングワイヤ１２、メタライズ配線層８及び外部リード端子１３を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００３３】
前記外部リード端子１３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金属材料から成るインゴット（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所定の形状に形成される。
【００３４】
更に前記枠体２はその上面に、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニツ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．
前記蓋部材３の枠体２上面への接合は、例えば、シームウェルド法等の溶接によって行われる。
【００３５】
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に光半導件素子４を間にペルチェ素子等の電子冷却素子５を間に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１２を介して外部リード端子３に電気的こ接続し、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に取着させた筒状の固定部材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る。
【００３６】
かかる光半導体装置は電子冷却素子５により光半導体素子４を冷却しつつ光半導体素子４に外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起を起こさせ、該励起した光を透光性部材１０を介し光ファイバー部材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通信等に使用される。なお、この場合、電子冷却素子５の発した熱が基体１、枠体２、セラミック端子体６及びボンディングワイヤ１２を介して光半導体素子４に作用しようとしてもその熱の伝達は熱伝導率が約３Ｗ／ｍ・Ｋと低く熱を伝え難いガラスセラミックス焼結体で形成されているセラミック端子体６の絶縁体７で遮断されて光半導体素子４に作用することはなく、その結果、光半導体素子４の電子冷却素子５による冷却効率が高いものとなり、低出力の電子冷却素子でも光半導体素子４を常に適温として光半導体素子４を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００３７】
また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る。
【００３８】
【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セラミック端子体の絶縁体を、熱伝導率が約３Ｗ／ｍ・Ｋと低く熱を伝え難いガラスセラミックス焼結体で形成したことから光半導体素子をペルチェ素子等の電子冷却素子で冷却しつつ外部電気回路から供給される駆動信号によって光励起させた場合、電子冷却素子の発した熱が基体、枠体、セラミック端子体及びボンディングワイヤを介して光半導体素子に作用しようとしてもその熱の伝達はセラミック端子体で遮断されて光半導体素子に作用することはなく、その結果、光半導体素子の電子冷却素子による冷却効率が高いものとなり、低出力の電子冷却素子でも光半導体素子を常に適温として光半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【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に示す半導体素子収納用パッケージの蓋部材を除いた平面図である。
【図３】図１に示す半導体素子収納用パッケージの一部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・基体
１ａ・・・・・・・載置部
２・・・・・・・・枠体
２ａ・・・・・・・貫通孔
２ｂ・・・・・・・切欠部
３・・・・・・・・蓋部材
４・・・・・・・・光半導体素子
５・・・・・・・・電子冷却素子
６・・・・・・・・セラミック端子体
７・・・・・・・・絶縁体
８・・・・・・・・メタライズ配線層
９・・・・・・・・固定部材
１０・・・・・・・・透光性部材
１１・・・・・・・・光ファイバー部材
Claims (1)
- 上面に光半導体素子が電子冷却素子を介して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して取着され、側部に貫通孔及び切欠部を有する枠体と、前記貫通孔もしくは貫通孔周辺の枠体に取着され、光ファイバー部材が接合される筒状の固定部材と、該固定部材の前記枠体の内側の一端に金−錫合金から成るロウ材を介して取着された、外周部にチタン、チタン−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層と、白金、ニッケル、ニッケル−クロムの少なくとも１種から成る第２層と、金から成る第３層とを順次積層させて成るメタライズ層が形成された非晶質ガラスから成る透光性部材と、前記切欠部に挿着され、絶縁体に光半導体素子の各電極が電気的に接続されるメタライズ配線層が形成されているセラミック端子体と、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なる光半導体素子収納用パッケージであって、前記セラミック端子体の絶縁体がガラスセラミックス焼結体から成ることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
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