JP3766589B2 - 光半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を収納する光半導体素子収納用パッケージに関し、特に光半導体素子を気密に封止し、かつ光半導体素子と光信号の授受を行なうための光ファイバが設けられたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光半導体素子収納用パッケージ（以下、光半導体パッケージという）を図２に示す。同図のように、光半導体パッケージは、上面にＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子５が載置される載置部１ａを有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等から成り、略四角形の板状体である基体１と、載置部１ａを囲繞するようにして基体１上にＡｇロウ等のロウ材を介して取着され、光信号の授受を行なうための貫通孔２ａを有する枠体２と、枠体２の上面に接合されて光半導体素子５を気密封止する蓋体４とから主に構成されている。
【０００３】
また、枠体２の側部には、枠体２の貫通孔２ａに嵌入接合されて光ファイバ６を固定するための筒状の固定部材３が設けられており、その固定部材３の内部に集光レンズ等用の透光性部材３ａが取着されている。さらに、枠体２の他の側部には図示しない貫通孔または切り欠きが形成され、その貫通孔または切り欠きから成る取付部に、光半導体素子５に駆動用の高周波信号を入出力させるためのセラミック端子（フィードスルー端子）（図示せず）が取り付けられている。そのセラミック端子は、枠体２の内外を導出するメタライズ層から成る線路導体を有し、その線路導体の枠体２の外側の部位に外部リード端子が接続されている。
【０００４】
そして、基体１の載置部１ａに回路基板等を搭載した基台８を介して光半導体素子５を接着固定すると共に、光半導体素子５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の線路導体に接続することにより外部リード端子に電気的に接続し、次に、枠体２の上面に蓋体４を取着させ、基体１と枠体２と蓋体４とから成る容器内部に光半導体素子５を収容し、最後に、固定部材３に、光ファイバ６の端部に取着された、ステンレススチール（以下、ステンレスという）から成るフランジ７をＹＡＧレーザ光の照射によるレーザ溶接によって接合させ、光ファイバ６を枠体２に固定することによって、製品としての光半導体装置となる。
【０００５】
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５に光を励起させ、励起された光を光ファイバ６を介して外部に伝達することによって高速光通信等に使用されるものとして機能する。
【０００６】
なお、このような光半導体パッケージは、基体１や枠体２の表面に予めＡｕメッキが施されており、基体１や枠体２の酸化腐食を有効に防止するとともに、光半導体素子５を載置部１ａに強固に接合することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光半導体パッケージにおいては、固定部材３は、サファイア｛熱膨張係数約７×１０^-6（１／℃）｝等から成る透光性部材３ａとの熱膨張係数の整合を考慮して、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金｛熱膨張係数約４．７×１０^-6（１／℃）（室温〜４００℃）｝，Ｆｅ−Ｎｉ合金｛熱膨張係数約５×１０^-6〜１０×１０^-6（１／℃）（室温〜４００℃）｝から成り、またフランジ７は溶接性に優れたステンレスから成っているが、フランジ７をＹＡＧレーザ光の照射によるレーザ溶接によって固定部材３に接合させる際、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金は溶接性が悪いため、固定部材３の溶接部にクラックが発生するという問題点を有していた。
【０００８】
また、透光性部材３ａは、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）等の低融点ロウ材により固定部材３の内部に接合され、光半導体パッケージを気密封止するものであるが、透光性部材３ａと固定部材３は熱膨張係数が極端に異ならないように整合させてある。しかし、固定部材３は、その内部に透光性部材３ａをロウ材を介して取着する際の歪み（残留応力）が残留した状態のまま枠体２に取着されており、その結果固定部材３のフランジ７が接合される外側端面は変形している。このため、光ファイバ６を精度良く固定することが困難になるとともに、フランジ７を溶接する工程の作業性が低下するという問題点を有していた。
【０００９】
また、固定部材３の外側端面にＡｕメッキ膜を施していると、Ａｕメッキ膜がレーザ光を反射してしまい、フランジ７を固定部材３に強固に接合させることが困難になる。従って、固定部材３の外側端面のＡｕメッキ膜を予め除去しておかなければならなかった。この手段として、固定部材３にＡｕメッキを施した後、従来周知の機械的研磨や切削加工によりＡｕメッキ膜を除去する等の対策がとられていた。しかしながら、前述のように固定部材３が変形しているため、精度良く加工することができず、フランジ７を溶接する工程の作業性を悪化させ、光ファイバ６を精度良く固定することが困難になるという問題点を有していた。
【００１０】
そこで、固定部材３を溶接性に優れたステンレスで作製することも考えられるが、ステンレスの低融点ロウ材による接合時の温度（４００℃程度）における熱膨張係数は、１１×１０^-6〜１９×１０^-6（１／℃）であり、透光性部材３ａの熱膨張係数は、６×１０^-6〜８×１０^-6（１／℃）とかなり異なっている。このため、固定部材３に透光性部材３ａを低融点ロウ材で接合する際、大きな応力が透光性部材３ａに加わり、透光性部材３ａにクラックが発生し、光半導体パッケージを気密に封止することができなくなっていた。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、光ファイバを枠体に強固かつ精度良く固定することによって、光半導体素子から励起された光を光ファイバを介し外部に良好に伝達することができるものを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、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、側部に貫通孔を有するとともに前記基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着された枠体と、外側端部に光ファイバの端部が接合され内部に透光性部材を有して前記貫通孔に挿着された筒状の固定部材とを具備した光半導体素子収納用パッケージにおいて、前記固定部材は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金から成る筒状の本体部と、該本体部の前記枠体内部側端部にロウ付けされ、熱膨張係数が前記本体部の熱膨張係数より大きい前記透光性部材と、前記本体部の外側端面にロウ付けされるとともに、光ファイバの端部に取付けられたフランジが溶接されるステンレススチールから成る環状部材とから成り、前記透光性部材のロウ付け位置と前記外側端面との間で前記本体部の外周面が前記貫通孔に挿着されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明は、上記の構成により、環状部材をステンレスとし、固定部材の本体部をＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金で作製したため、環状部材の熱膨張係数は、本体部の熱膨張係数｛約４．７×１０^−６〜１０×１０^−６(１／℃)(室温〜４００℃)｝よりも大きいものとなる。これにより、環状部材と本体部をＡｇロウ等のロウ材で接合した際、環状部材のフランジ接合面が凹となる応力が働く。そこで、本発明では、透光性部材の熱膨張係数が本体部の熱膨張係数｛約４．７×１０^−６〜１０×１０^−６(１／℃)(室温〜４００℃)｝より大きいものとする。これにより、本体部と透光性部材をＡｕ−Ｓｎ等の低融点ロウ材で接合した際、透光性部材の非接合面側が凹となる応力が働く。つまり、固定部材の両端部でそれぞれ中心軸方向に働く応力が発生し、これらの応力は、本体部を枠体に接合した接合面を支点として働くため、互いに相殺されることになる。これにより、固定部材の変形を抑えることができる。従って、環状部材のフランジ接合面のＡｕメッキを除去する際、精度良く加工することが容易になり、精度良くかつ強固に光ファイバを固定することができ、光学特性の優れた光半導体装置を製造することができる。
【００１５】
また、ステンレスから成る環状部材としたため、環状部材が溶接性に優れることとなり、光ファイバが固定されたフランジを溶接する際、溶接部にクラックが発生することがなくフランジを強固に接合することができる。さらに、ステンレスは耐蝕性に優れているため、Ａｕメッキを除去した後においても固定部材の腐蝕を抑制することができる。
【００１６】
本発明は、好ましくは、前記固定部材の本体部の前記枠体から外側への突出長さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、上記の構成により、フランジを溶接により固定した際、溶接による熱応力が透光性部材に伝わらず、透光性部材にクラックが発生するのを有効に防止できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体パッケージについて以下に詳細に説明する。図１は本発明の光半導体パッケージの断面図であり、本発明の光半導体パッケージは、上面にＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子５が載置される載置部１ａを有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｃｕ−W合金等から成り、略四角形の板状体である基体１と、載置部１ａを囲繞するようにして基体１上にＡｇロウ等のロウ材を介して取着され、光信号の授受を行なうための貫通孔２ａを有する枠体２と、枠体２の上面に接合されて光半導体素子５を気密封止する蓋体４とから主に構成されている。
【００１９】
また、枠体２の側部には、枠体２の貫通孔２ａに嵌入接合されて光ファイバ６を固定するための筒状の固定部材３が設けられており、その固定部材３の内部に集光レンズ等用の透光性部材３ａが取着されている。さらに、枠体２の他の側部には図示しない貫通孔または切り欠きが形成され、その貫通孔または切り欠きから成る取付部に、光半導体素子５に駆動用の高周波信号を入出力させるためのセラミック端子（フィードスルー端子）（図示せず）が取り付けられている。そのセラミック端子は、枠体２の内外を導出するメタライズ層から成る線路導体を有し、その線路導体の枠体２の外側の部位に外部リード端子が接続されている。
【００２０】
そして、基体１の載置部１ａに回路基板等を搭載した基台８を介して光半導体素子５を接着固定すると共に、光半導体素子５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の線路導体に接続することにより外部リード端子に電気的に接続し、次に、枠体２の上面に蓋体４を取着させ、基体１と枠体２と蓋体４とから成る容器内部に光半導体素子５を収容し、最後に、固定部材３に、光ファイバ６の端部に取着された、ステンレスから成るフランジ７をＹＡＧレーザ光の照射によるレーザ溶接によって接合させ、光ファイバ６を枠体２に固定することによって、製品としての光半導体装置となる。
【００２１】
本発明の基体１は、鉄−ニッケル−コバルト合金や銅−タングステンの焼結材等から成り、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施したり、射出成形と切削加工を施すことによって所定の形状に製作される。その上面の略中央部には、ＩＣ、ＬＳＩ、半導体レーザー（ＬＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子５を基台８を介して載置するための載置部１ａが設けられており、載置部１ａには光半導体素子５が半田等の接合材により載置固定される。光半導体素子５は、その電極がセラミック端子に被着形成されている線路導体にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続されている。
【００２２】
基体１は、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材の濡れ性に優れる金属、具体的には０．５〜９μmのＮｉ層と、厚さ０．５〜５μmのＡｕ層を順次メッキ法により被着させておくと、基体１の酸化腐蝕するのを有効に防止できる。
【００２３】
また、基体１の上面の外周部には載置部１ａを囲繞するようにして枠体２が立設されており、枠体２は基体１とともにその内側に光半導体素子５を収容する空所を形成する。枠体２は基体１と同様に鉄−ニッケル−コバルト合金や銅−タングステンの焼結材等の金属から成り、基体１と一体成形されることによって、または、基体１に銀ろう等のろう材を介してろう付けされたり、シーム溶接法等の溶接法により接合されることによって基体１の上面の外周部に立設される。
【００２４】
枠体２は、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材の濡れ性に優れる金属、具体的には０．５〜９μmのＮｉ層と、厚さ０．５〜５μmのＡｕ層を順次メッキ法により被着させておくと、枠体２の酸化腐蝕するのを有効に防止できる。
【００２５】
枠体２の側面には取付部が形成され、この取付部には、光半導体素子５と外部電気回路との高周波信号の入出力を行なう機能を有するとともに、光半導体パッケージの内外を遮断する機能を有するセラミック端子が、これに設けられているメタライズ層を介してＡｇロウ等のロウ材で接合される。
【００２６】
また、枠体２は、その側面に貫通孔２ａが設けられており、この貫通孔２ａに筒状の固定部材３が挿入固定されている。
【００２７】
この固定部材３は、Ａｇロウ等のロウ材により気密に封止されており、光ファイバ６が光半導体素子５と対向するようにフランジ７を介して接合され、これにより光ファイバ６と光半導体素子５との間で光信号の授受が行い得るようになっている。
【００２８】
また、固定部材３は枠体２に固定されるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金あるいはＦｅ−Ｎｉ合金からなる本体部３ｂとフランジ７に固定されるステンレスからなる環状部材３ｃからなる。本体部３ｂと環状部材３ｃは、Ａｇロウ等のロウ材で接合される。
【００２９】
固定部材３は、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材の濡れ性に優れる金属、具体的には０．５〜９μmのＮｉ層と、厚さ０．５〜５μmのＡｕ層を順次メッキ法により被着させておくと、枠体２の酸化腐蝕を有効に防止できる。また、固定部材３の光半導体パッケージ内部側の端部には、透光性部材３ａが例えばＡｕ−Ｓｎ合金等からなる低融点ロウ材を介して接合されている。
【００３０】
この透光性部材３ａは、例えばサファイアや非晶質ガラス等からなり、従来周知のＭｏ−Ｍｎメタライズ及びその表面に施されたＮｉ，Ａｕメッキ層や、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ等の構成から成る薄膜層が、本体部３ｂとの接合部に形成されている。さらに、透光性部材３ａの光信号透過部には、透過する光信号の波長に合わせて適宜選択された反射防止膜が施されている。
【００３１】
また、環状部材３ｃをステンレスとし、固定部材３の本体部３ｂをＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金で作製しているため、環状部材３ｃの熱膨張係数は、本体部３ｂの熱膨張係数｛約４．７×１０^-6〜１０×１０^-6（１／℃）（室温〜４００℃）｝よりも大きいものとなる。これにより、環状部材３ｃと本体部３ｂをＡｇロウ等のロウ材で接合した際、環状部材３ｃのフランジ７との接合面が凹となる応力が働く。従って、本発明では、透光性部材３ａの熱膨張係数が本体部３ｂの熱膨張係数｛約４．７×１０^-6〜１０×１０^-6（１／℃）（室温〜４００℃）｝より大きいものとするのがよく、これにより、本体部３ｂと透光性部材３ａをＡｕ−Ｓｎ等の低融点ロウ材で接合した際、透光性部材３ａの非接合面側が凹となる応力が働く。
【００３２】
つまり、固定部材３の両端部でそれぞれ中心軸方向に働く応力が発生し、これらの応力は、本体部３ｂを枠体２に接合した接合面を支点として働くため、互いに相殺されることになる。これにより、固定部材３の変形を抑えることができる。従って、環状部材３ｃのフランジ７との接合面のＡｕメッキを除去する際、精度良く加工することが容易になり、精度良くかつ強固に光ファイバ６を固定することができ、光学特性の優れた光半導体装置を製造することができる。
【００３３】
また、環状部材３ｃをステンレス製としたため、ステンレスは溶接性に優れているので、光ファイバ６が固定されたフランジ７を溶接する際、溶接部にクラックが発生することがなく、フランジ７を強固に接合することができる。さらに、ステンレスは耐蝕性に優れているため、Ａｕメッキを除去した後においても、固定部材３の腐蝕を抑制することができる。
【００３４】
また、環状部材３ｃをステンレス製としたため、ステンレスは加工性に優れているため、環状部材３ｃのフランジ７固定面側のＡｕメッキを除去することが容易になり、また精度良く加工できる。また、ステンレスはバリが生じにくく、大きな面取りを施す必要がない。これにより、環状部材３ｃのフランジ７との接合面側の外周角部をシャープに仕上げることが容易に行える。従って、環状部材３ｃの外周部とフランジ７の外周部との隙間を小さくできる。従って、環状部材３ｃとフランジ７との溶接が容易に行えるようになり、また強固に固定することが容易になる。
【００３５】
また、本体部３ｂの内面の幅（円筒形の場合内径）と環状部材３ｃの内径は異なっていることが好ましい。これにより本体部３ｂと環状部材３ｃにズレが生じた場合、光信号が遮断されることを有効に防止できる。
【００３６】
図３は、環状部材３ｃの本体部３ｂに対する接合部の面積を本体部３ｂの外側端面の面積より小さくした構成であって、本体部３ｂの内面の幅（円筒形の場合内径）と環状部材３ｃの内径とが異る場合（ａ）、本体部３ｂの外面の幅（円筒形の場合外径）と環状部材３ｃの外径とが異なる場合（ｂ）、本体部３ｂの内面の幅（円筒形の場合内径）と環状部材３ｃの内径とが異りかつ本体部３ｂの外面の幅（円筒形の場合外径）と環状部材３ｃの外径とが異なる場合（ｃ）について示したものである。
【００３７】
図３の（ａ）は、本体部３ｂの外面の幅ｗ２と環状部材３ｃの外径ｗ４とが略等しく、環状部材３ｃの内径ｗ３が本体部３ｂの内面の幅ｗ１よりも大きくなっている構成であり、この場合、本体部３ｂと環状部材３ｃとを接合した際に接合誤差が生じても光軸に対する影響がほとんどないとともに、接合面積が小さいことから、本体部３ｂに加わる応力を小さくすることができる。
【００３８】
（ｂ）は、本体部３ｂの内面の幅ｗ１と環状部材３ｃの内径ｗ３とが略等しく、環状部材３ｃの外径ｗ４が本体部３ｂの外面の幅ｗ２よりも小さくなっている構成であり、この場合、接合面積が小さいことから、本体部３ｂに加わる応力を小さくすることができる。
【００３９】
（ｃ）は、本体部３ｂの内面の幅ｗ１より環状部材３ｃの内径ｗ３が大きく、かつ本体部３ｂの外面の幅ｗ２より環状部材３ｃの外径ｗ４が大きい構成であり、この場合、本体部３ｂと環状部材３ｃとを接合した際に接合誤差が生じても光軸に対する影響がほとんどないとともに、接合面積が小さいことから、本体部３ｂに加わる応力を小さくすることができる。また、（ｂ）の構成では、レーザ溶接した際に溶融した環状部材３ｃのステンレス材が本体部３ｂと環状部材３ｃとの段差部に付着し、光半導体パッケージに光半導体素子５を収納して外部の実装基板に実装した後に、段差部に付着していたステンレス材が実装基板上に落ちて配線間や他の電子部品の端子間をショートさせるといった問題が発生する場合があるが、（ｃ）の構成では、溶融し固化した環状部材３ｃのステンレス材を容易に除去でき、実装基板の他の部品に影響を及ぼすことが防止できる。
【００４０】
さらに、本体部３ｂと環状部材３ｃを貫通孔２ａに固定する際、クリアランスを出来るだけ小さくし嵌合させることが好ましく、予め精度良く嵌合させておくことによって、精度良く接合できる。
【００４１】
環状部材３ｃの厚さは、０．５〜１．５mmの範囲が好ましい。環状部材３ｃの厚さを０．５mm未満とした場合、環状部材３ｃとフランジ７をＹＡＧレーザ光により溶接固定する際、環状部材３ｃ全体が容易に溶融してしまい、溶接強度が低下し易くなる。このため、光ファイバ６を強固に固定することが困難になる。また、環状部材３ｃの厚さが１．５mmを超えると、環状部材３ｃと本体部３ｂをロウ付け固定する際の応力が大きくなり、固定部材３が変形することになる。このため、光ファイバ６を強固に固定することが困難になる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施の形態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種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。例えば、基体１及び枠体２がアルミナセラミックスや窒化アルミニウムセラミックス等のセラミックスから成り、一体的に形成されたものであっても良い。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、枠体の側部に設けられた光ファイバの固定部材は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金から成る筒状の本体部と、本体部の枠体内部側端部にロウ付けされ、熱膨張係数が本体部の熱膨張係数より大きい透光性部材と、その本体部の外側端面にロウ付けされるとともに、光ファイバの端部に取り付けられたフランジが溶接されるステンレススチールから成る環状部材とから成ることにより、環状部材と本体部をＡｇロウ等のロウ材で接合するとともに、透光性部材と本体部をＡｕ−Ｓｎ等の低融点ロウ材で接合した際、これらの接合時に発生する応力が互いに相殺されることとなり、透光性部材に大きな応力が加わることはなく、透光性部材にクラック等が発生することが防止される。
【００４４】
また、ステンレスから成る環状部材としたため、環状部材が溶接性に優れることとなり、光ファイバが固定されたフランジを溶接する際、溶接部にクラックが発生することがなくフランジを強固に接合することができる。さらに、ステンレスは耐蝕性に優れているため、Ａｕメッキを除去した後においても固定部材の腐蝕を抑制することができる。
【００４５】
本発明は、好ましくは固定部材の本体部の枠体から外側への突出長さが０．５ｍｍ以上であることにより、フランジを溶接により固定した際、溶接による熱応力が透光性部材に伝わらず、透光性部材にクラックが発生するのを有効に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体パッケージの断面図である。
【図２】従来の光半導体パッケージの断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の固定部材の本体部と環状部材との接合構造について各種実施の形態を示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
２：枠体
２ａ：貫通孔
３：固定部材
３ａ：透光性部材
３ｂ：本体部
３ｃ：環状部材
４：蓋体
５：光半導体素子
６：光ファイバ

Claims (2)

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、側部に貫通孔を有するとともに前記基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着された枠体と、外側端部に光ファイバの端部が接合され内部に透光性部材を有して前記貫通孔に挿着された筒状の固定部材とを具備した光半導体素子収納用パッケージにおいて、前記固定部材は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金から成る筒状の本体部と、該本体部の前記枠体内部側端部にロウ付けされ、熱膨張係数が前記本体部の熱膨張係数より大きい前記透光性部材と、前記本体部の外側端面にロウ付けされるとともに、光ファイバの端部に取り付けられたフランジが溶接されるステンレススチールから成る環状部材とから成り、前記透光性部材のロウ付け位置と前記外側端面との間で前記本体部の外周面が前記貫通孔に挿着されていることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
2. 前記固定部材の本体部の前記枠体から外側への突出長さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子収納用パッケージ。

Images