JP3828271B2

JP3828271B2 - 電子部品用キャップおよびそれを用いた半導体レーザ

Info

Publication number: JP3828271B2
Application number: JP05492398A
Authority: JP
Inventors: 健一瀬戸川; 秀史上林
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: JPH11251688A

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およびそれを用いた半導体レーザに関する。
【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７（ａ）に一部断面の説明図が示されるような構造になっている。図７（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（気密封止）されると共に、リード２８が溶接などによりステム２１と接続されている。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。
【０００３】
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、内部を気密にするため、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が予めキャップ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７（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。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も大体図７に示されるような構造になっている。
【０００４】
一方、前述の構造では、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が、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という問題があるため、特開平９−２８３８５２号公報に開示されるように、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構造のものが試みられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、窓ガラスが封着された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、ワレが生じやすい。そこで、特開平９−２８３８５２号公報では、その問題を解決するため、頂部の外周表面に突起部をリング状に形成しているが、自動機により大量生産する場合に、図６（ａ）〜（ｂ）に示されるように、キャップ２４の内径Ａとステム２１の嵌合部分の外径Ｂの寸法差（ＢがＡより大きい）が１０〜２０μｍ程度に管理されていないと、圧入の際に接着部に外力がかかり、窓ガラス２５が剥離する場合があるため、キャップとステムの内径および外径のバラツキの管理が大変で量産性に欠けるという問題がある。図６において、２９は低融点ガラスなどの接着剤である。
【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、頂部の窓部に窓ガラスなどの光透過部材を有するキャップを圧入によりステムにハーメチックシールする場合に、その寸法関係がシビアでなくても窓部のガラスや接着剤など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を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、部品管理が容易で、しかもキャップをステムに圧入するという簡単な組立方法を採用しながら窓部の破損を生じさせない構造の半導体レーザ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、底部にステムと圧入により接合され得る開口部が形成された円筒状の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、前記金属シェルの円筒部は前記開口部側の肉厚が前記ステムに圧入される部分の長さより長い範囲に亘って前記頂部側の肉厚より薄くなるように段差部が形成されている。
【０００９】
この構造にすることにより、ステムにキャップを圧入する際にキャップの底部の開口部にかかる押し広げる力は、円筒部の肉厚の薄い部分で吸収され、上部側の肉厚の厚い部分には力がかかりにくい。そのため、窓部に接着される窓ガラスや接着剤の低融点ガラスなどに加わる力も非常に弱くなり、クラックやワレが生じにくい。
【００１０】
前記金属シェルの頂部の外周表面に突起部がリング状に形成されることにより、上部からの押圧力に対しても窓ガラスなどの光透過部材およびその接着部が強固になり、一層窓部の剥離が減って信頼性が向上する。
【００１１】
本発明の半導体レーザは、ステムと、該ステムに設けられるヒートシンクにマウントされるレーザチップと、頂部に窓部を有すると共に底部に前記ステムと嵌合し得る円筒部を有し、前記レーザチップの周囲を気密に覆うキャップとからなり、該キャップは前記窓部に光透過部材が固着されると共に、前記円筒部が前記ステムと嵌合する部分の長さより長い範囲に亘って前記ステム側の肉厚が薄く、かつ、前記頂部側が厚く形成されて、前記ステムに圧入により嵌合されている。
【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について説明をする。
【００１３】
本発明の電子部品用キャップ１０は、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、金属シェルの円筒部１１の頂部に窓部１３が形成され、底部にステムと接合され得る開口部１４が形成されている。そして、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により気密を保持できるように接着されている。そして、金属シェルの円筒部１１は開口部１４側の肉厚ｔが頂部側の肉厚Ｔより薄くなるように段差部１１ａが形成されていることに特徴がある。
【００１４】
円筒部１１の頂部に窓部１３を有する金属シェルは、たとえばコバール板などを絞り加工することにより形成される。その絞り加工の際に、頂部には窓部１３とする貫通孔が設けられ、その底部にステムと接合するための開口部１４が設けられる。前述の段差部１１ａは、絞り加工をする際の凸金型に段差を設けておくことにより形成され、開口部１３側で薄く、頂部側でその肉厚を厚くすることができる。この肉厚の薄い部分と厚い部分との差は、圧入の際の力が肉厚の薄い部分で吸収できて、肉厚の厚い頂部側にできるだけ伝わらない程度の差が設けられればよく、たとえばコバール板を用いてできるだけ材料を薄く形成すると、肉厚の薄い部分が０.１３〜０.１７ｍｍ程度で、肉厚の厚い部分はそれより０.０５ｍｍ程度厚くすればたりる。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などを通過させたり、受光する光を通過させるためのもので、光を透過させる必要があり、一方で内部をハーメチックシールをしてレーザチップなどの素子を保護するため、窓ガラスなどの光透過部材１５が低融点ガラスなどの接着剤１６により接着されている。
【００１５】
半導体レーザに用いるキャップの具体例として、たとえば図１に示される構造で、キャップ１０の高さＬが３ｍｍ程度で、外径Ｄが２.５ｍｍ程度で、薄い部分の肉厚ｔが０.１５ｍｍ（内径Ａが２.２ｍｍ）程度、厚い部分の肉厚Ｔが０.２ｍｍ程度に形成される。そして、その段差部１１ａを設ける下端部からの位置Ｍは、１.４〜２.２ｍｍ程度の範囲で設けられる。すなわち、ステムとの嵌合部分の高さが下端部より１.４ｍｍ程度あり、それより上であることが好ましく、窓ガラスの下面の位置が下端部より２.１５ｍｍ程度の位置（窓ガラスの厚さは約０.２ｍｍ）にあり、その範囲内になる。
【００１６】
図１に示される例では、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。この突起部１２も窓ガラスのクラックなどを防止するために設けられている。すなわち、キャップの頂部全面に圧力を印加してステムに圧入しようとすると、窓ガラスや接着剤とする低融点ガラス部に引張力が加わり、クラックやワレが発生しやすいが、この突起部１２が設けられることにより、窓ガラス１５部の方への引張力が働かないで、円筒部１１を経て下端部側に力が伝わりやすいためである。この突起部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。
【００１７】
つぎに、光透過部材１５として窓ガラスを用い、接着剤１６として低融点ガラスにより接着したキャップ１０で、前述の段差部１１ａの下端部からの位置を１.４ｍｍで一定とし、キャップ１０の内径Ａとステムの外径Ｂとの差（Ｂ−Ａ）を種々変えて、ステムにキャップを１５〜２０ｋｇ程度で圧入した後、２０個づつのサンプルにより窓ガラスが脱落するときの荷重を調べた。その結果を本発明のキャップＳと従来の段差部のないキャップＲとを比較して図２に示す。キャップ１０の圧入の条件は、図４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の方向に荷重を印加して圧入した。そして、厚入後テンションゲージにて窓ガラスが脱落するときの荷重を測定することにより行った。なお、図２には嵌合に起因しないキャップ単体に基づく窓ガラスが脱落する荷重との区別を明確にするため、ステムに圧入しないで、キャップ単体に荷重を印加する場合も示されている。
【００１８】
さらに、Ｂ−Ａを２０μｍの一定として、段差部の位置Ｍを１.４〜２.２ｍｍの範囲で種々変化させ、１７ｋｇｆの一定荷重という設定で、キャップ下端部がステムの外周に１.２ｍｍの深さまで嵌め込まれる場合に、接着剤の低融点ガラスにかかる最大主応力（ｋｇｆ／ｍｍ²）をシミュレ−ションにより調べた。その結果を図３に示す。
【００１９】
図２から明らかなように、従来の段差部のないキャップＲによると、Ｂ−Ａ、すなわちキャップの内径とステムの外径とのオーバーラップする寸法が２０μｍを超えると急激に窓ガラスが脱落する（破損しない）荷重が低下するのに対して、本発明のキャップＳによれば、４０μｍ程度になっても殆ど窓ガラスが脱落する荷重が変化しない。すなわち、キャップ１０とステムとの嵌合いのバラツキが生じても、窓ガラスが破損して脱落することがない。なお、上述のキャップやステムの製造工程で嵌合い寸法が４０μｍを超えるバラツキは殆ど生じることがなく、実用的には４０μｍ以下の範囲のバラツキで窓ガラスの脱落の強度が一定していれば問題がない。さらに、図３から明らかなように、段差部が設けられない従来のもの（段差部の位置Ｍが０）に比して、１.４ｍｍ以上の段差部の位置のものは最大主応力が半分程度であり、この結果からも段差部が形成されていることにより、低融点ガラスへの応力が小さくなることが分る。なお、段差部の位置Ｍについては、その値が小さいほど同じ嵌合いでも圧入の際の荷重を大きくする必要があり、一概には段差部の位置Ｍが小さい方がよいとはいえない。
【００２０】
つぎに、図５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５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５（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。
【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２.２３ｍｍ程度で、キャップ１０下端部の内径は２.２０ｍｍ程度に形成されており、図４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】
なお、前述の例では、キャップの頂部の外周に突起部が設けられていたが、突起部が設けられることにより、キャップ上面よりの荷重に対して窓部への荷重の集中を避けることができるため好ましいが、突起部がなくても段差部が設けられることにより、キャップとステムとの嵌合部の嵌合いのバラツキの影響を抑えることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、従来はステムの外径とキャップの内径との差が１０〜２０μｍ程度に抑えなければならなかったものが、本発明によれば倍（４０μｍ）になっても窓部への応力の影響がなく、キャップとステムとの嵌合のバラツキを大きく許容できる。そのため、ステムとキャップの寸法管理を厳しくする必要がなく、製造管理が容易になると共に、生産性が向上し量産に適応することができる。その結果、安価で信頼性の高い半導体レーザなどの電子部品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子部品用キャップの一実施形態の断面説明図である。
【図２】図１のキャップを用いたときのステムとの嵌合の程度に対する窓ガラスが脱落する荷重の関係を示す図である。
【図３】キャップの段差部の位置に対する低融点ガラスへの最大主応力の関係を示す図である。
【図４】キャップをステムに圧入する状態の説明図である。
【図５】図１のキャップを用いた半導体レーザの断面説明図である。
【図６】ステムにキャップを圧入する構造のキャップの内径とステムの外径との関係の説明図である。
【図７】従来の半導体レーザの説明図である。
【符号の説明】
１０キャップ
１１円筒部
１１ａ段差部
１３窓部
１４開口部
１５光透過部材

Claims

頂部に窓部が形成され、底部にステムと圧入により接合され得る開口部が形成された円筒状の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、前記金属シェルの円筒部は前記開口部側の肉厚が前記ステムに圧入される部分の長さより長い範囲に亘って前記頂部側の肉厚より薄くなるように段差部が形成されてなる電子部品用キャップ。
前記金属シェルの頂部の外周表面に突起部がリング状に形成されてなる請求項１記載の電子部品用キャップ。
ステムと、該ステムに設けられるヒートシンクにマウントされるレーザチップと、頂部に窓部を有すると共に底部に前記ステムと嵌合し得る円筒部を有し、前記レーザチップの周囲を気密に覆うキャップとからなり、該キャップは前記窓部に光透過部材が固着されると共に、前記円筒部が前記ステムと嵌合する部分の長さより長い範囲に亘って前記ステム側の肉厚が薄く、かつ、前記頂部側が厚く形成されて、前記ステムに圧入により嵌合されてなる半導体レーザ。