JP3881554B2 - 光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置等に使用する高出力の半導体レーザ（ＬＤ）やフォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を収納するための光半導体素子収納用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野で用いられる高周波信号により作動するＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子を収納するため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もいう）を図３に示す。
【０００３】
同図に示すように、光半導体パッケージ１は、一般に鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成る基体３を有する。この基体３は、内部で発生した熱を効率良く外部に放熱する機能を有している。また、光半導体パッケージ１は、上側主面にＬＤやＰＤ等の光半導体素子２が載置固定される載置部３ａを有する基体３と、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成る枠体５とから主に構成されている。枠体５は、載置部３ａを囲繞するように基体３の上側主面に接合されている。この枠体５は、各種電子部品を囲むとともに入出力端子４や光ファイバ12を取り付けるためのものである。枠体５の側部に設けられた入出力端子４の取付部５ａには、光半導体素子２と外部電気回路（図示せず）とを電気的に接続する絶縁端子である入出力端子４が嵌着接合されている。
【０００４】
また、枠体５には、他の側部に光半導体素子２と光結合するための光伝送路である貫通穴10が形成されている。この貫通穴10の枠体５外側開口の周囲に、枠体５の熱膨張係数に近似した金属からなる筒状の光ファイバ固定部材11（以下、固定部材ともいう）が銀ロウ等のロウ材で接合されるか、または貫通穴10に固定部材11が嵌着される。固定部材11には、戻り光防止用の光アイソレータ（図示せず）と光ファイバ12とが樹脂接着剤等で接着された金属ホルダ13が固定されている。また、固定部材11の内部には、非晶質ガラス等からなり集光レンズとして機能するとともに光半導体パッケージ１内部を気密に塞ぐ機能を有する透光性部材（図示せず）が固定される。
【０００５】
また、固定部材11と金属ホルダ13とは、各々の端面同士がレーザ溶接等により固定される。一方、固定部材11と透光性部材とは、200〜400℃の融点を有する金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金等の低融点ロウ材によりロウ付けして固定される。
【０００６】
また、光半導体素子２の下面にはペルチェ素子等の電子冷却素子（図示せず）が配置されており、光半導体素子２の作動時に電子冷却素子を冷却して光半導体素子２の発熱による光出力の低下や寿命の低下を防止する。さらに、載置部３ａ上には、光半導体素子２の駆動用または信号増幅用のＬＳＩ等の半導体素子（図示せず）が設けられる。半導体素子の下面にも電子冷却素子またはヒートシンクを配設し得る。そして、光半導体素子２の電極が、ボンディングワイヤを介して入出力端子４の線路導体６に電気的に接続される。
【０００７】
また、入出力端子４は、セラミックスから成る平板部７とその上面に設置された立壁部８とから成る。平板部７の上面には、高周波信号の伝送路（入力線路および／または出力線路）としてメタライズ金属層から成る線路導体６が設けられている。この入出力端子４は、外部電気回路と光半導体素子２とを電気的に接続するとともに光半導体パッケージ１の内部を気密に塞ぐためのものである。
【０００８】
そして、基体３の載置部３ａに光半導体素子２を電子冷却素子を介して樹脂接着剤、ロウ材等の接着剤により接着固定する。次に、光半導体素子２の電極をボンディングワイヤを介して入出力端子４の線路導体６に電気的に接続する。その後、光アイソレータと光ファイバ12が固定された金属ホルダ13を固定部材11に溶接する。次に、枠体５の上面に蓋体14をシーム溶接やロウ付け等によって接合して、基体３と枠体５と蓋体14とからなる容器内部に光半導体素子２および半導体素子を気密に収容して、製品としての光半導体装置となる。
【０００９】
このような光半導体装置は、例えば、外部電気回路から供給される駆動用の高周波信号により光半導体素子２を光励起させ、光励起されたレーザ光等の光を透光性部材を通して光ファイバ12に授受させ、光ファイバ12内を伝送させることにより、大容量の情報を高速に伝送できる光電変換装置として機能し、光通信分野等に多用されている。
【００１０】
近年、携帯電話の普及、インターネットサービスの急増を受けて、通信需要が急激に増加しており、光通信分野における光ファイバでの伝送容量を増す技術の研究開発が進められている。とりわけ、光通信装置において光信号が光伝送路を伝搬する際の損失を補償すべく光信号を直接増幅する光増幅器が注目されている。従来の光半導体装置の光信号の出力は150〜200ｍＷ程度であり、搭載されている光信号を出力する光半導体素子も１Ｗ程度の駆動電力であった。しかし、上記光増幅器を用いた光半導体装置では、光信号の出力も300ｍＷレベルまで向上してきている。また、このような光半導体装置に搭載されている光信号を出力する光半導体素子も２Ｗレベルの駆動電力が要求されている。
【００１１】
従来より、作動時に光半導体素子２が発生する多量の熱を冷却して光半導体素子２を常に適温に保持し、光半導体素子２を長期にわたり安定に機能させるために各種冷却装置が設けられていた。例えば、光半導体素子２の熱を効率良く放散するために、基体３にＣｕ−Ｗ合金等の高熱伝導性の材料を使用したり、基体３と光半導体素子２との間に電子冷却素子を設けることが行なわれていた。しかしながら、電子冷却素子の熱が基体３と枠体５とを介して光ファイバ12に伝達し、光ファイバ12に熱応力が加わり光軸がずれて光信号の劣化の原因となることから、昨今の光半導体装置にはより安定した光結合を維持することが要求されるようになっている。
【００１２】
そこで、光半導体装置の安定した光結合を得るために、電子冷却素子等を設けること以外に、光半導体素子２の発熱による基体３の変形を防止すべく基体３に段差を設けて歪みを吸収することが提案されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記提案のように基体に段差を設けた構造では、光半導体パッケージ１に電子部品を実装する際の加熱による熱や、高出力のＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子２の発熱による歪み、あるいは光半導体パッケージ１を外部電気回路基板にネジ止め固定する際の光半導体パッケージ１全体に加わる応力による光学系の光軸のズレを解消することは可能となる。
【００１４】
しかしながら、光半導体装置を作製する際、光ファイバ12を取着した金属ホルダ13は、枠体５に固定された固定部材11の枠体５外側端面に各種レーザ等で溶接される。そのために、固定部材11の溶接部の熱によって固定部材11が設けられた枠体５の一点に応力が集中し、基体３に段差を設けた構造では、枠体５の一点に集中した応力を緩和しきれずに枠体５が変形し、光結合状態が大きくずれてしまう。その結果、さらに安定した光結合を維持することが要求されている上記光増幅器を用いた光半導体装置では、上記溶接により光出力が±0.7ｄＢ以上と大きく劣化するという問題点があった。
【００１５】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光ファイバを取着した金属ホルダを枠体に固定された固定部材に溶接する際に発生する応力による歪みを大幅に緩和して光結合損失の劣化を防止し、光半導体装置として安定した光結合が得られる光半導体パッケージを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体素子搭載用パッケージは、光半導体素子が搭載される上面を有する基体と、前記基体の前記上面に接合されており、光ファイバが固定される枠体と、ろう材で覆われており、前記ろう材を介して前記基体の前記上面および前記枠体の内面に接合された枠状の金属部材とを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の光半導体素子搭載用パッケージは、前記金属部材の表面に粗面化処理が施されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の光半導体素子搭載用パッケージは、前記金属部材の断面形状が円であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の光半導体素子搭載用パッケージは、前記金属部材がＣｕ−Ｗ合金からなることを特徴とする。
【００２０】
本発明の光半導体装置は、上述のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージと、該光半導体素子収納用パッケージの前記基体に搭載された光半導体素子と前記光半導体素子収納用パッケージの前記枠体に固定された前記光ファイバとを有することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体素子収納用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について実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の光半導体パッケージの固定部材側からみた場合の断面図である。図１，図２において、従来の光半導体パッケージを示す図３と同じ部材については同じ符号で示した。
【００２２】
図１，図２において、１は、基体３、枠体５および枠体５の取付部５ａに嵌着された高周波信号入出力用の入出力端子４から主に構成される光半導体パッケージである。これらの基体３、枠体５、入出力端子４、および光ファイバ12や透光性部材１６を設置固定する筒状の光ファイバ12の固定部材11とで、内部に光半導体素子２を収容するための容器が構成される。そして、基体３の上側主面の載置部３ａに光半導体素子２を載置固定し、枠体５の上面に蓋体（図示せず）を接合して気密に封止することにより光半導体装置となる。
【００２３】
本発明の光半導体パッケージ１には、枠体５の側部５ｂの内面下端の全周にロウ材を介して枠体５および基体３に外周面が接するように枠状の金属部材９が接合されているとともに、ロウ材は金属部材９の外周面の略全面を覆うとともに斜面状のメニスカス15を形成している。ロウ材としては、融点が250〜900℃のものを用いるのがよく、その場合光半導体パッケージに電子部品を実装する際の熱に対しても金属部材９の接合強度が損なわれることは無い。
【００２４】
また、本発明の光半導体パッケージ１を構成する光ファイバ12を取着した金属ホルダ13は、枠体５に固定された固定部材11の外側端面に溶接されている。この金属部材13と固定部材11との溶接には、高出力のＣＯ2 レーザやＹＡＧレーザ等が用いられる。特に、瞬時に接合でき、溶解時間や照射時間等による光結合のずれを極力小さくでき、溶接の固定安定度の高いＹＡＧレーザ溶接が好適である。一般に、ＹＡＧレーザ溶接は、1064ｎｍの近赤外線領域のレーザ光を用いる。そのため、エネルギーを集中して瞬時に金属同士を接合することが可能である。また、ＹＡＧレーザ溶接は接合材料等により３〜６Ｊ（ジュール）の溶接条件にて上記のような接合が可能である。
【００２５】
従って、レーザ溶接ではレーザ光のエネルギーが枠体５の一点、即ち固定部材11が設けられた部位に集中して急激に応力を発生する。そのため枠体５全体の応力バランスが急激に変化する。そこで、本発明の金属部材９を設けることにより、そのような急激に生じる歪みを大幅に緩和し抑制することが可能となる。
【００２６】
また、金属部材９を接合するロウ材は、その融点が250℃未満では、光ファイバ12を取着した金属ホルダ13を枠体５に固定された固定部材11に溶接する際、急激に発生する応力の抑制効果が認められない。また、光半導体パッケージ１に電子部品を実装する際の加熱や各種信頼性評価時の温度履歴によりロウ材が軟化または溶融して金属部材９が動き出し、光半導体パッケージ１内部の光学系の光軸のズレが生じる恐れがある。他方、ロウ材の融点が900℃を超えると、ロウ付け時に、基体３と枠体５、枠体５と入出力端子４および固定部材11等を接合する各種接合材が溶融して気密不良を生じる恐れがある。
【００２７】
上記融点を有するロウ材としては、銀12重量％−ゲルマニウム88重量％、鉛５重量％−銀95重量％、ＢＡｇ−１（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀45重量％−銅15重量％−カドミウム24重量％−亜鉛16重量％）、ＢＡｇ−４（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀40重量％−銅30重量％−亜鉛28重量％−ニッケル２重量％）、ＢＡｇ−８ａ（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀72重量％−銅28重量％−リチウム0.2重量％）、ＢＡｇ−13（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀54重量％−銅40重量％−亜鉛５重量％−ニッケル１重量％）、ＢＡｇ−18（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀60重量％−銅30重量％−錫10重量％−リン0.2５重量％）、ＢＡｇ−19（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀92.5重量％−銅7.2重量％−リチウム0.2重量％）、ＢＡｇ−21（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀63重量％−銅28.5重量％−錫６重量％−ニッケル2.5重量％）、ＢＡｇ−23（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀85重量％−マンガン15重量％）等が挙げられる。とりわけ、封止性、メニスカスの形成のし易さ、製造上での取り扱い易さ、環境問題等の観点から、ＢＡｇ−８ａおよびＢＡｇ−23が好適である。
【００２８】
本発明において、ロウ材は、光ファイバ12を取着した金属ホルダ13を枠体５の側部５ｂに取着した固定部材11の端面とレーザ溶接する際に急激に発生する応力を光半導体パッケージ１自体で効率よく抑制するために、金属部材９の外周面から基体３および枠体５の表面にかけて斜面状のメニスカス15（図２）を形成することが必要である。具体的には、図２に示すように、斜面状のメニスカス15は、枠体５の側部５ｂの内面と金属部材９の外周面との間に形成されるとともに基体３の上側主面と金属部材９の外周面との間に形成されて、枠体５の側部５ｂの内面下端部の全周から基体３の上側主面にかけて全体として一つの斜面を成すように形成される。
【００２９】
また、このようなメニスカス15は、光半導体パッケージ１に電子部品を実装する際の加熱や、高出力のＬＤやＰＤ等の光半導体素子２の熱による枠体５および基体３の歪みに対しても吸収緩和する機能を有する。他に、光半導体パッケージ１を外部電気回路基板にネジ止め固定する際に徐々に加わる応力を分散して、金属部材９の角部に応力が集中するのを解消するとともに金属部材９を基体３および枠体５に強固に接合できる。さらに基体３と枠体５との接合部に集中し易い応力を緩和するように機能する。その結果、安定した光結合が得られる。
【００３０】
このメニスカス15は、金属ホルダ13を固定部材11にレーザ溶接する際に急激に発生する応力を抑制して光結合損失を防止する点で、その断面形状が曲率半径0.01〜0.2ｍｍ程度の凹んだ円弧状をなすものが好ましい。なお、このような断面形状とすることにより、先に詳細に述べた熱的あるいは機械的な応力の集中を効果的に回避する点でも効果的である。また、このようなメニスカス15を形成するために、金属部材９の表面を予めエッチング処理等により粗面化しておくことが好ましい。
【００３１】
また、上記ロウ材は金属部材９の表面を覆っているため、ロウ材のメニスカス15が金属部材９の表面に境界を形成しないことから、応力の集中する起点が形成されない。そのため、基体３および枠体５の表面から金属部材９にかけてロウ材のメニスカス15により曲面状の連続面となり、応力を効果的に分散することができる。この結果、上記ロウ材を用いて金属部材９を接合することにより、光半導体パッケージ１が受ける各種熱応力や外部応力に対しても、光半導体装置を組み立てる際、金属ホルダ13を固定部材11に溶接する前の初期段階の光信号出力に対する金属ホルダ13を固定部材11に溶接した後の最終段階での光信号出力の変動が±0.3ｄＢ以下となるように良好な光結合が維持できる。
【００３２】
本発明の金属部材９は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｃｕ−Ｗ合金等から成り、とりわけ放熱効果を高めるためには熱伝導性に優れたＣｕ−Ｗ合金が好ましい。また、金属部材９の断面形状は、表面積が大きくロウ材が濡れ易く基体３および枠体５とメニスカス15を形成し易いという点で、円形が好ましいが、多角形等であってもよい。また、断面形状が円形の金属部材９は、各種熱応力や機械的応力が集中し難いため好適である。
【００３３】
また、金属部材９の太さ（図２のように断面形状が円形の場合直径φ）は枠体５の厚さの２分の１を超えかつ枠体５の厚さ未満であることが好ましい。金属部材９の太さが枠体５の厚さｔ（図２）の２分の１以下であれば、光半導体装置として初期段階での光信号出力に対する最終段階の光信号出力の変動を±0.3ｄＢ以内に収めることが困難となる。一方、金属部材９の太さが枠体５の厚さｔ以上になると、接合した金属部材９により枠体５が歪み、光半導体パッケージ１全体が変形することになる。
【００３４】
なお、金属部材９の断面形状が多角形であっても、その最大太さが枠体５の厚さｔの２分の１を超えかつ枠体５の厚さｔ未満であれば同様の効果を奏する。
【００３５】
本発明の光半導体パッケージ１は、金属からなる基体３と、その上側主面に光半導体素子２の載置部３ａを囲むように接合され、入出力端子４の取付部５ａを有する枠体５と、精密なインピーダンス制御が可能な入出力端子４とを具備する。また、固定部材11の枠体５外側の端面には、光ファイバ12と戻り光防止用の光アイソレータとが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ13が、ＹＡＧレーザ溶接等により接合される。さらに、光半導体素子２の下面にはペルチェ素子等の電子冷却素子17が配置されており、光半導体素子２の作動時にそれを冷却する。
【００３６】
また、載置部３ａ上には、光半導体素子２の駆動用または信号増幅用のＬＳＩ等の半導体素子（図示せず）が設けられ、半導体素子の下面にも電子冷却素子17またはＣｕ−Ｗ合金からなるヒートシンクを配設し得る。そして、光半導体素子２と半導体素子とをボンディングワイヤ、内部配線パターン（図示せず）等を介して接続し、半導体素子は入出力端子４にボンディングワイヤで接続される。そして、光半導体素子２の各電極が、ボンディングワイヤを介して入出力端子４の枠体５外側に設けられた外部リード端子18に電気的に接続される。
【００３７】
本発明の略四角形の基体３は、光半導体素子２を支持する支持部材および光半導体素子２の熱を放熱する放熱板として機能し、その上側主面の略中央部に光半導体素子２を載置するための載置部３ａを有している。載置部３ａには光半導体素子２が電子冷却素子17を挟んでＡｕ−シリコン（Ｓｉ）ロウ材等の接着剤を介して接着固定されるとともに、この接着剤を介して光半導体素子２の熱が載置部３ａに伝えられ、外部に効率よく放熱され、光半導体素子２の作動性を良好にする。この基体３は、Ｃｕ−Ｗ合金等の100Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導を有する金属からなる。例えば、Ｃｕ−Ｗ合金は多孔質のタングステン焼結体に銅を含浸させる周知の製法により作製される。
【００３８】
なお、基体３の表面には耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ0.5〜９μmのＮｉ層と厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのが良く、基体３が酸化腐食するのを有効に防止できるとともに、基体３の上側主面で光半導体素子２の下方に配される電子冷却素子17を強固に接着固定することができる。
【００３９】
また基体３は、その上側主面に光半導体素子２の載置部３ａを囲むように平面視形状が略四角形の枠体５が接合されており、枠体５の内側に光半導体素子２を収容するための空所が形成される。この枠体５はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成る。また枠体５は、その金属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方法を施すことにより所定形状に製作される。
【００４０】
次に、枠体５の側部５ｂに取付部５ａを、他の側部に光透過用の貫通穴10を有するような形状に作製される。この貫通穴10は、枠体５の側部に周知のドリルによる孔開け加工により所定形状に形成される。さらに、光半導体素子２と外部電気回路との電気的接続を行う手段として、枠体５の内面の一部および外面の一部に、ボンディングワイヤや外部リード端子18等を接続するための厚さ0.5〜９μmのＮｉ層や厚さ0.5〜５μmのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくと良い。
【００４１】
また、貫通穴10の枠体５外側開口の周囲に一端が接合されるかまたは貫通穴10に挿通され外周面が接合されて、固定部材11が枠体５に設けられる。この固定部材11は、内部で光信号が伝送されるように筒状に形成され、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成り、銀ロウ等のロウ材を介して接合される。また、固定部材11は、基体３と同様の加工法で所望の形状に加工製作されるとともに、その表面に厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層や厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくと良い。
【００４２】
また、固定部材11の内周面には、集光レンズとして機能するとともに光半導体パッケージ１の内部を塞ぐ非晶質ガラス等からなる透光性部材16が、その接合部の表面に形成されたメタライズ層を介して、200〜400℃の融点を有するＡｕ−Ｓｎ合金等の低融点のロウ材で接合される。この透光性部材16は、熱膨張係数が４×10-6〜12×10-6／℃（室温〜400℃）のサファイア（単結晶アルミナ）や非晶質ガラス等からなり、球状、半球状、凸レンズ状、ロッドレンズ状等とされ、外部のレーザ光等の光を光ファイバ12を伝わって光半導体素子２に入力させる、または光半導体素子２で出力したレーザ光等の光を光ファイバ12に入力させるための集光用部材である。透光性部材16が、例えば結晶軸の存在しない非晶質ガラスの場合、酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化鉛（ＰｂＯ）を主成分とする鉛系、または硼酸系やケイ砂を主成分とする硼珪酸系のものを用いる。
【００４３】
また、透光性部材16は、その熱膨張係数が枠体５のそれと異なっていても、固定部材11が熱膨張差による応力を吸収緩和するので、結晶軸が応力のためにある方向に揃うことによって光の屈折率の変化を起こすことは発生し難い。従って、この透光性部材16を用いることによって光半導体素子２と光ファイバ12との間の光の結合効率を高くできる。
【００４４】
入出力端子４は、上面に線路導体６が形成された略長方形の平板部７と、線路導体６を間に挟んで平板部７の上面に接合され、枠体５の内外を遮断するように形成された略直方体の立壁部８とから成っている。立壁部８は、その上面に接地導体が形成され、側面にその接地導体を延出するように接地導体が形成されている。また、平板部７および立壁部８は、酸化アルミニウムセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、ガラスセラミックス等の誘電体から成る。
【００４５】
また、平板部７の上面の線路導体６や接地導体はＷ，Ｍｏ，Ｍｎ等で形成されており、例えばＷ等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、平板部７および立壁部８用のセラミックグリーンシートに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、セラミックグリーンシートと同時焼成することによって平板部７，立壁部８に形成される。線路導体６の表面には、酸化防止のためとボンディングワイヤや外部リード端子18等を強固に接続するために、厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層や厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくと良い。
【００４６】
また、蓋体（図示せず）は、枠体５の上面にシーム溶接等によって接合され、光半導体素子２を光半導体パッケージ１内に封止する。
【００４７】
本発明の光半導体パッケージ１は、ＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子２およびＬＳＩ等の半導体素子を収納した光通信用の場合、枠体５を基体３に接合した後、枠状の金属部材９を枠体５の側部５ｂの内面下端の全周にロウ材で接合する。次に、枠体５の側部５ｂに予め形成された枠体５の内外を貫通する貫通穴10の枠体５外側開口の周囲に金属からなる筒状の固定部材11を接合し、固定部材11の内側に光半導体素子２と光ファイバ12との間で光を集光させ結合させる透光性部材16を接合する。そして、光半導体素子２と半導体素子とをボンディングワイヤによって接続し、半導体素子と入出力端子４の線路導体６の一端とをボンディングワイヤによって接続した後、枠体５の上面に蓋体をシーム溶接等によって接合する。しかる後、固定部材11の枠体５外側端面に、光ファイバ12と戻り光防止用のアイソレータとが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ13を、ＹＡＧレーザ溶接等で接合することによって、製品としての光半導体装置となる。
【００４８】
かくして、本発明の光半導体パッケージは、枠体５の側部５ｂの内面下端の全周にロウ材を介して枠体５および基体３に外周面が接するように枠状の金属部材９が接合されているとともに、ロウ材は金属部材９の外周面の略全面を覆うとともに斜面状のメニスカス15を形成していることにより、金属ホルダ13と固定部材11とを溶接する際、溶接部から枠体５の一点に急激に発生する応力が枠状の金属部材９により強固に補強された枠体５で効果的に抑制される。その結果、光結合の劣化が防止でき、光半導体装置として本発明の光半導体パッケージ１を組み込んだ際、光半導体素子２の光出力を効率良く光ファイバ12に伝達することができる。
【００４９】
また、金属部材９に加わる熱応力や外部応力等が緩和され、金属部材９には応力が集中することが無い。その結果、光半導体パッケージ１の内部の光結合にズレを生じることがなく、光半導体パッケージ１を外部電気回路基板にネジ止め固定する際に徐々に加わる応力をも効果的に分散して、光半導体素子２を正常かつ安定に作動させることができる。
【００５０】
【実施例】
本発明の光半導体パッケージの実施例を以下に説明する。
【００５１】
図１，図２の光半導体パッケージ１の光結合損失を以下のようにして評価した。先ず、光半導体パッケージ１を以下の工程［１］〜［６］のようにして作製した。
【００５２】
［１］縦約13ｍｍ×横約30ｍｍのＣｕ−Ｗ合金から成る略四角形の基体３の上側主面の外周部に載置部３ａを囲むように、縦約13ｍｍ×横約20ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る平面視形状が略四角形の枠体５を銀ロウで接合した。なお、基体３および枠体５の表面には厚さ約２μｍのＮｉメッキ層および厚さ約0.5μｍのＡｕメッキ層が順次被着されており、また枠体５の側部５ｂで対向する側部５ｂに入出力端子４の取付部５ａ、その側部５ｂに隣接する他の側部５ｂに貫通穴10が形成されている。
【００５３】
［２］枠状の金属部材９を枠体５の側部５ｂの内面下端の全周にロウ材で接合した。金属部材９はＣｕ−Ｗ合金から成り、その断面形状は円形であり、太さ（直径）は0.8ｍｍ（枠体５の厚さは１ｍｍ）とした。また、ロウ材としては融点が約770℃のＢＡｇ−８ａを用いた。そして、この場合、断面形状が曲率半径約0.1ｍｍの凹んだ円弧状となっているロウ材のメニスカス15が形成された。
【００５４】
［３］枠体５の対向する側部５ｂの取付部５ａに、それぞれアルミナセラミックスから成る入出力端子５を銀ロウで嵌着接合した。入出力端子５の平板部７の上面には、枠体５内外を導通するようにＭｏ−Ｍｎのメタライズ層上に厚さ約２μｍのＮｉメッキ層および厚さ約0.5μｍのＡｕメッキ層を順次被着して成る線路導体６を形成した。
【００５５】
［４］枠体５の側部５ｂの貫通穴10の枠体５外側開口の周囲にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる筒状の固定部材11を銀ロウで接合し、固定部材11の内側に鉛系ガラスから成る球状の透光性部材16をＡｕ−Ｓｎ合金ロウ材で接合した。
【００５６】
［５］ＬＤである光半導体素子２と信号増幅用のＬＳＩである半導体素子とを、載置部３ａ上のペルチェ素子の上面にＡｕ−Ｓｉロウ材で載置接合するとともにボンディングワイヤで相互に接続し、さらに半導体素子と入出力端子４の線路導体６の一端とをボンディングワイヤで接続した。
【００５７】
［６］固定部材11の枠体５外側端面に、光ファイバ12と戻り光防止用のアイソレータとが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ13を、５ＪのＹＡＧレーザで溶接で接合した。
【００５８】
そして、上記のように作製した、金属ホルダ13を固定部材11に溶接する前の光半導体パッケージ１の試料Ａに、光源からの光信号の出力を0.2ｍＷとし、波長が1310ｎｍの光を通して光パワーメータで光結合状態を確認した。そのときの光出力を基準として、金属ホルダ13を固定部材11に溶接した後の試料Ａの光結合損失を評価した。
【００５９】
また、比較例として、枠体５の側部５ｂの内面下端に金属部材９を接合しない以外は上記実施例と同様に作製した試料Ｂ、および枠体５の固定部材11側の側部の内面下端のみに金属部材９を接合した以外は上記実施例と同様に作製した試料Ｃを準備し、上記と同様にして光結合損失を評価した。
【００６０】
その結果、試料Ａ〜Ｃの各10個について、比較例の試料Ｂ，Ｃではいずれも光結合損失が±0.5ｄＢを超えており、0.7ｄＢにも及ぶものが試料Ｂではその内２個、試料Ｃでは１個あった。それに対して、本発明の試料Ａでは、全て光結合損失は±0.5ｄＢ以内であり、ＹＡＧレーザ溶接の前後で光結合状態の変動が大幅に抑制されていることが確認できた。
【００６１】
また、上記Ｃｕ−Ｗ合金から成り、断面形状が円形である金属部材９の太さ（直径）を0.3ｍｍ〜1.2ｍｍの範囲の種々の値（0.3mm，0.5mm，0.8ｍｍ，1.0ｍｍ，1.2ｍｍ）とし、厚さが１mmの枠体５を用いて他は上記試料Ａと同様にして作製した５種の試料Ｄを準備した。そして、これらは断面形状が曲率半径約0.1ｍｍの凹んだ円弧状となっているロウ材のメニスカス15が形成されていることを確認した。これらの試料Ｄについて上記試料Ａと同様にして光結合損失を評価した。その結果、試料Ｄにおいて金属部材９の直径が0.3mmのものでは光結合損失は±0.4dＢ、0.5mmで±0.3ｄB、0.8ｍｍで±0.3dＢ、1.0ｍｍで±0.4dＢ、1.2ｍｍで±0.5dＢであった。このことから、金属部材９の太さが枠体５の厚さの2分の１を超え、かつ枠体５の厚さ未満であることが光結合損失が最も小さいことが明らかとなった。
【００６２】
また、本発明の光半導体パッケージ１の枠体５の上面に蓋体をシーム溶接によって接合した光半導体装置に、外部の駆動装置の駆動信号を印加して、光半導体素子２を光励起させ、発生したレーザ光の光出力を光出力メータで計測した。次に、光半導体装置を−40℃から85℃の温度サイクル試験装置にセットし、初期段階の光出力と最終段階の光出力との変動をモニターした。このとき、まず放熱特性が250Ｗ／ｍＫのＣｕ−Ｗ合金から成る基体３を使用し、初期特性として印加電圧を250Ｗ、駆動電流を400ｍＡとしたときの光出力を100％とした。次に、駆動電流を10ｍＡで光出力を0.1％、50ｍＡで6.9％、100ｍＡで21.8％、200ｍＡで50.8％、300ｍＡで78.47％とした各場合における光出力の変動を求めた。その結果、いずれの場合も±0.1ｄＢ以内であった。また、放熱特性が180Ｗ／ｍＫのＣｕ−Ｗ合金から成る基体３を使用して同様に光出力の変動を求めたが、いずれも±0.3ｄＢ以内であった。
【００６３】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、枠体の内面の下端の全周にロウ材を介して枠体および基体に外周面が接するように枠状の金属部材が接合されているとともに、ロウ材は金属部材の外周面の略全面を覆うとともに斜面状のメニスカスを形成していることにより、光ファイバを取着した金属ホルダを枠体に固定された固定部材に溶接する際に急激に発生する枠体の一点に集中した応力による歪みを大幅に緩和し、枠体の変形を防いで光結合損失の劣化を効果的に防止する。
【００６５】
また、ロウ材のメニスカスが、光半導体素子収納用パッケージに電子部品を実装する際の加熱や高出力のＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子の熱に対しても枠体および基体の歪みを吸収して、枠状の金属部材に応力集中することも防ぐことができる。さらに、枠体の内面の下端の全周と基体との隅部が枠状の金属部材により補強されるので、光半導体素子収納用パッケージを外部電気回路基板にネジ止め固定する際に徐々に加わるような応力等による光学系の光軸のズレを生じることもない。従って、光半導体素子と光ファイバとの間の安定した光結合が維持でき、光半導体装置として光信号の出力の変動を±0.3ｄＢ以下にすることができる。
【００６６】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、好ましくは、金属部材の太さが枠体の厚さの２分の１を超えかつ枠体の厚さ未満であることにより、金属ホルダを固定部材に溶接固定する際、例えばＹＡＧレーザで溶接固定した場合、その出力を上げることができ、強固で気密な溶接が可能となる。そのため、溶接部の信頼性が増すとともに枠体全体が強固となり、光ファイバを取着した金属ホルダを枠体に固定された固定部材に溶接する際に急激に発生する枠体の一点に集中した応力を光半導体素子収納用パッケージ自体で抑制できる。その結果、光半導体素子の光出力を効率良く光ファイバに伝達できる。また、枠状の金属部材が熱的、機械的な応力によって枠体が変形しないように支持し、またその応力をロウ材のメニスカスにより分散することができる。その結果、光半導体素子収納用パッケージに搭載された光半導体素子や光ファイバ等の実装部品の光結合の変動をきわめて小さくすることができる。
【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について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の光半導体素子収納用パッケージの光ファイバ固定部材側からみた断面図である。
【図３】従来の光半導体素子収納用パッケージの分解斜視図である。
【符号の説明】
１：光半導体素子収納用パッケージ
２：光半導体素子
３：基体
３ａ：載置部
４：入出力端子
５：枠体
５ａ：入出力端子の取付部
５ｂ：側部
９：金属部材
10：貫通穴
11：光ファイバ固定部材
15：メニスカス
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置等に使用する高出力の半導体レーザ（ＬＤ）やフォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を収納するための光半導体素子収納用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野で用いられる高周波信号により作動するＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子を収納するため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もいう）を図３に示す。
【０００３】
同図に示すように、光半導体パッケージ１は、一般に鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成る基体３を有する。この基体３は、内部で発生した熱を効率良く外部に放熱する機能を有している。また、光半導体パッケージ１は、上側主面にＬＤやＰＤ等の光半導体素子２が載置固定される載置部３ａを有する基体３と、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成る枠体５とから主に構成されている。枠体５は、載置部３ａを囲繞するように基体３の上側主面に接合されている。この枠体５は、各種電子部品を囲むとともに入出力端子４や光ファイバ12を取り付けるためのものである。枠体５の側部に設けられた入出力端子４の取付部５ａには、光半導体素子２と外部電気回路（図示せず）とを電気的に接続する絶縁端子である入出力端子４が嵌着接合されている。
【０００４】
また、枠体５には、他の側部に光半導体素子２と光結合するための光伝送路である貫通穴10が形成されている。この貫通穴10の枠体５外側開口の周囲に、枠体５の熱膨張係数に近似した金属からなる筒状の光ファイバ固定部材11（以下、固定部材ともいう）が銀ロウ等のロウ材で接合されるか、または貫通穴10に固定部材11が嵌着される。固定部材11には、戻り光防止用の光アイソレータ（図示せず）と光ファイバ12とが樹脂接着剤等で接着された金属ホルダ13が固定されている。また、固定部材11の内部には、非晶質ガラス等からなり集光レンズとして機能するとともに光半導体パッケージ１内部を気密に塞ぐ機能を有する透光性部材（図示せず）が固定される。
【０００５】
また、固定部材11と金属ホルダ13とは、各々の端面同士がレーザ溶接等により固定される。一方、固定部材11と透光性部材とは、200〜400℃の融点を有する金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金等の低融点ロウ材によりロウ付けして固定される。
【０００６】
また、光半導体素子２の下面にはペルチェ素子等の電子冷却素子（図示せず）が配置されており、光半導体素子２の作動時に電子冷却素子を冷却して光半導体素子２の発熱による光出力の低下や寿命の低下を防止する。さらに、載置部３ａ上には、光半導体素子２の駆動用または信号増幅用のＬＳＩ等の半導体素子（図示せず）が設けられる。半導体素子の下面にも電子冷却素子またはヒートシンクを配設し得る。そして、光半導体素子２の電極が、ボンディングワイヤを介して入出力端子４の線路導体６に電気的に接続される。
【０００７】
また、入出力端子４は、セラミックスから成る平板部７とその上面に設置された立壁部８とから成る。平板部７の上面には、高周波信号の伝送路（入力線路および／または出力線路）としてメタライズ金属層から成る線路導体６が設けられている。この入出力端子４は、外部電気回路と光半導体素子２とを電気的に接続するとともに光半導体パッケージ１の内部を気密に塞ぐためのものである。
【０００８】
そして、基体３の載置部３ａに光半導体素子２を電子冷却素子を介して樹脂接着剤、ロウ材等の接着剤により接着固定する。次に、光半導体素子２の電極をボンディングワイヤを介して入出力端子４の線路導体６に電気的に接続する。その後、光アイソレータと光ファイバ12が固定された金属ホルダ13を固定部材11に溶接する。次に、枠体５の上面に蓋体14をシーム溶接やロウ付け等によって接合して、基体３と枠体５と蓋体14とからなる容器内部に光半導体素子２および半導体素子を気密に収容して、製品としての光半導体装置となる。
【０００９】
このような光半導体装置は、例えば、外部電気回路から供給される駆動用の高周波信号により光半導体素子２を光励起させ、光励起されたレーザ光等の光を透光性部材を通して光ファイバ12に授受させ、光ファイバ12内を伝送させることにより、大容量の情報を高速に伝送できる光電変換装置として機能し、光通信分野等に多用されている。
【００１０】
近年、携帯電話の普及、インターネットサービスの急増を受けて、通信需要が急激に増加しており、光通信分野における光ファイバでの伝送容量を増す技術の研究開発が進められている。とりわけ、光通信装置において光信号が光伝送路を伝搬する際の損失を補償すべく光信号を直接増幅する光増幅器が注目されている。従来の光半導体装置の光信号の出力は150〜200ｍＷ程度であり、搭載されている光信号を出力する光半導体素子も１Ｗ程度の駆動電力であった。しかし、上記光増幅器を用いた光半導体装置では、光信号の出力も300ｍＷレベルまで向上してきている。また、このような光半導体装置に搭載されている光信号を出力する光半導体素子も２Ｗレベルの駆動電力が要求されている。
【００１１】
従来より、作動時に光半導体素子２が発生する多量の熱を冷却して光半導体素子２を常に適温に保持し、光半導体素子２を長期にわたり安定に機能させるために各種冷却装置が設けられていた。例えば、光半導体素子２の熱を効率良く放散するために、基体３にＣｕ−Ｗ合金等の高熱伝導性の材料を使用したり、基体３と光半導体素子２との間に電子冷却素子を設けることが行なわれていた。しかしながら、電子冷却素子の熱が基体３と枠体５とを介して光ファイバ12に伝達し、光ファイバ12に熱応力が加わり光軸がずれて光信号の劣化の原因となることから、昨今の光半導体装置にはより安定した光結合を維持することが要求されるようになっている。
【００１２】
そこで、光半導体装置の安定した光結合を得るために、電子冷却素子等を設けること以外に、光半導体素子２の発熱による基体３の変形を防止すべく基体３に段差を設けて歪みを吸収することが提案されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記提案のように基体に段差を設けた構造では、光半導体パッケージ１に電子部品を実装する際の加熱による熱や、高出力のＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子２の発熱による歪み、あるいは光半導体パッケージ１を外部電気回路基板にネジ止め固定する際の光半導体パッケージ１全体に加わる応力による光学系の光軸のズレを解消することは可能となる。
【００１４】
しかしながら、光半導体装置を作製する際、光ファイバ12を取着した金属ホルダ13は、枠体５に固定された固定部材11の枠体５外側端面に各種レーザ等で溶接される。そのために、固定部材11の溶接部の熱によって固定部材11が設けられた枠体５の一点に応力が集中し、基体３に段差を設けた構造では、枠体５の一点に集中した応力を緩和しきれずに枠体５が変形し、光結合状態が大きくずれてしまう。その結果、さらに安定した光結合を維持することが要求されている上記光増幅器を用いた光半導体装置では、上記溶接により光出力が±0.7ｄＢ以上と大きく劣化するという問題点があった。
【００１５】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光ファイバを取着した金属ホルダを枠体に固定された固定部材に溶接する際に発生する応力による歪みを大幅に緩和して光結合損失の劣化を防止し、光半導体装置として安定した光結合が得られる光半導体パッケージを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体素子搭載用パッケージは、光半導体素子が搭載される上面を有する基体と、前記基体の前記上面に接合されており、光ファイバが固定される枠体と、ろう材で覆われており、前記ろう材を介して前記基体の前記上面および前記枠体の内面に接合された枠状の金属部材とを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の光半導体素子搭載用パッケージは、前記金属部材の表面に粗面化処理が施されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の光半導体素子搭載用パッケージは、前記金属部材の断面形状が円であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の光半導体素子搭載用パッケージは、前記金属部材がＣｕ−Ｗ合金からなることを特徴とする。
【００２０】
本発明の光半導体装置は、上述のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージと、該光半導体素子収納用パッケージの前記基体に搭載された光半導体素子と前記光半導体素子収納用パッケージの前記枠体に固定された前記光ファイバとを有することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体素子収納用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について実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の光半導体パッケージの固定部材側からみた場合の断面図である。図１，図２において、従来の光半導体パッケージを示す図３と同じ部材については同じ符号で示した。
【００２２】
図１，図２において、１は、基体３、枠体５および枠体５の取付部５ａに嵌着された高周波信号入出力用の入出力端子４から主に構成される光半導体パッケージである。これらの基体３、枠体５、入出力端子４、および光ファイバ12や透光性部材１６を設置固定する筒状の光ファイバ12の固定部材11とで、内部に光半導体素子２を収容するための容器が構成される。そして、基体３の上側主面の載置部３ａに光半導体素子２を載置固定し、枠体５の上面に蓋体（図示せず）を接合して気密に封止することにより光半導体装置となる。
【００２３】
本発明の光半導体パッケージ１には、枠体５の側部５ｂの内面下端の全周にロウ材を介して枠体５および基体３に外周面が接するように枠状の金属部材９が接合されているとともに、ロウ材は金属部材９の外周面の略全面を覆うとともに斜面状のメニスカス15を形成している。ロウ材としては、融点が250〜900℃のものを用いるのがよく、その場合光半導体パッケージに電子部品を実装する際の熱に対しても金属部材９の接合強度が損なわれることは無い。
【００２４】
また、本発明の光半導体パッケージ１を構成する光ファイバ12を取着した金属ホルダ13は、枠体５に固定された固定部材11の外側端面に溶接されている。この金属部材13と固定部材11との溶接には、高出力のＣＯ2 レーザやＹＡＧレーザ等が用いられる。特に、瞬時に接合でき、溶解時間や照射時間等による光結合のずれを極力小さくでき、溶接の固定安定度の高いＹＡＧレーザ溶接が好適である。一般に、ＹＡＧレーザ溶接は、1064ｎｍの近赤外線領域のレーザ光を用いる。そのため、エネルギーを集中して瞬時に金属同士を接合することが可能である。また、ＹＡＧレーザ溶接は接合材料等により３〜６Ｊ（ジュール）の溶接条件にて上記のような接合が可能である。
【００２５】
従って、レーザ溶接ではレーザ光のエネルギーが枠体５の一点、即ち固定部材11が設けられた部位に集中して急激に応力を発生する。そのため枠体５全体の応力バランスが急激に変化する。そこで、本発明の金属部材９を設けることにより、そのような急激に生じる歪みを大幅に緩和し抑制することが可能となる。
【００２６】
また、金属部材９を接合するロウ材は、その融点が250℃未満では、光ファイバ12を取着した金属ホルダ13を枠体５に固定された固定部材11に溶接する際、急激に発生する応力の抑制効果が認められない。また、光半導体パッケージ１に電子部品を実装する際の加熱や各種信頼性評価時の温度履歴によりロウ材が軟化または溶融して金属部材９が動き出し、光半導体パッケージ１内部の光学系の光軸のズレが生じる恐れがある。他方、ロウ材の融点が900℃を超えると、ロウ付け時に、基体３と枠体５、枠体５と入出力端子４および固定部材11等を接合する各種接合材が溶融して気密不良を生じる恐れがある。
【００２７】
上記融点を有するロウ材としては、銀12重量％−ゲルマニウム88重量％、鉛５重量％−銀95重量％、ＢＡｇ−１（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀45重量％−銅15重量％−カドミウム24重量％−亜鉛16重量％）、ＢＡｇ−４（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀40重量％−銅30重量％−亜鉛28重量％−ニッケル２重量％）、ＢＡｇ−８ａ（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀72重量％−銅28重量％−リチウム0.2重量％）、ＢＡｇ−13（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀54重量％−銅40重量％−亜鉛５重量％−ニッケル１重量％）、ＢＡｇ−18（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀60重量％−銅30重量％−錫10重量％−リン0.2５重量％）、ＢＡｇ−19（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀92.5重量％−銅7.2重量％−リチウム0.2重量％）、ＢＡｇ−21（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀63重量％−銅28.5重量％−錫６重量％−ニッケル2.5重量％）、ＢＡｇ−23（ＪＩＳ．Ｚ．3261：銀85重量％−マンガン15重量％）等が挙げられる。とりわけ、封止性、メニスカスの形成のし易さ、製造上での取り扱い易さ、環境問題等の観点から、ＢＡｇ−８ａおよびＢＡｇ−23が好適である。
【００２８】
本発明において、ロウ材は、光ファイバ12を取着した金属ホルダ13を枠体５の側部５ｂに取着した固定部材11の端面とレーザ溶接する際に急激に発生する応力を光半導体パッケージ１自体で効率よく抑制するために、金属部材９の外周面から基体３および枠体５の表面にかけて斜面状のメニスカス15（図２）を形成することが必要である。具体的には、図２に示すように、斜面状のメニスカス15は、枠体５の側部５ｂの内面と金属部材９の外周面との間に形成されるとともに基体３の上側主面と金属部材９の外周面との間に形成されて、枠体５の側部５ｂの内面下端部の全周から基体３の上側主面にかけて全体として一つの斜面を成すように形成される。
【００２９】
また、このようなメニスカス15は、光半導体パッケージ１に電子部品を実装する際の加熱や、高出力のＬＤやＰＤ等の光半導体素子２の熱による枠体５および基体３の歪みに対しても吸収緩和する機能を有する。他に、光半導体パッケージ１を外部電気回路基板にネジ止め固定する際に徐々に加わる応力を分散して、金属部材９の角部に応力が集中するのを解消するとともに金属部材９を基体３および枠体５に強固に接合できる。さらに基体３と枠体５との接合部に集中し易い応力を緩和するように機能する。その結果、安定した光結合が得られる。
【００３０】
このメニスカス15は、金属ホルダ13を固定部材11にレーザ溶接する際に急激に発生する応力を抑制して光結合損失を防止する点で、その断面形状が曲率半径0.01〜0.2ｍｍ程度の凹んだ円弧状をなすものが好ましい。なお、このような断面形状とすることにより、先に詳細に述べた熱的あるいは機械的な応力の集中を効果的に回避する点でも効果的である。また、このようなメニスカス15を形成するために、金属部材９の表面を予めエッチング処理等により粗面化しておくことが好ましい。
【００３１】
また、上記ロウ材は金属部材９の表面を覆っているため、ロウ材のメニスカス15が金属部材９の表面に境界を形成しないことから、応力の集中する起点が形成されない。そのため、基体３および枠体５の表面から金属部材９にかけてロウ材のメニスカス15により曲面状の連続面となり、応力を効果的に分散することができる。この結果、上記ロウ材を用いて金属部材９を接合することにより、光半導体パッケージ１が受ける各種熱応力や外部応力に対しても、光半導体装置を組み立てる際、金属ホルダ13を固定部材11に溶接する前の初期段階の光信号出力に対する金属ホルダ13を固定部材11に溶接した後の最終段階での光信号出力の変動が±0.3ｄＢ以下となるように良好な光結合が維持できる。
【００３２】
本発明の金属部材９は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｃｕ−Ｗ合金等から成り、とりわけ放熱効果を高めるためには熱伝導性に優れたＣｕ−Ｗ合金が好ましい。また、金属部材９の断面形状は、表面積が大きくロウ材が濡れ易く基体３および枠体５とメニスカス15を形成し易いという点で、円形が好ましいが、多角形等であってもよい。また、断面形状が円形の金属部材９は、各種熱応力や機械的応力が集中し難いため好適である。
【００３３】
また、金属部材９の太さ（図２のように断面形状が円形の場合直径φ）は枠体５の厚さの２分の１を超えかつ枠体５の厚さ未満であることが好ましい。金属部材９の太さが枠体５の厚さｔ（図２）の２分の１以下であれば、光半導体装置として初期段階での光信号出力に対する最終段階の光信号出力の変動を±0.3ｄＢ以内に収めることが困難となる。一方、金属部材９の太さが枠体５の厚さｔ以上になると、接合した金属部材９により枠体５が歪み、光半導体パッケージ１全体が変形することになる。
【００３４】
なお、金属部材９の断面形状が多角形であっても、その最大太さが枠体５の厚さｔの２分の１を超えかつ枠体５の厚さｔ未満であれば同様の効果を奏する。
【００３５】
本発明の光半導体パッケージ１は、金属からなる基体３と、その上側主面に光半導体素子２の載置部３ａを囲むように接合され、入出力端子４の取付部５ａを有する枠体５と、精密なインピーダンス制御が可能な入出力端子４とを具備する。また、固定部材11の枠体５外側の端面には、光ファイバ12と戻り光防止用の光アイソレータとが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ13が、ＹＡＧレーザ溶接等により接合される。さらに、光半導体素子２の下面にはペルチェ素子等の電子冷却素子17が配置されており、光半導体素子２の作動時にそれを冷却する。
【００３６】
また、載置部３ａ上には、光半導体素子２の駆動用または信号増幅用のＬＳＩ等の半導体素子（図示せず）が設けられ、半導体素子の下面にも電子冷却素子17またはＣｕ−Ｗ合金からなるヒートシンクを配設し得る。そして、光半導体素子２と半導体素子とをボンディングワイヤ、内部配線パターン（図示せず）等を介して接続し、半導体素子は入出力端子４にボンディングワイヤで接続される。そして、光半導体素子２の各電極が、ボンディングワイヤを介して入出力端子４の枠体５外側に設けられた外部リード端子18に電気的に接続される。
【００３７】
本発明の略四角形の基体３は、光半導体素子２を支持する支持部材および光半導体素子２の熱を放熱する放熱板として機能し、その上側主面の略中央部に光半導体素子２を載置するための載置部３ａを有している。載置部３ａには光半導体素子２が電子冷却素子17を挟んでＡｕ−シリコン（Ｓｉ）ロウ材等の接着剤を介して接着固定されるとともに、この接着剤を介して光半導体素子２の熱が載置部３ａに伝えられ、外部に効率よく放熱され、光半導体素子２の作動性を良好にする。この基体３は、Ｃｕ−Ｗ合金等の100Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導を有する金属からなる。例えば、Ｃｕ−Ｗ合金は多孔質のタングステン焼結体に銅を含浸させる周知の製法により作製される。
【００３８】
なお、基体３の表面には耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ0.5〜９μmのＮｉ層と厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのが良く、基体３が酸化腐食するのを有効に防止できるとともに、基体３の上側主面で光半導体素子２の下方に配される電子冷却素子17を強固に接着固定することができる。
【００３９】
また基体３は、その上側主面に光半導体素子２の載置部３ａを囲むように平面視形状が略四角形の枠体５が接合されており、枠体５の内側に光半導体素子２を収容するための空所が形成される。この枠体５はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成る。また枠体５は、その金属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方法を施すことにより所定形状に製作される。
【００４０】
次に、枠体５の側部５ｂに取付部５ａを、他の側部に光透過用の貫通穴10を有するような形状に作製される。この貫通穴10は、枠体５の側部に周知のドリルによる孔開け加工により所定形状に形成される。さらに、光半導体素子２と外部電気回路との電気的接続を行う手段として、枠体５の内面の一部および外面の一部に、ボンディングワイヤや外部リード端子18等を接続するための厚さ0.5〜９μmのＮｉ層や厚さ0.5〜５μmのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくと良い。
【００４１】
また、貫通穴10の枠体５外側開口の周囲に一端が接合されるかまたは貫通穴10に挿通され外周面が接合されて、固定部材11が枠体５に設けられる。この固定部材11は、内部で光信号が伝送されるように筒状に形成され、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成り、銀ロウ等のロウ材を介して接合される。また、固定部材11は、基体３と同様の加工法で所望の形状に加工製作されるとともに、その表面に厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層や厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくと良い。
【００４２】
また、固定部材11の内周面には、集光レンズとして機能するとともに光半導体パッケージ１の内部を塞ぐ非晶質ガラス等からなる透光性部材16が、その接合部の表面に形成されたメタライズ層を介して、200〜400℃の融点を有するＡｕ−Ｓｎ合金等の低融点のロウ材で接合される。この透光性部材16は、熱膨張係数が４×10-6〜12×10-6／℃（室温〜400℃）のサファイア（単結晶アルミナ）や非晶質ガラス等からなり、球状、半球状、凸レンズ状、ロッドレンズ状等とされ、外部のレーザ光等の光を光ファイバ12を伝わって光半導体素子２に入力させる、または光半導体素子２で出力したレーザ光等の光を光ファイバ12に入力させるための集光用部材である。透光性部材16が、例えば結晶軸の存在しない非晶質ガラスの場合、酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化鉛（ＰｂＯ）を主成分とする鉛系、または硼酸系やケイ砂を主成分とする硼珪酸系のものを用いる。
【００４３】
また、透光性部材16は、その熱膨張係数が枠体５のそれと異なっていても、固定部材11が熱膨張差による応力を吸収緩和するので、結晶軸が応力のためにある方向に揃うことによって光の屈折率の変化を起こすことは発生し難い。従って、この透光性部材16を用いることによって光半導体素子２と光ファイバ12との間の光の結合効率を高くできる。
【００４４】
入出力端子４は、上面に線路導体６が形成された略長方形の平板部７と、線路導体６を間に挟んで平板部７の上面に接合され、枠体５の内外を遮断するように形成された略直方体の立壁部８とから成っている。立壁部８は、その上面に接地導体が形成され、側面にその接地導体を延出するように接地導体が形成されている。また、平板部７および立壁部８は、酸化アルミニウムセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、ガラスセラミックス等の誘電体から成る。
【００４５】
また、平板部７の上面の線路導体６や接地導体はＷ，Ｍｏ，Ｍｎ等で形成されており、例えばＷ等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、平板部７および立壁部８用のセラミックグリーンシートに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、セラミックグリーンシートと同時焼成することによって平板部７，立壁部８に形成される。線路導体６の表面には、酸化防止のためとボンディングワイヤや外部リード端子18等を強固に接続するために、厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層や厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくと良い。
【００４６】
また、蓋体（図示せず）は、枠体５の上面にシーム溶接等によって接合され、光半導体素子２を光半導体パッケージ１内に封止する。
【００４７】
本発明の光半導体パッケージ１は、ＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子２およびＬＳＩ等の半導体素子を収納した光通信用の場合、枠体５を基体３に接合した後、枠状の金属部材９を枠体５の側部５ｂの内面下端の全周にロウ材で接合する。次に、枠体５の側部５ｂに予め形成された枠体５の内外を貫通する貫通穴10の枠体５外側開口の周囲に金属からなる筒状の固定部材11を接合し、固定部材11の内側に光半導体素子２と光ファイバ12との間で光を集光させ結合させる透光性部材16を接合する。そして、光半導体素子２と半導体素子とをボンディングワイヤによって接続し、半導体素子と入出力端子４の線路導体６の一端とをボンディングワイヤによって接続した後、枠体５の上面に蓋体をシーム溶接等によって接合する。しかる後、固定部材11の枠体５外側端面に、光ファイバ12と戻り光防止用のアイソレータとが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ13を、ＹＡＧレーザ溶接等で接合することによって、製品としての光半導体装置となる。
【００４８】
かくして、本発明の光半導体パッケージは、枠体５の側部５ｂの内面下端の全周にロウ材を介して枠体５および基体３に外周面が接するように枠状の金属部材９が接合されているとともに、ロウ材は金属部材９の外周面の略全面を覆うとともに斜面状のメニスカス15を形成していることにより、金属ホルダ13と固定部材11とを溶接する際、溶接部から枠体５の一点に急激に発生する応力が枠状の金属部材９により強固に補強された枠体５で効果的に抑制される。その結果、光結合の劣化が防止でき、光半導体装置として本発明の光半導体パッケージ１を組み込んだ際、光半導体素子２の光出力を効率良く光ファイバ12に伝達することができる。
【００４９】
また、金属部材９に加わる熱応力や外部応力等が緩和され、金属部材９には応力が集中することが無い。その結果、光半導体パッケージ１の内部の光結合にズレを生じることがなく、光半導体パッケージ１を外部電気回路基板にネジ止め固定する際に徐々に加わる応力をも効果的に分散して、光半導体素子２を正常かつ安定に作動させることができる。
【００５０】
【実施例】
本発明の光半導体パッケージの実施例を以下に説明する。
【００５１】
図１，図２の光半導体パッケージ１の光結合損失を以下のようにして評価した。先ず、光半導体パッケージ１を以下の工程［１］〜［６］のようにして作製した。
【００５２】
［１］縦約13ｍｍ×横約30ｍｍのＣｕ−Ｗ合金から成る略四角形の基体３の上側主面の外周部に載置部３ａを囲むように、縦約13ｍｍ×横約20ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る平面視形状が略四角形の枠体５を銀ロウで接合した。なお、基体３および枠体５の表面には厚さ約２μｍのＮｉメッキ層および厚さ約0.5μｍのＡｕメッキ層が順次被着されており、また枠体５の側部５ｂで対向する側部５ｂに入出力端子４の取付部５ａ、その側部５ｂに隣接する他の側部５ｂに貫通穴10が形成されている。
【００５３】
［２］枠状の金属部材９を枠体５の側部５ｂの内面下端の全周にロウ材で接合した。金属部材９はＣｕ−Ｗ合金から成り、その断面形状は円形であり、太さ（直径）は0.8ｍｍ（枠体５の厚さは１ｍｍ）とした。また、ロウ材としては融点が約770℃のＢＡｇ−８ａを用いた。そして、この場合、断面形状が曲率半径約0.1ｍｍの凹んだ円弧状となっているロウ材のメニスカス15が形成された。
【００５４】
［３］枠体５の対向する側部５ｂの取付部５ａに、それぞれアルミナセラミックスから成る入出力端子５を銀ロウで嵌着接合した。入出力端子５の平板部７の上面には、枠体５内外を導通するようにＭｏ−Ｍｎのメタライズ層上に厚さ約２μｍのＮｉメッキ層および厚さ約0.5μｍのＡｕメッキ層を順次被着して成る線路導体６を形成した。
【００５５】
［４］枠体５の側部５ｂの貫通穴10の枠体５外側開口の周囲にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる筒状の固定部材11を銀ロウで接合し、固定部材11の内側に鉛系ガラスから成る球状の透光性部材16をＡｕ−Ｓｎ合金ロウ材で接合した。
【００５６】
［５］ＬＤである光半導体素子２と信号増幅用のＬＳＩである半導体素子とを、載置部３ａ上のペルチェ素子の上面にＡｕ−Ｓｉロウ材で載置接合するとともにボンディングワイヤで相互に接続し、さらに半導体素子と入出力端子４の線路導体６の一端とをボンディングワイヤで接続した。
【００５７】
［６］固定部材11の枠体５外側端面に、光ファイバ12と戻り光防止用のアイソレータとが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ13を、５ＪのＹＡＧレーザで溶接で接合した。
【００５８】
そして、上記のように作製した、金属ホルダ13を固定部材11に溶接する前の光半導体パッケージ１の試料Ａに、光源からの光信号の出力を0.2ｍＷとし、波長が1310ｎｍの光を通して光パワーメータで光結合状態を確認した。そのときの光出力を基準として、金属ホルダ13を固定部材11に溶接した後の試料Ａの光結合損失を評価した。
【００５９】
また、比較例として、枠体５の側部５ｂの内面下端に金属部材９を接合しない以外は上記実施例と同様に作製した試料Ｂ、および枠体５の固定部材11側の側部の内面下端のみに金属部材９を接合した以外は上記実施例と同様に作製した試料Ｃを準備し、上記と同様にして光結合損失を評価した。
【００６０】
その結果、試料Ａ〜Ｃの各10個について、比較例の試料Ｂ，Ｃではいずれも光結合損失が±0.5ｄＢを超えており、0.7ｄＢにも及ぶものが試料Ｂではその内２個、試料Ｃでは１個あった。それに対して、本発明の試料Ａでは、全て光結合損失は±0.5ｄＢ以内であり、ＹＡＧレーザ溶接の前後で光結合状態の変動が大幅に抑制されていることが確認できた。
【００６１】
また、上記Ｃｕ−Ｗ合金から成り、断面形状が円形である金属部材９の太さ（直径）を0.3ｍｍ〜1.2ｍｍの範囲の種々の値（0.3mm，0.5mm，0.8ｍｍ，1.0ｍｍ，1.2ｍｍ）とし、厚さが１mmの枠体５を用いて他は上記試料Ａと同様にして作製した５種の試料Ｄを準備した。そして、これらは断面形状が曲率半径約0.1ｍｍの凹んだ円弧状となっているロウ材のメニスカス15が形成されていることを確認した。これらの試料Ｄについて上記試料Ａと同様にして光結合損失を評価した。その結果、試料Ｄにおいて金属部材９の直径が0.3mmのものでは光結合損失は±0.4dＢ、0.5mmで±0.3ｄB、0.8ｍｍで±0.3dＢ、1.0ｍｍで±0.4dＢ、1.2ｍｍで±0.5dＢであった。このことから、金属部材９の太さが枠体５の厚さの2分の１を超え、かつ枠体５の厚さ未満であることが光結合損失が最も小さいことが明らかとなった。
【００６２】
また、本発明の光半導体パッケージ１の枠体５の上面に蓋体をシーム溶接によって接合した光半導体装置に、外部の駆動装置の駆動信号を印加して、光半導体素子２を光励起させ、発生したレーザ光の光出力を光出力メータで計測した。次に、光半導体装置を−40℃から85℃の温度サイクル試験装置にセットし、初期段階の光出力と最終段階の光出力との変動をモニターした。このとき、まず放熱特性が250Ｗ／ｍＫのＣｕ−Ｗ合金から成る基体３を使用し、初期特性として印加電圧を250Ｗ、駆動電流を400ｍＡとしたときの光出力を100％とした。次に、駆動電流を10ｍＡで光出力を0.1％、50ｍＡで6.9％、100ｍＡで21.8％、200ｍＡで50.8％、300ｍＡで78.47％とした各場合における光出力の変動を求めた。その結果、いずれの場合も±0.1ｄＢ以内であった。また、放熱特性が180Ｗ／ｍＫのＣｕ−Ｗ合金から成る基体３を使用して同様に光出力の変動を求めたが、いずれも±0.3ｄＢ以内であった。
【００６３】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、枠体の内面の下端の全周にロウ材を介して枠体および基体に外周面が接するように枠状の金属部材が接合されているとともに、ロウ材は金属部材の外周面の略全面を覆うとともに斜面状のメニスカスを形成していることにより、光ファイバを取着した金属ホルダを枠体に固定された固定部材に溶接する際に急激に発生する枠体の一点に集中した応力による歪みを大幅に緩和し、枠体の変形を防いで光結合損失の劣化を効果的に防止する。
【００６５】
また、ロウ材のメニスカスが、光半導体素子収納用パッケージに電子部品を実装する際の加熱や高出力のＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子の熱に対しても枠体および基体の歪みを吸収して、枠状の金属部材に応力集中することも防ぐことができる。さらに、枠体の内面の下端の全周と基体との隅部が枠状の金属部材により補強されるので、光半導体素子収納用パッケージを外部電気回路基板にネジ止め固定する際に徐々に加わるような応力等による光学系の光軸のズレを生じることもない。従って、光半導体素子と光ファイバとの間の安定した光結合が維持でき、光半導体装置として光信号の出力の変動を±0.3ｄＢ以下にすることができる。
【００６６】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、好ましくは、金属部材の太さが枠体の厚さの２分の１を超えかつ枠体の厚さ未満であることにより、金属ホルダを固定部材に溶接固定する際、例えばＹＡＧレーザで溶接固定した場合、その出力を上げることができ、強固で気密な溶接が可能となる。そのため、溶接部の信頼性が増すとともに枠体全体が強固となり、光ファイバを取着した金属ホルダを枠体に固定された固定部材に溶接する際に急激に発生する枠体の一点に集中した応力を光半導体素子収納用パッケージ自体で抑制できる。その結果、光半導体素子の光出力を効率良く光ファイバに伝達できる。また、枠状の金属部材が熱的、機械的な応力によって枠体が変形しないように支持し、またその応力をロウ材のメニスカスにより分散することができる。その結果、光半導体素子収納用パッケージに搭載された光半導体素子や光ファイバ等の実装部品の光結合の変動をきわめて小さくすることができる。
【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について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の光半導体素子収納用パッケージの光ファイバ固定部材側からみた断面図である。
【図３】従来の光半導体素子収納用パッケージの分解斜視図である。
【符号の説明】
１：光半導体素子収納用パッケージ
２：光半導体素子
３：基体
３ａ：載置部
４：入出力端子
５：枠体
５ａ：入出力端子の取付部
５ｂ：側部
９：金属部材
10：貫通穴
11：光ファイバ固定部材
15：メニスカス
Claims (5)
- 光半導体素子が搭載される上面を有する基体と、
前記基体の前記上面に接合されており、光ファイバが固定される枠体と、
ろう材で覆われており、前記ろう材を介して前記基体の前記上面および前記枠体の内面に接合された枠状の金属部材とを有することを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。 - 前記金属部材の表面に粗面化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子収納用パッケージ。
- 前記金属部材の断面形状が円であることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体素子収納用パッケージ。
- 前記金属部材がＣｕ−Ｗ合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージ。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージと、
該光半導体素子収納用パッケージの前記基体に搭載された光半導体素子と
前記光半導体素子収納用パッケージの前記枠体に固定された前記光ファイバとを有することを特徴とする光半導体装置。
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