JP3881574B2

JP3881574B2 - 光半導体素子収納用パッケージ

Info

Publication number: JP3881574B2
Application number: JP2002089435A
Authority: JP
Inventors: 大輔作本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003287658A

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。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野等で使用される半導体レーザ（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いう）の断面図を図２に示す。同図において、101，102は、金属から成り、容器本体を構成する基体と、側部に貫通孔102ａが形成された枠体をそれぞれ示す。103は、金属からなり、その内部に透光性部材107ｂが接合され、外側の端面に光アイソレータ109および光ファイバ111が嵌着された金属ホルダ112が接合された筒状の光ファイバ固定部材（以下、固定部材ともいう）である。104は光半導体素子、105は蓋体である。これら基体101、枠体102、固定部材103、蓋体105とで光半導体素子104を光半導体パッケージの内部に収納する容器を構成する。
【０００３】
この光半導体パッケージは、光半導体素子104を載置する載置用基台106と、光半導体素子104からの出射光を集光または平行光に像変換する透光性部材107ａを固定する固定ホルダ108とが搭載される、ペルチェ素子等の電子冷却素子113が載置される載置部101ａが形成せれた基体101を有する。この基体101上面の外周部に、載置部101ａを囲繞するように枠体102が銀ロウ等のロウ材により接合される。
【０００４】
また、光を集光または平行光とする機能を有する透光性部材107ｂが内部に接合されるとともに、光半導体素子104への戻り光を防止する光アイソレータ109および光ファイバ111が挿着された金属ホルダ112が接合固定される固定部材103が、貫通孔102ａの枠体102外側開口の周囲に銀ロウ等のロウ材で接合される。また、蓋体105と枠体102は、それぞれの接合面に形成された金属層を介して金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロウ材で接合される。この固定部材103は、枠体102に熱膨張係数が近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成り、内部に透光性部材107ｂが半田材やガラス材等により接合される。また、光アイソレータ109および光ファイバ111が半田材や樹脂接着剤等の接合剤110により嵌着された金属ホルダ112が、固定部材103の外側の端面にＹＡＧレーザ溶接等により接合固定される。そして、光半導体パッケージ内部の気密性を保つ。
【０００５】
基体101は、銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金，鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の比較的高い熱伝導性を有する金属から成る。また基体101は、電子冷却素子113から発生する熱を吸収し大気中に放散するための放熱板として機能するとともに、電子冷却素子113を支持する支持部材である。
【０００６】
枠体102は、基体101の熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＣｕ−Ｗ合金等の金属から成り、一側部に貫通孔102ａが形成され、他の側部に貫通孔または切欠き部から成る入出力端子（図示せず）の取付部（図示せず）が設けられる。
【０００７】
また、載置用基台106は、電子冷却装置113の熱膨張係数と近似するアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス等の誘電体から成る。その上面には、高周波信号が伝送されるモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを焼結して成る配線が形成されるとともに、光半導体素子104を搭載する導体層が形成されている。また、電子冷却素子113は一般に、Ｐ型素子とＮ型素子から成る熱電半導体素子より構成され、熱電半導体素子に電流を入力することによりペルチェ効果を生じさせ、吸熱，発熱を行なう素子である。そして、電子冷却素子113は載置部101ａにインジウム（Ｉｎ）−鉛（Ｐｂ）−銀（Ａｇ）半田や錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田等の半田材により取着される。
【０００８】
そして、枠体102の上面に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属またはアルミナセラミック等のセラミックスから成る蓋体105を、枠体102と蓋体105の接合面に形成される金属層を介してＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材で接合することにより、光半導体パッケージに光半導体素子104を気密に収納しその動作性を良好なものとする。
【０００９】
このように、基体101、枠体102、固定部材103、蓋体105とで光半導体素子104を光半導体パッケージの内部に収納するとともに、載置用基台106に載値される光半導体素子104と入出力端子（図示せず）とを電気的に接続することにより、光半導体素子104に高周波信号を入出力し作動させ得る光半導体パッケージとなる。
【００１０】
【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、例えば基体101を構成する金属がＣｕ−Ｗ合金、枠体102を構成する金属がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金である場合、それぞれの熱膨張係数は相違する。従って、基体101と枠体102とを銀ロウ等のロウ材により接合するために加熱、冷却する場合、冷却する際の基体101と枠体102との熱膨張係数差に起因して生じる内部応力により、基体101には最大高低差10〜30μｍ程度の反りが生じていた。
【００１１】
そして、光半導体素子104と透光性部材107ａ，107ｂおよび光ファイバ111との光軸を調芯し組み立てられた光半導体装置を、基体101の四隅のネジ止め部（図示せず）を介して外部電気回路基板にネジで締め付けた場合、ネジ止めの外力により基体101が矯正されたり、光半導体装置との接合面に反りを有する外部電気回路基板等により基体101の反りが矯正される。その結果、基体101の中央部が高さ方向に変位し、光半導体素子104と光ファイバ111および透光性部材107ｂとの間に10μｍ以上の位置ズレが生じ、光半導体素子104と光ファイバ111との光結合効率が著しく劣化する。その結果、光半導体装置の外部に光信号を効率よくかつ安定して出力できなくなるという問題点があった。
【００１２】
そこで、上記問題点を解消するために、基体の中央部の厚みをｘ、両端の厚みをｔとした場合、0.3ｍｍ≦ｔ≦１ｍｍ、ｘ≧２ｔを満足するものが提案されている（従来例１：特開平6−314747号公報参照）。しかしながら、従来例１の光半導体パッケージでは、基体の中央部を両端の厚みよりも厚くする必要があり、光半導体装置のさらなる薄型化を行なうことは困難である。
【００１３】
また、上記問題点を解決する他の構成として、Ｃｕ−Ｗ合金から成る基体の両端領域にネジ止めを行なうための貫通孔を有し、ヤング率が1.96×10⁵Ｎ／ｍｍ²以下で降伏応力が4.9×10²Ｎ／ｍｍ²以下の金属から成るネジ止め部材が枠体から突出するように設けられたものが提案されている（従来例２：特開平11−74619号公報参照）。この光半導体パッケージをネジ止め部材を介して外部電気回路基板等にネジ止めして強固に固定する場合、ネジ止め時の外力によって生じる内部応力により生じる基体の変形を抑制でき、光半導体素子の高さ方向の位置ズレを有効に抑制することができる。その結果、光半導体素子と光ファイバとの光軸がずれず、光半導体素子と光ファイバとの光信号の入出力を効率よくかつ安定して行ない得るとともに光半導体装置の薄型化が可能となる。
【００１４】
しかしながら、従来例２の光半導体パッケージでは、金属から成るネジ止め部材を平面視形状が長方形の枠体の短辺側から突出するように基体の両端に設けていたため、基体とネジ止め部材を銀ロウ等で接着する工程が必要となる。その結果、光半導体パッケージの組立工程が複雑になって組立工程が増えることにより歩留まりが低下する要因となる。また、ネジ止め部の位置精度も低下し易く、基体とネジ止め部が別体であるため構造が複雑となり光半導体パッケージが高価になるとともに、ネジ止めによって基体と基体両端のネジ止め部との接合部に応力が集中することにより、光半導体パッケージが破損し易くなるという問題点を有していた。
【００１５】
また、枠体に固定された金属からなる第１の底板と、第１の底板の枠体と反対側の表面に固定され、第１の底板よりもヤング率が大きい第２の底板とを備えた光半導体気密封止容器（従来例３：特開平11−74934号公報参照）、および、枠体に固定された金属から成る第１の底板と、第１の底板の枠体と反対側の表面に固定され第１の底板よりもヤング率の小さい金属から成る第２の底板とを備えた光半導体気密封止容器（従来例４：特開平11−74935号公報参照）が公知である。従来例３，４では、上記の問題点に加え、銀ロウ付けの面積が大きくなるため第１の底板と第２の底板との間の銀ロウ付けの接合部にボイドが発生することにより、光半導体装置内部の光半導体素子および駆動素子の熱が第１の底板から銀ロウを介して第２の底板へ伝わる際の熱伝達率が低下し、光半導体装置を長期にわたって安定して作動させることができないという問題点を有していた。
【００１６】
また、近年の光通信等における情報量の大容量化に伴い、光ファイバ内を伝達する光信号の出力および伝送効率（ｂｐｓ：bit per second）が増大してきているとともに、中長距離の光ファイバ通信において、光信号の増幅を行なう光増幅装置として光ポンプモジュールと呼ばれる光半導体装置が使用されている。近年、この光半導体装置の光信号の出力は300ｍＷまで向上しており、この光半導体装置に収納されて光信号を出力する光半導体素子も２Ｗ程度の駆動電力となってきている。そこで、光半導体装置内部の載置用基台と基体との間に電子冷却素子を配置し、電子冷却素子により光半導体素子の温度制御を行なう構成となっている。しかし、電子冷却素子の熱が基体と枠体を介して光ファイバに伝達することにより、光ファイバ内部に部分的な温度上昇が生じその内部における屈折率が変動する。その結果、屈折率の変動した部分で反射損失や、偏波モード分散による信号波形の劣化が生じるという問題点を有していた。
【００１７】
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、光半導体装置を基体の四隅のネジ止め部で外部電気回路基板等にネジ止めする場合、このネジ止めの外力により光半導体パッケージの製造工程で生じた基体の反りが矯正されたり、光半導体装置との接合面に反りを有する外部電気回路基板等により基体が矯正されることによる、光半導体素子と光ファイバおよび透光性部材との高さ方向における位置ズレを、部品点数を増加させることなく低コストに抑制することにある。また、光半導体装置の作動時における光ファイバの部分的な温度上昇を抑制し、光ファイバ内部の反射損失や偏波モード分散による信号波形の劣化を有効に抑制することにある。
【００１８】
【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、光半導体素子が載置用基台または電子冷却素子を介して搭載される基体と、該基体上に接合されており、光ファイバが固定される側部を有する枠体とを備え、前記基体のうち、前記側部の内面直下と、前記側部に対向する前記載置用基台または前記電子冷却素子の側面直下との間に位置する部分が、前記側部の直下に位置する部分の１／４〜１／２の厚みを有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上記の構成により、光半導体装置を基体の四隅のネジ止め部で外部電気回路基板等にネジ止めする際に、光半導体パッケージの製造工程で生じた基体の反りが矯正されたり、外部電気回路基板等の反りで基体が矯正されることによる、固定部材の中心軸における高さ方向の変位を有効に抑制できる。その結果、光半導体素子と、固定部材に取着される光ファイバおよび透光性部材との間に発生する高さ方向の光軸のズレを小さくでき、部品点数を増加させることなく低コストに光結合効率の劣化を有効に抑制できるとともに、安定した光信号の入出力を行なうことができる。
【００２０】
また、光半導体装置の作動時に電子冷却素子より発生し基体から枠体を介して、固定部材と光ファイバおよび透光性部材に伝達する熱を、薄肉部によって有効に遮断できる。その結果、電子冷却素子の熱による固定部材の変形と中心軸の変位を抑制できることから、光半導体素子と固定部材に取着される光ファイバおよび透光性部材との間に発生する光軸ズレを小さくでき、光結合効率の劣化を有効に抑制できる。また、熱応力による歪みにより生じる透光性部材の複屈折を有効に抑制できることから、光半導体素子より出射される光の偏光特性を保持することができる。さらに、加熱による光ファイバ内の部分的な屈折率の変化により生じる、光伝搬部の屈折率変化部における反射損失や、光伝搬損失、偏波モード分散による光信号の波形の劣化を有効に抑制できる。
【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例を示す側断面図である。同図において、１は容器の底板を成す基体、２は容器の側壁を成す枠体、３は透光性部材７ｂや光アイソレータ９を設置固定するための筒状の固定部材、４はＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子、５は蓋体である。これら基体１、枠体２、固定部材３、蓋体５とで、内部に光半導体素子４を収納するための容器が基本的に構成される。また、固定部材３の枠体２外側の端面には、光アイソレータ９と光ファイバ11とを半田や樹脂等からなる接着剤10で接着した金属ホルダ12がＹＡＧレーザ溶接等により固定される。
【００２２】
本発明の基体１は、光半導体素子４および固定ホルダ８を支持するための支持部材および電子冷却素子13の熱を放散するための放熱板として機能する。基体１上面の中央部に、光半導体素子４を載置する載置用基台６と透光性部材７ａが固定された固定ホルダ８とを載置する載置部１ａが設けられている。載置部１ａには、載置用基台６がＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ロウ材を介して取着され、固定ホルダ８がＹＡＧレーザ溶接や半田等により接合固定された電子冷却素子13が、低融点ロウ材を介して載置される。そして、電子冷却素子13の熱が低融点ロウ材を介して基体１に伝えられ外部に効率良く放散されて、電子冷却素子13の作動性が良好になる。また、光半導体素子４より出射される光は、透光性部材７ａ，７ｂにより集光されたり平行光に変換されて光ファイバ11に授受される。
【００２３】
電子冷却素子13は一般に、Ｐ型素子とＮ型素子とから成る熱電半導体素子より構成され、熱電半導体素子に電流を流すことによりペルチェ効果を生じさせ、吸熱または発熱を行なうものであり、Ｉｎ−Ｐｂ−Ａｇ半田やＳｎ−Ｐｂ半田等の半田を介して載置部１ａに取着される。また、電子冷却素子13の上面には、基体１との接合材である半田より低融点の接合材により載置用基台６や固定ホルダ８が取着固定される。
【００２４】
また、基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成り、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すことによって所定形状に成形され製作される。また、その表面に耐蝕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0.5〜９μｍのＡｕ層を順次メッキ法により被着させておくのがよく、基体１が酸化腐食するのを有効に防止するとともに、基体１上面に載置用基台６を介して光半導体素子４を強固に接合できる。
【００２５】
載置用基台６は、放熱性および加工性に優れるシリコン（Ｓｉ）、または基体１の熱膨張係数に近似する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誘電体から成る。この載置用基台６は、光半導体素子４から基体１へ熱を伝えるための伝熱媒体であるとともに、その高さを調整することにより、透光性部材７ａ，７ｂと光半導体素子４と光ファイバ11との光軸が合うように調節することができる。載置用基台６の上面には、高周波信号が伝送される配線導体が形成されるとともに光半導体素子４を搭載するための導体層が形成される。
【００２６】
枠体２は、基体１と同様にその材料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すことにより所定形状に成形され製作される。また、枠体２はドリルによる孔あけ加工等により形成される貫通孔２ａを有しており、貫通孔２ａの枠体２外側開口の周囲に筒状の固定部材３の一端が接合されるかまたは貫通孔２ａに固定部材３が嵌着接合される。この枠体２は、基体１との接合を強固にするとともに光半導体パッケージの外部に対する電磁遮蔽を行なうために、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成るのがよい。そして、その表面に耐蝕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0.5〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、枠体２が酸化腐食するのを有効に防止するとともに枠体２に固定部材３を強固に接合できる。
【００２７】
本発明の基体１は、側部２ｂの内面直下から側部２ｂに対向する電子冷却素子13または載置用基台６の側面直下までの部位に、厚さが基体１の厚さの１／４〜１／２とされた薄肉部１ｂが形成されている。これにより、光半導体装置を基体１の四隅のネジ止め部で外部電気回路基板等にネジ止めする場合、このネジ止めの外力により光半導体パッケージの製造工程で生じた基体１の反りが矯正されたり、光半導体装置との接合面に反りを有する外部電気回路基板等により基体１が矯正されることによる、光半導体素子４と光ファイバ11および透光性部材７ａ，７ｂとの高さ方向における位置ズレを有効に抑制できる。
【００２８】
基体１の薄肉部１ｂは、図１のように基体１の下面が凹んでいるように形成されていてもよいし、基体１の上面が凹んでいるように形成されていてもよい。基体１の上面が凹んでいる場合、枠体２を基体１上面に接合するためのロウ材が薄肉部１ｂの凹部に入りこむ場合があり、従って基体１の下面が凹んでいる場合の方が好ましい。
【００２９】
即ち、基体１には、光半導体パッケージの製造工程で基体１と枠体２とに生じる内部応力の差や熱膨張係数差により、上に凸または下に凸の反りが生じる。このような光半導体パッケージに光半導体素子４と光ファイバ11および透光性部材７ａ，７ｂとを調芯して組み込んで成る光半導体装置を、基体１の四隅のネジ止め部を介して平坦な外部電気回路基板にネジ止めする場合、基体１がネジ止めの外力により平坦に矯正されることで、光半導体素子４と光ファイバ11と透光性部材７ａ，７ｂとの間に高さ方向の位置ズレが生じる。
【００３０】
また、光半導体装置との接触部（光半導体装置の下面に接する部位）に上に凸の反りを有する外部電気回路基板に、光半導体装置をネジ止めする場合、外部電気回路基板の反りの頂点を支点として基体１がネジ止めによる外力と外部電気回路基板により矯正される。そのため、光半導体素子４と光ファイバ11と透光性部材７ａ，７ｂとの間に高さ方向の位置ズレが生じる。その結果、光半導体装置を外部電気回路基板にネジ止めする際に、光半導体素子４と光ファイバ11および透光性部材７ａ，７ｂとの間に高さ方向における光軸のズレが生じ、光結合効率が著しく劣化するとともに効率よく光信号を入出力することができなくなる。
【００３１】
従って、基体１の下面で側部２ｂの内面直下から側部２ｂに対向する電子冷却素子13または載置用基台６の側面直下までの部位に薄肉部１ｂを設けることで、光半導体装置をネジ止めの外力により外部電気回路基板に接合する場合、固定部材３の取着される側部２ｂから電子冷却素子13または載置用基台６にわたる基体１の変形を薄肉部１ｂにより緩和できる。その結果、光半導体素子４と光ファイバ11と透光性部材７ａ，７ｂとの光軸のズレが抑制され、光結合効率の著しい劣化を抑制できるとともに安定した光信号の入出力を円滑に行なうことができる。
【００３２】
また、薄肉部１ｂにおける基体１の熱が伝達する経路が小さくなり、電子冷却素子13または載置用基台６から側部２ｂにわたる熱抵抗が大きくなることから、電子冷却素子13または載置用基台６から基体１を介して枠体２および固定部材３に伝達する熱を有効に抑制できる。その結果、光ファイバ11の部分的な温度上昇による屈折率の変動が抑制され、この変動部分における光信号の反射損失や、偏波モード分散による信号波形の劣化を有効に抑制でき、光半導体装置から円滑に効率よく光信号を授受できる。
【００３３】
なお、基体１の下面に側部２ｂの外側の位置から薄肉部を設けた場合、基体１の側部２ｂ直下から電子冷却素子13または載置用基台６にわたる基体１の剛性が著しく減少するため、基体１と枠体２との熱膨張係数差に起因する基体１の反りが大きくなる。その結果、光半導体装置をネジ止めにより外部電気回路基板に接合する際に、電子冷却素子13または載置用基台６から側部２ｂにわたる基体１の変形を薄肉部１ｂにより有効に緩和することができない。
【００３４】
従って、基体１の側部２ｂの内面直下から薄肉部を設けることにより、光半導体パッケージの製造工程で生じた、側部２ｂが上下方向に変位するような基体の反りを抑制できる。
【００３５】
また、基体１の下面で電子冷却素子13または載置用基台６の直下まで薄肉部を形成した場合、電子冷却素子13または載置用基台６の下方の基体１の体積が小さくなり熱放散性が著しく低下するとともに、外部電気回路基板との接合面が減少することから、基体１の放熱性が著しく低下する。その結果、光半導体素子４や載置用基台６に載置される駆動回路素子（図示せず）は常に適温とならず、熱破壊を起こしたり熱による誤動作が生じる。
【００３６】
従って、基体１の下面で側部２ｂの内面に対向する電子冷却素子13または載置用基台６の側面直下まで薄肉部１ｂを形成することにより、光半導体パッケージの放熱性を著しく減少させることなく、ネジ止めの外力による光半導体素子４と光ファイバ11および透光性部材７ａ，７ｂとの光軸のズレを有効に抑制でき、効率よく光信号の授受を行うことができる。
【００３７】
また、薄肉部１ｂの深さが基体１の厚さの１／２以下の場合、光半導体装置を外部電気回路基板にネジ止めする際の外力による基体１の変形を薄肉部２ｂにより十分に緩和できなくなり、外力による基体１の変形を有効に抑制できない。薄肉部２ｂの深さが基体１の厚さの３／４以上の場合、光半導体パッケージの製造工程で基体１と枠体２との熱膨張係数差や内部応力の差に起因する基体１の反りが大きくなるとともに、基体１の薄肉部１ｂにおける強度が著しく減少するため枠体２に基体１を高精度かつ強固に接合できない。
【００３８】
また、薄肉部１ｂは光軸と平行な基体１の両側面間にわたって設けられている。薄肉部１ｂが光軸と平行な基体１の両側面間にわたって設けられていないと、薄肉部１ｂにおける基体１の光軸に平行な方向の剛性が適度に減少しない。その結果、光半導体装置を外部電気回路基板にネジ止めする際の、光半導体素子４から固定部材３に至る基体１の高さ方向の変位が薄肉部１ｂにより緩和されず、側部２ｂの高さ方向の変位を有効に抑制できない。また、薄肉部１ｂが光軸と平行な基体１の両側面間にわたって設けられていないと、光半導体装置を外部電気回路基板に接合し作動させる際、薄肉部１ｂと外部電気回路基板とにより形成される空洞により、電子冷却素子や光半導体素子４からの熱が閉じこめられ、光半導体装置から外部の大気中に熱を効率よく放散できない。
【００３９】
また、枠体２の貫通孔２ａに設けられる固定部材３は、光ファイバ11を枠体２に固定するためのものであり、貫通孔２aの枠体２外側開口の周囲または貫通孔２ａの内面に銀ロウ等のロウ材を介して接合される。この固定部材３は、枠体２の熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属からなり、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のインゴット（塊）をプレス加工で筒状とすることにより作製される。また、固定部材３の枠体２外側の端面には、戻り光防止用の光アイソレータ９と光ファイバ11とを樹脂接着剤10で接着した金属ホルダ12が半田材やＹＡＧレーザ溶接により接合される。固定部材３の内部には、光半導体素子４より出射される光信号の消光比の劣化が生じない非晶質ガラス等から成り、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内部を塞ぐための透光性部材７ｂが、半田または低融点ガラス等の接合材により固定されて光半導体パッケージ内部の気密性を保つ。
【００４０】
透光性部材７ａ，７ｂは、熱膨張係数が４×10^-6〜12×10^-6／℃（室温〜400℃）の非晶質ガラス等から成り、球状，半球状，凸レンズ状，ロッドレンズ状等とされる。そして、透光性部材７ａ，７ｂは、光半導体素子４からの出射光を集光したり平行光に変換して光ファイバ11に入力するための集光部材として用いられる。また、透光性部材７ａ，７ｂは、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、またはホウ酸やケイ砂を主成分とするホウケイ酸系のものを用いる。その結果、光半導体素子４からの出射光が透光性部材７ａ，７ｂで複屈折の影響を及ぼされず、効率良く光ファイバ11に光信号を入力できる。
【００４１】
また、透光性部材７ｂは、例えばその外周部に予めメタライズ層を被着させておき、このメタライズ層と固定部材３とをＡｕ−Ｓｎ半田等の低融点ロウ材を介しロウ付けされる。これにより、光半導体素子４を収納した光半導体装置の気密が行なわれ、光半導体素子４を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る。この透光性部材７ｂは、その熱膨張係数が枠体２と異なっていても、固定部材３が熱膨張係数差による内部応力を吸収し緩和するので、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にくい。従って、このような透光性部材７ｂを用いることにより、光半導体素子４と光ファイバ11との間の光結合効率の変動を小さく抑えることができ、安定した光信号の入出力を行なうことができる。
【００４２】
また、透光性部材７ａを固定する固定ホルダ８は載置用基台６の熱膨張係数と近似する金属から成り、固定ホルダ８に形成された貫通孔に透光性部材７ａが嵌着される。そして、固定ホルダ８は、光半導体素子４と透光性部材７ａとの光軸が一致するように調整された後に、電子冷却素子13の上面に半田やＹＡＧレーザ溶接等の溶接法により固定される。
【００４３】
また、蓋体５は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やアルミナセラミックス等のセラミックスから成り、枠体２上面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材を介して接合されたり、ＹＡＧレーザ溶接等の溶接法により接合される。
【００４４】
かくして、本発明の光半導体パッケージは、基体１の載置部１ａに電子冷却素子13と載置用基台６を介して光半導体素子４を載置し、光半導体素子４の各電極と載置用基台６上面の配線導体とをボンディングワイヤにより電気的に接続し、しかる後、枠体２上面に蓋体５を接合し、基体１と枠体２と固定部材３と蓋体５とから成る容器の内部に光半導体素子４を収納し気密封止することによって、製品としての光半導体装置となる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等支障ない。例えば、光半導体装置をネジ止めの外力により外部電気回路基板に接合する際に、薄肉部１ｂに生じる応力を緩和するために、薄肉部１ｂの角部を円弧状とすることで基体１に生じるクラックを有効に抑制できる。
【００４６】
【実施例】
本発明の光半導体素子収納用パッケージの実施例を以下に説明する。
【００４７】
図１の本発明の光半導体パッケージを以下のようにして構成した。
【００４８】
Ｃｕ−Ｗ合金から成るとともに縦30ｍｍ×横13ｍｍ×厚さ１ｍｍの長方形の形状を有し、厚さが全体の厚さの１／５（0.2ｍｍ），１／４（0.25ｍｍ），１／３（0.33ｍｍ），１／２（0.5ｍｍ），３／４（0.75ｍｍ）の薄肉部１ｂを形成したもの、および薄肉部１ｂを形成していないものの６種の基体１を作製した。これらの基体１の上面の外周部に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る縦20ｍｍ×横12ｍｍ×高さ6ｍｍの直方体の枠体２をＡｇろう材で接合した。基体１および枠体２の表面には、厚さ0.5〜９μｍのＮｉメッキ層および厚さ0.5〜９μｍのＡｕメッキ層を被着してある。
【００４９】
基体１の載置部１ａに、電子冷却素子13としてのペルチェ素子とアルミナセラミックスから成る載置用基台６を介して、ＬＤである光半導体素子４を載置した。電子冷却素子13はＳｎ−Ｐｂ半田で載置部１ａに接合し、載置用基台６は電子冷却素子13の上面にＳｎ−Ｐｂ半田で接合した。また、電子冷却素子13の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る固定ホルダ８を半田で接合した。固定ホルダ８の貫通孔には、非晶質ガラスから成るレンズ状の透光性部材７ａをメタライズ層を介してＡｕ−Ｓｎ半田で嵌着接合した。
【００５０】
また、光半導体素子４の各電極と載置用基台６上面の配線導体とをボンディングワイヤで電気的に接続した。そして、枠体２の貫通孔２ａの枠体２外側開口の周囲に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る円筒状の固定部材３の一端をＡｇろう材で接合した。固定部材３の内部には非晶質ガラスから成るレンズ状の透光性部材７ｂがメタライズ層を介してＡｕ−Ｓｎ半田で嵌着接合されている。また、固定部材３の他端には、光アイソレータ９と光ファイバ11とを半田から成る接着剤10で接着した金属ホルダ12をＹＡＧレーザ溶接で固定し、６種の光半導体装置を作製した。
【００５１】
そして、これらの光半導体装置を、上側に凸となった高低差20μｍ程度の反りを有する外部電気回路基板に接合した際の、光ファイバ11および透光性部材７ｂが取着される固定部材３の中心軸との高さ方向における変位と光結合効率についてシミュレーションを行なった。その結果、薄肉部１ｂの厚さが基体１の厚さの１／４，１／３，１／２の場合、光半導体装置を外部電気回路にネジ止めし接合する際の光半導体素子４の高さ方向の変位は１μｍとなり、固定部材３の中心軸の高さ方向の変位は６μｍとなった。従って、光半導体素子４と光ファイバ11および透光性部材７ｂにおける光軸の高さ方向のズレ量は５μｍとなり、光結合効率は30％程度となった。
【００５２】
これに対して、基体１の薄肉部１ｂが形成されていない従来の光半導体パッケージ、および薄肉部１ｂの厚さが基体１の厚さの３／４である光半導体パッケージの場合、光半導体素子４の高さ方向の変位は１μｍとなり、固定部材３の中心軸の高さ方向の変位は11μｍとなった。従って、光半導体素子４と光ファイバ11および透光性部材７ｂにおける光軸の高さ方向のズレ量は10μｍとなり、光結合効率は５％程度となり著しく劣化した。
【００５３】
また、光半導体パッケージの製造工程で生じる固定部材３の中心軸の高さ方向の変位と傾きおよび光結合効率についてシミュレーションを行なった。その結果、薄肉部１ｂの厚さが基体１の厚さの１／５の場合、光半導体パッケージの製造工程で基体１と枠体２との熱膨張係数差や内部応力の差に起因し生じる固定部材３の中心軸の高さ方向の変位が、光半導体素子４に対し40μｍ程度と大きくなるとともに、固定部材３の中心軸の傾きが１°程度となった。その結果、透光性部材７ｂを介して光半導体素子４と光ファイバ11との光学的な結合を行なうことができなくなった。
【００５４】
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施すことは何等差し支えない。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、基体は、側部の内面直下からこの側部に対向する電子冷却素子または載置用基台の側面直下までの部位に、厚さが基体の厚さの１／４〜１／２とされた薄肉部が形成されていることにより、光半導体装置を基体の四隅のネジ止め部で外部電気回路基板等にネジ止めする際に、ネジ止めの外力により光半導体素子収納用パッケージの製造工程で生じた基体の反りが矯正されたり、光半導体装置との接合面に反りを有する外部電気回路基板等により基体が矯正されることによる、光半導体素子と光ファイバおよび透光性部材との高さ方向における位置ズレを有効に抑制できる。また、光半導体装置の作動時における光ファイバの部分的な温度上昇を抑制し、光ファイバ内部の反射損失や、偏波モード分散による信号波形の劣化を有効に抑制できる。その結果、光半導体素子と光ファイバとの光信号の授受を効率よく円滑にできる。
【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側断面図である。
【図２】従来の光半導体素子収納用パッケージの側断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
１ｂ：薄肉部
２：枠体
２ａ：貫通孔
３：光ファイバ固定部材
４：光半導体素子
５：蓋体
６：載置用基台
７ａ，７ｂ：透光性部材
11：光ファイバ
13：電子冷却素子

Claims

光半導体素子が載置用基台または電子冷却素子を介して搭載される基体と、
該基体上に接合されており、光ファイバが固定される側部を有する枠体とを備え、
前記基体のうち、前記側部の内面直下と、前記側部に対向する前記載置用基台または前記電子冷却素子の側面直下との間に位置する部分が、前記側部の直下に位置する部分の１／４〜１／２の厚み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。