JP3898521B2

JP3898521B2 - 光半導体素子収納用パッケージ

Info

Publication number: JP3898521B2
Application number: JP2002022390A
Authority: JP
Inventors: 晃子松崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JP2003222767A

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もいう）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105が載置される載置部101ａを有する鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金から成り、略四角形の板状体である基体101と、載置部101ａを囲繞するようにして基体101上に銀ロウ等のロウ材を介して取着され、光信号の授受を行うための貫通孔102ａを有する枠体102と、枠体102の上面に接合されて光半導体素子105を気密封止する蓋体104とから主に構成されている。
【０００３】
また、枠体102の側部には、枠体102の貫通孔102ａに嵌入接合された筒状の固定部材103が設けられている。また、固定部材103には、その枠体102外側の端面に外周部が接合されるとともに一端面中央部に円筒部103ｃを有する透光性部材103ａの保持部材103ｃが設けられている。保持部材103ｃの円筒部の内側に集光レンズ等用の球状の透光性部材103ａが取着されている。さらに、枠体102の他の側部には貫通孔または切欠きから成る入出力端子の取付部が形成されており、光半導体素子105に駆動用の高周波信号を入出力させるための入出力端子（セラミック端子）（図示せず）が取り付けられている。その入出力端子は、枠体102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102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102の載置部101ａに回路基板等を搭載した基台108を介して光半導体素子105を接着固定するとともに、光半導体素子105の各電極をボンディングワイヤを介して入出力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102の上面に蓋体104を取着し、基体101と枠体102と蓋体104とから成る容器内部に光半導体素子105を収容し、最後に固定部材103に、光ファイバ106の端部に取着されたステンレススチールから成るフランジ107をＹＡＧレーザ光の照射によるレーザ溶接によって接合し、光ファイバ106を固定部材103に固定することによって、製品としての光半導体装置になる。
【０００５】
この光半導体装置は、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105に光を励起させ、励起された光を光ファイバ106を介して外部に伝達することによって高速通信等に使用される。
【０００６】
なお、このような光半導体パッケージは、基体101や枠体102の表面に予め金（Ａｕ）メッキが施されており、基体101と枠体102の酸化腐食を有効に防止するとともに、光半導体素子105を載置部101ａ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、保持部材103ｃの円筒部の枠体102外側となる他端面の開口が小さいため、保持部材103ｃに透光性部材103ａを接合した状態でスパッタリング法等の薄膜形成法により、上記開口側から透光性部材103ａに反射防止膜を形成することが困難であるという問題点があった。即ち、薄膜形成装置内において薄膜材料を上記開口側から入り込ませて反射防止膜を形成しようとしても、開口が小さいため透光性部材103ａの表面に光を十分に透過させ得るような有効径の反射防止膜が形成されないのである。
【０００８】
また、透光性部材103ａを円筒部の内側に低融点ガラスで接合し、固定部材103の枠体102外側の端面103ｂに保持部材103ｃの外周部を低融点ロウ材で接合した際に、透光性部材103ａに近い円筒部の外周面にロウ材溜まりが生じ易くなる。その結果、透光性部材103ａにロウ材溜まりを介して大きな応力が加わり、透光性部材103ａが外れたり光半導体パッケージ内の気密が破れるという問題点があった。また、透光性部材103ａに加わる応力により透光性部材103ａに歪みが生じ、透光性部材103ａに複屈折あるいは屈折率の分布が生じて焦点等が変化し、光学特性が劣化するという問題点もあった。
【０００９】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、透光性部材の表面に反射防止膜を十分な光量が透過できる有効径でもって確実に形成し、固定部材の端面に保持部材の外周部を低融点ロウ材で接合する際に応力がかかって透光性部材が外れたり、光半導体パッケージ内の気密が破れるという問題点を解消することである。また、透光性部材に加わる応力により透光性部材に歪みが生じ、透光性部材に複屈折あるいは屈折率の分布が生じて焦点等が変化して光学特性が劣化するのを防ぐことにより、光半導体素子から発振されたレーザ光等の光ファイバ内の伝送特性や光半導体パッケージ内部の気密性を良好にすることである。そして、光半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る光半導体パッケージを提供することである。
【００１０】
【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、前記貫通孔に嵌着された円筒状の固定部材と、該固定部材の前記枠体外側の端面に外周部が接合されるとともに一端面中央部に前記枠体内側に向けて突出した円筒部が形成されている略円板状の透光性部材の保持部材と、該保持部材の前記円筒部の内周面に接合された球状の透光性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、前記保持部材は、前記円筒部の内周面と他端面との間の稜部が前記円筒部の内周面に対する角度が４５°以上８５°以下の面取り部とされており、かつ前記円筒部の外周面と前記固定部材の内周面との間の間隔が0.5ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
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、透光性部材の表面に十分な光量を透過させ得る有効径でもって反射防止膜を確実に形成できるとともに、透光性部材を保持部材に低融点ガラスで接合してから固定部材の端面に保持部材の外周部を低融点ロウ材で接合する際に応力がかかって透光性部材が外れたり、光半導体パッケージ内の気密が破れるという問題点を解消できる。
【００１２】
また、透光性部材に加わる応力により透光性部材に歪みが生じ、透光性部材に複屈折あるいは屈折率の分布が生じて焦点等が変化して光学特性が劣化するのを抑制することにより、光半導体素子から発振された光の光ファイバ内の伝送特性や光半導体パッケージ内部の気密性を良好にすることができる。その結果、光半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る光半導体パッケージを提供することができる。
【００１３】
【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の断面図である。同図に示すように、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合金やＣｕ−Ｗ合金から成り、略四角形の板状体である基体１と、載置部１ａを囲繞するように基体１の上面に銀ロウ等のロウ材で取着され、光信号の授受を行うための貫通孔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る。
【００１４】
枠体２の側部には、枠体２の貫通孔２ａに嵌入接合されるとともに、略円板状の保持部材３ｃの外周部が端面３ｂに接合された筒状の固定部材３が設けられており、保持部材３ｃの円筒部の内側に集光レンズ等用の球状の透光性部材３ａが取着されている。また、枠体２の他の側部には貫通孔または切欠きから成る入出力端子の取付部に、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入出力端子（セラミック端子）（図示せず）が取り付けられている。その入出力端子は、枠体２の内外を導通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合されている。
【００１５】
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を接着固定するとともに、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入出力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を取着し、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を収容する。
【００１６】
本発明の基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、そのインゴット（塊）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、ＬＤ，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を半田等の接合材により上面に接合した基台８が接着剤、低融点ガラス、半田等を介して載置固定される。光半導体素子５は、その電極が入出力端子の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。
【００１７】
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のがよく、基体１の酸化腐食を有効に防止できる。
【００１８】
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Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ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に銀ロウ等のロウ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。また枠体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のがよく、枠体２の酸化腐食を有効に防止できる。
【００１９】
この枠体２の側部には入出力端子の取付部が形成されており、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うとともに光半導体パッケージ内外を気密に塞ぐ機能を有する入出力端子が、これに形成されているメタライズ層を介して銀ロウ等のロウ材で接合される。
【００２０】
また、枠体２は他の側部に貫通孔２ａが設けられており、貫通孔２ａに筒状の固定部材３が嵌着接合されている。この固定部材３は、外周面が銀ロウ等のロウ材により気密に接合されており、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なわれる。この固定部材３は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等から成り、枠体２外側となる端面３ｂに透光性部材３ａの保持部材３ｃが接合され、保持部材３ｃの枠体２外側となる他端面にはフランジ７が固定される。保持部材３ｃは、Ａｕ−Ｓｎ（錫）合金等から成る低融点ロウ材で接合される。
【００２１】
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のがよく、固定部材３の酸化腐食を有効に防止できる。また、保持部材３ｃの円筒部の内側で枠体２内側の端部には、球状の透光性部材３ａが低融点ガラスを介して接合されている。この透光性部材３ａは、非晶質ガラスから成り、円筒部との接合部が低融点ガラスで接合されている。また、透光性部材３ａの表面で光半導体素子５の光軸を中心とした略円形の光透過部には、透過する光信号の波長に合わせて厚さや屈折率が適宜選択された反射防止膜が施されている。
【００２２】
保持部材３ｃは、図３に示すように、円筒部の内周面と枠体２外側の主面との間の稜部が円筒部の内周面に対する角度θが45°以上の面取り部とされている。45°未満では、透光性部材３ａの表面に十分な光量を透過させ得る有効径でもって反射防止膜を確実に形成するのが困難になる。また、角度θは85°以下がよく、85°を超えると、面取り部が保持部材３ｃの枠体２外側となる他端面に略平行になるため、有効径となるような反射防止膜を形成することが困難になる。
【００２３】
また、保持部材３ｃの円筒部の外周面と固定部材３の内周面との間の間隔Ｘは0.5ｍｍ以上である。0.5ｍｍ未満では、透光性部材３ａを保持部材３ｃに低融点ガラスで接合した後、固定部材３の端面３ｂに保持部材３ｃの外周部を低融点ロウ材で接合する際に、保持部材３ｃの円筒部の外周面と固定部材３の内周面との間にロウ材溜まりが形成されてこの隙間がロウ材で埋まってしまい易くなる。すると、固定部材３と保持部材３ｃと低融点ロウ材の熱膨張係数の違いにより発生した応力が透光性部材３ａに加わり、透光性部材３ａが外れたり、透光性部材３ａにクラックが発生する。その結果、光半導体パッケージ自体の気密性が破れることになる。また、間隔Ｘは３ｍｍ以下がよく、３ｍｍを超えると、光半導体パッケージ自体の大型重量化につながり易くなる。
【００２４】
【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。
先ず、図１の本発明の光半導体パッケージを以下の工程［１］〜［６］のようにして作製した。
【００２５】
［１］縦約13ｍｍ×横約30ｍｍ×厚さ約１ｍｍのＣｕ−Ｗ合金から成る略四角形の基体１の上面の外周部に、載置部１ａ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２を銀ロウで接合した。なお、基体１および枠体２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２の側部には入出力端子の取付部、その側部に隣接する他の側部に円形の貫通孔２ａが形成されている。
【００２６】
［２］枠体２の入出力端子の取付部に、アルミナセラミックスから成るとともに、枠体２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を形成した入出力端子を、銀ロウで嵌着接合した。
【００２７】
［３］枠体２の貫通孔２ａにＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる円筒状の固定部材３を銀ロウで嵌着接合し、固定部材３の枠体２外側の端面３ｂに、円筒部の内側に非晶質ガラスから成る球状の透光性部材３ａを低融点ガラスで接合した保持部材３ｃの外周部を、Ａｕ−Ｓｎ合金ロウ材で接合した。なお、固定部材３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メッキ層を順次被着してある。
【００２８】
［４］ＬＤである光半導体素子５を、載置部１ａ上に接着されたアルミナセラミックスから成る基台８の上面にＡｕ−Ｓｉロウ材で載置接合するとともに、光半導体素子５の電極を入出力端子の線路導体の枠体２内側にボンディングワイヤで接続した。
【００２９】
［５］固定部材３の端面３ｂに接合された保持部材３における枠体２外側の端面に、光ファイバ６の一端部が樹脂接着剤で接着されたホルダ７を、ＹＡＧレーザ溶接で接合し、光半導体パッケージと成した。
【００３０】
［６］枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る蓋体４をシーム溶接法で接合し、光半導体装置と成した。
【００３１】
上記工程［３］のようにして、直径約２ｍｍの球状の透光性部材３ａを低融点ガラスで接合した個体の保持部材３ｃについて、図３に示した面取り部の角度θが35°（サンプルＡ），40°（サンプルＢ），45°（サンプルＣ），50（サンプルＤ）°，55°（サンプルＥ）である５種の保持部材３ｃを各10個ずつ作製した。これらの保持部材３ｃについて、反射防止膜を透光性部材３ａの両側（枠体２内側および枠体２外側）に形成して、反射防止膜の形成状態を確認した。その結果、サンプルＣ〜Ｅでは、10個中10個について、両側とも有効径（約１ｍｍ）以上となるような大きな面積で反射防止膜が良好に形成された。サンプルＡ，Ｂでは、透光性部材３ａの枠体２外側の表面に反射防止膜を10個中10個とも形成できなかった。
【００３２】
次に、上記工程［１］〜［６］によって作製した光半導体装置について、面取り部の角度θが45°（サンプルＣ）である保持部材３ｃであって、その円筒部の外周面と固定部材３の内周面との間の間隔Ｘが0.3ｍｍ（サンプルＦ），0.4ｍｍ（サンプルＧ），0.5ｍｍ（サンプルＨ），0.6ｍｍ（サンプルＩ），0.7ｍｍ（サンプルＪ）である５種（各10個）の保持部材３ｃを用いた光半導体装置を用意した。
【００３３】
これらの光半導体装置について、Ｈｅリーク試験（ＭＩＬ−ＳＴＤ−883）による気密性を評価した。その結果、サンプルＨ〜Ｊは気密不良は皆無であった。サンプルＦは10個中２個に気密不良が発生した。サンプルＧは10個中１個に気密不良が発生した。
【００３４】
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ら差し支えない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、筒状の固定部材の枠体外側の端面に外周部が接合された略円板状の透光性部材の保持部材は、その円筒部の内周面と枠体外側となる他端面との間の稜部が円筒部の内周面に対する角度が45°以上85°以下の面取り部とされており、かつ円筒部の外周面と固定部材の内周面との間の間隔が0.5ｍｍ以上３ｍｍ以下であることにより、透光性部材の表面に十分な光量を透過させ得る有効径でもって反射防止膜を確実に形成できるとともに、透光性部材を保持部材に低融点ガラスで接合してから固定部材の端面に保持部材の外周部を低融点ロウ材で接合する際に応力がかかって透光性部材が外れたり、光半導体パッケージ内の気密が破れるという問題点を解消できる。
【００３６】
また、透光性部材に加わる応力により透光性部材に歪みが生じ、透光性部材に複屈折あるいは屈折率の分布が生じて焦点等が変化して光学特性が劣化するのを抑制することにより、光半導体素子から発振された光の光ファイバ内の伝送特性や光半導体パッケージ内部の気密性を良好にすることができる。その結果、光半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る光半導体素子収納用パッケージを提供することができる。
【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例を示す断面図である。
【図２】従来の光半導体素子収納用パッケージの例の断面図である。
【図３】図１の光半導体素子収納用パッケージにおける固定部材および保持部材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：端面
３ｃ：保持部材
５：光半導体素子

Claims

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、前記貫通孔に嵌着された円筒状の固定部材と、該固定部材の前記枠体外側の端面に外周部が接合されるとともに一端面中央部に前記枠体内側に向けて突出した円筒部が形成されている略円板状の透光性部材の保持部材と、該保持部材の前記円筒部の内周面に接合された球状の透光性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、前記保持部材は、前記円筒部の内周面と他端面との間の稜部が前記円筒部の内周面に対する角度が４５°以上８５°以下の面取り部とされており、かつ前記円筒部の外周面と前記固定部材の内周面との間の間隔が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。