JP4002231B2 - 高周波信号伝送用光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

高周波信号伝送用光モジュール及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体光デバイスを用いた高周波信号伝送用光モジュール及びその製造方法に関する。
高周波信号伝送用光モジュールに適用される半導体光デバイスは、セラミック製パッケージ或いはプラスチック製パッケージにより構成されているのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。その理由としては、高周波信号伝送を行う際にはコプレーナラインやマイクロストリップライン等のＴＥＭ波伝送線路を半導体光デバイスのパッケージ自体に形成する必要があるからである。
特開２００１−１８９５１５号公報
しかしながら、上述したような光モジュールにあっては、ＴＥＭ波伝送線路を形成するために半導体光デバイスのパッケージ構造が複雑化してしまい、低コスト化が妨げられるという問題があった。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、汎用性の高いメタルキャンパッケージが適用された半導体光デバイスを用いて容易に高周波信号伝送を実現することができる高周波信号伝送用光モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る高周波信号伝送用光モジュールは、半導体光素子をメタルキャンパッケージ内に収容し、メタルキャンパッケージのステムに形成された貫通孔から信号伝送ピンを突出させた半導体光デバイスと、ステムの裏面に取り付けられ、信号伝送ピンの両側において信号伝送ピンに沿って延在するアウターリードとを備え、アウターリードには、アウターリードのステム側の端部が折り曲げられて、ステムの裏面に固定された固定部が設けられており、アウターリードのステム側の端部が折り曲げられる部分には、折り曲げを容易にする弱化部が形成されており、アウターリードは、それぞれの弱化部の中心を結ぶ直線が信号伝送ピンの側面に接するように配置されており、信号伝送ピンとステム及びアウターリードとによって、ＴＥＭ波伝送線路が形成されていることを特徴とする。
この高周波信号伝送用光モジュールにおいては、半導体光デバイスのステムの裏面にアウターリードを容易に取り付けることができる。それは、例えば、アウターリードを折り曲げた状態で半田や導電性接着剤等を用いて固定部をステムの裏面に固定したり、アウターリードを折り曲げる前の状態でレーザ溶接等により固定部をステムの裏面に固定し、その後アウターリードを折り曲げたりすることで可能になる。このようにして、半導体光デバイスの信号伝送ピンの両側において信号伝送ピンに沿って延在するアウターリードがステムの裏面に取り付けられているため、アウターリードが接地電位に接続されると、ステムと各アウターリードとによって信号伝送ピンの両側にグランド領域が連続することになる。これにより、信号伝送ピンとステム及び各アウターリードとによってＴＥＭ波伝送線路が形成されるため、半導体光デバイスに対して高周波信号を伝送することが可能になる。以上により、この高周波信号伝送用光モジュールによれば、汎用性の高いメタルキャンパッケージが適用された半導体光デバイスを用いて容易に高周波信号伝送を実現することができる。
また、固定部は、レーザ溶接によりステムの裏面に固定されていることが好ましい。アウターリードの固定部とステムとの固定にレーザ溶接を用いれば、固定部及びステムの加熱は局所的且つ短時間で済むため、半導体光デバイス内の半導体光素子等に熱による悪影響が及ぶのを防止することができる。しかも、レーザ溶接による固定力は強固であるため、アウターリードを折り曲げる前の状態で固定部をステムの裏面に固定し、その後アウターリードを折り曲げるような場合には、レーザ溶接による固定は特に有効である。
また、アウターリードの少なくとも固定部は板状であることが好ましい。例えば、アウターリードを折り曲げる前の状態で固定部をステムの裏面に固定し、その後アウターリードを折り曲げるような場合には、アウターリードの少なくとも固定部が板状であれば、容易にアウターリードの折り曲げを行うことができる。しかも、アウターリードの固定部とステムの裏面とが面接触することになるため、安定した状態で確実にアウターリードをステムの裏面に取り付けることができる。
更に、アウターリードのステム側の端部が折り曲げられる部分には、折り曲げを容易にする弱化部が形成されていることが好ましい。上記同様に、例えば、アウターリードを折り曲げる前の状態で固定部をステムの裏面に固定し、その後アウターリードを折り曲げるような場合には、アウターリードが折り曲げられる部分に弱化部が形成されていれば、容易に且つ精度良くアウターリードの折り曲げを行うことができる。
また、本発明に係る高周波信号伝送用光モジュールの製造方法は、半導体光素子をメタルキャンパッケージ内に収容し、メタルキャンパッケージのステムに形成された貫通孔から信号伝送ピンを突出させた半導体光デバイスと、固定部となる一端部の折り曲げを容易にする弱化部が形成された直線状のアウターリードとを用意する工程と、信号伝送ピンの両側にアウターリードを配置して、それぞれの弱化部の中心を結ぶ直線が信号伝送ピンの側面に接するように固定部をステムの裏面の所定の位置に当接させ、所定の位置に固定部を固定する工程と、信号伝送ピンの両側において信号伝送ピンに沿って延在するように、アウターリードのそれぞれを折り曲げ、信号伝送ピンとステム及びアウターリードとによってＴＥＭ波伝送線路を形成する工程とを備えることを特徴とする。
この高周波信号伝送用光モジュールの製造方法によれば、極めて簡便な方法で、半導体光デバイスのステムの裏面に、信号伝送ピンの両側において信号伝送ピンに沿って延在するアウターリードを取り付けることができ、信号伝送ピンとステム及び各アウターリードとによってＴＥＭ波伝送線路を形成することが可能になる。従って、汎用性の高いメタルキャンパッケージが適用された半導体光デバイスを用いて容易に高周波信号伝送を実現することができる高周波信号伝送用光モジュールを製造することができる。
本発明によれば、汎用性の高いメタルキャンパッケージが適用された半導体光デバイスを用いて容易に高周波信号伝送を実現することができる。
以下、本発明に係る高周波信号伝送用光モジュール及びその製造方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、高周波信号伝送用光モジュール１は半導体光デバイス２を有している。この半導体光デバイス２は、ステム３とキャップ４とからなるＴＯ−ＣＡＮタイプのメタルキャンパッケージ５内に、高速動作可能なフォトダイオード（半導体光素子）６、フォトダイオード６の電流信号を電圧信号に変換するアンプ７、及びコンデンサ８，９を収容したものである。メタルキャンパッケージ５のキャップ４には、フォトダイオード６により受光される光が通過する開口４ａが形成されており、この開口４ａにはガラス板１１が嵌め込まれている。なお、開口４ａには、ガラス板１１に替えてレンズが嵌め込まれる場合もある。
更に、メタルキャンパッケージ５のステム３には４つの貫通孔１２が形成されており、各貫通孔１２にはリードピン１３が貫通した状態で配置されている。この貫通孔１２の内壁面とリードピン１３との隙間は、ガラス封止部材１４によって封止されている。各リードピン１３は、メタルキャンパッケージ４内においてワイヤにより各素子に接続されている。具体的には、隣り合うリードピン１３ａ，１３ｂは、それぞれアンプ７の正論理の信号出力パッドと負論理の信号出力パッドとに接続されている。また、リードピン１３ｃはコンデンサ８を介してアンプ４の電源パッドに接続され、リードピン１３ｄはコンデンサ９を介してフォトダイオード６のカソードパッドに接続されている。
なお、メタルキャンパッケージ４内において、アンプ７のＧＮＤパッドは、ワイヤによりステム３に接続されている。また、ステム３の裏面３ａには、グランドピン１７がロウ付けにより接続されている。
以上のように構成された半導体光デバイス２のステム３の裏面３ａには、図２に示すように、３本の板状のアウターリード１８が取り付けられている。より詳細には、各アウターリード１８は、リードピン１３ａ，１３ｂを含む平面上において、リードピン１３ａの外側、リードピン１３ｂの外側、及びリードピン１３ａとリードピン１３ｂとの間に位置して、リードピン１３ａ，１３ｂと略平行に延在している。各アウターリード１８には、アウターリード１８のステム３側の端部が折り曲げられて、ステム３の裏面３ａに固定された固定部１９が設けられている。
ここでは、３本のアウターリード１８のうち、アウターリード１８ａ，１８ｃが、信号伝送ピンであるリードピン１３ａの両側においてリードピン１３ａに沿って延在することになる。また、アウターリード１８ｂ，１８ｃが、信号伝送ピンであるリードピン１３ｂの両側においてリードピン１３ｂに沿って延在することになる。
なお、グランドピン１７とアウターリード１８とは、ステム３と同電位となるため、いずれもＧＮＤ端子として機能する。しかしながら、グランドピン１７がステム３の材料製造時に取り付けられるのに対し、アウターリード１８が高周波信号伝送用光モジュール１の製造時の最後に近い段階で取り付けられる点で、グランドピン１７とアウターリード１８とは異なっている。
以上のように構成された高周波信号伝送用光モジュール１においては、半導体光デバイス２のステム３の裏面３ａにアウターリード１８を容易に取り付けることができる。それは、例えば、アウターリード１８を折り曲げた状態で半田や導電性接着剤等を用いて固定部１９をステム３の裏面３ａに固定したり、アウターリード１８を折り曲げる前の状態でレーザ溶接等により固定部１９をステム３の裏面３ａに固定し、その後アウターリード１８を折り曲げたりすることで可能になる。このようにして、半導体光デバイス２の信号伝送ピンである各リードピン１３ａ，１３ｂの両側において各リードピン１３ａ，１３ｂに沿って延在するアウターリード１８がステム３の裏面３ａに取り付けられているため、アウターリード１８が接地電位に接続されると、ステム３と各アウターリード１８とによって各リードピン１３ａ，１３ｂの両側にグランド領域が連続することになる。これにより、各リードピン１３ａ，１３ｂとステム３及び各アウターリード１８とによってＴＥＭ波伝送線路が形成されるため、半導体光デバイス２から高周波信号を出力させることが可能になる。以上により、この高周波信号伝送用光モジュール１によれば、汎用性の高いメタルキャンパッケージ５が適用された半導体光デバイス２を用いて容易に高周波信号伝送を実現することができる。
次に、高周波信号伝送用光モジュール１の製造方法の一例として、ＹＡＧレーザを用いた貫通溶接（レーザ溶接）によって、半導体光デバイス２のステム３の裏面３ａに各アウターリード１８の固定部１９を固定する場合について説明する。
まず、図３に示すように、上述した半導体光デバイス２を用意する。また、図４に示すように、上述したアウターリード１８ａ，１８ｂ，１８ｃが並設されてなる板状のリードフレーム２１を用意する。このリードフレーム２１は、一端部を固定部１９とする直線状の各アウターリード１８の他端部が矩形状の接続部２２により接続されて、一体的に形成されたものである。各アウターリード１８において、ステム３の裏面３ａに取り付けられた際に折り曲げられる部分には、その両縁部に切欠き部２３が形成されることで、折り曲げを容易にする弱化部２４が形成されている（この弱化部２４に対して一端側の部分が固定部１９となる）。また、接続部２２には一対の位置決め孔２５が形成されている。なお、リードフレーム２１はコバール等の金属材料からなり、その表面には金メッキ等のメッキ処理が施されている。また、リードフレーム２１の厚さは、ＹＡＧレーザを用いた貫通溶接が容易且つ確実に行えるように０．２ｍｍとなっている。
半導体光デバイス２及びリードフレーム２１を用意した後、図５に示すように、これらを固定冶具３１に取り付ける。つまり、固定冶具３１の背面板３２の前側に設けられた載置台３３上に、横倒しにした半導体光デバイス２のメタルキャンパッケージ５を載置すると共に、載置台３３の前側に設けられた支持台３４のＶ溝に、その半導体光デバイス２のリードピン１３ｂ，１３ｃ及びグランドピン１７を配置する。続いて、背面板３２の前面に立設された一対の位置決めピン３５に、リードフレーム２１の位置決め孔２５を嵌め合わせて、半導体光デバイス２のステム３の裏面３ａにリードフレーム２１の各固定部１９を当接させる。
ここで、固定冶具３１における載置台３３、支持台３４及び位置決めピン３５の相互間の位置関係は、次のように設定されている。すなわち、半導体光デバイス２及びリードフレーム２１を固定冶具３１に取り付けると、図６に示すように、リードフレーム２１の各アウターリード１８における弱化部２４の中心を結ぶ直線Ｓ（換言すれば、各アウターリード１８の切欠き部２３の中央部を結ぶ直線Ｓ）が、信号伝送ピンである各リードピン１３ａ，１３ｂのグランドピン１７側の側面に接するように設定されている。
半導体光デバイス２及びリードフレーム２１を固定冶具３１に取り付けた後、図７に示すように、水平方向に移動可能なレーザ光出射部３６から各固定部１９に向けてレーザ光Ｌを順次出射して、ステム３の裏面３ａの所定の位置に各固定部１９を貫通溶接する。このとき、各アウターリード１８は板状であるため、各アウターリード１８の固定部１９とステム３の裏面３ａとが面接触することとなり、これにより、安定した状態で確実にアウターリード１８をステム３の裏面３ａに取り付けることができる。また、このように固定部１９とステム３との固定にＹＡＧレーザを用いた貫通溶接を適用すれば、固定部１９及びステム３の加熱は局所的且つ短時間で済むため、半導体光デバイス２内の各素子に熱による悪影響が及ぶのを防止することができる。
その後、半導体光デバイス２及びリードフレーム２１を固定冶具３１から取り外し、図８に示すように、信号伝送ピンである各リードピン１３ａ，１３ｂの両側において各リードピン１３ａ，１３ｂに沿って延在するように、リードフレーム２１の各アウターリード１８を同時に折り曲げる。このとき、各アウターリード１８は板状であり、しかも、各アウターリード１８には弱化部２４が形成されているため、容易に且つ精度良くリードフレーム２１の各アウターリード１８の折り曲げを行うことができる。また、このようにリードフレーム２１の各アウターリード１８の折り曲げを行う場合、ＹＡＧレーザを用いた貫通溶接による固定力は強固であるため、固定部１９とステム３との固定にＹＡＧレーザを用いた貫通溶接を適用することは特に有効である。
最後に、各アウターリード１８が所定の長さとなるように、リードフレーム２１の接続部２２側をカッターで切り落とし、高周波信号伝送用光モジュール１を完成させる。
以上の高周波信号伝送用光モジュール１の製造方法によれば、極めて簡便な方法で、半導体光デバイス２のステム３の裏面３ａに、信号伝送ピンである各リードピン１３ａ，１３ｂの両側において各リードピン１３ａ，１３ｂに沿って延在するアウターリード１８ａ，１８ｂ，１８ｃを取り付けることができ、各リードピン１３ａ，１３ｂとステム３及び各アウターリード１８とによってＴＥＭ波伝送線路を形成することが可能になる。従って、汎用性の高いメタルキャンパッケージ５が適用された半導体光デバイス２を用いて容易に高周波信号伝送を実現することができる高周波信号伝送用光モジュール１を製造することができる。
次に、高周波信号伝送用光モジュール１の使用例として、高周波信号伝送用光モジュール１が実装された回路基板について説明する。
図９〜図１１に示すように、高周波信号伝送用光モジュール１は、リードピン１３ａ，１３ｂとリードピン１３ｃ，１３ｄとの間に回路基板４１を挟み込んだ状態で、回路基板４１に取り付けられている。回路基板４１のリードピン１３ａ，１３ｂ側の表面４１ａには、信号伝送ピンであるリードピン１３ａの側面が接触する信号伝送配線４２ａと、信号伝送ピンであるリードピン１３ｂの側面が接触する信号伝送配線４２ｂとが形成されている。各信号伝送配線４２ａ，４２ｂは、回路基板４１に実装された信号処理回路（図示せず）に向かって延在し、その信号処理回路に接続されている。
また、回路基板４１の表面４１ａにおいて信号伝送配線４２ａの外側には、高周波信号伝送用光モジュール１のアウターリード１８ａの側面が接触するグランド配線４３ａが形成されている。同様に、信号伝送配線４２ｂの外側には、アウターリード１８ｂの側面が接触するグランド配線４３ｂが形成されている。各グランド配線４３ａ，４３ｂは、各信号伝送配線４２ａ，４２ｂから所定の距離をとって各信号伝送配線４２ａ，４２ｂに沿って形成され、接地電位に接続されている。
更に、回路基板４１の表面４１ａにおいて信号伝送配線４２ａと信号伝送配線４２ｂとの間には、高周波信号伝送用光モジュール１のアウターリード１８ｃの側面が接触するグランド配線４４が形成されている。このグランド配線４４は、各信号伝送配線４２ａ，４２ｂのそれぞれから所定の距離をとって各信号伝送配線４２ａ，４２ｂに沿って形成され、接地電位に接続されている。
なお、各配線４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４は、回路基板４１の基材に銅等の導電性材料をプリントすることでパターン形成されたものである。また、各リードピン１３ａ，１３ｂと各信号伝送配線４２ａ，４２ｂとは、半田或いは導電性接着剤等により確実に接続されている。同様に、各アウターリード１８ａ，１８ｂ，１８ｃと各グランド配線４３ａ，４３ｂ，４４とは、半田或いは導電性接着剤等により確実に接続されている。
以上のように構成された回路基板４１においては、高周波信号伝送用光モジュール１の信号伝送ピンであるリードピン１３ａと信号伝送配線４２ａとによって信号伝送ラインが形成される。この信号伝送ラインの両側には、ステム３、各アウターリード１８ａ，１８ｃ及び各グランド配線４３ａ，４４によって、信号伝送ラインに沿ったグランド領域が連続することになる。このような構成は、高周波信号伝送用光モジュール１の信号伝送ピンであるリードピン１３ｂと信号伝送配線４２ｂとによって形成される信号伝送ラインについても同様である。これにより、ＴＥＭ波伝送線路が形成されることになるため、メタルキャンパッケージ５内のアンプ７から高周波信号を出力させることが可能になる。
なお、高周波信号伝送用光モジュール１のステム３の裏面３ａと回路基板４１の縁部との間に隙間が形成されたとしても、上述したようにＴＥＭ波伝送線路が形成されるため、高周波信号伝送は可能である。しかしながら、高周波信号伝送用光モジュール１側と回路基板４１側とのインピーダンスの不整合を緩和するためには、ステム３の裏面３ａと回路基板４１の縁部との間に隙間は、可能な限り小さくすることが好ましい。また、その隙間に、各リードピン１３ａ，１３ｂ及び各アウターリード１８を覆うようにシリコーン樹脂等の誘電材料を配置することも、インピーダンスの不整合を緩和する効果がある。
本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態は、メタルキャンパッケージ５内に収容されるアンプ７が２つの差動信号出力を有する場合であったが、アンプ７は、１つの信号出力を有するもの（すなわち、シングルエンドタイプのもの）であってもよい。この場合には、信号伝送ピンとなるリードピン１３は１本となるため、アウターリード１８は、そのリードピン１３を挟むように２本あれば十分である。
また、上記実施形態は、半導体光デバイス２が、半導体光素子として受光素子であるフォトダイオード６と、フォトダイオード６に接続されるアンプ７を有する場合であったが、半導体光デバイス２が有する半導体光素子としては、光検出素子であるフォトダイオード単体や、レーザダイオード等の発光素子であってもよい。発光素子の場合には、信号伝送ピンであるリードピン１３は、信号入力ピンとして機能する。
また、上記実施形態は、アウターリード１８の全体が板状である場合であったが、アウターリード１８の少なくとも固定部１９が板状であれば、例えば、アウターリード１８を折り曲げる前の状態で固定部１９をステム３の裏面３ａに固定し、その後アウターリード１８を折り曲げるような場合に、容易にアウターリード１８の折り曲げを行うことができる。しかも、アウターリード１８の固定部１９とステム３の裏面３ａとが面接触することになるため、安定した状態で確実にアウターリード１８をステム３の裏面３ａに取り付けることができる。
更に、上記実施形態では、高周波信号伝送用光モジュール１の製造方法の一例として、半導体光デバイス２のステム３の裏面３ａに各アウターリード１８の固定部１９をレーザ溶接によって固定する場合について説明したが、半田や導電性接着剤等を用いて固定部１９をステム３の裏面３ａに固定してもよい。
本発明に係る高周波信号伝送用光モジュールの一実施形態を示す斜視図である。 図１に示す高周波信号伝送用光モジュールをリードピン側から見たときの斜視図である。 半導体光デバイスをリードピン側から見たときの斜視図である。 リードフレームの平面図である。 半導体光デバイス及びリードフレームを固定冶具に取り付けた状態を示す斜視図である。 半導体光デバイスとリードフレームとの位置関係を示す図である。 半導体光デバイスのステムにリードフレームをレーザ溶接によって固定している状態を示す斜視図である。 半導体光デバイスのステムに固定されたリードフレームを折り曲げている状態を示す斜視図である。 図１に示す高周波信号伝送用光モジュールが実装された回路基板を示す正面図である。 図９に示す高周波信号伝送用光モジュール及び回路基板の左側面図である。 図９に示す高周波信号伝送用光モジュール及び回路基板の底面図である。
符号の説明
１…高周波信号伝送用光モジュール、２…半導体光デバイス、３…ステム、５…メタルキャンパッケージ、６…フォトダイオード（半導体光素子）、１２…貫通孔、１３ａ，１３ｂ…リードピン（信号伝送ピン）、１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…アウターリード、１９…固定部、２４…弱化部。

Claims (5)

  1. 半導体光素子をメタルキャンパッケージ内に収容し、前記メタルキャンパッケージのステムに形成された貫通孔から信号伝送ピンを突出させた半導体光デバイスと、
    前記ステムの裏面に取り付けられ、前記信号伝送ピンの両側において前記信号伝送ピンに沿って延在するアウターリードとを備え、
    前記アウターリードには、前記アウターリードの前記ステム側の端部が折り曲げられて、前記ステムの裏面に固定された固定部が設けられており、
    前記アウターリードの前記ステム側の端部が折り曲げられる部分には、折り曲げを容易にする弱化部が形成されており、
    前記アウターリードは、それぞれの前記弱化部の中心を結ぶ直線が前記信号伝送ピンの側面に接するように配置されており、
    前記信号伝送ピンと前記ステム及び前記アウターリードとによって、ＴＥＭ波伝送線路が形成されていることを特徴とする高周波信号伝送用光モジュール。
  2. 前記固定部は、レーザ溶接により前記ステムの裏面に固定されていることを特徴とする請求項１記載の高周波信号伝送用光モジュール。
  3. 前記アウターリードの少なくとも前記固定部は板状であることを特徴とする請求項１又は２記載の高周波信号伝送用光モジュール。
  4. 前記信号伝送ピンと接続された信号伝送配線と、前記信号伝送配線から所定の距離をとって前記信号伝送配線に沿って形成され、前記アウターリードのそれぞれと接続されたグランド配線とを有する回路基板を備え、
    前記ステムの裏面と前記回路基板の縁部との隙間には、前記信号伝送ピン及び前記アウターリードを覆うように誘電材料が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の高周波信号伝送用光モジュール。
  5. 半導体光素子をメタルキャンパッケージ内に収容し、前記メタルキャンパッケージのステムに形成された貫通孔から信号伝送ピンを突出させた半導体光デバイスと、固定部となる一端部の折り曲げを容易にする弱化部が形成された直線状のアウターリードとを用意する工程と、
    前記信号伝送ピンの両側に前記アウターリードを配置して、それぞれの前記弱化部の中心を結ぶ直線が前記信号伝送ピンの側面に接するように前記固定部を前記ステムの裏面の所定の位置に当接させ、前記所定の位置に前記固定部を固定する工程と、
    前記信号伝送ピンの両側において前記信号伝送ピンに沿って延在するように、前記アウターリードのそれぞれを折り曲げ、前記信号伝送ピンと前記ステム及び前記アウターリードとによってＴＥＭ波伝送線路を形成する工程とを備えることを特徴とする高周波信号伝送用光モジュールの製造方法。
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