JP4734310B2 - Chip carrier for semiconductor optical device, optical module, and optical transceiver - Google Patents
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Description
本発明は、半導体光素子等を搭載するチップキャリア、およびそれを用いた光モジュール、光送受信器に関する。 The present invention relates to a chip carrier on which a semiconductor optical device or the like is mounted, an optical module using the chip carrier, and an optical transceiver.
一般に、光モジュールは、半導体レーザダイオード(以下、LDと称する)や光変調器等の半導体光素子及びチップコンデンサ等を半田付けして搭載したチップキャリアを、電源端子、入力信号端子、接地端子、光出力用ファイバコネクタ端子等を備えたパッケージ内に組み込むことにより形成されている。チップキャリアには誘電体または半導体基板が用いられ、その表面上に形成された接地用金属被覆部に半導体光素子が半田によって固着され、同一基板表面上に形成された高周波伝送線路等との間をワイヤボンディングによって接続する。 In general, an optical module includes a chip carrier on which a semiconductor optical element such as a semiconductor laser diode (hereinafter referred to as an LD) or an optical modulator and a chip capacitor are soldered, a power supply terminal, an input signal terminal, a ground terminal, It is formed by incorporating it into a package having optical output fiber connector terminals and the like. A dielectric or semiconductor substrate is used for the chip carrier, and the semiconductor optical device is fixed to the ground metal coating formed on the surface thereof by soldering, and between the high frequency transmission line and the like formed on the same substrate surface. Are connected by wire bonding.
近年の半導体光素子の高速動作化に伴い、チップキャリアに対しても良好な高周波特性が要求されるようになってきている。高周波特性の向上を目的としたチップキャリアの構成例としては、半導体光素子を搭載する導電性のベース基板と、高周波伝送線路及び終端抵抗が配置されている誘電体または半導体基板とを組み合わせた構成が特許文献1に開示されている。
With recent high-speed operation of semiconductor optical devices, good high-frequency characteristics are also required for chip carriers. A configuration example of a chip carrier for the purpose of improving high-frequency characteristics includes a combination of a conductive base substrate on which a semiconductor optical device is mounted and a dielectric or semiconductor substrate on which a high-frequency transmission line and a terminating resistor are arranged. Is disclosed in
通常の、誘電体あるいは半導体基板のみを用いたチップキャリアでは、20GHz以上の高周波域においては良好な特性を得ることが容易ではない。 In a typical chip carrier using only a dielectric or semiconductor substrate, it is not easy to obtain good characteristics in a high frequency range of 20 GHz or higher.
また、特許文献1に開示されるような、導電性のベース基板と高周波伝送用基板とを別に設けたのチップキャリアでは、高周波特性は比較的良好であるものの、構造上、その製造コストが高く、かつ実装工程に時間がかかるという問題がある。
Further, a chip carrier as disclosed in
本発明において解決しようとする課題は、高周波特性に優れ、かつ低コストなチップキャリア、及びそれを組み込んだ光モジュール、光送受信器を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a chip carrier having excellent high frequency characteristics and low cost, and an optical module and an optical transceiver incorporating the chip carrier.
前述した課題を解決するためには、チップキャリアのインダクタンスを低減させることが有力な手段である。すなわち、裏面が金属被覆された誘電体または半導体基板上に高周波伝送線路と接地用金属被覆部が配置され、表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とが、金属製のビアホールによって電気的に接続されているチップキャリアにおいて、当該チップキャリアの側面の一部もしくは全面を金属で被覆し、誘電体または半導体基板表面の金属被覆部と裏面とを電気的に接続させた。 In order to solve the above-described problems, reducing the inductance of the chip carrier is an effective means. That is, a high-frequency transmission line and a ground metal coating are disposed on a dielectric or semiconductor substrate whose back is metal-coated, and the metal coating on the front surface and the metal coating on the back are electrically connected by a metal via hole. In the connected chip carrier, a part or the whole of the side surface of the chip carrier was coated with metal, and the metal-coated portion on the surface of the dielectric or semiconductor substrate and the back surface were electrically connected.
また、チップキャリアのインダクタンスを低減する他の手段として、チップキャリアに搭載された変調器部半導体光素子とチップキャリアのビアホールとの距離の短縮化も有力な手段である。本発明においては、変調器部半導体光素子とビアホールの位置が最も近い場合、すなわち、変調器部半導体光素子の直下にビアホールを配置するよう構成した。 Further, as another means for reducing the inductance of the chip carrier, shortening the distance between the modulator semiconductor optical element mounted on the chip carrier and the via hole of the chip carrier is also an effective means. In the present invention, the via hole is arranged when the position of the via hole is closest to the modulator part semiconductor optical device, that is, immediately below the modulator part semiconductor optical element.
本発明のチップキャリアを用いることによって、高速動作する光半導体半導体光素子の周波数特性を劣化させず、かつ低コストなチップキャリア、及びそれを組み込んだ光モジュール、光送受信器を提供することが可能である。 By using the chip carrier of the present invention, it is possible to provide a low-cost chip carrier, an optical module incorporating the same, and an optical transceiver without deteriorating the frequency characteristics of an optical semiconductor optical device that operates at high speed. It is.
以下に本発明に関する具体的な実施例を詳細に説明する。 Specific examples relating to the present invention will be described in detail below.
図1は本発明の第1の実施例におけるチップキャリア100の上面(a)および側面(b)を示す図である。チップキャリア100はアルミナ(AlN)等の誘電体やシリコン(Si)等の半導体からなる基板101が用いられる。この基板101上に、高周波伝送線路102と、半導体光素子を搭載する接地用金属被覆部103と、終端抵抗104とが形成されている。接地用金属被覆部103上には半導体光素子110が半田によって接着されている。本実施例では、半導体光素子110として半導体レーザ111と外部変調器112とを組み合わせた外部変調型レーザを用いた場合を前提として説明する。
FIG. 1 is a view showing an upper surface (a) and a side surface (b) of a
本実施例では、高周波伝送線路102はマイクロストリップ線路であり、高周波特性を向上させるため、図面左側の信号入力部130は伝送線路102を接地導体131および132で挟んだコプレーナ線路とし、そこから基板中央付近までの領域140は、伝送線路102をマイクロストリップ線路とするよう、基板101の裏面(図示しない)を接地用に金属被覆している。なお、本実施例においては、裏面全面を金属被覆させているため、特に130の領域をグランディッドコプレーナ線路と呼ぶことにする。また、接地用金属被覆部103は、、コプレーナ線路用接地金属131および132は、ビアホール105によって裏面の金属被覆部と電気的に接続され、グランドが強化されている。104は終端抵抗である。
In the present embodiment, the high-frequency transmission line 102 is a microstrip line, and in order to improve high-frequency characteristics, the signal input unit 130 on the left side of the drawing is a coplanar line sandwiched between the transmission lines 102 and the ground conductors 131 and 132, and from there In the region 140 to the vicinity of the center, the back surface (not shown) of the substrate 101 is metal-coated for grounding so that the transmission line 102 is a microstrip line. In this embodiment, since the entire back surface is covered with metal, particularly the region 130 is referred to as a grounded coplanar line. In addition, the
本発明は、さらにグランドを強化するために、基板101の側面の全面もしくは一部(120)を金属被覆し、基板表面の金属被覆部103と裏面の金属被覆部とを電気的に接続したものである。なお、図4に示すようなチップキャリアの4つの側面150〜153のうち、高周波動作に直接係る変調器部112に最も近い位置にある側面150を金属被覆することが最も効果的である。
In the present invention, in order to further strengthen the ground, the whole or a part (120) of the side surface of the substrate 101 is metal-coated, and the
本発明の効果を確認するために、本実施例のチップキャリア(側面150を金属で全面被覆した場合)の実機による光応答特性を図2(a)に示す。なお、光応答とは変調器部に入力した高周波信号強度に対する出力光強度の比のことをいう。比較のため、側面の金属被覆を行わなかった場合の特性も図2(b)に示す。 In order to confirm the effect of the present invention, the optical response characteristics of the chip carrier of this embodiment (when the side surface 150 is entirely covered with metal) by an actual machine is shown in FIG. The optical response means the ratio of the output light intensity to the high-frequency signal intensity input to the modulator unit. For comparison, the characteristics when the metal coating on the side surface is not performed are also shown in FIG.
側面の金属被覆を行わなかった場合(図2(b))、35GHz付近で急激に特性が劣化すると共に共振が発生している。これに対して、側面150を金属で全面被覆した場合(図2(a))は、急激な特性劣化や共振も起こらず、また、40GHz程度においても−3dBの光応答が得られ、良好な高周波特性が実現されている。 When the metal coating on the side surface is not performed (FIG. 2B), the characteristics are rapidly deteriorated and resonance is generated in the vicinity of 35 GHz. On the other hand, when the side surface 150 is entirely covered with metal (FIG. 2 (a)), no rapid characteristic deterioration or resonance occurs, and a −3 dB optical response can be obtained even at about 40 GHz. High frequency characteristics are realized.
図3は、チップキャリアに外部変調型レーザをチップキャリアに搭載した場合の等価回路である。ここで、Z0(301)は高周波伝送線路102の特性インピーダンスで50Ω、Rt(309)は終端抵抗104の抵抗で50Ω、L1(302)はボンディングワイヤ108のインダクタンス、L2(303)はボンディングワイヤ109のインダクタンス、Rm(304)は変調器部112の内部抵抗、Cm(305)は変調器部112の寄生容量、Rc(306)はチップキャリア100の抵抗、Cc(307)はチップキャリア100の容量、Lc(308)はチップキャリア100のインダクタンスである。
FIG. 3 is an equivalent circuit when an external modulation type laser is mounted on a chip carrier. Here, Z0 (301) is the characteristic impedance of the high-frequency transmission line 102, 50Ω, Rt (309) is the resistance of the terminating resistor 104, L1 (302) is the inductance of the bonding wire 108, and L2 (303) is the bonding wire 109. Rm (304) is the internal resistance of the
なお、外部変調型レーザのレーザ部111は直流駆動であり、高周波特性の解析では無視できるため、図3では変調器部のみを等価回路にあらわしている。 Since the laser unit 111 of the external modulation type laser is DC drive and can be ignored in the analysis of the high frequency characteristics, only the modulator unit is shown in the equivalent circuit in FIG.
図2(b)で観測された35GHz付近の急激な特性劣化や共振は、変調器部112の寄生容量Cmと、チップキャリア100のインダクタンスLc308との直列共振が原因である。ここで、共振周波数 frは(数1)で与えられる。
The sudden characteristic deterioration and resonance near 35 GHz observed in FIG. 2B are caused by series resonance between the parasitic capacitance Cm of the
図1の構成では、チップキャリアの側面を金属被覆して接地を強化することによって、チップキャリアのインダクタンスLcを低減し、直列共振周波数を十分に大きくすることができたために、図2(a)に示すように急激な特性劣化や共振のない良好な光応答特性が得られたものと考えられる。 In the configuration of FIG. 1, the side surface of the chip carrier is metal-coated to enhance grounding, thereby reducing the inductance Lc of the chip carrier and sufficiently increasing the series resonance frequency. It is considered that good photoresponse characteristics without sudden characteristic deterioration and resonance are obtained.
なお、金属被覆する側面の領域の大きさによっても特性が異なる。図5は、変調器部112に最も近い位置にあるチップキャリアの側面150を金属被覆する場合において、当該側面積の1/10、1/5、1/3、1/2、及び全面を被覆したときの周波数特性(伝達特性)のを、図3のモデルを用いて解析したシミュレーション結果である。
Note that the characteristics also differ depending on the size of the region of the side surface to be coated with metal. FIG. 5 shows that when the side surface 150 of the chip carrier closest to the
図5のシミュレーション結果から、金属被覆面積を増やすと周波数特性が向上することがわかる。特に、40GHz以上の領域においては、金属被覆面積を1/3以上にすれば、ほぼ全面を金属被覆した場合とほぼ同等の特性が得られることがわかる。 From the simulation results of FIG. 5, it can be seen that the frequency characteristics are improved when the metal coating area is increased. In particular, in the region of 40 GHz or more, it can be seen that if the metal coating area is set to 1/3 or more, substantially the same characteristics as those obtained when the entire surface is metal-coated can be obtained.
図6は、本実施例のチップキャリア100を組み込んだLDモジュール600の構造図である。外部からの変調用高周波信号630は中継基板602を介してチップキャリア100上の半導体光素子110へ供給される。同様に、半導体光素子110の駆動用の直流電源640が中継基板603を介して供給される。半導体光素子110からのレーザ光610は集光用レンズ601によって集光され、外部に接続された光伝送用ファイバ620へ送出される。また、半導体光素子110の光出力状態をモニタするため、モニタ用フォトダイオード604が搭載されている。
FIG. 6 is a structural diagram of an LD module 600 incorporating the
図7は図6に示したLDモジュールにおいて、チップキャリア100の側面を金属被覆した場合の実機による光応答特性である。なお、金属被覆は半導体光素子110の変調器部111112に最も近い側面全面に施した。比較のために、側面の金属被覆を施していないいチップキャリアを搭載したLDモジュールの光応答特性も併せて示す。本評価結果から、チップキャリアの側面を金属被覆したことによって、光応答特性が約10GHz向上することが確認できた。
FIG. 7 shows optical response characteristics of the actual device when the side surface of the
以上説明したように本実施例によれば、従来の、誘電体または半導体基板のみで構成される安価なチップキャリアの側面を金属被覆するだけで、急激な特性劣化がないなく、かつ、高周波域まで高利得である良好な周波数特性が得られ、安価かつ作業工程も容易な周波数特性に優れたチップキャリア及びそれを用いた光モジュール、光送信器を提供することが可能である。 As described above, according to the present embodiment, there is no abrupt deterioration of characteristics by simply metallizing the side surface of a conventional inexpensive chip carrier composed only of a dielectric or a semiconductor substrate, and a high frequency range. Therefore, it is possible to provide a chip carrier excellent in frequency characteristics that can obtain good frequency characteristics with a high gain and that is inexpensive and easy in work process, and an optical module and an optical transmitter using the chip carrier.
なお、本実施例では半導体光素子として外部変調型レーザを用いた場合を例として説明したが、外部変調器を有しない直接変調型レーザを用いた場合も同様の効果が期待できる。この場合、チップキャリア上の直接変調型レーザを搭載した位置に最も近い側面を金属被覆することになる。 In this embodiment, the case where an external modulation laser is used as the semiconductor optical element has been described as an example. However, the same effect can be expected when a direct modulation laser having no external modulator is used. In this case, the side surface closest to the position where the directly modulated laser is mounted on the chip carrier is coated with metal.
本発明はチップキャリア上の構成部品の形状やパターンに限定されるものではない。例えば、本実施例では高周波伝送線路がマイクロストリップ線路グランディットコプレーナ線路とマイクロストリップ線路とを組み合わせたパターンになっているが、コプレーナ線路やのみ、グランディットコプレーナ線路(基板裏面を金属被覆したコプレーナ線路)など、高周波信号を減衰させない線路(一般には50Ω線路)の場合においてものみ、あるいはマイクロストリップ線路のみの場合においても、それぞれ同様の効果がある。 The present invention is not limited to the shape and pattern of the components on the chip carrier. For example, in this embodiment, the high-frequency transmission line has a pattern in which a microstrip line grounded coplanar line and a microstrip line are combined. The same effect can be obtained only in the case of a line that does not attenuate a high-frequency signal (generally a 50Ω line) or only in the case of a microstrip line.
また、本実施例では高周波信号と直流電流とがそれぞれワイヤ108とワイヤ109を介して個別に素子に供給されるチップキャリアを示しているが、チップキャリアの外部でバイアスティーを用いて高周波信号と直流電流とをあわせて素子に供給するチップキャリアに対しても同様の効果がある。 Further, in this embodiment, a chip carrier is shown in which a high-frequency signal and a direct current are individually supplied to the element via a wire 108 and a wire 109, respectively. The same effect can be obtained for a chip carrier that is supplied to the device together with a direct current.
前述の実施例から、チップキャリアの高周波特性を改善するため、そのインダクタンスを低減することが有力であることがわかった。ここで、インダクタンス低減の他の手段として、チップキャリアに搭載した外部変調型レーザ110の変調器部112と、チップキャリアのビアホールとの距離の短縮化が考えられる。最も近づけるためには、図8に示すように、変調器部112の直下にビアホール105Aを配置するようにすればよい。
From the above-described embodiments, it has been found that it is effective to reduce the inductance in order to improve the high frequency characteristics of the chip carrier. Here, as another means for reducing the inductance, it is conceivable to shorten the distance between the
図9は、図8に示した変調器部112の直下にビアホール105Aを配置した場合の周波数特性のを、図3のモデルで解析したシミュレーション結果である。第1の実施例で説明したチップキャリアの側面を金属被覆した場合に比べて、高周波帯域においてでの利得が少ないものの、急激な利得の低下や共振等のおこらない良好な特性が得られていることがわかる。
FIG. 9 shows a simulation result obtained by analyzing the frequency characteristics in the case where the via hole 105A is arranged immediately below the
ただし、ビアホールを素子直下に配置することによりビアホール部と周囲の誘電体または半導体基板との平坦性が劣化し、素子の半田付け時の接着性が低下する場合がある。また、ビアホール部と基板との熱膨張係数の違いによって、半導体光素子に応力がかかり信頼性低下の可能性もある。従って、必要に応じてこれらの対策、例えば半田付けの補強等を別途施すようにする。 However, by disposing the via hole directly under the element, the flatness between the via hole portion and the surrounding dielectric or semiconductor substrate may be deteriorated, and the adhesion during soldering of the element may be lowered. In addition, due to the difference in the thermal expansion coefficient between the via hole portion and the substrate, the semiconductor optical device is stressed and there is a possibility that the reliability is lowered. Therefore, these measures, for example, reinforcement of soldering, etc. are separately taken as necessary.
以上説明したように本実施例によれば、従来の誘電体または半導体基板から構成される安価なチップキャリアにおいて、そのビアホールの位置を変更するだけで急激な特性劣化や共振のない良好な周波数特性が得られたため、安価かつ作業工程も容易な周波数特性に優れたチップキャリア、およびそれを用いた光モジュール、光送信器を提供することが可能である。本実施例も第1の実施例と同様にチップキャリア上の構成部品の形状やパターンに限定されるものではない。 As described above, according to the present embodiment, in an inexpensive chip carrier composed of a conventional dielectric or semiconductor substrate, a good frequency characteristic without sudden characteristic deterioration or resonance can be obtained by simply changing the position of the via hole. Therefore, it is possible to provide a chip carrier excellent in frequency characteristics that is inexpensive and easy in work process, and an optical module and an optical transmitter using the chip carrier. The present embodiment is not limited to the shape and pattern of the components on the chip carrier as in the first embodiment.
また、第1の実施例と本実施例とを組み合わせた形態、すなわち、チップキャリアの側面を金属被覆し、高周波動作させる半導体光素子部品の直下にビアホールを設けることによって、高周波特性のさらなる改善が期待できる。 Further, by combining the first embodiment with the present embodiment, that is, by coating the side surface of the chip carrier with a metal and providing a via hole directly under the semiconductor optical device component that operates at high frequency, the high frequency characteristics can be further improved. I can expect.
なお、本実施例では半導体光素子として外部変調型レーザを用いた場合を例として説明したが、外部変調器を有しない直接変調型レーザを用いた場合も同様の効果が期待できる。この場合、チップキャリア上の直接変調型レーザを搭載した位置の直下にビアホールを配置するよう構成する。 In this embodiment, the case where an external modulation laser is used as the semiconductor optical element has been described as an example. However, the same effect can be expected when a direct modulation laser having no external modulator is used. In this case, the via hole is arranged immediately below the position where the directly modulated laser is mounted on the chip carrier.
以上、第1および第2の実施例共に発光素子を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、フォトダイオード(PD;Photo Diode)やアバランシェフォトダイオード(APD;Avalanche Photo Diode)などの受光素子のチップキャリア、及びそれを用いた光モジュール、光受信器に対しても有効である。 Although the first and second embodiments have been described using the light emitting elements, the present invention is not limited to this, and a photodiode (PD) or avalanche photodiode (APD) is used. It is also effective for a chip carrier of a light receiving element such as), an optical module using the chip carrier, and an optical receiver.
また、本発明のチップキャリアは半導体光素子に限定されるものではない。高周波特性を劣化させる要因が素子の寄生容量に起因するもの、すなわち、トランジスタ等、キャパシタ構造を有する容量性の素子であれば、本発明のチップキャリアを使用することによって高周波特性の改善が期待できる。 Further, the chip carrier of the present invention is not limited to the semiconductor optical device. If the factor that degrades the high frequency characteristics is due to the parasitic capacitance of the element, that is, a capacitive element having a capacitor structure such as a transistor, improvement of the high frequency characteristics can be expected by using the chip carrier of the present invention. .
100・・・チップキャリア、101・・・誘電体または半導体基板、102・・・高周波伝送線路、103・・・接地用金属被覆部、104・・・終端抵抗、105・・・ビアホール、106−108・・・ワイヤ、110・・・外部変調型レーザ、111・・・半導体レーザ、112・・・外部変調器、120・・・側面金属被覆、150−153・・・チップキャリアの側面、600・・・光モジュール、601・・・集光用レンズ、602−603・・・中継基板、604・・・モニター用PD
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とが、前記基板を貫通する金属性のビアホールにて接続されており、
前記ビアホールは前記半導体レーザ素子の変調器部の下に形成されており、
前記半導体光素子と前記基板表面上の金属被覆部とは、第2の半田にて前記第1の半田による両者の接着性が補強されていることを特徴とするチップキャリア。 A chip carrier in which the back surface of the substrate is metal-coated, and a semiconductor laser element provided with a modulator portion is bonded to the metal-coated portion formed on the surface of the substrate by bonding with a first solder;
The metal cover part on the substrate surface and the metal cover part on the back surface are connected by a metallic via hole penetrating the substrate,
The via hole is formed under the modulator portion of the semiconductor laser element,
Wherein the semiconductor optical element and the metallization on the substrate surface, the chip carrier adhesion of the first two by the solder at the second solder is characterized in that it is reinforced.
前記チップキャリアは基板の裏面が金属被覆され、前記基板の表面上に形成した金属被覆部に前記半導体レーザ素子が第1の半田にて接着されて搭載されたものであり、
前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とが、前記基板を貫通する金属性のビアホールにて接続されており、
前記ビアホールは前記半導体レーザ素子の変調器部の下に形成されており、
前記半導体光素子と前記基板表面上の金属被覆部とは、第2の半田にて前記第1の半田による両者の接着性が補強されていることを特徴とする光モジュール。 An optical module incorporating a chip carrier equipped with a semiconductor laser element having a modulator section ,
In the chip carrier, the back surface of the substrate is metal-coated, and the semiconductor laser element is mounted on the metal-coated portion formed on the surface of the substrate by being bonded with a first solder,
The metal cover part on the substrate surface and the metal cover part on the back surface are connected by a metallic via hole penetrating the substrate,
The via hole is formed under the modulator portion of the semiconductor laser element,
Wherein the semiconductor optical element and the metallization on the substrate surface, the optical module adhesion of the first two by the solder at the second solder is characterized in that it is reinforced.
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