JP4807987B2 - 気密封止パッケージおよび光サブモジュール - Google Patents

Description

本発明は、気密封止パッケージおよび光サブモジュールに関し、より詳細には、超小型で、光半導体素子等の光素子用の気密封止パッケージおよび光サブモジュールに関する。

近年、高度情報化に伴い大容量の情報を伝達したいという要望から、高速で大容量の情報が伝達可能な光通信システムが注目されている。このような光通信システムを一般に普及させるためには、安価で信頼性の高い光モジュールが必要とされる。
この光モジュールを実現する技術の一つに平面光導波路（ＰＬＣ：Planer Lightwave Circuit）などの光導波路部と、発光素子や受光素子などの光半導体素子をモジュール化し、その集合体を光モジュールとする構成がある。

このような光モジュールの構成方法は特許文献１に記載されている。特許文献１では、光導波路サブモジュールの一方端には発光素子サブモジュールが、もう一方端には受光素子サブモジュールが接続されている。
この光サブモジュール内には、光半導体素子や光ファイバ等の光学素子が実装されている。光半導体素子は、湿気等により特性が劣化する問題がある。そのためこれらの光学素子は気密封止パッケージする必要がある。

気密封止パッケージを作成する従来方法として、金属パッケージを用いたシーム溶接が挙げられる。シーム溶接では、十分な気密性を有したパッケージを作成することが可能であるが、光ファイバ入出力部を有した光デバイスでは、光ファイバの材質がガラスであるため、特に光ファイバ入出力部についてシーム溶接を適用することができない。従って、光ファイバ入出力部を有した光デバイスに対して、単にシーム溶接を適用することはできない。

一方、光ファイバ入出力部を有した光デバイスにおける他の気密封止法では半田封止が挙げられる。しかしパッケージ内の光半導体素子の金属配線に特別な工程が必要となることや、パッケージ内に挿入する光ファイバにメタライズド光ファイバを用いる必要があり、コーティングコストがかかるばかりか、工程が複雑になるといった問題があった。

そこで、特許文献２では、光ファイバとパッケージおよびスリット状の切り欠き部が形成された封止用金属板、金属製の蓋を低融点ガラスにより、封止することが提案されている。この提案では、光ファイバ部を保護するガラスパイプ中に光ファイバを該光ファイバの先端部がガラスパイプから外へと出るように挿通させ、ガラスパイプをパッケージに形成されたパイプ溝に、外へと出た光ファイバの先端部が切り欠き部を通るようにして配置する。次いで、封止用金属板と金属製の蓋とをシーム溶接後、上記切り欠き部に低融点ガラスを入れ、この低融点ガラスを部分加熱することにより、光ファイバ入出力部のみ低融点ガラスで気密封止を行っている。

特許第２７６３９２８号明細書 特許第２６１６６６８号明細書

さて、特許文献２に記載されている低融点ガラス封止では、金属と低融点ガラスと光ファイバの熱膨張率の違いから、光ファイバ入出力部を気密封止することができる。しかしながら特許文献２では、低融点ガラス封止を行っているのは、光ファイバ入出力部のみであり、封止用金属板においてシーム溶接も行っており、二度手間である。またガラスパイプ作製やガラスパイプを把持する部分の加工工程など複雑な工程をも必要とする。

集積化ＰＬＣを実現するには、光サブモジュールには、超小型であること、が求められる。特許文献２では、シーム溶接を用いることから、溶接部を高温にする必要があり、光半導体素子の特性に悪影響を与えない構造が必要であり、パッケージの小型化に支障がある。

さらには、半導体レーザと光ファイバの位置合わせにおいて、光ファイバ左右高さ方向の位置決めとなるものがなく、アクティブアライメントをする必要があり、量産性においても問題がある。

上述のように特許文献２では、低融点ガラスによる封止は、光ファイバの入出力部でのみ行っている。
低融点ガラスは、パッケージに使われる金属や、光ファイバと熱膨張係数が異なり、その順番は一般に、パッケージ＞低融点ガラス＞光ファイバとなる。低融点ガラスを溶融し冷却工程において外側の金属から圧縮が始まり、熱膨張係数の差異による強い圧縮力が生じる。これにより、パッケージと光ファイバとは強く密着され光デバイスの信頼性確保に十分な気密封止が行われる。このように低融点ガラスを用いた気密封止接着は熱膨張係数の差異を利用できる特殊な構造が必要であり、汎用な気密封止材として用いるのは困難であった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複雑な工程を要さず、安価で、光半導体素子用に超小型化が可能な気密封止パッケージおよび光サブモジュールを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、非透湿性を有する材料からなり、平面状である基板と、非透湿性を有する材料からなり、第１の面において、所定の領域を囲むように形成された凸部を有するキャップと、前記凸部の表面に形成された第１の酸化皮膜と、前記基板の第２の面において、前記キャップと前記基板との実装の際に、前記第１の酸化皮膜と接する領域に形成された第２の酸化皮膜とを備え、前記実装時に、前記基板と前記キャップとが低融点ガラスにより接合することにより、気密封止された空間を形成することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、非透湿性を有する材料からなり、平面状である基板と、非透湿性を有する材料からなり、第１の面において、所定の領域を囲むように形成された凸部を有するキャップと、前記キャップと前記基板との実装の際に、前記凸部を嵌めることができるように、前記基板を縁取るように形成されたトレンチとを備え、前記実装時に、前記基板と前記キャップとが低融点ガラスにより接合することにより、気密封止された空間を形成することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記低融点ガラスは、低温でガラス化する材料であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の気密封止パッケージと、前記基板の第２の面の領域であって、前記気密封止パッケージの前記空間内に位置する光半導体素子搭載部と、前記基板に形成された、前記光半導体素子搭載部から、前記空間の外側へと伸びるＶ溝と、前記Ｖ溝上に搭載された光波伝達手段と、前記光波伝達手段と光学的に結合するように前記光半導体素子搭載部に搭載された光半導体素子とを備えることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記キャップは、前記基板のＶ溝部と面対称の位置に形成された溝を有することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の発明において、前記基板は、前記基板のある端から前記光半導体搭載部を含んだ領域までの領域であって、該領域が平坦であり所定の幅を有する領域である平坦部と、前記平坦部に形成された、前記光半導体素子に電気的に接続されるメタル配線とを有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の発明において、前記光波伝達手段の、パッケージ端面および前記光半導体素子側の端面の少なくともいずれか一方は斜めにカットされていることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項４乃至７のいずれかに記載の発明において、前記光半導体素子搭載部の一部にも、前記Ｖ溝が形成されている。

請求項９記載の発明は、請求項４乃至８のいずれかに記載の発明において、前記Ｖ溝に配置された前記光波伝達手段の頂点高さが、前記基板の頂点高さより低く、前記トレンチの底面より高いことを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項４乃至９のいずれかに記載の発明において、前記Ｖ溝と前記トレンチの交差部にトレンチ方向に形成された溝をさらに備え、前記溝の底部の高さは、前記Ｖ溝と前記光波伝達部との接点よりも低い高さであることを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項４乃至１０のいずれかに記載の発明において、前記光波伝達部は、光ファイバであることを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項４乃至１０のいずれかに記載の発明において、前記光波伝達部は、光導波路であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、基板とキャップとを封止する際に、一度の加熱で気密封止を行うことができるので、複雑な工程を行わず、安価に気密封止パッケージを実現することが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態に係る、気密封止パッケージの組立て前の斜視図である。
図１（ａ）において、シリコン等の材料からなる平面矩形状の基板１１およびキャップ１４の上面には、酸化皮膜１２が形成されている。酸化皮膜１２は熱酸化法等により基板１１およびキャップ１４に形成されている。なお、本実施形態では、基板１１は、平面矩形状であるが、これに限定されず、平面形状であればいずれの形状であっても良く、気密封止パッケージが実装される光回路の設計に応じてその形状を決めればよい。

キャップ１４は、シリコン等の材料からなる下向き凹型の部品である。本明細書において、「下向き凹型」とは、キャップ１４の基板１１への実装面において、凹部を有する形状である。基板１１上の、封止すべき部材を上記凹部に含まれるようにキャップ１４を基板１１に実装することにより、上記凹部の壁面および底面によって、上記実装時に、基板上の封止すべき部材を外部から遮断することができる。すなわち、本実施形態で重要なことは、キャップ１４の実装面に凹部を形成することではなく、上記凹部の縁部分（凸部とも呼ぶ。すなわち、図１（ｂ）では、凸部１５）と縁部分に囲まれた領域（凹部の底面）とを用いて、実装時に基板１１上の封止すべき部材を封止することにある。よって、キャップ１４の実装面に凹部を形成するだけでなく、上記実装面に、所定の領域を囲むようにして凸部を形成したものも、「下向き凹型」に含まれる。なお、上記凹部の大きさは、実装時に、基板１１上の封止すべき部材を全て含むのに十分な大きさを有している。

なお、本実施形態では、凸部１５の先端の形状は、台形状であるが、この形状に限定されず、適切に基板１１の実装面と接することができる形状であればいずれの形状であっても良い。

基板１１の、上記実装時にキャップ１４の凹部１５と接する領域には、酸化皮膜１２が形成されており、該酸化皮膜１２上には、スクリーン印刷等によりパターン化された、低融点ガラス１３が配置されている。すなわち、基板１１上の、キャップ１４のとの接着部に、低温でガラス化する材料としての低融点ガラス１３が配置されている。よって、キャップ１４の、基板１１との接着部である凸部１５の表面には、酸化皮膜１２が形成されている。なお、低融点ガラス１３は、粉末状、ペースト状、プリフォーム状等のものを用いれば良い。

なお、基板１１およびキャップ１４の材料としては、上記シリコンに限らずガラスやセラミック等によって作製してもよい。また、基板１１およびキャップ１４の材料としては、非透湿性を有し、精密な加工が可能である材料によって作製することが望ましい。さらに、低融点ガラス１３は上記キャップ１４接着面にパターン化してもよい。その際は、キャップ１４上に形成された酸化皮膜１２上に低融点ガラス１３を配置すれば良い。

図１（ｂ）は、図１（ａ）のａ−ｂ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。

基板１１上へのキャップ１４の設置（実装）は、上記基板１１上面（基板１１の実装面）およびキャップ１４下面（キャップ１４の実装面）にマーカ（不図示）を作製し、画像認識等により位置を合わせ、パッシブアライメントにより行われる。マーカには基板１１やキャップ１４、低融点ガラス１３のエッジ部を利用してもよい。また基板１１上へのキャップ１４の実装は１個ずつだけではなく、複数個またはウェーハ毎の実装を行い、接着後ダイシング等により１個ずつ切り離してもよい。

基板１１にキャップ１４を設置後、適切な力でキャップ１４を押下しながら、加熱する。この加熱は、キャップ１４が設置された基板１１をホットプレート上に載せることによって行えば良い。この加熱により低融点ガラス１３は溶融し、キャップ１４の凹部内部と基板１１の上面とが気密封止される。すなわち、低融点ガラス１３により、キャップ１４と基板１１とは接着され、それと共に、基板１１の上面と、凸部１５と、キャップ１４の凸部の底面とに囲まれた領域は、気密封止される。

このような構成により、一度の加熱で気密封止パッケージが完成する。従って、複雑な工程を行わなくても、気密性の高いパッケージを実現することができるので、低コストで光半導体素子用超小型機密封止パッケージを作製することができる。

また、基板１１およびキャップ１４の表面に形成している酸化皮膜１２は自然発生的なものでないため、下地となる材料との密着性が強固であり、下地部との界面での剥離はありえない。基板１１およびキャップ１４材料がシリコンであった場合、酸化皮膜はＳｉ−Ｏ，Ｓｉ−Ｏ−Ｎａなどが広がった組成のものであるが、きわめて高い吸水性のため直ちに水和を生じて表面にＳｉ−ＯＨ基が形成される。したがってガラス表面は極性が強い。低融点ガラス１３に極性の強いものを用いた場合、強固な接着性を有するため多少熱膨張係数の差異があっても剥離が生じない。

すなわち、本実施形態では、基板１１とキャップ１４との接着界面に酸化皮膜を有しているので、表面エネルギーが高くなり、優れた接着強度を得ることができる。よって、基板とキャップとの熱膨張係数が異なる場合も、低融点ガラスのみで良好な気密封止パッケージを実現することが可能となる。

（第２の実施形態）
図２（ａ）は、本実施形態に係る、気密封止パッケージの組立て前の斜視図である。
図２（ａ）において、シリコン等の材料からなる平面矩形状の基板１１の上面には、基板１１を縁取るトレンチ２１が形成されている。このトレンチ２１は、基板１１にキャップ１４が（配置）実装されたときに、凸部１５を嵌めることができるように形成されている。このために、トレンチ２１の幅は、凸部１５の表面の幅よりも少なくとも大きく設定されている。

なお、本明細書において、「嵌める、嵌まる」とは、図１１（ａ）に示すように、凸部１５とトレンチ２１との形状が合い、凸部１５がちょうどトレンチ２１に嵌まる（嵌合する）ことを含む。また、図１１（ｂ）に示すように、凸部１５がトレンチ２１に遊びを持った状態で嵌まることも含む。さらに、図１１（ｃ）に示すように、凸部１５がトレンチ２１に嵌まりきらない場合も含む。

トレンチ２１はウェットエッチングやドライエッチングによって高精度に形成されている。トレンチ２１上には低融点ガラス１３が設置されており、低融点ガラス１３は粉末状，ペースト状，プリフォーム状等のものを接着部に配置する。またはスクリーン印刷等によりパターン化する。また低融点ガラスは上記キャップ１４接着面にパターン化してもよい。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のｃ−ｄ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。

基板１１上へのキャップ１４の設置（実装）は、上記基板１１上面（基板１１の実装面）およびキャップ１４下面（キャップ１４の実装面）にマーカ（不図示）を作製し、画像認識等により位置を合わせ、パッシブアライメントによりキャップ１４の凸部１５が上記基板１１上のトレンチ２１に嵌まるように設置する。マーカはトレンチ２１や基板１１キャップ１４、低融点ガラス１３のエッジ部を利用してもよい。また基板１１上へのキャップ１４の実装は１個ずつだけではなく、複数個またはウェーハ毎の実装を行い、接着後ダイシング等により１個ずつ切り離してもよい。

基板１１にキャップ１４を設置後、適切な力でキャップ１４を押下しながら、加熱する。この加熱は、キャップ１４が設置された基板１１をホットプレート上に載せることによって行えば良い。これにより低融点ガラス１３は溶融し、キャップ１４凹型内部が気密封止される。すなわち、低融点ガラス１３により、キャップ１４と基板１１とは接着され、それと共に、基板１１の上面と、凸部１５と、キャップ１４の凸部の底面とに囲まれた領域は、気密封止される。

このような構成により、一度の加熱で気密封止パッケージが完成する。従って、複雑な工程を行わなくても、気密性の高いパッケージを実現することができるので、低コストで光半導体素子用超小型機密封止パッケージを作製することができる。

さて、基板１１およびキャップ１４が同一素材で構成され，その素材がシリコンやセラミックであった場合，熱膨張率は基板１１＝キャップ１４＜低融点ガラス１３となる。そのため低融点ガラス１３を溶融後の冷却中に低融点ガラス１３が基板１１およびキャップ１４より早く圧縮し，キャップ１４が低融点ガラス1３に強く圧縮し接着される。一方、低融点ガラス１３と基板１１との封着部は冷却時に剥離する方向に力が働くが，基板１１と低融点ガラス１３の接着面積に比べ，基板１１とキャップ１４間は極めて薄いため剥離力より接着力が勝る。

すなわち，本実施形態では，基板１１上に形成されたトレンチ２１に凸部１５が嵌められているので，この接着部の噛み合わせ構造において，接着面積を広く取れ，さらに気密封止構造自体が超小型であることから熱膨張率の違いによる影響をあまり受けずに，低融点ガラスのみで良好な気密封止パッケージを実現することが可能となる。

（第３の実施形態）
図３（ａ）は、本実施形態に係る、気密封止パッケージされる光サブモジュールの組立て前の斜視図である。
図３（ａ）において、シリコン等の材料からなる平面矩形状の基板１１の上面には、基板１１を縁取るトレンチ２１が形成されている。トレンチ２１はウェットエッチングやドライエッチングによって高精度に形成されている。トレンチ２１上には低融点ガラス１３が設置されており、低融点ガラス１３は粉末状，ペースト状，プリフォーム状等のものを接着部に配置する。またはスパッタ等によりパターン化する。基板１１の上面中央部には光半導体素子３１が実装されており、光半導体素子３１は、基板１１の上面に形成されたメタル３２に接続されている。メタル３２は蒸着等により形成されている。

光半導体素子３１は基板１１上面に記されたマーカ（不図示）により画像認識を用いたパッシブアライメントにより実装される。基板１１の上面にはＶ溝３３が、光半導体素子３１の出射端から基板１１の端まで形成されている。Ｖ溝３３はウェットエッチングやドライエッチング等により形成される。Ｖ溝３３上には被覆を剥いた光ファイバ素線（短尺光ファイバ）３４が設置されており、光ファイバ素線３４は光半導体素子３１と光学的に接続されている。この光ファイバ素線３４は、Ｖ溝３３に配置されることにより基板１１に実装されたときに、一方の端面が光半導体素子３１に最も近づいたときの位置から、Ｖ溝３３に沿った距離であって、基板１１の端までの距離よりも短い長さである。すなわち、光ファイバ素線３４は、基板１１への実装時に、基板１１の端側の端面が、基板１１の端から飛び出ない程度の長さを有する。

キャップ１４は、シリコン等の材料からなる下向き凹型の部品である。キャップ１４の凹部には上記光半導体素子３１が入る高さと広さを有する。すなわち、封止すべき部材を収めることができる高さと広さを有する。また低融点ガラスは上記キャップ１４接着面にパターン化してもよい。キャップ１４には、基板１１のＶ溝３３と面対称の位置に溝３５を形成してもよい。この溝３５により、光ファイバ素線３４がＶ溝３３に配置された場合の光ファイバ素線３４の上面位置が、トレンチ２１の底面よりも高い場合に、凸部１５をトレンチ２１に適切に嵌め込むことが可能となる。よって、光ファイバ素線３４がＶ溝３３に配置された場合の光ファイバ素線３４の上面位置が、トレンチ２１の底面よりも低い場合は、溝３５は形成しなくても良い。
上記溝３５はウェットエッチングやドライエッチング等により形成される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のｅ−ｆ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。また、図３（ｃ）は、図３（ａ）のｇ−ｈ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。

基板１１上へのキャップ１４の設置（実装）は、上記基板１１上面（基板１１の実装面）およびキャップ１４下面（キャップ１４の実装面）にマーカ（不図示）を作製し、画像認識等により位置合わせ、パッシブアライメントによりキャップ１４の凸部１５が上記基板１１上のトレンチ２１に嵌められるように設置する。マーカにはトレンチ２１や基板１１キャップ１４、低融点ガラス１３のエッジ部を利用してもよい。また基板１１上へのキャップ１４の実装は１個ずつだけではなく、複数個またはウェーハ毎の実装を行い、接着後ダイシング等により１個ずつ切り離してもよい。

基板１１にキャップ１４を設置後、適切な力でキャップ１４を押下しながら、加熱する。この加熱は、キャップ１４が設置された基板１１をホットプレート上に載せることによって行えば良い。これにより低融点ガラス１３は溶融し、キャップ１４凹型内部が気密封止される。すなわち、低融点ガラス１３により、キャップ１４と基板１１とは接着され、それと共に、基板１１の上面と、凸部１５と、キャップ１４の凸部の底面とに囲まれた、光半導体素子３１が形成された領域は、気密封止される。

このような構成により、一度の加熱で気密パッケージされている光サブモジュールが完成する。従って、複雑な工程を行わなくても、気密性の高いパッケージを実現することができるので、低コストで光半導体素子用超小型機密封止パッケージを作製することができる。

また、光ファイバ素線３４は、基板１１のＶ溝３３の溝の２つの壁面およびキャップ１４に形成された溝３５の上面により三点支持されているため、光ファイバ素線３４の横および高さ方向の軸ずれが生じない。よって、光ファイバ素線３４のパッシブアライメントが可能であり、量産性に優れている。図３（ｃ）において、メタル３２が配線されているトレンチ２１にキャップ１４の凸部が嵌められている場合、メタル３２は非常に薄膜であり、その膨張は無視することができる。またメタル３２は蒸着等によって形成されているため、その密着性は強固である。基板１１およびキャップ１４がシリコンやセラミックであった場合、熱膨張係数は基板１１＞低融点ガラス１３となる。そのため低融点ガラス１３を溶融後の冷却中に基板１１が低融点ガラス１３より早く圧縮する。低融点ガラス１３の粘性が高く、トレンチ２１にキャップ１４の凸部を嵌めた構造では、基板１１が低融点ガラス１３および低融点ガラス１３を介してキャップ１４の凸部を圧縮するため、密着性が高い状態で接着される。

すなわち、本実施形態では、基板１１上に形成されたトレンチ２１に凸部１５を嵌合させているので、この接着部の噛み合わせ構造において、熱膨張係数の差異から生じる圧縮力を利用して高い密着性実現することができる。よって、基板とキャップとの熱膨張係数が異なる場合も、低融点ガラスのみで良好な気密封止パッケージを実現することが可能となる。

図３では、トレンチ２１は基板１１を縁取るように形成しているが、図４（ａ）に示すように、上記基板１１の一部を、平坦部４１のようにしても良い。図４（ｂ）は、図４（ａ）のｉ−ｊ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。また、図４（ｃ）は、図４（ａ）のｋ−ｌ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。

本明細書において、「平坦部」とは、基板１１のある端から光半導体素子３１が形成されている領域までの所定の幅を持った領域であって、平坦となっている領域である。よって、平坦部４１は、基板１１の底面から光半導体素子３１が実装されている部位までの高さと、基板１１の底面から平坦部４１の基板１１の端面側の領域までの高さを揃えており、トレンチ２１の底面と同じ高さである。メタル３２を平坦部４１に形成すると、メタル３２が直線的に形成でき、断線の可能性が低い信頼性の高い配線となり、好ましい。

なお、平坦部４１を形成する場合、平坦部４１にはトレンチ２１が形成されていないが、平坦部４１の、実装時に凸部１５と接触する部分には低融点ガラス１３が配置されているので、平坦部４１においても良好に気密封止を行うことができる。

なお、本実施形態において、平坦部とは、基板１１のある端から光半導体素子３１が形成されている領域までの所定の幅を持った領域が平坦であることが重要であり、平坦部における、基板１１の裏面から上面までの高さが、平坦部のいずれの部分においても一致している必要は必ずしも無い。すなわち、平坦部は、対象となる領域が平坦であれば、平坦部の、光半導体素子３１側の高さと、基板１１の端側の高さとが異なっていても良い。その場合、平坦部４１は、スロープ状になっている。

図３では、光ファイバ素線３４の基板１１側への端面を垂直としているが、図５（ａ）に示すように、斜めにした斜面部５１のようにしてもよい。図５（ｂ）は、図５（ａ）のｍ−ｎ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。斜面部５１は、完成した気密封止光サブモジュールの端面を斜めにダイシングすること等により形成する。よって、基板１１の光ファイバ素線３４側の端面と、光ファイバ素線３４の、光半導体素子３１と接続している端面ではない方の端面とは、斜面となる。このように、基板１１の、光ファイバ素線３４側の端面に斜面部５１を形成すると、気密封止光サブモジュールと端面接続するデバイスとの反射光が気密封止光サブモジュールへ入射せず、好ましい。

図３では、光ファイバ素線３４と光半導体素子３１の光学的接続点において光ファイバ素線３４を垂直としているが、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、光ファイバ素線３４の端面を斜めに加工した光ファイバ素線斜め端面６１のようにしてもよい。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のｏ−ｐ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。光ファイバ素線３４の、光半導体素子３１との接続側の端面を斜め端面として
光ファイバ素線斜め端面６１を形成すると、光半導体素子３１と光ファイバ素線３４とによる反射光が光半導体素子３１に入射せず、好ましい。

またＶ溝３３を光半導体素子３１が実装されている部位の一部にも延長した延長部位６２を形成した場合、光ファイバ素線斜め端面６１の先端部を、延長部位６２に挿入することで、光ファイバ素線３４と光半導体素子３１が近接することができ、接続損失が低下し好ましい。

なお、本明細書において、「延長部位」とは、本来、光半導体素子３１が配置される領域の一部の領域であり、延長部位６１は、Ｖ溝３３の、光半導体素子３１側の端を、上記一部の領域まで延長するようにＶ溝３３を形成することによって、形成される。よって、Ｖ溝３３を形成する際に、後に光半導体素子３１が形成される領域の一部までＶ溝３３を形成することによって、上記一部が延長部位６２となる。

なお図３では、光ファイバ素線３４をＶ溝３３上に実装した際に、光ファイバ素線３４の頂点（光ファイバ素線３４の上面）は基板１１の表面よりも高い位置に位置しているが、それに限定しない。例えば、図７（ａ）に示すように、上記頂点の位置が、トレンチ２１の底面より高く基板１１表面より低い位置に位置するように実装してもよい。この場合は、上記頂点は、基板１１の表面よりも低い位置に位置しているので、キャップ１４に溝３５を設ける必要はない。図７（ｂ）は、図７（ａ）のｑ−ｒ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。また、図７（ｃ）は、図７（ａ）のｓ−ｔ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。

図７（ｃ）から分かるように、この場合でも、光ファイバ素線３４は、基板１１のＶ溝３３の溝の２つの壁面およびキャップ１４の凸部１５の上面により三点支持されているため、光ファイバ素線３４の横および高さ方向の軸ずれが生じない。よって、光ファイバ素線３４のパッシブアライメントが可能であり、量産性に優れている。

なお図３では、メタル３２を基板１１上に配線しているが、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、光半導体素子３１の配線をキャップの裏面をつたい、キャップの表面に出るようにしてもよい。図８（ｂ）は、図８（ａ）のｕ−ｖ面の断面図であって、組立て後のパッケージの断面図である。

図８（ａ）に示すように、メタル８１をトレンチ２１の底部まで配線する。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、キャップ８２にスルーホール８３を形成し、キャップ８２の表面、裏面、およびスルーホール８３に渡ってメタル８４を配線する。メタル８１とメタル８４は半田バンプ８５によって電気的に接続され、光半導体素子３１は外部機器と信号のやり取りを行う。半田パンプ８５のリフロー温度は光半導体素子３１のリフロー温度より高く設定しておく。スルーホール８３は、ＤＲＩＥ等により形成する。

本実施形態では、トレンチを有する気密封止パッケージ内に光半導体素子を設け、さらに、Ｖ溝を形成して、該Ｖ溝から光ファイバ素線を配置することによって光サブモジュールを作製している。この気密封止パッケージとして、第１の実施形態にて説明した、酸化皮膜を用いる形態であっても、本実施形態と同様にして光サブモジュールを作製することができる。

（第４の実施形態）
図９は、本実施形態に係る、気密封止パッケージされる光サブモジュールの組立て前の斜視図において、Ｖ溝３３とトレンチ２１の交差点における基板１１の拡大図である。

本実施形態では、トレンチ２１とＶ溝３３の交差点において、トレンチ２１の平行方向に、トレンチ方向溝９１を形成している。

基板１１上にＶ溝３３を形成し、Ｖ溝３３上に光ファイバ素線３４を形成する構造では、光ファイバ素線３４の下部のＶ溝３３に低融点ガラス１３を充填するのに、光ファイバ素線３４を実装する前に低融点ガラス１３を充填させる必要がある。

本実施形態では、トレンチ２１及びトレンチ方向溝９１を形成し、トレンチ２１およびトレンチ方向溝９１上に低融点ガラス１３を配置する。次いで、Ｖ溝３３に光ファイバ素線３４を配置する。この光ファイバ素線３４上にも低融点ガラス１３を配置して、キャップ１４を実装し、加熱溶融し適切な力でキャップ１４を押下する。トレンチ２１とトレンチ方向溝９１を形成している場合、トレンチ２１が溶融した低融点ガラス１３を接着部以外への漏れを防ぐ。またキャップ実装時に行うキャップ１４を押下する適切な力を利用し、キャップ１４を介した力が溶融した低融点ガラス１３に伝わり、トレンチ方向溝９１に低融点ガラス１３が密に充填され、十分な気密性が確保される。また、トレンチ方向溝９１にあった低融点ガラス１３は、溶融により流動してＶ溝３３の底部と光ファイバ素線３４の底部との間に潜り込む。よって、低融点ガラス１３により、光ファイバ導入部であっても、十分な気密性を確保することができる。上記トレンチ方向溝９１はウェットエッチングやドライエッチング等により形成される。

本実施形態では、低融点ガラス１３の配置の仕方は、光ファイバ素線３４をＶ溝３３に配置する前に予めトレンチ方向溝９１に配置しているが、これに限定されない。例えば、Ｖ溝３３に光ファイバ素線３４を配置した後に、トレンチ２１、トレンチ方向溝９１および光ファイバ素線３４上に低融点ガラス１３を配置するようにしても良い。

なお、本実施形態では、Ｖ溝３３の底面の位置と、トレンチ方向溝９１の底面の位置とが同じになっているが、これに限定されない。本実施形態において重要なことは、トレンチ方向溝９１に配置された低融点ガラス１３を、溶融により光ファイバ素線３４の底面側とＶ溝３３の底面との間に流動させることである。よって、この流動が達成できる位置関係であれば、いずれの位置関係であっても良い。すなわち、図１０から分かるように、トレンチ方向溝９１の底部１０２の位置が、光ファイバ素線３４とＶ溝３３との接点１０１ａ、１０１ｂよりも低い位置になれば良い。このような位置関係であれば、トレンチ方向溝９１に配置された低融点ガラス１３は加熱されることにより溶融すると、トレンチ方向溝９１とＶ溝３３との交差点では、トレンチ方向溝９１に配置された低融点ガラス１３は、光ファイバ素線３４の、接点１０１ａ、１０１ｂよりも下側とＶ溝３３の底部との間に流動していく。
なお、図１０において、符号１０３は、基板１１の表面であり、符号１０４は、トレンチ２１の表面である。

（第５の実施形態）
第３および第４の実施形態では、光半導体素子３１と接続する光ファイバとして、短尺の光ファイバである、光ファイバ素線を用いることによって、所望の位置に配置可能な、単体の光サブモジュールを実現しているが、これに限定されない。例えば、光ファイバ素線の代わりに、長尺の光ファイバを用いても良い。また、別個の回路からの光ファイバを、Ｖ溝３３に配置して、気密封止パッケージするようにしても良い。

また、上述の実施形態では、光波伝達手段として光ファイバを用いているがこれに限定されない。本明細書において、「光波伝達手段」とは、導波路や光ファイバなど、光を伝達する手段を指す。

以下において、光波伝達手段として光導波路を用いる形態について説明する。
図１２（ａ）は、本実施形態に係る、気密封止パッケージされる光サブモジュールの組み立て前の斜視図である。
図１２(ａ)において、シリコン等の材料からなる平面矩形上の基板１１の上面には、基板１１を縁取るトレンチ２１が形成されている。トレンチ２１上には低融点ガラス１３が設置されており、低融点ガラス１３は粉末状、ペースト状、プリフォーム状等のものを接着部に配置する。基板１１の上面中央部には光半導体素子３１が実装されており、光半導体素子３１はメタル３２に接続されている。

光半導体素子３１は、基板１１上面に記されたマーカ(不図示)により画像認識を用いたパッシブアライメントにより実装される。基板１１の上面にはV溝３３が、光半導体素子３１の出射端から基板１１の端まで形成されている。V溝３３の中央部には反射面１２３が形成されている。反射面１２３上にはメタルや誘電体多層膜がスパッタ等により形成されている。

図１３は、本実施形態に係る、キャップ１４の裏面斜視図である。
図１３において、キャップ１４は、シリコン等の材料からなる下向き凹型の部品である。キャップ１４の凹部には上記光半導体素子３１が入る高さと広さとを有する。すなわち、封止すべき部材を収めることができる高さと広さを有する。キャップ１４の中央部からキャップ１４の端まで光導波路１２１が形成されている。光導波路１２１は、キャップ１４を基板１１に実装した際に、反射面１２１を介して光導波路１２１と光半導体素子３１とが光学的に接続する位置に光導波路１２１の端面が位置するように、キャップ１４の中央部側端面まで形成される。すなわち、光導波路１２１は、キャップ１４上に形成された支持部１２２および凸部１５上に形成されることになる。凹部を形成する際に、光導波路１２１を形成するため光導波路１２１下部のキャップ１４はエッチング等による加工はされない。この加工されない部分が支持部１２２となる。光導波路１２１はＦＨＤやＣＶＤ等により作製される。また低融点ガラス１３は上記キャップ１４接着面にパターン化してもよい。

なお、本実施形態では、凹部を形成する際に、凹部内の、光導波路１２１を形成すべき領域にエッチングを行わないことによって支持部１２２を形成しているが、これに限定されない。例えば、凹部を形成した後に、凹部内の、光導波路１２１が形成されるべき領域に改めて支持部１２２を形成しても良い。

図１２(ｂ)は、図１２(ａ)のｗ−ｘ面の断面図であって、組み立て後のパッケージの断面図である。また、図１２(ｃ)は、図１２(ａ)のｙ−ｚ面の断面図であって、組み立て後のパッケージの断面図である。
基板１１上へのキャップ１４の設置（実装）は、上記基板１１上面（基板１１の実装面）およびキャップ1１４下面（キャップ１４の実装面）にマーカ(不図示)を作製し、画像認識等により位置を合わせ、パッシブアライメントによりキャップ１４の凸部１５が上記基板１１上のトレンチ２１に、またキャップ１４の光導波路１２１が上記基板１１上のV溝３３に嵌められるように設置する。マーカにはトレンチ２１や基板１１、キャップ１４、低融点ガラス１３のエッジ部を利用してもよい。また基板１１上へのキャップ１４の実装は1個ずつだけではなく、複数個またはウェーハ毎の実装を行い、接着後ダイシング等により1個ずつ切り離してもよい。

基板１１にキャップ１４を設置後、適切な力でキャップ１４を押下しながら、加熱する。この加熱は、キャップ１４が設置された基板１１をホットプレート上に載せることによって行えば良い。これにより低融点ガラス１３により、キャップ１４と基板１１とは接着され、光半導体素子３１が形成された領域は、気密封止される。

このような構成により、一度の加熱で気密封止パッケージされている光サブモジュールが完成する。光導波路と反射面を別工程で作製しているため、基板とキャップの実装と同時に跳ね上げミラー機能を実現できる。また光ファイバ素線３４を実装する工程を省くことができる。従って、複雑な工程を行わなくても、気密性の高い、表面実装用光半導体素子に適したパッケージを実現することができる。

図１２（ａ）〜（ｃ）では、光導波路１２１をキャップ１４上に形成しているが、図１４（ａ）に示すように、光導波路１４１を基板１１上に形成してもよい。この場合は基板１１上にV溝３３および反射面１２３を形成する必要はない。図１４(ｂ)は、図１４(ｂ)のＡ−Ｂ面の断面図であって、組み立て後のパッケージの断面図である。

このように光導波路を基板１１上に形成すると、光ファイバ素線３４を実装するよりも精度良く光半導体素子３１と光軸を合わせることができ、接続損失が低下し好ましい。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のａ−ｂ面での断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のｃ−ｄ面での断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージされる光モジュールの斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）のａ−ｆ面，ｇ−ｈ面での断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージされる光モジュールの斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）のｉ−ｊ面，ｋ−ｌ面での断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージされる光モジュールの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のｍ−ｎ面での断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージされる光モジュールの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のｏ−ｐ面での断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージされる光モジュールの斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）のｑ−ｒ面，ｓ−ｔ面での断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージされる光モジュールの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のｕ−ｖ面での断面図である。 本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージされる光サブモジュールの組立て前の斜視図において、Ｖ溝３３とトレンチ２１の交差点における基板１１の拡大図である。 本発明の一実施形態に係る、トレンチ方向溝９１の底面の位置関係を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る、凸部をトレンチに嵌める形態を説明する図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージされる光モジュールの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のｗ−ｘ面での断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のｙ−ｚ面での断面図である。 本発明の一実施形態に係る、キャップの裏面斜視図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、気密封止パッケージされる光モジュールの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ｂ面での断面図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ 酸化皮膜
１３ 低融点ガラス
１４ キャップ
１５ 凸部
２１ トレンチ
３１ 光半導体素子
３２ メタル
３３ Ｖ溝
３４ 光ファイバ素線

Claims (9)

1. 非透湿性を有する材料からなり、平面状である基板と、非透湿性を有する材料からなり、第１の面において、所定の領域を囲むように形成された凸部を有するキャップと、前記キャップと前記基板との実装の際に、前記凸部を嵌めることができるように、前記基板を縁取るように形成されたトレンチと、前記トレンチ上に設けられた低融点ガラスとを有し、前記実装時に、前記基板と前記キャップとを低融点ガラスを介して嵌め合わせ、該キャップを該基板に向けて押下しながら加熱して前記低融点ガラスを溶融後、冷却することにより、前記基板と前記キャップとの間に気密封止された空間を形成する気密封止パッケージと、
   前記基板の第２の面の領域であって、前記気密封止パッケージの前記空間内に位置する光半導体素子搭載部と、
   前記基板に形成された、前記光半導体素子搭載部から、前記空間の外側へと伸びるＶ溝と、
   前記Ｖ溝上に搭載された光波伝達手段と、
   前記光波伝達手段と光学的に結合するように前記光半導体素子搭載部に搭載された光半導体素子と
   前記Ｖ溝と前記トレンチの交差部にトレンチ方向に形成された溝を備え、
   前記溝の底部の高さは、前記Ｖ溝と前記光波伝達部との接点よりも低い高さであることを特徴とする光サブモジュール。
2. 前記低融点ガラスは、低温でガラス化する材料であることを特徴とする請求項１記載の光サブモジュール。
3. 前記キャップは、
   前記基板のＶ溝部と面対称の位置に形成された溝を有することを特徴とする請求項１または２記載の光サブモジュール。
4. 前記基板は、
   前記基板のある端から前記光半導体搭載部を含んだ領域までの領域であって、該領域が平坦であり所定の幅を有する領域である平坦部と、
   前記平坦部に形成された、前記光半導体素子に電気的に接続されるメタル配線と
   を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光サブモジュール。
5. 前記光波伝達手段の、パッケージ端面および前記光半導体素子側の端面の少なくともいずれか一方は斜めにカットされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光サブモジュール。
6. 前記光半導体素子搭載部の一部にも、前記Ｖ 溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光サブモジュール。
7. 前記Ｖ溝に配置された前記光波伝達手段の頂点高さが、前記基板の頂点高さより低く、前記トレンチの底面より高いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光サブモジュール。
8. 前記光波伝達部は、光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光サブモジュール。
9. 前記光波伝達部は、光導波路であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光サブモジュール。

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