JP4907002B2

JP4907002B2 - 気密封止型半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4907002B2
Application number: JP2000370138A
Authority: JP
Inventors: 清昭津村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: JP2002169066A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ発光素子としてのレーザダイオード（以下、ＬＤと称する）や受光素子としてのフォトダイオード（以下、ＰＤと称する）等の光半導体素子と周辺素子を混載した表面実装キャリアをキャンパッケージと同等の高さ寸法にしつつ、気密を保持した気密封止型半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来の気密封止型半導体装置として球レンズ付きキャンパッケージを示す構成図であって、図９（ａ）はその断面図、図９（ｂ）はその上面図である。
図において、３はＬＤ、３ａはＬＤサブマウント、４はＰＤ、４ａはＰＤサブマウント、１０は球レンズ、１１はブロック、１２ａはキャップシェル、１２ｂはリード、１２ｃはステムベースで、リードは低融点ガラスでステムベースに絶縁固定されて、ハーメチック金属ステムを形成している。なお、図９（ｂ）の上面図では、ＬＤ３、ＬＤサブマウント、３ａも見えるはずであるが、ここでは図示していない。
【０００３】
また、図１０は、従来の気密封止型半導体装置としてＯＳＡ（Optical Sub Assembly）付きキャンパッケージを示す断面図である。なお、図１０において、図９と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図において、１２ｄはＯＳＡキャップ、１３はファイバ、１４はファイバフェルールである。
【０００４】
また、図１１は、従来の気密封止型半導体装置として表面実装型パッケージを用いた送信レーザパッケージを示す構成図であって、図１１（ａ）はその上面図、図１１（ｂ）はその断面図である。なお、図１１において、図９と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図において、１ａはキャリア、９ａはモジュールパッケージ、１５はサーミスタ、１６はペルチェクーラ、９１ａはレンズホールダ、９１ｂは光アイソレータである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の気密封止型半導体装置は上記のような構造であるので、以下のような問題点があった。
まず、従来は、図９又は図１０に示す５．６ｍｍ直径のハーメチック金属ステム（キャンパッケージ）にＬＤとＰＤを実装後、球レンズ付きキャップシェルを溶接したキャンパッケージ、または、図１１に示すＣｕＷ等を下地キャリアにして、セラミック等のサブマウント上にＬＤやＰＤ等の光半導体素子とサーミスタ等の周辺素子を混載したＲＦキャリアの表面実装キャリアにレンズを設置して、メタルパッケージ（モジュールパッケージ）に収納して上部フタを溶接封止した構造である。
【０００６】
しかし、キャンパッケージでは、信号の高速伝送化を図るためにはキャップ内部に収納できる部材点数と寸法値に制約が生じ、更に小型化、薄型化の傾向に反する構造である。また、レーザパッケージ内部には、表面実装キャリアをメタルパッケージに収納するため高価となる。
更に、特開２０００−１３１５６８号公報に示されている半導体装置では、レンズホールダと光ファイバの部分が溶接で固定されているので、熱等によりその光軸位置ずれが発生するという欠点がある。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであって、伝送速度１０Ｇｂｐｓ以上のＬＤとＰＤを気密封止し、小型、薄型のパッケージを実現し、電磁シールド効果を実現することができ、高速伝送対応の小型、薄型の気密封止型半導体装置を、安価に大量に生産できる気密封止型半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る気密封止型半導体装置の製造方法は、
上部フタを下地キャリアと同一材料にして使用し、
前記下地キャリアを前面隔壁、後面隔壁および側隔壁と一体になった構造となし、
前記前面隔壁、前記後面隔壁および前記側隔壁で囲まれたキャビティ内に、前記前面隔壁の側を向いて光半導体素子が光送信または／および光受信をするように当該光半導体素子と周辺素子を搭載したサブキャリアを設置し、
前記前面隔壁における前記光半導体素子の前記光送信または／および光受信をする先端部と対面する位置に、前記前面隔壁で支持されるようにまたは当該前面隔壁および他の部材で支持されるように、レンズまたは光ファイバを配置する気密封止型半導体装置の製造方法であって、
前記気密封止型半導体装置の内部における前記光半導体素子と前記レンズまたは前記光ファイバとの間の位置精度を確保できる程度の精度を有する、位置の認識のためのシステムおよび部材の搭載のための装置を用いて、前記レンズまたは前記光ファイバに対する前記光半導体素子の位置精度を確保し、全ての搭載部材をワイヤボンド完了後、前記下地キャリアの上部全面に前記上部フタを溶接して前記キャビティを気密封止し、前記上部フタと溶接された前記下地キャリアの前記上部全面の縁に沿って前記上部フタと前記下地キャリアとの溶接部分が残るように、前記各隔壁を当該各隔壁の平面方向に沿ってダイサー刃により所定の厚さに切断して、個別パッケージに仕上げるものである。
【０００９】
請求項２の発明に係る気密封止型半導体装置の製造方法は、請求項１の発明において、
前記下地キャリアおよび前記側面隔壁は、前記前面隔壁の位置から前記キャビティの外側に延出した部分である第１延出部分を有し、
前記上部フタは、前記第１延出部分に重なるように前記前面隔壁の位置から前記キャビティの前記外側に延出した部分である第２延出部分を有し、
前記下地キャリアの上部全面への前記上部フタの溶接により、前記第１延出部分と前記第２延出部分とが第２のキャビティを形成し、
前記個別パッケージにした後、前記第２のキャビティ内に光ファイバを入れたファイバフェルールを取り付けＯＳＡとするものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態を、図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１および図２は、この発明の実施の形態１の一例として球レンズ付き送信レーザパッケージを示すもので、図１はその断面図、図２はその上面図である。なお、図１および図２において、図９〜図１１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図１および図２において、１は下地キャリア、２は下地キャリア１に搭載され、この下地キャリア１と共にキャリア部を構成するサブキャリア、５はＬＤドライバチップ、６はチップコンデンサである。サブキャリア２上には、ＬＤ３と、その後ろ発光端面の後方に配置され、ＬＤ３の後面発光が入射されるモニタ用の受光素子としてのＰＤ４と、周辺素子としてのＬＤドライバチップ５、チップコンデンサ６およびサーミスタ１５とが搭載され、サブキャリア２上の配線パターンに金線がワイヤボンドされる（図示せず）。
【００３０】
また、７ａはアルミナ等の絶縁板、８ａはサブキャリア２上の配線パターンと接続された信号電極としてのパッケージ電極、１１ａは低融点ガラス、１１ｂは低融点ガラス等の絶縁物質、１２は上部フタとしての金属フタである。９１，９２はサブキャリア２の前後にそれぞれ設けられた前面隔壁、後面隔壁、９３はサブキャリア２の側面に設けられた側隔壁である。前面隔壁９１には、球レンズ１０がＬＤ３の発光面に対向するように低融点ガラス１１ａで固定され、後面隔壁９２には、絶縁板７ａにパターン化されたパッケージ電極８ａがサブキャリア２に対して水平方向に低融点ガラス等の絶縁物質１１ｂで固定されている。最後に金属フタ１２を溶接して気密封止する。
【００３１】
下地キャリア１および金属フタ１２の材料はＣｕＷ、ＣｕＷＮｉ、ＦｅＮｉＷ、ＣｕＷＮｉＭｏ等の低熱膨張、高熱伝導材料で、サブキャリア２の材料は窒化アルミ、アルミナ、Ｓｉである。
なお、図１において、球レンズ１０の先端には中心にファイバ１３を入れたファイバフェルール１４を固定したＯＳＡで構成したものもある。また、ＬＤ３の発光面の先端に設けられた球レンズ１０と、この球レンズ１０を通過したＬＤ３からの光を外部に導くファイバ１３は光伝送手段を構成する。また、本実施の形態で用いられるＬＤとＰＤ等は、特に高速伝送対応の例えば伝送速度１０Ｇｂｐｓ以上のものである。
【００３２】
次に、動作について説明する。
まず、サブキャリア２上に搭載されたＬＤ３はレンズ方向に前面発光したレーザ光がファイバ１３に入射され、後面発光はＰＤ４に入射され電流値（Ｉｍ）をモニタする。ＬＤドライバチップ５やサーミスタ１５ヘの給電、信号のやり取りはパッケージ電極８ａへのワイヤボンド結線及びサブキャリア２上のパターン配線若しくはワイヤボンド結線（図示せず）で伝送される。
【００３３】
次に、その製造方法について、図３を参照して説明する。
下地キャリア１は前面隔壁９１、後面隔壁９２および側隔壁９３と一体になった構造で、前面隔壁９１と後面隔壁９２と側隔壁９３で囲まれたキャビティ１６ａに、組立てたサブキャリア２を搭載する。この時、図示しない高精度の認識システムと搭載装置を用いて、球レンズ１０に対するＬＤ３の位置精度を確保する。全ての搭載部材をワイヤボンド完了後、上部全面に金属フタ１２を溶接し、隔壁をダイサー刃により図３に一点鎖線で示すラインで隔壁を切断して個別パッケージに仕上げる。個別パッケージにした後、球レンズ１０の先端のキャビティ１６ｂに、中心にファイバ１３を入れたファイバフェルール１４を取り付けＯＳＡとする。
【００３４】
このように、本実施の形態では、ＬＤとＰＤを同一のキャリア上に搭載して、ＬＤ発光面の先端に球レンズを設けて、球レンズ上部に金属フタをするので、従来の送信レーザパッケージと同等の機能と品質を保証しながら、伝送速度１０Ｇｂｐｓ以上のＬＤとＰＤを気密封止した小型、薄型のパッケージを安価に大量に生産できる。
【００３５】
また、本実施の形態による送信レーザパッケージ、または同等の構成を持つ受信パッケージを複数個隣接設置しても、電磁シールド効果によりクロストーク雑音を極小に抑えることができる。さらに、パッケージはキャビティ構造をなし、球レンズとファイバは実質的に一体化されて固定されるので、光軸位置ずれが発生することはない。
【００３６】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２を示す断面図である。なお、図４において、図１および図２と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図において、７ｂはセラミック等の絶縁体、８ｂは信号電極としてのパッケージ電極、１１ｃは低融点ガラス等の絶縁物質、１７は導電体を充填したスルーホールであって、このスルーホール１７を介して、ＬＤ３、ＰＤ４およびＬＤドライバチップ５等の周辺素子と絶縁体７ｂに設けられた配線（図示せず）が接続される。その他の構成は、図１の場合と同様である。
【００３７】
次に、その製造方法について説明する。
キャビティ１６ａに組立てたサブキャリア２を搭載し、球レンズ１０に対するＬＤ３の位置精度を確保し、全ての搭載部材をワイヤボンド完了後、上部全面に金属フタ１２を溶接する等の製造工程は上記実施の形態１とほぼ同様であるが、本実施の形態では、特に、サブキャリア２の下に絶縁体７ｂを搭載後、パッケージ電極８ｂの周囲を絶縁物質１１ｃで固定し、これをサブキャリア２に対して垂直方向に下地キャリア１に設置する。
【００３８】
このように、本実施の形態でも、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、さらに、本実施の形態では、下地キャリアに垂直方向にパッケージ電極を低融点ガラスで封止したので、信号を実質的に下地キャリアに対して垂直方向に取り出すことができ、高密度実装が可能になる。なお、パッケージ電極の封止のために低融点ガラスの代わりに樹脂を用いてもよい。
【００３９】
実施の形態３．
図５および図６は、この発明の実施の形態３の一例として先球ファイバ型送信レーザパッケージを示すもので、図５はその断面図、図６はその上面図である。なお、図５および図６において、図１および図２と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図において、１３Ａは先端を球状にした光伝送手段としての先球ファイバである。
本実施の形態では、上記実施の形態１で用いた球レンズ１０およびファイバ１３の代わりに先球ファイバ１３Ａを用い、これをＬＤ３の発光端面に配置する。この先球ファイバ１３Ａは、そのファイバ部分がファイバフェルール１４の中心を通され、外部に引き出されて、ＬＤ３からの光を外部に導く。そして、ファイバフェルール１４は前面隔壁９１に低融点ガラス１１ａで固定される。その他の構成は、図１の場合と同様である。
【００４０】
このように、本実施の形態でも、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、さらに、本実施の形態では、ＬＤ発光面の先端に先球ファイバを設置し、実質的に内部キャリアとの隔壁を通じて外部ヘファイバを引き出すようにしたので、結合効率が向上し、信号伝送の信頼性を向上できる。
【００４１】
実施の形態４．
図７および図８は、この発明の実施の形態４の一例としてＳｉプラットフォームのＶ溝にファイバを配置した送信レーザパッケージを示すもので、図７はその断面図、図８はその上面図である。なお、図７および図８において、図１および図２と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図において、２ａはＳｉプラットフォームである。このＳｉプラットフォーム２ａ上には、上述のサブキャリア２と同様にＬＤ３とその後ろ発光端面の後方に配置されたＰＤ４、周辺素子としてＬＤドライバチップ５、チップコンデンサ６、サーミスタ１５が搭載され、Ｓｉプラットフォーム２ａ上の配線パターンに金線がワイヤボンドされる（図示せず）。
【００４２】
そして、ＬＤ３先端のＳｉプラットフォーム２ａ上にＶ溝１８が設けられ、このＶ溝１８に光伝送手段としてのファイバ１３の先端が固定される。ファイバ１３はファイバフェルール１４の中心を通され、外部に引き出されてＬＤ３からの光を外部に導く。また、ファイバフェルール１４が前面隔壁９１に低融点ガラス１１ａで固定される。その他の構成は、図１の場合と同様である。
【００４３】
このように、本実施の形態でも、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、さらに、本実施の形態では、サブキャリアとしてＳｉプラットフォームを用いたので、微細加工が可能になる。
【００４４】
実施の形態５．
なお、上記実施の形態１〜４では、送信側の気密封止型半導体装置を前提に、サブキャリア２やＳｉプラットフォーム２ａに搭載される光半導体素子としてはＬＤ３とＰＤ４の場合について説明したが、受信側の気密封止型半導体装置を前提に、サブキャリア２やＳｉプラットフォーム２ａに搭載される光半導体素子として送信側のＬＤ３からの前面発光が入射される信号伝送用の受光素子としてのＰＤを用いる場合にも同様に適用でき、同様の効果を奏する。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、
上部フタを下地キャリアと同一材料にして使用し、
前記下地キャリアを前面隔壁、後面隔壁および側隔壁と一体になった構造となし、
前記前面隔壁、前記後面隔壁および前記側隔壁で囲まれたキャビティ内に、前記前面隔壁の側を向いて光半導体素子が光送信または／および光受信をするように当該光半導体素子と周辺素子を搭載したサブキャリアを設置し、
前記前面隔壁における前記光半導体素子の前記光送信または／および光受信をする先端部と対面する位置に、前記前面隔壁で支持されるようにまたは当該前面隔壁および他の部材で支持されるように、レンズまたは光ファイバを配置する気密封止型半導体装置の製造方法であって、
前記気密封止型半導体装置の内部における前記光半導体素子と前記レンズまたは前記光ファイバとの間の位置精度を確保できる程度の精度を有する、位置の認識のためのシステムおよび部材の搭載のための装置を用いて、前記レンズまたは前記光ファイバに対する前記光半導体素子の位置精度を確保し、全ての搭載部材をワイヤボンド完了後、前記下地キャリアの上部全面に前記上部フタを溶接して前記キャビティを気密封止し、前記上部フタと溶接された前記下地キャリアの前記上部全面の縁に沿って前記上部フタと前記下地キャリアとの溶接部分が残るように、前記各隔壁を当該各隔壁の平面方向に沿ってダイサー刃により所定の厚さに切断して、個別パッケージに仕上げるので、高速伝送対応の小型、薄型で安価な気密封止型半導体装置の大量生産に寄与できるという効果がある。
【００４６】
請求項２の発明によれば、
前記下地キャリアおよび前記側面隔壁は、前記前面隔壁の位置から前記キャビティの外側に延出した部分である第１延出部分を有し、
前記上部フタは、前記第１延出部分に重なるように前記前面隔壁の位置から前記キャビティの前記外側に延出した部分である第２延出部分を有し、
前記下地キャリアの上部全面への前記上部フタの溶接により、前記第１延出部分と前記第２延出部分とが第２のキャビティを形成し、
前記個別パッケージにした後、前記第２のキャビティ内に光ファイバを入れたファイバフェルールを取り付けＯＳＡとするので、容易にＯＳＡ付きの気密封止型半導体装置が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す上面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における製造方法を説明するための断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３を示す上面図である。
【図７】この発明の実施の形態４を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態４を示す上面図である。
【図９】従来の球レンズ付きキャンパッケージを示す構成図であって、図９（ａ）はその断面図、図９（ｂ）はその上面図である。
【図１０】従来のＯＳＡ付きキャンパッケージを示す断面図である。
【図１１】従来の送信レーザパッケージを示す構成図であって、図１１（ａ）はその上面図、図１１（ｂ）はその断面図である。
【符号の説明】
１下地キャリア、２サブキャリア、２ａＳｉプラットホーム、３レーザダイオード（ＬＤ）、４フォトダイオード（ＰＤ）、５ＬＤドライバチップ、６チップコンデンサ、７ａ，７ｂ絶縁板、８ａ，８ｂパッケージ電極、１０球レンズ、１１ａ低融点ガラス、１１ｂ絶縁物質、１２金属フタ、１３ファイバ、１３Ａ先球ファイバ、１４ファイバフェルール、１６ａ，１６ｂキャビティ、１８Ｖ溝、９１前面隔壁、９２後面隔壁、９３側隔壁。

Claims

上部フタを下地キャリアと同一材料にして使用し、
前記下地キャリアを前面隔壁、後面隔壁および側隔壁と一体になった構造となし、
前記前面隔壁、前記後面隔壁および前記側隔壁で囲まれたキャビティ内に、前記前面隔壁の側を向いて光半導体素子が光送信または／および光受信をするように当該光半導体素子と周辺素子を搭載したサブキャリアを設置し、
前記前面隔壁における前記光半導体素子の前記光送信または／および光受信をする先端部と対面する位置に、前記前面隔壁で支持されるようにまたは当該前面隔壁および他の部材で支持されるように、レンズまたは光ファイバを配置する気密封止型半導体装置の製造方法であって、
前記気密封止型半導体装置の内部における前記光半導体素子と前記レンズまたは前記光ファイバとの間の位置精度を確保できる程度の精度を有する、位置の認識のためのシステムおよび部材の搭載のための装置を用いて、前記レンズまたは前記光ファイバに対する前記光半導体素子の位置精度を確保し、全ての搭載部材をワイヤボンド完了後、前記下地キャリアの上部全面に前記上部フタを溶接して前記キャビティを気密封止し、前記上部フタと溶接された前記下地キャリアの前記上部全面の縁に沿って前記上部フタと前記下地キャリアとの溶接部分が残るように、前記各隔壁を当該各隔壁の平面方向に沿ってダイサー刃により所定の厚さに切断して、個別パッケージに仕上げることを特徴とする気密封止型半導体装置の製造方法。
前記下地キャリアおよび前記側面隔壁は、前記前面隔壁の位置から前記キャビティの外側に延出した部分である第１延出部分を有し、
前記上部フタは、前記第１延出部分に重なるように前記前面隔壁の位置から前記キャビティの前記外側に延出した部分である第２延出部分を有し、
前記下地キャリアの上部全面への前記上部フタの溶接により、前記第１延出部分と前記第２延出部分とが第２のキャビティを形成し、
前記個別パッケージにした後、前記第２のキャビティ内に光ファイバを入れたファイバフェルールを取り付けＯＳＡとすることを特徴とする請求項１記載の気密封止型半導体装置の製造方法。