JP4931438B2 - 光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信等に用いられ、光半導体素子を収納するための光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置に関し、より詳細には光信号の授受を行なう透光性部材の取着方法が改善された光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置に関する。

従来の光通信分野等で用いられ高い周波数で作動する半導体レーザー（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を気密封止して収容するための光半導体素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）の例を図２に示す。

図２のパッケージは、上面にＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子２８が載置される載置部２１ａを有する四角形の板状体である基体２１と、載置部２１ａを囲繞するようにして基体２１上にロウ材等の接合材を介して取着され、光信号の授受を行なうための貫通孔２２ａを有する枠体２２と、枠体２２の上面に接合されて光半導体素子２８を気密封止する蓋体２３とから主に構成されている。

また、枠体２２の側部には、筒状部２５ａを有し筒状部２５ａが枠体２２の貫通孔２２ａに嵌入接合されるとともに、筒状部２５ａの底面を気密に塞ぐように透光性部材２４が接合された固定部材２５が設けられている。

さらに、固定部材２５の外側面には光ファイバ２６のフランジ２７をレーザー溶接法等の溶接法によって溶接するための溶接面が形成された環状部材３０が設けられている。

そして、基体２１の載置部２１ａに回路基板等を搭載した基台２９を介して光半導体素子２８を接着固定すると共に、光半導体素子２８の各電極をパッケージ内外を挿通するように設けられた入出力端子（図示せず）にボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して電気的に接続し、次に、枠体２２の上面に蓋体２３を取着することによって、基体２１と枠体２２と蓋体２３とから成る容器内部に光半導体素子２８を収容し、最後に、環状部材３０に、光ファイバ２６の端部に取着されたフランジ２７をレーザー溶接法等の溶接法によって接合させ、光ファイバ２６を枠体２２に固定することによって、製品としての光半導体装置となる（例えば、下記の特許文献１参照）。
特開平５−308142号公報

しかしながら、上記従来のパッケージにおいては、環状部材３０の枠体２２外側の一端にフランジ２７を溶接するときに発生する熱応力が固定部材２５に伝わって透光性部材２４に加わり、透光性部材２４にクラックが発生するという問題点があった。この結果、透光性部材２４の透光性が低下し光信号を良好に伝送させることができなくなるとともに、パッケージの気密性が損なわれるという問題点を有していた。

従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、透光性部材にクラックが発生するのを防止して、光半導体素子収納用パッケージの内部に収容する光半導体素子を気密に収容し、光半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ、また光信号を良好に授受させ得る光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置を提供することにある。

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設けられた枠体と、前記貫通孔の前記枠体内側開口部に接合された環状の固定部材と、該固定部材に取着された透光性部材と、前記貫通孔の前記枠体外側開口部に接合され、光ファイバの端部に取り付けられたフランジが溶接される金属製の環状部材とを備え、前記固定部材が、前記枠体の接合部と前記透光性部材の取着部との間に、前記取着部が前記貫通孔の内側に入り込むように湾曲した湾曲部を有し、前記透光性部材が、前記貫通孔の内側において前記固定部材に取着されていることを特徴とする。

本発明の光半導体装置は、上記構成の光半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置された光半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体と、前記環状部材に前記フランジを介して接合された光ファイバとを具備していることを特徴とする。

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基体の上面に載置部を囲繞するように設けられた枠体と、貫通孔の枠体内側開口部に接合された環状の固定部材と、固定部材に取着された透光性部材と、貫通孔の枠体外側開口部に接合され、光ファイバの端部に取り付けられたフランジが溶接される金属製の環状部材とから成ることから、環状部材と固定部材との間に枠体が介在される構造となる。この構造により、環状部材にフランジをレーザー溶接により接合する際、発生する熱および環状部材に発生する熱歪は広面積の枠体で拡散される。その結果、環状部材の熱歪が伝わって透光性部材にクラック等の破損が生ずるのを防止することができる。そして、透光性部材の透光性を良好に保持して光信号を効率よく伝送させることができるとともに、光半導体素子収納用パッケージの気密信頼性を向上させることができる。さらに、固定部材が、枠体の接合部と透光性部材の取着部との間に、取着部が貫通孔の内側に入り込むように湾曲した湾曲部を有し、透光性部材が、貫通孔の内側において固定部材に取着されている。これによって、枠体の内側の容積を確保することができる。

本発明の光半導体装置は、上記構成の光半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置された光半導体素子と、枠体の上面に取着された蓋体と、環状部材にフランジを介して接合された光ファイバとを具備していることから、上記本発明の光半導体素子収納用パッケージを用いた気密信頼性が高いとともに光伝送効率に優れたものとなる。

本発明の光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置について以下に詳細に説明する。図１（ａ）は本発明のパッケージの実施の形態の一例を示す断面図、図１（ｂ）は本発明のパッケージの実施の形態の他の例を示す断面図であり、１は基体、２は枠体、４は透光性部材、５は固定部材、６は光ファイバ、７はフランジ、８は光半導体素子、10は環状部材を示す。

本発明のパッケージは、上側主面に光半導体素子８を載置するための載置部１ａを有する基体１と、この基体１の上側主面の外周部に載置部１ａを囲繞するように設けられ、側部に貫通孔２ａを有する枠体２と、貫通孔２ａの枠体２内側開口部に接合された環状で薄板状の固定部材５と、固定部材５に取着された透光性部材４と、貫通孔２ａの枠体２外側開口部に接合され、光ファイバ６の端部に取り付けられたフランジ７が接合されるステンレス鋼等の金属から成る環状部材１０とから成る。

本発明の基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＣｕ−Ｗ合金等の金属、もしくは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質焼結体等のセラミックスから成る平面視形状が四角形状等の平板状のものである。基体１が金属から成る場合、そのインゴット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すことによって所定形状に製作される。

また、基体１が例えばＡｌ_２Ｏ_３質焼結体から成る場合以下のようにして作製される。Ａｌ_２Ｏ_３，酸化珪素（ＳｉＯ_２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。これを従来周知のドクターブレード法でシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得る。しかる後、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、還元雰囲気中で約1600℃の温度で焼成することによって製作される。

基体１の上側主面には、ＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子８が載置される載置部１ａが形成されており、載置部１ａには光半導体素子８が回路基板やサブキャリア等の載置用基台９を介して載置されている。

また、基体１の上側主面の外周部には、光信号の入出力部となる貫通孔２ａを一側部に有する枠体２が載置部１ａを囲繞するようにして立設されている。この枠体２は、基体１とともにその内側（内部空間）に光半導体素子８を収容する空所を形成する。枠体２は平面視形状が四角形状等の枠状体であり、基体１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＣｕ−Ｗ合金等の金属、もしくはＡｌ_２Ｏ_３質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２質焼結体等のセラミックスから成り、基体１と一体成形されるか、または基体１にＡｇロウ等のロウ材でロウ付けされるか、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されるかすることによって、基体１の上側主面の外周部に立設される。

枠体２の側部には貫通孔２ａが形成されており、この貫通孔２ａの枠体２の内面側の開口部に透光性部材４が取着された固定部材５を枠体２の内面の貫通孔２ａの開口周囲に当接させて金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）半田、鉛（Ｐｂ）−Ｓｎ半田等の低融点のロウ材やガラス等の接着剤による接合やレーザー溶接やスポット溶接等の溶接法によって接合されている。なお、固定部材５は貫通孔２ａの内周面に接合されてもよい。

また、貫通孔２ａの枠体２の外面側の開口部には、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等から成る環状部材１０がＡｇロウ，Ａｕ−Ｓｎ半田，Ｐｂ−Ｓｎ半田等のロウ材によって貫通孔２ａの開口周囲に接合されている。そして、この環状部材１０の枠体２の外面に接合される端面と反対側の端面にはフランジ７を介して光ファイバ６が接合される。フランジ７は、ＳＵＳ，鉄（Ｆｅ），アルミニウム等の金属から成り、光ファイバ６の一端部が中央部の貫通孔に挿通されてフェルール（図示せず）等を介して固定されたものである。また、環状部材１０は、貫通孔２ａの内周面に接合されてもよい。

このような環状部材１０は、ＳＵＳ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の鉄系合金、アルミニウムおよびその合金等から成る環状のものであり、金属のインゴット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すことによって所定形状に製作される。特に、ＳＵＳは、レーザー溶接性に優れるため、環状部材１０として好適である。

環状部材１０がこのように構成されていることにより、環状部材１０の枠体２外側の端面にフランジ７を接合するときに発生する熱応力が、環状部材１０のフランジ７側が適度に変形することによって低減される。また、環状部材１０にフランジ７を接合する際、環状部材１０に熱が加わるが、本発明のパッケージにおいては、固定部材５と環状部材１０との間に広面積の枠体２を介在させているので、枠体２で熱を拡散し、固定部材５側へ伝わる熱を少なくすることができる。また、環状部材１０が熱膨張しても、広面積の枠体２によって固定部材５へ伝わる応力が小さくなる。従って、透光性部材４に加わる熱応力を抑制することができ、透光性部材４にクラックが発生するのを抑制できる。その結果、透光性部材４の透光性が良好に維持されて、光半導体素子８と光ファイバ６との光結合効率が維持されることによって、光信号を効率よく伝送させ得るパッケージとすることができる。また、透光性部材４にクラックが発生することによってパッケージの気密性が損なわれることがない。

また環状部材１０はＳＵＳ等から成るので、フランジ７との溶接接合性に優れたものとなり、フランジ７を環状部材１０に強固に溶接できる。なお、フランジ７と環状部材１０との溶接は、レーザー溶接に限ることはなく、スポット溶接によってもよい。

また、固定部材５はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成る環状のものであり、金属のインゴット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すことによって所定形状に製作される。好ましくは、固定部材５は図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように薄板状であるのがよく、これにより、透光性部材４に固定部材５との熱膨張差による応力が作用するのを抑制することができる。

また好ましくは、固定部材５には図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように枠体２の接合部と透光性部材４の取着部との間に湾曲部５ａが設けられているのがよく、この構成により、環状部材１０の枠体２外側の端部にフランジ７を溶接するときに発生する熱応力が加わっても、湾曲部５ａが適度に変形することによって吸収緩和される。また、枠体２と透光性部材４との間に熱膨張差が生じたとしても、湾曲部５ａが適度に変形することによって、透光性部材４に作用する応力が低減される。その結果、透光性部材４と固定部材５との取着部に応力が作用して、透光性部材４にクラック等の破損が生ずるのを防止することができる。

また、湾曲部５ａは枠体２の外側面方向に湾曲しているのがよく、このように透光性部材４の接合部が貫通孔２ａの内側に入り込むように湾曲している構成により、透光性部材４が枠体２の内側に突出するのを抑制し、枠体２の内側の容積を確保することができるとともに、枠体２内側に光半導体素子８等を実装する際に透光性部材４が障害となり、透光性部材４に傷等が生ずるのを防止することができる。なお、図１（ａ）において、透光性部材４を固定部材５の湾曲部５ａの内側に設置することで固定部材５に対して位置合わせし易い、また、パッケージの内部の雰囲気がパッケージの外部の雰囲気より高い気圧で気密に保持された場合に、透光性部材４が固定部材５から外れにくくなるという点で、透光性部材４は固定部材のパッケージ内側となる面に取着されているが、貫通孔２ａの内側となる反対側の面に取着してもよい。

好ましくは、固定部材５は図１（ｂ）に示すように、湾曲部５ａは固定部材５の内周部が延出するように貫通孔２ａ内に突出して成り、延出部の端面に透光性部材４が接合されているのがよい。

この構成によって、透光性部材４が固定部材５の延出部に固定部材５の厚みの幅で取着されることとなり、透光性部材４と固定部材５との接合面積が最小限に抑えられるので、透光性部材４に固定部材５との熱膨張差による応力が作用し難くできる。また、固定部材５の外周部をパッケージに接合する際に固定部材５の外周部に熱が加わり、熱膨張し変形することとなるが、内周部が筒状となっているため、延出部の端面においては変形し難く、透光性部材４に固定部材５の変形による応力を作用し難くすることができ、透光性部材４のクラック等による破損が生じ難くなる。また、外気圧によって透光性部材４が固定部材５から外れにくくなる点でも好ましい。

なお、このような湾曲部５ａは、圧延加工によって形成された固定部材５となる金属板を準備し、固定部材５の中央部を金型により凹状に成形した後、その底部を打ち抜くことにより形成すればよい。

また、枠体２の厚みは、好ましくは、図１（ａ）に示すように貫通孔２ａが設けられた側面の厚さをＡ、貫通孔２ａが設けられていない側面の厚さをＢとすれば、Ａ＞Ｂとなっているのがよい。この構成により、枠体２の貫通孔２ａが設けられた側面の剛性が増し、枠体２の貫通孔２ａが設けられた側面が変形しにくくなる。その結果、環状部材１０にフランジ７を接合する際に、環状部材１０に熱応力が作用しても枠体２が変形し難くなり、透光性部材４に熱応力が作用してクラック等の破損が生ずるのを防止できるとともに、光ファイバ６が位置ズレするのを防止できる。また、貫通孔２ａが設けられていない側面の厚さは薄いものとすることにより、パッケージの小型化が可能となる。

透光性部材４は、ガラスやサファイア等から成る円板状等の透明な板状のものであり、一主面の外周部に全周にわたって金属層が形成されており、この金属層をＡｇロウ，Ａｕ−Ｓｎ半田，Ｐｂ−Ｓｎ半田等によりロウ付けすることによって、または一主面の外周部をガラス接合することによって、固定部材５に気密に取着される。

このような金属層は、従来周知のモリブデン（Ｍｏ）やマンガン（Ｍｎ）等の高融点金属から成るメタライズ層の表面にＮｉ層やＡｕ層をメッキ法等により被着されたもの、または、蒸着法等により形成されたチタン（Ｔｉ）層やクロム（Ｃｒ）層を下地として白金（Ｐｔ）層やＡｕ層がメッキ法等により順次被着されたものである。さらに、透光性部材４の主面の光信号透過部は光学研磨が施され、透過する光信号の波長に合わせて材料、厚みが適宜選択された多層の誘電体層から成る反射防止層が施されていることが好ましい。

本発明のパッケージは、ＳＵＳ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等，アルミニウム（Ａｌ）およびその合金等の金属から成る環状や円筒状のフランジ７に一端部が固定された光ファイバ６が、フランジ７の一端を環状部材１０の枠体２外側の端面にレーザー溶接法等の溶接によって接合されることにより、光ファイバ６がフランジ７を介して枠体２の一側部に設けられる。これにより、光ファイバ６を介してパッケージ内部に収容する光半導体素子８と外部との光信号の授受が可能となる。

そして、光半導体素子８を透光性部材４に光学的に結合するようにして載置部１ａに載置するとともに光半導体素子８の電極をリード端子等のパッケージの入出力端子に電気的に接続し、しかる後、枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やセラミックス等から成る蓋体３を半田付け法やシームウエルド法により取着することにより、製品としての光半導体装置となる。この光半導体装置は、外部電気回路から供給される電気信号によって光半導体素子８に光を励起させ、この光を透光性部材４、光ファイバ６の順に透過させ、光ファイバ６を介して遠隔地の受信装置に伝送することによる高速光通信等に使用される。または、外部から光ファイバ６を伝送されてくる光信号を透光性部材４を透過させ、光半導体素子８に受光させて光信号を電気信号に変換することによる高速光通信等に使用される。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されず、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等差し支えない。

（ａ）は本発明の光半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図、（ｂ）は本発明の光半導体素子収納用パッケージの実施の形態の他の例を示す断面図である。 従来の光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置の例を示す断面図である。

符号の説明

１：基体
１ａ：載置部
２：枠体
３：蓋体
４：透光性部材
５：固定部材
６：光ファイバ
７：フランジ
１０：環状部材

Claims (3)

1. 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設けられた枠体と、前記貫通孔の前記枠体内側開口部に接合された環状の固定部材と、該固定部材に取着された透光性部材と、前記貫通孔の前記枠体外側開口部に接合され、光ファイバの端部に取り付けられたフランジが溶接される金属製の環状部材とを備え、
   前記固定部材が、前記枠体の接合部と前記透光性部材の取着部との間に、前記取着部が前記貫通孔の内側に入り込むように湾曲した湾曲部を有し、
   前記透光性部材が、前記貫通孔の内側において前記固定部材に取着されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子収納用パッケージ。
2. 前記枠体は、前記貫通孔が設けられた側面の厚さが、前記貫通孔が設けられていない側面の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の光半導体素子収納用パッケージ。
3. 請求項１記載の光半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置された光半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体と、前記環状部材に前記フランジを介して接合された光ファイバとを具備していることを特徴とする光半導体装置。

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