JP5201892B2

JP5201892B2 - 光通信用パッケージ

Info

Publication number: JP5201892B2
Application number: JP2007175545A
Authority: JP
Inventors: 幹夫巣山
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: JP2009014935A

Description

本発明は、光通信用の半導体素子を収容するための光通信用パッケージ、特に光源光を平行な光束にしたり、平行な光束を集光したりする金属筒一体形非球面ガラスレンズ体を備える光通信用パッケージに関する。

従来、光通信用の半導体素子を収容するための光通信用パッケージには、本体がセラミック製や金属製のもの、外部接続端子の接合形状がデュアルインライン型やバタフライライン型等がある。

従来の光通信用パッケージは、内部に光通信用の半導体素子を搭載するためのキャビティ部を形成する基体の一側壁部に穿孔され、該キャビティ部に連通する貫通孔に挿入して固着される金属製固定部材の挿通孔の軸線を合わせて、光の形態を変換させるための金属筒一体形非球面レンズ体を有する構造である。

このような構造の光通信用パッケージは、例えば、金属製でバタフライ型の光通信用パッケージとして、底部が放熱性に優れたＣｕ−Ｗ（ポーラス状に形成したタングステンに銅を含浸させたりして作製する）や、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ（銅モリブデン銅の３層構造からなる接合板）等、側面部がセラミックと熱膨張係数が近似するＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ形合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）や４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等の金属材料からなり、内部に半導体素子を搭載するためのキャビティ部を設けた基体を有する。また、光通信用パッケージは、この基体の一側壁部に穿孔され、キャビティ部に連通する貫通孔と、この貫通孔の外側周辺部にろう付け接合され、キャビティ部に光信号を通すための層通孔を設けるＫＶや４２アロイ等の金属材からなる金属性固定部材を有する。

ところが、上記の構造を有する従来の光通信用パッケージは、金属製固定部材と金属筒一体形非球面ガラスレンズ体とを低温ろう材を介して加熱接合した後に冷却すると、枠体及び金属製固定部材と、金属筒一体形非球面ガラスレンズ体の非球面ガラスレンズ体との熱膨張係数の違いによって、金属筒と非球面ガラスレンズ体の接合部近傍の非球面ガラスレンズ体に大きな引っ張り応力が生じる。この状態で温度サイクル試験等の信頼性試験を行うと膨張と収縮の繰り返しによって、熱応力を内在した非球面ガラスレンズ体にクラックや破損が発生し、キャビティ部の気密性を保つことができなくなる。

そこで、特開２００３−３４４７２２号公報（特許文献１）では、金属筒一体形非球面ガラスレンズ体の非球面ガラスレンズ体への熱応力の集中を緩和させ、非球面ガラスレンズ体や透光性部材等に発生するクラックや破損を防止することを目的として次のような構造を採用した。

即ち、特許文献１では、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、光通信用パッケージ１０は、金属製の枠体１１と、ボード等に取り付けるための固定用孔１２を備えた金属製の底板１３とをろう付け接合して、内部に光通信用の半導体素子等を搭載するためのキャビティ部１４を形成する基体１５を有している。この基体１５の枠体１１の一側面部の両側に位置し、対向する壁部には、それぞれキャビティ部１４に連通する窓枠状切り欠き部が設けられ、キャビティ部１４側となる導体配線パターン１６と、枠体１１の外側となる導体配線パターン１６ａを備えたセラミックからなるフィードスルー基板１７が嵌入、ろう付け接合されている。そして、更にフィードスルー基板１７及び枠体１１の上面に蓋体（図示せず）を接合するためのシールリング１８がろう付け接合されている。導体配線パターン１６は、キャビティ部１４側で半導体素子とワイヤボンディング等で接続するのに用いられ、導体配線パターン１６ａは、枠体１１の外側で外部接続端子１９とバタフライ型にろう付け接合されるのに用いられている。また、枠体１１の一側壁部には、キャビティ部１４に連通する貫通孔２０が穿孔されて設けられている。そして、貫通孔２０には、挿入して固着される金属製固定部材２１の挿通孔２２の軸線を合わせて、光源光を平行な光束に変換したり、平行な光束を集光したりするための光学ガラス等からなる非球面ガラスレンズ体２３をフェライト系ステンレス鋼等からなる金属筒２４に接合して形成されている金属筒一体形非球面ガラスレンズ体２５を有している。

図７に示すように、光通信用パッケージ１０の金属製固定部材２１は、ＫＶや４２アロイ等の金属材から切削加工等によりそれぞれを形成する第１のレンズホルダ２６と第２のレンズホルダ２７に分割されたものから構成されている。第１のレンズホルダ２６は、枠体１１に接合した時に枠体１１の外側となる一方の端部に鍔部２８を設け、他方の端部の先端部をキャビティ部１４内に突出させて、枠体１１の貫通孔２０の壁面、及び貫通孔２０の周縁部に接合されている。金属筒一体形非球面ガラスレンズ体２５は、金属筒２４の部分で第２のレンズホルダ２７に接合され、更に、第２のレンズホルダ２７が貫通孔２０よりキャビティ部１４内に突出した部分の第１のレンズホルダ２６に、金属筒一体形非球面ガラスレンズ体２５を挿通孔２２内に収納させて接合されている。

第２のレンズホルダ２７は、挿通孔２２ａに大径孔２９から中径孔３０になる第１の段差部３１を有し、更に、中径孔３０から小径孔３２になる第２の段差部３３を有し、この第２の段差部３３に金属筒一体形非球面ガラスレンズ体２５の金属筒２４が接合され、しかも、第１の段差部３１には、第１のレンズホルダ２６が接合されている。金属筒一体形非球面ガラスレンズ体２５は第１のレンズホルダ２６に直接当接して接合することなく接合でき、また、金属筒一体形非球面ガラスレンズ体２５と第１のレンズホルダ２６との間に空間部を設けることができるので、接合部材間で熱膨張係数に差があっても弾性変形を緩和することができ、非球面ガラスレンズ体２３のクラック、破損を防止できる。

特開２００３−３４４７２２号公報

上述した特許文献１に記載の光通信用パッケージでは、金属製固定部材が第１と、第２のレンズホルダに分解され、基体に接合されてキャビティ部側に突出する第１のレンズホルダには、第２のレンズホルダを介して金属筒一体形非球面ガラスレンズ体が接合されるので、直接第１のレンズホルダに接合されることなく、また、第１のレンズホルダのキャビティ部側への突出部分によって、接合部材間で熱膨張係数に差があっても弾性変形を緩和することができ、ガラスレンズ体からのクラック、破損を防止できる。

しかしながら、図６及び７に示す特許文献１に記載の光通信用パッケージの構造によると、金属筒一体型レンズ体２５が枠体１１の壁部の貫通孔２０に設置される位置が、壁部の厚さの延長領域に対して内側にあり、基体のキャビティ内にくい込んだ状態で設置されているため、キャビティの領域を狭くなり、光通信用の半導体素子等の搭載スペースを狭くするという問題がある。また、この光通信用パッケージの構造によると、金属筒一体型レンズ体２５を貫通孔２０に設置する第１のレンズホルダや第２のレンズ本体等を含むレンズを支持する構造が複雑であり、部品点数が多く且つ組立のために工数と時間を要するという問題がある。

また、レンズホルダを一体型とした従来構造の光通信用パッケージとして、キャビティのスペースを確保するために、レンズを枠体の壁部貫通孔に取り付ける位置が、そのレンズの一部が壁部の厚さの延長領域にある構造としたものがある。この構造では、ウインドウガラス又は、球面又は非球面レンズ（「ガラスレンズ体」と総称）を組み付けた金属筒一体型レンズ体２５を枠体１１の壁部の貫通孔２０に挿入し、枠体１１の壁部にＡｕＳｎ合金等のろう付けにより固定したものである。しかしながら、図５に示す従来の光通信用パッケージの構造では、金属筒一体型レンズ体２５の位置が、枠体の壁部の延長線内に位置する場合、ガラスレンズ体に対して枠体、フレーム、シールリング３５及びその他の部品の応力が直接ガラスレンズ体に掛かっていまい、ガラスレンズ体の設置位置に制約があった。

そこで、本発明では、ガラスレンズ体を内部にキャビティを設けた枠体の壁部の貫通孔に設置する場合において、内部のキャビティに光通信用の半導体素子等の搭載スペースを十分に確保すると共に、ガラスレンズ体の少なくとも一部が壁部の厚さの延長領域内に位置するように設置する場合において、ガラスレンズ体への熱応力の集中を緩和させガラスレンズ体や透光性部材等のクラックや破損を防止する光通信用パッケージを提供することを課題とする。

上記の課題を達成するために、本発明によれば、内部に光通信用の半導体素子を収容するためのキャビティを規定する枠体の壁部の貫通孔に、ガラスレンズ体を保持したレンズホルダを挿入固定し、該ガラスレンズ体を介して形態を変換した光を前記キャビティ内に導く構造を有する光通信用パッケージにおいて、前記レンズホルダはフランジ部と円筒部からなり、該円筒部の一部と前記貫通孔の内壁とが接触固定され、前記ガラスレンズ体の少なくとも一部が、前記枠体の壁部の厚さの延長領域内に位置するように、前記レンズホルダを前記壁部の貫通孔に設置すること、及び、前記レンズホルダと前記枠体の壁部との間に、少なくとも一部が前記枠体の壁部の厚さの延長領域内に位置し且つキャビティの内側に開口する溝を形成したことを特徴とする光通信用パッケージが提供される。

この場合において、前記溝は、前記ガラスレンズ体に対して光が入射される軸線を中心として環状に形成され、該軸線と平行な方向に前記枠体の壁部の厚さの延長領域内にて前記ガラスレンズ体が存在する領域を超えて存在していることを特徴とする。

また、本発明によれば、内部に光通信用の半導体素子を収容するためのキャビティを規定する枠体に設けられた貫通孔に、レンズ体を保持したレンズホルダを挿入固定し、該レンズ体を介して光を前記キャビティ内に導く構造を有する光通信用パッケージにおいて、前記レンズホルダをリング部材を介して前記貫通孔に挿入固定すること、該レンズホルダはフランジ部と円筒部からなり、該円筒部の一部と該リング部材の内壁とが接触固定され、該リング部材と前記貫通孔の内壁とが接触固定され、前記レンズ体の少なくとも一部が、前記枠体の厚さの延長領域内に位置するように、前記レンズホルダ及び前記リング部材を前記枠体貫通孔に設置すること、及び、前記リング部材と前記レンズホルダとの間に、少なくとも一部が前記枠体の厚さの延長領域内に位置し且つキャビティの内側に開口する溝を形成したことを特徴とする光通信用パッケージが提供される。

また、前記リング部材と前記レンズホルダとの間に形成された前記溝は、該レンズホルダに設けた段差により奥側の幅の狭い部分とキャビティ内に開口する広い部分とからなることを特徴とする。

また、前記溝は、前記レンズホルダに設けられた段差部及び／又は前記枠体に設けられた段差部に形成されていることを特徴とする。

このように、本発明の光通信用パッケージによれば、レンズ体の少なくとも一部が、前記枠体の壁部の厚さの延長領域内に位置するように、前記レンズホルダが前記壁部の貫通孔に設置されているので、レンズ体及びレンズホルダがキャビティの内方へくい込んで、キャビティ内における光通信用の半導体素子を収容するためのスペースを狭くすることがなく、したがって、キャビティ内のスペースを十分に確保することができる。また、レンズ体、レンズホルダ及び枠体の壁部等の各部材の接合部において、各部材の熱膨張係数の差があったとしても、熱応力はレンズホルダと枠体の壁部との間に設けた溝の部分で吸収され、弾性変形を吸収することができ、レンズ体等の破損やクラックの発生を未然に防止することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１及び図２は本発明の光通信用パッケージの第１実施形態を示すもので、図１はレンズホルダ部の断面図、図２は光通信用パッケージの断面図である。

光通信用パッケージ１０は、従来と同様、内部に光通信用の半導体素子（図示せず）を収容するためのキャビティ１４を規定する枠体１１がある。この枠体１１は底板１３及び図示しない上板により閉鎖されている。キャビティ１４内には、基板１７が設置されている。

枠体１１の壁部には貫通孔２０が設けられ、ガラスレンズ体４０を保持したキャップ状のレンズホルダ４２がこの貫通孔２０に挿入され、シーム溶接等で固定される。この場合において、レンズホルダ４２はキャビティ１４に対して光通信用パッケージ１０の外側より貫通孔２０に挿入される。そして、レンズホルダ４２が貫通孔２０の所定位置に設置された状態で、ガラスレンズ体４０の少なくとも一部が、枠体１１の壁部の厚さの延長領域Ａの範囲内に位置するようにされる。

また、レンズホルダ４２が貫通孔２０の所定位置に設置された状態で、レンズホルダ４２と枠体１１の壁部１１ａとの間に、キャビティ１４の内側に開口する溝４４が規定される。レンズホルダ４２はこの光通信用パッケージに光が入射される場合の通路を規定するべく、中心部に開口４２ａを有すると共に、枠体１１の壁部の貫通孔２０に挿入固定される場合に枠体１１の外壁に接触するフランジ部４２ｂ、及び貫通孔２０に挿入される円筒部４２ｃを有する一体構造のものである。そして、この円筒部４２ｃの先端部分、即ちキャビティ１４側の部分にて内径側へ少し窪んだ段差部分がある。そして、枠体１１の壁部に設けられた貫通孔２０も内側、即ちキャビティ１４側の部分にて、僅かに外径側に拡開した段差部分がある。レンズホルダ４２の円筒部４２ｃと枠体１１の貫通孔２０とにおけるこれらの段差部分により前述のような溝４４が規定されるのである。

この溝４４は、ガラスレンズ体４０に対して光が入射される軸線（光軸）４０ａを中心とした断面形状において、３６０度の環状に形成され、光軸４０ａと平行な方向であり、枠体１１の壁部の厚さの延長領域Ａ内にてガラスレンズ体４０が存在する領域を超えて枠体１１の壁部の外側に向かって延在している。

溝４４は、光軸４０ａに対して直角な方向の幅が、約０．２ｍｍ程度であるのが望ましい。これにより、ガラスレンズ体４０、レンズホルダ４２及び枠体１１の壁部１１ａ等の各部材の接合部において、各部材の熱膨張係数の差があったとしても、熱応力はレンズホルダと枠体の壁部との間に設けた溝で吸収され、弾性変形を吸収することができる。したがって、ガラスレンズ体４０等が破損したり、クラックが発生したりするのを未然に防止することができる。また、溝４４は、領域Ａに占めるレンズ体４０の厚み方向の長さを、少なくとも含んで形成されている。

図３及び図４は本発明の光通信用パッケージの第２実施形態を示すもので、図１はレンズホルダ部の断面図、図２は光通信用パッケージの断面図である。

第１実施形態と同様、光通信用パッケージ１０は、内部に光通信用の半導体素子（図示せず）を収容するためのキャビティ１４を規定する枠体１１がある。この枠体１１は底板１３及び図示しない上板により閉鎖されている。キャビティ１４内には、基板１７が設置されている。

枠体１１の壁部には貫通孔２０が設けられ、ガラスレンズ体４０を保持したキャップ状のレンズホルダ４２がリング部材５０を介してこの貫通孔２０に挿入され且つ固定される。枠体１１とリング部材５０との間は、例えば、銀ろう接合により固定され、リング部材５０とレンズホルダ４２との間は、例えばＡｕＳｎ接合により固定される。この場合において、リング部材５０及びレンズホルダ４２は両者とも、キャビティ１４に対して光通信用パッケージ１０の外側より貫通孔２０に挿入される。そして、レンズホルダ４２がリング部材５０を介して貫通孔２０の所定位置に設置された状態で、ガラスレンズ体４０の少なくとも一部（この実施形態では、ガラスレンズ体４０の殆どの部分）が、枠体１１の壁部の厚さの延長領域Ａの範囲内に位置するようにされる。

また、レンズホルダ４２がリング部材５０を介して貫通孔２０の所定位置に設置された状態で、レンズホルダ４２とリング部材５０との間に、キャビティ１４の内側に開口する溝４４が規定される。

リング部材５０は枠体１１の壁部に接合されるフランジ部５０ａと、貫通孔２０の内壁部に接合される円筒部５０ｂからなる。そして、円筒部５０ｂの先端部分、即ちキャビティ１４側の部分にて外径側へ少し拡開した段差部分がある。

レンズホルダ４２は第１実施形態の場合と同様、この光通信用パッケージに光が入射される場合の通路を規定するべく、中心部に開口４２ａを有すると共に、リング部材５０のフランジ部５０ａに接合されるフランジ部４２ｂと、リング部材５０の円筒部の内壁に接合される円筒部４２ｃを有する。そして、この円筒部４２ｃの先端部分、即ちキャビティ１４側の部分にて内径側へ少し窪んだ段差部分がある。

リング部材５０の段差部分に対し、レンズホルダ４２の段差部分は、内側に、即ちキャビティ１４側に少しずれている。これにより、図示のように、リング部材５０の円筒部５０ｂとレンズホルダ４２の円筒部４２ｃとの間に形成される溝４４は、これらの段差により奥側の幅の狭い部分とキャビティ内に開口する広い部分とからなる段付きの溝を形成することとなる。

このようにして形成された溝４４は、ガラスレンズ体４０に対して光が入射される軸線（光軸）４０ａを中心とした断面形状において、３６０度の環状に形成され、光軸４０ａと平行な方向に枠体１１の壁部の厚さの延長領域Ａ内にてガラスレンズ体４０が存在する領域を超えて枠体１１の壁部の外側に向かって延在している。この実施形態においても、溝４４は領域Ａに占めるレンズ体４０の厚み方向の長さを、少なくとも含んで形成されている。

このような溝４４の存在により、ガラスレンズ体４０、レンズホルダ４２、リング部材５０及び枠体１１の壁部１１ａ等の各部材の接合部において、各部材の熱膨張係数の差があったとしても、熱応力はレンズホルダと枠体の壁部との間に設けた溝で吸収され、弾性変形を吸収することができる。したがって、ガラスレンズ体４０等が破損したり、クラックが発生したりするのを未然に防止することができる。

以上添付図面を参照して本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能である。例えば、溝４４の構造について、レンズホルダ、壁部のいずれか一方に設けられた段差部に形成されていても良い。

以上説明したように、本発明の光通信用パッケージによれば、キャビティ内のスペースを十分に確保することができ、且つガラスレンズ体、レンズホルダ及び枠体の壁部等の各部材の接合部において、各部材の熱膨張係数の差があったとしても、熱応力はレンズホルダと枠体の壁部との間に設けた溝の部分で吸収され、弾性変形を吸収することができ、ガラスレンズ体等の破損やクラックの発生を未然に防止することができる。これにより、気密封止した光信号の透過を目的とするあらゆる光学ウインドウ付きのパッケージとして使用することができる。

本発明の第１実施形態に係る光通信用パッケージのレンズホルダ部の断面図である。同第１実施形態に係る光通信用パッケージの全体を示す概略断面図である。本発明の第２実施形態に係る光通信用パッケージのレンズホルダ部の断面図である。同第２実施形態に係る光通信用パッケージの全体を示す概略断面図である。ガラスレンズ体を枠体の壁部の延長領域内に配置した従来の光通信用パッケージにおけるレンズホルダ部の断面図である。従来の光通信用パッケージの平面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。従来の光通信用パッケージにおけるレンズホルダ部の断面図である。

符号の説明

１０光通信用パッケージ
１１枠体
１４キャビティ
２０貫通孔
４０ガラスレンズ体
４２レンズホルダ
４４溝
５０リング部材

Claims

内部に光通信用の半導体素子を収容するためのキャビティを規定する枠体に設けられた貫通孔に、レンズ体を保持したレンズホルダを挿入固定し、該レンズ体を介して光を前記キャビティ内に導く構造を有する光通信用パッケージにおいて、前記レンズホルダはフランジ部と円筒部からなり、該円筒部の一部と前記貫通孔の内壁とが接触固定され、前記レンズ体の少なくとも一部が、前記枠体の厚さの延長領域内に位置するように、前記レンズホルダを前記貫通孔に設置すること、及び、前記レンズホルダと前記枠体との間に、少なくとも一部が前記枠体の厚さの延長領域内に位置し且つキャビティの内側に開口する溝を形成したことを特徴とする光通信用パッケージ。
前記溝は、前記レンズ体に対して光が入射される軸線を中心として環状に形成され、該軸線と平行な方向に前記枠体の厚さの延長領域内にて前記レンズ体が存在する領域を超えて存在していることを特徴とする請求項１に記載の光通信用パッケージ。
内部に光通信用の半導体素子を収容するためのキャビティを規定する枠体に設けられた貫通孔に、レンズ体を保持したレンズホルダを挿入固定し、該レンズ体を介して光を前記キャビティ内に導く構造を有する光通信用パッケージにおいて、前記レンズホルダをリング部材を介して前記貫通孔に挿入固定すること、該レンズホルダはフランジ部と円筒部からなり、該円筒部の一部と該リング部材の内壁とが接触固定され、該リング部材と前記貫通孔の内壁とが接触固定され、前記レンズ体の少なくとも一部が、前記枠体の厚さの延長領域内に位置するように、前記レンズホルダ及び前記リング部材を前記枠体貫通孔に設置すること、及び、前記リング部材と前記レンズホルダとの間に、少なくとも一部が前記枠体の厚さの延長領域内に位置し且つキャビティの内側に開口する溝を形成したことを特徴とする光通信用パッケージ。
前記溝は、前記レンズ体に対して光が入射される軸線を中心として環状に形成され、該軸線と平行な方向に前記枠体の厚さの延長領域内にて前記ガラスレンズ体が存在する領域を超えて存在していることを特徴とする請求項３に記載の光通信用パッケージ。
前記リング部材と前記レンズホルダとの間に形成された前記溝は、該レンズホルダに設けた段差により奥側の幅の狭い部分とキャビティ内に開口する広い部分とからなることを特徴とする請求項４に記載の光通信用パッケージ。
前記溝は、前記レンズホルダに設けられた段差部及び／又は前記枠体に設けられた段差部に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光通信用パッケージ。
前記リング部材は、フランジ部と円筒部とからなり、前記レンズホルダの円筒部と、前記リング部材の円筒部とが接触固定され、且つ前記リング部材の円筒部と、前記貫通孔の内壁とが接触固定されていることを特徴とする請求項３に記載の光通信用パッケージ。