JP5225222B2 - 光半導体素子収納用パッケージ、及び光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子を実装するための光半導体素子収納用パッケージ、及びそれを用いた光半導体装置に関する。

従来から、光通信の分野等で使用される半導体レーザダイオード、フォトダイオード等の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が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなパッケージの内部に光半導体素子を収納するとともに、光ファイバと光半導体素子との間の光軸を調整して組み立てることにより光半導体装置が構成される。

実開平６−６６０４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光半導体装置を外部基板に例えばネジ止めする際に、光ファイバと光半導体素子との間で調整した光軸がずれることがあった。これは、ネジ止め時において光半導体装置に応力が作用するからである。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光軸のずれを抑制することができる光半導体素子収納用パッケージ、及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実装される実装領域を有するとともに、前記実装領域の外周の一部に沿って凹部が形成された基板と、前記基板上に形成され、前記実装領域及び前記凹部を取り囲むように設けられるとともに、側面に光部品取付け部を有する枠体と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の光半導体装置は、前記光半導体素子収納用パッケージと、前記光半導体素子収納用パッケージの前記実装領域に実装する光半導体素子と、前記光半導体素子収納用パッケージの前記側面の前記光部品取付け部に実装する光部品と、を備えたことを特徴とする。

本発明は、光軸のずれを抑制することが可能な光半導体素子収納用パッケージ、及び光半導体装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置の分解斜視図である。 図２は、光半導体装置の平面図である。 図３は、図１に示した仮想切断線Ａ−Ａ’に沿って光半導体装置を切断した断面図である。 図４は、第２実施形態に係る光半導体装置の平面図である。 図５は、図４に示した仮想切断線Ａ−Ａ’に沿って光半導体装置を切断した断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る光半導体素子収納用パッケージについて、図面を参照しながら説明する。

＜光半導体装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光半導体装置１を示す分解斜視図である。光半導体装置１は、電気信号を光信号に変換して外部に出力するための装置であって、例えば発光ダイオード、半導体レーザダイオード又はフォトダイオード等の光半導体素子２を実装するのに用いるものである。なお、光半導体装置１は、光半導体素子収納用パッケージ３に光半導体素子２を実装したものである。

図２は、図１に示した光半導体素子収納用パッケージ３の平面図である。なお、図２では、光半導体素子２を実装した状態を示している。図３は、図１又は図２に示す仮想切断線Ａ−Ａ’に沿って、光半導体装置１を切断する断面図である。なお、図２では、後述する端子部１３を取り除いた状態を示している。

光半導体装置１は、光半導体素子２と光半導体素子収納用パッケージ３とを含んでいる。

光半導体素子収納用パッケージ３は、図１に示すように、上面に光半導体素子２が実装される実装領域Ｒを有するとともに、実装領域Ｒの外周の一部に沿って凹部Ｇが形成された基板４と、基板４上に形成され、実装領域Ｒ及び凹部Ｇを取り囲むように設けられるとともに、側面に光部品取付け部５を有する枠体６と、を含んでいる。

基板４は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金から成る。基板４は、熱伝導性の優れた材料から成る。基板４に光半導体素子２を実装した状態で光半導体素子２が作動すると、光半導体素子２から発生した熱が基板４に伝わる。基板４は放熱板として機能し、光半導体素子２が発する熱を効率良く外部に放熱することができる。

また、基板４には、図３に示すように、基板４を貫通する螺子溝ＳＨが設けられている。螺子溝ＳＨは、螺子溝ＳＨに螺子Ｓを進入させて、螺子Ｓを介して基板４と外部基板７とを接続するためのものである。なお、螺子溝ＳＨは、平面視して枠体６と重ならない領域に形成されている。

基板４上には、光半導体素子２を実装する実装領域Ｒが設けられている。実装領域Ｒには、光半導体素子２を載置する台座８が設けられる。台座８は、光半導体素子２を載置する部材である。

台座８は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等から成る。台座８上には、高周波信号が伝送されるモリブデン又はマンガン等の金属を含む金属ペーストを焼結して成る配線が形成されている。更に、台座８上には、光半導体素子２を搭載する導体層が形成されている。台座８は、例えば、インジウム、鉛、銀又は錫等の金属を含む半田又はろう材等の接合部材を介して基板の実装領域Ｒに接続される。

また、透光性部材９が、台座８上に光半導体素子２と併設して設けられる。透光性部材９は、例えば、サファイア又は非晶質ガラス等から構成されるレンズである。透光性部材９は、後述する光部品取付け部５に設けられる光ファイバ１０と光半導体素子２との間に設けられている。透光性部材９は、光半導体素子２から光ファイバ１０への出射光、或いは光ファイバ１０から光半導体素子２への入射光を、集光あるいは平行光に変換する機能を有している。そのため、透光性部材９は、光ファイバ１０と光半導体素子２との間で光軸を調整することができる。

枠体６は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金から成る。枠体６は、図１又は図２に示すように光半導体素子２を実装する実装領域Ｒを囲むように基板４上に設けられる。なお、枠体６は、基板４と一体的に形成されていてもよいし、基板４と別個独立に形成されていてもよい。基板４と枠体６とが別個独立に形成された場合、基板４と枠体６とは例えば、半田又はろう材等の接合部材を介して接合される。

枠体６の側面には、光部品取付け部５が設けられている。光部品取付け部５は、光半導体素子２と透光性部材９との間を透過する光軸上に設けられる。光軸が通る高さ位置に光部品取付け部５が設けられる。

光部品取付け部５は、枠体６に形成された貫通孔６ａに設けられる部材であって、光部品としての光ファイバ１０を支持する機能を備えている。光ファイバ１０は、貫通孔６ａに窓部材１１を介して接続される。窓部材１１は、貫通孔６ａに嵌合する部材であり、光ファイバ１０の位置を固定する機能を備えている。窓部材１１は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金から成る。

また、枠体６の内壁面であって、貫通孔６ａを封止するように、透光性封止部材１２が設けられている。透光性封止部材１２は、光を透過させるとともに、枠体６内の気密性を保つための機能を備えている。なお、透光性封止部材１２は、サファイア又はガラス等から成る。

また、図１に示すように、枠体６の側面には端子部１３が設けられる。端子部１３は、光半導体素子２と透光性部材９との間を透過する光軸に対して直交する直交軸上に設けられる。端子部１３は、光半導体素子２に外部からの電力を供給するための役割を担う部材である。また、端子部１３は、例えば、ボンディングワイヤにより、光半導体素子２と電気的に接続される。

枠体６上には、蓋体１４が設けられる。蓋体１４は、枠体６内の気密性を保つための機能を備えている。蓋体１４は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金、或いは酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックスから成る。また、蓋体１４は、枠体６の上面に、例えば半田又はろう材等の接合部材を介して接合される。

次に、基板４に設けられる凹部Ｇについて説明する。

基板４には、図２又は図３に示すように、実装領域Ｒの外周の一部に沿って凹部Ｇが形成されている。凹部Ｇは、基板４が変形しても光半導体素子２と透光性部材９との間の光軸のずれを抑制するものである。基板４に応力が加わり、基板４が変形しようとしても、凹部Ｇが応力の一部を吸収し、台座８に応力が加わるのを抑制することが出来る。そして、台座８上に設けられる光半導体素子２と透光性部材９との配置場所のずれを小さくし、両者間の光軸ずれを抑制することができる。

また、光軸ずれは、光半導体素子２が発熱し、熱が台座８を介して基板４に伝わることで、基板４が熱変形することでも起きる。基板４は、伝播した熱に起因して、基板４が熱膨張を起こそうとするが、凹部Ｇが設けられていることで、基板４の熱膨張の一部を凹部Ｇが緩和し、基板４が変形するのを抑制することができる。例えば、基板４を外部基板７に固定し、基板４と外部基板７の熱膨張率が異なっている場合、基板４に反りが発生しようとする。しかしながら、凹部Ｇに基板４の一部が張り出すことで、基板４が反ろうとするのを抑制することができる。

凹部Ｇは、基板４に実装領域Ｒの外周を取り囲むように連続して設けられている。基板４から台座８の外周のいずれの方向から応力が加わろうとしても、凹部Ｇが基板４の実装領域Ｒの外周を連続して取り囲むことで、応力を偏りなく万遍に緩和することができる。

また、凹部Ｇは、台座８が取り付けられる実装領域Ｒには設けられない。凹部Ｇが、実装領域Ｒに設けられると、凹部Ｇに起因して台座８と基板４との接着力が良好に維持されない虞があり、台座８が基板４から剥離する虞がある。そのため、凹部Ｇは、実装領域Ｒに設けられず、実装領域Ｒの外周に沿って設けられる。

凹部Ｇは、基板４の下面の一部でなく、実装領域Ｒを取り囲むように基板４の上面の一部に設けられている。凹部Ｇを基板４の上面の一部に設けた場合、光半導体素子２から台座８を介して基板４に伝わる熱が、凹部Ｇの箇所に遮られて、基板４の下方に向かって伝達しやすくなる。

凹部Ｇは、実装領域Ｒと螺子溝ＳＨとの間に設けられている。基板４と外部基板７とを螺子溝ＳＨに螺子Ｓを通して螺子止めした場合、螺子Ｓの締め付けによる螺子Ｓの回転方向の歪みに起因して、基板４に応力が加わり基板４が変形しようとする。凹部Ｇが螺子溝ＳＨと実装領域Ｒとの間に設けられていることで、螺子溝ＳＨから基板４の実装領域Ｒに向かって伝わる応力を緩和することができる。

凹部Ｇは、基板４に複数個所設けられている。図３に示すように、螺子溝ＳＨと枠体６との間に、溝部Ｌが形成されている。溝部Ｌは、基板４の一辺に沿って連続して形成されている。溝部Ｌは、凹部Ｇと同様に、基板４に伝わる応力を緩和することができる。溝部Ｌは、螺子溝ＳＨから基板４を介して枠体６に伝わる応力を低減することができ、枠体６が変形しにくくなり、枠体６に設けられる光ファイバ１０の位置を保持することができる。なお、溝部Ｌの深さは、例えば０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に設定されている。また、溝部Ｌの螺子溝ＳＨから枠体６に向かった方向の幅は、例えば０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されている。

本実施形態によれば、平面視して枠体６と光半導体素子２との間に位置する箇所に凹部Ｇを形成したことにより、基板４に応力が加わり基板４が変形しようとするのを凹部Ｇにて抑制し、枠体６と光半導体素子２との位置関係が大きくずれるのを抑制することが出来る。その結果、本実施形態によれば、光半導体素子２と光ファイバ１０との間の光軸ずれを抑制するという顕著な効果を奏する。

＜光半導体装置の製造方法＞
ここで、図１に示す光半導体装置１の製造方法について説明する。

まず、基板４を準備する。基板４には、所定箇所に予め凹部Ｇ、溝部Ｌを形成する。凹部Ｇ及び溝部Ｌは、例えば銅から成る板体に対して、例えばレーザー加工を施すことにより、形成することができる。その結果、凹部Ｇ及び溝部Ｌを有する基板４を準備することができる。

また、枠体６についても準備しておく。枠体６は、例えば銅から成る金属体をプレス機で打ち抜いて作製することができる。そして、枠体６を例えば半田を介して基板４上に接続することで、光半導体素子収納用パッケージ３を作製することができる。

次に、枠体６の貫通孔６ａに光ファイバ１０を保持した窓部材１１を嵌合させる。さらに、枠体６の内壁面に透光性封止部材１２を取り付ける。

そして、基板４の実装領域Ｒに対して、例えば、酸化アルミ二ウム質焼結体から成る台座８を接続する。台座８の上面には、予め金属ペーストを焼結して成る配線を形成しておく。そして、光半導体素子２及び透光性部材９を、例えばろう材を介して台座８上の配線と接続する。なお、光半導体素子２と透光性部材９との配置関係は、予め両者間を通る光軸上に位置するように設定する。このようにして、光ファイバ１０と光半導体素子２との間の光軸を設定することができる。

さらに、枠体６内の気密性を保つ状態で、蓋体１４を枠体６上に接続することで、光半導体装置１を作製することができる。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

上述した実施形態によれば、実装領域Ｒと枠体６との間の一箇所に凹部Ｇが形成されていたが、図４又は図５に示すように、実装領域Ｒと枠体６との間に複数個所設けられていてもよい。図４又は図５に示すように、実装領域Ｒと枠体６との間に、第１凹部Ｇ１と、第２凹部Ｇ２とを形成した場合、基板４が変形しようとするのを良好に抑制することができる。例えば、光半導体素子２から台座８を介して基板４に熱が伝わった場合、基板４が熱膨張により変形しようとするとが、熱の発生源に近い第１凹部Ｇ１が基板４の変形を緩和することができる。さらに、第１凹部Ｇ１よりも熱の発生源から遠い位置に設けられた第２凹部Ｇ２は、第１凹部Ｇ１で緩和しきれなかった基板４の変形を抑制する。このように、複数の凹部Ｇが、基板４の変形を緩和することで、光半導体素子２と光ファイバ１０との間の光軸ずれを効果的に抑制することが出来る。なお、第１凹部Ｇ１の深さは、例えば０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に設定されている。第１凹部Ｇ１の幅は、例えば０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下に設定されている。また、第２凹部Ｇ２の深さは、例えば０．２５ｍｍ以上０．９ｍｍ以下に設定されている。また、第２凹部Ｇ２の幅は、例えば０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下に設定されている。

また、第１凹部Ｇ１の深さよりも第２凹部Ｇ２の深さが大きく設定されている。つまり、複数の凹部Ｇの深さは、実装領域Ｒから枠体６に向かって漸次大きくなるように設定されている。光半導体素子２で発生する熱は、台座８を介して基板４に伝わる。さらに基板４に伝わった熱は、外部基板７に伝わる。そして、外部基板７に伝わった熱は、外部に放熱されることで、外部基板７の温度を下げて、ひいては光半導体素子２の温度も下げることができる。そこで、光半導体素子２で発生する熱を効率良く外部に放熱することができれば、光半導体素子２が熱の影響により特性が変化したりするのを抑制することができる。また、基板４の温度が高くなるのを抑制することが出来れば、基板４が熱膨張により変形する量を低減することもができる。

そこで、光半導体素子２から伝わる熱が、台座８から外部基板７に向かって効率良く伝わるように、基板４の上面の一部に凹部Ｇを設ける。熱は、熱伝導率の優れた基板４中に優先的に伝達するため、凹部Ｇを設けた箇所よりも基板４中に伝わりやすい。そのため、台座８から基板４中に伝わる熱を外部基板７に向かって導くことができる。図４又は図５に示す実施形態によれば、熱の流れやすい向きを台座８の直下に位置する外部基板７に向けて優先的に流れるようにすることで、基板４が高温になるのを有効に抑制することができる。その結果、ひいては光軸ずれを抑制することができる。

また、上述した実施形態によれば、光半導体素子２と透光性部材９とが間を空けて設けられていたが、光半導体素子２と透光性部材９とが直接接続されていてもよい。

また、上述した実施形態によれば、凹部Ｇが、平面視して実装領域Ｒの外周に沿って枠状に形成されていたが、楕円状に形成されていてもよい。

以上のように、本発明は、光軸のずれを抑制することができる光半導体素子収納用パッケージ、または光半導体装置として有用である。

１ 光半導体装置
２ 光半導体素子
３ 光半導体素子収納用パッケージ
４ 基板
５ 光部品取付け部
６ 枠体
６ａ 貫通孔
７ 外部基板
８ 台座
９ 透光性部材
１０ 光ファイバ
１１ 窓部材
１２ 透光性封止部材
１３ 端子部
１４ 蓋体
Ｒ 実装領域
Ｇ 凹部
ＳＨ 螺子溝
Ｓ 螺子
Ｌ 溝部

Claims (6)

1. 上面に光半導体素子が実装される実装領域を有するとともに、前記実装領域の外周の一部に沿って凹部が形成された基板と、
   前記基板上に形成され、前記実装領域及び前記凹部を取り囲むように設けられるとともに、側面に光部品取付け部を有する枠体と、を備えたことを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
2. 請求項１に記載の光半導体素子収納用パッケージであって、
   前記凹部は、前記実装領域の外周を取り囲むように連続して設けられていることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光半導体素子収納用パッケージであって、
   前記基板には当該基板を貫通する螺子溝が、平面視して前記枠体と重ならない領域に形成されており、
   前記凹部は、前記実装領域と前記螺子溝との間に設けられていることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージであって、
   前記凹部は、前記実装領域と前記枠体との間に複数個所設けられていることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
5. 請求項４に記載の光半導体素子収納用パッケージであって、
   前記複数の凹部の深さは、前記実装領域から前記枠体に向かって漸次大きくなっていることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージと、
   前記光半導体素子収納用パッケージの前記実装領域に実装する光半導体素子と、
   前記光半導体素子収納用パッケージの前記側面の前記光部品取付け部に実装する光部品と、を備えたことを特徴とする光半導体装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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