JP5225231B2 - 光半導体素子収納用部品および光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子収納用部品および光半導体装置に関するものである。

例えば光通信の分野等で使用される半導体レーザーダイオードまたはフォトダイオード等の光半導体素子は、光半導体素子収納用部品に収納される。例示的な光半導体素子収納用部品は、ベース部と、ベース部上に設けられたフレーム部とを含んでいる。フレーム部は光ファイバ取付部を有している。

特開２００７−２５８４７９号公報

例えば光半導体素子収納用部品を作製する際や、光半導体装置を外部基板に実装する際に、光半導体素子収納用部品の内部に応力が生じる場合がある。この応力は、光半導体素子収納用部品の変形を引き起こし、光軸のずれの原因となる可能性がある。従って、光半導体素子収納用部品は、応力による影響に関して低減される必要がある。

本発明の一つの態様によれば、光半導体素子収納用部品は、パッケージと、サブマウント基板とを備えている。パッケージは、ベース部とフレーム部とを含んでいる。ベース部は貫通孔を有する。フレーム部は光ファイバ取付部を有しており、ベース部上に貫通孔を囲むように設けられている。サブマウント基板は、ベース部上においてフレーム部と同面上に設けられており、貫通孔を塞いでいる。

本発明の他の態様によれば、光半導体素子収納用部品は、パッケージと、サブマウント基板とを備えている。パッケージは、互いに離れている複数のベース部と、フレーム部とを含んでいる。フレーム部は、光ファイバ取付部を有しており、複数のベース部上に設けられている。サブマウント基板は、複数のベース部上においてフレーム部と同面上に設けられており、フレーム部の内側に設けられている。

本発明の他の態様によれば、光半導体装置は、光半導体素子収納用部品と、半導体素子とを備えている。光半導体素子は、光半導体素子収納用部品のサブマウント基板に実装されている。

本発明の一つの態様によれば、光半導体素子収納用部品は、ベース部に貫通孔を有していることにより、ベース部の変形に関して低減されている。

本発明の他の態様によれば、光半導体素子収納用部品は、複数のベース部が互いに離れていることにより、ベース部の変形に関して低減されている。

本発明の他の態様によれば、光半導体装置は、光半導体素子収納用部品のベース部の変形が低減されることにより、光軸のずれに関して低減されている。

本発明の一つの実施形態における光半導体装置の分解斜視図を示している。 図１に示された光半導体装置の切断線A-Aに沿った断面図を示している。 図１に示された光半導体装置の平面図を示している。 図１に示された光半導体装置の例示的な実装構造を示している。 他の実施形態における光半導体装置の例示的な実装構造を示している。 他の実施形態における光半導体装置の例示的な実装構造を示している。 図６に示された光半導体装置の平面図を示している。 他の実施形態における光半導体装置の例示的な実装構造を示している。 図８に示された光半導体装置の平面図を示している。 他の実施形態における光半導体装置の分解斜視図を示している。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示されているように、本発明の一つの実施形態における光半導体装置は、光半導体素子収納用部品１と、光半導体素子収納用部品１の内部に設けられている光半導体素子２および透光性部材３と、光半導体素子収納用部品１の側面に設けられた光ファイバ４とを含んでいる。

光半導体素子収納用部品１は、パッケージ１１と、パッケージ１１の内部に設けられたサブマウント基板１２とを含んでいる。ただし、図１において、この光半導体装置は、内部構造を示すことを目的として、分解された状態で図示されており、図１中の一点鎖線は、パッケージ１１とサブマウント基板１２との接合箇所を示している。

パッケージ１１は、ベース部１１１と、フレーム部１１２と、蓋部１１３とを含んでいる。例示的なパッケージ１１は、ベース部１１１およびフレーム部１１２が一体的に形成された構造を有している。他の例示的なパッケージ１１は、ベース部１１１およびフレーム部１１２が接合されている構造を有している。ベース部１１１は、例えば、銅（Cu）-タングステン（W）合金または鉄（Fe）-ニッケル（Ni）-コバルト（Co）合金等の金属材料を含んでおり、光半導体素子２から発せられる熱を光半導体装置の外部に発散させるための放熱板として機能する。ベース部１１１は、貫通孔１１１１を有する。フレーム部１１２は、例えば、銅（Cu）-タングステン（W）合金または鉄（Fe)-ニッケル（Ni）-コバルト（Co）合金等の金属材料を含んでおり、ベース部１１１の上面に貫通孔１１１１を囲むように設けられている。フレーム部１１２は、光ファイバ取付部１１２１を有しており、光ファイバ取付部１１２１は、光ファイバ４をフレーム部１１２に固定する機能を有している。蓋部１１３は、フレーム部１１２の上面にロウ材によって接合されている。蓋部１１３の例示的な材料は、銅（Cu）-タングステン（W）合金または鉄（Fe）-ニッケル（Ni）-コバルト（Co）合金等の金属である。蓋部１１３の他の例示的な材料は、アルミナセラミックス（Al₂O₃）等のセラミックスである。

図２および図３に示されているように、サブマウント基板１２は、ベース部１１１上においてフレーム部１１２と同面上に設けられている。ベース部１１１上において、サブマウント基板１２が設けられた面に対して反対の面の形状は、フレーム部１１２とサブマウント基板１２に制限されない。従って、サブマウント基板１２がフレーム部１１２とベース部１１１上の異なる面に設けられている場合と比較して、光半導体素子収納用部品は実装信頼性に関して向上されている。サブマウント基板１２は、貫通孔１１１１を塞いでいる。従って、光半導体装置は、気密性に関して向上されている。

サブマウント基板１２は、ベース部１１１に接合されている。例示的な接合部材は、ロウ材である。ロウ材は、例えば銀ロウである。サブマウント基板１２とベース部１１１との接合は、光半導体素子収納用部品が気密性を保持するように行われる。具体的な接合領域Aは、図３における破線とサブマウント基板１２の外周に囲まれた領域であり、ドット模様で示されている。ただし、図３において、光半導体装置の内部を表すことを目的として、蓋部１１３は省略されている。図３における破線は、サブマウント基板１２を透視した状態で、ベース部１１１における貫通孔１１１１の位置を示している。サブマウント基板１２は、例えば、アルミナ（Al₂O₃）質焼結体または窒化アルミニウム（AlN）等の誘電体を含んでいる。サブマウント基板１２の上面には、例えば、モリブデン（Mo）およびマンガン（Mn）等を原料とする金属ペーストを焼結することによって得られる導体パターン１２２が形成されている。

光半導体素子２は、サブマウント基板１２の上面において、導体パターン１２２上に実装されている。例示的な光半導体素子２は、半導体レーザーダイオードである。他の例示的な光半導体素子２は、フォトダイオードである。

透光性部材３は、サブマウント基板１２の上面に設けられている。ここでいう、“透光性”とは、入射した光の少なくとも一部が透過する性質を示している。透光性部材３は、例えば非晶質ガラス等を含んでおり、球状、半球状、凸レンズ状またはロッドレンズ状等に形成されている。光半導体素子２が半導体レーザーダイオードの場合、透光性部材３は、光半導体素子２から放射された光を集める機能または平行光に変換する機能を有している。光半導体素子２から放射された光は、透光性部材３を介して光ファイバ４に入る。光半導体素子２がフォトダイオードの場合、透光性部材３は、光ファイバ４から放射された光を集める機能または平行光に変換する機能を有している。光ファイバ４から放射された光は、透光性部材３を介して光半導体素子２に届く。

本実施形態における光半導体装置は、ベース部１１１に設けられた貫通孔１１１１を有していることにより、光半導体素子２と光ファイバ４との間における光軸のずれに関して低減されている。

さらに具体的に、例えば、光半導体装置の製造の加熱工程において、ベース部１１１に応力が生じる場合がある。パッケージ１１は、ベース部１１１に設けられた貫通孔１１１１を有していることにより、熱膨張によるベース部１１１の体積増加が貫通孔１１１１側にも生じるため、ベース部１１１の応力に関して低減される。その結果、光半導体装置は、ベース部１１１の変形に関して低減されている。光半導体装置の製造の加熱工程の例としては、サブマウント基板１２をベース部１１１に接合するためのロウ付工程等がある。

図４に示されているように、例えば、ベース部１１１を外部基板５に押し付けるように実装する場合に、本実施形態の光半導体装置は、ベース部１１１の変形に関して低減されていることにより、光半導体素子２と光ファイバ４との間における光軸６のずれに関して低減されている。図４において、光軸６は破線によって示されている。具体的な、ベース部１１１を外部基板５に押し付けるように実装する例としては、ネジ止めがある。図３に示されているように、ベース部１１１は、フレーム部１１２より外部にネジ止め部８を有している。

ここで、例えばベース部１１１とフレーム部１１２とが接合されている構造例について説明する。ベース部１１１およびフレーム部１１２は、例えばロウ材によって接合されている。光半導体装置は、例えばロウ材によるベース部１１１およびフレーム部１１２の接合を目的とする加熱工程において、ベース部１１１に応力が生じる場合がある。光半導体装置は、貫通孔１１１１を有していることにより、応力によるベース部１１１の変形に関して低減されている。従って、光半導体装置は、光半導体素子２と光ファイバ４との間における光軸のずれに関して低減されている。

ここで、ベース部１１１およびフレーム部１１２の熱膨張係数が異なる構造例について説明する。ベース部１１１とフレーム部１１２との熱膨張係数が異なる場合に、ベース部１１１とフレーム部１１２とをロウ材により接合を行うと、両者の熱膨張係数差に起因して内部応力が生じる。この内部応力は、ベース部１１１に反りを生じさせる方向に働く。光半導体装置は、貫通孔１１１１を有していることにより、内部応力によるベース部１１１の反りに関して低減されている。従って、光半導体装置は、光半導体素子２と光ファイバ３との間における光軸のずれに関して低減されている。

以下、本発明の他の実施形態について説明する。図５に示されているように、他の実施形態の光半導体装置において、図１等に示された光半導体装置と異なる点は、サブマウント基板１２の形状である。その他の構成は、図１等に示された光半導体装置と同様である。

他の実施形態において、サブマウント基板１２には、突起部１２１が設けられている。突起部１２１の頂部は、貫通孔１１１１の内部においてベース部１１１の下面と実質的に等しい高さに位置している。ここでいう“実質的に等しい”とは、ベース部１１１の厚さの１０％の誤差を突起部１２１の頂部位置に関して許容するという意味である。
他の実施形態における光半導体装置は、突起部１２１を有していることにより、光半導体素子２によって発生された熱の外部基板５への放熱に関して改善されている。光半導体装置は、ベース部１１１から外部基板５への放熱経路だけでなく、突起部１２１から外部基板５への放熱経路も有する。

光半導体素子収納用部品は、サブマウント基板１２の突起部１２１とベース部１１１との間に隙間を有している。そのため、サブマウント基板１２とベース部１１１を加熱工程を用いて接合した場合に、サブマウント基板１２とベース部１１１の熱膨張率の差に起因して発生する応力が低減される。例示的な過熱工程としては、ロウ付工程がある。光半導体装置は、光軸のずれに関して低減されている。

光半導体装置の例示的な実装構造において、突起部１２１は、介在部材７を含んでいる。以下、光半導体装置と外部基板５とを有する構造を光半導体モジュールと呼ぶ。介在部材７の例は、熱伝導性部材である。介在部材７は、サブマウント基板１２と外部基板５との間の熱伝導の特性を向上させている。

例示的な介在部材７は、熱伝導性接着剤である。ここでいう“熱伝導性接着剤”とは、熱伝導率が0.2W/m・kより大きい接着剤を指す。熱伝導性接着剤は、例えばシリコンを含んでいる。熱伝導性接着剤は、サブマウント基板１２と外部基板５と密着するため、サブマウント基板１２から外部基板５への熱伝導性に優れている。他の例示的な介在部材７は、熱伝導シートである。ここでいう“熱伝導シート”とは、熱伝導率が0.4W/m・kより大きいシートを指す。熱伝導シートは、例えばアクリル樹脂を含んでいる。熱伝導シートは固体であるために扱いやすく、光半導体モジュールの生産性において優れている。

以下、他の実施形態における光半導体装置について説明する。図６および図７に示されているように、他の実施形態の光半導体装置において、図１等に示された光半導体装置と異なる点は、ベース部１１１の構造である。他の構成は、図１等に示された光半導体装置と同様である。図７において、光半導体装置の内部構造を示すことを目的に、蓋部１１３は省略されている。図７において、貫通孔１１１１は、サブマウント基板１２を透視した状態で、破線によって示されている。

ベース部１１１は、サブマウント基板１２の配置領域１１１４を含む第１部分１１１２と、第１部分１１１２の周囲領域に配置された第２部分１１１３とを有している。第１部分１１１２は、第２部分１１１３より薄い。光半導体装置を外部基板５にネジ止め等の方法で取り付ける際に発生する応力は、第１部分１１１２の変形によって吸収される。第２部分１１１３の変形は低減され、光ファイバ取付部１１２１と光ファイバ４に生じる変位は低減される。従って、光軸のずれも低減される。

第１部分１１１２の上面は、第２部分１１１３の上面より低い。ベース部１１１の上面は、第１部分１１１２と第２部分１１１３の間に、段差部１１１５を有している。従って、パッケージ１１の内部空間を確保しつつ、光半導体装置を小型化することができる。

サブマウント基板１２は、第１部分１１１２上に設けられている。光半導体素子収納用部品は、サブマウント基板１２と段差部１１１５を含む第２部分１１１３との間に隙間を有している。このような構造によって、第１部分１１１２に応力が集中するため、光軸のずれはさらに低減される。

以下、他の実施形態における光半導体装置について説明する。図８および図９に示されているように、他の実施形態の光半導体装置において、図１等に示された光半導体装置と異なる点は、ベース部１１１とサブマウント基板１２の構造である。他の構成は、図１等に示された光半導体装置と同様である。図９において、光半導体装置の内部構造を示すことを目的に、蓋部１１３は省略されている。図９において、貫通孔１１１１は、サブマウント基板１２を透視した状態で、破線によって示されている。

ベース部１１１は、サブマウント基板１２の配置領域１１１４を含む第１部分１１１２と、第１部分１１１２の周囲領域に配置された第２部分１１１３とを有している。第１部分１１１２は、第２部分１１１３より薄い。

サブマウント基板１２は、第１部分１１１２上に設けられている。光半導体素子収納用部品は、サブマウント基板１２と第２部分１１１３との間に隙間を有している。サブマウント基板１２は、貫通孔１１１１に内部にある突起部１２１を有している。突起部１２１の底面は、外部基板５の表面に接合されている。図９において、突起部１２１は、サブマウント基板１２を透視した状態で、一点鎖線によって示されている。

光半導体装置を外部基板５にネジ止め等の方法で取り付けられる際に発生する応力が、ベース部１１１の第一部分１１１２の変形によって吸収される。第一部分１１１２が、たわみ等の変形をした場合でも、サブマウント基板１２の突起部１２１が外部基板５に接合されているため、光半導体装置は高い安定性を保つことができる。

以下、本発明の他の実施形態について説明する。他の実施形態の光半導体装置において、図１に示された光半導体装置と異なる点は、ベース部１１１の形状および個数である。その他の構成は、図１等に示された光半導体装置と同様である。他の実施形態における光半導体装置は、複数のベース部１１１が互いに離れている。従って、光半導体素子２と光ファイバ４との間における光軸のずれに関して低減されている。

さらに具体的に、例えば、図１０に示されるように、パッケージ１１は第１のベース部１１１−Ａと第２のベース部１１１−Ｂとを含んでいる。サブマウント基板１２は、第１のベース部１１１−Ａ上と第２のベース部１１１−Ｂ上に設けられている。第１のベース部１１１−Ａと第２のベース部１１１−Ｂに応力が生じる場合に、第１のベース部１１１−Ａと第２のベース部１１１−Ｂとが隙間１１１６を形成しているために、第１のベース部１１１−Ａおよび第２のベース部１１１−Ｂに生じる応力は低減される。その結果、パッケージ１１は第１のベース部１１１−Ａおよび第２のベース部１１１−Ｂの変形に関して低減されており、光軸のずれを低減することができる。

１ 光半導体素子収納用部品
１１ パッケージ
１１１ ベース部
１１１１ 貫通孔
１１２ フレーム部
１１２１ 光ファイバ取付部
１１３ 蓋部
１２ サブマウント基板
２ 光半導体素子
３ 透光性部材
４ 光ファイバ
８ ネジ止め部

Claims (9)

1. 貫通孔を有するベース部と、光ファイバ取付部を有しており前記ベース部上に前記貫通孔を囲むように設けられたフレーム部とを含んでいるパッケージと、
   前記ベース部上において前記フレーム部と同面上に設けられており、前記貫通孔を塞いでいるサブマウント基板と、
   を備えた光半導体素子収納用部品。
2. 前記サブマウント基板に突起部が設けられており、前記貫通孔内部において前記突起部の頂部が前記ベース部の下面と実質的に等しい高さに位置していることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子収納用部品。
3. 光半導体素子収納用部品が、前記突起部と前記ベース部との間に隙間を有していることを特徴とする請求項２に記載の光半導体素子収納用部品。
4. 前記ベース部が、前記サブマウント基板の配置領域を含む第１部分と、前記第１部分の周囲領域に配置された第２部分とを有しており、前記第１部分が前記第２部分より薄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部品。
5. 前記第１部分の上面が、前記第２部分の上面より低いことを特徴とする請求項４記載の光半導体素子収納用部品。
6. 光半導体素子収納用部品が、前記サブマウント基板がと前記第２部分の間に隙間を有していることを特徴とする請求項５に記載の光半導体素子収納用部品。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された光半導体素子収納用部品と、
   前記光半導体素子収納用部品の前記サブマウント基板に実装された光半導体素子と、
   を備えた光半導体装置。
8. 互いに離れている複数のベース部と、光ファイバ取付部を有しており前記複数のベース部上に設けられたフレーム部とを含んでいるパッケージと、
   前記複数のベース部上に設けられており、前記フレーム部の内側に設けられたサブマウント基板と、
   を備えた光半導体素子収納用部品。
9. 請求項８に記載された光半導体素子収納用部品と、
   前記光半導体素子収納用部品の前記サブマウント基板に実装された光半導体素子と、
   を備えた光半導体装置。

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