JP5295003B2 - 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。

特開２００２−７２０２４号公報

しかしながら、上記のような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、簡易な構成で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、および光半導体装置に関する。

上記目的を達成するために本発明における光半導体素子収納用パッケージは、上面に光半導体素子を直接的あるいは間接的に載置するための載置部を有する基体と、平面視において前記載置部を囲むように前記基体の上面に設けられた枠体と、を備え、前記枠体と前記載置部との間における前記基体には、平面視において前記載置部を囲むように溝部が形成されており、前記基体に形成された溝部には、前記基体が有するヤング率より大きいヤング率を有する囲み部材が設けられている。

上記目的を達成するために本発明における光半導体装置は、本発明に係る光半導体素子収納用パッケージと、前記半導体素子収納用パッケージに収納された光半導体素子と、前記枠体の上面に設けられた蓋体と、を備える。

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は、簡易な構成で光軸のずれを抑制することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の一例を示す分解斜視図である。 図２は、蓋体を省略した光半導体装置を上面から見た場合の、図１の光半導体装置を示す平面図である。 図３は、図１および図２中に示した切断線Ａ−Ａ´に沿って切断した断面図である。 図４は、蓋体を省略した光半導体装置を上面から見た場合の、図１の変更例に係る光半導体装置を示す平面図である。 図５は、図４中に示した切断線Ｂ−Ｂ´に沿って切断した断面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の一例を示す断面図である。 図７は、図６の変更例に係る光半導体装置を示す断面図である。 図８は、図６の変更例に係る光半導体装置を示す断面図である。 図９は、図６の変更例に係る光半導体装置を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明に係る光半導体素子収納用パッケージ、および光半導体装置は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

[実施の形態１]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置１の一例を示す分解斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る光半導体装置１は、基体２、枠体３、窓部材４、光ファイバ５、台座６、光半導体素子７、透光性部材８、端子部９、蓋体１０、および囲み部材１１を備えている。なお、図２は、蓋体１０を省略した光半導体装置１を上面から見た場合の、図１の光半導体装置１を示す平面図である。ここで、図２において、図１で示した端子部９の図示は省略している。また、図３は、図１および図２中に示した切断線Ａ−Ａ´に沿って切断した断面図である。

ここで、基体２、枠体３、および囲み部材１１が、本発明に係る光半導体素子収納用パッケージの一実施形態となる。

基体２は、例えば、銅（Ｃｕ）、銅（Ｃｕ）-タングステン（Ｗ）合金、鉄（Ｆｅ）-ニッケル（Ｎｉ）-コバルト（Ｃｏ）合金等の金属から構成される。これらの金属は、比較的高い熱伝導性を有する。このため、光半導体装置１が外部基板（図示せず）にネジ止めされた場合に、当該基体２は、光半導体素子７から発せられる熱を、外部基板へ放熱するための放熱板として機能する。なお、本実施形態に係る基体２の４隅には、光半導体装置１を外部基板へネジ止めするためのネジ孔Ｈが形成されている。

枠体３は、基体２と同様、例えば、銅、銅-タングステン合金、鉄-ニッケル-コバルト合金等の金属から構成される。また、枠体３は、図２に示すように、平面視において基体２の載置部２ａを囲むように基体２の上面に設けられている。

なお、枠体３は、基体２と一体的に形成されていてもよいし、基体２と別個独立に形成されていてもよい。基体２と枠体３とが別個独立に形成された場合、基体２と枠体３とは、例えば、半田やロウ材等の接合部材を介して接合される。

窓部材４は、枠体３に形成された貫通孔３ａに設けられた筒状の部材であり、光半導体装置１の外側から光ファイバ５を挿入して当該光ファイバ５を固定する役割を担う部材である。また、窓部材４は、基体２および枠体３と同様、例えば、銅、銅-タングステン合金、鉄-ニッケル-コバルト合金等の金属から構成される。

台座６は、光半導体素子７および透光性部材８を載置するための役割を担う部材である。また、台座６は、基体２の上面に有する載置部２ａに接合される。すなわち、本実施形態においては、光半導体素子７および透光性部材８は、間接的に載置部２ａに載置されることになる。なお、台座６を設けることなく、光半導体素子７および透光性部材８を直接的に載置部２ａに載置させてもよい。

光半導体素子７は、例えば、半導体レーザダイオード、フォトダイオード等である。

透光性部材８は、例えば、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８は、光半導体素子７から光ファイバ５への出射光、あるいは光ファイバ５から光半導体素子７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、光ファイバ５と透光性部材８と光半導体素子７との間では光軸が正しく調整されている。なお、窓部材４の内部にも透光性部材が設けられていてもよい。

端子部９は、半導体素子７に電力を供給するための役割を担う部材である。また、台座６に電子部品（図示せず）が載置された場合には、端子部９は、さらに電子部品と信号のやり取りを仲介する役割を担う部材となる。この端子部９は、例えば、ワイヤボンディング（図示せず）により、半導体素子７および電子部品と電気的に接続される。

蓋体１０は、基体２および枠体３と同様、例えば、銅、銅-タングステン合金、鉄-ニッケル-コバルト合金等の金属から構成される。また、蓋体１０は、枠体３の上面に接合される。

ここで、本実施形態に係る光半導体装置１において、枠体３と載置部２ａとの間における基体２には、平面視において載置部２ａを囲むように溝部Ｃが形成されている。なお、溝部Ｃの数は、本実施形態のように１つでもよいし、複数であってもよい。また、基体２に形成された溝部Ｃには、囲み部材１１が設けられている。囲み部材１１は、基体２が有するヤング率より大きいヤング率を有する材料から構成される。すなわち、基体２が銅から構成される場合、基体２を構成する銅のヤング率は１１７ＧＰａである。また、基体２が銅-タングステン合金から構成される場合、銅とタングステンとの比率にもよるが、基体２を構成する銅-タングステン合金のヤング率は概ね３００ＧＰａ程度である。このため、囲み部材１１は、例えば、アルミナセラミックス（ヤング率：４００ＧＰａ）、窒化アルミニウムセラミックス（ヤング率：４００ＧＰａ）、窒化珪素セラミックス（ヤング率：４４０ＧＰａ）等のセラミックスから構成される。なお、ヤング率とは、弾性範囲で単位ひずみあたり、どれだけ応力が必要かの値を決める定数である。

なお、本実施形態においては、囲み部材１１を構成する材料として、セラミックスを例として説明したが、基体２が有するヤング率より大きいヤング率を有する材料から構成されていれば、特にセラミックスには限定されない。例えば、基体２がモリブデン（ヤング率：３２７ＧＰａ）から構成される場合、囲み部材１１は、セラミックスの代わりに、タングステン（ヤング率：４０３ＧＰａ）から構成されていてもよい。

平面視において載置部２ａを囲むように形成された溝部Ｃに上記のような囲み部材１１が設けられているので、本実施形態に係る光半導体装置１は、次のような効果を有する。すなわち、光半導体装置１を外部基板に例えばネジ止めする際に、当該ネジ止め時において光半導体装置１に作用する応力が、囲み部材１１で抑制されることになる。つまり、囲み部材１１は、基体２が有するヤング率より大きいヤング率を有する材料から構成されているので、基体２の４隅に形成されたネジ孔Ｈからネジ止め時における応力（具体的には、ネジ孔Ｈから光半導体素子７へ向かう応力）が作用した場合であっても、囲み部材１１で囲まれた基体２および当該基体２の上面に接合された台座６（光半導体素子７および透光性部材８が載置される台座６）には、当該応力は作用し難くなる。このため、本実施形態に係る光半導体装置１は、光ファイバ５と透光性部材８と光半導体素子７との間の光軸のずれを、簡易な構成で抑制することができる。

ここで、図３に示すように、溝部Ｃは、基体２の上面と下面とを貫くようにして当該基体２に形成されており、囲み部材１１の上面が基体２の上面と略同一面となるように、かつ囲み部材１１の下面が基体２の下面と略同一面となるように、溝部Ｃに囲み部材１１が設けられていることが好ましい。このようにすると、溝部Ｃが基体２の上面のみ切り欠いて基体２に形成され当該溝部Ｃに囲み部材１１が設けられた場合や、基体２の厚み方向における溝部Ｃの一部にのみ囲み部材１１が設けられた場合と比較して、囲み部材１１で囲まれた基体２および当該基体２の上面に接合された台座６には、より応力は作用し難くなる。なお、本明細書において「略」とは、「実質的に」と同様である。

なお、基体２に形成された溝部Ｃに囲み部材１１を設ける方法として、例えば、次のような方法が挙げられる。すなわち、まず、囲み部材１１の内側の基体（内側基体）と、囲み部材１１の外側の基体（外側基体）とを用意する。そして、内側基体と外側基体との間に、囲み部材を設け、囲み部材の周囲に塗布されたロウ材を溶融する。これにより、ロウ材が毛細管現象（隙間を這うように漏れ広がる）を引き起こし、基体２に形成された溝部Ｃに囲み部材１１が接合される。なお、この方法はあくまで一例であって、これに限定されるものではない。

なお、図４に示すように、溝部Ｃは、第１溝部Ｃ_１と、平面視において第１溝部Ｃ_１よりも枠体３側に位置する第２溝部Ｃ_２とを有するようにしてもよい。この場合、図５に示すように、基体２の厚み方向における第２溝部Ｃ_２の深さは、基体２の厚み方向における第１溝部Ｃ_１の深さよりも大きい。また、第１溝部Ｃ_１および第２溝部Ｃ_２には、囲み部材１１の上面が基体２の上面と略同一面となるように、囲み部材１１がそれぞれ設けられている。

このようにすると、図５に示す矢印（熱の経路を示す矢印）で記載のように、光半導体素子７から発せられる熱は、台座６、第１溝部Ｃ_１に設けられた囲み部材１１の下側の基体２、および第２溝部Ｃ_２に設けられた囲み部材１１の下側の基体２の順に伝わって、光半導体装置１がネジ止めされた外部基板へ放熱されることになる。すなわち、この態様によれば、光半導体素子７から発せられる熱を、外部基板へ導くことが可能となる。このため、この態様によれば、基体２の放熱効果をさらに向上させることができる。なお、この態様であっても、上述した図１〜図３に示す態様と同様、光ファイバ５と透光性部材８と光半導体素子７との間の光軸のずれを抑制することができる。

以上のように、本実施形態に係る光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置によれば、簡易な構成で光軸のずれを抑制することができる。

[実施の形態２]
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置１ａの一例を示す断面図である。すなわち、本実施形態に係る光半導体装置１ａは、台座６に代えて台座６１を採用する点において光半導体装置１と異なる。光半導体装置１ａの他の構成については、光半導体装置１に関して上述したのと同様である。

すなわち、本実施形態に係る光半導体装置１ａにおいて、基体２には、台座６１の一部分が埋設されている。また、台座６１は、基体２が有するヤング率より大きいヤング率を有する材料から構成される。このため、台座６１は、例えば、アルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、窒化珪素セラミックス等のセラミックスから構成される。

なお、本実施形態においては、台座６１を構成する材料として、セラミックスを例として説明したが、基体２が有するヤング率より大きいヤング率を有する材料から構成されていれば、特にセラミックスには限定されない。

基体２には上記のような台座６１の一部分が埋設されているので、本実施形態に係る光半導体装置１ａは、次のような効果を有する。すなわち、光半導体装置１ａを外部基板に例えばネジ止めする際に、当該ネジ止め時において光半導体装置１ａに作用する応力が、基体２に一部分が埋設された台座６１で抑制されることになる。つまり、台座６１は、基体２が有するヤング率より大きいヤング率を有する材料から構成されているので、基体２の４隅に形成されたネジ孔Ｈからネジ止め時における応力が作用した場合であっても、台座６１に載置された光半導体素子７および透光性部材８には、当該応力は作用し難くなる。このため、本実施形態に係る光半導体装置１ａは、光ファイバ５と透光性部材８と光半導体素子７との間の光軸のずれを、簡易な構成で抑制することができる。

また、基体２には台座６１の一部分が埋設されているので、光半導体素子７から発せられる熱を、外部基板へ放熱し易くなる。基体２に台座６１の一部分が埋設されていると、基体２に台座６１の一部分が埋設されていない態様と比較して、光半導体素子７と外部基板との間の距離が短くなるからである。

ここで、図７に示すように、台座６１の下面が基体２の下面と略同一面となるように、基体２に台座６１の一部分が埋設されていることが好ましい。このようにすると、図６に示す態様と比較して、台座６に載置された光半導体素子７および透光性部材８には、より応力は作用し難くなる。すなわち、図７に示す態様は、図６に示す態様と比較して、基体２の厚み方向全体にわたって台座６１の一部分が基体２に埋設されているからである。

以上のように、本実施形態に係る光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置によれば、簡易な構成で光軸のずれを抑制することができる。

なお、図６および図７では、台座６１の形状は、直方体状である例を図示したが、これに限定されない。すなわち、図８および図９に示すように、台座６１は、鍔部６１ａを有していてもよい。つまり、図８および図９では、台座６１の鍔部６１ａが、基体２に埋設されている。ここで、図９に示す態様は、図８に示す態様と異なり、鍔部６１ａの下面が基体２の下面と略同一面となるように、基体２に鍔部６１ａが埋設されている。図８に示す態様によれば、図６に示す態様と比較して、台座６１に載置された光半導体素子７および透光性部材８には、より応力は作用し難くなる。またこれと同様に、図９に示す態様によれば、図７に示す態様と比較して、台座６１に載置された光半導体素子７および透光性部材８には、より応力は作用し難くなる。

以上のように、本発明は、簡易な構成で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。

１，１ａ 光半導体装置
２ 基体
２ａ 載置部
３ 枠体
６，６１ 台座
７ 光半導体素子
１０ 蓋体
１１ 囲み部材
Ｃ 溝部
Ｃ_１ 第１溝部
Ｃ_２ 第２溝部

Claims (4)

1. 上面に光半導体素子を直接的あるいは間接的に載置するための載置部を有する基体と、
   平面視において前記載置部を囲むように前記基体の上面に設けられた枠体と、を備え、
   前記枠体と前記載置部との間における前記基体には、平面視において前記載置部を囲むように溝部が形成されており、
   前記基体に形成された溝部には、前記基体が有するヤング率より大きいヤング率を有する囲み部材が設けられている、光半導体素子収納用パッケージ。
2. 前記溝部は、第１溝部と、平面視において前記第１溝部よりも前記枠体側に位置する第２溝部とを少なくとも有し、
   前記基体の厚み方向における前記第２溝部の深さは、前記基体の厚み方向における前記第１溝部の深さよりも大きく、
   前記第１溝部および前記第２溝部には、前記囲み部材がそれぞれ設けられている、請求項１に記載の光半導体素子収納用パッケージ。
3. 前記溝部は、前記基体の上面と下面とを貫くようにして当該基体に形成されており、
   前記囲み部材の上面が前記基体の上面と略同一面となるように、かつ前記囲み部材の下面が前記基体の下面と略同一面となるように、前記溝部に前記囲み部材が設けられている、請求項１に記載の光半導体素子収納用パッケージ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子収納用パッケージと、
   前記半導体素子収納用パッケージに収納された光半導体素子と、
   前記枠体の上面に設けられた蓋体と、を備えた、光半導体装置。