JP5601819B2

JP5601819B2 - 光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置

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Publication number: JP5601819B2
Application number: JP2009250692A
Authority: JP
Inventors: 猛夫佐竹; 博司柴山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: JP2010135767A

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、光通信等に使用される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）には、底板と枠部材とが備えられ、枠部材には光信号を入出力させるための貫通孔が設けられている。そして、枠部材に設けられた貫通孔の周囲には光ファイバを保持するための保持部材が設けられている。この保持部材の内側面には光半導体素子と光ファイバとの間で光信号を無駄なく伝送させ、かつパッケージ内部を気密に封止するための透光性部材がさらに取り付けられている。

特開２００３−３０３９０９号公報

しかしながら、特許文献１で示される上記従来の光半導体素子収納用パッケージにおいては、近時のパッケージの小型化により、透光性部材の小型化またはパッケージの低背化が進んできている。透光性部材が小型化すると、保持部材の他端側に光ファイバを例えば溶接接合した際に、熱応力がレンズに大きく作用し易くなる。このため、レンズがクラック等によって破損し易くなる。レンズにクラック等の破損が生じると、破損した箇所で光透過性が低下して、光信号の伝送に支障が生じることになる。

本発明の一つの態様によれば、光半導体素子収納用パッケージは、光半導体素子の搭載
領域を含む上面を有している底板と、前記搭載領域を囲むように前記底板の上に設けられているとともに、貫通孔を有している枠部材と、前記枠部材上に設けられたシールリングと、部分的に前記貫通孔内に設けられており、筒状構造を有しているとともに、前記筒状構造における内側面に前記枠部材の側面に対する平行面を有している光ファイバ保持用部材と、前記光ファイバ保持用部材の前記平行面に接合された透光性部材とを備え、前記光ファイバ保持用部材には、当該光ファイバ保持用部材と前記枠部材とが接合される面と、当該光ファイバ保持用部材の外周面との間に切欠部が形成されている。

本発明の一つの態様によれば、光半導体素子収納用パッケージは、光ファイバ保持用部材の平行面に接合された透光性部材を含んでいる。光半導体素子収納用パッケージは、このような構成を含んでいることにより、透光性部材における損傷を低減させることができ、光信号の伝送特性に関して向上されている。

本発明の第１の実施形態における光半導体装置を示す斜視図である。図１に示された光半導体装置の縦断面図である。本発明の第２の実施形態における光半導体装置を示す縦断面図である。本発明の第３の実施形態における光半導体装置を示す縦断面図である。図４に示された光半導体装置の平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態において、光半導体装置は、図１および図２に示されているように、光半導体素子収納用パッケージ１（以下、パッケージ１という）と、パッケージ１内に設けられたサブマウント基板２と、サブマウント基板２に実装された光半導体素子３とを含んでいる。図１において、光半導体装置は、仮想のｘｙｚ空間におけるｘｙ平面に実装されている。図１において、上方向とは、仮想のｚ軸の正方向のことをいう。

パッケージ１は、底板１１と、底板１１の上に設けられた枠部材１２と、枠部材１２に固定された光ファイバ保持用部材１３と、光ファイバ保持用部材１３内に設けられた透光性部材１４とを含んでいる。

底板１１は、光半導体素子３の搭載領域１１ａを含む上面を有している。“搭載領域”とは、図１および図２に示されているように、サブマウント基板２を介して光半導体素子３を搭載する領域に加えて、光半導体素子３を直接搭載する領域を含むものである。

本実施形態に係るパッケージの底板１１は、例えば、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）、Ｃｕ−モリブデン（Ｍｏ）等の金属、またはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックス、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質セラミックス、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質セラミックス等のセラミックスから成る。ここで、底板１１が金属から成る場合には、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工、切削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作製される。

底板１１が例えばＡｌ_２Ｏ_３質セラミックスから成る場合には、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。
その後、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積層し、還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによって作製される。

枠部材１２は、搭載領域１１ａを囲むように底板１１の上に設けられており、光信号の入出力部となる貫通孔１２ａを有している。貫通孔１２ａは、枠部材１２において仮想のｘ軸方向に設けられている。枠部材１２の外側面の貫通孔１２ａ周囲に、光ファイバ４を固定するための枠状または筒状の光ファイバ保持用部材１３が接合されている。光ファイバ保持用部材１３の一部を貫通孔１２ａに嵌合させる際に、枠部材１２の外側面の貫通孔１２ａ周囲に、光ファイバ保持用部材１３が当接することになる。このため、光半導体素子３の光軸と光ファイバ保持用部材１３によって保持される光ファイバ４の光軸とを容易に調整することができる。

枠部材１２は、底板１１とともにその内側（内部空間）に光半導体素子３を収納するための空所を形成する。枠部材１２は、平面視において長方形または円形を有しており、光ファイバ保持用部材１３を支持する。

枠部材１２は、底板１１と同様に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ＳＵＳ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等の金属、またはＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２等のセラミックスから成る。枠部材１２は、底板１１と一体的に形成されている。または、枠部材１２は、底板１１にＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材でロウ付け、あるいはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって、底板１１の上面における外周部に接合される。

図１および図２に示されているように、本実施形態におけるパッケージ１は、底板１１を枠部材１２より外側に張り出した形態のものである。張り出した箇所を図示しない外部電気回路基板にネジ止め固定することによって、底板１１を外部電気回路基板に密着固定させることが容易となる。また、光半導体素子３から発生する熱を底板１から良好に熱放散させることができる。従って、光半導体素子３の作動時に発生する熱をパッケージ１の外部に効率良く熱放散でき、高速光通信に適した光半導体素子収納用パッケージを提供することができる。特に、図１および図２に示されたパッケージは、長距離伝送系の光通信用のパッケージとして好適に用いることができる。

光ファイバ保持用部材１３は、部分的に貫通孔１２ａ内に設けられている。光ファイバ保持用部材１３は、筒状構造を有しており、この筒状構造における内側表面に枠部材１２に対する平行面１３ａを有している。平行面１３ａは、枠部材１２の側面に対して平行に設けられている。

貫通孔２ａに透光性部材１４を保持するための光ファイバ保持用部材１３の一端側が、枠部材１２の外側面の貫通孔２ａ周囲に接合されている。光ファイバ保持用部材１３は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成り、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作製される。光ファイバ保持用部材１３の一端側が、Ａｇロウ等によるロウ付け、Ａｕ−Ｓｎ半田等による半田付けにより枠部材１２の外側面の貫通孔２ａ周囲に接合され、透光性部材１４とともに貫通孔２ａを気密に塞ぐ。光ファイバ保持用部材１３の他端側で光ファイバ４を保持する。光ファイバ保持用部材１３には、光ファイバ保持用部材１３と枠部材１２とが接合される面と、光ファイバ保持用部材１３の外周面との間に切欠部が形成されている。

光ファイバ保持用部材１３の枠部材１２の外側の他端側には光ファイバ４を固定するための枠状や筒状の固定部材１６が設けられている。透光性部材１４の接合は、透光性部材１４の中心軸と光ファイバ保持用部材１３の内側面の中心軸とが一致するようにして接合されるとともに、透光性部材１４が光半導体素子３に対向する位置に接合される。

光ファイバ保持用部材１３には、中央部の軸方向に内側面が形成されており、内側面を塞ぐように透光性部材１４がＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材、Ａｕ−Ｓｎ半田等の半田、ガラス等の接合材によって気密に接合されている。

透光性部材１４は、光ファイバ保持用部材１３の平行面１３ａに接合されている。透光性部材１４は、ガラスまたはサファイア等から成るとともに、円板状または四角板状等の板状、球状、半球状またはレンズ状のものである。板状で単に光を透過させるだけのものであってもよいし、球状、半球状、レンズ状で透過した光を集光させる等の機能を有しているものであってもよい。

透光性部１４は、ロウ材、半田を介して光ファイバ保持用部材１３に接合される場合、透光性部材１４の外周部に全周にわたってＷ、Ｍｏ、マンガン（Ｍｎ）、Ａｇ−Ｃｕ−チタン（Ｔｉ）合金、Ｎｉ、Ａｕ等から成る金属層が被着されているのが好ましい。透光性部材１４の金属層においてロウ材、半田との密着性が向上し、透光性部材１４がロウ材、半田を介して光ファイバ保持用部材１３の内側面に強固に接合されるからである。

透光性部材１４の光信号が入射する側の主面に反射防止膜が施されるのが好ましい。このようにすると、透光性部材１４の表面における光信号の反射による損失の発生を抑制することができる。

反射防止膜を施した透光性部材１４を光ファイバ保持用部材１３に接合する場合、反射防止膜が熱によって変質したり蒸発したりするのを防止するため、融点４００℃以下の低温の接合材を介して接合させることが好ましい。

融点４００℃以下の接合材としては、例えば、Ａｕが８０質量％と錫（Ｓｎ）が２０質量％とから成るＡｕ−Ｓｎ半田（融点が２８０℃）、Ａｕが８８質量％とゲルマニウム（Ｇｅ）が１２質量％とから成るＡｕ−Ｇｅ半田、Ｓｎ−Ａｇ系半田、Ｓｎ−アンチモン（Ｓｂ）系半田、Ｓｎ−ビスマス（Ｂｉ）系半田、Ｓｎ−鉛（Ｐｂ）系半田等の半田が挙げられる。

透光性部材１４を予め光ファイバ保持用部材１３に接合しておき、透光性部材１４が光ファイバ保持用部材１３に接合された状態で透光性部材１４の表面に反射防止膜を施してもよい。この場合、４００℃を超える高い融点を有する接合材を介して接合することができる。

透光性部材１４がガラスから成る場合、透光性部材１４の光ファイバ保持用部材１３との接合面の表面付近を溶融させて、接合材を用いずに透光性部材１４と光ファイバ保持用部材１３とを接合してもよい。この構成により、透光性部材１４が光ファイバ保持用部材１３に直接接合されることから、透光性部材１４の光ファイバ保持用部材１３への密着性を向上させることができる。

光ファイバ４は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ＳＵＳ等の金属から成る枠状や円筒状の固定部材１６に固定されている。固定部材１６の一端または一主面が、光ファイバ保持用部材１３の他端側にレーザ溶接法等の溶接や半田付け等によって接合され、光ファイバ４が固定部材１６を介して枠部材１２の一側部に接合される。
これにより、光ファイバ４を介してパッケージ内部に収納する光半導体素子３と外部との光信号の授受が可能となる。

以上のように、本実施形態に係るパッケージによれば、貫通孔２ａに嵌合された光ファイバ保持用部材１３の箇所または光ファイバ保持用部材１３の貫通孔２ａよりも外側における当該光ファイバ保持用部材１３の内側面のうち、枠部材１２と平行な面を有し、当該枠部材１２と平行な面にのみ、透光性部材１４が接合されているので、他端側で光ファイバ４を例えば溶接によって保持させる際に、透光性部材１４に加わる熱応力を緩和させることができる。ここで、仮に、貫通孔２ａに嵌合された光ファイバ保持用部材１３の箇所における当該光ファイバ保持用部材１３の内側面のうち、枠部材１２と垂直な面に、透光性部材１４が接合されている態様を考える。この態様では、他端側で光ファイバ４を例えば溶接によって保持させる際に、光ファイバ保持用部材１３に加わる熱応力が、直接、透光性部材１４に作用することになる。すなわち、透光性部材１４の上下方向から透光性部材１４に熱応力が加わることになる。このため、透光性部材１４がクラック等によって破損し易くなる。これに対して、本実施形態に係る電子部品収納用パッケージによれば、貫通孔２ａに嵌合された光ファイバ保持用部材１３の箇所または光ファイバ保持用部材１３の貫通孔２ａよりも外側における当該光ファイバ保持用部材１３の内側面のうち、枠部材１２と平行な面にのみ、透光性部材１４が接合されているので、他端側で光ファイバ４を例えば溶接によって保持させる際に、光ファイバ保持用部材１３に加わる熱応力が、直接、透光性部材１４に作用することはない。すなわち、透光性部材１４の上下方向から透光性部材１４に熱応力が加わることはない。このため、透光性部材１４がクラック等によって破損し難くなる。これにより、光半導体素子３と光ファイバ４との間で光信号を支障なく伝送することができる。

すなわち、図２に示すように、貫通孔２ａに嵌合された光ファイバ保持用部材１３の箇所おける当該光ファイバ保持用部材１３の内側面のうち、枠部材１２と平行な面にのみ、透光性部材１４が接合されている場合、光ファイバ保持用部材１３の透光性部材１４が接合されている箇所の外周面が枠部材１２に拘束保持されることとなり、光ファイバ４を溶接によって保持させる際に、光ファイバ保持用部材１３に加わる熱応力が透光性部材１４に加わり難くなる。

さらに、図２に示すように、枠部材１２の上面にシールリングが接合されている場合、パッケージが低背化して、パッケージの高さが光ファイバ保持用部材１３の高さとほぼ同一となっても、切欠部が形成されていることによって、光ファイバ保持用部材１３の端面がシールリングに当接するのを防止することができる。このため、シールリングの状態に応じて光ファイバ保持用部材１３の取り付け状態が変化するのを防止することができる。そのため、シールリングの寸法バラツキやズレが生じてシールリングの側面が枠部材１２の側面から突出しても、光ファイバ保持用部材１３を所定の位置にかつ所定の向きに取り付けることができる。この結果、光半導体素子３の光軸と光ファイバ保持用部材１３に保持される光ファイバ４の光軸とがずれるのを抑制することができる。

なお、好ましくは、図２に示すように、貫通孔２ａに嵌合された光ファイバ保持用部材１３の箇所（嵌合部）における当該光ファイバ保持用部材１３の肉厚が、切欠部が形成された光ファイバ保持用部材１３の箇所（薄肉部）における当該光ファイバ保持用部材１３の肉厚よりも薄い態様とするのがよい。この態様によれば、他端側で光ファイバ４を例えば溶接によって保持させる際に、光ファイバ保持用部材１３に熱応力が作用しても、透光性部材１４が接合される光ファイバ保持用部材１３の部位には熱応力が伝わり難くなる。そのため、透光性部材１４がクラック等によって破損し難くなる。これにより、光半導体素子３と光ファイバ４との間で光信号を支障なく伝送することができる。

（第２の実施形態）
光半導体装置として構成した際に、図３に示すように、光ファイバ保持用部材１３を覆い、光ファイバ４の固定部材１６との接合部周辺を保護するように、ゴム製のカバー１７を取り付ける場合がある。この場合、ゴム製のカバー１７に、切欠部に嵌め合うことができる突起を設けておくことにより、その突起を切欠部に嵌め合わせることができる。このようにすることで、ゴム製のカバー１７を光ファイバ保持用部材１３から外れ難くすることができる。なお、カバーは、ゴム製に限定されるものではない。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における光半導体装置について、図４および図５を参照して説明する。本実施形態における光半導体装置は、パッケージ１と、パッケージ１内に設けられたサブマウント基板２と、サブマウント基板２に実装された光半導体素子３とを含んでいる。図４において、上方向とは仮想のｚ軸の正方向のことをいう。

パッケージ１は、底板１１と、枠部材１２と、光ファイバ保持用部材１３と、透光性部材１４と蓋体１５とを含んでいる。

底板１１は、実質的に金属材料からなり、光半導体素子３の搭載領域１１ａを有している。図５において、サブマウント基板２および光半導体素子３は、透過された状態で、破線によって示されている。

枠部材１２は、搭載領域１１１を囲むように底板１１の上に設けられているとともに、仮想のｘ軸方向に設けられた貫通孔１２ａを有している。枠部材１２は、実質的に金属材料からなる。

光ファイバ保持用部材１３は、部分的に貫通孔１２ａ内に設けられているとともに、筒状構造を有している。光ファイバ保持用部材１３は、筒状構造における内側面に、枠部材１２に対する平行面１３ａを有している。平行面１３ａは、枠部材１２の側面に対して平行に設けられている。平行面１３ａは、枠部材１２の外側に設けられている。本実施形態において、好ましくは、光ファイバ保持用部材１３の枠部材１２と平行な面１３ａは、パッケージ外側方向に向いているのがよい。

透光性部材１４は、光ファイバ保持用部材１３の平行面１３ａに接合されている。部材１４における“透光性”とは、光半導体素子３から放射される光の少なくとも一部の波長が透過できること、または、光ファイバ４から放射される光の少なくとも一部の波長が透過できることをいう。透光性部材１４は、実質的にガラスまたはサファイアからなる。透光性部材１４は、枠部材１２の外側に設けられている。透光性部材１４は、光ファイバ保持用部材１３の内側面において、枠部材１２に対する垂直面１３ｂから離間されている。

本実施形態における光半導体装置は、光ファイバ保持用部材１３の貫通孔２ａよりも外側における光ファイバ保持用部材１３の内側面のうち、枠部材１２と平行な面１３ａを有し、枠部材１２と平行な面１３ａにのみ、透光性部材１４が接合されているため、光ファイバ保持用部材１３の固定部材１６接合面側の部位が変形したとしても、それに直交する方向には変形が伝わり難く、光ファイバ４を溶接によって保持させる際に、光ファイバ保持用部材１３に加わる熱応力が透光性部材１４に加わり難くなる。

本実施形態における光半導体装置において、透光性部材１４が、枠部材１２の外側に設けられていることにより、光半導体素子３によって発生される熱による透光性部材１４の劣化が低減されている。

１パッケージ
１１底板
１２枠部材
１３光ファイバ保持用部材
１４透光性部材
１５蓋体
２サブマウント基板
３光半導体素子
４光ファイバ

Claims

光半導体素子の搭載領域を含む上面を有している底板と、
前記搭載領域を囲むように前記底板の上に設けられているとともに、貫通孔を有している枠部材と、
前記枠部材上に設けられたシールリングと、
部分的に前記貫通孔内に設けられており、筒状構造を有しているとともに、前記筒状構造における内側面に前記枠部材の側面に対する平行面を有している光ファイバ保持用部材と、
前記光ファイバ保持用部材の前記平行面に接合された透光性部材とを備え、
前記光ファイバ保持用部材には、当該光ファイバ保持用部材と前記枠部材とが接合される面と、当該光ファイバ保持用部材の外周面との間に切欠部が形成されている、光半導体素子収納用パッケージ。
前記透光性部材が、前記光ファイバ保持用部材の内側空間における前記枠部材より外側の部分に設けら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。
前記貫通孔に嵌合された前記光ファイバ保持用部材の箇所における当該光ファイバ保持用部材の肉厚が、前記切欠部が形成された前記光ファイバ保持用部材の箇所における当該光ファイバ保持用部材の肉厚よりも薄い、請求項１記載の光半導体素子収納用パッケージ。
請求項１乃至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、
前記光ファイバと光学的に結合するように前記載置部に載置された光半導体素子と、前記側壁の上面に接合された蓋体とを備えた光半導体装置。