JP6910976B2

JP6910976B2 - 光モジュール

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Publication number: JP6910976B2
Application number: JP2018025896A
Authority: JP
Inventors: 大輔上山; 神川　剛; 剛神川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2038-02-16
Also published as: JP2019145559A

Description

本発明は、光モジュールに関する。

従来、半導体レーザ素子または発光ダイオード素子等の光半導体素子を有する光半導体装置を複数備えた光モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２１８４４８号公報

従来の光モジュールは、半導体レーザ素子をＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ等の素子収納用パッケージに収容してなる光半導体装置を基板上に実装するものであり、素子収納用パッケージの寸法、および放熱性を考慮すると、さらなる集積化を行うことが難しい。そのため、小型で大光量の光モジュールが求められている。

本開示の光モジュールは、光半導体装置が実装される１つ以上の実装領域を有し、前記１つ以上の実装領域の各々に第１金属パターンが配設されている基板と、
前記１つ以上の実装領域にそれぞれ実装された１つ以上の光半導体装置と、を備える。前記１つ以上の光半導体装置の各々は、
第１面に光半導体素子が載置される載置領域を有する本体部と、
前記載置領域に載置された光半導体素子と、
前記第１面に配設され前記光半導体素子を囲んでいる、前記第１面上に位置する第１端面と前記第１端面とは反対側の第２端面を有する枠部であって、前記第２端面に全周にわたって配設される金属層を有し、前記金属層の、前記第２端面とは反対側の面の全周が、前記第１金属パターンに接合されている枠部と、を有する。

本開示の光モジュールによれば、信頼性に優れた、小型で大光量の光モジュールを提供することができる。

本実施形態の光モジュールの一部を抜粋して示す斜視図である。図１の切断面線Ａ−Ａで切断した断面図である。本実施形態の光モジュールの一部を抜粋して示す平面図である。本実施形態の光モジュールの一部を抜粋して示す分解斜視図である。本実施形態の光モジュールにおける枠部の構成を示す平面図である。本実施形態の光モジュールを示す平面図である。本実施形態の光モジュールの変形例を示す斜視図である。本実施形態の光モジュールの他の変形例を示す斜視図である。本実施形態の光モジュールの他の変形例を示す平面図である。光半導体装置における枠部の構成の変形例を示す平面図である。光半導体装置における枠部の構成の他の変形例を示す平面図である。光半導体装置における枠部の構成の他の変形例を示す平面図である。光半導体装置における枠部の構成の他の変形例を示す平面図である。光半導体装置における枠部の構成の他の変形例を示す平面図である。光半導体装置における枠部の構成の他の変形例を示す平面図である。

以下に、本開示の光モジュールの実施形態の一例について、添付の図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態の光モジュールの一部を抜粋して示す斜視図であり、図２は、図１の切断面線Ａ−Ａで切断した断面図である。図３は、本実施形態の光モジュールの一部を抜粋して示す平面図であり、図４は、本実施形態の光モジュールの一部を抜粋して示す分解斜視図であり、図５は、本実施形態の光モジュールにおける枠部の構成を示す平面図であり、図６は、本実施形態の光モジュールを示す平面図である。なお、図４，５において、光半導体素子は省略して図示している。また、図５における斜線部は、金属層および接続導体を示し、図６における斜線部は、第１金属パターンおよび第２金属パターンを示している。

本実施形態の光モジュール１は、基板１０と、基板１０に実装された１つ以上の光半導体装置２０とを備えている。

基板１０は、平板状であり、絶縁材料から形成されている。基板１０は、図１，２に示すように、一方主面１０ａ、および一方主面１０ａとは反対側の他方主面１０ｂを有しており、一方主面１０ａには、１つ以上の光半導体装置２０がそれぞれ実装される１つ以上の実装領域１０ｃが設けられている。図３，４に示すように、各実装領域１０ｃには、第１金属パターン１１および第２金属パターン１２が配設されている。

第１金属パターン１１および第２金属パターン１２は、基板１０の表面または内部に配設される配線導体によって、外部配線基板に電気的に接続されている。外部配線基板は、例えばガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料から成り、光半導体装置２０の光出力を制御するための制御素子が搭載されている。

基板１０は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、または、ガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁材料等からなる。基板１０は、絶縁材料を用いて一体的に作製されたものであってもよく、絶縁材料からなる絶縁層を複数積層して作製されたものであってもよい。第１金属パターン１１および第２金属パターン１２は、例えば、タングステン、モリブデン、銅、銀または銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

光半導体装置２０は、本体部２１と、光半導体素子２２と、枠部２３とを備えている。

本体部２１は、平板状であり、絶縁材料から形成されている。本体部２１は、第１面２１ａに光半導体素子２２が載置される載置領域２１ｂを有している。また、第１面２１ａには、第１電極パッド２１ｃおよび第２電極パッド２１ｄが配設されている。第１電極パッド２１ｃは、載置領域２１ｂを覆うように設けられている。

光半導体素子２２は、本体部２１の載置領域２１ｂに載置されている。光半導体素子２２としては、例えば、半導体レーザ素子（ＬＤ）、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、垂直共振器面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）等を用いることができる。

本実施形態の光モジュール１では、光半導体素子２２として、半導体レーザ素子が用いられている。光半導体素子２２は、その一方の電極が第１電極パッド２１ｃに電気的に接続されるように、例えばはんだ等の導電性接合材を介して、載置領域２１ｂに載置されている。光半導体素子２２の他方の電極は、例えばボンディングワイヤ２６によって第２電極パッド２１ｄに電気的に接続されている。光半導体素子２２は、光半導体素子２２から出射される光が、枠部２３に設けられる光取り出し口（後述する貫通孔２３ｄ）に向かって進行するように位置づけられている。

枠部２３は、絶縁材料から形成されている。枠部２３は、本体部２１の第１面２１ａに配設され、本体部２１の載置領域２１ｂに載置された光半導体素子２２を囲んでいる。枠部２３は、第１面２１ａ上に位置し、第１面２１ａに密着している第１端面２３ａ、および第１端面２３ａとは反対側の第２端面２３ｂを有している。枠部２３は、第２端面２３ｂに配設される金属層２３ｃを有している。金属層２３ｃは、図５に示すように、環状形状を有しており、枠部２３の第２端面２３ｂに全周にわたって配設されている。

本実施形態では、図２に示すように、金属層２３ｃは、枠部２３の内周面に配設される側面電極２４ａによって、第１電極パッド２１ｃに電気的に接続されている。これにより、金属層２３ｃは、光半導体素子２２の一方の電極に電気的に接続される。金属層２３ｃと第１電極パッド２１ｃとは、側面電極２４ａの代わりに、枠部２３の内部に設けられるビア電極によって、電気的に接続されていてもよい。

本実施形態では、図５に示すように、金属層２３ｃは、第２端面２３ｂの内周縁部だけに配設されており、第２端面２３ｂは、外周縁部が金属層２３ｃから露出している。露出した外周縁部には、接続導体２５が配設されている。接続導体２５は、枠部２３の外周面に配設された側面電極２４ｂによって、第２電極パッド２１ｄと電気的に接続されている。接続導体２５と第２電極パッド２１ｄとは、側面電極２４ｂの代わりに、枠部２３の内部に設けられるビア電極によって、電気的に接続されていてもよい。

金属層２３ｃは、第２端面２３ｂの全周が、第１金属パターン１１に接合されている。これにより、基板１０と、光半導体装置２０の本体部２１および枠部２３とによって規定される空間が気密に封止される。また、接続導体２５は、第２金属パターン１２に接合されている。金属層２３ｃと第１金属パターン１１との接合、および接続導体２５と第２金属パターン１２との接合は、例えばはんだ等の導電性接合材を用いて行われる。これにより、第１金属パターン１１は、光半導体素子２２の一方の電極に電気的に接続され、第２金属パターン１２は、光半導体素子２２の他方の電極に電気的に接続される。なお、第１金属パターン１１および第２金属パターン１２の形状は、金属層２３ｃの全周が第１金属パターンに接合でき、かつ接続導体２５が第２金属パターン１２に接合できる形状であればよい。第１金属パターン１１は、例えば、ベタ状、環状等の形状であってもよく、その他の形状であってもよい。

枠部２３には、枠部２３の内周面および外周面に開口する貫通孔２３ｄが設けられている。貫通孔２３ｄは、ガラス製や樹脂製等の、透明で透光性を有する部材によって、気密に封止されている。貫通孔２３ｄは、光半導体素子２２から出射される光を外部に取り出すための光取り出し口になる。貫通孔２３ｄは、例えば、枠部２３を本体部２１側から高さ方向（図２における上下方向）に途中まで切り欠いて形成される、切り欠きであってもよい。

本体部２１および枠部２３は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、または、ガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁材料等からなる。本体部２１および枠部２３は、絶縁材料を用いて一体的に作製されたものであってもよく、絶縁材料からなる絶縁層を複数積層して作製されたものであってもよい。本体部２１および枠部２３は、基板１０を形成する絶縁材料と同じ絶縁材料から形成されていてもよい。

本実施形態の光モジュール１は、例えば図６に示すように、複数の光半導体装置２０が基板１０に実装された構成とすることができる。本実施形態の光モジュール１では、光半導体装置２０を基板１０の実装領域１０ｃに実装することによって、光半導体装置２０の気密封止、および光半導体装置２０と基板１０との電気的接続が行われる。本実施形態の光モジュール１によれば、個別に気密封止された、複数の光半導体装置を基板に実装してなる光モジュールと比較して、光半導体装置２０を高密度に配置することが可能になり、小型で大光量の光モジュールを実現できる。また、本実施形態の光モジュール１では、基板１０の一方主面１０ａが、光半導体素子２２が収納された収納空間（基板１０と本体部２１と枠部２３とによって規定される空間）に露出しているため、光半導体装置２０を駆動した際に発生する熱を、基板１０を介して、効率良く外部に放熱することが可能になり、ひいては、信頼性に優れた光モジュールを実現できる。

なお、上記では、金属層２３ｃが、第１電極パッド２１ｃおよび側面電極２４ａを介して、光半導体素子２２の一方の電極に電気的に接続されている構成としているが、金属層２３ｃは、光半導体素子２２に電気的に接続されていない構成であってもよい。すなわち、金属層２３ｃは、光半導体装置２０を封止するためだけに用いられてもよい。金属層２３ｃと光半導体素子２２の一方の電極とを電気的に接続しない場合、光半導体装置２０は、例えば、本体部２１の、第１面２１ａとは反対側の第２面２１ｅに、本体部２１を厚み方向に貫通する貫通導体によって第１電極パッド２１ｃに接続される接続パッドを配設し、この接続パッドと第１金属パターン１１とを、例えばボンディングワイヤによって接続する構成であってもよい。これにより、光半導体素子２２を駆動するための駆動信号を第１電極パッド２１ｃに供給することができる。

本実施形態の光モジュール１は、放熱部材３０を備えている。これにより、光モジュール１は、光半導体装置２０を駆動した際に発生する熱を外部に効果的に放熱することができるので、光半導体装置２０を一層高密度に配置することが可能になり、ひいては、光モジュール１が出力する光量を向上させることができる。放熱部材３０は、例えば図１，２に示すように、基板１０の他方主面１０ｂに配設されている。放熱部材３０は、例えば、銀、銅、またはタングステン等を主成分とする金属材料から構成されていてもよい。なお、放熱部材３０が配設される面は、基板１０の他方主面１０ｂに限定されず、基板１０の一方主面１０ａまたは基板１０の側面であってもよい。放熱部材３０が配設される面には、第１金属パターン１１および第２金属パターン１２と外部配線基板とを接続する配線導体が配設されていない構成であってもよい。これにより、基板１０と放熱部材３０とが直接に接触する面積を拡大することができ、光半導体装置２０を駆動した際に発生する熱を外部に一層効果的に放熱することができる。

次に、図７Ａ，７Ｂ，７Ｃを参照して、本実施形態の光モジュール１の変形例について説明する。図７Ａ，７Ｂ，７Ｃに示す変形例は、上記の光モジュール１に対して、基板１０の構成および光半導体装置２０の実装位置が異なり、それ以外の構成については略同様であるので、上記光モジュール１との相違点についてのみ説明する。

図７Ａは、本実施形態の光モジュール１の変形例を示す斜視図である。光モジュール１は、図７Ａに示すように、基板１０の一方主面１０ａに複数の光半導体装置２０が千鳥パターンとなるように実装されている構成であってもよい。基板１０の一方主面１０ａだけでなく他方主面１０ｂにも複数の光半導体装置２０が千鳥パターンとなるように実装されていてもよい。本変形例では、一方主面１０ａにおける千鳥パターンと、他方主面１０ｂにおける千鳥パターンとは、同一であってもよく、異なっていてもよい。

図７Ｂは、本実施形態の光モジュール１の他の変形例を示す斜視図である。光モジュール１は、図７Ｂに示すように、基板１０の一方主面１０ａに、一方主面１０ａと平行に延びる段差面１０ｅを有する段差部１０ｄが設けられるとともに、一方主面１０ａだけでなく段差面１０ｅにも複数の光半導体装置２０が実装されている構成であってもよい。本変形例では、一方主面１０ａに実装される光半導体装置２０の数と、段差面１０ｅに実装される光半導体装置２０の数とが、同一であってもよく、異なっていてもよい。

図７Ｃは、本実施形態の光モジュール１の他の変形例を示す平面図である。光モジュール１は、図７Ｃに示すように、複数の光半導体装置２０が、基板１０の一方主面１０ａおよび他方主面１０ｂに実装されているとともに、基板１０は、一端部１０ｆにおける他方主面１０ｂと、一端部１０ｆとは反対側の他端部１０ｇにおける他方主面１０ｂとが対向するように、Ｕ字状に屈曲した曲折部１０ｈを有している構成であってもよい。本変形例では、曲折部１０ｈには、光半導体装置２０が実装されず、放熱部材、外部配線基板等が設けられていてもよい。

図７Ａ，７Ｂ，７Ｃに示した変形例によっても、信頼性に優れた、小型で大光量の光モジュールを実現することができる。

次に、図８Ａ，８Ｂ，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄを参照して、光半導体装置の枠部の構成の変形例について説明する。なお、図８Ａ，８Ｂ，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄにおいて、光半導体素子２２は省略して図示している。また、図８Ａ，８Ｂ，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄにおける斜線部は、金属層２３ｃおよび接続導体２５を示している。

図８Ａは、光半導体装置における枠部の構成の変形例を示す平面図である。本変形例では、図８Ａに示すように、金属層２３ｃは、第２端面２３ｂの外周縁部だけに配設されており、第２端面２３ｂは、内周縁部が金属層２３ｃから露出している。露出した内周縁部には、接続導体２５が配設されている。本変形例における接続導体２５は、図８Ａに示すように、複数の導体から成り、複数の導体は、枠部２３の内部に設けられるビア電極によって、第２電極パッド２１ｄと電気的に接続されている。

図８Ｂは、光半導体装置における枠部の構成の他の変形例を示す平面図である。接続導体２５は、図８Ｂに示すように、第２端面２３ｂの、露出した内周縁部に配設される、環状形状の導体であってもよい。本変形例の接続導体２５は、枠部２３の内部に設けられるビア電極によって、第２電極パッド２１ｄと電気的に接続されている。接続導体２５は、枠部２３の内周面に設けられる側面電極によって、第２電極パッド２１ｄと電気的に接続されていてもよい。

図８Ａ，８Ｂに示す変形例における第２金属パターン１２は、基板１０の内部を通って、実装領域１０ｃにおける接続導体２５に対向する位置に導出されていればよい。これにより、光半導体装置２０を実装領域１０ｃに実装する際に、接続導体２５と第２金属パターン１２とが電気的に接続される。

なお、図８Ａ，８Ｂに示す変形例の金属層２３ｃは、光半導体素子２２に電気的に接続されていない構成であってもよい。すなわち、金属層２３ｃは、光半導体装置２０を封止するためだけに用いられてもよい。金属層２３ｃと光半導体素子２２の一方の電極とを電気的に接続しない場合、光半導体装置２０は、例えば、本体部２１の、第１面２１ａとは反対側の第２面２１ｅに、本体部２１を厚み方向に貫通する貫通導体によって第１電極パッド２１ｃに接続される接続パッドを配設し、この接続パッドと第１金属パターン１１とを、例えばボンディングワイヤによって接続する構成であってもよい。これにより、光半導体素子２２を駆動するための駆動信号を第１電極パッド２１ｃに供給することができる。

図９Ａは、光半導体装置における枠部の構成の他の変形例を示す平面図である。本変形例では、枠部２３の第２端面２３ｂには、接続導体２５が配設されておらず、金属層２３ｃだけが配設されている。金属層２３ｃは、第２端面２３ｂの全面に配設されている。また、金属層２３ｃは、枠部２３の内周面に配設される側面電極２４ａによって、第１電極パッド２１ｃと電気的に接続されている。金属層２３ｃは、側面電極２４ａの代わりに、枠部２３の内部に設けられるビア電極によって、電気的に接続されていてもよい。

本変形例は、上記光モジュール１と同様に、小型で大光量の光モジュールを実現できる。また、本変形例によれば、金属層２３ｃと第１金属パターン１１との接合面積を増大させることが可能になる。これにより、基板１０と光半導体装置２０との接合を強固にでき、さらに光半導体装置２０から基板１０への熱伝導を促進することができるので、光モジュールの信頼性を向上できる。

なお、第２端面２３ｂに接続導体２５を設けない場合、光半導体装置２０は、例えば、本体部２１の、第１面２１ａとは反対側の第２面２１ｅに、本体部２１を厚み方向に貫通する貫通導体によって第２電極パッド２１ｄに接続される接続パッドを配設し、この接続パッドと第２金属パターン１２とを、例えばボンディングワイヤによって接続する構成であってもよい。これにより、光半導体素子２２を駆動するための駆動信号を第２電極パッド２１ｄに供給することができる。

なお、金属層２３ｃは、第２端面２３ｂの全周にわたって配設されていればよく、全面に配設されていなくてもよい。金属層２３ｃは、例えば、図９Ｂに示すように、第２端面２３ｂの内周縁部だけに配設されていてもよく、図９Ｃに示すように、第２端面２３ｂの外周縁部だけに配設されていてもよい。また、図９Ｄに示すように、第２端面２３ｂの内周縁部および外周縁部が金属層２３ｃから露出している構成であってもよい。図９Ｂ，９Ｃ，９Ｄに示す変形例は、上記光モジュール１と同様に、小型で大光量の光モジュールを実現できる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何ら差し支えない。例えば、光半導体装置２０が実装される実装領域１０ｃは、基板１０の一方主面１０ａだけでなく、基板１０の側面に設けられていてもよい。また、光半導体装置２０は、２つ以上の光半導体素子２２を有する構成であってもよい。さらに、２つ以上の光半導体素子２２は、相異なる方向に光を出射するように設けられていてもよい。枠部２３は、２つ以上の光半導体素子２２から相異なる方向に出射される光に対応する、２つ以上の貫通孔２３ｄが設けられていてもよい。

１光モジュール
１０基板
１０ａ一方主面
１０ｂ他方主面
１０ｃ実装領域
１０ｄ段差部
１０ｅ段差面
１０ｆ一端部
１０ｇ他端部
１０ｈ曲折部
１１第１金属パターン
１２第２金属パターン
２０光半導体装置
２１本体部
２１ａ第１面
２１ｂ載置領域
２１ｃ第１電極パッド
２１ｄ第２電極パッド
２１ｅ第２面
２２光半導体素子
２３枠部
２３ａ第１端面
２３ｂ第２端面
２３ｃ金属層
２３ｄ貫通孔
２４ａ，２４ｂ側面電極
２５接続導体
２６ボンディングワイヤ
３０放熱部材

Claims

光半導体装置が実装される１つ以上の実装領域を有し、前記１つ以上の実装領域の各々に第１金属パターンが配設されている基板と、
前記１つ以上の実装領域にそれぞれ実装された１つ以上の光半導体装置と、を備え、
前記１つ以上の光半導体装置の各々は、
第１面に発光素子が載置される載置領域を有する本体部と、
前記載置領域に載置された発光素子と、
前記第１面に配設され前記発光素子を囲んでいる、前記第１面上に位置する第１端面と前記第１端面とは反対側の第２端面を有する枠部であって、前記第２端面に全周にわたって配設される金属層を有し、前記金属層の、前記第２端面とは反対側の面の全周が、前記第１金属パターンに接合されている枠部と、を有する、光モジュール。
前記金属層は、前記発光素子の第１電極に電気的に接続されている、請求項１に記載の光モジュール。
前記１つ以上の実装領域の各々に第２金属パターンが配設され、
前記枠部の前記第２端面は、外周縁部が前記金属層から露出し、露出した前記外周縁部に、前記発光素子の第２電極と電気的に接続されている接続導体が配設され、
前記接続導体は、前記第２金属パターンに電気的に接続されている、請求項２に記載の光モジュール。
前記１つ以上の実装領域の各々に第２金属パターンが配設され、
前記枠部の前記第２端面は、内周縁部が前記金属層から露出し、露出した前記内周縁部に、前記発光素子の第２電極と電気的に接続されている接続導体が配設され、
前記接続導体は、前記第２金属パターンに電気的に接続されている、請求項２に記載の光モジュール。
前記金属層は、前記枠部の前記第２端面の全面に配設されている、請求項１または２に記載の光モジュール。
前記枠部の前記第２端面は、外周縁部および内周縁部が前記金属層から露出している、請求項１または２に記載の光モジュール。
前記基板の表面に配設された放熱部材をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１つに記載の光モジュール。
前記枠部には、前記枠部の内周面および外周面に開口する貫通孔が設けられている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の光モジュール。
前記発光素子は、半導体レーザ素子を含む、請求項１〜８のいずれか１つに記載の光モジュール。
前記基板、ならびに前記光半導体装置の前記本体部および前記枠部は、同一の絶縁材料から成る、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光モジュール。