JP7399180B2 - 光素子搭載用パッケージ、電子装置及び電子モジュール - Google Patents

Description

本開示は、光素子搭載用パッケージ、電子装置及び電子モジュールに関する。

特開２００４－０３１９００号公報には、レーザーチップが搭載されたＴＯ（Transistor Outline）－Ｃａｎ型の半導体レーザーが開示されている。ＴＯ－Ｃａｎ型のパッケージは放熱性が低く、高出力のレーザーチップを搭載するには放熱量を確保するために大きなパッケージを採用しなければならない。

本開示に係る光素子搭載用パッケージは、
上面と、該上面に連続し、該上面から離れる方向に下った傾斜面と、前記傾斜面を含む凹部と、を有する基体と、
第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを有する光学部品と、
を備え、
前記光学部品は、少なくとも一部が前記上面より高くに位置し、前記第２面の少なくとも一部が接合材を介して前記傾斜面に接合されており、
前記接合材は、前記第２面と前記傾斜面との間から、前記第２面と前記基体との間における前記上面より高い領域に位置し、
前記基体には、アルミニウム又は銅が用いられ、
前記上面と前記傾斜面との連続する部分の断面形状が凸曲面である。

本開示の係る電子装置は、
上記の光素子搭載用パッケージと、
前記光素子搭載用パッケージに搭載された光素子と、
を備える。

本開示に係る電子モジュールは、
上記の電子装置と、
前記電子装置が搭載されるモジュール用基板と、
を備える。

本開示の実施形態に係る電子装置を示す分解斜視図である。 図１の電子装置の縦断面図である。 実施形態の光学部品の搭載構造を示す拡大図である。 実施形態に係る光学部品の接合材の厚みを説明する拡大図である。 実施形態に係る接合材の端面位置を説明する拡大図である。 段部の形態とその作用を説明する比較例の図である。 段部の形態とその作用を説明する実施形態の図である。 実施形態に係る光学部品の搭載構造の作用を説明する図である。 本開示の実施形態の電子モジュールを示す縦断面図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本開示の実施形態に係る電子装置を示す分解斜視図である。図２は、実施形態に係る電子装置を示す縦断面図である。以下では、光素子１１の搭載面（サブマウント１２の上面）に垂直な方向を鉛直方向、基体２の第１主面Ｓｕの側を上方、第２主面Ｓｂの側を下方として各方向の説明を行う。ただし、説明中の各方向は電子装置１０が使用される際の方向と一致している必要はない。

本実施形態に係る電子装置１０は、光素子搭載用パッケージ１０Ａと、光素子搭載用パッケージ１０Ａに搭載される光素子１１とを備える。光素子搭載用パッケージ１０Ａは、第１主面Ｓｕ、第１主面Ｓｕとは反対側の第２主面Ｓｂ及び第１主面Ｓｕに開口した凹部３を有する基体２と、凹部３内に搭載される光学部品８と、凹部３の開口を塞ぐ蓋体９とを備える。蓋体９は、光を透過する材料（ガラス又は樹脂）から構成され、基体２の第１主面Ｓｕに接合材を介して接合される。

基体２は、主に絶縁材料から構成された基体上部２Ａと、金属から構成された基体下部２Ｂと、を有する。基体上部２Ａには、上下方向に貫通する貫通孔３ａ（図１）が設けられている。基体下部２Ｂには、貫通孔３ａと連通する凹穴３ｂ（図１）が設けられている。基体上部２Ａと基体下部２Ｂとは接合され、接合されたときに凹穴３ｂと貫通孔３ａとが連通し、上方に開口した凹部３が構成される。

基体上部２Ａの基本的な形状部分は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体又はガラスセラミックス焼結体等のセラミックス材料により構成される。上記の部分は、例えば焼結前のセラミックス材料であるセラミックグリーンシートを、打ち抜き加工又は金型加工などにより所定形状に成形し、焼結することで製造できる。基体上部２Ａには、さらに、第１主面Ｓｕに配置された電極Ｄ１～Ｄ４（図１、図２）と、内部に通された配線導体とが含まれる。これらの導体は、焼結前にセラミックグリーンシートの所定位置に導体ペーストを塗布又は充填し、セラミックグリーンシートと一緒に焼結することで形成することができる。なお、基体上部２Ａの側面における角部の切欠きは無くてもよい。

基体下部２Ｂは、例えば銅、アルミなどの熱伝導性の高い金属材料から構成され、例えばプレス成形等により形成することができる。基体下部２Ｂの凹穴３ｂには、光素子１１がサブマウント１２を介して搭載される第１搭載部４と、光学部品８が搭載される第２搭載部５と、第２搭載部５の第１搭載部４とは反対側に位置する段部６が含まれる。なお、基体下部２Ｂは、基体上部２Ａと同様のセラミックス材料により構成されてもよい。基体下部２Ｂがセラミックス材料により構成される場合、金型加工等により形成することができる。また、基体上部２Ａ及び基体下部２Ｂは、同じ焼結体とする場合には、一体に形成されてもよい。

光素子１１は、例えばレーザーダイオード（半導体レーザー）である。光素子１１は、指向性を有する発光素子であればよい。光素子１１はサブマウント１２の上面に接合材を介して接合され、サブマウント１２が第１搭載部４の上面に接合材を介して接合されている。光素子１１の光の出射方向は、第１搭載部４の上面又はサブマウント１２の上面に沿った方向（例えば水平方向）であり、第２搭載部５の方を向く。光素子１１は、ボンディングワイヤＥ１、Ｅ２及びサブマウント１２の配線導体を介して基体上部２Ａの凹部３内の電極Ｄ３、Ｄ４と電気的に接続される。凹部３内の電極は、凹部３外の電極Ｄ１、Ｄ２と、配線導体を介して接続されており、電極Ｄ１、Ｄ２を介して電力が入力されることで光素子１１が駆動する。

光学部品８は、第１面８ａと、第１面８ａとは反対側の第２面８ｂとを有する平板ミラーであり、光素子１１から入射された光を、上方に反射する。第１面８ａは反射面又は反射コーティング面であってもよい。第２面８ｂは接合面と呼んでもよい。反射された光は、蓋体９を介して電子装置１０の上方へ出射される。光学部品８は、平板状の基材と、基材の一面に形成された反射膜とを含んでいてもよい。基材は、例えばガラス、Ａｌ、Ａｇ、Ｓｉなどの金属、又は有機材料から構成される。基材が金属から構成される場合、反射膜は省略されてもよい。反射面は平面形状であってよい。反射膜は、その表面が反射面として機能する。反射膜は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒなどの金属膜、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５などの誘電体膜であり、蒸着、スパッタ、めっきなどの薄膜製造技術によって成形されてもよい。

第１搭載部４は、例えば水平方向に拡がる平面状の上面を有し、上面にサブマウント１２を介して光素子１１が接合される。平面状とは、厳密な平面、並びに、小さな凹凸を無視すれば平面と見なせる面を含む概念である。

第２搭載部５は、水平方向に対する傾斜面５ａを有し、傾斜面５ａに接合材１３を介して光学部品８が接合される。傾斜面５ａは、段部上面６ａから第１搭載部４側へ下る方向に傾斜している。段部上面６ａは、本開示に係る上面の一例に相当する。

段部６は、第２搭載部５を挟んで、第１搭載部４よりも一段上がった段状部分に相当する。段部上面６ａは傾斜面５ａに連続している。段部上面６ａは、第２搭載部５の上面と平行な平面状の面であってもよいし、第２搭載部５の上面と非平行な面であってもよい。段部上面６ａは、基体下部２Ｂの上面の一部でかつ基体上部２Ａと重ならない領域であってもよい。

＜光学部品の搭載構造＞
図３は、本実施形態に係る光学部品の搭載構造を示す拡大図である。

光学部品８は、第１面８ａの裏側に第２面８ｂを有し、第２面８ｂの少なくとも一部が接合材１３を介して傾斜面５ａに接合される。第２面８ｂは平面状であってもよい。接合材１３は、ＳｎＡｇＣｕ、ＡｕＳｕ等の半田材、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等を主成分とする金属ナノ粒子焼結材、並びに、アルミナ、ジルコニア等を主成分とする無機接着剤などであってもよい。

光学部品８の第２面８ｂの上端Ｐ２は、段部上面６ａよりも高くに位置する。接合材１３は、第２面８ｂと傾斜面５ａとの間から、第２面８ｂと基体２との間における段部上面６ａよりも高い領域に位置する。接合材１３は、傾斜面５ａと第２面８ｂとの間の領域Ｗ１から、第２面８ｂの段部上面６ａよりも高い位置から段部上面６ａに渡る領域Ｗ２まで、存在していてもよい。段部上面６ａよりも高い位置とは、光素子１１の搭載面を水平方向として、段部上面６ａから延ばした水平線Ｈ１よりも上方の位置を示す。段部上面６ａが水平でない場合には、上記の水平線Ｈ１は、傾斜面５ａに最も近い段部上面６ａから水平に延ばした線を意味する。

図４は、本実施形態に係る光学部品の接合材の厚みを説明する拡大図である。

光学部品８の第２面８ｂと段部６との間の接合材１３は、図４に示すように、傾斜面５ａと段部上面６ａとが連続する範囲Ｌ１において、傾斜面５ａ側から段部上面６ａ側にかけて漸次厚みが増している。

図５は、本実施形態に係る接合材の端面位置を説明する拡大図である。

図５に示すように、接合材１３は、光学部品８における第１面８ａの上端Ｐ１を通る仮想鉛直線（光素子１１の搭載面に垂直な線）Ｖ１よりも、第１面８ａから離れる方向に位置する。具体的には、傾斜面５ａに垂直な縦断面において、接合材１３の露出端面１３Ｓは、仮想鉛直線Ｖ１よりも、第１面８ａから離れる方向に位置してもよい。加えて、露出端面１３Ｓは、段部上面６ａよりも高い位置（水平線Ｈ１以上の位置）に存在してもよい。図５において、接合材１３の露出端面１３Ｓを太線で表わす。

さらに、第２面８ｂにおける接合材１３の縁（上側の縁）は、光学部品８における第２面８ｂの上端Ｐ２を通る仮想鉛直線（光素子１１の搭載面に垂直な線）Ｖ２よりも、第１面８ａに近い方向に位置する。具体的には、図５の縦断面において、接合材１３の露出端面１３Ｓの少なくとも一部は、仮想鉛直線Ｖ２よりも、第１面８ａに近い方に位置してもよい。

図６Ａは、段部の形態とその作用を説明する比較例の図である。図６Ｂは、段部の形態とその作用を説明する実施形態の図である。

図６Ｂに示すように、本実施形態の基体２に備わる段部６は、縦断面において、傾斜面５ａと段部上面６ａとの連続部に、勾配がなだらかに連続する凸曲面Ｌ１１を含む。凸曲面Ｌ１１は傾斜面５ａに含まれるものと定義する。

＜光学部品の搭載構造の作用＞
図７は、実施形態に係る光学部品の搭載構造の作用を説明する図である。電子装置１０が高温になった場合、基体下部２Ｂと光学部品８との熱膨張係数の差に基づき、接合材１３には、基体下部２Ｂが水平方向へ広がる方向Ａ１の応力が加わる。また、電子装置１０の実装工程等において電子装置１０が把持される際には、接合材１３には、基体下部２Ｂが水平方向へ縮む方向Ａ２の応力が加わる。

ここでは、水平方向Ａ１、Ａ２の応力を、接合材１３の厚み方向（傾斜面５ａに対する垂直方向）の成分と、接合材１３の広がり方向の成分とに分解した場合を検討する。応力の方向に対して分解成分の方向が斜めであるため、応力の各成分はゼロにならず、接合材１３の厚み方向にも応力が生じる。接合材１３に厚み方向の応力が加わると、接合材１３の薄い部分で応力を吸収することになる。

本実施形態では、図３に示したように、接合材１３が、段部上面６ａより高い領域Ｗ２で、光学部品８の第２面８ｂと段部上面６ａとの間に存在している。したがって、上記の部分で接合材１３の厚みが確保され、接合材１３の強度の向上を図れる。接合材１３の強度の向上により、水平方向Ａ１、Ａ２の応力が接合材１３に加わっても、応力に起因して光学部品８が位置ずれし難くできる。

さらに、本実施形態では、図４に示したように、傾斜面５ａと段部上面６ａとの連続する範囲Ｌ１において、接合材１３が傾斜面５ａ側から段部上面６ａ側にかけて漸次厚みが増している。したがって、露出端面１３Ｓ側に接合材１３の厚みを確保するにしても、接合材１３の厚みに急激な不連続点が生じない。急激な不連続点があると、急激な不連続点に応力集中が生じて接合材１３の応力耐性が低くなる可能性があるが、漸次厚みを増す形態により、上記の可能性を低減できる。

さらに、本実施形態では、図５に示したように、接合材１３が、仮想鉛直線Ｖ１よりも、第１面８ａから離れる方向で、かつ、段部上面６ａより高い位置に存在する。光学部品８へは、接合材１３の接合端部（接合材１３の露出端面１３Ｓ）に近い位置から、最も大きな応力が加わる。しかし、上記の接合材１３の配置により、応力が第１面８ａに影響し難くし、応力により第１面８ａに歪みが生じ難くできる。

さらに、本実施形態では、図５に示したように、第２面８ｂにおける接合材１３の縁が、仮想鉛直線Ｖ２よりも第１面８ａに近い側にあり、かつ、段部上面６ａよりも高い位置に存在する。光学部品８の第２面８ｂに接合材１３から加わる応力は、接合部中心からの距離に比例して大きくなる。さらに、光学部品８の第２面８ｂはエッジに近づくほど強度が低下する。しかし、上記の接合材１３の配置により、接合材１３から第２面８ｂのエッジの近傍に加わる応力が低減し、光学部品８の一部が接合材１３からの応力により変形し難くできる。

さらに、本実施形態では、図６Ｂに示したように、傾斜面５ａと段部上面６ａとの連続部に凸曲面Ｌ１１を含む。図６Ａの比較例の段部８６のように、仮に、傾斜面８５ａと段部上面８６ａとの連続部に勾配の不連続点Ｐ１１があり、上記の部分に接合材１３を介して光学部品８が接合されたとする。この場合、不連続点Ｐ１１に応力集中が生じ、不連続点Ｐ１１に集中した応力が接合材１３を介して光学部品８に伝わり、光学部品８に歪みを発生させる恐れがある。しかしながら、本実施形態の段部６では、傾斜面５ａと段部上面６ａとが連続する部分に、凸曲面Ｌ１１が介在し、勾配の不連続さが少ない。したがって、傾斜面５ａと第２面８ｂの間だけでなく、段部上面６ａと第２面８ｂとの間にも接合材１３が存在していても、傾斜面５ａと段部上面６ａとの連続部において応力が集中しない。よって、段部上面６ａからの応力が接合材１３を介して光学部品８に伝わっても、応力は分散し、光学部品８に歪みを発生し難くできる。

以上のように、本実施形態の電子装置１０によれば、基体２と蓋体９とを含んだパッケージに、光素子１１と光学部品８とが搭載されるので、光学部品８により光の出射方向を変えることができ、光素子１１の向きの自由度が増す。よって、光素子１１を光の出射方向に対して垂直な向きに配置することが可能となり、パッケージとして、放熱性能の高い凹部３を有する形態の基体２を採用できる。したがって、高出力の光素子１１が採用されても、基体２の高い放熱特性により、電子装置１０の小型化を図ることができる。本実施形態では、前述したように、光学部品８の接合構造の改善によって、光学部品８の接合強度が向上できる。

＜電子モジュール＞
図８は、本開示の実施形態に係る電子モジュールを示す縦断面図である。

本開示の実施形態に係る電子モジュール１００は、モジュール用基板１１０に電子装置１０を実装して構成される。モジュール用基板１１０には、電子装置１０に加えて、他の電子装置、電子素子及び電気素子などが実装されていてもよい。モジュール用基板１１０には、電極パッド１１１、１１２が設けられ、電子装置１０は、電極パッド１１１に半田等の接合材１１３を介して接合されてもよい。また、電子装置１０の電極Ｄ１、Ｄ２が、モジュール用基板１１０の電極パッド１１２とボンディングワイヤＥ１１、Ｅ１２を介して接続され、これらを介してモジュール用基板１１０から電子装置１０へ信号が出力されてもよい。

本実施形態の電子モジュール１００によれば、放熱性能が高く、光学部品の接合強度の向上された電子装置１０を含むことで、高い信頼性を得ることができる。

以上、本開示の実施形態について説明した。しかし、本開示の光素子搭載用パッケージ、電子装置及び電子モジュールは上記実施形態に限られるものでない。例えば、上記実施形態においては、光素子がレーザーダイオードである構成を一例として説明した。しかし、光素子としては、例えば発光ダイオードなど指向性を有する様々な発光素子が採用されてもよい。また、上記実施形態では、光学部品が板形状の反射ミラーである構成を一例として説明した。しかし、光学部品としては、例えば、第１面と第２面とが非平行な形態の反射ミラーであってもよいし、プリズムなどの導光部材であってもよい。その他、基体の形状、光素子及び光学部品の封止構造なども適宜変更可能である。

本開示は、光素子搭載用パッケージ、電子装置及び電子モジュールに利用できる。

２ 基体
２Ａ 基体上部
２Ｂ 基体下部
３ 凹部
４ 第１搭載部
５ 第２搭載部
５ａ 傾斜面
６ 段部
６ａ 段部上面（上面）
８ 光学部品
８ａ 第１面
８ｂ 第２面
９ 蓋体
１０ 電子装置
１０Ａ 光素子搭載用パッケージ
１１ 光素子
１２ サブマウント
１３ 接合材
Ｈ１ 段部上面の高さの水平線
Ｗ１、Ｗ２ 接合材が存在する領域
Ｌ１ 傾斜面と段部上面との連続部の周辺範囲
Ｌ１１ 凸曲面
Ｐ１ 第１面の上端
Ｐ２ 第２面の上端
Ｖ１、Ｖ２ 仮想鉛直線

Claims (6)

1. 上面と、該上面に連続し、該上面から離れる方向に下った傾斜面と、前記傾斜面を含む凹部と、を有する基体と、
   第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを有する光学部品と、
   を備え、
   前記光学部品は、少なくとも一部が前記上面より高くに位置し、前記第２面の少なくとも一部が接合材を介して前記傾斜面に接合されており、
   前記接合材は、前記第２面と前記傾斜面との間から、前記第２面と前記基体との間における前記上面より高い領域に位置し、
   前記基体には、アルミニウム又は銅が用いられ、
   前記上面と前記傾斜面との連続する部分の断面形状が凸曲面である、
   光素子搭載用パッケージ。
2. 前記傾斜面側から前記上面側にかけて前記接合材が漸次厚くなる、
   請求項１記載の光素子搭載用パッケージ。
3. 前記光学部品は反射ミラーであり、
   前記接合材は、前記光学部品における前記第１面の上端を通る仮想鉛直線よりも、前記第１面から離れる方向に位置する、
   請求項１又は請求項２に記載の光素子搭載用パッケージ。
4. 前記光学部品は反射ミラーであり、
   前記第２面における前記接合材の縁は、前記光学部品における前記第２面の上端を通る仮想鉛直線よりも、前記第１面に近い方向に位置する、
   請求項１又は請求項２に記載の光素子搭載用パッケージ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光素子搭載用パッケージと、
   前記光素子搭載用パッケージに搭載された光素子と、
   を備える電子装置。
6. 請求項５記載の電子装置と、
   前記電子装置が搭載されるモジュール用基板と、
   を備える電子モジュール。

Images