JPH09283852A - 電子部品用キャップおよびそれを用いた半導体レーザとその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャップの上面から圧力が加わっても窓部の
ガラスや接着剤にクラックが入ったり、破損しない構造
の電子部品用キャップおよびそれを用いた半導体レーザ
と、ハーメチックシール用の複雑な溶接の必要がなく、
圧入だけによる簡単な工程により製造をすることができ
る半導体レーザの製法を提供する。 【解決手段】 頂部に窓部１３が形成され、底部にステ
ムと接合され得る開口部１４が形成された金属シェル１
１の前記窓部に光透過部材１５が接着された電子部品用
キャップ１０であって、前記金属シェルの頂部の外周表
面に突起部１２がリング状に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はキャンシール型半導
体レーザのような頂部に窓部を有し、底部にステムと接
合し得る開口部を有する金属シェルからなる電子部品用
キャップに関する。さらに詳しくは、該キャップをステ
ムに圧入することによりハーメチックシールをしたり、
該キャップが組み立てられた電子部品の該キャップの上
面から強い外圧が加わる場合でもキャップの窓部のガラ
スなどが破損しないような電子部品用キャップ、ならび
にそれを用いた半導体レーザおよびその製法に関する。

【０００２】

【従来の技術】キャンシール型半導体レーザは、たとえ
ば図５（ａ）に断面図が示されるような構造になってい
る。図５（ａ）において、ステム２１と一体化されたヒ
ートシンク２１ａに、シリコンサブマウント２２を介し
てレーザチップ２３がマウントされている。このステム
２１には、リード２６がステム２１と絶縁してハーメチ
ックシールされると共に、リード２８が溶接などにより
接続されている。レーザチップ２３の一方の電極端子が
シリコンサブマウント２２を介してリード２６とワイヤ
ボンディングされている。また、レーザチップ２３の他
方の電極がヒートシンク２１ａを介してリード２８と接
続されている。この周囲にキャップ２４が溶接などによ
りステム２１と接着されてハーメチックシールされてい
る。キャップ２４の頂部にはレーザチップ２３からの光
を取り出すため貫通孔による窓部が設けられ、内部を機
密にするため、窓ガラス２５が低融点ガラス（図示せ
ず）などにより接着されている。この窓ガラス２５があ
らかじめキャップ２４に接着された状態で、キャップ２
４がステム２１に溶接される。この溶接は電気抵抗溶接
で行われることが多く、その場合、電流を集中させて溶
接を確実にするため、図５（ｂ）に示されるように、キ
ャップ２４の底面に突起状のプロテクション２４ａが形
成されている。

【０００３】半導体レーザに限らず、窓部を有し、ハー
メチックシールをするためのキャップは、ホトトランジ
スタ、ホトダイオード、メタルキャップの発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）などに用いられるものでも大体図５に示さ
れるような構造になっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の構造のキャップ
を用いた半導体レーザなどの電子部品では、キャップを
取り付ける場合にステムと溶接によりハーメチックシー
ルを得なければならない。しかし、溶接条件はバラツキ
が多く、安定したハーメチックシールが得られないと共
に、プロテクションを有するため小型化が困難であると
いう問題がある。そのため、キャップをステムに圧入す
ることによりハーメチックシールを得ることが要望され
ているが、キャップを圧入しようとすると、窓部のガラ
スや接着剤の低融点ガラスなどにクラックが入ったり、
ワレが生じてハーメチックシールが得られず、実用化さ
れていない。

【０００５】さらに、前述の半導体レーザを、たとえば
回折格子を備えたピックアップ用とする場合には、図６
に示されるように、半導体レーザのキャップ２４の上表
面にスプリング３１の一端側を押し当て、スプリング３
１の他端側により回折格子３２をホルダ３３に押し付け
て取り付けられる。ホルダ３３はステム２１と接着され
ている。このスプリング３１による押し付けの力は３〜
５ｋｇあり、この押圧力により、半導体レーザの使用中
にキャップ２４の窓部に接着されたガラスなどにクラッ
クが入ったり、破損が生じてハーメチックシールが保た
れなくなるという問題がある。

【０００６】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、キャップの上面から圧力が加わっても
窓部のガラスや接着剤にクラックが入ったり、破損しな
い構造の電子部品用キャップおよびそれを用いた半導体
レーザを提供することを目的とする。

【０００７】本発明のさらに他の目的は、ハーメチック
シール用の複雑な溶接の必要がなく、圧入だけによる簡
単な工程により製造をすることができる半導体レーザの
製法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、キャップ
の上面から圧力が加わった場合にキャップの窓ガラスや
接着剤の低融点ガラスなどにクラックが入ったり、ワレ
が生じたりする原因を鋭意検討して調べた。その結果、
キャップの上面の全面に押圧力が加わると窓ガラスおよ
びその周囲部分に強い引張力が加わり、それが原因で窓
ガラスや接着剤の低融点ガラスにクラックやワレが入る
ものであることを見出した。そして、キャップの上面の
外周端にリング上の突起部を設けることにより、窓ガラ
ス部分に加わる強い引張応力は極一部で、接着剤部分に
は殆ど応力が加わらず、窓ガラスや接着剤にはクラック
もワレも入らないことを見出した。

【０００９】本発明による電子部品用キャップは、頂部
に窓部が形成され、底部にステムと接合され得る開口部
が形成された金属シェルの前記窓部に光透過部材が接着
された電子部品用キャップであって、前記金属シェルの
頂部の外周表面に突起部がリング状に形成されている。

【００１０】本発明の半導体レーザは、ステムにレーザ
チップがマウントされ、その周囲がキャップによりハー
メチックシールされる半導体レーザであって、そのキャ
ップに請求項１記載のキャップを用いるものである。

【００１１】本発明の半導体レーザの製法は、（ａ）レ
ーザチップがマウントされるヒートシンクおよび外周壁
にキャップが嵌合し得る側壁を有するステムを形成し、
（ｂ）該ステムのヒートシンクにレーザチップをマウン
トし、ついでワイヤボンディングをし、（ｃ）キャップ
の開口部を前記ステムの側壁に圧入することにより嵌合
させることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の電子部品用キャップおよび半導体レーザとその製法
について説明をする。

【００１３】図１は本発明の電子部品用キャップの断面
図である。図１において、キャップ１０は金属シェル１
１の頂部に形成された窓部１３に、たとえばガラスやプ
ラスティックのような光透過部材１５が低融点ガラスな
どの接着剤１６により機密を保持できるように接着され
ることにより形成されている。金属シェル１１は、たと
えばコバール板などを絞り加工することにより、その底
部にステムと接合するための開口部１４が設けられ、頂
部には窓部１３とする貫通孔が設けられることにより形
成されている。窓部１３は、たとえば内部に封入される
レーザチップのレーザ光を通過させるためのものであ
る。このキャップ１０の頂部の上表面の外周端にリング
状の突起部１２が形成されていることに本発明の特徴が
ある。

【００１４】たとえばキャップ１０の高さが３ｍｍ程度
で、内径が２.２ｍｍ程度で、肉厚ｔが０.１５ｍｍ程度
の場合に、突起部１２はその高さＨが０.０３ｍｍ程
度、その幅Ｗが０.２５ｍｍ程度に形成される。すなわ
ち、むやみに高い突起を形成する必要はなく、平板状部
材を介してキャップ１０の上部から圧力が印加された場
合に、その力がキャップ上部の全面にかかるのではな
く、この突起部１２にかかる程度に突出しておればよ
い。また、突起部１２の幅Ｗは、あまり大きくなるとキ
ャップ上面の全面に力が印加されるのと変わらなくなる
ため効果がなく、キャップ１０の側壁の厚さ、すなわち
板厚ｔの２倍程度以下であることが好ましい。

【００１５】本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、キャ
ップ１０の頂部の上表面の外周端にこのような突起部１
２が形成されることにより、光透過部材１５のガラスや
接着剤１６の低融点ガラスなどにクラックやワレなどが
生じるような応力がかからないことをシミュレーション
の結果により見出した。すなわち、突起部１２が形成さ
れていることにより、キャップ１０の上部から押圧力が
印加されてもその圧力に伴うキャップ１０への応力は、
金属シェル１１の肩部に集中し、窓部１３近傍では窓ガ
ラスなどの光透過部材１５に弱い引張力が加わる程度
で、接着剤１６部分には殆ど応力が加わらないからであ
る。つぎに従来構造のキャップと本発明のキャップとに
同じ条件の押圧力を印加し、ステムにキャップを圧入す
る場合のキャップ１０の窓部１３の近傍の応力のシミュ
レーション結果について説明をする。

【００１６】キャップ１０の圧入の条件は、図２に示さ
れるように、ステム固定台１７上にステム５を載置し、
キャップガイド１８によりキャップ１０とステム５との
センターを保持しながらキャップ１０の上面の外周全体
まで当たる平板状の加圧器１９により矢印Ｐの方向に１
７ｋｇ程度の荷重を印加する。この際、キャップは前述
の大きさで、ステム５のキャップ１０との接合部の外径
は２.２１ｍｍ程度で、キャップ１０の内径は２.２０ｍ
ｍ程度に形成されている。シミュレーションにおいて
は、この荷重を印加する際にキャップ１０の底部の開口
部１４は広がらないように完全拘束されているという前
提で行った。この条件で、本発明の上表面の外周端に突
起部１２が形成されたキャップ１０と、突起部が形成さ
れていない従来のキャップに対してシミュレーションを
行った結果を図３（ａ）〜（ｂ）にそれぞれ示す。

【００１７】図３（ａ）〜（ｂ）は、金属シェル１１の
頂部および光透過部材（窓ガラス）１５と接着剤１６の
部分を中心線で切断した半分の部分が示されている。図
３（ａ）〜（ｂ）において、Ａは引張力が４０〜２.５
ｋｇ・ｆ/ｍｍ²、Ｂは引張力が２.５〜０.９５２ｋｇ・ｆ
/ｍｍ²、Ｃ（斜線なしの領域）は引張力から圧縮力の境
界部分である０.９５２〜−０.５９９ｋｇ・ｆ/ｍｍ²、
Ｄは圧縮力が−０.５９９〜−１.３７ｋｇ・ｆ/ｍｍ²、
Ｅは圧縮力が−１.３７〜−４０ｋｇ・ｆ/ｍｍ²の応力が
それぞれ分布している範囲であることを示している。

【００１８】図３（ａ）から明らかなように、本発明の
突起部１２が形成されたキャップ１０によれば、窓ガラ
ス１５および接着剤１６を含めて強い引張力が分布して
いる領域Ａは窓ガラス１５の下部のごく僅かな部分に見
られるだけで、他の窓ガラス１５の殆どは弱い引張力の
領域Ｂで、接着剤１６の近傍には殆ど応力がかかってい
ない。一方、突起部が設けられていない従来のキャップ
では、図３（ｂ）に示されるように、窓ガラス１５に大
きな引張力が働く領域Ａの部分が広く存在する上に、接
着剤１６の部分にもほぼ全体に弱い引張力（領域Ｂ）が
かかっており、しかも金属シェル１１の頂部に強い圧縮
力の領域Ｅが広い範囲で存在し、窓ガラス１５を引張る
力として作用する。そのため、窓ガラス１５にクラック
やワレが発生しやすい状態にあることが理解できる。

【００１９】前述の大きさのキャップ１０を用い、前述
の圧入条件でステムにキャップを圧入して製造した半導
体レーザについてリークテスト（気密性が５.１Ｐａ・
ｃｃ／ｓｅｃ以下を良品とする）を行った結果、本発明
によるキャップを用いた半導体レーザでは４０個でリー
クテスト不良は１個も出なかった。一方、従来のキャッ
プを用いたものは、４０個で、リークテスト不良が２個
出た。この結果は、シミュレーション結果とも良く符合
する。

【００２０】つぎに、図４を参照しながらこのキャップ
を用いた本発明の半導体レーザについて説明をする。図
４の（ａ）および（ｂ）はそれぞれ９０゜の方向ずれた
面での断面図である。

【００２１】図４（ａ）〜（ｂ）において、１は厚さが
０.２〜０.４ｍｍ程度の鉄系や銅系の金属材料の板材か
ら絞り加工と打抜き加工により形成された円筒状のリン
グで、その先端部には上方に延びるように折り曲げられ
たヒートシンク１ａを有し、レーザチップ７をマウント
したサブマウント６が接着されるようになっている。円
筒状のリング１の底部には、鍔部１ｂが０.３ｍｍ程度
の幅で設けられ、さらにその鍔部１ｂの一部からは共通
リード１ｃが下方に延びている。このヒートシンク１ａ
や共通リード１ｃはリードフレームを打ち抜いたのち折
り曲げるだけで簡単に形成される。また鍔部１ｂには、
回転方向の位置決めをする切欠部が設けられているが図
示されていない。このリング１内に、たとえば低融点ガ
ラスなどの絶縁体２により絶縁保持されたリード３、４
がハーメチックに封入され、円筒状のリング１、絶縁体
２およびリード３、４によりステム５が形成されてい
る。

【００２２】ヒートシンク１ａにはレーザチップ７がボ
ンディングされたサブマウント６が吸着コレットにより
搬送され、位置合せされてマウントされる。このサブマ
ウント６の位置合せは、リング１の鍔部１ｂの表面Ｆを
基準面として行われる。そうすることにより、ＣＤプレ
ーヤなどのセットに半導体レーザを取りつける場合にこ
の鍔部１ｂの表面Ｆを基準とするため、正確な位置決め
をすることができる。その点からリング１の底部に鍔部
１ｂを設けることが好ましいが、基準面とするだけで、
キャップ１０の横ずれのマージンを必要としないため、
その幅は０.３ｍｍ程度あれば充分である。

【００２３】サブマウント６は、たとえばシリコン基板
などにより形成され、２００μｍ×１５０μｍ程度の小
さなレーザチップ７を組み立てやすくするために設けら
れている。この例では、シリコン基板からなるサブマウ
ント６にレーザチップ７の発光量をモニターする受光用
の図示しないフォトダイオードが形成されている。この
レーザチップ７および図示しないフォトダイオードの各
電極が金線８によりリード３、４とそれぞれワイヤボン
ディングされ接続されている。レーザチップ７およびフ
ォトダイオードのそれぞれ他方の電極はサブマウント６
の裏面を介して共通リード１ｃに接続され、３本のリー
ド１ｃ、３、４がステム５の裏面側に延びている。

【００２４】このレーザチップ７がマウントされたステ
ム５の円筒状リング１の外周壁に前述の図１に示される
キャップ１０が圧入されることにより本発明の半導体レ
ーザが製造される。すなわち、たとえば円筒状リング１
の外径は２.２１ｍｍ程度で、キャップ１０の内径は２.
２０ｍｍ程度に形成されており、図２に示されたのと同
様の方法および条件で圧入することにより製造される。

【００２５】本発明の製法では、キャップ１０とステム
５とのハーメチックシールは円筒状のリング１の側壁の
外周面とキャップ１０の内周側面の部分での圧入により
行われている。そのため、キャップ１０とステム１との
半径方向の位置合せをセルフアライメントで行うことが
でき、ステム（鍔部１ｂ）に半径方向のマージンを設け
る必要がない。さらに、キャップ１０に鍔部や溶接のた
めのプロテクションを設ける必要もない。その結果、製
造が簡単であると共に、従来キャップの鍔部および半径
方向の位置ずれマージンとしてステムの鍔部１ｂがたと
えば１ｍｍ以上必要であったのが０.２５ｍｍ程度です
み、直径で１.５ｍｍ程度小さくすることができる。こ
のように圧入によりハーメチックシールを得る場合で
も、キャップの上表面にリング状の突起部１２を形成す
ることにより、窓部１３のガラスなどにクラックが入っ
たり、ワレが生じたしすることがなく、簡単な製造工程
で品質の安定した製品を大量生産することができる。な
お、完全なハーメチックシールを得るためには、ステム
５の外周壁およびキャップ１０の内周壁にＳｎＰｂ、Ｉ
ｎ、Ａｇなどからなるメッキが施されていることが望ま
しい。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、光透過部材が接着され
た窓部を有するキャップの上面から押圧力が印加されて
も光透過部材のガラスや接着剤の低融点ガラスなどにク
ラックが入ったり、破損することがない。そのため、ス
テムにハーメチックシールする場合でも溶接ではなく圧
入により接合することができ、製造工程が簡単になると
共に、部品を小形化することができる。さらに、このキ
ャップを使用した電子部品の使用態様においても、上部
から圧力がかかる使用方法に対しても信頼性が高く保持
され、使用勝手がよい。そのため、この電子部品を使用
する装置の設計の自由度が向上する。

【００２７】本発明の半導体レーザによれば、上面から
の押圧力が印加されても窓部にクラックが入ったり、破
損しないキャップを用いているため、ステムとのハーメ
チックシールを圧入により行うことができる。また、従
来の溶接タイプの構造で、スプリングにより回折格子を
保持する場合でも、突起部が設けられていることによ
り、窓部にクラックが入ったり、破損することがなく、
信頼性が大幅に向上する。

【００２８】さらに、本発明の製法によれば、キャップ
とステムとのハーメチックシールを圧入のみで行うこと
ができるため、少ない工数で簡単に製造することがで
き、半導体レーザのコストダウンおよび小形化に大いに
寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子部品用キャップの断面説明図であ
る。

【図２】キャップをステムに圧入する状態の説明図であ
る。

【図３】キャップをステムに圧入する際のステムの窓部
近傍の応力分布図である。

【図４】本発明の半導体レーザの断面説明図である。

【図５】従来の半導体レーザの説明図である。

【図６】従来の半導体レーザに回折格子を取り付けた状
態の説明図である。

【符号の説明】

１ａ ヒートシンク ５ ステム ７ レーザチップ ８ 金線 １０ キャップ １１ 金属シェル １２ 突起部 １３ 窓部 １４ 開口部 １５ 光透過部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 頂部に窓部が形成され、底部にステムと
   接合され得る開口部が形成された金属シェルの前記窓部
   に光透過部材が接着された電子部品用キャップであっ
   て、前記金属シェルの頂部の外周表面に突起部がリング
   状に形成されてなる電子部品用キャップ。
2. 【請求項２】 ステムにレーザチップがマウントされ、
   その周囲がキャップによりハーメチックシールされる半
   導体レーザであって、前記キャップが請求項１記載のキ
   ャップである半導体レーザ。
3. 【請求項３】 （ａ）レーザチップがマウントされるヒ
   ートシンクおよび外周壁にキャップが嵌合し得る側壁を
   有するステムを形成し、（ｂ）該ステムのヒートシンク
   にレーザチップをマウントし、ついでワイヤボンディン
   グをし、（ｃ）キャップの開口部を前記ステムの側壁に
   圧入することにより嵌合させることを特徴とする半導体
   レーザの製法。
4. 【請求項４】 前記キャップに請求項１記載のキャップ
   を用いる請求項３記載の半導体レーザの製法。