KR101558461B1 - 광반도체 소자용 패키지 - Google Patents

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야스유키 기무라
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신꼬오덴기 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 광반도체 소자용 패키지를 제공한다. 패키지는, 내부에 밀봉 구멍을 가지는 스템 본체(stem body); 및 밀봉 구멍 내에 밀봉용 글래스로 밀봉한 글래스 밀봉부를 가지는 리드핀을 포함한다. 글래스 밀봉부의 특성 임피던스는 정해진 값으로 조절된다. 특성 임피던스 Z0는 Z0 = (138/Er1 /2)×log(D/d)에 의해 정해지며, 여기에서 D는 밀봉 구멍의 구멍 직경, d는 리드 핀의 선 직경, 및 Er은 밀봉용 글래스의 유전율이고, 상기 밀봉용 글래스의 유전율 Er은 밀봉용 글래스에 함유되는 기포의 양을 제어함으로써 설정된다.
리드 핀, 밀봉용 글래스, 특성 임피던스, 스템 본체

Description

광반도체 소자용 패키지{PACKAGE FOR OPTICAL SEMICONDUCTOR ELEMENT}
본 발명은 광반도체 소자용 패키지에 관한 것으로, 더 상세하게는, 고속 통신에서 우수한 특성을 가지는 광반도체 소자용 패키지에 관한 것이다.
통신 분야에서, 신호 선의 특성 임피던스 값은 50 Ω으로 통일되어 있다. 광 통신에 이용되는 광반도체 소자용 패키지와 관련하여, 종래에는, 특성 임피던스의 매칭에 주의를 기울일 필요가 없었다. 그러나, 8 Gbps의 고속 통신에서는, 예를 들면 특성 임피던스 값이 50 Ω으로부터 벗어나면, 신호의 전송 효율이 열화하는 문제가 발생한다. 따라서, 특성 임피던스를 매칭하는 것이 요구된다.
광반도체 소자용 패키지에 이용되는 신호 선(리드 핀)은 글래스 밀봉에 의해 스템(stem) 본체에 부착되고 신호 선은 의사적 동축(pseudo-coaxial) 구조로 된다. 본 발명은 리드 핀이 밀봉되는 부분에서 특성 임피던스를 매칭할 수 있는 기술에 관련한 것이다.
신호용 리드 핀의 특성 임피던스 Z0는 다음 식에 의해 정해진다.
Z0 = (138/Er1 /2)×log(D/d)
여기서, Er은 리드 핀의 밀봉에 이용되는 글래스의 유전율, D는 리드 핀을 장착하기 위한 밀봉 구멍의 구멍 직경, d는 리드 핀의 선(wire) 직경이다.
광반도체 소자용 패키지의 형태, 크기 등은 다양하다. 광 통신에 이용되는 일반적인 광반도체 소자용 패키지(예를 들면, TO-46형)에서는, 유전율 Er이 5.0, 리드 핀의 밀봉 구멍이 1.2 ㎜, 리드 핀의 선 직경이 0.45 ㎜, 특성 임피던스 값이 25 Ω이다. 따라서, 특성 임피던스 값이 50 Ω으로부터 벗어나는 광반도체 소자용 패키지에서는, 신호 전송 특성을 개선하기 위해 특성 임피던스 값을 50 Ω으로 수정할 필요가 있다(예를 들면, 일본국 특허 공개 제2007-220843호 공보 참조).
더불어, 광반도체 소자용 패키지의 특성 임피던스 값을 50 Ω에 가깝게 할 수 있는 방법으로서는, 리드 핀의 밀봉 구멍의 구멍 직경 D를 크게하는 방법, 리드 핀의 선 직경을 작게 하는 방법, 및 밀봉용 글래스의 유전율 Er을 작게하는 방법이 고려된다.
이들 방법 중에서, 리드 핀의 밀봉 구멍의 구멍 직경 D를 크게 하는 방법은 밀봉 구멍의 크기 증가로 인해, 스템 본체의 광반도체 소자가 배치되는 영역이 축소하게 된다. 따라서, 스템 본체의 규격으로 인해 구멍 직경 D의 크기가 제약된다.
또한, 리드 핀의 선 직경을 작게 하는 방법을 실현하기 위해서는, 리드 핀의 단면이 와이어 본딩 면이 되므로, 와이어 본딩성을 고려하여 선 직경을 설정해야 한다.
또한, 밀봉용 글래스로서 유전율 Er이 낮은 글래스를 사용하는 방법은, 유전율이 낮은 글래스는 일반적으로 밀봉성이 나쁘고, 리드 핀을 밀봉하는 경우 기밀성에 문제가 된다는 점에서 문제가 있다. 일반적으로, 글래스의 유전율을 낮게 하는 경우, 글래스에 첨가하는 수식 산화물(modifier oxide)(금속 산화물 등)을 줄여야 한다. 이 때문에, 리드 핀 또는 스템 본체와의 기밀성에 기여하는 첨가물의 양이 줄어들고, 이로써 리드 핀 등과의 기밀성은 열화한다. 또한, 첨가물은 글래스의 열팽창 계수를 조절하는 작용을 가지므로, 첨가물의 양을 변경함으로써 글래스의 열팽창 계수가 변동하고 스템 본체와 글래스의 열팽창 계수를 매칭시킨 광반도체 소자용 패키지(매칭 타입)에서는, 기밀성이 열화할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 상기 단점 및 다른 단점을 해결한다. 그러나, 본 발명은 상술한 단점을 극복하는데 필수적인 것은 아니므로, 본 발명의 예시적인 실시예는 상술한 어떤 문제를 극복하지 못할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 일 양태는 글래스의 밀봉성이 열화되지 않는 기밀 방식으로 리드 핀을 밀봉하고 고속 통신에 적합하게 이용될 수 있는 광반도체 소자용 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나 이상의 양태에 따르면, 광반도체 소자용 패키지가 제공된다. 이 패키지는, 내부에 밀봉 구멍을 가지는 스템 본체(stem body); 및 상기 밀봉 구멍 내에 밀봉용 글래스로 밀봉되는 글래스 밀봉부를 가지는 리드 핀(lead pin)을 포함한다. 상기 글래스 밀봉부의 특성 임피던스는 정해진 값으로 조정된다. 상기 특성 임피던스 Z0는 Z0 = (138/Er1 /2)×log(D/d)에 의해 정해지며, 여기서, D는 상기 밀봉 구멍의 구멍 직경, d는 상기 리드 핀의 선 직경, Er은 상기 밀봉용 글래스의 유전율이고, 상기 밀봉용 글래스에 함유되는 기포의 양을 제어함으로써, 상기 밀봉용 글래스의 유전율 Er이 설정된다.
본 발명의 하나 이상의 양태에 따르면, 상기 밀봉 구멍의 구멍 직경 D, 상기 리드 핀의 선 직경 d, 및 상기 밀봉용 글래스의 유전율 Er은 상기 특성 임피던스 Z0 가 거의 50 Ω이 되도록 설정되는 것이 유리하다.
본 발명의 하나 이상의 양태에 따르면, 상기 밀봉 구멍의 구멍 직경 D는 대략 1.2 ㎜, 상기 리드 핀의 선 직경 d는 대략 0.21 ㎜, 상기 밀봉용 글래스의 유전율 Er은 대략 4.4인 것이 유리하다.
본 발명에 따른면, 밀봉용 글래스에 함유되는 기포의 양을 제어함으로써, 밀봉용 글래스의 유전율을 조절한다. 따라서, 글래스 밀봉부의 임피던스 값 Z0을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 또한, 고속 통신을 위해 임피던스 값을 원하는 값으로 설정함으로써, 전송 특성이 우수한 패키지를 제공한다.
본 발명의 다른 양태 및 이점은 다음의 설명, 도면, 및 특허청구범위에서 명확해진다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 광반도체 소자용 패키지의 구성을 나타내는 단면도이다. 광반도체 소자용 패키지(20)에서, 신호용 리드 핀(12)을 글래스(13)로 밀봉하고 전원용 리드 핀(14)을 글래스(15)로 밀봉하여, 신호용 리드 핀(12) 및 전원용 리드 핀(14)을 스템 본체(10)에 부착한다.
스템 본체(10)에 광반도체 소자를 탑재하고, 광반도체 소자를 와이어 본딩에 의해 리드 핀(12, 14)에 전기적으로 접속하고, 스템 본체(10)를 캡으로 밀봉함으로 써, 광반도체 장치를 조립한다. 광 반도체 소자용 패키지는 다양하다. 도 1에 나타낸 광반도체 소자용 패키지(20)는 단지 하나의 예일뿐이다.
예시적인 실시예에 따른 패키지(20)에서, 신호 선에 이용하는 리드 핀(12)은 특성 임피던스를 50 Ω으로 매칭시킨 구조를 가진다. 전원 선에 이용하는 리드 핀(14)은 일반적으로 이용되는 밀봉용 글래스로 밀봉된다.
신호 선에 이용되는 리드 핀(12)의 글래스 밀봉부의 특성 임피던스를 50 Ω으로 매칭시키는 방법으로서, 예시적인 실시예에 따른 패키지(20)에서는, 리드 핀의 밀봉 구멍의 직경을 변경하지 않고, 리드 핀(12)의 선 직경을 공지된 리드 핀의 선 직경보다도 가늘게 하는 방법을 채용한다. 또한, 리드 핀(12)을 밀봉하는 글래스(13)에 함유된 기포의 양을 조절함으로써, 유전율을 공지된 유전율보다 작게 하는 방법을 채용한다.
즉, 종래 기술의 패키지에서는, 밀봉용 글래스의 유전율 Er이 5.0, 리드 핀의 밀봉 구멍이 1.2 ㎜, 리드 핀의 선 직경이 0.45 ㎜였다. 한편, 예시적인 실시예에서는, 리드 핀의 밀봉 구멍을 변경없이 대략 1.2 ㎜로 하였고, 리드 핀의 선 직경을 0.45 ㎜에서 0.21 ㎜로 변경하였고, 글래스의 유전율을 5.0에서 4.4로 낮추어서, 특성 임피던스의 값을 대략 50 Ω으로 설정하였다.
리드 핀(12)은, 선 직경이 좁아짐으로 인해서 리드 핀(12)의 와이어 본딩 면의 면적이 작아지고, 이로써 와이어 본딩성이 열화될 수 있는 문제를 야기할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는, 리드 핀(12)을 못(nail) 리드형으로 형성하고 리드 핀(12)의 단부(端部)에 큰 직경 부분(12a)을 설치함으로써, 와이어 본딩 면적을 확 보할 수 있다.
이하에서는, 글래스에 함유되는 기포의 양을 조절함으로써, 글래스의 유전율을 조절하는 방법을 이용하여 실시된 시험 결과를 설명한다.
표 1은 글래스 샘플의 밀도를 측정함으로써 얻어진 결과를 나타낸다. 글래스에 함유되는 기포의 양을 제어함으로써, 글래스 샘플을 준비한다. 표 1에서, 샘플 (a)는 기포를 거의 함유하지 않은 글래스, 샘플 (b)는 기포를 약간 함유한 글래스, 예시적인 실시예인 샘플 (c)는 기포를 다량 함유한 글래스이다. 또한, 시험에 이용한 글래스는 주로 SiO2를 함유하는 글래스이다. 상기 글래스는 열팽창 계수를 스템 본체의 열팽창 계수와 매칭시켜 리드 핀을 밀봉하는 밀봉용 글래스이다. 상기 글래스는 이른바 매칭 타입의 제품에 이용된다. 이 밀봉용의 글래스의 규격은 밀도가 2.28g/cc이고 1㎒에서 유전율이 5.0이다.
샘플 밀도(g/cc)
(a) 2.251
(b) 2.170
(c) 2.003
표 1에 나타낸 각각의 글래스의 특성을 살펴보면, 샘플 (a)는 이 글래스의 규격을 대략 반영한다. 샘플 (b)는 샘플 (a)보다 밀도는 낮고 기포 함유량은 많다. 예에서, 샘플 (c)는 샘플 (b)의 글래스보다 밀도는 낮고 기포의 함유량은 많은 것을 나타낸다.
각각의 샘플의 글래스의 외관을 비교하면, 기포 함유량의 증가와 함께, 글래스의 색은 하얗게 된다. 이렇게, 글래스의 외관으로부터 글래스에 함유된 기포의 양을 추측할 수 있다.
도 2는 샘플 (a), (b) 및 (c)의 유전율을, 각각 1 ㎒, 10 ㎒ 및 100 ㎒에서 측정하여 얻어진 결과를 나타내는 그래프이다. 샘플 (b)는 샘플 (a)보다 유전율이 낮고 샘플 (c)는 샘플 (b)보다도 유전율이 낮다. 샘플 (c)의 유전율은 대략 4.4가 된다.
도 3은 샘플 (a), (b) 및 (c)에서, 신호 전송 시의 신호 지연 특성에 대한 tanδ 값을 측정하여 얻어진 결과를 나타낸다. 시험 결과에 따르면, 샘플 (a), (b), 및 (c)에는 신호 지연 특성에 큰 차이가 없다. 즉, 기포의 양을 증가시켜 준비한 샘플 (c)를 이용한 광반도체 소자용 패키지에서, 신호 전송 시에 파형의 변형이 일어나지 않는다.
표 2는 샘플 (c)로 스템 본체에 리드 핀을 글래스 밀봉하고, 추가적으로 스템 본체를 캡으로 밀봉하는 방식으로 기밀 시험 실시하여 얻어진 결과를 나타낸다.
이 시험은 캡으로 밀봉한 샘플을 온도 121 ℃ 및 습도 100%가 되도록 압력을 조절한 용기에 일정 시간 유지시켜, 캡 내의 물의 누수의 유무를 검사함으로써 실시되었다. 표 2의 샘플 (c)는 상술한 샘플 (c)와 동일하다. 샘플 (d)는 표준 글래스로 밀봉한 샘플이고 샘플 (e)는 시판 중인 유전율이 낮은 글래스로 밀봉한 샘플이다. 샘플 (d), (e) 및 (c)의 갯수는 각각 20 개이고, 표 2는 시간 경과와 함께 물이 누수된 샘플 수를 나타낸다.
샘플 0 시간 70 시간 후 140 시간 후 210 시간 후 280 시간 후
(d) 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20
(e) 0/20 0/20 9/20 14/20 19/20
(c) 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20
조건 : 121 ℃ / 100% 습도 / 2기압
표 2에 나타낸 기밀 시험의 결과에 따르면, 시판 중인 유전율이 낮은 글래스를 사용한 샘플에서는 기밀성이 불충분하지만, 표준 글래스를 사용한 샘플 (d) 및 기포의 양을 증가시킨 본 실시예에 따른 샘플 (c)는 충분한 기밀성을 유지한다. 즉, 샘플 (c)의 글래스를 이용하여 형성된 패키지의 기밀성이 역시 보장됨을 이해할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 광반도체 소자용 패키지의 제조 공정에서, 밀봉용 글래스의 글래스 미립자를 압축 성형하여 원통형 태블릿(tablet)을 형성하고, 카본 지그(carbon jig)를 이용하여, 스템 본체, 글래스 태블릿, 및 리드 핀을 조립하고 가열로 내에 반입하고, 이어서 글래스 태블릿을 용융하여 글래스 밀봉을 실시한다.
예시적인 실시예에서는, 밀봉용 글래스에 함유되는 기포의 양을 증가시켜 밀봉용 글래스의 유전율을 공지된 밀봉용 글래스의 유전율보다 낮게 하므로, 글래스 태블릿을 형성하는 단계로부터 글래스 태블릿에 함유되는 기포의 양이 증가하도록 조절한다.
또한, 글래스 용접 공정에서도, 밀봉용 글래스에 함유되는 기포의 양이 증가하도록 제어한다.
도 4는 상술한 밀봉용 글래스로 리드 핀을 글래스 밀봉한 부분을 나타내는 현미경 사진이다. 현미경 사진에 따르면, 상기 밀봉용 글래스로 리드 핀을 글래스 밀봉하는 경우, 기포가 글래스의 내부에 존재하고, 글래스의 표면, 리드 핀과 글래스 사이의 경계면, 및 스템 본체의 밀봉 구멍의 내면과 글래스 사이의 경계면 근방에는 기포가 약간 분포된다.
상술한 기밀 시험은 밀봉용 글래스로서 기포의 양을 증가시켜 준비한 글래스를 이용하는 경우에도 충분한 기밀성이 얻어짐을 입증한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 리드 핀과 글래스 사이의 경계면 또는 밀봉 구멍과 글래스 사이의 경계면 근방의 기포의 분포가 억제된다는 사실은 증가된 기포를 함유하는 글래스를 이용한 경우에도, 충분한 기밀성이 얻어진다는 시험 결과를 뒷받침하는 것으로 고려된다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 광반도체 소자용 패키지에 따르면, 리드 핀을 밀봉하는데 이용되는 밀봉용 글래스에 함유된 기포의 양을 조절함으로써, 광반도체 소자용 패키지의 특성 임피던스를 50 Ω으로 설정할 수 있다. 또한, 광반도체 소자용 패키지는 고속의 신호 전송 특성이 우수하고 광반도체 소자용 패키지에 요구되는 기밀성이 충분하다.
상술한 실시예에서는, 특성 임피던스를 50 Ω으로 설정하는 경우를 설명하였지만, 밀봉용 글래스에 함유되는 기포의 양을 조절하여 밀봉용 글래스의 유전율을 조절하는 방법은 특성 임피던스를 50 Ω으로 매칭시킨 경우로 한정되지 않고, 임피던스 값을 적절하게 조절하는 경우에 이용될 수 있다.
상술한 실시예에서는, 밀봉 구멍의 직경 D 및 리드 핀의 선 직경 d를 대략 1.2 ㎜ 및 대략 0.21 ㎜로 각각 설정하고, 유전율 Er을 대략 4.4로 조절함으로써, 특성 임피던스를 50 Ω으로 매칭시킨다. 그러나, 밀봉 구멍의 직경 D 또는 리드 핀의 선 직경 d는 제품에 의존하여 적절한 설계 값이 설정된다. 밀봉용 글래스의 유전율은 밀봉 구멍의 직경 또는 리드 핀의 선 직경에 의존하여 적절하게 설정되고, 정해진 유전율에 합치하도록 밀봉용 글래스에 함유되는 기포의 양을 조절한다. 밀봉용 글래스의 유전율은 밀봉용 글래스의 재질 또는 첨가물에 의존하여 결정되므로, 밀봉용 글래스에 함유되는 기포의 양도 밀봉용 글래스에 따라 결정된다.
본 발명을 그 특정의 예시적인 실시예를 참조하여 도시 및 기술하였지만, 본 발명의 사상 및 범주에서 일탈하지 않고 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된 바에 따라, 그 내에서 형태 및 세부에 다양한 변경이 이루어질 수 있음을, 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 본래의 사상 및 범주 내에서의 모든 변경 및 변형은 첨부된 특허청구범위에 포함되는 것으로 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 광반도체 소자용 패키지의 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 글래스에 함유된 기포의 양을 변화시킨 경우의 글래스의 유전율을 나타내는 그래프.
도 3은 글래스 내에 함유된 기포의 양을 변화시킨 경우의 전송 특성을 나타내는 그래프.
도 4는 리드 핀을 글래스 밀봉한 부분을 나타내는 현미경 사진.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 스템 본체 12, 14 : 리드 핀
13, 15 : 글래스 20 : 광반도체 소자용 패키지

Claims (3)

  1. 스템 본체(stem body)에 설치된 밀봉 구멍에, 밀봉용 글래스에 의해 신호 선이 되는 리드 핀(lead pin)과 전원 선이 되는 리드 핀이 밀봉되고, 당해 신호 선이 되는 리드 핀의 글래스 밀봉부에 있어서의 특성 임피던스가 정해진 값으로 조정된 광반도체 소자용 패키지에 있어서,
    상기 신호 선이 되는 리드 핀의 글래스 밀봉부에 있어서의 특성 임피던스 Z0는, 상기 신호 선이 되는 리드 핀이 밀봉되는 밀봉 구멍의 구멍 직경 D와, 상기 신호 선이 되는 리드 핀의 선 직경 d와, 상기 신호 선이 되는 리드 핀을 밀봉하는 밀봉용 글래스의 유전율 Er로부터, 다음 식에 의해 설정되고,
    Z0 = (138/Er1/2)×log(D/d)
    상기 신호 선이 되는 리드 핀을 밀봉하는 밀봉용 글래스의 유전율 Er은, 상기 전원 선이 되는 리드 핀을 밀봉하는 밀봉용 글래스의 유전율보다 낮고,
    상기 신호 선이 되는 리드 핀을 밀봉하는 밀봉용 글래스는 기포를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 광반도체 소자용 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 구멍의 구멍 직경 D, 상기 리드 핀의 선 직경 d, 및 상기 밀봉용 글래스의 유전율 Er은 상기 특성 임피던스 Z0가 50 Ω이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 광반도체 소자용 패키지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉 구멍의 구멍 직경 D는 1.2 ㎜, 상기 리드 핀의 선 직경 d는 0.21 ㎜, 상기 밀봉용 글래스의 유전율 Er은 4.4인 것을 특징으로 하는 광반도체 소자용 패키지.
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