(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0010】
(光半導体素子収納用パッケージおよび実装構造体の構成)
以下、本発明の一実施形態に係る光半導体素子収納用パッケージおよびそれを用いた実装構造体について、
図1−
図6を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【0011】
図1は、光半導体素子収納用パッケージおよび実装構造体の斜視図であり、蓋体を外したときの外観を示している。
図2は、
図1に示した光半導体素子収納用パッケージの断面図であり、光半導体素子収納用パッケージのフェルールの長手方向に沿って切断した断面を示している。
図3は、
図2に示した光半導体素子収納用パッケージにおけるフェルールと金属環状部材との接合部の拡大図であり、フェルール、金属環状部材およびガラス接合部材の関係を詳細に示している。
図4は、
図1とは異なる光半導体素子収納用パッケージの断面図であり、光半導体素子収納用パッケージのフェルールの長手方向に沿って切断した断面を示している。
図5は、
図4に示した光半導体素子収納用パッケージにおけるフェルールと金属環状部材との接続部の拡大図であり、フェルール、金属環状部材およびガラス接合部材の関係を詳細に示している。
図6は、
図1および
図4とは異なる光半導体収納用パッケージにおけるフェルールと金属環状部材との接続部の拡大図であり、フェルール、金属環状部材およびガラス接合部材の関係を詳細に示している。
【0012】
実装構造体1は、光通信機器などに用いられる。実装構造体1は、
図1に示したように、光半導体素子2と、内部に光半導体素子2を収納した光半導体素子収納用パッケージ3とを含んでいる。
【0013】
光半導体素子2は、光信号を電気信号に変換したり電気信号を光信号に変換したりするなど、光信号の処理を行なう。光半導体素子2は、例えばレーザダイオードまたはフォトダイオードなどが挙げられる。このような光半導体素子2は、例えばヒ化ガリウム、ガリウム砒素リンまたは窒化ガリウムなどの半導体材料を含んで形成される。
【0014】
光半導体素子収納用パッケージ3は、光半導体素子2を収納して保護するものである。光半導体素子収納用パッケージ3は、
図1および
図2に示したように、光半導体素子2が実装される基板4と、基板4の上面に設けられて側面に貫通孔V1を有する枠体5と、枠体5の貫通孔V1を通って枠体5の内外に延在したフェルール6と、枠体5の外側面のうち貫通孔V1の周囲に接合された、フェルール6を保持した保持孔V2を有する金属環状部材7と、枠体5の貫通孔V1が形成された側面と異なる側面を貫通して設けられた入出力端子8と、枠体5上に枠体5内を封止するように設けられた蓋体11とを含んでいる。光半導体素子収納用パッケージ3は、上記構成を有することによって、例えば、外部の回路基板から光ファイバおよびフェルール6を介して受信した光信号を光半導体素子2にて
電気信号に変換し、入出力端子8を介して、この電気信号を外部の回路基板に送信する。
【0015】
基板4は、基板4の上面に実装された光半導体素子2を支持するものである。基板4は、平板状に形成されており、上面視にて矩形状である。基板4は、例えば1つの金属板または複数の金属板の積層体からなる。このような金属板は、例えば銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルトなどの金属材料、あるいはこれらの金属材料を含んだ合金を含んで形成される。なお、基板4が金属板で構成される場合には、基板4は、例えば光半導体素子2の稼働時に光半導体素子2が発した熱を放出する放熱板として機能する。
【0016】
枠体5は、基板4に実装された光半導体素子2を保護するために設けられている。枠体5は、一対の第1側部51と、一対の第1側部51を繋ぐ一対の第2側部52とからなる枠状の構造体である。また、一対の第1側部51のうちの一方には、フェルール6が挿入される貫通孔V1が形成されており、一対の第2側部52には、それぞれ入出力端子8が固定される固定孔V3が形成されている。枠体5は、例えば銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルトなどの金属材料、あるいはこれらの金属材料を含んだ合金を含んで形成される。また、枠体5は、上記合金からなる場合には、例えばFe−Ni−Co、Fe−Ni50、SUS304またはSUS430などからなる。
【0017】
枠体5の熱膨張率は、例えば3ppm/℃以上28ppm/℃以下に設定されている。枠体5のヤング率は、例えば120GPa以上350GPa以下に設定されている。なお、熱膨張率は、例えば、市販のTMA(熱機械分析)装置を用いて、JIS K7197−1991に準じた測定方法によって測定される。また、ヤング率は、例えば、ナノインデンターを用いて、ISO527−1:1993に準じた測定方法によって測定される。
【0018】
フェルール6は、筒状に形成されており、筒状の内部に配された、光信号の伝送路となる光ファイバ9を保護するものである。フェルール6は、例えばジルコニアなどのセラミックスからなる。フェルール6の熱膨張率は、例えば3ppm/℃以上28ppm/℃以下に設定されている。フェルール6のヤング率は、例えば200GPa以上230GPa以下に設定されている。
【0019】
金属環状部材7は、保持孔V2を有する環状に形成されており、保持孔V2内に配されたフェルール6を枠体5に固定するものである。具体的には、
図2に示したように、フェルール6は、ガラス接合部材10を介して金属環状部材7に固定され、この金属環状部材7は、フェルール6が枠体5の貫通孔V1に挿入された状態で、枠体5の第1側部51の外側面に、例えば銀ろうなどによって固定されている。その結果、フェルール6は枠体5に固定される。
【0020】
金属環状部材7は、例えば銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルトなどの金属材料、あるいはこれらの金属材料を含んで形成される。また、金属環状部材7は、上記合金からなる場合には、例えばFe−Ni−Co、Fe−Ni50、SUS304またはSUS430などからなる。なお、金属環状部材7の熱膨張率は、例えば3ppm/℃以上25ppm/℃以下に設定されている。金属環状部材7のヤング率は、例えば150GPa以上210GPa以下に設定されている。
【0021】
ガラス接合部材10は、例えばホウケイ酸塩ガラス、アルミノケイ酸塩ガラスなどのガラス材料からなる。ガラス接合部材10の熱膨張率は、例えば5ppm/℃以上10ppm/℃以下に設定されている。ガラス接合部材10のヤング率は、例えば15GPa以上40GPaに設定されている。
【0022】
ここで、保持孔V2は、
図2および
図3に示したように、外側に開口した凹部O1と、凹部O1の内面に開口しているとともに凹部O1よりも開口の大きさが小さい貫通部O2と有している。そして、フェルール6は、貫通部O2に挿入された状態で、凹部O1の内面に配されたガラス接合部材10を介して金属環状部材7に固定されている。このような構成を有することによって、単なる貫通部O2に相当する貫通孔の内面にのみ低融点ガラスが配されている場合と比較して、金属環状部材7およびガラス接合部材10の接合面積を大きくすることができる。その結果、例えば光半導体素子2の稼働時に光半導体素子2が発熱した場合でも、金属環状部材7からガラス接合部材10が剥がれることを抑制することができる。したがって、光半導体素子収納用パッケージ3におけるフェルール6の位置ずれを抑制し、ひいては実装構造体1における光半導体素子2とフェルール6との光接続性を向上させることができる。
【0023】
凹部O1の開口は、
図3に示したように、ガラス接合部材10の表面よりも外側に位置していることが望ましい。このような構成を有することによって、凹部O1内のガラス接合部材10の量を少なくすることができる。その結果、ガラス接合部材10の熱膨張による金属環状部材7への影響を小さくすることができ、ガラス接合部材10の熱膨張による金属環状部材7の変形を抑制することができる。したがって、光半導体素子収納用パッケージ3におけるフェルール6の位置ずれを抑制し、ひいては実装構造体1における光半導体素子2とフェルール6との光接続性を向上させることができる。
【0024】
ガラス接合部材10は、
図3に示したように、ガラス接合部材10の露出面からフェルール6の長手方向に沿って内側に向かって凹んだ窪み部O3が形成されていることが望ましい。このような構成を有することによって、金属環状部材7とガラス接合部材10との接合面積を大きくすることができるとともに、ガラス接合部材10の熱膨張による金属環状部材7への影響を低減することができる。その結果、金属環状部材7からガラス接合部材10が剥がれるのを抑制することができるとともに、金属環状部材7の変形を抑制することができる。
【0025】
ガラス接合部材10は、
図3に示したように、貫通部O2の一部に入り込んでいることが望ましい。このような構成を有することによって、金属環状部材7とガラス接合部材10との接合面積をより大きくすることができ、金属環状部材7からガラス接合部材10が剥がれることを効果的に防止することができる。また、ガラス接合部材10が貫通部O2に入り込むことによって、フェルール6と金属環状部材7との隙間の一部はガラス接合部材10に塞がれることから、フェルール6の動きが制限され、フェルール6が傾くことを抑制することができる。したがって、実装構造体1における光半導体素子2とフェルール6との光接続性を向上させることができる。
【0026】
貫通部O2は、
図3に示したように、貫通部O2の途中から凹部O1側の開口に向かってフェルール6との間隔が広がるように傾斜した傾斜面Aを有していることが望ましい。そして、この傾斜面Aとフェルール6の表面との間にはガラス接合部材10が介在していることが望ましい。このような構成を有することによって、金属環状部材7およびガラス接合部材10の接合面積をさらに大きくすることができ、金属環状部材7からガラス接合部材10が剥がれることを効果的に防止することができる。また、ガラス接合部材10が貫通部O2内に入り込んでいる場合には、傾斜面Aがあることによって、凹部O1と貫通部O2とで形成される角の周囲に位置したガラス接合部材10に応力が集中することを低減し、ガラス接合部材10におけるクラックの発生を低減することができる。
【0027】
金属環状部材7のヤング率は、ガラス接合部材10のヤング率よりも大きいことが望ましい。このような構成を有することによって、ガラス接合部材10の熱膨張による金属環状部材7への影響をより小さくすることができる。その結果、ガラス接合部材10の熱膨
張による金属環状部材7の変形を効果的に抑制することができる。
【0028】
金属環状部材7の熱膨張率は、ガラス接合部材10の熱膨張率よりも大きいことが望ましい。このような構成を有することによって、例えば光半導体素子2の発熱時に、フェルール6およびガラス接合部材10に対して、相対的に、フェルール6および金属環状部材7が互いに近づくように挙動することから、フェルール6からガラス接合部材10が剥がれることを抑制することができる。
【0029】
金属環状部材7の貫通部O2とフェルール6の表面との間には、
図3に示したように、空間があることが望ましい。すなわち、貫通部O2とフェルール6の表面との間にガラス接合部材10が完全には充填されていないことが望ましい。その結果、ガラス接合部材10の量を少なくすることができ、ガラス接合部材10の熱膨張による金属環状部材7の変形を抑制することができる。
【0030】
貫通部O2のフェルール6の長手方向に沿った長さは、
図3に示したように、凹部O1のフェルール6の長手方向に沿った長さよりも大きいことが望ましい。その結果、金属環状部材7の保持孔V2における貫通部O2の割合を大きくすることができるため、フェルール6と金属環状部材7との隙間が小さくなることから、フェルール6の動きを制限することができ、フェルール6が傾くことを防止することができる。
【0031】
傾斜面Aのフェルール6の長手方向に沿った長さは、
図3に示したように、貫通部O2のフェルール6の長手方向に沿った長さよりも小さいことが望ましい。その結果、ガラス接合部材10の量に対して、金属環状部材7を十分な大きさとすることができるため、ガラス接合部材10の熱膨張による金属環状部材7の変形を抑制することができる。また、フェルール6と金属環状部材7との隙間を小さくすることができるため、フェルール6が傾くことを防止することができる。
【0032】
枠体5のヤング率は、金属環状部材7のヤング率よりも大きいことが望ましい。このような構成を有することによって、金属環状部材7の熱膨張による影響を小さくすることができ、枠体5が歪むことを防止することができる。その結果、実装構造体1における光半導体素子2とフェルール6との光接続性を向上させることができる。
【0033】
フェルール6の枠体5内側の端から金属環状部材7までの長さは、
図2に示したように、フェルール6の他端から金属環状部材7までの長さよりも短いことが望ましい。このような構成を有することによって、例えば、仮にフェルール6が傾いた場合でも、フェルール6の傾きに起因した光ファイバ9の枠体5内側の先端の傾き量を小さくすることができる。したがって、実装構造体1における光半導体素子2とフェルール6との光接続性を向上させることができる。
【0034】
貫通孔V1の開口は、
図2および
図3に示したように、保持孔V2の開口よりも大きいことが望ましい。このような構成を有することによって、例えば、仮にフェルール6が傾いた場合に、貫通孔V1の縁にフェルール6の外周部が当たることを防止することができる。その結果、フェルール6におけるクラックの発生を抑制することができる。
【0035】
入出力端子8は、光半導体素子2と外部の回路基板との間で、電気信号の伝送を行なう。具体的には、入出力端子8は、枠体5の固定孔V3内に接合されたセラミック構造体81と、セラミック構造体81の上面に形成された配線層82と、配線層82上に配されたリード端子83とを含んでいる。
【0036】
セラミック構造体81は、配線層82およびリード端子83を支持するものである。セ
ラミック構造体81は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体または窒化珪素質焼結体などのセラミックスからなる。
【0037】
配線層82は、ボンディングワイヤ等で光半導体素子2と電気的に接続されて、光半導体素子2が光信号から変換処理した電気信号を、リード端子83まで伝送する。配線層82は、例えば銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、タングステン、マンガンまたはクロムなどの金属材料、あるいはこれらの金属材料を含んだ合金からなる。
【0038】
リード端子83は、光半導体素子2から配線層82を介して伝送される電気信号を外部の回路に伝送する機能を有する。リード端子83は、例えば銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルトなどの金属材料、あるいはこれらの金属材料を含んだ合金からなる。
【0039】
蓋体11は、光半導体素子収納用パッケージ3の開口を封止し、光半導体素子収納用パッケージ3内に収納されたものを保護する。蓋体11は、例えば鉄、銅、銀、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデンまたはタングステンなどの金属材料、あるいはこれらの金属材料を複数組み合わせた合金または積層体からなり、例えば蓋体11と同様の金属材料からなるシールリング12を介して、光半導体素子収納用パッケージ3の枠体5の上面に接合されている。
【0040】
本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。
【0041】
上述した本発明の実施形態は、金属環状部材7の貫通部O2が傾斜面Aを有している構成を例に説明したが、例えば、
図4および
図5に示したように、金属環状部材7は、凹部O1の内面からフェルール6の表面に沿って突出した突出部Pを有していてもよい。この場合には、突出部Pによって、金属環状部材7とガラス接合部材10との接合面積を大きくすることができるとともに、フェルール6と金属環状部材7との隙間を小さくしてフェルール6が傾くことを防止することができる。
【0042】
突出部Pは、
図4および
図5に示したように、凹部O1の開口よりも内側に位置することが望ましい。このような構成を有することによって、フェルール6とガラス接合部材10との接合面積を確保することができ、フェルール6を金属環状部材7に効果的に固定することができる。
【0043】
突出部Pは、
図4および
図5に示したように、先端に向かって厚みが小さくなっていることが望ましい。このような構成を有することによって、凹部O1と突出部Pとが交わって形成された角が鈍角となることから、この角に配されたガラス接合部材10に加わる熱応力を低減することができ、ガラス接合部材10におけるクラックの発生を抑制することができる。
【0044】
上述した本発明の実施形態は、ガラス接合部材10が金属環状部材7の貫通部O2の一部にのみ入り込んでいる構成を例に説明したが、例えば、
図6に示したように、ガラス接合部材10は、凹部O1の内面から貫通部O2を通って金属環状部材7の枠体5に接合された側面にまで配されていることが望ましい。このような構成を有することによって、金属環状部材7とガラス接合部材10との接合面積を大きくすることができることから、金属環状部材7からガラス接合部材10が剥がれることを防止することができ、また、光半導体素子収納用パッケージ3内の気密性を向上させることができる。
【0045】
ガラス接合部材10は、
図6に示したように、金属環状部材7およびフェルール6にのみ接触していることが望ましい。すなわち、枠体5には接触していないことが望ましい。このような構成を有することによって、ガラス接合部材10の熱膨張による影響が直接に枠体5に及ぶことを防止し、ガラス接合部材10の熱膨張による枠体5の変形を低減することができる。その結果、実装構造体1における光半導体素子2とフェルール6との光接続性を向上させることができる。
【0046】
(光半導体素子収納用パッケージおよび実装構造体の製造方法)
以下、
図1に示す光半導体素子収納用パッケージ3および実装構造体1の製造方法を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【0047】
(1)基板4、枠体5および金属環状部材7を作製する。基板4、枠体5および金属環状部材7のそれぞれは、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで固化させたインゴットを金属加工法を用いることによって所定形状に成形することで作製される。そして、枠体5には、貫通孔V1および固定孔V3を形成する。
【0048】
(2)セラミック構造体81および配線層82を作製する。まず、例えば、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素または酸化ベリリウムなどのセラミック粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合した混合物を所定形状に加工する。
【0049】
(3)次いで、タングステンまたはモリブデンなどの高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを準備する。その後、所定形状に加工した混合物の表面に金属ペーストを所定のパターンに印刷する。そして、これを焼成することによって、金属ペーストを配線層82とし、所定形状に加工した混合物をセラミック構造体81とする。以上の(2)および(3)の工程によって、セラミック構造体81および配線層82を作製する。
【0050】
(4)金属環状部材7の保持孔V2の凹部O1内にガラス接合部材10を配した後、金属環状部材7の保持孔V2の貫通部O2にフェルール6を挿し込み、ガラス接合部材10を溶融および固化することによって、フェルール6を金属環状部材7に接合する。
【0051】
(5)フェルール6が接合された金属環状部材7を、フェルール6が貫通孔V1に挿入されるように、枠体5に接合する。また、枠体5の固定孔V3には、配線層82が配されたセラミック構造体81を接合する。
【0052】
(6)光半導体素子2を基板4上に実装し、ボンディングワイヤなどを介して配線層82と電気的に接続する。次いで、光半導体素子収納用パッケージ3を蓋体11にて封止し、配線層82上にリード端子83を設けることによって、実装構造体1を作製することができる。