JP2008028143A

JP2008028143A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2008028143A
Application number: JP2006198899A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yabe; 弘之矢部
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2008-02-07
Also published as: US20080025678A1; US7507035B2

Abstract

【課題】抵抗溶接により接合面に機械的な歪みが生じても、当該歪みを吸収できる構造を提供し、かつ、溶接時のジュール熱による他の部材への影響を回避できる、抵抗溶接用の形態を有する光モジュールを提供する。
【解決手段】複数のリードピンを備え、半導体光デバイスを搭載しリードピン３Ｂをシールガラスにより保持するステム３Ａを有するパッケージ３と、ステム３Ａにプロジェクション溶接され、前記半導体光デバイスを搭載する空間を封止するキャップ２と、を有する光モジュールにおいて、ステム３Ａの前記プロジェクション溶接される領域に隣接し、この溶接領域からリードピン３Ｂを隔てる様に設けられた溝３５を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のリードピンを備え、半導体光デバイスを搭載し前記リードピンをシールガラスにより保持するステムを有するパッケージと、前記ステムにプロジェクション溶接され、前記半導体光デバイスを搭載する空間を封止するキャップと、を有する光モジュールに関する。

光モジュールは、例えば、発光素子などを実装し、シールガラスで封止したリードピンをステムに設けた金属部材（パッケージ）と、平板ガラスまたはレンズなどを設けた金属製キャップ（キャップ）とからなり、パッケージとキャップとは抵抗溶接により接合される。

パッケージとキャップを抵抗溶接する場合、キャップとパッケージのうち、少なくとも一方の溶接部分に突起を設けるか、キャップとパッケージの間に適宜のプロジェクション部品を介在させ、極めて大きな電流を突起あるいはプロジェクション部品部に集中させて当該部分／部品を溶融させつつ、被接合部品（この場合には、キャップとパッケージ）を押し付けることで両部品を局所的に溶接固定する。

特許文献１に記載の光モジュールでは、キャップの外側を覆いレンズを保持するホルダにＶ溝を形成し、このＶ溝中にプロジェクション部品を装着することで、接触部の面積を小さくして電流密度を高めている。電流がプロジェクション部品という小部品に集中するので、プロジェクション部品を溶融するための電流量を抑えることができ、過剰な発熱が回避できる。

ところが、特許文献１に記載の光モジュールでは、ステムの側面もレンズホルダが覆い、当該側面にもプロジェクション部品を介在させているので、溶接後の気密性は高まるものの、横方向のサイズが大きくなることは避けられない。

また、抵抗溶接では被接合部品を互いに強い力で押し付けあう。局所的ではあるがプロジェクションが溶融するまでのジュール熱が発生している箇所に機械的応力を印加するものであり、溶接後にこの溶接部が機械的に歪む現象がみられる。光モジュールでは、キャップとパッケージを溶接する際に、キャップのプロジェクションに隣接する周縁部分や、パッケージのステムの周縁部分などが、溶接前のキャップやパッケージの外周面よりもはみ出してしまう。

これを回避するために、特許文献２ではメタルに、溶接用突起とこの突起を挟み込む様に凹部を設けた構造を採用する。抵抗溶接時の加圧で押し潰された溶融金属をこの凹部内へ流入させることができるが、ジュール熱で局所的に加熱された箇所通しを押し付け合うことに変わりがなく、溶接部位の機械的変形を完全に防止するものでない。
特開平６−１４０６４４号公報特開２００３−３２０４６２号公報

本発明は、抵抗溶接により接合面に機械的な歪みが生じても、当該歪みを吸収できる構造を提供し、かつ、溶接時のジュール熱による他の部材への影響を回避できる、抵抗溶接用の形態を有する光モジュールを提供することを目的とする。

本発明の光モジュールは、複数のリードピンを備え、半導体光デバイスを搭載し前記リードピンをシールガラスにより保持するステムを有するパッケージと、前記ステムにプロジェクション溶接され、前記半導体光デバイスを搭載する空間を封止するキャップと、を有する光モジュールにおいて、前記ステムの前記プロジェクション溶接される領域に隣接し、この溶接領域から前記リードピンを隔てる様に設けられた溝を有することを特徴する。この構成によれば、抵抗溶接により接合面に生じる機械的な歪を前記溝で吸収することができ、かつ溶接時に押し寄せる接合部を前記溝で阻止し、また溶接時のジュール熱の伝播を前記溝で阻止することができるため、他の部材への影響を回避することができる。

本発明において、前記溝は、Ｖ字状の断面形状を有することが好ましい。また、前記ステムは円板状であり、前記キャップは円筒状であり、前記パッケージは同軸状の形態を有し、前記溝は、少なくとも前記リードピンを前記溶接領域から隔てる様に前記ステムの中心を中心とする円弧状に形成された溝であることが好ましい。また、前記ステムは鉄製であり、前記キャップはステンレス製であることが好ましい。

本発明によれば、抵抗溶接により接合面に生じる機械的な歪を前記溝で吸収することができ、かつ溶接時に押し寄せる接合部を前記溝で阻止し、また溶接時のジュール熱の伝播を前記溝で阻止することができるため、他の部材への影響を回避することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光モジュール１を示すものであり、光モジュール１は、キャップ２とパッケージ３とが抵抗溶接で一体化されている。キャップ２は、大小２つの外径寸法を有する段付き円筒形状を呈するステンレス等の金属で形成されており、上部に球レンズ４を固定している。また、キャップ２は、パッケージ３に搭載する図示外の光半導体チップを、抵抗溶接後に、球レンズ４とパッケージ３との間で気密状態に封止させるために、下方が開口した空間（溶接後に封止空間となる）を形成している。

図２は、キャップ２とパッケージ３との接合部を拡大して示している。キャップ２の端部には、図２に示すように、後述するステム３と対向する底面（接合面）２０から所定の長さＬ２だけ、抵抗溶接の際の変形代となる小径部２１が形成されている。小径部２１の長さＬは変形部分が（最外径である）キャップ２の外周面２２を越えないように設定する。また、キャップ２には、接合面２０に断面が略三角形状の突起２０Ａが形成されている。突起２０Ａは、抵抗溶接の際、加圧力が集中するとともに溶接電流で発熱・溶融される抵抗溶接部を構成する。

パッケージ３は、鉄、コバール等の金属で形成した略円板状のステム３Ａと、ステム３Ａに設けた図示しないＬＤ（発光素子を構成する）などの光半導体チップと、この光半導体チップと電気的に接続するリードピン３Ｂを備えている。パッケージ３も、キャップ２と対向する上面（接合面）３０から所定の長さＳだけ、抵抗溶接の際の変形部のニゲとなる小径部３１が形成されている。小径部３１の径も、溶接による変形部が（最外径である）外周面３２を越えないようにその径が設定される。小径部３１は、外周面３２から深さｄ３（図示せず）だけ削って形成されている。深さｄ３は、段差２１Ｄの大きさｄ２（図示せず）と段差２１Ｃの大きさｄ１（図示せず）との合算深さよりは浅く、かつ、段差２１Ｄの大きさｄ２より深いか、段差２１Ｄの大きさｄ２とほぼ同様の深さとなっている。ずなわち、ステムの小径部３１はキャップの小径部２１Ｂよりも内側に位置し、かつ、突起２０Ａの縁よりも外側に位置する。なお、キャップ２とパッケージ３の外径は、パッケージ３のほうが若干大きいか同一寸法に形成される。

キャップ２とパッケージ３の接合部分となる各接合面２０、３０に小径部２１、小径部３１を形成することにより、キャップ２とパッケージ３とを圧接方向に加圧しながら抵抗溶接して光モジュール１を形成する際に、溶接部位がジュール熱で溶融されても、図３に示すように、溶融部分（変形部）γを、これら小径部２１、３１に吸収させることで、外周面２２、３２よりも飛び出すことが防止できる。これにより、光モジュール１を実装させる場合に、突出した溶接部分が実装面Ｈと干渉することを回避することができる。

なお、小径部の形状は、図２、図３に示す様な段差を有する形状に限定されず、たとえば、接合面の縁から大径部に向けて斜面を設けることでもよい。

（第２の実施形態）
本実施形態の光モジュールでは、図４に示すように、キャップ２の接合面２０に環状突起２０Ｂを設ける。パッケージ３の接合面３０には、突起２０Ｂに対応した位置付近で若干中心寄りに、断面矩形状の溝３５を円弧状に４箇所穿設させる。リードピン３Ｂは、隣接する２箇所の溝３５の中間に配置される。円弧状の溝３５の内周面と中心Ｏとを結ぶ距離Ｒ１を半径とする第１の円の領域αを越えない範囲内に、リードピン３Ｂ及びこの外周を取り囲むシールガラス３Ｃを設置する。

溝３５の外周面と中心Ｏとを結ぶ距離を半径Ｒ２とする第２の円より大きく、かつ、溝３１と接する第３の円の領域に納まる範囲内にある円環状の領域βに、キャップ２の突起２０Ｂが収まるように構成する。

このように構成することで、抵抗溶接後には、図５に示すように、小径部２１、小径部３１、溝３５がそれぞれ変形して接合部が外周面より突出するのを確実に阻止できる。また、溝３５を設けることで、抵抗溶接の際に接合部が中心方向に押し寄せてくるのをこの溝３５で阻止でき、また、図６（Ａ）に示す熱分布状態から分かるように、抵抗溶接の際に発生する熱が、それよりも中心部側に伝搬するのも阻止できる(なお、同図中にクロスハッチングで示すエリアδがその熱の伝搬する領域である)。この結果、ステム３Ａに搭載する図示外のＬＤなどの光半導体チップに対する、溶接時の熱の影響を回避できる。一方、同図（Ｂ）のように溝３５を設けていないと、溶接の際に発生する熱が中心部側のシールガラス３Ｃやリードピン３Ｂまで伝搬していく(同じく、その熱の伝搬する領域δをクロスハッチングで示す)。従って、溝３５は、リードピン３Ｂに対応する位置に形成するだけでも非常に効果的である。

さらに、本実施形態の変形例として、第１の実施形態の小径部２１、３１を、それぞれ、キャップ２及びパッケージ３に設けるだけでなく、これと同時に、例えば図７に示すように、キャップ２の接合面２０に形成する環状突起２０Ａと対応する接合面３０の位置からやや離れた中心寄りに、断面略Ｖ字形の環状の溝３０Ａを設けている。

溝３０Ａがあることで、抵抗溶接の際に環状突起２０Ａなどを溶融させるときに発生する熱が、それよりも中心部側に伝搬していくのを阻止できる。この結果、第２の実施形態と同様に、ステム３Ａに搭載する図示外の光半導体チップに対する、溶接時の熱の影響が回避可能となる。

実施例１の光モジュールでは、第１の実施形態を示す図１において、パッケージ３のステム３Ａの接合面３０を臨む外周面縁部に、小径部３１からなるニゲを設けている。小径部３１の大きさは、溶接時の変形部分が最外径を越えないように調整する。溶接による変形量は、
（１）パッケージ３（ステム３Ａ）とキャップ２の材質によるが、溶融せずに残った突起２０Ａの根元部が、相手側の接合面３０をどの程度押し付けるか、
（２）突起２０Ａがキャップ２やパッケージ３（ステム３Ａ）の外周からどの程度離れているか、
に左右される。
突起２０Ａは、その頂点が外周から２５０μｍ離れており、底辺２５０μｍ、高さ２００μｍ程度の断面が円錐形状ならば、通常、ニゲのための小径部３１の段差は１５０μｍ程度で充分である。

上記構成により、抵抗溶接において、予め被溶接部材の塑性変形を考慮してあるために、その変形による不具合(例えば、組み込ませる他部品との緩衝等)を回避できる。例えば、光通信リンクモジュールの同軸型の送信器(ＴＯＳＡ(Transmitter Optical Sub-Assembly)；送信用小型光デバイス)や受信器(ＲＯＳＡ(Receiver Optical Sub-Assembly)；受信用小型光デバイス)では、パッケージとキャップ（レンズホルダ）の抵抗溶接の際に、従来は数十μｍ近く外形が拡大していた。その結果、光通信リンクモジュールを搭載させる筐体内に入りにくい、もしくは入らない、といった不具合が起こっていたが、上記構成では、これら微小な塑性変形による周辺部品との緩衝不具合が発生しない。また、ニゲの分だけ狭い範囲に電流が集中するため、溶接をより効率的に行うことができる。

図４に示す実施例２では、実施例１のニゲである小径部３１と同時に、ステム３Ａの接合面３０の中心寄りに溝３５を設ける。溝３５の幅は、実施例１と同様に考えればよい。実施例１と同じ条件ならば、実施例１と同じく１５０μｍ程度で充分であり、溝の深さは突起２０Ａの高さの２倍程度の４００μｍあれば、通常は充分である。

上記構成により、光素子などステム３Ａに実装されたデバイスの抵抗溶接時の位置ずれを抑えることができる。溝３５を設けることで、抵抗溶接時に発生する熱によりリードピン３Ｂの周囲を囲設するシールガラス３Ｃに熱が伝わり、クラックが発生してシール性が悪化する、といったことも防ぐことができる。

（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光モジュールを示す斜視図、（Ｂ）はその断面図である。第１の実施形態に係る光モジュールの要部を示す拡大図である。第１の実施形態に係る光モジュールの溶接後状態を示す断面図、（Ｂ）はその要部断面図である。（Ａ）は本発明の第２の実施形態に係る光モジュールの要部を示す断面図、（Ｂ）はそのパッケージ部分を示す斜視図である。（Ａ）は本発明の第２の実施形態に係る光モジュールの変形例の要部を示す断面図、（Ｂ）はそのパッケージ部分を示す平面図である。第２の実施形態に係る光モジュールの溶接後の状態を示す要部断面図である。（Ａ）は図５に示す光モジュールの溶接の際の熱分布を示す説明図、（Ｂ）は図５に示す光モジュールにおいて凹部を設けていない場合の熱分布を示す説明図である。

符号の説明

１光モジュール
２キャップ
２０接合面
２１小径部
２２外周面
３パッケージ
３０接合面
３１小径部
３２外周面
３５溝
４球レンズ

Claims

複数のリードピンを備え、半導体光デバイスを搭載し前記リードピンをシールガラスにより保持するステムを有するパッケージと、前記ステムにプロジェクション溶接され、前記半導体光デバイスを搭載する空間を封止するキャップと、を有する光モジュールにおいて、
前記ステムの前記プロジェクション溶接される領域に隣接し、この溶接領域から前記リードピンを隔てる様に設けられた溝を有することを特徴する光モジュール。
前記溝は、Ｖ字状の断面形状を有する請求項１に記載の光モジュール。
前記ステムは円板状であり、前記キャップは円筒状であり、前記パッケージは同軸状の形態を有し、
前記溝は、少なくとも前記リードピンを前記溶接領域から隔てる様に前記ステムの中心を中心とする円弧状に形成された溝である、請求項１又は２に記載の光モジュール。
前記ステムは鉄製であり、前記キャップはステンレス製である請求項１から３の何れか一項に記載の光モジュール。