JP2009071209A - 光半導体装置及びその製造方法と金属キャップ - Google Patents

Abstract

【課題】天板部の開口部に低融点ガラスによってガラス窓が封着された金属キャップをステムの上に抵抗溶接する際に、低融点ガラスにクラックが発生することを防止できる光半導体素子装置を提供する。
【解決手段】光半導体素子４０が実装されたステム１０と、ステム１０の上に抵抗溶接されて光半導体素子４０を気密封止し、かつ天板部に開口部２３が設けられたキャップ本体部２２と低融点ガラス２４によって開口部２３に封着されたガラス窓２６とにより構成される金属キャップ２０とを含み、キャップ本体部２２の下側キャップ部２２ｂの厚みが上側キャップ部２２ａの厚みより薄く設定されて、上側キャップ部２２ａと下側キャップ部２２ｂとの境界部に周方向に一周する段差Ｄが設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は光半導体装置及びその製造方法と金属キャップに係り、さらに詳しくは、光通信装置や光ディスク装置などに適用される半導体レーザ素子などが実装された光半導体装置及びその製造方法とそれに使用される金属キャップに関する。

従来、半導体レーザ素子などが気密封止された状態でパッケージに実装されて構成される光半導体装置がある。図１に示すように、従来の光半導体装置の製造方法の一例では、まず、アイレット１００とその上に立設された素子実装部１１０とにより構成されるステム２００を用意する。アイレット１００には所要のリード１２０ａ，１２０ｂが装着されている。そして、ステム２００の素子実装部１１０の実装側面に半導体レーザ素子２５０が実装され、半導体レーザ素子２５０はワイヤ２２０によってリード１２０ａに接続される。

さらに、同じく図１に示すように、天板部の中央に開口部３２０ａが設けられたキャップ本体部３２０と、その開口部３２０ａの下側に低融点ガラス３４０によって封着されたガラス窓３６０とにより構成される金属キャップ３００を用意する。

次いで、ステム２００及び金属キャップ３００に溶接電極（不図示）をそれぞれ装着し、ステム２００のフランジ部３２０ｂをアイレット１００に鍛圧（押圧）した状態で、金属キャップ３００とステム２００との間に電圧を印加する。

これにより、図２に示すように、金属キャップ３００のフランジ部３２０ｂの先端部がアイレット１００に食い込むようにして抵抗溶接される。このようにして、素子実装部１１０に実装された半導体レーザ素子２５０が金属キャップ３００の内部に気密封止される。

特許文献１には、頂部に低融点ガラスによって窓ガラスが接着されたキャップの上面の外周端にリング状の突起部を設けることにより、キャップをステムの上に抵抗溶接する際に、窓ガラスや低融点ガラスにクラックが発生することを防止することが記載されている。

特許文献２には、ステムの表面部分に小突起を設け、その上に電子部品を搭載することにより、ステムの上にキャップを抵抗溶接する際に、電子部品にクラックが発生することを防止することが記載されている。

特許文献３には、ステムの上に抵抗溶接されるキャップのフランジ部の溶接面に周方向に一周する突起を設け、突起の外側の溶接面と突起の先端部との離間間隔が、突起の内側の溶接面と突起の先端部の離間間隔よりも広く設けることにより、ステム上にキャップを確実に抵抗溶接することが記載されている。
特開平９−２８３８５２号公報 特開平６−８９９４３号公報 特開２００７−７３８７４号公報

上記した従来技術の光半導体装置の製造方法では、図３に示すように、金属キャップ３００及びアイレット１００を鍛圧して電圧を印加して抵抗溶接する際に、アイレット１００が外側に延びると同時に、金属キャップ３００のフランジ部３２０ｂにそれを外側に広げるようとする応力がかかり、フランジ部３２０ｂが外側に移動する。

このとき、金属キャップ３００のフランジ部３２０ｂにかかる応力がフランジ部３００ｂに繋がるキャップ本体部３２０の天板部にまで伝導し、キャップ本体部３２０の上部側にもそれを外側に広げようとする応力がかかる。これに起因して、低融点ガラス３４０に歪が生じてクラックＣＲが発生しやすい問題がある。

本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、天板部の開口部に低融点ガラスによってガラス窓が封着された金属キャップをステムの上に抵抗溶接する際に、低融点ガラスにクラックが発生することを防止できる光半導体素子装置及びその製造方法と金属キャップを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は光半導体装置に係り、光半導体素子が実装されたステムと、前記ステムの上に抵抗溶接されて前記光半導体素子を気密封止する金属キャップであって、天板部に開口部が設けられたキャップ本体部と、低融点ガラスによって前記開口部に封着されたガラス窓とにより構成される前記金属キャップとを有し、前記キャップ本体部の下側キャップ部の厚みが上側キャップ部の厚みより薄く設定されて、前記上側キャップ部と前記下側キャップ部との境界部に周方向に一周する段差が設けられていることを特徴とする。

本発明の光半導体装置の金属キャップは、ステムに実装された光半導体素子を気密封止するためのものであり、天板部に開口部が設けられたキャップ本体部と、低融点ガラスによって開口部に封着されたガラス窓とにより構成される。

キャップ本体部では、下側キャップ部の厚みが上側キャップ部の厚みより薄く設定されており、上側キャップ部と下側キャップ部との境界部に周方向に一周する段差（好適には内面側）が設けられている。

ステムの上に金属キャップを抵抗溶接する際には、鍛圧と電圧印加によって金属キャップの底部のフランジ部に対してそれを外側に広げようとする応力がかかる。本発明に係る金属キャップでは、下側キャップ部の厚みが上側キャップ部の厚みより薄く設定されてそれらの境界部に段差が設けられているので、フランジ部にかかる応力は、段差を支点として下側キャップ部が外側に屈曲することによって分散（吸収）される。従って、上側キャップ部側に応力が伝導しずらくなるため、上側キャップ部に設けられたガラス窓を封着する低融点ガラスに歪が生じにくくなり、クラックの発生が防止される。

あるいは、下側キャップ部の厚みを上側キャップ部の厚みより薄く設定する代わりに、キャップ本体部のフランジ部の屈曲部の厚みをそれ以外の部分の厚みより薄く設定してもよい。

この態様においても、ステムの上に金属キャップを抵抗溶接する際に、フランジ部を外側に広げようとする応力は、厚みが薄く設定されたフランジ部の屈曲部（キャップ本体部との付け根部分）が屈曲することによって分散（吸収）されるので、低融点ガラスにクラックが発生することが防止される。

以上説明したように、本発明の光半導体装置は、ステムに金属キャップを抵抗溶接する際に、低融点ガラスのクラックの発生が防止され、高歩留りで信頼性よく製造される。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図４〜図７は本発明の第１実施形態の光半導体装置の製造方法を示す断面図である。

本実施形態の光半導体装置の製造方法では、図４に示すように、まず、円板状の金属板からなるアイレット１２とその上に立設する素子実装部１４とにより構成されるステム１０を用意する。アイレット１２にはその厚み方向に貫通する貫通孔１２ａが設けられており、その貫通孔１２ａの中に第１リード１６ａがガラス１３によって封着された状態で挿通して固定されている。また、アイレット１２の下面には第２リード１６ｂが溶接されている。

ステム１０のアイレット１２上には後述する金属キャップが抵抗溶接されるので、ステム１０は抵抗溶接が容易な金属から形成される。ステム１０の好適な材料としては、ステム１０が全体にわたって鉄（Ｆｅ）から形成されるか、もしくはアイレット１２が鉄（Ｆｅ）／銅（Ｃｕ）／鉄（Ｆｅ）からなるクラッド材から形成される。

素子実装部１４の実装側面Ｓには半導体レーザ素子４０（光半導体素子）が実装されており、半導体レーザ素子４０はワイヤ４２によって第１リード１６ａに接続されている。

さらに、同じく図４に示すような帽子状の金属キャップ２０を用意する。金属キャップ２０は、天板部の中央に開口部２３が設けられた円筒形に類似したキャップ本体部２２と、その開口部２３の下側に低融点ガラス２４によって封着されたガラス窓２６とにより構成される。

金属キャップ２０のキャップ本体部２２は上側キャップ部２２ａとその下に繋がる下側キャップ部２２ｂとにより構成され、下側キャップ部２２ｂはその外周底部が外側に屈曲して突き出たフランジ部２２ｘを備えている。金属キャップ２０のキャップ本体部２２は抵抗溶接が容易な鉄（Ｆｅ）などから形成される。

キャップ本体部２２の内面側において、上側キャップ部２２ａと下側キャップ部２２ｂとの境界部には周方向に一周する段差Ｄが設けられており、下側キャップ部２２ｂの内面が上側キャップ部２２ａの内面に対して外側にずれて配置されている。つまり、下側キャップ部２２ｂの厚みＴ２は、上側キャップ部２２ａの厚みＴ１より薄く設定されている。

下側キャップ部２２ｂの厚みＴ２は上側キャップ部２２ａの厚みＴ１の５０〜９０％に設定される。好適な一例としては、上側キャップ部２２ａの厚みＴ１が０．１ｍｍの場合は、下側キャップ部２２ｂの厚みＴ２は０．０７〜０．０８ｍｍに設定される。

図４の例では、キャップ本体部２２の外面の主要部が同一面となった状態でキャップ本体部２２の内面に段差Ｄを設けているが、キャップ本体部２２の外面に段差を設けてもよいし、キャップ本体部２２の内面及び外面の両方に段差を設けてもよい。つまり、下側キャップ部２２ｂの厚みＴ２が上側キャップ部２２ａの厚みＴ１より薄く設定されるようにキャップ本体部２２が加工されてそれらの境界部に段差が設けられていればよい。キャップ本体部２２の段差Ｄは金型を使用するプレス加工によって形成される。

本実施形態に係る金属キャップ２０では、下側キャップ部２２ｂの厚みＴ２を上側キャップ部２２ａの厚みＴ１より薄くすることにより、上側キャップ部２２ａと下側キャップ部２２ｂとの内面の境界部に段差Ｄが設けられている。これにより、後述するように、金属キャップ２０をステム１０の上に抵抗溶接する際に、金属キャップ２０にそれを外側に広げようとする応力がかかるとしてもその応力が下側キャップ部２２ｂで分散（吸収）されて上側キャップ部２２ａまで伝導しないようになっている。

そのような観点から、キャップ本体部２２に設けられる段差Ｄの位置は、キャップ本体部２２の低融点ガラス２４が設けられた領域から下側であれば任意の部分に設けてもよい。

次いで、図５に示すように、凹部３２ａを備えた第１溶接電極３２を用意し、第１溶接電極３２の凹部３２ａの中に図４の金属キャップ２０を上下反転させた状態で当接させて配置する。

さらに、中央に開口部３４ａを備えた第２溶接電極３４を用意する。第２溶接電極３４の上（図５では下）に、図４のステム１０の下面を当接させて配置する。ステム１０に装着された第１、第２リード１６ａ、１６ｂは、第２溶接電極３４の開口部３４ａに挿入される。

次いで、第１溶接電極３２及び第２溶接電極３４によって金属キャップ２０及びステム１０を挟むことによってそれらを鍛圧した状態で、第１溶接電極３２と第２溶接電極３４を通して金属キャップ２０及びステム１０の間に電圧を印加する。

これにより、金属キャップ２０のフランジ部２２ｘの先端部（アイレット１２との当接部）で抵抗発熱が生じ、フランジ部２２ｘの先端部がアイレット１２に食い込むようにして合金層を作ってアイレット１２に溶融接合する。抵抗溶接の条件としては、例えば、鍛圧が３０〜７０ｋｇで、電圧が５０〜１００Ｖの条件が採用される。その後に、第１、第２溶接電極３２，３４が金属キャップ２０及びステム１０から取り外される。

このようにして、図６に示すように、ステム１０のアイレット１２の上に金属キャップ２０が抵抗溶接される。これによって、ステム１０と金属キャップ２０とによって構成される収容部Ｈに半導体レーザ素子４０が気密封止されて、本実施形態の光半導体装置１が得られる。

ステム１０のアイレット１２の上に金属キャップ２０を抵抗溶接する際には、鍛圧及び電圧の印加によって、アイレット１２及び金属キャップ２０のフランジ部２２ｘにそれを外側に広げようとする応力がかかる。

本実施形態では、金属キャップ２０のキャップ本体部２２において、下側キャップ部２２ｂの厚みＴ２を上側キャップ部２２ａの厚みＴ１より薄く設定することにより、それらの境界部に段差Ｄが設けられている。従って、図７に示すように、金属キャップ２０のフランジ部２２ｘが外側に広がる際に、下側キャップ部２２ｂと上側キャップ部２２ａと境界部の段差Ｄを支点として下側キャップ部２２ｂが外側に曲がることでその応力を分散（吸収）することができる。

従って、金属キャップ２０のフランジ部２２ｘにかかる応力が上側キャップ部２２ａ側に殆ど伝導しなくなるので、ガラス窓２６を封着する低融点ガラス２４に歪が生じにくくなり、クラックの発生が防止される。

図６に示すように、前述した製造方法で製造される光半導体装置１では、円板状の金属板からなるアイレット１２とその上に立設する素子実装部１４によってステム１０が構成される。

また、アイレット１２には貫通孔１２ａが設けられており、その貫通孔１２ａの中に第１リード１６ａがガラス１３によって封着された状態で挿通して固定されている。さらに、アイレット１２の下面には第２リード１６ｂが溶接されている。第１リード１６ａはガラス１３によってステム１０と電気的に絶縁されており、第２リードはステム１０に電気的に接続されている。

ステム１０の素子実装部１４の実装側面Ｓにはサブマウント（不図示）を介して半導体レーザ素子４０が実装されており、半導体レーザ素子４０がワイヤ４２によって第１リード１６ａに接続されている。また、半導体レーザ素子４０はワイヤなどによってステム１０を介してグランドリードである第２リード１６ｂに接続されている。なお、素子実装部１４は半導体レーザ素子４０から発する熱を放熱する放熱部としても機能する。

また、半導体レーザ素子４０の他に、素子実装部１４の実装側面Ｓの前方のアイレット１２の部分にへこみ部を設け、そこに受光素子を実装してもよい。受光素子は半導体レーザ素子４０の下部からの出射されるモニタ光を受光して半導体レーザ素子４０の出力を制御する。受光素子を実装する場合は、第１リード１６ａと同様な受光素子用のリードがさらに設けられ、受光素子がワイヤによってそのリードに接続される。

また、金属キャップ２０の底部のフランジ部２２ｘがステム１０のアイレット１２の上に抵抗溶接によって接合されている。これにより、ステム１０と金属キャップ２０とで構成される収容部Ｈに半導体レーザ素子４０が気密封止されて実装されている。半導体レーザ素子４０はその上部の光出射部から光が放出され、その光がガラス窓２６を通って外部に放出される。

金属キャップ２０は、天板部の中央に開口部２３が設けられたキャップ本体部２２と、その開口部２３の下側に低融点ガラス２４によって封着されたガラス窓２６とから構成される。さらに、キャップ本体部２２は、上側キャップ部２２ａと下側キャップ部２２ｂとによって構成される。下側キャップ部２２ｂの厚みＴ２が上側キャップ部２２ａの厚みＴ２より薄く設定されることで、それらの境界部に内面を周方向に一周する段差Ｄが設けられている。

前述したように、上側キャップ部２２ａと下側キャップ部２２ｂとの内面の境界部に段差Ｄを設けることにより、金属キャップ２０をステム１０の上に抵抗溶接する際に低融点ガラス２４にクラックが発生することが防止される。従って、本実施形態の光半導体装置１は高い歩留りで信頼性よく製造される。

（第２の実施の形態）
図８〜図１０は本発明の第２実施形態の光半導体装置の製造方法を示す断面図である。

第２実施形態では、第１実施形態と同一要素については同一符号を付してその詳しい説明を省略する。

図８に示すように、まず、第１実施形態の図４と同様に、ステム１０と金属キャップ２０とを用意する。第２実施形態の金属キャップ２０では、キャップ本体部２２の主要部（フランジ部２２ｘ以外）は全体にわたって同一の厚みＴ１に設定されており、フランジ部２２ｘの屈曲部の厚みＴ３がキャップ本体部２２の主要部の厚みＴ１より薄く設定されている。

図８の例では、フランジ部２２ｘの屈曲部の内面が平面状に斜め加工されることで、フランジ部２２ｘの厚みＴ３がキャップ本体部２２厚みＴ１よりも薄くなっている。例えば、キャップ本体部２２の底部を屈曲させてフランジ部２２ｘを形成した後に、フランジ部２２ｘの屈曲部の内面を金型を使用するプレス加工によって局所的に押圧することによりその厚みＴ３を調整することができる。あるいは、キャップ本体部２２の屈曲部の外面をプレス加工で局所的に押圧して厚みを薄くしてもよい。

キャップ本体部２２の厚みＴ１とフランジ部２２ｘの厚みＴ３との関係は第１実施形態と同じであり、キャップ本体部２２の厚みＴ１が０．１ｍｍの場合は、フランジ部２２ｘの厚みＴ３は０．０７〜０．０８ｍｍに設定される。

そして、図９に示すように、第１実施形態と同様な方法により、ステム１０のアイレット１２の上に金属キャップ２０を抵抗溶接する。このとき、図１０に示すように、金属キャップ２０のフランジ部２２ｘの屈曲部の厚みＴ３がキャップ本体部２２より薄くなっているので、フランジ部２２ｘを外側に広げようとする応力は、フランジ部２２ｘの屈曲部（キャップ本体部２２との付け根部分）が外側に屈曲することによって分散（吸収）される。

従って、フランジ部２２ｘから上側のキャップ本体部２２側にはその応力が殆ど伝導されなくなるので、低融点ガラス２４にクラックが発生することが防止される。

以上により、第２実施形態の光半導体装置１ａが得られる。第２実施形態は第１実施形態と同様な効果を奏する。

図１は従来技術の光半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図２は従来技術の光半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図３は従来技術の光半導体装置の製造方法の問題点を示す断面図である。 図４は本発明の第１実施形態の光半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図５は本発明の第１実施形態の光半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図６は本発明の第１実施形態の光半導体装置を示す断面図である。 図７は本発明の第１実施形態の光半導体装置の製造方法における金属キャップがステムに抵抗溶接された様子を示す部分拡大断面図である。 図８は本発明の第２実施形態の光半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図９は本発明の第２実施形態の光半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図１０は本発明の第２実施形態の光半導体装置の製造方法における金属キャップがステムに抵抗溶接された様子を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１，１ａ…光半導体装置、１０…ステム、１２…アイレット、１２ａ…貫通孔、１３…ガラス、１４…素子実装部、１６ａ…第１リード、１６ｂ…第２リード、２０…金属キャップ、２２…キャップ本体部、２２ａ…上側キャップ部、２２ｂ…下側キャップ部、２２ｘ…フランジ部、２３，３４ａ…開口部、２４…低融点ガラス、２６…ガラス窓、３２…第１溶接電極、３２ａ…凹部、３４…第２溶接電極、Ｄ…段差、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３…厚み、Ｓ…実装側面。

Claims (10)

1. 光半導体素子が実装されたステムと、
   前記ステムの上に抵抗溶接されて前記光半導体素子を気密封止する金属キャップであって、天板部に開口部が設けられたキャップ本体部と、低融点ガラスによって前記開口部に封着されたガラス窓とにより構成される前記金属キャップとを有し、
   前記キャップ本体部の下側キャップ部の厚みが上側キャップ部の厚みより薄く設定されて、前記上側キャップ部と前記下側キャップ部との境界部に周方向に一周する段差が設けられていることを特徴とする光半導体装置。
2. 光半導体素子が実装されたステムと、
   前記ステムの上に抵抗溶接されて前記光半導体素子を気密封止する金属キャップであって、天板部に開口部が設けられたキャップ本体部と、低融点ガラスによって前記開口部に封着されたガラス窓とにより構成される前記金属キャップとを有し、
   前記キャップ本体部はその外周底部に外側に屈曲して突き出たフランジ部を備え、前記フランジ部の屈曲部の厚みが前記キャップ本体部の前記フランジ部以外の部分の厚みより薄く設定されていることを特徴とする光半導体装置。
3. 前記段差は、前記キャップ本体部の内面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
4. 前記フランジ部の屈曲部の内面側が平面状に斜め加工されて、前記フランジ部の屈曲部の厚みが他の部分より薄く設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光半導体装置。
5. 光半導体素子が実装されたステムと、
   天板部に開口部が設けられたキャップ本体部と、低融点ガラスによって前記開口部に封着されたガラス窓とにより構成される金属キャップとを用意する工程と、
   前記金属キャップを前記ステムの上に抵抗溶接して前記光半導体素子を気密封止する工程とを有し、
   前記キャップ本体部の下側キャップ部の厚みが上側キャップ部の厚みより薄く設定されて、前記上側キャップ部と前記下側キャップ部との境界部に周方向に一周する段差が設けられていることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
6. 光半導体素子が実装されたステムと、
   天板部に開口部が設けられたキャップ本体部と、低融点ガラスによって前記開口部に封着されたガラス窓とにより構成される金属キャップとを用意する工程と、
   前記金属キャップを前記ステムの上に抵抗溶接して前記光半導体素子を気密封止する工程とを有し、
   前記キャップ本体部はその外周底部に外側に屈曲して突き出たフランジ部を備え、前記フランジ部の屈曲部の厚みが前記キャップ本体部の前記フランジ部以外の部分の厚みより薄く設定されていることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
7. 前記段差は、前記キャップ本体部の内面に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置の製造方法。
8. 前記フランジ部の屈曲部の内面側が平面状に斜め加工されて、前記フランジ部の屈曲部の厚みが他の部分より薄く設定されていることを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置の製造方法。
9. 光半導体素子が実装されたステムの上に抵抗溶接されて前記光半導体素子を気密封止するための金属キャップであって、
   天板部に開口部が設けられたキャップ本体部と、低融点ガラスによって前記開口部に封着されたガラス窓とにより構成され、
   前記キャップ本体部の下側キャップ部の厚みが上側キャップ部の厚みより薄く設定されて、前記上側キャップ部と前記下側キャップ部との境界部に周方向に一周する段差が設けられていることを特徴とする金属キャップ。
10. 光半導体素子が実装されたステムの上に抵抗溶接されて前記光半導体素子を気密封止するための金属キャップであって、
    天板部に開口部が設けられたキャップ本体部と、低融点ガラスによって前記開口部に封着されたガラス窓とにより構成され、
    前記キャップ本体部はその外周底部に外側に屈曲して突き出たフランジ部を備え、前記フランジ部の屈曲部の厚みが前記キャップ本体部の前記フランジ部以外の部分の厚みより薄く設定されていることを特徴とする金属キャップ。

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