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