JP4965781B2 - ２重格納部光電子パッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、光学部品や電子部品双方のパッケージに関する。より詳細には、本発明は、光学部品と電子部品を収容する２重の格納部を備えたパッケージに関する。
【０００２】
（発明の背景）
光学部品は電子部品とますます一体化されるようになったため、光電子デバイス用パッケージが開発された。光学部品パッケージと電子部品パッケージは、別々に、異なるパッケージングの問題を解決するために設計されてきた。たとえば、光学部品は、注意深く位置合わせされなければならないし、また、位置合わせは、適切な機能のために維持されなけらばならない。
【０００３】
光電子パッケージングは、通常、いくつかの制約を守らなければならない。一制約は、パッケージ内で生成された任意の熱は除去されなければならず、パッケージへのそれぞれの干渉を含めて、パッケージ内で電子回路と光学部品とが干渉してはならないことである。従来技術において、熱パスは、通常、電気パスと干渉する。たとえば、標準のバタフライ・パッケージにおいて、熱が生成され、パッケージの底の方に拡散するが、電気接続はパッケージの側面に沿って中間の高さである。これは、標準のプリント回路板の搭載には非実用的である。光電子パッケージに関する別の制約は、ほとんどのＷＤＭ光電子回路が温度制御（たとえば、レーザ送信の波長制御、ポンプの熱消散）を必要とすることである。必要な温度制御なしでは、レーザ送信の波長制御において問題が生ずるかもしれない。同様に、温度制御なしでは、たとえば、ポンプ・レーザからの適当な熱消散が問題を引き起こす可能性がある。３番目に、光電子パッケージに関する別の制約は、特にレーザ・ダイオードのような能動光電子チップは、低いガス放出（ｏｕｔｇａｓｉｎｇ）の密封封入を必要とすることである。すなわち、その封入における全体組み立て品は、接着剤を有することができず、フラックスを用いないで、はんだ付けが行われなければならない。これを行うことは、製造の観点から極端に難しい。
【０００４】
光電子パッケージに関する多くの制約のために、現在の光電子パッケージは、大きく、高価で、製造が難しい。改善された光電子パッケージが必要とされている。
【０００５】
（発明の概要）
２重格納部光電子パッケージが説明されている。パッケージは、少なくとも１つの光学部品と熱を光学部品から逃がす熱パイプを有する第１格納部および第１格納部と熱的に結合され、熱を第１格納部から消散させる少なくとも１つの熱消散デバイスを有する第２格納部を含む。
【０００６】
本発明は、限定的なものではなく、例示的なものとして、添付図において説明されており、図中で同じ参照数字は同じ要素を指す。
【０００７】
（詳細な説明）
２重格納部光電子パッケージが説明されている。以下の説明において、説明を目的として、本発明を完全に理解するために、多くの特定の詳細が述べられている。しかし、本発明がこれら特定の詳細なしで行われることができることは、当業者にとって明かになるであろう。他の例において、構造およびデバイスは、本発明をあいまいにすることを避けるために、ブロック図の形で示されている。
【０００８】
本明細書において「一実施形態」、または「ある実施形態」を参照することは、その実施形態に関連して述べられている特定の機能、構造または特徴が少なくとも本発明の一実施形態に含まれていることを意味している。本明細書の中の種々の場所において「一実施形態において」という言葉が現れた時、それは必ずしも全てが同じ実施形態を指しているわけでわない。
【０００９】
（概観）
２重格納部を用いて、光電子部品および／または光学部品（たとえば、レーザ・ダイオード、レンズ、ファイバなど）を収容するパッケージが説明されている。第１格納部は、高信頼性の光電子組み立て品を創造するのに必要なアライメント、気密性および低ガス放出を持つ光部品を含む。第１格納部は、また、中の部品により生成された熱を消散させ、別の格納部にその熱を運ぶための熱パイプまたは他の熱消散デバイスを含む。第２格納部は、１つまたは複数の別の熱消散デバイス（たとえば、ペルティエ冷却デバイス）を含む。第２格納部は、熱的におよび機械的に第１格納部と結合されている。一実施形態において、第２格納部は、第１格納部の上に、または、その逆に位置する。
【００１０】
第２格納部は光学部品を含まないため、ガス放出材料が組み立て品に対して使用されてもよい。換言すれば、フラックスなしで、有機物なしの組み立て品材料の使用は、重要な光学要素（たとえば、レーザ・ダイオードおよび結合光学部品）のみを含む１つの格納部であるか、または、それに限定させることができ、一方、冷却（およびしばしば電子部品）は、接着剤またはフラックスによる標準のはんだ付けを用いた第２格納部に搭載させることができ、その方法が製造の観点からずっと容易である。第２格納部は感光性要素を含まないため、第２格納部の気密性の必要条件は第１格納部の必要条件と異なるかもしれない。
【００１１】
ヒートシンクまたは他の熱消散デバイスは、２重格納部組み立て品に結合される。一実施形態において、ヒートシンクは、第１格納部により生成され、第２格納部へ伝達された熱を消散させるために、第２格納部に結合される。
【００１２】
ある実施形態において、２重格納部組み立て品は、低価格で大量生産されるが、光格納部の中の、光ファイバまたは内部の部分を含む光学部品の精密アライメントを維持する。
【００１３】
図１は、光電子パッケージの一実施形態の側面断面図である。図１を参照すると、組み立て品１００は、下部格納部の中に１つまたは複数の熱消散デバイスと上部格納部の中に少なくとも１つの熱消散デバイスを持つ、２重格納部光電子パッケージ・ハウジング光学部品である。
【００１４】
光電子パッケージ１００は光学格納部に対する床となっている基板１４０の上に作られる。一実施形態において、基板１４０は、非常に低い膨張材料（たとえば、アルミナ・セラミック）であり、良好な機械的安定性を有する。光ファイバ１８０は、パッケージ１００の下部格納部の中の部品と（図１には示されない）外部デバイスとの間で光信号を伝達する。一実施形態において、光ファイバ１８０は、側壁１７０と１７５の間に形成された開口部を通る。別法として、単一の壁に管または穴を設けても良い。光ファイバ１８０が通る開口部は、所望の気密性を持つように、当分野で公知の任意の方法でシールされる。光ファイバの代わりに、壁の内部でシールされた窓またはレンズ、または、気密性の光学コネクタ・ハウジングのような、他の気密性の光インタフェースを使用することができる。光学格納部はまた側壁１４２を含む。
【００１５】
一実施形態において、下部格納部の中で、熱伝播部１５５が基板１４０の上にある。熱伝播部１５５は部品１５７（たとえば、レーザ・ダイオード）を支持し、熱を大きな面積にわたって部品１５７から分散させる。さらに、熱伝播部１５５は、部品１５７を光学的に位置合わせするために高さ調整を備えていても良いし、また、部品１５７が能動光電子要素（たとえば、レーザ・ダイオード）である時、部品１５７に対する電気接点を設けてもよい。熱パイプ１５０が、熱伝播部１５５の上にあるか、または、熱的および機械的にそれに結合されており、熱伝播部１５５から下部格納部の天井であり、かつ上部格納部の床として機能する組み立て品の中間部に熱を運ぶ。
【００１６】
一実施形態において、支持部１６０が基板１４０の上にある。支持部１６０は、光学データがデバイス１５７から光ファイバ１８０に伝達されるように、部品１６０（たとえば、レンズ）に対して適切なアライメントを提供する。図１の実施形態は、２つの光学部品（すなわち、１５７と１６５）を含むが、任意の数の光学部品が光学格納部の中に含まれる。
【００１７】
一実施形態において、熱伝播部１５５および／または支持部１６０は、たとえば、タングステン銅、窒化アルミニウム、酸化ベリリウムまたは窒化ボロンのような高熱伝導材料で作られたサブマウントである。熱伝播部１５５および／または支持部１６０は、たとえば、はんだ付け、または、ろう付けにより取りつけられることができ、または、基板材料自体の一部であってもよい。
【００１８】
一実施形態において、部品１５７は、熱伝播部１５５および／または支持部１６０上に搭載された、たとえば、レーザダイオード、変調器、検出器のような、端部発光側部搭載のデバイスまたは、導波管デバイスを備えてもよい。たとえば、マイクロ・レンズ、フィルタ、スプリッタ、絶縁体のようなマイクロ光学要素は、基板１４０および／または支持部１６０の上に直接に搭載されてもよい。
【００１９】
一実施形態において、熱伝播部１５５および／または支持部１６０の高さおよび光学部品の高さは、光学部品１５７や１６５が垂直に並ぶ（すなわち、これらの光学軸が第１格納部の床に平行な共通平面の中にある）ように選択される。
【００２０】
一実施形態において、熱伝播部１５５および／または支持部１６０の高さは、基板１４０の長さの何分の１（たとえば、＜１／１０）かであるため、組み立て品は本質上２次元で、ピック・アンド・プレース自動化を用いて製造することができる。高精度の自動化されたピック・アンド・プレース組み立てを用いると、光学部品間の光学的関係が、縦横の次元において、数μｍの精度以内で設定できる。部品間の高さのアライメントは熱伝播部１５５および／または支持部１６０の高さにより設定される。材料の精密な制御または研磨技術を用いて、熱伝播部１５５および／または支持部１６０の高さを、数μｍまたはそれを下回る値の範囲内に制御することができる。
【００２１】
一実施形態において、内部部品から下部格納部の外側のピンに対する電気信号の分配は、基板１４０の底を通してビアのセットにより行われる。一実施形態において、ビアは、気密充填されたビアを備える。別の実施形態において、電気接続は、基板１４０の上部と低部に、パターンのセットとして、直接印刷されたラインのセットにより提供される。上部と低部の導電パターンは、ビアにより電気接続される。パッケージの上部を通しての熱消散を有することおよびパッケージの底を通しての電気接続を有することにより、電気パスおよび熱パスは、実質上互いに干渉しない。そのため、パッケージは、プリント回路板（ＰＣＢ）上に任意の他の電子部品と同様に搭載されてもよい。また、このことにより、ＰＣＢに対する電気接続をずっと短くすることができるため、より良い高速性能を提供することができる。ビアを用いると、パッケージの下に任意の別の配線またはスルーウォール（through-wall）気密フィードスルー（feedthrough)なしで、パッケージの周辺のピン、ボール・グリッド・アレイまたは同様な構造に対して、下部格納部からの信号が分配できる。ビアが短く（たとえば、約１ｍｍを下回る）、線材長さが減ぜられるため、そうでなければ動作速度を制限するであろう、寄生静電容量およびインダクタンスを減少させることができる。その構成は高速接続に対して有利である。たとえば、部品１５７がレーザ・ダイオードを備える時、基板１４０を通したその接続は、非常に短い、高速接続（たとえば、１〜２ｍｍ）とすることができる。
【００２２】
基板１４０、側壁１４２、１７０、１７５および組み立て品の中間部１３０は、光学部品に対して適切な気密性を提供する、当分野において公知の任意の方法で組み立てられる。一実施形態において、下部格納部は、高い気密性を有し、ガス放出を制御するために、有機物なしで、フラックスなしである。一実施形態において、下部格納部の漏れ率は、１０^-8ａｔｍ／ｃｃ．ｓに等しいか、または、それを下回る。一実施形態において、側壁１４２、１７０と１７５および中間部１３０は、基板１４０をおおうキャップとして機能する単一材料を備える。一実施形態において、中間部１３０はセラミック基板を備える。
【００２３】
上部格納部は次に組み立てられ、冷却および電子部品に対する適切な気密性を提供する。上部格納部は、接着剤（たとえば、エポキシ樹脂）、フラックスなどで組み立てられる。一実施形態において、上部格納部の気密性は低く、また、下部格納部の気密性より低い。一実施形態において、上部格納部の漏れ率は、１０^-5ａｔｍ／ｃｃ．ｓに等しいか、または、それを下回る。別法として、上部格納部が最初に組み立てられ、次に、光学格納部が組み立てられることができる。
【００２４】
一実施形態において、上部格納部は、組み立て品の中間部１３０、壁１１２と１１４および天井１１０を含む。上部格納部は、内部の部品に対して適切な気密性を提供する。一実施形態において、上部格納部は、ペルティエ冷却器１２５および、たとえば、サーミスタ、集積回路、温度制御回路、信号処理デバイス、マルチプレクサ、レーザ・ダイオード・ドライバ、マイクロ制御器などのような電子部品１２０を含む。ペルティエ冷却器１２５は、本発明を実施するのに必ず必要というわけではない、ペルティエ冷却器１２５は、ペルティエ冷却デバイスなしの実施形態よりもよい温度制御または熱消散を提供する。別の実施形態において、他の型の電子熱消散デバイスが使用されてもよい。また、別の実施形態において、上部格納部は、ペルチエ冷却器１２５または他の熱消散デバイスを含んでもよいし、また、電子部品１２０を含まなくてもよい。
【００２５】
熱消散デバイスの代わりに、上部格納部は、下部格納部の熱を安定化するのを助けるための、熱を生成する過熱要素または熱安定化要素のような熱制御デバイスを含んでもよい。
【００２６】
ヒートシンク１０５は、当分野において公知の任意の方法で天井１１０に取りつけられる。ヒートシンク１０５は、ひれ型ヒートシンクとして説明されているが、任意の型のヒートシンクが使用されてもよい。
【００２７】
それぞれの格納部の部品の間の接続を提供するために、（図１に示されていない）１つまたは複数の開口部が上部および下部格納部の間に提供されてもよい。一実施形態において、格納部の間の開口部は、それぞれの格納部の気密性の環境が保存されるようにシールされる。
【００２８】
図２は、光電子パッケージの一実施形態の側面図である。組み立て品２００は、光学部品が下部格納部の代わりに上部格納部の中にあり、下部格納部が熱消散デバイスを含むこと除いて、図１で説明したパッケージと同じ２重格納部光電子パッケージである。２つの格納部は基板を用いて結合される。
【００２９】
図２を参照すると、一実施形態において、光電子および／または光学部品は、図１と同様に、上部格納部に含まれる。たとえば、上部格納部の中で、熱伝播器２５０および支持部２６０は、組み立て品の中間部２４０の上にある。熱伝播器２５０は、光学部品２５５（たとえば、レーザ・ダイオード）から熱を消散および分散させるように動作する。支持部２６０は、光学部品２６５（たとえば、レンズ）を光ファイバ２８０および光学部品２５５と光学的に位置合わせするように動作する。適切なアライメントを提供するために、全ての光学部品が支持部２６０を必要とするわけでわない。別の実施形態において、異なる数の光学部品が光学格納部に含まれる。
【００３０】
上部格納部は、組み立て品の中間部２４０、側壁２４２、２７０と２７５および天井２３０を含む。一実施形態において、側壁２７０と２７５は、光ファイバ２８０に対する開口部を提供するが、２つの部分側壁よりも単一側壁が使用される可能性がある。光ファイバ２８０に対して提供された開口は、上部格納部に対して適切な気密性を保つためにシールされる。
【００３１】
図２の中間部２４０は、２つの格納部の間の中間部として機能するのと同様に、電気信号を上部格納部の部品に伝達するための基板としても機能する。したがって、内部部品から上部格納部の外側のピンへの電気信号の分配は、図１に関連して上述されたように、中間部２４０の底を通して、ビアのセットにより行われる。一実施形態において、ビアは、気密充填ビアを備える。別の実施形態において、電気接続は、パターンのセットとして、中間部２４０の上部および低部上に直接に印刷されたラインのセットにより提供される。上部および低部の導電パターンは、ビアにより電気接続される。ビアを用いると、上部格納部からの信号は、パッケージの周辺のピンまたは下部格納部に配置された電子部品２２０に分配されてもよい。
【００３２】
下部格納部は、基板２１０、側壁２１２と２１４および組み立て品の中間部２４０を含む。一実施形態において、ペルティエ冷却器２２５および電子部品２２０は、下部格納部の中に配置されるが、上述したように、ペルティエ冷却器２２５は、本発明を実施するのに必ず必要なわけではない。ペルティエ冷却器２２５は、上部格納部の光学部品により生成された熱を組み立て品の中間部２４０から運ぶことができる。一実施形態において、ペルティエ冷却器２２５は、接着剤または任意の他のよく知られた接着機構（たとえば、はんだ）を用いて、下部格納部の上部および低部に取り付けられる。
【００３３】
一実施形態にいて、組み立て品の中間部２４０は、デバイスの周辺で電気接続用支持部を提供するために、側壁２１２および２１４を超えて延びる。ヒートシンクまたは他の熱消散デバイスは、さらなる熱消散能力を提供するために、下部格納部か、または、組み立て品の中間部２４０に取りつけられてもよい。別の実施形態において、組み立て品の中間部２４０は、底２１０と同じ幅を有する。
【００３４】
中間部２４０、側壁２１２と２１４および底２１０は、熱消散部品に対して適切な気密性を提供するために、当分野において公知の任意の方法で組み立てられる。一実施形態において、側壁２１２と２１４および底２１０は、中間部２４０をおおう単一の材料で構成される。
【００３５】
一実施形態において、中間部２４０は、セラミック基板で構成される。組み立て品の中間部２４０は、格納部の中の部品の間で１つまたは複数の接続を可能にするために、（図２では示されない）１つまたは複数の開口部を含んでもよい。開口部は、下部格納部および上部格納部に対して所望の気密性を提供するためにシールされる。
【００３６】
図３は、図２に示された２重格納部組み立て品の別の実施形態である。図３を参照すると、光学部品を含む格納部は、完全にパッケージの中にあり、本質的に、１つまたは複数の熱消散デバイスを含む格納部の中にある。この実施形態は、信頼性を増し、格納部内部の正確な温度制御を容易にする、光学部品からパッケージの外部への２重の保護壁を提供する。
【００３７】
図４は、パッケージの別の実施形態を説明する。図４を参照すると、パッケージは、下部格納部の中の光電子および光学部品が下部格納部の下側ではなくて上側に取りつけられていることを除いて、図１に示されたパッケージと同じである。一実施形態において、この場合、下部格納部の上側部分からパッケージが搭載される板への接続により、パッケージ内で高速デバイスを使用できるように、下部格納部が十分に低い高さを有する。たとえば、格納部の高さ（厚み）は数ｍｍに限定される。
【００３８】
プラットフォーム上に１つまたは複数の要素を有する、光電子パッケージの実施形態が本明細書で説明されたが、これらの要素をパッケージの床に配置する一方で、パッケージの床の上面の下にパッケージの他の光学要素を搭載することは、本発明の教授の範囲内である。
【００３９】
上述の仕様において、本発明は、特定の実施形態を参照して説明された。しかし、本発明の広い意味での精神および範囲から逸脱することなく、種々の修正および変更が行われることができることが明かになるであろう。仕様および図は、したがって、制限的な意味ではなくて説明的な意味で考えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光電子パッケージの一実施形態の側面断面図である。
【図２】 光電子パッケージの別の実施形態の側面断面図である。
【図３】 光電子パッケージの別の実施形態の側面断面図である。
【図４】 光電子パッケージの別の実施形態の側面断面図である。

Claims (9)

1. １つ又は複数の導電性のビアを備える基板と、
   前記基板上に形成された第１格納部とを備え、その第１格納部は
   第１の複数の側壁と、
   組み立て品の中間部と、
   第１格納部の中に配置された熱伝播器と、
   前記熱伝播器と前記組み立て品の中間部との間で熱を通すための熱パイプとを有し、更に
   前記第１格納部の中に配置され、前記熱伝播器と熱的に結合され、かつ、前記導電性のビアに電気的に接続された光学部品と、
   前記組み立て品の中間部に熱的に結合された前記第２格納部とを備え、この第２格納部は、
   前記光学部品により生成され、前記組み立て品の中間部を介して前記第２格納部へ伝達された熱を前記第１格納部から消散させるための、少なくとも１つの熱消散デバイスを具備し、かつ、前記光学部品により生成された熱が前記電気接続とは反対側の前記第１格納部の組み立て品の中間部を介して消散することを特徴とする２重格納部光電子パッケージ。
2. 前記第１格納部は、フラックス残留物を有しないことを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記第１格納部は、有機物を含まないことを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
4. 少なくとも１つの消散デバイスは、熱を前記第１格納部から前記第２格納部の天井へ運ぶためのペルティエ冷却デバイスを有することを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
5. 更に、前記第２格納部の天井に熱的に結合されたヒートシンクを備えることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
6. 前記基板は、前記第１格納部の外側から第１格納部の内部への電気接続を提供することを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
7. 複数の側壁は、前記光学部品をおおう気密性のキャップを形成することを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
8. 前記第２格納部は、気密性のキャップを備えることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
9. 前記基板は、第１格納部に対して気密性の壁を形成することを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。

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