JP6148139B2 - 光半導体素子収納用パッケージおよびこれを備えた実装構造体 - Google Patents

Description

本発明は、レーザーダイオード、フォトダイオードおよび光センサなどの光半導体素子を収納するための光半導体収納用パッケージならびに光半導体素子を収納した実装構造体に関する。

光センサなどの光半導体素子を収納するための光半導体収納用パッケージとしては、基板と、基板上に配置された枠体と、枠体の上面に接合された、実装領域に重なる開口部を有する蓋体と、開口部の外周に沿って蓋体上に位置する環状部材と、開口部に重なって位置した、環状部材を介して蓋体に接合された透光性部材とを備えている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−９４０３５号公報

ここで、このような光半導体素子収納用パッケージでは、光半導体素子の駆動の際に光半導体素子から熱が発生するため、この熱による温度変化によって蓋体および環状部材が熱膨張または熱収縮する可能性がある。

蓋体および環状部材が熱膨張または熱収縮すると、蓋体および環状部材の熱膨張係数の差によって、環状部材から蓋体に応力が加わる可能性がある。特に、蓋体の開口部は強度が低くなりやすいため、蓋体の開口部に応力が加わると、蓋体の開口部が変形する可能性があった。蓋体の開口部が変形してしまうと、透光性部材に応力が加わり、透光性部材が破損する可能性があるという問題点があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、透光性部材が破損することを抑制できる光半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る光半導体素子収納用パッケージでは、光半導体素子を実装する実装領域を有する基板と、前記基板上に前記実装領域を取り囲むように配置された枠体と、前記枠体の上面に接合された、前記実装領域に重なる開口部を有する蓋体と、前記蓋体の上面に配置された、前記開口部の外周に沿って位置する第１環状部材と、前記開口部に重なって位置した、前記第１環状部材を介して前記蓋体の上面に接合された透光性部材とを備え、前記蓋体の下面に、前記第１環状部材に重なって位置した第２環状部材が配置されている。

本発明に係る光半導体素子収納用パッケージによれば、透光性部材が破損することを低減できる。

本発明の実施形態に係る光半導体収納用パッケージおよび実装構造体を示す斜視図である。 図１の光半導体収納用パッケージおよび実装構造体の蓋体を外した状態を示す分解斜視図である。 図１の光半導体収納用パッケージの蓋体を外した状態を示す斜視図である。 蓋体および透光性部材を示す斜視図である。 図４の蓋体および透光性部材を示す断面斜視図である。 図４の蓋体および透光性部材を示す平面図である。 図６のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図７のＲ部分を拡大した断面図である。 図７のＲ部分を拡大した断面斜視図である。

＜光半導体素子収納用パッケージおよび実装構造体＞
本発明の実施形態に係る光半導体素子収納用パッケージ３およびこれを備えた実装構造体１について、図１〜図９を参照しながら説明する。

実装構造体１は、図１および図２に示すように、光半導体素子２と、光半導体素子収納用パッケージ３とを備えている。

光半導体素子２は、半導体素子収納用パッケージ３に収納されている。光半導体素子２としては、光を電気信号へ変換または電気信号を光へ変換する機能を有している。光半導体素子２は、例えば、レーザーダイオード、発光ダイオードに代表される発光素子またはフォトダイオード素子、太陽電池に用いられる光電変換素子に代表される受光素子などが挙げられる。

また、図２に示すように、本実施形態の光半導体素子２は、基板31の実装領域31ｂに、台座部材２ａを介して実装されている。台座部材２ａは、光半導体素子２を実装するものであって、光半導体素子２の高さ位置を調整することができる。台座部材２ａは、絶縁材料からなり、台座部材２ａの上面に光半導体素子２と電気的に接続される電気配線が形成されている。

光半導体素子２に発光素子を採用した場合に、実装構造体１は、発光素子に外部から電気信号を入力することで、透光性部材35を介して発光素子から外部へ光を出射できる。また、光半導体素子２として受光素子を採用した場合に、実装構造体１は、透光性部材35を介して外部から内部に入射した光を受光素子で受光することで、外部に電気信号を出力できる。

光半導体素子収納用パッケージ３は、光半導体素子２を収納する機能を有している。光半導体素子収納用パッケージ３は、光半導体素子２を実装する基板31と、光半導体素子２を取り囲むように基板31上に配置された枠体32と、枠体32の上面に接合され、開口部331
を有する蓋体33と、蓋体33の上面33ａに配置され、開口部331に外周に沿って位置する第
１環状部材34と、蓋体33の開口部331を覆うように配置された透光性部材35と、蓋体の下
面33ｂに、第１環状部材34に重なって配置された第２環状部材36と、枠体32の内側および外側を電気的に接続する入出力端子37とを備えている。

なお、図２に示すように、本実施形態の半導体素子収納用パッケージ３は、１つの光半導体素子２を収納しているが、これには限定されず、複数の光半導体素子２を収納してもよい。

基板31は光半導体素子２を支持する機能を有する。図１〜図３に示すように、基板31は上面31ａを有している。また、図３に示すように、基板31の上面31ａは、光半導体素子２
を実装されるための実装領域31ｂを含んでいる。基板31は、１枚の金属板または複数の金属板を積層させた積層体からなる。本実施形態の基板31は、矩形状であるが、これには限定されず、多角形状、円形状または楕円形状などでもよい。

基板31の材料としては、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、これらの金属を含んだ合金、セラミックス、ガラスあるいは樹脂等が挙げられる。なお、基板31の材料に金属を採用すれば、基板31を介して光半導体素子２から発生した熱を放熱できるので、光半導体素子収納用パッケージ３の放熱性が向上する。なお、基板31の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲に設定できる。基板31の熱膨張係数は、例えば３×１０^−６／Ｋ〜２８×１０^−６／Ｋの範囲に設定できる。

枠体32は、実装領域31ｂを取り囲むように基板31の上面31ａに配置されている。なお、枠体32は、基板31の上面31ａに半田またはろう材などによって接合されている。また、枠体32の側部には、複数の貫通部Ｔが形成されている。図１および図２に示すように、枠体32の貫通部Ｔには、入出力端子37が挿通されている。

枠体32の材料は、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等の金属、あるいはこれらの金属を含有する合金が挙げられる。なお、枠体32の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲に設定されている。枠体32の熱膨張係数は、例えば３×１０^−６／Ｋ〜２８×１０^−６／Ｋの範囲に設定できる。

入出力端子37は、枠体32の内側および外側を電気的に接続する機能を有している。図２に示すように、入出力端子37は、枠体32の貫通部Ｔに挿通され、枠体32の内側および外側に位置している。枠体32の内側において、入出力端子37は、ボンディングワイヤ（不図示）などで台座部材２ａの上面に形成された電気配線および光半導体素子２に接続されている。また、枠体32の外側において、入出力端子37は外部の回路基板（不図示）などに接続されている。また、図１〜図３に示すように、入出力端子37は、セラミック構造体371と
、リード端子372とを有している。

セラミック構造体371は、第１誘電体層と、第１誘電体層の上面に位置し、枠体の内外
を電気的に接続する信号線路と、第１誘電体層上に信号線路の一部と重なるように配置された第２誘電体層とを有している。

第１誘電体層および第２誘電体層は、絶縁性材料で形成され、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムまたは窒化珪素等の無機材料、あるいはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはエチレン樹脂等の有機材料、あるいはアルミナまたはムライト等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料で形成できる。

信号線路は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、マンガン、ニッケル、金またはコバルト等の金属、あるいはこれらの金属を含有する合金で形成できる。

リード端子372は、外部の電子機器等および光半導体素子２を電気的に接続する機能を
有している。リード端子372は、半田またはろう材などの導電性の接合部材を介して信号
線路に接続されることで、信号線路およびリード端子372が電気的に接続される。

リード端子372は、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルト等の
金属、あるいはこれらの金属を含有する合金で形成できる。

蓋体33は、枠体32の上面に配置されている。蓋体33は、枠体32の上面に半田またはろう材などを介して接合されている。なお、蓋体33は、枠体32の上面にシーム溶接で接合されていてもよい。また、図４および図５に示すように、蓋体33は、上面33ａおよび下面33ｂを有している。蓋体33の下面33ｂは、基板31の上面31ａに対向する面である。また、蓋体33の上面33ａは、下面33ｂとは反対側に位置する面である。

また、図５および図６に示すように、蓋体33は開口部331を有している。開口部331は、蓋体33を厚み方向に貫通して開口している部分である。本実施形態の開口部331は、蓋体32の中央部に位置している。また、開口部331は、基板31の実装領域31ｂに重なるように位置している。すなわち、光半導体素子２を基板31に実装した場合には、開口部331は光半
導体素子２に重なっている。なお、図６では、開口部331が一点鎖線で示されている。

また、図６に示すように、本実施形態の開口部331は矩形状であるが、これには限定さ
れず、多角形状、円形状、楕円形状でもよい。

蓋体33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等の金属、あるいはこれらの金属を含有する合金で形成できる。なお、蓋体33の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲に設定されている。蓋体33の熱膨張係数は、例えば３×１０^−６／Ｋ〜２８×１０^−６／Ｋの範囲に設定できる。

第１環状部材34は、蓋体33および透光性部材35を接合する機能を有している。第１環状部材34は、蓋体33の上面33ａに位置している。なお、第１環状部材34は、蓋体33の上面33ａに接合部材を介して接合されている。接合部材としては、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂のような樹脂部材やロウ材を用いることができる。

また、図６に示すように、第１環状部材34は、開口部331の外周に沿って環状に位置し
ている。また、図６に示すように、第１環状部材34は、平面視して蓋体33の下面33ｂに位置する第２環状部材36に重なっている。なお、図６では、第１環状部材34は実線で示されているとともに、第２環状部材36は破線で示されており、実線（第１環状部材34）および破線（第２環状部材36）が重なっている。

なお、図６に示すように、本実施形態の第１環状部材34は、開口部331の外周全体に沿
って位置しているが、これには限定されない。例えば、第１環状部材34の一部が途切れていてもよい。

また、図６〜図９に示すように、本実施形態の第１環状部材34の内周端は、開口部331
の端に重ならないように端から離れて位置している。また、本実施形態の第１環状部材34の外周端は、透光性部材35の端に重ならないように端から離れて位置している。第１環状部材34は、開口部331の端および透光性部材35の端の間に位置している。

第１環状部材34は、タングステン、モリブデン、マンガン、ニッケル、銅、銀および金など金属またはこれらを含む合金で形成できる。また、平面視した際の第１環状部材34の縦方向の長さおよび横方向の長さは、例えば10ｍｍ〜100ｍｍの範囲で設定できる。また
、また、第１環状部材34の厚みは、例えば0.4ｍｍ〜1.6ｍｍの範囲で設定できる。

透光性部材35は、光を通過させる機能を有する。ここで、光とは、可視光線に限定されず、例えば紫外線または赤外線などの電磁波も含まれる。透光性部材35は、蓋体33の開口部331に重なって配置されている。なお、図６に示すように、透光性部材35の端は、開口
部331の端よりも外側に位置している。

透光性部材35は、第１環状部材34を介して蓋体33の上面33ａに接合されている。より具体的には、透光性部材35は第１環状部材34に接合部材を介して接合されている。接合部材としては、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂のような樹脂部材やロウ材を用いることができる。また、本実施形態の透光性部材35は、端部で第１環状部材34に接合されている。なお、透光性部材35の端は、第１環状部材34および第２環状部材36よりも外側に位置している。図４および図６に示すように、本実施形態の透光性部材35は矩形状であるが、これには限定されない。また、透光性部材35は、基板31の実装領域31ｂに重なって位置している。

透光性部材35は、例えば、ガラスまたは透光性樹脂などで形成できる。また、赤外線などの電磁波を通過させる場合には、透光性部材35は、シリコンまたはゲルマニウムなどからなる単結晶材料もしくは多結晶材料で形成できる。

また、平面視した際の透光性部材35の縦方向の長さおよび横方向の長さは、例えば10ｍｍ〜100ｍｍの範囲で設定できる。

第２環状部材36は、蓋体33の下面33ｂに配置されている。なお、第２環状部材36は、蓋体33の下面33ｂに接合部材を介して接合されている。接合部材としては、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂のような樹脂部材やロウ材を用いることができる。また、図６に示すように、第２環状部材36は、開口部331の外周に沿って環状に位置
している。また、図６〜図９に示すように、本実施形態の第１環状部材34は、開口部331
の外周全体に沿って位置しているが、これには限定されず、例えば第２環状部材36の一部が途切れていてもよい。

また、図６に示すように、第２環状部材36は、蓋体33の上面33ａに位置する第１環状部材34に重なっている。なお、図６では、第２環状部材36が破線で示されているとともに、第１環状部材34が実線で示されており、破線（第２環状部材36）および実線（第１環状部材34）が重なっている。

また、図６〜図９に示すように、本実施形態の第２環状部材36の内周端は、開口部331
の端に重ならないように端から離れて位置している。また、本実施形態の第２環状部材36の外周端は、透光性部材35の端に重ならないように端から離れて位置している。第２環状部材36は、開口部331の端および透光性部材35の端の間に位置している。

なお、図６に示すように、本実施形態では、第２環状部材36の内周端および外周端が第１環状部材34の内周端および外周端に重なっているが、これには限定されない。例えば、第２環状部材36の内周端および外周端が第１環状部材34の内周端および外周端の内側に位置するように形成してもよい。また、第２環状部材36が第１環状部材34に重なっていれば、第２環状部材36の内周端および外周端の少なくとも一方を第１環状部材34の内周端および外周端の外側に形成してもよい。

第２環状部材36は、タングステン、モリブデン、マンガン、ニッケル、銅、銀および金など金属またはこれらを含む合金で形成できる。なお、本実施形態では、第２環状部材36は第１環状部材34と同じ材料で形成されている。

また、平面視した際の第２環状部材36の縦方向の長さおよび横方向の長さは、例えば10ｍｍ〜100ｍｍの範囲で設定できる。また、また、第２環状部材36の厚みは、例えば0.4ｍｍ〜1.6ｍｍの範囲で設定できる。

また、本実施形態の第２環状部材36は、第１環状部材34の厚みと同じ厚みで形成されて
いる。

光半導体素子収納用パッケージ３では、蓋体33の下面33ｂに、第１環状部材34に重なって位置した第２環状部材36が配置されている。例えば、光半導体素子２の駆動の熱で、蓋体33および第１環状部材34が熱膨張または熱収縮した場合でも、下面33ｂに位置する第２環状部材36によって、上面33ａ側の開口部331近傍に応力が集中的に加わることを低減し
、開口部331が変形することを低減できる。したがって、開口部331の変形によって透光性部材35に応力が加わることが低減されるので、透光性部材35が破損することを抑制できる。

また、光半導体素子収納用パッケージ３では、蓋体33の開口部331の端が、第１環状部
材34の内周端および第２環状部材36の内周端よりも内側に位置している。これによって、蓋体33の上面33ａおよび第１環状部材34の接合面積、ならびに蓋体33の下面33ｂおよび第２環状部材36の接合面積を確保しやすくなる。すなわち、第１環状部材34を蓋体33に接合する接合部材が、第１環状部材34および蓋体33の間でメニスカスを形成し、蓋体33の上面33ａで広がりやすくなるとともに、第２環状部材36を蓋体33に接合する接合部材が第２環状部材36および蓋体33の間でメニスカスを形成し、蓋体33の下面33ｂで広がりやすくなる。したがって、蓋体33および第１環状部材34の接合強度および蓋体33および第２環状部材36の接合強度を高めることができる。加えて、第１環状部材34および第２環状部材36を開口部331の端に重ねないことで、第１環状部材34および第２環状部材36から開口部331の端に応力が加わり、開口部331が変形することを低減できる。

また、光半導体素子収納用パッケージ３では、透光性部材35の端が、第１環状部材34よりも外側に位置している。これによって、透光性部材35および第１環状部材34の接合面積を確保しやすくなるので、透光性部材35および第１環状部材34の接合強度を高めることができる。すなわち、第１環状部材34を透光性部材35に接合する接合部材が、第１環状部材34および蓋体33の間でメニスカスを形成し、透光性部材35で広がりやすくなる。加えて、第１環状部材34を透光性部材35の端に重ねないことで、第１環状部材34から透光性部材35の端に応力が加わり、透光性部材35の端から破損が発生することを抑制できる。

さらに、光半導体素子収納用パッケージ３では、透光性部材35の端が、第２環状部材36よりも外側に位置している。これによって、例えば、光半導体素子２の駆動の熱で、第２環状部材36が熱膨張または熱収縮した場合でも、第２環状部材36が蓋体33および第１環状部材34を介して透光性部材35に与える影響を低減できる。したがって、透光性部材35が破損することを抑制することができる。

また、光半導体素子収納用パッケージ３では、第１環状部材34および第２環状部材36が同じ材料で形成されている。これによって、下面33ｂに位置する第２環状部材36によって、上面33ａに位置する第１環状部材34から開口部331に加わる応力を低減しやすくなる。
したがって、蓋体33の開口部331が変形することを低減しやすくなり、透光性部材35に加
わる応力を低減でき、透光性部材35が破損することを抑制することができる。

本発明は上記実施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。

＜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および図２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の製造方法について説明する。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。

まず、基板31、枠体32および蓋体33を作製する。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に対して、従来周知の圧延加工または打ち抜き加工等の金属加工法を用いることで、所定形状に作製される。すなわち、基板31、複数の貫通部Ｔを有する枠体32および開口部331を有する蓋体33を作製することができる。

次に、第１環状部材34および第２環状部材36を作製する。上述した基板31、枠体32および蓋体33の場合と同様に、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に対して、従来周知の圧延加工または打ち抜き加工等の金属加工法を用いることで、所定形状に作製される。すなわち、蓋体34の開口部331に適したサイズの第１環状部材33および第
２環状部材34を作製することができる。

次に、セラミック構造体371およびリード端子372を有する入出力端子37を作製する。まず、第１誘電体層および第２誘電体層にそれぞれに対応するセラミックグリーンシートを準備する。次に、セラミックグリーンシートを所定形状に加工する。そして、複数のセラミックグリーンシートの所定位置に、例えばスクリーン印刷法を用いて、モリブデンやマンガンを含有した有機溶剤を塗布した金属ペーストからなるメタライズパターンを形成する。そして、セラミックグリーンシートを積層させた状態でセラミックグリーンシートの積層体を同時に焼成することで、セラミック構造体371を作製する。次いで、メタライズ
パターンに電界めっき法によってニッケル層を形成した後に、板状の金属材料を打ち抜き加工法によって所定形状に加工されたリード端子372を、ろう材を介してメタライズパタ
ーンに接続することで、入出力端子４を作製することができる。

次に、蓋体33の上面33ａに、開口部331の外周に沿って第１環状部材34を接合する。ま
た、蓋体33の下面33ｂに、第１環状部材34に重なるように第２環状部材36を接合する。そして、透光性部材35を蓋体33の開口部331に重なるように配置して、透光性部材35を第１
環状部材34を介して接合する。

次に、基板31の実装領域31ｂを取り囲むように枠体32を基板31に接合する。そして、入出力端子37を準備した枠体32の貫通部Ｔに挿通する。

次に、素子２を台座部材２ａを介して基板31の上面31ａの実装領域31ｂに配置する。そして、ボンディングワイヤなどを介して、枠体32の内側に位置する入出力端子37を素子２に接続する。

最後に、枠体32の上面に蓋体33を接合することで、実装構造体１を作製することができる。

１ 実装構造体
２ 光半導体素子
２ａ 台座部材
３ 光半導体素子収納用パッケージ
31 基板
31ａ 上面
31ｂ 実装領域
32 枠体
Ｔ 貫通部
33 蓋体
33ａ 上面
33ｂ 下面
331 開口部
34 第１環状部材
35 透光性部材
36 第２環状部材
37 入出力端子
371 セラミック構造体
372 リード端子

Claims (4)

1. 光半導体素子を実装する実装領域を有する基板と、前記基板上に前記実装領域を取り囲むように配置された枠体と、前記枠体の上面に接合された、前記実装領域に重なる開口部を有する蓋体と、前記蓋体の上面に配置された、前記開口部の外周に沿って位置する第１環状部材と、前記開口部に重なって位置した、前記第１環状部材を介して前記蓋体の上面に接合された透光性部材とを備え、
   前記蓋体の下面に、前記第１環状部材に重なって位置した第２環状部材が配置されている光半導体素子収納用パッケージ。
2. 前記開口部の端は、前記第１環状部材の内周端および前記第２環状部材の内周端よりも内側に位置している請求項１に記載の光半導体素子収納用パッケージ。
3. 前記第１環状部材および前記第２環状部材は同じ材料で形成されている請求項１または２に記載の光半導体素子収納用パッケージ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージと、
   前記基板の前記実装領域に実装された光半導体素子とを備えた実装構造体。

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