JP6715601B2 - 光半導体素子用パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子用パッケージに関する。

光通信において面発光レーザやフォトダイオードが搭載されるパッケージとして、例えば、ＪＥＤＥＣ（ JEDEC Solid State Technology Association：半導体技術協会）で規定されているＴＯ−４６パッケージ等の光半導体素子用パッケージが用いられている。光半導体素子用パッケージでは、パッケージに設けた貫通孔にリード（端子部）を挿通し、ガラスで封止する構造が一般的である。又、光半導体素子用パッケージでは、高速通信時の信号の伝送効率低下を防止するために、リードの特性インピーダンスを、例えば、１端子辺り５０Ωに整合させている。

ところで、光半導体素子用パッケージでは、スペースが限られているため、１端子辺りのインピーダンスを５０Ωに整合させるために、リードを挿通する孔を大きくすることは困難である。そのため、ガラスの誘電率を下げることや、リードの線径を細くすることが考えられている。

しかしながら、リードの線径を細くすると、曲がりやすくなるばかりか、リードの上端部にはワイヤーボンドをするため、ワイヤーボンドのエリアが確保できなくなる。リードの上端部を広くする（所謂ネイルリード）方法もあるが、元の線径が細いと安定した加工が困難である。

このように、リードの線径を細くすることには限界があるため、リードの形状を工夫して、部分的に線径を細くすることが検討されている。

特開２００９−１０５２８４号公報

しかしながら、リードの形状を工夫する場合には、量産性を十分に考慮する必要がある。例えば、リードに階段形状を設けて部分的に線径を細くする方法では、切削加工の場合には実現可能であるが、量産性を考慮したプレス加工の場合には、線径の異なる部分が緩衝部分を介さずに隣接する階段形状の加工は困難であるため、現実的ではない。

又、従来は、リードの形状を工夫する場合に、インピーダンス不整合により生じる反射特性について、十分に考慮されていなかった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、量産性及び反射特性に優れた光半導体素子用パッケージを提供することを課題とする。

本光半導体素子用パッケージは、貫通孔が形成されたアイレットと、前記貫通孔に挿通された信号用のリードと、前記貫通孔内において前記信号用のリードを封止するガラス封止部と、を有し、前記信号用のリードは、小径部と、テーパ部を介して前記小径部の両側に設けられた大径部と、を備え、前記小径部及び前記テーパ部は前記ガラス封止部内に配置され、前記ガラス封止部内に配置される前記大径部の長さは０．２ｍｍ以下であることを要件とする。

開示の技術によれば、量産性及び反射特性に優れた光半導体素子用パッケージを提供できる。

本実施の形態に係る光半導体素子用パッケージを例示する図である。 第１リード及び第２リードの形状とガラス封止部との位置関係について説明する図（その１）である。 第１リード及び第２リードの形状とガラス封止部との位置関係について説明する図（その２）である。 本実施例に係る光半導体素子用パッケージの反射特性を例示する図（その１）である。 本実施例に係る光半導体素子用パッケージの反射特性を例示する図（その２）である。 本実施例に係る光半導体素子用パッケージの反射特性を例示する図（その３）である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

まず、本実施の形態に係る光半導体素子用パッケージの構造について説明する。図１は、本実施の形態に係る光半導体素子用パッケージを例示する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図１を参照するに、本実施の形態に係る光半導体素子用パッケージ１０は、アイレット２０と、リード３０と、ガラス封止部４０及び５０とを有する。

アイレット２０は、略円板状の部材であり、下端側が環状に拡径している。アイレット２０の側面には、外周側から中心側に窪んだ形状の凹部２０ｄが形成されている。凹部２０ｄは、例えば、平面形状が略Ｖの字状に形成されており、例えば、光半導体素子用パッケージ１０に発光素子を搭載する際の位置決め等に用いることができる。

アイレット２０は、例えば、コバール（鉄にニッケル、コバルトを配合した合金）、鉄等の金属材料から形成することができる。アイレット２０の表面にめっきを施してもよい。アイレット２０は、例えば、冷間鍛造プレス等により作製できる。

なお、本願において、円板状とは、平面形状が略円形で所定の厚さを有するものを指す。直径に対する厚さの大小は問わない。又、部分的に凹部や凸部等が形成されているものも含むものとする。

リード３０は、第１リード３１と、第２リード３２と、第３リード３３と、第４リード３４と、第５リード３５とを有する。

第１リード３１及び第２リード３２は、信号用のリードである。第１リード３１及び第２リード３２は、アイレット２０を厚さ方向に貫通する貫通孔２０ｘ（長穴）に、長手方向を厚さ方向に向けて挿通され、周囲をガラス封止部４０に封止されている。第１リード３１及び第２リード３２の線径は、例えば、０．２１ｍｍ程度とすることができる。第１リード３１及び第２リード３２の上端側は、アイレット２０の上面から上側に０〜０．５ｍｍ程度突出している。第１リード３１及び第２リード３２の下端側はアイレット２０の下面から下側に６〜２０ｍｍ程度突出している。

第１リード３１及び第２リード３２は、例えば、銅等の金属から構成されている。第１リード３１及び第２リード３２の上端側は、例えば、光半導体素子用パッケージ１０に搭載される発光素子と電気的に接続される。光半導体素子用パッケージ１０に受光素子も搭載する場合には、受光素子と電気的に接続されてもよい。又、発光素子や受光素子と接続されるリードの数を更に増やしてもよい。

なお、第１リード３１及び第２リード３２は、第４リード３４及び第５リード３５と同様に独立した貫通孔に夫々挿通されてもよいが、１つの貫通孔内に２本挿通されていることで、省スペース化の効果を奏する。

第３リード３３は、接地用のリードである。第３リード３３の線径は、例えば、０．３５ｍｍ程度とすることができる。第３リード３３は、長手方向を厚さ方向に向けてアイレット２０の下面から下側に６〜２０ｍｍ程度突出するように、アイレット２０の下面に溶接等により接合されている。第３リード３３は、例えば、銅等の金属から構成されている。なお、第３リード３３はアイレット２０と導通するように接合されており、第３リード３３が接地されるとアイレット２０も接地される。

第４リード３４及び第５リード３５は、電源用のリードである。第４リード３４は、アイレット２０を厚さ方向に貫通する貫通孔２０ｙに、長手方向を厚さ方向に向けて挿通され、周囲をガラス封止部５０に封止されている。第５リード３５は、アイレット２０を厚さ方向に貫通する貫通孔２０ｚに、長手方向を厚さ方向に向けて挿通され、周囲をガラス封止部５０に封止されている。第４リード３４及び第５リード３５の線径は、例えば、０．３５ｍｍ程度とすることができる。

第４リード３４及び第５リード３５の上端側は、アイレット２０の上面から上側に０〜０．５ｍｍ程度突出している。第４リード３４及び第５リード３５の下端側はアイレット２０の下面から下側に６〜２０ｍｍ程度突出している。第４リード３４及び第５リード３５は、例えば、コバール等の金属から構成されている。

信号用の第１リード３１及び第２リード３２を封止するガラス封止部４０の誘電率は、電源用の第４リード３４及び第５リード３５を封止するガラス封止部５０の誘電率より低く設計されている。例えば、ガラス封止部４０を構成するガラスに気泡を含有させ、ガラスに含有される気泡の量を制御することによって、ガラス封止部４０の誘電率をガラス封止部５０の誘電率より低く調節することができる。ガラス封止部４０の誘電率は、使用するガラスの材質や添加物にも依存するため、含有させる気泡の量は使用するガラスの材質等に応じて適宜決定される。なお、ガラス封止部４０内へ気泡を含有させても、ガラス封止部４０の気密性は低下しない。

次に、図２及び図３を参照しながら、第１リード３１及び第２リード３２の形状、及び第１リード３１及び第２リード３２とガラス封止部４０との位置関係について説明する。なお、図２及び図３では第１リード３１を図示して説明するが、第２リード３２についても同様である。

第１リード３１は、同心的に形成された大径部３１１、テーパ部３１２、小径部３１３、テーパ部３１４、及び大径部３１５を有する。大径部３１１及び３１５は、テーパ部３１２及び３１４を介して小径部３１３の両側に設けられている。なお、図２及び図３では、便宜上、各部の境界を点線で示している。

大径部３１１の一端（上側）は開放されており、光半導体素子用パッケージ１０に搭載される発光素子とワイヤー等で接続される部分となる。大径部３１１の他端は、テーパ部３１２を介して小径部３１３の一端と連結されている。小径部３１３の他端は、テーパ部３１４を介して大径部３１５の一端と連結されている。大径部３１５の他端（下側）は開放されている。大径部３１１、テーパ部３１２、小径部３１３、テーパ部３１４、及び大径部３１５は、プレス加工等により、一体に形成されたものである。

このように、線径の変化点にテーパ部３１２及び３１４を設けて線径を徐々に変化させることで、反射特性を犠牲にすることなく、量産性や信頼性の高いリードを得ることができる。仮に、線径の変化点にテーパ部を設けずに階段形状にして線径を急激に変化させると、切削加工の場合には実現可能であるが、量産性を考慮したプレス加工は困難である。すなわち、リードのプレス加工時に、金型内で引っ張りや潰し等の鍛造加工が施される際に、階段形状のコーナ部に加工オイルが溜まり、素材が金型にうまく流れ込まなくなるおそれがある。その結果、狙い通りの形状ができ難くて形状安定性が悪く、更に金型への負担が大きくなる。

又、線径の異なる部分に応力を加えた場合、その部分に応力が集中して曲ってしまうおそれがある。又、ガラス封止部４０内に熱膨張係数の異なる異種材を入れてガラス封止を行った場合、階段形状のコーナ部近傍のガラスに応力が集中しガラス封止後にクラック等が発生しやすくなる。更に、階段形状のコーナ部近傍のガラスでは、抱き込んだ気泡が逃げることができず、ガラス内に意図的に含有させた気泡とは異なる気泡（いわゆる抱き込み気泡）が発生しやすくなる。

線径の変化点にテーパ部３１２及び３１４を設けることにより、これらの問題を解決することができる。

大径部３１１及び３１５の線径は、例えば、０．３５ｍｍ程度とすることができる。小径部３１３の線径は、例えば、０．２１ｍｍ程度とすることができる。テーパ部３１２及び３１４の長さは、例えば、０．１ｍｍ程度とすることができる。テーパ部３１２及び３１４のテーパ角は４５度以下とすることが好ましく、例えば、３５度程度とすることができる。

小径部３１３、テーパ部３１２、及びテーパ部３１４は、全てガラス封止部４０内に配置されている。又、ガラス封止部４０内に配置された大径部３１１の長さＬ_１と、ガラス封止部４０内に存在する大径部３１５の長さＬ_２との合計の長さは、０．２ｍｍ以下とされている。例えば、図３（ａ）に示すように、Ｌ_１＝０．１ｍｍ、Ｌ_２＝０．１ｍｍとすることができる。或いは、図３（ｂ）に示すように、Ｌ_１＝０ｍｍ、Ｌ_２＝０ｍｍとしてもよい。但し、図３（ａ）及び図３（ｂ）の例には限定されず、Ｌ_１とＬ_２は、Ｌ_１＋Ｌ_２≦０．２ｍｍを満足する任意の値とすることができる。又、Ｌ_１とＬ_２を異なる値としてもよい。

第１リード３１及び第２リード３２において、Ｌ_１＋Ｌ_２≦０．２ｍｍとする理由は、ガラス封止部４０中におけるインピーダンス不整合、及び空気中におけるインピーダンス不整合による反射を低減できるからである。インピーダンス不整合による反射を低減することにより、他の要件と合わせることで、高速通信用としてのインピーダンス値を特定値に設計することが可能となる。例えば、第１リード３１及び第２リード３２を差動で使用する場合に、差動インピーダンスを１００Ω（５０Ω＋５０Ω）に近づけることが可能となる。その結果、優れた伝送特性を備えた光半導体素子用パッケージ１０を実現できる。なお、ここでいう他の要件とは、貫通孔２０ｘの大きさ、第１リード３１及び第２リード３２の線径、ガラス封止部４０の誘電率等である。

以下、実施例（シミュレーション）を通じて、Ｌ_１＋Ｌ_２≦０．２ｍｍとする理由について、更に詳しく説明する。

［実施例］
（シミュレーション１）
図１及び図２に示す形状の第１リード３１及び第２リード３２を差動で使用する場合について、重要な電気特性である反射特性のシミュレーションを行った。第１リード３１及び第２リード３２のインピーダンスの目標値を１００Ω（差動で使用するので５０Ω＋５０Ω）とし、寸法等の条件を下記のように設定した。

具体的には、図１及び図２で、ガラス封止部４０の長さ（厚さ）０．９ｍｍ、ガラス封止部４０の誘電率４．４、貫通孔２０ｘの短手方向の幅１．２ｍｍ、大径部３１１及び３１５の線径０．３５ｍｍ、小径部３１３の線径０．２１ｍｍ、テーパ部３１２及び３１４の長さ０．１ｍｍ、テーパ部３１２及び３１４のテーパ角３５度に設定し、小径部３１３の長さを０ｍｍ〜１．１ｍｍまで段階的に変化させた場合の反射特性を調べた。

合わせて、理想モデルについても同様のシミュレーションを行った。ここで、理想モデルとは、大径部３１１及び３１５と小径部３１３との間にテーパ部３１２及び３１４を設けずに階段形状としたモデルである。この理想モデルは、電気特性を考えた場合には理想的な形状であるが、前述のように金型を用いた実加工には適さない形状である。これに対して、テーパ部３１２及び３１４を有する形状は、実加工に適した形状である。

結果を図４（ａ）に示す。図４（ａ）の横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸はＳＤＤ１１（ｄＢ）である。ＳＤＤ１１は反射特性を示す指標であり、各周波数において値が小さい方が好ましい。

なお、図４（ｂ）は、シミュレーションを行った小径部３１３の長さを模式的に示しており、各リード上に接続されているのは発光素子を想定したモデルである。実際の構造では、第１リード３１及び第２リード３２と発光素子１（チップ）がボンディングワイヤで接続されるが、ここではボンディングワイヤが反射特性へ及ぼす影響を省き第１リード３１及び第２リード３２の構造の違いが反射特性へ及ぼす影響を明確に示すための解析構造を用いた。

具体的には、発光素子１が実装されたサブマウント２がアイレット２０に搭載されている。第１リード３１及び第２リード３２の上端側は完全導体シート３に接続され、完全導体シート３が発光素子１と接続されている。又、発光素子１は完全導体モデルとし、アイレット２０と同様に接地されている。なお、便宜上発光素子１を図示しているが、サブマウント２は紙面奥側に延びており、発光素子１は実際には図４（ｂ）で示す断面（図１のＡ−Ａ断面と同じ）よりも紙面奥側（アイレット２０の中心側）に実装されている。

図４（ａ）より、小径部３１３の長さが０ｍｍから０．７ｍｍに移行するに従って反射特性が改善されて行くことがわかる。しかし、小径部３１３の長さが１．１ｍｍの場合には反射特性が悪化している。これは、小径部３１３が空気中に突出し空気中での差動インピーダンスの増加がより支配的になり、大きなインピーダンス不整合が発生したためと考えられる。

又、図４（ａ）より、ガラス封止部４０の長さ０．９ｍｍに対して、特に小径部３１３の長さを０．５ｍｍ〜０．７ｍｍとした場合に、高い周波数帯域まで理想モデルに近い特性が得られることがわかる。又、図４（ａ）より、反射特性の変化は、ガラス封止部４０中に存在する小径部３１３の長さの違いに支配され、テーパ部３１２及び３１４の有無の影響は少ないと考えられる。

次に、図４（ａ）の結果における周波数２５ＧＨｚのデータを小径部３１３の長さ毎に並べ、図５（ａ）に示した。つまり、図５（ａ）の横軸は小径部３１３の長さ［ｍｍ］、縦軸はＳＤＤ１１（ｄＢ）である。但し、図５（ｂ）に示すサンプルのデータも追加している。

図５（ａ）に示すように、インピーダンス不整合は３つのグループＧ_１〜Ｇ_３に分けられ、ガラス封止部４０中、空気中の夫々に対する特性インピーダンス整合の重要性が確認できた。なお、グループＧ_１は、ガラス封止部４０中のインピーダンス不整合による反射が支配的なグループである。グループＧ_３は、空気中のインピーダンス不整合による反射が支配的なグループである。これに対して、グループＧ_２は、ガラス封止部４０中及び空気中のインピーダンス不整合がグループＧ_１及びＧ_３より小さく、良好な特性インピーダンスを示すグループである。

ここでは、インピーダンス不整合の大小を判断する閾値（ＳＤＤ１１の目標反射特性）を−１９ｄＢとしているが、これは市場から光半導体素子用パッケージに要求されている特性の目安である。

図５（ａ）より、閾値（ＳＤＤ１１の目標反射特性）を−１９ｄＢとした場合、ガラス封止部４０の長さ０．９ｍｍに対して、小径部３１３の長さとして０．５ｍｍ〜０．７ｍｍが必要であることがわかる。ここで、ガラス封止部４０の長さ０．９ｍｍからテーパ部３１２及び３１４の合計の長さ０．２ｍｍを除くと０．７ｍｍである。従って、許容されるインピーダンス不整合部の長さ（ガラス封止部４０中の大径部の合計の長さ）を０．２ｍｍ以下にしないと、目標反射特性が得られないといえる。

（シミュレーション２）
次に、ガラス封止部４０の長さの影響について調査した。まず、図３に示した２つのサンプルを準備した。つまり、インピーダンス不整合部の長さ（ガラス封止部４０中の大径部の合計の長さ）が０．２ｍｍのサンプルと、０ｍｍのサンプルである。そして、各サンプルについて、ガラス封止部４０の長さを、０．９ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍと変化させ、その影響について調査した。

なお、１．２ｍｍ及び１．５ｍｍは、ガラス封止される半導体用パッケージで一般的に用いられる寸法である。又、０．９ｍｍは、本来ならガラス封止部の長さを１．１ｍｍとすべき半導体用パッケージにおいて、０．２ｍｍ分をガラス封止せずに、空気層による差動インピーダンス１００Ωの整合を狙ったものである。又、レーザやフォトディテクタ等の実装領域を広げる効果も狙っている。

結果を図６に示す。図６の横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸はＳＤＤ１１（ｄＢ）である。又、Ａ_０．９ｍｍ、Ａ_１．２ｍｍ、Ａ_１．５ｍｍはインピーダンス不整合部の長さが０．２ｍｍのグループのデータであり、Ｂ_０．９ｍｍ、Ｂ_１．２ｍｍ、Ｂ_１．５ｍｍはインピーダンス不整合部の長さが０ｍｍのグループのデータである。

図６より、インピーダンス不整合部の長さが０．２ｍｍのグループと０ｍｍのグループでは、反射特性に若干の差異はあるが、総じて反射特性はガラス封止部４０の長さには殆ど影響を受けないことが確認できた。

（実験１）
図１及び図２に示す形状の第１リード３１及び第２リード３２について、ガラス封止部４０内に気泡を含有させた場合に、元々含有された気泡以外の気泡がテーパ部３１２及び３１４近傍に発生するか否かを確認した。１０個のサンプルについて実験したところ、全てのサンプルについて気泡の発生は見られなかった。又、テーパ部３１２及び３１４近傍におけるガラスクラックの発生も皆無であった。

（実験２）
図１に示す光半導体素子用パッケージ１０のアイレット２０上に、窓ガラス付きキャップを抵抗溶接法にて溶接した。なお、ガラス封止部４０内には気泡を含有させた。次に、１２１℃／湿度１００％／２気圧の環境下で２８０時間放置し、窓ガラス付きキャップ内への水分浸透の有無について、窓ガラスを介して確認した。１０個のサンプルについて実験したところ、全てのサンプルについて水分浸透は見られなかった。つまり、ガラス封止部４０内へ気泡を含有させても、ガラス封止部４０の気密性は低下しないことが確認された。

（まとめ）
以上のシミュレーション１及び２の結果をまとめると、反射特性を改善するためには、次の点が重要である。

第１に、小径部３１３、テーパ部３１２、及びテーパ部３１４は、全てガラス封止部４０内に存在していることが好ましい。

第２に、ガラス封止部４０内に存在する小径部３１３は長いほど好ましく、大径部３１１及び３１５は短いほど好ましいが、要求される反射特性を考慮すると、ガラス封止部４０の長さに依らず大径部３１１及び３１５の長さが０．２ｍｍ以下であれば許容できる。

第３に、ガラス封止部４０内に存在する小径部３１３の長さが支配的であり、テーパ部３１２及び３１４の有無の影響は少ない。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記の実施の形態等では、１つの孔に２つの信号用のリードを通したが、１つの孔に１つの信号用のリードを通してもよい。又、上記の実施の形態等では、２つの信号用のリードを差動で用いる例を示したが、２つの信号用のリードを単独で使用してもよい。又、光半導体素子用パッケージに含まれるリードの数は任意に決定してよい。これら何れの場合にも、上記の要件を満足することにより、優れた反射特性を実現することができる。

１０ 光半導体素子用パッケージ
２０ アイレット
２０ｄ 凹部
２０ｘ、２０ｙ、２０ｚ 貫通孔
３０ リード
３１ 第１リード
３２ 第２リード
３３ 第３リード
３４ 第４リード
３５ 第５リード
４０、５０ ガラス封止部
３１１、３１５ 大径部
３１２、３１４ テーパ部
３１３ 小径部

Claims (4)

1. 貫通孔が形成されたアイレットと、
   前記貫通孔に挿通された信号用のリードと、
   前記貫通孔内において前記信号用のリードを封止するガラス封止部と、を有し、
   前記信号用のリードは、小径部と、テーパ部を介して前記小径部の両側に設けられた大径部と、を備え、
   前記小径部及び前記テーパ部は前記ガラス封止部内に配置され、
   前記ガラス封止部内に配置される前記大径部の長さは０．２ｍｍ以下である光半導体素子用パッケージ。
2. 前記ガラス封止部は気泡を含有している請求項１に記載の光半導体素子用パッケージ。
3. 前記貫通孔内には信号用のリードが２本挿通されている請求項１又は２に記載の光半導体素子用パッケージ。
4. 前記貫通孔は、段差部が形成されていない内壁を備えている請求項１乃至３の何れか一項に記載の光半導体素子用パッケージ。

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