JPH08248258A - 光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 封止の信頼性が高い光装置を提供する。 【構成】 基台と、前記基台の主面側に固定される光半
導体素子と、前記基台の主面に取り付けられ前記光半導
体素子を被う透明な樹脂で形成された樹脂体とを有する
光装置であって、前記基台の主面側には前記光半導体素
子を囲む外壁が設けられ、前記樹脂体は前記外壁と前記
基台によって形成された空間に充填された樹脂によって
形成されている。 【効果】 透明の樹脂体の周囲が外壁で覆われるため、
ステムと樹脂体との界面が保護され、ステムと樹脂体と
の界面の剥離に起因する弊害が防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光装置に関し、たとえば
半導体レーザをレーザ光の媒体となる透明な樹脂で覆っ
た半導体レーザ装置の製造に適用して有効な技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザを始めとする光半導
体素子の封止方法として、図６に示すように、ガラス窓
付きキャップパッケージが用いられている。この半導体
レーザ装置は、板状のステム（基台）１の主面中央に設
けた支持部２の一側面には、半導体レーザ（光半導体素
子）３がサブマウント１２を介して固定されている。ま
た、ステム１には半導体レーザ３の下端から出射される
レーザ光４を受光するモニタ用受光素子（フォトダイオ
ード）５が固定されている。また、ステム１の主面側は
ガラス板６を取り付けたキャップ７が気密的に取り付け
られ、前記半導体レーザ３等を覆っている。前記ステム
１には、直接またはガラス等からなる絶縁体８を介して
電気入出力端子（リード）９が取り付けられている。半
導体レーザ３や受光素子５の電極と所定のリード９は、
導電性のワイヤ１０によって接続されている。半導体レ
ーザ３の上端から出射されるレーザ光４は、光取り出し
窓１１から外部に発光される。

【０００３】一方、半導体レーザ装置として、図７に示
すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）と同様に簡易な樹
脂封止により半導体レーザ（光半導体素子）を覆った試
みが最近なされている。すなわち、図７の半導体レーザ
装置は、図６の半導体レーザ装置において、半導体レー
ザ３等を取り付けたステム１の主面側を透明な樹脂体１
５で覆った構造となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ガラス窓付きキャップ
パッケージは、溶接によってステム１にキャップ７を固
定することから、パッケージコストが高く、また小型化
も困難であり、半導体レーザ装置の生産性の向上、用途
の拡大に適応でき難いという難点があった。

【０００５】また、半導体レーザを透明な樹脂体で覆っ
た半導体レーザ装置は以下の難点があることが分かっ
た。

【０００６】（１）金属性のステムの一面側に樹脂体を
張り付けたような構造となっていることから、ステムと
樹脂体との界面の不完全性から発生する様々な故障要因
があった。すなわち、高温・高湿度雰囲気ではステム
と樹脂体界面からの水分の進入が避けられない。ステ
ム，リード等の金属と樹脂の熱膨張係数の違いから、温
度サイクル試験等により、界面に剥離が生じる。従来
の樹脂封止法では、一定の型枠中に素子部分を入れ、そ
の後溶けた樹脂を注入する方法（キャスティング法）を
用いるが、この方法では、型枠から硬化した樹脂部分を
分離する際に力学的な歪みが加わり、樹脂体と金属部分
との界面で剥離が生じ易くなる。これらは半導体レーザ
装置の信頼性を低下させる。

【０００７】（２）半導体レーザは発光ダイオードに比
較して発光強度が強く、動作時の温度上昇も大きいた
め、素子として充分な信頼性を補償できない問題があっ
た。特に、高温・高湿度雰囲気での長時間動作試験で
は、樹脂が着色する，リード線（ワイヤ）が断線するな
どの動作不良が多く発生する問題があった。

【０００８】本発明の目的は、封止の信頼性が高い光装
置を提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、製造コストの低減が
達成できる光装置を提供することにある。

【００１０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００１２】（１）基台と、前記基台の主面側に固定さ
れる光半導体素子と、前記基台の主面に取り付けられ前
記光半導体素子を被う透明な樹脂で形成された樹脂体と
を有する光装置であって、前記基台の主面側には前記光
半導体素子を囲む外壁が設けられ、前記樹脂体は前記外
壁と前記基台によって形成された空間に充填された樹脂
によって形成されている。前記透明な樹脂体は脂環式エ
ポキシ樹脂と酸無水物系硬化剤を主成分とする樹脂組成
物によって形成されている。

【００１３】（２）前記（１）の手段において、前記外
壁は紫外線に透明な材質からなり、前記透明な樹脂体は
紫外線硬化性エポキシ樹脂で形成されている。

【００１４】

【作用】前記（１）の手段によれば、（ａ）透明な樹脂
体は周囲をステムと外壁で囲まれ、従来のようにステム
の一面に樹脂体を張り付けた構造とならないため、ステ
ムと樹脂体との接合性が高くなり、ステムと樹脂体との
界面の剥離に起因する弊害が防止でき、封止の信頼性が
向上する。

【００１５】（ｂ）ステムに外壁を固定した後、ステム
と外壁とによって形成された空間に透明な樹脂体を形成
する樹脂を充填させることによってパッケージが形成で
きることから、従来のようにステムにキャップを溶接に
よって取り付ける場合に比較して作業が容易となり、製
造コストの低減が達成できる。

【００１６】（ｃ）樹脂の充填・硬化後、樹脂体には外
力を加えないため、樹脂体とステムや外壁との界面の剥
離が起きず、封止の信頼性が高くなる。

【００１７】（ｄ）透明な樹脂体は脂環型エポキシ樹脂
と酸無水物系硬化剤を主成分とする樹脂組成物によって
形成されるが、この樹脂は半導体レーザの発光波長に対
して透明であることから、半導体レーザの光出力が低下
しない。また、耐湿性・耐熱性に優れるため樹脂体は着
色したり変形しない。このため封止の信頼性が高くな
る。したがって、半導体レーザを高温・高湿度雰囲気で
長時間動作試験しても、樹脂が着色したり、ワイヤが断
線し難くなる。

【００１８】前記（２）の手段によれば、前記外壁は紫
外線に透明な材質からなり、前記透明な樹脂体は紫外線
硬化性エポキシ樹脂で形成されていることから、組立に
おいて、ステムと外壁によって形成された空間に樹脂を
充填した後、外から紫外線を照射することによって、外
壁内の樹脂が硬化するため、組立作業性が良く、製造コ
ストの低減が達成できる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２０】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。

【００２１】（実施例１）図１は、本発明の光装置の一
実施例（実施例１）である半導体レーザ装置の断面図、
図２は本実施例１の半導体レーザ装置の製造においてワ
イヤボンディングが終了したステムの断面図、図３は同
じく外壁が固定されたステムの断面図、図４は本実施例
１の半導体レーザ装置の出力強度と時間との相関を示す
グラフである。

【００２２】本実施例１の半導体レーザ装置は、金属板
からなる基台（ステム）１を有している。このステム１
は、たとえば鉄合金系のコバールや４２アロイ（熱膨張
係数α＝４．４×１０~⁶／°Ｃ程度）等によって形成さ
れている。このステム１の主面の中央部分には突出した
支持部２が設けられている。前記ステム１には複数本の
電気入出力端子（リード）９が、直接またはガラス等の
絶縁体８を介して取り付けられている。

【００２３】前記支持部２の一側面には、光半導体素子
として半導体レーザ３がサブマウント１２を介して固定
されている。前記半導体レーザ３は、上下の出射面から
レーザ光４を発光する。

【００２４】また、ステム１には半導体レーザ３の下端
から出射されるレーザ光４を受光するモニタ用受光素子
（フォトダイオード）５が、ステム１の傾斜面１６に固
定されている。

【００２５】前記半導体レーザ３および受光素子５の電
極と、これに対応するリード９は接続手段によって接続
されている。接続手段は、前記電極とリード９を結ぶ導
電性のワイヤ１０で形成されている。

【００２６】また、前記ステム１の主面には、外周面が
ステム１の外周面と同一となる筒状の外壁１７が接着剤
を介して強固に固定されている。外壁１７はステムの熱
膨張係数に近似した熱膨張係数を有するジルコニアセラ
ミックス（熱膨張係数α＝８．７〜１１．４×１０~⁶／
°Ｃ）で形成されている。外壁１７は、液晶封止用の接
着剤（不透明樹脂）でステム１に固定されている。

【００２７】外壁１７とステム１によって形成された一
方が開口した空間には透明な樹脂体１５が充填されてい
る。前記空間内には支持部２，サブマウント１２，半導
体レーザ３，受光素子５，ワイヤ１０等位置しているこ
とから、これら各部は透明な樹脂体１５によって封止さ
れている。前記透明な樹脂体１５は後述するように、半
導体レーザ３の発光波長に対して透明でかつ、耐湿性，
耐熱性があり、素子との密着性に優れたエポキシ樹脂が
使用されている。

【００２８】また、透明な樹脂体１５の表面は平坦とな
るとともに、半導体レーザ３の出射面と平行となってい
る。したがって、半導体レーザ３から出射されたレーザ
光４は、真っ直ぐ外部に進む。

【００２９】つぎに、本実施例１の半導体レーザ装置の
組立方法について説明する。

【００３０】最初に、図２に示すように、鉄合金系のコ
バールや４２アロイ（熱膨張係数α＝４．４×１０~⁶／
°Ｃ程度）等によって形成されるステム１が用意され
る。このステム１は、主面中央部分に突出した支持部２
を有するとともに、そのつけ根部分に傾斜面１６を有し
ている。また、ステム１には絶縁体８を介してリード９
が複数本取り付けられている。一部のリード９はステム
１に電気的に接続され、一部のリード９はステム１に貫
通状態で絶縁的に取り付けられている。

【００３１】つぎに、ステム１の傾斜面１６に受光素子
５を固定するとともに、半導体レーザ３が固定されたサ
ブマウント１２を支持部２の一側面に固定する。前記受
光素子５およびサブマウント１２の固定は、たとえば、
融点が約２８０℃となるＡｕＳｎ半田（Ａｕ：８０％／
Ｓｎ：２０％）により行う。この際、半導体レーザ３の
下面から出射されるレーザ光４を受光素子５で確実に受
光できるように位置決めされる。

【００３２】つぎに、半導体レーザ３および受光素子５
の電極と、これに対応するリード９を導電性のワイヤ１
０で電気的に接続する。

【００３３】つぎに、図３に示すように、ステム１の主
面側に筒状の外壁１７を接着剤を介して固定する。この
結果、ステム１と外壁１７とによって、ステム１の主面
側には空間２１が形成される。この空間２１内には、支
持部２，サブマウント１２，半導体レーザ３，受光素子
５，ワイヤ１０等が位置する。

【００３４】外壁１７は、水分の透過性が低い、耐
熱性がある、熱膨張係数が基台（ステム）材料に近
い、基台との接着強度が強い等の特性を有する材質で
形成されている。すなわち、外壁材料として、たとえ
ば、セラミックス（ジルコニア，アルミナ他），ガラ
ス，エンジニアリングプラスチックスなどが使用でき
る。

【００３５】最も安価に外壁部材を作製するためには、
エンジニアリングプラスチックスの射出成形法により作
製することが適当である。こうしたプラスチックスとし
ては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），ＬＣＰ
（液晶ポリマ），ＰＥＩ（ポリエーテルイミド），ＰＥ
Ｓ（ポリエーテルサルホン）などのガラス繊維強化品や
炭素繊維強化品が使用できる。本実施例１では、外壁１
７は、ステムの熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有す
るジルコニアセラミックス（熱膨張係数α＝８．７〜１
１．４×１０~⁶／°Ｃ）で形成されている。

【００３６】外壁１７は、液晶封止用の接着剤（不透明
樹脂）でステム１に固定される。

【００３７】つぎに、前記空間２１内に透明な樹脂体を
形成する樹脂が充填される。封止に使用する樹脂として
は、半導体レーザ（素子）の発光波長に対して透明でか
つ、耐湿性，耐熱性があり、素子との密着性に優れた樹
脂であるエポキシ樹脂が使用される。

【００３８】また、エポキシ樹脂の屈折率は発光光ビー
ムの広がりに影響を与えるため、必要に応じて調整す
る。屈折率を１．４６（光ファイバのコアの屈折率）程
度とすることによって、半導体レーザ３から発光される
光ビームの広がりを小さくできる。

【００３９】エポキシ樹脂は、基本的にはグリシジルエ
ーテル基を持つ主材，硬化材，硬化促進材からなるが、
本実施例では脂環型エポキシ樹脂と酸無水物系硬化材お
よび硬化促進材（テトラエチルアンモニウムブロマイ
ド，オクチル酸鉛等）を主成分とする樹脂組成物を用い
る。このようなエポキシ樹脂として、たとえば、市販の
樹脂（脂環式ジグリシジルエーテル型エポキシ樹脂と酸
無水物系硬化剤を使用）を使用する。この樹脂は１２０
〜１５０℃の雰囲気で６〜１８時間熱処理（キュア）す
ることによって硬化する。

【００４０】また、このエポキシ樹脂は、半導体レー
ザの発光波長に対して透明であり、耐湿性に優れ、
耐熱性に優れ、素子との密着性も高い特長がある。

【００４１】このエポキシ樹脂の硬化温度（キュア温
度）は、サブマウント１２，受光素子５を固定する半田
の軟化温度の２８０℃に比較して１２０〜１５０℃と低
く、半田の不安定性に起因したモジュールの劣化は起き
ない。

【００４２】透明な樹脂体１５の表面は平坦でかつ前記
半導体レーザ３の出射面と平行となるように形成し、半
導体レーザ３から発光されたレーザ光４が真っ直ぐ外部
に進むようにする。

【００４３】樹脂の充填・硬化によって形成された透明
な樹脂体１５と、ステム１、外壁１７によってパッケー
ジ２０が形成され、図１に示すような半導体レーザ装置
が製造される。

【００４４】本実施例の半導体レーザは以下の効果を奏
する。

【００４５】（１）透明な樹脂体１５は周囲をステム１
と管状の外壁１７で囲まれ、従来のようにステム１の一
面に樹脂体１５を張り付けた構造とならないため、ステ
ム１と樹脂体１５との接合性が高くなり、ステム１と樹
脂体１５との界面の剥離に起因する弊害が防止できる。

【００４６】（２）ステム１と外壁１７とによって形成
された空間２１に樹脂を充填・硬化した後は、樹脂体１
５には外力を加えないため、樹脂体１５とステム１や外
壁１７との界面の剥離が起きず、封止の信頼性が高くな
る。

【００４７】（３）透明な樹脂体１５は脂環型エポキシ
樹脂と酸無水物系硬化剤を主成分とする樹脂組成物によ
って形成されるが、この樹脂は以下の特徴を有し、以下
の作用を奏する。

【００４８】半導体レーザ３の発光波長に対して透明
であることから、半導体レーザ３の光出力が低下しな
い。

【００４９】耐湿性に優れるため封止の信頼性が高く
なり、半導体レーザ装置の長寿命化が達成できる。

【００５０】耐熱性に優れるため樹脂体１５は着色し
たり変形しない。このため封止の信頼性が高くなる。し
たがって、半導体レーザを高温・高湿度雰囲気で長時間
動作試験しても、樹脂体１５が着色したり、ワイヤ１０
が断線し難くなる。

【００５１】半導体レーザ３（素子））との密着性が
高いため、耐湿性が高くなる。

【００５２】（４）ステム１と樹脂体１５との剥離が防
止できる。この結果、温度サイクル試験等において信頼
性が高くなる。

【００５３】（５）ステム１と樹脂体１５との界面の縁
は外壁１７に被われていることから、外部から界面に水
分が入り難い。したがって、高温・高湿度雰囲気での長
時間動作試験でステム１と樹脂体１５との界面から水分
が進入しなくなり、半導体レーザ３が劣化しなくなり、
封止の信頼性が高くなる。

【００５４】（６）ステム１と樹脂体１５との界面の縁
は外壁１７に被われていることから、半導体レーザを高
温・高湿度雰囲気で長時間動作する試験では、前記
（５）と同様の理由により、樹脂体１５が着色したり、
ワイヤ１０が断線し難くなる。

【００５５】（７）ステム１に外壁１７を取り付けた
後、樹脂を充填させ、かつ硬化させることによってパッ
ケージが形成できるため、封止作業が容易となり、半導
体レーザ装置の製造コストの軽減が達成できる。

【００５６】以上のような半導体レーザ装置の製造技術
を１．３μｍ帯の埋め込み型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
ＭＱＷファブリペローレーザに適用した。ここで、エポ
キシ樹脂としては、市販の樹脂（脂環式ジグリシジルエ
ーテル型エポキシ樹脂と酸無水物系硬化剤を使用）を使
用した。熱硬化反応は１５０℃で６時間行った。こうし
て作製した樹脂封止型半導体レーザ装置の各種環境下で
の信頼性試験を行った。図４に８５℃，８５％Ｒ．Ｈ．
下での出力光強度の変化を示す。このグラフから分かる
ように、５０００時間経過しても全く劣化は認められな
かった。その他の試験、たとえば、温度サイクル試験
（−４０℃から７０℃／２時間，１０００サイクル）や
高温度連続動作試験（７０℃／５０００時間）でも劣化
は認められなかった。○印の線が本実施例１の特性であ
り、▲印が図７に示す従来構造のものである。

【００５７】（実施例２）図５は、本発明の光装置の他
の実施例（実施例２）である半導体レーザ装置の断面図
である。本実施例２の半導体レーザ装置は、実施例１に
おいて透明な樹脂体１５を紫外線硬化性エポキシ樹脂で
形成したものである。この場合、透明な樹脂体１５を囲
む外壁１７は、紫外線を透過するもので形成されてい
る。たとえば、外壁はパイレックスガラスで形成し、透
明な樹脂体は、エポキシ樹脂として紫外線硬化性エポキ
シ樹脂（シクロエキサン型エポキシ樹脂とカチオン型光
硬化材を使用；屈折率；１．４６）で形成した。

【００５８】実施例２の半導体レーザ装置の製造におい
ては、ステム１と外壁１７とによって形成された空間に
紫外線硬化性エポキシ樹脂を充填し、その後、紫外線を
照射する。外壁１７は紫外線を透過するため、内部の紫
外線硬化性エポキシ樹脂は硬化する。紫外線硬化性エポ
キシ樹脂の光硬化条件は１０ｍＷ／ｃｍ² で３分とし
た。実施例２の光半導体モジュールも実施例１の光半導
体モジュールと同様の効果を得ることができた。

【００５９】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、
外壁を形成する材料としては、ガラス繊維４０％含有Ｐ
ＰＳ樹脂，炭素繊維３０％含有液晶ポリマ，ガラス繊維
４０％含有ＰＥＩ樹脂，ガラス繊維３０％含有ＰＥＳ樹
脂を使用しても良い。これらの材料を使用した半導体レ
ーザ装置でも、前記実施例１の半導体レーザ装置と同様
の効果を得ることができた。

【００６０】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００６１】（１）透明な樹脂体は周囲を外壁で囲ま
れ、従来のようにステムの一面に樹脂体を張り付けた構
造とならないことから、ステムと樹脂体との接合性が高
くなり、封止の信頼性が向上する。

【００６２】（２）ステムに外壁を固定した後、ステム
と外壁とによって形成された空間に樹脂を充填させるこ
とによってパッケージが形成できることから、従来のよ
うにステムにキャップを溶接によって取り付ける場合に
比較して作業が容易となり、製造コストの低減が図れ
る。

【００６３】（３）樹脂の充填・硬化後、樹脂体には外
力を加えないため、樹脂体とステムや外壁との界面の剥
離が起きず、封止の信頼性が高くなる。

【００６４】（４）透明な樹脂体は脂環型エポキシ樹脂
と酸無水物系硬化剤を主成分とする樹脂組成物によって
形成されるが、この樹脂は半導体レーザの発光波長に対
して透明であることから、半導体レーザの光出力が低下
しない。また、耐湿性・耐熱性に優れるため樹脂は着色
したり変形しない。このため封止の信頼性が高くなる。
したがって、半導体レーザを高温・高湿度雰囲気で長時
間動作試験しても、樹脂が着色したり、ワイヤが断線し
難くなる。

【００６５】（５）ステムに外壁を取り付けた後、樹脂
を充填させるとともに、硬化させることによって半導体
レーザ装置を製造できるため、パッケージコストの低
減、すなわち製造コストの低減が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例（実施例１）である半導体レ
ーザ装置の断面図である。

【図２】本実施例１の半導体レーザ装置の製造において
ワイヤボンディングが終了したステムを示す断面図であ
る。

【図３】本実施例１の半導体レーザ装置の製造において
外壁が固定されたステムを示す断面図である。

【図４】本実施例１の半導体レーザ装置の特性（出力強
度と時間との相関）を示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施例（実施例２）である半導体
レーザ装置の断面図である。

【図６】従来の半導体レーザ装置の断面図である。

【図７】従来の半導体レーザ装置の断面図である。

【符号の説明】

１…ステム（基台）、２…支持部、３…半導体レーザ、
４…レーザ光、５…受光素子、６…ガラス板、７…キャ
ップ、８…絶縁体、９…電気入出力端子（リード）、１
０…ワイヤ、１１…光取り出し窓、１２…サブマウン
ト、１５…透明な樹脂体、１６…傾斜面、１７…外壁、
２０…パッケージ、２１…空間。

フロントページの続き (72)発明者 福田 光男 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 杉江 利彦 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台と、前記基台の主面側に固定される
   光半導体素子と、前記基台の主面に取り付けられ前記光
   半導体素子を被う透明な樹脂で形成された樹脂体とを有
   する光装置であって、前記基台の主面側には前記光半導
   体素子を囲む外壁が設けられ、前記樹脂体は前記外壁と
   前記基台によって形成された空間に充填された樹脂によ
   って形成されていることを特徴とする光装置。
2. 【請求項２】 前記透明な樹脂体は脂環式エポキシ樹脂
   と酸無水物系硬化剤を主成分とする樹脂組成物によって
   形成されることを特徴とする請求項１記載の光装置。
3. 【請求項３】 前記外壁は紫外線に透明な材質からな
   り、前記透明な樹脂体は紫外線硬化性エポキシ樹脂で形
   成されていることを特徴とする請求項１記載の光装置。