(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステム本体に設けられた封着孔に、封着ガラスにより信号線となるリードピンと電源線となるリードピンが封止され、該信号線となるリードピンのガラス封止部における特性インピーダンスが特定値に調節された光半導体素子用パッケージであって、
前記信号線となるリードピンのガラス封止部における特性インピーダンスZ0 は、前記信号線となるリードピンが封止される封着孔の孔径Dと、前記信号線となるリードピンの線径dと、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erから、次式によって設定され、
Z0=(138/Er1/2)×log(D/d)
前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erは、前記電源線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率より低く、
前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスは気泡を含有していることを特徴とする光半導体素子用パッケージ。
【請求項２】
前記信号線となるリードピンの線径dは、前記電源線となるリードピンの線径より細いことを特徴とする請求項１記載の光半導体素子用パッケージ。
【請求項３】
前記信号線となるリードピンの端部に径大部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の光半導体素子用パッケージ。
【請求項４】
前記信号線となるリードピンが封止される封着孔の孔径Dと、前記信号線となるリードピンの線径dと、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erが、前記信号線となるリードピンのガラス封止部における特性インピーダンスが50Ωとなるように設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光半導体素子用パッケージ。
【請求項５】
前記信号線となるリードピンが封止される封着孔の孔径Dを1.2mm、前記信号線となるリードピンの線径dを0.21mm、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erを4.4としたことを特徴とする請求項４記載の光半導体素子用パッケージ。
【請求項６】
ステム本体に設けられた封着孔に、封着ガラスにより信号線となるリードピンと電源線となるリードピンが封止され、該信号線となるリードピンのガラス封止部における特性インピーダンスが特定値に調節された光半導体素子用パッケージの製造方法であって、
前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスに含有される気泡の量を制御することによって、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erを前記電源線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率より低く調節することを特徴とする光半導体素子用パッケージの製造方法。
【請求項７】
ガラス粉体を圧縮成形してガラスタブレットを形成するタブレット形成工程と、該ガラスタブレットを溶融して前記信号線となるリードピンを前記封着孔に封止するガラス溶着工程の両方において、ガラスに含まれる気泡の量が多くなるように制御することを特徴とする請求項６記載の光半導体素子用パッケージの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光半導体素子用パッケージ及びその製造方法に関し、より詳細には、高速通信用としてすぐれた特性を有する光半導体素子用パッケージ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信分野においては、信号線の特性インピーダンスが５０Ωに統一されている。光通信に用いられる光半導体素子用パッケージにおいては、従来は、特性インピーダンスのマッチングについて、さほど注意が払われてこなかった。しかしながら、たとえば８Gbpsといった高速通信においては、特性インピーダンス値が５０Ωから外れると、信号の伝送効率が低下するといった問題が生じてくるため、特性インピーダンスをマッチングさせることが求められるようになる。
光半導体素子用パッケージに用いられる信号線（リードピン）は、ステム本体にガラス封着して取り付けられ、信号線が擬似的に同軸構造となる。本願発明は、このリードピンが封着される部分での特性インピーダンスをマッチングさせる技術に関する。
【０００３】
信号用のリードピンの特性インピーダンスZ0は、次式によって与えられる。
Z0=（138／Er1/2）×log（D/d)
Erは、リードピンの封止に用いられるガラスの誘電率、Dはリードピンを装着する封着孔の孔径、ｄはリードピンの線径である。
光半導体素子用パッケージの形状、寸法等には種々の形態があるが、光通信用として一般的な製品（たとえば、TO-46型）では、誘電率Erが5.0、リードピンの封着孔が1.2ｍｍ、リードピンの線径が0.45ｍｍであり、この場合の特性インピーダンスは２５Ωである。したがって、このような特性インピーダンスが５０Ωから外れている製品の場合は、信号伝送特性を改善するために、特性インピーダンスを５０Ωに修正する必要がある。
【特許文献１】特開２００７−２２０８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の光半導体素子用パッケージの特性インピーダンスを５０Ωに近づける方法としては、リードピンの封着孔の孔径Dを大きくする、リードピンの線径を小さくする、封止用ガラスの誘電率Erを小さくする、いずれかの方法が考えられる。
これらの方法のうち、リードピンの封着孔の孔径Ｄを大きくする方法は、封着孔を大きくすることによって、ステム本体の光半導体素子等の配置領域が縮小するから、ステム本体の規格によって孔径Ｄの大きさが制約される。
また、リードピンの線径を細くする場合は、リードピンの端面がワイヤボンディング面となることから、ワイヤボンディング性を考慮して線径を設定する必要がある。
【０００５】
封止用のガラスとして誘電率Eｒの低いガラスを使用する方法は、誘電率の低いガラスは一般に封止性が悪く、リードピンを封着した際の気密性の点で問題がある。一般に、ガラスの誘電率を下げる場合は、ガラスに添加する修飾酸化物（金属酸化物など）を減らすようにする。このため、リードピンやステム本体との密着性に寄与するこれらの添加物の量が減り、リードピン等との密着性が低下するためである。また、これらの添加物はガラスの熱膨張係数を調節する作用も有するから、添加物の量を変えることによってガラスの熱膨張係数が変動し、ステム本体とガラスの熱膨張係数をマッチングさせるタイプのパッケージ（マッチドタイプ）においては、気密性を阻害するおそれがある。
【０００６】
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、ガラスの封止性を劣化させることなく、リードピンを気密に封止させることができ、かつ高速通信用として好適に用いられる光半導体素子用パッケージ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は次の構成を備える。
すなわち、ステム本体に設けられた封着孔に、封着ガラスにより信号線となるリードピンと電源線となるリードピンが封止され、該信号線となるリードピンのガラス封止部における特性インピーダンスが特定値に調節された光半導体素子用パッケージであって、前記信号線となるリードピンのガラス封止部における特性インピーダンスZ0 は、前記信号線となるリードピンが封止される封着孔の孔径Dと、前記信号線となるリードピンの線径dと、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erから、次式によって設定され、Z0=(138/Er1/2)×log(D/d)  前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erは、前記電源線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率より低く、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスは気泡を含有していることを特徴とする。
【０００８】
また、前記信号線となるリードピンの線径dは、前記電源線となるリードピンの線径より細いことを特徴とする。
また、前記信号線となるリードピンの端部に径大部が設けられていることを特徴とする。
また、前記信号線となるリードピンが封止される封着孔の孔径Dと、前記信号線となるリードピンの線径dと、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erが、前記信号線となるリードピンのガラス封止部における特性インピーダンスが50Ωとなるように設定されていることによって、一般的な高速通信用として好適に使用できる光半導体素子用パッケージとして提供される。
また、前記光半導体素子用パッケージの設計例としては、前記信号線となるリードピンが封止される封着孔の孔径Dを1.2mm、前記信号線となるリードピンの線径dを0.21mm、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erを4.4とした製品が好適に使用できる。
また、ステム本体に設けられた封着孔に、封着ガラスにより信号線となるリードピンと電源線となるリードピンが封止され、該信号線となるリードピンのガラス封止部における特性インピーダンスが特定値に調節された光半導体素子用パッケージの製造方法であって、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスに含有される気泡の量を制御することによって、前記信号線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率Erを前記電源線となるリードピンを封止する封着ガラスの誘電率より低く調節することを特徴とする。
また、ガラス粉体を圧縮成形してガラスタブレットを形成するタブレット形成工程と、該ガラスタブレットを溶融して前記信号線となるリードピンを前記封着孔に封止するガラス溶着工程の両方において、ガラスに含まれる気泡の量が多くなるように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る光半導体素子用パッケージ及びその製造方法は、封着ガラスに含まれる気泡の量を制御することにより封着ガラスの誘電率を調節することによって、封着孔の孔径、リードピンの線径とともに、リードピンのガラス封止部のインピーダンス設計値として調節することができ、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により、すぐれた伝送特性を備えた光半導体素子用パッケージ等として提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る光半導体素子用パッケージの構成例について説明する。
図１は、本発明に係る光半導体素子用パッケージの一実施形態の構成を示す断面図である。光半導体素子用パッケージ２０は、ステム本体１０に信号用のリードピン１２をガラス１３によって封止し、電源用のリードピン１４をガラス１５によって封止して組み立てられている。
光半導体装置は、ステム本体１０に光半導体素子を搭載し、光半導体素子とリードピン１２、１４とそれぞれワイヤボンディングによって電気的に接続し、ステム本体１０にキャップを封着して組み立てられる。
光半導体素子用パッケージには種々の形態の製品がある。図１に示す光半導体素子用パッケージ２０は一例である。
【００１１】
本実施形態の光半導体素子用パッケージ２０において特徴とする構成は、信号線として使用するリードピン１２について、特性インピーダンスを５０Ωにマッチングさせた構造とした点にある。電源線として使用するリードピン１４については、一般的に用いられている封止用のガラスを用いて封止する。
信号線となるリードピン１２のガラス封止部の特性インピーダンスを５０Ωにマッチングさせる方法として本実施形態の光半導体素子用パッケージ２０において採用した構成は、リードピンの封着孔の径は変更せず、リードピン１２の線径を従来の線径よりも細くすること、リードピン１２を封止するガラス１３に含有させる気泡の量を調節することによって誘電率を従来よりも小さくする方法である。
【００１２】
すなわち、前述した光半導体素子用パッケージにおいては、封着用ガラスの誘電率Erが5.0、リードピンの封着孔が1.2ｍｍ、リードピンの線径が0.45ｍｍであった。本実施形態においては、リードピンの封着孔1.2ｍｍについてはそのままとし、リードピンの線径を、0.45ｍｍから0.21ｍｍとし、ガラスの誘電率を5.0から4.4に低減させることによって、特性インピーダンスを略５０Ωとした。
【００１３】
リードピン１２については、線径を細くしたことによってリードピン１２のワイヤボンディング面の面積が減少しワイヤボンディング性を損なわれるおそれがある。本実施形態では、リードピン１２をネイルリード状とし、リードピン１２の端部に径大部１２ａを設けることによってワイヤボンディング面積を確保するようにした。
【００１４】
以下に、本願発明において特徴的なガラスに含有させる気泡の量を調節して、ガラスの誘電率を調節する方法について行った実験について説明する。
表１は、ガラスに含有させる気泡の量を制御して作成したガラスのサンプルについて密度を測定した結果を示す。表１において、サンプルａ）は、気泡がほとんど生成されないように作成したガラス、サンプルｂ）は、気泡が若干生成されるようにして作成したガラス、サンプルｃ）は気泡が多く含まれるようにして形成した実施例のガラスである。なお、実験に使用したガラスは、SiO2を主成分とするガラスで、ステム本体と熱膨張係数をマッチングさせてリードピンを封着する、いわゆるマッチドタイプの製品に用いられる封着用のガラスである。この封着用のガラスの規格は、密度2.28g/cc、1MHzにおける誘電率が５．０である。
【００１５】
【表１】
0005380724.tif 000002
【００１６】
表１に示す各ガラスの特性を見ると、サンプルａ）のガラスは、このガラスの規格を略反映したものとなっている。サンプルｂ）のガラスはサンプルａ）のガラスにくらべて密度が低下しており、サンプルａ）のガラスにくらべて気泡の含有量が増えていることがわかる。実施例のサンプルｃ）のガラスは、サンプルｂ）のガラスと比較してさらに密度が低下し、気泡の含有量がさらに増えていることを示す。
各サンプルのガラスの外観を比較すると、気泡の含有量が増えるにしたがって、ガラスの色が白くなる。このようにガラスの外観からも、ガラスに含有される気泡の量を推測することができる。
【００１７】
図２は、上記サンプルａ）、ｂ）、ｃ）について、1MHz、10MHz、100MHzにおける誘電率を測定した結果をグラフに表したものである。サンプルｂ）は、サンプルａ）よりも誘電率が低く、サンプルｃ）はサンプルｂ）よりもさらに誘電率が低くなっている。サンプルｃ）では、誘電率は略４．４となる。
図３は、上記サンプルａ）、ｂ）、ｃ）について、信号伝送時における信号の遅延の特性に関するtanδ値を測定した結果を示す。この実験結果は、サンプルａ）、ｂ）、ｃ）のいずれも信号遅延の特性については大きな相違がないことを示す。すなわち、気泡の量を増やした、サンプルｃ）のガラスを用いた光半導体素子用パッケージについて、信号伝送時における波形の変形についても問題はない。
【００１８】
表２は、サンプルｃ）のガラスを用いてステム本体にリードピンをガラス封着し、さらにキャップシールして気密試験を行った結果を示す。
試験は、キャップシールしたサンプルを、121℃、湿度100％となるように圧力を調整した容器に一定時間保持させ、キャップ中への水の浸入の有無を調べる方法によって行った。表２中でサンプルｃ）は上述したサンプルｃ）である。サンプルｄ）は標準ガラスを用いて封着したサンプル、サンプルｅ）は市販の低誘電率ガラスを用いて封着したサンプルである。サンプル数は、いずれも２０個であり、表２には、時間経過とともに水が浸入したサンプル数を示した。
【００１９】
【表２】
0005380724.tif 000003
【００２０】
表２に示す気密試験の結果は、市販の低誘電率ガラスを使用したサンプルについては気密性が不十分であるのに対して、標準ガラスｄ）と気泡の量を増やした本実施形態のサンプルｃ）については十分な気密性を保持していることを示す。すなわち、サンプルｃ）のガラスを用いて形成した光半導体素子用パッケージについての気密性についても確保される。
【００２１】
なお、本発明に係る光半導体素子用パッケージを製造する工程は、従来の光半導体素子用パッケージを製造する工程と基本的に変わらない。すなわち、封着用ガラスのガラス粉体を圧縮成形して円筒状のタブレットを形成し、カーボン治具を用いて、ステム本体とガラスタブレットとリードピンとを組み合わせた状態でセットし、カーボン治具とともに加熱炉に搬入し、ガラスタブレットを溶融してガラス封止する。
本実施形態では、封着ガラスに含まれる気泡の量を多くすることによって封着ガラスの誘電率を従来の封着ガラスの誘電率よりも下げるようにするから、ガラスタブレットを形成する段階から、ガラスタブレットに含まれる気泡の量を多くするように調整する。
また、ガラス溶着工程においても、封着ガラスに含まれる気泡の量が多くなるように制御する。
【００２２】
図４は、上述した封着用のガラスを使用してリードピンをガラス封止した部分を示す顕微鏡写真である。この顕微鏡写真は、上記封着用ガラスを用いてリードピンをガラス封止した際に、気泡がガラスの内部に存在し、ガラスの表面や、リードピンとガラスとの界面、ステム本体の封着孔の内面とガラスとの界面の近傍には気泡の分布が少ないことを示している。
前述した気密試験において、封着用のガラスとして気泡の量を増やしたガラスを使用した場合であっても十分な気密性が得られることを示した。図４に示すように、リードピンとガラスとの界面や封着孔とガラスとの界面の近傍における気泡の分布が抑制されることは、気泡の量を増やしたガラスを用いた場合であっても、十分な気密性が得られるという実験結果を裏付けるものと考えられる。
【００２３】
以上説明したように、本発明に係る光半導体素子用パッケージは、リードピンを封止する封着ガラス中の気泡の量を調節することによって、光半導体素子用パッケージの特性インピーダンスを５０Ωに設定することを可能にし、高速信号の伝送特性にすぐれた光半導体素子用パッケージとして提供することができ、かつ、光半導体素子用パッケージに求められる十分な気密性を備える製品として提供することが可能となる。
【００２４】
なお、上述した実施形態では、特性インピーダンスを５０Ωに設定する例について説明したが、封着ガラスに含有される気泡の量を調節して封着ガラスの誘電率を調節する方法は、特性インピーダンスを５０Ωにマッチングさせる場合に限らず、適宜インピーダンス値に調節する方法として利用することができる。
【００２５】
また、上記実施形態では、従来例での封着孔径やリードピンの線径を基準として、封着孔径Dを1.2ｍｍ、リードピンの線径dを0.21ｍｍとし、誘電率Erを4.4に調節することによって特性インピーダンスを５０Ωにマッチングさせた例について説明したが、封着孔径Dやリードピンの線径dは製品によって適宜設計値が設定されるものである。封着ガラスの誘電率も、封着孔径やリードピンの線径にしたがって適宜誘電率を設定し、その誘電率に合うように封着ガラスに含有される気泡の量を調節すればよい。封着ガラスの誘電率は、封着ガラスの材質や添加物にもよるから、その封着ガラスに含有させる気泡の量も封着ガラスに応じて決められる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る光半導体素子用パッケージの構成を示す断面図である。
【図２】ガラス中の気泡の量を変えた場合のガラスの誘電率を示すグラフである。
【図３】ガラス中の気泡の量を変えた場合の伝送特性を示すグラフである。
【図４】リードピンをガラス封止した近傍部分の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ステム本体
１２、１４  リードピン
１３、１５  ガラス
２０  光半導体素子用パッケージ
【図１】
0005380724.tif 000004
【図２】
0005380724.tif 000005
【図３】
0005380724.tif 000006
【図４】
0005380724.tif 000007