(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に光半導体素子を電子冷却素子を介して載置するための基体と、該基体表面に前記光半導体素子載置部を囲むように形成され、側部に切欠部を有する枠体と、前記切欠部に挿着され、光半導体素子または電子冷却素子の電極と電気的に接続された複数の配線層が形成された絶縁体からなる接続部材と、前記枠体の表面に形成され、光半導体素子を気密に封止する蓋部材とを具備する光半導体素子収納用パッケージであって、前記接続部材に形成された配線層のうち、少なくとも電子冷却素子の電極に接続される配線層が、Ｃｕと、Ｗおよび／またはＭｏとを含有し、かつそのいずれかを主成分とする導体層からなるとともに、前記電子冷却素子の電極に接続される配線層の室温から１００℃における抵抗温度係数が１０００ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
【請求項２】
前記電子冷却素子の電極に接続される配線層が、１０〜７０体積％のＣｕと、３０〜９０体積％のＷおよび／またはＭｏとを含有することを特徴とする請求項１記載の光半導体素子収納用パッケージ。
【請求項３】
前記接続部材がアルミナまたは窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなることを特徴とする請求項１または２記載の光半導体素子収納用パッケージ。
【請求項４】
前記接続部材と前記配線層とが同時焼成によって形成されてなることを特徴とする請求項３記載の光半導体素子収納用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光半導体素子を収容する為の光半導体素子収納用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、光半導体素子を収容するための光半導体素子収納用パッケージは、一般に、金属からなる基体表面に光半導体素子がペルチェ素子等の電子冷却素子を介して載置されるとともに、前記基体表面に前記光半導体素子と前記電子冷却素子とを囲むように金属からなる枠体が銀ロウなどのロウ材を介して接合されており、該枠体の側面には貫通孔及び切欠部が形成されている。また、前記枠体の上面には蓋部材が配設され、前記基体、前記枠体および蓋部材で気密に封止されたキャビティが形成されて、前記光半導体素子および電子冷却素子は気密に封止されたキャビティ内に収納される。
【０００３】
そして、前記枠体の貫通孔内には、光ファイバ部材等の光信号を伝達する部材を収納するための空間を有する金属からなる筒状の固定部材が挿入され、その先端部にはロウ材等を介して接合され、前記固定部材を封止するとともに、光半導体素子で励起した光を光ファイバ部材等へ透過するための非晶質ガラスなどからなる透光性部材が形成されている。
【０００４】
また、前記枠体の切欠部には、配線層が形成されたアルミナ等のセラミックス等の絶縁体からなる凸形状の接続部材が挿入されるとともに、前記配線層は光半導体素子及び電子冷却素子の各電極とボンディングワイヤやリード線などによって電気的に接続されている。
【０００５】
ここで、前記配線層は接続部材の絶縁体を介して前記金属からなる枠体壁面を通過するように、すなわち枠体壁面では絶縁体の内部に位置するように配設され、キャビティの内部から外部にわたって連続的に形成されており、前記接続部材は該配線層を介して光半導体素子にキャビティ外部から入力された信号を伝達する、いわゆるフィードスルー構造となっている。
【０００６】
かかる光半導体素子収納用パッケージでは、光半導体素子にキャビティ外部から前記配線層を介して駆動信号を供給して光励起を生ぜしめ、該励起された光を光信号として透光性部材を介して光ファイバ部材に伝達し、該光ファイバ部材内を高速で伝達させることができることから、高速光通信などに使用されている。
【０００７】
また、上記光半導体素子収納用パッケージは、温度によって励起される光の波長が変化するために、光信号に誤差が生じやすく、ペルチェ素子などの電子冷却素子により光半導体素子を冷却して光半導体素子の温度変化を小さくすることが提案されている。
【０００８】
さらに、上述の光半導体素子収納用パッケージにおいては、上述した接続部材に形成される配線層は、その一部が絶縁体であるセラミックス内部に形成されるために、該セラミックスと同時焼成によって形成する必要があることから、一般にタングステンやモリブデン、マンガンなどの高融点金属で形成されていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、タングステンやモリブデンは、単体での抵抗温度係数が３０００〜４５００ｐｐｍ／℃であり、また、配線基板上に形成される配線層の場合、抵抗温度係数は単体の値の８〜１０倍と非常に高くなる。そのため、配線層に電子冷却素子及び光半導体素子を作動させた際に生じる熱が作用して配線層の温度が高くなると、電気抵抗値が極端に大きくなり、電子冷却素子に印加される電力に大きな誤差が生じて電子冷却素子の冷却能力が低下する結果、光半導体素子の温度が変化して励起する光の波長に大きな誤差が生じ、光通信を正確に行うことができないという欠点を有していた。
【００１０】
本発明は上記欠点に対してなされたもので、その目的は光半導体素子が励起する光の波長を安定化して正確な光通信を行うことができる光半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に対して検討を重ねた結果、タングステンおよび／またはモリブデンに銅を添加することによって抵抗温度係数を著しく小さくできるとともに、接続部材のセラミックスとの同時焼成が可能であることを見いだし、これを電気冷却素子に接続される配線層として用いることによって、上記目的を達成できることを見いだし、本発明に至った。
【００１２】
すなわち、本発明の光半導体素子収納用パッケージは、表面に光半導体素子を電子冷却素子を介して載置するための基体と、該基体表面に前記光半導体素子載置部を囲むように形成され、側部に切欠部を有する枠体と、前記切欠部に挿着され、光半導体素子または電子冷却素子の電極と電気的に接続された複数の配線層が形成された絶縁体からなる接続部材と、前記枠体の表面に形成され、光半導体素子を気密に封止する蓋部材とを具備するものであって、前記接続部材に形成された配線層のうち、少なくとも電子冷却素子の電極に接続される配線層が、Ｃｕと、Ｗおよび／またはＭｏとを含有し、かつそのいずれかを主成分とする導体層からなるとともに、前記電子冷却素子の電極に接続される配線層の室温から１００℃における抵抗温度係数が１０００ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、前記電子冷却素子の電極に接続される配線層が、１０〜７０体積％のＣｕと、３０〜９０体積％のＷおよび／またはＭｏとを含有すること、前記接続部材がアルミナまたは窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなることが望ましい。
【００１４】
さらに、前記接続部材と前記配線層とが同時焼成によって形成されてなることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体素子収納用パッケージの一例を図１の概略断面図および図２の平面図を基に説明する。
図１において、１は金属基体、２は金属枠体、３は蓋部材である。この基体１と枠体２と蓋部材３とで内部に光半導体素子４を収容するためのキャビティ１５が構成される。
【００１６】
基体１は表面の略中央部に光半導体素子４が載置される載置部１ａを有し、載置部１ａにはペルチェ素子などの電子冷却素子５が金−シリコンロウ材などの接着剤により接着固定されるとともに、電子冷却素子５表面には光半導体素子４が配設され、銀ロウ等のロウ材を介して、電子冷却素子５表面に接着、固定されている。
【００１７】
基体１は鉄−ニッケル−コバルト合金や銅−タングステン合金などの金属材料からなり、たとえば、鉄−ニッケル−コバルト合金からなる場合、鉄−ニッケル−コバルト合金のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法など、従来周知の金属加工等を施すことによって作製される。
【００１８】
なお、基体１の表面に、耐食性に優れかつロウ材に対して濡れ性の良い金属、具体的には厚さ２〜６μｍのニッケル層と厚さ０．５〜５μｍの金層を順次、メッキ法により被着させておくと基体１が酸化腐食を有効に防止することができるとともに基体１表面に配設される電子冷却素子５を強固に接着固定させることができる。
【００１９】
また、基体１の表面には、光半導体素子４が載置される載置部１ａを囲むように特に基体１の外周部に枠体２が配設され、基体１と銀ロウ材を介して接合されている。前記枠体２は鉄−ニッケル−コバルト合金のインゴット（塊）をプレス加工により枠状とすることによって形成されている。
【００２０】
また、前記枠体２はその側面に枠体２の側部に従来周知のドリル孔あけ加工等によって所定形状に形成された概略円形形状の貫通孔２ａが設けられ、貫通孔２ａには筒状の固定部材９が挿入、固定され、さらに固定部材９のキャビティ１５内に挿入された端部には透光性部材１０が取着されている。
【００２１】
固定部材９は筒状であり、その内部に光ファイバ部材１１を挿入するための空間を有し、光半導体素子４が励起した光を固定部材９のキャビティ１５内に挿入された端部に形成された透光性部材１０を介して光ファイバ部材１１に伝達させるものである。筒状の固定部材９は鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金などの金属材料からなり、たとえば、鉄−ニッケル合金のインゴット（塊）をプレス加工により筒状とすることによって形成される。
【００２２】
また、透光性部材１０は固定部材９の内部空間を塞ぎ、基体１と枠体２と蓋部材３とからなる容器の気密封止を保持させる作用をもなす。
【００２３】
透光性部材１０は、例えば、酸化ケイ素、酸化鉛を主成分とした鉛系及びホウ酸、珪酸を主成分としたホウケイ酸系の非晶質ガラスで形成されており、該非晶質ガラスは結晶軸が存在しないことから、光半導体素子４の励起した光を複屈折を起こすことなくそのまま光ファイバ部材１１へ授受することができることから、光信号の伝送効率を高めることができる。
【００２４】
透光性部材１０を固定部材９へ接続する方法は、例えば、透光性部材１０の外周部に予めメタライズ層を被着させておき、該メタライズ層と固定部材９とを金−錫合金などのロウ材を介しロウ付けすることによって行うことができ、これによってキャビティ１５内の気密性が向上し、キャビティ１５内部に収容する半導体素子４を長期間にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
【００２５】
また、枠体２はその側面、図１では固定部材９形成面と直行した対向する２つの面に概略矩形形状の切欠部２ｂが形成されており、該切欠部２ｂには接続部材６が挿着されている。
【００２６】
接続部材６は凸形状のアルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス等からなる絶縁体７と一部が絶縁体７の内部に配設された複数個の配線層８ａ、８ｂから構成され、配線層８ａ，８ｂを枠体２に対し絶縁体７を介して電気的絶縁をもって枠体２の壁面の切欠部２ｂに挿着される。
【００２７】
また、接続部材６にはキャビティ１５内部から外部へ、枠体２の内面側から外面側に導出する複数の配線層８ａ、８ｂが形成されており、配線層８ａ、８ｂのキャビティ１５の端部には光半導体素子４及び電子冷却素子５の各電極とそれぞれリード１２を介して電気的に接続され、またキャビティ１５の外側の端部には外部回路と接続される外部リード端子１３がロウ材を介して電気的に接続されている。
【００２８】
前記接続部材６は、例えば、主成分であるアルミナに対して、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マンガン等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合してスラリーを作製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に形成されたセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、打ち抜き加工されたセラミックグリーンシートに配線層８形成用の後述する金属に有機溶剤、溶媒等を添加混練したペーストをスクリーン印刷法などの手法により所望のパターンに形成した後、配線層パターン表面に所定形状の前記セラミックグリーンシートを所定枚数積層し、１２００℃〜１５００℃で焼成することにより作製される。
【００２９】
なお、本発明によれば、上記焼成温度は配線層を変形なく形成するために１４００℃以下であることが望ましい。そのためには、上記添加物のうち、酸化マンガンを２〜１０重量％を必須成分として添加することが望ましく、これにより、アルミナ質セラミックスの焼結温度を１００℃以上低下させることができる。
【００３０】
本発明によれば、電子冷却素子５に接続される配線層８ａがＣｕと、Ｗおよび／またはＭｏとを含有し、かつそのいずれかを主成分とする導体層からなることが大きな特徴であり、これによって、配線層の抵抗の温度変化が小さくできることから、配線層８ａから電子冷却素子５へ供給される電力を安定化でき、電子冷却素子５の冷却特性を安定化できる結果、光半導体素子４で励起される光の波長の誤差を小さくでき正確な光通信が可能となる。
【００３１】
また、Ｗおよび／またはＭｏのみに比べて、Ｃｕを添加することにより抵抗値自体も、特にシート抵抗８Ω／□と小さくできることから、駆動電力を小さくできるとともに、配線層８ａでの発熱を小さくでき、パッケージ全体の発熱量を小さくできるとともに、電子冷却素子５の冷却特性を高めることができる。
【００３２】
ここで、配線層８ａの抵抗の温度変化を小さくする点、およびアルミナや窒化アルミニウムとの同時焼成できる点で、Ｃｕの含有量は１０〜７０体積％、特に３０〜７０体積％、さらに５０〜６０体積％で、Ｗおよび／またはＭｏの含有量は３０〜９０体積％で形成されることが望ましい。
【００３３】
また、配線層８ａの組織は、Ｃｕのマトリックス中に１〜１０μｍの粒状のＷおよび／またはＭｏが分散した構成からなることが望ましい。なお、配線層８ａ中には、Ｗおよび／またはＭｏ粒子の分散性を高めるために上記主成分金属の他にＮｉ、Ｎｂ等の金属、あるいはＮｉ、Ｎｂ等の酸化物等が１％以下含有されていても良いが、配線層８ａの室温から１００℃における抵抗温度係数は１０００ｐｐｍ／℃以下であることが望ましい。
【００３４】
また、配線層８ｂは、配線層８ａと同じ成分からなる導体層にて形成されることが望ましいが、Ｗおよび／またはＭｏを主成分金属として形成しても良い。なお、配線層８は、配線幅５０〜２０００μｍ、配線層厚み５〜３０μｍにて形成される。
【００３５】
さらに、配線層８ａ、８ｂはその露出する表面にニッケル、金などの耐食性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属層を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により被着させておくと、配線層８ａ、８ｂの酸化腐食を有効に防止することができるとともに配線層８ａ、８ｂへのリード１２の接続を強固と成すことができるが、前記メッキ層は、抵抗を上昇させることなく、また抵抗温度係数を上昇させない組成、厚みに形成することが望ましい。
【００３６】
また、配線層８ａ、８ｂは外部リード端子１３と銀ロウ等のロウ材を介してロウ付けされており、キャビティ１５内部に収容する光半導体素子４及び電子冷却素子５の各電極は配線層８ａ、８ｂと、外部リード端子１３とを介して外部回路に電気的に接続される。
【００３７】
外部リード端子１３は、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金などの金属材料からなり、たとえば、鉄−ニッケル合金のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法など、従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に成形される。
【００３８】
さらに、枠体２表面に、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金などの金属からなる蓋部材３が接合され、これによって基体１と枠体２と蓋部材３とからなるキャビティ１５内部に光半導体素子４および電子冷却素子５が気密に封止される。なお、蓋部材３の枠体２上面への接合は例えば、シームウェルド法などの溶接によって行われる。
【００３９】
上記構成からなる本発明の光半導体素子収納用パッケージにおいて、枠体２の一部に挿入した筒状の固定部材９に光ファイバ部材１１をＹＡＧ溶接等によって取着接続して、光半導体装置を作製することができる。
【００４０】
かかる半導体装置は電子冷却素子５により光半導体素子４を冷却しつつ光半導体素子４に外部回路から供給される駆動信号によって光励起を起こさせ、該励起した光を透光性部材１０を介して光ファイバ部材１１に授受させるとともに、光ファイバ部材１１内を高速に伝達させることによって高速通信が可能となる。
【００４１】
【実施例】
平均粒径１．７μｍの表１に示す金属組成粉末と、該金属粉末の合計量に対して、ＮｉＯを０．０５％添加するとともに、所定量のアクリルバインダ、有機溶剤を添加、混練し、配線層８ａ形成用の導体ペーストを作製した。
【００４２】
一方、平均粒径１．８μｍのアルミナを主成分として、ＭｇＯを０．５重量％、ＳｉＯ2 を６重量％、Ｍｎ2 Ｏ3 を６重量％の比率で添加、混合し、ドクターブレード法によってシート状成形体（セラミックグリーンシート）を作製し、これに上述の導体ペーストをスクリーン印刷によって配線幅１５０μｍ×配線厚み１５μｍ×長さ４５ｍｍパターンに印刷塗布し、その表面の配線パターンの中央部２０ｍｍの部分にセラミックグリーンシートを１枚積層した後、１３００℃で焼成することにより配線層８ａ評価用の抵抗測定用試料を得た。作製した抵抗測定用試料を温度制御可能なヒーターブロック上にセットし、試料表面の温度を室温から１００℃の範囲で変化させたときの抵抗値を測定し、温度に対する抵抗値の変化率を測定し、抵抗温度係数を算出した。結果は表１に示した。
【００４３】
【表１】
0003670523.tif 000002
【００４４】
表１に示すように配線層中にＣｕを含有しない試料Ｎｏ．１では、抵抗温度係数が１０００ｐｐｍ／℃をはるかに越え、また、配線層の主成分金属がＣｕ単独でＷおよびＭｏを実質的に含まない試料Ｎｏ．９では、配線層が溶融し、アルミナ質セラミックスとの同時焼成ができなかった。
【００４５】
これに対して、本発明の範囲内の配線層では、抵抗温度係数が１０００ｐｐｍ／℃以下となり、これを光半導体素子収納用パッケージの電気冷  却素子と接続される配線層として用いることによって、精度の高い光通信が可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
以上、詳述したとおり、本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、電子冷却素子に接続される配線層を、Ｃｕと、Ｗおよび／またはＭｏとを含有し、かつそのいずれかを主成分とする導体層で形成するとともに、前記電子冷却素子の電極に接続される配線層の室温から１００℃における抵抗温度係数を格段に小さくすることによって、配線層に光半導体素子や電子冷却素子などを作動させた際に生じる熱が作用しても電気抵抗値が大きく変わることはなく、その結果、電子冷却素子に印加される電力も均一になると共に電子冷却素子による光半導体素子の冷却も均一となり、光半導体素子の励起する光の波長を常に一定として光通信を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体素子収納用パッケージの蓋部材を除いた平面図である。
【符号の説明】
１………・金属基体
１ａ・ ……・載置部
２………・金属枠体
２ａ……・・貫通孔
２ｂ・ ……・切欠部
３………・蓋部材
４………・光半導体素子
５………・電子冷却素子
６………・接続部材
７………・絶縁体
８ａ、８ｂ…・配線層
９………・固定部材
１０……・透光性部材
１１……・光ファイバ部材
１２……・リード
１３……・外部接続リード
１５……・キャビティ
【図１】
0003670523.tif 000003
【図２】
0003670523.tif 000004