(57)【要約】【課題】光ファイバを金属製固定部材にガラス封止材を介して接合する際、気密封止が不十分となり、さらに光ファイバへストレスが加わることで光学特性が劣化する。【解決手段】上面に光半導体素子を収容する凹部が形成され、側部に外表面から凹部まで貫通する貫通孔１ａが設けられた容器本体１と、貫通孔１ａに挿入固定された、または容器本体１の貫通孔１ａ周辺の外表面に固定された筒状の金属製固定部材４と、この金属製固定部材４に挿入されて一方の端面が光半導体素子と対向するように配置され、外周面が金属製固定部材４の内壁にガラス封止材６を介して固定される光ファイバ５ａと、容器本体１の上面に取着される、光半導体素子を凹部内に気密に収容する蓋体７とから成る光半導体素子収納用パッケージであって、ガラス封止材６は気孔率が５〜３０％である。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に光半導体素子を収容する凹部が形成され、側部に外表面から前記凹部まで貫通する貫通孔が設けられた容器本体と、前記貫通孔に挿入固定された、または前記容器本体の前記貫通孔周辺の前記外表面に固定された筒状の金属製固定部材と、該金属製固定部材に挿入されて一方の端面が前記光半導体素子と対向するように配置され、外周面が前記金属製固定部材の内壁にガラス封止材を介して固定される光ファイバと、前記容器本体の上面に取着される、前記光半導体素子を前記凹部内に気密に収容する蓋体とから成る光半導体素子収納用パッケージであって、前記ガラス封止材は気孔率が５〜３０％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。
【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光半導体素子収納用パッケージに関し、特に光ファイバを金属製固定部材にガラス封止材で固定する光半導体素子収納用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光学部品を内蔵した光デバイスは、一般にパッケージと呼ばれる容器本体に収納され、この容器本体の側部に固定された金属製固定部材に光ファイバを挿入するとともに十分な気密封止を行なうことにより信頼性が確保されている。このような光ファイバの高気密性を確保する従来例として、光ファイバの外周面に金属を蒸着して金属製固定部材の内壁に光ファイバを半田で固定する方法がある。しかしながらこの方法では、光ファイバへの金属の蒸着が不可欠なため高価になるとともに工程が複雑になる等の問題点があった。
【０００３】
そこで、光ファイバを金属製固定部材の内壁にガラス封止材で固定する方法が採用されている。
しかしながら、この方法は光ファイバ、ガラス封止材および金属製固定部材の熱膨張係数の差（光ファイバの熱膨張係数は５×１０−７／℃程度、ガラス封止材の熱膨張係数は６０×１０−７／℃程度およびＳＵＳ金属製固定部材の熱膨張係数は１８０×１０−７／℃程度、）により、光ファイバがこれらの熱膨張係数の差により大きなストレスを受け、その結果、所望の光学特性が確保できないという問題点があった。
【０００４】
このため、光ファイバとガラス封止材との接触面積を減らしたり、あるいは光ファイバへの位置決め用ガラスパイプを近接させることで、光ファイバをこれに加わる外力から保護することにより、光ファイバの光学特性を維持する方法が行なわれている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２８４５０４３号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ファイバとガラス封止材との接触面積を減らした場合には気密封止の信頼性の問題点が、光ファイバへの位置決め用ガラスパイプを用いた場合には高価になってしまうという問題点があった。
【０００７】
また、従来の光半導体素子収納用パッケージにおいては、光ファイバ、ガラス封止材および金属製固定部材の熱膨張係数に大きな差があるため、光ファイバを金属製固定部材の内壁にガラス封止材を溶融して固定する際、光ファイバは大きなストレスを受けた状態で固定されてしまい、光ファイバの中でも特に偏波特性を保存したまま伝送する偏波保存光ファイバの場合、固定時のガラス封止材による光ファイバへのストレスにより、偏波保持特性が劣化し十分な消光比が確保できないという問題点があった。
【０００８】
さらに、従来の光半導体素子収納用パッケージでは、金属製固定部材の両端に位置決め用の１対のガラスパイプを挿入した構造であり、光ファイバを外力から保護することは出来るものの、ガラスパイプとガラス封止材との接合界面やこれらの熱膨張係数の差により光ファイバへ不均等なストレスが加わることがあり、消光比劣化を生じさせてしまうという問題点や、作業工程が複雑になるという問題点もあった。
【０００９】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、金属製固定部材の内壁に固定される光ファイバに大きなストレスが印加されること無く、かつ気密封止性が高く、作業工程が簡素で廉価な半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上面に光半導体素子を収容する凹部が形成され、側部に外表面から前記凹部まで貫通する貫通孔が設けられた容器本体と、前記貫通孔に挿入固定された、または前記容器本体の前記貫通孔周辺の前記外表面に固定された筒状の金属製固定部材と、この金属製固定部材に挿入されて一方の端面が前記光半導体素子と対向するように配置され、外周面が前記金属製固定部材の内壁にガラス封止材を介して固定される光ファイバと、前記容器本体の上面に取着される、前記光半導体素子を前記凹部内に気密に収容する蓋体とから成る光半導体素子収納用パッケージであって、前記ガラス封止材は気孔率が５〜３０％であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、金属製固定部材の内壁に光ファイバの外周面を固定するガラス封止材の気孔率を５〜３０％としたことから、光ファイバ、ガラス封止材および金属製固定部材の熱膨張係数が大きく異なったとしても、ガラス封止材の５〜３０％の気孔が金属製固定部材の内壁に光ファイバの外周面をガラス封止材を溶融して固定する際にガラス封止材の収縮を緩和して光ファイバへ印加されるストレスを無くすことができ、その結果、光ファイバの中でも特に偏波特性を保存したまま伝送する偏波保存光ファイバの場合においても、ガラス封止材による光ファイバ固定時の光ファイバへのストレスにより偏波保持特性が劣化することはなく、十分な消光比を確保することが可能となる。また、光ファイバとガラス封止材との接触面積を減らすことなく、光ファイバを金属製固定部材に固定することができ、気密封止の信頼性の高いものとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の光半導体素子収納用パッケージを添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の光半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す斜視図、図２は、図１に示す金属製固定部材の断面図であり、この図では内部に光ファイバをガラス封止材で固定している状態を示している。
【００１３】
図１および図２において、１は容器本体、２はリード端子、３はリード端子封止材、４は金属製固定部材、５ａは光ファイバ、５ｂは被覆層、６はガラス封止材、７は蓋体で、主にこれらで本発明の光半導体素子収納用パッケージが構成されている。
【００１４】
容器本体１は、縦・横の長さおよび高さが数ｍｍ〜数１０ｍｍで、金属材料やセラミックス等の無機絶縁材料から成り、その上面の略中央部にＬＤ、ＰＤ等の光半導体素子（図示せず）を収容する凹部を有するとともに側部に外表面から凹部まで貫通する、径が６．５〜１１．５ｍｍの貫通孔１ａが設けられた箱状であり、容器本体１が例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る場合、容器本体１となるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の母材を従来周知の切削加工やプレス加工、あるいは金属射出成形法（ＭＩＭ）等により凹凸加工・打ち抜きを施すことにより形成される。また、貫通孔１ａも容器本体１と同時に加工することにより形成される。そして、容器本体１の凹部底面には、光半導体素子がガラス等の接着材を介して接着固定される。
【００１５】
なお、容器本体１には、光半導体素子と外部電気回路（図示せず）との電気的接続を行なうためのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成るリード端子２が、通常その一端が内部に、他端が外部に導出するように、ホウ珪酸系ガラス等から成るリード端子封止材３を介して固定されており、リード端子２の一端と光半導体素子の電極とをボンディングワイヤ等の電気的接続部材（図示せず）を介して電気的に接続するとともに、他端を外部電気回路に電気的に接続することにより、光半導体素子と外部電気回路とが電気的に接続される。
【００１６】
容器本体１の貫通孔１ａには、筒状の金属製固定部材４が挿入固定されている。金属製固定部材４は、長さが１０〜３０ｍｍ、内径が５〜１０ｍｍ、外径が６．５〜１１．５ｍｍで、光ファイバ５ａを容器本体１に固定する機能を有し、例えば金属製固定部材４が５０アロイ（Ｆｅ５０質量％−Ｎｉ５０質量％合金）から成る場合、金属製固定部材４となる５０アロイの母材を従来周知の切削加工やプレス加工、あるいは金属射出成形法（ＭＩＭ）等により凹凸加工・打ち抜きを施すことにより形成される。
【００１７】
なお、容器本体１および金属製固定部材４は、３０〜３００℃における線熱膨張係数が４〜６×１０−７／℃である同一の金属材料、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等が好ましい。また、容器本体１および金属製固定部材４は、その表面に酸化腐食を防止するとともに各部材接合用のろう材との濡れ性を改善するＮｉめっき層、Ａｕめっき層を被着しておくことが好ましい。
【００１８】
そして、金属製固定部材４の内壁には、光ファイバ５ａの外周面がガラス封止材６を介して固定される。なお、光ファイバ５ａは石英ガラスから成り、一般に０．５×１０−７／℃程度の線熱膨張係数を有している。また、このような光ファイバ５ａは、その表面を取り扱いの際に発生するキズ等から保護するために、表面に被覆層５ｂを有している。
【００１９】
被覆層５ｂは、一般的にはポリアミド樹脂（ナイロン）や塩化ビニル樹脂などから成り、耐熱温度は約７０〜９０℃程度と低く、約３００℃で熱分解する。このため、光ファイバ５ａをガラス封止材６を介して金属製固定部材４に固定する場合には、例えばポリイミド樹脂やＵＶ硬化性樹脂等の耐熱温度が約３５０℃で、熱分解温度が４００〜４５０℃の耐熱性に優れた樹脂が使用される。
【００２０】
このような光ファイバ５ａは、あらかじめガラス封止材６を金属製固定部材４の内壁の光ファイバ５ａを固定する個所に塗布あるいは充填しておき、次に光ファイバ５ａからこれが金属製固定部材４に固定される箇所の被覆層５ｂを剥がすとともに光ファイバ５ａを金属製固定部材４に挿入し、しかる後、ガラス封止材６を高周波加熱器８で局所加熱・溶融することにより金属製固定部材４の内壁に固定される。
【００２１】
なお、図１および図２では、金属製固定部材４の外周面から内周面にかけて貫通穴４ａを形成し、この貫通穴４ａからガラス封止材６を金属製固定部材４の内部に充填できる構造を示している。
【００２２】
そして本発明の光半導体素子収納用パッケージにおいては、ガラス封止材６の気孔率が５〜３０％であり、このことが重要である。
本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、ガラス封止材６の気孔率が５〜３０％であることから、光ファイバ５ａ、ガラス封止材６および金属製固定部材４の熱膨張係数が大きく異なったとしても、ガラス封止材６の５〜３０％の気孔が金属製固定部材４の内壁に光ファイバ５ａの外周面をガラス封止材６を加熱溶融して固定する際にガラス封止材６の収縮を緩和して光ファイバ５ａへ印加されるストレスを無くすことができ、その結果、光ファイバ５ａの中でも特に偏波特性を保存したまま伝送する偏波保存光ファイバの場合においても、ガラス封止材６による光ファイバ固定時の光ファイバ５ａへのストレスにより、偏波保持特性が劣化することはなく十分な消光比を確保することが可能となる。また、光ファイバ５ａとガラス封止材６との接触面積を減らすことなく、光ファイバ５ａを金属製固定部材４に固定することができ、気密封止の信頼性の高いものとすることができる。
【００２３】
なお、ガラス封止材６の気孔率が５％未満の場合、ガラスの溶融時の光ファイバ５ａへのストレス緩和が不充分となり、良好な光学特性が得られなくなる傾向があり、気孔率が３０％を超えると光ファイバ５ａとガラス封止材６との接合力、ガラス封止材６と金属製固定部材４との接合力が低下し、光ファイバ接合部の気密封止の信頼性が低下してしまう傾向がある。従って、ガラス封止材の気孔率は５〜３０％の範囲とすることが重要である。
【００２４】
なお、ここで気孔率とは、ガラス封止材６を任意の箇所で切断した時に、この断面に露出する全気孔の断面積が切断面全体の面積に対する割合をいう。
【００２５】
また、このようなガラス封止材６としては、例えば酸化鉛５５〜６５質量％、弗化鉛１３〜２０質量％、酸化硼素３〜６質量％、酸化ビスマス２〜５質量％、酸化亜鉛１〜３質量％および酸化銅０．５〜１質量％を含有する酸化鉛系ガラスに、外添加で酸化チタンや酸化ニオブなどの低膨張結晶粉末を１０〜１５質量％添加した酸化鉛系ガラスが用いられる。そして、この酸化鉛系ガラスにセルロースやセルロースエーテル等の有機バインダを外添加で１〜５質量％添加し、ミキサー等を用いて１０〜６０分間混合攪拌しペースト状のガラスにし、しかる後、ペースト状のガラスを貫通穴４ａから金属製固定部材４の内部へディスペンサを用いて充填し、空気中または酸素を含むガス雰囲気中、３５０〜３８０℃の温度で加熱溶融することにより光ファイバ５ａが金属製固定部材４の内部に気密封止される。
【００２６】
なお、有機バインダーの添加量が１質量％以下の場合、十分な混合攪拌ができずガラス中の空隙が不充分となるため、加熱溶融した後、気孔率が５％以下となる傾向があり、また、均一な気孔の制御が困難となり、光ファイバ５ａへのダメージを緩和することが不充分となる可能性がある。一方、有機バインダーが５質量％以上の場合、十分な混合攪拌はできるが加熱溶融する際に、脱有機バインダー量が多くなり気孔率が３０％を超えてしまい、光ファイバ５ａの気密封止が不十分となる傾向がある。
【００２７】
また、ガラス封止材６は、酸化鉛の含有量が５５質量％未満では、ガラスの軟化温度が高くなり過ぎて、ガラス封止材６を溶融する熱によって被覆層５ｂが炭化して樹脂の炭化物が金属製固定部材４の内部に残存してしまい、光ファイバ接合部の気密封止の信頼性が低下してしまう傾向があり、また、６５質量％を超えると、ガラスの耐薬品性が劣化し、光ファイバ接合部の気密封止の信頼性が低下してしまう傾向がある。従って、酸化鉛の含有量は５５〜６５質量％の範囲が好ましい。
【００２８】
また、弗化鉛の含有量が１３質量％未満では、ガラスの軟化温度が高くなり過ぎて、ガラス封止材６を溶融する熱によって被覆層５ｂが炭化して樹脂の炭化物が金属製固定部材４の内部に残存してしまい、光ファイバ接合部の気密封止の信頼性が低下してしまう傾向があり、２０質量％を超えると、ガラスの耐薬品性が劣化し、光ファイバ接合部の気密封止の信頼性が低下する傾向にある。従って、弗化鉛の含有量は、１３〜２０質量％の範囲が好ましい。
【００２９】
酸化硼素の含有量が３質量％未満では、ガラスの結晶化が進み光ファイバ接合部の気密封止が困難となる傾向にあり、６質量％を超えると、ガラスの耐薬品性が劣化し、光ファイバ接合部の気密封止の信頼性が低下してしまう傾向がある。従って、酸化硼素の含有量は、３〜６質量％の範囲が好ましい。
【００３０】
酸化ビスマスの含有量が２質量％未満では、ガラスの流動性が悪くなり光ファイバ接合部の気密封止が困難となる傾向があり、５質量％を超えると、ガラスの耐薬品性が劣化し、光ファイバ接合部の気密封止の信頼性が低下する傾向がある。従って、酸化ビスマスの含有量は、２〜５質量％の範囲が好ましい。
【００３１】
酸化亜鉛の含有量が１質量％未満では、ガラスの耐薬品性が低下し、光ファイバ接合部の気密封止の信頼性が大きく低下してしまう傾向にあり、３質量％を超えると、ガラスの結晶化が進み、光ファイバ接合部の気密封止が困難となる傾向にある。従って、酸化亜鉛の含有量は、１〜３質量％の範囲が好ましい。
【００３２】
また、酸化銅の含有量が０．５質量％未満では、ガラスの耐薬品性が劣化し、光ファイバ接合部の気密封止の信頼性が低下する傾向があり、１質量％を超えると、ガラス成形の段階で結晶化が進み、再溶融が困難となる傾向がある。従って、酸化銅の含有量は０．５〜１質量％の範囲が好ましい。
【００３３】
また、低膨張結晶粉末の含有量が１０質量％未満では、熱膨張係数が７０×１０−７／℃を大きく超えてしまう傾向があり、１５質量％を超えると、ガラスの流動性が悪くなり光ファイバ接合部の気密封止が困難となる傾向がある。従って、低膨張結晶粉末の含有量は１０〜１５質量％の範囲が好ましい。
【００３４】
このようなガラス封止材６は、酸化鉛、弗化鉛、酸化硼素、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化銅を含有するガラス成分と酸化チタンや酸化ニオブなどの低膨脹結晶粉末とを秤量し、有機バインダーや顔料、水や溶剤などと共にＶ型ミキサー等で均一に混合することで均質な混合物とすることができる。また、ガラス封止材６の気孔率は、ガラス封止材を加熱溶融後これを冷却固化し、固化後１０〜１００μｍの範囲で粉砕し、さらにこの粉砕物を加熱溶融することにより５〜３０％に調製することができる。
【００３５】
なお、光ファイバ５ａを金属製固定部材４へ固定する際のガラス封止材６の加熱溶融温度は３５０〜３８０℃が好ましく、３８０℃を超えると光ファイバ５ａを保護している被覆層５ｂが燃え尽きて樹脂の炭化物が残存するために十分な気密封止が得られなくなる傾向があり、また、３５０℃未満では、ガラス封止材６の溶融が不十分となり、気密封止の信頼性が低下する傾向がある。
【００３６】
さらに、ガラス封止材６の封止接合面積は、０．３〜１．０ｍｍ２が好ましく、０．３ｍｍ２未満では、ガラス封止材６の量が不充分となり光ファイバ５ａの周りに溶融時のガラス封止材６のメニスカスが充分に形成されず、そのため光ファイバ５ａの金属製固定部材４への接合強度が不充分となる傾向があり、１．０ｍｍ２を超えると、ガラス封止材６の量が過多となり、光ファイバ５ａにガラス封止材６が広がり過ぎて光ファイバ５ａの光透過性等の光学特性が低下してしまう傾向がある。なお、ここでいう封止接合面積とは、ガラス封止材６の金属製固定部材４内壁との接合面積をいう。
【００３７】
また、容器本体１の貫通孔１ａへの筒状の金属製固定部材４の固定は、Ａｇ−Ｃｕ合金等の金属ろう材で金属製固定部材４を固定するとともに金属ろう材を約８００℃の温度で加熱溶融することにより行なわれる。
【００３８】
かくして、光半導体素子を容器本体１の光半導体素子搭載部に接着材を介して搭載固定するとともに、光半導体素子の各電極をリード端子２にボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して電気的に接続させ、しかる後、容器本体１の上面に蓋体７をシーム溶接などで接合し、容器本体１と蓋体７とから成る容器内部に光半導体素子を気密に収容することによって光半導体素子収納用パッケージが完成する。
【００３９】
なお、蓋体７は、厚みが０．３〜０．４ｍｍの平板で、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成り、蓋体７となるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の母材を従来周知のプレス加工により打ち抜き加工を施すことにより形成される。
【００４０】
なお、本発明は上述の実施例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であれば種々の変更を行なっても何ら差し支えない。
【００４１】
【実施例】
本発明の光半導体素子収納用パッケージの効果の確認を行なうために、次の実験を行なった。
なおここでは、ガラス封止材の気孔率を決定した実験例を示す。また、試験および評価条件はＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３方式１０１４．９試験条件Ａ１に準じた。
【００４２】
（実験１）
ガラス封止材を加熱溶融後これを冷却固化し、固化後１０〜１００μｍの範囲で粉砕し、さらにこの粉砕物を加熱溶融することでガラス封止材の気孔率を表１に示すように３〜５０％の間で変化させ、光学特性および気密性を調べた。その結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
実験結果より、気孔率が５％未満の場合、光ファイバへのダメージを無くし、光ファイバへ印加されるストレスを低減できずに光学特性（消光比）が０．２５ｄＢと低下することがわかった。また、気孔率が３０％を超えると、光ファイバとガラス封止材およびガラス封止材と金属パイプの接合力が弱まり、不十分な気密封止構造となることがわかった。なお、ガラス封止材の気孔率が５〜３０％の範囲で良好な光学特性および気密性を得られることがわかった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、金属製固定部材の内壁に光ファイバの外周面を固定するガラス封止材の気孔率を５〜３０％としたことから、光ファイバ、ガラス封止材および金属製固定部材の熱膨張係数が大きく異なったとしても、ガラス封止材の５〜３０％の気孔が金属製固定部材の内壁に光ファイバの外周面をガラス封止材を溶融して固定する際にガラス封止材の収縮を緩和して光ファイバへ印加されるストレスを無くすことができ、その結果、光ファイバの中でも特に偏波特性を保存したまま伝送する偏波保存光ファイバの場合においても、ガラス封止材による光ファイバ固定時の光ファイバへのストレスにより、偏波保持特性が劣化することはなく十分な消光比を確保することが可能となる。また、光ファイバとガラス封止材との接触面積を減らすことなく、光ファイバを金属製固定部材に固定することができ、気密封止の信頼性の高いものとすることができる。
【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実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す金属製固定部材の断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・容器本体
１ａ・・・・・・・貫通孔
２・・・・・・・・リード端子
３・・・・・・・・リード端子封止材
４・・・・・・・・金属製固定部材
４ａ・・・・・・・ガラス封止材
５・・・・・・・・光ファイバ
５ａ・・・・・・・被覆層
６・・・・・・・・ガラス封止材
７・・・・・・・・蓋体
【図１】
2004117637.tif 000004
【図２】
2004117637.tif 000005