(57)【要約】【課題】高周波信号の反射損失を低減することが可能な光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置を提供すること。【解決手段】光半導体素子Ｓの搭載部１ａと貫通孔１ｂとを有する金属基板１と、貫通孔１ｂに挿通され、下面側の端部が貫通孔１ｂから突出するように固定された金属製端子３と、主面に被着された直線状の配線導体４を有し、この配線導体４を金属製端子３の下面側に突出した部位に平行に接合させて金属基板１に取着された絶縁基板５とを具備する光半導体素子収納用パッケージであって、絶縁基板５の主面に、金属製端子３の下面側に突出した部位を絶縁基板５の主面上で同軸状に囲むとともに、金属基板１と電気的に接続された金属製の屋根状部材Ｔが設けられており、この屋根状部材Ｔは、金属製端子３側の一端面の開口よりも他端面の開口が大きい。【選択図】  図１
2004356334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面の中央部に光半導体素子の搭載部を有するとともに該搭載部の近傍に前記上面から下面にかけて形成された貫通孔を有する金属基板と、前記貫通孔に挿通され、少なくとも前記下面側の端部が前記貫通孔から突出するように封止材を介して固定された、前記上面側の端部が前記光半導体素子の電極と電気的に接続される金属製端子と、主面にその一辺から対向する他辺にかけて被着された直線状の配線導体を有し、該配線導体を前記金属製端子の前記下面側に突出した部位に平行に接合させて前記金属基板に取着された四角平板状の絶縁基板とを具備する光半導体素子収納用パッケージであって、前記絶縁基板の前記主面に、前記金属製端子の前記下面側に突出した部位を前記絶縁基板の前記主面上で同軸状に囲むとともに、前記金属基板と電気的に接続された金属製の屋根状部材が設けられており、該屋根状部材は、前記金属製端子側の一端面の開口よりも他端面の開口が大きい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】
前記金属製端子の前記上面側の前記端部が、前記光半導体素子の電極に長さが０．１〜２ｍｍのボンディングワイヤを介して電気的に接続され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】
前記貫通孔は、前記金属基板の前記下面側に大径部を、前記上面側に前記大径部と同軸で連なる小径部を有し、前記金属製端子は、前記大径部に前記封止材を介して固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光半導体素子収納用パッケージ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されてその電極が前記金属製端子の前記上面側の端部と電気的に接続された光半導体素子とを具備していることを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体デバイスに使用する光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信分野で用いられているＬＤ（レーザーダイオード）やＰＤ（フォトダイオ−ド）等の光半導体素子を収納するための光半導体装置を図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。ここで図４（ａ）は、光半導体装置の断面図、図４（ｂ）は蓋体を外した状態での上面図、図４（ｃ）は、下面図である。
【０００３】
従来の光半導体装置は、上面の中央部に光半導体素子Ｓ’の搭載部１０１ａを有するとともにこの搭載部１０１ａの近傍に上面から下面にかけて形成された直径０．５〜２ｍｍの貫通孔１０１ｂを有する、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成る円板状の金属基板１０１と、貫通孔１０１ｂに挿通され、少なくとも下面側の端部が貫通孔１０１ｂから突出するように封止材１０２を介して固定された、上面側の端部が光半導体素子Ｓ’の電極と電気的に接続される、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成る金属製端子１０３と、搭載部１０１ａに搭載されてその電極が金属製端子１０３の上面側の端部と電気的に接続された光半導体素子Ｓ’と、主面にその一辺から対向する他辺にかけて形成された直線状の配線導体１０４を有し、金属基板１０１に配線導体１０４と金属製端子１０３の下面側に突出した部位とが平行かつ対向して接合するように取着された絶縁基板１０５とを具備している。
【０００４】
なお、封止材１０２は鉛を主成分とする絶縁ガラスから成り、この封止材１０２によって金属基板１０１と金属製端子１０３とが電気的に絶縁されている。また、金属基板１０１に形成された貫通孔１０１ｂの内径は金属基板１０１の上面から下面にかけて同一径となっている。また、光半導体素子Ｓ’は、金属基板１０１に２００〜４００℃の融点を有する金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）等の低融点ろう材によりろう付け固定され、光半導体素子Ｓ’の電極がボンディングワイヤ１０６を介して金属端子１０３に電気的に接続される。
【０００５】
また、金属基板１０１の上面には、外周端から幅１ｍｍ以内の外周部に、光半導体素子Ｓ’の保護を目的として、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る第１の蓋体１０７ａがＹＡＧレーザ溶接、シーム溶接またはろう付け等により固定され、そして、金属基板１０１の上面に第１の蓋体１０７ａを、例えばＹＡＧレーザで溶接，接合し、さらに光半導体素子Ｓ’に対向する部位に光ファイバ１０８が固定される第２の蓋体１０７ｂを接合することにより、製品としての光半導体装置となる。
【０００６】
この光半導体装置は、外部電気回路（図示せず）から供給される駆動信号によって光半導体素子Ｓ’を光励起させ、励起した光を戻り光防止用の光アイソレータ（図示せず）を介して光ファイバ１０８に授受させるとともに光ファイバ１０８内を伝達させることによって、大容量の光通信等に使用される。そして、その適応範囲は４０ｋｍ以下の伝送距離、かつ２．５Ｇｂｐｓ（Ｇｉｇａ  ｂｉｔ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ）以下の伝送容量の範囲で多用されている。
【０００７】
近年、４０ｋｍ以下の伝送距離での高速通信に対する需要が急激に増加しており、高速大容量伝送に関する研究開発が進められている。とりわけ、光通信装置において光信号を発信する光半導体装置等の光発信装置が注目されており、光信号の高出力化と高速化が伝送容量を向上させるための課題となっている。
【０００８】
従来の光半導体装置の光出力は０．２〜０．５ｍＷ程度であり、光半導体素子は５ｍＷ程度の駆動電力であった。しかし、より大出力の光半導体装置では、光出力が１ｍＷのレベルまで向上してきており、また、光半導体素子も１０ｍＷ以上の駆動電力が要求されている。さらに、従来の光半導体装置に用いられていた高周波信号は２．４Ｇｂｐｓ程度であったが、１０Ｇｂｐｓ程度まで向上してきており、より高出力化と高速化が要求されてきている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−１３０２６６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光半導体素子収納用パッケージに１０ｍＷ以上の駆動電力および１０ＧＨｚ程度の高周波信号で駆動される光半導体素子を搭載した、光出力が１ｍＷ程度の光半導体装置を構成しようとすると、光半導体素子と金属製端子との特性インピーダンスのばらつきが大きいため、光半導体素子が正常に作動し難く、特に１０Ｇｂｐｓ以上の高周波信号を損失を小さくして円滑に伝送することが困難であるという問題点があった。
【００１１】
これは、金属製端子の金属基板の貫通孔から突出した部位が同軸構造となっておらず、そのため、伝送される高周波信号の周波数が高くなると、同軸構造になっていない部分の特性インピーダンスが大きくなり、かつ信号の伝播モードにずれを生じ、絶縁基板の配線導体と金属製端子間の特性インピーダンスのギャップおよび信号の伝播モードのずれが非常に大きくなることによるものであり、その結果、高周波信号の入出力時における反射損失が大きくなり、光半導体素子の作動性が劣化してしまうことによるものである。
【００１２】
すなわち、従来の構成では、金属基板、金属製端子の貫通孔の内部に位置する部位およびマイクロストリップ線路構造である配線導体での高周波信号の伝播モードはＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モードであり、それに対して、金属製端子の金属基板の貫通孔から突出した部位であって、配線導体との接合部以外の部位の伝播モードはＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードであり、このため高周波信号はＴＥＭモード、ＴＥモード、ＴＥＭモードと伝播モードが変化するため、伝播モードの変化部で特性インピーダンスがステップ状に変化し、高周波信号の反射損失が大きくなってしまう問題点を有していた。
【００１３】
また、従来の光半導体素子収納用パッケージにおいては、光半導体素子と金属製端子とを電気的に接続するボンディングワイヤのＬ成分（誘導性成分）が非常に大きいために、ボンディングワイヤの特性インピーダンスが非常に大きくなって高周波信号の損失の原因となり、その結果、ボンディングワイヤを介することで高周波信号の損失および信号の伝播モードのずれが非常に大きくなってしまい、高周波信号の入出力時における反射損失が大きくなり、具体的には１０ＧＨｚ程度の高周波信号における反射損失が−１５ｄＢ以上と大きなものとなってしまうという問題点も有していた。
【００１４】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、高周波信号の反射損失を低減することが可能な光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上面の中央部に光半導体素子の搭載部を有するとともに該搭載部の近傍に前記上面から下面にかけて形成された貫通孔を有する金属基板と、前記貫通孔に挿通され、少なくとも前記下面側の端部が前記貫通孔から突出するように封止材を介して固定された、前記上面側の端部が前記光半導体素子の電極と電気的に接続される金属製端子と、主面にその一辺から対向する他辺にかけて被着された直線状の配線導体を有し、該配線導体を前記金属製端子の前記下面側に突出した部位に平行に接合させて前記金属基板に取着された四角平板状の絶縁基板とを具備する光半導体素子収納用パッケージであって、前記絶縁基板の前記主面に、前記金属製端子の前記下面側に突出した部位を前記絶縁基板の前記主面上で同軸状に囲むとともに、前記金属基板と電気的に接続された金属製の屋根状部材が設けられており、該屋根状部材は、前記金属製端子側の一端面の開口よりも他端面の開口が大きいことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基板の主面に、金属製端子の下面側に突出した部位を絶縁基板の主面上で同軸状に囲むとともに、金属基板と電気的に接続された金属製の屋根状部材が設けられており、この屋根状部材は、金属製端子側の一端面の開口よりも他端面の開口が大きいことにより、高周波信号の伝送時に、金属製端子の下面側に突出した部位の特性インピーダンスが、金属製端子の金属基板の貫通孔内に位置し、同軸構造となっている部位の特性インピーダンスと絶縁基板の配線導体の特性インピーダンスとの間の大きさであるとともに、特性インピーダンスを滑らかに変化させることができるため、金属製端子の特性インピーダンスと配線導体の特性インピーダンスとの急激な変化を抑えることができ、反射損失を極めて小さくすることができ、その結果、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の挿入損失や反射損失を良好に抑制でき、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の損失を非常に小さくして伝送することが可能となる。
【００１７】
また、本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上記構成において、前記金属製端子の前記上面側の前記端部が、前記光半導体素子の電極に長さが０．１〜２ｍｍのボンディングワイヤを介して電気的に接続されることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、金属製端子の上面側の端部が、光半導体素子の電極に長さが０．１〜２ｍｍのボンディングワイヤを介して電気的に接続される場合には、ボンディングワイヤはそのＬ成分（誘電性成分）および特性インピーダンスが非常に小さなものとなり、その結果、光半導体素子への高周波信号の入出力時における反射損失を−１５ｄＢ以下と小さくすることができ、１０ＧＨｚ以上の高周波信号を低損失で伝送することが可能となる。
【００１９】
さらに、本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上記構成において、前記貫通孔は、前記金属基板の前記下面側に大径部を、前記上面側に前記大径部と同軸で連なる小径部を有し、前記金属製端子は、前記大径部に前記封止材を介して固定されていることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、貫通孔は、金属基板の下面側に大径部を、上面側に大径部と同軸で連なる小径部を有し、金属製端子が大径部に封止材を介して固定されている場合には、金属製端子は大径部で十分な量の封止材により貫通孔の内面に固定されるので気密封止が良好なものとなり、また、金属製端子を小径部の開口を基準として位置決めすることにより位置精度よく金属基板に封止材を介して固定でき、貫通孔の内面や屋根状部材と良好な同軸構造とすることができる。さらに、ボンディングワイヤの長さを、封止材の気密封止を劣化させることなく、容易に０．１〜２ｍｍとすることができる。
【００２１】
また、本発明の光半導体装置は、上記の光半導体素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されてその電極が前記金属製端子の前記上面側の端部と電気的に接続された光半導体素子とを具備していることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の光半導体装置によれば、上記の光半導体素子収納用パッケージと、搭載部に搭載されてその電極が金属製端子の上面側の端部と電気的に接続された光半導体素子とを具備していることから、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の挿入損失や反射損失を良好に抑制でき、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の伝送損失を小さくして伝送することが可能な半導体装置とすることができる。
【００２３】
【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および光半導体装置について添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
図１（ａ）は、本発明の光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子を搭載して成る光半導体装置の実施の形態の一例を示した断面図であり、図１（ｂ）お（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）に示す光半導体装置の蓋体を外した状態での上面図および下面図である。
【００２５】
これらの図において、１は金属基板、２は封止材、３は金属製端子、４は配線導体、５は絶縁基板、６はボンディングワイヤ、Ｔは金属製の屋根状部材であり、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、また、主にこの光半導体素子収納用パッケージと光半導体素子Ｓとで本発明の光半導体装置が構成される。
【００２６】
金属基板１は、光半導体素子Ｓを搭載するとともに搭載する光半導体素子Ｓが発生する熱を放散する機能を有し、その形状が円形状，半円形状，四角形状等で、厚みが０．５〜２ｍｍの平板状であり、その上面には光半導体素子Ｓを搭載する搭載部１ａを有するとともに搭載部１ａの近傍には上面から下面にかけて形成された直径０．５〜２ｍｍの貫通孔１ｂを有する。
【００２７】
なお、貫通孔１ｂの大きさが０．５ｍｍ未満の場合、金属製端子３を封止する封止材２の、貫通孔１ｂ内面−金属製端子３間の厚みが薄いものとなり、あるいは封止材２が貫通孔１ｂ内面−金属製端子３間に入り込むことが困難となり気密不良を発生し易くなり、他方２．０ｍｍを超えると金属基板１に搭載する光半導体素子Ｓの配置の設計自由度が小さくなり、そのため半導体素子収納用パッケージや半導体装置の大きさが不要に大きいものになり小型化をすることが困難となる傾向がある。従って、貫通孔１ｂの大きさは０．５〜２．０ｍｍが好ましい。
【００２８】
このような金属基板１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成り、例えば金属基板１がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る場合は、このインゴット（塊）に圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工方法を施すことによって所定形状に製作される。
【００２９】
また、金属基板１の表面には耐食性に優れ、かつ、ろう材との濡れ性に優れた厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層と厚さ０．５〜５μｍのＡｕ層をめっき法により順次被着させておくと、金属基板１が酸化腐食するのを有効に防止するとともに各部品を金属基板１に良好にろう付けすることができる。
【００３０】
なお、金属基板１の厚みは０．５ｍｍ以上が好ましく、厚みが０．５ｍｍ未満の場合、後述する第１の蓋体７ａや第２の蓋体７ｂを金属基体１に溶接する際に、溶接の条件（温度等）により金属基板１が曲がったりして変形し易くなる傾向があり、２ｍｍを超えると半導体素子収納用パッケージや半導体装置の厚みが不要に厚いものとなり小型化をすることが困難となる傾向がある。従って、金属基体１の厚みは０．５〜２ｍｍが好ましい。
【００３１】
なお、図１（ａ）〜（ｃ）には、半導体素子Ｓを１個搭載し、貫通孔１ｂを１個形成した例を示しているが、複数の半導体素子Ｓを搭載し、複数の貫通孔１ｂを形成してもよい。また、ここでいう光半導体素子Ｓとは、具体的にはＬＤやＰＤ、ＶＣＳＥＬ等の光半導体素子をいい、これらはＡｕ−Ｓｎ等の金属ろう材を介して金属基板１に搭載される。
【００３２】
金属基板１に形成された貫通孔１ｂには、長さが１．５〜２２ｍｍで、直径が０．１〜１ｍｍのピン状の金属製端子３が封止材２を介して固定されている。金属製端子３は、光半導体素子Ｓが送受信する電気信号を外部電気回路（図示せず）に伝送する機能を有する。なお、金属製端子３は、少なくとも金属基板１の下面側の端部が貫通孔１ｂから１〜２０ｍｍ程度突出するように、封止材２を介して固定されており、後述する絶縁基板５に形成された配線導体４と電気的に接続される。
【００３３】
なお、金属製端子３の金属基板１の上面側の端部は中央部に比べて径大のネールヘッドとなっており、また、端面は平坦で金属基板１の上面と平行あるいは上面より高い位置に位置しており、光半導体素子Ｓにボンディングワイヤ６等の電気的接続手段を介して接続される。
【００３４】
このような金属製端子３は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成り、例えば金属製端子３がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る場合は、このインゴットを圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工方法を施すことによって、長さが１．５〜２２ｍｍ、直径が０．１〜１ｍｍのピン状に製作される。
【００３５】
なお、金属製端子３の金属基板１の下面に突出した部位の長さが１ｍｍ未満であると、後述する配線導体４とろう材等を用いて強固に接合することが困難と成る傾向があり、２０ｍｍを超えると絶縁基板５の長さが不要に長いものとなり、光半導体素子収納用パッケージや光半導体装置を小型化することが困難となる傾向がある。従って、金属製端子３は、少なくとも金属基板１の下面側の端部が貫通孔１ｂから１〜２０ｍｍ程度突出するように、金属基板１に固定することが好ましい。
【００３６】
また、封止材２は、金属基板１と金属製端子３との絶縁間隔を確保するとともに、金属製端子３を金属基板１の貫通孔１ｂに固定する機能を有し、通常、ガラスやセラミックスなどの無機材料が用いられる。
【００３７】
なお、金属製端子３は、例えば厚みが金属基板１の厚みと同等で、外径が貫通孔１ｂの径より小さく、内径が金属製端子３の外径より大きいガラス製のリングを貫通孔１ｂに挿入するとともにリングに金属製端子３を挿入し、しかる後、ガラスを所定の温度で加熱，溶融することにより、金属製端子３の外周面が貫通孔１ｂの内面に気密に固定される。
【００３８】
また、金属基板１の下面には主面にその一辺から対向する他辺にかけて被着された直線状の配線導体４を有する四角平板状の絶縁基板５が、配線導体４を金属製端子３の下面側に突出した部位に平行に接合させて取着されている。
【００３９】
絶縁基板５は、配線導体４を支持する機能を有し、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ガラス−セラミックス等の無機材料から成り、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ，溶剤，可塑剤，分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを得、しかる後、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工，積層加工，切断加工を施すことにより絶縁基板５用の生セラミック成形体を得るとともにこの生セラミック成形体を約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。
【００４０】
配線導体４は、光半導体素子Ｓおよび外部電気回路間の電気信号を伝送する機能を有し、絶縁基板５の主面にその一辺から対向する他辺にかけて直線状に形成されている。
【００４１】
このような配線導体４は、絶縁基板５がポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂から成る場合は一般に銅めっきにより形成され、絶縁基板５が酸化アルミニウム質焼結体等の無機材料から成る場合は、タングステンやモリブデン、マンガン等から成り、例えば、絶縁基板５が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、タングステンの粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、あらかじめ主面となるセラミックグリーンシートにスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布し、セラミックグリーンシートを焼成することによって絶縁基板５の主面に形成される。
【００４２】
なお、配線導体４はその表面に、酸化防止のためおよび金属製端子３等を強固に接続するために、厚みが０．５〜９μｍのＮｉ層や厚さ０．５〜５μｍのＡｕ層等の金属層をめっき法により順次被着させておくことが好ましい。
【００４３】
また、絶縁基板５は、配線導体４の表面に半田や温度が２００〜４００℃に融点を有するＡｕ−Ｓｎ等の低融点ろう材を従来周知のスクリーン印刷法を用いて印刷し、次に、金属製端子３を固定した金属基板１を配線導体４と金属製端子３の金属基板１の下面側に突出した部位とを平行かつ対向するように載置し、しかる後、２００〜４００℃の温度で加熱することにより金属基板１に固定される。
【００４４】
そして、本発明の半導体素子収納用パッケージにおいては、絶縁基板５の主面に、金属製端子３の下面側に突出した部位を絶縁基板５の主面で同軸状に囲む、金属基板１と電気的に接続された金属製の屋根状部材Ｔが設けられており、この屋根状部材Ｔは、金属製端子３側の一端面の開口よりも他端面の開口が大きい。また、このことが重要である。
【００４５】
これにより、高周波信号の伝送時に、金属製端子３の下面側に突出した部位の特性インピーダンスが、金属製端子３の金属基板１の貫通孔１ｂ内に位置し、同軸構造となっている部位の特性インピーダンスと絶縁基板５の配線導体４の特性インピーダンスとの中間の大きさであるとともに、特性インピーダンスを滑らかに変化させることができるため、金属製端子３の特性インピーダンスと配線導体４の特性インピーダンスとの急激な変化を抑えることができ、反射損失を極めて小さくすることができ、その結果、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の挿入損失や反射損失を良好に抑制でき、１０ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送損失を小さくして伝送することが可能となる。
【００４６】
なお、金属製の屋根状部材Ｔは、金属製端子３の金属基板１の下面側に突出した部位の側面を隙間を介在させて覆う構造として形成されており、その長さが１〜２０ｍｍ程度であり、特性インピーダンスの整合性の観点からは、絶縁基板５の主面から配線導体４側で、金属製端子３の金属基板１の下面側に突出した部位全体を同軸状に覆うことが重要である。
【００４７】
屋根状部材Ｔは、厚みが０．５〜２ｍｍ程度で、その断面が、円環形状を半分に切った半円環形状、外周および内周が矩形状や三角形状，多角形状のもの、さらには外周または内周のいずれか一方が半円形状，矩形状，三角形状，多角形状で他方がその他の形状のもの等が用いられる。
【００４８】
また、屋根状部材Ｔの内周面は、図５に示すように、金属基板１から遠ざかるに従って漸次金属製端子３から離れるように形成されているのがよい。これにより、屋根状部材Ｔで覆われている金属製端子３の特性インピーダンスをより滑らかに変化させることができ、金属製端子３を伝送する高周波信号の損失を著しく減少させることができる。
【００４９】
このような内周面が金属基板１から遠ざかるに従って漸次金属製端子３から離れるように形成された屋根状部材Ｔは、例えば、内周面が階段状や直線状、曲面状に傾斜しており、より特性インピーダンスの変化を滑らかにするという観点からは、曲面状に傾斜しているのがよい。
【００５０】
また、屋根状部材Ｔは、図５に示すように、金属製端子３側の一端部の内周面が金属基板１の貫通孔１ｂの開口よりも内側、即ち金属製端子３により接近しているのがよい。これにより、金属基板１と絶縁基板５との境界における金属製端子３のインピーダンスの変化をより滑らかにして高周波信号の損失を減少させることができる。つまり、金属製端子３は、金属基板１の内部に位置する部位では誘電体から成る封止材２に覆われているのに対し、絶縁基板５に位置する部位では封止材２よりも誘電率が低い空気層によって覆われているため、この封止材２と空気層との誘電率の急激な変化に対応させるため、屋根状部材Ｔをより金属製端子３に近づけることでインピーダンスの変化をより小さくすることができる。
【００５１】
このような金属製の屋根状部材Ｔは、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成り、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴットを切削加工やＭＩＭ（メタル・インジェクション・モールド）等の従来周知の金属加工方法を施すことによって所定形状に製作される。
【００５２】
そして、金属製の屋根状部材Ｔは、金属基板１、および絶縁基板５の主面にあらかじめ被着したメタライズ層等の金属層に７００〜９００℃の融点を有する銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）等のろう材により接合される。なお、その表面には耐食性に優れかつろう材との濡れ性に優れた厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層と厚さ０．５〜５μｍの金Ａｕ層をめっき法により順次被着させておくことが好ましく、金属製の屋根状部材Ｔが酸化腐食するのを有効に防止するとともに、良好にろう付けすることができる。
【００５３】
なお、金属製の屋根状部材Ｔは、上述の金属基板１と一体成形してもよく、金属基板１と金属製の屋根状部材Ｔとを一体成形する場合は、前述した切削加工やＭＩＭ等の従来周知の金属加工方法等により製作される。
【００５４】
また、本発明の光半導体素子収納用パッケージにおいては、金属製端子３の上面側の端部が、光半導体素子Ｓの電極に長さが０．１〜２ｍｍのボンディングワイヤ６を介して電気的に接続されることが好ましい。
【００５５】
これにより、ボンディングワイヤ６はそのＬ成分（誘電性成分）および特性インピーダンスが非常に小さなものとなり、その結果、光半導体素子Ｓへの高周波信号の入出力時における反射損失を−１５ｄＢ以下と小さくすることができ、１０ＧＨｚ以上の高周波信号を低損失で伝送することが可能となる。
【００５６】
なお、ボンディングワイヤ６の長さが２ｍｍを超えるとボンディングワイヤ６のＬ成分が大きくなり過ぎ、良好な特性インピーダンスが得られなくなり、光半導体素子Ｓを正常に作動させることが困難となる傾向がある。また、ボンディングワイヤ６の長さが０．１ｍｍ未満の場合、光半導体素子Ｓおよび金属製端子３間のボンディング引回し作業が困難となり、ボンディング接合が不十分となる可能性がある。従って、ボンディングワイヤ６の長さを０．１〜２ｍｍの長さとすることが好ましい。
【００５７】
また、ボンディングワイヤ６の長さを０．１〜２ｍｍとするには、金属製端子３の上面側の端面の高さ位置と半導体素子Ｓの表面の高さ位置とが同じになるように金属製端子３を金属基体１に固定し、さらに半導体素子Ｓの電極と金属製端子３とを接触しない程度の距離を空けて近接して配置すればよい。また、例えば、金属製端子３と半導体素子Ｓの電極との距離を０．７ｍｍとし、ボンディングワイヤ６のループ高さを０．１５ｍｍにすることにより、ボンディングワイヤ６の長さを０．８ｍｍ程度とすることができる。
【００５８】
さらに、本発明の光半導体素子収納用パッケージにおいては、図２に断面図で示すように、貫通孔１ｂが下面側に大径部Ａを、上面側に大径部Ａと同軸で連なる小径部Ｂを有し、金属製端子３が大径部Ａに封止材２を介して固定されていることが好ましい。
【００５９】
これにより、金属製端子３は大径部Ａで十分な量の封止材２により貫通孔１ｂの内面に固定されるので気密封止が良好なものとなり、また、金属製端子３を小径部Ｂの開口を基準として位置決めすることにより位置精度よく金属基板１に封止材２を介して固定でき、貫通孔１ｂの内面や屋根状部材Ｔと良好な同軸構造とすることができる。なお、大径部Ａの直径は、封止材２を十分に充填させて気密封止を良好にするという観点からは、金属製端子３の直径より０．５〜１ｍｍ程度大きいことが好ましく、小径部Ｂの直径は、光半導体素子Ｓを金属製端子３により近づけるという観点からは、金属製端子３直径より０．１〜０．２ｍｍ程度大きくすることが好ましい。
【００６０】
また、封止材２は少なくとも大径部Ａに充填されていればよいが、小径部Ｂにも充填されていてもよい。
【００６１】
さらに貫通孔１ｂの大径部Ａの長さは、金属基板１の厚みの３０％以上が好ましい。大径部Ａの長さが金属基板１の厚みの３０％未満となると、封止材２の量が不十分となって良好な気密封止が困難となる傾向がある。
【００６２】
なお、下面側に大径部Ａを、上面側に大径部Ａと同軸で連なる小径部Ｂを有する貫通孔１ｂは、金属基板１に小径部Ｂと同径の貫通孔を打抜き法を用いて形成した後、大径部Ａとなる部分を切削加工法を用いて切削することにより形成される。また、金属製端子３を貫通孔１ｂの大径部Ａに封止材２を用いて固定するには、例えば厚みが大径部Ａの厚みと同等で、外径が大径部Ａの直径より若干小さく、内径が金属製端子３の外径より若干大きいガラス製のリングを貫通孔１ｂの大径部Ａに挿入するとともにリングに金属製端子３を挿入し、しかる後、ガラスを所定の温度で加熱，溶融することにより、金属製端子３の外周面が貫通孔１ｂの大径部Ａの内面に気密に固定される。
【００６３】
そして、本発明の光半導体装置は、上述の光半導体素子収納用パッケージの搭載部１ａに光半導体素子ＳをＡｕ−Ｓｎの低融点ろう材を介して実装し、しかる後、その電極を金属製端子３の上面側の端部とボンディングワイヤ６等の電気的接続部材を介して接続することにより製作される。
【００６４】
本発明の光半導体装置によれば、上記の半導体素子収納用パッケージと、搭載部１ａに搭載されてその電極が金属製端子３の上面側の端部と電気的に接続された光半導体素子Ｓとを具備していることから、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の挿入損失や反射損失を良好に抑制でき、１０ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送損失を小さくして伝送することが可能な半導体装置とすることができる。
【００６５】
なお通常は、金属基板１の上面には、外周端から幅１ｍｍ以内の外周部に、光半導体素子Ｓの保護を目的として、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る第１の蓋体７ａがＹＡＧレーザ溶接、シーム溶接またはろう付け等により固定され、そして、金属基板１の上面に第１の蓋体７ａを、例えばＹＡＧレーザで溶接，接合し、さらに第１の蓋体７の外周部（鍔状部）に、光ファイバ８と戻り光防止用の光アイソレータ（図示せず）とが樹脂接着剤で接着された第２の蓋体７ｂをＹＡＧレーザ溶接等で接合することによって、製品としての光半導体装置となる。
【００６６】
かくして、本発明の光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置によれば、絶縁基板５の主面に、金属製端子３の下面側に突出した部位を絶縁基板５の主面から配線導体４側で同軸状に囲む、金属基板１と電気的に接続された金属製の屋根状部材Ｔが設けられていることから、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の挿入損失や反射損失を良好に抑制でき、１０ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送損失を小さくして伝送することが可能な光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置となる。
【００６７】
なお、本発明は、上述の実施の形態の一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は可能である。
【００６８】
【実施例】
本発明の光半導体装置を、次に述べる評価用の試料と比較用の試料を作成して評価した。
【００６９】
本発明の光半導体装置を以下のように構成した。まず、主面に配線導体４および接地導体となるパターンをＣｕめっきした、厚み１．６ｍｍ×縦３０ｍｍ×横１５ｍｍのポリイミド樹脂からなる絶縁基板５を作製した。絶縁基板５は、比誘電率が４．１、配線導体４の幅は０．７ｍｍ、長さが１８．８ｍｍ、厚みが０．０３ｍｍであった。
【００７０】
次に、金属の母材を切削加工して、長さが５ｍｍで、金属基板に接する側の内周の直径が１．４ｍｍ、他方の側を３．１２ｍｍの半円錐状の屋根状部材Ｔが一体化して成る、厚みが１ｍｍで、直径が５．６ｍｍの円板状の金属基板１を製作した。金属基板１の中央部には、打ち抜き加工により金属製端子３を気密封止するための直径が１ｍｍの貫通孔１ｂを形成した。さらに金属基板１の表面には、厚み２μｍのＮｉ層と厚さ２μｍのＡｕ層をめっき法により順次被着した。
【００７１】
そして、金属基板１の貫通孔１ｂに金属製端子３を挿入し、封止材２であるガラスで接合することにより、気密封止した。その後、金属基板１の搭載部１ａに光半導体素子ＳであるＶＣＳＥＬをＡｕ−Ｓｎにてろう付けして搭載し、光半導体素子Ｓと金属製端子３とをボンディングワイヤ６にて電気的に接続した。一方、金属製端子３と配線導体４とを半田で電気的に接続した。なお、ボンディングワイヤ６の長さは、１ｍｍとした。
【００７２】
そして、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る第１の蓋体７ａを金属基板１の上面の外周部にシーム溶接により接合し気密封止し、しかる後、この第１の蓋体７ａの外周端部に、光ファイバ８と光アイソレータとを樹脂接着剤で接着した第２の蓋体７ｂをＹＡＧレーザ溶接により接合し、評価用の光半導体装置を作製した。
【００７３】
次に、比較用の試料は、上述の評価用の試料から金属製の屋根状部材Ｔを長さが５ｍｍで、内周の直径が２．３ｍｍの半円筒状のものに変更したものを用いた。
【００７４】
評価用および比較用の試料について、周波数を変化させて反射損失Ｓ１１を測定した結果を図３（ａ）、（ｂ）に示す。ここで図３（ａ）は、本発明の光半導体装置、図３（ｂ）は比較例である両端面の開口の大きさが等しい半円筒状の屋根部材Ｔを用いた光半導体装置の反射損失Ｓ１１の測定結果である。なお、図３（ａ）、（ｂ）において、横軸は周波数、縦軸は反射損失Ｓ１１である。
【００７５】
図３（ａ）より、本発明の光半導体装置は、５〜２０ＧＨｚでの特性インピーダンスのばらつきによる反射損失Ｓ１１を−１５ｄＢ以下に抑制できることが判った。一方、図３（ｂ）より、比較例である両端面の開口の大きさが等しい半円筒状の屋根部材Ｔを用いた光半導体装置は、５〜２０ＧＨｚにおいて特性インピーダンスのばらつきにより反射損失Ｓ１１が−１５ｄＢを超えることがわかった。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基板の主面に、金属製端子の下面側に突出した部位を絶縁基板の主面上で同軸状に囲むとともに、金属基板と電気的に接続された金属製の屋根状部材が設けられており、この屋根状部材は、金属製端子側の一端面の開口よりも他端面の開口が大きいことにより、高周波信号の伝送時に、金属製端子の下面側に突出した部位の特性インピーダンスが、金属製端子の金属基板の貫通孔内に位置し、同軸構造となっている部位の特性インピーダンスと絶縁基板の配線導体の特性インピーダンスとの間の大きさであるとともに、特性インピーダンスを滑らかに変化させることができるため、金属製端子の特性インピーダンスと配線導体の特性インピーダンスとの急激な変化を抑えることができ、反射損失を極めて小さくすることができ、その結果、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の挿入損失や反射損失を良好に抑制でき、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の損失を非常に小さくして伝送することが可能となる。
【００７７】
また、本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、金属製端子の上面側の端部が、光半導体素子の電極に長さが０．１〜２ｍｍのボンディングワイヤを介して電気的に接続される場合には、ボンディングワイヤはそのＬ成分（誘電性成分）および特性インピーダンスが非常に小さなものとなり、その結果、光半導体素子への高周波信号の入出力時における反射損失を−１５ｄＢ以下と小さくすることができ、１０ＧＨｚ以上の高周波信号を低損失で伝送することが可能となる。
【００７８】
さらに、本発明の光半導体素子収納用パッケージによれば、貫通孔は、金属基板の下面側に大径部を、上面側に大径部と同軸で連なる小径部を有し、金属製端子が大径部に封止材を介して固定されている場合には、金属製端子は大径部で十分な量の封止材により貫通孔の内面に固定されるので気密封止が良好なものとなり、また、金属製端子を小径部の開口を基準として位置決めすることにより位置精度よく金属基板に封止材を介して固定でき、貫通孔の内面や屋根状部材と良好な同軸構造とすることができる。さらに、ボンディングワイヤの長さを、封止材の気密封止を劣化させることなく、容易に０．１〜２ｍｍとすることができる。
【００７９】
また、本発明の光半導体装置によれば、上記の光半導体素子収納用パッケージと、搭載部に搭載されてその電極が金属製端子の上面側の端部と電気的に接続された光半導体素子とを具備していることから、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の挿入損失や反射損失を良好に抑制でき、１０ＧＨｚ以上の高周波信号の伝送損失を小さくして伝送することが可能な半導体装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子を実装して成る光半導体装置の実施の形態の一例の断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ（ａ）の蓋体を外した状態での上面図および下面図である。
【図２】本発明の光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子を実装して成る光半導体装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の半導体装置および従来の半導体装置における周波数と反射損失Ｓ１１との関係を示した図である。
【図４】（ａ）は、従来の光半導体装置の断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ（ａ）の蓋体を外した状態での上面図および下面図である。
【図５】本発明の光半導体素子収納用パッケージに光半導体素子を実装して成る光半導体装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・金属基板
１ａ・・・・・・搭載部
１ｂ・・・・・・貫通孔
Ａ・・・・・・・大径部
Ｂ・・・・・・・小径部
２・・・・・・・封止材
３・・・・・・・金属製端子
４・・・・・・・配線導体
５・・・・・・・絶縁基板
６・・・・・・・ボンディングワイヤ
Ｓ・・・・・・・光半導体素子
Ｔ・・・・・・・金属製の屋根状部材
【図１】
2004356334.tif 000003
【図２】
2004356334.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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