(57)【要約】【課題】プリント基板等の撓みによりリードが変形した場合でも、セラミックに接合されたリード端部に発生する応力を緩和して、リードの剥離を防止することが可能な光通信用半導体素子収納パッケージを提供する。【解決手段】光通信用半導体素子収納パッケージ１は、略箱型をなし、内部にキャビティを有するＫＶ製の基体２の前面に穿設された貫通孔に光信号を通すケーブル７を固定するためのＫＶリング８が接合され、放熱板３が接合される基体２の底面に穿設された切り欠き部１０から一部を露出するようにセラミック製の絶縁体６がキャビティ内に設置されており、半導体素子と導通する導体配線パターンが絶縁体６に形成され、切り欠き部１０から露出した導体配線パターンに形成された端子部５に一端が接合されたリード４ｂは、基体２の縁部２ａから外側に延設される部分Ｐが平面視略クランク状に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に光通信用の半導体素子を収納するためのキャビティが設けられる光通信用半導体素子収納パッケージにおいて、前面に光信号を通すための貫通孔が穿設され底面に切り欠き部が設けられた略箱型の金属製の基体と、前記半導体素子に導通するとともに前記切り欠き部からその一部を露出する導体配線パターンと、この導体配線パターンを前記基体から絶縁可能に前記キャビティ内に設置されるセラミック製の絶縁体と、前記切り欠き部から露出する前記導体配線パターンに導通するように一端が前記絶縁体に接合され他端が前記基体の縁部から外側に向かって延設されるリードとを備え、このリードは前記基体の前記縁部から延設された部分が平面視略クランク状に形成されたことを特徴とする光通信用半導体素子収納パッケージ。
【請求項２】
前記リードの一端は前記絶縁体に対してろう付けにより接合されることを特徴とする請求項１記載の光通信用半導体素子収納パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント基板（Printed Circuit Board）等に表面実装される光通信用半導体素子収納パッケージに係り、特に、パッケージ底面に接合されたリードが容易に剥離し難い光通信用半導体素子収納パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
信号伝送用の非冷却式のレーザダイオードや受光用ダイオードに使用される光通信用半導体素子収納パッケージは、例えば、セラミックと熱膨張係数が近似するＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」、Ｋｏｖａｒは米国登録商標）等の金属部材からなり、内部に形成されるキャビティに半導体素子を収納する基体と、キャビティの内部に設置され基体の底面や側面に穿設された切り欠き部からその一部を露出するセラミック製の絶縁体と、この絶縁体によって基体との絶縁性を保たれた状態で、キャビティ側から基体の外側にかけて形成される導体配線パターンと、この導体配線パターンを介してキャビティ内に収納された半導体素子に導通する外部端子とを備えている。また、キャビティに光信号を通すために、基体の側面には貫通孔が設けられており、この貫通孔には中空状の金属製固定部材が接合されている。なお、キャビティの気密性を保つため、半導体素子が収納された後、基体の上部にはＫＶ等の金属部材からなる封止リングを介して蓋体が接合される。
【０００３】
表面実装型の光通信用半導体素子収納パッケージについて図７を用いて説明する。
図７（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ従来技術に係る表面実装型の光通信用半導体素子収納パッケージの表面図及び裏面図である。
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、プリント基板等の表面に実装される光通信用半導体素子収納パッケージ５１は、ＫＶからなる基体５２の底面に銅タングステンからなる放熱板５３が接合されるとともに切り欠き部６０が穿設され、切り欠き部６０から露出した導体配線パターン（図示せず）に端子部５５を介してＫＶやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金等の金属部材からなるリード５４ａ，５４ｂが接合されている。キャビティ内で半導体素子に導通する導体配線パターンは、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックからなる絶縁体５６によって基体５２から完全に絶縁されている。
端子部５５は、導体配線パターンの切り欠き部６０からの露出部分に対して、タングステンやモリブデン等の高融点金属ペーストが印刷及び焼成されることにより形成される。そして、前述したように、端子部５５には幅０．３ｍｍのリード５４ａ及び幅０．２ｍｍのリード５４ｂがろう付け等により接合されている。このように、リード５４ａ，５４ｂ及び端子部５５はキャビティ内に収納された半導体素子に導体配線パターンを介して導通する外部端子を構成している。さらに、基体５２の側面にはキャビティに連通する貫通孔が穿設されており、この貫通孔にはキャビティに光信号を通すケーブル５７を固定するためにＫＶリング５８が接合されている。なお、キャビティは、基体５２の上部にＫＶ製の封止リング（図示せず）を介して接合される蓋体５９により、気密性が保たれている。
【０００４】
表面に様々な導体配線パターンが形成されたプリント基板等に光通信用半導体素子収納パッケージ５１を実装する場合、リード５４ａ，５４ｂが導体配線パターンに半田付けされることになる。そのため、機械的あるいは熱的な要因でプリント基板が撓んだ場合、リード５４ａ，５４ｂはプリント基板とともに変形し、その端部を絶縁体５６から引き剥がすような力が発生する。このとき、幅が狭いリード５４ｂは、リード５４ａに比べて容易に剥離する。
リード５４ａ，５４ｂの接合強度に関するこのような課題は、光通信用半導体素子収納パッケージに限らず、半導体素子を収納する他のパッケージの分野においても共通して存在する。そのため、リードの剥離を防止する技術について、従来、盛んに研究がなされており、これまでにもいくつかの発明や考案が開示されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、「半導体装置用リード」という名称で、リード外端に対して上下方向に力が加わった場合でも導体パッドからリード内端が剥離しないように、リード内端に発生する応力を抑えることが可能な「半導体装置用リード」に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、絶縁基板に設けられた導体パッドにろう付けされるリードに対して、ろう付け箇所近傍のリードの両側縁をそれぞれコの字状に切り欠いたことを特徴とするものである。
このような構造によれば、リード外端に上下方向の力が加わった場合、両側縁の切り欠きにより曲げ剛性が低下したリード中途部が上下に曲がるため、リード内端のろう付け箇所には過大な応力が発生しない。従って、リード内端のろう付け箇所が導体パッドから剥離して脱落しないように防止することができる。
【０００６】
また、特許文献２には「部品の実装方法」という名称で、リード線の折り曲げ部位と半田付け部分との間に加わる応力を低減し、半田付け部分のクラックを防止することが可能な「部品の実装方法」に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、所要の位置で略「つ」字型に折り曲げたリード線をプリント配線基板の孔に挿入し、上記折り曲げ部位をプリント配線基板の孔の上部に面接させた状態でリード線の先端部位をプリント配線基板のパターンに半田付けすることを特徴としている。
このような構造によれば、部品の発熱等によりプリント配線基板が膨張した場合に、折り曲げ部位の弾性効果によってリード線の折り曲げ部位と半田付け部分との間に加わる応力が吸収されるという作用を有する。これにより、半田付け部分におけるクラックの発生が防止される。
【０００７】
さらに、特許文献３には「半導体パッケージの製造方法」という名称で、金属製のパッケージ本体に装着されるセラミック端子にリードが接合された構造の半導体パッケージにおいて、製造工程における不良発生率を抑え、確実に良品を得ることができる製造方法に関する発明が開示されている。
特許文献３に開示された発明は、パッケージ本体と、セラミック端子及び電極にリードを位置合わせしてろう付けされたリードフレームからなるリード接合体とを相互に位置合わせしてセットするとともに、加熱炉中でパッケージ本体とリード接合体のセラミック端子とをろう付けして半導体を組み立てるというものである。そして、リードに屈曲部やハーフエッチング部を設けたことを特徴としている。
このような構造によれば、パッケージ本体とセラミック端子とをろう付けする際にリードの伸縮により発生する熱応力が、リードの屈曲部やハーフエッチング部によって緩和されるという作用を有する。これにより、リードの変形等による不良の発生を抑えて確実に半導体パッケージを製造することができる。
【特許文献１】特開平６−１８１２７６号公報
【特許文献２】特開平６−４５７２４号公報
【特許文献３】特開２００６−１２８３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明においては、リードに切り欠きを設けられるほど十分な幅がない場合には、適用できないという課題があった。
【０００９】
また、特許文献２に開示された発明においては、リード線の長さ方向に発生する力を緩和する効果はあるものの、リード線を曲げる方向に発生する力に対しては緩和する効果がないという課題があった。
【００１０】
特許文献３に開示された発明においては、リードの伸縮に伴ってリードの長さ方向に発生する熱応力を緩和することはできるが、例えば、リードに曲げ応力が発生する場合には効果がないという課題があった。
【００１１】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、プリント基板等の撓みによりリードが変形した場合でも、セラミックに接合されたリード端部に発生する応力を緩和して、リードの剥離を防止することが可能な光通信用半導体素子収納パッケージ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】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である光通信用半導体素子収納パッケージは、内部に光通信用の半導体素子を収納するためのキャビティが設けられる光通信用半導体素子収納パッケージにおいて、前面に光信号を通すための貫通孔が穿設され底面に切り欠き部が設けられた略箱型の金属製の基体と、半導体素子に導通するとともに切り欠き部からその一部を露出する導体配線パターンと、この導体配線パターンを基体から絶縁可能にキャビティ内に設置されるセラミック製の絶縁体と、切り欠き部から露出する導体配線パターンに導通するように一端が絶縁体に接合され他端が基体の縁部から外側に向かって延設されるリードとを備え、このリードは基体の縁部から延設された部分が平面視略クランク状に形成されたことを特徴とするものである。
このような構造の光通信用半導体素子収納パッケージにおいては、プリント基板の撓み等に伴うリードの変形によって絶縁体との接合部に生じる応力が、クランク状に形成された部分により緩和されるという作用を有する。これにより、絶縁体に対してリードが剥離し難くなる。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光光通信用半導体素子収納パッケージにおいて、リードの一端は絶縁体に対してろう付けにより接合されることを特徴とするものである。
このような構造の光通信用半導体素子収納パッケージにおいては、絶縁体に対してリードが剥離し難くなる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明の請求項１に記載の光通信用半導体素子収納パッケージにおいては、プリント基板が撓んだ場合でも、絶縁体に接合されたリード端部に発生する応力を緩和して、リードの剥離を防止できる。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の光通信用半導体素子収納パッケージによれば、絶縁体に対するリードの剥離を防止でき、製品の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の最良の実施の形態に係る光通信用半導体素子収納パッケージの実施例について図１乃至図６を用いて説明する。
【実施例】
【００１７】
図１（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の最良の実施の形態に係る光通信用半導体素子収納パッケージの表面図及び裏面図である。また、図２（ａ）乃至（ｃ）は本実施例の光通信用半導体素子収納パッケージの変形例を示す図である。なお、図２（ａ）乃至（ｃ）は図１（ａ）において幅０．２ｍｍのリード及びその近傍を部分的に拡大した図に相当する。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例の表面実装型の光通信用半導体素子収納パッケージ１は、ＫＶからなる略箱型の基体２の内部（キャビティ）に半導体素子を収納し、基体２の上部を蓋体９で覆ってキャビティ内の気密性を保つ構造となっている。基体２の前面にはキャビティに連通するように貫通孔が穿設され、光信号を通すケーブル７を固定するＫＶリング８がこの貫通孔に接合されている。基体２の底面には銅タングステンからなる放熱板３が接合されるとともに切り欠き部１０が穿設されている。また、キャビティの内部にはアルミナや窒化アルミニウム等のセラミックからなる絶縁体６が切り欠き部１０からその一部を露出した状態で設置されており、絶縁体６には半導体素子と導通する導体配線パターン（図示せず）が形成されている。導体配線パターンは絶縁体６により基体２との絶縁性が完全に保たれており、切り欠き部１０からの露出した部分にはタングステンやモリブデン等の高融点金属ペーストが印刷・焼成されて端子部５が形成されている。端子部５には、ＫＶやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金等の金属部材からなるリード４ａ（厚さ０．２ｍｍ、幅０．３ｍｍ）及びリード４ｂ（厚さ０．２ｍｍ、幅０．２ｍｍ）がろう付け等により接合されており、リード４ｂは基体２の縁部２ａから外側に延設される部分Ｐが平面視略クランク状、すなわち、リード４ｂが一旦略９０度曲がった後に、再度略９０度曲がって最初の延設方向に戻るように形成されている。このように、リード４ａ，４ｂ及び端子部５は導体配線パターンを介して半導体素子と導通する外部端子を構成している。
【００１８】
なお、リード４ｂの形状は図１に示すものに限定されない。例えば、リード４ｂでクランク状に形成される部分Ｐは、図２（ａ）に示すように、先端が互いに離れるように曲折されたものであっても良いし、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、同一方向に曲折されたものであっても良い。さらに、リード４ｂだけでなく、リード４ａについてクランク状に形成された部分を設けても良い。また、リード４ａ，４ｂを絶縁体６に接合する方法は、ろう付けに限定されるものではなく、適宜変更可能である。なお、以下に説明する光通信用半導体素子収納パッケージ１の作用及び効果は、リード４ａ，４ｂがろう付け以外の方法によって接合された場合であっても同様に発揮される。
【００１９】
光通信用半導体素子収納パッケージ１が実装されたプリント基板が撓んだ場合にリード４ａ，４ｂに生じる変形について図３を用いて説明する。
図３（ａ）及び（ｂ）は本実施例の光通信用半導体素子収納パッケージ１においてリード４ａ，４ｂと絶縁体６の接合部及びその周辺を拡大した模式図である。なお、図３において、リード４ａとリード４ｂの幅及び厚さは等しいものとする。また、実際には、プリント基板の撓みによってリード４ａ，４ｂは接合面全体に亘ってプリント基板から力を受けることになるが、以下、便宜上、それらの力を簡略化し、リード４ａ，４ｂは先端に対して下向き（Ｚ軸の正の向き）の力Ｆのみを受けるものとして説明する。
図３（ａ）に示すように、リード４ａの先端に下向き（Ｚ軸の正の向き）の力Ｆが加わった場合、リード４ａには絶縁体６に接合された固定端に対してＸ軸を中心としてリード４ａを回転させるような曲げモーメントＡが発生する。これに対し、図３（ｂ）に示すように、リード４ｂの先端に下向き（Ｚ軸の正の向き）の力Ｆが加わった場合には、絶縁体６に接合されたリード４ｂの固定端に対してＸ軸を中心としてリード４ｂを回転させるような曲げモーメントＡが発生するとともにＹ軸を中心としてリード４ｂをねじるようなねじりモーメントＢが発生する。このように、リード４ｂは曲げに加えてねじりによる変形を生じるため、その先端における撓みは曲げによる変形のみを生じるリード４ａに比べて大きい。逆に言えば、プリント基板の撓みに伴ってリード４ａ，４ｂが変形し、その先端における撓み量が同じ場合でも、リード４ａ，４ｂの先端にそれぞれ加えられている力は同じではなく、一般に、リード４ｂの先端に加えられている力はリード４ａの先端に加えられている力よりも小さい。この場合、リード４ｂの接合部に発生する応力は、リード４ａの接続部に発生する応力よりも小さくなる。すなわち、プリント基板の撓みに伴ってリード４ａ，４ｂが、それぞれの先端の撓み量が等しくなるような変形をした場合でも、リード４ｂはリード４ａに比べて絶縁体６に対し、剥離し難い。なお、このような作用は、図３に示すようなリード４ａ，４ｂの先端に単一の力Ｆのみが作用する場合に限らず、プリント基板の撓みに伴ってリード４ａ，４ｂが接合面全体に亘ってプリント基板から力を受ける場合にも同様に発揮される。
【００２０】
以上説明したように、上記構造の光通信用半導体素子収納パッケージ１においては、プリント基板の撓み等に伴いリード４ｂと絶縁体６の接合部に発生する応力が、リード４ｂのクランク状に形成された部分によって緩和されるという作用を有する。これにより、絶縁体６に対してリード４ｂが剥離し難くなる。また、本実施例の光通信用半導体素子収納パッケージ１においては、ろう付け等の接合により、リード４ａ，４ｂが絶縁体６に対して剥離し難くなり、製品の信頼性が向上する。  
【００２１】
このような作用により、本実施例の光通信用パッケージ１においては、プリント基板の撓みに伴って、リード４ａ，４ｂが強制的に曲げられた場合でも、幅の狭いリード４ｂの剥離を防止できるため、絶縁体６からのリード４ａ，４ｂの剥離を防いで製品の信頼性を向上させることができる。
【００２２】
次に、リード４ａ，４ｂと絶縁体６の接合部に発生する応力に関する数値解析結果について図４乃至図６を用いて説明する。なお、本解析は市販の構造解析用ソフトを用いて実施した。
図４（ａ）及び（ｂ）は従来技術の光通信用半導体素子収納パッケージにおけるリードと絶縁体の接合部及びその周辺を模式的に示した数値解析用モデルの斜視図である。また、図５（ａ）及び（ｂ）は本実施例の光通信用半導体素子収納パッケージにおけるリードと絶縁体の接合部及びその周辺を模式的に示した数値解析用モデルの斜視図であり、（ｃ）はリードのクランク形状を示す模式図である。なお、図４（ｂ）及び図５（ｂ）はそれぞれ図４（ａ）及び図５（ａ）においてプリント基板を撓ませた状態を示している。
図４及び図５に示すように、従来技術及び本実施例の光通信用半導体素子収納パッケージに係る数値解析モデル１１ａ，１１ｂでは、ともにリード１２ａ，１２ｂの端部上面が絶縁体１３にそれぞれ接合されるとともに、リード１２ａ，１２ｂの下面全体がプリント基板１４に接合されている。このような数値解析モデル１１ａ，１１ｂにおいて、絶縁体１３の端面１３ａ及びプリント基板１４の端面１４ａに対してＸＹＺ方向への移動をそれぞれ拘束するとともに、プリント基板１４の端縁１４ｂに対して下向き（Ｚ軸の正の向き）に所定の変位量（１ｍｍ）を与えて、リード１２ａ，１２ｂと絶縁体１３の接合部に発生する最大応力を数値解析によって求めた。なお、プリント基板１４の端縁１４ｂと絶縁体１３の端縁１３ｂの距離は５ｍｍである。
図４（ａ）及び（ｂ）に示す数値解析モデル１１ａでは、リード１２ａの長さを３．６ｍｍとし、リード１２ａの幅を０．３ｍｍとした。また、図５（ａ）及び（ｂ）に示す数値解析モデル１１ｂでは、リード１２ｂの長さを３．６ｍｍとし、リード１２ｂの幅を０．２ｍｍとするとともに、図５（ｃ）に示す折り曲げ寸法ｄを後述の７通りに設定した。なお、リード１２ａ，１２ｂにおいて絶縁体１３に接合された部分の長さ（張り付け部長さ）は０．６ｍｍである。また、数値解析モデル１１ｂにおいて折り曲げ寸法ｄを０ｍｍとすることは、数値解析モデル１１ａにおいてリード１２ａの幅を０．２ｍｍとすることに相当する。そして、数値解析モデル１１ａ，１１ｂの構成要素の機械的特性は表１に示したとおりである。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
図６は、図４及び図５の数値解析モデル１１ａ，１１ｂにおいてリード１２ａ，１２ｂと絶縁体１３の接合部に発生する最大応力を数値解析によって求めた結果である。横軸は折り曲げ寸法ｄ（図５（ｃ）参照）であり、縦軸はリード１２ａ，１２ｂと絶縁体６の接合部に発生する最大応力である。なお、縦軸は、リード１２ｂで折り曲げ寸法ｄが０ｍｍのときの最大応力を１００％として、相対値で表している。
図６に示すように、数値解析モデル１１ａにおいてリード１２ａと絶縁体１３の接合部に発生する最大応力は、数値解析モデル１１ｂにおいて折り曲げ寸法ｄを０ｍｍとした場合にリード１２ｂと絶縁体１３の接合部に発生する最大応力の８６％となっている。なお、既に述べたように、数値解析モデル１１ｂで折り曲げ寸法ｄが０ｍｍのときの結果と、数値解析モデル１１ａでリード１２ａの幅が０．２ｍｍのときの結果は同じである。すなわち、リード１２ａで幅が０．２ｍｍの場合には、幅が０．３ｍｍの場合に比べてリード１２ａと絶縁体１３の接合部に発生する応力が大きい。従って、リード１２ａの幅が狭いと、プリント基板１４が撓んだときに絶縁体１３から剥離し易いといえる。
一方、数値解析モデル１１ｂでは、折り曲げ寸法ｄを長くするに従って、リード１２ｂと絶縁体１３の接合部に発生する最大応力が小さくなっている。そして、折り曲げ寸法ｄを０．３５ｍｍにすると、数値解析モデル１１ａ（リード１２ａの幅は０．３ｍｍ）の結果とほぼ一致する。この場合、リード１２ｂと絶縁体１３の接合部の最大応力は、数値解析モデル１１ａにおけるリード１２ａと絶縁体１３の接合部の最大応力と略等しい。これは、プリント基板１４の撓みによってリード１２ｂの接合部に発生する応力が、リード１２ｂでクランク状に形成された部分によって緩和されることを示している。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上説明したように、請求項１及び請求項２に記載された発明は、光通信用半導体素子収納パッケージに限らず、セラミックにリードが接合される構造の端子部を備えたあらゆる機器に対して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の最良の実施の形態に係る光通信用半導体素子収納パッケージの表面図及び裏面図である。
【図２】（ａ）乃至（ｃ）は本実施例の光通信用半導体素子収納パッケージの変形例を示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本実施例の光通信用半導体素子収納パッケージにおいてリードと絶縁体の接合部及びその周辺を拡大した模式図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は従来技術の光通信用半導体素子収納パッケージにおけるリードと絶縁体の接合部及びその周辺を模式的に示した数値解析用モデルの斜視図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本実施例の光通信用半導体素子収納パッケージにおけるリードと絶縁体の接合部及びその周辺を模式的に示した数値解析用モデルの斜視図であり、（ｃ）はリードのクランク形状を示す模式図である。
【図６】図４及び図５の数値解析モデルにおいてリードと絶縁体の接合部に発生する最大応力を数値解析によって求めた結果である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ従来技術に係る表面実装型の光通信用半導体素子収納パッケージの表面図及び裏面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…光通信用半導体素子収納パッケージ  ２…基体  ２ａ…縁部  ３…放熱板  ４ａ，４ｂ…リード  ５…端子部  ６…絶縁体  ７…ケーブル  ８…ＫＶリング  ９…蓋体  １０…切り欠き部  １１ａ，１１ｂ…数値解析モデル  １２ａ，１２ｂ…リード  １３…絶縁体  １３ａ…端面  １３ｂ…端縁  １４…プリント基板  １４ａ…端面  １４ｂ…端縁  ５１…光通信用パッケージ  ５２…基体  ５３…放熱板  ５４ａ，５４ｂ…リード  ５５…端子部  ５６…絶縁体  ５７…ケーブル  ５８…ＫＶリング  ５９…蓋体  ６０…切り欠き部  ｄ…折り曲げ寸法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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