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技術 光半導体素子用パッケージ

出願人 新光電気工業株式会社韓国新光マイクロエレクトロニクス株式会社
発明者 池田巧海沼正夫木村康之姜昌薫姜泰旭金享坤
出願日 2016年1月8日 (4年11ヶ月経過) 出願番号 2016-002347
公開日 2017年7月13日 (3年5ヶ月経過) 公開番号 2017-123414
状態 特許登録済
技術分野 半導体レーザ 受光素子1(共通事項、放射線検出) 半導体容器とその封止 半導体または固体装置のマウント
主要キーワード 緩衝部分 理想モデル ガラスクラック 加工オイル 異種材 水分浸透 完全導体 解析構造
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年7月13日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

量産性及び反射特性に優れた光半導体素子用パッケージを提供すること。

解決手段

本光半導体素子用パッケージは、貫通孔が形成されたアイレットと、前記貫通孔に挿通された信号用リードと、前記貫通孔内において前記信号用のリードを封止するガラス封止部と、を有し、前記信号用のリードは、小径部と、テーパ部を介して前記小径部の両側に設けられた大径部と、を備え、前記小径部及び前記テーパ部は前記ガラス封止部内に配置され、前記ガラス封止部内に配置される前記大径部の長さは0.2mm以下である。

概要

背景

光通信において面発光レーザフォトダイオードが搭載されるパッケージとして、例えば、JEDEC( JEDEC Solid State Technology Association:半導体技術協会)で規定されているTO−46パッケージ等の光半導体素子用パッケージが用いられている。光半導体素子用パッケージでは、パッケージに設けた貫通孔リード端子部)を挿通し、ガラス封止する構造が一般的である。又、光半導体素子用パッケージでは、高速通信時の信号の伝送効率低下を防止するために、リードの特性インピーダンスを、例えば、1端子辺り50Ωに整合させている。

ところで、光半導体素子用パッケージでは、スペースが限られているため、1端子辺りのインピーダンスを50Ωに整合させるために、リードを挿通する孔を大きくすることは困難である。そのため、ガラスの誘電率を下げることや、リードの線径を細くすることが考えられている。

しかしながら、リードの線径を細くすると、曲がりやすくなるばかりか、リードの上端部にはワイヤーボンドをするため、ワイヤーボンドのエリアが確保できなくなる。リードの上端部を広くする(所謂ネイルリード)方法もあるが、元の線径が細いと安定した加工が困難である。

このように、リードの線径を細くすることには限界があるため、リードの形状を工夫して、部分的に線径を細くすることが検討されている。

概要

量産性及び反射特性に優れた光半導体素子用パッケージを提供すること。本光半導体素子用パッケージは、貫通孔が形成されたアイレットと、前記貫通孔に挿通された信号用のリードと、前記貫通孔内において前記信号用のリードを封止するガラス封止部と、を有し、前記信号用のリードは、小径部と、テーパ部を介して前記小径部の両側に設けられた大径部と、を備え、前記小径部及び前記テーパ部は前記ガラス封止部内に配置され、前記ガラス封止部内に配置される前記大径部の長さは0.2mm以下である。

目的

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、量産性及び反射特性に優れた光半導体素子用パッケージを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

貫通孔が形成されたアイレットと、前記貫通孔に挿通された信号用リードと、前記貫通孔内において前記信号用のリードを封止するガラス封止部と、を有し、前記信号用のリードは、小径部と、テーパ部を介して前記小径部の両側に設けられた大径部と、を備え、前記小径部及び前記テーパ部は前記ガラス封止部内に配置され、前記ガラス封止部内に配置される前記大径部の長さは0.2mm以下である光半導体素子用パッケージ

請求項2

前記ガラス封止部は気泡を含有している請求項1に記載の光半導体素子用パッケージ。

請求項3

前記貫通孔内には信号用のリードが2本挿通されている請求項1又は2に記載の光半導体素子用パッケージ。

技術分野

0001

本発明は、光半導体素子用パッケージに関する。

背景技術

0002

光通信において面発光レーザフォトダイオードが搭載されるパッケージとして、例えば、JEDEC( JEDEC Solid State Technology Association:半導体技術協会)で規定されているTO−46パッケージ等の光半導体素子用パッケージが用いられている。光半導体素子用パッケージでは、パッケージに設けた貫通孔リード端子部)を挿通し、ガラス封止する構造が一般的である。又、光半導体素子用パッケージでは、高速通信時の信号の伝送効率低下を防止するために、リードの特性インピーダンスを、例えば、1端子辺り50Ωに整合させている。

0003

ところで、光半導体素子用パッケージでは、スペースが限られているため、1端子辺りのインピーダンスを50Ωに整合させるために、リードを挿通する孔を大きくすることは困難である。そのため、ガラスの誘電率を下げることや、リードの線径を細くすることが考えられている。

0004

しかしながら、リードの線径を細くすると、曲がりやすくなるばかりか、リードの上端部にはワイヤーボンドをするため、ワイヤーボンドのエリアが確保できなくなる。リードの上端部を広くする(所謂ネイルリード)方法もあるが、元の線径が細いと安定した加工が困難である。

0005

このように、リードの線径を細くすることには限界があるため、リードの形状を工夫して、部分的に線径を細くすることが検討されている。

先行技術

0006

特開2009−105284号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、リードの形状を工夫する場合には、量産性を十分に考慮する必要がある。例えば、リードに階段形状を設けて部分的に線径を細くする方法では、切削加工の場合には実現可能であるが、量産性を考慮したプレス加工の場合には、線径の異なる部分が緩衝部分を介さずに隣接する階段形状の加工は困難であるため、現実的ではない。

0008

又、従来は、リードの形状を工夫する場合に、インピーダンス不整合により生じる反射特性について、十分に考慮されていなかった。

0009

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、量産性及び反射特性に優れた光半導体素子用パッケージを提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0010

本光半導体素子用パッケージは、貫通孔が形成されたアイレットと、前記貫通孔に挿通された信号用のリードと、前記貫通孔内において前記信号用のリードを封止するガラス封止部と、を有し、前記信号用のリードは、小径部と、テーパ部を介して前記小径部の両側に設けられた大径部と、を備え、前記小径部及び前記テーパ部は前記ガラス封止部内に配置され、前記ガラス封止部内に配置される前記大径部の長さは0.2mm以下であることを要件とする。

発明の効果

0011

開示の技術によれば、量産性及び反射特性に優れた光半導体素子用パッケージを提供できる。

図面の簡単な説明

0012

本実施の形態に係る光半導体素子用パッケージを例示する図である。
第1リード及び第2リードの形状とガラス封止部との位置関係について説明する図(その1)である。
第1リード及び第2リードの形状とガラス封止部との位置関係について説明する図(その2)である。
本実施例に係る光半導体素子用パッケージの反射特性を例示する図(その1)である。
本実施例に係る光半導体素子用パッケージの反射特性を例示する図(その2)である。
本実施例に係る光半導体素子用パッケージの反射特性を例示する図(その3)である。

実施例

0013

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

0014

まず、本実施の形態に係る光半導体素子用パッケージの構造について説明する。図1は、本実施の形態に係る光半導体素子用パッケージを例示する図であり、(a)は斜視図、(b)は(a)のA−A線に沿う断面図である。

0015

図1を参照するに、本実施の形態に係る光半導体素子用パッケージ10は、アイレット20と、リード30と、ガラス封止部40及び50とを有する。

0016

アイレット20は、略円板状の部材であり、下端側が環状に拡径している。アイレット20の側面には、外周側から中心側に窪んだ形状の凹部20dが形成されている。凹部20dは、例えば、平面形状が略Vの字状に形成されており、例えば、光半導体素子用パッケージ10に発光素子を搭載する際の位置決め等に用いることができる。

0017

アイレット20は、例えば、コバール(鉄にニッケルコバルトを配合した合金)、鉄等の金属材料から形成することができる。アイレット20の表面にめっきを施してもよい。アイレット20は、例えば、冷間鍛造プレス等により作製できる。

0018

なお、本願において、円板状とは、平面形状が略円形で所定の厚さを有するものを指す。直径に対する厚さの大小は問わない。又、部分的に凹部や凸部等が形成されているものも含むものとする。

0019

リード30は、第1リード31と、第2リード32と、第3リード33と、第4リード34と、第5リード35とを有する。

0020

第1リード31及び第2リード32は、信号用のリードである。第1リード31及び第2リード32は、アイレット20を厚さ方向に貫通する貫通孔20x(長穴)に、長手方向を厚さ方向に向けて挿通され、周囲をガラス封止部40に封止されている。第1リード31及び第2リード32の線径は、例えば、0.21mm程度とすることができる。第1リード31及び第2リード32の上端側は、アイレット20の上面から上側に0〜0.5mm程度突出している。第1リード31及び第2リード32の下端側はアイレット20の下面から下側に6〜20mm程度突出している。

0021

第1リード31及び第2リード32は、例えば、銅等の金属から構成されている。第1リード31及び第2リード32の上端側は、例えば、光半導体素子用パッケージ10に搭載される発光素子と電気的に接続される。光半導体素子用パッケージ10に受光素子も搭載する場合には、受光素子と電気的に接続されてもよい。又、発光素子や受光素子と接続されるリードの数を更に増やしてもよい。

0022

なお、第1リード31及び第2リード32は、第4リード34及び第5リード35と同様に独立した貫通孔に夫々挿通されてもよいが、1つの貫通孔内に2本挿通されていることで、省スペース化の効果を奏する。

0023

第3リード33は、接地用のリードである。第3リード33の線径は、例えば、0.35mm程度とすることができる。第3リード33は、長手方向を厚さ方向に向けてアイレット20の下面から下側に6〜20mm程度突出するように、アイレット20の下面に溶接等により接合されている。第3リード33は、例えば、銅等の金属から構成されている。なお、第3リード33はアイレット20と導通するように接合されており、第3リード33が接地されるとアイレット20も接地される。

0024

第4リード34及び第5リード35は、電源用のリードである。第4リード34は、アイレット20を厚さ方向に貫通する貫通孔20yに、長手方向を厚さ方向に向けて挿通され、周囲をガラス封止部50に封止されている。第5リード35は、アイレット20を厚さ方向に貫通する貫通孔20zに、長手方向を厚さ方向に向けて挿通され、周囲をガラス封止部50に封止されている。第4リード34及び第5リード35の線径は、例えば、0.35mm程度とすることができる。

0025

第4リード34及び第5リード35の上端側は、アイレット20の上面から上側に0〜0.5mm程度突出している。第4リード34及び第5リード35の下端側はアイレット20の下面から下側に6〜20mm程度突出している。第4リード34及び第5リード35は、例えば、コバール等の金属から構成されている。

0026

信号用の第1リード31及び第2リード32を封止するガラス封止部40の誘電率は、電源用の第4リード34及び第5リード35を封止するガラス封止部50の誘電率より低く設計されている。例えば、ガラス封止部40を構成するガラスに気泡を含有させ、ガラスに含有される気泡の量を制御することによって、ガラス封止部40の誘電率をガラス封止部50の誘電率より低く調節することができる。ガラス封止部40の誘電率は、使用するガラスの材質添加物にも依存するため、含有させる気泡の量は使用するガラスの材質等に応じて適宜決定される。なお、ガラス封止部40内へ気泡を含有させても、ガラス封止部40の気密性は低下しない。

0027

次に、図2及び図3を参照しながら、第1リード31及び第2リード32の形状、及び第1リード31及び第2リード32とガラス封止部40との位置関係について説明する。なお、図2及び図3では第1リード31を図示して説明するが、第2リード32についても同様である。

0028

第1リード31は、同心的に形成された大径部311、テーパ部312、小径部313、テーパ部314、及び大径部315を有する。大径部311及び315は、テーパ部312及び314を介して小径部313の両側に設けられている。なお、図2及び図3では、便宜上、各部の境界点線で示している。

0029

大径部311の一端(上側)は開放されており、光半導体素子用パッケージ10に搭載される発光素子とワイヤー等で接続される部分となる。大径部311の他端は、テーパ部312を介して小径部313の一端と連結されている。小径部313の他端は、テーパ部314を介して大径部315の一端と連結されている。大径部315の他端(下側)は開放されている。大径部311、テーパ部312、小径部313、テーパ部314、及び大径部315は、プレス加工等により、一体に形成されたものである。

0030

このように、線径の変化点にテーパ部312及び314を設けて線径を徐々に変化させることで、反射特性を犠牲にすることなく、量産性や信頼性の高いリードを得ることができる。仮に、線径の変化点にテーパ部を設けずに階段形状にして線径を急激に変化させると、切削加工の場合には実現可能であるが、量産性を考慮したプレス加工は困難である。すなわち、リードのプレス加工時に、金型内で引っ張りや潰し等の鍛造加工が施される際に、階段形状のコーナ部に加工オイルが溜まり、素材金型にうまく流れ込まなくなるおそれがある。その結果、狙い通りの形状ができ難くて形状安定性が悪く、更に金型への負担が大きくなる。

0031

又、線径の異なる部分に応力を加えた場合、その部分に応力が集中して曲ってしまうおそれがある。又、ガラス封止部40内に熱膨張係数の異なる異種材を入れてガラス封止を行った場合、階段形状のコーナ部近傍のガラスに応力が集中しガラス封止後クラック等が発生しやすくなる。更に、階段形状のコーナ部近傍のガラスでは、抱き込んだ気泡が逃げることができず、ガラス内に意図的に含有させた気泡とは異なる気泡(いわゆる抱き込み気泡)が発生しやすくなる。

0032

線径の変化点にテーパ部312及び314を設けることにより、これらの問題を解決することができる。

0033

大径部311及び315の線径は、例えば、0.35mm程度とすることができる。小径部313の線径は、例えば、0.21mm程度とすることができる。テーパ部312及び314の長さは、例えば、0.1mm程度とすることができる。テーパ部312及び314のテーパ角は45度以下とすることが好ましく、例えば、35度程度とすることができる。

0034

小径部313、テーパ部312、及びテーパ部314は、全てガラス封止部40内に配置されている。又、ガラス封止部40内に配置された大径部311の長さL1と、ガラス封止部40内に存在する大径部315の長さL2との合計の長さは、0.2mm以下とされている。例えば、図3(a)に示すように、L1=0.1mm、L2=0.1mmとすることができる。或いは、図3(b)に示すように、L1=0mm、L2=0mmとしてもよい。但し、図3(a)及び図3(b)の例には限定されず、L1とL2は、L1+L2≦0.2mmを満足する任意の値とすることができる。又、L1とL2を異なる値としてもよい。

0035

第1リード31及び第2リード32において、L1+L2≦0.2mmとする理由は、ガラス封止部40中におけるインピーダンス不整合、及び空気中におけるインピーダンス不整合による反射を低減できるからである。インピーダンス不整合による反射を低減することにより、他の要件と合わせることで、高速通信用としてのインピーダンス値特定値に設計することが可能となる。例えば、第1リード31及び第2リード32を差動で使用する場合に、差動インピーダンスを100Ω(50Ω+50Ω)に近づけることが可能となる。その結果、優れた伝送特性を備えた光半導体素子用パッケージ10を実現できる。なお、ここでいう他の要件とは、貫通孔20xの大きさ、第1リード31及び第2リード32の線径、ガラス封止部40の誘電率等である。

0036

以下、実施例(シミュレーション)を通じて、L1+L2≦0.2mmとする理由について、更に詳しく説明する。

0037

[実施例]
(シミュレーション1)
図1及び図2に示す形状の第1リード31及び第2リード32を差動で使用する場合について、重要な電気特性である反射特性のシミュレーションを行った。第1リード31及び第2リード32のインピーダンスの目標値を100Ω(差動で使用するので50Ω+50Ω)とし、寸法等の条件を下記のように設定した。

0038

具体的には、図1及び図2で、ガラス封止部40の長さ(厚さ)0.9mm、ガラス封止部40の誘電率4.4、貫通孔20xの短手方向の幅1.2mm、大径部311及び315の線径0.35mm、小径部313の線径0.21mm、テーパ部312及び314の長さ0.1mm、テーパ部312及び314のテーパ角35度に設定し、小径部313の長さを0mm〜1.1mmまで段階的に変化させた場合の反射特性を調べた。

0039

合わせて、理想モデルについても同様のシミュレーションを行った。ここで、理想モデルとは、大径部311及び315と小径部313との間にテーパ部312及び314を設けずに階段形状としたモデルである。この理想モデルは、電気特性を考えた場合には理想的な形状であるが、前述のように金型を用いた実加工には適さない形状である。これに対して、テーパ部312及び314を有する形状は、実加工に適した形状である。

0040

結果を図4(a)に示す。図4(a)の横軸周波数GHz]、縦軸はSDD11(dB)である。SDD11は反射特性を示す指標であり、各周波数において値が小さい方が好ましい。

0041

なお、図4(b)は、シミュレーションを行った小径部313の長さを模式的に示しており、各リード上に接続されているのは発光素子を想定したモデルである。実際の構造では、第1リード31及び第2リード32と発光素子1(チップ)がボンディングワイヤで接続されるが、ここではボンディングワイヤが反射特性へ及ぼす影響を省き第1リード31及び第2リード32の構造の違いが反射特性へ及ぼす影響を明確に示すための解析構造を用いた。

0042

具体的には、発光素子1が実装されたサブマウント2がアイレット20に搭載されている。第1リード31及び第2リード32の上端側は完全導体シート3に接続され、完全導体シート3が発光素子1と接続されている。又、発光素子1は完全導体モデルとし、アイレット20と同様に接地されている。なお、便宜上発光素子1を図示しているが、サブマウント2は紙面奥側に延びており、発光素子1は実際には図4(b)で示す断面(図1のA−A断面と同じ)よりも紙面奥側(アイレット20の中心側)に実装されている。

0043

図4(a)より、小径部313の長さが0mmから0.7mmに移行するに従って反射特性が改善されて行くことがわかる。しかし、小径部313の長さが1.1mmの場合には反射特性が悪化している。これは、小径部313が空気中に突出し空気中での差動インピーダンスの増加がより支配的になり、大きなインピーダンス不整合が発生したためと考えられる。

0044

又、図4(a)より、ガラス封止部40の長さ0.9mmに対して、特に小径部313の長さを0.5mm〜0.7mmとした場合に、高い周波数帯域まで理想モデルに近い特性が得られることがわかる。又、図4(a)より、反射特性の変化は、ガラス封止部40中に存在する小径部313の長さの違いに支配され、テーパ部312及び314の有無の影響は少ないと考えられる。

0045

次に、図4(a)の結果における周波数25GHzのデータを小径部313の長さ毎に並べ、図5(a)に示した。つまり、図5(a)の横軸は小径部313の長さ[mm]、縦軸はSDD11(dB)である。但し、図5(b)に示すサンプルのデータも追加している。

0046

図5(a)に示すように、インピーダンス不整合は3つのグループG1〜G3に分けられ、ガラス封止部40中、空気中の夫々に対する特性インピーダンス整合重要性が確認できた。なお、グループG1は、ガラス封止部40中のインピーダンス不整合による反射が支配的なグループである。グループG3は、空気中のインピーダンス不整合による反射が支配的なグループである。これに対して、グループG2は、ガラス封止部40中及び空気中のインピーダンス不整合がグループG1及びG3より小さく、良好な特性インピーダンスを示すグループである。

0047

ここでは、インピーダンス不整合の大小を判断する閾値(SDD11の目標反射特性)を−19dBとしているが、これは市場から光半導体素子用パッケージに要求されている特性の目安である。

0048

図5(a)より、閾値(SDD11の目標反射特性)を−19dBとした場合、ガラス封止部40の長さ0.9mmに対して、小径部313の長さとして0.5mm〜0.7mmが必要であることがわかる。ここで、ガラス封止部40の長さ0.9mmからテーパ部312及び314の合計の長さ0.2mmを除くと0.7mmである。従って、許容されるインピーダンス不整合部の長さ(ガラス封止部40中の大径部の合計の長さ)を0.2mm以下にしないと、目標反射特性が得られないといえる。

0049

(シミュレーション2)
次に、ガラス封止部40の長さの影響について調査した。まず、図3に示した2つのサンプルを準備した。つまり、インピーダンス不整合部の長さ(ガラス封止部40中の大径部の合計の長さ)が0.2mmのサンプルと、0mmのサンプルである。そして、各サンプルについて、ガラス封止部40の長さを、0.9mm、1.2mm、1.5mmと変化させ、その影響について調査した。

0050

なお、1.2mm及び1.5mmは、ガラス封止される半導体用パッケージで一般的に用いられる寸法である。又、0.9mmは、本来ならガラス封止部の長さを1.1mmとすべき半導体用パッケージにおいて、0.2mm分をガラス封止せずに、空気層による差動インピーダンス100Ωの整合を狙ったものである。又、レーザフォトディテクタ等の実装領域を広げる効果も狙っている。

0051

結果を図6に示す。図6の横軸は周波数[GHz]、縦軸はSDD11(dB)である。又、A_0.9mm、A_1.2mm、A_1.5mmはインピーダンス不整合部の長さが0.2mmのグループのデータであり、B_0.9mm、B_1.2mm、B_1.5mmはインピーダンス不整合部の長さが0mmのグループのデータである。

0052

図6より、インピーダンス不整合部の長さが0.2mmのグループと0mmのグループでは、反射特性に若干の差異はあるが、総じて反射特性はガラス封止部40の長さには殆ど影響を受けないことが確認できた。

0053

実験1)
図1及び図2に示す形状の第1リード31及び第2リード32について、ガラス封止部40内に気泡を含有させた場合に、元々含有された気泡以外の気泡がテーパ部312及び314近傍に発生するか否かを確認した。10個のサンプルについて実験したところ、全てのサンプルについて気泡の発生は見られなかった。又、テーパ部312及び314近傍におけるガラスクラックの発生も皆無であった。

0054

(実験2)
図1に示す光半導体素子用パッケージ10のアイレット20上に、窓ガラス付きキャップ抵抗溶接法にて溶接した。なお、ガラス封止部40内には気泡を含有させた。次に、121℃/湿度100%/2気圧の環境下で280時間放置し、窓ガラス付きキャップ内への水分浸透の有無について、窓ガラスを介して確認した。10個のサンプルについて実験したところ、全てのサンプルについて水分浸透は見られなかった。つまり、ガラス封止部40内へ気泡を含有させても、ガラス封止部40の気密性は低下しないことが確認された。

0055

(まとめ)
以上のシミュレーション1及び2の結果をまとめると、反射特性を改善するためには、次の点が重要である。

0056

第1に、小径部313、テーパ部312、及びテーパ部314は、全てガラス封止部40内に存在していることが好ましい。

0057

第2に、ガラス封止部40内に存在する小径部313は長いほど好ましく、大径部311及び315は短いほど好ましいが、要求される反射特性を考慮すると、ガラス封止部40の長さに依らず大径部311及び315の長さが0.2mm以下であれば許容できる。

0058

第3に、ガラス封止部40内に存在する小径部313の長さが支配的であり、テーパ部312及び314の有無の影響は少ない。

0059

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

0060

例えば、上記の実施の形態等では、1つの孔に2つの信号用のリードを通したが、1つの孔に1つの信号用のリードを通してもよい。又、上記の実施の形態等では、2つの信号用のリードを差動で用いる例を示したが、2つの信号用のリードを単独で使用してもよい。又、光半導体素子用パッケージに含まれるリードの数は任意に決定してよい。これら何れの場合にも、上記の要件を満足することにより、優れた反射特性を実現することができる。

0061

10光半導体素子用パッケージ
20アイレット
20d 凹部
20x、20y、20z貫通孔
30リード
31 第1リード
32 第2リード
33 第3リード
34 第4リード
35 第5リード
40、50ガラス封止部
311、315 大径部
312、314テーパ部
313小径部

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