【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、LD素子などの光半導体素子を収納した光半導体モジュール、特に高周波数信号の処理に好適な光半導体モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年においては、光通信を初めとする技術分野において、高速で動作することが必要な光エレクトロニクス用の半導体装置、特にマイクロ波などの周波数の高い信号を処理するための光半導体素子を搭載した光半導体モジュールの需要が高まっている。
【0003】
例えば、特開平11−135690号公報には、図5に示すように、窒化アルミニウム(AlN)等からなるベース基板1に垂直な突出部2が接合され、そのダイエリアにレーザーダイオード(LD)素子3を接合したステムを用いる光半導体モジュールが記載されている。ベース基板1を貫通してグランド(GND)用及び信号用の複数の金属リード5が固定され、突出部2に接合されたLD素子3やベース基板1に搭載されたフォトダイオード(PD)素子4は信号用の各金属リード5にボンディングワイヤ6で接続されている。
【0004】
しかし、この光半導体モジュールは、LD素子3を駆動させるドライバーIC等の駆動素子を容器(パッケージ)内に搭載しないタイプであり、且つ突出部2に接合されたLD素子3は長いボンディングワイヤ6で金属リード5に接合されている。従って、ワイヤが長くなってインダクタンスが大きくなる他、配線部にインピーダンス整合がなされておらず、高周波数信号の処理には不適であって、5Gbps以下の伝送速度に特化したものである。
【0005】
また、米国特許第6331992号明細書には、ビアを設けたセラミックス基板にLD素子を搭載した光半導体モジュールが開示されている。しかしながら、このモジュールは、LD素子から垂直に光が照射される構造であるうえ、LD素子と基板上の配線を長いボンディングワイヤで接続しているため、ワイヤが長くなってインダクタンスが大きくなる他、インピーダンス整合がなされておらず、高速伝送に用いることはできない。
【0006】
尚、特開2001−298123号公報には、金属からなるベース基板に導電体と絶縁層でインピーダンス整合したビアを形成し、高周波素子を搭載した高周波用配線基板が記載されている。この公報にはインピーダンス整合された配線が開示されているが、LD素子等の光半導体素子を搭載するための基板ではなく、ましてベース基板上にLD素子搭載用の突出部を垂直に接合したタイプについては何ら記載されていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の光半導体モジュールにおいては、インピーダンス整合された配線部を有し且つ10Gbps以上の高速伝送が可能なものがなく、特に特開平11−135690号公報に記載されるような、ベース基板上に垂直に接合された突出部にLD素子等を搭載するタイプでは、LD素子等の配線部で高周波波形が崩れやすく、ノイズ耐性に劣るという欠点があった。
【0008】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、高周波数信号を処理する光半導体素子を搭載し、特にベース基板上に垂直に接合された突出部にLD素子等を搭載するタイプの光半導体モジュールについて、光半導体素子とベース基板上の配線との高周波接続を可能とし、高周波波形の崩れを防止して、ノイズ耐性に優れた、高速通信可能な光半導体モジュールを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する気密封止容器内に光半導体素子を収納してなる光半導体モジュールは、表裏面間を電気的に導通した多数のビアを有するAlNのベース基板と、ベース基板の表面上に垂直に接合されたAlNの突出部と、突出部に接合された光半導体素子とを備え、前記ベース基板表面にビアと接続した表面配線を形成すると共に、該表面配線と接続されるべき前記光半導体素子の配線を該表面配線と直交する方向となるように前記突出部に設けたことを特徴とする。
【0010】
本発明の上記光半導体モジュールにおいては、その一態様として、前記突出部の配線と前記ベース基板の表面配線の間が、長さ500μm以下のボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする。また、別の態様としては、前記突出部の配線と前記ベース基板の表面配線の間が、表面長さ500μm以下の半田で接続されていることを特徴とするものがある。
【0011】
更に、本発明の上記光半導体モジュールにおいては、前記ベース基板が、その裏面側で半田ボールを介して多層フレキシブルプリント基板に実装されていることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明においては、ベース基板及びベース基板上に垂直に接合した突出部を窒化アルミニウム(AlN)で構成すると共に、ベース基板中に導電性金属からなる多数のビアを形成する。このビアの一部は信号用として、他の一部は高周波動作時に発生するノイズを抑制するためのグランド(GND)強化用として使用することができる。また、突出部にもビアを形成し、突出部に接合される光半導体素子等の配線に接続する導出用として用いることができる。
【0013】
この突出部にはLD素子と駆動用のIC素子が接合され、これら光半導体素子等の配線は突出部の表面上及び/又は導出用ビアを介して突出部の裏面上に形成する。一方、ベース基板の表面上には、インピーダンス整合された信号用ビアに接続して表面配線を形成する。従って、突出部に設けた光半導体の配線と、これに接続されるべきベース基板上の表面配線とは、互いに直交する方向に配置される(90°傾いている)ので、その間を短いボンディングワイヤや半田で接続することにより高周波接続することができる。
【0014】
例えば、図1及び図2に示すように、ベース基板11には多数の信号用ビア16aとGND用ビア16bが形成され、そのうちの信号用ビア16aに接続させた表面配線17がベース基板11の表面上に形成してある。このベース基板11に垂直に接合された突出部12には、LD素子13と駆動用のIC素子15が搭載されている。LD素子13とIC素子15の配線のうち、上記ベース基板11の表面配線17に接続されるべき配線18は、突出部12の表面上及び/又は導出用ビア19を介して突出部12の裏面上に形成してある。
【0015】
このように突出部12の表面又は裏面に設けたLD素子13等の配線18と、ベース基板11の表面に設けた表面配線17とは、互いに直交する方向に90°傾いて配置されている。従って、この配線18と表面配線17の間を短いボンディングワイヤや半田で接続することによって、ベース基板11と突出部12との相互に90°傾斜している接続面間での高周波接続が可能となる。尚、図中の14はベース基板11に搭載されたPD素子であり、20はベース基板11を搭載する気密封止容器の底板である。
【0016】
ベース基板11の表面配線17と突出部12の配線18との具体的な接続手段としては、図3(a)に示すように長さ500μm以下のボンディングワイヤ21を用いるか、又は図3(b)に示すように表面長さ500μm以下の半田22で接続することが好ましい。ボンディングワイヤ21の長さ、又は半田22の配線間を結ぶ表面長さを500μm以下にすることによって、高周波波形の崩れがなくなり、ノイズ耐性が向上することが分った。また、使用する半田22は、融点230℃以下のものが好ましく、例えばPb−Sn、Sn−Cu−Ni、Bi−Sn等を用いることができる。
【0017】
このように配線を引き回すことにより、接合面が90°傾いた(直交方向にある)突出部12とベース基板11との間での接続部において、インピーダンス整合がなされ、高周波波形の崩れを防止することができるため、ノイズ耐性に優れた光半導体モジュールが得られる。尚、LD素子13と駆動用のIC素子15の間、及びPD素子14とベース基板11上の表面配線17又は信号用ビア16aの間は、通常のごとくボンディングワイヤで接続して良い。また、半導体素子の電極とパッケージの電極を直接接合したフリップチップ実装しても良い。
【0018】
特にLD素子やPD素子を搭載した高周波用のモジュールでは、電気的極性や高周波特性の観点から配線が複雑になる場合があるが、本発明においてはベース基板と突出部が絶縁体のAlNで構成されているため、導電性金属からなる信号用ビアを通すことにより、複雑な配線を単純化することができる。また、セラミックスは高周波動作時にGNDにノイズが発生しやすいが、基板中に多数のGND用ビアを貫通させることによって、このノイズを抑制することも可能となる。尚、GND用ビアの間隔は1mm以下とすることが好ましい。
【0019】
また、ベース基板と突出部は共に熱伝導率の高いAlNで構成され、且つその内部には貫通孔内に金属を充填した多数のビアが設けてあるので、放熱性がより一層向上する。特に、ビアの数を増やし、充填する金属としてAu、Ag、Cu等の高熱伝導率の金属を用いることによって、見かけの熱伝導率をAlN単体の熱伝導率よりも高くすることが可能である。このようにベース基板及び突出部の放熱性が向上することにより、LD素子等の光半導体素子の温度を低下させることができるため、ノイズ耐性を更に向上させることができる。
【0020】
ベース基板と突出部に形成するビアは、表裏面間を貫通した貫通孔内に導電性金属を充填して形成するが、少なくとも表裏面上において金属が貫通孔の周囲に延在して開口部を気密封止していることが好ましい。例えば、貫通孔内に充填された金属を更に貫通孔の開口部を封止するように盛上げて形成したり、貫通孔内に充填された金属の上に更に別の金属を貫通孔の開口部を覆って封止するように形成したりして、ビアの周囲を気密封止する。尚、貫通孔内への金属の充填は、金属ペーストや圧膜メッキによって行うことができる。
【0021】
ベース基板と突出部は共にAlNからなるため、一体的に成形することも可能であるが、別々に形成した後、ベース基板と突出部の接合面にメタライズ処理を施し、Au−SiやAu−Ge等のロウ材を用いて接合することが好ましい。その際、突出部とベース基板との接合は、突出部に光半導体素子を実装した後に行うことが好ましい。
【0022】
本発明の光半導体モジュールは、上記のごとくベース基板や突出部に光半導体素子等を実装した後、容器に蓋体を接合して気密封止する。また、ベース基板の信号用ビアに接続した裏面側の電極は、半田ボールを介して外部電極や多層フレキシブルプリント基板等に接続される。例えば、図4に示すように、ベース基板12の裏面側には容器の底板20を接合し、その裏面側の電極に半田ボール23を介して多層フレキシブルプリント基板24を実装すれば、ベース基板12に多数のGND用ビアが設けてあっても、電極との電気的接続を取ることが可能である。尚、図4では、底板20以外の容器部分は省略してある。
【0023】
このように多層フレキシブルプリント基板を用いて本発明の光半導体モジュールを表面実装することにより、ビルドアップ構造が容易に実現でき、高密度実装が可能となるうえ、光軸を90°変更することも可能となる。また、多層フレキシブルプリント基板の内層に高速信号伝送線路を形成して、この高速信号伝送線路をベース基板のGND層でシールドすることにより、基板外へのEMI放射を低減することができる。
【0024】
上記した本発明の光半導体モジュールは、ベース基板及び突出部がAlNからなるため高い放熱性を有すると共に、インピーダンス整合された高周波接続によってノイズ耐性にも優れているため、マイクロ波通信用や高速デジタル処理などの高速電送用として好適であり、特に伝送速度が10Gbpsの高速で動作する装置に適用が可能である。
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、周波数の高い信号を処理する光半導体素子を搭載した光半導体モジュールについて、突出部上の光半導体素子の配線とベース基板上の表面配線との間、即ち接合面が90°傾いた直交方向にあるベース基板と突出部との間で高周波接続が可能となり、その接続部での高周波波形の崩れを防止して、ノイズ耐性に優れた光半導体モジュール、特に10Gbpsでの高速動作が可能な光半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における光半導体モジュールの一具体例について、その要部を示す概略の斜視図である。
【図2】図1の光半導体モジュールの要部を一部切欠いて示す概略の平面図である。
【図3】本発明における光半導体モジュールの一具体例について、ベース基板と突出部の間の接続状態を示す概略の断面図である。
【図4】本発明における光半導体モジュールを多層フレキシブルプリント基板に表面実装した状態の要部を示す概略の側面図である。
【図5】従来の光半導体モジュールの要部を示す概略の斜視図である。
【符号の説明】
1、11 ベース基板
2、12 突出部
3、13 LD素子
4、14 PD素子
5 金属リード
15 IC素子
16a 信号用ビア
16b GND用ビア
17 表面配線
18 配線
21 ボンディングワイヤ
22 半田
23 半田ボール
24 多層フレキシブルプリント基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical semiconductor module containing an optical semiconductor element such as an LD element, and more particularly to an optical semiconductor module suitable for processing a high frequency signal.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the technical fields such as optical communication, semiconductor devices for optoelectronics that need to operate at high speeds, especially optical devices equipped with optical semiconductor elements for processing high frequency signals such as microwaves. Demand for semiconductor modules is growing.
[0003]
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-135690, as shown in FIG. 5, a perpendicular projection 2 is joined to a base substrate 1 made of aluminum nitride (AlN) or the like, and a laser diode (LD) element is provided in the die area. An optical semiconductor module using a stem joined to the optical semiconductor module 3 is described. A plurality of metal leads 5 for ground (GND) and signals are fixed through the base substrate 1, and the LD element 3 bonded to the protrusion 2 and the photodiode (PD) element 4 mounted on the base substrate 1 Are connected to the signal metal leads 5 by bonding wires 6.
[0004]
However, this optical semiconductor module is a type in which a driving element such as a driver IC for driving the LD element 3 is not mounted in a container (package), and the LD element 3 bonded to the protruding portion 2 is a long bonding wire 6. It is joined to the metal lead 5. Accordingly, the wire becomes longer and the inductance becomes larger, and impedance matching is not performed in the wiring portion, which is unsuitable for processing high-frequency signals, and is specialized for transmission speeds of 5 Gbps or less.
[0005]
U.S. Pat. No. 6,313,992 discloses an optical semiconductor module in which an LD element is mounted on a ceramic substrate provided with vias. However, this module has a structure in which light is emitted vertically from the LD element, and since the LD element and the wiring on the substrate are connected by a long bonding wire, the wire becomes longer and the inductance increases. Since impedance matching is not performed, it cannot be used for high-speed transmission.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-298123 describes a high-frequency wiring board on which a high-frequency element is mounted by forming a via with impedance matching between a conductor and an insulating layer on a base substrate made of metal. Although this publication discloses a wiring with impedance matching, it is not a substrate for mounting an optical semiconductor element such as an LD element, but rather a type in which a protrusion for mounting an LD element is vertically bonded on a base substrate. Is not described at all.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional optical semiconductor module, there is no one that has a wiring portion that is impedance-matched and is capable of high-speed transmission of 10 Gbps or more. In particular, the base described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-135690 is not available. In a type in which an LD element or the like is mounted on a protruding portion that is vertically bonded on a substrate, there is a disadvantage that a high-frequency waveform is easily broken in a wiring portion of the LD element or the like, and the noise resistance is poor.
[0008]
In view of such a conventional situation, the present invention provides an optical semiconductor module having an optical semiconductor element for processing a high-frequency signal, and in particular, an optical semiconductor module in which an LD element or the like is mounted on a protruding portion which is vertically bonded on a base substrate. The object of the present invention is to provide an optical semiconductor module which enables high-frequency connection between an optical semiconductor element and wiring on a base substrate, prevents collapse of a high-frequency waveform, and is excellent in noise resistance and capable of high-speed communication.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical semiconductor module in which an optical semiconductor element is housed in a hermetically sealed container provided by the present invention is an AlN base substrate having a large number of vias electrically connected between the front and back surfaces. An AlN protruding portion vertically bonded on the surface of the base substrate, and an optical semiconductor device bonded to the protruding portion, forming a surface wiring connected to a via on the base substrate surface, and forming the surface wiring A wiring of the optical semiconductor element to be connected to the protruding portion is provided in a direction orthogonal to the surface wiring.
[0010]
In one embodiment of the optical semiconductor module of the present invention, the wiring of the protrusion and the surface wiring of the base substrate are connected by a bonding wire having a length of 500 μm or less. In another aspect, the wiring of the protruding portion and the surface wiring of the base substrate are connected by solder having a surface length of 500 μm or less.
[0011]
Further, in the above-mentioned optical semiconductor module of the present invention, the base substrate is mounted on the multilayer flexible printed circuit board via a solder ball on the back surface side.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, the base substrate and the projecting portion vertically bonded on the base substrate are made of aluminum nitride (AlN), and a large number of vias made of a conductive metal are formed in the base substrate. Some of the vias can be used for signals, and others can be used for ground (GND) reinforcement for suppressing noise generated during high-frequency operation. Also, a via can be formed in the protruding portion, and the via can be used for connection to a wiring of an optical semiconductor element or the like bonded to the protruding portion.
[0013]
An LD element and a driving IC element are joined to this protruding portion, and wiring such as an optical semiconductor element is formed on the front surface of the protruding portion and / or on the back surface of the protruding portion via a lead-out via. On the other hand, a surface wiring is formed on the surface of the base substrate by connecting to a signal via whose impedance has been matched. Therefore, the wiring of the optical semiconductor provided on the protruding portion and the surface wiring on the base substrate to be connected thereto are arranged in directions orthogonal to each other (inclined by 90 °), so that a short bonding wire is provided therebetween. High-frequency connection can be achieved by connecting with a wire or solder.
[0014]
For example, as shown in FIGS. 1 and 2, a large number of signal vias 16 a and GND vias 16 b are formed in the base substrate 11, and the surface wiring 17 connected to the signal via 16 a is formed on the base substrate 11. Formed on the surface. An LD element 13 and a driving IC element 15 are mounted on the protruding portion 12 which is vertically joined to the base substrate 11. Of the wiring between the LD element 13 and the IC element 15, the wiring 18 to be connected to the surface wiring 17 of the base substrate 11 is on the front surface of the protruding portion 12 and / or the back surface of the protruding portion 12 via the lead-out via 19. Formed above.
[0015]
The wiring 18 such as the LD element 13 provided on the front surface or the back surface of the protruding portion 12 and the surface wiring 17 provided on the surface of the base substrate 11 are arranged at an angle of 90 ° in a direction orthogonal to each other. Accordingly, by connecting the wiring 18 and the surface wiring 17 with a short bonding wire or solder, high-frequency connection between the connection surfaces of the base substrate 11 and the protruding portion 12 that are inclined by 90 ° can be realized. Become. In the drawing, reference numeral 14 denotes a PD element mounted on the base substrate 11, and reference numeral 20 denotes a bottom plate of an airtightly sealed container on which the base substrate 11 is mounted.
[0016]
As a specific connecting means between the surface wiring 17 of the base substrate 11 and the wiring 18 of the protruding portion 12, a bonding wire 21 having a length of 500 μm or less as shown in FIG. It is preferable to connect with solder 22 having a surface length of 500 μm or less as shown in FIG. It was found that by setting the length of the bonding wire 21 or the length of the surface connecting the wiring of the solder 22 to 500 μm or less, the collapse of the high-frequency waveform was eliminated and the noise resistance was improved. Further, the solder 22 to be used preferably has a melting point of 230 ° C. or lower, and for example, Pb—Sn, Sn—Cu—Ni, Bi—Sn, or the like can be used.
[0017]
By routing the wiring in this manner, impedance matching is performed at the connection between the base 12 and the protrusion 12 in which the bonding surface is inclined at 90 ° (in the orthogonal direction), and the high-frequency waveform is prevented from being distorted. Therefore, an optical semiconductor module having excellent noise resistance can be obtained. The LD element 13 and the driving IC element 15 and the PD element 14 and the surface wiring 17 or the signal via 16a on the base substrate 11 may be connected by a bonding wire as usual. Alternatively, flip-chip mounting in which electrodes of a semiconductor element and electrodes of a package are directly bonded may be employed.
[0018]
In particular, in a high-frequency module equipped with an LD element or a PD element, wiring may be complicated from the viewpoint of electrical polarity and high-frequency characteristics. However, in the present invention, the base substrate and the protruding portion are made of an insulating AlN. Therefore, by passing the signal via made of a conductive metal, a complicated wiring can be simplified. Also, ceramics easily generate noise in GND during high-frequency operation, but this noise can be suppressed by penetrating a large number of GND vias in the substrate. The interval between the GND vias is preferably 1 mm or less.
[0019]
Further, since both the base substrate and the protruding portion are made of AlN having a high thermal conductivity, and a number of vias filled with metal are provided in the through holes inside the base substrate and the protruding portion, the heat dissipation is further improved. In particular, by increasing the number of vias and using a metal having a high thermal conductivity such as Au, Ag, or Cu as the metal to be filled, it is possible to make the apparent thermal conductivity higher than that of the AlN alone. . By improving the heat dissipation of the base substrate and the protruding portion in this manner, the temperature of an optical semiconductor device such as an LD device can be reduced, so that noise resistance can be further improved.
[0020]
The via formed in the base substrate and the protruding portion is formed by filling the through hole penetrating between the front and back surfaces with a conductive metal, and the metal extends around the through hole on at least the front and back surfaces to form the opening. Is preferably hermetically sealed. For example, the metal filled in the through-hole may be raised and formed so as to further seal the opening of the through-hole, or another metal may be formed on the metal filled in the through-hole with the opening of the through-hole. , And hermetically sealed around the via. The metal can be filled into the through-hole by metal paste or pressure plating.
[0021]
Since the base substrate and the protruding portion are both made of AlN, they can be formed integrally. However, after being formed separately, the joining surface between the base substrate and the protruding portion is subjected to a metallizing process to form Au-Si or Au-. It is preferable to join using a brazing material such as Ge. At this time, it is preferable that the joining between the protrusion and the base substrate be performed after the optical semiconductor element is mounted on the protrusion.
[0022]
In the optical semiconductor module of the present invention, after the optical semiconductor element or the like is mounted on the base substrate or the protruding portion as described above, the lid is joined to the container and hermetically sealed. Further, the electrode on the back side connected to the signal via of the base substrate is connected to an external electrode, a multilayer flexible printed circuit board or the like via a solder ball. For example, as shown in FIG. 4, a bottom plate 20 of a container is joined to the back surface of the base substrate 12 and a multilayer flexible printed circuit board 24 is mounted on electrodes on the back surface via solder balls 23. Even if a large number of GND vias are provided, it is possible to establish electrical connection with the electrodes. In addition, in FIG. 4, the container part other than the bottom plate 20 is omitted.
[0023]
In this way, by mounting the optical semiconductor module of the present invention on the surface using the multilayer flexible printed circuit board, a build-up structure can be easily realized, high-density mounting is possible, and the optical axis can be changed by 90 °. It becomes possible. Further, by forming a high-speed signal transmission line in the inner layer of the multilayer flexible printed circuit board and shielding the high-speed signal transmission line with the GND layer of the base substrate, EMI radiation outside the substrate can be reduced.
[0024]
The above-described optical semiconductor module of the present invention has high heat dissipation because the base substrate and the projection are made of AlN, and also has excellent noise resistance due to impedance-matched high-frequency connection. It is suitable for high-speed transmission such as processing, and is particularly applicable to a device operating at a high transmission speed of 10 Gbps.
[0025]
【The invention's effect】
According to the present invention, in an optical semiconductor module equipped with an optical semiconductor element for processing a high-frequency signal, the bonding surface between the wiring of the optical semiconductor element on the protrusion and the surface wiring on the base substrate, that is, the bonding surface is 90 °. High-frequency connection is possible between the base substrate and the protruding portion in the inclined orthogonal direction, preventing collapse of the high-frequency waveform at the connection portion, and high-speed operation at an optical semiconductor module excellent in noise resistance, particularly at 10 Gbps. It is possible to provide an optical semiconductor module capable of performing the above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a main part of a specific example of an optical semiconductor module according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view showing a main part of the optical semiconductor module of FIG.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a connection state between a base substrate and a protruding portion in a specific example of the optical semiconductor module according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic side view showing a main part in a state where the optical semiconductor module according to the present invention is surface-mounted on a multilayer flexible printed circuit board.
FIG. 5 is a schematic perspective view showing a main part of a conventional optical semiconductor module.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 11 Base substrate 2, 12 Projection part 3, 13 LD element 4, 14 PD element 5 Metal lead 15 IC element 16a Signal via 16b GND via 17 Surface wiring 18 Wiring 21 Bonding wire 22 Solder 23 Solder ball 24 Multilayer flexible Printed board