DE69534526T2

DE69534526T2 - Selbstjustierendes optisches Element und optischer Wellenleiter durch Löthöcker auf rechteckiger Platte

Info

Publication number: DE69534526T2
Application number: DE69534526T
Authority: DE
Inventors: Jun-Ichi Sasaki; Masataka Itoh; Hiroshi Honmou; Toshikata Torikai
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2015-12-23
Also published as: DE69534526D1; EP0718653B1; JPH08179154A; EP0718653A3; EP0718653A2; US5661831A; JP2655112B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf ein optisches Modul und insbesondere auf die Struktur eines optischen Moduls mit einem optischen Element und einem optischen Wellenleiter, die auf einem Substrat von selbst aufeinander ausgerichtet sind, und auf ein Verfahren zum Montieren des optischen Moduls.
BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN GEBIETS
Ein optisches Modul ist in einem optischen Kommunikationssystem und in einem optischen Übertragungssystem enthalten und enthält ein optisches Element wie etwa eine Laserdiode und einen Lichtwellenleiter, die auf einem Siliciumsubstrat hergestellt sind. Der Lichtwellenleiter besitzt einen Kern, längs dessen sich Licht ausbreitet. Andererseits besitzt die Laserdiode eine aktive Schicht, von der ein Laserstrahl ausgestrahlt wird. Um den Laserstrahl längs des Kerns zu führen, ist es notwendig, dass der Kern auf die aktive Schicht ausgerichtet wird und dass der Lichtwellenleiter und die Laserdiode in der Weise auf dem Siliciumsubstrat montiert werden, dass die aktive Schicht auf den Kern ausgerichtet wird.
Die Laserdiode wurde von Hand auf die aktive Schicht ausgerichtet, wobei in der Montagearbeit viel Zeit und Arbeit verbraucht wurden. Die Montagearbeit von Hand erhöhte die Kosten, wobei das optische Modul einen hohen Preis hatte.
Es ist eine Selbstausrichtungstechnologie entwickelt worden, wobei ein typisches Beispiel der Selbstausrichtungstechnologie von Sasaki u. a. in "Self-aligned Assembly for Optical Devices Using AuSn Solder Bump Bonding", Technical Report of the Institute of Electronics Information and Communication Engineers, S. 61 bis 66, offenbart ist.
Die 1A, 1B und 2A und 2B veranschaulichen die von Sasaki u. a. vorgeschlagene von selbst ausgerichtete Montage. Die Bezugszeichen 1, 2 und 3 bezeichnen ein Siliciumsubstrat, einen Lichtwellenleiter und eine Laserdiode. Das Dreiachsen-Bezugssystem ist durch die Pfeile "x", "y" und "z" repräsentiert. Der Lichtwellenleiter 2 besitzt einen Kern 2a, dessen optische Achse mit dem Bezugszeichen 2b bezeichnet ist. Andererseits ist in der Laserdiode 3 eine aktive Schicht 3a enthalten, deren optische Achse mit 3b bezeichnet ist.
Der Lichtwellenleiter 2 und die Laserdiode 3 werden auf der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats 1 wie folgt ausgerichtet. Auf dem Siliciumsubstrat 1 wird der Lichtwellenleiter 2 hergestellt, und auf der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats 1 werden unter Verwendung eines Lithographie-Prozesses gleichzeitig der Kern 2a und die kreisförmigen Anschlussflächen 1a, 1b, 1c und 1d strukturiert. Im Ergebnis werden die kreisförmigen Anschlussflächen 1a bis 1d in Bezug auf den Kern 2a genau positioniert, wobei der Fehler der relativen Position zwischen dem Kern 2a und den kreisförmigen Anschlussflächen 1a bis 1d annähernd gleich der Maskenfehlausrichtung in dem Lithographie-Verfahren ist.
Nachfolgend werden auf den kreisförmigen Anschlussflächen 1a bis 1d jeweils Löthöcker 4 vorgesehen. Auf der hinteren Oberfläche der Laserdiode 3 sind bereits kreisförmige Anschlussflächen 3c, 3d, 3e und 3f ausgebildet worden, wobei die relative Position zwischen den kreisförmigen Anschlussflächen 3c bis 3f und der aktiven Schicht 3a gleich der relativen Position zwischen den kreisförmigen Anschlussflächen 1a bis 1d und dem Kern 2a ist.
Die Laserdiode wird in der Weise auf die Löthöcker 4 gesetzt, dass die kreisförmigen Anschlussflächen 1a bis 1d annähernd auf die kreisförmigen Anschlussflächen 3c bis 3f ausgerichtet werden. Allerdings sind die kreisförmigen Anschlussflächen 3c bis 3f, wie in den 1A und 2A gezeigt ist, üblicherweise gegenüber den kreisförmigen Anschlussflächen 1a bis 1d versetzt, wobei dementsprechend die optische Achse 2b des Kerns 2a nicht auf die optische Achse 3b der aktiven Schicht 3a ausgerichtet ist.
Den Löthöckern 4 wird Wärme zugeführt, wobei die Löthöcker 4 aufgeschmolzen werden. Die Oberflächenspannung in den aufgeschmolzenen Löthöckern zwingt die kreisförmigen Anschlussflächen 3c bis 3f, sich in einer Richtung ST zu bewegen, wobei die kreisförmigen Anschlussflächen 1a bis 1d registerhaltig mit den kreisförmigen Anschlussflächen 3c bis 3f sind. Wie oben beschrieben wurde, ist die relative Position zwischen den kreisförmigen Anschlussflächen 1a bis 1b und dem Kern 2a gleich der relativen Position zwischen den kreisförmigen Anschlussflächen 3c bis 3f und der aktiven Schicht 3a, wobei die kreisförmigen Anschlussflächen 3c bis 3f, die registerhaltig mit den kreisförmigen Anschlussflächen 1a bis 1d sind, die optische Achse 3b der aktiven Schicht 3a, wie in 2B gezeigt ist, automatisch auf die optische Achse 2b des Kerns 2a ausrichten.
Somit ermöglicht die von selbst ausgerichtete Montagetechnologie des Standes der Technik, dass der Hersteller die optischen Module mit hoher Geschwindigkeit montiert und dass die Produktionskosten drastisch gesenkt werden.
Allerdings erzeugen lediglich richtig konstruierte Löthöcker eine ausreichen große Oberflächenspannung, um die optische Achse 3b der aktiven Schicht 3a von selbst auf die optische Achse 2b des Kerns 2a auszurichten. Die große Oberflächenspannung erfordert ein großes Verhältnis der Löthöckerhöhe zum Anschlussflächendurchmesser. Mit anderen Worten, die große Oberflächenspannung wird nur dann erzeugt, wenn die Löthöcker in einem großen Seitenverhältnis ausgebildet werden. Falls die Lötung ohne Flussmittel ausgeführt wird, erfordert die große Oberflächenspannung ein größeres Seitenverhältnis.
Die Erfinder bewerteten verschiedene auf den kreisförmigen Anschlussflächen ausgebildete Löthöcker und schlossen, dass das von selbst ausgerichtete flussmittellose Lötmittelbonden in Stickstoffatmosphäre des Standes der Technik erforderte, dass das Verhältnis der Löthöckerhöhe zu dem Anschlussflächendurchmesser gleich oder größer 0,75 ist. Je kleiner der Anschlussflächendurchmesser war, desto höher war die Ausrichtungsgenauigkeit.
Wenn eine optische Vorrichtung, die zu einem 300-Mikrometer-Würfel geformt ist, auf einen Lichtwellenleiter auf einem Siliciumsubstrat ausgerichtet wird, ist es somit wegen der ausreichenden Verbindungskraft und der großen Wärmestrahlungsfähigkeit ausreichend, wenn die kreisförmigen Anschlussflächen wenigstens einen Durchmesser von 50 Mikrometern haben und wenn die minimale Löthöckerhöhe für das flussmittellose Lötmittelbonden gleich oder größer 38 Mikrometer ist.
Allerdings ist der Kern 2a eines neuesten Lichtwellenleiters von der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats 1 nur durch 20 Mikrometer oder weniger beabstandet, wobei die Löthöcker mit einer Höhe von 38 Mikrometern für ein optisches Modul mit dem neuesten Lichtwellenleiter, das von der Hauptoberfläche nur 20 Mikrometer oder weniger beabstandet ist, nicht verfügbar sind. Der neueste Lichtwellenleiter erfordert, dass der Hersteller die Löthöcker miniaturisiert, ohne das Verhältnis der Löthöckerhöhe zum Anschlussflächendurchmesser zu ändern.
Falls der neueste Lichtwellenleiter 2 angehoben wird, können die richtigen Löt höcker 4 ohne die Miniaturisierung verfügbar sein. Wenn die Löthöcker 4 dagegen aus Lötteilen ausgebildet werden, die durch Stanzen auf den kreisförmigen Anschlüssen bereitgestellt werden, was im Folgenden ausführlich beschrieben wird, liegt die Löthöckerhöhe im Bereich von 50 Mikrometern plus/minus 1,5 Mikrometern, wobei die Schwankung der Löthöckerhöhe zu groß ist, um die Laserdiode 3 in einer einzigen Mode mit dem Lichtwellenleiter 2 zu koppeln. Somit ist die Miniaturisierung erwünscht.
Bei der Miniaturisierung der Löthöcker werden folgende Probleme festgestellt.
Zunächst führt die Verringerung des Anschlussflächendurchmessers zu unzureichender Verbindungskraft und schlechter Wärmestrahlungsfähigkeit. Dies ist das erste Problem.
Das zweite Problem ist, dass die Miniaturlöthöcker schwer unter Verwendung eines wirtschaftlichen Stanzprozesses ausgebildet werden. Üblicherweise wird für die Löthöcker 4 eutektisches Au-Sn-Lötmittel verwendet, wobei die eutektischen Au-Sn Löthöcker wirtschaftlich durch einen Stanzprozess, der in der japanischen Patentveröffentlichung der ungeprüften Anmeldung Nr. 4-152682 offenbart ist, aus einer eutektischen Au-Sn-Folie ausgebildet werden. Die 3A bis 3C veranschaulichen den Prozess des Ausbildens von Löthöckern aus einer Au-Sn-Lötfolie.
Zunächst wird die Au-Sn-Lötfolie 5 periodisch zwischen einem Stanzstempel 6a und einem Prägestempel 6b bewegt, wobei eine auf der Hauptoberfläche eines Siliciumsubstrats 7b ausgebildete Anschlussfläche 7a, wie in 3A gezeigt ist, unter dem Prägestempel 6b in eine geeignete Position bewegt wird. Der Stanzstempel 6a wird nach unten bewegt, um aus der Au-Sn-Lötfolie 5 ein Au-Sn-Lötteil 5a auszuschneiden, wobei das Au-Sn-Lötteil 5a, wie in 3B gezeigt ist, auf die Anschlussfläche 7a gesetzt wird. Dem Au-Sn-Lötteil wird Wärme zugeführt, die die Au-Sn-Lötteile aufschmilzt. Die Oberflächenspannung formt das aufgeschmolzene Au-Sn-Lötmittel zu einer wie in 3C gezeigten halbkugelförmigen Konfiguration.
Der in den 3A bis 3C gezeigte Prozess des Standes der Technik ist wirtschaftlich und für die optischen Module erwünscht. Allerdings wird das Volumen des Stücks 5a schwer auf einen kritischen Wert verringert. Die derzeit verfügbare Stanztechnologie stellt Grenzen an die Größe des Stanzstempels 6a, an die Dicke der Au-Sn-Lötfolie 5 und an das Volumen des Au-Sn-Lötteils 5a, wobei der mini male Stanzdurchmesser, die minimale Foliendicke und die minimalen Volumina in der Größenordnung von 40 Mikrometern, 20 Mikrometern und 2500 Kubikmikrometern liegen.
Wenn dem minimalen Au-Sn-Lötteil 5a Wärme zugeführt wurde, wurde das minimale Au-Sn-Lötteil 5a zu dem halbkugelförmigen Löthöcker 5b aufgeschmolzen. Der halbkugelförmige Löthöcker 5b hatte eine Höhe von 30 Mikrometern, wobei die untere Oberfläche und dementsprechend die Anschlussfläche 7a einen Durchmesser von 30 Mikrometern hatte. Nach dem Lötmittelbonden wurde die Löthöckerhöhe auf 25 Mikrometern verringert. Allerdings war die Höhe zu hoch für die Ausrichtung auf den Kern 2a.
Natürlich werden die Au-Sn-Löthöcker durch andere Prozesse wie etwa Plattieren oder Vakuumaufdampfen ausgebildet. Allerdings kann das Plattieren die Dicke einer Au-Sn-Lötmittelschicht auf der Anschlussfläche nicht genau steuern, während das Vakuumaufdampfen komplex und teuer ist.
Ein ähnliches optisches Modul des Standes der Technik ist aus dem Dokument US 5 .283.446 bekannt. Wie in dem oben diskutierten Fall sind auf dem Substrat und auf einem Laserdiodenchip kreisförmige Anschlussflächen vorgesehen, wobei Seitenwände vorgesehen sind, die die Löthöcker umgeben, um die gewünschte Selbstausrichtung der Laserdiode auf einen Lichtwellenleiter während des Bondens zu verbessern. Die Höhe dieser Seitenwände wird in der Weise gewählt, dass dann, wenn der Löthöcker während des Abkühlens schrumpft, der Laserdiodenchip an einer entsprechenden Seitenwand liegt und somit mit einer vorgegebenen Höhe positioniert ist, die die vertikale Ausrichtung auf den Lichtwellenleiter sicherstellt.
Der Artikel von Deshmukh u. a., "Active atmosphere solder self-alignment and bonding of optical components", International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging, Bd. 16, Nr. 2, 1. Januar 1993, Reston, USA, offenbart die Möglichkeit, eine einzelne optoelektronische Komponente wie etwa eine LED oder einen Laser mittels eines ähnlichen Selbstausrichtungsverfahrens unter Verwendung rechtwinkliger Anschlussflächen anstelle kreisförmiger Anschlussflächen auf einen einzelnen Kern auszurichten. Obgleich die Ersetzung kreisförmiger Anschlussflächen durch rechtwinklige Anschlussflächen zu der Frage führt, wie jede Anschlussfläche anzuordnen ist, offenbart dieses Dokument jedoch keine beson dere Orientierung der rechtwinkligen Anschlussflächen. Insbesondere sind keine Informationen darüber zu finden, wo entsprechende rechtwinklige Anschlussflächen im Fall einer Lichtwellen-Ausbreitungseinrichtung, die mehrere Kerne umfasst, und eines optischen Elements, das mehrere Ports umfasst, vorzusehen sind, so dass jeder Port auf einen zugeordneten Kern ausgerichtet werden muss.
Eine ähnliche Beobachtung trifft auf das Dokument WO 93/15424 des Standes der Technik zu, das ebenfalls ein Selbstausrichtungsverfahren offenbart, das auf der Verwendung nicht kreisförmiger Anschlussflächen beruht, um einen einzelnen Halbleiterlaser auf einen einzelnen Wellenleiter auszurichten.
Als weiteren Stand der Technik wird Bezug genommen auf die Dokumente US 5.275.970 , EP 0 304 118 A2 , auf den Artikel von Satoh u. a., "Development of a new micro-solder bonding method for VLSI's", Conference Proceedings for the Third Annual International Electronic Packaging Conference, Hasca, Illinois, (1983), S. 455 bis 460, und auf die weitere Veröffentlichung von Satoh u. a., "Optimum bonding shape control of micro-solder joint of IC and LSI", J. Japan Inst. Metals, Bd. 51 (1987), S. 553 bis 560.
Zusammengefasst offenbaren selbst jene Dokumente des Standes der Technik, die die Verwendung nicht kreisförmiger Anschlussflächen für die Selbstausrichtung vorschlagen, keine zuverlässige Möglichkeit für die Selbstausrichtung einer Lichtwellen-Ausbreitungseinrichtung mit mehreren parallelen Kernen für die Ausbreitung von Licht auf ein optisches Element mit mehreren Ports.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Somit ist es eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Modul, das einen Lichtwellenleiter mit mehreren parallelen Kernen und ein optisches Element mit mehreren Ports, die ohne Verringerung der Verbindungskraft und Wärmestrahlungsfähigkeit und Erhöhung der Produktionskosten mit einer Höhe um 20 Mikrometer aufeinander ausgerichtet sind, besitzt sowie ein Verfahren zum Montieren eines solchen Moduls zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches Modul, wie es in Anspruch 1 definiert ist, und durch ein Verfahren, wie es in Anspruch 10 definiert ist. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Merkmale und Vorteile des optischen Moduls und des Verfahrens zum Montieren gemäß der vorliegenden Erfindung werden klarer verständlich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:
1A und 1B Draufsichten sind, die das Verfahren des Standes der Technik zum Montieren des optischen Moduls zeigen;
2A und 2B Querschnittsansichten sind, die das Verfahren des Standes der Technik zeigen;
3A bis 3C Seitenansichten sind, die den Prozess des Standes der Technik zum Ausbilden der Löthöcker auf den Anschlussstellen zeigen;
4A und 4B Draufsichten sind, die ein Verfahren zum Montieren einer optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
5A und 5B Querschnittsansichten sind, die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
6A und 6B Querschnittsansichten sind, die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem anderen Winkel zeigen;
7A und 7B Draufsichten sind, die ein weiteres Verfahren zum Montieren eines optischen Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
8A und 8B Querschnittsansichten sind, die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
9 eine Draufsicht ist, die die Anordnung eines nochmals weiteren optischen Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 eine Querschnittsansicht ist, die die Struktur des optischen Moduls zeigt; und
11 eine Querschnittsansicht ist, die die Struktur des optischen Moduls aus einem anderen Winkel gesehen zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN Erste Ausführungsform
Im Folgenden wird anhand der 4A und 4B, der 5A und 5B und der 6A und 6B ein Verfahren zum Montieren eines optischen Moduls beschrieben, das die vorliegende Erfindung verkörpert. Das Dreiachsen-Bezugssystem ist mit den Pfeilen "x", "y" und "z" bezeichnet und die 6A und 6B sind von der rechten Seite der in den 4A und 4B gezeigten Struktur gesehen.
Das Verfahren beginnt mit der Vorbereitung eines Siliciumsubstrats 11. Auf der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats 11 werden unter Verwendung von Lithographie-Techniken erste Anschlussflächen 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h, 11i und 11j ausgebildet. Das heißt, auf der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats 11 werden Titan/Platin/Gold-Schichten geschichtet, und von einer (nicht gezeigten) Zwischenmaske wird ein Muster auf eine (nicht gezeigte) Photoresistschicht übertragen, die die Titan/Platin/Gold-Schichten bedeckt. Die Photoresistschicht wird entwickelt und strukturiert. Die Titan/Platin/Gold-Schichten werden unter Verwendung der strukturierten Photoresistschicht teilweise weggeätzt und zu den ersten Anschlussflächen 11a bis 11j strukturiert.
Jede der ersten Anschlussflächen 11a bis 11j wird zu einer im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Konfiguration geformt und besitzt eine Länge von 140 Mikrometern und eine Breite von 25 Mikrometern. Dagegen sind die Ecken jeder ersten Anschlussfläche 11a bis 11j abgerundet, wobei die abgerundeten Ecken zulassen, dass sich Lötmittel über die gesamte obere Oberfläche der ersten Anschlussflächen 11a bis 11j ausbreitet.
Die ersten Anschlussflächen 11a, 11c, 11f und 11i haben jeweilige Längsachsen parallel zu der y-Richtung, während die anderen ersten Anschlussflächen 11b, 11d, 11e, 11g, 11h und 11j jeweilige Längsachsen parallel zu der x-Richtung haben. Somit unterscheiden sich die ersten Anschlussflächen 11a, 11c, 11f und 11i um einen rechten Winkel von den anderen ersten Anschlussflächen 11b, 11d, 11e, 11g, 11h und 11j. Obgleich die Ecken abgerundet sind, ist die obere Oberfläche der ersten Anschlussfläche im Allgemeinen rechtwinklig, da die Seitenlinien und die Stirnlinien fast linear sind.
Nachfolgend wird auf der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats 11 unter Verwendung der Lithographie-Techniken eine Lichtwellenleiterstruktur 12 ausgebildet. Die Lichtwellenleiterstruktur 12 besitzt mehrere Kerne 12a, 12b, 12c und 12d, um längs ihnen Laserlicht auszubreiten. Die Kerne 12a bis 12d werden unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Photoresistmaske strukturiert und das Muster von einer weiteren Zwischenmaske wird auf eine Photoresistschicht übertragen. Wenn die Photoresistschicht entwickelt worden ist, wird die Photoresistschicht zu der Photoresistmaske ausgebildet. Somit werden unter Verwendung der Lithographie-Techniken die ersten Anschlussflächen 11a bis 11j und die Kerne 12a bis 12d ausgebildet, wobei sie sich an relativen Positionen auf der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats 11 befinden, die durch die zwei Zwischenmasken definiert sind. Die Lithographie-Techniken bestimmen genau die relativen Positionen zwischen den ersten Anschlussflächen 11a bis 11j und den Kernen 12a bis 12d, wobei die Genauigkeit der relativen Positionen äquivalent zur Genauigkeit der Maskenausrichtung in der Lithographie-Vorrichtung ist.
Eine Laserdiodenmatrix 13 besitzt aktive Schichten 13a bis 13d, von denen Laserlichtstrahlen ausgestrahlt werden. Aus diesem Grund dient jede der aktiven Schichten 13a bis 13d als ein Port.
Auf der hinteren Oberfläche der Laserdiodenmatrix 13 werden mehrere zweite Anschlussflächen 13e, 13f, 13g, 13h, 13i, 13j, 13k, 13m, 13n und 13o ausgebildet, die durch die Lithographie-Techniken strukturiert werden. Die Lithographie-Techniken lokalisieren genau die mehreren zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o an den relativen Positionen in Bezug auf die aktiven Schichten 13a bis 13d, wobei die relativen Positionen zwischen den zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o und den aktiven Schichten 13a bis 13d äquivalent den relativen Positionen zwischen den ersten Anschlussflächen 11a bis 11j und den Kernen 12a bis 12d sind.
Die zweiten Anschlussflächen 13e, 13g, 13j und 13n haben jeweilige Längsachsen, die in der y-Richtung verlaufen, und sind parallel zu den aktiven Schichten 13a bis 13d. Die anderen zweiten Anschlussflächen 13f, 13h, 13i, 13k, 13m und 13o haben jeweilige Längsachsen, die in der x-Richtung verlaufen, und sind senkrecht zu den Längsachsen der zweiten Anschlussflächen 13e, 13g, 13j und 13n.
Die mehreren zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o entsprechen den mehreren ersten Anschlussflächen 11a bis 11j, wobei jede der zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o zu der gleichen rechtwinkligen Parallelepiped-Konfiguration wie die entsprechende erste Anschlussfläche 11a bis 11j geformt ist. Das heißt, die Ecken jeder zweiten Anschlussfläche sind ebenfalls abgerundet und die untere Oberfläche ist im Allgemeinen rechtwinklig.
Es ist nicht notwendig, die Lichtwellenleiterstruktur 12 und die ersten Anschlussflächen 11a bis 11j vor der Vorbereitung der Laserdiodenmatrix 13 vorzubereiten. Es gibt kein Problem, falls das Siliciumsubstrat 11 und die Laserdiodenmatrix 13 vor den Löthöckern fertig gestellt werden.
Nachfolgend werden jeweils an den mehreren ersten Anschlussflächen 11a bis 11j Löthöcker 14 vorgesehen. Die Löthöcker 14 werden unter Verwendung von Stanzen aus einer (nicht gezeigten) Au-Sn-Legierungs-Folie ausgebildet, wobei die Au-Sn-Legierungsstücke in einer Hochtemperatur-Schutzgasatmosphäre, wie in Verbindung mit den 3A bis 3C beschrieben ist, aufgeschmolzen werden. Die Au-Sn-Legierungsstücke besitzen ein gleichförmiges Volumen und die Lötteile halten die Höhe der Laserdiodenmatrix 13 von dem Siliciumsubstrat 11 konstant.
Falls keine genau gesteuerte Zusammensetzung erforderlich ist oder die Kosten vernachlässigbar sind, kann auf den ersten Anschlussflächen 11a bis 11j eine eutektische Au-Sn-Legierung plattiert oder durch Vakuumaufdampfen abgelagert werden. Die eutektische Au-Sn-Legierung wird aufgeschmolzen, um die Löthöcker 14 auszubilden. Die eutektische Au-Sn-Legierung kann 80 Gewichtsprozent Gold und 20 Gewichtsprozent Zinn enthalten. Wenn das Vakuumaufdampfen verwendet wird, wird die eutektische Au-Sn-Legierung auf 16 Mikrometer abgelagert, was die Kosten erhöht. Wenn dagegen das Plattieren verwendet wird, streut die Dicke innerhalb 20 Prozent und ist für die Einmoden-Lichtkopplung unerwünscht.
Die Menge der Au-Sn-Legierung auf der ersten Anschlussfläche 11a bis 11j beträgt etwa 56550 Kubikmikrometer.
Nachfolgend wird die Laserdiodenmatrix 13 auf die Löthöcker 14 gesetzt, wobei die zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o, wie in den 4A, 5A und 6A gezeigt ist, gegenüber den entsprechenden ersten Anschlussflächen 11a bis 11j versetzt sein können.
Die Löthöcker 14 werden in einer Stickstoffatmosphäre aufgeschmolzen, wobei kein Flussmittel verwendet wird. Die Oberflächenspannung veranlasst, dass sich die zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o automatisch auf die ersten Anschlussflächen 11a bis 11j registrieren. Im Einzelnen bewegt die Oberflächenspannung der aufgeschmolzenen Löthöcker 14 auf den ersten Anschlussflächen 11b, 11d, 11e, 11g, 11h und 11j die Laserdiodenmatrix 13 in einer mit ST1 bezeichneten Richtung, während die Oberflächenspannung der aufgeschmolzenen Löthöcker 14 auf den anderen ersten Anschlussflächen 11a, 11c, 11f und 11i die Laserdiodenmatrix 13 in einer mit ST2 bezeichneten Richtung bewegt. Diese Oberflächenspannungen regulieren die Laserdiodenmatrix 13 zweidimensional zu der Position, wo sich die ersten Anschlussflächen 11a bis 11j, wie in den 4B, 5B und 6B gezeigt ist, genau mit den zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o überlappen. Im Ergebnis sind die optischen Achsen der aktiven Schichten 13a bis 13d, wie durch die Strichlinien in 4B bezeichnet ist, auf die optischen Achsen der Kerne 12a bis 12d ausgerichtet.
Das Lötmittel wird erstarrt und die Laserdiodenmatrix 13 wird mit dem Siliciumsubstrat 11 gebondet. Die durch das Stanzen bereitgestellten Au-Sn-Legierungsstücke 14 besitzen ein genau konstantes Volumen, wobei die Verbindungshöhe 18 Mikrometer plus/minus 1 Mikrometer ist.
Wie zuvor beschrieben wurde, hängt die Genauigkeit der Ausrichtung von dem Seitenverhältnis der Löthöcker 14 ab. Die Erfinder untersuchten die im Allgemeinen rechtwinkligen Anschlussflächen und schlossen, dass die Genauigkeit der Ausrichtung von dem Verhältnis der Löthöckerhöhe zur Anschlussflächenbreite abhing. Ferner untersuchten die Erfinder unter Verwendung von Löthöckern mit verschiedenen Verhältnissen das kritische Verhältnis der Löthöckerhöhe zur Anschlussflächenbreite, das ermöglicht, dass sich die erste Anschlussfläche und die zweite Anschlussfläche mittels der Oberflächenspannung miteinander registrieren, wobei sie schlossen, dass das kritische Verhältnis für den flussmittellosen Löthöcker 0,7 ist. Mit anderen Worten, falls die flussmittellosen Löthöcker ein gleiches oder größeres Verhältnis der Löthöckerhöhe zur Anschlussflächenbreite als 0,7 hatten, war die Oberflächenspannung groß genug, um die optischen Achsen automatisch aufeinander auszurichten. Wenn Flussmittel verwendet würde, war das kritische Verhältnis der Löthöckerhöhe zur Anschlussflächenbreite verschieden vom kritischen Verhältnis für die flussmittellosen Löthöcker.
Das oben beschriebene optische Modul hatte ein Verhältnis der Löthöckerhöhe zur Anschlussflächenbreite gleich 0,72, wobei die Fehlausrichtung innerhalb von plus/minus 1 Mikrometer lag. Wenn die Löthöcker auf den kreisförmigen Anschlussflächen vorgesehen waren, war die Fehlausrichtung plus/minus 1,5 Mikrometer. Selbstverständlich erzeugten die im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Löthöcker 14 eine große Oberflächenspannung, wobei sie die genaue Selbstausrichtung erreichten. Die Verbindungshöhe war 18 Mikrometer und die optischen Achsen der aktiven Schichten 13a bis 13d waren in der Einmoden-Lichtkopplung auf die optischen Achsen der Kerne 12a bis 12d ausgerichtet.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung verständlich ist, hält die große Länge der rechtwinkligen Parallelepiped-Anschlussfläche das Volumen des Lötmittels selbst dann aufrecht, wenn die Anschlussfläche schmal ist. Die niedrige Breite erhöht das Verhältnis der Löthöckerhöhe zur Anschlussflächenbreite, während die breite untere Fläche die Verbindungskraft und die Wärmestrahlungsfähigkeit nicht verschlechtert. Somit erreichen die rechtwinkligen Parallelepiped-Anschlussflächen die Miniaturisierung der Löthöcker, ohne die Oberflächenspannung zu opfern.
Das große Volumen verhindert, dass die Löthöckerhöhe schwankt, und ermöglicht, dass ein Konstrukteur einen Spielraum der Löthöckerhöhe verringert. Die aktiven Schichten 13a bis 13d werden genau auf eine Zielhöhe von der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats 11 ausgerichtet und werden auf die Kerne der neuesten Lichtwellenleiterstruktur 12 in der Einmoden-Lichtkopplung ausgerichtet.
Falls die Breite einer Anschlussfläche klein gegen ihre Länge ist, empfiehlt es sich, mehrere Lötteile auf die Anschlussfläche zu setzen, da sich das Lötmittel leicht über die gesamte Oberfläche ausbreitet.
Zweite Ausführungsform
Anhand der 7A und 7B und der 8A und 8B wird im Folgenden ein weiteres Verfahren zum Montieren eines optischen Moduls beschrieben. Abgesehen von den Konfigurationen der ersten und der zweiten Anschlussflächen ist die Montagefolge ähnlich der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grund sind die anderen Komponenten des optischen Moduls mit den gleichen Bezugszeichen bezeich net, die entsprechende Komponenten der ersten Ausführungsform ohne ausführliche Beschreibung bezeichnen.
Die ersten Anschlussflächen 21a, 21b, 21c und 21d sind T-förmig, wobei die Tförmigen Anschlussflächen 21a bis 21d, wie in 7A gezeigt ist, abwechselnd umgedreht sind. Die T-förmige Anschlussfläche 21a/21b/21c/21d ist in zwei im Allgemeinen rechtwinklige Parallelepiped-Abschnitte 21e und 21f aufgegliedert, wobei die Dimensionen der T-förmigen Anschlussfläche 21d in 7A notiert sind. Die anderen T-förmigen Anschlussflächen 21a bis 21c sind gleich der T-förmigen Anschlussfläche 21d. Die Ecken jeder T-förmigen Anschlussfläche 21a/21b/21c/21d sind abgerundet, um das Lötmittel ideal über ihre gesamte obere Oberfläche auszubreiten.
Einer der im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Abschnitte 21e besitzt eine Längsachse, die parallel zu der x-Richtung ist, während der andere im Allgemeinen rechtwinklige Parallelepiped-Abschnitt 21f in der y-Richtung lang gestreckt ist. Die y-Richtung ist parallel zu den optischen Achsen der Kerne 12a bis 12d.
Die zweiten Anschlussflächen 22a, 22b, 22c und 22d sind ebenfalls T-förmig. Die T-förmigen Anschlussflächen 22a bis 22d sind gleich den T-förmigen Anschlussflächen 21a bis 21d und dementsprechend in zwei im Allgemeinen rechtwinklige Parallelepiped-Abschnitte 22e und 22f aufgegliedert. Die Ecken jeder T-förmigen Anschlussfläche 22a/22b/22c/22d sind ebenfalls abgerundet. Einer der im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Abschnitte 22e besitzt eine Längsachse, die in der x-Richtung verläuft, während der andere im Allgemeinen rechtwinklige Parallelepiped-Abschnitt 22f in der y-Richtung parallel zu den aktiven Schichten 13a bis 13d verläuft.
Die ersten T-förmigen Anschlussflächen 21a bis 21d werden unter Verwendung der Lithographie-Techniken an den relativen Positionen in Bezug auf die Kerne 12a bis 12d angeordnet, während die zweiten T-förmigen Anschlussflächen 22a bis 22d ebenfalls durch den Lithographie-Prozess an den relativen Positionen in Bezug auf die aktiven Schichten 13a bis 13d angeordnet werden. Die relative Beziehung zwischen den ersten T-förmigen Anschlussflächen 21a bis 21d und den Kernen 12a bis 12d ist äquivalent der relativen Beziehung zwischen den zweiten T-förmigen Anschlussflächen 22a bis 22d und den aktiven Schichten 13a bis 13d.
Wenn das Siliciumsubstrat 11 und die Laserdiodenmatrix 13 vorbereitet werden, werden auf den ersten T-förmigen Anschlussflächen 21a bis 21d die Löthöcker 23 vorgesehen, wobei die Menge jedes Löthöckers 23 etwa 25000 Kubikmikrometer beträgt.
Wenn die Löthöcker 23 aufgeschmolzen werden, werden in jedem Löthöcker in zwei Richtungen ST3 und ST4 parallel zu der x-Richtung bzw. zu der y-Richtung Oberflächenspannungen ausgeübt. Somit richtet jeder der aufgeschmolzenen Löthöcker 23 die relative Position zwischen den ersten T-förmigen Anschlussflächen 21a bis 21d und den zweiten T-förmigen Anschlussflächen 22a bis 22d wie in den 7B und 8B gezeigt zweidimensional aus.
Die T-förmigen Anschlussflächen 21a bis 21d und 22a bis 22d sind weniger als die ersten und die zweiten Anschlussflächen 11a bis 11j und 13e bis 13o, wobei der Schritt des Ausbildens der Löthöcker einfacher als in der ersten Ausführungsform ist.
Die zweite Ausführungsform erreicht alle Vorteile der ersten Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
Übergehend zu den 9, 10 und 11 der Zeichnung werden die aktiven Schichten 31a bis 31d der Laserdiodenmatrix 31 durch das Selbstausrichtungs-Lötmittelbonden gemäß der vorliegenden Erfindung auf die Kerne 32a bis 32d der Glasfasern 32 ausgerichtet.
Die ersten Anschlussflächen 11a bis 11j werden ähnlich jenen der ersten Ausführungsform unter Verwendung der Lithographie-Techniken auf einem Siliciumsubstrat 33 ausgebildet, wobei unter Verwendung des Lithographie-Prozesses, gefolgt von einem anisotropen Ätzen, in dem Siliciumsubstrat 33 ferner v-förmige Nuten 33a bis 33d ausgebildet werden. Die relative Beziehung zwischen den ersten Anschlussflächen 11a bis 11j und den unteren Kantenlinien 33e der v-förmigen Nuten 32a bis 32d wird durch den Lithographie-Prozess genau definiert.
Die zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o werden ähnlich wie in der ersten Ausführungsform auf der hinteren Oberfläche der Laserdiodenmatrix 31 strukturiert.
Die relative Beziehung zwischen den zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o und den aktiven Schichten 31a bis 31d wird durch den Lithographie-Prozess genau definiert.
Auf den ersten Anschlussflächen 11a bis 11j werden jeweils die Löthöcker 14 vorgesehen, und die Laserdiodenmatrix 31 wird auf die Löthöcker 14 gesetzt. Die Löthöcker 14 werden aufgeschmolzen, wobei die Oberflächenspannung veranlasst, dass sich die zweiten Anschlussflächen 13e bis 13o mit den ersten Anschlussflächen 11a bis 11j registrieren. Dies führt zur Selbstausrichtung zwischen den optischen Achsen der aktiven Schichten 31a bis 31d und den optischen Achsen der Glasfasern 32.
Das Lötmittel wird erstarrt und die Laserdiodenmatrix 31 mit dem Siliciumsubstrat 33 gebondet. Das Verhältnis der Löthöckerhöhe zur Anschlussflächenbreite ist gleich demjenigen der ersten Ausführungsform, wobei die gleiche Genauigkeit erreicht wird.
Obgleich besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In der zweiten Ausführungsform sind die ersten und zweiten Anschlussflächen 21a bis 21d und 22a bis 22d zu der T-Konfiguration geformt. Allerdings ist irgendeine Konfiguration verfügbar, sofern die Konfiguration in die im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Abschnitte aufgegliedert wird. Solche verfügbaren Konfigurationen sind eine L-Form und eine H-Form.
Das Lötmittel kann eine PbSn-Legierung oder eine AuSi-Legierung sein.

Claims

Optisches Modul, das umfasst: ein Substrat (11; 33) mit einer oberen Oberfläche; eine Lichtwellen-Ausbreitungseinrichtung (12; 32), die auf einem ersten Abschnitt der oberen Oberfläche ausgebildet ist, wobei diese Einrichtung (12; 32) mehrere parallele Kerne (12a/12b/12c/12d; 32a/32b/32c/32d) für die Ausbreitung von Licht besitzt, wobei die Kerne (12a/12b/12c/12d; 32a/32b/32c/32d) nebeneinander angeordnet sind und sich längs der oberen Oberfläche erstrecken und wobei die Kerne (12a/12b/12c/12d; 32a/32b/32c/32d) entlang ihrer Längsachsen eine Mittellinie besitzen; ein optisches Element (13; 31), das eine untere Oberfläche und Ports (13a–13d; 31a–31d) besitzt; mehrere erste Anschlussflächen (11a–11j; 21a–21j), die auf einem zweiten Abschnitt der oberen Oberfläche des Substrats (11; 33) ausgebildet sind und sich an bestimmten relativen Positionen in Bezug auf die Kerne (12a/12b/12c/12d; 32a/32b/32c/32d) befinden; mehrere zweite Anschlussflächen (13e–13o; 22a–22d), die auf der unteren Oberfläche des Elements (13; 31) ausgebildet sind, wobei die zweiten Anschlussflächen (13e–13o; 22a–22d) den ersten Anschlussflächen (11–11j; 21a–21d) entsprechen und sich an bestimmten relativen Positionen in Bezug auf die Ports (13a–13d; 31a–31d) befinden; wobei jede zweite Anschlussfläche (13e–13o; 22a–22d) über Löthöcker (14; 23) an eine der entsprechenden ersten Anschlussflächen (11a–11j; 21a–21d) gebondet ist, derart, dass jeder der Ports (13a–13d; 31a–31d) auf einen der Kerne (12a/12b/12c/12d; 32a/32b/32c/32d) ausgerichtet ist, um einen Durchgang von Licht durch ihn zuzulassen; dadurch gekennzeichnet, dass Ausgewählte der mehreren entsprechenden ersten und zweiten Anschlussflächen (11a–11j; 21a–21d; 13e–13o; 22a–22d) wenigstens einen Abschnitt besitzen, der im Allgemeinen rechtwinklig ist; und um die Mittellinie entlang ihrer Längsachse symmetrisch sind; und eine zu der zugeordneten Kern-Mittellinie parallel liegende auf diese ausgerichtete Port-Mittellinie besitzen; wobei die rechtwinkligen Abschnitte der ersten Anschlussflächen (11a–11j; 21a–21d) und der entsprechenden zweiten Anschlussflächen (13e-13o; 22a-22d) überlap pen.
Optisches Modul nach Anspruch 1, bei dem die mehreren ersten Anschlussflächen (11a–11j) in eine erste und eine zweite Gruppe unterteilt sind, der im Allgemeinen rechtwinklige Abschnitt der oberen Oberfläche jeder der ersten Anschlussflächen (11a/11c/11f/11i) der ersten Gruppe eine Längsrichtung besitzt, die zu der optischen Achse, die dem Port und dem Kern gemeinsam ist, im Wesentlichen parallel ist, und der im Allgemeinen rechtwinklige Abschnitt der oberen Oberfläche jeder der ersten Anschlussflächen (11b/11d/11e/11g/11h/11j) der zweiten Gruppe eine Längsrichtung besitzt, die zu der optischen Achse im Wesentlichen senkrecht ist.
Optisches Modul nach Anspruch 1, bei dem jede der mehreren ersten Anschlussflächen (11a–11j) eine im Allgemeinen rechtwinklige Parallelepiped-Konfiguration hat und jede der mehreren zweiten Anschlussflächen (13e–13o) diese im Allgemeinen rechtwinklige Parallelepiped-Konfiguration hat.
Optisches Modul nach Anspruch 3, bei dem die Ecken der im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Konfiguration abgerundet sind.
Optisches Modul nach Anspruch 3, bei dem die mehreren ersten Anschlussflächen (11a–11j) in erste und zweite Gruppen unterteilt sind, die im Allgemeinen rechtwinklige Parallelepiped-Konfiguration jeder der ersten Anschlussflächen (11a/11c/11f/11i) der ersten Gruppe eine Längsrichtung besitzt, die zu einer dem Port und dem Kern gemeinsamen optischen Achse im Wesentlichen parallel ist, die im Allgemeinen rechtwinklige Parallelepiped-Konfiguration jeder der ersten Anschlussflächen (11b/11d/11e/11g/11h/11j) der zweiten Gruppe eine Längsrichtung besitzt, die zu der optischen Achse im Wesentlichen senkrecht ist.
Optisches Modul nach Anspruch 1, bei dem jede der mehreren ersten Anschlussflächen (21a–2d1) eine Kombination aus im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Abschnitten (21e/21f) ist und jede der mehreren zweiten Anschlussflächen (22a– 22d) die Kombination aus im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Abschnitten (22e/22f) ist.
Optisches Modul nach Anspruch 6, bei dem die Kombination abgerundete Ecken besitzt.
Optisches Modul nach Anspruch 6, bei dem die Kombination der im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Abschnitte (21e/21f; 22e/22f) eine T-Buchstaben-Konfiguration hat und die mehreren ersten Anschlussflächen, die in diese T-Buchstaben-Konfiguration geformt sind, abwechselnd umgedreht sind.
Optisches Modul nach Anspruch 6, bei dem einer (21e; 22e) der im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Abschnitte, der einen Querbalken der T-Buchstaben-Konfiguration bildet, eine Längsachse besitzt, die zu einer dem Kern und dem Port gemeinsamen optischen Achse senkrecht ist, und der andere (21f; 22f) der im Allgemeinen rechtwinkligen Parallelepiped-Abschnitte, der einen vertikalen Balken der T-Buchstaben-Konfiguration bildet, eine zu der optischen Achse parallele Längsachse besitzt.
Verfahren zum Montieren eines optischen Moduls, das die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines Substrats (11; 33), das eine obere Oberfläche besitzt; Vorsehen einer Lichtwellen-Ausbreitungseinrichtung (12; 32) auf einem ersten Abschnitt der oberen Oberfläche, wobei die Einrichtung mehrere parallele Kerne (12a–12d; 32a–32d) für die Ausbreitung von Licht besitzt, wobei die Kerne nebeneinander auf der oberen Oberfläche angeordnet sind und sich längs dieser erstrecken und wobei die Kerne entlang ihrer Längsachsen eine Mittellinie besitzen; Vorsehen eines optischen Elements (13; 31), das eine untere Oberfläche und Ports (13a–13d; 31a–31 d) besitzt; Ausbilden mehrerer erster Anschlussflächen (11a–11j; 21a–21d) auf einem zweiten Abschnitt der oberen Oberfläche des Substrats unter Verwendung von Lithographie-Techniken, wobei sich die Anschlussflächen an bestimmten relativen Positionen in Bezug auf die Kerne befinden; Ausbilden mehrerer zweiter Anschlussflächen (13e–13o; 22a–22d) auf der unteren Oberfläche des optischen Elements unter Verwendung von Lithographie-Techniken, wobei die zweiten Anschlussflächen den ersten Anschlussflächen entsprechen und sich an bestimmten relativen Positionen zu den Ports befinden; wobei Ausgewählte der mehreren entsprechenden ersten und zweiten Anschlussflächen wenigstens einen Abschnitt besitzen, der im Allgemeinen rechtwinklig ist; und um die Mittellinie entlang ihrer Längsachse symmetrisch sind; und Ausgewählte der mehreren ersten Anschlussflächen eine zu der zugeordneten Kern-Mittellinie parallel liegende und darauf ausgerichtete Anschlussflächen-Mittellinie besitzen; und Ausgewählte der mehreren zweiten Anschlussflächen direkt unter dem zugeordneten optischen Port liegen; Anordnen von Lötteilen auf den mehreren ersten Anschlussflächen; Erhitzen der Lötteile, um auf den mehreren ersten Anschlussflächen Löthökker (14; 23) auszubilden; Setzen des optischen Elements auf die Löthöcker in der Weise, dass die Löthöcker mit den mehreren zweiten Anschlussflächen in Kontakt gebracht werden; Aufschmelzen der Löthöcker, damit sich der im Allgemeinen rechtwinklige Abschnitt der ersten Anschlussflächen von selbst auf den entsprechenden im Allgemeinen rechtwinkligen Abschnitt der zweiten Anschlussflächen ausrichtet, wodurch bewirkt wird, dass jeder der ersten Ports auf den zugeordneten Kern ausgerichtet ist; und Bonden der mehreren ersten Anschlussflächen auf die mehreren zweiten Anschlussflächen durch ein Erstarren der Löthöcker.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Verhältnis der Höhe der Löthöcker (14; 23) zu der Breite der wenigstens einen im Allgemeinen rechtwinkligen Oberfläche gleich oder größer als 0,7 ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem jeder der Löthöcker in mehrere Lötteile unterteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Lötteile aus einer Lötfolie unter Verwendung einer Stanztechnik gebildet sind.