DE69805702T2 - Optisches Halbleitermodul und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Optisches Halbleitermodul und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eine optischen Halbleitermoduls für die optische Kopplung eines Wellenleitermediums, wie z. B. einer Lichtleitfaser, mit einem optischen Halbleiterelement, beispielsweise einem Halbleiterlaser und einer Fotodiode.
  • Ein optischer Halbleitermodul zur optischen Kopplung eines optischen Wellenleitermediums, wie z. B. einer Lichtleitfaser, mit einem optischen Halbleiterelement, beispielsweise einer Fotodiode oder einem Halbleiterlaser, ist eines der wichtigsten Bauelemente für den Aufbau eines optischen Kommunikationssystems. In den letzten Jahren hat ein mit Harz vergossener optischer Halbleitermodul, der das Kapselungsverfahren vereinfacht, unter dem Gesichtspunkt der Kostensenkung die Aufmerksamkeit von Optoelektronikern erregt.
  • Über einen optischen Halbleitermodul dieser Art wurde zum Beispiel in Proceedings of the 1997 IEICE General Conference, C-3-62, berichtet. Dieser optische Halbleitermodul setzt sich aus einer Halbleiterlaserdiode (LD) und einer Fotodiode (PD) zusammen und ist mit durchsichtigem Harz gekapselt, und sein äußerer Umfang ist mit Isolierharz umgossen.
  • Wegen des niedrigen Preises von Harz als Kapselungsmaterial können im allgemeinen die Kosten des optischen Halbleitermoduls gesenkt werden. Da jedoch Harz zum Vergießen des optischen Halbleitermoduls als Isolator dient, um einen Kurzschluß zwischen den Bauelementen zu verhindern, dringen elektrische Störungen von außen in den optischen Halbleitermodul ein und beeinflussen die optischen Bauelemente im Modul. Besonders wenn eine durch die Fotodiode empfangene Signalspannung schwach ist, kann wegen des im Modul enthaltenen Rauschens keine befriedigende Empfangsempfindlichkeit erzielt werden.
  • Als Mittel zur Lösung dieses Problems wird ein optischer Halbleitermodul vorgeschlagen, in dem die Oberfläche des Isolierharzes mit metallischen Abschirmungsstücken oder einer metallischen Abschirmungsschicht bedeckt ist. Ein derartiger optischer Halbleitermodul wird in der japanischen Patentschrift (Kokai) 7-288 332 offenbart.
  • Bei dem optischen Halbleitermodul, in dem die Quelle des Isolierharzes mit den metallischen Abschirmungsstücken oder der metallischen Abschirmungsschicht bedeckt ist, muß das Isolierharz in einer schachtelähnlichen Konfiguration geformt werden, die sich mühelos mit der metallischen Abschirmungsschicht oder dergleichen bedecken läßt. Das Verfahren zum Formen von Isolierharz in der schachtelähnlichen Konfiguration ist jedoch sehr arbeitsaufwendig, wodurch eine Kostensenkung für den optischen Halbleitermodul erschwert wird. Außerdem ergibt sich das Problem, daß zum Formen der metallischen Abschirmungsschicht ein besonderes Verfahren notwendig ist.
  • JP-P-084 162 und die entsprechenden Patent Abstracts of Japan offenbaren ein gitterförmiges leitfähiges Harz.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist in Anspruch 1 definiert.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines optischen Halbleitermoduls, der gegen externe Störungen widerstandsfähig ist und zu niedrigen Kosten gefertigt werden kann.
  • Die Erfindung wird in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert, wobei
  • Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform zeigt, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
  • Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung erläutert.
  • Fig. 1 zeigt eine Skizze der bevorzugten Ausführungsform, die nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung geformt wird. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird eine Fotodiode 3 mit Oberflächenlichteinfall mit einem Siliciumsubstrat 2 kombiniert, das mittels Bondhügeln 4 auf einem Leiterrahmen 1 montiert wird. Eine Lichtleitfaser 5 wird in einem V-Graben 6 installiert, und um den Lichtweg der Lichtleitfaser 5 herum wird ein Harz 7 mit hoher Lichtdurchlässigkeit eingefüllt. Alle Bauelemente werden mit einem Harz 8 mit hoher Abdichtungsfähigkeit umgossen, und auf diese Weise erhält man einen optischen Halbleitermodul. Der Brechungsindex des lichtdurchlässigen Harzes 7 ist annähernd gleich dem des Kerns der Lichtleitfaser 5, und das Harz 8 schließt die Bauelemente des optischen Halbleitermoduls ein und bildet eine luftdichte Abdichtung.
  • Sowohl das lichtdurchlässige Harz 7 als auch das Verguß- bzw. Dichtungsharz 8 dienen als Isolatoren, um Kurzschlüsse zwischen den Bauelementen des optischen Halbleitermoduls zu verhindern. Außerdem bedeckt ein leitfähiges Harz 10 das Dichtungsharz 8 und eine Masseebene 9, die mit dem Leiterrahmen 1 verbunden ist. In der obenerwähnten Struktur wird ein schwaches optisches Signal, das von der Lichtleitfaser 5 emittiert wird, durch einen Spiegel 11 reflektiert und zur Fotodiode 3 gelenkt, und das auf die Fotodiode 3 auffallende optische Signal wird in ein schwaches elektrisches Signal umgewandelt. Zu beachten ist, daß der Masseanschluß der Fotodiode 3 mit dem Leiterrahmen 1 verbunden ist, obwohl dies nicht explizit in Fig. 1 dargestellt ist.
  • Da der optische Halbleitermodul mit leitfähigem Harz 10 abgedeckt ist, fließt eine von außen in den optischen Halbleitermodul eindringende elektrische Störung über das leitfähige Harz 10 zur Masseebene 9 ab und beeinflußt nicht das schwache elektrische Signal. Dementsprechend kann eine hohe Empfangsempfindlichkeit erzielt werden. Da außerdem das als Abschirmungsmaterial dienende leitfähige Harz 10 beim Aufbringen auf einen halbfertigen optischen Halbleitermodul flüssig ist, bedeckt es eine Außenfläche des Moduls gleichmäßig, auch wenn die Oberflächen des lichtdurchlässigen Harzes 7 und des Dichtungsharzes 8 unbestimmt sind.
  • Dementsprechend besteht keine Notwendigkeit, das Isolierharz in schachtelähnlicher Konfiguration in einer bestimmten Gestalt zu formen; ein dazugehöriges Verfahren kann entfallen, und die Kosten des Produkts können gesenkt werden. In den Schritten zum Überziehen des halbfertigen optischen Halbleitermoduls mit Harzschichten ist kein spezielles Verfahren erforderlich, und das Harz kann durch ein normalerweise angewandtes Gieß- bzw. Einbettungsverfahren mühelos darauf aufgebracht werden.
  • Als nächstes wird die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ausführungsform anhand von Fig. 1 konkret erläutert.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten Struktur ist die Fotodiode 3 mit einer Lichtempfangsfläche mit einem Durchmesser von 80 um versehen. Die Lichtleitfaser 5 ist eine Mehrmodenfaser mit einem Kerndurchmesser von 62,5 um und einem Außendurchmesser von 125 um. Der Brechungsindex des lichtdurchlässigen Harzes 7 beträgt 1,47; das ist nahezu der gleiche Wert wie der des Kerns der Lichtleitfaser 5, und die Durchlässigkeit des lichtdurchlässigen Harzes 7 beträgt mehr als 95%.
  • Das Dichtungsharz 8 wird auf dem lichtdurchlässigen Harz 7 ausgebildet. Der Bondhügel 4 besteht aus AuSn-Lötmetall mit einem Durchmesser von 90 um und einer Höhe von 50 um. Das leitfähige Harz 10 ist ein Harz auf Siliconbasis, das Ag als Füllmittel enthält, und sein spezifischer Widerstand beträgt 3 · 10&supmin;&sup4; Ωcm. Das leitfähige Harz 10 wird mit einem gewöhnlichen Spender bzw. Verteiler auf die Oberfläche des Dichtungsharzes 8 aufgetragen, drei Minuten auf 150ºC erhitzt und ausgehärtet. Obwohl das Dichtungsharz 8 halbkugelförmig ist, kann das Dichtungsharz 8 leicht mit flüssigem leitfähigem Harz 10 überzogen werden.
  • In der obenerwähnten Struktur wird das von der Lichtleitfaser emittierte schwache optische Signal durch den Spiegel 11 reflektiert, und das auf die Fotodiode 3 auffallende optische Signal wird in das schwache elektrische Signal umgewandelt. Da die Oberfläche des optischen Moduls aus leitfähigem Harz 10 besteht, werden elektrische Störungen über das leitfähige Harz 10 zur Masseebene 9 abgeleitet und beeinflussen nicht das durch die Fotodiode 3 empfangene schwache elektrische Signal. Auf diese Weise kann eine hohe Empfangsempfindlichkeit des optischen Halbleitermoduls erzielt werden.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform bilden zwar das lichtdurchlässige Harz 7 und das Dichtungsharz 8, die beide als Isolierschichten dienen, eine Doppelschichtstruktur, aber der Aufbau der Isolierschichten ist keineswegs auf die Doppelschichtstruktur beschränkt, und es können eine einschichtige Struktur oder eine mehr als dreischichtige Struktur gewählt werden, solange eine zufriedenstellende Kopplungseigenschaft und ein zuverlässiges Dichtungsvermögen erzielt werden können. Außerdem kann das leitfähige Harz 10 unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit und der Instandhaltung mit einem weiteren Isolierharz überzogen werden. In dieser Ausführungsform ist das leitfähige Harz 10 auf dem Dichtungsharz 8 ausgebildet, aber auch wenn das leitfähige Harz 10 auf dem lichtdurchlässigen Harz 7 ausgebildet wird, läßt sich eine ähnliche Wirkung erzielen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird zwar eine Lichtleitfaser bzw. Glasfaser als optisches Wellenleitermedium verwendet, aber anstelle der Glasfaser können auch ein SiO&sub2;- Lichtwellenleiter ein Polyimid-Lichtwellenleiter und ein Kunststoff-Lichtwellenleiter eingesetzt werden. Der optische Wellenleiter ist keineswegs auf die Mehrmoden-Lichtleitfaser beschränkt, und als optisches Wellenleitermedium kann auch eine Einmoden-Lichtleitfaser gewählt werden. Ferner wird zwar in der vorliegenden Ausführungsform eine Fotodiode mit Oberflächenlichteinfall verwendet, aber anstelle der Fotodiode können auch eine Lawinenfotodiode (APD), eine Halbleiterlaserdiode (LD) und ein optischer Verstärker eingesetzt werden. Die Fotodiode ist über die Bondhügel mit dem Si-Substrat verbunden, kann aber auch über eine flache Lötmetallschicht ohne Verwendung der Bondhügel mit dem Si-Substrat verbunden werden.
  • Wie oben erwähnt, fließen bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten optischen Halbleitermodul von außen in den optischen Halbleitermodul eindringende elektrische Störungen über das leitfähige Harz zur Masseebene ab und können nicht in die Fotodiode gelangen. Dementsprechend werden äußere Störungen durch das leitfähige Harz abgeschirmt und beeinflussen nicht die Charakteristik der Fotodiode, die ein schwaches Ausgangssignal erzeugt. Außerdem besteht keine Notwendigkeit zum Formen des Harzes in einer schachtelähnlichen Konfiguration von besonderer Gestalt; das damit verbundene Verfahren kann entfallen. Ferner erfordert das Verfahren zum Abdecken des optischen Halbleitermoduls mit leitfähigem Harz keine besondere Technologie, und ein normalerweise benutztes Kapselungs- bzw. Einbettungsverfahren läßt sich leicht darauf anwenden. Folglich kann der optische Halbleitermodul zu einem niedrigen Preisgeliefert werden.
  • Die Erfindung ist zwar der vollständigen und klaren Darstellung wegen in Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben worden, aber die beigefügten Patentansprüche sind nicht auf diese Weise einzuschränken, sondern so aufzufassen, daß sie alle Modifikationen und alternativen Konstruktionen verkörpern, die dem Fachmann in den Sinn kommen können und im Umfang der hier dargelegten Grundlehren liegen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleitermoduls, der ein optisches Wellenleitermedium (5) zur Übertragung eines optischen Signals und einen Fotosensor (3) zur optisch-elektrischen Umwandlung des optischen Signals aufweist, mit den folgenden Schritten:
a) Optische Kopplung des Ausgangsendes des optischen Wellenleitermediums mit einer Lichtempfangsfläche des Fotosensors,
b) Füllen eines Raumes, der den Ausgangsabschnitt des optischen Wellenleitermediums (5) und den Fotosensor (3) umgibt, mit Isolierharz,
c) Aufbringen von flüssigem leitfähigem Harz (10) auf die Oberfläche des Isolierharzes, so daß die Oberfläche des Isolierharzes gleichmäßig mit dem leitfähigen Harz (10) bedeckt wird und das leitfähige Harz mit einer Masseebene (9) in Verbindung steht, die mit einem Masseanschluß des Fotosensors (3) verbunden ist, und
d) Aushärten des leitfähigen Harzes (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
der Schritt zum Ausfüllen des Raumes die folgenden Schritte aufweist:
a) Füllen eines inneren Raumes, der dem Fotosensor (3) und einem Ausgangsabschnitt des optischen Wellenleitermediums (5) benachbart ist, mit einem lichtdurchlässigen Harz (7), dessen Brechungsindex dem eines Kerns des optischen Wellenleitermediums (5) nahezu gleich ist, und
b) Abdecken einer Außenfläche des inneren Raums mit einem Dichtungsharz (8).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das leitfähige Harz (10) durch dreiminütiges Erhitzen auf 150ºC ausgehärtet wird.
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