JP2001156432A

JP2001156432A - モジュール及び電子部品の実装方法

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Publication number: JP2001156432A
Application number: JP33698199A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Mogi; 俊行茂木; Hiroyuki Ota; 洋幸太田; Shigefumi Kito; 繁文鬼頭; Kazutami Kawamoto; 和民川本; Shohei Hata; 昌平秦; Shinichi Okayama; 伸一岡山; Yukinari Matsuo; 幸成松尾; Tsutomu Kuroiwa; 勉黒岩; Mari Matsuyoshi; 真理松吉; Katsumi Uchida; 勝己内田
Original assignee: Opnext Japan Inc
Current assignee: Opnext Japan Inc
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2001-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】光半導体素子等の電子部品をベース基板に高精
度に実装したモジュールを提供すること。【解決手段】光半導体素子１が、これに設けられた電極
パット１２と、ベース基板３に設けられた電極パット３
１とそれらの間に配置された半田２により、ベース基板
３に実装されている。ベース基板３に設けられた電極パ
ット３１は、対応する電極パット１２より光軸３２の軸
対称にΔｘだけ距離をずらしてある。実装時に半田を溶
融したとき、セルフアライメント力により光半導体素子
１が精度よく位置の調整がされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信分野等で使
用される光半導体素子等の電子部品をベース基板に接合
したモジュール及びそのような電子部品をベース基板に
実装する実装方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子部品をベース基板に接合した
モジュール、特に光半導体素子等を接合した光モジュー
ルは、情報サービス網の拡充のために低コスト化が望ま
れている。その中でも光通信システムを低価格で構築す
るために、光信号と電気信号の変換を行う光モジュール
の低コスト化が課題となっている。この課題の実現のた
めには、同一基板上に平易な実装方法で、高精度に光部
品を集積化できる光モジュールが必要となる。

【０００３】さて、半導体レーザダイオード、端面入射
型半導体受光素子、光スイッチに代表される光部品は、
一般に光を基板面内平行方向に入出射するものである。
特に、光半導体素子の端面で入出力を行う半導体レーザ
ダイオード、半導体受光素子に代表される光半導体素子
は、光デバイスからの光の入出射位置と、光半導体素子
の発光面や受光面との位置関係が、組み上げた光モジュ
ールの入出力に大きく影響する。

【０００４】そのため従来は、特開平７−４３５６５号
公報に記載のマーカ検出法のように、基板上のマークと
光半導体素子のマークの重なりを光半導体素子の上方か
らの光照射によって検出する方法や、特開平９−５４２
２９号公報に記載の薄膜半田リフロー方式のように、基
板上の電極と光半導体素子の電極を同じピッチとし、半
田を溶融させてセルフアライメントにより光半導体素子
の位置制御を行う等の方法をとっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のマーカ検出
法は、光半導体素子を光モジュールに実装する際、光半
導体素子とベース基板の相対位置を観察して、両者の必
要とする精度まで位置決めをする手段が必要となり、実
装設備に高精度の位置決め精度が要求される。また、従
来の薄膜半田リフロー方式は、光半導体素子がベース基
板の搭載目標に平面的に移動して近づいたときには、表
面張力によるセルフアライメント効果が小さくなり、位
置決め精度を上げることができないということが考慮さ
れていなかった。

【０００６】本発明の第１の目的は、電子部品がベース
基板に高精度に実装されたモジュールを提供することに
ある。本発明の第２の目的は、電子部品をベース基板に
高精度に実装する電子部品の実装方法を提供することに
ある。

【０００７】なお、本発明において電子部品とは、磁気
ヘッド素子等や、発光型光半導体素子、受光型光半導体
素子のような光半導体素子等の半導体素子を含む部品を
いい、モジュールとはこれらの電子部品がベース基板に
実装されたものをいい、光モジュールとは光半導体素子
がベース基板に実装されたものをいう。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明のモジュールは、電子部品とベース基
板を有し、この電子部品が、電子部品に設けられた第１
の電極パットとベース基板に設けられた第２の電極パッ
トとの間に配置された半田により、ベース基板に実装さ
れ、第２の電極パットが、第２の電極パットが含まれる
平面内の所望の軸の軸対称に、第１の電極パットに対し
て距離をずらして配置されるようにしたものである。

【０００９】このモジュールで電子部品が光半導体素子
であるとき、所望の軸とは、上記光半導体素子の光軸の
真下に、光軸と平行に存在することが好ましい。他の素
子であるとき、複数の第１の電極パットの大多数が軸対
称に分かれるような軸を定め、その軸の真下で、この軸
に平行な軸を定めればよい。第２の電極パットがすべて
距離をずらして配置されていることは好ましいが、すべ
て距離をずらして配置する必要はない。例えば、軸の位
置に第２の電極パットがあってもよいし、軸の一方の側
のみに第２の電極パットの一部があってもよいし、ま
た、軸対称に配置されている第２の電極パットの一部が
ずらされていなくてもよい。しかし、距離をずらして配
置されている電極パットが、面積比で５０％を越えてい
ることが必要である。より精度よく電子部品が配置され
るためには、距離をずらして配置されている電極パット
が好ましくは７５％以上であること、最も好ましくは８
０％以上であることである。

【００１０】また、ずらす距離、つまり第１の電極パッ
トの中心位置と第２の電極パットの中心位置とのずらす
距離は、第２の電極パットの所望の軸と直角方向の長さ
の０．０１倍〜０．５倍であることが好ましい。電極パ
ットが円形であれば、所望の軸と直角方向の長さは円の
直径になる。

【００１１】さらに、第２の電極パットが、所望の軸及
びこの所望の軸と直交し、かつ、第２の電極パットが含
まれる平面内の第２の軸のいずれの軸にも軸対称に、第
１の電極パットに対して距離をずらして配置されるよう
にしてもよい。

【００１２】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の電子部品の実装方法は、電子部品を、電子部品
に設けられた第１の電極パットとベース基板に設けられ
た第２の電極パットとの間に配置された半田により、ベ
ース基板に実装するもので、第２の電極パットが、この
第２の電極パットが含まれる平面内の所望の軸の軸対称
に、第１の電極パットに対して距離をずらして配置した
ベース基板を準備し、第２の電極パット上に、半田を介
して第１の電極パットを配置し、半田を溶融させて電子
部品のベース基板に対する位置を調整し、半田を固化し
て電子部品をベース基板に実装するようにしたものであ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の光半導体素子の実
装方法の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明す
る。〈実施例１〉図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施例
の光モジュールを示す部分断面図及びその平面図であ
る。端面出射式レーザダイオードを含む光半導体素子１
は、レーザ出射口となるレーザ発光部１１が端面に、複
数の電極パット１２が、レーザが発光される光軸１３の
左右に軸対称に設けられている。また、光半導体素子１
を実装するベース基板３には、光半導体素子１の電極パ
ット１２と、同数同寸法の電極パット３１が設けられて
いる。ここで、ベース基板３の電極パット３１は、相対
する光半導体素子１の電極パット１２の中心位置に対し
て、ベース基板３の所望の軸、ここではベース基板３の
光軸３２に軸対称に、一定量Δｘだけ外側にずらした位
置に設定してある。また、ベース基板３の電極パット３
１上には、接合用の半田２を、例えばマスクを用いた真
空蒸着等により、電極パット３１よりも小さい寸法で形
成してある。ここで光半導体素子１とベース基板３を半
田２により固定する方法を実際の工程に沿って順に説明
する。

【００１４】図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施例
の光半導体素子の実装工程を説明するための光モジュー
ルの断面図である。光半導体素子の吸着チャック１４に
把持された光半導体素子１は、電極パット３１と半田２
が形成されたベース基板３の上に、図２（ａ）のように
一定距離をおいて停止する。ここで半田２は、真空蒸着
等により電極パット３１上に予め形成しておくか、半田
ボール等を整列させておく。ベース基板３上に停止した
光半導体素子１は、光半導体素子１上の電極パット１２
と、これに相対するベース基板３上に設けられた電極パ
ット３１との位置ずれ量が、電極パット３１の上記の所
望の軸と直角方向の長さの５０％以内に収まるように、
光半導体素子１とベース基板３の水平方向の位置が調整
される。なお、上記した所望の軸と直角方向の長さと
は、本実施例では電極パット３１が円形であるのでその
直径となる。この際の位置調整の方法は、光半導体素子
１とベース基板３にマーカを入れ、位置決めを行うマー
カインデックス法、光半導体素子１とベース基板３の間
にカメラを入れ、上下の電極パット１２及び電極パット
３１の相対位置を観察して位置合わせする方法等が挙げ
られる。

【００１５】ここで電極パット１２及び電極パット３１
の直径を１０μｍ、上下の電極パットの位置ずれ設定量
Δｘを１μｍとすると、光半導体素子１とベース基板３
との初期の位置決め精度が±４μｍ以上あれば、それぞ
れの電極パット１２、３１の中心が、相対する電極パッ
ト１２、３１に重なり、半田溶融時のセルフアライメン
ト力を、効果的に作用させることができる。この必要な
初期位置決め精度は、汎用のダイボンディング装置でも
十分対応できる値となる。なお、電極パット１２及び電
極パット３１の直径は同じである必要はない。

【００１６】位置合わせの終了した光半導体素子１は、
図２（ｂ）のように、半田２を介してベース基板３に仮
固定負荷１５によって押し付けられ、半田２の溶融温度
よりも低い温度で半田２を溶融せずに、電極パット表面
のＡｕと半田中のＡｕとの金属間結合によってベース基
板３との仮接続ができる。

【００１７】仮接続した光半導体素子１とベース基板３
は、その状態で窒素リフロー炉等の半田溶融設備に入れ
る。窒素リフロー炉に入れた光半導体素子１とベース基
板３には、半田２の溶融温度以上の温度を付加すること
で、図２（ｃ）のように半田２が固体から液体に変化
し、光半導体素子１を位置合わせしようとするセルフア
ライメント力２１が発生する。ここで窒素リフロー炉に
おいて付加する温度は、光部品に多用される代表的な半
田であるＡｕとＳｎの６：４の共晶はんだとすると２８
０℃以上が必要となる。

【００１８】液状化してセルフアライメント力２１が発
生した半田２は、図２（ｄ）のように、光半導体素子１
の電極パット１２とベース基板３の電極パット３１の上
下位置が半田２の表面積が最小になるように収縮しよう
とする。ここで上下の電極パット１２と電極パット３１
の位置を光軸３２と対称に左右にΔｘだけずらしておく
と、光半導体素子１とベース基板３の位置関係は、光半
導体素子１の光軸１３とベース基板の光軸３２が上方か
ら見て（以下、「上方から見て」は省略して単に光軸と
いう）一致した状態で、左右のセルフアライメント力２
１の差違がなくなって安定する。この状態で光半導体素
子１は、窒素リフロー炉内の温度を半田２の溶融温度以
下に下げることで、溶融していた半田２が固まり、ベー
ス基板３との接続が完了する。

【００１９】図３は、光半導体素子１とベース基板３の
位置関係とセルフアライメント力２１との相関関係図で
ある。半田２が溶融する際のセルフアライメント力２１
は、半田２の表面積が最小になろうと収縮することで発
生する。ここで上下の電極パット１２、３１のずらし量
をΔｘ、ベース基板３に対する光半導体素子１の位置ず
れ量（光半導体素子１が実際に動いた距離）をＸとす
る。円形の電極パット１２、３１の直径と溶融時の半田
２の厚さとのアスペクト比が１：１であり、電極パット
１２が光半導体素子１の光軸１３を対称に２個あるとき
の光半導体素子１に作用するセルフアライメント力２１
を、（上下の電極パット１２、３１のずらし量Δｘ／電
極パット１２の直径）が０〜０．４倍の条件とし、（ベ
ース基板３に対する光半導体素子１の位置ずれ量Ｘ／電
極パット１２の直径）を横軸として表した。また、セル
フアライメント力２１は、Δｘ／電極パット１２の直径
＝０、ｘ／電極パット１２の直径＝０．５のときの位置
合わせ力を基準値とし１とする。

【００２０】ここで、光半導体素子１の電極パット１２
とベース基板３の電極パット３１のずれ量Δｘが０のと
き、光半導体素子１の電極パット１２の中心位置とベー
ス基板３の電極パット３１の中心位置が水平面内で近づ
いたならば、急激に光半導体素子１のセルフアライメン
ト力２１が低下する。しかし、図１に示すように電極パ
ット３１と電極パット１２の位置関係をΔｘだけ、光半
導体素子１の光軸１３と対称にずらした位置に設定する
ことで、光半導体素子１のセルフアライメント力２１
は、光半導体素子１の光軸１３とベース基板の光軸３２
が近づいた場合でも、大きな力を発生させることができ
る。

【００２１】例えば、電極パット３１の直径を１０μ
ｍ、溶融後の半田厚を１０μｍ、Δｘを１μｍとしたと
き、光軸１３、３２の両側にある２個の電極パット１
２、３１は、Δｘ＝０のときと比べて１μｍの位置ずれ
で約２倍、０．５μｍで約５倍のセルフアライメント力
２１を発生する。これは、光半導体素子を実装する際に
光軸１３と３２を高精度で一致させる大きな作用力とな
り、高精度実装につながる。そして、この実装精度は、
主な光半導体素子であるレーザモジュール等に必要とさ
れる精度±１μｍ以下となる。このときΔｘの値はセル
フアライメント力２１を左右するが、電極パット直径の
０．５倍を越えるとそれぞれの電極パット１２、３１の
中心位置が外れるため、セルフアライメント力が低下
し、また、少なくても中心付近での調整力となるセルフ
アライメント２１の効果が小さい。それ故Δｘは、電極
パット直径の０．０１倍〜０．５倍が望ましく、０．１
倍〜０．４倍がより望ましい。なお、従来の技術では、
電極パットの直径が１０μｍのとき精度±１μｍを満た
すことはできなかった。

【００２２】また、光半導体素子１の垂直な方向に関す
る精度は、半田２の厚みによって左右される。ここで、
電極パット１２、３１及び半田２の量を小さく設定する
ことにより、光半導体素子１とベース基板３間に、複数
ある半田２のばらつき量も小さく押さえ、光半導体素子
１の垂直方向や姿勢の誤差を小さく抑えることが可能と
なる。

【００２３】〈実施例２〉図４（ａ）、（ｂ）は、本発
明の実施例２の光モジュールを示す部分断面図及びその
平面図である。ベース基板３の電極パット３１及び光半
導体素子１の電極パット１２は、実施例１に示した円形
だけではなく、四角形にしても同等の効果を得ることが
できる。

【００２４】〈実施例３〉図５（ａ）、（ｂ）は、本発
明の実施例３の光モジュールを示す部分断面図及びその
平面図である。ベース基板３の電極パット３１を光軸３
２だけではなく、光半導体素子１と同一平面内の光軸３
２に垂直な軸３３に対しても対称に電極パット３１を移
動することで、光半導体素子１の光軸１３及び垂直な軸
１６についても精度よく位置を確保し、水平面内の位置
を確定することができる。

【００２５】〈実施例４〉図６（ａ）、（ｂ）は、本発
明の実施例３の光モジュールを示す部分断面図及びその
平面図である。光半導体素子１が端面発光型のレーザ等
で、光半導体素子１の活性層からの放熱を考慮しなけれ
ばならない場合、図６に示すようにレーザ中央部付近に
レーザ通電部及び放熱部を短冊形に作成して短冊電極部
３４とする。光半導体素子１を搭載するベース基板３
は、短冊電極部３４で通電、放熱を行い、左右の電極パ
ット３１で位置決めができる。

【００２６】〈実施例５〉図７は、本発明の実施例５の
光モジュールの構造斜視図である。Ｖ溝３５が掘られた
ベース基板３上には、光半導体素子１の電極パット（図
示せず）からＶ溝３５の中心軸に対称にΔｘだけずらし
て電極パット３１が作成されている。実施例１で示した
工程で、ベース基板３に光半導体素子１を実装すること
で、このＶ溝３５の中心軸と光半導体素子１の光軸１３
をベース基板３の実装面を含む水平面内で一致させるこ
とが可能となる。ここで、ベース基板３の垂直方向に関
する位置は、予めＶ溝３５の深さを光半導体素子１の発
光部１１又は受光部とＶ溝３５に搭載した光ファイバ４
のコアが一致するように作成することで光軸高さも一致
させることができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、光半導体素子等の電子
部品をベース基板に高精度な位置決めをしたモジュール
を提供することができた。また、本発明の方法を用いる
ことにより、煩雑な実装工程をとらずに、高精度で電子
部品を実装することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の光モジュールを示す部分断
面図及びその平面図。

【図２】本発明の実施例１の光半導体素子の搭載工程を
説明するための光モジュールの部分断面図。

【図３】光半導体素子とベース基板の位置関係とセルフ
アライメント力との関係を示す図。

【図４】本発明の実施例２の光モジュールを示す部分断
面図及びその平面図。

【図５】本発明の実施例３の光モジュールを示す部分断
面図及びその平面図。

【図６】本発明の実施例４の光モジュールを示す部分断
面図及びその平面図。

【図７】本発明の実施例５の光モジュールの構造斜視図
である。

【符号の説明】

１…光半導体素子２…半田３…ベース基板４…光ファイバ１１…レーザ発光部１２…（光半導体素子の）電極パット１３…光軸１４…吸着チャック１５…仮固定負荷１６、３３…軸２１…セルフアライメント力３１…（ベース基板の）電極パット３２…光軸３４…短冊電極部３５…Ｖ溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鬼頭繁文神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信システム事業本部内 (72)発明者川本和民神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者秦昌平神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者岡山伸一神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信システム事業本部内 (72)発明者松尾幸成神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信システム事業本部内 (72)発明者黒岩勉神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信システム事業本部内 (72)発明者松吉真理神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信システム事業本部内 (72)発明者内田勝己神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信システム事業本部内 (72)発明者坂本慎太郎神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信システム事業本部内 (72)発明者末嶋哲士神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信システム事業本部内Ｆターム(参考） 5E319 AA03 AA07 AB06 BB05 CC33 GG09 5E336 AA04 BB01 CC57 EE03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子部品とベース基板を有し、上記電子部
品が、上記電子部品に設けられた第１の電極パットと上
記ベース基板に設けられた第２の電極パットとの間に配
置された半田により、上記ベース基板に実装されたモジ
ュールにおいて、上記第２の電極パットは、上記第２の
電極パットが含まれる平面内の所望の軸の軸対称に、上
記第１の電極パットに対して距離をずらして配置された
ことを特徴とするモジュール。
【請求項２】上記電子部品は、光半導体素子であり、上
記所望の軸は、上記光半導体素子の光軸の真下に、光軸
と平行に存在することを特徴とする請求項１記載のモジ
ュール。
【請求項３】上記第１の電極パットの中心位置と上記第
２の電極パットの中心位置とのずれ量は、上記第２の電
極パットの上記所望の軸と直角方向の長さの０．０１倍
〜０．５倍であることを特徴とする請求項１又は２記載
のモジュール。
【請求項４】上記第２の電極パットは、上記所望の軸及
び上記所望の軸と直交し、かつ、上記第２の電極パット
が含まれる平面内の第２の軸のいずれにも軸対称に、上
記第１の電極パットに対して距離をずらして配置された
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載の
モジュール。
【請求項５】電子部品を、該電子部品に設けられた第１
の電極パットとベース基板に設けられた第２の電極パッ
トとの間に配置された半田により、上記ベース基板に実
装する電子部品の実装方法において、上記第２の電極パ
ットが、上記第２の電極パットが含まれる平面内の所望
の軸の軸対称に、上記第１の電極パットに対して距離を
ずらして配置されたベース基板を準備する工程と、上記
第２の電極パット上に、半田を介して上記第１の電極パ
ットを配置する工程と、上記半田を溶融させて上記電子
部品の上記ベース基板に対する位置を調整する工程と、
上記半田を固化して上記電子部品を上記ベース基板に実
装することを特徴とする電子部品の実装方法。