JP2001284696A - 光実装基板および光モジュール - Google Patents

光実装基板および光モジュール

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハンダ組成が共晶点組成から外れることで、
ハンダが冷却固化する際に合金を構成する金属元素が偏
析したり、異常な合金層が形成される等により、接合強
度や長期信頼性に問題があった。 【解決手段】 光伝送路を設ける基板12に、光伝送路
に対して位置合わせして形成されたAuを主成分とする
電極18上に、Au−Sn合金層16を介して光半導体
素子13を配設するように成した光実装基板であって、
Au−Sn合金層16の光半導体素子13が接する部位
17は、その一部が共晶点組成よりSnが多く含有され
たSnリッチ領域に形成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信及び光情報
処理分野等において使用されるレーザダイオードやフォ
トダイオード等の光半導体素子を実装するための光部品
実装基板(以下、光実装基板)およびそれを用いた光モ
ジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、光通信システムや、光情報処理シ
ステムの実用化が進むにつれ、さらに大容量の光信号を
処理することができ、かつ高機能を有するシステムが要
求されるようになってきている。これらシステムの実現
には光機能素子を集積した光集積回路が必要不可欠であ
り、その研究が盛んに行われている。
【0003】従来、光半導体素子や光導波路と光ファイ
バ間の光接続は、光半導体素子を発光させる、または光
導波路の一端に光を入射し、出射端に光ファイバを設置
して、光ファイバの受光光量が最大になるように光ファ
イバ位置を微妙に調整することで、光ファイバと光半導
体素子、または光導波路の光学的接続を行う方法(いわ
ゆるアクティブアラインメント)が一般的であった。
【0004】このアクティブアラインメントは、光半導
体素子自身を発光させる、または光半導体素子の片端か
ら光を入射させる必要が生じる。また、これら素子個々
に対する光軸調整には時間がかかり、コスト上昇につな
がる等の不便さがあった。
【0005】上記問題を解決するために、光素子及び光
ファイバ相対位置を機械的に精度よく配置し、光学接続
を達成する技術、すなわちパッシブアラインメント技術
が近年盛んに研究されている。
【0006】パッシブアラインメント技術は、光半導体
素子、光導波路、及び光ファイバの位置は機械的な精度
のみで決まるため、光半導体素子を発光させる、または
光を入射させる必要がないため、従来の電気素子のマウ
ント技術の延長線上にあるものといえる。すなわち、量
産効果は極めて絶大であり、光機能モジュールの低価格
化には必須の技術となりつつある。
【0007】情報通信用の光ファイバ内を導波する光の
スポット径は数μm程度であるために、光ファイバと光
半導体素子(例えばレーザダイオード)相互の位置合わ
せ精度は1μm、またはそれ以下であり、極めて高精度
の機械精度が必要となる。
【0008】光半導体素子と実装基板上の表面形状(例
えば電極やエッチング溝等)はフォトリソグラフィ技術
を用い、非常に高精度に作製できる。
【0009】一方、光半導体素子等の光機能素子を実装
基板上にモノシリックに形成することは困難である場合
があり、一般的には光半導体素子と実装基板は個別に製
作し、光半導体素子と実装基板とをハンダにて溶融接続
させる等の方法を用いる必要がある。
【0010】光半導体素子と実装基板は双方に設けられ
た位置合わせマーカーを用い、双方の相対位置を検出・
位置合わせされる。位置合わせされた光半導体素子と実
装基板は密着され、実装基板側または光半導体素子側か
ら加熱することで、予め接合部に設けられたハンダを溶
融・接着させることで接合される。
【0011】
【課題を解決しようとする課題】上記方法において、光
半導体素子が配置されている実装基板面では、双方に形
成された位置合わせマーカーの精度や位置合わせ誤差が
十分小さい場合には、満足できる精度で光半導体素子が
実装基板上に配置される。ところが、実装基板面に対す
る垂直方向精度においては必ずしも満足できない。
【0012】また、垂直方向の機械精度を満足させるた
めにハンダを加熱溶融する際の光半導体素子の押し当て
荷重量を制御する方法が一般的であるが、押し当て荷重
量を十分に正確に制御した場合においても、溶融するハ
ンダの表面状態等の影響により再現性を確保することが
難しい。このため、通常要求される機械精度(〜1μ
m)と同等にハンダ厚みが設定される(2〜3μm程
度)。
【0013】一方、光半導体素子および実装基板に形成
される電極厚みは通常0.5〜1μm程度であるから、
ハンダ層に対し電極は無視できないスケールとなる。こ
のため、ハンダを溶融した際、光半導体素子や実装基板
の電極金属元素がハンダ層に拡散することでハンダ合金
組成に大きな偏りやバラツキが生じやすい。
【0014】特に、通信用デバイスは高信頼性は要求さ
れるため、金錫(AuSn)ハンダが通常使用される。A
u−Sn合金はAu:Sn=80:20(重量比)が共
晶点組成であるので、この組成で最も安定したハンダと
なるが、光部品を実装する実装基板やレーザダイオード
の電極材料として通常Auが用いられることから、Au
Snハンダを用いて接合した際に、光半導体素子または
実装基板の電極材料の一部がハンダ層に拡散しやすく、
これによりハンダ組成に偏りやバラツキが生じる。
【0015】このように、ハンダ組成が共晶点組成から
外れることで、ハンダが冷却固化する際に合金を構成す
る金属元素が偏析したり、異常な合金層が形成される等
により、接合強度や長期信頼性に問題があった。
【0016】そこで本発明では、上述の諸問題を解消
し、ハンダ層の接合強度に優れ長期信頼性の高い光実装
基板およびそれを用いた光モジュールを提供することを
目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記問題を解消するため
に、本発明の光実装基板は、光伝送路を設ける基板に、
前記光伝送路に対して位置合わせして形成された、特に
Auを主成分とする電極上に、Au−Sn合金層を介し
て光半導体素子を配設するように成した光実装基板であ
って、前記Au−Sn合金層の前記光半導体素子が接す
る部位は、その一部が共晶点組成よりSnが多く含有さ
れたSnリッチ領域に形成されていることを特徴とす
る。
【0018】また、本発明の光モジュールは、上記光実
装基板においてAu−Sn合金層上に光半導体素子を配
設して成る。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明に係る光モジュールの一実
施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0020】図1に示すように、本発明の光モジュール
M1は、光伝送路となる光ファイバや光導波路などの光
導波路体(不図示)を搭載する載置用溝(V溝)11又
は光導波路体そのものが形成されたシリコン単結晶等か
ら成る基体(実装基板)12に、光導波路体と光接続さ
せるレーザーダイオードやフォトダイオード等の光半導
体素子体13を配設したものである。そして、基体12
の上面に載置用溝11又は光導波体の光軸に対し所定距
離隔ててマーカー14が形成されている。また、光半導
体素子体13の下面に基体12のマーカー14に位置合
わせするマーカー15が形成されている。
【0021】具体的には、基体12及び、例えばレーザ
ダイオード素子等の光半導体素子体13の相対向する面
には、金属薄膜の成膜またはエッチング等の方法によ
り、例えばサイズが数μmから十数μm程度の角形状や
円形状のマーカー14、15が形成されている。
【0022】基体12および光半導体素子体13のマー
カー形成面を相対向させ、それぞれのマーカー14,1
5をCCDカメラ等で同時に観察・位置検出することに
より、基体12および光半導体素子体13は1μmまた
は1μm以下の精度で定められた相対位置を保つように
位置合わせされた後、基体12と光半導体素子体13は
2〜3μmの厚みを有するハンダ層(Au−Sn合金層
(AuSnハンダ))16を介し密着接合される。
【0023】基体12上に設けられたAuを主成分とす
る電極18や光半導体素子13のAuを主成分とする電
極19を構成するAuが溶融拡散するために、接合後の
ハンダ層の接合部位はAuリッチとなる。この合金比の
偏りを防ぐために、接合部位17は予めSnリッチなハ
ンダで形成されている。
【0024】以下にAuSn合金の振る舞いを詳細に説
明する。図7にAu−Sn合金系の相図を示す。Au/
Sn=80/20(重量比)の場合に、合金は280℃
固相から液相に変化(溶融)する。逆に冷却時には液相
から固相へ理想的に移行(固化)する。しかしながら、
予め、前記理想的な合金比Au/Sn=80/20を溶
融するとしても、例えば光半導体素子13の電極19か
らAuの拡散が起こった場合、Au/Sn組成はAuリ
ッチに振れる。その後冷却を行うとAu+Lig(液
相)相を通過するため、AuSnハンダ層にAuの偏析
が生じることとなる。さらにAuの比率が大きくなる
と、目的とは違った全く別の相が出現する可能性もあ
る。このことは、接合強度や長期信頼性に大きく影響す
る。
【0025】図6にAu組成比と接合強度(単位面積:
1mm2当り)の関係を示す。Au/Sn=80/20
の時に接合強度は極大となり、Auの組成が共晶点から
ずれると接合強度の低下が見られる。Snリッチ部はA
uが65〜85重量% の範囲で選択することが適当で
ある。なぜなら、Au組成比が小さくなると目的外の合
金相が出現し、Au組成比が大きくなると合金融点が急
激に上昇するからである。本発明ではSnリッチ領域を
光半導体素子の接合部位17に部分的に形成し、溶融後
の組成を共晶点組成にすることで上記問題を回避し、接
合強度の低下を極力防止している。
【0026】次に、上記ハンダ組成を変化させた2次元
的な組成構造の実施形態について説明する。
【0027】例えば図2に示すように、2種以上の組成
の異なったハンダパターンでハンダ層を構成してもよ
い。図2においては、Au合金比率として領域21>領
域22の2種類のAu/Sn合金を用い、中央における
22(Snリッチ)の割合が大きくなるように調整されて
いる。領域21,領域22の幅は数μmから数十μm程
度が、ハンダ層厚みは2〜3μm程度が適当である。ま
た、溶融温度を出来るだけ抑制するとの理由から、領域
21,領域22のAu合金比率は65〜85重量%で調
整することが望ましい。この構造の長所は、異なったハ
ンダ種を用いた2次元構造よる合金比の面内バラツキを
抑制する効果を有する。
【0028】さらには、図2においては面内において1
方向の繰り返し構造(周期的構造)を示したが、図3に
示すような格子状の周期的構造を用いることでさらに微
妙な調整も可能である。図3の場合、Au合金比率が領
域51>領域52(Snリッチ領域)の2種類のAu−
Sn合金層を用いた例を示している。そして、最も温度
が高くなると予想されるハンダ層中央部に占める合金層
(領域52)の割合が大きくなるように調整している。
具体的には、数〜十数μm程度のサイズで周期的な構造
が適当である。その他の留意点は図2の例と同様であ
る。
【0029】また、積層ハンダを用いる場合は、図4に
示すように、基体31上に、電極層である下地接着層3
2、Auから成るAu最下層33、Sn層34、Au層
35、Sn層36、及びAu最上層37を順次積層した
構造としてもよく、このときに、Au最下層のパターン
に2次元的な構成を持たせることで合金として面内でA
u/Sn合金比の異なる面内分布を実現することができ
る。例えば、数千オングストローム〜1μm程度のAu
最下層上にAu、Sn金属薄膜が交互に積層された構造
とし、Au最下層の厚みを面内で調整することで、図2
または図3と同様の効果を得ることができる。ここで、
Au、Sn交互層それぞれは千〜数千オングストローム
厚、数〜十数層で作製することが望ましい。
【0030】また、他の変形例として、下地に均一なA
u−Sn合金層を形成し、その上に異なった組成を有す
る別の合金層を形成し、上部合金層の一部を、例えばリ
ストオフ法、またはドライエッチング法等の方法で除去
することにより平面的部分的な構造を実現できる。
【0031】図5に示す構造ではAu合金比率として領
域61>領域62(Snリッチ領域)の2種類のAu−
Sn合金層を用い、上記方法で下部ハンダ層61上に上
部ハンダ層62が形成されている。上部ハンダ層62は
例えばレーザダイオード接合層(Au電極)形状に合わ
せ、同接合層からのAuの拡散を補償できるようになっ
ている。
【0032】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の光実装基
板および光モジュールによれば、光半導体素子とAu−
Sn合金層との接合時にAu−Sn合金層に基板や光半
導体素子のAuを主成分とする電極からAuが拡散して
も共晶点組成から大きくずれることが抑制されるので、
接合強度に優れ且つ長期信頼性も満足する優れた光実装
基板および光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】本発明に係る光素子実装用基板および光モジュ
ールの実施形態を説明する分解斜視図である。
【図2】本発明に係る光素子実装用基板において、2種
以上の合金比を有するAu−Sn合金層の一例を説明す
る斜視図である。
【図3】本発明に係る光素子実装用基板において、2種
以上の合金比を有するAu−Sn合金層の他の実施形態
を説明する斜視図である。
【図4】本発明に係る光素子実装用基板において、2種
以上の合金比を有するAu−Sn合金層の他の実施形態
を説明する斜視図である。
【図5】本発明に係る光素子実装用基板において、2種
以上の合金比を有するAu−Sn合金層の他の実施形態
を説明する斜視図である。
【図6】Au組成比と接合強度の関係を説明する線図で
ある。
【図7】Au−Sn合金状態図である。
【符号の説明】
11:光伝送路の載置用溝 12:基体(実装基板) 13:光半導体素子 14、15:マーカー 16:ハンダ層(Au−Sn合金層) 18:電極 22、52,62:Snリッチ領域

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光伝送路を設ける基板に、前記光伝送
    路に対し位置合わせして形成された電極上に、Au−S
    n合金層を介して光半導体素子を配設するように成した
    光実装基板であって、前記Au−Sn合金層の前記光半
    導体素子が接する部位に、共晶点組成よりSnが多く含
    有されたSnリッチ領域が部分的に形成されていること
    を特徴とする光実装基板。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の光実装基板におい
    て、前記Au−Sn合金層上に前記光伝送路に光接続さ
    せる光半導体素子を配設して成る光モジュール。
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