JP2001345505A - 光実装基板及びそれを用いた実装方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光半導体素子を信頼性よく搭載させることが
可能な光実装基板及びその実装方法を提供すること。 【解決手段】 本発明の光実装基板１１は、基板の一主
面に光半導体素子１２が搭載されるものであり、光実装
基板１１の光半導体素子１２が搭載される部位の背面
に、反射防止膜または赤外吸収体を被着して成ることを
特徴とする。また、この光実装基板１１を用いて、この
光実装基板１１と、該光実装基板１１に搭載する光半導
体素子１２との相対位置を検出する観察光学系の光軸上
に赤外光照射手段（１９，２２）を配し、該赤外光照射
手段により光実装基板１１と光半導体素子１２との間に
介在させた半田１３を加熱溶融せしめ、光実装基板１１
に光半導体素子１２を搭載するようにしたことを特徴と
する実装方法とする。

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発光半導体素子（例え
ば、レーザダイオード（以下ＬＤという））や受光半導
体素子等の光半導体素子を搭載する光実装基板及びそれ
を用いた実装方法に関する。

【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、光半導体素子等の光機能素子を集積した光集積回路
が不可欠であり、盛んに研究されている。

【０００３】従来、光半導体素子と光ファイバを接続す
る技術においては、光半導体素子と光ファイバ間の光接
続は素子を発光させる、または素子導波路一端に光を入
射し、その出射端に光ファイバを設置し、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
整することにより、光ファイバと光半導体素子との光学
的接続を行う、いわゆるアクティブアラインメント方法
が一般的であった。

【０００４】このアクティブアラインメント方法は、素
子自身を発光させる、若しくは、素子の片端から光を入
射させる必要が生じる。また、素子個々毎に対する光軸
調芯には時間がかかり、コスト上昇につながる等の問題
があった。

【０００５】近年、上記問題を解消するために、図５に
示すようなパッシブアラインメント技術が盛んに研究さ
れている。この技術は、まず、光半導体素子１２及び光
ファイバ２８を実装基板１１に機械的に精度よく配置
し、光学接続を達成しようとするものである。すなわ
ち、実装基板１１上に光ファイバ搭載溝１０とマーカー
２３と電極パターン３１と半田パターン１３を正確な位
置に形成する。そして、光半導体素子１２に形成したマ
ーカー２４と実装基板１１に形成したマーカー２３とを
位置合わせして光半導体素子１２を実装基板１１に載置
し、光ファイバ２２を光ファイバ搭載溝１０に載置する
ものである。なお、図中３２は光半導体素子１２の裏面
に形成した電極パターンであり、３３は光ファイバ２２
のストッパー溝である。

【０００６】このパッシブアラインメント技術は、光半
導体素子及び光ファイバ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、若しくは素子に光
を入射させる必要がないため、従来の電気素子マウント
技術の延長線上にあるといえ、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】

【発明が解決しようとする課題】情報通信用光ファイバ
内を導波させるための光のスポット径は１０μｍ程度で
あるために、光ファイバとＬＤ素子相互の位置合わせ精
度は１μｍ若しくはそれ以下が要求され、極めて高精度
の機械精度が必要となる。ＬＤ素子と実装基板の表面形
状（例えば電極等）はフォトリソグラフィー技術を用
い、非常に高精度に作製できる。

【０００８】一方、ＬＤ素子等の発光半導体素子を実装
基板上にモノシリックに形成することは困難であるた
め、ＬＤ素子と実装基板は個別に作製し、ＬＤ素子と実
装基板は半田融着等の方法で接続固定する必要がある。
電気的接続安定性、機械強度、放熱性に優れた金錫半田
接合は最も望ましいが、半田を溶融するためには３００
〜４００℃程度の高温加熱が必要である。

【０００９】しかしながら、従来の加熱方法は、図３に
示すように、ステージ２７の平面サイズは数１０ｃｍ×
数１０ｃｍは最低必要と考えられる。一方、一般材料等
の熱膨張係数は＞１０^-6／℃であるので、半田加熱時に
数μｍオーダのステージの熱膨張による位置ずれ誤差が
生じてしまう。この加熱ステージ２７のサイズをなるべ
く小さくするために、普通、セラミックヒータ２６等の
小型高出力ヒータが用いられるが、その平面サイズも上
記ステージと同程度でなければならず、上記ステージの
熱膨張による不具合は本質的には避けることができな
い。

【００１０】これら問題を解消するために、ヒータ周り
に断熱体２５を設けたり、また水冷する等して、なるべ
くヒータ周りを断熱し、ヒータ部を熱的に独立させる方
法も多用されるが、水冷管等の引き回し等構造が複雑に
なる。また、ヒータ部の熱容量を大きくするため急激な
加熱が困難になるので生産効率上問題であった。

【００１１】また、セラミックヒータやＬＤ等の光半導
体素子は可視光域で光学的に不透明であるために、基板
裏面からＬＤ素子と実装基板双方対向した位置合わせマ
ーカーを近接させた状態で観察することは困難である。

【００１２】実装基板とＬＤ素子をある程度間隔を設け
て対向配置し、その間に観察光学系を挿入することによ
り、観察・位置合わせ行った後、垂直ステージ機械精度
で両者近接させ加熱溶接させる方法が一般的に採られる
が、実装基板・ＬＤ素子を実装近接させる際の垂直ステ
ージ機械精度の確保が難しい。

【００１３】また、一方で上記垂直ステージの機械精度
の問題から、光半導体素子基体が赤外域で透明であるこ
とを利用して、赤外光を用いて素子裏面から位置合わせ
マーカーを観察し位置合わせする方法があるが、一般の
ＬＤ素子では基板裏面に電極を設ける必要があり、赤外
光による観察を行うためには裏面電極にパターンニング
を施し、一部の電極を除去しなければならないためＬＤ
素子のコストアップの要因をなっていた。

【００１４】また、光半導体素子は非常に小さく（数１
００μｍ角程度）、素子裏面から観察するためには、素
子保持の問題を合せで考えると素子側加熱機構を設ける
ことは現実的でなく、複数個のＬＤ素子を基板上に搭載
する場合には実装基板を複数回加熱することが必要であ
った。すなわち、最初に載置された光半導体素子には何
回も熱履歴がかかり、不良を発生させる要因ともなって
いた。

【００１５】また、ステージヒータ温度を昇降温させる
には数秒〜数１０秒の時間が必要であり、生産効率が悪
いという問題があった。

【００１６】そこで、本発明は光半導体素子を信頼性よ
く搭載させることが可能な光実装基板及びその実装方法
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】上記目的を達成するため
に、本発明の光実装基板は、基板の一主面に光半導体素
子が搭載される光実装基板において、光実装基板の光半
導体素子が搭載される部位の背面に、反射防止膜または
赤外吸収体を被着して成ることを特徴とする。

【００１８】また、上記実装基板を用いて、この光実装
基板と、該光実装基板に搭載する光半導体素子との相対
位置を検出する観察光学系の光軸上に赤外光照射手段を
配し、該赤外光照射手段により光実装基板と前記光半導
体素子との間に介在させた半田を加熱溶融せしめ、光実
装基板に光半導体素子を搭載するようにしたことを特徴
とする実装方法とする。

【００１９】具体的には、本発明の光半導体素子の実装
方法は、マーカー観察光学系と同軸に赤外加熱光学系を
配置したことを特徴とする。

【００２０】光実装基板に一般に使用されるシリコン基
板は可視光においては不透明であるが、〜１μｍの近赤
外光に関しては透明である。従って、前記マーカー観察
系でマーカーを観察して位置合わせが完了した後、４５
°ミラーで熱線光路を観察光学系光路上に挿入し、赤外
レーザ等で得られた熱線をレンズ等で集光し、所望の半
田層に照射し、加熱するようにすればよい。

【００２１】また、基板全体を加熱し、一括リフロー等
を行う必要がある場合では、例えば透明ステージと実装
基板間に予め位置合わせマーカー観察を行う部分を中抜
きした赤外線吸収体を配置し、赤外照射系で前記赤外吸
収体を加熱するなどしてもよい。赤外照射系の焦点位置
を調整することと赤外吸収体のサイズを調整すること
で、必要な領域の加熱が効率的に行える。前記赤外吸収
体を実装基板裏面に設けてもよい。

【００２２】以上の方法を採用すれば、半田の局所加熱
が可能となる。このことで、同一の実装基板上に複数個
の光機能素子を実装することがすこぶる容易となる。ま
た、実装基板とＬＤ素子を相対向近接させた状態で位置
合わせが可能となり、双方を近接させる際の垂直ステー
ジ機械精度から解放される。

【００２３】また、上記のヒータ等で加熱する方法と比
較して局所加熱が可能となることから、ステージ加熱等
で拡散した熱によるステージ等の熱膨張等、機械歪みの
影響からも解放される。

【００２４】赤外照査系焦点位置と赤外吸収体サイズと
調整することで、効率的に必要部分のみを加熱すること
が可能となる。

【００２５】また、Ｎｄ:ＹＡＧ等の赤外レーザを用い
れば、加熱時間は数１０〜数１００ｍ秒に短縮され、絶
大に生産効率を上げることが可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に基づき詳細に説明する。

【００２７】図１において、１１はシリコン単結晶等の
異方性エッチングが可能な材料を基体とする光実装基板
である。１２はＬＤ等の光半導体素子である。光実装基
板１１には異方性エッチングにより予めＶ溝が形成さ
れ、さらに位置合わせマーカー、電極等が形成されてい
る。また、ＬＤ素子１２等の光機能素子表面には位置合
わせマーカー等が形成されている。光実装基板１１と光
半導体素子１２は位置合わせマーカーを同時に観察する
ことで、双方の相対位置が検出できる構成をなってい
る。

【００２８】透明ステージ１４はガラス、サファイヤ等
の近赤外に対し十分に透明な材料で構成されていて、透
明ステージ１４上には光実装基板１１が載置できるよう
になっている。透明ステージ１４は非常に高精度に可動
できる水平ステージとなっている。透明ステージ１４
は、その他に弗化バリウム、窒化アルミ、石英、ガラ
ス、赤外透過性樹脂等が構成材料として挙げられるが、
赤外線が良く透過する材料で構成されていれば良い。

【００２９】光学系１５は光実装基板１１の裏面側に配
置され、高分解能・長作動距離を有する対物レンズと結
像レンズで構成されている。１９は観察光学系ハーフミ
ラーであり、２２は観察光学系照明で、観察光学系光軸
に同軸に配置されている。すなわち、観察光学系の光軸
上に赤外光照射手段を配しているといえる。観察カメラ
１８は近赤外線に対し感度を有するカメラであり、例え
ば、近赤外ＣＣＤカメラ、あるいは赤外ビジコンカメラ
を用いている。シリコン基体より成る実装基板は可視光
領域では不透明であるが、近赤外（〜１μｍ）領域では
透明媒質となるためである。ガラス基板等の可視域にお
ける透明媒質ではこのような制限はなく、観察光学系を
可視対応としてよい。

【００３０】観察カメラ１８で得られた画像はコンピュ
ータに取り込まれ、光実装基板１１、光機能素子１２を
相対向して近接させた状態で双方に設けられた位置合わ
せマーカーを同時に観察し、光実装基板１１と光半導体
素子１２の相対位置を検出する構成となっている。得ら
れた双方の相対位置を基に透明ステージ１４により双方
の位置合わせを行う。

【００３１】熱線照射光学系は集光レンズ１６と熱光線
源１７より構成されている。熱線としては波長１μｍ程
度の近赤外線が用いられる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザ等を用いれば波長１．０６μｍの高出力レーザ光を得
ることができる。熱源としてはハロゲンランプ等を用い
てもよい。集光レンズ１６は熱的に強いサファイヤレン
ズを用いるが、例えば、赤外域で非常に透過率の高いＺ
ｎＳｎ単結晶レンズ等を用いてもよい。熱線照射光学系
は輻射加熱時に９０°光路変換ミラー２０を透明ステー
ジ１４と観察光学系１５との間に挿入し、透明ステージ
１４の手前で観察光学系１５と光学的に同軸になるよう
に配置されている。

【００３２】上記実施形態において、赤外観察光学系と
熱線（近赤外）集光光学系とは最後の照射部近傍を除い
てなるべく別光路となるようにしている。熱線集光系は
高パワーの光を扱う必要があり、一方で観察光学系はで
きるだけ高解像画像を得るために高分解能レンズを使用
している。熱線集光レンズ１６は前記光学系１５程のに
高解像度は必要としないため、レンズ１６は耐パワーを
考慮した材質を用いることが必要である。また、レンズ
１６及び透明ステージ１４はフレネル反射を極力低減さ
せるために反射防止膜を施すことが望ましい。また、同
様な理由で図４に示すように実装基板１１の裏面にクラ
イオライト、チオライト、弗化マグネシウム等の反射防
止膜を１０００Å〜数μｍ程度の厚みに成膜してもよ
い。

【００３３】図１では熱線を光路変換ミラー２０で９０
°光路変換を行ったが、例えば図２に示すように透明ス
テージ１４と観察光学系１５との間にハーフミラー２１
を挿入してもよい。また、観察光学系１５の途中にハー
フミラーを挿入配置してもよいが、この場合は熱的な対
策が必要となる。

【００３４】次に、半田部１３の構成について述べる。
一般に、上層／下層でＳｉＯ₂／Ｓｉ上に半田部を形成
する場合、図３に示すように、上層／下層でＡｕ／Ｃ
ｒ、Ａｕ／Ｃｒ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ等の多層薄膜
電極を下地に、ＡｕＳｎ半田等が形成される。前記加熱
方法に於いては、半田部１３を加熱することは、下地電
極部に熱線を照射することであるが、下地のＣｒ、Ｎ
ｉ、Ｔｉ等の赤外（波長〜１μｍ）域の吸収率は大き
く、上記赤外輻射加熱は効果的であり、また、金属の良
熱伝導性により半田部１３を均一に加熱する作用を有す
る。

【００３５】また、前記実装基板全体を加熱する必要が
ある場合等において、図６に示すように、赤外吸収体２
９を透明ステージ１４と実装基板１１との間に配置させ
ることで、実装基板１１全体或いはある領域だけを加熱
することが可能となる。例えば、観察窓２８ａを設けた
赤外吸収体２８を実装基板１１と透明ステージ１４との
間に配置し、ある程度焦点をずらした赤外輻射光を照射
することで、赤外吸収体２９を介し実装基板１１を加熱
できる。その際に、赤外吸収体２９は輻射加熱されるか
ら、他の不要な部分は加熱されることなく、効果的に光
実装基板１１の加熱を行うことができる。この赤外吸収
体２９は光実装基板１１の裏面に直接に設けることもで
きる。例えば、図７に示すように赤外吸収体２９は光実
装基板１１の裏面に設け、赤外吸収率の高い金属薄膜等
で形成してもよい。赤外吸収体２８，２９は、例えばＣ
ｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ等の金属材料、窒化
アルミ、酸化アルミ、その他のセラミック材料、或いは
有機樹脂材料等で構成するとよい。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば半
田の局所加熱が可能となる。これにより、同一の光実装
基板上に複数個の光機能素子を実装することが極めて簡
便容易となる。また、光実装基板と光半導体素子を相対
向近接させた状態で位置合わせが可能となり、双方を近
接させる際の例えば垂直ステージ機械精度等から解放さ
れる。

【００３７】また、従来のヒータ等で加熱する方法と比
較して局所加熱が可能となることから、ステージ加熱等
で拡散した熱によるステージ等の熱膨張等、機械歪みの
影響からも解放される。

【００３８】さらに、赤外光照射手段としてＮｄ:ＹＡ
Ｇ等の赤外レーザを用いれば、加熱時間は数１０〜数１
００ｍ秒に短縮され、絶大に生産効率を上げることが可
能となる。

【００３９】以上により、光実装基板と光半導体素子を
高精度に位置合わせし、同時に半田等加熱融着が可能と
なる優れた光実装基板及びそれを用いた実装方法を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる光機能素子実装方法を説明する
模式図である。

【図２】本発明に係わる他の光機能素子実装方法を説明
する模式図である。

【図３】従来の加熱機構を模式的に説明する斜視図であ
る。

【図４】裏面に反射防止膜を施した実装基板を説明する
斜視図である。

【図５】パッシブアラインメント実装を模式的に説明す
る分解斜視図である。

【図６】赤外吸収体を配置して輻射加熱する様子を模式
的に説明する斜視図である。

【図７】赤外吸収体を実装基板の裏面に形成した様子を
模式的に説明する斜視図である。

【符号の説明】

１１：光実装基板 １２：ＬＤ素子（光半導体素子） １３：半田 １４：透明ステージ １５：観察光学系 １６：熱線集光光学（レンズ）系 １７：熱線源 １８：赤外カメラ １９：観察光学系ハーフミラー ２０：９０°光路変換ミラー ２１：観察光学系光源 ２３：実装基板側位置合わせマーカー ２４：素子側位置合わせマーカー ２５：断熱体 ２６：セラミックヒータ ２７：セラミックステージ ２８：光ファイバ ２９：赤外吸収体 ３４：反射防止膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の一主面に光半導体素子が搭載され
   る光実装基板であって、該光実装基板の前記光半導体素
   子が搭載される部位の背面に、反射防止膜または赤外吸
   収体を被着して成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と、該光実
   装基板に搭載する光半導体素子との相対位置を検出する
   観察光学系の光軸上に赤外光照射手段を配し、該赤外光
   照射手段により前記光実装基板と前記光半導体素子との
   間に介在させた半田を加熱溶融せしめ、前記光実装基板
   に前記光半導体素子を搭載するようにしたことを特徴と
   する実装方法。