JP2002162542A

JP2002162542A - 光素子モジュールの実装構造

Info

Publication number: JP2002162542A
Application number: JP2000360704A
Authority: JP
Inventors: Shohei Hata; 昌平秦; Kazutami Kawamoto; 和民川本; Hiroo Furuichi; 浩朗古市; Etsuko Takane; 悦子高根
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-06-07

Abstract

(57)【要約】【課題】光素子および光学部品の位置決めおよび高さ決
めが容易であって、基板表面での光の反射を防止でき、
はんだを無駄なく供給することにより低コスト化できる
光素子モジュールを提供する。【解決手段】表面に光素子搭載用溝2と光学部品搭載用
溝3を備え、光素子および光学部品搭載部の溝表面にそ
れぞれメタライズが施されてたSi基板1があり、基板の
光素子搭載部に糸はんだを供給した後、光素子20および
21を基板上に押し当て、位置、高さを決定した後、基板
を加熱してはんだを溶融させてはんだ固定を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光素子モジュール
における光素子あるいは光学部品の実装構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】光素子モジュールにおける光素子および
光学部品の実装では、近年、Si基板上にレーザダイオー
ド（以下LD）、モニタ用フォトダイオード（以下mP
D）、フォトダイオード（以下PD）などの光素子、およ
びレンズなどの光学部品を実装する構造が開発されてい
る。これらの構造では、Si基板などの一部に光素子搭載
用の電極メタライズおよび配線層を形成し、光学部品搭
載部にはエッチングにより逆ピラミッド型の溝を形成
し、球状のレンズを溝内に固定している。

【０００３】このようなSi基板上への光素子の搭載には
大別すると二通りの方法が存在する。一つは、LD素子の
活性層を上面になるように、その反対側の面を基板には
んだ付けするジャンクション−アップ実装と、もう一つ
はLD素子の活性層側の面を基板にはんだ付けするジャン
クション−ダウン実装である。基板からの発光部の高さ
は、ジャンクション−アップ実装では、はんだ厚と素子
の厚さに依存するのに対して、ジャンクション−ダウン
実装でははんだの厚さのみに依存するため、ジャンクシ
ョン−ダウン実装の方が発光部の高さを調整し易いとい
う利点がある。さらに、LD素子の活性層で発生する熱
を、はんだを通して基板側に放熱させることができるた
め、LD素子はジャンクション−ダウンで実装されること
がますます多くなると考えられる。

【０００４】光学部品の実装は、接着剤、Alメタライズ
圧着、はんだ接続などの方法がある。例えばレンズを接
着剤により固定する場合、基板にもレンズにもメタライ
ズなどは必要なく、そのまま固定することができる。し
かし長期間の稼働では、接着剤からガスが発生し、光学
部品、光素子を汚染して光素子モジュールの特性が劣化
することが懸念される。レンズなどを逆ピラミッド形状
の溝内にAlメタライズ圧着で固定する場合、基板側にあ
らかじめ表面がAlのメタライズを形成しておき、これに
レンズを直接押し当てて接続させる。この技術に関して
は、特開平11−109183に開示されており、実施例中に
は、350℃に加熱してレンズを1000グラムの力でAlメタ
ライズに押し当てることにより接続できたとの記述があ
る。しかし350℃に加熱する場合、レンズの固定は光素
子搭載の前でなければならない。なぜなら光素子の接続
には、クリープ特性に優れるAu−20Snはんだ（融点278
℃）が使用されることが多く、光素子の接続後にAl圧着
を行えば、Au−Snはんだが再溶融し、光素子の位置がず
れる懸念があるからである。また光素子搭載部へのはん
だ供給は、レンズ固定が終わった後の方が好ましい。な
ぜなら、あらかじめ基板上にはんだ膜などを形成してお
くと、Al圧着中に光素子搭載部のはんだ膜が溶融し、表
面が酸化したり、電極のメタライズと反応してはんだの
組成がずれ、高融点化してしまうことがあるからであ
る。しかし実際には、LD素子をジャンクション−ダウン
で接続させる場合、薄膜のはんだを蒸着などの方法であ
らかじめ基板上に形成させておく場合が多く、Al圧着を
行う場合には上述した問題に直面することになる。

【０００５】光学部品をはんだで接続させる場合には、
基板、光学部品の両方に接続のためのメタライズが必要
となる。これはコストを増大させる要因となるが、レン
ズの固定を光素子接続の後に行えるという利点がある。
すなわち、LD、mPD素子などを搭載し、それらが正常に
駆動することを確認した後にレンズを搭載すれば、レン
ズの消費を必要最低限に抑えることができる。レンズの
はんだ接続方法としては、まず逆ピラミッド形状の溝内
をはんだで充填し、そのはんだ表面にレンズのメタライ
ズを押し当てて加熱し、はんだを溶融させることで接続
は可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ジャンクション−ダウ
ンでLD素子実装を行う場合、発光部の高さははんだ厚に
依存することを述べたが、はんだ厚を正確に制御するた
めに、蒸着によりはんだ膜を基板の電極メタライズ上に
形成させることが多い。特に光素子接続の場合、クリー
プ特性に優れたAu−Snはんだが用いられる。しかし、蒸
着ではんだ膜を形成する場合、通常、基板上にレジスト
膜を形成し、はんだパターンを形成する部分のみレジス
トを除去し、蒸着後にレジストを溶解させてレジスト上
に堆積したはんだを除去する、いわゆるリフトオフと呼
ばれる方法が採られる。この方法は、正確な大きさ、厚
さではんだパターンを形成できる反面、蒸発させた金属
の大半は蒸着装置の内壁、および後で除去されるレジス
ト上に堆積する。したがって、Au−Snはんだを蒸着する
場合、Auが高価であるにもかかわらず、大部分が無駄に
消費されることになり、製造コストを上昇させる大きな
原因となる。本発明の目的の一つは、低コストで光素子
をAu−Snはんだで接続させ、かつ素子の高さ制御を簡便
に行うことができる接続構造を提供することである。

【０００７】本発明のもう一つの目的は、光学部品をは
んだで固定する場合に、位置決めを容易にし、かつ球状
のレンズなどの光学部品の回転を防ぐことである。従来
の技術では、レンズの接続前に、あらかじめ逆ピラミッ
ド形状の溝内をはんだで充填しておかなければならなか
った。さらに、はんだの表面には凹凸があり、レンズを
はんだに押し当てても、レンズの位置が安定せず、これ
を加熱してはんだを溶融させると、レンズが回転し、メ
タライズの位置がずれて歩留りが低下するという問題が
あった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明によれば、以下のような構造の光素子モジュ
ールが提供される。すなわち、光素子、光学部品、電子
回路装置などから構成される光素子モジュールにおい
て、前記光素子の幅と同一あるいはそれ以下の幅をもつ
溝が、前記光素子を搭載するための基板上に、前記光素
子の搭載部を含み、光信号の伝送方向に形成されてお
り、前記光素子搭載部の溝の表面には素子接続用メタラ
イズが形成されており、前記光素子は前記溝以外部分の
の基板表面に押し当てることにより高さが決定され、前
記光素子と前記基板の素子接続用メタライズの間をはん
だで充填することにより接続させる接続構造、および、
基板の光学部品搭載部の溝の幅あるいは深さが、前記光
学部品が所定の位置および高さになるように調整されて
おり、前記光学部品には、はんだ接続のためのメタライ
ズが施され、前記光学部品の前記基板の接続用メタライ
ズの間をはんだで充填することにより接続させる接続構
造を有し、基板の光素子および光学部品搭載部のメタラ
イズ上に、基板の表面よりも低くなるように糸あるいは
リボン状のはんだが供給され、はんだの長さは前記光素
子および光学部品と基板によって囲まれた空間を充填す
ることができる体積になるように調整され、前記光素子
および光学部品を位置合わせして溝以外の基板表面に押
し当てた後、基板を加熱することによりはんだが溶解
し、前記光素子および光学部品搭載部以外にはメタライ
ズが形成されていないため溶解したはんだがはじかれ
て、メタライズが形成されている前記光素子および光学
部品搭載部に集中し、前記基板と前記光素子および光学
部品によって囲まれた空間をはんだで充填し接続させる
ことを特徴とする光素子モジュールが提供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について説
明する。

【００１０】本発明の第１の実施の形態の光素子モジュ
ールについて図１から図７を用いて説明する。図１は、
エッチングにより形成された光素子搭載部の溝2および
光学部品搭載部の溝3を有し、溝内の光素子接続用のメ
タライズ4、ワイヤーボンディング用のパッド5（一部の
パッドはメタライズ４とつながっている）、および光学
部品接続用メタライズ6を備えたSi基板1上に、光素子接
続のためのAu−20Sn糸はんだ30を配置した状態を示す。
Au−20Sn糸はんだ30の一端は、光素子接続用のメタライ
ズ4の上に配置され、メタライズ4上に押し込む、あるい
はメタライズ４上に熱圧着される場合もある。また、Ａ
ｕ−20Sn糸はんだ30の反対側の端は、接続用メタライズ
4の外側に出ている。Au−20Sn糸はんだ30の長さは、各
光素子と接続用メタライズ4に囲まれた空間を充填でき
る体積になるように調整されている。LD素子20およびmP
D素子21は、図２のようにSi基板1のメタライズ5の上に
配置される。この時、Au−20Sn糸はんだ30と光素子のメ
タライズ25は接触せず、光素子20はワイヤーボンディン
グパッド5の上に押しつけられ、高さが固定されてい
る。この状態で、Au−20Snの融点278℃以上に加熱する
ことにより、Au−20Sn糸はんだ4が溶融する。メタライ
ズ4の外にはみ出しているAu−20Snはんだは、Si基板の
酸化膜（SiO2）にはじかれて、メタライズ4の上に集ま
ってくる。その結果、図３のように、光素子のメタライ
ズ25と基板のメタライズ4の間は、溶融したはんだ31で
充填され、この状態で冷却するとはんだ31が凝固し、LD
素子20が接続される。ｍPD素子21についてもLD素子20の
接続形態と同様である。

【００１１】以上のような接続構造にすることの利点の
一つは、まず、Au−20Sn糸はんだで接続できることであ
る。蒸着によりあらかじめ基板上にはんだ膜を形成する
場合には、多量のAu,Snが装置内壁に蒸着されるが、糸
はんだで供給する場合、無駄がない。もう一つの利点
は、素子を基板表面のワイヤーボンディングパッド5に
押し当てた状態で接続させるため、光素子の接続高さが
常に一定であることである。このため、光素子の発光部
の高さは一定となり、後工程のファイバ調芯などが極め
て楽になる。またはんだの供給量にばらつきが生じても
素子の高さの変動もない。

【００１２】図４は、光素子接続後のSi基板1の光学部
品接続用メタライズ6上にSn−3.5Agはんだ32を供給した
状態である。Sn−3.5Agはんだの融点は221℃であり、通
常240℃程度の加熱で溶融し、接続させることができる
ため、この時の加熱で光素子を接続しているはんだ31が
溶融することはない。したがって、LD素子20およびmPD
素子21は位置ずれするこはない。はんだ32の一端はメタ
ライズ6上にあり、押しつけたり、熱圧着などによりメ
タライズ6上に固定されている。図５のように、球状の
レンズ22には接続用メタライズ23が形成されており、メ
タライズ6上に押しつけることにより、高さ、位置が固
定されている。この時、はんだ32は細く、レンズ22の高
さ制御の障害になることはない。この状態で加熱する
と、はんだ32が溶融し、図６のように、レンズのメタラ
イズ23と基板のメタライズ6に囲まれた空間は、溶融は
んだ33で充填される。これは、糸はんだ32はメタライズ
6の外にもはみ出しており、はみ出した部分のはんだ
は、溶融するとSi基板１の表面の酸化膜にはじかれて、
メタライズ6上に集まるためである。この状態ではんだ
が凝固することにより、レンズ22はSi基板1上に固定さ
れる。

【００１３】以上のような工程で、図７のように、光素
子および光学部品がSi基板上に接続される。このような
接続構造にすることの利点は先にも述べたが、さらに、
LD素子20と球状のレンズ22の間に溝2が存在することに
より、LD素子20から出射した光がSi基板1の表面で反射
して損失する量が少なくなることも利点の一つである。

【００１４】本発明の第二の実施の形態を図８を用いて
説明する。図８に示す光素子、光学部品の実装構造体
は、図１から図７に示した実装構造体において、光学部
品搭載部の溝3の形状を変化させ、光学部品搭載部を逆
ピラミッド構造とし、その横にはんだ供給用の溝を形成
したものである。光素子および光学部品の接続方法は図
１から図７に示す実施例と同様であるが、レンズ22が四
方を囲まれた逆ピラミッド型溝内に配置されるため、は
んだ固定前のレンズ位置合わせにおいて、より簡便にレ
ンズの位置を安定させることができる。図９は、LD素子
20およびmPD素子21をAu−Snはんだで接続後、Sn−Ag糸
はんだ32を球状のレンズ22下の逆ピラミッド溝内に熱圧
着し、はんだ供給用溝10上に配置し、球状のレンズを逆
ピラミッド溝上に押しつけた状態の断面図である。この
状態では、球状のレンズ22の位置、高さは、逆ピラミッ
ド溝によって決定され、糸はんだ32が高さ決めの障害に
なることはない。またこの状態で基板1を加熱、糸はん
だ32を溶融させることで、はんだ供給用溝10上の糸はん
だ32は基板からはじかれて、逆ピラミッド溝の光学部品
接続用メタライズ6上に集まる。その結果、基板側のメ
タライズ6とレンズ側のメタライズ23の間がはんだで充
填され、レンズがはんだで固定される。加熱中はレンズ
上方から荷重をかけておくことで、レンズの浮き上が
り、回転によるメタライズの位置ずれを防止することが
できる。

【００１５】本発明の第三の実施の形態を図１０を用い
て説明する。これまでに述べた実施例では、光素子搭載
用メタライズ4につながるワイヤーボンディングパッド5
の上にLD素子20およびmPD素子21などの光素子を固定し
ていたが、配線を別に形成することで、光素子の高さ
は、基板10の表面で直接決定することができる。

【００１６】本発明の第四の実施の形態を図１１を用い
て説明する。これまでに述べた実施例では、Si基板上に
LD素子およびmPD素子を搭載する送信用のモジュールで
あったが、受信用のモジュールについても本発明の適用
は可能である。受信用のPD素子24は、Si基板上の光素子
搭載溝2の上にはんだ固定されている。接続構造は、図
１から図７までで述べた実施例と同様であり、溝の上に
接続用のメタライズが形成されており、基板メタライズ
と素子メタライズの間をはんだで充填することにより接
続させることができる。

【００１７】本発明の第五の実施の形態について説明す
る。これまでの実施例では、光素子の接続は全てAu−20
Snはんだで、光学部品の接続はSn−3.5Agで行われてい
たが、接続のはんだはこれらに限定されるものではな
い。特に光素子にかかる応力負荷を低減するためには、
低融点のはんだを使用することができる。例えば、Sn−
3.5Ag、Sn−3.5Ag−0.7Cu、Sn−57Bi共晶にAgを0から1%
加えたはんだなどを光素子搭載に適用することで、低応
力にすることが可能である。また、搭載順序も、レンズ
固定を先に行い、その後、光素子をはんだ固定すること
も可能である。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、光素子および光学部品
の位置決め、高さ決めが容易であって、基板表面での光
の反射を防止でき、はんだを無駄なく供給することによ
り低コスト化できる光素子モジュールが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の光素子モジュール基板
および組立途中を示す図。

【図２】本発明の一実施の形態の光素子モジュールの組
立途中断面図。

【図３】本発明の一実施の形態の光素子モジュールの組
立途中断面図。

【図４】本発明の一実施の形態の光素子モジュール基板
および組立途中を示す図。

【図５】本発明の一実施の形態の光素子モジュールの組
立途中断面図。

【図６】本発明の一実施の形態の光素子モジュールの組
立途中断面図。

【図７】本発明の一実施の形態で、基板に光素子および
光学部品を実装した状態を示す図。

【図８】本発明の一実施の形態で、基板に光素子および
光学部品を実装した状態を示す図。

【図９】本発明の一実施の形態の光素子モジュールの組
立途中断面図。

【図１０】本発明の一実施の形態の光素子モジュール基
板および組立途中を示す図。

【図１１】本発明の一実施の形態で、基板に光素子およ
び光学部品を実装した状態を示す図。

【符号の説明】

１…Siなどの半導体基板、２…光素子搭載用溝、３…光
学部品搭載用溝、４…光素子搭載用メタライズ、５…ワ
イヤーボンディング用パッド、６…光素子接続用メタラ
イズ、１０…はんだ供給用溝、１１…配線、２０…LD素
子、２１…mPD素子、２２…球状のレンズ、２３…球状
のレンズの接続用メタライズ、２４…PD素子、２５…光
素子の接続用メタライズ、３０…Au−20Sn糸はんだ、３
１…溶融したあとのAu−20Snはんだ、３２…Sn−3.5Ag
糸はんだ、３３…溶融したあとのSn−3.5Agはんだ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古市浩朗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)発明者高根悦子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Ｆターム(参考） 2H037 BA03 BA12 DA03 DA05 DA12 DA17 DA35 5F073 EA26 FA02 FA08 FA22 FA23 FA27 5F088 AA01 BA16 EA09 JA03 JA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光素子、光学部品、電子回路部品などか
ら構成される光素子モジュールにおいて、前記光素子の
幅と同一あるいはそれ以下の幅をもつ溝が、前記光素子
を搭載するための基板上に、前記光素子の搭載部を含
み、光信号の伝送方向に形成されており、前記光素子搭
載部の溝の表面には素子接続用メタライズが形成されて
おり、前記光素子は前記溝横の基板表面に押し当てるこ
とにより高さが決定され、前記光素子と前記基板の素子
接続用メタライズの間をはんだで充填することにより接
続させる構造を含む光素子モジュール。
【請求項２】請求項１に記載の光信号が伝送される方
向に溝が形成された基板において、光学部品搭載部の溝
の幅あるいは深さが、前記光学部品が所定の位置および
高さになるように調整されており、前記光学部品にはは
んだ接続のためのメタライズが施され、前記光学部品と
前記基板の接続用メタライズの間をはんだで充填するこ
とにより接続させる接続構造を含む光素子モジュール。
【請求項３】請求項１に記載の光素子モジュールにお
いて、基板の接続用メタライズ、配線層以外の部分に
は、溶融したはんだをはじくことができるように、有機
物、酸化物、窒化物などが表面に形成されていることを
特徴とする光素子モジュール。
【請求項４】請求項１に記載の光素子モジュールにお
いて、光素子および光学部品を搭載する基板の接続用メ
タライズは、Ti,Crなどを含む接着層、接着層保護のた
めのPt,Ni,Cuなどの金属層、表面に酸化を防ぐAu層を配
置した構造であることを特徴とする光素子モジュール。
【請求項５】請求項１に記載の光モジュールにおい
て、AuとSnから構成されるはんだ材を使用する場合に、
Au−Sn合金の糸あるいはリボン状のはんだ、あるいはAu
線とSn線を所定の太さ、長さで選択し、Sn線を溶融さ
せ、溶融Sn中にAuを溶解させることによりAu−Snはんだ
を形成させる接続方法。
【請求項６】請求項１に記載の光素子モジュールにお
いて、SnとAgおよびCu,In,Biなどの合金元素から構成さ
れるはんだ材を使用する場合に、そのはんだ合金の糸あ
るいはリボン状のはんだを使用することを特徴とする接
続構造。
【請求項７】請求項１に記載の光素子モジュールにお
いて、SnとPbおよびその他の合金元素から構成されるは
んだ材を使用する場合に、そのはんだ合金の糸あるいは
リボン状のはんだを使用することを特徴とする接続構
造。