JP2004004195A - 光素子の高精度位置合わせ方法、高精度位置合わせ装置、及び光伝送用モジュール - Google Patents
光素子の高精度位置合わせ方法、高精度位置合わせ装置、及び光伝送用モジュール Download PDFInfo
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Abstract
【課題】光伝送用モジュールを構成する搭載基板上に、発光素子、受光素子等の光素子を溶融半田の表面張力を利用したセルフアライメント法により位置合わせする際に、光素子と他の光学部品との間の高精度な位置合わせを同時、簡易、且つ低コストに行うことができる。
【解決手段】基板１面の電極パッド２上に、半田ボール１０を介して、光素子５の電極パッド６を接合する際に、溶融した半田ボールの表面張力を利用して基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの位置合わせを行うセルフアライメント実装方法において、溶融した半田ボールの表面張力で得られたセルフアライメント位置から、任意の方向に光素子を移動させてから半田ボールを硬化させる。
【選択図】 図２
【解決手段】基板１面の電極パッド２上に、半田ボール１０を介して、光素子５の電極パッド６を接合する際に、溶融した半田ボールの表面張力を利用して基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの位置合わせを行うセルフアライメント実装方法において、溶融した半田ボールの表面張力で得られたセルフアライメント位置から、任意の方向に光素子を移動させてから半田ボールを硬化させる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信、光伝送装置に用いられるチップ部品としての光素子を基板上に実装する際の高精度位置合わせ方法に関し、特に溶融した半田ボールの表面張力を利用したセルフアライメントによって光素子を基板上に位置決めする際に、光素子と他の光学部品との間の光軸調整を同時且つ高精度に行うことができる位置合わせ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光通信、光伝送装置に使用される光伝送用モジュールの小型化、薄型化を図るために、光伝送用モジュールにおいて使用される基板上にＬＤ（レーザーダイオード）、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光レーザー）等の発光素子や、ＰＤ（フォトダイオード）等の受光素子をフリップチップ実装する方法が実施されている。
フリップチップ実装においては、基板上の電極パッド面に対して、半田ボール（半田バンプ）を介して光素子の電極パッドを搭載した状態で、フリップチップボンダ、リフロー装置等によって半田ボールを溶融した後冷却することにより接合する工程が実施される。このフリップチップ実装においては、溶融した半田ボールの表面張力によるセルフアライメント効果によって、基板側電極パッドに対する光素子側電極パッドの接合位置を高精度に位置合わせすることが可能となるため、半田ボール上に搭載した当初に規定の接合位置からずれていた光素子を、無調整で基板上の規定位置に位置合わせすることが可能となる。
しかし、このフリップチップ実装は、基板上に実装した光素子との間で光信号を授受する他の光学部品（例えば、光導波路、光ファイバ等）との間の光軸の位置合わせをも同時に高精度に実現するものではない。つまり、例えば光素子からの発光光の光軸と、それを受光する光学部品間との整合は、光学部品と基板との間の相対位置精度によりもたらされるため、上記のフリップチップ実装により必ずしも光素子と光学部品間の整合が取れるわけではない。
【０００３】
光素子と他の光学部品との間の光軸合わせは、格別の工程を追加して実施する必要があり、これが生産性の低下を招く原因となっていた。
即ち、従来、光素子と光通信部品および搭載基板を接続する際の位置合わせ方法として、パッシブアライメント法とアクティブアライメント法が知られている。パッシブアライメントによる位置合わせ方法としては、溶融した半田ボールのセルフアライメント効果を利用した光素子の高精度位置合わせ方法がある（特開平１０−１７０７６９号公報）。これによれば、図９に示すように、マトリックス状に配置された半田ボール１０の表面張力によって、基板１上の電極パッド２上にズレてマウントされた光素子５を規定の接合位置に自動補正することができる。
しかし、溶融半田の表面張力を利用したこの自動補正方法は、光素子５および搭載基板１の電極パッド６、２間を高精度に位置合わせする手法に過ぎず、光素子５との間で光信号を授受する他の光学部品１１との間の光軸の位置合わせまでも高精度に行うことを保証する位置合わせ方法ではない。従って、図９に示すように光素子５および搭載基板１の電極パッド６、２間を高精度に位置合わせした場合であっても、光素子５の光軸と光学部品１１の光軸とがずれている事態は多々発生し得る。
また、光学部品を含めて最適な位置合わせを行う他の方法としてアクティブアライメント法がある（例えば、特開平０９−２５１１１８号公報）。これは、光学部品１１を通って得られる光量が最大になるように計測しながら、光素子５を微小位置合わせしながら接続する方法であるが、光素子を微小送りするための送り機構と、プロセスが必要となり、多くのタクトとコストが必要となるため、生産性の低下、コストアップを招く、という不具合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、光伝送用モジュールを構成する基板上に光素子を溶融半田の表面張力を利用したセルフアライメント法により位置合わせする際に、光素子と他の光学部品との間の高精度な位置合わせを同時に行うことができる光素子の高精度位置合わせ方法及び光学ユニットを提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明方法は、基板面の電極パッド上に、半田ボールを介して、光素子の電極パッドを接合する際に、溶融した半田ボールの表面張力を利用して基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの位置合わせを行うセルフアライメント実装方法において、溶融した半田ボールの表面張力で得られたセルフアライメント位置から、任意の方向に光素子を移動させてから半田ボールを硬化させることを特徴とする。
半田ボールの表面張力を利用したセルフアライメント効果による光素子の位置合わせによれば、基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの高精度位置合わせを簡便に行うことができるが、光素子との間で光信号を授受する光学部品との間における光軸中心の整合は、光学部品と基板との相対位置精度に依存するため、必ずしも整合が取れるわけではない。例えば、光素子を発光させて、光学部品側の光量を測定しつつ光軸合わせを行った後に接合を得るアクティブアライメント方法が知られてはいるが、機械的な微小送り機構などを設けなくてはならないため、問題であった。
本発明によれば、コストのかかる微小送り機構などを用いない極めて簡易な方法により、溶融半田によるセルフアライメント効果を利用した基板と光素子との間の位置合わせのみならず、さらに、光学部品を含めた最適な光軸調整を伴った光素子の接合が可能となる。
請求項２の発明方法によれば、前記基板上の基板側電極パッドとは別の位置に設けた導体パッド上に、溶融時に光素子のエッジに接触してこれを移動するように位置出し用の半田バンプを配置し、溶融状態にある前記位置出し用の半田バンプの半田量を必要に応じて増減させて、前記光素子のエッジに作用する力を制御することで光素子を所望の微小距離だけ移動させることを特徴とする。
光素子を微小移動させて光学部品との間の光軸中心を位置合わせするに際して、機械的な微小送り機構を用いることなく、接合用の半田ボールとは別個に設けた位置合わせ用の半田バンプを光素子に接触させ、且つ半田量を必要に応じて増減させて微小移動させる位置合わせ方法を用いるようにしたので、半田バンプの量や、配置位置や、冷却時期等を制御するだけの簡単な手順によって、光素子を微小移動させて光軸調整を実現できる。なお、半田バンプを加熱溶融させたときの表面張力による球形化により十分光素子を移動できる場合には半田量を増減させる必要はない。
【０００６】
請求項３の発明方法は、請求項１又は２において、前記光素子との間で光信号を授受する光学部品の光軸中心よりも半田バンプ寄り位置に前記光素子が接合されるように予め基板側電極パッドをずらして設けておき、溶融状態にある半田バンプの量を増大させて光素子のエッジを押圧することにより、光素子の光軸中心を光学部品の光軸中心に位置合わせするように構成したことを特徴とする。
これによれば、光素子の移動方向を、半田バンプの半田量を増大したときに移動する方向に規定することで、半田バンプの半田変化量を増加のみに限定させることができ、半田量の制御が容易となる。
請求項４の発明方法は、請求項３において、溶融状態にある前記半田バンプに微少量の半田を漸次加えていくことにより、前記半田バンプの半田増大量を制御することを特徴とする。
これによれば、半田バンプが光素子を移動させる距離を微小量に極限することができ、微調整が可能となる。
請求項５の発明方法は、請求項１又は３において、前記光素子との間で光信号を授受する光学部品の光軸中心よりも前記半田バンプと反対側に偏位した位置に前記光素子が接合されるように予め基板側電極パッドをずらして設けておき、溶融状態にある半田バンプの量を減少させて光素子のエッジを移動することにより、光素子の光軸中心を光学部品の光軸中心に位置合わせするように構成したことを特徴とする。
これによれば、光素子の移動方向を規定することで、半田バンプの半田量の変化を減少のみに限定させることができ、工数を簡略化できる。
【０００７】
請求項６の発明は、請求項５において、前記基板上に設けた半田バンプを支持する導体パッドの面積を拡大して半田濡れ広がり用パッドとするか、或いは導体パッドにスルーホールを形成し、半田バンプを溶融させる時間を制御することで、前記半田バンプの突出部体積を減少制御することを特徴とする。
これによれば、半田バンプを支持する導体パッドを拡張して半田濡れ広がり用パッドとして溶融した半田バンプの突出部の体積を小さくするようにし、更に位置出し用半田バンプの溶融時間を制御することで、該位置出し用半田バンプの半田減少量を制御することが可能となる。また、導体パッドに基板を貫通するスルーホールを形成し、このスルーホールから溶融半田を吸引させて半田バンプの突出部を小さくしてもよい。
請求項７の発明方法は、請求項１乃至６において、前記光素子との間で光信号を授受する光学部品を配置し、該光信号の光量をモニタリングしながら、前記光素子を最適な位置へ移動させることにより、該光素子と該光学部品との光軸位置合わせを行う方法であって、溶融した半田ボールを介して光素子を接合した基板を回転台上に位置決め固定し、該回転台を回転させながら、前記光軸位置合わせを行うことを特徴とする。
これによれば、半田ボール接合を用いながら、アクティブアライメントを行い、光素子に接触せずに微小量移動させて、最適な光軸調整を行うことができる。請求項８の発明は、前記回転台の回転速度を変えることにより、前記光素子の移動量を制御することを特徴とする。
これによれば、半田ボール接合を用いながら、アクティブアライメントを行い、光素子に接触せずに最適な光軸調整を行うばかりでなく、光素子を微小移動させる量を微調整することが可能となる。
【０００８】
請求項９の発明は、請求項１乃至６において、基板面の電極パッド上に、半田ボールを介して、光素子の電極パッドを接合する際に、溶融した半田ボールの表面張力を利用して基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの位置合わせを行うセルフアライメント実装方法を実施するための高精度位置合わせ装置において、前記光素子との間で光信号を授受する光学部品を配置し、該光信号の光量をモニタリングしながら、前記光素子を最適な位置へ移動させることにより、該光素子と該光学部品との光軸位置合わせを行う構成を備え、溶融した半田ボールを介して光素子を接合した基板を位置決め固定する回転台と、該回転台を回転させながら光軸位置合わせを行う回転手段と、を備えたことを特徴とする。
この装置によれば、請求項７、８に記載した方法と同様の作用、効果を得ることができる。
請求項１０に記載の発明は、請求項９において、前記回転台には、前記基板の向きを変更する変更手段を備えていることを特徴とする。
回転台上に支持されて回転台の遠心力により溶融した半田ボール上の光素子を微小変位させる際に、基板の支持方向を任意の方向に設定することにより、光素子を任意の方向に変位させることが可能となる。
請求項１１の発明は、請求項１乃至８に記載の光素子の高精度位置合わせ方法、又は請求項９、１０に記載の高精度位置合わせ装置によって位置合わせされた光素子を備えたことを特徴とする。
これによれば、基板上の光素子と光学部品との光軸中心の整合性が確保された光伝送モジュールを得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光素子の位置合わせ方法を説明するための接合部説明図及び光量モニターにおける光素子の位置と得られる出力との関係を示す図であり、光伝送モジュールを構成する搭載基板と光素子との位置合わせに際して、光素子と光学部品との光軸合わせをも高精度に実現するための一構成例を示すものである。
この光素子の位置合わせ方法は、搭載基板（以下、基板という）１の各電極パッド２上に、接合用の半田ボール１０を介して、光素子５側の電極パッド６を接合する際に、溶融した半田ボール１０の表面張力を利用して基板側電極パッド２と光素子側電極パッド６との位置合わせを行うセルフアライメント実装方法を実施する際に、溶融した半田ボール１０の表面張力で得られたセルフアライメント位置から、更に任意の方向に光素子を移動させてから半田ボールを硬化させるようにした点が特徴的である。
即ち、溶融した半田ボール１０の表面張力によるセルフアライメントによって位置補正された光素子５の電極パッド６は、基板１側の電極パッド２と整合した規定の位置（セルフアライメント位置）にあるが、このセルフアライメント位置における光素子（例えば、ＬＤ）からの発光光の光軸は、これを受光するレンズ等の光学部品１１の光軸とは一致していないことが多々ある。そこで、本実施形態では、セルフアライメント時に、図示しない計測装置により光学部品１１からの受光光量を計測しながら光素子５を所定の補正方向へ微小距離移動させることにより、光素子と光学部品間の光軸を合わせるようにした。この調整作業により光素子を微小量移動させると、図１（ｂ）に示すように、光効率が最適になる。
このように本発明では、接合用半田ボールによるセルフアライメント効果を利用した光素子と基板との間の位置合わせを行った後で、光素子と光学部品との間での光信号の授受を行って光量を実測しながら光素子の位置を微調整しながら光軸調整を行うようにしたので、光素子と光学部品との間の光軸調整を最適に行い、光効率が最適な光伝送モジュールを得ることができる。
【００１０】
なお、上記説明では、セルフアライメント位置に移動させてから、光素子の位置を補正するための微調整を行う例を説明したが、本発明は、セルフアライメントによる光素子の移動と併せてこれを助勢する形で、或いはセルフアライメントによる光素子の移動を阻止する形で光素子を移動させる場合も含むものである。
また、本明細書において半田ボールとは、ボール（球）状の半田のみならず、バンプ状、その他、種々の形状の塊状の半田を含むものであり、フリップチップ接合用に使用されるあらゆる形態の半田を含むものである。
また、この例では、半田ボールを基板１上の電極パッド２上に予め固定した例を示したが、光素子５側の電極パッド６上に半田ボールを固定した場合も本発明の範囲に含まれるものである。しかし、以下の説明では、主として基板側電極パッド２上の半田ボール１０を固定した場合を中心に説明する。
【００１１】
次に、図２（ａ）及び（ｂ）は上記第１の実施形態において光素子の位置を微調整する具体的方法を説明する図であり、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は光軸調整した後の状態を示す図である。
この実施形態に係る高精度位置合わせ方法では、基板側電極パッド２とは異なる基板１上の他の位置（導体パッド３）に、溶融時に光素子５のエッジ５ａ（側面、或いは底角部）に接触してこれを押圧するように位置出し用の半田バンプ２１を配置し、位置出し用の半田バンプ２１の半田量を増大させて、光素子５のエッジ５ａを押圧する力を制御することで光素子５を所望の微小距離だけ移動させるようにしている。
即ち、この実施形態では、所定以上の体積を有した半田バンプ２１を、光素子５のエッジ５ａに接触するように基板１上の適所に設けた導体パッド２上に設ける。半田バンプ２１を設ける理由は、半田バンプ２１を溶融させた状態で半田バンプ２１によって光素子のエッジ５ａを押圧して光素子の位置を規定位置から所望方向へ所望の微小距離移動させて光学部品１１（光伝送光学系）の光軸と位置合わせすることにある。
そして、半田バンプ２１の溶融時にその半田量を増大させることで半田バンプ２１の体積（突出部の体積）を増大させて、半田バンプ２１が光素子のエッジ部５ａを押圧する距離を制御して微小移動を可能にする。つまり、溶融した半田ボール１０はセルフアライメントにより球状に近づこうとするが、半田バンプ２１に押されて、シフトした状態で力のバランスが取れる。この状態で硬化すれば、光素子を微小移動させた状態での接続が得られ、光素子５と光学部品１１との位置合わせを正確に行うことが可能となる。
【００１２】
なお、印刷方法等により電極パッド２、及び導体パッド３上に半田ボール１０、及び半田バンプ２１を形成した後で、加熱により溶融した半田ボール１０上に光素子５を搭載したときに、同じく溶融した半田バンプ２１が表面張力により球状になる力によって光素子を押圧することも十分に可能であるため、必ずしも半田バンプの半田量を増量、減量させる必要はない。
なお、半田ボール１０、及び半田バンプ１２を溶融させる方法としては、ホットプレート、加熱ヘッド等を用いて基板の下面側から加熱して半田を溶融させる方法を例示できる。また、光学部品側に半田ボールを設けた場合には光学部品の上面側を同様の加熱手段により加熱することにより半田ボールを溶融させる。
【００１３】
次に、図３は本発明の第３の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態であり、図２に示した位置合わせ用の半田バンプ２１を光素子５の異なったエッジ５ａ（側面、或いは底角部）に当接するように複数配置した構成が特徴的である。このように半田バンプ２１を複数個所設けた場合には、半田量を増減させる半田バンプ２１を選択して半田量を増減させることで、Ｘ、Ｙ、θの各方向に向けた位置調整が可能となる。
【００１４】
次に、図４は本発明の第４の実施形態に係る光素子の位置合わせ方法を説明する平面図であり、この実施形態では、光素子５との間で光信号を授受する光学部品１１（図２（ｂ）参照）の光軸中心Ｃ２に対して、半田バンプ２１を配置したエッジ５ａ側に偏位した位置に、光素子５の光軸中心（発光点）Ｃ１が仮位置決めされるように（光素子５の電極パッド６が接続されるように）、予め基板側電極パッド２をずらして設けておき、溶融状態にある半田バンプ２１の量を増大させることによって光素子５を所望方向へ所望の微小距離押圧移動させて、光素子５と光学部品１１との間の光軸位置合わせを行うように構成している。
この例では、光学部品の光軸中心Ｃ２に対する光素子５の光軸中心Ｃ１を、光素子５の対角線に沿った方向へずらしているので、半田バンプ２１は、ずれた方向に位置する角隅部を挟んだ両側に夫々一個ずつ配置されているが、これは一例であり、光軸中心Ｃ１が横方向或いは上下方向へずれている場合には横方向或いは上下方向に位置するエッジ５ａに一つ、或いは複数の半田バンプ２１を配置すればよい。
この実施形態では調整すべき光学部品１１の光軸中心Ｃ２よりも、所定の方向に所定距離ずれるように予め基板側電極パッド２の位置を設計しておき、且つずらした方向に位置するエッジ５ａに相当する基板上に微小移動用の半田バンプ２１を設けておく。このような電極パッド構成を備えた基板１上に対して、光素子５の電極パッド６を接合する際には、両電極パッド２、６同志が整合するように仮位置決めし、その後、光学部品１１の光軸中心Ｃ２を光素子５の光軸中心Ｃ１に位置合わせするために、光素子５を半田バンプ２１とは反対側（矢印で示す方向）へ所定の微小距離だけ移動させる。その為には、半田バンプ２１の半田量を増やせばよい。光素子５を移動させる方向は、半田バンプ２１とは反対側の方向に限られるため、求められる操作は半田量を増やすプロセスだけである。
【００１５】
次に、図５は本発明の第５の実施形態に係る位置合わせ方法における半田量増加方法の一例を示す図である。
即ち、基板１上において、溶融状態にある位置出し用の半田バンプ２１に対して、半田供給手段２５から溶融状態にある微小体積の微小半田２２を漸次加えてゆく（滴下させてゆく）ことで、半田バンプ２１の半田量を微少量ずつ増大させ、半田バンプにより光素子５のエッジ５ａを押圧してこれを移動させる距離を制御するようにしている。
また、溶融していない粒径のそろった微小半田２２を半田バンプ２１中に落下させていく方法によっても、半田バンプ２１の体積の漸次増加が可能となる。
【００１６】
次に、図６は本発明の第６の実施形態に係る位置合わせ方法を説明するための平面図である。図２、図４、図５の各実施形態では、主として半田バンプ２１の半田量を漸増させることにより、光素子５を半田バンプ２１の位置とは反対方向へ微小距離分だけ押圧移動させるように構成したが、この実施形態では、図４の実施形態とは逆に、光学部品１１の光軸中心Ｃ２に対して、半田バンプ２１を配置したエッジ５ａと反対側に偏位した位置に、光素子５の光軸中心（発光点）Ｃ１が仮位置決めされるように、予め基板側電極パッド２をずらして設けておき、図示しない半田減量手段によって溶融状態にある半田バンプ２１の量を減少させることによって、光素子５を所定方向へ所定の微小距離移動させて（引っ張って）、光素子５と光学部品１１との間の光軸位置合わせを行うように構成している。
この実施形態では、半田バンプ２１を設けた位置とは反対側に変位した位置に光素子５の電極パッド６が接続されるように、予め基板側電極パッド２を設けておき、各電極パッド同志が整合するように仮位置決めする。次いで、半田バンプ２１の量を減少させることで、仮位置決めした光素子５を半田バンプ２１側へ引張り、光軸位置合わせを行う。
これを換言すれば、本実施形態では、光学部品の光軸中心Ｃ２よりも所定の方向にずらして基板側電極パッド６を形成しておき、そのずらした方向とは反対方向に微小移動用の半田バンプ２１を設けておく。そして、光軸を調整する為には、光素子５を半田バンプ２１側へ移動させる。その為に半田バンプの半田量を減らす手法を採用する。光素子を移動させる方向は、半田バンプ２１側の方向に限られるため、半田量を減らすプロセスを実行するだけで光軸合わせ作業が完了する。
【００１７】
次に、図７（ａ）及び（ｂ）は夫々本発明の第７の実施形態に係る位置合わせ方法における半田バンプ量減少方法を説明する要部断面図である。
まず、図７（ａ）の実施形態では、図６に示した半田バンプ２１の半田量を減少させるために、半田バンプ２１を搭載する基板１上に半田濡れ広がり用パッド３０（半田量減少手段）を形成しておき、更に半田バンプ２１が溶融状態にある時間（溶融時間）を制御することで、該半田バンプ２１の半田減少量を制御するようにしている。
つまり、この実施形態では、半田バンプ２１としての半田が供給された基板上の導体パッド３から半田の一部が塗れ広がって半田バンプの突出部の体積（横幅、高さ）が減少するように電極を引き伸ばしている。このため、図６に示した如く、半田バンプ２１によって光素子５を引き込むことができる。
次に、図７（ｂ）は半田量減少手段の他の実施形態であり、この実施形態では基板１上の半田バンプ搭載位置に、スルーホール３１を形成して、半田バンプを構成する溶融半田が塗れ広がっていく（吸引される）道筋を形成しておくものである。この場合も、半田バンプ２１の溶融時間を制御することで、半田バンプの半田減少量を制御するようにしている。
このように、上記各実施形態では、溶融状態にある時間を制御することで、濡れ広がりの量、或いはスルーホール内に吸引される半田量を調整できるので、半田バンプ２１の突出部の形状（特に、横幅、高さ）が所定の寸法になった時点で冷却し、半田を固化してやることで、半田量の制御が可能となる。
【００１８】
次に、図８は本発明の第８の実施形態に係る光素子の高精度位置合わせ方法、及びこの方法を実施するための高精度位置合わせ装置の構成例を示す図である。
この高精度位置合わせ方法では、光素子５との間で光信号を授受する光学部品１１を配置すると共に、該光信号の光量を計測するモニタリング手段によってモニタリングしながら光素子５を最適な位置へ移動させることにより、光素子５と光学部品１１との光軸位置合わせを行う方法である。更に、この位置合わせ方法は、溶融した半田ボール１０を介して光素子を接合した基板を回転台４１上に位置決め固定手段４２によって位置決め固定し、この状態で回転台４１を回転軸４１ａを中心として回転させながら、光軸位置合わせを行うようにした点が特徴的である。
半田ボール１０から成る接合部が溶融状態にある間に回転台４１を回転させることにより、位置決め固定手段４２によって回転台４１上に支持された光素子５は遠心力により回転軸４１ａとは反対側（外径方向）へ力を受け移動する。駆動源となる図示しないモータを制御して、回転台４１の回転数、回転時間を変えることで、遠心力の大きさ等を制御し、基板上における光素子５の移動量を所望値に制御し、光学部品１１との間の光軸中心を一致させるための位置合わせを行うことができる。
また、回転台４１上において、変更手段によって基板１の向きを変更可能に構成することにより、遠心力の加わる方向、即ち、光素子５の移動方向を任意の変更設定できる。なお、この例では、基板１の向きを変える変更手段として、回転台４１に設けた他の回転中心４５を中心として基板１を回転させることにより、基板の方向を変更する回転機構（遠心力方向制御用角度調整機構）４６を設けているが、これは一例に過ぎない。
このように本実施形態では、光学部品と光素子との間で授受される光信号の光量を計測しながら、回転台４１の回転数を制御することにより、光素子を所望の移動量だけ移動させることができる。また、基板１の方向を変える回転機構を設けることで、遠心力のかかる方向を任意に設定することが出来るので、光素子を移動させる方向は任意となる。
なお、上記各実施形態に示した光素子の高精度位置合わせ方法又は高精度位置合わせ装置によって、基板１上に搭載する光素子５の光軸中心の位置を、光学部品１１の光軸中心位置と位置合わせされた光伝送モジュールは、本発明の技術的範囲に属するものである。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光伝送用モジュールを構成する搭載基板上に、発光素子、受光素子等の光素子を溶融半田の表面張力を利用したセルフアライメント法により位置合わせする際に、光素子と他の光学部品との間の高精度な位置合わせを同時、簡易、且つ低コストに行うことができることとなる。
即ち、請求項１の発明方法によれば、基板に対する光素子の位置を整合させるだけでなく、それと同時に、光素子に対する光学部品の光軸位置を合わせる調整作業を実施するようにしたので、コストのかかる微小送り機構などを用いない極めて簡易な方法により、溶融半田によるセルフアライメント効果を利用した基板と光素子との間の位置合わせのみならず、更に、光学部品を含めた最適な光軸調整を伴った光素子の接合が可能となる。
請求項２の発明方法によれば、基板上に溶融半田ボールにより搭載した光素子を微小移動させて光学部品との間の光軸中心を位置合わせするに際して、半田ボールとは別個に設けた位置合わせ用の半田バンプを光素子に接触させ、且つ半田量を必要に応じて増減させて微小移動させる位置合わせ方法を用いるようにしたので、半田バンプの量や、配置位置や、冷却時期等を制御するだけの簡単な手順によって、光素子を微小移動させて光軸調整を実現できる。また、エリアアレイの半田接合構造をとりながら、アクティブアライメントにより最適な光軸調整を行うことができる。ワイヤーボンドのような電気的な接続部形成構造・プロセスを別途必要としない。
請求項３の発明方法によれば、光素子の移動方向を、半田バンプの半田量を増大したときに移動する方向に限定することで、半田バンプの半田変化量を増加のみに限定させることができ、半田量の制御が容易となる。
請求項４の発明方法によれば、光素子の移動方向を、半田バンプの半田量を減少させたときに移動する方向に限定することで、半田バンプの半田変化量を減少のみに限定させることができ、半田量の制御が容易となる。
【００２０】
請求項５の発明方法によれば、光素子の移動方向を規定することで、半田バンプの半田量の変化を減少のみに限定させることができ、工数を簡略化できる。
請求項６の発明によれば、半田バンプを支持する導体パッドを拡張して半田濡れ広がり用パッドとして溶融した半田バンプの突出部の体積を小さくするようにし、更に位置出し用半田バンプの溶融時間を制御することで、該位置出し用半田バンプの半田減少量を制御することが可能となる。また、導体パッドに基板を貫通するスルーホールを形成し、このスルーホールから溶融半田を吸引させて半田バンプの突出部を小さくしてもよい。
請求項７の発明方法によれば、半田ボール接合を用いながら、アクティブアライメントを行い、光素子に接触せずに微小量移動させて、最適な光軸調整を行うことができる。
請求項８の発明によれば、半田ボール接合を用いながら、アクティブアライメントを行い、光素子に接触せずに最適な光軸調整を行うばかりでなく、光素子を微小移動させる量を微調整することが可能となる。
請求項９の発明によれば、請求項７、８に記載した方法と同様の作用、効果を得ることができる。
請求項１０に記載の発明によれば、回転台上に支持されて回転台の遠心力により、溶融した半田ボール上に支持された光素子を微小変位させて光軸調整する際に、回転台上における基板の支持方向を任意の方向に設定することにより、遠心力を利用して光素子を任意の方向に変位させることが可能となる。つまり、光素子にかかる遠心力の方向を任意に設定できるので、移動方向を任意に変えることができる。
請求項１１の発明によれば、基板上の光素子と光学部品との光軸中心の整合性が確保された光伝送モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光素子の位置合わせ方法を説明するための接合部説明図及び光量モニターにおける光素子の位置と得られる出力との関係を示す図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は上記第１の実施形態において光素子の位置を微調整する具体的方法を説明する図であり、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は光軸調整した後の状態を示す図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は夫々本発明の第７の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図８】本発明の第８の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図９】
従来例の説明図。
【符号の説明】
１ 搭載基板（基板）、２ 各電極パッド、３ 導体パッド、５ 光素子、５ａ エッジ、６ 電極パッド、１０ 半田ボール、１１ 光学部品、２１ 半田バンプ、２５ 半田供給手段、Ｃ１ 光素子の光軸中心、Ｃ２ 光学部品の光軸中心、３０ 半田濡れ広がり用パッド（半田量減少手段）、３１ スルーホール、 ４１ 回転台、４２ 位置決め固定手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信、光伝送装置に用いられるチップ部品としての光素子を基板上に実装する際の高精度位置合わせ方法に関し、特に溶融した半田ボールの表面張力を利用したセルフアライメントによって光素子を基板上に位置決めする際に、光素子と他の光学部品との間の光軸調整を同時且つ高精度に行うことができる位置合わせ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光通信、光伝送装置に使用される光伝送用モジュールの小型化、薄型化を図るために、光伝送用モジュールにおいて使用される基板上にＬＤ（レーザーダイオード）、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光レーザー）等の発光素子や、ＰＤ（フォトダイオード）等の受光素子をフリップチップ実装する方法が実施されている。
フリップチップ実装においては、基板上の電極パッド面に対して、半田ボール（半田バンプ）を介して光素子の電極パッドを搭載した状態で、フリップチップボンダ、リフロー装置等によって半田ボールを溶融した後冷却することにより接合する工程が実施される。このフリップチップ実装においては、溶融した半田ボールの表面張力によるセルフアライメント効果によって、基板側電極パッドに対する光素子側電極パッドの接合位置を高精度に位置合わせすることが可能となるため、半田ボール上に搭載した当初に規定の接合位置からずれていた光素子を、無調整で基板上の規定位置に位置合わせすることが可能となる。
しかし、このフリップチップ実装は、基板上に実装した光素子との間で光信号を授受する他の光学部品（例えば、光導波路、光ファイバ等）との間の光軸の位置合わせをも同時に高精度に実現するものではない。つまり、例えば光素子からの発光光の光軸と、それを受光する光学部品間との整合は、光学部品と基板との間の相対位置精度によりもたらされるため、上記のフリップチップ実装により必ずしも光素子と光学部品間の整合が取れるわけではない。
【０００３】
光素子と他の光学部品との間の光軸合わせは、格別の工程を追加して実施する必要があり、これが生産性の低下を招く原因となっていた。
即ち、従来、光素子と光通信部品および搭載基板を接続する際の位置合わせ方法として、パッシブアライメント法とアクティブアライメント法が知られている。パッシブアライメントによる位置合わせ方法としては、溶融した半田ボールのセルフアライメント効果を利用した光素子の高精度位置合わせ方法がある（特開平１０−１７０７６９号公報）。これによれば、図９に示すように、マトリックス状に配置された半田ボール１０の表面張力によって、基板１上の電極パッド２上にズレてマウントされた光素子５を規定の接合位置に自動補正することができる。
しかし、溶融半田の表面張力を利用したこの自動補正方法は、光素子５および搭載基板１の電極パッド６、２間を高精度に位置合わせする手法に過ぎず、光素子５との間で光信号を授受する他の光学部品１１との間の光軸の位置合わせまでも高精度に行うことを保証する位置合わせ方法ではない。従って、図９に示すように光素子５および搭載基板１の電極パッド６、２間を高精度に位置合わせした場合であっても、光素子５の光軸と光学部品１１の光軸とがずれている事態は多々発生し得る。
また、光学部品を含めて最適な位置合わせを行う他の方法としてアクティブアライメント法がある（例えば、特開平０９−２５１１１８号公報）。これは、光学部品１１を通って得られる光量が最大になるように計測しながら、光素子５を微小位置合わせしながら接続する方法であるが、光素子を微小送りするための送り機構と、プロセスが必要となり、多くのタクトとコストが必要となるため、生産性の低下、コストアップを招く、という不具合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、光伝送用モジュールを構成する基板上に光素子を溶融半田の表面張力を利用したセルフアライメント法により位置合わせする際に、光素子と他の光学部品との間の高精度な位置合わせを同時に行うことができる光素子の高精度位置合わせ方法及び光学ユニットを提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明方法は、基板面の電極パッド上に、半田ボールを介して、光素子の電極パッドを接合する際に、溶融した半田ボールの表面張力を利用して基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの位置合わせを行うセルフアライメント実装方法において、溶融した半田ボールの表面張力で得られたセルフアライメント位置から、任意の方向に光素子を移動させてから半田ボールを硬化させることを特徴とする。
半田ボールの表面張力を利用したセルフアライメント効果による光素子の位置合わせによれば、基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの高精度位置合わせを簡便に行うことができるが、光素子との間で光信号を授受する光学部品との間における光軸中心の整合は、光学部品と基板との相対位置精度に依存するため、必ずしも整合が取れるわけではない。例えば、光素子を発光させて、光学部品側の光量を測定しつつ光軸合わせを行った後に接合を得るアクティブアライメント方法が知られてはいるが、機械的な微小送り機構などを設けなくてはならないため、問題であった。
本発明によれば、コストのかかる微小送り機構などを用いない極めて簡易な方法により、溶融半田によるセルフアライメント効果を利用した基板と光素子との間の位置合わせのみならず、さらに、光学部品を含めた最適な光軸調整を伴った光素子の接合が可能となる。
請求項２の発明方法によれば、前記基板上の基板側電極パッドとは別の位置に設けた導体パッド上に、溶融時に光素子のエッジに接触してこれを移動するように位置出し用の半田バンプを配置し、溶融状態にある前記位置出し用の半田バンプの半田量を必要に応じて増減させて、前記光素子のエッジに作用する力を制御することで光素子を所望の微小距離だけ移動させることを特徴とする。
光素子を微小移動させて光学部品との間の光軸中心を位置合わせするに際して、機械的な微小送り機構を用いることなく、接合用の半田ボールとは別個に設けた位置合わせ用の半田バンプを光素子に接触させ、且つ半田量を必要に応じて増減させて微小移動させる位置合わせ方法を用いるようにしたので、半田バンプの量や、配置位置や、冷却時期等を制御するだけの簡単な手順によって、光素子を微小移動させて光軸調整を実現できる。なお、半田バンプを加熱溶融させたときの表面張力による球形化により十分光素子を移動できる場合には半田量を増減させる必要はない。
【０００６】
請求項３の発明方法は、請求項１又は２において、前記光素子との間で光信号を授受する光学部品の光軸中心よりも半田バンプ寄り位置に前記光素子が接合されるように予め基板側電極パッドをずらして設けておき、溶融状態にある半田バンプの量を増大させて光素子のエッジを押圧することにより、光素子の光軸中心を光学部品の光軸中心に位置合わせするように構成したことを特徴とする。
これによれば、光素子の移動方向を、半田バンプの半田量を増大したときに移動する方向に規定することで、半田バンプの半田変化量を増加のみに限定させることができ、半田量の制御が容易となる。
請求項４の発明方法は、請求項３において、溶融状態にある前記半田バンプに微少量の半田を漸次加えていくことにより、前記半田バンプの半田増大量を制御することを特徴とする。
これによれば、半田バンプが光素子を移動させる距離を微小量に極限することができ、微調整が可能となる。
請求項５の発明方法は、請求項１又は３において、前記光素子との間で光信号を授受する光学部品の光軸中心よりも前記半田バンプと反対側に偏位した位置に前記光素子が接合されるように予め基板側電極パッドをずらして設けておき、溶融状態にある半田バンプの量を減少させて光素子のエッジを移動することにより、光素子の光軸中心を光学部品の光軸中心に位置合わせするように構成したことを特徴とする。
これによれば、光素子の移動方向を規定することで、半田バンプの半田量の変化を減少のみに限定させることができ、工数を簡略化できる。
【０００７】
請求項６の発明は、請求項５において、前記基板上に設けた半田バンプを支持する導体パッドの面積を拡大して半田濡れ広がり用パッドとするか、或いは導体パッドにスルーホールを形成し、半田バンプを溶融させる時間を制御することで、前記半田バンプの突出部体積を減少制御することを特徴とする。
これによれば、半田バンプを支持する導体パッドを拡張して半田濡れ広がり用パッドとして溶融した半田バンプの突出部の体積を小さくするようにし、更に位置出し用半田バンプの溶融時間を制御することで、該位置出し用半田バンプの半田減少量を制御することが可能となる。また、導体パッドに基板を貫通するスルーホールを形成し、このスルーホールから溶融半田を吸引させて半田バンプの突出部を小さくしてもよい。
請求項７の発明方法は、請求項１乃至６において、前記光素子との間で光信号を授受する光学部品を配置し、該光信号の光量をモニタリングしながら、前記光素子を最適な位置へ移動させることにより、該光素子と該光学部品との光軸位置合わせを行う方法であって、溶融した半田ボールを介して光素子を接合した基板を回転台上に位置決め固定し、該回転台を回転させながら、前記光軸位置合わせを行うことを特徴とする。
これによれば、半田ボール接合を用いながら、アクティブアライメントを行い、光素子に接触せずに微小量移動させて、最適な光軸調整を行うことができる。請求項８の発明は、前記回転台の回転速度を変えることにより、前記光素子の移動量を制御することを特徴とする。
これによれば、半田ボール接合を用いながら、アクティブアライメントを行い、光素子に接触せずに最適な光軸調整を行うばかりでなく、光素子を微小移動させる量を微調整することが可能となる。
【０００８】
請求項９の発明は、請求項１乃至６において、基板面の電極パッド上に、半田ボールを介して、光素子の電極パッドを接合する際に、溶融した半田ボールの表面張力を利用して基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの位置合わせを行うセルフアライメント実装方法を実施するための高精度位置合わせ装置において、前記光素子との間で光信号を授受する光学部品を配置し、該光信号の光量をモニタリングしながら、前記光素子を最適な位置へ移動させることにより、該光素子と該光学部品との光軸位置合わせを行う構成を備え、溶融した半田ボールを介して光素子を接合した基板を位置決め固定する回転台と、該回転台を回転させながら光軸位置合わせを行う回転手段と、を備えたことを特徴とする。
この装置によれば、請求項７、８に記載した方法と同様の作用、効果を得ることができる。
請求項１０に記載の発明は、請求項９において、前記回転台には、前記基板の向きを変更する変更手段を備えていることを特徴とする。
回転台上に支持されて回転台の遠心力により溶融した半田ボール上の光素子を微小変位させる際に、基板の支持方向を任意の方向に設定することにより、光素子を任意の方向に変位させることが可能となる。
請求項１１の発明は、請求項１乃至８に記載の光素子の高精度位置合わせ方法、又は請求項９、１０に記載の高精度位置合わせ装置によって位置合わせされた光素子を備えたことを特徴とする。
これによれば、基板上の光素子と光学部品との光軸中心の整合性が確保された光伝送モジュールを得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光素子の位置合わせ方法を説明するための接合部説明図及び光量モニターにおける光素子の位置と得られる出力との関係を示す図であり、光伝送モジュールを構成する搭載基板と光素子との位置合わせに際して、光素子と光学部品との光軸合わせをも高精度に実現するための一構成例を示すものである。
この光素子の位置合わせ方法は、搭載基板（以下、基板という）１の各電極パッド２上に、接合用の半田ボール１０を介して、光素子５側の電極パッド６を接合する際に、溶融した半田ボール１０の表面張力を利用して基板側電極パッド２と光素子側電極パッド６との位置合わせを行うセルフアライメント実装方法を実施する際に、溶融した半田ボール１０の表面張力で得られたセルフアライメント位置から、更に任意の方向に光素子を移動させてから半田ボールを硬化させるようにした点が特徴的である。
即ち、溶融した半田ボール１０の表面張力によるセルフアライメントによって位置補正された光素子５の電極パッド６は、基板１側の電極パッド２と整合した規定の位置（セルフアライメント位置）にあるが、このセルフアライメント位置における光素子（例えば、ＬＤ）からの発光光の光軸は、これを受光するレンズ等の光学部品１１の光軸とは一致していないことが多々ある。そこで、本実施形態では、セルフアライメント時に、図示しない計測装置により光学部品１１からの受光光量を計測しながら光素子５を所定の補正方向へ微小距離移動させることにより、光素子と光学部品間の光軸を合わせるようにした。この調整作業により光素子を微小量移動させると、図１（ｂ）に示すように、光効率が最適になる。
このように本発明では、接合用半田ボールによるセルフアライメント効果を利用した光素子と基板との間の位置合わせを行った後で、光素子と光学部品との間での光信号の授受を行って光量を実測しながら光素子の位置を微調整しながら光軸調整を行うようにしたので、光素子と光学部品との間の光軸調整を最適に行い、光効率が最適な光伝送モジュールを得ることができる。
【００１０】
なお、上記説明では、セルフアライメント位置に移動させてから、光素子の位置を補正するための微調整を行う例を説明したが、本発明は、セルフアライメントによる光素子の移動と併せてこれを助勢する形で、或いはセルフアライメントによる光素子の移動を阻止する形で光素子を移動させる場合も含むものである。
また、本明細書において半田ボールとは、ボール（球）状の半田のみならず、バンプ状、その他、種々の形状の塊状の半田を含むものであり、フリップチップ接合用に使用されるあらゆる形態の半田を含むものである。
また、この例では、半田ボールを基板１上の電極パッド２上に予め固定した例を示したが、光素子５側の電極パッド６上に半田ボールを固定した場合も本発明の範囲に含まれるものである。しかし、以下の説明では、主として基板側電極パッド２上の半田ボール１０を固定した場合を中心に説明する。
【００１１】
次に、図２（ａ）及び（ｂ）は上記第１の実施形態において光素子の位置を微調整する具体的方法を説明する図であり、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は光軸調整した後の状態を示す図である。
この実施形態に係る高精度位置合わせ方法では、基板側電極パッド２とは異なる基板１上の他の位置（導体パッド３）に、溶融時に光素子５のエッジ５ａ（側面、或いは底角部）に接触してこれを押圧するように位置出し用の半田バンプ２１を配置し、位置出し用の半田バンプ２１の半田量を増大させて、光素子５のエッジ５ａを押圧する力を制御することで光素子５を所望の微小距離だけ移動させるようにしている。
即ち、この実施形態では、所定以上の体積を有した半田バンプ２１を、光素子５のエッジ５ａに接触するように基板１上の適所に設けた導体パッド２上に設ける。半田バンプ２１を設ける理由は、半田バンプ２１を溶融させた状態で半田バンプ２１によって光素子のエッジ５ａを押圧して光素子の位置を規定位置から所望方向へ所望の微小距離移動させて光学部品１１（光伝送光学系）の光軸と位置合わせすることにある。
そして、半田バンプ２１の溶融時にその半田量を増大させることで半田バンプ２１の体積（突出部の体積）を増大させて、半田バンプ２１が光素子のエッジ部５ａを押圧する距離を制御して微小移動を可能にする。つまり、溶融した半田ボール１０はセルフアライメントにより球状に近づこうとするが、半田バンプ２１に押されて、シフトした状態で力のバランスが取れる。この状態で硬化すれば、光素子を微小移動させた状態での接続が得られ、光素子５と光学部品１１との位置合わせを正確に行うことが可能となる。
【００１２】
なお、印刷方法等により電極パッド２、及び導体パッド３上に半田ボール１０、及び半田バンプ２１を形成した後で、加熱により溶融した半田ボール１０上に光素子５を搭載したときに、同じく溶融した半田バンプ２１が表面張力により球状になる力によって光素子を押圧することも十分に可能であるため、必ずしも半田バンプの半田量を増量、減量させる必要はない。
なお、半田ボール１０、及び半田バンプ１２を溶融させる方法としては、ホットプレート、加熱ヘッド等を用いて基板の下面側から加熱して半田を溶融させる方法を例示できる。また、光学部品側に半田ボールを設けた場合には光学部品の上面側を同様の加熱手段により加熱することにより半田ボールを溶融させる。
【００１３】
次に、図３は本発明の第３の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態であり、図２に示した位置合わせ用の半田バンプ２１を光素子５の異なったエッジ５ａ（側面、或いは底角部）に当接するように複数配置した構成が特徴的である。このように半田バンプ２１を複数個所設けた場合には、半田量を増減させる半田バンプ２１を選択して半田量を増減させることで、Ｘ、Ｙ、θの各方向に向けた位置調整が可能となる。
【００１４】
次に、図４は本発明の第４の実施形態に係る光素子の位置合わせ方法を説明する平面図であり、この実施形態では、光素子５との間で光信号を授受する光学部品１１（図２（ｂ）参照）の光軸中心Ｃ２に対して、半田バンプ２１を配置したエッジ５ａ側に偏位した位置に、光素子５の光軸中心（発光点）Ｃ１が仮位置決めされるように（光素子５の電極パッド６が接続されるように）、予め基板側電極パッド２をずらして設けておき、溶融状態にある半田バンプ２１の量を増大させることによって光素子５を所望方向へ所望の微小距離押圧移動させて、光素子５と光学部品１１との間の光軸位置合わせを行うように構成している。
この例では、光学部品の光軸中心Ｃ２に対する光素子５の光軸中心Ｃ１を、光素子５の対角線に沿った方向へずらしているので、半田バンプ２１は、ずれた方向に位置する角隅部を挟んだ両側に夫々一個ずつ配置されているが、これは一例であり、光軸中心Ｃ１が横方向或いは上下方向へずれている場合には横方向或いは上下方向に位置するエッジ５ａに一つ、或いは複数の半田バンプ２１を配置すればよい。
この実施形態では調整すべき光学部品１１の光軸中心Ｃ２よりも、所定の方向に所定距離ずれるように予め基板側電極パッド２の位置を設計しておき、且つずらした方向に位置するエッジ５ａに相当する基板上に微小移動用の半田バンプ２１を設けておく。このような電極パッド構成を備えた基板１上に対して、光素子５の電極パッド６を接合する際には、両電極パッド２、６同志が整合するように仮位置決めし、その後、光学部品１１の光軸中心Ｃ２を光素子５の光軸中心Ｃ１に位置合わせするために、光素子５を半田バンプ２１とは反対側（矢印で示す方向）へ所定の微小距離だけ移動させる。その為には、半田バンプ２１の半田量を増やせばよい。光素子５を移動させる方向は、半田バンプ２１とは反対側の方向に限られるため、求められる操作は半田量を増やすプロセスだけである。
【００１５】
次に、図５は本発明の第５の実施形態に係る位置合わせ方法における半田量増加方法の一例を示す図である。
即ち、基板１上において、溶融状態にある位置出し用の半田バンプ２１に対して、半田供給手段２５から溶融状態にある微小体積の微小半田２２を漸次加えてゆく（滴下させてゆく）ことで、半田バンプ２１の半田量を微少量ずつ増大させ、半田バンプにより光素子５のエッジ５ａを押圧してこれを移動させる距離を制御するようにしている。
また、溶融していない粒径のそろった微小半田２２を半田バンプ２１中に落下させていく方法によっても、半田バンプ２１の体積の漸次増加が可能となる。
【００１６】
次に、図６は本発明の第６の実施形態に係る位置合わせ方法を説明するための平面図である。図２、図４、図５の各実施形態では、主として半田バンプ２１の半田量を漸増させることにより、光素子５を半田バンプ２１の位置とは反対方向へ微小距離分だけ押圧移動させるように構成したが、この実施形態では、図４の実施形態とは逆に、光学部品１１の光軸中心Ｃ２に対して、半田バンプ２１を配置したエッジ５ａと反対側に偏位した位置に、光素子５の光軸中心（発光点）Ｃ１が仮位置決めされるように、予め基板側電極パッド２をずらして設けておき、図示しない半田減量手段によって溶融状態にある半田バンプ２１の量を減少させることによって、光素子５を所定方向へ所定の微小距離移動させて（引っ張って）、光素子５と光学部品１１との間の光軸位置合わせを行うように構成している。
この実施形態では、半田バンプ２１を設けた位置とは反対側に変位した位置に光素子５の電極パッド６が接続されるように、予め基板側電極パッド２を設けておき、各電極パッド同志が整合するように仮位置決めする。次いで、半田バンプ２１の量を減少させることで、仮位置決めした光素子５を半田バンプ２１側へ引張り、光軸位置合わせを行う。
これを換言すれば、本実施形態では、光学部品の光軸中心Ｃ２よりも所定の方向にずらして基板側電極パッド６を形成しておき、そのずらした方向とは反対方向に微小移動用の半田バンプ２１を設けておく。そして、光軸を調整する為には、光素子５を半田バンプ２１側へ移動させる。その為に半田バンプの半田量を減らす手法を採用する。光素子を移動させる方向は、半田バンプ２１側の方向に限られるため、半田量を減らすプロセスを実行するだけで光軸合わせ作業が完了する。
【００１７】
次に、図７（ａ）及び（ｂ）は夫々本発明の第７の実施形態に係る位置合わせ方法における半田バンプ量減少方法を説明する要部断面図である。
まず、図７（ａ）の実施形態では、図６に示した半田バンプ２１の半田量を減少させるために、半田バンプ２１を搭載する基板１上に半田濡れ広がり用パッド３０（半田量減少手段）を形成しておき、更に半田バンプ２１が溶融状態にある時間（溶融時間）を制御することで、該半田バンプ２１の半田減少量を制御するようにしている。
つまり、この実施形態では、半田バンプ２１としての半田が供給された基板上の導体パッド３から半田の一部が塗れ広がって半田バンプの突出部の体積（横幅、高さ）が減少するように電極を引き伸ばしている。このため、図６に示した如く、半田バンプ２１によって光素子５を引き込むことができる。
次に、図７（ｂ）は半田量減少手段の他の実施形態であり、この実施形態では基板１上の半田バンプ搭載位置に、スルーホール３１を形成して、半田バンプを構成する溶融半田が塗れ広がっていく（吸引される）道筋を形成しておくものである。この場合も、半田バンプ２１の溶融時間を制御することで、半田バンプの半田減少量を制御するようにしている。
このように、上記各実施形態では、溶融状態にある時間を制御することで、濡れ広がりの量、或いはスルーホール内に吸引される半田量を調整できるので、半田バンプ２１の突出部の形状（特に、横幅、高さ）が所定の寸法になった時点で冷却し、半田を固化してやることで、半田量の制御が可能となる。
【００１８】
次に、図８は本発明の第８の実施形態に係る光素子の高精度位置合わせ方法、及びこの方法を実施するための高精度位置合わせ装置の構成例を示す図である。
この高精度位置合わせ方法では、光素子５との間で光信号を授受する光学部品１１を配置すると共に、該光信号の光量を計測するモニタリング手段によってモニタリングしながら光素子５を最適な位置へ移動させることにより、光素子５と光学部品１１との光軸位置合わせを行う方法である。更に、この位置合わせ方法は、溶融した半田ボール１０を介して光素子を接合した基板を回転台４１上に位置決め固定手段４２によって位置決め固定し、この状態で回転台４１を回転軸４１ａを中心として回転させながら、光軸位置合わせを行うようにした点が特徴的である。
半田ボール１０から成る接合部が溶融状態にある間に回転台４１を回転させることにより、位置決め固定手段４２によって回転台４１上に支持された光素子５は遠心力により回転軸４１ａとは反対側（外径方向）へ力を受け移動する。駆動源となる図示しないモータを制御して、回転台４１の回転数、回転時間を変えることで、遠心力の大きさ等を制御し、基板上における光素子５の移動量を所望値に制御し、光学部品１１との間の光軸中心を一致させるための位置合わせを行うことができる。
また、回転台４１上において、変更手段によって基板１の向きを変更可能に構成することにより、遠心力の加わる方向、即ち、光素子５の移動方向を任意の変更設定できる。なお、この例では、基板１の向きを変える変更手段として、回転台４１に設けた他の回転中心４５を中心として基板１を回転させることにより、基板の方向を変更する回転機構（遠心力方向制御用角度調整機構）４６を設けているが、これは一例に過ぎない。
このように本実施形態では、光学部品と光素子との間で授受される光信号の光量を計測しながら、回転台４１の回転数を制御することにより、光素子を所望の移動量だけ移動させることができる。また、基板１の方向を変える回転機構を設けることで、遠心力のかかる方向を任意に設定することが出来るので、光素子を移動させる方向は任意となる。
なお、上記各実施形態に示した光素子の高精度位置合わせ方法又は高精度位置合わせ装置によって、基板１上に搭載する光素子５の光軸中心の位置を、光学部品１１の光軸中心位置と位置合わせされた光伝送モジュールは、本発明の技術的範囲に属するものである。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光伝送用モジュールを構成する搭載基板上に、発光素子、受光素子等の光素子を溶融半田の表面張力を利用したセルフアライメント法により位置合わせする際に、光素子と他の光学部品との間の高精度な位置合わせを同時、簡易、且つ低コストに行うことができることとなる。
即ち、請求項１の発明方法によれば、基板に対する光素子の位置を整合させるだけでなく、それと同時に、光素子に対する光学部品の光軸位置を合わせる調整作業を実施するようにしたので、コストのかかる微小送り機構などを用いない極めて簡易な方法により、溶融半田によるセルフアライメント効果を利用した基板と光素子との間の位置合わせのみならず、更に、光学部品を含めた最適な光軸調整を伴った光素子の接合が可能となる。
請求項２の発明方法によれば、基板上に溶融半田ボールにより搭載した光素子を微小移動させて光学部品との間の光軸中心を位置合わせするに際して、半田ボールとは別個に設けた位置合わせ用の半田バンプを光素子に接触させ、且つ半田量を必要に応じて増減させて微小移動させる位置合わせ方法を用いるようにしたので、半田バンプの量や、配置位置や、冷却時期等を制御するだけの簡単な手順によって、光素子を微小移動させて光軸調整を実現できる。また、エリアアレイの半田接合構造をとりながら、アクティブアライメントにより最適な光軸調整を行うことができる。ワイヤーボンドのような電気的な接続部形成構造・プロセスを別途必要としない。
請求項３の発明方法によれば、光素子の移動方向を、半田バンプの半田量を増大したときに移動する方向に限定することで、半田バンプの半田変化量を増加のみに限定させることができ、半田量の制御が容易となる。
請求項４の発明方法によれば、光素子の移動方向を、半田バンプの半田量を減少させたときに移動する方向に限定することで、半田バンプの半田変化量を減少のみに限定させることができ、半田量の制御が容易となる。
【００２０】
請求項５の発明方法によれば、光素子の移動方向を規定することで、半田バンプの半田量の変化を減少のみに限定させることができ、工数を簡略化できる。
請求項６の発明によれば、半田バンプを支持する導体パッドを拡張して半田濡れ広がり用パッドとして溶融した半田バンプの突出部の体積を小さくするようにし、更に位置出し用半田バンプの溶融時間を制御することで、該位置出し用半田バンプの半田減少量を制御することが可能となる。また、導体パッドに基板を貫通するスルーホールを形成し、このスルーホールから溶融半田を吸引させて半田バンプの突出部を小さくしてもよい。
請求項７の発明方法によれば、半田ボール接合を用いながら、アクティブアライメントを行い、光素子に接触せずに微小量移動させて、最適な光軸調整を行うことができる。
請求項８の発明によれば、半田ボール接合を用いながら、アクティブアライメントを行い、光素子に接触せずに最適な光軸調整を行うばかりでなく、光素子を微小移動させる量を微調整することが可能となる。
請求項９の発明によれば、請求項７、８に記載した方法と同様の作用、効果を得ることができる。
請求項１０に記載の発明によれば、回転台上に支持されて回転台の遠心力により、溶融した半田ボール上に支持された光素子を微小変位させて光軸調整する際に、回転台上における基板の支持方向を任意の方向に設定することにより、遠心力を利用して光素子を任意の方向に変位させることが可能となる。つまり、光素子にかかる遠心力の方向を任意に設定できるので、移動方向を任意に変えることができる。
請求項１１の発明によれば、基板上の光素子と光学部品との光軸中心の整合性が確保された光伝送モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光素子の位置合わせ方法を説明するための接合部説明図及び光量モニターにおける光素子の位置と得られる出力との関係を示す図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は上記第１の実施形態において光素子の位置を微調整する具体的方法を説明する図であり、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は光軸調整した後の状態を示す図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は夫々本発明の第７の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図８】本発明の第８の実施形態に係る位置合わせ方法の実施形態の説明図。
【図９】
従来例の説明図。
【符号の説明】
１ 搭載基板（基板）、２ 各電極パッド、３ 導体パッド、５ 光素子、５ａ エッジ、６ 電極パッド、１０ 半田ボール、１１ 光学部品、２１ 半田バンプ、２５ 半田供給手段、Ｃ１ 光素子の光軸中心、Ｃ２ 光学部品の光軸中心、３０ 半田濡れ広がり用パッド（半田量減少手段）、３１ スルーホール、 ４１ 回転台、４２ 位置決め固定手段。
Claims (11)
- 基板面の電極パッド上に、半田ボールを介して光素子の電極パッドを接合する際に、溶融した半田ボールの表面張力を利用して基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの位置合わせを行うセルフアライメント実装方法において、
溶融した半田ボールの表面張力で得られたセルフアライメント位置から、任意の方向に光素子を移動させてから半田ボールを硬化させることを特徴とする光素子の高精度位置合わせ方法。 - 前記基板上の基板側電極パッドとは別の位置に設けた導体パッドに、溶融時に光素子のエッジに接触してこれを移動するように位置出し用の半田バンプを配置し、
溶融状態にある前記位置出し用の半田バンプの半田量を必要に応じて増減させて、前記光素子のエッジに作用する力を制御することで光素子を所望の微小距離だけ移動させることを特徴とする請求項１に記載の光素子の高精度位置合わせ方法。 - 前記光素子との間で光信号を授受する光学部品の光軸中心よりも半田バンプ寄り位置に前記光素子が接合されるように予め基板側電極パッドをずらして設けておき、溶融状態にある半田バンプの量を増大させて光素子のエッジを押圧することにより、光素子の光軸中心を光学部品の光軸中心に位置合わせするように構成したことを特徴とする請求項１又２に記載の光素子の高精度位置合わせ方法。
- 溶融状態にある前記半田バンプに微少量の半田を漸次加えていくことにより、前記半田バンプの半田増大量を制御することを特徴とする請求項３に記載の光素子の高精度位置合わせ方法。
- 前記光素子との間で光信号を授受する光学部品の光軸中心よりも前記半田バンプと反対側に偏位した位置に前記光素子が接合されるように予め基板側電極パッドをずらして設けておき、溶融状態にある半田バンプの量を減少させて光素子のエッジを移動することにより、光素子の光軸中心を光学部品の光軸中心に位置合わせするように構成したことを特徴とする請求項１又２に記載の光素子の高精度位置合わせ方法。
- 前記基板上に設けた半田バンプを支持する導体パッドの面積を拡大して半田濡れ広がり用パッドとするか、或いは導体パッドにスルーホールを形成し、半田バンプを溶融させる時間を制御することで、前記半田バンプの突出部体積を減少制御することを特徴とする請求項５に記載の光素子の高精度位置合わせ方法。
- 前記光素子との間で光信号を授受する光学部品を配置し、該光信号の光量をモニタリングしながら、前記光素子を最適な位置へ移動させることにより、該光素子と該光学部品との光軸位置合わせを行う方法であって、
溶融した半田ボールを介して光素子を接合した基板を回転台上に位置決め固定し、該回転台を回転させながら、前記光軸位置合わせを行うことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光素子の高精度位置合わせ方法。 - 前記回転台の回転速度を変えることにより、前記光素子の移動量を制御することを特徴とする請求項７に記載の光素子の高精度位置合わせ方法。
- 基板面の電極パッド上に、半田ボールを介して、光素子の電極パッドを接合する際に、溶融した半田ボールの表面張力を利用して基板側電極パッドと光素子側電極パッドとの位置合わせを行うセルフアライメント実装方法を実施するための高精度位置合わせ装置において、
前記光素子との間で光信号を授受する光学部品を配置し、該光信号の光量をモニタリングしながら、前記光素子を最適な位置へ移動させることにより、該光素子と該光学部品との光軸位置合わせを行う構成を備え、
溶融した半田ボールを介して光素子を接合した基板を位置決め固定する回転台と、該回転台を回転させながら光軸位置合わせを行う回転手段と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光素子の高精度位置合わせ装置。 - 前記回転台には、前記基板の向きを変更する変更手段を備えていることを特徴とする請求項９に記載の光素子の高精度位置合わせ装置。
- 請求項１乃至８に記載の光素子の高精度位置合わせ方法、又は請求項９、１０に記載の高精度位置合わせ装置によって位置合わせされた光素子を備えたことを特徴とする光伝送用モジュール。
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