JP2004146630A

JP2004146630A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2004146630A
Application number: JP2002310614A
Authority: JP
Inventors: Isamu Yoshida; 吉田　勇; Kazutami Kawamoto; 川本　和民; Naoki Matsushima; 松嶋　直樹; ▲桑▼野　英之; Hideyuki Kuwano; Yoshiaki Niwa; 丹羽　善昭
Original assignee: Hitachi Ltd; Opnext Japan Inc
Current assignee: Hitachi Ltd; Opnext Japan Inc
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】本発明は、光モジュールにおいて冷却器もしくはパッケージとＳｉ基板をはんだで接合する際等に起きる温度変化で溝の底面部に発生する各部材の熱膨張の差による応力集中を低減し、クラックの発生を防止することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射される光を変換するレンズと、それらの部品を搭載するＳｉ基板と、前記Ｓｉ基板を搭載する冷却器と、前記冷却器を収容するパッケージから構成される光モジュールにおいて、前記Ｓｉ基板上には前記レンズを搭載するための横断面形状がＶ字形状、台形形状、もしくは矩形形状のいずれか１つの形状である溝を有し、パッケージと接続されるＳｉ基板裏面のメタライズ膜の形状は、前記溝部底面に相当する個所を回避して形成するか、さらに溝部底面相当個所の光軸方向の側面側の少なくても片方も回避して形成することにより達成できる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信システムや光情報処理システムに適用する光モジュールに係り、特に、溝付Ｓｉ基板を用いた光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバに半導体レーザ素子の出力光を結合させ、遠方まで情報を伝送する光通信装置においては、半導体レーザ素子の出力光をできるだけ高い利用効率で光ファイバに結合する必要がある。すなわち高精度の位置決めを行わなければならない。しかし、高精度の位置決めは、組み立てコストが高くなるという問題がある。そこで、低コストで、且つ高精度な位置決めができる構造が必要になってきている。
【０００３】
その構造として、半導体レーザ素子、モニタ素子、レンズ等を搭載する基板として、溝付Ｓｉ基板を用いる構造がある（例えば、特許文献１参照）。Ｓｉ基板は、通常良く用いられるＣｕＷ基板に比べ熱伝導性は劣るが熱膨張性に優れており、異方性エッチング等を用いることで高精度な形状が形成できる。そのＳｉ基板に横断面が台形形状になっている溝を形成し、Ｓｉ基板上面には半導体レーザ素子とモニタ素子を搭載し台形溝にはレンズ（非球面レンズ）を搭載している。なお、同様な構成であるが、Ｖ字状の溝にレンズ（球面レンズ）を搭載する例がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、上記２件の公知例を用いることにより、レンズをＳｉ基板に埋没するような形状になるので、光モジュールのパッケージの高さを低く抑えることができるので薄形化が図れるという効果がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２９５５６１号公報（第５頁〜第６頁、図１）
【特許文献２】
特開平２００２−１７４７５６号公報（第２頁〜第３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の光モジュールにおいては、パッケージの高さを低く抑えるためにＳｉ基板に横断面形状がＶ字形状もしくは台形形状の溝を設け、その溝部にレンズを搭載する構造になっており、より一層の薄形化を行う上でＶ字形状の溝の場合底辺部、台形形状の場合は底面部のＳｉ基板の厚さが非常に薄くなる。すると、はんだを用いて冷却器やパッケージなどに組み立て搭載する際に、高温から室温に冷却されるため、各部材の熱膨張の差によりＳｉ基板の最も薄い個所に応力が集中し、クラックが発生するという問題があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、低コスト化と高精度な位置決めと薄形化が図れる光モジュールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、第１の発明では、光モジュールは、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射される光を変換するレンズと、それらの部品を搭載するために設けられ、前記レンズを搭載するための溝が形成された基板と、前記基板を収容するパッケージと、前記基板をパッケージ内に固定するために前記基板の裏面に形成されたメタライズ膜とを備え、前記メタライズ膜は前記溝部底面に相当する個所を避けて形成されている。
【０００９】
第２の発明では、光モジュールは、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射される光を変換するレンズと、それらの部品を搭載するために設けられ、前記レンズを搭載するための溝が形成された基板と、前記基板を収容するパッケージと、前記基板をパッケージ内に固定するために前記基板の裏面に形成されたメタライズ膜とを備え、前記溝は底部と前記底部を三方から取り囲む第１、第２及び第３の側壁とから構成され、前記メタライズ膜は、第１の側壁の内縁に沿った線、及び第２または第３の側壁の内縁に沿った線より外側に形成される。
【００１０】
第２の発明において、前記メタライズ膜は前記第１の側壁の内縁に沿った線に略平行な線を有するＩ字状に形成される。又は、前記メタライズ膜は、第１の側壁の内縁に沿った線に略平行な第１の外縁と、第２または第３の側壁の内縁に沿った線に略並行は外縁を有するＬ字状に形成されている。
【００１１】
また、第１、第２の発明において、前記基板は前記メタライズ膜によって、パッケージ底面または冷却器に搭載される。また、前記基板は、前記基板はＳｉ基板である。また、前記溝の横断面形状はＶ字形状、台形形状、又は、矩形形状のいずれか１つの形状である。
【００１２】
また、第１の発明において、前記基板のメタライズ膜の形状は、溝部底面相当の個所を回避し、冷却器もしくはパッケージ底面のメタライズ膜の形状は溝部底面相当の個所にも設けられる。また、前記基板のメタライズ膜の形状は、前記溝部底面相当個所と前記溝部底面相当個所の光軸方向の側面側の少なくても片方を回避して形成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、幾つかの実施例を用い、図を参照して説明する。
図１は本発明による光モジュールの第１の実施例を示す一部断面図である。図において、半導体レーザ素子１は、Ｓｉ基板２の上面に搭載されている。Ｓｉ基板２には異方性エッチングにより形成された溝３があり、その溝３上には非球面レンズ４（本発明では金属被覆も含んで非球面レンズと称している。）が搭載されている。半導体レーザ素子１と溝３と非球面レンズ４は光軸上に整列されている関係にある。Ｓｉ基板２の下面にはメタライズ膜５が形成され、はんだ６を介して冷却器７側のメタライズ膜８と接続されている。なお、本実施例では、非球面レンズ４を例にとって説明したが、本発明では、必ずしも非球面レンズ４に拘泥するものではなく、通常のレンズでもよい。また、本実施例において、メタライズ膜５、８とは、はんだの濡れ広がる領域を特定する金属膜をいう。
【００１４】
図２は図１に用いたメタライズ膜が設けられたＳｉ基板の一実施例を示す構成図であり、図２（ａ）はＳｉ基板の裏面図であり、図２（ｂ）はＳｉ基板の側面図である。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２には台形の溝３が設けられている。このＳｉ基板の裏面にメタライズ膜５を設け、このメタライズ膜５を冷却器７上のメタライズ膜８とはんだ付けをする場合、Ｓｉ基板２の温度は室温からはんだ付け時の温度に急上昇され、その後室温にまで冷却される。この場合、Ｓｉ基板２、はんだ６、及び冷却器７の上基板等の熱膨張の差による応力は、Ｓｉ基板２の台形状溝３の底面３ａに集中する。このため、溝３の底面３ａにクラックが発生することがある。この熱膨張差による応力が溝３の底面３ａに加わらないように、本実施例では、メタライズ膜５は溝３の底面３ａを回避して形成されている。
図２に示すように、台形溝３の側壁３ｂ、３ｃ、３ｄとし、メタライズ膜５の端部５ａを側壁３ｃの外縁３ｅと底面３ａ外縁３ｆの間で移動させて底面３ａの最大主応力を熱応力解析すると、最大主応力に変曲点が生じることが判明した。この変曲点までメタライズ膜５の端部５ａを底面３ａの外縁側に延ばしても、熱膨張差による応力によって溝３の底面３ａにクラックが発生しないことが分かった。この変曲点は主にＳｉ基板２に設けられた溝３の底面３ａの厚さによって変わる。通常、メタライズ膜５の端部５ａを溝３の底面３ａの外縁３ｆに至る手前まで延長しても最大主応力は小さく、溝３の底面３ａにクラックを発生することはない。
【００１５】
図３は本発明による光モジュールの第１の実施例を示す一部断面側面である。図３において、図１と同じ構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。図３で、パッケージ９は上蓋２１、側面板２２、底面板２３から構成され、側面板２２には光ファイバ取付リング２４が保持されている。パッケージ９の内部には、図１で説明した各部材が搭載されている。更に、冷却器７上にはモニタ素子搭載基板１０が設置され、モニタ素子搭載基板１０には半導体レーザ素子１から出射される光をモニタして光強度の制御を行うためのモニタ素子１１が搭載されている。
本実施例では、Ｓｉ基板２やモニタ素子搭載基板１０等の配線パターン、各種基板や素子を接続する部材（ボンディングワイヤやリボンワイヤなど）や外部基板と接続するリード等の部品の説明を省略したが、これらの配線パターン、部材又は部品は本実施例の光モジュールにおいても形成、設置されていることは言うもでもない。
【００１６】
以上述べた本発明の第１の実施例では、冷却器７とＳｉ基板２をはんだ６を介して接合する際に高温から室温に冷却されるが、溝３の底面３ａにはメタライズ膜５が設けられておらず、従って、はんだ６は設けられないので、各部材の熱膨張の差による応力集中を防止でき、クラックの発生を防止することができる。
また、クラックを防止できることによりさらなる薄形化が図れるという効果がある。
【００１７】
図４は本発明の第２の実施例に係る光モジュールに用いるＳｉ基板の裏面図である。本実施例では、メタライズ膜５は溝３の底面３ａを回避するようにＬ字状に形成されている。即ち、Ｌ字状のメタライズ膜５の外縁５ａは側壁３ｃの外縁３ｅより外側に配置され、且つ側壁３ｃの外縁３ｅに沿って延びており、また、メタライズ膜５の外縁５ｂは側壁３ｂの外縁３ｇより外側に配置され、且つ、側壁３ｂの外縁３ｇに沿って延びている。
本実施例においては、Ｌ字状のメタライズ膜５の外縁５ａ、５ｂは溝３の側壁３ｃ、３ｂまで幅が広げられていない。よって、各部材の熱膨張の差による応力集中を防止でき、したがってクラックの発生を十分に防ぐことができる。さらに、Ｓｉ基板２を搭載する部材（冷却器７やパッケージ底面板２３）との接着面積を増加させることができるので熱抵抗を低減することができ、Ｓｉ基板２上に搭載される半導体レーザ素子の温度制御が効率良く行えるという効果もある。
【００１８】
図４の実施例において、Ｌ字状メタライズ膜５の外縁５ａは、図２の実施例で説明したように、側壁３ｃの外縁３ｅを越え、底面３ａの外縁３ｆ（又は、側壁３ｃの内縁３ｆ）に至るまで幅を広げても溝３の底面でのクラックを防止することができる。同様に、Ｌ字状メタライズ膜５の外縁５ｂについても、側壁３ｂの外縁３ｇを越え、底面３ａの外縁３ｈ（又は、側壁３ｃの内縁３ｈ）に至るまで幅を広げても溝３の底面３ａでのクラックを防止することができる。
【００１９】
図５は本発明の第３の実施例に係る光モジュール内の断面図である。Ｓｉ基板２は底面にメタライズ膜５が形成され、パッケージ底板１２上に形成されているメタライズ膜８とはんだ６を介して接合されている。この本発明は、主に半導体レーザ素子１の温度制御を行わなくても良い製品に多く用いられる構造である。本発明の実施例は、第１の実施例と同等の効果がある。
【００２０】
図６は本発明の効果を検証するために行った応力解析に用いたメタライズ膜が設けられたＳｉ基板の裏面図であり、図６（ａ）はＳｉ基板の裏面全面にメタライズ膜が設けられたモデル１の裏面図、図６（ｂ）はＳｉ基板の裏面にＩ字状のメタライズ膜が設けられたモデル２の裏面図、図６（ｃ）はＳｉ基板の裏面にＬ字状のメタライズ膜が設けられたモデル３の裏面図である。
モデル１は図６（ａ）に示すように、Ｓｉ基板の裏面全面にメタライズ膜が設けられている。モデル２は図６（ｂ）に示すように、Ｉ字状のメタライズ膜５の外縁５ａが溝３の側壁３ｃの外縁３ｅと内縁３ｆの間に配置されている。モデル３は図６（ｃ）に示すように、Ｌ字状のメタライズ膜であり、メタライズ膜５の外縁５ａは側壁３ｃの外縁３ｅと略同じであり、Ｌ字状のメタライズ膜５の他の外縁５ｂは溝３の側壁３ｄの外縁３ｊと平行で、且つ外縁３ｊの外側に配置されている。
【００２１】
図７はモデル１〜モデル３について応力解析を行なって結果を示す特性図であり、横軸に各モデル番号を示し、縦軸に２５℃から８５℃に温度を上昇させたときのＳｉ基板の溝底面の最大主応力を示す。この結果、特性線３１に示すように、モデル１の場合には、Ｓｉ基板２の溝底面２ａに最大主応力６０ＭＰａが発生するが、モデル２、モデル３の場合にはモデル１の最大主応力の約１／２に低減できる効果があることがわかった。
【００２２】
本実施例ではＳｉ基板を例にとって説明したが、本発明では、必ずしもＳｉ基板でなくてもよい。即ち、レンズなどを載置する溝を形成することができる基板であればどのような基板を用いても本発明を適用することができる。
【００２３】
また、本発明の実施例では、Ｓｉ基板２に台形形状の溝を形成する場合を例にとって説明したが、溝３としてはレンズ４を精度良く配置することができるものであればどのような溝であっても良く、例えば、Ｖ字溝、矩形形状の溝であってもよく、この場合でも前述した範囲にメタライズ膜を設けることによって、各部品の膨張係数の差に起因するクラックを防止することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、Ｓｉ基板をはんだを介して接合する際に高温から室温に冷却されるが、溝の底面にははんだを設けないので、各部材の熱膨張の差による応力集中を防止でき、クラックの発生を防止することができる。
【００２５】
また、クラックを防止できることによりさらなる薄形化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光モジュールの第１の実施例を示す一部断面図である。
【図２】図１に用いたメタライズ膜が設けられたＳｉ基板の一実施例を示す構成図である。
【図３】本発明による光モジュールの第１の実施例を示す一部断面側面である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る光モジュールに用いるＳｉ基板の裏面図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る光モジュール内の断面図である。
【図６】図６は本発明の効果を検証するために行った応力解析に用いたメタライズ膜が設けられたＳｉ基板の裏面図である。
【図７】モデル１〜モデル３について応力解析を行なって結果を示す特性図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザ素子、２…Ｓｉ基板、３…溝、３ａ…溝の底面、３ｂ、３ｃ、３ｄ…溝の側壁、５…メタライズ膜、７…冷却器、８…メタライズ膜、９…パッケージ、２１…上蓋、２２…側面板、２３…底面板。

Claims

半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射される光を変換するレンズと、それらの部品を搭載するために設けられ、前記レンズを搭載するための溝が形成された基板と、前記基板を収容するパッケージと、前記基板をパッケージ内に固定するために前記基板の裏面に形成されたメタライズ膜とを備え、前記メタライズ膜は前記溝部底面に相当する個所を避けて形成されていることを特徴とする光モジュール。
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射される光を変換するレンズと、それらの部品を搭載するために設けられ、前記レンズを搭載するための溝が形成された基板と、前記基板を収容するパッケージと、前記基板をパッケージ内に固定するために前記基板の裏面に形成されたメタライズ膜とを備え、前記溝は底部と前記底部を三方から取り囲む第１、第２及び第３の側壁とから構成され、前記メタライズ膜は、第１の側壁の内縁に沿った線、及び第２または第３の側壁の内縁に沿った線より外側に形成されることを特徴とする光モジュール。
請求項２記載の光モジュールにおいて、前記メタライズ膜は前記第１の側壁の内縁に沿った線に略平行な線を有するＩ字状に形成されることを特徴とする光モジュール。
請求項２記載の光モジュールにおいて、前記メタライズ膜は、第１の側壁の内縁に沿った線に略平行な第１の外縁と、第２または第３の側壁の内縁に沿った線に略並行は外縁を有するＬ字状に形成されていることを特徴とする光モジュール。
請求項１または２記載の光モジュールにおいて、前記基板は前記メタライズ膜によって、パッケージ底面または冷却器に搭載されることを特徴とする光モジュール。
請求項１または２記載の光モジュールにおいて、前記基板はＳｉ基板であることを特徴とする光モジュール。
請求項１または２記載の光モジュールにおいて、前記溝の横断面形状はＶ字形状、台形形状、又は、矩形形状のいずれか１つの形状であることを特徴とする光モジュール。
請求項５記載の光モジュールにおいて、前記基板のメタライズ膜の形状は、溝部底面相当の個所を回避し、冷却器もしくはパッケージ底面のメタライズ膜の形状は溝部底面相当の個所にも設けられていることを特徴とする光モジュール。
請求項１又は２記載の光モジュールにおいて、前記基板のメタライズ膜の形状は、前記溝部底面相当個所と前記溝部底面相当個所の光軸方向の側面側の少なくても片方を回避して形成されていることを特徴とする光モジュール。