JP2004304205A - Optical module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、平面光導波回路を用いた光回路部品であって、特に光素子搭載する基板の作製を容易にする構造を有する光モジュールに関する。 The present invention relates to an optical circuit component using a planar optical waveguide circuit, and more particularly to an optical module having a structure that facilitates manufacturing of a substrate on which an optical element is mounted.
レーザーダイオードのような大電流を流す光素子では放熱構造を考慮することが極めて重要である。光導波路基板を用いて基板平面上に光ハイブリッド集積した従来の光モジュールにおいては、光素子をシリコンの表面にフリップチップ実装してシリコン基板に熱を逃がす放熱構造をとってきた(例えば、非特許文献1参照)。 It is extremely important to consider a heat dissipation structure in an optical element such as a laser diode that flows a large current. In a conventional optical module in which an optical hybrid is integrated on a substrate plane using an optical waveguide substrate, a heat dissipation structure has been adopted in which an optical element is flip-chip mounted on the surface of silicon to release heat to the silicon substrate (for example, non-patented). Reference 1).
図3にその従来例の構造を示す。図3の(a)に示すように、凹凸に加工したシリコン基板1上に石英導波路を形成して、光導波路のクラッド2−1、2−2と光導波路コア部分3のガラスを取り除き、シリコン基板の凸面1−1を露出させる。この凸面1−1に、半田膜6−1と電気配線6−2を形成し、光素子搭載部4を有する光導波路基板ができる。その光素子搭載部4の上に光素子7をフリップチップボンディングにより実装する。これにより光素子7で発生した熱が効率良くシリコン基板1に拡散して、光素子7の温度上昇が抑制される。
FIG. 3 shows the structure of the conventional example. As shown in FIG. 3 (a), a quartz waveguide is formed on a silicon substrate 1 processed into irregularities, and the claddings 2-1 and 2-2 of the optical waveguide and the glass of the
図3の(b)は上記従来例の光モジュールの断面構造を示し、光素子7からシリコン基板1に熱が流れている様子を矢印30で示している。光素子7で発生した熱は、半田膜6−1、及びパッシベーション膜(ガラス)5を介してシリコン基板1へと流れる。
FIG. 3B shows a cross-sectional structure of the above-described conventional optical module, in which the flow of heat from the optical element 7 to the silicon substrate 1 is indicated by an
上述したように、従来技術では、凹凸シリコン基板1の上に光導波路を形成して光素子7をフリップチップ搭載することにより、光素子7の放熱を行ってきたが、このような構造においても、光素子7と光導波路基板1の間に介在するパッシベーション膜5がガラスなどの物質でできているために、無視できない熱抵抗が発生する。このように、従来技術では、シリコン基板1上の絶縁層5が熱抵抗を高めてしまうという解決すべき課題があった。 As described above, in the conventional technology, the optical waveguide is formed on the concavo-convex silicon substrate 1 and the optical element 7 is flip-chip mounted to release the heat of the optical element 7. Since the passivation film 5 interposed between the optical element 7 and the optical waveguide substrate 1 is made of a material such as glass, a non-negligible thermal resistance occurs. Thus, in the related art, there is a problem to be solved in that the insulating layer 5 on the silicon substrate 1 increases the thermal resistance.
本発明の目的は、上述のような課題を解決し、導波路を有する基板上に光素子を搭載した絶縁層を有する光モジュールにおいて、光モジュールの熱抵抗を改善することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and to improve the thermal resistance of an optical module having an insulating layer in which an optical element is mounted on a substrate having a waveguide.
上記目的を達成するため、請求項1の光モジュールの発明は、導波路を有するシリコン基板上に絶縁層を介して光素子を搭載した光モジュールにおいて、前記光素子を透明樹脂層を介して高熱伝導性樹脂で覆うことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention of an optical module according to claim 1 is an optical module in which an optical element is mounted on a silicon substrate having a waveguide via an insulating layer, wherein the optical element has a high heat via a transparent resin layer. It is characterized by being covered with a conductive resin.
ここで、前記透明樹脂層により前記光素子および該光素子を駆動するための電気配線の一部若しくは全部の周囲を覆い、さらに該透明樹脂層上に前記高熱伝導性樹脂を覆うことを特徴とすることができる。 Here, the transparent resin layer covers a part or the entire periphery of the optical element and electric wiring for driving the optical element, and further covers the high thermal conductive resin on the transparent resin layer. can do.
本発明では、導波路を有する基板上に光素子を搭載した絶縁層を有する光モジュールにおいて、透明樹脂層と高熱伝導性樹脂を用いて光素子から発生する熱を効率的に広く拡散するようにしたので、光モジュールの放熱を改善できる。 In the present invention, in an optical module having an insulating layer in which an optical element is mounted on a substrate having a waveguide, the heat generated from the optical element is diffused efficiently and widely using a transparent resin layer and a high thermal conductive resin. Therefore, the heat radiation of the optical module can be improved.
また、本発明によれば、絶縁層を介してシリコン基板上に搭載された光素子、および光素子を駆動するための電気配線の一部若しくは全部の周囲を透明(光素子の波長で)樹脂で覆い、さらにその上に熱伝導率の高い樹脂で塗布等により覆うようにしたので、光モジュールの放熱を改善することができる。 Further, according to the present invention, the optical element mounted on the silicon substrate via the insulating layer, and a resin (at the wavelength of the optical element) around part or all of the electric wiring for driving the optical element , And further coated thereon with a resin having a high thermal conductivity by coating or the like, so that the heat radiation of the optical module can be improved.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
[参考例]
図1の(a)は比較のための従来例の断面構造を示し、図1の(b)と(c)は本発明の参考例の光モジュールの断面構造を示す。なお、図1は光素子搭載部上に光素子が搭載されている状態を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Reference example]
FIG. 1A shows a sectional structure of a conventional example for comparison, and FIGS. 1B and 1C show sectional structures of an optical module of a reference example of the present invention. FIG. 1 shows a state where the optical element is mounted on the optical element mounting section.
図1の(b)と(c)に示すように、本参考例に用いた光導波路は、シリコン基板1上に形成した石英系光導波路である。光素子搭載部4は、シリコン基板1の全面を覆っていた光導波路のクラッド部分2−1、2−1の一部をエッチングにより除去して作製した。このとき、光素子搭載部4に利用されるシリコン表面はむき出しになり、光素子7とシリコン基板1とが絶縁できない状態になる。この絶縁をとるための構造として、本実施形態では、この光導波路基板全体の表面に約2μm程度のガラス膜5をパッシベーション膜として堆積した。 As shown in FIGS. 1B and 1C, the optical waveguide used in this embodiment is a quartz optical waveguide formed on a silicon substrate 1. The optical element mounting portion 4 was manufactured by removing a part of the clad portions 2-1 and 2-1 of the optical waveguide that covered the entire surface of the silicon substrate 1 by etching. At this time, the silicon surface used for the optical element mounting part 4 is exposed, and the optical element 7 and the silicon substrate 1 cannot be insulated. In this embodiment, a glass film 5 of about 2 μm is deposited as a passivation film on the entire surface of the optical waveguide substrate as a structure for obtaining the insulation.
図1の(a)に示す従来の構造では、互いに接合する側の半田膜6の面積と光素子7の電極の面積とを同程度にしていたため、光素子7の接合部の面積、約250μm×250μmを考慮すると、約20℃/Wの熱抵抗がこの接合部分に発生することになる。ここで使用した光素子7はレーザーダイオード(LD)で、この熱抵抗によって、100mAの注入電流で駆動した場合、活性層部分7−1の熱が約2℃程度上昇した。 In the conventional structure shown in FIG. 1A, the area of the solder film 6 on the side to be bonded to each other and the area of the electrode of the optical element 7 are almost the same. Considering × 250 μm, a thermal resistance of about 20 ° C./W will occur at this junction. The optical element 7 used here was a laser diode (LD). Due to this thermal resistance, when driven by an injection current of 100 mA, the heat of the active layer portion 7-1 increased by about 2 ° C.
そこで、本参考例では、図1の(b)に示すように、光素子7の大きさをそのままにして、使用している半田膜6の面積を1.5倍にした。従来では、半田膜6と光素子7の電極との面積を同程度にしていたので、従来に比べ、本実施形態の半田膜6の面積は光素子7の電極パッドよりも十分大きくなっている。 Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 1B, the area of the solder film 6 used is increased 1.5 times while the size of the optical element 7 is kept as it is. Conventionally, the area of the solder film 6 and the area of the electrode of the optical element 7 are almost the same, so that the area of the solder film 6 of the present embodiment is sufficiently larger than the electrode pad of the optical element 7 as compared with the related art. .
使用している半田膜6は4μmの厚さのAuSn半田であったので、半田膜6の断面積は約250μm×4μm×4辺程度であるが、半田膜6の熱伝導率が石英ガラスの約300倍なので、光素子7の直下のガラス5による熱抵抗の約1/20の値となって、図1の(c)に示すように、半田膜6を通じて、より広い面積に光素子7からの熱が拡散し、素子直下部分20のみならず、半田拡張部分21を加えた断面積(この場合、もとの面積の1.5倍の面積)のガラス5を通じてシリコン基板1に放熱される。光素子7の搭載後の熱抵抗を測定したところ、約2割程度、絶縁層部分5の熱抵抗が減少した。
Since the solder film 6 used was AuSn solder having a thickness of 4 μm, the cross-sectional area of the solder film 6 was about 250 μm × 4 μm × 4 sides, but the thermal conductivity of the solder film 6 was Since it is about 300 times, the value of the thermal resistance of the glass 5 immediately below the optical element 7 is about 1/20, and as shown in FIG. Is diffused, and is radiated to the silicon substrate 1 through the glass 5 having a sectional area (in this case, 1.5 times the original area) to which the solder expanded
以上のように、本参考例では、電気配線の一部である半田膜6の面積を光素子7の電極面積よりも十分大きくとって、光素子搭載部4に配置するようにしたので、絶縁層5による熱抵抗を改善することが可能となる。 As described above, in the present reference example, the area of the solder film 6, which is a part of the electric wiring, is set to be sufficiently larger than the electrode area of the optical element 7 and is arranged in the optical element mounting section 4. It is possible to improve the thermal resistance by the layer 5.
[第1の実施形態]
図2は本発明の第1の実施形態の光モジュールの断面構造を示し、光素子搭載部4上に光素子7が搭載されている状態を示している。本実施形態に用いた光導波路はシリコン基板上に形成した石英系光導波路である。
[First Embodiment]
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the optical module according to the first embodiment of the present invention, and shows a state where the optical element 7 is mounted on the optical element mounting section 4. The optical waveguide used in the present embodiment is a quartz optical waveguide formed on a silicon substrate.
図2の本実施形態は前述の参考例と同様に作製し、光導波路基板1の全体の表面に約2μm程度ガラス膜5を堆積した。このため、本実施形態で用いた光素子としてのレーザーダイオード(LD)7の接合部の面積、約250μm×250μmを考慮すると、約20℃/Wの熱抵抗がこの部分に発生することになる。そこで、図2の(a)に示すように、本実施形態では、光素子7の周囲に透明シリコーン樹脂8を約2μm程度に薄く塗って、その外側にボロンナイトライドをフィラーとして含む約4W/(m・℃)のガラスと比較して高熱伝導性の樹脂9を塗布した。ここで、光素子7と光導波路端面2−3の間隙は約20μm程度あるが、シリコーン樹脂8の粘性によりこの間隙はシリコーン樹脂8により満たされ、光導波路コア3から出射した光が遮られることはなく、光素子活性層7−1へ入射する。高熱伝導性樹脂9の熱抵抗はガラスの約1/4程度であるから、高熱伝導性樹脂9で光素子7を覆うことにより、光素子7から発生する熱は図2の(b)の矢印30で示すような経路を通して高熱伝導性樹脂9側へも流れ、これにより放熱が改善される。
The embodiment of FIG. 2 was manufactured in the same manner as the above-described reference example, and a glass film 5 of about 2 μm was deposited on the entire surface of the optical waveguide substrate 1. For this reason, considering the area of the junction of the laser diode (LD) 7 as the optical element used in the present embodiment, about 250 μm × 250 μm, a thermal resistance of about 20 ° C./W occurs in this part. . Therefore, as shown in FIG. 2A, in the present embodiment, a
この光モジュールの熱抵抗を測定したところ、光素子7からシリコン基板1にかけての熱抵抗が約2割減少した。 When the thermal resistance of this optical module was measured, the thermal resistance from the optical element 7 to the silicon substrate 1 was reduced by about 20%.
ここでは、光素子7の周囲を高熱伝導率の樹脂9で覆ったが、光素子7および電気配線を透明な樹脂8で覆い、その上にメタル層(図示しない)を蒸着などで設けても同様の効果が得られる。
Here, the periphery of the optical element 7 is covered with the resin 9 having high thermal conductivity. However, the optical element 7 and the electric wiring may be covered with the
以上のように、本実施形態によれば、光素子7の周囲を透明な樹脂8で覆い、さらにその外側を熱伝導の高い樹脂9で覆うことにより、光モジュールの熱抵抗を簡便に、かつ効率的に下げることが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the periphery of the optical element 7 is covered with the
[他の実施形態]
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、例えば、本実施形態と上記の参考例を必要に応じて自在に組み合わせてもよい。また、上述の絶縁膜、透明樹脂、高熱伝導性樹脂等の具体的材質も上述の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の光モジュールを構成する光素子は、レーザーダイオードに限定されず、発熱作用のため放熱が必要な光素子を有する光モジュールに対して本発明は好適である。
[Other embodiments]
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the present embodiment and the above-described reference example may be freely combined as needed. Further, specific materials such as the above-described insulating film, transparent resin, and high heat conductive resin are not limited to the above-described embodiments. Further, the optical element constituting the optical module of the present invention is not limited to a laser diode, and the present invention is suitable for an optical module having an optical element that requires heat radiation due to a heat generating action.
1 シリコン基板
1−1 シリコン基板凸部
2 クラッド
2−1 アンダークラッド
2−2 オーバークラッド
2−3 光導波路端面
3 光導波路コア
4 光素子搭載部
5 ガラス(パッシベーション)膜、絶縁層
6 半田膜または電気配線
6−1 AuSn半田膜
6−2 電気配線
7 光素子
7−1 光素子活性層
7−2 光素子表面
8 透明樹脂
9 高熱伝導樹脂
10 光軸
20 光素子直下部分
21 半田拡張部分
30 熱の流れ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 1-1 Silicon substrate
Claims (2)
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