JP2005044966A

JP2005044966A - 光半導体モジュールと光半導体装置

Info

Publication number: JP2005044966A
Application number: JP2003202442A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hamazaki; 浩史濱崎; Hideto Furuyama; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】実装基板に対し主面を垂直にして搭載することができ、且つ隣接配線の短絡を抑制する。
【解決手段】光半導体素子が搭載されるモジュール基板１０の主面１０−１上に電気配線１２を有する光半導体モジュールであって、モジュール基板１０の主面１０−１の端部に凹部１４が形成され、該凹部の一側面は主面１０−１に対して傾斜面１５をなし、電気配線１２は凹部１４の傾斜面１５上まで延在して形成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信技術，光伝送技術及び光情報記録技術などに用いられる光半導体装置に係わり、特に配線構造の改良をはかった光半導体モジュールと、これを用いた光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や光伝送及び光情報記録技術などにおいては、光を搬送波として強度変調や位相変調などによって信号を伝送することが広く行われるようになっている。その中で、光源に発光ダイオードや半導体レーザを、受光素子にフォトダイオードなどの光半導体素子を用いることにより、装置全体の構成を小型軽量化することが可能となっている。
【０００３】
また、高速変調することにより広帯域の信号を伝送可能であることから、高速の情報処理が可能となり、ブロードバンドや動画像記録といったことも可能となってきた。しかし、現状の技術の信号伝送帯域は必ずしも十分ではなく、幹線系から端末、或いは民生品においてもより高いスループットが要求されていると同時に、普及のためには低コスト技術が必須となっている。
【０００４】
実装面に対して垂直方向に光を入出力する光半導体素子と光伝送路とを光結合する際の方法として、各々を直接対向させて光結合する方式は、結合距離を短くすることができ、シンプルで低価格な構造を提供することができる方法である。この場合、光ファイバの光軸方向は、ほぼ光素子搭載基板に垂直な方向となる。
【０００５】
一方、モジュールを構成する際、モジュール搭載面（ボード）は、他のボードと平行に並べられ、いわゆるラックマウントされるため、ボード間の距離は近接させた方が実装容積が少なくて済む。そのため、実装ボードから光ファイバが垂直に突き出た形態よりも、モジュールを搭載するボード面に平行な方向に光ファイバを配置したいという要求がある。この要求を満たすためには、光素子搭載基板と光ファイバ保持部材の搭載面（実装基材表面）とは立体的に配線する必要が生じる。
【０００６】
従来、立体的に直角配線を施すために、セラミック基板の２面にまたがる厚膜の配線を施した例や、フレキシブル配線板を利用したものなど、各種の方法がある。しかし、配線パターンが微細化し、しかも高速化して電気接続部の形状の制御が重要になってくると、パターンの精度の点で適用が困難となる。
【０００７】
そこで最近、基板に斜面を設け斜面上に電気配線の一部を形成しておき、これを斜面配線を設けた別基板と対向させることで、立体的な配線を実現する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この構造によれば、平面とほぼ同様な方法で、精度の高い配線を形成し組み合わせるので、微細なパターンや高速の配線にも適用が可能である。しかしながらこの方法では、１対の基板の両方に加工を必要とし、しかも対向させた配線の接続に際して、半田材や接着剤が押し潰されて隣り合う配線同士の短絡につながる虞があり、組立時に調整が必要となり工程コストが上昇するという問題がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２９９７４３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、ラックマウントなどを考慮すると光ファイバは実装基板の主面に対して平行に保持する必要があり、このためには光ファイバと光結合すべき光半導体素子を搭載した光半導体モジュールを実装基板に垂直に搭載する必要がある。このとき、光半導体モジュールの電気配線と実装基板との電気配線とを如何にして接続するかが問題となる。具体的には、光半導体モジュールの電気配線と実装基板との電気配線との接続のための半田や接着剤がはみ出して隣接する配線の短絡を招くことになる。これを防止するためには、組立時に調整が必要となり工程コストが上昇するという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、実装基板に対し主面を垂直にして搭載することができ、且つ隣接配線間の短絡を抑制することができる光半導体モジュールを提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、実装基板の主面に対して光伝送路を平行に配置することができ、且つ光半導体モジュールにおける隣接配線の短絡を抑制することができ、細かい調整が必要なくなり工程コストが抑制できる光半導体装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１３】
即ち本発明は、光半導体素子が搭載されるモジュール基板の主面上に電気配線を有する光半導体モジュールであって、前記モジュール基板の主面の端部に各々独立した複数の凹部が形成され、該凹部の一側面は前記主面に対して傾斜面をなし、前記電気配線は前記凹部の前記傾斜面上まで延在して形成されており、各々の凹部の基板主面外側方向の側面は開口され、基板主面内側方向の側面は前記傾斜面となっていることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、上記構成の光半導体モジュールと、主面に外部接続用電気配線が形成され、該主面に前記光半導体モジュールが搭載される実装基板と、前記光半導体素子に光結合される光伝送路を前記実装基板上に保持する保持部材とを具備してなる光半導体装置であって、前記光半導体モジュールは、前記モジュール基板の主面を前記実装基板の主面とほぼ垂直にして搭載され、前記モジュール基板の凹部の傾斜面に形成された前記電気配線が、前記実装基板の外部接続用電気配線と電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１５】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００１６】
（１）モジュール基板がシリコンからなり、凹部が異方性エッチングにより形成されていること。
【００１７】
（２）モジュール基板には、主面から裏面まで貫通する穴が設けられており、この貫通穴は裏面側に広がったテーパ側面を有していること。
【００１８】
（３）光伝送路をモジュール基板の貫通穴のテーパ側面に当接することにより、該光伝送路の軸方向及び平面方向が位置決めされること。
【００１９】
（４）モジュール基板上の電気配線と実装基板上の電気配線とは、半田又は導電性接着剤により電気的に接続されること。
【００２０】
（作用）
本発明によれば、モジュール基板の主面の端部に凹部を形成し、該凹部の一側面を主面に対して傾斜面とし、主面上の電気配線を凹部内の傾斜面上まで延在して形成することにより、各配線は独立した凹部の斜面に形成され、実効的に隣り合う配線間に壁を配置する構造となる。従って、半田材や接着剤が押し潰されても、壁によって隣り合う配線同士が短絡するのが防止される。このため、組立時に調整が不要となり工程コストの上昇を抑えることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる光半導体モジュールの概略構成を示す斜視図である。
【００２３】
図中１０は光半導体素子搭載用のモジュール基板であり、この基板１０はシリコン，石英，セラミック，ガラス，又は樹脂等からなる。基板１０の一主面１０−１上の一部には電気配線１２が形成されている。電気配線１２は、例えばＡｕ，Ｃｕ，Ａｌ等からなり、基板１０との密着性向上のためのメタル（例えば、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒ等）や半田付けなどの際に合金化することを防ぐためのバリアメタル（Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄ）などとの積層構造でも良い。また、主面１０−１上には、素子搭載用の電極パターン１３が形成されている。この電極パターン１３は、例えば電気配線１２と同様の金属等から成る。
【００２４】
基板１０は四角形状の板体であり、その主面１０−１の端部、即ち四辺のうちの一辺側には複数の凹部１４が設けられている。各々の凹部１４において、主面１０−１に対する外側方向の側面は開口しており、内側方向の側面は傾斜面１５となっている。主面１０−１と傾斜面とのなす角は９０度よりも十分大きな鈍角である。そして、各々の凹部１４の傾斜面１５上には、主面１０−１上の電気配線１２の一部が延在して形成されている。ここで、凹部１４内の各配線１２は、それぞれ電気的に分離するように形成されている。また、主面１０−１と凹部１４の傾斜面との角度が９０度よりも十分大きい鈍角であるため、主面１０−１と凹部１４との境界における配線１２の断線を防止することができる。
【００２５】
なお、基板１０としてシリコンを用いた場合、基板主面を（１００）面としておけば、凹部１４の形成の際に異方性エッチングを行うことにより、（１１１）面の傾斜面１５を簡易に形成することができる。また、１枚のシリコンウェハに対して決められた位置に異方性エッチングで凹部を形成し、ダイシング等により個片化することにより、複数のモジュール基板を同時に作製することができる。
【００２６】
このような構成であれば、各配線１２はモジュール基板１０の端部では実質的に壁で隔てられた構造となる。従って、配線パターンが微細化して近接した場合であっても、半田等による外部への接続の際における短絡事故の可能性を大幅に減少させることができる。即ち、凹部１２内の配線の接続に用いる半田が押し潰されても、凹部１２の側面からなる壁によって半田の広がりが規制されるため、半田が隣接する配線と接触することはない。従って、実装基板等へのマウント時に特段の調整が必要なく、簡易に立体の配線を形成でき、低コストな光半導体モジュールを実現することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係わる光半導体装置の概略構成を示す断面図である。この実施形態は、実装基板２０上に光半導体モジュールと光伝送路を搭載したものであり、光半導体モジュールとしては第１の実施形態のものを用いている。
【００２８】
前記モジュール基板１０の素子搭載用の電極パターン１３上に、半田や銀ペースト（図示せず）により光半導体素子１１が搭載されている。光半導体素子１１の表面には、予め決められた一定間隔で発光又は受光領域１１−１が形成されている。また、光半導体素子１１の電極（図示せず）はＡｕワイヤなどからなる接続材１７で電気配線１２に電気接続されている。
【００２９】
実装基板２０の主面上の一部に外部接続配線２１が形成され、また実装基板１０の主面上の一部に、接着剤２３により保持部材２５が接着されている。この保持部材２５上に光ファイバや光導波路からなる光伝送路３０が保持されるようになっている。
【００３０】
面型の光半導体素子１１を搭載したモジュール基板１０の凹部側を実装基板２０上に形成された外部接続配線２１と位置合わせした後、半田材２２で配線１２，２１を電気的かつ機械的に接続することにより、モジュール基板１０は実装基板２０上に立体的に固定保持される。このとき、光伝送路３０の光導波部（いわゆるコア）の中心軸と光半導体素子１１の発光又は受光領域１１−１からの入出光の中心軸とが一致するように配置される。
【００３１】
このような構成であれば、実装基板２０の主面に平行方向に配置された光伝送路３０と面型の光半導体素子１１とが対向した位置で光結合される、実装工程が簡易な光半導体装置を実現可能である。即ち、半田材２２により電気配線１２と外部接続配線２１とを接続する際、接続部周辺は凹部１４の壁によりそれぞれ隔てられた構造となるため、半田材２２が流れて隣の配線と短絡事故を起こす確率を大幅に減らすことができる。そのため、特段の調整を必要としないで接続が完了するため、スループットを上げることが可能で低コストな光半導体装置を実現可能である。
【００３２】
また、モジュール基板１０の製造方法として、シリコン基板に異方性エッチングで凹部１４を形成し、更に電気配線１２をリフトオフ法やエッチングプロセスなど半導体プロセスで形成したのち、ダイシングなどで切り出すようにした場合、モジュール基板１０をウェハプロセスで作製可能である。このため、低コストで作成可能なばかりでなく、モジュール基板１０の側面から電極配線端部までの距離が±１０μｍ程度で位置決め可能となる。
【００３３】
従って、図２のように実装基板２０に組み立てたとき、実装基板２０上の外部接続配線２１の表面から電気配線１２の端部までの高さが精密に制御できる。これにより、半田材２２などによる接続部形状が安定に作製することができ、インピーダンスの制御がある程度可能となる。このため、高周波の信号に対応させることも容易となる。
【００３４】
さらに、光半導体素子１１の高さも同様に±１０μｍ程度で制御可能である。例えば、光伝送路３０にマルチモードイの光ファイバを用いた場合コア径は５０μｍ或いは６２．５μｍ程度であるため、光半導体素子１１と光伝送路３０との相対位置は光伝送路保持部材２５の高さ精度を高めるだけで容易に高さ方向の位置決めが可能である。従って、横方向の位置合わせだけで光結合を実現可能であるという効果が生じる。
【００３５】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係わる光半導体モジュールの概略構成を示す斜視図であり、（ａ）は電気配線が形成され光半導体素子を搭載する主面側、（ｂ）は主面に対する裏面側の図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３６】
基本的な構成は図１と同様であり、基板１０の主面１０−１上に電気配線１２が形成され、更に端部に斜面１５を有する凹部１４が形成されている。これに加えて、基板１０の主面１０−１から裏面まで貫通する貫通穴４１が設けられている。この貫通穴４１は、テーパ側面４２を有しており裏面側が広がったテーパ断面形状となっている。そして、光伝送路は貫通穴４１内に挿入され、テーパ側面４２に突き当てられるようになっている。
【００３７】
光半導体素子は発光或いは受光領域を主面側に向けて搭載される、いわゆるジャンクションダウン実装となっている。さらに、光半導体素子の入出力光は、貫通穴４１を通過して光伝送路と光結合されるようになっている。この場合、光半導体素子の電極と電気配線１２は、フリップチップ実装などで搭載される。従って、そのためのバンプ（図示せず）を電気配線１２上に付加しても良い。
【００３８】
このような構成であれば、光ファイバと光半導体素子との間隔を非常に近接させて配置でき、かつ光伝送路の端面位置を正確に決めることができる。このため、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、位置合わせ調整が必要なく実装可能という効果がある。
【００３９】
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係わる光半導体装置の概略構成を示す断面図である。この実施形態は、実装基板２０上に光半導体モジュールと光伝送路を搭載したものであり、光半導体モジュールとしては第３の実施形態のものを用いている。
【００４０】
実装基板２０上への光伝送路３０の搭載は、先の第２の実施形態と同様に行うことができる。また、光半導体モジュールの搭載に関しても、モジュール基板１０の主面と裏面との関係が逆になっているのみであり、第２の実施形態と同様に行うことができる。
【００４１】
本実施形態では、前記図２で示した第２の実施形態と同様に、実装基板２０から光半導体素子１１の高さを±１０μｍ程度で位置決めできるため、貫通穴４１内に光伝送路３０の端部を差し込む際にも高さ方向の調整は必要なく、光伝送路３０と貫通穴４１のクリアランスだけで十分挿入が可能である。従って、光伝送路３０をモジュール基板１０の裏面側から挿入する際には、横方向のみの粗調整だけで挿入可能であり、実装が容易となる。従って、光伝送路３０の端面をモジュール基板１０に開けた貫通穴４１に挿入する際、特に複数の光伝送路があり十分大きな開口を設けることができない場合でも、容易に実装することが可能な構造である。この構造は、シリコン基板を異方性エッチングすることで容易に形成可能である。
【００４２】
（変形例）
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。
【００４３】
例えば、光半導体モジュールの電気配線と実装基板の外部接続配線との接続には、半田材の代わりに導電性接着剤を用いてもよい。また、モジュール基板の材料、凹部の大きさ、凹部内の側面傾斜角度等の条件は、仕様に応じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、モジュール基板に設ける各配線を独立した凹部の斜面に形成し、実効的に隣り合う配線間に壁を配置する構造とすることができる。従って、配線間の短絡事故を起こしにくい構造となり、細かい調整を必要としなくなり、工程コストが抑制できる。
【００４５】
また、モジュール基板としてシリコンを用いて異方性エッチングで凹部を形成し、ダイシング等により個片化することにより、配線位置と基板外周との相対位置精度が高い。これを利用することで、実装基材の配線と接続の際に、高さ方向の位置が精度良く決めることができるため、接続部の形状を安定に制御可能であるため、高速化にも対応可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる光半導体モジュールの概略構成を示す斜視図。
【図２】第２の実施形態に係わる光半導体装置の概略構成を示す断面図。
【図３】第３の実施形態に係わる光半導体モジュールの概略構成を示す斜視図。
【図４】第４の実施形態に係わる光半導体装置の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
１０…モジュール基板
１１…光半導体素子
１２…電気配線
１４…凹部
１５…斜面
１７…接続材
２０…実装基板
２１…外部接続配線
２２…半田材
２１…光半導体素子
２２…接続手段
２３…接着剤
２５…保持部材
３０…光伝送路
４１…貫通穴
４２…テーパ側面

Claims

光半導体素子が搭載されるモジュール基板の主面上に電気配線を有する光半導体モジュールであって、
前記モジュール基板の主面の端部に各々独立した複数の凹部が形成され、該凹部の一側面は前記主面に対して傾斜面をなし、前記電気配線は前記凹部の前記傾斜面上まで延在して形成されており、各々の凹部の基板主面外側方向の側面は開口され、基板主面内側方向の側面は前記傾斜面となっていることを特徴とする光半導体モジュール。
前記モジュール基板がシリコンからなり、前記凹部が異方性エッチングにより形成されてなることを特徴とする請求項１記載の光半導体モジュール。
請求項１又は２に記載の光半導体モジュールと、主面に外部接続用電気配線が形成され、該主面に前記光半導体モジュールが搭載される実装基板と、前記光半導体素子に光結合される光伝送路を前記実装基板上に保持する保持部材とを具備してなり、
前記光半導体モジュールは、前記モジュール基板の主面を前記実装基板の主面とほぼ垂直にして搭載され、前記モジュール基板の凹部の傾斜面に形成された前記電気配線が、前記実装基板の外部接続用電気配線と電気的に接続されていることを特徴とする光半導体装置。
前記モジュール基板には、主面から裏面まで貫通する穴が設けられており、この貫通穴は裏面側が広がったテーパ側面を有しており、
前記光伝送路を前記貫通穴のテーパ側面に当接することにより、該光伝送路の軸方向及び平面方向が位置決めされることを特徴とする請求項３記載の光半導体装置。