JP2005189605A - 光半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨工程などの高コスト工程を用いることなく製造でき、面発光レーザの反射戻り光対策などが考慮された低コスト光半導体モジュールを提供する。
【解決手段】 光伝送路のガイドと光素子搭載電極を備えた光電気フェルールにファイバカッターで切断したままの光ファイバを挿入して固定する。その際、透明樹脂スペーサを挿入して光結合距離を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、短距離光伝送用に比較的簡易な構造で安定な光結合を実現する光半導体モジュールに関する。

バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、大規模集積回路（ＬＳＩ）においては飛躍的な動作速度向上が図られてきている。しかしながら、ＬＳＩ内部動作が高速化されても、それを実装するプリント基板レベルの動作速度はＬＳＩ内部動作より低く抑えられ、そのプリント基板を装着したラックレベルでは更に動作速度が低く抑えられている。これらは動作周波数上昇に伴う電気配線の伝送損失や雑音、電磁障害の増大に起因するものであり、信号品質を確保するため長い配線ほど動作周波数を低く抑える必然性によるものである。このため、電気配線装置においてはＬＳＩ動作速度より実装技術がシステム動作速度を支配するという傾向が近年益々強まってきている。

このような電気配線装置の問題を鑑み、ＬＳＩ間を光で接続する光配線装置が幾つか提案されている。光配線は、直流から１００ＧＨｚ以上の周波数領域で損失等の周波数依存性が殆ど無く、配線路の電磁障害や接地電位変動雑音も無いため、数十Ｇｂｐｓの配線が容易に実現できる。この種のＬＳＩ間光配線を実現するためには、例えば特許文献１などに示されているような簡易構造の光半導体モジュールが必要となる。また、ＬＳＩ配線として多数の光伝送路が必要であり、非常に低コストで作製できる必要もある。
特開２０００−３４７０７２号公報

一般的な光半導体モジュールは、結像用のレンズなどを組み込んだり光ファイバー結合部をコネクタ構造としたりするため、あまり小型化できないものが多い。それに比し特許文献１に示されたような光半導体モジュールでは、光ファイバー等の光伝送路と光半導体素子とを直接結合して一体化してしまうため比較的小型化が容易であるが、いくつかの問題点が含まれている。

まず、特許文献１の光半導体モジュールでは光ファイバとその保持部材を一体形成し、その上で光半導体素子搭載用のパターン電極を形成しているため、何らかの電極パターン描画もしくはパターン転写を非常に狭い光ファイバ保持部材端部で行う必要がある。少なくともこれはアレイ化光半導体素子を用いる場合に必須の内容である。これには数ｍから数１０ｍの光ファイバを取り付けたまま、数μｍ精度のパターンニングを微小領域に行う必要があり、現実には生産困難な内容である。即ち、これを大量生産することは実質的に不可能、もしくは非常な低歩留まりでしか行えないということになる。

次に、特許文献１の光半導体モジュールでは、光ファイバ端面と光半導体素子搭載面がほぼ同一の面にあり、光ファイバと光半導体素子が非常に接近して光結合される。ところが高速発光素子の代表ともいえる面発光レーザは、自分の発したレーザ光が反射して戻ってくる所謂反射戻り光に対して敏感であり、光ファイバ結合部での戻り光（近端反射）対策や、光ファイバ出射面などでの反射光（遠端反射）対策が重要である。これには光アイソレータを用いる方法が最も確実であるが、光アイソレータが非常に高価であるばかりか、それを組み込むためのスペースがモジュールを大幅に大型化してしまう。また、光ファイバ端面に無反射コーティングを施したり、斜め加工を施したりすることでかなりの戻り
光対策が可能になるが、特許文献１のような従来例では光ファイバと保持部材を一体形成して光半導体素子用のパターン電極を形成しているため、無反射コーティングもパターン形成する必要がある。これは前述の生産性の面でも困難な内容となる。また、面発光レーザと光ファイバの距離を適切にとることで戻り光の影響を緩和可能である。即ち、面発光レーザと光ファイバの距離を極端に離すと単純に光結合が弱くなり、光伝送そのものが難しくなるが、適度な距離に設定すると光結合も低くなるが反射戻り光も小さくなり、光伝送は可能でありながら反射戻り光の影響をかなり抑制可能になる。しかしながら、特許文献１に示された光半導体モジュールでは、光半導体素子と光ファイバ端の距離制御は実質困難であり、特に、１００μｍ近い距離を離す場合、スペーサの厚さ制御や光ファイバのエッチング後退を制御して行うことになるが、非常に再現性に乏しいものになりやすい。

次に、最も大きな課題として、特許文献１の光半導体モジュールでは光ファイバ端面の形成が研磨で行われており、この部分のコストが非常に大きなウェイトを占めてしまう問題がある。一般に光ファイバの研磨は、同時に多数の光ファイバを自動装置で研磨するとしても、ファイバの装着固定から粗研磨、中間研磨、仕上げ研磨と数時間以上の工程時間が必要となり、工程ボトルネックとなりやすい上にそのコスト低減は限界がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題を考慮して成されており、必要最小限の部材により構成され、反射戻り光などの影響が軽減できるとともに、研磨などの高コスト工程を用いずに生産可能な光半導体モジュールの提供を目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の光半導体モジュールは、光伝送路を機械的に位置決めするガイド、電気配線、及び前記ガイドの一端開口部が設けられた面において前記電気配線と接続された電極パッドを備えた光電気フェルールと、前記電極パッドに接続された光半導体素子と、前記光半導体素子と前記光入出力端面との間に挟持されて光半導体素子と光伝送路の光入出力端面とをその厚さにより離隔する第一の透明樹脂と、前記第一の透明樹脂の周囲、及び前記電極パッドの周囲を充填する第二の透明樹脂とを具備することを特徴とする。

また、本発明の光半導体モジュールの製造方法は、透明樹脂膜を光電気フェルールの突起電極が形成されている面に押し付けて前記突起電極の先端を前記第一の透明樹脂シートから突き出させる工程と、前記突起電極に前記光半導体素子を装着する工程と、光伝送路を前記光電気フェルールのガイドに挿入して前記透明樹脂膜を前記光半導体素子に押し付け接触させる工程と、前記光半導体素子の周囲から透明樹脂を注入して固化せしめる工程とを具備することを特徴とする。

本発明の光半導体モジュールおよびその製造方法によれば、非常に単純化された構成で材料コストが最小限に抑制され、且つ、小型で高機能な光半導体モジュールが、低コスト工程だけで大量生産可能となる。従って、ＬＳＩの高速チップ間配線をローコストで実現することができ、情報通信機器等の高度化の促進に寄与することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明していく。本発明は、光ファイバ等の光伝送路を保持部材に固定して研磨するのではなく、光ファイバのへき開や光導波路のウェハ一括エッチングで形成した端面をそのまま用いて光半導体素子との光結合を行うものであり、また、光半導体素子と光伝送路端面との距離を制御するために透明樹脂スペーサを光路に挿入するものである。

図１は、本発明の光半導体モジュールを示した断面模式図である。図１において、１は光電気フェルール、２は突起電極および電気配線、３は光半導体素子、４は光ファイバ芯線、５は（光ファイバの）保護被覆、６は透明樹脂スペーサ、７は透明アンダーフィル樹脂、８は光伝送路（光ファイバや光導波路フィルム等）を貫通させるガイドである。図１において、突起電極２は突起を構成する本体である支持体、及び電極部からなる。この電極部は、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｔｉ等を積層した多層構造となっている。突起電極２はこのような構成に限られず、例えば銀ペーストで支持体、電極部を両方構成してもよい。

図１の断面図だけでは全体のイメージが掴みにくいため、図２に図１の実施例の全体斜視図を示す。ここでは４本の光ファイバを４チャネル光半導体素子アレイに結合させる例を示している。図２において、２ａは４チャネルアレイの共通電極（接地または電源）、２ｂは各光半導体素子の信号電極であり、光半導体素子を搭載する面から隣接する側面に直角折り曲げ配線を形成している。隣接する側面に電極を引き出しているのは、光半導体素子の駆動ＩＣなどへ接続（ワイヤボンディング、フリップチップボンディング等）するためのものである。

次に、本発明の実施例１の光半導体モジュールの製造方法について、図３乃至図６を用いて説明する。

図３乃至図６は、図１の光半導体モジュールの製造工程を示す工程断面図である。１の光電気フェルールは、例えば３０μｍ程度のガラスフィラーを８０％程度混入したエポキシ樹脂を金型による樹脂成型で形成し、光ファイバガイド穴や突起電極の突起部を形成、そしてメタルマスクとスパッタ等によるパターンメタライズを行って２の突起電極および電気配線を形成する。これにより、１の光電気フェルールは１μｍ以下の非常に高い精度を持ちながら非常に低コストで量産することが可能である。

この光電気フェルールにアクリル樹脂やシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などによる透明樹脂シート（スペーサ）６を装着し（図３）、ゴム板などの当て板９を押し付けて突起電極２の先端を透明樹脂シート６から突き出させる。そこに、光半導体素子（面発光レーザやフォトダイオード等）をフリップチップボンディングして装着する（図４）。そして、光ファイバ４をガイド穴に挿入し、透明樹脂スペーサ６が光半導体素子３に接触するまで光ファイバを押し込む（図５）。このとき、光電気フェルール１を固定して光ファイバの４の挿入を行うと、光半導体素子が押されて２の電極パッド部分から剥れることがある。これを防止するため、１の光電気フェルールを保持固定するのではなく、光半導体素子３の後ろに当て板を設けて光ファイバと当て板で光半導体素子３と透明樹脂スペーサ６を挟むようにすると良い。但し、光半導体素子は一般に脆弱であるため、大きな押し圧がかからないよう、光ファイバの反跳圧力を監視して、反跳圧力が僅かに増える位置で光ファイバの押し込みを止めるようにする。この反跳圧力が僅かに増加する範囲として、６の透明樹脂スペーサが弾性変形してあまり光半導体素子に圧力がかからない範囲を設定すればよい。

４の光ファイバは、一般的な光ファイバカッターにより切断するだけで、比較的高い面精度の光学端面を得ることができる。これは、光ファイバを破断切断や切削により切断するのではなく、ダイヤモンドによる僅かな傷入れを行って側面押し出しによる応力へき開を用いていることによる。本発明の光半導体モジュールにおいては、このような切断面をそのまま用いることで研磨などの高コスト工程を排除している。

最後に、光半導体素子３が装着された側面から透明樹脂（液体）７を注入してアンダー
フィルとする（図６）。このとき、透明アンダーフィル樹脂の注入は、８のガイド穴後部から行うことも可能であり、また、光電気フェルール側面に設けた樹脂注入開口（図示せず）から行っても良い。透明アンダーフィル樹脂７としては、アクリルやシリコーン、エポキシ等の透明樹脂を用いればよく、加熱または紫外線照射で硬化するタイプを用いるのが効率的に作業できる。また、可能な限り、硬化後の屈折率が透明樹脂スペーサ６の屈折率と整合していることが過剰な散乱損失を防止するために望ましい。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば透明樹脂は他にもポリイミド樹脂やポリカーボネート樹脂など種々の樹脂が選定可能であり、光ファイバも石英系やプラスチック系などの選択が可能であり、更に光ファイバに代えて光導波路フィルムを用いるような選択も可能である。その他、本発明はそ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ものである。

本発明の実施例１に係る光半導体モジュールの概略構成を示す断面図。 本発明の実施例１に係る光半導体モジュールの概略構成を示す斜視図。 本発明の実施例２に係る本発明の構成の工程断面図。 本発明の実施例２に係る本発明の構成の工程断面図。 本発明の実施例２に係る本発明の構成の工程断面図。 本発明の実施例２に係る本発明の構成の工程断面図。

符号の説明

１ … 光電気フェルール
２ … 突起電極
３ … 光半導体素子
４ … 光ファイバ芯線
５ … 保護被覆
６ … 透明樹脂スペーサ
７ … 透明樹脂アンダーフィル
８ … ガイド

Claims (12)

1. 光伝送路を位置決めするガイドを備えた光電気フェルールと、
   光半導体素子と、
   前記光半導体素子と前記光伝送路の光入出力端面との間に挿入されて前記光半導体素子と前記光入出力端面とをその厚さにより離隔する透明樹脂膜と、
   前記光電気フェルールにおける、前記ガイドの一端開口部の周囲に設けられ、かつ前記透明樹脂膜を貫通することで前記光半導体素子と接続された突起電極と、
   前記透明樹脂膜の周囲、及び前記突起電極の周囲を充填する透明樹脂と、
   を具備することを特徴とする光半導体モジュール。
2. 前記突起電極は、光電気フェルールと一体となっている支持体と、前記支持体上に設けられた導電体からなる電極部とで構成され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。
3. 前記突起電極は、多層構造を有する導電体から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。
4. 前記透明樹脂膜は、可撓性を有することを特徴とする請求項１乃至３に記載の光半導体モジュール。
5. 前記ガイドの他端開口部の断面は、前記ガイド中央部の断面よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４に記載の光半導体モジュール。
6. 光伝送路を位置決めする複数のガイドを備えた光電気フェルールと、
   光半導体素子と、
   前記光半導体素子と前記光伝送路の光入出力端面との間に挿入されて前記光半導体素子と前記光入出力端面とをその厚さにより離隔する透明樹脂膜と、
   前記光電気フェルールにおける、前記ガイドの一端開口部の周囲に設けられ、かつ前記透明樹脂膜を貫通することで前記光半導体素子と接続された突起電極と、
   前記透明樹脂膜の周囲、及び前記突起電極の周囲を充填する透明樹脂と、
   を具備することを特徴とする光半導体モジュール。
7. 前記突起電極は、光電気フェルールと一体となっている支持体と、導電体からなる電極部とで構成されることを特徴とする請求項６記載の光半導体モジュール。
8. 前記突起電極は、多層構造を有する導電体からなることを特徴とする請求項６記載の光半導体モジュール。
9. 前記透明樹脂膜は、可撓性を有することを特徴とする請求項６乃至８に記載の光半導体モジュール。
10. 前記ガイドの他端開口部の断面は、前記ガイド中央部の断面よりも大きいことを特徴とする請求項６乃至９に記載の光半導体モジュール。
11. 透明樹脂膜を光電気フェルールの突起電極が形成されている面に押し付けて前記突起電極の先端を前記第一の透明樹脂シートから突き出させる工程と、
    前記突起電極に前記光半導体素子を装着する工程と、
    光伝送路を前記光電気フェルールのガイドに挿入して前記透明樹脂膜を前記光半導体素子に押し付け接触させる工程と、
    前記光半導体素子の周囲から透明樹脂を注入して固化せしめる工程と、
    を具備することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
12. 前記突起電極の先端を前記第一の透明樹脂シートから突き出させる工程は、ゴム板を用いて透明樹脂膜を光電気フェルールの突起電極が形成されている面に押し付けてなされることを特徴とする請求項１１記載の光半導体モジュールの製造方法。
    
    

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