JP2006064989A - Joint structure, optical isolator using this structure and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信、光情報処理、光センサー等に用いられる光アイソレータに関するものである。 The present invention relates to an optical isolator used for optical communication, optical information processing, an optical sensor, and the like.
レーザー光源等の光源から出射した光は、各種光学素子や光ファイバに入射されるが、入射光の一部は各種光学素子、光ファイバを透過する際、反射や散乱を起こす。反射や散乱した光の一部は光源側に戻るが、この戻り光を遮断するため、光アイソレータが用いられる。 Light emitted from a light source such as a laser light source is incident on various optical elements and optical fibers, but some of the incident light is reflected and scattered when passing through the various optical elements and optical fibers. A part of the reflected or scattered light returns to the light source side, and an optical isolator is used to block this return light.
小型化された光アイソレータの構成としては、図6に示すように基板2上に偏光子3、4とファラデー回転子5、及びファラデー回転子に飽和磁界を印可するための磁石6が整列固定された構造のものが提案されている(特許文献1参照)。
As shown in FIG. 6, the miniaturized optical isolator has
なお図6に示すような光アイソレータ1の構造は、主としてレーザー光源モジュール用のものであって、パッケージ内に半導体レーザー素子と共に表面実装されるものである。
The structure of the
ここで偏光子3、4は透過する光の一方向の偏波成分を吸収し、その偏波成分に直交する偏波成分を透過する機能を有し、また、ファラデー回転子5は飽和磁界強度において所定波長の光の偏波面を約45度回転する機能を有する。また2つの偏光子3、4は、それぞれの吸収あるいは透過偏波方向が約45度ずれるように配置されている。図中の矢印は透過偏波方向を表し、偏光子3の透過偏波方向は基板1底面に対して平行方向であり、これに対し偏光子4の透過偏波方向は約45度傾いている。
Here, the
次に光アイソレータ1の動作について説明する。光軸Lに示す矢印方向を順方向とし、角度は右回転方向を+とする。LDから出射した光は順方向に進行し、その光は一般にTEモード発振となり、偏光子3の透過偏波方向に平行な偏波方向で光アイソレータ1に入射する。光は偏光子3を透過し、ファラデー回転子5でその偏波方向を+45度回転させ、偏光子4に入射する。偏光子4の透過偏波方向は偏光子3の透過偏波方向に対し+45度の角度となるように配置されているため、順方向に進む光は偏光子4を透過する。
Next, the operation of the
逆方向から入射する反射戻り光は、不確定な偏波を有するが、偏光子4では+45度の偏波方向を有する光のみが透過し、他は遮断される。偏光子3を透過した逆方向の光は、ファラデー回転子5でその偏波方向をさらに+45度回転させ、偏光子3に入射する。ここで偏光子4に入射する逆方向光は、+90度の偏波方向であり、偏光子3とはクロスニコルとなるため、偏光子3で遮断され、反射戻り光はLDに戻らない。このように、偏光子3と偏光子4の透過偏波方向を45度ずらして配置することにより、光アイソレータ1として機能する。
The reflected return light incident from the opposite direction has an indefinite polarization, but the
なお偏光子3、4やファラデー回転子5などの光学素子、及び磁石6を基板上に接合する場合には、アウトガス等の分解物で半導体レーザー素子に劣化を生じさせることがないよう、有機系の接合用部材は用いず、無機系の接合用部材であるハンダや、低融点ガラス等を用いる。
In addition, when the optical elements such as the
図7ではハンダ8を使用して光学素子や磁石6を基板2上への接合を示す。なお、ここでは偏光子やファラデー回転子からなる光学素子7を基板2に接合する部分のみを示す。あらかじめ各部材の接合面にメタライズ膜9を加工を施し、さらに接合時に生じるメタライズ膜9表面やハンダ8表面の酸化膜を除去するためフラックスを塗布する。接合を行う際は、使用するハンダ8の融点に合わせ基板2を加熱し、ハンダ8を溶融させた後、光学素子7を基板2に圧着する。
FIG. 7 shows the bonding of the optical element and the
なおメタライズ膜9表面やハンダ8表面の酸化膜を除去する方法としては、フラックスを使用する代わりに、スクラブ作業を行うことに依っても実現できる。これは、光学素子7を実装する際、窒素等の不活性ガス雰囲気内で基板2を所定温度に加熱し、ハンダ7を塗布、溶融させた後、光学素子7を溶融したハンダ8に押しつけつつ揺動させることによってハンダ8表面の酸化膜を破壊するものである。
Note that the method of removing the oxide film on the surface of the
なお、基板2と光学素子7とを接合する方法として、図8に示すように双方の表面にハンダメッキ10を施し、両者を圧接した上で超音波を印可し、発生する熱エネルギーによってハンダメッキ10を溶融させて金属接合を行う方法も考案されている(特許文献2参照)。
As a method for joining the
また、図9に示すように低融点ガラス11で接合する場合は、あらかじめ基板2上に低融点ガラス11のペーストを塗布し、一度高温下で焼結固化させた後、低融点ガラス11を切削または研磨加工し、厚みが一定になるよう調節する。接合を行う際は、使用する低融点ガラス11の作業温度に合わせ基板2を加熱し、低融点ガラス11を溶融させた後、光学素子7を基板2に圧着する。
しかしながら、図7、9に示すような光アイソレータ1に於いて、偏光子3、4やファラデー回転子5などの光学素子や磁石6を、基板2上にハンダ8や低融点ガラス11などの熱可塑性接合部材を用いて接合する場合、各部材の熱膨張係数の差により熱応力が生じる。
However, in the
特に光アイソレータ1を構成する偏光子3、4は、一般的に一定方向に背向した金属微粒子を光学ガラス内に分散させたものが使われており、その膨張係数は60×10−7程度である。これに対しファラデー回転子5は、一般的にビスマス置換ガーネットが使用され、その膨張係数は100×10−7程度である。従って、両者の熱膨張係数に対し、基板2の熱膨張係数を同時に一致させることは困難である。
In particular, the
よって、一部の光学素子には熱応力が生じることになるが、光学素子は脆性材料であるため割れやクラック生じる場合がある。また、ファラデー回転子5に熱応力が加わると、これを透過する光の消光比が劣化し、光アイソレータ1の諸特性、特にアイソレーション特性に劣化が生じる。
Therefore, thermal stress is generated in some optical elements, but since the optical elements are brittle materials, cracks and cracks may occur. Further, when thermal stress is applied to the Faraday
さらに図7に示すように光学素子7をハンダ8にて基板2上に接合する場合、ハンダ8表面の酸化膜を除去する方法としてフラックスを使用するならば、フラックスによるハンダ8の腐食を防止し、またフラックスから生じるアウトガス等の分解物で半導体レーザー素子に劣化を生じさせることがないよう、フラックスを洗浄する必要がある。しかしながら、図7に示すとおり、光学素子7間の空隙は狭く、有機溶剤を用いて超音波洗浄などを行ってもフラックスの残渣を取り除くのは困難である。
Further, when the
また、ハンダ8表面の酸化膜を除去する方法としてスクラブ作業を行った場合、光学素子7を揺動させることにより押し退けられたハンダ8が光学素子7の光透過部に流入し、光アイソレータ1の挿入損失特性に劣化が生じる。
Further, when scrubbing is performed as a method of removing the oxide film on the surface of the
さらに図8に示すように基板2と光学素子7の双方にハンダメッキ10を施し、双方を圧接しつつ超音波を印可する方法では、ハンダメッキ10と基板2や光学素子7との接合強度が弱い場合、双方の接合強度が劣化する。また、ハンダメッキ10をディッピングで行った場合、表面の平坦度が悪く、ハンダメッキ10表面の突出した部分のみで接合が行われることとなる。この場合、外部から光学素子7に応力が加わった場合、接合箇所に局所的な応力集中が生じるため接合強度が不安定となり光学素子7が脱落してしまう等の危険がある。
Further, as shown in FIG. 8, in the method of applying solder plating 10 to both the
また、図9に示すように光学素子7を低融点ガラス11で基板2上に接合する場合、光学素子7を基板2に圧着する際、押し退けられた低融点ガラス11が光学素子7の光透過部に流入し、光アイソレータ1の挿入損失特性に劣化が生じる。
In addition, when the
さらに光アイソレータ1をレーザー光源モジュール内で使用する際は、ハンダなどによりパッケージ内に接合する必要があり、高温下での処理が必要となってくる。ここで、光アイソレータ1の作製時に図7や図9に示すようにハンダ8や低融点ガラス11等の熱可塑性接合用部材を用いた場合、それぞれの溶融温度以上の環境下では接着部分の変形等の危険が生じる。
Furthermore, when the
また、ハンダ8や低融点ガラス11には鉛を含むものが多く、これらを使用した製品を廃棄する際は、特別な処理を行う必要があるなど、環境面での注意が必要であった。
Further, many of the
本発明は、上記問題点に鑑み基板上に光学素子を整列固定する接合構造において、前記光学素子と前記基板の一方に金属バンプ、他方にメタライズ膜を有し、且つ両者が前記金属バンプと前記メタライズ膜で金属接合されていることを特徴とするものである。 In view of the above problems, the present invention provides a bonding structure in which an optical element is aligned and fixed on a substrate, and has a metal bump on one of the optical element and the substrate, a metallized film on the other, and both the metal bump and the metal bump. It is characterized by being metal-bonded with a metallized film.
また、平板状ファラデー回転子及び平板状偏光子を含む光学素子が基板上に整列固定されている光アイソレータにおいて、前記光学素子と前記基板の一方に金属バンプ、他方にメタライズ膜を有し、且つ両者が前記金属バンプと前記メタライズ膜で金属接合されていることを特徴とするものである。 Further, in an optical isolator in which an optical element including a flat Faraday rotator and a flat polarizer is aligned and fixed on a substrate, the optical element and the substrate have metal bumps on one side and a metallized film on the other side, and Both are metal-bonded by the metal bump and the metallized film.
さらに、前記金属バンプの高さHと、前記金属バンプのメタライズ膜との接触面の面積Sについて、H/(S0.5)の値が0.25乃至1.0であることを特徴とするものである。 Further, with respect to the height H of the metal bump and the area S of the contact surface between the metal bump metallized film, the value of H / (S 0.5 ) is 0.25 to 1.0. To do.
また、前記金属バンプが硬度175Hv以下の金からなり、且つ前記メタライズ膜の最表面が金からなることを特徴とするものである。 Further, the metal bump is made of gold having a hardness of 175 Hv or less, and the outermost surface of the metallized film is made of gold.
さらに、前記金属バンプがニッケル、且つ前記メタライズ膜の最表面がニッケルからなることを特徴とするものである。 Furthermore, the metal bump is made of nickel, and the outermost surface of the metallized film is made of nickel.
また、前記光学素子の前記基板との接合面の対面にメタライズ膜が形成されていることを特徴とするものである。 In addition, a metallized film is formed on the surface of the optical element facing the bonding surface with the substrate.
さらに、請求項1〜6記載の前記金属バンプと前記メタライズ膜の接合が、超音波接合により成されていることを特徴とするものである。
Further, the metal bump and the metallized film according to
以下、図1にて本発明による光アイソレータ1の構造を説明する。
Hereinafter, the structure of the
本発明の光アイソレータ1は基板2上に平板上の偏光子3、4とファラデー回転子5、及びファラデー回転子5に飽和磁界を印可するための磁石6が整列固定された構造となっている。ここで偏光子3、4及びファラデー回転子5はその光透過面に対し垂直な側面を基板2に接合され、また、磁石6は直方体形状のものを、ファラデー回転子5を挟んで基板2の両側に接合されている。
The
偏光子3、4は、例えば楕円体形の金属粒子がガラス内に分散された構造の偏光ガラスからなる。この偏光ガラスは長く延伸された金属粒子をガラス自身の中に一方向に配列させることにより偏光特性を持たせたガラスであり、金属粒子の延伸方向に垂直な偏波面を持つ光が透過し、平行な偏波面を持つ光は吸収される。ここで偏光子3の透過偏波方向は、偏光子4の透過偏波方向に対し略+45度の角度を持つように配置されている。
The
ファラデー回転子5は、例えばビスマス置換ガーネット結晶等で、その厚みは入射光線の偏光面が45度回転する様に設定する。一般に、偏波面を回転させるためには、入射光線の光軸L方向に十分な磁界を印可することが必要である。また、自己バイアス型のファラデー回転子5を用いれば磁石6なしでも光アイソレータ1は動作するため、磁石6は不要となる。
The
ここで、偏光子3、4、ファラデー回転子5からなる光学素子7は基板2との接合面にメタライズ膜が形成されている。なお、メタライズ膜9の構成としては、下層に密着性向上のためクロムやチタン等を施し、中間層に金属拡散防止のためタングステンや銅、ニッケル等を施す。さらに上層に金、ニッケル等を施す。
Here, the
メタライズ膜9の形成方法は公知の方法でよく、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD 法等の方法で形成すればよい。なおスパッタリング法は、以下の原理により行うものである。まず、真空状態にした加工容器内で膜を付ける試料の近傍に膜の原料(ターゲット)を配置し、試料とターゲットの間に電圧をかけることで、電子やイオンを高速移動させ、ターゲットに衝突させる。ターゲットに衝突したイオンは、ターゲットの粒子をはじき飛ばす。(スパッタリング現象)はじき飛ばされた原料の粒子が試料に衝突、付着し、膜が形成される。真空蒸着では、真空状態にした加工容器内で膜を付ける試料の近傍に膜のターゲットを配置し、同様に真空状態にした加工容器内で膜を付ける試料にターゲットを対向させ、膜の原料を加熱し、蒸発、気化した原料を試料に衝突させることで膜を形成する。またCVD法は、試料を気体原料の雰囲気内におき、化学反応によって、試料表面に高純度の薄膜を形成する。
The metallized
なおメタライズ膜9の形成時に、光学素子7の光学面にメタライズ膜9が形成されないよう、レジストもしくはこれに変わる保護部材を用いて遮蔽しておく。
When the metallized
また磁石6の表面には、メッキ加工を施す。なお、メッキ加工は基板2との接合に使用する目的の他に、磁石形状の維持という目的もある。一般的に光アイソレータ1に使用する磁石は、小型で且つ高温下で処理されることが多いため、その材料はとしては磁気特性に優れ、且つ高温下で減磁しにくいサマリウムコバルト磁石が使用されている。サマリウムコバルト磁石は、機械的強度が低いため、割れやカケなどの防止のためメッキ処理を行うことが一般的である。
The surface of the
基板2の材料については、アウトガス等の分解物で半導体レーザー素子に劣化を生じさせることがないよう、金属やセラミックなど無機材料を使用するのが好ましい。なお、材料及び基板2底部の表面処理は、パッケージ内に実装する手段により選定する。例としてハンダにより金属接合する場合は、基板2の裏面にメタライズ膜の形成を行い、また材料としては光アイソレータを取り付けるべき部分に熱膨張係数を合わせた材料を使用する。また、YAG溶接により固定する場合は材料をSUS304などの溶接性のよいものを使用する。なお、本発明に従い光学素子7を基板2上に接合する際は、低温下にて接合を行うため、光学素子7に生じる熱応力は考慮する必要はない。従って光学素子7と基板2との熱膨張係数を一致させる必要はなく基板2の材料は自由に選定することができる。ただし、基板2上に配置された磁石6により基板2が磁石6と逆方向に磁化され、ファラデー回転子5に印可される磁場が弱まることがないよう、基板2には非磁性の材料を選定することが望ましい。
As for the material of the
さらに基板2には、光学素子7や磁石6の接合される所定の位置にバンプ12を形成する。なお、図2にこれを説明する。ここで言うバンプ12はフリップチップの実装等に使用するハンダバンプと同様のものであり、基板上2の数カ所に島状に単層または複数層からなる金属薄膜を形成するものである。なお、バンプ12の厚みはバンプを形成する基板表面の平坦度以上の厚みがあればよく、これにより基板2と被接合部材とがバンブのみを介して接合される事になる。なおバンプ12の大きさは被接合部材の大きさや、必要とする接合強度により適宜決定し、また各接合部材あたり複数のバンプ12を使用することで接合強度を増加させることもできる。
Further, bumps 12 are formed on the
バンプ12の形成プロセスには、電気メッキ法、スタッドバンプ法、印刷法、蒸着法がある。金バンプの形成には電気メッキ法が主流で、一部にスタッドバンプ法が採用されている。
The formation process of the
バンプ12の微細加工という観点では、リソグラフィプロセスを採用する電気メッキ法と蒸着法が有利である。電気メッキ法では、最初にスパッタ法または蒸着法でバリアメタルを形成し、バリアメタル上にレジスト膜を塗布し、露光・現像を行い、開口部を形成する。この開口部に電気メッキ法でバンプ材料を成長させた後、バンプを残しレジスト膜を除去する。なお蒸着法は、電気メッキ法と同様の前工程の後、開口部にバンプ材料を成長させる際、真空蒸着の手法を用いて行うものである。
From the viewpoint of microfabrication of the
なお、バリアメタルとしては、下層に密着性向上のためクロムやチタン等を施し、上層に金属拡散防止のためタングステンや銅、ニッケル等を施す。なお、基板材質によりバリアメタルとの密着性が良好な場合は、下層の処理を行わなくともよい。またバンプ12の材質としては、金、ニッケル等が選択できる。
As the barrier metal, chromium, titanium, or the like is applied to the lower layer to improve adhesion, and tungsten, copper, nickel, or the like is applied to the upper layer to prevent metal diffusion. Note that when the adhesion to the barrier metal is good depending on the substrate material, the lower layer treatment is not required. As the material of the
被接合部材である偏光子3、4、ファラデー回転子5、磁石6を基板2上に接合する際は、図3に示すように、被接合部材13をコレット14により吸着保持する一方、基板2をアンビル15上に保持し、被接合部材13を基板2のバンプ12上に着座させ、ツール16により被接合部材13を加圧しつつ超音波を数秒間印加する。超音波は超音波振動子17で発生させたのち、ホーン18を介して振幅を増加させた後、ツール16に伝搬させる。超音波振動は、ホーン18及びツール16部分で定在波をなすが、被接合部材13を加圧する部分を振動の腹とすることで、超音波振動を効率よく被接合部材13に伝えることができる。加圧力はバンプ12の材質により最適化する必要があるが、例として金を使用する場合、各バンプ12あたり150gf程度が適当である。
When the
ここで示した超音波接合の初期段階では、被接合部材13に施されたメタライズ膜9やメッキ膜、また基板2上に形成されたバンプ12表面が超音波振動によって摩擦を起こし、金属表面の酸化皮膜や吸着物が破壊され、接合面が機械的にクリーニングされる。また接合面が平滑化されて凝着核が発生する。超音波接合の後期段階では、接合面間が十分に接近し、凝集力が生じ、また急激な組成流動が生じて接合面が拡大していく。なお破壊された金属表面皮膜は接合面近傍に拡散されて存在することとなる。
In the initial stage of ultrasonic bonding shown here, the metallized
なお超音波接合による接合界面おける接合層の形態については、接合部に溶融組織は認められないため、相互の金属間での拡散による固相接合であると考えられている。 In addition, about the form of the joining layer in the joining interface by ultrasonic joining, since a molten structure is not recognized in a junction part, it is thought that it is a solid-phase joining by the diffusion between mutual metals.
なお、超音波接合による接合強度を大きくするために、アンビル15部分にヒーター19を付加し、基板2を150〜200℃程度の低温で予備加熱し、基板2が所定の温度に加熱された後、接合を行うことが好ましい。
In order to increase the bonding strength by ultrasonic bonding, a
また、図3に示した超音波接合方法については、コレット14により被接合部材13を吸着し保持する構造となっているが、被接合部材13が脆性材料である場合、機械的強度が得られないため、超音波振動したコレット14が接触することで被接合部材13にクラックが生じることが懸念される。これは、被接合部材13のコレット14との接触部分、つまり被接合部材13の基板2との接合面の対面に素子保護用のメタライズ膜20を施すことで防止することができる。被接合部材13が光学素子等の脆性材料である場合、メタライズ膜20の加工を行えば、光学素子を小片に切断加工した際に生じた光学素子外周部のマイクロクラックを埋め、また光学素子に外周部からの圧縮応力を与えることとなるため、光学素子の機械的強度が向上する。なお、メタライズ膜20の加工は、先に述べた基板との接合に用いるメタライズ膜9の加工と同様の構造でよいため、両者のメタライズ膜の形成は一括して行うことが可能である。
Further, the ultrasonic bonding method shown in FIG. 3 has a structure in which the member to be bonded 13 is adsorbed and held by the
また、基板2や被接合部材13の汚染度は接合強度大きく影響を及ぼす。従って基板2や被接合部材13はあらかじめ洗浄処理を行う必要がある。洗浄処理としては、湿式洗浄である超音波洗浄の他、乾式洗浄である紫外線オゾン洗浄やプラズマ洗浄、レーザー照射による洗浄などがあり、これらを複合して使用することも効果的である。
Further, the degree of contamination of the
例としては、IPAやエタノール等の有機溶剤中で超音波洗浄した後、プラズマ洗浄を行う等により良好な接合強度を得ることができる。 As an example, good bonding strength can be obtained by performing ultrasonic cleaning after ultrasonic cleaning in an organic solvent such as IPA or ethanol.
さらに、メタライズ膜9が施されるべき母材の表面粗さや平坦度、及びバンプ12の高さバラつきは、接合強度と製品の破壊、変形に大きく影響を及ぼす。メタライズ膜9の表面粗さが粗いならば接合時に金属表面同士の近接が不十分となり接合強度が低下する。また超音波の印可時間が長くなり製品の破壊される危険がある。また、メタライズ膜9の平坦度が悪い、またバンプ12の高さがばらつくと、バンプ12の一部が被接合部材13側のメタライズ膜9と接触せず、接合強度の劣化につながる。また基板2を被接合部材13側に加圧する際、基板2にたわみが生じ、接合面に内部応力が生じるため、接合部が破壊される要因となる。なお、メタライズ膜9の表面粗さはRa1.6μm以下、またメタライズ膜9の平坦度、及びバンプ12の高さバラつきは2μm以下程度が好ましいが、これらは一般的なメタライズ膜9の形成や、バンプ12の形成を行った場合、加工精度を実現することは比較的容易であり、安定した接合作業を行うことが可能である。
Furthermore, the surface roughness and flatness of the base material to which the metallized
また、超音波接合においては、コレット14とこれに保持される部品の接触抵抗を大きくするため、ツール16先端の面粗さを粗くする手法が取られる。これは、コレット14とこれにより保持される製品との接合を防止する目的もある。なお、コレット14の先端にクランプ機構を付加することでもコレット14と被接合部材13の接触抵抗を大きくするために有効である。
Further, in ultrasonic bonding, a technique is adopted in which the surface roughness of the tip of the
さらに、超音波接合においては振動速度が重要な要素であるが、これは超音波周波数と振動振幅の積で表される。従って本例のように微少な試料の接合の際は、製品の破壊や変形をおさえるため振動振幅を小さくし、逆に周波数を高くして加工を行うべきである。ここで、周波数は具体的には20〜80kHz程度が適当である。 Furthermore, in ultrasonic bonding, the vibration speed is an important factor, and this is represented by the product of the ultrasonic frequency and the vibration amplitude. Therefore, when joining a very small sample as in this example, the vibration amplitude should be reduced and the frequency should be increased in order to suppress destruction and deformation of the product. Here, the frequency is specifically about 20 to 80 kHz.
また、バンプ12部分の硬度は接合時に超音波を印可する時間に影響を与える。図10では図1で示すところのアルミナ製基板2上に形成した金製バンプ12上に磁石6を接合する際の超音波印可時間と接合強度の関係を金バンプ12の硬度別に示した表である。なお、金バンプ12の形成は、先ずアルミナ基板2上にモリブデンマンガンメタライズペーストを塗布した後、還元性雰囲気中で焼成し導電性被膜を形成した。その後、クロム層0.3μm、ニッケル層0.35μmからなるバリアメタル層を電気メッキ法にて形成した。その後、レジスト膜を塗布した後、リソグラフィプロセスを経てバンプ12形成箇所に開口部を形成し、電気メッキ法にてバンプ材料を50μmだけ成長させた。また、磁石6の表面には電気メッキを用いてニッケル層5μm、及び金層0.2μmを形成した。なお、磁石は計6箇所のバンプにより基板と接合し、超音波振動数30kHz、加圧力は各バンプ当たり150gf、さらに部材を150℃に加熱しながら接合を行った。
Further, the hardness of the
図10によれば金バンプ12の硬度が低いほど短時間の超音波印可であっても接合強度が十分得られ、硬度154Hvのバンプを使用した場合はおよそ45秒で接合強度が飽和した。これに対し硬度185Hvの金バンプ12を使用した場合は120秒の超音波印可に依っても接合強度は飽和しなかった。この傾向の理由としては、金バンプ12を形成する金属の硬度が低ければ金バンプ12が短時間で変形し、メタライズ膜9との接合面積が十分に広がるためと考えられる。なお、実用上接合に要する時間を考慮し、超音波の印可時間を60秒以下とするならば、金バンプの硬度は175Hv以下が妥当と考えられる。なお、バンプ材料に金を使用する場合、その硬度は金の純度に依存し、純度が高いほど硬度が低下する。また、バンプ12にニッケルを使用する場合は、ニッケルバンプ12を形成する際のメッキ方法、メッキ液組成等、メッキ条件によりバンプ12の硬度が異なる。一般的に電気メッキにてワット浴を使用する場合、バンプ12の硬度はもっとも軟化し、硬度150Hv程度が得られる。また、スルファミン酸浴を使用する場合では硬度200Hv程度しか得られない。従って、ワット浴に依る電気メッキにてニッケルバンプ12を形成することが適当である。
According to FIG. 10, as the hardness of the
さらに、バンプ12部分の高さとバンプ12接合面の大きさの比は接合強度に影響を与える。図11はバンプ12部分の高さHとバンプ12接合面の面積Sに対し、H/(S0.5)により求められたA値との関係を示した表である。
Furthermore, the ratio of the height of the
なお、接合試験に用いた試料は前述の通りアルミナ基板状2に金バンプ12を形成したものと、磁石6表面に金メッキを施したものを使用した。なお、計6箇所のバンプ12により接合を行い、金バンプ12は硬度154Hvのものを使用し、超音波は60秒間印可した。
In addition, the sample used for the joining test used the thing which formed the
図11によればA値が0.25になったとき接合強度はほぼ飽和し、逆に以降では接合強度は劣化の傾向が見られた。この理由として、A値が小さい場合は、バンプ12とメタライズ膜9との接触面積が大きく、接触面単位面積当たりの圧力が低下し、またバンプ12の厚みも薄いため、バンプ12が変形せず、バンプ12とメタライズ膜9との接触界面の面積が十分稼げなかったためと考えられる。また、A値が大きい場合、メッキによるバンプ12の形成の際、その高さにバラツキが生じ、接合時により基板がたわみ、バンプ12とメタライズ膜9との間に剥離方向に加わる応力が生じたものと考えられる。このようにA値は0.25乃至1.0が適当と考えられる。
According to FIG. 11, when the A value became 0.25, the joining strength was almost saturated, and conversely, the joining strength tended to deteriorate thereafter. For this reason, when the A value is small, the contact area between the
なお図3では被接合部材13側に超音波を印可し、アンビル15上に保持された基板2上に圧着したが、これとは逆に基板2に超音波を印可し、アンビル15上に保持した被接合部材上に圧着する方法をとってもよい。
In FIG. 3, ultrasonic waves are applied to the bonded
また、図1乃至3では基板2側にバンプ12を形成し、光学素子7や磁石6からなる被接合部材側にメタライズ膜9を形成するよう図示したが、これは逆に基板2側にメタライズ膜を、被接合部材側にバンプ12を形成してもよい。
1 to 3, the
このように、本発明の光アイソレータ1においては、偏光子3、4やファラデー回転子5からなる光学素子7や磁石6等の被接合部材と基板2との接合が150〜200℃程度の低温下で行われているため、各部材の熱膨張係数差による熱応力の発生は極めて少なく、脆性材料である光学素子7にクラックが生じたり、ファラデー回転子5の消光比が劣化することもない。従って信頼性に優れ、且つ光学特性、特にアイソレーション特性に優れた光アイソレータを作製することができる。
As described above, in the
また、光学素子7や磁石6と基板2を超音波接合する際、接合用メタライズ膜9やバンプ12表面の酸化被膜を除去するためのフラックスは不要であり、接合作業後にフラックスを洗浄する作業も不要である。
Further, when the
さらに超音波接合は固相接合であるため、接合作業時に溶融する物質はない。従って光学素子7の光透過部を遮蔽する物質もなく、光アイソレータ1の挿入損失特性は常に良好である。
Furthermore, since ultrasonic bonding is solid phase bonding, there is no substance that melts during the bonding operation. Therefore, there is no substance that shields the light transmission part of the
また、基板2と被接合部材が接合する箇所は、バンプ12の形成される箇所に限定される。このためバンプ12を形成する箇所を分散させることで、外部から被接合部材に応力が加わった場合、接合箇所への応力集中を分散させることが可能である。またメタライズ膜9の平坦度や、バンプ12の高さ精度を高精度化することは容易であるため、メタライズ膜9とバンプ12部分との接合強度自体も安定させることができる。
Further, the place where the
また、基板2と被接合部材との接合はメタライズ膜9とバンプ12が直接接合されているため、接合箇所の耐熱性は、これらメタライズ膜9やバンプ12部を形成する材料の融点に従うことになる。例としてメタライズ膜9の材料としてニッケル及び金を使用するならば、その融点は、金1064℃、ニッケル1453℃であり、光アイソレータ1として十分な耐熱性を確保できることとなる。
In addition, since the metallized
さらに、基板2と被接合部材との接合はメタライズ膜9とバンプ12が直接接合されているため、鉛等を使用する接合用部材等は不要であり、対環境面で優れた製品を提供することが可能である。
Furthermore, since the metallized
本発明の実施例について図1を用いて説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
光アイソレータ1の基板へのメタライズ膜9の加工及びバンプ12の形成は、大型の平板状基板材料に一括して処理を行い、その後ダイシング加工により小片に切断することにより多数個を一括して作製した。
The metallized
基板2はその材料をアルミナとし、表面研磨を行って平坦度を2μm以下としたのち使用した。バンプ12の形成においては、先ずモリブデンマンガンメタライズペーストを塗布した後、還元性雰囲気中で焼成し導電性被膜を形成した。その後、クロム層0.3μm、ニッケル層0.35μmからなるバリアメタル層を電気メッキ法にて形成した。その後、レジスト膜を塗布した後、リソグラフィプロセスを経てバンプ形成箇所に開口部を形成し、電気メッキ法にてバンプ12材料を成長させた。なお、バンプ12の材料としては金を選択し、その厚みを50μmとした。
The
なお、基板2と光学素子7は、それぞれ4箇所のバンプ12で接合を行い、基板2と磁石6は6箇所のバンプ12で接合を行うこととした。製品を構成する各部材の寸法を図4に、また各バンプ12の大きさ及び位置を図5に示す。
In addition, the board |
また、偏光子3、4としてはコーニング社製のポーラコア1550HCを用い、ファラデー回転子5としては住友金属鉱山製のYTd5Vを用いた、各光学素子7のメタライズ膜9、及び素子保護用メタライズ膜20の加工はクロム層0.3μm、ニッケル層0.35μm及び金層0.2μmをスパッタリング法により形成した。なお、各光学素子7の光学面にメタライズ膜が形成されないよう、メタライズ膜の形成処理を行う際に各光学素子7の光学面にレジスト膜を形成し、メタライズ膜の形成処理後、有機溶剤中での超音波洗浄によりこれを除去した。
Further, as the
また、磁石6の材料としてはサマリウムコバルトを用い、表面に電気メッキを用いてニッケル層5μm、及び金層0.2μmを形成した。
Further, samarium cobalt was used as the material of the
基板2上に光学素子7、及び磁石6を接合する際は、図3に示す通り光学素子、及び磁石からなる被接合部材13をコレット14により吸着保持する一方、基板2をアンビル15上に保持し、被接合部材13を基板2のバンプ12上に着座させ、ツール16により被接合部材13を加圧しつつ超音波を印加した。ここで、超音波の振動数は30kHz、加圧力は、各バンプ12あたり150gfが加わるよう調整した。さらにアンビル15部分はヒーター19により150℃に加熱し接合を行った。
When the
上記加工条件にて超音波接合を行う上で、超音波の印可時間は各接合場所での接合強度の変化を元に決定した。図12に示すとおり、光学素子7と基板2とを接合する場合、超音波の印可時間は45秒以上とした場合、接合強度がほぼ飽和した。また、磁石6と基板2とを接合する場合、超音波の印可時間は75秒以上とした場合、接合強度がほぼ飽和した。そこでこれらの時間にて超音波を印可することとした。
When performing ultrasonic bonding under the above processing conditions, the ultrasonic application time was determined based on the change in bonding strength at each bonding location. As shown in FIG. 12, when the
なお、実施例に従い作製した製品と、これに対する比較例として次の2種類を作製した。 In addition, the following 2 types were produced as the product produced according to the Example and the comparative example with respect to this.
第一の比較例として図7に示すように光学素子7や磁石等の被接合部材と基板2との接合面にそれぞれメタライズ膜9を施したものを金錫ハンダ8を用いて接合したものを用意した。
As a first comparative example, as shown in FIG. 7, a member obtained by applying a metallized
なお、基板2の材料としてはアルミナを選択し、メタライズ膜9の形成は基板上にモリブデンマンガン処理を施し導電性被膜を形成した後、クロム層0.3μm、ニッケル層0.35μm及び金層0.2μmを電気メッキ法にて施した。また、光学素子7及び磁石は、前記本発明の実施例に使用したものと同様のものを使用した。
Note that alumina is selected as the material of the
基板2上に光学素子7、及び磁石を接合する際は、金錫ハンダ8を使用した。先ず、基板2をホットプレート上に配置し、金錫ハンダ8の溶融点である280℃に加熱した後、ハンダ箔を基板2上にのせ溶融した。その後、被接合部材を基板2上に押し付け、スクラブ処理を行って接合を行った。なお、今回はハンダ8表面の酸化被膜の除去方法としてフラックスを使用せず、スクラブ処理を用いたが、これは接合後のフラックス除去が困難であるためである。また、ハンダ8表面に酸化被膜が形成されることを防止するため、製品に窒素ガスを吹き付けつつ行った。
Gold-
また、第二の比較例として図10に示すように光学素子7や磁石等の被接合部材と基板2との接合面にそれぞれハンダメッキ10を施した後、超音波接合したものを用意した。なお、ハンダ8の材質は鉛錫の共晶ハンダ8を使用した。
Further, as a second comparative example, as shown in FIG. 10, a
なお、基板2の材料としてはアルミナを選択し、ハンダメッキ10の形成は基板2上にモリブデンマンガン処理を施し導電性被膜を形成した後、クロム層0.3μm、ニッケル層0.35μm及びハンダ層5μmを電気メッキ法により形成した。
Alumina is selected as the material of the
また、光学素子7の基板2との接合部分にはクロム層0.3μm、ニッケル層0.35μm及びハンダ層をスパッタリング法にて形成した。なお、各光学素子7の光学面にメタライズ膜およびハンダメッキが形成されないよう、処理を行う際に各光学素子7の光学面にレジスト膜を形成し、ハンダメッキ形成後、有機溶剤中での超音波洗浄によりこれを除去した。
Further, a chromium layer 0.3 μm, a nickel layer 0.35 μm, and a solder layer were formed by a sputtering method at a joint portion between the
また、磁石の材料としてはサマリウムコバルトを用い、表面に電気メッキを用いてニッケル層5μm、及びハンダメッキ5μmを形成した。 Further, samarium cobalt was used as a magnet material, and a nickel layer of 5 μm and a solder plating of 5 μm were formed on the surface by electroplating.
基板2上に光学素子7、及び磁石を接合する際は、図3に示す本発明の実施例で使用した超音波接合方法を使用した。作業条件としては、超音波の振動数を30kHz、加圧力は、接合面の単位面積当たり1500gf/mm2とし、本発明の実施例にて各バンプ12に加わった単位面積当たりの加圧力と同程度となるよう調整した。さらにアンビル15部分はヒーター19により150℃に加熱し接合を行った。なお、超音波の印可時間は光学素子7においては3分、磁石6においては4分間とした。また、今回はハンダメッキ10の酸化被膜の除去方法としてフラックスを使用した。これは、ハンダメッキ10の酸化被膜が強固であり、窒素雰囲気中でスクラブ処理を行ってもハンダメッキ層同士の接合が行われなかったためである。
When the
サンプルは各50個ずつ作製し、そのアイソレーションのピーク値平均及び挿入損失値、及びそれらのバラつきを示す標準偏差の比較を行った。その結果を表1に示す。
このように第一、及び第二の比較例に対し、本発明による実施例ではピークアイソレーションの値が高く、また標準偏差も小さく、安定した値を得ることができた。これは本発明による実施例では、被接合部材と、基板との接合時の加熱温度が、比較例に対して低いため、生じる熱応力、特にファラデー回転子に加わる熱応力が小さくなったため、消光比特性が良好であった結果と考えられる。なお、第二の比較例では、挿入損失値に著しい劣化が生じた。これは偏光子、ファラデー回転子からなる各光学素子間にハンダが流入し、光学面をハンダが覆ってしまったためと、フラックスが完全に除去できなかった為と考えられる。 Thus, in contrast to the first and second comparative examples, in the examples according to the present invention, the peak isolation value was high and the standard deviation was small, and a stable value could be obtained. This is because in the embodiment according to the present invention, the heating temperature at the time of bonding between the member to be bonded and the substrate is lower than that of the comparative example, so that the generated thermal stress, particularly the thermal stress applied to the Faraday rotator is reduced. This is considered to be a result of good specific characteristics. In the second comparative example, the insertion loss value significantly deteriorated. This is presumably because the solder flowed between the optical elements consisting of the polarizer and the Faraday rotator, and the solder covered the optical surface, and the flux could not be completely removed.
また、サンプル各10個ずつで、被接合部材、特に磁石6部分の剪断接合強度、及びそれらの標準偏差の比較を行った。その結果を表2に示す。
このように本発明の実施例では、第一の比較例には及ばないものの、剪断接合強度が比較的大きく、また標準偏差が小さく安定した値を得ることができた。これに対し、第二の比較例では接合強度が小さく、標準偏差も大きい結果となった。なお、第二の比較例において、破壊された部分はハンダメッキ10層同士の接合箇所の他、磁石表面のニッケル層とハンダメッキ10層間であるものもあり、各メタライズ膜間の剥離強度の低下が接合強度の低下につながったとも考えられる。 As described above, in the examples of the present invention, although not reaching the first comparative example, the shear bonding strength was relatively large, and the standard deviation was small and a stable value could be obtained. On the other hand, in the second comparative example, the bonding strength was small and the standard deviation was large. In addition, in the second comparative example, the broken part may be between the nickel layer on the surface of the magnet and the solder plating 10 layer in addition to the joint portion between the solder plating 10 layers, and the peel strength between the metallized films is reduced. It is thought that this led to a decrease in bonding strength.
1:光アイソレータ
2:基板
3、4:偏光子
5:ファラデー回転子
6:磁石
7:光学素子
8:ハンダ
9:メタライズ膜
10:ハンダメッキ
11:低融点ガラス
12:バンプ
13:被接合部材
14:コレット
15:アンビル
16:ツール
17:超音波振動子
18:ホーン
19:ヒーター
20:素子保護用メタライズ膜
1: Optical isolator 2:
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