JP2006064989A - Joint structure, optical isolator using this structure and its manufacturing method - Google Patents

Joint structure, optical isolator using this structure and its manufacturing method Download PDF

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Gakushi Shoda
学史 庄田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the occurrence of failure such as the cracking of an optical element and the deterioration of optical characteristicsby preventing thermal stress from being caused in the optical element with respect to an optical isolator which is used for optical communication, optical information processing and an optical sensor or the like. <P>SOLUTION: In the joint structure, on which optical elements are alinged and fixed on a substrate, a metallic bump is formed on one of the optical element or the substrate and a metalized film is formed on the other and both of them are joined by ultrasonic joining , thereby suppressing the thermal stress to provide the joint structure and the joining method excellent in reliability and optical characteristics. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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 polarizers 3 and 4 and a Faraday rotator 5 on a substrate 2 and a magnet 6 for applying a saturation magnetic field to the Faraday rotator. A structure having a different structure has been proposed (see Patent Document 1).

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 optical isolator 1 as shown in FIG. 6 is mainly for a laser light source module and is surface-mounted together with a semiconductor laser element in a package.

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 polarizers 3 and 4 have a function of absorbing a polarization component in one direction of transmitted light and transmitting a polarization component orthogonal to the polarization component, and the Faraday rotator 5 has a saturation magnetic field strength. 1 has a function of rotating the polarization plane of light of a predetermined wavelength by about 45 degrees. The two polarizers 3 and 4 are arranged so that their absorption or transmission polarization directions are deviated by about 45 degrees. The arrow in the figure represents the transmission polarization direction, and the transmission polarization direction of the polarizer 3 is parallel to the bottom surface of the substrate 1, while the transmission polarization direction of the polarizer 4 is inclined by about 45 degrees. .

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 optical isolator 1 will be described. The direction of the arrow shown on the optical axis L is the forward direction, and the angle is + in the clockwise direction. The light emitted from the LD travels in the forward direction, and the light generally becomes TE mode oscillation and enters the optical isolator 1 in a polarization direction parallel to the transmission polarization direction of the polarizer 3. The light passes through the polarizer 3, rotates its polarization direction by +45 degrees with the Faraday rotator 5, and enters the polarizer 4. Since the transmission polarization direction of the polarizer 4 is arranged at an angle of +45 degrees with respect to the transmission polarization direction of the polarizer 3, the light traveling in the forward direction is transmitted through the polarizer 4.

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 polarizer 4 transmits only the light having the polarization direction of +45 degrees, and the other is blocked. The light in the reverse direction transmitted through the polarizer 3 is further rotated by +45 degrees in the polarization direction by the Faraday rotator 5 and is incident on the polarizer 3. Here, the reverse direction light incident on the polarizer 4 has a polarization direction of +90 degrees and is crossed Nicol with the polarizer 3, so that it is blocked by the polarizer 3 and the reflected return light does not return to the LD. In this way, the optical isolator 1 functions by arranging the transmission polarization directions of the polarizer 3 and the polarizer 4 so as to be shifted by 45 degrees.

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 polarizers 3 and 4 and the Faraday rotator 5 and the magnet 6 are bonded on the substrate, an organic system is used so as not to cause degradation of the semiconductor laser element due to decomposition products such as outgas. The bonding member is not used, but an inorganic bonding member such as solder or low-melting glass is used.

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 magnet 6 onto the substrate 2 using the solder 8. Here, only a portion where the optical element 7 made of a polarizer or a Faraday rotator is bonded to the substrate 2 is shown. The metallized film 9 is processed in advance on the bonding surface of each member, and a flux is applied to remove the oxide film on the surface of the metallized film 9 and the surface of the solder 8 generated at the time of bonding. When bonding, the substrate 2 is heated in accordance with the melting point of the solder 8 to be used, and the solder 8 is melted, and then the optical element 7 is pressure-bonded to the substrate 2.

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 metallized film 9 or the surface of the solder 8 can be realized by performing a scrub work instead of using a flux. This is because when the optical element 7 is mounted, the substrate 2 is heated to a predetermined temperature in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, the solder 7 is applied and melted, and then the optical element 7 is pressed against the molten solder 8. By swinging, the oxide film on the surface of the solder 8 is destroyed.

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 substrate 2 and the optical element 7, solder plating 10 is applied to both surfaces as shown in FIG. 8, ultrasonic waves are applied after the two are pressed, and solder plating is performed by the generated thermal energy. A method of performing metal bonding by melting 10 is also devised (see Patent Document 2).

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。
特開1998−227996号参照 特開1998−11779号参照
In addition, when joining with the low melting glass 11 as shown in FIG. 9, a paste of the low melting glass 11 is applied on the substrate 2 in advance and once sintered and solidified at a high temperature, the low melting glass 11 is cut. Or, it is polished and adjusted so that the thickness is constant. When bonding, the substrate 2 is heated in accordance with the working temperature of the low-melting glass 11 to be used to melt the low-melting glass 11, and then the optical element 7 is pressure-bonded to the substrate 2.
See JP-A-1998-227996 See JP-A-1998-11779

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 optical isolator 1 as shown in FIGS. 7 and 9, optical elements such as the polarizers 3 and 4 and the Faraday rotator 5 and the magnet 6 are placed on the substrate 2 with heat such as solder 8 and low melting point glass 11. When joining using a plastic joining member, a thermal stress arises by the difference in the thermal expansion coefficient of each member.

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 polarizers 3 and 4 constituting the optical isolator 1 are generally formed by dispersing fine metal particles facing back in a certain direction in an optical glass, and have an expansion coefficient of about 60 × 10 −7. It is. On the other hand, the Faraday rotator 5 is generally made of bismuth-substituted garnet and has an expansion coefficient of about 100 × 10 −7 . Therefore, it is difficult to make the thermal expansion coefficient of the substrate 2 coincide with the thermal expansion coefficient of both.

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 rotator 5, the extinction ratio of light passing through the Faraday rotator 5 deteriorates, and various characteristics of the optical isolator 1, particularly the isolation characteristics, deteriorate.

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 optical element 7 is bonded to the substrate 2 with the solder 8 as shown in FIG. 7, if flux is used as a method for removing the oxide film on the surface of the solder 8, corrosion of the solder 8 due to the flux is prevented. In addition, it is necessary to clean the flux so as not to cause degradation of the semiconductor laser element due to decomposition products such as outgas generated from the flux. However, as shown in FIG. 7, the gap between the optical elements 7 is narrow, and it is difficult to remove the flux residue even if ultrasonic cleaning or the like is performed using an organic solvent.

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 solder 8, the solder 8 pushed away by swinging the optical element 7 flows into the light transmitting portion of the optical element 7, and the optical isolator 1 Degradation occurs in insertion loss characteristics.

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 substrate 2 and the optical element 7 and applying ultrasonic waves while pressure-welding both, the bonding strength between the solder plating 10 and the substrate 2 or the optical element 7 is high. When weak, both joint strengths deteriorate. Further, when the solder plating 10 is performed by dipping, the flatness of the surface is poor, and the bonding is performed only at the protruding portion of the surface of the solder plating 10. In this case, when stress is applied to the optical element 7 from the outside, local stress concentration occurs at the joint location, so that the joint strength becomes unstable and the optical element 7 may drop off.

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 optical element 7 is bonded to the substrate 2 with the low melting point glass 11 as shown in FIG. 9, the pressed low melting point glass 11 transmits light of the optical element 7 when the optical element 7 is bonded to the substrate 2. The insertion loss characteristic of the optical isolator 1 is deteriorated.

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 optical isolator 1 is used in a laser light source module, it is necessary to join the package with solder or the like, and processing at a high temperature is required. Here, when a thermoplastic bonding member such as solder 8 or low-melting glass 11 is used as shown in FIGS. 7 and 9 when the optical isolator 1 is manufactured, deformation of the bonded portion is caused in an environment of the respective melting temperatures or higher. The danger of etc. arises.

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 solder 8 and the low-melting glass 11 contain lead, and when a product using these is discarded, special care must be taken, such as special treatment.

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 claims 1 to 6 are bonded by ultrasonic bonding.

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 optical isolator 1 according to the present invention will be described with reference to FIG.

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 optical isolator 1 of the present invention has a structure in which a flat plate polarizers 3 and 4, a Faraday rotator 5, and a magnet 6 for applying a saturation magnetic field to the Faraday rotator 5 are aligned and fixed on a substrate 2. . Here, the polarizers 3, 4 and the Faraday rotator 5 are bonded to the substrate 2 at the side surface perpendicular to the light transmission surface, and the magnet 6 is a rectangular parallelepiped and sandwiches the Faraday rotator 5 between the substrate 2 and the magnet 2. It is joined to both sides.

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 polarizers 3 and 4 are made of, for example, polarizing glass having a structure in which ellipsoidal metal particles are dispersed in glass. This polarizing glass is a glass having polarization characteristics by arranging long stretched metal particles in one direction in the glass itself, light having a polarization plane perpendicular to the stretch direction of the metal particles is transmitted, Light with a parallel polarization plane is absorbed. Here, the transmission polarization direction of the polarizer 3 is arranged to have an angle of approximately +45 degrees with respect to the transmission polarization direction of the polarizer 4.

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 Faraday rotator 5 is, for example, a bismuth-substituted garnet crystal, and the thickness thereof is set so that the polarization plane of incident light rotates 45 degrees. In general, in order to rotate the plane of polarization, it is necessary to apply a sufficient magnetic field in the direction of the optical axis L of incident light. Further, if the self-bias type Faraday rotator 5 is used, the optical isolator 1 operates without the magnet 6, so the magnet 6 becomes unnecessary.

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 optical element 7 including the polarizers 3 and 4 and the Faraday rotator 5 has a metallized film formed on the bonding surface with the substrate 2. The metallized film 9 is made of chromium, titanium or the like in the lower layer to improve adhesion, and tungsten, copper, nickel or the like in the intermediate layer to prevent metal diffusion. Further, gold, nickel or the like is applied to the upper layer.

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 film 9 may be formed by a known method, such as sputtering, vacuum deposition, or CVD. The sputtering method is performed according to the following principle. First, a film material (target) is placed in the vicinity of the sample to be coated in a vacuum processing container, and a voltage is applied between the sample and the target to move electrons and ions at high speed and collide with the target. Let Ions that collide with the target repel target particles. (Sputtering phenomenon) The repelled raw material particles collide and adhere to the sample to form a film. In vacuum deposition, a film target is placed in the vicinity of a sample to be coated in a vacuumed processing vessel, and the target is opposed to the sample to be coated in a vacuumed processing vessel. A film is formed by colliding the heated, evaporated and vaporized raw material with the sample. In the CVD method, a sample is placed in an atmosphere of a gas raw material, and a high-purity thin film is formed on the sample surface by a chemical reaction.

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 film 9 is formed, the metallized film 9 is shielded by using a resist or a protective member instead of the resist so that the metallized film 9 is not formed on the optical surface of the optical element 7.

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 magnet 6 is plated. The plating process has the purpose of maintaining the magnet shape in addition to the purpose of being used for bonding to the substrate 2. In general, since the magnet used for the optical isolator 1 is small and is often processed at a high temperature, the material is a samarium cobalt magnet that has excellent magnetic properties and is difficult to demagnetize at a high temperature. ing. Since samarium cobalt magnets have low mechanical strength, it is common to perform plating treatment to prevent cracks and cracks.

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 substrate 2, it is preferable to use an inorganic material such as metal or ceramic so that a degradation product such as outgas does not cause deterioration of the semiconductor laser element. The material and the surface treatment of the bottom of the substrate 2 are selected by means for mounting in the package. For example, when metal bonding is performed by soldering, a metallized film is formed on the back surface of the substrate 2, and a material having a thermal expansion coefficient matched to a portion where an optical isolator is to be attached is used. Moreover, when fixing by YAG welding, a material with good weldability such as SUS304 is used. When the optical element 7 is bonded to the substrate 2 according to the present invention, since the bonding is performed at a low temperature, it is not necessary to consider the thermal stress generated in the optical element 7. Therefore, it is not necessary to make the thermal expansion coefficients of the optical element 7 and the substrate 2 coincide with each other, and the material of the substrate 2 can be freely selected. However, a non-magnetic material is selected for the substrate 2 so that the magnetic field applied to the Faraday rotator 5 is not weakened by the magnet 6 disposed on the substrate 2 being magnetized in the opposite direction to the magnet 6. It is desirable to do.

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 substrate 2 at predetermined positions where the optical element 7 and the magnet 6 are joined. This is illustrated in FIG. The bumps 12 referred to here are the same as the solder bumps used for flip-chip mounting or the like, and are used to form a metal thin film consisting of a single layer or a plurality of layers in several islands on the substrate. The bump 12 only needs to have a thickness equal to or greater than the flatness of the surface of the substrate on which the bump is formed, and the substrate 2 and the member to be joined are joined only through the bump. Note that the size of the bump 12 is appropriately determined according to the size of the member to be bonded and the required bonding strength, and the bonding strength can be increased by using a plurality of bumps 12 for each bonding member.

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 bump 12 includes an electroplating method, a stud bump method, a printing method, and a vapor deposition method. Electroplating is the mainstream for forming gold bumps, and the stud bump method is used in part.

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 bumps 12, an electroplating method and a vapor deposition method that employ a lithography process are advantageous. In the electroplating method, a barrier metal is first formed by sputtering or vapor deposition, a resist film is applied on the barrier metal, exposure and development are performed, and an opening is formed. After a bump material is grown on the opening by electroplating, the resist film is removed leaving the bump. The vapor deposition method is performed using a vacuum vapor deposition method when a bump material is grown in the opening after the same pre-process as the electroplating method.

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 bump 12, gold, nickel, or the like can be selected.

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 polarizers 3 and 4, the Faraday rotator 5, and the magnet 6, which are the members to be bonded, are bonded onto the substrate 2, as illustrated in FIG. Is held on the anvil 15, the member 13 to be bonded is seated on the bump 12 of the substrate 2, and ultrasonic waves are applied for several seconds while pressing the member 13 to be bonded by the tool 16. The ultrasonic wave is generated by the ultrasonic vibrator 17, then the amplitude is increased via the horn 18, and then propagated to the tool 16. The ultrasonic vibration forms a standing wave at the horn 18 and the tool 16 portion. By using the portion that pressurizes the member 13 to be antinode of vibration, the ultrasonic vibration can be efficiently transmitted to the member 13 to be bonded. it can. The applied pressure needs to be optimized depending on the material of the bumps 12, but when gold is used as an example, about 150 gf per bump 12 is appropriate.

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 film 9 and the plating film applied to the member to be bonded 13 and the surface of the bump 12 formed on the substrate 2 cause friction by ultrasonic vibration, and the metal surface The oxide film and adsorbate are destroyed, and the joint surface is mechanically cleaned. In addition, the joining surface is smoothed and adhesion nuclei are generated. In the latter stage of ultrasonic bonding, the bonding surfaces are sufficiently close to each other, a cohesive force is generated, and a rapid composition flow is generated to expand the bonding surface. The destroyed metal surface film is diffused and present in the vicinity of the joint surface.

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 heater 19 is added to the anvil 15 portion, the substrate 2 is preheated at a low temperature of about 150 to 200 ° C., and the substrate 2 is heated to a predetermined temperature. It is preferable to perform bonding.

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 collet 14, but when the member to be bonded 13 is a brittle material, mechanical strength is obtained. Therefore, there is a concern that cracks may occur in the bonded member 13 when the collet 14 that has undergone ultrasonic vibration comes into contact. This can be prevented by applying an element protecting metallized film 20 on the contact portion of the member 13 to be contacted with the collet 14, that is, on the opposite surface of the bonding surface of the member 13 to be bonded to the substrate 2. When the member 13 to be joined is a brittle material such as an optical element, if the metallized film 20 is processed, microcracks in the outer periphery of the optical element generated when the optical element is cut into small pieces are filled, and the optical element Since compressive stress is applied from the outer peripheral portion, the mechanical strength of the optical element is improved. Since the metallized film 20 may be processed in the same structure as the metallized film 9 used for bonding to the substrate described above, both metallized films can be formed in a lump.

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 substrate 2 and the member 13 to be joined greatly affects the joining strength. Therefore, the substrate 2 and the member to be bonded 13 need to be cleaned in advance. The cleaning treatment includes ultrasonic cleaning that is wet cleaning, ultraviolet ozone cleaning that is dry cleaning, plasma cleaning, cleaning by laser irradiation, and the like. It is also effective to use these in combination.

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 film 9 is to be applied and the height variation of the bumps 12 have a great influence on the bonding strength and the destruction and deformation of the product. If the surface roughness of the metallized film 9 is rough, the proximity of the metal surfaces becomes insufficient at the time of bonding, and the bonding strength decreases. Moreover, there is a risk that the application time of the ultrasonic wave becomes long and the product is destroyed. Further, when the flatness of the metallized film 9 is poor and the height of the bumps 12 varies, a part of the bumps 12 does not come into contact with the metallized film 9 on the bonded member 13 side, leading to deterioration of bonding strength. Further, when the substrate 2 is pressed toward the member to be bonded 13, the substrate 2 is bent and internal stress is generated on the bonding surface, which causes the bonded portion to be broken. The surface roughness of the metallized film 9 is preferably Ra 1.6 μm or less, and the flatness of the metallized film 9 and the height variation of the bumps 12 are preferably about 2 μm or less. When the bumps 12 are formed, it is relatively easy to realize processing accuracy, and a stable joining operation can be performed.

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 tool 16 is increased in order to increase the contact resistance between the collet 14 and the components held by the collet 14. This also has the purpose of preventing the joint between the collet 14 and the product held thereby. Note that adding a clamping mechanism to the tip of the collet 14 is also effective for increasing the contact resistance between the collet 14 and the member 13 to be joined.

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 bump 12 part affects the time for applying ultrasonic waves during bonding. FIG. 10 is a table showing the relationship between the ultrasonic application time and the bonding strength according to the hardness of the gold bump 12 when the magnet 6 is bonded to the gold bump 12 formed on the alumina substrate 2 shown in FIG. is there. The gold bumps 12 were formed by first applying a molybdenum manganese metallized paste on the alumina substrate 2 and then firing in a reducing atmosphere to form a conductive film. Thereafter, a barrier metal layer composed of a chromium layer of 0.3 μm and a nickel layer of 0.35 μm was formed by electroplating. Then, after applying a resist film, an opening was formed at a bump 12 formation location through a lithography process, and a bump material was grown by 50 μm by electroplating. Further, a nickel layer of 5 μm and a gold layer of 0.2 μm were formed on the surface of the magnet 6 by electroplating. The magnet was bonded to the substrate by a total of six bumps, the ultrasonic frequency was 30 kHz, the applied pressure was 150 gf per bump, and the members were bonded while heating the members to 150 ° C.

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 gold bump 12 is lower, a sufficient bonding strength is obtained even when ultrasonic waves are applied for a short time. When a bump having a hardness of 154 Hv is used, the bonding strength is saturated in about 45 seconds. On the other hand, when the gold bump 12 having a hardness of 185 Hv was used, the bonding strength was not saturated even when the ultrasonic application was performed for 120 seconds. The reason for this tendency is considered to be that if the hardness of the metal forming the gold bump 12 is low, the gold bump 12 is deformed in a short time and the bonding area with the metallized film 9 is sufficiently widened. In consideration of the time required for bonding in practice, if the ultrasonic application time is 60 seconds or less, the hardness of the gold bump is considered to be 175 Hv or less. When gold is used for the bump material, the hardness depends on the purity of the gold, and the hardness decreases as the purity increases. When nickel is used for the bump 12, the hardness of the bump 12 varies depending on plating conditions such as a plating method and a plating solution composition when the nickel bump 12 is formed. In general, when a Watt bath is used in electroplating, the hardness of the bump 12 is most softened, and a hardness of about 150 Hv is obtained. Further, when a sulfamic acid bath is used, only a hardness of about 200 Hv can be obtained. Therefore, it is appropriate to form the nickel bumps 12 by electroplating using a watt bath.

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 bump 12 portion and the size of the bump 12 bonding surface affects the bonding strength. FIG. 11 is a table showing the relationship between the height H of the bump 12 portion and the area S of the bump 12 bonding surface with the A value obtained by H / (S 0.5 ).

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 gold bump 12 on the alumina substrate 2 as mentioned above, and the thing which gave the gold plating to the magnet 6 surface. In addition, it joined by the bump 12 of a total of six places, the gold bump 12 used the thing of hardness 154Hv, and applied the ultrasonic wave for 60 seconds.

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 bump 12 and the metallized film 9 is large, the pressure per unit area of the contact surface is reduced, and the bump 12 is thin, so the bump 12 is not deformed. This is probably because the area of the contact interface between the bump 12 and the metallized film 9 could not be obtained sufficiently. In addition, when the A value is large, the bump 12 is formed by plating when the bump 12 is formed, the height of the bump 12 is bent, the substrate bends during bonding, and a stress is applied between the bump 12 and the metallized film 9 in the peeling direction. It is considered a thing. Thus, the A value is considered to be appropriate from 0.25 to 1.0.

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 member 13 side and pressed onto the substrate 2 held on the anvil 15. On the contrary, ultrasonic waves are applied to the substrate 2 and held on the anvil 15. A method of pressure-bonding on the bonded member may be taken.

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 bump 12 is formed on the substrate 2 side, and the metallized film 9 is formed on the bonded member side composed of the optical element 7 and the magnet 6, but this is conversely metallized on the substrate 2 side. The film may be formed with bumps 12 on the bonded member side.

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 optical isolator 1 of the present invention, the bonding between the substrate 2 and the member to be bonded such as the optical element 7 and the magnet 6 including the polarizers 3 and 4 and the Faraday rotator 5 is as low as about 150 to 200 ° C. Therefore, the occurrence of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient of each member is extremely small, and the optical element 7 which is a brittle material is not cracked, and the extinction ratio of the Faraday rotator 5 is not deteriorated. . Therefore, an optical isolator excellent in reliability and excellent in optical characteristics, particularly in isolation characteristics can be manufactured.

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 optical element 7 or the magnet 6 and the substrate 2 are ultrasonically bonded, the flux for removing the oxide film on the surface of the metallizing film 9 for bonding and the bump 12 is unnecessary, and the work of cleaning the flux after the bonding work is also required. It is unnecessary.

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 optical element 7, and the insertion loss characteristic of the optical isolator 1 is always good.

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 substrate 2 and the member to be joined are joined is limited to the place where the bump 12 is formed. For this reason, by dispersing the locations where the bumps 12 are formed, when stress is applied to the members to be joined from the outside, it is possible to disperse the stress concentration at the joint locations. Further, since it is easy to increase the flatness of the metallized film 9 and the height accuracy of the bumps 12, the bonding strength itself between the metallized film 9 and the bumps 12 can be stabilized.

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 film 9 and the bump 12 are directly bonded to each other between the substrate 2 and the member to be bonded, the heat resistance of the bonded portion depends on the melting point of the material forming the metallized film 9 and the bump 12 part. Become. For example, if nickel and gold are used as the material of the metallized film 9, the melting points thereof are gold 1064 ° C. and nickel 1453 ° C., and sufficient heat resistance as the optical isolator 1 can be secured.

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 film 9 and the bumps 12 are directly bonded to each other between the substrate 2 and the member to be bonded, a bonding member using lead or the like is unnecessary, and an excellent product in terms of environment is provided. It is possible.

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 film 9 and the bumps 12 are formed on the substrate of the optical isolator 1 by batch processing on a large flat substrate material and then cutting into small pieces by dicing and then manufacturing a large number. did.

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 substrate 2 was made of alumina, and the surface was polished to have a flatness of 2 μm or less before use. In forming the bumps 12, first, a molybdenum manganese metallized paste was applied, and then fired in a reducing atmosphere to form a conductive film. Thereafter, a barrier metal layer composed of a chromium layer of 0.3 μm and a nickel layer of 0.35 μm was formed by electroplating. Then, after applying a resist film, an opening was formed in a bump formation portion through a lithography process, and a bump 12 material was grown by electroplating. In addition, gold | metal | money was selected as a material of bump 12, The thickness was 50 micrometers.

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 | substrate 2 and the optical element 7 were joined with the bump 12 of 4 places, respectively, and the board | substrate 2 and the magnet 6 were joined with the bump 12 of 6 places. The dimensions of each member constituting the product are shown in FIG. 4, and the size and position of each bump 12 are shown in FIG.

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 polarizers 3 and 4, a polar core 1550HC manufactured by Corning is used, and as the Faraday rotator 5, YTd5V manufactured by Sumitomo Metal Mining is used, and the metallized film 9 of each optical element 7 and the metallized film 20 for element protection are used. In this processing, a chromium layer of 0.3 μm, a nickel layer of 0.35 μm, and a gold layer of 0.2 μm were formed by a sputtering method. In addition, when performing the formation process of a metallization film so that a metallization film may not be formed on the optical surface of each optical element 7, a resist film is formed on the optical surface of each optical element 7, and after the formation process of the metallization film, in an organic solvent This was removed by ultrasonic washing with.

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 magnet 6, and a nickel layer of 5 μm and a gold layer of 0.2 μm were formed on the surface by electroplating.

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 optical element 7 and the magnet 6 are bonded on the substrate 2, as shown in FIG. 3, the bonded member 13 made of the optical element and the magnet is attracted and held by the collet 14, while the substrate 2 is held on the anvil 15. Then, the member to be bonded 13 was seated on the bump 12 of the substrate 2, and ultrasonic waves were applied while pressing the member to be bonded 13 with the tool 16. Here, the frequency of ultrasonic waves was adjusted to 30 kHz, and the applied pressure was adjusted so that 150 gf was applied to each bump 12. Further, the anvil 15 portion was heated to 150 ° C. by the heater 19 and joined.

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 optical element 7 and the substrate 2 are bonded, the bonding strength is almost saturated when the ultrasonic wave application time is 45 seconds or more. Further, when the magnet 6 and the substrate 2 are bonded, the bonding strength is almost saturated when the ultrasonic wave application time is 75 seconds or more. Therefore, it was decided to apply ultrasonic waves at these times.

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 film 9 to a bonding surface between a substrate 2 and a member to be bonded such as an optical element 7 or a magnet is bonded using gold-tin solder 8. Prepared.

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 substrate 2, and the metallized film 9 is formed by performing molybdenum manganese treatment on the substrate to form a conductive film, and then forming a chromium layer 0.3 μm, a nickel layer 0.35 μm, and a gold layer 0. .2 μm was applied by electroplating. The optical element 7 and the magnet were the same as those used in the examples of the present invention.

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-tin solder 8 was used when the optical element 7 and the magnet were joined on the substrate 2. First, the substrate 2 was placed on a hot plate and heated to 280 ° C., which is the melting point of the gold-tin solder 8, and then the solder foil was placed on the substrate 2 and melted. Thereafter, the members to be joined were pressed onto the substrate 2 and subjected to scrubbing to perform joining. In addition, this time, the flux was not used as a method for removing the oxide film on the surface of the solder 8 but scrub treatment was used. This is because it is difficult to remove the flux after joining. Further, in order to prevent an oxide film from being formed on the surface of the solder 8, nitrogen gas was blown onto the product.

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 soldered plate 10 was applied to the bonding surface between the optical element 7 and a member to be bonded such as a magnet and the substrate 2 and then ultrasonic bonding was prepared. The material of the solder 8 was lead-tin eutectic solder 8.

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 substrate 2 and the solder plating 10 is formed by performing molybdenum manganese treatment on the substrate 2 to form a conductive film, and then forming a chromium layer 0.3 μm, a nickel layer 0.35 μm, and a solder layer 5 μm was formed by electroplating.

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 optical element 7 and the substrate 2. In order to prevent the metallized film and the solder plating from being formed on the optical surface of each optical element 7, a resist film is formed on the optical surface of each optical element 7 during the processing, and after the solder plating is formed, the resist film is formed in an organic solvent. This was removed by sonic cleaning.

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/mm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 optical element 7 and the magnet were bonded on the substrate 2, the ultrasonic bonding method used in the example of the present invention shown in FIG. 3 was used. As working conditions, the ultrasonic frequency was 30 kHz, and the applied pressure was 1500 gf / mm 2 per unit area of the joint surface, which was the same as the applied pressure per unit area applied to each bump 12 in the embodiment of the present invention. It adjusted so that it might become. Further, the anvil 15 part was heated to 150 ° C. by the heater 19 and joined. The ultrasonic wave application time was 3 minutes for the optical element 7 and 4 minutes for the magnet 6. In addition, this time, flux was used as a method for removing the oxide film of the solder plating 10. This is because the oxide film of the solder plating 10 is strong and the solder plating layers are not joined to each other even when the scrub treatment is performed in a nitrogen atmosphere.

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。

Figure 2006064989
50 samples were prepared for each, and the average peak value and insertion loss value of the isolation were compared, and the standard deviation indicating the variation was compared. The results are shown in Table 1.
Figure 2006064989

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。

Figure 2006064989
In addition, for each of the 10 samples, the shear bonding strength of the member to be bonded, particularly the magnet 6 portion, and their standard deviation were compared. The results are shown in Table 2.
Figure 2006064989

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.

本発明による光アイソレータの実施形態を示す斜視図。The perspective view which shows embodiment of the optical isolator by this invention. 本発明による光アイソレータの各部材構成を示す斜視図。The perspective view which shows each member structure of the optical isolator by this invention. 本発明による超音波接合方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the ultrasonic bonding method by this invention. 本発明による実施例で作製した製品の寸法を示す3方図である。It is a three-way figure which shows the dimension of the product produced in the Example by this invention. 基板上に施されたバンプの寸法を示す上面図である。It is a top view which shows the dimension of the bump provided on the board | substrate. 従来の光アイソレータを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional optical isolator. ハンダにより部材を接合する光アイソレータの断面図である。It is sectional drawing of the optical isolator which joins a member with solder | pewter. ハンダメッキ同士の超音波接合により部材を接合する光アイソレータの断面図である。It is sectional drawing of the optical isolator which joins a member by ultrasonic joining of solder plating. 低融点ガラスにより部材を接合する光アイソレータの断面図である。It is sectional drawing of the optical isolator which joins a member with low melting glass. 超音波印可時間と接合強度の関係を金バンプの硬度ごとに示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between ultrasonic application time and joining strength for every hardness of gold bumps. A値と接合強度の関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between A value and joint strength. 超音波の印可時間と接合強度の関係を示したグラフである。3 is a graph showing a relationship between ultrasonic application time and bonding strength.

符号の説明Explanation of symbols

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: Substrate 3, 4: Polarizer 5: Faraday rotator 6: Magnet 7: Optical element 8: Solder 9: Metallized film 10: Solder plating 11: Low melting glass 12: Bump 13: Bonded member 14 : Collet 15: Anvil 16: Tool 17: Ultrasonic vibrator 18: Horn 19: Heater 20: Metallization film for element protection

Claims (7)

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接合構造。 In a bonding structure in which optical elements are aligned and fixed on a substrate, one of the optical element and the substrate has a metal bump and the other has a metallized film, and both are metal-bonded by the metal bump and the metallized film. Joining structure characterized by 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光アイソレータ。 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, one of the optical element and the substrate has a metal bump, and the other has a metallized film. An optical isolator, wherein the metal bump is metal-bonded to the metallized film. 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請求項2記載の光アイソレータ。 The value of H / (S 0.5 ) is 0.25 to 1.0 with respect to the height H of the metal bump and the area S of the contact surface between the metal bump metallized film. Item 3. The optical isolator according to Item 2. 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した請求項2記載の光アイソレータ。 3. The optical isolator according to claim 2, wherein 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. 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した請求項2記載の光アイソレータ。 3. The optical isolator according to claim 2, wherein the metal bump is made of nickel and the outermost surface of the metallized film is made of nickel. 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した請求項2記載の光アイソレータ。 The optical isolator according to claim 2, wherein a metallized film is formed on a surface of the optical element facing the joint surface with the substrate. 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光アイソレータの製造方法。 The method for manufacturing an optical isolator, wherein the metal bump and the metallized film according to claim 1 are bonded by ultrasonic bonding.
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