JP2006120781A - 光電変換モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】 光電変換素子と電子回路素子とをパッケージ化する際に、通常のマルチチップモジュールにおける電気実装精度と同様なアライメントトレランスの大きな実装が可能でかつ高周波特性に優れた光電変換モジュールを提供する。
【解決手段】 光電変換素子３と電子回路素子7とをパッケージして光電変換モジュール１を作製する場合に、光電変換素子３を予め光学素子４と第１のパッケージ６として光学実装しておくことにより、マルチチップモジュールの封止において、通常の電気実装パッケージと同様な封止により、光電変換モジュール１の作製時の光学実装が不要となり、簡単かつ低コストで作製可能となる。さらに、光電変換素子３は半導体基板２の片面に形成され、当該光電変換素子３を基板２，９間のフリップチップ実装のみで実装しておりワイヤボンド実装を用いていないので、その高周波特性を向上させることもできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光伝送、光計測、光メモリ等の各種分野に適用可能で光の入出射を行う光電変換モジュールに関する。
光電変換素子と電子回路素子とをパッケージ化することによりマルチチップモジュールとなる光電変換素子パッケージ（“ＯＥ−ＭＣＭ”とも呼ばれる）は、光電変換素子、光結合素子、光実装基板、発光光電変換素子用ドライバ電子回路素子、受光光電変換素子用増幅電子回路素子、論理電子回路素子、さらにはこれら全体を封止するパッケージ、端子、ＭＣＭ基板等から構成される。
特許文献１，２等には、従来の光電変換素子パッケージの構成例が掲載されており、光電変換素子、電気回路素子及び周辺部品が同一部品に実装されている。
図５は、特許文献２に記載された従来の光電変換素子パッケージの構成例を示す概略断面図である。コネクタ構成を有する部品（光ファイバ１００等）と、これに対して位置調整された光電変換素子（ＬＤチップ１０１等）、電気回路素子（受信用ＰＤ１０２等）、及び周辺部品（モニタ用ＰＤチップ１０３、光導波路１０４中のＷＤＭフィルタ１０５等）が不透明で硬化性に優れたエポキシ樹脂等のモールド部材１０６によりモールドされている。なお、ＬＤチップ１０１及びモニタ用ＰＤチップ１０３周りはＬＤチップ１０１からの光をモニタ用ＰＤチップ１０３に導光させるためにシリコーン系樹脂等の透明樹脂１０７により覆われている。
これにより、従来の金属のハーメチック封止による光電変換素子パッケージよりも、小型・低価格化が実現可能となる。
特開２００２−２０２４３８公報 特開２０００−２２８５５５公報
しかしながら、特許文献２において、外部の光ファイバ１００と光電変換素子（ＬＤチップ１０１）とを高効率で光結合させるためには高精度な光実装が必要なため、外部の光ファイバ１００の一部をモールド部材１０６に直接挿入して一体化しており、外部の光ファイバ１００の脱着ができない。このため、このような光電変換素子パッケージのプリント基板への実装には、リフロー炉を量産で用いることは困難であり、ロボット半田付けや手半田付け等による少量生産しかできない。さらには、機器内光伝送におけるボード間光伝送のように機器組み付け作業としてコネクタが必須の装置には用いることができない。
また、この光ファイバの挿入に代えて光コネクタをモールド部材に直接挿入して一体化すれば、光電変換素子パッケージと外部の光ファイバとを脱着ができるようになるが、実際には、光コネクタ自体が部品コストとして高価であり低コスト化できないばかりか、光コネクタという大きい部材に対する高精度の光実装が必要となり、組付けコストが増大する。
図６は、本出願人既提案の光電変換モジュールの構成例を示す概略断面図である。本出願人提案の特願２００３−１０７３４０によれば、これらの問題を解決するために、図６に示すような光電変換素子パッケージ（光電変換モジュール）が提案されている。この光電変換素子パッケージは、光電変換素子１１０とこの光電変換素子１１０を封止する透明材料１１１とからなる第１のパッケージ１１２と、光電変換素子１１０と電気的に接続された電子回路素子１１３と第１のパッケージ１１２とを封止する第２のパッケージ１１４とよりなり、第１のパッケージ１１２の一部が露出面１１１ａとして第２のパッケージ１１４の一部から外部に露出している構成とされている。なお、図６において、１１５は電気的配線を有して光電変換素子１１０が実装された基板、１１６は第１のパッケージ１１２と電子回路素子１１３とが実装されて共通の電気配線を有する基板、１１７，１１８は電子回路素子１１３、光電変換素子１１０を各々基板１１６，１１５上の電気配線に電気的に接続するためのボンディングワイヤ、１１９，１２０は各々の基板１１６，１１５の基板バンプであり、基板１１６の電気配線により基板バンプ１１９，１２０は電気的に接続されている。また、１２１は基板１１６上の電子回路素子１１３及び第１のパッケージ１１２を露出面１１１ａを残して封止する封止材料である。
従って、特願２００３−１０７３４０の提案例においては、光電変換素子１１０と電子回路素子１１３とをパッケージして光電変換モジュールを作製する場合に、光電変換素子１１０を予め光学部品と光学実装しておくことにより、マルチチップモジュールの封止において、通常の電気実装パッケージと同様な封止により、光電変換素子パッケージの作製時の光学実装が不要となり、簡単かつ低コストで作製可能な光電変換モジュールを提供できる。
しかしながら、特願２００３−１０７３４０の提案例における光電変換モジュールでは、光電変換モジュールをダイボンド実装とワイヤボンド実装とにより実装しているので、その２．５ＧＨｚ以上の高周波特性が劣化し、信号伝送エラーレートが増加する。
本発明の目的は、光電変換素子（光と電気との信号変換を行う素子＝発光素子や受光素子等）と電子回路素子とをモジュール化する際に、通常のマルチチップモジュールにおける電気実装精度と同様なアライメントトレランスの大きな実装を可能とする高周波特性に優れた光電変換モジュールを提供することにある。
より具体的には、本発明の目的の一つは、光電変換素子と電子回路素子とをパッケージして光電変換モジュールを作製する場合に、光学素子のアライメントが不要となる簡単で低コストな実装を可能とし、かつ、その高周波数特性を向上させることである。
本発明の目的の一つは、光電変換素子と電子回路素子とをパッケージして光電変換モジュールを作製する場合に、光学素子のアライメントが不要となる簡単で低コストな実装を可能とし、かつ、その高周波数特性と光利用効率とを向上させることである。
本発明の目的の一つは、光電変換素子と電子回路素子とをパッケージして光電変換モジュールを作製する場合に、光学素子のアライメントが不要となる簡単で低コストな実装を可能とし、かつ、その高周波数特性と光利用効率とを向上させると同時に、光学素子の形状精度を向上させることである。
本発明の目的の一つは、光電変換素子と電子回路素子とをパッケージして光電変換モジュールを作製する場合に、光学素子のアライメントが不要となる簡単で低コストな実装を可能とし、かつ、その高周波数特性と光利用効率とを向上させると同時に、光学素子の形状精度を向上させ、かつ、その作製方法をより容易とすることである。
請求項１記載の発明の光電変換モジュールは、半導体基板と、この半導体基板の片面側に形成された光電変換素子と、この光電変換素子が形成された面と同一面側を封止するように前記半導体基板に密着させた誘電体材料による透明部材と、前記光電変換素子に対して位置決めされて前記透明部材中に設けられ前記光電変換素子の伝播光に対して光学作用を示す光学素子とを有する第１のパッケージと、前記光電変換素子が形成された面とは反対側の面で前記半導体基板がフリップチップ実装された基板と、この基板上に実装されて前記光電変換素子と電気的に接続された電子回路素子と、前記透明部材の一部を外部露出面として残して前記基板上の前記第１のパッケージと前記電子回路素子とを封止する不透明部材とを有する第２のパッケージと、を備える。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光電変換モジュールにおいて、前記外部露出面は、平坦面である。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の光電変換モジュールにおいて、前記光学素子は、前記透明部材の前記外部露出面近傍に形成されて伝播光に対して平行光束変換又は集光・発散光束変換なる光学作用を示すマイクロレンズである。
請求項４記載の発明は、請求項１，２又は３記載の光電変換モジュールにおいて、前記透明部材は、前記半導体基板に密着している部分を有する第１の透明部材と、前記外部露出面を有するとともに前記光学素子が形成される第２の透明部材との積層構造よりなる。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の光電変換モジュールにおいて、前記第１の透明部材は無機誘電体材料からなり、前記第２の透明材料は有機誘電体材料からなる。
請求項１記載の発明によれば、光電変換素子と電子回路素子とをパッケージして光電変換モジュールを作製する場合に、光電変換素子を予め光学素子と光学実装しておくことにより、マルチチップモジュールの封止において、通常の電気実装パッケージと同様な封止により、光電変換モジュールの作製時の光学実装が不要となり、簡単かつ低コストで作製可能な光電変換モジュールを提供することができる。さらに、光電変換素子をフリップチップ実装のみで実装しておりワイヤボンド実装を用いていないので、その高周波特性を向上させることもできる。
請求項２記載の発明によれば、外部露出面が平坦面であるので、光電変換モジュールとは別の光学素子と光電変換モジュール内の光電変換素子とを、より簡単に光結合できる光電変換モジュールを提供することができる。
請求項３記載の発明によれば、請求項１，２記載の発明の効果に加えて、マイクロレンズにより伝播光を平行光束変換又は集光・発散光束変換することができ、光利用効率を向上させることができる。
請求項４記載の発明によれば、請求項１，２又は３記載の発明の効果に加えて、透明部材を、半導体基板に密着する部分を有する第１の透明部材と光学素子が形成される第２の透明部材との積層構造としているので、透明部材を２つの別の部材又は材料によって各々作製することができ、光学素子の形状を高精度にすることができる。
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、半導体基板に密着する部分を有する第１の透明部材が無機誘電体材料からなり、光学素子が形成される第２の透明部材が有機誘電体材料からなるので、光学素子を容易に作製することができる。
本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１は、本実施の形態の光電変換モジュール１の構成例を原理的に示す概略断面図である。図１において、２は半導体基板、３は半導体基板２の片面側に薄膜技術等により形成された光電変換素子としての面発光レーザ（Vertical Cavity Surface-Emitting Laser＝ＶＣＳＥＬ＝ＬＤ）、４はこのＬＤ３と同一面側にてＬＤ３に対して位置決めされて設けられてＬＤ３から出射される伝播光に対して光学作用を示す光学素子、５は半導体基板２のＬＤ３と同一面側を封止するように密着させた誘電体材料による透明部材であり、これらの部材・要素２〜５によりＬＤパッケージ（第１のパッケージ）６が構成されている。また、７はＬＤ３に対するＶＣＳＥＬドライバや信号処理回路等が設けられた電子回路素子としてのＬＳＩ、８は電気的結合のためのボンディングワイヤ、９はＭＣＭ（Multi Chip Module）基板、１０はＬＤパッケージ６とＬＳＩ７とを封止する不透明部材であり、これらの部材・要素７〜１０によりＭＣＭパッケージ（第２のパッケージ）１１が構成されている。ＭＣＭパッケージ１１においては、ＬＤパッケージ６の一部、具体的には、透明部材５の一部が外部露出面５ａ（ＬＤ３に対向する出射面）として外部に直接露出するようにパッケージ化されている。また、不透明部材１０は透明部材５とは異なる材料により構成されている。また、１２はＭＣＭ基板バンプ、１３は半導体基板バンプであり、ＭＣＭ基板９に対して半導体基板２がフリップチップ実装され、ＭＣＭ基板９の電気配線により、ＭＣＭ基板バンプ１２と半導体基板バンプ１３とが電気的に接続されている。
このような構成において、情報信号と電源は、ＭＣＭ基板バンプ１２を通して電気実装された光電変換モジュール１の下に位置するプリント基板（図示せず）より伝達される。この情報信号は、立体多層配線されたＭＣＭ基板９とボンディングワイヤ８とを経て、ＬＳＩ７に伝達される。ＬＳＩ７は、この情報信号をパラレルシリアル変換、プロトコル変換等の信号処理した上で、光信号発信のためのＶＣＳＥＬ駆動用電圧を発生させる。このＶＣＳＥＬ駆動用電圧は、ＭＣＭ基板９と半導体基板バンプ１３とを経て、半導体基板２に伝達され、さらにこの半導体基板２上に形成されたＬＤ３に伝達される。ＬＤ３は、この駆動用電圧に基づいてレーザ光を変調発光させる。
図１に示すような構造によれば、半導体基板２に形成されたＬＤ３と光学素子４とは、光学的位置関係が予め位置決めされているので、ＭＣＭ基板９に対する半導体基板２とＬＳＩ７の実装に対してどちらも光学的な位置合わせが不要であり、通常の電気実装の位置精度で実装することが可能となる。これにより、通常のＭＣＭ実装工程での作製が可能となり、非常に低コストの光電変換モジュール１としてのＭＣＭを作製することができる。また、半導体基板２とＭＣＭ基板９とでバンプ１２，１３によるフリップチップ実装が可能となり、ワイヤボンド実装の部分を低減でき、ＭＣＭ基板９と半導体基板２とを直接フリップチップ実装しているので、電気実装自体も高精度で高周波特性に優れた実装にすることができる。
さらに、複数のＬＤと密着させた透明部材やＰＤ（Photo Detector）と密着させた透明部材がある場合でも、通常の電気実装と同様にＭＣＭを作製することができ、ＭＣＭを低コストで多機能化することが容易となる。この位置決めは、半導体基板と光学素子が形成された光学基板とをウエハレベルでアライメントして接合してもよいし、半導体基板と光学基板とを接合した後に、アライメントした上で光学素子をウエハレベルで形成してもよい。また、インクジェット等により接合後に個別にアライメントしながら光学素子を形成してもよい。
また、半導体基板と光学基板との接合後に、半導体基板のＥＬＯ（Epitaxially Lateral Overgrowth）処理又は研磨処理により半導体基板を薄膜化したり、半導体基板に深溝エッチングを行って貫通孔を形成して、ＬＤ３とは逆の側からフリップチップ実装できるようにすることが必要である。
ここに、ＭＣＭ基板９としては、セラミックス基板やＦＲ４基板やポリイミド基板やビルドアップ基板を用いることができる。また、２つの異なる第１，第２のパッケージ用の材料間（部材６，１０間）に第３のパッケージ材料としてゲル又はエラストマー又はゴム状の低粘性又は低弾性の材料を用いて、熱応力を低減させることも重要である。
図１において、ＬＳＩ７とＬＤパッケージ６とを封止する不透明部材１０には、ガスバリア特性、対透湿特性、対高熱性、対熱サイクル特性、対機械的接触性、対α線特性等を向上させる機能が必要であり、半導体基板２に対して封止作用のある透明部材５には、ガスバリア特性、対透湿特性、対高熱性、対熱サイクル特性、対機械的接触性等の通常の機能に加えて、透明であって、かつ、レーザ光の波面を乱さない光学素子としての特性が必要である。
このため、通常の不透明なエポキシ系の封止材やフィラーを分散させた封止材等を用いて、ＬＳＩ７と半導体基板２とを同時に封止することはＬＤ３から放出されたレーザ光の吸収損失を増加させたり、波面収差が非常に大きくなってしまうために使用できない。また、透明部材５に用いることができる封止材料は、透明であってかつレーザ光の波面を乱さないために材料構成の限定を大きく受けるので、ＬＳＩ７の封止材としては、信頼性の上で不十分である。これは、特にサブμｍ以下かつ１ＧＨｚ以上の高周波の信号伝達時に問題となる。
図１に示す本実施の形態では、半導体基板２に対して封止作用を有する透明部材５とＬＳＩ７の封止材料としての不透明部材１０の構成を別とし、かつ、透明部材５の一部を外部露出面５ａとして光電変換モジュール１から外部に露出させているため、不透明部材１０と透明部材５とを異ならせることができるため、各々の封止に最適な材料を調整することができる。
このため、特に図示しないが、光学素子を設けなくとも、ＬＳＩ７を不透明部材で封止し、半導体基板２を透明部材で封止して、各々を異なる材料で封止する構成とすることも、ＬＳＩ７及び半導体基板２さらにはこの半導体基板２に形成されたＬＤ３、そして実装手段となるワイヤボンドやバンプの信頼性を向上させることができるようになり効果的である。このような光電変換モジュール１は、透明部材５の外部露出面５ａを用いて着脱可能な光コネクタの部品として用いることもできる。
また、本実施の形態では、光電変換素子としてＬＤ３を用いたが、ＬＤに代えてＰＤ（Photo Detector）を光電変換素子として用い、このＰＤが形成された半導体基板を用いる場合も同様の効果を得ることができる。さらに、このようなＰＤモジュールには、第１段となる増幅電子回路（ＴＩＡと呼ばれる）を有する電子回路素子を同時にパッケージすることが好ましい。これは、ＰＤの近傍、かつ、予め近傍で高周波特性を重視した電気配線構成と電気シールド構成を付加した電気実装構成を設けておくことにより、ノイズの少ないＰＤパッケージを構成することができるようになる。さらに、ＰＤパッケージの側面に導電材料をメッシュ状にパターン塗工形成することにより、シールドを向上し雑音を低減することができる。
また、面発光レーザを封止したＬＤが形成された基板に密着させた透明部材とＰＤが形成された基板に密着させた透明部材とを同時にＭＣＭパッケージに封止してもよい。さらに、これらを一体化して、ＰＤと面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）とを同じパッケージに封止して、ＰＤ−ＶＣＳＥＬ複合パッケージを構成することも小型化でき効果的である。
また、特に図示しないが、光学素子に代えて、光学素子位置決め手段を透明部材に設けても、同様に電気実装レベルの実装が可能となり効果的である。
［第二の実施の形態］
本発明の第二の実施の形態を図２に基づいて説明する（第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。以降の実施の形態でも、順次同様とする）。本実施の形態は、前述した第一の実施の形態に準ずる光電変換モジュールをコネクタ部品の一方とする、光接続への適用例を示す。
図２は、本実施の形態の光電変換モジュールとこれに接続する光コネクタの構成例を示す概略断面図である。２１は光コネクタ機能を有する本実施の形態の光電変換モジュールであり、３１は光コネクタであり光パッチコードの片側である。図２において、本実施の形態の光電変換モジュール２１は、ＬＳＩ７とＬＤ３が形成された半導体基板２とを有し、半導体基板２上には透明部材５が密着するように封止されている。この透明部材５には光学素子としてその外部露出面５ａ近傍に埋め込み型のマイクロレンズ２２が設けられている。２３は、ＬＤ３から出射される発光光束であり、発散光であるが、マイクロレンズ２２より平行光束に変換されて外部に出射される。
また、図２において、光コネクタ３１の部品３２はコネクタ本体、３３は光ファイバ、３４はコネクタ本体３２に設けられた埋め込み型のマイクロレンズである。マイクロレンズ３４は、入射する平行光束を光ファイバ３３の端面に集光する。これらのマイクロレンズ２２，３４により、ＬＤ３からの発散光を光ファイバ３３へ高効率で光結合することができる。
また、光電変換モジュール２１中のＭＣＭパッケージ１１部分とコネクタ本体３２は、コネクタ本体３２側がフック３５を有しＭＣＭパッケージ１１側がフック３５が係脱する凹凸構造３６を有して互いに係脱自在に嵌合し合う機械的位置決め機構が構成されている。
図２において、コネクタ本体３２側に設けたフック３５と、光電変換モジュール２１に設けた凹凸構造３６とを機械的に噛み合わせることにより、光コネクタ３１として強力な固定を行うことができる。さらに、コネクタ本体３２側のフック３５の内側若しくは別に設けた凹構造の形状と、光電変換モジュール２１の外側の形状とを噛み合わせることにより、水平方向のアライメントをより精度よく行うこともできる。また、フック３５の形状を最適にすることにより、フック３５の噛み合わせ力により、コネクタ部品２１，３１同士を強く密着させることができるので、コネクタ部品２１，３１同士の光軸方向の位置合わせをより精度よく行うことができる。
また、光電変換モジュール２１は光電変換素子、例えばＬＤ３を封止するために、通常はその厚みが３ｍｍ以下であり、通常の装置を用いてフック構造のような複雑な構造を設けることが難しいが、図２においては、当該光電変換モジュール２１側には、凹凸構造３６だけ設ければ良いので、通常のパッケージプロセスにより簡単に製造することができる。
即ち、本実施の形態においては、ＬＤ３が形成された光電変換モジュール２１自体が一方のコネクタ部品となり、これに光ファイバ３３を設けたコネクタ本体３２とを密着させることにより、光コネクタ結合が形成される。これにより、ＬＤ３からの放出光を光ファイバ３３に挿入させることができる。このとき、光電変換モジュール２１の透明部材５の外部露出面５ａを、当該光電変換モジュール２１の上面としているので、ＬＤ３に対する光軸垂直方向のアライメントを面合わせにより簡単に実現することができる。また、図２において、光電変換モジュール２の凹凸構造３６に平面構造を設け、他方のコネクタ本体３２のフック３５にも平面構造を設けているので、これらのコネクタ部品２１，３１間の面に垂直方向の位置合わせも簡単できる。
さらに、図２においては、マイクロレンズ２２，３４を両方に設けているので、マイクロレンズ２２，３４間の光伝送が大径の平行光束となり、光軸に対して平行方向及び垂直方向のトレランスを大ききすることができる。５０μｍ径のマルチモードファイバと２００μｍ径のマイクロレンズとを組み合わせて、発散角１７度のＶＣＳＥＬに用いた場合にはその光軸垂直方向のトレランスを５０μｍ以上、光軸平行方向のトレランスを５００μｍ以上とすることができる。
また、特に図示しないが、これらの光電変換モジュール２１、コネクタ本体３２に、銅製の良熱伝導体を埋め込み、その一部を各々の部材２１，３２が接する面に露出させ、かつ、光コネクタとして接合させた場合に、これらの露出面が直接又は別の良熱伝等体を介して接触する部分を設けるように構成してもよい。このような構成によれば、光電変換モジュール２１のコネクタ部分の熱をコネクタ本体３２側に放出することにより、熱冷却効果を向上させることができる。良伝導体としては、パッケージ又はコネクタ材料であるプラスチック又は高分子よりも良伝導体であればよく、金属、セラミックス、カーボン等が好ましい。また、コネクタ本体３２側の良伝導体としては、穴部を設けて空気としてもよい。
また、マイクロレンズ２２の正のパワーを有する部分は、１つに限定されるわけではなく、正のパワーを分散させて２つ又は３つ以上にパワーを分けて構成された光学素子を設けても良く、また、部分的に負のパワーがあっても、群として正のパワーであればよい。
また、図２において、埋め込み型のマイクロレンズ２２の上部の外部露出面５ａは平坦面とされているので、この平坦な外部露出面５ａを、別部品の平坦形状処理又は平坦形状成形をした平坦部に対して簡単に密着させることができ、光結合を簡単かつ高効率に行うことができる。また、マイクロレンズ２２は、単純な凸形状のマイクロレンズに限定されるわけではなく、フレネルレンズ、ホログラムレンズ、屈折率分布型レンズ等の光学パワーを有するレンズであれば同様に効果的である。
［第三の実施の形態］
本発明の第三の実施の形態を図３及び４に基づいて説明する。図３は、本実施の形態の光電変換モジュール及び光コネクタの構成例を示す縦断側面図、図４は、その光電変換モジュールの概略斜視図である。
図３において、４１は光コネクタ機能を有する本実施の形態の光電変換モジュールであり、５１は光コネクタであり光パッチコードの片側である。図３において、光電変換モジュール４１は、ＬＳＩ７と２つの光電変換素子としてのＬＤ３が形成された半導体基板２とを有し、半導体基板２上に対しては透明部材５が密着するように封止されている。この透明部材５中には光学素子としてその露出面５ａ近傍に埋め込み型の２つのマイクロレンズ４２が設けられている。また、図３において、光コネクタ５１の部品５２はコネクタ本体、５３は２本の光ファイバ、５４はコネクタ本体５２に設けられた埋め込み型の２つのマイクロレンズである。これらのマイクロレンズ４２，５４により、各々のＬＤ３からの発散光を光ファイバ５３へ高効率で光結合することができる。また、光電変換モジュール４１のマイクロレンズ４２が設けられた透明部材５は、半導体基板２と密着した部分を有する第１の透明部材４３と、マイクロレンズ４２が形成される第２の透明部材４４との積層構造として形成されている。
図３及び図４において、５５はコネクタ本体５２に設けられた位置決めピンであり、４５は光電変換モジュール４１側に設けられた位置決め穴であり、この位置決め穴４５は、不透明部材１０からなる封止材料部分に設けられた貫通孔４５ｂ及び第１の透明部材４３に設けられた位置決め穴４５ａとからなる。このとき、位置決め穴４５ａを半導体基板２と密着した第１の透明部材４３に設けているので、半導体基板２に形成されたＬＤ３と光コネクタ５１とを高精度に位置決めできるようになり高い光利用効率を実現することができる。このような位置決め穴は、第１の透明部材４３側に設けることに限定されるわけではなく、第２の透明部材４４側に、ＬＤ３又はマイクロレンズ４２に対して高精度に設けるようにしても、同様に高い光利用効率を実現できるようになる。
図３においては、透明部材５は、半導体基板２と密着した部分を有する第１の透明部材４３と、マイクロレンズ４２が形成される第２の透明部材４４との積層構造により形成されているため、半導体基板２と透明部材５との密着及び透明部材５へのマイクロレンズ４２の形成を、別々に行うことができ、マイクロレンズ４２の形状精度を向上させることができる。
より具体的には、マイクロレンズ４２をＳｉＯ２又はネオセラム等の光学ガラスからなる光学基板にあらかじめモールド成形又はドライエッチングによりウエハレベルで高精度の形状を有するにマイクロレンズを形成したマイクロレンズ基板を作製する。別途、ウエハレベルで、半導体基板２に光電変換素子（ＬＤ３）を形成した後、これをＳｉＯ２又はネオセラム等の光学ガラスからなる光学基板と接合した後、ＥＬＯにより裏面剥離を行い、光学基板−半導体薄膜複合体を作製する。次に、この２つの基板をウエハレベルで位置合わせをして接合し、高精度の形状を有するマイクロレンズ４２を高精度の位置決めすることができるようになり、マイクロレンズ４２の形状精度を向上させることができる。これに対して、光学基板−半導体薄膜複合体の光学基板部分にマイクロレンズを形成すると、半導体が機械的損傷や薬品による損傷を受けやすく、信頼性が低下したり歩留まりが低下したりする。
また、透明部材５として、２つ以上の透明部材４３，４４を組み合わせて複合化しているので、基板の厚さ、応力、膨張係数、光透過率等の物性値や形状をより制御しやすくなり、半導体基板２との接合不良や光学的な形状をより作製のしやすい形状や材質とすることができ、信頼性をより向上させることができる。
さらに、半導体基板２と密着させる第１の透明部材４３は、プロセスの観点から耐熱、対薬品性、強度の観点から光学ガラス又は光学結晶が好ましいが、このような材料は比較的光学素子を形成しにくい。しかし、光学基板−半導体薄膜複合体の光学基板上にＵＶ硬化樹脂や熱硬化樹脂からなる有機誘電体材料に対して、マスク露光やソフトリソグラフィによる型転写により高精度の形状を簡単に作製することが可能であり、これにより光電変換モジュールの低コスト化を実現することができる。また、別途、高分子材料からウエハレベルでマスク露光やソフトリソグラフィによる型転写により高精度の形状を簡単に作製しておき、これをウエハレベルでの接合を行うことにより、２つの透明部材４３，４４の複合化を行い、低コスト化することもできる。高分子材料によるマイクロレンズ４２の形成は、高精度かつ低コストにできるので、光電変換モジュール４１は高い光利用効率と低コストを実現できるようになる。
また、このような第２の透明部材４４用の有機誘電体材料としてはエポキシ樹脂のような高分子材料があるが、これは有機色素を簡単に含有させることにより、その透過率スペクトルを制御することが容易であり、透過率を制御したり、開口数を制御したりすることが簡単となり、ビーム品質を向上させることができる。さらに、高分子材料は屈折率を制御することが容易であり、また選択できる屈折率の範囲も広いので、マイクロレンズ４２の収差を低減したり、凸形状のサグ量を低減したり、埋め込み形の形状を簡単に作製したりすることができる。さらに、膨張係数、応力、弾性等を複合化することで、より高範囲に制御することができるようになり、信頼性を向上させることができる。
エポキシ樹脂に代えて、使用する光の波長帯域の透過率が必要な光量を確保できる範囲で、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、イミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル樹脂、液晶ポリマー等を用いてマイクロレンズ４２を作製してもよい。また、樹脂は、光硬化、熱硬化により形状形成してもよいし、押し出し成形又は射出成形により形成してもよい。さらには、全体を硬化させた後にフォトブリーチングにより、屈折率を変化させる部分を光照射により選択的に作製してもよい。また、埋め込み部分のみ、弾性率を低くして、膨張係数差による高温時の変形を低減させると同時に、外部の光学素子の光結合の際に密着させて空気界面による反射を低減させてもよい。空気界面による反射低減には、単層又は多層膜や、フォトニック結晶反射防止膜、さらには空気界面への埃付着防止のために、帯電防止膜等を付加することも効果的である。高分子からなる表面は、この有機誘電体材料による表面改質が簡単であり、誇りや油分等が付着しにくくなる処理をしやすくすることが簡単に実現できる。
さらに、これらを複合させて用いるようにしてもよい。また、波長の散乱特性により、使用する光の帯域の必要量や波面収差又はモード特性及び必要な透過率が確保できる範囲で、微粒子又はフィラーを分散した粒子分散型樹脂を用いてもよい。この微粒子としては、大きさが使用する波長以下であることが好ましい。さらに、この微粒子を制御することにより、熱膨張係数を面発光レーザ又は銅又はシリコンチップ又はＰＤの何れかの２０％又は１０ｐｐｍ／℃以内の何れかの膨張係数とすることが好ましい。２０％以上の膨張係数であると、使用時又はリフロー時に反りが生じて、クラック、位置ずれ等の不良が生じやすい。また、銅又はシリコンと１０ｐｐｍ以上の膨張係数であると、シリコンや銅との密着性が低下して、これも不良が生じやすい。このため、微粒子により膨張係数を制御することは信頼性を大きく向上させることができる。
本発明の第一の実施の形態の光電変換モジュールの構成例を原理的に示す概略断面図である。 本発明の第二の実施の形態の光電変換モジュールの構成例を原理的に示す概略断面図である。 本発明の第三の実施の形態の光電変換モジュールの構成例を原理的に示す概略断面図である。 その光電変換モジュールの構成例を示す概略斜視図である。 従来例を示す概略断面図である。 従来例を示す概略断面図である。
符号の説明
１ 光電変換モジュール
２ 半導体基板
３ 光電変換素子
４ 光学素子
５ 透明部材
５ａ 外部露出面
６ 第１のパッケージ
７ 電子回路素子
９ 基板
１０ 不透明部材
１１ 第２のパッケージ
２１ 光電変換モジュール
２２ マイクロレンズ、光学素子
４１ 光電変換モジュール
４２ マイクロレンズ
４３ 第１の透明部材
４４ 第２の透明部材

Claims (5)

  1. 半導体基板と、この半導体基板の片面側に形成された光電変換素子と、この光電変換素子が形成された面と同一面側を封止するように前記半導体基板に密着させた誘電体材料による透明部材と、前記光電変換素子に対して位置決めされて前記透明部材中に設けられ前記光電変換素子の伝播光に対して光学作用を示す光学素子とを有する第１のパッケージと、
    前記光電変換素子が形成された面とは反対側の面で前記半導体基板がフリップチップ実装された基板と、この基板上に実装されて前記光電変換素子と電気的に接続された電子回路素子と、前記透明部材の一部を外部露出面として残して前記基板上の前記第１のパッケージと前記電子回路素子とを封止する不透明部材とを有する第２のパッケージと、
    を備えることを特徴とする光電変換モジュール。
  2. 前記外部露出面は、平坦面である、ことを特徴とする請求項１記載の光電変換モジュール。
  3. 前記光学素子は、前記透明部材の前記外部露出面近傍に形成されて伝播光に対して平行光束変換又は集光・発散光束変換なる光学作用を示すマイクロレンズである、ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換モジュール。
  4. 前記透明部材は、前記半導体基板に密着している部分を有する第１の透明部材と、前記外部露出面を有するとともに前記光学素子が形成される第２の透明部材との積層構造よりなる、ことを特徴とする請求項１，２又は３記載の光電変換モジュール。
  5. 前記第１の透明部材は無機誘電体材料からなり、前記第２の透明材料は有機誘電体材料からなる、ことを特徴とする請求項４記載の光電変換モジュール。
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