JP2007012682A

JP2007012682A - 光モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP2007012682A
Application number: JP2005188310A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Onishi; 雅裕大西; Heng Wang; 亨王
Original assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Current assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2007-01-18
Also published as: US20070007182A1; US7442562B2; CN1892272A

Abstract

【課題】バレルとキャンの密閉状態を保ったまま、バレルとキャンの接合部の樹脂を高い硬化温度で硬化させる。
【解決手段】本発明は、光半導体素子が設けられたキャンとバレルとを接合して光モジュールを製造する方法である。本発明は、キャンの接合面とバレルの接合面とを、熱硬化型接着剤を介して密着させ、キャンとバレルとの間に密閉された内部空間を形成する密着ステップ（Ｓ１）と、密着されたキャンとバレルとを、密閉容器に収納する収納ステップ（Ｓ２）と、密閉容器の内部を昇温させ、接合面に塗布された熱硬化型接着剤を硬化させる硬化ステップ（Ｓ３）と、熱硬化型接着剤の硬化後、密閉容器の内部を降温させるステップ（Ｓ４）と、接合されたキャンとバレルとを、密閉容器から取り出すステップ（Ｓ５）とを有している。
【選択図】図２

Description

本発明は光モジュールの製造方法に関し、特に、密閉構造の光モジュールのキャンとバレルとの接合方法に関する。

光モジュールのうち、ＴＯＳＡ(Transmitter Optical Subassembly)や、ＲＯＳＡ(Receiver Optical Sub-assembly)は、光通信や光信号による情報処理などに広く用いられている。ＴＯＳＡとは、発光素子（レーザーダイオード等）を搭載する送信用小型光デバイスであり、ＲＯＳＡとは受光素子（フォトダイオード等）を搭載する受信用小型光デバイスである。これらの光モジュールは、発光素子や受光素子などの光半導体素子が金属等のキャップで覆われて構成されるキャンと、レンズが配設されたバレルとが接合された構造である。

従来、キャンとバレルは、キャンに配設された光半導体素子とバレルに配設されたレンズとの光軸を合わせつつ、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を接着剤として接合されていた。しかし、樹脂の硬化には長時間の加熱が必要であり、作業性・作業効率の悪化や、硬化中に樹脂が変形して光軸がずれてしまうという問題が指摘されていた。そこで、紫外線硬化型接着剤を用いて瞬間的に接合することも検討されているが、紫外線硬化型接着剤は接着強度が低く、未硬化部分が生じやすく、耐候性も十分でないという問題が指摘されている。特許文献１は、かかる観点から、熱硬化性樹脂を点状に分散塗布した後、高周波誘導加熱により加熱硬化させ、さらに別の熱硬化樹脂をその上に塗布し、雰囲気加熱により加熱硬化させる方法を開示している。

また、特許文献２では、特許文献１に記載の方法は高周波誘導加熱による局部的な温度上昇が大きいという問題に鑑み、キャンとバレルの接合面に紫外線・加熱兼用硬化性樹脂を塗布し、芯だし接合を行なった状態で、紫外線照射による仮固定と、紫外線未照射部分の加熱硬化とを順次おこなう方法を開示している。
特開２０００−９１６４２号公報特開２００２−９０５８７号公報

しかし、これらの従来技術には以下の問題がある。まず、光モジュールは、キャンに配設された光半導体素子の信頼性向上のため、密閉型の構造が望ましい。これは、光半導体素子が外気、特に水分と接触し、劣化することを防ぐためである。しかしながら、密閉状態を保ちながら樹脂を加熱すると、バレル内の気体が熱膨張し、しかもその熱膨張率はバレルおよびキャンの材料よりもきわめて大きいため、膨張した気体が接着用樹脂から漏れ、接着用樹脂に気泡や隙間が発生し、密閉性が低下するという問題がある。また、一般に硬化温度の高い樹脂ほど接着性や密閉性に優れ、高品質の接合が可能となるが、樹脂を高温に加熱すれば内部の気体も益々膨張するため、高温硬化樹脂の使用が制限され、信頼性の高い接合の制約となる。上記各特許文献では、バレルに貫通孔が設けられているので、膨張した気体が逃げ、このような問題は生じにくいが、接合完了後に貫通孔を接着剤などで封止する必要があり、その分作業工程や製造コストが増加する。また、貫通孔を封止しないと、発光素子等が外部環境の影響を受け、信頼性が低下する原因となる。

紫外線照射により樹脂を硬化させる場合も、バレル内の気体が高温となり、熱膨張が生じるので同様の問題がある。熱膨張を抑えるために紫外線照射パワーを下げると、硬化に時間がかかり、量産性が悪化する。紫外線硬化型接着剤や紫外線・加熱兼用硬化性樹脂は高価であり、紫外線照射装置も必要となるため、コスト面での問題もある。

そこで、本発明は、バレルとキャンの密閉状態を保ったまま、バレルとキャンの接合部の樹脂を高い硬化温度で硬化させ、良好な作業性と高品質な接合とを両立できる、光モジュールの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、光半導体素子が設けられたキャンとバレルとを接合して光モジュールを製造する方法である。本発明は、キャンの接合面とバレルの接合面とを、熱硬化型接着剤を介して密着させ、キャンとバレルとの間に密閉された内部空間を形成する密着ステップと、密着されたキャンとバレルとを、密閉容器に収納する収納ステップと、密閉容器の内部を昇温させ、接合面に塗布された熱硬化型接着剤を硬化させる硬化ステップと、熱硬化型接着剤の硬化後、密閉容器の内部を降温させるステップと、接合されたキャンとバレルとを、密閉容器から取り出すステップとを有している。

このように本発明では、密着されたキャンとバレルとを密閉容器に収納し、密閉容器の内部を昇温させるので、密閉容器ごと昇温することが可能となる。すなわち、内部空間と密閉容器の内部をほぼ同じ温度で昇温させることができる。このため、内部空間の内圧が昇温に伴い上昇しても、密閉容器の内圧も昇温に伴い同じように増加するので、内部空間と密閉容器の内部の圧力差はほとんど生じず、キャンとバレルの接合面に塗布された熱硬化型接着剤にも差圧はほとんどかからない。したがって、内部空間の内圧が上昇しても内部空間の気体が熱硬化型接着剤から漏れ、熱硬化型接着剤に気泡や隙間が発生し、接合部の密閉性が低下するおそれが軽減される。また、上記の接合方法のため、密着ステップにおいてキャンとバレルとの間に密閉された内部空間が形成され、その状態で最終的な接合までおこなうことができるので、バレルに貫通孔等の内圧増加抑制手段を設ける必要がなく、作業工程の合理化も可能となる。

収納ステップは、密閉容器の内部を加圧し、内部空間を除く密閉容器の内圧を内部空間の内圧よりも高めることを含んでいてもよい。

収納ステップは、密閉容器の内圧を内部空間の内圧よりも略１０％以下の範囲で高めることを含んでいてもよい。

密着ステップは窒素環境下でおこなわれてもよい。

硬化ステップは密閉容器を加熱炉に入れることを含んでいてもよい。

熱硬化型接着剤はエポキシ樹脂を用いることが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、内部空間の内圧が昇温に伴い上昇しても、密閉容器の内圧も昇温に伴い同じように増加するので、キャンとバレルの接合面に塗布された熱硬化型接着剤に差圧はほとんどかからない。しかも、本発明はキャンとバレルの密閉状態を保ったまま接合ができる。したがって、本発明によれば、バレルとキャンの密閉状態を保ったまま、バレルとキャンの接合部の樹脂を高い硬化温度で硬化させ、良好な作業性と高品質な接合とを両立できる、光モジュールの製造方法が実現される。

以下、図面を参照して本発明の光モジュールの製造方法について説明する。まず、本発明が適用される光モジュールの構造の概略を説明する。本発明はＴＯＳＡとＲＯＳＡの両者に、同様の形態で適用可能であるが、以下の説明はＴＯＳＡを例におこなう。図１は、本発明が適用されるＴＯＳＡの概略断面図である。

同図（ａ）は光半導体素子が設けられたキャンの断面図である。キャン２のベース２１の上（図面では下側）には、発光素子２２と受光素子２３とが配置されている。発光素子２２はレーザーダイオードが代表例であり、受光素子２３はフォトダイオードが代表例である。受光素子２３は発光素子２２の使用時に発光量をモニターするために備えられている。発光素子２２と受光素子２３の動作を制御する複数本の端子２４がベース２１の反対側に延びている。ベース２１の上には発光素子２２と受光素子２３とを覆うように、金属性のキャップ２５が設けられている。キャップ２５の中央付近には光路の確保のため、半透明の鏡やレンズ（図示せず）が付けられている。ヘッダ２１とキャップ２５は抵抗溶接によって接合されている。

同図（ｂ）はバレルの断面図である。バレル３は本体部分であるハウジング３１と、ハウジング３１に支持されたレンズ３２を備えている。ハウジング３１の先端部分には開口部３３が設けられており、光ファイバーを保持するフェルール（図示せず）が嵌合保持される。フェルールは開口部３３と一体形成されていてもよい。開口部３３の内側は光路孔３４となっており、その先にレンズ３２が設けられている。発光素子２２とフェルールに保持された光ファイバーとの光結合は、レンズ３２および光路孔３４を介しておこなわれる。光結合を精度よくおこなうため、レンズ３２の取り付けには高い調芯精度が求められるが、方向性のない球形レンズを用いてもよい。

同図（ｃ）は光モジュールの断面図である。光モジュール１は、キャン２とバレル３が接着剤４によって接合されて形成されている。接着剤４は熱硬化型接着剤で、エポキシ樹脂が用いられる。キャン２とバレル３の間には内部空間５が形成されている。光モジュール１は密閉構造型のモジュールであり、内部空間５は密閉空間となっている。すなわち、キャン２およびバレル３には、内部空間５と外部とが連通する開口や貫通孔は設けられていない。このため、内部空間５に設けられた発光素子２２や受光素子２３が外気、特に水分と接触し、劣化することが防止される。

次に、以上説明した光モジュールの製造方法を、図面を参照して説明する。図２は、本実施形態における光モジュールの製造方法を示すステップ図である。

（ステップＳ１)まず、キャン２およびバレル３を各々製作し、次に、図３（ａ）に示すように、キャン２の接合面２６とバレル３の接合面３５とが互いに向きあうように位置あわせをし、互いに近づける。次に、図３（ｂ）に示すように、接合面２６，３５の間の空間に熱硬化型樹脂の接着剤４を充填塗布する。この結果、キャン２とバレル３との間には、密閉された内部空間５が形成される。すなわち、キャン２の接合面２６とバレル３の接合面３５とが、熱硬化型の接着剤４を介して密着され、キャン２とバレル３との間に密閉された内部空間５が形成される。この作業は常温、常圧下でおこなわれ、密着後の内部空間５の圧力は、外部空間と同じとなる。密着方法としては、キャン２の接合面２６とバレル３の接合面３５のいずれかまたは両面に接着剤５を塗布後、接合面２６，３５同士を密着させてもよい。

なお、本工程は、窒素環境下でおこなわれることが望ましい。これによって、接着剤４を塗布してキャン２とバレル３を密着させる際に、内部空間５が窒素ガスで充填され、空気中の酸（酸素や水分）による発光素子２２，受光素子２３や接着剤４の劣化を抑制することができる。

（ステップＳ２)密着されたキャンとバレルとを、密閉容器６に収納する。図４は、密閉容器の概略図である。密閉容器６は、同図（ａ）の断面図に示すように、収納部６１と蓋６２とからなり、収納部６１の内部に保持板７に保持されたキャン２とバレル３の集合体が収納される。収納部６１の外周フランジ部と蓋６２の外周部にはボルト孔が設けられ、ボルト６３およびナット６４によって蓋６２が開閉される。外周フランジ部にはシール部材６５が設けられており、同図（ｂ）に示すように、蓋６２が閉じられると内部は密閉空間６６となる。保持板７は、同図（ｃ）に示すように、多数の保持孔７１が形成された平板状の部材で、各保持孔７１にキャン２とバレル３の集合体が一つずつ保持され、多数の光モジュールの接合を同時におこなうことができる。

収納する際に、密閉容器６の内部（密閉空間６６）を加圧し、内部空間５を除く密閉容器６の内圧を内部空間５の内圧よりも高めてもよい。これによって、キャン２とバレル３の密着性が高まるが、あまり内圧差を設けると接着剤４が変形し、逆に光軸がずれる。密閉容器６の内圧は、内部空間５の内圧よりも略１０％以下の範囲で高めることが望ましい。

（ステップＳ３)密閉容器６をオーブン等の加熱炉８に入れ、加熱炉８の内部を加熱する。図５は、加熱炉内の空間各部の区分と温度プロファイルを示す概念図である。同図（ａ）に示すように、キャン２とバレル３の集合体が多数入った密閉容器６は容器ごと加熱される（なお、同図では一つの集合体だけ図示している。）。加熱炉８の内部の温度Ｔ１は、同図（ｂ）に示す温度プロファイルに従って上昇していく。密閉容器６の内部の温度Ｔ２は、密閉容器６や内部気体の熱容量などの理由で、温度Ｔ１よりも遅れて上昇していく。内部空間５の温度Ｔ３は、同様の理由から温度Ｔ２よりもさらに遅れて上昇していくが、最終的に硬化温度に達し、接合面２６，３５に塗布された接着剤４が硬化される。しかし、温度Ｔ２と温度Ｔ３の温度差は十分に小さいので、密閉容器６の内圧Ｐ２は内部空間５の内圧Ｐ３とほとんど変わらない。このため、接着剤４には内圧Ｐ２と内圧Ｐ３の差圧はほとんどかからず、内部空間５の気体（窒素ガス）が接着剤４から逃げ出し、接着剤４の硬化後の密閉性に影響を与えることはない。

（ステップＳ４)接着剤４の硬化後、図５（ｂ）に示す温度プロファイルに従って、密閉容器６の内部を常温まで降温させる。降温プロセスにおいても、温度Ｔ２と温度Ｔ３の温度差はほとんど生じず、接着剤４に内圧Ｐ２と内圧Ｐ３の差圧がかかることはない。以上のステップでキャン２とバレル３の接合が完了する。

（ステップＳ５）その後、密閉容器６を加熱炉８から取り出し、接合されたキャン２とバレル３とを、密閉容器６から取り出す。

以上説明したように、本発明によれば、キャンとバレルの接合面に塗布された熱硬化型接着剤にほとんど差圧がかからないため、接着剤への気泡の混入や亀裂の発生が防止され、接着部の信頼性をより高めることができる。また、より高い温度まで加熱してもこのような問題は生じにくいため、より高温で硬化する接着剤を用いて、接着部の信頼性を一層高めることも容易となる。しかも、本発明ではキャンとバレルの密閉状態を保ったまま接合ができるため、バレル等に貫通孔を設けそれを後から封止するといった工程上の無駄もなく、生産効率や作業性も向上する。さらに本発明では、加熱炉は既存のオーブンを用いることができ、密閉容器を新規に用意するだけでよいので、生産コストへの影響も軽微である。

本発明が適用されるＴＯＳＡの概略断面図である。本実施形態における光モジュールの製造方法を示すステップ図である。キャンとバレルを密着させるステップを示す断面図である。密閉容器の概略図である。加熱炉内の空間各部の区分と温度プロファイルを示す概念図である。

符号の説明

１光モジュール
２キャン
２２発光素子
２３受光素子
２６接合面
３バレル
３１ハウジング
３２レンズ
３５接合面
４接着剤
５内部空間
６密閉容器
６６密閉空間

Claims

光半導体素子が設けられたキャンとバレルとを接合して光モジュールを製造する方法であって、
前記キャンの接合面と前記バレルの接合面とを、熱硬化型接着剤を介して密着させ、該キャンと該バレルとの間に密閉された内部空間を形成する密着ステップと、
密着された前記キャンと前記バレルとを、密閉容器に収納する収納ステップと、
前記密閉容器の内部を昇温させ、前記接合面に塗布された前記熱硬化型接着剤を硬化させる硬化ステップと、
前記熱硬化型接着剤の硬化後、前記密閉容器の内部を降温させるステップと、
接合された前記キャンと前記バレルとを、前記密閉容器から取り出すステップと、
を有する方法。
前記収納ステップは、前記密閉容器の内部を加圧し、前記内部空間を除く前記密閉容器の内圧を該内部空間の内圧よりも高めることを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記収納ステップは、前記密閉容器の内圧を前記内部空間の内圧よりも略１０％以下の範囲で高めることを含んでいる、請求項２に記載の方法。
前記密着ステップは窒素環境下でおこなわれる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
前記硬化ステップは前記密閉容器を加熱炉に入れることを含んでいる、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
前記熱硬化型接着剤はエポキシ樹脂である、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。