JP2007324303A - 光モジュール及びその実装方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】部品点数が少なく、構造が簡単で、隣のチャネルへの光の漏れ込みがない光モジュールを提供する。
【解決手段】光透過部材となる透明な無機材料基板3の裏面に回路パターン8を形成すると共に、その回路パターン8に複数個の光電変換素子9,10を実装し、パッケージ2の上縁面にパッケージ側電極6を形成すると共に、そのパッケージ側電極6に対応して無機材料基板3の裏面に基板側電極11を形成し、パッケージ2のパッケージ側電極6の周囲にパッケージ側接合枠72を形成し、無機材料基板3の基板側電極12及び基板側電極12の周囲に半田ボール73を複数個並べて取り付け、パッケージ側電極6と基板側電極12を半田接合すると共に、パッケージ2に無機材料基板3を接合したものである。
【選択図】図7

Description

本発明は、光インターコネクションに用いられる光モジュール及びその実装方法に関する。
近年、システム装置内および装置間の信号を高速に伝送する技術である光インターコネクションが広がっている。すなわち、光インターコネクションとは、光部品をあたかも電気部品のように扱って、パソコン、車両、光トランシーバなどのマザーボードや回路基板に表面実装する技術をいう。
光インターコネクションに用いられる従来の光モジュールとして、図28に示すような光モジュール281がある。
この光モジュール281は、上部が開口したキャビティを有するセラミックパッケージ282内に回路パターンを形成し、その回路パターンに光電変換素子(半導体レーザ(LD)やフォトダイオード(PD)283を複数個搭載し、セラミックパッケージ282の上部を、光通路となるガラス窓284を低融点ガラスで接合した金属製の蓋285で覆うと共に気密封止したものである。光モジュール281では、光電変換素子283からの光信号はガラス窓284を通して出力され、レンズ286で集光されて外部へ伝送される。
光電変換素子283は、回路パターンにワイヤボンディングによってワイヤwで電気的に接続される。蓋285はセラミックパッケージ282に抵抗溶接や半田で接合される。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
特開2005−292739号公報
しかしながら、従来の光モジュール281は、セラミックパッケージ282内に光電変換素子283を収納して気密封止するために、ガラス窓284と蓋285の2部品を用いる必要があり、部品点数が多いという問題がある。これに伴い、セラミックパッケージ282や光モジュール281自体の構造が複雑になるという問題もある。
また、従来の光モジュール281は、抵抗溶接用の金属枠287をセラミックパッケージ282の上縁面に取り付けなくてはならない。金属枠287の厚みの精度、金属枠287とセラミックパッケージ282を固着するロウ材bの厚み精度、さらに、金属枠287上面の突起部の溶け量のバラツキまで考慮して、予めガラス窓284の裏面と光電変換素子283との距離L1は、余裕を持って離しておく必要がある。
より詳細には、ワイヤwの高さL2(約0.5mm)、ガラス窓284の厚さt(約0.3mm)、セラミックパッケージ282に蓋285を抵抗溶接で溶接するときの高さ方向の変動ΔL(約0.1mm)とすると、光電変換素子283とレンズ286の距離Lは、
L>L2+t+ΔL
を満たすことが必要であり、その他の部材の寸法精度なども考慮すると1.0mm以上必要となる。
一般的に、光電変換素子283はLDやPDが狭ピッチ(例えば、250μm)でアレイ状に配置されて構成されるため、距離Lが長くなるほど、隣のチャネルに光が漏れ込み、光モジュール281が正常に動作しないという問題がある。
そこで、本発明の目的は、部品点数が少なく、構造が簡単で、隣のチャネルへの光の漏れ込みがない光モジュール及びその実装方法を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールにおいて、上記光透過部材となる透明な無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装し、上記パッケージの上縁面にパッケージ側電極を形成すると共に、そのパッケージ側電極に対応して上記無機材料基板の裏面に基板側電極を形成し、上記パッケージの上記パッケージ側電極の周囲にパッケージ側接合枠を形成し、上記無機材料基板の上記基板側電極及び上記基板側電極の周囲に、あるいは上記パッケージの上記パッケージ側電極及び上記パッケージ側接合枠に、半田ボールを複数個並べて取り付け、上記パッケージ側電極と上記基板側電極を半田接合すると共に、上記パッケージに上記無機材料基板を接合した光モジュールである。
請求項2の発明は、上記パッケージの上縁面に側壁を形成し、その側壁と上記無機材料基板を金属以外の物質を接合する特殊金属半田で接合した請求項1記載の光モジュールである。
請求項3の発明は、上記パッケージの上縁面に側壁を形成し、その側壁と上記無機材料基板の上縁面に半田を塗布し、塗布した半田を覆うようにリング状の金属板を設けて半田接合した請求項1記載の光モジュールである。
請求項4の発明は、上記無機材料基板の光通路以外となる表面に金属膜を形成し、その金属膜は、上記無機材料基板に形成したスルーホールを介して、上記パッケージの回路パターンと導通している請求項1〜3いずれかに記載の光モジュールである。
請求項5の発明は、上記無機材料基板の光通路以外となる表面に金属膜を形成し、その金属膜は、上記パッケージの回路パターンにワイヤなどの導電部材を介して導通している請求項1〜3いずれかに記載の光モジュールである。
請求項6の発明は、上記無機材料基板の光通路以外となる表面に、上記無機材料基板と熱膨張率が等しいセラミック板あるいは金属板を設けた請求項1〜3いずれかに記載の光モジュールである。
請求項7の発明は、上記無機材料基板の上面あるいは上部に、上記無機材料基板の上面あるいは上部を覆うようにシールド板を設けると共に、そのシールド板を上記無機材料基板の周縁から張り出すように形成した請求項1〜3いずれかに記載の光モジュールである。
請求項8の発明は、上記無機材料基板と各光電変換素子の隙間に透明なアンダーフィルを充填した請求項1〜7いずれかに記載の光モジュールである。
請求項9の発明は、上記無機材料基板の裏面に各光電変換素子を制御する制御用半導体チップを搭載した請求項1〜8いずれかに記載の光モジュールである。
請求項10の発明は、上記無機材料基板の裏面に発光用の光電変換素子を搭載し、その発光用の光電変換素子を駆動する駆動回路を上記パッケージの内底面に搭載した請求項1〜8いずれかに記載の光モジュールである。
請求項11の発明は、上記無機材料基板の裏面に受光用の光電変換素子を搭載すると共に、その受光用の光電変換素子の出力を増幅する増幅回路を搭載した請求項1〜8、10いずれかに記載の光モジュールである。
請求項12の発明は、上記無機材料基板として、半導体薄膜用基板として用いるサファイア基板よりも結晶性が低いサファイア基板を用いる請求項1〜11いずれかに記載の光モジュールである。
請求項13の発明は、上記無機材料基板の表面に、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する一体型のレンズブロックを接着剤で実装した請求項1〜12いずれかに記載の光モジュールである。
請求項14の発明は、上記レンズブロックに、光部品あるいは電気部品を実装する実装装置のチャックでつかむためのチャック部を設けた請求項13記載の光モジュールである。
請求項15の発明は、上記レンズブロックは、上記光電変換素子の出射光あるいは入射光を直進させて出入力させる直進型、あるいは上記光電変換素子の出射光あるいは入射光を反射させて出入力させる反射型である請求項13または14記載の光モジュールである。
請求項16の発明は、上記レンズブロックには、光コネクタと嵌合するガイドピンあるいはガイド穴が設けられる請求項13〜15いずれかに記載の光モジュールである。
請求項17の発明は、上記ガイドピンは、上記レンズブロックと別部品あるいは上記レンズブロックと一体である請求項16記載の光モジュールである。
請求項18の発明は、上記無機材料基板の光通路の表面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する回折レンズを形成した請求項1〜12いずれかに記載の光モジュールである。
請求項19の発明は、上記無機材料基板の光通路の裏面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する回折レンズを形成した請求項1〜12いずれかに記載の光モジュールである。
請求項20の発明は、上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールの実装方法において、上記光透過部材となる無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装した後、上記無機材料基板の表面に、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する一体型のレンズブロックを接着剤で取り付ける際、そのレンズブロックにレンズ側基準マーカを設け、モジュール本体の上面にモジュール側基準マーカを設け、これらレンズ側基準マーカとモジュール側基準マーカが一致するように、視認装置で確認しながら調心して上記モジュール本体に上記レンズブロックを実装する光モジュールの実装方法である。
請求項21の発明は、上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールの実装方法において、上記光透過部材となる無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装した後、上記無機材料基板の表面に、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する一体型のレンズブロックを接着剤で取り付ける際、上記光電変換素子の発光領域あるいは受光領域を、視認装置で確認しながら調心して上記モジュール本体に上記レンズブロックを実装する光モジュールの実装方法である。
請求項22の発明は、上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールの実装方法において、上記光透過部材となる無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装した後、上記無機材料基板の表面に、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する一体型のレンズブロックを接着剤で取り付ける際、そのレンズブロックに調心用光ファイバを接続し、上記光電変換素子の発光パワーあるいは受光パワーをモニタしながら調心して上記モジュール本体に上記レンズブロックを実装する光モジュールの実装方法である。
本発明によれば、従来の光透過部材と気密封止用キャップを1枚の無機材料基板で一体構造にすることで、部品点数を削減でき、構造を簡単にできる。
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
図1は、本発明の好適な第1の実施形態を示す光モジュールの斜視図、図2はその2A−2A線断面図、図3はその分解斜視図、図4は図3を上方から見た分解斜視図と無機材料基板の斜視図である。
図1〜図4に示すように、第1の実施形態に係る光モジュール(気密封止型パラレル光モジュール)1は、パソコン、車両、光トランシーバなどの機器のマザーボードや回路基板に表面実装するものであり、面積が1cm×1cm程度の大きさを有する。
この光モジュール1は、上部が開口したキャビティ(空洞、凹み、部屋)を有し、縦断面が凹状のセラミックパッケージ2と、そのセラミックパッケージ2の上部を覆う光透過部材となる光通信波長帯域の光に対して透明な無機材料基板3とで主に構成される。
パッケージとしてセラミックパッケージ2を用いたのは、後述するようにパッケージ内を気密封止した際、気密封止のレベルを、Heリーク試験おいて10-9Pa・m3 /s[He]以下に保つ必要があるからである。
セラミックパッケージ2内には、パッケージ側回路パターン4が形成される。回路パターン4の一部は、セラミックパッケージ2の上縁面と底面を結んで形成される。セラミックパッケージ2の底面には、機器のマザーボードや回路基板に光モジュール1を実装するためのパッケージ側半田ボール5が複数個格子状に並べて取り付けられる。つまり、セラミックパッケージ2はBGA(Ball Grid Array)はんだを構成する。
セラミックパッケージ2の上縁面に、回路パターン4と導通するパッケージ側電極6が複数個並べて形成される。セラミックパッケージ2のパッケージ側電極6の周囲には、パッケージ側接合枠7がAu/Niなどの金属で形成される。これらパッケージ側電極6とパッケージ側接合枠7は、例えば、Au/Ni箔をフォトエッチングして一括形成される。
無機材料基板3としては、石英系ガラスやアルミナ単結晶Al23 (いわゆるサファイアガラス)からなる基板を用いる。本実施形態では、無機材料基板3としてサファイアガラス基板を用いた。
石英系ガラスは熱伝導率が1〜2W/(m・K)と低いため、無機材料基板3に光電変換素子や半導体チップを実装する際、光電変換素子や半導体チップが100℃以上上昇してしまい、製品化後、誤作動することがある。無機材料基板3を厚くしてその熱抵抗を下げる方法もあるが、光電変換素子と外部光学系(レンズなど)間の距離が長くなるので、無機材料基板3の厚さは、強度が許される限り、極力薄くしたい。これに対し、サファイアガラスは熱伝導率が33.5W/(m・K)と極めて高いため、光電変換素子や半導体チップの温度上昇を10℃以下に抑えることができる。また、サファイアガラスは広い波長帯域の光に対して透明性が優れている。
さらに使用するサファイアガラスとしては、光透過率及び熱伝導性などが重要であり、半導体薄膜用基板として用いる場合に重要である結晶性(結晶方位の揃った単結晶)は重要とはならない。従って、無機材料基板3として結晶性の低いサファイア基板を用いることで、光モジュール1を低コストで作製することができる。
無機材料基板3の裏面には、基板側回路パターン8が形成される。無機材料基板3の基板側回路パターン8には、送信用(発光用)の光電変換素子として、LDを狭ピッチ(例えば、250μm)でアレイ状に4個並べた面発光レーザアレイ(VCSELアレイ)9と、受信用(受光用)の光電変換素子として、フォトダイオード(PD)を狭ピッチ(例えば、250μm)でアレイ状に4個並べたPDアレイ10と、VCSELアレイ9とPDアレイ10を制御する制御用半導体チップとして制御用IC11と、抵抗やコンデンサなどの電気部品16とが実装される。
VCSELアレイ9は、無機材料基板2の裏面にフリップチップ実装される。すなわち、VCSELアレイ9は、各LDの発光領域が無機材料基板3と対向するように実装される。同様に、PDアレイ10も、無機材料基板2の裏面にフリップチップ実装される。すなわち、PDアレイ10は、各PDの受光領域が無機材料基板3と対向するように実装される。
制御用IC11は、VCSELアレイ9の各LDを駆動する駆動回路としてのドライバ(LD駆動回路IC)、PDアレイ10の各PDからの電気信号を増幅する増幅回路としてのプリアンプ(PD駆動回路IC)などを備える。
無機材料基板3のVCSELアレイ9、PDアレイ10、制御用IC11の周囲には、基板側電極12が複数個形成される。これら基板側電極12は、VCSELアレイ9、PDアレイ10、制御用IC11と導通される。
無機材料基板3の基板側電極12の周囲には、パッケージ側接合枠7に対応して同じ形状の基板側接合枠13がAu/Niなどの金属で形成される。この基板側接合枠13と基板側電極12は、例えば、Au/Ni箔をフォトエッチングして一括形成される。
無機材料基板3とVCSELアレイ9の隙間には、無機材料基板3とほぼ同じ屈折率1.5を有する光通信波長帯域の光に対して透明なアンダーフィルrが充填される。アンダーフィルrとしてはエポキシ樹脂を用いる。アンダーフィルrは、充填された後、熱処理によって硬化される。同様に、無機材料基板3とPDアレイ10の隙間にも、透明なアンダーフィルが充填される。
無機材料基板3の光通路R以外となる表面には、金属膜14がNi、Au、Pt、Crなどの金属で形成される。金属膜14は、例えばメッキで形成される。無機材料基板3の表面のうち、金属膜14が形成されていない部分(図1および図4の長円形部分)が光通路Rとなる。
無機材料基板3にはスルーホール15を形成しており、金属膜14は、このスルーホール15を介して、セラミックパッケージ2内の回路パターンの一部を構成するベタGND層(全面GND層)、あるいはマザーボードや回路基板のGNDと導通している。
光モジュール1の組み立ては、まず、無機材料基板3に各光部品、各電気部品をフリップチップ実装した後、予めパッケージ側電極6あるいは基板側電極12のどちらか一方に半田を溶融塗布すると共に、パッケージ側接合枠7あるいは基板側接合枠13のどちらか一方に半田を溶融塗布しておく。
そして、Heや窒素などの不活性ガスの雰囲気下において、パッケージ側電極6と基板側電極12を半田接合すると同時に、パッケージ側接合枠7に基板側接合枠12を半田接合することで、両電極6,12を接合した状態で、セラミックパッケージ2に無機材料基板3を接合すると共に気密封止する。
パッケージ側接合枠7と基板側接合枠13の接合に半田を用いたのは、気密封止のレベルを、Heリーク試験において10-9Pa・m3 /s[He]以下に保つためである。半田としては、例えばAu−Sn半田、Sn−Ag半田を用いる。
ここで、接着剤や合成樹脂はノンハーメティックシールなので使用できない。特に、合成樹脂は膨潤するため、VCSELアレイ9やPDアレイ10を外気や水分に晒すことになり、適さない。また、低融点ガラスは、融点が高く、無機材料基板3に実装したVCSELアレイ9、PDアレイ10、制御用IC11を壊すおそれがあるため、適していない。
最後に、セラミックパッケージ2の裏面に、パッケージ側半田ボール5を複数個格子状に並べて取り付けてBGAを構成すると、光モジュール1が組み立てられる。
以上説明した組み立て工程は、図5に示すように、複数の光モジュールに一括で作業を行い、最後にダイシングして切り分けるとよい。
第1の実施形態の作用を説明する。
光モジュール1では、マザーボードや回路基板からの4つの電気信号は、セラミックパッケージ2の回路パターン4、制御用IC11、VCSELアレイ9の順で伝送され、VCSELアレイ9で光信号にそれぞれ変換され、VCSELアレイ9から4つの光信号として無機材料基板3、光通路Rを通して上方に出力される。
一方、光モジュール1では、無機材料基板3の上方から光通路R、無機材料基板3を通して入力された4つの光信号は、PDアレイ10で電気信号にそれぞれ変換され、PDアレイ10から4つの電気信号として制御用IC11、セラミックパッケージ2の回路パターン4、マザーボードや回路基板の順で伝送される。
光モジュール1は、パッケージ側電極6と基板側電極12を接合した状態で、セラミックパッケージ2に無機材料基板3を接合すると共に気密封止するため、セラミックパッケージ2と無機材料基板3を電気的に接続すると同時に、セラミックパッケージ2内を気密封止できる。
また、光モジュール1は、セラミックパッケージ2にパッケージ側接合枠7を形成し、無機材料基板3にパッケージ接合枠7に対応した基板側接合枠13を形成し、これらパッケージ接合枠7と基板側接合枠13を半田接合することで、セラミックパッケージ2に無機材料基板3を接合すると共に気密封止している。
つまり、無機材料基板3は、図28で説明した従来の光モジュール281における光透過部材としてのガラス窓284、気密封止用キャップとしての蓋285、さらに回路基板の3部品を一体構造にした多機能の無機材料基板である。
これにより、光モジュール1の部品点数を削減できる。また、セラミックパッケージ2や光モジュール1自体の構造も簡単(シンプル)にできる。
さらに、光モジュール1は、VCSELアレイ9やPDアレイ10と、VCSELアレイ9の出射光あるいはPDアレイ10の入射光を集光するレンズとの距離を極力短くできるため、狭ピッチでLDやPDをアレイ状に配置しても、隣のチャネルに光が漏れ込むことはなく、常に正常に動作する。
本実施形態では、レンズ焦点距離を0.4mm、無機材料基板3の厚さを0.3mm、レンズとVCSELアレイ9やPDアレイ10間の距離を0.5mmにすることができた。
また、光モジュール1は、無機材料基板3の光通路R以外となる表面に金属膜14が形成されており、その金属膜14がマザーボードや回路基板のGNDやセラミックパッケージ2のGND層と導通している。このため、電磁波の出入射を防止でき、EMI(電磁波障害)に対して強い。
さらに、光モジュール1は、無機材料基板3とVCSELアレイ9の隙間に透明なアンダーフィルrが充填され、無機材料基板3とPDアレイ10の隙間にも透明なアンダーフィルが充填される。このため、無機材料基板3の裏面の光の反射を抑えることができ、同時に無機材料基板3とVCSELアレイ9の接合部、無機材料基板3とPDアレイ10の接合部も補強できる。
ここで、無機材料基板3として石英系ガラス基板を用いる場合を説明する。
サファイアガラスは石英系ガラスに比べて10倍近く高価であり、ダイヤモンドの次に硬いので、ダイシングによる切り分けが石英系ガラスに比べると困難である。そこで、通常の石英系ガラスを用いた場合の、熱伝導をよくする形態を説明する。
図6(b)の光モジュール61Bは、無機材料基板3の表面に形成する金属膜63を図2の金属膜14よりも厚くしたものである。しかし、金属膜63を成膜できる材料は限られており(Cu、Ni、Auなど)、以下のデメリットがある。
1)金属膜63と無機材料基板3の熱膨張率差により、無機材料基板3がバイメタルのように反ってしまうので、反りを矯正してセラミックパッケージ2に無機材料基板3を接合しなくてはいけない。仮に反りを矯正したとしても、残留応力として残る。
2)また、どの成膜材料もガラスやセラミックスよりも線膨張係数が大きく、膜を厚くすると無機材料基板3とセラミックパッケージ2の接合界面が熱膨張差によってせん断剥離することがある。
3)さらに、メッキなどによる成膜時間が増えてコストがアップする。
このデメリットを解決するため、図6(a)の光モジュール61Aは、無機材料基板3の光通路R以外となる表面に、無機材料基板3、すなわち石英系ガラスと熱膨張率が等しいセラミック板63、あるいはCu、Wなどの金属板63を貼り付けたものである。
光モジュール61Aでは、上述した1)〜3)のデメリットを全て解決できる。また、金属板63を用いる場合には、プレスで成型すればさらにコストを安くできる、金属板63を厚くして熱伝導をさらによくできる(厚くしても材料代だけで大きなコスト増にはならない)というメリットがある。
第2の実施形態を説明する。
図7および図8に示すように、光モジュール71は、セラミックパッケージ2のパッケージ側電極6の周囲に、小円を隙間なく数珠つなぎして枠状にしたパッケージ側接合枠72を形成し、無機材料基板3の基板側電極12と、基板側電極12の周囲とに、パッケージ側電極6及びパッケージ側接合枠72に対応して複数個の基板側半田ボール73を並べて取り付けたものである。
基板側電極12の周囲に、パッケージ側接合枠72に対応して半田ボール73を取り付けるには、該当する位置に予め半田ボール73を取り付けるためのパッドを形成しておく。このパッドは、詳細は図示していないが、はんだ溶融後、はんだ接合部にすき間が生じないようにするため、すき間なく連続して(例えば、パッケージ側接合枠72と同様に、小円を隙間なく数珠つなぎして枠状にして)形成することが望ましい。
光モジュール71の組み立ては、まず、無機材料基板3に各光部品、各電気部品を搭載した後、パッケージ側電極6に複数個の基板側半田ボール73を接合すると同時に、パッケージ側接合枠7に複数個の基板側半田ボール73を接合することで、セラミックパッケージ2に無機材料基板3を接合すると共に気密封止して光モジュール61を組み立てる。
光モジュール61では、セラミックパッケージ2と無機材料基板3の接合に基板側半田ボール63を用いるため、接合する際、基板側半田ボール63がつぶれて無機材料基板3の反りを吸収することができる。
例えば、図9(c)に示すように、パッケージ側電極6(長さ0.2mm)に半田ペーストpを施した場合、その厚さは0.05mm程度である。これに対し、図9(a)に示すように、パッケージ側電極6に半田ボール73を接合する場合、ボール径φは0.2mm程度あり、図9(b)に示すように、半田溶融しても厚さは0.1mm以上ある。したがって、無機材料基板3の反りεを
ε<0.1mm/X
X:無機材料基板の長さ(図1参照)
まで許容できる。
これにより、光モジュール61では、より精度が高い気密封止を行うことができると共に、平坦度の低い低コストな無機材料基板3が使用可能となる。光モジュール61のその他の構成、作用効果は図1の光モジュール1と同じである。
図7および図8の光モジュール61の変形例として、逆にセラミックパッケージ2のパッケージ側電極6と、パッケージ側接合枠72とに、基板側電極12及び基板側電極12の周囲(予めパッケージ側接合枠72と同様に、小円を隙間なく数珠つなぎして枠状にしたパッドを形成しておくとよい)に対応して半田ボール73を複数個並べて取り付けてもよい。
次に、図2の基板側接合枠13とスルーホール15を形成しない形態を図10および図11で説明する。
図10に示すように、第3の実施形態に係る光モジュール101は、セラミックパッケージ2の上縁面に、セラミックパッケージ2の上面を囲む側壁102を形成し、その側壁102と無機材料基板3を、金属以外の物質を接合する特殊金属半田としてセラソルザs1(黒田テクノ社製)で接合したものである。
光モジュール101では、回路パターン4の一部は、側壁102の上面からセラミックパッケージ2の底面を結んで形成される。また、セラソルザs1は、セラミックパッケージ2の側壁102と無機材料基板3間の隙間をうめるように、かつ側壁102内の回路パターン4と金属膜14に接触するように設けられる。
セラソルザs1は、セラミックスとガラスを接合する特殊金属半田であり、接着力が大きく、気密性、導電性にも優れた材料である。セラソルザs1に超音波と熱(150℃程度)を加えると、セラソルザs1は金属以外の物質を接合する。
この光モジュール101では、図2の基板側接合枠13を形成しなくてもセラミックパッケージ2内を気密封止でき、スルーホール15を形成しなくても電磁波の出入射を防止でき、EMIに対して強い。
また、図11に示すように、第4の実施形態に係る光モジュール111は、図10のセラソルザs1に代えて、予め側壁102と無機材料基板3の上縁面に半田s2を厚めに塗布しておき、塗布した半田s2を覆うようにリング状の金属板(金属箔)113を設けて半田接合したものである。
側壁102上にはパッド112を形成しておき、このパッド112と金属膜14上に半田s2を厚く塗布する。パッド112と金属膜14に半田を単に塗布しただけでは、側壁102と無機材料基板3間の隙間により、半田が溶融した際に分離し、気密を確保できない場合がある。
そこで、光モジュール111では、通常よりも半田s2を厚く塗布し、その上にリング状の金属板113を設けた。この金属板113により、半田s2を溶融した際、半田s2がぬれて広がり、セラミックパッケージ2内の気密性を確実に高めることができる。
次に、図2のスルーホール15を形成しない形態を図12および図13で説明する。
図12に示すように、第5の実施形態に係る光モジュール121は、金属膜14が、セラミックパッケージ2の回路パターン4に、ワイヤボンディングにより導電部材としてのワイヤwを介して導通しているものである。セラミックパッケージ2の上縁面には、ワイヤボンディングのためのパッド122を形成しておく。
また、図13に示すように、第6の実施形態に係る光モジュール131は、金属膜14が、セラミックパッケージ2の回路パターン4に、別部品である導電部材132を介して導通しているものである。セラミックパッケージ2の上縁面にはパッド122を形成しておき、このパッド122と金属膜14に導電部材132を半田接合する。
これら光モジュール121,131では、スルーホール15を形成しなくても電磁波の出入射を防止でき、EMIに対して強い。
第7の実施形態を説明する。
図14〜図16に示すように、光モジュール141は、図1の光モジュール1において、無機材料基板3の光通路R上となる表面に、VCSELアレイ9の各LDの出射光あるいはPDアレイ10の各PDの入射光を集光する一体型のレンズブロック142を接着剤aで接着して実装したものである。接着剤aとしては、UV(紫外線)硬化型接着剤を用いる。
レンズブロック142は、透明な合成樹脂で一括形成される。レンズブロック142は、光部品あるいは電気部品を実装する実装装置(例えば、汎用のチップマウンタ)の逆漏斗状のコレットチャック(図20参照)でつかむためのチャック部(レンズブロック142の上面と側面とで形成される角部)が設けられており、全体が略直方体に形成される。チャック部としては、レンズブロック142の上面と側面とで形成される角部(上縁面)を、コレットチャックの傾斜面に合わせて面取りしたものを用いてもよい。
レンズブロック142の中央部には、VCSELアレイ9の各LDの出射光を上方に直進させて出力させる4個のレンズ(非球面レンズアレイ)143と、他方、PDアレイの各PDの入射光を下方に直進させて入力させる4個のレンズ144(非球面レンズアレイ)とが形成される。このレンズブロック142は、直進型のレンズブロックである。
レンズブロック142の上面には、MT光コネクタに設けられたガイド穴と嵌合する2つのガイドピン145が設けられる。このガイドピン145は、レンズブロック142と一体形成されてもよいし、別部品であってもよい。また、レンズブロックの上面に、MT光コネクタに設けられたガイドピンと嵌合するガイド穴を形成してもよい。
次に、光モジュール141の実装方法を以下の(1)〜(3)で説明する。
(1)画像処理アライメント(画像処理調心)1
まず、上述と同じ手順により、セラミックパッケージ2に無機材料基板3を接合すると共に気密封止する。
モジュール本体141bの上面にモジュール側基準マーカを設け、レンズブロック142の上面あるいは底面にレンズ側基準マーカを設ける。モジュール本体141bの上面あるいはレンズブロック82の底面に接着剤aを塗布する。(手順1)
この状態で、図20に示すように、エアーバキュームにより、実装装置のコレットチャック201でレンズブロック142をつかみ(把持し)、レンズ側基準マーカとモジュール側基準マーカが一致するように、カメラなどの視認装置(TV、モニタなどでもよい)で確認しながら調心してモジュール本体141bにレンズブロック142を載置する。カメラによる確認は、画像処理によって自動で行ってもよいし、目視で行ってもよい。(手順2)
そして、レンズブロック142の上方からUVを照射し、接着剤bを硬化させてモジュール本体141bにレンズブロック142を実装する。(手順3)
(2)画像処理アライメント2
手順1の後、チャックでレンズブロック142をつかみ、VCSELアレイの各LDの発光領域(目視でも確認できる)あるいはPDアレイの各PDの受光領域を、カメラなどの視認装置で確認しながら調心してモジュール本体81bにレンズブロック82を載置する。
ここで用いるレンズブロック142をつかむためのチャックは、図20で説明したコレットチャック201のようにレンズブロック142の上部をつかむものではなく。レンズブロック142の両側面を把持するものである。以下、手順3を行う。
(3)アクティブアライメント
手順1の後(ただし、レンズ側およびモジュール側基準マーカは不要)、レンズブロック142に調心用光ファイバを接続し、VCSELアレイの各LDを発光させ、その発光パワーがMAXになる位置をモニタしながら調心してモジュール本体141bにレンズブロック142を載置する。
また、手順1の後、レンズブロック142に調心用光ファイバを接続し、その調心用光ファイバに試験用の光信号を伝送し、PDアレイの各PDの受光パワーがMAXになる位置をモニタしながら調心してモジュール本体141bにレンズブロック142を載置してもよい。
この光モジュール141は、無機材料基板3の表面にレンズブロック142を接着剤aで接着して実装しているため、簡易な方法でレンズブロック142とモジュール本体141bを一体構造にできる。
また、光モジュール141では、レンズブロック142にチャック部を設けている(従来のレンズブロックはチャック部がなく、直方体でもない)。このため、実装装置のコレットチャック201でレンズブロック142を吸着でき、エアバキュームの際に、空気の漏れをなくすことができる。
これにより、(1)画像処理アライメント1で説明したように、レンズブロック142をコレットチャック201で把持できるため、他の光部品や電気部品と同様、実装装置を用いてレンズブロック142を実装できる。
第8の実施形態を説明する。
図17〜図19に示すように、光モジュール171は、図1の光モジュール1において、無機材料基板3の光通路上となる表面に、VCSELアレイ9の各LDの出射光あるいはPDアレイ10の各PDの入射光を集光する一体型のレンズブロック172を接着剤で接着して実装したものである。接着剤としては、UV硬化型接着剤を用いる。
レンズブロック172は、透明な合成樹脂で一括形成される。レンズブロック172は、実装装置のコレットチャック201(図20参照)でつかむためのチャック部(レンズブロック172の上面と側面とで形成される角部)が設けられており、全体が略直方体に形成される。
レンズブロック172の底面には、VCSELアレイ9の各LDの出射光を上方に直進させる4個のレンズ173が形成され、レンズブロック172の前面には、VCSELアレイ9の各LDの出射光を前方に直進させて出力させる4個のレンズ174が形成される。
他方、レンズブロック172の前面には、PDアレイの各PDの入射光を後方に直進させる4個のレンズ175が形成され、レンズブロック172の底面には、PDアレイの各PDの入射光を下方に直進させる4個のレンズが形成される。
レンズブロック172の中央部には、VCSELアレイ9の各LDの出射光を上方から前方へ反射させ、PDアレイの各PDの入射光を前方から下方へ反射させるミラー176が形成される。このレンズブロック172は、反射型のレンズブロックである。
レンズブロック172の上面には、MT光コネクタに設けられたガイド穴と嵌合する2つのガイドピン177が設けられる。このガイドピン177は、レンズブロック172と一体形成されてもよいし、別部品であってもよい。また、レンズブロックの前面に、MT光コネクタに設けられたガイドピンと嵌合するガイド穴を形成してもよい。
光モジュール171の実装方法も、図14の光モジュール141と同じである。この光モジュール171によっても、光モジュール141と同じ作用効果が得られる。
次に、図1の金属膜14を形成しない第9の実施形態を説明する。
図21に示すように、光モジュール211は、図14の光モジュール141の金属膜14に代えて、無機材料基板3の上部に、レンズブロック142を介して無機材料基板3の上部を覆うようにシールド板としてインナーシールド212を設けると共に、そのインナーシールド212を無機材料基板3の周縁から張り出すように形成したものである。
インナーシールド212の周縁には、無機材料基板3側に折り曲げられた突起(ヒレ)213が複数個形成される。インナーシールド212には、各ガイドピン145が挿通するガイド穴214が2個形成され、これらガイド穴214の間に光通路となる穴215が形成される。このインナーシールド212は、プレス成型で形成できる。
光モジュール211は、図22に示すように、光トランシーバなどの機器が備えるフレキ基板などの回路基板222に実装され、光トランシーバなどの機器のケース221に収納される。このとき、ケース221の内面にインナーシールド211の突起213が接触するようにする。
この光モジュール221では、金属膜14を形成しなくても電磁波の出入射を防止でき、EMIに対して強い。
また、シールド板としては、インナーシールド212に代えて、無機材料基板3の上面に、無機材料基板3の上面を覆うようにインナーシールドを設けると共に、そのインナーシールドを無機材料基板3の周縁から張り出すように形成してもよい。この場合のシンナーシールドには、レンズブロック142全体が挿通する穴が形成される。
第10の実施形態を説明する。
図23および図24に示すように、光モジュール231は、無機材料基板3の裏面にVCSELアレイ9を搭載し、そのVCSELアレイ9を駆動するドライバ232をセラミックパッケージ2の内底面2bに搭載し、無機材料基板3の裏面にPDアレイ10を搭載すると共に、PDアレイ10の出力を増幅するプリアンプ233を搭載して3次元実装、配線したものである。
光モジュール231では、セラミックパッケージ2の内底面2bにドライバ232を搭載することで、セラミックパッケージ2の大型化を防ぐと共に、ドライバ232で発生した熱を、セラミックパッケージ2を通して逃げやすくしている。
また、PDアレイ10の各PDに入力される光信号は強度が小さく、各PDから出力される電流は微弱であるため、ノイズに弱い。そこで、光モジュール231では、PDアレイ10にプリアンプ233を近接させるため、無機材料基板3にプリアンプ233を配置した。
光モジュール231は、3次元実装、配線を行っているため、セラミックパッケージ2や無機材料基板3を小さくでき、光モジュール231の小型化が図れ、非常に有用である。
第11の実施形態を説明する。
図25に示すように、光モジュール251は、図1の光モジュール1において、無機材料基板3の光通路R上となる表面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、VCSELアレイ9の各LDの出射光あるいはPDアレイの各PDの入射光を集光する平面レンズとして回折レンズ(回折光学素子:DOE)252を形成したものである。
回折レンズ252は、バイナリオプティクスを用いた微細加工によって作製した図26(a)に示す形状のレンズであり、図26(b)の一般の非球面レンズ261と同じ働きをする。
ここで、バイナリオプティクスとは、平面基板に対して複数枚のマスクを使用し、フォトエッチング処理を実行することにより、所望精度のバイナリレベルでレンズを生成することをいう。つまり、バイナリオプティクスは、マルチバイナリマスクという複数枚で1セットとなっているマスクを用いて、マスクごとにエッチング量の相対を1、2、4…と変化させ、n枚のマスクで2n通りの高さの選択性を得る手法である。
具体的には、図27(a)に示すようにマスクが1枚の場合、2段の位相レベルが生成され、図27(b)に示すようにマスクが2枚の場合、4段の位相レベルが生成され、図27(c)に示すようにマスクが3枚の場合、8段の位相レベルが生成される。したがって、使用したマスク数をnとした場合、2nの階段形状が生成されるため、これをバイナリオプティクスと呼ぶ。
光モジュール251では、無機材料基板3に回折レンズ252を形成しているため、レンズ機能を無機材料基板3に一体で盛り込むことができ、外付けのレンズが不要になる。
また、無機材料基板3の光通路R下となる裏面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、図26(a)の回折レンズ252と同様の回折レンズを形成してもよい。
本発明の好適な第1の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図1に示した光モジュールの2A−2A線断面図である。 図1に示した光モジュールの分解斜視図である。 図3の光モジュールを上方から見た分解斜視図と無機材料基板の透視図である。 図1に示した光モジュールの製造工程を示す概略図である。 図6(a)および図6(b)は、無機材料基板として石英系ガラス基板を用いた場合を示す一例を示す光モジュールの断面図である。 第2の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 図7の光モジュールを上方から見た分解斜視図である。 図9(a)は接合直前の半田ボールを示す断面図、図9(a)は接合後の半田ボールを示す断面図、図9(c)は半田ペーストを用いた場合の断面図である。 第3の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 第4の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 第5の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 第6の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 第7の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 図14に示したレンズブロックの斜視図である。 図14に示したレンズブロックの縦断面図である。 第8の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図17の光モジュールを前方から見た斜視図である。 図17に示した光モジュールの縦断面図である。 光モジュールの実装方法を説明する概略図である。 第9の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図21に示した光モジュールを機器に実装した状態を示す断面図である。 第10の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図23に示した光モジュールを上方から見た透視図である。 第11の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図26(a)は図25に示した回折レンズの断面図、図26(b)は従来のレンズの断面図である。 図27(a)〜図27(c)は回折レンズの製造方法を説明する概略図である。 従来の光モジュールの縦断面図である。
符号の説明
1 光モジュール
2 セラミックパッケージ
4 パッケージ側回路パターン
3 透明な無機材料基板(光透過部材)
6 パッケージ側電極
7 パッケージ側接合枠
8 基板側回路パターン(光電変換素子)
9 VCSELアレイ(光電変換素子)
10 PDアレイ
12 基板側電極
13 基板側接合枠
72 パッケージ側接合枠
73 半田ボール

Claims (22)

  1. 上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールにおいて、上記光透過部材となる透明な無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装し、上記パッケージの上縁面にパッケージ側電極を形成すると共に、そのパッケージ側電極に対応して上記無機材料基板の裏面に基板側電極を形成し、上記パッケージの上記パッケージ側電極の周囲にパッケージ側接合枠を形成し、上記無機材料基板の上記基板側電極及び上記基板側電極の周囲に、あるいは上記パッケージの上記パッケージ側電極及び上記パッケージ側接合枠に、半田ボールを複数個並べて取り付け、上記パッケージ側電極と上記基板側電極を半田接合すると共に、上記パッケージに上記無機材料基板を接合したことを特徴とする光モジュール。
  2. 上記パッケージの上縁面に側壁を形成し、その側壁と上記無機材料基板を金属以外の物質を接合する特殊金属半田で接合した請求項1記載の光モジュール。
  3. 上記パッケージの上縁面に側壁を形成し、その側壁と上記無機材料基板の上縁面に半田を塗布し、塗布した半田を覆うようにリング状の金属板を設けて半田接合した請求項1記載の光モジュール。
  4. 上記無機材料基板の光通路以外となる表面に金属膜を形成し、その金属膜は、上記無機材料基板に形成したスルーホールを介して、上記パッケージの回路パターンと導通している請求項1〜3いずれかに記載の光モジュール。
  5. 上記無機材料基板の光通路以外となる表面に金属膜を形成し、その金属膜は、上記パッケージの回路パターンにワイヤなどの導電部材を介して導通している請求項1〜3いずれかに記載の光モジュール。
  6. 上記無機材料基板の光通路以外となる表面に、上記無機材料基板と熱膨張率が等しいセラミック板あるいは金属板を設けた請求項1〜3いずれかに記載の光モジュール。
  7. 上記無機材料基板の上面あるいは上部に、上記無機材料基板の上面あるいは上部を覆うようにシールド板を設けると共に、そのシールド板を上記無機材料基板の周縁から張り出すように形成した請求項1〜3いずれかに記載の光モジュール。
  8. 上記無機材料基板と各光電変換素子の隙間に透明なアンダーフィルを充填した請求項1〜7いずれかに記載の光モジュール。
  9. 上記無機材料基板の裏面に各光電変換素子を制御する制御用半導体チップを搭載した請求項1〜8いずれかに記載の光モジュール。
  10. 上記無機材料基板の裏面に発光用の光電変換素子を搭載し、その発光用の光電変換素子を駆動する駆動回路を上記パッケージの内底面に搭載した請求項1〜8いずれかに記載の光モジュール。
  11. 上記無機材料基板の裏面に受光用の光電変換素子を搭載すると共に、その受光用の光電変換素子の出力を増幅する増幅回路を搭載した請求項1〜8、10いずれかに記載の光モジュール。
  12. 上記無機材料基板として、半導体薄膜用基板として用いるサファイア基板よりも結晶性が低いサファイア基板を用いる請求項1〜11いずれかに記載の光モジュール。
  13. 上記無機材料基板の表面に、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する一体型のレンズブロックを接着剤で実装した請求項1〜12いずれかに記載の光モジュール。
  14. 上記レンズブロックに、光部品あるいは電気部品を実装する実装装置のチャックでつかむためのチャック部を設けた請求項13記載の光モジュール。
  15. 上記レンズブロックは、上記光電変換素子の出射光あるいは入射光を直進させて出入力させる直進型、あるいは上記光電変換素子の出射光あるいは入射光を反射させて出入力させる反射型である請求項13または14記載の光モジュール。
  16. 上記レンズブロックには、光コネクタと嵌合するガイドピンあるいはガイド穴が設けられる請求項13〜15いずれかに記載の光モジュール。
  17. 上記ガイドピンは、上記レンズブロックと別部品あるいは上記レンズブロックと一体である請求項16記載の光モジュール。
  18. 上記無機材料基板の光通路の表面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する回折レンズを形成した請求項1〜12いずれかに記載の光モジュール。
  19. 上記無機材料基板の光通路の裏面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する回折レンズを形成した請求項1〜12いずれかに記載の光モジュール。
  20. 上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールの実装方法において、上記光透過部材となる無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装した後、上記無機材料基板の表面に、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する一体型のレンズブロックを接着剤で取り付ける際、そのレンズブロックにレンズ側基準マーカを設け、モジュール本体の上面にモジュール側基準マーカを設け、これらレンズ側基準マーカとモジュール側基準マーカが一致するように、視認装置で確認しながら調心して上記モジュール本体に上記レンズブロックを実装することを特徴とする光モジュールの実装方法。
  21. 上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールの実装方法において、上記光透過部材となる無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装した後、上記無機材料基板の表面に、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する一体型のレンズブロックを接着剤で取り付ける際、上記光電変換素子の発光領域あるいは受光領域を、視認装置で確認しながら調心して上記モジュール本体に上記レンズブロックを実装することを特徴とする光モジュールの実装方法。
  22. 上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールの実装方法において、上記光透過部材となる無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装した後、上記無機材料基板の表面に、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する一体型のレンズブロックを接着剤で取り付ける際、そのレンズブロックに調心用光ファイバを接続し、上記光電変換素子の発光パワーあるいは受光パワーをモニタしながら調心して上記モジュール本体に上記レンズブロックを実装することを特徴とする光モジュールの実装方法。
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