JP2008108992A - 光モジュール製造方法及び製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、光モジュール製造方法及び製造装置に関し、光モジュールが小型化されても所望の性能及び高い信頼性を有する光モジュールを製造可能とすることを目的とする。
【解決手段】基板面に複数の端子パッド及び複数の着地パッドを有する基板に対し、端子パッドに半田材料を塗布し、複数の端子と平坦な上面を有する光学素子パッケージを、着地パッドを用いて上面が該基板面と略平行となるように、且つ、光学素子パッケージの底面と基板面との間に間隙が形成されるように基板上に搭載する搭載ステップと、光学素子パッケージの搭載と同時に、着地パッドを予備加熱し、半田材料を溶融させた後に硬化させて端子パッドと光学素子パッケージの対応する端子を電気的に接続するように構成する。
【選択図】図１４

Description

本発明は光モジュール製造方法及び製造装置に係り、特に受光素子等の光学素子を有する光モジュールの製造方法及び製造装置に関する。
光モジュールは、車両搭載用、警備システム用等のカメラを含む、各種用途に用いられている。光モジュールは、基板と、基板上に設けられた光学素子とを有する。例えば、光学素子はＣＣＤ又はＣＭＯＳデバイスである。
光モジュールの信頼性を低下させることなく、光モジュールを小型化する要求がある。このため、光学素子は基板に対して正確に位置決めされる必要があり、光学素子と基板上の他の部分との電気的接続は、経時変化又は外部からの衝撃にかかわらず容易に劣化するものであってはならない。
従来、光学素子は、手作業で光学素子の端子を基板上の対応する端子に半田付けすることにより基板上に搭載されていた。
しかし、光学素子を基板上に搭載する際、光学素子を基板面に対して三次元的に正確に位置決めすることは難しい。光学素子が基板面に対して平行な状態に搭載されないと、光学素子の光軸が基板面に対する垂線から傾いてしまい、光学素子の性能が低下してしまう。
光学素子が基板面に対して水平な状態となるように、光学素子の底面が直接基板面と接するように光学素子を基板上に搭載することもできる。しかし、光学素子の端子を基板上の対応する端子に半田付けすると、半田に亀裂が容易に発生して光モジュールの信頼性を低下させてしまう。通常、基板と光学素子に用いられる材料の熱膨張係数が異なり、光学素子と基板が直接接触していると熱膨張係数の違いにより生じる応力を光学素子と基板の間で吸収することができないので、このような半田の亀裂は温度変化が生じると経時変化に応じて発生する。又、光学素子と基板が直接接触していると外部からの衝撃を光学素子と基板の間で吸収することができないので、このような半田の亀裂は光モジュールに外部からの衝撃が加えられた場合にも発生する。
更に、手作業により光学素子の端子を基板上の対応する端子に半田付けする場合、各端子に付ける半田の量を均一に制御することは難しく、光モジュールを小型化すると端子の間隔も非常に狭くなるので特に難しい。このため、光モジュールの信頼性を均一に制御することは難しい。又、手作業による半田付けでは、光モジュールを効率良く、且つ、低価格で製造することは難しい。
表面実装基板へのクリーム状の半田を供給する半田供給装置は、例えば特許文献１にて提案されている。面実装部品の取り外しの作業性を改善するためのプリント配線基板は、例えば特許文献２にて提案されている。電子部品と基板を平行に実装する実装装置は、例えば特許文献３にて提案されている。
特開平１−４０９５号公報 特開平９−５５５６５号公報 特開２００６−６６４１８号公報
従来、光モジュールが小型化されても所望の性能及び高い信頼性を有する光モジュールを製造することは難しいという問題があった。
そこで、本発明は、光モジュールが小型化されても所望の性能及び高い信頼性を有する光モジュールを製造することができる光モジュール製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
上記の課題は、基板面に複数の端子パッド及び複数の着地パッドを有する基板に対し、該端子パッドに半田材料を塗布する塗布ステップと、複数の端子と平坦な上面を有する光素子パッケージを、該着地パッドを用いて該上面が該基板面と略平行となるように、且つ、該光素子パッケージの底面と該基板面との間に間隙が形成されるように該基板上に搭載する搭載ステップと、該搭載ステップと同時に、該着地パッドを予備加熱する予備加熱ステップと、該半田材料を溶融させた後に硬化させて該端子パッドと該光学素子パッケージの対応する端子を電気的に接続する半田付けステップとを含むことを特徴とする光モジュールの製造方法によって達成できる。
上記の課題は、基板面に複数の端子パッド及び複数の着地パッドを有する基板がセットされる移動可能なステージユニットと、該ステージユニットが塗布位置に移動されると、該端子パッドに半田材料を塗布する塗布装置と、該ステージユニットが搭載位置に移動されると、複数の端子と平坦な上面を有する光学素子パッケージを、該着地パッドを用いて該上面が該基板面と略平行となるように、且つ、該光学素子パッケージの底面と該基板面との間に間隙が形成されるように該基板上に搭載する搭載装置と、該光学素子パッケージの該基板上への搭載と同時に、該着地パッドを予備加熱する予備加熱手段と、該半田材料を溶融させた後に硬化させて該端子パッドと該光学素子パッケージの対応する端子を電気的に接続する半田付け手段とを備えたことを特徴とする光モジュールの製造装置によって達成できる。
本発明によれば、光モジュールが小型化されても所望の性能及び高い信頼性を有する光モジュールを製造することができる光モジュール製造方法及び製造装置を実現可能である。
以下に、本発明の光モジュール製造方法及び製造装置の各実施例を、図面と共に説明する。
先ず、本発明の光モジュール製造方法及び製造装置で製造される光モジュールについて、図１〜図５と共に説明する。図１は光モジュールを示す上面図、図２は光モジュールを示す底面図、図３は光モジュールを示す側面図である。
図１〜図３に示すように、光モジュール１は上面（又は、基板面）１１Ａ及び底面１１Ｂからなる基板１１を有し、各種素子が基板１１の上面１１Ａ及び底面１１Ｂに設けられている。位置決め用穴１２は基板１１を貫通しており、光モジュール１の製造時に基板１１を製造装置にセットする際と、光モジュール１を所望の位置に搭載する際に用いられる。基板１１は、例えばＦＲ−４又はＦＲ−５からなる。
基板１１の上面１１Ａに設けられた各種素子は、着地パッド１３、端子パッド１４及び光学素子パッケージ１５を含む。光学素子パッケージ１５は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳデバイスのような受光素子を含む。基板１１の底面１１Ｂに設けられた各種素子は、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）パッケージ２１及びコネクタ２２を含む。ＤＳＰパッケージ２１は、光学素子パッケージ１５に入力される信号及び光学素子パッケージ１５から出力される信号を処理する。ＤＳＰパッケージ２１は、基板１１を介して光学素子パッケージ１５の略真下に配置されている。コネクタ２２は、光モジュール１をコネクタ（図示せず）又はケーブル（図示せず）を介して外部装置（図示せず）に接続するために設けられている。基板１１の上面１１Ａ及び底面１１Ｂに設けられている他の素子は、インダクタ、コンデンサ及び抵抗等を含んでも良い。
後述するように、光学素子パッケージ１５と基板面１１Ａとの間の間隙（又は、ギャップ）は、光学素子パッケージ１５が基板面１１Ａに搭載される際に着地パッド１３により決定される。この間隙は、端子パッド１４と光学素子パッケージ１５の端子１５２との間で良好な電気的接続を実現するために少なくとも１５０μｍに設定され、例えば１５０μｍ〜２００μｍの範囲に設定可能である。光学素子パッケージ１５と基板面１１Ａとの間の間隙は、接着剤（図示せず）により埋められていても良い。着地パッド１３の膜厚は、好ましくは間隙の約２／３に設定される。間隙が上記の如く１５０μｍの場合、着地パッド１３の膜厚は好ましくは約１００μｍに設定される。
図４は光モジュール１の基板１１の、光学素子パッケージ１５が搭載される前の状態を示す平面図、即ち、上面図であり、図５は光学素子パッケージ１５を示す斜視図である。
着地パッド１３は、適切な材料を用いて所定の膜厚を有し、且つ、上面が平面となるように周知の方法により基板面１１Ａ上に形成される。端子パッド１４は、Ｃｕ等の適切な導電性材料を用いて周知の方法により基板面１１Ａ上に形成される。適切な半田材料からなる所定の半田パターンは、半田付け工程において半田材料による電気的接続を容易にするために端子パッド１４を含む基板面１１Ａ上に印刷されている。着地パッド１３及び端子パッド１４が同じ導電性材料からなる場合には、着地パッド１３及び端子パッド１４を基板面１１Ａに同時に形成可能である。この場合、導電性材料からなる層の上にレジスト層を更に形成して着地パッド１３とするようにしても良い。光学素子パッケージ１５が基板１１の基板面１１Ａに搭載されている状態では、図１に示すように、着地パッド１３は露出しており端子パッド１４は一部露出している。
図５に示すように、光学素子パッケージ１５は端子１５２が設けられた凹部１５１を有するセラミックパッケージ１５０と、セラミックパッケージ１５０の上に設けられセラミックパッケージ１５０内の受光素子を保護する保護層１５３とからなる。保護層１５３はガラスからなり、その上面は光学素子パッケージ１５の光軸と略垂直な平面である。光学素子パッケージ１５が基板面１１Ａに搭載されている状態では、光学素子パッケージ１５の光軸は基板面１１Ａと略垂直である。
光学素子パッケージ１５の形状は、図１の平面図では矩形である。例えば、矩形の光学素子パッケージ１５のサイズは平面図上で８．４ｍｍ×８．４ｍｍであり、合計１４個の端子１５２が１ｍｍのピッチで配置されている。基板面１１Ａ上の端子パッド１４は、例えば０．６ｍｍのピッチで配置されている。基板面１１Ａ上の着地パッド１３は、矩形の光学素子パッケージ１５の対向する辺に沿って、平面図上光学素子パッケージ１５の外側に設けられている。基板面１１Ａ上の端子パッド１４及び光学素子パッケージ１５の端子１５２の各々は、矩形の光学素子パッケージ１５の少なくとも一辺に沿って設けられており、図１と図４の比較からわかるように、端子パッド１４は平面図上光学素子パッケージ１５内部へ延びている。図示の例では、端子パッド１４及び端子１５２の各々は、矩形の光学素子パッケージ１５の対向する辺に沿って配置されている。又、着地パッド１３は、矩形の光学素子パッケージ１５の対向する辺であって、端子パッド１４及び端子１５２がそれに沿って配置されている対向する辺とは異なる辺に沿って配置されている。
端子パッド１４は、図３に示すように、印刷された半田材料（以下、プリント半田材料と言う）とその後の工程で供給される半田材料を含む半田３１により対応する端子１５２と電気的に接続される。説明の便宜上、図５は一対の端子パッド１４及び端子１５２を電気的に接続する半田３１のみを示す。図５に示すように、半田３１は、隣接する端子１５２との間で短絡を生じないように、端子１５２が設けられている凹部１５１内まで達している。
基板１１には、光学素子パッケージ１５の位置を避けた位置に、少なくとも２個の位置決め用穴１２が設けられている。図示の例では、２個の位置決め用穴１２は、基板面１１Ａ上の略中央部分に配置された矩形の光学素子パッケージ１５の略対角線上の位置に設けられている。
各端子パッド１４の露出されている長さは、各端子パッド１４を半田３１により光学素子パッケージ１５の対応する端子１５２に電気的に接続するのに要する最小の長さより長い。プリント半田材料が設けられている各端子パッド１４の長さは、上記最初の長さ以下である。各端子パッド１４の露出されている長さは、上記最小の長さより少なくとも０．５ｍｍ長く、その上限は基板面１１Ａ上での使用可能な領域に応じて適切に決定可能である。上記最小の長さより長い端子パッド１４の部分に相当する加熱部分は、端子パッド１４と光学素子パッケージ１５の対応する端子１５２を半田３１により電気的に接続する際にプリント半田材料及びその後の工程で供給される半田材料が速く、且つ、安定して溶融するように、加熱プローブを接触させて端子パッド１４を予備加熱するのに用いられる。
端子パッド１４は、少なくとも上記最小の長さ分は所定のプリント半田パターンでプリコートされているので、その後の工程で半田材料が供給されてプリント半田材料とその後の工程で供給された半田材料が溶融されて端子パッド１４と対応する端子１５２を電気的に接続する半田３１を形成する際に、熱伝導を促進する機能を有する。ここでは説明の便宜上、プリント半田材料及びその後の工程で供給される半田材料が共に速く、且つ、安定して溶融するＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕであるものとする。
プリント半田材料及びその後の工程で供給される半田材料は、同じ半田材料であっても互いに異なる組成を有するものであっても良い。又、プリント半田材料及びその後の工程で供給される半田材料は、互いに異なる半田材料であっても良い。プリント半田材料は比較的硬いものであっても良いのに対し、その後の工程で供給される半田材料はディスペンサ等から供給する関係上比較的柔らかく、プリント半田材料と比べると溶融しても略一定の粘土を有することが好ましい。
この例では、基板１１及び光学素子パッケージ１５（即ち、セラミックパッケージ１５０）は互いに異なる熱膨張係数を有する材料からなり、基板１１及び半田３１は略同じ熱膨張係数を有する材料からなる。好ましくは、基板１１はＸＹ方向に１７ｐｐｍ／℃〜１８ｐｐｍ／℃でＺ方向に３３ｐｐｍ／℃の線膨張率を有するＦＲ−５からなり、半田尾３１は２１ｐｐｍ／℃〜２３ｐｐｍ／℃の線膨張率を有するＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕからなる。セラミックパッケージ１５０はＸＹＺ方向に７ｐｐｍ／℃〜８ｐｐｍ／℃の線膨張率を有する。ＸＹ方向は基板面１１Ａと平行な面上の互いに直交する方向であり、Ｚ方向は基板面１１Ａに垂直な方向である。
着地パッド１３は半導体装置の製造工程等で用いられる周知の方法で形成可能であるため、着地パッド１３の上面の平坦度及び膜厚は高精度に制御することができる。又、光学素子パッケージ１５の上面の平坦度（即ち、保護層１４２の上面の平坦度）は光学素子パッケージ１５の製造者により保証されている。従って、着地パッド１３及び光学素子パッケージ１５の上面を用いて、光学素子パッケージ１５の基板面１１Ａに対する平行な状態と、光学素子パッケージ１５と基板面１１Ａとの間の間隙を、後述するように高精度に制御することで、光学素子パッケージ１５が基板面１１Ａに搭載された状態で光学素子パッケージ１５の光軸が基板面１１Ａと略垂直になるようにして、光モジュール１の所望の性能を保証することができる。又、光学素子パッケージ１５と基板面１１Ａとの間の間隙が正確に制御されるので、基板１１及び光学素子パッケージ１５を構成する材料の熱膨張率の違いにより生じる応力をこの間隙により吸収することができる。
更に、上記最小の長さより長い端子パッド１４の部分に相当する加熱部分は、端子パッド１４と光学素子パッケージ１５の対応する端子１５２を半田３１により電気的に接続する際にプリント半田材料及びその後の工程で供給される半田材料を溶融するために加熱プローブを接触させて端子パッド１４を予備加熱するのに用いられるので、プリント半田材料及びその後の工程で供給される半田材料を速く、且つ、安定して溶融することができ、各接続部に供給する半田材料の量を正確に制御することが可能となり、その結果光モジュール１の信頼性を向上することができる。
又、端子パッド１４は、少なくとも上記最小の長さ分は所定のプリント半田パターンでプリコートされており、その後の工程で半田材料が供給されてプリント半田材料とその後の工程で供給された半田材料が溶融されて端子パッド１４と対応する端子１５２を電気的に接続する半田３１を形成する際に熱伝導を促進する機能を有するので、プリント半田材料及びその後の工程で供給される半田材料を速く、且つ、安定して溶融することができ、各接続部に供給する半田材料の量を正確に制御することが可能となり、その結果光モジュール１の信頼性を向上することができる。
このように、対応する端子パッド１４と端子１５２とを確実に接続するためにその後の工程で適量を超える多量の半田材料を供給する必要がないので、過剰の量の半田材料が供給されると生じてしまう隣接する端子パッド１４と端子１５２間の短絡を防止することが可能となる。一方、隣接する端子パッド１４と端子１５２間の短絡を防止するためにその後の工程で少量の半田材料を供給すると、電気的な接続の信頼性はその後の工程で供給される半田材料の量が適量を下回ると低下してしまい、光学素子パッケージ１５と基板面１１Ａとの間に間隙を設ける場合には特に信頼性が低下していしまう。しかし、上記の例では、端子パッド１４を予備加熱すると共に、端子パッド１４にプリント半田材料によるプリコートを施しているので、対応する端子パッド１４と端子１５２の電気的接続を確実、且つ、信頼性の高いものにすることができる。
言うまでもなく、矩形の光学素子パッケージ１５のサイズ、着地パッド１３の数、端子１５２（及び端子パッド１４）の数は、上記のものに限定されるものではない。又、着地パッド１３の形状は、図１及び図４に示す略矩形に限定されるものではない。更に、端子１５２及び端子パッド１４は、矩形の光学素子パッケージ１５の一辺のみに沿って設けても良い。ＤＳＰパッケージ２１及びコネクタ２２を底面１１Ｂに設けること、即ち、基板面１１Ａとは反対側に設けることは、必須ではなく、少なくともＤＳＰパッケージ２１及びコネクタ２２の一方を基板面１１Ａに設けても良い。しかし、基板１１上の限られた領域を効率的に利用するという観点からは、光学素子パッケージ１５とＤＳＰパッケージ２１を基板１１の反対側に設けることが好ましい。
次に、本発明の光モジュール製造方法及び製造装置の一実施例を、図６〜図１７と共に説明する。ここでは説明の便宜上、上記光モジュール１が製造されるものとする。
図６は本発明の光モジュール製造装置の一実施例を示す正面図であり、図７は光モジュール製造装置の一実施例を示す側面図である。図６及び図７に示すように、光モジュール製造装置５０は、Ｘ方向駆動軸５１、Ｘ方向駆動軸５１に沿って移動可能なステージユニット５２、第１及び第２のＹ方向駆動軸５３、第１及び第２のＺ方向駆動軸５４、第１のＹ方向駆動軸５３に沿ってＹ方向に移動可能で第１のＺ方向駆動軸５４に沿ってＺ方向に移動可能な塗布装置５５、第２のＹ方向駆動軸５３に沿ってＹ方向に移動可能で第２のＺ方向駆動軸５４に沿ってＺ方向に移動可能な搭載装置５６、温度制御部５７、サーボコントローラ５８、開始ボタン等の操作ボタンを含む操作部５９、光学素子パッケージ供給部６０、加熱ヘッド部６１、クリーニング部７１、ボトムヒータ部８１、及び制御部９１を有する。
温度制御部５７は、光モジュール製造装置５１の各部の温度を制御する。サーボコントローラ５８は、ステージユニット５２のＸ方向の移動を制御すると共に、塗布装置５５及び搭載装置５６のＹ方向の移動を制御する。制御部９１は、塗布装置５５及び搭載装置５６のＺ方向の移動の制御を含む、光モジュール製造装置５０全体の動作を制御する。本実施例では、温度制御部５７及びサーボコントローラ５８は、制御部９１の制御下で制御を行う。
所定のプリント半田パターン（プリント半田材料）がプリコートされており、且つ、図４に示すように光学素子パッケージ１５がまだ搭載されていない状態の基板１１は、位置決め用穴１２を用いてステージユニット５２にセットされる。この基板１１に対し、塗布装置５５は、後の半田付け工程でプリント半田材料と共に溶融される半田材料（又は、後の半田付け工程で供給される半田材料に相当する半田ペースト）をディスペンサにより端子パッド１４上に供給して塗布する。後の半田付け工程では、加熱ヘッド部６１を用いて半田材料を溶融させて、半田３１により端子パッド１４を光学素子パッケージ１５の対応する端子１５２に電気的に接続する。端子パッド１４上のプリント半田材料の上への半田材料の供給は、塗布装置５５をサーボコントローラ５８の制御下でＹ方向に移動させると共に制御部９１の制御下でＺ方向に移動させ、ステージユニット５２をサーボコントローラ５８の制御下でＸ方向に移動させることで行われる。
次に、ステージユニット５２は、サーボコントローラ５８の制御下で、加熱ヘッド部６１の位置までＸ方向に移動される。搭載装置５６は、サーボコントローラ５８の制御下でＹ方向に移動されると共に制御部９１の制御下でＺ方向に移動されて、吸引ヘッド１０１により光学素子パッケージ供給部６０により供給される光学素子パッケージ１５を吸引力で保持し、位置決め用穴１２を用いてステージユニット５２にセットされた基板１１上に光学素子パッケージ１５を載置する。
図８は、光学素子パッケージ供給部６０、加熱ヘッド部６１及びボトムヒータ部８１を示す斜視図である。図９は、位置決めヘッド機構を冷却部と共に示す斜視図である。図１０は位置決めヘッド機構を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。図１１は位置決めヘッド機構を示す斜視図である。
ボトムヒータ部８１による基板１１の底面１１Ｂからの加熱、及び搭載装置５６の位置決めヘッド機構による光学素子パッケージ１５の基板１１に対する位置決めは、同時に行われる。ボトムヒータ部８１は、温度制御部５７の制御下でステージユニット５２に設けられた穴を介して熱風を所定時間底面１１Ｂに吹き付けることにより、半田材料を速く、且つ、安定して溶融させるための準備を行う。又、加熱ヘッド部６１の加熱プローブ（図示せず）は、制御部９１の制御下で端子パッド１４の加熱部と接触して、温度制御部５７の制御下で端子パッド１４を適切な温度まで予備加熱する。一方、位置決めヘッド機構は、制御部９１の制御下で吸引ヘッド１０１のレッグ１０２を基板面１１Ａ上の対応する着地パッド１３までＺ方向に下降させる。これにより、光学素子パッケージ１５は、光学素子パッケージ１５と基板面１１Ａとの間の間隙が正確に所望の値に制御され、基板面１１Ａに対して平行な状態に位置決めされる。位置決めヘッド機構は、基板面１１Ａに光学素子パッケージ１５の上面を習わせるならい機構を構成する。ボトムヒータ部８１及び加熱プローブは、少なくとも一方が設けられていれば良い。又、ボトムヒータ部８１及び／又は加熱プローブは、予備加熱手段を構成する。
その後、加熱ヘッド部６１の一対のアームが制御部８１の制御下でＺ方向に下降すると半田３１を形成する半田材料と接触し、加熱ヘッド部６１の一対のアームが温度制御部５７の制御下で所望の温度まで加熱されると半田材料が溶融されて端子パッド１４と光学素子パッケージ１５の対応する端子１５２を電気的に接続する。加熱ヘッド部６１の一対のアームの近傍には、温度センサ（図示せず）が設けられており、温度制御部５７はこの温度センサが出力する検出信号に基づいてアームの温度を検出する。制御部８１の制御下で加熱ヘッド部６１のアームをＺ方向に上昇させて基板１１から離した後、温度制御部５７の制御下で図９に示す冷却部１０３により空気を半田材料に吹き付けて溶融した半田材料を硬化させて半田３１を形成する。加熱ヘッド部６１及び冷却部１０３は、半田付け手段を構成する。
尚、加熱ヘッド部６１のアームの断面形状は、熱を効率良く半田材料に伝えられるような形状であることが好ましい。本実施例では、アームは、図８においてＸＺ面と平行な面に沿った断面の面積が、半田材料に接する部分に向かって減少する形状を有する。
図１２はヘッドクリーニング部７１を示す斜視図であり、図１３はヘッドクリーニング部７１を示す側面図である。ヘッドクリーニング部７１は、制御部９１の制御下で、又、任意のタイミングで加熱ヘッド部６１をクリーニングして、加熱ヘッド部６１に付着した残留フラックスを除去することで半田３１の加熱又は溶融の安定性を向上する。具体的には、ヘッドクリーニング部７１は、図１３にＦＬで示すように加熱ヘッド部６１の一対のアームの下面と接触してＹ方向に移動する複数のブレードを有し、一対のアームの下面に付着した残留フラックスを削り落とす。
図１４は、本発明の光モジュール製造方法の一実施例を説明するフローチャートである。
図１４において、ステップＳ１では、基板１１が操作者により手作業で、或いは、ロボット（図示せず）により自動的に、位置決め用穴１２を用いてステージユニット５２上にセットされ、制御部９１は基板１１がステージユニット５２上にセットされたことをステージユニット５２に設けられた基板センサ（図示せず）から出力される検出信号に応答して検出する。操作者が操作部５９の開始ボタンを操作すると、ステップＳ２では制御部９１が開始ボタンの操作により発行される開始信号に応答して光モジュール製造プロセスを開始する。ステップＳ３では、ステージユニット５２がサーボコントローラ５８の制御下で塗布装置５５の動作位置（即ち、塗布位置）までＸ方向に移動される。ステップＳ４では、塗布装置５５は制御部９１の制御下でディスペンサから半田材料（又は、後の半田付け工程で供給される半田材料に相当する半田ペースト）を端子パッド１４上に供給して塗布する。後述するように、この半田材料は、加熱ヘッド部６１を用いる後の半田工程においてプリント半田材料と共に溶融され、端子パッド１４と光学素子パッケージ１５の対応する端子１５２を電気的に接続する半田３１を形成する。
ステップＳ４は、ステップＳ４１〜Ｓ４７からなる。ステップＳ４１では塗布装置５５がＺ方向に下降され、ステップＳ４２では半田材料がでディスペンサから端子パッド１４上に供給される。ステップＳ４３では、ステージユニット５２がＸ方向に移動され、端子パッド１４の少なくとも上記最小の長さ分を半田材料で塗布する。ステップＳ４４では、ディスペンサからの半田材料の供給を停止する。ステップＳ４５では塗布装置５５をＺ方向に上昇させ、ステップＳ４６では基板１１上の全ての端子パッド１４に半田材料が塗布されたか否かを判定する。ステップＳ４６の判定結果がＹＥＳであると、処理はステップＳ５へ進む。他方、ステップＳ４６の判定結果がＮＯであると、ステップＳ４７ではステージユニット５２がＸ方向に移動され、及び／又は、塗布装置５５がＹ方向に移動され、次の端子パッド１４への半田材料の塗布の準備を行い、処理はステップＳ４１へ戻る。
ステップＳ５では、ステージユニット５２がサーボコントローラ５８の制御下で搭載装置５６の動作位置（即ち、搭載位置）までＸ方向に移動される。ステップＳ６では、光学素子パッケージ１５が操作者により手作業で、或いは、ロボット（図示せず）により自動的に、光学素子パッケージ供給部６０上にセットされる。ステップＳ７では、制御部９１は光学素子パッケージ１５が光学素子パッケージ供給部６０上にセットされているか否かを光学素子パッケージ供給部６０に設けられた供給部センサ（図示せず）から出力される検出信号に応答して検出する。ステップＳ７の判定結果がＹＥＳになると、ステップＳ８では搭載装置５６がサーボコントローラ５８の制御下で光学素子パッケージ供給部６０の上方までＹ方向に移動され、ステップＳ９では制御部９１の制御下でＺ方向に下降される。ステップＳ１０では、搭載装置５６の吸引ヘッド１０１が制御部９１の制御下で光学素子パッケージ供給部６０上にセットされた光学素子パッケージ１５を吸引力で保持し、ステップＳ１１では、制御部９１は光学素子パッケージ１５が吸引ヘッド１０１により保持されたか否かを吸引ヘッド１０１に設けられた吸引ヘッドセンサ（図示せず）から出力される検出信号に応答して検出する。ステップＳ１１の判定結果がＹＥＳになると、ステップＳ１２では、搭載装置５６が制御部９１の制御下でＺ方向に上昇される。ステップＳ１３では、搭載装置５６がサーボコントローラ６８の制御下でステージユニット５２上の基板１１の上方までＹ方向に移動される。
ステップＳ１４〜Ｓ２０と、ステップＳ２１〜Ｓ２３は、同時に行われる。ステップＳ２１では、ボトムヒータ部８１が制御部９１の制御下でＺ方向に上昇され、又、加熱ヘッド部６１の加熱プローブ（図示せず）は、制御部９１の制御下で端子パッド１４の加熱部と接触して、温度制御部５７の制御下で端子パッド１４を適切な温度まで予備加熱する。ステップＳ２２では、ボトムヒータ部８１が温度制御部５７の制御下でステージユニット５２に設けられた穴を介して熱風を基板１１の底面１１Ｂに所定時間、例えば１０秒吹き付けることにより、端子パッド１４上の半田材料を速く、且つ、安定して溶融させるための準備を行う。ステップＳ２３では、上記所定時間が経過すると、ボトムヒータ部８１が温度制御部５７の制御下で熱風の供給を停止し、制御部９１の制御下でＺ方向に下降される。又、加熱ヘッド部６１の加熱プローブは、制御部９１の制御下で端子パッド１４から離される。
一方、ステップＳ１４では、光学素子パッケージ１５を保持した搭載装置５６は制御部９１の制御下で、位置決め用穴１２を用いてステージユニット５２上にセットされている基板１２に対してＺ方向に下降される。ステップＳ１５では、搭載装置５６の位置決めヘッド機構は制御部９１の制御下で吸引ヘッド１０１のレッグ１０２を基板面１１Ａ上の対応する着地パッド１３までＺ方向に下降させて所定時間、例えば１０秒レッグ１０２を着地パッド１３に対して下方へ押し付ける。又、ステップＳ１６では、制御部９１の制御下で、加熱ヘッド部６１の一対のアームをＺ方向に半田材料と接触する位置まで下降させて、加熱ヘッド部６１の一対のアームを温度制御部５７の制御下で所望の温度まで加熱することで各アームが接触している半田材料を溶融させる。好ましくは、各アームの温度は半田材料と接触するまでに所望の温度まで上昇させておく。これにより、光学素子パッケージ１５は、光学素子パッケージ１５と基板面１１Ａとの間の間隙が正確に所望の値に制御され、基板面１１Ａに対して平行な状態に位置決めされると共に、端子パッド１４と光学素子パッケージ１５の対応する端子１５２を電気的に接続するための半田材料が溶融される。ステップＳ１７では、制御部９１の制御下で、加熱ヘッド部６１の一対のアームをＺ方向に上昇させる。ステップＳ１８では、冷却部１０３が制御部９１又は温度制御部５７の制御下で光モジュール１の半田材料に所定時間、例えば４秒空気を吹き付けて、溶融した半田材料を硬化させて半田３１を形成する。その後、ステップＳ１９では、搭載装置５６が制御部９１の制御下でＺ方向に上昇される。ステップＳ２０では、ステージユニット５２がサーボコントローラ５８の制御下でＸ方向にアンロード位置まで移動される。このアンロード位置では、操作者により手作業で、或いは、ロボット（図示せず）により自動的に、完成された光モジュール１がステージユニット５２から移動される。
本発明者らが行った実験によれば、上記の如きサイズと端子パッド１４の数を有する光学素子パッケージ１５が搭載された光モジュール１の場合、光学素子パッケージ１５は基板面１１Ａに対して略平行な状態となることが保証でき、完全に平行な状態からの取り付け誤差は±５０μｍ程度であり取り付け誤差は効果的に抑制されることが確認された。
加熱ヘッド部６１の一対のアームの、半田材料と接触する少なくとも表面部分は、ＳＵＳ、Ｃｕ＋Ｃｒ、Ｇ０４＋Ｃｒ等からなる。図１５は、本発明者らが行ったアーム表面材料に関する実験結果を示す図である。本発明者らが行った実験によれば、図１５に○印で示すように、約３００℃以上の所望の温度までアーム温度を比較的短い時間（半田材料が溶融し始める溶融開始時間）で上昇させるという観点からは、アーム表面材料がＣｕ＋Ｃｒ又はＧ０４＋Ｃｒであることが好ましいことが確認された。しかし、ヘッドクリーニング部７１のブレードにより表面が削られてもアームの耐久性を確保するという観点からは、図１５に○印で示すように、アーム表面材料がＳＵＳ又はＧ０４＋Ｃｒであることが好ましいことが確認された。図１５において、×印はその材質が溶融開始時間又は耐久性の観点からはアーム表面材料に適していないことを示す。従って、加熱ヘッド部６１の一対のアームの少なくとも表面部分には、Ｇ０４＋Ｃｒを用いることが特に好ましいことが確認された。
又、図１６は、本発明者らが行ったアームのクリーニング効果に関する実験結果を示す図である。本発明者らが行った実験によれば、加熱ヘッド部６１の一対のアームに付着したフラックスは、半田材料の加熱及び溶融の繰り返しにより、徐々に半田溶融時間を増加さえることが確認された。更に、加熱ヘッド部６１が上記の如きサイズと端子パッド１４の数を有する光学素子パッケージ１５が搭載された５０個の光モジュール１に対して半田溶融動作を行った場合、即ち、接合回数が５０回の場合、図１６に示すように、半田溶融時間は約１秒から約１０秒まで増加してしまうこともわかった。従って、加熱ヘッド部６１のアームを例えば５０個の光モジュール１毎に手作業でクリーニングすることにより、図１６に示すように、半田材料溶融時間を効果的に低減することができることも確認された。又、破線で示すように自動的に定期的なクリーニングを行うことにより、図１６に太い矢印で示すように半田材料溶融時間が例えば約５秒以下となるように半田材料溶融時間を効果的に低減することができることも確認された。
図１７は、光モジュール製造装置の制御系を示すブロック図である。図１７に示す制御系は、サーボコントローラ５８、温度制御部５７及び制御部９１を有する。制御部９１には、上記各種センサから出力される検出信号が入力される。制御部９１は、塗布装置５５、搭載装置５６及び加熱ヘッド部６１を駆動してＺ方向上に移動するＺ方向駆動部６０３を制御すると共に、光モジュール製造装置５１の各部に対して各種制御を行う。言うまでもなく、Ｚ方向駆動部６０３は、塗布装置５５、搭載装置５６及び加熱ヘッド部６１を駆動する複数の駆動手段で構成されていても良い。
サーボコントローラ５８は、制御部９１の制御下で、ステージユニット５２を駆動してＸ方向上に移動するＸ方向駆動部６０１を制御すると共に、塗布装置５５及び搭載装置５６を駆動してＹ方向上に移動するＹ方向駆動部６０２を制御する。温度制御部５７は、制御部９１の制御下で、ボトムヒータ部８１、冷却部１０３、加熱ヘッド部６１の加熱プローブ等の制御を行う。言うまでもなく、Ｙ方向駆動部６０２は、塗布装置５５及び搭載装置５６を駆動する複数の駆動手段で構成されていても良い。
尚、本発明は、以下に付記する発明をも包含するものである。
（付記１） 基板面に複数の端子パッド及び複数の着地パッドを有する基板に対し、該端子パッドに半田材料を塗布する塗布ステップと、
複数の端子と平坦な上面を有する光学素子パッケージを、該着地パッドを用いて該上面が該基板面と略平行となるように、且つ、該光学素子パッケージの底面と該基板面との間に間隙が形成されるように該基板上に搭載する搭載ステップと、
該搭載ステップと同時に、該着地パッドを予備加熱する予備加熱ステップと、
該半田材料を溶融させた後に硬化させて該端子パッドと該光学素子パッケージの対応する端子を電気的に接続する半田付けステップとを含むことを特徴とする、光モジュールの製造方法。
（付記２） 該搭載ステップは、位置決めヘッド機構により該光学素子パッケージの上面を保持した状態で該位置決めヘッド機構のレッグを該着地パッドに押し付けることで該間隙を決定し、
該半田付けステップは、該間隙が決定された状態で、加熱ヘッド部の加熱されたアームを該半田材料と接触させて該半田材料を溶融させることを特徴とする、付記１記載の光モジュールの製造方法。
（付記３） 該予備加熱ステップは、該基板面とは反対側から該基板を予備加熱することを特徴とする、付記１又は２記載の光モジュールの製造方法。
（付記４） 該予備加熱ステップは、加熱プローブを該端子パッドの該半田材料が塗布されていな部分と接触させて予備加熱することを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項記載の光モジュールの製造方法。
（付記５） 該端子パッドには、該塗布ステップが行われる前に半田材料がプリコートされていることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項記載の光モジュールの製造方法。
（付記６） 該間隙は１５０μｍ以上であることを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項記載の光モジュールの製造方法。
（付記７） 該光学素子パッケージはＣＣＤ又はＣＭＯＳ素子を有し、
該搭載ステップは、該光学素子パッケージの光軸が該基板面と略垂直となるように該光学素子パッケージを該基板上に搭載することを特徴とする、付記１〜６のいずれか１項記載の光モジュール製造方法。
（付記８） 該光学素子パッケージの形状は平面図上矩形であり、該着地パッドは搭載される該矩形の光学素子パッケージの対向する辺に沿って該基板面上に配置され、該端子パッドは該光学素子パッケージの対応する辺に沿って該基板面上に配置されていることを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項記載の光モジュール製造方法。
（付記９） 該基板を貫通する一対の位置決め用穴を用いて該基板をステージユニット上にセットするステップを含み、該位置決め用穴は、該矩形の光学素子パッケージの略対角線上の該光学素子パッケージを避けた位置に設けられていることを特徴とする、付記８記載の光モジュール製造方法。
（付記１０） 基板面に複数の端子パッド及び複数の着地パッドを有する基板がセットされる移動可能なステージユニットと、
該ステージユニットが塗布位置に移動されると、該端子パッドに半田材料を塗布する塗布装置と、
該ステージユニットが搭載位置に移動されると、複数の端子と平坦な上面を有する光学素子パッケージを、該着地パッドを用いて該上面が該基板面と略平行となるように、且つ、該光学素子パッケージの底面と該基板面との間に間隙が形成されるように該基板上に搭載する搭載装置と、
該光学素子パッケージの該基板上への搭載と同時に、該着地パッドを予備加熱する予備加熱手段と、
該半田材料を溶融させた後に硬化させて該端子パッドと該光学素子パッケージの対応する端子を電気的に接続する半田付け手段とを備えたことを特徴とする、光モジュールの製造装置。
（付記１１） 該搭載装置は位置決めヘッド機構を有し、該位置決めヘッド機構により該光学素子パッケージの上面を保持した状態で該位置決めヘッド機構のレッグを該着地パッドに押し付けることで該間隙を決定し、
該半田付け手段はアームを有し、該間隙が決定された状態で加熱されたアームを該半田材料と接触させて該半田材料を溶融させることを特徴とする、付記１０記載の光モジュールの製造装置。
（付記１２） 該予備加熱手段は、該基板面とは反対側から該基板を予備加熱するボトムヒータ部を有することを特徴とする、付記１０又は１１記載の光モジュールの製造装置。
（付記１３） 該予備加熱手段は、該端子パッドの該半田材料が塗布されていな部分と接触して予備加熱する加熱プローブを有することを特徴とする、付記１０〜１２のいずれか１項記載の光モジュールの製造装置。
（付記１４） 該塗布位置に移動した該ステージユニットにセットされている該基板上の該端子パッドには半田材料がプリコートされていることを特徴とする、付記１０〜１３のいずれか１項記載の光モジュールの製造装置。
（付記１５） 該間隙は１５０μｍ以上であることを特徴とする、付記１０〜１４のいずれか１項記載の光モジュールの製造装置。
（付記１６） 該光学素子パッケージはＣＣＤ又はＣＭＯＳ素子を有し、
該搭載装置は、該光学素子パッケージの光軸が該基板面と略垂直となるように該光学素子パッケージを該基板上に搭載することを特徴とする、付記１０〜１５のいずれか１項記載の光モジュール製造装置。
（付記１７） 該光学素子パッケージの形状は平面図上矩形であり、該着地パッドは搭載される該矩形の光学素子パッケージの対向する辺に沿って該基板面上に配置され、該端子パッドは該光学素子パッケージの対応する辺に沿って該基板面上に配置されていることを特徴とする、付記１０〜１６のいずれか１項記載の光モジュール製造装置。
（付記１８） 該基板は、該基板を貫通する一対の位置決め用穴を用いて該ステージユニット上にセットされており、該位置決め用穴は該矩形の光学素子パッケージの略対角線上の該光学素子パッケージを避けた位置に設けられていることを特徴とする、付記１７記載の光モジュール製造装置。
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。
光モジュールを示す上面図である。 光モジュールを示す底面図である。 光モジュールを示す側面図である。 光モジュールの基板の、光学素子パッケージが取り付けられる前の状態を示す上面図である。 光学素子パッケージを示す斜視図である。 本発明の光モジュール製造装置の一実施例を示す正面図である。 光モジュール製造装置の一実施例を示す側面図である。 光学素子パッケージ供給部、加熱ヘッド部及びボトムヒータ部を示す斜視図である。 位置決めヘッド機構を冷却部と共に示す斜視図である。 位置決めヘッド機構を示す図である。 位置決めヘッド機構を示す斜視図である。 ヘッドクリーニング部を示す斜視図である。 ヘッドクリーニング部を示す側面図である。 本発明の光モジュール製造方法の一実施例を説明するフローチャートである。 本発明者らが行ったアーム表面材料に関する実験結果を示す図である。 本発明者らが行ったアームのクリーニング効果に関する実験結果を示す図である。 光モジュール製造装置の制御系を示すブロック図である。
符号の説明
１ 光モジュール
１１ 基板
１３ 着地パッド
１４ 端子パッド
１５ 光学素子パッケージ
５０ 光モジュール製造装置
５７ 温度制御部
５８ サーボコントローラ
６０ 光学素子パッケージ供給部
６１ 加熱ヘッド部
７１ クリーニング部
８１ ボトムヒータ部
９１ 制御部

Claims (10)

  1. 基板面に複数の端子パッド及び複数の着地パッドを有する基板に対し、該端子パッドに半田材料を塗布する塗布ステップと、
    複数の端子と平坦な上面を有する光素子パッケージを、該着地パッドを用いて該上面が該基板面と略平行となるように、且つ、該光素子パッケージの底面と該基板面との間に間隙が形成されるように該基板上に搭載する搭載ステップと、
    該搭載ステップと同時に、該着地パッドを予備加熱する予備加熱ステップと、
    該半田材料を溶融させた後に硬化させて該端子パッドと該光学素子パッケージの対応する端子を電気的に接続する半田付けステップとを含むことを特徴とする、光モジュールの製造方法。
  2. 該搭載ステップは、位置決めヘッド機構により該光学素子パッケージの上面を保持した状態で該位置決めヘッド機構のレッグを該着地パッドに押し付けることで該間隙を決定し、
    該半田付けステップは、該間隙が決定された状態で、加熱ヘッド部の加熱されたアームを該半田材料と接触させて該半田材料を溶融させることを特徴とする、請求項１記載の光モジュールの製造方法。
  3. 該端子パッドには、該塗布ステップが行われる前に半田材料がプリコートされていることを特徴とする、請求項１又は２記載の光モジュールの製造方法。
  4. 該間隙は１５０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の光モジュールの製造方法。
  5. 該光学素子パッケージはＣＣＤ又はＣＭＯＳ素子を有し、
    該搭載ステップは、該光学素子パッケージの光軸が該基板面と略垂直となるように該光学素子パッケージを該基板上に搭載することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項記載の光モジュール製造方法。
  6. 基板面に複数の端子パッド及び複数の着地パッドを有する基板がセットされる移動可能なステージユニットと、
    該ステージユニットが塗布位置に移動されると、該端子パッドに半田材料を塗布する塗布装置と、
    該ステージユニットが搭載位置に移動されると、複数の端子と平坦な上面を有する光学素子パッケージを、該着地パッドを用いて該上面が該基板面と略平行となるように、且つ、該光学素子パッケージの底面と該基板面との間に間隙が形成されるように該基板上に搭載する搭載装置と、
    該光学素子パッケージの該基板上への搭載と同時に、該着地パッドを予備加熱する予備加熱手段と、
    該半田材料を溶融させた後に硬化させて該端子パッドと該光学素子パッケージの対応する端子を電気的に接続する半田付け手段とを備えたことを特徴とする、光モジュールの製造装置。
  7. 該搭載装置は位置決めヘッド機構を有し、該位置決めヘッド機構により該光学素子パッケージの上面を保持した状態で該位置決めヘッド機構のレッグを該着地パッドに押し付けることで該間隙を決定し、
    該半田付け手段はアームを有し、該間隙が決定された状態で加熱されたアームを該半田材料と接触させて該半田材料を溶融させることを特徴とする、請求項６記載の光モジュールの製造装置。
  8. 該予備加熱手段は、該基板面とは反対側から該基板を予備加熱するボトムヒータ部を有することを特徴とする、請求項６又は７記載の光モジュールの製造装置。
  9. 該予備加熱手段は、該端子パッドの該半田材料が塗布されていな部分と接触して予備加熱する加熱プローブを有することを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項記載の光モジュールの製造装置。
  10. 該光学素子パッケージはＣＣＤ又はＣＭＯＳ素子を有し、
    該搭載装置は、該光学素子パッケージの光軸が該基板面と略垂直となるように該光学素子パッケージを該基板上に搭載することを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１項記載の光モジュール製造装置。
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