JP2008135442A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、半導体光素子を封止する樹脂が吸湿性を有するため、樹脂が膨潤して半導体光素子に応力が加わったり、樹脂に侵入した水分が半導体光素子に到達することにより、半導体光素子が劣化するのを防止することができる光モジュールの提供を課題とする。
【解決手段】上記課題を解決するため、本発明は、発光素子または受光素子である半導体光素子１３と、半導体光素子１３の周辺回路を構成する周辺回路素子と、半導体光素子１３を封止し、レンズ１１を形成するように透明な樹脂で形成されたレンズブロック１０と、が一体に形成される光モジュール１であって、少なくとも前記レンズブロック１０が透明な無機膜１６で覆われていることを特徴とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子や受光素子などの半導体光素子を内蔵した光モジュールに関するものである。

従来から、光ファイバ通信システムにおける光ファイバの末端には、光ファイバ中の光信号と電気信号とを相互に変換するための光モジュールが用いられている。例えば特許文献１では、発光素子や受光素子などの半導体光素子が円筒形の透明樹脂により封止された光モジュールが開示されている。
特開２００５−１５８９６９号公報

上記特許文献１に開示された光モジュールにおいて、半導体光素子を封止するための透明の樹脂としては、エポキシ樹脂等が用いられている。しかしこれらの樹脂は一般に吸湿性を有する。

このため、従来の光モジュールでは、半導体光素子を封止する樹脂が膨潤して半導体光素子に応力が加わり、半導体光素子が劣化するおそれがある。また、樹脂に水分が浸入して半導体光素子に到達することにより、半導体光素子が劣化するおそれもある。

そこで本発明は、上記問題を鑑み、半導体光素子を封止する樹脂の吸湿性に起因して半導体光素子が劣化するのを防止することができる光モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明では、発光素子または受光素子である半導体光素子と、半導体光素子の周辺回路を構成する周辺回路素子と、半導体光素子を封止し、レンズを形成するように透明な樹脂で形成されたレンズブロックと、が一体に形成される光モジュールであって、少なくとも前記レンズブロックが透明な無機膜で覆われていることを特徴とした。

これにより、半導体光素子を封止する透明な樹脂から形成されるレンズブロックを外気から遮断することができる。そのため、前記レンズブロックが外気中の水分を吸収するのを防止することができる。その結果、レンズブロックが水分を含んで膨潤することにより、半導体光素子に応力が加わるのを低減させることができる。また、前記レンズブロックに水分が浸入するのを阻止することができるため、半導体光素子が劣化するのを防止することができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記無機膜の屈折率が、半導体光素子を封止する前記樹脂の屈折率よりも低いことを特徴とした。

これにより、半導体光素子から出射される光がレンズブロックと無機膜との境界部分で反射されるのを低減することができる。その結果、光モジュールから出射される光の出力を向上させることができる。

請求項３の発明では、請求項１または２の発明において、前記無機膜は、二酸化ケイ素であることを特徴とした。

これにより、レンズブロックを覆う無機膜の透明性を確保することができ、半導体光素子が出射または受信する光の出力の低減を減らすことができる。

請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれかの発明において、前記無機膜が、ポリシラザンを用いて形成されていることを特徴とした。

ポリシラザンによる無機膜の形成は、１５℃〜１５０℃程度の低温においても行うことができる。そのため、請求項４の発明に係る光モジュールでは、無機膜の形成時に半導体光素子や半導体光素子を封止した樹脂に熱が加わって、半導体光素子や樹脂が劣化するのを防止することができる。

請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれかの発明において、前記樹脂に透明フィラーが配合されていることを特徴とした。

これにより、レンズブロックの熱膨張を低減させることができ、レンズブロックが熱膨張することにより半導体光素子に応力が加わるのを低減することができる。また、レンズブロックの表面に形成された無機膜がレンズブロックの熱膨張により割れるのも防止することができる。

請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれかの発明において、前記レンズブロックは、前記無機膜と前記透明な樹脂とが積層されて構成されていることを特徴とした。

これにより、半導体光素子が複数の無機膜によって覆われるため、一の無機膜にピンホール等の欠陥があったとしても、他の無機膜により水分が半導体光素子に達するのを阻止することができる。その結果、水分がレンズブロックに浸入することによって半導体光素子が劣化するのを防止することができる。

本発明では、半導体光素子を封止する透明の樹脂から形成されるレンズブロックを外気から遮断することができる。そのため、前記レンズブロックが外気中の水分を吸収するのを防止することができる。その結果、レンズブロックが水分を含んで膨潤することにより、半導体光素子に応力が加わるのを防止することができる。また、前記レンズブロックに水分が浸入するのを防止することができるため、半導体光素子が劣化するのを防止することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

（第一実施形態）
図１〜図３は、本実施形態に係る光モジュール１を説明するための図である。図１は、光モジュール１に光プラグ３６のフェルール３７が挿入される前の断面図であり、図２は、光モジュール１に光プラグ３６のフェルール３７が挿入された後の断面図であり、図３は、光モジュール１を構成する封止体２の断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る光モジュール１は、封止体２とハウジング２０とに大別される。図３に示すように、封止体２は、立体回路基板５に搭載されたレーザダイオード１３（半導体光素子）を樹脂で封止することにより形成されている。

立体回路基板５は、立体的な射出成形品の表面に電気回路８が形成された回路部品（ＭＩＤ：Molded Interconnect Device）である。前記電気回路８の導電膜は、メッキ、スパッタ成膜、その他の膜形成方法により成形されている。立体回路基板５は、円柱部６と基部７とに大別され、円柱部６は基部７から突出するように形成されており、基部７には外部の電気回路（図示せず）と電気的に接続される端子１５が複数設けられている。端子１５の用途は、例えば電源供給、信号入力、接地、抵抗を決定する電気回路への接続である。

本実施形態において、レーザダイオード１３には、半導体ウエハ面に垂直にレーザ光を出射することができるＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，面発光型レーザ）が使用されている。レーザダイオード１３は、前記立体回路基板５の円柱部６の突出面の略中央位置に銀ペーストが塗布され、前記銀ペースト上にレーザダイオード１３を配置して、所定の硬化温度において銀ペーストを熱硬化させることにより立体回路基板５上に実装される。また、レーザダイオード１３の電極と立体回路基板５の表面に形成された電気回路８とは、ボンディングワイヤ等によって電気的に接続されている。その結果、レーザダイオード１３は、光モジュール１の外部から端子１５を介して受ける電気信号に基づいてレーザ光を出射することができる。

レーザダイオード１３が実装された立体回路基板５には、射出成形によりレンズブロック１０が成形され、前記レーザダイオード１３が樹脂によって封止される。ここでレンズブロック１０は、所定の軸１７を中心とするレンズ１１および円柱状の台部１２とを備えており、前記レンズ１１の焦点位置と前記レーザダイオード１３が配置される位置とは一致している。前記樹脂としては、レーザダイオード１３から出射された光を透過させることができる透明な樹脂、本実施形態ではエポキシ樹脂が用いられている。

また、前記エポキシ樹脂には透明フィラーが配合されている。透明フィラーとしては、シリカが用いられるが、シリカの屈折率はエポキシ樹脂の屈折率よりも小さいため、エポキシ樹脂にシリカをそのまま配合したのでは樹脂が白濁してしまい、透明なレンズブロック１０を形成することができない。そのため、本実施形態に係る透明フィラーにおいては、シリカ組成中にＴｉやＺｒ等の高屈折率組成物を配合することで、フィラーの屈折率をエポキシ樹脂の屈折率と略同一になるまで高め、フィラーが配合されたエポキシ樹脂の透明性を確保している。

上記のようにして製作された封止体２の表面にはシリカ（二酸化ケイ素）の無機膜１６が形成されている。封止体２の端子１５以外の部分には、溶媒希釈されたポリシラザンが付着される。１００℃程度の温度で前記溶媒を揮発させた後、１５０度程度に昇温して焼成することにより、封止体２の表面には高純度のシリカの無機膜１６が形成される。

図１に示すように、ハウジング２０は、スリーブ部２１と前記封止体２の基部７が収納される基部収納部２２とを備えている。スリーブ部２１は、所定の軸方向に伸びる円筒形状に形成された部分であり、内部には挿入孔２５が形成されている。基部収納部２２は、スリーブ部２１よりも径の大きな円筒形状の部分であり、スリーブ部２１の一方の端部と連結壁２３を介して連続している。前記連結壁２３の基部収納部２２側の面、およびスリーブ部２１の挿入孔２５の所定位置にはそれぞれ突部２６，２７が形成されている。また、ハウジング２０は樹脂により形成されており、電磁シールド機能を有している。

前記封止体２は、ハウジング２０の基部収納部２２側から、レーザダイオード１３が封止されたレンズブロック１０の台部１２をスリーブ部２１の挿入孔２５に挿入し、封止体２の基部７が連結壁２３の突部２６に当接させることにより、ハウジング２０内での固定位置が決定される。封止体２の固定位置が決定された後、封止体２の基部７を樹脂２８によってハウジング２０の基部収納部２２に固定することにより、光モジュール１が形成される。

図２に示すように、光モジュール１の挿入孔２５に光プラグ３６のフェルール３７を挿入させることにより、光モジュール１と光プラグ３６とは光学的に接続される。光モジュール１は、外部からの電気信号を光信号に変換し、光信号をレーザダイオード１３から光ファイバ３８に送信する。

上記のように、本実施形態に係る光モジュール１は、レーザダイオード１３を封止する透明のレンズブロック１０がシリカの無機膜１６で覆われており、前記レンズブロック１０が外気から遮断されている。そのため本実施形態に係る光モジュール１においては、レンズブロック１０が外気中の水分を吸収するのを防止することができる。その結果、前記レンズブロック１０が水分を含んで膨潤することにより、封止されたレーザダイオード１３に応力が加わるのを低減させることができる。また、前記レンズブロック１０に水分が浸入するのを阻止することができ、レーザダイオード１３が劣化するのを防止することができる。

そして上記のようにレンズブロック１０を覆う無機膜１６はシリカにより形成されている。そのため、レンズブロック１０を覆う無機膜１６の透明性に優れており、レーザダイオード１３から出射される光の低減が少ない。また、シリカの屈折率はエポキシ樹脂の屈折率よりも小さいため、レーザダイオード１３から出射された光がレンズブロック１０と無機膜１６との境界部分で反射するのを低減することができる。その結果、光モジュール１から出射される光の出力を向上させることができる。

また、前記無機膜１６は、上記のようにポリシラザンを用いて形成されている。ポリシラザンによる無機膜１６の形成は、１５℃〜１５０℃程度の低温においても行うことができる。そのため、無機膜１６の形成時にレーザダイオード１３やレーザダイオード１３を封止した樹脂に熱が加わって、レーザダイオード１３や樹脂が劣化したり、レンズブロック１０に形成されたレンズ１１が変形したりするのを防止することができる。なお、６５℃程度の低温においてポリシラザンを硬化させるためには、湿度雰囲気下でポリシラザンを硬化させることにより上記と同様のシリカの無機膜１６を形成することができる。

また、上記実施形態において、レーザダイオード１３を封止するエポキシ樹脂には透明フィラーが配合されている。これにより、エポキシ樹脂の熱膨張を低減させることができ、レンズブロックが熱膨張することによりレーザダイオード１３に応力が加わるのを低減させることができる。また、レンズブロック１０の表面に形成された無機膜１６が、レンズブロック１０の熱膨張により割れるのを防止することもできる。

（第二実施形態）
次に、第二実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第一実施形態と同一部分については同一符号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態に係る光モジュール１ａは、封止体２ａとハウジング２０とに大別される。ハウジング２０は、第一実施形態のハウジング２０の構成と同様なので、詳しい説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態に係る封止体２ａは、リードフレーム３１に実装されたレーザダイオード１３を樹脂で封止することにより形成されている。

リードフレーム３１は、例えばＣｕなどの金属からなる板状の部材であり、表面にはメッキ、スパッタ成膜、その他の膜形成方法により電気回路８が形成されている。リードフレーム３１は、レーザダイオード１３を実装するための実装部３２と、実装部３２から封止体２ａの外部に伸びる端子部３３とを備えている。リードフレーム３１の実装部３２の所定位置には銀ペーストが塗布され、その上にレーザダイオード１３が配置される。そして、所定の硬化温度で銀ペーストを熱硬化させることにより、レーザダイオード１３はリードフレーム３１に実装される。

また、レーザダイオード１３の電極とリードフレーム３１の表面に形成された電気回路８は、ボンディングワイヤ等によって電気的に接続されている。その結果、レーザダイオード１３は、光モジュール１ａの外部から端子部３３を介して受ける電気信号に基づいてレーザ光を出射することができる。

そしてレーザダイオード１３が実装されたリードフレーム３１には、射出成形によりレンズブロック３４が成形され、前記レーザダイオード１３が樹脂によって封止される。樹脂には第一実施例と同様にエポキシ樹脂が用いられ、エポキシ樹脂には透明フィラーが配合されている。また、レンズブロック３４の所定の位置にはレンズ１１が形成されており、レンズ１１の焦点位置は、前記レーザダイオード１３が配置された位置と一致する。

このようにして製作された封止体２ａの表面には、リードフレーム３１の端子部３３を除きシリカの無機膜１６が形成されている。無機膜１６の形成方法については、第一実施例と同様なので、詳しい説明は省略する。

上記のようにして製作された封止体２ａは、ハウジング２０に収納され、所定の位置で樹脂によって固定され、光モジュール１ａを形成する。

このように、本実施形態に係る光モジュール１ａもレーザダイオード１３を封止する透明のレンズブロック３４がシリカの無機膜１６で覆われており、前記レンズブロック３４が外気から遮断されている。そのため、前記レンズブロック３４が水分を含んで膨潤するのを防止し、レーザダイオード１３に加わる応力を低減させることができる。また、前記レンズブロック３４に水分が浸入するのを阻止することができ、レーザダイオード１３が劣化するのを防止することができる。

第一実施形態および第二実施形態に係る光モジュール１，１ａの封止体２，２ａは、レーザダイオード１３をエポキシ樹脂で封止した後、封止体２，２ａの表面に無機膜１６を形成する構成であったが、本発明はこのような構成に限られるわけではない。例えば、図５に示すように、前記無機膜１６上に更に樹脂層４１を成形し、その上に再び第二の無機膜４２を形成する構成にすることも可能である。また、図６に示すように、レーザダイオード１３が実装された立体回路基板５またはリードフレーム３１の端子１５，３３を除く部分にまず無機膜４３を形成して、前記無機膜４３上に樹脂を封止することによりレンズブロック１０，３４を成形した後に、再び無機膜１６を形成する構成としてもよい。

このように、レーザダイオード１３が複数の無機膜１６，４２，４３で覆われているため、一の無機膜にピンホール等の欠陥があったとしても、他の無機膜により水分がレーザダイオード１３に達するのを阻止することができる。その結果、水分がレンズブロック１０，３４に浸入することによってレーザダイオード１３が劣化するのを防止することができる。

本発明による光モジュール１，１ａは、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、光モジュール１，１ａは半導体光素子として面発光型のレーザダイオード１３を備えている。しかし、光モジュール１，１ａが備える半導体光素子としては、これに限定されるわけではなく、端面発光型のレーザダイオードや、発光ダイオードなどの発光素子、フォトダイオード等の受光素子であってもよい。

上記実施形態において、レーザダイオード１３を封止する樹脂としては、エポキシ樹脂が用いられているが、本発明はこのような構成に限られるわけではない。例えば、熱硬化性シリコーン樹脂や熱硬化性アクリル樹脂、光硬化性エポキシ樹脂、光硬化性アクリル樹脂等を用いることも可能である。

また、上記実施形態において、無機膜１６の形成はポリシラザンを用いて行われたが、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）やテトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）等のアルコキシシランを用いてゾルゲル法により無機膜１６を形成することも可能である。

上記実施形態において、立体回路基板５やリードフレーム３１にはレーザダイオード１３のみが実装されたが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。例えば、信号処理やノイズカット等のために、ＩＣやコンデンサ等が立体回路基板５に実装された構成であってもよい。

第一実施形態に係る光モジュールに光プラグのフェルールが挿入される前の断面図である。 第一実施形態に係る光モジュールに光プラグのフェルールが挿入された後の断面図である。 第一実施形態に係る封止体の断面図である。 第二実施形態に係る封止体の断面図である。 第一実施形態に係る封止体の変形例を示す断面図である。 第一実施形態に係る封止体の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１，１ａ 光モジュール
１０，３４ レンズブロック
１６，４２，４３ 無機膜
１３ レーザダイオード（半導体光素子）
３１ リードフレーム

Claims (6)

1. 発光素子または受光素子である半導体光素子と、半導体光素子の周辺回路を構成する周辺回路素子と、半導体光素子を封止し、レンズを形成するように透明な樹脂で形成されたレンズブロックと、が一体に形成される光モジュールであって、少なくとも前記レンズブロックが透明な無機膜で覆われていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記無機膜の屈折率が、半導体光素子を封止する前記樹脂の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記無機膜は、二酸化ケイ素であることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 前記無機膜が、ポリシラザンを用いて形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光モジュール。
5. 前記樹脂に透明フィラーが配合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光モジュール。
6. 前記レンズブロックは、前記無機膜と前記透明な樹脂とが積層されて構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光モジュール。

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