JP2009103758A - 光伝送路保持部材と光モジュール及びその実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光素子と光伝送路を直接光結合させることが可能で、電気接続部の信頼性を保ちつつ高い光学特性を有しながら、高い機械的特性も保持する。
【解決手段】光伝送路を機械的に位置決め及び保持する保持部材本体１０と、光素子を搭載するための電気配線１１とを具備した光伝送路保持部材であって、保持部材本体１０は、該本体１０の一つの面に開口を持ち、光伝送路を機械的に位置決め及び保持するための保持穴１２と、この保持穴１２よりも径が大きく本体１０の別の面に開口を持ち、保持穴１２に同軸的に接続された光伝送路導入穴１３と、この光伝送路導入穴１３の途中に設けられた樹脂溜め用溝部１４とを有し、電気配線１１は保持穴１２の開口を有する面に形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光伝送路保持部材と光モジュール及びその実装方法に関する。

近年、光ファイバと光半導体素子を直近の位置に対向させレンズを用いないで光結合を得る、いわゆる直接光結合（バットジョイント）と呼ばれる結合方式によって実装コストの低減をはかる技術が研究開発されている。直接光結合を用いる場合、光半導体素子と光ファイバとを直近に配置して余分な部分に光が到達しないようにすることが重要になってくる。そこで、光ファイバなどを保持する光伝送路保持部材（いわゆる光ファイバフェルール）の主面上に電気配線を直接作製しておき、主面上に光半導体素子の受発光領域が光ファイバと対向するように搭載する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この種の方法では、光半導体素子と光伝送路との間には屈折率の不連続による反射光を抑制する目的で、樹脂を充填するのが望ましい。具体的には、光半導体素子と光伝送路端面との間の屈折率整合材としての役割と光素子の電気接続部の保護のためのアンダーフィル機能とを兼ね備えた樹脂を充填し、更にフェルールに光伝送路を機械的に固定するために樹脂を充填する。

これらの樹脂の形成には、アンダーフィルを光伝送路の固定よりも先に行う方法と、固定を先に行いアンダーフィルを後から行う方法が考えられる。光伝送路固定を先に行った場合、光伝送路の保持穴に固定用の樹脂が流入して光素子側の端面に到達する可能性がある。また、固定用の樹脂が保持穴を塞ぐことにより、アンダーフィル樹脂を注入した際に空気の逃げる穴を塞いで閉じ込める結果となる。このため、アンダーフィル樹脂の硬化時に発生した溶剤などが抜ける穴を塞いだ形になり、樹脂中に泡が残留する可能性があり、これらが光結合を妨げる原因となるという問題があった。
特開２００１−１５９７２４号公報

本発明の目的は、光素子と光伝送路を直接光結合させることが可能で、高い光学特性を有しながら高い機械的特性も保持することのできる光モジュールを簡易に作製できる光伝送路保持部材を提供することにある。また、本発明の別の目的は、上記の光伝送路保持部材を用いた光モジュール及びその実装方法を提供することにある。

（１）本発明の一態様は、光伝送路を機械的に位置決め及び保持する保持部材本体と、光素子を搭載するための電気配線とを具備した光伝送路保持部材であって、前記保持部材本体は、該本体の一つの面に開口を持ち、前記光伝送路を機械的に位置決め及び保持するための保持穴と、この保持穴よりも径が大きく前記本体の別の面に開口を持ち、前記保持穴に同軸的に接続された光伝送路導入穴と、この光伝送路導入穴の途中に設けられた樹脂溜め用溝部とを有し、前記電気配線は、前記保持穴の開口を有する面に形成されていることを特徴とする。

（２）また、本発明の別の態様に係わる光モジュールは、（１）に記載した光伝送路保持部材と、前記光伝送路保持部材の前記保持穴の開口面上に前記光伝送路と光結合するように搭載された光素子と、前記光伝送路保持部材の前記光伝送路導入穴から挿入され前記保持穴に保持された光伝送路と、前記光素子と前記光伝送路との間、及び前記光伝送路導入孔内に充填された樹脂と、を具備してなることを特徴とする。

（３）また、本発明の別の態様に係わる光モジュールの実装方法は、（１）に記載した光伝送路保持部材の前記保持穴が開口する面に光素子を搭載する工程と、前記光伝送路を前記光伝送路導入穴を通して前記保持穴の所定の位置まで挿入した後、前記光伝送路導入穴の前記樹脂溜め用溝部に対し前記保持穴よりも遠い部分の一部に第１の樹脂を充填することにより、前記光伝送路を前記光伝送路保持部材に仮固定する工程と、前記光素子と前記光伝送路との間に屈折率整合材としての第２の樹脂を充填する工程と、前記光伝送路導入穴に第３の樹脂を充填することにより前記光伝送路を前記光伝送路保持部材に固定する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、光素子と光伝送路を直接光結合させることが可能で、高い光学特性を有しながら高い機械的特性も保持することのできる光モジュールを簡易に作製できる光伝送路保持部材を実現することができる。また、上記の光伝送路保持部材を用いた光モジュール及びその実装方法を実現することができる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す断面図である。また、図２（ａ）は図１のＡ方向矢視図（右側面図）、図２（ｂ）は図１の矢視Ｂ−Ｂ’断面図、図２（ｃ）は図１のＣ方向矢視図（左側面図）である。

図中の１０は光ファイバ等の光伝送路を保持するための光伝送路保持部（保持部材本体）であり、エポキシ樹脂やＰＰＳなどの樹脂に酸化シリコンやアルミナといったフィラーを充填した材料で形成されている。光伝送路保持部１０の一側面には、光素子搭載用の電気配線１１が形成されている。この電気配線１１は、図１に示すようにＣｕやＣｕ合金からなるリードフレームを埋め込んで断面を側面に露出した構造などで実現可能である。この場合、リードの断面を外部接続用電極パッドとして使用可能なため、特別の３次元的なプロセスを経ることなく、光素子搭載面から側面への擬似的な直交配線を形成することができ、光伝送路保持部材を光伝送路と平行な面で実装することが容易となる。

光伝送路保持部１０には、光ファイバなどの光伝送路を精密に位置決め保持するための保持穴１２が設けられている。保持穴１２は電気配線１１を形成した面に開口を有し、図２（ａ）に示すように、直線上に並んで配置されている。なお、保持穴１２は単数であっても複数であっても良いが、ここでは複数の場合を示している。

光伝送路保持部１０には、光伝送路を保持穴１２に導入するための光伝送路導入穴１３が設けられている。この導入穴１３は、保持穴１２と同軸的に接続され、保持穴１２と反対側の面に開口を有している。光伝送路導入穴１３は、図２（ｂ）に示すように、保持穴１２よりも径の大きい穴となっており、光伝送路を容易に挿入して保持穴１２に導くことができるように、保持穴１２との接続部はテーパ状になっている。導入穴１３の途中に、さらに径の大きい樹脂溜め用溝部１４が形成されており、導入穴１３は、樹脂溜め用溝部１４に対し保持穴１２に近い側１３−１と遠い側１３−２に分割されている。なお、樹脂溜め用溝部１４は、光伝送路導入穴１３と同軸的に設けられた環状の溝であっても良いし、光伝送路保持穴１３の底部側で光伝送路保持部１０を掘り込んで形成したものであっても良い。

光伝送路保持部１０には、光伝送路固定用の樹脂を流し込むための樹脂窓１５が設けられており、この樹脂窓１５は樹脂溜め用溝部１４を含む光伝送路導入穴１３と接続されている。この樹脂窓１５を設けた構造により、金型を用いた射出成型によって開口径の大きい溝を作製可能となる。樹脂窓１５がない場合には、例えば同軸状に開口の大きな溝が形成される必要があるため、金型を引き抜くことができない構造となる。このため、切削や分割部品を組み立てることによって作製することになり、その製造コストが極めて高いものとなる。

なお、図１の構造では、光伝送路導入穴１３の後方（光素子と反対側）の光伝送路挿入口側で、再度径が広くなっており、図２（ｃ）に示すように、隣接する導入穴１３が繋がって一つの穴となっている。このように導入穴１３を一つの穴とすることにより、光伝送路の被覆を光伝送路保持部材内に保持することができる構造となっており、ファイバの屈曲による破断を緩和する効果がある。

図３（ａ）〜（ｄ）は、図１及び図２に示した光伝送路保持部材を用いた光モジュールの実装工程を示す断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、光伝送路保持部１０の右側面に形成された電気配線１１に、発光素子や受光素子等の光半導体素子２１をバンプ２２によって超音波フリップチップ実装などの手法を用いて電気接続する。接続用のバンプ２２は、例えばスタッドＡｕバンプや半田バンプなどからなっている。

次に、図３（ｂ）に示すように、光伝送路２３を光伝送路保持部１０の左側の開口から挿入し、光伝送路導入穴１３を通して保持穴１２に挿入する。このとき、光伝送路２３の被覆部２４の一部が光伝送路導入穴１３内に入るように、被覆部２４の除去による光伝送路２３の露出長を定めておく。

光伝送路２３の先端が光半導体素子２１の直近の所定の位置に来たところで、仮固定接着剤（第１の樹脂）３１を光伝送路導入穴１３の一部に塗布し、硬化させて仮固定する。このとき、接着剤３１は樹脂溜め用溝部１４よりも保持穴と反対側、即ち光導波路導入穴１３の樹脂溜め用溝部１４に対し保持穴１２に遠い側１３−２に充填する。光伝送路２３が光ファイバの場合、図のように被覆２４を除去した状態を固定することにより、被覆２４の伸び縮みによって光伝送路２３の端面位置がずれることを防止できる。また、接着剤３１が仮に保持穴１２の方へ流れようとしても、樹脂溜め用溝部１４の存在により接着剤３１が溝部１４内に留まるため、接着剤３１が保持穴１２を塞ぐことはない。

次に、図３（ｃ）に示すように、光半導体素子２１と光伝送路２３の端面との間を充填し、かつ光半導体素子２１と電気配線１１との電気接続部に相当するバンプ２２を取り囲むようにアンダーフィル樹脂（第２の樹脂）３２を注入し、硬化させる。このとき、保持穴１２内が接着剤３１で塞がれていることがないため、後述するように、アンダーフィル樹脂３２は泡の発生等を招くことなく保持穴１２内まで速やかに充填される。

次に、図３（ｄ）に示すように、樹脂窓１５から樹脂（第３の樹脂）３３を十分に充填することにより、被覆２４を光伝送路保持部１０の導入穴１３に固定すると共に、光伝送路２３を保持穴１２及び導入穴１３に固定する。ここで、保持穴１２がアンダーフィル樹脂３２により塞がれているため、樹脂３３が保持穴１２内へ充填される際に泡等が発生する可能性がある。しかし、樹脂３３は光伝送路２３を保持固定するためのものであるため、泡が発生しても問題とはならない。

上記の各工程において、仮固定接着剤３１が導入穴１３を伝って保持穴１２に流入して保持穴１２を塞いだ状態となると、次にアンダーフィル樹脂３２を注入した際に、光半導体素子２１、光伝送路２３、保持穴１２で囲まれた空間のどこかに空気を封じ込めることになり、樹脂を硬化させると泡となって残ることになる。この泡が光半導体素子２１と光伝送路２３の端面の間に存在すると、光結合を妨げることになり、光モジュールの光出力の低下やばらつきの増加を生じる。

そこで本実施形態では、仮固定接着剤３１が、導入穴１３を伝って保持穴１２に流入することを防止するために、樹脂溜め用溝部１４を設けて、保持穴１２から遠い側１３−２に仮固定接着剤３１を塗布するようにしている。これにより、例え仮固定接着剤３１が保持穴１２側に流れた場合にも接着剤３１を溝部１４に溜めることができるため、接着剤３１が保持穴１２に到達して、保持穴１２を塞ぐには至らない。そのため、アンダーフィル樹脂３２を後から塗布した場合でも泡の混入を防止することが可能となる。

また、図１では導入穴１３は、保持穴１２に近い側１３−１と遠い側１３−２に分割されているが、近い側１３−１の径は遠い側１３−１の径より小さく設定されている。即ち、図１ではｙ方向の高さが近い側１３−１よりも遠い側１３-２の方が低くなっている。これによって、導入穴１３の保持穴１２に近い側１３−１へ光伝送路を導入することが可能な光伝送路の見込み角が遠い側１３−２により狭められることなく挿入時の邪魔になることなく実装可能となるという効果がある。

このように本実施形態によれば、光伝送路保持部１０に、光伝送路２３を機械的に位置決め及び保持するための保持穴１２、この保持穴１２よりも径が大きい光伝送路導入穴１３、及び樹脂溜め用溝部１４を設けることにより、光半導体素子２１と光伝送路２３を安価に直接光結合させることが可能となる。そして、光伝送路２３を接着剤３１で仮固定した状態で、光半導体素子２１と光伝送路２３との間にアンダーフィル樹脂３２を確実に充填することができるため、光半導体素子２１と光伝送路２３との間に気泡などの発生を抑制し、高い光学特性を有しながら高い機械的特性も保持することができる。

また、光伝送路２３としての光ファイバを基準として光半導体素子２１をアセンブルすることができるので、通常のフリップチップ実装を用いることで横方向も高い精度で搭載が可能でありながら、部品点数が少なくて済み、低コスト化に向いた構造とすることができる。さらに、光伝送路保持部１０の基材を樹脂とすることで、部品作製コストを大幅に低減することができる。また、電気配線１１を保持穴１２の開口のある面から側面にかけて形成していることにより、直交変換を実現しており、光伝送路２３の伸びる方向と実装面とを平行に保ち、実装面に対して光伝送路２３が垂直に立ち上がるのを防止することができる利点もある。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる光伝送路保持部材の要部構成を示す断面図であり、特に導入穴１３のうち遠い側１３−２を光伝送路２３の軸方向から見た断面を示している。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

光伝送路導入穴１３の保持穴１２よりも遠い側の導入穴１３−２は、隣接するもの同士が繋がって一つの穴となっている。この穴は、底面４０と側面４１を有しており、光伝送路２３を３方から囲む形状をしている。ここで、隣接する光伝送路２３は等間隔Ｔ１で配置され、最も外側の伝送路２３と導入穴１３−２の側面４１との距離Ｔ２がＴ１とほぼ等しくなるように、導入穴１３−２の大きさが設定されている。

このような構成であれば、側壁４１の効果により仮固定樹脂３１を塗布した後の硬化時に収縮した樹脂によって光伝送路２３に掛かる横方向の引っ張り応力を各光伝送路２３に対して均一化することができる。即ち、極端な例として側壁４１がない場合を考えると、一番外側の光伝送路２３には片側の光伝送路２３の間の樹脂による応力しかかからず、反対側とは非対称な応力分布となる。このため、光伝送路２３に非対称な残留応力がかかり破断確率が上昇するといった問題がある。しかし、本実施形態のようにＴ１＝Ｔ２となるように側壁４１を設けることにより、引っ張り力を均一化して残留応力を抑制することが可能である。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、樹脂溜め用溝部は必ずしも一つである必要はなく、複数存在しても良い。この場合、保持穴への樹脂流れ込みの確率をさらに減少させることが可能となる。実施形態では、電気リードの切断面は光素子搭載面に隣接する側面と面一にしたが、電気リードが側面から外側に突出するようにしても良い。また、実施形態では、光伝送路として光ファイバを用いたが、光導波路を用いることも可能である。さらに、光伝送路保持部の基材としての材料及び電気配線等の材料は、仕様に応じて適宜変更可能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す断面図。 第１の実施形態の光伝送路保持部材の各部を示す側面図と断面図。 第１の実施形態に係わる光伝送路保持部材を用いた光モジュールの実装プロセスを説明するための断面図。 第２の実施形態に係わる光伝送路保持部材の要部構成を示す断面図。

符号の説明

１０…光伝送路保持部（保持部材本体）、１１…電気配線、１２…保持穴、１３…光伝送路導入穴、１４…樹脂溜め用溝部、１５…樹脂窓、２１…光半導体素子（光素子）、２２…バンプ、２３…光伝送路、２４…被覆、３１…仮固定接着剤（第１の樹脂）、３２…アンダーフィル樹脂（第２の樹脂）、３３…樹脂（第３の樹脂）、４０…底面、４１…側面。

Claims (5)

1. 光伝送路を機械的に位置決め及び保持する保持部材本体と、光素子を搭載するための電気配線とを具備した光伝送路保持部材であって、
   前記保持部材本体は、該本体の一つの面に開口を持ち、前記光伝送路を機械的に位置決め及び保持するための保持穴と、この保持穴よりも径が大きく前記本体の別の面に開口を持ち、前記保持穴に同軸的に接続された光伝送路導入穴と、この光伝送路導入穴の途中に設けられた樹脂溜め用溝部とを有し、
   前記電気配線は、前記保持穴の開口を有する面に形成されていることを特徴とする光伝送路保持部材。
2. 前記光伝送路導入穴は、前記樹脂溜め用溝部に対して前記保持穴より遠い側での径が近い側での径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の光伝送路保持部材。
3. 前記保持穴を複数有し、
   前記光伝送路導入穴は、前記樹脂溜め用溝部に対し前記保持穴よりも遠い部分が繋がって一つの穴となっており、
   前記光伝送路導入穴に導入され前記保持穴に保持される複数本の光伝送路の並びの外側と前記一つの穴となった光伝送路導入穴の側壁との距離が、隣接する光伝送路間の距離にほぼ等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝送路保持部材。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の光伝送路保持部材と、
   前記光伝送路保持部材の前記保持穴の開口面上に前記光伝送路と光結合するように搭載された光素子と、
   前記光伝送路保持部材の前記光伝送路導入穴から挿入され前記保持穴に保持された光伝送路と、
   前記光素子と前記光伝送路との間、及び前記光伝送路導入孔内に充填された樹脂と、
   を具備してなることを特徴とする光モジュール。
5. 請求項１乃至３の何れかに記載の光伝送路保持部材の前記保持穴が開口する面に光素子を搭載する工程と、
   前記光伝送路を前記光伝送路導入穴を通して前記保持穴の所定の位置まで挿入した後、前記光伝送路導入穴の前記樹脂溜め用溝部に対し前記保持穴よりも遠い部分の一部に第１の樹脂を充填することにより、前記光伝送路を前記光伝送路保持部材に仮固定する工程と、
   前記光素子と前記光伝送路との間に屈折率整合材としての第２の樹脂を充填する工程と、
   前記光伝送路導入穴に第３の樹脂を充填することにより前記光伝送路を前記光伝送路保持部材に固定する工程と、
   を含むことを特徴とする光モジュールの実装方法。

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