JP2009123820A

JP2009123820A - 半導体素子実装用サブマウント及び光送受信モジュール

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Publication number: JP2009123820A
Application number: JP2007294394A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Takemoto; 恭介武本
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2027-11-13
Also published as: JP4990740B2

Abstract

【課題】受発光素子の実装が容易であり、簡単な構造で小型化が容易な光送受信モジュールの提供。
【解決手段】導電性を有し機械加工可能な材料からなるベースに、少なくとも１つ以上の凸部又は凹部が設けられ、該ベースの一部に絶縁被覆層が設けられ、該絶縁被覆層の上層にベース部分と絶縁された電極パターンが形成され、ベースの絶縁被覆層が設けられていない未被覆部と、前記電極パターンとが、それぞれ受発光素子のアノードとカソード用の電極となることを特徴とする半導体素子実装用サブマウント。該サブマウントに一つ以上の発光素子又は受光素子が実装されてなり、該発光素子又は受光素子がダイボンドやワイヤボンドでサブマウント上のベース部分と電極パターンとに電気的に接続していることを特徴とする光送受信モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子、受光素子と光導波路を結合してなる光通信用の受発光素子モジュールと該モジュール用の半導体素子実装用サブマウントに関する。本発明の受発光素子モジュールは、サーバーなどの高速通信機器、自動車内光配線、携帯電話などの小型電子機器に用いられる。

近年、サーバーなどの高速通信機器、自動車内光配線、携帯電話など小型電子機器に光配線が適用されつつある。これらの機器は小型化と低コスト化がすすみ、それに伴い、光送受信モジュールにも小型化と低コスト化の要求が強い。光送受信モジュールに用いる発光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）や面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）が、受光素子としてはフォトダイオード（ＰＤ）などが用いられている。これらを実装するための方法として、サブマウント上にチップを実装したものを、さらに大きなモジュール基板上に実装するという手法がとられている。

この種の光送受信モジュールの従来技術として、例えば、特許文献１に開示された技術が知られている。特許文献１には、チップ基板と前記チップ基板の表面に窒化物系化合物半導体層を積層した積層体とを含む半導体発光素子チップと、載置面を有するマウント部材とを備え、前記半導体発光素子チップは、電極を介して面接触することによって前記マウント部材の前記載置面に接続されており、前記マウント部材は、前記チップ基板の材料より熱膨張係数が大きい材料を含み、前記載置面は、表面粗さのＲｍａｘが４０００Å以下であるかＲａが５００ÅＲａ以下であるかの少なくとも一方を満たす、半導体発光装置が開示されている。
特開２００３−１９８０３８号公報

特許文献１に開示された従来技術では、サブマウントの材質が金属である（導電性を有している）。サブマウント上に実装したチップに通電させるためには、素子のアノードとカソードが絶縁されている必要があるが、サブマウントが導電性を有しているものであるため、チップの電極のうち少なくともどちらか一方は、サブマウントと電気的に絶縁された別の導電部材上（例えばピンなど）に接続される必要があった。
サブマウント上に搭載したチップに通電させるため、サブマウントから電気的・物理的に分断された箇所に設けられたピン上（外部接続端子）に、ワイヤボンドを施している。そのため、ピンとサブマウントとの間の位置関係を保持するための構造体が必要となり、構造が制約され、小型化しにくいという問題がある。またピンとサブマウントの相対位置を保持した状態での運用に限られ、サブマウント単体として移動させることが困難である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、受発光素子の実装が容易であり、簡単な構造で小型化が容易な光送受信モジュールの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、導電性を有し機械加工可能な材料からなるベースに、少なくとも１つ以上の凸部又は凹部が設けられ、該ベースの一部に絶縁被覆層が設けられ、該絶縁被覆層の上層にベース部分と絶縁された電極パターンが形成され、ベースの絶縁被覆層が設けられていない未被覆部と前記電極パターンとがそれぞれ受発光素子のアノードとカソード用の電極となることを特徴とする半導体素子実装用サブマウントを提供する。

本発明の半導体素子実装用サブマウントにおいて、前記導電性材料からなるベースが、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、鉄鋼のように切削、鋳造加工が可能な金属材料からなることが好ましい。

本発明の半導体素子実装用サブマウントにおいて、前記サブマウント上の凸部又は凹部のうち、少なくとも一方に絶縁被覆層が設けられ、該絶縁被覆層の上に電極パターンが形成され、他方は絶縁被覆層が無くベースが露出していることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る半導体素子実装用サブマウントに、一つ以上の発光素子又は受光素子が実装されてなり、該発光素子又は受光素子がダイボンドやワイヤボンドでサブマウント上のベース部分と電極パターンとに電気的に接続していることを特徴とする光送受信モジュールを提供する。

また本発明は、光ファイバと、１つ又は２つ以上の請求項４に記載の光送受信モジュールと、光ファイバと前記光送受信モジュールとを接着固定するための樹脂とから構成され、前記光ファイバは、端面から発光素子の発光を適正に入射できる位置、又は光ファイバが導光した光を受光素子に適正に照射できる状態で、樹脂にて双方の位置関係が固定されていることを特徴とする光送受信モジュールを提供する。

本発明の光送受信モジュールにおいて、前記光ファイバの一方の端部に発光側のモジュールが接続され、他方の端部に受光側のモジュールが接続されたことが好ましい。

また本発明は、電気回路を有し、その電気回路の一部に、少なくとも一つ以上の内壁に導電性の回路パターンを有する導通スルーホールが設けられたプリント回路基板と、前述した本発明に係る光送受信モジュールのうち、電極パターンが形成された凸部を有するサブマウントを用いた光送受信モジュールとを組み合わせてなり、前記プリント回路基板の導通スルーホールと前記光送受信モジュールの前記凸部とを嵌合せしめて両者を電気的に接続させ回路を構成したことを特徴とする光送受信モジュールを提供する。

また本発明は、電気回路を有し、その電気回路の一部に、少なくとも一つ以上の内壁に導電性の回路パターンを有する導通スルーホールが設けられたプリント回路基板と、前述した本発明に係る光送受信モジュールのうち、非被覆部に凹部を有するサブマウントを用いた光送受信モジュールとを、前記導通スルーホールを通して前記凹部に嵌入されるピンを用いて組み合わせてなり、前記プリント回路基板の導通スルーホールと前記光送受信モジュールの前記凹部とを前記ピンを介して電気的に接続させ回路を構成したことを特徴とする光送受信モジュールを提供する。

本発明の半導体素子実装用サブマウントは、ベースとして、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、鉄鋼のように切削、鋳造加工が可能な金属材料を用いていることで、セラミックやシリコンなどと比較して、切削・鋳造、成形などの加工方法が多様であるため、安価に三次元的な形状を作ることが可能である。
本発明の半導体素子実装用サブマウントは、サブマウントのベース自体を導体として、受発光素子用配線の経路として用いることができ、電極パターンの一部を省略できるので、構造を簡素化できる。
本発明の光送受信モジュールは、サブマウント上の凸部等でプリント回路基板に嵌め込むことができるので、半田付けによる温度ストレスを素子などに与えることが無いため、組み立て工程を容易化でき、歩留まり良く高性能の光送受信モジュールを製造することができる。
本発明の光送受信モジュールは、サブマウント上の凸部等でプリント回路基板に嵌め込むことができるので、基板上の位置決めがマウンタなどを使わず手作業で容易に実施することが可能であり、組み立て工程を容易化でき、製造設備も簡素化できる。
本発明の光送受信モジュールは、光ファイバが取り付けられた状態でも、光送受信モジュール基板が通過できないような狭い配線ルートを通すことが可能になる。そのため光モジュールを用いた製品の製造が容易となる。
本発明の光送受信モジュールは、受発光素子が接続するアノードとカソードの両極を一体のサブマウント上に取り付けることが可能であり、サブマウントの別体まで飛び越えてワイヤボンドなどを行う必要がない。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の半導体素子実装用サブマウント及び光送受信モジュールの第１実施形態を示す斜視図である。図１中、符号１は半導体素子実装用サブマウント、２は絶縁被覆層、３及び４は凸部、５は電極パターン、６は未被覆部、１０は光送受信モジュール、１１は発光素子（又は受光素子）、１２はワイヤである。

本実施形態の半導体素子実装用サブマウント（以下、サブマウントと記す。）１は、導電性を有し機械加工可能な材料からなるベースに、２個の凸部３，４が設けられ、該ベースの表面の一部に絶縁被覆層２が設けられ、該絶縁被覆層２の上層にベース部分と絶縁された電極パターン５が形成され、ベースの絶縁被覆層２が設けられていない未被覆部６と前記電極パターン５とがそれぞれ発光素子１１のアノードとカソード用の電極とされた構成になっている。

本実施形態において、サブマウント１のベースは、アルミブロックで構成することが好ましい。また絶縁被覆層２としては、合成樹脂を用いている。この合成樹脂としては、絶縁材料等として使用可能な各種合成樹脂材料の中から適宜選択して用いることができる。また、この絶縁被覆層２の上層に設けられた電極パターン５は、銀や銅などの導電率の高い金属材料が用いられる。

このサブマウント１に形成される凸部３，４は、後述する実施形態で詳述するように、この光送受信モジュール１０をプリント回路基板１３に取り付け、且つ電気的に接続するために用いられ、その大きさ及び形成個数は、組み合わせるプリント回路基板１３側の導通スルーホール１４の穴径や形成個数に対応して設けることができる。本例示では、絶縁被覆層２側の凸部３に、電極パターン５を形成している。

本実施形態の光送受信モジュール１０は、前記サブマウント１に、発光素子１１を実装してなり、該発光素子１１がダイボンドやワイヤボンドでサブマウント１上の未被覆部６と電極パターン５とに電気的に接続している構成になっている。なお、図１に図示した例示では、サブマウント１の未被覆部６に１個の発光素子１１を実装した場合を示しているが、発光素子１１に代えて受光素子を実装しても良いし、２つ以上の発光素子１１又は受光素子を実装しても良い。

次に、本実施形態の光送受信モジュール１０の製造方法の一例を説明する。
ベースとして、直方体のアルミ合金製のブロック（以下、Ａｌブロックと記す。）に、２つの凸部３，４が長手方向に二つ並んでいる形状のものを切削加工で作製する（ここで、凸部３，４がある面をＡ面、このＡ面に連なって発光素子１１が実装される面をＢ面とする）。

次に、このＡｌブロックの片面半分に、ディスペンサやスクリーン印刷などによって樹脂を塗布し、硬化させて絶縁被覆層２を形成する。このとき、片方の凸部３は絶縁被覆層２が施されており、もう片方の凸部４はベースの金属面がそのまま露出した状態（未被覆部６）になっている。またＢ面においても、中央に絶縁被覆層２と未被覆部６との境界が生じている。

絶縁被覆層２を形成した後、Ａ面の凸部３とＢ面の中央部、およびその２点を接続させるような形状の電極パターン５をスパッタ法で絶縁被覆層２上に成膜し、サブマウント１を作製する。

次に、このサブマウント１のＢ面の未被覆部６に、発光素子１１をダイボンドすると共に、ワイヤボンドを行って、図１のように実装して光送受信モジュール１０を作製する。

本実施形態においては、Ａｌブロック上の未被覆部６に発光素子１１がダイボンドにより実装され、発光素子１１と絶縁被覆層２上の電極パターン５との間にワイヤボンドが行われているが、これは逆であっても構わない。素子のダイボンドを行うためには、絶縁被覆層２や電極パターン５を形成する時に高精度な平坦度が要求されるため、Ａｌブロック上にダイボンドを行うのが好適である。

本実施形態においては、サブマウント１のベース材料として、切削性や加工性に優れるＡｌブロックを用いたが、放熱や内部の抵抗などの観点からＣｕ材などを用いても良い。あるいは、ベースの剛性や耐食性を重視する観点でステンレス鋼などを用いても良い。さらに、成形の容易さや加工性に優れる、導電性フィラーを混在させて導電性を付与したプラスチック材料を用いても良い。ただし、その場合においては、ダイボンド工程で発生する加熱で変形しない耐熱性を有している必要がある。

本実施形態においては、Ａｌブロックに設けられた凸部３，４は、切削加工によって作製したが、この方法では、凸部３，４を形成するための加工工数や、切屑などが多くなってしまう傾向がある。金属粉末射出成形（ＭＩＭ）、ロストワックス製法、鋳造、粉末冶金といった鋳造でブロックを作製しても良いし、絞り、プレス、コイニングといった塑性加工などの製法で作製しても良い。これらの工法で作製する場合は、金型が必要であるが、原材料をより効率的に使用できることや、ニアネットシェイプに成形することにより、切削加工工数の削減が可能となる。また、大型の型を用いることで、一度に取れる個数を増やすことも可能となるため、一層の低コスト化も容易である。また、穴や凹みを形成した中に、ピンを圧入するなどの方法を採っても良い。

また絶縁被覆層２は樹脂のみならず、ガラスなどの被覆などであってもよい。絶縁被覆層２を構成する方法として、絶縁が必要な箇所に樹脂を塗布するように製造したが、ブロック全体に被覆を行った後に、露出が必要な箇所のみにブラスト処理等を施し絶縁被覆層２を除去する事によって同様の構造体を得ても良い。

本実施形態では、電極パターン形成方法としてスパッタ法を用いたが、導電ペースト剤をインクジェット法、スクリーン印刷法、パッド印刷法によって付着させても良いし、また導体用のアルミ箔や金、銀などの金属箔を貼り付けることによってパターンを形成しても良い。

図２は、本発明の光送受信モジュールの第２実施形態を示す図である。
本実施形態の光送受信モジュールは、内壁に導電性の回路パターン１４Ａを有する複数の導通スルーホール１４が設けられたプリント回路基板１３と、図１に示す第１実施形態の光送受信モジュール１０とを組み合わせてなり、前記プリント回路基板１３の導通スルーホール１４と光送受信モジュール１０の凸部３，４とを嵌合せしめて両者を電気的に接続させ回路を構成したことを特徴としている。

本実施形態の光送受信モジュールは、図２に示すようにプリント回路基板１３に設けられた導通スルーホール１４と、サブマウント１の凸部３，４とを嵌合することによって、実装された発光素子１１のアノードとカソードがプリント回路基板上の回路パターン１４Ａと接続され、サブマウント１上に実装された発光素子１１を動作させることが可能である。このとき、導通スルーホール１４とサブマウント１の凸部３，４との穴径のはめあい公差は、しまりばめで規定される範囲であることが望ましい。

本実施形態の光送受信モジュールは、プリント回路基板１３上に実装された状態で発光素子１１を動作させ、図示していない光ファイバとの位置が適切となるようにアクティブアラメントにより調芯を行い、基板上でサブマウント１と光ファイバとを樹脂にて固定することによって、光ファイバを光導波路とした光送受信モジュールを構成する。この固定の際、基板とサブマウント１とを分離可能とするため、離形フィルムを用いてサブマウント１と光ファイバとが、基板と一緒に固定されないようにすることができる。

こうして得られた光ファイバ付きの光送受信モジュールは、光伝送を行う基板上に図２に示すように、はめ込みによって取付け・取り外しが可能となり、取扱いや収納が容易に実施出来る。

図３は、本発明の光送受信モジュールの第３実施形態を示す斜視図である。本実施形態の光送受信モジュールは、前述した図１に示す光送受信モジュール１０とほぼ同様の構成要素を備えており、同一の構成要素には同一符号を付してある。本実施形態の光送受信モジュールは、サブマウント１の絶縁被覆層２形成側に凸部３を設けると共に、未被覆部６側に凹部７（又は穴や貫通孔）を設けたことを特徴としている。

図４は、本発明の光送受信モジュールの第４実施形態を示す断面図である。本実施形態の光送受信モジュールは、前述した図３に示す光送受信モジュールと、導通スルーホール１４が設けられたプリント回路基板１５とを組み合わせ、凸部３に対応する導通スルーホール１４には凸部３を嵌合すると共に、凹部７に対応する導通スルーホール１４には、導通用のピン１６を挿入して、モジュールと回路基板間の電気的導通を確保出来るように成っている。

図５は、本発明の光送受信モジュールの第５実施形態を示す斜視図である。本実施形態では、サブマウント１に凹部７を設け、これにピン１６Ａを挿入することで、図１に示すサブマウント１における凸部４と同じ機能を持たせるようにしたことを特徴としている。このピン１６Ａは、ストレートな形状であっても良いが、テーパを有した矢尻のような形状のピン１６Ｂであっても良い。こういった形状のピンを用いた場合、基板への取付け性の向上や、取付け後の抜け落ち防止といった効果も得ることができる。

本発明のサブマウント及び光送受信モジュールの第１実施形態を示す斜視図である。本発明の光送受信モジュールの第２実施形態を示す斜視図である。本発明の光送受信モジュールの第３実施形態を示す斜視図である。本発明の光送受信モジュールの第４実施形態を示す断面図である。本発明の光送受信モジュールの第５実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１…サブマウント、２…絶縁被覆層、３，４…凸部、５…電極パターン、６…未被覆部、７…凹部、１０…光送受信モジュール、１１…発光素子、１２…ワイヤ、１３，１５…プリント回路基板、１４…導通スルーホール、１４Ａ…回路パターン、１６，１６Ａ，１６Ｂ…ピン。

Claims

導電性を有し機械加工可能な材料からなるベースに、少なくとも１つ以上の凸部又は凹部が設けられ、該ベースの一部に絶縁被覆層が設けられ、該絶縁被覆層の上層にベース部分と絶縁された電極パターンが形成され、ベースの絶縁被覆層が設けられていない未被覆部と前記電極パターンとがそれぞれ受発光素子のアノードとカソード用の電極となることを特徴とする半導体素子実装用サブマウント。
前記導電性材料からなるベースが、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、鉄鋼のように切削、鋳造加工が可能な金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子実装用サブマウント。
前記サブマウント上の凸部又は凹部のうち、少なくとも一方に絶縁被覆層が設けられ、該絶縁被覆層の上に電極パターンが形成され、他方は絶縁被覆層が無くベースが露出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子実装用サブマウント。
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子実装用サブマウントに、一つ以上の発光素子又は受光素子が実装されてなり、該発光素子又は受光素子がダイボンドやワイヤボンドでサブマウント上のベース部分と電極パターンとに電気的に接続していることを特徴とする光送受信モジュール。
光ファイバと、１つ又は２つ以上の請求項４に記載の光送受信モジュールと、光ファイバと前記光送受信モジュールとを接着固定するための樹脂とから構成され、前記光ファイバは、端面から発光素子の発光を適正に入射できる位置、又は光ファイバが導光した光を受光素子に適正に照射できる状態で、樹脂にて双方の位置関係が固定されていることを特徴とする光送受信モジュール。
前記光ファイバの一方の端部に発光側のモジュールが接続され、他方の端部に受光側のモジュールが接続されたことを特徴とする請求項５に記載の光送受信モジュール。
電気回路を有し、その電気回路の一部に、少なくとも一つ以上の内壁に導電性の回路パターンを有する導通スルーホールが設けられたプリント回路基板と、請求項４〜６のいずれかに記載の光送受信モジュールのうち、電極パターンが形成された凸部を有するサブマウントを用いた光送受信モジュールとを組み合わせてなり、前記プリント回路基板の導通スルーホールと前記光送受信モジュールの前記凸部とを嵌合せしめて両者を電気的に接続させ回路を構成したことを特徴とする光送受信モジュール。
電気回路を有し、その電気回路の一部に、少なくとも一つ以上の内壁に導電性の回路パターンを有する導通スルーホールが設けられたプリント回路基板と、請求項４〜６のいずれかに記載の光送受信モジュールのうち、非被覆部に凹部を有するサブマウントを用いた光送受信モジュールとを、前記導通スルーホールを通して前記凹部に嵌入されるピンを用いて組み合わせてなり、前記プリント回路基板の導通スルーホールと前記光送受信モジュールの前記凹部とを前記ピンを介して電気的に接続させ回路を構成したことを特徴とする光送受信モジュール。