JP2009163178A - 光素子と基板との接合構造及び光送受信モジュール並びに光モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な接続が可能で、かつ高光結合効率を実現する光素子と基板との接合構造と、これを用いた光配線装置を提供する。
【解決手段】本発明は、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を基板１上の光素子２からの発光または光素子２への受光の光路上に当たる箇所に供給した後、光素子２の導体バンプ２２を基板上の電気配線１１に接合し、その後前記フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を熱硬化させてフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を光素子２および基板１に接着することによって、光素子２と基板１との間の前記光路以外の箇所にフィラーを含有するアンダーフィル樹脂４２を充填する際、光素子２と基板１との間の前記光路の箇所には前記フィラーを含有するアンダーフィル樹脂４２が侵入しないように構成した光素子と基板との結合構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光素子と光導波路を備えた基板との接合構造及び該接合構造を用いた光配線装置である光送受信モジュール並びに光モジュールの製造方法に関わり、特にフリップチップボンディングにより実装する光素子と基板との接合構造及び光モジュールの製造方法に関する。

近年の高速伝送線路は、（１）広帯域である、（２）電磁波ノイズ耐性に優れる、（３）配線の容積が小さくかつ軽量などの理由から、電気配線に代わり光配線装置を適用する動きが始まりつつある。光配線装置において、最も重要な因子の一つとして、半導体レーザやフォトダイオードなどの光素子と、光ファイバや光導波路などの光伝送路との光結合構造が挙げられる。高い光結合効率を得るために、光素子と光伝送路はマルチモード伝送の場合でもその位置合わせに数十μｍの搭載精度が要求される。また、温度サイクルや高温高湿などの信頼性試験を施した後も、位置ずれや剥離を起こしてはならない。一方、光配線は電気配線からの代替という観点から低価格であることが前提である。そのため、材料原価や組み立て工数を出来る限り低く抑えなければならない。

上記を満たす光素子の一搭載方法として考えられるのは、特開２００５−１６４８０１号公報（特許文献１）に挙げられるように、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface-Emitting Laser）や面入射型フォトダイオードの面受発光素子を基板にフリップチップボンディングにより実装し、基板の下方にある光伝送路と光結合する方式である。これにより、従来の電子回路のフリップチップ実装と同等の工程で、光素子の接合構造を形成することができる。

また、特開２００５−３３３０１８号公報（特許文献２）に挙げられるように光素子の受発光部分に予め透明樹脂からなる突起を設けている。これにより、光素子実装後、透明樹脂からなる突起が押圧されることにより透明樹脂内に屈折率分布を生じさせ、レンズとしての作用をもたらすことにより光素子からの発光または光素子に入射する光を集光させて結合効率を向上させる光配線モジュールが記載されている。

特開２００５−１６４８０１号公報 特開２００５−３３３０１８号公報

上記従来技術のように光素子をフリップチップボンディングにより搭載する場合、（１）接合強度の確保、（２）光素子と基板間に生じる応力の緩和などを目的として、光素子と基板の間にアンダーフィル樹脂を充填させることが一般的である。

しかしながら、上記特許文献１ではアンダーフィル樹脂としてフィラーを含有しない透明樹脂を用いている。一般に、熱応力を緩和させるためには熱膨張係数の調整が容易なフィラーを含有する樹脂を用いることが望ましい。これは、アンダーフィル樹脂の熱膨張係数を光素子と基板の熱膨張係数に整合させることにより、信頼性を向上させることができるためである。しかしながら、特許文献１の光結合構造では、アンダーフィル樹脂としてフィラーを含有する樹脂を用いた場合、アンダーフィル樹脂が光路上に配置されるため、フィラーによる光散乱等により光損失が増大してしまう。

また、上記特許文献２では、透明樹脂からなる突起が光素子に存在するため、アンダーフィル樹脂としてフィラーを含有する樹脂を用いても、光路上にアンダーフィル樹脂が入り込みにくくなっている。しかしながら、透明樹脂の突起と基板は密着しているだけであるので、フィラーを含有するアンダーフィル樹脂が透明樹脂の突起と基板の間に浸透し、結果として光損失の増加を招く恐れがある。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、基板と光素子の間隙の光路箇所に光素子からの出射光又は／及び光素子への入射光の伝播を阻害するフィラーを含有するアンダーフィル樹脂等が浸透するのをなくして光結合効率の向上を図ると共に、光素子と基板との間の信頼性の向上を図った光素子と基板との接合構造及び光送受信モジュール並びに光モジュールの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、アンダーフィル材の機能を、（１）光結合効率の向上の機能（光素子と基板との間の光路上にはフィラー非含有のアンダーフィル樹脂を配置することによって光結合効率を向上させる機能）と（２）信頼性向上の機能（光素子と基板との間の光路以外の箇所にはフィラーを含有するアンダーフィル樹脂を配置することによって信頼性向上の機能）とに分割させ、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂を基板上の光素子からの発光（出射光）又は／及び光素子への受光（入射光）の光路上に当たる箇所に供給した後、光素子上に形成された導体バンプを介して基板上の電気配線（電極）に接合し、その後前記フィラー非含有のアンダーフィル樹脂を熱硬化させてフィラー非含有のアンダーフィル樹脂を光素子および基板に接着することによって、光素子と基板との間の前記光路以外の箇所にフィラーを含有するアンダーフィル樹脂を充填する際、光素子と基板との間の前記光路の箇所には前記フィラーを含有するアンダーフィル樹脂が侵入しないように構成したことを特徴とする光素子と基板との結合構造である。

また、本発明は、発光素子又は受光素子から形成された光素子と、該光素子と光学的に結合される光導波路を備えた基板とを有し、前記光素子のバンプを前記基板上の電気配線（電極）に接合して構成される光素子と基板との接合構造であって、前記光素子から前記基板への出射光又は前記基板から前記光素子への入射光の光路の箇所にはフィラーを含有しない透明樹脂を前記光素子の発光点又は受光点の近傍及び前記基板上の透明樹脂に接着して設け、前記光素子と前記基板との間において充填が必要な箇所にはフィラーを含有する樹脂を充填して構成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記光素子と基板との接合構造において、前記フィラーを含有しない透明樹脂は、前記接着される基板上の透明樹脂の屈折率と同等の屈折率を持つ透明樹脂で形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記光素子と基板との接合構造において、前記フィラーを含有しない透明樹脂を、前記接着される基板上の透明樹脂の前記出射光又は前記入射光の光路の箇所に形成された開口部に充填して前記出射光又は前記入射光を通過させることを特徴する。

また、本発明は、前記光素子と基板との前記接合構造を備えたことを特徴とする光送受信モジュールである。
また、本発明は、前記光送受信モジュールにおいて、前記発光素子用の駆動ドライバ並びに前記受光素子用の出力信号増幅器を前記基板に搭載したことを特徴とする。
また、本発明は、前記光送受信モジュールにおいて、前記基板が可搬性を有することを特徴とする。

また、本発明は、光素子と光学的に結合される光導波路を備えた基板の透明樹脂上における前記光素子からの出射光又は／前記光素子への入射光の光路に該当する箇所にフィラーを含有しない透明樹脂を供給する第１の工程と、該第１の工程で前記フィラーを含有しない透明樹脂が供給された前記基板上の電気配線（電極）に前記光素子上に形成されたバンプを介して接合する第２の工程と、該第２の工程によって前記光素子のバンプを前記基板上の電気配線（電極）に接合した状態で前記フィラーを含有しない透明樹脂を熱硬化させて前記光素子及び前記基板の透明樹脂に接着する第３の工程と、該第３の工程によって前記フィラーを含有しない透明樹脂が接着された前記光素子と前記基板との間隙にフィラー含有するアンダーフィルを充填する第４の工程と、該第４の工程で充填された前記フィラー含有するアンダーフィルを熱硬化する第５の工程と、を含むことを特徴とする光モジュールの製造方法である。

また、本発明は、前記第３の工程において、前記フィラーを含有しない透明樹脂を熱硬化させて前記光素子の発光点又は受光点の近傍のみを接着することを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の工程において、前記基板の透明樹脂上における前記該当する箇所に前記フィラーを含有しない透明樹脂を供給する前に、前記基板の透明樹脂上における前記該当する箇所に開口部を形成しておく工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、基板と光素子の間隙の光路箇所に光素子からの出射光又は／及び光素子への入射光の伝播を阻害するフィラーを含有するアンダーフィル樹脂等が浸透するのをなくして光結合効率の向上を図ると共に信頼性の向上を図った良好な光素子と光導波路を備えた基板との結合構造を実現することができる。

本発明に係る光素子の接合構造及びこれを用いた光配線装置並びにその製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明をする。なお、実質同一部位には同じ参照番号を付与し、説明は繰り返さないものとする。

［第１の実施の形態］
本発明に係る光素子と光伝送路を具備する基板との接合構造及び光モジュールの製造方法並びに光素子と基板との接合構造を用いた光配線装置の第１の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。図１はＡｕバンプを用いた光素子と基板との接合構造及び光モジュールの製造方法の第１の実施の形態を説明する図である。図２および図３は光素子と基板との接合構造を用いた光配線装置である光送受モジュールの第１の実施の形態の断面を説明する図である。図１（ａ）から図１（ｄ）は本発明に係る光素子と基板との接合構造の第１の実施の形態の断面を説明する図、図１（ｅ）は本発明に係る光素子と基板との接合構造の第１の実施の形態の透過平面図である。なお、断面を説明する図において、基板の上面と下面は同一断面ではなく展開断面図であることは、当事者が容易に読み取れるものである。これは以下の実施の形態でも同様である。

図１（ａ）において、基板１の表面には電気配線（電極）１１が形成されている。本実施の形態では、基板１はポリイミド膜からなるフレキシブル基板を用いている。電気配線１１の部材は、ここでは圧延Ｃｕ１２μｍを主体とし、その表面にＮｉ２〜５μｍとＡｕ０．３μｍをめっきした構造となっている。配線材料に関しては、他の材料でもかまわないが、条件として求められるものは、電気抵抗が小さい、安価である、加工しやすい等、電気配線として一般的に要求される事項を満たしていることが望ましい。なお、電気配線１１の表面めっきは、光素子２の接合方法に依存する。本実施の形態では、Ａｕバンプを用いたＡｕ−Ａｕの超音波接合を適用するため、表面めっきにＡｕ０．３μｍを用いた。いうまでもなくＡｌバンプを用いた場合、表面めっきとしてＡｌを用いてもかまわない。さらに、はんだ接合を適用する場合、接合後にはんだ材とＡｕの界面に金属間化合物が形成される。この金属間化合物は硬くて応力緩衝効果が弱いため、衝撃等に対する接合の信頼性を低下させる。また、Ａｕが残存するとその後の高温放置により金属間化合物がさらに成長し、光素子２の位置ずれが発生することが懸念される。そのため、例えばＡｕ０．０５μｍと薄くすることが望ましい。

基板１の裏面には、樹脂を用いた光導波路コア３２および光導波路クラッド３１ａ、３１ｂからなる光導波層３が形成されている。光導波路層の先端部分は４５°ミラー３３が形成されており、光素子２が発光素子のとき、紙面内上からの発光素子で発光（出射）された光ビームを紙面内左から右方向へ反射させ、光導波路コア３２へ導くようになっている。なお、光素子２が受光素子の場合、光導波路コア３２内を紙面内右から左へ伝播してきた光を、４５°ミラー３３が紙面内下から上方向に反射し、受光素子２に受光（入射）される。以下、本第１の実施の形態では、光素子２としてＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）の場合について主に説明することとする。しかしながら、光素子２としては発光素子の場合も、受光素子の場合も同様の作用がなされる。

本第１の実施の形態では、光素子２を基板１へ搭載する前に、基板１のポリイミド膜上へ微量のフィラー非含有アンダーフィル樹脂４１を例えば転写機構を用いて転写する（供給する）。上記微量のフィラー非含有アンダーフィル樹脂４１は、基板１のポリイミド膜上の光素子（発光素子）２からの発光（出射光）又は／及び光素子（受光素子）２への受光（入射光）の光路上に当たる箇所に例えば転写機構を用いて転写している（供給している）。フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１の屈折率は基板１を構成するポリイミド膜のそれと整合させてあることが望ましい。本実施の形態では、基板１のポリイミド膜としてカプトン（屈折率：１．７８）を用い、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１としてＥＰＯＸＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ社製のＥＰＯ−ＴＥＫ３２３ＬＰ（屈折率：１．５７）を用いて基板１とフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１との間の屈折率差が０．２５以内になるように整合を行っている。これにより、フィラー非含有アンダーフィル樹脂４１と基板１の屈折率差に起因する界面でのフレネル反射による損失を低減させることが可能となる。

さらにフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１は発光点（２０〜３０μｍφ）または受光点２３の近傍のみ充填されていることが望ましい。これは、一般にフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１は熱膨張係数が大きい（本実施の形態で用いたフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１の熱膨張係数：１３０ｐｐｍ／Ｋ）ため、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１の熱膨張による影響を最小限にとどめるためである。なお、本実施の形態では、例えば転写法により、微量のアンダーフィル樹脂４１を供給しているが、ディスペンス法による供給でもかまわない。

一方、光素子２の電極２１には、Ａｕからなる導体バンプ２２が形成されている。本実施の形態では導体バンプ２２として、ワイヤボンディングのファーストボンディング後にワイヤを切断し形成したものを用いているが、導体バンプ２２としてＡｕめっきバンプを用いてもかまわない。本実施の形態では超音波接合により光素子２を基板１に接合するため、導体バンプ２２としてＡｕバンプを用いているが、はんだ接合でもかまわず、その場合は導体バンプ２２としてＳｎ−１Ａｇ−５７Ｂｉ、Ｉｎ−３．５Ａｇ等の、光導波路層３を形成する材料の耐熱温度（１５０〜１６０℃程度）よりも低い融点（１３０〜１４０℃程度）のはんだボールを用いることが望ましい。

次に、図１（ｂ）に示すように光素子２の導体バンプ２２が、基板１上の電気配線（電極）１１に例えば超音波接合によって接合され、事前に基板１のポリイミド膜上の光路の箇所に供給しておいたフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１の頂点が押し潰されて光素子２の発光点又は／及び受光点２３の近傍のみが密着することになる。、超音波接合により接合を行うと、導体バンプ２２が変形し、Ａｕ−Ａｕ拡散が発生して導体バンプ２２と基板１上の電気配線１１が接合する。このとき、事前に基板１上の光路の箇所に供給しておいたフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１が基板１と光素子２の間隙の光路箇所に存在することになる。

次に、光素子２を基板１に接合した後、図１（ｃ）に示すようにフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を熱硬化させることによって、基板１とフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１ならびに光素子２とフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１が接着された状態となる。そのため、基板１と光素子２の間隙の光路箇所に光素子２からの出射光又は／及び光素子２への入射光の伝播を阻害するもの、即ちフィラーを含有するアンダーフィル樹脂４２等が侵入することを防止することが出来る。

以上説明したように、本発明は、微量のフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を基板１を構成するポリイミド膜上の光素子（発光素子）２からの発光（出射光）又は／及び光素子（受光素子）２への受光（入射光）の光路上に当たる箇所に供給した後、光素子２の導体バンプ２２を基板１上の電気配線（電極）１１に接合し、その後前記微量のフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を熱硬化させてフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を光素子２および基板１に接着することによって、後述するように光素子２と基板１との間の前記光路以外の箇所にフィラーを含有するアンダーフィル樹脂４２を充填する際、光素子２と基板１との間の前記光路の箇所には光素子２からの発光（出射光）又は／及び光素子２への受光（入射光）の伝播を阻害するもの、即ちフィラーを含有するアンダーフィル樹脂４２等が侵入しないように構成したことに特徴を有することになる。

次に、図１（ｄ）に示すように、フィラー含有アンダーフィル樹脂４２が基板１と光素子２の間隙に充填されることになる。このとき、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１は熱硬化されているため、フィラー含有のアンダーフィル樹脂４２を基板１と光素子２の間隙に充填しても、フィラー含有のアンダーフィル樹脂４２は光素子（発光素子）２からの発光（出射光）又は／及び光素子（受光素子）２への受光の光路に侵入することが無い。そのため、光素子（発光素子）２からの発光（出射光）は散乱されること無く、光導波路コア３２に入射される。また光導波路コア３２から光素子（受光素子）２へと散乱されること無く、受光される。フィラー含有のアンダーフィル樹脂４２を充填後、熱硬化にさせることにより、外部からの衝撃による応力を緩和することが出来る。さらに、含有するフィラーを調整することにより、種々の特性をアンダーフィル樹脂４２に持たせることが出来る。例えば、シリカ等のフィラーを含有させ、アンダーフィル樹脂４２の熱膨張係数を調整することにより基板１と光素子２の熱膨張率の差による界面剥離を防止することが出来る。フィラー含有のアンダーフィル樹脂４２の熱膨張係数は、基板１と光素子２の熱膨張係数の間であることが望ましい。本実施の形態では、光素子２としてＩｎＰ系のＶＣＳＥＬ（熱膨張係数：４．５ｐｐｍ／Ｋ）、基板１のポリイミド膜としてカプトン（熱膨張係数：２０ｐｐｍ／Ｋ）を用いている。両者の熱膨張差による応力を緩和するため、フィラー含有のアンダーフィル樹脂４２の熱膨張係数は４．５〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲であることが望ましい。

以上説明したように、本発明に係る光導波路コア３２および光導波路クラッド３１ａ、３１ｂからなる光導波層３が形成された基板１との光素子２の接合構造は、図１（ｅ）に示す透過平面図となる。図１（ｅ）において、光素子２は破線で示している。基板１と光素子２は４点で相互に接合されている。光素子中央部には発光点または受光点２３が形成され、発光点または受光点２３の直下には、図１（ａ）乃至（ｄ）に示す４５°ミラー３３と光導波路（光導波層）３が形成されている。

なお、基板１の材質はポリイミドに限らず、通信波長で透明な他の樹脂でもかまわない。また、本実施の形態では光素子の接合方法として超音波接合を用いたが、はんだ接合、導電性接着剤等を用いてもかまわない。はんだ接合の場合は導体バンプ２２としてＳｎ−１Ａｇ−５７Ｂｉ、Ｉｎ−３．５Ａｇ等の、光導波路層３を形成する材料の耐熱温度（１５０〜１６０℃程度）よりも低い融点（１３０〜１４０℃程度）のＰｂフリーのはんだボールを用いることが望ましい。導電性接着剤を用いる場合、その熱硬化温度は光導波路層３を形成する材料の耐熱温度（１５０〜１６０℃程度）よりも低いことが望ましい。

次に、本発明に係る光素子と光伝送路を具備する基板との接合構造を用いた光配線装置である光送受モジュールの第１の実施の形態について図２及び図３（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図２において、基板１の上面の電気配線１１には、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）５０とＶＣＳＥＬを駆動するドライバＩＣ５５、フォトダイオード（ＰＤ）６０とＰＤ６０からの微小信号を低ノイズで増幅するプリアンプＩＣ６５がフリップチップ搭載されている。ＶＣＳＥＬ５０、ＰＤ６０と基板１との間隙の光路に当たる部分には、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１が光素子５０、６０及び基板１とに接着して配置され、それ以外の部分にはフィラー含有のアンダーフィル樹脂４２が充填されている。ドライバＩＣ５５、プリアンプＩＣ６５も同様にフィラー含有のアンダーフィル樹脂４３が充填されている。

図３（ａ）（ｂ）はドライバＩＣ５５及びプリアンプＩＣ６５を充填するフィラー含有のアンダーフィル樹脂４３の充填方法の別形態を説明する図である。なお便宜上、図３（ａ）（ｂ）はＶＣＳＥＬ５０とドライバＩＣ５５側についてのみ図示してあるが、ＰＤ６０とプリアンプＩＣ６５側についても同様であることはいうまでもない。上記フィラー含有のアンダーフィル樹脂４３は図３（ａ）に示すように、ＶＣＳＥＬ５０及びＰＤ６０の光路以外の部分を充填するフィラー含有のアンダーフィル樹脂４２と兼用してもかまわない。さらに、図３（ｂ）に示すようにフィラー含有のアンダーフィル樹脂４２を用いてＶＣＳＥＬ５０、ドライバＩＣ５５、ＰＤ６０、ＰＤ６５を一括して封止した後、真空脱泡することにより、フィラー含有のアンダーフィル樹脂４２を充填してもかまわない。

更に、基板１の下面には、光導波路層３を設け、ＶＣＳＥＬ５０の発光点直下およびＰＤ６０の受光面直下には光導波路層３をダイシングによりカットした４５°ミラー３３を形成している。これにより、図示していない電気信号が入力されたドライバＩＣ５５は、ＶＣＳＥＬ５０のレーザ光を変調して光信号を発生する。ＶＣＳＥＬ５０から発生した光信号は、ＶＣＳＥＬ５０の下部の４５°ミラー３３により光導波路コア３２に結合され、光導波路コア３２中を伝播する。さらに、伝播した光信号はＰＤ６０の下部の４５°ミラーで反射され、ＰＤ６０で受光される。ＰＤ６０は光信号を電気信号に変換し、プリアンプＩＣ６５で増幅される。なお、基板１および光導波路層３は可撓性を有しているため、二つ折り型の携帯電話等の屈曲性を要求させる箇所の信号配線として利用できる。

なお、図３（ａ）（ｂ）の構成については他の実施の形態についても同様に適用することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る光素子と光伝送路を具備する基板との接合構造及び光モジュールの製造方法の第２の実施の形態について、図４を用いて説明する。ここで、図４（ａ）〜（ｄ）については本発明に係る光素子の接合構造の第２の実施の形態の断面を説明する図、図４（ｅ）は本発明に係る光素子の接合構造の第２の実施の形態の透過平面図である。本第２の実施の形態についても基板１はポリイミド膜を用いたカプトン、光素子２としてＶＣＳＥＬを用いて主に説明を行うこととする。

第２の実施の形態において、図１（ａ）〜（ｅ）に示す第１の実施の形態と相違する点は、図４（ａ）〜（ｅ）に示すように、基板１を構成するポリイミド膜（例えばカプトンを用いる。）において、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を熱硬化させた際しっかりと気泡がない状態で充填して接着される開口部１３を光素子２の発光点又は／及び受光点２３に位置に対応する箇所に設けた点である。

即ち、第２の実施の形態の場合は、図４（ａ）に示すように、図１（ａ）に示す第１の実施の形態に比べてさらに基板１を構成するポリイミド膜に開口部１３が設けられている。この開口部１３は、光素子２の発光点又は／及び受光点２３の位置に対応する基板１を構成するポリイミド膜の箇所に設けられている。つまり、光素子２から出射された光はこの開口部１３を通過する構成となる。開口部１３はレーザ加工により基板１を構成するポリイミド膜に開けられたものであり、その大きさは極力小さいことが望ましいが、本実施例では５０μｍ程度とする。なお、いうまでもないが開口部１３の形成方法はレーザ加工のみにかぎられず、エッチングおよびパンチング等を用いて形成してもかまわない。

第２の実施の形態の場合は、さらに基板１の裏面には、樹脂を用いた光導波路コア３２および光導波路クラッド３１ａ、３１ｂからなる光導波層３が形成されている。光導波路層の開口部１３に対応する位置には４５°ミラー３３が形成されて、光素子２が発光素子の場合、上記開口部１３を通過した光が４５°ミラー３３で反射され、光導波路コア３２に導かれる。他方光素子２が受光素子の場合、光導波路コア３２で導かれた光は４５°ミラー３３で反射され、上記開口部１３を通して受光素子で受光される。

なお、第２の実施の形態において基板１上の電気配線１１の構成は第１の実施の形態と同様である。

まず、図４（ａ）に示す第２の実施の形態の場合は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態と同様に、光素子２を基板１に接合する前にフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を基板開口部１２内の開口部１３の位置に転写（供給）する。このとき、開口部１３内にフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１がしっかりと充填されることが重要である。なぜならば、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１の充填が不十分で、開口部１３内に気泡が存在した状態で、アンダーフィル樹脂４１が熱硬化された場合、この気泡により光素子２からの出射光が散乱され光損失の増大を招く恐れがあるためである。そのため、必要に応じ、開口部１３にアンダーフィル樹脂４１が充填されるように真空脱泡を行う。

フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１の屈折率は光導波路クラッド３１の材質と整合させてあることが望ましい。これは、第１の実施の形態と同様にアンダーフィル樹脂４１と光導波路クラッド３１ａの界面でのフレネル反射による光損失を低減させるためである。同時に、アンダーフィル樹脂４１の屈折率は基板１のポリイミド膜（カプトン）の屈折率より小さいことが望ましい。これは、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂（ＥＰＯＸＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ社製のＥＰＯ−ＴＥＫ３２３ＬＰ（屈折率：１．５７））４１の屈折率を基板１のポリイミド膜（例えばカプトン（屈折率：１．７８））の屈折率より小さくすることにより、開口部１３の部分で光をアンダーフィル樹脂４１内に閉じこめる、換言すると、開口部１３の部分において光導波路と同様の効果を与えることにより光結合効率の向上を図るためである。

図４（ｂ）は、図１（ｂ）と同様に、光素子２が、基板１に超音波接合された状態である。第１の実施の形態と同様に、超音波接合により接合を行うと、導体バンプ２２が変形し、Ａｕ−Ａｕ拡散が発生して導体バンプ２２と基板１の電気配線１１が接合する。このとき、事前に基板１に転写（供給）しておいたフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１が基板１と光素子２の間隙の光路箇所に存在することになる。

図４（ｃ）は、図１（ｃ）と同様に、光素子２を基板１に超音波接合した後、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を熱硬化させた状態である。フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１が硬化したことにより、基板１とフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１並びに光素子２とフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１ならびに光導波路層３とフィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１が接着された状態となる。そのため、第１の実施の形態と同様に基板１と光素子２の間隙の光路箇所に光素子２からの出射光又は／及び光素子２への入射光の伝播を阻害するもの（例えばフィラー含有のアンダーフィル樹脂４２）が侵入することを防止することが出来る。

図４（ｄ）は、図１（ｄ）と同様に、光素子２を基板１に超音波接合し、フィラー非含有のアンダーフィル樹脂４１を熱硬化させた後、フィラー含有のアンダーフィル樹脂４２を基板１と光素子２の間隙に充填し、熱硬化させた状態である。本第２の実施の形態についても、第１の実施の形態と同様にフィラー含有のアンダーフィル樹脂４２の熱膨張経係数は、基板１と光素子２の熱膨張係数の間であることが望ましい。

図４（ｅ）は、図１（ｅ）と同様に、基板１と光素子２が接合した状態の透過平面図である。図４（ｅ）において、光素子２は破線で示している。基板１と光素子２は４点で相互に接合されている。光素子中央部には発光点又は／及び受光点２３が形成され、発光点又は／及び受光点２３の直下には、開口部１３が存在し、４５°ミラー３３と光導波路３が形成されている。

なお、本第２の実施の形態においても、基板１の材質はポリイミドに限らず、通信波長で透明な他の樹脂でもかまわない。また、光素子の接合方法として超音波接合を用いたが、はんだ接合、導電性接着剤等を用いてもかまわない。はんだ接合の場合は導体バンプ２２としてＳｎ−１Ａｇ−５７Ｂｉ、Ｉｎ−３．５Ａｇ等の光導波路層３を形成する材料の耐熱温度（１５０〜１６０℃程度）よりも低い融点（１３０〜１４０℃程度）のＰｂフリーのはんだボールを用いることが望ましい。導電性接着剤の場合、その熱硬化温度は光導波路層３を形成する材料の耐熱温度（１５０〜１６０℃程度）よりも低いことが望ましい。

以上説明した第１および第２の実施の形態に拠れば、以下に示す効果を期待できる。
（１）フィラー非含有のアンダーフィル樹脂とフィラー含有のアンダーフィル樹脂を同時に使用することができ、光結合効率の向上と信頼性向上を同時に実現することができる。
（２）フィラー非含有のアンダーフィル樹脂を屈折率整合の観点のみで選択可能となり、フレネル反射による光損失を低減することができる。
（３）フィラー含有のアンダーフィル樹脂を熱膨張係数の整合の観点のみで選択可能となり、熱膨張率差に起因する界面剥離を抑制でき、信頼性向上を図ることができる。

本発明によれば、光素子と光伝送路を具備する基板との接合構造を具備する光配線装置を用いた情報通信装置を使用する分野、例えば光通信モジュール、光記録モジュール、高速スイッチング装置（ルータ、サーバなど）、ストレージ装置、民生通信機器（携帯電話など）、自動車などに利用可能である。

本発明に係る光素子と光伝送路を具備する基板との接合構造及び光モジュールの製造方法の第１の実施の形態を示す模式図である。 本発明に係る光素子と基板との接合構造を用いた光配線装置である光送受信モジュールの第１の実施の形態を説明する断面図である。 本発明に係る光素子と基板との接合構造を用いた光配線装置である光送受モジュールの第１の実施の形態において、フィラー含有のアンダーフィル樹脂の充填形態を説明する図である。 本発明に係る光素子と光伝送路を具備する基板との接合構造及び光モジュールの製造方法の第２の実施の形態を示す模式図である。

符号の説明

１…基板（カプトン等のポリイミド膜）、 １１…電気配線（電極）、 ２…光素子（発光素子又は受光素子）、 ２１…光素子電極、 ２２…導体バンプ、 ２３…発光点または受光点、 ３…光導波路層、 ３１ａ、３１ｂ…光導波路クラッド、 ３２…光導波路コア、 ３３…４５°ミラー、 ４１…フィラー非含有のアンダーフィル樹脂、 ４２…フィラー含有のアンダーフィル樹脂、 ４３…ＩＣ用アンダーフィル樹脂、 ５０…ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）、 ５５…ドライバＩＣ、 ６０…フォトダイオード（ＰＤ）、 ６５…プリアンプＩＣ。

Claims (12)

1. 発光素子と、該発光素子と光学的に結合される光導波路を備えた基板とを有し、前記発光素子のバンプを前記基板上の電気配線に接合して構成される発光素子と基板との接合構造であって、
   前記発光素子から前記基板への出射光の光路の箇所にはフィラーを含有しない透明樹脂を前記発光素子の発光点の近傍及び前記基板上の透明樹脂に接着して設け、
   前記発光素子と前記基板との間において充填が必要な箇所にはフィラーを含有する樹脂を充填して構成したことを特徴とする発光素子と基板との接合構造。
2. 前記フィラーを含有しない透明樹脂は、前記接着される基板上の透明樹脂の屈折率と同等の屈折率を持つ透明樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子と基板との接合構造。
3. 前記フィラーを含有しない透明樹脂を、前記接着される基板上の透明樹脂の前記出射光の光路の箇所に形成された開口部に充填して前記出射光を通過させることを特徴する請求項１又は２に記載の発光素子と基板との接合構造。
4. 受光素子と、該受光素子と光学的に結合される光導波路を備えた基板とを有し、前記受光素子のバンプを前記基板上の電気配線に接合して構成される受光素子と基板との接合構造であって、
   前記基板から前記受光素子への入射光の光路の箇所にはフィラーを含有しない透明樹脂を前記基板上の透明樹脂及び前記受光素子の受光点の近傍に接着して設け、
   前記受光素子と前記基板との間において充填が必要な箇所にはフィラーを含有する樹脂を充填して構成したことを特徴とする受光素子と基板との接合構造。
5. 前記フィラーを含有しない透明樹脂は、前記接着される基板上の透明樹脂の屈折率と同等の屈折率を持つ透明樹脂で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の受光素子と基板との接合構造。
6. 前記フィラーを含有しない透明樹脂を、前記接着される基板上の透明樹脂の前記入射光の光路の箇所に形成された開口部に充填して前記入射光を通過させることを特徴する請求項４又は５に記載の受光素子と基板との接合構造。
7. 請求項１乃至３の何れか一つに記載の発光素子と基板との接合構造と、請求項４乃至６の何れか一つに記載の受光素子と基板との接合構造とを備えたことを特徴とする光送受信モジュール。
8. 請求項７に記載の光送受信モジュールにおいて、前記発光素子用の駆動ドライバ並びに前記受光素子用の出力信号増幅器を前記基板に搭載したことを特徴とする光送受信モジュール。
9. 請求項７又は８に記載の光送受信モジュールにおいて、前記基板が可搬性を有することを特徴とする光送受信モジュール。
10. 光素子と光学的に結合される光導波路を備えた基板の透明樹脂上における前記光素子からの出射光又は／前記光素子への入射光の光路に該当する箇所にフィラーを含有しない透明樹脂を供給する第１の工程と、
    該第１の工程で前記フィラーを含有しない透明樹脂が供給された前記基板上の電気配線に前記光素子のバンプを搭載して接合する第２の工程と、
    該第２の工程によって前記光素子のバンプを前記基板上の電気配線に接合した状態で前記フィラーを含有しない透明樹脂を熱硬化させて前記光素子及び前記基板の透明樹脂に接着する第３の工程と、
    該第３の工程によって前記フィラーを含有しない透明樹脂が接着された前記光素子と前記基板との間隙にフィラー含有するアンダーフィルを充填する第４の工程と、
    該第４の工程で充填された前記フィラー含有するアンダーフィルを熱硬化する第５の工程と、
    を含むことを特徴とする光モジュールの製造方法。
11. 前記第３の工程において、前記フィラーを含有しない透明樹脂を熱硬化させて前記光素子の発光点又は受光点の近傍のみを接着することを特徴とする請求項１０に記載の光モジュールの製造方法。
12. 前記第１の工程において、前記基板の透明樹脂上における前記該当する箇所に前記フィラーを含有しない透明樹脂を供給する前に、前記基板の透明樹脂上における前記該当する箇所に開口部を形成しておく工程を有することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光モジュールの製造方法。

Images