JP2010080894A - 光電気モジュール及びその製造方法、並びに、電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】受発光素子と金属リードが電気的に接続された状態でモールドされた光電気モジュールにおいて、溝構造を持つ光電気モジュールにおける製造方法の複雑さを解決し、簡便、且つ、低コストの方法で作製できる光電気モジュールと、その効率的な作製方法を提案する。
【解決手段】モールド構造体の一部に溝部を有し、前記溝部は、その底部に受発光面露出部が設置され、その範囲は受発光面露出部から少なくともモールド構造体端部まで形成されており、且つ光配線が前記溝部に埋設されていることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は電気配線及び光配線を有する光電気モジュール及びその製造方法に関する。
電子機器においては、従来、電気配線を主として用いてきた。しかしながら、情報処理装置の高性能化の要求に対応するため、近年では高周波伝送が必要となってきており、高周波信号を伝送する手段として、光配線による伝送も検討が行われている。光配線による伝送を簡便に組み込む方法の一つとしては、光電気モジュールを用いる方法が挙げられる。光電気モジュールとは、光配線、光を電気に変換する素子を搭載した部品のことで、
光と電気を変換できることを特徴とする電子部品である、光電気モジュールを電子基板へ組み込むことにより、電子基板内で光伝送を簡便に使用することができる。
光電気モジュールにおいて重要なこととしては、接続部や光配線内部での光損失を低減すること、従来の電子基板へ組み込みを簡便に行えること、光電気モジュール自体を簡便且つ低コストで作製できること、また、光電気モジュール自身の信頼性が高いことが挙げられる。こうした光電気モジュールについては、現在、様々な検討が行われている。
光は広がり角を持って大気中を伝播する。このため、大気中での伝播距離が長いと、光が受光部の大きさよりも広がり、光伝播損失は増加してしまう。こうした光損失を低減するためには、各部品をできる限り接近させて配置する必要がある。また、これを解決する手段として、コア材料と同屈折率を持つ樹脂材料(マッチングオイル等)を接続部分に使用する方法が一般的に知られている。
従来より使用されている電子基板は、電気伝送のロスを低減するために様々な工夫が施されている。また、従来より使用されている素子の大部分は、電気により動作することを前提に設計されている。このことから、従来の電子基板へ簡便に光電気モジュールを組み込むことで、電子基板、電気素子の技術を有効に活用することができる。
電子基板と組み合わせて用いる光電気モジュールとしては、電気信号から光信号、光信号から電気信号への変換を行うために、受発光素子、光配線(光導波路、光ファイバ等)、電気配線が用いられたものが既に公表されている。リードを用いた光電気モジュールの例としては、受発光素子を基板に対し垂直に設置し、ピンを用いて基板に実装する光電気モジュール(特許文献1)や、リードを折り曲げて受発光素子の発光面を基板に水平な方向に向け、さらに、下部基板に実装する光電気モジュールがある(特許文献2)。
上記例の課題としては、基板内部で配線を形成することが非常に困難なことが挙げられる。また、受発光素子を基板に垂直な向きに設置することから、実装高さが非常に高くなってしまう。また、構造が複雑であるため、製造にコストや手間がかかることが懸念される。
さらに、受発光素子が塔載された部分は、リードで接続されており、実装部分から遠いために、外部力に対して耐性がなく、壊れやすいと考えられる。
その他にリードを用いた光電気モジュールとしては、基板上位に受発光素子、光配線、増幅素子を搭載し、リードで下部基板との導通を取る構造のものが挙げられる(特許文献3、4)。この光電気モジュールの構造はシングルモードの光配線でよく用いられる端面受発光の素子に対応しているため、マルチモードの光配線でよく用いられる面発光、面受光の受発光素子を用いる場合には用いることができない。また、基板上に素子を設置す
る必要があるために全体の高さが高くなる点や、モールド型から光配線の一部が突出している構造であるためにモールドが困難である点が課題として挙げられる。
以下に公知の文献を記す。
特開2008−90097号公報 特開平11−168233号公報 特開2003−232965号公報 特開2003−241028号公報
本発明は、上記のような従来技術の問題点を考慮して行われたもので、溝構造を持つ光電気モジュールにおける製造方法の複雑さを解決し、簡便、且つ、低コストの方法で作製できる光電気モジュールと、その効率的な作製方法を提案するものである。
また、光電気モジュールの信頼性の向上を提案するものである。
上記課題を達成するために行われた請求項1に関する発明は、
受発光素子と金属リードが電気的に接続された状態でモールドされた光電気モジュールにおいて、モールド構造体の一部に溝部を有し、前記溝部は、その底部に受発光面露出部が設置され、その範囲は受発光面露出部から少なくともモールド構造体端部まで形成されており、且つ光配線が前記溝部に埋設されていることを特徴とする光電気モジュールである。
光配線を溝部に埋設できることから、光配線が実装を妨げない効果がある。
また、このような配線用の溝をモールドにより簡便に形成でき、作製が簡便である。
請求項2に関する発明は、金属リードの一端が、モールド樹脂の溝構造以外の領域で露出していることを特徴とする、請求項1に記載の光電気モジュールである。
下部基板と受発光素子との電気接続をリードで行っていることから、接続信頼性が高い。
請求項3に関する発明は、受発光素子に加えてIC(集積回路)などの素子が実装されていることを特徴とする光電気モジュールである。
受発光素子と共にIC等を搭載する場合、各素子を別の基板上に搭載した場合に比べて、電気配線の長さを短くできる。このことにより、電気配線による高速信号の損失を低減させることができる。
請求項4に関する発明は、
基材上に、リードフレームとダミーフィルムを設置し、前記ダミーフィルム上に受光
光素子を設置する工程と、
前記受発光素子と前記リードフレームとを電気的に接続する工程と、
前記基材上をモールド樹脂封止する工程と、
前記基材をモールド後に剥離する工程と、
モールド樹脂の端部を除去する工程と、
ダミーフィルムを取り除いて、溝部を形成する工程と、
形成した溝部に光配線を設置する工程と
を備える、光電気モジュールの製造方法である。
請求項5に関する発明は、
請求項1から3いずれかに記載の光電気モジュールを備えることを特徴とする電子機器である。
本発明は次のような効果がある。
第1に、本光電気モジュールは、主には、リードフレーム・モールド樹脂・各種素子のみを有しており、非常に簡便な構成である。また、光電気モジュールの溝構造をモールド樹脂封止により形成できる。このことから、低コスト、簡便な方法で製造が可能である。
第2に、モールド樹脂による封止を行っていることから、あらゆる物理的環境、化学的環境に対する耐性が高く、高信頼性を有する光電気モジュールとすることができる。
第3に、本光電気モジュールにおいては、リードを使用している。リードは、電気接続の断線の確率が少なく、電子回路基板のバンプ等に比べて信頼性が高いと言える。このため、光電気モジュール全体としても、電気接続の信頼性が高い製品とすることができる。
第4に、光配線は溝部分に設置するため、光電気モジュールは下部基板上に水平に設置することができ、光配線は実装の妨げにならない。また、高さを最小限に抑えることができる。さらに、下部基板の端部に限らず、下部基板上のどのような位置にも実装することが可能である。
第5に、モールド時に光配線の替わりに使用するダミーフィルムの形状により、配線設置用溝の形状を、設置する光配線に対応させることができる。
第6に、光配線を設置する溝形状を作製する際、多数の光電気モジュールを2次元的に並べて配置して作製し、それをダイシング等の方法で切り離すことで、光電気モジュールの光配線設置用溝を簡便に大量生産できる。これにより、大量生産時の全体のコストを低減できる。
<光電気モジュール>
本発明における光電気モジュールの断面で見た説明図を図1(a)に、平面で内部を俯瞰した説明図を図1(b)に示した。ただし、図1aでは、受発光部を1チャンネルとし、図1bでは、受発光部を4チャンネルとして例示している。
本発明の光電気モジュールは、基材上にリード、受発光素子、ダミーフィルムを有する構造である。
基材1は、受発光素子4、リードフレーム2、ダミーフィルム3など、光電気モジュールの構成要素を支えるために用いる。基材材料としては、任意の有機材料及び無機材料を用いることができる。具体的には、アクリル樹脂、シリコーン材料、シリコンウエハ、金属材料、ガラス材料、積層板材料等が使用できるが、特に、モールドを行う際にかかる熱に耐えられるものが望ましい。
モールドを行った後はモールド樹脂により部品全体の位置が支えられるため、最終的に
基材は剥離・除去して用いることを前提とする。このため、基材としては、モールド後に剥離できるものを用いる必要がある。基材の直接の剥離が困難である場合には、熱、UV光等で剥離できる剥離フィルムを基材とモールド樹脂の界面に使用することも有効である。
ダミーフィルムの材料としては、カーボネート材料、エポキシ材料、アクリル材料、イミド材料、ウレタン材料、シリコーン材料、無機フィラー混入有機材料などが使用できるが、これに限定されるものではない。ダミーフィルムはモールド時に加熱工程を通すため、同加熱工程に耐え得るフィルムを使用するのが望ましい。また、ダミーフィルムに耐熱粘着層を設けることで、モールド樹脂の染み込みを防ぐこともできる。
あるいは、モールド後にダミーフィルムを剥離する必要があるため、モールド樹脂から剥離しやすい材料層をダミーフィルム上に作製しておくこともできる。また、ダミーフィルムは光配線の形状に合わせて自由な形状を取ることができ、複数枚でもかまわない。
また、ダミーフィルムはフィルムに限られず、細長い線状のダミーを使用することもできる。
受発光素子は光配線と光学的に接続するために、受発光面を光配線設置側に向けて配置する。このとき、受発光面の少なくとも一部を、光配線と光学的に接続される位置に設置した構造となる。
受発光素子としては、単チャンネルもしくは複数チャンネルの光素子を用いることができる。具体的には、端面発光LD(レーザーダイオード)、面発光型LD、面発光型PD(フォトダイオード)などを用いることができる。受発光素子の実装は、ワイヤボンディング実装が可能である。
この他に必要に応じて、光基板上に受発光素子のコントロールICを実装することもできる。コントロールチップの実装にはワイヤボンディング、フリップチップ等の実装方法をとることができる。
光配線としては、コアと、コアの外周を覆うクラッドで構成される一般的な光配線、光導波路を用いることができる。光ファイバ等も用いることができ、光配線を配置する溝の数は1本には限らない。多本数の光配線を集めた構造の物も含まれる。
材質としては、カーボネート系、エポキシ系、アクリル系、イミド系、ウレタン系、ノルボルネン系などの高分子材料及び石英などの無機材料も含まれる。
また、伝送モードとしては、シングルモード、マルチモード、シングルマルチ混合配線などの構成をとることができる。
光路変換に関しては、ミラー構造やミラー部品により行う。図1に示す光基板においては、ミラー構造を用いている。これは、配線端部を45°にカットすることで光を
90°光路変換させている。このような構造の他に、ミラー面に金属層を形成することや、光配線とは別に光路変換するための部品を置くこともできる。
光配線設置用の溝に光配線を固定する方法としては、接着剤の使用が望ましい。この場合に用いる接着剤としては、リフロー耐熱性を有するものが望ましい。材料としては、アクリル系、アクリル材料、イミド材料、ウレタン材料、シリコーン材料、エポキシ系等が挙げられるが、これに限定されるものではない。
受発光素子の受発光面と光配線の入出力面との間に、透明樹脂を充填することもできる。充填樹脂としては、一般に用いられる高分子材料を用いることができる。具体的には、エポキシ材料、アクリル材料、イミド材料、ウレタン材料、シリコーン材料、無機フィラー混入有機材料などが使用できるがこれに限定されるものではない。また、充填樹脂として、クラッド材と同じ屈折率を持った材料を使用することができる。この場合、光配線と受発光素子との接続部分での光学損失を抑えることができる。また、接続部位の強度向上により、環境信頼性の高い光電気モジュールとすることができる。
大量生産を行う場合には、各素子を平面状に並べてダイシングすることが有効である。このような製造方法を取ることで、行方向に並んだ素子の配線用溝端部の除去をまとめて行うことができる。
本発明の光電気モジュールは、多量の情報の入出力を伴う電子機器に有効である。当光電気モジュールを搭載した具体例としては、ノートパソコンや業務用大型コンピュータを含む様々な計算機、家庭用ゲーム機、録画再生機、テレビ、ルーターなどが考えられる。これらの用途は、ノイズを受けずに効率的に信号の送受信が可能となるため有効である。
<光電気モジュールの製造方法>
次に、本発明の光基板の製造方法について説明する。
始めに、基材1上に、受発光素子4、リードフレーム2、ダミーフィルム3を配置し、モールドを行う。それぞれの部品の配置の例を図1(a)、(b)に示す。配置構造は図に示すものに限らず、下部基板の配線に合った構造で作製することができる。また、光配線を設置する位置を変更することもできる。さらに、必要に応じて、受発光素子のコントロールチップを同一基材上に配置してモジュールを形成してもよい。受発光素子と共に搭載する素子はコントロールチップに限られず、様々な素子の搭載が可能である。
基材を用いると、全体の部品が保持され、且つ、リードフレームの一部をモールド樹脂の外側へ露出させることができる。この露出部分を下部基板へ実装する際のパッドとして用いることができる。また、リードフレームの露出部分を光電気モジュールの上部や側面に作製すれば、ワイヤボンディングによる下部基板への実装も可能である。
基材としては、一般に用いられている有機材料、無機材料などを用いることができる。具体的には、カーボネート材料、エポキシ材料、アクリル材料、イミド材料、ウレタン材料、シリコーン材料、無機フィラー混入有機材料などが使用できるが、これに限定されるものではない。また、支持基板上にUV剥離型の粘着層を設けることもできる。
モールドを行う場合には、ダミーフィルムを用いることができる。この場合には、光配線の替わりに、光配線と同じか、それ以上の膜厚・大きさのダミーフィルムを設置し、基材をモールド樹脂で覆う。続いて、基材とダミーフィルムを剥離して、光配線設置用の溝を形成する。
ダミーフィルムの材料としては、カーボネート材料、エポキシ材料、アクリル材料、イミド材料、ウレタン材料、シリコーン材料、無機フィラー混入有機材料などが使用できるが、これに限定されるものではない。ダミーフィルムはモールド時に加熱工程を通すため、同加熱工程に耐え得るフィルムを使用するのが望ましい。また、ダミーフィルム上下面に耐熱粘着層を設けることで、モールド樹脂の染み込みを防ぐこともできる。
次に、基材を剥離し、光配線設置用溝を形成する。さらに、溝端部を除去することで、
光配線を設置できる形状を形成する。モールド樹脂の除去の方法は、ダイシング、研磨、レーザー加工等が使用できるが、これに限定されるものではない。また、大量の当光電気モジュールを作製する場合には、平面状に並べてモジュール構造を作製することで、光配線設置用溝の溝端部の除去と、全ピースの分割を行うことが可能である。
場合によっては、受発光素子と光配線の間に、透明で且つクラッド層と屈折率が同じ樹脂を充填することも有効である。このような樹脂の充填により、光配線と受発光素子間の接続損失の低減の効果が期待される。
最後に、光配線設置用の溝部に、光配線のアライメント(光損失が小さい位置を探す。)を行って設置位置を確認した後、光配線を接着することで、本発明の光電気モジュールを製造することができる。また、別の方法としては、下部基板に光電気モジュールを実装した後に光配線を実装することも可能である。この場合には、モールド、リフロー等の高温工程が、光配線に対して影響を及ぼすのを防ぐことができる。
以下に本発明の実施例をもって説明するが、本発明がそれらに限定解釈されるもので はない。また、以下の実施例では光導波路をマルチモードとして説明するが、必ずしもマルチモードである必要はない。
<実施例1>
図2〜4は、本実施例の製造工程を示した説明図で、図(a)、(b)、(c)、(d)−1、(e)−1、(f)−1、(g)は、断面で見た説明図で、図(d)−2、(e)−2、(f)−2は、裏面を平面で見た説明図である。ただし、図(a)、(b)、(c)、(d)−1、(e)−1、(f)−1、(g)では、受発光部を1チャンネルとし、図(d)−2、(e)−2、(f)−2では、受発光部を4チャンネルとして例示している。
まず、基材1上にリードフレーム2、ダミーフィルム3を設置する。基材1としては、ポリイミドを使用する(耐熱性があり、モールド樹脂から剥離しやすいため。)。リードフレーム2は、下部基板の配線に適応した形状のものを用いる。また、図のように曲げた状態でリードフレーム2を設置する(図2(a))。
次に、ダミーフィルム3上に受発光素子4を配置する。ここでは、発光素子(4ch VCSEL:ULM製)を使用する。また、ワイヤボンディングを行うために、ニッケル-金めっきを端子部に施しておく。
発光素子の設置の際には、発光面をダミーフィルム側に向けて配置する。
次に、発光素子の端子5とリードフレーム2をワイヤボンディングで電気的に接続する。ボンディングワイヤ6はGFB AL−4 25μm径:田中貴金属を使用した(図2(b))。
次に、基板1上全体をモールドする(図2(c))。モールド樹脂7としては、KE−1000SV:京セラケミカルを使用した。その後、基材を剥離した(図3(d)−1、(d)−2)。
次に、配線設置用溝の閉じた端部を図3(d)−2に示した破線部でダイシングにより除去し、ダミーフィルムを剥離した。このプロセスにより、光配線設置用の溝を形成する(図3(e)−1、(e)−2)。
光配線用の溝部に光配線8を挿入し、発光素子を発光させながら、光の接続位置のアライメントを行った。光配線としては、光導波路フィルム(マルチモードエポキシ系光導波路フィルム:NTT−AT製)を使用した。なお、光導波路の先端部分はダイシングにより45°のミラー構造を形成し、光路を90°変換できるようにしておく。 アライメント位置が決まったら、光導波路と受発光素子を接着剤(AT9968:NTT−AT)で接着する(図4(f)−1、(f)−2)。接着剤としては、屈折率をコア10に合わせた無色透明な接着剤を使用した。これにより、発光素子と光配線間の光接続損失を減少させることができる。
次に、下部基板に対し、はんだボール9を介して光電気モジュールを実装する(図4(g))。この際、はんだ材料(SN100C:日本スペリア)を用いた。
光配線の両端に発光素子のモジュールと受光素子のモジュールが接続された、光電気モジュールを得た。光学特性評価の結果、各チャンネルで0.9〜1.1mWの安定した光出力を確認することができた。
<実施例2>
図5〜7は、本実施例の製造工程を示した説明図で、図(a)、(b)、(c)、(d)−1、(e)−1、(f)−1、(g)は、断面で見た説明図で、図(d)−2、(e)−2、(f)−2は、裏面を平面で見た説明図である。ただし、図(a)、(b)、(c)、(d)−1、(e)−1、(f)−1、(g)では、受発光部を1チャンネルとし、図(d)−2、(e)−2、(f)−2では、受発光部を4チャンネルとして例示している。

まず、基材1上にリードフレーム2、ダミーフィルム3を設置する。基材1としては、ポリイミドを使用する(図5(a))。
リードフレーム2は、端子が下部基板の配線に適応した形状のものを用いる。また、図5(a)に示すように板状で、中央に四角形の空洞のエリアを有するものを用い、ダミーフィルム3を、リードフレーム2の空洞部分に設置する。
次に、ダミーフィルム3、リードフレーム2上に受発光素子4を配置する。ここでは、発光素子(4ch VCSEL:ULM製)を使用する。また、ワイヤボンディングを行うために、ニッケル-金めっきを端子部5に施しておく。
発光素子の設置の際には、発光面をダミーフィルム側に向けて配置する。
次に、発光素子の端子5とリードフレーム2をワイヤボンディングで電気的に接続する(図5(b))。ボンディングワイヤ6はGFB AL−4 25μm径:田中貴金属を使用した。
次に、基板上全体をモールドする(図5(c))。モールド樹脂7としては、KE−1000SV:京セラケミカルを使用した。その後、基材を剥離した(図6(d)−1、(d)−2)。
次に、配線設置用溝の閉じた端部を図6(d)−2に示した破線部でダイシングにより除去し、ダミーフィルム3を剥離した。このプロセスにより、光配線設置用の溝を形成する(図6(e)−1、(e)−2)。また、ダイシングにより各ピースを個々に切り離した。
光配線用の溝部に光配線8を挿入し、発光素子を発光させながら、光の接続位置のアライメントを行う。光配線8としては、光導波路フィルム(マルチモードエポキシ系光導波
路フィルム:NTT−AT製)を使用した。なお、光導波路の先端部分はダイシングにより45°のミラー構造を形成し、光路を90°変換できるようにしておく。 アライメント位置が決まったら、光導波路と受発光素子を接着剤(AT9968:NTT−AT)で接着する(図7(f)−1、(f)−2)。接着剤としては、屈折率をコア10に合わせた無色透明な接着剤を使用した。これにより、発光素子と光配線間の光接続損失を減少させることができる。
次に、下部基板に対し、はんだボール9を介して光電気モジュールを実装する(図7(g))。この際、はんだ材料(SN100C:日本スペリア)を用いた。
光配線の両端に発光素子のモジュールと受光素子のモジュールが接続された、光電気モジュールを得た。光学特性評価の結果、各チャンネルで0.9〜1.1mWの安定した光出力を確認することができた。
実施例では、光電気モジュールを1個のみ図示したが、これにこだわらず多面付けして複数の光電気モジュールを作成しても良い。
本発明における光電気モジュールの説明図で、(a)は、断面で見た説明図、(b)は、平面で内部を俯瞰した説明図である。 実施例1の製造工程の一部を示した説明図で、図(a)、(b)、(c)は、断面で見た説明図である。 実施例1の製造工程の一部を示した説明図で、図(d)−1、(e)−1は、断面で見た説明図、図(d)−2、(e)−2は裏面を平面で見た説明図である。 実施例1の製造工程の一部を示した説明図で、図(f)−1、(g)は、断面で見た説明図、図(f)−2は、は裏面を平面で見た説明図である。 実施例2の製造工程の一部を示した説明図で、図(a)、(b)、(c)は、断面で見た説明図である。 実施例2の製造工程の一部を示した説明図で、図(d)−1、(e)−1は、断面で見た説明図、図(d)−2、(e)−2は裏面を平面で見た説明図である。 実施例2の製造工程の一部を示した説明図で、図(f)−1、(g)は、断面で見た説明図、図(f)−2は、は裏面を平面で見た説明図である。
符号の説明
1 基材
2 リードフレーム
3 ダミーフィルム
4 受発光素子
5 端子
6 ボンディングワイヤ
7 モールド樹脂
8 光配線
9 バンプ
10 光配線(コア)

Claims (5)

  1. 受発光素子と金属リードが電気的に接続された状態でモールドされた光電気モジュールにおいて、モールド構造体の一部に溝部を有し、前記溝部は、その底部に受発光面露出部が設置され、その範囲は受発光面露出部から少なくともモールド構造体端部まで形成されており、且つ光配線が前記溝部に埋設されていることを特徴とする光電気モジュール。
  2. 金属リードの一端が、モールド樹脂の溝構造以外の領域で露出していることを特徴とする、請求項1に記載の光電気モジュール。
  3. 受発光素子に加えてIC(集積回路)などの素子が実装されていることを特徴とする、請求項1または2の光電気モジュール。
  4. 基材上に、リードフレームとダミーフィルムを設置し、前記ダミーフィルム上に受光
    光素子を設置する工程と、
    前記受発光素子と前記リードフレームとを電気的に接続する工程と、
    前記基材上をモールド樹脂封止する工程と、
    前記基材をモールド後に剥離する工程と、
    モールド樹脂の端部を除去する工程と、
    ダミーフィルムを取り除いて、溝部を形成する工程と、
    形成した溝部に光配線を設置する工程と
    を備える、光電気モジュールの製造方法。
  5. 請求項1から3いずれかに記載の光電気モジュールを備えることを特徴とする電子機器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103515838A (zh) * 2012-06-15 2014-01-15 三菱电机株式会社 光半导体装置

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