JP2010097169A - 光電気モジュール、光基板および光電気モジュール製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アライメント工程が不要で、ミラーと受発光素子の離間距離の短い光電気モジュールを提供すること。
【解決手段】受発光素子と金属リードが電気的に接続された状態で樹脂によりモールドされた光電気モジュールにおいて、前記受発光素子の受発光面上にレンズを備え、モールド樹脂が光透過性の透明樹脂であり、モールド樹脂の一部に溝部を有し、前記溝部は、前記受発光面の上部に設置され、前記溝部の範囲は受発光面上部からモールド樹脂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。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気配線および光配線を有する光基板および光電気モジュールの製造方法に関する。

近年、高度情報化の要求は極めて強く、情報通信に用いられるルータやサーバ等の情報処理装置の高性能化はめざましく進んでおり、これらの機器においては、通信信号の更なる高速化が求められている。この高速化においては、電気配線のような導波路中を伝播する信号パルスの品質維持が最重要課題となっている。

しかし、処理信号の形状くずれや電気ノイズに対する耐性をはじめとする、高速通信する上で障害となる課題は電気配線では解決が難しいことから、従来の電子基板上の高速通信部分に対し光を伝送する光配線を組み込む光基板技術が注目を集めている。光基板による光パルス伝送においては、光損失を低減するために従来の電子基板への光配線の組み込みを簡便に精度良く、かつ低コストで行うことが重要である。

光配線を電子基板上へ組み込む方法としては、光配線、光を電気に変換する素子、素子のコントロールユニット等をひとまとめにした光電気モジュールを、基板上へ搭載する方法がある。こうした光基板の製造方法について、現在様々な方法が検討されている。

この様な光基板においては、一般に受発光素子と光配線の接続部位で光信号が拡散することによる光接続損失を抑えるため、これらの接続部品同士をできるだけ近い間隔で設置する必要がある。また、接続部品の設置位置がずれていると光信号が漏れ、損失が大きくなるため、正確な位置合わせが必要である。

光電気モジュールとして、例えば特許文献1に端面に光を略90°偏向するミラーを設けた光配線を有する電子基板に、受発光素子を実装したサブマウント基板をセルフアライメント実装する方法が開示されている。
しかし、特許文献１の方法では、受発光素子をサブマウント基板に実装する工程、受発光素子と光配線を光学的に接続するための樹脂層を配設する開口部を形成する工程等を、全て高精度で行うことは困難であり、製造歩留まりが低下し、低コスト化も困難である。

また、特許文献２にはリードフレーム上に受発光素子を有し、リードフレーム及び受発光素子が透明樹脂によりモールドされ、受発光素子上に光を略90°偏向するようにミラーが形成され、前記リードフレームより基板に実装される光電気モジュールが示されている。
しかし、特許文献２の光電気モジュールでは、透明樹脂中に入射された光が受発光素子に到達するまでに樹脂中を拡散し、また、素子の接続にはワイヤボンディングを用いているため、ミラーと素子はある程度離れてしまうため、光損失が大きくなってしまうという問題がある。

特開２００６−２３４８５０号公報 特開２００７−１７８５３７号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、受発光素子と光配線のアライメントが容易であり、ミラーと受発光素子の離間距離の短い光電気モジュールを提供することである。

上記課題を解決するためになされた請求項１に係わる発明は、受発光素子とリードフレームが電気的に接続された状態で樹脂によりモールドされた光電気モジュールにおいて、前記受発光素子の受発光面上にレンズを備え、モールド樹脂が光透過性の透明樹脂であり、モールド樹脂の一部に溝部を有し、前記溝部は、前記受発光面の上部に設置され、前記溝部の範囲は受発光面上部からモールド樹脂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としたものである。

かかる構成にあっては、光配線を溝部に埋設していることから、位置合わせが容易であり、光配線が凸部とならず立体的な障害とならないため、実装の際取り扱いが簡便である。さらに、受発光面上にレンズを設けることで、実効的な離間距離が短くなり光の拡散を抑え損失を小さくすることができる。

請求項２に係わる発明は、受発光素子とリードフレームが異方性導電性フィルム（ACF）によって電気的に接続された状態で樹脂によりモールドされた光電気モジュールにおいて、モールド樹脂が光透過性の透明樹脂であり、モールド樹脂の一部に溝部を有し、前記溝部は、前記受発光面の上部に設置され、前記溝部の範囲は受発光面上部からモールド樹脂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としたものである。

かかる構成にあっては、請求項１に係わる発明と同様に、光配線を溝部に埋設していることから、位置合わせが容易であり、光配線が凸部とならず立体的な障害とならないため、実装の際取り扱いが簡便である。さらに、受発光素子とリードフレームの電気的接続を異方性導電フィルムによってとるため、光導波路のミラー部を受発光素子に近接する位置に配する事が可能であり、レンズを設けなくとも光の拡散を抑え損失を小さくすることが可能である。

請求項３に係わる発明は、金属リードの一部が、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または請求項２に記載の光電気モジュールとしたものである。

下部電子基板と光電気モジュールとの電気接続を金属リードで行っていることから、接続信頼性が高い。また接続に用いるリードフレームは、設計の自由度が高く複雑な形状や少量多品種の生産にも対応可能である。

請求項４に係わる発明は、半導体素子が実装されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光電気モジュールとしたものである。

受発光素子と共にＩＣ等の半導体素子を搭載する場合、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５に係わる発明は、基材上に、少なくとも、リードフレームを設置し、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、受発光素子の受発光面上にレンズを形成する工程と、前記基材上を溝部に対応する凹部が形成された金型を用いてモールド
樹脂封止する工程と、前記基材を剥離する工程と、モールド部につながったフレームを切り離す工程と、形成した溝部に光配線を設置する工程と、を備える、請求項１、請求項３又は請求項４のいずれか1項に記載の光電気モジュールの製造方法としたものである。

光配線設置用の溝をモールドにより簡便に製造でき、リードフレーム、受発光素子、光配線等の大部分を透明樹脂により保護可能となる。

請求項６に係わる発明は、基材上に、少なくとも、溝部に対応するダミーフィルムと、リードフレームを設置し、受発光素子と前記リードフレームとを異方性導電フィルム（ACF）で電気的に接続する工程と、金型を用いてモールド樹脂封止する工程と、前記基材を剥離する工程と、モールド部につながったフレームを切り離す工程と、ダミーフィルムを剥離し形成した溝部に光配線を設置する工程と、を備える、請求項２から請求項４のいずれか1項に記載の光電気モジュールの製造方法としたものである。

請求項５に係わる発明と同様の効果を有する光電気モジュールをより簡便な工程で製造することができる。

請求項７に係わる発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光電気モジュールを受発光素子側を底部として電子基板上に実装したことを特徴とする光基板としたものである。

請求項１から請求項４に係わる発明と同様の効果を有し、光伝送損失の小さい光基板を提供できる。

請求項８に係わる発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光電気モジュールを光配線側を底部として電子基板上に実装したことを特徴とする光基板としたものである。

請求項１から請求項４に係わる発明と同様の効果を有し、光伝送損失の小さい光基板を提供できる。

本発明の光電気モジュールでは、光配線を予め形成された溝部に埋設することから、位置合わせが容易で高精度で実装でき、かつ光損失が小さい。また、安価な受発光素子、リードフレームを用いていることから、低コストの光電気モジュールを簡便に製造することができる。また、前記光電気モジュールを備えた信号通信上のロスが少ない光基板および電子機器が得られる。

（a）（b）は本発明になる光電気モジュールを示す断面視の図である。 （a）〜（c）は本発明の光電気モジュールおよび光基板の製造工程の一例を示す断面視の一部の図である。 （d）〜（f）は本発明の光電気モジュールおよび光基板の製造工程の一例を示す断面視の一部の図である。 本発明になる光電気モジュールの構造を示す断面視の図である。 （a）〜（c）は本発明の光電気モジュールおよび光基板の製造工程の別の一例を示す断面視の一部の図である。 （d）〜（e）は本発明の光電気モジュールおよび光基板の製造工程の別の一例を示す断面視の一部の図である。

以下に本発明の実施形態を詳細に説明する。

＜光電気モジュール＞
図１に本発明の請求項１記載の光電気モジュールの一例を示す。図１(a)は受発光素子側を底部として電子基板上に実装する場合の光電気モジュール10、図１（b）は光配線側を底部として実装する場合の光電気モジュール11である。
本発明の光電気モジュールは、例えば銅などからなるリードフレーム1a、1b上に電気的に接続された受発光素子2と、受発光面上に形成されたレンズ4とその上部に設置された光配線6とを有し、それらが透明樹脂5によりモールドされている。

受発光素子2としては、光電気モジュールに通常用いられる素子が使用できる。本発明の受発光素子は、受発光面と配線接続部を同一面上に備えている。受発光素子は、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、具体的にはVCSEL（面発光レーザ）、面発光型ＬＤ（レーザーダイオード）、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。受発光素子2はレンズ4を介して光配線6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、光配線と重なる位置に配置し、光学的に接続される構造とする。

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。実装される素子の数は限定されるのもではなく、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6としては、コア層とクラッド層からなる一般的な光配線を用いることができる。光ファイバも用いることができる。光配線の材質としては、例えば、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、ノルボルネン系等の高分子材料、及び石英等の無機材料を用いることができる。伝送モードとしては、例えば、シングルモード、マルチモード、シングルマルチ混合配線等が挙げられる。

光配線6は、受発光素子2の受発光面の位置に合わせ、受発光面と光配線の光入出力面が光学的に接続されるように設置されている。光配線の端部には、直進光を略90°偏向する光方向変換構造を有している。光方向変換構造としては、例えば、配線端部を45°にカットし断面に金属膜や誘電体多層膜等を形成したミラー構造が挙げられる。この他に、光信号を変換するための部品を置くこともできる。

受発光素子2と光配線6の間に形成されるレンズ4としては、例えば、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、ノルボルネン系等の高分子材料を用いることができるが、これに限定されるものではなく、周囲のモールド樹脂よりも相対的に高い屈折率であれば良い。

モールドに用いる透明樹脂5は、光学的に透明な樹脂を用いて形成されていればよく、特に環境温度等に対して信頼性の高い、ポリエーテルイミド等のスーパーエンジニアリングプラスチック等を用いて形成されるのが望ましい。この他にも、透明樹脂としては、例えば、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、シリコーン材料等が挙げられる。

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、アクリル材料、イミド材料、シリコーン材料、エポキシ材料等が挙げられるが、これに限定
されるものではない。

図４には本発明の請求項２記載の光電気モジュールの一例を示す。
本発明の光電気モジュールは、異方性導電フィルム3bにより接続された受発光素子２とリードフレーム1a、1bと、受発光素子の受発光面に対向するように配置された光配線６とを有し、それらが透明樹脂５によりモールドされている。

受発光素子２には前記のような素子を用いることができる。受発光素子２は、異方性導電性フィルム3bを介して熱圧着することによりリードフレーム１に接続されている。異方性導電性フィルムは、光電気モジュール実装の際のリフロー工程に耐えるよう高耐熱性のものであることが望ましい。光配線６は、光学的に損失が少なく接続するよう、受発光面に対向するようにリードフレーム１間に配置されている。コントロールIC、光配線、モールド樹脂、光配線固定用接着剤などは請求項１記載の光電気モジュールと同様のものを用いることができる。

＜光電気モジュールおよび光基板の製造方法＞
図２、図３に本発明の光電気モジュールおよび光基板の製造方法の一例を分割して示す。

まず、支持基材8上にリードフレーム1a、1bと受発光素子2を設置し、リードフレームと受発光素子をワイヤボンディング3等の方法により、電気的に接続する（図２（a））。支持基材８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へ形成すれば、図1（b）の構造の光電気モジュールを作製することが可能である。
支持基材としては一般に用いられている有機材料フィルム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、支持基材上にＵＶ剥離型の粘着層を設けることもできる。

次に、受発光素子2の受発光面上に集光用のレンズ4を形成する。（図２（b））レンズは任意の方法によって形成できるが、例えば、受発光面上に、インクジェット法やディスペンサにより樹脂を滴下し、表面張力によって凸面となったところを硬化させることにより形成できる。あるいは、固形樹脂を受発光面上に設置し、加熱溶融後再び硬化させることによっても形成することができる。

続いて、リードフレーム1a、1b、受発光素子2およびレンズ4を搭載した基材8を、透明樹脂5によりモールドする（図２（c））。モールド時の金型には、光配線設置用の溝部9が形成されており、設置用溝部をモールド時に一括で形成できる。

続いて、基材8をリードフレームより剥離する（図３（d））。この際、ＵＶ剥離型粘着剤等を用いていれば、より容易に剥離することができる。

続いて、モールド時に形成した溝部9aに、受発光素子2の位置に合わせて、接着剤等を用いて光配線6を設置する（図３（e））。あらかじめ受発光素子の位置に合わせて溝を形成しておけば、溝部を設置位置決めのガイドとして、突き当てて実装することにより、簡便にかつ精度良くアライメントすることができる。望ましくは、受発光素子と光配線の光軸調整を行うと、さらにアライメントの精度を向上させることが可能である。

以上により、本発明の光電気モジュール10を製造することができる。

さらに、上記光電気モジュールをモールド樹脂より露出した金属リードを端子として電子基板上に実装することにより本発明の光基板21が得られる（図３（f））。実装方法としては、金バンプやはんだ7を用いたフリップチップ実装が挙げられる。光配線の下部には、エポキシ樹脂等のアンダーフィル材を用いてもよい。

図５、図６に異方性導電フィルムを用いた本発明の光電気モジュールの第２の製造方法の一例を分割して示す。

まず、支持基材8上にリードフレーム1a、1bとダミーフィルム9bを設置し、受発光素子２を、異方性導電フィルム（ACF）3bを用いリードフレームと電気的に接続する（図５（a））。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。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。

次に、リードフレーム1a、1b、受発光素子2およびダミーフィルム9bを搭載した基材8を、透明樹脂5によりモールドする（図５（b））。

続いて、基材8およびダミーフィルム9bをリードフレームと受発光素子より剥離する（図５（c））。

続いて、ダミーフィルムにより形成した溝部9aに、受発光素子2の位置に合わせて、接着剤等を用いて光配線６を設置する（図６（d））。

以上により、本発明の光電気モジュール10を製造することができる。

さらに、上記光電気モジュールをモールド樹脂より露出した金属リードを端子として電子基板上に実装することにより本発明の光基板21が得られる（図６（e））。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。ただし、下記実施例に限定されるものではない。

まず、50μｍポリイミド基材上に、銅のエッチングにより形成したリードフレームと発光素子（４ch ＶＣＳＥＬ：ＵＬＭ製）を配置する。ワイヤボンディングを行うために、端子部にはニッケル-金めっきを施しておく。

次に、発光素子の端子とリードフレーム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はＧＦＢ ＡＬ−４ ２５μｍ径：田中貴金属を使用した。

次に、ＶＣＳＥＬ素子の発光面上にディスペンサを用いて透明樹脂を滴下し、熱硬化させることによりレンズを形成した。

次に、光配線設置用の溝部を形成した金型を用いて、基材上全体を透明樹脂によりモールドする。モールド樹脂としては、シリコーン樹脂を用いた。モールド後、ポリイミド基材を剥離した。

次に、モールド時に形成した溝部をガイドラインとし、光配線を設置した。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、光信号を90°偏向するため、ダイシングにより４５°にカットし、スパッタリングにより銀をおよそ0.9mmの厚さで成膜してミラー構造を形成した。光配線は接着剤（ＡＴ９９６８：ＮＴＴ−ＡＴ）で接着した。接着剤としては、屈折率をコアに合わせた無色透明な接着剤を使用した。受光側も同様な工程により、光電気モジュールを作製した。

次に、上記光電気モジュールを電子基板上にフリップチップ実装した。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、光電気モジュールは、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。

まず、基材上にリードフレーム、ダミーフィルムを設置する。基材およびダミーフィルムとしては、宇部興産製ポリイミドフィルムを使用する（耐熱性があり、モールド樹脂から剥離しやすいため）。

次に、ダミーフィルム上に受発光素子を配置する。ここでは、発光素子（４ｃｈ ＶＣＳＥＬ：ＵＬＭ製）を使用する。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、発光素子の端子とリードフレームをソニーケミカル製異方性導電フィルム（ACF）を介し熱圧着し電気的に接続する。

次に、基板上全体をモールドする。モールド樹脂としては、ＫＥ−１０００ＳＶ：京セラケミカルを使用した。その後、基材およびダミーフィルムを剥離した。

次に、モールド時にダミーフィルムにより形成した溝部をガイドラインとし、光配線を設置した。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、光信号を90°偏向するため、ダイシングにより４５°にカットし、スパッタリングにより銀をおよそ0.9mmの厚さで成膜してミラー構造を形成した。光配線は接着剤（ＡＴ９９６８：ＮＴＴ−ＡＴ）で接着した。接着剤としては、屈折率をコアに合わせた無色透明な接着剤を使用した。受光側も同様な工程により、光電気モジュールを作製した。

次に、上記光電気モジュールを電子基板上にフリップチップ実装した。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、光電気モジュールは、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。

1a、１b…リードフレーム
２…受発光素子
３a…ワイヤボンディング
３b…異方性導電フィルム（ACF）
４…レンズ
５…モールド樹脂
６…光配線
７…はんだ
８…支持基材
９a…溝部
９b…ダミーフィルム
１０、１１…光電気モジュール
２１…光基板

Claims (8)

1. 受発光素子とリードフレームが電気的に接続された状態で樹脂によりモールドされた光電気モジュールにおいて、前記受発光素子の受発光面上にレンズを備え、モールド樹脂が光透過性の透明樹脂であり、モールド樹脂一部に溝部を有し、前記溝部は、前記受発光面の上部に設置され、前記溝部の範囲は受発光面上部からモールド樹脂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. 受発光素子とリードフレームが異方性導電フィルム（ACF）によって電気的に接続された状態で樹脂によりモールドされた光電気モジュールにおいて、モールド樹脂が光透過性の透明樹脂であり、モールド樹脂一部に溝部を有し、前記溝部は、前記受発光面の上部に設置され、前記溝部の範囲は受発光面上部からモールド樹脂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。
3. 金属リードの一部が、モールド樹脂の溝部以外の領域で露出していることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光電気モジュール。
4. 半導体素子が実装されていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光電気モジュール。
5. 基材上に、少なくとも、
   リードフレームを設置し、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、
   受発光素子の受発光面上にレンズを形成する工程と、
   前記基材上を溝部に対応する凹部が形成された金型を用いてモールド樹脂封止する工程と、
   前記基材を剥離する工程と、
   モールド部につながったフレームを切り離す工程と、
   形成した溝部に光配線を設置する工程と、
   を備える、請求項１、請求項３又は請求項４のいずれか1項に記載の光電気モジュールの製造方法。
6. 基材上に、少なくとも、
   溝部に対応するダミーフィルムと、リードフレームを設置し、受発光素子と前記リードフレームとを異方性導電フィルム（ACF）で電気的に接続する工程と、
   金型を用いてモールド樹脂封止する工程と、
   前記基材を剥離する工程と、
   モールド部につながったフレームを切り離す工程と、
   ダミーフィルムを剥離し形成した溝部に光配線を設置する工程と
   を備える、請求項２から請求項４のいずれか1項に記載の光電気モジュールの製造方法。
7. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光電気モジュールを受発光素子側を底部として電子基板上に実装したことを特徴とする光基板。
8. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光電気モジュールを光配線側を底部として電子基板上に実装したことを特徴とする光基板。

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