JP2011142268A - 光モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光電素子と基板との相対位置を精度良く実装でき、かつ活性層側の厚みの小さい光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュール１は、基板２と、活性層３１が設けられた第１面３Ａと、前記第１面３Ａとは反対側の前記基板２に対向する第２面３Ｂとを備える光電素子３とを有し、前記光電素子３の前記第２面３Ｂに光電素子側バンプ３ａが設けられ、前記光電素子側バンプ３ａを介して前記光電素子３が前記基板２に固定されている。透明部材６の上部に固定用の透明基板を設ける必要がないので、活性層３１側の厚みの小さな光モジュール１を提供することができる。さらに光電素子３を基板２に固定する過程で光電素子の位置が基板に対してずれる心配が無いので、高い位置精度で光電素子を固定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュールおよびその製造方法に関する。
近年、通信ネットワークの大容量化・高速化やスーパーコンピュータの処理能力の向上に伴い、機器間の電気的接続の伝送速度の限界が懸念されている。この問題を解決するために光インターコネクション技術が注目されている。この技術は、ＬＳＩ等の信号処理装置との接続、あるいは信号処理装置とルータ等の外部インターフェイスとの接続に光電気複合モジュールを用いて、機器間の伝送速度を向上させようとするものである。
この種の光電気複合モジュールとして、活性層を有する光電素子を用いた光モジュールが知られている。光電素子が発光素子である場合は、電気信号に応じて活性層が発光して光信号を発し、光信号が光モジュール中のレンズ等の光学部を通り、外部の光ファイバ等の素子に伝達される。一方、光電素子が受光素子である場合は光ファイバ等から入力された光信号が光モジュール中のレンズ等の光学部を通り、活性層で光信号が電気信号に変換される。
このような光モジュールとして、光電素子のうち活性層の設けられた面とは反対側に接着剤が塗布され、光電素子が基板に固定された構成が知られている。接着剤を用いた固定方法は簡便ではあるが、接着剤が硬化する間にレンズ等の光学部に対する光電素子の相対位置がずれてしまい、精度良く光学経路が形成できないという不都合があった。
また、特許文献１，２に記載されるように、レンズ等の光学部が載置された透明基板に配線層が設けられ、この配線層に金属バンプを介して光電素子がフリップチップ実装された光モジュールも知られている。この実装方法によればバンプを介して光電素子と透明基板とが精度良く位置決めできる。しかしながら、バンプが電気的接続と機械的接続の両方の機能を担うため、バンプの大きさをある程度確保して機械的強度を保つ必要があり、電気的な接続のみを目的とするバンプよりも大きなバンプを形成しなければならない。さらに、透明基板を介して光電素子と他の光学部との受発光を行うので、光電素子の活性層側の間の厚みが、基板の厚みとバンプの分だけ大きくなる。
特開２００４−３１５０８号公報 特開２００８−４１７７０号公報
かかる実情を鑑み、本発明は光学経路を確立するために光電素子と基板との相対位置を精度良く実装でき、かつ光電素子の活性層側の厚みが小さい光モジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明によれば、
基板と、
活性層が設けられた第１面と、前記第１面とは反対側の前記基板に対向する第２面とを備える光電素子とを有し、
前記光電素子の前記第２面に光電素子側バンプが設けられ、
前記光電素子側バンプを介して前記光電素子が前記基板に固定されていることを特徴とする光モジュールが提供される。
さらに、本発明の光モジュールにおいて、
前記光電素子を制御する制御回路が前記基板上に設けられ、
前記制御回路と前記光電素子とがワイヤボンドにより電気的に接続されていることが好ましい。
さらに、本発明の光モジュールにおいて、
前記光電素子の活性層に対向する位置に設けられた光学部を有する透明部材が設けられ、
前記透明部材の前記基板に接触する位置に透明部材側バンプが設けられ、
前記透明部材は前記透明部材側バンプを介して前記基板に固定されていることが好ましい。
さらに、本発明の光モジュールにおいて、
前記光電素子側バンプは金で形成され、
前記基板の前記光電素子側バンプに接触する位置に金の光電素子用パッドが設けられていることが好ましい。
さらに、本発明の光モジュールにおいて、
前記透明部材側バンプは金で形成され、
前記基板の前記透明部材側バンプに接触する位置に金の透明部材用パッドが設けられていることが好ましい。
さらに、本発明の光モジュールにおいて、
前記透明部材側バンプは半田で形成され、
前記透明部材は、２００℃にて１０分間保持したときの、厚さが２ｍｍでの波長６００〜１０００ｎｍの範囲の平均透過率が６０％以上である熱可塑性樹脂からなることが好ましい。
さらに本発明によれば、
基板と、活性層が設けられた第１面と前記第１面とは反対側の前記基板に対向する第２面とを備える光電素子とを有する光モジュールの製造方法において、
前記光電素子の前記第２面に光電素子側バンプを形成する工程と、
前記光電素子を前記光電素子側バンプを介して前記基板に固定する工程、とを有することを特徴とする光モジュールの製造方法が提供される。
また、本発明によれば、光モジュールの製造方法であって、
前記光電素子を制御する制御回路を前記基板上に設ける工程と、
前記制御回路と前記光電素子とをワイヤボンドにより電気的に接続する工程とを有することが好ましい。
また、本発明によれば、光モジュールの製造方法であって、
前記光電素子を前記基板に固定する工程において、両者の位置決めに前記基板上のアラインメントマークを用い、
前記基板上のアラインメントマークを用いて、透明部材に設けられた光学部が前記光電素子の前記活性層に対向する位置となるように前記透明部材を配置する工程を有することが好ましい。
本発明の光モジュールによれば、活性層とは反対側の光電素子の第２面に光電素子側バンプが設けられ、この光電素子側バンプを介して光電素子が基板に固定されているので、光電素子の第１面に設けられる活性層と外部の光信号の入出力部材との間に光電素子支持用の透明部材及びバンプを設ける必要がない。したがって、活性層側の厚みの小さな光モジュールを実現することができる。
さらに光電素子側バンプによって光電素子を基板に固定しているので、光電素子を基板に強固に固定することができる。また、接着剤を用いて固定する場合と比較して極めて短時間で固定することができ、固定する過程で光電素子の位置が基板に対してずれる心配が無いので、高い位置精度で光電素子を固定することができる。
本発明を適用した光モジュールの横断面図である。 本発明を適用した光モジュールの上面図である。 本発明を適用した光モジュールの製造方法の説明図である。 本発明を適用した光モジュールの製造方法の説明図である。 本発明を適用した光モジュールの製造方法の説明図である。 本発明を適用した光モジュールの製造方法の説明図である。 本発明を適用した光モジュールの変形例にかかる横断面図である。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
＜全体構造＞
図１は本発明の実施の形態に係る光モジュール１の断面図である。
図１に示すように、光モジュール１は、基板２と、基板２上に固定された光電素子３と、基板２上に固定された制御回路４と、光電素子３と制御回路４とを電気的に接続する一対のワイヤ５と、光電素子３、制御回路４及びワイヤ５とを覆う透明部材６とを有する。
＜光電素子＞
光電素子３は第１面３Ａに設けられた活性層３１と、同じく第１面３Ａに設けられた一対の電極３２とを有し、基板２の上に配置される。
光電素子３として受光素子を採用する場合は、活性層３１が受光部に該当し、受光した光信号に応じて電極３２から後述する制御回路４に電気信号が伝達される。このような光信号を電気信号に変換する受光素子３としてフォトダイオードが例示できる。
一方、光電素子３として発光素子を採用する場合は活性層３１が発光部に該当し、制御回路４から電極３２に伝達された電気信号に応じて活性層３１が外部に向けて発光する。このような電気信号を光信号に変換する発光素子としてＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ（垂直共振器面発光レーザ））を例示することができる。
光電素子が発光素子か受光素子かによってこのような違いはあるものの、両者は光信号と電気信号の入出力関係が互いに逆転するだけであって、基本的な構成は両者で共通である。
光電素子３の活性層３１が設けられる第１面３Ａとは反対側の面である第２面３Ｂには、第１金属バンプ３ａ（光電素子側バンプ）が設けられる。基板２の光電素子３と接触する位置であって、第１金属バンプ３ａに対応する位置に第１金属パッド２ａ（光電素子用パッド）が設けられる。これら第１金属バンプ３ａと第１金属パッド２ａは互いに対向し、超音波式実装法または熱圧着法等で固着されて、光電素子３が基板２に対して固定される。第１金属バンプ３ａと第１金属パッド２ａの材質としては、金または半田が好ましい。特に、第１金属バンプ３ａと第１金属パッド２ａとを金で構成して超音波式実装法で光電素子３を基板２に固定すれば、短時間で両者を精度良く配置することができる。
なお、単一の光電素子３を基板２上に設けても良いし、図２に示すように複数の光電素子を基板２上に設けても良い。また、光電素子３として発光素子と受光素子のそれぞれを同一基板２上に設けて、光信号と電気信号の相互変換が可能な光モジュール１を提供することもできる。
＜制御回路＞
図１に示すように、制御回路４は基板２上に設けられる。制御回路４は、後述する高度な位置精度が求められる光学経路を構成するわけではないので、制御回路４の基板２への固定方法はバンプによる固定、接着剤による固定等、どのように固定しても構わない。
制御回路４は、図２に見られるように、一端が制御回路４に接続され他端が光電素子３の一対の電極３２に接続された一対のワイヤ５を介して、光電素子３と電気的に接続される。制御回路４はこのワイヤ５を介して、光電素子３が発光素子の場合は外部からの信号入力に従って光電素子３の発光を制御し、光電素子が受光素子の場合は光電素子３からの電気信号を受信する。制御回路４の例として、ＩＣや、フォトダイオードの信号を増幅させるトランスインピーダンスアンプを挙げることができる。
光電素子３と制御回路４との間を接続するワイヤ５はボンディングにより配線される。後述するように、制御回路４を基板２に配置する際には透明部材６がまだ配置されていない状態のため、基板２の上部空間が開放されている。このため、光電素子３と制御回路４との間のワイヤボンディングによる配線作業が簡便である。
このように、光電素子３の制御回路４が光電素子３の設けられる基板２に設けられるので、光電素子３と制御回路４とを単一のモジュールにて提供することができる。また、光電素子３と制御回路４とをワイヤボンディングにて簡単に接続することができる。
＜透明部材＞
透明部材６は、光電素子３と制御回路４とを覆うように基板２上に配置され、第１レンズ６１，反射面６２，第２レンズ６３とを備える。第１レンズ６１は光電素子３の活性層３１に対向する位置に設けられ、反射面６２は活性層３１と第１レンズ６１とを結ぶ直線Ｌ１上にこの直線Ｌ１と４５度の角度をなすように配置され、第２レンズ６３は直線Ｌ１と直交する直線Ｌ２上に設けられる。透明部材６は上記の第１レンズ６１，反射面６２，第２レンズ６３と共に一体的に透明な樹脂で射出成形により形成される。
第１レンズ６１，反射面６２，第２レンズ６３によって光学経路Ｌ１，Ｌ２が構成される。この光学経路Ｌ１，Ｌ２は光電素子３の活性層３１と外部とを接続するもので、これらの第１レンズ６１，反射面６２，第２レンズ６３には高い位置精度が要求される。位置がずれれば光信号が光学経路Ｌ１，Ｌ２内で位置ずれを起こし、入出射ファイバ（図示しない）との結合損失が大きくなり、最悪の場合は光信号の伝達ができなくなるからである。
光電素子３が発光素子の場合は、制御回路４からワイヤ５を介して送られる電気信号が活性層３１で光信号に変換されて活性層３１が発光し、発光された光が第１レンズ６１に入射し、反射面６２で反射されて９０度向きを変え、第２レンズ６３に入射されて光モジュール１の外部に出射される。第２レンズ６３の延長線上には光ファイバ（図示省略）が配置され、第２レンズ６３から出射された光によって外部機器に光信号が伝達される。
反対に、光電素子３が受光素子の場合は、外部機器の光ファイバ等によって第２レンズ６３に光が入射され、反射面６２で反射されて９０度向きを変えて、第１レンズ６１に入射され、活性層３１に光が入射する。活性層３１に入射した光が電気信号に変換され、ワイヤ５を介して制御回路４に電気信号が伝達される。
第１レンズ６１，第２レンズ６３は片面の凸レンズであり、その焦点が反射面６２と一致するように配置するとよい。このような構成によれば、例えば光電素子３が発光素子であるＶＣＳＥＬであるとき、活性層３１で面発光された拡散光が第１レンズ６１により集光され、反射面６２にて反射されて、第２レンズ６３で光路差が少ない状態で平行光となるので、外部に効率よく光を伝達することができる。
なお、上記の例では反射面６２を用いて光電素子３の光軸を直交する方向に光が入射または出射できる構成としたが、光電素子３の光軸上に光ファイバが配置される場合は、反射面６２を設けなくてもよい。
透明部材６には、基板２に接触する領域に第２金属バンプ６ｂ（透明部材側バンプ）が設けられる。基板２の透明部材６と接触する位置であって、第２金属バンプ６ｂに対応する位置に第２金属パッド２ｂ（透明部材用パッド）が設けられる。これらの互いに対向する第２金属バンプ６ｂと第２金属パッド２ｂとが、超音波式実装法または熱圧着法等で固着されて、透明部材６が基板２に対して固定される。第２金属バンプ６ｂと第２金属パッド２ｂの材質としては、金または半田が好ましい。なお、図１，２に見られるように、第２金属バンプ６ｂは第１レンズ６１，反射面６２、第２レンズ６３といった光学部とは別の領域に形成されることが好ましい。超音波式実装法または熱圧着法等によって透明部材６を基板２に固着する際に発生する熱がこれらの第１レンズ６１，反射面６２，第２レンズ６３に伝わって変形等の悪影響が及ぶことを回避するためである。
このように透明部材６も第２金属バンプ６ｂを介して基板２に固定されるので、強固かつ高い位置精度で透明部材６を基板２に固定することができる。また、第１レンズ６１，反射面６２，第２レンズ６３周辺とは別の領域に第２金属バンプ６ｂを設けたので、透明部材６を基板２に固定する時に発生する熱が第１レンズ６１，反射面６２，第２レンズ６３に悪影響を及ぼすことがない。
＜製造方法＞
次に、上記実施形態に係る光モジュール１の製造方法について図２から図６を用いて説明する。図２は本発明を適用した製造方法により作成された光モジュールの上面図である。図３から図６は本発明を適用した光モジュールの製造方法の説明図であって、図３は光電素子３を第２面３Ｂ側から見た図であり、図４は基板２の上面図であり、図５は光電素子３を基板２に配置した様子を示す模式図であり、図６は制御回路４を基板２に配置して光電素子３と制御回路４とをワイヤで接続した様子を示す模式図である。
まず、図３，４に示すように基板２と光電素子３の上に第１金属バンプ３ａ，第１金属パッド２ａ，第２金属バンプ６ｂ，第２金属パッド２ｂを形成する。基板２上に第１金属パッド２ａ，第２金属パッド２ｂを形成する際は、基板２上に設けたアラインメントマーク２ｃを基準位置として、第１金属パッド２ａ，第２金属パッド２ｂの位置を規定する。なお、第１、２金属バンプ３ａ，６ｂと第１，２金属パッド２ａ，２ｂを設ける位置は、図３や図４で示すように、４隅に設けても良いし、光電素子３や透明部材６の大きさによって１カ所のみ、あるいは対向する２辺に延在させる、さらには４辺に延在させるように形成してもよい。
次に、図５に示すように基板２上のアラインメントマーク２ｃを基準位置として用い、光電素子３を基板２上に配置し、第１金属バンプ３ａと第１金属パッド２ａとを接続する。
次に、図６に示すように制御回路４を基板２上に固定する。この制御回路４の基板２への固定方法は、上述したように特に限定されない。本実施形態では接着剤により固定している。制御回路４を基板２上に固定したら、ワイヤボンディングによりワイヤ５を用いて制御基板４と光電素子３の電極３２とを電気的に接続する。
次に、図２に示すように第２金属バンプ６ｂを透明部材６に形成し、図６に示すようにアラインメントマーク２ｃを基準位置として透明部材６を基板２上に配置する。このとき、透明部材６全体が透明であるので、透明部材６越しにアラインメントマーク２ｃを視認することができるので、透明部材６を精度良く配置することができる。
上記のような工程によれば、透明部材６と光電素子３との位置関係を直接確認できるので、光電素子３に通電して光学経路Ｌ１，Ｌ２が確立されているかを確認しながら透明部材６を配置しなくてもよい。つまり、既に基板２上のアラインメントマーク２ｃを共通の基準位置として光電素子３と透明部材６の位置が決定されているので、透明部材６を基板２に対して所定の位置に配置すれば、自ずと光学経路Ｌ１，Ｌ２が確立されることになる。したがって、光電素子３の活性層３１と透明部材６の第１レンズ６１，反射面６２，第２レンズ６３とを精度良く配置できるので、光学経路Ｌ１，Ｌ２を確実に確立することができる。このような方法によれば、光電素子３の活性層３１を発光させながら光学経路が確立したかどうかを確認しながら透明部材６を配置する方法と比べて、簡単にかつ精度良く光電素子３と透明部材６との相対位置を定めることができる。
また、第２金属バンプ６ｂが金（Ａｕ）からなり、第２金属パッド２ｂも金（Ａｕ）からなる場合は、超音波式実装法により透明部材６を基板２に固定することができる。超音波式実装法によれば透明部材６や基板２を直接加熱することなく透明部材６と基板２とを接合できるので、透明部材６の熱による損傷を回避することができる。透明部材６に樹脂を用いており、樹脂は熱によって変形したり光の透過率が低下することがあるので、第２金属バンプ６ｂと第２金属パッド２ｂとを金で形成し超音波式実装法を用いれば直接透明部材６が加熱されることがないので好ましい。この形態によれば、透明部材６を基板２に対して短時間でかつ精度良く配置することができる。また、固着する過程で透明部材６が基板２に対してずれる虞もない。
一方、第２金属バンプ６ｂあるいは第２金属パッド２ｂの少なくとも一方が半田からなる場合は熱圧着法により透明部材６を基板２に固定することができる。熱圧着法によれば、第２金属バンプ６ｂあるいは第２金属パッド２ｂの材料に金の替わりに半田を用いるためにコストを低く抑えることができる。この場合、上記したように半田付け工程の加熱によって透明部材６の透過率が低下する虞があるので、透明部材６に半田の融点以上に加熱されても変形せず、透過率を維持できる樹脂を用いることが好ましい。
このような樹脂として、テラリンク（登録商標：住友電工ファインポリマー株式会社製）（特開２００８−８８３０３号公報参照）が好ましい。この樹脂は、透明ポリアミド、環状ポリオレフィン、フッ素樹脂、ポリエステル、アクリル、ポリカーボネート及びアイオノマー樹脂からなる群より選ばれる１種又は２種以上の架橋性の熱可塑性樹脂である。この樹脂は、２６０℃の恒温槽に１分間放置しても変形しないか、変形してもその形状を維持することができる。
さらに、この樹脂は共晶半田の融点（１８３℃）より高温の２００℃にて１０分間保持しても、厚み２ｍｍでの波長６００〜１０００ｎｍの範囲の平均透過率が６０％以上である。したがって、この樹脂は半田付け工程においても光の透過率が低下せず、第２金属バンプ２ｂと第２金属パッド６ｂの少なくとも一方に半田を用いても、光モジュールの性能を極端に劣化させることがなく、好ましい。第２金属バンプ・パッド６ｂ，２ｂを金または半田のどちらで形成するかは、目的とする光モジュールの仕様にあわせて選択することができる。
第１金属バンプ・パッド３ａ，２ａについても上記と同様に、目的とする光モジュールの仕様にあわせて、金または半田で形成することができる。光電素子３が熱の影響を受けやすい素子であれば、第１金属バンプ３ａと第１金属パッド２ａに金を用いれば精度の高い光モジュールを実現できるし、光電素子３が熱の影響を受けにくい素子であれば、第１金属バンプ３ａと第１金属パッド２ａの少なくとも一方に半田を用いて、低コストで光モジュールを提供できる。
＜変形例＞
上記の第１実施の形態では、平面状の基板２の上に、透明部材６の脚部が配置される構成となっていたが、図７に示すように、透明部材８を平板状とし、基板２との間に枠体７を配置する構成としてもよい。この場合、枠体７の上に設けられた第２パッド７ｂと、透明部材８に設けられた第２バンプとが接続され、透明部材６が枠体７を介して基板２に固定される。枠体７には透明であることは求められないので、透明な樹脂である必要はない。また、接着剤等を用いて基板２に枠体７を固定してもよいし、枠体７を基板２と一体的に形成してもよい。
このような変形例にかかる光モジュールによれば、射出成形によって形成される透明部材６の形状をシンプルにすることができ、透明部材６の成形における歩留まりが向上する。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
１ 光モジュール、２ 基板、２ａ 第１金属パッド、２ｂ 第２金属パッド、３ 光電素子、３１ 活性層、３２ 電極、３ａ 第１金属バンプ、４ 制御回路、５ ワイヤ、６ 透明部材、６１ 第１レンズ、６２ 反射面、６３ 第２レンズ、６ｂ 第２金属バンプ、Ｌ１，Ｌ２ 光学経路

Claims (9)

  1. 基板と、
    活性層が設けられた第１面と、前記第１面とは反対側の前記基板に対向する第２面とを備える光電素子とを有し、
    前記光電素子の前記第２面に光電素子側バンプが設けられ、
    前記光電素子側バンプを介して前記光電素子が前記基板に固定されていることを特徴とする光モジュール。
  2. 請求項１に記載の光モジュールにおいて、
    前記光電素子を制御する制御回路が前記基板上に設けられ、
    前記制御回路と前記光電素子とがワイヤボンドにより電気的に接続されていることを特徴とする。
  3. 請求項１または２に記載の光モジュールにおいて、
    前記光電素子の活性層に対向する位置に設けられた光学部を有する透明部材が設けられ、
    前記透明部材の前記基板に接触する位置に透明部材側バンプが設けられ、
    前記透明部材は前記透明部材側バンプを介して前記基板に固定されていることを特徴とする。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光モジュールにおいて、
    前記光電素子側バンプは金で形成され、
    前記基板の前記光電素子側バンプに接触する位置に金の光電素子用パッドが設けられていることを特徴とする。
  5. 請求項３に記載の光モジュールにおいて、
    前記透明部材側バンプは金で形成され、
    前記基板の前記透明部材側バンプに接触する位置に金の透明部材用パッドが設けられていることを特徴とする。
  6. 請求項３に記載の光モジュールにおいて、
    前記透明部材側バンプは半田で形成され、
    前記透明部材は、２００℃にて１０分間保持したときの、厚さが２ｍｍでの波長６００〜１０００ｎｍの範囲の平均透過率が６０％以上である熱可塑性樹脂からなることを特徴とする。
  7. 基板と、活性層が設けられた第１面と前記第１面とは反対側の前記基板に対向する第２面とを備える光電素子とを有する光モジュールの製造方法において、
    前記光電素子の前記第２面に光電素子側バンプを形成する工程と、
    前記光電素子を前記光電素子側バンプを介して前記基板に固定する工程、とを有することを特徴とする光モジュールの製造方法。
  8. 請求項７に記載の光モジュールの製造方法であって、
    前記光電素子を制御する制御回路を前記基板上に設ける工程と、
    前記制御回路と前記光電素子とをワイヤボンドにより電気的に接続する工程とを有することを特徴とする。
  9. 請求項７または８に記載の光モジュールの製造方法であって、
    前記光電素子を前記基板に固定する工程において、両者の位置決めに前記基板上のアラインメントマークを用い、
    前記基板上のアラインメントマークを用いて、透明部材に設けられた光学部が前記光電素子の前記活性層に対向する位置となるように前記透明部材を配置する工程を有することを特徴とする。
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