JP2011151327A - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光モジュールの光電素子で発生する熱の放熱効果を十分に得る。
【解決手段】光モジュール１００は、光学部材（例えば、レンズ：図示略）を含むレセプタクル１と、レセプタクル１に固定された可撓性基板２と、可撓性基板２上に搭載され、可撓性基板２を介して光学部材と光結合された光電素子（半導体光デバイス３）とを有している。光モジュール１００は、更に、光電素子の外面のうち可撓性基板２と対向する面以外の面に接している伝熱部材４と、可撓性基板２上において光電素子の配置領域以外の領域に形成され、且つ、伝熱部材４と接続されている金属薄膜５とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュール及びその製造方法に関する。

光モジュールは、例えば、光電素子（発光素子又は受光素子）と、この光電素子が搭載された可撓性基板と、光電素子が光学的に結合される光学部材と、を有している。

光電素子で発生した熱を放熱する構造としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この構造では、可撓性基板の一方の面に形成された電気配線上に、バンプを介して光電素子（同文献中の光素子）及び半導体素子（同文献中のＩＣチップ）をフリップチップ接続している。この構造では、更に、可撓性基板の他方の面に光学部材（同文献中の光配線部材）を設け、光学部材上に金属板を設けている。同文献には、光電素子及び半導体素子で発生する熱は、可撓性基板及び光配線部材を介して金属板に伝熱され、該金属板の表面より放熱される旨の記載がある。

特開２００８−１５１９９３号公報

特許文献１の構造では、光電素子及び半導体素子を電気配線上にフリップチップ接続しているため、光電素子及び半導体素子で発生する熱は、バンプのみを介して電気配線に伝導する。このため、光電素子及び半導体素子から電気配線への伝熱効率が悪い。
しかも、この構造では、電気配線に伝導した熱は、可撓性基板及び光配線部材を介して金属板に伝熱されるため、電気配線から金属板への伝熱効率も悪い。
よって、光電素子及び半導体素子から金属板へと十分に熱が伝わらず、十分な放熱効果が得られない可能性がある。

このように、光モジュールの光電素子で発生する熱の放熱効果を十分に得ることは困難だった。

本発明は、光学部材を含むレセプタクルと、
前記レセプタクルに固定された可撓性基板と、
前記可撓性基板上に搭載され、前記可撓性基板を介して前記光学部材と光結合された光電素子と、
前記光電素子の外面のうち前記可撓性基板と対向する面以外の面に接している伝熱部材と、
前記可撓性基板上において前記光電素子の配置領域以外の領域に形成され、且つ、前記伝熱部材と接続されている金属薄膜と、
を有する光モジュールを提供する。

この光モジュールによれば、光電素子の外面のうち可撓性基板と対向する面以外の面に接している伝熱部材と、可撓性基板上において光電素子の配置領域以外の領域に形成され、且つ、伝熱部材と接続されている金属薄膜と、を有している。よって、光電素子で発生する熱を、伝熱部材を介して金属薄膜に伝導させ、金属薄膜から放熱させることができる。よって、特許文献１の技術と比べて、放熱効果を高めることができる。

また、本発明は、可撓性基板上に光電素子を搭載する工程と、
前記光電素子の外面のうち前記可撓性基板と対向する面以外の面に接触するように、伝熱部材を設ける工程と、
前記可撓性基板上において前記光電素子の配置領域以外の領域に、前記伝熱部材と接続するように金属薄膜を形成する工程と、
前記光電素子と、光学部材を含むレセプタクルの前記光学部材と、の相対位置を合わせて、前記光電素子と前記光学部材とを前記可撓性基板を介して光結合させる工程と、
を有することを特徴とする光モジュールの製造方法を提供する。

本発明によれば、光モジュールの光電素子で発生する熱の放熱効果を十分に得ることができる。

実施形態に係る光モジュールの側面図である。 実施形態に係る光モジュールの平面図である。 実施形態に係る光モジュールの正面図である。 可撓性基板上への各デバイスの実装態様を示す模式的な断面図である。 実施形態に係る光モジュールの一連の製造工程を示す斜視図である。 実施形態に係る光モジュールの一連の製造工程を示す斜視図である。 実施形態に係る光モジュールの一連の製造工程を示す斜視図である。 実施形態に係る光モジュールの一連の製造工程を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。

図１乃至図３は実施形態に係る光モジュール１００を示す図であり、このうち図１は側面図、図２は平面図（図１の矢印Ａ方向から見た図）、図３は正面図（図１の矢印Ｂ方向から見た図）である。なお、図３において、金属薄膜５は図示を省略している。図４は可撓性基板２上への各デバイスの実装態様を示す模式的な断面図である。

本実施形態に係る光モジュール１００は、光学部材（例えば、レンズ：図示略）を含むレセプタクル１と、レセプタクル１に固定された可撓性基板２と、可撓性基板２上に搭載され、可撓性基板２を介して光学部材と光結合された光電素子（半導体光デバイス３）とを有している。光モジュール１００は、更に、光電素子の外面のうち可撓性基板２と対向する面以外の面に接している伝熱部材４と、可撓性基板２上において光電素子の配置領域以外の領域に形成され、且つ、伝熱部材４と接続されている金属薄膜５とを有している。以下、詳細に説明する。

図１乃至図３に示すように、レセプタクル１は、筒状の本体部１ａと、この本体部１ａの一端に連結されたデバイス収容部１ｂと、を有している。

本体部１ａ内には、本体部１ａの軸方向（図１の矢印Ａ方向と同方向）を光軸とするレンズ（図示略）が設けられている。このレンズは、本体部１ａと一体形成されていても良いし、或いは、本体部１ａとは別体のレンズを本体部１ａに固定しても良い。

デバイス収容部１ｂには、例えば、図１の矢印Ａ方向側及びＤ方向側に向けて開放した直方体形状の中空１０が形成されている。この中空１０内には、可撓性基板２のデバイス搭載部２ａ（後述）と伝熱部材４とが収容されている。

可撓性基板２は、例えば、図１及び図２の矢印Ｃ方向及びＤ方向に長尺に形成されている。例えば、可撓性基板２における矢印Ｃ方向側の端部には、デバイス搭載部２ａが形成され、このデバイス搭載部２ａに半導体光デバイス３及び半導体デバイス６が搭載されている。なお、デバイス搭載部２ａは、例えば、可撓性基板２におけるそれ以外の部分よりも幅狭となっている（図５〜図７参照）。一方、可撓性基板２における矢印Ｄ方向側の端部には、図２に示すように、外部接続端子２４が形成されている。

図４に示すように、可撓性基板２は、可撓性の基板本体２１と、この基板本体２１上に設けられた多層配線２２と、この多層配線２２上に設けられた絶縁樹脂層２３と、を有している。多層配線２２は、例えば、複数層の配線層２２ａと、これら配線層２２ａの間に介在している絶縁層２２ｂと、を有している。配線層２２ａには、例えば、Ｃｕにより所望の形状に構成された配線（図示略）が形成されている。絶縁層２２ｂは、例えば、ポリイミドにより構成されている。絶縁樹脂層２３は、例えば、熱可塑性の樹脂により構成されている。

可撓性基板２のデバイス搭載部２ａの絶縁樹脂層２３側の面上には、各デバイス（例えば、半導体光デバイス３、半導体デバイス６及び単板コンデンサ１１（図５参照））がそれぞれバンプ（例えば、Ａｕバンプ）７を介してフリップチップ接続されている。なお、単板コンデンサ１１は無くても良い。バンプ７は、各デバイスの電極（図示略）上に設けられ、絶縁樹脂層２３を貫通して最上層の配線層２２ａの配線に接続されている。

ここで、各配線層２２ａにおいて、半導体光デバイス３の搭載箇所と対応する位置には、光透過部としての開口２５が形成され、この開口２５を介して、半導体光デバイス３とレセプタクル１のレンズとを光結合できるようになっている。

図１及び図３に示すように、伝熱部材４は、例えば、各デバイスを囲むように可撓性基板２上に設けられた金属枠体８と、金属枠体８内に充填されて半導体光デバイス３及び半導体デバイス６を覆う熱伝導性樹脂９と、を含む。

金属枠体８は、両端が開放した筒状に形成され、例えば、その筒状の中空の断面形状が矩形状となっている。金属枠体８は、その筒状の中空内に各デバイスが収まるように配置されている。金属枠体８の高さは、各デバイスのうち最も高い（厚い）デバイスよりも高くなっており、金属枠体８内に熱伝導性樹脂９を充填することにより、該熱伝導性樹脂９によって各デバイスを埋めることができるようになっている。

金属枠体８は、例えば、バンプ（図示略）を介して可撓性基板２の基準電位部（ＧＮＤ電位部：図示略）に接続され、基準電位となっている。

図１の矢印Ａ方向における金属枠体８の端部は、例えば、デバイス収容部１ｂの中空１０の外部に僅かに突出している。また、図１の矢印Ｄ方向側における金属枠体８の端面は、中空１０の外部に臨んでいる。

また、金属枠体８において、図１の矢印Ｄ方向側かつ矢印Ｅ方向側の端部に位置する辺８ａ（図５乃至図８参照）は、面取りされている。

熱伝導性樹脂９は、熱伝導率の高い接着剤により構成され、半導体光デバイス３及び半導体デバイス６と金属枠体８とを相互に接着している。このような接着剤としては、ポリアミドイミド系樹脂或いはエポキシ系樹脂に伝熱フィラー（銀、銅、アルミニウム等）を混合したものが挙げられる。

熱伝導性樹脂９は、半導体光デバイス３及び半導体デバイス６の外面のうち可撓性基板２と対向する面の反対側の面（背面）の全面に接している。より具体的には、熱伝導性樹脂９は、半導体光デバイス３及び半導体デバイス６の外面のうち可撓性基板２と対向する面以外のすべての面（背面及び側面）の全面に接している。

金属薄膜５は、例えば、可撓性基板２の図１における矢印Ａ方向側の面のうちデバイス搭載部２ａ以外の部分と、金属枠体８の図１の矢印Ｄ方向における端面と、金属枠体８及び熱伝導性樹脂９の図１の矢印Ａ方向における端面と、を連続的に覆い、かつ、大気に露出している。金属薄膜５は、例えば、可撓性基板２の図１における矢印Ａ方向側の面のうちデバイス搭載部２ａ以外の部分のほぼ全面を覆っている。金属枠体８において、デバイス収容部１ｂの中空１０より露出している部位の一部分は金属薄膜５により覆われていなくても良いし、金属枠体８においてデバイス収容部１ｂの中空１０より露出している部位はすべて金属薄膜５により覆われていても良い。金属薄膜５は、可撓性基板２の折り曲げ性を実質的に損ねない程度の厚さに設定されている。

次に、本実施形態に係る光モジュールの製造方法を説明する。図５乃至図８は実施形態に係る光モジュールの一連の製造工程を示す斜視図である。

本実施形態に係る光モジュールの製造方法では、以下の工程を行う。先ず、可撓性基板２上に光電素子（半導体光デバイス３）を搭載する。次に、光電素子の外面のうち可撓性基板２と対向する面以外の面に接触するように、伝熱部材４を設ける。次に、可撓性基板２上において光電素子の配置領域以外の領域に、伝熱部材４と接続するように金属薄膜５を形成する。次に、光電素子と、光学部材（例えば、レンズ：図示略）を含むレセプタクル１の光学部材と、の相対位置を合わせて、光電素子と光学部材とを可撓性基板２を介して光結合させる。以下、詳細に説明する。

先ず、図５に示すように、可撓性基板２のデバイス搭載部２ａにおける絶縁樹脂層２３（図４）側の面上に各デバイスを搭載する。すなわち、例えば、半導体光デバイス３、半導体デバイス６及び単板コンデンサ１１を、所望の温度に加熱された可撓性基板２上にフリップチップ接続する。この際に、バンプ７（図４）は絶縁樹脂層２３を突き破り、最上層の配線層２２ａの配線に接続される。

次に、図６に示すように、可撓性基板２のデバイス搭載部２ａにおける絶縁樹脂層２３（図４）側の面上に、金属枠体８を実装し、この金属枠体８によって各デバイス（半導体光デバイス３、半導体デバイス６及び単板コンデンサ１１）を囲む。ここで、金属枠体８は、例えば、バンプ（図示略）を介して可撓性基板２の基準電位部（ＧＮＤ電位部：図示略）に接続されることにより、基準電位となる。

次に、図７に示すように、金属枠体８内に熱伝導性樹脂９を充填し、該熱伝導性樹脂９により各デバイスを覆う。このとき、各デバイスの電極が形成されている面は、絶縁樹脂層２３と密着しているため、熱伝導性樹脂９は各デバイスの電極とは接触しない。熱伝導性樹脂９は、例えば、金属枠体８における可撓性基板２と反対側の端面と面一となるように充填する。

次に、図８に示すように、金属薄膜５を可撓性基板２及び伝熱部材４に接着する。この接着は、熱伝導性樹脂９と同様の材質の接着剤により行う。

次に、レセプタクル１の中空１０にデバイス搭載部２ａ及び伝熱部材４を配置する（図１、図３参照）。ここで、レセプタクル１の中空１０の壁面と伝熱部材４との間の隙間には、予め、例えばＵＶ硬化樹脂（ＵＶ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）（図示略）を塗布しておく。

次に、調芯を行ってレセプタクル１のレンズと半導体光デバイス３とを光結合させる。ここでは、半導体光デバイス３が表面入射型受光素子である場合を説明する。
先ず、任意のパワーの光をレセプタクル１及び可撓性基板２を介して半導体光デバイス３に入射させる状態で、レセプタクル１を可撓性基板２に対してＸ軸方向（例えば、図１の矢印Ｃ方向及びＤ方向）、Ｙ軸（例えば、図１の紙面の手前及び奥の方向）及びＺ軸方向（例えば、図１の矢印Ａ方向及びＥ方向）にそれぞれ移動させて位置合わせしながら、可撓性基板２の外部接続端子２４から出力される光電流をモニタする。
そして、光電流が最大となった位置で中空１０の壁面と伝熱部材４との間のＵＶ硬化樹脂にＵＶ光を照射することにより、このＵＶ硬化樹脂を硬化させて、伝熱部材４とレセプタクル１とを相互に仮固定する。
仮固定後、伝熱部材４と中空１０の壁面との間の隙間において、ＵＶ硬化樹脂が充填されていない部分に熱硬化樹脂を塗布し、加熱によりこの熱硬化樹脂を硬化させることによって、伝熱部材４とレセプタクル１とを相互に本固定する。
こうして、光モジュール１００を製造することができる。

次に、動作を説明する。

先ず、一例として、半導体光デバイス３が表面入射型受光素子である場合を説明する。この場合、レセプタクル１のレンズにより集光された光信号は、可撓性基板２の光透過部（開口２５）を透過して半導体光デバイス３に入射し、該半導体光デバイス３にて電気信号に変換される。この電気信号は、可撓性基板２を介して半導体デバイス６に入力され、該半導体デバイス６にて増幅された後に可撓性基板２の外部接続端子２４から出力される。

次に、他の一例として、半導体光デバイス３が表面出射型面発光素子である場合を説明する。この場合、可撓性基板２の外部接続端子２４から入力された電気信号は、可撓性基板２の光透過部（開口２５）を介して半導体デバイス６に入力され、該半導体デバイス６にて半導体光デバイス３の駆動用の信号に変換される。この信号は、可撓性基板２を介して半導体光デバイス３へ入力され、半導体光デバイス３にて電気・光変換された後に、半導体光デバイス３より出力される。この電気・光変換後の光信号は、可撓性基板２を透過してレセプタクル１のレンズに入射し、このレンズにて集光された光信号がレセプタクル１より出力される。

上述した何れの動作の場合にも、半導体光デバイス３及び半導体デバイス６は熱源となる。半導体光デバイス３及び半導体デバイス６で発生した熱は、熱伝導性樹脂９を介して金属薄膜５に伝熱されるか、或いは、熱伝導性樹脂９及び金属枠体８をこの順に介して金属薄膜５に伝熱され、金属薄膜５より放熱される。
なお、金属枠体８において、デバイス収容部１ｂの中空１０より露出している部位の一部分が金属薄膜５により覆われずに大気に露出している場合、その露出部からも放熱が行われる。

以上のような実施形態によれば、光モジュール１００は、半導体光デバイス３の外面のうち可撓性基板２と対向する面以外の面に接している伝熱部材４と、可撓性基板２上において半導体光デバイス３の配置領域以外の領域に形成され且つ伝熱部材４と接続されている金属薄膜５と、を有している。よって、半導体光デバイス３で発生する熱を、伝熱部材４を介して金属薄膜５に伝導させ、金属薄膜５から放熱させることができる。よって、光モジュール１００の半導体光デバイス３で発生する熱の放熱効果を十分に得ることができる。

また、伝熱部材４は、半導体光デバイス３の外面のうち可撓性基板２と対向する面の反対側の面の全面に接しているので、半導体光デバイス３からの放熱性を一層高めることができる。更に、伝熱部材４は、半導体光デバイス３の外面のうち可撓性基板２と対向する面以外のすべての面の全面に接しているので、半導体光デバイス３からの放熱性を一層高めることができる。

また、光モジュール１００は、可撓性基板２上に搭載された半導体デバイス６を更に有し、伝熱部材４は、半導体デバイス６の外面のうち可撓性基板２と対向する面以外の面にも接しているので、半導体デバイス６で発生する熱を、伝熱部材４を介して金属薄膜５に伝導させ、金属薄膜５から放熱させることができる。

また、金属枠体８の辺８ａが面取りされているので、可撓性基板２が辺８ａに沿って折り曲げられる際に、金属枠体８が可撓性基板２を傷つけないようにすることができる。

また、可撓性基板２の配線層２２ａに開口２５を形成したことにより、半導体光デバイス３とレセプタクル１のレンズとの光結合が可能とされているとともに、配線層２２ａの開口２５以外の部分は半導体光デバイス３及び半導体デバイス６の電磁シールドとして機能するようにできる。

また、金属枠体８が可撓性基板２の基準電位部に接続されて基準電位となっているので、半導体光デバイス３及び半導体デバイス６の電磁シールドとして機能する。また、熱伝導性樹脂９が導電性を有する場合、熱伝導性樹脂９も基準電位となり、半導体光デバイス３及び半導体デバイス６の電磁シールドとして機能する。

上記の実施形態では、金属枠体８において、レセプタクル１の中空１０より突出している部分の表面に凹凸を形成し、この部分をヒートシンクとして機能させるようにしても良い。

また、金属枠体８において、金属薄膜５から露出している部分に放熱板等の機構を設置することにより、半導体光デバイス３及び半導体デバイス６からの熱をより効果的に放熱することが可能になる。

１ レセプタクル
１ａ 本体部
１ｂ デバイス収容部
２ 可撓性基板
２ａ デバイス搭載部
３ 半導体光デバイス
４ 伝熱部材
５ 金属薄膜
６ 半導体デバイス
７ バンプ
８ 金属枠体
８ａ 辺
９ 熱伝導性樹脂
１０ 中空
１１ 単板コンデンサ
２１ 基板本体
２２ 多層配線
２２ａ 配線層
２２ｂ 絶縁層
２３ 絶縁樹脂層
２４ 外部接続端子
２５ 開口
１００ 光モジュール

Claims (6)

1. 光学部材を含むレセプタクルと、
   前記レセプタクルに固定された可撓性基板と、
   前記可撓性基板上に搭載され、前記可撓性基板を介して前記光学部材と光結合された光電素子と、
   前記光電素子の外面のうち前記可撓性基板と対向する面以外の面に接している伝熱部材と、
   前記可撓性基板上において前記光電素子の配置領域以外の領域に形成され、且つ、前記伝熱部材と接続されている金属薄膜と、
   を有する光モジュール。
2. 前記伝熱部材は、
   前記光電素子を囲むように前記可撓性基板上に設けられた筒状の金属枠体と、
   前記金属枠体内に充填されて前記光電素子を覆う熱伝導性樹脂と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記伝熱部材は、前記光電素子の外面のうち前記可撓性基板と対向する面の反対側の面の全面に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記伝熱部材は、前記光電素子の外面のうち前記可撓性基板と対向する面以外のすべての面の全面に接していることを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
5. 前記可撓性基板上に搭載された半導体素子を更に有し、
   前記伝熱部材は、前記半導体素子の外面のうち前記可撓性基板と対向する面以外の面にも接していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光モジュール。
6. 可撓性基板上に光電素子を搭載する工程と、
   前記光電素子の外面のうち前記可撓性基板と対向する面以外の面に接触するように、伝熱部材を設ける工程と、
   前記可撓性基板上において前記光電素子の配置領域以外の領域に、前記伝熱部材と接続するように金属薄膜を形成する工程と、
   前記光電素子と、光学部材を含むレセプタクルの前記光学部材と、の相対位置を合わせて、前記光電素子と前記光学部材とを前記可撓性基板を介して光結合させる工程と、
   を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。

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