JP2012033858A - 光モジュールの製造方法及び光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂モールド時にレンズが発光素子に対して位置ズレが生じ難い樹脂封止型の光モジュールの製造方法と光モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】発光素子２が搭載されたリードフレーム３とガラスレンズ部材４とを成形金型１１のキャビティに配置し、キャビティ１６に溶融樹脂を注入することによりレンズ部を備えた樹脂モールドが形成される光モジュールの製造方法で、成形金型１１のキャビティ１６は、ガラスレンズ部材４を発光素子２の光軸上に位置決めして保持する位置決めピン１４，１５を備えている。なお、リードフレーム３には、ガラスレンズ部材４を発光素子２の光軸上に位置決めする切り欠き部３ｂが形成されていることが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、光通信の送受信に用いられる半導体光素子を搭載し、樹脂によりモールド封止したモールドパッケージを備えた光モジュールの製造方法及び光モジュールに関する。

光信号の送受信等に用いられる光モジュールは、発光又は受光用の半導体光素子を搭載したパッケージに、光ファイバを接続するためのレセプタクルスリーブを結合した構造のものが一般的である。標準的な形状のパッケージとしては、リードピンを埋設したステムに半導体素子を搭載し、その外側を、集光レンズを取り付けた金属製のハウジングで覆って封止するＣＡＮパッケージが知られている。しかしながら、この形態のパッケージは、部品数が多く、組み付け工程が複雑で製造コストが高くなるという問題があった。

このため、金属製の封止ハウジングに代えて、リードフレーム上に半導体光素子を搭載し、プラスチック樹脂でモールドして封止した構造のモールドパッケージが知られている。この場合、半導体光素子と共に集光レンズを、モールド樹脂内に一体に埋設させる形態のものがある。

例えば、特許文献１には、発光素子とレンズ部材とをモールド樹脂内に一体に埋設させた光モジュールが開示されている。図５を参照して、特許文献１に係る光モジュール１０１を説明する。光モジュール１０１は、シリコンオプティカルベンチ１０２に発光素子１０３とガラス製の球レンズ１０４とが搭載され、これをトランスファモールド成形により透明樹脂１０５で樹脂モールドしている。ここで、トランスファモールド成形による樹脂モールドは、キャビティ内に高温の溶融樹脂が流動状態で流し込まれて、樹脂モールドされる。

特開２００４−１３３１１７

しかしながら、特許文献１に係る光モジュール１０１は、オプティカルベンチ１０２に対してガラス製の球レンズ１０４がどのようにして搭載されているか開示されていない。このため、オプティカルベンチ１０２に対するガラス製の球レンズ１０４の搭載状態（例えば、球レンズ１０４がオプティカルベンチ１０２に接着固定）によっては、トランスファモールド成形時に、溶融樹脂の影響を受けて発光素子１０３に対して位置ズレを起こす虞がある。
この場合は、発光素子１０３からの出射光のずれが生じるなど、光ファイバへの光結合効率が低下するとともに光モジュールの歩留まり低下に繋がる虞があった。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、樹脂モールド時にレンズが発光素子に対して位置ズレが生じ難い樹脂封止型の光モジュールの製造方法と光モジュールを提供することを目的とする。

発光素子が搭載されたリードフレームとガラスレンズ部材とを成形金型のキャビティに配置し、キャビティに溶融樹脂を注入することによりレンズ部を備えた樹脂モールドが形成される光モジュールの製造方法で、成形金型のキャビティは、ガラスレンズ部材を発光素子の光軸上に位置決めして保持する位置決めピンを備えている。なお、リードフレームには、ガラスレンズ部材を発光素子の光軸上に位置決めする切り欠き部が形成されていることが好ましく、また、ガラスレンズ部材が、上記溶融樹脂よりも高い屈折率を有し、且つ、外径がφ０.６ｍｍよりも大きく、φ１.５ｍｍよりも小さい球レンズであることが好ましい。

光モジュールは、前述した光モジュールの製造方法によって製造される。なお、光モジュールは、位置決めピンにより形成された貫通孔に、放熱性を有する放熱体がガラスレンズ部材と接するように挿入固定されていることが好ましい。

本発明によれば、金型にガラスレンズ部材を位置決め保持する位置決めピンが形成されている。これにより、成形時の溶融樹脂の流れによる位置ズレを抑制することができる。

本発明による製造方法により製造された光モジュールの一例を示す図である。 図１の光モジュールの平面図と正面図と側面図を示す図である。 本発明に係る製造方法で用いられる成形金型の一例を示す断面図である。 光モジュールを光結合させる様子を示す図である。 従来技術に係る光モジュールを表す図である。

図１及び図２を参照して、本発明による製造方法で製造された光モジュールを説明する。図１は、光モジュールの外観図を示し、図２は、（Ａ）が光モジュールの平面図を示し、（Ｂ）が光モジュールの正面図を示し、（Ｃ）が光モジュールの側面図を示している。

光モジュール１は、発光素子２と、リードフレーム３と、ガラスレンズ部材４と、パッケージ５と、サブマウント６と、貫通孔７と、樹脂レンズ部１０とを有している。
発光素子２は、例えば、アルミコーティングされた量子井戸レーザ等の半導体発光素子である。

リードフレーム３は、略矩形状となっており、サブマウント６を介して前述した発光素子２が搭載される。リードフレーム３は、発光素子２を駆動させるための電気配線として機能する。そして、リードフレーム３は、一端側に電気的に絶縁分離される複数のリード端子３ａを有し、他端側に円弧状の切り欠き部３ｂを有している。リード端子３ａは、前述した発光素子２からのワイヤ配線が施され、樹脂成形後に電気的に絶縁分離される。切り欠き部３ｂは、ガラスレンズ部材４を発光素子２の光軸上に位置決めするものである。

ガラスレンズ部材４は、透明樹脂より屈折率が高い材料でできたガラス製の球レンズで、発光素子２からの出射光を集光するように凸状の表面を備えている。ガラスレンズ部材４は、例えば、レンズ部材としてＢＫ７やＴａＦ３等を採用して、φ０.６ｍｍ〜１.５ｍｍ程度の球レンズ状を作製することが出来る。また、ガラスレンズ部材４は、例えば、図２（Ｂ）で示すように、ガラスレンズ部材４から発光素子２までの距離Ｌ１ａが０.３ｍｍ、ガラスレンズ部材４から樹脂レンズ部１０までの距離Ｌ１ｂが０.５ｍｍとなるように配設される。なお、光学設計の一例を例示して説明したがこれに限定されるものではない。

パッケージ５は、円柱形状となっており、例えば、エポキシ等の透明樹脂により外径が５〜２０ｍｍで長さが５〜２０ｍｍに成形される。パッケージ５は、発光素子２が搭載されたリードフレーム３の少なくとも発光素子２の部分とガラスレンズ部材４とを一括して樹脂モールドする。
そして、パッケージ５には、後述する成形金型によって、内部のガラスレンズ部材４から外部まで連通する連通孔７がガラスレンズ部材４を中心に対称の位置にふたつ形成されている。連通孔７は、パッケージ５から略円錐台形状を繰り抜いた後にできる形状となっている。

また、パッケージ５の一端側には、樹脂レンズ部１０が一体に成形されている。樹脂レンズ部１０は、発光素子２、ガラスレンズ部材４を介して照射された光を集光する集光レンズであり、屈折率が１.５１である。樹脂レンズ部１０は、パッケージ５の外部位置であって樹脂レンズ部１０の光軸が発光素子２の光軸とガラスレンズ部材４の光軸と合致するような位置に形成されている。なお、樹脂レンズ部１０から後述のフェルール１８までの距離Ｌ２は、例えば、２.４ｍｍとなるように形成、配設される。

次に、発光素子２が搭載されたリードフレーム３とガラスレンズ部材４とを樹脂モールドするパッケージ５の製造について説明する。パッケージ５は、透明樹脂を用い、例えば、トランスファモールド成形することにより形成する。使用するトランスファモールド成形機としては、住友重機製のトランスファモールド成形機（ＭＹ-２０）を例示できる。

図３を参照して、トランスファモールド成形に用いられる成形金型１１を説明する。成形金型１１は、図３で示すように、例えば、下金型１２と上金型１３とを有している。
下金型１２には、凹部１２ａと、リードフレーム保持部１２ｂと、位置決めピン１４とが形成されている。凹部１２ａは、光モジュール１における樹脂レンズ部１０の一部を形成するためのものである。リードフレーム保持部１２ｂは、リードフレーム３を保持するためのものである。位置決めピン１４は、ガラスレンズ部材４を下側から位置決めするものであり、全体が略円錐台形状となっており、下金型１２の底から突出するように形成されている。そして、位置決めピン１４の先端部分は、ガラスレンズ部材４の形状に合わせた球面状の凹部形状となっている。これにより、位置決めピン１４は、ガラスレンズ部材４をその先端に載置させることができる。

上金型１３には、凹部１３ａと位置決めピン１５が形成されている。凹部１３ａは、樹脂レンズ部１０の一部を形成するためのものである。そして、位置決めピン１５は、ガラスレンズ部材４を上側からキャビティ１６の所定の位置に位置決めするためのもので下金型１２と同様の形状で対応する位置に突出形成されている。

位置決めピン１４，１５は、ガラスレンズ部材４を上下から挟んで位置決め保持するようになっている。このとき、位置決めピン１４，１５は、ガラスレンズ部材４を押し潰して破損させないように高精度に加工する。なお、位置決めピン１４，１５は、その突出方向に弾性的に進退可能に可動する機構を有する構成としても良い。また、位置決めピン１４，１５は、撥水処理がされた金属で形成される。

以下、トランスファモールド成形工程により樹脂モールドする方法を説明する。リードフレーム３を下金型１２のリードフレーム保持部１２ｂに配置するとともにガラスレンズ部材４を下金型１２から突出する位置決めピン１４の先端に載置する。このとき、ガラスレンズ部材４は、下方側が位置決めピン１４の先端部で保持され、リードフレーム３と対向する側がリードフレーム３の切り欠き部３ｂによって保持される。そして、上金型１３が閉じられると、上金型１３の位置決めピン１５によりガラスレンズ部材４が上方側からも位置決めされて保持される。

そして、成形金型１１を図示しないトランスファモールドプレス機内部に装着し、後述する成形条件で透明樹脂のプレス成形を行う。なお、プレス成形は、空孔発生を抑制する為、キャビティ１６を真空状態にし、その後、キャビティ１６に加熱され流動状態になった溶融樹脂が加圧して注入される。

成形条件は、例えば、型締め力が１.０〜１.６トン（好ましくは、１.０〜１.２トン）、硬化時間が３〜１０分（好ましくは、５〜７分）、硬化温度が１４５〜１６５℃（好ましくは、１５５〜１６５℃）で成形する。なお、成形条件の一例を挙げて説明したがこれに限定されるものではない。
そして、上記成形条件で成形された光モジュール１を所定の硬化条件が終了した後に取り出す。このとき、光モジュール１は、位置決めピン１４，１５が撥水処理された金属であるため成形金型１１から容易に取り出すことができる。
その後、当該透明モールドパッケージの硬化状態をより完全なものとする為に、例えば１５０〜１６５℃で２〜３時間、熱養生させる。

以上の製造方法により製造された光モジュール１は、トランスファモールド成形される際に、ガラスレンズ部材４が下金型１２の位置決めピン１４と上金型１３の位置決めピン１５とリードフレーム３の切り欠き部３ｂとの三点でリードフレーム３の上に搭載された発光素子２の光軸上に位置決めすることができる。これにより、トランスファモールド成形の際、溶融樹脂の流れの影響を受け難く発光素子２とガラスレンズ部材４とが高い位置精度で位置決めして樹脂モールドすることができる。

なお、樹脂モールドする際、ガラスレンズ部材４は、位置決めピン１４，１５のみで位置決めしても良いが、キャビティ１６に流し込まれる透明樹脂の製造ロット間のバラツキ、具体的には、透明樹脂の製造時におけるプレポリマー平均分子量や分子量分布の相違により、位置決めピン１４，１５に加わる応力が異なって位置決め精度に影響を与える場合がある。

しかしながら、本発明に係る製造方法によれば、位置決めピン１４，１５だけでなく、リードフレーム３の切り欠き部３ｂもガラスレンズ部材４を位置決めするため、極微小な位置ズレも許さない組立精度を保証することができる。

上述した説明により製造された光モジュール１は、図１に示すように、パッケージ５に位置決めピン１４，１５を抜いた跡である連通孔７がガラスレンズ部材４を中心として対称の位置に２個形成されている。
ここで、発光素子２は、常時通電を行う必要があることから、発光素子２の周辺に温度が停留し易くなっている。しかも、発光素子２は、透明樹脂で全体が覆われていることにより、熱が外部に拡散し難い為、熱影響を受けて発光素子２の寿命が低下する虞がある。

そこで、この連通孔７には、放熱性を有した放熱体が連通孔７の形状に合わせて形成され、ガラスレンズ部材４に接触するようにして挿入されて埋め込まれる。そして、放熱体は、外気と触れる状態で連通孔７との隙間に接着材が流し込まれて固定される。放熱体は、例えば、アルミや銅などの金属である。

以上の構成をとることにより、光モジュール１は、パッケージ５の内部に溜まる熱エネルギーを放熱体からもパッケージ５の外部に放熱させることができる。すなわち、発光素子２から生じる熱は、リードフレーム３から外部に放熱されるだけでなく、リードフレーム３からガラスレンズ部材４に移動し、ガラスレンズ部材４から放熱体に移動してパッケージ５の外部に放熱される。
これにより、発光素子２が熱影響を受けて寿命が低下することを抑えることができる。

図４を参照して、光モジュール１が光ファイバと光結合する様子を説明する。そして、本発明による製造方法で製造された光モジュール１の光学特性評価を実施する。
光モジュール１は、前述したトランスファモールド成形で樹脂モールドされる。そして、図４に示すように、光モジュール１は、レセプタクルスリーブ１７に接続され、レセプタクルスリーブ１７が、光ファイバが挿入されたフェルール１８に接続されて光ファイバと光結合される。

レセプタクルスリーブ１７は、例えば、ＳＵＳ材のような金属製又はポリエーテルイミド材のような樹脂製スリーブで形成されている。レセプタクルスリーブ１７の内周面は、光モジュール１の外周面に適合する形状となっており、固定する際に、例えば、エポキシ系接着剤で接着固定される。

以下、本発明による製造方法により製造された光モジュール１の光学特性評価を実施する。光学特性評価の実施は、ガラスレンズ部材４をリードフレーム３に接着固定して樹脂モールドした場合の光モジュールの光出力と、ガラスレンズ部材４をリードフレーム３の切り欠き部３ｂで位置決めして樹脂モールドした場合の光モジュールの光出力と、ガラスレンズ部材４をリードフレーム３の切り欠き部３ｂと位置決めピン１４，１５とで位置決めして樹脂モールドした光モジュール１の光出力とを、発光素子２に一定量の電流を流した場合における光出力を「１」として出力比として算出して行う。

（１）ガラスレンズ部材４を位置決めしなかった場合（切り欠き部３ｂなし、位置決めピン１４，１５なし）は、平均光出力≒「０.４」、
（２）ガラスレンズ部材４を切り欠き部３ｂで位置決めした場合は、平均光出力≒「０.７」、
（３）ガラスレンズ部材４を切り欠き部３ｂと位置決めピン１４，１５で位置決めした場合は、平均光出力≒「０.９」であった。

本発明の製造方法によれば、トランスファモールド成形で樹脂モールドされる際、ガラスレンズ部材４がリードフレーム３の切り欠き部３ｂと下金型１２の位置決めピン１４と上金型１３の位置決めピン１５とにより位置決めされるため、単に接着固定等して成形する方法等と比較して、より高精度に位置決めすることができ、発光素子２からの光のずれを抑えることができる。これにより、光モジュール１の歩留まり低下を抑えることができる。

なお、本発明の製造方法は、トランスファモールド成形で樹脂モールドする際、ガラスレンズ部材４が下金型１２の位置決めピン１４と上金型１３の位置決めピン１５とリードフレーム３の切り欠き部３ｂとの三点で発光素子２の光軸上に位置決めする態様で説明したがこれに限定されるものではない。例えば、リードフレーム３に形成される切り欠き部３ｂを省略して位置決めピン１４，１５のみでガラスレンズ部材４を位置決めする構成でも良いし、下金型１２の位置決めピン１４のみでガラスレンズ部材４を位置決めする構成でも良い。

また、パッケージ５及び樹脂レンズ部１０の屈折率は環境温度により変化するため、集光位置のずれが発生し、発光素子２とフェルール１８との結合効率が劣化する。樹脂レンズ部１０の屈折率の温度変化の影響を低減するため、発光素子２とガラスレンズ部材４との距離Ｌ１ａと、ガラスレンズ部材４と樹脂レンズ部１０との距離Ｌ１ｂ、と樹脂レンズ部１０の曲率半径は、ガラスレンズ部材４の屈折率と直径によって調整する必要がある。

（実施例）
実際に、上記距離Ｌ１ａ等の条件を変えて、本発明の光モジュールを作製し、それぞれの発光素子とフェルールとの結合効率の温度変化（トラッキングエラー）を測定した。なお、上記結合効率の温度変化は、−４０〜９５℃の温度範囲における結合効率の最大値と最小値の比で表され、０.５ｄＢ以下が目標値である。

各例共通で、発振波長が１３１０ｎｍと、２５℃の屈折率が１・５１で屈折率の温度係数が−１.３×１０^−４℃^−１のパッケージと、スポットサイズ５μｍのフェルールとを用いた。

実施例１〜４のガラスレンズ部材から発光素子２までの距離Ｌ１ａ、ガラスレンズ部材の直径Ｄ、ガラスレンズ部材から樹脂レンズ部までの距離Ｌ１ｂ、樹脂レンズ部の曲率半径、樹脂レンズ部からフェルールまでの距離Ｌ２と、トラッキングエラー（Ｔ.Ｅ.）を表１に示す。

比較例１，２のものは表２の通りである。

レンズ部材の屈折率は、パッケージ５の屈折率より大きいものが望ましく、本例では屈折率１.７８のＴａＦ３をレンズ部材の材料として用いた。

実施例１〜４及び比較例１から明らかなように、レンズ部材の直径Ｄは０.６ｍｍ〜１.５ｍｍ程度が好ましい。これは、以下の理由のためである。

（１）レンズ部材の直径Ｄが０.６ｍｍより小さい場合、透明パッケージ作製時におけるプレス金型の所定箇所に載せ置く作業が煩雑となる。同時に、直径Ｄが０.６ｍｍよりも小さいと、透明樹脂の溶融粘度が高い状況ではガラスレンズが軽いため、所望の固定位置からズレが生じてしまい、光学特性が損なわれてしまう。
（２）一方、レンズ部材の直径Ｄが１.５ｍｍより大きい場合、ガラスレンズの固定位置の精度は増すが、前述の如く、光学長（Ｌ１ａ，Ｌ２ｂ、Ｌ２）が長くなる。その結果、光ファイバとの結合距離が長くなり、例えば、光ファイバを固定するスリーブ部品の全長が長くなる。スリーブ長が長くなると、接着剤による部品固定時に固定ズレの影響を直接的に受け易くなり、光ファイバに対する結合効率が悪化する。
なお、特に好ましいレンズ部材の直径Ｄとして、０.６〜１.２ｍｍが挙げられる。

また、比較例２では、レンズ部材の直径Ｄを１.８ｍｍとした場合、トラッキングエラーは０.１６ｄＢと小さかったが、樹脂レンズ部とフェルールとの距離Ｌ２が大きく、前述の如く、パッケージとレセプタクルスリーブとを樹脂固定する際に生じる傾きの影響を受けやすく結合効率が劣化するものが発生した。

１…光モジュール、２…発光素子、３…リードフレーム、３ａ…リード端子、３ｂ…切り欠き部、４…ガラスレンズ部材、５…パッケージ、６…サブマウント、７…連通孔、１０…樹脂レンズ部、１１…金型、１２…下金型、１２ａ…凹部、１２ｂ…リードフレーム保持部、１３…上金型、１３ａ…凹部、１４…位置決めピン、１５…位置決めピン、１６…キャビティ、１７…レセプタクルスリーブ、１８…フェルール、１０１…光モジュール、１０２…シリコンオプティカルベンチ、１０３…発光素子、１０４…球レンズ、１０５…透明樹脂。

Claims (5)

1. 発光素子が搭載されたリードフレームとガラスレンズ部材とを成形金型のキャビティに配置し、前記キャビティに溶融樹脂を注入することによりレンズ部を備えた樹脂モールドが形成される光モジュールの製造方法であって、
   前記成形金型のキャビティは、前記ガラスレンズ部材を前記発光素子の光軸上に位置決めして保持する位置決めピンを備えていることを特徴とする光モジュールの製造方法。
2. 前記リードフレームには、前記ガラスレンズ部材を前記発光素子の光軸上に位置決めする切り欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュールの製造方法
3. 前記ガラスレンズ部材は、前記溶融樹脂よりも高い屈折率を有し、且つ、外径がφ０.６ｍｍよりも大きく、φ１.５ｍｍよりも小さい球レンズであ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の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュールの製造方法によって製造されたことを特徴とする光モジュール。
5. 前記位置決めピンにより形成された貫通孔に、放熱性を有する放熱体が前記ガラスレンズ部材と接するように挿入固定されていることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。

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