JP2018022720A - 光学モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な機械的強度でリードピンを固定することができるとともに、内部の光学素子の破壊や変形が生じにくい光学モジュールを提供する。【解決手段】光学モジュール１は、底板１０と、底板１０に対して固定される光学素子２０と、光学素子２０に電力を供給するための導電性リードピン３０と、底板１０上に配置されるカバー体４０とを備えている。カバー体４０には、リードピン３０を収容空間Ｓから外部に延出させる開口部４８が形成されている。光学モジュール１は、リードピン３０と光学素子２０とを電気的に接続する導電性ワイヤ５０と、ワイヤ５０よりも熱抵抗が低い絶縁性の伝熱部材８０と、カバー体４０の開口部４８を覆う絶縁性のキャップ部材６０と、キャップ部材６０をカバー体４０に固定する固定樹脂６４と、リードピン３０をキャップ部材６０に対して固定する固定樹脂７０とを備えている。伝熱部材８０は、リードピン３０を底板１０に接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学モジュール及びその製造方法に係り、特に外部からリードピンを介して電源が供給される光学素子を備えた光学モジュール及びその製造方法に関するものである。

従来から、外部電源に接続されたリードピン（リードフレーム）とパッケージ内の半導体素子とを導電性ワイヤで接続し、リードピンを介して外部から半導体素子に電力を供給する半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。光学モジュールにおいても内部の光学素子に電力を供給するためにこのようなリードピンが用いられている。このリードピンを十分な機械的強度で固定するためには、一般的に高温環境下での固定が要求される。

しかしながら、リードピンはワイヤを介して半導体素子や光学素子に接続されているため、リードピンを高温に加熱すると、リードピンの熱がワイヤを介して半導体素子や光学素子に伝わってしまい、これらの素子の破壊や変形を引き起こす可能性がある。

特開昭６３−１４７３５４号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、十分な機械的強度でリードピンを固定することができるとともに、内部の光学素子の破壊や変形が生じにくい光学モジュールを提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、内部の光学素子の破壊や変形を引き起こすことなく、リードピンに十分な機械的強度を持たせることのできる光学モジュールの製造方法を提供することを第２の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、十分な機械的強度でリードピンを固定することができるとともに、内部の光学素子の破壊や変形が生じにくい光学モジュールが提供される。この光学モジュールは、底板と、上記底板に対して固定される光学素子と、外部電源から上記光学素子に電力を供給するための導電性のリードピンと、上記光学素子を収容する収容空間が内部に形成されるように上記底板上に配置されるカバー体とを備えている。このカバー体には、上記リードピンを上記収容空間から外部に延出させる開口部が形成されている。上記光学モジュールは、上記収容空間の内部で上記リードピンと上記光学素子とを電気的に接続する導電性ワイヤと、上記ワイヤよりも熱抵抗が低い絶縁性の伝熱部材とを備えている。この伝熱部材は、上記収容空間内で上記リードピンを上記底板に接続している。また、上記光学モジュールは、上記カバー体の外側から上記開口部を覆う絶縁性のキャップ部材を備えている。このキャップ部材には、上記リードピンが挿通される挿通孔が形成されている。上記光学モジュールは、上記キャップ部材を上記カバー体に固定する第１の固定樹脂と、上記挿通孔に挿通された上記リードピンを上記キャップ部材に対して固定する第２の固定樹脂とを備えている。上記伝熱部材の少なくとも一部は、上記ワイヤが接続される部分よりも上記キャップ部材に近い部分で上記リードピンに接続される。

このように、リードピンが、ワイヤよりも熱抵抗が低い伝熱部材によって底板に接続されているので、リードピンを固定する際に加熱してもリードピンを伝達する熱がワイヤに伝わるよりも伝熱部材に伝わることとなる。したがって、リードピンの熱がワイヤを介して光学素子に伝わることを防止することができ、内部の光学素子の破壊や変形を防止することができる。これにより、リードピンを高温にすることが可能となるので、リードピンを固定する第２の固定樹脂として機械的強度の高い高温熱硬化樹脂を用いることができ、リードピンを頑強に固定することが可能となる。

上記キャップ部材には、上記挿通孔に連通する凹部が形成されていてもよく、この凹部に上記第２の固定樹脂を充填することが好ましい。第２の固定樹脂を加熱しても、その熱はリードピンから伝熱部材を介して底板に伝達され、内部の光学素子の破壊や変形が生じにくいため、この凹部に充填する第２の固定樹脂として機械的強度の高い高温熱硬化樹脂、例えば硬化温度が１５０℃以上の高温熱硬化樹脂を用いることができる。したがって、リードピンを頑強に固定することができる。なお、第１の固定樹脂としては、４０℃以下で硬化する常温熱硬化樹脂、１５０℃未満、好ましくは１００℃以下で硬化する低温熱硬化樹脂、光硬化樹脂のいずれかを用いることができる。

本発明の第２の態様によれば、リードピンに十分な機械的強度を持たせることのできる光学モジュールの製造方法が提供される。この方法では、光学素子と伝熱部材とを底板に対して固定し、外部電源から上記光学素子に電力を供給するための導電性のリードピンを上記伝熱部材に固定する。上記リードピンと上記光学素子とを上記伝熱部材よりも熱抵抗が高い導電性ワイヤで電気的に接続する。カバー体の内部に形成された収容空間に上記光学素子、上記伝熱部材、及び上記ワイヤを収容しつつ、該カバー体に形成された開口部から上記伝熱部材に固定されたリードピンを外部に延出させた状態で、上記カバー体を上記底板上に固定する。上記カバー体の上記開口部の周囲に第１の固定樹脂を塗布する。キャップ部材に形成された挿通孔に上記リードピンを挿通して、上記カバー体の外側から上記キャップ部材で上記カバー体の上記開口部を覆い、上記第１の固定樹脂を硬化させることで上記キャップ部材を上記カバー体に固定する。上記キャップ部材の上記挿通孔に挿通された上記リードピンの周囲に第２の固定樹脂を形成し、上記リードピンの端部を加熱することにより上記第２の固定樹脂を硬化させて上記リードピンを上記キャップ部材に固定する。上記伝熱部材の少なくとも一部は、上記ワイヤが接続される上記リードピンの部分よりも上記キャップ部材に近い部分で上記リードピンに接続される。

このように、リードピンを、ワイヤよりも熱抵抗が低い伝熱部材によって底板に接続することにより、第２の固定樹脂を硬化させるためにリードピンの端部を加熱してもリードピンを伝達する熱がワイヤに伝わるよりも伝熱部材に伝わることとなる。したがって、リードピンの熱がワイヤを介して光学素子に伝わることを防止することができ、光学素子の破壊や変形を防止することができる。これにより、リードピンを高温にすることが可能となるので、第２の固定樹脂として機械的強度の高い高温熱硬化樹脂を用いることができ、リードピンを頑強に固定することが可能となる。

本発明によれば、リードピンが、ワイヤよりも熱抵抗が低い伝熱部材によって底板に接続されているので、リードピンを固定する際に加熱してもリードピンを伝達する熱がワイヤに伝わるよりも伝熱部材に伝わることとなる。したがって、リードピンの熱がワイヤを介して光学素子に伝わることを防止することができ、内部の光学素子の破壊や変形を防止することができる。これにより、リードピンを高温にすることが可能となるので、リードピンを固定する第２の固定樹脂として機械的強度の高い高温熱硬化樹脂を用いることができ、リードピンを頑強に固定することが可能となる。

本発明の一実施形態における光学モジュールを模式的に示す図である。 図１のＡ−Ａ'線断面図である。 図１の光学モジュールの右側面図である。 図１の光学モジュールにおけるカバー体を示す正面図である。 図４のカバー体の平面図である。 図４のカバー体の右側面図である。 図１の光学モジュールのキャップ部材をカバー体の開口部に挿入される側から見た斜視図である。 図１の光学モジュールのキャップ部材を図７とは反対側から見た斜視図である。 図１の光学モジュールを製造する工程を説明する断面図である。 図１の光学モジュールを製造する工程を説明する断面図である。 図１の光学モジュールを製造する工程を説明する断面図である。 図１の光学モジュールを製造する工程を説明する断面図である。 図１の光学モジュールを製造する工程を説明する断面図である。 図１の光学モジュールを製造する工程を説明する断面図である。 図１の光学モジュールを製造する工程を説明する断面図である。

以下、本発明に係る光学モジュールの実施形態について図１から図９Ｇを参照して詳細に説明する。なお、図１から図９Ｇにおいて、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図９Ｇにおいては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。

図１は、本発明の一実施形態における光学モジュール１を模式的に示す縦断面図、図２は、図１のＡ−Ａ'線断面図、図３は、右側面図である。図１から図３に示すように、光学モジュール１は、例えば銅などの熱伝導性の高い金属から形成される底板１０と、底板１０の上面１０Ａに固定された半導体レーザ素子などの光学素子２０と、外部電源（図示せず）から光学素子２０に電力を供給するための２本の導電性リードピン３０と、底板１０の上面１０Ａに固定されたカバー体４０と、リードピン３０と光学素子２０とを電気的に接続する導電性ワイヤ５０と、底板１０の上面１０Ａに固定された伝熱部材８０とを備えている。底板１０の下面には、ヒートシンク１２が接続されており、底板１０の熱をヒートシンク１２により外部に放出するようになっている。

図４はカバー体４０を示す正面図、図５は平面図、図６は右側面図である。図４から図６に示すように、カバー体４０は、ハット（帽子）のような形状をしており、ＸＹ平面に延びるフランジ部４１と、フランジ部４１からＺ方向に延びる側壁４２〜４５と、側壁４２〜４５の上端でＸＹ平面に延びる蓋部４６とを含んでいる。図５に示すように、フランジ部４１には、カバー体４０を固定するネジ１４（図１参照）を挿通させるためのネジ孔４７が形成されている。このようなカバー体４０は、例えば金属や熱伝導性の高い樹脂から形成される。

ここで、カバー体４０のフランジ部４１と底板１０との間には、柔軟性のある材料（例えばシリコンゴム）からなるパッキン（図示せず）が配置されている。このパッキンをフランジ部４１と底板１０との間に挟んだ状態で、固定用のネジ１４をフランジ部４１のネジ孔４７に挿通させて底板１０に螺合させることでカバー体４０が底板１０に固定される。カバー体４０を底板１０上に固定することによりカバー体４０の内部には光学素子２０を収容する収容空間Ｓが形成される。この収容空間Ｓは、カバー体４０のフランジ部４１と底板１０との間に配置されたパッキンによって封止される。

図６に示すように、カバー体４０の側壁４３には、側壁４３の下端から上方に向かって延びる２つの開口部４８が形成されている。この開口部４８が形成されている部分には上述したフランジ部４１が形成されていない（図５及び図６参照）。図１に示すように、リードピン３０は、カバー体４０の内部の収容空間Ｓからこれらの開口部４８を通ってカバー体４０の外部まで延びている。この開口部４８は、電気的に絶縁性を有する材料からなるキャップ部材６０によって覆われている。

リードピン３０は、収容空間Ｓ内で伝熱部材８０上に固定されている。この伝熱部材８０は、電気的に絶縁性を有する材料から形成されており、熱伝導性の高い材料から形成されていることが好ましい。例えば、伝熱部材８０としてアルミナを用いることができる。伝熱部材８０の少なくとも一部は、ワイヤ５０が接続されるリードピン３０の部分よりもキャップ部材６０に近い部分でリードピン３０に接続されている。この伝熱部材８０の熱抵抗はワイヤ５０の熱抵抗よりも低い。

図７及び図８はキャップ部材６０の斜視図であり、図７は、キャップ部材６０をカバー体４０の開口部４８に挿入される側から見たものであり、図８は、これとは反対側から見たものである。図７及び図８に示すように、キャップ部材６０は、開口部４８よりも小さな外形を有する第１の部分６１と、開口部４８よりも大きな外形を有する第２の部分６２とを有している。図１に示すように、キャップ部材６０の第１の部分６１は、側壁４３に形成された開口部４８に挿入されており、第２の部分６２はカバー体４０の外側に位置している。このように、キャップ部材６０は、側壁４３に形成された開口部４８をカバー体４０の外側から覆うように配置されている。

キャップ部材６０は固定樹脂６４（第１の固定樹脂）によってカバー体４０に固定されている。この固定樹脂６４は、耐熱性が高く、熱伝導性の低い樹脂であることが好ましい。固定樹脂６４として、例えば４０℃以下で硬化するような常温熱硬化樹脂、例えば１５０℃未満、好ましくは１００℃以下で硬化するような低温熱硬化樹脂、紫外線などの光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いることができる。

また、図７及び図８に示すように、キャップ部材６０には、リードピン３０が挿通される挿通孔６６と、この挿通孔６６に連通する凹部６８とが形成されている。図１に示すように、この凹部６８には、挿通孔６６に挿通されたリードピン３０をキャップ部材６０に固定するための固定樹脂７０（第２の固定樹脂）が充填される。この固定樹脂７０としては例えば１５０℃以上で硬化するような高温熱硬化樹脂（例えばエポキシ系樹脂）を用いることができる。

次に、上述した光学モジュール１の製造方法について図９Ａから図９Ｇを参照して説明する。まず、図９Ａに示すように、底板１０上に光学素子２０を実装する。なお、この例では、光学素子２０を直接底板１０上に実装しているが、サブマウントなどの部材を介して底板１０上に光学素子２０を実装してもよい。

次に、図９Ｂに示すように、半田や樹脂などを用いて底板１０上に伝熱部材８０を固定し、この伝熱部材８０上にリードピン３０の端部を半田や樹脂などにより固定する。そして、図９Ｃに示すように、リードピン３０と光学素子２０とをワイヤ５０により接続する。このワイヤ５０の接続は、光学素子２０にダメージを与えない条件（例えば、圧力、超音波、温度）の下で超音波接合によるワイヤボンディングにより行われる。

次に、図示はしないが、底板１０上のカバー体４０のフランジ部４１に対応する位置にパッキンを配置し、カバー体４０のフランジ部４１がパッキン上に位置するようにカバー体４０を配置する。そして、図９Ｄに示すように、ネジ１４によってカバー体４０を底板１０上に固定する。これにより、光学素子２０、伝熱部材８０、及びワイヤ５０がカバー体４０の内部に収容され、カバー体４０に形成された開口部４８からリードピン３０が外側に延出した状態となる。

そして、図９Ｅに示すように、カバー体４０の開口部４８の周囲に固定樹脂６４を塗布した後、図９Ｆに示すように、リードピン３０の端部からキャップ部材６０の挿通孔６６にリードピン３０を挿通させて、カバー体４０の外側からキャップ部材６０でカバー体４０の開口部４８を覆う。この状態で固定樹脂６４を硬化させてキャップ部材６０をカバー体４０に固定する。

次に、図９Ｇに示すように、キャップ部材６０の凹部６８に固定樹脂７０を充填して、挿通孔６６に挿通されたリードピン３０の周囲に固定樹脂７０を充填する。この固定樹脂７０としては例えば１５０℃以上で硬化するような高温熱硬化樹脂（例えばエポキシ系樹脂）を用いることができる。

この状態で、リードピン３０の先端３０Ａを加熱することで、固定樹脂７０に熱が伝達され、固定樹脂７０が硬化する。これによって、リードピン３０がキャップ部材６０に固定される。このとき、リードピン３０がワイヤ５０よりも熱抵抗の低い伝熱部材８０によって底板１０に接続されているので、リードピン３０に与えられた熱は、ワイヤ５０に伝達するよりも、伝熱部材８０に伝達することとなる。したがって、リードピン３０の熱がワイヤ５０を介して光学素子２０に伝わることを防止することができ、光学素子２０の破壊や変形を防止することができる。このように、リードピン３０を高温にすることが可能となるので、固定樹脂７０として機械的強度の高い高温熱硬化樹脂を用いることができ、リードピン３０を頑強に固定することが可能となる。固定樹脂７０として高温熱硬化樹脂を用いることで、例えば、引張弾性率が２ＧＰａ以上の硬さでリードピン３０を固定することができる。

なお、リードピン３０を加熱している間は、ヒートシンク１２を冷却して１０℃〜２５℃となるようにすることが好ましい。このようにヒートシンク１２を冷却することにより、リードピン３０から伝熱部材８０、底板１０を経由してヒートシンク１２に至る熱経路を形成することができる。

また、上述したように、キャップ部材６０は、耐熱性が高く、熱伝導性の低い材料から形成されているので、リードピン３０を加熱したときに生じる熱に耐えることができ、この熱をキャップ部材６０の凹部６８に充填された固定樹脂７０に閉じ込めることができる。したがって、固定樹脂７０に効率的に熱を伝達することができる一方で、カバー体４０などには熱が伝達されにくい。

銅製の底板１０、アルミナ製の伝熱部材８０、銅製のリードピン３０、ステンレス製のカバー体４０、ＰＥＥＫ樹脂からなるキャップ部材６０、シリコン系接着樹脂からなる固定樹脂６４、硬化温度が１５０℃以上の高温熱硬化樹脂からなる固定樹脂７０を用い、リードピン３０の先端を２５０℃に加熱し、その状態を２０分保持して、固定樹脂７０を硬化させて光学モジュール１を作製したところ、リードピン３０の先端に水平方向の荷重を負荷したときのシェア強度は合格基準（１０Ｎ以上）を満たす１５．５Ｎとなり、気密性を示すＨｅリークレートも合格基準（１．０×１０^-4atm cc/sec未満）を満たす０．５２×１０^-4atm cc/secとなった。また、樹脂の変色や焦げも生じず、カバー体４０による封止の前後における出力変動も合格基準（±２．０％）を満たす０．５％となった。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ 光学モジュール
１０ 底板
１０Ａ 上面
１２ ヒートシンク
１４ ネジ
２０ 光学素子
３０ リードピン
４０ カバー体
４１ フランジ部
４２〜４５ 側壁
４６ 蓋部
４７ ネジ孔
４８ 開口部
５０ ワイヤ
６０ キャップ部材
６１ 第１の部分
６２ 第２の部分
６４ 固定樹脂
６６ 挿通孔
６８ 凹部
７０ 固定樹脂
８０ 伝熱部材
Ｓ 収容空間

Claims (5)

1. 底板と、
   前記底板に対して固定される光学素子と、
   外部電源から前記光学素子に電力を供給するための導電性のリードピンと、
   前記光学素子を収容する収容空間が内部に形成されるように前記底板上に配置されるカバー体であって、前記リードピンを前記収容空間から外部に延出させる開口部が形成されたカバー体と、
   前記収容空間の内部で前記リードピンと前記光学素子とを電気的に接続する導電性ワイヤと、
   前記ワイヤよりも熱抵抗が低い絶縁性の伝熱部材であって、前記収容空間内で前記リードピンを前記底板に固定する伝熱部材と、
   前記カバー体の外側から前記開口部を覆う絶縁性のキャップ部材であって、前記リードピンが挿通される挿通孔が形成されたキャップ部材と、
   前記キャップ部材を前記カバー体に固定する第１の固定樹脂と、
   前記挿通孔に挿通された前記リードピンを前記キャップ部材に対して固定する第２の固定樹脂と、
   を備え、
   前記伝熱部材の少なくとも一部は、前記ワイヤが接続される前記リードピンの部分よりも前記キャップ部材に近い部分で前記リードピンに接続される
   ことを特徴とする光学モジュール。
2. 前記キャップ部材には、前記挿通孔に連通する凹部であって前記第２の固定樹脂を充填する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学モジュール。
3. 前記第２の固定樹脂は、硬化温度が１５０℃以上の高温熱硬化樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の光学モジュール。
4. 前記第１の固定樹脂は、４０℃以下で硬化する常温熱硬化樹脂、１５０℃未満で硬化する低温熱硬化樹脂、光硬化樹脂のいずれかであることを特徴する請求項１から３のいずれか一項に記載の光学モジュール。
5. 光学素子と伝熱部材とを底板に対して固定し、
   外部電源から前記光学素子に電力を供給するための導電性のリードピンを前記伝熱部材に固定し、
   前記リードピンと前記光学素子とを前記伝熱部材よりも熱抵抗が高い導電性ワイヤで電気的に接続し、
   カバー体の内部に形成された収容空間に前記光学素子、前記伝熱部材、及び前記ワイヤを収容しつつ、該カバー体に形成された開口部から前記伝熱部材に固定されたリードピンを外部に延出させた状態で、前記カバー体を前記底板上に固定し、
   前記カバー体の前記開口部の周囲に第１の固定樹脂を塗布し、
   キャップ部材に形成された挿通孔に前記リードピンを挿通して、前記カバー体の外側から前記キャップ部材で前記カバー体の前記開口部を覆い、
   前記第１の固定樹脂を硬化させることで前記キャップ部材を前記カバー体に固定し、
   前記キャップ部材の前記挿通孔に挿通された前記リードピンの周囲に第２の固定樹脂を形成し、
   前記リードピンの端部を加熱することにより前記第２の固定樹脂を硬化させて前記リードピンを前記キャップ部材に固定し、
   前記伝熱部材の少なくとも一部は、前記ワイヤが接続される前記リードピンの部分よりも前記キャップ部材に近い部分で前記リードピンに接続される
   ことを特徴とする光学モジュールの製造方法。

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