JP2713142B2 - 光素子の実装構造および方法 - Google Patents
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Description
等で用いられる光素子の実装構造に関する。
電気信号による通信から大容量化に有利な光通信への移
行が進んでいる。さらに今日では、光通信の一般加入者
系への適用も考えられており、このため、光通信用光デ
バイスの低価格化が求められている。しかしながら、光
デバイスの製造においては、半導体レーザ等の発光素
子、受光素子、レンズ、光ファイバ等の光素子それぞれ
の光軸を高精度に合わせて基板上に実装する必要があ
り、光軸調整に多くの工数が必要とされる。そこで、低
価格化に有効な実装方法として光素子を無調整で基板上
に実装する方法が検討されている。
うな方法がある。すなわち、基板上に半田バンプを形成
し、この半田バンプ上に光素子を仮置きしてバンプを加
熱溶融させると、半田はその表面張力で光素子と接合し
た状態で面積が最小になるように形状を変化させる。そ
の結果、光素子が半田の表面張力によって移動し、光素
子が半田バンプの真上にくるように位置決めされる(セ
ルフアライメント効果)。
例が、1991年8月の電子情報通信学会の光量子エレ
クトロニクス研究会資料、第45−5頁所載の論文「光
並列伝送用薄型LED/PDアレーモジュール」に紹介
されている。
装方法では、セルフアライメント効果により、基板に対
して水平方向の位置決め精度は良好である。しかし、垂
直方向の実装上必要な±1μmの精度に位置決めするに
は、半田の堆積を0.1μg以下の精度で制御しなくて
はならず、極めて困難であった。
時に行う光素子の実装構造が、1992年のIEEE、
第93−97頁、K.P.Jacksonらによる論文
「プレーナ型導波路とフリップチップ光電素子を使用し
た小型多チャンネル送信モジュール」(A Compa
ct Multichannel Transceiv
er Module Using Planar−Pr
ocessed Waveguide and Fli
p−Chip OptoelectronicComp
onents)に記載されている。この論文に記載され
た実装構造は、stand−offと称する4つの位置
決め台を基板上に実装されるレーザダイオードチップの
4角の下に形成し、そのチップの4角を削って溝を形成
することでアライメントストップを設けたものである。
チップの4角を削った溝部分は、4つの位置決め台の上
に載せられ、チップの下の半田バンプが溶融している間
にチップが水平及び垂直方向に移動する。移動途中で、
チップの4角の溝のアライメントストップのいずれかが
位置決め台に当接してチップが動かなくなると位置決め
が終了する。
方向の位置決めを、アライメントストップの位置決め台
への当接によって実現するので、4つの位置決め台の位
置精度とチップの4角に設けた溝の寸法精度が厳格でな
いと、半田溶融後にチップが希望する位置に固定されな
い。従って、精度の厳格さのため製造費用がかかり、高
価の実装構造となる。
高精度に実装することにより、製造コストを下げ、かつ
大量生産を容易にする実装構造を提供することにある。
装構造は、第1の電極パッドを有する光素子チップを実
装する基板と、その基板上に第1の電極パッドに対応す
る位置に形成した第2の電極パッドと、その第2の電極
パッド上に形成され光素子チップを載せる半田バンプ
と、基板上に形成され、光素子チップを乗せた状態で半
田バンプを溶融後に光素子チップが静置される所定の高
さの位置決め台とを含む。基板表面から半田バンプのト
ップまでの高さHyと位置決め第の高さHxと第1の電
極パッドの第2の電極パッドに対する位置ずれ量sとの
関係は、(Hy−Hx)≧sである。
合工程は、基板上に設けた第2の電極パッドの上に半田
バンプを形成し、光素子の第1の電極パッドを半田バン
プ上に位置合わせをして仮に載置する工程と、加熱によ
り溶融した半田バンプの第2の電極パッドの表面への広
がりと表面張力による半田バンプの形状変化によって、
第2の電極パッドの真上に第1の電極パッドがくるよう
に基板表面に対して水平方向に光素子が移動すると同時
に、半田バンプの形状変化による厚みの減少によって第
2の電極パッドの近傍に設けられた位置決め台上に光素
子の下面が突き当たり、垂直方向の位置が決まる工程を
含む。
説明する。
図、図2はレーザダイオードを載せた状態での図1の実
装構造の側面図である。
O2 で形成された高さHx(μm)の互いに平行な位置
決め台3a,3bと、Cr膜とAu膜を積層して設けた
直径50μmの円形電極パッド6a,6b,6c,6d
が形成されている。円形電極パット6a,6b,6c,
6dは、レーザダイオードチップ1に形成された4つの
電極パッド5と同じ間隔で形成されている。電極パッド
6a,6b,6c,6d上には、それぞれAuSnの半
田が供給され、加熱溶融によって半田バンプ2が形成さ
れる。半田バンプ2の供給量が多い場合、半田バンプの
形状は図のようにほぼ球形になるが、供給量が少ない場
合、半田バンプは球の上部を切りとった形状になる。
プ2の上に配置されるレーザダイオードチップ1の一辺
の長さとほぼ同じで、その間隔dはレーザダイオードチ
ップ1の一辺の長さよりも短い。また、半田バンプ2の
トップのシリコン基板4からの高さHyと位置決め台3
a,3bの高さHxとの差(Hy−Hx)は、レーザダ
イオードチップ1の仮置き時の水平方向の位置ずれ量s
に等しいかそれよりも大きい。位置ずれ量sは電極パッ
ド5の電極パッド6a,6bに対するずれ量である。
について図3(a)から(d)を参照して説明する。最
初、図3(a)に示すように、半田バンプ上に電極パッ
ド5がくるように、レーザダイオードチップ1が搭載装
置100によって仮置きされる。この仮置き時の位置ず
れ量sは約7μmである。つぎに図3(b)に示すよう
に、シリコン基板4がホットプレート200によって半
田バンプ溶融点以上に加熱され、これによって半田バン
プ2が溶融する。溶融した半田バンプ2は表面張力によ
り表面積が最小になるように形状を変化させる。この
際、図3(c)に示すように、電極パッド6a,6b,
6c,6dの中心軸上に電極パッド5の中心がくるよう
に、半田バンプ2がレーザダイオードチップ1を水平方
向に移動させる。レーザダイオードチップ1は、半田バ
ンプ2の変形により水平方向に移動しつつ垂直方向にも
基板に向かって移動する。水平方向への移動距離は、仮
置き時の位置ずれ量の7μmである。垂直方向への移動
距離は、仮置き時の基板から半田バンプ2のトップまで
の高さHy(μm)と位置決め台3a,3bの高さHx
の差(Hy−Hx)である。半田バンプの変形によるレ
ーザダイオードチップ1の移動速度は垂直方向と水平方
向でほぼ等しく、水平方向の移動距離が垂直方向の移動
距離(Hy−Hx)より小さいので、水平方向における
セルフアライメント完了時点でもまだレーザダイオード
チップ1は位置決め台3に突き当たっていない。従っ
て、図3(d)に示すように、水平方向に移動が完了し
た後にレーザダイオードチップ1は位置決め台3a,3
bに突き当たり停止する。この様にしてレーザダイオー
ドチップ1を水平方向にも垂直方向にも1μm以下の高
精度で位置決め接合できる。
ドチップ1の水平方向の移動量より垂直方向の移動量の
方が多くなるように位置決め台の高さを設計するため
に、シリコン基板上の電極パッド径、半田バンプの堆積
を予め決めておく必要がある。電極パッド上の溶融した
半田は、その大きい表面張力によりきわめて球形に近い
形状となる。そこで、半田バンプを球の一部を切りとっ
た形状とみなす。図4に示すように、半田バンプの堆積
をV、電極パッドの直径をR、仮置き時の半田バンプ高
さをhとすると、V,R,hの間には以下の関係が成り
立つ。
を代入して、 V=πh(4h2 +3R2 )/24 (1) ただし、(1)式は、球の上部を切りとった部分の堆積
であるが、図1,2のように半田量が多いときには
(1)式の堆積Vを球の堆積から差し引けば良い。
パッドの直径dに基づく必要な半田供給量Vが決まる。
次に位置決め台3a,3bの高さHxを決定する場合、
溶融した半田バンプ2の高さがセルフアライメント後
(チップ接合後)にどのくらい変化するかを計算する。
その変化量によって前述の差(Hy−Hx)が決定され
る。チップ接合後の半田形状は図5に示すように球の上
部と下部を切りとった形状と考え、接合後の半田バンプ
の高さH、電極パッドの直径d、半田バンプの堆積Vの
関係について計算する。この場合、レーザダイオードチ
ップとシリコン基板の電極パッドの直径は同一とし、チ
ップ重量による半田形状の歪は無視するものとすると、
堆積Vは次のように表せられる。
を代入すると、 V=πH(3R2 +2H2 )/12 (2) 従って、(Hy−Hx)は(h−H)に等しいかそれに
近い値に設定する。ただし、(Hy−Hx)≧sの関係
は最低限満たさなければならない。
レーザダイオードチップとシリコン基板の電極パッドの
直径Dを決めて、半田バンプのチップ接合前の高さhと
接合後の高さHを(1)と(2)式から計算した値と実
測値を比較すると、両者の誤差は2から4.8%程度で
かなり近似している。
示す平面図である。図において、位置決め台3a,3
b,3c,3dはそれぞれ図1の実装構造の位置決め台
3a,3bと同じ高さおよび電極パッドを挟んで同じ間
隔dで形成されている。このように位置決め台は必ずし
も直線状である必要はなく、レーザダイオードチップが
安定して搭載される位置ならばどのような形状および配
置でも良い。
図、図8はレーザダイオードチップ1を搭載した状態の
図7の実装構造の側面図である。図において、半田バン
プ2が搭載された円形電極パッド60a,60b,60
c,60dと位置決め台30a,30c,30dとがシ
リコン基板4上にそれぞれ交互にかつ環状(正方形状)
に配置されている。位置決め台の高さHxと半田バンプ
の高さHyと半田バンプの上に搭載するレーザダイオー
ドチップ1の水平方向の位置ずれ量sとの関係は、図1
の実施例と同じである。すなわち、(Hy−Hx)≧s
が成立している。この場合、前述の(1),(2)式が
成立するように実装すると、よりいっそう精密にレーザ
ダイオードチップ1を位置決めできる。第3の実施例の
ように位置決め台が各半田バンプ60a,60b,60
c,60dの間に配置されることによって、シリコン基
板4の表面が効率よく使用される。
ドを使用したが、電極パッドの形状は、位置決め台の高
さHxと半田バンプの高さHyと半田バンプの上に搭載
するレーザダイオードチップ1の水平方向の位置ずれ量
sとの関係に、(Hy−Hx)≧sが成立すれば、実施
例に限定されない。また、半田バンプ上に搭載する光素
子はレーザダイオードに限定せず、LEDあるいはフォ
トダイオードであっても良い。
光素子を容易に高精度に実装でき、位置決め台の位置精
度も厳格ではないので製造コストが低くなり、大量生産
が容易になるという効果を有する。
る。
の実装構造の側面図である。
の接合過程を示し、(a),(b),(c),(d)は
それぞれ側面図である。
るための図である。
るための図である。
である。
である。
の実装構造の側面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 第1の電極パッドを有する光素子チップ
を実装する基板と、 前記基板上の前記第1の電極パッドに対応する位置に形
成された第2の電極パッドと、 前記第2の電極パッド上に形成され前記光素子チップを
載せる半田バンプと、 前記基板上に形成され、前記光素子チップを載せた状態
で前記半田バンプを溶融した後に前記光素子チップが静
置される所定の高さの位置決め台とを含み、 前記基板表面から前記半田バンプのトップまでの高さH
yと前記位置決め台の高さHxと前記第1の電極パッド
の前記第2の電極パッドに対する前記光素子チップを前
記半田バンプを溶融する前に仮置きしたときの位置ずれ
量sとの関係が (Hy−Hx)≧sである ことを特徴とする光素子の実装構造。 - 【請求項2】 前記第1及び第2の電極パッドは円形電
極パッドであることを特徴とする請求項1記載の光素子
の実装構造。 - 【請求項3】 前記基板表面から前記半田バンプのトッ
プまでの高さHyと前記位置決め台の高さHxとの差
(Hy−Hx)は、前記半田バンプの堆積をV、前記第
1及び第2の電極パッドの直径をR、仮置き時の半田バ
ンプ高さをh、接合後の前記半田バンプの高さをHとす
ると、V、R、h、Hの間に以下の関係 が成立するときのHとhとの差(h−H)に等しいかそ
れに近い値に設定されていることを特徴とする請求項2
記載の光素子の実装構造。 - 【請求項4】 前記位置決め台は前記第2の電極パッド
の外側に所定の間隔で互いに変更に形成されたことを特
徴とする請求項1記載の光素子の実装構造。 - 【請求項5】 前記位置決め台と前記第2の電極パッド
は前記基板上に所定の間隔で交互にかつ環状に形成され
たことを特徴とする請求項1記載の光素子の実装構造。 - 【請求項6】 前記位置決め台は絶縁体であることを特
徴とする請求項1記載の光素子の実装構造。 - 【請求項7】 第1の電極パッドがそのチップ下面に形
成された光素子チップを、基板上の前記第1の電極パッ
ドに対応する位置に形成された第2の電極パッド上に形
成される半田バンプ上に前記光素子チップを搭載し、前
記光素子チップを前記半田バンプに搭載した状態で前記
半田バンプを加熱溶融して溶融時の前記半田バンプの表
面張力によるセルフアライメントにより前記光素子チッ
プの位置ずれを補正して実装する光素子の実装方法にお
いて、 前記基板表面から半田バンプのトップまでの高さのHy
と形成したときの基板からの高さHxとの差が、前記半
田バンプ上に前記光素子チップを仮置きしたときの水平
方向の位置ずれ量sとの関係が (Hy−Hx)≧s となるように、前記基板上に位置決め台を形成する工程
と、 前記基板上の前記第2の電極パッド上に前記の高さ(H
y)で前記半田バンプを形成する工程と、 前記光素子チップの前記第1の電極パッドを前記半田バ
ンプ上に位置合わせを行って仮に載置する工程と、 加熱により前記半田バンプを溶融しその表面張力による
前記半田バンプの形状変化によって前記第2の電極パッ
ドの真上に前記第1の電極パッドがくるように基板表面
に対して水平方向に前記光素子チップを移動させると同
時に、前記半田バンプの形状変化による厚みの減少によ
って前記第2の電極パッドの近傍に設けられた前記位置
決め台上に前記光素子チップの下面に突き当てて、垂直
方向の位置を決める工程とを含むことを特徴とする光素
子の実装方法。
Priority Applications (1)
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JP6023857A JP2713142B2 (ja) | 1994-02-22 | 1994-02-22 | 光素子の実装構造および方法 |
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JP6023857A JP2713142B2 (ja) | 1994-02-22 | 1994-02-22 | 光素子の実装構造および方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH07235566A JPH07235566A (ja) | 1995-09-05 |
JP2713142B2 true JP2713142B2 (ja) | 1998-02-16 |
Family
ID=12122112
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP6023857A Expired - Lifetime JP2713142B2 (ja) | 1994-02-22 | 1994-02-22 | 光素子の実装構造および方法 |
Country Status (1)
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Also Published As
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