JP3688162B2 - 光モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面光導波回路を用いた光回路部品であって、特に光素子搭載する基板の作製を容易にする構造を有する光モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザーダイオードのような大電流を流す光素子では放熱構造を考慮することが極めて重要である。光導波路基板を用いて基板平面上に光ハイブリッド集積した従来の光モジュールにおいては、光素子をシリコンの表面にフリップチップ実装してシリコン基板に熱を逃がす放熱構造をとってきた(例えば、橋本他、“PLCプラットフォーム上へパッシブアライメントによるLD,モニターPDの搭載”、1996年電子情報通信学会総合大会C−206、p206(1996))。
【0003】
図4にその従来例の構造を示す。図4の(a)に示すように、凹凸に加工したシリコン基板1上に石英導波路を形成して、光導波路のクラッド2−1、2−2と光導波路コア部分3のガラスを取り除き、シリコン基板の凸面1−1を露出させる。この凸面1−1に、半田膜6−1と電気配線6−2を形成し、光素子搭載部4を有する光導波路基板ができる。その光素子搭載部4の上に光素子7をフリップチップボンディングにより実装する。これにより光素子7で発生した熱が効率良くシリコン基板1に拡散して、光素子7の温度上昇が抑制される。
【0004】
図4の(b)は上記従来例の光モジュールの断面構造を示し、光素子7からシリコン基板1に熱が流れている様子を矢印30で示している。光素子7で発生した熱は、半田膜6−1、及びパッシベーション膜(ガラス)5を介してシリコン基板1へと流れる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来技術では、凹凸シリコン基板1の上に光導波路を形成して光素子7をフリップチップ搭載することにより、光素子7の放熱を行ってきたが、このような構造においても、光素子7と光導波路基板1の間に介在するパッシベーション膜5がガラスなどの物質でできているために、無視できない熱抵抗が発生する。このように、従来技術では、シリコン基板1上の絶縁層が5熱抵抗を高めてしまうという解決すべき課題があった。
【0006】
本発明の目的は、上述のような課題を解決し、導波路を有する基板上に光素子を搭載した絶縁層を有する光モジュールにおいて、絶縁層による熱抵抗を削減し、もしくは、その他の部分の熱伝導を高めることで、光モジュールの熱抵抗を改善することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の光モジュールは、導波路を有する平坦なシリコン基板上に絶縁層を介して光素子を搭載した光モジュールにおいて、接地された前記シリコン基板と前記光素子が半田で電気的に接続され、前記光素子と前記シリコン基板の間には、前記光素子の活性層と前記導波路のコアの高さが一致する厚さの前記絶縁層があり、前記光素子と前記シリコン基板間以外の部分の前記絶縁層を取除き、前記半田の一部を放熱のために前記シリコン基板上に延在させていることを特徴とする。
【0012】
[作用]
本発明では、導波路を有する平坦なシリコン基板上に絶縁層を介して光素子を搭載した光モジュールにおいて、接地されたシリコン基板と光素子が半田で電気的に接続され、光素子とシリコン基板の間には、光素子の活性層と導波路のコアの高さが一致する厚さの絶縁層があり、光素子とシリコン基板間以外の部分の絶縁層を取除き、半田の一部を放熱のためにシリコン基板上に延在させているので、光素子から発生する熱を半田を介して効率的にシリコン基板に伝えることができ、同時に比較的に広い面積に拡散させることができるので、熱抵抗を引き下げることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0014】
[第1の参考例]
図1の(a)は比較のための従来例の断面構造を示し、図1の(b)と(c)は本発明の第1の参考例の光モジュールの断面構造を示す。なお、図1は光素子搭載部上に光素子が搭載されている状態を示している。
【0015】
図1の(b)と(c)に示すように、本参考例に用いた光導波路は、シリコン基板1上に形成した石英系光導波路である。光素子搭載部4は、シリコン基板1の全面を覆っていた光導波路のクラッド部分2−1、2−1の一部をエッチングにより除去して作製した。このとき、光素子搭載部4に利用されるシリコン表面はむき出しになり、光素子7とシリコン基板1とが絶縁できない状態になる。この絶縁をとるための構造として、本実施形態では、この光導波路基板全体の表面に約2μm程度のガラス膜5をパッシベーション膜として堆積した。
【0016】
図1の(a)に示す従来の構造では、互いに接合する側の半田膜6の面積と光素子7の電極の面積とを同程度にしていたため、光素子7の接合部の面積、約250μm×250μmを考慮すると、約20℃/Wの熱抵抗がこの接合部分に発生することになる。ここで使用した光素子7はレーザーダイオード(LD)で、この熱抵抗によって、100mAの注入電流で駆動した場合、活性層部分7−1の熱が約2℃程度上昇した。
【0017】
そこで、本参考例では、図1の(b)に示すように、光素子7の大きさをそのままにして、使用している半田膜6の面積を1.5倍にした。従来では、半田膜6と光素子7の電極との面積を同程度にしていたので、従来に比べ、本参考例の半田膜6の面積は光素子7の電極パッドよりも十分大きくなっている。
【0018】
使用している半田膜6は4μmの厚さのAuSn半田であったので、半田膜6の断面積は約250μm×4μm×4辺程度であるが、半田膜6の熱伝導率が石英ガラスの約300倍なので、光素子7の直下のガラス5による熱抵抗の約1/20の値となって、図1の(c)に示すように、半田膜6を通じて、より広い面積に光素子7からの熱が拡散し、素子直下部分20のみならず、半田拡張部分21を加えた断面積(この場合、もとの面積の1.5倍の面積)のガラス5を通じてシリコン基板1に放熱される。光素子7の搭載後の熱抵抗を測定したところ、約2割程度、絶縁層部分5の熱抵抗が減少した。
【0019】
以上のように、本参考例では、電気配線の一部である半田膜6の面積を光素子7の電極面積よりも十分大きくとって、光素子搭載部4に配置するようにしたので、絶縁層5による熱抵抗を改善することが可能となる。
【0020】
[第1の実施形態]
図2は本発明の第1の実施形態の光モジュールの断面構造を示し、光素子搭載部4上に光素子7が搭載されている状態を示している。
【0021】
本実施形態に用いた光導波路はシリコン基板1上に形成した石英系光導波路である。光素子搭載部4はシリコン基板1の全面を覆って形成した光導波路のクラッド部分2−1、2−2の一部をエッチングにより除去して作製した。このとき、光素子搭載部4に利用されるシリコン基板1の表面はむき出しになる。シリコン基板1を接地することにより基板1をグラントとして光素子7を駆動すれば、光素子7は電気配線などと直接シリコン基板1上に形成することが可能となる。
【0022】
しかしながら、シリコン基板1上に作製された光導波路の電界の分布は光導波路コア3よりも広がっているため、光導波路コア3の位置をシリコン基板1よりも十分に離しておく必要がある。そこで、本実施形態では、光導波路コア3の位置を光素子7の光素子基板表面7−2から光素子活性層7−1までの距離よりも大きくとっていた。
【0023】
光素子7の光素子基板表面7−2から光素子活性層7−1までの距離(高さ)と、光導波路のコア3の高さを一致させるため、本実施形態では、光素子搭載部分4に絶縁層となるガラス膜5を8μm堆積した。このため、光素子7として本実施形態で使用した接合面積約250μm×250μmを有するレーザーダイオード(LD)を利用した場合、約80℃/W程度の熱抵抗が発生し、100mAで駆動した場合、レーザーダイオードの活性層7−1の温度を約8℃程度上昇させる。そこで、本実施形態では、図2の(a),(b)に示すように、光素子直下部分20以外のガラス5を除去して、さらに第1の実施形態と同様に半田膜6の面積を2倍程度にして半田拡張部分21まで半田膜6を広げることにした。
【0024】
使用している半田膜6は4μmの厚さのAuSn半田であったので、半田膜6の断面方向の熱抵抗は、この場合、光素子直下20のガラス5による熱抵抗の約1/80の値となって、図2(b)に矢印30で示すように、ガラス5を伝わるよりも、圧倒的に半田層6を伝わってシリコン基板1側へ拡散する熱が多くなる。さらに、その熱が拡散した先は、直接シリコン基板1に接触しているので、効率的に熱を逃がすことができる。
【0025】
本実施形態の光モジュールの熱抵抗を測定したところ、半田接合部分から基板にかけての熱抵抗が約4割程度少なくなり、熱特性上問題の無い光モジュールとなった。
【0026】
ここで、本実施形態では、光素子直下部分以外のガラス膜を除去したが、ガラス膜の一部のみを除去して、そこに、半田膜もしくは電気配線を引き込んで放熱させてもよい。また、光素子直下であっても、発熱部分以外であればその部分のガラスを除去して光素子直下の絶縁層を半田膜もしくは電気配線を引き込んで放熱させても良い。さらに、本実施形態では光素子直下部分以外のガラスを全て取り除いたが、取り除くガラスの量を調整して、電気配線と基板との絶縁をとってもよい。
【0027】
以上のように、本実施形態によれば、接地されたシリコン基板1と光素子7が半田層6で電気的に接続され、光素子7とシリコン基板1間には絶縁層5がある構成において、光素子直下20以外の絶縁層を取り除く、または薄くするようにしたので、光素子直下20の極端に放熱の悪い部分がある場合でも、効率的に熱抵抗を下げることが可能となる。
【0028】
[第2の参考例]
図3は本発明の第3の実施形態の光モジュールの断面構造を示し、光素子搭載部4上に光素子7が搭載されている状態を示している。本実施形態に用いた光導波路はシリコン基板上に形成した石英系光導波路である。
【0029】
図3の本参考例は前述の第1の参考例と同様に作製し、光導波路基板1の全体の表面に約2μm程度ガラス膜5を堆積した。このため、本参考例で用いた光素子としてのレーザーダイオード(LD)7の接合部の面積、約250μm×250μmを考慮すると、約20℃/Wの熱抵抗がこの部分に発生することになる。そこで、図3の(a)に示すように、本実施形態では、光素子7の周囲に透明シリコーン樹脂8を約2μm程度に薄く塗って、その外側にボロンナイトライドをフィラーとして含む約4W/(m・℃)のガラスと比較して高熱伝導性の樹脂9を塗布した。ここで、光素子7と光導波路端面2−3の間隙は約20μm程度あるが、シリコーン樹脂8の粘性によりこの間隙はシリコーン樹脂8により満たされ、光導波路コア3から出射した光が遮られることはなく、光素子活性層7−1へ入射する。高熱伝導性樹脂9の熱抵抗はガラスの約1/4程度であるから、高熱伝導性樹脂9で光素子7を覆うことにより、光素子7から発生する熱は図3の(b)の矢印30で示すような経路を通して高熱伝導性樹脂9側へも流れ、これにより放熱が改善される。
【0030】
この光モジュールの熱抵抗を測定したところ、光素子7からシリコン基板1にかけての熱抵抗が約2割減少した。
【0031】
ここでは、光素子7の周囲を高熱伝導率の樹脂9で覆ったが、光素子7および電気配線を透明な樹脂8で覆い、その上にメタル層(図示しない)を蒸着などで設けても同様の効果が得られる。
【0032】
以上のように、本参考例によれば、光素子7の周囲を透明な樹脂8で覆い、さらにその外側を熱伝導の高い樹脂9で覆うことにより、光モジュールの熱抵抗を簡便に、かつ効率的に下げることが可能となる。
【0033】
[他の実施形態]
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記第1の実施形態と第1、第2の参考例を必要に応じて自在に組み合わせてもよい。また、上述の絶縁膜、透明樹脂、高熱伝導性樹脂等の具体的材質も上述の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の光モジュールを構成する光素子は、レーザーダイオードに限定されず、発熱作用のため放熱が必要な光素子を有する光モジュールに対して本発明は好適である。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導波路を有する平坦なシリコン基板上に絶縁層を介して光素子を搭載した光モジュールにおいて、接地されたシリコン基板と光素子が半田で電気的に接続され、光素子とシリコン基板の間には、光素子の活性層と導波路のコアの高さが一致する厚さの絶縁層があり、光素子とシリコン基板間以外の部分の絶縁層を取除き、半田の一部を放熱のためにシリコン基板上に延在させているので、光素子から発生する熱を半田を介して効率的にシリコン基板に伝えることができ、同時に比較的に広い面積に拡散させることができるので、光モジュールの放熱を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の参考例の原理を説明する図で、(a)は従来の光素子搭載部の構造を示す縦断面図、(b)は本発明の第1の参考例の光モジュールにおける光素子搭載部と放熱構造を示す正面側の縦断面図、(c)は本発明の第1の参考例の光素子搭載部において光素子で発生した熱がシリコン基板に放熱される際の経路を波線矢印で示す側面側の縦断面図である。
【図2】 本発明の第1の実施形態の光モジュールにおける光素子搭載部と放熱構造を示す図で、(a)はその光素子搭載部の構造を示す正面側の縦断面図、(b)はその光素子搭載部において、光素子で発生した熱がシリコン基板に放熱される際の経路を波線矢印で示す正面側の縦断面図である。
【図3】 本発明の第2の参考例の光モジュールにおける光素子搭載部と放熱構造を示す図で、(a)はその光素子搭載部の構造を示す正面側の縦断面図、(b)は光素子搭載部において、光素子で発生した熱がシリコン基板に放熱される際の経路を波線矢印で示す側面側の縦断面図である。
【図4】従来技術による光モジュールの構成例を示す図で、(a)はその光素子搭載部の構造を示す斜視図、(b)はその光素子で発生した熱がシリコン基板に放熱される際の経路を波線矢印で示す正面側の縦断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
1−1 シリコン基板凸部
2 クラッド
2−1 アンダークラッド
2−2 オーバークラッド
2−3 光導波路端面
3 光導波路コア
4 光素子搭載部
5 ガラス(パッシベーション)膜、絶縁層
6 半田膜または電気配線
6−1 AuSn半田膜
6−2 電気配線
7 光素子
7−1 光素子活性層
7−2 光素子表面
8 透明樹脂
9 高熱伝導樹脂
10 光軸
20 光素子直下部分
21 半田拡張部分
30 熱の流れ
Claims (1)
- 導波路を有する平坦なシリコン基板上に絶縁層を介して光素子を搭載した光モジュールにおいて、
接地された前記シリコン基板と前記光素子が半田で電気的に接続され、前記光素子と前記シリコン基板の間には、前記光素子の活性層と前記導波路のコアの高さが一致する厚さの前記絶縁層があり、
前記光素子と前記シリコン基板間以外の部分の前記絶縁層を取除き、前記半田の一部を放熱のために前記シリコン基板上に延在させていることを特徴とする光モジュール。
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