JP4093435B2 - 光モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属キャップ型パッケージ構造の半導体発光素子又は半導体受光素子とレンズとを樹脂ハウジングによって調芯保持する光モジュールの製造方法に関するものである。更に詳しく述べると本発明は、それら光半導体素子と樹脂ハウジングとを、高周波誘導加熱による第１の熱硬化性樹脂の仮固定と、雰囲気加熱による第２の熱硬化性樹脂の本固定との２段階を経て最終的に固定するようにした光モジュールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光モジュールは、光半導体素子（例えばレーザダイオード等の半導体発光素子あるいはフォトダイオード等の半導体受光素子）とレンズとを調芯保持した部品であり、光通信等の分野において使用されている。例えば、データ通信を行うコンピュータシステムでは、半導体発光素子のモジュールと半導体受光素子のモジュールがボード上で対となって設置されている。このような光モジュールは、例えば、光半導体素子と、レンズと、前記光半導体素子やレンズを保持すると共に接続相手の光プラグのフェルールを嵌合保持するハウジングとから構成されており、光プラグ接続時に光半導体素子とフェルールの光ファイバとがレンズを介して光学的に結合する構造となっている。
【０００３】
光モジュールに組み込むレンズとしては、機械加工のみによって高精度の製品を容易に製造できるため安価であり、且つ方向性が全く無いためにレンズ実装の際の方位調整が不要で組み立て易いという利点もあって、球レンズが多用されている。その他、非球面レンズや屈折率分布型ロッドレンズ等も用いられている。これらのレンズをハウジングに固定する方法としては、通常、ハウジングの凹部（レンズ装着部）にレンズを落とし込んで位置決めした後、該レンズの周囲に樹脂接着剤を塗布して熱硬化させる接着法、あるいはレンズ外径よりも若干大きめの低融点ガラスリング成形体をレンズの外周に配置し加熱溶融させる溶着法などが採用されていた。
【０００４】
光半導体素子やレンズを保持するハウジングは、かつては金属製のハウジングが多用されていたが、最近ではレンズをインサートモールドで内蔵したり複数の爪状突起で抱持することが可能なことなど、製作性が優れ且つコストを低減できるといった観点から樹脂成形したハウジングが用いられている。光半導体素子としては、素子本体を金属キャップ型パッケージで封止した構造のものが多い。
【０００５】
レンズを内蔵している樹脂ハウジングに、金属キャップ型パッケージ構造の光半導体素子を固定する方法としては、該パッケージのステム（台座）部の外周面上で、前記樹脂ハウジングの端部に沿って円周状にエポキシ等の熱硬化性樹脂を塗布し、加熱雰囲気あるいは室温雰囲気で硬化させる方法が一般的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記のように、レンズと光半導体素子の光軸を芯だしした状態を維持してエポキシなどの熱硬化性樹脂を塗布し硬化させる作業は、硬化が完了するまで樹脂ハウジングと光半導体素子とを治具等で保持し続けなければならず、硬化時間が数十分以上と長いこともあって、作業性が非常に悪い。ハウジングが従来のように金属製であれば、溶接などの手法により短時間で効率よく、且つ強固に固定できるが、樹脂ハウジングの場合には、そのような手法は採用できない。
【０００７】
そこで、紫外線硬化型（ＵＶ）接着剤による秒間接着も考えられるが、接着強度が低いこと、ハウジング内壁などへの垂れ込みなど未硬化部分が発生する恐れがあること、耐候性能が比較的低いこと、などの問題があり採用し難い。
【０００８】
本発明の目的は、金属キャップ型パッケージ構造の光半導体素子と樹脂ハウジングとを、耐候性能が高く、十分な接着強度で、高精度で、しかも作業性よく組み立てることができる光モジュールの製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レンズを内蔵している樹脂ハウジングに対して、金属キャップ型パッケージ構造の光半導体素子を前記レンズの光軸上に位置するように芯だしして取り付ける光モジュールの製造方法である。また本発明は、レンズを内蔵すると共に接続相手の光プラグのフェルールを嵌合保持する樹脂ハウジングに対して、金属キャップ型パッケージ構造の光半導体素子を前記レンズ及びフェルールの光軸上に位置するように芯だしして取り付ける光モジュールの製造方法である。これら光モジュールの製造方法において、本発明では、
▲１▼光半導体素子のステム（台座）部と樹脂ハウジングの端部との接合面に、第１の熱硬化性樹脂を点状に分散塗布し、レンズ（及びフェルール）と光半導体素子との光軸の芯だし接合を行った状態で、前記ステム部の外周を囲むように位置するコイルに高周波電流を供給して光半導体素子の前記ステム部を誘導加熱して前記第１の熱硬化性樹脂を硬化させる仮固定工程と、
▲２▼前記光半導体素子の前記ステム部の外周面上で、前記樹脂ハウジングの端部に沿って円周状に第２の熱硬化性樹脂を養生盛りし、雰囲気加熱により前記第２の熱硬化性樹脂を硬化させる本固定工程と、
の２段階を経て組み立てるように構成しており、この点に特徴がある。
【００１０】
コイルに高周波電流をコイルに供給すると、コイル内部の金属物質が誘導加熱されることは周知であり（高周波非接触加熱）、その原理は高周波誘導加熱炉などに応用されている。本発明では、この高周波誘導加熱方式を接着剤による仮固定の際の熱硬化に利用している。この接着剤硬化のための加熱装置は、レンズと光半導体素子との光軸の芯だし装置に組み入れなければならず、構造的に制約条件が大きかったが、非接触で加熱可能な本方式は、装置を小型化できるため、この点でも好都合である。この加熱方式に適した接着剤（樹脂）は、秒間硬化可能なこと、以降の工程や取り扱いでも剥がれないこと、使用し易いこと、程よい粘度をもつこと、などが必要であり、２液性のエポキシ樹脂（粘度数ｋｃｐｓ）が好適である。
【００１１】
前記の仮固定工程を経ると、中間品単独で（保持治具などを用いなくても）光半導体素子と樹脂ハウジングの光軸を合わせた接合状態を維持できる。従って、時間をかけて本固定を行っても、特に支障は生じない。そこで、光半導体素子と樹脂ハウジングとの養生接着に、２液性のエポキシ樹脂（粘度数十ｋｃｐｓ）を用い、雰囲気加熱により硬化させる。
【００１２】
【実施例】
図１は本発明方法により製造する光モジュールの一実施例を示す組立説明図である。球レンズ１０を内蔵すると共に接続相手の光プラグのフェルール（図示せず）を嵌合保持する樹脂ハウジング１２に、素子本体を金属キャップ型パッケージで気密封止したレーザダイオード（光半導体素子）１４を取り付けることで製造する。その際、光プラグ接続時に、前記レーザダイオード１４とフェルールの光ファイバとが前記球レンズ１０によって光学的に結合するように光軸の芯だしを行う。
【００１３】
樹脂ハウジング１２は、全体がほぼ筒形状を呈する一体成形品であり、一方の端部１２ａがレーザダイオード１４の取り付け部、内部中央寄りが球レンズ１０を固定する部分、中央から反対側の端部にかけてがレセプタクル部１６となっている。レセプタクル部１６は、接続相手の光プラグのフェルールが丁度嵌入するボア（空洞部）１８を有する部分である。
【００１４】
球レンズを固定する部は、中心軸の周囲に、先端部がレーザダイオード１４の方に向かって突出し且つ内周側に膨出（オーバーハング）した爪状突起２０によって構成される。ここでは爪状突起２０は周方向で均等に３分割されるように配列形成してある。爪状突起２０の内側基端部から前記ボア１８にかけて、小口径の貫通孔２２とやや大口径の貫通孔２４が光軸上で連続するように形成され、それが光ビームの通路となる。
【００１５】
各爪状突起２０は、樹脂ハウジング本体部分とともに射出成形法によって一体的に成形される樹脂部である。具体的には、爪状突起の先端膨出部分（オーバーハング）は、成形金型の中心部に挿入するコアピンの球面状先端部の基部に括れを形成しておき、樹脂を金型内に射出した直後に該コアピンを無理抜きすることで形成できる。
【００１６】
ここでは樹脂ハウジング１２として平均粒径約２０μｍのガラスビーズを５０重量％程度分散させた低異方性グレード液晶ポリマーを使用した。液晶ポリマー自体は線膨張係数の異方性が大きい（射出時の流動方向では線膨張係数はほぼゼロ、それと直交する方向では線膨張係数は８×１０^-5／℃程度）が、ガラスビーズを適量分散させることで異方性を低減できる（射出時の流動方向及びそれと直交する方向とも線膨張係数は２×１０^-5／℃程度）からである。これによって、光モジュールの実際の使用温度範囲（−２０〜＋７５℃）でレセプタクル部の内径2.5 mmφに対して内径変動量を0.005 mmに抑えることができた。
【００１７】
球レンズの固定作業は、樹脂ハウジング１２のレーザダイオード取付け側の端部１２ａを上向きにして、各爪状突起２０の先端部分に球レンズ１０を放り込み、棒状の圧入治具（図示せず）で圧入すればよい。爪状突起２０は、樹脂の靭性によって外向きに撓んで内部に球レンズ１０を受け入れ、該球レンズ１０はレンズ着座面に当接して位置決めされる。その状態で、爪状突起２０は元の形状に戻ろうとし、その復元反力で該球レンズ１０は抱持固定される。
【００１８】
このように球レンズ１０を内蔵した樹脂ハウジング１２に、レーザダイオード１４を取り付ける。ここでレーザダイオード１４は、そのステム部２６が樹脂ハウジング１２の端部１２ａに当接するように金属キャップ部分を樹脂ハウジング１２に挿入して調芯位置決めされる。そして、高周波誘導加熱による仮固定と、雰囲気加熱による本固定との２段階で接着を行う。
【００１９】
まず、仮固定は次のように行う。図２に示すように、樹脂ハウジング１２の端部１２ａに、ディスペンサなどにより均等間隔で４箇所、点状に（直径は１mm以下、厚みは成り行き）第１の熱硬化性樹脂（接着剤）３０を塗布する。ここで第１の熱硬化性樹脂３０としては、２液性のエポキシ樹脂（粘度３ｋｃｐｓ／Ｔｇ＝１２４℃）を用いた。この樹脂ハウジング１２に、レーザダイオード１４のステム部２６を接合し、該ステム部２６の外周側に間隔をおいて図３に示すような１枚コイル（１ターンの金属板状コイル）３２を設置する。樹脂ハウジング１２とレーザダイオード１４とを光軸の芯だし接合を行った状態で保持し、コイル３２に高周波電流を供給する。例えば、周波数２ＭHz、電力６００Ｗ程度、電流２Ａ程度とし、約１５秒間通電する。これにより、レーザダイオード１４のステム部２６に渦電流が流れて、最終的に２００℃程度まで昇温する。
【００２０】
レーザダイオード１４の保持には、その形状に見合ったセラミックス製の爪状のリングを用いるのがよい。このリングを介して、熱伝導性のよくない樹脂（フェノール樹脂等）でドリルコレットのようにレーザダイオード１４を保持する。保持具が一般的な金属（例えばステンレス鋼）だと、高周波加熱時に治工具に吸熱され肝心のレーザダイオードの昇温が困難になる。逆に、熱絶縁性が高い樹脂（スーパーエンジニアリングプラスチックス）を用いると、保熱の効果が大きすぎて治工具自体の損傷（軟化、溶解）が生じ実用的でない。また加熱によるインパクトが大きく、芯だしされた光軸がずれ込むことがある。それらに対して上記のような本実施例で用いた方式では、このような問題点が解消され大量生産が可能で、光軸ずれによるパワー変動が大きく減少した。
【００２１】
上記の仮固定用のエポキシ樹脂は、昇温とともに粘度低下→硬化のプロセスを経るため、点状に分布した樹脂は、昇温とともに樹脂ハウジング１２の端部１２ａをリング状に回り込んでから硬化する。また、短時間で加熱・硬化するため、そのインパクトによる光軸の芯ずれ量は６μｍ以下に抑えられ、パワー変動は５％以内減で仮固定できた。これにより、レーザダイオード１４と樹脂ハウジング１２が光軸を正確に保持したまま、以降の工程に進むことができる十分な接着強度（引っ張り強度≧５ｋｇｆ）をもつ中間品を得ることができた。
【００２２】
このように仮固定した中間品は、そのままでは強度が不十分で実用的でない。そこで、次にレーザダイオード１４と樹脂ハウジング１２との間の養生接着を行う。図４に示すように、第２の熱硬化性樹脂４０、ここでは２液性のエポキシ樹脂（粘度４０〜５０ｋｃｐｓ／Ｔｇ＝１２０℃）を樹脂ハウジング１２の端部１２ａに沿って、レーザダイオード１４のステム部２６の外周面上に全周にわたって養生盛りを行い、雰囲気加熱（約１００℃で２時間程度）により硬化し本固定する。これにより、最終的な接着が完了し、初期の接着強度は２５ｋｇｆ以上と大きく、高温・高湿（８５℃／８５％）の環境下においても、従来の金属製モジュールと殆ど変わらない特性が得られた。
【００２３】
光モジュールに光プラグを接続すると、光プラグのフェルールがレセプタクル部１６に嵌入する。その時、光半導体素子が例えば上記のようにレーザダイオード１４であれば、該レーザダイオード１４からの出射光は球レンズ１０で集光されてフェルールの光ファイバの端面に集光し入射するように、光学的な軸合わせが達成される。光半導体素子が例えばフォトダイオードであれば、光モジュールに光プラグを接続した時、フェルールの光ファイバの端面からの出射光は球レンズで集光されてフォトダイオードに入射するように、光学的な軸合わせが達成される。
【００２４】
なお本実施例（図１）では、樹脂ハウジング１２の球レンズ装着側の側壁に、外部雰囲気との空気貫流が可能な２個の貫通孔４２を対称位置に形成してある。この貫通孔４２は、雰囲気温度変化に伴い樹脂ハウジング１２の内部に発生する結露を防止する機能を果たす。
【００２５】
上記の実施例は、樹脂ハウジングとしてレセプタクル部も一体的に成形した構造であるが、レセプタクル部を有しない構造もある。そのようなレセプタクル部の無い構造の光モジュールをそのまま使用する場合もあるが、レセプタクル部を別に作製して接合する構成とすることも可能であり、そうするとレセプタクル部には光ファイバのフェルールの抜き差しに対する耐久性の高い材質を選定できる利点が生じる。
【００２６】
樹脂ハウジング内でのレンズの保持は、上記実施例のような爪状突起による抱持のみならず、レンズをインサート成形することで樹脂ハウジング内にレンズを埋め込む方式でもよい。あるいは、接着剤（ガラスや樹脂）でレンズを樹脂ハウジングに接着する方法でもよい。それらの場合には、レンズは球レンズのみならず、非球面レンズあるいは屈折率分布型ロッドレンズなどでもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は上記のように、高周波誘導加熱により第１の熱硬化性樹脂を硬化させる仮固定工程と、第２の熱硬化性樹脂を養生盛りして雰囲気加熱により硬化させる本固定工程との２段階を経るように構成した光モジュールの製造方法であるから、耐候性能が高く、十分な接着強度をもち、且つ高精度で組み立てることができるし、作業性が極めて良好で、量産性に優れているなどの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法による光モジュールの製造方法の一実施例を示す組立説明図。
【図２】仮固定用の第１の熱硬化性樹脂の塗布状態を示す説明図。
【図３】仮固定工程を示す説明図。
【図４】本固定工程を示す説明図。
【符号の説明】
１０ 球レンズ
１２ 樹脂ハウジング
１４ レーザダイオード（光半導体素子）
２６ ステム部
３０ 第１の熱硬化性樹脂
３２ コイル
４０ 第２の熱硬化性樹脂

Claims (3)

1. レンズを内蔵している樹脂ハウジングに対して、金属キャップ型パッケージ構造の光半導体素子を前記レンズの光軸上に位置するように芯だしして取り付ける光モジュールの製造方法において、
   光半導体素子のステム部と樹脂ハウジングの端部との接合面に、第１の熱硬化性樹脂を点状に分散塗布し、レンズと光半導体素子との光軸の芯だし接合を行った状態で、前記ステム部の外周を囲むように位置するコイルに高周波電流を供給して光半導体素子の前記ステム部を誘導加熱して前記第１の熱硬化性樹脂を硬化させる仮固定工程と、
   前記光半導体素子の前記ステム部の外周面上で、前記樹脂ハウジングの端部に沿って円周状に第２の熱硬化性樹脂を養生盛りし、雰囲気加熱により前記第２の熱硬化性樹脂を硬化させる本固定工程と、
   の２段階を経て組み立てることを特徴とする光モジュールの製造方法。
2. レンズを内蔵すると共に接続相手の光プラグのフェルールを嵌合保持する樹脂ハウジングに対して、金属キャップ型パッケージ構造の光半導体素子を前記レンズ及びフェルールの光軸上に位置するように芯だしして取り付ける光モジュールの製造方法において、
   光半導体素子のステム部と樹脂ハウジングの端部との接合面に、第１の熱硬化性樹脂を点状に分散塗布し、レンズ及びフェルールと光半導体素子との光軸の芯だし接合を行った状態で、前記ステム部の外周を囲むように位置するコイルに高周波電流を供給して光半導体素子の前記ステム部を誘導加熱して前記第１の熱硬化性樹脂を硬化させる仮固定工程と、
   前記光半導体素子の前記ステム部の外周面上で、前記樹脂ハウジングの端部に沿って円周状に第２の熱硬化性樹脂を養生盛りし、雰囲気加熱により前記第２の熱硬化性樹脂を硬化させる本固定工程と、
   の２段階を経て組み立てることを特徴とする光モジュールの製造方法。
3. 第１の熱硬化性樹脂及び第２の熱硬化性樹脂として、ともに２液性のエポキシ樹脂を使用し、第１の熱硬化性樹脂は粘度が３ｋｃｐｓで、第２の熱硬化性樹脂は粘度が４０〜５０ｋｃｐｓである請求項１又は２記載の光モジュールの製造方法。

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