JP7408292B2 - 光素子付き光電気混載基板およびその製造方法 - Google Patents

光素子付き光電気混載基板およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光素子付き光電気混載基板およびその製造方法に関する。
光導波路と、電気回路基板と、光素子とを上側に向かって順に備える備える光素子付き光電気混載基板が知られている(例えば、下記特許文献1参照。)。電気回路基板は、上側に露出する第1端子を有する。光導波路は、コアの一端面に形成されたミラーを有する。光素子は、下側に露出する第2端子と、下側に露出する光の出入口とを備える。第1端子と第2端子は、バンプなどの導電部材との接触によって、電気的に接続される。出入口とミラーは、それらの光軸を一致させて、光学的に接続される。
このような光素子付き光電気混載基板を製造する方法として、以下が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。まず、電気回路基板および光導波路を備える光電気混載基板を作製する。その後、第2端子より小さい導電部材を、第1端子の上に配置する。光素子を、光導波路付基板の上側にアライメントして、光素子の光軸とミラーの光軸とを一致させるとともに、第2端子を導電部材に接触させる。
特開2015-230481号公報
しかるに、光素子と、光電気混載基板とのアライメントによっては、第2端子の重心と、バンプの重心とがわずかにずれる場合がある。
そうすると、第2端子と導電部材との接触面積が減少し、そのため、それらを電気的に確実に接続できないという不具合がある。
本発明は、光電気混載基板および光素子の接続信頼性に優れる光素子付き光電気混載基板およびその製造方法を提供する。
本発明(1)は、光導波路と、第1端子を有する電気回路基板とを厚み方向に順に備える光電気混載基板と、前記電気回路基板に実装され、第2端子を有する光素子と、前記第1端子および前記第2端子に接触する導電部材とを備え、前記導電部材のサイズが、前記第2端子のサイズと同一か、または、それより大きい、光素子付き光電気混載基板を含む。
この光素子付き光電気混載基板では、導電部材のサイズが、第2端子のサイズと同一か、または、それより大きいので、厚み方向に投影した投影面において、導電部材の重心とが、第2端子の重心とがずれても、導電部材と第2端子との接触面積の減少の程度を抑制することができる。
そのため、接続信頼性の低下を抑制することができる。
本発明(2)は、前記導電部材の平面積S1と、前記第2端子の平面積S2とが、下記式(1)を満足する、(1)に記載の光素子付き光電気混載基板を含む。
S1×0.9>S2 (1)
本発明(3)は、前記第1端子のサイズが、前記導電部材のサイズと同一か、または、それより大きい、(1)または(2)に記載の光素子付き光電気混載基板を含む。
この光素子付き光電気混載基板において、第1端子のサイズが、導電部材のサイズと同一か、または、それより大きければ、導電部材が、第1端子に確実に配置される。そのため、接続信頼性の低下を抑制することができる。
本発明(4)は、一端面がミラーとして形成されているコア、および、前記コアを被覆するクラッドを含む光導波路と、第1端子を有する電気回路基板と、を厚み方向に順に備える光電気混載基板を準備する第1工程と、第2端子および光の出入口を備える光素子を準備する第2工程と、前記出入口を前記ミラーに対して、前記厚み方向に対して直交する直交方向において、前記ミラーを基準として位置決めする第3工程と、前記第1端子と前記第2端子とを、導電部材を介して電気的に接続する第4工程とを備え、前記導電部材のサイズが、前記第2端子のサイズと同一か、または、それより大きい、光素子付き光電気混載基板の製造方法を含む。
第3工程では、ミラーを基準として、出入口を前記ミラーに対して位置決めする。一方、第2端子を第1端子に対して位置決めしない場合には、第1端子に配置される導電部材と、第2端子とがずれる場合がある。
しかし、この製造方法では、導電部材のサイズが、第2端子のサイズと同一か、または、それより大きいので、導電部材と第2端子との接触面積の減少の程度を抑制することができる。
その結果、接続信頼性の低下が抑制された光素子付き光電気混載基板を得ることができる。
本発明の光素子付き光電気混載基板およびその製造方法では、接続信頼性の低下が抑制された光素子付き光電気混載基板を得ることができる。
図1は、本発明の光素子付き光電気混載基板の一実施形態の平面図を示す。 図2は、図1に示す光素子付き光電気混載基板のX-X線に沿う側断面図を示す。 図3A~図3Bは、図1に示す光素子付き光電気混載基板の製造工程図であり、図1の拡大図のY-Y線に沿う側断面図であって、図3Aが、光電気混載基板および光素子を準備する工程(第1工程および第2工程)、図3Bが、光素子を光電気混載基板に位置決めし、光素子を光電気混載基板と接続する工程(第3工程および第4工程)を示す。 図4A~図4Bは、光電気混載基板における距離D3と、光素子における距離D2とにずれがある例であり、図4Aが、光電気混載基板および光素子を準備する工程(第1工程および第2工程)、図4Bが、光素子を光電気混載基板に位置決めし、光素子を光電気混載基板と接続する工程(第3工程および第4工程)を示す。 図5A~図5Bは、導電部材のサイズが第2端子のサイズより小さい比較例の光素子付き光電気混載基板であって、図5Aが、導電部材が第2端子と接触しない比較例、図5Bが、導電部材が第2端子と接触するが、光素子が傾斜し、その第2光軸OA2と、ミラーの第1光軸OA1とがずれる比較例を示す。
<一実施形態>
本発明の光素子付き光電気混載基板およびその製造方法の一実施形態を図1~図3Bを参照して説明する。
図1~図2に示すように、この光素子付き光電気混載基板1は、光電気混載基板2と、光素子3と、導電部材20とを備える。
光電気混載基板2は、長手方向に沿って延びる略矩形シート形状を有する。光電気混載基板2は、光導波路4と、電気回路基板5とを、上側(厚み方向一方側)に向かって順に備える。
光導波路4は、光電気混載基板2と同一の平面視形状を有する。光導波路4は、クラッドの一例としてのアンダークラッド7と、アンダークラッド7の下に配置されるコア8と、アンダークラッド7の下に、コア8を被覆するように配置されるクラッドの一例としてのオーバークラッド9とを備える。
コア8は、光導波路4の長手方向に沿って延びる。また、コア8の正断面視形状は、例えば、略矩形状を有する。コア8は、長手方向一端面は、アンダークラッド7およびオーバークラッド9の長手方向一端面と面一である。コア8の長手他端面には、ミラー10が形成されている。ミラー10は、側断面視において、アンダークラッド7の下面とのなす角度が45度となるように、傾斜している。
光導波路4は、公知のものが用いられる。
光導波路4のサイズは、適宜設定され、特に限定されず、コア8の幅が、例えば、5μm以上、好ましくは、10μm以上であり、また、例えば、100μm以下、好ましくは、70μm以下である。また、コア8の厚みが、例えば、5μm以上、好ましくは、10μm以上であり、また、例えば、100μm以下、好ましくは、50μm以下である。ミラー10を上下方向で投影したときの面積は、例えば、25μm以上、好ましくは、100μm以上であり、また、例えば、10000μm以下、好ましくは、4900μm以下である。
電気回路基板5は、光導波路4の上面に配置されている。電気回路基板5は、金属支持層11と、ベース絶縁層12と、導体層13と、カバー絶縁層14とを備える。
金属支持層11は、後述する第1端子15に対応するエリアに設けられる。なお、上下方向に投影したときに、金属支持層11は、ミラー10とずれている。
ベース絶縁層12は、金属支持層11の上面と、アンダークラッド7において金属支持層11が設けられていない上面とに配置されている。
導体層13は、第1端子15と、第3端子16と、配線17とを備える。
第1端子15は、上下方向に投影したときに、ミラー10の周囲に配置されている。第1端子15は、長手方向および幅方向(長手方向および厚み方向に直交する方向)に互いに間隔を隔てて複数の整列配置されている。第1端子15の平面視形状は、特に限定されず、例えば、光素子付き光電気混載基板1の長手方向に長い略長丸形状あるいは略楕円形状を有する。
第1端子15のサイズは、後述する導電部材20を載置できるサイズであれば、特に限定されない。第1端子15の平面積S3が、例えば、100μm以上、好ましくは、500μm以上、より好ましくは、1000μm以上であり、また、例えば、100000μm以下である。
第3端子16は、ベース絶縁層12の長手方向他端部において、幅方向に互いに間隔を隔てて複数整列配置されている。第3端子16は、第1端子15の長手方向後側に間隔が隔てられている。
配線17は、複数の第1端子15のそれぞれと、複数の第3端子16のそれぞれとに連続する。配線17は、互いに間隔を隔てて複数配置されている。
光素子3は、光電気混載基板2に実装されている。光素子3は、電気回路基板5の上側に配置されている。光素子3は、上下方向長さが長手方向長さおよび幅方向長さより短い略ボックス形状を有する。なお、光素子3は、光電気混載基板2より小さい平面視サイズを有する。具体的には、光素子3は、上下方向に投影したときに、複数の第1端子15を含むサイズを有する。光素子3の下面は、光電気混載基板2の上面に平行する。光素子3は、その下面において、出入口21および第2端子22を独立して備える。
出入口21は、下側に露出する。具体的には、出入口21は、電気回路基板5に面する。
出入口21は、光素子3からミラー10に光を出射可能な光の出口であるか、または、ミラー10からの光を受光可能な光の入口である。光素子3は、図3Bに示すように、出入口21を通過し、上下方向に沿う光軸である第2光軸OA2を有する。
第2端子22は、下側に露出する。第2端子22は、第1端子15と導電部材20(後述)を介して電気的に接続するように、構成される。第2端子22は、複数(例えば、4つ)の第1端子15に対応して、電気回路基板5に複数(例えば、4つ)設けられる。第2端子22の底面視形状は、特に限定されず、例えば、底面視略円形状である。
第2端子22のサイズは、次に説明する導電部材20のサイズとの関係を満足するように調整される。具体的には、第2端子22の平面積S2は、例えば、50μm以上、好ましくは、100μm以上であり、また、例えば、5000μm以下、好ましくは、2500μm以下である。
導電部材20は、第1端子15および第2端子22を連絡する。具体的には、導電部材20は、第1端子15および第2端子22に接触する。導電部材20の平面視形状は、特に限定されず、例えば、略円形状を有する。また、導電部材20は、正断面積が上側に向かって次第に小さくなる略山形状を有する。導電部材20の材料としては、例えば、金、はんだなどの金属が挙げられる。
具体的には、光素子3としては、第1端子15から電気の入力を受けて、出入口21から光を出射可能であるレーザーダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)、例えば、ミラー10からの光を受光して、第1端子15に電気信号を出力するフォトダイオード(PD)などが挙げられる。
そして、この一実施形態の光素子付き光電気混載基板1では、導電部材20のサイズが、第2端子22のサイズより大きい。
逆に、導電部材20のサイズが、第2端子22のサイズより小さければ、後述する光素子3を光電気混載基板2に実装するときに、図5Aに示すように、上下方向に投影したときに、第2端子22の重心CO2と、導電部材20の重心CO3とがずれた場合(後述)に、導電部材20が第2端子22と接触できなかったり、あるいは、図5Bに示すように、接触できても、その接触面積が過小であり、第2端子22と第1端子15との電気的な接続が不十分となったり、さらには、サイズが小さい導電部材20の重心CO3に対して大きくずれた箇所で接触するため、光素子3の下面が光電気混載基板2の上面に対して傾斜し、光素子3の光電気混載基板2に対する姿勢が不安定となり、そのため、出入口21とミラー10との光学的な接続を実施できない。
具体的には、導電部材20の平面積S1と、第2端子22の平面積S2とは、例えば、下記式(1)を満足し、好ましくは、下記式(2)を満足し、より好ましくは、下記式(3)を満足し、さらに好ましくは、下記式(4)を満足する。
S1>S2 (1)
S1×0.9>S2 (2)
S1×0.75>S2 (3)
S1×0.5>S2 (4)
上記した式を満足する場合には、後述する光素子3を光電気混載基板2に実装するときに、上下方向に投影したときに、第2端子22の重心CO2と、導電部材20の重心CO3とがずれても、導電部材20が第2端子22と十分な接触面積で接触でき、第2端子22と第1端子15との電気的な接続が確実となり、そのため、光素子3と電気回路基板5との電気的な接続信頼性を担保できる。また、光素子3の光電気混載基板2に対する上記した姿勢を安定にでき、そのため、出入口21とミラー10との光学的な接続を確実に図れ、光素子3と光導波路4との光学的な接続信頼性を担保できる。
また、導電部材20の平面積S1と、第2端子22の平面積S2とは、例えば、下記式(5)を満足する。
S2×10>S1 (5)
また、導電部材20のサイズは、第1端子15のサイズより小さいか、または、同一である。これにより、導電部材20が、第1端子15の上面に確実に配置される。
具体的には、導電部材20の平面積S1と、第1端子15の平面積S3とは、例えば、下記式(5-1)を満足し、好ましくは、下記式(6)を満足し、より好ましくは、下記式(7)を満足し、さらに好ましくは、下記式(8)を満足する。
S3>S1 (5-1)
S3×0.9>S1 (6)
S3×0.75>S1 (7)
S3×0.5>S1 (8)
また、導電部材20の平面積S1と、第1端子15の平面積S3とは、下記式(9)も満足する。
S1×10>S3 (9)
導電部材20の平面積S1と、第2端子22の平面積S2と、第1端子15の平面積S3とは、好ましくは、下記式(10)を満足し、より好ましくは、下記式(11)を満足し、さらに好ましくは、下記式(12)を満足する。
S3≧S1>S2 (10)
S3>S1>S2 (11)
S3×0.5>S1×0.5>S2 (12)
より具体的には、導電部材20の平面積S1は、例えば、1000μm以上、好ましくは、1500μm以上、より好ましくは、2000μm以上であり、また、例えば、10000μm以下である。
次に、光素子付き光電気混載基板1の製造方法を説明する。
光素子付き光電気混載基板1の製造方法は、光電気混載基板2を準備する第1工程と、光素子3を準備する第2工程と、出入口21をミラー10に対して位置決めする第3工程と、第1端子15と第2端子22とを、導電部材20を介して電気的に接続する第4工程とを備える。この方法では、第1工程~第4工程を、順に実施する。
図3Aの実線で示すように、第1工程では、例えば、まず、電気回路基板5を準備し、続いて、光導波路4を、電気回路基板5の下側に形成する(作り込む)。これにより、光導波路4および電気回路基板5を備える光電気混載基板2を準備する。
光電気混載基板2には、幅方向に投影した投影面において、ミラー10の第1光軸OA1と、第1端子15の重心CO1を上下方向に通過する第1重心線COL1との間の長手方向距離D1が存在する。
図3Aの仮想線で示すように、第2工程では、光素子3を準備する。
光素子3には、幅方向に投影した投影面において、出入口21の第2光軸OA2と、第2端子22の重心CO2を上下方向に通過する第2重心線COL2との間の長手方向距離D2が存在する。
光素子3における距離D2は、通常、光電気混載基板2における上記した距離D1と一致する(同一である)。
第3工程では、出入口21をミラー10に対して、面方向において、ミラー10を基準として位置決めする。
なお、この第3工程では、第2端子22を第1端子15に対して位置決めしない。但し、距離D2およびD1が同一しているので、第2端子22を通過する第2重心線COL2と、第1端子15を通過する第1重心線COL1とは、通常、一致している。
これにより、出入口21の第2光軸OA2と、ミラー10の第1光軸OA1とを一致させる。つまり、光素子3と、光導波路4とを、光学的に接続する。
第4工程では、第1端子15と第2端子22とを、導電部材20を介して電気的に接続する。
第4工程を実施するには、まず、導電部材20を、第1端子15の上面に配置(載置)する。
具体的には、導電部材20を、その重心CO3が、平面視において、第1端子15の重心CO1と一致するように、第1端子15の上面に配置する。
すると、導電部材20が配置された光電気混載基板2では、幅方向に投影した投影面において、ミラー10の第1光軸OA1と、導電部材20の重心CO3を上下方向に通過する第3重心線COL3との間の長手方向距離D3が存在する。上記した距離D3は、距離D1と略同一である。
そうすると、導電部材20が配置された光電気混載基板2における上記した距離D3は、光素子3における上記した距離D2と一致する(同一である)。
この第4工程では、続いて、第2端子22が導電部材20に接触するように、光素子3を光電気混載基板2に対して近づけ、続いて、導電部材20をリフローする。これにより、溶融した導電部材20を介して、第1端子15および第2端子22が導通する。
これにより、光素子3と、電気回路基板5とが、電気的に接続される。
これにより、光電気混載基板2と、これと電気的および光学的に接続された光素子3とを備える光素子付き光電気混載基板1を得る。
次に、導電部材20が配置された光電気混載基板2における上記した距離D3が、光素子3における上記した距離D2とずれる(一致しない)場合の例を、図4A~図4Bを参照して説明する。
図3Aに示すように、上記した距離D3およびD2は、通常、一致するように、設計されるが、図4Aに示すように、製造条件によって、ずれる(ばらつく)場合がある。
この場合、距離D3およびD2にずれがあっても、図4Bに示すように、第3工程では、ミラー10を基準としてアライメントするミラーアライメントを利用すれば、出入口21の第2光軸OA2と、ミラー10の第1光軸OA1とを一致させることはできる。
一方、ミラーアライメントであれば、第3工程において、第2端子22を第1端子15に対して位置決めしない。
すると、図4Bに示すように、導電部材20を通過する第3重心線COL3と、第2端子22を通過する第2重心線COL2とが、ずれる。導電部材20の第3重心線COL3と、第2端子22の第2重心線COL2とのずれ量は、例えば、20μm以下、さらには、15μm以下、さらには、10μm以下、さらには、5μm以下である。
しかしながら、この光素子付き光電気混載基板1では、導電部材20のサイズが、第2端子22のサイズより大きいので、導電部材20と第2端子22とが、十分な接触面積で接触することができる。
つまり、本実施形態では、距離D3およびD2のずれ量(差)は、例えば、20μm以下、さらには、15μm以下、さらには、10μm以下、さらには、5μm以下までが許容される。
なお、距離D3およびD2のずれ量(差)が、20μm以下であれば、下記式(4)を満足することが好適である。
S1×0.5>S2 (4)
また、距離D3およびD2のずれ量(差)が、15μm以下であれば、下記式(3)を満足することが好適である。
S1×0.75>S2 (3)
さらに、距離D3およびD2のずれ量(差)が、10μm以下であれば、下記式(2)を満足することが好適である。
S1×0.9>S2 (2)
さらにまた、距離D3およびD2のずれ量(差)が、5μm以下であれば、下記式(1)を満足することが好適である。
S1>S2 (1)
そして、この光素子付き光電気混載基板1では、導電部材20のサイズが、第2端子22のサイズより大きいので、厚み方向に投影した投影面において、導電部材20の重心CO3とが、第2端子22の重心CO2とがずれても、導電部材20と第2端子22との接触面積の減少の程度を抑制することができる。
そのため、光素子付き光電気混載基板1における接続信頼性の低下を抑制することができる。
また、導電部材20の平面積S1と、第2端子22の平面積S2とが、下記式(2)を満足すれば、光素子付き光電気混載基板1における接続信頼性の低下をより一層確実に抑制することができる。
S1×0.9>S2 (2)
また、導電部材20のサイズが、第1端子15のサイズより小さいか、または、同一であれば、導電部材20が、第1端子15の上面に確実に配置される。接続信頼性の低下を抑制することができる。
さらに、上記した製造方法の第3工程では、ミラー10を基準として、出入口21をミラー10に対して位置決めする(ミラーアライメント)。一方、第2端子22を第1端子15に対して位置決めしないので、第1端子15に配置される導電部材20と、第2端子22とがずれる場合がある。
しかし、この製造方法では、導電部材のサイズが、第2端子22のサイズより大きいので、導電部材20と第2端子22との接触面積の減少の程度を抑制することができる。
その結果、接続信頼性の低下が抑制された光素子付き光電気混載基板1を得ることができる。
<変形例>
以下の各変形例において、上記した一実施形態と同様の部材および工程については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、各変形例は、特記する以外、一実施形態態と同様の作用効果を奏することができる。さらに、一実施形態およびその変形例を適宜組み合わせることができる。
一実施形態では、第3工程において、ミラー10を基準とするミラーアライメントを実施しているが、例えば、図3Bに示すように、アライメントマーク6を、例えば、電気回路基板5に設け、このアライメントマーク6を基準として、出入口21をミラー10に対して位置決めすることもできる。
変形例では、導電部材20のサイズが、第2端子22のサイズと同一であってもよい。
1 光素子付き光電気混載基板
2 光電気混載基板
3 光素子
4 光導波路
5 電気回路基板
7 アンダークラッド
8 コア
9 オーバークラッド
10 ミラー
15 第1端子
20 導電部材
21 出入口
22 第2端子

Claims (3)

  1. 光導波路と、第1端子を有する電気回路基板とを厚み方向に順に備える光電気混載基板と、
    前記電気回路基板に実装され、第2端子を有する光素子と、
    前記第1端子および前記第2端子に接触する導電部材とを備え、
    前記第1端子は、前記電気回路基板の上面に配置され、
    前記導電部材は、前記第1端子の上面に配置され、
    前記光素子は、前記電気回路基板の上側に実装され、
    前記光導波路は、前記電気回路基板の下面に配置され、
    前記導電部材の平面積S1は、前記第2端子の平面積S2より大きく、
    前記第1端子の平面積S3は、前記導電部材の平面積S1と同一か、または、それより大きく、
    前記導電部材の平面積S1は、厚み方向における前記電気回路基板への前記導電部材の投影面積であり、
    前記第2端子の平面積S2は、厚み方向における前記電気回路基板への前記第2端子の投影面積であり、
    前記第1端子の平面積は、厚み方向における前記電気回路基板への前記第1端子の投影面積であることを特徴とする、光素子付き光電気混載基板。
  2. 前記導電部材の平面積S1と、前記第2端子の平面積S2とが、下記式(1)を満足することを特徴とする、請求項1に記載の光素子付き光電気混載基板。
    S1×0.9>S2 (1)
  3. 一端面がミラーとして形成されているコア、および、前記コアを被覆するクラッドを含む光導波路と、第1端子を有する電気回路基板と、を厚み方向に順に備える光電気混載基板を準備する第1工程と、
    第2端子および光の出入口を備える光素子を準備する第2工程と、
    前記出入口を前記ミラーに対して、前記厚み方向に対して直交する直交方向において、前記ミラーを基準として位置決めする第3工程と、
    前記第1端子と前記第2端子とを、導電部材を介して電気的に接続する第4工程と
    を備え、
    前記第1端子は、前記電気回路基板の上面に配置され、
    前記導電部材は、前記第1端子の上面に配置され、
    前記光素子は、前記電気回路基板の上側に実装され、
    前記光導波路は、前記電気回路基板の下面に配置され、
    前記導電部材の平面積S1は、前記第2端子の平面積S2より大きく、
    前記第1端子の平面積S3は、前記導電部材の平面積S1と同一か、または、それより大きく、
    前記導電部材の平面積S1は、厚み方向における前記電気回路基板への前記導電部材の投影面積であり、
    前記第2端子の平面積S2は、厚み方向における前記電気回路基板への前記第2端子の投影面積であることを特徴とする、光素子付き光電気混載基板の製造方法。
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