JPH06188458A

JPH06188458A - 光素子モジュール

Info

Publication number: JPH06188458A
Application number: JP33832692A
Authority: JP
Inventors: Fumio Yuki; 文夫結城; Takeshi Kato; 猛加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 1994-07-08

Abstract

(57)【要約】【構成】２次元光素子アレイ１０２の電極１０７と基板
１０３の電極１０８とは、合わせマーク１１１によって
位置合わせされた後、半田バンプ１０９によって接続さ
れている。２次元光素子アレイ１０２と、キャップ１０
５に固定された光部品１０６とは、合わせマーク１１０
と１１６によって光軸合わせされた後、光学的に結合さ
れている。【効果】２次元光素子アレイの電極と基板の電極とを位
置合わせするための合わせマークを、基板の接続面に配
置させることにより、位置ずれを防止でき、２次元光素
子アレイと、キャップに固定された光部品とを光軸合わ
せを行うための合わせマークを２次元アレイと光部品と
の向かい合う表面に配置させるため光軸ずれを防止でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光素子の２次元アレイ
を搭載したモジュールに係り、特に、２次元アレイの電
極の接続または光軸合わせに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特開平3−141308 号公報に
記載の光素子モジュールが知られている。光素子と基板
の電極を半田バンプによってフリップチップ接続してい
る。半田バンプ表面の酸化膜を除去するため、フラック
スを用いている。これにより、半田バンプの表面張力に
基づくセルフアライメント作用を働かせて、光素子と基
板の電極同士の位置ずれを補正している。

【０００３】また、上記従来のモジュールは、基板に形
成された合わせマークと、ファイバを固定したガラスキ
ャップに形成された合わせマークにより、光素子と光フ
ァイバの光軸合わせを行っている。

【０００４】従来、フリップチップ接続装置として、特
開昭57−4131号公報に記載のものが知られている。この
装置では、半導体素子と基板の電極を別個のＴＶカメラ
でモニタし、同一のモニタの画面上に合成している。モ
ニタ画像を見ながら電極の位置合わせを行った後、搬送
機構によって基板に半導体素子を搭載し、電極同士を接
続している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、大型計算機等の
筐体間または配線ボード間を接続するため、光インタコ
ネクションが用いられている。光素子モジュールの伝送
スループットと実装密度を向上するため、モジュールに
搭載する光素子数は年々増大している。将来的には、光
素子の２次元アレイが用いられると予想される。２次元
アレイの電極の接続には、フリップチップ接続が適して
いる。現在、通常の半導体素子の電極と半田バンプのサ
イズは直径１００μｍ〜３００μｍ，厚さ１００μｍ〜
３００μｍであるが、今後、高速化、すなわち、低容量
・低インダクタンス化を図るため更に微細化されると推
察される。具体的には、直径１０μｍ〜５０μｍ，厚さ
数μｍ〜１０μｍ程度になると考えられる。

【０００６】従来の光素子モジュールは、このような微
細な電極と半田バンプの位置合わせに関して考慮されて
いない。一般によく知られているように、フラックスに
含まれる活性剤は光素子の特性を劣化させる。フラック
スを用いないことが望ましいが、半田バンプに酸化膜が
残り、表面張力が働きにくくなる。また、通常のサイズ
の大きい半田バンプはボール形状であるので、表面張力
が働く。しかし、先述した微細な半田バンプは円板形状
であり、あまり表面張力が働かない。したがって、セル
フアライメント作用が生じず、位置ずれが補正されな
い。光素子と基板の電極は、フリップチップ接続装置に
より光素子を基板に搭載した位置に、そのまま接続され
ることになる。

【０００７】上記従来のフリップチップ接続装置の位置
合わせ精度は、実際には１０μｍ程度が限界である。な
ぜなら、２台のＴＶカメラの光軸と搬送機構の移動軸を
このような精度で位置合わせすることは不可能である。
通常の半田バンプではこの精度で十分であるが、微細な
半田バンプではセルフアライメント作用が働かないので
位置ずれが残る。電極と半田バンプの位置ずれは、接続
容量の増大，半田バンプの破断等、伝送特性不良および
信頼性不良を引き起こす原因になる。

【０００８】以上から、上記従来の光素子モジュールに
は、微細な電極と半田バンプの位置合わせを行うことが
できないという問題があった。

【０００９】また、上記従来の光素子モジュールは、光
素子と、光ファイバやレンズ等の光部品との光軸合わせ
に関して配慮が足りなかった。一般に、レーザダイオー
ドと光部品との光軸合わせでは、±５μｍ以下の精度が
必要になる。この精度で光軸合わせを行うには、ＮＡ
(開口数）０.１以上の対物レンズによって、基板上とガ
ラスキャップ上の合わせマークを観察する必要がある。
しかし、基板とガラスキャップの間には光素子があるの
で、合わせマーク同士は数百μｍ以上離れている。ＮＡ
０.１以上の対物レンズの焦点深度は約１０μｍ以下に
なるので、同時に基板上とガラスキャップ上の合わせマ
ークを観察することができない。したがって、対物レン
ズの焦点を２度合わせ直さねばならず、作業に手間がか
かる。さらに、対物レンズの焦点合わせ機構の精度によ
って、光軸合わせ精度が悪くなる。

【００１０】以上から、上記従来の光素子モジュールに
は、光軸合わせ作業が困難であり、精度が不十分である
という問題があった。

【００１１】本発明の目的は、光素子と基板の電極の位
置合わせ、または光素子と光部品の光軸合わせを簡便か
つ精度良く行うことができる光素子モジュールを提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、光素子の２次元アレイと、前記２次元アレ
イに接続される基板を備え、前記２次元アレイの電極と
前記基板の電極とを位置合わせするための合わせマーク
を、前記基板の接続面に前記２次元アレイを投射した図
形の外周の対角方向において複数箇所有するものであ
る。

【００１３】また、前記投射図形の辺上または前記辺の
延長線上に合わせマークを有するものである。

【００１４】さらに、前記基板の電極の直径をＤとし
て、前記合わせマークは幅１／４・Ｄ以下，長さ１／２
・Ｄ以下の素線からなるものである。

【００１５】上記他の目的を達成するため、光素子の２
次元アレイと、前記２次元アレイに結合される光部品を
備え、前記２次元アレイと前記光部品との光軸合わせを
行うための合わせマークを、前記２次元アレイと前記光
部品との向かい合う二つの面に有するものである。

【００１６】さらに、上記二つの目的に対して、前記合
わせマークの表面が高反射率を有するＡｕからなるもの
である。

【００１７】

【作用】上記手段によれば、基板上の合わせマークと光
素子の２次元アレイの外形とを位置合わせすることによ
り、基板と２次元アレイの電極の位置合わせを行うこと
ができる。すなわち、基板と光素子を同一のＴＶカメラ
で観察しながらフリップチップ接続することができる。
基板への合わせマークの形成と、２次元アレイの外形の
加工は精度良く行われる。また、外形の対角方向に形成
された合わせマークによって、２次元アレイの平行移動
だけでなく回転移動による位置ずれも十分に修正するこ
とができる。従来のフリップチップ接続装置のように、
２台のＴＶカメラと搬送機構を介在させていないので、
位置ずれが生じることがない。したがって、半田バンプ
のセルフアライメント作用が働かなくとも、電極の接続
不良が起こらない。

【００１８】また、２次元アレイの投射図形の辺上また
は辺の延長線上に合わせマークを設けることにより、合
わせマークに２次元アレイの外形を揃えるだけで、位置
合わせを行うことができる。

【００１９】さらに、合わせマークを幅１／４・Ｄ以
下，長さ１／２・Ｄ以下の素線によって構成することに
よって、２次元アレイと基板の位置ずれ量を幅と長さか
ら具体的に把握することができ、最大位置ずれ量を１／
２・Ｄ以下に抑えることができる。

【００２０】２次元アレイと光部品との向かい合う二つ
の面に合わせマークを設けたことにより、合わせマーク
同士が近接するので、対物レンズの同一の視野で合わせ
マークを観察することができる。従来のように対物レン
ズの焦点を２度合わせ直す必要がなくなり、対物レンズ
の焦点合わせ機構の精度によって光軸が狂うことがな
い。

【００２１】合わせマークの表面は高反射率を有するＡ
ｕからなるので、ＴＶカメラで観察しながら合わせ作業
を行う際、コントラストが低下し、分解能が落ちること
がない。

【００２２】

【実施例】図１は本発明による第１実施例の光素子モジ
ュールの断面図である。図１において、光素子モジュー
ル１０１は、２次元光素子アレイ１０２と、基板１０３
と、パッケージ１０４と、キャップ１０５と、光部品１
０６を備えている。２次元光素子アレイ１０２の電極１
０７と基板１０３の電極１０８とは、半田バンプ１０９
によって接続されている。２次元光素子アレイ１０２
と、キャップ１０５に固定された光部品１０６とは、光
学的に結合されている。

【００２３】２次元光素子アレイ１０２の個々の光素子
は、発振波長約１μｍのＩｎＧaＡs系面発光レーザダイ
オード、またはＩｎＧａＡｓ系ｐｉｎ型ホトダイオード
からなる。アレイ間隔は２５０μｍである。２次元光素
子アレイ１０２の表面には電極１０７が形成され、裏面
には合わせマーク１１０が形成されている。電極107と
合わせマーク１１０は、Ａｕ／Ｎｉ／Ｔｉからなる。２
次元光素子アレイ102の両面にＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを蒸着
した後、まず電極１０７をパターニングする。その後、
両面マスクアライナを用いて電極１０７の位置を検出し
ながら、合わせマーク１１０をパターニングした。

【００２４】基板１０３は、ＧａＡｓ系ＩＣまたはＡｌ
Ｎ製サブマウントからなる。基板１０３には、２次元光
素子アレイ１０２と熱膨張係数が近い材料を選んだ。基
板１０３の表面には、Ａｕ／Ｎｉ／Ｔｉを蒸着した後、
ドライエッチングを行ってパターニングすることによ
り、電極１０８及び合わせマーク１１１が形成されてい
る。電極１０８の直径は５０μｍ、合わせマーク１１１
の線幅は１０μｍ、線長は２５μｍである。基板１０３
の裏面には、パッケージ１０４に半田固定するため、Ａ
ｕ／Ｎｉ／Ｔｉからなる蒸着膜が形成されている。

【００２５】半田バンプ１０９の材質はＰｂ−５％Ｓｎ
からなる。メタルマスクまたはホトリソグラフィによっ
て選択的に蒸着することによって、基板１０３の電極１
０８の上に形成した。半田バンプ１０９の直径は５０μ
ｍである。

【００２６】パッケージ１０４は、ベース１１２，フレ
ーム１１３，１１４，端子１１５からなる。ベース１１
２は高熱伝導性Ｃｕ−Ｗ合金，フレーム１１３，１１４
はアルミナ・セラミクスからなる。端子１１５は、フィ
ルムキャリアまたはワイヤからなる配線材１１８によっ
て基板１０３に接続されている。ベース１１２及びフレ
ーム１１３，１１４の表面にはＡｕ／Ｎｉメッキを施し
た。

【００２７】キャップ１０５は、パッケージ１０４と熱
膨張係数がほぼ等しいコバール合金からなる。キャップ
１０５には光部品１０６が封止固定されている。

【００２８】光部品１０６は、屈折率分布型マイクロレ
ンズアレイからなる。直径２００μｍのマイクロレンズ
が、アレイ間隔２５０μｍで配列されている。光部品10
6の２次元光素子アレイ１０２と向かい合う面には、合
わせマーク１１６が形成されている。合わせマーク１１
６は、Ａｕ／Ｎｉ／Ｔｉを蒸着した後、パターニングし
た。

【００２９】第１実施例の光素子モジュールの実装プロ
セスを、図２及び図３を用いて説明する。図２（ａ）は
上面図、同図（ｂ）は断面図、図３は断面図である。以
下、工程を順に説明する。

【００３０】（１）光素子組立工程まず、２次元光素子アレイ１０２と，半田バンプ１０９
が形成された基板103とを、それぞれ真空吸着によって
保持する。図２に示すように、２次元光素子アレイ１０
２の外形と、基板１０３に形成された合わせマーク１１
０との位置合わせを、上側からＴＶカメラで観察するこ
とによって行う。その後、半田バンプ１０９を溶融さ
せ、２次元光素子アレイ１０２の電極１０７と、基板１
０３の電極１０８をフリップチップ接続する。

【００３１】（２）基板組立工程２次元光素子アレイ１０２が接続された基板１０３を、
Ｐｂ−６０％Ｓｎ半田１１７によってパッケージ１０４
に固定する。基板１０３と端子１１５を配線材１１８に
よって接続する。

【００３２】（３）キャップ組立工程図３に示すように、２次元光素子アレイ１０２に形成さ
れた合わせマーク１１０と、光部品１０６に形成された
合わせマーク１１６との位置合わせを、上側からＴＶカ
メラで観察することによって行う。その後、光部品１０
６が固定されたキャップ１０５をパッケージ１０４に溶
接し、パッケージ１０４を気密封止する。

【００３３】第１実施例によれば、２次元光素子アレイ
１０２の電極１０７と基板１０３の電極１０８とを位置
合わせするための合わせマーク１１０が、図２に示すよ
うに、基板１０３の接続面に２次元光素子アレイ１０２
を投射した図形の外周の対角方向において、２箇所に形
成されている。

【００３４】２次元光素子アレイ１０２の外形と合わせ
マーク１１１とを位置合わせすることにより、基板１０
３の電極１０８と２次元光素子アレイの電極１０７の位
置合わせを行うことができ、同一のＴＶカメラで観察し
ながらフリップチップ接続することができる。基板１０
３への合わせマーク１１１の形成と、２次元光素子アレ
イ１０２の外形の加工は精度良く行われる。

【００３５】また、外形の対角方向に形成された合わせ
マーク１１１によって、２次元光素子アレイの平行移動
だけでなく、回転移動による位置ずれも十分に修正する
ことができる。

【００３６】図２に示すように、２次元光素子アレイ１
０２の投射図形の辺の延長線上に合わせマーク１１１を
設けることによって、合わせマーク１１１に２次元光素
子アレイ１０２の外形を揃えるだけで、簡便に位置合わ
せを行うことができる。

【００３７】さらに、図２に示すように、電極１０７の
直径をＤ（ここでは５０μｍ）として、合わせマーク１
１０を幅１／４・Ｄ以下(ここでは１０μｍ)，長さ１／
２・Ｄ（ここでは２５μｍ）以下の素線によって構成す
ることにより、２次元光素子アレイ１０２と基板１０３
の位置ずれ量を幅と長さから具体的に把握することがで
き、最大位置ずれ量を１／２・Ｄ以下（ここでは２５μ
ｍ以下）に抑えることができる。したがって、電極１０
７と電極１０７の接続不良，半田バンプ１０９の破断等
が生じることがない。

【００３８】２次元光素子アレイ１０２と光部品１０６
との向かい合う二つの面には、合わせマーク１１０，１
１６が形成されている。これにより、合わせマーク１１
０，１１６同士を近接させ、ＴＶカメラの対物レンズの
同一視野において両方の合わせマーク１１０，１１６を
観察することができる。したがって、２次元光素子アレ
イ１０２と光部品１０６との光軸合わせ作業を簡便に行
うことが可能になる。

【００３９】合わせマーク１１０，１１６の表面は高反
射率を有するＡｕからなるので、ＴＶカメラで観察しな
がら合わせ作業を行う際、コントラストが低下し、分解
能が落ちることがない。したがって、位置合わせの作業
性と精度がともに向上する効果がある。

【００４０】第１実施例によれば、２次元光素子アレイ
１０２と基板１０３の電極１０７，１０８の位置合わせ
を±２５μｍ以下，２次元光素子アレイ１０２と光部品
106の光軸合わせを±５μｍという高い精度で、且つ、
簡便に行うことができる。

【００４１】なお、本発明の効果は、基板上の合わせマ
ークを２次元アレイを投射した図形の外周の対角方向に
複数箇所有すること、２次元アレイと光部品との向かい
合う二つの面に合わせマークを有すること、投射図形の
辺上または辺の延長線上に合わせマークを有すること、
基板の電極の直径をＤとして合わせマークが幅１／４・
Ｄ以下で長さ１／２・Ｄ以下の素線からなること、合わ
せマークの表面は高反射率を有するＡｕからなること、
またこれらの組合せによって発揮される。

【００４２】例えば、第１実施例では対角方向の２箇所
に合わせマーク１１０を形成したが、これは４箇所であ
ってもよい。合わせマーク１１０，１１１，１１６の形
状はＬ字型であるが、例えば、十字型，⊥字型，田字型
であっても良い。目的に応じて、幅１／４・Ｄ以下で長
さ１／２・Ｄ以下の素線から構成される合わせマークを
用いることが可能である。合わせマーク１１０，１１
１，１１６の表面はＡｕからなり、下地はＮｉ／Ｔｉか
らなるが、例えば、Ｎｉ／Ｃｒ，Ｐｔ／Ｔｉ等を下地と
して用いる場合も有り得る。

【００４３】図４は、本発明による第２実施例の光素子
モジュールの断面図である。図４において、光素子モジ
ュール４０１は、２次元光素子アレイ１０２と、基板１
０３と、パッケージ１０４と、キャップ１０５と、光部
品１０６を備えている。２次元光素子アレイ１０２の電
極１０７と基板１０３の電極１０８とは、半田バンプ１
０９によって接続されている。２次元アレイ１０２と、
キャップ１０５に固定された光部品１０６とは、光学的
に結合されている。

【００４４】２次元光素子アレイ１０２の個々の光素子
は、面発光レーザダイオード、またはホトダイオードか
らなる。アレイ間隔は２５０μｍである。２次元光素子
アレイ１０２の表面には電極１０７が形成され、裏面に
は合わせマーク１１０が形成されている。合わせマーク
１１０の線幅は２μｍ、線長は５μｍである。

【００４５】基板１０３はＬＳＩからなる。基板１０３
の表面には、電極１０８及び合わせマーク１１１が形成
されている。電極１０７の直径は２０μｍ、合わせマー
ク１１１を構成する素線の線幅は４μｍ、線長は８μｍ
である。基板１０３の電極１０８の上に形成された半田
バンプ１０９の直径は２０μｍである。基板１０３は、
Ｐｂ−６０％Ｓｎ半田１１７で固定されている。

【００４６】パッケージ１０４は、ベース１１２，フレ
ーム１１３，１１４，端子１１５からなる。端子１１５
は、配線材１１８によって基板１０３に接続されてい
る。キャップ１０５には、光部品４０２とガイド４０３
が封止固定されている。

【００４７】光部品４０２は感光性ガラスからなる。ホ
トリソグラフィ加工によって、250μｍピッチで直径１
３０μｍの複数のピンホールが形成されている。このピ
ンホールには、ファイバアレイ４０４が挿入されてい
る。２次元光素子アレイ１０２に向かい合う表面には、
合わせマーク１１６が形成されている。合わせマーク１
１６の線幅は２μｍ、線長は５μｍである。

【００４８】ファイバアレイ４０４は、外径１２５μｍ
の単一モード光ファイバからなる。その先端には、エッ
チング加工と放電加工によって、半径３０μｍの先球レ
ンズ４０５が形成されている。ファイバアレイ４０４
は、ガイド４０３に低融点ガラスによって固定されてい
る。

【００４９】ガイド４０３は、ジルコニア・セラミクス
からなる。精密機械加工により、直径１２６μｍ，アレ
イ間隔２５０μｍのピンホールが±１μｍの精度で形成
されている。ガイド４０３は、高融点半田材によってキ
ャップ１０５に固定され、パッケージ１０４を封止して
いる。

【００５０】第２実施例の光素子モジュール４０１は、
以下の実装プロセスによって組み立てた。合わせマーク
１１１と２次元光素子アレイ１０２の外形を位置合わせ
を行った後、２次元光素子アレイ１０２の電極１０７と
基板１０３の電極１０８を半田バンプ１０９によってフ
リップチップ接続する。２次元光素子アレイ１０２が接
続された基板１０３をパッケージ１０４に固定する。基
板１０３と端子１１５を配線材１１８によって接続す
る。２次元光素子アレイ１０２に形成された合わせマー
ク１１０と、光部品４０２に形成された合わせマーク１
１６との位置合わせを行った後、光部品４０２が固定さ
れたキャップ１０５をパッケージ１０４に溶接する。最
後に、ガイド４０３に固定されたファイバアレイ４０４
を光部品４０２のピンホールに挿入し、２次元光素子ア
レイ１０２を駆動しながらファイバアレイ４０４の光軸
合わせを行い、ガイド４０３をキャップ１０５に固定す
る。

【００５１】本第２実施例によれば、合わせマーク１１
０，１１１，１１６のサイズを微細化したことによっ
て、２次元光素子アレイ１０２と基板１０３の電極１０
７，１０８の位置合わせを±４μｍ以下，２次元光素子
アレイ１０２と光部品４０２の位置合わせを±２μｍ以
下という高い精度で、簡便に行うことができる。

【００５２】また、光部品４０２に設けたピンホール
に、ガイド４０３に固定されたファイバアレイ４０４を
挿入するだけで、２次元光素子アレイ１０２とファイバ
アレイ４０４の位置合わせは±５μｍ精度で行われる。
これにより、２次元光素子アレイ１０２とファイバアレ
イ４０４とは、大まかに光結合される。したがって、２
次元光素子アレイ１０２を駆動させることにより、結合
した光量を測定しながら、２次元光素子アレイ１０２と
ファイバアレイ４０４の光軸合わせを±３μｍの精度で
精密に行うことができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、２次元光素子アレイの
電極と基板の電極とを位置合わせするための合わせマー
クを、基板の接続面に、２次元アレイを投射した図形の
外周の対角方向に複数箇所配置させたことは位置ずれ解
消に優れた効果がある。

【００５４】２次元アレイ投射図形の辺の延長線上に合
わせマークを配置させることは合わせ精度を向上させる
効果がある。

【００５５】合わせマークの大きさが線幅１／４・Ｄ，
線長１／２・Ｄ以下にすることは電極接続不良の解消に
効果がある。

【００５６】合わせマークの表面層を高反射率を有する
Ａｕまたは金属膜にすることは位置合わせ作業時間の短
縮に効果がある。

【００５７】２次元光素子アレイと光部品との光軸合わ
せを行うための合わせマークを、２次元アレイと光部品
との向かい合う表面に配置させることは位置合わせ精度
の向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例を示す光素子モジュー
ルの断面図。

【図２】本発明の第１実施例の光素子と基板との組立
図。

【図３】本発明の第１実施例の光素子と光部品との組立
図。

【図４】本発明による第２実施例を示す光素子モジュー
ルの断面図。

【符号の説明】

１０１，４０１…光素子モジュール、１０２…２次元光
素子アレイ、１０３…基板、１０４…パッケージ、１０
５…キャップ、１０６，４０２…光部品、107,１０８…
電極、１０９…半田バンプ、１１０，１１１，１１６…
合わせマーク、１１２…ベース、１１３，１１４…フレ
ーム、１１５…端子、１１７…Ｐｂ−６０％Ｓｎ半田、
１１８…配線材、４０３…ガイド、４０４…ファイバア
レイ、４０５…先球レンズ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光素子の２次元アレイと、前記２次元アレ
イに接続される基板を備え、前記２次元アレイの電極と
前記基板の電極とを位置合わせするための合わせマーク
を、前記基板の接続面に前記２次元アレイを投射した図
形の外周の対角方向に複数箇所有することを特徴とする
光素子モジュール。
【請求項２】光素子の２次元アレイと、前記２次元アレ
イに結合される光部品を備え、前記２次元アレイと前記
光部品との光軸合わせを行うための合わせマークを、前
記２次元アレイと前記光部品との向かい合う二つの面に
有することを特徴とする光素子モジュール。
【請求項３】請求項１において、前記投射図形の辺上ま
たは前記辺の延長線上に合わせマークを有する光素子モ
ジュール。
【請求項４】請求項１において、前記基板の電極の直径
をＤとして、前記合わせマークは幅１／４・Ｄ以下，長
さ１／２・Ｄ以下の素線からなる光素子モジュール。
【請求項５】請求項１または２において、前記合わせマ
ークの表面は高反射率を有するＡｕからなる光素子モジ
ュール。