JPH08204326A - 素子を配置およびハンダ付けする方法 - Google Patents
素子を配置およびハンダ付けする方法Info
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Abstract
少する技術を提供する。 【構成】 第1素子11を基板16に配置、接着する方
法においては、第1素子と基板との間に複数のハンダ要
素17を用意するステップと、第1素子を配置するステ
ップと、第1素子を基板に固着するためにハンダ要素の
みをリフローし、そして冷却するステップとを有する。
本発明の改善においては、まず、ハンダ要素の第1グル
ープをリフローし、この第1グループの要素を冷却し
て、第1素子を基板に止めるステップを有する。その
後、第2グループの複数のハンダ要素のみをリフロー
し、この第2グループを冷却して、第1素子に影響を及
ぼさずに第1素子と基板との間の接着を強化するステッ
プを行う。この方法により、各リフローステップに必要
なエネルギーの量が減少して、ひいては熱応力が低減
し、よりよい配置が実現される。
Description
れる装置の組立に関し、特にレーザと光ファイバのアラ
インメント方法及び装置に関する。
信器は、一般的に光ファイバに接続される半導体レーザ
を有するパッケージを必要とし、光ファイバはこのパッ
ケージから外へ伸びる。このような送信機を構築するに
際しては、光ファイバとレーザを最適にアラインメント
し、このファイバを介してレーザ出力を最大限に送信す
ることに大きな工夫がなされている。例えば、よく使わ
れる方法としては、能動配置法がある。この方法におい
てレーザは基板に固定され、ファイバをその上でのレー
ザ出力が最大になるまで少しずつ移動して位置を探索
し、そしてこの光ファイバは永久に同一の基板に固定さ
れる。別法としては、まずファイバを基板に固定して、
レーザを移動してその位置を決め、そして固定する方法
がある。
ャリアとレーザキャリアとの両方を基板に固定するのに
最適な材料である。このような能動配置においては、配
列する装置に接触するハンダは溶融、あるいはリフロー
状態であり、素子はアラインメント位置に保持されて、
ハンダは冷却、固化される。このようなプロセスにおい
ては、よく知られている問題点として、異なる要素間の
熱膨張の差による熱応力がハンダの固化の後でさえ素子
の微小移動を引き起こし、ひいては微小の配列ずれを引
き起こすことが分かった。この応力を減少させるため
に、例えば、米国特許第5307434号(Blonderら,
1994年4月26日付特許)に開示されるように、
ハンダ要素のボンディングパッドに小さな加熱用の抵抗
ヒーターを用いてハンダをリフローすることにより、局
所的な加熱が実現された。
を配置する場合には、極めて小さな位置ずれでも接続さ
れる光ファイバ上のレーザ光を大幅に減少させてしま
う。前述した特許の改善方法を用いても、配置ずれはハ
ンダリフローステップに引き起こされた熱応力により相
変わらず発生する可能性がある。我々は小型の抵抗加熱
されるハンダ要素を一個の代わりに複数個使用して、こ
の応力をさらに減少する試みを行ったが、わずかな配置
ずれがやはり問題として残っている。
板に配置し固着する改善された方法を提供する。この方
法においては、第1素子と基板との間に複数のハンダ要
素を用意するステップと、第1素子を配置するステップ
と、第1素子を基板に固着するためにハンダ要素をリフ
ローし冷却するステップとを含む。この改善において
は、まず、第1グループのハンダ要素のみをリフローし
て、その後この第1グループの要素を冷却することによ
り、第1素子を基板に止める。その後、この複数のハン
ダ要素の第2グループのみをリフローし、その後この第
2グループの要素を冷却して、第1素子の配置に影響を
及ぼさずに素子と基板間の接着をさらに強化する。この
方法によって、各リフローステップに必要なエネルギー
が減少され、熱応力も減少されて、よりよい配置が実現
される。
に、本発明の一つの実施例においては、3つのハンダ要
素グループが用意され、各グループには個別のヒーター
により加熱される4つのハンダ要素が含まれている。分
離の回路によりリフローのため3つのグループに順番に
熱を加える。すなわち、4つのハンダ要素が最初にリフ
ローされ、冷却されて、第1素子と基板とを効果的につ
なぎ止める。その後、ほかのグループを順番に処理し、
各グループの処理の間に熱を散逸する。ここにおいて、
各ヒーター要素と第1素子の間、またヒーター要素と基
板の間には熱をハンダ要素に集中させるために、熱バリ
アを設置することが望ましい。この実施例においては、
この第1素子はレーザであり、このレーザをあらかじめ
固定された光ファイバに配置する。
な比例関係にない。図1には光装置パッケージをつくる
ための装置を示す。このパッケージにおいて、半導体レ
ーザ11は光ファイバ12に非常に近接して配置され
る。この半導体レーザ11はチップキャリア13により
支持され、光ファイバ12はファイバキャリア14によ
り支持される。このファイバキャリア14は基板16に
固着され、その上に複数のハンダ要素17を有する。チ
ップキャリア13は複数のボンディングパッド18を有
し、各ボンディングパッド18は各ハンダ要素17にそ
れぞれ対応する。
制御された真空チャック20に保持され、このロボット
21はチップキャリア13と半導体レーザ11を並進直
角座標のX、Y、Z方向に移動可能である。半導体レー
ザ11はプローブ22に沿った方向に移動される。この
プローブ22は半導体レーザ11をスプリング保持す
る。周知の能動配置方法と同様に、半導体レーザ11の
作動によりそこから発生する光は光ファイバ12に向け
られ、検知器23により検知される。検知器23により
検知される光量が最大となるように、ロボット21は半
導体レーザ11を少しずつ移動する。これにより半導体
レーザ11と光ファイバ12との間の最適なアラインメ
ントが得られる。特に、光ファイバ12がシングルモー
ドファイバである場合、レーザの配置の許容誤差は1ミ
クロン、またはそれ以下に納めなければならない。
グパッド18は図示されるようにハンダ要素17と接触
する状態、あるいはハンダ要素17とわずかに離れてい
る状態にある。一旦最適な配置が得られると、ハンダ要
素17はボンディングパッド18と接触するようリフロ
ー、または溶融される。その後、このハンダ要素は冷却
して、固化される。これにより、半導体レーザ11は光
ファイバ12とアラインメントされるとともに、チップ
キャリア13と基板16の間に丈夫な固着が形成され
る。そして真空チャック20により形成された真空は解
放される。このような過程は例えば、光送信器パッケー
ジを形成するプロセスの一部を構成する。
で且つ大量のハンダ要素に比べて、複数のハンダ要素1
7を使用することが望ましい。それは、複数のハンダ要
素を使用することにより、リフローに必要な熱量を減少
させることができ、ひいてはチップキャリア13におけ
る熱応力を減少させることができるからである。このよ
うな対策を用いても、熱応力はハンダ要素が凝固した
後、十分大きな残留応力として構造体内に蓄積され、真
空チャック20が解放されると、半導体レーザ11を光
ファイバ12への最適な配置位置から変位させる可能性
もある。
17をグループ化して、順番にグループをリフローし、
冷却することにより緩和させる。この方法は、各ハンダ
要素17に対応する抵抗ヒーター要素を用いて、分離の
回路により各グループのヒーター要素を制御することに
よって実現されうる。図2に示すように、バッテリ25
は様々なハンダ要素17に対応したヒーター要素を順番
に動作させるよう使用される。図2の全回路はコネクタ
パッド26を介してバッテリ25のプラスの端子に接続
される。3つの異なるハンダ要素のグループは分離した
3つの回路27、28、29により分けられる。各回路
はコネクタパッド33に接続され、このコネクタパッド
33は選択的にバッテリ25のマイナスの端子に接続さ
れる。
導通となり、外部の4つのハンダ要素17に対応するヒ
ーター要素が通電する。このため、チップキャリア13
のボンディングパッド18を接触することにより、この
外部の4つのハンダ要素はリフローされる。その後、ス
イッチ30を開いて、リフローした要素が固化され、チ
ップキャリア13を基板16に止める。次に、スイッチ
31を閉じると、電気回路28が導通となり、中間の4
つのハンダ要素17が加熱される。このグループがリフ
ローされた後、スイッチ31を開いて、この中間グルー
プの要素が冷却され、固化される。その後、スイッチ3
2を閉じることにより、電気回路29は導通となり、内
部のグループの4つのハンダ要素17がリフローされ
る。リフローの後、スイッチ32を開いて、ハンダ要素
17は固化され、固着プロセスは完了する。
熱する段階では、チップキャリア13に伝わる熱量は、
有害な熱応力を引き起こすほどではない。ここでの応力
はハンダ要素を変形させるが、この冷却されたハンダ要
素は十分にチップキャリアを動かすほどの量がない。回
路28に接続された次のグループは第1グループの熱量
が散逸された後で加熱されなければならない。このよう
な方法により、システムに伝わる熱量は順番に消滅し、
熱応力は完全にハンダ要素に吸収される。
後のハンダ要素17の断面図を示す。チップキャリア1
3はシリコンで、その上にシリコン酸化物層34が形成
され、このシリコン酸化物層34はリフロープロセスの
熱バリアとして機能する。その上に、クロム層35と金
層36がコーティングされる。別法としては、金属化は
チタン−プラチナ−金でもよい。
化物層(SiO2)38を有し、このシリコン酸化物層
(SiO2)38の上に抵抗ヒーター39が形成されて
いる。この抵抗ヒーター39はニッケル−クロム合金で
よい。ヒーターの上にシリコン酸化物層40が形成さ
れ、このシリコン酸化物層40はヒーター要素の電気的
絶縁体として機能する。層41と42は前述したように
クロムと金である。図4に示すように、抵抗ヒーター3
9は金属の曲がったストリップ状にされ、対応するハン
ダ要素17の一つのグループをリフローする熱量を生成
するために十分な電気抵抗が提供される。もちろん、図
4の抵抗ヒーター39を相互接続する図2の回路27、
28、29は、発熱量を十分小さくするように設計され
た。
34と38との間に抵抗ヒーター39とハンダ要素17
との両方を配置することが重要である。熱バリアはハン
ダ要素17内の熱を封じ込め、特にチップキャリア13
内の熱応力を減少させる。
た。 注:Aはオングストロームを表す。
ストロームの厚さを有するクロム材料製でよい。チップ
キャリア13は好ましくはシリコン製で、半導体レーザ
11のヒートシンクとして機能する。ファイバキャリア
14も好ましくはシリコン製である。このファイバキャ
リア14は、光ファイバ12の支持のためにV字溝にエ
ッチングされ、ハンダで基板16に接着される。この基
板16はセラミック製でもよい。ハンダ要素17は10
0μmの長さと幅、25〜30μmの高さを有し、65
%鉛と35%スズのソフトハンダである。ハンダ要素1
7がリフローされているとき、ボンディングパッド18
はハンダ要素17上部の5μm以内に保持されると、ハ
ンダ要素17の高さは「球面化」により上昇し、ボンデ
ィングパッド18に押しつけられる。別法としては、ボ
ンディングパッド18を固体状態のハンダ要素17に押
しつけると、ソフトハンダは配置プロセスにおいて有効
に圧縮される。
ープに分けられた12個のハンダ要素17は、このよう
な構造をとることにより、半導体レーザ11を永久的に
光ファイバに配置するのに十分な強度と信頼性を有す
る。もちろん、ハンダ要素の数、大きさ、配置、グルー
プの数及び各グループのハンダ要素数は、特別な装置パ
ッケージに対応してその設計が変わる。本発明において
は、基本的に少なくとも2つのリフローグループに分
け、第2のグループのハンダ要素を加熱する前に、第1
グループのハンダ要素のリフローに生成された熱量は散
逸される必要がある。電気的ヒーターは熱を提供する従
来周知の装置であるが、レーザ加熱等の他の方法を使用
することが考えられる。本発明の方法はもちろん固定さ
れたレーザへの光ファイバの配置または他の装置の配置
に用いることもできる。機械的なチャックを真空チャッ
ク20の代わりに、他の様々な装置をロボット21の代
わりに使用することもできる。他の実施例及び変形例も
本発明の方法に基づいて考えうるが、それらはすべて本
発明の範囲内のものである。
素子を配置するに際して、接着用のハンダを複数の要素
に分割して、このハンダ要素を幾つかのグループに分け
て、順序に各グループをリフローすることにより、素子
内の熱応力を減少させ、さらにこの熱応力による配置ず
れを減少することができる。
グする装置の断面図である。
ヒーター要素を示す斜視図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 第1素子(11)を基板(16)に配置
し、ハンダ付けする方法であって、 第1素子と基板との間に複数のハンダ要素(17)を用
意するステップと、 第1素子を配置するステップと、 第1素子を配置する位置で支持したまま、基板に固着す
るためにハンダ要素をリフローし、そして冷却するステ
ップとを有し、このプロセスが、 まず、前記複数のハンダ要素のうちの第1グループのみ
をリフローし、この第1グループには一個またはこれ以
上のハンダ要素を含み、そして前記第1グループを冷却
して、基板に第1素子を固定する第1ステップと、 次に、前記複数のハンダ要素のうちの第2グループのみ
をリフローし、この第2グループには前記第1グループ
の要素以外の一個またはこれ以上のハンダ要素を含み、
そして前記第2グループを冷却して、第1素子の配置に
影響を及ぼさずに第1素子と基板との間の接着を強化す
る第2ステップとを有することを特徴とする素子を配置
およびハンダ付けする方法。 - 【請求項2】 前記第1または第2のいずれのグループ
に加えるエネルギーの量も、前記第1素子に配置ずれを
生じさせる十分な熱応力を発生させないことを特徴とす
る請求項1の方法。 - 【請求項3】 前記第2ステップの後、前記複数のハン
ダ要素の第3グループのみをリフローし、冷却し、この
第3グループには前記第1、第2グループの要素以外の
一個またはこれ以上のハンダ要素を含む第3ステップを
さらに有することを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項4】 前記各グループは4個のハンダ要素を有
することを特徴とする請求項3の方法。 - 【請求項5】 前記第1素子には光装置を含み、 前記配置するステップは、この第1光素子を第2の光素
子に光学的に配置する配置ステップを有することを特徴
とする請求項2の方法。 - 【請求項6】 前記第1光素子はレーザを含み、 前記第1光素子は光ファイバを含み、 前記配置するステップは、レーザから射出した光を光フ
ァイバに最適に送信できるようにレーザを移動して配置
するステップを含むことを特徴とする請求項5の方法。 - 【請求項7】 前記第1ステップはハンダ要素の第1グ
ループに近接したヒーター要素のみを選択的に制御する
電気回路を有し、 前記第2ステップはハンダ要素の第2グループに近接し
たヒーター要素のみを選択的に制御する電気回路を有す
ることを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項8】 前記配置ステップは、ツールを使用して
第1素子を配置の第1位置に移動して配置するステップ
を有し、 前記第1と第2ステップは、前記ツールを使用して前記
第1素子を第1位置に保持するステップと、 その後、この素子をツールから解放するステップを有す
ることを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項9】 前記第1素子はレーザであり、 光ファイバに送信された光が最適となるまでレーザを移
動するために前記ツールを使用することを特徴とする請
求項8の方法。
Applications Claiming Priority (2)
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US08/260,860 US5568892A (en) | 1994-06-16 | 1994-06-16 | Alignment and bonding techniques |
US260860 | 1994-06-16 |
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Family
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP17301095A Expired - Lifetime JP3290055B2 (ja) | 1994-06-16 | 1995-06-16 | 素子を配置およびハンダ付けする方法 |
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EP (1) | EP0689073B1 (ja) |
JP (1) | JP3290055B2 (ja) |
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