JPH09186348A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各光学部品間の光接続や光結合を無調芯で片
端面のみの光接続で行え、低コスト、簡単な構成の半導
体モジュールを提供する。 【解決手段】 ヒートシンク作用を有する実装用基板２
に光ファイバ４と光受光素子７とを実装してなる半導体
モジュール１において、光ファイバ４は、軸線方向に垂
直な方形の外形断面を有するとともに一端面に長手軸線
に対し傾斜して形成された傾斜面４ｂを有し、実装用基
板２の表面には、光ファイバ４が長手軸線に沿って埋設
されて固着されるための方形溝３が形成されているとと
もに、光受光素子７を実装するためのボンディング固定
用金属パッド８が方形溝３と所定の位置関係で形成され
ており、光受光素子７は、傾斜面４ｂで反射して出射さ
れる光信号を検出可能な位置に実装されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体モジュール
に係り、実装用基板に光ファイバと光受光素子とを実装
してなる半導体モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】光半導体能動素子であるフォトダイオー
ドは構造によって様々な種類があり、実装の観点から大
きく分けると面受光型と端面受光型とがある。現在、最
も信頼性が高いものは面受光型である。面受光型は、大
きな受光面積を有し、レーザ素子の後ろに設置してモニ
タリングする際や、光ファイバや光導波路等から出射光
を光／電変換（Ｅ／Ｏ変換）する際に、高い光結合率と
高感度な機能を有する。

【０００３】ところで、導波路構造を有する端面受光型
では光の吸収層が非常に薄いため、通常他の光部品との
光接続結合損失が大きく、また結合のトレランスあるい
は許容性が非常に厳しい。このため、現在、Ｅ／Ｏ変換
素子であるフォトダイオードには面受光型が用いられて
いる。例えば、特開平６−２３０２５０公報に記載され
ている光受光器に使用されているフォトダイオードは裏
面受光型のタイプであり、フォトダイオードはファイバ
を通る円形穴を有する支持体の端部にダイボンディング
されており、穴に直接挿入されたファイバからの出射光
を受光する構成になっている。また、特開平５−３４１
１４３公報に記載されている表面実装型双方向伝送用モ
ジュールには、石英導波管の基板であるＳｉウェハに溝
が形成されており、この溝の中に光学系レンズ、レーザ
チップおよびフォトダイオードチップが組み込まれて送
受信モジュールが構成されている。ここで、フォトダイ
オードチップは面受光型ｐｉｎフォトダイオードが用い
られ、導波管からの入射光はフィルタ及び４５度の反射
面を経てフォトダイオードに入射するように設計されて
いる。また、特開平６−７５１３７公報に記載されてい
る光伝送用モジュールには、面受光型フォトダイオード
がセラミック基板上に実装されており、ファイバからの
光がフィルタを介しセラミック基板の穴を通して面受光
型フォトダイオードに入射し、Ｅ／Ｏ変換が図られてい
る。

【０００４】最近、コンピュータ用回路の高速化に伴
い、光化インターコネクション分野が急速に発展を見せ
ている。また、光通信分野では、光加入者網システムの
構築等の光化が進むにつれて、双方向光送受信モジュー
ル等の開発が要請されるようになってきた。これらの分
野では、光を伝搬する空間を極力なくす必要があるた
め、レンズ系等の長光路型の結合方式をなるべくやめ
て、直接的なバットジョイント方式が要求されるように
なった。

【０００５】さらに、バットジョイント方式における光
能動素子と受動素子との光接続損失に関しては、レンズ
を用いた結合系と変わらぬ程度の極めて低損失であるこ
とが要求されている。さらに、これらのモジュール構成
の超低価格であることが要求されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらの要求される仕
様を満足するためには、レンズ系による結合接続の代わ
りに能動素子と受動素子との間の結合に対し直接的に結
合するバットジョイント方式が重視されてきており、し
かも素子の組立時における光軸の接続方法は調芯型によ
る光軸の位置合わせよりも無調芯型によるピン嵌合接続
が主流となりつつある。すなわち、レーザダイオードや
フォトダイオード等の光能動素子を、無調芯接続に使わ
れるピン嵌合用の実装基板上に形成されている電極パッ
ド（配線パターンを含む）上の所定位置に、直接的にボ
ンディングすることが不可欠の開発課題となる。

【０００７】しかしながら、バットジョイント方式によ
る結合ではレンズ系の結合と異なり、レーザ素子の発光
面位置（光軸）が受光素子等（フォトダイオード（以下
ＰＤ）、受動光導波路部品、マウント（以下ＭＴ）コネ
クタ、光ファイバ等）の光軸から僅かにずれても非常に
大きな結合損失を生じてしまう。このため、実装精度に
許容されるズレ量は、縦方向および横方向についてわず
かに１μｍ程度以下である。

【０００８】これに対して、前述の特開平６−２３０２
５０公報に記載されている実装方法や受光手段では、単
体１個のフォトダイオードを対象とする場合には問題が
ないとしても、レーザダイオードやフォトダイオード等
の複数の部品を含む半導体モジュールでは、光の入射及
び出射方向、他の光部品との光接続や光結合等をバラン
スよく構成するためには、面発光型レーザダイオードを
使わない限り最も簡単な実装方法である平面実装法によ
る光能動部品の組立は難しく、このままでは応用できな
いという問題がある。

【０００９】また、前述の特開平５−３４１１４３公報
に記載されている表面実装型双方向伝送用モジュールで
は、平坦なＳｉ基板加工、各光学部品の組立精度、部品
数、コスト及び歩留まりを考慮すると、低価格のモジュ
ールを提供できないという問題がある。

【００１０】また、特開平６−７５１３７公報に記載さ
れている光伝送用モジュールでは、光学的な特性がよく
ても１個のモジュールを作るのに多くの部品が必要であ
り、しかもそれぞれの部品を加工して組立る必要がある
ので、コスト、歩留まり、製造時間あるいは構成の複雑
さ等の点で問題がある。

【００１１】さらに、上述の公報に記載されている技術
においては、すべてベスト調芯による結合調整工程を要
するという問題がある。

【００１２】そこで本発明の目的は、上記従来技術の有
する問題を解消し、各光学部品間の光接続や光結合を無
調芯で片端面のみの光接続で行え、低コスト、簡単な構
成の半導体モジュールを提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による半導体モジュールは、実装用基板に光
ファイバと光受光素子とを実装してなる半導体モジュー
ルにおいて、前記光ファイバは、軸線方向に垂直な断面
が方形をなす外形形状を有するとともに一端面に長手軸
線に対し傾斜して形成された傾斜面を有し、前記実装用
基板の表面には、前記光ファイバが長手軸線に沿って埋
設されて固着されるための方形溝が形成されているとと
もに、前記光受光素子を実装するためのボンディング固
定用金属パッドが前記方形溝の長手方向中心線に線対称
をなす位置形状に形成されており、前記光受光素子は、
前記傾斜面で反射して出射される光信号を検出可能な位
置に実装されていることを特徴としている。

【００１４】本発明では、実装用基板として好適にはヒ
ートシンク作用を有する基板を使用する。本発明で方形
溝とは長手方向に垂直な断面が方形の溝を意味し、本発
明では軸線方向に垂直な断面が方形の光ファイバを固定
し易いように方形溝が形成されている。

【００１５】また、本発明の好適な実施態様では、前記
光受光素子は、前記光ファイバを跨ぐように前記ボンデ
ィング固定用金属パッド上に実装されたキャリアの上に
搭載されて前記実装用基板に実装されており、前記キャ
リアには、前記傾斜面で反射された光信号を前記光受光
素子の受光面へ透過させるための光通過孔が形成されて
いる。本発明の更に好適な実施態様では、前記光通過孔
には、光信号を透過するフィルタが装着されていること
を特徴としている。また、本発明の別の好適な実施態様
では、前記実装用基板には光発光素子が実装されてお
り、この光発光素子の光の出射部と前記光ファイバの光
の入射部とは前記実装用基板の同一端面に位置してお
り、前記実装用基板の表面には、他の光受動部品とバッ
トジョイント方式無調芯で光接続をするための位置合わ
せ手段が形成されていることを特徴としている。また、
好適には、前記キャリアは導電性材料からなり、表面が
金メッキされている。また、好適には、前記キャリアは
絶縁性材料からなり、前記光受光素子が搭載される搭載
面には所定の電気配線パターンと半田材でボンディング
するための金属パッドとが形成されており、前記キャリ
アの前記ボンディング固定用金属パッドに対向する部分
にはボンディング可能な金属パッドが形成されている。

【００１６】外形断面が方形の光ファイバは実装用基板
の方形溝に固着されており、光ファイバの一方の端面か
ら入射した光信号は、他方の端面に形成されている傾斜
面において光ファイバの内部で全反射して光ファイバの
外部へ出射される。

【００１７】ボンディング固定用金属パッドは、方形溝
と所定の位置関係で形成されているので、光信号を出射
する光ファイバの出射部の位置と、ボンディング固定用
金属パッドの位置とは、所定の関係にある。従って、ボ
ンディング固定用金属パッドを用いて光受発光素子を実
装することにより、光受発光素子を容易に溝中心線上に
精度良く設置することができるため、傾斜面で反射して
出射される光信号を効率良く検出できる位置に実装する
ことができる。

【００１８】光受光素子は、ボンディング固定用金属パ
ッドを介して直接的に実装用基板に実装することも可能
であるが、キャリアを介して実装用基板に実装すること
も可能である。この場合、光受光素子をキャリア上の所
定の位置に精度よく位置決めして搭載し、またキャリア
をボンディング固定用金属パッド上の所定位置を成立さ
せることができ、光受光素子を傾斜面で反射して出射さ
れる光信号を効率良く検出できる位置に実装することが
できる。

【００１９】光ファイバは方形の外形断面を有し、実装
用基板の方形溝に固着されているので、回転等を防止で
き、光信号の出射位置に大きく影響する前記傾斜面の位
置を、安定に一義的に定めることができる。

【００２０】実装用基板に光受光素子の他に光発光素子
を実装する。光発光素子は、例えば実装用基板表面上に
形成された他の方形溝を介し、所定の位置に位置決めさ
れて実装されることが可能である。この光発光素子の光
の出射部と光ファイバの光の入射部とを実装用基板の同
一端面に位置するようにし、また、実装用基板の表面
に、例えば２個の平行関係にあるＶ溝等の位置合わせ手
段を形成する。この位置合わせ手段を介し、他の光受動
部品とバットジョイント方式無調芯で光接続をすること
が可能になる。

【００２１】

【実施例】以下に図面を参照して本発明に係る半導体モ
ジュールの実施例を説明する。図１は、本実施例に係る
半導体モジュール１の組立分解図である。図２は、組立
てられた半導体モジュール１の断面図を示す。半導体モ
ジュール１は、ヒートシンク作用を有するＳｉの実装用
基板２と、実装用基板２に形成された直方体状の方形溝
３に埋設された外形断面が方形の光ファイバ４と、光フ
ァイバ４に跨って実装用基板２上に実装されるキャリア
５と、キャリア５に取り付けられるフィルタ６と、キャ
リア５上に搭載されて実装用基板２に実装される半導体
面受光型ｐｉｎフォトダイオードレーザチップである光
受光素子７とを備えている。

【００２２】図１あるいは図４に示すように、実装用基
板２上の方形溝３は、光ファイバ４の下半分がその長手
軸線に沿って隙間なく埋設され、接着剤による接着等の
手段によって固定されるようになっている。実装用基板
２上には、方形溝３の両側に対称をなすボンディング固
定用金属パッド８及び導電性配線パターン９とが形成さ
れ、導電性配線パターン９は、ボンディング固定用金属
パッド８に接続されている。また、実装用基板２上の両
端部近傍には、他の光受動部品あるいは光能動素子とバ
ットジョイント方式無調芯で光接続をする際に使用する
位置合わせ手段としての２個の平行関係にあるＶ溝１０
が形成されている。

【００２３】図５に示すように、光ファイバ４は、断面
方形状のクラッド４ｄとこのクラッド４ｄの中心を軸線
方向に伸びる断面円形のコア４ｃとからなり、光ファイ
バ４の入射側端面４ａは軸線方向に垂直な面であって、
実装用基板２の前方端面と同一面にあり、光信号が出射
する方の出射端面は軸線方向に４５度に傾斜し方形溝３
の底面に４５度で交差する傾斜面４ｂとなっている。

【００２４】図６に示すように、キャリア５は、断面コ
の字状の絶縁性材料からなり、中心部には傾斜面４ｂで
反射した光信号を通過させるための光通過孔５ａが形成
されており、キャリア５の上表面には、中央部に光受光
素子７をボンディングするための固定用金属パッド５ｃ
が光通過孔５ａを囲うように形成され、また、この固定
用金属パッド５ｃに接続された導電性配線パターン５ｄ
が形成されている。また、キャリア５の脚部底面５ｂに
は、実装用基板２上のボンディング固定用金属パッド８
の面積形状と同じ面積形状を有する金属パッドが形成さ
れており、脚部底面５ｂは精度よく位置決めされてボン
ディング固定用金属パッド８に、金属ペーストや光学接
着剤、エポキシ接着剤等を用いて固定される。キャリア
５の下部より、傾斜面４ｂで反射された光信号のうち所
望の波長の光信号のみを光通過孔５ａを通過させるため
のフィルタ６が、光通過孔５ａを塞ぐように装着されて
いる。

【００２５】なお、キャリア５は断面コ字状の絶縁性材
料からなるとしたが、図７に示すように、キャリア５は
導電性材料からなり、その全表面を金メッキして構成さ
れていてもよい。

【００２６】図３に、半導体面受光型ｐｉｎフォトダイ
オードチップである光受光素子７の構成を示す。この光
受光素子７の製造は以下のようにして行われた。すなわ
ち、ｎ+型半導体基板７ａ上にＭＯＣＶＤ法等により、
ｎ-ＩｎＰバッファ層７ｂ、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層光吸収
層７ｃ、ｎ型ＩｎＰ上部クラッド層７ｄのエピタキシャ
ル多層膜を形成し、次に厚み数百ｎｍの拡散防止膜であ
るＳｉＯ₂ を表面に全面スパッタリングにより形成し、
窓開け後再びＺｎＯ薄膜を全面スパッタリングし、高温
拡散プロセスによりＩｎＧａＡｓ領域の一部までｐ+型
の領域７ｈを形成し、ｐｎ接合構造を作成、次にＺｎＯ
およびＳｉＯ₂ を除去し、絶縁膜を兼用するＳｉＮ反射
防止（ＡＲ）膜７ｅを形成し、最後にリング状上部電極
（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）７ｆと下部電極（ＡｕＧｅＮｉ／
Ａｕ）７ｇを形成した。

【００２７】図３に示すように構成されている光受光素
子７は、図１に示すように、図３に示した光受光素子７
の上下を反転してキャリア５上に実装される。すなわ
ち、リング状上部電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）７ｆと固定
用金属パッド５ｃとをボンディング結合する。光受光素
子７は面受光型であるので、リング状上部電極（Ｔｉ／
Ｐｔ／Ａｕ）７ｆと固定用金属パッド５ｃとの位置合わ
せの精度は、脚部底面５ｂとボンディング固定用金属パ
ッド８との位置合わせの精度ほどには厳しくは要求され
ない。

【００２８】次に、本実施例の作用について説明する。
半導体モジュール１にＭＴコネクタ等の他の光受動部品
をバットジョイント方式無調芯で光接続をする。このた
めに、２個のＶ溝１０と対応する位置にＶ溝の形成した
上板を用意し、半導体モジュール１のＶ溝１０と上板の
Ｖ溝との上下のＶ溝をガイドピンの挿入孔として用い
て、ＭＴコネクタ等の光受動部品とピン嵌合し、バット
ジョイント方式無調芯で光接続をする。

【００２９】光ファイバ４の入射端面４ａからＭＴコネ
クタ等を介して光信号が入射され、光信号は光ファイバ
４の軸線方向に伝播する。傾斜面４ｂは軸線方向に４５
度に傾斜し方形溝３の底面に４５度で交差するようにな
っているので、光信号は光ファイバ４内の傾斜面４ｂで
反射し、上方へと進行し、フィルタ６を通って所定の波
長の光信号だけが、光通過孔５ａを上方へ抜け、面受光
型の光受光素子７の受光面でＯ／Ｅ変換される。

【００３０】以上、本実施例の構成によれば、光ファイ
バ４の外形断面は方形であり、実装用基板２の方形溝３
に固着されているので、回転等を防止でき、光信号の出
射位置に大きく影響する傾斜面４ｂの位置を、安定に一
義的に定めることができる。

【００３１】また、ボンディング固定用金属パッド８は
方形溝３と高精度の所定の位置関係で形成されているの
で、ボンディング固定用金属パッド８上にキャリア５を
所定の位置関係で実装することにより、傾斜面４ｂで反
射して出射される光信号を、キャリア５上に取り付けら
れた光受光素子７により、確実に検出することができ
る。

【００３２】実装用基板２にＶ溝１０が形成されている
ので、半導体モジュール１を他の光受動部品等とバット
ジョイント方式無調芯で容易に光接続をすることが可能
になる。

【００３３】次に、図８および図９を参照して、本発明
の第２実施例を説明する。本実施例の半導体モジュール
１は、第１実施例の半導体モジュールに対し、さらに光
発光素子を実装し、双方向送受信を可能にするものであ
る。第１実施例と同一の部材には、同一の符号をつけて
説明を省略する。

【００３４】図８は、本実施例に係る半導体モジュール
１の組立分解図である。図９に組立てられた半導体モジ
ュール１の断面図を示す。半導体モジュール１は、Ｓｉ
の実装用基板２０と、実装用基板２０に形成された直方
体状の方形溝３に埋設された外形断面が方形の光ファイ
バ４と、光ファイバ４に跨って実装用基板２上に実装さ
れるキャリア５と、キャリア５に取り付けられるフィル
タ６と、キャリア５上に搭載されて、実装用基板２に実
装（図８に於いて３本の下向きの矢印で表示）される、
半導体面受光型ｐｉｎフォトダイオードチップである光
受光素子７と、直方体状の方形溝２３に埋設（２本の下
向き矢印で表示）された、埋込型レーザダイオードであ
る、光発光素子２７とを備えている。

【００３５】実装用基板２０上の方形溝２３は方形溝３
と平行に形成されており、方形溝２３には、光発光素子
２７が隙間なく埋設され、パッド２８と光発光素子２７
の電極間にダイボンディングによって固定されるように
なっている。実装用基板２上には、さらに方形溝２３を
跨いでボンディング固定用金属パッド２８と導電性配線
パターン２９とが形成され、導電性配線パターン２９
は、ボンディング固定用金属パッド２８に接続されてい
る。

【００３６】光発光素子２７および光ファイバ４は、光
発光素子２７の光の出射端部２７ａと光ファイバ４の光
の入射端部４ａとが実装用基板２０の前方端面を上方に
延長した同一の端面上にあり、かつ同一の高さに位置す
るように、実装されている。この結果、片端面で光信号
の入出力を行うことができる。

【００３７】本実施例の構成によれば、実装用基板２０
上に、キャリア６を介して光受光素子７を実装し、光受
光素子２７を直接実装し、位置合わせ手段としてのＶ溝
１０を形成したので、バットジョイント方式無調芯で、
他の光受動部品や光能動素子等と容易に光接続をするこ
とができ、双方向送受信を可能にする半導体モジュール
を提供することができる。

【００３８】なお、上述した実施例の説明において、実
装用基板としてＳｉ基板を例に示したが、これに限ら
ず、ヒートシンク作用があるものであれば、セラミック
や金属製ステム等からなる基板であってもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、外形断面が方形の光ファイバを実装用基板の方形
溝に固着し、ボンディング固定用金属パッドを方形溝と
所定の位置関係で形成し、光ファイバの傾斜面で反射し
た光信号を光受光素子で検出するようにしたので、低コ
スト、簡単な構成の半導体モジュールを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る半導体モジュールの
組立分解図。

【図２】図１において組立てられた半導体モジュールの
断面図。

【図３】光受光素子としての半導体面受光型ｐｉｎフォ
トダイオードチップの上平面図（ａ）と横断面図
（ｂ）。

【図４】実装用基板を示す斜視図。

【図５】光ファイバを示す斜視図。

【図６】キャリアを示す斜視図。

【図７】キャリアの他の実施例を示す斜視図。

【図８】本発明の第２実施例に係る半導体モジュールの
組立分解図。

【図９】図６において組立てられた半導体モジュールの
断面図。

【符号の説明】

１ 半導体モジュール ２、２０ 実装用基板 ３、２３ 方形溝 ４ ファイバ ４ａ 入射端面 ４ｂ 傾斜面 ５ キャリア ６ フィルタ ７ 光受光素子 ８、２８ ボンディング固定用金属パッド ９、２９ 導電性配線パターン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 実装用基板に光ファイバと光受光素子と
   を実装してなる半導体モジュールにおいて、 前記光ファイバは、軸線方向に垂直な断面が方形をなす
   外形形状を有するとともに一端面に長手軸線に対し傾斜
   して形成された傾斜面を有し、 前記実装用基板の表面には、前記光ファイバが長手軸線
   に沿って埋設されて固着されるための方形溝が形成され
   ているとともに、前記光受光素子を実装するためのボン
   ディング固定用金属パッドが前記方形溝の長手方向中心
   線に線対称をなす位置形状に形成されており、 前記光受光素子は、前記傾斜面で反射して出射される光
   信号を検出可能な位置に実装されていることを特徴とす
   る半導体モジュール。
2. 【請求項２】 前記光受光素子は、前記光ファイバを跨
   ぐように前記ボンディング固定用金属パッド上に実装さ
   れたキャリアの上に搭載されて前記実装用基板に実装さ
   れており、前記キャリアには、前記傾斜面で反射された
   光信号を前記光受光素子の受光面へ通過させるための光
   通過孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記
   載の半導体モジュール。
3. 【請求項３】 前記光通過孔には、光信号を透過するフ
   ィルタが装着されていることを特徴とする請求項２に記
   載の半導体モジュール。
4. 【請求項４】 前記実装用基板には光発光素子が実装さ
   れており、この光発光素子の光の出射部と前記光ファイ
   バの光の入射部とは前記実装用基板の同一端面に位置し
   ており、前記実装用基板の表面には、他の光受動部品と
   バットジョイント方式無調芯で光接続をするための位置
   合わせ手段が形成されていることを特徴とする請求項１
   から３のうちのいずれか１項に記載の半導体モジュー
   ル。