JP2004012803A - 光伝送用プリント板ユニット及び実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光（受光）素子（２０）を光導波路基板（１）に実装する光伝送用素子の実装構造において、素子と基板との間の間隙にバラツキが生ぜず、当該間隔を正確に制御してレーザ光の伝達効率を向上することを目的とする。
【解決手段】発光（受光）素子をサブマウントチップ（４）に接合し、素子を基板側に向けてサブマウントチップを光導波路基板に接合するに際し、サブマウントチップと光導波路基板との間を半田バンプ（６）にて接合するとともに、発光（受光）素子と光導波路基板との間隙を規制するポスト（５）を設置したことを特徴とする、光伝送用プリント板ユニット。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光伝送装置、特に光伝送用レーザ光を発光又は受光する面発光（受光）半導体素子の光導波路基板への実装構造及び実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来の面発光（受光）半導体素子の実装構造である。
【０００３】
図１において、光導波路基板１はレーザ光の透過可能なガラス基板からなり、一方の面（図１の下面）には、光導波路１０が形成されている。光導波路１０は、レーザ光を通過させるコア１１と、その周囲のクラッド１２（アンダークラッド１２ａ及びオーバークラッド１２ｂ）からなる。光導波路基板１はレーザ光を反射させるＶ溝ミラー１３を有する。
【０００４】
図１に示すように、従来は、発光（受光）素子２０は、その発光部２０ｂの側の面に設けられた電極２０ａと光導波路基板１側に設けられた基板パッド７ｂとを半田バンプ６により接合して、光導波路基板１上に搭載され、発光（受光）素子２０の裏面（図１の上側の面）の電極をワイヤボンディング８により光導波路基板１の電極パッド９に接合するという手法が取られていた。
【０００５】
発光（受光）素子２０はその発光部２０ｂからレーザ光を発光し、Ｖ溝ミラー部１３により反射し、光導波路１０のコア部１１を通過する。素子２０が受光素子である場合は、光導波路１０のコア部１１を通過したＶ溝ミラー部１３にて反射し、当該反射したレーザ光が受光素子の受光部にて受光される。
【０００６】
ところで、発光（受光）素子２０の発光部２１と光導波路１０との間の距離は十分正確に規制されないと、レーザ光の伝達効率その他の特性に大きな影響を受けることとなる。即ち、発光（受光）２０の発光部２１から発光されたレーザ光は図示のようにある程度の広がりをもっている。このため、発光部２１と光導波路１０との間の距離があり過ぎると、広がりを持ったレーザ光２２が十分にＶ溝ミラー部１３にて全反射しないこととなり、レーザ光の伝達効率を低下させることとなる。従来は、発光部２０の側と光導波路基板１側とを半田バンプ６により接合していたため、半田バンプの柔軟性、変形性等の理由で、発光部２１と光導波路１０との間の距離を十分正確に制御することはできなかった。
【０００７】
また、発光部２０ｂと光導波路１０との間の距離を限りなく近づけることは不可能であるし、また、間隔が開き過ぎると前述のようにレーザ光の透過率を低下を招き、また、発光部２１と光導波路基板１との間隙にホコリやゴミ等が詰まるという問題を生ずる。また、発光素子２０と光導波路基板１とを密着させると、光導波路基板１の表面に発光素子２０によるキズを付けるおそれがある。
【０００８】
他の従来技術としては、次のようなものがある。
【０００９】
特開平９−２６５３０号公報では、表面発光（受光）型の光素子及び光ファイバが同一実装基板に平面的に配置され、前記光ファイバの固定溝側面で光路を変換する光結合系を有する光モジュールにおいて、特性の安定化、低価格化を図るため、表面発光素子（例えばＬＥＤ）をまずサブ基板にバンプを介して一旦実装し、次にサブ基板を別のバンプを介して実装基板に実装するようにした光モジュールが開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示した従来方式では、発光（受光）素子と基板との間に必ず半田バンプ６の高さ分のギャップが開くことになり、素子発光（受光）部２０ｂから基板直下の光導波路１０までの距離が大きくなってしまうという課題があった。
【００１１】
また、特開平９−２６５３０号公報に記載された従来技術では、表面発光素子（例えばＬＥＤ）をまずサブ基板に第１のバンプを介して一旦実装し、次にこのサブ基板を第２のバンプを介して実装基板に実装されるので、サブ基板と実装基板との間の間隔が、前記第２のバンプの大きさにより決まってしまうため、第２のバンプの大きさにバラツキがある場合は、各々の光モジュールごとにサブ基板と実装基板との間の間隔、ひいては発光（受光）素子と光ファイバとの間の距離にバラツキが生じ、発光ないし受光特性に変化が生ずることがあって、個々の光モジュールについて性能が安定しないという問題がある。また、発光（受光）素子と光導波路基板１との間の間隙にホコリやゴミ等が詰まるという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明では、発光（受光）素子と光導波路基板との間の間隙にバラツキが生ぜず、当該間隔を正確に制御してレーザ光の伝達効率を向上すると共に、発光（受光）素子と光導波路基板との間の間隙にホコリやゴミ等が詰まらないようにした、面発光（受光）素子の光導波路基板への実装構造を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明における光伝送用素子の実装構造は、発光（受光）素子の裏面電極をサブマウントチップの電極に接合する。接合材料には導電性接着剤または半田を使用する。サブマウントチップの基板接続用パッドには位置決め用の半田バンプを形成しており、フリップチップ方式により基板にいわゆるフェースダウンＣ４接合をする。発光（受光）素子のパッドと基板パッドの接続には基板パッド上に形成された銅（Ｃｕ）ポストによる拡散接合を用いる。Ｃｕポスト表面には半田バンプ融点と同等以下のメッキを形成している。
【００１４】
本発明によると、面発光型の発光（受光）素子を光導波路基板をサブマウントチップを介して、一般的なフリップチップとして取り扱い、Ｃ４接合することが可能となる。接合においては、サブマウントチップに形成された位置決め用半田バンプ溶融時のセルフアライメント機能と基板パッド上に形成されたＣｕポストのスタンドオフ機能により、高精度の位置制御（５μｍ以下）と高さ制御（１０μｍ以下）を同時に実現することができる。なお、位置決め用半田バンプは基板接続用の電極としても使用可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図２は本発明の実施形態に係る発光（受光）素子を光導波路基板上に実装した状態を示す断面図である。
【００１７】
図２において、光導波路基板１自体の構造は図１に示す従来例と同様、レーザ光の透過可能なガラス基板からなり、一方の面（図２の下面）には、光導波路１０が形成されている。光導波路１０は、レーザ光を通過させるコア１１と、その周囲のクラッド１２（アンダークラッド１２ａ及びオーバークラッド１２ｂ）からなる。光導波路１０はレーザ光を反射させるＶ溝ミラー１３を有する。光導波路基板１及び光導波路１０はその光路の方向に延びた形状のものである。
【００１８】
本発明では、後に詳述するように、光導波路基板１の他方の面（図２の上面）には、発光（受光）素子２０の位置決め用の半田バンプ７ｂが矩形の各コーナーに相当する４箇所の位置に配置されている。また、発光（受光）素子２０と光導波路１０との間隔を規制するための剛性のポスト５が、接合されるべき発光（受光）素子２０の電極２０ａに対応する位置を配置されている。
【００１９】
発光（受光）素子２０は、その発光部２０ｂの側とは反対側の面（図２の上面）が導電性接着剤または半田３を介してサブマウントチップ４に搭載される。サブマウントチップ４には、発光（受光）素子２０の位置決め用の半田バンプ接合パッド７ａが、上述の半田バンプ７ｂに対応する位置、即ち矩形の角部に相当する４箇所の位置に配置されていて、これらの接合パッド７ａ上には、発光（受光）素子２０の位置決め用の半田バンプ６が配置されている。
【００２０】
この状態で、サブマウントチップ４は発光（受光）素子２０の側を下側、即ち光導波路基板１側に向けてフェースダウン式にフリップチップ接合され、半田バンプ６の溶融によりサブマウントチップ４が光導波路基板１に接合される。このフリップチップ接合の際、めっきポスト５は発光（受光）素子２０の発光部２０ｂと同じ面にある電極２０ａに接合される。
【００２１】
このフリップチップ接合により、光導波路基板１とサブマウントチップ４との間の機械的・物理的に結合と同時に、一方で、位置決め用半田バンプ６を介してパッド７ａと７ｂとの間、他方でめっきポスト５を介して発光（受光）素子２０の電極２０ｂと光導波路基板１上のパッド５ｂとの間が電気的に接続され、例えば、一方がＰ極、他方Ｎ極として発光（受光）素子２０に対して電源供給される。
【００２２】
本発明では、ポスト５は後述のように、例えば銅のめっきにより形成され、十分な剛性を有すると共に、ポスト５の高さを比較的正確に規制できるので、フリップチップ接合後の完成体において、発光（受光）素子２０と光導波路基板１０との間の距離は十分正確に規制されることとなる。
【００２３】
発光（受光）素子２０はその発光部２１からレーザ光を発光し、Ｖ溝ミラー部１３により反射し、光導波路１０のコア部１１を通過する。素子２０が受光素子である場合は、光導波路１０のコア部１１を通過したＶ溝ミラー部１３にて反射し、当該反射したレーザ光が光導波路１０（コア層１１ａ）により伝送される。
【００２４】
本発明では、上述のように、剛性のめっきポスト５により、発光（受光）素子２０と光導波路基板１０との間の距離は十分正確に規制されるので、発光（受光）２０の発光部２１から発光されたレーザ光は図示のようにある程度の広がりをもっているとしても、レーザ光２２をＶ溝ミラー部１３にて全反射させるような位置に設定でき、レーザ光の伝達効率を高めることができる。
【００２５】
図３は、図２の線Ａ−Ａにおける断面図である。
【００２６】
光導波路基板１の上面に設けられているポスト５は、この実施形態では、後述する発光（受光）素子２０の４個の電極２０ｂの配置に対応して、横方向に等間隔に４個並んでいる。なお、５ａは半田めっき、５ｂは光導波路基板１上の電極ないし接合パッドである。また、７ｂは位置決め用半田バンプ６（図２）用の接合パッドである。
【００２７】
光導波路基板１の下面に設けられている光導波路１０は、この実施形態では、レーザ光を通過させるコア１１が発光（受光）素子２０の４個の発光（受光）部２０ｂ（図８）の位置に対応して、横方向に等間隔に４列並んでいる。各コア１１間の領域及び各コア１１の上下層はクラッド１２である。また、４列のコア１１の配置は、各発光（受光）素子２０とそれに対応する電極２０ａとの配置関係が図８に示すようにずれていることから、互いに対応するポストの４の位置からオフセットしている。
【００２８】
図４はサブマウントチップ４の製造工程を示す。
【００２９】
サブマウントチップ４は基板の一方の面（図では上面）の中央位置に発光（受光）素子２０を搭載するための矩形のステージ部２４が形成され、このステージ部２４から４つの角部に向けて導体パターン２５が放射状に延びており、角部の近くに、位置決め用半田バンプ６用の略円形のパッド７ｂが形成されている。ステージ部２４、導体パターン２５及びパッド７ｂは一体的に形成されており互いに導通していて、それらの厚さを同一であってよい。
【００３０】
図４（ａ）に示す最初の工程では、位置決め用半田バンプ６を基板の４箇所のパッド７ｂ上に仮付けする。なお、位置決め用半田バンプ６は、めっきバンプ或いは転写バンプであって良い。
【００３１】
図４（ｂ）に示す次の工程では、発光（受光）素子２０を基板のステージ部２４上に固定する。この固定にあたっては、図２に示すように、発光（受光）素子２０との間に導電接着剤又ははんだ３等の導電体を介在させる。
【００３２】
図５は光導波路基板の製造工程を示す。
【００３３】
まず、ガラス基板１を準備する（図５（ａ））。次に、ガラス基板１上の全面に後工程でめっきをする際の電極の機能を果たすためのシード層３０を形成する（図５（ｂ））。ついで、後工程でめっきをする部分以外の領域について、ドライフィルムレジスト（ＤＦＲ）３２をパターン形成する（図５（ｃ））。そして、めっきすべき領域パターンについて、例えば銅（Ｃｕ）めっき３４を施す（図５（ｄ））。レジスト３２を剥離した後、導体エッチングを施して導体パターンとする（図５（ｅ））。次に、絶縁層３６のパターニングをして受けランド５ａの形成位置を除いた領域を絶縁層３６で覆う（図５（ｆ））。次に、絶縁層３６をパターニングした領域を含む全域に、シード層３８を形成する（図５（ｇ））。次に、ポスト受けランド５ａの形成位置以外の領域をドライフィルムレジスト（受けランドパターン）４２で覆うと共に、シード層３８を電極として電解銅めっきを施し、ポスト受けランド５ａを形成する（図５（ｈ））。次に、レジストを剥離した後、ポストの形成位置以外の領域をドライフィルムレジスト（銅ポストパターン）４３で覆い、電解銅めっき及び接合金属めっきを施す（図５（ｉ））。次に、レジストを剥離し、エッチングにより銅ポストを残し、前述のシード層３８を剥離する（図５（ｊ））。次に、基板１を上下逆転させて、ポスト５を形成した側とは反対側の基板面に導波路１０を形成する。この導波路１０は前述のようにコア層１１及びクラッド層１２からなるが、最初にアンダークラッド層１２ａを形成し、次にコア層１１をパターニングし、最後にオーバークラッド層１２ｂを形成する（図５（ｋ））。最後の工程として、導波路１０にＶ字形のミラー部１３を形成する。
【００３４】
図６はサブマウントチップ４を光導波路基板１に接合する状態を示す。図４に示す製造プロセスにより製造されたサブマウントチップ４を、図５に示す製造プロセスにより製造された光導波路基板１に接合するには、まず、位置決め用半田バンプ６が光導波路基板１のパッド７ｂに位置するように、位置決めされ、フリップチップ式に半田バンプ６をリフローさせることにより、半田バンプ６をリフローさせることにより光導波路基板１のパッド７ｂに接合させる。この時、ポスト５は発光（受光）素子２０の電極２０ａの部位に整合しており、ポスト４上に設けた半田めっき５ａ（図３）も同時にリフローされ、両者が結合される。
【００３５】
図７は光導波路基板及び発光（受光）素子の接合部の詳細斜視図である。上述のようにサブマウントチップ４を光導波路基板１に接合することにより、発光（受光）素子２０が光導波路基板１に接合される。この状態では、光導波路基板１側のポスト５が発光（受光）素子２０の電極２０ａの部位に整合し且つ結合されている。一方、発光（受光）素子２０の発光（受光）部２０ｂは光導波路１０のＶ溝ミラー１３の位置に正確に整合しており、発光素子２０がその発光部２０ｂからレーザ光を発光し、Ｖ溝ミラー部１３により反射し、光導波路１０のコア部１１を通過するようにされる。
【００３６】
図８は発光（受光）素子の概略斜視図（ａ）及びその一部を示す詳細図（ｂ）である。図示のように、１つの発光（受光）素子２に対して、４つの発光（受光）部２０ｂが等間隔に配置されている。一方、１つの発光（受光）素子２に対して、４つの電極２０ａも発光（受光）部２０ｂと同ピッチで等間隔に配置されている。そして、発光（受光）部２０ｂは電極２０ａに対して、電極２０ａの配列方向に関して斜めの位置にオフセットしており、発光（受光）部２０ｂの位置がＶ溝ミラー部１３の位置に整合するようになっている。
【００３７】
図９は発光素子及び受光素子を具備した光伝送装置の断面図である。図９において、図の右側は図２に示した構造（発光側）と同一である。光導波路基板１は図の左方向に延びており、発光素子２０の位置から離れた位置に受光素子２０’が取り付けられている。
【００３８】
受光素子２０’も発光素子２０と同様、サブマウントチップ４に接合される位置決め用半田バンプ６によりフリップチップ方式で光度導波路基板１にフリップチップ方式によりリフロー接合されている。受光素子２０’の受光部２１’は、発光素子２０の発光部２１に対して対称的に配置され、受光部２１’が光導波路基板１の光導波路１０の他方の側のＶ溝ミラー１３’の位置に対応した位置に配置されている点は、発光素子２０の場合と同様である。
【００３９】
発光素子２０の発光部２１からのレーザ光は一方のＶ溝ミラー部１３により反射し、光導波路１０のコア部１１を通過する。このレーザ光は他方のＶ溝ミラー部１３’により反射し、受光素子２０’の受光部２０’によって受光される。
【００４０】
図１０は図９に示した光伝送装置に対応する構造を有する光伝送モジュールを示す斜視図である。図１０において、１は光導波路基板、１０は光導波路、２０は発光素子、２０’は受光素子、４４、４４’は配線、４６、４６’は端子である。
【００４１】
以上添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではわなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能である。
【００４２】
（付記１）発光又は受光素子を光導波路基板に実装する光伝送用半導体素子の実装構造において、発光又は受光素子をサブマウントチップに接合し、発光又は受光素子を基板側に向けてサブマウントチップを光導波路基板に接合するに際し、サブマウントチップと光導波路基板との間に接合手段を設け、発光又は受光素子と光導波路基板との間にこれらの間隙を規制するポストを設置したことを特徴とする、プリント板ユニット。（１）
（付記２）光導波路基板の表面の一方の側に発光素子が搭載され、他方の側に受光素子が搭載され、これらの発光素子及び受光素子の少なくとも一方又は両者がサブマウントチップを介して前記光導波路基板に接合されていることを特徴とする付記１に記載のプリント板ユニット。
【００４３】
（付記３）サブマウントチップと光導波路基板との間に設けた接合手段は、発光又は受光素子と前記光導波路基板との位置決めを行う半田バンプであり、半田バンプ溶融時のセルフアライメント機能により高精度の位置制御を実現することを特徴とする付記１に記載のプリント板ユニット。
【００４４】
（付記４）発光又は受光素子の電極を、位置決め用半田バンプを介して、サブマウントチップの電極と接合することにより、サブマウントチップに形成した位置決め用半田バンプを基板接続用の電極としても使用可能であることを特徴とする付記３に記載のプリント板ユニット。
【００４５】
（付記５）発光又は受光素子と光導波路基板との間に設けた、これらの間隙を規制するポストは、銅めっき等の導電性金属めっきで形成した剛性のポストであることを特徴とする付記１に記載のプリント板ユニット。（３）
（付記６）サブマウントチップは光導波路基板にフリップチップ方式でフェ−スダウンＣ４接合することを特徴とする付記１に記載のプリント板ユニット。
【００４６】
（付記７）発光又は受光素子と光導波路基板とを接続する銅ポスト表面には、サブマウントチップと基板を接続する半田バンプと同等以下の融点のメッキを形成し、半田バンプリフローと同等温度で拡散接合を行うことを特徴とするプリント板ユニット。
【００４７】
（付記８）発光又は受光素子を光導波路基板に実装する光伝送用半導体素子の実装方法において、前記発光又は受光素子及び複数の半田バンプを予めサブマウントチップに接合し、前記光導波路基板の前記発光又は受光素子を接合する位置に予めポストを形成する工程と、前記発光又は受光素子を基板側に向けて前記サブマウントチップを光導波路基板にリフロー接合する工程と、からなることを特徴とする光伝送用半導体素子の実装方法。（４）
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、面発光型の発光（受光）素子を一般的なフリップチップとして取り扱いＣ４接合することが可能となる。またサブマウントチップに形成された位置決め用半田バンプ溶融時のセルフアライメント機能と基板パッド上に形成された銅（Ｃｕ）ポストのスタンドオフ機能により、高精度の位置制御（５μｍ以下）と高さ制御（１０μｍ以下）を同時に実現することができるため、発光（受光）素子から基板直下への光伝送距離を従来の半田バンプ使用時の約１／５程度以上短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の発光（受光）素子の光導波路基板への実装構造を示す断面図である。
【図２】サブマウントチップを使用した本発明の発光（受光）素子の光導波路基板への実装構造を示す断面図である。
【図３】図２の線Ａ−Ａに沿った概略断面図である。
【図４】サブマウントチップの製造工程を示す図である。
【図５】光導波路基板の製造工程を示す図である。
【図６】サブマウントチップを光導波路基板へ実装する状態を示す斜視図である。
【図７】光導波路基板及び発光（受光）素子の接合部の詳細斜視図である。
【図８】発光（受光）素子の概略斜視図及びその一部（Ｂ）を示す詳細図である。
【図９】発光素子及び受光素子を具備した光伝送装置の断面図である。
【図１０】光伝送モジュールの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…光導波路基板
４…サブマウントチップ
５…ポスト
６…位置決め用半田バンプ
１０…光導波路
１３…Ｖ溝ミラー
２０…発光（受光）素子

Claims (4)

1. 発光又は受光素子を光導波路基板に実装する光伝送用素子の実装構造において、発光又は受光素子をサブマウントチップに接合し、発光又は受光素子を基板側に向けてサブマウントチップを光導波路基板に接合するに際し、サブマウントチップと光導波路基板との間に接合手段を設け、発光又は受光素子と光導波路基板との間隙を規制するポストを設置したことを特徴とする、プリント板ユニット。
2. 前記サブマウントチップと前記光導波路基板との間に設けた接合手段は、発光又は受光素子と光導波路基板との位置決めを行う半田バンプであり、半田バンプ溶融時のセルフアライメント機能により高精度の位置制御を実現することを特徴とする請求項１に記載のプリント板ユニット。
3. 前記発光又は受光素子と光導波路基板との間に設けた、これらの間隙を規制するポストは、導電性の金属めっきで形成した剛性のポストであることを特徴とする請求項１に記載のプリント板ユニット。
4. 発光又は受光素子を光導波路基板に実装する光伝送用半導体素子の実装方法において、
   前記発光又は受光素子及び複数の半田バンプを予めサブマウントチップに接合し、前記光導波路基板の前記発光又は受光素子の接合位置に予めポストを形成する工程と、
   前記発光又は受光素子を基板側に向けて前記サブマウントチップを光導波路基板にリフロー接合する工程と、
   からなることを特徴とする光伝送用素子の実装方法。

Images