JP2006202998A - 光電変換モジュール、およびそれに用いる複合成形体の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換素子モジュールは、光電変換素子と外部の光学系とを効率よく光結合させる必要がある。光電変換素子モジュールの一部に光ファイバを組み込んだパッケージが提案されているが、光ファイバの脱着ができないため、半田リフロー方式が使えず、量産性に難がある。また、光ファイバ用のコネクタは高価な部品であり、コスト高になる。
【解決手段】面発光レーザ1の発光部2の正面に成形レンズ3aを有する成形体3を設け、出射光を平行ビームLとして取り出す。成形体3の面発光レーザ1に面した裏面には電気配線4を設け、電気パッド5、7の間をバンプ6で接続し、さらに電気パッド10で中間基板9、レーザ駆動回路8と電気的接続をする。成形体3は半田バンプ12でプリント基板に高精度位置決めされ、固定される。発光部2の面から、成形レンズ3上部までの距離H1に比べて、モジュール上面3eまでの距離H2を十分大きくして強度を保証する。
【選択図】 図1
【解決手段】面発光レーザ1の発光部2の正面に成形レンズ3aを有する成形体3を設け、出射光を平行ビームLとして取り出す。成形体3の面発光レーザ1に面した裏面には電気配線4を設け、電気パッド5、7の間をバンプ6で接続し、さらに電気パッド10で中間基板9、レーザ駆動回路8と電気的接続をする。成形体3は半田バンプ12でプリント基板に高精度位置決めされ、固定される。発光部2の面から、成形レンズ3上部までの距離H1に比べて、モジュール上面3eまでの距離H2を十分大きくして強度を保証する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、光伝送に用いる光の入出射を行う光電変換モジュールに関する。
光電変換素子と電子回路素子、さらには光結合素子をパッケージした光電変換素子モジュール、もしくはマルチチップモジュールとなる光電変換素子パッケージ(OE−MCMとも呼ばれる)は、光電変換素子、光結合素子、光実装基板、発光光電変換素子用ドライバ電子回路素子、受光光電変換素子用増幅電子回路素子、論理電子回路素子、さらにはこれら全体を封止するパッケージ、端子、MCM基板等から構成される。
従来の光電変換素子パッケージの構成は、光電変換素子、電気回路素子、および周辺部品とが同一部品に実装されている(例えば、特許文献1 参照。)。同文献によれば、光電変換素子パッケージは、コネクタ構成を有する部品と、これに対して位置調整された光電変換素子、電気回路素子、および周辺部品とがモールド部材によりモールドされている。これにより、従来の金属のハーメチック封止による光電変換素子パッケージよりも、小型低価格化を実現している。
なお、本発明において光電変換素子とは、光の信号を電気の信号に変える素子、および電気の信号を光の信号に変える素子の双方を意味するものとする。
従来の光電変換素子パッケージの構成は、光電変換素子、電気回路素子、および周辺部品とが同一部品に実装されている(例えば、特許文献1 参照。)。同文献によれば、光電変換素子パッケージは、コネクタ構成を有する部品と、これに対して位置調整された光電変換素子、電気回路素子、および周辺部品とがモールド部材によりモールドされている。これにより、従来の金属のハーメチック封止による光電変換素子パッケージよりも、小型低価格化を実現している。
なお、本発明において光電変換素子とは、光の信号を電気の信号に変える素子、および電気の信号を光の信号に変える素子の双方を意味するものとする。
しかしながら、特許文献1において、外部の光ファイバと光電変換素子とを高効率で光結合させるためには高精度の光実装が必要なため、外部の光ファイバの一部をモールド部材に直接に挿入して一体化しており、外部の光ファイバの脱着ができない。このため、この光電変換素子パッケージのプリント基板への実装には、電気接合のための半田リフロー炉を量産で用いることは困難であり、ロボット半田付けや手半田付け等による少量生産しかできない。さらには、機器内光伝送におけるボード間光伝送のように機器内組み付けのときにコネクタによる接続作業が必須の装置には用いることができない。
また、この光ファイバの挿入のかわりに、光コネクタをモールド部材に直接に挿入して一体化することにより、光電変換素子パッケージと外部の光ファイバとを脱着ができるようになるが、実際には、光コネクタ自体が部品コストとして高価であり低コスト化できないばかりか、光コネクタという大きい部材に対する高精度の光実装が必要となり、組み付けコストが増大する。
また、この光ファイバの挿入のかわりに、光コネクタをモールド部材に直接に挿入して一体化することにより、光電変換素子パッケージと外部の光ファイバとを脱着ができるようになるが、実際には、光コネクタ自体が部品コストとして高価であり低コスト化できないばかりか、光コネクタという大きい部材に対する高精度の光実装が必要となり、組み付けコストが増大する。
本発明は従来の上記問題を鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、光電変換素子と光結合素子とをパッケージした光電変換素子モジュールに関し、経済性の非常に優れた光電変換素子モジュールを提供することである。
より具体的には、本発明の第1の課題は、材料および成形コストとして経済性に優れる材料を用いながらも、要求精度や組み付け工程を低減して経済性に優れる実装を実現することができる光電変換素子モジュールを実現することにある。
本発明の第2の課題は、光電変換素子と電気配線を有する成形体の間での電気的接続のための半田バンプ実装時の高温に耐えられる光電変換素子モジュールを実現することである。
本発明の第3の課題は、機械的強度が高く、信頼性のある光電変換モジュールを実現することにある。
より具体的には、本発明の第1の課題は、材料および成形コストとして経済性に優れる材料を用いながらも、要求精度や組み付け工程を低減して経済性に優れる実装を実現することができる光電変換素子モジュールを実現することにある。
本発明の第2の課題は、光電変換素子と電気配線を有する成形体の間での電気的接続のための半田バンプ実装時の高温に耐えられる光電変換素子モジュールを実現することである。
本発明の第3の課題は、機械的強度が高く、信頼性のある光電変換モジュールを実現することにある。
請求項1に記載の発明では、光電変換素子と、該光電変換素子の電極と接合する電気配線と、光電変換素子との光結合を行う光結合素子を有する高分子含有材料からなる成形体と、電気接合部分とからなる光電変換モジュールにおいて、前記光結合素子はレンズであり、該レンズの出射面がモジュール上面より前記光電変換素子に近く、かつ、前記光電変換素子からほぼレンズ径に等しい距離以上に離れて設定されており、前記モジュール上面と前記レンズ出射面間はレンズ孔が形成されていることを特徴とする。
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の光電変換モジュールにおいて、前記成形体の少なくとも前記レンズ部分は前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して透明な材料で構成されていることを特徴とする。
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の光電変換モジュールにおいて、前記成形体の少なくとも前記レンズ部分は前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して透明な材料で構成されていることを特徴とする。
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の光電変換モジュールにおいて、前記レンズは前記モジュール上面に向けて凸であることを特徴とする。
請求項4に記載の発明では、請求項1または2に記載の光電変換モジュールにおいて、前記モジュール上面と前記レンズ出射面の間に形成されたレンズ孔に、前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して、ほぼ透明な樹脂材料が充填されていることを特徴とする。
請求項4に記載の発明では、請求項1または2に記載の光電変換モジュールにおいて、前記モジュール上面と前記レンズ出射面の間に形成されたレンズ孔に、前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して、ほぼ透明な樹脂材料が充填されていることを特徴とする。
請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の光電変換モジュールにおいて、前記レンズは前記モジュール上面に向けて凸であり、前記レンズ孔に充填される樹脂材料の屈折率は前記成形体の屈折率より小であることを特徴とする。
請求項6に記載の発明では、請求項4に記載の光電変換モジュールにおいて、前記モジュール上面に向けて凹であり、前記レンズ孔に充填される樹脂材料の屈折率は前記成形体の屈折率より大であることを特徴とする。
請求項6に記載の発明では、請求項4に記載の光電変換モジュールにおいて、前記モジュール上面に向けて凹であり、前記レンズ孔に充填される樹脂材料の屈折率は前記成形体の屈折率より大であることを特徴とする。
請求項7に記載の発明では、請求項1ないし6のいずれか1つに記載の光電変換モジュールにおいて、該光電変換モジュールの最上面は透明なカバー部材が配置されていることを特徴とする。
請求項8に記載の発明では、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の光電変換モジュールにおいて、前記成形体は、第1および第2の成形体が一体化された複合成形体であり、第1の成形体は前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して不透明で耐熱性が高く、熱膨張の小さい高分子含有材料から成り、前記光電変換素子に対向する部分に貫通孔となる孔構造を設けてあり、第2の成形体は第1成形体と一体化された透明材料からなり、前記レンズが一体形成されていることを特徴とする。
請求項8に記載の発明では、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の光電変換モジュールにおいて、前記成形体は、第1および第2の成形体が一体化された複合成形体であり、第1の成形体は前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して不透明で耐熱性が高く、熱膨張の小さい高分子含有材料から成り、前記光電変換素子に対向する部分に貫通孔となる孔構造を設けてあり、第2の成形体は第1成形体と一体化された透明材料からなり、前記レンズが一体形成されていることを特徴とする。
請求項9に記載の発明では、請求項8に記載の光電変換モジュールにおいて、第1の成形体は前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して不透明な材料からなることを特徴とする。
請求項10に記載の発明では、請求項8または9に記載の光電変換モジュールの前記複合成形体の作製方法において、第1または第2の成形体のうち、先に成形された一方の成形体が、後から成形される他方の成形体に対して型の一部を兼ねることを特徴とする。
請求項10に記載の発明では、請求項8または9に記載の光電変換モジュールの前記複合成形体の作製方法において、第1または第2の成形体のうち、先に成形された一方の成形体が、後から成形される他方の成形体に対して型の一部を兼ねることを特徴とする。
本発明によれば、材料および成形コストとして経済性に優れる材料を用いながらも、精度の高精度化や組み付け工程を低減して経済性に優れる実装ができる光電変換素子モジュールを実現することができ、成形技術をベースにしているので、大量に低コストで製造できる。
また成形体に一体成形したレンズの位置にかかわらず、成形体の厚さを任意に設定することができ、光電変換モジュール成形体の機械的強度を高くすることができ、モジュールの信頼性が向上する。
また成形体に一体成形したレンズの位置にかかわらず、成形体の厚さを任意に設定することができ、光電変換モジュール成形体の機械的強度を高くすることができ、モジュールの信頼性が向上する。
図1は本発明の第1の実施形態を説明するための図である。
同図において符号0は光電変換モジュール、1は光電変換素子、2は発光部、3は高分子含有材料からなる成形体、4は電気配線、5は電極パッド、6はハンダ、金等のバンプ、7は電極パッド、8はレーザ駆動回路、9は中間基板、10は電極パッド、11はバンプ、12はバンプ、13はプリント基板、14は伝熱部材、15はレンズ孔、H1は発光面からレンズ上面までの距離、H2は発光面から成形体上面までの距離をそれぞれ示す。
光電変換素子1として面発光レーザ(=VCSEL)の場合を示しており、面発光レーザの発光部2は素子中央の領域である。同図は面発光レーザ1が紙面に垂直な方向に所定ピッチでアレイ状に配列されている中の一部を断面したものとして示されている。
成形体3は面発光レーザ1の上部を覆っている。成形体3には内側表面に設けた電気配線4、光結合素子である成形レンズ3a、および面発光レーザ素子上面の電極パッド5とハンダ、金等のバンプ6を介して成形体上電気配線4との接続をおこなうための突起3bとその上に電極パッド7が一体的に設けられている。成形レンズ3aも面発光レーザ1のアレイ状配列に対応して同じピッチでアレイ状に同数配列される。
面発光レーザ1は成形体突起部3bと小径バンプ6により接合されている。またレーザ駆動回路8は別の場所にある突起部3cで中間基板9上の電極パッド10とバンプ11で接続され、レーザ駆動回路8と電気的に接続されている。
中間基板9はバンプ12を介してプリント基板13と接続され、信号処理回路と信号のやりとりをする。成形体3も突起部3dにおいてやはりバンプ12でプリント基板13と物理的に固定されている。また、必要に応じ面発光レーザ1の放熱をスムーズにおこなうために、面発光レーザ1の素子裏面と中間基板9間に伝熱部材14を必要に応じ挿入してレーザ素子からの発熱を中間基板9に放熱することもある。
面発光レーザ1からの出射ビームは成形体3に一体化された成形レンズ3aでコリメートされ、平行ビームLとなって出射する。平行ビームLは図示しないレンズ付きの光ファイバコネクタを成形体3に密接コネクトし、コネクタ中のレンズで光ファイバに結合されて外部に伝送される。
同図において符号0は光電変換モジュール、1は光電変換素子、2は発光部、3は高分子含有材料からなる成形体、4は電気配線、5は電極パッド、6はハンダ、金等のバンプ、7は電極パッド、8はレーザ駆動回路、9は中間基板、10は電極パッド、11はバンプ、12はバンプ、13はプリント基板、14は伝熱部材、15はレンズ孔、H1は発光面からレンズ上面までの距離、H2は発光面から成形体上面までの距離をそれぞれ示す。
光電変換素子1として面発光レーザ(=VCSEL)の場合を示しており、面発光レーザの発光部2は素子中央の領域である。同図は面発光レーザ1が紙面に垂直な方向に所定ピッチでアレイ状に配列されている中の一部を断面したものとして示されている。
成形体3は面発光レーザ1の上部を覆っている。成形体3には内側表面に設けた電気配線4、光結合素子である成形レンズ3a、および面発光レーザ素子上面の電極パッド5とハンダ、金等のバンプ6を介して成形体上電気配線4との接続をおこなうための突起3bとその上に電極パッド7が一体的に設けられている。成形レンズ3aも面発光レーザ1のアレイ状配列に対応して同じピッチでアレイ状に同数配列される。
面発光レーザ1は成形体突起部3bと小径バンプ6により接合されている。またレーザ駆動回路8は別の場所にある突起部3cで中間基板9上の電極パッド10とバンプ11で接続され、レーザ駆動回路8と電気的に接続されている。
中間基板9はバンプ12を介してプリント基板13と接続され、信号処理回路と信号のやりとりをする。成形体3も突起部3dにおいてやはりバンプ12でプリント基板13と物理的に固定されている。また、必要に応じ面発光レーザ1の放熱をスムーズにおこなうために、面発光レーザ1の素子裏面と中間基板9間に伝熱部材14を必要に応じ挿入してレーザ素子からの発熱を中間基板9に放熱することもある。
面発光レーザ1からの出射ビームは成形体3に一体化された成形レンズ3aでコリメートされ、平行ビームLとなって出射する。平行ビームLは図示しないレンズ付きの光ファイバコネクタを成形体3に密接コネクトし、コネクタ中のレンズで光ファイバに結合されて外部に伝送される。
通常の成形であれば、成形レンズ3aの上面と、成形体3のその他の表面3eとはほぼ同じ高さに成形するところであるが、本発明ではその両者を著しく異ならせている。
光電変換素子と光結合する光ファイバアレイが通常250μmピッチであることから、ピッチ変換素子などの余分な素子を用いずに光ファイバアレイと光電変換素子を光結合させるため、1次元方向に配列されたアレイ中の成形レンズ3aと各光電変換素子の配列ピッチは通常250μmに設定される。成形レンズ3aは配列方向に密接して並べた場合、個々のレンズ径も光ファイバアレイの配列ピッチとほぼ同じになる。
アレイの配列ピッチが決まると光電変換素子とレンズ面までの寸法は自ずからおおよそ決まってしまい、光電変換素子である面発光レーザ1の発光面とレンズ面の距離H1はおよそ500μm前後になる。したがって、レンズ3aの上面と成形体3の上面3eをほぼ同一(H1≒H2)にすると、成形体の厚さはおよそ500μm(0.5mm)前後となる。成形体3として高分子含有材料を使っても、このように厚さが薄いと機械的強度が確保されず、光電変換モジュールに光コネクタを機械的に結合して光ファイバとの送光、あるいは受光をおこなうとき、光電変換モジュールの変形が起きて光学配置がずれ、光結合効率の劣化が起きてしまう。
光電変換素子と光結合する光ファイバアレイが通常250μmピッチであることから、ピッチ変換素子などの余分な素子を用いずに光ファイバアレイと光電変換素子を光結合させるため、1次元方向に配列されたアレイ中の成形レンズ3aと各光電変換素子の配列ピッチは通常250μmに設定される。成形レンズ3aは配列方向に密接して並べた場合、個々のレンズ径も光ファイバアレイの配列ピッチとほぼ同じになる。
アレイの配列ピッチが決まると光電変換素子とレンズ面までの寸法は自ずからおおよそ決まってしまい、光電変換素子である面発光レーザ1の発光面とレンズ面の距離H1はおよそ500μm前後になる。したがって、レンズ3aの上面と成形体3の上面3eをほぼ同一(H1≒H2)にすると、成形体の厚さはおよそ500μm(0.5mm)前後となる。成形体3として高分子含有材料を使っても、このように厚さが薄いと機械的強度が確保されず、光電変換モジュールに光コネクタを機械的に結合して光ファイバとの送光、あるいは受光をおこなうとき、光電変換モジュールの変形が起きて光学配置がずれ、光結合効率の劣化が起きてしまう。
そのような理由から、本発明ではH2>H1としているが、H2としては上記のような機械的強度を確保するため数mmに設定する。この構造をとることにより、レンズ出射面が光電変換素子から0.5mm程度しかなくても成形体上面は数mm以上、任意の寸法を取れて成形体厚さH2は厚くすることができ、成形体の機械的強度を十分確保することができる。
具体的に幾らの厚さにすべきかは、成形体の幅や長さとの兼ね合いで定まるので、設計上の問題となる。機械的強度のためには厚く構成した方がよいが、逆にこの厚さを厚くしすぎると、樹脂成形の場合、冷却時のいわゆる「ひけ」が無視できなくなり、レンズ位置の変動を引き起こす原因になる。
また、成形レンズ3aのレンズ径は、光電変換素子の発光角もしくは受光角をカバーできる大きさであればよいので、必ずしも配列ピッチと同じでなくともよい。その場合、発光面とレンズ面の距離H1は500μmより小さくなることもある。
半導体レーザの出射角は半値全角で30°位であり、この角度の光束を全部通すためには、開口数NAがおよそ0.26あれば足りる。この場合、H1はレンズ径のおよそ1.8倍程度になる。実際には光量確保のため、それより広い角度の光束を取り込むようにしているので、H1はレンズ径と同程度までは小さくしてもよい。
このようにすると、必然的に上面3eとレンズ面との間に大きな段差ができるので、その間の部分は図示のようにテーパ面を形成して中空のレンズ孔15を形成する。孔の側面をテーパにする理由は、発光点からの出射光の一部が側面にあたって反射をし、出射平行ビームLに迷光として紛れ込むことを防ぐ意味がある。
成形体が光電変換素子で使用する光の波長に対して透明な高分子含有材料で成形することにより直接、成形により光学素子形成ができるので、成形体には光結合素子の一体形成と、光電変換素子の実装基板構造体の役割と、光結合素子と光電変換素子の相互位置出しの機能を同時に持たせることができる。
具体的に幾らの厚さにすべきかは、成形体の幅や長さとの兼ね合いで定まるので、設計上の問題となる。機械的強度のためには厚く構成した方がよいが、逆にこの厚さを厚くしすぎると、樹脂成形の場合、冷却時のいわゆる「ひけ」が無視できなくなり、レンズ位置の変動を引き起こす原因になる。
また、成形レンズ3aのレンズ径は、光電変換素子の発光角もしくは受光角をカバーできる大きさであればよいので、必ずしも配列ピッチと同じでなくともよい。その場合、発光面とレンズ面の距離H1は500μmより小さくなることもある。
半導体レーザの出射角は半値全角で30°位であり、この角度の光束を全部通すためには、開口数NAがおよそ0.26あれば足りる。この場合、H1はレンズ径のおよそ1.8倍程度になる。実際には光量確保のため、それより広い角度の光束を取り込むようにしているので、H1はレンズ径と同程度までは小さくしてもよい。
このようにすると、必然的に上面3eとレンズ面との間に大きな段差ができるので、その間の部分は図示のようにテーパ面を形成して中空のレンズ孔15を形成する。孔の側面をテーパにする理由は、発光点からの出射光の一部が側面にあたって反射をし、出射平行ビームLに迷光として紛れ込むことを防ぐ意味がある。
成形体が光電変換素子で使用する光の波長に対して透明な高分子含有材料で成形することにより直接、成形により光学素子形成ができるので、成形体には光結合素子の一体形成と、光電変換素子の実装基板構造体の役割と、光結合素子と光電変換素子の相互位置出しの機能を同時に持たせることができる。
図2は本発明の第2の実施形態を説明するための図である。
同図において符号16は充填樹脂を示す。なお、煩雑さを避けるため、その他の符号は主要部のみを付してある。以下の図においても同様である。
レンズ孔15を中空のままにしておくと、塵埃の多い環境で使ったり、あるいは結露が生じる環境で使用する場合、レンズ面に汚れその他が付着したときに簡単に清掃ができず、光の透過率減少などの不具合が発生する。そこで同図に示すようにレンズ孔15を樹脂で充填し孔部とその他の面を少なくともほぼ同一面にする。これにより、信頼性の高い光電変換モジュールを提供できる。なお、発光部からの迷光の心配が無い場合には、同図に示すようにレンズ孔の形状を単なる筒状にしても構わない。ただし、実際には、レンズ孔に限らず成形の際の型抜きの関係で或る程度の面の傾斜(抜き勾配)は必要になる。
充填樹脂16はUV硬化樹脂あるいは熱硬化樹脂など任意の樹脂が使える。未硬化の樹脂をレンズ孔15へ注入してUV照射または加熱をおこない硬化させれば良い。ただし、充填樹脂の屈折率と成形体の屈折率とは屈折率差ができるだけ大きいことが望ましい。屈折率差が小さいとレンズの曲率半径が極めて小さな形状が必要となり、成形が困難になるからである。同図に示すように、成形レンズ3aがモジュール上面に向けて凸の形状をした凸レンズの場合には、充填樹脂の屈折率は成形体3の材料の屈折率よりも小さくなければならない。逆に充填樹脂16の屈折率の方が大きい場合は、図示しないが、成形レンズをモジュール上面に向けて凹形状の凹レンズに形成しておく必要がある。
同図において符号16は充填樹脂を示す。なお、煩雑さを避けるため、その他の符号は主要部のみを付してある。以下の図においても同様である。
レンズ孔15を中空のままにしておくと、塵埃の多い環境で使ったり、あるいは結露が生じる環境で使用する場合、レンズ面に汚れその他が付着したときに簡単に清掃ができず、光の透過率減少などの不具合が発生する。そこで同図に示すようにレンズ孔15を樹脂で充填し孔部とその他の面を少なくともほぼ同一面にする。これにより、信頼性の高い光電変換モジュールを提供できる。なお、発光部からの迷光の心配が無い場合には、同図に示すようにレンズ孔の形状を単なる筒状にしても構わない。ただし、実際には、レンズ孔に限らず成形の際の型抜きの関係で或る程度の面の傾斜(抜き勾配)は必要になる。
充填樹脂16はUV硬化樹脂あるいは熱硬化樹脂など任意の樹脂が使える。未硬化の樹脂をレンズ孔15へ注入してUV照射または加熱をおこない硬化させれば良い。ただし、充填樹脂の屈折率と成形体の屈折率とは屈折率差ができるだけ大きいことが望ましい。屈折率差が小さいとレンズの曲率半径が極めて小さな形状が必要となり、成形が困難になるからである。同図に示すように、成形レンズ3aがモジュール上面に向けて凸の形状をした凸レンズの場合には、充填樹脂の屈折率は成形体3の材料の屈折率よりも小さくなければならない。逆に充填樹脂16の屈折率の方が大きい場合は、図示しないが、成形レンズをモジュール上面に向けて凹形状の凹レンズに形成しておく必要がある。
図3は本発明の第3の実施形態を説明するための図である。
同図において符号17は透明なカバー部材を示す。
第2の実施形態において、レンズ孔15に樹脂を充填しても充填樹脂16の表面を平面性良く平滑にして、出射する平行ビームに不要な収差が生じないようにする必要がある。しかし、表面を平滑にするにはそれなりの平滑化技術が必要であり、容易とは言えない。
そこで本実施形態では、レンズ孔に未硬化樹脂充填後、平面性の良い透明カバー部材17を成形体上面に装荷して、これにUV照射あるいは加熱をおこなって充填樹脂の硬化とカバー部材の接着を同時におこなわせる。ただし、未硬化樹脂の充填量は誤差を伴うものなので、成形体3のレンズ孔上部近辺に樹脂の逃げ部3fを形成しておくとよい。樹脂の充填量をレンズ孔15の内容積より若干多めにしておけば、余分な樹脂は逃げ部3fに流れ、光束の透過部分の平面性を損なうことがない。逃げ部3fは樹脂の流れを阻害しない程度の断面を有する溝とし、成形体外部に連通させておく。
この方法により、平行ビーム出射面の平面性を容易に良好にすることができ、出射ビームの光ファイバへの結合効率の劣化、あるいは入射ビームの光受光素子への結合効率の劣化を抑えることができる。
第1の実施形態においても、成形体上面にカバー部材17を接着装荷をすることにより、中空のレンズ孔15が外気に露出して外気からの塵埃、あるいは結露がレンズ孔内に生じることを防ぐこともできる。同様のことは以下の実施形態においても言える。
同図において符号17は透明なカバー部材を示す。
第2の実施形態において、レンズ孔15に樹脂を充填しても充填樹脂16の表面を平面性良く平滑にして、出射する平行ビームに不要な収差が生じないようにする必要がある。しかし、表面を平滑にするにはそれなりの平滑化技術が必要であり、容易とは言えない。
そこで本実施形態では、レンズ孔に未硬化樹脂充填後、平面性の良い透明カバー部材17を成形体上面に装荷して、これにUV照射あるいは加熱をおこなって充填樹脂の硬化とカバー部材の接着を同時におこなわせる。ただし、未硬化樹脂の充填量は誤差を伴うものなので、成形体3のレンズ孔上部近辺に樹脂の逃げ部3fを形成しておくとよい。樹脂の充填量をレンズ孔15の内容積より若干多めにしておけば、余分な樹脂は逃げ部3fに流れ、光束の透過部分の平面性を損なうことがない。逃げ部3fは樹脂の流れを阻害しない程度の断面を有する溝とし、成形体外部に連通させておく。
この方法により、平行ビーム出射面の平面性を容易に良好にすることができ、出射ビームの光ファイバへの結合効率の劣化、あるいは入射ビームの光受光素子への結合効率の劣化を抑えることができる。
第1の実施形態においても、成形体上面にカバー部材17を接着装荷をすることにより、中空のレンズ孔15が外気に露出して外気からの塵埃、あるいは結露がレンズ孔内に生じることを防ぐこともできる。同様のことは以下の実施形態においても言える。
図4は本発明の第4の実施形態を説明するための図である。
同図において符号31は第1成形体、32は第2成形体を示す。
本実施形態では、成形体は2つの部分、第1成形体31および第2成形体32から構成されていて、光電変換素子1が実装されている第1成形体31は光電変換素子1の使用光波長に対して不透明な高分子含有材料から成形され、光結合素子(成形レンズ)32aを含む第2成形体32は透明な高分子含有材料から成形された複合一体化成形体となっている。他の部分は図1と同じである。したがって、レンズ孔に樹脂を充填する第2の実施形態の適用も可能である。
ここでも光電変換素子と第1成形体の実装は不透明成形体に設けられた接続位置決め用の突起部を介してバンプで高位置精度に電気接続される。
第1成形体の不透明な高分子含有材料は、半導体封止材料として用いたられているエポキシ材料、ポリイミド材料や、エンジニアリングプラスチックとして用いられているポリカーボネート材料、ポリフェニレンスルフィド材料、液晶ポリマー材料等、およびこれらと無機フィラー物質との複合材料を用いることができるので、耐熱性が高く、また熱膨張率も光電変換素子などの半導体材料と比較的近く、光電変換素子をバンプで接続するときの熱処理(リフロー工程)における耐熱性、および熱膨張差による応力発生が抑えられ高精度で高信頼の実装が可能となる。
同図において符号31は第1成形体、32は第2成形体を示す。
本実施形態では、成形体は2つの部分、第1成形体31および第2成形体32から構成されていて、光電変換素子1が実装されている第1成形体31は光電変換素子1の使用光波長に対して不透明な高分子含有材料から成形され、光結合素子(成形レンズ)32aを含む第2成形体32は透明な高分子含有材料から成形された複合一体化成形体となっている。他の部分は図1と同じである。したがって、レンズ孔に樹脂を充填する第2の実施形態の適用も可能である。
ここでも光電変換素子と第1成形体の実装は不透明成形体に設けられた接続位置決め用の突起部を介してバンプで高位置精度に電気接続される。
第1成形体の不透明な高分子含有材料は、半導体封止材料として用いたられているエポキシ材料、ポリイミド材料や、エンジニアリングプラスチックとして用いられているポリカーボネート材料、ポリフェニレンスルフィド材料、液晶ポリマー材料等、およびこれらと無機フィラー物質との複合材料を用いることができるので、耐熱性が高く、また熱膨張率も光電変換素子などの半導体材料と比較的近く、光電変換素子をバンプで接続するときの熱処理(リフロー工程)における耐熱性、および熱膨張差による応力発生が抑えられ高精度で高信頼の実装が可能となる。
光結合素子である成形レンズ32aは、あらかじめ不透明材料の成形体31の貫通孔部分31aに、不透明材料の成形体31と一体化した透明材料で形状作製してあるので、光電変換素子1と不透明成形体からなる第1成形体31とを1回のバンプ実装をするのみで、光結合素子と光電変換素子1との間の光実装工程を不要にすることができ、実装工程を簡略化することができる。また、耐熱性に優れる不透明成形材料を使用した第1成形体と一体化しているので、バンプ実装時の熱による変形による位置ずれを低減することができ、プリント基板との電気的接続をおこなう後工程としてリフロー工程を伴うバンプ実装を行うことができる。
従来技術では成形レンズを透明高分子材料で別途作製する場合は、不透明材料を用いた成形体にあらかじめ、光電変換素子をバンプ実装した後、成形レンズを形成した透明高分子基板や、またはこれらの成形レンズ形成した基板を接着せしめた別の透明高分子基板を、光実装として高精度の位置合わせをした後に、接着により張り合わせたり、組み付けにより勘合しており、非常に高い実装コストとなっていた。
従来技術では成形レンズを透明高分子材料で別途作製する場合は、不透明材料を用いた成形体にあらかじめ、光電変換素子をバンプ実装した後、成形レンズを形成した透明高分子基板や、またはこれらの成形レンズ形成した基板を接着せしめた別の透明高分子基板を、光実装として高精度の位置合わせをした後に、接着により張り合わせたり、組み付けにより勘合しており、非常に高い実装コストとなっていた。
図5ないし図9は第4の実施形態の複合成形体の作製方法を示す図である。
各図において符号40は複合成形体、41は下側金型、42は第1の上側金型、43は第2の上側金型、44は第1成形体、45は第2成形体をそれぞれ示す。
図5は第1成形体用の金型を示す図である。下側金型41の側面には注入口41aがあり、型の中央部付近には上下の金型から伸びる柱により成型物に貫通穴が形成されるようになっている。第1の上側金型42から伸びる柱42aは先細りの円錐台状にしておくとよい。その理由は、後の工程でレンズ部分を形成するときに極端に肉厚の薄い部分が発生しないようにするためである。樹脂成形においては、肉厚の急変部分があると、その位置で成型品の歪みが起きやすくなるので、それを防ぐ意味がある。
図6において、射出成形またはトランスファ成形により、成形注入口41aから不透明な高分子複合材料を注入し、第1成形体44を形成する。
図7において、第1の上側金型42を除去して、その位置に第2の上側金型43を設置する。第2の上側金型43の側面には注入口43aが設けてあり、ほぼ中央部には、先端が凹面をなす円錐台状の柱が垂下しており、先端部は第1成形体上面より下まで伸びている。
図8において注入口43aから透明材料を注入して光結合素子である成形レンズを含む透明な第2成形体45を成形する。第1成形体44は型の一部としての役割を果たし、その上面と密着している部分は注入された材料と一体化する。
図9はすべての金型を除去し、注入口部の不要な突起を切除した状態の複合成形体40を示す。このような手順で形成された複合成形体を連続成形体とも呼ぶ。これを光電変換モジュールに実装するときは成形レンズが光電変換素子に正面に位置するように配置される。
各図において符号40は複合成形体、41は下側金型、42は第1の上側金型、43は第2の上側金型、44は第1成形体、45は第2成形体をそれぞれ示す。
図5は第1成形体用の金型を示す図である。下側金型41の側面には注入口41aがあり、型の中央部付近には上下の金型から伸びる柱により成型物に貫通穴が形成されるようになっている。第1の上側金型42から伸びる柱42aは先細りの円錐台状にしておくとよい。その理由は、後の工程でレンズ部分を形成するときに極端に肉厚の薄い部分が発生しないようにするためである。樹脂成形においては、肉厚の急変部分があると、その位置で成型品の歪みが起きやすくなるので、それを防ぐ意味がある。
図6において、射出成形またはトランスファ成形により、成形注入口41aから不透明な高分子複合材料を注入し、第1成形体44を形成する。
図7において、第1の上側金型42を除去して、その位置に第2の上側金型43を設置する。第2の上側金型43の側面には注入口43aが設けてあり、ほぼ中央部には、先端が凹面をなす円錐台状の柱が垂下しており、先端部は第1成形体上面より下まで伸びている。
図8において注入口43aから透明材料を注入して光結合素子である成形レンズを含む透明な第2成形体45を成形する。第1成形体44は型の一部としての役割を果たし、その上面と密着している部分は注入された材料と一体化する。
図9はすべての金型を除去し、注入口部の不要な突起を切除した状態の複合成形体40を示す。このような手順で形成された複合成形体を連続成形体とも呼ぶ。これを光電変換モジュールに実装するときは成形レンズが光電変換素子に正面に位置するように配置される。
図7において、第2の上部金型42は、下部金型41と型同士の精度で高精度に位置決めすることができるので、光電変換素子の実装基板となり、接合位置決め用の突起が形成されている不透明な第1成形体と光結合素子を一体成形した透明な第2成形体とを、光結合素子の装荷工程なしに高精度に位置決めすることができるようになる。
これにより、実装基板となる不透明な第一成形体と光電変換素子とをバンプを用いた実装で接続位置決めするだけで、光電変換素子と光結合素子の相互位置を高精度に位置決めすることができる。バンプ実装は高精度なセルフアライン効果があり、通常の電気実装をするのみで(アクティブアライメント等を行わずに)簡単に位置決めをすることができる。また、一つの型から複数の成形体を成形することもできるので、成形体および光結合素子を量産することも容易であり、材料のみならず、作製工程として経済性に非常にすぐれる。成形は、熱可塑性樹脂等による射出成形に限定されるわけではなく、光硬化樹脂、熱硬化樹脂等を用いてもよい。
なお、自明のことなので図示は省略したが、第2の上側金型を下側金型として全体を上下逆さまにした成形手順でも同等の複合成形体を形成することが可能である。ただし、この場合の第1の上側金型は図示とは異なり、図示の下側金型41と第1成形体44を一緒にした形状になり、第2の上側金型は同図に示した下側金型と同形になる。いずれの場合も、先に成形された成形体が、後から成形される樹脂に対して型の一部としての役割を兼ねている。
これにより、実装基板となる不透明な第一成形体と光電変換素子とをバンプを用いた実装で接続位置決めするだけで、光電変換素子と光結合素子の相互位置を高精度に位置決めすることができる。バンプ実装は高精度なセルフアライン効果があり、通常の電気実装をするのみで(アクティブアライメント等を行わずに)簡単に位置決めをすることができる。また、一つの型から複数の成形体を成形することもできるので、成形体および光結合素子を量産することも容易であり、材料のみならず、作製工程として経済性に非常にすぐれる。成形は、熱可塑性樹脂等による射出成形に限定されるわけではなく、光硬化樹脂、熱硬化樹脂等を用いてもよい。
なお、自明のことなので図示は省略したが、第2の上側金型を下側金型として全体を上下逆さまにした成形手順でも同等の複合成形体を形成することが可能である。ただし、この場合の第1の上側金型は図示とは異なり、図示の下側金型41と第1成形体44を一緒にした形状になり、第2の上側金型は同図に示した下側金型と同形になる。いずれの場合も、先に成形された成形体が、後から成形される樹脂に対して型の一部としての役割を兼ねている。
図10はアレイ状に配列された発光素子の一例を説明するための図である。
複数の発光体2は等間隔で1列に並んでいる。同図は発光体2が5個の例を示しているが、必要に応じて数百個並べることもある。
成形レンズ3aのピッチおよびレンズ径は、発光体2の配列ピッチとほぼ同じにしてある。したがって、成形レンズ3aはその配列方向に密接して並んでおり、レンズ孔15も同様である。ただし、レンズ孔15は同図における上方にむかって拡開しているため、レンズ孔相互間には隔壁が存在しない。
隔壁は透明材料で形成されていても、発光体2からの光線の、隔壁面の法線に対する入射角が非常に大きいため、実質全反射となり、クロストークを防ぐ効果が期待できる。
成形レンズ3aのレンズ径を配列ピッチより小さく構成する場合は、レンズ孔相互間に隔壁を形成することも可能になる。その場合、隔壁の厚さは配列ピッチとレンズ径との差に相当する大きさになるため、あまりその差が小さいときは樹脂成形上の限界によって、隔壁を設けることができない場合もある。
複数の発光体2は等間隔で1列に並んでいる。同図は発光体2が5個の例を示しているが、必要に応じて数百個並べることもある。
成形レンズ3aのピッチおよびレンズ径は、発光体2の配列ピッチとほぼ同じにしてある。したがって、成形レンズ3aはその配列方向に密接して並んでおり、レンズ孔15も同様である。ただし、レンズ孔15は同図における上方にむかって拡開しているため、レンズ孔相互間には隔壁が存在しない。
隔壁は透明材料で形成されていても、発光体2からの光線の、隔壁面の法線に対する入射角が非常に大きいため、実質全反射となり、クロストークを防ぐ効果が期待できる。
成形レンズ3aのレンズ径を配列ピッチより小さく構成する場合は、レンズ孔相互間に隔壁を形成することも可能になる。その場合、隔壁の厚さは配列ピッチとレンズ径との差に相当する大きさになるため、あまりその差が小さいときは樹脂成形上の限界によって、隔壁を設けることができない場合もある。
以上の実施形態では光結合素子として成形レンズを例に説明したが、これに限定されず、成形で形成できる回折レンズ、マイクロフレネルレンズなどでも良い。
また光電変換素子(面発光レーザ、光受光素子)は単一の素子についても、複数個の素子が同一基板にアレイ状に配列されたアレイ素子についても同様に適用できる。
アレイ素子を適用する場合のアレイ配列方向は、図1ないし図9の各図において紙面と垂直方向となる。
またレーザとして面発光レーザを例にとっての説明であったが、これに限定されず、端面発光の半導体レーザ、あるいは面発光、端面発光のLEDでも良い。
複合成形体においては、光電変換素子が発光体の場合などで、周囲からの迷光を遮断する必要が無い場合なら、第1成形体の材料を透明体で形成することも可能である。
また光電変換素子(面発光レーザ、光受光素子)は単一の素子についても、複数個の素子が同一基板にアレイ状に配列されたアレイ素子についても同様に適用できる。
アレイ素子を適用する場合のアレイ配列方向は、図1ないし図9の各図において紙面と垂直方向となる。
またレーザとして面発光レーザを例にとっての説明であったが、これに限定されず、端面発光の半導体レーザ、あるいは面発光、端面発光のLEDでも良い。
複合成形体においては、光電変換素子が発光体の場合などで、周囲からの迷光を遮断する必要が無い場合なら、第1成形体の材料を透明体で形成することも可能である。
1 光電変換素子
2 発光部
3 成形体
4 電気配線
8 レーザ駆動回路
9 中間基板
13 プリント基板
16 充填樹脂
17 カバー部
2 発光部
3 成形体
4 電気配線
8 レーザ駆動回路
9 中間基板
13 プリント基板
16 充填樹脂
17 カバー部
Claims (10)
- 光電変換素子と、該光電変換素子の電極と接合する電気配線と、光電変換素子との光結合を行う光結合素子を有する高分子含有材料からなる成形体と、電気接合部分とからなる光電変換モジュールにおいて、前記光結合素子はレンズであり、該レンズの出射面がモジュール上面より前記光電変換素子に近く、かつ、前記光電変換素子からほぼレンズ径に等しい距離以上に離れて設定されており、前記モジュール上面と前記レンズ出射面間はレンズ孔が形成されていることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項1に記載の光電変換モジュールにおいて、前記成形体の少なくとも前記レンズ部分は前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して透明な材料で構成されていることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項2に記載の光電変換モジュールにおいて、前記レンズは前記モジュール上面に向けて凸であることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項1または2に記載の光電変換モジュールにおいて、前記モジュール上面と前記レンズ出射面の間に形成されたレンズ孔に、前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して、ほぼ透明な樹脂材料が充填されていることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項4に記載の光電変換モジュールにおいて、前記レンズは前記モジュール上面に向けて凸であり、前記レンズ孔に充填される樹脂材料の屈折率は前記成形体の屈折率より小であることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項4に記載の光電変換モジュールにおいて、前記レンズは前記モジュール上面に向けて凹であり、前記レンズ孔に充填される樹脂材料の屈折率は前記成形体の屈折率より大であることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項1ないし6のいずれか1つに記載の光電変換モジュールにおいて、該光電変換モジュールの最上面は透明なカバー部材が配置されていることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項1ないし7のいずれか1つに記載の光電変換モジュールにおいて、前記成形体は、第1および第2の成形体が一体化された複合成形体であり、第1の成形体は耐熱性が高く、熱膨張の小さい高分子含有材料から成り、前記光電変換素子に対向する部分に貫通孔となる孔構造を設けてあり、第2の成形体は第1成形体と一体化された透明材料からなり、前記レンズが一体形成されていることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項8に記載の光電変換モジュールにおいて、第1の成形体は前記光電変換素子に用いられる光の波長に対して不透明な材料からなることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項8または9に記載の光電変換モジュールの前記複合成形体の作製方法において、第1または第2の成形体のうち、先に成形された一方の成形体が、後から成形される他方の成形体に対して型の一部を兼ねることを特徴とする複合成形体の作製方法。
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JP2005013387A JP2006202998A (ja) | 2005-01-20 | 2005-01-20 | 光電変換モジュール、およびそれに用いる複合成形体の作製方法 |
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KR20200075201A (ko) * | 2018-12-17 | 2020-06-26 | 삼성전자주식회사 | 광원 패키지 |
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- 2005-01-20 JP JP2005013387A patent/JP2006202998A/ja active Pending
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KR20200075201A (ko) * | 2018-12-17 | 2020-06-26 | 삼성전자주식회사 | 광원 패키지 |
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