JP2020140105A - 光結合モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高信頼の光結合モジュールを提供する。【解決手段】本発明の光結合モジュール１は、第１主面１０ａと、第１主面１０ａとは反対の第２主面１０ｂと、第１主面１０ａから第２主面１０ｂに向かう厚さ方向の途中まで設けられたビア２０と、を有する支持体１０と、支持体１０の第２主面１０ｂに固定された補強板３２と、補強板３２と、ビア２０の底面２０ａとの間に設けられた光素子１３と、を備えている。支持体１０は、第１主面１０ａを含む基板１１と、第２主面１０ｂを含む絶縁体１２とを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光結合モジュールに関する。

情報化社会の発展と電子デバイスの高性能化により、情報通信機器における信号伝送速度の向上は、重要性を増してきている。光伝送は、このような信号伝送速度の向上を実現するためのキーテクノロジーである。

特開２０１７−１０２２０８号公報

本発明の実施形態は、高信頼の光結合モジュールの提供を目的とする。

本発明の実施形態によれば、光結合モジュールは、第１主面と、前記第１主面とは反対の第２主面と、前記第１主面から前記第２主面に向かう厚さ方向の途中まで設けられたビアと、を有する支持体と、前記支持体の前記第２主面に固定された補強板と、前記補強板と、前記ビアの底面との間に設けられた光素子と、を備えている。

（ａ）は実施形態に係る光結合モジュールの模式断面図であり、（ｂ）は図１（ａ）の光結合モジュールの下面図である。 実施形態に係る光結合モジュールの模式断面図である。 図２の光結合モジュールの下面図である。 実施形態に係る光結合モジュールの製造方法を示す模式断面図である。 実施形態に係る光結合モジュールの製造方法を示す模式断面図である。 実施形態に係る光結合モジュールの製造方法を示す模式断面図である。 実施形態に係る光結合モジュールの製造方法を示す模式断面図である。 実施形態に係る光Ｉ／Ｏモジュールの模式断面図である。 実施形態に係る光Ｉ／Ｏモジュールの模式断面図である。 実施形態に係る光結合モジュールの模式断面図である。

以下、適宜図面を参照しながら実施形態の説明を行っていく。説明の便宜のため、各図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、相対的な位置関係などで示す場合がある。また、同一または同様の要素には、同じ符号を付している。

図１（ａ）は実施形態に係る光結合モジュール１の模式断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の光結合モジュール１の下面図である。

光結合モジュール１は、支持体１０と、光素子１３と、補強板３２と、光ファイバ２１とを有する。

支持体１０は、第１主面１０ａと、第１主面１０ａとは反対の第２主面１０ｂとを有する。支持体１０は、第１主面１０ａを含む基板１１と、第２主面１０ｂを含む絶縁体１２とを有する。基板１１における第１主面１０ａとは反対の面１１ｂに、絶縁体１２が設けられている。

基板１１は、例えば、シリコンウェーハから切り出されたシリコンチップである。または、基板１１は、ガラス基板であってもよい。基板１１の厚さは、例えば４００μｍである。絶縁体１２は、基板１１よりも薄い。絶縁体１２は、例えば、厚さ５μｍのポリイミドである。

基板１１の面１１ｂの形状は、例えば、短辺が０．５ｍｍ、長辺が１．５ｍｍの矩形状である。

支持体１０にはビア２０が設けられている。ビア２０は、第１主面１０ａから第２主面１０ｂに向かう支持体１０の厚さ方向の途中まで設けられたブラインドビア（非貫通穴）である。図１（ａ）に示す例では、ビア２０は、第１主面１０ａから、基板１１の厚さ方向の途中まで設けられ、絶縁体１２には到達していない。

ビア２０の底面２０ａの形状は、例えば、一辺の長さ（または幅）Ｗｖが１２５．５μｍの正方形であるが、ビア２０の底面２０ａの形状は真円や楕円、その他の形状であっても良い。

ビア２０は、例えばドライエッチングプロセス（例えば異方性エッチング、あるいは、ボッシュプロセス）で基板１１に形成された深さが例えば３９０μｍの非貫通穴である。

ビア２０内に光ファイバ２１が挿入され、光ファイバ２１は光学接着剤２２でビア２０内に固定されている。光学接着剤２２は、例えば、使用波長（本例では１．３μｍ）でほぼ透明なフィラーレスのエポキシ系樹脂であり、光ファイバ２１を挿入した後、ＵＶ照射または加熱により硬化することができる。

なお、ビア２０には、光ファイバ２１の挿入を容易にするため、間口が広くなるようなテーパ形状を設けても良い。

基板１１は、ビア２０の底面２０ａと、絶縁体１２が設けられた面１１ｂとの間に薄化部１１ｃを有する。薄化部１１ｃの厚さは、基板１１におけるビア２０の周囲の部分１１ｄの厚さよりも薄い。

薄化部１１ｃにおけるビア２０の底面２０ａとは反対の面に、光素子１３が設けられている。光素子１３は、ビア２０に位置合わせして設けられ、基板１１の厚さ方向において、ビア２０の底面２０ａの中心と、光素子１３の中心とが略一致している。基板１１の厚さ方向において、光素子１３と、光ファイバ２１の先端との間に、基板１１の薄化部１１ｃが設けられている。

光素子１３には電極１４が設けられ、光素子１３および電極１４は、例えば絶縁体１２に埋め込まれている。

光素子１３は、例えばＩｎＰ等の化合物半導体を用いて基板１１の面１１ｂに形成された面発光型のレーザダイオードであり、例えば、厚さ３μｍ、直径３０μｍ、発振波長１．３μｍである。電極１４は、例えば厚さ１μｍのＡｕ電極であり、光素子１３のアノード及びカソードに接続されている。

光結合モジュール１では、電極１４を介して電流を供給することで光素子１３が発振し、ビア２０に向けて出射されたレーザ光が光ファイバ２１に光結合する。なお、光素子１３は、例えばフォトダイオードやグレーティングカプラであっても良い。

支持体１０の第２主面１０ｂに、補強板３２が固定されている。補強板３２は、ビア２０の底面２０ａに対向している。補強板３２と、ビア２０の底面２０ａとの間に、光素子１３が位置する。

補強板３２は、例えば、シリコンウェハから切り出された矩形状のシリコンチップである。例えば、補強板３２の厚さは２００μｍ、短辺の長さＷｃは０．２５ｍｍ、長辺の長さは１．０ｍｍである。

補強板３２は、接着剤３１によって、支持体１０の第２主面１０ｂに固定されている。接着剤３１は、例えばＵＶ照射または加熱により硬化するエポキシ系の樹脂である。

なお、接着剤３１を用いず、図１０（ａ）に示すように、補強板３２を支持体１０の第２主面１０ｂに直接接合しても良い。例えば、表面酸化膜同士の接合プロセスを用いることで、補強板３２と支持体１０とを直接接合することが可能である。

補強板３２の厚みは、ビア２０の底面２０ａと、光素子１３との間の距離（薄化部１１ｃの厚み）よりも大きい。また、補強板３２の厚みは、光素子１３と補強板３２との間の距離よりも大きい。

図２は、１つの支持体１０に複数のビア２０および複数の光素子１３がアレイ配置された光結合モジュール１の模式断面図であり、図３は、図２の光結合モジュール１の下面図である。

本例では、例えば、４つのビア２０が２５０μｍピッチで配置されている。ビア２０の位置に対応して、４つの光素子１３が例えば２５０μｍピッチで配置されている。それぞれのビア２０内に光ファイバ２１が固定されている。４つの光ファイバ２１は例えば２５０μｍピッチで並べられたテープファイバである。

光ファイバ２１は、例えば、クラッド径が１２５．０μｍ、コア径が５．０μｍのシングルモードファイバである。このような直径が１２５．０μｍの光ファイバ２１を、一辺が１２５．５μｍの正方形の底面２０ａをもつビア２０内に挿入することにより、光ファイバ２１をプラスマイナス０．２５μｍの精度で位置決めすることができる。

ビア２０は光素子１３に位置合わせされているため、光ファイバ２１と光素子１３との間で高い光結合効率を実現することができる。なお、シングルモードファイバの位置合わせには、光結合効率をモニタしながら位置合わせを行うアクティブアライメントが必要になる場合がある。この場合、ビア２０の底面２０ａを例えば一辺が１３０μｍの正方形とすれば、プラスマイナス２．５μｍの範囲でアクティブアライメントを行うことが可能となる。

ビアサイズ（深さに直交する方向のサイズ）の拡大でアクティブアライメントに対応でき、ビア底（薄化部１１ｃ）の薄化で光結合効率を向上できる。ただし、ビアサイズ拡大とビア底薄化により、ビア底の強度不足や温度変化に伴う変形による光結合効率の変動が問題になり得る。

本実施形態において、補強板３２は、光ファイバ２１の挿入、光学接着剤２２の硬化、温度変化に伴う光結合モジュール１の膨張及び収縮によって、薄化部１１ｃ（本例では厚さ１０μｍ）にクラック等が発生しないよう補強し、光結合モジュール１に高い信頼性を与える。このような補強板３２は、次のような特徴を備えることが望ましい。

補強板３２は、支持体１０の厚さ方向において、ビア２０の底面２０ａのすべての領域に重なっている。図２及び図３に示す例では、１つの補強板３２が、支持体１０の厚さ方向において、すべてのビア２０の底面２０ａのすべての領域に重なるように設けられている。このような構造により、補強板３２が基板１１におけるビア２０の周囲の厚い部分１１ｄに固定されるため、アンカー効果によりビア底（薄化部１１ｃ）をしっかり固定することができる。

補強板３２は、基板（例えばＳｉ）１１と同等か、それ以上の熱伝導率を有することが望ましい。これにより、光素子１３から発生する熱を補強板３２に逃がすことが可能となり、効果的な放熱が可能となる。補強板３２としては、Ｓｉ以外に、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ等の金属材料を用いても良い。

放熱性を高くするために、光素子１３と補強板３２との間の距離は、補強板３２の厚みよりも小さいことが望ましい。

薄化部１１ｃの変形量を抑えるために、補強板３２を支持体１０の第２主面１０ｂに固定する接着剤３１は可能な限り薄いことが望ましい。例えばシングルモードの光ファイバ２１と、光素子１３との光結合効率は、光軸ずれ（傾き）に大きく依存し、例えば０．１度以上の光軸ずれがあると光結合効率は大きく減少する。

このため、ビア２０の底面２０ａの幅をＷｖとして、接着剤３１に０．１度以上の傾きが発生する厚さ（Ｗｖ×ｔａｎ（０．１）に相当）よりも、接着剤３１の厚さが薄いことが望ましい。例えば、Ｗｖ＝１２５．５μｍのとき、接着剤３１の厚さは約０．２μｍよりも薄いことが望ましい。

温度変化に伴う薄化部１１ｃの変形を抑制するために、補強板３２を固定する接着剤３１の熱膨張係数と、光ファイバ２１を固定する光学接着剤２２の熱膨張係数とは略等しいことが望ましい。

図２及び図３に示す例のように、１つの支持体１０において複数のビア２０がアレイ状に並ぶ場合、温度変化に伴う薄化部１１ｃの変形を抑制するために、補強板３２の形状は複数のビア２０が並ぶ方向の中心に関して対称であることが望ましい。

例えば、補強板３２として光素子１３を駆動するＩＣ（Integrated Circuit）チップを使用することも可能であるが、この場合、ＩＣから発生する熱が、光素子１３の動作特性に影響する懸念がある。このため、補強板３２は、回路素子等の発熱体を含まないことが望ましい。

図４（ａ）〜図７は、実施形態に係る光結合モジュールの製造方法を示す模式断面図である。図４（ａ）〜図７に示す工程は、ウェーハ状態で進められる。なお、図４（ａ）〜図７では、ビア２０、光素子１３、および光ファイバ２１がそれぞれ1つの場合について示したが、これらは複数あっても良い。

図４（ａ）に示すように、基板１１の面１１ｂに光素子１３を形成する。例えば、ＣｏＷ（Chip on Wafer）技術を用いて、エピタキシャル成長層を有する化合物半導体チップを、基板（例えばＳｉウェーハ）１１の面１１ｂ上に接合した後、化合物半導体チップの基板部分を除去することにより、エピタキシャル成長層を基板１１の面１１ｂ上に転写する。その後、エピタキシャル成長層を加工し、絶縁体１２の形成、電極１４の成膜およびパターニングを行うことにより、光素子１３を形成する。

なお、エピタキシャル成長層の転写には、例えばウェハ接合（ＷｏＷ: Wafer on Wafer）技術を用いても良い。また、光素子１３がグレーティングカプラの場合は、光素子１３を基板（例えばＳｉウェーハ）１１上に直接形成することが可能である。光素子１３を形成した後、あるいは、形成する前に、ウェハバックグラインドにより基板１１の厚みを所定厚み（例えば４００μｍ）まで薄くしても良い。

次に、図４（ｂ）に示すように、支持体１０の第２主面１０ｂに接着剤３１を塗布した後、補強板３２を第２主面１０ｂに搭載し、ＵＶ照射または加熱により接着剤３１を硬化することで、補強板３２を支持体１０の第２主面１０ｂに固定する。ディスペンサを用いて液体状の接着剤３１を第２主面１０ｂに塗布しても良いし、シート状の接着剤３１を第２主面１０ｂに貼り付けても良い。

次に、図５に示すように、仮接着剤４０を用いて支持ウェーハ４１を、支持体１０の第２主面１０ｂに貼り合わせる。仮接着剤４０として、加熱により剥離が容易になる熱発泡性シートを用いても良いし、溶剤により除去可能な仮接着剤を用いても良い。なお、仮接着剤４０の厚みは、補強板３２の厚みよりも厚いことが望ましい。支持ウェーハ４１には。例えばシリコンウェーハを用いることができる。

次に、図６に示すように、基板１１にビア２０を形成する。ビア２０はドライエッチングで形成することができる。先述したように、光ファイバ２１の挿入を容易にするためのテーパを等方性エッチングで形成した後、光ファイバ２１の位置決めを行うための垂直穴を異方性エッチングで形成しても良い。なお、ウェットエッチングでビア２０を形成しても良い。

ビア２０を形成した後、例えば加熱により、仮接着剤４０と支持ウェーハ４１を除去する。これにより、図７に示すように、光ファイバが挿入前の光結合モジュール１’が得られる。

次に、図１（ａ）に示すように、光学接着剤２２をビア２０内に充填した後、そのビア２０内に光ファイバ２１を挿入し、例えば加熱により光学接着剤２２を硬化して、ビア２０内に光ファイバ２１を固定する。

なお、基板１１として、シリコンウェーハの代わりにＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェーハを用いてもよい。その場合、図１０（ｂ）に示すように、基板１１の第１主面１０ａから、基板１１を貫通して、絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）１６まで到達するようなビア２０を形成しても良い。ビア２０の底面２０ａと、光素子１３との間に、絶縁膜１６の一部１６ａが位置する。

あるいは、シリコンウェーハを例えばガラスウェーハに貼り合わせた複合ウェーハを用い、シリコンウェーハの第１主面から、シリコンウェーハを貫通して、ガラスウェーハまで到達するようなビアを形成しても良い。

図８は、実施形態に係る光結合モジュール１を用いた光Ｉ／Ｏモジュールの模式断面図である。

実装ボード５２上に、はんだバンプ５０を介して、光結合モジュール１および半導体素子５１が実装されている。実装ボード５２は、例えばプリント基板である。半導体素子５１は、例えばＳｏＣ（System on Chip）である。半導体素子５１と光結合モジュール１とは、実装ボード５２に形成された配線を通じて電気的に接続されている。

半導体素子５１の電気入出力信号が光結合モジュール１で光信号に変換され、光ファイバ２１で伝送される。これにより、電気信号に比べて高速かつ長距離の信号伝送が可能となる。光結合モジュール１は上述した通り高信頼の光結合モジュールであるため、図８に示した光Ｉ／Ｏモジュールも高信頼の光Ｉ／Ｏモジュールである。

なお、光結合モジュール１と半導体素子５１とは、図９に示すように、例えばＦＯＷＬＰ（Fan-Out Wafer Level Packaging）技術を用いて一体化しても良い。

図９に示す光Ｉ／Ｏモジュールにおいて、光結合モジュール１と半導体素子５１は、配線層７０に搭載され、モールド樹脂８０で一体にパッケージングされている。光結合モジュール１と半導体素子５１は、配線層７０に形成された配線７１を通じて電気的に接続されている。光結合モジュール１および半導体素子５１を搭載したモジュールは、はんだバンプ５０を介して、実装ボード５２に実装されている。図９に示す例においても、半導体素子５１の電気入出力信号が光結合モジュール１で光信号に変換され、光ファイバ２１で伝送される。これにより、電気信号に比べて高速かつ長距離の信号伝送が可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１,１’…光結合モジュール、１０…支持体、１０ａ…第１主面、１０ｂ…第２主面、１１…基板、１２…絶縁体、１３…光素子、１４…電極、２０…ビア、２１…光ファイバ、３１…接着剤、３２…補強板

Claims (8)

1. 第１主面と、前記第１主面とは反対の第２主面と、前記第１主面から前記第２主面に向かう厚さ方向の途中まで設けられたビアと、を有する支持体と、
   前記支持体の前記第２主面に固定された補強板と、
   前記補強板と、前記ビアの底面との間に設けられた光素子と、
   を備えた光結合モジュール。
2. 前記補強板は前記厚さ方向において前記ビアの底面のすべての領域に重なっている請求項１記載の光結合モジュール。
3. 前記支持体は、前記第１主面および前記ビアが設けられた基板を有し、
   前記補強板の熱伝導率は、前記基板の熱伝導率以上である請求項１または２に記載の光結合モジュール。
4. 前記補強板は、接着剤によって前記支持体の前記第２主面に固定され、
   前記接着剤の厚みが、前記ビアの前記底面の幅をＷｖとして、Ｗｖ×ｔａｎ（０．１）よりも薄い請求項１〜３のいずれか１つに記載の光結合モジュール。
5. 前記補強板は、前記支持体の前記第２主面に直接接合されている請求項１〜３のいずれか１つに記載の光結合モジュール。
6. 前記ビア内に固定された光ファイバをさらに備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の光結合モジュール。
7. 前記補強板の厚みは、前記ビアの底面と前記光素子との間の距離よりも大きい請求項１〜６のいずれか１つに記載の光結合モジュール。
8. 前記補強板の厚みは、前記光素子と前記補強板との間の距離よりも大きい請求項１〜７のいずれか１つに記載の光結合モジュール。

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