JP2655112B2 - 光モジュールの実装方法および構造 - Google Patents
光モジュールの実装方法および構造Info
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Description
いられる、光モジュールの実装方法および構造に関す
る。
導波路との光結合は、従来精密な手作業による光軸調整
を伴うため、製作コストが高くなる問題があった。この
光軸調整を不要にする方法として、光素子を、はんだバ
ンプの表面張力を利用したセルフアラインメントによっ
て実装することで、光軸調整をせずに光素子と光導波路
とを光軸整合する方法がある。
装構造の例を示す図であり、説明の便宜上、方向を特定
するために、x,y,z軸を図示にように定める。
形成したSi基板1上に、導波路のコア7と、レーザダ
イオード51を接合するための電極パッド2aとを、ひ
と続きのフォトリソグラフィによって形成する。これに
よって電極パッド2aと光導波路のコア7の相対位置
は、マスク目合わせ精度で整合する。次に、電極パッド
2a上にはんだバンプ3を形成する。一方、レーザダイ
オード51の表面の四隅には、電極パッド2bが形成さ
れている。電極パッド2a,2bの形状は、多くの場合
円形である。
ド5aと5bとの間にはんだバンプ3を介在させて、図
5(a)のようにはんだバンプ3上に仮搭載し、バンプ
3を溶融することによって接合し、溶融したはんだの表
面張力に起因するセルフアラインメント効果により、図
5(b)のように無調整で高精度に位置合わせされる。
これによりレーザダイオード51の活性層5と光導波路
6のコア7との光軸合わせが達成される(佐々木他,信
学技報,vol.93,No.404,OQE93−1
45(1993)参照)。
ント実装を高精度に行うためには、はんだバンプの形状
を最適化する必要があるが、バンプ形状と接合精度の相
関としては、アスペクト比、すなわちバンプの高さ/電
極パッド直径の比率がある程度以上の値であることが必
要である。特に、フラックスレスではんだバンプを溶融
する場合は、フラックスを使用する場合に比べて高いア
スペクト比が必要とされる。発明者が行った実験では、
窒素雰囲気中でフラックスレスで加熱,溶融する場合、
バンプの高さ/電極パッド直径の比率は接合時で約0.
75以上が適当であり、また電極パッド径が小さいほど
高い接合精度が得られるという傾向がある。例えば30
0μm角程度の光素子を接合するには、接合強度等の観
点から直径50μm程度のバンプの大きさが必要である
が、このバンプ直径に対してシングルモード光結合に十
分な接合精度を得るためには、フラックスレスでセルフ
アラインメントを行う場合、バンプの高さは接合時で3
8μm以上が必要である。
と、通常Si基板1の表面から光導波路6のコア7まで
の高さは20μm以下であることが多いため、前述のよ
うなバンプ形状でバンプ3の高さをコア7に整合させる
ためには電極パッド2a,2bの直径を小さくしなけれ
ばならない。このことは接合面積の減少、ひいては放熱
性の低下、接合強度の低下をもたらすという問題を生じ
る。
小さくした分、バンプの数を多くする方法も考えられる
が、微小なバンプの形成は以下の理由により困難であ
る。例えば、光素子の実装に有用なはんだ材料としてA
uSn共晶はんだがあるが、AuSnバンプを低コスト
で形成する方法として、図4(a)に示すように、Au
Sn箔41をポンチ42とダイ43で打ち抜き、図4
(b)に示すように、打ち抜かれたAuSn片44をそ
のまま基板1上の電極パッド2に熱圧着する、プレス打
ち抜き法がある(特開平4−152682号公報参
照)。この場合、打ち抜きツールとAuSn箔の製作能
力の限度によって、打ち抜かれるAuSnはんだ片44
の体積をある程度以下にすることは困難であり、その限
度は現在の技術では、ポンチ直径は40μm、AuSn
箔厚さは20μm、はんだ体積は25000μm3 程度
である。この体積のAuSnはんだ片44をSi基板1
上の円形電極パッド2aに供給し、前述のバンプ高さ/
電極パッド径の比率を、セルフアラインメントが十分に
行われる条件を満たすように設計すると、発明者の行っ
た計算では、電極パッド径は30μm、バンプ高さは形
成時で30μm、接合後で25μmとなり、導波路のコ
ア高さである20μm以下に整合できない。
は、メッキ厚さやメッキ液の組成の制御が困難であり、
蒸着等の真空プロセスでは大きな工数を消費する等の問
題がある。
0μm、バンプの高さを接合時で35μmとし、導波路
のコアの高さを何らかの方法で光素子実装面から35μ
m程度にする方法も考えられるが、バンプ高さのばらつ
きの大きさは一般にバンプ高さが高くなるほど増加す
る。発明者らが行った実験では、高さ50μmのバンプ
を前述のプレス打ち抜き法で形成した場合、打ち抜かれ
たはんだ片の体積のばらつきに起因する高さばらつきは
接合時で±1.5μm程度であり、シングルモードの結
合を行う場合には十分と言えない。
いた従来のセルフアラインメント実装構造では、バンプ
形状の最適化により1μm以下の精度で光素子の無調整
実装が可能であるものの、平板形光導波路等の基板から
光軸までの高さが20μm以下の場合のような、比較的
接合高さが低く制限されるような場合には新たな対策が
必要である。
高さの制御を高精度にできる光モジュールの実装方法お
よび構造を提供することにある。
とを、光素子表面に形成された光素子側電極パッドと前
記基板の表面に形成された基板側電極パッドとの間に介
在させたはんだバンプを溶融させることによって接合
し、バンプ溶融時に生じるはんだの表面張力によって接
合位置決めを行い、光素子の光軸と光伝送路の光軸とを
合わせる光モジュールの実装方法および構造であって、
光伝送路の光軸方向と光軸に垂直な方向それぞれにはん
だバンプの表面張力が働くように、長方形または長方形
が組み合わされた形状の電極パッドが配置されたことを
特徴とする。また、前記電極パッドへのはんだの供給は
板状のはんだをポンチとダイによって打ち抜くことによ
って行うことを特徴とする。また、電極パッドは端部に
丸みを有することを特徴とし、光素子が発光素子である
場合は光素子側電極パッドは発光素子の活性層下部領域
の少なくとも一部を含んでいることを特徴とする。
形の電極パッドを用いた場合に対して接合後のバンプ高
さを低くすることができるので、平板形光導波路等の、
基板からコアまでの高さが20μm以下と低い場合でも
セルフアラインメントにより光軸を整合することができ
る。バンプ1個あたりの接合面積についても、円形電極
パッドの場合より広い面積を確保できる。また、接合面
積の増加によって、はんだ供給量のばらつきに起因する
接合高さばらつきも低減することができる。
バンプは、長方形の幅方向に主たる表面張力が働くの
で、導波路の光軸方向に細長い長方形のバンプと、これ
とは垂直な方向に細長い長方形のバンプとを設けること
によって、それぞれの方向に光素子の高精度な位置決め
を行うことができる。
方向に長い長方形とを組み合わせた形状の電極パッドを
用いることにより、バンプ数を削減できるとともに、微
小な光素子表面の限られた面積に充分な接合面積を有す
る電極パッドを形成できる。
んだをポンチとダイによって打ち抜くことによって行う
ことにより、従来のメッキや蒸着等では困難だったAu
Sn等の材質でも、組成比,はんだ体積とも良好な精度
で、はんだバンプを形成することができる。すなわち接
合高さばらつきをさらに低減することができる。
より、はんだバンプ溶融時の濡れ広がりが充分に行わ
れ、水平方向,高さ方向とも高い接合精度が得られる。
また、光素子側電極パッドの一部は半導体レーザの活性
層に沿って形成されていることにより、従来の、光素子
の四隅を球状のバンプで接合する場合に比べて活性層か
ら基板への放熱が良好に行われる。
説明する。
ジュールの実装方法および構造の実施例を示す。本実施
例の実装方法によれば、まず、Si基板1上にTi/P
t/Auの3層よりなる複数個の電極パッド2aをフォ
トリソグラフィによって形成する。電極パッド2aの形
状は長さ140μm,幅25μmの長方形とする。ここ
で、はんだが溶融した時に電極パッド2aの周辺部まで
十分濡れ広がるように長方形の端部に丸みを付けてあ
る。また、これとひと続きのフォトリソグラフィで光導
波路6を形成する。これにより電極パッド2aの位置と
光導波路のコア7との相対位置がマスクの目合わせ精度
で整合する。
の光軸方向(y軸方向)を長手方向とするパッドと、前
記光軸に垂直な方向(x軸方向)を長手方向とする長方
形であるパッドとを含んでいる。
Sn20wt%の共晶合金はんだ56550μm3 を蒸
着あるいはメッキ等で供給し溶融することにより、はん
だバンプ3を形成する。
i基板側電極パッド2aの1対1に対応し、電極パッド
2aと同一形状の電極パッド2bが形成されており、y
軸方向に平行な電極パッド2bの一部は、レーザダイオ
ードアレイ4の活性層5に沿って形成されている。
ドアレイ4を、基板側電極パッド2aとレーザダイオー
ドアレイ側電極パッド2bとの間にはんだバンプ3を介
在させて、はんだバンプ3上に仮搭載して、窒素雰囲気
中でフラックスレスで加熱し、はんだを溶融させること
によって基板1と接合する。このとき、x軸と平行なバ
ンプ3の表面張力は主にy軸方向に、逆にy軸と平行な
バンプ3の表面張力は主にx軸方向に働く。これにより
図1(b)のようにx−y平面内のセルフアラインメン
トが行われる。
場合、バンプの高さ/電極パッド幅の比率に依存し、発
明者の行った実験によれば、フラックスレスで窒素雰囲
気中の加熱,溶融で十分なセルフアラインメント精度が
得られる条件は、バンプ高さ/電極パッド幅の比率が
0.7以上となることであった。ただし、はんだバンプ
にフラックスを添加してセルフアラインメントを行う場
合は、この比率である必要はない。本実施例では約0.
72となるので、フラックスを添加しなくても±1μm
以内の高精度なセルフアラインメントがバンプ幅方向に
おいて得られる。このときの接合高さは18μmであ
り、Si基板1上に形成された光導波路6のコア7に光
軸を合わせることが可能である。
にすることによって、微小な円形パッド上に球状のバン
プを形成する場合に比べて電極パッド面積が大きいこと
から、供給するはんだ量のばらつきに起因するバンプ高
さばらつきが低減できるため、高さ方向の精度を高くで
きる。さらに、接合強度の面でも有利であり、レーザダ
イオードの活性層に沿ってはんだ接合をすることができ
るので効率的な放熱が可能である。
るいはメッキとしたが、蒸着の場合、前述のようなバン
プ接合後の高さ/電極パッド幅の比率の必要条件を達成
するためには、蒸着膜厚を約16μmとする必要があ
り、蒸着プロセスとしては多大な工数を消費する。メッ
キではメッキ厚さのばらつきが±20%と大きく、シン
グルモード光結合のような高精度なバンプ接合には向か
ない。これに対して板状のはんだを打ち抜くことによる
プレス打ち抜き法を用いることにより、はんだ供給量の
均一性を高くすることができ、光素子のバンプ接合時の
高さを高精度に制御できる。発明者の行った実験によれ
ば、接合高さ18μmに対して±1μm以内の高さ精度
が得られる。さらに発明者の行った実験によれば、プレ
ス打ち抜き法によりはんだバンプを形成して、長方形の
電極パッドによるセルフアラインメントを行った場合、
円形電極パッドの場合±1.5μmであった高さばらつ
きは、本発明により±1μm以内に抑えることができる
ので、シングルモードの接合にも応用可能である。
打ち抜いたはんだ片を電極パッド1個あたり1箇所だけ
に供給したのでは溶融時に濡れ広がりにくいことがある
が、この場合は電極パッド1個あたり複数個のはんだ片
を供給すると良好な濡れ広がりが得られる。
方法および構造の第2の実施例を示す。本実施例は、S
i基板側およびレーザダイオードアレイ側の、長方形を
組み合わせた電極パッド2a,2bの形状の一例とし
て、T字形のものを示す。各部の寸法は図2に示したと
おりであり、T字の横棒部の長さ120μm,幅10μ
m,縦棒部の長さ130μm,幅10μmである。この
場合も第1の実施例と同様に電極パッド2a,2bの周
辺部に丸みを付けることにより、溶融したはんだが容易
に濡れ広がる形状とする。
uSnはんだバンプ3を形成する。はんだ供給量は25
000μm3 とする。T字形のバンプの場合は、一つの
バンプがx,y両方向のセルフアラインメントを行う機
能を持つ。つまりT字形バンプの、x方向に長い部分は
y方向に主たる表面張力が作用し、y方向に長い部分は
x方向に主たる表面張力が働く。
は第1の実施例同様、本実施例でも実現できる。また、
このように1つのバンプにx,y両方向のセルフアライ
ンメントの機能を持たせることにより、図2に示したレ
ーザダイオードアレイ4のようにアレイ状の光素子を接
合する場合、必要なバンプ数が少なくできることから、
バンプ形成に関わる工数を削減することができる。
例としてここではT字形を挙げたが、L字形や十字形H
形等の形状でもよい。
ザダイオードアレイ4と光ファイバ31をはんだバンプ
3のセルフアラインメントにより結合させるものであ
る。まず、Si基板1上に電極パッド2aをフォトリソ
グラフィによって形成し、これとひと続きのフォトプロ
セスにより光ファイバ配列用のV溝32を異方性エッチ
ングにより形成する。これにより電極パッド2aとV字
溝32の相対位置はフォトマスクの目合わせ精度で整合
する。次に第1の実施例と同様に、電極パッド2bの形
成されたレーザダイオードアレイ4を接合し、光ファイ
バ31をV字溝32に配列させる。電極パッド2a,2
bの形状、はんだバンプ3の形成条件、得られる接合精
度については、第1の実施例と同様である。
ンプの材質としてAuSnを用いたが、PbSn,Au
Si等これ以外の材質のものを用いても良い。
基板を接合するはんだバンプの形状を光軸方向に細長い
長方形および光軸に垂直な方向に細長い長方形としたの
で、従来の球状はんだバンプに比べて整合高さを低減
し、平板型光導波路との結合を容易にするとともに、接
合高さの制御を高精度にできるという効果を有する。
造を示す図である。
の実装方法および構造を示す図である。
の実装方法および構造を示す図である。
を示す図である。
す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】光素子と基板とを、前記光素子の表面に形
成された光素子側電極パッドと前記基板の表面に形成さ
れた基板側電極パッドとの間に介在させたはんだバンプ
を溶融させることによって接合し、前記バンプ溶融時に
生じるはんだの表面張力によって接合位置決めを行い、
前記光素子の光軸と前記基板上の光伝送路の光軸とを合
わせる光モジュールの実装構造において、 前記はんだバンプは、前記光伝送路の光軸方向に主たる
表面張力が作用する第1のはんだバンプと、前記光軸に
垂直な方向に主たる表面張力が作用する第2のはんだバ
ンプとを含むことを特徴とする光モジュールの実装構
造。 - 【請求項2】前記第1のはんだバンプの形状は、前記光
軸に垂直な方向を長手方向とする長方形であり、 前記第2のはんだバンプの形状は、前記光軸方向を長手
方向とする長方形であることを特徴とする請求項1記載
の光モジュールの実装構造。 - 【請求項3】光素子と基板とを、前記光素子の表面に形
成された光素子側電極パッドと前記基板の表面に形成さ
れた基板側電極パッドとの間に介在させたはんだバンプ
を溶融させることによって接合し、前記バンプ溶融時に
生じるはんだの表面張力によって接合位置決めを行い、
前記光素子の光軸と前記基板上の光伝送路の光軸とを合
わせる光モジュールの実装構造において、 前記はんだバンプの形状は、前記光軸方向を長手方向と
する長方形と前記光軸に垂直な方向を長手方向とする長
方形が組み合わされた形状であることを特徴とする光モ
ジュールの実装構造。 - 【請求項4】前記電極パッドは端部に丸みを有すること
を特徴とする請求項2または3記載の光モジュールの実
装構造。 - 【請求項5】前記光素子は発光素子であって、前記光素
子側電極パッドは前記光素子の活性層下部の領域の少な
くとも一部を含んでいることを特徴とする請求項4記載
の光モジュールの実装構造。 - 【請求項6】光素子と基板とを、前記光素子の表面に形
成された光素子側電極パッドと前記基板の表面に形成さ
れた基板側電極パッドとの間に介在させたはんだバンプ
を溶融させることによって接合し、前記バンプ溶融時に
生じるはんだの表面張力によって接合位置決めを行い、
前記光素子の光軸と前記基板上の光伝送路の光軸とを合
わせる光モジュールの実装方法において、 前記はんだバンプは、前記光伝送路の光軸方向に主たる
表面張力が作用する第1のはんだバンプと、前記光軸に
垂直な方向に主たる表面張力が作用する第2のはんだバ
ンプとを含むことを特徴とする光モジュールの実装方
法。 - 【請求項7】前記光素子を前記はんだバンプを介して前
記基板に実装した時点での前記はんだバンプの高さは前
記電極パッドの幅の0.7倍以上であることを特徴とす
る請求項6記載の光モジュールの実装方法。 - 【請求項8】前記電極パッドへのはんだバンプの供給
は、板状のはんだをポンチとダイによって打ち抜くこと
によって行うことを特徴とする請求項6または7記載の
光モジュールの実装方法。
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