JP3692519B2 - 受光素子の光結合構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はパッシブアライメント実装技術を適用した光モジュールに関する。特に、本発明は、光モジュールの受光素子の光結合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記パッシブアライメント実装技術を適用する光モジュールでは、例えば、発光モジュールの場合、シリコン基板上にレーザダイオードなどの発光素子が実装され、同シリコン基板にＶ溝が形成され、Ｖ溝に実装される光ファイバと光学的に結合することが重要な要素の一つとなっていることが知られている。
【０００３】
また、通常の発光モジュールでは、レーザダイオードの後方にフォトダイオードなどの受光素子が配置され、レーザダイオードから放射される光の大きさが常にモニタリングされる。
このモニタリングにより温度が変動した場合でも常に一定の光出力が得られるようにコントロールする方法が一般的である。
【０００４】
一方、受光モジュールの場合は、発光モジュールと同様にシリコン基板上に、以下のように、形成される。
図９は従来の受光モジュールを示す図である。なお、全図を通して同一の構成要素には同一の符号、番号を付して説明を行う。本図に示すように、シリコン基板２００に光ファイバ３００が実装され、シリコン基板２００に対してサブキャリア１００が設けられる。
サブキャリア１００には光ファイバ３００からの出力光が結合する位置にフォトダイオード１０１が配置され光結合が実現されている。
【０００５】
サブキャリア１００には第１の電極面１１１と第２電極面１１２が設けられ、第１の電極面１１１にはフォトダイオード１０１、フォトダイオード１０１のボンディングワイヤ１０３が実装され、第２の面１１２にはパッケージなどにワイヤボンディングがされ外部との接続が行われる。
このため、異なる最低２面の電極の形成が必要である。
【０００６】
さらに、上記の光結合を実現するために、通常、サブキャリア１００に実装されるフォトダイオード１０１をレーザダイオード又は光ファイバの後方に配置するという構造が採用されている。
その際、図９に示すように、シリコン基板２００とサブキャリア１００がパッケージ内に別々に実装されている。
【０００７】
上記構造では、レーザダイオード又は光ファイバ３００とフォトダイオード１０１との光結合を構成する要素が各々独立してパッケージ内に実装されている。
このため、特に受光モジュールの場合には、光結合を構築する際に光軸ずれを起こしやすくなる。
すなわち、シリコン基板２００の厚さ精度及びパッケージへのシリコン基板２００とサブキャリア１００の実装高さを光軸ずれ要因として考慮する必要が生じる。
【０００８】
このため、光ファイバ３００とフォトダイオード１０１との結合トレランス（許容誤差）から実装位置精度に割り当てられる配分が小さくなり、高精度の実装機を使用する必要が生じると同時に、使用するシリコン基板２００の厚さ精度についても十分な管理が必要となる。
元々、パッシブアライメント実装技術は低コストで光モジュール組立ができるように光素子、光ファイバ３００などの光学系構成要素を予め決められた位置に実装するだけで光学系を実現する方法であり、それによって組立コストを低減させることが目的であった。
【０００９】
しかし、上述のような従来のフォトダイオード１０１の光結合構造では、使用するシリコン基板２００の厚さ精度管理が重要となり、また、必要以上に高精度な実装機が必要となるため、組立にかかる時間の短縮及び部品コストを含めた全体のコスト低減には十分ではなかった。
そこで、例えば、ＥＣＯＣ’９７、Ｖｏ１２、ｐｐ２１６−２１９には、サブキャリア１００にフォトダイオード１０１が実装され、サブキャリア１００がシリコン基板２００上に直接実装される構造が開示されている。
【００１０】
図１０は本発明の前提となる第１の受光素子の光結合構造を示す図である。本図に示すように、この技術では、シリコン基板２００の厚さ精度及びパッケージへの実装高さが光学系の構成要素でなくなっている。
このため、フォトダイオード１０１、サブキャリア１００の実装精度を必要以上に厳しくすることなくパッシブアライメントでの受光光学系を構築できる点において一応の効果を奏している。
【００１１】
しかしながら、上述のような従来例では、逆にフォトダイオード１０１をサブキャリア１００からはみ出させて実装しなければならない点において新たに実装そのものの困難、信頼性の低下という問題をもたらしている。
通常は、このような表面入射型フォトダイオードを使用する場合にはフォトダイオード１０１の表面に受光面、アノード電極があり、裏面がカソード電極になっている。
【００１２】
カソード電極側は全面にメタライズが施されており、全体を半田などでサブキャリア１００に接合させることにより安定した接合強度を得ることができる。
上述のような従来例では、フォトダイオード１０１の一部しかサブキャリア１００に接合することはできないため、接合部の信頼性に問題がある。
【００１３】
さらに、接合の際にフォトダイオード１０１を吸着等で所定位置に合せて実装するが、一部がサブキャリア１００からはみ出しているため実装時にフォトダイオード１０１を加圧したときに、位置ずれを起こしやすいという欠点もある。
また、別の従来例として、特開平１０−２０１５８号公報に開示されているように、シリコン基板上の凹部にサブキャリアを嵌合させることにより導光部とフォトダイオードとの光学的結合を実現させる構造も提案されている。
【００１４】
図１１は本発明の前提となる第２の受光素子の光結合構造を示す図である。本図に示すように、光導波路２０３と光学的結合を実現するフォトダイオード１０１はその裏面全体がサブキャリア１００に接合されているため上述した図１０の例のような信頼性上、実装上の問題は無い。
しかしながら凹部の低部にサブキャリア１００を実装するため凹部の深さ精度が光軸ずれ要因となり、凹部の加工性が低下するという問題がある。
【００１５】
【発明が解決しょうとする課題】
したがって、本発明は上記問題点に鑑みて、表面入射型のフォトダイオードを用いて、サブキャリア１００上にフォトダイオード１０１がはみ出すことなく実装され、かつシリコン基板２００にサブキャリア１００が実装される受光素子の光結合構造を提供することを目的とする。
【００１６】
さらに、シリコン基板２００の厚さなどの部品精度に光学系の軸ずれが影響されない受光素子の光結合構造を提供する。
さらに、本発明は、サブキャリア１００自体の低コスト化、すなわち、サブキャリア１００にフォトダイオード１０１が実装される電極面、パッケージに配線するための電極面を極力減らすことにより、低コスト化を可能にする受光素子の光結合構造、受光素子の生産方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記問題点を解決するために、フォトダイオードの裏面のカソード電極と接合される第１の配線パターン、前記フォトダイオードの表面のアノード電極と接続される第２の配線パターンが第１の実装面に配設されるサブキャリアと、光ファイバを実装するためのＶ溝と、前記サブキャリアに実装されるフォトダイオードと前記光ファイバを光学的に結合させ、前記フォトダイオードを収容するための凹部と、前記サブキャリアの前記第１の実装面と同一面である第２の実装面と接合するための斜面に配線パターンが形成された基板とを備えることを特徴とする受光素子の光結合構造を提供する。
【００１８】
この手段により、サブキャリアの電極面を１面としていることにより、生産性効率の向上、コストの低減という効果を図ることができる。また、斜面で接合することにより、部品精度に光学系軸ずれが影響しないという効果を図ることができる。
【００１９】
さらに、サブキャリア上にフォトダイオードがはみ出すことなく実装され、確実な固定を確保することが可能になった。
好ましくは、前記アノード電極と、前記フォトダイオードは、ボンディングワイヤで接続されている。
この手段により、フォトダイオードの種類に対応可能になる。
好ましくは、前記サブキャリアの材質は、アルミナセラミック、ガラスセラミック、窒化アルミ、シリコンウエハにＳｉＯ２酸化物を形成した材料の少なくとも１つからなる。
【００２０】
この手段により、サブキャリアの材質の広い選択が可能になる。
好ましくは、前記サブキャリアの材質の上にＡｕスパッタで電極を形成する。
この手段により、電極のパターンの形成が行われる。
好ましくは、前記サブキャリアの第１の実装面と前記基板の斜面の配線パターンとを半田又は導電性の接着剤で固定する。
【００２１】
この手段により、相互の電極面の固定が確実に行える。
好ましくは、前記基板のＶ溝及び前記斜面は同時に異方性エッチングにより形成される。
この手段により、斜面の電極の形成が容易に行われる。
好ましくは、前記シリコン基板のＶ溝と前記サブキャリアのフォトダイオードとの相対位置合せのために、前記シリコン基板上に目印のパターンを形成する。
【００２２】
この手段により、目印として、円形、矩形、十字形などが用いられ、Ｖ溝とフォトダイオードとの相対位置合せが容易になる。
好ましくは、前記シリコン基板の光ファイバの後方にレーザダイオードが設けられ、前記レーザダイオードは前記サブキャリアのフォトダイオードと光結合されるように位置にする。
【００２３】
この手段により、レーザダイオードの発光素子に対しても、上記と同様な作用、効果が得られる。また、安定したレーザダイオードの発振が得られる。
【００２４】
この手段により、シリコンウエハ１枚のセットでサブキャリアのハンドリングが完了し、シリコンウエハの位置確認を一度行えば、全てのサブキャリアの位置認識ができ、ワイヤボンディングする際の位置確認も１度でほぼ完了するという絶大な生産性向上が実現できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る受光素子の光結合構造を示し、サブキャリア、光ファイバをシリコン基板に実装する前の例を示す斜視図であり、図２は図１においてサブキャリア、光ファイバをシリコン基板に実装した後の例を示す斜視図である。
【００２６】
図１、図２に示すように、シリコン基板２００にはＶ溝２０２が設けられ、Ｖ溝２０２の端部でＶ溝２０２に対してほぼ対称にシリコン基板２００をコ字形の段差に形成し、Ｖ溝２０２の左右の段部に電極２０１が設けられる。
Ｖ溝２０２には光ファイバ３００が実装され、シリコン基板２００にサブキャリア１００が実装される。
【００２７】
サブキャリア１００は直方体であり、サブキャリア１００には電極１０２が設けられる。
サブキャリア１００の電極１０２の面には、フォトダイオード１０１、ボンディングワイヤ１０３が実装されるフォトダイオード実装面１０２Ａと、フォトダイオード実装面１０２Ａと同一面にサブキャリア１００がシリコン基板２００に実装されるサブキャリア実装面１０２Ｂとが設けられる。
【００２８】
電極１０２のフォトダイオード実装面１０２Ａにはフォトダイオード１０１のカソード電極の端子が電気的に接合するための配線パターン、フォトダイオード１０１のアノード電極の端子からボンディングワイヤ１０３により電気的接続をとるための配線パターンが形成される。
フォトダイオード実装面１０２Ａとサブキャリア実装面１０２Ｂとの配線パターンが電極１０２の１つの面に形成されることになる。
【００２９】
サブキャリア１００の材質としてはアルミナセラミック、ガラスセラミック、窒化アルミなどの絶縁物又は表面に絶縁膜を形成する材料を選択することが可能である。
例えば、シリコンウエハの表面にＳｉＯ２を形成し、その上にＡｕスパッタで電極１０２の配線パターンを形成した後、切断するなどの方法をとれば、大量に一括製造できるため、大幅なコスト低減が可能である。
【００３０】
アルミナセラミックを用いた場合でも、アルミナセラミックで作成した板にＡｕで複数個分の電極１０２の配線パターンを形成した後、切断するという工程が可能であるため、上述したシリコンウエハを用いる方法と遜色ない低コスト化が可能である。
フォトダイオード１０１を実装する際にはサブキャリア１００上の電極１０２の配線パターンを目印にして位置合せを行うと、容易に所定位置に実装することが可能である。
【００３１】
図３は図１における実装前のシリコン基板２００を示す上面図である。本図に示すシリコン基板２００にはＶ溝２０２に対して左右に２つの電極２０１が設けられ、各電極２０１にはサブキャリア実装斜面２０１Ａと外部接続用上面２０１Ｂが設けられる。
シリコン基板２００のＶ溝２０２、サブキャリア実装斜面２０１Ａはシリコンの異方性エッチングによるシリコンウエハ単位で一括で形成される。
【００３２】
サブキャリア実装斜面２０１Ａには、サブキャリア１００の電極１０１と電気的に接続するための配線パターンが設けられる。
この配線パターンは、サブキャリア実装斜面２０１Ａが異方性エッチングで形成され、サブキャリア実装斜面２０１Ａに露出されるシリコンの上にＳｉＯ２などの酸化膜が形成された後、Ａｕ等をパターニングすることで形成される。
【００３３】
サブキャリア実装斜面２０１Ａの電極２０１はシリコン基板２００の外部接続用上面２０１Ｂの電極パターンと電気的に接続するようにパターニングされる。
図４は図２における実装後の受光素子の光結合構造を示す上面図である。本図に示すように、シリコン基板２００のコ字部分にサブキャリア１００のフォトダイオード１０１を収容し、シリコン基板２００のサブキャリア実装斜面２０１Ａとサブキャリア１００の電極１０２とが接合するようにして、シリコン基板２００にサブキャリア１００が実装される。
【００３４】
図５は、受光素子の光結合構造の中心線に沿った実装中の断面図である。本図に示すように、シリコン基板２００にサブキャリア１００を実装するに際し、シリコン基板２００上のＶ溝２０２とサブキャリア１００上のフォトダイオード１０１との相対位置を合せることがパッシブアライメント実装方式において非常に重要となる。
【００３５】
そのため、シリコン基板２００上にＶ溝２０２を形成するためのパターニングを行う際に、同時にサブキャリア１００を実装するときの目印になるパターンを形成しておくことが効果的である。
このパターンは特に形状に制限はなく、例えば、円形、矩形、十字形などが考えられる。
【００３６】
または、特別に、目印としてのパターンを形成しなくても、Ｖ溝２０２そのものをパターンととらえてサブキャリア１００の実装位置を決めることも可能であし、さらには、フォトダイオード１０１の配線用に形成される配線パターンを使用してもよい。
サブキャリア１００をシリコン基板２００に固定するにはそれぞれの電極１０２Ｂ、２０１Ａの面に半田又は導電性の接着剤を塗付、加熱してその固定が行われる。
【００３７】
このような構成により、サブキャリア１００における電極１０２のサブキャリア実装面１０２Ｂと、シリコン基板２００における電極２０１のサブキャリア実装斜面２０１Ａとが電気的に接合し、シリコン基板２００の外部接続用上面２０１Ｂがパッケージなどにワイヤボンディングされ外部と接続される。
このため、パッケージなどへのワイヤボンディングはシリコン基板２００の外部接続用上面２０１Ｂを介して行われるので、従来のように、サブキャリア１００にパッケージなどへのワイヤボンディング用の配線パターンが不要になった。
【００３８】
したがって、サブキャリア１００に形成される電極１０２にはフォトダイオード１０１、ボンディングワイヤ１０３を実装するためのサブキャリア実装面１０２Ｂ、シリコン基板２００に実装されるサブキャリア実装面１０２Ｂだけが同一面に設けられる。
その結果、サブキャリア１００の大幅な生産性の向上、低コスト化を実現することが可能になる。
【００３９】
しかも、本発明では、サブキャリア１００をシリコン基板２００上に直接実装しているため、シリコン基板２００の厚さなどの部品精度に光学系の軸ずれが影響されないという効果が得られる。
すなわち、従来のように、シリコン基板２００とサブキャリア１００とがそれぞれパッケージに実装される構造では、シリコン基板２００の厚さと、シリコン基板２００及びサブキャリア１００をパッケージに実装する際の半田の厚さなどが光学系の軸ずれ要因として上げられていたが、これらの要因を全て排除することが可能となる。
【００４０】
その結果、組立後の光軸ずれが起きにくく、また、フォトダイオード１０１、サブキャリア１００を実装する際の実装精度に対する要求をそれ程厳しくしなくても所望の光学的結合を得ることが可能となる。
そのため、実装が簡単になり、実装機を含む実装コストの低減にも寄与する。
【００４１】
また、サブキャリア１００の電極１０２が１面だけであることの効果はサブキャリア１００の低コスト化に留まらず、フォトダイオード１０１の実装、ボンディングワイヤ１０３のワイヤボンディングの効率化も同時に実現することができる。
図６はシリコンウエハ上に複数個のサブキャリア１００を形成し各々にフォトダイオード１０１を実装する場合の例を示す図である。
【００４２】
本図に示すように、シリコンウエハ４００には、予め熱酸化又はスパッタなどの方法によりＳｉＯ２酸化膜が形成される。
その後、膜の密着性を考慮して、全面にＣｒ／Ｐｔ／Ａｕをスパッタし、サブキャリア１００のパターンが複数個並べられたマスクを使用して電極のパターニングが行われる。
【００４３】
その後、複数のフォトダイオード１０１を実装する電極部分に半田バンプなどを用いて半田を一括供給して塗付し、複数のフォトダイオード１０１を一括実装した後、過熱して半田を溶融することによりフォトダイオード１０１が固定される。半田にはＡｕ／Ｓｎ共晶半田が用いられる。
半田バンプではなく、Ａｕ／Ｓｎ膜をシリコン基板上に直接蒸着してもよい。
【００４４】
半田の供給、複数のフォトダイオード１０１の実装はシリコンウエハ４００上のサブキャリア１００全てに一括で行い、フォトダイオード１０１を固定した後、一括してワイヤボンディングが行われる。
最後に、サブキャリア１００を一つ一つ扱う場合と比較し、一つ一つのサブキャリア１００のハンドリング、位置決め、ワイヤボンディングが必要だったのに対してシリコンウエハ４００１枚のセットでサブキャリア１００のハンドリングが完了する。
【００４５】
シリコンウエハ４００の位置認識を一度行えばシリコンウエハ４００に関する全てのサブキャリア１００の位置確認ができ、ワイヤボンディングを行う際の位置認識が一度でほぼ完了するという絶大な生産性の向上が実現できる。
以上では、本発明を光ファイバ３００とフォトダイオード１０１が光学的に結合する受光モジュールに適応する場合に合せて説明したが、レーザダイオードとモニタ用のフォトダイオードが光学的に発光モジュールである場合にも本発明を同様に適応することが可能である。
【００４６】
図７は図１の変形例でサブキャリアの実装前を示す斜視図であり、図８は図７のサブキャリアの実装中を示す中心断面図である。
図７、図８に示すように、レーザダイオード５００にはその前方に光ファイバ３００がＶ溝２０２に配置されており、後方にはサブキャリア１００に実装されたモニタ用フォトダイオード１０１Ａが配置される。
【００４７】
サブキャリア１００の構成、サブキャリア１００のシリコン基板２００への実装方法と同一である。
レーザダイオード５００と光学的に結合される位置にモニタ用フォトダイオード１０１Ａが来るように、モニタ用フォトダイオード１０１Ａ、サブキャリア１００が実装されている。
【００４８】
したがって、この例でも、サブキャリア１００に必要な電極１０２は１面のみとなり、上述したようなサブキャリア１００自体の低コスト化、サブキャリア１００にモニタ用フォトダイオード１０１Ａを実装する際の生産性の向上という効果が得られる。
【００４９】
しかも、レーザダイオード５００に対してモニタ用フォトダイオード１０１Ａが斜めになっているため、モニタ用フォトダイオード１０１Ａに入力した光がモニタ用フォトダイオード１０１Ａの表面で反射し、レーザダイオード５００に戻ることによって、レーザ発振が不安定なるなどの問題を自動的に回避している。
したがって、安定したレーザダイオード５００の発振が得られるという効果がある。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、サブキャリアをシリコン基板上に直接実装しているため、シリコン基板の厚さなどの部品精度に光学系の軸ずれが影響されないという効果が得られる。
サブキャリア上にフォトダイオードがはみ出すことなく実装され、確実な固定を確保することが可能になった。
【００５１】
さらに、フォトダイオードを実装する面と外部との電気配線を行うパターンの面が同一面に形成されるので、サブキャリア自体の生産性効率を格段に向上させることができ、かつ大幅なコスト低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る受光素子の光結合構造を示し、サブキャリア、光ファイバをシリコン基板
に実装する前の例を示す斜視図である。
【図２】 図１においてサブキャリア、光ファイバをシリコン基板に実装した後の例を示す斜視図
である。
【図３】 図１における実装前のシリコン基板２００を示す上面図である。
【図４】 図２における実装後の受光素子の光結合構造を示す上面図である。
【図５】 受光素子の光結合構造の中心線に沿った実装中の断面図である。
【図６】 シリコンウエハ上に複数個のサブキャリア１００を形成し各々にフォトダイオード１０
１を実装する場合の例を示す図である。
【図７】 図１の変形例でサブキャリアの実装前を示す斜視図である。
【図８】 図７のサブキャリアの実装中を示す中心断面図である。
【図９】 従来の受光モジュールを示す図である。
【図１０】 本発明の前提となる第１の受光素子の光結合構造を示す図である。
【図１１】 本発明の前提となる第２の受光素子の光結合構造を示す図である。
【符号の説明】
１００…サブキャリア
１０１…フォトダイオード
１０１Ａ…モニタ用フォトダイオード
１０２、２０１…電極
１０２Ａ…フォトダイオード実装面
１０２Ｂ…サブキャリア実装面
１０３…ボンディングワイヤ
２００…シリコン基板
２０１Ａ…サブキャリア実装斜面
２０１Ｂ…外部接続用上面
２０２…Ｖ溝
３００…光ファイバ
４００…シリコンウエハ
５００…レーザダイオード
【産業上の利用分野】
本発明はパッシブアライメント実装技術を適用した光モジュールに関する。特に、本発明は、光モジュールの受光素子の光結合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記パッシブアライメント実装技術を適用する光モジュールでは、例えば、発光モジュールの場合、シリコン基板上にレーザダイオードなどの発光素子が実装され、同シリコン基板にＶ溝が形成され、Ｖ溝に実装される光ファイバと光学的に結合することが重要な要素の一つとなっていることが知られている。
【０００３】
また、通常の発光モジュールでは、レーザダイオードの後方にフォトダイオードなどの受光素子が配置され、レーザダイオードから放射される光の大きさが常にモニタリングされる。
このモニタリングにより温度が変動した場合でも常に一定の光出力が得られるようにコントロールする方法が一般的である。
【０００４】
一方、受光モジュールの場合は、発光モジュールと同様にシリコン基板上に、以下のように、形成される。
図９は従来の受光モジュールを示す図である。なお、全図を通して同一の構成要素には同一の符号、番号を付して説明を行う。本図に示すように、シリコン基板２００に光ファイバ３００が実装され、シリコン基板２００に対してサブキャリア１００が設けられる。
サブキャリア１００には光ファイバ３００からの出力光が結合する位置にフォトダイオード１０１が配置され光結合が実現されている。
【０００５】
サブキャリア１００には第１の電極面１１１と第２電極面１１２が設けられ、第１の電極面１１１にはフォトダイオード１０１、フォトダイオード１０１のボンディングワイヤ１０３が実装され、第２の面１１２にはパッケージなどにワイヤボンディングがされ外部との接続が行われる。
このため、異なる最低２面の電極の形成が必要である。
【０００６】
さらに、上記の光結合を実現するために、通常、サブキャリア１００に実装されるフォトダイオード１０１をレーザダイオード又は光ファイバの後方に配置するという構造が採用されている。
その際、図９に示すように、シリコン基板２００とサブキャリア１００がパッケージ内に別々に実装されている。
【０００７】
上記構造では、レーザダイオード又は光ファイバ３００とフォトダイオード１０１との光結合を構成する要素が各々独立してパッケージ内に実装されている。
このため、特に受光モジュールの場合には、光結合を構築する際に光軸ずれを起こしやすくなる。
すなわち、シリコン基板２００の厚さ精度及びパッケージへのシリコン基板２００とサブキャリア１００の実装高さを光軸ずれ要因として考慮する必要が生じる。
【０００８】
このため、光ファイバ３００とフォトダイオード１０１との結合トレランス（許容誤差）から実装位置精度に割り当てられる配分が小さくなり、高精度の実装機を使用する必要が生じると同時に、使用するシリコン基板２００の厚さ精度についても十分な管理が必要となる。
元々、パッシブアライメント実装技術は低コストで光モジュール組立ができるように光素子、光ファイバ３００などの光学系構成要素を予め決められた位置に実装するだけで光学系を実現する方法であり、それによって組立コストを低減させることが目的であった。
【０００９】
しかし、上述のような従来のフォトダイオード１０１の光結合構造では、使用するシリコン基板２００の厚さ精度管理が重要となり、また、必要以上に高精度な実装機が必要となるため、組立にかかる時間の短縮及び部品コストを含めた全体のコスト低減には十分ではなかった。
そこで、例えば、ＥＣＯＣ’９７、Ｖｏ１２、ｐｐ２１６−２１９には、サブキャリア１００にフォトダイオード１０１が実装され、サブキャリア１００がシリコン基板２００上に直接実装される構造が開示されている。
【００１０】
図１０は本発明の前提となる第１の受光素子の光結合構造を示す図である。本図に示すように、この技術では、シリコン基板２００の厚さ精度及びパッケージへの実装高さが光学系の構成要素でなくなっている。
このため、フォトダイオード１０１、サブキャリア１００の実装精度を必要以上に厳しくすることなくパッシブアライメントでの受光光学系を構築できる点において一応の効果を奏している。
【００１１】
しかしながら、上述のような従来例では、逆にフォトダイオード１０１をサブキャリア１００からはみ出させて実装しなければならない点において新たに実装そのものの困難、信頼性の低下という問題をもたらしている。
通常は、このような表面入射型フォトダイオードを使用する場合にはフォトダイオード１０１の表面に受光面、アノード電極があり、裏面がカソード電極になっている。
【００１２】
カソード電極側は全面にメタライズが施されており、全体を半田などでサブキャリア１００に接合させることにより安定した接合強度を得ることができる。
上述のような従来例では、フォトダイオード１０１の一部しかサブキャリア１００に接合することはできないため、接合部の信頼性に問題がある。
【００１３】
さらに、接合の際にフォトダイオード１０１を吸着等で所定位置に合せて実装するが、一部がサブキャリア１００からはみ出しているため実装時にフォトダイオード１０１を加圧したときに、位置ずれを起こしやすいという欠点もある。
また、別の従来例として、特開平１０−２０１５８号公報に開示されているように、シリコン基板上の凹部にサブキャリアを嵌合させることにより導光部とフォトダイオードとの光学的結合を実現させる構造も提案されている。
【００１４】
図１１は本発明の前提となる第２の受光素子の光結合構造を示す図である。本図に示すように、光導波路２０３と光学的結合を実現するフォトダイオード１０１はその裏面全体がサブキャリア１００に接合されているため上述した図１０の例のような信頼性上、実装上の問題は無い。
しかしながら凹部の低部にサブキャリア１００を実装するため凹部の深さ精度が光軸ずれ要因となり、凹部の加工性が低下するという問題がある。
【００１５】
【発明が解決しょうとする課題】
したがって、本発明は上記問題点に鑑みて、表面入射型のフォトダイオードを用いて、サブキャリア１００上にフォトダイオード１０１がはみ出すことなく実装され、かつシリコン基板２００にサブキャリア１００が実装される受光素子の光結合構造を提供することを目的とする。
【００１６】
さらに、シリコン基板２００の厚さなどの部品精度に光学系の軸ずれが影響されない受光素子の光結合構造を提供する。
さらに、本発明は、サブキャリア１００自体の低コスト化、すなわち、サブキャリア１００にフォトダイオード１０１が実装される電極面、パッケージに配線するための電極面を極力減らすことにより、低コスト化を可能にする受光素子の光結合構造、受光素子の生産方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記問題点を解決するために、フォトダイオードの裏面のカソード電極と接合される第１の配線パターン、前記フォトダイオードの表面のアノード電極と接続される第２の配線パターンが第１の実装面に配設されるサブキャリアと、光ファイバを実装するためのＶ溝と、前記サブキャリアに実装されるフォトダイオードと前記光ファイバを光学的に結合させ、前記フォトダイオードを収容するための凹部と、前記サブキャリアの前記第１の実装面と同一面である第２の実装面と接合するための斜面に配線パターンが形成された基板とを備えることを特徴とする受光素子の光結合構造を提供する。
【００１８】
この手段により、サブキャリアの電極面を１面としていることにより、生産性効率の向上、コストの低減という効果を図ることができる。また、斜面で接合することにより、部品精度に光学系軸ずれが影響しないという効果を図ることができる。
【００１９】
さらに、サブキャリア上にフォトダイオードがはみ出すことなく実装され、確実な固定を確保することが可能になった。
好ましくは、前記アノード電極と、前記フォトダイオードは、ボンディングワイヤで接続されている。
この手段により、フォトダイオードの種類に対応可能になる。
好ましくは、前記サブキャリアの材質は、アルミナセラミック、ガラスセラミック、窒化アルミ、シリコンウエハにＳｉＯ２酸化物を形成した材料の少なくとも１つからなる。
【００２０】
この手段により、サブキャリアの材質の広い選択が可能になる。
好ましくは、前記サブキャリアの材質の上にＡｕスパッタで電極を形成する。
この手段により、電極のパターンの形成が行われる。
好ましくは、前記サブキャリアの第１の実装面と前記基板の斜面の配線パターンとを半田又は導電性の接着剤で固定する。
【００２１】
この手段により、相互の電極面の固定が確実に行える。
好ましくは、前記基板のＶ溝及び前記斜面は同時に異方性エッチングにより形成される。
この手段により、斜面の電極の形成が容易に行われる。
好ましくは、前記シリコン基板のＶ溝と前記サブキャリアのフォトダイオードとの相対位置合せのために、前記シリコン基板上に目印のパターンを形成する。
【００２２】
この手段により、目印として、円形、矩形、十字形などが用いられ、Ｖ溝とフォトダイオードとの相対位置合せが容易になる。
好ましくは、前記シリコン基板の光ファイバの後方にレーザダイオードが設けられ、前記レーザダイオードは前記サブキャリアのフォトダイオードと光結合されるように位置にする。
【００２３】
この手段により、レーザダイオードの発光素子に対しても、上記と同様な作用、効果が得られる。また、安定したレーザダイオードの発振が得られる。
【００２４】
この手段により、シリコンウエハ１枚のセットでサブキャリアのハンドリングが完了し、シリコンウエハの位置確認を一度行えば、全てのサブキャリアの位置認識ができ、ワイヤボンディングする際の位置確認も１度でほぼ完了するという絶大な生産性向上が実現できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る受光素子の光結合構造を示し、サブキャリア、光ファイバをシリコン基板に実装する前の例を示す斜視図であり、図２は図１においてサブキャリア、光ファイバをシリコン基板に実装した後の例を示す斜視図である。
【００２６】
図１、図２に示すように、シリコン基板２００にはＶ溝２０２が設けられ、Ｖ溝２０２の端部でＶ溝２０２に対してほぼ対称にシリコン基板２００をコ字形の段差に形成し、Ｖ溝２０２の左右の段部に電極２０１が設けられる。
Ｖ溝２０２には光ファイバ３００が実装され、シリコン基板２００にサブキャリア１００が実装される。
【００２７】
サブキャリア１００は直方体であり、サブキャリア１００には電極１０２が設けられる。
サブキャリア１００の電極１０２の面には、フォトダイオード１０１、ボンディングワイヤ１０３が実装されるフォトダイオード実装面１０２Ａと、フォトダイオード実装面１０２Ａと同一面にサブキャリア１００がシリコン基板２００に実装されるサブキャリア実装面１０２Ｂとが設けられる。
【００２８】
電極１０２のフォトダイオード実装面１０２Ａにはフォトダイオード１０１のカソード電極の端子が電気的に接合するための配線パターン、フォトダイオード１０１のアノード電極の端子からボンディングワイヤ１０３により電気的接続をとるための配線パターンが形成される。
フォトダイオード実装面１０２Ａとサブキャリア実装面１０２Ｂとの配線パターンが電極１０２の１つの面に形成されることになる。
【００２９】
サブキャリア１００の材質としてはアルミナセラミック、ガラスセラミック、窒化アルミなどの絶縁物又は表面に絶縁膜を形成する材料を選択することが可能である。
例えば、シリコンウエハの表面にＳｉＯ２を形成し、その上にＡｕスパッタで電極１０２の配線パターンを形成した後、切断するなどの方法をとれば、大量に一括製造できるため、大幅なコスト低減が可能である。
【００３０】
アルミナセラミックを用いた場合でも、アルミナセラミックで作成した板にＡｕで複数個分の電極１０２の配線パターンを形成した後、切断するという工程が可能であるため、上述したシリコンウエハを用いる方法と遜色ない低コスト化が可能である。
フォトダイオード１０１を実装する際にはサブキャリア１００上の電極１０２の配線パターンを目印にして位置合せを行うと、容易に所定位置に実装することが可能である。
【００３１】
図３は図１における実装前のシリコン基板２００を示す上面図である。本図に示すシリコン基板２００にはＶ溝２０２に対して左右に２つの電極２０１が設けられ、各電極２０１にはサブキャリア実装斜面２０１Ａと外部接続用上面２０１Ｂが設けられる。
シリコン基板２００のＶ溝２０２、サブキャリア実装斜面２０１Ａはシリコンの異方性エッチングによるシリコンウエハ単位で一括で形成される。
【００３２】
サブキャリア実装斜面２０１Ａには、サブキャリア１００の電極１０１と電気的に接続するための配線パターンが設けられる。
この配線パターンは、サブキャリア実装斜面２０１Ａが異方性エッチングで形成され、サブキャリア実装斜面２０１Ａに露出されるシリコンの上にＳｉＯ２などの酸化膜が形成された後、Ａｕ等をパターニングすることで形成される。
【００３３】
サブキャリア実装斜面２０１Ａの電極２０１はシリコン基板２００の外部接続用上面２０１Ｂの電極パターンと電気的に接続するようにパターニングされる。
図４は図２における実装後の受光素子の光結合構造を示す上面図である。本図に示すように、シリコン基板２００のコ字部分にサブキャリア１００のフォトダイオード１０１を収容し、シリコン基板２００のサブキャリア実装斜面２０１Ａとサブキャリア１００の電極１０２とが接合するようにして、シリコン基板２００にサブキャリア１００が実装される。
【００３４】
図５は、受光素子の光結合構造の中心線に沿った実装中の断面図である。本図に示すように、シリコン基板２００にサブキャリア１００を実装するに際し、シリコン基板２００上のＶ溝２０２とサブキャリア１００上のフォトダイオード１０１との相対位置を合せることがパッシブアライメント実装方式において非常に重要となる。
【００３５】
そのため、シリコン基板２００上にＶ溝２０２を形成するためのパターニングを行う際に、同時にサブキャリア１００を実装するときの目印になるパターンを形成しておくことが効果的である。
このパターンは特に形状に制限はなく、例えば、円形、矩形、十字形などが考えられる。
【００３６】
または、特別に、目印としてのパターンを形成しなくても、Ｖ溝２０２そのものをパターンととらえてサブキャリア１００の実装位置を決めることも可能であし、さらには、フォトダイオード１０１の配線用に形成される配線パターンを使用してもよい。
サブキャリア１００をシリコン基板２００に固定するにはそれぞれの電極１０２Ｂ、２０１Ａの面に半田又は導電性の接着剤を塗付、加熱してその固定が行われる。
【００３７】
このような構成により、サブキャリア１００における電極１０２のサブキャリア実装面１０２Ｂと、シリコン基板２００における電極２０１のサブキャリア実装斜面２０１Ａとが電気的に接合し、シリコン基板２００の外部接続用上面２０１Ｂがパッケージなどにワイヤボンディングされ外部と接続される。
このため、パッケージなどへのワイヤボンディングはシリコン基板２００の外部接続用上面２０１Ｂを介して行われるので、従来のように、サブキャリア１００にパッケージなどへのワイヤボンディング用の配線パターンが不要になった。
【００３８】
したがって、サブキャリア１００に形成される電極１０２にはフォトダイオード１０１、ボンディングワイヤ１０３を実装するためのサブキャリア実装面１０２Ｂ、シリコン基板２００に実装されるサブキャリア実装面１０２Ｂだけが同一面に設けられる。
その結果、サブキャリア１００の大幅な生産性の向上、低コスト化を実現することが可能になる。
【００３９】
しかも、本発明では、サブキャリア１００をシリコン基板２００上に直接実装しているため、シリコン基板２００の厚さなどの部品精度に光学系の軸ずれが影響されないという効果が得られる。
すなわち、従来のように、シリコン基板２００とサブキャリア１００とがそれぞれパッケージに実装される構造では、シリコン基板２００の厚さと、シリコン基板２００及びサブキャリア１００をパッケージに実装する際の半田の厚さなどが光学系の軸ずれ要因として上げられていたが、これらの要因を全て排除することが可能となる。
【００４０】
その結果、組立後の光軸ずれが起きにくく、また、フォトダイオード１０１、サブキャリア１００を実装する際の実装精度に対する要求をそれ程厳しくしなくても所望の光学的結合を得ることが可能となる。
そのため、実装が簡単になり、実装機を含む実装コストの低減にも寄与する。
【００４１】
また、サブキャリア１００の電極１０２が１面だけであることの効果はサブキャリア１００の低コスト化に留まらず、フォトダイオード１０１の実装、ボンディングワイヤ１０３のワイヤボンディングの効率化も同時に実現することができる。
図６はシリコンウエハ上に複数個のサブキャリア１００を形成し各々にフォトダイオード１０１を実装する場合の例を示す図である。
【００４２】
本図に示すように、シリコンウエハ４００には、予め熱酸化又はスパッタなどの方法によりＳｉＯ２酸化膜が形成される。
その後、膜の密着性を考慮して、全面にＣｒ／Ｐｔ／Ａｕをスパッタし、サブキャリア１００のパターンが複数個並べられたマスクを使用して電極のパターニングが行われる。
【００４３】
その後、複数のフォトダイオード１０１を実装する電極部分に半田バンプなどを用いて半田を一括供給して塗付し、複数のフォトダイオード１０１を一括実装した後、過熱して半田を溶融することによりフォトダイオード１０１が固定される。半田にはＡｕ／Ｓｎ共晶半田が用いられる。
半田バンプではなく、Ａｕ／Ｓｎ膜をシリコン基板上に直接蒸着してもよい。
【００４４】
半田の供給、複数のフォトダイオード１０１の実装はシリコンウエハ４００上のサブキャリア１００全てに一括で行い、フォトダイオード１０１を固定した後、一括してワイヤボンディングが行われる。
最後に、サブキャリア１００を一つ一つ扱う場合と比較し、一つ一つのサブキャリア１００のハンドリング、位置決め、ワイヤボンディングが必要だったのに対してシリコンウエハ４００１枚のセットでサブキャリア１００のハンドリングが完了する。
【００４５】
シリコンウエハ４００の位置認識を一度行えばシリコンウエハ４００に関する全てのサブキャリア１００の位置確認ができ、ワイヤボンディングを行う際の位置認識が一度でほぼ完了するという絶大な生産性の向上が実現できる。
以上では、本発明を光ファイバ３００とフォトダイオード１０１が光学的に結合する受光モジュールに適応する場合に合せて説明したが、レーザダイオードとモニタ用のフォトダイオードが光学的に発光モジュールである場合にも本発明を同様に適応することが可能である。
【００４６】
図７は図１の変形例でサブキャリアの実装前を示す斜視図であり、図８は図７のサブキャリアの実装中を示す中心断面図である。
図７、図８に示すように、レーザダイオード５００にはその前方に光ファイバ３００がＶ溝２０２に配置されており、後方にはサブキャリア１００に実装されたモニタ用フォトダイオード１０１Ａが配置される。
【００４７】
サブキャリア１００の構成、サブキャリア１００のシリコン基板２００への実装方法と同一である。
レーザダイオード５００と光学的に結合される位置にモニタ用フォトダイオード１０１Ａが来るように、モニタ用フォトダイオード１０１Ａ、サブキャリア１００が実装されている。
【００４８】
したがって、この例でも、サブキャリア１００に必要な電極１０２は１面のみとなり、上述したようなサブキャリア１００自体の低コスト化、サブキャリア１００にモニタ用フォトダイオード１０１Ａを実装する際の生産性の向上という効果が得られる。
【００４９】
しかも、レーザダイオード５００に対してモニタ用フォトダイオード１０１Ａが斜めになっているため、モニタ用フォトダイオード１０１Ａに入力した光がモニタ用フォトダイオード１０１Ａの表面で反射し、レーザダイオード５００に戻ることによって、レーザ発振が不安定なるなどの問題を自動的に回避している。
したがって、安定したレーザダイオード５００の発振が得られるという効果がある。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、サブキャリアをシリコン基板上に直接実装しているため、シリコン基板の厚さなどの部品精度に光学系の軸ずれが影響されないという効果が得られる。
サブキャリア上にフォトダイオードがはみ出すことなく実装され、確実な固定を確保することが可能になった。
【００５１】
さらに、フォトダイオードを実装する面と外部との電気配線を行うパターンの面が同一面に形成されるので、サブキャリア自体の生産性効率を格段に向上させることができ、かつ大幅なコスト低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る受光素子の光結合構造を示し、サブキャリア、光ファイバをシリコン基板
に実装する前の例を示す斜視図である。
【図２】 図１においてサブキャリア、光ファイバをシリコン基板に実装した後の例を示す斜視図
である。
【図３】 図１における実装前のシリコン基板２００を示す上面図である。
【図４】 図２における実装後の受光素子の光結合構造を示す上面図である。
【図５】 受光素子の光結合構造の中心線に沿った実装中の断面図である。
【図６】 シリコンウエハ上に複数個のサブキャリア１００を形成し各々にフォトダイオード１０
１を実装する場合の例を示す図である。
【図７】 図１の変形例でサブキャリアの実装前を示す斜視図である。
【図８】 図７のサブキャリアの実装中を示す中心断面図である。
【図９】 従来の受光モジュールを示す図である。
【図１０】 本発明の前提となる第１の受光素子の光結合構造を示す図である。
【図１１】 本発明の前提となる第２の受光素子の光結合構造を示す図である。
【符号の説明】
１００…サブキャリア
１０１…フォトダイオード
１０１Ａ…モニタ用フォトダイオード
１０２、２０１…電極
１０２Ａ…フォトダイオード実装面
１０２Ｂ…サブキャリア実装面
１０３…ボンディングワイヤ
２００…シリコン基板
２０１Ａ…サブキャリア実装斜面
２０１Ｂ…外部接続用上面
２０２…Ｖ溝
３００…光ファイバ
４００…シリコンウエハ
５００…レーザダイオード
Claims (8)
- フォトダイオードの裏面のカソード電極と接合される第１の配線パターン、前記フォトダイオードの表面のアノード電極と接続される第２の配線パターンが第１の実装面に配設されるサブキャリアと、
光ファイバを実装するためのＶ溝と、前記サブキャリアに実装されるフォトダイオードと前記光ファイバを光学的に結合させ、前記フォトダイオードを収容するための凹部と、前記サブキャリアの前記第１の実装面と同一面である第２の実装面と接合するための斜面に配線パターンが形成された基板とを備えることを特徴とする受光素子の光結合構造。 - 前記アノード電極と、前記フォトダイオードは、ボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子の光結合構造。
- 前記サブキャリアの材質は、アルミナセラミック、ガラスセラミック、窒化アルミ、シリコンウエハにＳｉＯ２酸化物を形成した材料の少なくとも１つからなることを特徴とする、請求項1に記載の受光素子の光結合構造。
- 前記サブキャリアの材質の上にＡｕスパッタで電極を形成することを特徴とする、請求項３に記載の受光素子の光結合構造。
- 前記サブキャリアの第１の実装面と前記基板の斜面の配線パターンとを半田又は導電性の接着剤で固定することを特徴とする、請求項１に記載の受光素子の光結合構造。
- 前記基板のＶ溝及び前記斜面は同時に異方性エッチングにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子の光結合構造。
- 前記基板のＶ溝と前記サブキャリアのフォトダイオードとの相対位置合せのために、前記基板上に目印のパターンを形成することを特徴とする、請求項１に記載の受光素子の光結合構造。
- 前記基板の光ファイバの後方にレーザダイオードが設けられ、前記レーザダイオードは前記サブキャリアのフォトダイオードと光結合されるような位置にすることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子の光結合構造。
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