JP5195087B2 - 光電気変換デバイス、光電気変換モジュールおよび光電気変換デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電気変換デバイス、光電気変換モジュールおよび光電気変換デバイスの製造方法に関する。

光電気変換モジュールは、電気信号を光信号に変換するための送信部および／または光信号を電気信号に変換するための受信部を備えている。送信部には、発光素子と、発光素子を駆動するための駆動回路チップと、が含まれている。受信部には、受光素子と、受光素子で生じた信号電流を増幅する増幅回路チップと、が含まれている。以下、発光素子および受光素子を光素子と総称する。また、駆動回路チップおよび増幅回路チップを回路チップと総称する。

光電気変換モジュールを小型化するためには、光素子と回路チップとの配線を短くしかつ実装スペースを小さくする必要がある。例えば、特許文献１は、光素子が回路チップの表面に積層された光電気変換モジュールを開示している（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第７１２８７４号明細書

しかしながら、光素子を回路チップの表面にフリップチップボンディングする場合、ボンディング用の半田バンプ領域が必要となる。また、フリップチップボンディングの際に、半田バンプ領域およびその近傍の領域に熱および応力がかかる。熱および応力のトランジスタ等への影響を回避するためには、回路チップにおけるトランジスタ等の配置箇所が制限されてしまう。それにより、回路チップ表面の活用面積が低下する。回路チップの面積は光素子の面積よりも大きいことが多いが、光電気変換モジュールのチャンネル数が少ない場合には両者の面積差が小さくなる。したがって、この場合、回路チップ表面の活用面積低下の影響が大きくなってしまう。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、回路チップ表面の活用面積を大きくすることが可能な光電気変換デバイス、光電気変換モジュールおよび光電気変換デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、明細書開示の光電気変換デバイスは、光透過孔が形成された第１凹部を有する回路基板と、回路基板において第１凹部の底面から第１凹部が形成された面にかけて形成された第１金属配線と、光透過孔を光軸が通るように第１凹部内に配置され第１凹部の底面において第１金属配線にフリップチップボンディングされた光素子と、光素子の駆動用の駆動回路チップまたは光素子からの信号の増幅用の増幅回路チップであって第１凹部が形成された面上の第１金属配線にフリップチップボンディングされた回路チップと、ビア配線が設けられた電極コンタクトシートと、を備え、ビア配線は、回路チップの光素子と反対側の面に接続されているものである。

また、明細書開示の光電気変換デバイスの製造方法は、光透過孔が形成された凹部を有し凹部の底面から凹部が形成された面にかけて金属配線が設けられた回路基板を準備する工程と、光素子を光素子の光軸が光透過孔を通るように凹部内に配置し凹部の底面において金属配線にフリップチップボンディングする工程と、光素子を駆動用の駆動回路チップまたは光素子からの信号の増幅用の増幅回路チップを凹部が形成された面上の金属配線にフリップチップボンディングする工程と、ビア配線が設けられた電極コンタクトシートのビア配線を駆動回路チップまたは増幅回路チップの光素子と反対側の面に接続する工程と、を含むものである。

明細書開示の光電気変換デバイス、光電気変換モジュールおよび光電気変換デバイスの製造方法によれば、回路チップの活用面積を大きくすることができる。

以下に説明する実施例によれば、光素子を回路チップ上にフリップチップボンディングしなくてもよいため、バンプ領域が不要となる。また、フリップチップボンディングの際の熱応力を回避することができる。それにより、回路チップにおけるトランジスタ等の配置箇所の制限が緩和される。その結果、回路チップの活用面積が大きくなる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る光電気変換デバイス１００を備える光電気変換モジュール２００の全体構成を説明する分解斜視図である。図１に説明するように、光電気変換モジュール２００は、光コネクタ２０１、光電気変換デバイス１００、電極コンタクトシート２０２および電気コネクタ基板２０３が順に接続された構造を有する。

光コネクタ２０１は、外部の光ファイバに接続されるコネクタである。光コネクタ２０１には、光ファイバ芯線２０４が設けられている。本実施例においては、光ファイバ芯線２０４は、２本設けられている。光ファイバ芯線２０４の光電気変換デバイス１００と反対側の先端には、光ファイバテープ２０５が設けられている。また、光コネクタ２０１には、光電気変換デバイス１００側にガイドピン２０６が設けられている。

光電気変換デバイス１００は、回路基板に光素子および回路チップが搭載された構造を有する。光電気変換デバイス１００には、光ファイバ芯線２０４の光軸が通るように光透過孔１０が形成されている。したがって、本実施例においては、２つの光透過孔１０が形成されている。また、光電気変換デバイス１００には、ガイドピン２０６と嵌合するための第１の孔ａが形成されている。光電気変換デバイス１００の詳細は、後述する。

電極コンタクトシート２０２は、電気コネクタ基板２０３と光電気変換デバイス１００との電気的導通を確保するためのシート部材である。電極コンタクトシート２０２には、例えば、ビア配線が設けられている。また、電極コンタクトシート２０２には、ガイドピン２０６と嵌合するための第２の孔ｂが形成されている。

電気コネクタ基板２０３は、光電気変換デバイス１００と外部の電気インタフェースとを接続するためのコネクタである。電気コネクタ基板２０３は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂｕｓ）ポートに接続するためのコネクタである。電気コネクタ基板２０３には、電極コンタクトシート２０２のビア配線に対応した位置に電気配線２０７が設けられている。また、電気コネクタ基板２０３には、ガイドピン２０６と嵌合するための第３の孔ｃが形成されている。

ガイドピン２０６が第１の孔ａ〜第３の孔ｃと順に嵌合することによって、光コネクタ２０１、光電気変換デバイス１００、電極コンタクトシート２０２および電気コネクタ基板２０３が位置決めされる。

図２は、光電気変換デバイス１００の詳細を説明するための図である。図２（ａ）は、光電気変換デバイス１００における一方の光透過孔１０近傍の領域の平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図２（ｄ）は、後述する回路基板２０のＡ−Ａ線断面図である。

図２（ａ）〜図２（ｄ）に説明するように、光電気変換デバイス１００は、回路基板２０、光素子３０および回路チップ４０を備える。図２（ｄ）に説明するように、回路基板２０の光コネクタ２０１と反対側の面２１に凹部２２が形成されており、この凹部２２の底面にさらに凹部２３が形成されている。すなわち、回路基板２０には、径の大きい凹部２２の底面に径の小さい凹部２３が形成されている。したがって、面２１から凹部２２にかけて段差が形成され、凹部２２の底面から凹部２３にかけて段差が形成されている。

回路基板２０の凹部２２および凹部２３には、金属配線２４〜２６が形成されている。金属配線２４〜２６は、それぞれ１本または複数本設けられている。金属配線２４は、凹部２３の底面から凹部２３の側面、凹部２２の底面および凹部２２の側面を通って面２１にかけて形成されている。金属配線２４は、光素子３０の放熱用配線である。また、金属配線２５は、凹部２３の底面から凹部２３の側面を通って凹部２２の底面にかけて形成されている。金属配線２５は、光素子３０と回路チップ４０との間の高速信号配線である。金属配線２６は、凹部２２の底面から凹部２２の側面を通って面２１にかけて形成されている。金属配線２６は、回路チップ４０の放熱用配線、低速制御配線、電源またはグランドとの間の配線等である。

光素子３０は、発光素子または受光素子である。光素子３０は、光軸が光透過孔１０を通るように、凹部２３内に配置されている。光素子３０が受光素子である場合には、光素子３０は、光ファイバ芯線２０４の光軸に受光領域が位置するように配置される。光素子３０が発光素子である場合には、光素子３０は、光素子３０からの光が光透過孔１０を通って光ファイバ芯線２０４の光軸を通るように配置される。光透過孔１０は、空間でもよく、レンズ等の透過部材が設けられていてもよい。

光素子３０は、半田バンプ３１を介して、凹部２３の底面の金属配線２４および金属配線２５にフリップチップボンディングされている。それにより、光素子３０は、金属配線２４を介して面２１に接続され、金属配線２５を介して凹部２２の底面に接続される。

回路チップ４０は、例えば、ＩＣチップである。光素子３０が受光素子である場合には、回路チップ４０は、光素子３０で生じた微小の信号電流を増幅して標準振幅の信号電圧に変換する増幅回路チップである。光素子３０が発光素子である場合には、回路チップ４０は、標準振幅の信号電圧から発光素子を駆動するための信号電流を発光素子に供給する駆動回路チップである。

回路チップ４０は、光素子３０と対向しつつ、凹部２２内に配置されている。回路チップ４０は、半田バンプ４１を介して、凹部２２の底面の金属配線２５および金属配線２６にフリップチップボンディングされている。それにより、金属配線２５を介して、光素子３０と回路チップ４０とが電気的に接続される。また、金属配線２６を介して回路チップ４０が面２１と接続される。

本実施例に係る光電気変換デバイス１００においては、光素子３０を回路チップ４０上に搭載しなくてもよい。この場合、回路チップ４０において、光素子３０をボンディングする際の半田バンプ領域が不要となる。それにより、回路チップ４０を小型化することができる。また、光素子３０を回路チップ４０上にフリップチップボンディングしなくてもよいため、フリップチップボンディングの際の熱応力を回避することができる。それにより、回路チップ４０におけるトランジスタ等の配置箇所の制限が緩和される。その結果、回路チップ４０の活用面積が大きくなる。

また、回路基板２０に形成された凹部内に光素子３０および回路チップ４０が配置されていることから、光電気変換デバイス１００が小型化される。また、光透過孔１０は凹部内に形成されていることから、光透過孔１０の深さが小さくなる。それにより、光素子３０と光ファイバ芯線２０４との距離が短くなる。

この場合、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：垂直共振器面発光レーザ）を光素子３０として用いることが好ましい。以下、その理由について説明する。

ＶＣＳＥＬを光素子３０として用いる場合、光ファイバ芯線２０４の光軸と光素子３０の光軸との位置ずれは、光ファイバ芯線２０４がマルチモードファイバの場合において、±１０μｍ程度許容される。したがって、第１の孔ａ〜第３の孔ｃの孔径は、ガイドピン２０６の外径に対して＋５μｍ〜＋２０μｍの範囲にあればよい。

光ファイバ芯線２０４と光素子３０とは、光透過孔１０を介して光結合される。この場合、光ファイバ芯線２０４の端面と光素子３０表面との距離は、光透過孔１０の深さで決まる。例えば、この深さを０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍとし、±０．０２ｍｍ〜±０．０５ｍｍの精度で光透過孔１０の深さを調整することによって、レンズ無しでも高効率の光結合を得ることができる。それにより、レンズ部材が不要になるとともに、レンズの位置合せ工程が省略される。なお、光素子３０としてＶＣＳＥＬを用いる場合、光ファイバ芯線２０４には、マルチモードファイバを用いる。

なお、回路チップ４０を光素子３０とは、接していても離間していてもよい。ただし、発熱の影響を抑制するためには、回路チップ４０と光素子３０とは離間していることが好ましい。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、光電気変換デバイス１００の製造方法について説明するためのフロー図である。以下、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照しつつ、光電気変換デバイス１００の製造方法について説明する。

まず、図３（ａ）に説明するように、金属配線２４〜金属配線２６が形成された回路基板２０を準備する。次に、図３（ｂ）に説明するように、回路基板２０の凹部２３に光素子３０を配置し、凹部２３の底面の金属配線２４および金属配線２５にフリップチップボンディングする。それにより、光素子３０が回路基板２０に固定される。

次いで、図３（ｃ）に説明するように、回路チップ４０を光素子３０と対向させつつ凹部２２内に配置し、凹部２２の底面の金属配線２５および金属配線２６にフリップチップボンディングする。それにより、回路チップ４０が回路基板２０に固定される。以上の工程により、光電気変換デバイス１００が完成する。

図３（ａ）〜図３（ｃ）の製造方法によれば、光素子３０を回路チップ４０上にフリップチップボンディングしなくてもよいため、フリップチップボンディングの際の熱応力を回避することができる。それにより、回路チップ４０における活用面積を大きくすることができる。また、回路チップ４０が回路基板２０にフリップチップボンディングされることから、回路基板２０と回路チップ４０とのワイヤボンディング工程が省略される。さらに、回路チップ４０の回路基板２０への接着工程が省略される。

図４は、光電気変換モジュール２００の光透過孔１０近傍の模式的断面図である。以下、図４を参照しつつ、光電気変換デバイス１００と光電気変換モジュール２００との関係について説明する。図４に説明するように、金属配線２４は、電極コンタクトシート２０２のビア配線を介して電気コネクタ基板２０３の電気配線２０７に接続されている。また、金属配線２６も上記ビア配線を介して電気コネクタ基板２０３の電気配線２０７に接続されている。それにより、光素子３０および回路チップ４０から電気コネクタ基板２０３に放熱される。その結果、光素子３０および回路チップ４０の発熱の影響を抑制することができる。

図５は、光電気変換モジュール２００の他の例を説明する模式的断面図である。図５に説明するように、回路チップ４０の光素子３０と反対側の面が電極コンタクトシート２０２のビア配線を介して電気コネクタ基板２０３の電気配線２０７に接続されていてもよい。この場合、回路チップ４０からの放熱が促進される。なお、放熱の効率を向上させるために、回路チップ４０のビア配線に接続される面に、金属製のキャリア等が設けられていてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例１に係る光電気変換デバイスを備える光電気変換モジュールの全体構成を説明する分解斜視図である。 光電気変換デバイスの詳細を説明するための図である。 光電気変換デバイスの製造方法について説明するためのフロー図である。 光電気変換モジュールの光透過孔近傍の模式的断面図である。 光電気変換モジュールの他の例を説明する模式的断面図である。

符号の説明

１０ 光透過孔
２０ 回路基板
２１ 面
２２，２３ 凹部
２４，２５，２６ 金属配線
３０ 光素子
３１，４１ 半田バンプ
４０ 回路チップ
１００ 光電気変換デバイス
２００ 光電気変換モジュール
２０１ 光コネクタ
２０２ 電極コンタクトシート
２０３ 電気コネクタ基板
２０６ ガイドピン

Claims (7)

1. 光透過孔が形成された第１凹部を有する回路基板と、
   前記回路基板において、前記第１凹部の底面から前記第１凹部が形成された面にかけて形成された第１金属配線と、
   前記光透過孔を光軸が通るように前記第１凹部内に配置され、前記第１凹部の底面において前記第１金属配線にフリップチップボンディングされた光素子と、
   前記光素子の駆動用の駆動回路チップまたは前記光素子からの信号の増幅用の増幅回路チップであって、前記第１凹部が形成された面上の前記第１金属配線にフリップチップボンディングされた回路チップと、
   ビア配線が設けられた電極コンタクトシートと、を備え、
   前記ビア配線は、前記回路チップの前記光素子と反対側の面に接続されていることを特徴とする光電気変換デバイス。
2. 前記第１凹部が形成された面は、前記回路基板の一面に形成された第２凹部の底面であり、
   前記回路チップは、前記第２凹部内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光電気変換デバイス。
3. 前記第２凹部の底面から前記回路基板の一面にかけて形成され、前記第２凹部の底面において前記回路チップがフリップチップボンディングされた第２金属配線をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の光電気変換デバイス。
4. 前記第１凹部の底面から前記回路基板の一面にかけて形成され、前記第１凹部の底面において前記光素子がフリップチップボンディングされた第３金属配線をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の光電気変換デバイス。
5. 前記光素子は、垂直共振器面発光レーザであり、
   前記光透過孔は、空間であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光電気変換デバイス。
6. ガイドピンを有する光コネクタと、
   請求項１〜５のいずれかに記載の光電気変換デバイスであって前記ガイドピンと嵌合するための第１の孔を有する光電気変換デバイスと、
   前記ガイドピンと嵌合するための第２の孔を有する電気コネクタ基板と、を備え、
   前記ガイドピンは、前記第１の孔および前記第２の孔と順に嵌合していることを特徴とする光電気変換モジュール。
7. 光透過孔が形成された凹部を有し、前記凹部の底面から前記凹部が形成された面にかけて金属配線が設けられた回路基板を準備する工程と、
   光素子を、前記光素子の光軸が前記光透過孔を通るように前記凹部内に配置し、前記凹部の底面において前記金属配線にフリップチップボンディングする工程と、
   前記光素子の駆動用の駆動回路チップまたは前記光素子からの信号の増幅用の増幅回路チップを、前記凹部が形成された面上の前記金属配線にフリップチップボンディングする工程と、
   ビア配線が設けられた電極コンタクトシートの前記ビア配線を前記駆動回路チップまたは前記増幅回路チップの前記光素子と反対側の面に接続する工程と、を含むことを特徴とする光電気変換デバイスの製造方法。

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