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発明の名称 光素子モジュール
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−188458
公開日 平成6年(1994)7月8日
出願番号 特願平4−338326
出願日 平成4年(1992)12月18日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 結城 文夫 / 加藤 猛
要約 目的


構成
2次元光素子アレイ102の電極107と基板103の電極108とは、合わせマーク111によって位置合わせされた後、半田バンプ109によって接続されている。2次元光素子アレイ102と、キャップ105に固定された光部品106とは、合わせマーク110と116によって光軸合わせされた後、光学的に結合されている。
特許請求の範囲
【請求項1】光素子の2次元アレイと、前記2次元アレイに接続される基板を備え、前記2次元アレイの電極と前記基板の電極とを位置合わせするための合わせマークを、前記基板の接続面に前記2次元アレイを投射した図形の外周の対角方向に複数箇所有することを特徴とする光素子モジュール。
【請求項2】光素子の2次元アレイと、前記2次元アレイに結合される光部品を備え、前記2次元アレイと前記光部品との光軸合わせを行うための合わせマークを、前記2次元アレイと前記光部品との向かい合う二つの面に有することを特徴とする光素子モジュール。
【請求項3】請求項1において、前記投射図形の辺上または前記辺の延長線上に合わせマークを有する光素子モジュール。
【請求項4】請求項1において、前記基板の電極の直径をDとして、前記合わせマークは幅1/4・D以下,長さ1/2・D以下の素線からなる光素子モジュール。
【請求項5】請求項1または2において、前記合わせマークの表面は高反射率を有するAuからなる光素子モジュール。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光素子の2次元アレイを搭載したモジュールに係り、特に、2次元アレイの電極の接続または光軸合わせに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、例えば特開平3−141308 号公報に記載の光素子モジュールが知られている。光素子と基板の電極を半田バンプによってフリップチップ接続している。半田バンプ表面の酸化膜を除去するため、フラックスを用いている。これにより、半田バンプの表面張力に基づくセルフアライメント作用を働かせて、光素子と基板の電極同士の位置ずれを補正している。
【0003】また、上記従来のモジュールは、基板に形成された合わせマークと、ファイバを固定したガラスキャップに形成された合わせマークにより、光素子と光ファイバの光軸合わせを行っている。
【0004】従来、フリップチップ接続装置として、特開昭57−4131号公報に記載のものが知られている。この装置では、半導体素子と基板の電極を別個のTVカメラでモニタし、同一のモニタの画面上に合成している。モニタ画像を見ながら電極の位置合わせを行った後、搬送機構によって基板に半導体素子を搭載し、電極同士を接続している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】近年、大型計算機等の筐体間または配線ボード間を接続するため、光インタコネクションが用いられている。光素子モジュールの伝送スループットと実装密度を向上するため、モジュールに搭載する光素子数は年々増大している。将来的には、光素子の2次元アレイが用いられると予想される。2次元アレイの電極の接続には、フリップチップ接続が適している。現在、通常の半導体素子の電極と半田バンプのサイズは直径100μm〜300μm,厚さ100μm〜300μmであるが、今後、高速化、すなわち、低容量・低インダクタンス化を図るため更に微細化されると推察される。具体的には、直径10μm〜50μm,厚さ数μm〜10μm程度になると考えられる。
【0006】従来の光素子モジュールは、このような微細な電極と半田バンプの位置合わせに関して考慮されていない。一般によく知られているように、フラックスに含まれる活性剤は光素子の特性を劣化させる。フラックスを用いないことが望ましいが、半田バンプに酸化膜が残り、表面張力が働きにくくなる。また、通常のサイズの大きい半田バンプはボール形状であるので、表面張力が働く。しかし、先述した微細な半田バンプは円板形状であり、あまり表面張力が働かない。したがって、セルフアライメント作用が生じず、位置ずれが補正されない。光素子と基板の電極は、フリップチップ接続装置により光素子を基板に搭載した位置に、そのまま接続されることになる。
【0007】上記従来のフリップチップ接続装置の位置合わせ精度は、実際には10μm程度が限界である。なぜなら、2台のTVカメラの光軸と搬送機構の移動軸をこのような精度で位置合わせすることは不可能である。通常の半田バンプではこの精度で十分であるが、微細な半田バンプではセルフアライメント作用が働かないので位置ずれが残る。電極と半田バンプの位置ずれは、接続容量の増大,半田バンプの破断等、伝送特性不良および信頼性不良を引き起こす原因になる。
【0008】以上から、上記従来の光素子モジュールには、微細な電極と半田バンプの位置合わせを行うことができないという問題があった。
【0009】また、上記従来の光素子モジュールは、光素子と、光ファイバやレンズ等の光部品との光軸合わせに関して配慮が足りなかった。一般に、レーザダイオードと光部品との光軸合わせでは、±5μm以下の精度が必要になる。この精度で光軸合わせを行うには、NA(開口数)0.1以上の対物レンズによって、基板上とガラスキャップ上の合わせマークを観察する必要がある。しかし、基板とガラスキャップの間には光素子があるので、合わせマーク同士は数百μm以上離れている。NA0.1 以上の対物レンズの焦点深度は約10μm以下になるので、同時に基板上とガラスキャップ上の合わせマークを観察することができない。したがって、対物レンズの焦点を2度合わせ直さねばならず、作業に手間がかかる。さらに、対物レンズの焦点合わせ機構の精度によって、光軸合わせ精度が悪くなる。
【0010】以上から、上記従来の光素子モジュールには、光軸合わせ作業が困難であり、精度が不十分であるという問題があった。
【0011】本発明の目的は、光素子と基板の電極の位置合わせ、または光素子と光部品の光軸合わせを簡便かつ精度良く行うことができる光素子モジュールを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達成するため、光素子の2次元アレイと、前記2次元アレイに接続される基板を備え、前記2次元アレイの電極と前記基板の電極とを位置合わせするための合わせマークを、前記基板の接続面に前記2次元アレイを投射した図形の外周の対角方向において複数箇所有するものである。
【0013】また、前記投射図形の辺上または前記辺の延長線上に合わせマークを有するものである。
【0014】さらに、前記基板の電極の直径をDとして、前記合わせマークは幅1/4・D以下,長さ1/2・D以下の素線からなるものである。
【0015】上記他の目的を達成するため、光素子の2次元アレイと、前記2次元アレイに結合される光部品を備え、前記2次元アレイと前記光部品との光軸合わせを行うための合わせマークを、前記2次元アレイと前記光部品との向かい合う二つの面に有するものである。
【0016】さらに、上記二つの目的に対して、前記合わせマークの表面が高反射率を有するAuからなるものである。
【0017】
【作用】上記手段によれば、基板上の合わせマークと光素子の2次元アレイの外形とを位置合わせすることにより、基板と2次元アレイの電極の位置合わせを行うことができる。すなわち、基板と光素子を同一のTVカメラで観察しながらフリップチップ接続することができる。基板への合わせマークの形成と、2次元アレイの外形の加工は精度良く行われる。また、外形の対角方向に形成された合わせマークによって、2次元アレイの平行移動だけでなく回転移動による位置ずれも十分に修正することができる。従来のフリップチップ接続装置のように、2台のTVカメラと搬送機構を介在させていないので、位置ずれが生じることがない。したがって、半田バンプのセルフアライメント作用が働かなくとも、電極の接続不良が起こらない。
【0018】また、2次元アレイの投射図形の辺上または辺の延長線上に合わせマークを設けることにより、合わせマークに2次元アレイの外形を揃えるだけで、位置合わせを行うことができる。
【0019】さらに、合わせマークを幅1/4・D以下,長さ1/2・D以下の素線によって構成することによって、2次元アレイと基板の位置ずれ量を幅と長さから具体的に把握することができ、最大位置ずれ量を1/2・D以下に抑えることができる。
【0020】2次元アレイと光部品との向かい合う二つの面に合わせマークを設けたことにより、合わせマーク同士が近接するので、対物レンズの同一の視野で合わせマークを観察することができる。従来のように対物レンズの焦点を2度合わせ直す必要がなくなり、対物レンズの焦点合わせ機構の精度によって光軸が狂うことがない。
【0021】合わせマークの表面は高反射率を有するAuからなるので、TVカメラで観察しながら合わせ作業を行う際、コントラストが低下し、分解能が落ちることがない。
【0022】
【実施例】図1は本発明による第1実施例の光素子モジュールの断面図である。図1において、光素子モジュール101は、2次元光素子アレイ102と、基板103と、パッケージ104と、キャップ105と、光部品106を備えている。2次元光素子アレイ102の電極107と基板103の電極108とは、半田バンプ109によって接続されている。2次元光素子アレイ102と、キャップ105に固定された光部品106とは、光学的に結合されている。
【0023】2次元光素子アレイ102の個々の光素子は、発振波長約1μmのInGaAs系面発光レーザダイオード、またはInGaAs系pin型ホトダイオードからなる。アレイ間隔は250μmである。2次元光素子アレイ102の表面には電極107が形成され、裏面には合わせマーク110が形成されている。電極107と合わせマーク110は、Au/Ni/Tiからなる。2次元光素子アレイ102の両面にAu/Ni/Tiを蒸着した後、まず電極107をパターニングする。その後、両面マスクアライナを用いて電極107の位置を検出しながら、合わせマーク110をパターニングした。
【0024】基板103は、GaAs系ICまたはAlN製サブマウントからなる。基板103には、2次元光素子アレイ102と熱膨張係数が近い材料を選んだ。基板103の表面には、Au/Ni/Tiを蒸着した後、ドライエッチングを行ってパターニングすることにより、電極108及び合わせマーク111が形成されている。電極108の直径は50μm、合わせマーク111の線幅は10μm、線長は25μmである。基板103の裏面には、パッケージ104に半田固定するため、Au/Ni/Tiからなる蒸着膜が形成されている。
【0025】半田バンプ109の材質はPb−5%Snからなる。メタルマスクまたはホトリソグラフィによって選択的に蒸着することによって、基板103の電極108の上に形成した。半田バンプ109の直径は50μmである。
【0026】パッケージ104は、ベース112,フレーム113,114,端子115からなる。ベース112は高熱伝導性Cu−W合金,フレーム113,114はアルミナ・セラミクスからなる。端子115は、フィルムキャリアまたはワイヤからなる配線材118によって基板103に接続されている。ベース112及びフレーム113,114の表面にはAu/Niメッキを施した。
【0027】キャップ105は、パッケージ104と熱膨張係数がほぼ等しいコバール合金からなる。キャップ105には光部品106が封止固定されている。
【0028】光部品106は、屈折率分布型マイクロレンズアレイからなる。直径200μmのマイクロレンズが、アレイ間隔250μmで配列されている。光部品106の2次元光素子アレイ102と向かい合う面には、合わせマーク116が形成されている。合わせマーク116は、Au/Ni/Tiを蒸着した後、パターニングした。
【0029】第1実施例の光素子モジュールの実装プロセスを、図2及び図3を用いて説明する。図2(a)は上面図、同図(b)は断面図、図3は断面図である。以下、工程を順に説明する。
【0030】(1)光素子組立工程まず、2次元光素子アレイ102と,半田バンプ109が形成された基板103とを、それぞれ真空吸着によって保持する。図2に示すように、2次元光素子アレイ102の外形と、基板103に形成された合わせマーク110との位置合わせを、上側からTVカメラで観察することによって行う。その後、半田バンプ109を溶融させ、2次元光素子アレイ102の電極107と、基板103の電極108をフリップチップ接続する。
【0031】(2)基板組立工程2次元光素子アレイ102が接続された基板103を、Pb−60%Sn半田117によってパッケージ104に固定する。基板103と端子115を配線材118によって接続する。
【0032】(3)キャップ組立工程図3に示すように、2次元光素子アレイ102に形成された合わせマーク110と、光部品106に形成された合わせマーク116との位置合わせを、上側からTVカメラで観察することによって行う。その後、光部品106が固定されたキャップ105をパッケージ104に溶接し、パッケージ104を気密封止する。
【0033】第1実施例によれば、2次元光素子アレイ102の電極107と基板103の電極108とを位置合わせするための合わせマーク110が、図2に示すように、基板103の接続面に2次元光素子アレイ102を投射した図形の外周の対角方向において、2箇所に形成されている。
【0034】2次元光素子アレイ102の外形と合わせマーク111とを位置合わせすることにより、基板103の電極108と2次元光素子アレイの電極107の位置合わせを行うことができ、同一のTVカメラで観察しながらフリップチップ接続することができる。基板103への合わせマーク111の形成と、2次元光素子アレイ102の外形の加工は精度良く行われる。
【0035】また、外形の対角方向に形成された合わせマーク111によって、2次元光素子アレイの平行移動だけでなく、回転移動による位置ずれも十分に修正することができる。
【0036】図2に示すように、2次元光素子アレイ102の投射図形の辺の延長線上に合わせマーク111を設けることによって、合わせマーク111に2次元光素子アレイ102の外形を揃えるだけで、簡便に位置合わせを行うことができる。
【0037】さらに、図2に示すように、電極107の直径をD(ここでは50μm)として、合わせマーク110を幅1/4・D以下(ここでは10μm),長さ1/2・D(ここでは25μm)以下の素線によって構成することにより、2次元光素子アレイ102と基板103の位置ずれ量を幅と長さから具体的に把握することができ、最大位置ずれ量を1/2・D以下(ここでは25μm以下)に抑えることができる。したがって、電極107と電極107の接続不良,半田バンプ109の破断等が生じることがない。
【0038】2次元光素子アレイ102と光部品106との向かい合う二つの面には、合わせマーク110,116が形成されている。これにより、合わせマーク110,116同士を近接させ、TVカメラの対物レンズの同一視野において両方の合わせマーク110,116を観察することができる。したがって、2次元光素子アレイ102と光部品106との光軸合わせ作業を簡便に行うことが可能になる。
【0039】合わせマーク110,116の表面は高反射率を有するAuからなるので、TVカメラで観察しながら合わせ作業を行う際、コントラストが低下し、分解能が落ちることがない。したがって、位置合わせの作業性と精度がともに向上する効果がある。
【0040】第1実施例によれば、2次元光素子アレイ102と基板103の電極107,108の位置合わせを±25μm以下,2次元光素子アレイ102と光部品106の光軸合わせを±5μmという高い精度で、且つ、簡便に行うことができる。
【0041】なお、本発明の効果は、基板上の合わせマークを2次元アレイを投射した図形の外周の対角方向に複数箇所有すること、2次元アレイと光部品との向かい合う二つの面に合わせマークを有すること、投射図形の辺上または辺の延長線上に合わせマークを有すること、基板の電極の直径をDとして合わせマークが幅1/4・D以下で長さ1/2・D以下の素線からなること、合わせマークの表面は高反射率を有するAuからなること、またこれらの組合せによって発揮される。
【0042】例えば、第1実施例では対角方向の2箇所に合わせマーク110を形成したが、これは4箇所であってもよい。合わせマーク110,111,116の形状はL字型であるが、例えば、十字型,⊥字型,田字型であっても良い。目的に応じて、幅1/4・D以下で長さ1/2・D以下の素線から構成される合わせマークを用いることが可能である。合わせマーク110,111,116の表面はAuからなり、下地はNi/Tiからなるが、例えば、Ni/Cr,Pt/Ti等を下地として用いる場合も有り得る。
【0043】図4は、本発明による第2実施例の光素子モジュールの断面図である。図4において、光素子モジュール401は、2次元光素子アレイ102と、基板103と、パッケージ104と、キャップ105と、光部品106を備えている。2次元光素子アレイ102の電極107と基板103の電極108とは、半田バンプ109によって接続されている。2次元アレイ102と、キャップ105に固定された光部品106とは、光学的に結合されている。
【0044】2次元光素子アレイ102の個々の光素子は、面発光レーザダイオード、またはホトダイオードからなる。アレイ間隔は250μmである。2次元光素子アレイ102の表面には電極107が形成され、裏面には合わせマーク110が形成されている。合わせマーク110の線幅は2μm、線長は5μmである。
【0045】基板103はLSIからなる。基板103の表面には、電極108及び合わせマーク111が形成されている。電極107の直径は20μm、合わせマーク111を構成する素線の線幅は4μm、線長は8μmである。基板103の電極108の上に形成された半田バンプ109の直径は20μmである。基板103は、Pb−60%Sn半田117で固定されている。
【0046】パッケージ104は、ベース112,フレーム113,114,端子115からなる。端子115は、配線材118によって基板103に接続されている。キャップ105には、光部品402とガイド403が封止固定されている。
【0047】光部品402は感光性ガラスからなる。ホトリソグラフィ加工によって、250μmピッチで直径130μmの複数のピンホールが形成されている。このピンホールには、ファイバアレイ404が挿入されている。2次元光素子アレイ102に向かい合う表面には、合わせマーク116が形成されている。合わせマーク116の線幅は2μm、線長は5μmである。
【0048】ファイバアレイ404は、外径125μmの単一モード光ファイバからなる。その先端には、エッチング加工と放電加工によって、半径30μmの先球レンズ405が形成されている。ファイバアレイ404は、ガイド403に低融点ガラスによって固定されている。
【0049】ガイド403は、ジルコニア・セラミクスからなる。精密機械加工により、直径126μm,アレイ間隔250μmのピンホールが±1μmの精度で形成されている。ガイド403は、高融点半田材によってキャップ105に固定され、パッケージ104を封止している。
【0050】第2実施例の光素子モジュール401は、以下の実装プロセスによって組み立てた。合わせマーク111と2次元光素子アレイ102の外形を位置合わせを行った後、2次元光素子アレイ102の電極107と基板103の電極108を半田バンプ109によってフリップチップ接続する。2次元光素子アレイ102が接続された基板103をパッケージ104に固定する。基板103と端子115を配線材118によって接続する。2次元光素子アレイ102に形成された合わせマーク110と、光部品402に形成された合わせマーク116との位置合わせを行った後、光部品402が固定されたキャップ105をパッケージ104に溶接する。最後に、ガイド403に固定されたファイバアレイ404を光部品402のピンホールに挿入し、2次元光素子アレイ102を駆動しながらファイバアレイ404の光軸合わせを行い、ガイド403をキャップ105に固定する。
【0051】本第2実施例によれば、合わせマーク110,111,116のサイズを微細化したことによって、2次元光素子アレイ102と基板103の電極107,108の位置合わせを±4μm以下,2次元光素子アレイ102と光部品402の位置合わせを±2μm以下という高い精度で、簡便に行うことができる。
【0052】また、光部品402に設けたピンホールに、ガイド403に固定されたファイバアレイ404を挿入するだけで、2次元光素子アレイ102とファイバアレイ404の位置合わせは±5μm精度で行われる。これにより、2次元光素子アレイ102とファイバアレイ404とは、大まかに光結合される。したがって、2次元光素子アレイ102を駆動させることにより、結合した光量を測定しながら、2次元光素子アレイ102とファイバアレイ404の光軸合わせを±3μmの精度で精密に行うことができる。
【0053】
【発明の効果】本発明によれば、2次元光素子アレイの電極と基板の電極とを位置合わせするための合わせマークを、基板の接続面に、2次元アレイを投射した図形の外周の対角方向に複数箇所配置させたことは位置ずれ解消に優れた効果がある。
【0054】2次元アレイ投射図形の辺の延長線上に合わせマークを配置させることは合わせ精度を向上させる効果がある。
【0055】合わせマークの大きさが線幅1/4・D,線長1/2・D以下にすることは電極接続不良の解消に効果がある。
【0056】合わせマークの表面層を高反射率を有するAuまたは金属膜にすることは位置合わせ作業時間の短縮に効果がある。
【0057】2次元光素子アレイと光部品との光軸合わせを行うための合わせマークを、2次元アレイと光部品との向かい合う表面に配置させることは位置合わせ精度の向上に効果がある。




 

 


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