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JP4793169B2 - 接続体および光送受信モジュール - Google Patents

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JP4793169B2
JP4793169B2 JP2006227690A JP2006227690A JP4793169B2 JP 4793169 B2 JP4793169 B2 JP 4793169B2 JP 2006227690 A JP2006227690 A JP 2006227690A JP 2006227690 A JP2006227690 A JP 2006227690A JP 4793169 B2 JP4793169 B2 JP 4793169B2
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substrate
optical
recess
bump
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俊明 ▲高▼井
直樹 松嶋
光樹 平野
裕紀 安田
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Hitachi Cable Ltd
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Description

本発明は、接続体および光送受信モジュールに関わり、特にフェースダウンボンディングにより実装された接続体および光送受信モジュールに関する。
近年の高速伝送線路は、（１）広帯域である、（２）電磁波ノイズ耐性に優れる、（３）配線の容積が小さくかつ軽量であるなどの理由から、電気配線に代わり光配線を適用する動きが始まりつつある。光配線において、最も重要な因子の一つとして、半導体レーザ、フォトダイオードなどの光素子と、光ファイバ、光導波路などの光伝送路との光結合構造が挙げられる。高い結合効率を得るために、光素子と光伝送路は、マルチモード伝送の場合でも、その位置合わせに数十μｍの搭載精度が要求される。また、温度サイクルや高温高湿などの信頼性試験を施した後も、位置ずれや剥離を起こしてはならない。一方、光配線は、電気配線からの代替という観点から低価格であることが大前提でる。このためには材料原価や組立工数を出来る限り低く抑えなければならない。
上記を満たす光素子の一搭載方法として考えられるのは、特許文献１に挙げられるように、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface-Emitting Laser）、面入射型フォトダイオードの面受発光素子を基板にフリップチップボンディングにより実装し、基板の下方にある光伝送路と光結合する方法である。これにより、従来の電子回路のフリップチップ実装と同等の工程で、光素子の接合構造を形成することができる。
また、特許文献２に挙げられるように、受発光部分に環状電極を形成してフリップチップボンディングを行っている。これにより、光信号のクロストークおよぶアンダーフィル樹脂の流入による損失増加の防止を行っている。
さらに、特許文献３には、耐ノイズ性に優れ、高速、大容量、高品質な情報伝送が可能な光電気複合配線部品が記載されている。
特開２００５−１６４８０１号公報 特開２００３−２９８１６７号公報 特開２００６−０９１２４１号公報
特許文献３に記載された光素子をフェースダウンにより搭載する技術としては、Ａｕバンプ接続、はんだ接続等がある。しかし、特許文献３には、以下の問題点が生じる点の記載が無い。
（１）光素子と光伝送路を高効率に光結合するためには、光素子と基板との平行度が精密に制御できることが必須であるが、この平行出しが困難である。特に、電極の接合にＡｕバンプを用いる場合、バンプ先端の高さばらつきが極めて大きいため、各バンプの高さを揃えるための工程を導入する必要がある。
（２）光素子の電極は１００μｍφ程度、数百μｍの間隔で形成されており、一般的な電子回路部品の電極に比べ小さい。従って、接合剤の供給量が微量であり、供給量の制御が困難である。そのため過剰に接合材を供給した場合、光素子搭載時、接合材の光路に流出による損失の増大、電極間の短絡といった問題が生じる。
（３）光素子と光伝送路との距離は、系の光結合効率を決める重要な因子である。この距離は、光素子と光伝送路を繋ぐ接合剤で決まる。すなわち、接合剤が存在することで、その分だけ光素子と光伝送路の距離が大きくなる。また、接合条件、供給量のばらつきにより、発光素子の光出力、受光素子の感度の低下・変動の原因となる。
上記課題を解決するために、電極の構造を工夫する。具体的には、表面に電極が形成された光素子と、表面に光素子を接合する電極が形成された電極を具備する基板とを接続した、光モジュールにおいて、基板の電極は光素子の電極と接続する領域に凹部を備える。
また、一面に第１の電極が形成された光素子と、一面に光素子の第１の電極と接続する第２の電極が形成された基板とからなり、第２の電極は、凹部を備え、接合材を介して第１の電極と接続されている接続体により、解決できる。
さらに、基板の一面に接続された面発光素子と面受光素子と、基板の他面に形成され、面発光素子と面受光素子とを光学的に接続する光導波路とからなり、面発光素子と面受光素子とを接続する基板の電極は、凹部を備え、接合材を介して発光素子と面受光素子と接続されている光送受信モジュールにより、解決できる。
本発明に拠れば、基板に対する光素子の実装高さおよび高さのばらつきを低減することができる。
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照しながら説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
実施例１について、図１ないし図３を用いて説明する。ここで、図１はＡｕバンプを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。図２は基板の接続部を説明する平面図である。図３は光送受信モジュールの断面を説明するである。図１（ａ）ないし（ｃ）は断面を説明する図、（ｄ）は透視平面図である。なお、断面を説明する図において、基板の上面と下面とは、同じ切断位置ではないことは、当業者が容易に読取れるものである。すなわち、図１において、基板の上面は第１の接続位置と、光素子の発光点または受光点と、第２の接続位置の展開断面である。なお、断面以外を図示せず、図示の簡便のためハッチングを省く。また、基板の下面は光素子の発光点または受光点直下の導波路部分の断面である。なお、これらは以下の実施例でも同様である。
図１（ａ）において、基板１の表面上には電気配線１１およびその電気配線に接続する電極１２が形成されている。実施例１では、基板１はポリイミド膜を用いたフレキシブル基板を用いている。電気配線１１および電極１２の部材は、ここでは圧延Ｃｕ１２μｍを主体とし、表面にＮｉ２〜５μｍとＡｕ０.３μｍをめっきした構造である。配線材料に関しても他の材料でも構わないが、条件としては、電気抵抗が高くない、安価である、加工しやすいなど、電気配線として一般的に要求される事項を満たすものであることが望ましい。表面のメタライズは、接合方式に依存する。実施例１ではＡｕバンプを用いたＡｕ-Ａｕ接合を適用したため、表面メタライズにはＡｕを用いた。Ａｌバンプの場合、表面メタライズとしてＡｌを適用しても構わない。
基板１の裏面には、光伝送路が具備されている。実施例１では、樹脂を用いた光導波路コア３１および光導波路クラッド３２ａ、３２ｂからなる光導波路層３を形成している。光導波路の先端部分は、４５°ミラー３３が形成されており、光素子２が発光素子のとき、紙面内上から下の光ビームを紙面内左から右に平行な光導波路に導くようにしている。同様に、光素子２が受光素子のとき、紙面内右から左の光を、ミラー３３が紙面内下から上に反射し、光素子２に導く。
基板の電極１２は、その中央付近に凹部１３が存在し、略リング状を呈している。この凹部は配線形成後、エッチング等により形成されたものである。電極１２の形状は、上面から見て円環状（ドーナツ状）になっているが、これは、図２（ａ）に示すように、矩形状になっていても構わない。また、図２（ｂ）に示すように電極１２の外周は矩形、凹部２３は円形となっていても構わない。さらに、（ｃ）に示すように、リング状の一部が切り欠いた形状となっていても構わない。なお、凹部１３はＮｉ／Ａｕ（Ｎｉ→Ａｕ）めっき後にエッチングで形成しても、圧延Ｃｕをエッチングした後にＮｉ／Ａｕめっきして形成しても良い。
一方、光素子２の電極２１には、Ａｕからなる導体バンプ２２が形成されている。導体バンプ２２は、ワイヤボンディングのファーストボンディング後にワイヤを切断して形成したものである。導体バンプ２２は、これを形成した時点では、各バンプの高さにばらつきがある。従って、平坦な場所に設置した場合、光素子が基板の表面に対して傾いてしまう可能性が高い。実施例１では、導体バンプ２２の先端部が、基板１の電極１２の凹部１３に挿入されるような位置関係にする。すなわち、凹部１３の径（幅）は、バンプの先端部の径（幅）よりも大きいことが望ましい。バンプ先端部の直径が２５μｍの場合、凹部１３は直径４０μｍから７０μｍ程度が適切である。また、凹部１３の底の厚みは１ないし２μｍが好ましいが、実施例２で説明するように無くても構わない。圧延Ｃｕをエッチングした後にＮｉ／Ａｕめっきする場合、底の厚みは３〜６μｍとなるが、これでも構わない。
図１（ｂ）は、光素子２の電極２１に形成された導体バンプ２２が、基板の電極凹部１３に挿入された状態である。この時点で、基板の電極１２の導体バンプ２２との接触部分は、凹部１３の端部になる。凹部が無いとき、面で接触するが、図１の凹部により円状の線で接触することになる。接触面積が減るので、光素子２に掛ける荷重が少なくても、接触部には充分な圧力がかかり、その結果確実に接合が行われる。換言すれば、小さい荷重で接合ができるため、荷重をかけることによる光素子の劣化を回避することができる。さらに、超音波接合を用いて接合する場合は、超音波出力を小さくしても良好な接続が実現できるので、やはり光素子２へのダメージを回避する効果が得られる。
図１（ｃ）は、光素子２と基板１とを接合した状態である。超音波接合により接合すると、導体バンプ２２が変形し、Ａｕ-Ａｕ拡散が発生して導体バンプ２２と基板１の電極１２が接合する。このとき、導体バンプ２２の先端部は凹部１３内で変形するので、接合前にあったバンプ高さばらつきはここでキャンセルされる。また、先端部以外の導体バンプ２２も一部凹部に収まる。従って、光素子２の電極と、基板１の電極１２の頂上平坦部との間に存在するバンプ材の量が従来構造に比べ少なくなる。よって、基板１と光素子２の距離が小さくなる、すなわち基板１に形成された光導波路コア３１と光素子２との距離が短くなり、光結合効率が増大する。
図１（ｄ）は、光素子２と基板１とを接合した状態である。図１（ｄ）において、光素子２は破線で示している。光素子２と基板１とは、４点で相互に接続されている。光素子２の中央部には、発光点または受光点２３が形成され、発光点または受光点２３の直下には、図示しないミラー３３と光導波路３が形成されている。
なお、基板１の材質はポリイミドに限らず、通信波長で透明な他の樹脂でも構わない。本明細書の中で、導体バンプを接合材と呼ぶことがある。接合材は、導体バンプ、はんだ、導電性接着剤を含み、これらに限られない。
図３において、基板１の上面の配線部には、ＶＣＳＥＬ４０とＶＣＳＥＬ４０を駆動するドライバＩＣ４５、フォトダイオード（ＰＤ）６０とＰＤ６０からの微小信号を低ノイズで増幅するプリアンプ６５が搭載されている。ＶＣＳＥＬ４０、ＰＤ６０との基板１との間には、アンダーフィル樹脂５を充填し、接続部に加わる応力を緩和する。ＶＣＳＥＬ４０、ドライバＩＣ４５、ＰＤ６０、プリアンプＩＣ６５は封止樹脂７でコーティングする。
基板１の下面には、光導波路３を設け、ＶＣＳＥＬ４０の発光点直下、ＰＤ６０の受光点直下には光導波路３を９０°カットして、ミラー３３を形成している。
図示しない電気信号が入力されたドライバＩＣ４５は、ＶＣＳＥＬ４０のレーザ光を変調する。ＶＣＳＥＬ４０からの光信号は、ＶＣＳＥＬの下のミラー３３で、導波路３にカップリングされる。光信号は、ＰＤ６０の下のミラー３３で反射され、ＰＤ６０に受光される。ＰＤ６０は、光信号を電気信号に変換し、プリアンプＩＣ６５で増幅される。基板１および導波路３は、可撓性を有するので、二つ折り型の携帯電話にも適用できる。
なお、図３の構成は、他の実施例にも適用できる。
実施例２について、図４を参照して説明する。ここで、図４はＡｕバンプを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。図４（ａ）ないし（ｃ）は断面を説明する図、（ｄ）は透視平面図である。
図４（ａ）においてＦＲ-４基板１０の上面には、基板電極１２の中央付近に電極部材の存在しない開孔部１４が存在し、略リング状を呈している。この構造は、配線および電極をパターニングするときに同時に形成されたものである。また、光素子２の発光点または受光点と対向する基板１０には、開孔部１０ａが形成されている。基板１０の下面には、光ファイバ７０が接着され、光ファイバ７０の端面は４５°研磨されて、開孔部１０ａ直下に配置されている。なお、開孔部１４の形状は略リング状に限らず図２（ａ）に示すように、矩形状になっていても構わない。また、図２（ｂ）に示すように電極１２の外周は矩形、開孔部１４は円形となっていても構わない。さらに、（ｃ）に示すように、リング状の一部が切り欠いた形状となっていても構わない。
図４（ｂ）は光素子２に形成された導体バンプ２２が、基板の電極開孔部１４に挿入された状態である。ここで、実施例２では導体バンプ２２が挿入される電極開孔部１４に電極部材が存在していないことにより、第一の実施例に比べより多くのバンプ高さのばらつきを開孔部１４で吸収できるため光素子２と基板１の平行度を確保するためには有利となる。また、開孔部１４へ挿入可能なバンプの長さは大きくなり、基板１０と光素子２の距離を短くすることができる。
なお、実施例２では基板１０としてＦＲ-４からなるプリント基板を用いているが、アルミナなどのセラミックでもかまわず、またポリイミド膜を用いたフレキシブル基板でもかまわない。また、本明細書において、開孔部は、凹部に含まれる。光ファイバは、光導波路である。
実施例３について、図５を参照して説明する。ここで、図５はＡｕバンプを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。図５（ａ）ないし（ｃ）は断面を説明する図、（ｄ）は透視平面図である。
図５（ｄ）において、基板１の電極１２は、発光点または受光点２３を中心とする正方形内をエッチングにて削除した構造である。この電極構造は、配線１１と同時にエッチングして形成できる。
図５（ａ）に示すように光素子２にはＡｕからなる導体バンプ２２が形成されている。図５（ｂ）に示すように光素子２は、形成された導体バンプ２２が基板電極端部１２と接した状態で超音波接合により接合される。実施例３では、導体バンプ２２は基板電極１２の二辺でのみ接触した状態となる。そのため、実施例２に比べ、導体バンプ２２と基板電極１２の接触面積が小さくなる。すなわち、超音波接合時、光素子２に掛ける荷重がさらに少なくても接触部には充分な圧力が加わることとなる。そのため、実施例２と比較して、さらに光素子２のダメージを回避するためには有利となる。
図５（ｃ）は光素子２と基板１が接合された状態を示す。実施例３において、導体バンプ２２は光素子２の発光点または受光点２３から遠い側で基板電極１２と接しているが、いうまでもなく発光点または受光点２３に近い側で基板電極１２と接していても構わない。
実施例４について、図６を参照して説明する。ここで、図６ははんだを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。図６（ａ）ないし（ｃ）は断面を説明する図、（ｄ）は透視平面図である。
図６（ａ）において、ポリイミド基板１上に形成された圧延Ｃｕはエッチングにより、配線１１と中央の孔部１４と電極１２とを形成する。電極１２には、接合材２４が印刷法により、供給されている。しかし、電極１２には孔部１４が形成されているので、上方から供給された接合材２４の下には空間がある虞がある。
図６（ｂ）において、真空脱泡により、電極１２の孔部１４の内部が接合材２４で充填されている。実施例４では、接合材２４としてＳｎ-１Ａｇ-５７Ｂｉはんだを用いているが、はんだ材は特に限定される必要はなく、また導電性接着剤であってもよい。しかし、基板１にポリイミドを用い、その基板１の裏面には樹脂からなる光導波路層３が形成されている。このように有機材料からなる基板を用いた場合、接合材としてははんだの場合、Ｉｎ-３.５Ａｇ、Ｓｎ-Ｚｎ等の有機材料の耐熱温度より融点の低いはんだを用いることが望ましい。また、導電性接着剤を用いた場合も同様に、その硬化温度は有機材料の耐熱温度より低いことが望ましい。
図６（ａ）および（ｂ）に示すように、接合材２４は基板電極の孔部１４に供給される。これにより、孔部１４の容積分、接合材を過剰に供給することが可能となり、微細な領域に接合材を供給する際、供給量の制御が容易となる。なぜかならば、接合材の供給量のばらつきが一定のとき、供給量の絶対量が多いほうが、供給量のばらつきによる変動割合が少ないからである。
また、基板１の基板電極１２および光素子２Ａの素子電極２１の表面には、はんだ材のぬれ性を確保するためにＡｕメタライズが施されている。一般に、はんだ材へＡｕが混入するとＡｕとはんだ材の間で金属間化合物を形成する。この金属間化合物は基板電極１２および素子電極２１とはんだ材２４の界面に形成されるが、この金属間化合物は硬く応力緩衝効果が弱いため、接合の信頼性を低下させる。しかし、実施例４では、多量のはんだが存在するため、電極界面に形成されたＡｕのはんだ材への混入比を抑えることができる。このため、Ａｕの過剰な混入によるはんだ接続信頼性の劣化を回避することができる。
実施例４でも基板電極１２の形状は上述した実施例と同様に図２（ｃ）に示すように、リング状の一部が切り欠いた形状となっていても構わない。また、リングの切欠け位置は、はんだ材の流出による光路干渉を避けるため、光素子２の発光点２３（または受光点）と反対側であることが望ましい。
図６（ｃ）は、光素子２と基板１とを接合した状態である。光素２は接合剤により基板１に搭載されるが、このとき凹部１３に接合剤が溜まるため、光素子の電極２１と基板の電極１２との間の接合剤２４を薄くすることができる。また、リング状の一部が切り欠いた形状でもその切欠き部からはんだが押し出されることにより、接合部の接合材は薄くなる。その結果、基板１と光素子２の距離が小さくなる、すなわち基板に形成された光導波路コア３１と光素子２との距離が短くなり、光結合効率が増大する。
なお、基板電極１２および素子電極２１の周囲に、横方向（水平方向）へのはんだの流れ止めメタライズを形成しても良い。接合材の供給方法は、印刷に限らず、シリンジ供給であってもよく、これらに限られない。
実施例５について、図７を参照して説明する。ここで、図７はＡｕバンプを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。図７（ａ）ないし（ｃ）は断面を説明する図、（ｄ）は透視平面図である。ここで、実施例５の接合構造は、実施例１の接合構造において、裏面出射型の光素子２Ｂを接合した構造となっている。
図７（ａ）に示すように、実施例５では光素子２として発光点２３が素子電極２１の形成された面（活性面）の裏面に存在する裏面出射型の面発光レーザを用いている。素子電極２１にはＡｕからなる導体バンプ２２が形成されている。図７（ｂ）（ｃ）に示すように、導体バンプ２２を凹部１３に挿入し、超音波接合を用いることにより、光素子２と基板１の平行度が保たれて接合される。この結果、光素子２Ｂから出射される光は、基板１に対して垂直に出射される。光素子２Ｂから出射された光は別の光学系に入射される、基板１に対して垂直に出射されているため、光学系に対する位置決めが容易である。
なお、本実施例では基板１０としてＦＲ-４からなるプリント基板を用いているが、いうまでもなく基板１０の部材はアルミナなどのセラミックからなるリジット基板でもかまわず、またポリイミド膜を用いたフレキシブル基板でもかまわない。また、凹部１３の形状は略リング状に限らず図２（ａ）に示すように、矩形状になっていても構わない。また、図２（ｂ）に示すように電極１２の外周は矩形、凹部１３は円形となっていても構わない。さらに、（ｃ）に示すように、リング状の一部が切り欠いた形状となっていても構わない。さらに、光素子は、裏面受光型の受光素子であっても良い。
上述した実施例１ないし実施例５に拠れば、以下に示す効果が期待できる。接合材がＡｕ等からなるバンプである場合は
（１）バンプの高さを揃える工程を施すことなく光素子と基板との平行度を確保できる。
（２）バンプと基板の電極が面接触ではなく線接触であるため、接合時の荷重が小さくても接合部に大きな圧力が発生し、良好な接合性が確保できる。換言すれば、大きい荷重を掛けることで光素子が劣化するというリスクを避けることができる。
（３）Ａｕバンプの余剰Ａｕが、基板の電極中央の開口部または凹部に入り込むため、光素子の電極と基板の電極の平坦部に存在するバンプを極力少なくできる。その結果、光結合効率が向上する。
接合材にはんだペーストまたは導電性接着剤ペーストを用いた場合は
（１）ペースト材を開口部または凹部に供給することで、従来よりも多く接合材はんだを供給することができる。これにより、ペーストの供給量の制御が容易になる。
（２）ペーストが電極の外に流出することが防止できるため、短絡などの不良の発生を回避できる。
（３）開口部に接合材が溜まるため、光素子の電極と基板の電極との間の接合材を薄くすることができる。その結果、光結合効率が向上する。
（４）はんだの場合、従来よりも多量のはんだが存在するため、電極表面に形成されたＡｕの、はんだ接合時の混入比を抑えることができるため、Ａｕの過剰な混入によるはんだ信頼性の劣化を回避することができる。
Ａｕバンプを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。 基板の接続部を説明する平面図である。 光送受信モジュールの断面を説明するである。 Ａｕバンプを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。 Ａｕバンプを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。 はんだを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。 Ａｕバンプを用いた光素子と基板の接続を説明する図である。
符号の説明
１…基板、２…光素子、３…光導波路層、５…アンダーフィル樹脂、７…封止樹脂、１０…基板、１１…電気配線、１２…電極、１３…凹部、１４…開孔部、２１…電極、２２…導体バンプ、２３…発光点または受光点、２４…接合材、３１…光導波路コア、３２…光導波路クラッド、３３…４５°ミラー、４０…ＶＣＳＥＬ、４５…ドライバＩＣ、６０…ＰＤ、６５…プリアンプＩＣ、７０…光ファイバ。

Claims (10)

  1. 一面に第１の電極が形成された光素子と、一面に前記光素子の前記第１の電極と接続する第２の電極が形成された基板との接続体において、
    前記第２の電極は、凹部を備え、
    前記凹部よりも径が小さい先端部と、前記先端部より前記光素子の第１の電極側に設けられ前記凹部より径が大きい基端部と、を備えた導体バンプを有し、
    前記先端部が前記凹部内に挿入されるとともに、前記基端部が前記凹部外で前記第２の電極に接触することで前記第１の電極と前記第２の電極とが前記導体バンプを介して接続されていることを特徴とする接続体。
  2. 請求項１に記載の接続体であって、
    前記光素子は、面発光素子または面受光素子であることを特徴とする接続体。
  3. 請求項１に記載の接続体であって、
    前記導体バンプは、Ａｕバンプであることを特徴とする接続体。
  4. 基板の一面に接続された面発光素子と面受光素子と、前記基板の他面に形成され、前記面発光素子と前記面受光素子とを光学的に接続する光導波路とからなる光送受信モジュールであって、
    前記面発光素子と前記面受光素子とを接続する前記基板の電極は、凹部を備え、
    前記凹部よりも径が小さい先端部と、前記先端部より前記面発光素子および前記面受光素子側に設けられ前記凹部より径が大きい基端部と、を備えた導体バンプを有し、
    前記先端部が前記凹部に挿入されるとともに、前記基端部が前記凹部外で前記基板の電極に接触することで、前記発光素子および前記面受光素子の電極と前記基板の電極とが前記導体バンプを介して接続されていることを特徴とする光送受信モジュール。
  5. 請求項４に記載の光送受信モジュールであって、
    前記導体バンプは、Ａｕバンプであることを特徴とする光送受信モジュール。
  6. 請求項４に記載の光送受信モジュールであって、
    さらに、前記面発光素子を駆動ドライバと、前記面受光素子の出力信号増幅器とを前記基板の前記一面に搭載したことを特徴とする光送受信モジュール。
  7. 請求項４ないし請求項６のいずれか一に記載の光送受信モジュールであって、
    前記基板は可撓性を有することを特徴とする光送受信モジュール。
  8. 請求項１に記載の接続体であって、
    前記凹部は、前記第２の電極を形成した後に、前記第２の電極をエッチングすることにより形成されたことを特徴とする接続体。
  9. 請求項１に記載の接続体であって、
    前記第１の電極と前記第２の電極とは、前記導体バンプを介して超音波接合されていることを特徴とする接続体。
  10. 請求項１に記載の接続体であって、
    前記導体バンプは、ワイヤボンディングのファーストボンディング後にワイヤを切断することで形成されていることを特徴とする接続体。
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