(57)【要約】【課題】基板上に光学素子を整列固定する接合構造において、熱可塑性の接合用部材を用いるならば、光学素子に熱応力が生じ、光学素子にクラックが入ったり、光学特性が劣化するなどの不具合が生じる。【解決手段】基板上に光学素子を整列固定する接合構造において、光学素子と基板の一方に金属バンプ、他方にメタライズ膜を形成し、両者を超音波接合により接合することで、生じる熱応力を抑制し、信頼性、光学特性ともに優れた接合構造、及び接合方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に光学素子を整列固定する接合構造において、前記光学素子と前記基板の一方に金属バンプ、他方にメタライズ膜を有し、且つ両者が前記金属バンプと前記メタライズ膜で金属接合されていることを特徴とする接合構造。
【請求項２】
平板状ファラデー回転子及び平板状偏光子を含む光学素子が基板上に整列固定されている光アイソレータにおいて、前記光学素子と前記基板の一方に金属バンプ、他方にメタライズ膜を有し、且つ両者が前記金属バンプと前記メタライズ膜で金属接合されていることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項３】
前記金属バンプの高さＨと、前記金属バンプのメタライズ膜との接触面の面積Ｓについて、Ｈ／（Ｓ０．５）の値が０．２５乃至１．０であることを特徴とする請求項２記載の光アイソレータ。
【請求項４】
前記金属バンプが硬度１７５Ｈｖ以下の金からなり、且つ前記メタライズ膜の最表面が金からなることを特徴とした請求項２記載の光アイソレータ。
【請求項５】
前記金属バンプがニッケル、且つ前記メタライズ膜の最表面がニッケルからなることを特徴とした請求項２記載の光アイソレータ。
【請求項６】
前記光学素子の前記基板との接合面の対面にメタライズ膜が形成されていることを特徴とした請求項２記載の光アイソレータ。
【請求項７】
請求項１〜６記載の前記金属バンプと前記メタライズ膜の接合が、超音波接合により成されていることを特徴とする光アイソレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光情報処理、光センサー等に用いられる光アイソレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光源等の光源から出射した光は、各種光学素子や光ファイバに入射されるが、入射光の一部は各種光学素子、光ファイバを透過する際、反射や散乱を起こす。反射や散乱した光の一部は光源側に戻るが、この戻り光を遮断するため、光アイソレータが用いられる。
【０００３】
小型化された光アイソレータの構成としては、図６に示すように基板２上に偏光子３、４とファラデー回転子５、及びファラデー回転子に飽和磁界を印可するための磁石６が整列固定された構造のものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
なお図６に示すような光アイソレータ１の構造は、主としてレーザー光源モジュール用のものであって、パッケージ内に半導体レーザー素子と共に表面実装されるものである。
【０００５】
ここで偏光子３、４は透過する光の一方向の偏波成分を吸収し、その偏波成分に直交する偏波成分を透過する機能を有し、また、ファラデー回転子５は飽和磁界強度において所定波長の光の偏波面を約４５度回転する機能を有する。また２つの偏光子３、４は、それぞれの吸収あるいは透過偏波方向が約４５度ずれるように配置されている。図中の矢印は透過偏波方向を表し、偏光子３の透過偏波方向は基板１底面に対して平行方向であり、これに対し偏光子４の透過偏波方向は約４５度傾いている。
【０００６】
次に光アイソレータ１の動作について説明する。光軸Ｌに示す矢印方向を順方向とし、角度は右回転方向を＋とする。ＬＤから出射した光は順方向に進行し、その光は一般にＴＥモード発振となり、偏光子３の透過偏波方向に平行な偏波方向で光アイソレータ１に入射する。光は偏光子３を透過し、ファラデー回転子５でその偏波方向を＋４５度回転させ、偏光子４に入射する。偏光子４の透過偏波方向は偏光子３の透過偏波方向に対し＋４５度の角度となるように配置されているため、順方向に進む光は偏光子４を透過する。
【０００７】
逆方向から入射する反射戻り光は、不確定な偏波を有するが、偏光子４では＋４５度の偏波方向を有する光のみが透過し、他は遮断される。偏光子３を透過した逆方向の光は、ファラデー回転子５でその偏波方向をさらに＋４５度回転させ、偏光子３に入射する。ここで偏光子４に入射する逆方向光は、＋９０度の偏波方向であり、偏光子３とはクロスニコルとなるため、偏光子３で遮断され、反射戻り光はＬＤに戻らない。このように、偏光子３と偏光子４の透過偏波方向を４５度ずらして配置することにより、光アイソレータ１として機能する。
【０００８】
なお偏光子３、４やファラデー回転子５などの光学素子、及び磁石６を基板上に接合する場合には、アウトガス等の分解物で半導体レーザー素子に劣化を生じさせることがないよう、有機系の接合用部材は用いず、無機系の接合用部材であるハンダや、低融点ガラス等を用いる。
【０００９】
図７ではハンダ８を使用して光学素子や磁石６を基板２上への接合を示す。なお、ここでは偏光子やファラデー回転子からなる光学素子７を基板２に接合する部分のみを示す。あらかじめ各部材の接合面にメタライズ膜９を加工を施し、さらに接合時に生じるメタライズ膜９表面やハンダ８表面の酸化膜を除去するためフラックスを塗布する。接合を行う際は、使用するハンダ８の融点に合わせ基板２を加熱し、ハンダ８を溶融させた後、光学素子７を基板２に圧着する。
【００１０】
なおメタライズ膜９表面やハンダ８表面の酸化膜を除去する方法としては、フラックスを使用する代わりに、スクラブ作業を行うことに依っても実現できる。これは、光学素子７を実装する際、窒素等の不活性ガス雰囲気内で基板２を所定温度に加熱し、ハンダ７を塗布、溶融させた後、光学素子７を溶融したハンダ８に押しつけつつ揺動させることによってハンダ８表面の酸化膜を破壊するものである。
【００１１】
なお、基板２と光学素子７とを接合する方法として、図８に示すように双方の表面にハンダメッキ１０を施し、両者を圧接した上で超音波を印可し、発生する熱エネルギーによってハンダメッキ１０を溶融させて金属接合を行う方法も考案されている（特許文献２参照）。
【００１２】
また、図９に示すように低融点ガラス１１で接合する場合は、あらかじめ基板２上に低融点ガラス１１のペーストを塗布し、一度高温下で焼結固化させた後、低融点ガラス１１を切削または研磨加工し、厚みが一定になるよう調節する。接合を行う際は、使用する低融点ガラス１１の作業温度に合わせ基板２を加熱し、低融点ガラス１１を溶融させた後、光学素子７を基板２に圧着する。
【特許文献１】特開１９９８−２２７９９６号参照
【特許文献２】特開１９９８−１１７７９号参照
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図７、９に示すような光アイソレータ１に於いて、偏光子３、４やファラデー回転子５などの光学素子や磁石６を、基板２上にハンダ８や低融点ガラス１１などの熱可塑性接合部材を用いて接合する場合、各部材の熱膨張係数の差により熱応力が生じる。
【００１４】
特に光アイソレータ１を構成する偏光子３、４は、一般的に一定方向に背向した金属微粒子を光学ガラス内に分散させたものが使われており、その膨張係数は６０×１０−７程度である。これに対しファラデー回転子５は、一般的にビスマス置換ガーネットが使用され、その膨張係数は１００×１０−７程度である。従って、両者の熱膨張係数に対し、基板２の熱膨張係数を同時に一致させることは困難である。
【００１５】
よって、一部の光学素子には熱応力が生じることになるが、光学素子は脆性材料であるため割れやクラック生じる場合がある。また、ファラデー回転子５に熱応力が加わると、これを透過する光の消光比が劣化し、光アイソレータ１の諸特性、特にアイソレーション特性に劣化が生じる。
【００１６】
さらに図７に示すように光学素子７をハンダ８にて基板２上に接合する場合、ハンダ８表面の酸化膜を除去する方法としてフラックスを使用するならば、フラックスによるハンダ８の腐食を防止し、またフラックスから生じるアウトガス等の分解物で半導体レーザー素子に劣化を生じさせることがないよう、フラックスを洗浄する必要がある。しかしながら、図７に示すとおり、光学素子７間の空隙は狭く、有機溶剤を用いて超音波洗浄などを行ってもフラックスの残渣を取り除くのは困難である。
【００１７】
また、ハンダ８表面の酸化膜を除去する方法としてスクラブ作業を行った場合、光学素子７を揺動させることにより押し退けられたハンダ８が光学素子７の光透過部に流入し、光アイソレータ１の挿入損失特性に劣化が生じる。
【００１８】
さらに図８に示すように基板２と光学素子７の双方にハンダメッキ１０を施し、双方を圧接しつつ超音波を印可する方法では、ハンダメッキ１０と基板２や光学素子７との接合強度が弱い場合、双方の接合強度が劣化する。また、ハンダメッキ１０をディッピングで行った場合、表面の平坦度が悪く、ハンダメッキ１０表面の突出した部分のみで接合が行われることとなる。この場合、外部から光学素子７に応力が加わった場合、接合箇所に局所的な応力集中が生じるため接合強度が不安定となり光学素子７が脱落してしまう等の危険がある。
【００１９】
また、図９に示すように光学素子７を低融点ガラス１１で基板２上に接合する場合、光学素子７を基板２に圧着する際、押し退けられた低融点ガラス１１が光学素子７の光透過部に流入し、光アイソレータ１の挿入損失特性に劣化が生じる。
【００２０】
さらに光アイソレータ１をレーザー光源モジュール内で使用する際は、ハンダなどによりパッケージ内に接合する必要があり、高温下での処理が必要となってくる。ここで、光アイソレータ１の作製時に図７や図９に示すようにハンダ８や低融点ガラス１１等の熱可塑性接合用部材を用いた場合、それぞれの溶融温度以上の環境下では接着部分の変形等の危険が生じる。
【００２１】
また、ハンダ８や低融点ガラス１１には鉛を含むものが多く、これらを使用した製品を廃棄する際は、特別な処理を行う必要があるなど、環境面での注意が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、上記問題点に鑑み基板上に光学素子を整列固定する接合構造において、前記光学素子と前記基板の一方に金属バンプ、他方にメタライズ膜を有し、且つ両者が前記金属バンプと前記メタライズ膜で金属接合されていることを特徴とするものである。
【００２３】
また、平板状ファラデー回転子及び平板状偏光子を含む光学素子が基板上に整列固定されている光アイソレータにおいて、前記光学素子と前記基板の一方に金属バンプ、他方にメタライズ膜を有し、且つ両者が前記金属バンプと前記メタライズ膜で金属接合されていることを特徴とするものである。
【００２４】
さらに、前記金属バンプの高さＨと、前記金属バンプのメタライズ膜との接触面の面積Ｓについて、Ｈ／（Ｓ０．５）の値が０．２５乃至１．０であることを特徴とするものである。
【００２５】
また、前記金属バンプが硬度１７５Ｈｖ以下の金からなり、且つ前記メタライズ膜の最表面が金からなることを特徴とするものである。
【００２６】
さらに、前記金属バンプがニッケル、且つ前記メタライズ膜の最表面がニッケルからなることを特徴とするものである。
【００２７】
また、前記光学素子の前記基板との接合面の対面にメタライズ膜が形成されていることを特徴とするものである。
【００２８】
さらに、請求項１〜６記載の前記金属バンプと前記メタライズ膜の接合が、超音波接合により成されていることを特徴とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図１にて本発明による光アイソレータ１の構造を説明する。
【００３０】
本発明の光アイソレータ１は基板２上に平板上の偏光子３、４とファラデー回転子５、及びファラデー回転子５に飽和磁界を印可するための磁石６が整列固定された構造となっている。ここで偏光子３、４及びファラデー回転子５はその光透過面に対し垂直な側面を基板２に接合され、また、磁石６は直方体形状のものを、ファラデー回転子５を挟んで基板２の両側に接合されている。
【００３１】
偏光子３、４は、例えば楕円体形の金属粒子がガラス内に分散された構造の偏光ガラスからなる。この偏光ガラスは長く延伸された金属粒子をガラス自身の中に一方向に配列させることにより偏光特性を持たせたガラスであり、金属粒子の延伸方向に垂直な偏波面を持つ光が透過し、平行な偏波面を持つ光は吸収される。ここで偏光子３の透過偏波方向は、偏光子４の透過偏波方向に対し略＋４５度の角度を持つように配置されている。
【００３２】
ファラデー回転子５は、例えばビスマス置換ガーネット結晶等で、その厚みは入射光線の偏光面が４５度回転する様に設定する。一般に、偏波面を回転させるためには、入射光線の光軸Ｌ方向に十分な磁界を印可することが必要である。また、自己バイアス型のファラデー回転子５を用いれば磁石６なしでも光アイソレータ１は動作するため、磁石６は不要となる。
【００３３】
ここで、偏光子３、４、ファラデー回転子５からなる光学素子７は基板２との接合面にメタライズ膜が形成されている。なお、メタライズ膜９の構成としては、下層に密着性向上のためクロムやチタン等を施し、中間層に金属拡散防止のためタングステンや銅、ニッケル等を施す。さらに上層に金、ニッケル等を施す。
【００３４】
メタライズ膜９の形成方法は公知の方法でよく、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ 法等の方法で形成すればよい。なおスパッタリング法は、以下の原理により行うものである。まず、真空状態にした加工容器内で膜を付ける試料の近傍に膜の原料（ターゲット）を配置し、試料とターゲットの間に電圧をかけることで、電子やイオンを高速移動させ、ターゲットに衝突させる。ターゲットに衝突したイオンは、ターゲットの粒子をはじき飛ばす。（スパッタリング現象）はじき飛ばされた原料の粒子が試料に衝突、付着し、膜が形成される。真空蒸着では、真空状態にした加工容器内で膜を付ける試料の近傍に膜のターゲットを配置し、同様に真空状態にした加工容器内で膜を付ける試料にターゲットを対向させ、膜の原料を加熱し、蒸発、気化した原料を試料に衝突させることで膜を形成する。またＣＶＤ法は、試料を気体原料の雰囲気内におき、化学反応によって、試料表面に高純度の薄膜を形成する。
【００３５】
なおメタライズ膜９の形成時に、光学素子７の光学面にメタライズ膜９が形成されないよう、レジストもしくはこれに変わる保護部材を用いて遮蔽しておく。
【００３６】
また磁石６の表面には、メッキ加工を施す。なお、メッキ加工は基板２との接合に使用する目的の他に、磁石形状の維持という目的もある。一般的に光アイソレータ１に使用する磁石は、小型で且つ高温下で処理されることが多いため、その材料はとしては磁気特性に優れ、且つ高温下で減磁しにくいサマリウムコバルト磁石が使用されている。サマリウムコバルト磁石は、機械的強度が低いため、割れやカケなどの防止のためメッキ処理を行うことが一般的である。
【００３７】
基板２の材料については、アウトガス等の分解物で半導体レーザー素子に劣化を生じさせることがないよう、金属やセラミックなど無機材料を使用するのが好ましい。なお、材料及び基板２底部の表面処理は、パッケージ内に実装する手段により選定する。例としてハンダにより金属接合する場合は、基板２の裏面にメタライズ膜の形成を行い、また材料としては光アイソレータを取り付けるべき部分に熱膨張係数を合わせた材料を使用する。また、ＹＡＧ溶接により固定する場合は材料をＳＵＳ３０４などの溶接性のよいものを使用する。なお、本発明に従い光学素子７を基板２上に接合する際は、低温下にて接合を行うため、光学素子７に生じる熱応力は考慮する必要はない。従って光学素子７と基板２との熱膨張係数を一致させる必要はなく基板２の材料は自由に選定することができる。ただし、基板２上に配置された磁石６により基板２が磁石６と逆方向に磁化され、ファラデー回転子５に印可される磁場が弱まることがないよう、基板２には非磁性の材料を選定することが望ましい。
【００３８】
さらに基板２には、光学素子７や磁石６の接合される所定の位置にバンプ１２を形成する。なお、図２にこれを説明する。ここで言うバンプ１２はフリップチップの実装等に使用するハンダバンプと同様のものであり、基板上２の数カ所に島状に単層または複数層からなる金属薄膜を形成するものである。なお、バンプ１２の厚みはバンプを形成する基板表面の平坦度以上の厚みがあればよく、これにより基板２と被接合部材とがバンブのみを介して接合される事になる。なおバンプ１２の大きさは被接合部材の大きさや、必要とする接合強度により適宜決定し、また各接合部材あたり複数のバンプ１２を使用することで接合強度を増加させることもできる。
【００３９】
バンプ１２の形成プロセスには、電気メッキ法、スタッドバンプ法、印刷法、蒸着法がある。金バンプの形成には電気メッキ法が主流で、一部にスタッドバンプ法が採用されている。
【００４０】
バンプ１２の微細加工という観点では、リソグラフィプロセスを採用する電気メッキ法と蒸着法が有利である。電気メッキ法では、最初にスパッタ法または蒸着法でバリアメタルを形成し、バリアメタル上にレジスト膜を塗布し、露光・現像を行い、開口部を形成する。この開口部に電気メッキ法でバンプ材料を成長させた後、バンプを残しレジスト膜を除去する。なお蒸着法は、電気メッキ法と同様の前工程の後、開口部にバンプ材料を成長させる際、真空蒸着の手法を用いて行うものである。
【００４１】
なお、バリアメタルとしては、下層に密着性向上のためクロムやチタン等を施し、上層に金属拡散防止のためタングステンや銅、ニッケル等を施す。なお、基板材質によりバリアメタルとの密着性が良好な場合は、下層の処理を行わなくともよい。またバンプ１２の材質としては、金、ニッケル等が選択できる。
【００４２】
被接合部材である偏光子３、４、ファラデー回転子５、磁石６を基板２上に接合する際は、図３に示すように、被接合部材１３をコレット１４により吸着保持する一方、基板２をアンビル１５上に保持し、被接合部材１３を基板２のバンプ１２上に着座させ、ツール１６により被接合部材１３を加圧しつつ超音波を数秒間印加する。超音波は超音波振動子１７で発生させたのち、ホーン１８を介して振幅を増加させた後、ツール１６に伝搬させる。超音波振動は、ホーン１８及びツール１６部分で定在波をなすが、被接合部材１３を加圧する部分を振動の腹とすることで、超音波振動を効率よく被接合部材１３に伝えることができる。加圧力はバンプ１２の材質により最適化する必要があるが、例として金を使用する場合、各バンプ１２あたり１５０ｇｆ程度が適当である。
【００４３】
ここで示した超音波接合の初期段階では、被接合部材１３に施されたメタライズ膜９やメッキ膜、また基板２上に形成されたバンプ１２表面が超音波振動によって摩擦を起こし、金属表面の酸化皮膜や吸着物が破壊され、接合面が機械的にクリーニングされる。また接合面が平滑化されて凝着核が発生する。超音波接合の後期段階では、接合面間が十分に接近し、凝集力が生じ、また急激な組成流動が生じて接合面が拡大していく。なお破壊された金属表面皮膜は接合面近傍に拡散されて存在することとなる。
【００４４】
なお超音波接合による接合界面おける接合層の形態については、接合部に溶融組織は認められないため、相互の金属間での拡散による固相接合であると考えられている。
【００４５】
なお、超音波接合による接合強度を大きくするために、アンビル１５部分にヒーター１９を付加し、基板２を１５０〜２００℃程度の低温で予備加熱し、基板２が所定の温度に加熱された後、接合を行うことが好ましい。
【００４６】
また、図３に示した超音波接合方法については、コレット１４により被接合部材１３を吸着し保持する構造となっているが、被接合部材１３が脆性材料である場合、機械的強度が得られないため、超音波振動したコレット１４が接触することで被接合部材１３にクラックが生じることが懸念される。これは、被接合部材１３のコレット１４との接触部分、つまり被接合部材１３の基板２との接合面の対面に素子保護用のメタライズ膜２０を施すことで防止することができる。被接合部材１３が光学素子等の脆性材料である場合、メタライズ膜２０の加工を行えば、光学素子を小片に切断加工した際に生じた光学素子外周部のマイクロクラックを埋め、また光学素子に外周部からの圧縮応力を与えることとなるため、光学素子の機械的強度が向上する。なお、メタライズ膜２０の加工は、先に述べた基板との接合に用いるメタライズ膜９の加工と同様の構造でよいため、両者のメタライズ膜の形成は一括して行うことが可能である。
【００４７】
また、基板２や被接合部材１３の汚染度は接合強度大きく影響を及ぼす。従って基板２や被接合部材１３はあらかじめ洗浄処理を行う必要がある。洗浄処理としては、湿式洗浄である超音波洗浄の他、乾式洗浄である紫外線オゾン洗浄やプラズマ洗浄、レーザー照射による洗浄などがあり、これらを複合して使用することも効果的である。
【００４８】
例としては、ＩＰＡやエタノール等の有機溶剤中で超音波洗浄した後、プラズマ洗浄を行う等により良好な接合強度を得ることができる。
【００４９】
さらに、メタライズ膜９が施されるべき母材の表面粗さや平坦度、及びバンプ１２の高さバラつきは、接合強度と製品の破壊、変形に大きく影響を及ぼす。メタライズ膜９の表面粗さが粗いならば接合時に金属表面同士の近接が不十分となり接合強度が低下する。また超音波の印可時間が長くなり製品の破壊される危険がある。また、メタライズ膜９の平坦度が悪い、またバンプ１２の高さがばらつくと、バンプ１２の一部が被接合部材１３側のメタライズ膜９と接触せず、接合強度の劣化につながる。また基板２を被接合部材１３側に加圧する際、基板２にたわみが生じ、接合面に内部応力が生じるため、接合部が破壊される要因となる。なお、メタライズ膜９の表面粗さはＲａ１．６μｍ以下、またメタライズ膜９の平坦度、及びバンプ１２の高さバラつきは２μｍ以下程度が好ましいが、これらは一般的なメタライズ膜９の形成や、バンプ１２の形成を行った場合、加工精度を実現することは比較的容易であり、安定した接合作業を行うことが可能である。
【００５０】
また、超音波接合においては、コレット１４とこれに保持される部品の接触抵抗を大きくするため、ツール１６先端の面粗さを粗くする手法が取られる。これは、コレット１４とこれにより保持される製品との接合を防止する目的もある。なお、コレット１４の先端にクランプ機構を付加することでもコレット１４と被接合部材１３の接触抵抗を大きくするために有効である。
【００５１】
さらに、超音波接合においては振動速度が重要な要素であるが、これは超音波周波数と振動振幅の積で表される。従って本例のように微少な試料の接合の際は、製品の破壊や変形をおさえるため振動振幅を小さくし、逆に周波数を高くして加工を行うべきである。ここで、周波数は具体的には２０〜８０ｋＨｚ程度が適当である。
【００５２】
また、バンプ１２部分の硬度は接合時に超音波を印可する時間に影響を与える。図１０では図１で示すところのアルミナ製基板２上に形成した金製バンプ１２上に磁石６を接合する際の超音波印可時間と接合強度の関係を金バンプ１２の硬度別に示した表である。なお、金バンプ１２の形成は、先ずアルミナ基板２上にモリブデンマンガンメタライズペーストを塗布した後、還元性雰囲気中で焼成し導電性被膜を形成した。その後、クロム層０．３μｍ、ニッケル層０．３５μｍからなるバリアメタル層を電気メッキ法にて形成した。その後、レジスト膜を塗布した後、リソグラフィプロセスを経てバンプ１２形成箇所に開口部を形成し、電気メッキ法にてバンプ材料を５０μｍだけ成長させた。また、磁石６の表面には電気メッキを用いてニッケル層５μｍ、及び金層０．２μｍを形成した。なお、磁石は計６箇所のバンプにより基板と接合し、超音波振動数３０ｋＨｚ、加圧力は各バンプ当たり１５０ｇｆ、さらに部材を１５０℃に加熱しながら接合を行った。
【００５３】
図１０によれば金バンプ１２の硬度が低いほど短時間の超音波印可であっても接合強度が十分得られ、硬度１５４Ｈｖのバンプを使用した場合はおよそ４５秒で接合強度が飽和した。これに対し硬度１８５Ｈｖの金バンプ１２を使用した場合は１２０秒の超音波印可に依っても接合強度は飽和しなかった。この傾向の理由としては、金バンプ１２を形成する金属の硬度が低ければ金バンプ１２が短時間で変形し、メタライズ膜９との接合面積が十分に広がるためと考えられる。なお、実用上接合に要する時間を考慮し、超音波の印可時間を６０秒以下とするならば、金バンプの硬度は１７５Ｈｖ以下が妥当と考えられる。なお、バンプ材料に金を使用する場合、その硬度は金の純度に依存し、純度が高いほど硬度が低下する。また、バンプ１２にニッケルを使用する場合は、ニッケルバンプ１２を形成する際のメッキ方法、メッキ液組成等、メッキ条件によりバンプ１２の硬度が異なる。一般的に電気メッキにてワット浴を使用する場合、バンプ１２の硬度はもっとも軟化し、硬度１５０Ｈｖ程度が得られる。また、スルファミン酸浴を使用する場合では硬度２００Ｈｖ程度しか得られない。従って、ワット浴に依る電気メッキにてニッケルバンプ１２を形成することが適当である。
【００５４】
さらに、バンプ１２部分の高さとバンプ１２接合面の大きさの比は接合強度に影響を与える。図１１はバンプ１２部分の高さＨとバンプ１２接合面の面積Ｓに対し、Ｈ／（Ｓ０．５）により求められたＡ値との関係を示した表である。
【００５５】
なお、接合試験に用いた試料は前述の通りアルミナ基板状２に金バンプ１２を形成したものと、磁石６表面に金メッキを施したものを使用した。なお、計６箇所のバンプ１２により接合を行い、金バンプ１２は硬度１５４Ｈｖのものを使用し、超音波は６０秒間印可した。
【００５６】
図１１によればＡ値が０．２５になったとき接合強度はほぼ飽和し、逆に以降では接合強度は劣化の傾向が見られた。この理由として、Ａ値が小さい場合は、バンプ１２とメタライズ膜９との接触面積が大きく、接触面単位面積当たりの圧力が低下し、またバンプ１２の厚みも薄いため、バンプ１２が変形せず、バンプ１２とメタライズ膜９との接触界面の面積が十分稼げなかったためと考えられる。また、Ａ値が大きい場合、メッキによるバンプ１２の形成の際、その高さにバラツキが生じ、接合時により基板がたわみ、バンプ１２とメタライズ膜９との間に剥離方向に加わる応力が生じたものと考えられる。このようにＡ値は０．２５乃至１．０が適当と考えられる。
【００５７】
なお図３では被接合部材１３側に超音波を印可し、アンビル１５上に保持された基板２上に圧着したが、これとは逆に基板２に超音波を印可し、アンビル１５上に保持した被接合部材上に圧着する方法をとってもよい。
【００５８】
また、図１乃至３では基板２側にバンプ１２を形成し、光学素子７や磁石６からなる被接合部材側にメタライズ膜９を形成するよう図示したが、これは逆に基板２側にメタライズ膜を、被接合部材側にバンプ１２を形成してもよい。
【００５９】
このように、本発明の光アイソレータ１においては、偏光子３、４やファラデー回転子５からなる光学素子７や磁石６等の被接合部材と基板２との接合が１５０〜２００℃程度の低温下で行われているため、各部材の熱膨張係数差による熱応力の発生は極めて少なく、脆性材料である光学素子７にクラックが生じたり、ファラデー回転子５の消光比が劣化することもない。従って信頼性に優れ、且つ光学特性、特にアイソレーション特性に優れた光アイソレータを作製することができる。
【００６０】
また、光学素子７や磁石６と基板２を超音波接合する際、接合用メタライズ膜９やバンプ１２表面の酸化被膜を除去するためのフラックスは不要であり、接合作業後にフラックスを洗浄する作業も不要である。
【００６１】
さらに超音波接合は固相接合であるため、接合作業時に溶融する物質はない。従って光学素子７の光透過部を遮蔽する物質もなく、光アイソレータ１の挿入損失特性は常に良好である。
【００６２】
また、基板２と被接合部材が接合する箇所は、バンプ１２の形成される箇所に限定される。このためバンプ１２を形成する箇所を分散させることで、外部から被接合部材に応力が加わった場合、接合箇所への応力集中を分散させることが可能である。またメタライズ膜９の平坦度や、バンプ１２の高さ精度を高精度化することは容易であるため、メタライズ膜９とバンプ１２部分との接合強度自体も安定させることができる。
【００６３】
また、基板２と被接合部材との接合はメタライズ膜９とバンプ１２が直接接合されているため、接合箇所の耐熱性は、これらメタライズ膜９やバンプ１２部を形成する材料の融点に従うことになる。例としてメタライズ膜９の材料としてニッケル及び金を使用するならば、その融点は、金１０６４℃、ニッケル１４５３℃であり、光アイソレータ１として十分な耐熱性を確保できることとなる。
【００６４】
さらに、基板２と被接合部材との接合はメタライズ膜９とバンプ１２が直接接合されているため、鉛等を使用する接合用部材等は不要であり、対環境面で優れた製品を提供することが可能である。
【実施例】
【００６５】
本発明の実施例について図１を用いて説明する。
【００６６】
光アイソレータ１の基板へのメタライズ膜９の加工及びバンプ１２の形成は、大型の平板状基板材料に一括して処理を行い、その後ダイシング加工により小片に切断することにより多数個を一括して作製した。
【００６７】
基板２はその材料をアルミナとし、表面研磨を行って平坦度を２μm以下としたのち使用した。バンプ１２の形成においては、先ずモリブデンマンガンメタライズペーストを塗布した後、還元性雰囲気中で焼成し導電性被膜を形成した。その後、クロム層０．３μｍ、ニッケル層０．３５μｍからなるバリアメタル層を電気メッキ法にて形成した。その後、レジスト膜を塗布した後、リソグラフィプロセスを経てバンプ形成箇所に開口部を形成し、電気メッキ法にてバンプ１２材料を成長させた。なお、バンプ１２の材料としては金を選択し、その厚みを５０μｍとした。
【００６８】
なお、基板２と光学素子７は、それぞれ４箇所のバンプ１２で接合を行い、基板２と磁石６は６箇所のバンプ１２で接合を行うこととした。製品を構成する各部材の寸法を図４に、また各バンプ１２の大きさ及び位置を図５に示す。
【００６９】
また、偏光子３、４としてはコーニング社製のポーラコア１５５０ＨＣを用い、ファラデー回転子５としては住友金属鉱山製のＹＴｄ５Ｖを用いた、各光学素子７のメタライズ膜９、及び素子保護用メタライズ膜２０の加工はクロム層０．３μｍ、ニッケル層０．３５μｍ及び金層０．２μｍをスパッタリング法により形成した。なお、各光学素子７の光学面にメタライズ膜が形成されないよう、メタライズ膜の形成処理を行う際に各光学素子７の光学面にレジスト膜を形成し、メタライズ膜の形成処理後、有機溶剤中での超音波洗浄によりこれを除去した。
【００７０】
また、磁石６の材料としてはサマリウムコバルトを用い、表面に電気メッキを用いてニッケル層５μｍ、及び金層０．２μｍを形成した。
【００７１】
基板２上に光学素子７、及び磁石６を接合する際は、図３に示す通り光学素子、及び磁石からなる被接合部材１３をコレット１４により吸着保持する一方、基板２をアンビル１５上に保持し、被接合部材１３を基板２のバンプ１２上に着座させ、ツール１６により被接合部材１３を加圧しつつ超音波を印加した。ここで、超音波の振動数は３０ｋＨｚ、加圧力は、各バンプ１２あたり１５０ｇｆが加わるよう調整した。さらにアンビル１５部分はヒーター１９により１５０℃に加熱し接合を行った。
【００７２】
上記加工条件にて超音波接合を行う上で、超音波の印可時間は各接合場所での接合強度の変化を元に決定した。図１２に示すとおり、光学素子７と基板２とを接合する場合、超音波の印可時間は４５秒以上とした場合、接合強度がほぼ飽和した。また、磁石６と基板２とを接合する場合、超音波の印可時間は７５秒以上とした場合、接合強度がほぼ飽和した。そこでこれらの時間にて超音波を印可することとした。
【００７３】
なお、実施例に従い作製した製品と、これに対する比較例として次の２種類を作製した。
【００７４】
第一の比較例として図７に示すように光学素子７や磁石等の被接合部材と基板２との接合面にそれぞれメタライズ膜９を施したものを金錫ハンダ８を用いて接合したものを用意した。
【００７５】
なお、基板２の材料としてはアルミナを選択し、メタライズ膜９の形成は基板上にモリブデンマンガン処理を施し導電性被膜を形成した後、クロム層０．３μｍ、ニッケル層０．３５μｍ及び金層０．２μｍを電気メッキ法にて施した。また、光学素子７及び磁石は、前記本発明の実施例に使用したものと同様のものを使用した。
【００７６】
基板２上に光学素子７、及び磁石を接合する際は、金錫ハンダ８を使用した。先ず、基板２をホットプレート上に配置し、金錫ハンダ８の溶融点である２８０℃に加熱した後、ハンダ箔を基板２上にのせ溶融した。その後、被接合部材を基板２上に押し付け、スクラブ処理を行って接合を行った。なお、今回はハンダ８表面の酸化被膜の除去方法としてフラックスを使用せず、スクラブ処理を用いたが、これは接合後のフラックス除去が困難であるためである。また、ハンダ８表面に酸化被膜が形成されることを防止するため、製品に窒素ガスを吹き付けつつ行った。
【００７７】
また、第二の比較例として図１０に示すように光学素子７や磁石等の被接合部材と基板２との接合面にそれぞれハンダメッキ１０を施した後、超音波接合したものを用意した。なお、ハンダ８の材質は鉛錫の共晶ハンダ８を使用した。
【００７８】
なお、基板２の材料としてはアルミナを選択し、ハンダメッキ１０の形成は基板２上にモリブデンマンガン処理を施し導電性被膜を形成した後、クロム層０．３μｍ、ニッケル層０．３５μｍ及びハンダ層５μｍを電気メッキ法により形成した。
【００７９】
また、光学素子７の基板２との接合部分にはクロム層０．３μｍ、ニッケル層０．３５μｍ及びハンダ層をスパッタリング法にて形成した。なお、各光学素子７の光学面にメタライズ膜およびハンダメッキが形成されないよう、処理を行う際に各光学素子７の光学面にレジスト膜を形成し、ハンダメッキ形成後、有機溶剤中での超音波洗浄によりこれを除去した。
【００８０】
また、磁石の材料としてはサマリウムコバルトを用い、表面に電気メッキを用いてニッケル層５μｍ、及びハンダメッキ５μｍを形成した。
【００８１】
基板２上に光学素子７、及び磁石を接合する際は、図３に示す本発明の実施例で使用した超音波接合方法を使用した。作業条件としては、超音波の振動数を３０ｋＨｚ、加圧力は、接合面の単位面積当たり１５００ｇｆ／ｍｍ２とし、本発明の実施例にて各バンプ１２に加わった単位面積当たりの加圧力と同程度となるよう調整した。さらにアンビル１５部分はヒーター１９により１５０℃に加熱し接合を行った。なお、超音波の印可時間は光学素子７においては３分、磁石６においては４分間とした。また、今回はハンダメッキ１０の酸化被膜の除去方法としてフラックスを使用した。これは、ハンダメッキ１０の酸化被膜が強固であり、窒素雰囲気中でスクラブ処理を行ってもハンダメッキ層同士の接合が行われなかったためである。
【００８２】
サンプルは各５０個ずつ作製し、そのアイソレーションのピーク値平均及び挿入損失値、及びそれらのバラつきを示す標準偏差の比較を行った。その結果を表１に示す。
【表１】
2006064989.tif 000003
【００８３】
このように第一、及び第二の比較例に対し、本発明による実施例ではピークアイソレーションの値が高く、また標準偏差も小さく、安定した値を得ることができた。これは本発明による実施例では、被接合部材と、基板との接合時の加熱温度が、比較例に対して低いため、生じる熱応力、特にファラデー回転子に加わる熱応力が小さくなったため、消光比特性が良好であった結果と考えられる。なお、第二の比較例では、挿入損失値に著しい劣化が生じた。これは偏光子、ファラデー回転子からなる各光学素子間にハンダが流入し、光学面をハンダが覆ってしまったためと、フラックスが完全に除去できなかった為と考えられる。
【００８４】
また、サンプル各１０個ずつで、被接合部材、特に磁石６部分の剪断接合強度、及びそれらの標準偏差の比較を行った。その結果を表２に示す。
【表２】
2006064989.tif 000004
【００８５】
このように本発明の実施例では、第一の比較例には及ばないものの、剪断接合強度が比較的大きく、また標準偏差が小さく安定した値を得ることができた。これに対し、第二の比較例では接合強度が小さく、標準偏差も大きい結果となった。なお、第二の比較例において、破壊された部分はハンダメッキ１０層同士の接合箇所の他、磁石表面のニッケル層とハンダメッキ１０層間であるものもあり、各メタライズ膜間の剥離強度の低下が接合強度の低下につながったとも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明による光アイソレータの実施形態を示す斜視図。
【図２】本発明による光アイソレータの各部材構成を示す斜視図。
【図３】本発明による超音波接合方法を示す断面図である。
【図４】本発明による実施例で作製した製品の寸法を示す３方図である。
【図５】基板上に施されたバンプの寸法を示す上面図である。
【図６】従来の光アイソレータを示す斜視図である。
【図７】ハンダにより部材を接合する光アイソレータの断面図である。
【図８】ハンダメッキ同士の超音波接合により部材を接合する光アイソレータの断面図である。
【図９】低融点ガラスにより部材を接合する光アイソレータの断面図である。
【図１０】超音波印可時間と接合強度の関係を金バンプの硬度ごとに示したグラフである。
【図１１】Ａ値と接合強度の関係を示したグラフである。
【図１２】超音波の印可時間と接合強度の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
１：光アイソレータ
２：基板
３、４：偏光子
５：ファラデー回転子
６：磁石
７：光学素子
８：ハンダ
９：メタライズ膜
１０：ハンダメッキ
１１：低融点ガラス
１２：バンプ
１３：被接合部材
１４：コレット
１５：アンビル
１６：ツール
１７：超音波振動子
１８：ホーン
１９：ヒーター
２０：素子保護用メタライズ膜
【図１】
2006064989.tif 000005
【図２】
2006064989.tif 000006
【図３】
2006064989.tif 000007
【図４】
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【図５】
2006064989.tif 000009
【図６】
2006064989.tif 000010
【図７】
2006064989.tif 000011
【図８】
2006064989.tif 000012
【図９】
2006064989.tif 000013
【図１０】
2006064989.tif 000014
【図１１】
2006064989.tif 000015
【図１２】
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