(57)【要約】【課題】廃棄損失の少ない、光電変換素子を透明樹脂で封止した光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュールは、光電変換素子２が搭載されたリードフレーム３と、透明樹脂を射出成形して形成された一端が開放され他端がレンズ部４ａにより塞がれた筒状部材であるシェル４とを備え、リードフレーム３の光電変換素子２の搭載部分が、シェル４の内側に、光電変換素子２とレンズ部４ａとが調芯されて挿入され、シェル４の内側に充填された熱硬化透明樹脂５により、リードフレーム３がシェル４に固定され光電変換素子２が封止されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子が搭載されたリードフレームと、透明樹脂を射出成形して形成された一端が開放され他端がレンズ部により塞がれた筒状部材とを備え、
前記リードフレームの前記光電変換素子の搭載部分が、前記筒状部材内に、前記光電変換素子と前記レンズ部とが調芯されて挿入され、前記筒状部材内に充填された熱硬化透明樹脂により、前記リードフレームが前記筒状部材に固定され前記光電変換素子が封止されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記筒状部材の前記熱硬化透明樹脂との接触面は、オゾン処理されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記筒状部材を構成する透明樹脂は、シクロオレフィン系樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記シクロオレフィン系樹脂は、ガラス転移温度が１２０℃以上であり、湿熱環境下における吸水率が０.３％未満であることを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記筒状部材内に充填する熱硬化透明樹脂は、エポキシ系樹脂、シロキサンとオレフィン系樹脂との共重合体樹脂、または、環状ポリシロキサンとシクロオレフィン系樹脂との共重合体樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記筒状部材内に充填する熱硬化透明樹脂は、ガラス転移温度が１２０℃以上であり、湿熱環境下における吸水率が０.４％未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項７】
透明樹脂を射出成形して、一端が開放され他端がレンズ部により塞がれた筒状部材を形成し、
該筒状部材内に、光電変換素子が搭載されたリードフレームの前記光電変換素子の搭載部分を、前記レンズ部と調芯して挿入し、
前記筒状部材内に熱硬化透明樹脂を充填し、
該熱硬化透明樹脂により、前記リードフレームと前記筒状部材とを固定し前記光電変換素子を封止することを特徴とする光モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リードフレームに搭載された光電変換素子を透明樹脂で封止して成る光通信用の光モジュールとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信用の光モジュールでは、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）等の光電変換素子を、外部と絶縁し水蒸気存在雰囲気中に曝さないように、封止して用いる。
図２は、特許文献１に開示の従来の光モジュールを説明する図で、図２（Ａ）は透明樹脂により封止する前の様子を示す図で、図２（Ｂ）は封止した後の様子を示す図である。
【０００３】
特許文献１に開示の光モジュールは、図２（Ａ）に示すように、一端側が外部基板に電気的に接続する電極端子を成すリードフレーム１２の他端側に光電変換素子１１を搭載し、図２（Ｂ）に示すように、透明樹脂１３で封止している。この光モジュール１０が送信用であれば、光電変換素子１１から出射された光は、透明樹脂で形成された筐体１３の先端に設けられたレンズ１３ａで集光され、不図示の光ファイバに入射される。なお、透明樹脂製の筐体は、レンズ１３ａの成形と光電変換素子の封止とを同時に行うトランスファーモールド法により作製される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３３３５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図２の光モジュール１０の場合、トランスファーモールド法により透明樹脂製の筐体を作製すると、レンズ１３ａの部分に気泡等が残留し不良となったときに、光電変換素子１１やリードフレーム１２まで廃棄せねばならず、廃棄損失が大きい。
【０００６】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、廃棄損失の少ない、光電変換素子を透明樹脂で封止した光モジュールとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の光モジュールは、光電変換素子が搭載されたリードフレームと、透明樹脂を射出成形して形成された一端が開放され他端がレンズ部により塞がれた筒状部材とを備え、リードフレームの光電変換素子の搭載部分が、筒状部材内に、光電変換素子とレンズ部とが調芯されて挿入され、筒状部材内に充填された熱硬化透明樹脂により、リードフレームが筒状部材に固定され光電変換素子が封止されていることを特徴とする。
【０００８】
筒状部材の熱硬化透明樹脂との接触面がオゾン処理されていることが好ましく、また、筒状部材を構成する透明樹脂がシクロオレフィン系樹脂であることが好ましい。このシクロオレフィン系樹脂は、ガラス転移温度が１２０℃以上であり、湿熱環境下における吸水
率が０.３％未満であるとよい。さらに、筒状部材内に充填する熱硬化透明樹脂は、エポキシ系樹脂、シロキサンとオレフィン系樹脂との共重合体樹脂、または、環状ポリシロキサンとシクロオレフィン系樹脂との共重合体樹脂であることが好ましい。また、上記熱硬化透明樹脂は、ガラス転移温度が１２０℃以上であり、湿熱環境下における吸水率が０.４％未満であるとよい。
【０００９】
本発明は、光モジュールの作製方法の形態とすることができ、本作製方法は、透明樹脂を射出成形して、一端が開放され他端がレンズ部により塞がれた筒状部材を形成し、該筒状部材内に、光電変換素子が搭載されたリードフレームの光電変換素子の搭載部分を、レンズ部と調芯して挿入し、筒状部材内に熱硬化透明樹脂を充填し、該熱硬化透明樹脂により、リードフレームと筒状部材とを固定し光電変換素子を封止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光モジュールのレンズ部の形成工程と、光電変換素子の封止工程とを別としたため、レンズ部が不良となっても、光電変換素子等を廃棄する必要がないので、光モジュールの廃棄損失を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の光モジュールの一例を説明する図である。
【図２】従来の光モジュールの一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１（Ａ）は、本発明の光モジュールの一例の斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の光モジュールを構成するリードフレーム及びシェルの斜視図である。
本発明の光モジュールは、図１（Ａ）の参照符号１で例示するように、ＬＤ等の光電変換素子２が搭載されたリードフレーム３と、透明樹脂を射出成形して形成されたレンズ部４ａを有する筒状部材であるシェル４とを備え、光電変換素子２から出射した光をレンズ部４ａで集光し、不図示の光ファイバに光結合させる。
【００１３】
シェル４は、図１（Ｂ）に示すように、一端がレンズ部４ａにより塞がれているが、他端は開口４ｂにより開放されている。光モジュール１は、リードフレーム３をシェル４の開口４ｂから挿入し光電変換素子２とレンズ部４ａとを調芯するように位置合わせし、その状態で、リードフレーム３とシェル４との間に熱硬化型の透明樹脂５（図１（Ａ）参照）を充填し加熱し、シェル４に対してリードフレーム３を固定して作製する。
以上のような構成により、光電変換素子２を封止するので、たとえレンズ部４ａに不良があったとしても、光電変換素子２やリードフレーム３まで廃棄する必要がなく、廃棄損失が少ない。
【００１４】
なお、光電変換素子２とレンズ部４ａとの調芯、すなわち、リードフレーム３のシェル４に対する位置合わせは、シェル４の内部形状をリードフレーム３の形状に合わせたものとしておきパッシブアライメントにより行ってもよいし、透明樹脂５の充填前にシェル４の内部でリードフレーム３を自由に動かすことができるようにシェル４を形成しておきアクティブアライメントにより行ってもよい。勿論、アクティブアライメントの方が、光結合効率の点では、樹脂成形の金型精度により左右されないので好ましい。
【００１５】
また、レンズ部４ａは、非球面レンズや位相シフトレンズ、フレネルレンズ等のいずれかとして機能するような形状に形成される。シェル４の材料である透明樹脂の温度変化により、透明樹脂固有の屈折率が変化するので、レンズ部４ａがフレネルレンズとして機能するようシェル４を作製することが好ましい。
【００１６】
このような光モジュール１において、シェル４の内面の透明樹脂５の塗布面に、オゾン処理をしておくことが好ましい。これは、一般的に有機材料は空気中の浮遊物質により汚染を受け易く、オゾン処理を行わないと、衝撃等によりシェルと透明樹脂５との間に剥離が生じ、特性悪化に至ることがあるためである。特に、後述のようにシェル４を構成する透明樹脂（以下、外側透明樹脂）としてシクロオレフィン系樹脂を用いる場合、通常の状態では、充填固定用の透明樹脂（以下、内側透明樹脂）５に用いる樹脂（例えばエポキシ樹脂）との接着性が悪いので、オゾン処理によって、シェル４（外側透明樹脂）の内側透明樹脂５との接触面の活性状態を高めておくとよい。言い換えれば、筒状部材４の内部（空洞部分）を充填する役割を果たす熱硬化透明樹脂５と当該筒状部材４の接触面（筒状部材の内側側面）がオゾン処理されていることが好ましい。
【００１７】
シェル４を構成する外側透明樹脂としては、一般的に用いられるシリコン樹脂ではなく、安価で射出成形可能なシクロオレフィン系樹脂が好ましい。シクロオレフィン系樹脂で構成することで、耐候性に関しシリコン樹脂と同等の性能を得ることができ、且つ、シリコン樹脂には無い吸湿・透湿性が得られ後述のように高い信頼性を得ることができ、さらに、シリコン樹脂では容易には実現できない機械物性（例えば、弾性率や低線膨張係数、他ポリマーとの接着強度）を得ることができる。
【００１８】
外側透明樹脂を構成するシクロオレフィン系樹脂としては、ガラス転移温度が１２０℃以上であって、湿熱下における吸湿率が０.３％未満であるものが好ましい。その理由については後述する。上記条件を満たすシクロオレフィン系樹脂は、例えば、日本ゼオン製のＺＥＯＮＥＸ：５２ＲやＺＥＯＮＥＸ：Ｅ４８Ｒがある。なお、ガラス転移温度とは、一般的にはポリマーがガラス状態からゴム状態等に転移する温度のことを表し、例えば、粘弾性評価装置（装置名：ＲＳＡII、Rheometrics社製）の分析手段を用い、当該ポリマーを板状サンプル形態で計測することができる。また、「湿熱下における吸湿率」とは、ここでは、８５℃で湿度８５％の環境下に１００時間に亘って当該物質のサンプル片（１０×１０×１ｍｍ）を曝した後にカールフィッシャー法により求めた吸水率のことである。
【００１９】
また、充填固定用の内側透明樹脂５としては、（ア）エポキシ樹脂、（イ）ポリシロキサンとオレフィン系樹脂との共重合体、或いは（ウ）環状ポリシロキサンとシクロオレフィン系樹脂との共重合体が好ましく、より具体的には、ガラス転移温度が１２０℃以上であって、湿熱下における吸湿率が０.４％未満であるものが好ましい。上記条件を満たす（ア）は、例えば、多官能エポキシオリゴマー（≒変性エポキシ樹脂）と酸無水物とを主成分としその比率が４：２のエポキシ樹脂であり、また、上記条件を満たす（ウ）は、環状ポリシロキサンとシクロオレフィン系樹脂との共重合比が１：３の共重合体樹脂である。なお、より高い接着性を得る観点から、エポキシ樹脂よりもシェル４と比較的相溶性の高い（親和性の高い）環状ポリシロキサンとシクロオレフィン系樹脂との共重合体を選択するのが好ましい。
【００２０】
外側透明樹脂や内側透明樹脂５にガラス転移温度が１２０℃より低い材料を用いると、特に、光モジュールの使用上限温度（例：９５℃程度）で、高分子間に働く相互作用の力が減少し、水分子や空気を効果的に遮断できなくなり、その結果、水分子等を光電変換素子２の周囲に透過させてしまう。また、外側透明樹脂や内側透明樹脂５に吸水率が０.４％より高い値を示す材料を用いた場合、これら樹脂部分を超えて光電変換素子に到達し当該光電変換素子周囲で留まる割合が多くなり、光電変換素子が劣化する可能性がより一層高まることになる。
それゆえ、上述のパラメータを満たす樹脂材料（高温高湿環境でも透湿性が高く、加水分解の発生し難い材料）を、外側透明樹脂や内側透明樹脂５に用いることが好ましい。
【００２１】
以下、図１の光モジュール１の作製方法の一例について、外側透明樹脂としてシクロオレフィン系樹脂を用いる例で説明する。
【００２２】
（１）射出成形によるシェル４の成形
射出成形機を用いてシェル４を成形するには、まず、熱可塑性透明樹脂（シクロオレフィン系樹脂）を高温度（１５０〜２５０℃）で安定して溶融軟化する。実際には、材料供給部より、一定量の樹脂をスクリュー内部へ運び、所定の温度で十分加熱・混練する。その後、樹脂計量部に溶融した熱可塑透明樹脂を送り、プランジャが所定距離後退する毎に正確な樹脂量が計量され、その後高速で前進することで圧力を加え、樹脂計量部の先に存在するノズルを介して、金型内に当該透明樹脂を注入する。
【００２３】
なお、１回のショットに必要な樹脂量を正確に計量する。また、透明樹脂に射出圧力を加えて金型に充填させる際、当該樹脂の粘度が上昇するが、この粘度上昇を極力抑制し、射出圧力が十分作用するように成形条件を決定して行う。
【００２４】
出来上がったシェル４については、不良となっていないか検査を行う。検査は、少なくとも、シェル４のレンズ部４ａの形状、リードフレーム３が挿入される凹所４ｃの形状にについて行う。
【００２５】
（２）シェル（円筒筐体）４の内面処理
シェル（円筒筐体）４を構成するシクロオレフィン系樹脂と、充填固定する内側透明樹脂との接着性を高めるため、シェル４の内周面をオゾン処理する。この処理は、シェル内部のみが選択的にオゾン雰囲気下に暴露されるように行う。これにより、シクロオレフィン系樹脂の内側最表層部分の活性状態が高まり、通常では実現し難いエポキシ樹脂等の異種材料との接着を実現できる。これは、例えば、内側透明樹脂としてエポキシ樹脂を充填したときに、シクロオレフィン系樹脂の上記内側最表層部にエポキシ樹脂が一定量注入され、その後一定温度で熱養生させることで、接着強度が高くなるからである。
【００２６】
（３）シェル４へのリードフレーム３の挿入・エポキシ樹脂等の内側透明樹脂５を用いた固定
上記３までの工程で作製したシェル４に、光電変換素子２が搭載されたリードフレーム３を挿入し位置合わせする。その後、所定量の透明なエポキシ樹脂等の内側透明樹脂５のをシェル４とリードフレーム３との間に注入し（エポキシ樹脂等をポッティングするイメージ）、その後一定温度で上記樹脂５を熱硬化（熱養生）する。これにより、リードフレーム３の光電変換素子２の搭載部分が透明樹脂（内側：エポキシ樹脂、外側：シクロオレフィン系樹脂）で覆われ、光モジュール１は完成する。なお、内側透明樹脂５の注入量は、リードフレーム形状及び熱硬化時（正確には冷却時）の熱応力を考慮して決定する（概ね０.１ｍｇ）。
【００２７】
内側透明樹脂５の熱硬化条件は、その樹脂自体の性能に左右されるが、シェル４を構成するシクロオレフィン系樹脂の耐熱温度（Ｔｇ≒１５０℃程度）を考慮に入れた場合、１２０℃程度が望ましい。これは、熱硬化段階で１２０℃以上の高い温度（例：１４０℃以上）が付与されると、熱硬化温度から常温に低下する際に、例えば、光電変換素子２や当該素子２に打たれたワイヤに大きな熱応力が付与され素子不良に陥ったり、或いは当該シェル４を構成する外側樹脂が、高温下に長時間暴露されることで大規模に可塑化し、大変形する等の弊害を生じることが考えられるからである。
【００２８】
一方で、熱硬化温度が低い場合（例：１００℃程度）には、一般的にかかる熱硬化型樹脂のガラス転移温度は低い値を示す為、当該樹脂で封止された光モジュールを用いた場合、高温下で光モジュールに悪影響を与える可能性がある。そして、熱硬化温度が低くガラス転移温度の高い樹脂の場合、硬化反応を完全に終了させるのに長時間（数十時間程度）を要することになり、工業上デメリットが大きいことが考えられるので、上記熱硬化条件を１２０℃×３時間とし、必要に応じてポストキュアをさせてもよい。
【００２９】
外側透明樹脂と内側透明樹脂を幾つか組み合わせて上述の方法で作製した光モジュール（実施例１，２と比較例１〜５）について、温度が８５℃で湿度が８５％の湿熱環境下に５００時間に亘って曝す前と後でのレーザパワーの減衰率を計測した結果（ＤＨ試験結果）を、用いた透明樹脂の物性（吸水率やガラス転移温度）と共に表１に示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表中のシクロオレフィンＩは日本ゼオン製（ＺＥＯＮＥＸ：５２Ｒ）のシクロオレフィン系樹脂であり、シクロオレフィンIIは日本ゼオン製（ＺＥＯＮＥＸ：５２Ｒ）のシクロオレフィン系樹脂であり、シクロオレフィンIIIはＪＳＲ製ＡＲＯＴＯＮ（型番：ＦＸ４７２７）、シクロオレフィンIVはＪＳＲ製ＡＲＯＴＯＮ（型番：ＦＸ４５２０）、シクロオレフィンＶはＪＳＲ製ＡＲＯＴＯＮ（環状ポリシロキサンとシクロオレフィン系樹脂との共重合体樹脂）である。また、エポキシ樹脂Ｉ〜IIIは、多官能エポキシオリゴマー（≒変性エポキシ樹脂）と酸無水物とを主成分とするエポキシ樹脂で、それぞれオリゴマーと酸無水物の比率が４：２（エポキシ樹脂Ｉ），５：１（エポキシ樹脂II），３：３（エポキシ樹脂III）の樹脂である。なお、比較例４，５の光モジュールの作製に際しオゾン処理は行っていない。
【００３２】
表から分かる通り、本発明の実施例１の光モジュールすなわち外側透明樹脂にシクロオレフィンＩ（吸水率０.２％，ガラス転移温度１５０℃）を用い内側透明樹脂にシクロオレフィンＶ（吸水率０.２％，ガラス転移温度１３５℃）を用いた光モジュールでは、レーザパワーの減衰率が０.５ｄＢ以下であり、非常に良好であった。実施例２である光モジュールすなわち外側透明樹脂にシクロオレフィンII（吸水率０.２％，ガラス転移温度１４０℃）を用い内側透明樹脂にエポキシ樹脂Ｉ（吸水率０.２％，ガラス転移温度１２５℃）を用いた光モジュールについても、レーザパワーの減衰率が０.５ｄＢ以下であり、非常に良好であった。
【００３３】
一方、比較例１の光モジュールすなわち内側透明樹脂にエポキシ樹脂II（ガラス転移温度９０℃）を用いた光モジュールでは、レーザパワーの減衰率が３ｄＢと非常に悪い。これは、内側透明樹脂であるエポキシ樹脂IIのガラス転移温度が低く且つ試験温度（８５℃）に近いため、内側透明樹脂の熱分解反応が進行した結果、電気光学特性が悪化したためと思われる。
【００３４】
比較例２の光モジュールすなわち外側透明樹脂にシクロオレフィンＩ（ガラス転移温度１５０℃）を用い内側透明樹脂にエポキシ樹脂III（ガラス転移温度１５５℃）を用いた光モジュールでは、レーザパワーの減衰率が１.０ｄＢと悪い。これは、内側透明樹脂であるエポキシ樹脂IIIのガラス転移温度が高いので硬化温度も高くなり（硬化温度≒１７０℃）、光モジュールの作製段階で外側透明樹脂（シェル）が溶融・変形等した結果、電気光学特性が悪化したためと思われる。
【００３５】
比較例３の光モジュールすなわち外側透明樹脂にシクロオレフィンIII（吸水率０.８％）を用いた光モジュールでは、レーザパワーの減衰率が１.５ｄＢと悪い。これは、外側透明樹脂（シェル）であるシクロオレフィンIIIが吸水率の高い化学構造（末端部にエステル結合等有）を有し試験時に加水分解反応を招き易くなっているため、試験時にシェルが劣化反応し、その結果、電気光学特性が悪化したためと思われる。
【００３６】
比較例４の光モジュールすなわち外側透明樹脂にシクロオレフィンIV（ガラス転移温度１０５℃）を用い内側透明樹脂にエポキシ樹脂Ｉ（ガラス転移温度１２５℃）を用いオゾン処理を行っていない光モジュールでは、レーザパワーの減衰率が３.５ｄＢと非常に悪い。これは、内側透明樹脂であるエポキシ樹脂Ｉのガラス転移温度が外側透明樹脂であるシクロオレフィンIVのガラス転移温度に比べて高いため、外側透明樹脂のガラス転移温度に比して内側透明樹脂の硬化温度も高くなり（硬化温度≒１３０℃）、熱可塑材料である外側透明樹脂（シクロオレフィンIV）で構成されるシェルが溶融・変形等するので、電気光学特性が悪化したためと思われる。更に、外側透明樹脂に対してオゾン処理も実施していないため、比較例中で最も電気光学特性が悪くなっていた。
【００３７】
比較例５（本発明の実施例３）の光モジュールすなわち外側透明樹脂と内側透明樹脂に実施例２と同じものを用い実施例２のものと異なり外側透明樹脂に対してオゾン処理をしていない光モジュールは、レーザパワーの減衰率が０.８ｄＢであり実施例２のものに比べ少し高い。これは、オゾン処理を行っていないので、外側透明樹脂における内側透明樹脂との接触部分の表面改質がなされていないため、その結果、外側透明樹脂と内側透明樹脂との界面に剥離等が生じて、電気光学特性が若干悪化したためと思われる。
【００３８】
これら実験結果に基けば、本発明の光モジュールには、外側透明樹脂と内側透明樹脂として、ガラス転移温度が光モジュールの使用上限温度（例：９５℃程度）より高く１２０℃以上であるものを用いることよく、また、外側透明樹脂として、内側透明樹脂よりガラス転移温度が５℃以上（より好ましくは１５℃以上）高いものを用いるとよい。また、外側透明樹脂として、湿熱環境下における吸水率が０.３％未満のものを用いるとよく、内側透明樹脂として、湿熱環境下における吸水率が０.４％未満のものを用いるとよい。さらに、外側透明樹脂にはオゾン処理を施しておくことが好ましい。
【符号の説明】
【００３９】
１…光モジュール、２…光電変換素子、３…リードフレーム、４…シェル、４ａ…レンズ部、４ｂ…開口、４ｃ…凹所、５…透明樹脂。
【図１】
2011100781.tif 000004
【図２】
2011100781.tif 000005