(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接プロセス中のサブミクロンレベルの移動を防止できるフォトニックコンポーネントまたは光エレクトロニクスコンポーネントの溶接接合方法を提供する。【解決手段】(ｉ)少なくとも２つのコンポーネント１０，２０を提供する工程、(ii)これらのコンポーネント１０，２０を、(ａ)これらのコンポーネントの間の光結合を与え、(ｂ)コンポーネントの隣接部分の間隔ｄを、０〜１００μｍに維持するために、互いに対して位置合わせし、相互に密接させて配置する工程、(iii)これらのコンポーネント１０，２０の間の光結合を維持しながらこれらのコンポーネント１０，２０を接着剤で相互に接着させる工程、及び(iv)これらのコンポーネント１０，２０の間の光結合を維持しながらこれらのコンポーネント１０，２０をレーザ溶接し、合わせる工程を含む、コンポーネントを集成する方法。【選択図】図１Ａ
2015045875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光素子を有する光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネントを集成する方法において、前記方法が、
(ｉ)  少なくとも２つの光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネントを提供する工程、
(ii)  前記光エレクトロニクスコンポーネント及び／または前記フォトニックコンポーネントを、
(ａ)  隣接する前記コンポーネントの間における光路により有効となる、前記コンポーネントの間の光結合を与え、
(ｂ)  前記コンポーネントの隣接部分の間隔ｄを、０μｍ≦ｄ≦１００μｍに、維持する、
ために、互いに対して位置合わせし、相互に密接させて配置する工程、
(iii) 前記コンポーネントを、
(ａ)  前記少なくとも２つのコンポーネントが複数の接着剤スポットによって相互に連結され、前記接着剤スポットが互いに対して対称に配置されるように、前記コンポーネントの間における前記光路ではない、前記コンポーネントの間の境界の外周縁に沿って接着剤を塗布し、
(ｂ)  前記コンポーネントの間の光結合を維持しながら前記接着剤を硬化または固化させる、
ことによって、相互に接着させる工程、及び
(iv)  前記コンポーネントの間の光結合を維持しながら前記コンポーネントをレーザ溶接し合わせる工程であって、前記レーザ溶接が、前記コンポーネントの間の光結合面から１ｍｍ以内の溶接面において行われる工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記溶接面は、前記光結合面と一致することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザ溶接工程が生じさせる隣接するコンポーネントのいずれの１つの位置のシフトも１μｍより小さく、レーザ溶接中に前記光結合が、少なくともある程度は、前記硬化または固化した接着剤の構造剛性によって維持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記接着剤の特徴が、５ＧＰａ〜１００ＧＰａの剛性率、１秒〜９０秒の硬化時間及び硬化中の１μｍ未満の収縮Ｃであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記接着剤が、ＵＶ硬化性エポキシ樹脂、熱硬化性エポキシ樹脂、熱可塑性接着剤、熱硬化性接着剤、シアノアクリレート、ポリウレタン、シリコーンまたはポリイミドからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザ溶接工程が、直径が５０μｍ〜１ｍｍの溶接スポットを少なくとも１つ形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
(ｉ)  前記コンポーネントを前記接着剤を用いて相互に接合させる前に、前記コンポーネント間の光出力パワーまたは光結合効率を測定する工程、及び
(ii)  前記コンポーネントを前記接着剤を用いて相互に接着させながら、前記コンポーネント間の光出力パワーまたは光結合効率を測定する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
(ｉ)  前記コンポーネントを前記接着剤を用いて相互に接合させる前に、前記コンポーネント間の光出力パワーＰ１または光結合効率Ｅ１を測定する工程、及び
(ii)  前記コンポーネントを相互にレーザ溶接している間、
(ａ)  溶接後の光出力パワーＰ２がＰ２≧０.９Ｐ１であるように、前記光出力パワーを、または
(ｂ)  溶接後の前記コンポーネント間の光結合効率Ｅ２がＥ２≧０.９Ｅ１であるように、前記光結合効率を、
維持する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
(ｉ)  前記コンポーネントを前記接着剤を用いて相互に接合させる前に、前記コンポーネント間の光出力パワーＰ１または光結合効率Ｅ１を測定する工程、
(ii)  前記コンポーネントを前記接着剤を用いて相互に接合させながら、前記コンポーネント間の光出力パワーＰａまたは光結合効率Ｅａを測定する工程、
(iii)前記接着剤を硬化または固化させながら、前記コンポーネント間の光出力パワーＰＣまたは光結合効率ＥＣを測定する工程、及び
(iv)  前記コンポーネントを相互にレーザ溶接しながら、前記コンポーネント間の光出力パワーＰｗまたは光結合効率Ｅｗを測定する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶接がパルスＮｄ:ＹＡＧレーザを用いて実施されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記溶接が、溶接スポットあたり０.５Ｊ〜２.５ＪでＮｄ:ＹＡＧレーザを動作させ、１〜５ミリ秒のレーザパルス幅を用いて溶接することによって実施され、レーザスポットの直径が２５０μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
デバイスにおいて、
(ｉ)  互いに近接して配置された、それぞれが少なくとも１つの光素子を有する、少なくとも２つのコンポーネントを有し、
(ii)  前記少なくとも２つのコンポーネントの内の少なくとも１つのコンポーネントの前記少なくとも１つの光素子が前記少なくとも２つのコンポーネントの内の別の１つのコンポーネントの前記少なくとも１つの光素子に光結合されており、
(iii) 前記２つのコンポーネントの間に形成された境界の周縁に配置されている、少なくとも１つの溶接スポット及び複数の接着剤スポットを有し、前記少なくとも１つの溶接スポットが、前記コンポーネント間の光結合面から１ｍｍ以内の溶接面に位置する、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項１３】
前記溶接面は、前記光結合面と一致することを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記接着剤が、ＵＶ硬化性または熱硬化性の接着剤、熱可塑性接着剤、シアノアクリレート、ポリウレタン、シリコーンまたはポリイミドであることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの溶接スポットが２５０μｍ〜１ｍｍの断面を有し、前記少なくとも２つのコンポーネントが前記複数の接着剤スポットによって相互に連結され、前記接着剤スポットが互いに対して対称に配置されることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には改善された溶接接合方法に関し、さらに詳しくは、フォトニックコンポーネントまたは電気光学コンポーネントの溶接接合方法及びそのような溶接接合されたコンポーネントを有するデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニックデバイスまたは光エレクトロニクスデバイス(例えばレーザベースまたはＬＥＤベースの可搬型または据付型のプロジェクタ)に対する需要が急速に増大するにともなう、そのようなデバイスの集成における最大の課題の１つは、様々なコンポーネントを、それぞれのコンポーネント間の光結合を高めるように相互に連結または結合させ、集成デバイスの性能を時間の経過にかけて、また温度変動時に、維持することである。
【０００３】
レーザ溶接はフォトニックコンポーネントの集成における様々な用途に用いられている。溶接中に、溶接部の急速な固化及びそれにともなう材料の収縮により、あらかじめ位置合せされたコンポーネント間の相対移動(プロセス誘起位置ずれ)が生じ得る。これは溶接後シフト(ＰＷＳ)とも称される。光出力パワー及び／または溶接されたフォトニックコンポーネントまたは光エレクトロニクスコンポーネント間の光結合効率は、ＰＷＳによってかなり低下し得る。
【０００４】
航空及び自動車の分野で以前から接着剤結合と溶接の複合使用が考えられている。そのような分野では、大面積金属シートが、構造／強度特性を得るために、貼り合わされ、溶接される。このプロセスは溶接接合と称される。接着剤が金属シートの間に挟み込まれ、引き続いてシート間で溶接が実施される。溶接は瞬間強度及び高い耐剥離性という利点を与え、接着剤接合は耐疲労性及び耐振動性並びに向上した強度及び耐久性を与える。注目点は、高精度位置合せあるいはコンポーネント間光結合ではなく、大面積接合及び構造要件にある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、発明者等の知る限り、溶接接合技術は溶接プロセス中の接合部品のサブミクロンレベルの移動の防止に適用されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様にしたがえば、光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネントを集成する方法が提供され、本方法は、(ｉ)少なくとも２つの光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネントを提供する工程、(ii)これらの光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネントを、(ａ)これらのコンポーネントの間の光結合を与え、(ｂ)コンポーネントの隣接部分の間隔ｄを、０μｍ≦ｄ≦１００μｍに、維持するために、互いに対して位置合わせし、相互に密接させて配置する工程、(iii)これらのコンポーネントの間の境界に接着剤を布置し、これらのコンポーネントの間の光結合を維持しながら、接着剤を硬化または固化させることによって、これらのコンポーネントを接着剤で相互に接着する工程、及び(iv)これらのコンポーネントをレーザ溶接する工程を含む。少なくとも１つの実施形態にしたがえば、レーザ溶接は２つのコンポーネントの間の境界線において実施される。レーザ溶接工程は、直径が少なくとも約５０μｍ〜１ｍｍの、少なくとも１つの溶接スポット(すなわち溶接ビード)を形成することが好ましい。
【０００７】
レーザ溶接工程によって生じる隣接コンポーネントの相対位置のシフトは１μｍ未満であることが好ましく、０.５μｍ未満であることがさらに好ましい。
【０００８】
接着剤は、５ＧＰａ≦Ｒ≦１００ＧＰａの範囲の剛性率及び１秒と９０秒の間の硬化時間を特徴とすることが好ましい。硬化または固化中の接着剤の収縮(すなわち硬化時の線収縮)は１μｍ未満であることが好ましい。例えば、エポキシ接着剤厚の収縮は、いくつかの実施形態においては１０％未満であり、いくつかの実施形態においては５％未満であり、いくつかの実施形態においては１％未満である。接着剤は、急速硬化プロセス及び容易な集成プロセスを支援するために、アクリレートのような、ＵＶ硬化性または熱硬化性のエポキシ樹脂から選ばれることが好ましい。
【０００９】
本発明の別の実施形態にしたがえば、デバイスは、(ｉ)互いに近接して配置された、それぞれが少なくとも１つの光素子(すなわち、光学素子、電気光学素子またはフォトニック素子)を有する、少なくとも２つのコンポーネント、(ii)少なくとも２つのコンポーネントの内の少なくとも１つのコンポーネントの、少なくとも２つのコンポーネントの内の別の１つのコンポーネントの少なくとも１つの光素子に光結合されている、少なくとも１つの光素子、及び(iii)２つのコンポーネントの間に形成された境界の周縁に配置された、少なくとも１つの溶接スポット及び少なくとも１つの接着剤スポット、を有する。
【００１０】
本発明の実施形態にしたがう、光コンポーネント、光エレクトロニクスコンポーネントまたはフォトニックコンポーネントをパッケージに集成する方法は、高歩留を与え、比較的低コストで実施することができ、これらのコンポーネントの溶接後シフトを最小にしか(または全く)生じさせない点で、有用である。
【００１１】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明で述べられ、少なくともある程度は、当業者にはその説明から明らかであろうし、あるいは以下の詳細な説明及び添付される特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
【００１２】
上記の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす、図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは本発明の一実施形態の略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは本発明の一実施形態の略図である。
【図２Ａ】図２Ａは本発明の一実施形態の略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは本発明の一実施形態の略図である。
【図３】図３は本発明の一実施形態の別の略図である。
【図４Ａ】図４Ａは本発明の別の実施形態の図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは本発明の別の実施形態の図である。
【図５】図５は、図４Ａのデバイスについて、温度変動及び出力パワー変動を時間の関数として示すグラフである。
【図６】図６は超音波振動中の出力パワー変動を、時間の関数として示す、グラフである。
【図７】図７は溶接接合されている２つのコンポーネントの略図である。
【図８】図８は、図７に簡略に示される、軸対称代用試験品の機械的変位の測定値を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
その例が添付図面に示される、本発明の現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。本発明のデバイスの一実施形態が図１に簡略に示され、図面を通して、全体として参照数字１０で指定される。図２Ａは集成されたデバイスの例の略図であり、図２Ｂは図２Ａに示されるデバイス１０の拡大領域を示す。デバイス１０は、(ｉ)互いに近接して配置された、それぞれが少なくとも１つの(本明細書で光素子２１と称される)光学素子、フォトニック素子または光エレクトロニクス素子２１を有する、少なくとも２つのコンポーネント２０(例えば光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネント)、(ii)２つのコンポーネントの間に形成された境界２５の周縁に布置された少なくとも１つの接着剤２３のスポット(接着剤ビード)、及び(iii)２つのコンポーネントの間に形成された界面または境界２５の周縁に配置された少なくとも１つの溶接スポット２８を有する。２つのコンポーネントの内の少なくとも一方のコンポーネントの光素子２１は他方のコンポーネントの少なくとも１つの光素子２１と光結合される。２つの光素子２１は相互に光結合されるが、相互に物理的に接触していてもいなくても差し支えない。光素子２１のいくつかの例は、(ファイバまたはプレーナ型)導波路、レンズ、レンズ付ファイバ、光回折格子、光フィルタ、光カプラ、光スイッチまたは電気光学スイッチ、光周波数２逓倍結晶、レーザダイオード及び／または光アイソレータである。接着剤２３は、５ＧＰａ≦Ｒ≦１００ＧＰａの範囲の剛性率及び(例えば１秒と９０秒の間の)急速な硬化速度を特徴とすることが好ましい。硬化または固化中の接着剤の収縮(すなわち硬化時の線収縮)は１μｍ未満であることが好ましい。例えば、エポキシ接着剤厚の収縮は、いくつかの実施形態においては１０％未満であり、いくつかの実施形態においては５％未満であり、いくつかの実施形態においては１％未満である。
【００１５】
本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、(本明細書でコンポーネントとも称される)光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネント２０を集成する方法は、(ｉ)少なくとも２つの光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネント２０を提供する工程、(ii)これらの光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネントを、(ａ)これらのコンポーネント２０の間の光結合を与え、(ｂ)コンポーネントの隣接部分の間隔ｄを０(コンポーネントは相互に物理的に接触している)から１００μｍに維持するために、互いに対して位置合わせし、相互に密接させて配置する工程、(iii)２つのコンポーネント２０の間の光結合を維持しながら、２つのコンポーネント２０を接着剤２３(例えば、ＵＶ硬化性または温度硬化性のエポキシ樹脂)で、(ａ)２つのコンポーネントが接着剤２３によって物理的に接触するように２つのコンポーネント２０の間の境界２５に接着剤２３をおき、(ｂ)接着剤２３を硬化または固化させることによって、相互に接着または結合させる工程、及び(iv)集成デバイス１０を作製するために、これらのコンポーネントを境界２５において(例えば境界の周縁に沿って)レーザ溶接する工程を含む。レーザ溶接によって、断面が例えば５０μｍ〜１ｍｍ(例えば直径が２００μｍ〜６００μｍ)の、溶接スポット２８が形成される。プロセスのレーザ溶接工程中に複数の(本明細書では溶着スポットとも称される)溶接スポットが形成されることが好ましい。接着剤にＵＶ硬化が必要であれば(例えばＵＶ硬化性エポキシ樹脂であれば)、２つのコンポーネント２０を接着剤２３で接着し合わせる工程はこれらのコンポーネント２０の間の永久接合を形成するために接着剤２３をＵＶ硬化させる工程を含む。(固化または硬化した)接着剤２３の構造剛性によって、レーザ溶接中に光学的位置合せ及び／または光結合が維持される。本明細書に用いられるように、術語「光結合」は、２つのコンポーネントの一方(例えば第１のコンポーネント)の光素子に光が与えられると(または与えられたときに)、光が他方のコンポーネントの光素子に入り、次いでこの他方のコンポーネントの光素子から出るであろうように、２つのコンポーネントが位置合せされることを意味する。したがって、２つのコンポーネントまたは２つの光素子は、２つのコンポーネントの一方(例えば第１のコンポーネント)の光素子に光が与えられていないときであっても、光が与えられれば一方の素子から他方の素子に光が結合するであろうように２つのコンポーネントまたは２つの光素子が位置合せされて配置されているから、相互に光結合されているとすることができる。溶接された２つのコンポーネントのいずれの位置のレーザ溶接工程によって生じるシフトも１μｍ未満であることが有用である。２つのコンポーネント２０の相対シフトは１μｍより大きくはないことが好ましい。そのような小さいシフトは光結合効率Ｅまたは光出力パワーＰを大きく変化させることはなく、光出力パワーＰの変化は(入力光パワーが同じレベルに維持されるとすれば)２０％以内に抑えられることが好ましく、１０％以内に抑えられることがさらに好ましい。すなわち、レーザ溶接工程前の光パワースル���プットをＰ１とし、レーザ溶接後の光パワースループットをＰ２として、Ｐ２≧０.８Ｐ１であることが好ましく，Ｐ２≧０.９Ｐ１であることがさらに好ましい。Ｐ２≧０.９５Ｐ１であることがさらに一層好ましい。このパワー変化は溶接後シフトに関係し、位置合せされた光素子間の相対シフト及びそれぞれの光ビーム特性に依存する。注目する多くの光デバイス、フォトニックデバイスまたは光エレクトロニクスデバイス(例えばレーザダイオード及び単一モード導波路)において、ビーム径は約１μｍ〜約１０μｍの範囲にあり、Ｐ１からＰ２への相対変化を、好ましくは２０％未満、さらに好ましくは１０％未満に、抑えるためには、ＰＷＳをサブミクロンレベルに制限することが好ましい。光結合効率Ｅの変化も２０％以内、好ましくは１０％以内に維持される。５％以内に抑えられることがさらに好ましい (Ｅ＝Ｐ出力/Ｐ入力；Ｐ入力は２つのコンポーネントの内の一方の光素子に与えられる入力光パワーであり、Ｐ出力は他方のコンポーネントの光素子によって与えられる出力光パワーである。) 。すなわち、レーザ溶接工程前の光結合効率をＥ１とし、レーザ溶接後の光パワースループットをＥ２として、Ｅ２≧０.８Ｅ１であることが好ましく，Ｅ２≧０.９Ｅ１であることがさらに好ましい。Ｅ２≧０.９５Ｅ１であることがさらに好ましい。
【００１６】
いくつかの実施形態にしたがえば、接着剤はエポキシ樹脂であり、２つ(ないしさらに多くの)コンポーネントを相互に接着させる工程は、２つの隣り合うコンポーネント２０の間に永久的接合を形成するためにエポキシ樹脂２３の剛性を変化させる工程を含む。これは、例えば塗布された接着剤２３の剛性を高めていずれのコンポーネントにも固着させるために接着剤２３をＵＶ硬化させることによって、行うことができる。接着剤２３は、液体形態で塗布され、熱にさらされると固化する、熱硬化性接着剤とすることができる。あるいは、接着剤２３は、後に室温にさらされると固化する(剛性がさらに高くなる)、高温液体として塗布することができる。接着剤は塗布後数秒以内に(例えば、１秒〜９０秒、１秒〜６０秒または５秒〜４５秒で)剛性が変化し(固化または硬化し)、よって２つのコンポーネントを、２つのコンポーネント位置合せを所望のレベルに維持したまま、接合させることが好ましい。
【００１７】
いくつかの実施形態にしたがえば、本方法は、(ｉ)コンポーネント２０をエポキシ樹脂で相互に接合する前にコンポーネント２０間の光出力パワーまたは光結合効率を測定する工程、及び(ii)コンポーネント２０をエポキシ樹脂２３で相互に接合させながらコンポーネント２０間の光出力パワーまたは光結合効率を測定する工程も含む。いくつかの実施形態にしたがえば、本方法は、(ｉ)コンポーネント２０をエポキシ樹脂で相互に接合させる前にコンポーネント２０間の光出力パワーまたは光結合効率を測定する工程、及び(ii)コンポーネント２０を相互に溶接しながらコンポーネント２０間の光出力パワーまたは光結合効率を測定する工程を含む。
【００１８】
光結合効率Ｅは、２つの光素子が相互に光結合されているときの、一方のコンポーネント２０の光素子からの入力光パワー(Ｐ入力)と他方のコンポーネント２０の光素子からの出力光パワー(Ｐ出力)の間の比として定義される(すなわちＥ＝Ｐ出力/Ｐ入力)。したがって、２つのコンポーネント２０を接着剤２３を用いて２つのコンポーネント２０を相互に接合させる前の２つのコンポーネント２０の間の結合効率Ｅ１はＥ１＝Ｐ１/Ｐ入力である。同様に、接着剤２３を硬化または固化させている間の、同じ２つのコンポーネントの間の結合効率ＥＣはＥＣ＝ＰＣ/Ｐ入力である。同様に、同じ２つのコンポーネントを相互にレーザ溶接している間の、コンポーネント間の結合効率Ｅ２はＥ２＝Ｐ２/Ｐ入力である。
【００１９】
例えば、いくつかの実施形態にしたがえば、本方法は、(ｉ)接着剤２３を用いて２つのコンポーネント２０を相互に接着させる前に、光出力パワーＰ１または２つのコンポーネント２０間の結合効率Ｅ１を測定する工程、(ii)接着剤２３を用いて２つのコンポーネント２０を接着させている間に、光出力パワーＰａまたは２つのコンポーネント２０間の結合効率Ｅａを測定する工程、(iii)接着剤２３を硬化または固化させている間に、光出力パワーＰＣまたは２つのコンポーネント２０間の結合効率ＥＣを測定する工程、及び(iv)２つのコンポーネントを相互にレーザ溶接している間に、光出力パワーＰ２または２つのコンポーネント２０間の結合効率Ｅ２を測定する工程も含む。
【００２０】
光エレクトロニクスコンポーネント及び／またはフォトニックコンポーネント２０を集成する方法は、(ｉ)接着剤２３を用いて２つのコンポーネント２０を相互に接着または接合させる前に、光出力パワーＰ１または２つのコンポーネント２０間の結合効率Ｅ１を測定する工程、及び(ii)２つのコンポーネント２０を相互にレーザ溶接している間、光出力パワーＰ２または２つのコンポーネント２０間の光結合効率Ｅ２を、(ａ)溶接後の光出力パワーがＰ２≧０.８Ｐ１，好ましくはＰ２≧０.９Ｐ１であり、及び／または光結合効率がＥ２≧０.８Ｅ１，好ましくはＥ２≧０.９Ｅ１であるように、維持するために接着剤接合の機械的強度及び剛性を利用する工程をさらに含むことが好ましい。Ｐ２≧０.９５Ｐ１であることが好ましく、Ｐ２≧０.９７Ｐ１であることがさらに好ましい。Ｅ２≧０.９５Ｅ１であることが好ましく、Ｅ２≧０.９７Ｅ１であることがさらに好ましい。
【００２１】
いくつかの実施形態にしたがえば、レーザ溶接は、１〜５ｍｍ秒のパルス幅を用いて、２５０μｍ〜１ｍｍ(例えば４５０μｍ)のレーザスポット径により、溶接スポットあたり０.５Ｊ〜２.５Ｊで動作させる、波長が１０６４ｎｍのＮｄ:ＹＡＧレーザを用いて実施される。しかし、レーザ溶接は他のレーザ、例えば、波長が１０,６００ｎｍのＣＯ２レーザ、波長が５３２ｎｍの周波数２逓倍ＹＡＧレーザ、８１０ｎｍレーザ、または１.３μｍ〜１.５μｍの波長範囲で動作するＩＲレーザを用いて実施することもできる。
【００２２】
光コンポーネント２０は、金属(例えば鋼鉄またはアルミニウムの基板)、金属-セラミック複合材料、ガラス-セラミック材料、ガラス材料または高分子材料を含む、レーザ溶接を用いて接合させることができる材料で作製することができる。例えば、２つの金属コンポーネントの間、金属コンポーネントと金属-セラミック複合材料コンポーネントの間または２つのガラスコンポーネントの間の接合を形成するために接着剤２３を用いることができる。引き続いて、２つに接合されたコンポーネントを溶接し合わせるためにレーザ溶接が実施される。例えば、２つのガラスコンポーネントを、レーザ溶接中及びレーザ溶接後に所望の位置合せが維持されるように、相互に接着させた後にレーザ溶接し合わせることができる。
【００２３】
本発明にしたがう方法の有用な利点の１つは、溶接された２つのコンポーネント２０の間に生じるシフトがサブミクロンレベルであり、溶接されたコンポーネント間の光結合効率に最小限に変化しかおこらないことである。
【００２４】
すなわち、本明細書に説明される溶接接合の方法は、接合されたパーツの溶接プロセス中の移動を有効に防止し(いかなる残留移動もサブミクロンレベルに保たれ)、これは光エレクトロニクス用途またはフォトニック用途にとって特に有益である。
【００２５】
さらに詳しくは、接着剤接合によって、以降のレーザ溶接プロセス中の光エレクトロニクスサブアセンブリ(コンポーネント２０)の位置ずれを生じさせるであろう応力に対抗する剛性が与えられる。接合されたパーツの溶接プロセス中の相対移動を防止するためには、(１)レーザ溶接の力に抗する剛性Ｒ，ここで、好ましくはＲ＞１ＧＰａであり、さらに好ましくはＲ＞５ＧＰａであって、例えば、１０ＧＰａ≦Ｒ≦５０ＧＰａ，１５ＧＰａ≦Ｒ≦３０ＧＰａ，または１８ＧＰａ≦Ｒ≦２５ＧＰａ，(２)光エレクトロニクスサブアセンブリの初期エポキシ接着中にサブミクロンレベルの位置合せを維持するため、硬化中の無視可能または低い収縮Ｃ，ここでＣ＜１μｍ(好ましくはＣ＜０.５μｍ)，及び(３)低製造コストのための高速硬化、を接着剤が有する必要がある。例えば、いくつかの実施形態において、エポキシ接合厚の収縮は１０％未満であり、いくつかの実施形態では５％未満である。したがって、例えば、元のエポキシビード厚が２０μｍであった場合、硬化後のエポキシ接合厚が１９μｍを下回ることはなく、これはエポキシ厚の減少が５％未満であったことを意味する。硬化時間は、好ましくは９０秒より短く、さらに好ましくは６０秒をこえず(例えば１０〜６０秒)、さらに一層好ましくは１０秒より短くするべきである。本発明の用途に用いることができるエポキシ樹脂の例には、(例えば米国コロラド州ブレックンリッジ(Breckenridge)のElectronic Materials社から入手できる)商品名が‘Optocast’の充填エポキシ樹脂があるが、これには限定されない。この商品名のエポキシ樹脂はＵＶ硬化性及び／または熱硬化性のエポキシ成分にフィラー材料としてシリカが含まれている。剛性、硬化時間及び収縮に関する要件が満たされる限り、無充填エポキシ樹脂もこの目的に用いることができる。そのような材料には、例えば(米国ペンシルバニア州ハットフィールド(Hatfield)のSummers Optical社から入手できる)‘Lens Bond’ＵＶ硬化性エポキシ樹脂がある。これらのエポキシ樹脂は様々な粘度範囲で利用される。例えば、接着剤に対して非常に細い接合線または接合スポットの形成を容易にするために、粘度値が５０〜５００センチポアズ(０.０５〜０.５Ｐａ・秒)の範囲の低粘度接着剤を用いることができる。そのような接着剤は、２つのコンポーネントの間隔を狭く、例えばｄ≦５μｍに、することが必要である場合に好ましい。低粘度接着剤は２つのコンポーネントの間隙内に拡がることができ、さらに広い表面接触を提供する。しかし、低粘度接着剤がＵＶ硬化性であって、２つのコンポーネントの間に拡がる場合には、コンポーネントが透明でない限り、そのような接着剤を完全に硬化させることは困難であろう。さらに、そのような接着剤が光素子を汚染させるかまたは、光路まで拡がることで、光結合を妨げることがないように、注意を払う必要がある。したがって、高粘度接着剤、特に低収縮充填エポキシ樹脂が、そのような接着剤は光路までに拡がりにくいであろうし、光素子を汚染しにくいであろうから、好ましいであろう。高粘度接着剤の粘度値は５００〜１０００００センチポアズ(０.５〜１００Ｐａ・秒)の範囲とすることができる。以下の実施例において、発明者等は高粘度接着剤の使用を選択し、その接着剤を２���のコンポーネントの間の界面(または境界)の外側に塗布した。高粘度接着剤には、表面接触面積を広くするために比較的大きいビードで塗布することが必要になり得る。以下の実施例において、高濃度接着剤に対するビード径またはビード幅は１ｍｍ〜３ｍｍであるが、必要な塗布量に基づいて、異なることもあり得る。
【実施例】
【００２６】
以下の実施例によって本発明はさらに明確になるであろう。
【００２７】
実施例１
一実施形態例にしたがえば、２つのフォトニックコンポーネント２０を、間に永久接合を形成して集成した(図１Ａ，１Ｂ，２Ａ及び２Ｂを見よ)。さらに詳しくは、光素子２１Ａ(本例では光ファイバ)を金属基板２２Ａ(本例では３０４ステンレス鋼版基板)に載せて基板に貼り付け、第１のフォトニックコンポーネント２０を形成した。別の基板２２Ｂ上に光ファイバ２１Ｂを載せて、別のフォトニックコンポーネント２０を作製した。第１のコンポーネント２０の合わせ面２０Ａの１つにテーパ面Ｗがあることに注意されたい。光ファイバ導波路２１Ａの入力端Ａに光が与えられたときに光ファイバ導波路２１Ｂの出力端Ｂから光が出てくるように、２つのフォトニック素子２０を相互に密接させて配置した。２つのフォトニックコンポーネント２０をピーク結合(光ファイバ導波路２１Ｂの出力端Ｂで測定した出力パワーが最大になる結合)帯に位置合わせし、次いでＵＶ硬化性接着剤(例えば、米国コロラド州ブレックンリッジのElectronic Materials社から入手できる、OPTOCAST(商標)3415)を用いて所定の位置に貼り付けて、‘Ｔ’接合を形成した。続いて貼付けアセンブリにレーザ溶接を施した。本実施形態例において、発明者等は３ミリ秒のパルス幅で動作させたパルスＮｄ:ＹＡＧレーザを用い、溶接スポット毎にほぼ０.９Ｊのエネルギーを印加した。本実施形態例において、溶接スポット径ｄはほぼ４５０μｍであった(溶接スポット位置については図１及び２Ａ、２Ｂを見よ)。
【００２８】
接着剤は、接着剤が以降のレーザ溶接を妨害しないように、布置すべきである。接着剤２３の布置位置の選択において、好ましくは、接着剤２３のいかなる収縮も、相互に打ち消しあい、コンポーネント２０間の相対シフトを最小限に抑える、ほぼ等しい対向する力を発生するであろうように、デバイス構造の対称性が考慮されるべきである。例えば、接着剤ビードはコンポーネントの中心から等距離に、あるいは小さい方のコンポーネントの周りに対称に、配置されることが好ましいであろう。本実施形態例において、接着剤は高粘度接着剤であり、コンポーネント間でおこり得る吸上げ作用を避けるためコンポーネント間の界面の外側に塗布される。すなわち、粘度は、５０００センチポアズ(５Ｐａ・秒)より高いことが好ましく、５０,０００センチポアズ(５０Ｐａ・秒)より高いことがさらに好ましい。例えば、「Optocast」 3415の粘度値は１０,０００センチポアズ(１０Ｐａ・秒)である。溶接位置も、対称性及び対向して釣り合う力の発生を考慮して選ばれることが好ましい。レーザパルスエネルギーは、それぞれのパルスが生じさせる残留応力が十分に小さく、硬化エポキシ樹脂が容易に耐えられるように選ばれることが好ましい。動作条件の下で十分な強度及び信頼性が得られるように、複数の溶接スポットが用いられる。
【００２９】
本実施例において、発明者等は溶接工程の前後に光結合効率(光出力パワー)を測定した。発明者等は、結合されたコンポーネント２０が溶接工程後に優れた結合安定性を有することを見いだした。溶接後シフトの結果として生じる出力パワー測定値の変化は１％未満(すなわちＰ２＞０.９９Ｐ１)であった。初期実験において、金属基板厚は６ｍｍとした。後に、基板厚を１.５ｍｍに修正して、実験を繰り返した。基板厚を薄くしたアセンブリにおいて溶接後シフトの結果として生じる出力パワー測定値の変化は３％未満(すなわちＰ２＞０.９７Ｐ１)であった。後に、これらのアセンブリ(デバイス１０)のいずれも、約２０℃〜約８５℃の温度範囲にわたる熱サイクル試験にかけた。熱サイクル中の光出力パワー変動は３％未満(すなわちＰ２の変化が３％未満)であり、したがって、デバイス１０の優れた無熱挙動を示した。発明者等は次いで、アセンブリ(デバイス１０)のいずれをも熱(５０℃)及び湿度１００％の下で超音波振動にかけた(超音波浴環境においた)。いずれのデバイス１０も０.３％の出力パワー変動を示した。さらに詳しくは、図５は図４に示される完成アセンブリの無熱挙動を示す。図６は熱、湿度及び振動条件下でのアセンブリ性能を示す。
【００３０】
実施例２
コンポーネントを位置合わせし、それぞれを所定の位置に貼り付け、レーザ溶接を実施する方法は、様々な合わせ面形状に拡張することができる。上の実施例１では、合わせ面の一方の面がテーパ面である。本実施例ではテーパ面がなく、アセンブリ全体が‘Ｔ’接合のように見えるように表面が変えられる(作製したデバイス１０の、略図については図３を、図については図４Ａ及び４Ｂを見よ)。さらに詳しくは、図４Ａはデバイス１０の上面図を示し、図４Ｂは図４Ａの作製されたデバイス１０の側面図の一部を示す。溶接後シフト誘起スループットパワー変動の平均は、光源変動を含めて、約１.８％(すなわち、Ｐ２＞０.９８２Ｐ１)であった。本実施形態例において、作製したデバイス１０の熱サイクリングの結果の変動は２％未満(すなわちＰ２の変化が２％未満)であった。このタイプの‘Ｔ’接合形状は、それぞれのコンポーネント２０を単純な直方体ブロックとすることができるから、好ましい。そのような‘Ｔ’接合コンポーネントアセンブリの別の利点は、作製において寸法及び許容値が変わったとしても、溶接接合は対称的であり、したがって対向する横方向溶接力を印加するであろうということである。すなわち、釣り合いのとれたレーザビームパワー及び布置により、得られる対称的な溶接位置(溶接スポット位置)は等しい、対向する力を加え、大部分は相互に打ち消しあって、硬化エポキシ樹脂接合により補償される必要がある残留応力が低減される。
【００３１】
また。好ましいレーザ溶接手法には複数の小パルスの使用が含まれ、この結果、溶接スポットの寸法が小さくなる。溶接スポットが小さくなるほど、一般に応力が小さくなり、対抗が容易になる。また、複数の溶接領域は動作中の冗長度を提供し、よって信頼性及び耐久性が一層高いデバイスが得られるであろう。本実施形態例において、レーザビーム溶接は、本例のデバイス１０においてはこのレーザ溶接構成が最も高い対称性を提供するから、‘Ｔ’接合の中心で２本の釣り合いがとられたレーザビームを用いて行った。光コンポーネント、フォトニックコンポーネントまたは電子工学コンポーネント２０を溶接接合する場合、他のデバイス構造について、同様の要因(例えば、デバイスの寸法形状、接着剤布置位置、溶接スポットの位置及び数)を考慮しなければならない。
【００３２】
本方法を用いて得られるアセンブリの優れた安定性(例えば、小ＰＷＳ値及び様々な環境条件下での優れた光結合)は、第一義的に、溶融した材料(例えば、金属、ガラス及び／またはガラス-セラミック)の急速固化によって生じる移動に対抗する、接着剤２３により与えられる反力によると考えられる。別の原因は、てこ効果とすることができるであろう。溶接面は２つの導波路の面とほぼ一致する(本実施形態の２つの導波路２１Ａ、２１Ｂの間隔は５μｍ未満である)。溶接スポット２８の冷却中に、導波路２１Ａ、２１Ｂの相対平行移動を生じさせ得る、サブアセンブリ(光コンポーネント２０)の回転運動がおこり得るであろう。溶接面が光結合面から離れていると、光結合面に大きな横方向変位が生じて結合効率を低下させるであろう。しかし、本明細書に説明される実施例においては、溶接面と光結合面がほぼ一致し、したがって、てこの長さが短いから平行移動は有意な大きさにならないであろう。したがって、光素子がおかれている面に溶接面を一致させるかまたは(好ましくは１ｍｍ以内で)ほぼ一致させることが好ましい。
【００３３】
第２の実施例では２つのコンポーネント２０が相互に物理的に接触していたが、本方法は、２つのコンポーネントのそれぞれの合わせ面の間隙がほぼ３０μｍ(ｄ＝３０μｍ)の場合も有効であり、同様の溶接後シフト性能を示す。
【００３４】
実施例３
本発明のデバイスアセンブリ方法は軸対称デバイスにも適用することができる。本実施形態において、３０４ステンレス鋼代用デバイス(すなわち、光素子を有していないコンポーネント)を、接着剤を用いて集成した。いくつかの代用デバイスは(米国カリフォルニア州ランチョキューカモンガ(Rancho Cucamonga)のThe Original Super Glue Corporation社の、Super Glue Gel(登録商標)のような)シアノアクリレートゲルの小ビードを３個用いて接合し、他の代用デバイスは(米国テキサス州サルファスプリングス(Sulphur Springs)のJ-B Weld CompanyのJ-B Kwik(登録商標)のような)充填２成分エポキシ樹脂を用いて接合した。本実施例に用いた円筒形金属基板２２Ａ(代用コンポーネント２０)に、４５°のテーパ角でフランジを付け、ベース代用コンポーネント２０’(金属基板２２Ａ)に取り付けた(図７を見よ)。接合した代用デバイスを発明者等の試験設備にクランプで固定し、それぞれの代用デバイスのコンポーネントの変位を(米国メリーランド州アナポリス(Anaplis)のPhiltec社)のPhiltec RC20光ファイバセンサ変位プローブを３本用いてモニタした。他のプローブも用いた。接合した代用デバイスは、１２０°ずつ離し、フェルール中心線から２５°傾けた３本のビームで溶接した。この試験構成が図７に簡略に示される。パワーが比較的低いレーザビーム(本実施例におけるレーザ条件は、溶接スポットあたり０.９Ｊ，３ミリ秒パルス幅及びほぼ４５０μｍの溶接スポット径とした)を２つの金属コンポーネントの間の界面に向けた。コンポーネントを溶接し合わせた後、横方向溶接後シフトを測定した。シアノアクリレートゲルを用いて接着した３つの代用デバイスの１つからの代表的な試験結果を図８に示す。図８は図７に示した軸対称代用試験デバイスの機械的変位の測定値を示す。図８の３本のトレースは３本の変位センサの出力を表す。図８において、ｙ軸はμｍ単位であり、ｘ軸は、秒単位で測定した、時間を表す。
【００３５】
本溶接接合方法は、光コンポーネントのμｍレベルの正確な接合、温度に関わる安定性及び長期間デバイス耐久性のような、魅力的な特徴を提供する点で有用である。これは、溶接接合ジョイントがサブミクロン精度でコンポーネント２０を保持できることによる。
【００３６】
本発明の実施形態にしたがう、光エレクトロニクスコンポーネントまたはフォトニックコンポーネントをパッケージに集成する方法は、溶接後シフトをサブミクロンレベルにまで抑える改良型溶接接合プロセスを利用し、これにより、本方法はフォトニックデバイスまたは光エレクトロニクスデバイスのパッケージ集成に適する点で有用である。
【００３７】
本発明の精神及び範囲を逸脱せずに本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００３８】
１０    デバイス
２０    コンポーネント
２１Ａ，２１Ｂ    光素子
２２Ａ，２２Ｂ    基板
２３    接着剤
２５    境界
２８    溶接スポット
【図１Ａ】
2015045875.tif 000003
【図１Ｂ】
2015045875.tif 000004
【図２Ａ】
2015045875.tif 000005
【図２Ｂ】
2015045875.tif 000006
【図３】
2015045875.tif 000007
【図４Ａ】
2015045875.tif 000008
【図４Ｂ】
2015045875.tif 000009
【図５】
2015045875.tif 000010
【図６】
2015045875.tif 000011
【図７】
2015045875.tif 000012
【図８】
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