(57)【要約】【課題】光学系装置及びその製造方法において、高効率な光特性と向上した耐久信頼性を有する光学素子保護樹脂封止と高精度レンズ形成を実現する。【解決手段】樹脂基板１を１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂で形成し、第１の封止層３を弾性率が１Ｐａ以上１ＭＰａ以下かつガラス転移温度が２１３Ｋ以上２３３Ｋ以下の樹脂で形成し、第２の封止層４を弾性率が１ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の紫外光硬化性樹脂で形成し、レンズ部５を弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂で形成して光学素子２を封止して光学系装置１０を製造する。樹脂の弾性率が適切に用いられ、総合的に封止樹脂の応力が緩和され、温度環境変化に対して樹脂中の真空ボイドや樹脂界面の剥離を生じない耐久信頼性が実現する。メタライズした凹部の底面に光学素子を実装すると共に、耐久信頼性ある封止及びレンズ構造とにより高効率な光特性が実現される。【選択図】  図１
2004235261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂基板の開口した凹部に光学素子を実装した光学系装置であって、
前記樹脂基板は１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂からなり、
前記樹脂基板の開口した凹部の表面は光反射機能と電気回路機能を持たせるためにメタライズされており、
前記メタライズされた凹部の底面に実装した光学素子は弾性率が１Ｐａ以上１ＭＰａ以下かつガラス転移温度が２１３Ｋ以上２３３Ｋ以下の樹脂からなる第１の封止層により封止され、
前記第１の封止層の上には１ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の紫外光硬化性樹脂からなる第２の封止層が形成され、
前記第２の封止層の上には弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部が形成されていることを特徴とする光学系装置。
【請求項２】
樹脂基板の開口した凹部に光学素子を実装した光学系装置であって、
前記樹脂基板は１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂からなり、
前記樹脂基板の開口した凹部の表面は光反射機能と電気回路機能を持たせるためにメタライズされており、
前記メタライズされた凹部の底面に実装した光学素子は弾性率が２．５ＧＰａ以上３．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の樹脂からなる封止層により封止され、
前記封止層の上には弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部が形成されていることを特徴とする光学系装置。
【請求項３】
凹部のメタライズ面が粗面化されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光学系装置。
【請求項４】
前記メタライズされた凹部の底面に基板樹脂が露出した部位を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の光学系装置。
【請求項５】
前記メタライズされた凹部底面に基板樹脂が露出した溝を形成し、該溝に封止樹脂を注入することを特徴とする請求項４記載の光学系装置。
【請求項６】
前記開口した凹部は樹脂基板より突出した鏡筒の先端に設けられており、前記レンズ部を形成する樹脂が前記突出した鏡筒の外側表面を覆っていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光学系装置。
【請求項７】
樹脂基板の開口した凹部に光学素子を実装した光学系装置の製造方法であって、
１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂からなる樹脂基板の開口した凹部が反射機能と電気回路機能を持たせるためにメタライズされており、メタライズされた凹部底面に光学素子を実装する実装工程と、
弾性率が１Ｐａ以上１ＭＰａ以下かつガラス転移温度が２１３Ｋ以上２３３Ｋ以下の樹脂で第１の封止層を形成して前記光学素子を封止する第１封止工程と、
弾性率が１ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上のＵＶ硬化性樹脂で第２の封止層を形成して前記第１の封止層を封止する第２封止工程と、
前記封止した樹脂層上に弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部を形成するレンズ形成工程と、を有することを特徴とする光学系装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１封止工程と前記第２封止工程は、第１の封止層の樹脂を滴下し、該樹脂上面に該樹脂よりも比重の小さい第２の封止層の樹脂を滴下し、その後、これらの樹脂を硬化させることを特徴とする請求項７記載の光学系装置の製造方法。
【請求項９】
樹脂基板の開口した凹部に光学素子を実装した光学系装置の製造方法であって、
１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂からなる樹脂基板の開口した凹部が反射機能と電気回路機能を持たせるためにメタライズされており、メタライズされた凹部底面に光学素子を実装する工程と、
弾性率が２．５ＧＰａ以上３．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の樹脂で封止層を形成して前記光学素子を封止する封止工程と、
前記封止層上に弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部を形成するレンズ形成工程とを有することを特徴とする光学系装置の製造方法。
【請求項１０】
前記封止工程における封止樹脂の滴下の後、該樹脂の架橋度が５０〜８０％の状態で前記レンズ部形成用樹脂を注入してこれらの樹脂を硬化させることを特徴とする請求項９記載の光学系装置の製造方法。
【請求項１１】
前記封止樹脂の架橋度を樹脂硬化時の加熱時間によって制御することを特徴とする請求項１０記載の光学系装置の製造方法。
【請求項１２】
前記レンズ形成工程の直前の封止工程に用いる封止樹脂を紫外光硬化樹脂とし、粗面化された表面を有する紫外光透過材料で形成された透明部材の粗面を前記封止樹脂に接着させ、該透明部材を介して該封止樹脂に紫外光を照射して封止樹脂を硬化させ、前記透明部材の粗面形状を前記封止樹脂表面に転写させることを特徴とする請求項７又は請求項９記載の光学系装置の製造方法。
【請求項１３】
前記レンズ形成工程においてレンズ部を形成する樹脂を硬化させた後、常温冷却よりも遅い冷却速度で硬化温度から常温まで冷却することを特徴とする請求項７又は請求項９記載の光学系装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光コネクタ等を構成する光学系装置の製造方法であって、特に光学素子の封止、及びレンズ形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光学系装置において基板実装された発光や受光を行う光学素子を透明樹脂にて封入・封止して光学素子の保護及びレンズ形成等の光学要素形成が行われている。このような光学系装置として、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、立体回路成形品１００上に、発光素子１０１や受光素子１０２のような光学素子１０１，１０２を実装する共に、この光学素子の実装面とは異なる面（図では下面）に形成した凹部１０３に前記光学素子１０１，１０２の信号処理を行う集積回路素子１０４を実装し、前記光学素子１０１，１０２と前記信号処理用集積回路素子とを接続する回路を、前記光学素子の実装部位から信号処理集積回路素子の実装部位に至るように前記立体回路成形品の表面に金属めっき膜による回路パターン１０５〜１０８を構成し、前記光学素子の受光面若しくは発光面に対向するレンズ１０９と、前記回路パターンの保護層１１０と、信号処理用集積回路素子の実装部位の封止樹脂層１１１を２次成形の樹脂により形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、他の封止成形例として、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、受光素子２３３と発光素子２３４を一体的にモールドしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。図１２（ａ）に示すいわゆる光結合装置（フォトカプラ）は、個別のリードフレーム２３１と２３２に、それぞれ搭載された発光素子２３３と受光素子２３４とを対向して配置し、それら素子２３３、２３４を透光性樹脂（半透明エポキシ樹脂）２３５で１次モールドして光結合パスを形成し、この後、外装めっきを施し、さらに外乱光の遮光のために遮光性樹脂（黒色エポキシ樹脂）２３６で２次モールドした、いわゆる２層モールドタイプのものである。その発光素子２３３には、応力緩和のためにシリコン樹脂２３７によるプリコートが施されたものである。また、図１２（ｂ）に示す光結合装置は、１層モールドタイプであって、リードフレーム２３１と２３２に搭載した発光素子２３３と受光素子２３４とを、互いに対向した位置関係となるようにプリコート樹脂（透明シリコン樹脂）２４７で結合した後、それら全体を遮光性樹脂２４６でモールドすることによって形成されている。
【０００４】
また、上記例とは別に、図１３（ａ）（ｂ）に示すような光結合装置の製造方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。リードフレーム３１１に搭載された発光素子３１４と受光素子３１５を覆うように光透過可能な透明ゲル樹脂３１８を両素子の上方から滴下するポッティング方法により塗布し、かつ透明ゲル樹脂３１８の外周部を覆うように光反射樹脂３１９をモールド成形する。前記透明ゲル樹脂３１８は、針入度が４５〜６５（ＪＩＳ−Ｋ２２２０）の樹脂を用いている。光反射樹脂３１９と透明ゲル樹脂３１８との間に熱応力が生じた場合でも、透明ゲル樹脂自体が弾性変形して応力緩和するため、透明ゲル樹脂と光反射樹脂との界面の広い範囲にわたって剥離が生じることはなく、また、透明ゲル樹脂３１８の易変形性により熱応力が緩和されるため、光反射樹脂３１９におけるクラックの発生が防止される。
【０００５】
また、光学系装置と同様の封止技術が用いられる半導体チップの封止構造について、図１４に示すようなものが知られている（例えば、特許文献４参照）。その封止構造は、基板４００のチップ搭載部にダイボンド材４０１で半導体チップ４０２を接着し、その半導体チップ４０２側と前記基板４００側とをボンデイングワイヤ４０３を介して電気的に接続した半導体チップの封止構造において、半導体チップ４０２及びダイボンド材４０１の界面をシリコーン系のシーリング材４０４で封止すると共に、そのシーリング材４０４の高さを前記ボンデイングワイヤ４０３のループの位置よりも低くなるようにしたものである。この封止方法は、半導体チップ４０２及び半導体チップ４０２とボンデイングワイヤ４０３の接合部を封止して電気回路の保護をすると共に、ボンディングワイヤ４０３は完全に被覆せずに残すことにより封止工程における応力によるボンディングワイヤ４０３の断線や短絡の回避を図るものである。長いボンディングワイヤ４０３や多数のボンディングワイヤ４０３を密接して用いる場合に有効とされている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１６４６０４号公報
【特許文献２】
特開平５−３２７００５号公報
【特許文献３】
特開平１１−２３３８１０号公報
【特許文献４】
特開平８−２０４０４８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上述したような光学素子や半導体チップの封入・封止の方法においては、シリコーン系などの保護コート剤が用いられており、これらの保護コート剤は吸水・透湿性が高く光学素子や電極の腐食が生じ易く耐久性に問題があった。また、封止樹脂の応力による光学素子の破損を防止するために、低弾性率の応力緩和樹脂を保護コート剤（ＪＣＲ：Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｒｅｓｉｎ）として用いて光学素子をプリコート又はシーリングすることが知られているが、このような低弾性率の保護コート剤を立体回路基板（Ｍｏｌｄｅｄ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ  Ｄｅｖｉｓｅ；ＭＩＤ基板）に適用して光学素子にプリコートした場合、立体回路基板の外周に透明樹脂によりレンズを形成する工程において、熱膨張した状態となった保護コート剤が常温に戻るときに収縮することにより、樹脂中の真空ボイドや樹脂界面の剥離が生じるため光損失が大きくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解消するものであって、光学素子保護のための透明樹脂封止と高精度レンズ形成において、高効率な光特性と耐久信頼性の向上を実現できる光学系装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、樹脂基板の開口した凹部に光学素子を実装した光学系装置であって、前記樹脂基板は１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂からなり、前記樹脂基板の開口した凹部の表面は光反射機能と電気回路機能を持たせるためにメタライズされており、前記メタライズされた凹部の底面に実装した光学素子は弾性率が１Ｐａ以上１ＭＰａ以下かつガラス転移温度が２１３Ｋ以上２３３Ｋ以下の樹脂からなる第１の封止層により封止され、第１の封止層の上には１ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の紫外光硬化性樹脂からなる第２の封止層が形成され、第２の封止層の上には弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部が形成されているものである。
【００１０】
上記構成においては、樹脂基板を１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂で形成し、第１の封止層を弾性率が１Ｐａ以上１ＭＰａ以下かつガラス転移温度が２１３Ｋ以上２３３Ｋ以下の樹脂で形成し、第２の封止層を弾性率が１ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の紫外光硬化性樹脂で形成し、レンズ部を弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂で形成し、これらをこの順序で積層するので、光学系装置を構成する樹脂の弾性率が適切に選択して用いられ、総合的に封止樹脂の応力が緩和されるため、温度環境の変化に対して光学装置の耐久信頼性が得られる。封止樹脂相互間の応力緩和と、界面接合力との相乗効果によって、光学系装置が置かれる−４０℃〜８５℃という温度環境において、樹脂中の真空ボイドや樹脂界面の剥離を生じることのない耐久信頼性の向上した光学系装置が得られる。
【００１１】
例えば、２３３Ｋ（−４０℃）×５分、３５８Ｋ（８５℃）×５分を１サイクルとして熱衝撃試験を行ったところ７００サイクルまで全品良品であった。上記の弾性率及びガラス転移温度の条件以外においては、例えば、第１の封止層の弾性率が１Ｐａ以下又はガラス転移温度が２１３Ｋ以下の場合、熱衝撃試験の結果、第１の封止層の樹脂内部に真空ボイドが発生し光路障害となる。また、第１の封止層の弾性率が１ＭＰａ以上又はガラス転移温度が２３３Ｋ以上の場合、熱衝撃試験の結果、第１の封止層と樹脂基板凹部のメタライズ面との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。また、第２の封止層の弾性率が１ＧＰａ以下又はガラス転移温度が４１３Ｋ以下の場合、熱衝撃試験の結果、第２の封止層の樹脂内部に真空ボイドが発生し光路障害となる。また、第２の封止層の弾性率が２．５ＧＰａ以上の場合、熱衝撃試験の結果、第２の封止層と樹脂基板凹部のメタライズ面との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。また、レンズ部の樹脂の弾性率が３ＧＰａ以下の場合、熱衝撃試験の結果、第２の封止層とレンズ部の樹脂との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。
【００１２】
また、上記構成においては、メタライズした凹部の底面に光学素子を実装すると共に、上記のように信頼性の安定した封止及びレンズ構造を実現しているので、高効率な光特性が実現される。
【００１３】
請求項２の発明は、樹脂基板の開口した凹部に光学素子を実装した光学系装置であって、前記樹脂基板は１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂からなり、前記樹脂基板の開口した凹部の表面は光反射機能と電気回路機能を持たせるためにメタライズされており、前記メタライズされた凹部の底面に実装した光学素子は弾性率が２．５ＧＰａ以上３．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の樹脂からなる封止層により封止され、前記封止層の上には弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部が形成されているものである。
【００１４】
上記構成においては、樹脂基板を１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂で形成し、封止樹脂を弾性率が２．５ＧＰａ以上３．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の樹脂で形成し、レンズ部を弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂で形成し、これらをこの順序で積層するので、光学系装置を構成する樹脂の弾性率が適切に選択して用いられ、総合的に封止樹脂の応力が緩和されるため、温度環境の変化に対して光学装置の耐久信頼性が得られる。封止樹脂相互間の応力緩和と、界面接合力との相乗効果によって、光学系装置が置かれる−４０℃〜８５℃という温度環境において、樹脂中の真空ボイドや樹脂界面の剥離を生じることのない耐久信頼性の向上した光学系装置が得られる。
【００１５】
例えば、２３３Ｋ（−４０℃）×５分、３５８Ｋ（８５℃）×５分を１サイクルとして熱衝撃試験を行ったところ５００サイクルまで全品良品であった。上記の弾性率及びガラス転移温度の条件以外においては、例えば、封止層の弾性率が２．５ＧＰａ以下又はガラス転移温度が４１３Ｋ以下の場合、熱衝撃試験の結果、樹脂内部に真空ボイドが発生し光路障害となる。また、封止層の弾性率が３．５ＧＰａ以上の場合、熱衝撃試験の結果、封止層と樹脂基板凹部のメタライズ面との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。また、レンズ部の樹脂の弾性率が３ＧＰａ以下の場合、熱衝撃試験の結果、封止層とレンズ部の樹脂との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。
【００１６】
また、上記構成においては、メタライズした凹部の底面に光学素子を実装すると共に、上記のように信頼性の安定した封止及びレンズ構造を実現しているので、高効率な光特性が実現される。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の光学系装置において、凹部のメタライズ面が粗面化されているものである。
【００１８】
上記構成においては、光学素子を実装する凹部のメタライズ面が粗面化されているので、メタライズ面に入射する光が拡散して迷光が減少する効果が得られると共に、その粗面に樹脂が食い込むアンカー効果によって、凹部に充填する封止樹脂の界面接合力が向上する。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか記載の光学系装置において、前記メタライズされた凹部の底面に基板樹脂が露出した部位を形成するものである。
【００２０】
上記構成においては、メタライズされた凹部の底面に基板樹脂が露出した部位を形成しているので、凹部に充填する封止樹脂と基板樹脂とが前記露出した部位で樹脂同士が接合するため、メタライズ面を介しての接着よりも強固な封止樹脂の接合力が得られる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項４記載の光学系装置において、前記メタライズされた凹部底面に基板樹脂が露出した溝を形成し、該溝に封止樹脂を注入するものである。
【００２２】
上記構成においては、凹部底面に基板樹脂が露出した溝を形成し、該溝に封止樹脂を注入するので、前記同様の効果に加え、封止樹脂と基板樹脂との接合面積が増加してさらに強固な封止樹脂の接合力が得られる。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項１又は請求項２記載の光学系装置において、前記開口した凹部は樹脂基板より突出した鏡筒の先端に設けられており、前記レンズ部を形成する樹脂が前記突出した鏡筒の外側表面を覆っているものである。
【００２４】
上記構成においては、レンズ部を形成する樹脂が突出した鏡筒の外側表面を覆っているので、レンズ部形成樹脂と基板樹脂との接合部界面の面積が広く取られるため、界面を通して封止部内部への吸湿が低減され、光学素子の劣化を防止できる。また、強固に形成されたレンズ部樹脂により内部の封止樹脂を包み込んでいるため、封止樹脂とレンズ樹脂との剥離が防止できる。
【００２５】
請求項７の発明は、樹脂基板の開口した凹部に光学素子を実装した光学系装置の製造方法であって、１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂からなる樹脂基板の開口した凹部が反射機能と電気回路機能を持たせるためにメタライズされており、メタライズされた凹部底面に光学素子を実装する実装工程と、弾性率が１Ｐａ以上１ＭＰａ以下かつガラス転移温度が２１３Ｋ以上２３３Ｋ以下の樹脂で第１の封止層を形成して前記光学素子を封止する第１封止工程と、弾性率が１ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上のＵＶ硬化性樹脂で第２の封止層を形成して前記第１の封止層を封止する第２封止工程と、前記封止した樹脂層上に弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部を形成するレンズ形成工程と、を有するものである。
【００２６】
上記製造方法においては、樹脂基板を１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂で形成する工程と、第１の封止層を弾性率が１Ｐａ以上１ＭＰａ以下かつガラス転移温度が２１３Ｋ以上２３３Ｋ以下の樹脂で形成する工程と、第２の封止層を弾性率が１ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の紫外光硬化性樹脂で形成する工程と、レンズ部を弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂で形成する工程とにより、樹脂の弾性率を適切に選択して光学系装置を製造するので、総合的に封止樹脂の応力が緩和した光学系装置が得られ、また、温度環境の変化に対して光学装置の耐久信頼性が得られる。
【００２７】
例えば、２３３Ｋ（−４０℃）×５分、３５８Ｋ（８５℃）×５分を１サイクルとして熱衝撃試験を行ったところ７００サイクルまで全品良品であった。上記の弾性率及びガラス転移温度の条件以外においては、例えば、第１の封止層の弾性率が１Ｐａ以下又はガラス転移温度が２１３Ｋ以下の場合、熱衝撃試験の結果、第１の封止層の樹脂内部に真空ボイドが発生し光路障害となる。また、第１の封止層の弾性率が１ＭＰａ以上又はガラス転移温度が２３３Ｋ以上の場合、熱衝撃試験の結果、第１の封止層と樹脂基板凹部のメタライズ面との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。また、第２の封止層の弾性率が１ＧＰａ以下又はガラス転移温度が４１３Ｋ以下の場合、熱衝撃試験の結果、第２の封止層の樹脂内部に真空ボイドが発生し光路障害となる。また、第２の封止層の弾性率が２．５ＧＰａ以上の場合、熱衝撃試験の結果、第２の封止層と樹脂基板凹部のメタライズ面との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。また、レンズ部の樹脂の弾性率が３ＧＰａ以下の場合、熱衝撃試験の結果、第２の封止層とレンズ部の樹脂との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。
【００２８】
また、上記製造方法においては、メタライズした凹部の底面に光学素子を実装する工程と共に、上記のように信頼性の安定した封止及びレンズ構造を実現する工程によるので、高効率な光特性が実現される。
【００２９】
請求項８の発明は、請求項７記載の光学系装置の製造方法において、前記第１封止工程と前記第２封止工程は、第１の封止層の樹脂を滴下し、該樹脂上面に該樹脂よりも比重の小さい第２の封止層の樹脂を滴下し、その後、これらの樹脂を硬化させるものである。
【００３０】
上記製造方法においては、第１の封止層の樹脂を滴下し、該樹脂上面に該樹脂よりも比重の小さい第２の封止層の樹脂を滴下し、その後、これら２つの樹脂を硬化させるので、２つの封止樹脂の境界面が液状で形成されているため相溶化しており、２つの封止樹脂を硬化処理するとき樹脂の界面で化学結合して接合力が向上する。また、下層の樹脂よりも比重の小さい樹脂を上層に用いるので、樹脂同士の混合が防止される。
【００３１】
請求項９の発明は、樹脂基板の開口した凹部に光学素子を実装した光学系装置の製造方法であって、１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂からなる樹脂基板の開口した凹部が反射機能と電気回路機能を持たせるためにメタライズされており、メタライズされた凹部底面に光学素子を実装する工程と、弾性率が２．５ＧＰａ以上３．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の樹脂で封止層を形成して前記光学素子を封止する封止工程と、前記封止層上に弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部を形成するレンズ形成工程とを有するものである。
【００３２】
上記製造方法においては、樹脂基板を１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂で形成する工程と、封止樹脂を弾性率が２．５ＧＰａ以上３．５ＧＰａ以下かつガラス転移温度が４１３Ｋ以上の樹脂で形成する工程と、レンズ部を弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂で形成する工程とにより、樹脂の弾性率を適切に選択して光学系装置を製造するので、総合的に封止樹脂の応力が緩和した光学系装置が得られ、また、温度環境の変化に対して光学装置の耐久信頼性が得られる。
【００３３】
例えば、２３３Ｋ（−４０℃）×５分、３５８Ｋ（８５℃）×５分を１サイクルとして熱衝撃試験を行ったところ５００サイクルまで全品良品であった。上記の弾性率及びガラス転移温度の条件以外においては、例えば、封止層の弾性率が２．５ＧＰａ以下又はガラス転移温度が４１３Ｋ以下の場合、熱衝撃試験の結果、樹脂内部に真空ボイドが発生し光路障害となる。また、封止層の弾性率が３．５ＧＰａ以上の場合、熱衝撃試験の結果、封止層と樹脂基板凹部のメタライズ面との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。また、レンズ部の樹脂の弾性率が３ＧＰａ以下の場合、熱衝撃試験の結果、封止層とレンズ部の樹脂との間で界面剥離が発生し、光路障害となる。
【００３４】
また、上記製造方法においては、メタライズした凹部の底面に光学素子を実装する工程と共に、上記のように信頼性の安定した封止及びレンズ構造を実現する工程によるので、高効率な光特性が実現される。
【００３５】
請求項１０の発明は、請求項９記載の光学系装置の製造方法において、前記封止工程における封止樹脂の滴下の後、該樹脂の架橋度が５０〜８０％の状態で前記レンズ部形成用樹脂を注入してこれらの樹脂を硬化させるものである。
【００３６】
上記製造方法においては、封止樹脂の架橋度が５０〜８０％の状態でレンズ部形成用樹脂を注入してこれらの樹脂を硬化させるので、レンズ部形成用樹脂の硬化剤によりレンズ部下層の封止樹脂の硬化が進むと共に、レンズ部樹脂と封止樹脂との化学結合も形成されるため、レンズ部と封止樹脂との接合力が向上する。
【００３７】
請求項１１の発明は、請求項１０記載の光学系装置の製造方法において、前記封止樹脂の架橋度を樹脂硬化時の加熱時間によって制御するものである。
【００３８】
上記製造方法においては、請求項１０におけると同様の効果に加え、加熱時間を変化させることにより、既存の硬化装置を用いて、架橋度を容易に制御及び変化させて製造することができる。
【００３９】
請求項１２の発明は、請求項７又は請求項９記載の光学系装置の製造方法において、前記レンズ形成工程の直前の封止工程に用いる封止樹脂を紫外光硬化樹脂とし、粗面化された表面を有する紫外光透過材料で形成された透明部材の粗面を前記封止樹脂に接着させ、該透明部材を介して該封止樹脂に紫外光を照射して封止樹脂を硬化させ、前記透明部材の粗面形状を前記封止樹脂表面に転写させるものである。
【００４０】
上記製造方法においては、レンズ形成工程の直前の封止工程に用いる封止樹脂を紫外光硬化樹脂とし、粗面化された表面を有する紫外光透過材料で形成された透明部材の粗面を前記封止樹脂に接着させて封止樹脂を硬化させるので、封止樹脂表面に転写して形成された粗面構造により、レンズ部と封止樹脂との接合力が向上する。
【００４１】
請求項１３の発明は、請求項７又は請求項９記載の光学系装置の製造方法において、前記レンズ形成工程においてレンズ部を形成する樹脂を硬化させた後、常温冷却よりも遅い冷却速度で硬化温度から常温まで冷却するものである。
【００４２】
上記製造方法においては、レンズ部を形成する樹脂を硬化させた後、常温冷却よりも遅い冷却速度で硬化温度から常温まで冷却するので、冷却時間を制御して熱応力の緩和を行いながら冷却できるため、急激な収縮による樹脂界面の剥離や樹脂へのクラック発生を防止できる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る光学系装置及びその製造方法について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態の光学系装置１０を示している。この光学系装置１０は、立体回路成形品である樹脂基板（ＭＩＤ基板）１の開口した凹部１３に光学素子（発光素子）２を実装及び封入してレンズ５を形成しており、光コネクタ等の発光デバイスとして用いられるものである。
【００４４】
この光学系装置１０の各部の構成を説明する。樹脂基板１は、弾性率が１０ＧＰａ以下の材料物性を有する低弾性率樹脂からなり、基部１１と基部１１から突出した円柱状の鏡筒部１２から構成されている。基部１１は、直方体形状をしており、その下面には、凹部９１が設けられ、その凹部９１には光学素子２の信号処理を行う集積回路素子９２が実装及び封止されている。この集積回路素子９２と光学素子２とは図示しない回路パターンにより接続されている。これらの基部１１部分は従来例（例えば、前出の図１１参照）と同じであり以下において特に説明はしない。
【００４５】
鏡筒部１２の先端には、図２に示されるように、開口した凹部１３があり、凹部１３の表面は、光の反射機能と電気回路機能を持たせるためにメタライズが施されたメタライズ面１４となっている。メタライズされた凹部底面には光学素子２が実装され、光学素子２の裏面電極が凹部底面のメタライズ面を介して電極１４ａに、また、光学素子２の上面電極からは金属細線２１により電極１４ｂにそれぞれ電気的に接続されている。ここで、電極１４ａと電極１４ｂは互いに電気絶縁されている。光学素子２は上下面電極に電圧が印加されることにより発光する発光素子である。
【００４６】
この実装された光学素子２の封止構造について、図１に戻って説明する。まず光学素子２及び金属細線２１が、弾性率が１Ｐａ以上、１ＭＰａ以下で、ガラス転移温度が２１３Ｋ以上２３３Ｋ以下の樹脂により形成した第１の封止層３により封止されている。第１の封止層３の樹脂としては、変性アクリレート樹脂の他、例えば、エポキシ樹脂などを用いてもよい。次に、第１の封止層３の樹脂層上に、弾性率が１ＧＰａ以上、２．５ＧＰａ以下で、ガラス転移温度が４１３Ｋ以上である紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂により形成した第２の封止層４によりさらに封止されている。第２の封止層４の紫外線硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂の他、例えば、変性アクリレート樹脂などを用いてもよい。そして、第２の封止層４の樹脂層上に、弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部５が形成されている。レンズ部５の樹脂としては、エポキシ樹脂の他、例えば、変性アクリレート樹脂などを用いてもよい。
【００４７】
光学系装置１０の製造工程を説明する。図３は各工程毎の断面図、図４は各工程のフローを示す。まず、図３（ａ）に示すように、表面がメタライズされた開口部１３を有する基板（基板の鏡筒部１２のみ図示）を製作する（Ｓ１１）。次に、図３（ｂ）に示すように、光学素子２を、例えば導電性樹脂によりメタライズされた凹部底面１５にダイボンディングして光学素子２の裏面を電極１４ａに接続し、表面電極を金属細線２１により電極１４ｂに接続して実装する（Ｓ１２）。次に、図３（ｃ）に示すように、凹部に封止樹脂（第１層）３を充填して第１の封止工程を行う（Ｓ１３）。次に、図３（ｄ）に示すように、凹部の残空間にＵＶ硬化性樹脂（第２層）４を充填して第２の封止工程を行う（Ｓ１４）。次に、図３（ｅ）に示すように、封止樹脂上にレンズ部５を形成する（Ｓ１５）。このレンズ部５を形成する方式として、例えば、トランスファ成形方式を用いることにより、レンズ部５の形状と面精度を高精度に成形することができる。
【００４８】
上述した工程により製造した多層構造の封止部を有する光学系装置について熱衝撃試験を行った。試験品は、第１層についてもＵＶ硬化性樹脂を用いている。また、比較例として、光学素子の封止からレンズ部形成までをレンズ部の樹脂のみで構成した単一構造の光学系装置も製造して同じ熱衝撃試験を行った。使用した樹脂の物性および硬化条件を表１に示す。
【００４９】
【表１】
2004235261.tif 000003
【００５０】
熱衝撃試験は液相にて実施し、２３３Ｋ（−４０℃）×５分、３５８Ｋ（８５℃）×５分を１サイクルとした。熱衝撃試験の結果、本発明に係る多層構造の光学系装置は、７００サイクルまでは全品良品であったが、レンズ部樹脂による単一構造の比較例のものは、レンズ形成樹脂と光学素子との境界面で剥離が生じ、全て不良であった。
【００５１】
上述のように、光学系装置１０を構成する樹脂の弾性率を適切に選択して用いることにより、総合的に封止樹脂の応力が緩和され、また、界面接合力との相乗効果によって、光学系装置が置かれる−４０℃〜８５℃という温度環境において、樹脂中の真空ボイドや樹脂界面の剥離を生じることのない耐久信頼性の向上した光学系装置が得られた。
【００５２】
また、上述の製造工程において、第１層目の封止樹脂を光学素子を覆う程度に少量滴下し硬化させた後、第２層目の封止樹脂を滴下して硬化させた。これにより、第１層目樹脂の高線膨張率に起因する体積変化の影響が抑制され、さらに追加して行った熱衝撃試験において、樹脂中の真空ボイドや樹脂界面の剥離による不良率を抑える効果が確認された。
【００５３】
次に、本発明の一実施形態に係る光学系装置及びその製造方法の他の例について説明する。図５は封止樹脂が一層である光学系装置２０を示し、図６はその製造方法を示すフローである。光学系装置２０は、前出の光学系装置１０において封止樹脂層が２層から１層になったものである。
【００５４】
光学系装置２０の製造工程を説明する。表面がメタライズされた開口部１３を有する樹脂基板１を、弾性率が１０ＧＰａ以下の低弾性率樹脂からなる樹脂を用いて製作する（Ｓ２１）。次に、光学素子２を、例えば導電性樹脂によりメタライズされた凹部底面にダイボンディングして光学素子２の裏面を電気回路接続し、表面電極を金属細線２１により電気回路接続して実装する（Ｓ２２）。次に、弾性率が２．５ＧＰａ以上、３．５ＧＰａ以下で、ガラス転移温度が４１３Ｋ以上の封止樹脂による封止層６を凹部に充填して封止部を形成する封止工程を行う（Ｓ２３）。封止樹脂としては、エポキシ樹脂の他、例えば、変性アクリレート樹脂などを用いてもよい。次に、封止樹脂上に弾性率が３ＧＰａ以上の樹脂からなるレンズ部５を形成する（Ｓ２４）。レンズ部５の樹脂としては、エポキシ樹脂の他、例えば、変性アクリレート樹脂などを用いてもよい。このレンズ部５を形成する方式として、例えば、トランスファ成形方式を用いることにより、レンズ部５の形状と面精度を高精度に成形することができる。
【００５５】
上述した工程により製造した多層構造の封止部を有する光学系装置について熱衝撃試験を行った。比較例として、光学素子の封止からレンズ部形成までをレンズ部の樹脂のみで構成した単一構造の光学系装置も製造して同じ熱衝撃試験を行った。使用した樹脂の物性および硬化条件を表２に示す。
【００５６】
【表２】
2004235261.tif 000004
【００５７】
熱衝撃試験は液相にて実施し、２３３Ｋ（−４０℃）×５分、３５８Ｋ（８５℃）×５分を１サイクルとした。熱衝撃試験の結果、本発明に係る多層構造の光学系装置は、５００サイクルまでは全品良品であったが、レンズ部樹脂による単一構造の比較例のものは、レンズ形成樹脂と光学素子との境界面で剥離が生じ、全て不良であった。
【００５８】
上述のように、封止樹脂１層とレンズ部との２層構造による光学系装置２０においても、光学素子の上部空間に充填する樹脂の弾性率を適切に選択して用いることにより、総合的に封止樹脂の応力が緩和され、また、界面接合力との相乗効果によって、光学系装置が置かれる−４０℃〜８５℃という温度環境において、樹脂中の真空ボイドや樹脂界面の剥離を生じることのない耐久信頼性の向上した光学系装置が得られた。
【００５９】
さらに他の製造方法の例を示す。樹脂層を多層化する場合、下層の樹脂を滴下し、その上面に下層の樹脂よりも比重の小さい上層の掛脂を滴下した後、これらの樹脂を硬化させるようにしてもよい。このような方法によると、２つの封止樹脂の境界面が液状で形成されているため相溶化しており、２つの封止樹脂を硬化処理するとき樹脂の界面で化学結合して接合力が向上する。また、下層の樹脂よりも比重の小さい樹脂を上層に用いるので、樹脂同士の混合が防止される。
【００６０】
熱衝撃試験のために、表１に示した樹脂を用いて１層目（下層）の樹脂を滴下した後、１層目の樹脂を硬化せず、１層目よりも比重の小さい２層目（上層）の樹脂を滴下し、２層目の樹脂を滴下した後、６Ｊ／ｃｍ２の条件でＵＶ照射し、１層目と２層目の樹脂を硬化させた光学系装置を作製した。この方法によって作製した光学系装置と、通常の方法で作製した光学系装置について、熱衝撃試験を行った。その結果、１０００サイクル後に、通常方法で作製したサンプルは１層目と２層目の界面が剥離して不良となったのに対し、本方法によって作製したサンプルは１層目と２層日の界面で剥離せず、全品良品であった。
【００６１】
さらに他の例として、光学素子を実装する凹部のメタライズ面を粗面化して封止樹脂を充填してもよい。この方法によると、メタライズ面に入射する光が粗面により拡散して迷光が減少する効果が得られると共に、その粗面に樹脂が食い込むアンカー効果によって、凹部に充填する封止樹脂の界面接合力が向上する効果がある。
【００６２】
熱衝撃試験のために、表１に示した樹脂を用い、メタライズ面の面粗度Ｒｙを１μｍ以上として光学系装置を作製した。この光学系装置の場合、１０００サイクルの熱衝撃試験後において全て良品であったが、比較例として面粗度Ｒｙを１μｍ未満としたものではメタライズ面と樹脂との剥離による不良品が発生した。また、本方法による光学系装置では、メタライズ面での拡散による迷光の減少によって、光学特性における損失を、通常の場合よりも５％減少できた。
【００６３】
さらに他の例として、図７（ａ）（ｂ）に示すように、メタライズされた凹部の底面に基板樹脂が露出した部位、例えば三日月状の基板樹脂露出部１６を形成してもよい。この構成においては、凹部に充填する封止樹脂と基板樹脂とが前記露出した部位で樹脂同士が接合するため、メタライズ面を介しての接着よりも強固な封止樹脂の接合力が得られる。例えば、表１に示した樹脂を用い、図７に示される構造の光学系装置を作製したものは、熱衝撃試験１０００サイクル後において全て良品であったが、底面が全面メタライズされたものは剥離により不良となった。
【００６４】
上記構造に加え、図８（ａ）（ｂ）に示すように、メタライズされた凹部底面に基板樹脂が露出した溝７を形成してもよい。この構成においては、溝７に封止樹脂を注入するので、前記同様の効果に加え、封止樹脂と基板樹脂との接合面積が増加してさらに強固な封止樹脂の接合力が得られる。例えば、表１に示した樹脂を用い、図７に示される構造の光学系装置を作製したものは、熱衝撃試験１５００サイクル後全て良品であったが、溝のない前記の露出部のものは剥離により不良となった。
【００６５】
さらに他の例として、封止樹脂の架橋度が５０〜８０％の状態でレンズ部形成用樹脂を注入してこれらの樹脂を硬化させてもよい。このような方法による、レンズ部形成用樹脂の硬化剤によりレンズ部下層の封止樹脂の硬化が進むと共に、レンズ部樹脂と封止樹脂との化学結合も形成されるため、レンズ部と封止樹脂との接合力が向上する。また、封止樹脂の架橋度の制御を樹脂硬化時の加熱時間によって行ってもよい。加熱時間を変化させることにより、架橋度を容易に制御及び変化させて製造することができる。
【００６６】
熱衝撃試験のために、例えば、表２に示した樹脂を用い、封止樹脂を恒温槽にて４０８℃×３０分加熱することによって７０％架橋させ、その上にレンズ部を形成した光学系装置を作製した。この光学系装置について熱衝撃試験したところ、１０００サイクル後において不良は発生しなかった。比較例として、４０８℃×２時間加熱して前記よりも架橋反応を進めて８５％の架橋とし、その上にレンズ部を形成したものは１０００サイクルの熱衝撃試験において封止樹脂とレンズ部樹脂の界面に剥離が生じて不良となった。また、４０８℃×１５分加熱し４５％架橋したものにレンズ部を樹脂成形するものは、樹脂成形時の圧力により封止樹脂が流される成形不良となった。
【００６７】
さらに他の例を図９に示す。図９（ａ）に示すように、レンズ形成工程の直前の封止工程に用いる封止樹脂６を紫外光硬化樹脂として樹脂基板１の開口した凹部に光学素子２を封止するため充填する。次に、粗面化された表面を有する紫外光透過材料で形成された透明部材７の粗面を前記封止樹脂６に接着させて配置する。この状態で透明部材７を透過して封止樹脂６に紫外光を照射することによって封止樹脂６を硬化させる。このような方法によると、図９（ｂ）に示されるように、硬化した封止樹脂６の表面には透明部材の表面から転写された粗面構造６１が形成される。この粗面構造６１を有する封止樹脂の上に、図９（ｃ）に示されるようにレンズ部５を樹脂成形する。この結果、レンズ部樹脂５と封止樹脂６との接合力が向上する。
【００６８】
上述した工程により製造した光学系装置について熱衝撃試験を行った。まず、封止樹脂を滴下後、紫外光透過材で形成された面粗度Ｒｙが１．５μｍの平板を封止樹脂に密着させ、この平板を介して封止樹脂に紫外光を照射し硬化させた。これにより、封止樹脂表面の面粗度Ｒｙが１．５μｍのものが得られた。粗面化された封止樹脂の上にレンズ部を成形した。レンズ部成形後のサンプルを熱衝撃試験したところ、１０００サイクルにおいて不良は発生しなかった。使用した樹脂の物性および硬化条件を表３に示す。
【００６９】
【表３】
2004235261.tif 000005
【００７０】
さらに他の例を図１０（ａ）（ｂ）に示す。光学素子２を実装する開口凹部は、樹脂基板１の突出部からなる鏡筒１２の先端に設けられている。光学素子２を実装した後、封止樹脂３，４又は封止樹脂６を充填硬化させた後、突出した鏡筒１２の外側表面を覆う樹脂５１を有する形状でレンズ部５が成形される。このような光学系装置４０，５０は、レンズ部５を形成する樹脂が突出した鏡筒１２の外側表面を覆っているので、レンズ部形成樹脂と基板樹脂との接合部界面の面積を広く取ることができる。そのため、界面を通して封止部内部への吸湿が低減され、光学素子の劣化を防止できる。また、強固に形成されたレンズ部樹脂によって内部の封止樹脂を包み込んでいるため、封止樹脂とレンズ樹脂との剥離の防止ができる。
【００７１】
上述した光学系装置について熱衝撃試験を行った。使用した材料は表１のものと同じである。トランスファー成形により鏡筒外側にレンズ部樹脂を成形して、図９（ａ）に示す光学系装置４０を作製した。この光学系装置について、１０００サイクルの熱衝撃試験を行ったところ、レンズ部樹脂と基板樹脂間の剥離は発生しなかった。比較例として、鏡筒上部のみレンズ部を成形した光学系装置について１０００サイクルの熱衝撃試験を実施したところ、レンズ部樹脂と基板樹脂間の界面剥離が発生して不良となった。
【００７２】
さらに他の例として、レンズ形成工程においてレンズ部を形成する樹脂を硬化させた後、常温冷却よりも遅い冷却速度で硬化温度から常温まで冷却するようにしてもよい。このような方法においては、冷却時間を制御して熱応力の緩和を行いながら冷却できるため、急激な収縮による樹脂界面の剥離や樹脂へのクラック発生を防止できる。例えば、表１に示した樹脂を用い、レンズ部を樹脂成形して４２３Ｋで硬化させた後、光学系装置のサンプルを成形金型から取り出しで恒温槽に投入し１分間に１Ｋずつ３００Ｋまで冷却した。このサンプルに対し熱衝撃試験を行ったところ、１０００サイクル後において不良は発生しなかった。
【００７３】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、封止樹脂を積層、又は封止樹脂にレンズ部樹脂を積層する場合、下層の樹脂を形成した後、例えば大気圧プラズマ装置を用いて、樹脂表面の清浄化／活性化を行い、各樹脂層間の濡れ性／界面接合力を向上させる処理を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光学系装置の断面図。
【図２】同上装置の光学素子実装部の斜視図。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は同上装置の製造工程を説明する断面図。
【図４】同上装置の製造方法の工程フロー図。
【図５】本発明の一実施形態に係る光学系装置の他の例を示す断面図。
【図６】同上装置の製造方法の工程フロー図。
【図７】（ａ）は本発明の一実施形態に係る光学系装置のさらに他の例を示す平面図、（ｂ）は同装置の断面図。
【図８】（ａ）は本発明の一実施形態に係る光学系装置のさらに他の例を示す平面図、（ｂ）は同装置の断面図。
【図９】（ａ）は本発明の一実施形態に係る光学系装置の製造方法を説明する断面図、（ｂ）は同装置の部分断面図、（ｃ）は同装置の断面図。
【図１０】（ａ）（ｂ）は本発明の一実施形態に係る光学系装置のさらに他の例を示す断面図。
【図１１】（ａ）（ｂ）は従来の光学系装置の断面図。
【図１２】（ａ）（ｂ）は従来の他の光学系装置の断面図。
【図１３】（ａ）（ｂ）は従来のさらに他の光学系装置の断面図。
【図１４】従来の半導体チップの封止構造を説明する断面図。
【符号の説明】
１  樹脂基板
２  光学素子
３  封止層
４  封止層
５  レンズ部
６  封止層
１３  凹部
１４  メタライズ面
１０，２０，３０，４０、５０  光学系装置
【図１】
2004235261.tif 000006
【図２】
2004235261.tif 000007
【図３】
2004235261.tif 000008
【図４】
2004235261.tif 000009
【図５】
2004235261.tif 000010
【図６】
2004235261.tif 000011
【図７】
2004235261.tif 000012
【図８】
2004235261.tif 000013
【図９】
2004235261.tif 000014
【図１０】
2004235261.tif 000015
【図１１】
2004235261.tif 000016
【図１２】
2004235261.tif 000017
【図１３】
2004235261.tif 000018
【図１４】
2004235261.tif 000019