(57)【要約】【課題】光モジュールの光結合効率を向上させる。【解決手段】レーザーダイオード及びレンズが、はんだで、レンズ位置決め溝と該レンズ位置決め溝に繋がるはんだ供給溝が形成された基板に実装されている光モジュールの製造方法であって、該レンズ位置決め溝及び該はんだ供給溝にメタライズを形成するステップと、該はんだ供給溝に形成したメタライズ上にはんだを配置するステップと、該はんだを溶融するステップと、レンズを該レンズ位置決め溝に搭載するステップを有するようにする。【選択図】　図１
2004012855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーダイオード及びレンズが、はんだで、レンズ位置決め溝と該レンズ位置決め溝に繋がるはんだ供給溝が形成された基板に実装されている光モジュールの製造方法であって、
該レンズ位置決め溝及び該はんだ供給溝にメタライズを形成するステップと、該はんだ供給溝に形成したメタライズ上にはんだを配置するステップと、該はんだを溶融するステップと、レンズを該レンズ位置決め溝に搭載するステップを有することを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
レーザーダイオード及びレンズが、はんだで、レンズ位置決め溝と該レンズ位置決め溝に繋がるはんだ供給溝が形成された基板に実装されている光モジュールの製造方法であって、
該レンズ位置決め溝及び該はんだ供給溝にメタライズを形成するステップと、該はんだ供給溝に形成したメタライズ上にはんだを配置するステップと、該はんだを溶融するステップと、メタライズを一部に形成したレンズを該メタライズを形成した領域を基板の該レンズ位置決め溝に対向するように搭載するステップを有することを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光モジュールの実装技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、幹線系の光通信には、レーザーダイオード、モニター用フォトダイオードなどの光素子を備え、レーザーダイオードから発信された光をレンズにより集光し、光ファイバーに入射させて光信号を伝送する光伝送装置、いわゆる光モジュールが使用されている。
光素子は、放熱性と電気的接続を得るためにＡｕ−２０ｍａｓｓ％Ｓｎはんだを用いて、セラミックス製のサブマウントあるいはＳｉ製の基板などに実装されている。
【０００３】
一方、レンズは、レーザーダイオードと光ファイバーの光学的結合を得るために、高い位置精度での実装が求められるため、ＹＡＧレーザー溶接にて固定される。そのため、レンズを金属製のホルダーにはめ込み、これをステムあるいはパッケージにあらかじめ形成されている金属製の支柱などに溶接することで固定する。この時、実際にレーザーダイオードを発光させながら、レンズ位置を調整する、いわゆるアクティブアライメントを行うことで、高い光結合効率が得られる。
【０００４】
しかし、このような方法でレンズを固定するためには、まず金属製ホルダーが必要であり、ホルダーの部材・加工費などの費用がかかる。また、レンズの位置合わせに時間がかかり、その分、生産性が低下することになる。さらにホルダーを使用して固定するため本質的に小型化に不利である、
そこで、ホルダーを用いることなく、また簡易なアライメントでレンズの位置合わせを行い、レンズを固定する方法が考案されている。この方法は、あらかじめエッチングによりＳｉ基板に形成されたＶ溝上に、Ａｌのメタライズ膜を形成し、その上にボールレンズを加熱しながら押し当てることにより、非金属であるレンズとＡｌの固相反応を促進させ、接合を得るというものである。
事前にレンズ表面にメタライズ膜などを形成する必要が無いことが、この方法の大きなメリットである。またレンズのアライメントは、光軸方向についてのみ行えばよく、その他の方向（レンズ高さおよび水平面内の光軸と垂直な方向）は、Ｓｉ基板に形成されたＶ溝への押し当てで決定される。
しかし、この方法はボールレンズの固定では非常に有効であるが、非球面レンズの固定に適用することは非常に難しい。
【０００５】
ボールレンズの場合は、レンズとＡｌ蒸着膜が点接触になるのに対し、非球面レンズではレンズ側面が円筒状であるため、レンズとＡｌ蒸着膜が線接触となるからである。このため、ボールレンズをＡｌ蒸着膜へ押し当てる時と同等の圧力を得るためには、非球面レンズでは数十倍の荷重で押し当てなければならないことになる。そのような大きな荷重でＳｉ基板に押し当てた場合、Ｓｉ基板がＶ溝から割れて破損してしまう恐れがある。
すなわち、Ａｌ蒸着膜へレンズを押し当てて接合させるという方法は、ボールレンズを使用する場合に用いることができる方法であり、他の非球面レンズなどの固定への適用は難しい。
したがって、ホルダーを使用することなく、また極力アライメントを少なくして、レンズを固定する方法を提供するには他の接合方法が必要である。
【０００６】
他の接合方法として、はんだを使用する接合方法があるが、はんだ表面に元々存在する初期酸化膜による濡れ不良が起こってしまう。
光モジュールでは、一般的にフラックスレスではんだ接続が行われる。これは、フラックスを使用した場合、その後フラックス残さを洗い流すために洗浄することが必要となるが、この時に光素子の発光面あるいは受光面を汚してしまうと、光学特性に多大な影響を与えてしまうためである。洗浄不要のフラックスなども市販されているが、残さが全く残らないとは言い切れず、残さがレーザーダイオードの発光部やレンズの表面に残ると光学特性不良となってしまう。
したがって、レンズをはんだで接続しようとする場合にも、当然、フラックスレスではんだ接続を行わなければならない。
【０００７】
フラックスレスでのはんだ接続では、はんだの表面に元々存在する初期酸化膜をどのようにして取り除くかが大きな課題となる。
これまでに行われている方法としては、例えばはんだを溶融させてから、接続する部品を前後左右に動かすスクラブ（こすりつけ）動作を行い、溶融はんだ表面に浮いている初期酸化膜を破壊する、ということが行われている。あるいは、Ａｒスパッタなどのドライエッチングの手法を用いて、はんだ表面に元々存在する酸化膜を可能な限り除去し、そのはんだを使用するといった方法も考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの方法は光モジュールにおけるレンズ接続には適用が難しい。
まず、スクラブであるが、レンズの接続位置はレーザーダイオードと非常に近いため、スクラブによりレーザーダイオードを破壊する恐れがある。レーザーダイオードは極めて高価な部品であり、このような工程での歩留まり低下は、モジュールの価格を押し上げることになる。
【０００９】
次にドライエッチングによる酸化膜除去であるが、酸化膜除去後、はんだを一旦空気にさらすと、直ちに表面酸化が起こり、除去前の酸化膜ほど厚くはないが酸化膜が形成されてしまう。これを防ぐには、ドライエッチングしたはんだを空気中に解放することなく、そのままはんだ付けに使用しなければならない。しかし、このためには非常に大がかりな装置が必要であるし、そもそもドライエッチングという工程は生産性が高くなく、コストを押し上げる要因となる。
すなわち、光モジュールにおいて、ホルダーを用いずにレンズを固定するには、あらかじめレーザーダイオードおよびレンズを実装する基板上に、レンズ位置決め溝を形成し、溝内にメタライズを形成しておく必要がある。
【００１０】
そしてレンズを位置決め溝内にレンズをはんだ接続するためには、（１）フラックスレスで、（２）スクラブを行うことなく、（３）はんだのドライエッチングなどのプロセスを経ることなく行わなければならない。
さらに、はんだ付け時にはんだが溝内からはみ出すと、レーザーダイオードをショートさせたりする。また、光路をふさいで十分な光出力が得られない場合があるので、はんだがはみ出さないようにもしなければならない。
【００１１】
すなわち、本発明の目的は、フラックスレスはんだでスクラブやドライエッチングを用いずにレンズを基板に搭載した光モジュールの光結合効率を向上させることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決する手段の一つに、次の態様がある。
レーザーダイオード及びレンズが、はんだで、レンズ位置決め溝と該レンズ位置決め溝に繋がるはんだ供給溝が形成された基板に実装されている光モジュールの製造方法であって、該レンズ位置決め溝及び該はんだ供給溝にメタライズを形成するステップと、該はんだ供給溝に形成したメタライズ上にはんだを配置するステップと、該はんだを溶融するステップと、レンズを該レンズ位置決め溝に搭載するステップを有することを特徴とする光モジュール。
【００１３】
すなわち、レンズ位置決め溝にはんだ供給溝を繋げて形成した基板のこれらの溝内に連続したメタライズを形成しておくことで、はんだ供給溝にはんだを供給し、不活性なガスの雰囲気ではんだを溶融させると、溶融したはんだがメタライズに沿って濡れ広がり、はんだ供給溝からレンズ位置決め溝内にはんだが流れ込みやすくなる。
このようにすると、濡れ広がりによってはんだ液面の表面積は増大するが、初期酸化膜の面積は変わらないため、レンズ位置決めの溝内には初期酸化膜が浮いていない清浄なはんだ液面が形成され、初期酸化膜ははんだ供給溝内に取り残される。
【００１４】
一方、レンズの一部にも、はんだ接続のためのメタライズをあらかじめ接続部に形成しておくことにより、はんだの濡れ広がりがよくなるので、アライメント精度が向上するので、光モジュールの光結合効率を向上させることができる。
なお、非球面レンズの場合には、側面の円筒状の部分にのみにメタライズを形成しておいてもよいが、光結合に用いない領域であれば、端面にもメタライズを形成してもよい。
このようなレンズを、先程の清浄な液面で満たされたはんだ位置決め溝内に下降させ、溝にレンズを押し当てる。
【００１５】
はんだ表面は清浄で酸化膜がないため、容易にレンズ表面のメタライズに濡れ広がる。溶融したはんだはレンズに押しのけられた分だけ移動しなければならないが、通常、液体の表面積を増大させないように（すなわち表面張力を増大させないように）液体は移動するため、余分なはんだははんだ供給溝の方へ逆流し、溝からはみ出してレーザーダイオードをショートさせたりする。光路をふさいで前方の光出力の低下を招くようなことはない。そしてレンズを溝に押し当てた状態で冷却することではんだは凝固し、レンズは基板上に固定される。
【００１６】
以上のようなプロセスで、フラックスレスはんだでスクラブやドライエッチングを用いずにレンズを基板に搭載した光モジュールの光結合効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い、図を参照して説明する。
図１は本発明による光モジュールの第１の実施例を示す斜視図である。単結晶Ｓｉウェハに、ＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）などを用いて異方性エッチングを行い、レンズ位置決め溝２、はんだ供給溝３、およびこれらの連結溝４を形成し、次に、これら２、３、４の溝内および光素子搭載部の電極部５にメタライズを形成し、最後に光素子搭載部に薄膜のはんだ６を形成したものが、光素子搭載用のＳｉ基板１である。
レンズ位置決め溝２の溝幅は、レンズの直径、レーザーダイオード発光部の高さなどを考慮して、後でレンズを溝の底部にあるいは斜面に押し当てるだけで、レーザーダイオード７から出射した光を効率よくコリメートあるいは集光できるように設計する。電極部５および２、３、４の溝内のメタライズは、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属を組み合わせたメタライズが好適であるが、ＴｉのかわりにＣｒなどの他の活性な金属、ＰｔのかわりにＰｄあるいはＮｉなどを用いることもできる。２、３、４の溝の外の電極メタライズ以外の基板１表面にはメタライズは存在しない。これは、２、３、４の溝の外へのはんだの濡れ広がりを防止するためである。薄膜はんだ６は、ＡｕとＳｎの合金はんだが一般的であるが、必ずしもＡｕ−Ｓｎの二元系に限定されるものではなく、Ｓｎを主体とし、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎなどの添加元素を加えたはんだも使用することができる。薄膜はんだ６にはレーザーダイオード７が、はんだ供給溝３にはレンズ接続用はんだ９が、レンズ位置決め溝２には側面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどのメタライズを施した非球面レンズ１０がそれぞれ実装される。
【００１８】
本発明による光モジュールの組立工程の実施例および発明の効果について図２を用いて詳細に説明する。まず図２（ａ）の工程で、薄膜はんだ６上にレーザーダイオード７を押し当て、薄膜はんだ６を溶融させて接続する。次に図２（ｂ）の工程でレンズ接続用はんだ９をはんだ供給溝３に供給する。一般的にＳｎを含むはんだは、大気中にさらされるとＳｎの酸化膜が表面に形成されている。図２（ｃ）の工程では、レンズ接続用はんだ９の融点以上に加熱して、はんだ９を溶融させる。この時、フラックスなどは使用せず、酸素濃度が比較的低い、不活性なガス中で加熱を行う。不活性ガスは、窒素、アルゴンなどが好適であるが、他の不活性なガスでも構わない。酸素濃度は低ければ低いほど良い。このような状態ではんだ９を溶融させると、はんだは２、３、４の溝内のメタライズに濡れ広がる。しかし、元々はんだ９の表面に存在していた酸化膜１２は、はんだ供給溝の溶融したはんだ表面に浮いた状態になる。一方濡れ広がった部分では、表面に酸化膜などが無い清浄な表面１３が得られる。はんだが２、３、４の溝内のメタライズ全域に濡れ広がると図２（ｄ）の状態になる。この状態で、図２（ｅ）のように、側面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどのメタライズ１１が施された非球面レンズ１０をレンズ位置決め溝２内に押し当てる。はんだ表面は酸化膜が無い清浄な状態なので、直ちにレンズのメタライズ１１に濡れ広がる。またレンズを溝の底面および斜面に押し当てることで、レンズの位置決めを容易に行うことができる。はんだが十分濡れ広がった状態で冷却し、はんだを凝固させ、レンズを固定する。
【００１９】
以上のような図２の工程以外にも、例えば図８に示す工程でも組み立てることができる。すなわち、図８（ａ）のように、まずレーザーダイオードをＳｉ基板に実装する。次に、図８（ｂ）のように、メタライズ１１を施したレンズ１０をレンズ位置決め溝２に押し当てる。この時、レンズ接続用はんだ９もはんだ供給溝３へ供給しておく。レンズ１０を溝に押し当てたまま、Ｓｉ基板１を加熱して、図８（ｃ）のように、はんだ９を溶融させる。この時、図２の工程と同様に、不活性なガスの雰囲気中で加熱を行う。はんだ９が溶融すると、はんだが２、３、４の溝内のメタライズを濡れ広がり、レンズ１０とレンズ位置決め溝２に濡れ広がる。この状態で冷却し、レンズを固定することができる。
以上のようにして、レーザーダイオードやレンズを実装したＳｉ基板は、その後光モジュールのパッケージ内に実装され、光モジュールが作製される。
【００２０】
本発明の第２の実施例について、図３を用いて説明する。本実施例は、第１の実施例でのレンズ位置決め溝２、はんだ供給溝３、これらの連結溝４を一体化させた溝１４を形成する構造である。レンズ接続用はんだ９を、溝１４内でレンズを押し当てる位置から離れた場所に置き、はんだを不活性ガス雰囲気で溶融させることにより、はんだがレンズを押し当てる位置まで濡れ広がり、第１の実施例と同様に、表面に酸化膜などの無い正常な液面が形成される。したがって、このはんだ液面にメタライズ１１を施したレンズ１０を押し当て、そのまま溝１４の底面および斜面に押し当てることで、レンズの位置決めおよび酸化膜の巻き込みが無い、健全な接続を得ることができる。
【００２１】
第２の実施例のように、溝１４の構造は、底面がある台形型の溝に限定されるものではなく、図４のように三角形の溝であっても構わない。
【００２２】
これまで述べた実施例は、いずれもＳｉ基板にメタライズを施した非球面レンズを実装するものであったが、使用するレンズは非球面レンズに限定されるものではなく、メタライズを施したあらゆるレンズを使用することができる。例えばボールレンズを使用する場合の実施例を図５から図７に示す。ボールレンズをはんだで接続する場合も、第１から第８の実施例で述べたように、はんだ接続部に酸化膜を巻き込まないことが重要であり、図５から図７に示す構成で製造することで、健全な接続を得ることができる。
【００２３】
また、Ｓｉ基板上に実装される部品は、レーザーダイオードとレンズに限定されるものではなく、例えば温度を検出するためのサーミスタ実装することも可能であり、こうすることでより高い精度でレーザーダイオードの温度を検出することができる。
【００２４】
次に、これまでの実施例とは異なり、レーザーダイオードの前後にレンズを実装する実施例を図９に示す。このような実施例は、レーザーダイオードから後方に出射される光線をコリメートして波長を検出する装置を組み込む場合などに好適である。
【００２５】
まず、メタライズ１１を施してある前方および後方のレンズ１０を、それぞれレンズ位置決め溝２内の所定の位置に押し当て動かないようにする。この状態で、はんだ供給溝３にレンズ接続用はんだ９を供給する。雰囲気を不活性なガスで満たし、Ｓｉ基板１を加熱すると、はんだ９は溶融し、２、３、４の溝内のメタライズへ濡れ広がる。はんだがレンズ位置決め溝２まで濡れ広がると、レンズ１０のメタライズ１１にも直ちに濡れ広がり、レンズ１０とレンズ位置決め溝２の間ははんだで満たされる。この状態で冷却することで、はんだを凝固させ、レンズを固定することができる。
【００２６】
このような実施例は、図９に示すように、レンズ位置決め溝２、はんだ供給溝３、連結溝４がそれぞれ存在する形態に限らず、例えば、図１０に示した実施例のように、これらの溝が一体化していても構わない。また、使用されるレンズも、非球面レンズに限らず、あらゆる形態のレンズを使用することができる。
【００２７】
これまで述べたいずれの実施例においても、はんだ供給溝は、レーザーダイオードから出射される光軸上に配置しているが、必ずしも光軸上にある必要はない。はんだ供給溝が光軸上にある場合のメリットは、レンズによってコリメートされた光線の直径を大きくできることである。一方、はんだ供給溝を光軸方向以外の部分に設けることも可能である。この場合のメリットは、図８のようなプロセスで、はんだ供給溝内に最初にはんだを供給し、次にレンズをレンズ位置決め溝内に押し当てる場合に、レンズの高さ方向および水平面内における光軸と垂直な方向については、基板の溝によりレンズの位置合わせを行い、光軸方向についてはレーザーダイオードを発光させて、アクティブで位置合わせを行うことも可能である点が挙げられる。すなわち、光軸上にはんだ供給溝がある場合、レンズ位置合わせを行う前にはんだを供給してしまうと、はんだが光線を遮り、位置合わせを行うことができないことがある。また、はんだ供給溝がどの方向にあろうと、はんだの濡れ広がりを利用して接続するため、はんだ供給溝はレンズ位置決め溝に隣接している必要がある。したがって、レンズを先に位置決めし、レンズを溝内に押し当てた状態ではんだを供給しようとすると、レンズおよびはんだを把持している組立装置の把持具同士がぶつかりあう可能性もある。すなわち、光軸方向以外の部分にはんだ供給溝を設けることにより、はんだを先に供給溝に供給し、次に光軸方向のみレンズをアクティブで位置合わせし、最後に不活性雰囲気中で基板を加熱することにより、高精度なレンズ実装が可能になる。
【００２８】
以上に述べた実施例では、いずれも基板材料にＳｉを使用した例を示した。これは、Ｓｉは異方性エッチングにより精密な溝を形成しやすいためである。しかし、近年、微少な機械装置を使用する加工技術が発展してきており、機械的に研削、切断などを微細に行うことで、セラミック材料などでも精密な加工が可能になってきている。したがって、基板材料はＳｉに限定されるものではなく、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素などをはじめ、他の各種セラミック材料も使用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、光モジュールにおけるレンズを位置決めを容易に行い、レンズをはんだで固定する際にはんだの酸化膜による濡れ不良を発生しないようにして確実にレンズを接続させることにより、安価で高信頼度な光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光モジュールの第１の実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明による光モジュールの組立工程の一実施例を説明するための光モジュールの斜視図である。
【図３】本発明による光モジュールの第２の実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明による光モジュールの第３の実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明による光モジュールの第４の実施例を示す斜視図である。
【図６】本発明による光モジュールの第５の実施例を示す斜視図である。
【図７】本発明による光モジュールの第６の実施例を示す斜視図である。
【図８】本発明による光モジュールの組立工程の他の実施例を説明するための光モジュールの斜視図である。
【図９】本発明による光モジュールの第７の実施例を示す斜視図である。
【図１０】本発明による光モジュールの第８の実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板、２…レンズ位置決め溝、３…はんだ供給溝、４…連結溝、５…電極メタライズ、６…レーザーダイオード接続用薄膜はんだ、７…レーザーダイオード、８…レーザーダイオード電極メタライズ、９…レンズ接続用はんだ、１０…レンズ、１１…はんだ接続用メタライズ、１２…はんだ表面に元々存在した初期酸化膜、１３…溶融はんだの清浄な表面、１４…レンズ位置決め溝およびはんだ供給溝および連結溝を一体化させた台形溝、１５…レンズ位置決め溝およびはんだ供給溝および連結溝を一体化させたＶ溝、１６…ボールレンズ接続用メタライズ、１７…ボールレンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004012855.tif 000011
【図１０】
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