(57)【要約】【課題】  信頼性を確保しながらも、光電変換素子と組み合わされた光電変換モジュールの光学特性を向上させると同時に、光コネクタの位置決め精度も向上して、光利用効率特性を向上させる光電気変換モジュールを提供する。【解決手段】  光電気変換素子を備える基板と、光電気変換素子と光結合を行う光結合素子を備える支持部材と、を有する光電気変換モジュールにおいて、基板と、支持部材とのそれぞれに凸部又は凹部を対向するように設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電気変換素子を備える基板と、該光電気変換素子と光結合を行う光結合素子を備える支持部材と、を有する光電気変換モジュールにおいて、
前記基板と、前記支持部材とのそれぞれに凸部又は凹部を対向するように設けることを特徴とする光電気変換モジュール。
【請求項２】
光電気変換素子を備える基板と、該光電気変換素子と光結合を行う光結合素子の成形型と、を有する光電気変換モジュールにおいて、
前記基板と、前記成形型とのそれぞれに凸部又は凹部を対向するように設けることを特徴とする光電気変換モジュール。
【請求項３】
前記凸部と前記凹部とを嵌合させることにより、前記基板と、前記支持部材又は前記成形型とを組み付けることを特徴とする請求項１又は２記載の光電気変換モジュール。
【請求項４】
前記基板の凸部又は凹部の画像情報に基づいて前記光結合素子の位置調整を制御する位置制御手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電気変換モジュール。
【請求項５】
光電気変換素子を備える基板と、該光電気変換素子と光結合を行う光結合素子を備える支持部材と、を有する光電気変換モジュールの製造方法において、
前記基板と、前記支持部材とのそれぞれに凸部又は凹部を対向するように設けることを特徴とする光電気変換モジュールの製造方法。
【請求項６】
光電気変換素子を備える基板と、該光電気変換素子と光結合を行う光結合素子の成形型と、を有する光電気変換モジュールの製造方法において、
前記基板と、前記成形型とのそれぞれに凸部又は凹部を対向するように設けることを特徴とする光電気変換モジュールの製造方法。
【請求項７】
前記基板の凸部又は凹部の画像情報に基づいて前記光結合素子の位置調整を制御する位置制御手段を設けることを特徴とする請求項５又は６記載の光電気変換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、光伝送、光計測、光メモリ等の各種分野に適用可能で光の入出射を行う光電気変換モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電気変換素子又は光電変換素子と電子回路素子とをパッケージ化することによりマルチチップモジュールとなる光電気変換パッケージあるいは光電変換パッケージ（“ＯＥ−ＭＣＭ”とも呼ばれる）は、光電気変換素子又は光電変換素子、光結合素子、光実装基板、発光光電変換素子用ドライバ電子回路素子、受光光電変換素子用増幅電子回路素子、論理電子回路素子、さらにはこれら全体を封止するパッケージ、端子、ＭＣＭ基板等から構成される。
【０００３】
特許文献１には、従来の光電変換モジュールの構成例が掲載されており、光電変換素子、電気回路素子及び周辺部品が同一部品に実装されている。
【０００４】
図５は、特許文献１に記載された従来の光電変換素子パッケージの構成例を示す図である。この光電変換素子パッケージは、図５に示すように、コネクタ構成を有する部品（光ファイバ２００等）と、これに対して位置調整された光電変換素子（ＬＤチップ２０１等）、電気回路素子（受信用ＰＤ２０２等）、及び周辺部品（モニタ用ＰＤチップ２０３、光導波路２０４中のＷＤＭフィルタ２０５等）とが不透明で硬化性に優れたエポキシ樹脂等のモールド部材２０６によりモールドされている。なお、ＬＤチップ２０１及びモニタ用ＰＤチップ２０３周りはＬＤチップ２０１からの光をモニタ用ＰＤチップ２０３に導光させるためにシリコーン系樹脂等の透明樹脂２０７により覆われている（図５は、特許文献１の図１５）。
以上の構成により、特許文献１の光電変換素子パッケージでは、従来の金属のハーメチック封止による光電変換素子パッケージよりも、小型・低価格化が実現可能となる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１において、外部の光ファイバ２００と光電変換素子（ＬＤチップ２０１）とを高効率で光結合させるためには高精度な光実装が必要なため、外部の光ファイバ２００の一部をモールド部材２０６に直接挿入して一体化しており、外部の光ファイバ２００の脱着ができない。このため、光電変換素子パッケージのプリント基板への実装には、リフロー炉を量産で用いることは困難であり、ロボット半田付けや手半田付け等による少量生産しかできない。さらには、機器内光伝送におけるボード間光伝送のように機器組み付け作業としてコネクタが必須の装置には用いることができない。
【０００６】
また、この光ファイバの挿入に代えて光コネクタをモールド部材に直接挿入して一体化すれば、光電変換素子パッケージと外部の光ファイバとを脱着ができるようになるが、実際には、光コネクタ自体が部品コストとして高価であり低コスト化できないばかりか、光コネクタという大きい部材に対する高精度の光実装が必要となり、組付けコストが増大する。
【０００７】
これらの問題を解決するために、特許文献２では、図６に示すように、光電変換素子２６０と、この光電変換素子２６０を封止する透明材料とからなるパッケージＡ２２０と、このパッケージＡ２２０及び上記光電変換素子２６０と電気的に接続された電気回路素子５０を封止するパッケージＢ２３０とからなり、前記パッケージＡの一部が前記パッケージＢの一部から外部に露出している（図６は、特許文献２の図４）。
【０００８】
従って、特許文献２においては光電変換素子２６０と電気回路素子５０とをパッケージして光電変換モジュールを作製する場合に、光電変換素子２６０を予め光学部品と光学実装しておくことにより、マルチチップモジュールの封止において、通常の電気実装パッケージと同様な封止により、光電変換素子パッケージ２４０の作製時の光学実装が不要となり、簡単かつ低コストで作製可能な光電変換モジュールを提供できる。
【０００９】
しかしながら、特許文献２における光電変換モジュールでは、光電変換素子を予め光学部品と光学実装しておく必要があるが、光学部品に要求される樹脂は、良好な光結合素子特性を発現するために成形精度が高くかつ変形しにくい比較的に硬度の高い材料が好ましいのに対して、光電変換素子を光実装する場合の封止材料は、ワイヤボンド実装を用いた場合には、熱衝撃及び熱サイクル時のワイヤへの応力が及びワイヤボンド部への応力が小さくして信頼性を確保するために、ある程度変形しやすい比較的に硬度の低い材料が好ましく、その要求内容が異なる。基本的には信頼性を確保することが優先されるので、軟らかく変形が比較的に生じる材料を用いる結果、光学特性がその運だけ劣化してしまい、通常の光学部品と比較して十分な特性を得ることがでず、光利用効率を大きくできなかった。
【００１０】
さらに、この光電変換モジュールに光コネクタの機能を複合化させる場合に、光コネクタの位置決めに必要な位置決め穴の形状精度に関しても、光学部品と同様に軟らかく変形が比較的に生じる材料のために形状精度が低下しているので、高精度の位置決めができにくく、その分だけさら光利用効率が低下しやすかった。
【特許文献１】特許第３６３７２２８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明の目的は、信頼性を確保しながらも、光電変換素子と組み合わされた光電変換モジュールの光学特性を向上させると同時に、光コネクタの位置決め精度も向上して、光利用効率特性を向上させる光電気変換モジュールを提供することである。
【００１２】
より詳細には、本発明の課題は、発光素子や受光素子のような光電変換素子又は光電気変換素子である、光と電気との信号変換を行う素子と、この光電変換素子との光結合を行う光結合素子とをモジュール化した光電変換モジュール又は光電気変換モジュールにおいて、簡単な光結合素子による光結合効率を向上すると同時に、光電変換素子及びこの電気配線に対する信頼性を向上させ、かつ製造工程を簡略化することにより低コストの光電気変換モジュールを実現できる光電気変換モジュール構成を提供することである。
【００１３】
具体的には、本発明の課題の１つは、光結合素子と光電変換素子との位置精度の検出を簡単に実現する光電気変換モジュールを提供することである。
【００１４】
また、本発明の課題の１つは、光結合素子と光電変換素子との高い位置精度の組み付けを簡単に実現する光電気変換モジュールを提供することである。
【００１５】
また、本発明の課題の１つは、光結合素子と光電変換素子との高い位置精度の光結合素子成形を簡単に実現する光電気変換モジュールを提供することである。
【００１６】
また、本発明の課題の１つは、光電変換素子を実装する基板成形及び光結合素子成形のより容易な光結合素子と光電変換素子との高い位置精度の光結合素子成形を簡単に実現する光電気変換モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光電気変換素子を備える基板と、光電気変換素子と光結合を行う光結合素子を備える支持部材と、を有する光電気変換モジュールにおいて、基板と、支持部材とのそれぞれに凸部又は凹部を対向するように設けることを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明は、光電気変換素子を備える基板と、光電気変換素子と光結合を行う光結合素子の成形型と、を有する光電気変換モジュールにおいて、基板と、成形型とのそれぞれに凸部又は凹部を対向するように設けることを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、凸部と凹部とを嵌合させることにより、基板と、支持部材又は成形型とを組み付けることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、基板の凸部又は凹部の画像情報に基づいて光結合素子の位置調整を制御する位置制御手段を有することを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載の発明は、光電気変換素子を備える基板と、光電気変換素子と光結合を行う光結合素子を備える支持部材と、を有する光電気変換モジュールの製造方法において、基板と、支持部材とのそれぞれに凸部又は凹部を対向するように設けることを特徴とする。
【００２２】
請求項６記載の発明は、光電気変換素子を備える基板と、光電気変換素子と光結合を行う光結合素子の成形型と、を有する光電気変換モジュールの製造方法において、基板と、成形型とのそれぞれに凸部又は凹部を対向するように設けることを特徴とする。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の発明において、基板の凸部又は凹部の画像情報に基づいて光結合素子の位置調整を制御する位置制御手段を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、信頼性を確保しながらも、光電変換素子と組み合わされた光電変換モジュールの光学特性を向上させると同時に、光コネクタの位置決め精度も向上して、光利用効率特性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は本実施形態の光電気変換モジュールの構成を原理的に示す断面模式図である。
図１において、１はＭＩＤ（Molded Interconnected Device）からなる立体基板であり、２は光電気変換素子であり、この２は実際には紙面に垂直方向に配列された面発光レーザ（VCSEL=Vertical Cavity Surface-Emitting Laser）又は単にレーザ半導体（ＬＤ）及び面受光型ＰＩＮフォトディテクタ（ＰＤ）であり、３はＭＩＤの上に設けた電気配線であり、４は接合バンプであり、５はマイクロレンズ形状を有する光結合素子であり、９は光結合素子５の支持部材であり、６はＭＩＤ開口へのマイクロレンズ形状を有する充填材料であり、７はＭＩＤ１の凹構造であり、８は支持部材９の凸構造であり、１５は熱インタポポーザであり、１６は隙間充填剤であり、１７はアンダーフィル剤であり、１８及び１９は光電変換素子と電気的に接続されたレーザドライバ（ＬＤＤ）及び４はトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）であり、１４はＭＩＤの下部電気配線であり、１３はボールアレイであり、２０は上記構成部品より形成される本実施形態の光電気変換モジュールであり、１１は光電変換素子を実装する主基板であり、１２は主基板上の電気配線である。
【００２７】
図２は、光結合素子５の支持部材９及びＭＩＤ１の断面形状を模式的に示したものであり、図２（ａ）に示すように、四角錐形状凸構造に対応した三角形の断面となる凸構造８、及び四角錐形状凹構造に対応した三角形の断面となる凹構造７をそれぞれ設け、これらを水平方向にほぼ同じ位置となるように配置して対向させている。
【００２８】
図１において、ＭＩＤ１に設けた凹構造７と、光結合素子５の支持部材９に設けた凸構造８が対向している。これにより、凹構造７と凸構造８を画像検出して位置検出をした場合に、両構造が対向した位置であるので、簡単に高い相対位置精度を得ることができる。よって、光結合素子５とＭＩＤ１の高い相対位置精度の組み付けを簡単に行うことができるようになる。さらに、ＭＩＤ１の凸構造を画像検出した結果に対応させて光電気変換素子１８及び１９を、実装機を用いて実装することにより、光結合素子５と光電気変換素子１８及び１９とを高精度に位置制御することができるようになる。
【００２９】
さらに、図１に示すように、ＭＩＤ１の凹構造７と光結合素子５の支持部材９の凸構造８とが嵌合構造となっている。従来、通常の基板は平板構造であるために高い位置精度の凹構造を設けることができないが、本実施形態では、ＭＩＤ基板は立体した成形品の表面に電極を配線した立体基板であるので、高い位置精度の凹構造を用いることができる。また、光結合素子５をプラスチック成形品により構成していれば、金型の精度に対応した簡単に高い位置精度の凸構造を設けることができる。そして、これらを嵌合することにより実装精度の低い実装機を用いてもセルフアライン効果により高い位置精度を実現することが簡単にできる。
【００３０】
凹凸構造は、図１よび図２に示すような四角錐に対応した三角形の断面形状に限定されるわけではなく、直方体や円柱及び直方錘や円錐等の鋸歯構造等画像検出が可能であり、さらには位置決めピンとして用いることができる形状であれば同様に効果的である。また、ＭＩＤに凹構造を設けることに限定されるわけではなく、ＭＩＤに凸構造を設けても同等に効果的であり、さらにＭＩＤに凹凸両方の構造を有する複雑な立体構造を設けることは、同様以上に高い位置精度や簡単な組み付けが可能となり、より効果的である。
【００３１】
また、光結合素子５は、図１及び図２に示す曲率を有するマイクロレンズ構造に限定されるものではなく、導波路構造であってもよく、また回折格子又はホログラムであっても同様に効果的である。
【００３２】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は本実施形態の光電変換モジュールの構成を原理的に示す断面模式図である。図１と重複する内容に関しては省略する場合がある。
図３において、２１は紫外線であり、２２は紫外線光源であり、２３は石英ガラスからなる光硬化性樹脂用成形型であり、２４は光硬化性樹脂用成形型の一部となる光結合素子に対応した形状であり、２５は光硬化性樹脂用成形型の一部となる凸構造であり、２６はＭＩＤの貫通孔の光結合素子と反対面に設けた平坦化用金型である。
【００３３】
図３においては、光結合素子用の成形型の凸構造とＭＩＤの立体形状による凹構造とを嵌合構造にしているので、ＭＩＤと光結合素子とを高い位置精度となるように光結合素子をＭＩＤと一体成形することが簡単にできるようになる。
【００３４】
石英ガラス上の光結合素子の成形型は、成形ガラスをドライエッチングすることにより作製することができる。このドライエッチング工程において、同時に凸構造に対応した成形型部分を作製することにより工程を増やすことなく低コストで凸構造用の成形型を作製することができる。ＭＩＤの対応した凹構造は、埋め込み型レンズを形成する場合の平坦化構成の作成と同時に平坦化構成を作製してもよい。また、ＭＩＤの凹構造は、平坦化構成を形成することなく、この凹構造そのまま又は凹構造に由来した凹構造に対し、光伝送モジュール表面にそのまま露出する構成とすることにより、この凹構造をＭＩＤと脱着可能な光コネクタとの位置決め構造として用いることができ、光コネクタに含有される光ファイバと光電気変換素子とをより高い位置精度で高精度の実装機も使用せずに高速でかつ簡単に制御することができるようになる。
【００３５】
光結合素子の成形型は、図３に示した石英ガラス上に限定されるわけでなく、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシラン）に代表されるソフトリソの成形型や、１次型にＮｉ電鋳した金属型を用いても同様に効果的である。また、凹構造の形状は、凹又は凸に限定される必要はなく、直方体や円柱及び直方錘や円錐等の鋸歯構造等画像検出が可能であり、さらには位置決めピンとして用いることができる形状であれば同様に効果的である。また、ＭＩＤに凹構造を設けることに限定されるわけではなく、ＭＩＤに凸構造を設けても同等に効果的であり、さらにＭＩＤに凹凸両方の構造を有する複雑な立体構造を設けることは、同様以上に高い位置精度や簡単な組み付けが可能となりより効果的である。
【００３６】
また、光結合素子は、図３に示す光硬化性樹脂により形成される曲面を有した凹レンズに限定されるわけではなく、フレネルレンズ、回折格子、ホログラム素子、導波路等の種々の光結合素子を用いることができる。さらに、図３に示す埋め込み型の単一面の構造に限定されるわけではなく、空気界面を有していたり、複数の光結合素子を積層したり、複数回の露光により複数種類の光結合素子を形成することも同様に効果的である。
【００３７】
光硬化性材料は、通常の光硬化性樹脂を用いることができる。また、光硬化性樹脂ではなく熱硬化性樹脂を光結合素子として用いても同様に効果的である。さらに、熱可塑性材料を射出成形したり、ホットエンボス成形したりしてもよい。光硬化性材料及び熱硬化性材料の方が、硬化前の流動性の高い又は粘性の小さい材料であることが多いので、こちらの方がより好ましい。光硬化性材料の方が、短時間で位置制御及び形状形成をできるのでより好ましい。また、光結合素子に用いる材料としては、単純な樹脂材料に限定されるわけではなく、フィラーや微粒子を混入して膨張係数や熱特性を制御した材料や、シリコーン期を有する無機有機複合材料を用いるとより効果的である。
【００３８】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は本実施形態の光電変換モジュールの構成を原理的に示す断面模式図である。図１と重複する内容に関しては省略する場合がある。
図４において、２７は顕微鏡光学系を示したものであり、２８はＣＣＤ結像素子であり、この結像素子からの画像情報は図示している位置制御手段３０に伝達されて、その空間的座標が記憶されると同時に、ＭＩＤやこれと組み付ける光制御素子、さらには光電気変換素子の実装位置精度が制御される。これにより、図４の場合に、簡単に光結合素子とＭＩＤ、及びＭＩＤと光電気変換素子、さらには光結合素子と光電気変換素子との高い位置精度の組み付けを実現することができるようになる。
【００３９】
図４における画像情報を検出するＣＣＤ結像素子は、ＣＣＤに限定されるものではなく、赤外線センサや紫外線センサや他の位置情報検出できるセンサを用いてよく、さらにその個数も単一である必要はなく複数を用いて高精度の検出を行うことがより効果的である。また、位置制御手段は、単に画像情報に従って位置制御をすることに限定されるわけではなく、仕様及び部品情報、環境情報、装置情報等に基づいて演算処理をすることにより高機能に位置制御することがより効果的である。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記記載に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、光電気変換モジュール全般に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る構成を示す断面模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光結合素子５の支持部材９及びＭＩＤ１の断面形状を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る構成を示す断面模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る構成を示す断面模式図である。
【図５】特許文献１記載の光送受信モジュールの構成を示す縦断面図である。
【図６】特許文献２記載の光電気変換素子パッケージの構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    立体基板
２    光電気変換素子
３    電気配線
４    接合バンプ
５    光結合素子
６    充填材料
７    ＭＩＤの凹構造
８    支持部材の凸構造
９    支持部材
１１    主基板
１２    電気配線
１３    ボールアレイ
１４    下部電気配線
１５    熱インタポポーザ
１６    隙間充填剤
１７    アンダーフィル剤
１８、１９    レーザドライバ
２０    光電気変換モジュール
２１    紫外線
２２    紫外線光源
２３    光硬化性樹脂用成形型
２４    光硬化性樹脂用成形型の一部となる光結合素子に対応した形状
２５    光硬化性樹脂用成形型の一部となる凸構造
２６    平坦化用金型
２７    顕微鏡光学系
２８    ＣＣＤ結像素子
３０    位置制御手段
５０    電気回路素子
６０    ワイヤ
７０    基板
１００    ボールアレイ
２００    光ファイバ
２０１    ＬＤチップ
２０２    受信用ＰＤ
２０３    モニタ用ＰＤチップ
２０４    光電波路
２０５    ＷＤＭフィルタ
２０６    モールド部材
２０７    透明樹脂
２２０ａ    露出面
２２０    パッケージＡ
２３０    パッケージＢ
２４０    光電変換素子パッケージ
２５０    基板Ｃ
２６０    光電変換素子
【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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