(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光素子と基板とをそれぞれの金属電極の間に形成したはんだで接続する光伝送モジュールの製造方法において、
前記光素子として、前記基板の一つの金属電極に対応する領域に、前記光素子の光軸を中心にして光軸方向であるＸ方向に直角なＺ方向である左右に対して、一対の金属電極が、該各金属電極の中心と前記光素子の光軸との間の最短距離における前記左右の差が１００μｍ以下となるように配置された一つの光素子を用いることを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
【請求項２】
光素子と基板とをそれぞれの金属電極の間に形成したはんだで接続する光伝送モジュールの製造方法において、
前記光素子として、前記基板の一つの金属電極に対応する領域に、前記光素子の光軸方向であるＸ方向に直角なＺ方向に向けた対向する外辺の間の光素子の中心線を中心にしてＸ方向である前後に対して、一対の金属電極が、該各金属電極の中心と前記光素子の中心線の間の最短距離における前記前後の差が１００μｍ以下となるように配置された一つの光素子を用いることを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
【請求項３】
光素子と基板とをそれぞれの金属電極の間に形成したはんだで接続する光伝送モジュールの製造方法において、
前記光素子として、前記基板の一つの金属電極に対応する領域に、前記光素子の光軸を中心にして光軸方向であるＸ方向に直角なＺ方向である左右に対して、一対の金属電極が、１００μｍ以下の誤差で線対称となるように配置された一つの光素子を用いることを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
【請求項４】
光素子と基板とをそれぞれの金属電極の間に形成したはんだで接続する光伝送モジュールの製造方法において、
前記光素子として、前記基板の一つの金属電極に対応する領域に、前記光素子の光軸方向であるＸ方向に直角なＺ方向に向けた対向する外辺の間の光素子の中心線を中心にしてＸ方向である前後に対して、一対の金属電極が、１００μｍ以下の誤差で線対称となるように配置された一つの光素子を用いることを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
【請求項５】
前記光素子として、前記最短距離における前記左右又は前記前後の差が６０μｍ以下となるように前記一対の金属電極が配置された一つの光素子を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝送モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記光素子として、前記誤差が６０μｍ以下であるように前記一対の金属電極が配置された一つの光素子を用いることを特徴とする請求項３又は４に記載の光伝送モジュールの製造方法。
【請求項７】
光素子と基板とをそれぞれの金属電極の間に形成したはんだで接続する光伝送モジュールの製造方法において、
前記光素子として、前記基板の一つの金属電極に対応する領域に、前記光素子の光軸に対して左側に配置された複数の金属電極の中心と前記光素子の光軸との間の最短距離の和と、前記光素子の光軸に対して右側に配置された複数の金属電極の中心と前記光素子の光軸との間の最短距離の和とについての差が５０μｍ×（金属電極の個数）以下の誤差となるように、対なる金属電極が前記光素子の光軸に対して線対称に配置された一つの光素子を用いることを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
【請求項８】
光素子と基板とをそれぞれの金属電極の間に形成したはんだで接続する光伝送モジュールの製造方法において、
前記光素子として、前記基板の一つの金属電極に対応する領域に、前記光素子の光軸方向であるＸ方向に直角なＺ方向に向けた対向する外辺の間の光素子の中心線に対して前側に配置された複数の金属電極の中心と前記光素子の中心線との間の最短距離の和と、前記光素子の中心線に対して後側に配置された複数の金属電極の中心と前記光素子の中心線との間の最短距離の和との間についての差が５０μｍ×（金属電極の個数）以下の誤差となるように、対なる金属電極が前記光素子の中心線に対して線対称に配置された一つの光素子を用いることを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
【請求項９】
光素子と基板とをそれぞれの金属電極の間に形成したはんだで接続する光伝送モジュールの製造方法において、
前記光素子として、前記基板の一つの金属電極に対応する領域に、前記光素子の光軸に対して、対なる各金属電極の中心と前記光素子の光軸との間の最短距離の和の差が５０μｍ×（金属電極の個数）以下の誤差となるように、前記対なる金属電極が線対称に配置された一つの光素子を用いることを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
【請求項１０】
光素子と基板とをそれぞれの金属電極の間に形成したはんだで接続する光伝送モジュールの製造方法において、
前記光素子として、前記基板の１つの金属電極に対応する領域に、前記光素子の光軸方向であるＸ方向に直角なＺ方向に向けた対向する外辺の間の光素子の中心線に対して、対なる各金属電極の中心と前記光素子の中心線との間の最短距離の和についての差が５０μｍ×（金属電極の個数）以下の誤差となるように、前記対なる金属電極が線対称に配置された一つの光素子を用いることを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記光素子として、前記誤差が３０μｍ×（金属電極の個数）以下となる前記対なる金属電極が配置された一つの光素子を用いることを特徴とする請求項７乃至１０の何れか一つに記載の光伝送モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光素子が実装された光伝送モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光素子を光伝送モジュールに実装する場合、基板上に形成された光導波路と良好な光結合を確保するために光素子の光軸と光導波路とを対応させて位置決めする。その位置への搭載には一般的にはんだを用いて接続するが、接続後においても光素子の光軸が光導波路と対応していなければならない。
【０００３】
このような構造で光素子と基板とを接続する方法として、従来（１）基板上と光素子の両方に１つの大きな金属電極を形成してはんだ接続する方法と、（２）分割した複数の金属を光素子と基板上の両方に形成してセルフアライメントをさせる方法があった。なお、従来技術の一例としては、特開平１０−１９０１８７号公報がある。この公報には、垂直方向の正確な位置決めを行うための十字電極で垂直方向の位置決めを行ない、接続用電極でセルフアライメントを行なうことが示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術（１）の方法では、
▲１▼単位あたりの加圧力が弱いためにはんだ表面の酸化膜をすばやく破ることができず、濡れ広がる速度が遅くズレ量が大きくなる。
【０００５】
▲２▼光素子の金属電極一つあたりひとつの箇所からはんだの酸化膜が破れるので、１つの金属電極だけでは濡れ広がり速度が遅く、ズレ量が大きくなる。
【０００６】
▲３▼酸化膜の破れる位置によってはんだの濡れ広がる方向が偏ってしまうため、光素子が横方向に大きくずれる。
といった問題があり、光素子と光導波路との光結合効率が低下していた。
【０００７】
また、従来技術（２）の方法では、酸化膜の濡れ広がりの面では問題がないが、上下のセルフアライメントを確保するために、光素子の電極形状と基板の電極形状を一致または類似させる必要があり、電極の形状を正確に製造する必要が生じる。また、光軸の調整による位置あわせの他に電極の位置合わせをおこなう必要が生じるため、製造プロセスが複雑になるだけでなく、余計な製造コストが掛かっていた。
【０００８】
本発明の目的は、光素子を低コストで精度良く光導波路搭載基板へ実装する光伝送モジュールの製造技術を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
光素子と基板とをそれぞれの金属電極の間に形成したはんだで接続する光伝送モジュールを製造する際に、光素子として、基板の金属電極に対応する領域に光軸の左右で概ね線対称となる金属電極を有する光素子を用いる。
【００１０】
また、この線対称性については、それぞれ５０μｍ程度の位置ズレであれば許容できるので、金属電極の中心と光軸との最短距離の左右の差が１００μｍ以下となるように金属電極が配置された光素子を用いるようにする。
【００１１】
さらに、長距離系のような高い光結合効率が必要な場合、３０μｍの位置ズレにおさめる必要があるので、金属電極の中心と光軸との最短距離の左右の差が１００μｍ以下となるように金属電極が配置された光素子を用いるようにする。
【００１２】
また、上述では光素子の２つの金属電極と基板との関係を規定した態様であるが、さらに多い金属電極を形成する場合、光軸又は光軸に対する法線と光素子との間の（最短）距離を左右でそれぞれ合計し、その合計値の差を３０μｍ×金属電極数以下にすることで同様に水平方向及び垂直方向の位置合わせを正確に行うことができるようになり、光伝送モジュールの光結合効率を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、光素子１と基板５の金属電極の配置図及び光伝送モジュールの部分断面図を示す図である。
図１（ａ）は、光素子であるＬＤ（レーザダイオード）の下面図である。図１（ｂ）は、基板５であるシリコン基板の上面図である。図１（ｃ）は、（ａ）のＬＤと（ｂ）の基板５をはんだで接合した光伝送モジュールの部分断面図である。
【００１４】
図１（ａ）にあるように、本態様の光伝送モジュールで用いる光素子１の下面には、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの少なくともいずれかにより構成された金属電極２が６つ、金属電極の重心と光軸との最短距離が６０μｍの誤差で対称となるように形成されている。また、本態様の場合、光軸だけでなく、光軸に対して法線方向の基板中心線に対しても線対称になるように形成されている。
【００１５】
図１（ｂ）にあるように、本態様における基板５は、光素子１の金属電極２と電気的に接続を行う機能と、機械的に固定する際のハンダの濡れ性を確保する下地膜（ＵＢＭ  ：  Ｕｎｄｅｒ  Ｂｕｍｐ  Ｍｅｔａｌ）の機能とを有し、複数の金属電極２の全体が収まる大きさに形成された金属電極４を有し、さらにその金属電極４の上には配置されたＡｕおよびＳｎからなる共晶組成（Ａｕ−０．２Ｗｔ％Ｓｎ）のはんだ３を有する構造である。
【００１６】
図１（ｃ）の光伝送モジュールは、図１（ａ）の金属電極２と図１（ｂ）の金属電極４とがはんだで接続されたものである。
次に、図１（ａ）の光素子１と図１（ｂ）の基板５から図１（ｃ）の光伝送モジュールを製造する方法を説明する。
【００１７】
まず、基板５に形成された光導波路に対して光軸が一致するように２次元的に位置合わせし、基板５のはんだ３上に光素子１を搭載する。
次に、はんだ３の融点よりも低い温度で加熱することによりはんだ３をやわらかはんだ６とし、機械的に圧力を加えることによりやわらかはんだ６上にめり込ませ仮固定する。
最後に、さらにはんだ６の融点よりも高い温度に加熱して溶融することにより、無荷重で電気的な接続と機械的な固定を行う。
【００１８】
図１（ａ）（ｂ）の光素子と基板を上記製造方法で製造した場合、次の利点がある。
（１）通常の半導体チップを基板にはんだ接続する場合、はんだ表面に存在する酸化膜を破るために、大きな荷重をかける。しかし、本態様のような光伝送モジュールに適用される光素子には化合物半導体の材料が用いられ、降伏応力の小さい脆い構造となっているので大きな荷重をかけることが出来ない。そこで、前述のように光素子として、金属電極２を基板５の金属電極４が分割されるような形状をした光素子を用いることにより、はんだ６の表面における単位面積あたりの荷重を増加させている。従って、酸化膜を早く破ることができるようになるので、位置ずれの生じる時間を減らすことができる。
（２）はんだの表面酸化膜は金属電極１つに対して１箇所破れる特性を有しているので、本態様のように金属電極２を分割させると酸化膜の破れる個所を増加させることができるとともに、１箇所あたりの濡れ広がる面積が狭くなる。従って、はんだが濡れ広がる時間を短縮させることができるので、位置ずれの生じる時間を減らすことができる。
（３）酸化膜の破れる場所とはんだの濡れ広がる方向は不規則に決まるので、１箇所の酸化膜の破れ場所しか設けないと特定の方向にはんだが濡れ広がり、光素子の位置ズレが生じる可能性が高い。本態様では金属電極２が複数設けてあるので、１つの金属電極２との接触面で酸化膜破れ位置の偏りが発生しても、全ての金属電極２との接触面で酸化膜破れ位置が偏る確率は低くなる。従って、複数の金属電極２を設けることによりはんだの濡れ広がりによるＸ方向やＺ方向の水平方向やＸＺ平面内の回転角θＹに対する本接続前後の位置ズレ量を極力小さく抑えることができる。
【００１９】
このように位置精度の高いはんだ実装を行った光伝送モジュールは、光の伝送効率が向上するので、伝送距離を伸ばすことができる。
【００２０】
本態様では、本接続前後における光素子１のＺ軸に対する傾き角θｚを考慮して、Ｘ方向（光軸方向）において、光素子１の対向する外辺の間のＺ方向の中心線に対して対称に配置された対なる金属電極２を、光素子のＺ方向の中心線から各金属電極２中心（重心）までの最短距離をＺ方向の中心線の前側及び後側の夫々で足した場合における前側の合計と後側の合計との差が３０μｍ×金属電極の個数以下となるように配置している。特に、図１（ａ）の構造において、Ｚ方向の中心線に対して対称に配置された一対の金属電極についてはＺ方向の中心線から各金属電極２までの最短距離を３０×２＝６０μｍ以内としている。但し、光結合効率を多少犠牲にしてもよいならば、５０×２＝１００μｍ程度まで許容できる。
【００２１】
このように配置することにより、はんだ６溶融時に体積膨張した溶融はんだ６が光素子１の金属電極２を押し上げた場合でも、光素子１に生じる曲げモーメントの総和を著しく小さくすることができるので、傾き角θｚの変化量、つまり垂直方向（光軸Ｘ方向）に生じる位置ズレを抑制することが可能になる。
【００２２】
同様に、Ｘ方向においても、光素子のＸ方向の中心線（光軸）に対して対称に配置された対なる金属電極２を、光素子のＸ方向の中心線（光軸）から各金属電極２中心までの最短距離をＸ方向の中心線（光軸）の左側及び右側の夫々で足した場合における左側の合計と右側の合計との差が３０μｍ×金属電極の個数以下となるように配置している。特に、図１（ａ）の構造において、光素子のＸ方向の中心線（光軸）に対して対称に配置された一対の金属電極については光軸から各金属電極２までの最短距離を３０×２＝６０μｍ以内とすることにより、光素子のＸ軸に対する傾き角θｘの変化量、つまり垂直方向（光軸に直角なＺ方向）の位置ズレを抑制することができる。但し、光結合効率を多少犠牲にしてもよいならば、５０×２＝１００μｍ程度まで許容できる。
【００２３】
図２は、全面に金属電極を設けた光素子１と複数の金属電極２で構成した光素子を用いて、本接続前後におけるＸ方向の位置ズレ量について比較した結果である。図２より、本接続前後におけるＸ方向のズレ量が大幅に改善し、高い水平精度を実現していることを確認した、また、Ｚ方向、θＹ、θＸについても複数の金属電極２２で構成した光素子を用いることにより、高い水平精度及び垂直精度を実現した結果が同様に得られる。
【００２４】
一方、全面に電極２を設けた光素子１を用いた場合には、溶融はんだ６の長い濡れ広がり時間に起因した位置ズレや光素子の押上げ力による垂直方向の位置ズレ（傾き）が発生し、水平方向及び垂直方向の搭載制度が低下することをＺ方向、θＹ、θＸについても確認した。
【００２５】
図３は、光素子１上の複数の金属電極２についてたのは一例を示したものである。本接続前後における光素子１の高精度搭載を保持するためには、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）に示したように光素子１のＸ方向及びＺ方向に対して曲げモーメントの総和がゼロに著しく近くなるように配置してもよい。
【００２６】
図４は、本態様の光素子１の実装構造体を実現する実装工程図である。まず、図４（ａ）に示すように基板５上の金属電極４にはんだ６を供給する。このはんだ５の供給方法に関しては、蒸着、スパッタ、メッキ、プリフォーム等によるものがあり、本態様ではいずれの方法ではんだ６を供給してもよい。次に光素子１を基板５上に２次元的に位置合わせを行い、供給したはんだ６の融点以下の温度に加熱し、加圧することにより仮接続を行う。ここで、良好な接続を確保するためにはんだ表面の酸化膜を破って固定されるため、位置合わせから次の工程のはんだの加熱溶融による本接続工程までの位置ズレを防止し、高い搭載精度で生産性に優れた実装工程を実現する。
【００２７】
次に、２次元的に高精度で位置合わせを行ない、仮接続した光素子１において、本接続前後における光素子１の高精度搭載を保持するためには、はんだ溶融時にはんだと光素子１の金属電極２を全て接続させる必要がある。本実施例では、図４（ｃ）に示すように酸化防止雰囲気７中で加熱溶融することにより、仮接続時に光素子１の金属電極２によりはんだ表面酸化膜を破るため、再酸化することなく光素子の全ての金属電極にはんだが濡れ広がると同時に溶融はんだの押し上げ力による曲げモーメントの総和をゼロに近づけるように複数の電極を配置しているため、高い水平精度及び垂直精度を実現した光素子の実装構造体を冷却後に得ることができる。
【００２８】
図５は本態様を光導波路基板上への光素子の実装に適用した例である。光素子を基板上の所定の位置に高精度に位置決めされた実装構造を実現することができる。このため、基板上の光導波路１１にコア層と光素子の活性層とを高精度に位置決めでき、光素子と光導波路との光結合を実現することができる。
【００２９】
同様に、図６においても基板上の光導波路にコア層レンズに対して光素子活性層を構成に位置決めでき、光素子と光導波路との光結合を実現することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、光伝送モジュール内の光導波路と光素子の光結合効率を向上させることができるので、光伝送モジュールの伝送距離を伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光素子と基板の金属電極配置図及び光伝送モジュールの一部の断面図。
【図２】本接続前後の位置ずれ量の評価グラフ。
【図３】光素子の金属電極配置図。
【図４】光伝送モジュールの一部の工程図。
【図５】光伝送モジュールの一部の断面図と上面図。
【図６】光伝送モジュールの一部の断面図と上面図。
【図７】従来の光伝送モジュールの一部の断面図。
【符号の説明】
１…光素子、２…光素子の金属電極、３…本接続後のはんだ、４…基板上の金属電極、５…基板、６…本接続前のはんだ、７…酸化防止雰囲気、１０…活性層、１１…光導波路、１２…光導波路のコア層、１３…光導波路基板、１４…レンズ、１０１…光伝送モジュールの光素子搭載部。
【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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