(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持面を有するプラットフォームと、
前記プラットフォームの支持面上に配置された光半導体素子と、
前記プラットフォームの支持面上に配置され、光結合端面において前記光半導体素子と光結合した光ファイバと、
前記光半導体素子を覆うとともに、該光半導体素子から前記光ファイバの光結合端面までの間の空間のうち少なくとも光が伝搬する領域に配置され、ゲル状のアクリル系変性樹脂からなる保護部材と、
開口部が設けられた外枠であって、該外枠内に前記プラットフォームが収容され、該外枠の壁を前記光ファイバが貫通して外部まで導出されている前記外枠と、
前記プラットフォームを前記外枠内に接着している第１の接着層と
を有し、
前記第１の接着層に紫外線硬化型樹脂が用いられている光半導体モジュール。
【請求項２】
さらに、前記光ファイバが前記外枠を貫通する部分において、両者を接着し、紫外線硬化型樹脂を含む第２の接着層を有する請求項１に記載の光半導体モジュール。
【請求項３】
前記プラットフォーム及び外枠が、前記保護部材、第１及び第２の接着層に含まれる紫外線硬化型樹脂を硬化させる紫外線に対して透明である請求項１または２に記載の光半導体モジュール。
【請求項４】
さらに、前記外枠の開口部を塞ぐ蓋と、
前記蓋を前記外枠に接着し、紫外線硬化型樹脂を含む第３の接着層を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体モジュール。
【請求項５】
前記蓋が紫外線に対して透明である請求項４に記載の光半導体モジュール。
【請求項６】
前記保護部材が、前記外枠内に充填されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体モジュール。
【請求項７】
支持面を有するプラットフォームの該支持面上に、光半導体素子と光学素子とを、両者が光結合するように配置する工程と、
前記プラットフォームを、外枠の内面上に、紫外線硬化型の接着剤を挟んで載置する工程と、
前記プラットフォーム上の前記半導体素子を覆い、かつ前記光半導体素子と前記光学素子との間の、光が伝搬する領域を埋めるように、紫外線を照射すると硬化してゲル状になるアクリル系変性樹脂組成物を配置する工程と、
前記接着剤及び前記アクリル系変性樹脂組成物に紫外線を照射して硬化させる工程と
を有する光半導体モジュールの製造方法。
【請求項８】
支持面を有するプラットフォームと、
前記プラットフォームの支持面上に配置された光半導体素子と、
前記プラットフォームの支持面上に配置され、光結合端面において前記光半導体素子と光結合した光学素子と、
前記光半導体素子を覆うとともに、該光半導体素子から前記光学素子の光結合端面までの間の空間のうち少なくとも光が伝搬する領域に配置されたゲル状のアクリル系変性樹脂からなる保護部材と、
前記保護部材の表面を覆う導電性樹脂からなるシールド部材と
前記シールド部材が、前記保護部材を形成する非導電性樹脂と同一組成のベース樹脂に導電性基質を添加した樹脂で形成されている光半導体モジュール。
【請求項９】
前記光半導体素子が、光信号を電気信号に変換する光電変換素子であり、
さらに、前記プラットフォーム上に配置され、前記光半導体素子から出力された電気信号を増幅する電子素子を有し、
前記保護部材が前記電子素子を覆っている請求項８に記載の光半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体モジュール及びその製造方法に関し、特に光半導体素子を樹脂封止して耐湿性を高めた光半導体モジュール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マルチメディア社会の到来に伴い、加入者系ネットワークの光化の機運が高まっている。加入者系ネットワークまで光ファイバが普及するためには、光部品の経済化が必要になる。特にトータルコストへの影響の大きい光半導体モジュールの低価格化が必要である。
【０００３】
従来の低価格の光半導体モジュールは、Ｓｉのプラットフォーム上で光半導体素子と光ファイバ等の光導波路とを簡易結合させたり、樹脂を直接ポッティングして光半導体素子を簡易封止していた。この方法により、部品点数を少なくし、コストダウンを図ることができる。さらに、外部の湿気から光半導体素子を保護するために、従来の半田封止に代わって安価な樹脂封止を行うことにより、コストダウンが図られている。
【０００４】
封止用樹脂として、受発光光に対して透明なエポキシ樹脂が用いられる。特開平８−１８１６３号公報には、光半導体素子を、ゴム弾性を有するシリコーン樹脂で覆い、その外部を太陽光や水分を遮断するためのエポキシ樹脂で覆う二重封止構造が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
エポキシ樹脂は、耐湿性の高い樹脂であるが、線膨張係数が大きいため温度変化による樹脂の体積変化によって光半導体素子にダメージを与える場合がある。Ｓｉを用いたＬＳＩ等の封止樹脂には、エポキシ樹脂にシリカ等のフィラーを混合することにより、半導体素子へ加わる熱応力を緩和している。しかし、光半導体素子を封止する場合は、光半導体素子と光ファイバとの光結合を確保する必要があるため、封止樹脂にフィラーを混合することができない。
【０００６】
シリコーン樹脂はゴム弾性を有するため、封止樹脂としてシリコーン樹脂を用いると、光半導体素子へ加わる熱応力を緩和することができる。しかし、シリコーン樹脂は、エポキシ樹脂に比べて高い透湿性を有するため、光半導体モジュールの十分な耐湿性を確保することが困難である。
【０００７】
シリコーン樹脂とエポキシ樹脂で二重封止することにより、耐湿性を確保しつつ、熱応力を緩和することができる。しかし、２種類の樹脂の硬化条件が異なるため、少なくとも２回の樹脂硬化過程を経る必要がある。このため、製造工程の増加に繋がり、低価格化の要請に反することになる。さらに、未硬化による樹脂の強度不足が生じ易い。
【０００８】
本発明の目的は、十分な耐湿性を有し、低価格化に適した光半導体モジュール及びその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
支持面を有するプラットフォームと、
前記プラットフォームの支持面上に配置され、光結合端面において前記光半導体素子と光結合した光ファイバと、
前記光半導体素子を覆うとともに、該光半導体素子から前記光ファイバの光結合端面までの間の空間のうち少なくとも光が伝搬する領域に配置され、ゲル状のアクリル系変性樹脂からなる保護部材と、
開口部が設けられた外枠であって、該外枠内に前記プラットフォームが収容され、該外枠の壁を前記光ファイバが貫通して外部まで導出されている前記外枠と、
前記プラットフォームを前記外枠内に接着している第１の接着層と
を有し、
前記第１の接着層に紫外線硬化型樹脂が用いられている光半導体モジュールが提供される。
【００１０】
保護部材がゲル状の樹脂で形成されているため、光半導体素子に加わる熱応力を低減することができる。また、アクリル系変性樹脂の透湿性、吸湿性は低いため、光半導体素子への水分の侵入を防止することができる。
【００１１】
本発明の他の観点によると、
支持面を有する支持基板の該支持面上に、光半導体素子と光学素子とを、両者が光結合するように配置する工程と、
前記支持基板上の前記半導体素子を覆い、かつ前記光半導体素子と前記光学素子との間の、光が伝搬する領域を埋めるように、紫外線硬化型の絶縁性樹脂を滴下する工程と、
滴下された絶縁性樹脂の上に、導電性樹脂を滴下し、絶縁性樹脂の表面を導電性樹脂で覆う工程と、
紫外線照射により、前記絶縁性樹脂と導電性樹脂とを硬化させる工程と
を有し、前記紫外線硬化型の絶縁性樹脂は、アクリロイル基またはメタクリロイル基を含み、紫外線照射によりゲル状のアクリル系変性樹脂になる光半導体モジュールの製造方法が提供される。
【００１２】
１回の紫外線照射で、接着剤とアクリル系変性樹脂組成物とを同時に硬化させることができるため、製造工程を削減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例による光半導体モジュールの断面図を示す。プラットフォーム１の支持面上に形成された配線（図示せず）の上に、レーザダイオード２及びフォトダイオード３が、ＡｕＳｎ半田で固着されている。プラットフォーム１は、紫外線に対して透明なガラスまたはプラスチック等により形成されている。レーザダイオード２及びフォトダイオード３のＡｕＳｎ半田に接する面が、各光半導体素子の一方の電流端子になる。レーザダイオード２及びフォトダイオード３の各々の他方の端子は、プラットフォーム１の支持面上に形成された他の配線にワイヤボンディングにより接続されている。
【００１４】
光ファイバ４の先端部の被覆が剥離され、素線４ａが露出している。素線４ａは、プラットフォーム１の支持面側に形成された溝に挿入され、ファイバ抑え５で固定されている。ファイバ抑え５は、接着剤でプラットフォーム１の支持面に接着されている。
【００１５】
レーザダイオード２の出射端面から出射したレーザ光が光ファイバ４に入射する。光ファイバ４の端面は斜めに加工されており、光ファイバ４の端面からの反射光がレーザダイオード２に再入射しないような構成とされている。また、レーザダイード２の反対側の端面から漏れたレーザ光がフォトダイオード３に入射する。フォトダイオード３により、レーザダイオード２の発振状態をモニタすることができる。
【００１６】
プラットフォーム１は、上面が開口された外枠８の底面上に、第１の接着層１０により固着されている。光ファイバ４が、外枠８の壁を貫通する中空の筒状の固定部材１１内を通って外部に導出されている。固定部材１１と光ファイバ４とが、第２の接着層１２により接着されている。外枠８及び固定部材１１は、プラットフォーム１と同様に、紫外線に対して透明なガラスまたはプラスチック等により形成されている。
【００１７】
外枠８の外側に、複数の外部リード２０が取り付けられている。各外部リード２０は、外枠８の内側に設けられた内部リード（図示せず）に連続している。プラットフォーム１の支持面上に形成された各配線は、所定の内部リードにワイヤボンディングにより接続されている。
【００１８】
レーザダイオード２及びフォトダイオード３が、保護部材６で覆われている。保護部材６は、さらにレーザダイオード２の出射端面から光ファイバ４の先端までの、レーザ光が伝搬する領域にも配置されている。保護部材６はレーザダイオード２の発光波長の光に対して透明であり、レーザダイオード２と光ファイバ４との光結合を損なうことはない。
【００１９】
保護部材６は、アクリル系樹脂の化学構造に柔軟なセグメントを導入して樹脂の固体物性を軟化させたゲル状の紫外線硬化型アクリル系変性樹脂により形成されている。アクリル系変性樹脂として、例えばアクリルポリオレフィン類（ポリエステル（メタ）アクリレート、ポリエーテル（メタ）アクリレート、ポリウレタン（メタ）アクリレート、ポリ（メタ）アクリレート、またはこれらのモノマーもしくはオリゴマーと柔軟な分子骨格を持つポリエステルもしくはポリエーテル等とのブロック共重合体）が挙げられる。
【００２０】
これらのアクリルポリオレフィン類の樹脂は、分子構造中に架橋点となる反応性のアクリロイル基もしくはメタクリロイル基を有する。これらの樹脂は、紫外線照射による架橋点での分子間もしくは分子内の硬化反応により、三次元網目構造を持つゲル状樹脂となる。
【００２１】
アクリルポリオレフィンは、波長３５０ｎｍ、エネルギ密度３〜１０Ｊ／ｃｍ2の紫外線を照射することにより硬化させることができ、硬化後はゲル状になる。なお、樹脂中に、有機過酸化物、アミン等の硬化促進剤を含ませてもよい。
【００２２】
外枠８の開口部が蓋１５で塞がれている。蓋１５は、第３の接着層１６により外枠８に接着されている。第１〜第３の接着層１０、１２、及び１６には、紫外線硬化型の接着剤が用いられている。
【００２３】
保護部材６として、ゲル状の樹脂を使用しているため、プラットフォーム１、レーザダイオード２、フォトダイオード３、及び光ファイバ４に加わる熱応力が緩和される。このため、広範囲の温度環境下で使用することが可能になり、急激な温度変化に対する信頼性を高めることができる。さらに、アクリル系変性樹脂は、シリコーン樹脂に比べて透湿性、吸湿性が低い。このため、レーザダイオード２及びフォトダイオード３を湿気から保護し、十分な耐湿性を確保することが可能になる。また、硬化して高分子ゲルとなる樹脂は、被着体に対する接着力が強いため、レーザダイオード２、フォトダイオード３、プラットフォーム１等の表面と保護部材６との間の高い接着性を得ることができる。
【００２４】
次に、図１に示す光半導体モジュールの製造方法を説明する。プラットフォーム１の支持面上に、レーザダイオード２とフォトダイオード３をＡｕＳｎ半田で固着する。この時、プラットフォーム１の支持面上に形成されたマーカにより、支持面内における位置合わせが行われる。光ファイバ４の素線４ａを溝内に配置し、ファイバ抑え５で光ファイバ４を固定する。
【００２５】
プラットフォーム１を、外枠８の底の内面上に、紫外線硬化型の接着剤を挟んで載置する。光ファイバ４が外枠８を貫通する部分の図の上側の壁は、外枠８の本体とは別体の部品で形成されており、プラットフォーム１を載置した後、この別体の部品を外枠８の本体に取り付ける。固定部材１１は、外枠８の本体と別体とに挟まれて固定される。固定部材１１と光ファイバ４の隙間に紫外線硬化型の接着剤を充填する。
【００２６】
プラットフォーム１上のレーザダイオード２、フォトダイオード３、光ファイバ４の先端を覆うように、硬化して保護部材６となる樹脂組成物を塗布する。蓋１５で外枠８の開口部を塞ぐ。両者の接合面には、紫外線硬化型の接着剤が塗布されている。外枠８の下面から光半導体モジュール全体に紫外線を照射し、接着剤及び保護部材６を硬化させる。
【００２７】
保護部材６として紫外線硬化型の樹脂を使用しているため、熱硬化型の樹脂を使用する場合に比べて、硬化に要する時間を削減することができる。さらに、第１〜第３の接着層１０、１２、及び１６に紫外線硬化型の接着剤が使用されており、かつ外枠８、プラットフォーム１、固定部材１１が、紫外線に対して透明な材料で形成されている。このため、外枠８の下面から紫外線照射を行うことにより、第１〜第３の接着層１０、１２、１６、及び保護部材６を１回の紫外線照射により硬化させることができる。
【００２８】
なお、蓋１５を、紫外線に対して透明な材料で形成し、蓋１５側から紫外線を照射してもよい。
【００２９】
図２（Ａ）は、図１に示す光半導体モジュールの熱衝撃試験の結果を示す。横軸は熱衝撃回数を表し、縦軸はレーザダイード２のしきい値電流を単位ｍＡで表す。図中の実線ａは上記実施例による光半導体モジュールを示し、実線ｂは図１の保護部材６としてエポキシ樹脂を使用した光半導体モジュールを示す。試験は、−４０℃と８５℃との間を１時間で昇降温させる熱サイクルを所定回数繰り返した後、温度２５℃の環境下でしきい値電流を測定することにより行った。
【００３０】
実施例による光半導体モジュールのしきい値電流は、熱サイクルを繰り返してもしきい値電流がほとんど増加していない。これに対し、保護部材６としてエポキシ樹脂を使用した場合には、熱サイクルを１０回程度繰り返すと、しきい値電流が急激に増大する。これは、レーザダイオードに加わる熱応力に起因するものと思われる。
【００３１】
図２（Ｂ）は、図１に示す光半導体モジュールの高温高湿試験の結果を示す。横軸は試験時間を単位「時間」で表し、縦軸はレーザダイオードのしきい値電流を単位ｍＡで表す。図中の実線ｃは上記実施例による光半導体モジュールを示し、実線ｄは図１の保護部材６としてシリコーン樹脂を使用した光半導体モジュールを示す。試験は、温度１２１℃、相対湿度１００％、圧力２気圧、順方向定電流４０ｍＡの雰囲気下に所定時間置いた後、温度２５℃の環境下でしきい値電流を測定することにより行った。
【００３２】
実施例による光半導体モジュールのしきい値電流は、３００時間経過してもほとんど増加していない。これに対し、保護部材６としてシリコーン樹脂を使用した場合には、試験時間が１００時間を越えると、しきい値電流が急激に増大している。これは、シリコーン樹脂を通って水分がレーザダイオード内に侵入したためと考えられる。
【００３３】
図２に示す実験結果から分かるように、保護部材６としてゲル状のアクリル系変性樹脂を用いることにより、光半導体モジュールの耐熱衝撃性、耐湿性を高めることができる。
【００３４】
図３は、本発明の第２の実施例による光半導体モジュールの断面図を示す。第１の実施例では、保護部材６が、レーザダイオード２、フォトダイオード３、及び光フィアバ４の先端の周辺部のみに配置されていた。第２の実施例では、保護部材３０が外枠８内を充填している。第１の実施例の蓋１５は配置されていない。その他の構成は、第１の実施例の場合と同様である。
【００３５】
第２の実施例の場合も、第１の実施例の場合と同様の耐湿性、耐熱衝撃性が得られるであろう。
【００３６】
次に、図４を参照して本発明の第３の実施例について説明する。第１及び第２の実施例では、一例として送信側の光半導体モジュールについて説明したが、第３の実施例では、一例として受信側の光半導体モジュールについて説明する。
【００３７】
プラットフォーム１の表面上に、平面実装型のフォトダイオード４０及び電子素子４１が搭載されている。これらの素子は、例えばＡｕＳｎ半田等でプラットフォーム１に固定される。プラットフォーム１は、例えばシリコンまたはガラスで形成される。フォトダイオード４０は、例えばＩｎＧａＡｓ及びＩｎＰを半導体材料としたｐｉｎ型のものである。電子素子４１は、例えば低電圧駆動型シリコンバイポーラＩＣにより構成されたプリアンプである。
【００３８】
光ファイバ４の素線４ａが、プラットフォーム１の表面に形成されたＶ溝により位置決めされている。素線４ａは、ファイバ抑え５によりＶ溝内に固定される。ファイバ抑え５は、紫外線硬化型のエポキシ樹脂またはアクリル樹脂でプラットフォーム１に固着される。光ファイバ４の先端から出射した光がフォトダイオード４０に入射する。フォトダイード４０は、入射した光に対応した電気信号を出力する。電子素子４１は、フォトダイード４０から出力された電気信号を増幅する。
【００３９】
光ファイバ４のうちプラットフォーム１の縁と交差する部分が、固定部材１１により補強されている。固定部材１１は、例えばトランスファモールドによって形成されたゴムまたはプラスチック等の有機材料で形成されている。Ｖ溝は、プラットフォーム１の縁の近傍において大きくされている。この部分に固定部材１１がはめ込まれ、光ファイバ４がプラットフォーム１上に支持される。
【００４０】
プラットフォーム１は、リードフレーム３７の上面上に、第１の接着層１０を介して固定されている。第１の接着層１０は、例えば銀を含有する熱硬化型エポキシ樹脂で形成されている。銀を含有させてあるのは、熱伝導率を高め良好な放熱特性を確保するためである。
【００４１】
リードフレーム３７の下面に、複数の外部リード２０が取り付けられている。外部リード２０の各々は、フォトダイオード４０及び電子素子４１の対応する外部端子に電気的に接続されている。例えば、フォトダイオード４０及び電子素子４１の外部端子の各々が、プラットフォーム１の表面上に形成された対応する配線にワイヤボンディングにより接続される。各配線は、対応する外部リード２０にワイヤボンディングにより接続される。
【００４２】
フォトダイオード４０、電子素子４１、光ファイバ４の素線４ａが、絶縁性樹脂からなる保護部材３５で覆われている。また、保護部材３５は、光ファイバ４の出射端面とフォトダイオード４０との間の光が通過する領域を埋め尽くしている。保護部材３５として、図１の第１の実施例における保護部材６と同様に、例えばゲル状の紫外線硬化型アクリル系変性樹脂を用いることができる。保護部材３５は、受光すべき光の波長に対して透明である。
【００４３】
保護部材３５の表面、プラットフォーム１の端面、及び固定部材１１の一部が、導電性樹脂からなるシールド部材３６で覆われている。シールド部材３６は、保護部材３５と同一組成の樹脂に導電性基質が添加されて導電性が付与された樹脂で形成される。導電性基質として、例えば銀を用いることができる。銀の含有率を８１〜８５重量％とすることにより、固有抵抗率６〜１０μΩｃｍの導電性樹脂が得られる。固定部材１１の一部が保護部材３５及びシールド部材３６で覆われることにより、光ファイバ４がリードフレーム３７に安定に固定される。
【００４４】
次に、保護部材３５及びシールド部材３６の形成方法について説明する。まず、硬化前の絶縁性樹脂をプラットフォーム１上に滴下する。さらに、その上に、硬化前の導電性樹脂を滴下する。紫外線を照射することにより、絶縁性樹脂と導電性樹脂とを同時に硬化させる。このとき、硬化前の両樹脂の界面近傍において、導電性基質の拡散がわずかに生ずる場合もあるが、導電性基質がプラットフォーム１上の素子や配線まで到達しなければ動作上問題はない。
【００４５】
上記第３の実施例では、フォトダイオード４０及び電子素子４１が、導電性のシールド部材３６で囲まれている。シールド部材３６が電磁シールドとして作用するため、電磁波障害（Electro-Magnetic Interference）による雑音の混入を防止することができる。電子素子４１への入力信号に雑音が混入すると、雑音も増幅されてしまうため、特に増幅回路を有する光半導体モジュールの場合に、特に大きな効果が期待できる。また、電磁波障害に起因する増幅回路の異常発振を防止することができる。
【００４６】
第３の実施例では、保護部材３５とシールド部材３６とを同一組成の樹脂で形成している。このため、高温高湿試験、及び温度サイクル試験においても長期間安定した封止効果及び電磁シールド効果を得ることができる。
【００４７】
従来は、フォトダイードと電子素子とを金属製の容器内に格納することにより、電磁シールドを行っていた。第３の実施例によると、高価な金属製の容器に代えて安価な導電性樹脂で電磁シールドを行う。さらに、絶縁性樹脂と導電性樹脂との硬化を１回の紫外線照射によって行うため、封止工程と電磁シールド工程とを同時に行うことができる。このため、光半導体モジュールの低価格化を図ることが可能になる。
【００４８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、硬化してゲル状になるアクリル系変性樹脂を保護部材として用いることにより、光半導体モジュールの耐湿性、耐熱衝撃性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による光半導体モジュールの断面図である。
【図２】図１に示す光半導体モジュールの熱衝撃試験、高温高湿試験の結果を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施例による光半導体モジュールの断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例による光半導体モジュールの断面図である。
【符号の説明】
１  プラットフォーム
２  レーザダイオード
３  フォトダイオード
４  光ファイバ
４ａ  素線
５  ファイバ抑え
６、３０  保護部材
８  外枠
１０  第１の接着層
１１  固定部材
１２  第２の接着層
１５  蓋
１６  第３の接着層
２０  外部リード
３５  保護部材
３６  シールド部材
３７  リードフレーム
４０  フォトダイオード
４１  電子素子
【図１】
0003865186.tif 000002
【図２】
0003865186.tif 000003
【図３】
0003865186.tif 000004
【図４】
0003865186.tif 000005