JP3795877B2

JP3795877B2 - 光半導体モジュール及びその製造方法

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Publication number: JP3795877B2
Application number: JP2003202441A
Authority: JP
Inventors: 浩史濱崎; 英人古山; 英夫沼田; 孝志井本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: US7118294B2; US7255493B2; US20060215969A1; JP2005043622A; US20050063651A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信技術や光伝送技術などに用いられる光半導体モジュールに係わり、特に光半導体素子と光伝送路との結合構造の改良をはかっ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】
近年、光通信技術及び光伝送技術においては、光を搬送波として強度変調や位相変調などによって信号を伝送することが広く行われるようになっている。このような光伝送のためには、発光素子や受光素子などの光半導体素子と光ファイバなどの光伝送路とを光学的に結合するための光結合装置が必要となる。
【０００３】
この種の装置において、扱う光信号が高速化するにつれ、発光素子や受光素子の電気的な寄生容量が無視できなくなり、素子の発光領域或いは受光領域の寸法が小さくなっている。例えば、ＧａＡｓ系のｐｉｎ型フォトダイオードの受光面の直径は、１０Ｇｂｐｓ以上の応答を得るために５０〜６０μｍ程度まで微小化してきている。そのため、マルチモード光ファイバからの出力光を受光素子に入力する際には、ビームの広がりなどから光結合効率の低下が起こり、耐雑音特性が劣化し伝送距離を稼げないといった問題が出てくる。
【０００４】
また、光半導体素子と光ファイバとの相対位置のトレランスを大きく取るためにも光路中にレンズを挿入することが必要になってくる。しかし、レンズを挿入することで部品点数が増えて益々位置合わせが困難となり、実装コストが上昇する傾向にあるという問題がある。
【０００５】
そこで、光ファイバと光半導体素子を直近の位置に対向させてレンズを用いないで光結合を得る、いわゆる直接光結合（バットジョイント）と呼ばれる結合方式によって実装コストの低減をはかる技術が研究開発されている。直接光結合を用いる場合、光半導体素子からの出射光、或いは光ファイバからの出射光は、特別にレンズ効果を持たせない限り導波機構を持たないほぼ等屈折率の媒質中（例えば空気中や屈折率整合材中）を透過するため、ビームが拡がっていく。そのため、光ファイバの導波部（コア）や受光素子の活性領域以外の部分に到達する光が増加し、光結合効率が低下して耐雑音性が低下する。さらに、迷光が増えることで別の雑音（例えばクロストークノイズ）を増加させ、信号伝送に悪影響を及ぼす可能性がある。従って、なるべく光半導体素子と光ファイバとを直近に配置して余分な部分に光が到達しないようにすることが重要になってくる。
【０００６】
例えば、開口率（ＮＡ）＝０．２１、コアの直径５０μｍのマルチモード光ファイバからの出射光は、空気中で広がり角約１２度を持つ。従って、光ファイバとの距離は数十μｍ程度にまで近づける必要がある。そのため、直近におきながら、光ファイバ端面と光半導体素子の活性領域表面との衝突を防ぐ技術が必要になり、光ファイバの端面に垂直な面内位置決めだけでなく、軸方向の位置決め機構が必要である。この機構を実現する方法として、以下のような例がある。
【０００７】
第１の例として、光ファイバ保持部材から光ファイバを突き出させて精密に位置決め後に固定した部品を予め作成し、光素子と保持部材との間隔を球状のスペーサで制御して光ファイバと光半導体素子の軸方向位置決めを行う方法である。この方法では、保持部材と光半導体素子の相対位置を球状のスペーサで決め、保持部材から一定の距離突き出させているため、精密な固定の制御が必要になり工程コストがかかるという問題がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
第２の例として、光半導体素子を電気配線の施された基板の上に搭載し、基板を介して光ファイバを位置合わせする構造がある。光ファイバ保持部材には位置合わせ用のピンが設けられ、基板に開けた穴と勘合させることによって光軸に対して垂直方向の位置合わせを行い、光結合部に開口をあけた基板裏面に光ファイバを突き当てることで軸方向の位置合わせを行う構造となっている。この構造では、基板裏面に光ファイバを押し当てることにより、軸方向位置を合わせることができるが、光素半導体子とファイバ端面との距離は、基板厚さ及び配線厚さ、さらに素子搭載用のバンプの厚さに依存するため、直近におくことは困難である。また、複数の光半導体素子を搭載する場合には、バンプの形状（高さ）を全ての素子に対して合わせる必要があり、製造上困難で実装コストの上昇を招くといった問題がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
第３の例として、光半導体素子の活性領域以外で光ファイバのクラッドに相当する位置にダミーバンプを設けて、保持部材に設けた配線と接続後に、光ファイバ端面を押し当てることで軸方向位置を合わせる構造がある。この場合、光半導体素子と光ファイバの距離は、ダミーバンプの高さのみに依存するため直近に配置することは可能である。しかし、ダミーバンプを用いているため、複数の光半導体素子を搭載する場合、各バンプの高さを揃える必要があることや、実装時に傾きが生じないように対策を取る必要があり、実装コストが上昇しやすいといった問題がある（例えば、特許文献３参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−２０６３７６号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開２００２−２５０８４６号公報
【００１２】
【特許文献３】
特開２００１−５９９２４号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、光伝送路と光半導体素子の光結合に直接光結合を用いた場合、光半導体素子と光伝送路入出力端面とをごく直近に配置する方が好ましいが、距離を短くすることが難しく、複数の光半導体素子に対して安定して距離や傾きを制御することが難しいため、実装コストが上昇する傾向にあるという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、光半導体素子と光伝送路の光入出力端面との間の距離を短くすることができ、かつ軸方向の位置決めを簡略化でき、複数の光半導体素子を持つ場合にも低コストで製造可能な光半導体モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１６】
即ち本発明は、光半導体素子と光伝送路とを光結合してなる光半導体モジュールであって、光伝送路を機械的に保持し、該光伝送路の一端側を主面上に露出させた光伝送路保持部材と、この保持部材の主面上に形成された電気配線と、前記保持部材の主面上に搭載され、発光又は受光に供される活性領域が前記光伝送路の一端側と光結合され、かつ電極部が前記電気配線に電気的に接続された光半導体素子と、前記光半導体素子と前記保持部材との間に挿入され、少なくとも前記電極部と電気配線との電気的接続及び前記光半導体素子の活性領域と光伝送路との光結合部に開口を有し、かつ前記光伝送路の一端側の導波部以外の一部が押し当てられる電気的絶縁フィルムと、を具備してなることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、上記構成の光半導体モジュールの製造方法であって、前記光半導体素子の活性領域側の表面上に前記絶縁フィルムを形成する工程と、前記電気配線が形成された前記保持部材の主面上に前記絶縁フィルムを挟んで前記光半導体素子を搭載し、該光半導体素子の電極部と前記電気配線との電気的接続を施す工程と、前記光伝送路を前記保持部材に装着する工程、前記光伝送路の一端側の前記導波部以外の一部を前記絶縁フィルムに接触させた後に、該光伝送路を前記保持部材に固定する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１８】
ここで、本発明の望ましい実施態様として次のものがあげられる。
【００１９】
(1) 絶縁フィルムは、電気配線が形成された保持部材の主面上に接着されていること。
(2) 絶縁フィルムは、光半導体素子の活性領域側の表面上に形成されていること。
【００２０】
(3) 光伝送路は光ファイバであり、保持部材は光ファイバが挿入固定されるファイバ導入穴を有するものであること。
(4) 光伝送路は、導波路フィルムであること。
【００２１】
(5) 保持部材の主面に設けられた電気配線は、保持部材の側面まで回し込んで形成されていること。
【００２２】
（作用）
本発明によれば、光半導体素子と光伝送路の光入出力端面との距離はスペーサとして挿入した絶縁フィルムの厚さによって決まるため、絶縁フィルムの厚さを薄くすることにより、光半導体素子と光伝送路の光入出力端面との距離を数十μｍ程度まで短くすることができる。このため、迷光などによる過剰雑音を抑制することが可能であり、高速の信号伝送が可能となる。また、光半導体素子と光伝送路の光入出力端面との距離が絶縁フィルムの厚さによって決まるため、光半導体素子と光伝送路に対して複数箇所での光結合距離の制御が容易であり、これにより低コストの光半導体モジュールの実現が可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる光半導体モジュールの概略構成を示す断面図である。
【００２５】
図中１０は光半導体素子であり、その一主面側に発光又は受光領域となる活性領域１１が形成されている。活性領域１１は、予め定められた位置関係で複数箇所に設けられている。さらに、光半導体素子１０の主面側に電気的接続のための複数のバンプ（電極）１２が形成されている。
【００２６】
２０は光ファイバ等の光伝送路３０を機械的に保持するための光伝送路保持部材であり、例えば光ファイバフェルールのようにファイバ径より僅かに大きい径を持つ保持穴２１を有している。保持穴２１は、保持部材２０の主面と裏面を貫通して複数個設けられている。
【００２７】
光伝送路３０は複数であっても良く、被覆３１により後方でテープ状にまとめられていても良い。光伝送路３０は導波部３２を有しており、光信号は導波部３２内を伝送される。例えば、導波部３２は、光ファイバや光導波路のコアに相当する。また、保持部材２０の主面上には、光半導体素子１０への電源供給や入出力信号を受け渡すための電気配線５０が形成されている。
【００２８】
光半導体素子１０は保持部材２０の主面上に搭載され、光半導体素子１０の電気配線（図示せず）は、バンプ１２で保持部材２０上に形成された電気配線５０と電気的に接続されている。
【００２９】
４０は、電気的絶縁フィルムであり、例えばポリイミドやガラスなどからなり、保持部材２０の電気配線５０上に接着されている。この絶縁フィルム４０は、光半導体素子１０の活性領域１１と光伝送路３０の導波部３２との間の光結合部１００及び電気接続のためのバンプ１２の部分に開口を有している。そして、光伝送路３０の光入出力端面３３で光導波部３２以外の一部が、絶縁フィルム４０と接触している。
【００３０】
７０は、光半導体素子１０を保持部材２０上に固定するための樹脂であり、光半導体素子１０の活性領域１１の保護層としても機能する。また、この樹脂７０の屈折率を光伝送路３０の導波部３２の屈折率とほぼ等しくし、いわゆる屈折率整合材として機能させる目的で、導波部３２と活性領域１１との間隙に埋め込む（いわゆるアンダーフィル）構造を取ることで、光伝送路３０の光入出力端面での反射を極力抑制することが可能であり、反射光雑音を低減することが可能である。さらに、樹脂７０の屈折率を光伝送路３０の導波部３２の屈折率とほぼ等しくした場合、空気中を伝播するのに比較してビーム広がりが小さいため、光結合効率の向上が望める。８０は、光伝送路３０を保持部材２０に固定するための接着剤であり、樹脂７０と共通のものであっても構わない。
【００３１】
本実施形態のような構造であれば、光半導体素子１０の活性領域側の表面は、光半導体素子１０を搭載時にバンプ１２を押し潰すことにより、絶縁フィルム４０とほぼ接する状態にすることができるため、光半導体素子１０の素子表面と光伝送路３０の光入出力端面３３との距離は、絶縁フィルム４０の厚さによりほぼ規定される。光半導体素子１０の素子表面と活性領域３１との距離はデバイス設計に依存する段差を含んでいるが、半導体プロセスにより決定される段差であるから、その値はほぼ一定の値とすることができる。従って、光半導体素子１０と光伝送路３０との光結合長は、絶縁フィルム厚さによってほぼ一定に保つことができる。従って、特別の位置合わせ装置や、マウント精度を要求しない構造とすることが可能であり、実装コストの低い光モジュールを作製可能である。
【００３２】
また、絶縁フィルム４０として、例えばポリイミド材などを用いた場合には２５μｍ程度のものが、ガラスを用いた場合でも３０μｍ程度のものが市販されており、光半導体素子１０と光伝送路３０と光結合長をこの程度まで近づけることが可能であり、雑音の少ない高速動作可能な光半導体モジュールを実現可能である。
【００３３】
このような光半導体モジュールは、次のようにして作製可能である。図２は、本実施形態における光半導体モジュールの製造方法の概略を説明するための断面図である。
【００３４】
光半導体素子１０の電気配線には、外部電気接続用のバンプ１２が形成されている。バンプ１２は、メッキやスタッドバンプ（Ａｕワイヤ）で形成される。また、材料も半田やＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｓｎ等の材料との積層になっていても良い。光伝送路保持部材２０の主面には、予めメッキやスパッタ或いは蒸着などによって電気配線５０が形成されており、電気配線５０上には前述のように絶縁フィルム４０を貼り付ける。絶縁フィルム４０を貼り付けた後、レーザアブレーション等により光結合部とバンプ接続位置に相当する部分に選択的に開口を設ける。
【００３５】
続いて、前述のバンプ付光半導体素子１０を光伝送路穴２１と位置合わせしてフリップチップボンダなどにより搭載する（図中▲１▼）。この際、バンプ１２の高さ及びボンディング時の圧力等の条件を調節して、光半導体素子１０と絶縁フィルム４０がほぼ接触する程度まで押し付けたところで、電気的機械的な特性が設計値に入るように調節しておく。さらに、光伝送路３０を後方の穴より挿入する（図中▲２▼）。この時点では、端面位置は互いにずれていても良い。
【００３６】
その後、全ての光伝送路３０の入出力端面が絶縁フィルム４０に接触するまで加圧して押しこみ、光伝送路３０を接着剤（図示せず）で保持部材２０に固定する。この際、光半導体素子１０と配線５０との間に剥離方向の力がかからないよう、治具により保持部材２０と光半導体素子１０を固定しておくことが望ましい。その後、光半導体素子１０の下面にアンダーフィル樹脂として透明樹脂（図示せず）を流し込み固化させて完成する。
【００３７】
上記の工程では、光伝送路３０の端面出しは、へき開などの簡易な方法で可能であり、改めて研磨することなく各端面の位置を揃えることが可能である。従って、工程を大幅に簡略化することが可能となり、安価な光モジュールを提供可能となる。また、光伝送路搭載前に光半導体素子１０を搭載するため、搭載時に特段の取り扱いの注意や接着剤による温度の制限が無いため、実装の自由度が増え、タクトタイムを短くすることが可能であり、低コストに製造可能である。
【００３８】
また、保持部材２０上に形成した電気配線５０は、図３に示すように別の平面（側面）まで引き出されていても良い。この場合、外部回路との接続位置の自由度が高くなり光モジュール全体の薄型化や小型化に対応可能となる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる光半導体モジュールの概略構成を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４０】
前述（図１）の実施形態との違いは、絶縁フィルム４０が保持部材２０上ではなく光半導体素子１０の活性領域側に形成されていることである。この場合、バンプ１２の高さは、光半導体素子１０と光伝送路３０との光結合距離には影響しないため、実装の自由度が高くなり、より工程コストの低減をはかることが可能である。
【００４１】
図５は、図４の光半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。
【００４２】
まず、光半導体素子１０の表面上に絶縁フィルム４０を貼り付ける。このとき、活性領域，バンプ領域に相当する位置に予め開口を開けた絶縁フィルム４０を接着剤などで貼り付けても良いし、開口の無い絶縁フィルム４０を貼り付けた後、レーザアブレーションなどで開口を開けても良い。また、絶縁フィルム４０に感光性を付与して、フォトリソグラフィの手法により開口を設けることも可能である。
【００４３】
次いで、絶縁フィルム４０の開口に位置する光半導体素子１０の電極部分（図示せず）に、外部電気接続用のバンプ１２を形成する。バンプ１２は、メッキやスタッドバンプ（Ａｕワイヤ）法により形成される。また、材料も半田やＣｕ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄ等の材料との積層になっていても良い。光伝送路保持部材２０の端面には、予めメッキやスパッタ或いは蒸着などによって電気配線５０が形成されている。
【００４４】
続いて、前述の絶縁フィルム４０及びバンプ付光半導体素子１０を光伝送路穴２１と位置合わせしてフリップチップボンダなどにより搭載する（図中▲１▼）。この際、バンプ１２の高さ及びボンディング時の圧力等の条件を調節して、電気的機械的な特性が設計値に入るように調節しておく。さらに、光伝送路３０を後方の穴より挿入する（図中▲２▼）。この時点では、端面位置は互いにずれていても良い。
【００４５】
その後、全ての光伝送路３０の光入出力端面が絶縁フィルム４０に接触するまで加圧して押しこみ、接着剤（図示せず）で固定する。この際、光半導体素子１０と電気配線５０との間に剥離方向の力がかからないよう、治具により保持部材２０と光半導体素子１０を固定しておくことが望ましい。その後、光半導体素子１０の下面にアンダーフィル樹脂として透明樹脂（図示せず）を流し込み固化させて完成する。
【００４６】
この製造方法によれば、絶縁フィルム４０の形成にはウェハプロセスを適用可能であるため、より低コストな光モジュールを作製可能である。また、先の第１の実施形態と同様に、光伝送路３０の端面出しは、へき開などの簡易な方法で可能であり、改めて研磨することなく各端面の位置を揃えることが可能である。従って、工程を大幅に簡略化することが可能となり、安価な光モジュールを提供可能となる。さらに、光伝送路搭載前に光半導体素子１０を搭載するため、搭載時に特段の取り扱いの注意や接着剤による温度の制限が無いため、実装の自由度が増え、タクトタイムを短くすることが可能であり、低コストに製造可能である。
【００４７】
また、光伝送路保持部材２０上に形成した電気配線５０は、図６に示すように別の平面まで引き出されていても良い。この場合、外部回路との接続位置の自由度が高くなり光モジュール全体の薄型化や小型化に対応可能となる。
【００４８】
（変形例）
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。
【００４９】
例えば、光半導体素子と保持部材との間に挿入する絶縁フィルムの材料は、ポリイミドやガラス等に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。また、絶縁フィルムを光半導体素子の表面に形成する方法として、接着するのではなく、半導体素子形成時に最上層として絶縁フィルムを堆積しておくことも可能である。
【００５０】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、光伝送路の端面出しが、へき開などの簡易な方法で可能であり、改めて研磨することなく各端面の位置を揃えることが可能である。従って、工程を大幅に簡略化することが可能となり、安価な光モジュールを提供可能となる。
【００５２】
また、光伝送路搭載前に光半導体素子を搭載することにより、搭載時に特段の取り扱いの注意や接着剤による温度の制限が無いため、実装の自由度が増え、タクトタイムを短くすることが可能であり、低コストに製造可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる光半導体モジュールの概略構成を示す断面図。
【図２】図１の光半導体モジュールの製造方法を説明するための断面図。
【図３】第１の実施形態に係わる光半導体モジュールの変形例を示す斜視図。
【図４】第２の実施形態に係わる光半導体モジュールの概略構成を示す断面図。
【図５】図４の光半導体モジュールの製造方法を説明するための断面図。
【図６】第２の実施形態に係わる光半導体モジュールの変形例を示す斜視図。
【符号の説明】
１０…光半導体素子
１１…活性領域
１２…バンプ
２０…光伝送路保持部材
２１…保持穴
３０…光伝送路
３１…被覆
３２…導波部
３３…光入出力端面
４０…絶縁フィルム
５０…電気配線
７０…樹脂
８０…接着剤

Claims

光伝送路を機械的に保持し、該光伝送路の一端側を主面上に露出させた光伝送路保持部材と、
この保持部材の主面上に形成された電気配線と、
前記保持部材の主面上に搭載され、発光又は受光に供される活性領域が前記光伝送路の一端側と光結合され、かつ電極部が前記電気配線に電気的に接続された光半導体素子と、
前記光半導体素子と前記保持部材との間に挿入され、少なくとも前記電極部と電気配線との電気的接続及び前記光半導体素子の活性領域と光伝送路との光結合部に開口を有し、かつ前記光伝送路の一端側の導波部以外の一部が押し当てられる電気的絶縁フィルムと、
を具備してなることを特徴とする光半導体モジュール。
前記絶縁フィルムは、前記電気配線が形成された前記保持部材の主面上に接着されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体モジュール。
前記絶縁フィルムは、前記光半導体素子の前記活性領域側の表面上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体モジュール。
少なくとも前記活性領域と前記導波部との間隙に、屈折率整合材を具備することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光半導体モジュール。
請求項１記載の光半導体モジュールの製造方法であって、
前記電気配線が形成された前記保持部材の主面上に前記絶縁フィルムを接着する工程と、
前記保持部材の主面上に前記絶縁フィルムを挟んで前記光半導体素子を搭載し、該光半導体素子の電極部と前記電気配線との電気的接続を施す工程と、
前記光伝送路を前記保持部材に装着する工程、
前記光伝送路の一端側の前記導波部以外の一部を前記絶縁フィルムに接触させた後に、該光伝送路を前記保持部材に固定する工程と、
を含むことを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
請求項１記載の光半導体モジュールの製造方法であって、
前記光半導体素子の活性領域側の表面上に前記絶縁フィルムを接着する工程と、
前記電気配線が形成された前記保持部材の主面上に前記絶縁フィルムを挟んで前記光半導体素子を搭載し、該光半導体素子の電極部と前記電気配線との電気的接続を施す工程と、
前記光伝送路を前記保持部材に装着する工程、
前記光伝送路の一端側の前記導波部以外の一部を前記絶縁フィルムに接触させた後に、該光伝送路を前記保持部材に固定する工程と、
を含むことを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。