JP3920264B2 - 光半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、短距離光伝送用に比較的簡易な構造で安定な光結合を実現する光半導体モジュールの製造方法に関する。

バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、大規模集積回路（ＬＳＩ）においては飛躍的な動作速度向上が図られてきている。しかしながら、ＬＳＩ内部動作が高速化されても、それを実装するプリント基板レベルの動作速度はＬＳＩ内部動作より低く抑えられ、そのプリント基板を装着したラックレベルでは更に動作速度が低く抑えられている。これらは動作周波数上昇に伴う電気配線の伝送損失や雑音、電磁障害の増大に起因するものであり、信号品質を確保するため長い配線ほど動作周波数を低く抑える必然性によるものである。このため、電気配線装置においてはＬＳＩ動作速度より実装技術がシステム動作速度を支配するという傾向が近年益々強まってきている。

このような電気配線装置の問題を鑑み、ＬＳＩ間を光で接続する光配線装置が幾つか提案されている（特許文献１参照）。光配線は、直流から１００ＧＨｚ以上の周波数領域で損失等の周波数依存性が殆ど無く、配線路の電磁障害や接地電位変動雑音も無いため、数十Ｇｂｐｓの配線が容易に実現できる。この種のＬＳＩ間光配線を実現するためには、例えば特許文献１などに示されているような簡易構造の光半導体モジュールが必要となる。また、ＬＳＩ配線として多数の光伝送路が必要であり、非常に低コストで作製できる必要もある。
特開２０００−３４７０７２号公報

一般的な光半導体モジュールは、結像用のレンズなどを組み込んだり光ファイバー結合部をコネクタ構造としたりするため、あまり小型化できないものが多い。それに比し特許文献１に示されたような光半導体モジュールでは、光ファイバー等の光伝送路と光半導体素子とを直接結合して一体化してしまうため比較的小型化が容易であるが、いくつかの問題点が含まれている。

まず、特許文献１の光半導体モジュールでは光ファイバとその保持部材を一体形成し、その上で光半導体素子搭載用の電極を形成しているため、電極のパターン描画もしくはパターン転写を光ファイバを搭載したままの、非常に狭い光ファイバ保持部材端部で行う必要がある。すなわち数ｍから数１０ｍの光ファイバを取り付けたまま、数μｍ精度のパターンニングを微小領域に行う必要があり、現実には生産困難な内容である。しかしながら少なくともこれはアレイ化光半導体素子を用いる場合に必須の内容である。従って、この方法で光半導体モジュールを大量生産することは実質的に不可能、もしくは非常な低歩留まりでしか行えないということになる。

次に、特許文献１の光半導体モジュールでは、光ファイバと光半導体素子が非常に接近して光結合される。ところが高速発光素子の代表ともいえる面発光レーザは、自分の発したレーザ光が反射して戻ってくる所謂反射戻り光に対して敏感であり、光ファイバ結合部での戻り光（近端反射）対策や、光ファイバ出射面などでの反射光（遠端反射）対策が重要である。これには光アイソレータを用いる方法が最も確実であるが、光アイソレータが
非常に高価であり、かつそれを組み込むためのスペースがモジュールを大幅に大型化してしまう。

別の方法として、光ファイバ端面に無反射コーティングを施したり、斜め加工を施したりすることが考えられる。この方法により、かなりの戻り光対策が可能になるが、特許文献１のような従来例では光ファイバと保持部材を一体形成して光半導体素子用のパターン電極を形成しているため、無反射コーティングもパターン形成する必要がある。これは精密なパターン形成を行う必要があり、前述と同様、生産性の面で問題が生じる。

また、面発光レーザと光ファイバの距離を適切にとることで戻り光の影響を緩和可能である。即ち、面発光レーザと光ファイバの距離を極端に離すと単純に光結合が弱くなり、光伝送そのものが難しくなるが、適度な距離に設定すると光結合も低くなるが反射戻り光も小さくなり、光伝送は可能でありながら反射戻り光の影響をかなり抑制可能になる。

しかしながら、光半導体素子と光ファイバ端の距離制御は実質困難であり、特に、１００μｍ近い距離を離す場合、スペーサの厚さ制御や光ファイバのエッチング後退を制御して行うことになるが、非常に再現性に乏しいものになりやすい。

次に、最も大きな課題として、特許文献１の光半導体モジュールでは光ファイバ端面の形成が研磨で行われており、この部分のコストが非常に大きなウェイトを占めてしまう問題がある。一般に光ファイバの研磨は、同時に多数の光ファイバを自動装置で研磨するとしても、ファイバの装着固定から粗研磨、中間研磨、仕上げ研磨と数時間以上の工程時間が必要となり、生産性が向上しない上、コスト低減は限界がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題を考慮して成されており、必要最小限の部材により構成され、反射戻り光などの影響が軽減できるとともに、研磨などの高コスト工程を用いずに生産可能な光半導体モジュールの提供を目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明に係る光半導体モジュールの製造方法は、光電気フェルールと類似の形状の治具に設けられた第一の溝に第一の透明樹脂を充填する工程と、前記第一の溝と連通する第二の溝に光伝送路を挿入し、前記光伝送路の先端部で前記第一の透明樹脂を打ち抜く工程と、打ち抜かれた前記第一の透明樹脂がその光入出力端面に装着された、前記光伝送路を前記第二の溝から引き抜き、前記光伝送路を前記光電気フェルールの一主面に設けられたガイド開口部に挿入し、前記光電気フェルールの他主面に装着された光半導体素子に当接させる工程と、を具備することを特徴とする。

また、本発明に係る別の態様の光半導体モジュールの製造方法は、固体または半固体で粒子状の第一の透明樹脂と液体の第二の透明樹脂を混合した後、混合した第一の透明樹脂及び第二の透明樹脂を光電気フェルールのガイド内に注入する工程と、光伝送路を前記光電気フェルールのガイドに挿入し、前記第一の透明樹脂を前記光伝送路の光入出力面及び前記光電気フェルールの一主面に装着された光半導体素子に接触させて前記光半導体素子と前記光伝送路の光入出力面との間に挟む工程と、前記第二の透明樹脂を固化せしめる工程と、を具備することを特徴とする。さらに、別の態様の光半導体モジュールの製造方法は、固体または半固体で粒子状の第一の透明樹脂を光電気フェルールのガイド内に注入した後、液体の第二の透明樹脂を前記光電気フェルールのガイド内に注入して、前記第一の透明樹脂及び前記第二の透明樹脂を混合する工程と、光伝送路を前記光電気フェルールのガイドに挿入し、前記第一の透明樹脂を前記光伝送路の光入出力面及び前記光電気フェルールの一主面に装着された光半導体素子に接触させて前記光半導体素子と前記光伝送路の光入出力面との間に挟む工程と、前記第二の透明樹脂を固化せしめる工程と、を具備することを特徴とする。

本発明の光半導体モジュールの製造方法によれば、再現性が高い光半導体モジュールを高歩留まりで生産することができる。かつその生産性も向上させることができる。従って、ＬＳＩの高速チップ間配線をローコストで実現することができ、情報通信機器等の高度化の促進に寄与することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。

図１は本発明の光半導体モジュールを示した断面模式図、図２は図１の光半導体モジュールをその構成要素とする光インターフェイスモジュールを実装ボード１０６に配置されたインターポーザ１０２上に実装したＬＳＩパッケージの断面図である。図１において、光電気フェルール１はエポキシ樹脂等にガラスフィラを混入した部材からなる。光電気フェルール１の厚みａは１〜２ｍｍ、長さｂは２〜３ｍｍ程度が適当である。この光電気フェルール１の長さ方向には、光ファイバ芯線４を貫通させ、かつ機械的に保持するガイド８が形成されている。光ファイバは本来、光ファイバ芯線４とこれを被覆、保護する保護被覆５からなる。しかしガイド８を貫通する部分では外形位置が精度良く決められる芯線のみとしている。そのため、ガイド８を貫通する部分では、光ファイバ芯線４が剥き出しの状態になっている。この光ファイバ芯線４の光入出力端面は、一般的な光ファイバカッターにより切断するだけで、比較的高い面精度の光学端面を得ることができる。これは、光ファイバを破断切断や切削により切断するのではなく、ダイヤモンドによる僅かな傷入れを行って側面押し出しによる応力へき開を用いていることによる。本発明の光半導体モジュールにおいては、このような切断面をそのまま用いることで研磨などの高コスト工程を排除している。このガイド８は光ファイバ芯線４の貫通の便宜のため、図１に示すように光電気フェルール１の主面１ａにおける開口径が他の部分の径と比べて大きくなっている。

また、光電気フェルール１の主面１ｂに対向するようにして光半導体素子３が設置されている。この光半導体素子３は、主面１ｂに対向する面にＬＥＤ等の発光素子、またはフォトダイオード等の受光素子が形成されている。発光素子、受光素子の能動領域が形成される位置は、光ファイバ芯線４のコア（図示せず）と対向する位置である。

これら発光素子、受光素子と光ファイバ芯線４の端面との間には、アクリル樹脂やシリコン樹脂、エポキシ樹脂等からなる透明樹脂スペーサ６が形成される。この透明樹脂スペーサ６の厚さは、例えば５０μｍである。透明樹脂スペーサ６は一様な樹脂からなることもあれば、二種類以上の樹脂の混合物であることもある。混合物である場合、透明樹脂スペーサ６内部での光の乱反射を避けるため、混合された樹脂の光屈折率は同等である必要がある。

電極パッド２は、光電気フェルール１の主面１ｂ上および側面１ｃにかけて形成された電気配線（図示せず）の一部であり、この電気配線は、図示されていないが、光インターフェイスモジュール１０７内部で光素子駆動ＩＣにワイヤボンディング等で接続され、該駆動ＩＣから更に光インターフェイスモジュール１０７の内部配線、接続ピン１０９、インターポーザ１０２中のジャック１１０、半田バンプ１０３を介して信号処理用ＬＳＩ１０１に接続される。

光半導体素子３、光電気フェルール１間には、隙間を充填するように透明アンダーフィル樹脂７が形成される。この透明アンダーフィル樹脂７は電極パッド２、透明樹脂スペーサ６周囲などを充填し、補強するようにする。

図３は本実施例の全体斜視図を示す。ここでは、４本の光ファイバを４チャネル光半導体素子アレイ３に結合させる例を示している。図３において、電極２ａは４チャネル光半導体素子アレイ３の共通電極（接地または電源）に接続され、電極２ｂは光半導体素子アレイ３ 中の各光半導体素子信号電極に接続される。この電極２ｂは、光電気フェルール１の、光半導体素子３を搭載する面から隣接する側面にかけての直角折り曲げ配線となっている。隣接する側面に電極を引き出しているのは、図２で説明した光素子駆動ＩＣなどへ接続（ワイヤボンディング、フリップチップボンディング等）するためのものである。

次に、実施例１の光半導体モジュールの製造方法について、図４乃至図９を参照して説明する。図１、図３と同一機能の部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

まず、図４に示すように、光電気フェルール１を準備する。光電気フェルール１は、例えば３０μｍ程度のガラスフィラを数１０％程度混入したエポキシ樹脂を金型による樹脂成型で形成し、メタルマスクとスパッタ等によるパターンメタライズを行って電極パッド２および電気配線を形成する。これにより、光電気フェルール１は１μｍ以下の非常に高い精度を持ちながら非常に低コストで量産することが可能である。この光電気フェルール１に光半導体素子（面発光レーザやフォトダイオード等）３を例えばＡｕのスタッドバンプを用いてフリップチップ接続する。

図５において、治具２０は光電気フェルール１と同様なガイド８´を有している。光電気フェルール１を流用しても構わない。治具２０にはガイド８´を横断する溝９を設けておき、その部分に、例えば厚さ５０μｍの透明樹脂シート６ａを挿入する。

次に、図６、７に示すように、この状態で光ファイバ芯線４を挿入し、透明樹脂６ａを打ち抜くことで光ファイバ芯線４先端に透明樹脂スペーサ６が付着する。このとき、透明樹脂シート６ａまたは光ファイバ芯線４先端に透明粘着剤を塗布しておけば、光ファイバ芯線４を引き抜いても、図８に示すように、透明樹脂スペーサ６が光ファイバ芯線４先端から脱落しない。

次に、図９に示すように、光ファイバ芯線４ を光電気フェルール１の主面１ａ方向よりガイド８に挿入し、透明樹脂スペーサ６が光半導体素子３に接触するまで光ファイバを押し込む。このとき、光電気フェルール１を固定して光ファイバ芯線４の挿入を行うと、光導体素子３が押されて電極パッド２から剥れることがある。これを防止するため、光電気フェルール１を保持固定するのではなく、光半導体素子３の光半導体形成面とは反対の面に当て板を設けて光ファイバと当て板とで光半導体素子３と透明樹脂スペーサ６を挟むようにすると良い。但し、光半導体素子３は一般に脆弱であるため、大きな圧力がかからないよう、光ファイバの反跳圧力を監視して、反跳圧力が僅かに増える位置で光ファイバの押し込みを止めるようにする。ここで反跳圧力とは、光ファイバ芯線４の光半導体素子３方向への押し込みに反発する力である。従って、この反跳圧力が僅かに増加する範囲として、透明樹脂スペーサ６が弾性変形してあまり光半導体素子３に圧力がかからない範囲を設定すればよい。

最後に、光半導体素子３が装着された側面から液体状の透明樹脂を注入して透明アンダーフィル樹脂７を形成する。このとき、透明アンダーフィル樹脂７の注入は、ガイド８の主面１ａ側から行うことも可能であり、また光電気フェルール１側面に設けた樹脂注入開口（図示せず）から行うことも可能である。透明アンダーフィル樹脂７としては、アクリルやシリコーン、エポキシ等の透明樹脂を用いればよく、加熱または紫外線照射で硬化するタイプを用いるのが効率的である。また、透明アンダーフィル樹脂７の材料は、可能な限り硬化後の屈折率が透明樹脂スペーサ６の屈折率と整合しているものを用いることが過剰な散乱損失を防止するために望ましい。

次に、図１０乃至図１２を用いて、本発明の実施例３に係る光半導体モジュールの製造方法を説明する。図１０において、光電気フェルール２１の側面２１ｃには、樹脂注入用の溝２９が設けてある。光電気フェルール２１の主面２１ｂ上に光半導体素子２３を、ガイド２８の主面２１ｂにおける開口部と光半導体とが対向するように位置合わせをして装着する。装着後、粒子状に加工した透明樹脂スペーサ２６ｂを溝２９に注入する。

その後、図１１に示すように、透明アンダーフィル樹脂２７を樹脂注入開口から注入し、先に注入した透明樹脂スペーサ２６ｂと混合する。なお、本実施例では、先に透明樹脂スペーサ２６ｂを注入後、透明アンダーフィル樹脂２７を注入したが、これに限られず、例えば溝２９に注入前に透明アンダーフィル樹脂２７に透明樹脂スペーサ２６ｂを混入しておいてもよい。また、粒子状に加工した透明樹脂スペーサ２６ｂは、例えば５μｍΦの透明樹脂ボールとする。

最後に図１２に示すように、光ファイバ芯線２４をガイド２８内に挿入する。この際に透明アンダーフィル樹脂２７とともに、透明樹脂スペーサ２６ｂを光半導体素子２３に向かって押し込むことになる。すると、光ファイバ芯線２４の先端は、光半導体素子２３に非常に近接することになるが、透明樹脂ファイバ２６ｂが光ファイバ芯線２４の先端と光半導体素子２３と挟まった距離で停止することになる。従って、透明樹脂ボールが光半導体素子２３と光ファイバ芯線２４との間に挟まることで、光半導体素子２３と光ファイバ芯線２４の光入出力端面との間隔を５μｍ程度確保することができる。その他余分な透明樹脂ボールが光素子の搭載隙間から外にはみ出すことで、光半導体素子２３と光電気フェルール２１の主面２１ｂとの間隔を５μｍから１０μｍ程度確保することができる。

本実施例によれば、実施例２と異なり、透明樹脂スペーサを光ファイバ芯線の先端に形成する工程、及び光ファイバ芯線をガイドに個別挿入する工程が省略できるため、生産工程のスループットが高いという利点を持っており、光ファイバのコア径が大きい場合や受光素子との結合などの場合に用いることでコスト低減に有効である。

図１３から図１５を用いて、本発明の実施例４に係る光半導体モジュールの製造方法を説明する。ここでは、光半導体素子３３の能動領域（図示せず）の上に透明樹脂スペーサ３６を予め形成しておく。透明樹脂スペーサ３６としては、例えば透明ポリイミド樹脂または透明シリコーン樹脂を厚さ５０μｍにスピンコートなどの手法によりコーティングし、能動領域上の例えば８０μｍΦの部分を残してフォトエッチングなどの手法により除去する。透明樹脂スペーサ３６は、光半導体素子の電極パッド（図示せず）部分以外を全て覆うように形成しておいても構わない。

その後、光半導体素子表面の電極上の残渣などを除去し、図１４に示すように光電気フェルール３１に例えばＡｕのスタッドバンプを用いてフリップチップ接続を行う。勿論、このとき光半導体素子３３の能動領域を光ファイバのガイド穴に位置合せして搭載することは述べるまでもない。

最後に、光ファイバを光電気フェルール３１の後部より挿入し、透明樹脂スペーサ３６が光ファイバ入出力面に接触するまで光ファイバを押し込む。このとき、光電気フェルール３１を固定して光ファイバ芯線３４の挿入を行うと、光半導体素子３３が押されて電極パッド３２から剥れることがある。これを防止するため、光電気フェルール３１を保持固定するのではなく、光半導体素子３３の光半導体形成面とは反対の面に当て板を設けて光ファイバと当て板とで光半導体素子３３と透明樹脂スペーサ３６を挟むようにすると良い。但し、光半導体素子は一般に脆弱であるため、大きな圧力がかからないよう、光ファイバの反跳圧力を監視して、反跳圧力が僅かに増える位置で光ファイバの押し込みを止めるようにする。ここで反跳圧力とは、光ファイバ芯線３４の光半導体素子３３方向への押し込みに反発する力である。従って、この反跳圧力が僅かに増加する範囲として、透明樹脂スペーサ３６が弾性変形してあまり光半導体素子３３に圧力がかからない範囲を設定すればよい。

そして、光半導体素子３３が装着された側面から液体状の透明樹脂を注入して透明アンダーフィル樹脂３７を形成する（図１５）。このとき、透明アンダーフィル樹脂３７の注入は、ガイド３８の主面３１ａ側から行うことも可能であり、また光電気フェルール３１側面に設けた樹脂注入開口（図示せず）から行うことも可能である。透明アンダーフィル樹脂３７としては、アクリルやシリコーン、エポキシ等の透明樹脂を用いればよく、加熱または紫外線照射で硬化するタイプを用いるのが効率的である。また、透明アンダーフィル樹脂３７の材料は、可能な限り硬化後の屈折率が透明樹脂スペーサ３６の屈折率と整合しているものを用いることが過剰な散乱損失を防止するために望ましい。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば透明樹脂スペーサ、透明アンダーフィル樹脂用の透明樹脂は、他にポリイミド樹脂やポリカーボネート樹脂など種々の樹脂が選択可能であり、光ファイバ芯線用のファイバも石英系やプラスチック系などの選択が可能であり、更にファイバに代えて光導波路フィルムを用いるような選択も可能である。その他、本発明はそ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ものである。

本発明の実施例１に係る光半導体モジュールの断面図である。 本発明の実施例１の光半導体モジュールを組み込んだ光インターフェイスモジュールの断面図。 本発明の実施例１に係る光半導体モジュールの全体斜視図である。 本発明の実施例２の製造工程図である。 本発明の実施例２の製造工程図である。 本発明の実施例２の製造工程図である。 本発明の実施例２の製造工程図である。 本発明の実施例２の製造工程図である。 本発明の実施例２の製造工程図である。 本発明の実施例３の製造工程図である。 本発明の実施例３の製造工程図である。 本発明の実施例３の製造工程図である。 本発明の実施例４の製造工程図である。 本発明の実施例４の製造工程図である。 本発明の実施例４の製造工程図である。

符号の説明

１、２１ … 光電気フェルール
２、２２ … 電極パッド
３、２３ … 光半導体素子
４、２４ … 光ファイバ芯線
５、２５ … 保護被覆
６、２６ … 透明樹脂スペーサ
７、２７ … 透明樹脂アンダーフィル
８、２８ … ガイド
９、２９ … 溝
２０ … 治具

Claims (3)

1. 光電気フェルールと類似の形状の治具に設けられた第一の溝に第一の透明樹脂を充填する工程と、
   前記第一の溝と連通する第二の溝に光伝送路を挿入し、前記光伝送路の先端部で前記第一の透明樹脂を打ち抜く工程と、
   打ち抜かれた前記第一の透明樹脂がその光入出力端面に装着された、前記光伝送路を前記第二の溝から引き抜き、前記光伝送路を前記光電気フェルールの一主面に設けられたガイド開口部に挿入し、前記光電気フェルールの他主面に装着された光半導体素子に当接させる工程と、
   を具備することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
2. 固体または半固体で粒子状の第一の透明樹脂と液体の第二の透明樹脂を混合した後、混合した第一の透明樹脂及び第二の透明樹脂を光電気フェルールのガイド内に注入する工程と、
   光伝送路を前記光電気フェルールのガイドに挿入し、前記第一の透明樹脂を前記光伝送路の光入出力面及び前記光電気フェルールの一主面に装着された光半導体素子に接触させて前記光半導体素子と前記光伝送路の光入出力面との間に挟む工程と、
   前記第二の透明樹脂を固化せしめる工程と、
   を具備することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
3. 固体または半固体で粒子状の第一の透明樹脂を光電気フェルールのガイド内に注入した後、液体の第二の透明樹脂を前記光電気フェルールのガイド内に注入して、前記第一の透明樹脂及び前記第二の透明樹脂を混合する工程と、
   光伝送路を前記光電気フェルールのガイドに挿入し、前記第一の透明樹脂を前記光伝送路の光入出力面及び前記光電気フェルールの一主面に装着された光半導体素子に接触させて前記光半導体素子と前記光伝送路の光入出力面との間に挟む工程と、
   前記第二の透明樹脂を固化せしめる工程と、
   を具備することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。

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