WO2021234852A1 - 光学素子、及び基板上に電子部品と光学素子とを備えた複合部品の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an optical element and a method for manufacturing a composite component having an electronic component and an optical element on a substrate.
- the electronic component is fixed to the substrate by soldering
- the optical element is fixed to the substrate by an adhesive.
- Fixing the electronic components to the substrate by soldering and fixing the optical elements to the substrate by adhesive are performed in different processes. If the electronic component and the optical element can be fixed to the substrate by the same process, it is expected that the production efficiency of the composite component will be significantly improved. Therefore, for example, it is considered to fix an electronic component and an optical element to a substrate by a reflow soldering process. However, the following conditions are required to fix the optical element to the substrate by the reflow soldering process.
- Patent Document 1 discloses a method of joining a lens having a metal layer on the outer surface to a lens barrel having a solder layer on the surface.
- an optical element configured to be fixed to a substrate together with an electronic component by a reflow soldering process has not been developed.
- the subject of the present invention is an optical element configured to be fixed to a substrate together with an electronic component by a reflow soldering process, and a composite component having an electronic component and an optical element on the substrate by the reflow soldering process. It is to provide a manufacturing method.
- the optical element of the first aspect of the present invention is an optical element installed on a substrate, wherein at least one of a chamfered portion and a groove portion is provided on a first surface in contact with the substrate, and the chamfered portion and the groove portion are provided.
- the angle between the second surface connected to the first surface and the first surface ranges from 10 degrees to 75 degrees, and at least a part of the first surface and the second surface are made of metal. Or it is covered with a film made of silicon dioxide.
- the optical element of this embodiment is used in the reflow soldering process.
- the reflow soldering process when the optical element and the substrate of this embodiment are heated in a state where the solder is present between the two, the solder melts, and the molten solder is formed between the film of the optical element of the present embodiment and the substrate by the capillary phenomenon. Spread in between. Further, the solder crawls up the second surface with the film and collects in the chamfered portion or the space formed by the groove portion and the substrate.
- the space between the film and the solder and the space between the solder and the substrate are fixed, and the solder accumulated in the chamfered portion or the space formed by the groove portion and the substrate makes the optical element of this embodiment more attractive.
- the chamfered portion or the space formed by the groove portion and the substrate functions as a solder reservoir, and plays an important role in preventing the optical function of the optical element from being impaired by the solder.
- the angle formed by the second surface with the first surface ranges from 30 degrees to 60 degrees.
- the optical element of the second embodiment of the first aspect of the present invention has the width of the second surface parallel to the first surface and perpendicular to the boundary line between the first and second surfaces. Is in the range of 0.1 millimeter to 0.9 millimeter.
- the shape of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the groove is V-shaped, U-shaped or trapezoidal.
- the optical element of the fourth embodiment of the first aspect of the present invention includes a portion not covered with the film within a range of a predetermined distance from a part of the peripheral edge of the first surface.
- the solder is not supplied in the vicinity of the joint portion so that the solder does not interfere with the connection between the optical element and other elements due to the portion not covered with the film. Can be done.
- the optical element of the fifth embodiment of the first aspect of the present invention includes a lens facing the first surface, and in a projection drawing onto the first surface, the center and the periphery of the lens are arbitrary. It is configured so that the film is not provided in a range of a distance of three times the distance between the center and the arbitrary point on the straight line connecting the points.
- the solder is not supplied in the vicinity of the lens so that the solder does not interfere with the optical function of the lens by configuring the film so as not to be provided in the vicinity of the lens. Can be done.
- the method for manufacturing a composite component according to a second aspect of the present invention is a method for manufacturing a composite component having an electronic component and an optical element on a substrate, and the optical element has a first surface in contact with the substrate. At least one of the chamfered portion and the groove portion is provided, and the angle between the chamfered portion and the grooved portion and the second surface of the chamfered portion and the grooved portion connected to the first surface of the grooved portion is 10 degrees or more. Within a range of 75 degrees, at least a portion of the first surface and the second surface are covered with a film made of metal or silicon dioxide, the method of which is for the electronic component and the optical element on the substrate. It includes a step of applying solder to a position to be arranged, a step of arranging the electronic component and the optical element on the substrate via solder, and a step of reflow soldering the electronic component and the optical element. ..
- the solder melts, and the molten solder is formed between the film of the optical element of the present embodiment and the substrate by the capillary phenomenon. Spread in between. Further, the solder crawls up the second surface with the film and collects in the chamfered portion or the space formed by the groove portion and the substrate.
- the space between the film and the solder and the space between the solder and the substrate are fixed, and the solder accumulated in the chamfered portion or the space formed by the groove portion and the substrate makes the optical element of this embodiment more attractive. It is firmly fixed to the substrate. Further, the chamfered portion or the space formed by the groove portion and the substrate functions as a solder reservoir, and plays an important role in preventing the optical function of the optical element from being impaired by the solder.
- a space in which the volume of solder for fixing the optical element and the substrate is formed by the chamfered portion or the groove portion and the substrate. Is less than or equal to the volume of.
- the chamfered portion or the space formed by the groove portion and the substrate fulfills a sufficient function as a solder reservoir.
- FIG. 1 It is a figure which shows the optical element of one Embodiment of this invention, an electronic component, a conversion element, and a substrate on which an optical element, an electronic component and a conversion element are mounted. It is a figure which shows the substrate which attached the optical element and the electronic component. It is a figure which shows the optical element to which an optical fiber is connected. It is a flow diagram for demonstrating the method of attaching an optical element and an electronic component to a substrate. It is a figure which shows the cross section of the optical element attached to the surface of a substrate, which is perpendicular to the surface. It is an enlarged view of the part marked with A of FIG. It is a figure which shows the optical element and the ferrule connected to the optical element.
- FIG. 1 It is a figure which shows the optical element to which a ferrule is connected. It is a back view of the optical element of one Embodiment of this invention. It is a side view of the optical element of one Embodiment of this invention. It is an enlarged view of the part marked with A of FIG. It is a back view of the optical element of another embodiment of this invention. It is an enlarged view of the part marked with A of FIG. It is a figure which shows the cross section of the chamfered part, which is perpendicular to the surface which is in contact with a substrate, and the side which is provided with a chamfered part. It is a figure for demonstrating the method of forming a metal film of an optical element.
- FIG. 1 is a diagram showing an optical element 100, an electronic component 200, a conversion element 210, and a substrate 300 on which the optical element 100, the electronic component 200, and the conversion element 210 are mounted, according to an embodiment of the present invention.
- An optical fiber is connected to the optical element 100 as described later.
- the optical element 100 sends the optical signal received from the optical fiber to the conversion element 210, and the conversion element 210 converts the optical signal into an electric signal and sends it to the electronic component 200 to send the electronic component. Processes electrical signals.
- the conversion element 210 in this case is a photodiode as an example.
- the optical element 100 functions to condense an optical signal received from an optical fiber onto a photodiode.
- the conversion element 210 When transmitting an optical signal to an optical fiber, the conversion element 210 converts the electric signal received from the electronic component 200 into an optical signal and sends it to the optical element 100, and the optical element 100 transmits the optical signal to the optical fiber.
- the conversion element 210 in this case is a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER) as an example.
- the optical element 100 functions to collect the laser light emitted by the VCSEL, for example, on the end face of the optical fiber.
- FIG. 2 is a diagram showing a substrate 300 on which an optical element 100 and an electronic component 200 are mounted.
- FIG. 3 is a diagram showing an optical element 100 to which an optical fiber is connected.
- the optical fiber 80 is connected to the optical element 100 via the ferrule 90.
- FIG. 4 is a flow chart for explaining a method of attaching the optical element 100 and the electronic component 200 to the substrate 300.
- solder is applied to the positions on the substrate 300 where the electronic components 200 and the optical elements 100 are attached.
- the electronic component 200 and the optical element 100 are arranged on the substrate 300 via solder.
- the electronic component 200 and the optical element 100 can be attached to the substrate in the same process, so that the electronic component can be attached to the substrate by soldering and the optical element substrate can be attached by an adhesive.
- the production efficiency is improved as compared with the conventional method in which the attachment to the soldering is carried out in a separate process.
- the optics of the present invention have been developed for methods using reflow soldering.
- the material of the optical element 100 is a polyimide-based heat-resistant resin.
- the heat-resistant resin may be another resin that can be injection-molded with a glass transition temperature of 260 ° C. or higher.
- at least a part of the surface of the optical element 100 in contact with the substrate 300 is covered with a film of metal or silicon dioxide so as to enable bonding by soldering.
- the metal may be gold (Au), copper (Cu), phosphorus bronze (Cu-Sn), tin alloy (Sn-Pd / Sn-Bi / Sn-Ag / Sn-Zn) or the like.
- FIG. 5 is a diagram showing a cross section of the optical element 100 mounted on the surface of the substrate 300, perpendicular to the surface.
- the optical signal from the optical fiber reaches the conversion element (photodiode) 210 via the lens 121, the prism 123, and the lens 125.
- a laser from a conversion element (VCSEL) 210 is sent to the optical fiber with a lens 125, a prism 123, and a lens 121.
- the optical element 100 includes a recess that covers the conversion element 210 on the substrate 300. The depth of the recess is preferably 0.35 mm or more from the viewpoint of the optical arrangement of the lens 125 and the conversion element 210.
- FIG. 6 is an enlarged view of the portion marked with A in FIG.
- a metal film 1010 is provided on the surface of the optical element 100 in contact with the substrate 300.
- a chamfered portion 110 is provided on the peripheral edge of the surface of the optical element 100 in contact with the substrate 300.
- the chamfered surface of the chamfered portion 110 is also provided with the metal film 1010.
- the solder crawls up the chamfered surface provided with the metal film 1010 and collects in the space formed by the chamfered surface and the surface of the substrate 300. After that, when cooled, the space between the metal film 1010 and the solder and the space between the solder and the substrate 300 are fixed, and the solder 400 accumulated in the space formed by the chamfered surface and the surface of the substrate 300 causes the optical element 100 to be formed. It is more firmly fixed to the substrate 300.
- FIG. 7 is a diagram showing an optical element 100 and a ferrule 90 connected to the optical element 100.
- the optical element 100 and the ferrule 90 are connected by fitting.
- the metal film 1010 As described above, at least a part of the surface of the optical element 100 in contact with the substrate 300 is covered with the metal film 1010.
- the upper surface is a surface in contact with the substrate 300, and a part thereof is covered with the metal film 1010.
- FIG. 8 is a diagram showing an optical element 100 to which a ferrule 90 is connected.
- the surface of the optical element 100 in contact with the substrate is a quadrangle.
- a portion 120 not covered with the metal film 1010 is provided within a range of a certain distance from the side to which the above-mentioned rectangular ferrule 90 is connected. The reason is that the solder is not supplied within a certain distance from the side to which the above-mentioned rectangular ferrule 90 is connected so that the solder does not hinder the fitting of the optical element 100 and the ferrule 90. ..
- FIG. 9 is a rear view of the optical element 100A according to the embodiment of the present invention.
- the back surface is the surface to which the board is connected.
- the portion of the back surface other than the portion 120 within a certain distance from the side to which the ferrule 90 is connected is covered with the metal film 1010.
- a chamfered portion 110 is provided on the peripheral edge of the portion covered with the metal film 1010.
- the chamfered portion 110 is provided on the peripheral edge of the surface in contact with the substrate or the peripheral edge of the portion of the surface in contact with the substrate covered with the metal film 1010.
- FIG. 10 is a side view of the optical element 100A according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 11 is an enlarged view of the portion marked with A in FIG.
- a groove is provided between the surface S1 covered with the metal film 1010 and the surface S2 not covered with the metal film 1010.
- the surface S3 of the groove connected to the surface S1 covered with the metal film 1010 is covered with the metal film 1010, but the surface S4 of the groove connected to the surface S2 not covered with the metal film 1010 is covered with the metal film. Not broken.
- FIG. 12 is a rear view of the optical element 100B of another embodiment of the present invention.
- the back surface is the surface to which the board is connected.
- the portion of the back surface other than the portion 120 within a certain distance from the side to which the ferrule 90 is connected is covered with the metal film 1010.
- a chamfered portion 110 is provided in a portion other than the portion in contact with the portion not covered with the metal film among the above-mentioned portions.
- FIG. 13 is an enlarged view of the portion marked with A in FIG.
- the circular region C1 in FIG. 13 shows an optically effective surface of one of the plurality of lenses 125 provided in the optical element.
- the circular diameter of region C1 is D.
- the circular region C2 in FIG. 13 has a center at the same position as the center of the circle of the region C1 and has a diameter three times as large as D.
- the portion included in the region C2 is not provided with a metal film, and by preventing the solder from being supplied, it is possible to prevent the solder from impairing the function of the optical effective surface.
- the shape of the chamfered portion 110 of the optical element 100 will be described.
- FIG. 14 is a diagram showing a cross section of the chamfered portion 110 perpendicular to the boundary line between the surface in contact with the substrate 300 and the surface in contact with the chamfered surface and the substrate.
- the angle (acute angle) formed by the chamfered surface and the surface in contact with the substrate is represented by ⁇ .
- the length of the chamfered portion 110 in the direction perpendicular to the boundary line between the chamfered surface and the surface in contact with the substrate and parallel to the surface in contact with the substrate is represented by S.
- the chamfered surface connected to the surface in contact with the substrate provided with the metal film 1010 is also provided with the metal film 1010.
- the solder in the reflow soldering process, when the solder is heated in a state where the solder is present between the optical element 100 and the substrate 300, the solder melts and the metal film 1010 of the optical element 100 and the substrate 300 are formed by a capillary phenomenon. Spread in between. Further, the solder crawls up the chamfered surface provided with the metal film 1010 and collects in the space formed by the chamfered surface and the surface of the substrate 300.
- the cross-sectional area of the space formed by the chamfered surface and the surface of the substrate 300 is as follows. Assuming that the total length of the sides (peripheries) of the surface of the optical element 100 in contact with the substrate 300 is L, the volume of the space formed by the chamfered surface and the surface of the substrate 300 is as follows. be. Assuming that the volume of the solder used for fixing the optical element 100 to the substrate 300 is V, it is desirable that the following equation is satisfied. S ranges from 0.1 millimeter to 0.9 millimeter. In this way, the space formed by the chamfered surface and the surface of the substrate 300 functions as a solder reservoir. The solder reservoir plays an important role in preventing the optical function of the optical element from being impaired by the solder.
- the length S of a part of the chamfered portion 110 facing the lens 125 in a direction perpendicular to the boundary line between the chamfered surface and the surface in contact with the substrate and parallel to the surface in contact with the substrate is other.
- the volume of the solder reservoir may be increased by 1.5 to 3 times the S of the chamfered portion of the portion.
- FIG. 15 is a diagram for explaining a method of forming the metal film 1010 of the optical element 100.
- the metal film 1010 is formed by a physical vapor deposition method such as a vacuum vapor deposition method.
- a physical vapor deposition method such as a vacuum vapor deposition method.
- a vapor-deposited substance such as a metal forming a film moves in a certain direction toward the object and adheres to the surface of the object to form a film.
- reference numeral D indicates a moving direction of a vapor-deposited substance such as metal.
- the moving direction of the vapor-deposited substance such as metal is perpendicular to the surface of the optical element 100 in contact with the substrate.
- FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the angle ⁇ and the thickness of the film formed by sputtering.
- the horizontal axis of FIG. 16 indicates the angle ⁇ , and the unit is degrees.
- the vertical axis of FIG. 16 shows the ratio of the thickness of the film. Since the moving direction of the vapor-deposited material is perpendicular to the surface of the optical element 100 in contact with the substrate, the thickness of the film is proportional to the cosine at the angle ⁇ .
- the film thickness ratio is based on the film thickness when the angle ⁇ is 0 degrees. When the angle ⁇ is 0 degrees, the thickness of the film is 70 nanometers or more.
- the moving direction of the ions is perpendicular to the surface of the optical element 100 in contact with the substrate, so that the thickness of the film formed by sputtering decreases as ⁇ increases. Further, as ⁇ becomes smaller, S required to satisfy the equation (1) becomes larger. Therefore, theta is preferably 10 degrees or more and 75 degrees or less, and more preferably 30 degrees or more and 60 degrees or less.
- a groove may be provided in place of the chamfered portion 110 or on the surface of the optical element 100 in contact with the substrate 300 together with the chamfered portion 110.
- FIG. 17 is a diagram showing an optical element having a groove portion 115 on a surface in contact with a substrate.
- FIG. 18 is a diagram showing another optical element having a groove portion 115 on the surface in contact with the substrate.
- the peripheral edge of the surface in contact with the substrate is a rectangle, and as shown in FIG. 8, the ferrule 90 is connected to one side of the rectangle. Detachment of the ferrule 90 causes a large stress in the direction parallel to the surface in contact with the substrate. It is desirable that the direction of the groove portion 115 or the chamfered portion 110 that functions as a solder reservoir in order to increase the resistance to this stress is parallel to two orthogonal sides of the rectangle, particularly the side to which the ferrule 90 is connected.
- the direction of the groove portion 115 of the present embodiment is parallel to two orthogonal sides of a rectangle on the peripheral edge of the surface in contact with the substrate. Also in the embodiment shown in FIG. 9, since the chamfered portion 110 is provided along the rectangular side of the surface in contact with the substrate, the direction of the chamfered portion 110 is parallel to the two orthogonal sides of the rectangle.
- FIG. 19 is a diagram showing a cross section of a V-shaped groove perpendicular to the surface of the substrate and the longitudinal direction of the groove.
- the angle between the V-shaped groove and the surface in contact with the substrate and the surface in contact with the substrate is represented by ⁇ .
- the length of the V-shaped groove from the peripheral edge to the bottom of the V-shape is represented by S in the width direction.
- the cross-sectional area of the V-shaped groove is as follows. Assuming that the total length of the V-shaped grooves is L, the volume of the space formed by the V-shaped grooves is as follows. Assuming that the volume of the solder used for fixing the optical element 100 to the substrate 300 is V, it is desirable that the following equation is satisfied. S ranges from 0.1 millimeter to 0.9 millimeter.
- FIG. 20 is a diagram showing a cross section of a trapezoidal groove perpendicular to the surface of the substrate and the longitudinal direction of the groove.
- the angle between the surface of the trapezoidal groove that contacts the substrate and the surface that connects to the surface that contacts the substrate is represented by ⁇ .
- the length of the trapezoidal groove in the width direction from the peripheral edge to the bottom is represented by S
- the length in the width direction of the bottom is represented by T.
- the cross-sectional area of the trapezoidal groove is as follows. Assuming that the total length of the trapezoidal grooves is L, the volume of the space formed by the trapezoidal grooves is as follows. Assuming that the volume of the solder used for fixing the optical element 100 to the substrate 300 is V, it is desirable that the following equation is satisfied. S ranges from 0.1 millimeter to 0.9 millimeter and T ranges from 0 to 0.6 millimeter.
- FIG. 21 is a diagram showing a cross section of a U-shaped groove perpendicular to the surface of the substrate and the longitudinal direction of the groove.
- the surface of the U-shaped groove that is in contact with the surface of the groove and is connected to the substrate is a flat surface, and the cross section of the curved surface that is connected to the above plane and forms the bottom is arcuate.
- the length in the width direction of the above plane is represented by S, and the length in the width direction of the above-mentioned aspect is represented by T.
- the angle formed by the above plane with the surface in contact with the substrate is represented by ⁇ .
- the cross-sectional area of the U-shaped groove is as follows.
- the volume of the space formed by the trapezoidal grooves is as follows. Assuming that the volume of the solder used for fixing the optical element 100 to the substrate 300 is V, it is desirable that the following equation is satisfied. S ranges from 0.1 millimeter to 0.9 millimeter and T ranges from 0 to 0.6 millimeter.
- optical element configured to transmit and receive signals to and from optical fibers installed in a direction parallel to the surface of the substrate.
- the optical element described below is configured to transmit and receive signals to and from an optical fiber installed in a direction perpendicular to the surface of the substrate.
- FIG. 22 is a diagram showing an optical element 100C connected to an optical fiber.
- the optical element 100C on the substrate 300 is connected to the optical fiber 80 via the ferrule 90.
- FIG. 23 is a side view of the optical element 100C connected to the optical fiber.
- FIG. 24 is a cross-sectional view of the cross section shown by AA of FIG. 23.
- FIG. 25 is a front view of the optical element 100C.
- FIG. 26 is a cross-sectional view of the cross section shown by AA of FIG. 25.
- FIG. 27 is a cross-sectional view of the cross section shown by BB of FIG. 25.
- FIG. 28 is a rear view of the optical element 100C.
- the back surface of the optical element 100C is a surface in contact with the substrate.
- a chamfered portion 110 is provided on the peripheral edge of the surface in contact with the substrate, and the back surface including the chamfered portion is covered with a metal film 1010.
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Abstract
電子部品とともに基板へリフローはんだ付け工程によって固定することができるように構成された光学素子を提供する。本発明の光学素子は、基板３００上に設置される光学素子１００であって、該基板に接する第１の面に面取り部１１０及び溝部１１５の少なくとも一方が備わり、該面取り部及び該溝部の、該第１の面と接続する第２の面が該第１の面となす角度（θ）は１０度から７５度の範囲であり、該第１の面の少なくとも一部及び該第２の面は金属または二酸化ケイ素からなる膜１０１０で覆われている。
Description
本発明は、光学素子、及び基板上に電子部品と光学素子とを備えた複合部品の製造方法に関する。
基板上に電子部品と光学素子とを備えた複合部品を製造する場合に、従来は、電子部品をはんだによって基板に固定し、光学素子を接着剤によって基板に固定していた。電子部品のはんだによる基板への固定と光学素子の接着剤による基板への固定とは別の工程で実施される。もし、電子部品と光学素子とを同じ工程によって基板に固定することができれば、複合部品の生産効率の大幅な向上が期待される。したがって、たとえば、リフローはんだ付け工程によって、電子部品と光学素子とを基板に固定することが検討されている。しかし、リフローはんだ付け工程によって光学素子を基板へ固定するためには以下の条件が必要である。第一に、光学素子が所定の位置で光学的機能を発揮できるように基板にしっかりと固定する必要がある。第二に、余剰のはんだが光学素子の光学的機能を阻害することがないように十分に配慮する必要がある。特許文献１は、外側面に金属層が被着されたレンズを、表面にはんだ層が被着された鏡筒に接合する方法を開示している。しかし、電子部品とともに基板へリフローはんだ付け工程によって固定することができるように構成された光学素子は開発されていない。
したがって、電子部品とともに基板へリフローはんだ付け工程によって固定することができるように構成された光学素子、及びリフローはんだ付け工程による基板上に電子部品と光学素子とを備えた複合部品の製造方法に対するニーズがある。本発明の課題は、電子部品とともに基板へリフローはんだ付け工程によって固定することができるように構成された光学素子、及びリフローはんだ付け工程による基板上に電子部品と光学素子とを備えた複合部品の製造方法を提供することである。
本発明の第１の態様の光学素子は、基板上に設置される光学素子であって、該基板に接する第１の面に面取り部及び溝部の少なくとも一方が備わり、該面取り部及び該溝部の、該第１の面と接続する第２の面が該第１の面となす角度は１０度から７５度の範囲であり、該第１の面の少なくとも一部及び該第２の面は金属または二酸化ケイ素からなる膜で覆われている。
本態様の光学素子は、リフローはんだ付け工程に使用される。リフローはんだ付け工程において、本態様の光学素子及び基板を両者の間にはんだが存在する状態で加熱すると、はんだが溶融し、溶融したはんだは毛細管現象により本態様の光学素子の膜と基板との間に拡がる。さらに、はんだは膜を備えた第２の面を這い上がり、該面取り部または該溝部と該基板とによって形成される空間に溜まる。その後冷却されると、膜とはんだとの間及びはんだと基板との間が固着され、該面取り部または該溝部と該基板とによって形成される空間に溜まるはんだによって、本態様の光学素子はより強固に基板に固定される。また、該面取り部または該溝部と該基板とによって形成される空間は、はんだ溜めとして機能し、光学素子の光学的な機能がはんだによって損なわれないようにするために重要な役割を果たす。
本発明の第１の態様の第１の実施形態の光学素子は、該第２の面が該第１の面となす角度は３０度から６０度の範囲である。
本発明の第１の態様の第２の実施形態の光学素子は、該第１の面に平行で該第１及び第２の面の境界線に垂直な方向の、該第２の面の幅が０．１ミリメータから０．９ミリメータの範囲である。
本発明の第１の態様の第３の実施形態の光学素子は、該溝部の長手方向に垂直な断面の形状がＶ字形状、Ｕ字形状または台形形状である。
本発明の第１の態様の第１の実施形態の光学素子は、該第２の面が該第１の面となす角度は３０度から６０度の範囲である。
本発明の第１の態様の第２の実施形態の光学素子は、該第１の面に平行で該第１及び第２の面の境界線に垂直な方向の、該第２の面の幅が０．１ミリメータから０．９ミリメータの範囲である。
本発明の第１の態様の第３の実施形態の光学素子は、該溝部の長手方向に垂直な断面の形状がＶ字形状、Ｕ字形状または台形形状である。
本発明の第１の態様の第４の実施形態の光学素子は、該第１の面の周縁の一部から所定の距離の範囲に該膜で覆われていない部分を備える。
本実施形態の光学素子によれば、該膜で覆われていない部分によって、はんだが光学素子と他の素子との接続を阻害しないように、接合箇所の近傍にはんだを供給しないようにすることができる。
本発明の第１の態様の第５の実施形態の光学素子は、該第１の面に対向するレンズを備え、該第１の面への投影図において、該レンズの中心と周縁上の任意の点を結ぶ直線上において、該中心から該中心と該任意の点との距離の３倍の距離の範囲に該膜を備えないように構成されている。
本実施形態の光学素子によれば、レンズの近傍に膜を備えないように構成することによって、はんだがレンズの光学的機能を阻害しないように、レンズの近傍にはんだを供給しないようにすることができる。
本発明の第２の態様の複合部品の製造方法は、基板上に電子部品と光学素子とを備えた複合部品の製造方法であって、該光学素子において、該基板に接する第１の面に面取り部及び溝部の少なくとも一方が備わり、該面取り部及び該溝部の、該面取り部及び該溝部の該第１の面と接続する第２の面が該第１の面となす角度は１０度から７５度の範囲であり、該第１の面の少なくとも一部及び該第２の面は金属または二酸化ケイ素からなる膜で覆われ、該方法は、該基板上の該電子部品及び該光学素子が配置される位置にはんだを塗布するステップと、該基板にはんだを介して該電子部品及び該光学素子を配置するステップと、該電子部品及び該光学素子のリフローはんだ付けを行うステップと、を含む。
リフローはんだ付け工程において、本態様の光学素子及び基板を両者の間にはんだが存在する状態で加熱すると、はんだが溶融し、溶融したはんだは毛細管現象により本態様の光学素子の膜と基板との間に拡がる。さらに、はんだは膜を備えた第２の面を這い上がり、該面取り部または該溝部と該基板とによって形成される空間に溜まる。その後冷却されると、膜とはんだとの間及びはんだと基板との間が固着され、該面取り部または該溝部と該基板とによって形成される空間に溜まるはんだによって、本態様の光学素子はより強固に基板に固定される。また、該面取り部または該溝部と該基板とによって形成される空間は、はんだ溜めとして機能し、光学素子の光学的な機能がはんだによって損なわれないようにするために重要な役割を果たす。
本発明の第２の態様の第１の実施形態の複合部品の製造方法において、該光学素子と該基板とを固定するはんだの容積が該面取り部または該溝部と該基板とによって形成される空間の容積以下である。
本実施形態の製造方法においては、該面取り部または該溝部と該基板とによって形成される空間がはんだ溜めとして十分な機能を果たす。
図１は、本発明の一実施形態の光学素子１００と、電子部品２００と、変換素子２１０と、光学素子１００、電子部品２００及び変換素子２１０が取り付けられる基板３００と、を示す図である。後で説明するように光学素子１００には光ファイバが接続される。光ファイバから光信号を受信する場合には、光学素子１００は光ファイバから受信した光信号を変換素子２１０へ送り変換素子２１０は光信号を電気信号に変換して電子部品２００へ送り、電子部品が電気信号を処理する。この場合の変換素子２１０は一例としてフォトダイオードである。光学素子１００は、光ファイバから受信した光信号をフォトダイオードへ集光させるように機能する。光ファイバへ光信号を送信する場合には、変換素子２１０は電子部品２００から受け取った電気信号を光信号へ変換して光学素子１００へ送り、光学素子１００が光信号を光ファイバへ送信する。この場合の変換素子２１０は一例としてVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER)である。光学素子１００はVCSELが放出したレーザ光をたとえば光ファイバの端面に集光させるように機能する。
図２は、光学素子１００及び電子部品２００が取り付けられた基板３００を示す図である。
図３は、光ファイバが接続された光学素子１００を示す図である。光ファイバ８０は、フェルール９０を介して光学素子１００へ接続される。
図４は、光学素子１００及び電子部品２００を基板３００に取り付ける方法を説明するための流れ図である。
図４のＳ１０１０において、基板３００上の電子部品２００及び光学素子１００が取り付けられる位置にはんだを塗布する。
図４のＳ１０２０において、基板３００にはんだを介して電子部品２００及び光学素子１００を配置する。
図４のＳ１０３０において、電子部品２００及び光学素子１００のリフローはんだ付けを実施する。
リフローはんだ付けを使用した上記の方法によれば、電子部品２００及び光学素子１００を同一の工程で基板へ取り付けることができるので、はんだによる電子部品の基板への取り付けと接着剤による光学素子の基板への取り付けとを別の工程で実施する従来の方法と比較して生産効率が向上する。本発明の光学素子は、リフローはんだ付けを使用する方法用に開発されたものである。
光学素子１００はリフローはんだ付け工程を経るので、光学素子１００の材料は、ポリイミド系の耐熱樹脂である。耐熱樹脂は、ガラス転移温度260℃以上の射出成型可能な他の樹脂であってもよい。また、光学素子１００の基板３００と接する面の少なくとも一部は、はんだによる接合を可能とするように、金属または二酸化ケイ素の膜で覆われる。金属は、金(Au)、銅(Cu)、リン青銅(Cu-Sn)、スズ合金(Sn-Pd・Sn-Bi・Sn-Ag・Sn-Zn)などであってもよい。
図５は、基板３００の面に取り付けられた光学素子１００の、該面に垂直な断面を示す図である。光ファイバから光信号を受信する場合には、光ファイバからの光信号がレンズ１２１、プリズム１２３及びレンズ１２５を経由して変換素子（フォトダイオード）２１０へ到達する。光ファイバへ光信号を送信する場合には、変換素子（VCSEL）２１０からのレーザがレンズ１２５、プリズム１２３及びレンズ１２１を計有して光ファイバへ送られる。光学素子１００は、基板３００上の変換素子２１０を覆う凹部を備える。凹部の深さはレンズ１２５と変換素子２１０との光学的配置の観点から０．３５ミリメータ以上であるのが望ましい。
図６は、図５のＡでマークした部分を拡大した図である。図６において、光学素子１００の基板３００と接する面には金属膜１０１０が備わる。光学素子１００の基板３００と接する面の周縁には面取り部１１０が備わる。面取り部１１０の面取りされた面にも金属膜１０１０が備わる。リフローはんだ付け工程において、光学素子１００及び基板３００を両者の間にはんだが存在する状態で加熱すると、はんだが溶融し、溶融したはんだは毛細管現象により光学素子１００の金属膜１０１０と基板３００との間に拡がる。さらに、はんだは金属膜１０１０を備えた面取りされた面を這い上がり、面取りされた面と基板３００の面とが形成する空間に溜まる。その後冷却されると、金属膜１０１０とはんだとの間及びはんだと基板３００との間が固着され、面取りされた面と基板３００の面とが形成する空間に溜まるはんだ４００によって、光学素子１００がより強固に基板３００に固定される。
図７は、光学素子１００と光学素子１００に接続されるフェルール９０とを示す図である。光学素子１００の位置決めピン１５０がフェルール９０の対応する凹部へ挿入されることによって光学素子１００とフェルール９０とが嵌合によって接続される。上述のように、光学素子１００の基板３００と接する面の少なくとも一部は金属膜１０１０で覆われている。図７において、上面が基板３００に接する面でありその一部が金属膜１０１０で覆われている。
図８は、フェルール９０が接続された光学素子１００を示す図である。光学素子１００の基板に接する面は四角形である。上記の四角形のフェルール９０が接続される辺から一定の距離の範囲に金属膜１０１０で覆われていない部分１２０が備わる。その理由は、はんだが光学素子１００とフェルール９０との嵌合を阻害しないように上記の四角形のフェルール９０が接続される辺から一定の距離の範囲にははんだを供給しないようにするためである。
図９は、本発明の一実施形態の光学素子１００Ａの背面図である。背面は基板が接続される面である。背面の、フェルール９０が接続される辺から一定の距離の範囲の部分１２０以外の部分は金属膜１０１０で覆われている。また、金属膜１０１０で覆われている部分の周縁には面取り部１１０が備わる。一般に面取り部１１０は、基板に接する面の周縁または基板に接する面の金属膜１０１０で覆われた部分の周縁に備わる。
図１０は、本発明の一実施形態の光学素子１００Ａの側面図である。
図１１は、図１０のＡでマークした部分の拡大図である。本実施形態において、金属膜１０１０で覆われている面Ｓ１と金属膜１０１０で覆われていない面Ｓ２との間には溝が備わる。金属膜１０１０で覆われている面Ｓ１に接続する溝の面Ｓ３は金属膜１０１０で覆われているが、金属膜１０１０で覆われていない面Ｓ２に接続する溝の面Ｓ４は金属膜で覆われていない。金属膜１０１０で覆われていない面Ｓ２に接続する面が金属膜で覆われていない溝を設けることにより、はんだが、フェルール９０が接続される辺から一定の距離の範囲の金属膜１０１０で覆われていない部分１２０に流出することが防止される。
図１２は、本発明の他の実施形態の光学素子１００Ｂの背面図である。背面は基板が接続される面である。背面の、フェルール９０が接続される辺から一定の距離の範囲の部分１２０以外の部分は金属膜１０１０で覆われている。また、上記の部分のうち、金属膜で覆われない部分に接する部分以外の部分には面取り部１１０が備わる。本実施形態において、金属膜１０１０で覆われている面と金属膜１０１０で覆われていない面との間に溝は存在しない。
図１３は、図１２のＡでマークした部分の拡大図である。図１３の円形の領域Ｃ１は光学素子に備わる複数のレンズ１２５のうちの一つの光学有効面を示す。領域Ｃ１の円形の直径はＤである。図１３の円形の領域Ｃ２は、領域Ｃ１の円形の中心と同じ位置に中心を有し直径がＤの３倍の円形を示す。領域Ｃ２に含まれる部分には金属膜を備えず、はんだを供給しないようにすることによってはんだが光学有効面の機能を阻害しないようにすることができる。
光学素子１００の面取り部１１０の形状について説明する。
図１４は、面取り部１１０の、基板３００に接する面及び面取りされた面と基板に接する面との境界線に垂直な断面を示す図である。図１４において、面取りされた面と基板に接する面とのなす角度（鋭角）をθで表す。また、面取り部１１０の、面取りされた面と基板に接する面との境界線に垂直でかつ基板に接する面に平行な方向の長さをＳで表す。金属膜１０１０が備わる基板に接する面に接続された面取りされた面にも金属膜１０１０が備わる。
上述のように、リフローはんだ付け工程において、光学素子１００と基板３００との間にはんだが存在する状態で加熱すると、はんだが溶融し、毛細管現象により光学素子１００の金属膜１０１０と基板３００との間に拡がる。さらにはんだは金属膜１０１０を備えた面取りされた面を這い上がり、面取りされた面と基板３００の面とが形成する空間に溜まる。
図１４において、面取りされた面と基板３００の面とによって形成される空間の断面積は以下のとおりである。
光学素子１００の基板３００と接する面の面取り部が備わる辺（周縁）の長さの合計をＬとすると、面取りされた面と基板３００の面とによって形成される空間の体積は以下のとおりである。
光学素子１００の基板３００への固着に使用されるはんだの体積をＶとすると、以下の式が満たされるのが望ましい。Ｓは０．１ミリメータから０．９ミリメータの範囲である。
このように、面取りされた面と基板３００の面とによって形成される空間ははんだ溜めとして機能する。はんだ溜めは、光学素子の光学的な機能がはんだによって損なわれないようにするために重要な役割を果たす。
たとえば、図１２において、レンズ１２５に面する面取り部１１０の一部の、面取りされた面と基板に接する面との境界線に垂直でかつ基板に接する面に平行な方向の長さＳを他の部分の面取り部のＳの1.5倍から3倍としてはんだ溜めの体積を大きくしてもよい。
図１５は、光学素子１００の金属膜１０１０の形成方法を説明するための図である。金属膜１０１０は真空蒸着法などの物理蒸着法によって形成される。物理蒸着法において、膜を形成する金属などの蒸着物質が対象物に向かって一定方向に移動し対象物の表面に付着して膜が形成される。図１５において符号Ｄは、金属などの蒸着物質の移動方向を示す。金属などの蒸着物質の移動方向は光学素子１００の基板に接する面に垂直である。
図１６は、角度θとスパッタリングによって形成される膜の厚みとの関係を示す図である。図１６の横軸は角度θを示し、単位は度である。図１６の縦軸は、膜の厚みの比を示す。蒸着物質の移動方向は光学素子１００の基板に接する面に垂直であるので、膜の厚みは角度θの余弦に比例する。膜の厚みの比は角度θが０度の場合の膜の厚みを基準としている。角度θが０度の場合の膜の厚みは７０ナノメータ以上である。
上述のようにイオンの移動方向は光学素子１００の基板に接する面に垂直であるので、θが大きくなるにしたがってスパッタリングによって形成される膜の厚みは小さくなる。また、θが小さくなると、式（１）を満たすために必要なＳが大きくなる。したがって、シータは１０度以上７５度以下であるのが望ましく、３０度以上６０度以下であるのがより望ましい。
はんだ溜めとして、面取り部１１０に代えて、または面取り部１１０とともに光学素子１００の基板３００と接する面に溝部を設けてもよい。
図１７は、基板と接する面に溝部１１５を備えた光学素子を示す図である。
図１８は、基板と接する面に溝部１１５を備えた他の光学素子を示す図である。本実施形態において基板に接する面の周縁は矩形であり、図８に示すように上記の矩形の一辺にフェルール９０が接続される。フェルール９０の着脱により基板に接する面に平行な方向に大きな応力が生じる。この応力への耐性を高めるためにはんだ溜めとして機能する溝部１１５または面取り部１１０の方向は、矩形の直交する二辺、特にフェルール９０が接続される辺に平行とするのが望ましい。本実施形態の溝部１１５の方向は基板に接する面の周縁の矩形の直交する二辺に平行である。図９に示す実施形態においても、面取り部１１０は基板に接する面の矩形の辺に沿って備わっているので、面取り部１１０の方向は、矩形の直交する二辺に平行である。
図１９は、Ｖ字形状の溝の、基板の面及び溝の長手方向に垂直な断面を示す図である。Ｖ字形状の溝の、基板に接する面と接続する面が基板に接する面となす角度をθで表す。また、Ｖ字形状の溝の、周縁からＶ字の底までの幅方向の長さをＳで表す。Ｖ字形状の溝の断面積は以下のとおりである。
Ｖ字形状の溝の長さの合計をＬとすると、Ｖ字形状の溝によって形成される空間の体積は以下のとおりである。
光学素子１００の基板３００への固着に使用されるはんだの体積をＶとすると、以下の式が満たされるのが望ましい。Ｓは０．１ミリメータから０．９ミリメータの範囲である。
図２０は、台形形状の溝の、基板の面及び溝の長手方向に垂直な断面を示す図である。台形形状の溝の、基板に接する面と接続する面が基板に接する面となす角度をθで表す。また、台形形状の溝の、周縁から底までの幅方向の長さをＳで表し、底の幅方向の長さをＴで表す。台形形状の溝の断面積は以下のとおりである。
台形形状の溝の長さの合計をＬとすると、台形形状の溝によって形成される空間の体積は以下のとおりである。
光学素子１００の基板３００への固着に使用されるはんだの体積をＶとすると、以下の式が満たされるのが望ましい。Ｓは０．１ミリメータから０．９ミリメータの範囲あり、Ｔは０から０．６ミリメータの範囲である。
図２１は、Ｕ字形状の溝の、基板の面及び溝の長手方向に垂直な断面を示す図である。Ｕ字形状の溝の基板に接する面と接続する面は平面であり、上記の平面に接続し底を形成する曲面の上記の断面は円弧状である。上記の平面の幅方向の長さをＳで表し、上記の局面の幅方向の長さをＴで表す。上記の平面が基板に接する面となす角度をθで表す。Ｕ字形状の溝の断面積は以下のとおりである。
Ｕ字形状の溝の長さの合計をＬとすると、台形形状の溝によって形成される空間の体積は以下のとおりである。
光学素子１００の基板３００への固着に使用されるはんだの体積をＶとすると、以下の式が満たされるのが望ましい。Ｓは０．１ミリメータから０．９ミリメータの範囲あり、Ｔは０から０．６ミリメータの範囲である。
光学素子の他の実施形態について説明する。これまでに説明した光学素子は、基板の面と平行な方向に設置された光ファイバと信号を送受信するように構成されていた。以下に説明する光学素子は、基板の面と垂直な方向に設置された光ファイバと信号を送受信するように構成されている。
図２２は光ファイバと接続された光学素子１００Ｃを示す図である。基板３００上の光学素子１００Ｃは、フェルール９０を介して光ファイバ８０と接続されている。
図２３は、光ファイバと接続された光学素子１００Ｃの側面図である。
図２４は、図２３のＡ－Ａで示す断面の断面図である。
図２５は、光学素子１００Ｃの正面図である。
図２６は、図２５のＡ－Ａで示す断面の断面図である。
図２７は、図２５のＢ－Ｂで示す断面の断面図である。
図２８は、光学素子１００Ｃの背面図である。光学素子１００Ｃの背面は基板に接する面である。基板に接する面の周縁には面取り部１１０が備わり、面取り部を含む背面は金属膜１０１０で覆われている。
Claims (8)
- 基板上に設置される光学素子であって、該基板に接する第１の面に面取り部及び溝部の少なくとも一方が備わり、該面取り部及び該溝部の、該第１の面と接続する第２の面が該第１の面となす角度は１０度から７５度の範囲であり、該第１の面の少なくとも一部及び該第２の面は金属または二酸化ケイ素からなる膜で覆われた光学素子。
- 該第２の面が該第１の面となす角度は３０度から６０度の範囲である請求項１に記載の光学素子。
- 該第１の面に平行で該第１及び第２の面の境界線に垂直な方向の、該第２の面の幅が０．１ミリメータから０．９ミリメータの範囲である請求項１または２に記載の光学素子。
- 該溝部の長手方向に垂直な断面の形状がＶ字形状、Ｕ字形状または台形形状である請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
- 該第１の面の周縁の一部から所定の距離の範囲に該膜で覆われていない部分を備える請求項１から４のいずれかに記載の光学素子。
- 該第１の面に対向するレンズを備え、該第１の面への投影図において、該レンズの中心と周縁上の任意の点を結ぶ直線上において、該中心から該中心と該任意の点との距離の３倍の距離の範囲に該膜を備えないように構成された請求項１から５のいずれかに記載の光学素子。
- 基板上に電子部品と光学素子とを備えた複合部品の製造方法であって、該光学素子において、該基板に接する第１の面に面取り部及び溝部の少なくとも一方が備わり、該面取り部及び該溝部の、該面取り部及び該溝部の該第１の面と接続する第２の面が該第１の面となす角度は１０度から７５度の範囲であり、該第１の面の少なくとも一部及び該第２の面は金属または二酸化ケイ素からなる膜で覆われ、該方法は、
該基板上の該電子部品及び該光学素子が配置される位置にはんだを塗布するステップと、
該基板にはんだを介して該電子部品及び該光学素子を配置するステップと、
該電子部品及び該光学素子のリフローはんだ付けを行うステップと、を含む複合部品の製造方法。 - 該はんだを塗布するステップにおいて、該光学素子と該基板とを固定するはんだの容積が該面取り部または該溝部と該基板とによって形成される空間の容積以下である請求項７に記載の複合部品の製造方法。
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