JP4195979B2

JP4195979B2 - Photoelectric module for optical communication

Info

Publication number: JP4195979B2
Application number: JP2003041101A
Authority: JP
Inventors: 俊成野田; 和成西原; 直樹立畠
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: JP2004253534A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信システムに使用される発光素子（ＬＥＤ，ＬＤ）または受光素子（ＰＩＮ−ＰＤ，ＡＰＤ）を用いた光通信用光電気変換モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信用に用いられる光通信用光電気変換モジュールとしては、図７に示すものがある。
【０００３】
図７（ａ）は光通信用光電気変換モジュールの斜視図、図７（ｂ）は従来の発光素子モジュールまたは受光素子モジュールの斜視図、図７（ｃ）は従来の発光素子モジュールまたは受光素子モジュールの断面図である。
【０００４】
図７（ａ）において、１，２は受光素子モジュールまたは発光素子モジュール、３は受光素子モジュールまたは受光素子モジュール１，２を制御するドライバーＩＣ、プリアンプ、メインアンプなどのＬＳＩを示している。４は回路を構成するチップ抵抗、積層セラミックコンデンサなどの受動部品、５はそれらを実装するための基板、６は外部取り出し用の電極を示している。
【０００５】
また、図７（ｂ），（ｃ）に受光素子モジュールまたは発光素子モジュールを示し、７は金属製キャップ、８は金属製キャップ７に封着されているレンズ、９はチップを実装するための金属ベース、１０は金属ベース９の主面から裏面に取り出すための外部取り出し電極、１１は外部取り出し電極６を金属ベース９に気密封止するための低融点ガラス、１２はＬＥＤまたはＰＤなどの発光素子または受光素子、１３は発光素子または受光素子１２の電極を外部取り出し電極１０に電気的に接続させるための金属ワイヤを示している。
【０００６】
金属製キャップ７および金属ベース９は通常はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏなどの合金が用いられ、その表面は酸化防止のためのＮｉ−Ａｕなどでメッキ処理されている。この金属製キャップ７と金属ベース９を抵抗溶接して気密封止する構造となっている。気密封止された内部は通常は窒素に置換または真空として発光素子または受光素子１２の経年劣化を防止している。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６３−２８２７１０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発光素子モジュールまたは受光素子モジュール１，２のサイズがＬＳＩ３や受動部品４に比べて非常に大きいため、基板５の上に実装した場合、基板５が大きくなり、結果モジュール全体が大きくなる。
【００１０】
また、発光素子モジュールまたは受光素子モジュール１，２と基板５を電気的に接続している外部取り出し電極１０を折り曲げることにより、発光素子モジュールまたは受光素子モジュール１，２を基板５の側面に設置する場合も同様である。
【００１１】
また、発光素子または受光素子１２の電極を外部取り出し電極１０に電気的に接続させるために金属ワイヤ１３を使用するが、金属ワイヤ１３のインダクタンスおよび浮遊容量により伝送する信号の高周波化、高速化への対応が困難になる。
【００１２】
本発明は小型・低背化を図ると共に伝送速度の高周波化および高速化に対応できる安価な光通信用光電気変換モジュールを提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１４】
本発明の請求項１に記載の発明は、アノード電極とカソード電極とを同じ面に設けた発光素子または受光素子と、この発光素子または受光素子を制御し、半導体素子および受動部品からなる光電気変換回路と、光学的な結合に用いる少なくとも１つのレンズ体、光学的絞り、窓の光学部品と、前記発光素子または受光素子と光電気変換回路および光学部品を実装する基板とを備え、前記基板の一方の面に形成する第一の溝部と、もう一方の面に形成する第二の溝部とを対向させ、かつ第一の溝部と第二の溝部の底面の間を貫通するように貫通孔を設け、前記第一の溝部に実装する発光素子または受光素子の面と第二の溝部に実装する光学素子の面と対向するようにして前記貫通孔を気密封止した光通信用光電気変換モジュールであって、前記発光素子または受光素子と、前記第一の溝部との間に形成される隙間に、前記第一の溝部の底面に漏出しないように第一の封止材料を塗布し、この第一の封止材料を加熱、硬化させて気密封止したことを特徴とする光通信用光電気変換モジュールであり、基板の厚みを利用して発光素子モジュールまたは受光素子モジュールを形成するため、小型化および低背化が実現できる作用効果を奏する。また、発光素子または受光素子を蓋代わりにして内部を気密封止するので、Ｈ ₂ Ｏによる特性劣化や外部取り出し電極の表面酸化を防止して高い信頼性が得られるとともに、コストを低減することができる作用効果も同時に奏する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１による光通信用光電気変換モジュールの全体構成について図１および図２を用いて説明する。
【００２８】
図１（ａ）は本発明の光通信用光電気変換モジュール全体の斜視図、図１（ｂ）〜（ｅ）は図１（ａ）の光通信用光電気変換モジュールのＡ−Ａ断面斜視図、図２（ａ）は本発明の他の光通信用光電気変換モジュール全体の斜視図、図２（ｂ）〜（ｅ）は図２（ａ）の光通信用光電気変換モジュールのＢ−Ｂ断面斜視図である。
【００２９】
図１において、２１は発光素子、２２は受光素子、２３は抵抗、コンデンサ、インダクタなどの受動部品、２４は発光素子２１または受光素子２２を制御するＬＳＩを示している。２５は外部取り出し電極、２７は基板をそれぞれ示している。２６は基板２７の主表面に形成した電極であり、発光素子２１または受光素子２２と電気的に接続されている。３０は貫通孔、３１は内部配線パターンまたは層間の電気的接続を行なうためのスルーホール、３２〜３４はそれぞれ光学素子、２８は基板２７の主表面に形成した第一の溝部、２９は第一の溝部２８が形成された基板２７の主表面に相対する主面に形成された第二の溝部を示している。
【００３０】
図１（ａ）〜（ｅ）において、発光素子２１は代表的なものとしてＬＥＤ，ＬＤおよび面発光型のレーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）があり、また受光素子２２はＰＩＮ−ＰＤやＡＰＤなどがある。これらはアノード電極とカソード電極とを同じに設けた構成となっている。
【００３１】
ＬＳＩ２４の一例として、発光素子２１を駆動させるためのドライバー、受光素子２２からの光電流を電圧に変換して増幅するアンプなどがある。
【００３２】
光学素子３２〜３４は例えば球面あるいは非球面、半球などの屈折型レンズ、フレネルレンズなどの回折型レンズ、平板ガラスなどがあり用いる素子や用途により適宜選択する。光通信用光電気変換モジュール全体を低背化するためには屈折型レンズよりも平板ガラス上に回折パターンを形成した回折型レンズが有利である。また、屈折型レンズを選択する場合は封止性を考慮すると、平坦面を有する半球形状が有利である。平板ガラスを用いる場合はその主表面に無反射（ＡＲ）コートを施すことで反射戻り光による発光素子２１または受光素子２２への影響や反射損失を低減することができる。
【００３３】
本発明による光通信用光電気変換モジュールでは基板２７としてセラミック積層基板を用いる。基板２７としてセラミック積層基板を用いる理由は比較的自由な配線設計と局所的な溝部、貫通孔などが容易に成形できる点である。セラミック積層基板はグリーンシートを積層して焼成して形成する。それぞれの層に独立した配線が形成でき、またスルーホール３１により各層間を結線することも比較的容易である。そのため第一の溝部２８の内部に実装して封止した発光素子２１または受光素子２２の電極を基板２７の主表面へと取り出すことが可能である。また積層において、グリーンシートにダイスやポンチを用いて貫通孔を形成することにより、所定の位置に溝形状や貫通孔を形成することが可能となる。このように全体の小型化や部品の位置決め実装に有利であり、製造コストの低減が図れる。
【００３４】
所定の位置に部品実装用の溝部を形成することで以下に示す利点がある。
【００３５】
第一の溝部２８と第二の溝部２９は基板２７を挟んで対向し、かつ第一の溝部２８および第二の溝部２９の中心が一致するように形成されている。また第一の溝部２８の大きさは実装するＬＥＤ，ＬＤ，ＶＣＳＥＬなどの発光素子２１またはＰＩＮ−ＰＤ，ＡＰＤなどの受光素子２２の外形形状とほぼ等しく形成され、第二の溝部２９の大きさは光学素子３２〜３４とほぼ等しく形成されている。そして第一の溝部２８は第二の溝部２９より小さい形状となっている。したがって発光素子２１または受光素子２２を第一の溝部２８に実装し、さらに第二の溝部２９に光学素子３２〜３４を実装することにより容易に発光素子２１または受光素子２２と光学素子３２〜３４との光軸調整が可能となると共に第二の溝部２９の形状を大きくしているため、広範囲の光が集光でき高い結合効率が実現できる。
【００３６】
この場合、第一の溝部２８と第二の溝部２９は各々底部を貫通する貫通孔３０が形成されており、この貫通孔３０を介して発光素子２１からの光を光学素子３２〜３４へ効率よく導き、また光学素子３２〜３４を通過した光が受光素子２２の受光面へと導かれる。図２に示す本発明による光電気変換モジュールは発光素子２１または受光素子２２および光学素子３２〜３４の基板２７への実装面のみが図１と異なるだけであり、図１と同じ効果が得られる。
【００３７】
また、図１は発光素子２１または受光素子２２を光電気変換回路と同じ面に実装され、かつ光電気変換回路を基板２７の長手方向の所定範囲Ｌ１の端部に実装しないため、レセプタクル（図示せず）等の溝に挿入することにより、光学素子３２〜３４と光導波路または光ファイバとの光軸合わせと実装とが同時に行うことができ製造コストが低減できる。
【００３８】
図２は発光素子２１または受光素子２２を光電気変換回路と異なる面に実装する構成であり、発光素子２１または受光素子２２の実装面が平坦となるため、他の基板に光通信用光電気変換モジュールとして簡単に面実装することができる。
【００３９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２による光通信用光電気変換モジュールの光学素子と発光素子または受光素子の実装部の詳細な構成について図３を用いて説明する。
【００４０】
図３（ａ），（ｂ）は本発明の発光素子２１の実装部の断面図、図３（ｃ）は本発明の受光素子２２の実装部の断面図、また図３（ｄ）は図３（ａ）〜（ｃ）の実施の形態２に用いた発光素子または受光素子の上面図である。
【００４１】
図３（ａ）〜（ｄ）において２１は発光素子、３６は内部の配線パターン、３７はスルーホール、３８は発光素子２１の発光面または受光素子２２の受光面に設けられた取り出し電極、３９は第一の封止材料、４０は第二の封止材料、４１は金属バンプ、２８は基板２７の主表面に形成した第一の溝部、２９は第一の溝部２８が形成された基板２７の主表面に相対する主面に形成された第二の溝部をそれぞれ示している。３２〜３４は光学素子を示しており、例えば球面あるいは非球面、半球などの屈折型レンズ、フレネルレンズなどの回折型レンズ、平板ガラスなどであり、用いる素子や用途により適宜選択する。３５は発光素子２１または受光素子２２と光学素子３２〜３４により気密封止された内部空洞、３０は貫通孔をそれぞれ示している。４２は第一の溝部２８の底面、４３は基板２７に設けられた内部電極を示している。
【００４２】
発光素子２１または受光素子２２と基板２７との電気的接続には金属バンプ４１を用いる。金属バンプ４１の材料は形成の容易さや長期信頼性を含めた安定性、発光素子２１または受光素子２２の耐熱性を考慮して選択する。代表的な材料としては金、ニッケル、はんだ等がある。これらの材料はめっき法により比較的安価で容易にバンプが形成できる。ニッケルを材料とする場合には表面の酸化を防止するため金などで被覆することが望ましい。金属バンプ４１は基板２７の内部電極４３に形成してもよいし、発光素子２１の発光面または受光素子２２の受光面に設けられた取り出し電極３８の上に形成してもよい。基板２７の内部電極４３および発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８は金属バンプ４１と接続して形成される金属間化合物を考慮して選択する。基板２７の内部電極４３に関しては焼成温度が高いため、通常タングステンなどを電極材料として用いるが表面には金で被覆することが望ましい。
【００４３】
本発明による光通信用光電気変換モジュールでは基板２７としてセラミック積層基板を用いる。基板２７としてセラミック積層基板を用いる理由は、比較的自由な配線設計と局所的な溝部、貫通孔などが容易に成形できる点である。
【００４４】
光学素子３２〜３４の材料にはガラスやプラスチックを用いるが、屈折率の温度特性などを考慮するとガラスが望ましい。光学素子３２〜３４の材料にガラスを用いる場合、第二の封止材料４０とガラスのぬれ性を考慮した上で必要に応じてガラスにメタライズ加工を施す。メタライズ加工は真空蒸着法、スパッタ蒸着法、メッキ法などを用いて行う。メタライズに用いる材料の例としてＮｉ，Ｃｒ，Ｃｕ等が挙げられる。同様に基板２７にもメタライズ加工を施す。メタライズの代表的な材料としては、Ｍｏ−Ｍｎ，Ｎｉ−Ｃｒ，Ｔｉ−Ｃｕ等がある。メタライズ加工を施すことにより、光学素子３２〜３４と基板２７の封止性が高くなる。
【００４５】
光学素子３２〜３４の形状および発光素子２１と光学素子３２〜３４との距離Ｌ２はＬＥＤ，ＶＣＳＥＬ等の発光素子２１の光の放射角と焦点位置、また結合させる光導波線路の種類および光学特性を考慮して設計する。またＰＩＮ−ＰＤ，ＡＰＤ等の受光素子２２の場合は受光面への入射光量を考慮して設計する。
【００４６】
発光素子２１または受光素子２２と基板２７との気密封止には第一の封止材料３９を用いる。第一の封止材料３９の材料は封止工法、耐湿性、発光素子２１または受光素子２２、基板２７との密着性や長期信頼性を考慮して選択する。代表的な材料としてエポキシ、シリコーン、ポリエステル、フェノールなどの樹脂やそれらを基材にガラス繊維や無機充填材を充填したもの、低融点ガラス材料またははんだなどの金属材料が挙げられる。はんだなどの金属材料を選択する場合、特に光学素子３２〜３４が平面型の場合にメタライズパターンを容易に形成できるため封止工程を簡略化できる効果がある。
【００４７】
次に実装方法の一例について説明する。
【００４８】
基板２７の第一の溝部２８の底面４２の内部電極４３の上に第一の封止材料３９を形成する。次に発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８の上に金属バンプ４１を形成する。そして基板２７の第一の溝部２８に発光素子２１または受光素子２２を位置決めして固定し、加熱・加圧を行う。このときの加熱温度は金属バンプ４１がはんだの場合は液相点温度以上、金バンプの場合は再結晶化温度以上にすることが望ましい。また加圧は金属バンプ４１と第一の溝部２８の底面４２の内部電極４３の間にある第一の封止材料３９を排除し、電気的接続が得られるように適宜設定する。次に第二の溝部２９の底面に第二の封止材料４０を形成して光学素子３２〜３４を第二の溝部２９へ位置決めして固定する。さらに光学素子３２〜３４を加圧および加熱して封止を完了する。発光素子２１または受光素子２２を位置決めしてからは窒素置換雰囲気または真空中で行なうことが望ましい。
【００４９】
上記は実装方法の一例であり、例えば第一の封止材料３９を発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８の上に形成してもよく、第二の封止材料４０を光学素子３２〜３４の外周部に形成してもよい。また金属バンプ４１を基板２７の第一の溝部２８の底面４２の内部電極４３の上に形成してもよく、光学素子３２〜３４および発光素子２１または受光素子２２の実装する順番を入れ替えてもよい。
【００５０】
上記の実装方法において、第一の封止材料３９に樹脂材料を用いる場合について説明する。封止材料３９は液状またはペースト状の熱硬化性樹脂やシート状の樹脂等である。液状またはペースト状の樹脂を塗布する方法として、開口部を設けたスクリーンの開口部だけに樹脂を塗布するスクリーン印刷法やシリンジを用いて塗布するディスペンス法、スタンプピンを用いて転写するスタンピング法等がある。第一の溝部２８の底面４２の内部電極４３の上に第一の封止材料３９を形成する場合はディスペンス法またはスタンピング法が有利である。また発光素子２１または受光素子２２の上に第一の封止材料３９を形成する場合はシート状の樹脂あるいはスクリーン印刷法が作業性に優れている。シート状の樹脂を用いる場合は、あらかじめ貼り付けたい形状にシートを加工し発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８の上に形成するため、工程を簡略化することができる。これらの方法で基板２７の上に第一の封止材料３９を形成することにより、第一の封止材料３９の塗布量を制御することが可能であり、第二の溝部２９への第一の封止材料３９の漏出を防止することができる。
【００５１】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３による光通信用光電気変換モジュールの光学素子と発光素子または受光素子の実装部について図４を用いて説明する。
【００５２】
図４（ａ），（ｂ）は本発明の他の発光素子の実装部の断面図、図４（ｃ）は本発明の他の実施の形態における受光素子の実装部の断面図、また図４（ｄ）は図４（ａ）は実施の形態３に用いた発光素子または受光素子の上面図である。
【００５３】
図４（ａ）〜（ｄ）において２１は発光素子、３６は内部の配線パターン、３７はスルーホール、３８は発光素子２１の発光面または受光素子２２の受光面に設けられた取り出し電極、３９は第一の封止材料、４０は第二の封止材料、４１は金属バンプ、２８は基板２７の主表面に形成した第一の溝部、２９は第一の溝部２８が形成された基板２７の主表面に相対する主面に形成された第二の溝部をそれぞれ示している。また図４（ｃ）では２２は受光素子を示している。３２〜３４は光学素子を示しており、例えば球面あるいは非球面、半球などの屈折型レンズ、フレネルレンズなどの回折型レンズ、平板ガラスなどであり、用いる素子や用途により適宜選択する。３５は発光素子２１または受光素子２２と光学素子３２〜３４により気密封止された内部空洞、３０は貫通孔をそれぞれ示している。図４（ｄ）では４２は第一の溝部２８の底面、４３は基板２７に設けられた内部電極を示している。
【００５４】
本発明による光通信用光電気変換モジュールの実装方法の一例について説明する。
【００５５】
基板２７の第二の溝部２９の底面に第二の封止材料４０を形成して、光学素子３２〜３４を第二の溝部２９へ位置決めして固定する。次に光学素子３２〜３４を加圧および加熱する。そして第一の封止材料３９を第一の溝部２８から流し込み、第二の溝部２９、貫通孔３０および第一の溝部２８を第一の封止材料３９で充填する。第一の封止材料３９の塗布量は少なくとも第一の溝部２８の底面４２より上になるように調整する。次に発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８の上に金属バンプ４１を形成する。そして基板２７の第一の溝部２８に発光素子２１または受光素子２２を位置決めして固定する。さらに発光素子２１または受光素子２２を加圧しながら、基板２７を加熱することにより封止を完了する。以上の工程により発光素子２１の発光面または受光素子２２の受光面と光学素子３２〜３４との空隙が完全に第一の封止材料３９で充填されるため、発光素子２１の受光面または受光素子２２の受光面はダストなどから保護することができ、高い信頼性を得ることができる。
【００５６】
上記は実装方法の一例であり、例えば第二の封止材料４０を光学素子３２〜３４の外周部に形成してもよく、金属バンプ４１を第一の溝部２８の底面４２の内部電極４３の上に形成してもよい。
【００５７】
上記の実装方法において、第一の封止材料３９に樹脂材料を用いる場合について説明する。第一の封止材料３９は液状またはペースト状の透明な熱硬化性樹脂等である。第一の封止材料３９の塗布方法としては、温度、塗布圧力、塗布時間の制御ができるディスペンス法が有利である。ディスペンス法で第一の封止材料３９の内に気泡が入らないように制御して塗布することにより、気泡による内部空洞３５の内部での光の屈折を防止することができ、発光素子２１からの出射光と光導波線路の結合効率および光導波線路からの入射光と受光素子２２の結合効率が高くできる。本実装方法では加温工程を一回で済ますことができるため、プロセスの単純化、発光素子２１および受光素子２２の熱破壊の防止および実装工程中の接合部の破壊を防ぐことができる。また第一の封止材料３９の供給に高い精度が要求されないため、工程の簡略化が可能になる。その他の効果については実施の形態２と同じであるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００５８】
また、実施の形態３の実装方法の他の例について説明する。基板２７の第二の溝部２９の底面に第二の封止材料４０を形成して、光学素子３２〜３４を第二の溝部２９へ位置決めして固定する。そして光学素子３２〜３４を加圧および加熱する。次に発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８の上に金属バンプ４１を形成する。次に基板２７の第一の溝部２８に発光素子２１または受光素子２２を位置決めして固定し加熱・加圧を行い、発光素子２１または受光素子２２と基板２７の電気的接続をとる。そして第一の封止材料３９を第一の溝部２８と発光素子２１または受光素子２２の隙間から流し込み、第二の溝部２９、貫通孔３０および第一の溝部２８の底面４２を第一の封止材料３９で充填する。第一の封止材料３９は実装する発光素子２１の発光面または受光素子２２の受光面が十分に充填される量を塗布する。そして基板２７を加熱することにより、第一の封止材料３９を硬化させて封止を完了する。
【００５９】
上記は実装方法の一例であり、例えば第二の封止材料４０を光学素子３２〜３４の外周部に形成してもよく、金属バンプ４１を第一の溝部の底面４２の内部電極４３の上に形成してもよい。
【００６０】
上記の実装方法において、第一の封止材料３９に樹脂材料を用いる場合について説明する。第一の封止材料３９は液状またはペースト状の透明な熱硬化性樹脂等である。第一の封止材料３９を第一の溝部２８と発光素子２１または受光素子２２の隙間から流し込むことを考慮すると、粘度が低く、表面張力の弱い液状の熱硬化性樹脂を用いると有利である。第一の封止材料３９の供給方法としてはディスペンス法が有利である。樹脂供給の際に基板２７を傾けることも、第一の封止材料３９の中の気泡の混入を防ぐのに有効である。
【００６１】
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４による光通信用光電気変換モジュールの光学素子と発光素子または受光素子の実装部の詳細な構成について図５を用いて説明する。
【００６２】
図５（ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態４における発光素子の実装部の断面図、図５（ｃ）は本発明の他の実施の形態における受光素子の実装部の断面図、また図５（ｄ）は実施の形態４で用いた発光素子または受光素子の上面図である。
【００６３】
図５（ａ）〜（ｄ）において２１は発光素子、３６は内部の配線パターン、３７はスルーホール、３８は発光素子２１の発光面または受光素子２２の受光面に設けられた取り出し電極、３９は第一の封止材料、４０は第二の封止材料、４１は金属バンプ、２８は基板２７の主表面に形成した第一の溝部、２９は第一の溝部２８が形成された基板２７の主表面に相対する主面に形成された第二の溝部をそれぞれ示している。また図５（ｃ）では２２は受光素子を示している。３２〜３４は光学素子を示しており、例えば球面あるいは非球面、半球などの屈折型レンズ、フレネルレンズなどの回折型レンズ、平板ガラスなどであり、用いる素子や用途により適宜選択する。３５は発光素子２１または受光素子２２と光学素子３２〜３４により気密封止された内部空洞、３０は貫通孔をそれぞれ示している。図５（ｄ）では４２は第一の溝部２８の底面、４３は基板２７に設けられた内部電極を表している。
【００６４】
本発明による光通信用光電気変換モジュールの実装方法の一例について説明する。
【００６５】
基板２７の第二の溝部２９の底面に第二の封止材料４０を形成して、光学素子３２〜３４を第二の溝部２９へ位置決めして固定する。次に光学素子３２〜３４を加圧および加熱する。そして発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８の上に金属バンプ４１を形成する。次に基板２７の第一の溝部２８に発光素子２１または受光素子２２を位置決めして固定し、加熱・加圧を行うことにより発光素子２１または受光素子２２と基板２７の電気的接続をとる。さらに基板２７の第一の溝部２８の底面４２に実装した発光素子２１または受光素子２２の上から第一の封止材料３９を塗布する。第一の封止材料３９は第一の溝部２８の底面４２まで漏出しないように塗布量を制御する。次に第一の封止材料３９を加熱することにより硬化させて封止を完了する。光学素子３２〜３４の加圧および加熱から窒素置換雰囲気または真空中で行なうことが望ましい。
【００６６】
上記は実装方法の一例であり、例えば第二の封止材料４０を光学素子３２〜３４の外周部に形成してもよく、金属バンプ４１を基板２７の第一の溝部２８の底面４２の内部電極４３の上に形成してもよい。また光学素子３２〜３４および発光素子２１または受光素子２２の実装する順番を入れ替えてもよい。
【００６７】
上記の実装方法において、第一の封止材料３９の樹脂材料を用いる場合について以下に説明する。
【００６８】
第一の封止材料３９には液状またはペースト状の熱硬化性樹脂または光硬化性樹脂を用いる。光硬化性樹脂を用いる場合は第一の封止材料３９にＵＶ照射を行なうことにより硬化させて封止を完了する。第一の封止材料３９に光硬化樹脂を用いた場合は加温工程を減らすことができるため、発光素子２１および受光素子２２の熱破壊を防止することができる。また第一の封止材料３９の中に熱伝導性の高いアルミナ、窒化アルミなどの微粒子を混合して分散させることにより発光素子２１の発熱を基板２７へ伝導または大気中に放散できるため発光素子２１の温度特性を改善し、高い信頼性を得ることができる。第一の封止材料３９の塗布方法としては滴下法またはディスペンス法が有利である。滴下法を用いることにより設備費コストを削減することができる。本実装方法では第一の封止材料３９の供給に高い精度が要求されないため、工程の簡略化ができる。
【００６９】
（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５による光通信用光電気変換モジュールの光学素子と発光素子または受光素子の実装部の詳細な構成について図６を用いて説明する。
【００７０】
図６（ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態５における発光素子の実装部の断面図、図６（ｃ）は本発明の他の受光素子の実装部の断面図、また図６（ｄ）は実施の形態５で用いた発光素子または受光素子の上面図である。
【００７１】
図６（ａ）〜（ｄ）において２１は受光素子、３６は内部の配線パターン、３７はスルーホール、３８は発光素子２１の発光面または受光素子２２の受光面に設けられた取り出し電極、４４は異方性導電シート、４０は第二の封止材料、４１は金属バンプ、２８は基板２７の主表面に形成した第一の溝部、２９は第一の溝部２８が形成された基板２７の主表面に相対する主面に形成された第二の溝部をそれぞれ示している。また図６（ｃ）では２２は受光素子を示している。３２〜３４は光学素子を示しており、例えば球面あるいは非球面、半球などの屈折型レンズ、フレネルレンズなどの回折型レンズ、平板ガラスなどであり、用いる素子や用途により適宜選択する。３５は発光素子２１または受光素子２２と光学素子３２〜３４により気密封止された内部空洞、３０は貫通孔を示している。
【００７２】
図６（ｄ）では４２は第一の溝部２８の底面、４３は基板２７に設けられた内部電極を表している。
【００７３】
以下、本実施の形態の実装方法の一例について説明する。
【００７４】
基板２７の第一の溝部２８の底面４２の内部電極４３の上に異方性導電シート４４を形成する。次に発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８の上に金属バンプ４１を形成する。そして基板２７の第一の溝部２８に発光素子２１または受光素子２２を位置決めして固定する。次に発光素子２１および受光素子２２を加圧および加熱して、発光素子２１および受光素子２２と基板２７の電気的接続と封止を同時に行う。さらに第二の溝部２９の底面に第二の封止材料４０を形成して光学素子３２〜３４を第二の溝部２９へ位置決めして固定する。
【００７５】
次に光学素子３２〜３４を加圧および加熱して封止を完了する。発光素子２１または受光素子２２の固定からは窒素置換雰囲気または真空中で行なうことが望ましい。
【００７６】
上記は実装方法の一例であり、例えば異方性導電シート４４を発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８の上に形成してもよく、第二の封止材料４０を光学素子３２〜３４の外周部に形成してもよい。また金属バンプ４１を基板２７の第一の溝部の底面４２の内部電極４３の上に形成してもよく、光学素子３２〜３４および発光素子２１または受光素子２２の実装する順番を入れ替えてもよい。
【００７７】
実施の形態５において、発光素子２１または受光素子２２と基板２７との気密封止に異方性導電シート４４を用いている。異方性導電シート４４は樹脂シートの中に導電性粒子を分散させたものであるが、導電性粒子の密度は低いため、シートそのものには導電性は無い。導電性粒子の材料にはＮｉ単体、Ｃｕ単体、Ｎｉに金メッキを施したもの、樹脂を核にして金メッキを施したもの、銀粒子に絶縁樹脂コートを施したもの等を用いる。異方性導電シート４４は予め貼り付けたい形状に加工しておく。基板２７と発光素子２１または受光素子２２を加熱・加圧すると導電性粒子が電極間に挟み込まれて基板２７と発光素子２１または受光素子２２の電気的接続をとることができると同時に、樹脂が硬化して気密封止をすることができる。
【００７８】
実施の形態５ではシート状の異方性導電シート４４を用いることから作業性に優れており工程の簡素化を図ることができる。異方性導電シート４４の代わりにペースト状の異方性導電ペーストを用いる方法もある。この場合はスクリーン印刷法、ディスペンス法またはスタンピング法でペーストを基板２７の上または発光素子２１または受光素子２２の取り出し電極３８の上に供給する。その他の工程はシート状の異方性導電ペースト４４を用いた場合と同様である。ペースト状の異方性導電ペーストを用いることにより材料費を下げることが可能である。その他の効果については本発明の実施の形態３と同等であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００７９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、アノード電極とカソード電極とを同じ面に設けた発光素子または受光素子と、この発光素子または受光素子を制御し、半導体素子および受動部品からなる光電気変換回路と、光学的な結合に用いる少なくとも１つのレンズ体、光学的絞り、窓の光学部品と、前記発光素子または受光素子と光電気変換回路および光学部品を実装する基板とを備え、前記基板の一方の面に形成する第一の溝部と、もう一方の面に形成する第二の溝部とを対向させ、かつ第一の溝部と第二の溝部の底面の間を貫通するように貫通孔を設け、前記第一の溝部に実装する発光素子または受光素子の面と第二の溝部に実装する光学素子の面と対向するようにして前記貫通孔を気密封止した光通信用光電気変換モジュールであって、前記発光素子または受光素子と、前記第一の溝部との間に形成される隙間に、前記第一の溝部の底面に漏出しないように第一の封止材料を塗布し、この第一の封止材料を加熱、硬化させて気密封止したことを特徴とする光通信用光電気変換モジュールであり、基板の厚みを利用して発光素子モジュールまたは受光素子モジュールを形成するため、小型化および低背化が実現できる。また、発光素子または受光素子を蓋代わりにして内部を気密封止するので、Ｈ ₂ Ｏによる特性劣化や外部取り出し電極の表面酸化を防止して高い信頼性が得られるとともに、コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の光通信用光電気変換モジュールの斜視図
（ｂ）〜（ｅ）本発明の光通信用光電気変換モジュールの要部断面斜視図
【図２】（ａ）本発明の他の光通信用光電気変換モジュールの斜視図
（ｂ）〜（ｅ）本発明の他の光通信用光電気変換モジュールの要部断面斜視図
【図３】（ａ），（ｂ）本発明の発光素子の実装部の断面図
（ｃ）本発明の受光素子の実装部の断面図
（ｄ）実施の形態２で用いた発光素子または受光素子の上面図
【図４】（ａ），（ｂ）本発明の発光素子の実装部の断面図
（ｃ）本発明の受光素子の実装部の断面図
（ｄ）実施の形態３で用いた発光素子または受光素子の上面図
【図５】（ａ），（ｂ）本発明の発光素子の実装部の断面図
（ｃ）本発明の受光素子の実装部の断面図
（ｄ）実施の形態４で用いた発光素子または受光素子の上面図
【図６】（ａ），（ｂ）本発明の発光素子の実装部の断面図
（ｃ）本発明の受光素子の実装部の断面図
（ｄ）実施の形態５で用いた発光素子または受光素子の上面図
【図７】（ａ）従来の光通信用光電気変換モジュールの斜視図
（ｂ）従来の発光素子モジュールまたは受光素子モジュールの斜視図
（ｃ）従来の発光素子モジュールまたは受光素子モジュールの断面図
【符号の説明】
２１発光素子
２２受光素子
２３受動部品
２４ＬＳＩ
２５外部取り出し電極
２６電極
２７基板
２８第一の溝部
２９第二の溝部
３０貫通孔
３１配線パターンまたはスルーホール
３２〜３４光学素子
３５内部空洞
３６配線パターン
３７スルーホール
３８取り出し電極
３９第一の封止材料
４０第二の封止材料
４１金属バンプ
４２第一の溝部の底面
４３内部電極
４４異方性導電シート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion module for optical communication using a light emitting element (LED, LD) or a light receiving element (PIN-PD, APD) used in an optical communication system.
[0002]
[Prior art]
A conventional photoelectric conversion module for optical communication used for optical communication is shown in FIG.
[0003]
7A is a perspective view of a photoelectric conversion module for optical communication, FIG. 7B is a perspective view of a conventional light emitting element module or light receiving element module, and FIG. 7C is a conventional light emitting element module or light receiving element. It is sectional drawing of a module.
[0004]
In FIG. 7A, reference numerals 1 and 2 denote light receiving element modules or light emitting element modules, and 3 denotes LSIs such as a driver IC, a preamplifier, and a main amplifier that control the light receiving element modules or the light receiving element modules 1 and 2. Reference numeral 4 is a passive component such as a chip resistor or a multilayer ceramic capacitor constituting the circuit, 5 is a substrate for mounting them, and 6 is an electrode for external extraction.
[0005]
FIGS. 7B and 7C show a light receiving element module or a light emitting element module, where 7 is a metal cap, 8 is a lens sealed on the metal cap 7, and 9 is for mounting a chip. A metal base, 10 is an external extraction electrode for extracting from the main surface of the metal base 9 to the back surface, 11 is a low-melting glass for hermetically sealing the external extraction electrode 6 to the metal base 9, and 12 is a light emitting device such as an LED or PD. An element or a light receiving element 13 is a metal wire for electrically connecting the electrode of the light emitting element or the light receiving element 12 to the external extraction electrode 10.
[0006]
The metal cap 7 and the metal base 9 are usually made of an alloy such as Fe—Ni—Co, and the surface thereof is plated with Ni—Au or the like for preventing oxidation. The metal cap 7 and the metal base 9 are sealed by resistance welding. The hermetically sealed interior is usually replaced with nitrogen or vacuumed to prevent the light emitting element or the light receiving element 12 from aging.
[0007]
For example, Patent Document 1 is known as prior art document information related to the invention of this application.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A 63-282710
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Since the size of the conventional light-emitting element module or light-receiving element module 1 or 2 is much larger than that of the LSI 3 or the passive component 4, when mounted on the substrate 5, the substrate 5 becomes large, resulting in a large overall module.
[0010]
Further, the light emitting element module or the light receiving element module 1 or 2 is installed on the side surface of the substrate 5 by bending the external extraction electrode 10 electrically connecting the light emitting element module or the light receiving element module 1 or 2 and the substrate 5. The same applies to the case.
[0011]
In addition, the metal wire 13 is used to electrically connect the electrode of the light emitting element or the light receiving element 12 to the external extraction electrode 10, but the frequency and the speed of the signal transmitted are increased by the inductance and stray capacitance of the metal wire 13. It becomes difficult to deal with.
[0012]
An object of the present invention is to provide an inexpensive photoelectric communication module for optical communication that can be reduced in size and height and can cope with higher transmission speeds and higher transmission speeds.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
[0014]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a light emitting element or a light receiving element in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on the same surface, and a photoelectric element comprising a semiconductor element and a passive component that controls the light emitting element or the light receiving element. A conversion circuit; at least one lens body used for optical coupling; an optical diaphragm; an optical component of a window; and a substrate on which the light emitting element or the light receiving element, the photoelectric conversion circuit, and the optical component are mounted.The first groove portion formed on one surface of the substrate and the second groove portion formed on the other surface are opposed to each other, and penetrates between the first groove portion and the bottom surface of the second groove portion. The through hole is hermetically sealed so that the surface of the light emitting element or the light receiving element mounted in the first groove is opposed to the surface of the optical element mounted in the second groove. A communication photoelectric conversion module, wherein a first sealing is performed so as not to leak into a bottom surface of the first groove portion in a gap formed between the light emitting element or the light receiving element and the first groove portion. A material is applied, and the first sealing material is heated and cured to be hermetically sealed.It is a photoelectric conversion module for optical communication, and a light-emitting element module or a light-receiving element module is formed by utilizing the thickness of the substrate, so that a reduction in size and height can be realized.Has an effect. Further, since the inside is hermetically sealed using the light emitting element or the light receiving element instead of the lid, H ₂ While preventing the characteristic deterioration by O and the surface oxidation of an external extraction electrode, high reliability is acquired, the effect which can reduce cost is also show | played simultaneously.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0027]
(Embodiment 1)
Hereinafter, the overall configuration of the photoelectric conversion module for optical communication according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
[0028]
FIG. 1A is a perspective view of the entire photoelectric conversion module for optical communication according to the present invention, and FIGS. 1B to 1E are cross-sectional perspective views taken along line AA of the photoelectric conversion module for optical communication of FIG. FIGS. 2A and 2A are perspective views of the whole other photoelectric conversion module for optical communication according to the present invention, and FIGS. 2B to 2E are B of the photoelectric conversion module for optical communication in FIG. FIG.
[0029]
In FIG. 1, 21 is a light emitting element, 22 is a light receiving element, 23 is a passive component such as a resistor, a capacitor, and an inductor, and 24 is an LSI that controls the light emitting element 21 or the light receiving element 22. Reference numeral 25 denotes an external extraction electrode, and 27 denotes a substrate. An electrode 26 is formed on the main surface of the substrate 27 and is electrically connected to the light emitting element 21 or the light receiving element 22. 30 is a through hole, 31 is an internal wiring pattern or through hole for electrical connection between layers, 32 to 34 are optical elements, 28 is a first groove formed on the main surface of the substrate 27, and 29 is a first The second groove part formed in the main surface opposite to the main surface of the board | substrate 27 in which this groove part 28 was formed is shown.
[0030]
1A to 1E, typical light emitting elements 21 include LEDs, LDs, and surface emitting laser diodes (VCSEL), and light receiving elements 22 include PIN-PD and APD. In these, the anode electrode and the cathode electrode are provided in the same manner.
[0031]
Examples of the LSI 24 include a driver for driving the light emitting element 21 and an amplifier that converts the photocurrent from the light receiving element 22 into a voltage and amplifies it.
[0032]
The optical elements 32 to 34 include, for example, a refractive lens such as a spherical surface, an aspherical surface, and a hemisphere, a diffractive lens such as a Fresnel lens, a flat glass, and the like, and are appropriately selected depending on the element and application used. In order to reduce the height of the entire photoelectric conversion module for optical communication, a diffractive lens in which a diffraction pattern is formed on a flat glass is more advantageous than a refractive lens. In addition, when a refractive lens is selected, a hemispherical shape having a flat surface is advantageous in consideration of sealing performance. In the case where flat glass is used, the antireflection (AR) coating is applied to the main surface thereof, whereby the influence of reflected return light on the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and reflection loss can be reduced.
[0033]
In the photoelectric conversion module for optical communication according to the present invention, a ceramic laminated substrate is used as the substrate 27. The reason why the ceramic laminated substrate is used as the substrate 27 is that a relatively free wiring design and local grooves and through holes can be easily formed. The ceramic laminated substrate is formed by laminating and firing green sheets. Independent wiring can be formed in each layer, and it is relatively easy to connect each layer by through holes 31. Therefore, it is possible to take out the electrode of the light emitting element 21 or the light receiving element 22 mounted and sealed in the first groove 28 to the main surface of the substrate 27. Further, in the lamination, a groove shape or a through hole can be formed at a predetermined position by forming a through hole in the green sheet using a die or a punch. In this way, it is advantageous for overall miniaturization and component positioning mounting, and the manufacturing cost can be reduced.
[0034]
Forming a groove for mounting components at a predetermined position has the following advantages.
[0035]
The first groove portion 28 and the second groove portion 29 are opposed to each other with the substrate 27 interposed therebetween, and the centers of the first groove portion 28 and the second groove portion 29 are formed to coincide with each other. The size of the first groove 28 is substantially the same as the outer shape of the light-emitting element 21 such as LED, LD, or VCSEL or the light-receiving element 22 such as PIN-PD or APD to be mounted. Are formed almost equal to the optical elements 32-34. The first groove 28 is smaller than the second groove 29. Therefore, the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the optical elements 32 to 34 can be easily mounted by mounting the light emitting element 21 or the light receiving element 22 in the first groove 28 and further mounting the optical elements 32 to 34 in the second groove 29. And the shape of the second groove 29 is increased, so that a wide range of light can be collected and high coupling efficiency can be realized.
[0036]
In this case, the first groove portion 28 and the second groove portion 29 are each formed with a through hole 30 penetrating the bottom, and the light from the light emitting element 21 is efficiently transmitted to the optical elements 32 to 34 through the through hole 30. The light guided well and passed through the optical elements 32 to 34 is guided to the light receiving surface of the light receiving element 22. The photoelectric conversion module according to the present invention shown in FIG. 2 is different from FIG. 1 only in the mounting surface of the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the optical elements 32 to 34 on the substrate 27, and the same effect as FIG. 1 can be obtained. .
[0037]
Further, in FIG. 1, since the light emitting element 21 or the light receiving element 22 is mounted on the same surface as the photoelectric conversion circuit, and the photoelectric conversion circuit is not mounted at the end of the predetermined range L1 in the longitudinal direction of the substrate 27, the receptacle (FIG. By inserting the optical elements 32 to 34 and the optical waveguide or the optical fiber at the same time and mounting, the manufacturing cost can be reduced.
[0038]
FIG. 2 shows a configuration in which the light-emitting element 21 or the light-receiving element 22 is mounted on a different surface from the photoelectric conversion circuit. Since the mounting surface of the light-emitting element 21 or the light-receiving element 22 is flattened, the optical communication photoelectricity is mounted on another substrate. It can be easily surface-mounted as a conversion module.
[0039]
(Embodiment 2)
Hereinafter, the detailed configuration of the optical element and the mounting portion of the light emitting element or the light receiving element of the photoelectric conversion module for optical communication according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
[0040]
3A and 3B are cross-sectional views of the mounting portion of the light-emitting element 21 of the present invention, FIG. 3C is a cross-sectional view of the mounting portion of the light-receiving element 22 of the present invention, and FIG. It is a top view of the light emitting element or light receiving element used in Embodiment 2 of 3 (a) to (c).
[0041]
3A to 3D, 21 is a light emitting element, 36 is an internal wiring pattern, 37 is a through hole, 38 is a take-out electrode provided on the light emitting surface of the light emitting element 21 or the light receiving surface of the light receiving element 22, 39 Is a first sealing material, 40 is a second sealing material, 41 is a metal bump, 28 is a first groove formed on the main surface of the substrate 27, and 29 is a substrate 27 on which the first groove 28 is formed. The 2nd groove part formed in the main surface opposite to the main surface of each is shown. Reference numerals 32 to 34 denote optical elements, for example, refractive lenses such as spherical, aspherical, and hemispherical surfaces, diffractive lenses such as Fresnel lenses, flat glass, and the like, which are appropriately selected depending on the elements used and applications. Reference numeral 35 denotes an internal cavity hermetically sealed by the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the optical elements 32 to 34, and 30 denotes a through hole. Reference numeral 42 denotes a bottom surface of the first groove portion 28, and 43 denotes an internal electrode provided on the substrate 27.
[0042]
Metal bumps 41 are used for electrical connection between the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the substrate 27. The material of the metal bump 41 is selected in consideration of easiness of formation, stability including long-term reliability, and heat resistance of the light emitting element 21 or the light receiving element 22. Typical materials include gold, nickel, and solder. These materials are relatively inexpensive and can easily form bumps by plating. When nickel is used as a material, it is desirable to coat with gold or the like in order to prevent surface oxidation. The metal bump 41 may be formed on the internal electrode 43 of the substrate 27, or may be formed on the extraction electrode 38 provided on the light emitting surface of the light emitting element 21 or the light receiving surface of the light receiving element 22. The internal electrode 43 of the substrate 27 and the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22 are selected in consideration of the intermetallic compound formed in connection with the metal bump 41. Since the firing temperature of the internal electrode 43 of the substrate 27 is high, tungsten or the like is usually used as an electrode material, but it is desirable to coat the surface with gold.
[0043]
In the photoelectric conversion module for optical communication according to the present invention, a ceramic laminated substrate is used as the substrate 27. The reason why the ceramic laminated substrate is used as the substrate 27 is that a relatively free wiring design and local grooves, through holes and the like can be easily formed.
[0044]
Glass or plastic is used as the material of the optical elements 32 to 34, but glass is desirable in consideration of the temperature characteristics of the refractive index. When glass is used as the material of the optical elements 32 to 34, the glass is subjected to metallization as necessary after considering the wettability of the second sealing material 40 and the glass. The metallization process is performed using a vacuum deposition method, a sputter deposition method, a plating method, or the like. Ni, Cr, Cu etc. are mentioned as an example of the material used for metallization. Similarly, the substrate 27 is metalized. Typical materials for metallization include Mo—Mn, Ni—Cr, Ti—Cu and the like. By performing the metallization process, the sealing performance of the optical elements 32 to 34 and the substrate 27 is enhanced.
[0045]
The shape of the optical elements 32 to 34 and the distance L2 between the light emitting element 21 and the optical elements 32 to 34 are the light emission angle and the focal position of the light emitting element 21 such as LED and VCSEL, and the type and optical characteristics of the optical waveguide to be coupled. Design with consideration. In the case of the light receiving element 22 such as PIN-PD or APD, it is designed in consideration of the amount of light incident on the light receiving surface.
[0046]
A first sealing material 39 is used for hermetic sealing between the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the substrate 27. The material of the first sealing material 39 is selected in consideration of the sealing method, moisture resistance, adhesion to the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the substrate 27 and long-term reliability. Typical materials include resins such as epoxy, silicone, polyester, and phenol, those obtained by filling them with a glass fiber or an inorganic filler, low melting point glass materials, or metal materials such as solder. When a metal material such as solder is selected, the metallized pattern can be easily formed, particularly when the optical elements 32 to 34 are planar, so that the sealing process can be simplified.
[0047]
Next, an example of a mounting method will be described.
[0048]
A first sealing material 39 is formed on the internal electrode 43 on the bottom surface 42 of the first groove 28 of the substrate 27. Next, a metal bump 41 is formed on the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22. Then, the light emitting element 21 or the light receiving element 22 is positioned and fixed in the first groove portion 28 of the substrate 27, and heating and pressurization are performed. It is desirable that the heating temperature at this time be equal to or higher than the liquidus temperature when the metal bump 41 is solder, and higher than the recrystallization temperature when the metal bump 41 is gold. The pressurization is appropriately set so as to eliminate the first sealing material 39 between the metal bump 41 and the internal electrode 43 on the bottom surface 42 of the first groove 28 and to obtain an electrical connection. Next, the second sealing material 40 is formed on the bottom surface of the second groove 29, and the optical elements 32 to 34 are positioned and fixed to the second groove 29. Further, the optical elements 32 to 34 are pressurized and heated to complete the sealing. After positioning the light emitting element 21 or the light receiving element 22, it is desirable to carry out in a nitrogen substitution atmosphere or vacuum.
[0049]
The above is an example of the mounting method. For example, the first sealing material 39 may be formed on the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22, and the second sealing material 40 may be formed from the optical elements 32 to 32. You may form in the outer peripheral part of 34. Further, the metal bump 41 may be formed on the internal electrode 43 on the bottom surface 42 of the first groove portion 28 of the substrate 27, and the mounting order of the optical elements 32 to 34 and the light emitting element 21 or the light receiving element 22 may be changed. Good.
[0050]
The case where a resin material is used for the first sealing material 39 in the above mounting method will be described. The sealing material 39 is a liquid or paste-like thermosetting resin, a sheet-like resin, or the like. As a method of applying a liquid or paste-like resin, a screen printing method in which resin is applied only to an opening of a screen provided with an opening, a dispensing method in which application is performed using a syringe, a stamping method in which transfer is performed using a stamp pin, etc. There is. When the first sealing material 39 is formed on the internal electrode 43 on the bottom surface 42 of the first groove 28, the dispensing method or the stamping method is advantageous. Further, when the first sealing material 39 is formed on the light emitting element 21 or the light receiving element 22, a sheet-like resin or a screen printing method is excellent in workability. In the case of using a sheet-like resin, the process can be simplified because the sheet is processed into a shape to be attached in advance and formed on the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22. By forming the first sealing material 39 on the substrate 27 by these methods, it is possible to control the application amount of the first sealing material 39, and to the first groove 29. The leakage of the sealing material 39 can be prevented.
[0051]
(Embodiment 3)
Hereinafter, an optical element of the photoelectric conversion module for optical communication according to Embodiment 3 of the present invention and a mounting portion of the light emitting element or the light receiving element will be described with reference to FIG.
[0052]
4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views of a mounting portion of another light-emitting element of the present invention, FIG. 4 (c) is a cross-sectional view of a mounting portion of a light-receiving element according to another embodiment of the present invention, and FIG. 4 (d) is a top view of the light emitting element or light receiving element used in Embodiment 3. FIG.
[0053]
4A to 4D, 21 is a light emitting element, 36 is an internal wiring pattern, 37 is a through hole, 38 is a take-out electrode provided on the light emitting surface of the light emitting element 21 or the light receiving surface of the light receiving element 22, 39 Is a first sealing material, 40 is a second sealing material, 41 is a metal bump, 28 is a first groove formed on the main surface of the substrate 27, and 29 is a substrate 27 on which the first groove 28 is formed. The 2nd groove part formed in the main surface opposite to the main surface of each is shown. In FIG. 4C, reference numeral 22 denotes a light receiving element. Reference numerals 32 to 34 denote optical elements, for example, refractive lenses such as spherical, aspherical, and hemispherical surfaces, diffractive lenses such as Fresnel lenses, flat glass, and the like, which are appropriately selected depending on the elements used and applications. Reference numeral 35 denotes an internal cavity hermetically sealed by the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the optical elements 32 to 34, and 30 denotes a through hole. In FIG. 4D, reference numeral 42 denotes a bottom surface of the first groove portion 28, and 43 denotes an internal electrode provided on the substrate 27.
[0054]
An example of a mounting method of the photoelectric conversion module for optical communication according to the present invention will be described.
[0055]
A second sealing material 40 is formed on the bottom surface of the second groove 29 of the substrate 27, and the optical elements 32 to 34 are positioned and fixed to the second groove 29. Next, the optical elements 32 to 34 are pressurized and heated. Then, the first sealing material 39 is poured from the first groove 28, and the second groove 29, the through hole 30 and the first groove 28 are filled with the first sealing material 39. The application amount of the first sealing material 39 is adjusted so as to be at least above the bottom surface 42 of the first groove 28. Next, a metal bump 41 is formed on the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22. Then, the light emitting element 21 or the light receiving element 22 is positioned and fixed in the first groove portion 28 of the substrate 27. Further, the sealing is completed by heating the substrate 27 while pressurizing the light emitting element 21 or the light receiving element 22. Since the gap between the light emitting surface of the light emitting element 21 or the light receiving surface of the light receiving element 22 and the optical elements 32 to 34 is completely filled with the first sealing material 39 by the above process, the light receiving surface or the light receiving surface of the light emitting element 21 is filled. The light receiving surface of the element 22 can be protected from dust and the like, and high reliability can be obtained.
[0056]
The above is an example of a mounting method. For example, the second sealing material 40 may be formed on the outer periphery of the optical elements 32 to 34, and the metal bump 41 is formed on the inner electrode 43 on the bottom surface 42 of the first groove 28. It may be formed on top.
[0057]
The case where a resin material is used for the first sealing material 39 in the above mounting method will be described. The first sealing material 39 is a liquid or pasty transparent thermosetting resin or the like. As a method for applying the first sealing material 39, a dispensing method capable of controlling temperature, application pressure, and application time is advantageous. By applying and controlling so that bubbles do not enter the first sealing material 39 by the dispensing method, it is possible to prevent light from being refracted inside the internal cavity 35, and from the light emitting element 21. The coupling efficiency between the emitted light and the optical waveguide line and the coupling efficiency between the incident light from the optical waveguide line and the light receiving element 22 can be increased. In this mounting method, since the heating process can be completed once, it is possible to simplify the process, to prevent thermal destruction of the light emitting element 21 and the light receiving element 22 and to prevent destruction of the joint portion during the mounting process. Further, since high accuracy is not required for supplying the first sealing material 39, the process can be simplified. Since other effects are the same as those of the second embodiment, detailed description thereof is omitted here.
[0058]
Another example of the mounting method according to the third embodiment will be described. A second sealing material 40 is formed on the bottom surface of the second groove 29 of the substrate 27, and the optical elements 32 to 34 are positioned and fixed to the second groove 29. Then, the optical elements 32 to 34 are pressurized and heated. Next, a metal bump 41 is formed on the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22. Next, the light emitting element 21 or the light receiving element 22 is positioned and fixed in the first groove portion 28 of the substrate 27, heated and pressurized, and the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the substrate 27 are electrically connected. Then, the first sealing material 39 is poured from the gap between the first groove 28 and the light emitting element 21 or the light receiving element 22, and the second groove 29, the through hole 30 and the bottom surface 42 of the first groove 28 are sealed in the first seal. Fill with a stop material 39. The first sealing material 39 is applied in an amount sufficient to fill the light emitting surface of the light emitting element 21 or the light receiving surface of the light receiving element 22 to be mounted. Then, by heating the substrate 27, the first sealing material 39 is cured to complete the sealing.
[0059]
The above is an example of a mounting method. For example, the second sealing material 40 may be formed on the outer peripheral portion of the optical elements 32 to 34, and the metal bump 41 is formed on the inner electrode 43 on the bottom surface 42 of the first groove portion. You may form in.
[0060]
The case where a resin material is used for the first sealing material 39 in the above mounting method will be described. The first sealing material 39 is a liquid or pasty transparent thermosetting resin or the like. In consideration of pouring the first sealing material 39 from the gap between the first groove 28 and the light emitting element 21 or the light receiving element 22, it is advantageous to use a liquid thermosetting resin having a low viscosity and a low surface tension. . As a method for supplying the first sealing material 39, the dispensing method is advantageous. Inclining the substrate 27 when supplying the resin is also effective in preventing air bubbles from entering the first sealing material 39.
[0061]
(Embodiment 4)
Hereinafter, the detailed configuration of the optical element of the photoelectric conversion module for optical communication according to Embodiment 4 of the present invention and the mounting portion of the light emitting element or the light receiving element will be described with reference to FIG.
[0062]
5A and 5B are cross-sectional views of the light-emitting element mounting portion according to Embodiment 4 of the present invention, and FIG. 5C is a cross-sectional view of the light-receiving element mounting portion according to another embodiment of the present invention. FIG. 5D is a top view of the light emitting element or the light receiving element used in the fourth embodiment.
[0063]
5A to 5D, 21 is a light emitting element, 36 is an internal wiring pattern, 37 is a through hole, 38 is a take-out electrode provided on the light emitting surface of the light emitting element 21 or the light receiving surface of the light receiving element 22, 39 Is a first sealing material, 40 is a second sealing material, 41 is a metal bump, 28 is a first groove formed on the main surface of the substrate 27, and 29 is a substrate 27 on which the first groove 28 is formed. The 2nd groove part formed in the main surface opposite to the main surface of each is shown. In FIG. 5C, reference numeral 22 denotes a light receiving element. Reference numerals 32 to 34 denote optical elements, for example, refractive lenses such as spherical, aspherical, and hemispherical surfaces, diffractive lenses such as Fresnel lenses, flat glass, and the like, which are appropriately selected depending on the elements used and applications. Reference numeral 35 denotes an internal cavity hermetically sealed by the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the optical elements 32 to 34, and 30 denotes a through hole. In FIG. 5D, 42 represents the bottom surface of the first groove portion 28, and 43 represents an internal electrode provided on the substrate 27.
[0064]
An example of a mounting method of the photoelectric conversion module for optical communication according to the present invention will be described.
[0065]
A second sealing material 40 is formed on the bottom surface of the second groove 29 of the substrate 27, and the optical elements 32 to 34 are positioned and fixed to the second groove 29. Next, the optical elements 32 to 34 are pressurized and heated. Then, a metal bump 41 is formed on the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22. Next, the light emitting element 21 or the light receiving element 22 is positioned and fixed in the first groove portion 28 of the substrate 27, and the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the substrate 27 are electrically connected by heating and pressurizing. Further, a first sealing material 39 is applied from above the light emitting element 21 or the light receiving element 22 mounted on the bottom surface 42 of the first groove 28 of the substrate 27. The application amount of the first sealing material 39 is controlled so as not to leak to the bottom surface 42 of the first groove 28. Next, the first sealing material 39 is cured by heating to complete the sealing. It is desirable to carry out from pressurization and heating of the optical elements 32 to 34 in a nitrogen substitution atmosphere or vacuum.
[0066]
The above is an example of a mounting method. For example, the second sealing material 40 may be formed on the outer periphery of the optical elements 32 to 34, and the metal bump 41 is formed inside the bottom surface 42 of the first groove 28 of the substrate 27. It may be formed on the electrode 43. Further, the mounting order of the optical elements 32 to 34 and the light emitting element 21 or the light receiving element 22 may be changed.
[0067]
The case where the resin material of the first sealing material 39 is used in the above mounting method will be described below.
[0068]
As the first sealing material 39, a liquid or paste-like thermosetting resin or photocurable resin is used. When using a photocurable resin, the first sealing material 39 is cured by UV irradiation to complete the sealing. When a photo-curing resin is used for the first sealing material 39, the heating process can be reduced, so that thermal destruction of the light emitting element 21 and the light receiving element 22 can be prevented. Further, by mixing and dispersing fine particles such as alumina and aluminum nitride having high thermal conductivity in the first sealing material 39, the heat generated in the light emitting element 21 can be conducted to the substrate 27 or dissipated into the atmosphere. The temperature characteristic of 21 can be improved and high reliability can be obtained. As a method for applying the first sealing material 39, a dropping method or a dispensing method is advantageous. By using the dropping method, the equipment cost can be reduced. In this mounting method, since high accuracy is not required for supplying the first sealing material 39, the process can be simplified.
[0069]
(Embodiment 5)
Hereinafter, the detailed configuration of the optical element of the photoelectric conversion module for optical communication according to Embodiment 5 of the present invention and the mounting portion of the light emitting element or the light receiving element will be described with reference to FIG.
[0070]
6 (a) and 6 (b) are cross-sectional views of the light-emitting element mounting portion according to Embodiment 5 of the present invention, FIG. 6 (c) is a cross-sectional view of another light-receiving element mounting portion of the present invention, and FIG. (D) is a top view of the light emitting element or the light receiving element used in the fifth embodiment.
[0071]
6A to 6D, 21 is a light receiving element, 36 is an internal wiring pattern, 37 is a through hole, 38 is a take-out electrode provided on the light emitting surface of the light emitting element 21 or the light receiving surface of the light receiving element 22, 44. Is an anisotropic conductive sheet, 40 is a second sealing material, 41 is a metal bump, 28 is a first groove formed on the main surface of the substrate 27, and 29 is a substrate 27 on which the first groove 28 is formed. The 2nd groove part formed in the main surface facing a main surface is each shown. In FIG. 6C, reference numeral 22 denotes a light receiving element. Reference numerals 32 to 34 denote optical elements, for example, refractive lenses such as spherical, aspherical, and hemispherical surfaces, diffractive lenses such as Fresnel lenses, flat glass, and the like, which are appropriately selected depending on the elements used and applications. 35 denotes an internal cavity hermetically sealed by the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the optical elements 32 to 34, and 30 denotes a through hole.
[0072]
In FIG. 6D, 42 represents the bottom surface of the first groove portion 28, and 43 represents an internal electrode provided on the substrate 27.
[0073]
Hereinafter, an example of the mounting method of the present embodiment will be described.
[0074]
An anisotropic conductive sheet 44 is formed on the internal electrode 43 on the bottom surface 42 of the first groove 28 of the substrate 27. Next, a metal bump 41 is formed on the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22. Then, the light emitting element 21 or the light receiving element 22 is positioned and fixed in the first groove portion 28 of the substrate 27. Next, the light emitting element 21 and the light receiving element 22 are pressurized and heated to electrically connect and seal the light emitting element 21 and the light receiving element 22 and the substrate 27 at the same time. Further, a second sealing material 40 is formed on the bottom surface of the second groove 29, and the optical elements 32 to 34 are positioned and fixed to the second groove 29.
[0075]
Next, the optical elements 32 to 34 are pressurized and heated to complete the sealing. The fixing of the light emitting element 21 or the light receiving element 22 is preferably performed in a nitrogen atmosphere or in a vacuum.
[0076]
The above is an example of a mounting method. For example, the anisotropic conductive sheet 44 may be formed on the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22, and the second sealing material 40 is formed of the optical elements 32 to 34. You may form in the outer peripheral part. Further, the metal bump 41 may be formed on the internal electrode 43 on the bottom surface 42 of the first groove portion of the substrate 27, and the mounting order of the optical elements 32 to 34 and the light emitting element 21 or the light receiving element 22 may be changed. .
[0077]
In the fifth embodiment, the anisotropic conductive sheet 44 is used for hermetic sealing between the light emitting element 21 or the light receiving element 22 and the substrate 27. The anisotropic conductive sheet 44 is obtained by dispersing conductive particles in a resin sheet. However, since the density of the conductive particles is low, the sheet itself is not conductive. As the material for the conductive particles, Ni simple substance, Cu simple substance, Ni plated with gold, resin plated with gold, silver particle coated with insulating resin, etc. are used. The anisotropic conductive sheet 44 is processed into a shape to be pasted in advance. When the substrate 27 and the light emitting element 21 or the light receiving element 22 are heated and pressurized, the conductive particles are sandwiched between the electrodes, and the substrate 27 and the light emitting element 21 or the light receiving element 22 can be electrically connected. It can be cured and hermetically sealed.
[0078]
In Embodiment 5, since the sheet-like anisotropic conductive sheet 44 is used, the workability is excellent, and the process can be simplified. There is also a method of using a paste-like anisotropic conductive paste instead of the anisotropic conductive sheet 44. In this case, the paste is supplied onto the substrate 27 or onto the extraction electrode 38 of the light emitting element 21 or the light receiving element 22 by a screen printing method, a dispensing method or a stamping method. The other steps are the same as when the sheet-like anisotropic conductive paste 44 is used. By using a paste-like anisotropic conductive paste, the material cost can be reduced. Since other effects are the same as those of the third embodiment of the present invention, detailed description thereof is omitted here.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a light emitting element or a light receiving element in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on the same surface, a photoelectric conversion circuit that controls the light emitting element or the light receiving element and includes a semiconductor element and a passive component, At least one lens body used for optical coupling, an optical stop, an optical component of a window, and a substrate on which the light emitting element or the light receiving element, the photoelectric conversion circuit, and the optical component are mountedThe first groove portion formed on one surface of the substrate and the second groove portion formed on the other surface are opposed to each other, and penetrates between the first groove portion and the bottom surface of the second groove portion. The through hole is hermetically sealed so that the surface of the light emitting element or the light receiving element mounted in the first groove is opposed to the surface of the optical element mounted in the second groove. A communication photoelectric conversion module, wherein a first sealing is performed so as not to leak into a bottom surface of the first groove portion in a gap formed between the light emitting element or the light receiving element and the first groove portion. A material is applied, and the first sealing material is heated and cured to be hermetically sealed.Since this is a photoelectric conversion module for optical communication and a light emitting element module or a light receiving element module is formed by utilizing the thickness of the substrate, it is possible to realize a reduction in size and height.Further, since the inside is hermetically sealed using the light emitting element or the light receiving element instead of the lid, H ₂ It is possible to prevent deterioration of characteristics due to O and surface oxidation of the external extraction electrode, thereby obtaining high reliability and reducing cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a perspective view of a photoelectric conversion module for optical communication according to the present invention.
(B)-(e) The principal part cross-sectional perspective view of the photoelectric conversion module for optical communications of this invention.
FIG. 2A is a perspective view of another photoelectric conversion module for optical communication according to the present invention.
(B)-(e) The principal part cross-sectional perspective view of the other photoelectric conversion module for optical communications of this invention.
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views of a mounting portion of a light emitting element of the present invention.
(C) Sectional view of the mounting portion of the light receiving element of the present invention
(D) Top view of the light-emitting element or light-receiving element used in the second embodiment
4A and 4B are cross-sectional views of a mounting portion of a light emitting element of the present invention.
(C) Sectional view of the mounting portion of the light receiving element of the present invention
(D) Top view of light-emitting element or light-receiving element used in Embodiment 3
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views of a mounting portion of a light emitting element of the present invention.
(C) Sectional view of the mounting portion of the light receiving element of the present invention
(D) Top view of the light-emitting element or light-receiving element used in Embodiment 4
6A and 6B are cross-sectional views of a mounting portion of the light emitting element of the present invention.
(C) Sectional view of the mounting portion of the light receiving element of the present invention
(D) Top view of the light-emitting element or light-receiving element used in Embodiment 5
FIG. 7A is a perspective view of a conventional photoelectric conversion module for optical communication.
(B) Perspective view of a conventional light emitting element module or light receiving element module
(C) Sectional view of a conventional light emitting element module or light receiving element module
[Explanation of symbols]
21 Light emitting device
22 Light receiving element
23 Passive components
24 LSI
25 External extraction electrode
26 electrodes
27 Substrate
28 First groove
29 Second groove
30 Through hole
31 Wiring pattern or through hole
32-34 optical elements
35 Internal cavity
36 Wiring pattern
37 through hole
38 Extraction electrode
39 First sealing material
40 Second sealing material
41 Metal bump
42 Bottom surface of first groove
43 Internal electrode
44 Anisotropic conductive sheet

Claims

A light emitting element or a light receiving element in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on the same surface, a photoelectric conversion circuit including a semiconductor element and a passive component that controls the light emitting element or the light receiving element, and at least one used for optical coupling A first groove portion formed on one surface of the substrate, comprising : a lens body, an optical diaphragm, an optical component of a window; and a substrate on which the light emitting element or the light receiving element, a photoelectric conversion circuit, and the optical component are mounted. The light emitting device is mounted on the first groove by providing a through hole so as to face the second groove formed on the other surface and penetrating between the first groove and the bottom surface of the second groove. A photoelectric conversion module for optical communication in which the through hole is hermetically sealed so as to face the surface of the element or the light receiving element and the surface of the optical element mounted in the second groove, the light emitting element or the light receiving element The first A first sealing material is applied to a gap formed between the first groove portion and the bottom surface of the first groove portion, and the first sealing material is heated and cured to be hermetically sealed. An optoelectric conversion module for optical communication characterized by the above .