JP3036446B2

JP3036446B2 - 光素子の実装方法

Info

Publication number: JP3036446B2
Application number: JP8329522A
Authority: JP
Inventors: 純一佐々木; ▲勲▼生米田; 宏本望; 正隆伊藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2000-04-24
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH10170769A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光素子の実装方法に
関し、特に光伝送、光通信の装置に用いられる光素子
を、リフローにより基板に接合する形態の光素子の実装
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光モジュールにおいては、基板上に光フ
ァイバおよび半導体レーザ等の光素子を、該光ファイバ
と光素子との光結合が最適になるように位置決めし、そ
の最適状態を維持する必要がある。また、光モジュール
を広く普及させるためには、その製造コストを低減する
必要がある。

【０００３】このような最適状態を維持し、しかも光モ
ジュールの製造コスト低減を実現する技術として、「佐
々木他、電子情報通信学会技術報告、ｖｏｌ．９３、
Ｎｏ．４０４、ＯＱＥ９３−１４５（１９９３）」に提
案されているような、溶融したはんだバンプの表面張力
に起因するセルフアライメント効果を利用して光素子を
フリップチップ実装する事で、光軸を調整せずに光素子
と光伝送路との光軸を整合する方法がある。このような
バンプのセルフアライメント効果を利用して光素子の高
精度位置決めを行うには、セルフアライメントに必要な
溶融はんだの表面張力が十分に得られることが重要であ
る。光素子実装用基板にバンプを、光素子に電極パッド
をそれぞれ設け、セルフアライメント接合を行う場合、
表面張力を得て光素子を所定の接合位置に引き寄せるに
は、溶融したバンプが光素子側電極パッドに十分に濡れ
広がることが重要である。

【０００４】この「濡れ性」を確保するには、はんだバ
ンプ表面の酸化膜除去および酸化防止を行ない、光素子
側電極パッドに新鮮な溶融はんだを接触させることが必
要となる。これに対して、はんだバンプ溶融時の酸化防
止が不十分であると、溶融はんだが電極に濡れ広がら
ず、セルフアライメント効果が十分得られない。従来で
は、このようなバンプ表面の酸化膜除去および酸化防止
のために、フラックスを用いる方法が知られていた。以
下、この従来の、光素子の実装方法を図３及び図４を参
照して具体的に説明する。図３は従来の、光素子の実装
方法を説明するための工程図であり、図４は、図３の
（ｃ）及び（ｄ）の工程でのセルフアライメント効果に
よる半導体レーザの様子を模式的表した平面図である。

【０００５】従来例では、まず図３の（ａ）に示すよう
にＳｉ基板１０１上に、フォトリソグラフィおよびエッ
チングによって基板側電極パッド１０４を形成し、基板
側電極パッド１０４上に個片状のはんだバンプ１０５を
パンチング加工（佐々木他、１９９５年電子情報通信
学会ソサエティ大会講演論文集、Ｃ−１９６参照）によ
り形成する。パンチング加工はシート状はんだ１０６を
微小なポンチ１０７とダイ１０８によって打ち抜き、個
片状に打ち抜かれたはんだバンプ１０５をそのまま基板
側電極パッド１０４に熱圧着で仮固定する方法である。

【０００６】次に、個片状のはんだバンプ１０５を図３
の（ｂ）に示すように、フラックス１０９を添加して加
熱溶融することで球状化させる。次に、図３の（ｃ）に
示すように、フラックス１０９を洗浄除去した後、光素
子である半導体レーザ１１０をはんだバンプ１０５上に
仮搭載する。そして、はんだバンプ１０５を再び溶融す
ることによって半導体レーザ１１０をＳｉ基板１０１上
に接合し、溶融したはんだの表面張力に起因するセルフ
アライメント効果により図３の（ｄ）に示したように半
導体レーザ１１０が所定の接合位置に自動的に位置決め
される。高さ方向の位置決めははんだバンプの体積によ
って決まる。この効果を利用して光素子と光伝送路との
光軸合わせを無調整で行うことができる。

【０００７】図４に、図３の（ｃ）及び（ｄ）の工程で
のセルフアライメント効果による半導体レーザ１１０の
様子を模式的に平面図で表した。同図（ａ）に示すよう
に基板側電極パッド（不図示）上のはんだバンプ１０５
に仮搭載された半導体レーザ１１０はリフローによって
セルフアライメントされる。その結果、同図（ｂ）に示
すように、光ファイバ１１６のコア１１７の光軸１１８
と半導体レーザ１１０の活性層１１１の中心軸とが一致
する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の方
法では、パンチング加工によって基板上に形成された個
片状のはんだバンプを、半導体レーザを実装する前に、
一旦フラックスを添加して溶融している。そのため、は
んだバンプを形成する前の基板に既に他のチップ部品が
実装されている場合、それらのチップ部品がフラックス
の腐食性によって劣化する問題がある。また、フラック
スの塗布、溶融、洗浄、というプロセスが間に入る分だ
けコスト高となる問題がある。

【０００９】本発明の目的は、上記の従来技術の問題点
を解消するために、パンチング加工により基板上に個片
状のはんだバンプを形成した後、フラックスを使用せず
に光素子を実装できるようにすることで、低コストで、
かつ信頼性の高い、光素子の実装方法を提供することに
ある。

【００１０】

【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、光素子の電極パッド、および該光素子を
実装する基板の電極パッドのいずれか一方に、シート状
のはんだを微小なポンチとダイスで打ち抜いてなる個片
状のはんだバンプを仮固定した後、該はんだバンプを非
酸化性ガス雰囲気中あるいは還元性ガス雰囲気中で加熱
溶融させて前記光素子と前記基板とを接合するととも
に、溶融した前記はんだバンプの表面張力に起因するセ
ルフアライメント効果により前記光素子を位置決めする
ことを特徴とする。この場合、前記非酸化性ガスとして
Ｎ₂もしくは、Ａｒが考えられ、前記還元性ガスとして
はＨ₂が考えられる。また、前記はんだバンプの材料と
してＡｕＳｎ合金であることが好ましい。

【００１１】上記のとおりの発明では、シート状のはん
だを微小なポンチとダイスで打ち抜いてなる個片状のは
んだバンプを基板側もしくは光素子側の電極パッドに仮
固定し、そのはんだバンプをＮ₂もしくはＡｒなどの非
酸化性ガス、またはＨ₂などの還元性ガス雰囲気中で加
熱溶融させることにより、光素子と基板の接合前に酸化
防止のためにフラックスを添加してはんだバンプを一旦
溶融させるプロセスを行わなくても、はんだバンプ表面
の酸化が防止され、セルフアライメント効果が十分に得
られる。またこの場合、フラックスを添加してはんだバ
ンプを一旦溶融させるプロセスを行わなくて済むので、
実装工数が低減し、低コストである。またフラックスを
使用しないため、フラックスの活性作用によって生じ得
る素子の劣化、電極の腐食などを防ぎ、信頼性の高い、
光素子の実装方法が得られる。

【００１２】また、パンチング加工により基板側もしく
は光素子側の電極パッド上にはんだバンプを熱圧着で形
成することにより、蒸着、スパッタリングなどの工数の
かかる真空プロセスを経ることなくバンプ形成が行える
ため、低コストな、光素子の実装方法が得られる。

【００１３】また、バンプ材料にＡｕＳｎを用いること
により、通常のＰｂＳｎバンプを用いてセルフアライメ
ントする場合に比べて、はんだクリープ現象によって起
こる、光素子と光導波路の光軸ずれを少なくすることが
可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。また、以下の各実施の形態
では、基板としてＳｉ基板、光素子として半導体レー
ザ、バンプとしてＡｕＳｎからなるはんだバンプを例に
挙げた。

【００１５】（第１の実施形態）図１の（ａ）〜（ｄ）
は、本発明の、光素子の実装方法の第１の実施形態の工
程を説明するための図である。

【００１６】この実施の形態による光素子の実装方法で
は、まず、図１の（ａ）に示すように、一連のフォトリ
ソグラフィによってＳｉ基板１上にＶ溝１４および基板
側電極パッド４をそれぞれ形成する。Ｖ溝１４はＫＯＨ
等を用いた異方性エッチングによって形成する。これに
より基板側電極パッド４とＶ溝１４との相対位置精度は
フォトリソグラフィにおけるフォトマスクの目合わせ精
度で達成される。また、Ｖ溝１４とは直角な方向に切削
加工などによって矩形溝１５を形成する。次に、従来技
術で述べたパンチング加工により、個片状のＡｕＳｎは
んだバンプ５を基板側電極パッド４上に熱圧着する。

【００１７】次に、図１の（ｂ）に示すようにＡｕＳｎ
はんだバンプの上に半導体レーザ１０を載せ、はんだの
表面酸化が起こりにくいＮ₂雰囲気中でリフロー接合す
ると、図１の（ｃ）に示すように前に述べたセルフアラ
イメント効果により所定の位置に高精度に接合される。
次に光ファイバ１６をＶ溝１４によって位置決めし接着
剤などで固定する。光ファイバ１６の光軸方向の位置決
めは光ファイバ１６の端面を矩形溝１５の側面に突き当
てることにより達成する。これにより図１の（ｄ）に示
すように、半導体レーザ１０の光軸１０ａと光ファイバ
１６の光軸１６ａの位置合わせが達成される。

【００１８】このような実施の形態によれば、基板と光
素子とをはんだバンプを介してＮ₂雰囲気中でリフロー
接合したので、パンチング加工により基板上に形成され
た個片状のはんだバンプはリフロー接合時にのみ加熱す
れば良く、はんだの酸化防止のためにフラックスを添加
してはんだバンプを一旦溶融させて球状化するプロセス
は必要ない。これによって実装工数を低減することがで
き、またフラックスを用いないため、フラックスの活性
作用によって生じ得る素子の劣化、電極の腐食などを防
ぎ、信頼性の高い、光素子の実装方法が得られる。

【００１９】また、パンチング加工により基板側もしく
は光素子側の電極パッド上にはんだバンプを熱圧着で形
成することにより、蒸着、スパッタリングなどの工数の
かかる真空プロセスを経ることなくバンプ形成が行える
ため、低コストな、光素子の実装方法が得られる。なお
かつ、はんだバンプの材質にＡｕＳｎを用い、リフロー
はんだ接合をＮ₂雰囲気で行うことにより、フラックス
を添加せずにはんだ接合が可能である。これにより信頼
性の高い、光素子の実装方法が得られる。また、バンプ
材料にＡｕＳｎを用いることにより、通常のＰｂＳｎバ
ンプを用いてセルフアライメントする場合に比べて、は
んだクリープ現象によって起こる光軸ずれを少なくする
ことができる。

【００２０】この第１の実施の形態では、光素子として
単一の発光部を有する半導体レーザを、光伝送路として
単芯の光ファイバをそれぞれ選択したが、光素子として
多芯の半導体レーザと多芯の光ファイバとの組合せを選
択しても良く、また、光素子として導波路形フォトダイ
オード、あるいは導波路形フォトダイオードアレイを選
択しても良い。また、この光伝送路として光ファイバを
選択したが、光導波路、光分波器、光合波器あるいは光
スイッチ、光変調器などを選択しても良い。また、エッ
チングによるＶ溝の形成にＫＯＨを用いたが、ヒドラジ
ン等の他の溶液でも良い。また、矩形溝の形成方法とし
て切削加工を用いたが、等方性エッチング等の、他の方
法でも良い。また、リフロー接合においてＮ₂雰囲気を
選択したが、はんだバンプの表面酸化が起こりにくい雰
囲気であれば、Ａｒ等の他の非酸化性ガスを用いても良
い。

【００２１】（第２の実施形態）図２の（ａ）〜（ｄ）
は、本発明の、光素子の実装方法の第２の実施形態の工
程を説明するための図である。前述の第１の実施の形態
においては、端面発光形の半導体レーザと光ファイバと
を光結合する形態を示したが、ここでは表面入射形の受
光素子と光ファイバとを光結合する形態を説明する。

【００２２】まず、図２の（ａ）に示すように、一連の
フォトリソグラフィによってＳｉ基板１上にＶ溝１４お
よび基板側電極パッド４をそれぞれ形成する。Ｖ溝１４
はＫＯＨ等を用いた異方性エッチングによって形成す
る。これにより基板側電極パッド４とＶ溝１４との相対
位置精度はフォトリソグラフィにおけるフォトマスクの
目合わせ精度で達成される。ここで、Ｓｉ基板１上に異
方性エッチングでＶ溝を形成すると、Ｖ溝１４の終端面
は斜めになる。この斜めになった終端面にスパッタリン
グなどによってＡｕからなるミラー１９を形成する。次
に、基板側電極パッド４上に個片状のＡｕＳｎはんだバ
ンプ５をパンチング加工により熱圧着する。受光素子１
８の受光面と同一面上に光素子側電極パッド１２を、基
板側電極パッド４に対応する位置に形成しておく。

【００２３】次に図２の（ｂ）に示したように、ＡｕＳ
ｎはんだバンプ５の上に表面入射形の受光素子１８を載
せ、Ｎ₂雰囲気中でリフロー接合すると、セルフアライ
メント効果により図４の（ｃ）に示すように受光素子が
所定の位置に高精度に接合される。次に、図４の（ｄ）
に示すように光ファイバ１６をＶ溝１４によって位置決
めし接着剤などで固定する。この実施の形態では、光フ
ァイバ１６の端面から出射された光はミラー１９で反射
して受光素子１８の受光面に入射する。電極パッド、は
んだバンプなどの形成方法については第１の実施の形態
と同様である。

【００２４】この実施の形態では、光素子として表面入
射形の受光素子を選択したが、面発光レーザ、面発光レ
ーザアレイ、あるいは発光ダイオード、発光ダイオード
アレイを選択しても良い。ミラーの材質としてはＡｕを
選択したが、Ｐｔなどの反射率の高い材質であればこれ
以外の材質でも良い。また、また、エッチングによるＶ
溝の形成にＫＯＨを用いたが、ヒドラジン等の他の溶液
でも良い。また、リフロー接合においてＮ₂雰囲気を選
択したが、はんだバンプの表面酸化が起こりにくい雰囲
気であれば、Ａｒ等の他の非酸化性ガスを用いても良
い。

【００２５】（第３の実施形態）ここでは、第１及び第
２の実施の形態でにリフロー接合時に用いたＮ₂やＡｒ
等の非酸化性ガスに代え、リフロー接合においてＨ₂雰
囲気を選択した場合について説明する。そのほかの過程
は前述の第１の実施の形態と同様である。これによれ
ば、Ｈ₂ガスの還元作用により、はんだバンプの酸化膜
が除去され、はんだ溶融時に光素子側電極パッドへの濡
れ性が向上し、より信頼性の高い接合が得られるととも
にセルフアライメント作用が酸化膜に妨害されることな
く十分に働くため高精度な自動位置決めが可能である。
なお、リフロー接合の雰囲気ガスとしてはＨ₂に限らず
他の還元性ガスでも良く、還元性ガスと非酸化性ガスと
の混合ガスを用いても良い。

【００２６】さらに、上述した第１〜第３の実施の形態
において、基板側電極パッドの材質としてＡｕを選択し
たが、表面の酸化が起こりにくく、はんだ濡れ性のよい
材質であればこれ以外の材質でもよい。また、はんだバ
ンプ接合に用いられる基板側電極パッドおよび光素子側
電極パッドの形状は所望のセルフアライメント効果が得
られれば円形以外の形状でも良く、矩形、線状などでも
良い。また、これらの異なる形状を組み合わせて配置し
たものを用いても良い。さらに、パンチング加工により
個片状のはんだバンプを基板側電極パッドに形成した
が、光素子側電極パッドに形成しても良い。

【００２７】

【実施例】以下、上述した実施の形態に用いた構成部品
の材質、寸法を数値を挙げて説明する。上述した第１〜
第３の実施の形態において、基板側電極パッドの膜構成
はＳｉ基板側から順にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕとした。基板側
電極パッドおよび光素子側電極パッドの寸法はφ５０μ
ｍ、厚さは０．７μｍとし、接合後のバンプ高さは基板
側および光素子側電極パッドの厚さを含めて４０μｍと
した。リフロー接合時の加熱温度は３００℃とした。パ
ンチング加工によるはんだバンプの形成においてはＡｕ
Ｓｎからなるシート状はんだの厚さを３０μｍ、ポンチ
の直径をφ９０μｍとし、シート状はんだの打ち抜きは
ＡｕＳｎからなるシート状はんだを１８０℃に加熱し、
Ｓｉ基板を１５０℃に加熱した状態で行った。Ｓｉ基板
表面から光ファイバのコアの中心までの高さは４４μｍ
とした。Ｖ溝の側面とＳｉ基板面とのなす角度は５４．
７度とした。Ｖ溝の幅は前記の第１の実施の形態では９
６μｍ、第２の実施の形態では１６５μｍとした。ま
た、光ファイバの直径は１２５μｍとした。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光素子の
実装方法は、光素子の電極パッド、および該光素子を実
装する基板の電極パッドのいずれか一方に、シート状の
はんだを微小なポンチとダイスで打ち抜いてなる個片状
のはんだバンプを仮固定した後、該はんだバンプを非酸
化性ガスまたは還元性ガス雰囲気中で加熱溶融させて前
記光素子と前記基板を接合するとともに、溶融した前記
はんだバンプの表面張力に起因するセルフアライメント
効果により前記光素子を位置決めすることにより、光素
子と基板の接合前に酸化防止のためにフラックスを添加
してはんだバンプを一旦溶融させるプロセスを行わなく
ても、はんだバンプ表面の酸化が防止され、セルフアラ
イメント効果を十分に得られるという効果を奏する。

【００２９】また、フラックスを添加してはんだバンプ
を一旦溶融させるプロセスが削減され、従来よりも低コ
ストである。またフラックスを使用しないため、フラッ
クスの活性作用によって生じ得る素子の劣化、電極の腐
食などを防ぎ、信頼性の高い、光素子の実装方法を提供
することができる。

【００３０】また、パンチング加工により基板側もしく
は光素子側の電極パッド上にはんだバンプを熱圧着で形
成することにより、蒸着、スパッタリングなどの工数の
かかる真空プロセスを経ることなくバンプ形成が行える
ため、低コストな、光素子の実装方法を提供することが
できる。

【００３１】また、バンプ材料にＡｕＳｎを用いること
により、通常のＰｂＳｎバンプを用いてセルフアライメ
ントする場合に比べて、はんだクリープ現象によって起
こる、光素子と光導波路の光軸ずれを少なくすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、光素子の実装方法の第１の実施形態
の工程を説明するための図である。

【図２】本発明の、光素子の実装方法の第２の実施形態
の工程を説明するための図である。

【図３】従来の、光素子の実装方法を説明するための工
程図である。

【図４】図３の（ｃ）及び（ｄ）の工程でのセルフアラ
イメント効果による半導体レーザの様子を模式的表した
平面図である。

【符号の説明】

１Ｓｉ基板４基板側電極パッド５ＡｕＳｎはんだバンプ１０半導体レーザ（光素子）１０ａ，１６ａ光軸１１半導体レーザの活性層１２光素子側電極パッド１４Ｖ溝１５矩形溝１６光ファイバ１７光ファイバのコア１８受光素子１９ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤正隆東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (56)参考文献特開平８−179154（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−126689（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−71908（ＪＰ，Ａ) 特開平６−163869（ＪＰ，Ａ) 特公平６−82710（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/42 - 6/43 H01L 33/00 H01S 5/022

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光素子の電極パッド、および該光素子を
実装する基板の電極パッドのいずれか一方に、シート状
のはんだを微小なポンチとダイスで打ち抜いてなる個片
状のはんだバンプを仮固定した後、ただちに該はんだバ
ンプをＮ ₂ ガスもしくは、Ａｒガス雰囲気中で加熱溶融
させて前記光素子と前記基板を接合するとともに、溶融
した前記はんだバンプの表面張力に起因するセルフアラ
イメント効果により前記光素子を位置決めする、光素子
の実装方法。