JP4605850B2

JP4605850B2 - 光実装基板の製造方法

Info

Publication number: JP4605850B2
Application number: JP2000094575A
Authority: JP
Inventors: 竜司米田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001284696A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信及び光情報処理分野等において使用されるレーザダイオードやフォトダイオード等の光半導体素子を実装するための光部品実装基板（以下、光実装基板）の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムや、光情報処理システムの実用化が進むにつれ、さらに大容量の光信号を処理することができ、かつ高機能を有するシステムが要求されるようになってきている。これらシステムの実現には光機能素子を集積した光集積回路が必要不可欠であり、その研究が盛んに行われている。
【０００３】
従来、光半導体素子や光導波路と光ファイバ間の光接続は、光半導体素子を発光させる、または光導波路の一端に光を入射し、出射端に光ファイバを設置して、光ファイバの受光光量が最大になるように光ファイバ位置を微妙に調整することで、光ファイバと光半導体素子、または光導波路の光学的接続を行う方法（いわゆるアクティブアラインメント）が一般的であった。
【０００４】
このアクティブアラインメントは、光半導体素子自身を発光させる、または光半導体素子の片端から光を入射させる必要が生じる。また、これら素子個々に対する光軸調整には時間がかかり、コスト上昇につながる等の不便さがあった。
【０００５】
上記問題を解決するために、光素子及び光ファイバ相対位置を機械的に精度よく配置し、光学接続を達成する技術、すなわちパッシブアラインメント技術が近年盛んに研究されている。
【０００６】
パッシブアラインメント技術は、光半導体素子、光導波路、及び光ファイバの位置は機械的な精度のみで決まるため、光半導体素子を発光させる、または光を入射させる必要がないため、従来の電気素子のマウント技術の延長線上にあるものといえる。すなわち、量産効果は極めて絶大であり、光機能モジュールの低価格化には必須の技術となりつつある。
【０００７】
情報通信用の光ファイバ内を導波する光のスポット径は数μｍ程度であるために、光ファイバと光半導体素子（例えばレーザダイオード）相互の位置合わせ精度は１μｍ、またはそれ以下であり、極めて高精度の機械精度が必要となる。
【０００８】
光半導体素子と実装基板上の表面形状（例えば電極やエッチング溝等）はフォトリソグラフィ技術を用い、非常に高精度に作製できる。
【０００９】
一方、光半導体素子等の光機能素子を実装基板上にモノシリックに形成することは困難である場合があり、一般的には光半導体素子と実装基板は個別に製作し、光半導体素子と実装基板とをハンダにて溶融接続させる等の方法を用いる必要がある。
【００１０】
光半導体素子と実装基板は双方に設けられた位置合わせマーカーを用い、双方の相対位置を検出・位置合わせされる。位置合わせされた光半導体素子と実装基板は密着され、実装基板側または光半導体素子側から加熱することで、予め接合部に設けられたハンダを溶融・接着させることで接合される。
【００１１】
【課題を解決しようとする課題】
上記方法において、光半導体素子が配置されている実装基板面では、双方に形成された位置合わせマーカーの精度や位置合わせ誤差が十分小さい場合には、満足できる精度で光半導体素子が実装基板上に配置される。ところが、実装基板面に対する垂直方向精度においては必ずしも満足できない。
【００１２】
また、垂直方向の機械精度を満足させるためにハンダを加熱溶融する際の光半導体素子の押し当て荷重量を制御する方法が一般的であるが、押し当て荷重量を十分に正確に制御した場合においても、溶融するハンダの表面状態等の影響により再現性を確保することが難しい。このため、通常要求される機械精度（〜１μｍ）と同等にハンダ厚みが設定される（２〜３μｍ程度）。
【００１３】
一方、光半導体素子および実装基板に形成される電極厚みは通常０．５〜１μｍ程度であるから、ハンダ層に対し電極は無視できないスケールとなる。このため、ハンダを溶融した際、光半導体素子や実装基板の電極金属元素がハンダ層に拡散することでハンダ合金組成に大きな偏りやバラツキが生じやすい。
【００１４】
特に、通信用デバイスは高信頼性は要求されるため、金錫(ＡｕＳｎ)ハンダが通常使用される。Ａｕ−Ｓｎ合金はＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０（重量比）が共晶点組成であるので、この組成で最も安定したハンダとなるが、光部品を実装する実装基板やレーザダイオードの電極材料として通常Ａｕが用いられることから、ＡｕＳｎハンダを用いて接合した際に、光半導体素子または実装基板の電極材料の一部がハンダ層に拡散しやすく、これによりハンダ組成に偏りやバラツキが生じる。
【００１５】
このように、ハンダ組成が共晶点組成から外れることで、ハンダが冷却固化する際に合金を構成する金属元素が偏析したり、異常な合金層が形成される等により、接合強度や長期信頼性に問題があった。
【００１６】
そこで本発明では、上述の諸問題を解消し、ハンダ層の接合強度に優れ長期信頼性の高い光実装基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解消するために、本発明の光実装基板の製造方法は、光伝送路を設ける基板上に位置し、前記光伝送路に対し位置合わせして形成されたＡｕ電極上に、共晶点組成であるＡｕ−Ｓｎ合金層を介して光半導体素子が配設されている光実装基板の製造方法であって、表面に凹部を有するＡｕ層を前記Ａｕ電極上に設けたのち、前記凹部を埋めるように前記Ａｕ層上にＳｎ層を設けてはんだを形成し、前記はんだを溶融させて、前記共晶点組成であるＡｕ−Ｓｎ合金層を作製することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光モジュールの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２０】
図１に示すように、本発明の光モジュールＭ１は、光伝送路となる光ファイバや光導波路などの光導波路体（不図示）を搭載する載置用溝（Ｖ溝）１１又は光導波路体そのものが形成されたシリコン単結晶等から成る基体（実装基板）１２に、光導波路体と光接続させるレーザーダイオードやフォトダイオード等の光半導体素子体１３を配設したものである。そして、基体１２の上面に載置用溝１１又は光導波体の光軸に対し所定距離隔ててマーカー１４が形成されている。また、光半導体素子体１３の下面に基体１２のマーカー１４に位置合わせするマーカー１５が形成されている。
【００２１】
具体的には、基体１２及び、例えばレーザダイオード素子等の光半導体素子体１３の相対向する面には、金属薄膜の成膜またはエッチング等の方法により、例えばサイズが数μｍから十数μｍ程度の角形状や円形状のマーカー１４、１５が形成されている。
【００２２】
基体１２および光半導体素子体１３のマーカー形成面を相対向させ、それぞれのマーカー１４，１５をＣＣＤカメラ等で同時に観察・位置検出することにより、基体１２および光半導体素子体１３は１μｍまたは１μｍ以下の精度で定められた相対位置を保つように位置合わせされた後、基体１２と光半導体素子体１３は２〜３μｍの厚みを有するハンダ層（Ａｕ−Ｓｎ合金層（ＡｕＳｎハンダ））１６を介し密着接合される。
【００２３】
基体１２上に設けられたＡｕを主成分とする電極１８や光半導体素子１３のＡｕを主成分とする電極１９を構成するＡｕが溶融拡散するために、接合後のハンダ層の接合部位はＡｕリッチとなる。この合金比の偏りを防ぐために、接合部位１７は予めＳｎリッチなハンダで形成されている。
【００２４】
以下にＡｕＳｎ合金の振る舞いを詳細に説明する。図７にＡｕ−Ｓｎ合金系の相図を示す。Ａｕ／Ｓｎ＝８０／２０（重量比）の場合に、合金は２８０℃固相から液相に変化（溶融）する。逆に冷却時には液相から固相へ理想的に移行（固化）する。しかしながら、予め、前記理想的な合金比Ａｕ／Ｓｎ＝８０／２０を溶融するとしても、例えば光半導体素子１３の電極１９からＡｕの拡散が起こった場合、Ａｕ／Ｓｎ組成はＡｕリッチに振れる。その後冷却を行うとＡｕ＋Ｌｉｇ（液相）相を通過するため、ＡｕＳｎハンダ層にＡｕの偏析が生じることとなる。さらにＡｕの比率が大きくなると、目的とは違った全く別の相が出現する可能性もある。このことは、接合強度や長期信頼性に大きく影響する。
【００２５】
図６にＡｕ組成比と接合強度（単位面積：１ｍｍ²当り）の関係を示す。Ａｕ／Ｓｎ＝８０／２０の時に接合強度は極大となり、Ａｕの組成が共晶点からずれると接合強度の低下が見られる。Ｓｎリッチ部はＡｕが６５〜８５重量％の範囲で選択することが適当である。なぜなら、Ａｕ組成比が小さくなると目的外の合金相が出現し、Ａｕ組成比が大きくなると合金融点が急激に上昇するからである。本発明ではＳｎリッチ領域を光半導体素子の接合部位１７に部分的に形成し、溶融後の組成を共晶点組成にすることで上記問題を回避し、接合強度の低下を極力防止している。
【００２６】
次に、上記ハンダ組成を変化させた２次元的な組成構造の実施形態について説明する。
【００２７】
例えば図２に示すように、２種以上の組成の異なったハンダパターンでハンダ層を構成してもよい。図２においては、Ａｕ合金比率として領域２１＞領域２２の２種類のＡｕ／Ｓｎ合金を用い、中央における２２(Ｓｎリッチ)の割合が大きくなるように調整されている。領域２１，領域２２の幅は数μｍから数十μｍ程度が、ハンダ層厚みは２〜３μｍ程度が適当である。また、溶融温度を出来るだけ抑制するとの理由から、領域２１，領域２２のＡｕ合金比率は６５〜８５重量％で調整することが望ましい。この構造の長所は、異なったハンダ種を用いた２次元構造よる合金比の面内バラツキを抑制する効果を有する。
【００２８】
さらには、図２においては面内において１方向の繰り返し構造（周期的構造）を示したが、図３に示すような格子状の周期的構造を用いることでさらに微妙な調整も可能である。図３の場合、Ａｕ合金比率が領域５１＞領域５２（Ｓｎリッチ領域）の２種類のＡｕ−Ｓｎ合金層を用いた例を示している。そして、最も温度が高くなると予想されるハンダ層中央部に占める合金層（領域５２）の割合が大きくなるように調整している。具体的には、数〜十数μｍ程度のサイズで周期的な構造が適当である。その他の留意点は図２の例と同様である。
【００２９】
また、積層ハンダを用いる場合は、図４に示すように、基体３１上に、電極層である下地接着層３２、Ａｕから成るＡｕ最下層３３、Ｓｎ層３４、Ａｕ層３５、Ｓｎ層３６、及びＡｕ最上層３７を順次積層した構造としてもよく、このときに、Ａｕ最下層のパターンに２次元的な構成を持たせることで合金として面内でＡｕ／Ｓｎ合金比の異なる面内分布を実現することができる。例えば、数千オングストローム〜１μｍ程度のＡｕ最下層上にＡｕ、Ｓｎ金属薄膜が交互に積層された構造とし、Ａｕ最下層の厚みを面内で調整することで、図２または図３と同様の効果を得ることができる。ここで、Ａｕ、Ｓｎ交互層それぞれは千〜数千オングストローム厚、数〜十数層で作製することが望ましい。
【００３０】
また、他の変形例として、下地に均一なＡｕ−Ｓｎ合金層を形成し、その上に異なった組成を有する別の合金層を形成し、上部合金層の一部を、例えばリストオフ法、またはドライエッチング法等の方法で除去することにより平面的部分的な構造を実現できる。
【００３１】
図５に示す構造ではＡｕ合金比率として領域６１＞領域６２（Ｓｎリッチ領域）の２種類のＡｕ−Ｓｎ合金層を用い、上記方法で下部ハンダ層６１上に上部ハンダ層６２が形成されている。上部ハンダ層６２は例えばレーザダイオード接合層（Ａｕ電極）形状に合わせ、同接合層からのＡｕの拡散を補償できるようになっている。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の光実装基板の製造方法によれば、光半導体素子とＡｕ−Ｓｎ合金層との接合時にＡｕ−Ｓｎ合金層に基板や光半導体素子のＡｕを主成分とする電極からＡｕが拡散しても共晶点組成から大きくずれることが抑制されるので、接合強度に優れ且つ長期信頼性も満足する優れた光実装基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光素子実装用基板および光モジュールの実施形態を説明する分解斜視図である。
【図２】本発明に係る光素子実装用基板において、２種以上の合金比を有するＡｕ−Ｓｎ合金層の一例を説明する斜視図である。
【図３】本発明に係る光素子実装用基板において、２種以上の合金比を有するＡｕ−Ｓｎ合金層の他の実施形態を説明する斜視図である。
【図４】本発明に係る光素子実装用基板において、２種以上の合金比を有するＡｕ−Ｓｎ合金層の他の実施形態を説明する斜視図である。
【図５】本発明に係る光素子実装用基板において、２種以上の合金比を有するＡｕ−Ｓｎ合金層の他の実施形態を説明する斜視図である。
【図６】Ａｕ組成比と接合強度の関係を説明する線図である。
【図７】Ａｕ−Ｓｎ合金状態図である。
【符号の説明】
１１：光伝送路の載置用溝
１２：基体（実装基板）
１３：光半導体素子
１４、１５：マーカー
１６：ハンダ層（Ａｕ−Ｓｎ合金層）
１８：電極
２２、５２，６２：Ｓｎリッチ領域

Claims

光伝送路を設ける基板上に位置し、前記光伝送路に対し位置合わせして形成されたＡｕ電極上に、共晶点組成であるＡｕ−Ｓｎ合金層を介して光半導体素子が配設されている光実装基板の製造方法であって、
表面に凹部を有するＡｕ層を前記Ａｕ電極上に設けたのち、前記凹部を埋めるように前記Ａｕ層上にＳｎ層を設けてはんだを形成し、
前記はんだを溶融させて、前記共晶点組成であるＡｕ−Ｓｎ合金層を作製する、光実装基板の製造方法。