JP4652913B2 - 光部品の実装方法および実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、光部品の実装方法に関するものである。より詳しくは、光部品を実装する際の光軸を合わせる方法およびそれを実施する実装装置に関するものである。

情報通信社会の発展に伴い通信機器は高速な処理能力が求められている。これに伴い、それらの通信機器内の信号伝送も高速化が求められることとなったが、従来の電気信号による信号伝送では高速化が困難になりつつある。そこで、各企業は、通信機器内に設けられる回路のうち、電気信号の伝送が行われる電気回路に代え、一部を光信号の伝送が行われる光回路とすることを試みている。

光信号の伝送には受光部品、発光部品、光導波路やレンズなどといった光部品が必要となるが、これら光部品を基板に実装する方法として、特許文献１に記載されるとおり、大きく分けて従来からアクティブアライメントやパッシブアライメントがある。

まず、アクティブアライメントについて説明する。アクティブアライメントは発光部品を動作させ、調芯を行い、光部品を実装する方法である。図６は、アクティブアライメントを用いた従来の発光部品の実装方法を説明するための概念図である。

図６に示すアクティブアライメントによる光部品の実装方法では、例えばレーザダイオードなどの発光部品２５と、発光部品２５を駆動するための電源２７と、発光部品２５から出射されるレーザを受光するフォトダイオードなどの受光部品２９と、受光した光を測定する測定器３１と、発光部品２５が実装される導波路付回路基板３２とを使用する。導波路はコアとクラッドから構成され、その内部には、ミラーなどで構成される光の伝播方向を変換する第１の光路変換機構３３と第２の光路変換機構３５とが備えられる。

アクティブアライメントによる光部品の実装方法では、発光部品２５から出射される光が導波路付回路基板３２に垂直に入射する。入射した光は第１の光路変換機構３３によって直角に変換され、導波路内部を伝播する。さらに、光は、第２の光路変換機構３５によって、伝播方向を直角に変換され、導波路付回路基板３２の外部へと伝播する。以上の光の伝播は図６に示す実線の矢印で表される。

外部へ放射された光は受光部品２９に受光され、その強度が測定器３１によって測定される。受光した光の測定を行いながら、発光部品２５の調芯を行い、測定器３１が最も強い光の強度を測定した時、調芯を静止し、発光部品の位置を確定させ、その状態で図６に示す白抜きの矢印に沿って、導波路付回路基板３２に電気実装する。

次に、パッシブアライメントについて説明する。パッシブアライメントによる光部品の実装方法では発光部品や導波路形状などの光部品をアライメントマーカ(Aligment Marks；位置ずれを少なくするための目印)として画像位置合わせを行う実装方法である。図７は、パッシブアライメントを用いた光部品の実装方法を説明するための概念図である。なお、図６に示すアクティブアライメントによる光部品の実装方法の概念図の各部と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図７に示すパッシブアライメントによる光部品の実装方法では、例えば石英ガラスなどの導波路３７と、すでに受光部品または発光部品といった光部品２５が実装された回路基板３９と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device；電荷結合部品）カメラなどの撮像装置４１とを使用する。導波路３７と光部品２５には、予め図示しないアライメントマーカが作成されている。

パッシブアライメントによる光部品の実装方法では、光部品２５と導波路３７との間に撮像装置４１を挟み、光部品２５と導波路３７の実装位置をアライメントマーカによって確認する。作業者は撮像装置４１で導波路３７を撮像しながら、導波路３７を白抜きの両矢印の示すように位置合わせを行い、実装位置を合わせ、実装位置が確定しだい、ＵＶ硬化剤などの接着剤で光部品２５に導波路３７を図７に示す白抜きの矢印に沿って実装する。
特開２００４−１１７５８２号公報

しかしながら、上述した光部品の２種類の実装方法にはいくつかの問題点がある。まず、アクティブアライメントによる光部品の実装方法では、導波路付回路基板と光部品との結合精度が高いという利点があるものの、光部品の実装を行う装置に電源や受光部品、測定機器などの別の装置が必要となる上に、光軸を合わせる調芯作業にも多大な時間がかかるため、導入費や量産性に問題がある。

また、パッシブアライメントによる光部品の実装方法では、アクティブアライメントによる光部品の実装方法と比べて実装装置や実装手順が簡便であるという利点があるものの、アライメントマーカにより位置決めが判断される実装の中心位置と、実際の光軸は必ずしも一致しないことがあるため、光部品同士の正確な結合効率が低いという問題点がある。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、実装手順が簡便であり、実装精度の高い光部品の実装方法およびそれを実施する実装装置を提供する。

本発明に係る光部品の実装方法の第１の態様は、導波路付の回路基板に光部品を実装する光部品の実装方法であって、光源から出射された光を前記回路基板の導波路内に入射し、前記導波路を伝播し前記導波路から出射した出射光を撮像装置によって撮像するとともに、前記出射光と前記撮像装置の延長上に配置された、前記光部品を前記撮像装置によって撮像し、前記撮像装置によって得られた、前記出射光と前記光部品の画像に基づき、前記光部品の搭載位置を確定し、前記回路基板に前記光部品を実装する光部品の実装方法である。

本発明に係る光部品の実装方法の第２の態様は、前記光は、前記回路基板に形成される前記導波路内の光路変換機構によって屈曲することを特徴とする、前記第１の態様に係る光部品の実装方法である。

本発明に係る光部品の実装方法の第３の態様は、前記光源の位置を固定し、前記光を前記導波路付の回路基板に対し垂直に入射し、前記光が所定の距離の前記導波路内を透過することを特徴とする、前記第１又は２の態様に係る光部品の実装方法である。

本発明に係る光部品の実装方法の第４の態様は、前記光源の位置を固定し、前記光を前記導波路付の回路基板に対し平行に入射し、前記光が所定の距離の前記導波路内を透過することを特徴とする、前記第１又は２の態様に係る光部品の実装方法である。

本発明に係る光部品の実装方法の第５の態様は、導波路付の回路基板に光部品を実装する光部品の実装方法であって、前記回路基板が、前記導波路として、光軸が共通する２つの導波路を有し、光源から出射された光を、前記回路基板の前記２つの導波路の一の導波路内に入射し、前記一の導波路を伝播し、前記一の導波路から出射した出射光を撮像装置によって撮像するとともに、前記出射光と前記撮像装置の延長上に配置された前記光部品を前記撮像装置によって撮像し、前記撮像装置によって得られた、前記出射光と前記光部品の画像に基づき、前記光部品の搭載位置を前記一の導波路について確定し、次いで、前記光部品を、前記２つの導波路の他の導波路上の所定の位置に、前記光軸と平行にオフセット移動して実装することを特徴とする、光部品の実装方法である。

本発明に係る光部品の実装方法の第６の態様は、前記光源の位置を前記基板の側面側に固定し、前記光を前記導波路付の回路基板に対し平行に入射することを特徴とする、前記第５の態様に係る実装方法。

本発明の光部品の実装方法では、回路基板に設けた導波路に入射させる光に対して難しい調芯等を必要としない。さらに、実装手順が従来のパッシブアライメントと同程度の簡便さを維持したまま、光部品の結合精度が改善され高精度な伝送品質を実現することができる。また、実装装置は、アクティブアライメントのように専用の受光部品や測定機器を必要とせず、光源もライトガイドなどで対応可能であるため、本発明の方法を使用する実装装置の導入にあたり特別な機構を必要とせず、量産性にも優れる。

特に、光路変換機構を有する導波路付回路基板に光部品を実装する場合においては、使用する回路基板の導波路の光軸延長上少なくとも一端に光路変換機構を有する固定された導波路を形成し、その導波路に光を入射して画像位置合わせを行い、オフセットをとって実装する方法を適用することができる。

この実装方法では、光源をサンプル台や撮像装置等に固定できるため、実装装置内に小スペースが実現でき、かつ光を入射位置に設置する手順がなくなることにより、従来の電気実装と同じ手順で実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図１から図５を参照して、詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における光部品の実装方法を示す概念図である。図１は、例えば石英ガラスなどの導波路２と回路基板４を備える導波路付回路基板１と、導波路付回路基板１に実装される光部品３と、導波路付回路基板１に可視光を入射する可視光源５と、光部品３の実装位置を確認するための撮像装置７を有する。導波路２は、コア２ａとクラッド２ｂから構成される。

光部品３には、例えば、レーザダイオードやＬＥＤ（Light Emitting Diode；発光ダイオード）などの発光部品、フォトダイオードなどの受光部品、レンズなどの光部品があり、撮像装置７には、例えばＣＣＤカメラなどがある。レーザダイオードを用いる場合は、特にＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；面発光レーザ）を用いるのが好適である。導波路の内部には、ミラーなどで構成され、形状が斜め４５度の直角三角形であり、可視光の伝播方向を変換する第１の光路変換機構９と第２の光路変換機構１１とが備えられる。

本実施形態では、まず、可視光源５から導波路付回路基板１に垂直に可視光を入射する。入射された可視光は、導波路付回路基板１の導波路内部に設置された第１の光路変換機構９で直角に伝播方向を変換し、導波路内部を伝播する。導波路内部を伝播する可視光は、第２の光路変換機構１１で再度直角に伝播方向を変換し、導波路付回路基板１の外部へ出射光として出射する。なお、出射光とは導波路に入射された可視光が導波路を通して出射された光のことをいう。これら一連の可視光の伝播は、図１に示す実線の矢印で示される。

導波路付回路基板１の外部に出射した可視光は、可視光の伝播方向の延長上に設置された撮像装置７によって撮像される。一方、可視光の伝播方向と撮像装置７の延長上にある、光部品３の位置についても同様に撮像装置７が撮像する。

撮像装置７は可視光及び光部品３を撮像し、作業者は撮像装置７によって得られた画像を観察し、光部品３の位置合わせを行う。位置合わせが確定後、光部品３を導波路付回路基板１に電気実装する。

図２は、図１に示す撮像装置によって撮像された画像を示す模式図である。図２より明らかなとおり、導波路付回路基板１に入射された可視光は、導波路内部を伝播し、外部へ出射されるが、出射された可視光は、図２に示す画像１３のとおり、視覚によって認識できる程度に可能な光点１５となる。作業者は、画像として表示された光点１５をもとに、光部品３の位置合わせを行うことができる。

したがって、従来の光部品の実装においては、発光部品を駆動させるための電源や、光強度を測定するための測定器が必要であったが、それらの機器を必要とせずに、実装精度の高い光部品３の導波路付回路基板１への実装が可能となる。

（参考例）
続いて、光部品の実装方法の参考例について説明する。なお、図１に示される光部品の実装方法の概念図の各部と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図３は、参考例における光部品の実装方法を示す概念図である。図３に示す光部品の実装方法の概念図は、導波路２と、フォトダイオードなどの受光部品やレーザダイオードなどの発光部品である光部品３がすでに実装された回路基板４と、ＣＣＤカメラなどの撮像装置７と、導波路２に可視光を入射する可視光源５を使用する。なお、可視光源５から出射される可視光は、図３において、実線の矢印で示される。

参考例による光部品の実装方法では、光部品３と導波路２との間に撮像装置７を挟み、光部品３と導波路２の実装位置を可視光源５から出射される可視光によって確認する。すなわち、撮像装置７によって撮像された画像を作業者が確認することで導波路２の光部品３への実装位置を合わせる。実装位置が確定しだい、ＵＶ硬化剤などの接着剤で光部品３に導波路２を白抜きの矢印に沿って実装する。

（第２実施形態）
続いて、本発明である光部品の実装方法の第２実施形態について説明する。なお、図１に示される光部品の実装方法の概念図の各部と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図４は、本発明の第２実施形態における光部品の実装方法を示す概念図である。図４に示す光部品の実装方法では、導波路付回路基板１に実装される光部品３と、導波路付回路基板１に可視光を入射する可視光源５と、光部品３の実装位置を確認するための撮像装置７を使用する。導波路の内部には、光の光路を変換する第１から第４の光路変換機構９、１１、２１、２３が備えられる。なお、第１の光路変換機構９と第２の光路変換機構１１は、所定の距離を有して固定されている。

可視光源５から出射された可視光は、導波路付回路基板１に対し垂直に入射する。導波路内部に入射した可視光は、第１の光路変換機構９によって直角に伝播方向を変換し、導波路内部を伝播する。さらに、導波路内部を伝播する可視光は、第２の光路変換機構１１によって直角に伝播方向を変換し、外部へと出射される。これらの一連の可視光の伝播は図４に示す実線の矢印で示される。

外部へ出射された可視光は、その伝播方向延長上にある撮像装置７によって可視光の位置が画像として確認される。また、光部品３は撮像装置７と可視光の伝播方向延長上の位置しており、撮像装置７によって撮像された画像における可視光の位置に対応して、光部品３に位置合わせを行う。

位置合わせが行われ、実装位置の確定した光部品３は、その位置を基準にオフセット移動し、所定の位置において導波路付回路基板１に電気実装される。

光部品３が導波路付回路基板１に実装され、実際に光信号の伝送が行われる様子を図４に示す破線の矢印で示す。すなわち、実装された光部品３における光信号の伝送は、第３の光路変換機構２１と第４の光路変換機構２３によって導波路内部と外部を行きかう。

したがって、第１実施形態においては、可視光源５から出射される可視光を撮像装置７が撮像しても、画像として表れる光点１５は一定ではなく、その光点１５を基に光部品３の実装位置合わせをするものであるが、本実施形態においては、可視光源５の位置及び第１の光路変換機構９と第２の光路変換機構１１との距離が固定されているため、撮像装置７に撮像される可視光は常に一定の位置に画像として表示される。その位置を基に光部品３の実装位置合わせを行い、導波路付回路基板１へ実装することが可能となる。

さらに、第１実施形態には、受発光部品どちらか一方が実装されると、もう一方の受発光部品実装時には本実装方法が適用できない欠点があるが、本実施形態においては、いかなる場合においても、本実装方法の適用が可能となる。

（第３実施形態）
続いて、本発明である光部品の実装方法の第３実施形態について説明する。なお、図１に示される光部品の実装方法の概念図の各部と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図５は、本発明の第３実施形態における光部品の実装方法を示す概念図である。図５に示す光部品の実装方法では、導波路付回路基板１に実装される光部品３と、導波路付回路基板１に可視光を入射する可視光源５と、光部品３の実装位置を確認するための撮像装置７を使用する。導波路の内部には、光の光路を変換する第１の光路変換機構９と第２の光路変換機構１１を使用する。

本実施形態における光部品の実装方法では、可視光源５から出射される可視光の入射位置が第２実施形態の入射位置と異なるものである。すなわち、第２実施形態では、導波路付回路基板１に対し、可視光が垂直に入射されるのに対し、本実施形態では、導波路付回路基板１に対し、可視光が平行に入射される。

また、可視光源５から第１の光路変換機構９までの距離が固定されているため、撮像装置７によって撮像され、画像として表示される光点１５の表示位置は常に固定される。このため、表示された光点１５の表示位置を基に、光部品３の実装位置合わせを行うことが可能となり、実装位置が確定次第、導波路付回路基板１に光部品３を実装する。また、本実施形態では、第２実施形態の長所を備え、さらに第３の光路変換機構２１、第４の光路変換機構２３が不要となるため、第２実施形態と比べて製造コストの低減が図れる。

なお、上述した第１実施形態から第３実施形態において、撮像装置によって撮像された光点の画像を作業者が確認し、位置合わせを行う実施形態としたが、当該画像をソフトウェアにより画像処理を施し、光点の位置座標を抽出し、当該位置座標を基に、光部品の実装位置を自動的に確定するようにしてもよい。

さらに、上述した第１実施形態から第３実施形態において、光路変換機構は、ミラーの代わりに透明な樹脂等からなるプリズムにより構成された光路変換機構としてもよい。また、導波路に入射する可視光の光軸と、導波路のコアとの位置を調節するために、導波路と光部品との間にレンズを介して導波路に可視光を入射させてもよい。これにより、光部品を実装する際、光部品と導波路との実装位置が明確となり、結合効率が良好となる。

本発明において使用する光は、上述した可視光に限定されるものではなく、使用する撮像装置に対応する波長であれば、どのような光でも実施可能である。さらに、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能である。

本発明の光部品の実装方法およびそれを実施する実装装置により、実装手順が従来のパッシブアライメントと同程度の簡便さを維持したまま、光部品の結合精度が改善され高精度な伝送品質を実現することが可能となり、産業上の利用可能性が高い。

第１実施形態における光部品の実装方法を示す概念図である。 第１実施形態における可視光の画像を示す模式図である。 参考例における光部品の実装方法を示す概念図である。 第２実施形態における光部品の実装方法を示す概念図である。 第３実施形態における光部品の実装方法を示す概念図である。 アクティブアライメントによる光部品の実装方法を示す概念図である。 パッシブアライメントによる光部品の実装方法を示す概念図である。

符号の説明

１、３２ 導波路付回路基板
２、３７ 導波路
２ａ コア
２ｂ クラッド
３ 光部品
４、３９ 回路基板
５ 可視光源
７、４１ 撮像装置
９、３３ 第１の光路変換機構
１１、３５ 第２の光路変換機構
１３ 画像
１５ 光点
２１ 第３の光路変換機構
２３ 第４の光路変換機構
２５ 発光部品
２７ 電源
２９ 受光部品
３１ 測定器

Claims (6)

1. 導波路付の回路基板に光部品を実装する光部品の実装方法であって、
   光源から出射された光を前記回路基板の導波路内に入射し、
   前記導波路を伝播し前記導波路から出射した出射光を撮像装置によって撮像するとともに、前記出射光と前記撮像装置の延長上に配置された前記光部品を前記撮像装置によって撮像し、
   前記撮像装置によって得られた、前記出射光と前記光部品の画像に基づき、前記光部品の搭載位置を確定し、
   前記回路基板に前記光部品を実装することを特徴とする、光部品の実装方法。
2. 前記光は、前記回路基板に形成される前記導波路内の光路変換機構によって屈曲することを特徴とする、請求項１に記載の光部品の実装方法。
3. 前記光源の位置を固定し、前記光を前記導波路付の回路基板に対し垂直に入射し、前記光が所定の距離の前記導波路内を透過することを特徴とする、請求項１又は２に記載の光部品の実装方法。
4. 前記光源の位置を固定し、前記光を前記導波路付の回路基板に対し平行に入射し、前記光が所定の距離の前記導波路内を透過することを特徴とする、請求項１又は２に記載の光部品の実装方法。
5. 導波路付の回路基板に光部品を実装する光部品の実装方法であって、
   前記回路基板が、前記導波路として、光軸が共通する２つの導波路を有し、
   光源から出射された光を、前記回路基板の前記２つの導波路の一の導波路内に入射し、
   前記一の導波路を伝播し、前記一の導波路から出射した出射光を撮像装置によって撮像するとともに、前記出射光と前記撮像装置の延長上に配置された前記光部品を前記撮像装置によって撮像し、
   前記撮像装置によって得られた、前記出射光と前記光部品の画像に基づき、前記光部品の搭載位置を前記一の導波路について確定し、
   次いで、前記光部品を、前記２つの導波路の他の導波路上の所定の位置に、前記光軸と平行にオフセット移動して実装することを特徴とする、光部品の実装方法。
6. 前記光源の位置を前記基板の側面側に固定し、前記光を前記導波路付の回路基板に対し平行に入射することを特徴とする、請求項５記載の実装方法。

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