JPH06201954A

JPH06201954A - オプティカルベンチ

Info

Publication number: JPH06201954A
Application number: JP39093A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Murakami; 和也村上; Tatsuo Teraoka; 達夫寺岡
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1993-01-06
Filing date: 1993-01-06
Publication date: 1994-07-22

Abstract

(57)【要約】【目的】はんだ付時に他の光部品への熱影響をなくし、
一種類のはんだで複数の光部品を高精度、高信頼度では
んだ付する。【構成】ＬＤ５２やモニタ用ＰＤ５３などの光部品をは
んだ付固定するオプティカルベンチ１１上に、光部品毎
に固定パッド１２を設ける。固定パッド１２は、光部品
をろう付けするためのはんだ層１３を表面にもち、内部
に通電によって発熱してはんだ層１３を溶融させるヒー
タ１４を埋設した積層構造になっている。固定パッド１
２に埋設されたヒータ１４は電気的に独立しており、各
々単独で加熱可能となっている。これにより、固定パッ
ド単位の部分加熱を行ない、他の光部品への熱影響を阻
止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザなどの光
部品を実装するためのオプティカルベンチに係り、特に
部分加熱を導入することにより実装技術を改善したもの
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信の適用が幹線から加入者系へと広
がるにつれて、安価で高信頼性の光送受信モジュールの
開発が要請されている。この光送受信モジュールは、送
信用半導体レーザ（送信用ＬＤ）や、受信用半導体受光
素子（受信用ＰＤ）、レンズ、合分波用の光導波路等を
一体化して組み込んだものである。これらＬＤ、ＰＤや
レンズ等の光部品を一体化して組込むには、特に高精
度、低損失で生産性が良く、しかも信頼性の高い調芯固
定方法が必要とされる。

【０００３】従来、この種の調芯固定方法として多数の
方法が提案されているが、はんだを用いて固定する方法
が最も信頼性が高く一般的である。これは、図５に示す
ごとき、光導波路５１、ＬＤ５２、ＬＤ出力モニタ用Ｐ
Ｄ５３、レンズ５４、ＰＤ５５、光ファイバ５６などか
らなる光送受信モジュールの実装においては、はじめに
基板となるオプティカルベンチ５７にＬＤ５２をはんだ
付固定する。次に、このＬＤ５２を発光させて、モニタ
用ＰＤ５３を調芯し、モニタ用ＰＤ５３の出力が最大と
なる位置ではんだにより固定する。

【０００４】このとき、光部品を把持してその位置を変
更、調整するには図６に示すような把持調整装置が用い
られる。こらは数軸の微動機構により動く２本のアーム
６１、６１が基台６２に取り付けられ、このアーム６
１、６１間にモニタ用ＰＤ５３などの光部品を把持し
て、位置決め調整する。

【０００５】ＬＤ５２が固定されているオプティカルベ
ンチ５７は加熱器６３の上に載置されており、モニタ用
ＰＤ５３調芯終了後に加熱を行ない、はんだを溶融して
モニタ用ＰＤ５３を固定する。このとき、加熱によって
先に固定されているＬＤ５２のはんだが溶融することに
よって動いてしまってはならない。このため、モニタ用
ＰＤ５３の固定に用いるはんだはＬＤ５２の固定に用い
たはんだより融点が低く、かつはんだ付温度はＬＤ固定
用はんだの融点に比べ低い温度とすることが必要であ
る。

【０００６】以下、同様の操作を繰り返して、レンズ５
４、ＰＤ５５を順次固定していき、最後に光ファイバ５
６の固定された光導波路５１を固定ベース５９上で調芯
し固定する。なお、５９は光導波路固定用基板、６０は
ファイバブロックである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術では、次のような欠点があった。

【０００８】（１）加熱器６３によりオプティカルベン
チ５７全体を加熱するため、光部品を固定する部分以外
も加熱されてしまうため、固定する光部品の数だけ種類
の異なる、換言すれば溶融温度の異なるはんだを必要と
する。

【０００９】（２）固定するＬＤやＰＤなどの光部品の
耐熱性および実装後の耐熱性などを考慮すると、はんだ
の融点は１００〜３５０℃程度の範囲内に設定する必要
がある。しかし、この範囲内で固定の段階ごとに温度差
をつける必要があるため４〜６段階ぐらいのはんだ付し
かできず、したがって固定できる部品の数も制限され
る。

【００１０】（３）融点によってはんだを選ぶ必要があ
るため、クリープしやすいはんだやぬれ性の悪いはんだ
なども使用せざるを得ず、信頼性を劣化させる要因とな
る。

【００１１】（４）オプティカルベンチ全体を加熱する
必要があるので加熱領域が大きく、このためヒータ容量
を大きくしなければならない。その結果、光部品を把持
するアーム等の把持手段にも熱が伝わり膨張するため、
冷却後の光部品の位置が所望の位置からずれる。

【００１２】（５）また、オプティカルベンチ全体の昇
温、冷却に長時間要し、生産性が悪くなり、光学系モジ
ュールなどの製品を高価なものにする。

【００１３】本発明の目的は、上述した従来技術の欠点
を解消し、一種類のろう材で多数の光部品を高精度、高
信頼度で、生産性よく固定できる新規なオプティカルベ
ンチを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のオプティカルベ
ンチは、ＬＤやＰＤ、レンズなどの光部品を位置決めし
てろう付け固定するためのオプティカルベンチにおい
て、オプティカルベンチ上に、光部品をろう付けするた
めのろう材と、通電によって発熱してろう材を溶融させ
るヒータとを有する固定パッドを光学部品毎に独立して
設け、ヒータを固定パッド毎に独立して発熱させるよう
にしたものである。

【００１５】この場合において、オプティカルベンチ上
に設けられる固定パッドが、基板から表面に向って順
に、絶縁層間に金属発熱体を密着して挟んで構成したヒ
ータ層、ヒータ層とはんだ層とを密着する緩衝層、光部
品をはんだ付するはんだ層からなる積層構造をしている
ことが好ましい。

【００１６】より具体的には、オプティカルベンチをＳ
ｉ基板で構成し、このＳｉ基板上に設けられる固定パッ
ドを、基板から表面に向って順にＳｉＯ₂絶縁層、Ｔｉ
バッファ層、Ｐｔ発熱体層、ＳｉＯ₂絶縁層、Ｔｉバッ
ファ層、Ｐｔ酸化防止層、Ａｕはんだ付層、Ｐｂ−Ｓｎ
はんだ層とする積層構造にすることが好ましい。

【００１７】光部品の固定は、オプティカルベンチの一
方の面に限定されるものではなく、したがって、固定パ
ッドは両面に設けられていてもよい。ＬＤやＰＤ、レン
ズなどの光部品を位置決めしてろう付け固定するための
オプティカルベンチは、これら光部品を一体的に組み込
んだ光源モジュールや光送受信モジュールなどに適用さ
れる。

【００１８】ろう材の代表的なものとして、はんだを挙
げることができるが、それ以外の従来から用いられた各
種のろう材を用いてもよい。ヒータは金属膜をエッチン
グして形成した発熱回路を絶縁膜間に挟んだ積層構造と
することができる。固定パッドの大きさは、光部品を固
定するために必要な適正な大きさとする。大き過ぎると
他のパッドへの熱影響が無視できないばかりかオプティ
カルベンチの小型化が図れず、小さ過ぎると光部品の固
定が難しくなるからである。いずれにしても、１個当り
の固定パッドの大きさは、オプティカルベンチの光部品
固定面に比して非常に小さな領域となる。

【００１９】また、固定パッドは、必ずしも、ろう付け
の必要な全ての光部品に用意されなければならないとい
うものではない。例えば、位置決めの基準となる最初に
ろう付けされる光部品では、他の光部品が未だ固定され
ていないのだから、他の光部品に影響を与えることはな
く、従来行なわれてきたろう付け方法を用いれば足り、
固定パッドは必要ではない。また、ヒータを固定パッド
毎に独立して発熱させるために、各ヒータへの通電用の
配線は別回路とする。

【００２０】

【作用】一の光部品を、該当する固定パッド上に位置決
めする。位置決め後、その固定パッドの一部を構成する
ヒータに通電してヒータを発熱させる。すると、当該光
部品を固定するパッド部分のみ加熱されることになり、
その加熱により同じく固定パッドの表面を構成するろう
材が溶融して一の光部品を固定パッドに融着させる。通
電を止めてろう材を冷却させると、一の光部品は固定パ
ッド上にろう付け固定される。

【００２１】同じように、ヒータを固定パッド毎に独立
して発熱させることにより、他の光部品を固定パッド上
にろう付け固定していく。このとき、ヒータは固定パッ
ド毎に独立して発熱するので、その熱が他の固定パッド
に伝わるのが防止される。したがって、既に固定パッド
上に固定されている光部品のろう材が溶融して、位置決
めしたその位置がずれるようなことがなくなる。また、
ろう付けのための加熱は全体加熱ではなく部分加熱とな
り、他の部分への熱影響が低減されるので、オプティカ
ルベンチにろう付固定する光部品の数にかかわらずろう
材は１種類で済む。

【００２２】

【実施例】以下、本発明のオプティカルベンチの実施例
を図面を用いて説明する。ここでは、光送受信モジュー
ルへの本発明の適用例について述べるが、光送受信モジ
ュールの基本構成は、従来例で説明した図５と同じであ
る。

【００２３】本実施例によるオプティカルベンチ１１は
図２に示すような構造になっている。ＬＤやＰＤ、レン
ズなどの光部品を位置決めしてろう付け固定するためオ
プティカルベンチ１１は、光部品と熱膨張係数の近いシ
リコン単結晶基板で構成される。このオプティカルベン
チ１１上のＬＤなどの光部品が搭載、固定される位置
に、光部品をろう付け固定するための固定パッド１２が
光部品毎に独立して設けてある。

【００２４】この固定パッド１２は、ＬＤなどの光部品
をろう付けするために表面に設けられたはんだ層１３
と、通電によって発熱させてはんだを溶融させるために
はんだ層１３の下に埋設したヒータ１４とを有する。各
固定パッド１２のヒータ１４は、それぞれ固定パッドか
ら延出した２本の通電用配線１５をもち、これらはオプ
ティカルベンチ１１の端部に設けた電気的に電極パッド
１６に接続されて、各ヒータ１４を固定パッド１２毎に
独立して発熱させるようになっている。なお、各固定パ
ッド１２の通電用配線１５の１本を共通にしてもよい。
特に、オプティカルベンチ１１の裏面を共通電極とすれ
ば、通電配線１５、電極パッド１６の数を半減すること
ができる。

【００２５】本実施例では、オプティカルベンチ１１を
構成する基板は厚み１ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ１５ｍｍ
のＳｉ基板を使用し、その上に光部品数に合わせ固定パ
ッド１２を４箇所に設けた。なお既述した通り、それぞ
れの固定パッド１２に埋設されたヒータ１４は電気的に
独立しており、各々単独で加熱可能となっている。

【００２６】本実施例における固定パッドの断面構造は
図３に示す通りである。Ｓｉ基板３１上に、絶縁膜とし
てＳｉＯ₂絶縁層３２が設けられ、その上にＴｉバッフ
ァ層３３、発熱体となるＰｔ発熱体層３４、絶縁のため
のＳｉＯ₂絶縁層３５、Ｔｉバッファ層３６、Ｐｔ酸化
防止層３７、はんだ付のためのＡｕ層はんだ付層３８、
そしてＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ層３９が表面に向って順に
積層されている。

【００２７】ヒータ層４１は、絶縁層となるＳｉＯ₂層
３２、３５間にＰｔ発熱体層３４を積層した基本構造を
もち、実施例ではＴｉバッファ層３３が介在した構造と
なっている。上下のＴｉ層３３、３６は、ＳｉＯ₂と密
着性がよく、Ｐｔとも強固なつながりが得られることか
ら、ＳｉＯ₂層とＰｔ層の間に設けてある。また、上の
Ｐｔ層３７ははんだ付の際の高温状態でＴｉ層３６が酸
化するのを防止する役割を果す。

【００２８】なお、ヒータ１４は、ヒータ層４１に通電
用配線１５、電極パッド１６を加えたもので、また、緩
衝層４２はヒータ層４１と表面のはんだ層３９とを密着
するＴｉバッファ層３６、Ｐｔ酸化防止層３７、Ａｕは
んだ付層３８から構成される。

【００２９】本実施例では、下のＳｉＯ₂層３２はＳｉ
単結晶の熱酸化によって得、その他の金属層は真空蒸着
によって得ている。また、上のＳｉＯ₂層３５は半導体
製造プロセスで用いられるＣＶＤ法で製作した。

【００３０】また、発熱体となるＰｔ層４３は、本実施
例においては幅数μｍの微細パターンを固定パッド１２
の全域にわたって描画し、不要部をエッチング除去して
発熱回路を構成し、その抵抗値を調整して所望の発熱量
が得られるようにした。このパターニングおよび、その
他の金属層の不要部の除去は、半導体プロセスを用いて
行なった。なお、パッド全域にわたって描画したのは、
固定パッド前面を一様な発熱分布とするためである。

【００３１】本実施例において製作したオプティカルベ
ンチの通電温度特性を図４に示す。固定パッド中央部
は、２．６Ｖの通電で３００℃まで上昇した。固定パッ
ド端から３ｍｍ離れた所では１５０℃以下であった。こ
のことから、固定パッド以外の部分の温度を上昇させる
ことがなく、固定パッド毎に加熱でき固定パッド単位で
はんだ付できることが明らかである。

【００３２】この様にして製作したオプティカルベンチ
に、図１に示すように把持調整装置で光部品を実装す
る。予めＬＤ５２がはんだ付固定されている。なお、こ
のはんだ付固定は、これから述べるモニタ用ＰＤ５３の
場合と同様に行なったものである。本実施例によるオプ
ティカルベンチ１１を断熱プレート１８の上に載せ、Ｌ
Ｄ５２を発光させて、モニタ用ＰＤ５３の出力が最大と
なる位置にモニタ用ＰＤ５３を調芯する。この調芯は、
基台６２に取り付けられた２本のアーム６１、６１間に
把持することによって行われれる。モニタ用ＰＤ５３を
調芯後、選択した電極パッド１６に接触させた電極棒１
７から電極パッド１６に通電し、所望の固定パッドのみ
を加熱して、固定パッド表面のはんだ層を溶融し、モニ
タ用ＰＤ５３をはんだ付け固定した。

【００３３】本実施例では、はんだをＰｂ−Ｓｎ共晶
（融点１８３℃）とし、はんだ付温度を２３０℃として
実装した。通電開始から２分程度で２３０℃に達し、１
分間放置した後、通電を終了したところ、１分後にはん
だが固化した。このとき、モニタ用ＰＤ５３を把持する
把持手段の熱膨張は無視できるほど小さいため、冷却後
のモニタ用ＰＤ５３の位置精度は極めて良好であった。

【００３４】モニタ用ＰＤ以外の他の光部品についても
同じようにして実装する。また、その他の工程は従来技
術と同様である。

【００３５】本実施例で実装した光送受信モジュールを
−２０℃〜７０℃１サイクル／３０分で２０００サイク
ルのヒートサイクル試験を行なったところ、サンプル１
０個で光出力の低下は平均０．２ｄＢ、最大０．５ｄＢ
であり、高い信頼性を有することが実証された。

【００３６】本実施例によれば、加熱によって溶融する
はんだは、当該固定パッドのはんだのみであるので、先
に固定されているＬＤ５２等のはんだが溶融することは
なく、したがって、はんだ溶融によってＬＤ５２等が動
いてしまうことがない。また、モニタ用ＰＤ５３の固定
に用いるはんだは、ＬＤ５２等の固定に用いたはんだと
同じ融点でよく、はんだ付温度もＬＤ固定用はんだ等の
融点より低い温度とする必要はない。

【００３７】このように、所望の固定パッドのみが加熱
され、他の部品は加熱されないので、固定する光部品の
数にかかわらずはんだは１種類でよく、また、固定部品
毎に温度差をつける必要がないためた固定できる光部品
の数に制限がなくなる。

【００３８】また、融点によってはんだを選ぶ必要がな
くなるため、クリープしやすいはんだやぬれ性の悪いは
んだなどを使用しないで済み、信頼性に優れるそして、オプティカルベンチ全体を加熱する必要がなく
なって加熱領域が小さくなるので、ヒータ容量が小さく
て済む。その結果、光部品を把持するアーム等の把持手
段の膨張が回避できるため、冷却後の光部品の位置が所
望の位置からずれることがない。また、小さな加熱領域
のみ昇温、冷却するだけでよいので、昇温、冷却が短時
間ですみ、生産性が良好となる。

【００３９】特に、光送受信モジュールのような導波路
型光部品の実装技術に適用することにより、工程数低
減、部品低減による低コスト化、小型化が可能となり、
加入者系へと広がる光通信の要請に十分応えることがで
きる。

【００４０】なお、本実施例で述べた固定パッド断面の
組成、部品形状、材料などに本発明は限定されない。例
えば、オプティカルベンチにシリコン基板を用いたが、
ガラスなど他の材料を使用してもよい。また、図１にお
いては、オプティカルベンチ１１を断熱プレート１８に
載せ、加熱を固定パッド部のヒータのみによって行なう
ようにしたが、例えば、断熱プレート１８を加熱器に置
き換え、はんだの溶融温度以下に余熱して実装するよう
にしてもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、次の効果がある。

【００４２】（１）光部品を固定する固定パッドのみを
有効加熱することができるため、１種類のはんだで多数
の光部品のろう付ができる。

【００４３】（２）ろう材が１種類でよいため、ろう付
け性、クリープ特性など信頼性の高いろう材を選んで使
うことができ、高い信頼性を得ることができる。

【００４４】（３）加熱領域が固定パッドになり、オプ
ティカルベンチに比して微小であるため、光部品を把持
してその位置を変更、調整するアーム等の把持手段の熱
膨張が無視でき、したがって冷却後の光部品の位置精度
が極めて良好となる。

【００４５】（４）加熱領域が微小であるため、昇温、
冷却が短時間で行なえ、生産性の向上が可能であり、低
価格化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のオプティカルベンチを使用した光部品
の実装方法の一実施例を示す斜視図。

【図２】本発明のオプティカルベンチの一実施例を示す
斜視図。

【図３】本発明のオプティカルベンチの固定パッド構造
の一実施例を示す断面図。

【図４】本実施例のオプティカルベンチのヒータの通電
電圧に対する温度特性図。

【図５】従来の光送受信モジュールの内部構造の一例を
示す斜視図。

【図６】従来のオプティカルベンチを使用した光部品の
実装方法を示す斜視図。

【符号の説明】

１１オプティカルベンチ１２固定パッド１３はんだ層１４ヒータ１５通電用配線１６電極パッド１７電極棒１８断熱プレート５２ＬＤ（半導体レーザ）５３モニタ用ＰＤ（モニタ用半導体受光素子）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザや半導体受光素子、レンズな
どの光部品を位置決めしてろう付け固定するためのオプ
ティカルベンチにおいて、上記オプティカルベンチ上
に、光部品をろう付けするためのろう材と、通電によっ
て発熱して上記ろう材を溶融させるヒータとを有する固
定パッドを光学部品毎に独立して設け、上記ヒータを固
定パッド毎に独立して発熱させるようにしたことを特徴
とするオプティカルベンチ。
【請求項２】請求項１に記載のオプティカルベンチにお
いて、オプティカルベンチ上に設けられる上記固定パッ
ドが、基板から表面に向って順に、絶縁層間に金属発熱
体を密着して挟んで構成したヒータ層、ヒータ層とはん
だ層とを密着する緩衝層、光部品をはんだ付するはんだ
層からなる積層構造をしているオプティカルベンチ。
【請求項３】請求項１に記載のオプティカルベンチにお
いて、オプティカルベンチがＳｉ基板で構成され、この
Ｓｉ基板上に設けられる上記固定パッドが、基板から表
面に向って順にＳｉＯ₂絶縁層、Ｔｉバッファ層、Ｐｔ
発熱体層、ＳｉＯ₂絶縁層、Ｔｉバッファ層、Ｐｔ酸化
防止層、Ａｕはんだ付層、Ｐｂ−Ｓｎはんだ層となる積
層構造をしているオプティカルベンチ。