JPH07209559A - 光モジュールとその組立て方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広範な環境温度範囲において光軸ずれが発生
しない光モジュールとその組立て方法を提供すること。 【構成】 高融点はんだ５を介して光学素子１０とヒー
トシンク２とを接合し、ヒートシンク２と基台３とをそ
の対向面の一部に形成した凹部４にて低融点はんだ６を
介して接合するとともに、その接触面の周囲２１にて溶
接することで光モジュール１を構成する。また、低融点
はんだ６を凹部４内に入れた状態でヒートシンク２を基
台３上に配置し、ヒートシンク２と基台３との接触面の
周囲２１にて溶接した後、低融点はんだ６を溶融して凹
部４内にてヒートシンク２と基台３とを接合する組立て
方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ等の光学
素子をヒートシンク上に接合し、さらにそのヒートシン
クを基台上に接合する光モジュールとその組立て方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ等の光学素子は通信機器や
情報機器等の光源として使用されており、その端面から
出射される光を光ファイバを介して外部に伝達してい
る。このような半導体レーザ等を用いた光源は、一般的
にモジュール化されており出射光を容易に取り出せるよ
うになっている。

【０００３】図６は従来の光モジュールを説明する模式
断面図であり、工学図書株式会社版、米津宏雄著、「光
通信素子工学」２６６頁〜２７０頁に記載されているも
のである。すなわち、この光モジュール１は半導体レー
ザ等の光学素子１０が実装されるヒートシンク２と、ヒ
ートシンク２が接合されるステム３１と、ステム３１が
取り付けられるマウントブロック３２と、接着材等の保
持材１２により固定されたファイバコード１１ａとから
構成される。

【０００４】この光モジュール１を組立てるには、先
ず、ヒートシンク２上に光学素子１０をＡｕ−Ｓｎ等の
比較的融点の高い高融点はんだ（図示せず）を用いて固
定し、次に、この高融点はんだよりも低い温度で溶融す
るＳｎ−Ｐｂ等の低融点はんだ（図示せず）を用いてヒ
ートシンク２をステム３１上に固定する。次いで、この
ステム３１をマウントブロック３２に取り付けた状態で
ファイバコード１１ａの位置合わせを行い、光学素子１
０から出射される光が最も効率良く光ファイバ１１に伝
達されるようにする。この状態で光ファイバ１１を支持
台１３上に接着剤（図示せず）等を介して固定するとと
もに、ファイバコード１１ａを保持剤１２を介してマウ
ントブロック３２上に固定する。

【０００５】これにより、光学素子１０から出射された
光が光ファイバ１１を介して外部に導かれる光モジュー
ル１が完成する。このような光モジュール１では、光学
素子１０の作動によって所定の熱が発生するが、光学素
子１０とヒートシンク２とが高融点はんだを介して接合
され、さらにヒートシンク２とステム３１とが低融点は
んだを介して接合されているため光学素子１０からの発
熱がこれらの部材を伝わって効率良く外部へ放出される
ことになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような光モジュー
ルの組立てにおいては、熱伝導の関係から光学素子とヒ
ートシンク、およびヒートシンクとステムとをはんだを
介して接合する必要がある。しかも、光学素子とヒート
シンクとをはんだ接合した後、このはんだが溶融しない
ような低温度にて溶融するはんだを用いてヒートシンク
とステムとを接合しなればならない。このため、ヒート
シンクとステムとの接合においては低融点はんだを用い
る必要がある。

【０００７】したがって、このような低融点はんだを用
いてヒートシンクとステムとを接合した光モジュールで
は、広範な環境温度範囲（例えば、−１０℃〜＋７０
℃）において低融点はんだの十分な強度が維持できずヒ
ートシンクがステムに対して数μｍの位置ずれを起こし
てしまう。このヒートシンクの数μｍの位置ずれによっ
て光ファイバの光軸と光学素子の光軸とがずれてしまい
光の結合効率がはじめの１／５０程度に減衰してしまう
ことになる。よって、本発明は広範な環境温度範囲にお
いて光軸ずれが発生しない光モジュールとその組立て方
法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために成された光モジュールとその組立て
方法である。すなわち、この光モジュールは、一の融点
から成る第１の接合剤を介して光学素子が接合される金
属性のヒートシンクと、第１の接合剤よりも低い融点か
ら成る第２の接合剤を介してヒートシンクが接合される
金属性の基台とを備えており、ヒートシンクと基台とを
その対向面の一部に形成された凹部にて第２の接合剤を
介して接合するとともに、ヒートシンクと基台とをその
接触面の周囲にて溶接したものである。

【０００９】また、この光モジュールの組立て方法は、
先ず、第１の接合剤を介してヒートシンクに光学素子を
接合し、次いで、第２の接合剤を凹部内に入れるととも
に基台上にヒートシンクを配置する。次に、ヒートシン
クと基台とをその接触面の周囲にて溶接し、その後、凹
部内に入れられた第２の接合剤を溶融してヒートシンク
と基台とを凹部内にて接合する方法である。

【００１０】

【作用】この光モジュールにおいては、ヒートシンクと
基台との対向面の一部に凹部が形成されており、この凹
部内で第２の接合剤を介してヒートシンクと基台とを接
合することでヒートシンクと基台との間における熱抵抗
が小さくなる。さらに、ヒートシンクと基台との接触面
の周囲にて溶接を行うことにより、広範な環境温度範囲
内における接合強度の維持が図れるようになる。また、
この光モジュールの組立て方法において、凹部内に入れ
た低融点はんだによる接合の前にヒートシンクと基台と
を溶接することで、先ず、ヒートシンクと基台とが強固
に固定され、その後、低融点はんだによる密着した接合
が成されるようになる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明の光モジュールとその組立て
方法の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明の
光モジュールを説明する斜視図であり、（ａ）は全体
図、（ｂ）は要部拡大図である。図１（ａ）に示すよう
に、本発明の光モジュール１は主として半導体レーザ等
から成る光学素子１０と、光学素子１０を接合するヒー
トシンク２と、光学素子１０が接合されたヒートシンク
２を実装する基台３と、光学素子１０との光軸合わせが
成される光ファイバ１１とから構成される。

【００１２】図１（ｂ）に示すように、光学素子１０と
ヒートシンク２とは例えばＡｕ−Ｓｎ等から成る高融点
はんだ５にて接合されており、またヒートシンク２と基
台３とはＳｎ−Ｐｂ等の低融点はんだ６にて接合されて
いる。この低融点はんだ６は、ヒートシンク２と基台３
との対向面の一部に形成された溝等の凹部４内に入れら
れており、この凹部４内にて低融点はんだ６による接合
が成されている。さらに、この光モジュール１において
はヒートシンク２と基台３との接触面の周囲２１に溶接
が施されている。溶接は、例えば図において手前側の辺
の２箇所およびこの辺と平行な辺の２箇所における溶接
位置２２にて局所的に施されている。なお、溶接位置２
２は特に限定されず、ヒートシンク２と基台３との十分
な接合強度を確保できる位置であればよい。

【００１３】このような溶接によってヒートシンク２と
基台３とが接合されているため、広範な環境温度範囲
（例えば、−１０℃〜＋７０℃）においてもヒートシン
ク２の位置ずれが発生しない。つまり、このような環境
温度範囲では高融点はんだ５における接合強度も維持で
きるため、光学素子１０の光軸と光ファイバ１１の光軸
との位置ずれが発生しないことになる。

【００１４】しかも、光学素子１０とヒートシンク２、
およびヒートシンク２と基台３とはそれぞれ高融点はん
だ５および低融点はんだ６を介して接合されているた
め、光学素子１０から基台３までの熱抵抗を小さくする
ことができ、光学素子１０の動作による発熱を容易に外
部へ放出することができる。

【００１５】次に、本発明の光モジュール１の組立て方
法を図２〜図５の模式断面図に基づいて説明する。先
ず、図２に示す実装工程として、凹部４内に低融点はん
だ６を入れた状態で光学素子１０が接合されたヒートシ
ンク２を基台３上に実装する。光学素子１０は予め高融
点はんだ５（図１（ｂ）参照）を用いてヒートシンク２
上に接合されている。実装工程ではこのようなヒートシ
ンク２を基台３上の所定位置に実装する。

【００１６】図２（ａ）は実装工程の例１を示すもの
で、ヒートシンク２と基台３との対向面のうちヒートシ
ンク２の下面側に凹部４が形成された場合を示してい
る。低融点はんだ６を塗布する場合、凹部４の深さと等
しい高さか、またはわずかに低い高さにしておく。これ
は、ヒートシンク２を基台３上に実装した際、ヒートシ
ンク２と基台３との間に浮きが生じないようにして、後
述する溶接の際に確実に接合できるようにするためであ
る。低融点はんだ６を塗布するには、例えばディスペン
サを用いたり、スクリーン印刷法を用いたりして最適量
および最適位置に塗布する。

【００１７】また、凹部４の位置はヒートシンク２の下
面側以外にも、図２（ｂ）に示す例２のように基台３の
上面側であってもよい。また、図２（ｃ）に示す例３の
ようにヒートシンク２の下面側および基台３の上面側に
凹部４を形成してもよい。いずれの場合であっても、凹
部４内に低融点はんだ６を入れた状態でヒートシンク２
を基台３上に実装する。なお、以下の工程においては図
２（ａ）に示す例１の場合を例として説明する。

【００１８】次に、図３に示す溶接工程として、ヒート
シンク２と基台３との接触面の周囲２１を例えばＹＡＧ
レーザ光（図中矢印参照）を用いてスポット溶接する。
溶接は、図１（ｂ）に示すように周囲２１の数箇所の溶
接位置２２にて行われ、ヒートシンク２と基台３とがこ
れによって強固に固定される。また、溶接を行う際に
は、ヒートシンク２と基台３との間に隙間ができないよ
う図示しない押さえ具にてヒートシンク２を基台３側に
押さえるようにするのが望ましい。

【００１９】なお、ＹＡＧレーザ光を用いたスポット溶
接以外にも、電子線溶接など局所的な加熱による溶接を
行えるものであれば何でもよい。つまり、局所的な溶接
により光学素子１０とヒートシンク２とを接合している
高融点はんだ５（図１（ａ）参照）が溶融することなく
ヒートシンク２と基台３との強固な接合を行うことがで
きるようになる。

【００２０】次に、図４に示す低融点はんだ溶融工程と
して、基台３上にヒートシンク２が溶接された状態で、
リフロー炉等を用いて外部から熱を加え凹部４内に入れ
られた低融点はんだ６を溶融させる。この際、ヒートシ
ンク２と基台３とが既に溶接されているため、低融点は
んだ６の溶融によってもヒートシンク２の位置がずれる
ことはない。そして、低融点はんだ６はその表面張力に
よって盛り上がり、ヒートシンク２の下面と基台３の上
面とをつなぐ状態となる。

【００２１】次いで、図５に示す低融点はんだ冷却工程
として、凹部４内で溶融している低融点はんだ６を常温
に戻して冷却し、固化させることによってヒートシンク
２と基台３とを凹部４内の低融点はんだ６を介して接合
する。これにより、ヒートシンク２と基台３とが低融点
はんだ６と溶接とによって接合された光モジュール１を
組立てることができる。このような組立て方法によっ
て、ヒートシンク２と基台３との強固な接合と、低融点
はんだ６による密着した接合とを行うことができる。

【００２２】なお、本実施例で示した光モジュール１に
おいては溝から成る凹部４を例として説明したが、本発
明の光モジュール１はこれに限定されず、例えば窪み状
の凹部４であってもまた凹部４内に凹凸が設けられてい
るものでもよい。また、光学素子１０は半導体レーザ以
外にもＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏ
ｄｅ）やＥＬ（ｅｌｅｃｔｏｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎ
ｃｅ）、またレンズ系等の集光手段を備えたものなどで
あっても同様である。また、基台３としてペルチェ素子
等の電子冷却素子を用いた場合であっても同様である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光モジュ
ールとその組立て方法によれば次のような効果がある。
すなわち、本発明の光モジュールにおいてはヒートシン
クと基台とが溶接されているため広範な環境温度範囲に
おいてもヒートシンクの接合強度が維持できる。このた
め、光学素子と光ファイバとの光軸ずれが起きることが
なくなり、光の結合効率を維持することが可能となる。
しかも、凹部内の低融点はんだによってヒートシンクか
ら基台への十分な熱伝導効率も確保することが可能とな
る。

【００２４】また、本発明の光モジュールの組立て方法
においては、ヒートシンクと基台とを先ず溶接にて接合
し、その後凹部内で低融点はんだを溶融してヒートシン
クと基台とを密着させているため、機械的および熱的な
接合を確実に行うことができるため、製品の信頼性が大
幅に向上することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光モジュールを説明する斜視図であ
り、（ａ）は全体図、（ｂ）は要部拡大図である。

【図２】実装工程を説明する模式断面図であり、（ａ）
は例１、（ｂ）は例２、（ｃ）は例３である。

【図３】溶接工程を説明する模式断面図である。

【図４】低融点はんだ溶融工程を説明する模式断面図で
ある。

【図５】低融点はんだ冷却工程を説明する模式断面図で
ある。

【図６】従来例を説明する模式断面図である。

【符号の説明】

１ 光モジュール ２ ヒートシンク ３ 基台 ４ 凹部 ５ 高融点はんだ ６ 低融点はんだ １０ 光学素子 １１ 光ファイバ ２１ 周囲 ２２ 溶接位置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一の融点から成る第１の接合剤を介して
   光学素子が接合される金属性のヒートシンクと、 前記第１の接合剤よりも低い融点から成る第２の接合剤
   を介して前記ヒートシンクが接合される金属性の基台と
   を備え、 前記ヒートシンクと前記基台とは、その対向面の一部に
   形成された凹部にて前記第２の接合剤を介して接合され
   るとともに、 前記ヒートシンクと前記基台とは、その接触面の周囲に
   て溶接されていることを特徴とする光モジュール。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光モジュールの組立て方
   法において、 前記第１の接合剤を介して前記ヒートシンクに前記光学
   素子を接合する工程と、 前記第２の接合剤を前記凹部内に入れるとともに前記基
   台上に前記ヒートシンクを配置する工程と、 前記ヒートシンクと前記基台とをその接触面の周囲にて
   溶接する工程と、 前記凹部内に入れられた前記第２の接合剤を溶融して前
   記ヒートシンクと前記基台とを該凹部内にて接合する工
   程とから成ることを特徴とする光モジュールの組立て方
   法。