光收發裝置的製作方法

2023-05-22 07:59:21 3

專利名稱：光收發裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及使發光元件、受光元件和光波導路徑耦合而成的光通信模塊和其製造 方法及光收發裝置。本申請主張於2007年5月14日向日本國申請的特願2007-127810號的優先權， 並在此援引其內容。
背景技術：
關於光通信模塊，一直期待其小型且廉價。作為在該光通信模塊中使用的發光元 件，近年來正在研究VCSEL (面發光雷射器)。VCSEL的裸晶片通常在其製法方面如圖1所 示成為在有發光部的面及發光部的背面設置有陽極和陰極的結構。在圖1中，符號1是陰 極，2是陽極，3是光射出部，4是VCSEL，5是焊接導線。在本例示中，陽極2成為遍布晶片整 個背面的電極。需要說明的是，不限於本例示，也有陽極2和陰極1反過來的晶片。因此，當在以往構造的印刷基板上安裝上述VCSEL4那樣的發光元件來製作光通 信模塊時，僅能在垂直於印刷基板的方向發光。另外，對於受光元件而言也是一樣的，僅能 從垂直於印刷基板的方向受光。為了將這樣的發光元件及受光元件安裝於印刷基板上，並使其與光波導路徑耦 合，使用下述(A)、⑶所示的方式。(A)如圖2所示，相對於安裝有IC12、VCSEL14的印刷基板15垂直地配置光波導 路徑11並使其與VCSEL14的光射出部13耦合的方式。(B)如圖3所示，相對於安裝有IC22、VCSELM的印刷基板25水平地配置光波導路 徑21，並在光波導路徑21的前端設置傾斜了 45°的反射鏡等，而用該反射鏡使從VCSEL24 的光射出部23射出的光發生反射，向光波導路徑21入射並使其耦合的方式。作為本發明涉及的以往技術，例如可以舉出專利文獻1 4中公開的技術。近年來，伺服器等高速通信設備、汽車內光布線、行動電話等小型電子設備正在使 用光布線。這些設備的小型化和低成本化不斷進展，與此相伴，也強烈要求光收發裝置也小 型化和低成本化。作為在光收發裝置中使用的發光元件，使用雷射二極體(LD)、發光二極體 (LED)、面發光雷射器(VCSEL)。另外，作為受光元件，使用光電二極體。光波導路徑中使用 光纖型或薄片型的波導路徑，材質為石英玻璃、聚合物等。在光收發裝置中，對於受光發光 元件和光波導路徑的耦合構造和方法，研究有各種方式(例如參照專利文獻5 8)。專利文獻1 日本特開2004-309570號公報專利文獻2 日本特開2005-1；34600號公報專利文獻3 日本特開2004-253638號公報專利文獻4 日本特開2005-284248號公報
專利文獻5 日本特開2006-11179號公報專利文獻6 日本特開2005-202025號公報專利文獻7 日本專利第3392748號公報專利文獻8 日本特開平8-220368號公報但是，就在專利文獻1 4中公開的以往構造的光通信模塊而言，在使發光元件和 光波導路徑耦合的情況下，基板上的最大高度必然增大，會存在所謂的難以搭載到小型化 發展的通信設備、行動電話、筆記本電腦等移動民用品中的問題。另外，關於在光波導路徑端設置45°反射鏡的構造，儘管能使基板上的高度減低 若干，但會有產品成本升高的問題。另外，關於在專利文獻5 8中公開的以往技術，存在如下所示的問題。專利文獻5如圖3所示，公開了相對於安裝有IC22、VCSEL24的印刷基板25水平 地配置光波導路徑21，並在光波導路徑21的前端設置傾斜了 45°的反射鏡等，而用該反射 鏡使從VCSELM的光射出部23射出的光發生反射並向光波導路徑21入射而使其耦合的方 式。但是，在該方式中存在這樣的問題45°反射鏡的形成需要耗費大量時間和成本。另 外，由於在45°反射鏡面的擴散或光程長度的延長，所以也存在VCSELM和光波導路徑21 的光軸對準也需要耗費大量時間和成本的問題。由於需要安裝反射鏡或透鏡的體積、使反 射鏡或透鏡發揮功能的空間(焦距)，所以不適合小型化。專利文獻6的手法是向波導路逕入射從發光器件射出的光，在波導路徑射出端用 受光器件監控輸出，使發光器件、受光器件、波導路徑相對地移動以使其輸出為最大並固定 的方法。但是，該方法在調整上非常耗費時間，特別是想要連接多個波導路徑時，效率低，成 為成本升高的原因。專利文獻7中使用LD作為光源。在矽基板(相當於副安裝(submoimt))上安裝 LD，用樹脂覆蓋整個LD、波導路徑端部、和焊接導線的一部分。但是，矽基板是以散熱為目 的，並非是對LD的發光方向進行調整。另外，由於並非整個矽基板(副安裝)均被樹脂覆 蓋，所以也不具有使矽基板向芯柱(相當於印刷基板)的焊接強度提高的功能。另外，由於 焊接導線的一部分從樹脂露出，所以沒有焊接導線的保護功能。另外，由於不使用VCSEL，所 以耗電量高且價格高。專利文獻8中使用LD作為光源。在矽基板(相當於副安裝)上安裝LD，用樹脂 覆蓋整個LD、波導路徑端部和整個矽基板。但是，矽基板是以散熱為目的，並非是用於對LD 的發光方向進行調整。另外，由於不使用VCSEL，所以耗電量高且價格高。

發明內容
本發明正是鑑於上述情況而完成的發明，其目的在於，提供一種能夠實現薄型化、 小型化且成本低的光通信模塊及光收發裝置。為了實現上述目的，本發明提供一種光通信模塊，其具有印刷基板；在側面安裝 發光元件和受光元件的一方或雙方而成的副安裝基板；和設置在這些發光元件及受光元件 之間且可以與這些元件光耦合的光波導路徑，上述發光元件和上述受光元件藉助上述副安 裝基板，按照它們的發光及受光方向與上述印刷基板平行的方式，安裝在上述印刷基板上， 且上述副安裝基板的發光元件及受光元件、和與它們相鄰的上述光波導路徑的端部，被樹月旨覆蓋。另外，本發明提供一種光通信模塊的製造方法，是按下述順序實施下述各工序來 製作光通信模塊的方法，所述工序包括(1)在副安裝基板的側面安裝發光元件、受光元 件，並按照發光元件及受光元件的發光及受光方向與印刷基板平行的方式將該副安裝基板 安裝在印刷基板上的工序；( 對光波導路徑進行位置對準的工序；C3)向光波導路徑端部 及包括發光元件或受光元件的副安裝基板部分滴下樹脂液，並使該樹脂液固化的工序。另外，本發明提供一種光收發裝置，其具有印刷基板；在側面安裝發光元件和受 光元件的一方或雙方而成的副安裝基板；和設置在這些發光元件及受光元件之間且可以與 這些元件光耦合的光波導路徑，上述發光元件和上述受光元件，是其應該與基板相接的面 和進行發光或受光的面位於正反面的位置且在垂直於已安裝的基板的方向上發光或受光 的結構，上述發光元件和上述受光元件藉助上述副安裝基板，按照使它們的發光及受光方 向成為不與上述印刷基板垂直的方向的方式，安裝在上述印刷基板上，且整個上述副安裝 基板和整個發光元件及整個受光元件、和與它們相鄰的上述光波導路徑的端部，被樹脂一 並覆蓋。本發明的光通信模塊，其是發光元件及上述受光元件藉助副安裝基板，按照它們 的發光及受光方向與上述印刷基板平行的方式，安裝在印刷基板上，副安裝基板的發光元 件及受光元件和光波導路徑的端部被樹脂覆蓋並固定的結構，所以在與印刷基板平行的方 向上發光及受光成為可能，可以實現光通信模塊的矮化(薄型化)、小型化。另外，不需要用於變更發光及受光方向的反射鏡等多餘的光學部件，可以低價地 提供薄型且小型的光通信模塊。根據本發明的光通信模塊的製造方法，可以高效且低價地生產薄型且小型的光通 信模塊。本發明的光收發裝置，其結構如下所示，即其應該與基板相接的面和進行發光/ 受光的面位於正反面的位置，如果進行普通的安裝，使用具有在垂直於基板的方向上發光/ 受光的結構的元件，受光發光元件和副安裝基板和光波導路徑被樹脂一併覆蓋，在副安裝 基板的側面安裝受光發光元件，並將其安裝在印刷基板上。因此，可以提供低發熱、低耗電 的光收發裝置。另外，能夠對應於用途在任意方向上受光發光，所以能夠提供應用範圍廣的光收 發裝置。另外，本發明的光收發裝置，通過成為上述結構，可以低成本地提供。另外，通過成為還利用上述樹脂覆蓋印刷基板的一部分的結構，可以提高向印刷 基板的安裝強度，可以提高裝置的可靠性。另外，通過受光發光元件的焊接導線也被樹脂覆蓋來保護焊接導線，可以提高裝 置的可靠性。


圖1是發光元件(VCSEL)的立體圖。圖2是表示以往的光通信模塊的構造的一例的側視圖。圖3是表示以往的光通信模塊的構造的其他例的側視圖。
圖4是例示將在本發明的光通信模塊的製造方法中使用的受光發光元件安裝於 側面的副安裝基板的圖，(a)是俯視圖，(b)是主視圖，(c)是側視圖，(d)是立體圖。圖5是表示作為在本發明的光通信模塊的製造方法中使用的光波導路徑的一例 的光纖帶的截面圖。圖6是表示本發明的光通信模塊的製造方法的最終工序的側視圖。圖7是在實施例2中製作的光通信模塊的發光元件(VCSEL)側的主要部分的放大 俯視圖。圖8是在實施例2中製作的光通信模塊的受光元件(PD)側的主要部分放大俯視 圖。圖9是表示在實施例2中製作的光通信模塊的立體圖。圖10是表示在實施例2中測定的網眼圖形的圖。圖11表示本發明的光收發裝置的實施方式，(a)是俯視圖，(b)是主視圖。圖12是表示副安裝基板的形狀的一例的立體圖。圖13是表示安裝狀態的受光發光方向和受光發光角度θ的主要部分主視圖。圖14是表示參考例的光收發裝置的俯視圖。圖15是表示本發明的光收發裝置的實施例3中製作的頭戴顯示器的裝置概略的 結構圖。圖16是表示實施例3的頭戴顯示器的光收發裝置的構造的結構圖。圖17是表示本發明的光收發裝置的實施例4中製作的行動電話的裝置概略的結 構圖。圖18表示在實施例4中製作的行動電話上設置的光收發裝置的構造，(a)是主要 部分主視圖，(b)是表示光纖偏移角度與高度增加量的關係的一例的結構圖。圖19是例示在光收發裝置產生的角度偏移的圖，(a)是沒有角度偏移的狀態的主 要部分主視圖，(b)是表示射出角度偏移的狀態的主要部分主視圖，(c)是表示光纖角度偏 移的狀態的主要部分主視圖。圖20是在實施例5中製作的光收發裝置的截面圖。圖21是表示在實施例5中進行的熱循環試驗的條件的曲線圖。圖中符號說明31-副安裝基板，32-受光發光元件(VCSEL或PD)，33-金導線， 34-底面電極，35-側面電極，41-光纖帶，42-光纖型光波導路徑，43-帶化材料，51-分配器 噴嘴，52-聚合物包層光纖，53-副安裝基板，54-VCSEL, 55-PD，56-印刷基板，57-UV固化型 樹脂，61-VCSEL，62-副安裝基板，63-金導線，64-印刷基板，65-電極，71-PD，72-副安裝基 板，73-金導線，74-印刷基板，75-電極，76-光纖，77-UV固化型樹脂，80-光通信模塊，81、 82-印刷基板，83-光纖，100-光收發裝置，101 103-印刷基板，104 106-副安裝基板， 107-發光元件，108-受光元件，109-光波導路徑，110-樹脂，111-片狀帶，11 112d_側 面，113-下面，114-印刷基板，115-副安裝基板，116-受光元件，123-頭戴顯示器，127-被 試驗者，125-控制裝置，126-光波導路徑，127-印刷基板，128-副安裝基板，129-光波導路 徑，130-行動電話，131-液晶顯示器，132-鍵盤，133-照相機模塊，134 135-印刷基板， 136-光波導路徑，137-副安裝基板，138-VCSEL，139-樹脂，140-光收發裝置，141-印刷基 板，142-副安裝基板，143-發光元件，144-光波導路徑，145-內側的樹脂層，146-中間的樹脂層，147-外側的樹脂層，148-導熱性填料。
具體實施例方式以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。圖4 圖6是表示本發明的光通信模塊的製造方法的一個實施方式的圖，圖4的 (a)是將發光元件和受光元件的一方(以下記為受光發光元件)安裝於側面的副安裝基板 的俯視圖，圖4的(b)是主視圖，圖4的(c)是側視圖，圖4的(d)是立體圖。圖5是作為 光波導路徑的一例示出光纖帶的截面圖，圖6是表示光通信模塊的製造方法的最終工序的 側視圖。本發明的製造方法，其特徵在於，按下述順序實施下述工序(1)在副安裝基板的 側面安裝發光元件、受光元件，並按照發光元件及受光元件的發光及受光方向與印刷基板 平行的方式將該副安裝基板安裝在印刷基板上的工序；( 對光波導路徑進行位置對準的 工序；C3)向光波導路徑端部及包括發光元件或受光元件的副安裝基板部分滴下樹脂液並 使該樹脂液固化的工序。首先，對上述工序(1)進行說明。將在副安裝基板的側面安裝有受光發光元件的 狀態示於圖4。圖4中，符號31是副安裝基板，32是受光發光元件(VCSEL或PD)，33是金 導線，34是底面電極，35是側面電極。在本發明的製造方法中，副安裝基板31兼具足夠的絕緣性和從安裝的受光發光 元件32發出的熱的散熱性，所以可以使用氮化鋁、氧化鋁等材料形成。另外，副安裝基板31在底面及側面具有電極圖形。底面電極34與印刷基板上的 規定電極焊盤焊接。側面電極35與受光發光元件32的陽極和陰極焊接。通常，受光發光元件32成為陽極、陰極中至少一方通過引線焊接與電極電連接的 結構。焊接後，金導線33露出，所以通常在引線焊接之後，迅速塗布密封劑，進行金導線 33的保護。在該時刻，優選不塗布用於保護導線的樹脂。另外，在將受光發光元件32固定 或導通固定在副安裝基板上時，可以使用導電膏等。導電膏的固定強度弱，通常需要利用保 護樹脂的模塑處理，但優選在該時刻不塗布保護用樹脂。當在副安裝基板的側面安裝了受光發光元件之後，按照使受光發光元件的發光及 受光方向與印刷基板平行的方式將該副安裝基板安裝在印刷基板上。圖6中示出受光發光 元件對該印刷基板的安裝狀態。如圖6所示，按照使VCSEL54的發光方向平行於印刷基板 56的方式將副安裝基板53安裝在印刷基板56上，所述副安裝基板53在側面安裝有作為發 光元件的VCSELM ；另外，按照使PD55的發光方向平行於印刷基板56的方式將副安裝基板 53安裝在印刷基板56上，所述副安裝基板53在側面安裝有作為受光元件的PD55。作為將副安裝基板運送到印刷基板上的機構，在工業上優選使用電子部件安裝用 的吸引式鑷子。為此，副安裝基板形狀優選上面平滑。在將副安裝基板安裝於印刷基板上 時，可以使用焊錫或導電膏。特別是在使用了導電膏的情況下，副安裝基板的固定強度不 足，所以通常需要利用保護樹脂進行的模塑處理，但優選在此時不塗布保護用樹脂。接著對( 進行說明。在本發明的製造方法中，作為光波導路徑，可以使用薄片型 光波導路徑或光纖型光波導路徑。特別是光纖型光波導路徑可以製作長的波導路徑，可以低價地獲得光波導路徑，所以是有利的。作為光纖型光波導路徑，可以使用石英玻璃光纖、 塑料光纖等。另外，還可以如下所示的聚合物包層光纖，該聚合物包層光纖雖是石英玻璃光 纖的一種，但使光傳導的纖芯由石英玻璃構成，纖芯周邊的包層部由聚合物形成。這些光纖 型光波導路徑也可以通過線纜化、帶化等一併安裝多根。圖5是作為上述光纖型光波導路徑的一例示出光纖帶的圖。該光纖帶41為排列 4根光纖型光波導路徑42並通過合成樹脂制的帶化材料43以帶狀一併覆蓋而構成的。例 如，在副安裝基板上安裝發光元件和受光元件，匹配發光部和受光部的距離將石英玻璃光 纖帶化，由此可以將雙向通信線安裝固定在一起。另外，通過帶化、線纜化，還可以使光波導 路徑的操作性、耐熱性、強度等提高。作為光波導路徑的位置對準的方法，可以是主動校準、被動校準的任意一種方法。 在工業上優選採用在副安裝基板及光波導路徑上設置位置對準用標記並用安裝機邊識別 圖像邊進行位置對準的方法。在使用光纖型光波導路徑的情況下，通過將光纖帶化，可以使 通過安裝機的吸引鑷子的操作性能提高。接著對C3)進行說明。在該工序(3)中，向光波導路徑端部及具有受光發光元件 的副安裝基板部分滴下樹脂液，並使其固化。由此，可以一併進行a)從受光發光元件出來的焊接導線的保護、b)受光發光元 件向副安裝基板上的安裝強度確保、c)光波導路徑的固定、d)副安裝基板向印刷基板的安 裝強度確保。作為這裡使用的樹脂，可以使用環氧系樹脂、丙烯酸系樹脂、矽酮系樹脂、聚醯亞 胺系、聚矽烷系等。固化方法有UV固化型、熱固化型、雙組分混合(化學反應)固化型、水 分反應固化型等。特別是，UV固化型樹脂的固化時間短，在固化過程難以出現光波導路徑 和受光發光元件的位置偏移，所以優選。在本發明中，通過使用固化後的折射率與光波導路徑的纖芯同值的樹脂，可以防 止菲涅耳反射，減少受光發光元件和光波導路徑的耦合損耗。例如，在使用石英玻璃光纖作 為光波導路徑的情況下，優選使用樹脂的固化後折射率為1. 40 1. 60的光纖。另外，通過 使用固化後的熱膨脹係數接近副安裝基板、光波導路徑、印刷基板的樹脂，可以實現穩定的 光傳輸特性。特別是通過使用熱膨脹係數接近印刷基板的樹脂，可以實現穩定的光傳輸特 性。另外，除了上述a) d)之外，也有使受光發光元件與空氣隔絕的效果，其結果，可以穩 定地傳輸光。圖6是例示工序(3)的實施方式的圖，圖中符號51是用於滴下樹脂液的分配器噴 嘴，52是聚合物包層光纖(光纖型光波導路徑)，53是副安裝基板，54是作為發光元件的 VCSEL, 55是作為受光元件的PD，56是印刷基板，57是UV固化型樹脂。在本例示中，在印刷 基板56上安裝有其側面安裝了 VCSELM的第一副安裝基板53和其側面安裝有PD55的第 二副安裝基板53，並使各自的發光方向或受光方向與印刷基板56平行，在VCSELM的發光 部和PD55的受光部，在使端部鄰接的狀態下配置聚合物包層光纖52，按照密封聚合物包層 光纖52的兩端和VCSELM及PD55的方式從分配器噴嘴51的前端滴下UV固化型樹脂57， 並使其固化。此外，在樹脂固化之後，按照使各自的發光方向或受光方向與印刷基板56平 行的方式，在印刷基板56上安裝VCSELM或PD55，製作用聚合物包層光纖52使它們之間進 行光學耦合的光通信模塊。
如此製作的光通信模塊，如圖6所示，其特徵在於，具有印刷基板56、在側面安裝 有作為發光元件的VCSEL53和作為受光元件的PD55的一方或雙方而成的副安裝基板53、和 設置在這些VCSEL53與PD55之間且可以與這些元件光耦合的光波導路徑(聚合物包層光 纖52)，這些VCSEL53與PD55藉助副安裝基板53，按照它們的發光及受光方向與印刷基板 56平行的方式，安裝在印刷基板56上，且副安裝基板53的VCSEL53與PD55、和與它們鄰接 的光波導路徑的端部，被UV固化型樹脂57覆蓋。該光通信模塊可以在與印刷基板56平行的方向發光及受光，可以實現光通信模 塊的矮化(薄型化)、小型化。接著，對本發明的光收發裝置的實施方式進行說明。圖11是表示本發明的光收發裝置的實施方式的圖，圖11的(a)是光收發裝置100 的俯視圖，(b)是主視圖。該圖中，符號100是光收發裝置，101 103是印刷基板，104 106是副安裝基板，107是發光元件，108是受光元件，109是光波導路徑，110是樹脂，111是 片狀帶。本實施方式的光收發裝置100，其特徵在於，具有印刷基板101 103、安裝有發 光元件107和受光元件108雙方的副安裝基板104、側面安裝有發光元件107的副安裝基 板105、側面安裝有受光元件108的副安裝基板106、和設置在上述發光元件107及受光元 件108之間且可以與這些元件光耦合的光波導路徑109 ；發光元件107和受光元件108，是 其應該與基板相接的面和進行發光或受光的面位於正反面、且在垂直於已安裝的基板的方 向上發光或受光的構造；發光元件107和受光元件108藉助副安裝基板104 106，按照使 它們的發光及受光方向成為不與印刷基板101 103垂直的方向的方式，安裝在各印刷基 板101 103上，且整個副安裝基板104 106和整個發光元件107及整個受光元件108、 和與它們相鄰的光波導路徑109的端部，被樹脂110 —並覆蓋。本實施方式的光收發裝置100如圖11所示，成為用兩根光纖型的光波導路徑109 連接分別安裝在三個印刷基板101 103上的受光發光元件之間的構造。如圖14的參考 例所示，存在下述結構的不同在印刷基板117上安裝在一個側面上安裝有發光元件119和 受光元件120雙方的副安裝基板118，用彎曲成U字形的光波導路徑121將這些受光發光元 件耦合，用樹脂122 —並覆蓋整個副安裝基板118和整個受光發光元件及光波導路徑121 的兩端部。發光元件107和受光元件108如圖1所示，其應該與支承基板(副安裝基板) 相接的面和進行發光或受光的面位於正反面，如果進行普通的安裝，則成為在垂直於基板 的方向上發光或受光的構造。作為具有這樣的構造的光源且能在伺服器等的高速通信設 備、汽車內光布線、行動電話等小型電子設備中應用光布線的光源，例如有面發光雷射器 (VCSEL)。具有上述結構的雷射器相對於受光發光方向高度低，與以往的LED相比，具有價 格低的特徵。另外，在元件結構上，發光閾值電流低，其結果，具有所謂耗電量低的特徵。在 上述的用途中，低價且低耗電的光源具有很大的優點。關於副安裝基板104 106的形狀，至少具有安裝在印刷基板101 103上的面、 和不與該面平行且安裝受光發光元件的面。如圖12所示，副安裝基板104 106的側面 11 112d是指形成副安裝基板104 106的形狀的面當中不與安裝在印刷基板上的面 113平行的所有面。具有如下所示的功能，即通過在副安裝基板104 106的側面11 上安裝上述的受光發光元件，使受光發光元件的受光發光方向為朝向與印刷基板101 103 垂直的方向以外的任意方向。在以往的光收發裝置中，為了相對於印刷基板在任意方向上受光發光，必須使用 反射鏡等光學部件變更光路。反射鏡等光路轉換構件價格高，所以不優選。另外，在光路轉 換部中，光的耦合效率因散射等而降低，所以是不利的。使用使進行發光或受光的面位於正 反面且當進行普通安裝時在垂直於基板的方向上發光或受光的構造的受光發光元件，能夠 在不垂直於上述印刷基板的任意方向進行受光發光的光收發裝置，可以減小光收發裝置和 光波導路徑的設置空間，這具有劃時代的意義。另外，在設置於可動部附近的情況下，可以 減小施加給光波導路徑的屈曲，從所謂光波導路徑的彎曲損耗、可靠性方面來看是有利的。副安裝基板104 106的材質，可以使用具有足夠電絕緣性的材料，例如可以使用 氮化鋁、氧化鋁。由於這些材料具有出色的導熱性，所以可以高效地對發光元件發出的熱進 行散熱。另外，副安裝基板104 106如圖4所示，在底面和側面具有電極圖形。底面電極 34與印刷基板101 103上的規定電極焊盤焊接。在側面電極35上，受光發光元件的陽極 和陰極被焊接(參照圖4)。通常，受光發光元件成為陽極、陰極當中的至少一方通過引線焊 接與電極電連接的構造。上述的受光發光元件雙方或一方被安裝在上述的副安裝基板104 106的側面， 該副安裝基板104 106安裝在印刷基板101 103上。其結果，受光發光元件的受光發 光方向成為與印刷基板101 103上面垂直的方向以外的方向。作為光波導路徑109，可以使用薄片型光波導路徑或光纖型光波導路徑等。特別是 光纖型光波導路徑可以製作長的波導路徑，可以低價獲得光波導路徑，所以是有利的。作為 光纖型光波導路徑，可以使用石英玻璃光纖、塑料光纖等。另外，還可以使用如下所示的聚 合物包層光纖，該聚合物包層光纖雖是石英玻璃光纖的一種，但使光傳導的纖芯由石英玻 璃構成，纖芯周邊的包層部由聚合物形成。這些光纖型光波導路徑也可以通過線纜化、帶化 等一併安裝多根。即便是圖11所示的例示，也是用片狀帶111 一併覆蓋多根光波導路徑109的在印 刷基板之間的部分並使其帶化。作為光波導路徑109的位置對準的方法，可以是主動校準、被動校準中的任一種 方法。在副安裝基板104 106及光波導路徑109上設置位置對準用標記並用安裝機邊進 行圖像識別邊進行位置對準的方法，在工業上是優選的方法。在使用光纖型光波導路徑的 情況下，通過將多根光纖帶化，可以使安裝機的吸引鑷子的操作性能提高。將副安裝基板104 106整體和整個發光元件107及整個受光元件108、和與它們 鄰接的上述光波導路徑109的端部一併覆蓋的樹脂110，可以使用環氧系樹脂、丙烯酸系樹 脂、矽酮系樹脂、聚醯亞胺系樹脂、聚矽烷系樹脂等。固化方法有UV固化型、熱固化型、雙組 分混合(化學反應)固化型、水分反應固化型等。特別是，UV固化型樹脂的固化時間短，在 固化過程難以出現光波導路徑109和受光發光元件的位置偏移，所以優選。所謂用樹脂110 覆蓋整體，如圖11所示，是指樹脂還與印刷基板101 103粘接的狀態。通過如此成為用 樹脂110—並覆蓋全部主要部分的構造，可以一併進行a)從受光發光元件出來的焊接導 線的保護、b)受光發光元件向副安裝基板上的安裝強度確保、c)光波導路徑的固定、d)副安裝基板向印刷基板的安裝強度確保。由此，可以實現低價、矮化，且能夠確保高可靠性。通過使用固化後的折射率與光波導路徑109的纖芯同值的樹脂110，可以防止菲 涅耳反射，減少受光發光元件和光波導路徑109的耦合損耗。例如，在使用石英玻璃光纖作 為光波導路徑109的情況下，優選使用樹脂110的固化後折射率為1. 40 1. 60的材料。 另外，通過使用固化後的熱膨脹係數接近副安裝基板104 106、光波導路徑109、印刷基板 101 103的樹脂110，可以實現穩定的光傳輸特性。特別是通過使用熱膨脹係數接近印刷 基板的樹脂，可以實現穩定的光傳輸特性。另外，除了上述a) d)之外，也有使受光發光 元件與空氣隔絕的效果，其結果，可以進行穩定的光傳輸。樹脂110向規定的位置滴下，並使其固化。為了滴下可以使用分配器等。該光收發裝置100構成為在與印刷基板101 103垂直的方向以外的任意方向上 可以受光發光的裝置，但關於該角度，參照圖12及圖13預先進行定義。在圖12及圖13中， 將與印刷基板114平行的方向即安裝在印刷基板114上的副安裝基板115的下面113設為 0°，將安裝受光發光元件116的側面11 112d作為正側，印刷基板114的下面114和 受光發光方向所成的受光發光角度θ可以表示成-90° 90°。這裡，θ =-90°及90° 是指垂直於印刷基板114的方向。在受光發光角度θ為與印刷基板114平行的情況下(θ =0° )，光收發裝置整 體的高度變得最低。適於行動電話、筆記本PC等薄型行動裝置內部的光布線。圖11是受 光發光角度θ為0°時的圖像。作為光波導路徑109的例示而舉出的聚合物包層光纖，是由纖芯、包層結構形成 的光纖型光波導路徑，纖芯部由石英玻璃構成，包層部由聚合物材料構成。該聚合物包層光 纖由於纖芯部是石英玻璃，所以示出高傳輸特性。由於包層部由聚合物材料構成，即構成光 纖的玻璃部分的直徑小，所以能以更小的曲率使光纖彎曲。另外，作為光波導路徑109，也可以使用聚合物波導管。該聚合物波導管是由纖芯、 包層構造形成的光波導路徑，纖芯和包層均由聚合物材料構成。在製法上，波導路徑截面形 狀為矩形，成為帶狀的形狀。具有可撓性，容易處理、固定。在該光收發裝置100中，樹脂110不限於單層結構，也可以是層疊有2層或3層以 上的樹脂層的構造。進而，在由多層樹脂層構成樹脂層110的情況下，還可以在最外側的樹脂層中混 合導熱性填料。通過如此在外側的樹脂層中混合導熱性填料，將從受光元件或發光元件發 出的熱向外部釋放的效果增強。其結果，由受光發光元件的發熱引起的內側的樹脂層的溫 度變化減小，可以解決所謂光軸錯位、受光元件或發光元件的破損的問題。對該導熱性填料 的材料、形狀沒有特別限制，例如可以使用碳填料等。此時，內側的樹脂層由相對於通信光 透明的樹脂構成。對該透明樹脂的材質沒有特別限制，但可以使用環氧樹脂、丙烯酸樹脂 等。其內側的樹脂層具有進行受光元件或發光元件與光波導路徑的位置對準並固定的功 能，所以以固化時間短為好。如果固化時間長，則有可能在固化過程中發生光軸錯位。另外，可以是樹脂110為三層樹脂層且使內側的樹脂層的折射率高於中間的樹脂 層的結構。通過成為該構造，由內側的樹脂層和中間的樹脂層構成纖芯、包層構造，提高受 光元件或發光元件與光波導路徑的耦合效率。另外，通過在外側的樹脂層中混合上述的導 熱性填料，提高從受光元件或發光元件產生的熱向外部釋放的效果，由受光發光元件的發熱引起的內側的樹脂層及中間的樹脂層的溫度變化減小。此時，中間的樹脂層與內側的樹脂層一樣由相對於通信光透明的樹脂構成。對透 明樹脂的材質沒有特別限制，但可以使用環氧樹脂、丙烯酸樹脂等。另外，樹脂110也可以是三層樹脂層且在內側的樹脂層(及中間的樹脂層)中混 合透明性填料的構成。通過內側的樹脂層(及中間的樹脂層)的透明性填料，受光元件或 發光元件和光波導路徑端的焊接部的線膨脹係數降低，可以有效地解決所謂光軸錯位、受 光發光元件的破損的問題。此時，當然優選在內側的樹脂層所使用的透明性填料的折射率與在內側的樹脂層 所使用的樹脂的折射率相同或幾乎相同。如果兩者的折射率差增大，則散射變得顯著，通 信光的損耗增大，所以不優選。對該透明性填料的材質沒有特別的限制。在用於通信的波 長為可見光 近紅外光的情況下，可以使用石英玻璃光纖。透明性填料的形狀為針狀、粒狀 等，沒有特別限制，但如在特開2006-257353號公報中公開的那樣，優選為球狀，且粒徑避 開為波長的數分之一至波長數倍為止的容易引起米氏散射的區域，由此可以抑制通信光的 散射。即便在中間的樹脂層中使用透明性填料的情況下，也與內側的樹脂層的情況一 樣，優選使用折射率與在中間的樹脂層中使用的樹脂的折射率接近的透明性填料。將樹脂110設置多層的情況下，優選至少完全覆蓋整個受光發光元件和整個副安 裝基板和光波導路徑端部而設置內側的樹脂層。由此，可以實現受光元件或發光元件與光 波導路徑的耦合強度的提高、副安裝基板向印刷基板的安裝強度的提高，可以提高可靠性。 進而，當在內側的樹脂層中混合有透明性填料時，內側的樹脂層的線膨脹係數降低，所以溫 度變化增強，可以進一步提高可靠性。實施例1製作圖4所示的副安裝基板。副安裝基板的材質為氮化鋁。副安裝基板上的電極 材料，考慮到與安裝受光發光元件時的金導線的連接強度，使其為金錫合金。如圖4所示，將受光發光元件安裝到副安裝基板上。該安裝通過導電性銀膏和金 導線進行。發光元件使用發光中心波長為850nm的VCSEL，受光元件使用PD。接著，將側面安裝有受光發光元件的副安裝基板安裝在印刷基板上。副安裝基板 的運送通過真空鑷子進行，使用導電性銀膏焊接在印刷基板的電極焊盤上。接著，進行光波導路徑的位置對準和固定。光波導路徑使用由石英玻璃形成的纖 芯直徑為50 μ m的聚合物包層光纖。該聚合物包層光纖的包層使用含氟聚合物。位置對準 是使VCSEL和PD實際地工作並利用主動校準法進行。接著，向光波導路徑端部和副安裝基板部分滴下樹脂，並使其固化。樹脂使用固化 後的折射率為1. 45的UV固化型樹脂。如圖6所示，使用空氣分配器(air dispenser)滴 下適量，以使光波導路徑端部、VCSEL、PD、副安裝基板被固定。在滴下後，照射UV光，使其固 化，製作光通信模塊。使用已製作的光通信模塊，進行傳輸實驗，結果在VCSEL驅動速度為IGHz下，驅動 4小時，可以實現無差錯。實施例2使用實際上按照本發明的製造方法製作的光通信模塊，進行影像傳輸實驗。
作為發光元件，使用發光波長為850nm且截止頻率為2. 5GHz的面發光型雷射器 (VCSEL)。VCSEL使用市面銷售產品，如圖1所示，選擇的類型是利用引線焊接使陽極與電極 結合且使用導電膏使陰極與電極結合的類型的元件。作為受光元件，使用截止頻率為2. 5GHz的GaAs光電二極體(PD)。PD使用市面銷 售產品，與VCSEL —樣選擇形狀為利用引線焊接使陽極導電且利用導電膏使陰極導電的元 件。副安裝基板使用與實施例1中記載的副安裝基板相同的基板。對副安裝基板使用 導電性銀膏和金導線，安裝VCSEL和PD。接著，對側面安裝有VCSEL和PD的副安裝基板進行安裝。副安裝基板的運送通過 真空鑷子進行，使用導電性銀膏焊接在印刷基板的電極焊盤上。圖7是將側面安裝有VCSEL的副安裝基板安裝於印刷基板上的構件的焊接部分的 放大圖。在該圖7中，符號61表示VCSEL，62表示副安裝基板，63表示金導線，64表示印刷 基板，65表示電極。如在前述的實施方式的說明所示，在該時刻，不塗布對與VCSEL結合的 金導線進行保護的樹脂、使VCSEL和副安裝基板的焊接強度提高之類的模塑樹脂、使副安 裝基板和印刷基板的焊接強度提高之類的模塑樹脂。接著，對光波導路徑和VCSEL及PD進行位置對準並進行固定。作為光波導路徑，使用市售的多模石英玻璃光纖。該玻璃光纖的光傳播纖芯直徑 為 50 μ m0位置對準是使VCSEL和PD實際地工作並利用主動校準法進行的。在進行了位置 對準之後，向光纖和VCSEL及PD的結合部滴下適量的固化後的折射率為1. 45的UV固化型 樹脂，照射波長為365nm的紫外光使其固化。UV固化型樹脂使用市售的樹脂。樹脂的滴下 與實施例1 一樣使用空氣分配器(air dispenser)進行。圖9是UV樹脂固化後的PD和光纖的耦合部的放大圖。圖9中，符號71表示PD， 72表示副安裝基板，73表示金導線，74表示印刷基板，75表示電極(印刷基板)，76表示光 纖，77表示UV固化型樹脂。如在前述的實施方式的說明所示，在通過固定光纖和PD的UV的固化型樹脂，可以 實現與PD耦合的金導線的保護、PD與副安裝基板的焊接強度的提高、副安裝基板與印刷基 板的焊接強度的提高。將如此製作的光通信模塊整體的結構示於圖10。圖10中，符號80表示在本實施 例中製作的光通信模塊，81表示藉助副安裝基板安裝有VCSEL或PD的一方的印刷基板，82 表示藉助副安裝基板安裝有VCSEL或PD的一方的印刷基板，83表示以能光耦合的方式連接 雙方的印刷基板的VCSEL和PD的光纖。使用該光通信模塊進行傳輸實驗。使用市售的數字數據分析器，進行VCSEL-光 纖-PD之間的光信號傳輸中的比特差錯率的測定，結果在驅動速度2. 5GHz下，驅動4小時， 可以實現無差錯。另外，使用市售的取樣示波器，進行網眼圖形的測定。圖10表示測得的網眼圖形。 根據圖10所示的網眼圖形，可以確認該光通信模塊獲得足夠的開口。另外，使用該光通信模塊，進行圖像信號的傳輸實驗。對從CCD照相機輸出的模擬 信號進行數字轉換，進而進行串行化，然後以LVDS方式進行傳輸。模擬轉換、串行化、LVDS對應信號轉換，使用市售的通信用板進行。能夠實時地傳輸實驗的結果、CCD照相機的影像， 將其顯示於顯示器上。實施例3在頭戴顯示器123和其控制裝置125之間應用光收發裝置。將簡要構成示於圖 15。本裝置是被試驗者IM戴在頭部的護目鏡型的頭戴顯示器123，成為與單耳的外周匹配 並固定的形式，從戴在耳朵上的部分的後方取出光波導路徑126。為了提高對耳朵的匹配 感，另外出於外觀設計性的問題，光波導路徑126的取出部如圖16所示，具備設置在頭戴 顯示器123的後端部的印刷基板127、在該印刷基板127上安裝的副安裝基板128、在該副 安裝基板128的側面安裝的受光發光元件、以能光耦合的方式與該元件連接的光波導路徑 129。由於該頭戴顯示器123是小型的，光發送裝置的印刷基板127被收納於圖16所示的 位置。因此，光波導路徑1 與光發送裝置基板不是水平的，而是成規定角度。利用本實驗 例的實驗機，成約50°的角度。作為這裡應用的光發送裝置，準備相對於印刷基板127射出 角度為50°的光發送裝置，搭載於頭戴顯示器實驗機上，進行傳輸實驗。作為比較，也準備 射出角度為0°的光發送裝置，進行評價。首先，在將光發送裝置搭載於頭戴顯示器123的狀態下，進行傳輸實驗。使用市售 的數字數據分析器，進行VCSEL-光纖-PD之間的光信號傳輸中的比特差錯率的測定，結果 在驅動速度1. 5GHz下，驅動4小時，可以實現無差錯。另外，使用市售的取樣示波器，進行 網眼圖形的測定。結果可以確認獲得了足夠的開口。為了進行比較，即便是射出角度為0°的光發送裝置也進行相同的實驗，結果在使 頭戴顯示器123靜止的狀態下，實現了無差錯，但實際上是戴在被試驗者124的耳朵上，當 試驗者步行時，結果網眼圖形有較大紊亂，無法實現穩定的傳輸。在搭載有射出角度(受光 發光角度Θ)為0°的光發送裝置的情況下，由頭戴顯示器123的光波導路徑1 取出部向 光纖施加過度的力，可靠性降低。實施例4在行動電話130內的布線中應用了光收發裝置。將簡要構成示於圖17。圖中，符 號130是行動電話，131是液晶顯示器，132是鍵盤，133是照相機模塊，134和135是印刷基 板，136是光波導路徑。在以行動電話為代表的薄型電子設備中，安裝在印刷基板上的部件的高度必須為 Imm以下，期待進一步的矮化。為了應對該要求，通過應用受光發光角度為0°的光發送裝 置和光接收裝置，含有受光發光元件、光波導路徑、固定樹脂，可以實現自印刷基板的高度 為0.7mm的光收發裝置。將裝置構成示於圖18的(a)。在圖18的(a)中，符號135 (134) 是印刷基板，136是光波導路徑，137是副安裝基板，138是作為發光元件的VCSEL，139是將 它們一併覆蓋的樹脂。另夕卜，圖18的(a)中的各部尺寸a f如下所示。a = 0. 70mm、b = 0. 50mm,c = 0. 30mm, d = 0. 25mm, e = 0. 10mm、f = 0. 25mm。作為光波導路徑 136，使用了外徑為 80 μ m 的石英玻璃光纖。該石英玻璃光纖的外側塗敷有UV固化聚氨酯樹脂，外徑為125 μ m。另 外，作為樹脂139，使用UV固化型環氧樹脂。副安裝基板137使用液晶聚合物並利用注塑成形法來製作。關於受光發光元件向 副安裝基板137的安裝、及副安裝基板137向印刷基板134、135的安裝、及光波導路徑136向印刷基板134、135的安裝，使用安裝電子設備的自動機(安裝機)進行。由於有注塑成形 品的尺寸誤差、及利用自動機的安裝位置精度誤差，所以即便製作受光發光角度θ =0° 的光收發裝置，也會對應於安裝機的能力產生誤差。在此次的實驗中，為了研究針對製造誤 差的容許值，故意製作在-3° 3°的範圍內傾斜的樣品。另外，除了射出角度偏移、受光角度偏移之外，如圖18的(b)所示，為了也能夠假 設發生光纖角度偏移，還製作在-3° 3°的範圍內具有光纖角度偏移的樣品。需要說明 的是，光纖偏移角度被定義成光纖的中心線與印刷基板上面所成的角度。如果從圖18的(a)的各部尺寸a f來考察，可知即便射出角度偏移數度，也能 夠實現很大的矮化。另外，嘗試用已偏移的光收發裝置進行傳輸實驗，結果與沒有偏移的裝 置相比，可以毫不遜色地實現足夠穩定的傳輸特性。例如，在圖18的(b)所示的光纖偏移 中，當光纖偏移角度為5°時，高度增加量g為0. 03mm以下，稍微增加即可。圖19是表示認為在圖18的(a)所示的光收發裝置中發生的角度偏移的圖形的 圖，圖19的(a)是沒有角度偏移的光收發裝置的主要部分主視圖，(b)是表示射出角度偏 移的狀態的主要部分主視圖，(c)是表示光纖角度偏移的狀態的主要部分主視圖。需要說 明的是，在圖19的(b)中，例示安裝有VCSEL時的射出角度偏移，但安裝有PD等受光元件 時的受光角度偏移也是一樣的。發生該射出/受光角度偏移的主要原因在於，有將副安裝基板137安裝在印刷基 板135(134)上時的偏移、以及將受光發光元件安裝在副安裝基板137上時的偏移。圖19 的(b)是前者的偏移。對於本發明的光收發裝置，也包括圖19的(b)、圖19的(c)那樣的角度偏移，可知 如果數度的角度偏移，在實際應用上可以實現足夠的光收發功能。受光發光元件和光波導 路徑端被折射率已得到控制的樹脂一併固定，所以即便是比較粗略的光軸校準，也可以提 高受光發光元件和光波導路徑的耦合效率，另外，可以認為是相對於來自外部的物理應力， 其耦合效率的變化小的緣故。因此，在製造本發明的光收發裝置時，即便有數度的偏移，認 為實質上是相同的模塊。實施例5如圖20所示，製作結構如下所示的光收發裝置140，所述光收發裝置140在印刷基 板141上安裝副安裝基板142，所述副安裝基板142在側面安裝有發光元件143或受光元 件，使發光元件143與光纖型的光波導路徑144的一端耦合，用內側的樹脂層145、中間的 樹脂層146、混合有導熱性填料148的外側的樹脂層147這三層樹脂層，覆蓋整個發光元件 143和整個副安裝基板142、及光波導路徑144的端部。作為發光元件143，使用發光中心波長為850nm的VCSEL。內側的樹脂層145使用 固化後的折射率為1. 457且混合有折射率已被調整的石英玻璃填料10質量％的紫外線固 化型環氧樹脂。中間的樹脂層146使用固化後的折射率為1. 452且混合有折射率已被調整 的石英玻璃填料10質量％的紫外線固化型環氧樹脂。外側的樹脂層147使用混合有碳填 料10質量％作為導熱性填料148的紫外線固化型環氧樹脂。光波導路徑144使用石英玻 璃制光纖。為了進行比較，還製作內側、中間外側的各樹脂層使用不含填料的環氧樹脂的樣品。
對已製作的樣品進行熱循環試驗。試驗是邊以發光功率0. 3mW使VCSEL發光邊進 行。以圖21所示的圖表為1個循環，進行500次循環的處理，用光學顯微鏡觀察處理後的 樣品的VCSEL和樹脂層和光纖的焊接部。在為了進行比較而製作的樣品(無填料)中，見到少數在VCSEL和樹脂的焊接部、 及光纖和樹脂的焊接部發生剝脫的樣品。在樹脂層中添加了填料的樣品中，幾乎未見有焊 接部剝脫。其結果，可知在樹脂層中添加了填料的樣品具有強熱循環性。需要說明的是，在實施例5中，使用市售的填料作為石英玻璃。在用市售的石英玻 璃填料難以調整折射率的情況下，可以使用氣相合成法合成石英玻璃填料而使用。作為原 料，例如可以使用四氯化矽。將四氯化矽的蒸氣與氬氣、氮氣等運載氣體、氧氣混合，運送至 合成室，加熱至800°C 1500°C左右，由此可以得到球狀的石英玻璃填料。為了調整石英玻 璃填料的折射率，例如將四氯化鍺、三氯化鋁等的蒸氣與四氯化矽的蒸氣混合，進行合成即 可。通過將鍺、鋁等元素添加到適應玻璃中，可以使石英玻璃的折射率升高。對應於添加的 分量，可以調整折射率上升量。工業上的可利用性根據本發明的光通信模塊的製造方法，可以高效且低價生產薄型且小型的光通信 模塊。
權利要求
1.一種光收發裝置，其中，具有印刷基板；在側面安裝發光元件和受光元件的一方或 雙方而成的副安裝基板；和設置在所述發光元件及受光元件之間且可以與這些元件光耦合 的光波導路徑，所述發光元件和所述受光元件，具有使其正面是進行發光或受光的面，背面是應與所 述副安裝基板相接的面，且發光或受光方向垂直於所安裝的所述副安裝基板的構造，所述發光元件和所述受光元件藉助所述副安裝基板，按照使它們的發光及受光方向成 為不與所述印刷基板垂直的方向的方式，安裝在所述印刷基板上，且整個所述副安裝基板、 整個發光元件及整個受光元件和與它們相鄰的所述光波導路徑的端部，被樹脂一併覆蓋。
2.根據權利要求1所述的光收發裝置，其中，所述樹脂還覆蓋所述印刷基板的一部分。
3.根據權利要求1或2所述的光收發裝置，其中，用於使所述發光元件及受光元件通電的焊接導線被所述樹脂一併覆蓋。
4.根據權利要求1 3中任意一項所述的光收發裝置，其中，所述光波導路徑是從石英玻璃光纖、聚合物包層光纖、塑料光纖、聚合物波導管中選擇 的1種或2種以上。
5.根據權利要求1 4中任意一項所述的光收發裝置，其中，所述光波導路徑為石英玻璃光纖，一併覆蓋的樹脂的固化後的折射率在1. 40 1. 60 的範圍內。
6.根據權利要求1 5中任意一項所述的光收發裝置，其中，所述發光元件和受光元件的受光發光方向與所述印刷基板平行。
7.根據權利要求1 6中任意一項所述的光收發裝置，其中，所述樹脂為2層或3層以上。
8.根據權利要求7所述的光收發裝置，其中，在2層或3層以上的樹脂的最外側的樹脂層中混合有導熱性填料。
全文摘要
本發明提供一種光收發裝置，具有印刷基板；在側面安裝發光元件和受光元件的一方或雙方而成的副安裝基板；和設置在上述發光元件及受光元件之間且可以與這些元件光耦合的光波導路徑，上述發光元件和上述受光元件，具有使其正面是進行發光或受光的面，背面是應與上述副安裝基板相接的面，且發光或受光方向垂直於所安裝的上述副安裝基板的構造，上述發光元件和上述受光元件藉助上述副安裝基板，按照使它們的發光及受光方向成為不與上述印刷基板垂直的方向的方式，安裝在上述印刷基板上，且整個上述副安裝基板、整個發光元件及整個受光元件和與它們相鄰的上述光波導路徑的端部，被樹脂一併覆蓋。
文檔編號G02B6/42GK102109646SQ201110046830
公開日2011年6月29日 申請日期2008年2月22日 優先權日2007年5月14日
發明者大橋正和, 寺田佳弘, 市井健太郎, 畔上幸士 申請人:株式會社藤倉