專利名稱：制造光學(xué)組件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造光學(xué)組件的方法，所述光學(xué)組件具有金屬帽封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件或半導(dǎo)體光檢測器件，和一個透鏡，上述兩者借助于合成樹脂外殼被保持相互對準(zhǔn)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種制造這種光學(xué)組件的方法，其中通過兩個固定步驟裝配半導(dǎo)體發(fā)光器件或半導(dǎo)體光檢測器件和殼體，即基于對第一熱固樹脂進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱的暫時固定步驟和基于對第二熱固樹脂進(jìn)行大氣加熱的最終固定步驟。
光學(xué)組件是一種光學(xué)裝置，其包括半導(dǎo)體器件，例如半導(dǎo)體發(fā)光器件如激光二極管或半導(dǎo)體光檢測器件如光二極管，和一個透鏡，上述兩者被保持互相對準(zhǔn)。這種光學(xué)組件被用于例如光通信領(lǐng)域內(nèi)。例如，用于數(shù)據(jù)通信的計算機(jī)具有一對光學(xué)組件，即半導(dǎo)體發(fā)光器件和半導(dǎo)體光檢測器件，它們被安裝在板上。具體地說，這些光學(xué)組件包括半導(dǎo)體器件，透鏡和殼體，所述殼體用于保持半導(dǎo)體器件和透鏡，并保持用于和光學(xué)組件連接的光學(xué)插頭的連接器。當(dāng)光學(xué)插頭和光學(xué)組件相連時，半導(dǎo)體器件和連接器中的光纖借助于透鏡彼此以光學(xué)方式相連。
被設(shè)置在光學(xué)組件中的透鏡大部分是球面鏡，因為其可以僅僅通過機(jī)械處理便可以制成高的尺寸精度，成本低，并且容易裝配，因為它沒有方向性，因而在安裝時不需要方位調(diào)整。其它在光學(xué)組件中使用的透鏡包括非球面鏡和梯度折射率棒形透鏡。這些透鏡一般通過粘結(jié)或熔融處理被固定地裝配在各自的殼體中。按照粘結(jié)處理，透鏡被置入殼體中的透鏡安裝腔體中并被定位，此后利用黏合劑或合成樹脂涂覆，然后被熱固，以便確保透鏡被固定。按照熔融處理，在透鏡被置入透鏡安裝腔體之后，圍繞透鏡放置低熔點(diǎn)的玻璃環(huán)，然后利用加熱熔化，從而使透鏡固定。
迄今為止，保持半導(dǎo)體器件和透鏡的殼體在大多數(shù)應(yīng)用中是金屬殼體。不過，近來利用合成樹脂模制的殼體被廣泛地使用，因為它們可以容易地被制造，可以牢固地固定透鏡，并可以被廉價地制造。例如，這些模制的殼體可以安裝按照插入模制處理而裝配的內(nèi)裝透鏡，或者可以利用多個齒支撐透鏡。半導(dǎo)體器件大部分呈由包括金屬帽的外殼密封的半導(dǎo)體元件的形式。
一般地說，具有內(nèi)裝透鏡的金屬帽外殼結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件被這樣固定在合成樹脂的殼體中沿著殼體的端部，在外殼的管座的外圓周面上涂覆熱固樹脂例如環(huán)氧樹脂，然后在加熱的大氣中或室溫下使樹脂熱固。
按照上述的裝配處理，在管座上涂覆熱固樹脂的同時，透鏡和半導(dǎo)體器件需要利用夾具被保持在各自的位置以便得到精確地光軸對準(zhǔn)，直到被涂覆的熱固樹脂被完全地?zé)峁獭Ｒ驗樵谕扛驳臒峁虡渲煌耆珶峁讨靶枰獛资昼?，所以裝配過程的效率極低。如果殼體利用金屬制造，則半導(dǎo)體器件可以通過焊接處理被高效、快速且牢固地固定在殼體上。然而，這種焊接處理不能應(yīng)用于模制的殼體。
一種可能的解決辦法是利用可用紫外線固化的黏合劑把半導(dǎo)體器件快速地粘結(jié)在殼體上。不過，可用紫外線固化的黏合劑的缺點(diǎn)在于，其不能提供足夠高的粘結(jié)強(qiáng)度，由于黏合劑在殼體的內(nèi)壁上流動而剩下未固化的層，并具有相當(dāng)?shù)偷目固鞖饽芰Α?br> 本發(fā)明的目的在于，通過以高的精度和效率，以足夠高的能夠抵抗各種氣候條件的粘結(jié)強(qiáng)度，裝配金屬帽封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件和合成樹脂的殼體，提供一種制造光學(xué)組件的方法。
按照本發(fā)明，提供一種制造光學(xué)組件的方法，所述光學(xué)組件具有在其中包括透鏡的由合成樹脂制成的殼體和具有金屬帽封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其和透鏡保持光軸對準(zhǔn)，所述方法包括以下步驟對殼體的端部和半導(dǎo)體器件的管座的要被連接的表面以多個分開的點(diǎn)涂覆第一熱固樹脂，保持所述透鏡和半導(dǎo)體器件使其處于彼此光軸對準(zhǔn)狀態(tài)，對圍繞管座延伸的線圈施加高頻電流，以便加熱管座，按照高頻感應(yīng)加熱使第一熱固樹脂熱固，在沿著殼體的端部的管座的外圓周面上以圓形圖案涂覆第二熱固樹脂，并按照大氣加熱熱固第二熱固樹脂。
按照本發(fā)明，還提供一種制造光學(xué)組件的方法，所述光學(xué)組件具有其中包括透鏡的由合成樹脂制成的殼體，所述殼體還保持光學(xué)插頭的連接器和金屬帽封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件被保持和所述透鏡以及連接器呈光軸對準(zhǔn)狀態(tài)，所述方法包括以下步驟在要被連接的半導(dǎo)體器件的管座的表面和殼體的端部，以多個分開的點(diǎn)涂覆第一熱固樹脂，保持透鏡、連接器和半導(dǎo)體器件彼此呈光軸對準(zhǔn)狀態(tài)，對在管座周圍延伸的線圈施加高頻電流，從而加熱管座，以便按照高頻感應(yīng)加熱熱固第一熱固樹脂，沿著殼體的端部在管座的外圓周表面上以圓形圖案涂覆第二熱固樹脂，以及按照大氣加熱熱固第二熱固樹脂。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知，當(dāng)對線圈施加高頻電流時，由在線圈中流動的高頻電流對由線圈包圍的金屬材料作感應(yīng)加熱。這種高頻非接觸加熱的原理例如被應(yīng)用于高頻感應(yīng)加熱爐。按照本發(fā)明，高頻感應(yīng)加熱被用于熱固暫時粘結(jié)半導(dǎo)體器件的管座和殼體的黏合劑。迄今為止，用于熱固黏合劑的加熱器需要被設(shè)置在用于保持透鏡和半導(dǎo)體器件相互光軸對準(zhǔn)的裝置中，這對用于制造光學(xué)組件的設(shè)備構(gòu)成了極大的限制。因為按照本發(fā)明的高頻感應(yīng)加熱是非接觸感應(yīng)加熱，所以用于制造光學(xué)組件的包括加熱器在內(nèi)的設(shè)備的體積可以相當(dāng)小。適用于高頻感應(yīng)加熱的黏合劑應(yīng)當(dāng)滿足的要求是快的硬化能力、在隨后步驟中的剝落保護(hù)、容易處理以及足夠的黏度，并且最好是例如具有3kcps黏度的兩部分環(huán)氧樹脂。
在半導(dǎo)體器件和殼體被相互暫時粘結(jié)之后，不用保持夾它們便可以保持連接在光軸對準(zhǔn)狀態(tài)。此后，半導(dǎo)體器件和殼體按照固化粘結(jié)處理使用兩部分環(huán)氧樹脂被最終相互連接，所述環(huán)氧樹脂的黏度范圍例如是40-50kcps，通過在相當(dāng)長的一段時間進(jìn)行大氣加熱對其進(jìn)行熱固。
本發(fā)明的上述的和其它的目的優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)說明可以更加清楚地看出。


圖1是說明按照本發(fā)明用于制造光學(xué)組件的方法的截面圖；圖2是一個正視圖，用于說明為了暫時固定半導(dǎo)體器件在合成樹脂制成的殼體上涂覆第一熱固樹脂的方式；圖3A和圖3B分別是一個平面圖和正視圖，用于說明按照本發(fā)明的方法的暫時固定步驟；以及圖4是側(cè)視圖，用于說明按照本發(fā)明的方法的最終固定步驟。
圖1說明按照本發(fā)明的制造光學(xué)組件的方法。
如圖1所示，由合成樹脂制成的殼體12具有被包括在其中的球面鏡10，并保持著從和光學(xué)組件相連的光學(xué)元件延伸的光學(xué)插頭的管座(未示出)，激光二極管(半導(dǎo)體器件)14被固定于殼體12，其包括由具有金屬帽的外殼密封的半導(dǎo)體元件。當(dāng)光學(xué)插頭和殼體12相連時，激光二極管14和管座的光纖被相對地固定，以便得到光軸對準(zhǔn)，使得激光二極管14和光纖通過透鏡10以光學(xué)方式彼此相連。
殼體12是一種基本上呈圓柱形的整體模制的部件。殼體12具有一個大直徑的端部12a，用于在其上支撐激光二極管14，一個內(nèi)中心部分，在其中容納球形透鏡10，以及一個較小直徑的插孔16，其從遠(yuǎn)離端部12a的內(nèi)中心部分延伸。插孔16具有在其中沿軸向限定的孔18，用于接收光學(xué)插頭的連接器。
殼體12的內(nèi)中心部分包括多個以一定角度分開的齒20，其圍繞殼體12的中心軸線設(shè)置，并具有向激光二極管14伸出的末端。齒20具有沿徑向向內(nèi)伸出的末端部分，和球形透鏡10呈夾持關(guān)系，球形透鏡10被保持在由齒20共同限定的透鏡安裝腔體中。在所示的實(shí)施例中，具有3個齒20，它們沿相等的角度間隔按一定角度被分開，如圖2所示。殼體12的內(nèi)中心部分還具有在其中限定的較小直徑的軸向孔22，其在齒20的內(nèi)部近端從透鏡安裝腔體沿離開球形透鏡10的方向延伸，還具有在其中限定的較大直徑的軸向孔24，其從較小直徑的軸向孔22向孔18的內(nèi)端連續(xù)地延伸?？?2，24和18具有和殼體12的光軸保持對準(zhǔn)的各自的軸線，它們共同作為光束的通路。
齒20和殼體12的其余部分相互成整體地經(jīng)注入模制而成。具體地說，齒20的伸出的末端部分可以通過插入殼體12的模型中心部位的芯銷制成，芯銷在其球形的末端部分的近端具有一個狹窄的區(qū)域。在合成樹脂被注入模型之后，立即用力把芯子拉出模型，這樣便留下齒20的伸出的末端部分。
在實(shí)驗中，殼體12由一種低的各向異性的液晶聚合物模制而成，其中散布有大約50％重量的平均顆粒直徑大約為20μm的玻璃珠。液晶聚合物本身具有高的各向異性，即在其被注入的方向，它們具有基本上為0的線性膨脹系數(shù)，而在和注入方向垂直的方向則具有大約8×10-5/℃的線性膨脹系數(shù)。不過，通過在其中散布合適數(shù)量的玻璃珠可以減少液晶聚合物的各向異性。具體地說，其中散布有玻璃珠的液晶聚合物在注入方向以及在和注入方向垂直的方向具有大約為2×10-5/℃的線性膨脹系數(shù)。利用這種低的各向異性的液晶聚合物模制的殼體12，在光學(xué)組件實(shí)際使用的從-20℃到+75℃的溫度范圍，可以把插頭16的2.5mm的內(nèi)徑的任何變化減少到0.005mm。
球形透鏡10按下述方式被牢固地安裝在殼體12中殼體12被支撐使其處于面向上的位置，球形透鏡10被放置在齒20的末端上。然后，利用桿狀加壓器(未示出)把球形透鏡10壓入齒20當(dāng)中的透鏡安裝腔體中。當(dāng)球形透鏡10被壓入透鏡安裝腔體時，在其合成樹脂的彈性下齒20沿徑向向外彎曲。球形透鏡10當(dāng)其被壓入透鏡安裝腔體時，最終被保持在位于透鏡安裝腔體的底部的透鏡座上，并被固定在透鏡座上，隨后，齒20沿徑向向內(nèi)彈回，并恢復(fù)其原始形狀。在齒20的恢復(fù)力下，球形透鏡10被抓住，并被牢固地固定。
然后，激光二極管14被安裝在具有按上述方式安裝在其中的殼體12上。具體地說，激光二極管14的金屬帽被插入殼體12中，并通過使管座26被保持在端部12a上使殼體12和激光二極管14對準(zhǔn)。然后，激光二極管14通過兩個固定步驟，即，通過高頻感應(yīng)加熱進(jìn)行暫時固定和通過大氣加熱進(jìn)行最終固定，被聯(lián)結(jié)在殼體12上。
暫時固定步驟按以下進(jìn)行如圖2所示，在殼體12的端部12a上，利用分配器將第一熱固樹脂(黏合劑)30涂覆成4個點(diǎn)，其每個點(diǎn)具有1mm或更小的直徑和所需的厚度，其間的角度間隔相等。第一熱固樹脂30包括2成分或2部分環(huán)氧樹脂，其黏度為3kcps/Tg＝124℃。然后，激光二極管14的管座26被連接到殼體12上，并如圖3A和3B所示，以和管座分開的位置關(guān)系，在管座26的周圍放置一個線圈12，即一匝的金屬板。在殼體12和激光二極管14被固定使其光軸對準(zhǔn)之后，它們便被保持在對準(zhǔn)位置，然后，向線圈32供以高頻電流。例如，功率大約為600w，頻率為2MHz的大約2A的電流被供給線圈32大約15秒鐘。在管座26中流過渦流，把管座加熱到大約200℃。
激光二極管14可以利用具有和激光二極管14互補(bǔ)的形狀的陶瓷環(huán)定位。具體地說，激光二極管14可以利用保持器通過圓環(huán)保持著，保持器由低熱導(dǎo)率的合成樹脂例如酚醛樹脂制成，其形狀類似于鉆頭筒夾。如果保持器由一般金屬材料例如不銹鋼制成，則在高頻加熱時產(chǎn)生的熱量將被保持器吸收，使得難于充分地加熱激光二極管14。如果保持器由高度熱絕緣的合成樹脂例如優(yōu)等工程塑料制成，則其將把過多的熱保持在其中，因而容易被破壞，例如軟化或熔融。此外，保持器將經(jīng)受強(qiáng)烈的熱沖擊，易于使激光二極管產(chǎn)生位移而到達(dá)所需的光軸之外。然而，按照本發(fā)明，由上述材料制成的環(huán)和保持器有效地解決了上述問題，使得可以大量生產(chǎn)光學(xué)模塊，并大大減少由于光軸偏移而引起的功率波動。
隨著由于渦流而使管座26的溫度增加，用作第一熱固樹脂30的環(huán)氧樹脂的黏度減小并然后被硬化。此時，環(huán)氧樹脂的點(diǎn)首先流動而成為圍繞端部12a的環(huán)形圖案，然后被硬化。因為在短的時間內(nèi)環(huán)氧樹脂被加熱和硬化，由于熱沖擊而引起的激光二極管的任何光軸偏移被減少到6μm或更小，并因而功率波動被減少到5％或更小。因而，激光二極管14和殼體12在足夠的粘結(jié)強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度≤5kgf)下被暫時地相互固定，同時它們被彼此保持精確的光軸對準(zhǔn)。
激光二極管14和殼體12的暫時裝配不足夠強(qiáng)，因而不能付諸實(shí)用。在最終固定階段，激光二極管14和殼體12按照固化粘結(jié)處理被粘結(jié)。具體地說，如圖4所示，第二熱固樹脂40，即黏度范圍從40到50kcps/Tg＝120℃的兩部分環(huán)氧樹脂在沿著殼體12的端部12a的管座26的整個外圓周面上被涂覆成圓形圖案。然后，通過大氣加熱，即在大約100℃下，使涂覆的第二熱固樹脂熱固大約2小時，因而把激光二極管最終固定到殼體12上。在一個實(shí)驗中，被這樣最終相互固定的激光二極管14和殼體12的初始粘結(jié)強(qiáng)度為25kgf或更高，所得的特性在85℃的高溫和85％的高濕下幾乎和常規(guī)的金屬光學(xué)組件的相同。
當(dāng)光學(xué)插頭和這樣裝配的光學(xué)組件連接時，光學(xué)插頭的連接器被插入插孔16中。此時，如果半導(dǎo)體器件14包括激光二極管，則從激光二極管14發(fā)出的光束被球形透鏡10會聚在連接器中的光學(xué)纖維的端面上。如果半導(dǎo)體器件14包括光二極管，則來自連接器中的光纖的端面的光束被球形透鏡10會聚在光二極管14上。
在圖1中，殼體12具有在其側(cè)壁上限定的位于端部12a和殼體12的內(nèi)部中心部分之間的一對沿直徑相對的孔42?？?2使得空氣能夠在殼體12的外部與殼體12的內(nèi)部之間流動，借以阻止由于環(huán)境溫度變化而使?jié)駳庠跉んw12內(nèi)部凝結(jié)。
在所述的實(shí)施例中，殼體12具有這樣的結(jié)構(gòu)，其具有作為整體模制的元件的插孔16。不過，殼體可以是沒有任何插孔的結(jié)構(gòu)。具有不包括任何插孔的殼體的光學(xué)組件可以直接使用，或者用作這樣的光學(xué)組件，其可以具有和其殼體相連的單獨(dú)制造的插孔。利用后一種結(jié)構(gòu)，單獨(dú)制造的插孔可以由足夠結(jié)實(shí)的材料制成，以便保護(hù)其本身抵抗磨損，盡管重復(fù)地插入和拔出光學(xué)插頭的連接器。
球形透鏡10可以通過插入模制工藝被嵌入殼體12中，而不用齒20夾持。此外，球形透鏡10可以利用玻璃黏合劑或合成樹脂直接粘結(jié)到殼體12上。在這些改型中，透鏡可以包括球形透鏡或梯度折射率棒形透鏡。
如上所述，通過兩個固定步驟，即，基于對第一熱固樹脂進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱的暫時固定步驟和基于對第二熱固樹脂進(jìn)行大氣加熱的最終固定步驟，裝配半導(dǎo)體器件和殼體，制造光學(xué)組件。這兩個固定步驟有效地使半導(dǎo)體器件和殼體以高的精度和效率彼此相連，具有足夠高的粘結(jié)強(qiáng)度，能用于各種氣候條件下，并且能夠以相當(dāng)?shù)偷某杀敬罅可a(chǎn)光學(xué)組件。
雖然上面詳細(xì)說明了本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施例僅僅用于說明而非限制。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，根據(jù)以上的說明顯然可以作出各種改進(jìn)和改型。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求限定，所有的等同物都被包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1一種制造光學(xué)組件的方法，所述光學(xué)組件具有在其中包括透鏡的由合成樹脂制成的殼體和具有金屬帽封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件和所述透鏡保持光軸對準(zhǔn)，所述方法包括以下步驟對殼體的端部和半導(dǎo)體器件的管座的要被連接的表面以多個分開的點(diǎn)涂覆第一熱固樹脂；保持所述透鏡和所述半導(dǎo)體器件使其處于彼此光軸對準(zhǔn)；對圍繞管座延伸的線圈施加高頻電流，以便加熱管座，從而按照高頻感應(yīng)加熱使所述第一熱固樹脂熱固；在沿著殼體的端部的管座的外圓周面上以圓形圖案涂覆第二熱固樹脂；以及按照大氣加熱熱固所述第二熱固樹脂。
2一種制造光學(xué)組件的方法，所述光學(xué)組件具有其中包括透鏡的由合成樹脂制成的殼體，所述殼體還保持光學(xué)插頭的連接器和金屬帽封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件被保持和所述透鏡以及連接器呈光軸對準(zhǔn)狀態(tài)，所述方法包括以下步驟在要被連接的半導(dǎo)體器件的管座的表面和殼體的端部，以多個分開的點(diǎn)涂覆第一熱固樹脂；保持透鏡、連接器和半導(dǎo)體器件彼此呈光軸對準(zhǔn)狀態(tài)；對在所述管座周圍延伸的線圈施加高頻電流，從而加熱管座，以便按照高頻感應(yīng)加熱熱固所述第一熱固樹脂；沿著所述殼體的端部在所述管座的外圓周表面上以圓形圖案涂覆第二熱固樹脂；以及按照大氣加熱熱固所述第二熱固樹脂。
3如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述第一熱固樹脂和所述第二熱固樹脂的每一個包括兩部分環(huán)氧樹脂，所述第一熱固樹脂具有3kcps的黏度，所述第二熱固樹脂具有從40到50kcps的黏度。
全文摘要
一種光學(xué)組件具有其中裝有透鏡的由合成樹脂制成的殼體和金屬帽封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件,所述半導(dǎo)體器件和所述透鏡保持光軸對準(zhǔn)。所述光學(xué)組件利用暫時和最終固定步驟制造。
文檔編號G02B7/00GK1255646SQ99118550
公開日2000年6月7日 申請日期1999年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月7日
發(fā)明者田中裕之, 橋爪秀樹 申請人:日本板硝子株式會社