JP2005134600A - 光素子パッケージ、及び、光結合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 リフローによりプリント基板に実装可能で、プリント基板への固定時における反りの抑制された光素子パッケージ、及び、この光素子パッケージを用いた光結合方法を提供する。
【解決手段】 光素子２０のアノード層２０Ａ側の図示しないアノード端子は、ワイヤ線２８を介して第１面１２Ａの電極２２と離れた位置の電極３２で第１面１２Ａに取り付けられている。電極３２は、絶縁基板１２に穿孔された孔３４を経て、絶縁基板１２の第２面１２Ｂに至り、第２面１２Ｂ上の導通電極２６と線対称の位置に導通電極２６と略同一形状の導通電極３６を構成している。導通電極３６は光素子２０のアノード端子と導通されている。絶縁基板１２の第２面１２Ｂには、光素子２０と絶縁された２つの絶縁電極４０が配置されている。各々の絶縁電極４０は、導通電極２６と略同一形状とされ、第２面１２Ｂ上の短端辺に沿った中央部に各々配置されている。
。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光素子パッケージ、及び、光結合構造に係り、特に、絶縁基板に光素子が実装された光素子パッケージ、及び、この光素子パッケージを用いた光結合構造に関する。

光モジュール用の光素子パッケージとしては、いわゆるＴＯカンパッケージが知られている（特許文献１参照）。しかしながら、ＴＯカンパッケージは、リード電極構造であるため、リフローによってプリント基板への実装を行うことができない。また、ＴＯカンパッケージは、一般的に高価でサイズも大きいが、光素子の受発光面からの光パッケージの上面までの距離が長く、導光路に対して直接結合方式を用いて結合させると、光の結合損失が大きくなる。そのため、レンズ結合方式を用いる必要があり、さらにコストが高くなってしまっていた。

一方、ＴＯカンパッケージと比較して、小型、低コストで、かつ、リフローでのプリント基板への実装が可能な光素子パッケージとして、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｂｏａｄ）技術を用いたものが知られている（特許文献２、３参照）。特許文献２、３では、絶縁基板の表裏の両面に銅、ニッケル、金などの電極を設け、表裏面の電極間で導通をとり、片側面の電極に光素子を実装し、光素子を透光性樹脂で封止する技術が開示されている。ここに示された光素子パッケージによれば、光素子の受発光面からパッケージ上面までの距離が短いため、導光路に対して直接結合方式を用いることもできる。

しかしながら、特許文献２、３に記載の光素子パッケージを光モジュールに用いる場合には、以下のような問題が生じる。一般的に、光モジュールでは、光素子パッケージと光ファイバとの位置決めは、レセプタクルを用いて行っている。レセプタクルには、光素子パッケージを保持する部分と光ファイバが固定されたフェルールを受ける受け部を有するが、レセプタクルを光素子パッケージに押し付けるようにしてプリント基板に固定した場合、光素子パッケージに強い力が加わり、反り返ってしまう。これが、半田により接続された部分の信頼性低下、光素子の応力負担の増大による寿命の低下、といった事態につながる。
ＵＳＰ ６５４７４５２ 特許第３１２７１９５号公報 特許第３３２９７１６号公報

本発明は、上記事実を考慮し、リフローによりプリント基板に実装可能で、プリント基板への固定時における反りの抑制された光素子パッケージ、及び、この光素子パッケージを用いた光結合方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光素子パッケージは、絶縁基板と、前記絶縁基板の第１面に実装された光素子と、前記絶縁基板の第１面の裏面側に位置する第２面に配置され、前記光素子の端子と導通された導電性の導通電極と、前記第２面に配置され、前記光素子と絶縁された導電性の絶縁パターンと、を含んで構成されている。

本発明の光素子パッケージでは、光素子が絶縁基板の第１面に実装されている。ここで、光素子とは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、垂直共振型面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）などの発光素子、及び、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子をいう。

第１面の裏面側に位置する第２面には、光素子の端子と導通された導電性の導通電極が配置されている。このように、光素子の実装された面の裏側面に導通電極を配置することにより、光素子パッケージをリフローによりプリント基板へ実装することができる。

第２面には、さらに光素子の端子と絶縁された導電性の絶縁パターンが配置されている。この絶縁パターンにより、リフローで光素子パッケージをプリント基板に実装する際に接着面積が広くなるので、プリント基板のより正確な位置に実装することができる。また、絶縁基板に絶縁パターンが形成されることにより、絶縁基板の強度が増して、プリント基板への実装時における絶縁基板の反りを抑制することができる。さらに、絶縁基板は光素子の端子とは絶縁されているので、導通されている場合と比較して、寄生容量、寄生インダクタンスを減少させることができ、その結果、高速駆動に寄与することができる。

なお、本発明の光素子パッケージは、請求項２に記載のように、前記導通電極及び前記絶縁パターンが、前記第２面に均一に配置されていることが好ましい。

ここで均一とは、例えば、第２面の中心線または中心線に対して、導通電極及び絶縁パターンが、略線対称及び点対称に配置されていることをいう。このように配置されることにより、リフロー時におけるセルフアライメント効果を十分に得ることができる。

また、本発明の光素子パッケージは、請求項３に記載のように、前記導通電極及び前記絶縁パターンの少なくとも一方が前記絶縁基板の端辺付近に配置されていることが好ましい。

上記構成によれば、光素子パッケージをレセプタクルによりプリント基板に押し付けて保持する際に、反りの発生しやすい絶縁基板端辺の強度が増し、より効果的に反りを抑制することができる。

また、本発明の光素子パッケージは、請求項４に記載のように、前記光素子として垂直共振型面発光レーザダイオードを用いる場合に好適である。

垂直共振型面発光レーザダイオード（以下「ＶＣＳＥＬ」という）は、特に外部からの力に対して弱いため、ＶＣＳＥＬを用いる場合に、上記のような反りの防止された構成とされることが好ましい。

請求項５に記載の光結合構造は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光素子パッケージと、フェルール及びこのフェルールに保持された光ファイバを含んで構成された光ケーブル端子と、前記光素子パッケージ及び前記光ケーブル端子を所定位置に固定すると共に、前記光素子パッケージと前記光ファイバとを離間させて保持する保持部材と、を含んで構成されている。

本発明では、光素子パッケージの光素子が絶縁基板の第１面に実装されており、第２面には、光素子の端子と導通された導電性の導通電極が配置されている。このように、光素子の実装された面の裏側面に導通電極を配置することにより、光素子パッケージをリフローによりプリント基板へ実装することができる。

また、第２面には、光素子の端子と絶縁された導電性の絶縁パターンが配置されており、この絶縁パターンにより、リフローで光素子パッケージをプリント基板に実装する際に接着面積が広くなるので、プリント基板のより正確な位置に実装することができる。また、絶縁基板に絶縁パターンが形成されることにより、絶縁基板の強度が増して、プリント基板への実装時における絶縁基板の反りを抑制することができる。さらに、絶縁基板は光素子の端子とは絶縁されているので、導通されている場合と比較して、寄生容量、寄生インダクタンスを減少させることができ、その結果、高速駆動に寄与することができる。

また、光素子パッケージ及び光ケーブル端子を所定位置に固定する保持部材は、光素子パッケージと光ケーブル端子とを離間させて両者を保持するので、光ケーブル端子の脱着の繰り返しや振動により、光素子パッケージ及び光ケーブル端子の互いのぶつかり合いや擦れ合いによる損傷を防止することができる。

本発明は上記構成としたので、リフローによりプリント基板の正確な位置に実装でき、プリント基板への固定時における反りが抑制され、かつ、寄生容量を抑制することができる。

［第１実施形態］
図１及び図２には、本発明の第１実施形態の光素子パッケージ１０が示されている。 図１（Ａ）に示すように、光素子パッケージ１０は、絶縁基板１２を備える。絶縁基板１２は、長方形板状とされている。絶縁基板１２の第１面１２Ａには、光素子２０が取り付けられている。本実施形態では光素子２０に、垂直共振型面発光レーザダイオード（以下「ＶＣＳＥＬ」という）が用いられている。光素子２０は、図２（Ａ）に示すように、アノード層２０Ａ及びカソード層２０Ｂを備え、カソード層２０Ｂ側の図示しないカソード端子が絶縁基板１２上の電極２２に取り付けられている。電極２２は、絶縁基板１２に穿孔された孔２４を経て、絶縁基板１２の第２面１２Ｂに至り、第２面１２Ｂ上の１の長端辺に沿った中央部に長方形状の導通電極２６を構成している。導通電極２６は光素子２０のカソード端子と導通されている。

光素子２０のアノード層２０Ａ側の図示しないアノード端子は、ワイヤ線２８を介して第１面１２Ａの電極２２と離れた位置の電極３２で第１面１２Ａに取り付けられている。電極３２は、絶縁基板１２に穿孔された孔３４を経て、絶縁基板１２の第２面１２Ｂに至り、第２面１２Ｂ上の導通電極２６と線対称の位置に導通電極２６と略同一形状の導通電極３６を構成している。導通電極３６は光素子２０のアノード端子と導通されている。

図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）に示すように、絶縁基板１２の第２面１２Ｂには、光素子２０と絶縁された２つの絶縁電極４０が配置されている。各々の絶縁電極４０は、導通電極２６と略同一形状とされ、第２面１２Ｂ上の短端辺に沿った中央部に各々配置されている。

絶縁基板１２の第１面１２Ａ側に配置された、光素子２０、電極２２、ワイヤ線２８、及び、電極３２は、透光性樹脂３０により封止されている。

光素子パッケージ１０が実装されるプリント基板７０の実装面には、図３に示すように、プリント基板上の配線パターン（図示省略）上に形成された半田ペースト７２Ａ、７２Ｂ（図示省略）、７４が配置されている。半田ペースト７２Ａは導通電極２６と接続される位置に配置され、半田ペースト７２Ｂは導通電極３６と接続される位置に配置されている。半田ペースト７４は、絶縁電極４０と接続される位置に配置されている。

図３に示すように、光ケーブルの端子を構成する光ケーブル端子４４は、光素子２０から発光された光を送る光ファイバ４６、及び、光ファイバ４６を保持するフェルール４８を備える。フェルール４８は円柱状とされ、中心に穿孔された孔に光ファイバ４６が挿通されて構成されている。

レセプタクル５０には、光素子パッケージ１０を収納可能な第１固定空間５２、及び、光ケーブル端子４４を差し込み可能な第２固定空間５４が構成されている。第１固定空間５２には、図３の下方向から光素子パッケージ１０が収納され、収納された状態では、第１固定空間５２を構成する上壁５６が、プリント基板７０に実装された光素子パッケージ１０の上面に当接される形状になっている。第２固定空間５４は、円柱形状とされ、図３の上方向から光ケーブル端子４４を差し込み可能とされている。第１固定空間５２と第２固定空間５４との間には、光ファイバ４６が光素子パッケージ１０から発光された光が透過可能な透光部５８が構成されている。透光部５８は、第１固定空間５２と第２固定空間５４とを貫通させた円柱状の孔で構成され、フェルール４８の外径よりも小さい径とされている。第２固定空間５２に差し込まれた光ケーブル端子４４は、透光部５８を構成するリブ６０に当接される位置で、レセプタクル５０に設けられた図示しない係合部と係合され、光ファイバ４６が光素子パッケージ１０から発光された光を直接受けて送ることの可能な位置に固定される。

レセプタクル５０のプリント基板７０への取付面６２には、ねじ７３を螺合可能なねじ孔６２Ａが穿孔されている。

上記構成の光素子パッケージ１０をプリント基板７０に実装する際には、光素子パッケージ１０を、導通電極２６、導通電極３６、絶縁電極４０が、プリント基板７０の配線パターン（図示せず）上に形成された半田ペースト７２Ａ、半田ペースト７２Ｂ、半田ペースト７４に各々接続される位置に仮置きし、リフロー処理を行う。リフロー処理により、プリント基板上の配線パターンと、導通電極２６、導通電極３６、及び、絶縁電極４０とが、半田ペースト７２Ａ、７２Ｂ、７４によって各々接着される。

本実施形態では、絶縁基板１２の第２面１２Ｂに絶縁電極４０が設けられているので、導通電極２６、導通電極３６のみの場合と比較して、プリント基板７０へ接着される面積が広くなり、安定した実装を行うことができる。また、絶縁電極４０は、導通電極２６、３６と絶縁されているので、導通されている場合と比較して、導通電極２６、３６の寄生容量、寄生インダクタンスが少なくなり、光素子２０を高速駆動させることができる。さらに、導通電極２６、導通電極３６、及び、絶縁電極４０が、略同一形状とされ、これらが絶縁基板１２の第２面１２Ｂに略均一に配置されているので、リフロー処理中に十分なセルフアライメント効果を得ることができ、光素子パッケージ１０をプリント基板７０上の所望の位置に確実に実装することができる。

レセプタクル５０の、光素子パッケージ１０が実装されたプリント基板７０への取り付けは、以下のように行う。

第１固定空間５２と光素子パッケージ１０とを対向させ、光素子パッケージ１０の上側からレセプタクル５０を被せ、レセプタクル５０をプリント基板７０側へ押し付けながらねじ７２をねじ孔６２に螺合させて取付部６２をプリント基板７０に固定する。これにより、図４に示すように、光素子パッケージ１０の上面は第１固定空間５２の上壁５６に当接されて、光素子２０が透光部５８に対応する位置に位置決めされる。

光ケーブル端子４４を、レセプタクル５０の第２固定空間５４に、リブ６０に当接されるまで差し込むと、図示しないレセプタクル５０の図示しない係合部が、光ケーブル端子４４に係合して、図４に示すように、光ケーブル端子４４のレセプタクル５０への取り付けが完了する。これにより、光ファイバ４６が透光部５８に対応する位置に位置決めされる。光素子パッケージ１０と光ケーブル端子４４とは、リブ６０により離間されている。光素子パッケージ１０と光ケーブル端子４４との間の距離は、光結合効率を考慮して。１００μｍ以下であることが好ましい。

本実施形態によれば、光素子パッケージ１０の絶縁基板１２の第２面１２Ｂに絶縁電極４０が設けられているので、レセプタクル５０を光素子パッケージ１０に押し付けてプリント基板７０に取り付けても、光素子パッケージ１０に反りが生じにくい。通常、この反りは、絶縁基板１２の端辺付近に生じやすいが、本実施形態では、導通電極２６、３６、及び絶縁電極４０を絶縁基板１２の端辺付近に配置しているので、反り防止効果をより効率的に発揮できる。光素子パッケージ１０の反りを防止することにより、光素子パッケージ１０の各部に荷重されるかかる力が緩和され、ワイヤ２８の断線を防いだり、光素子２０の端子接続部の信頼性を向上させたり、光素子２０の寿命の低下を防止したりすることができる。

また、絶縁電極４０により反りが防止されているので、上述のようにレセプタクル５０を光素子パッケージ１０に押し付けて取り付けることができ、押し付けずに取り付けた場合と比較して、光素子パッケージ１０と光ファイバ４６との間の距離を短くすることができる。その結果、光素子パッケージ１０と光ファイバ４６との結合部分における結合損失を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、光素子パッケージ１０と光ケーブル端子４４とが、リブ６０により離間されるので、光ケーブル端子４４の脱着の繰り返しや振動による、光素子パッケージ１０及び光ケーブル端子の互いのぶつかり合いや擦れ合いによる損傷を防止することができる。

なお、本実施形態では、光素子２０としてＶＣＳＥＬを用いたが、その他の光素子として例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子を用いることもできる。特に、ＶＣＳＥＬは外部からの力に対して弱いため、本実施形態のような構成は、ＶＣＳＥＬを用いた光パッケージに好適である。
［第２実施形態］
次に、第２形態について説明する。本実施形態では第１実施形態の光素子２０を絶縁基板１２に４つ取り付ける例について説明する。そして、本実施形態で第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５及び図６には、本発明の第２実施形態の光素子パッケージ８０が示されている。 図５（Ａ）に示すように、光素子パッケージ８０は、絶縁基板１２を備える。絶縁基板１２の第１面１２Ａには、４つの光素子２０が取り付けられている。光素子２０の各々は、図６（Ａ）に示すように、カソード層２０Ｂ側の図示しないカソード端子が、光素子２０毎に設けられた絶縁基板１２上の電極２２に取り付けられている。各々の電極２２は、絶縁基板１２に穿孔された孔２４を経て、絶縁基板１２の第２面１２Ｂに至り、第２面１２Ｂ上の１の長端辺に沿った位置に長方形状の導通電極２６を構成している。各々の導通電極２６は、対応する光素子２０のカソード端子と導通されている。

光素子２０のアノード層２０Ａ側の図示しないアノード端子は、ワイヤ線２８を介して第１面１２Ａの電極２２と離れた位置の各々の電極３２で第１面１２Ａに取り付けられている。各々の電極３２は、絶縁基板１２に穿孔された孔３４を経て、絶縁基板１２の第２面１２Ｂに至り、第２面１２Ｂ上の導通電極２６と線対称の位置に導通電極２６と略同一形状の導通電極３６を構成している。各々の導通電極３６は光素子２０のアノード端子と導通されている。

図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）に示すように、絶縁基板１２の第２面１２Ｂには、光素子２０と絶縁された４つの絶縁電極４０が配置されている。各々の絶縁電極４０は、導通電極２６と略同一形状とされ、第２面１２Ｂ上の４角に各々配置されている。

光素子パッケージ１０が実装されるプリント基板７０の実装面には、図７に示すように、プリント基板上の配線パターン（図示省略）上に形成された半田ペースト７２Ａ、７２Ｂ（図示省略）、７４が配置されている。半田ペースト７２Ａは、各々が対応する導通電極２６と接続される位置に配置され、半田ペースト７２Ｂも、各々が対応する導通電極３６と接続される位置に配置されている。半田ペースト７４は、絶縁電極４０と接続される位置に配置されている。

図７に示すように、光ケーブルの端子を構成する光ケーブル端子８４は、光素子２０から発光された光を送光可能な４本の光ファイバ４６、及び、これらの光ファイバ４６を保持するフェルール４８を備える。

レセプタクル９０には、光素子パッケージ８０を収納可能な第１固定空間９２、及び、光ケーブル端子８４を差し込み可能な第２固定空間９４が構成されている。第１固定空間９２と第２固定空間９４との間には、透光部５８が構成されている。

上記構成の光素子パッケージ８０をプリント基板７０に実装する際には、第１固定空間９２と光素子パッケージ８０とを対向させ、光素子パッケージ８０の上側からレセプタクル９０を被せ、レセプタクル９０をプリント基板７０側へ押し付けながら、レセプタクル９０の下側の取付面９３をプリント基板７０に接着剤を用いて接着する。これにより、図８に示すように、光素子パッケージ８０の上面は第１固定空間９２の上壁５６に当接されて、光素子２０が透光部５８に対応する位置に位置決めされる。

光ケーブル端子８４を、レセプタクル９０の第２空間９４に、リブ６０に当接されるまで差し込むと、図示しないレセプタクル９０の図示しない係合部が、光ケーブル端子８４に係合して、図８に示すように、光ケーブル端子８４のレセプタクル９０への取り付けが完了する。これにより、光ファイバ４６が透光部５８に対応する位置に位置決めされる。光素子パッケージ８０と光ケーブル端子８４とは、リブ６０により離間されている。ここでも、光素子パッケージ８０と光ケーブル端子８４との間の距離は、光結合効率を考慮して。１００μｍ以下であることが好ましい。

本実施形態でも第１実施形態と同様の効果が得られるが、特に、本実施形態のように、複数の光素子を実装し、絶縁基板１２のサイズが大きくなる場合には、絶縁基板１２の第２面１２Ｂの全体面積に対して導通電極２６、３６の面積が小さくなる。この場合に、本実施形態のような絶縁電極４０を配置しないと、リフロー処理時に十分なセルフアライメント効果を得ることができない。したがって、絶縁電極４０は、複数の光素子を絶縁基板に実装するなどの、絶縁基板を大きくする場合に特に有効である。

レセプタクル５０の、光素子パッケージ８０が実装されたプリント基板７０への取り付けについては、第１実施形態と同様にして行う。

本実施形態でも第１実施形態と同様の効果が得られるが、特に、本実施形態のように、絶縁基板１２のサイズが大きくなる場合には、レセプタクル５０を光素子パッケージ８０に押し付けることにより、光素子パッケージ８０の反りが発生しやすい。したがって、絶縁電極４０は、絶縁基板を大きくする場合に特に有効である。

なお、本実施形態では、４つの光素子２０を絶縁基板１２に実装した例について説明したが、実装する光素子２０の個数は４つに限定されるものではない。２、３個でも、５個以上でもよい。

第１実施形態の光素子パッケージの（Ａ）は上面図であり、（Ｂ）は下面図である。 （Ａ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａの断面図であり、（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂの断面図である。 第１実施形態における、プリント基板に実装された光素子パッケージ、及び、装着前のレセプタクル、光ケーブル端子を示す図である。 第１実施形態における、プリント基板に実装された光素子パッケージ、及び、装着後のレセプタクル、光ケーブル端子を示す図である。 第２実施形態の光素子パッケージの（Ａ）は上面図であり、（Ｂ）は下面図である。 （Ａ）は、図５（Ａ）のＣ−Ｃの断面図であり、（Ｂ）は、図５（Ａ）のＤ−Ｄの断面図である。 第２実施形態における、プリント基板に実装された光素子パッケージ、及び、装着前のレセプタクル、光ケーブル端子を示す図である。 第２実施形態における、プリント基板に実装された光素子パッケージ、及び、装着後のレセプタクル、光ケーブル端子を示す図である。

符号の説明

１０ 光素子パッケージ
１２ 絶縁基板
１２Ａ 第１面
１２Ｂ 第２面
２０ 光素子
２２ 電極
２６ 導通電極
３２ 電極
３６ 導通電極
４０ 絶縁電極（絶縁パターン）
４４ 光ケーブル端子
４６ 光ファイバ
４８ フェルール
５０ レセプタクル（保持部材）
７０ プリント基板
８０ 光素子パッケージ
８４ 光ケーブル端子
９０ レセプタクル（保持部材）

Claims (5)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の第１面に実装された光素子と、
   前記絶縁基板の第１面の裏面側に位置する第２面に配置され、前記光素子の端子と導通された導電性の導通電極と、
   前記第２面に配置され、前記光素子と絶縁された導電性の絶縁パターンと、
   を備えた光素子パッケージ。
2. 前記導通電極及び前記絶縁パターンは、前記第２面に均一に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光素子パッケージ。
3. 前記導通電極及び前記絶縁パターンの少なくとも一方は前記絶縁基板の端辺付近に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光素子パッケージ。
4. 前記光素子が垂直共振型面発光レーザダイオードであることを特徴とする請求項１及び請求項３のいずれか１項に記載の光素子パッケージ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光素子パッケージと、
   フェルール及びこのフェルールに保持された光ファイバを含んで構成された光ケーブル端子と、
   前記光素子パッケージ及び前記光ケーブル端子を所定位置に固定すると共に、前記光素子パッケージと前記光ファイバとを離間させて保持する保持部材と、
   を備えた光結合構造。

Images