JP2006074030A - 小型の光トランシーバモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】長いリンク距離と広い視野とを有し且つ低電力消費である小型の光トランシーバモジュールを提供する一方で、同時に、効率の良い製造プロセスを可能にする。
【解決手段】光トランシーバ(101)は、第1の面(105)と第2の面(107)とを有する基板(103)を備える。光エミッタ(109)が、前記第1の面に実装される。光レシーバ(111)は、前記第1の面に実装され、光検出器(121)へと光を導く誘電体全内部反射集光器(DTIRC)(119)を含む。増幅回路(113)が、前記第2の面に実装され、前記基板を通じて、前記光エミッタと前記光レシーバとに電気的に接続される。前記光エミッタと、前記光レシーバとは、別個の成形ハウジング内(115,117)に収容される。DTIRC(119)が、良好なリンク距離と広い視野とを提供するために使用される。
【選択図】図1

Description

本発明は、オプトエレクトロニクスの分野に関し、特に光通信の分野に関する。
赤外光トランシーバは、ラップトップコンピュータ、個人情報端末(「PDA」)、プリンタ、及び携帯電話機のような様々な通信装置間に、良好なリンク距離と広い視野(「FOV(Field of view)」)とを提供することが必要である。これらの装置がより小型になるにつれ、赤外光トランシーバがよりコンパクトになることもまた非常に重要である。更には、これらの携帯装置にとって、低電力消費が非常に重要である。
光トランシーバは、入射光を受け且つ焦点を合わせるために、半球レンズを頻繁に使用する。通信装置間のリンク距離を増大させるための、従来技術の1つの解決法は、半球レシーバレンズのレンズサイズを拡大することである。しかしながら、この解決法は、トランシーバのパッケージのサイズを増大させる。
光トランシーバは、発光ダイオード(「LED」)を使用して光を生成する場合が多い。リンク距離を増大させるための、従来技術の別の解決法は、エミッタ(又は発光体)のLEDを駆動している電流を増大させて、より強力で且つ更に遠くまで伝搬する光ビームを生成することである。しかしながら、この解決法は、高電力消費と、より短い電池寿命とをまねく。
Rosenbergによる特許文献1は、赤外光トランシーバモジュールを説明している。赤外線(「IR」)信号を送信するためのLED(特許文献1内の参照番号104)と、到来するIR信号を検出するためのフォトダイオード(特許文献1内の参照番号106)との両方が、共通のリードフレーム(特許文献1内の参照番号103)に接続される。集積回路(特許文献1内の参照番号101)(「IC」)もまた、該リードフレームに取り付けられ、該LEDを駆動し、該フォトダイオードの光電流を増幅させる。該リードフレーム/LED/フォトダイオード/ICの組み合わせの周囲にトランシーバのボディ(又は筐体)(特許文献1内の参照番号105)が成形される。該トランシーバのボディは、LEDの上に成形された第1及び第2の半球集光器レンズ(特許文献1内の参照番号121、123)と、フォトダイオードとを含む。該フォトダイオードを通して、IR信号が送信され且つ受信される。この完全なトランシーバモジュールは、PCB(プリント基板)上に実装される。
Rosenbergの設計の1つの結果は、エミッタ(発光体)、レシーバ、及びICが、全て基板の同一面上にあり、その結果、PCB上のトランシーバモジュールの占有面積が比較的大きくなることである。その上、Rosenbergは、コンパクトな設計、装置間の長いリンク距離、装置間の広い視野、及び低電力消費を提供する問題に対処していない。
光を集めて、それをレシーバに送るための、Rosenbergの半球集光器レンズの使用法はまた、最適ではない。改善された光学利得とより広い視野とを持つレンズを有するレシーバが望ましいであろう。何故ならば、該レシーバは、装置間の長いリンク距離と装置間の広い視野とを結果としてもたらすであろうからである。しかしながら、そのようなレンズは、製造するためにより複雑にされることとなり、Rosenbergによってなされたようなリードフレーム/LED/フォトダイオード/ICの組み合わせによる単一の成形を、単一の成形内における半球レンズとリードフレーム/LED/フォトダイオード/ICとの組み合わせと、同時に行うことは、簡単ではないであろう。
Rosenbergはまた、製造の無駄を排除することを改善するための設計に対処していない。リードフレームタブ(特許文献1内の参照番号124)とメインPCBとの間に安定したはんだ接続を提供することは難しい。何故ならば、該リードフレームタブが長く、はんだ付け中に、互いに同一平面上に維持しなければならないからである。Rosenbergの(特許文献1における)図4〜図6の複雑な構成におけるリード線をトリミングすることはまた、コストがかかり、不便で、遅い。更にまた、大量のエポキシが、トランシーバを収容するための、トランシーバのボディを形成する。この大量のエポキシが、熱によるストレスがかかる間に、結果として信頼性の問題を生じさせる可能性がある。
米国特許第5,506,445号明細書 Pavlosoglou他著、「A Security Application of the Warwick Optical Antenna in Wireless Local and Personal Area Networks」
長いリンク距離と広い視野とを有し且つ低電力消費である小型の光トランシーバモジュールを提供する一方で、同時に、効率の良い製造プロセスを可能とすることが望ましいであろう。
本発明の光トランシーバは、長いリンク距離と広い視野とを有し且つ低電力消費量であるコンパクトな光トランシーバモジュールを提供する一方で、同時に、効率の良い製造プロセスを可能とする。
該光トランシーバは、第1の面と第2の面とを有する基板を含む。光エミッタが、第1の面に実装される。光レシーバが、第1の面に実装され、光検出器へと光を導く誘電体全内部反射集光器(dielectric totally internally reflecting concentrator:DTIRC)を含む。増幅回路が、第2の面に実装されて、基板を通じて光エミッタと光レシーバとに電気的に接続される。光エミッタと光レシーバとは、別個の成形ハウジング内に収容される。
該光トランシーバを製造する方法は、基板を貫通する少なくとも1つの電気端子(電気的な端子)を有する基板の第2の面に増幅回路を実装するステップと、光エミッタと光レシーバとが、前記電気端子のうちの少なくとも1つを通じて、前記増幅回路に電気的に接続されるよう、SMTプロセスを使用して基板の第1の面に該光エミッタと該光レシーバとを実装するステップとを含む。この方法において、光レシーバは、光検出器へと光を導く誘電体全内部反射集光器(以下、DTIRCと記す)を備える。
光レシーバは、光検出器をリードフレームに実装するステップと、光検出器をリードフレームに電気的に接続するステップと、リードフレームを光レシーバ内に封入するステップとによって製造される。
光エミッタは、LEDをリードフレームに実装するステップと、LEDをリードフレームを通じて電気的に接続するステップと、リードフレームを光レシーバ内に封入するステップとによって製造される。
長いリンク距離と広い視野とを有し且つ低電力消費量である小型の光トランシーバモジュールを提供する一方で、同時に、効率の良い製造プロセスを可能にする。
図1は、光トランシーバ101を示す。基板103は、第1の面105と、第2の面107とを有する。光エミッタ109と光レシーバ111とが、第1の面105に実装される。光エミッタ109と光レシーバ111とを、それぞれリードフレーム128、129によって第1の面105に実装することができる。増幅回路113が、第2の面107に実装され、基板103を貫通する電気端子127を通じて、光エミッタ109と光レシーバ111とに電気的に接続される。増幅回路113は、光エミッタ109を駆動して出力信号を生成させる共に、光レシーバ111によって受信された入力信号を増幅する。
増幅回路113に対して基板103の反対側の上に光エミッタ109と光レシーバ111とを実装することによって、光トランシーバ101は、エミッタと、レシーバと、ICとが全て基板の同一面上に実装されるRosenbergのトランシーバよりも、より小さな占有面積を有する。従って、本発明において、より小さな表面積と、光エミッタ109、光レシーバ111、及び増幅回路113の方向に沿って低減された長さとを有する基板を使用することができる。
リードフレーム128上に実装された光エミッタ109と、リードフレーム129上に実装された光レシーバ111とが、それぞれ、別個の成形ハウジング115と117との中に収容される。成形ハウジング117は、光レシーバ111の光検出器121へと光を導くためのDTIRCレンズ119を含めることができる。成形ハウジング115は、光エミッタ109のLED123から光を導くための半球集光器レンズ125を含めることができる。別個の成形ハウジング115と117とによって、大量生産された光エミッタ109とレシーバ111とを使用することができ、且つ、光リミッタ109とレシーバ111とを基板103に実装するための表面実装技術(「SMT」)プロセスを使用することができる。別個の成形ハウジング115と117とはまた、Rosenberg基準の単体のトランシーバのボディ(特許文献1内の参照番号105)を上まわる、追加の利点を提供する。本発明は、別個の成形ハウジングを有することによって、要求されるエポキシがより少なくなり、且つ、基板全体にわたる著しいストレスがかけられなくなり、結果として、熱ストレスをかけられる間において、より良好な信頼性が得られる。
本発明の明細書内において、可視領域内か又は可視領域付近の電磁気スペクトラム(又は電磁気スペクトル)の部分を表すために、用語「光学の(optical)」と「光(light)」とが使用される。より具体的には、この電磁気スペクトラム(又は電磁気スペクトル)の部分は、約4ナノメートルから1000ナノメートルまでの範囲内の可視放射線と赤外放射線と紫外放射線とを含むように画定される。
従って、本発明を「光トランシーバ」として記載することによって、それが意味することは、該光トランシーバが、約4ナノメートルから1000ナノメートルまでのこの範囲外の電磁気放射線を検出するためには設計されてないことである。むしろ、本発明の光トランシーバは、約4ナノメートルから1000ナノメートルまでの光スペクトラムの全体をカバーする電磁気放射線を検出する実施形態を有し、赤外線領域か、紫外線領域か、又は可視領域のような光スペクトラムの様々なサブレンジをカバーする実施形態もまた有する。
本発明の明細書内において、約750ナノメートルから1000ナノメートルまでの不可視放射線の波長の範囲を表すために、用語「赤外線の(infrared)」が使用される。約4ナノメートルから約380ナノメートルまでの不可視放射線の波長の範囲を表すために、用語「紫外線の(ultraviolet)」が使用される。約400ナノメートル(紫)から約770(赤)ナノメートルまでの範囲内の波長を有する電磁気放射線を表すために、用語「可視光線の(visible light)」が使用される。該可視光線を、通常の、自力の(又は何らかの助力によらない)、人間の目によって知覚することができる。本発明の実施形態は、より広い範囲内におけるサブレンジ内において動作するほどの長さの、任意のこれらの範囲において、動作することが述べられている。
本発明は、図1〜3を参照して、更に詳細に次に説明される。
図3のステップ301において示されるように、第1の面105と第2の面107とを有する基板103が供給される。基板103は、例えば、PCB(プリント基板)か、FR4/5プリント回路基板のような平面有機基板か、又はセラミック基板とすることができる。基板103の第1の面105上と、第2の面107上とに、ワイヤボンディングパッド131が蒸着され、これらのパッド131は、基板103を貫通する電気端子127によって電気的に接続される。
ステップ303において、基板103の第2の面107に増幅回路113が実装される。より具体的には、増幅回路113を、1つか又は複数の集積回路(「IC」)によって実現することができる。増幅回路113は、銀エポキシを使用して基板に取り付けられ、次いで、ワイヤボンド133によって、ワイヤボンディングパッド131にワイヤボンディングされる。次に、ステップ305において、機械的なショックと振動とを防ぐために、及び腐食のような環境損傷を防ぐために、増幅回路113とワイヤボンド133とが、グロブトップ封止エポキシ135を使用して封止(又はカプセル封入、又はカプセル化)される。
代替として、図2内において示されているように、増幅回路113を、フリップチップタイプの1つか又は複数のICによって実現することができる。この実施形態においては、ステップ303において、フリップチップが、基板103にフリップチップボンディングされる。次いで、ステップ305において、増幅回路113と前記パッド131との間の相互接続203を保護するために、アンダーフィル材料201が使用される。
ステップ307において、ピックアンドプレース装置及びリフロープロセスのような表面実装技術(「SMT」)を使用してか、又はウェーブソルダリングプロセスを用いて、光エミッタ109と光レシーバ111とが、基板の第1の面105に実装される。
図4は、エミッタ109を製造するためのステップを示す。ステップ401において、従来技術のダイ取り付けプロセスを使用して、LED123が、リードフレーム128に実装され、ステップ403において、該LED123は、当該技術分野において既知のように、ワイヤボンド139によって、リードフレーム128に電気的に接続される。ステップ405において、成形ハウジング115が、LED123とリードフレーム128との周囲に形成される一方で、リードフレームタブ137がハウジング115から延在することを可能にしている。成形ハウジング115は、光エミッタ109のLED123から光を導くための、一体型か又は別個に形成された半球集光器レンズ125を含めることができる。
図5は、レシーバ111を製造するためのステップを示す。ステップ501において、光検出器121が、リードフレーム129に実装され、ステップ503において、光検出器121は、当該技術分野において既知のように、ワイヤボンド141によってリードフレーム129に電気的に接続される。光検出器121は、例えば、フォトダイオードか又はフォトトランジスタとすることができる。ステップ505において、成形ハウジング117が、光検出器121とリードフレーム129との周囲に形成される一方で、リードフレームタブ137がハウジング117から延在することを可能にしている。成形ハウジング117は、光レシーバ111の光検出器121へと光を導くための、一体型か又は別個に形成されたDTIRCレンズ119を含めることができる。
エミッタのハウジング115と、レシーバのハウジング117とを、MG−18 Hysolのようなエポキシから作ることができるか、又は注入成形(casting)プロセスを使用して、Hysol OS4210から作ることができる。別個に収容されたエミッタ109とレシーバ111とを使用することによって、DTIRC119がレシーバ111と統合される(又は一体となる)時には、より望ましい大量生産が可能となる。ピックアンドプレース装置及びリフロープロセスのような表面実装技術(「SMT」)プロセスか、又はウェーブソルダリングプロセスを使用して、エミッタ109とレシーバ111とを基板103上へと、経済的な実装を行うこともできる。別の利点は、リードフレームタブ137が、比較的短く、且つ、Rosenbergにおけるようなトリミングの必要無く、電気端子127に直接的に位置合わせされて、はんだ付けされることである。
DTIRC119を、Optical Antenna Solution社から入手することができる。DTIRC119は、その側面(又は水平方向、又は横方向)におけるIR光線の内部反射に基づく。DTIRCの利点は、Pavlosoglou他著による非特許文献1に記載されている。
従来技術の光レシーバに使用される半球集光器レンズと比べて、DTIRCは、改善された光利得とより広い視野とを有する。このことは、本発明の光トランシーバに、従来技術の光トランシーバと比べて、コンパクトな設計、装置間の長いリンク距離、装置間の広い視野、及び低い電力消費を提供することを助ける。更には、DTIRC119を使用することによって、より小型の光検出器121を使用することができ、結果として、コストが低減され、より小型のコンデンサを使用することができ、レシーバ感度が改善されることが可能となる。
Rosenbergは、単一の成形(モールド)内において、リードフレーム/LED/フォトダイオード/ICを、第1及び第2の半球集光器レンズ(特許文献1内の参照番号121、123)と共に組み合わせる。しかしながら、本発明によって使用されるDTIRC119は、Rosenbergによって使用される半球集光器レンズ(特許文献1内の参照番号121、123)よりも、より複雑にされた設計を有している。従って、リードフレーム/LED/フォトダイオード/ICの組み合わせを伴う単一の成形内におけるDTIRC119を大量生産することは現実的ではない。従って、本発明において、リードフレーム128上に実装された光エミッタ109と、リードフレーム129上に実装された光レシーバ111とは、別個の成形ハウジング115と117との中にそれぞれ収容される。DTIRC119を含むのが、成形ハウジング117である。このようにして、一体化したDTIRC119を有する成形ハウジング117を、容易に大量生産することができる。
基板103の第2の面107に実装された増幅回路113は、LED123を駆動して出力信号を生成するための電流を提供する。その駆動電流は、図1のワイヤボンド133によって提供された電気的接続(又は、図2内の相互接続203)、基板103の第2の面107上のパッド131、電気端子127、基板103の第1の面105上のパッド131、リードフレームタブ137、リードフレーム128、及びワイヤボンド139を介してLED123に供給される。
増幅回路113はまた、光入力信号に応答して、光検出器121によって生成された光電流を増幅させる。該光電流は、光検出器121から、ワイヤボンド141、リードフレーム129、リードフレームタブ137、基板103の第1の面105上のパッド131、電気端子127、基板103の第2の面107上のパッド131、及びワイヤボンド133を介して、増幅回路113へと送られる。
好適な一実施形態において、光トランシーバ101は、赤外光の範囲内において動作する。従って、光エミッタ109は、赤外光を放射し、光レシーバ111は、赤外光を受け、増幅回路113は、光レシーバー111によって受けられ且つ光エミッタ109によって放射される赤外光を、増幅する。
上述の明細書において、本発明の特定の例示的な実施形態を参照して、本発明が説明されてきた。本明細書と図面とは、従って、制限的な意味としてよりもむしろ、例示的な意味としてみなされるべきである。
本発明の光トランシーバを示す図である。 フリップチップICを使用する、図1の光トランシーバの実施形態を示す図である。 図1及び図2の光トランシーバを製造する方法を示すフローチャートである。 図1及び図2のエミッタを製造する方法を示すフローチャートである。 図1及び図2のレシーバを製造する方法を示すフローチャートである。
符号の説明
101 光トランシーバ
103 基板
105 第1の面
107 第2の面
109 光エミッタ
111 光レシーバ
113 増幅回路
115 成形ハウジング
117 成形ハウジング
119 誘電体全内部反射集光器(DTIRC)
121 光検出器
123 LED
125 半球集光器
127 電気端子
128 リードフレーム
129 リードフレーム
133 ワイヤボンド
135 エポキシ

Claims (33)

  1. 第1及び第2の面を有する基板と、
    前記第1の面に実装された光エミッタと、
    前記第1の面に実装された光レシーバと、
    前記第2の面に実装され、且つ、前記基板を通じて前記光エミッタと前記光レシーバとに電気的に接続された、増幅回路
    とを備える、光トランシーバ。
  2. 前記光レシーバは、光検出器へと光を導く誘電体全内部反射集光器を含む、請求項1に記載の光トランシーバ。
  3. 前記光エミッタと前記光レシーバとは、別個の成形ハウジング内に収容される、請求項1に記載の光トランシーバ。
  4. 前記光検出器は、フォトダイオードである、請求項2に記載の光トランシーバ。
  5. 前記光検出器は、フォトトランジスタである、請求項2に記載の光トランシーバ。
  6. 前記光検出器は、前記光レシーバ内に封入されたリードフレームに実装され、
    前記リードフレームは、前記光検出器を、前記基板を貫通する電気端子に電気的に接続し、
    前記電気端子は、前記増幅回路を前記光エミッタと前記光レシーバとに電気的に接続することからなる、請求項2に記載の光トランシーバ。
  7. 前記光エミッタは、LEDからの光を導く半球集光器を備える、請求項1に記載の光トランシーバ。
  8. 前記光エミッタは、LEDを含む、請求項1に記載の光トランシーバ。
  9. 前記LEDは、前記光エミッタ内に封入されたリードフレームに実装され、
    前記リードフレームは、前記LEDを、前記基板を貫通する電気端子に電気的に接続し、
    前記電気端子は、前記増幅回路を前記光エミッタと前記光レシーバとに電気的に接続することからなる、請求項8に記載の光トランシーバ。
  10. 前記基板を貫通しており、且つ、前記増幅回路を前記光エミッタと前記光レシーバとに電気的に接続する少なくとも1つの電気端子を、前記基板が備える、請求項1に記載の光トランシーバ。
  11. 前記基板は、有機基板である、請求項1に記載の光トランシーバ。
  12. 前記基板は、セラミック基板である、請求項1に記載の光トランシーバ。
  13. 前記増幅回路は、集積回路上に作成される、請求項1に記載の光トランシーバ。
  14. 前記集積回路は、フリップチップである、請求項11に記載の光トランシーバ。
  15. 前記増幅回路は、前記電気端子にワイヤボンディングされた集積回路上に作成される、請求項10に記載の光トランシーバ。
  16. 前記集積回路とワイヤボンドとを封止するエポキシを更に含む、請求項15に記載の光トランシーバ。
  17. 前記光エミッタは、赤外光を放射し、
    前記光レシーバは、赤外光を受け、
    前記光レシーバによって受けられ、且つ、前記光エミッタによって放射される赤外光を、前記増幅回路が増幅することからなる、請求項1に記載の光トランシーバ。
  18. 前記光エミッタと前記光レシーバとは、ピックアンドプレース装置とリフロープロセスとを使用して、前記第1の面に実装される、請求項1に記載の光トランシーバ。
  19. 光トランシーバを製造する方法であって、
    基板を貫通する少なくとも1つの電気端子を有する該基板の第2の面に、増幅回路を実装するステップと、
    光エミッタと光レシーバとが、少なくとも1つの前記電気端子を通じて、前記増幅回路へと電気的に接続されるように、SMTプロセスを使用して、該光エミッタと該光レシーバとを、前記基板の第1の面に実装するステップ
    とを含む、方法。
  20. 前記光レシーバは、光検出器へと光を導く誘電体全内部反射集光器を含むことからなる、請求項19に記載の方法。
  21. 前記光検出器は、フォトダイオードであることからなる、請求項20に記載の方法。
  22. 前記光検出器は、フォトトランジスタであることからなる、請求項20に記載の方法。
  23. 前記光検出器をリードフレームに実装するステップと、
    前記リードフレームを前記光レシーバ内に封入するステップと、
    前記リードフレームを通じて、前記基板を貫通する電気端子へと、前記光検出器を電気的に接続するステップと、
    前記リードフレームを通じて、前記増幅回路を、前記光エミッタと前記光レシーバとに電気的に接続するステップ
    とを更に含むことからなる、請求項20に記載の方法。
  24. 前記光エミッタは、LEDからの光を導く半球集光器を含むことからなる、請求項19に記載の方法。
  25. 前記光エミッタは、LEDを含むことからなる、請求項19に記載の方法。
  26. 前記LEDをリードフレームに実装するステップと、
    前記リードフレームを前記光レシーバ内に封入するステップと、
    前記リードフレームを通じて、前記基板を貫通する電気端子へと、前記LEDを電気的に接続するステップと、
    前記リードフレームを通じて、前記増幅回路を、前記光エミッタと前記光レシーバとに電気的に接続するステップ
    を更に含むことからなる、請求項25に記載の方法。
  27. 前記基板は、有機基板であることからなる、請求項19に記載の方法。
  28. 前記基板は、セラミック基板であることからなる、請求項19に記載の方法。
  29. 前記増幅回路は、集積回路上に作成されることからなる、請求項19に記載の方法。
  30. 前記集積回路は、フリップチップであることからなる、請求項29に記載の方法。
  31. 前記集積回路を前記電気端子にワイヤボンディングするステップを更に含む、請求項29に記載の方法。
  32. 前記増幅回路とワイヤボンドとをエポキシによって封止するステップを更に含む、請求項31に記載の方法。
  33. 前記光エミッタと前記光レシーバとを、前記基板の前記第1の面に実装する前記ステップは、ピックアンドプレース装置とリフロープロセスとを使用するステップを更に含むことからなる、請求項19に記載の方法。
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