JP2006128694A - 電子・光学サブアセンブリ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シングルモード・トランスミッタ／レシーバ光学サブアセンブリ等の電子・光学部品を高精度かつ容易に組立可能とする。
【解決手段】電子・光学アセンブリ６００はベース６１０及び光学ユニット６２０を含み、ベース６１０はくさび型に成形されたベース本体６１４により部分的に覆われたリード線群６１２を含む。レーザー６１６及びＰＩＮデテクタ６１８は、リード線に固定される。光学ユニットはくさび型形状の空洞６２２を有し、この空洞にベースが挿入され、レーザー溶接されると、光学ユニットの一部として形成されている光学レンズ（図示せず）に対してレーザー及びＰＩＮデテクタが位置決めされる。
【選択図】図６

Description

本発明は、シングルモード・トランスミッタ／レシーバ光学サブアセンブリ等の電子・光学サブアセンブリ及びその製造方法に関する。

シングルモード・トランスミッタ／レシーバ光学サブアセンブリ等の電子・光学（ＥＯ）部品は、光ファイバ通信におけるトランスミッタ及びレシーバとして使われており、通常はトランジスタアウトライン構造（時に「ＴＯ缶」と呼ばれる）を用いてパッケージングされている。ＴＯ缶中のＥＯ部品は、パッケージを貫通して突き出した複数のリード線へとワイヤボンディングされており、これにより信号がＥＯ部品へと導かれる。これらのリード線は折り曲げられ、ＥＯ部品を駆動する為の電子部品や回路を含むＰＣＢ基板上へとはんだ付けされる。

ＴＯ缶には幾つかの欠点がある。そのパッケージング工程には複数のアライメント処理が必要で多大な手間を要するのである。現行の方法は非常に家内工業的な色彩が強いもので、時に瓶の中で船の模型を組み立てることにたとえられることもある。シングルモード・トランスミッタ／レシーバ光学サブアセンブリに要するコストの大部分は、パッケージング処理にかかるものである。

周知のＴＯ缶構造から出たリード線は一般に数ミリメートル程度の長さを持ち、サブアセンブリの周波数応答の劣化の要因ともなり得る。これらのリード線はまた、折り曲げられ、ＰＣＢ基板へとはんだ付けされなければならない。この処理は自動化が難しく、一般には人の手で行われている。他の欠点としては、機械的許容誤差の蓄積が挙げられる（例えばレンズ位置決め誤差がダイの配置により影響を受ける等）。これには各部品を専用の３点アライメントシステムを用いて配置しなければならない。即ち、ダイ配置に１つ、レンズ配置に１つ、そしてレセプタクル配置に１つのシステムを要するのである。

本発明の発明者は、パッケージング処理を自動化しつつも既知のＴＯ缶にあった欠点を少なくとも部分的に回避するという、電子・光学サブアセンブリにおける必要性を認識したものである。

本発明は、電子・光学サブアセンブリに適用され、当該のサブアセンブリが、（ａ）中空のシリンダ（４０）と、（ｂ）少なくとも１本のリード線（１０、１２、１４）を支持するベースであって、前記少なくとも１本のリード線が前記シリンダ中に延在するように前記シリンダの第一の端部へレーザー透過溶着されたベース（２０）と、（ｃ）前記少なくとも１本のリード線により支持された電子・光学部品（３０、３２）と、（ｄ）レンズ（５２）を有するレンズユニットであって、前記レンズが前記電子・光学部品に対して位置決めされるように、前記シリンダの第二の端部へレーザー透過溶接されたレンズユニット（５０）と、を具備することにより上述した課題を解決する。
本発明はまた、電子・光学サブアセンブリの製造方法にも適用され、当該の製造方法が、（ａ）電子・光学部品（３０、３２；６１６、６１８）を支持する為のリード線（１０、１２、１４；６１２ａ、６１２ｂ、６１２ｃ）を含むベース（２０；６１０）を形成することと、（ｂ）電子・光学部品を前記リード線へと取り付けることと、（ｃ）レンズ（５２；７０４）を形成することと、（ｄ）レーザー透過溶着により前記レンズを前記ベースに対して固定することと、を有する。

本発明に関する詳細をその実施例を描いた添付図を参照しつつ説明するが、複数の図にわたって付されている同様の符号は同様の要素を示すものである。

図１は、本発明の一実施例に基づくリードフレームの等角図である。電子・光学サブアセンブリ１００（図５参照）の製作は、リード線群を例えば銅又はタングステン銅から型抜き（スタンプ）加工することから始まる。中央リード線１０は、エッジ発光レーザー、ＰＩＮデテクタ、ファブリーペロー空洞レーザー及びＶＣＳＥＬといった１つ以上の電子・光学部品を支持するものである。２本の側部リード線１２及び１４は電力を供給するものとしても良いが、所望の構成に応じてはグランドとして作用するものであっても良い。

図２は、本発明の一実施例に基づくプレモールド（予備成形）されたリードフレームの等角図である。ベース２０がリード線１０〜１４の上からモールディングされている。このベース２０は一般に円形であり、リード線１０、１２及び１４の中央部分を囲んでいる。ベース２０はアライメントを助ける為の幾つかの造作が設けられたものであっても良い。例えば、空洞２２と突起２４及び２６を利用することでレーザーとレンズユニットのアライメントを補助することが出来る。

ベース２０は、プラスチックを含む様々な材料から成形することが出来る。しかしながら、液晶ポリマー（ＬＣＰ）を利用した場合、幅広い温度帯にわたる安定性から有利であることがわかっている。ＬＣＰはひときわ高い強度と剛性（鋼の５倍）、そしてアラミドの約１５倍もの耐疲労性を持つ熱可塑性ファイバである。また、衝撃耐性にも非常に優れている。ＬＣＰは湿気を吸収せず、その伸縮性は非常に低く、ＵＨＭＷ−ＰＥファイバのように漸伸することなく、磨耗、摩滅及び化学耐性に非常に優れている。ＬＣＰの融点は高く（３２０℃）、幅広い温度範囲を通じてこれらの特性を維持することが出来るのである。

ＬＣＰは、その溶融配向された非常に規則正しい直鎖を含む分子構造から、熱膨張係数が異方性を有するという特異な特性を持っている。モールド型内において固化する間、ポリマー鎖は整然とした規則正しい結晶様の配向を取る。ベース２０の後部においてゲーティングする（ゲートを設ける）ことにより、サブアセンブリのＺ軸（リード線１２及び１４の長手方向に平行な軸）に流れの方向を揃えることが出来、ＬＣＰの低いＣＴＥ、すなわち熱膨張係数（＜５ｐｐｍ）により予想されるドリフトが許容レベル内に抑えられる。Ｘ‐Ｙ方向における膨張は、ポリマーレンズの予想膨張値（〜５０ｐｐｍ）に揃えて、温度シフトに伴うレンズの光軸に関する動きを効果的に低減しなければならない。

図３は、本発明の一実施例に基づくプレモールド型リードフレームの等角図である。図３はエッジ（端面）発光レーザー３０及びＰＩＮモニタ３２を中心リード線１０の上に配置したものを描いている。レーザー３０及びモニタ３２はワイヤボンディングによりリード線１２及び１４へと電気的に接続することが出来る。

図４は、本発明の一実施例に基づく光学サブアセンブリの部分的な等角図である。中空のシリンダ４０形状にモールディングされたスペーサは、成形後にベース２０の溝２２へと挿入されている。シリンダ４０の空洞４２は、リード線１０、１２及び１４の、ベース２０の表面からＺ軸に沿って突き出た部分を囲んでおり、これによりレーザー３０及びモニタ３２を保護している。シリンダ４０の長さは、レーザー３０、モニタ３２及び電子・光学アセンブリ１００において使用されるレンズ（図５の要素５２を参照）の光学特性による。

ベース２０と同様に、シリンダ４０もプラスチックを含む様々な材料からモールディング成形することが出来る。しかしながら、ＬＣＰを利用した場合には有利であることがわかっている。更に、スペーサ／シリンダ４０をベース２０又はレンズユニット５０（図５）の一部としてモールディング成形することも有利であることがわかっている。

図５は、本発明の一実施例に基づく光学サブアセンブリの等角図である。レンズユニット５０がシリンダ４０へと取り付けられ、これにより電子・光学サブアセンブリ１００が完成する。レンズユニットには非球面レンズ等のレンズ５２が設けられている。レンズユニット５２は一般に、蓋のような形状に作られ、シリンダ４０上にスライドさせて配置（位置決め）される。ベース２０、シリンダ４０及びレンズユニット５０の表面を厳密に制御することにより、レーザー３０及びレンズ５２は許容誤差範囲内（サブミクロン単位）で正確にアライメントされるものである。

レンズユニット５０のモールディング成形にポリマーを用いることが有利な場合がある。ポリマーを使用した場合、位置合わせの為、そしてより多くの光を結合させる為に、従来のガラスでは出来ない複雑な３Ｄ形状の成形が可能である。更に、ポリマーレンズは量産することが容易であり、電子・光学サブアセンブリ１００の全体的コストを低減させることが出来る。

シリンダ４０は、エポキシを用いてベース２０及びレンズユニット５０へと固定される。しかしながら、エポキシの使用はドリフトを生じる可能性を孕み（特に硬化時）、電子・光学サブアセンブリ１００が構成する小さい部品に塗布することも難しい場合がある。例えば、電子・光学サブアセンブリ１００の全長が６ｍｍよりも短く、シリンダ４０の径が５ｍｍよりも小さいこともあり得るのである。

より好適な接合技術はレーザー透過溶着法（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌａｓｅｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ；以下ＴＴＬＷと称する）である。ＴＴＬＷは、２つの熱可塑性部品を接合する為の周知の方法であり、ＩＲ吸収色素の導入により透光性部品対透光性部品のポリマー透過溶着が可能となったことで再注目されるようになった。従来のＴＴＬＷ技術においては、接合すべき第一の部品が透光性でなくてはならず、また、第二の部品はレーザーエネルギーを吸収するものでなくてはならなかった。新たなＩＲ吸収色素を使うことにより、第二の部品も透光性のものとすることが出来る。

ＴＴＬＷにおいては、レーザーは透光性部品を透過してＩＲ吸収色素を含む第二の部品上に当たる。第二の部品はレーザーを吸収して熱を生じ、これが可塑化を起こす。この結果生じる第二の部品（吸収材）の局所的な体積の増大が第一の部品（透光性）との表面接触を生じ、第二の部品の可塑化により溶着が生じる。適切な治具を用いることにより、溶着処理中の２つの部品間の動きを最小限に抑制することが出来る。更に、熱が接合部に局在することから、部品に熱による歪みが生じにくい、或いは全く生じない。接合部の強度は非常に高く、個々の部品の強度を上回る場合もある。

本発明においては、第二の部品はＩＲ吸収色素の添加が可能なシリンダとすることが出来る。第一の部品としては、ベース２０及びレンズユニット５０のうちのいずれか、或いは両方を使用することが出来る。ベース２０、シリンダ４０及びレンズユニット５０間のシリンダ形状の接合部を作る場合、ＴＴＬＷ技術及び装置は電子・光学サブアセンブリ１００を気密封止に作ることが出来るという点で好適である。更に、ＴＴＬＷの処理法は、量産処理に好適であり、電子・光学サブアセンブリ１００の製造をマイクロエレクトロニクス産業のレベルにまで自動化することが出来る。

上述した実施例には本発明の原理及び精神から離れることなく変更を加えることが出来ることは当業者には明らかであり、その範囲は請求項及びこれに相当するものによって定義されるものである。例えば、ベース２０、シリンダ４０及びレンズユニット５０をシリンダ形状として説明して来たが、これらは異なる形状及び構成であっても良い。

図６は有益性を提供し得る他の構成を描いた等角図である。電子・光学アセンブリ６００は主にベース６１０及び光学ユニット６２０を含んでいる。ベース６１０は主に、くさび型（ベース６１０の先端側に向かうにつれて先細りの形状）に成形されたベース本体６１４により部分的に覆われたリード線群６１２を含んでいる。レーザー６１６及びＰＩＮデテクタ６１８といった電子・光学部品は、１本以上のリード線６１２ｎ（６１２ａ、６１２ｂ、６１２ｃなど）に固定されている。光学ユニット６２０は、ベース６１０を受容し、電子・光学部品（６１６及び６１８等）を光学ユニット６２０の一部として形成されている光学レンズ（図示せず）に対してアライメントする為のくさび型形状の空洞６２２を持っている（空洞６２２の入口から奥に向かうにつれて空洞６２２が狭まる）。電子・光学サブアセンブリ６００は、光学ユニット６２０と光学ケーブル（図示せず）のアライメントを助けるポート６３０と嵌合する。光学ユニット６２０及びベース６１０はＴＴＬＷにより接合される。

電子・光学サブアセンブリ６００は多くの利点を提供するものである。ベース本体６１４には光学部品を支持する為の中心開口を画定している２本のくさび形状のアームがある。リード線６１２ｎは標準的な技術を用いて形成することが出来るが、所望であれば電子・光学サブアセンブリ６００をＰＣＢボード（図示せず）上へ表面実装するのを容易にする構成とすることも出来る。ベース６１０のデザインにより、電子・光学アセンブリ６００の全体的な大きさはＴＯ缶よりも小さくすることが出来る。この小型化により、破壊につながるような熱膨張が生じにくくなり、電子・光学部品と光学レンズ間の距離が小さくなる。また更に、リード線６１２ｎがモールディング成形されたベース本体６１４へと固定されると、全体的な剛性が上がる。レーザー６１６の発光面を光学レンズに対して精密に配置することが出来、ポート６３０のＺ方向アライメントが不要となる。光学レンズとレーザー６１６は同じベースを基準とする為、レンズのＸ‐Ｙアライメントも不要となり、一般的な３点アライメント処理を２点アライメント処理へと低減することが出来る。

図７は本発明の一実施例に基づく光学ユニット６２０の等角図である。光学ユニット６２０は主に本体部分７０２とレンズ７０４を具備している。本体部分７０２は主に２つの対向する平坦面７０８ａ及び７０８ｂを含む錐台から成る。対向する平坦面７０８ａ及び７０８ｂは本体にモールディング成形又は研削により作られたものであり、アライメント造作としての働きを持つ。レンズ７０４は非球面レンズとすることが出来る。レンズ７０４の正確な構成は、例えばレーザーからの光を光ファイバへと結合させるものとするのか、及び／又は光ファイバからの光をＰＩＮデテクタへと結合させるものとするのか等、所要の機能によって決まるものである。レンズ７０４は本体７０２とともにモールディング成形してからクリアな光学面を設けたものとすることが出来る。或いは、レンズ７０４は本体７０２を成形した後に旋削したものであっても良い。

本発明の一実施例に基づくリードフレームの等角図である。 本発明の一実施例に基づくプレモールド型リードフレームの等角図である。 本発明の一実施例に基づくプレモールド型リードフレームの等角図である。 本発明の一実施例に基づく光学サブアセンブリの一部分を描いた等角図である。 本発明の一実施例に基づく光学サブアセンブリの等角図である。 本発明の一実施例に基づく電子・光学サブアセンブリの等角図である。 本発明の一実施例に基づく光学ユニットの等角図である。

符号の説明

１０、１２、１４；６１２ａ、６１２ｂ、６１２ｃ：リード線
２０；６１０：ベース
３０、３２；６１６、６１８：電子・光学部品
４０：シリンダ／スペーサ
５０；６２０：レンズユニット
５２；７０４：レンズ

Claims (17)

1. 中空のシリンダと、
   少なくとも１本のリード線を支持するベースであって、前記少なくとも１本のリード線が前記シリンダ中に延在するように前記シリンダの第一の端部へレーザー透過溶着されたベースと、
   前記少なくとも１本のリード線により支持された電子・光学部品と、
   レンズを有するレンズユニットであって、前記レンズが前記電子・光学部品に対して位置決めされるように、前記シリンダの第二の端部へレーザー透過溶接されたレンズユニットと
   を具備することを特徴とする電子・光学サブアセンブリ。
2. 前記ベースが液晶ポリマーを含むものであることを特徴とする請求項１に記載の電子・光学サブアセンブリ。
3. 前記シリンダが液晶ポリマーを含むものであることを特徴とする請求項１に記載の電子・光学サブアセンブリ。
4. 前記レンズがポリマーを含むものであることを特徴とする請求項１に記載の電子・光学サブアセンブリ。
5. 少なくとも１本のリード線を支持するベースと、
   前記少なくとも１本のリード線に支持された電子・光学部品と、
   レンズを有するレンズユニットであって、前記レンズが前記電子・光学部品に対してアライメントされるように、前記ベースにレーザー透過溶着されるレンズユニットと
   を具備することを特徴とする電子・光学サブアセンブリ。
6. 前記レンズユニットが、本体を有し、
   前記本体は、第一の端部において前記レンズと通じる空洞を有し、第二の端部において前記レンズが形成されていることを特徴とする請求項５に記載の電子・光学サブアセンブリ。
7. 前記ベースが前記空洞中へ挿入されることを特徴とする請求項６に記載の電子・光学サブアセンブリ。
8. 前記ベースがくさび型形状を有することを特徴とする請求項７に記載の電子・光学サブアセンブリ。
9. 前記ベースが液晶ポリマーを含むものであることを特徴とする請求項５に記載の電子・光学サブアセンブリ。
10. 前記レンズユニットが液晶ポリマーを含むものであることを特徴とする請求項５に記載の電子・光学サブアセンブリ。
11. 電子・光学サブアセンブリの製造方法であって、
    電子・光学部品を支持する為のリード線を含むベースを形成することと、
    電子・光学部品を前記リード線へと取り付けることと、
    レンズを形成することと、
    レーザー透過溶着により前記レンズを前記ベースに対して固定することと
    を有することを特徴とする方法。
12. 前記ベースを形成することが、
    前記リード線を形成することと、
    液晶ポリマーの本体を前記リード線の周囲にモールディング成形することと
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記レンズを形成することが、
    ポリマーを用いてレンズをモールディング成形すること
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記レンズを形成することが、
    液晶ポリマーを用いてレンズをモールディング成形することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記レンズを形成することが、
    第一の端部にレンズと通じる空洞を有する本体を含むレンズユニットをモールディング形成することを含み、前記レンズが前記本体の第二の端部に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. 前記レンズを前記ベースへと取り付けることが、
    スペーサを形成することと、
    前記レンズを前記スペーサの第一の端部へレーザー透過溶着することと、
    前記ベースを前記スペーサの第二の端部へレーザー透過溶着することと
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
17. 前記スペーサを形成することが、液晶ポリマーを使って中空のシリンダを形成することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

Images