JP2007108471A - 光電気複合フレキシブルプリント基板 - Google Patents

Abstract

【課題】配線パターンの設計上の修正や変更に容易に対応することが可能で、煩雑な作業を有すること無く容易に作製できる光電気複合フレキシブルプリント基板を提供する。
【解決手段】発光部５を備えた発光素子３と、受光部６を備えた受光素子４とをそれぞれ準備し、前記発光素子３に有する電極と発光部５に有する電極を金属ワイヤ３３で接続すると共に、前記受光素子４に有する電極と受光部６に有する電極を金属ワイヤ３４でそれぞれ電気的に接続する。また、発光素子３を樹脂モールド７で覆うと共に、受光素子４を樹脂モールド８で覆う。また、樹脂モールド７で覆われた発光素子３及び樹脂モールド８で覆われた受光素子４を、フレキシブルプリント基板２の所定位置にそれぞれ形成した各電極２７，２８に固定し、発光素子３と受光素子４を接続するための光配線１０を実装することにより、光電気複合フレキシブルプリント基板１とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フレキシブルプリント基板上に光配線と電気配線を組み合わせた光電気複合フレキシブルプリント基板に関する。

現在広く用いられている電子機器内部には、制御系の信号、画像など様々な情報を伝送するために非常に多くの電気配線が用いられている。この電気配線の一例として薄型、フレキシブル性といった特長を持つフレキシブルプリント基板が、小さい実装面積に多くの電気配線を設置することが出来るという利点を活かして幅広く利用されてきている。

ところが、電気配線を用いた情報通信において情報の伝送速度を早くすることは、ノイズ、信号遅延など様々な問題があり、従来よりも伝送速度が速い電気配線を実現することは難しくなってきている。また、実際に電気配線を用いて従来よりも早い伝送速度が実現しても、複雑な電気回路やノイズ対策用の余分なシールドが必要になってくるなどの実装面積の増加や高コスト化といった問題を引き起こすことが危惧されている。

そこで、これらの問題を解決するために、電気配線と比較してノイズや信号遅延の影響が少ない光配線と、通常用いられている電気配線とを組み合わせた光電気複合配線が期待されている。中でも、フレキシブル性を有する光電気複合フレキシブルプリント基板は、素子の薄型化、小型化といった要求を満たす有望な製品として期待されている。また、折り畳み式携帯電話のように可動部を有する電子機器にも適用可能であるという利点がある。
このような光配線と電気配線とを組み合わせた構造の基板としては、たとえば、光導波路を形成した高分子フィルムに対して電気配線を形成した電気配線・光配線混載フレキシブルプリント配線板が提案されている（特許文献１）。

しかしながら、上記電気配線・光配線混載フレキシブルプリント配線板は、予め光配線と電気配線が形成された配線板に対して受光素子や発光素子を実装するものであるため、同じ配線形態の配線板を大量生産する場合には良いが、配線パターンに設計上の修正や変更が生じた場合、早急に対応することができない。しかも、光導波路を形成した高分子フィルムをまず作製し、前記高分子フィルムに電気配線を形成して配線基板とした後、この配線基板に対して素子を実装して基板とするので、その作製が非常に煩雑である。
また、受光素子や発光素子を複数実装する場合、受光素子や発光素子を同一平面上に配列することとなるため、受光素子や発光素子の数が増加するに伴い実装面積が増加し、小型化を実現することが困難となる虞がある。
特開平６−２８１８３１号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、配線パターンの設計上の修正や変更に容易に対応することが可能であり、また、煩雑な作業を有すること無く容易に作製できる光電気複合フレキシブルプリント基板を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る光電気複合フレキシブルプリント基板は、可撓性を有する単一の基材、前記基材に実装された発光素子と受光素子から構成される受発光ユニット、及び、前記発光素子と前記受光素子との間を光学的に接続する光配線、を具備してなることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る光電気複合フレキシブルプリント基板は、請求項１において、前記受発光ユニットが複数個あり、該受発光ユニット毎に前記光配線を備えていることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る光電気複合フレキシブルプリント基板は、請求項１又は２において、前記光配線は、コアが高分子材料からなる光ファイバであることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る光電気複合フレキシブルプリント基板は、請求項１又は２において、前記光配線は、コアがガラスからなる光ファイバであることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る光電気複合フレキシブルプリント基板は、請求項１において、前記受発光ユニットが複数個からなる場合、該受発光ユニットは個別に、前記発光素子及び前記受光素子と前記光配線との接合部付近がそれぞれ樹脂モールドにより覆われていることを特徴とする。

本発明の請求項６に係る光電気複合フレキシブルプリント基板は、請求項１において、前記受発光ユニットが複数個からなる場合、該受発光ユニットは一括して、前記発光素子及び前記受光素子と前記光配線との接合部付近がそれぞれ樹脂モールドにより覆われていることを特徴とする。

本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板は、予め電気配線が形成された可撓性を有する基材に対して実装された受光素子と発光素子との間に光配線を実装する構造であるため、配線パターンの設計上の修正や変更に容易に対応することが可能である。しかも、受光素子と発光素子を実装する基材として予め光導波路が形成されたものを用いる必要が無く、従来の予め電気配線が形成された可撓性を有する基材を用いるものであるので、煩雑な作業を有すること無く容易に作製することができる。
さらに、本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板は、受光素子や発光素子の数が増加した場合に集積化が可能となるので、実装面積が小さく光電気複合モジュールの小型化を図ることもできる。

以下、本発明の一例について、図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の第一の実施形態を示す概略平面図である。
本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板１は、図１に示すように、可撓性を有する単一の基材であるフレキシブルプリント基板２と、該フレキシブルプリント基板２の少なくとも一面に実装（搭載）された発光素子３と受光素子４から構成される受発光ユニット、及び該発光素子３と該受光素子４との間を接続する光配線１０を少なくとも備えている。

フレキシブルプリント基板２は、可撓性を有する柔軟なフィルム状の配線基板（いわゆるＦＰＣ）であり、電気配線を有する。このフレキシブルプリント基板２は、たとえば、耐熱性樹脂フィルムから形成される。耐熱性樹脂フィルムとしては、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などのフィルムが挙げられる。

電気配線は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等の金属配線である。その作製には、真空蒸着とリソグラフィー技術により、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の配線パターンを形成する手法が用いられる。他にも、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の導電性ペーストをスクリーン印刷法で基材上に印刷して回路パターンを形成した後、導電性ペーストを焼成したり、硬化させたりして形成してもよい。また、電解銅箔等の金属箔を積層し、所望のパターンに形成されたエッチングレジストを用いて該金属箔を化学エッチングすることにより、回路パターンを形成する手法などもある。

発光素子３は、フレキシブルプリント基板２に配置された電子回路（図示せず）からのデジタル電気信号を光信号に変換し、信号光を発光する発光部５を有した集積回路であり、この光信号を送出する機能を有する。発光素子３としては、具体的に、発光ダイオード、半導体レーザ、および面発光レーザなどが挙げられる。
この発光素子３は、受光面と同じ側に電極２３を有し、発光部５に形成した電極２５とコンタクトを取るように金属ワイヤ３３により電気的に接続される。また、発光素子３は、フレキシブルプリント基板２上に形成した電極２７とコンタクトを取るように所定位置に実装され、この後に発光素子３を覆うように透光性の樹脂モールド７により覆われる。

受光素子４は、前記発光素子３から光配線を介して送られる信号光を受光する受光部６を有した集積回路であり、受光した光信号をその強度に応じた電気信号に変換して出力する機能を有する。受光素子４としては、具体的に、フォトダイオードなどが挙げられる。
この受光素子４は、発光点と同じ側に電極２４を有し、受光部６に形成した電極２６とコンタクトを取るように金属ワイヤ３４により電気的に接続される。また、受光素子４は、前記発光素子３と同様に、フレキシブルプリント基板２上に形成した電極２８とコンタクトを取るように所定位置に実装され、この後に受光素子４を覆うように透光性の樹脂モールド８により覆われる。

そして、これら発光素子３と受光素子４は、発光部５と受光部６とが互いに対向するようにフレキシブルプリント基板２上に配置され、光配線１０により発光側と受光側が結合される。光配線１０としては、光ファイバや光導波路などがある。
なお、金属ワイヤ３３，３４としては、たとえば金などの細線を用いることができる。また、モールド７，８を成形する透光性の樹脂としては、たとえばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などが使用できる。

上記のような光電気複合フレキシブルプリント基板１は、たとえば図２に示すような方法で作製される。
まず、発光部５を備えた発光素子３と、受光部６を備えた受光素子４とをそれぞれ準備する（図２（ａ）参照）。
次に、ワイヤーボンディングなどの装置を用いて、発光素子３に備えた電極２３と発光部５に備えた電極２５を金属ワイヤ３３接続すると共に、受光素子４に備えた電極２４と受光部６に備えた電極２６を金属ワイヤ３４で電気的に接続する（図２（ｂ）参照）。
次いで、金属ワイヤ３３，３４が断線や腐食といった不具合を生じないように、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂で前記発光素子３及び前記受光素子４をそれぞれ覆い、保護用の樹脂モールド７，８を形成する（図２（ｃ）参照）。
さらに、樹脂モールド７で覆われた発光素子３を、フレキシブルプリント基板２の所定位置に形成した電極２７に、ハンダなどの電気的に導通が確保できる方法で固定すると共に、樹脂モールド８で覆われた受光素子４を、フレキシブルプリント基板２の所定位置に形成した電極２８に、ハンダなどの電気的に導通が確保できる方法で固定する（図２（ｄ）参照）。
そして、最後に発光素子３と受光素子４との間に両者を接続するための光配線１０を実装することにより、図１に示すような光電気複合フレキシブルプリント基板１を製造することが出来る。

以上のように構成された光電気複合フレキシブルプリント基板１は、電気信号がフレキシブル基板２の電極２７を通じて発光素子３に入力されると、この電気信号を発光素子３により光信号に変換する。次いで、この光信号が透光性の樹脂を通じて受光素子４の受光面に入射し、この光信号を受光素子４により電気信号に変換する。そして、この電気信号はフレキシブル基板２の電極２８を通じて出力される。

このように本実施形態の光電気複合フレキシブルプリント基板１は、フレキシブルプリント基板２に発光素子３および受光素子４を実装した後に光配線１０を装着するため、発光素子等の実装が容易であると共に、配線パターンに設計上、修正や変更が生じた場合でも容易に対応することができる。しかも、煩雑な作業を有すること無く容易に作製することができる。従って、少量生産や試作にも適している。

また、本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板は、図３及び図４に示すように、発光素子と受光素子から構成される受発光ユニットが複数個あり、該受発光ユニット毎に光配線を備えているものとしても良い。すなわち、このように作製される光電気複合フレキシブルプリント基板は、薄型テレビ、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話機など様々な電子機器の内部に使用することを想定しているので、素子の小型化、薄型化が強く要求される。また、電子機器内部の伝送容量の増加に伴って、光電気複合フレキシブルプリント基板に要求される伝送容量が増加している傾向にある。この光電気複合フレキシブルプリント基板の伝送速度は、基板上に搭載されている発光素子、受光素子の種類に依存してほぼ一義的に決まる。特に、ＬＥＤ、ＬＤ、ＶＣＳＥＬといった発光素子を決めると、伝送速度の上限がほぼ決まってしまう。したがって、更なる伝送速度の向上のためには、光電気複合フレキシブルプリント基板上に搭載される、前記受発光ユニットの数を増やす必要が出てくる。

以下、本発明の他の実施形態について説明する。なお、後述する実施形態においては、上記実施形態と同様の構成部分については同じ符合を用い、その説明は省略することとし、特に説明しない限り同じであるものとする。
図３は、本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の第二の実施形態を示す概略平面図である。
図３に示す光電気複合フレキシブルプリント基板１１は、発光素子３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）と受光素子４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）から構成される複数個の受発光ユニットを同一のフレキシブルプリント基板２上に平面的に配列し、それぞれの発光素子３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）と受光素子４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）との間を、光ファイバなどの光配線１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）を用いて光学的にそれぞれ接続している。そして、該受発光ユニットは個別に、前記発光素子３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）と前記光配線１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）との各接合部付近が、それぞれ透光性の樹脂モールド７・・７により覆われると共に、前記受光素子４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と前記光配線１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）との各接合部付近が、それぞれ透光性の樹脂モールド８・・８により覆われている。
これにより、情報の伝送容量を増加させることが出来る。

また、図４は、本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の第三の実施形態を示す概略平面図である。
図４に示す光電気複合フレキシブルプリント基板２１は、複数個の発光部１５（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ）を有する発光素子１３と、複数個の受光部１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）を有する受光素子１４から構成される複数個の受発光ユニットを同一のフレキシブルプリント基板２上に平面的に配置し、発光素子１３と受光素子１４との間を、それぞれの発光部１５（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ）及び受光部１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）毎に光ファイバなどの光配線２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）を用いて光学的にそれぞれ接続している。そして、該受発光ユニットは一括して、前記発光素子１３と前記光配線２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）との接合部付近が、透光性の樹脂モールド１７により覆われると共に、前記受光素子１４と前記光配線２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）との接合部付近が、透光性の樹脂モールド１８により覆われている。
これにより、情報の伝送容量を増加させることが出来るとともに、発光素子及び受光素子の集積化が可能となって実装面積を大きくしなくても複数個の受発光ユニットを並べたのと同等の機能を有する光電気複合モジュールの小型化を実現することが出来る。しかも、受光部と発光部の数が同一の場合、大幅な素子の小型化が実現できるとともに、受発光ユニットが増加することに伴う実装コストの増加を抑えることもできる。

また、本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板は、図２に示すような製造方法に限らず、図５及び図６に示すような方法で作製することもできる。
図５は、本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の他の製造方法を説明する概略図であり、図６は、図５に示す方法にて製造された本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の第四の実施形態を示す概略平面図である。
まず、発光部５を備えた発光素子３と、受光部６を備えた受光素子４とをそれぞれ準備し、前記発光素子３を、フレキシブルプリント基板２の所定位置に形成した電極２７に、ハンダなどの電気的に導通が確保できる方法で固定すると共に、前記受光素子４を、フレキシブルプリント基板２の所定位置に形成した電極２８に、ハンダなどの電気的に導通が確保できる方法で固定する（図５（ａ）参照）。
次に、ワイヤーボンディングなどの装置を用いて、発光素子３に備えた電極２３と発光部５に備えた電極２５を金属ワイヤ３３で電気的に接続すると共に、受光素子４に備えた電極２４と受光部６に備えた電極２６を、金属ワイヤ３４で電気的に接続する（図５（ｂ）参照）。

次いで、発光素子３の発光部５と受光素子４の受光部６との間に、両者を接続するための光ファイバ等の光配線１０を実装する（図５（ｃ）参照）。
この際、先に発光部５と受光部６との間に光配線１０を実装してから、発光素子３に備えた電極２３と発光部５に備えた電極２５とを金属ワイヤ３３で接続し、また、受光素子４に備えた電極２４と受光部６に備えた電極２６を、金属ワイヤ３４で電気的に接続するようにしても良いが、光配線１０としてプラスチックファイバを用いる場合には、金属ワイヤ３３，３４の接続時の熱でプラスチックファイバが溶けてしまう虞があるため、この場合には、耐熱温度が高いガラスファイバを用いることが望ましい。
最後に、発光素子３を全体的に覆うようにエポキシ樹脂やシリコーン樹脂で保護用の樹脂モールド２７を形成すると共に、受光素子４を全体的に覆うようにエポキシ樹脂やシリコーン樹脂で保護用の樹脂モールド２８を形成することで、図６に示すような光電気複合フレキシブルプリント基板４１を製造することが出来る。

そして、上記のように、発光素子３及び受光素子４をそれぞれ全体的に覆うようにした構造の光電気複合フレキシブルプリント基板４１は、以下のような長所を有する。
１）発光素子３及び受光素子４をそれぞれ覆っている樹脂モールド２７，２８によって光配線１０も固定しているので、発光素子３及び受光素子４と光配線１０との間で発生する損失の劣化が少ない。
２）光配線１０の実装時に邪魔にならない場所に、金属ワイヤ３３，３４を配置することが可能である。
３）光配線１０を実装する時に樹脂モールドが存在しないので、発光素子３及び受光素子４と光配線１０との距離を短くすることが可能となる。その結果、光結合部での過剰な接続損失が小さくなり、素子全体の消費電力を小さくすることができる。
４）発光素子３及び受光素子４の各樹脂モールド２７，２８と光配線１０との間には保護用の樹脂が充填されていて空気の層が存在しないので、空気の層が存在することで生じるフレネル反射に起因する光損失、光配線１０及び樹脂モールド２７，２８の表面荒れに起因する光損失や、長期信頼性の悪化など素子特性に悪い類影響を及ぼすことが無く、信頼性の向上が図れる。

（実施例１）
次に、本発明による光電気複合フレキシブルプリント基板は、受発光ユニットを複数個設けた場合に単に伝送容量を増加させるだけでなく、実装面積を抑えて光電気複合モジュールの小型化を実現できることを確認するため、外形寸法２×１ｃｍの発光素子及び受光素子を用い、図３に示すように、発光素子と受光素子から構成される受発光ユニットを４つ平面的に配列し、該受発光ユニットを個別に樹脂モールドにより覆った場合の実装面積と、図４に示すように、発光素子と受光素子から構成される受発光ユニットを４つ平面的に配列し、該受発光ユニットを一括して樹脂モールドにより覆った場合の実装面積とで比較した。

その結果、図３に示すように、受発光ユニットを個別に樹脂モールドにより覆った場合は、発光素子と受光素子の固定のために用いるハンダの大きさを考慮して、発光素子部分又は受光素子部分で１２×１ｃｍの実装面積が必要であったが、図４に示すように、受発光ユニットを一括して樹脂モールドにより覆った場合は、５×１ｃｍの実装面積が必要であった。したがって、受発光ユニットを一括して樹脂モールドにより覆うことにより、受発光ユニットを個別に樹脂モールドにより覆う場合に比して４２％まで実装面積を低減させることができた。

また、前者の方法では実装時間が５分３０秒であったのに対して、後者の方法では２分となった。したがって、図４に示すように、複数個の受発光モジュールを樹脂モールドで一括して覆う方法は、受発光素子をそれぞれ光ファイバで接続する方法に比較して３分３０秒も実装時間の短縮が図れた。また、これにより、実装に伴う低コストも実現することができた。

本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板は、各種電子機器に適用できる。

本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の第一の実施形態を示す概略平面図である。 本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の製造方法を説明する概略図である。 本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の第二の実施形態を示す概略平面図である。 本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の第三の実施形態を示す概略平面図である。 本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の他の製造方法を説明する概略図である。 本発明の光電気複合フレキシブルプリント基板の第四の実施形態を示す概略平面図である。

符号の説明

１、１１ 光電気複合フレキシブルプリント基板、２ フレキシブルプリント基板、３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ） 発光素子、４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ） 受光素子、５ 発光部、６ 受光部、７、８ 樹脂モールド、１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ） 光配線（光ファイバ）、２３、２４、２５、２６、２７、２８ 電極、３３、３４ 金属ワイヤ。

Claims (6)

1. 可撓性を有する単一の基材、
   前記基材に実装された発光素子と受光素子から構成される受発光ユニット、及び、
   前記発光素子と前記受光素子との間を接続する光配線、
   を具備してなることを特徴とする光電気複合フレキシブルプリント基板。
2. 前記受発光ユニットが複数個あり、該受発光ユニット毎に前記光配線を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光電気複合フレキシブルプリント基板。
3. 前記光配線は、コアが高分子材料からなる光ファイバであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電気複合フレキシブルプリント基板。
4. 前記光配線は、コアがガラスからなる光ファイバであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電気複合フレキシブルプリント基板。
5. 前記受発光ユニットが複数個からなる場合、該受発光ユニットは個別に、前記発光素子及び前記受光素子と前記光配線との接合部付近がそれぞれ樹脂モールドにより覆われていることを特徴とする請求項２に記載の光電気複合フレキシブルプリント基板。
6. 前記受発光ユニットが複数個からなる場合、該受発光ユニットは一括して、前記発光素子及び前記受光素子と前記光配線との接合部付近がそれぞれ樹脂モールドにより覆われていることを特徴とする請求項２に記載の光電気複合フレキシブルプリント基板。
   

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