JP2007184400A - 光伝送モジュールおよび半導体装置 - Google Patents

光伝送モジュールおよび半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】同軸付きセラミックBGAはんだボールICを実装した光伝送モジュールの温度サイクル信頼性の向上を計る。
【解決手段】アンダーフィル6の流動防止枠5の設置と寸法の適正化により、アンダーフィルのフィレットを概ね懸垂線状のプロファイルを有するように適正化し、さらにアンダーフィルのヤング率を5Gpa以下で熱膨張係数を20ppm/℃〜35ppm/℃に選定する。また、はんだボール実装面の全周に0.5mm以上の面取りまたは0.2mm以上のR面取りを設ける。
【選択図】図3

Description

本発明は、光信号を電気信号に変換するもしくは電気信号を光信号に変換する光伝送モジュールおよび半導体装置に関する。
光伝送モジュールには、通信量の増大に伴い、光伝送速度の高速化の要求が高い。この理由は、既施設済みの光ファイバをそのまま利用して伝送量を増大させることにより、新たな光ファイバの敷設という高額な投資を抑えることができる点にある。現状、主流の光伝送速度は2.5Gb/sから10Gb/sに移ってきている。次の世代として40Gb/sの伝送のニーズが高まっている。
図1を参照して、伝送速度10Gbit/sの光伝送モジュールの構成を説明する。ここで、図1は伝送速度10Gbit/sの光伝送モジュールのブロック図である。図1において、光の受信側では、光ファイバ14から送られた光を、光電気変換モジュール(ホトダイオードモジュール:PDM)18で電気信号に切り替え、さらにデマルチプレクサー(DMUX)IC22により、16本のパラレル信号に置き換えられ電気信号として処理されている。
逆に、光の送信側では、16本のパラレル電気信号がマルチプレクサー(MUX)IC20により1信号に集約され、電気光変換モジュール(レーザーダイオードモジュール:LDM)21により光信号として光ファイバに送信される。
10Gb/sの光伝送モジュールでは、300ピンMSAに示されるように、電気信号部分は622MHzX16本により構成されている。光伝送モジュール50の電気信号はコネクタ23を用いて送受信される。PDM19、DMUXIC22、LDM21、MUX20、コネクタ23はそれぞれプリント基板27に実装されて、光伝送モジュール50を構成する。
光伝送モジュールの送受信に於いて、高信頼度の伝送のために光の伝送波形の維持に高精度の設計がおこなわれている。具体的には、10Gb/sの信号が通る受信側では、PDMからDMUXの間の、送信側ではMUXからLDMの間では、外部からのクロストークノイズや、信号伝播に於ける損失の増大や反射の発生を極力抑える工夫をプリント基板上の配線設計でなされている。
特許文献1には、フリップチップ実装されたチップと基板との間に、弾性係数が小さく、熱膨張率がはんだの熱膨張率とほぼ同じ樹脂を、充填する半導体装置が記載されている。
特開昭62−316447号公報
しかし、10Gb/sで実現できたプリント基板上の設計工夫では、40Gb/sの信号を所定の信号晶質を保って伝送することが困難であることが判明している。
そこで、40Gb/sの電気信号を低減衰でノイズに対する耐性の高い同軸ケーブルを用いて直接PDM−DMUX間、およびLDM−MUX間を繋ぐ方法が有望な手法である。これにより40Gb/sの信号波形品質を大幅に低下させずに伝送させることが可能になってきている。
ところで、同軸ケーブルをMUXICやDMUXICに設置するためには、通常セラミックPKG(package)となり、PKGサイズ(基板平面と高さ)が大型化する。従来は、同軸ケーブルを具備してなるセラミックPKGの基板への実装形態はPGA(ビングリッドアレイ)が主であった。これは、接続部の信顛性を保つことを優先させたことにある。しかし、電気信号として622MHzの電気信号を高品質で伝送するためには、ICPKGとプリント基板間の接続は接続距離をPGAに比較して短くできるBGA(ボールグリッドアレイ)とならざるを得ない。
一方、セラミックPKGBGAについては、接続部信頼性の問題が常に有る。これは、通常使われるアルミナセラミックの熱膨張係数(約7ppm/℃)がプリント基板の熱膨張係数(14〜16ppm/℃)と大きく異なり、稼動中のBGAはんだに大きなストレスが発生しはんだが熱疲労を起こし接続寿命が短くなることにある。
通信機器は10年以上の信頼性を要求されており、これを満足する手段として大形のセラミックBGAPEGでは、アンダーフィルが必要とされている。しかし、同軸ケーブルを具備したセラミックBGAPKGについてこれまで、信頼性の高い実装手段が開示されていない。
本発明では、セラミックBGAパッケージはんだ接続部の高信頼度実装方法について解決する。本発明によれば、信頼性の高いセラミックBGAパッケージICを有する光伝送モジュールおよび半導体装置を得ることができる。
上記課題は、複数の電気信号を多重してシリアル電気信号を生成するマルチプレクサーICと、シリアル電気信号を光信号に変換して光ファイバに送出する電気光変換モジュールとをプリント基板に実装され、マルチプレクサーICと電気光変換モジュールとは同軸ケーブルで接続されてシリアル電気信号を伝送し、マルチプレクサーICはプリント基板と複数のはんだボールで接続され、複数のはんだボールはアンダーフィル流動防止枠で囲われ、複数のはんだボールの周囲は、マルチプレクサーICの側面とアンダーフィル流動防止枠の内側面との間で概ね懸垂線状のプロファイルを有するようにアンダーフィルによって充填された光伝送モジュールにより、達成できる。
また、光ファイバから受信した光信号を電気信号に変換する光電気変換モジュールと、電気信号を分離して複数のパラレル電気信号を生成するデマルチプレクサーICとをプリント基板に実装され、光電気変換モジュールとデマルチプレクサーICとは同軸ケーブルで接続されて電気信号を伝送し、でマルチプレクサーICはプリント基板と複数のはんだボールで接続され、複数のはんだボールはアンダーフィル流動防止枠で囲われ、複数のはんだボールの周囲は、マルチプレクサーICの側面とアンダーフィル流動防止枠の内側面との間で概ね懸垂線状のプロファイルを有するようにアンダーフィルによって充填された光伝送モジュールにより、達成できる。
さらに、半導体をセラミックキャリアに搭載し、セラミックキャリアの底面に複数のはんだボールを形成して半導体と接続され、底面の全周に0.5mm以上のC面取りまたは0.2mm以上のR面取りを設けた半導体装置により、達成できる。
本発明により、信頼性の高いセラミックBGAパッケージICを有する光伝送モジュールおよびセラミックBGAパッケージICを得ることができる。
以下、本発明の実施の形態に付いて、実施例を用いて図面を参照しながら説明する。なお、同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
実施例を図2ないし図4を用いて説明する。ここで、図2は光伝送モジュールのブロック図である。図3は光伝送モジュールの同軸ケーブル付きセラミックBGA部の部分断面図である。図4は光伝送モジュールの同軸ケーブル付きセラミックBGA部の平面図である。
図2において、光ファイバ14からの伝送速度40Gbit/sの入力光は、光電気変換モジュール(PDM:Photo Diode Module)9で受信される。PDM9は、光信号を電気信号に変換し、40Gbit/sの正相信号と逆相信号とをそれぞれ同軸ケーブル8でデマルチプレクサーIC(DMUX)12に送信する。DMUX12は40Gbit/s電気信号を、622MHzX64本に変換して、300ピンコネクター13から出力する。
一方、外部から300ピンコネクター13に入力される622MHzX64本の電気信号は、マルチプレクサーIC(MUX)10で受信される。MUX10は622MHzX64本の電気信号を40Gbit/sの正相信号と逆相信号に変換し、2本の同軸ケーブル8を経由して、電気光変換モジュール(LDM:Laser Diode Module)11に送信する。LDM11は40Gbit/sの電気信号を、40Gbit/sの光信号に変換して、光ファイバ15から出力する。光伝送モジュール100の入出力電気信号は、コネクタ13を用いて入出力する。PDM9、DMUXIC12、コネクタ13、LDM11、MUXIC10は、プリント基板7に実装し、光伝送モジュール100を構成する。
なお、図2に示す光伝送モジュール100は、PDM9とLDM11とをともに備える。しかし、本明細書において、光伝送モジュールとは、PDMとLDMとの一方のみを備える光伝送モジュールを含む。PDMのみを含む光伝送モジュールは、光受信モジュールであるLDMのみを含む光伝送モジュールは、光送信モジュールである。
図3は、図1を用いて説明した光伝送モジュールのMUX10、DMUX12の実装状態を示したものである。MUX10およびDMUX12は、図3に示すセラミック基板部1と金属部2から構成され、該当金属部の一部側面に同軸コネクタ一部3が構成され、さらに同軸ケーブル8が同軸コネクタ一部3に装着された構成である。さらにMUX10およびDMUX12のセラミック基板1の下部にははんだボール4が設置してあり、プリント基板7との間の電気的接続を実施する。セラミック基板の周辺のプリント基板上にはあらかじめ設けたアンダーフィル流れ防止枠5が設置してあり、セラミック基板1とアンダーフィル防止枠との間にアンダーフィル材料を充填・固化してある。ここで、アンダーフィル6は、はんだボール4をセラミック基板1の側面とアンダーフィル流れ防止枠5の内側面との間で概ね懸垂線状のプロファイルを有して、形成されている。ここで懸垂線状とは、下に凸の2次曲線状とも表現できる。
以下、具体的な数値を用いて説明する。図3において、同軸ケーブルを伝わる信号の伝送速度は40Gbit/sで有り、セラミック基板のサイズは20mm×20mm×2.5mm厚、金属部のサイズは幅22mm×長さ25mm×厚さ3.0mm、はんだボールは1mmピッチで19×19のエリアアレイで合計361個からなる。アンダーフィル流れ防止枠の外形は、25×25×2mm高さ(同軸コネクタ下部は高さ1mm)で枠の厚みは1mmとし材質はプリント基板と同一材料である。図3において、セラミック基板1とアンダーフィル流動防止枠5との間隔を2.5mmとした。ここで、アンダーフィル流れ防止枠は、PKGに同軸ケーブルを設置部分については流れ防止枠をPKG構造物の直下に設置し、それ以外の部分はPKGとアンダーフィル流れ防止枠にすき間を設けた。
アンダーフィル流動防止枠5とセラミック基板1との間隔およびアンダーフィル流動防止枠5の高さを決めるに当たって、以下の検討を行った。
まず、高周波伝送の点からMUXIC10およびDMUXIC12からコネクターヘの配線距離はできるだけ短くする必要が有り、アンダーフィル流動防止枠のようなデッドスペースを無くするのが配線の原則である。しかし、MUX10およびDMUX12の周辺にはコンデンサーなどの受動部品が設置されるが、これらの部品がアンダーフィルに部分的に覆われる場合に、アンダーフィルの硬化収縮応力が加わりはんだ接続部にダメージを加える。
一方、アンダーフィルは、後述のようにセラミック基板の側面から滑らかなフィレットを形成していないとセラミックとアンダーフィルの界面の応力が大きくなり剥がれる可能性が高い。また、アンダーフィルがセラミック側面に掛からないと応力集中部がアンダーフィルとセラミック基板の接続点に発生し、この場合にも剥がれが発生する可能性が高い。従って、アンダーフィルを、セラミック基板の側面から滑らかなスロープを形成させて形成することがはんだボールの温度サイクル信頼性を確保するためには必須である。その場合、1mmピッチBGAの場合でセラミック基板の底面から1mmの側面部分にアンダーフィル開始点を設けると、アンダーフィルの裾野がセラミックの端部から10mm程度に広がる。この場合、セラミック基板サイズ20×20mmの周辺40×40mmに部品が置けないエリア(セラミック基板の床面積の4倍の床面積が必要)が発生し、送受信モジュールの特性からすると非常に不利な設計を強いられることになる。図3では、アンダーフィル流動防止枠により部品実装禁止領域が25×25mm(セラミック基板の床面積の1.6倍の床面積)と大幅に縮減できる。
また、アンダーフィルについて、シュリンジを用いて塗布する際に、図5に示すようにアンダーフィル充填量が過少の場合には、アンダーフィルのセラミック基板の側面に濡れ上がりにくくなる。その結果温度サイクル試験時にセラミックの角からクラックが入りアンダーフィルを破断させる。さらに、その結果アンダーフィルとセラミック基板との界面のアンダーフィルが剥がれ始めてBGAはんだの温度サイクル寿命が短くなる問題が発生している。この場合には、はがれ面が逆にBGAはんだに応力集中を引き起こしアンダーフィルが無い場合より温度サイクル寿命が短くなることも発生する。
逆にアンダーフィル充填量が過多の場合には、図6に示すようにフィレット形状が無くなり、セラミック基板から直角に近い状態でアンダーフィルが形成されてしまう問題がある。図6のような場合には、温度サイクル試験時にアンダーフィルとセラミック基板の間に発生する熱収縮応力がほぼ接続界面に垂直となる。この結果、アンダーフィルをセラミックから剥がす応力が最大となり、これにより温度サイクル時にアンダーフィルがセラミック基板の側面から剥がれ始め順次セラミック基板底面側に剥がれが進行する。最終的には、BGAはんだに応力集中が発生し図5と類似のモードとなって、アンダーフィルが無い場合より温度サイクル寿命が短くなる場合がある。
上記のようにアンダーフィルのフィレット形状は、セラミックBGA接続部の実稼動信頼性に大きな影響を及ぼすことが判明した。一方、特許文献1に示すようにアンダーフィル材質(ヤング率(縦弾性係数)、熱膨張係数)がセラミックBGA接続部の実稼動信頼性に大きな影響を及ぼすことが知られている。しかし、アンダーフィルのフィレット形状とアンダーフィル材質を統一的に、具体的な数値で示した情報は開示されておらず実際の信頼性の高いセラミックBGAの実装を実現した例は無い。図3の構成とするに当たって、表1の条件で数値シミュレーションを実施し、アンダーフィルの材質と発生応力および発生ひずみの関係を把握した。表1は、アンダーフィルを2水準(大、中)とし、アンダーフィル材料のヤング率を7.9GPaと4.0GPa、熱膨張係数を30ppm/℃と60ppm/℃として解析し、その結果を発生応力とひずみの相対比較で示した。
表1
アンダー 熱膨張係数 ヤング率 A点応力 B点応力 C点ひずみ
フィル α E △σA △σB |△εC|
水 準 (ppm) (GPa) (MPa)(MPa) (ppm)
------------------------------------------------------------------
大 60 7.9 175 849 1100
大 30 7.9 75 469 675
大 60 4.0 86 459 433
大 30 4.0 44 257 64
中 60 7.9 169 349 1159
中 30 7.9 77 163 649
中 60 4.0 83 177 410
中 30 4.0 46 82 90

表1の発生応力と発生ひずみの代表値は、図5において温度サイクル時に発生するアンダーフィルの剥がれの基点となるセラミックの角A点の応力、アンダーフィル・フィレット開始点であるB点の応力とBGAはんだのC点のひずみとした。A点、B点での応力は、アンダーフィルの剥がれが対象であるので、アンダーフィルの応力を代表値とし、また、C点ははんだの疲労寿命が対象となるのではんだのひずみを代表値とした。
表1より、アンダーフィルのフィレットが中となることにより同一材料構成でもB点(アンダーフィルの開始点)の応力が下がり剥がれにくくなることが判明した。セラミックの角部A点の応力およびBGAはんだC点のひずみには差が無い。このことより、アンダーフィルの塗布量が中となる塗布によりアンダーフィル・フィレットの形成が重要であることが判明した。次に、セラミックの角部A点の応力に着目すると、表1よりアンダーフィルのヤング率が小さいか、熱膨張係数が小さいほうが応力が小さくなることが判明した。また、同一割合でヤング率と熱膨張係数が変化した場合に、応力の低減にはヤング率の変化の方が効果的であることが判明した。
さらに、BGAはんだC点のひずみに着目するとヤング率と熱膨張係数の両者ともに小さくなるとはんだのひずみは小さくなる。その度合いは、熱膨張係数の方が効果が大きいことが判明した。これらを、より材料選定を明確に判定するために、図7、図8、図9を作成した。ここで、図7はアンダーフィル大の場合のA点の応力を説明する図である。図8はアンダーフィル大の場合のB点の応力を説明する図である。図9はアンダーフィル大の場合のC点のひずみを説明する図である。
図7ないし図9では、材料選定のパラメータであるアンダーフィルの熱膨張係数とヤング率をそれぞれx軸、y軸とし、A点、B点の応力値とC点のひずみを等高線として示す。各図には、これまでの小型セラミックBGAのアンダーフィル塗布部品における信頼性データから目標許容値を太線で示す。この目標値は、A点の応力では380MPa以下、B点の応力では175MPa以下、C点のひずみでは0.4ppm以下である。信頼性判定基準は、光伝送モジュールが満足すべきtelcordia GR−468−CORE基準の−40〜85℃の温度サイクル試験で500サイクルを合格する条件である。
これらの結果から、アンダーフィル材料のヤング率と熱膨張係数の最大値は、C点のひずみで決まり、ヤング率5GPa、熱膨張係数35ppm/℃程度が適当と発明者等は、判断した。一方、アンダーフィル材料のヤング率と熱膨張係数の最小値は発明者等の知見により、ヤング率2GPa、熱膨張係数20ppm/℃程度である。したがって、アンダーフィル材料のヤング率2〜5GPa、熱膨張係数20〜35ppm/℃が好適である。なお、アンダーフィル材料のヤング率と熱膨張係数の最大値は、ヤング率6GPa、熱膨張係数40ppm/℃程度であっても良い。
さらに、図3において、通常のセラミックの切断加工では角の面取りは0.05以下と極めて小さい。この場合、A点のアンダーフィルに応力集中が発生し、数値計算上の応力値より数倍大きくなる。このため温度サイクル試験時に、アンダーフィルA点にクラックが入り易く温度サイクル寿命が短いと言う問題があった。
これに対してセラミックの角部にR0.2以上の面取りをつけることによりA点に発生するアンダーフィルの応力集中を避けることが出来る。また、面取りとしてはC0.5以上のC面取りにて、R面取りR0.2とほぼ同等の効果が得られている。
ここで、C面取りとは、交差する面部分を45°でカットする加工である。例えば、それぞれ1mmずつの場所で45°カットの場合C1である。R面取りとは、交差する面部分を丸形状にする加工である。丸形状の半径が1mmであればR1である。
伝送速度10Gbit/sの光伝送モジュールのブロック図である。 光伝送モジュールのブロック図である。 光伝送モジュールの同軸ケーブル付きセラミックBGA部の部分断面図である。 光伝送モジュールの同軸ケーブル付きセラミックBGA部の平面図である。 光伝送モジュールの同軸ケーブル付きセラミックBGA部の部分断面図である(アンダーフィル充填量過少)。 光伝送モジュールの同軸ケーブル付きセラミックBGA部の部分断面図である(アンダーフィル充填量過多)。 アンダーフィル大の場合のA点の応力を説明する図である。 図8はアンダーフィル大の場合のB点の応力を説明する図である。 アンダーフィル大の場合のC点のひずみを説明する図である。
符号の説明
1…セラミック基板、2…PEGフレーム、3…同軸コネクタ部、4…BGAボール、5…アンダーフィル流動防止枠、6…アンダーフィル、7…プリント基板、8…同軸ケーブル、9…光電気変換モジュール(PDM)、10…マルチプレクサーIC(MUX)、11…電気光変換モジュール(LDM)、12…デマルチプレクサーIC(DMUX)、13…コネクタ、14…入力用光ファイバ、15…出力用光ファイバ、19…光電気変換モジュール(PDM)、20…マルチプレクサーIC(MUX)、21…電気光変換モジュール(LDM)、22…デマルチプレクサーIC(DMUX)、23…コネクタ。

Claims (9)

  1. 複数の電気信号を多重してシリアル電気信号を生成するマルチプレクサーICと、前記シリアル電気信号を光信号に変換して光ファイバに送出する電気光変換モジュールとをプリント基板に実装された光伝送モジュールにおいて、
    前記マルチプレクサーICと前記電気光変換モジュールとは同軸ケーブルで接続されて前記シリアル電気信号を伝送し、
    前記マルチプレクサーICは前記プリント基板と複数のはんだボールで接続され、
    前記複数のはんだボールはアンダーフィル流動防止枠で囲われ、
    前記複数のはんだボールの周囲は、前記マルチプレクサーICの側面と前記アンダーフィル流動防止枠の内側面との間で概ね懸垂線状のプロファイルを有するようにアンダーフィルによって充填されていることを特徴とする光伝送モジュール。
  2. 光ファイバから受信した光信号を電気信号に変換する光電気変換モジュールと、前記電気信号を分離して複数のパラレル電気信号を生成するデマルチプレクサーICとをプリント基板に実装された光伝送モジュールにおいて、
    前記光電気変換モジュールと前記デマルチプレクサーICとは同軸ケーブルで接続されて前記電気信号を伝送し、
    前記でマルチプレクサーICは前記プリント基板と複数のはんだボールで接続され、
    前記複数のはんだボールはアンダーフィル流動防止枠で囲われ、
    前記複数のはんだボールの周囲は、前記マルチプレクサーICの側面と前記アンダーフィル流動防止枠の内側面との間で概ね懸垂線状のプロファイルを有するようにアンダーフィルによって充填されていることを特徴とする光伝送モジュール。
  3. 請求項1または請求項2に記載された光伝送モジュールであって、
    前記複数のはんだボールを形成された接続面の全周に0.5mm以上の面取りまたは0.2mm以上のR面取りを設けたことを特徴とする光伝送モジュール。
  4. 請求項1または請求項2に記載された光伝送モジュールであって、
    前記アンダーフィルは、ヤング率6Gpa以下かつ熱膨張係数40ppm/℃以下であることを特徴とする光伝送モジュール。
  5. 請求項4に記載された光伝送モジュールであって、
    前記アンダーフィルは、ヤング率5Gpa以下かつ熱膨張係数35ppm/℃以下であることを特徴とする光伝送モジュール。
  6. 半導体をセラミックキャリアに搭載し、前記セラミックキャリアの底面に複数のはんだボールを形成して前記半導体と接続された半導体装置において、
    前記底面の全周に0.05mmを超えるC面取りを設けたことを特徴とする半導体装置。
  7. 半導体をセラミックキャリアに搭載し、前記セラミックキャリアの底面に複数のはんだボールを形成して前記半導体と接続された半導体装置において、
    前記底面の全周に0.5mm以上のC面取りまたは0.2mm以上のR面取りを設けたことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項6または請求項7に記載の半導体装置であって、
    前記半導体は複数の電気信号を多重してシリアル電気信号を生成することを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項6または請求項7に記載の半導体装置であって、
    前記半導体は電気信号を分離して複数のパラレル電気信号を生成することを特徴とする半導体装置。
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