JP2007294561A - フレキシブル回路基板による接続構造を有する光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブル基板の折り曲げ時の信号ラインの破損を防ぎ、かつフレキシブル基板上の信号ラインを短くして、より高周波特性を良好にする。
【解決手段】回路基板とＯＳＡ（Optical Sub-Assembly）とを、インピーダンスマッチング可能なフレキシブル基板１００を使用して接続する。フレキシブル回路基板１００は、回路基板に接続する実装ランド部１１１にスルーホール１１０を有し、そのスルーホール１１０を介して信号ラインを実装ランド部１１１の裏側に引き回す。裏面側では、裏面側銅箔１０５により信号ラインが形成され、その上に裏面側カバーレイ１０９が付与される。フレキシブル基板１００を折り曲げると、実装ランド部１１１の境界Ｑで折れ曲がる。境界Ｑには裏面側カバーレイ１０９が付与されているため、信号ラインが断線することがなく、またＯＳＡと回路基板とが近くなって信号ラインが短くなり、高周波特性が良好になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フレキシブル回路基板による接続構造を有する光モジュールに関し、より詳細には、光サブアセンブリと回路基板との接続構造に特徴を有する光モジュールに関する。

光モジュールは、ＬＤ（Laser Diode）やＰＤ（Photodiode）の他にそれらを制御する回路が搭載された回路基板で構成され、小型化や伝送レートの高速化が望まれる。また、ＬＤやＰＤは単体で実装するのではなく、他の光学部品とともに集積化されたアセンブリ品となっている。このようなアセンブリ品は、光サブアセンブリ（以下、ＯＳＡ：Optical Sub-Assembly）と呼ばれる。

ＯＳＡは、ガラス封止されたリードピンによりそのＯＳＡ内部の信号を外部に伝達する。その信号には、単なる制御信号だけでなく伝送信号も含まれ、インピーダンスマッチングが施された高周波特性が重要である。

図８は、光モジュールにおける回路基板とＯＳＡとの接続構成例を説明するための図で、図中、１０はＯＳＡ、１１はリードピン、２０は半田、２００は回路基板である。ＯＳＡ１０を回路基板２００に接続する場合、一般的には、回路基板２００に対してＯＳＡ１０のリードピン１１を半田２０により接続する構成が採られる。

しかし、リードピン１１はインダクタ成分で構成されるため、他の部分でインピーダンス補正を行う必要がある。また光モジュールが高速化されて、例えば１０Ｇｂｐｓもしくはそれ以上の高駆動周波数による伝送ともなれば、それすらも補正することができなくなる。
このような課題に対して、折り曲げ可能なフレキシブル回路基板（以下、フレキ基板という）を用いてＯＳＡ１０と回路基板２００とを接続し、フレキ基板上でインピーダンスマッチングを行うことが行われてきた。

図９及び図１０は、フレキ基板の断線を回避するための従来の構成例をそれぞれ示す図で、図中、３０は接着剤、１００はフレキ基板である。
ＯＳＡ１０と回路基板２００とをフレキ基板１００により接続するときに、フレキ基板１００を折り曲げる位置が、実装ランド部のように銅箔が露出している領域にあれば、その銅箔が断線することがある。そこで、銅箔が露出している部分を折り曲げないように、図９に示すように接着剤３０を用いて補強し、接着剤３０が付与されていない部分Ｒでフレキ基板１００が折れ曲がるようにしている。

あるいは、図１０に示すように、回路基板２００の裏面（下面）を実装面として、回路基板２００の端部を使ってフレキ基板１００を曲げるようにする。そしてこのときに、フレキ基板１００の折り曲げ位置Ｓを実装ランドから離すようにし、この折り曲げ部を図示しないカバーレイで補強する構成がとられている。

上記のようなフレキ基板の接続構成に関し、例えば特許文献１には、電気部品基板のリード電極に接続して折り曲げて使用したときに、その導電パターンに断線が生じることがないように、電極端子部とカバーフィルムの境界部分にさらに他のカバーフィルムを被覆したフレキシブル基板が開示されている。

また特許文献２には、液晶パネル基板の端子にフレキ基板を導電接着剤で導電接続後、フレキ基板を紫外線硬化樹脂で覆って紫外線硬化させることにより、接続部分を補強する導電接続方法が開示されている。

さらに特許文献３には、フレキ基板のニッケルメッキ及び金メッキの一部をカバーレイで覆い、電極として接続された領域を除く露出領域をシリコン樹脂からなる端子モールドにて保護することにより、カバーフィルムの端縁近傍の折り曲げ箇所に集中しやすい応力を分散させるようにしたフレキシブル回路基板が開示されている。
特開２００５−０５０９７１号公報 特開平５−０６１０６３号公報 特開２００４−１９３４６６号公報

図９及び図１０に示したような従来の構成は、ＯＳＡ１０と回路基板２００との距離が大きいため、ＯＳＡ１０と回路基板２００からなる光モジュールの小型化の妨げになるという問題があった。このため、ＯＳＡ１０と回路基板２００とを、光モジュールの筐体の内部にコンパクトに納めることができずに、光モジュール自体の小型化が阻害されていた。

また上記特許文献１のフレキシブル回路基板では、電極端子部とカバーフィルムとの境界部分にさらに他のカバーフィルムを被覆することにより、折り曲げ時の曲率半径が大きくなるようにしている。しかしながら、特許文献１のフレキシブル回路基板は、カバーフィルムの被覆側を内側とする一定の方向にしか折り曲げることができず、汎用性に乏しいという課題がある。また折り曲げ時の曲率半径が大きいので、回路基板とＯＳＡとの距離が長くなって、光モジュールの小型化の妨げになる、という問題も生じる。

また上記特許文献２の導電接続方法は、フレキシブル回路基板と外部回路との接続部分をＵＶ硬化樹脂で補強するため、接続後にＵＶ硬化樹脂を塗布して紫外線により硬化させる必要が生じ、工程が増える。またＵＶ硬化樹脂で補強した部分は、折り曲げることはできないので、回路基板とＯＳＡとの距離が長くなって、光モジュールの小型化の妨げになる、という問題が生じる。

さらに上記特許文献３のフレキシブル回路基板は、カバーフィルムの端縁近傍の折り曲げ箇所に集中しやすい応力を分散させるために、端子モールド用のシリコン樹脂を付与する必要が生じる。この場合、フレキシブル回路基板の電極端子部を電気部品基板に接続した後に、端子モールドのシリコン樹脂を塗布する工程が増えて非合理的となる。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、ＯＳＡと回路基板とフレキシブル基板で接続する接続構造において、フレキシブル回路基板の折り曲げ時の信号ラインの破損を防ぎ、かつＯＳＡと回路基板との距離を短くすることにより、フレキシブル回路基板上の信号ラインを短くして、より高周波特性が良好になるようにしたフレキシブル回路基板による接続構造を有する光モジュールを提供することを課題とする。

本発明のフレキシブル回路基板による接続構造を有する光モジュールは、回路基板と光サブアセンブリとを、インピーダンスマッチング可能なフレキシブル回路基板を使用して接続するための構造を有する。そしてフレキシブル回路基板は、回路基板に接続する実装ランド部にスルーホールを有し、そのスルーホールを介して信号ラインを実装ランド部の裏側に引き回し、引き回した信号ラインの上にカバーレイを有することを特徴としている。

また本発明のフレキシブル回路基板による接続構造を有する光モジュールは、実装ランド部の近傍でフレキシブル基板が折り曲げられ、その折り曲げられた部分に少なくともカバーレイを有することを特徴としている。

本発明によれば、フレキシブル基板の折り曲げ時の信号ラインの破損を防ぎ、かつ光サブアセンブリと回路基板との距離を短くすることにより、フレキシブル回路基板上の信号ラインを短くして、より高周波特性を良好にすることができる。

特に本発明では、回路基板との接続部付近のフレキシブル回路基板の折り曲げ部に接着剤を用いることなく、フレキシブル回路基板の実装ランド部にスルーホールを設け、信号ラインを実装ランド部と反対側の面に引き回してその上にカバーレイを設ける。これにより、結果としてフレキシブル回路基板の折曲げ部にカバーレイを施すことができるので、信号ラインが断線することなくフレキシブル回路基板を折り曲げることができるようになる。
このときに、フレキシブル回路基板と回路基板間を接続する実装ランド部近傍でフレキシブル基板を折り曲げることにより、フレキシブル回路基板上の信号ラインを短くすることができるので、より高周波特性を良くすることができる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の接続構造を実現するフレキシブル回路基板の構成例を示す断面構成図で、図中、１００はフレキシブル回路基板（フレキ基板）、１０１はフレキ材、１０２は表面側銅箔、１０３は表面側ニッケルメッキ層、１０４は表面側無電解金メッキ層、１０５は裏面側銅箔、１０６は裏面側ニッケルメッキ層、１０７は裏面側無電解金メッキ層、１０８は裏面側接着剤層、１０９は裏面側カバーレイ、１１０はスルーホール（ヴィアホール）、１１１は実装ランド部である。

フレキ基板１００は、接続先の回路基板に対する接続部となる実装ランド部１１１を備えている。ここで本明細書においては、実装ランド部１１１が設けられた面を表面とし、実装ランド部１１１と反対の面を裏面とする。またフレキ基板１００の実装ランド部１１１の先端側（図１の左側）を外側とし、その反対方向（図１の右側）を内側とする。

フレキ基板１００の実装ランド部１１１となる領域には、フレキ材１０１の表面に表面側銅箔１０２が積層される。実装ランド部１１１では、相手基板に電気的に接続するためカバーレイを接着しない。この場合、表面側銅箔１０２の酸化を防止するために、表面側銅箔１０２をカバーレイではなく別のもので保護する必要がある。
図１の構成では、金メッキ処理を施すためにニッケルメッキを挟むようにしている。すなわち、表面側銅箔１０２の上に表面側ニッケルメッキ層１０３を介して、表面側無電解金メッキ層１０４が形成されている。表面側ニッケルメッキ層１０３は、表面側無電解金メッキ層１０４と表面側銅箔１０２との密着性を向上させるために設けられる。

金メッキ処理以外に表面側銅箔１０２を保護する構成としては、半田レベラーと言われる半田を表面側銅箔１０２に実装する構成、あるいはフラックスにより表面側銅箔１０２をコーティングする構成のものがある。これらには、それぞれ一長一短があるが、長期保存特性や信頼性から、金メッキ処理が最もポピュラーに用いられる。
一般的に、表面側無電解金メッキ層１０４の厚さは０.１μｍ以下であるのに対し、ニッケルメッキ層１０３の厚さは３.０〜８.０μｍになる。また表面側銅箔１０２の厚さは１８μｍ程度である。

実装ランド部１１１には、スルーホール１１０が設けられている。また実装ランド部１１１の裏面側では、フレキ材１０１の上に裏面側銅箔１０５が設けられ、この裏面側銅箔１０５によって信号ラインが形成される。すなわち裏面側銅箔１０５によって形成された信号ラインは、スルーホール１１０を介して表面側無電解金メッキ層１０４に電気的に接続し、さらに後述する回路基板の実装ランド部に電気的に接続される。言い換えれば、実装ランド部１１１に形成されたスルーホール１１０を介して、信号ラインが実装ランド部１１１からその裏面側に引き回されていることになる。なおスルーホール１１０の内部は、図示しないが銅／ニッケル／金の三層構造となっている。

また裏面側無電解金メッキ層１０７及び裏面側ニッケルメッキ層１０６の内側の領域には、裏面側銅箔１０５を保護するための裏面側カバーレイ１０９が設けられる。裏面側カバーレイ１０９は裏面側接着剤層１０８によって裏面側銅箔１０５に積層固定されている。

ここで表面側銅箔１０２、表面側ニッケルメッキ層１０３及び表面側無電解金メッキ層１０４が積層された領域の内側端縁をｑとする。端縁ｑは、図１の紙面の奥行き方向に線上に存在する。そしてｑを通りフレキ材１０１の面方向に直交する面を境界Ｑとする。

境界Ｑは、裏面側銅箔１０５による信号ラインが横断する境界である。このときに裏面側カバーレイ１０９は、実装ランド部１１１の電極領域の裏面側に相当する領域の少なくとも一部を覆うものとし、特にその実装ランド部１１１の裏面側に相当する領域と他の領域との境界線のうち、スルーホール１１０に接続する信号ラインが横断する境界Ｑを少なくとも含む領域を覆うものとする。なお、上記実装ランド部１１１の裏面側に相当する領域とは、実装ランド部１１１の電極領域を、フレキ基板１００の面方向に直交する方向に投影した裏面側の領域である。

図２は、上記図１に示したフレキ基板１００と、フレキ基板１００を接続する回路基板２００の構成例を説明するための図である。
回路基板２００は、ガラスエポキシ材等によるメインボード基材２０１の上に、銅箔２０２により信号ラインが形成されている。また実装ランド部２０６及び実装ランド部２０６以外の電極部を除く領域は、レジスト２０５によって保護されている。レジスト２０５が塗布されていない領域では、上記のフレキ基板１００と同様に、ニッケルメッキ層２０３を形成した上に無電解金メッキ層２０４による電極が形成されている。

フレキ基板１００の実装ランド部１１１は、回路基板２００の実装ランド部２０６と同等もしくは小さい構造とされ、フレキ基板１００と回路基板２００とは、それぞれの実装ランド部１１１，２０６により互いに電気的に接続される。

図３は、回路基板に対してフレキ基板を接続して実装したときの状態を説明するための図で、上記図２に示したようなフレキ基板１００の実装ランド部１１１と、回路基板２００の実装ランド部２０６とを半田２０によって接続した構成を示している。この状態で、例えば光モジュールの筐体内部等に実装するために、フレキ基板１００を鋭角に折り曲げるものとする。

本実施形態の構成では、フレキ基板１００を折り曲げたときに、フレキ基板１００は、ほぼ実装ランド部１１１の境界Ｑの位置で折れ曲がる。
フレキ基板１００の境界線Ｑは、表面側ニッケルメッキ層１０３の内側端部位置にあるため、表面側ニッケルメッキ層１０３、及び裏面側ニッケルメッキ層１０６が折れ曲がることはない。また折り曲げ位置の信号ラインは、裏面側カバーレイ１０９で覆われている裏面側銅箔１０５により形成されているため、信号ラインが断線することはなく、折り曲げの信頼性を確保することができる。

図４は、ＯＳＡと回路基板との接続に使用されるフレキ基板の構成例を示す図で、図４（Ａ）はフレキ基板１００をカバーレイ側から見た図、図４（Ｂ）はフレキ基板１００の側面模式図、図４（Ｃ）はフレキ基板１００を実装ランド部１１１側から見た図である。図４のフレキ基板１００は、複数の実装ランド部１１１を備え、各実装ランド部１１１は、上記図１〜図３と同じ積層構成を備えている。なお図４（Ｂ）は、スルーホール１１２が配設された部分の断面を説明するための模式図で、煩雑にならないようにニッケルメッキや接着剤による接着層の図示を省略してある。

図４（Ａ）に示すように、４本の裏面側銅箔１０５により信号ラインを構成し、その上に裏面側カバーレイ１０９を施す。そしてこれら４本の裏面側銅箔１０５の実装ランド部側端部には、それぞれスルーホール１１０が設けられる。スルーホール１１０は、図４（Ｃ）に示す実装ランド部１１１の無電解金メッキ層１０４（図１参照）に接続されている。そして図４（Ａ）に示すスルーホール１１０上には、裏面側カバーレイ１０９が設けられていない。

また図４（Ｃ）に示すように、フレキ基板１００の表面側には、銅箔のベタ面１１３と、実装ランド部１１１とが形成されている。銅箔のベタ面１１３上には、さらに表面側カバーレイ１１４が施されている。
そして裏面側銅箔１０５による信号ライン上には、さらに他のスルーホール１１２がそれぞれ設けられている。各スルーホール１１２は、裏面側銅箔１０５による信号ラインと、表面側の銅箔のベタ面１１３とを接続している。

図５は、図４に示すフレキ基板を用いて回路基板にＯＳＡを実装した状態を示す斜視概略図で、図中、１０は光送信用ＯＳＡ、１１はリードピンである。
光送信用ＯＳＡは、ＬＤとそのパワーをモニタするＰＤとにより構成され、ＬＤアノード／ＰＤカソード共通ピン、ＬＤカソード用ピン、ＰＤアノード用ピン、およびＧＮＤピンの４本のリードピン１１を備えるものとする。

そして、フレキ基板１００に備えられたスルーホールのうち、実装ランド部１１１と反対側の信号ライン端部に設けられた４つのスルーホール１１２に、４本のリードピン１１をそれぞれ実装することにより、ＯＳＡ１０とフレキ基板１００とが接続される。
そしてこれら４本のリードピン１１のうち、３番ピンをＧＮＤとしたとき、そのリードピン１１がスルーホール１１２を介して銅箔のベタ面１１３に接続されることにより、銅箔のベタ面１１３はＧＮＤとなる。その結果、ＧＮＤに接続する信号ラインを除くその他の信号ラインは、その幅及び金属層厚、さらには隣接金属パターン（通常はＧＮＤラインの場合が多い）を調整することで、インピーダンスマッチングされた信号ラインを構成することが可能となる。

そして、他のリードピン１１のうち、１番ピンをＬＤアノード／ＰＤカソード共通ピンとし、２番ピンをＬＤカソード用ピンとし、４番ピンをＰＤアノード用ピンとすれば、高周波特性が必要な２番ピンに対してインピーダンスを考慮した設計をすればよい。これら４本のリードピン１１のうち、高周波信号がそのライン上を伝播するのは、２番のＬＤカソード用ピンのみであるためである。

１番のＬＤアノード／ＰＤカソード共通ピンは、ＬＤのバイアス電源とされ（ＤＣ電源）、４番のＰＤアノードピンにはＬＤからの発光強度を積分した強度に対応する光電流（ほぼＤＣ）が伝送される。そして２番のＬＤカソードピンにのみ、数ＧＨｚ（１０ＧＨｚの場合もある）に達する高周波信号が伝播する。

図６は、図５に示す実装状態を側面から見た概略図である。フレキ基板１００を回路基板２００に接続する部分は、上記図３にて説明したように、フレキ基板１００を折り曲げたときに、フレキ基板１００がほぼ実装ランド部の境界Ｑの位置で折れ曲がる。
すなわち、フレキ基板１００の境界線Ｑは、図３に示す表面側ニッケルメッキ層１０３の内側端部位置にあるため、表面側ニッケルメッキ層１０３、及び裏面側ニッケルメッキ層１０６が折れ曲がることはない。また信号ラインは、裏面側カバーレイ１０９で覆われている裏面側銅箔１０５により形成されているため、信号が断線することはなく、折り曲げの信頼性を確保することができる。

このような構成により、ＯＳＡ１０と回路基板２００との距離を短くすることができ、インピーダンスマッチングできるだけでなく、信号ラインも短くすることができ、より高周波特性を改善することができる接続構造を得ることができる。そしてこのような接続構造を用いることにより、光モジュールを構成することができる。

図７は、光モジュールの概略構成を説明するための図で、図中、３００は光モジュール、３０１は光モジュールの筐体、３０２はＯＳＡを制御する回路部品である。
光モジュール３００は、筐体３０１内に配置された回路基板２００を含む本体部と、ＯＳＡ１０とにより構成される。全二重通信を可能とする光モジュールを構成する場合には、ＯＳＡ１０として、送信用ＯＳＡ（ＴＯＳＡ）と、受信用ＯＳＡ（ＲＯＳＡ）とが設けられる。

ＲＯＳＡ内には、半導体受光素子（ＡＰＤ；Avalanche Photodiode）あるいはＰＩＮ―ＰＤ等（総称してＰＤとする）、およびＰＤが生成した微弱な電気信号を増幅する前置増幅器が搭載されている。
またＴＯＳＡ内には、半導体発光素子（ＬＤ）の他に、このＬＤの発光強度をモニタするためのＰＤが搭載され、あるいはＬＤの温度を調整するための熱電変換素子（Peltier Device）が搭載される場合もある。また駆動周波数が高く（１０ＧＨｚもしくはそれ以上）なると、ＬＤ駆動用の半導体デバイスも同梱される場合もある。これらＯＳＡには光コネクタが挿入され、ＯＳＡに搭載されているＬＤやＰＤ等の素子と、光コネクタにつながる光ファイバとの間で光結合が実現する。

本体部は、筐体３０１と、その筐体３０１の内部に配置された回路基板２００とを備えている。そして回路基板２００上には、ＯＳＡ１０を制御する回路部品３０２が搭載される。回路基板２００上の回路部品３０２としては、例えばＩＣを含む電子回路が搭載される。その電子回路には、例えばＬＤを駆動するＬＤ駆動回路、あるいはＲＯＳＡ内で増幅された電気信号を処理して信号中のクロックおよびデータを抽出する回路等が用いられる。またＲＯＳＡ内に半導体受光素子（ＡＰＤ）が用いられている場合には、そのＡＰＤに必要なバイアス電圧を生成・制御する回路などが用いられる。

さらにＴＯＳＡ内にＬＤの温度を調整するための熱電変換素子が搭載された場合には、熱電変換素子の制御回路も含める必要がある。またその他の付加機能、例えばこれら回路を総括的に制御するＣＰＵやメモリ等を追加するとき、一枚の回路基板では収まらなくなる場合には、ＡＰＤのバイアス電圧を生成・制御する回路、あるいは熱電変換素子を制御する回路等の高速な信号を扱わない回路を他の追加基板に搭載することもできる。そして回路基板２００の端部には電気プラグが形成され、電気コネクタが挿入される。

回路基板２００上の回路部品３０２と、ＯＳＡ１０との電気的接続は、上記図４に示すようなフレキ基板１００を用いた接続構造により実現される。
そしてこのような構成により、ＯＳＡ１０と回路基板２００との距離を短くすることができ、インピーダンスマッチングできるだけでなく信号ラインも短くなって、より高周波特性を改善することができる光モジュール３００を得ることができる。

本発明の接続構造を実現するフレキシブル回路基板の構成例を示す断面構成図である。 図１に示したフレキ基板と、フレキ基板を接続する回路基板の構成例を説明するための図である。 回路基板に対してフレキ基板を接続して実装したときの状態を説明するための図である。 ＯＳＡと回路基板との接続に使用されるフレキ基板の構成例を示す図である。 図４に示すフレキ基板を用いて回路基板にＯＳＡを実装した状態を示す斜視概略図である。 図５に示す実装状態を側面から見た概略図である。 光モジュールの概略構成を説明するための図である。 光モジュールにおける回路基板とＯＳＡとの接続構成例を説明するための図である。 フレキ基板の断線を回避するための従来の構成例を示す図である。 フレキ基板の断線を回避するための従来の他の構成例を示す図である。

符号の説明

１０…ＯＳＡ、１１…リードピン、２０…半田、３０…接着剤、１００…フレキ基板、１０１…フレキ材、１０２…表面側銅箔、１０３…表面側ニッケルメッキ層、１０４…表面側無電解金メッキ層、１０５…裏面側銅箔、１０６…裏面側ニッケルメッキ層、１０７…裏面側無電解金メッキ層、１０８…裏面側接着剤層、１０９…裏面側カバーレイ、１１０…スルーホール、１１１，２０６…実装ランド部、１１２…スルーホール、１１３…ベタ面、１１４…表面側カバーレイ、２００…回路基板、２０１…メインボード基材、２０２…銅箔、２０３…ニッケルメッキ層、２０４…無電解金メッキ層、２０５…レジスト、３００…光モジュール、３０１…筐体、３０２…回路部品、３１０…リードピン。

Claims (2)

1. 回路基板と光サブアセンブリとを、インピーダンスマッチング可能なフレキシブル回路基板を使用して接続する接続構造を有する光モジュールであって、
   前記フレキシブル回路基板は、前記回路基板に接続する実装ランド部にスルーホールを有し、前記スルーホールを介して信号ラインを前記実装ランド部の裏側に引き回し、前記引き回した信号ラインの上にカバーレイを有することを特徴とするフレキシブル回路基板による接続構造を有する光モジュール。
2. 前記実装ランド部の近傍で前記フレキシブル基板が折り曲げられ、前記折り曲げられた部分に少なくとも前記カバーレイを有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。

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