JP2007322959A - 光半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高周波領域での損失を抑制し、高速信号の伝達にも対応可能であり、組立てやすい光半導体モジュールを得る。
【解決手段】光ファイバ２と、光ファイバ２と光学的に結合された光半導体素子であるＰＤ素子３と、ＰＤ素子３と電気的に接続された半導体ＩＣであるプリアンプＩＣ１０と、金属部材であるリードフレーム６とを備え、リードフレーム６の一部が切り起こされた切り起こし面６ａにＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０を装着する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光ファイバを用いた光信号の送受信に使用される光半導体モジュールに関するものである。

従来の光半導体モジュールでは、光ファイバと光ファイバ先端部に対向して配置される光半導体素子であるＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）素子とを光学的に結合させて、光ファイバ先端部と光半導体素子とを一緒に透明樹脂にて封止し、さらに、透明樹脂の外側を透湿度の低い遮光性樹脂により封止して、量産性に優れた樹脂封止モジュールを得ている。そして、リードフレームを用いて、リードフレームを切り起こした折り曲げ部にＰＤ素子を実装することによって、サブマウントのようなＰＤ素子を光ファイバの出射方向に９０度に近い角度で受光面が向けさせるための部品を削減し、製造コストの低下を図っている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−０８４１２２（第２−３頁、第１図）

従来の光半導体モジュールでは、ＰＤ素子はリードフレームが約９６度切り起こされた面に実装されており、ＰＤ素子の出力を増幅するプリアンプＩＣなどの半導体ＩＣは切り起こす前のリードフレームの面と同じ面内に設けられたリードに実装されている。このような構成において、光ファイバに入射された光信号は、ＰＤ素子によって電気信号に変換され、ワイヤを経由して、一旦リードフレーム上に伝達される。変換された電気信号は、リードフレームから再度別のワイヤを経由してプリアンプＩＣに伝達される。ＰＤ素子が例えば１Ｇｂ／ｓのような比較的高速の信号に用いられる場合には、高周波領域での信号の減衰を抑制するために、ＰＤ素子からプリアンプＩＣまでの信号経路の長さを短くする必要がある。しかしながら、ＰＤ素子とプリアンプＩＣとが異なる面上に実装されており、リードフレームを介して信号を伝達する構成であるので、配線長が長く、高速信号が伝達できないという問題点があった。

また、リードフレームを予め曲げておき、ＰＤ素子とプリアンプＩＣとは別々の面に実装する必要があり、更にそれぞれ別の面でワイヤボンディングを行う必要があるので、製造工程が複雑になるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高周波領域での損失を抑制し、高速信号の伝達にも対応可能な光半導体モジュールを得るものである。さらに、組立てやすい光半導体モジュールを得るものである。

この発明に係る光半導体モジュールは、光ファイバと、光ファイバと光学的に結合された光半導体素子と、光半導体素子と電気的に接続された半導体ＩＣと、金属部材とを備えた光半導体モジュールであって、金属部材の一部が切り起こされた切り起こし面に光半導体素子および半導体ＩＣが装着されたことを特徴とするものである。

この発明に係る光半導体モジュールは、金属部材の一部が切り起こされた切り起こし面に光半導体素子および半導体ＩＣが装着されるので、光半導体素子と半導体ＩＣとを接続するワイヤを極力短くすることが可能であり、ＰＤ素子からプリアンプＩＣへ入力するまでの信号経路における高速信号の減衰を最小限に抑制できるため、高速信号を伝達するシステムにも適用可能であるとともに、組立てやすい安価なＰＤモジュールを得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における光半導体モジュールの構成図（斜視図）である。図１において、光導波路である光ファイバ２は、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）素子３と光学的に結合されている。ＰＤ素子３は、光半導体素子であり、受光素子である。光ファイバ２およびＰＤ素子３は、透明樹脂である第１の樹脂４によって係合されている。第１の樹脂４によって係合された箇所が係合部である。なお、図１において、ＰＤ素子３は、第１の樹脂４に囲まれているので、図示されていない。図２は、実施の形態１におけるリードフレームおよびリードの上面図である。図２では、ＰＤ素子３などの配置とワイヤの配線とをわかりやすくするために、切り起こし面を切り起こす前の状態を示している。

光半導体モジュール１には、光半導体モジュール１の外形を構成する枠体である樹脂枠５が設けられている。この樹脂枠５に金属部材であるリードフレーム６および金属端子である信号出力用のリード７，８，９を支持させている。樹脂枠５は、底板５ａおよび側面枠５ｂからなる構造とし、側面枠５ｂに底板５ａを接着固定して形成されている。硬化前の樹脂を樹脂枠５の枠内に注入しても、樹脂がモジュール外部へ流れ出さないように、樹脂枠５は箱状構造となっている。なお、樹脂枠５は、一体成形されたものでもよい。また、樹脂枠５の形成方法は、ダム剤によるポッティングでもよいし、トランスファーモールドでもよい。樹脂枠５で囲まれた領域は、図示しない第２の樹脂によって充填されている。光ファイバ２の一部、ＰＤ素子３、第１の樹脂４、およびリードフレーム６の一部は、第２の樹脂に覆われ、樹脂封止されている。これによって、光ファイバ２とＰＤ素子３との光学的な位置関係が保たれ、光結合効率の変化を小さくすることができる。

ＰＤ素子３は、リードフレーム６の一部を略９０度切り起こした切り起こし面６ａにサブマウント１１を介して装着されている。ＰＤ素子３が装着された切り起こし面６ａには、ワイヤＷ１を介してＰＤ素子３と電気的に接続され、ＰＤ素子３からの電気信号を増幅する半導体ＩＣであるプリアンプＩＣ１０が装着されている。プリアンプＩＣ１０と各リード７，９とは、ワイヤＷ４，Ｗ２を介して電気的に接続されている。本実施の形態では、ＰＤ素子３の裏面のカソード電極は、サブマウント１１の表面にあり、ワイヤＷ５を介してリード８と接続されている。なお、ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０が近接するように配置されればよいので、ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０がリードフレーム６を切り起こした切り起こし面６ａに装着されていればよい。つまり、金属部材であるリードフレーム６の一部が切り起こされた切り起こし面６ａにＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０が装着されている。

図２では、ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０がリードフレーム６に装着され、ＰＤ素子３とプリアンプＩＣ１０とのワイヤボンディング、サブマウント１１とリード８とのワイヤボンディング、およびプリアンプＩＣ１０と各リード７，９とのワイヤボンディングが完了し、リードフレーム６の一部を切り起こす前の様子を示している。リードフレーム６には、切り起こし面６ａを切り起こすために除去した切り込み部１２が設けられている。ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０が装着される領域が確保できるように、切り起こし面６ａの形状が決められ、切り起こし面６ａの形状に基づいて切り込み部１２の形状も決められている。

また、リードフレーム６の形状およびリードフレーム６とリード７，８，９との位置関係は、次のように決められている。リードフレーム６と切り起こし面６ａとの境界部、つまり切り起こし線６ｂに対して金属端子であるリード７，８，９とワイヤとの接続位置７ａ，８ａ，９ａが光ファイバ２側（図２においては下側）に位置するようにしている。これによって、切り起こし後のワイヤにかかるストレスを緩和することが可能である。

ここで、組み立て手順について説明する。まず、ＰＤ素子３を搭載したサブマウント１１およびプリアンプＩＣ１０を、導電性接着剤または半田によって切り起こし面６ａにダイボンドする。この際に、ＰＤ素子３のアノード電極とプリアンプＩＣ１０の入力電極とを接続するワイヤＷ１が最短になるように、これらの電極を互いに近づけると共に、電極間距離が短くなるようにＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０の配置を行う。

ＰＤ素子３のアノード電極とプリアンプＩＣ１０の入力電極との間のワイヤＷ１の他に、プリアンプＩＣ１０の電源電極とリード９との間のワイヤＷ２、プリアンプＩＣ１０のＧＮＤと切り起こし面６ａとの間のワイヤＷ３、プリアンプＩＣ１０の出力電極とリード７との間のワイヤＷ４、およびＰＤ素子３のカソード電位を有するサブマウント１１の表面電極とリード８との間のワイヤＷ５のワイヤボンドも同一工程において実施しておく。ワイヤボンド完了後に、リードフレーム６の切り込み部１２に沿ってリードフレーム６の一部を略９０度切り起こして、切り起こし面６ａを形成する。切り起こす角度は、光半導体モジュール１として必要な反射減衰量に応じて変更することができる。

高性能なワイヤボンド装置を用いることによって、切り起こし面６ａを形成した後で、必要なワイヤボンドを互いに９０度ずれた面に実施することは可能である。しかしながら、本実施の形態のような構成によって、角度の異なる面にワイヤボンドを行うことに対応していない仕様のワイヤボンド装置を用いても、ワイヤボンドを行うことができる。

切り起こし面６ａを形成した後で、ＰＤ素子３に逆バイアス電圧をかけて、ＰＤ素子３へ光を結合させるために光ファイバ２の逆端から光を入射した状態で、光ファイバ２をＰＤ素子３に近づけて、ＰＤ素子３のＰＤ電流をモニタしながら、調芯を行い、ＰＤ電流が最大となる点で光ファイバ２を固定する。つまり、光ファイバ２は、受光素子であるＰＤ素子３との光結合効率が最大となるように調芯される。

光ファイバ２の固定後は、少なくとも光ファイバ２の先端とＰＤ素子３との間の近傍を、ＰＤ素子３の受信信号の波長を透過する透明な樹脂である第１の樹脂４によって封止する。封止は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などによるポッティングにより行うことが可能である。本実施の形態における封止の範囲は、光ファイバ２の先端とＰＤ素子３との間の近傍だけでなく、プリアンプＩＣ１０および光ファイバ２の一部を含むような広い範囲でもよい。

その後、樹脂枠５の内部を、より遮光性の高い樹脂である第２の樹脂によって封止して光半導体モジュール１が作成される。樹脂枠５の内部を封止する方法は、トランスファーモールドなどにより可能である。また、光ファイバ２の光軸を調芯した後に、各リードフレームおよびリードの枠体をプリモールドしたパッケージを用いて樹脂枠５の底部を覆い、封止用樹脂をポッティングする方法でも同様の特性が得ることができる。

なお、例えばノイズ対策として、サブマウント１１を切り起こし面６ａに装着して、サブマウント１１にＰＤ素子３を装着する代わりに、両面電極型コンデンサを切り起こし面６ａに装着して、両面電極型コンデンサにＰＤ素子３を装着してもよい。また、サブマウント１１とは別のサブマウントを切り起こし面６ａに装着し、ＰＤ素子３の受光面とは反対側の面側をサブマウント１１上に装着し、別のサブマウント上にノイズ除去用のコンデンサを装着してもよい。

以上のような構成により、ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０を隣接して装着し、ＰＤ素子３とプリアンプＩＣ１０とをつなぐワイヤの長さを極力短くすることができるので、高周波領域の損失が小さく、信号の高速伝送への適用が可能である。また、ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０を別々の面に装着せずに、同じ切り起こし面６ａに装着するので、組み立てが容易である。

実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２におけるリードフレームおよびリードの上面図である。図３において、リードフレームの切り起こし面の構成が実施の形態１と異なる。図３において、図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の態様は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

図３において、リードフレーム１３には、２つの切り起こし面１３ａ，１３ｂが設けられている。ＰＤ素子３は、リードフレーム１３の一部を略９０度切り起こした切り起こし面１３ａにサブマウント１１を介して装着されている。また、プリアンプＩＣ１０は、切り起こし面１３ａの近傍を切り起こした切り起こし面１３ｂに装着されている。つまり、ＰＤ素子３が装着された切り起こし面１３ａとは別の切り起こし面１３ｂにプリアンプＩＣ１０が装着されている。リードフレーム１３および切り起こし面１３ａの境界部である切り起こし線とリードフレーム１３および切り起こし面１３ｂの境界部である切り起こし線とは、略同一直線上に形成されている。ＰＤ素子３とプリアンプＩＣ１０とは、ワイヤＷ１を介して電気的に接続されている。ＰＤ素子３とリード８とは、サブマウント１１およびワイヤＷ５を介して電気的に接続されている。また、プリアンプＩＣ１０と各リード７，９とは、ワイヤＷ４，Ｗ２を介して電気的に接続されている。

以上のような構成により、ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０をそれぞれ異なる切り起こし面１３ａ，１３ｂに装着したので、光ファイバ２に対するＰＤ素子３の角度を微調整する必要がある場合に、ＰＤ素子３が装着された切り起こし面１３ａだけを調整すればよく、より容易に光ファイバ２の調芯を行うことができる。また、ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０が隣接して装着されるので、高周波領域の損失が小さく、信号の高速伝送への適用が可能である。

実施の形態３．
図４は、この発明を実施するための実施の形態３における光半導体モジュールの構成図（斜視図）である。また、図５は、実施の形態３におけるリードフレームおよびリードの上面図である。図４および図５において、リードの構成が実施の形態１と異なる。本実施の形態における光半導体モジュール２０は、信号出力用のリード２２，２３，２４のうちのワイヤが接続される側が折り曲げられて、それぞれに折り曲げ面２２ａ，２３ａ，２４ａが形成されている。ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０は、ワイヤＷ１４，Ｗ１５，Ｗ１２を介して折り曲げ面２２ａ，２３ａ，２４ａに電気的に接続されている。つまり、ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０の少なくともいずれか一方と金属端子であるリード２２，２３，２４の一部が折り曲げられて形成された折り曲げ面２２ａ，２３ａ，２４ａとは、ワイヤによって電気的に接続されている。本実施の形態においては、ＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０の両方がリードの折り曲げ面２２ａ，２３ａ，２４ａのいずれかに接続されている。

折り曲げ面は、切り起こし面２１ａに装着したＰＤ素子３およびプリアンプＩＣ１０と接続するためのワイヤの数だけあればよい。本実施の形態では、折り曲げ面は複数の３箇所である。また、リード２２，２３，２４と折り曲げ面２２ａ，２３ａ，２４ａとの境界部である折り曲げ線２２ｂ，２３ｂ，２４ｂは、リードフレーム２１の切り起こし線２１ｂと略同一直線上にあり、切り起こし面２１ａおよび折り曲げ面２２ａ，２３ａ，２４ａは、略同一平面に設けられている。なお、折り曲げ面２２ａ，２３ａ，２４ａは、リードフレーム２１と切り起こし面２１ａとの境界部である切り起こし線２１ｂに対して、光ファイバ２側に設けられてもよい。

ここで、組み立て手順について説明する。切り起こし面２１ａを切り起こす前に、ＰＤ素子３とプリアンプＩＣ１０との間のワイヤＷ１１をボンディングした後で、プリアンプＩＣ１０とリード２２，２４との間のワイヤＷ１２、Ｗ１４、およびＰＤ素子３の裏面電極と同電位のサブマウント１１の表面電極とリード２３との間のワイヤＷ１５を、接続用の折り曲げ面２２ａ，２４ａ，２３ａにボンディングする。プリアンプＩＣ１０のＧＮＤ電極と切り起こし面２１ａとの間のワイヤＷ１３もボンディングしておく。そして、切り起こし面２１ａを切り起こす際に、折り曲げ面２２ａ，２３ａ，２４ａも一緒に、切り起こし面２１ａと同じ角度だけ折り曲げる。その後の製作工程は、実施の形態１と同じである。

以上のような構成によって、各ワイヤＷ１１〜Ｗ１５を同一面内でボンディングすることができるので、ワイヤボンディングの作業性に優れるとともに、各ワイヤＷ１１〜Ｗ１５におけるストレスを軽減することができる。また、高速信号を伝達するシステムにも適用可能であるとともに、組立てやすい安価なＰＤモジュールを得ることができる。

なお、いずれの実施の形態においても、光半導体素子として受光素子の代わりに発光素子であるレーザダイオード用い、半導体ＩＣとしてプリアンプＩＣの代わりにレーザ駆動電流制御ＩＣを用いても良い。

この発明の実施の形態１を示す光半導体モジュールの構成図である。 この発明の実施の形態１におけるリードフレームおよびリードの上面図である。 この発明の実施の形態２におけるリードフレームおよびリードの上面図である。 この発明の実施の形態３を示す光半導体モジュールの構成図である。 この発明の実施の形態３におけるリードフレームおよびリードの上面図である。

符号の説明

１，２０ 光半導体モジュール、２ 光ファイバ、３ ＰＤ素子、４ 第１の樹脂、５ 樹脂枠、５ａ 底板、５ｂ 側面枠、６，１３，２１ リードフレーム、６ａ，１３ａ，１３ｂ，２１ａ 切り起こし面、６ｂ，２１ｂ 切り起こし線、７〜９，２２〜２４ リード、７ａ〜７ｃ 接続位置、１０ プリアンプＩＣ、２２ａ〜２４ａ 折り曲げ面、２２ｂ〜２４ｂ 折り曲げ線、Ｗ１〜Ｗ５，Ｗ１１〜Ｗ１５ ワイヤ。

Claims (11)

1. 光ファイバと、
   前記光ファイバと光学的に結合された光半導体素子と、
   前記光半導体素子と電気的に接続された半導体ＩＣと、
   金属部材とを備えた光半導体モジュールであって、
   前記金属部材の一部が切り起こされた切り起こし面に前記光半導体素子および前記半導体ＩＣが装着されたことを特徴とする光半導体モジュール。
2. 半導体ＩＣは、光半導体素子が装着された切り起こし面に装着されたことを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュール。
3. 半導体ＩＣは、光半導体素子が装着された切り起こし面とは別の切り起こし面に装着されたことを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュール。
4. 金属端子と、
   半導体ＩＣと前記金属端子とを電気的に接続するワイヤとを備え、
   前記金属端子と前記ワイヤとを接続する位置は、金属部材と切り起こし面との境界部に対して光ファイバ側であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光半導体モジュール。
5. 金属端子と、
   光半導体素子および半導体ＩＣの少なくともいずれか一方と前記金属端子の一部が折り曲げられた折り曲げ面とを電気的に接続するワイヤとを備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光半導体モジュール。
6. 折り曲げ面は、複数であることを特徴とする請求項５に記載の光半導体モジュール。
7. 切り起こし面および折り曲げ面は、略同一平面に設けられたことを特徴とする請求項５または６に記載の光半導体モジュール。
8. 折り曲げ面は、金属部材と切り起こし面との境界部に対して光ファイバ側に設けられたことを特徴とする請求項５または６に記載の光半導体モジュール。
9. 光半導体素子、半導体ＩＣおよび光ファイバ先端を含む領域を樹脂封止したことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光半導体モジュール。
10. 光半導体素子がフォトダイオードであり、半導体ＩＣがプリアンプＩＣであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光半導体モジュール。
11. 光半導体素子がレーザダイオードであり、半導体ＩＣがレーザ駆動電流制御ＩＣであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光半導体モジュール。

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