JP2008211072A - 光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、はんだを介したリードピンのショートを防止した光モジュールに関し、基板への実装に適した光モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】半導体素子１４、半導体素子１４を搭載する接地金属部材１０、接地金属部材１０を実装するための基板１６、接地金属部材１０と絶縁固定され基板１６にはんだ付けされる、半導体素子１４に通電するためのリードピン１８を備える。接地金属部材１０が基板１６と相対する面に凸部を有し、その凸部が基板１６と接するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュールに係り、特に基板への実装に適した光モジュールに関するものである。
下記特許文献４に開示されるような光モジュールは、半導体素子に通電するためのリードピンを有する。光送受信モジュールは前述のリードピンをはんだづけにより基板に固定する事により実装する事が考えられる。このような場合にリードピンはショートを防止するために、半導体素子を搭載する金属部材であるステムから電気的に絶縁されている必要がある。
特開2006-41083号公報 特開2003-282631号公報 特開平11-110774号公報 特開2004-264659号公報
上記従来のモジュールを基板に実装するためには、素子に給電するためのリードピンをはんだ付けにより基板に実装する事が多い。しかし、はんだ付けにより、素子を搭載するための金属部材とリードピンとがはんだを介してショートしてしまう事がある。このショートによりリードピンが伝送すべき電気信号を伝送できないという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、はんだを介したリードピンのショートを防止した光モジュールを提供する事を目的とする。
半導体素子と、
前述の半導体素子を搭載する接地金属部材と、
前述の接地金属部材を実装するための基板と、
前述の接地金属部材と絶縁固定され、前述の基板にはんだ付けされる、前述の半導体素子に通電するためのリードピンとを備え、
前述の接地金属部材が前述の基板と相対する面に凸部を有し、前述の凸部が前述の基板と接することを特徴とする。
本発明によりリードピンのショート防止が可能である。
実施の形態１
図１（Ａ）、（Ｂ）は本実施形態における、基板１６に実装された光モジュールを説明するための図である。図１（Ａ）は正面図であり、図１（Ｂ）はステム１０の底面図である。ステム１０は金属部材である。ステム１０は円形平板状の形状の一部に凸部を有する。前述の凸部は図１（Ａ）に示す通り、基板１６と相対する面に存在する。また、前述の凸部は図１（Ｂ）に示される通り、ステムの外周に沿って環状に存在する。さらに、ステム１０は孔を２箇所有する。一つはリードピン１８を通すための孔である。もう一方の孔はＧＮＤリードピン２０を通すための孔である。このような形状のステム１０には発光素子１４が搭載されている。発光素子１４は金ワイア１２でリードピン１８と接続されている。発光素子１４はリードピン１８からの電気信号により駆動する。リードピン１８は前述のステム１０が有する孔部分に封止ガラス２２によって絶縁固定されている。前述したステム１０が有する孔の内もう一方の孔にはＧＮＤリードピン２０が溶接されている。従ってＧＮＤリードピン２０とステム１０は同電位である。なおステム１０には、発光素子１４から射出される光をコリメートするためのレンズ２６を搭載するためのキャップ２４が溶接されている。発光素子１４はキャップ２４、レンズ２６、ステム１０に覆われている事により気密封止されている。
上述してきた構成が本実施形態における光モジュールである。この光モジュールは
基板１６に実装される。基板１６は前述の光モジュールのリードピン１８とＧＮＤリードピン２０の位置に対応した孔を有する。これらの孔にリードピン１８とＧＮＤリードピン２０をそれぞれ挿し、基板１６−リードピン１８間をはんだ２８で、基板１６−ＧＮＤリードピン２０間をはんだ３０でそれぞれはんだ付けする事により光モジュールが基板１６に実装される。このとき、ＧＮＤリードピン２０は基板の接地電位を有するパターン（以後、接地パターンと称する）とはんだ付けされる。従って、前述した通り基板１０とＧＮＤリードピン２０は同電位であるから、ステム１０は接地金属となる。また、図１（Ａ）に示す通り、実装後のステム１０は、自己の有する凸部が基板１６に接する構成となる。本実施形態では、前述した基板１６のステム１０と接する部分には、接地パターンが配置されている。従って、本実施形態では、前述したＧＮＤリードピン２０に加えてステム１０の凸部でも基板１６の接地パターンに接する構成となっている。
光モジュールを基板に実装するためには、素子に通電しているリードピンを基板にはんだ付けする事が一般的である。このはんだ付けは、リードピンが供給するべき電気信号が不要な影響を受ける事を防止するために、リードピンがショートしないように行う必要がある。しかしながら、はんだ付けの際に、溶融したはんだがリードピンに沿って這い上がり、ステムと接触する事がある。この接触の結果、リードピンはショートし、リードピンが行う電気信号の伝送に支障をきたすという問題がある。このようなショートを防止するために、光モジュールの基板へのはんだ付けの際に、はんだのリードピンに沿った這い上がりの距離（以後、はんだ這い上がり長と称する）を考慮して、ステム−基板間を十分に隔絶する事が考えられる。ところが、実装の際に、前述したステム−基板間の距離を制御する事は一般に困難である。
本実施形態では、ステム１０が基板１６に相対する面に凸部を有する。光モジュールは、ステム１０の凸部が基板１６と接触するように実装される。従ってステム−基板間の距離は前述の凸部の長さで決まる。本実施形態のステム１０が有する凸部の長さははんだ這い上がり長よりも十分長い。従って、リードピンのショートを防止できる。
さらに、本実施形態のようにステム１０に凸部を設ける事により、以下のような効果もある。すなわち、「ステムの接地」、「外部クロストークの抑制」「熱抵抗低減」である。まず、「ステムの接地」について説明する。ステム１０は金属部材である。そしてステム１０はステム１０が搭載する発光素子１４の高周波特性の劣化を防止するために接地されていなければならない。従って光モジュールの機能を損なう事を防止する観点から、ステム１０が接地されている事は重要な意味を持つ。ステム１０の接地の方法としては、ＧＮＤリードピンをステムと溶接する事により導通させたうえで、ＧＮＤリードピンを基板の接地パターンとはんだ付けにより接続することが一般的である。ここで、モジュールの実装スペース狭小化等の要請からＧＮＤリードピンを細線化していくと、ＧＮＤリードピンが高抵抗化する場合がある。このＧＮＤリードピンの高抵抗化が原因で、基板の接地パターンとステムとの間に電位差が生じ、ステムの電位が不安定となり得る。ステムが接地できておらず、その電位が不安定となる事により光モジュールの高周波特性が劣化する問題があった。
本実施形態のステム１０はその凸部が基板１６の接地パターンとコンタクトしている。このような構成により、ステム１０はＧＮＤリードピン２０と共にステム１０の凸部においても基板の接地パターンと接することになる。これにより、基盤１６の接地パターンとステム１０との間の抵抗値が低減され、ステムは確実に接地される。ステムの接地が確保されることにより光モジュールの高周波特性の悪化を防止できる。
次に「外部クロストークの抑制」について説明する。ここで外部クロストークとは、光モジュールが他の光モジュールからの電磁波の影響により、光モジュールの伝送するべき電気信号が乱される問題をさす。この外部クロストークの一因は、リードピンが伝送する電気信号が、他の光モジュールから放出される電磁波による影響を受ける事である。本実施形態のステムの形状は、リードピン１８の基板１６からステム１０に伸びる部分（以後、リードピン部分と称する）を覆う。これにより、前述したリードピン部分は他の光モジュールからの電磁波の影響を受けづらくなる。従って本実施形態によれば、光モジュールは外部クロストークを抑制できる。また、リードピン部分がステム１０の凸部で覆われている事により、本実施形態の光モジュールから他の光モジュールへの不要電磁界放射を抑制できる。
次に「熱抵抗低減」について説明する。光モジュールの内部の放熱特性は主にステム１０の放熱の能力により決まる。ステム１０の放熱としては、基板の接地パターンに接続されているＧＮＤリードピンを経由する放熱と、ステム１０の表面からの放熱が挙げられる。本実施形態のステム１０は凸部を有するため、前述したステム１０の表面からの放熱を効率的に行う事ができる。さらに、本実施形態の構成によれば、ステム１０の有する凸部が基板１６の接地パターンと接している。従って、ＧＮＤリードピン２０のみが基板の接地パターンと接続されている場合よりもステム１０の熱抵抗が低減されている。このようなステム１０が有する凸部の放熱効果は、特にＧＮＤリードピン２０が細線化されていく事に伴う熱抵抗の上昇を抑制するために有効である。上述してきたように、本実施形態の光モジュールは良好な放熱特性を有する。
本実施形態では、ステム１０の有する凸部の場所と形状を「基板１６と相対する面であって、ステムの外周に沿って環状に存在する」と定義したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ステムの形状は、基板１６と相対する面に凸部を有していれば本発明の効果である「はんだによるショートの抑制」効果が得られる。このようなステムであっても、ステムと基板の接する面に基板の接地パターンを配置する事により前述した「ステムの接地」と、前述した「放熱特性向上」の効果が得られる。
本実施形態ではステム１０に搭載する半導体素子として発光素子１４を用いたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、リードピンにより電力供給される半導体素子であれば、本発明の効果を得る事ができる。
実施の形態２
本実施形態は、放熱特性を改善した光モジュールに関する。
図２（Ａ）（Ｂ）は本実施形態の構成を説明するための図である。図２（Ａ）は正面図であり、図２（Ｂ）はステム４０の底面図である。実施の形態１で用いた光モジュールは発光素子のみ搭載していたが、本実施形態では発光素子１４に加えて、受光素子３１と受光素子３１の信号を増幅するための増幅素子３２を搭載する。ステム４０は実施形態１のステム１０と比較して、孔を３つ有する点を除き同様の形状である。前述した３つの孔はそれぞれ送信側リードピン５２、ＧＮＤリードピン２０、受信側リードピン３４を固定するためのものである。図２（Ｂ）に示す通り、送信側リードピン５２は封止ガラス２２でステム４０と絶縁固定され、受信側リードピン３４は封止ガラス４２でステム４０に絶縁固定される。ＧＮＤリードピン２０は溶接によりステム４０に固定されている。また、図２（Ａ）に示す通り、送信側リードピン５２は金ワイア１２で発光素子４８と接続されている。受光素子３１は金ワイア４６で増幅素子３２と接続されている。増幅素子３２は受光側リードピン３４と金ワイア４４で接続されている。キャップ２４とレンズ２６は実施形態１と同様にステム４０に搭載されている。
上述した構成を有する光モジュールが基板３８に実装される。基板３８は、前述の光モジュールの、送信側リードピン５２、ＧＮＤリードピン２０、受信側リードピン３４の位置に対応した孔を有する。これらの孔に送信側リードピン５２、ＧＮＤリードピン２０、受信側リードピン３４がそれぞれ挿され、それぞれ基板３８へはんだ２８、３０、３６ではんだ付けすることにより実装される。光モジュールが基板３８へ実装された状態では、ステム４０の凸部は基板３８に接する構成となっている。さらに本実施形態でも実施の形態１と同様に、前述したステム４０の凸部は基板の接地パターンと接するようになっている。
受光素子は、一般に微弱な信号を受信する事が多いため、受信信号の増幅のための増幅素子と近接して実装される事が多い。ここで増幅素子は受光素子と比較して消費電力が大きく発熱源となる。このため増幅素子を有する光モジュールでは、光モジュールの放熱特性が問題となる。光モジュールの放熱は、ステム４０からＧＮＤリードピンを経由して行われることが考えられる。図３にＧＮＤリードピンの直径が素子の放熱特性に与える影響を示す。この関係は有限要素法で算出された結果である。図３の縦軸は内部素子の温度と光モジュール外部の温度差である。図３に示す通り、ＧＮＤリードピン径0.45mmの場合、光モジュール内部の素子の温度は、光モジュールの周囲の温度よりも１０℃以上高くなる事が分かる。したがって、発熱源となる素子を有する光モジュールにおいては、光モジュールの放熱特性が問題となる事が考えられる。
本実施形態の光モジュールは、ＧＮＤリードピン２０に加えて、ステム４０の凸部も基板３８の接地パターンと接している。従って接地パターンに接する面積が増加するため熱抵抗が下がる。さらに、凸部を有する事によりステムの表面積が増大することによる放熱効果も得られる。上述してきたように、本実施形態の構成によれば、光モジュールが増幅素子を有する場合であっても良好な放熱特性を達成できる。
実施の形態３
本実施形態は、光モジュールが発光素子と受光素子を混載している場合に起こるクロストークを抑制した光モジュールに関する。
図４（Ａ）（Ｂ）は本実施形態の基板に実装された光モジュールを説明するための図である。図４（Ａ）は正面図であり、図４（Ｂ）は底面図である。本実施形態の構成は以下の２点を除いて実施形態２と同様である。すなわち、ＧＮＤリードピンを備えない点と、ステムの形状が異なる点である。本実施形態ではＧＮＤリードピンを備えないため、ステム５０と基板３８が有する孔の数はそれぞれ２である。また、本実施形態のステム５０は、図２（Ｂ）に示されるような環状の凸部に加えて、発光側リードピン５２と受光側リードピン３４を分離するための凸部（以後、分離用凸部と称する）を有する。分離用凸部と前述した環状の凸部は図４（Ｂ）に示すように、接続されており、一体の凸部を構成している。従ってステム５０は発光側リードピン５２と受光側リードピン３４を個別に覆う形状となっている。なお、基板３８はステム５０と接する部分に接地パターンを有する。したがってステム５０は接地金属である。
光モジュールでは、送信側リードピンを流れる電気信号は受信側リードピンを流れる電気信号より強度が高い。その電力比は３０ｄＢ以上である。このため、発光素子と受光素子を混載する光モジュールにおいては、送信側の信号が受信側に干渉して受信側信号の雑音として表れる事がある。以後この問題を「内部クロストーク」と称する。内部クロストークの一因は、受信側リードピンが、送信側リードピンから放射される不要電磁界の影響を受ける事である。
本実施形態のステム５０は、送信側リードピン５２の基板３８とステム５０の間の部分（以後、送信側リードピン部分と称する）と、受信側リードピン３４の基板３８とステム５０の間の部分（以後、受信側リードピン部分と称する）をそれぞれ個別に取り囲む構成となっている。前述した通り、ステム５０は接地金属となっているため、送信リードピン部分と受信リードピン部分はそれぞれ個別に接地金属で取り囲まれていることになる。従って本実施形態の構成によれば、受信側リードピン部分は、送信
側リードピン部分からの不要電磁界の影響を受けづらく、内部クロストークを抑制できる。さらに受信リードピン部分が接地金属で覆われている事から、前述した外部クロストークについても抑制する事ができる。
本実施形態ではステムの凸部を「環状の凸部と分離用凸部の結合からなる」としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ステムの凸部の形状は、送信側リードピン部分と受信側リードピン部分を個別に取り囲む形状であれば、本発明の効果を得る事ができる。
（Ａ）（Ｂ） この発明の実施形態１の光モジュールに関する構成を説明するための図。 （Ａ）（Ｂ） この発明の実施形態２の光モジュールに関する構成を説明するための図。 ＧＮＤリードピンの太さと光モジュールの温度の関係を表す図。 （Ａ）（Ｂ） この発明の実施形態３の光モジュールに関する構成を説明するための図。
符号の説明
１０ ステム
４０ ステム
５０ ステム
１６ 基板
３８ 基板
１８ リードピン
５２ 送信側リードピン
３４ 受信側リードピン
３２ 増幅素子
４８ 発光素子
３１ 受光素子

Claims (5)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子を搭載する接地金属部材と、
    前記接地金属部材を実装するための基板と、
    前記接地金属部材と絶縁固定され、前記基板にはんだ付けされる、前記半導体素子に通電するためのリードピンとを備え、
    前記接地金属部材が前記基板と相対する面に凸部を有し、前記凸部が前記基板と接することを特徴とする光モジュール。
  2. 前記接地金属部材が有する前記凸部が前記リードピンを取り囲む形状を有する事を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
  3. 前記半導体素子として受光素子と増幅素子と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。
  4. 前記半導体素子として、発光素子と受光素子を有し、
    前記リードピンとして、前記発光素子への電気信号が通る送信側リードピンと前記受光素子への電気信号が通る受信側リードピンとを備え、
    前記接地金属が有する前記凸部が前記送信側リードピンと前記受信側リードピンを個別に取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
  5. 前記基板は、前記接地金属部材が有する凸部と接する部分に、接地パターンを有する事を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
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