JP2009229844A - 光電気混載ボード - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルな構成で光と電気の共存共栄を図ることができ、かつ、バックプレーンボードとの接続部分での光路の位置連れによる光損失の問題を解決した光電気混載ボードを提供する。
【解決手段】本発明の光電気混載ボード２１は、光信号を電気信号に変換する機能と電気信号を光信号に変換する機能の少なくともいずれかを有する光素子２２および電子部品２３を実装するとともに、光回路と電気回路を有し、バックプレーンボード２４に取り付けられるものであり、電気回路が内蔵された電気回路基板層２５に光回路層２６がラミネートされ、光回路層２６が光導波路２７により構成されている。また、バックプレーンボード２４との接続端側の光導波路２７のコア部分２８が、光入射用の場合には端面に向けて徐々に拡がるテーパ状に形成され、光出射用の場合には端面に向けて徐々に狭くなるテーパ状に形成されたものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、バックプレーンボードに取り付けて使用される光電気混載ボードに関するものである。

光を情報伝送媒体とする光通信分野においては、光ファイバや光導波路等により伝送される光信号を受信又は送信するため、光信号と電気信号とを相互に変換する光素子を備えた光モジュールが用いられている。電気信号から光信号への変換には、垂直共振器表面発光レーザ（Vertical cavity surface-emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）に代表される面発光素子が用いられ、光信号から電気信号への変換には、ＰＩＮフォトダイオードに代表される面受光素子が用いられており、これらの光素子は基板に対して電気的に接続され、光ファイバや光導波路等は光素子に対して光学的に接続される。

このような光モジュールは、配線基板上において光ファイバや光導波路等の光配線をする際の作業性や、保守交換の容易性などの点から、光ファイバや光導波路等の光伝送体がコネクタを介して着脱可能であることが望ましい。

また、光素子に光ファイバや光導波路等を着脱する場合、配線基板に対して水平方向に着脱する構造にすると、光素子を搭載した部品の周辺に光ファイバや光導波路等を着脱する作業用のスペースを設けざるを得ないことから、そのスペースには他の部品を実装できず、実装密度を上げられないという問題がある。したがって、光ファイバや光導波路等の着脱は配線基板に対して垂直方向に行うことができることが望ましい。

一方、本発明者等は、円弧状に曲げられた構造を有し外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直である光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に配置され、光素子および光素子駆動用のドライバ集積回路装置を含む複数の電子部品が搭載された光素子搭載基板と、配線基板上の光素子搭載基板の上面に上部構造体を垂直方向に押圧して固定することにより、光素子搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えた光モジュールを提案している（特許文献１参照）。
特願２００７−２１７５７４

上記の本発明者等が提案した光モジュールは、大幅な小型化と、光伝送体と光素子との垂直方向への着脱自在な光学的接続を達成しているが、光素子ないし光モジュールと電子部品とが実装された光電気混載ボードにおいては、光配線と電気配線とが存在し、複雑な配線形態となっていた。

また、光素子から出射される光は設計誤差等により伝送路の径方向におけるずれが生じることがあり、その場合、光電気混載ボードが取り付けられるバックプレーンボードとの接続部分で、光損失が大きくなるという問題があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、シンプルな構成で光と電気の共存共栄を図ることができ、かつ、バックプレーンボードとの接続部分での光路の位置連れによる光損失の問題を解決した光電気混載ボードを提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１には、光信号を電気信号に変換する機能と電気信号を光信号に変換する機能の少なくともいずれかを有する光素子および電子部品を実装するとともに、光回路と電気回路を有し、バックプレーンボードに取り付けられる光電気混載ボードであって、電気回路が内蔵された電気回路基板層に光回路層がラミネートされ、光回路層が光導波路により構成され、かつ、バックプレーンボードとの接続端側の光導波路のコア部分が、光入射用の場合には端面に向けて徐々に拡がるテーパ状に形成され、光出射用の場合には端面に向けて徐々に狭くなるテーパ状に形成されていることを特徴とする。

第２には、上記第１２の光電気混載ボードにおいて、光素子が、光路を変更させる光モジュールに搭載されていることを特徴とする。

請求項１の光電気混載ボードによれば、電気回路は電気回路基板層に内蔵させ、光回路は電気回路基板層にラミネートさせているので、電気回路の配線と光回路の配線が分離して配置され、シンプルな構成となり、光と電気の共存共栄を図ることができる。また
バックプレーンボードとの接続端側の光導波路のコア部分を、光入射用の場合には端面に向けて徐々に拡がるテーパ状に形成し、光入射用の場合には端面に向けて徐々に狭くなるテーパ状に形成したので、上記効果に加え、パックプレーンボードの接続部において光路が進行方向に垂直な面で中心から多少ずれていても確実に光を相手側に伝搬させることができ、上記接続部における光損失の問題が解消される。

請求項２の光電気混載ボードによれば、上記効果に加え、光素子のモジュール化により光配線の作業性や保守交換の容易性が良好となる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光電気混載ボードを模式的に示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分断面側面図、（ｃ）は光導波路のバックプレーンボードとの接続端側のコア形状を示す平面図（光入射部）、（ｄ）は光導波路のバックプレーンボードとの接続端側のコア形状を示す平面図（光出射部）である。

本実施形態の光電気混載ボード２１は光素子２２と電子部品２３を搭載する光電気混載タイプのボードであり、典型的にはルータやサーバ等の情報機器に使用することができる。図には、単なる例示として１つの光素子２２と４つの電子部品２３が模式的に示されているが、もちろんこれは理解を容易にするためのもので、その個数は必要に応じてそれぞれ任意の個数搭載することができる。

本実施形態の光電気混載ボード２１は複数枚のものがバックプレーンボード２４に垂直方向に装着され電気的、光学的に接続され、他のボードや外部との信号の入出力を行うことができるようになっている。この光電気混載ボード２１の特徴とするところは、電気回路が電気回路基板層２５に内蔵され、電気回路基板層２５に光回路層２６がラミネートされていることである。光回路層２６は光導波路２７により構成される複数の光配線より構成される。このように、この光電気混載ボード２１では、電気回路部分と光回路部分が分離して設けられ、きわめてシンプルな構成となっている。

光素子２２および電子部品２３は図に示すように光電気混載ボード２１に埋設されていてもよいし、表面に実装されていてもよく、両方の組み合わせてあってもよく、それらの用途等に応じて適宜の形態とすることができる。

電気回路基板層２５はその内部に電気回路を内蔵するが、場合によっては光回路の動作の妨げにならなければ一部が表面に設けられていてもよい。また、電気回路を内蔵させる方法については、これまでに提案されてきた各種の方法を用いることができる。

光回路層２６は基本的には光導波路２７による光配線が用いられるが、適宜光ファイバ等の他の伝送路も併用することができる。光導波路２７は、電気回路基板層２５の上に公知の方法によりラミネート形成させることができるが、光導波路フィルムのような形態でラミネートさせてもよい。光回路層２６はボード面内の一部または全体にわたって設けることができる。

以上のように光電気混載ボード２１を電気回路基板層２５と光回路層２６に分けて構成すると、インタフェースを共通化させることができ、また電気配線と光配線が入り混じることなくシンプルな配線構造を実現させることができる。

また、本実施形態の光電気混載基板２１では、バックプレーンボード２４との接続端側の光導波路２７のコア部分２８は、光入射用の場合には、図１（ｃ）に示すように、端面に向けて徐々に拡がるテーパ状に形成されている。その接続端側の幅形状は円弧をつなげた曲面状に拡がった形状とすることが好ましい。バックプレーンボード２４の光出射部から出射し、光電気混載基板２１の光回路層２６の光導波路２７に入射する光の光路は、本来厳密に設定されていなければならないが、何らかの理由により、光路の入射方向に対して垂直な面内で若干の位置ずれを生じることがある。このような場合、図１（ｃ）に示すように、コア部分２８が端面に向けて拡がった形状であると、位置ずれトレランス（許容度）を大きくすることができ、光損失の低減を防止することができる。この場合、コア部分２８の拡がりは、直線状部分の幅より１０〜１５μｍ程度拡がっていることが好ましい。

また、バックプレーンボード２４との接続端側の光導波路２７のコア部分２８は、出射用の場合には、図１（ｄ）に示すように、端面に向けて徐々に狭くなったテーパ状に形成されている。その接続端側の幅形状は円弧をつなげた曲面状に拡がった形状とすることが好ましい。光電気混載基板２１の光素子２２が光路の方向を基板面と垂直に変化させるタイプのものである場合、その光路は、本来厳密に設定されていなければならないが、何らかの理由により、光路の入射方向に対して垂直な面内で若干の位置ずれを生じることがある。このような場合、図１（ｄ）に示すように、コア部分２８が端面に向けて狭くなった形状であると、位置ずれトレランス（許容度）を大きくすることができ、光損失の低減を防止することができる。この場合、コア部分２８の狭まりは、直線状部分の幅より１０〜１５μｍ程度狭まっていることが好ましい。

ここで、本発明の光電気混載ボード２１に好ましく使用される光モジュールについて説明する。図２および図３は、本光モジュールを示す斜視図であり、図２は光接続および電気接続を切り離した状態、図３は光接続および電気接続をした状態を示している。

図２に示すように、本光モジュール１は、光導波路７が保持部材６により保持された上部構造体５と、光素子４０および光素子駆動用のドライバ集積回路装置４１を搭載した光素子搭載基板３０と、異方導電性シート６０と、配線基板７０上に固定された嵌合部材５０とを備えている。

この光モジュール１は、配線基板７０上の嵌合部材５０内の開口部５１に異方導電性シート６０を配置し、その上に光素子搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を垂直に嵌め込んで図３に示すように装着することにより、上部構造体５の光導波路７と光素子搭載基板３０の光素子４０が光学的に接続され、光素子搭載基板３０と配線基板７０が異方導電性シート６０を介して電気的に接続されるようになっている。図３に示す装着状態の光モジュール１は、全体として、たとえば幅１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ６．４ｍｍのコンパクトなサイズのモジュールを構成している。

上部構造体５は、図４（ａ）および図４（ｂ）にも示すように、樹脂製の保持部材６の背面から、複数本（本実例では１２本）の光導波路７が並列した光配線８が保持部材６内に水平に入り込み、保持部材６内で光導波路７が円弧状に曲げられて光導波路７の端面７ａが保持部材６の下面から垂直に露出した構造を有している。

保持部材６の上面における光導波路７と平行な両側周縁部には、当該周縁部に沿ってテーパ面を成す一対の肩部１２が設けられており、図２の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに嵌合部材５０の上部に設けられた一対の突条部５２が保持部材６の肩部１２に当接して下方に押圧するようになっている。

また、図２に示すように、保持部材６には２つの位置決め穴１１が設けられており、図２の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに、光素子搭載基板３０に立設された位置決めピン４２が保持部材６の位置決め穴１１に挿入されて上部構造体５と光素子搭載基板３０とが水平方向に位置決めされるようになっている。

保持部材６は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように上側部材１０と下側部材２０とから構成されており、上側部材１０と下側部材２０によって光導波路７を挟み込んで保持するようになっている。一方、下側部材２０の上面側には光導波路７の円弧形状に対応した曲面を成す光導波路保持面が設けられており、上側部材１０と下側部材２０によって光導波路７を挟み込むことにより、上側部材１０のガイド溝と下側部材２０の光導波路保持面との間で光導波路７を円弧状に曲げられた状態で保持するようになっている。

光導波路７の外部側光軸６５ａと光素子側光軸６５ｂとの間の円弧部分の曲率半径Ｒは、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは１〜３ｍｍである。このように円弧部分の曲率半径は非常に小さく、上部構造体５の上下方向が低背化され、かつ、水平方向も小型化されている。

図５は、光素子搭載基板の上面側斜視図、図６は、上部構造体と光素子搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。図５に示すように、光素子搭載基板３０は、外周部に沿って壁部３２が立設された箱状のセラミック基板３１を備えており、セラミック基板３１上の前方側の位置には光導波路７と同数の受発光面が並んで配置された光素子４０が搭載されている。

光素子搭載基板３０は、壁部３２に囲まれたキャビティ内に光素子４０、ドライバ集積回路装置４１などの電子部品を搭載している。

光素子４０は、面発光素子のＶＣＳＥＬと面受光素子のＰＩＮフォトダイオードから構成されている。壁部３２の上面３２ａは光学的基準面を構成しており、上部構造体５の下面に当接することにより、図６に示すように光導波路７の端面７ａと光素子４０とが垂直方向に位置決めされる。

なお、図５に示すように、セラミック基板３１上における光素子４０の両側の位置には突出高さ２ｍｍ、突出部分の直径０．７ｍｍの一対の位置決めピン４２が立設されており、これらの位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより光素子搭載基板３０と上部構造体５が水平方向に位置決めされるようになっている。

セラミック基板３１上における光素子４０の後方には、光素子４０のドライバ集積回路装置４１が搭載されており、光素子４０とドライバ集積回路装置４１はボンディングワイヤによって接続されている。その他、セラミック基板３１上には他の電子部品が搭載されていると共に、セラミック基板３１上の電子部品の電極は、電子部品の直下あるいはプリント配線３３等を介してセラミック基板３１を貫通する不図示のスルーホールを通じて、セラミック基板３１の下面に設けられたパッド電極に電気的に接続されている。

図２の異方導電性シート６０は、加圧によって垂直方向への導通が確保されるものであり、特に制限なく各種のものを用いることができるが、たとえばシリコーンゴムなどの弾性をもつ絶縁性基材に、金属等の導電性粒子を厚さ方向に並べたもの、あるいは導電性の線材を埋設したものなどを用いることができる。絶縁性基材上に導電性のパッドが設けられたものを用いるようにしてもよい。異方導電性シート６０の厚さは、たとえば０．１〜１ｍｍである。

以上の構成を備えた光モジュール１を図２のように光接続および電気接続が切り離された状態から図２のように光接続および電気接続をした状態に組み立てる際には、まず図２の配線基板７０上に固定された嵌合部材５０の開口部５１内に異方導電性シート６０を配置する。次いでその上に光素子搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を嵌合部材５０に垂直に嵌め込む。

このとき、光素子搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されて、光素子搭載基板３０に対して上部構造体５が水平方向に所定の精度、たとえば３〜５μｍの精度で位置決めされると共に、保持部材６の側面が側板部５３に規制されて、光素子搭載基板３０が配線基板７０に対して間接的に水平方向に位置決めされる。配線基板７０上には、ピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍ、高さ１００μｍのはんだバンプが形成されており、これらのはんだバンプに対して、光素子搭載基板３０の下面に設けられたピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍ、高さ１０μｍの裏面電極が位置合わせされる。

そして、嵌合部材５０の弾性により上部構造体５は下方に押圧され、これにより異方導電性シート６０が加圧されて導通状態となる。これにより、異方導電性シート６０を介して光素子搭載基板３０の裏面電極と配線基板７０上のはんだバンプとが電気的に接続される。

また、光素子搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより、図６の断面図に示すように光導波路７の端面７ａと、光素子４０との水平方向の位置決めがされると共に、保持部材６の下面６ａと光素子搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａとが当接することにより、光導波路７の端面７ａと、光素子４０との垂直方向の位置決めがされて、これらが光学的に接続される。

このようにして、光モジュール１は図３に示す状態で垂直方向へ電気的および光学的に接続され、光導波路７および光配線８を通じて外部との間で伝送される光信号の送受信が可能な状態とされる。

そして、たとえば保守交換時などにおいては、上部構造体５を嵌合部材５０から垂直に抜き出すことで光接続を容易に切り離すことができ、次いで光素子搭載基板３０を異方導電性シート６０上から垂直に取り出すことで電気接続を容易に切り離すことができる。

本発明の一実施形態に係る光電気混載ボードを模式的に示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分断面側面図、（ｃ）は光導波路のバックプレーンボードとの接続端側のコア形状を示す平面図（光入射部）、（ｄ）は光導波路のバックプレーンボードとの接続端側のコア形状を示す平面図（光出射部）である。 本発明の光電気混載ボードに好ましく使用される光モジュールを示す斜視図であり、光接続および電気接続を切り離した状態を示す。 図２の光モジュールにおける光接続および電気接続をした状態を示す斜視図である。 図４は、上部構造体の上側部材、光導波路、および下側部材の配置状態を示した図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 図５は、光素子搭載基板の斜視図である。 図６は、上部構造体と光素子搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 光モジュール
５ 上部構造体
６ 保持部材
６ａ 下面
７ 光導波路
７ａ 端面
８ テープ状光導波路
１０ 上側部材
１１ 位置決め穴
１２ 肩部
２０ 下側部材
２１ 光電気混載ボード
２２ 光素子
２３ 電子部品
２４ バックプレーンボード
２５ 電気回路基板層
２６ 光回路層
２７ 光導波路
２８ コア部分
３０ 光素子搭載基板
３１ セラミック基板
４０ 光素子
４１ ドライバ集積回路装置
４２ 位置決めピン
５０ 嵌合部材
６０ 異方導電性シート
７０ 配線基板

Claims (2)

1. 光信号を電気信号に変換する機能と電気信号を光信号に変換する機能の少なくともいずれかを有する光素子および電子部品を実装するとともに、光回路と電気回路を有し、バックプレーンボードに取り付けられる光電気混載ボードであって、電気回路が内蔵された電気回路基板層に光回路層がラミネートされ、光回路層が光導波路により構成され、かつ、バックプレーンボードとの接続端側の光導波路のコア部分が、光入射用の場合には端面に向けて徐々に拡がるテーパ状に形成され、光出射用の場合には端面に向けて徐々に狭くなるテーパ状に形成されていることを特徴とする光電気混載ボード。
2. 光素子が、光路を変更させる光モジュールに搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の光電気混載ボード。

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