JP2010040841A - 光送信デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】光送信デバイスを回路基板上に実装して、リード導体を直接接続するとともに、光送信デバイスの放熱方向が回路基板の実装面の上方になるようにするとともに、光送信デバイスの組立ては従来どおり行うことが可能な光送信デバイスを提供する。
【解決手段】少なくとも発光素子２２と、該発光素子を搭載するキャリア２３とをパッケージ２１内に収納し、蓋体をシーム溶接で封止してなる光送信デバイスである。外部回路への接続のためのリード導体２６が、絶縁ブロック２５内に配設された配線導体２７を経てパッケージ２１の蓋体２９の外面と同じ高さ位置ないしはそれよリ高い位置から引き出され、絶縁ブロック２５とパッケージ２１との間に、蓋体２９のシーム溶接を可能とする逃げ溝３０が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光データリンク等の光信号の伝送に用いられ、少なくとも発光素子が搭載された光送信デバイスに関する。

１０Ｇｂｐｓ以上の伝送速度で使用する小型光モジュールでは、ユーザの利便性を高め市場規模の拡大を目的として、メーカ間で互換性のある共通仕様の製品を開発、規格化が進められている。この中で、例えば、図６に示すように、光送信デバイス１（ＴＯＳＡ：transmitter optical sub-assembly）と回路基板３上のデータ制御等を行うＩＣ２とは、ＳＭＰコネクタ（高周波同軸コネクタ）を用いて接続することが提案されている。すなわち、光送信デバイス１とＩＣ２とは、同軸ケーブル４を用いて接続するということであり、高周波性能的には非常に良好な特性が得られる。しかし、その反面、小型モジュールの内部に金属シースのついた同軸ケーブルが這う形態となるため、取り扱いが不便で小型化が難しくなるという問題がある。

これに対し、図７（Ａ）に示すように、光送信デバイス１とＩＣ２をフレキシブル回路基板５（フレキ基板）で接続する方法がある（例えば、特許文献１参照）。この場合、光送信デバイス１とＩＣ２との接続は、大きなスペースを必要とせず、また、組み立ても比較的に容易で取り扱い性についても問題はない。この方法による場合、図７（Ｂ）に示すように、Ｓ（２・１）パラメータの周波数特性を測定（３サンプル）して見ると、２５ＧＨｚまでは安定し有用である。しかしながら、２５ＧＨｚを超える周波数領域では、信号の透過状態（Ｓパラメータ）が不安定（暴れる）となり周波数特性が劣化する。

また、図８（Ａ）に示すように、光送信デバイス１とＩＣ２を、フレキ基板５を用いることなく光送信デバイス１のリード導体６を、回路基板３上で直接接続する方法もある（例えば、特許文献２参照）。この方法の場合、光送信デバイス１を回路基板３上に支持する手段が必要となるが、後述するように光送信デバイス１のリード導体４を下面から引き出す形態のものを用いることにより、ＩＣ２と同様に表面実装で搭載することができる。この図８（Ａ）の構成よれば、その周波数特性は、図８（Ｂ）に示すように、図７（Ｂ）と比べて良好なものとすることができる。
特開２００４−１５１６８６号公報 特開２００４−１５２８９７号公報

図７（Ａ）および図８（Ａ）の形態において、４０Ｇｂｐｓの高速伝送を考慮すると、フレキ基板を用いない図８の光送信デバイス１の回路基板上への直接実装が望ましい。
また、図８（Ａ）の形態において、光送信デバイス１の高周波特性を十分加味したものとして、例えば、図９に示すような光送信デバイス１０の利用が考えられる。この光送信デバイス１０は、箱型のパッケージ１１内に、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子１２をキャリア基板１３により収納支持させ、キャリア基板１３とパッケージ１１の底壁１１ａとの間に配した電子冷却装器１４により冷却するように構成したものである。発光素子１２からの信号光は、パッケージ１１の前面側の開孔１１ｂから導入される光ファイバ手段（図示省略）に送出される。

また、発光素子１２を駆動制御する電気信号は、リード導体１６、セラミック等の積層体で形成された絶縁ブロック１５内に配設された配線導体１７、そして、ワイヤ導体１８を経て供給される。外部に引き出されるリード導体１６とキャリア基板１３間をワイヤ導体での直接接続は、高さ、距離があることから、インピーダンス整合が難しくなる。このため、絶縁ブロック１５においてインピーダンス整合されたライン導体１７ａとビア導体１７ｂを介して配線される。

「インピーダンス整合された」とは、伝送用の信号導体をグランド導体で挟んだりして、特性インピーダンスが所定の値になるように調整した配線形態である。基板の面方向に形成されるライン導体１７ａの場合は、信号導体をグランド導体で挟んだストリップ線路またはコプレーナ線路で形成される。基板の厚さ方向に形成されるビア導体１７ｂの場合は、信号導体の穴の周辺にグランド導体用の穴をあけて形成される。また、絶縁ブロック１５は積層基板で形成され、ビア導体１７ｂの位置を階段状にずらせて、ライン導体１７ａの配線距離が長くならないようにしている。

絶縁ブロック１５は、パッケージ１１の底部側に設けた開孔１１ｃに銀ロー等により封着して取り付けられる。パッケージ１１の上部の開口１１ｄは、蓋体１９をシーム溶接して封止される。リード導体１６は、パッケージ１１の底壁１１ａと同じ位置から引き出すことができ、したがって、回路基板３上に設けた端子パッド等に直接接続することができ、周波数特性に関しての問題は解決できる。また、パッケージ１１の底壁１１ａを回路基板３の面状に載置する形態で取り付けることができ、製造上の取り扱いも楽である。

しかしながら、図８（Ａ）および図９いずれの場合も、光送信デバイス１とＩＣ２の放熱方向は、反対方向となる。特に、光送信デバイス１を回路基板３上に載置させて実装する場合は、回路基板３を介しての放熱となり放熱効率が良くない。また、プラガブル光トランシーバ等の光モジュールにおいては、放熱フィンはモジュールの上下の両面に設けることが難しく、通常は、ＩＣ２の放熱を主にしてモジュール筐体が設計されるため、上面側の片面のみが放熱面となることが多い。このため、光送信デバイス１の放熱効率が低下するという問題がある。

そこで、図１０（Ａ）に示すように、光送信デバイス１０の上下を反転して、発光素子１２を逆さ吊りする形態で回路基板３上に搭載し、ＩＣ２に放熱方向と同じ放熱方向となるようにする。この場合、図１０（Ｂ）に示すように、光送信デバイス１０の絶縁ブロック１５の取り付け位置をパッケージ１１の蓋体１９側にし、リード導体１６を蓋体１９と同じ位置する。すなわち、図９に示した絶縁ブロック１５とその配線導体１７の方向を上下反転させた形でのリード導体１６の引き出しとなる。絶縁ブロック１５内に埋設される配線導体１７は、インピーダンス整合されたライン導体１７ａとビア導体１７ｂとすることは、図９の場合と同じある。

また、光送信デバイス１０は、図１０（Ｂ）に示すように、パッケージ１１内に発光素子１２をキャリア基板１３により支持させ、キャリア基板１３とパッケージ１１の底壁１１ａとの間に電子冷却装器１４を配する構成は同じであるが、蓋体１９を取り付ける開口１１ｄの一部に絶縁ブロック１５が存在することとなる。蓋体１９は、通常、パッケージ１１の上縁部にシーム溶接で封止されるが、図１０（Ｂ）に示すように、シーム電極Ｓが、絶縁ブロック１５あるいはリード導体１６に当たるため、この部分での溶接が不可能となる。

この代替え策として、蓋体１９を半田で固定する方法が考えられる。しかし、パッケージ１１の底壁１１ａには、電子冷却器１４の下電極部（矢印ａ）が半田付けされ、また、キャリア基板１３が電子冷却器１４の上電極部（矢印ｂ）に半田付けされている。したがって、蓋体１９を半田付けする部分（矢印ｃ）に用いる半田材は、電子冷却器１４のａ，ｂ部分に用いるの半田材より融点の低い半田材を用いる必要がある。また、光送信デバイス１０が回路基板３に搭載された際には、リード導体１６の部分（矢印ｄ）が半田付けで電気接続されるが、この半田材よりは融点が高い必要がある。一方、環境汚染の問題から鉛フリー化が推進されていて、半田材の溶融温度の調整に有用であった鉛の使用ができないため、半田材の種類は極めて限られており、光送信デバイス１０のような構造複雑のものへの使用は困難で、現実的でない。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、光送信デバイスを回路基板上に実装して、リード導体を直接接続すると共に、光送信デバイスの放熱方向が回路基板の実装面の上方になるようにし、さらに、光送信デバイスの組立ては従来どおり行うことが可能な光送信デバイスの提供を目的とする。

本発明による光送信デバイスは、少なくとも発光素子と、該発光素子を搭載するキャリアとをパッケージ内に収納し、蓋体をシーム溶接で封止してなる光送信デバイスで、外部回路への接続のためのリード導体が、絶縁ブロック内に配設された配線導体を経てパッケージの蓋体の外面と同じ高さ位置ないしはそれより高い位置から引き出され、絶縁ブロックとパッケージとの間に、蓋体のシーム溶接を可能とする逃げ溝が設けられていることを特徴とする。

前記の絶縁ブロック内に配設された配線導体は、発光素子から蓋体方向で光軸と直交する方向に延び、複数の配線導体のうちの信号用導体は、絶縁ブロック内でインピーダンス整合されている。また、絶縁ブロックは積層セラミックより成り、前記の信号用導体は少しずつシフトされたビア導体で形成される。さらに、前記のリード導体は、絶縁ブロックの上端面と面一になるように外部に引き出され、蓋体より高い位置から引き出される場合は、蓋体の上面にリード導体との位置調整用の緩衝体を配する。

本発明による光送信デバイスは、回路基板上のＩＣとフレキ基板を介することなく直接接続することができ、これにより高周波特性を良好にすることができる。また、回路基板上のＩＣと放熱方向を同じにすることができ、これにより、光送信デバイスの放熱効率を高めることが可能となる。

図１により本発明の概略を説明する。図１（Ａ）は本発明による光送信デバイスを回路基板に搭載した状態を示す図、図１（Ｂ）は光送信デバイスの一例を説明する斜視図、図１（Ｃ）はリード導体の引き出し形態を説明する断面図である。図中、２は集積回路素子（ＩＣ）、３は回路基板、２０は光送信デバイス、２１はパッケージ、２１ａは底壁、２２は発光素子、２３はキャリア基板、２４は電子冷却器、２５は絶縁ブロック、２５ａは水平部分、２５ｂは垂直部分、２６はリード導体、２７は配線導体、２８はワイヤ導体、２９は蓋体、３０は逃げ溝を示す。

本発明による光送信デバイス２０（例えば、ＴＯＳＡ）は、図１（Ａ）に示すように、リジッドな回路基板３上に表面実装の形態で実装され、回路基板３に形成されている導電パッドに半田等で接続される。これにより、同じく回路基板３上に実装されているデータ制御等を行う集積回路素子（ＩＣ）２と、フレキ基板等を介することなく直接接続することができ、図８（Ｂ）に示したような、周波数特性の安定した信号伝送を行うことができる。なお、ＩＣ２は、ホスト装置（図示せず）等から入力された４ビットあるいは１６ビット幅のデジタル信号を並／直変換して光送信デバイス２０に出力する回路等が含まれる。このＩＣ２は、その上面側から放熱シート等を介して筐体等に熱的に接触され、放熱される。

光送信デバイス２０は、例えば、パッケージ２１内に、少なくとも発光素子２２と該発光素子を搭載するキャリア基板２３が収納され、発光素子からの熱を放熱させるための電子冷却器２４を備えた構成のものである。また、発光素子２２を駆動・制御するための配線手段を備える。この配線手段は、例えば、外部回路に接続するリード導体２６、絶縁ブロック２５内に配設される配線導体２７、この配線導体２７とキャリア基板２３上の導体を接続するワイヤ導体２８で形成される。

上記の配線手段は、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に拡大して示すように、例えば、パッケージ２１の背側面２１ｂ（光信号の送出側と反対の側面）側に設けられる。絶縁ブロック２５は、セラミック等の絶縁体で形成され、配線導体２７を電気的に絶縁してパッケージ２１内と外部回路を導通させるもので、例えば、水平部分２５ａと垂直部分２５ｂを有する。この絶縁ブロック２５は、垂直部分２５ｂとパッケージ２１の背側面２１ｂとの間に、後述する理由により逃げ溝３０を有するように、水平部分２５ａをパッケージ２１に設けた開口２１ｃから挿着して組み付けられる。

配線導体２７は、絶縁ブロックの水平部分２５ａに配設されるライン導体２７ａと、垂直部分２５ｂに配設されるビア導体２７ｂとからなる。ライン導体２７ａは、パッケージ２１の側壁を貫通するようにして配設され、その内端は、発光素子２２が搭載されたキャリア基板２３から最短距離でワイヤ導体２８にされる位置にある。ビア導体２７ｂは、パッケージ２１の背側面２１ｂと平行に配設され、その端部にリード導体２６が接続される。なお、絶縁ブロック２５内に配設される配線導体２７は、インピーダンス整合された導体で形成することができる。
リード導体２６は、本発明においては、パッケージ２１の蓋体２９の外面と同じ高さ位置ないしはそれより多少突き出る高い位置で、蓋体２９と平行な方向に引き出される。

上述のように構成された光送信デバイス２０は、図１（Ａ）に示すように、電子冷却器２４が固定されたパッケージ２１の底壁２１ａが上に、蓋体２９が下になるように、すなわち、発光素子２３が吊り下げ支持された形態で回路基板３上に表面実装される。光送信デバイス２０の外部回路への接続は、回路基板３に接する蓋体２９の面と同じ高さ位置ないしはそれより多少突き出る高い位置引き出されたリード導体２６を、回路基板３上の導電パッドに直接接続して形成される。

上述のようにして回路基板３に実装される光送信デバイス２０は、同じく回路基板３に実装されるＩＣ２と、放熱方向が同じ方向となる。このため、光モジュールを構成する筐体は、一方の筐体面側にのみ放熱フィン等を設けて、光送信デバイス２０とＩＣ２の両方の放熱を効果的に行うことが可能となる。

図２〜図５は、上述した光送信デバイス２０の詳細を説明する図で、図２は配線手段と蓋体２９のシーム溶接を説明する図、図３および図４は回路基板への実装形態について説明する図、図５は他の実施形態を説明する図である。なお、説明のための参照符号は、図１で用いたのと同じ符号を用いることにより、細かな説明を省略する。

図２（Ａ）に示す光送信デバイス２０は、図１で説明したものと実質的に同じもので、配線導体をインピーダンス整合させた形態で示してある。本例では、絶縁ブロック２５の垂直部分２５ｂを多層の積層セラミックで形成し、各層毎にライン導体２７ａとビア導体２７ｂを形成する。各層が積層された際に、ライン導体２７ａとビア導体２７ｂが互いに接触積層されて、発光素子２２から蓋体２９の方向で、且つ光が出射される光軸方向と直交する方向に延びる配線導体が形成される。

また、ビア導体２７ｂは、少しずつ位置を変えて形成する。これにより、積層したときに配線導体２７が階段状に内側から外側に変位し、製造しにくい大きなサイズのビアを使用せずに製造することが可能となる。また、複数の配線導体のうち、信号用導体は、インピーダンス整合された導体で形成するのが好ましい。なお、インピーダンス整合は、ライン導体２７ａの場合は、信号導体をグランド導体で挟んだストリップ線路またはコプレーナ線路で形成し、ビア導体２７ｂの場合は、信号導体の穴を囲む周辺にグランド導体用の穴をあけて形成することにより実現することができる。

なお、パッケージ２１は、金属またはセラミックで形成することができる。パッケージ２１がオールセラミックで形成されている場合は、蓋体の２９の取り付け部、レンズの取り付け部は、金属を貼り付けるなどでメタライズ化されている。
また、蓋体２９をパッケージ２１の開口部２１ｄに取り付けて封止するのに、半田材の使用は難しく現実的でないこと、また、接着剤の使用は耐熱性が十分得られないことから、従来どおりシーム溶接で行うことが望まれる。この場合、図１０で説明したように、配線導体用の絶縁ブロック２５をパッケージ２１の底壁２１ａ側から蓋体２９側に単に移しただけでは、シーム溶接用のローラ電極Ｓの使用ができなくなる。

本発明においては、この点を解決するために、絶縁ブロック２５の垂直部分２５ｂをパッケージ２１の外側に配して、パッケージ２１の背側面２１ｂとの間に、逃げ溝３０を有する構成としている。光送信デバイス２０の蓋体２９のシーム溶接に用いるローラ電極Ｓは、厚さが２ｍｍ程度であるので、この程度の幅のローラ電極の逃げ溝３０を形成したとしても、配線導体２７の形状に大きな変更はなく、特に問題とならない。したがって、絶縁ブロック２５とパッケージ外面との間に逃げ溝３０を設けるだけの簡単な構成で、従来どおりのシーム溶接で蓋体２９を取り付けることができる。

図２（Ｂ）は、リード導体２６の絶縁ブロック２５への配設形態を示す図ある。本発明においては、リード導体２６は、絶縁ブロック２５の垂直部分２５ｂの端部に凹部２５ｃを形成し、この凹部に嵌め込んで配設される。この場合、リード導体２６が回路基板の導電パッドと接する側の接触面２６ａが、絶縁ブロックの垂直部分２５ｂの端部面２５ｄと面一になるように配設されているのが好ましい。リード導体２６を絶縁ブロックの端部面２５ｄと面一にすることより、実装される回路基板に絶縁ブロック２５の端面部２５ｄが接触して、安定した状態でリード導体２６と導電パッドとを接続することができる。

図３は、本発明の光送信デバイス２０の回路基板３への実装形態を説明する図である。図３（Ａ）に示すように、パッケージ２１に蓋体２９が取り付けられた状態で、蓋体２９の外面２９ａとリード導体２６の接触面２６ａとの間に段差Ｄ（リード導体の接触面２６ａが蓋体の外面２９ａより低い位置）あるとする。この場合、回路基板３上の導電パッド３ａとリード導体２６とを接続するには、リード導体２６を曲げるなどして、導電パッド３ａに接触させる必要がある。リード導体２６を曲げると、導体が空間を這う形態となるため、インピーダンス整合がとりにくくなり好ましくない。

したがって、図３（Ｂ）に示すように、蓋体２９の外面２９ａとリード導体２６の接触面２６ａとは、高さ位置が一致（面一）するように形成されているのが望ましい。これにより、パッケージ２１は回路基板３上に安定した形態で載置することができる。そして、リード導体２６は、空間を這うことなく、その接触面２６ａの全面を回路基板３上に接触させた状態で、導電パッド３ａと接続させることができる。

図４は、図３（Ａ）の場合と反対に、パッケージ２１に蓋体２９が取り付けられた状態で、蓋体２９の外面２９ａの位置よりリード導体２６の接触面２６ａが突き出ている（リード導体の接触面２６ａが蓋体の外面２９ａより高い位置）形態を示している。この場合、回路基板３と蓋体２９との間に、高さ調整用の緩衝材３１を入れることにより、回路基板３への実装の作業性と実装後の機械的安定を向上させることができる。

図５は、他の実施形態を説明する図で、従来技術の説明で用いた図１０の例に近似する例である。本例では、光送信デバイス２０の矩形状の絶縁ブロック２５’の取り付け位置を、パッケージ２１の蓋体２９側に配置し、リード導体２６を蓋体２９と同じ位置するようにしている。また、絶縁ブロック２５’を多層の積層セラミックで形成し、その配線導体２７を、図２の例と同様にインピーダンス整合されたライン導体２７ａとビア導体２７ｂで形成することができる。また、ワイヤ導体２８およびリード導体２６による配線も、図２と同様な形態で行うことができる。

パッケージ２１の開口部２１ｄは、図２の場合と同様に蓋体２９が封止されるが、蓋体２９が覆う絶縁ブロック２５’の上端部２５’ａの部分は、金属の貼り付けるなどしてメタライズ化して溶接可能な状態とされる。そして、この上端部２５’ａ部分でのシーム溶接が可能なように、絶縁ブロック２５の上面側に逃げ溝３０’を設けておく。この逃げ溝３０’によりシーム溶接に用いるローラ電極Ｓで、蓋体２５をパッケージ２１の開口部に取り付けて、従来どおり封止することができる。

本発明の概略を説明する図である。 本発明による配線手段と蓋体のシーム溶接を説明する図である。 本発明による光送信デバイスの実装形態を説明する図である。 本発明による光送信デバイスの他の実装形態を説明する図である。 他の実施形態を説明する図である。 従来技術の一例を説明する図である。 従来技術の他の例を説明する図である。 従来技術のその他の例を説明する図である。 従来技術の課題を説明する図である。 従来技術の課題を説明する図である。

符号の説明

２…集積回路素子（ＩＣ）、３…回路基板、２０…光送信デバイス、２１…パッケージ、２２…発光素子、２３…キャリア基板、２４…電子冷却器、２５、２５’…絶縁ブロック、２６…リード導体、２７は配線導体、２７ａ…ライン導体、２７ｂ…ビア導体、２８…ワイヤ導体、２９…蓋体、３０，３０’…逃げ溝、３１…緩衝材。

Claims (5)

1. 少なくとも発光素子と、該発光素子を搭載するキャリアとをパッケージ内に収納し蓋体をシーム溶接で封止してなる光送信デバイスであって、
   外部回路への接続のためのリード導体は、絶縁ブロック内に配設された配線導体を経て前記パッケージの前記蓋体の外面と同じ高さ位置ないしはそれより高い位置から引き出され、前記絶縁ブロックと前記パッケージとの間に、前記蓋体のシーム溶接を可能とする逃げ溝が設けられていることを特徴とする光送信デバイス。
2. 前記配線導体は、前記発光素子から前記蓋体方向で光軸と直交する方向に延び、前記配線導体のうちの信号用導体は、前記絶縁ブロック内でインピーダンス整合されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信デバイス。
3. 前記絶縁ブロックは積層セラミックより成り、前記信号用導体が少しずつシフトされたビア導体で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光送信デバイス。
4. 前記リード導体が前記絶縁ブロックの端部面と面一になるように、外部に引き出されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光送信デバイス。
5. 前記リード導体が前記蓋体より高い位置から引き出される場合、前記蓋体の上面に前記リード導体との位置調整用の緩衝体を配することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光送信デバイス。

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