JP2010192737A

JP2010192737A - 光モジュール及び光モジュールの接続方法

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Publication number: JP2010192737A
Application number: JP2009036328A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Saeki; 智哉佐伯; Toshio Mizue; 俊雄水江
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP5515315B2

Abstract

【課題】リードフレームと外部回路基板との半田接続時に発生する熱がモールド樹脂の内蔵部品へ与える影響を低減することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュールは、ＬＤ２１を実装したリードフレーム１がモールド樹脂２により一体成型されている。リードフレーム１は、外部回路基板と半田接続するための半田接続部１５と、モールド樹脂２に内蔵される回路実装部１６とを備え、半田接続部１５と回路実装部１６との間に、半田接続部１５からの熱流入を抑制するための熱流入抑制部１４が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信に用いられるモールドパッケージ型の光モジュールの放熱構造に関する。

従来、光通信用機器において、光コネクタに含まれる光ファイバと、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode），ＬＤ（Laser Diode），ＰＤ（Photo Diode）などの光学素子とを光学的に結合させるための光結合素子モジュールの構造に関し、例えば、図７（特許文献１），図８（特許文献２）に示すものが知られている。

図７は、特許文献１に記載された光モジュール構造の断面を示す図である。この特許文献１に記載の光モジュール構造において、レンズ部材１０１は、透明接着樹脂１０２を介してリードフレーム１０３に接着されており、封止体１０４によってトランスファーモールドされていない。

こうすることにより、透明接着樹脂１０２をリードフレーム１０３とレンズ部材１０１との線膨張係数差による熱応力の緩衝部材として利用でき、シリコン系の樹脂等のヤング率が低い樹脂を使用することによって、レンズ部材１０１に働く熱応力を大幅に低減してレンズ部材１０１の損傷や変形を防止するようにしている。さらに、封止体１０４にフィラーを添加することによって線膨張係数を低減でき、例えば−４０℃から１１５℃のように、広い温度範囲の環境下で使用することが可能となる。

図８は、特許文献２に記載された光モジュール構造の断面を示す図である。この特許文献２に記載の光モジュール構造において、リードフレームの搭載部１１１の開口１１２に光出射部が面するようにＬＥＤ１１３を搭載する。ＬＥＤ１１３とリードフレームのリード部１１４とを接続するワイヤ１１５を、ＬＥＤ１１３を搭載した側に配置する。リードフレームのＬＥＤ１１３を搭載した側と反対側に、ＬＥＤ１１３からの出射光を透過する光透過性樹脂１１６を配置する。リードフレームのＬＥＤ１１３を搭載した側に、ＬＥＤ１１３とワイヤ１１５を封止する低応力樹脂１１７を配置する。

そして、リード部１１４に設けられＬＥＤ１１３を搭載した側に屈曲する屈曲部１１８と、この屈曲部１１８のＬＥＤ１１３を搭載した側と反対側に位置する低応力樹脂の部分１１９と、この低応力樹脂の部分１１９に接する光透過性樹脂の端部１２０とで、クラック防止構造を構成する。樹脂モールドパッケージにて応力低減構造部(ＬＥＤ，ワイヤ)に低応力樹脂を使用し、レンズ部に透明樹脂を使用し、これらを使い分けている。

特開２００６−２０１２２６号公報特開２００５−１５９２９６号公報

ここで、モールドされた光学素子（発光素子，受光素子など）と、光データリンクが内蔵する回路基板との接続は、この回路基板に設けられた電極パッドと、光学素子のリード端子とを直接半田により接続するか、あるいは、フレキシブルプリント基板(以下、ＦＰＣ:Flexible Printed Circuits)を介して接続されることが一般的である。以下、上記回路基板とＦＰＣとを総称して外部回路基板という。

光学素子を透明樹脂によりモールドパッケージとした場合、光学素子が実装されたリードフレームと、外部回路基板とは半田で接合されるが、接合時の半田溶融のための加熱によってリードフレームを伝わってモールドパッケージ内部に温度変化を生じさせる。特にモールド樹脂の線膨張係数とリードフレームの線膨張係数との差によって生じる歪みは、リードフレームに実装された光学素子や接続ワイヤに機械的ストレスを与えるため不具合の原因となることがある。

また、光データリンクの動作時においても、その回路基板上の駆動回路の発熱が、リードフレームを介してモールドパッケージ内に流入して、同様に機械的ストレスの原因となったり、リードフレーム上に実装された光学素子の温度特性によっては光信号品質の劣化を招く恐れがある。具体的には、発光素子が高温になると発光効率が低下したり、発光波長が変化してしまう。

これに対して、上述の図７，図８に示した従来技術では、環境（試験）の熱負荷(〜１００℃程度)への対策が検討されているが、リードフレームを外部回路基板へ半田接合する際に生じる高い温度(〜２３０℃)への対策について、具体的な開示がなく、上記の問題を解決することはできない。

本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたもので、リードフレームと外部回路基板との半田接続時に発生する熱がモールド樹脂の内蔵部品へ与える影響を低減することができる光モジュール及び該光モジュールの接続方法を提供すること、を目的とする。

本発明による光モジュールは、光学素子を実装したリードフレームがモールド樹脂により一体成型された光モジュールであって、リードフレームは、外部回路基板と半田接続するための半田接続部と、モールド樹脂に内蔵される回路実装部とを備え、半田接続部と回路実装部との間に、半田接続部からの熱流入を抑制するための熱流入抑制部が形成されている。

本発明による光モジュールの接続方法は、リードフレームの一部を露出させる露出部がモールド樹脂に形成された光モジュールを、外部回路基板に半田接続するための光モジュールの接続方法であって、露出部に放熱部材を接触させ、リードフレームと外部回路基板とを半田接続した後に、露出部から放熱部材を除去し、放熱部材を除去した露出部の少なくとも信号ラインに相当する部分にモールド樹脂と同等の誘電率を持つ樹脂を充填する。

本発明によれば、リードフレームと外部回路基板との半田接続時に発生する熱がモールド樹脂の内蔵部品へ与える影響を低減することができるため、モールド樹脂内の内蔵部品にかかる熱応力による不良を抑制することが出来る。

本発明による光モジュール構造の一例を示す図である。本発明による光モジュールの一実施例を示す図である。本発明による光モジュールの一実施例を示す図である。本発明による光モジュールの一実施例を示す図である。図２〜図４に示す光モジュールを構成するリードフレームを上から見た図である。本発明による光モジュールがＦＰＣに接続された状態の一例を示す図である。従来技術の光モジュールの一例を示す図である。従来技術の光モジュールの他の例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の光モジュール及び該光モジュールの接続方法に係る好適な実施の形態について説明する。

図１は、本発明による光モジュール構造の一例を示す図である。図中、１はリードフレーム、２はモールド樹脂、３はモールドパッケージ、４はレンズ、５はレセプタクルスリーブ、６は接着剤を示す。なお、モールドパッケージ３は、リードフレーム１，モールド樹脂２から構成される。モールド樹脂２は、例えば、透明エポキシ樹脂などであり、レンズ４が一体成型されている。

図１（Ａ）に示すように、光モジュールの組立時において、モールドパッケージ３はレセプタクルスリーブ５に挿入され、図１（Ｂ）に示すように、モールドパッケージ３とレセプタクルスリーブ５とが調芯された後に接着剤６で固定される。この接着剤６としては、例えば、ＵＶ接着剤や熱硬化接着剤が用いられ、モールドパッケージ３とレセプタクルスリーブ５とはＵＶ接着剤により仮固定され、エポキシ樹脂等の熱硬化接着剤により補強される。

また、図１（Ｃ）に示すように、リードフレーム１には、端面発光型の発光素子（ＬＤ）１１，ＬＤサブマウント１２が実装され，ワイヤ１３による接続が行われる。このリードフレーム１上にＬＤ１１を実装し、これをモールド樹脂２でモールドした、モールドパッケージ型のＴＯＳＡ（Transmitting Optical Sub-Assembly）において、リードフレーム１は、ＬＤ１１を駆動するための高周波信号ライン、グランドライン等として機能する。

これら実装部品は、リードフレーム１の実装面上に実装されるだけでなく、リードフレーム１の実装面からの高さの調整や、リードフレーム１との不要な導通を避けるためにＬＤサブマウント１２のようなサブマウントを介してリードフレーム１上に実装される場合がある。また、これらＬＤサブマウント１２、ＬＤ１１などの実装部品はリードフレーム１とともに必要な回路を構成するためにワイヤ１３などによって必要な電気的接続が行われている。

本発明による光モジュールは、ＬＤ１１を実装したリードフレーム１をモールド樹脂２により一体成型することによりレンズ一体型のモールドパッケージ３を形成し、リードフレーム１と外部回路基板とを半田接続する際に発生する熱が、モールドパッケージ３内部へ与える影響を低減するための熱流入抑制部（後述）が形成される。なお、本例では、光学素子として、ＬＤ１１を備えた構造を例示して説明するが、例えば、受光素子（ＰＤ）を備えた構造、あるいは、発光素子（ＬＤ）及び受光素子（ＰＤ）の両方を備えた構造としてもよい。

ここで、リードフレーム１を外部回路基板に接続する手段として、ＳｕＰｂやＳｕＡｇＣｕ(鉛フリー)などの半田による接合が一般的である。このときの半田溶融のために加熱する温度は、約１８０〜２３０℃と非常に高い。一方で、モールドパッケージ３の通電を担うリードフレーム１は一般に銅合金(３６４Ｗ・ｍ／Ｋ)などの熱伝導率の高い材料が用いられる。したがって、半田接合時に発生する熱がリードフレーム１を介してモールドパッケージ３の内部へ伝わる。

また、光通信用に用いられているエポキシ系に代表される透明なモールド樹脂２は一般に、光の透過性を確保するために線膨張係数を抑えるためのフィラーを混入しない。フィラーが入っていない透明樹脂の線膨張係数は、モールドされた金属製のリードフレーム１やワイヤ１３に比べて４倍程度もあり、上記半田接合時の熱による温度変化によりモールド樹脂２が膨張・収縮をして、歪が発生する。その歪が内蔵部品に加える力となって破損などの不具合の原因となる。例えば、ＬＤ１１の端子に接続されたワイヤ１３へ力が加わり破断の原因となる。

そこで、本発明による光モジュールでは、リードフレーム１に半田付け時の熱流入を抑えるための熱流入抑制部を設けるようにしている。この熱流入抑制部は、リードフレーム１に、半田接続部からの熱流入の方向と交わる断面の面積を部分的に小さくして形成されるか、あるいは、半田付け時の放熱を可能とするために、リードフレーム１の一部をモールド樹脂２から露出させて形成される。

上記において、高周波伝送においては、伝送線路設計がなされており、モールド樹脂２の誘電率を含めて設計されているので、製品として使用する際には、モールド樹脂２に形成した露出部を、モールド樹脂２の誘電率と同等の誘電率をもつ接着剤で埋めることが可能な構造とすることが好ましい。

図２〜図４は、本発明による光モジュールの一実施例を示す図である。図２は光モジュールの斜視図、図３は光モジュールの上面図、図４は光モジュールの下面図を示す。図中、１４は貫通孔、１５は半田接続部、１６は回路実装部、１７は高周波信号ライン、２１は露出部を示す。
また、図５は、図２〜図４に示す光モジュールを構成するリードフレーム１を上から見た図を示す。

なお、上記の貫通孔１４，露出部２１は、本発明の熱流入抑制部に相当し、本例では両方を備える構成を例示して説明するが、熱流入抑制部として、貫通孔１４，露出部２１をそれぞれ単独で形成してもよい。

図５に示すように、高周波信号ライン１７をはじめ、電源、グランドなどのラインを有するリードフレーム１上にサブマウント１２を介してＬＤ１１が半田によって実装されている。リードフレーム１とサブマウント１２、ＬＤ１１とはワイヤ１３で電気的に接続されている。そして、図２〜図４に示すように、回路実装後のリードフレーム１が、透明エポキシなどのモールド樹脂２でインサート成型されレンズ４と一体的にモールドパッケージ化される。このモールドパッケージ３は、光コネクタ整列用レセプタクルスリーブ５（図１を参照）に調芯された後に接着固定され、光モジュールとされる。そして、この光モジュールは、光データリンク（図示せず）が内蔵する回路基板と電気的に接続されて光データリンクのハウジングに収容される。

図２〜図４に示すように、リードフレーム１は、図示しない外部回路基板と半田接続するための半田接続部１５と、モールド樹脂２に内蔵される回路実装部１６とを備え、半田接続部１５と回路実装部１６との間に、半田接続部１５からの熱流入を抑制するための貫通孔１４及び露出部２１が形成されている。具体的には、図５に示すように、貫通孔１４は、リードフレーム１に、半田接続部１５からの熱流入の方向（図示のＹ方向）と交わる断面（図示のＸＸ′断面）の面積を部分的に小さくして形成されている。この貫通孔１４は、例えば、溝や切り欠きなどであってもよい。

ここで、部品が実装されるリードフレーム１には、一般的に、ＬＤ１１等で発生した熱を放熱するため銅合金（３６４Ｗ・ｍ／Ｋ）などの熱伝導が高い材料が用いられる。そして、上記のように、リードフレーム１に熱流入抑制用の貫通孔１４を設けて部分的に熱抵抗を高くすることで外部からの熱流入の影響を抑えることができる。

図３において、リードフレーム１に形成した貫通孔１４の幅ｗ１(ＬＤ１１の光軸と平行な方向)の寸法はリードフレーム１の厚み等にもよるが、本例では０．１５ｍｍ程度としている。また、リードフレーム１の貫通孔１４以外の残った部分の長さｖ＋ｕ(ＬＤ１１の光軸と垂直な方向)は小さいほどよいが、製造工程でのハンドリングに支障が生じない程度のリードフレーム１の強度を保つために、少なくとも０．２０ｍｍ程度は必要である。

さらに、リードフレーム１の半田接続部１５と回路実装部１６との間において、モールド樹脂２に、リードフレーム１の一部が露出する露出部２１を設けるようにしてもよい。図３の例では熱流入抑制部１４より回路実装部１６側に露出部２１を形成している。この露出部２１は大きければ大きいほど放熱性が向上するが、あまり大きくしてしまうとパッケージサイズの拡大につながり好ましくない。このため本例では露出部２１の幅ｗ２（ＬＤ１１の光軸と平行な方向）を０．５０ｍｍ程度としている。

そして、外部回路基板とリードフレーム１との半田接続時に、このリードフレーム１の露出部２１に熱伝導の高い、例えば銅などを材料とする放熱部材７を接触させ、放熱部材７から半田接続時に発生する熱を放熱させる。この放熱部材７は所謂ヒートシンクとして機能する。これによりさらにモールドパッケージ３への熱流入を抑制することが出来る。

ここで、１０Ｇｂｐｓなどの高速伝送においては、モールド樹脂２の誘電率(３．７)を考慮し、伝送線路のインピーダンス設計を行っており、上記のような放熱に利用するリードフレームの露出部２１がそのまま残った場合、この露出部２１においてインピーダンス不整合が生じて、伝送品質が劣化する恐れがある。そこで、本例ではこの露出部２１を、信号の伝達を担うリードフレーム１の高周波信号ライン１７に対応する部分２１ａと、その他のライン(ＧＮＤなど)に対応する部分２１ｂとに分割している。そして半田接続後に、露出部２１の少なくとも高周波信号ライン１７の露出部分２１ａに、モールド樹脂２と同等の誘電率（３．７）を有する樹脂(接着剤)を充填するようにしてもよい。

すなわち、図３において、光モジュールを外部回路基板に半田接続する際に、露出部２１に放熱部材７を接触させ、リードフレーム１と外部回路基板とを半田接続した後に、露出部２１から放熱部材７を除去し、放熱部材７を除去した露出部２１の少なくとも高周波信号ライン１７に相当する部分にモールド樹脂２と同等の樹脂を充填する。これにより信号品質が劣化することなく伝送することが可能となる。

図６は、本発明による光モジュールがＦＰＣに接続された状態の一例を示す図である。図６（Ａ）は斜視図、図６（Ｂ）は上面図を示す。図中、８はＦＰＣを示す。リードフレーム１の半田接続部１５と回路実装部１６との間において、モールド樹脂２に露出部２１を設ける理由について補足しておく。前述したように、半田付けの後にインピーダンス不整合解消のために高周波信号ラインに対応する露出部分を、モールド樹脂２と同程度の誘電率の樹脂を充填して埋める場合、半田接続部１５と回路実装部１６との間は、比較的樹脂層が薄く、且つ、形状が平坦であるため、樹脂の充填が行い易いというメリットがある。

このように、本発明によれば、リードフレームと外部回路基板との半田接続時に発生する熱がモールド樹脂の内蔵部品へ与える影響を低減することができるため、モールド樹脂内の内蔵部品にかかる熱応力による不良を抑制することが出来る。

また、上記のような放熱構造とすることにより、光データリンクの動作時においても、効果的に放熱させることができるため、モールド樹脂内の内蔵部品の発熱による品質の劣化を抑制することが可能となる。

また、伝送線路設計に際し必要に応じて、リードフレームの露出部分をモールド樹脂と同等の誘電率を持つ樹脂で充填することが可能であるため、信号品質を劣化させることがない。

１…リードフレーム、２…モールド樹脂、３…モールドパッケージ、４…レンズ、５…レセプタクルスリーブ、６…接着剤、７…放熱部材、８…ＦＰＣ、１１…ＬＤ、１２…ＬＤサブマウント、１３…ワイヤ、１４…貫通孔、１５…半田接続部、１６…回路実装部、１７…高周波信号ライン、２１…露出部。

Claims

光学素子を実装したリードフレームがモールド樹脂により一体成型された光モジュールであって、
前記リードフレームは、外部回路基板と半田接続するための半田接続部と、前記モールド樹脂に内蔵される回路実装部とを備え、前記半田接続部と前記回路実装部との間に、該半田接続部からの熱流入を抑制するための熱流入抑制部が形成されていることを特徴とする光モジュール。
前記熱流入抑制部は、前記リードフレームに、前記半田接続部からの熱流入の方向と交わる断面の面積を部分的に小さくして形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記熱流入抑制部は、前記リードフレームの一部を前記モールド樹脂から露出させて形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
リードフレームの一部を露出させる露出部がモールド樹脂に形成された光モジュールを、外部回路基板に半田接続するための光モジュールの接続方法であって、
前記露出部に放熱部材を接触させ、前記リードフレームと前記外部回路基板とを半田接続した後に、前記露出部から前記放熱部材を除去し、該放熱部材を除去した前記露出部の少なくとも信号ラインに相当する部分に前記モールド樹脂と同等の誘電率を持つ樹脂を充填することを特徴とする光モジュールの接続方法。