JP2011155288A - 光電気配線部材 - Google Patents

Abstract

【課題】光素子や電子部品を搭載した可撓性を有する光電気配線部材において、光素子や電子部品から発生する熱を効率よく放熱することができる光電気配線部材を提供する。
【解決手段】フレキシブル基板２の一方の面に光素子６や電子部品５を搭載し、他方の面に光配線部材３を形成した光電気配線部材４０において、光電気配線部材の下面側に光配線部材の一端から光素子や電子部品の下方に位置する部分まで金属板４を設けた。
【選択図】図４

Description

本願発明は、光配線部材及び電気配線基板からなる光電気配線部材に係わり、特に可撓性を有する光電気配線部材に関するものである。

携帯電話やデジタルカメラなどモバイル電子機器において、高画質の画像や動画が大量に扱われるようになるのに伴い、電子機器内では更なる高密度で高速・大容量のデータのやり取りが必要となっている。高速・大容量のデータを扱う手段として、近年、光電気複合配線技術が注目されている。

光電気複合配線技術とは、基板上に光配線と電気配線とを設け、高速通信が必要な情報には光配線を用いた光通信を用い、電力供給と、電気通信による低速通信には電気配線を用いるものである。

電気配線の一部を光配線に置き換え光信号を利用することにより、電磁波の発生が低減されるため電子機器への影響を軽減できる。また光電気配線部材に可撓性を有する材料を用いることで、高速・大容量の通信を実現すると共に、電子機器内での自由な配線が可能になり、電子機器を小型化することができる。

このような光電気配線部材の一例として、従来の光電気配線部材５０を図５に示す。光電気配線部材５０は、フレキシブル基板５２上に電気配線５１が設けられ、電子部品５５や発光素子５６が電気配線５１上に実装される。フレキシブル基板５２の他方の面には光配線部材５３が設けられ、発光素子５６から出射された光信号５７は光路変換部５４により略９０度に反射され、光配線部材５３内を伝搬する。

特開２００６−０９１２４１

しかしながら、従来の光電気配線基板では、光素子や電子部品からの発熱に対しての対策は採られておらず、光素子や電子部品で発生した熱は、主に光素子や電子部品自体からの放熱や、光素子や電子部品から基板に伝わった熱を基板表面から放熱していた。しかし、ガラスやセラミックを含まず、樹脂からなるフレキシブル基板では熱伝導効率が悪いという問題がある。特に、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）駆動素子や信号増幅ＩＣなどの電子部品は、通常それぞれ数十ｍＷの電力を消費するため発熱量が大きい。このため、フレキシブル基板を放熱経路とした基板表面からの放熱だけでは、これら電子部品の放熱を十分に行うことができない。この結果、光素子や電子部品の温度が上昇し、動作が不安定になるという問題がある。

そこで本願発明は上記課題を解決し、電子機器の小型化を可能にする光電気配線部材を提供するものである。

本願発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、その要旨は、可撓性及び光透過性を有する基板と、基板の一方の面に設けられた電気配線と、電気配線に実装された光素子及び電子部品と、基板の端部に形成された、電子モジュールとの接続用端子と、基板の他方の面に形成された、光素子から出射又は光素子に入射する光信号を伝搬させる、可撓性を有する光配線部材と、光配線部材に設けられた、光信号を光素子と光結合するための光路変換部と、光素子及び電子部品の下方に位置し、光配線部材に積層されて設けられた、光素子及び電子部品が実装された部分の可撓性を小さくする金属板と、を備え、金属板の下面側に熱伝導部材を形成し、熱伝導性部材を電子モジュール内に接するように形成した、光電気配線部材である。

光電気配線部材において、光素子や電子部品での発熱を金属板により放熱することができる。また、光素子や電子部品が実装された部分の可撓性を小さくすることができ、実装部品の信頼性を高めることができる。

本願発明の第１の実施の形態に係る光電気配線部材を示し、（ａ）は光電気配線部材の長手方向に沿った縦断面図、（ｂ）は光電気配線部材の上平面図、（ｃ）は光電気配線部材の下平面図、（ｄ）は光電気配線部材の光素子としてＶＣＳＥＬを用いた形態の縦断面図である。 本願発明の第１の実施の形態に係る光電気配線部材変形例の長手方向に沿った縦断面図である。 本願発明の第２の実施の形態に係る光電気配線部材の長手方向に沿った縦断面図である。 本願発明の第３の実施の形態に係る光電気配線部材の長手方向に沿った縦断面図である。 従来の光電気配線部材に係る長手方向に沿った縦断面図である。

以下に、本願発明の実施の形態を図１〜図４に従って説明する。

図１（ａ）は本願発明の第１の実施の形態を示す光電気配線部材の断面図、図１（ｂ）は上面側からの平面図、図１（ｃ）は下面側からの平面図である。

図１に示すように、第１の実施の形態に係る光電気配線部材１０は、可撓性及び光透過性を有するフレキシブル基板２上に銅材からなる厚さ５μｍの電気配線１が形成されている。フレキシブル基板２の端側には、電子モジュール内のコネクタ部８に設けられた図示しないコネクタ側端子と接続される複数の接続用端子９が形成される。

フレキシブル基板２に設けられた電気配線１には、発光素子または受光素子からなる光素子６と、発光素子用の駆動素子または受光素子用の増幅器などのＩＣチップ５が設けられ、それぞれ電気−光または光−電気変換部を構成し、光電気配線部材１０の接続用端子９の近傍に設けられている。この電気−光または光−電気変換部の光素子６は、その発光面または受光面をフレキシブル基板２に対向するように、フレキシブル基板２上の電気配線１に、半田バンプ７によりフリップチップ実装され電気的に接続される。また、ＩＣチップ５も同様に実装され電気的に接続される。

光電気配線部材のＩＣチップ５や光素子６が実装された面を上面とすると、フレキシブル基板２の下面側にはエポキシ樹脂で作製した可撓性を有する光配線部材３が形成される。光配線部材３には、光路変換部１１が備えられている。この光路変換部１１は光素子６の下方に配置され、光素子６と光配線部材３とを光結合するために設けられる。

具体的には、図１（ｄ）に示すように、フレキシブル基板２に搭載されたＶＣＳＥＬ６ａより出射された光信号Ｌｍを光配線部材３に光結合するように、光路変換部１１が形成される。この光路変換部１１は、ＶＣＳＥＬ６ａより出射された光信号Ｌｍの光路を略９０度変換できるように４５度ミラーが用いられる。光路変換部１１は、光配線部材３にブレードやレーザ加工を用いてＶ溝を形成し、この溝の傾斜面にＡｕなどの金属を蒸着させたり、またはＶ溝を空気層にすることで４５度ミラーを形成する。

光電気配線部材１０の下面側の光配線部材３表面には金属板４が形成される。図１（ｃ）に示すように、金属板４は、接続用端子９近傍に設けられたＩＣチップ５や光素子６の下方に位置する部分に形成される。本実施例では、光電気配線部材１０の一端から光素子６の下方に位置する部分まで長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ２５μｍの銅板を張り合わせて形成した。

次に動作・作用について、光素子６にＶＣＳＥＬ６ａを用いた電気−光変換部を例に説明をする。

図１（ａ）〜図１（ｄ）に示すように、光電気配線部材１０は、その一端に設けられた接続用端子９が形成されている。接続用端子９は電子モジュール内のコネクタ８部に設けられた図示しないコネクタ側端子に接続される。ＶＣＳＥＬ６ａは、電子モジュールから伝送される電気信号や、ＶＣＳＥＬ駆動素子５ａからの電気信号により発光が制御される。

図１（ｄ）に示すように、ＶＣＳＥＬ６ａから出射した光信号Ｌｍは、フレキシブル基板２を透過しフレキシブル基板２の下面側に設けられた光配線部材３に到達する。光信号Ｌｍは光配線部材３に設けられた光路変換部１１により略９０度反射され、光配線部材３に光結合され、光信号Ｌｍは光配線部材３内を伝搬し、図示しない他端側に設けられた光−電気変換部に到達する。

次に、電気−光変換部で発生する熱の放熱作用について説明する。

本実施の形態では、電気配線１に実装されたＶＣＳＥＬ駆動素子５ａやＶＣＳＥＬ６ａで発生した熱は、フレキシブル基板２を介して光配線部材３へ伝熱する。フレキシブル基板２及び光配線部材３は樹脂からなるため、ガラスやセラミックなどからなるリジッド基板と比較して熱伝導性が低い。このため、フレキシブル基板２や光配線部材３による光電気配線部材１０の長手方向（図１（ａ）では横方向）への熱伝導、放熱効果は小さい。しかし、光電気配線部材１０は薄く、フレキシブル基板２及び光配線部材３の厚みは２００μｍ以下であるので、ＶＣＳＥＬ駆動素子５ａ及びＶＣＳＥＬ６ａで発生した熱は、フレキシブル基板２及び光配線部材３を介して金属板４に伝熱される。金属板４に伝わった熱は金属板４全体に伝熱し、金属板４の表面より放熱される。また、金属板４を凹凸や波形状に形成することで、金属板４の表面積を増加させることができ、更に金属板４の表面からの放熱効率を良くすることもできる。

また、本実施の形態の金属板４は、光配線部材３のコネクタ側の一端から光素子６の下方に位置する部分まで銅板を張って形成される。これにより、接続用端子９がコネクタ側端子に接続されたときに、電子モジュール内のコネクタ側端子とは絶縁されてコネクタ部８の一部と銅板が接する構造となる。コネクタ部８と銅板が接することで、ＩＣチップ５及び光素子６で発生した熱は、銅板を介してコネクタ部８に伝わり放熱される。つまり、電子モジュール内のコネクタ部８が放熱部の役割を果たし、光電気配線部材１０の放熱効果を高めることができる。

コネクタ部８を放熱部として用いることで、ＶＣＳＥＬ駆動素子５ａやＶＣＳＥＬ６ａの温度上昇を抑えることができ、ＶＣＳＥＬ６ａからの発光を安定させることができる。

ＩＣチップ５（ＶＣＳＥＬ駆動素子５ａ）を９０ｍＷで動作させてＩＣチップ５の常温からの温度上昇を確認する実験を行った。銅板を設けなかった場合のＩＣチップの温度上昇は約５０度であったのに対し、本実施例の銅板を設けた場合では温度上昇は約２０度であり、本願発明の放熱の効果を確認できた。

本実施の形態では、金属板４の材料に銅を用いて説明したが、金属板４の材料はこれに限定されるものではなく、アルミ、銀、金、ニッケル、ステンレス、真鍮等でもよい。

以上の実施例は電気−光変換部を例に説明をしたが、光−電気変換部の受光素子側に設けられる増幅用ＩＣチップでも、ＶＣＳＥＬ駆動素子と同様に数十ｍＷ程度の消費電力があり発熱量が大きい。従って、金属板を設けることで同様の効果を得ることができる。

また金属板４は、光配線部材３に張り合わせられている。これにより、ＩＣチップ５や光素子６が実装された部分の光電気配線部材１０の可撓性を小さくすることができる。従って、ＩＣチップ５や光素子６などの電子部品を実装した部分の変形を防ぐことができ、電子部品の接続信頼性を高めることができる。

光電気配線部材１０の接続用端子９とコネクタ部８のコネクタ側端子とを接続する際に、接続用端子９周辺の可撓性を小さくすることで、作業者又は機械によりコネクタに接続する時の力を適切に光電気配線部材１０に伝えることができ、これにより作業性を向上させることができる。

本実施の形態では電気配線１に銅配線を用いた例で説明をしたが、電気配線１としては銅配線にニッケル（厚さ５μｍ）や金（厚さ０．３μｍ）をコートしたものでもよい。

フレキシブル基板２の材料としては、可撓性及び透過性を有するポリイミドや液晶ポリマなどを用いると良い。本実施の形態では、ポリイミド基板を採用したが、求められる曲げ特性や光透過特性などにより、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂を用いてもよい。

図１（ａ）の光電気配線部材１０では、コネクタ部８側にＩＣチップ５を搭載した例を示したが、本実施の形態はこれに限定されるものではなく、コネクタ部８側に光素子６を搭載してもよい。

本実施の形態の変形例を図２に示す。光電気配線部材２０は、金属板４の下面側を覆うように薄い樹脂層２１を金属板４の表面に形成した。この場合の樹脂層２１の材料としては、樹脂に導電性材料を混合した導電性フィラーなど熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが望ましいが、これに限定されるものではない。これは、樹脂層２１は数十μｍと薄く形成されるため、金属板４全体に伝わった熱は樹脂層２１から放熱できるからである。

金属板４の表面に樹脂層２１を設けることで、光電気配線部材２０をコネクタ部８に装着する際に、金属板４とコネクタ部８との接触による金属板４の剥離や破壊を防ぐことができる。また金属板４の酸化防止の効果もあり、金属板４として銅を用いる場合には特に有効となる。

次に、第２の実施の形態について説明する。

本実施の形態において第１の実施の形態と異なる構成は、金属板４がフレキシブル基板２の下面側に直接形成されている点である。図３に示すように、フレキシブル基板２上には電気配線１が形成され、電気配線１にはＩＣチップ５や光素子６が実装されている。フレキシブル基板２の下面側には、フレキシブル基板２のコネクタ側一端から光素子６の下方に位置するまで金属板４が張り合わせて形成され、フレキシブル基板２の下面側の一部では、光配線部材３が金属板４を介してフレキシブル基板２に積層されて形成されている。金属板４が形成されていない部分では、光配線部材３はフレキシブル基板２に直接形成されている。また、光電気配線部材３０に設けられた金属板４の光素子６の出射面または受光面の下方に位置する部分には、光信号の光路となるよう光路用穴３１が設けられる。

第２の実施の形態では、フレキシブル基板２の一方の面に電気配線１を設けるための銅箔が形成され、他方の面には銅板が形成される。その後、一方の面に形成された銅箔をエッチングすることにより電気配線１が作製される。本実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、フレキシブル基板２に光配線部材３を設ける前に、フレキシブル基板２に銅箔及び銅板の形成を連続して行うことができる。従って、第１の実施の形態と比較し、銅箔及び銅板の形成が容易になり、コストの点で有利となる。

更に、光配線部材３が金属板４の表面に金属板４を覆うように形成されるため、図２に示した光電気配線部材２０のように、金属板４の上に樹脂層２１を形成しなくても金属板４の保護が可能となる。

本実施の形態では、光配線部材３を金属板４に積層して設けることで、金属板４から直接放熱することができなくなる。しかし、金属板４に積層された光配線部材３の厚みは数十μｍ〜１００μｍと薄く、厚さ方向の熱抵抗は小さい。このため、フレキシブル基板２から金属板４全体に伝熱した熱は光配線部材３を介しても光配線部材３の表面から放熱することができる。光電気配線部材３０のその他の作用効果は、光電気配線部材１０と同じである。

第３の実施の形態について説明する。

図４に示すように、第３の実施の形態では、第１の実施の形態の構成に加えて、金属板４の下側面に熱伝導性部材４１を設けた。本実施の形態では、熱伝導性部材４１を電子モジュール内の基台４２などに接触させることで、電子モジュールのコネクタ部８の他に、電子モジュール内の基台４２を放熱部として利用できる。

更に、本実施の形態に拠れば、熱伝導性部材４１の高さを調整することで、コネクタ部８と光電気配線部材４０との接続高さを調整することができ、接続を容易に行うことができる。また、光電気配線部材４０をコネクタ部８に接続した後、熱伝導性部材４１と基台４２とを接着固定することで、光電気配線部材４０とコネクタ部８との接続信頼性を高めることができる。例えば、光電気配線部材４０を設けた電子モジュールに衝撃が加わった場合でも、光電気配線部材４０がコネクタ部８から外れるのを防止できる。

光電気配線部材４０のその他の作用効果は、光電気配線部材１０と同じである。本実施の形態では、熱伝導性部材４１を基台４２に接触させたが、これに限定するものではなく、電子モジュール内の他の部分に接触させ放熱部とすることも考えられる。

以上のように本願発明に拠れば、光電気配線部材において、電子部品での発熱を金属板により広範囲に伝熱させ、放熱面積を増やすことができる。更に、金属板を電子モジュール内のコネクタ部に接触させ、コネクタ部を放熱部として用いることができる。また、電子部品が実装された部分に金属板を設けたことで、実装部分の可撓性を小さくすることができ、電子部品の接続信頼性を高めることができる。

上記本願発明の実施形態では、金属板は光電気配線部材のコネクタ側端部から光素子の下方に位置する部分まで設けた例で説明をしたが、金属板は光素子の下方に位置する部分を越えて設けられてもよい。金属板の表面積が広いほど放熱効果は大きいが、金属板を設ける範囲は、光電気配線部材の可撓性やその他の仕様を考慮して適宜選択されればよい。

また金属板の厚さが厚いほど伝熱面積が広くなり、伝熱効果が大きくなる。従って、金属板を厚くすることで、放熱部として用いられるコネクタ部８への伝熱量を増やすことができるが、金属板の厚さは、光電気配線部材の可撓性やコネクタの規格などを考慮し適宜選択されればよい。

１ 電気配線
２ フレキシブル基板
３ 光配線部材
４ 金属板
５ ＩＣチップ
６ 光素子
７ 半田バンプ
８ コネクタ部
１０ 光電気配線部材
１１ 光路変換部
２１ 樹脂層
４１ 熱伝導性部材
４２ 基台

Claims (3)

1. 可撓性及び光透過性を有する基板と、
   上記基板の一方の面に設けられた電気配線と、
   上記電気配線に実装された光素子及び電子部品と、
   上記基板の端部に形成された、電子モジュールとの接続用端子と、
   上記基板の他方の面に形成された、上記光素子から出射又は上記光素子に入射する光信号を伝搬させる、可撓性を有する光配線部材と、
   上記光配線部材に設けられた、上記光信号を上記光素子と光結合するための光路変換部と、
   上記光素子及び上記電子部品の下方に位置し、上記光配線部材に積層されて設けられた、上記光素子及び上記電子部品が実装された部分の可撓性を小さくする金属板と、
   を備え、
   上記金属板の下面側に熱伝導部材を形成し、上記熱伝導性部材を上記電子モジュール内に接するように形成した、
   光電気配線部材。
2. 上記電子モジュールは、基台と、上記基台に設けられ上記接続用端子と接続されるコネクタ部とを有し、
   上記熱伝導性部材を上記基台に接触させた、
   請求項１記載の光電気配線部材。
3. 上記接続用端子を上記コネクタ部に接続した後、上記熱伝導性部材と上記基台とを接着固定した、
   請求項２記載の光電気配線部材。

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