JP2012150189A - 光電気変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】容易に製造でき、伝送特性が良好で、信頼性の高い伝送が可能な光電気変換モジュールを提供する。
【解決手段】回路基板３１は段差３２が形成されて上段面３１ａと下段面３１ｂとを有し、フェルール１２が回路基板３１の下段面３１ｂに取り付けられ、フェルール１２の上面１２ｂと回路基板３１の上段面３１ａとが同一面に配置され、フェルール１２の上面１２ｂ側へ延在されて露出された電極１３のパッド部１３ａと回路基板３１の上段面３１ａに設けられた導体パターン３１ｃとに、電気デバイス３５がバンプ３６を介して接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝送等に用いられる光電気変換モジュールに関する。

ＬＳＩ間信号の高速化に伴い、電気による伝送ではノイズ、消費電力増加を解消することが困難となってきている。そこで、近年、ＬＳＩ間を、電磁障害や周波数依存性損失が殆どない光通信で伝送する試みがなされている。
この光伝送に用いられる光配線部品として、光ファイバ等の光導波体と、該光導波体の光入出力端が素子搭載面から少なくとも一部突出するように該光導波体を保持し位置決めするフェルールと、このフェルールの少なくとも素子搭載面に設けられた電気配線と、前記フェルールの素子搭載面に搭載され且つ前記電気配線に電気接続された面型光素子とを具備したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−５９８６７号公報

上記の光配線部品は、電気デバイスが実装された基板に固定され、電気デバイスとワイヤボンディングで電気接続されてモジュール化される。このため、このボンディングワイヤ部分で電気的ノイズの影響を受けるおそれがある。特に、受信及び送信の両方を行う双方向通信のモジュールでは、微弱な電流を出力する受信用の素子であるＰＤ（フォトダイオード）の近傍に、比較的大きい電流を流す送信用の素子であるＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が配置されることとなる。すると、駆動ＩＣとＶＣＳＥＬとの間を流れる電流によりＰＤとＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプ）との間のボンディングワイヤがクロストークノイズを受けて伝送特性が低下するおそれがある。

また、モジュール化した場合、ボンディングワイヤ部分を保護するために、ボンディングワイヤ部分及びその周囲を保護モールド樹脂で覆わなければならず、その作業に多大な手間を要していた。しかも、ボンディングワイヤ部分及びその周囲を保護モールド樹脂で覆って保護する構造では、樹脂が硬化する際の応力が受発光素子に作用し、信頼性の低下を招くおそれがある。

本発明の目的は、容易に製造でき、伝送特性が良好で、信頼性の高い伝送が可能な光電気変換モジュールを提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明の光電気変換モジュールは、光ファイバが挿入される光ファイバ挿通孔を有し、前記光ファイバの挿入方向前方側の固定面に電極が設けられたフェルールと、前記電極と導通接続された状態に前記フェルールの前記固定面に取り付けられた受発光素子と、前記フェルールが固定された基板と、前記受発光素子と電気的に接続された電気デバイスと、を有し、
前記基板は、段差が形成されて上段面と下段面とを有し、
前記フェルールが前記基板の下段面に取り付けられて、前記フェルールの上面と前記基板の上段面とが同一面に配置され、
前記フェルールの上面側へ延在された前記電極と前記基板の上段面に設けられた配線電極とに、前記電気デバイスがバンプを介して接続されていることを特徴とする。

本発明の光電気変換モジュールにおいて、前記受発光素子と前記基板との間に放熱板が設けられ、前記放熱板は、前記受発光素子及び前記基板の両方に接触していることが好ましい。

本発明の光電気変換モジュールにおいて、前記放熱板は、前記基板に埋め込まれて前記基板と直接的に面接触していることが好ましい。

本発明の光電気変換モジュールにおいて、前記放熱板は、前記受発光素子と前記基板との間以外の部分まで延在されていることが好ましい。

本発明の光電気変換モジュールによれば、電気デバイスを受発光素子と導通接続させるワイヤボンディング接続を不要とすることができる。これにより、信号経路の大幅な短縮を図り、ボンディングワイヤで生じていたノイズやクロストークを抑制することができ、良好な伝送特性を得ることができる。特に、光電気変換モジュールが受信及び送信の両方を行う双方向通信のモジュールであっても、駆動ＩＣとＶＣＳＥＬとの間を流れる電流によりＰＤとＴＩＡとの間でクロストークノイズを受けて伝送特性が低下するおそれも大幅に抑制することができる。
また、ワイヤボンディング接続が不要となるので、ワイヤボンディングによる接続工程及びボンディングワイヤを保護するポッティング樹脂の塗布工程の削減による製造の容易化を図ることができるとともに、ポッティング樹脂の硬化時の応力が受発光素子に作用することもなく、信頼性の高い伝送が可能な光電気変換モジュールとすることができる。

本発明の第１実施形態に係る光電気変換モジュールを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光電気変換モジュールを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光電気変換モジュールの変形例を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光電気変換モジュールを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

以下、本発明に係る光電気変換モジュールの実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る光電気変換モジュールについて説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係る光電気変換モジュール１１Ａは、フェルール１２を備えている。このフェルール１２は、保持する光ファイバ１５の光軸方向における一方の端面が固定面１２ａとされており、この固定面１２ａには、複数の電極１３が設けられている。このフェルール１２は、例えば、熱可塑性樹脂から形成されたものであり、複数の電極１３とともに一体成形されたＬＦＩ（Lead Frame Inserted）フェルールである。電極１３は、厚さ方向へ延在され、その一部がフェルール１２の上面１２ｂ側へ延ばされ、この上面１２ｂに沿って配置されている。そして、このフェルール１２の上面１２ｂに配置された部分がパッド部１３ａとして形成されている。

フェルール１２には、複数の光ファイバ挿通孔１４が形成されており、これらの光ファイバ挿通孔１４には、それぞれ光ファイバ１５が後端側から挿入されている。光ファイバ１５は、コア１５ａの外周をクラッド１５ｂによって覆った構造である。また、光ファイバ１５は、４心以上がテープ状に一体化された光テープ心線とされており、フェルール１２との接続箇所では、単心毎に分離され、光ファイバ挿通孔１４へそれぞれ挿入されている。

フェルール１２の光ファイバ挿通孔１４に挿入される光ファイバ１５は、接着剤によって接着されて固定される。なお、光ファイバ１５は、予めフェルール１２に接続されていてもよく、また、モジュール化後にフェルール１２に接続してもよい。

このフェルール１２には、その固定面１２ａに受発光素子１６が取り付けられている。この受発光素子１６は、フェルール１２の固定面１２ａに取り付けられる取り付け面である素子面１６ａに、素子部１７と端子部１８とを有している。

この受発光素子１６は、例えば、ＶＣＳＥＬやＰＤなどの発光素子または受光素子である。受発光素子１６の素子部１７は、受発光素子１６が発光素子である場合は発光部であり、受発光素子１６が受光素子である場合は受光部である。
なお、光電気変換モジュール１１Ａが双方向通信用である場合、フェルール１２の固定面１２ａには、例えば、幅方向半分に受発光素子１６として発光素子が取り付けられ、残りの幅方向半分側に受発光素子１６として受光素子が取り付けられる。

受発光素子１６は、その端子部１８が、フェルール１２に設けられた電極１３に対して、例えば、金（Ａｕ）からなるバンプ１９によって導通接続されている。このバンプ１９による接続は、超音波振動または熱によってバンプ１９を介して端子部１８と電極１３とを接続するフリップチップ実装で行われる。このようにフェルール１２に取り付けられた受発光素子１６は、その素子部１７が、フェルール１２の光ファイバ挿通孔１４の対向位置に配置されている。

フェルール１２には、サブマウント２１が装着されている。このサブマウント２１は、熱抵抗の低い高熱伝導材から形成されたものであり、例えば、アルミニウム等の金属板やセラミック板などを用いるのが好ましい。このサブマウント２１は、折り曲げ加工等によって、固定板部２１ａと、固定板部２１ａの端部から上方へ立設された放熱板部２１ｂとを有する側面視Ｌ字状に形成されている。フェルール１２は、受発光素子１６側を放熱板部２１ｂへ向けた状態で、底面が固定板部２１ａに、熱硬化性の樹脂からなるダイボンド剤（接着剤）によって接着されて固定されている。
また、受発光素子１６は、フェルール１２側へ向けられた素子面１６ａと反対側の裏面１６ｂが、例えば、シリコーン樹脂等の放熱用の樹脂ペースト２３を介してサブマウント２１の放熱板部２１ｂに面接触されている。

サブマウント２１が装着されたフェルール１２は、回路基板（基板）３１に取り付けられている。回路基板３１には、段差３２が形成されており、これにより、回路基板３１は上段面３１ａと下段面３１ｂとを有している。フェルール１２は、回路基板３１の下段面３１ｂ上に配置されている。この回路基板３１の段差３２の高さ寸法は、サブマウント２１が装着された厚さを含むフェルール１２の厚さ寸法と略同一であり、これにより、回路基板３１の下段面３１ｂに配置されたフェルール１２の上面１２ｂと、回路基板３１の上段面３１ａとが同一面上に配置されている。また、回路基板３１の上段面３１ａには、導体パターン（配線電極）３１ｃが設けられている。フェルール１２は、回路基板３１の下段面３１ｂに、熱硬化性の樹脂からなるダイボンド剤（接着剤）によってサブマウント２１を接着することにより固定されている。

同一面内に配置されたフェルール１２の上面１２ｂ及び回路基板３１の上段面３１ａには、フェルール１２と回路基板３１とに跨るように、電気デバイス３５が設けられている。この電気デバイス３５は、例えば、発光素子であるＶＣＳＥＬまたは受光素子であるＰＤなどの受発光素子１６と電気的に接続される駆動ＩＣまたはＴＩＡである。なお、光電気変換モジュール１１Ａが双方向通信用であり、受発光素子１６としてフェルール１２の固定面１２ａの幅方向半分に発光素子を取り付け、残りの幅方向半分側に受光素子を取り付けた場合、電気デバイス３５は、その幅方向の半分が発光側の駆動ＩＣ部であり、残りの幅方向の半分が受光側のＴＩＡ部である。

この電気デバイス３５は、その下面側に、端子部３５ａを有しており、これらの端子部３５ａが、電極１３のパッド部１３ａ及び回路基板３１の導体パターン３１ｃに対して、例えば、金（Ａｕ）からなるバンプ３６を介して導通接続されている。このバンプ３６による接続は、超音波振動または熱によってバンプ３６を介して端子部３５ａをパッド部１３ａ及び導体パターン３１ｃへ接続するフリップチップ実装で行われる。

上記の光電気変換モジュール１１Ａでは、受発光素子１６と光ファイバ１５との間で光伝送が行われる。
発光素子からなる受発光素子１６からガラスファイバ１５へ光伝送が行われる場合では、受発光素子１６の素子部１７から発光された光がガラスファイバ１５のコア１５ａへ入射することとなる。また、ガラスファイバ１５から受光素子からなる受発光素子１６へ光伝送が行われる場合では、ガラスファイバ１５のコア１５ａから出射した光が受発光素子１６の素子部１７へ入射することとなる。また、受発光素子１６が、発光素子及び受光素子の両方からなる場合、光電気変換モジュール１１Ａは、光ファイバ１５との間で光送受信が行われる双方向通信用となる。

上記の光電気変換モジュール１１Ａでは、回路基板３１の下段面３１ｂに配置されたフェルール１２の上面１２ｂと回路基板３１の上段面３１ａとが同一面に配置され、この同一面に配置されたフェルール１２の上面１２ｂのパッド部１３ａと回路基板３１の上段面３１ａの導体パターン３１ｃとに、電気デバイス３５がバンプ３６を介して接続されている。したがって、この光電気変換モジュール１１Ａによれば、電気デバイス３５を受発光素子１６と導通接続させるワイヤボンディング接続を不要とすることができる。これにより、信号経路の大幅な短縮を図り、ボンディングワイヤで生じていたノイズやクロストークを抑制することができ、良好な伝送特性を得ることができる。
特に、光電気変換モジュール１１Ａが受信及び送信の両方を行う双方向通信のモジュールであっても、駆動ＩＣとＶＣＳＥＬとの間を流れる電流によりＰＤとＴＩＡとの間でクロストークノイズを受けて伝送特性が低下するおそれも大幅に抑制することができる。

また、ワイヤボンディング接続が不要となるので、ワイヤボンディングによる接続工程及びボンディングワイヤを保護するポッティング樹脂の塗布工程を削減することができる。そのため、製造工程の簡略化を図ることができるとともに、ポッティング樹脂の硬化時の応力が受発光素子１６に作用することもなく、信頼性の高い伝送が可能な光電気変換モジュールとすることができる。

ところで、フェルール１２の上面１２ｂと回路基板３１の上段面３１ａとに電気デバイス３５を実装すると、発熱源である電気デバイス３５と受発光素子１６とが近くに配置されるため、電気デバイス３５の熱が電極１３を介して受発光素子１６に回り込んで伝わる可能性が考えられる。
しかし、上記の光電気変換モジュール１１Ａでは、受発光素子１６と回路基板３１との間にサブマウント２１を設けることで、回路基板３１をサブマウント２１に接触させ、また、受発光素子１６を放熱用の樹脂ペースト２３を介してサブマウント２１に接触させているので、受発光素子１６の熱を極めて良好に、サブマウント２１を介して回路基板３１へ伝達させることができる。つまり、受発光素子１６の良好な放熱経路を確保することができ、フェルール１２の上面１２ｂと回路基板３１の上段面３１ａとに電気デバイス３５を実装しても、受発光素子１６を高効率で放熱させて良好な性能を維持させることができる。また、受発光素子１６が、サブマウント２１の放熱板部２１ｂに面接触されて支持されるので、フェルール１２と受発光素子１６とを接着して固定するアンダーフィル材も不要とすることができる。これにより、アンダーフィル材の充填工程を削減することができ、また、アンダーフィル材の硬化時における受発光素子１６への応力の負荷もなくすことができる。

特に、サブマウント２１は、受発光素子１６と回路基板３１との間の放熱板部２１ｂから、受発光素子１６と回路基板３１との間以外の部分まで延在する固定板部３１ａを有するので、受発光素子１６と回路基板３１との間以外の部分へ効率的に熱を伝えることができ、極めて高い放熱効果を得ることができる。
なお、サブマウント２１の放熱板部２１ｂと段差３２を構成する壁面３２ａとは、隙間をあけて配置しても良いが、サブマウント２１の放熱板部２１ｂを段差３２の壁面３２ａに面接触させれば、熱の伝達効率が高められるのでより好ましい。
また、回路基板３１の下段面３１ｂに、サブマウント２１の固定板部２１ａの全面が接触するアース用の導体パターンを形成しておくことにより、サブマウント２１から回路基板３１への熱の伝達効率を大幅に向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る光電気変換モジュールについて説明する。
なお、上記第１実施形態と同一構成部分は、同一符号を付して説明を省略する。
図２に示すように、この光電気変換モジュール１１Ｂでは、サブマウント２１が回路基板３１にインサート成型され、これにより、サブマウント２１が予め回路基板３１に埋め込まれている。そして、このサブマウント２１が、回路基板３１と直接的に面接触されている。

このサブマウント２１が埋め込まれた回路基板３１に対して、フェルール１２は、受発光素子１６側を放熱板部２１ｂへ向けた状態で、底面が固定板部２１ａに、熱硬化性の樹脂からなるダイボンド剤（接着剤）によって接着されて固定されている。また、受発光素子１６は、フェルール１２側へ向けられた素子面１６ａと反対側の裏面１６ｂが放熱用の樹脂ペースト２３を介してサブマウント２１の放熱板部２１ｂに面接触されている。

この光電気変換モジュール１１Ｂの場合も、フェルール１２の上面１２ｂと、回路基板３１の上段面３１ａとが同一面に配置されており、この同一面内に配置されたフェルール１２の上面１２ｂ及び回路基板３１の上段面３１ａに、フェルール１２と回路基板３１とに跨るように、電気デバイス３５が設けられている。
そして、この電気デバイス３５は、その下面側の端子部３５ａが、パッド部１３ａ及び導体パターン３１ｃに対してバンプ３６によって導通接続されている。

上記の光電気変換モジュール１１Ｂの場合も、電気デバイス３５を受発光素子１６と導通接続させるワイヤボンディング接続を不要とすることができ、これにより、信号経路の大幅な短縮を図り、ボンディングワイヤで生じていたノイズやクロストークを抑制することができ、良好な伝送特性を得ることができる。
また、ワイヤボンディング接続が不要となるので、ワイヤボンディングによる接続工程及びボンディングワイヤを保護するポッティング樹脂の塗布工程を削減することができる。そのため、製造工程の簡略化を図ることができるとともに、ポッティング樹脂の硬化時の応力が受発光素子１６に作用することもなく、信頼性の高い伝送が可能な光電気変換モジュールとすることができる。また、受発光素子１６が、サブマウント２１の放熱板部２１ｂに面接触されて支持されるので、フェルール１２と受発光素子１６とを接着して固定するアンダーフィル材も不要とすることができる。これにより、アンダーフィル材の充填工程を削減することができ、また、アンダーフィル材の硬化時における受発光素子１６への応力の負荷もなくすことができる。

特に、サブマウント２１が回路基板３１に埋め込まれているので、回路基板３１への伝熱効果を高めることができ、よって受発光素子１６の放熱効果をさらに高めることができる。
なお、サブマウント２１は、その固定板部２１ａを、下段面３１ｂに沿って配設して埋め込んだが、図３に示すように、固定板部２１ａを、フェルール１２と反対側へ延ばして回路基板３１内に埋め込んでもよい。このようにしても、固定板部２１ａから回路基板３１への熱の伝達効率を高めることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る光電気変換モジュールについて説明する。
なお、第１実施形態と同一構成部分は、同一符号を付して説明を省略する。
図４に示すように、この第３実施形態に係る光電気変換モジュール１１Ｃでは、サブマウント２１を設けず、フェルール１２を、回路基板３１の下段面３１ｂへ配置してダイボンド剤によって直接固定している。また、この光電気変換モジュール１１Ｃでは、受発光素子１６の裏面１６ｂが、放熱用の樹脂ペースト２３を介して回路基板３１の段差３２を構成する壁面３２ａに直接的に面接触されている。

この光電気変換モジュール１１Ｃの場合も、電気デバイス３５を受発光素子１６と導通接続させるワイヤボンディング接続を不要とすることができ、これにより、信号経路の大幅な短縮を図り、ボンディングワイヤで生じていたノイズやクロストークを抑制することができ、良好な伝送特性を得ることができる。
また、ワイヤボンディング接続が不要となるので、ワイヤボンディングによる接続工程及びボンディングワイヤを保護するポッティング樹脂の塗布工程の削減でき、製造工程の簡略化を図ることができる。また、ポッティング樹脂の硬化時の応力が受発光素子１６に作用することもなく、信頼性の高い伝送が可能な光電気変換モジュールとすることができる。また、受発光素子１６が、段差３２を構成する壁面３２ａに面接触されて支持されるので、フェルール１２と受発光素子１６とを接着して固定するアンダーフィル材も不要とすることができる。これにより、アンダーフィル材の充填工程を削減することができ、また、アンダーフィル材の硬化時における受発光素子１６への応力の負荷もなくすことができる。

この光電気変換モジュール１１Ｃでは、放熱板となるサブマウント２１を備えていないが、受発光素子１６の裏面１６ｂを、放熱用の樹脂ペースト２３を介して回路基板３１の段差３２を構成する壁面３２ａに直接的に面接触させているので、受発光素子１６の熱を回路基板３１へ直接伝達させることができる。これにより、受発光素子１６の良好な放熱経路を確保することができ、フェルール１２の上面１２ｂと回路基板３１の上段面３１ａとに電気デバイス３５を実装しても、受発光素子１６を高効率で放熱させて良好な性能を維持させることができる。

また、以上説明した光電気変換モジュール１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、例えば、長距離機器配線用の光ＤＶＩケーブル、光ＵＳＢケーブル、携帯電話用光配線、家庭用電化製品のネットワーク用の光ＨＤＭＩ、データサーバ間通信用の光ＩｎｆｉｎｉＢａｎｄケーブルあるいは車載情報機器通信用の車載用光ハーネスなどの様々なアクティブオプティカルケーブルや光配線部品として用いることができる。

１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ：光電気変換モジュール、１２：フェルール、１２ａ：固定面、１２ｂ：上面、１３：電極、１４：光ファイバ挿通孔、１５：光ファイバ、１６：受発光素子、２１：サブマウント（放熱板）、３１：回路基板（基板）、３１ａ：上段面、３１ｂ：下段面、３１ｃ：導体パターン（配線電極）、３２：段差、３５：電気デバイス、３６：バンプ

Claims (4)

1. 光ファイバが挿入される光ファイバ挿通孔を有し、前記光ファイバの挿入方向前方側の固定面に電極が設けられたフェルールと、前記電極と導通接続された状態に前記フェルールの前記固定面に取り付けられた受発光素子と、前記フェルールが固定された基板と、前記受発光素子と電気的に接続された電気デバイスと、を有し、
   前記基板は、段差が形成されて上段面と下段面とを有し、
   前記フェルールが前記基板の下段面に取り付けられて、前記フェルールの上面と前記基板の上段面とが同一面に配置され、
   前記フェルールの上面側へ延在された前記電極と前記基板の上段面に設けられた配線電極とに、前記電気デバイスがバンプを介して接続されていることを特徴とする光電気変換モジュール。
2. 請求項１に記載の光電気変換モジュールであって、
   前記受発光素子と前記基板との間に放熱板が設けられ、
   前記放熱板は、前記受発光素子及び前記基板の両方に接触していることを特徴とする光電気変換モジュール。
3. 請求項２に記載の光電気変換モジュールであって、
   前記放熱板は、前記基板に埋め込まれて前記基板と直接的に面接触していることを特徴とする光電気変換モジュール。
4. 請求項２または３に記載の光電気変換モジュールであって、
   前記放熱板は、前記受発光素子と前記基板との間以外の部分まで延在されていることを特徴とする光電気変換モジュール。

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