JP2013213901A - 光モジュール、光ユニット、および光モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集積回路チップや光電素子チップを損傷させること無く、光モジュールの低コスト化を図る。
【解決手段】電気信号と光信号とを相互に変換する光電素子チップ２０と、回路基板Ｂに固定され、かつ前記光電素子チップ２０と電気的に接続され、前記光電素子チップ２０から入力される電気信号もしくは前記光電素子チップへ出力される電気信号を処理する集積回路チップ３０とを備えた光モジュール１０であって、前記集積回路チップ３０は、ボンディングワイヤＷによって前記回路基板Ｂに電気的に接続された状態で樹脂部４０によって覆われており、前記光電素子チップ２０は、前記樹脂部４０の上面４０Ａに固定されているところに特徴を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュール、光ユニット、および光モジュールの製造方法に関する。

従来、回路基板に実装される光モジュールとして、下記特許文献１に記載のものが知られている。

この光モジュールは、電気信号と光信号とを相互に変換する光電素子チップと、この光電素子チップから入力される電気信号を処理する集積回路チップとを備えて構成されている。集積回路チップは、同集積回路チップが回路基板に配置されることで、集積回路チップにおける回路基板側に設けられた電極パッドが回路基板に電気的に接続され、集積回路チップにおける回路基板とは反対側に設けられた電極パッドがボンディングワイヤにより回路基板の配線パターンに電気的に接続されている。光電素子チップは、集積回路チップの回路基板側とは反対側に設けられたダイパッド部にダイボンディングされて固定されると共に、ボンディングワイヤにより回路基板の配線パターンに電気的に接続されて、回路基板を介して集積回路チップと電気的に接続されている。

特開２００８−２９４４７８号公報

ところで、上記の光モジュールによると、集積回路チップに光電素子チップを固定するダイパッド部を設ける必要があるため、ダイパッド部を配置する領域分だけ集積回路チップの面積が大きくなり、集積回路チップのコストが高くなってしまう。また、集積回路チップ上に光電素子チップが固定されることから、集積回路チップが高温になると、熱の影響で光電素子チップが損傷する虞がある。さらに、集積回路チップのダイパッド部に光電素子チップをダイボンディングして固定する際に、光電素子チップが集積回路チップに対して直接押し付けられて固定されるため、光電素子チップを押し付ける荷重によって集積回路チップが破損する虞がある。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、集積回路チップや光電素子チップを損傷させること無く、光モジュールの低コスト化を図ることを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として本発明は、電気信号と光信号とを相互に変換する光電素子チップと、回路基板に固定され、かつ前記光電素子チップと電気的に接続され、前記光電素子チップから入力される電気信号もしくは前記光電素子チップへ出力される電気信号を処理する集積回路チップとを備えた光モジュールであって、前記集積回路チップは、前記回路基板にボンディングワイヤによって電気的に接続された状態で絶縁性を有する樹脂部によって覆われており、前記光電素子チップは、前記樹脂部に固定されているところに特徴を有する。
また、本発明は、光透過性を有する樹脂からなる樹脂レンズと、前記樹脂レンズと一体に形成され、光ファイバの端末に接続されるフェルールが嵌合されるスリーブ部材とを備え、上記の光モジュールが前記樹脂レンズと対向して配され、前記スリーブ部材によって囲まれてなる光ユニットとしてもよい。

このような構成の光モジュールによると、光電素子チップが樹脂部に固定されるため、集積回路チップ上に光電素子チップを固定するダイパッドを設ける必要がなく、集積回路チップを小型化することができる。これにより、集積回路チップの生産コストを低減できる。ひいては、光モジュールの生産コストを低減することができる。
また、光電素子チップが樹脂部に固定されるため、光電素子チップを押し付けて固定するときの荷重などが集積回路チップに直接伝わらず、集積回路チップが破損することを防止することができる。
また、このような構成の光ユニットによると、上記の光モジュールを適用しているので、スリーブ部材を小型化することができる。ひいては、光ユニットを小型化することができる。

本発明の実施の態様として、以下の構成が好ましい。
前記光電素子チップは、前記集積回路チップにボンディングワイヤによって電気的に接続されており、前記集積回路チップと前記ボンディングワイヤとの接続部分は、絶縁性樹脂からなる封止部によって覆われている構成としてもよい。

従来の光モジュールでは、光電素子チップを回路基板に電気的に接続すると共に、集積回路チップを回路基板に電気的に接続することで、回路基板を介して光電素子チップと集積回路チップとを電気的に接続していることから、回路基板からの電磁ノイズの影響により、両チップ間における電気信号の伝送効率が低下する虞がある。
ところが、上記の構成によると、回路基板を介すること無く、光電素子チップと集積回路チップとが電気的にされた状態となっているので、回路基板などを介して光電素子チップと集積回路チップとが電気的に接続される場合に比べて、回路基板からの電磁ノイズの影響を低減させることができる。
また、集積回路チップとボンディングワイヤとの接続部分が封止部によって覆われているので、集積回路チップに他の部材が接触するなどして、集積回路チップが損傷したり、集積回路チップとボンディングワイヤとの接続部分が損傷したりすることを防止することができる。

前記光電子チップは、前記回路基板にボンディングワイヤによって電気的に接続されることで、前記回路基板を介して前記集積回路チップと電気的に接続されている構成としてもよい。
このような構成によると、光電素子チップをボンディングワイヤによって回路基板に電気的に接続することで、光電素子チップと集積回路チップとを回路基板を介して電気的に接続することができる。これにより、光電素子チップと集積回路チップとの接続作業を容易に行うことができる。

前記スリーブ部材は、前記光モジュールの前記樹脂部に溶着されて固定されている構成としてもよい。
このような構成によると、スリーブ部材を固定する固定部を回路基板に別途設ける場合に比べて、光ユニットの構造を簡素化して小型化することができる。

電気信号と光信号とを相互に変換する光電素子チップと電気信号を処理する集積回路チップとがボンディングワイヤによって電気的に接続される光モジュールの製造方法であって、前記集積回路チップにおける前記ボンディングワイヤが電気的に接続される接続部分を露出させるように前記集積回路チップを樹脂部で覆い、前記光電素子チップと前記集積回路チップとを前記ボンディングワイヤで電気的に接続した後、前記集積回路チップと前記ボンディングワイヤとの接続部分を絶縁性樹脂からなる封止部によって覆うところに特徴を有する。
このような光モジュールの製造方法によると、集積回路チップとボンディングワイヤとの接続部分が封止部によって覆われた光モジュールを製造することができる。これにより、集積回路チップとボンディングワイヤとの接続部分が損傷することを防止することができる。

本発明によれば、集積回路チップや光電素子チップを損傷させること無く、光モジュールの低コスト化を図ることができる。

実施形態１に係る光モジュールの断面図 実施形態２に係る光モジュールの断面図 実施形態３に係る光ユニットの断面図

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１について図１を参照して説明する。
本実施形態は、回路基板Ｂの表面に固定される光モジュール１０を例示しており、図１に示すように、電気信号と光信号とを相互に変換する光電素子チップ２０と、光電素子チップ２０から出力される電気信号もしくは光電素子チップ２０へ出力される電気信号を処理する集積回路チップ３０と、集積回路チップ３０の上部および側部全体を覆って回路基板Ｂに固定される樹脂部４０とを備えて構成されている。

光電素子チップ２０は、受光型または発光型のどちらか一方であって、光電素子チップ２０の上面２０Ａには、電極パッド(図示省略)が設けられている。また、光電素子チップ２０の上部には、活性層２１が形成されており、この活性層２１において、光信号が電気信号に変換され、または、電気信号が光信号に変換されるようになっている。

集積回路チップ３０は、光電素子用の集積回路チップであって、集積回路チップ３０の下面３０Ｂが回路基板Ｂに設けられた固定部（図示省略）にろう付けまたは半田付けによって固定されている。

集積回路チップ３０の上面３０Ａにおける左右両側には、複数の電極パッド（図示省略）が設けられており、各電極パッドは、回路基板Ｂに設けられた信号パターン（図示省略）もしくはグランドパターン（図示省略）にボンディングワイヤＷによって個別に電気的に接続されている。ボンディングワイヤＷは、金、銀、銅またはアルミなどの何れかを主成分とする金属からなり、公知のワイヤボンディング法によって形成されている。

樹脂部４０は、絶縁性の合成樹脂からなり、集積回路チップ３０および集積回路チップ３０の電極パッドに電気的に接続されたボンディングワイヤＷの全体を覆うと共に、回路基板Ｂの上面における集積回路チップ３０の周囲を覆った形態をなしている。

つまり、集積回路チップ３０と、集積回路チップ３０に接続されたボンディングワイヤＷとが樹脂部４０によって完全に覆われた状態となっている。また、回路基板Ｂの各パターンとボンディングワイヤＷとが電気的に接続された接続部分Ｃおよび集積回路チップの電極パッドとボンディングワイヤＷとが電気的に接続された接続部分Ｃが樹脂部４０によって覆われた状態となっている。これにより、集積回路チップ３０やボンディングワイヤＷに他の部材が接触するなどして、集積回路チップ３０が損傷したり、ボンディングワイヤＷとの接続部分Ｃが損傷したりすることを防止することができるようになっている。

さて、光電素子チップ２０は、樹脂部４０の上面４０Ａに接着剤などによって固定されており、光電素子チップ２０の上面２０Ａに設けられた電極パッド（図示省略）が回路基板Ｂの表面に設けられた信号パターンにボンディングワイヤＷによって電気的に接続されることで、光電素子チップ２０が回路基板Ｂを介して集積回路チップ３０と電気的に接続されている。

本実施形態の光モジュール１０は、以上のような構成であって、続けて光モジュール１０の製造方法を簡単に説明する。
まず、集積回路チップ３０を回路基板Ｂ上に設けられた固定部にろう付けまたは半田付けによって固定する。
集積回路チップ３０が回路基板Ｂに固定されたところで、公知のワイヤボンディング法により、集積回路チップの各電極パッドと回路基板Ｂに設けられた信号パターンもしくはグランドパターンとをボンディングワイヤＷによって電気的に接続する。

次に、集積回路チップ３０を成形金型（図示せず）で覆い、成形金型内に樹脂を射出して樹脂部４０を成形することで、集積回路チップ３０と集積回路チップ３０に電気的に接続されたボンディングワイヤＷとを樹脂部４０によって完全に覆う。
樹脂部４０が完全に硬化したところで、樹脂部４０の上面４０に接着剤によって光電素子チップ２０を固定する。そして、光電素子チップ２０の電極パッドと回路基板Ｂの信号パターンとをワイヤボンディング法によりボンディングワイヤＷによって電気的に接続することで、光電素子チップ２０と集積回路チップ３０とを回路基板Ｂを介して電気的に接続し、光モジュール１０が完成する。

次に、光モジュール１０の作用および効果について説明する。
従来、光モジュールは、一般に、集積回路チップと光電素子チップとが近接して配置されて互いに電気的に接続されることから、集積回路チップ上にダイパッド部を設けて、集積回路チップ上のダイパッド部に光電素子チップを固定している。このため、従来の光モジュールによると、集積回路チップ上に光電素子チップを固定するダイパッド部を設けるために集積回路チップの面積を大きくする必要があり、集積回路チップの大型化に伴って集積回路チップのコスト、ひいては光モジュールの生産コストが高くなってしまう。また、集積回路チップ上に光電素子チップが固定されるため、集積回路チップが高温になると、熱の影響で集積回路チップに固定された光電素子チップが損傷する虞がある。さらに、光電素子チップが集積回路チップに対して押し付けられて固定されることから、光電素子チップを集積回路チップに固定する際に、光電素子チップを押し付ける荷重によって集積回路チップが破損する虞がある。

ところが、本実施形態の光モジュール１０によると、光電素子チップ２０が樹脂部４０上に固定されていることから、光電素子チップ２０を固定するダイパッド部を集積回路チップ上に設ける必要がない。これにより、ダイパッド部を集積回路チップ上に設ける場合に比べて、集積回路チップ３０を小型化することができる。結果として、集積回路チップ３０の生産コストを低減でき、ひいては、光モジュール１０の低コスト化を図ることができる。
また、光電素子チップ２０が樹脂部４０上に固定されることから、集積回路チップ３０が発熱する場合においても、集積回路チップ３０が発する熱が光電素子チップ２０に伝わり難く、集積回路チップ３０の熱の影響で光電素子チップ２０が損傷することを抑制することができる。さらに、光電素子チップ２０を樹脂部４０に押し付けて接着剤などによって固定するときの荷重などが集積回路チップ３０に直接伝わらず、集積回路チップ３０が損傷することを防止することができる。

以上のように、本実施形態によると、集積回路チップ３０全体を覆う樹脂部４０に光電素子チップ２０を固定することで、光電素子チップ２０および集積回路チップ３０を損傷させることなく、集積回路チップ３０を小型化することができ、光モジュール１０の生産コストを低減させることができる。
また、本実施形態の光モジュール１０によると、集積回路チップ３０が回路基板Ｂに直接固定されて樹脂部４０によって覆われていることから、例えばリードフレームに固定された集積回路チップが樹脂部によって覆われた光モジュールに比べて、光モジュール１０を小型化することができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２について図２を参照して説明する。
実施形態２の光モジュール１１０は、実施形態１における樹脂部４０の形状と、光電素子チップ２０と集積回路チップ３０とを電気的に接続する形態とを変更したものであって、実施形態１と共通する構成、作用、および効果については重複するため、その説明を省略する。また、実施形態１と同じ構成については同一の符号を用いるものとする。

実施形態２における樹脂部１４０は、挿通孔１４２を有する本体部１４１と、挿通孔１４２を封止する封止部１４３とを備えて構成されている。
本体部１４１は、集積回路チップ３０の側部と、集積回路チップ３０の上面３０Ａにおける左右両側に位置する電極パッド（図示せず）に電気的に接続されたボンディングワイヤＷの全体を覆った形態をなしている。つまり、集積回路チップ３０と、集積回路チップ３０の上面３０Ａにおける左右両側に位置する電極パッドに電気的に接続されたボンディングワイヤＷとが樹脂部１４０によって完全に覆われた状態となっている。

挿通孔１４２は、本体部１４１の上面１４１Ａにおける略中央部に設けられており、本体部１４１の上面１４１Ａから集積回路チップ３０の上面３０Ａまで上下方向に延びた形態をなしている。

一方、集積回路チップ３０の上面３０Ａにおける略中央には、光電素子用電極パッド（図示省略）が設けられており、光電素子用電極パッドと光電素子チップ２０の電極パッドとが本体部１４１の挿通孔１４２に挿通されるボンディングワイヤＷによって電気的に接続されている。つまり、光電素子チップ２０の電極パッドと集積回路チップ３０の電極パッドとは、回路基板Ｂを介することなく、ボンディングワイヤＷによって電気的に接続されている。

封止部１４３は、絶縁性樹脂からなり、挿通孔１４２における下半分を塞いで封止するように形成されている。すなわち、封止部１４３は、集積回路チップ３０の上面３０Ａの光電素子用電極パッドとボンディングワイヤＷとが電気的に接続された接続部分Ｃを覆った形態をなしている。また、集積回路チップ３０は、挿通孔１４２が封止部１４３によって塞がれることにより、集積回路チップ３０における回路基板Ｂに接していない部分全てが本体部１４１と封止部１４３とによって完全に覆われて、他の部材が接触するなどして破損しないように保護された状態となっている。

次に、本実施形態の光モジュール１１０の製造方法を説明し、続けて、光モジュール１１０の作用・効果を説明する。なお、実施形態１と共通する製造方法については重複するため、その説明を省略する。
光モジュール１１０は、集積回路チップ３０が回路基板Ｂに固定され、集積回路チップの各電極パッドと回路基板Ｂに設けられた信号パターンもしくはグランドパターンとがボンディングワイヤＷによって電気的に接続されたところで、成形金型に設けられた挿通孔成形ピンによって光電素子用電極パッドを押え、集積回路チップ３０の光電素子用電極パッドに樹脂が付着しないように樹脂部１４０の本体部１４１を成形する。そして、本体部１４１の硬化後、成形金型の挿通孔成形ピンを取り除くことで、挿通孔１４２が成形され、集積回路チップ３０の光電素子用電極パッドが挿通孔１４２を通して上方に臨んだ状態となる。

次に、本体部１４１の上面１４１Ａに光電素子チップを接着剤によって固定し、光電素子チップ２０の電極パッドと集積回路チップ３０の光電素子用電極パッドとをワイヤボンディング法によりボンディングワイヤＷによって電気的に接続する。これにより、光電素子チップ２０と集積回路チップ３０とが回路基板Ｂを介さずに、電気的に接続される。
最後に、挿通孔１４２に絶縁性樹脂を流し込んで硬化させ、封止部１４３を成形することで、光電素子用電極パッドとボンディングワイヤＷとが電気的に接続された接続部分Ｃを封止する。これにより、光電素子用電極パッドとボンディングワイヤＷとが電気的に接続された接続部分Ｃが他の部材と接触しないように保護されて、光モジュール１１０が完成する。

ところで、従来の光モジュールは、光電素子チップの電極パッドを回路基板に電気的に接続すると共に、集積回路チップの電極パッドを回路基板に電気的に接続することで、回路基板を介して光電素子チップと集積回路チップとを電気的に接続していることから、回路基板からの電磁ノイズの影響により、両チップ間における電気信号の伝送効率が低下する虞がある。
ところが、本実施形態の光モジュール１１０によると、回路基板Ｂを介することなく、光電素子チップ２０と集積回路チップ３０とが電気的に接続されているので、回路基板Ｂなどを介して光電素子チップと集積回路チップとが電気的に接続される場合に比べて、回路基板Ｂからの電磁ノイズの影響を低減させることができる。
また、本実施形態によると、集積回路チップ３０と光電素子チップ２０とを電気的に接続するボンディングワイヤＷと、集積回路チップ３０の電極パッドが電気的に接続される接続部分Ｃとが封止部１４３によって覆われているので、集積回路チップ３０に他の部材が接触するなどして、電極パッドとボンディングワイヤＷとの接続部分Ｃが損傷したり、ボンディングワイヤＷが損傷したりすることを防止することができる。

＜実施形態３＞
次に、本発明の実施形態３について図３を参照して説明する。
実施形態３は、実施形態２における光モジュール１１０と、光モジュール１１０に固定されるスリーブ部材５０とを備えた光ユニット２００を例示している。なお、実施形態２と共通する構成、作用、および効果については重複するため、その説明を省略する。また、実施形態２と同じ構成については同一の符号を用いるものとする。

実施形態３におけるスリーブ部材５０は、透過性を有する樹脂からなり、光電素子チップ２０を囲う囲部５１と、囲部５１と一体に形成されたスリーブ５２と、スリーブ５２と一体に形成された樹脂レンズ５３とを備えている。
囲部５１は、光電素子チップ２０を囲うフード状に形成されており、光電素子チップ２０を上方から覆うように樹脂部１４０の本体部１４１の上面１４１Ａに組み付けられている。囲部５１のフード状の開口縁には、本体部１４１の上面１４１Ａに沿ったフラットな形状の樹脂部接続面５１Ａが形成されている。樹脂部接続面５１Ａは、本体部１４１の上面１４１Ａにおける外周縁に全周に亘って面接触可能とされている。そして、スリーブ部材５０は、囲部５１の外側から囲部５１を通して本体部１４１の上面１４１Ａにおける外周縁にレーザー光Ｌを照射して本体部１４１の上面１４１Ａを溶融させ、樹脂部接続面５１Ａと本体部１４１の上面１４１Ａにおける外周縁とを溶着することで、樹脂部１４０に固定されている。

スリーブ５２は、円柱状をなし、囲部５１の天井壁５１Ｂを上下方向に貫通して形成されている。スリーブ５２の上端部には、光ファイバの端末に装着された図示しないフェルールが嵌合されるようになっており、スリーブ５２の下端部には、スリーブ５２の軸心と同軸に配された円形の樹脂レンズ５３が一体に形成されている。

樹脂レンズ５３は、スリーブ５２から下方に膨出して形成されており、光モジュール１１０の光電素子チップ２０と対向して配されている。これにより、スリーブ５２に嵌合される光ファイバと光モジュール１１０の光電素子チップ２０とは、スリーブ５２と樹脂レンズ５３とによって光学的に結合されるようになっている。

本実施形態の光ユニット２００は以上のような構成であって、スリーブ部材５０が光モジュール１１０の樹脂部１４０における本体部１４１の上面１４１Ａに固定されている。これにより、スリーブ部材を固定するための固定部を回路基板に別途設ける場合に比べて、光ユニット２００の構造を簡素化して小型化することができる。また、透過性を有する囲部５１を通してレーザー光Ｌを樹脂部１４０の本体部１４１の上面１４１Ａに照射して、囲部５１の樹脂部接続面５１Ａを本体部１４１に溶着して固定することができるので、光モジュール１１０に対してスリーブ部材５０を容易に固定することができる。そして、小型化された光モジュール１１０を適用しているので、光ユニット２００を小型化することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態２，３では、挿通孔１４２の下半分を封止部１４３で塞いで封止した構成としたが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば、挿通孔全てを封止部によって塞いでもよい。
（２）上記実施形態３では、スリーブ部材５０と樹脂部１４０とをレーザー光Ｌによって溶着した構成としたが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば、スリーブ部材５０と樹脂部１４０と接着剤によって接着してもよい。

１０，１１０：光モジュール
２０：光電素子チップ
３０：集積回路チップ
５０：スリーブ部材
５３：樹脂レンズ
１４３：封止部
２００：光ユニット
Ｂ：回路基板
Ｗ：ボンディングワイヤ

Claims (6)

1. 電気信号と光信号とを相互に変換する光電素子チップと、
   回路基板に固定され、かつ前記光電素子チップと電気的に接続され、前記光電素子チップから入力される電気信号もしくは前記光電素子チップへ出力される電気信号を処理する集積回路チップとを備えた光モジュールであって、
   前記集積回路チップは、前記回路基板にボンディングワイヤによって電気的に接続された状態で絶縁性を有する樹脂部によって覆われており、
   前記光電素子チップは、前記樹脂部に固定されている光モジュール。
2. 前記光電素子チップは、前記集積回路チップにボンディングワイヤによって電気的に接続されており、
   前記集積回路チップと前記ボンディングワイヤとの接続部分は、絶縁性樹脂からなる封止部によって覆われている請求項１記載の光モジュール。
3. 前記光電子チップは、前記回路基板にボンディングワイヤによって電気的に接続されることで、前記回路基板を介して前記集積回路チップと電気的に接続されている請求項１記載の光モジュール。
4. 光透過性を有する樹脂からなる樹脂レンズと、
   前記樹脂レンズと一体に形成され、光ファイバの端末に接続されるフェルールが嵌合されるスリーブ部材とを備え、
   請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光モジュールが前記樹脂レンズと対向して配され、前記スリーブ部材によって囲まれてなる光ユニット。
5. 前記スリーブ部材は、前記光モジュールの前記樹脂部に溶着されて固定されている請求項４記載の光ユニット。
6. 電気信号と光信号とを相互に変換する光電素子チップと電気信号を処理する集積回路チップとがボンディングワイヤによって電気的に接続される光モジュールの製造方法であって、
   前記集積回路チップにおける前記ボンディングワイヤが電気的に接続される接続部分を露出させるように前記集積回路チップを樹脂部で覆い、前記光電素子チップと前記集積回路チップとを前記ボンディングワイヤで電気的に接続した後、前記集積回路チップと前記ボンディングワイヤとの接続部分を絶縁性樹脂からなる封止部によって覆う光モジュールの製造方法。

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