JP2014022510A - 光モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】受信モジュールとプリント基板との接続部分のクラック・断線を生じにくくする。
【解決手段】光モジュールは、15Gbit毎秒以上の電気信号を伝送する複数のリード105を備える光受信モジュール101と、複数のリード105と、はんだにより接続されるパッド106を備えるプリント基板103と、プリント基板103に光受信モジュール101を取り付ける際に、プリント基板103と光受信モジュール101との間に配置される金属薄板102と、を備える。金属薄板102の厚みが、プリント基板103に光受信モジュール101を取り付けた後に複数のリード105とパッド106との距離が50〜500μmとなる厚みとなるようにする。
【選択図】図1
【解決手段】光モジュールは、15Gbit毎秒以上の電気信号を伝送する複数のリード105を備える光受信モジュール101と、複数のリード105と、はんだにより接続されるパッド106を備えるプリント基板103と、プリント基板103に光受信モジュール101を取り付ける際に、プリント基板103と光受信モジュール101との間に配置される金属薄板102と、を備える。金属薄板102の厚みが、プリント基板103に光受信モジュール101を取り付けた後に複数のリード105とパッド106との距離が50〜500μmとなる厚みとなるようにする。
【選択図】図1
Description
本発明は、光モジュールに関する。
光通信ネットワークの情報伝送量は増加の一途をたどっており、特に中長距離伝送において伝送速度40Gbit/s、100Gbit/sの伝送装置が増加している。これらの伝送装置に用いられる光モジュールには、小型化、低消費電力化、コスト低減が要求されており、光モジュールの集積化が進められている。例えば、光モジュールの小型化に関する技術としては、下記の特許文献1に記載の技術がある。
光モジュールに使われる受信モジュールに関して、業界団体のOIF(Optical Internetworking Forum)による業界標準化も進められており、それによれば、例えば40Gbit/s,100Gbit/sの受信モジュールサイズは、45×27×8mmと大形である。発明者らが検討したところ、内部の光素子や光学系の保持と放熱性の確保ため、コバール系の合金にてPKGを構成すると、受信モジュールは、重量は10gを超えることとなった。このような比較的大型で重量のある金属PKG(受信モジュール)をプリント基板に取り付ける方法は、輸送時や使用時の機械的な振動や衝撃外力に耐え、PKG底面からプリント基板への放熱性を高めるため通常4個のねじによることが一般的である。
ところで、受信モジュールで受信した信号をプリント基板に伝送するために、受信モジュールから電気信号を取り出すリード部と、プリント基板の電極パッドとをはんだ付けするが、高周波信号の伝送特性の劣化を回避するためには、リード部の形状をほとんど真っ直ぐとし、リード部と電極パッドとの隙間をできるだけ小さくすることが望ましい。例えば、リード部の厚さはおおよそ0.15mmと薄く、リード部におけるリード間の間隔(リードピッチ)は1mm程度である。
しかしながら、リード部と電極パッドとの隙間ができない程近づけてはんだ付けした場合には、リード部と電極パッドとを接続するはんだに極めて薄い部分が生じてしまい、所定の温度サイクル試験において、薄い部分のはんだにクラック・断線が発生し、その結果、高周波信号の伝送特性を大幅に劣化させてしまうことがあった。なお、ここでの所定の温度サイクル試験は、受信モジュールをプリント基板にはんだ付けした光モジュールに対して実施するものであり、業界目標である100回(Telcordia GR−468−CORE “Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment” 3.3.2.2 Table 4−4 にある光集積化モジュールに対する温度サイクルに関する要求値に基づく)の温度サイクル試験に合格することが必要とされる。
本発明は、上記の課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、光受信モジュールとプリント基板との接続部分のクラック・断線を生じにくくした光モジュールを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る光モジュールは、15Gbit毎秒以上の電気信号を伝送する複数のリードを備える光受信モジュールと、前記複数のリードと、はんだにより接続されるパッドを備えるプリント基板と、前記プリント基板に前記光受信モジュールを取り付ける際に、前記プリント基板と前記光受信モジュールとの間に配置される金属薄板と、を含み、前記金属薄板の厚みが、前記プリント基板に前記光受信モジュールを取り付けた後に前記複数のリードと前記パッドとの距離が50〜500μmとなる厚みであることを特徴とする。
本発明の一態様では、前記光モジュールにおいて、前記プリント基板と前記金属薄板と前記光受信モジュールとを、各々を挿通する複数のねじを用いて固定した後に、前記複数のリードと前記パッドとをはんだにより接続したこととしてもよい。
本発明の一態様では、前記光モジュールにおいて、前記金属薄板の面は対向する前記光受信モジュールの面と略同じ形状であることとしてもよい。
本発明の一態様では、前記光モジュールにおいて、前記金属薄板は、ステンレス製であることとしてもよい。
本発明の一態様では、前記光モジュールにおいて、前記複数のリードは、前記光受信モジュールの側面における底面近傍に設けられており、前記プリント基板において前記光受信モジュールを取り付ける領域と、前記パッドとは同じ面内にあることとしてもよい。
本発明の一態様では、前記光モジュールにおいて、前記光受信モジュールは、20Gbit毎秒以上の電気信号を伝送する複数のリードを備え、前記金属薄板の厚みが、前記プリント基板に前記光受信モジュールを取り付けた際に前記複数のリードと前記パッドとの距離が50〜300μmとなる厚みであることとしてもよい。
本発明の一態様では、前記光モジュールにおいて、前記光受信モジュールは、30Gbit毎秒以上の電気信号を伝送する複数のリードを備え、前記金属薄板の厚みが、前記プリント基板に前記光受信モジュールを取り付けた際に前記複数のリードと前記パッドとの距離が50〜200μmとなる厚みであることとしてもよい。
本発明の一態様によれば、光受信モジュールとプリント基板との接続部分のクラック・断線を生じにくくすることができる。
以下、本発明の実施の形態(以下、実施形態という)を、図面に従って説明する。
[第1の実施形態]
まず、第1の実施形態に係る光モジュール100について説明する。
まず、第1の実施形態に係る光モジュール100について説明する。
図1には、本実施形態に係る光モジュール100の一構成例を示す図を示した。図1の構成図では、説明の都合上、光モジュール100のうち光信号を受信する光受信モジュール101とプリント基板103についてのみ示しているが、光モジュール100には各種IC、LCR部品、コネクター部品、レーザーモジュール等の他の部品も備えられているのはもちろんである。
図1に示されるように、光受信モジュール101は、金属薄板102を介してプリント基板103にネジ120を用いて取り付けられている。ここで、光受信モジュール101からのリード105は、プリント基板103のパッド(電極パッド)106とはんだを用いて電気的に接続される。
図2には、光受信モジュール101、プリント基板103、上下の金属ケースの組み付け状態を説明する図を示した。
図2に示されるように、光受信モジュール101、金属薄板102、プリント基板103を順に重ねて、上方から4本のねじ120を、光受信モジュール101のフランジ部分(穴部分)、金属薄板102のフランジ部分(穴部分)、プリント基板103の穴、プリント基板103の裏面に配した2枚のねじプレート104に挿通して締結する。ここで、光受信モジュール101で受信した高周波信号をプリント基板103に伝送するリード105と、プリント基板103上に設けたパッド106とは、はんだを使用して接続される。ここで使用するはんだは、Pbフリーはんだとして標準的なSn−3Ag−0.5Cu組成のはんだ(この組成のはんだをはんだAとする)としてよい。
プリント基板103に光受信モジュール101を取り付ける工程を終えた後に、上ケース109と下ケース110によりプリント基板103を挟み込んでねじ固定して光モジュール100をパッケージ化する。
なお、図1に示した光モジュール100は、説明のため、プリント基板103上に実装される、各種ICやLCR部品やコネクター部品、さらにレーザーモジュールなどの受信モジュール以外の光部品やそれらをつなぐ光ファイバー等については省略されている。さらに、図1に示した光モジュール100は、図2に示される、アルミ合金等の金属により形成した上ケース、下ケースについても省略されている。なお、上述したねじの本数や固定位置は、Telcordia GR−468−COREの仕様により規定されている振動試験と衝撃試験に合格するように適切に設計し設置することとしてよい。
また、上述した光モジュール100の主な部品の寸法として、例えば、上ケース109は、177×123×17mm、プリント基板103は、172×118×1.8mm、金属薄板102の外形は光受信モジュール101のフットプリントとほぼ同じサイズ、すなわち光受信モジュール101の下面形状とほぼ同じ形状で材質はSUS304、厚みは0.15mmとしてよい。以下、金属薄板102の厚みが満足すべき条件について説明する。
まず、金属薄板102を設けない場合に生じる問題点について説明する。例えば、第1の実施形態に係る光モジュール100において、金属薄板102を設けずに、光受信モジュール101をプリント基板103に直接設けた場合の構成例を図10に示した。
図10に示されるように、リード105とパッド106との距離が非常に狭いため、リード接続用はんだ107の厚みにも極めて薄い部位が存在している。ここで、図10に示される構成の光モジュール100に対して、温度サイクル試験を実施すると、温度サイクル試験が100回以下において、高周波信号の大幅な劣化が発生した。この際に、リード接続用はんだ107の外周にわたって、クラックの発生が確認された。さらに、リード接続用はんだ107を断面研磨し観察したところ、図11に示されるように、リード接続用はんだ107全体を分離するように内部にクラック112が存在し、リード接続用はんだ107が完全に破断していることが確認された。このように、リード接続用はんだ107の厚みが薄い場合には、温度サイクル試験によりリード接続用はんだ107にクラックが発生し、その結果、高周波信号の大幅な劣化を引き起こしてしまうことが判明した。
なお、一般に通信に使われる光モジュール機器の信頼性について業界の標準のTelcordia GR−468−COREでは、−40℃/85℃(保持時間30分/30分)の温度サイクル試験で100サイクル後特性劣化が無いことが合格の条件とされる。
本実施形態に係る光モジュール100では、リード接続用はんだ107の厚みを増すために、例えばステンレス製の金属薄板102を受信モジュール101とプリント基板103の間に挿入し、受信モジュールのリード部とパッドとの距離を増加させることで、リード接続用はんだ107の厚みを増加させることとしている。
図3には、金属薄板102を挿入した第1の実施形態に係る光受信モジュール101の側面図、図4には、光受信モジュール101の平面図を示した。
図3に示されるように、光受信モジュール101とプリント基板103との間に金属薄板102を挿入したことによりリード105とパッド106との間が、図10に示される光モジュール100の場合よりも拡大していることが分かる。これによりリード105とパッド106とを接続するリード接続用はんだ107の厚みも増大していることが分かる。なお、図3に示した例では、説明のために、金属薄板102の厚みを強調しているが、金属薄板102の実際の厚みはこの図に示される態様と異なっていても構わない。なお、リード105の厚みは、例えば0.1mm程度であり、リード105(の下側)は光受信モジュール101の側面において、底面から例えば0〜200μmの位置に設けられていることとしてよい。
また、図4に示されるように、リード105は5本あり、リード接続用はんだ107は隣り合うリード105とは接続しないようにする必要がある。なお、リード105のリードピッチ(間隔)は、例えば1mm程度である。
次に、光受信モジュール101とプリント基板103との間に挿入される金属薄板102の厚みについて説明する。以下、金属薄板102の厚み(リード接続用はんだ107の厚み)の好適な範囲につき、温度サイクル試験による寿命サイクルの観点、及び高周波信号の伝送特性に与える観点に基づき説明する。
まず、図5には、光受信モジュール101とプリント基板103との間に挿入する金属薄膜102の厚み(μm)と、温度サイクル試験による寿命サイクル(回数)との関係を示した。図5に示される関係は、金属薄板102の厚みを50μmから500μmまで変化させた光モジュール100に対し、Telcordia GR−468−COREに準拠し、−40℃/85℃(保持時間30分/30分)の温度サイクル試験を実施した結果に基づいて生成したものである。図5における、はんだAは、Pbフリーはんだとして一般的な金属組成Sn−3Ag−0.5Cuのはんだであり、はんだBは、はんだAよりも耐熱疲労性を向上させたSn−Ag−Cu−Sb組成のはんだである。
図5によれば、光受信モジュール101のリード接続用はんだ107の寿命は、金属薄板102の厚みが厚いほど長くなる傾向にある。例えば、金属薄板102の厚みを50μm以上にすることにより、はんだA及びBのいずれにおいても温度サイクル寿命は150サイクル(安全率1.5)を超え、上記の温度サイクル仕様100回に対してマージンを持つことが明らかになった。また、安全率を2より大きく取る場合には、金属薄板102の厚みを100μm以上とすればよい。
一方、図3に示されるように、光受信モジュール101のリード105の厚みが0.1mm程度と薄いため、金属薄板102の厚みが増して光受信モジュール101の嵩上げ高さが高くなると一般的なコテを用いたはんだ付け時にリード105が曲がってしまい、はんだの厚さが嵩上げした高さより小さくなる場合がある。この時、リードの曲がりがリード長手方向に平行で、高さ方向に曲がった場合、はんだ厚さが部分的に薄くなるが、薄くなった部分の割合がはんだ接続長さの30%以下であればはんだ接続寿命に大きな影響は無い。
また、リード105のピッチ間隔が1mm程度と狭いため金属薄板102による光受信モジュール101の嵩上げ高さが500μmを超えると、リードが横(隣のリードの方向)に曲がり易く、はんだが隣のリードとの間にブリッジする不具合が生じるため、金属薄板102の厚みは500μm以下とすることが望ましい。
以上の通り、温度サイクル試験による寿命サイクルの観点からの金属薄板102の好適な厚みは、50〜500μmとなる。
また、図5に示されるように、はんだBを用いた場合にははんだAを用いた場合と比べて寿命サイクルが延びるが、例えば、Telcordia GR−468−COREの使用温度条件のより厳しい環境の寿命規定−40℃/85℃(保持時間30分/30分)で500回合格条件を満たすためには、はんだBを用いた場合の金属薄板102の厚さの適正領域は、100μm以上となる。また、はんだAと同様に、コテはんだでのプロセス適正範囲は500μm以下であるため、寿命サイクル500回を満たすために、はんだBを用いた場合の金属薄板102の厚みの適正範囲は100〜500μmとなる。
次に、光受信モジュール101の高周波信号の伝送特性に基づく観点からの金属薄板102の厚みの適正範囲について説明する。金属薄板102の厚みが厚くなりすぎると、高周波信号の伝送特性を劣化させる可能性があるためである。
図6には、第1の実施形態に係る光モジュール100における、金属薄板102の厚み(μm)と、光受信モジュール101の高周波伝送特性の反射損失(dB)との関係を示した。図6の結果は、金属薄板102の厚さをリード接続用はんだ107の代表寸法として高周波シミュレーションによって求めたものである。なお、図6では、金属薄板102の厚みを横軸とし、高周波伝送特性を示す指標としての反射損失SDD22を縦軸としており、信号の周波数をそれぞれ15GHz、20GHz、30GHz(それぞれ、信号伝送速度は、30Gbit毎秒、40Gbit毎秒、60Gbit毎秒となる)とした場合についての結果を示している。また、安定な信号伝送のために、信号伝送速度の最低2倍の範囲での反射損失を評価するのが通例である。
図6に示されるように、信号の周波数範囲0〜15GHz(信号伝送速度0〜15Gbit毎秒)において、反射損失の許容値を−10dB以下とした場合には、金属薄板102の厚さの許容範囲は700μm以下となる。また、信号の周波数範囲0〜20GHz(信号伝送速度0〜40Gbit毎秒)において、反射損失の許容値を−10dB以下とした場合には、金属薄板102の厚さの許容範囲は300μm以下となる。そして、信号の周波数範囲0〜30GHz(信号伝送速度0〜60Gbit毎秒)において、反射損失の許容値を−5dB以下とした場合には、金属薄板102の厚さの許容範囲は200μm以下となる。このように、光受信モジュール101の使用する周波数範囲によって、金属薄板102の厚さの許容範囲は変化する。
例えば、リード接続用はんだ107の素材にはんだAを用いた場合であって、光受信モジュール101の周波数範囲が0〜15GHzかつ反射損失−10dB以下の条件では、金属薄板102の厚みの適正範囲は、50〜500μmとなる。また、リード接続用はんだ107の素材にはんだAを用いた場合であって、光受信モジュール101の周波数範囲が0〜20GHzかつ反射損失−10dB以下の条件では、金属薄板102の厚みの適正範囲は、50〜300μmとなる。そして、リード接続用はんだ107の素材にはんだAを用いた場合であって、光受信モジュール101の周波数範囲が0〜30GHzかつ反射損失−5dB以下の条件では、金属薄板102の厚みの適正範囲は、50〜200μmとなる。
例えば、第1の実施形態において、光受信モジュール101の周波数範囲が0〜15GHzである場合には、光受信モジュール101とプリント基板103の間に挿入する金属薄板102の厚さを150μmとしてよい。また、光受信モジュール101からのプリント基板103への放熱性を向上させるため、金属薄板102の材料にはSUS304を用いることとしてもよいし、さらに熱伝導性の高いCu素材にNiめっきを施した材料を用いてもよい。また、金属薄板102にはそりや浪打が小さく、光受信モジュール101をプリント基板103にねじ固定する際に、極力空気層を作らないようにすることが望ましい。
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、光受信モジュール101を配置するプリント基板103の面が、それ以外の面に対して下がっており、リード105が光受信モジュール101の底面よりも高い位置に設けられている点で第1の実施形態と相違するが、他の点では同じであるため光モジュール100の各部分の繰り返しの説明は省略する。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、光受信モジュール101を配置するプリント基板103の面が、それ以外の面に対して下がっており、リード105が光受信モジュール101の底面よりも高い位置に設けられている点で第1の実施形態と相違するが、他の点では同じであるため光モジュール100の各部分の繰り返しの説明は省略する。
図7には、第2の実施形態に係る光モジュール100の側面図を示した。上述したように、第2の実施形態においては、高周波信号を伝送するリードは光受信モジュール101のパッケージの中ほどに設けられている。
第2の実施形態に係る光モジュール100においても、第1の実施形態に係る光モジュール100と同様に、光受信モジュール101とプリント基板103との間に金属薄板102を挿入することで、リード105とパッド106とを接続するリード接続用はんだ107の厚みを例えば50〜500μm(もちろん第1の実施形態と同様に、条件に応じて50〜500μmの中で変動させることとしてよい)の範囲とすることで高周波信号の伝送特性を劣化させないようにすることができる。
[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、光受信モジュール101をねじ固定するためのフランジ部の位置が第1の実施形態と相違するが、他の点では同じであるため光モジュール100の各部分の繰り返しの説明は省略する。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、光受信モジュール101をねじ固定するためのフランジ部の位置が第1の実施形態と相違するが、他の点では同じであるため光モジュール100の各部分の繰り返しの説明は省略する。
図8には、第3の実施形態に係る光モジュール100の側面図を、図9には、第3の実施形態に係る光モジュール100の平面図を示した。図8及び図9に示されるように、第3の実施形態では、光受信モジュール101のねじ固定するためのフランジ部が高周波信号を伝えるリード105の方向に突き出した構造となっている。フランジ部を、高周波信号を伝えるリード105側に設置することにより温度サイクル試験時にはんだ部に加わるストレスは低下する傾向にある。
また、第3の実施形態に係る光モジュール100においても、第1の実施形態に係る光モジュール100と同様に、光受信モジュール101とプリント基板103との間に金属薄板102を挿入することで、リード105とパッド106とを接続するリード接続用はんだ107の厚みを例えば50〜500μm(もちろん第1の実施形態と同様に、条件に応じて50〜500μmの中で変動させることとしてよい)の範囲とすることで高周波信号の伝送特性を劣化させないようにすることができる。
以上説明した本発明に係る第1〜第3の実施形態に係る光モジュール100によれば、光受信モジュール101とプリント基板103との間に金属薄板102を配置して、光受信モジュール101のリードと、プリント基板103のパッドを接続するリード接続用はんだの厚みを適切な範囲(例えば50〜500μm)に調整することにより、温度サイクル試験への耐用性があり、かつ、高周波伝送特性が劣化しないようにすることができる。
[変形例]
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、金属薄板102の形状を、光受信モジュール101の下面の形状と合わせて1枚で構成したが、金属薄板102を複数に分割して構成しても構わない。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、金属薄板102の形状を、光受信モジュール101の下面の形状と合わせて1枚で構成したが、金属薄板102を複数に分割して構成しても構わない。
また、本発明については、この分野の通常の知識を有する当業者によって多様な変更、変形又は置換が可能であることはもちろんである。
100 光モジュール、101 光受信モジュール、102 金属薄板、103 プリント基板、104 ねじプレート、105 リード、106 パッド、107 リード接続用はんだ、109 上ケース、110 下ケース、112 クラック、120 ねじ。
Claims (7)
- 15Gbit毎秒以上の電気信号を伝送する複数のリードを備える光受信モジュールと、
前記複数のリードと、はんだにより接続されるパッドを備えるプリント基板と、
前記プリント基板に前記光受信モジュールを取り付ける際に、前記プリント基板と前記光受信モジュールとの間に配置される金属薄板と、を含み、
前記金属薄板の厚みが、前記プリント基板に前記光受信モジュールを取り付けた後に前記複数のリードと前記パッドとの距離が50〜500μmとなる厚みであることを特徴とする光モジュール。 - 請求項1に記載の光モジュールであって、
前記プリント基板と前記金属薄板と前記光受信モジュールとを、各々を挿通する複数のねじを用いて固定した後に、前記複数のリードと前記パッドとをはんだにより接続したことを特徴とする光モジュール。 - 請求項1又は2に記載の光モジュールであって、
前記金属薄板の面は対向する前記光受信モジュールの面と略同じ形状であることを特徴とする光モジュール。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の光モジュールであって、
前記金属薄板は、ステンレス製であることを特徴とする光モジュール。 - 請求項1乃至4のいずれか記載の光モジュールであって、
前記複数のリードは、前記光受信モジュールの側面における底面近傍に設けられており、
前記プリント基板において前記光受信モジュールを取り付ける領域と、前記パッドとは同じ面内にあることを特徴とする光モジュール。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載の光モジュールであって、
前記光受信モジュールは、20Gbit毎秒以上の電気信号を伝送する複数のリードを備え、
前記金属薄板の厚みが、前記プリント基板に前記光受信モジュールを取り付けた際に前記複数のリードと前記パッドとの距離が50〜300μmとなる厚みであることを特徴とする光モジュール。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載の光モジュールであって、
前記光受信モジュールは、30Gbit毎秒以上の電気信号を伝送する複数のリードを備え、
前記金属薄板の厚みが、前記プリント基板に前記光受信モジュールを取り付けた際に前記複数のリードと前記パッドとの距離が50〜200μmとなる厚みであることを特徴とする光モジュール。
Priority Applications (2)
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