JP2018129417A - 並列光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れ、信頼性及び高周波信号伝送特性に優れた並列光モジュールを提供する。【解決手段】一方の面に第１の金属層１０４及び第２の金属層１１４が設けられた第１の基板１０１と、第１の基板１０１上に積層された第２の基板１０２と、第１の金属層１０４上に実装された半導体集積回路素子１１１と、第２の金属層１１４上に実装された光素子アレイ１１２と、を有し、第１の基板１０１には、複数の第１のビア１０８により第１のビアパタン集合体１０８Ａが形成され、第２の基板１０２には、複数の第２のビア１０９により第２のビアパタン集合体１０９Ａが形成され、第１のビアパタン集合体１０８Ａ及び第２のビアパタン集合体１０９Ａは、第１の基板１０１と第２の基板１０２との積層方向に向けて光素子アレイ１１２から離れる方向に延在するように設けられている並列光モジュールである。【選択図】図１

Description

本発明は、並列光モジュールに係り、特に情報機器などの装置間又は装置内ボード間で送受信される高速光信号を伝送する光ケーブルのインターフェース部となる並列光モジュールに関する。

近年、データセンタ内のサーバやストレージ等の機器で処理するデータ量の飛躍的な増加に伴い、サーバ等の情報機器間を繋ぐ信号伝送ケーブルや所謂インターコネクトとよばれる装置内配線の信号伝送の大容量化が求められている。これに伴い、インターコネクト速度としては、チャンネル当たり２５Ｇｂｉｔ/ｓから５０Ｇｂｉｔ/ｓ以上の高速化が求められている。このような高速での信号伝送方式として、従来の電気伝送技術と比較して低クロストークであり、高密度化や伝送線路の軽量化が可能な光インターコネクト技術が期待されている。

光インターコネクト技術では、今後の光配線の大容量化のため、光素子を多チャンネル（並列）化した並列光モジュールの適用が、有効な技術として検討されている。並列光モジュールには、実装の高密度化や小型化の観点から、光コネクタ等の各種部品を基板の厚さ方向に配置して三次元的に集積するとともに、多チャンネルの光素子と電子回路とをなるべく近接させて設置することが求められる。

一方、例えば送信部の光源として用いられるレーザダイオードは、８５℃以上の高温環境下においてその特性が著しく劣化するため、光素子と電子回路とを近接配置する場合には、高信頼化の観点から、光素子や電子回路から発生する熱を、効率的に放熱することが求められる。

例えば特許文献１には、光素子４０とドライバ集積回路４１を搭載する光素子搭載基板３０の上方から上部構造体５０を嵌め込んで、光ファイバ７と光素子４０とを光学的に接続した光モジュールが開示されている。

また、特許文献２には、光素子３２とＩＣ３４とが実装されたモジュール基板３０上にカバー３６を接合し、カバー３６における光素子３２と対向する位置に、レンズアレイ５０を設置した光モジュールが開示されている。

特開２００９−５３２８２号公報 特開２０１１−２４７９５２号公報

特許文献１に記載の光モジュールは、光素子４０やドライバ集積回路４１の直上に上部構造体５０が設置されるため、この位置に放熱部材を設置することが困難である。このため、ドライバ集積回路４１からの熱が、光素子４０に周り込み、光素子４０の特性が悪化するおそれがある。

特許文献２に記載の光モジュールは、光素子３２からの熱をモジュール基板３０を介して光モジュールの下方に放熱し、ＩＣ３４からの熱をカバー３６を介して光モジュールの上方に放熱することが可能となるため、ＩＣ３４からの熱の、光素子３２への回り込みが低減される可能性がある。しかしながら、カバー３６がレンズアレイ５０と同一面に設置されているため、ＩＣ３４からの熱がカバー３６を介して放熱される場合には、カバー３６から放熱される熱のレンズアレイ５０への熱的な干渉を避ける必要がある。このため、ＩＣ３４とレンズアレイ５０との距離を、ある程度隔離する必要があり、これに伴い、レンズアレイ５０と対向配置される光素子３２とＩＣ３４との距離が隔離されるため、高周波電気配線部分の信号伝播損失や反射の影響が大きくなり、高周波特性が劣化するおそれがある。

そこで、本発明の目的は、放熱性に優れ、信頼性及び高周波信号伝送特性に優れた並列光モジュールを提供することにある。

本発明に係る並列光モジュールの好ましい実施形態としては、一方の面に第１の金属層及び該第１の金属層と離間した第２の金属層が設けられ、他方の面に第３の金属層が設けられた第１の基板と、前記第３の金属層を介して前記第１の基板上に積層され、前記第３の金属層が設けられた面と反対側の面に第４の金属層が設けられた第２の基板と、前記第１の金属層上に実装された半導体集積回路素子と、前記第２の金属層上に実装された光素子アレイと、を有し、前記第１の基板には、前記第１の金属層と前記第３の金属層とを電気的に接続する第１のビアが複数個設けられ、該複数の第１のビアにより第１のビアパタン集合体が形成され、前記第２の基板には、前記第３の金属層と前記第４の金属層とを電気的に接続する第２のビアが複数個設けられ、該複数の第２のビアにより第２のビアパタン集合体が形成され、前記第１のビアパタン集合体及び前記第２のビアパタン集合体は、前記第１の基板と前記第２の基板との積層方向に向けて前記光素子アレイから離れる方向に延在するように設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、放熱性に優れ、信頼性及び高周波信号伝送特性に優れた並列光モジュールを実現することができる。

実施例１に係る並列光モジュールの構成を説明するための図である。 実施例２に係る並列光モジュールの構成を説明するための図である。 実施例２に係る並列光モジュールにおける消費電力と光素子の温度との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。 実施例３に係る並列光モジュールの構成を説明するための図である。 実施例４に係る並列光モジュールの構成を説明するための図である。 実施例５に係る並列光モジュールの断面構成を示す図である。 実施例６に係る並列光モジュールの断面構成を示す図である。

図１（ａ）に、実施例１に係る並列光モジュールの下面斜視図を示し、図１（ｂ）に、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示す。図１（ｂ）に示すように、実施例１に係る並列光モジュールは、第１の基板１０１と、第１の基板１０１上に積層された第２の基板１０２とを有し、平坦性を有する積層構造である積層基板１００を有している。第１の基板１０１、第２の基板１０２の材料としては、例えばアルミナや窒化アルミ等のセラミックを用いてもよく、ガラスエポキシ樹脂等の有機材料を用いてもよい。

第１の基板１０１の一方の面（図１（ａ）の下面斜視図において、積層基板１００の最表面となる面）には、第１の金属層１０４と、第１の金属層１０４と離間した第２の金属層１１４とが設けられている。第１の金属層１０４上には、半導体集積回路素子１１１が実装されており、第１の金属層１０４と半導体集積回路素子１１１とは電気的に接続されている。

第２の金属層１１４上には、光素子アレイ１１２が実装されている。光素子アレイ１１２は、発光素子アレイまたは受光素子アレイであり、少なくとも２チャンネル以上のアレイ状として構成されている。光素子アレイ１１２と第２の金属層１１４とは、導電性の接着剤等を介して電気的に接続されている。光素子アレイ１１２と半導体集積回路素子１１１とは、それぞれの電極パッドに接続した金属ワイヤ１２１により、電気的に接続されている。

第２の金属層１１４は、第１の金属層１０４と電気的に絶縁させて設けている。具体的には、第１の金属層１０４はＧＮＤ（接地）電位とし、第２の金属層１１４は、ＧＮＤから絶縁（フローティング）した電気回路とする。また、第１の金属層１０４と第２の金属層１１４との間の離隔距離は、光素子アレイ１１２と半導体集積回路素子１１１とを接続する導体ワイヤのワイヤ長を出来るだけ短くし、安定な高周波特性を得るために、０．２〜１ｍｍ程度とすることが好ましい。

図１（ｂ）に示すように、第１の基板１０１において、第１の金属層１０４が設けられた面と反対側の面には、第３の金属層１０５が設けられている。第１の基板１０１内部には、第１の金属層１０４と第３の金属層１０５とを電気的に接続する第１のビア１０８が複数個設けられており、複数の第１のビア１０８により第１のビアパタン集合体１０８Ａが形成されている。

また、第１の基板１０１の第３の金属層１０５が形成された面には、第３の金属層１０５と離間して、第６の金属層１１５が設けられている。第１の基板１０１内部には、光素子アレイ１１２が実装された第２の金属層１１４と第６の金属層１１５とを電気的に接続する第４のビア１１８が複数個設けられており、複数の第４のビア１１８により第４のビアパタン集合体１１８Ａが形成されている。

第２の基板１０２は、第３の金属層１０５、第６の金属層１１５を介して、第１の基板１０１上に積層されている。第２の基板１０２には、第３の金属層１０５、第６の金属層１１５が設けられた面と反対側の面に、第４の金属層１０６が設けられている。第２の基板１０２内部には、第３の金属層１０５と第４の金属層１０６とを電気的に接続する第２のビア１０９が複数個設けられており、複数の第２のビア１０９により第２のビアパタン集合体１０９Ａが形成されている。

第２の基板１０２には、第３の金属層１０５、第６の金属層１１５が設けられた面と反対側の面に、第４の金属層１０６と離間して、第７の金属層１１６が設けられている。第２の基板１０２内部には、第６の金属層１１５と第７の金属層１１６とを電気的に接続する第５のビア１１９が複数個設けられており、複数の第５のビア１１９により第５のビアパタン集合体１１９Ａが形成されている。

第１のビアパタン集合体１０８Ａ及び第２のビアパタン集合体１０９Ａは、それぞれ、第１の基板１０１と第２の基板１０２との積層方向に向けて光素子アレイ１１２から離れるように、図１（ｂ）に示す積層断面における破線矢印で示す斜め方向（以下、第１の斜め方向という。）に延在するように設けられている。

実施例１に係る並列光モジュールによれば、積層基板１００において、第１の基板１０１の光素子アレイ１１２及び半導体集積回路素子１１１の実装面から、この実装面と反対側に積層された第２の基板１０２の表面にかけて、接続用のビア（第１のビア１０８、第２のビア１０９）を設けている。このため、半導体集積回路素子１１１や光素子アレイ１１２から発生した熱を、各ビアを介して、これらの実装面と反対側の積層基板１００表面に向けて放熱することができる。

このような積層基板１００では、例えば光素子アレイ１１２と光学的に接続する光コネクタを第１の基板１０１側に設置し、半導体集積回路素子１１１や光素子アレイ１１２から発生する熱を放熱するヒートシンク等の放熱部材を、第２の基板１０２側に設置する構成が可能となる。即ち、放熱部材と光コネクタとを別々の面に設置することで、両者の熱的な干渉を回避しつつ高い放熱性を得ることができ、並列光モジュール全体の実装面積の小面積化と、高い放熱特性との両立が可能となる。

また、実施例１に係る並列光モジュールによれば、上記したように、第１のビアパタン集合体１０８Ａ、第２のビアパタン集合体１０９Ａを、第１の基板１０１と第２の基板１０２との積層方向に向けて光素子アレイ１１２から離れる方向に延在させて設けることで、半導体集積回路素子１１１から発する熱が、第１のビアパタン集合体１０８Ａ〜第２のビアパタン集合体１０９Ａを介して、光素子アレイ１１２から離隔するように伝熱する。このため、半導体集積回路素子１１１の熱が光素子アレイ１１２に周り込むのを抑止することが出来る。

また、このように、半導体集積回路素子１１１の熱の光素子アレイ１１２への周り込みを防止できるため、第１の基板１０１上において、半導体集積回路素子１１１と光素子アレイ１１２とを近接させて実装することができる。このため、半導体集積回路素子１１１と光素子アレイ１１２間を接続する導体ワイヤ１２１が長くなるのを防止することができ、インダクタンスの増加による高周波特性の劣化を抑止することが可能である。特に、２５Ｇｂｉｔ/ｓ以上の高速信号伝送においては、高周波特性の劣化を回避するため、光素子―集積回路間の高周波電気配線の距離を１ｍｍ以下に近接させることが求められている。実施例１に係る並列光モジュールによれば、半導体集積回路素子１１１の熱の光素子アレイ１１２への周り込みを防止しつつ、このような半導体集積回路素子１１１と光素子アレイ１１２との近接配置が可能となる。

また、実施例１に係る並列光モジュールによれば、第１の金属層１０４をＧＮＤ（接地）電位とし、第２の金属層１１４をＧＮＤから絶縁（フローティング）して、第１の金属層１０４と第２の金属層１１４とを電気的に絶縁する。これにより、半導体集積回路素子１１１において安定なＧＮＤ電位が保持されるため、電源レベルの変動等に起因する高周波特性のノイズの影響を回避出来る。また、光素子アレイ１１２においては、素子実装回路の低容量化により高速特性に優れた性能を得ることが出来る。

図２（ａ）に、実施例２に係る並列光モジュールの下面斜視図を示し、図２（ｂ）に、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示す。図２（ｂ）に示すように、実施例２に係る並列光モジュールは、第１の基板１０１と、第１の基板１０１上に積層された第２の基板１０２と、第２の基板１０２上に積層された第３の基板１０３とを有し、平坦性を有する積層構造である積層基板２００を有している。なお、実施例１は、第２の基板１０２上に第３の基板１０３を積層した点以外は、実施例１と同様の構成であり、実施例１と共通する構成については、説明を省略する。この点は、以下の実施例２〜実施例６においても同様である。

第１の基板１０１、第２の基板１０２及び第３の基板１０３の構成材料としては、実施例１と同様、例えばアルミナや窒化アルミ等のセラミックを用いてもよく、ガラスエポキシ樹脂等の有機材料を用いてもよい。以下の説明では、第１の基板１０１及び第３の基板１０３をビルドアップ基板とし、第２の基板１０２をコア基板とした例について説明する。

第３の基板１０３は、第４の金属層１０６、第７の金属層１１６を介して、第２の基板１０２上に積層されている。第３の基板１０３には、第４の金属層１０６、第７の金属層１１６が設けられた面と反対側の面に、第５の金属層１０７が設けられている。第３の基板１０３内部には、第４の金属層１０６と第５の金属層１０７とを電気的に接続する第３のビア１１０が複数個設けられており、複数の第３のビア１１０により第３のビアパタン集合体１１０Ａが形成されている。

第３の基板１０３には、第４の金属層１０６、第７の金属層１１６が設けられた面と反対側の面に、第５の金属層１０７と離間して、第８の金属層１１７が設けられている。第３の基板１０３内部には、第７の金属層１１６と第８の金属層１１７とを電気的に接続する第６のビア１２０が複数個設けられており、複数の第６のビア１２０により第６のビアパタン集合体１２０Ａが形成されている。

ビルドアップ基板である第１の基板１０１及び第３の基板１０３が有機樹脂材料により形成されている場合には、これらの基板内に形成される、第１のビア１０８、第３のビア１１０、第４のビア１１８、第６のビア１２０は、レーザ加工により形成するビアホール（Laser Via Hole: 以下、LVHという。）等とすることができる。その形態は、空洞を有するスルーホール（Through Hole: TH）としても良いし、空洞を樹脂材料や金属材料で充填しても良い。

ビルドアップ基板である第１の基板１０１及び第３の基板１０３の厚さとしては、特に限定されないが、通常０．０５〜０．２ｍｍ程度に形成される。また、この場合、ＬＶＨの穴径やピッチについても特に限定されないが、通常０．０５〜０．５ｍｍの範囲で設計される。

また、コア基板である第２の基板１０２については、これらの基板内に形成される第２のビア１０９、第５のビア１１９は、ドリル加工により形成するビアホール（Interstitial Via Hole: IVH）等とすることができる。

コア基板である第２の基板１０２の厚さとしては、特に限定されないが、通常０．３〜２ｍｍ程度と、上記したビルドアップ基板より厚く形成される。また、ＩＶＨの穴径やピッチについては、基板の厚さに応じて適宜調整されるため特に限定されないが、通常０．１〜２ｍｍ程度の範囲で設計される。

第１のビアパタン集合体１０８Ａ、第２のビアパタン集合体１０９Ａ及び第３のビアパタン集合体１１０Ａは、それぞれ、第１の基板１０１と第２の基板１０２と第３の基板１０３との積層方向に向けて光素子アレイ１１２から離れるように、図２（ｂ）に示す積層断面における破線矢印で示す斜め方向（以下、第１の斜め方向という。）に延在するように設けられている。

実施例２に係る並列光モジュールによれば、実施例１に係る並列光モジュールにより得られる効果に加え、以下の効果を得ることができる。即ち、実施例２に係る並列光モジュールによれば、積層基板２００において、第１の基板１０１の光素子アレイ１１２及び半導体集積回路素子１１１の実装面から、この実装面と反対側に積層された第３の基板１０３の表面にかけて、接続用のビア（第１のビア１０８、第２のビア１０９、第３のビア１１０）を設けている。このため、三層の積層基板を用いた場合においても、半導体集積回路素子１１１や光素子アレイ１１２から発生した熱を、各ビアを介して、これらの実装面と反対側の積層基板２００表面に向けて放熱することができる。

また、実施例２に係る並列光モジュールによれば、ビルドアップ基板である第１の基板１０１及び第３の基板１０３内に、第１のビア１０８、第３のビア１１０、第４のビア１１８、第６のビア１２０が、微細な穴径又はピッチで形成されるため、半導体集積回路素子１１１から発する熱を、効率的に放熱することができる。

また、実施例２に係る並列光モジュールによれば、上記したように、第１のビアパタン集合体１０８Ａ、第２のビアパタン集合体１０９Ａ及び第３のビアパタン集合体１１０Ａを、それぞれ、第１の基板１０１と第２の基板１０２と第３の基板１０３との積層方向に向けて光素子アレイ１１２から離れる方向に延在させて設けることで、半導体集積回路素子１１１から発する熱が、第１のビアパタン集合体１０８Ａ〜第３のビアパタン集合体１１０Ａを介して、光素子アレイ１１２から離隔するように伝熱される。このため、三層の積層基板を用いた場合においても、半導体集積回路素子１１１の熱が光素子アレイ１１２に周り込むのを抑止することが出来る。

次に、実施例２に係る並列光モジュールの構成について、放熱性に関する検証を行った。図３に、実施例２に係る並列光モジュールにおける消費電力と光素子の温度との関係についてのシミュレーション結果を示す。

図３では、積層基板として以下の構成を有するものを用いた場合における、並列光モジュールの消費電力と光素子の温度との関係を検証した結果について示した。即ち、積層基板として、図２（ｂ）のＡ−Ａ’断面図で示すように、４層の金属層を配線層として形成し、ビルドアップ基板である第１の基板１０１及び第３の基板１０３にＬＶＨ（ビア間ピッチ：０．１ｍｍ）を形成し、コア基板である第２の基板１０２にＩＶＨ（ビア間ピッチ：０．６ｍｍ）を形成したものを用いた場合について検証した。

また、図２では、並列光モジュールを収容するケースとして、Ａｌ材料製のケースを使用した場合について検証した。ケースの底面積は約１２ｃｍ^２とした。また、ケース温度Ｔ_ｃは、並列光モジュールの通常の動作環境温度の最大値である７０℃とし、風速２．５ｍ/ｓで強制空冷により冷却することを前提として検証を行った。

図３に示す検証結果より、並列光モジュールの消費電力の最大である７．１Ｗ時（２５Ｇｂｐｓ×１２ｃｈの並列光モジュール相当）においても、ケース温度Ｔ_ｃに対する光素子の温度上昇分は６℃程度であった。一般的な並列光モジュールに求められる仕様としては、ケース温度Ｔ_ｃに対する光素子温度の温度上昇が１０℃以内程度であれば良いとされている。従って、図３により、図２に示す構成の並列光モジュールが、放熱特性において問題無いレベルを得られることが示された。以上の結果から、実施例２に示すビアの設置形態を適用した並列光モジュールでは、実装面積の小面積化と、高い放熱特性とを両立することが可能となる。

図４（ａ）は、実施例３に係る並列光モジュールの下面斜視図を示し、図４（ｂ）に、図４（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示す。図４に示す並列光モジュールは、図２に示す並列光モジュールにおいて、第４のビア１１８により形成される第４のビアパタン集合体１１８Ａと、第５のビア１１９により形成される第５のビアパタン集合体１１９Ａと、第６のビア１２０により形成される第６のビアパタン集合体１２０Ａの設置形態を変更した点、及び第２の金属層１０２における光素子アレイ１１２の実装位置を変更した点以外は、実施例１と同様である。

即ち、実施例３に係る光モジュールでは、第４のビアパタン集合体１１８Ａ、第５のビアパタン集合体１１９Ａ及び第６のビアパタン集合体１２０Ａは、それぞれ、第１の基板１０１と第２の基板１０２と第３の基板１０３との積層方向に向けて半導体集積回路素子１１１から離れるように、かつ上記した第１の斜め方向（第１のビアパタン集合体１０８Ａ、第２のビアパタン集合体１０９Ａ及び第３のビアパタン集合体１１０Ａの延在方向）と異なる方向となるように、図４（ｂ）に示す積層断面における破線矢印で示す斜め方向（以下、第２の斜め方向という。）に延在するように設けられている。

即ち、第２のビアパタン集合体１０９Ａと第５のビアパタン集合体１１９Ａとの間の距離は、第１のビアパタン集合体１０８Ａと第４のビアパタン集合体１１８Ａとの間の距離より大きくなるように設けられており、第３のビアパタン集合体１１０Ａと第６のビアパタン集合体１２０Ａとの間の距離は、第２のビアパタン集合体１０９Ａと第５のビアパタン集合体１１９Ａとの間の距離より大きくなるように設けられている。

実施例３に係る並列光モジュールによれば、実施例１及び実施例２に係る並列光モジュールにより得られる効果に加え、以下の効果を得ることができる。即ち、実施例３に係る並列光モジュールによれば、半導体集積回路素子１１１から発する熱は、第１のビアパタン集合体１０８Ａ、第２のビアパタン集合体１０９Ａ、及び第３のビアパタン集合体１１０Ａを介して、光素子アレイ１１２から離隔するように第１の斜め方向に伝熱するとともに、レーザダイオード等の光素子アレイ１１２から発する熱は、第４のビアパタン集合体１１８Ａ、第５のビアパタン集合体１１９Ａ、第６のビアパタン集合体１２０Ａを介して、半導体集積回路素子１１１から離隔するように第２の斜め方向に伝熱する。このため、半導体集積回路素子１１１の熱が光素子アレイ１１２に周り込むのを抑止し、かつ光素子アレイ１１２から発する熱についても、半導体集積回路素子１１１からの熱に干渉されることなく、積層基板３００の表面に高効率で放熱することが可能となる。

また、実施例３に係る並列光モジュールでは、光素子アレイ１１２を、第２の金属層１１４における第４のビア１１８の直下以外の領域に実装している。上記した構成とすることで、ビアパタン形成により発生する、第２の金属層１１４表面の凹凸やうねりが少ない領域に、光素子アレイ１１２が搭載される。これにより、光素子アレイ１１２の搭載部分の平坦性が維持されるため、光素子アレイ１１２と光コネクタ間の安定な光接続を成すことが可能となる。

なお、図４に示す光素子アレイ１１２の設置形態に関しては、実施例１〜２及び後述する実施例４〜６の構成に適用することも可能である。

図５（ａ）は、実施例４に係る並列光モジュールの下面斜視図を示し、図５（ｂ）に、図５（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示す。図５に示す光モジュールは、図４に示す並列光モジュールにおいて、第１の金属層１０４、第３の金属層１０５、第４の金属層１０６、第５の金属層１０７について、それぞれの面積の関係を規定した点以外は、実施例３と同様である。

即ち、実施例４に係る並列光モジュールでは、第１の金属層１０４の面積をａ、第３の金属層１０５の面積をｂ、第４の金属層１０６の面積をｃ、第５の金属層１０７の面積をｄとしたとき、ａ、ｂ、ｃ及びｄが、ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄの関係を有するように、第１の金属層１０４、第３の金属層１０５、第４の金属層１０６、第５の金属層１０７を設けている。第１の金属層１０４の面積ａは、集積回路素子のサイズ等にもよるが、大凡１０〜５００ｍｍ^２の範囲で設けられる。

実施例４に係る並列光モジュールによれば、実施例１乃至実施例３に係る並列光モジュールにより得られる効果に加え、以下の効果を得ることができる。即ち、実施例４に係る並列光モジュールは、実施例１乃至３と同様、第１のビアパタン集合体１０８Ａ、第２のビアパタン集合体１０９Ａ、第３のビアパタン集合体１１０Ａを、それぞれ、第１の基板１０１と第２の基板１０２と第３の基板１０３との積層方向に向けて光素子アレイ１１２から離れるように、図５（ｂ）の積層断面における破線矢印で示す第１の斜め方向に延在させて設けている。このような構成において、第１の金属層１０４、第３の金属層１０５、第４の金属層１０６、第５の金属層１０７を、第１の基板１０１、第２の基板１０２及び第３の基板１０３の積層方向に向かうにしたがい、その設置面積が大きくなるように設けることで、半導体集積回路素子１１１から発する熱を、第１のビアパタン集合体１０８Ａ、第２のビアパタン集合体１０９Ａ、第３のビアパタン集合体１１０Ａを介して、積層基板４００の積層方向に向けて、さらに効率良く放熱することが可能となる。

図６は、実施例５に係る並列光モジュールの断面構成を示す図である。なお、図６に示す断面図は、図２（ｂ）に示す並列光モジュールの積層基板２００に、光コネクタ及び放熱部材を設置した状態を示している。

実施例５に係る並列光モジュールでは、第１の基板１０１に設けられた光素子アレイ１１２から第１の基板１０１の法線方向に出射される光の光路上、又は第１の基板１０１の法線方向から光素子アレイ１１２に入射する光の光路上に、光ファイバ５０６付きの光コネクタ５０５が載置されている。

実施例５に係る並列光モジュールでは、光素子アレイ１１２が、電気信号を光信号に変換するレーザダイオード素子アレイである場合には、第１の基板１０１に対して信号光を垂直方向に出射する表面出射型レーザダイオードを光素子アレイ１１２として実装し、光素子アレイ１１２が、光信号を受信して電気信号に変換する受光素子アレイである場合には、第１の基板１０１の垂直方向から信号光が光素子アレイ１１２に入射する表面入射型受光ダイオードを、光素子アレイ１１２として実装した場合について説明する。

光コネクタ５０５は、光素子アレイ１１２の表面出射型レーザダイオードからそれぞれ第１の基板１０１に対して垂直方向に出射されて、第１の基板１０１に対して法線方向に伝播する光を水平方向に光路変換し、又は光ファイバ５０６から出射されて第１の基板１０１に対して水平方向に伝播する光を、垂直方向に光路変換するミラー５０３と、光素子アレイ１１２の各チャンネルに対応し、光素子アレイ１１２から出射される光又は素子アレイ１１２に入射する光を集光するレンズ５０４とが集積された構造を有している。

また、積層基板２００において、光コネクタ５０５を設置した、第１の基板１０１側の面と反対側の面である、第３の基板１０３側の面上には、熱伝導性を有する絶縁フィルム５０１を介して、金属製の放熱部材５００（ヒートシンク）が載置されている。

絶縁フィルム５０１の材料に関しては、熱伝導性を有するものであれば特に限定されないが、熱伝導率が１〜数十Ｗ/ｍ・Ｋ程度、厚さが０．１〜０．５ｍｍ程度の、一般的に使用される放熱用シートを用いるのが望ましい。放熱部材５００についても、熱伝導率が数百Ｗ／ｍ・Ｋ以上の、一般的に使用されるアルミニウム（Ａｌ）製、銅（Ｃｕ）製、又はＳＵＳ製のものを用いるのが望ましい。

実施例５に係る光モジュールでは、半導体集積回路素子１１１からの熱は、積層基板２００内に設けた第１のビア１０８、第２のビア１０９、第３のビア１１０及び放熱部材５００を介して、積層基板２００の上面側に高効率に放熱される。

実施例５に係る並列光モジュールによれば、光素子アレイ１１２と光学的に接続する光コネクタ５０５を、積層基板２００における第１の基板１０１側に設置し、放熱部材５００を積層基板２００における第３の基板１０３側に設置している。即ち、放熱部材５００と光コネクタ５０５とを、それぞれ別々の面に搭載している。従って、両者の熱的な干渉を回避しつつ、並列光モジュール全体の実装面積の小面積化と、高い放熱特性との両立が可能となる。

また、放熱部材５００には、溝部５０２が設けられている。放熱部材５００は、第５の金属層１０７を介して第３のビア１１０と接触する部分と、第８の金属層１１７を介して第６のビア１２０と接触する部分との間に溝部５０２が配置されるように、第３の基板１０３の表面上に設置されている。

上記した構成とすることで、半導体集積回路素子１１１から、第１のビア１０８乃至第３のビア１１０を介して伝達する熱と、光素子アレイ１１２から、第４のビア１１８乃至第６のビア１２０を介して伝達する熱とが、溝部５０２によって空間的に熱隔離される。従って、半導体集積回路素子１１１からの熱が光素子１１２に伝達するのをさらに効果的に抑制することが可能となる。

図７（ａ）は、実施例６に係る並列光モジュールの下面斜視図を示し、図７（ｂ）に、図７（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示し、図７（ｃ）に、図７（ａ）のＢ−Ｂ’断面図を示す。実施例６に係る並列光モジュールは、図７（ａ）及びそのＡ−Ａ’断面図である図７（ｂ）に示すように、第１の基板１０１に設けた第１の金属層１０４上に、半導体集積回路素子としてレーザドライバ回路６０２が実装され、第１の基板１０１に設けた第４の金属層１１４上に、光素子アレイとして、レーザダイオード素子アレイ６０１が実装されている。なお、図７において、Ａ−Ａ’断面図で示す領域は、上記の点以外は図２（ａ）、（ｂ）で示したのと同様の構成を有している。

レーザドライバ回路６０２は、レーザダイオード素子アレイ６０１の各レーザダイオード素子に電気信号を入力し、かつこの電気信号のパターンに対応した光信号が出力されるようにバイアス電流を印加して、各レーザダイオード素子を駆動するものである。また、レーザダイオード素子アレイ６０１の各レーザダイオード素子は、第１の基板１０１に対して信号光を垂直方向に出射する表面出射型レーザダイオードである。レーザダイオード素子アレイ６０１の各レーザダイオード素子とレーザドライバ回路６０２とは、導体ワイヤ１２１を介して電気的に接続されている。

また、図７（ａ）及びそのＢ−Ｂ’断面図である図７（ｃ）に示すように、第１の基板１０１上には、第１の金属層１０４から離れた位置に、第９の金属層６０４が設けられており、第９の金属層６０４上には、半導体集積回路素子としてトランスインピーダンス増幅回路６０３が実装されている。また、第１の基板１０１上には、第４の金属層１１４から離れた位置に、第１０の金属層６０５が設けられており、第１０の金属層６０５上には、光素子アレイとして、表面入射型の受光ダイオード素子アレイ６００が載置されている。

トランスインピーダンス増幅回路６０３は、受光ダイオード素子アレイ６００の各受光ダイオード素子からの電気信号を増幅する機能を有する。受光ダイオード素子アレイ６００の各受光ダイオード素子は、第１の基板１０１の垂直方向から信号光が受光ダイオード素子に入射する表面入射型受光ダイオードである。受光ダイオード素子アレイ６００の各受光ダイオード素子とトランスインピーダンス増幅回路６０３とは、導体ワイヤ６１９を介して電気的に接続されている。

図７（ａ）に示すように、レーザダイオード素子アレイ６０１の各レーザダイオード素子（発光部）と受光ダイオード素子アレイ６００の各受光ダイオード素子（受光部）とは、ｘ−ｘ’で示す一直線上に並ぶように実装されている。そして、レーザドライバ回路６０２とトランスインピーダンス増幅回路６０３とは、このｘ−ｘ’線を挟んで対向するように実装されている。

なお、図７（ｃ）のＢ−Ｂ’断面図に示すように、第９の金属層６０４には、第１の基板１０１、第２の基板１０２及び第３の基板１０３にそれぞれ設けられた、第７のビア６１０、第８のビア６１２、第９のビア６１３により、第１１の金属層６１１、第１２の金属層６０８、第１３の金属層６０９が電気的に接続されている。第７のビア６１０、第８のビア６１２及び第９のビア６１３の設置形態は、Ａ−Ａ’断面図における第１のビア１０８、第２のビア１０９及び第３のビア１１０と同様に、それぞれのビアパタン集合体が、第１の基板１０１と第２の基板１０２と第３の基板１０３との積層方向に向けて受光ダイオード素子アレイ６００から離れるように、図７（ｂ）に示す積層断面における破線矢印で示す斜め方向に延在するように設けられている。

また、第１０の金属層６０５には、第１の基板１０１、第２の基板１０２及び第３の基板１０３にそれぞれ設けられた、第１０のビア６０７、第１１のビア６１７、第１２のビア６１８により、第１４の金属層６１４、第１５の金属層６１５、第１６の金属層６１６が電気的に接続されている。

実施例６に係る並列光モジュールによれば、送信部となるレーザダイオード素子アレイ６０１及びレーザドライバ回路６０２と、受信部となる受光ダイオード素子アレイ６００及びトランスインピーダンス増幅回路６０３とを、同一の基板面である第１の基板１０１上に設置することにより、実装面積の小面積化と光モジュールにおける高い放熱特性の両立が可能となる。

また、実施例６に係る並列光モジュールによれば、図７（ｂ）のＡ−Ａ’断面図に示すように、レーザドライバ回路６０２から発する熱は、第１のビア１０８乃至第３のビア１１０を介して、第１の基板１０１乃至第３の基板１０３の積層方向に向けて、図７（ｂ）における破線矢印で示す方向に放熱される。

さらに図７（ｃ）のＢ−Ｂ’断面図に示すように、トランスインピーダンス増幅回路６０３から発する熱は、第７のビア６１０乃至第９のビア６１３を介して、
第１の基板１０１乃至第３の基板１０３の積層方向に向けて、図７（ｃ）における破線矢印で示す方向に放熱される。

このように、レーザドライバ回路６０２から発する熱とトランスインピーダンス増幅回路６０３から発する熱は、それぞれ異なる方向に放熱されるため、送信部と受信部間における熱の干渉の影響を回避することが可能である。

さらに、レーザドライバ回路６０２とトランスインピーダンス増幅回路６０３とは、ｘ−ｘ’線を挟んで対向するように実装されている。このため、これらの回路をｘ−ｘ’線に関して同じ側に設置した場合と比較して、レーザドライバ回路６０２から発する熱とトランスインピーダンス増幅回路６０３から発する熱との干渉を、より高精度に回避することが可能となる。

以上説明した実施例１〜実施例６に係る並列光モジュールでは、２層又は３層の積層基板を用いた場合を例に説明したが、積層基板としては、４層以上の積層基板を用いることも可能である。

１００、２００、３００、４００、８００…積層基板、１０１…第１の基板、１０２…第２の基板、１０３…第３の基板、１０４…第１の金属層、１０５…第３の金属層、１０６…第４の金属層、１０７…第５の金属層、１０８…第１のビア、１０９…第２のビア、１１０…第３のビア、１１１…半導体集積回路素子１１１、１１２…光素子アレイ、１１３…信号線路パタン、１１４…第２の金属層、１１５…第６の金属層、１１６…第７の金属層、１１７…第８の金属層、１１８…第４のビア、１１９…第５のビア、１２０…第６のビア、１２１、６１９…導体ワイヤ、５００…放熱部材、５０１…熱伝導性フィルム、５０２…溝部、５０３…光路変換ミラー、５０４…レンズ、５０５…光コネクタ、５０６…光ファイバ、６００…受光ダイオード素子アレイ、６０１…レーザダイオード素子アレイ、６０２…レーザドライバ回路、６０３…トランスインピーダンス増幅回路

Claims (12)

1. 一方の面に第１の金属層及び該第１の金属層と離間した第２の金属層が設けられ、他方の面に第３の金属層が設けられた第１の基板と、
   前記第３の金属層を介して前記第１の基板上に積層され、前記第３の金属層が設けられた面と反対側の面に第４の金属層が設けられた第２の基板と、
   前記第１の金属層上に実装された半導体集積回路素子と、
   前記第２の金属層上に実装された光素子アレイと、を有し、
   前記第１の基板には、前記第１の金属層と前記第３の金属層とを電気的に接続する第１のビアが複数個設けられ、該複数の第１のビアにより第１のビアパタン集合体が形成され、
   前記第２の基板には、前記第３の金属層と前記第４の金属層とを電気的に接続する第２のビアが複数個設けられ、該複数の第２のビアにより第２のビアパタン集合体が形成され、
   前記第１のビアパタン集合体及び前記第２のビアパタン集合体は、前記第１の基板と前記第２の基板との積層方向に向けて前記光素子アレイから離れる方向に延在するように設けられていることを特徴とする並列光モジュール。
2. 前記第１の金属層は接地電位に保持され、前記第２の金属層は前記第１の金属層と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の並列光モジュール。
3. 前記第４の金属層を介して前記第２の基板上に積層され、前記第４の金属層が設けられた面と反対側の面に第５の金属層が設けられた第３の基板を有し、前記第３の基板には、前記第４の金属層と前記第５の金属層とを電気的に接続する第３のビアが複数個設けられ、該複数の第３のビアにより第３のビアパタン集合体が形成され、
   前記第１のビアパタン集合体、前記第２のビアパタン集合体及び前記第３のビアパタン集合体は、前記第１の基板と前記第２の基板と前記第３の基板との積層方向に向けて前記光素子アレイから離れる方向に延在するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の並列光モジュール。
4. 前記第１の基板には、前記第２の金属層が設けられた面と反対側の面に、第６の金属層が前記第３の金属層と離間して設けられており、かつ前記第２の金属層と前記第６の金属層とを電気的に接続する第４のビアが複数個設けられ、該複数の第４のビアにより第４のビアパタン集合体が形成され、
   前記第２の基板には、前記第６の金属層が設けられた面と反対側の面に、第７の金属層が前記第４の金属層と離間して設けられており、かつ前記第６の金属層と前記第７の金属層とを電気的に接続する第５のビアが複数個設けられ、該複数の第５のビアにより第５のビアパタン集合体が形成され、
   前記第３の基板には、前記第７の金属層が設けられた面と反対側の面に、第８の金属層が前記第５の金属層と離間して設けられており、かつ前記第７の金属層と前記第８の金属層とを電気的に接続する第６のビアが複数個設けられ、該複数の第６のビアにより第６のビアパタン集合体が形成され、
   第４のビアパタン集合体、第５のビアパタン集合体及び第６のビアパタン集合体は、前記第１の基板と前記第２の基板と前記第３の基板との積層方向に向けて前記半導体集積回路素子から離れる方向に、かつ第１のビアパタン集合体、第２のビアパタン集合体及び第３のビアパタン集合体の延在方向と異なる方向に延在するように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の並列光モジュール。
5. 前記第２の基板は、有機樹脂材料を有するコア基板であり、前記第１の基板及び前記第３の基板は、有機樹脂材料を有するビルドアップ基板であることを特徴とする請求項３又は４に記載の並列光モジュール。
6. 前記第１の金属層の面積をａ、前記第３の金属層の面積をｂ、前記第４の金属層の面積をｃ、前記第５の金属層の面積をｄとしたとき、ａ、ｂ、ｃ及びｄは、ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄの関係を有することを特徴とする請求項３記載の並列光モジュール。
7. 前記光素子アレイは、前記第２の金属層における前記第４のビアの直下以外の領域に実装されていることを特徴とする請求項４記載の並列光モジュール。
8. 前記第１の基板と前記第２の基板とを有する積層構造における、該第１の基板により形成される面と反対側の面上に放熱部材が設置されていることを特徴とする請求項１記載の並列光モジュール。
9. 前記第３の基板の表面上に、溝部を有する放熱部材が設置されており、
   前記放熱部材は、前記第５の金属層を介して前記第３のビアと接触する部分と、前記第８の金属層を介して前記第６のビアと接触する部分との間に前記溝部が配置されるように設置されていることを特徴とする請求項４に記載の並列光モジュール。
10. 前記光素子アレイは、表面出射型レーザダイオード又は表面入射型受光ダイオードであり、
    前記表面出射型レーザダイオードから前記第１の基板の法線方向に出射される光の光路上、又は前記第１の基板の法線方向から前記表面入射型受光ダイオードに入射する光の光路上に、伝播光の光路を変換するミラーと、前記伝播光を集光するレンズとを有する光コネクタを設置したことを特徴とする請求項８に記載の並列光モジュール。
11. 前記光素子アレイが、電気信号を光信号に変換するレーザダイオード素子アレイである場合には、前記レーザダイオード素子アレイには、前記半導体集積回路素子として、前記レーザダイオード素子アレイの各レーザダイオード素子に電気信号を入力し、かつ該電気信号のパターンに対応した光信号が出力されるように前記各レーザダイオード素子を駆動するレーザドライバ回路が導体ワイヤにより接続されており、
    前記光素子アレイが、光信号を受信して電気信号に変換する前記受光素子アレイである場合には、前記受光素子アレイには、前記半導体集積回路素子として、前記受光素子アレイの各受光素子からの電気信号を増幅するトランスインピーダンス増幅回路が、導体ワイヤにより接続されていることを特徴とする請求項１に記載の並列光モジュール。
12. 前記レーザダイオード素子アレイ及び前記レーザドライバ回路が、前記受光素子アレイ及び前記トランスインピーダンス増幅回路が実装された面と同じ面に実装されており、
    前記レーザドライバ回路と前記トランスインピーダンス増幅回路とは、前記レーザダイオード素子アレイの発光部を結ぶ直線又は前記受光素子アレイの受光部を結ぶ直線を挟んで対向するように実装されていることを特徴とする請求項１１に記載の並列光モジュール。

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