JP2020205330A - 光モジュール基板及び光モジュール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光機能デバイス及び駆動デバイスと、周辺デバイスとを基板を挟んで対向配置することで、配線の最短化及び低インダクタンス化による応答性の高速化を実現すると共に、放熱性を高めることのできる光モジュール基板を提供することである。【解決手段】ＶＣＳＥＬ１４ａ及びＰＤ１４ｂからなる光機能デバイス１４と、光機能デバイス１４を駆動する駆動デバイス１５と、キャパシタ素子１６ａからなる周辺デバイス１６と、光機能デバイス１４及び駆動デバイス１５が実装される第１の回路パターン１７、周辺デバイス１６が実装される第２の回路パターン１８を有する基板と、を備えた光モジュール基板であって、前記光機能デバイス１４及び駆動デバイス１５が実装される第１の回路パターン１７と、周辺デバイス１６が実装される第２の回路パターン１８とが対向するように形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、光機能デバイス及び駆動デバイスを搭載した光モジュール基板及び光モジュール装置に関するものである。

近年、３Ｄセンシングや光通信用の半導体デバイスとして、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）やフォトダイオード（ＰＤ）等の光機能デバイスを搭載した光モジュール装置が用いられている。このような機能を備えた光モジュール装置は、光機能デバイス及びその周辺デバイス等が同一面に実装された基板と、光機能デバイスから光を放出あるいは入光させるための透光性を有する封止体とによって構成されている。

特許文献１には、シリコン基板の一の面に設けた凹部内にＶＣＳＥＬ等の光機能デバイスを搭載し、その上をガラス基板によって封止することで、光機能デバイスから出射された光を透過する構造の光モジュール装置が開示されている。

特許文献２には、ＶＣＳＥＬ等の光機能デバイス、駆動デバイス及び受動素子等が実装されてなる配線基板が開示されている。この配線基板は、両面が電子部品の実装面となっており、一方の面に少なくとも光機能デバイスが実装され、他方の面に少なくとも受動素子が実装され、駆動デバイスはいずれかの面に実装可能な構成となっている。

特開２００９−２７０８８号公報 特開２０１０−１４１２８９号公報

上記光モジュール装置にあっては、搭載する電子機器の小型化や高速応答性の要求に伴い、小型化及び高速化に適した構成が要求されると共に、発熱に伴う性能劣化等を抑えるために放熱性も重要な要素となっている。

特許文献１における光モジュール装置にあっては、ガラス基板がシリコン基板の上面に形成されている電極層の一部と交差するようにして凹部を封止する構造となっている。このような構造であると、電極層と交差する部分に隙間が生じやすく、光機能素子を収容する凹部内の気密性が低下するおそれがある。

特許文献２は、基板の表面と裏面とに分けて光機能デバイス、駆動デバイス及び周辺デバイスを配置することができるので、小型化には寄与することができる。しかしながら、基板の表裏面に密に光機能デバイスや駆動デバイス等を配置すると、放熱性が悪くなるため、性能劣化を引き起こしやすくなる。また、キャパシタ素子等の配置やその配線の経路を考慮しないと、インダクタンスが高くなり、光機能デバイスにおける応答性が低下する場合がある。そのため、光機能デバイスを用いたセンシングや通信機能を十分に引き出すことができず性能の向上が妨げられるおそれがあった。

そこで、本発明の目的は、光機能デバイス及び駆動デバイスと、周辺デバイスとを基板を挟んで対向配置することで、配線の最短化及び低インダクタンス化による応答性の高速化を実現すると共に、放熱性を高めることのできる光モジュール基板及び光モジュール装置を提供することである。

本発明の光モジュール基板は、受発光素子からなる光機能デバイスと、光機能デバイスを駆動する駆動デバイスと、受動素子からなる周辺デバイスと、前記光機能デバイス及び駆動デバイスが実装される第１の回路パターンと前記周辺デバイスが実装される第２の回路パターンを有する基板と、を備えた光モジュール基板であって、前記光機能デバイス及び駆動デバイスが実装される第１の回路パターンと、前記周辺デバイスが実装される第２の回路パターンとが対向するように形成されている。

本発明の光モジュール基板によれば、光機能デバイス及び駆動デバイスが実装されている第１の回路パターンと、周辺デバイスが実装されている第２の回路パターンとが対向するように形成されているので、周辺デバイスを最短距離で接続することができる。また、第１回路パターン及び第２の回路パターンを流れる電流の磁性の打ち消し作用によってインダクタンス成分の低減効果が得られ、光機能デバイスの応答性が高速化する。

光モジュール基板を表面側から見た斜視図である。 光モジュール基板を裏面側から見た斜視図である。 光モジュール基板のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）本発明の第１の回路パターン図、（ｂ）本発明の第２の回路パターン図である （ａ）各デバイスを平面配置した回路構成図、（ｂ）平面配置構成の回路パターン図である。 光モジュール装置の分解斜視図である。

以下、本発明に係る光モジュール基板及び光モジュール装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面は、光モジュール基板及び光モジュール装置を模式的に表したものである。これらの実物の寸法および寸法比は、図面上の寸法および寸法比と必ずしも一致していない。また、重複説明は適宜省略させることがあり、同一部材には同一符号を付与することがある。

本発明の光モジュール装置１０は、３Ｄセンシング機能を有するものであり、図６に示すように、光モジュール基板１１と、この光モジュール基板１１を封止するケース３１とによって構成されている。図１乃至図３は、光モジュール基板１１の構成を示したものである。この光モジュール基板１１は、上層部１２ａ、中層部１２ｂ及び下層部１２ｃからなる３層構造の基板１２によって形成され、各層がビアホールを介して電気的に接続されている。前記上層部１２ａには第１の回路パターン（上層回路パターン）１７が形成され、この上層回路パターン１７上に光機能デバイス１４及び駆動デバイス１５が隣接して実装されている。前記中層部１２ｂには第２の回路パターン（中層回路パターン）１８が形成され、この中層回路パターン１８に周辺デバイス１６が実装されている。また、下層部１２ｃには、前記周辺デバイス１６を介して光機能デバイス１４及び駆動デバイス１５に信号を伝達するための複数の外部電極１９が形成されている。本実施形態では、基本構成として３層構造の基板１２を使用したが、光機能デバイス１４や駆動デバイス１５における配線数や外部電極の数に応じて、２層又は４層以上の構成とすることもできる。

前記光機能デバイス１４は、発光素子である面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）１４ａと、受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１４ｂとで構成されている。駆動デバイス１５は、光機能デバイス１４を制御する機能を備えた半導体集積回路チップであり、複数の入出力端子を備えている。周辺デバイス１６は、光機能デバイス１４と駆動デバイス１５との間の電流の流れを規制すると共にノイズ等を抑えるための複数の受動素子で構成されている。本実施形態では、前記受動素子の中でも、特に光機能デバイス１４を駆動するパルス波形に影響を及ぼすキャパシタ素子１６ａの配置について特定した。他のインダクタ素子やコイル等は、基板１２の各層に適宜実装されるが図示等は省略する。凹部１３は、光機能デバイス１４又は駆動デバイス１５の裏面側に設けられ、キャパシタ素子１６ａが収容可能な広さ及び深さを有して形成されている。本実施形態では２個のキャパシタ素子１６ａが並列に収容されているが、光機能デバイス１４や駆動デバイス１５の仕様等に応じて適宜の容量や耐圧のものが選択して使用される。

前記基板１２の各層は、熱伝導性の高いセラミック基材が用いられ、下層部１２ｃのセラミック基材の一部を矩形状に貫通加工することによって前記凹部１３が形成される。この貫通加工は、例えばフォトリソ工程により形成されたレジストパターンを介した異方性エッチングによって行うことができる。なお、基板１２の材質は、セラミックには限定されず、シリコンやガラスエポキシ等の他の材料であってもよい。また、前記基板１２として用いられるセラミック基材は、焼成前のグリーンシートを加工したものを積層し、焼成することによって前記凹部１３を形成することもできる。

基板１２の下層部１２ｃには、搭載される電子機器のマザーボード等に実装されて光機能デバイス１４や駆動デバイス１５等との電気的接続を図るための外部電極１９が複数設けられている。この外部電極１９をバンプ電極によって形成することによってリフローによる表面実装が可能となる。なお、このようなバンプ電極に限らず、膜状や板状の電極であってもよい。

本実施形態の光モジュール基板１１では、光検出センサを実現するために、光機能デバイス１４として、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）１４ａと、フォトダイオード（ＰＤ）１４ｂとを備えているが、ＶＣＳＥＬ１４ａ又はＰＤ１４ｂのいずれか一方を搭載した構成とする場合もある。ＶＣＳＥＬ１４ａは被検出物の所定範囲を照射する光源として機能し、ＰＤ１４ｂは光学部材３２によって反射した光を検出する機能を有している。ＶＣＳＥＬ１４ａ及びＰＤ１４ｂの接続端子や外部電極は、ＶＣＳＥＬ１４ａ及びＰＤ１４ｂのそれぞれにアノード、カソード端子を設けた４極構造又はＶＣＳＥＬ１４ａ及びＰＤ１４ｂのいずれか一つを共通化した３端子構造によって形成される。なお、電気的に接続されている共通電極は、接続部が複数であっても、極数、もしくは、端子数は一つである。

前記キャパシタ素子１６ａは、高周波特性が良好で耐熱性の高いセラミックコンデンサを使用するのが好ましく、使用する光機能デバイス１４や駆動デバイス１５の電気的特性の応じた容量となるように複数並列接続される。

ＶＣＳＥＬ１４ａは、駆動デバイス１５から出力される順方向のバイアス電圧を印加することによって起動する。そして、しきい値を越える電流がＶＣＳＥＬ１４ａに印加されると、所定波長のレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、図６に示す光学部材３２を透過して外部の被検出物へ出力される。ＰＤ１４ｂは、光学部材３２からの反射光を検出し、光学部材３２の位置を確認している。そして、光学部材３２の位置が変わると、駆動デバイス１５を介してレーザ光の出力を制御する。

図４（ａ），（ｂ）は、上層回路パターン１７及び中層回路パターン１８の形成例を模式的に示したものである。なお、上層回路パターン１７及び中層回路パターン１８を構成する各パターンの形状や数は例示であり、これに限定されるものではない。上層回路パターン１７は、ＶＣＳＥＬ１４ａを囲うようにして形成され、第１のビアホール２８が設けられる第１パターン２１と、ＰＤ１４ｂが実装される第２パターン２２と、ＶＣＳＥＬ１４ａが載置され、隣接する駆動デバイス１５に向けて延びる第３パターン２３と、駆動デバイス１５が実装され、第２のビアホール２９が設けられる第４パターン２４とを備えている。一方、中層回路パターン１８は、第１のビアホール２８と繋がる第５パターン２５と、第２のビアホール２９と繋がり、キャパシタ素子１６ａの一端に向けて延びる第６パターン２６とによって構成されている。第６パターン２６は、第３パターン２３及び第４パターン２４と基板１２の上層部１２ａ及び中層部１２ｂを挟んで対向するように形成されるため、パターン面を広くして形成することができる

上記回路パターン構成によると、基板１２の上層部１２ａにおいては、ＶＣＳＥＬ１４ａと駆動デバイス１５とが最短距離で接続される。中層部１２ｂにおいては、駆動デバイス１５に入出力される信号とキャパシタ素子１６ａとが最短で接続されることとなる。また、基板１２の上層部１２ａに形成されている上層回路パターン１７を流れる電流の向き（Ｉ１）と、中層部１２ｂに形成されている中層回路パターン１８のキャパシタ素子１６ａを流れる電流の向き（Ｉ２）が相反するため、双方の磁性が打ち消し合うように作用する。また、中層回路パターン１８の面積を広く確保できるため、回路のインダクタンスを低減させる効果を得ることができる。なお、第１のビアホール２８及び第２のビアホール２９において、それぞれのビアホールに流れる電流の向きを交互に変えるような回路構成とすることもできる。例えば、隣接するビアホールにおける電流の流れる方向が相反するように設計することによって、双方の磁性が打ち消し合い、これによっても回路のインダクタンスを低減させる効果が得られる。

図５は光機能デバイス１４、駆動デバイス１５及び周辺デバイス１６を基板の表面に２次元的に配置した場合の構成例を示したものである。この図５に示した回路構成と、図４に示した本発明の回路構成とにおいて、配線長及び配線インダクタンスを比較した結果を表１に示す。

図５の回路構成においては、駆動デバイス１５から周辺デバイス１６に延びる回し込みパターン２７の経路が長くなることから全体の配線長が約８．４５ｍｍとなる。これに対して、本発明では、図４に示したように、基板１２の上層部１２ａから第２のビアホール２９を介して中層部１２ｂに最短距離で繋がり、さらに光機能デバイス１４の裏面に沿って直線状に延びるようにしてキャパシタ素子１６ａに繋がるので、配線長は約５．２ｍｍとなる。このため、全体の配線長は、約３４パーセント減少する。また、浮遊インダクタンスについては、上層回路パターン１７と中層回路パターン１８とが対向するように形成され、磁性が打ち消し合うので、図５の５００ｐＨに対して、図４では３０８ｐＨに低減した。その結果、ＶＣＳＥＬ１４ａを起動させるパルスの立ち上がり波形が急峻となり方形波に近くなるので、応答時間の高速化が図られる。さらに、光機能デバイス１４及び駆動デバイス１５から発せられる熱が基板１２の下層部１２ｃに伝達されて外部に放出されるので、動作の安定化が図られることとなる。

上記実施形態では、周辺デバイス１６を光機能デバイス１４の直下に配置したが、駆動デバイス１５の直下に設けることもできる。このような場合であっても、中層部１２ｂに形成される中層回路パターン１８は上層回路パターン１７と対向すると共に、パターン長も略同一となるので、同様のインダクタンスを低減させる効果を得ることができる。一方、光機能デバイス１４の裏面側は全面が中層部１２ｂで、その直下が下層部１２ｃとなるので、光機能デバイス１４で発生した熱を効率よく下層部１２ｃに形成されている複数の外部電極１９を介してマザーボード等に放熱させることができる。光機能デバイス１４の周辺は空気、もしくは、樹脂等に覆われるが、放熱性が低い。このため、発熱源となる光機能デバイス１４の直下に、実装されるマザーボード等までの放熱経路を設けることによって放熱性を向上させることができる。このように、インダクタンスを抑えた最短距離にて光機能デバイス１４、駆動デバイス１５及び周辺デバイス１６を配置することができると共に、特に光機能デバイス１４から発せられる熱を効率よく外部に放熱させることができるので、応答性よく且つ安定した駆動を行うことができる。

図６は、上記光モジュール基板１１にケース３１によって封止される光モジュール装置１０の構成を分解図によって示したものである。ケース３１には、ＶＣＳＥＬ１４ａ及びＰＤ１４ｂからなる光機能デバイス１４を露出する窓部３３が設けられ、この窓部３３に光学部材３２が配置されて密封されている。前記光学部材３２は透明なガラス板の他、光の屈折あるいは拡散等の機能を有した各種の光学材料を組み合わせることができる。光の屈折あるいは拡散等の機能を有した各種の光学材料としては、μｍオーダーの精度で加工されたマイクロレンズアレイや回折格子等が使用できる。

本発明の光モジュール基板１１では、光機能デバイス１４、駆動デバイス１５及び周辺デバイス１６を多層構造の基板１２に搭載する際に、基板１２の上層部１２ａに光機能デバイス１４及び駆動デバイス１５を配置し、中層部１２ｂに周辺デバイス１６を配置することによって、それぞれのデバイスを最短距離で接続することができる。また、基板１２の上層部と中層部に形成される回路パターンの電流が流れる方向をそれぞれ相反するように設定することで、磁性の打ち消し作用によるインダクタンスの低減効果が得られる結果、光機能デバイス１４の応答性を向上させることができる。さらに、基板１２を熱伝導性の良好なセラミック基材で形成し、発熱源となる光機能デバイス１４及び駆動デバイス１５を基板１２の上層部に配置し、基板１２の中層部を熱伝導面としたことで、外部電極を介して効果的に外部へ放熱させることができるので、光機能デバイス１４の特性変動や経年劣化を有効に防止することができる。

１０ 光モジュール装置
１１ 光モジュール基板
１２ 基板
１２ａ 上層部
１２ｂ 中層部
１２ｃ 下層部
１３ 凹部
１４ 光機能デバイス
１４ａ ＶＣＳＥＬ（面発光型半導体レーザ）
１４ｂ ＰＤ（フォトダイオード）
１５ 駆動デバイス
１６ 周辺デバイス
１６ａ キャパシタ素子
１７ 上層回路パターン（第１の回路パターン）
１８ 中層回路パターン（第２の回路パターン）
１９ 外部電極
２１ 第１パターン
２２ 第２パターン
２３ 第３パターン
２４ 第４パターン
２５ 第５パターン
２６ 第６パターン
２７ 回し込みパターン
２８ 第１のビアホール
２９ 第２のビアホール
３１ ケース
３２ 光学部材
３３ 窓部

Claims (9)

1. 受発光素子からなる光機能デバイスと、光機能デバイスを駆動する駆動デバイスと、受動素子からなる周辺デバイスと、前記光機能デバイス及び駆動デバイスが実装される第１の回路パターンと前記周辺デバイスが実装される第２の回路パターンを有する基板と、を備えた光モジュール基板であって、
   前記光機能デバイス及び駆動デバイスが実装される第１の回路パターンと、前記周辺デバイスが実装される第２の回路パターンとが対向するように形成されている光モジュール基板。
2. 前記周辺デバイスは、前記光機能デバイス又は駆動デバイスが実装される基板の裏面側に実装されている請求項１に記載の光モジュール基板。
3. 前記周辺デバイスは、前記基板の裏面側を凹接した凹部内に実装されている請求項２に記載の光モジュール基板。
4. 前記第１の回路パターンは前記光機能デバイスと駆動デバイスとが隣接する方向に延び、前記第２の回路パターンは前記第１の回路パターンと対向して延び、前記基板に設けた複数のビアホールを介して電気的に接続されている請求項１に記載の光モジュール基板。
5. 前記基板は、少なくとも上層部、中層部及び下層部の３層構造からなり、上層部に前記第１の回路パターン、中層部に前記第２の回路パターン、下層部に前記第１の回路パターン及び第２の回路パターンに電気的に接続される外部電極が形成されている請求項１に記載の光モジュール基板。
6. 前記基板は、放熱性の高いセラミック基材によって形成されている請求項１乃至５のいずれかに記載の光モジュール基板。
7. 前記受発光素子は、面発光型半導体レーザとフォトダイオードとで構成されている請求項１に記載の光モジュール基板。
8. 前記受動素子は、キャパシタ素子である請求項１に記載の光モジュール基板。
9. 請求項１乃至８に記載の光モジュール基板を、光機能デバイスが露出する光学部材を一部に有するケースで封止した光モジュール装置。

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