JP3640833B2

JP3640833B2 - 高速信号処理装置

Info

Publication number: JP3640833B2
Application number: JP09694199A
Authority: JP
Inventors: 龍介川野; 直明山中
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-04-02
Filing date: 1999-04-02
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: JP2000294969A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速・大容量のＭＣＭ(Multi Chip Module) に関する。特に、その入出力信号インタフェースに光信号を使用するＭＣＭに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＣＭ技術は、半導体集積回路を高密度に実装するために適した手法である。図７はＭＣＭの従来の実装構成および接続を示す図であるが、図７に示すようにセラミック、半導体、樹脂などの各種基板上に半導体チップを搭載して構成される。
【０００３】
ＭＣＭ実装のためにはＭＣＭ基板ごとＱＦＰ(Quad Flat Package) タイプのパッケージなどに搭載され、これらのＭＣＭ相互間の接続はプリントボード上に形成された配線を用いて行われる。また、図７に示すように、ＭＣＭ相互間あるいはＭＣＭと他の機器との間は電気的に接続される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、交換機のスイッチモジュールのように、その内部に含まれる半導体集積チップ（以下ＬＳＩと呼ぶ）の信号入出力速度が高く、しかも、その本数が極めて多い場合には、電気信号ピンで取り出すことは、高速信号の同時多並列伝送の観点からある程度の速度とピン数のところで限界に来るという問題がある。
【０００５】
さらに、これらのＭＣＭ同士を接続したい場合には、一旦ＭＣＭをプリントボードに実装し、このプリントボードより、コネクタによって外部と接続する方法がとられている。
【０００６】
したがって、ＭＣＭ−Ｃ(MCM-Co-fired)と呼ばれる技術を用いればＭＣＭ内では非常に高速の信号伝送ができても、そこから信号を外に出すためには、クロストーク、スキューおよび信号線のインピーダンス制御の観点から高速信号動作の困難なプリントボードを介さなくてはならない。
【０００７】
そこで、高速・超多並列信号の入出力を有するＭＣＭからＭＣＭ内部のＬＳＩが有する信号速度を低減することなく、外部の装置と比較的長距離でも直接、光で接続できる光フロントエンドを有する光インタフェースＭＣＭという装置が課題解決のために有望と考えられているが概念のみであり、物を実現するためにはその具体的構成法が必要である。しかも、発熱の大きなＬＳＩ集積部と温度によってその波長や出力パワーが変動し易いレーザ素子を含む光モジュールを一体化するためにはこれらの冷却を如何に実現するかが大きな課題である。
【０００８】
本発明は、このような背景に行なわれたものであって、高速かつ超多並列信号の入出力を有するＭＣＭからＭＣＭ内部のＬＳＩが有する信号速度を低減することなく、外部の装置と比較的長距離でも直接、光で接続できる光インタフェースマルチチップモジュールとしてのＭＣＭを提供することを目的とする。これにより、本発明は、光インタフェースマルチチップモジュールを用いた高速信号処理装置を提供することを目的とする。本発明は、光インタフェースＭＣＭを効率良く冷却することができる高速信号処理装置を提供することを目的とする。本発明は、組み立て工程を簡単化することができる高速信号処理装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、具体的構成に基づく光インタフェースＭＣＭの実現方法を提供することを最も主要な特徴とする。このとき、冷却構造と一体化した金属などのフレームをＭＣＭおよび多並列光インタコネクションモジュールの位置合わせおよび支持のためのプラットフォームとして構成することを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明は高速信号処理装置であって、本発明の特徴とするところは、複数のＬＳＩを相互に接続して構成されるＭＣＭを１以上備え、このＭＣＭ相互間あるいはこのＭＣＭと他の機器間とを光信号により接続する手段を備え、前記ＭＣＭおよび前記光信号により接続する手段および冷却手段が共通に実装されるフレームが設けられ、前記フレームは、熱伝導良好な材質により形成されたところにある。
【００１１】
このように、熱伝導率良好な材質により形成されたフレームを介して冷却手段はＭＣＭおよび光信号により接続する手段からの発熱を吸収することができる。前記ＭＣＭの基板は、例えば、セラミック焼成基板により形成されることにより、熱抵抗が樹脂系基板よりも小さいために、高い冷却性能を期待することができる。
【００１２】
前記フレームの材質は、前記基板の熱膨張係数と近い熱膨張係数を有することが望ましい。これにより、フレームの熱膨張とともにＭＣＭ基板も同じ程度に熱膨張するために、基板とフレームとを密着させるための接着面あるいはネジ穴位置の整合性に歪が生じる可能性を小さくすることができる。また、ＭＣＭ基板と光信号により接続する手段との電気的接続に用いるボンディングワイヤなどにかかるストレスを抑制することができる。
【００１３】
前記冷却手段は、冷媒により冷却する手段と、この冷媒を冷却する手段とを備える構成とすることができる。これにより、ＭＣＭ基板および光信号により接続する手段からの発熱が大きいときでも、冷媒により熱を吸収し、この冷媒を冷却する手段を用いて吸収した熱を発散させることができる。冷媒により冷却する手段と、この冷媒を冷却する手段とは互いに離れた位置に取付けることが可能であるため、冷媒を冷却する手段には、ＭＣＭ基板および光信号により接続する手段の配置位置には取付け不可能であるような大型な放熱器を取付けることもできる。
【００１４】
前記光信号により接続する手段には、光信号の送信手段および受信手段が設けられ、前記冷媒により冷却する手段は、前記送信手段から前記受信手段に向け冷媒を流通させる手段を含むことが望ましい。
【００１５】
これにより冷媒は、まず比較的発熱量が大きい送信手段の発熱を吸収し、その後に比較的発熱量が小さい受信手段の発熱を吸収することになるので、冷媒の冷却能力を効率よく用いることができる。
【００１６】
前記光信号により接続する手段は、前記ＭＣＭの回路の一部として構成することもできる。これにより、ＭＣＭと光信号により接続する手段との接続にワイヤボンディングやＴＡＢ(Tape Autmated Bonding) などによる機械的な接合が不要となり、熱膨張によるＭＣＭと光信号により接続する手段との接合箇所のストレスを考えなくてもよくなるとともに、組み立て工程を簡単化することができる。
【発明の実施の形態】
（第一実施例）
本発明第一実施例を図１を参照して説明する。図１は本発明第一実施例の高速信号処理装置の構成を示す図である。本発明は、高速信号処理装置であって、図１に示すように、複数のＬＳＩを相互に接続して構成されるＭＣＭ１を１以上備え、このＭＣＭ１相互間あるいはこのＭＣＭ１と他の機器間とを光信号により接続する手段である多並列光インタコネクションモジュール２を備え、ＭＣＭ１および多並列光インタコネクションモジュール２および冷却装置４が共通に実装されるフレーム３が設けられ、フレーム３は、熱伝導良好な材質により形成されたところにある。
【００１７】
すなわち、図１に示すように、ＭＣＭ１、多並列インタコネクションモジュール２、冷却装置４およびこれらの構成部品のプラットフォームとなるフレーム３を組合せ、これらの構成部品は、熱伝導良好な接着剤またはネジ固定またはこの二つの接合方法の組合せによって一体化する。
【００１８】
本発明第一実施例によれば、ＭＣＭ１と多並列光インタコネクションモジュール２とが熱伝導良好な金属製のフレーム３をプラットフォームとして一体化された後に冷却装置４と接しているため、発熱量の大きなＭＣＭ１と温度上昇がその特性に悪影響を与える多並列光インタコネクションモジュール２の光素子部分の冷却を同時に効率的に行なうことが可能となる。
【００１９】
（第二実施例
本発明第二実施例を図２を参照して説明する。図２は本発明第二実施例の高速信号処理装置の構成を示す図である。本発明第一実施に示す構成を実現するためには、図２に示すように、ＭＣＭ１の基板材質として樹脂系基板、半導体基板、セラミック基板などを用いる方法が考えられるが、本発明第二実施例は、このＭＣＭ１を実現するに当たりセラミック基板を用いる。セラミック基板を用いることにより、高速信号伝送が可能で、小型の終端抵抗の形成が可能であり、熱抵抗が樹脂系基板よりも小さく高い冷却性能が期待できる。
【００２０】
（第三実施例）
本発明第三実施例を図３を参照して説明する。図３は本発明第三実施例の高速信号処理装置の構成を示す図である。本発明第三実施例は、図３に示すように、プラットフォームとなるフレーム３の材質として、ＭＣＭ１の基板材質の熱膨張係数と近い材質を用いて構成する。本発明第三実施例によれば、ＭＣＭ１の基板の熱膨張係数とフレーム３の熱膨張係数を近くすることによって、組み立て工程や動作中に装置全体の温度変動があった場合でもＭＣＭ１とフレーム３との接合面にかかるストレスやＭＣＭ１と多並列光インタコネクションモジュール２を電気的に接続しているボンディングワイヤなどにかかるストレスを抑制することができる。
【００２１】
（第四実施例）
本発明第四実施例を図４を参照して説明する。図４は本発明第四実施例の高速信号処理装置の構成を示す図である。本発明第四実施例は、図４（ａ）に示すように、ＭＣＭ１および多並列光インタコネクションモジュール２のプラットフォームであるフレーム３に接続された冷却装置４に埋め込まれた冷媒管１３中に冷媒を流動させ、図４（ｂ）に示すように、冷却装置４に接続された冷却パイプ７により接続され、離れたところに配置された図示しない放熱部における熱交換によって冷却する構成である。本発明第四実施例によれば、空冷のために必要とされる放熱フィンが不要であり、コンパクトかつ性能の高い冷却が可能となる。さらに、多並列光インタコネクションモジュール２は、光結合部を含むため、完全にモジュール自体が封止されていない場合は、強制空冷で風が部品結合部に当たることは望ましくなく、このような構成の冷却を使用することにより高速信号処理装置の光結合部分の信頼性を高めることができる。
【００２２】
（第五実施例）
本発明第五実施例を図５を参照して説明する。図５は本発明第五実施例の高速信号処理装置の構成を示す図である。本発明第五実施例は、図５に示すように、高速信号処理装置の冷却装置４の中を流動する冷媒の方向を、高い冷却能力の要求される多並列光インタコネクションモジュール２のレーザを含む送信側の方を上流にして先に冷却し、多並列光インタコネクションモジュール２の受信側を下流にして後に冷却するするように多並列光インタコネクションモジュール２の配置および冷媒の流れる方向を決定する。本発明第五実施例によれば、必要以上に冷却装置の能力を向上させることなくモジュール全体を効率良く冷却することができる。
【００２３】
（第六実施例）
本発明第六実施例を図６を参照して説明する。図６は本発明第六実施例の高速信号処理装置の構成を示す図である。本発明第六実施例は、図６に示すように、他実施例で示した多並列光インタコネクションモジュール２、ＭＣＭ１、フレーム３およびフレーム３全体を冷却する冷却装置４をＭＣＭ基板８に一体化した構成である。一体化には、発光／受光素子１０、電気／光変換（Ｅ／Ｏ変換）または光／電気変換（Ｏ／Ｅ変換）ＬＳＩ１１および機能ＬＳＩ１２を用いる。
【００２４】
本発明第五の実施例によれば、ＭＣＭ基板８上で、他実施例で示した多並列光インタコネクションモジュール２がＭＣＭの一部として一体化されているため、両者の結合に際し、ワイヤボンディングやＴＡＢなどによる機械的な接合が不要となり、他実施例におけるＭＣＭ１と多並列光インタコネクションモジュール２との接合箇所のストレスを考えなくてもよくなるとともに、組み立て工程の簡素化が可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高速かつ超多並列信号の入出力を有するＭＣＭからＭＣＭ内部のＬＳＩが有する信号速度を低減することなく、外部の装置と比較的長距離でも直接に光で接続できる光インタフェースＭＣＭを実現し、光インタフェースＭＣＭを用いた高速信号処理装置を実現することができる。このような高速信号処理装置の実現に際し、本発明によれば、光インタフェースＭＣＭを効率良く冷却し、組み立て工程を簡単化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第一実施例の高速信号処理装置の構成を示す図。
【図２】本発明第二実施例の高速信号処理装置の構成を示す図。
【図３】本発明第三実施例の高速信号処理装置の構成を示す図。
【図４】本発明第四実施例の高速信号処理装置の構成を示す図。
【図５】本発明第五実施例の高速信号処理装置の構成を示す図。
【図６】本発明第六実施例の高速信号処理装置の構成を示す図。
【図７】ＭＣＭの従来の実装構成および接続を示す図。
【符号の説明】
１ＭＣＭ
２多並列光インタコネクションモジュール
３フレーム
４冷却装置
５供電／制御線コネクタ
６ボンディングワイヤ
７冷却パイプ
８ＭＣＭ基板
９光モジュール部
１０発光／受光素子
１１Ｅ／ＯまたはＯ／Ｅ変換ＬＳＩ
１２機能ＬＳＩ
１３冷媒管

Claims

複数のＬＳＩを相互に接続して構成されるＭＣＭ(Multi Chip Module) を１以上備え、このＭＣＭ相互間あるいはこのＭＣＭと他の機器間とを光信号により接続する手段を備え、
前記ＭＣＭおよび前記光信号により接続する手段および冷却手段が共通に実装されるフレームが設けられ、
前記フレームは、熱伝導良好な材質により形成された
ことを特徴とする高速信号処理装置。
前記ＭＣＭの基板は、セラミック焼成基板により形成された請求項１記載の高速信号処理装置。
前記フレームの材質は、前記ＭＣＭの基板の熱膨張係数と近い熱膨張係数を有する請求項１記載の高速信号処理装置。
前記冷却手段は、冷媒により冷却する手段と、この冷媒を冷却する手段とを備えた請求項１記載の高速信号処理装置。
前記光信号により接続する手段には、光信号の送信手段および受信手段が設けられ、
前記冷媒により冷却する手段は、前記送信手段から前記受信手段に向け冷媒を流通させる手段を含む
請求項４記載の高速信号処理装置。
前記光信号により接続する手段は、前記ＭＣＭの回路の一部として構成された請求項１記載の高速信号処理装置。