JP3792998B2 - 光データリンクモジュールおよびその組立方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信装置等に用いられる光データリンクに関する。特に、光素子、光部品と電子回路とを組み合わせて構成された光データリンクモジュールおよびその組立方法と実装形態に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ技術等の急速な発展により、多くの分野で光信号伝送技術が応用されるようになった。とりわけ通信分野においては、光信号伝送技術の適用が当然のことになっている。光信号伝送は、すなわち、種々の信号処理装置から出力される電気信号を送信側で光信号に変換し、光ファイバによって伝搬させ、受信側でその光信号を再び電気信号に戻し、次段の信号処理装置の入力とするものである。光ファイバを用いて、データを光信号にして伝送することは、電気ケーブルを用いた電気信号伝送に比べ、伝送速度および伝送密度の向上、伝送距離の増大、ＥＭＣ適合性など、多くの利点がある。
【０００３】
光信号伝送では、前述のように信号の電気／光あるいは光／電気変換を行うため、レーザダイオード／フォトダイオード等の発光／受光素子、光ファイバと光結合用部品、およびレーザダイオード駆動回路やフォトダイオード用前置増幅器などの電子部品を組合わせ、光データリンクモジュールを構成する。光データリンクモジュールには、上記の構成要素の他にも、一部の信号処理を行うための電子回路素子などが含まれる場合もある。
【０００４】
また、光信号伝送技術においては、波長の異なる光信号は互いに干渉しない性質を利用して、一心の光ファイバに複数の光信号を多重することができる波長分割多重（ＷＤＭ）によって、光ファイバ上のデータ伝送量は飛躍的に向上する。光データリンクにＷＤＭを適用する場合には、それぞれ異なる波長に対応する光データリンクモジュールの単位を、並列に複数組合せ、波長合／分波器を用いて各波長の光信号を多重／分割し、一心の光ファイバに接続する構成となる。
【０００５】
一方、光素子あるいは光部品は、一般に温度変動に対して耐性が低い。例えば、レーザダイオードは、発振波長が温度によって変化し、光出力が温度の上昇とともに低下する。そのためＷＤＭ装置では、光素子／部品の温度を一定に保つ温度制御機構を備えることが必須になる。
【０００６】
図７に、上述のようなＷＤＭ光データリンクモジュールの例を示す。実装ボード４１上に、それぞれ異なる波長に対応する送信／受信光データリンクモジュール４２が配置され、光ファイバ４４で波長合／分波器４３に接続されている。波長合／分波器４３で、複数の波長の信号が多重／分割され、一本の光ファイバ４５に接続される。光データリンクモジュール４２は、電子回路部品、光素子、光結合部品等とともに、ペルチェ素子、放熱フィン等からなる温度制御機構を内蔵している。
【０００７】
さらに、ＷＤＭ装置では、各波長に対応する光データリンクモジュールの素子や部品を集約した構成にすることで、小型化および伝送密度の向上が図られる。例えば、波長合／分波器を小型な平面導波回路（ＰＬＣ）で形成し、その光回路基板の上に、各波長に対応する発光／受光素子をベアチップで高密度に搭載し、これらを光回路モジュールとすることで、装置構成が小型化される。
【０００８】
図８に、このようなＷＤＭ光データリンクモジュールの例を示す。光回路基板５２と伝送路基板５３が、金属プレート５４上に固定されている。金属プレート５４は、実装ボード５１の一部をくり抜いて、温度制御用のペルチェ素子５７を挟む形で放熱フィン５８にネジ止め等の手段で固定されている。放熱フィン５８は実装ボード５１に固定され、全体が一体化されている。光回路基板５２上には、波長合／分波器がＰＬＣによって形成され、発光／受光素子がベアチップで直接搭載されている。光信号は、波長合／分波器で多重／分割され、光ファイバ５９に接続される。
【０００９】
光回路基板５２と伝送路基板５３との間は、ワイヤボンディングにより電気的に接続される。伝送路基板５３上には電気信号を伝送する線路が形成されており、各伝送路間の間隔が展開されて、同軸コネクタに接続されている。また、伝送路基板５３には、終端抵抗や前置増幅器などの、発光／受光素子の近傍に配置すべき電子部品が搭載される。
【００１０】
各波長に対応する電子回路は、電子回路部品５５が実装ボード５１上に直接実装され、同軸ケーブル５６で伝送路基板５３と接続している。
【００１１】
以上のような構成により、発光／受光素子が電子回路部分から分離されて、波長合／分波器とともに集中的に配置され、構成がコンパクトになるとともに、個々の発光／受光素子と電子回路との間の高速電気信号の伝送が可能になっている。
【００１２】
また、各波長に対応する電子回路を構成する部品を単一の電子回路基板にベアチップ搭載するマルチチップモジュール（ＭＣＭ）構成とし、さらに、電子回路基板と伝送路基板間を直接ワイヤボンディングすれば、上記の例のような同軸ケーブルが不要となり、光データリンクモジュールは一層集約されて小型になる。したがって、光データリンクモジュールを装置内に多数配置することができ、システム全体の大規模化が可能になる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の例のように二つの基板間をワイヤボンディングで電気的に接続する場合には、以下の二つの条件を考慮する必要がある。すなわち、二つの基板が機械的に十分な強度で連結されており、ワイヤには機械的な力が加わらないこと、また、ワイヤボンディング工程においては、二つの基板が固定された部材の底面がワイヤボンディング装置の資料台に接触して置かれること、である。したがって、上記の図８の例では、光回路基板と伝送路基板とが一つの金属プレート上に固定されている。
【００１４】
しかしながら、光データリンクモジュールの電子回路部分をＭＣＭ構成とした場合には、電子回路基板には、それ自体が発熱体である電子回路素子が高密度に搭載されることになり、電子回路基板の発熱は光回路基板の発熱よりも圧倒的に大きくなる。したがって、電子回路基板と光回路基板とを同一の金属プレート上に搭載すると、電子回路基板の熱が光回路基板に伝わり、光回路モジュールの温度制御機構にとって過大な負荷となるとともに、光素子やＰＬＣの動作に悪影響を与えてしまうという問題がある。電子回路基板と光回路基板とを金属で連結するという点では、例えば両者で放熱フィンを共用することによってさえ、放熱フィンを介して熱が伝わってしまう懸念がある。
【００１５】
一方、電子回路基板と伝送路基板との間、および光回路基板と伝送路基板との間を、それぞれワイヤボンディングで接続するためには、少なくとも、電子回路基板と伝送路基板、および光回路基板と伝送路基板とが、それぞれ金属のベース等に固定されていなければならない。
【００１６】
本発明は、このような背景に行われたものであって、電子回路基板から光回路基板への熱伝達を抑制し、かつ基板間の連結の機械的強度を保ち、小型化、高速化を図ることができる光データリンクモジュールを提供することを目的とする。本発明は、電子回路基板と光回路基板とが高さの異なる金属ベースに搭載される場合でもワイヤボンディング作業を行うことができる光データリンクモジュールの組立方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の光データリンクモジュールでは、電子回路基板を金属製の電子回路ベースに搭載し、光回路基板を金属製の光回路ベースに搭載し、前記電子回路ベースと前記光回路ベースとを、繊維強化プラスチック等の熱伝導率が小さく機械的強度の大きな材料で形成した連結部材を用いて連結するとともに、伝送路基板を前記光回路ベースおよび前記電子回路ベースに固定し、前記光回路基板と前記伝送路基板との間、および前記電子回路基板と前記伝送路基板との間をそれぞれワイヤボンディングで電気的に接続する。
【００１８】
また、ワイヤボンディングを施す工程では、前記電子回路ベースの下に適当な厚さの金属ブロックを置き、前記光回路ベースの底面の高さと前記金属ブロックの底面の高さが等しく、かつ前記連結部材の底面の高さが前記金属ブロックの底面の高さより高くなるようにする。あるいは、前記光回路ベースの下に適当な厚さの金属ブロックを置き、前記電子回路ベースの底面の高さと前記金属ブロックの底面の高さが等しく、かつ前記連結部材の底面の高さが前記金属ブロックの底面の高さよりも高くなるようにする。あるいは、前記光回路ベースと前記電子回路ベースの下にそれぞれ適当な厚さの金属ブロックを置き、前記二つの金属ブロックの底面の高さが等しく、かつ前記連結部材の底面の高さが前記二つの金属ブロックの底面の高さより高くなるようにする。
【００１９】
これにより、前記電子回路基板、前記光回路基板および前記伝送路基板の端子位置をワイヤボンディング装置の所定の作業位置となるようにすることができる。また、前記連結部材を前記ワイヤボンディング装置の資料台と非接触にし、ワイヤボンディング作業中に前記資料台が加熱されるような場合でも、前記連結部材の熱による変形その他の影響を回避することができる。
【００２０】
光データリンクモジュールのボード実装では、前記光回路ベースと前記電子回路ベースをそれぞれ異なる放熱フィンに固定し、前記二つの異なる放熱フィンを実装ボードにそれぞれ個別に固定する。
【００２１】
電子回路ベースと光回路ベースとを、繊維強化プラスチック等の熱伝導率が小さく機械的強度の大きな材料で形成した連結部材を用いて連結することで、電子回路ベースから光回路ベースへの熱の伝達が抑制されるとともに、電子回路ベースと光回路ベースとが機械的に強固に連結される。また、光回路基板と伝送路基板との間、および電子回路基板と伝送路基板との間をワイヤボンディングで接続することで、同軸ケーブル等を介することなく、高速電気信号を伝送できる。
【００２２】
また、ワイヤボンディング工程において、電子回路ベースの底面と光回路ベースの底面とが、直接あるいは金属ブロックを介して、同時にワイヤボンディング装置の資料台に接触して置かれることで、光回路基板と伝送路基板との間、および電子回路基板と伝送路基板との間にワイヤボンディングを施すことが可能になる。
【００２３】
光データリンクモジュールのボード実装では、光回路ベースと電子回路ベースにそれぞれ異なる放熱フィンを用い、それらの放熱フィンを実装ボードにそれぞれ個別に固定することで、光回路ベースと電子回路ベースとの間の金属の連続を排して熱的な分離を保つとともに、全体を一体化することができる。
【００２４】
すなわち、本発明の第一の観点は、電子回路が形成され電気素子を搭載した電子回路基板と、光回路が形成され光素子を搭載した光回路基板と、前記電子回路基板と前記光回路基板との間の電気信号を伝送する線路が形成された伝送路基板とを備えた光データリンクモジュールである。
【００２５】
ここで、本発明の特徴とするところは、前記電子回路基板が搭載される金属製の電子回路ベースと、前記光回路基板が搭載される金属製の光回路ベースと、この光回路ベースと前記電子回路ベースとを連結固定する熱伝導率が小さい材質により形成された連結部材とを備え、前記伝送路基板は、前記電子回路ベースおよび前記光回路ベースの双方に少なくともその一部が固定されたところにある。前記連結部材は、例えば、繊維強化プラスチックにより形成される。
【００２６】
また、前記電子回路ベースおよび前記光回路ベースには、それぞれ個別の放熱フィンが相互に非接触に設けられることが望ましく、これらの個別の放熱フィンは、相互に非接触のままの状態で実装ボードに実装されることが望ましい。
【００２７】
本発明の第二の観点は、本発明の光データリンクモジュールの前記電子回路基板と前記伝送路基板との間の電気的接続および前記光回路基板と前記伝送路基板との間の電気的接続をそれぞれワイヤボンディングを用いて行う光データリンクモジュールの組立方法である。
【００２８】
ここで、本発明の特徴とするところは、前記電子回路基板、前記光回路基板および前記伝送路基板の端子位置がワイヤボンディング装置の所定の作業位置となるとともに前記連結部材の底面が当該ワイヤボンディング装置の資料台と非接触になるように、前記電気回路ベースおよびまたは前記光回路ベースの底面と前記資料台との間にワイヤボンディング作業中は金属ブロックを挿入するところにある。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明実施例の光データリンクモジュールの構成を図１および図６を参照して説明する。図１は本発明実施例の光データリンクモジュールの構成を示す図である。図６は本発明実施例の光データリンクモジュールの実装ボードへの実装状態を示す図である。
【００３０】
本発明は、図１に示すように、電子回路が形成され電気素子を搭載した電子回路基板１３と、光回路が形成され光素子を搭載した光回路基板１１と、電子回路基板１３と光回路基板１１との間の電気信号を伝送する線路が形成された伝送路基板１２とを備えた光データリンクモジュールである。
【００３１】
ここで、本発明の特徴とするところは、電子回路基板１３が搭載される金属製の電子回路ベース１４と、光回路基板１１が搭載される金属製の光回路ベース１５と、この光回路ベース１５と電子回路ベース１４とを連結固定する熱伝導率が小さい材質により形成された連結部材１６とを備え、伝送路基板１２は、電子回路ベース１４および光回路ベース１５の双方に少なくともその一部が固定されたところにある。連結部材１６は、繊維強化プラスチックにより形成される。
【００３２】
図６に示すように、電子回路ベース１４および光回路ベース１５には、それぞれ個別の放熱フィン１０４および１０３が相互に非接触に設けられ、実装ボード１０１に実装される。
【００３３】
また、図２〜図５は本発明実施例の光データリンクモジュールの組立工程を示す図であるが、本発明の光データリンクモジュールの電子回路基板１３と伝送路基板１２との間の電気的接続および光回路基板１１と伝送路基板１２との間の電気的接続をそれぞれワイヤボンディングを用いて行うときに、電子回路基板１３、光回路基板１１および伝送路基板１２の端子位置がワイヤボンディング装置の所定の作業位置となるとともに連結部材１６の底面が当該ワイヤボンディング装置の資料台と非接触になるように、電気回路ベース１４およびまたは光回路ベース１５の底面と前記資料台との間にワイヤボンディング作業中は金属ブロック１９を挿入する。
【００３４】
以下では、本発明実施例をさらに詳細に説明する。図１に示すように、光回路基板１１が金属製の光回路ベース１５上に固定され、電子回路基板１３が金属製の電子回路ベース１４上に固定されている。光回路ベース１５と電子回路ベース１４は、連結部材１６によって連結固定されている。連結部材１６は、繊維強化プラスチック等の、金属に比べ熱伝導率が小さく、金属と同等の機械的強度を持つ材料で形成されている。伝送路基板１２は、電子回路ベース１４および光回路ベース１５に固定され、光回路基板１１および電子回路基板１３とワイヤボンディングで接続されている。電子回路基板１３上には、ベアチップの電子回路素子１７等が搭載されており、リードピン１８によって外部の回路と接続される。
【００３５】
連結部材１６を用いることによって、光回路基板１１と電子回路基板１３とが熱的に分離されるとともに、機械的には十分な強度で連結されている。また、光回路基板１１および電子回路基板１３は、伝送路基板１２とワイヤボンディングで電気的に接続されており、高速な電気信号が伝送できる。
【００３６】
図２〜図５は、前記図１の光データリンクモジュールの組立方法を示す図であり、図２、図３、図４、図５の順に、組み立て工程の流れを表している。まず、光回路基板１１が搭載された光回路ベース１５と、電子回路基板１３を搭載した電子回路ベース１４が、連結部材１６によって連結固定される（図２）。次に、伝送路基板１２が、光回路ベース１５と電子回路ベース１４に固定される（図３）。ワイヤボンディング工程においては、電子回路ベース１４の底面と、光回路ベース１５の下に置かれた金属ブロック１９の底面とが同じ高さになり、ワイヤボンディング装置の資料台に、電子回路ベース１４の底面と金属ブロック１９の底面が接触して置かれるようにする（図４）。このようにすることで、光回路基板１１と伝送路基板１２との間、および電子回路基板１３と伝送路基板１２との間のワイヤボンディングが可能となる（図５）。
【００３７】
図１の例では、電子回路ベース１４の底面よりも光回路ベース１５の底面の方が高い位置にあるので、光回路ベース１５の下に金属ブロック１９を置いたが、光回路ベース１５の底面よりも電子回路ベース１４の底面の方が高い位置にある場合には、電子回路ベース１４の下に金属ブロックを置く。
【００３８】
また、図１の例では、連結部材１６の底面は、電子回路ベース１４の底面よりも高い位置にあるが、電子回路ベース１４および光回路ベース１５の双方の底面が連結部材１６の底面よりも高い位置にある場合には、電子回路ベース１４および光回路ベース１５の双方の下にそれぞれ金属ブロックを置き、連結部材１６の底面がワイヤボンディング装置の資料台と非接触になるようにする。これにより、当該資料台が作業中に加熱されるような場合でも、連結部材１６が当該資料台と非接触であることにより熱による変形その他の影響を回避することができる。
【００３９】
図６は、図１の光データリンクモジュールの実装形態を示す図である。光回路基板１１が搭載され、伝送路基板１２が固定された光回路ベース１５と、電子回路基板１３が搭載され、伝送路基板１２が固定された電子回路ベース１４が、連結部材１６によって連結固定され、光データリンクモジュールを構成している。電子回路基板１３と実装ボード１０１との間は、リードピン１８によって電気的に接続され、光回路基板１１には光ファイバ１０５が接続される。
【００４０】
光回路ベース１５は、実装ボード１０１の一部をくり抜いて、温度制御用のペルチェ素子１０２を挟み込んで、放熱フィン１０３にネジ止め等の手段で固定されている。また、電子回路ベース１４は、実装ボード１０１の一部をくり抜いて、放熱フィン１０４にネジ止め等の手段で固定されている。電子回路基板１３上の電子回路素子１７等は、温度変動による耐性が比較的高いため、放熱フィン１０４を装着して空冷すればよい。放熱フィン１０３、１０４は、それぞれが個別に実装ボード１０１に固定されている。このような実装形態とすることで、光回路基板１１と電子回路基板１３とが熱的に分離されるとともに、全体が一体化されて、かつ機械的な強度を保つことが可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子回路基板から光回路基板への熱伝達を抑制し、かつ基板間の連結の機械的強度を保つことができる。これにより、光データリンクモジュールの小型化、高速化が実現できる。また、電子回路基板と光回路基板とが高さの異なる金属ベースに搭載される場合でもワイヤボンディング作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光データリンクモジュールの構成例を示す図。
【図２】本発明による光データリンクモジュールの組立例を示す図。
【図３】本発明による光データリンクモジュールの組立例を示す図。
【図４】本発明による光データリンクモジュールの組立例を示す図。
【図５】本発明による光データリンクモジュールの組立例を示す図。
【図６】本発明による光データリンクモジュールの実装例を示す図。
【図７】従来の光データリンクモジュールの構成例を示す図。
【図８】従来の光データリンクモジュールの別の構成例を示す図。
【符号の説明】
１１、５２ 光回路基板
１２、５３ 伝送路基板
１３ 電子回路基板
１４ 電子回路ベース
１５ 光回路ベース
１６ 連結部材
１７ 電子回路素子
１８ リードピン
１９ 金属ブロック
４１、５１、１０１ 実装ボード
４２ 光データリンクモジュール
４３ 波長合／分波器
４４、４５ 光ファイバ
５４ 金属プレート
５５ 電子回路部品
５６ 同軸ケーブル
５７、１０２ ペルチェ素子
５８、１０３、１０４ 放熱フィン
５９、１０５ 光ファイバ

Claims (4)

1. 電子回路が形成され電気素子を搭載した電子回路基板と、
   光回路が形成され光素子を搭載した光回路基板と、
   前記電子回路基板と前記光回路基板との間の電気信号を伝送する線路が形成された伝送路基板と
   を備えた光データリンクモジュールにおいて、
   前記電子回路基板が搭載される金属製の電子回路ベースと、
   前記光回路基板が搭載される金属製の光回路ベースと、
   この光回路ベースと前記電子回路ベースとを連結固定する熱伝導率が小さい材質により形成された連結部材と
   を備え、
   前記伝送路基板は、前記電子回路ベースおよび前記光回路ベースの双方に少なくともその一部が固定された
   ことを特徴とする光データリンクモジュール。
2. 前記連結部材は、繊維強化プラスチックにより形成された請求項１記載の光データリンクモジュール。
3. 前記電子回路ベースおよび前記光回路ベースには、それぞれ個別の放熱フィンが相互に非接触に設けられた請求項１記載の光データリンクモジュール。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の光データリンクモジュールの前記電子回路基板と前記伝送路基板との間の電気的接続および前記光回路基板と前記伝送路基板との間の電気的接続をそれぞれワイヤボンディングを用いて行う光データリンクモジュールの組立方法において、
   前記電子回路基板、前記光回路基板および前記伝送路基板の端子位置がワイヤボンディング装置の所定の作業位置となるとともに前記連結部材の底面が当該ワイヤボンディング装置の資料台と非接触になるように、前記電気回路ベースおよびまたは前記光回路ベースの底面と前記資料台との間にワイヤボンディング作業中は金属ブロックを挿入する
   ことを特徴とする光データリンクモジュールの組立方法。

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