JP3888525B2 - 光通信モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる光送信モジュール、光受信モジュール又はこれらの組み合わせにより構成される光送受信モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図12は現在用いられている半導体レーザ送信器の断面構造を示す切欠斜視図である。パッケージの中には、半導体レーザ10(LD)とその光強度を検知するモニタフォトダイオード15(M-PD)が配置されている。LD10から出力される光信号はレンズ60を介して光ファイバ61に入射される。このような光通信モジュールは、構造上からピッグテール型と呼ばれている。このようなピッグテール型モジュール100は、ドライバIC20やC/R素子25を含む回路基板と結合させる際、図13のように、半導体レーザ送信器のリードを折り曲げて回路基板に半田付けしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光通信技術が発展するにつれて、より小型で、より低コストで、大量に生産できる光通信機器が必要とされるようになった。図12、図13に示す従来の構造では、LDとドライバIC等を搭載した回路基板とが別々に作製されるために、小型化にも、低コスト化にも、大量生産にも限界があった。また、LDと回路基板との接続は、その構造上、手半田でしか行えず、この接続工程によって生産能率を低下させていた。
【０００４】
半導体レーザ送信器と回路基板とを別々にしか製造できなかった最大の理由は、LDと回路基板とを集積化するに当たり、LDと回路基板との電気的な接続をわずかなスペースで実現する良好な手段が提供されなかったためである。図12の半導体レーザ送信器では高々4本のリードしかとれない。一方、LDをドライブするICも含めるとすると、最低8本から多いものでは14本以上ものリードが必要となる。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、リード数の多い後段の回路基板との電気的接続をわずかなスペースで可能とする光通信モジュールを提供することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、高速応答性にも優れる光通信モジュールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多層の導電性媒体を用いることで上記の目的を達成する。
すなわち、本発明の第１の構成に係る光通信モジュールは、半導体レーザ（発光素子）およびフォトダイオード（受光素子）の少なくとも一方と、これらと光結合される光ファイバ（光学的結合手段）と、前記半導体レーザに接続される半導体レーザのドライバ IC （電気回路部品）および前記フォトダイオードに接続されるフォトダイオードの信号増幅器（電気回路部品）の少なくとも一方とが実装される多層の導電性媒体を備え、この導電性媒体の端部自体が後段回路基板との接続を行なうコネクタ部であることを特徴とする。
また、本発明の第 2 の構成に係る光通信モジュールは、半導体レーザおよびフォトダイオードの少なくとも一方と、これらと光結合されるフェルール付き光ファイバと、前記半導体レーザに接続される半導体レーザのドライバ IC および前記フォトダイオードに接続されるフォトダイオードの信号増幅器の少なくとも一方とが実装される 2 層のリードフレームを備え、このリードフレームの端部自体が後段回路基板との接続を行なうコネクタ部であり、前記コネクタ部が後段回路基板を挟み込むように形成されたことを特徴とする。
【０００９】
導電性媒体を多層にすることで、同一平面上では実装の制約が大きかった多数の素子・電気回路部品を実装することができる。そして、この導電性媒体自体を後段回路基板と接続されるコネクタ部とすることで、リード数の多い後段回路基板と発受光素子との電気的接続をわずかなスペースで行うことができる。
【００１０】
発受光素子と電気回路部品は、伝送速度が高速化するにつれて、電気的にはできるだけ距離を近づけてインピーダンスを下げ、高速応答を可能にしたい。そのためには電気回路部品も小型のパッケージに収めることとなる。そうすると、従来のパッケージでは外部とのインタフェイスとなるリードピンが不足する。このような相反する条件を同時に満足するために、本発明は積層構造の導電性媒体を用いる。
【００１１】
複数の導電性媒体を層状に積層することで、発受光素子と電気回路部品を近接させながら後段の回路基板との電気的接続を確保できる。さらに、十分な数のリードピンを確保でき、一部のリードピンを放熱用に利用することができる。また、各導電性媒体からのリードピンの引き出し方向も自由に決定することができる。
【００１２】
発光素子、受光素子および電気回路部品は、同一の導電性媒体上に複数実装されていても良いし、異なる導電性媒体にそれぞれ発光素子、受光素子または電気回路部品が実装されていても良い。
【００１３】
導電性媒体としては、金属製のリードフレームが好適である。このリードフレームの層数は、2層でも3層以上でも構わない。また、導電性媒体に設置される受発光素子や電気回路部品も複数であっても良い。
【００１４】
光結合手段としては、光ファイバが挙げられる。通常、フェルール付き光ファイバが用いられる。
【００１５】
光通信モジュールの形態には、光送信モジュール、光受信モジュールおよび光送受信モジュールがある。光送信モジュールには、発光素子としてLDを、電気回路部品としてLDのドライバICを用いたものが挙げられる。さらにLDの光強度を検知するM-PDを用いた光送信モジュールでも良い。光受信モジュールには、受信素子としてPDを、電気回路部品としてPDの信号を増幅するAMPを用いたものが挙げられる。光送受信モジュールには、少なくとも一組の発光素子とドライバICとを具えると共に、少なくとも一組の受光素子と増幅器とを具えるものが挙げられる。光送受信モジュールのより具体的な構成として、送信機能部分は、第1リードフレームの一部に実装された半導体レーザとこの半導体レーザに光結合される送信側光ファイバと、第2リードフレームの一部に実装されたドライバICとを具える。受信機能部分は、第1リードフレームの残部に実装されたフォトダイオードとこのフォトダイオードに光結合される受信側光ファイバと、第2リードフレームの残部に実装されたフォトダイオードの信号増幅器とを具える。そして、これら送信機能部分と受信機能部分とを樹脂モールドしたパッケージングとを具え、このパッケージングから露出した各リードフレームの一端をコネクタ部とするとよい。
【００１６】
本発明において、複数の導電性媒体に対する発光素子および受光素子の少なくとも一方の支持や、電気回路部品の支持は、直接導電性媒体上に支持する場合と、Siベンチなど、何らかの材料を介在させて間接的に支持する場合の両方を含む。
【００１７】
具体的な構成としては、第1導電性媒体と第2導電性媒体とを電気絶縁体を介して積層し、第1導電性媒体に発光素子および受光素子の少なくとも一方を支持し、第2導電性媒体にドライバICや増幅器などの電気回路部品を支持することが好ましい。その際、発光素子および受光素子の少なくとも一方は、Siベンチを介して第1導電性媒体上に支持されることが好ましい。Siは熱伝導性に優れ、発光素子および受光素子の発熱は、Siベンチを介して第1導電性媒体から効果的に放熱できる。また、Siベンチはエッチングにより光ファイバを保持するV溝などの形成が容易に可能で、光ファイバの一端も容易にSiベンチ上に固定することができる。
【００１８】
電気回路部品は第１導電性媒体とは別の第2導電性媒体上に直接支持されることが好ましい。電気回路部品は直接第2導電性媒体上に設けることで、電気回路部品の発熱は第2導電性媒体を通して速やかに放散させることができる。
【００１９】
第1・第2導電性媒体の間に介在される電気絶縁体は熱絶縁体であることが好ましい。第1・第2導電性媒体間は電気絶縁体により絶縁が確保されているが、さらに電気絶縁体を熱絶縁体機能も兼ねる材料で構成することで、熱的にも絶縁を確保することができる。例えば、発光素子および受光素子の少なくとも一方を第1導電性媒体に支持し、電気回路部品を第2導電性媒体に支持して、両導電性媒体間に電気絶縁体兼熱絶縁体を配した場合、電気回路部品の発熱は、電気絶縁体兼熱絶縁体により第1導電性媒体側への伝導が抑制されて、温度に敏感な発光素子または受光素子側に流れることがない。
【００２０】
また、第1導電性媒体と第2導電性媒体の引き出し方向は、同一であっても構わないが、異なる方向としても良い。特に、両導電性媒体が互いに直交する向きに引き出されていることが好ましい。
【００２１】
さらに、1本の光ファイバで送受信が可能な光通信モジュールとすることもできる。すなわち、発光素子および受光素子の双方と、光ファイバと、前記発光素子および受光素子と光ファイバとの送受信を可能にする波長分波器とを設ければ良い。
【００２２】
そして、コネクタ部の具体的形態としては、複数の導電性媒体が後段の回路基板を挟み込む形で嵌合するように形成する。
【００２３】
コネクタ部は、対向する一対の導電性媒体の内間隔を後段回路基板の厚みよりも若干小さくすることで、導電性媒体の弾性により後段回路基板を容易にずれないように挟み込むことができる。特に、対向する一対の導電性媒体の内側に凸部を形成すれば、容易に導電性媒体の弾性を利用することができる。凸部の形成は、導電性媒体自体を適宜屈曲して形成したり、直線状の導電性媒体に突起状の導電部を後付けして形成しても良い。さらに、後段の回路基板におけるコネクタ部との接点には、前記の凸部に嵌合する凹部を形成することで、一層コネクタ部と後段回路基板の接続における信頼性を高めることができる。
【００２４】
その他、導電性媒体の積層方向と直交する方向への後段回路基板のずれを防止するガイド構造を有することが好適である。導電性媒体で後段の回路基板を挟み込むコネクタ部とすれば、導電性媒体の積層方向に回路基板がずれることは防止できる。しかし、積層方向と直交する方向には回路基板がずれることが考えられるため、ガイド機構を設けることで、コネクタ部と後段回路基板とを確実に接続することができる。ガイド機構の具体例としては、光通信モジュールのパッケージングに溝を形成することが好ましい。光通信モジュールは、通常、発受光素子、電気回路部品および光学的結合手段を樹脂モールドしたパッケージングを具えており、コネクタ部となる導電性媒体はパッケージングから露出されている。このパッケージングに後段回路基板の幅に対応したガイド溝を形成することで、後段回路基板の幅方向（導電性媒体の積層方向と直交する方向）へのずれを防止することができる。
【００２５】
また、本発明光通信モジュールを後段回路基板に接続する方法は、以下の工程を具えることを特徴とする。
半導体レーザ（発光素子）およびフォトダイオード（受光素子）の少なくとも一方とこれら素子に接続されるドライバ IC （電気回路部品）および信号増幅器（電気回路部品）の少なくとも一方とが多層の導電性媒体に実装された光通信モジュールを用意する工程。
前記後段回路基板において光通信モジュールとの接続部に半田バンプを形成する工程。
前記導電性媒体の端部に形成されたコネクタ部に後段回路基板の接続部を嵌合する工程。
嵌合させた部分を非接触加熱による半田付けで接続する工程。
【００２６】
上記接続方法は、光通信モジュールと後段回路基板との接続において、非接触加熱による半田付けを行うことで、加熱温度や加熱時間をより安定させることができる。このような非接触加熱による半田付けとしては、リフロー半田付けが好適である。この半田付けの加熱手段としては、例えば、赤外線や熱風、それらの組み合わせによるものが好ましい。
【００２７】
後段回路基板において光通信モジュールとの接続部には、予め半田バンプを形成しておく。後段回路基板において光通信モジュールとの接続部にペースト状のクリーム半田を印刷しておきコネクタ部と接続することもできるが、コネクタ部に後段回路基板を嵌合させる際、クリーム半田がにじんで半田がずれ、隣り合う接続接点がショートする恐れがある。また、手半田の場合は、微細なピッチが要求される接続部において、半田供給量のばらつきを無くすことが困難である。これに対し、半田バンプは、コネクタ部に後段回路基板を嵌合させる際、凝固しているため半田がにじむことがなく、ショートを防止するのに効果的である。また、厚みや開口部の面積が一定であるメタルマスクを用いることで、微細なピッチであっても、半田供給量を安定させることができる。
【００２８】
半田バンプの形成は、後段回路基板に必要な電気回路部品を半田付けする際の加熱により行うことが好ましい。つまり、後段回路基板に電気回路部品を実装するためにクリーム半田を印刷する際、電気回路部品のためのクリーム半田印刷だけでなく、後段回路基板において光通信モジュールとの接続部にもクリーム半田印刷を行う。そして、後段回路基板に電気回路部品を半田付けするために加熱すると、電気回路部品を実装していない後段回路基板の接続部には、半田バンプが形成される。このように半田バンプを形成すると、光通信モジュールと後段回路基板との接続の際に半田供給作業がなくなり、接続工程では半田加熱工程のみとすることができるため、作業性がよい。
【００２９】
本発明光通信モジュールのコネクタ部に後段回路基板を嵌合させて接続する前に、光通信モジュールを検査基板に仮接続して良否検査することが好ましい。検査基板は、後段回路基板と同じ接続形態を有するものが好適である。本発明光通信モジュールは、後段回路基板に対して着脱可能であるため、光通信モジュールの不良を予め検査して良品のみを接続することができる。そのため、工程の無駄を低減することが可能である。
【００３０】
更に、光通信モジュールは予め樹脂モールドしたパッケージングを具えるものを用意し、半田付けで接続する工程の後、前記パッケージングと後段回路基板との間で導電性媒体の露出部分に樹脂ポッティングすることが好ましい。コネクタ部となる多層の導電性媒体は、パッケージングされたモジュール本体から露出した状態である。半田付けによる接続後、導電性媒体の端部は、層間に嵌めたモジュール本体と半田付け部とにより、表面がほとんど露出していない。しかし、パッケージングと後段回路基板との間に位置する導電性媒体は、表面や層間が露出した状態となることもある。そこで、本発明光通信モジュールを後段回路基板に接続するときに、この露出部分を樹脂でポッティングすることにより、パッケージングされたモジュール本体とのインピーダンスの整合をより取り易くし、反射を減少させて高速動作により適した構成とする。
【００３１】
ポッティングに用いる樹脂は、パッケージングされたモジュール本体とインピーダンスの整合が取り易いように、パッケージングに用いた樹脂と誘電率が等しい樹脂が好ましい。即ち、パッケージングに用いた樹脂と同様のものを用いることが望ましい。また、パッケージングに用いた樹脂の誘電率に近接した誘電率、具体的にはパッケージングに用いた樹脂に対して80〜120％の誘電率を有する樹脂でもよい。例えば、パッケージングにエポキシ樹脂(誘電率ε＝4.0程度)を用いる場合、近接した誘電率を有する樹脂として、液晶ポリマ樹脂(誘電率ε＝3.9程度：エポキシ樹脂に対する誘電率割合97.5％)、ポリイミド樹脂(誘電率ε＝3.5程度：エポキシ樹脂に対する誘電率割合87.5％)などを用いることが望ましい。
【００３２】
このようなポッティングは、導電性媒体の露出部分だけに行ってもよいが、パッケージングと後段回路基板との接続部も含めて、これらを覆うように行うことが好ましい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例1：光送信モジュール：2層）
図1〜図3に2層のリードフレームを用いた本発明光送信モジュールを示す。図1は同モジュールの縦断面図、図2は図1のモジュールからドライバICと第2リードフレームを外した状態の平面図、図3は本発明モジュールの平面図である。
【００３４】
この光送信モジュールは、発光素子であるLD10と、電気回路部品となるLD10のドライバIC20とを具える。LD10はSiベンチ30を介して第1リードフレーム41（第1導電性媒体）に支持され、ドライバIC20は第1リードフレーム41の一部に重複して積層される第2リードフレーム42（第2導電性媒体）上に直接支持されている。また、第1・第2リードフレーム間は、絶縁スペーサ50（電気絶縁体）が介在されている。そして、Siベンチ30には、浅いV溝と深いV溝とが連続して形成され、浅いV溝に光ファイバ61が、深いV溝に光ファイバフェルール62がはめ込まれている。
【００３５】
LD10（例えばInP上に成長されたInGaAsPを活性層とするLD）の特性は温度に対して敏感であり、ドライバIC20（例えばSiやGaAsのIC）からの熱をできるだけ避けたい。一方、LD10とドライバIC20の距離を短くすることにより、より高速での動作が可能となる。そこで、図1のように、LDチップを第１リードフレーム41上に配置し、ドライバIC20を第2リードフレーム42上に配置する。
【００３６】
このような光送信モジュールは、次のようにして得ることができる。まず、熱伝導率が低く電気絶縁性も良い高分子絶縁材料の絶縁スペーサ50で、2枚のリードフレーム41、42を所定の間隔（ここでは約１mm）を空けて配置する。絶縁スペーサ50には液晶ポリマが、リードフレーム41、42はFeやCu、Al等が好ましい。
【００３７】
LD10はヒートシンク兼サブマウントのSiベンチ30上に搭載する。Siベンチ30は半導体であり、電気を流すので、その表裏面に熱酸化やCVD法によってSiO2の絶縁層31を形成する。また、フォトリソグラフィーにより、光ファイバ61とこれを保持するフェルール62（ジルコニアやアルミナ製）を固定するためのV溝およびLD10をボンディングするためのメタライズパターンをSiベンチ30に形成する。
【００３８】
続いて、LD10とドライバIC20間、ドライバIC20とリードフレーム41、42間はAuワイヤ70のボンディングにより接続する（図3）。その後、LD10、ドライバIC20及び光ファイバ端を含む空間は、例えば透光性のシリコーン系樹脂でポッティングする。これにより、光ファイバ61との屈折率整合や、LD10やドライバIC20の端面保護、Auワイヤ70の保護などの機能が確保できる。そして、2層リードフレーム41、42の先端部とフェルール62の先端部を除いて、全体をエポキシ樹脂でモールドすることで、外形形状を形作る。図1、図3における矩形の破線は樹脂モールドによるパッケージングの輪郭を示し、LDやドライバICを覆う曲線の破線は透光性樹脂でのポッティングの輪郭を示している。
【００３９】
このパッケージングから突出しているリードフレームの一部がコネクタ部45である。光通信モジュールと後段の回路基板200との接続は、図4に示すようにコネクタ部45の間に回路基板200を挟み込むことで行う。図4はコネクタ部45と回路基板200の接続状態を示す縦断面図である。
【００４０】
このリードフレーム41、42の内間隔は、接続される後段の回路基板200の厚みよりも若干小さく形成され、コネクタ部をばね構造とすることで回路基板200をコネクタ部45にはめ込んだ際に容易にずれないようにされている。回路基板200の表裏にはメタライズパターンが形成されている。このメタライズパターンは、回路基板200に搭載される所要の電気回路部品201と接続されると共に、コネクタ部45との接触個所となる接点202にまで伸びている。
【００４１】
この接点202は、後述するリフロー半田付けや赤外線加熱で半田付け部44を形成してコネクタ部と接合される。この場合、2層のリードフレーム41、42は、電気的接続と機械的接続とを同時に兼ねる。これはリードフレーム41、42が2層だから可能となる。
【００４２】
さらに、図5に示すように、コネクタ部のリードフレームに凸部46を設けたり、パッケージング55にガイド溝56を設けることが好ましい。図5は光通信モジュールと回路基板200とを接続する手順を示すもので、（A）は側面図、（B）は平面図である。ここでは、図5（A）に示すように、リードフレーム41、42のコネクタ部を屈曲し、両リードフレーム間に凸部46を形成している。この上下のリードフレームで回路基板200を挟むことにより、回路基板200がリードフレームの積層方向へずれることは防止できる。
【００４３】
次に、回路基板の幅方向（リードフレームの積層方向と直交する方向）の位置を決定するために、図5（B）に示すパッケージングのガイド溝56を用いる。このガイド溝56は、パッケージングをモールドする際に形成された溝で、その幅が回路基板200の端部幅に対応している。このようなガイド溝56によって、基板幅方向の位置も精度良く決定され、コネクタ部と回路基板200との接続を確実なものとできる。
【００４４】
また、この後段回路基板200を検査用の標準基板にしておくと、モジュール本体の良否を回路基板と半田付けすることなくあらかじめ検査できる。それにより、モジュールの不良を前もって検出し、工程の無駄を無くして低コスト化に寄与する。
【００４５】
もちろん、後段回路基板200を製品用としてはめ込んだ状態で検査して正常に動作したら、リフロー半田付けで量産工程に流す手順も有効である。
【００４６】
本発明光通信モジュールと後段回路基板との接続方法をより詳しく説明する。図6は、光通信モジュールと後段回路基板との接続工程の説明図である。
(1) 後段回路基板200を製造する。
▲１▼ 半田印刷工程(A)：図6(A)に示すように、後段回路基板200の一面において、光通信モジュール1のコネクタ部45との接続部204、及び必要な電気回路部品201の実装部分205にクリーム半田を印刷する。接続部204において半田印刷は、必要な厚み及び開口部の面積を有するメタルマスクを用いて行うとよい。
【００４７】
▲２▼ 電気回路部品201の実装工程(B)：図6(B)に示すように、クリーム半田印刷を行った実装部分205に電気回路部品201を実装する。
【００４８】
▲３▼ 半田付け及び半田バンプ形成工程(C)：図6(C)に示すように、電気回路部品201を実装した後段回路基板200をリフロー炉に入れて半田付けを行う。このとき、接続部204には、半田バンプが形成される。
【００４９】
上記▲１▼〜▲３▼までの工程を後段回路基板200の他面についても行い、後段回路基板200の両面において、接続部204に半田バンプ206が形成されると共に電気回路部品201を実装した後段回路基板200が製造される。
【００５０】
(2) 光通信モジュール1の性能検査を行う。
性能検査工程：接続する後段回路基板200と同じ機能を持つ検査基板を光通信モジュール1に一時的に嵌合させ、性能検査を行う。この段階で良品のみを選別する。嵌合のさせ方は後述する。
【００５１】
(3) 予め用意した光通信モジュール1のコネクタ部45に後段回路基板200の接続部204を嵌合させる。
嵌合工程(D)：図6(D)に示すように、光通信モジュール1のパッケージング55に設けたガイド溝(図6では省略、図5参照)に沿わせながら、モジュール1のコネクタ部45である第1及び2リードフレーム41、42間に後段回路基板200を差し入れていく。そして、第1及び2リードフレーム41、42を後段回路基板200の半田バンプ206に重ね合わせるようにして、光通信モジュール1と後段回路基板200とを嵌合させる。
【００５２】
(4) 光通信モジュール1と後段回路基板200とを嵌合させた部分を非接触加熱による半田付けにより接続する。
半田付け接続工程(E)：図6(E)に示すように、光通信モジュール1と後段回路基板200とを嵌合させた部分をリフロー半田付けにより接続固定を行う。このとき、嵌合させた部分の上部及び下部から加熱することが好ましく、加熱手段は、例えば、赤外線や熱風、それらの組み合わせによるものが好ましい。
【００５３】
更に、本例では、光通信モジュール1のリードフレーム41、42において、モジュール1本体と後段回路基板200との間で露出部分を樹脂ポッティングする。
【００５４】
樹脂ポッティング工程：図4に示すように光通信モジュール1のパッケージングから突出したコネクタ部45において、パッケージングと後段回路基板200との間に挟まれた露出部分を樹脂ポッティングし、樹脂ポッティング部47を形成する。露出部分とは、図4において第1リードフレーム41の上面、第2リードフレーム42の下面、及び両リードフレーム41、42間である。
【００５５】
本例では、上記リードフレーム41、42の露出部分、及び半田付け部44を覆うように樹脂ポッティング部47を形成した。また、本例では、樹脂ポッティング部47は、光通信モジュール1のパッケージングに用いた樹脂と同様にエポキシ樹脂を用いた。
【００５６】
このように、リードフレームを2層にすることにより、次の効果を奏することができる。
【００５７】
▲１▼後段回路基板との接続に必要なリードピンが十分確保できる。
【００５８】
▲２▼LDとドライバICの間隔を狭くできるので、配線のインピーダンスが低くでき、1Gbps以上の高速送信が容易にできる。
【００５９】
▲３▼LDは熱伝導の良いSiベンチ上にあり、さらにその熱は第1リードフレームを通じで外部に逃がすことができる。また、2層のリードフレームにしているのでリードピン数に余裕があるため、一部のリードを放熱用に利用することができる。
【００６０】
▲４▼ドライバICの発熱は第2のリードフレームにじか付けすることにより、容易に外部に逃がすことができる。
【００６１】
▲５▼ドライバICから第2リードフレームに流れ込んだ熱は、熱伝導率の低い絶縁スペーサで第1・第2リードフレーム間が熱的に隔絶されているため、第1リードフレームを伝って温度に敏感なLDの方には流れて行かない。従って、熱的にも電気的にもLDとドライバICのアイソレーションが可能となる。
【００６２】
▲６▼コネクタ部が後段回路基板との機械的な接続手段を兼ねることができる。
【００６３】
▲７▼従来、手半田でしか出来なかったLDと回路基板との接続をリフロー半田付けによる非接触加熱で加熱方法を安定化することができる。かつ、メタルマスクでのクリーム半田供給で半田供給量を安定化することができる。そのため、半田付けそのものの品質が安定化すると共に、生産工程が短縮され、量産性に富む。即ち、品質及びコストの両面で効果がある。
【００６４】
▲８▼後段回路基板との接続の前に光通信モジュールの電気検査を行って良否判別を行い、不良品を後工程に流さないようにもできる。もし、この工程がなければ、光通信モジュールと後段回路基板と一体化してから不良が出る恐れがあり、大きなコスト増大要因となる。
【００６５】
上記に加えて、本発明は、光通信モジュールと後段回路基板との間で導電性媒体の露出部分を樹脂ポッティングすることで、モジュール本体とのインピーダンスの整合が取れ易く、高速動作が可能となると言う効果を奏する。
【００６６】
（実施例2：光受信モジュール）
次に、光受信モジュールを図7に示す。図7は裏面入射型PD82を用いた例である。Siベンチ30上にLDの場合と同様に光ファイバ固定用のV溝やPD固定用のメタライズパターンを形成する。さらに、PD82の裏面から光入射できるように、異方性エッチングで斜めのミラー部分を形成し、この面にAu反射膜を形成する。光ファイバから出射された光線は、矢印のように進行して、PD82の背面から入射して受光面に到る。
【００６７】
ここで、例えば1μmから1.6μmの長波長帯では、InP基板上にInGaAsを受光層として成長させたPDが用いられる。増幅器としては、SiやGaAsのICが用いられる。
【００６８】
本例でも、前記実施例１と同様に、両リードフレームの端部がコネクタ部45となり、そこに回路基板200が挟み込まれることで接続が行われる。コネクタ部45と回路基板200とを半田付け部44で接合すること、パッケージングと回路基板200との間で両リードフレームの露出部分及び半田付け部44に樹脂ポッティング部47を形成することや回路基板自体の構成は実施例１と同様である。図7の実施例では、PDの暗電流が温度に非常に敏感であり、本発明の放熱効果が発揮される。
【００６９】
（実施例3：光送受信モジュール）
次に、2本の光ファイバを用い、かつ各リードフレームの引き出し方向が同じである光送受信モジュールを図8に示す。図1や図7と同様の部材には同一の符号を付している。また、図9に本実施例における光通信モジュールと後段回路基板との接続手順を示す。図9において、フェルール62が2本であること以外は図5に示す実施例1と同様である。
【００７０】
この送受信モジュールは、基本的に図1の光送信モジュールと図7の光受信モジュールとを並列した構成である。図8に示すように、2層のリードフレーム41、42を用いている。この光送受信モジュールは、液晶ポリマのベースの表裏に各リードフレーム41、42が配置される構成になっている。送信モジュールと受信モジュールの各々に光ファイバを1本づつ用い、各モジュールのリードフレーム41、42は、並列して同じ方向に引き出されている。送受信に合わせて16本×2層のリードフレームが信号回路、グランド回路、放熱用などに有効に使用されており、本発明の効果が大いに発揮される。後段回路基板との接続形態は実施例1〜2と同じである。すなわち、両リードフレーム間をコネクタ部45とし、その間に回路基板を挿入することで接続が行える。
【００７１】
もちろん、1本の光ファイバの先を分割して送受信を可能とする構成にすることもできる。本発明はファイバの本数によって適用が制限されるものではない。
【００７２】
たとえば、Siベンチ上にSiO2層を設けて形成した光導波路の波長分波器を用い、1本の光ファイバで波長が1.55μmの光を受信し、波長が1.3μmの光を送信する構成で送受信を可能にすることもできる。
【００７３】
（実施例4：光送信モジュール：3層）
さらに、3層のリードフレームを用いた本発明光送信モジュールを図10、図11に示す。各図において、図1の光送信モジュールと同様の部材には同一の符号を付している。
【００７４】
第１リードフレーム41にはSiベンチ30を介してLD10が支持され、第2リードフレーム42にはドライバIC20が直接支持されている。また、第１・第2リードフレーム41、42間に第3リードフレーム43が配置され、各リードフレーム41〜43間には絶縁スペーサ50が介在されている。
【００７５】
実施例１と異なる点は、リードフレームを３層とし、LD10の光強度を検知するM-PD15を中間に位置する第3リードフレーム43と接続したことにある。M-PD15は絶縁スペーサ上に配置され、層間配線51を通じて第3リードフレーム43と接続されている。必要に応じて、各3リードフレーム間は層間配線にて接続する。もちろん、実装する構成要素が増えたならば、さらに層数を増やしても良いし、リードピンの形状を様々に変更しても良い。
【００７６】
後段回路基板200との接続回路数が2層分のリードフレーム41、42で可能なときは、図10のように最上層と最下層の2層のリードフレーム間に回路基板200を接合すればよい。もし、3層全てのリードフレーム41、42、43が必要なときは、図11に示すように、例えば内部にも回路パターン203を有する3層回路基板200を用い、その端部中央にやや広めの開口部を設けて、コネクタ部との接合個所に半田を流し込むことによって接続することも可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明光通信モジュールは、次の効果を奏することができる。
【００７８】
多層の導電性媒体を用いることで、導電性媒体が後段回路基板との電気的な接続だけでなく、機械的な接続手段にもなる。また、この接続に必要なリードピン数が十分確保できる。さらに、光通信モジュールと後段回路基板との接続構造を非常に小型化することができる。
【００７９】
発光素子（受光素子）と電気回路部品の間隔を狭くできるので、配線のインピーダンスが低くでき、1Gbps以上の高速送信が容易にできる。
【００８０】
発光素子（受光素子）の放熱は第1導電性媒体を通じて、電気回路部品の放熱は第2導電性媒体を通じて行えるため、発光素子（受光素子）と電気回路部品を熱的に分離することができる。
【００８１】
本発明光通信モジュールと後段回路基板との接続をリフロー半田付けなどの非接触加熱による半田付けによって行うことができ、半田付けそのものの品質が安定化すると共に生産工程が短縮され、量産性に富む。
【図面の簡単な説明】
【図１】２層リードフレームを持つ本発明モジュールの縦断面図である。
【図２】図1のモジュールからドライバICと第２リードフレームを外した状態の平面図である。
【図３】図1のモジュールの平面図である。
【図４】本発明光通信モジュールと回路基板との接続状態を示す縦断面図である。
【図５】本発明光通信モジュールと回路基板との接続手順を示すもので、（A）は側面図、（B）は平面図である。
【図６】光通信モジュールと後段回路基板との接続工程の説明図である。
【図７】裏面入射型PDを用いた本発明光受信モジュールの縦断面図である。
【図８】本発明光送受信モジュールの斜視図である。
【図９】光ファイバを2本用いた本発明光通信モジュールと回路基板との接続手順を示すもので、（A）は側面図、（B）は平面図である。
【図１０】 3層のリードフレームを用いた本発明モジュールと回路基板との接続状態を示す縦断面図である。
【図１１】 3層のリードフレームを用いた本発明モジュールと回路基板との接続状態を示す縦断面図である。
【図１２】従来の光送信モジュールの切欠斜視図である。
【図１３】従来の光送信モジュールの基板への実装状態を示す説明図である。
【符号の説明】
10 LD
15 M-PD
20 ドライバIC
25 C/R素子
30 Siベンチ
31 絶縁層
32 波長分波器
41 第1リードフレーム
42 第2リードフレーム
43 第3リードフレーム
44 半田付け部
45 コネクタ部
46 凸部
47 樹脂ポッティング部
50 絶縁スペーサ
51 層間配線
55 パッケージング
56 ガイド溝
60 レンズ
61 光ファイバ
62 フェルール
70 Auワイヤ
80 PD
81 導波路型PD
82 裏面入射型PD
90 増幅器
100 ピッグテール型モジュール
200 後段回路基板
201 電気回路部品
202 接点
203 回路パターン
204 接続部
205 実装部分
206 半田バンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる光送信モジュール、光受信モジュール又はこれらの組み合わせにより構成される光送受信モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図12は現在用いられている半導体レーザ送信器の断面構造を示す切欠斜視図である。パッケージの中には、半導体レーザ10(LD)とその光強度を検知するモニタフォトダイオード15(M-PD)が配置されている。LD10から出力される光信号はレンズ60を介して光ファイバ61に入射される。このような光通信モジュールは、構造上からピッグテール型と呼ばれている。このようなピッグテール型モジュール100は、ドライバIC20やC/R素子25を含む回路基板と結合させる際、図13のように、半導体レーザ送信器のリードを折り曲げて回路基板に半田付けしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光通信技術が発展するにつれて、より小型で、より低コストで、大量に生産できる光通信機器が必要とされるようになった。図12、図13に示す従来の構造では、LDとドライバIC等を搭載した回路基板とが別々に作製されるために、小型化にも、低コスト化にも、大量生産にも限界があった。また、LDと回路基板との接続は、その構造上、手半田でしか行えず、この接続工程によって生産能率を低下させていた。
【０００４】
半導体レーザ送信器と回路基板とを別々にしか製造できなかった最大の理由は、LDと回路基板とを集積化するに当たり、LDと回路基板との電気的な接続をわずかなスペースで実現する良好な手段が提供されなかったためである。図12の半導体レーザ送信器では高々4本のリードしかとれない。一方、LDをドライブするICも含めるとすると、最低8本から多いものでは14本以上ものリードが必要となる。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、リード数の多い後段の回路基板との電気的接続をわずかなスペースで可能とする光通信モジュールを提供することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、高速応答性にも優れる光通信モジュールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多層の導電性媒体を用いることで上記の目的を達成する。
すなわち、本発明の第１の構成に係る光通信モジュールは、半導体レーザ（発光素子）およびフォトダイオード（受光素子）の少なくとも一方と、これらと光結合される光ファイバ（光学的結合手段）と、前記半導体レーザに接続される半導体レーザのドライバ IC （電気回路部品）および前記フォトダイオードに接続されるフォトダイオードの信号増幅器（電気回路部品）の少なくとも一方とが実装される多層の導電性媒体を備え、この導電性媒体の端部自体が後段回路基板との接続を行なうコネクタ部であることを特徴とする。
また、本発明の第 2 の構成に係る光通信モジュールは、半導体レーザおよびフォトダイオードの少なくとも一方と、これらと光結合されるフェルール付き光ファイバと、前記半導体レーザに接続される半導体レーザのドライバ IC および前記フォトダイオードに接続されるフォトダイオードの信号増幅器の少なくとも一方とが実装される 2 層のリードフレームを備え、このリードフレームの端部自体が後段回路基板との接続を行なうコネクタ部であり、前記コネクタ部が後段回路基板を挟み込むように形成されたことを特徴とする。
【０００９】
導電性媒体を多層にすることで、同一平面上では実装の制約が大きかった多数の素子・電気回路部品を実装することができる。そして、この導電性媒体自体を後段回路基板と接続されるコネクタ部とすることで、リード数の多い後段回路基板と発受光素子との電気的接続をわずかなスペースで行うことができる。
【００１０】
発受光素子と電気回路部品は、伝送速度が高速化するにつれて、電気的にはできるだけ距離を近づけてインピーダンスを下げ、高速応答を可能にしたい。そのためには電気回路部品も小型のパッケージに収めることとなる。そうすると、従来のパッケージでは外部とのインタフェイスとなるリードピンが不足する。このような相反する条件を同時に満足するために、本発明は積層構造の導電性媒体を用いる。
【００１１】
複数の導電性媒体を層状に積層することで、発受光素子と電気回路部品を近接させながら後段の回路基板との電気的接続を確保できる。さらに、十分な数のリードピンを確保でき、一部のリードピンを放熱用に利用することができる。また、各導電性媒体からのリードピンの引き出し方向も自由に決定することができる。
【００１２】
発光素子、受光素子および電気回路部品は、同一の導電性媒体上に複数実装されていても良いし、異なる導電性媒体にそれぞれ発光素子、受光素子または電気回路部品が実装されていても良い。
【００１３】
導電性媒体としては、金属製のリードフレームが好適である。このリードフレームの層数は、2層でも3層以上でも構わない。また、導電性媒体に設置される受発光素子や電気回路部品も複数であっても良い。
【００１４】
光結合手段としては、光ファイバが挙げられる。通常、フェルール付き光ファイバが用いられる。
【００１５】
光通信モジュールの形態には、光送信モジュール、光受信モジュールおよび光送受信モジュールがある。光送信モジュールには、発光素子としてLDを、電気回路部品としてLDのドライバICを用いたものが挙げられる。さらにLDの光強度を検知するM-PDを用いた光送信モジュールでも良い。光受信モジュールには、受信素子としてPDを、電気回路部品としてPDの信号を増幅するAMPを用いたものが挙げられる。光送受信モジュールには、少なくとも一組の発光素子とドライバICとを具えると共に、少なくとも一組の受光素子と増幅器とを具えるものが挙げられる。光送受信モジュールのより具体的な構成として、送信機能部分は、第1リードフレームの一部に実装された半導体レーザとこの半導体レーザに光結合される送信側光ファイバと、第2リードフレームの一部に実装されたドライバICとを具える。受信機能部分は、第1リードフレームの残部に実装されたフォトダイオードとこのフォトダイオードに光結合される受信側光ファイバと、第2リードフレームの残部に実装されたフォトダイオードの信号増幅器とを具える。そして、これら送信機能部分と受信機能部分とを樹脂モールドしたパッケージングとを具え、このパッケージングから露出した各リードフレームの一端をコネクタ部とするとよい。
【００１６】
本発明において、複数の導電性媒体に対する発光素子および受光素子の少なくとも一方の支持や、電気回路部品の支持は、直接導電性媒体上に支持する場合と、Siベンチなど、何らかの材料を介在させて間接的に支持する場合の両方を含む。
【００１７】
具体的な構成としては、第1導電性媒体と第2導電性媒体とを電気絶縁体を介して積層し、第1導電性媒体に発光素子および受光素子の少なくとも一方を支持し、第2導電性媒体にドライバICや増幅器などの電気回路部品を支持することが好ましい。その際、発光素子および受光素子の少なくとも一方は、Siベンチを介して第1導電性媒体上に支持されることが好ましい。Siは熱伝導性に優れ、発光素子および受光素子の発熱は、Siベンチを介して第1導電性媒体から効果的に放熱できる。また、Siベンチはエッチングにより光ファイバを保持するV溝などの形成が容易に可能で、光ファイバの一端も容易にSiベンチ上に固定することができる。
【００１８】
電気回路部品は第１導電性媒体とは別の第2導電性媒体上に直接支持されることが好ましい。電気回路部品は直接第2導電性媒体上に設けることで、電気回路部品の発熱は第2導電性媒体を通して速やかに放散させることができる。
【００１９】
第1・第2導電性媒体の間に介在される電気絶縁体は熱絶縁体であることが好ましい。第1・第2導電性媒体間は電気絶縁体により絶縁が確保されているが、さらに電気絶縁体を熱絶縁体機能も兼ねる材料で構成することで、熱的にも絶縁を確保することができる。例えば、発光素子および受光素子の少なくとも一方を第1導電性媒体に支持し、電気回路部品を第2導電性媒体に支持して、両導電性媒体間に電気絶縁体兼熱絶縁体を配した場合、電気回路部品の発熱は、電気絶縁体兼熱絶縁体により第1導電性媒体側への伝導が抑制されて、温度に敏感な発光素子または受光素子側に流れることがない。
【００２０】
また、第1導電性媒体と第2導電性媒体の引き出し方向は、同一であっても構わないが、異なる方向としても良い。特に、両導電性媒体が互いに直交する向きに引き出されていることが好ましい。
【００２１】
さらに、1本の光ファイバで送受信が可能な光通信モジュールとすることもできる。すなわち、発光素子および受光素子の双方と、光ファイバと、前記発光素子および受光素子と光ファイバとの送受信を可能にする波長分波器とを設ければ良い。
【００２２】
そして、コネクタ部の具体的形態としては、複数の導電性媒体が後段の回路基板を挟み込む形で嵌合するように形成する。
【００２３】
コネクタ部は、対向する一対の導電性媒体の内間隔を後段回路基板の厚みよりも若干小さくすることで、導電性媒体の弾性により後段回路基板を容易にずれないように挟み込むことができる。特に、対向する一対の導電性媒体の内側に凸部を形成すれば、容易に導電性媒体の弾性を利用することができる。凸部の形成は、導電性媒体自体を適宜屈曲して形成したり、直線状の導電性媒体に突起状の導電部を後付けして形成しても良い。さらに、後段の回路基板におけるコネクタ部との接点には、前記の凸部に嵌合する凹部を形成することで、一層コネクタ部と後段回路基板の接続における信頼性を高めることができる。
【００２４】
その他、導電性媒体の積層方向と直交する方向への後段回路基板のずれを防止するガイド構造を有することが好適である。導電性媒体で後段の回路基板を挟み込むコネクタ部とすれば、導電性媒体の積層方向に回路基板がずれることは防止できる。しかし、積層方向と直交する方向には回路基板がずれることが考えられるため、ガイド機構を設けることで、コネクタ部と後段回路基板とを確実に接続することができる。ガイド機構の具体例としては、光通信モジュールのパッケージングに溝を形成することが好ましい。光通信モジュールは、通常、発受光素子、電気回路部品および光学的結合手段を樹脂モールドしたパッケージングを具えており、コネクタ部となる導電性媒体はパッケージングから露出されている。このパッケージングに後段回路基板の幅に対応したガイド溝を形成することで、後段回路基板の幅方向（導電性媒体の積層方向と直交する方向）へのずれを防止することができる。
【００２５】
また、本発明光通信モジュールを後段回路基板に接続する方法は、以下の工程を具えることを特徴とする。
半導体レーザ（発光素子）およびフォトダイオード（受光素子）の少なくとも一方とこれら素子に接続されるドライバ IC （電気回路部品）および信号増幅器（電気回路部品）の少なくとも一方とが多層の導電性媒体に実装された光通信モジュールを用意する工程。
前記後段回路基板において光通信モジュールとの接続部に半田バンプを形成する工程。
前記導電性媒体の端部に形成されたコネクタ部に後段回路基板の接続部を嵌合する工程。
嵌合させた部分を非接触加熱による半田付けで接続する工程。
【００２６】
上記接続方法は、光通信モジュールと後段回路基板との接続において、非接触加熱による半田付けを行うことで、加熱温度や加熱時間をより安定させることができる。このような非接触加熱による半田付けとしては、リフロー半田付けが好適である。この半田付けの加熱手段としては、例えば、赤外線や熱風、それらの組み合わせによるものが好ましい。
【００２７】
後段回路基板において光通信モジュールとの接続部には、予め半田バンプを形成しておく。後段回路基板において光通信モジュールとの接続部にペースト状のクリーム半田を印刷しておきコネクタ部と接続することもできるが、コネクタ部に後段回路基板を嵌合させる際、クリーム半田がにじんで半田がずれ、隣り合う接続接点がショートする恐れがある。また、手半田の場合は、微細なピッチが要求される接続部において、半田供給量のばらつきを無くすことが困難である。これに対し、半田バンプは、コネクタ部に後段回路基板を嵌合させる際、凝固しているため半田がにじむことがなく、ショートを防止するのに効果的である。また、厚みや開口部の面積が一定であるメタルマスクを用いることで、微細なピッチであっても、半田供給量を安定させることができる。
【００２８】
半田バンプの形成は、後段回路基板に必要な電気回路部品を半田付けする際の加熱により行うことが好ましい。つまり、後段回路基板に電気回路部品を実装するためにクリーム半田を印刷する際、電気回路部品のためのクリーム半田印刷だけでなく、後段回路基板において光通信モジュールとの接続部にもクリーム半田印刷を行う。そして、後段回路基板に電気回路部品を半田付けするために加熱すると、電気回路部品を実装していない後段回路基板の接続部には、半田バンプが形成される。このように半田バンプを形成すると、光通信モジュールと後段回路基板との接続の際に半田供給作業がなくなり、接続工程では半田加熱工程のみとすることができるため、作業性がよい。
【００２９】
本発明光通信モジュールのコネクタ部に後段回路基板を嵌合させて接続する前に、光通信モジュールを検査基板に仮接続して良否検査することが好ましい。検査基板は、後段回路基板と同じ接続形態を有するものが好適である。本発明光通信モジュールは、後段回路基板に対して着脱可能であるため、光通信モジュールの不良を予め検査して良品のみを接続することができる。そのため、工程の無駄を低減することが可能である。
【００３０】
更に、光通信モジュールは予め樹脂モールドしたパッケージングを具えるものを用意し、半田付けで接続する工程の後、前記パッケージングと後段回路基板との間で導電性媒体の露出部分に樹脂ポッティングすることが好ましい。コネクタ部となる多層の導電性媒体は、パッケージングされたモジュール本体から露出した状態である。半田付けによる接続後、導電性媒体の端部は、層間に嵌めたモジュール本体と半田付け部とにより、表面がほとんど露出していない。しかし、パッケージングと後段回路基板との間に位置する導電性媒体は、表面や層間が露出した状態となることもある。そこで、本発明光通信モジュールを後段回路基板に接続するときに、この露出部分を樹脂でポッティングすることにより、パッケージングされたモジュール本体とのインピーダンスの整合をより取り易くし、反射を減少させて高速動作により適した構成とする。
【００３１】
ポッティングに用いる樹脂は、パッケージングされたモジュール本体とインピーダンスの整合が取り易いように、パッケージングに用いた樹脂と誘電率が等しい樹脂が好ましい。即ち、パッケージングに用いた樹脂と同様のものを用いることが望ましい。また、パッケージングに用いた樹脂の誘電率に近接した誘電率、具体的にはパッケージングに用いた樹脂に対して80〜120％の誘電率を有する樹脂でもよい。例えば、パッケージングにエポキシ樹脂(誘電率ε＝4.0程度)を用いる場合、近接した誘電率を有する樹脂として、液晶ポリマ樹脂(誘電率ε＝3.9程度：エポキシ樹脂に対する誘電率割合97.5％)、ポリイミド樹脂(誘電率ε＝3.5程度：エポキシ樹脂に対する誘電率割合87.5％)などを用いることが望ましい。
【００３２】
このようなポッティングは、導電性媒体の露出部分だけに行ってもよいが、パッケージングと後段回路基板との接続部も含めて、これらを覆うように行うことが好ましい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例1：光送信モジュール：2層）
図1〜図3に2層のリードフレームを用いた本発明光送信モジュールを示す。図1は同モジュールの縦断面図、図2は図1のモジュールからドライバICと第2リードフレームを外した状態の平面図、図3は本発明モジュールの平面図である。
【００３４】
この光送信モジュールは、発光素子であるLD10と、電気回路部品となるLD10のドライバIC20とを具える。LD10はSiベンチ30を介して第1リードフレーム41（第1導電性媒体）に支持され、ドライバIC20は第1リードフレーム41の一部に重複して積層される第2リードフレーム42（第2導電性媒体）上に直接支持されている。また、第1・第2リードフレーム間は、絶縁スペーサ50（電気絶縁体）が介在されている。そして、Siベンチ30には、浅いV溝と深いV溝とが連続して形成され、浅いV溝に光ファイバ61が、深いV溝に光ファイバフェルール62がはめ込まれている。
【００３５】
LD10（例えばInP上に成長されたInGaAsPを活性層とするLD）の特性は温度に対して敏感であり、ドライバIC20（例えばSiやGaAsのIC）からの熱をできるだけ避けたい。一方、LD10とドライバIC20の距離を短くすることにより、より高速での動作が可能となる。そこで、図1のように、LDチップを第１リードフレーム41上に配置し、ドライバIC20を第2リードフレーム42上に配置する。
【００３６】
このような光送信モジュールは、次のようにして得ることができる。まず、熱伝導率が低く電気絶縁性も良い高分子絶縁材料の絶縁スペーサ50で、2枚のリードフレーム41、42を所定の間隔（ここでは約１mm）を空けて配置する。絶縁スペーサ50には液晶ポリマが、リードフレーム41、42はFeやCu、Al等が好ましい。
【００３７】
LD10はヒートシンク兼サブマウントのSiベンチ30上に搭載する。Siベンチ30は半導体であり、電気を流すので、その表裏面に熱酸化やCVD法によってSiO2の絶縁層31を形成する。また、フォトリソグラフィーにより、光ファイバ61とこれを保持するフェルール62（ジルコニアやアルミナ製）を固定するためのV溝およびLD10をボンディングするためのメタライズパターンをSiベンチ30に形成する。
【００３８】
続いて、LD10とドライバIC20間、ドライバIC20とリードフレーム41、42間はAuワイヤ70のボンディングにより接続する（図3）。その後、LD10、ドライバIC20及び光ファイバ端を含む空間は、例えば透光性のシリコーン系樹脂でポッティングする。これにより、光ファイバ61との屈折率整合や、LD10やドライバIC20の端面保護、Auワイヤ70の保護などの機能が確保できる。そして、2層リードフレーム41、42の先端部とフェルール62の先端部を除いて、全体をエポキシ樹脂でモールドすることで、外形形状を形作る。図1、図3における矩形の破線は樹脂モールドによるパッケージングの輪郭を示し、LDやドライバICを覆う曲線の破線は透光性樹脂でのポッティングの輪郭を示している。
【００３９】
このパッケージングから突出しているリードフレームの一部がコネクタ部45である。光通信モジュールと後段の回路基板200との接続は、図4に示すようにコネクタ部45の間に回路基板200を挟み込むことで行う。図4はコネクタ部45と回路基板200の接続状態を示す縦断面図である。
【００４０】
このリードフレーム41、42の内間隔は、接続される後段の回路基板200の厚みよりも若干小さく形成され、コネクタ部をばね構造とすることで回路基板200をコネクタ部45にはめ込んだ際に容易にずれないようにされている。回路基板200の表裏にはメタライズパターンが形成されている。このメタライズパターンは、回路基板200に搭載される所要の電気回路部品201と接続されると共に、コネクタ部45との接触個所となる接点202にまで伸びている。
【００４１】
この接点202は、後述するリフロー半田付けや赤外線加熱で半田付け部44を形成してコネクタ部と接合される。この場合、2層のリードフレーム41、42は、電気的接続と機械的接続とを同時に兼ねる。これはリードフレーム41、42が2層だから可能となる。
【００４２】
さらに、図5に示すように、コネクタ部のリードフレームに凸部46を設けたり、パッケージング55にガイド溝56を設けることが好ましい。図5は光通信モジュールと回路基板200とを接続する手順を示すもので、（A）は側面図、（B）は平面図である。ここでは、図5（A）に示すように、リードフレーム41、42のコネクタ部を屈曲し、両リードフレーム間に凸部46を形成している。この上下のリードフレームで回路基板200を挟むことにより、回路基板200がリードフレームの積層方向へずれることは防止できる。
【００４３】
次に、回路基板の幅方向（リードフレームの積層方向と直交する方向）の位置を決定するために、図5（B）に示すパッケージングのガイド溝56を用いる。このガイド溝56は、パッケージングをモールドする際に形成された溝で、その幅が回路基板200の端部幅に対応している。このようなガイド溝56によって、基板幅方向の位置も精度良く決定され、コネクタ部と回路基板200との接続を確実なものとできる。
【００４４】
また、この後段回路基板200を検査用の標準基板にしておくと、モジュール本体の良否を回路基板と半田付けすることなくあらかじめ検査できる。それにより、モジュールの不良を前もって検出し、工程の無駄を無くして低コスト化に寄与する。
【００４５】
もちろん、後段回路基板200を製品用としてはめ込んだ状態で検査して正常に動作したら、リフロー半田付けで量産工程に流す手順も有効である。
【００４６】
本発明光通信モジュールと後段回路基板との接続方法をより詳しく説明する。図6は、光通信モジュールと後段回路基板との接続工程の説明図である。
(1) 後段回路基板200を製造する。
▲１▼ 半田印刷工程(A)：図6(A)に示すように、後段回路基板200の一面において、光通信モジュール1のコネクタ部45との接続部204、及び必要な電気回路部品201の実装部分205にクリーム半田を印刷する。接続部204において半田印刷は、必要な厚み及び開口部の面積を有するメタルマスクを用いて行うとよい。
【００４７】
▲２▼ 電気回路部品201の実装工程(B)：図6(B)に示すように、クリーム半田印刷を行った実装部分205に電気回路部品201を実装する。
【００４８】
▲３▼ 半田付け及び半田バンプ形成工程(C)：図6(C)に示すように、電気回路部品201を実装した後段回路基板200をリフロー炉に入れて半田付けを行う。このとき、接続部204には、半田バンプが形成される。
【００４９】
上記▲１▼〜▲３▼までの工程を後段回路基板200の他面についても行い、後段回路基板200の両面において、接続部204に半田バンプ206が形成されると共に電気回路部品201を実装した後段回路基板200が製造される。
【００５０】
(2) 光通信モジュール1の性能検査を行う。
性能検査工程：接続する後段回路基板200と同じ機能を持つ検査基板を光通信モジュール1に一時的に嵌合させ、性能検査を行う。この段階で良品のみを選別する。嵌合のさせ方は後述する。
【００５１】
(3) 予め用意した光通信モジュール1のコネクタ部45に後段回路基板200の接続部204を嵌合させる。
嵌合工程(D)：図6(D)に示すように、光通信モジュール1のパッケージング55に設けたガイド溝(図6では省略、図5参照)に沿わせながら、モジュール1のコネクタ部45である第1及び2リードフレーム41、42間に後段回路基板200を差し入れていく。そして、第1及び2リードフレーム41、42を後段回路基板200の半田バンプ206に重ね合わせるようにして、光通信モジュール1と後段回路基板200とを嵌合させる。
【００５２】
(4) 光通信モジュール1と後段回路基板200とを嵌合させた部分を非接触加熱による半田付けにより接続する。
半田付け接続工程(E)：図6(E)に示すように、光通信モジュール1と後段回路基板200とを嵌合させた部分をリフロー半田付けにより接続固定を行う。このとき、嵌合させた部分の上部及び下部から加熱することが好ましく、加熱手段は、例えば、赤外線や熱風、それらの組み合わせによるものが好ましい。
【００５３】
更に、本例では、光通信モジュール1のリードフレーム41、42において、モジュール1本体と後段回路基板200との間で露出部分を樹脂ポッティングする。
【００５４】
樹脂ポッティング工程：図4に示すように光通信モジュール1のパッケージングから突出したコネクタ部45において、パッケージングと後段回路基板200との間に挟まれた露出部分を樹脂ポッティングし、樹脂ポッティング部47を形成する。露出部分とは、図4において第1リードフレーム41の上面、第2リードフレーム42の下面、及び両リードフレーム41、42間である。
【００５５】
本例では、上記リードフレーム41、42の露出部分、及び半田付け部44を覆うように樹脂ポッティング部47を形成した。また、本例では、樹脂ポッティング部47は、光通信モジュール1のパッケージングに用いた樹脂と同様にエポキシ樹脂を用いた。
【００５６】
このように、リードフレームを2層にすることにより、次の効果を奏することができる。
【００５７】
▲１▼後段回路基板との接続に必要なリードピンが十分確保できる。
【００５８】
▲２▼LDとドライバICの間隔を狭くできるので、配線のインピーダンスが低くでき、1Gbps以上の高速送信が容易にできる。
【００５９】
▲３▼LDは熱伝導の良いSiベンチ上にあり、さらにその熱は第1リードフレームを通じで外部に逃がすことができる。また、2層のリードフレームにしているのでリードピン数に余裕があるため、一部のリードを放熱用に利用することができる。
【００６０】
▲４▼ドライバICの発熱は第2のリードフレームにじか付けすることにより、容易に外部に逃がすことができる。
【００６１】
▲５▼ドライバICから第2リードフレームに流れ込んだ熱は、熱伝導率の低い絶縁スペーサで第1・第2リードフレーム間が熱的に隔絶されているため、第1リードフレームを伝って温度に敏感なLDの方には流れて行かない。従って、熱的にも電気的にもLDとドライバICのアイソレーションが可能となる。
【００６２】
▲６▼コネクタ部が後段回路基板との機械的な接続手段を兼ねることができる。
【００６３】
▲７▼従来、手半田でしか出来なかったLDと回路基板との接続をリフロー半田付けによる非接触加熱で加熱方法を安定化することができる。かつ、メタルマスクでのクリーム半田供給で半田供給量を安定化することができる。そのため、半田付けそのものの品質が安定化すると共に、生産工程が短縮され、量産性に富む。即ち、品質及びコストの両面で効果がある。
【００６４】
▲８▼後段回路基板との接続の前に光通信モジュールの電気検査を行って良否判別を行い、不良品を後工程に流さないようにもできる。もし、この工程がなければ、光通信モジュールと後段回路基板と一体化してから不良が出る恐れがあり、大きなコスト増大要因となる。
【００６５】
上記に加えて、本発明は、光通信モジュールと後段回路基板との間で導電性媒体の露出部分を樹脂ポッティングすることで、モジュール本体とのインピーダンスの整合が取れ易く、高速動作が可能となると言う効果を奏する。
【００６６】
（実施例2：光受信モジュール）
次に、光受信モジュールを図7に示す。図7は裏面入射型PD82を用いた例である。Siベンチ30上にLDの場合と同様に光ファイバ固定用のV溝やPD固定用のメタライズパターンを形成する。さらに、PD82の裏面から光入射できるように、異方性エッチングで斜めのミラー部分を形成し、この面にAu反射膜を形成する。光ファイバから出射された光線は、矢印のように進行して、PD82の背面から入射して受光面に到る。
【００６７】
ここで、例えば1μmから1.6μmの長波長帯では、InP基板上にInGaAsを受光層として成長させたPDが用いられる。増幅器としては、SiやGaAsのICが用いられる。
【００６８】
本例でも、前記実施例１と同様に、両リードフレームの端部がコネクタ部45となり、そこに回路基板200が挟み込まれることで接続が行われる。コネクタ部45と回路基板200とを半田付け部44で接合すること、パッケージングと回路基板200との間で両リードフレームの露出部分及び半田付け部44に樹脂ポッティング部47を形成することや回路基板自体の構成は実施例１と同様である。図7の実施例では、PDの暗電流が温度に非常に敏感であり、本発明の放熱効果が発揮される。
【００６９】
（実施例3：光送受信モジュール）
次に、2本の光ファイバを用い、かつ各リードフレームの引き出し方向が同じである光送受信モジュールを図8に示す。図1や図7と同様の部材には同一の符号を付している。また、図9に本実施例における光通信モジュールと後段回路基板との接続手順を示す。図9において、フェルール62が2本であること以外は図5に示す実施例1と同様である。
【００７０】
この送受信モジュールは、基本的に図1の光送信モジュールと図7の光受信モジュールとを並列した構成である。図8に示すように、2層のリードフレーム41、42を用いている。この光送受信モジュールは、液晶ポリマのベースの表裏に各リードフレーム41、42が配置される構成になっている。送信モジュールと受信モジュールの各々に光ファイバを1本づつ用い、各モジュールのリードフレーム41、42は、並列して同じ方向に引き出されている。送受信に合わせて16本×2層のリードフレームが信号回路、グランド回路、放熱用などに有効に使用されており、本発明の効果が大いに発揮される。後段回路基板との接続形態は実施例1〜2と同じである。すなわち、両リードフレーム間をコネクタ部45とし、その間に回路基板を挿入することで接続が行える。
【００７１】
もちろん、1本の光ファイバの先を分割して送受信を可能とする構成にすることもできる。本発明はファイバの本数によって適用が制限されるものではない。
【００７２】
たとえば、Siベンチ上にSiO2層を設けて形成した光導波路の波長分波器を用い、1本の光ファイバで波長が1.55μmの光を受信し、波長が1.3μmの光を送信する構成で送受信を可能にすることもできる。
【００７３】
（実施例4：光送信モジュール：3層）
さらに、3層のリードフレームを用いた本発明光送信モジュールを図10、図11に示す。各図において、図1の光送信モジュールと同様の部材には同一の符号を付している。
【００７４】
第１リードフレーム41にはSiベンチ30を介してLD10が支持され、第2リードフレーム42にはドライバIC20が直接支持されている。また、第１・第2リードフレーム41、42間に第3リードフレーム43が配置され、各リードフレーム41〜43間には絶縁スペーサ50が介在されている。
【００７５】
実施例１と異なる点は、リードフレームを３層とし、LD10の光強度を検知するM-PD15を中間に位置する第3リードフレーム43と接続したことにある。M-PD15は絶縁スペーサ上に配置され、層間配線51を通じて第3リードフレーム43と接続されている。必要に応じて、各3リードフレーム間は層間配線にて接続する。もちろん、実装する構成要素が増えたならば、さらに層数を増やしても良いし、リードピンの形状を様々に変更しても良い。
【００７６】
後段回路基板200との接続回路数が2層分のリードフレーム41、42で可能なときは、図10のように最上層と最下層の2層のリードフレーム間に回路基板200を接合すればよい。もし、3層全てのリードフレーム41、42、43が必要なときは、図11に示すように、例えば内部にも回路パターン203を有する3層回路基板200を用い、その端部中央にやや広めの開口部を設けて、コネクタ部との接合個所に半田を流し込むことによって接続することも可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明光通信モジュールは、次の効果を奏することができる。
【００７８】
多層の導電性媒体を用いることで、導電性媒体が後段回路基板との電気的な接続だけでなく、機械的な接続手段にもなる。また、この接続に必要なリードピン数が十分確保できる。さらに、光通信モジュールと後段回路基板との接続構造を非常に小型化することができる。
【００７９】
発光素子（受光素子）と電気回路部品の間隔を狭くできるので、配線のインピーダンスが低くでき、1Gbps以上の高速送信が容易にできる。
【００８０】
発光素子（受光素子）の放熱は第1導電性媒体を通じて、電気回路部品の放熱は第2導電性媒体を通じて行えるため、発光素子（受光素子）と電気回路部品を熱的に分離することができる。
【００８１】
本発明光通信モジュールと後段回路基板との接続をリフロー半田付けなどの非接触加熱による半田付けによって行うことができ、半田付けそのものの品質が安定化すると共に生産工程が短縮され、量産性に富む。
【図面の簡単な説明】
【図１】２層リードフレームを持つ本発明モジュールの縦断面図である。
【図２】図1のモジュールからドライバICと第２リードフレームを外した状態の平面図である。
【図３】図1のモジュールの平面図である。
【図４】本発明光通信モジュールと回路基板との接続状態を示す縦断面図である。
【図５】本発明光通信モジュールと回路基板との接続手順を示すもので、（A）は側面図、（B）は平面図である。
【図６】光通信モジュールと後段回路基板との接続工程の説明図である。
【図７】裏面入射型PDを用いた本発明光受信モジュールの縦断面図である。
【図８】本発明光送受信モジュールの斜視図である。
【図９】光ファイバを2本用いた本発明光通信モジュールと回路基板との接続手順を示すもので、（A）は側面図、（B）は平面図である。
【図１０】 3層のリードフレームを用いた本発明モジュールと回路基板との接続状態を示す縦断面図である。
【図１１】 3層のリードフレームを用いた本発明モジュールと回路基板との接続状態を示す縦断面図である。
【図１２】従来の光送信モジュールの切欠斜視図である。
【図１３】従来の光送信モジュールの基板への実装状態を示す説明図である。
【符号の説明】
10 LD
15 M-PD
20 ドライバIC
25 C/R素子
30 Siベンチ
31 絶縁層
32 波長分波器
41 第1リードフレーム
42 第2リードフレーム
43 第3リードフレーム
44 半田付け部
45 コネクタ部
46 凸部
47 樹脂ポッティング部
50 絶縁スペーサ
51 層間配線
55 パッケージング
56 ガイド溝
60 レンズ
61 光ファイバ
62 フェルール
70 Auワイヤ
80 PD
81 導波路型PD
82 裏面入射型PD
90 増幅器
100 ピッグテール型モジュール
200 後段回路基板
201 電気回路部品
202 接点
203 回路パターン
204 接続部
205 実装部分
206 半田バンプ
Claims (7)
- 半導体レーザおよびフォトダイオードの少なくとも一方と、
これらと光結合される光ファイバと、
前記半導体レーザに接続される半導体レーザのドライバ IC および前記フォトダイオードに接続されるフォトダイオードの信号増幅器の少なくとも一方とが実装される多層の導電性媒体を備え、
この導電性媒体の端部自体が後段回路基板との接続を行なうコネクタ部であることを特徴とする光通信モジュール。 - 導電性媒体がリードフレームであることを特徴とする請求項１に記載の光通信モジュール。
- さらに導電性媒体の積層方向と直交する方向への後段回路基板のずれを防止するガイド構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光通信モジュール。
- 半導体レーザおよびフォトダイオードの少なくとも一方と、
これらと光結合されるフェルール付き光ファイバと、
前記半導体レーザに接続される半導体レーザのドライバ IC および前記フォトダイオードに接続されるフォトダイオードの信号増幅器の少なくとも一方とが実装される 2 層のリードフレームを備え、
このリードフレームの端部自体が後段回路基板との接続を行なうコネクタ部であり、前記コネクタ部が後段回路基板を挟み込むように形成されたことを特徴とする光通信モジュール。 - 光ファイバの一端と半導体レーザおよびフォトダイオードの少なくとも一方とがSi基板上に固定されていることを特徴とする請求項１または４に記載の光通信モジュール。
- 少なくとも一組の半導体レーザとドライバICとよりなる送信機能部分と、
少なくとも一組のフォトダイオードと増幅器とよりなる受信機能部分の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１または４に記載の光通信モジュール。 - 2 層のリードフレームは、第 1 リードフレームと第 2 リードフレームとからなり、
前記第1リードフレームの一部に実装された半導体レーザとこの半導体レーザに光結合される送信側光ファイバと、前記第2リードフレームの一部に実装されたドライバICとよりなる送信機能部分と、
前記第1リードフレームのうち、半導体レーザと送信側光ファイバとが実装されている部分以外の部分に実装されたフォトダイオードとこのフォトダイオードに光結合される受信側光ファイバと、前記第2リードフレームのうち、ドライバ IC が実装された部分以外の部分に実装されたフォトダイオードの信号増幅器とよりなる受信機能部分と、
前記送信機能部分と受信機能部分とを樹脂モールドしたパッケージングとを具え、
前記パッケージングから露出した両リードフレームの一端がコネクタ部であることを特徴とする請求項４記載の光通信モジュール。
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