JP4842522B2

JP4842522B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP4842522B2
Application number: JP2004189558A
Authority: JP
Inventors: 貴義菅井; 規男岡田; 竜夫八田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: JP2006013202A

Description

本発明は、光信号を送信する光モジュールに関する。

従来、光モジュールは、電気信号を光信号に変換する光半導体素子と、光半導体素子を気密封止して保持するパッケージと、パッケージの内部と外部とを電気的に連絡するリードと、電気信号を出力するプリント基板とを有する。プリント基板とリードのパッケージ外部側部との間の電気信号の伝送は、ピン形状に形成されたリードのパッケージ外部側部（リードピン）によって行われ、光半導体素子とリードのパッケージ内部側部との間の電気信号の伝送は、基板上の伝送線路によって行われる。これにより、プリント基板から光半導体素子に電気信号が伝送される。また、光半導体素子の温度を一定に維持する（温度変化を抑制する）電子冷却素子が、必要に応じて、光半導体素子と接して又は近傍に設けられている。このような光モジュールの例として特許文献１のものがある。
特開平９−１４８６７５号公報

しかしながら、上記の光モジュールは、リードピンや基板の高い熱伝導率性により、プリント基板から光半導体素子に大量の熱が流入する。光半導体素子は、熱によって温度が変化すると光信号の出力も変化する。当然ながら、これらは光モジュールの信頼性を損なうことになる。加えて、電子冷却素子が設けられている場合、熱による光半導体素子の温度変化を阻止するために電気冷却素子が大きく駆動し、その結果、電子冷却素子の消費電力が増加する。また、プリント基板と光半導体素子との間の電気信号の伝送においては、特性インピーダンスの異なるリード線や基板を介しているため、特に、高周波信号が伝送される場合、その信号は大きく劣化する。

そこで、本発明は、プリント基板から光半導体素子への熱の流入を抑えるとともに、プリント基板と光半導体素子との間で伝送される電気信号の劣化を抑える高周波特性が優れた光モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明の光モジュールは、
内部側端と外部側端とを有する複数のリードを備えたパッケージと、
上記パッケージ内に気密封止された光半導体素子と、
上記リードの外部側端に電気的に接続された第１の伝送線路と、
上記リードの内部側端と上記光半導体素子とを電気的に接続する第２の伝送線路とを含む光モジュールであって、
プリント基板を接続するための上記第１の伝送線路がプラスチックフィルムとしての第１のフレキシブル基板にマイクロストリップ構造として設けられ、
上記第２の伝送線路は、誘電率が上記第１のフレキシブル基板と略等しいプラスチックフィルムとしての第２のフレキシブル基板に、特性インピーダンスが上記第１の伝送線路と略等しいマイクロストリップ構造として設けられ、
上記第２の伝送線路の線幅が上記第１の伝送線路の線幅と異なることを特徴とする。

本発明によれば、プリント基板から光半導体素子への熱の流入を抑えるとともに、プリント基板と光半導体素子との間で伝送される電気信号の劣化を抑えることができる。その結果、高い信頼性を有し、消費電力が小さく、高周波特性に優れた光モジュールを提供することができる。

本発明は、電気信号を変換して光信号を送信する光モジュールに関するものだが、光信号を送信するのみの光モジュールに限定したものでなく、光信号を送受信する光モジュールの光信号を送信する部分にも実施可能である。本明細書においては、光信号を送信する光モジュールについて説明している。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る光モジュールを、その内部構造も含めて示した図である。光モジュール１０は、電気信号を光信号に変換する光半導体素子１２と、光半導体素子１２を気密封止して保持するセラミックパッケージ１４と、セラミックパッケージ１４の内部と外部とを電気的に連絡するリード１６と、光半導体素子１２に伝送する電気信号を出力するプリント基板１８とを有する。

また、光モジュール１０は、プリント基板１８とリード１６のパッケージ外部側端２０（セラミックパッケージ１４の外部に露出しているリード１６の部分２０）とを電気的に接続する複数の第１の伝送線路２２がパターン形成されている第１のフレキシブル基板２４と、光半導体素子１２とリード１６のパッケージ内部側端２６（セラミックパッケージ１４内に露出しているリード１６の部分２６）とを電気的に接続する複数の第２の伝送線路２８がパターン形成されている第２のフレキシブル基板３０（３０−１、３０−２）とを有する。

さらに、光モジュール１０は、光半導体素子１２に接触した状態で又は近傍に配置されて光半導体素子１２の温度を一定に維持する電子気冷却素子３２と、光半導体素子から出力された光を集光するレンズ３４と、光モジュール１０に光信号が戻ることを防止する光アイソレータ３６とを有する。加えて、第２の伝送線路２８の末端（プリント基板１８から電気的に最も遠い端）には、終端抵抗３８が接続されている。

光モジュール１０の上記以外の構成要素は、本発明の趣旨から外れるため、図示せず、また、説明を省略する。

プリント基板１８は、光半導体素子１２に伝送される信号（第１の信号）を出力する電極（第１の電極）４０と、光半導体素子１２に伝送される第１の信号と逆相の信号（第２の信号）を出力する電極（第２の電極）４２とを有する。第１の電極４０は、線路２２−１とボンディングワイヤによって電気的に接続されている。第２の電極４２は、線路２２−２とボンディングワイヤによって電気的に接続されている。

また、プリント基板１８は、図示されてはいないが、第１と第２の信号以外に別の信号を出力する電極を有する。例えば、電子冷却素子３２を駆動させる信号（電源）を出力する電極を有する。

第１のフレキシブル基板２４は、ポリエステルやポリイミドなどの高い柔軟性と低い熱伝導性を有するプラスチックフィルム上に複数の第１の伝送線路２２がパターン形成されて構成されている。第１のフレキシブル基板２４の第１の伝送線路２２には、第１の信号が伝送される線路２２−１と第２の信号が伝送される線路２２−２とが含まれる。線路２２−１と線路２２−２は、第１のフレキシブル基板２４上に略平行に配置されており、線厚や線幅が略同一にされている。線路２２−１は、リード１６−１のパッケージ外部側端２０−１とボンディングワイヤによって電気的に接続されている。線路２２−２は、リード１６−２のパッケージ外部側端２０−２とボンディングワイヤによって電気的に接続されている。

また、第１のフレキシブル基板２４が有する線路２２―１と線路２２−２以外の第１の伝送線路２２には、例えば、電子冷却素子３２を駆動させる信号が伝送される線路が含まれる。

第２のフレキシブル基板３０（３０−１、３０−２）は、第１のフレキシブル基板２４と同一のプラスチックフィルム、または、略同一の誘電率を有するプラスチックフィルム上に第２の伝送線路（線路２８−１、線路２８−２）２８がパターン形成されて構成されている。線路２８―１と線路２８−２の線厚や線幅は、線路２２−１と線路２２−２のものと略同一にされており、線路２８−１と線路２８−２との間の距離も、線路２２−１と線路２２−２との間の距離と略等しくされている。

第２のフレキシブル基板３０−１上の線路２８−１は、リード１６−１のパッケージ内部側端２６−１とボンディングワイヤによって電気的に接続されている。第２のフレキシブル基板３０−１上の線路２８−２は、リード１６−２のパッケージ内部側端２６−２とボンディングワイヤによって電気的に接続されている。

また、第２のフレキシブル基板３０−１上の線路２８−１のリード１６−１のパッケージ内部側端２６−１と接続されていない方の端が、光半導体素子１２のアノードまたはカソードとボンディングワイヤ４４によって電気的に接続されている。加えて、光半導体素子１２のボンディングワイヤ４４と接続されているアノードまたはカソードと第２のフレキシブル基板３０−２の線路２８−１とがボンディングワイヤ４６によって電気的に接続されることにより、第２のフレキシブル基板３０−１と３０−２それぞれの線路２８−１が電気的に接続される。

また、第２のフレキシブル基板３０−１と３０−２それぞれの線路２８−２は、ボンディングワイヤ４８によって電気的に接続されている。

第２のフレキシブル基板３０−２上の線路２８−１と線路２８−２の終端（光半導体素子１２から電気的に遠い端）は、ボンディングワイヤによって終端抵抗３８と電気的に接続されている。

光モジュール１０において、プリント基板１８の第１の電極４０から第１の信号が出力されると、信号は、第１の電極４０から第１のフレキシブル基板２４上の線路２２−１を伝わり、続いて、リード１６−１、第２のフレキシブル基板３０−１の線路２８−１を介して（加えて、これらの間のボンディングワイヤも介して）光半導体素子１２に伝送される。信号が入力された光半導体素子１２は、光信号５０を出力する。この第１の信号は、線厚や線幅、パターン形成されているフレキシブル基板の誘電率が略同一である、言い換えると、特性インピーダンスが略等しい線路２２−１と線路２８−１とを伝送されるため、劣化が抑えられる。

また、このとき、第１の電気信号が伝送される第１の信号用伝送線路（線路２２−１、リード１６−１、線路２８−１を含む第１の信号が伝送される伝送線路）と平行に配置された第２の電気信号用伝送線路（線路２２−２、リード１６−２、線路２８−２を含む第２の信号が伝送される伝送線路）に、第１の信号と逆相の第２の信号が伝送されている。

第１の信号用伝送線路と第２の信号用伝送線路とが略同一の構成（線厚、線幅、形成されるフレキシブル基板の誘電率）であり、互いに逆相である第１と第２の信号が伝送されるため、両方の伝送線路から生じる磁界が相殺されて熱雑音などのノイズが低減される。その結果、伝送線路を流れる電気信号のノイズによる劣化を抑えることができる。

また、熱伝導性が低いフレキシブル基板を用いることにより、従来の光モジュールに比べて、プリント基板１８から光半導体素子１２に伝わる熱が減少する。そのために、電子冷却素子３２が大きく駆動することがなくなり、その結果、電子冷却素子３２の消費電力が抑えられる。

本実施の形態において、第２のフレキシブル基板は、２つの基板３０−１と３０−２とで構成されているが、これに限定する訳でなく、１つのフレキシブル基板で構成してもよい。また、線路２２−１、２２−２、２８−１、２８−２において、線幅、線厚、形成されるフレキシブル基板の誘電率を略同一にすることにより、これらの特性インピーダンスを略等しくしたが、特性インピーダンスが略同一であれば、線幅、線厚、形成されるフレキシブル基板の誘電率は異なってもよい。

実施の形態２．
本実施の形態の光モジュールは、差動信号を受けて駆動する。本実施の形態の光モジュールは、実施の形態１の光モジュールと略同じだが、プリント基板が差動信号を出力するＩＣ（ドライバ）を有し、第２の信号用伝送線路と光半導体素子とが電気的に接続されていることに関して異なる。実施の形態１と同一の構成要素の符号は、実施の形態１の符号に１００を加えて示している。以下、実施の形態１と異なる部分について説明する。

図２は、実施の形態２の光モジュール１１０を、その内部構造も含めて示した図である。プリント基板１１８は、差動信号を出力する２つの電極１４０と１４２を有する差動ＩＣ１５２（差動ドライバ）を有する。

第２のフレキシブル基板１３０（１３０−１、１３０―２）の線路１２８−２は、線路１２８−１と接続されていない光半導体素子１１２のアノードまたはカソードと電気的に接続されている電極１５４と、ボンディングワイヤ１５６によって電気的に接続されている。

また、二本一組で差動線路をなす線路１２２−１と線路１２２−２との間のインピーダンス（差動線路間のインピーダンス）と、線路１２８−１と線路１２８−２との差動線路間のインピーダンスは略等しくされている。例えば、差動ドライバ１５２が２つの電極１４０と１４２の出力インピーダンスがＺ_０である場合、差動線路間のインピーダンスを２Ｚ_０とすれば、差動線路のインピーダンスは整合される。

このような構成によれば、プリント基板から光半導体素子までの伝送線路は、高周波特性に優れた線路となる。また、第１のフレキシブル基板１２４と第２のフレキシブル基板１３０における差動線路間のインピーダンスを略等しくすることで、伝送線路のインピーダンスの整合が簡単に行える。

以下、フレキシブル基板とセラミックパッケージの接続形態（線路とリードの接続形態）を変えることにより、光半導体素子への熱流入をより抑えることができる又はより優れた伝送線路を形成することができる光モジュールを説明する。ここで説明される接続形態は、第１のフレキシブル基板と第２のフレキシブル基板を区別しておらず、また、リードのパッケージ内部側端と外部側端も区別していない。しかしながら、省略のために、第１のフレキシブル基板とリードのパッケージ外部側端との接続形態について説明する。

図３は、フレキシブル基板とパッケージの接続部分、言い換えると、フレキシブル基板の複数の伝送線路とパッケージの複数のリードとの接続部分を示している。光モジュール２１０において、第１のフレキシブル基板２２４に形成されている複数の伝送線路２２２は、第１のフレキシブル基板の端２５６から突出した部分（突出線路）２５８を有する。突出線路２５８とリード２１６のパッケージ外部側部２２０とが半田によって電気的に接続されている。半田付けを行う際に発生するフラックスは、複数の突出線路２５８の間から外気に放出される。フラックスが外気に放出されることにより、半田接着される表面間に残されるフラックスの量も低減される又はなくなるため、フラックスが接着面間に残ることによる電気的な接続不良が減少する。その結果、線路２２２とリード２１６のパッケージ外側部２２０との間において良好な電気的接続が行われる。

また、第１のフレキシブル基板２２４とパッケージ２１４の間には、ギャップ２６０が設けられている。そのため、第１のフレキシブル基板２２４からパッケージ２１４に熱が伝導されない。その結果、図示されてはいないが、プリント基板から光半導体素子に流入する熱が少なくなる。

図４は、フレキシブル基板とパッケージの別の接続形態を示している。図示するように接続される光モジュール３１０において、第１のフレキシブル基板３２４とパッケージ３１４の接続は、第１のフレキシブル基板３２４の複数の伝送線路３２２が形成されている面と反対の面３６２とパッケージ３１４のリード３１６のパッケージ外部側部３２０が形成されている面３６４のパッケージ外部側端３２０が形成されていない部分とが絶縁性接着剤３６６によって接着されることによって行われている。複数の線路３２２とリード３１６のパッケージ外部側部３２０との電気的接続は、ボンディングワイヤ３６８によって行われている。第１のフレキシブル基板３２４とパッケージ３１４が接着されるために、これらの接続は強固なものとなる。また、ボンディングワイヤ３６８をその長さを調節して複数の線路３２２とリード３１６のパッケージ外部側部３２０とを電気的に接続することにより、インピーダンス整合が行われる。

図５は、フレキシブル基板とパッケージの更なる別の接続形態を示している。図示するように接続される光モジュール４１０において、パッケージ４１４には、第１のフレキシブル基板４２４の厚さと略同一長さの段差部４７０が設けられている。この段差部４７０に第１のフレキシブル基板４２４の端部が絶縁性接着剤４７２によって接着されている。これにより、第１のフレキシブル基板４２４に形成されている複数の伝送線路４２２の面とパッケージ４１４に形成されているリード４１６のパッケージ外部側部４２０の面とが略同一平面上に存在することになる。このような接続形態において、ボンディングワイヤ４７４によって複数の線路４２２とリード４１６のパッケージ外部側部４２０を電気的に接続すると、そのボンディングワイヤ４７４の長さは技術的に可能である限り短くすることができる。ボンディングワイヤ４７４は、伝送線路においてインダクタンスとなるため、伝送される信号が高周波信号である場合、インピーダンスが高くなり高周波特性が劣化する。したがって、ボンディングワイヤ４７４の長さを可能である限り短くすることにより、伝送線路の高周波特性の劣化を阻止する。

図６は、第１のフレキシブル基板がマイクロストリップ構造の基板である場合の接続形態を示している。第１のフレキシブル基板５２４の複数の線路５２２が形成されている面と反対側の面には、導電層５７６が形成されている。また、パッケージ５１４には、第１のフレキシブル基板５２４の厚さと略同一長さの段差部５７０が設けられている。この段差部５７０に第１のフレキシブル基板５２４の端部が接着される。また、段差部５７０の導電層５７６と接触する部分には、光半導体素子（図示せず）の基準電位、例えば、グラウンドが印加されているグラウンドリード（図示せず）が設けられている。このグラウンドリードと導電層５７６とを電気的に接続するために第１のフレキシブル基板５２４とパッケージ５１４とを導電性接着剤５７８によって接着するとともに、光半導体素子に伝送される第１の信号と第２の信号（実施の形態２においては差動信号）の基準電位、例えば、グラウンドを導電層５７６に印加する。これにより、第１の信号と第２の電号と光半導体素子とのグラウンドが共通化され、その結果、伝送線路の高周波特性を安定することができる。

本発明の実施の形態１に係る光モジュールを示す図である。本発明の実施の形態２に係る光モジュールを示す図である。線路とリードの接続形態を示す図である。フレキシブル基板とパッケージの接続形態を示す図である。フレキシブル基板とパッケージの別の接続形態を示す図である。フレキシブル基板とパッケージの更なる別の接続形態を示す図である。

符号の説明

１０光モジュール、１２光半導体素子、１４パッケージ、１６リード、１８プリント基板、２０パッケージ外部側部、２２第１の伝送線路、２４第１のフレキシブル板、２６パッケージ内部側部、２８第２の伝送線路、３０第２のフレキシブル基板、３２電子冷却素子、３４レンズ、３６光アイソレータ、３８終端抵抗、４０第１の電極、４２第２の電極、４４ボンディングワイヤ、４６ボンディングワイヤ、４８ボンディングワイヤ、５０光信号、
１１０光モジュール、１１２光半導体素子、１１４パッケージ、１１６リード、１１８プリント基板、１２０パッケージ外部側部、１２２第１の伝送線路、１２４第１のフレキシブル基板、１２６パッケージ内部側部、１２８第２の伝送線路、１３０第２のフレキシブル基板、１４０電極、１４２電極、１５２差動ドライバ、１５４電極、１５６ボンディングワイヤ、
２１０光モジュール、２１４パッケージ、２１６リード、２２０パッケージ外部側部、２２２伝送線路、２２４フレキシブル基板、２５６端、２５８突出部、２６０ギャップ、
３１０光モジュール、３１４パッケージ、３１６リード、３２０パッケージ外部側部、３２２伝送線路、３２４フレキシブル基板、３６２面、３６４面、３６６絶縁性接着剤、３６８ボンディングワイヤ、
４１０光モジュール、４１６リード、４２０パッケージ外部側部、４２２伝送線路、４２４フレキシブル基板、４７０段差、４７２絶縁性接着剤、４７４ボンディングワイヤ、
５１０光モジュール、５１４パッケージ、５１６リード、５２０パッケージ外部側部、５２２伝送線路、５２４フレキシブル基板、５７０段差、５７４ボンディングワイヤ、５７６グラウンドプレーン、５７８導電性接着剤

Claims

内部側端と外部側端とを有する複数のリードを備えたパッケージと、
上記パッケージ内に気密封止された光半導体素子と、
上記リードの外部側端に電気的に接続された第１の伝送線路と、
上記リードの内部側端と上記光半導体素子とを電気的に接続する第２の伝送線路とを含む光モジュールであって、
プリント基板を接続するための上記第１の伝送線路がプラスチックフィルムとしての第１のフレキシブル基板にマイクロストリップ構造として設けられ、
上記第２の伝送線路は、誘電率が上記第１のフレキシブル基板と略等しいプラスチックフィルムとしての第２のフレキシブル基板に、特性インピーダンスが上記第１の伝送線路と略等しいマイクロストリップ構造として設けられ、
上記第２の伝送線路の線幅が上記第１の伝送線路の線幅と異なることを特徴とする光モジュール。
上記第２の伝送線路の線幅が上記第１の伝送線路の線幅より狭いことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。