JP5223047B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光モジュールに関するものである。

光を情報伝送媒体とする光通信分野においては、光ファイバ等により伝送される光信号を受信または送信するため、光信号と電気信号とを相互に変換する光素子を備えた光モジュールが用いられている。電気信号から光信号への変換には、垂直共振器表面発光レーザ（Vertical cavity surface-emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）に代表される面発光素子が用いられ、光信号から電気信号への変換には、ＰＩＮフォトダイオードに代表される面受光素子が用いられており、これらの光素子は基板に対して電気的に接続され、光ファイバ等は光素子に対して光学的に接続される。

このような光モジュールは、配線基板（プリント配線板あるいはボード）上において光ファイバ等の光配線をする際の作業性や、保守交換の容易性などの点から、光ファイバ等の光伝送体がコネクタを介して着脱可能であることが望ましい。

また、光素子に光ファイバ等を着脱する場合、配線基板に対して水平方向に着脱する構造にすると、光素子を搭載した部品の周辺に光ファイバ等を着脱する作業用のスペースを設けざるを得ないことから、そのスペースには他の部品を実装できず、実装密度を上げられないという問題がある。したがって、光ファイバ等の着脱は配線基板に対して垂直方向に行うことができることが望ましい。

従来、このような要求に対応するものとして、光素子をその受発光面が配線基板に対して水平になるように搭載すると共に、光ファイバ等の端面に反射ミラー等を設けて光軸を垂直に変換したコネクタを用いることで、光ファイバ等と光素子とを垂直方向へ着脱自在に光学的に接続する光モジュールが提案されている（特許文献１参照）。

また、本発明者等は、円弧状に曲げられた構造を有し外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直である光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に配置され、光素子および光素子駆動用のドライバ集積回路装置を含む複数の電子部品が搭載された電子部品搭載基板と、配線基板上の電子部品搭載基板の上面に上部構造体を垂直方向に押圧して固定することにより、電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えた光モジュールを提案している（特許文献２参照）。
特開２００６−６５３５８号公報 特願２００７−２１７５７４

上記の本発明者等が提案した光モジュールは、大幅な小型化と、光伝送体と光素子との垂直方向への着脱自在な光学的接続を達成しているが、光モジュールの設計段階での直流光特性の取得やリフロー耐性などの製造性、光モジュールの信頼性、低コスト化などにおいて更なる改善の余地があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、光モジュールの設計段階での直流光特性の取得やリフロー耐性などの製造性に優れ、高い信頼性を有しており、低コストでの製造が可能な光モジュールを提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第1に、本発明の光モジュールは、光信号を伝送する光伝送路と、光信号を電気信号に変換し、または電気信号を光信号に変換する光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、
光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、
配線基板上に配置され、光素子および光素子駆動用のドライバ集積回路装置を含む複数の電子部品が搭載された電子部品搭載基板と、
電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えており、
光素子およびドライバ集積回路装置は、電子部品搭載基板にフリップチップ接続により電気的に接続されており、かつ、電子部品搭載基板における光素子およびドライバ集積回路装置の下面部の位置に形成された電極パターンの少なくとも一部が電子部品搭載基板に設けられたヒートスプレッダに接続されており、
配線基板上に固定された装着体は、配線基板上の固定端に開口部を有しており、当該開口部に、異方導電性シート、電子部品搭載基板、上部構造体を順次上から嵌め込むことにより、それらを下方に押圧し位置決め固定して装着し、垂直方向の導通を確保する板バネ構造の嵌合部材からなることを特徴とする。

第２に、上記の光モジュールにおいて、光伝送体が、複数本の光ファイバが並列したテープファイバであり、上部構造体の保持部材により、曲率半径５ｍｍ以下の円弧状に曲げられた状態で保持されることを特徴とする。
第３に、上記の光モジュールにおいて、上部構造体には、電子部品搭載基板に立設された位置決めピンの受け入れ用に、垂直方向に貫通する位置決め穴が設けられていることを特徴とする。

第４に、上記の光モジュールにおいて、光素子は、その上面にレンズが一体に設けられていることを特徴とする。
第５に、上記の光モジュールにおいて、レンズは、半導体レンズであることを特徴とする。

第６に、上記の光モジュールにおいて、電子部品搭載基板は、当該基板に立設された壁部に囲まれたキャビティ内に電子部品が搭載されており、当該キャビティは、キャビティ内の一部ないし全面が樹脂封止されていることを特徴とする。

第７に、上記の光モジュールにおいて、電子部品搭載基板は、当該基板に立設された壁部に囲まれたキャビティ内に電子部品が搭載されており、当該キャビティは透光性基板により封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明の光モジュールは、光素子およびドライバ集積回路装置を電子部品搭載基板にフリップチップ接続により電気接続するようにしたので、ワイヤボンディングなどによる電気接続の場合に比べて、光モジュールの設計段階での直流光特性の取得やリフロー耐性などの製造性に優れ、高い信頼性を有しており、低コストでの製造が可能である。

上記第２の発明の光モジュールは、その上面にレンズが一体に設けられているので、光素子の樹脂封止が容易であり、高い信頼性を有する光モジュールを簡便に製造することができる。

上記第３の発明の光モジュールは、半導体レンズを使用しているので、樹脂封止やリフロー時の加熱によるレンズの変質や損傷を防止することができる。さらに、半導体レンズの屈折率が高いため、樹脂封止材で光素子が覆われた場合でも、光素子と光伝送体との間の高い光結合効率を確保できる。

上記第４の発明の光モジュールは、電子部品搭載基板をキャビティ形状としてその中に電子部品を搭載し、当該キャビティを樹脂封止するようにしたので、光素子の樹脂封止が容易であり、高い信頼性を有する光モジュールを簡便に製造することができる。

上記第５の発明の光モジュールは、電子部品搭載基板をキャビティ形状としてその中に電子部品を搭載し、当該キャビティを透光性基板により封止するようにしたので、光素子の封止が容易であり、高い信頼性を有する光モジュールを簡便に製造することができる。

上記第６の発明の光モジュールは、電子部品搭載基板における光素子およびドライバ集積回路装置の下面部の位置に形成された電極パターンの少なくとも一部をヒートスプレッダに接続するようにしたので、動作時の放熱に優れており高い信頼性を有している。

本明細書において、「光伝送体」には、ガラス製、樹脂製等の光ファイバ、樹脂製等の光導波路などが含まれる。以下の実施形態では光ファイバを用いた例を説明するが、本発明において適用される光伝送体はこれに限定されるものではなく、光導波路等のように、光伝送路を構成する各種のものを適用することができる。

本明細書において、「光素子」には、単一の受発光面を有するものの他、複数の受発光面がアレイ状等に配置された一体のものが含まれる。光素子の具体例としては、ＶＣＳＥＬなどの面発光素子、ＰＩＮフォトダイオードなどの面受光素子が挙げられるが、これらの面発光素子および／または面受光素子の受発光面がアレイ状に配置された一体のものであってもよい。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１および図２は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、図１は光接続および電気接続を切り離した状態、図２は光接続および電気接続をした状態を示している。

図１に示すように、本実施形態の光モジュール１は、光ファイバ７が保持部材６により保持された上部構造体５と、光素子４０を搭載した電子部品搭載基板３０と、異方導電性シート６０と、配線基板７０（プリント配線板あるいはボード）上に固定された嵌合部材５０とを備えている。

この光モジュール１は、配線基板７０上の嵌合部材５０内の開口部５１に異方導電性シート６０を配置し、その上に電子部品搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を垂直に嵌め込んで図２に示すように装着することにより、上部構造体５の光ファイバ７と電子部品搭載基板３０の光素子４０が光学的に接続し、電子部品搭載基板３０と配線基板７０が異方導電性シート６０を介して電気的に接続されるようになっている。図２に示す装着状態の光モジュール１は、全体として、たとえば幅１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ６．４ｍｍのコンパクトなサイズのモジュールを構成している。

上部構造体５は、図３（ａ）および図３（ｂ）にも示すように、樹脂製の保持部材６の背面から、複数本（本実施形態では１２本）の光ファイバ７が並列したテープファイバ８が保持部材６内に水平に入り込み、保持部材６内で光ファイバ７が円弧状に曲げられて光ファイバ７の端面７ａが保持部材６の下面から垂直に露出した構造を有している。

保持部材６の上面における光ファイバ７と平行な両側周縁部には、当該周縁部に沿ってテーパ面を成す一対の肩部１２が設けられており、図１の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに嵌合部材５０の上部に設けられた一対の突条部５２が保持部材６の肩部１２に当接して下方に押圧するようになっている。

また、図１に示すように、保持部材６には２つの位置決め穴１１が設けられており、図１の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに、光素子搭載基板３０に立設された位置決めピン４２が保持部材６の位置決め穴１１に挿入されて上部構造体５と電子部品搭載基板３０とが水平方向に位置決めされるようになっている。

保持部材６は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように上側部材１０と下側部材２０とから構成されており、上側部材１０と下側部材２０によって光ファイバ７を挟み込んで保持するようになっている。上側部材１０の下面側には光ファイバ７の円弧形状に対応した曲面上に、たとえば断面Ｖ字状などのガイド溝が平行に設けられており、これらのガイド溝のそれぞれに光ファイバ７が１本ずつ配置され案内されるようになっている。一方、下側部材２０の上面側には光ファイバ７の円弧形状に対応した曲面を成す光ファイバ保持面が設けられており、上側部材１０と下側部材２０によって光ファイバ７を挟み込むことにより、上側部材１０のガイド溝と下側部材２０の光ファイバ保持面との間で光ファイバ７を円弧状に曲げられた状態で保持するようになっている。

光ファイバ７の外部側光軸６５ａと光素子側光軸６５ｂとの間の円弧部分の曲率半径Ｒは、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは１〜３ｍｍである。このように円弧部分の曲率半径は非常に小さく、上部構造体５の上下方向が低背化され、かつ、水平方向も小型化されている。光ファイバ７としては、たとえば直径８０μｍのガラスファイバを用いることができる。

図４は、電子部品搭載基板３０の上面側斜視図、図５は部分断面図、図６は、上部構造体と電子部品搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。図４に示すように、電子部品搭載基板３０は、外周部に沿って壁部３２が立設された箱状のセラミック基板３１を備えており、セラミック基板３１上の前方側の位置には光ファイバ７と同数の受発光面が並んで配置された光素子４０が搭載されている。

電子部品搭載基板３０は、壁部３２に囲まれたキャビティ３４の底面に、光素子４０、光素子４０の駆動用のドライバ集積回路装置４１などの電子部品を搭載しており、キャビティ３４内は、図５に示すように封止樹脂３８によって封止されている。光素子は、例えば厚さ１００〜１５０μｍ程度の素子を用いることができる。

光素子４０は、面発光素子のＶＣＳＥＬと面受光素子のＰＩＮフォトダイオードから構成されている。壁部３２の上面３２ａは光学的基準面を構成しており、上部構造体５の下面に当接することにより、図６に示すように光ファイバ７の端面７ａと光素子４０とが垂直方向に位置決めされる。

なお、図４に示すように、セラミック基板３１上における光素子４０の両側の位置には突出高さ２ｍｍ、突出部分の直径０．７ｍｍの一対の位置決めピン４２が立設されており、これらの位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより電子部品搭載基板３０と上部構造体５が水平方向に位置決めされるようになっている。

セラミック基板３１上における光素子４０の後方にはドライバ集積回路装置４１が搭載されており、光素子４０とドライバ集積回路装置４１は、図５に示すようにフリップチップ接続によりバンプ４０ａ、４１ａを介してセラミック基板３１上の電極パターン３６に接続されている。

光素子４０とドライバ集積回路装置４１のバンプ４０ａ、４１ａが接続された電極パターン３６の一部は、図４のプリント配線３３等を介して、セラミック基板３１を貫通する不図示のスルーホールを通じて、セラミック基板３１の裏面に設けられたパッドに電気的に接続されている。

また、電極パターン３６の他の一部は、図５に示すように、水平方向に広がるヒートスプレッダ３７と接続されており、光モジュール１の動作時において光素子４０とドライバ集積回路装置４１からの熱を電極パターン３６を通じてヒートスプレッダ３７に放散するようにしている。

ヒートスプレッダ３７は、たとえば図５のようにセラミック基板３１の内部に埋設してもよく、あるいはセラミック基板３１の表面に設けるようにしてもよい。また、電気的な影響を与えないのであれば、その他の外部の構造物、たとえば配線基板７０にヒートスプレッダ３７を設けるようにしてもよい。

ヒートスプレッダ３７の具体的な配置やその形態は、信号線、電源などに電気的な影響を与えないようなものであれば特に制限はなく、たとえば配線パターン状、あるいは板状とすることができる。

ヒートスプレッダ３７は、セラミック基板３１の配線を形成するのと同じ方法、たとえばスクリーン印刷等の方法により形成することで、熱伝導性を良好なものとすることができる。また、セラミック基板３１の配線を形成する工程と同時にヒートスプレッダ３７を形成することもできる。あるいは、セラミック基板３１の配線を形成した後にヒートスプレッダ３７を後からセラミック基板３１に貼り付けるなど、配線形成とは別の工程でヒートスプレッダ３７を形成してもよい。

光素子４０は、図５に示すようにその上面に半導体レンズ４０ｂが一体に設けられている。半導体レンズ４０ｂは、たとえばレンズの曲率半径８０〜２００μm、レンズ開口直径７０μm程度のものを用いることができ、その材質としては、たとえばInP、GaAs等の化合物半導体を用いることができる。

半導体レンズ４０ｂは、たとえば次の方法で作製することができる。光素子４０の光入出射側の素子基板にレジストを塗布した後、レジストの加熱およびキュアを行うことによってレンズ状のレジストを形成し、次いでイオンミリングを用いてレジストを加工することで、レジストのレンズ形状を光素子４０の基板上に転写する。最後に、転写したレンズに無反射膜を形成する。

図示はしないが、半導体レンズ４０ｂは紙面に垂直な方向に配列された複数の受発光部のそれぞれの上に配置されており、嵌合部材５０によって図６に示すように光ファイバ７の端面７ａと光素子４０とが垂直方向に位置決めされたときに、半導体レンズ４０ｂによってこれらが光学的に位置合わせされるようになっている。

図１の異方導電性シート６０は、加圧によって垂直方向への導通が確保されるものであり、特に制限なく各種のものを用いることができるが、たとえばシリコーンゴムなどの弾性をもつ絶縁性基材に、金属等の導電性粒子が分散されたもの、あるいは導電性の線材を埋設したものなどを用いることができる。異方導電性シート６０の厚さは、たとえば０．１〜１ｍｍである。

光モジュール１を図１のように光接続および電気接続が切り離された状態から図２のように光接続および電気接続をした状態に組み立てる際には、まず、図１の配線基板７０上に固定された嵌合部材５０の開口部５１内に異方導電性シート６０を配置する。次いでその上に電子部品搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を嵌合部材５０に垂直に嵌め込む。

このとき、電子部品搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されて、電子部品搭載基板３０に対して上部構造体５が水平方向に所定の精度、たとえば３〜５μｍの精度で位置決めされると共に、保持部材６の側面が嵌合部材５０の側板部５３に規制されて、電子部品搭載基板３０が配線基板７０に対して間接的に水平方向に位置決めされる。また、電子部品搭載基板３０の下面に設けられたパッドが、配線基板７０上に設けられたパッドに対して位置合わせされる。

そして、嵌合部材５０の弾性により上部構造体５は下方に押圧され、これにより異方導電性シート６０が加圧されて導通状態となる。これにより、異方導電性シート６０を介して電子部品搭載基板３０の下面のパッドと配線基板７０上のパッドとが電気的に接続される。

また、電子部品搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより、図６に示すように光ファイバ７の端面７ａと、光素子４０との水平方向の位置決めがされると共に、保持部材６の下面６ａと光素子搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａとが当接することにより、光ファイバ７の端面７ａと、光素子４０との垂直方向の位置決めがされて、これらが光学的に接続される。

以上のようにして、光モジュール１は図２に示す状態で垂直方向へ電気的および光学的に接続され、光ファイバ７を通じて外部との間で伝送される光信号の送受信が可能な状態とされる。

そして、たとえば保守交換時などにおいては、上部構造体５を嵌合部材５０から垂直に抜き出すことで光接続を容易に切り離すことができ、次いで光素子搭載基板３０を異方導電性シート６０上から垂直に取り出すことで電気接続を容易に切り離すことができる。

以上に、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。

たとえば、上記の実施形態では、装着体として嵌合部材５０を用いて上部構造体５を垂直方向へ着脱自在に装着し、電子部品搭載基板３０の光素子４０に対して上部構造体５の光伝送路を光学的に接続するようにしたが、このような機能を有する装着構造として、クランプスプリング、ネジ止め構造、板バネ構造、ラッチ構造、開閉式クランプスプリングなど、各種のものを用いることができる。

光素子４０として、レーザダイオードなどのＶＣＳＥＬ以外の面発光素子を用いてもよく、ＰＩＮフォトダイオード以外の面受光素子を用いるようにしてもよい。

上記の実施形態では、電子部品搭載基板３０と配線基板７０とを異方導電性シート６０を介して電気接続する例を示したが、その他、電子部品搭載基板３０と配線基板７０との電気接続構造として、電子部品搭載基板３０を配線基板７０にはんだ接続した構造など、各種の構造とすることができる。

上記の実施形態では電子部品搭載基板３０の電子部品が搭載されたキャビティ３４内を樹脂封止するようにしたが、これに代えて、キャビティ３４内を透光性基板により封止するようにしてもよい。

図１は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、光接続および電気接続を切り離した状態を示す。 図２は、図１の光モジュールにおける光接続および電気接続をした状態を示す斜視図である。 図３は、上部構造体の上側部材、光ファイバ、および下側部材の配置状態を示した図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 図４は、電子部品搭載基板の斜視図である。 図５は、電子部品搭載基板の部分断面図である。 図６は、上部構造体と電子部品搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 光モジュール
５ 上部構造体
６ 保持部材
６ａ 下面
７ 光ファイバ
７ａ 端面
８ テープファイバ
１０ 上側部材
１１ 位置決め穴
１２ 肩部
２０ 下側部材
３０ 電子部品搭載基板
３１ セラミック基板
３２ 壁部
３２ａ 上面
３３ プリント配線
３４ キャビティ
３６ 電極パターン
３７ ヒートスプレッダ
３８ 封止樹脂
４０ 光素子
４０ａ バンプ
４０ｂ 半導体レンズ
４１ ドライバ集積回路装置
４１ａ バンプ
４２ 位置決めピン
５０ 嵌合部材
５１ 開口部
５２ 突条部
５３ 側板部
６０ 異方導電性シート
６５ａ 外部側光軸
６５ｂ 光素子側光軸
７０ 配線基板

Claims (7)

1. 光信号を伝送する光伝送路と、光信号を電気信号に変換し、または電気信号を光信号に変換する光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、
   光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、
   配線基板上に配置され、光素子および光素子駆動用のドライバ集積回路装置を含む複数の電子部品が搭載された電子部品搭載基板と、
   電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えており、
   光素子およびドライバ集積回路装置は、電子部品搭載基板にフリップチップ接続により電気的に接続されており、かつ、電子部品搭載基板における光素子およびドライバ集積回路装置の下面部の位置に形成された電極パターンの少なくとも一部が電子部品搭載基板に設けられたヒートスプレッダに接続されており、
   配線基板上に固定された装着体は、配線基板上の固定端に開口部を有しており、当該開口部に、異方導電性シート、電子部品搭載基板、上部構造体を順次上から嵌め込むことにより、それらを下方に押圧し位置決め固定して装着し、垂直方向の導通を確保する板バネ構造の嵌合部材からなることを特徴とする光モジュール。
2. 光伝送体が、複数本の光ファイバが並列したテープファイバであり、上部構造体の保持部材により、曲率半径５ｍｍ以下の円弧状に曲げられた状態で保持されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 上部構造体には、電子部品搭載基板に立設された位置決めピンの受け入れ用に、垂直方向に貫通する位置決め穴が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 光素子は、その上面にレンズが一体に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の光モジュール。
5. レンズは半導体レンズであることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
6. 電子部品搭載基板は、当該基板に立設された壁部に囲まれたキャビティ内に電子部品が搭載されており、当該キャビティは、キャビティ内の一部ないし全面が樹脂封止されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載の光モジュール。
7. 電子部品搭載基板は、当該基板に立設された壁部に囲まれたキャビティ内に電子部品が搭載されており、当該キャビティは透光性基板により封止されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかの請求項に記載の光モジュール。

Images