JP7204065B2 - 光モジュール - Google Patents

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Description

本開示は、フレキシブル配線基板(FPC)を備えた光モジュールに関する。
フレキシブル配線基板(FPC)を備えた光モジュールとして特許文献1が知られている。
特許文献1には、ステムとフレキシブル配線基板との結合部分におけるエネルギー損失を抑制するために、ステムのグランド面とフレキシブル配線基板のグランド面とを接触させたTO-CAN(Transistor Outlined CAN)型TOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly)モジュールが示されている。
特開2011-108940号公報
一方、ステムの外表面にグランドピンを溶接により固定し、グランドピンとフレキシブル配線基板のグランド面とを接続する光モジュールも知られている。
この種の光モジュールは、グランドピンは細く、細いままステムの外表面にグランドピンを溶接したのでは、ステムの外表面とグランドピンとの固定が不十分になりやすいため、ステムの外表面との溶接部分、つまり、グランドピンの根元部分に直径が他の部分の直径より大きくした溶接部を設けるのが一般的である。
このタイプの光モジュールに対して、特許文献1に示されたステムのグランド面とフレキシブル配線基板のグランド面とを接触させる技術を適用すると、グランドピンの溶接部に合わせて、グランドピンが貫通するフレキシブル配線基板に設けられるスルーホールの穴径を大きくとる必要がある。
スルーホールの穴径を大きくとると、フレキシブル配線基板に形成される配線に使用できる面積が減り、配線設計の自由度が減ってしまうという課題がある。
本開示は、上記した点に鑑みてなされたものであり、フレキシブル配線基板を備え、ピン部の先端部がフレキシブル配線基板のグランドパターンに電気的に接続され、ピン部の一端にピン部の径より径が大きく、ステムの外表面に接合される接合部を具備するグランドピンを備えたものにおいて、グランドピンのためのスルーホールの径をピン部の径に合わせた大きさにでき、フレキシブル配線基板における配線設計の自由度を損なわない光モジュールを得ることを目的とする。
本開示に係る光モジュールは、内平面と外平面を有し、内平面と外平面との間を貫通した貫通孔が形成された金属製のステムと、ステムの貫通孔を貫通してステムと電気的に絶縁されて固定され、ステムの内平面から突出したインナーリード部、及びステムの外平面から突出したアウターリード部を具備する信号用リードピンと、ピン部、及びこのピン部の一端に当該ピン部の径より径が大きく、ステムの外平面に接合された接合部を具備するグランドピンと、表面に配線パターンを、裏面にステムの外平面に対向する位置に露出面を有するグランドパターンを具備し、配線パターンにおける信号用リードピンが対向する位置に第1のスルーホールが形成され、信号用リードピンのアウターリード部が第1のスルーホールを貫通し、信号用リードピンのアウターリード部の先端部が配線パターンに電気的に接続され、グランドパターンの露出面におけるグランドピンが対向する位置に第2のスルーホールが形成され、グランドピンのピン部が第2のスルーホールを貫通し、グランドピンのピン部の先端部が表面において第2のスルーホールと電気的に接続されたフレキシブル配線基板と、裏面がステムの外平面に接合され、表面がグランドパターンの露出面に接合された金属製のプレートを備える。
本開示によれば、ステムの外表面に接合される接合部を具備するグランドピンにより、フレキシブル配線基板における配線設計の自由度が阻害されないという効果を有する。
実施の形態1に係る光モジュールを示す断面図である。 実施の形態1に係る光モジュールにおけるステムとフレキシブル配線基板との接続を示す拡大図である。 実施の形態1に係る光モジュールにおけるフレキシブル配線基板とプレートの位置関係を示す断面図である。 実施の形態1に係る光モジュールにおけるフレキシブル配線基板とプレートの位置関係を示す平面図である。 実施の形態1に係る光モジュールにおける周波数特性を示す図である。
実施の形態1.
実施の形態1に係る光モジュールを図1から図4を用いて説明する。
なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
本開示が対象とする光モジュールは、発光素子である光通信用の半導体レーザが搭載された光送信モジュール、受光素子である光通信用のフォトダイオードが搭載された光受信モジュール、光通信用の半導体レーザ及び光通信用のフォトダイオードが搭載された光送受信モジュールのCANパッケージ型光モジュールである。
実施の形態1では、光送信モジュールを例にとり説明するが、ステムと、フレキシブル配線基板(FPC:Flexible printed circuits)と、信号用リードピンと、グランドピンと、プレートとの関係は、光受信モジュール及び光送受信モジュールにおいても同じである。
光モジュールは、光モジュール本体1とフレキシブル配線基板3とプレート4を備える。
光モジュール本体1は、ステム10、レンズキャップ11と、レンズ12と、信号用リードピン13と、グランドピン14と、熱電クーラー15と、台座16と、サブマウント17と、半導体レーザである半導体発光素子18と、終端抵抗19と、誘電体基板20を備える。
ステム10は円板状の金属からなり、内平面10aと外平面10bを有し、内平面10aと外平面10bとの間を貫通した貫通孔10cが形成されている。
ステム10は半導体発光素子18のヒートシンクとして機能するとともに、内平面10aが部品実装用の領域となる。
なお、ステム10は円板状に限られるものでなく、円柱状もしくは四角柱状でも良く、内平面10aと内平面10aと平行な外平面10bを有する平板状であれば良い。
レンズキャップ11は、一端が開放された、有底部と側壁部とを有する円筒状の金属によって形成される。レンズキャップ11の有底部にはガラス製の球状のレンズ12が搭載、つまり、装着されるレンズ装着用開口部が形成されている。レンズ12はレンズキャップ11の内外にて気密性が維持されるように有底部のレンズ装着用開口部に装着される。
レンズキャップ11の側壁部の端面、つまり一端開放端面は、ステム10の内平面10aにおける周端部に接してはんだ等によって固着される。一端開放端面においても、レンズキャップ11の内外にて気密性が維持されるように、レンズキャップ11の一端開放端面がステム10の内平面10aに固定される。この固定、装着は製造工程の最後に行なわれる。
ステム10とレンズキャップ11とによりCAN型パッケージを構成する。
信号用リードピン13は、ステム10の貫通孔10cを貫通し、信号用リードピン13と貫通孔10cとの間に充填して固化させた絶縁性ガラス21によりステム10に固定される。絶縁性ガラス21は、信号用リードピン13とステム10を電気的に絶縁するとともに、ステム10の貫通孔10cを封止してCAN型パッケージ内の気密性を維持する。
信号用リードピン13は、ステム10の内平面10aから突出したインナーリード部13aと、ステム10の外平面10bから突出したアウターリード部13bを具備する。
図では、半導体発光素子18しか示していないが、半導体発光素子18の背面光を受光して出力光をモニタするフォトダイオードである受光素子、及び半導体発光素子18の温度調整を行う温度調整機器もCAN型パッケージ内に実装されている。
また、図示していないが、半導体レーザ18及び受光素子などに対する電源ピンも存在し、信号用リードピン13と同様にステム10と電気的に絶縁されて固定される。
グランドピン14は、ピン部14aと、このピン部14aの一端にピン部14aの径より径が大きく、ステム10の外平面10bに接合される接合部14bを具備する。ピン部14aの直径は信号用リードピン13の直径と同じである。
グランドピン14は、ピン部14aと接合部14bとの間に段差を有し、接合部14bは、ピン部14aに対して段差部となる。
グランドピン14における接合部14bの接合面とステム10の外平面10bとは溶接により接合される。
熱電クーラー15はステム10の内平面10aに搭載され、半導体発光素子18を冷却する。半導体発光素子18を冷却した熱はステム10から外部へ放熱される。熱電クーラー15は、例えば、冷却素子としてのペルチェ素子である。なお、熱電クーラー15は必ずしも必要とするものではない。
熱電クーラー15の上に平板状の台座16が垂直に直立されて固定される。熱電クーラー15を必要としない場合は、台座16は、ステム10の内平面10aに垂直に直立されて固定される。
サブマウント17は台座16の一平面に搭載、つまり装着される。サブマウント17は、材料として半導体発光素子18と熱線膨張係数が近い窒化アルミニウムが用いられたセラミック基板である。
サブマウント17の一平面には半導体発光素子18が搭載される。
半導体発光素子18は、サブマウント17の一平面に蒸着等により設けられた第1の電極接続領域にはんだもしくは導電性接着剤等によりダイボンディングされて実装され、サブマウント17の一平面に載置固定される。
これにより、半導体発光素子18の一方の電極、つまり、一方の信号端子は第1の電極接続領域に電気的に接続される。
また、半導体発光素子18の他方の電極、つまり、他方の信号端子は、サブマウント17の一平面に蒸着等により設けられた第2の電極接続領域に金線22aによって電気的に接続される。
サブマウント17の一平面に終端抵抗19が蒸着等により設けられている。
終端抵抗19は半導体発光素子18を駆動するICとのインピーダンス整合をとるための抵抗であり、金線22bによって半導体発光素子18の他方の信号端子に接続される。
誘電体基板20は、CAN型パッケージ内に実装、つまり、ステム10の内平面10a上に配置され、半導体発光素子18と半導体発光素子18に対する信号用リードピン13との間を接続する高周波線路が蒸着等により形成されている。
誘電体基板20は半導体発光素子18と信号用リードピン13との橋渡し基板としての役割を担う。
すなわち、誘電体基板20は、半導体発光素子18の一方の信号端子が接続された第1の電極接続領域と金線22cを介して接続される第1の信号線領域と、半導体発光素子18の他方の信号端子が接続された第2の電極接続領域と金線22dを介して接続される第2の信号線領域を有し、第1の信号線領域及び第2の信号線領域それぞれが金線(図示せず)を介してそれぞれ異なる信号用リードピン13と接続される。
第1の信号線領域及び第2の信号線領域それぞれ、別の高周波線路である。
半導体発光素子18は、信号用リードピン13から変調信号が入力され、変調信号に応じたレーザ光を出射する。半導体発光素子18から出射されたレーザ光はレンズ12を介して集光もしくは平行光に変換されて外部に照射される。
誘電体基板20は必ずしも必要とするものではない。誘電体基板20を必要としない場合は、半導体発光素子18の一方の信号端子が接続された第1の電極接続領域、及び、半導体発光素子18の他方の信号端子が接続された第2の電極接続領域それぞれが直接金線を介してそれぞれ異なる信号用リードピン13と接続される。
フレキシブル配線基板3は、ポリイミドなどのフレキシブルな絶縁基板31と、絶縁基板31の表面に蒸着等により形成された配線パターン32と、絶縁基板31の裏面に蒸着等により形成されたグランドパターン33と、絶縁基板31の表面に蒸着等により形成された電源配線層(図示せず)と、表面保護膜34と、裏面保護膜35を有する。
配線パターン32は高周波信号を伝達する複数の信号配線層を有する。配線パターン32は、その表面が表面保護膜34により覆われ、保護される。
絶縁基板31は、配線パターン32における信号用リードピン13が対向する位置に第1のスルーホール36が形成される。第1のスルーホール36は、図4に示すように、実施の形態1では3つの第1のスルーホール36a~36cが円周に沿って配置されている。
すなわち、図4では、CAN型パッケージ内に半導体発光素子18、受光素子及び温度調整機器が実装され、半導体発光素子18、受光素子及び温度調整機器に対する信号用リードピン13を有し、信号用リードピン13それぞれに対応した第1のスルーホール36が形成された例を示している。
なお、第1のスルーホール36a~36cにおける符号の添字は、説明の簡略のため、省略して説明する場合がある。
この実施の形態1において、スルーホールは、基板に開けた穴の内壁に導通部を、基板の表面に表面ランドを、裏面に裏面ランドを有し、表面ランドと裏面ランドを導通部により電気的に導通させるものである。
信号用リードピン13のアウターリード部13bが第1のスルーホール36を導通部に接して貫通し、信号用リードピン13のアウターリード部13bの先端部が配線パターン32に電気的に接続される。
アウターリード部13bの先端部が第1のスルーホール36の表面ランドにはんだ39により固着されることにより、信号用リードピン13は第1のスルーホール36を介して配線パターン32に電気的に接続される。
グランドパターン33は、絶縁基板31の裏面の略全面に形成される。グランドパターン33は、ステム10の外平面に対向する位置に露出面を有し、露出面を除いた表面が裏面保護膜35により覆われ、保護される。
絶縁基板31は、グランドパターン33の露出面におけるグランドピン14が対向する位置に第2のスルーホール37が形成される。
グランドピン14のピン部14aが第2のスルーホール37を導通部に接して貫通し、グランドピン14のピン部14aの先端部が第2のスルーホール37の表面ランドにはんだ40により固着される。
その結果、グランドピン14は、第2のスルーホール37の表面ランド-導通部-裏面ランドを介してグランドパターン33に電気的に接続される。
絶縁基板31は、電源ピンが対向する位置に第3のスルーホール38が形成される。
電源ピンのアウターリード部が第3のスルーホール38を導通部に接して貫通し、電源ピンのアウターリード部の先端部が電源パターンに電気的に接続される。
電源ピンのアウターリード部の先端部が第3のスルーホール38の表面ランドにはんだにより固着されることにより、電源ピンは第3のスルーホール38を介して電源パターンに電気的に接続される。
プレート4は平坦な表面と裏面を有する平板状の金属であり、裏面がステム10の外平面10bに接合され、表面がフレキシブル配線基板3のグランドパターン33の露出面に接合される。
プレート4の平面形状は、図4に示すように、外形がステム10の外平面10bの外形に沿い、信号用リードピン13及びグランドピン14が離隔して貫通する面を除いた形状である
すなわち、プレート4は、円板状の金属を、信号用リードピン13、グランドピン14及び電源ピンが貫通する部分を連続的にくり抜いたものである。なお、プレート4は、円板状の金属を、信号用リードピン13、グランドピン14及び電源ピンが貫通する部分に穴をあけたものでもよい。
図4に、第1のスルーホール36、第2のスルーホール37、第3のスルーホール38を示している。
プレート4の裏面とステム10の外平面10bとの接合は導電性テープ5で行われる。導電性テープ5により、プレート4はステム10に固定され、プレート4とステム10は電気的に接続される。
なお、導電性テープ5の代わりに他の導電性材料によりプレート4の裏面とステム10の外平面10bとを接合し、固定してもよい。
プレート4の表面とフレキシブル配線基板3のグランドパターン33の露出面との接合は導電性接着剤6で行われる。導電性接着剤6により、プレート4はフレキシブル配線基板3に固定され、プレート4とグランドパターン33は電気的に接続される。
なお、導電性接着剤6の代わりに他の導電性材料によりプレート4の表面とフレキシブル配線基板3のグランドパターン33の露出面とを接合し、固定してもよい。
ステム10は、導電性テープ5-プレート4-導電性接着剤6を介してフレキシブル配線基板3のグランドパターン33と電気的に接続され、ステム10とグランドパターン33はグランドが共通化される。
以上のように、実施の形態1に係る光モジュールは、ピン部14aの先端部がフレキシブル配線基板30のグランドパターン33に電気的に接続され、ピン部14aの一端にピン部14aの径より径が大きく、ステム10の外平面10bに接合される接合部14bを具備するグランドピン14を備えた光モジュールにおいて、ステム10とグランドパターン33の露出面との間に金属製のプレート4を介在させて電気的及び機械的に接続したので、グランドピン14のためのスルーホール37の径をピン部14aの径に合わせた大きさにでき、フレキシブル配線基板30における配線設計の自由度が損なわれない。
すなわち、ピン部14aの径より径が大きい接合部14bに合わせて、グランドピン14のためのスルーホール37の径を大きくする必要がなく、配線設計の自由度が妨げられない。
信号用リードピン13のアウターリード部13bの先端部が第1のスルーホール36の表面ランドにはんだ39により固着され、グランドピン14のピン部14aの先端部が第2のスルーホール37の表面ランドにはんだ40により固着されることにより、フレキシブル配線基板30とプレート4とステム10とは強固に密着させられる。
その結果、導電性テープ5及び導電性接着剤6と合わせて、ステム10とグランドパターン33との電気的及び機械的な接続を確実にかつ強固に維持できる。
フレキシブル配線基板30のグランドパターン33の露出面にプレート4を導電性接着剤6により接合し、フレキシブル配線基板30に接合されたプレート4の表面に導電性テープ5を貼付し、ステム10を導電性テープ5によりプレート4に接合するので、光モジュール本体1とフレキシブル配線基板3について手を加えることなく、光モジュールを組み立てることができる。
しかも、ステム10はフレキシブル配線基板3に導電性テープ5と導電性接着剤6により固定されているので、信号用リードピン13のアウターリード部13bの先端部と第1のスルーホール36の表面ランドとのはんだ39付け、及び、グランドピン14のピン部14aの先端部と第2のスルーホール37の表面ランドとのはんだ40付けが容易である。
また、ステム10とフレキシブル配線基板30のグランドパターン33が、金属製のプレート4により電気的にグランド電位に接続されるため、信号用リードピン13付近のグランド電位が強化され、ステム10とフレキシブル配線基板30のグランドパターン33による平行平板共振を抑えることができる。
平行平板共振が抑えられている点を検証するために、実施の形態1に係る光モジュールにおける周波数に対する通過特性S21を演算した。
比較のために、プレート4を金属製ではなく、ポリイミドからなる絶縁体のプレートを用いた光モジュールにおける周波数に対する通過特性S21も演算した。
演算結果を図5に示す。
図5において、横軸が周波数、縦軸が通過特性S21を示し、実線が実施の形態1に係る光モジュールにおける演算結果、点線が比較例における演算結果である。
図5から理解できるように、実施の形態1に係る光モジュールにおける周波数に対する通過特性S21は、比較例における周波数に対する通過特性S21より良好であることが分かる。
すなわち、実施の形態1に係る光モジュールは、ステム10とフレキシブル配線基板30のグランドパターン33の露出面との間に金属製のプレート4を介在させて電気的及び機械的に接続することにより、ステム10とグランドパターン33との間の共振、多重反射を抑えることができ、良好な周波数特性が得られている。
なお、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
本開示に係る光モジュールは、実施の形態1に示したもののように、光通信用の光送信モジュールとして利用でき、受光素子が搭載された光通信用の光受信モジュールとして、及び発光素子及び受光素子両者が搭載された光送受信モジュールとして利用できる。
1 光モジュール本体、10 ステム、10a 内平面、10b 外平面、10c 貫通孔、13 信号用リードピン、13a インナーリード部、13b アウターリード部、14 グランドピン、14a ピン部、14b 接合部、18 半導体発光素子、20
誘電体基板、3 フレキシブル配線基板、31 絶縁基板、32 配線パターン、33
グランドパターン、36a~36c 第1のスルーホール、37 第2のスルーホール、4 プレート、5 導電性テープ、6 導電性接着剤。

Claims (5)

  1. 内平面と外平面を有し、前記内平面と前記外平面との間を貫通した貫通孔が形成された金属製のステムと、
    前記ステムの貫通孔を貫通して前記ステムと電気的に絶縁されて固定され、前記ステムの内平面から突出したインナーリード部と、前記ステムの外平面から突出したアウターリード部を具備する信号用リードピンと、
    ピン部と、このピン部の一端に当該ピン部の径より径が大きく、前記ステムの外平面に接合される接合部を具備するグランドピンと、
    表面に配線パターンを具備し、裏面に前記ステムの外平面に対向する位置に露出面を有するグランドパターンを具備し、前記配線パターンにおける前記信号用リードピンが対向する位置に第1のスルーホールが形成され、前記信号用リードピンのアウターリード部が前記第1のスルーホールを貫通し、前記信号用リードピンのアウターリード部の先端部が前記配線パターンに電気的に接続され、前記グランドパターンの露出面における前記グランドピンが対向する位置に第2のスルーホールが形成され、前記グランドピンのピン部が前記第2のスルーホールを貫通し、前記グランドピンのピン部の先端部が表面において前記第2のスルーホールと電気的に接続されたフレキシブル配線基板と、
    裏面が前記ステムの外平面に接合され、表面が前記グランドパターンの露出面に接合された金属製のプレートと、
    を備えた光モジュール。
  2. 前記グランドパターンの露出面と前記プレートの表面との接合は導電性接着剤で行われ、前記ステムの外平面と前記プレートの裏面との接合は導電性テープで行われた請求項1に記載の光モジュール。
  3. 前記プレートの平面形状は、外形が前記ステムの外平面の外形に沿い、前記信号用リードピン及び前記グランドピンが離隔して貫通する面を除いた形状である請求項1又は請求項2に記載の光モジュール。
  4. 前記ステムと、前記ステムの内平面における周端部に接して固着されるレンズキャップとにより構成されるCAN型パッケージ内に、半導体発光素子、受光素子、及び温度調整機器が実装され、
    前記信号用リードピンは、前記半導体発光素子に対する信号用リードピンとして構成される請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光モジュール。
  5. 前記半導体発光素子と前記半導体発光素子に対する信号用リードピンとの間を接続する高周波線路を有する誘電体基板が、前記CAN型パッケージ内に実装される請求項4に記載の光モジュール。
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