WO2004001861A1 - 光電気複合モジュールおよびそのモジュールを構成要素とする光入出力装置 - Google Patents

光電気複合モジュールおよびそのモジュールを構成要素とする光入出力装置 Download PDF

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WO2004001861A1
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photoelectric
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Takanori Shimizu
Takara Sugimoto
Jun-Ichi Sasaki
Kazuhiko Kurata
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Nec Corporation
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    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]

Definitions

  • Optical input / output device comprising the combined optical and electrical module and the module
  • the present invention relates to an opto-electric composite module, and more particularly to an opto-electric composite module on which an optical element, a dry IC, etc. are mounted.
  • FIG. 9 shows a schematic side cross-sectional view of a conventional photoelectric complex module.
  • an optical element 9 1 for transmitting or receiving an optical signal is fixed by soldering on an interlayer wiring 96 or a wiring board 9 8 having a wiring pattern formed on the upper and lower surfaces.
  • the light element 9 1 and the wiring of the wiring board 9 8 are connected by metal wire 9 7 and the current amplitude of the light element 9 1 is adjusted.
  • the amplification IC is also fixed and electrically connected.
  • light coupling means 94 such as a flat plate microphone lens is mounted on the case 93 made of metal such as copearl (and by mounting the case 93 on the wiring substrate 98, light Optical coupling between the light element 9 1 and the outside is realized via the coupling means 94.
  • the optical element is fixed by solder or wire bonding, and the driver IC is fixed and connected to the wiring board by soldering, and the lens is fixed to the case by an adhesive or the like. Finally, the whole is assembled using the wiring board and the case that are individually mounted. As a result, the number of parts and the number of processes have increased, and there has been the problem of raising the mounting cost.
  • An object of the present invention is to provide a photoelectric composite module in which the number of parts and the number of processes are reduced and the mounting cost is suppressed. Another object of the present invention is to provide a photoelectric composite module which has a narrow wiring margin and can be mounted at high density. Furthermore, another object of the present invention is to provide a photoelectric composite module having a plate capable of realizing an electromagnetic shield at low cost. Another object of the present invention is to provide a photoelectric composite module that suppresses variation in distance between a lens and a light element and has less variation in light output. Another object of the present invention is to provide an optoelectronic composite module that is relatively easy to seal.
  • the photoelectric composite module according to the present invention has an optical element for converting an optical signal and an electric signal to each other, an input / output IC for driving and controlling the optical element, and an electrical wiring.
  • a transparent substrate having a light transmission property, and the optical element and the input / output IC are mounted on the transparent substrate in a flip chip,
  • the input / output of light between the optical element and the outside is performed by the light transmission of the transparent base material.
  • an optical element for converting an optical signal and an electric signal to each other, and an input / output IC for driving and controlling the above-mentioned optical element have an electric wiring and a transparent base material having optical transparency It will be mounted on a flip chip. Furthermore, the light element and the outside Light is input to and output from the unit by the light transmittance of the transparent substrate. Therefore, the number of parts and the number of processes can be reduced to reduce the mounting cost. Furthermore, the wiring margin can be narrowed, and high-density mounting of mounted components can be realized.
  • the electrical wiring of the transparent base can electrically connect the optical element and the input / output IC and can function as an electromagnetic shield for the optical element and the input / output IC.
  • the optical element is configured as a light emitting element that converts an electrical signal into an optical signal and is output
  • the input / output IC is configured as a driver IC that outputs an electrical signal to the optical element.
  • the optical element may be configured as a light receiving element that converts an optical signal into an electrical signal
  • the input / output IC may be configured as an electrical amplification IC that amplifies an electrical signal from the light receiving element. is there.
  • the transparent substrate is formed of a transparent plate which transmits light, and the transparent plate is made of a material having high transparency to the wavelength of the optical element.
  • the transparent substrate may be formed of a flexible sheet that transmits light, and the flexible sheet may be made of a material having high transparency to the wavelength of the optical element. is there.
  • the transparent base material be provided with an optical coupling means at a location facing the optical element to improve the optical coupling efficiency.
  • the light coupling means may be integrally formed on the transparent substrate.
  • the transparent substrate may be provided with an optical axis converter for converting the direction of the optical axis with respect to the light coupling means.
  • the optical element and the input / output IC include an interposer which is a holding member which also serves as a heat spreader.
  • the transparent substrate is electrically It is desirable to be fixed to the retaining frame on which the wiring is installed.
  • an optical input / output device includes an optical / electrical decoding module and a logic L S I.
  • the photoelectric decoding module comprises: an optical element for converting an optical signal and an electric signal to each other; an input / output IC for driving and controlling the optical element; and a transparent base material having an electrical wiring and having optical transparency.
  • the optical element and the input / output I c are mounted on the transparent substrate in a flip chip manner, and the light input / output between the optical element and the outside is the light transmission of the transparent substrate. Configuration is carried out by
  • the logic L S I controls an electric signal input to and output from the photoelectric complex module
  • the photoelectric decoding module and the logic L S I have a configuration mounted on the same substrate.
  • an IC for optical element input / output is mounted on a transparent substrate with a flip chip, and the light transmission / reception of the transparent substrate is used to input / output light to / from the optical element.
  • the mounting cost can be reduced by reducing the number of parts and the number of processes, and the wiring margin can be narrowed, so high-density mounting of mounted parts is possible.
  • low cost plates can be realized with electromagnetic shielding taken into consideration, and variations in light output can be suppressed, and sealing is relatively easy.
  • FIG. 1 shows the structure of the photoelectric composite module according to the first embodiment of the present invention. It is a typical side elevation view showing the formation.
  • FIG. 2 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of a photoelectric composite module according to a second embodiment of the present invention, in which the light extraction part has light coupling means such as a potting lens.
  • FIG. 3 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of the photoelectric composite module according to the third embodiment having the coupling means fabricated on the transparent plate in advance in the light extraction part of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of a photoelectric composite module according to a fourth embodiment of the structure having an optical axis converter in the light extraction part of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic side sectional view showing the configuration of the photoelectric composite module according to the fifth embodiment in which the transparent base material of the present invention is made of flexible resin.
  • FIG. 6 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of the photoelectric composite module according to the sixth embodiment in which the transparent plate of the present invention is fixed by a holding frame.
  • FIG. 7 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of the optical input / output device according to the first embodiment composed of an optical / electrical composite module and a logic LSI.
  • FIG. 8 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of the light input / output device according to the second embodiment in the case where the heat of the logic LSI is dissipated from the substrate side.
  • FIG. 9 is a schematic view showing the structure of a conventional photoelectric complex module. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of the photoelectric composite module according to the first embodiment of the present invention.
  • a light extraction portion 14 for inputting / outputting light between the outside and the light element 1 1, and electrodes 1 6 wired on upper and lower surfaces
  • a transparent plate 13 is used which is equipped with a seventeenth and seventeenth. That Then, the metal bump 1 is placed on the lower surface of the transparent plate 13 so that the light device 1 1 is located directly below the light extraction portion 14 and the dry IC 1 2 is located in the vicinity of the light device 1 1.
  • the flip chip is mounted in 5.
  • a transparent plate 13 is used as a transparent material.
  • the light extraction part 14 constitutes a light coupling means for improving the light coupling efficiency of the transparent plate facing the light element 1 1.
  • the light coupling means has the structure of the light extraction part 14. It is not limited.
  • the light element 1 1 is composed of a light emitting element that converts an electrical signal into an optical signal and outputs the light signal, or a light receiving element that converts an incoming optical signal into an electrical signal.
  • the light element 1 1 forms the light emitting element or the light receiving element in a plurality of arrays.
  • the driver IC 12 is a light emitting element (light element).
  • the driver IC 12 is a light emitting element according to a modulation signal of a specified voltage.
  • An electrical signal regulated to the current amplitude necessary to drive 1 1 is output to the light emitting element.
  • the optical element 1 1 is a light receiving element, the light emitting element is turned on.
  • the output IC is configured as an electric amplification IC that electrically amplifies the electric signal output from the light receiving element (optical element) 1 1, and this electric amplification IC is used in place of the driver IC 12 shown in FIG.
  • a light receiving element is used as the optical element 1 1.
  • a transimpedance amplifier, limiter amplifier or the like is used as this electrical amplification IC.
  • the photoelectric composite module according to the present invention includes the light emitting element as described above and a module for emitting light from the light element from the plate side, and the light receiving element to provide light from the outside of the plate to the light element.
  • a mode including the light emitting element and the driver IC will be described as a representative example, including the subsequent embodiments described with reference to the drawings.
  • the present invention is not limited to this, and a mode in which the light emitting element is replaced with the light receiving element and the driver IC is replaced with the electric amplification IC is also included in the scope of the present invention.
  • the transparent plate 13 be made of a material such as glass or silicon based material that is highly transparent to the wavelength of the light element 1 1.
  • the top surface of the light extraction unit 14 may be flat if the beam spread of the light element 1 1 is small.
  • the electrodes 16 and 17 disposed on the upper and lower surfaces of the transparent plate 13 are formed by using a lithography technique after forming an electrode material on each surface.
  • the lower electrode 16 mainly makes electrical connection between the light emitting diode 1 1 and the dry IC 1 2, and between the driver IC 1 2 and the outside. It is formed to perform high-precision positioning of the optical device 1 1 and the dry IC 1 2 by top chip mounting.
  • connection is performed by flip chip mounting, the space for connection conventionally required for bonding is not required, and high-density mounting is possible.
  • the electrode 17 on the upper surface side to play a part of the role of an electromagnetic shield as a ground electrode, a shield configuration can be realized without using an expensive metal package as in the prior art.
  • resin sealing is performed, only the periphery of the element mounted on the lower part of the transparent plate 13 may be sealed, and an appropriate resin material is selected, and the transparent plate 13 and the optical element 1 1 By sealing with resin without any gap between them, it is possible to seal without introducing unwanted reflection or scattering.
  • the resin is poured into the entire hollow portion, which is required in the conventional split package. It also becomes unnecessary.
  • the operation of the photoelectric composite module 1 will be described in the case where the light element 11 is a light emitting element.
  • An external electrical logic signal of a specified voltage is supplied to the driver I C 12, and at the same time a power supply voltage is supplied to the driver I C 1 2 via the electrode 16 of the transparent plate 13.
  • a current having an amplitude necessary for driving the light element 1 1 (in this case, a light emitting element) from the driver I C 12 and corresponding to an external electric signal is input to the light element 1 1.
  • An optical signal is emitted from the light element 1 1 according to the input current, and is output to the outside through the light extraction unit 14.
  • the light element 1 1 is a light receiving element
  • the light element which is a light receiving element receives a light signal incident from the outside via the light extraction unit 14, and the current generated by the light receiving element is It is converted into a voltage by an electric amplification IC provided in place of IC12 and is output to the outside at a specified voltage.
  • FIG. 2 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of the photoelectric composite module according to the second embodiment of the present invention, in which the light extraction portion has a light coupling member such as a potting lens.
  • the transparent plate 23 itself is formed of a flat surface, and the light coupling member 24 which is a light coupling means is formed by bonding a convex potting lens or a microphone opening lens to the transparent plate 23. Ru.
  • the thermal expansion coefficient of these light coupling members 24 is preferably close to that of the transparent plate 23 when the heat history in the mounting process is taken into consideration.
  • the structure other than the one having the member 24, specifically, the light element 21, the dry IC 2 2, the transparent plate 23, the electrodes 26 and 27 and the metal bump 25 is the first embodiment of the present invention.
  • the configuration is the same as that of the first embodiment, and the operation is also the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • FIG. 3 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of the photoelectric composite module according to the third embodiment having a coupling portion made in advance on a transparent plate in the light extraction portion of the present invention.
  • the transparent plate 33 is made of Si substrate, polymer, glass or the like, and the light coupling portion 34 is a lens formed on the transparent plate 33 itself by etching or machining.
  • the light coupling portion 34 which is the light coupling means, is formed as a single body, the optical axis deviation of the light coupling means can be made sufficiently smaller than in the second embodiment.
  • the metal bump 3 5 Is the same as that of the first embodiment, and the operation is also the same as that of the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted.
  • FIG. 4 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of the photoelectric complex module according to the fourth embodiment of the structure having an optical axis converter in the light extraction part of the present invention.
  • a micro mirror or the like may be placed on the transparent plate 43, or the transparent plate 43 itself may be processed to form a metal mirror, as shown in FIG.
  • the optical axis 90 degrees from the direction to the horizontal direction it is possible to convert the optical axis 90 degrees from the direction to the horizontal direction.
  • beam of light element 4 1 When the spread becomes a problem, it is possible to make the mirror part a concave mirror to give a light collecting function.
  • optical axis converter 44 is provided, specifically, the optical element 4 1, the dry IC 42, the transparent plate 43, the electrodes 46 and 47, and the metal bump 4 5 are the same as in the first embodiment. Since the operation is also the same as that of the first embodiment, the description is omitted.
  • FIG. 5 is a schematic side sectional view showing the configuration of the photoelectric composite module according to the fifth embodiment in which the transparent substrate of the present invention is formed of flexible sheets.
  • the configurations of the light extraction portion 54, the light element 51, and the drain I c 52 are the same as in the first to fourth embodiments.
  • the present embodiment is characterized in that external electrical signal input (or external electrical signal output) is performed via a flexible sheet 53 which is a transparent device.
  • external electrical signal input or external electrical signal output
  • a flexible sheet 53 which is a transparent device.
  • the light coupling member is provided in the light extraction portion 54, and the light coupling member is not shown. It may be formed, or an optical axis converter may be provided or formed.
  • an interposer 58 which is a holding member serving as a heat sink of the optical element 5 1 and the driver IC 52, is installed at the bottom. Can improve heat dissipation and retention functions. Although the interposer 58 is shown provided here, it may not be provided.
  • the interposer can be provided in the photoelectric composite module in which the transparent substrate of the first to fourth embodiments is a transparent plate.
  • the transparent substrate is made of flexible sheet, and it has heat dissipation and holding functions.
  • the configuration and the operation other than the configuration of the interposer are the same as those of the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted.
  • FIG. 6 is a schematic side sectional view showing the structure of the photoelectric composite module according to the sixth embodiment in which the transparent plate of the present invention is fixed by a holding frame.
  • a holding frame 68 with interlayer wiring 69 is attached around the lower side of the transparent plate 63 so as to surround the light element 6 1 and the driver IC 6 2, but the light extraction is performed in the fifth embodiment.
  • the electrical input / output is characterized by being performed by the interlayer wiring 69 mounted inside the holding frame 68, and electrical connection is possible from the lower surface.
  • passive components may be incorporated in the interlayer wiring 69 and embedded in the holding frame 62. Fixing of the holding frame 62 and the transparent plate 63 does not require optical axis adjustment as in the prior art, and can be performed only by electrical connection.
  • a holding frame can be provided in the same manner for the photoelectric composite module in which the transparent substrate is a flexible sheet.
  • the interposer and the holding frame may be combined.
  • the light element 6 1, driver IC 6 2, transparent plate 6 3, light extraction portion 6 4, electrodes 6 6 and 6 7, and metal bump 6 5 are the same as those of the first embodiment Since this is the same as the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • FIG. 7 shows the configuration of the photoelectric complex module and the logic LSI.
  • FIG. 10 is a schematic side sectional view showing the configuration of the light input / output device according to the embodiment 1 c.
  • the light input / output device 10 according to the first embodiment shown in FIG. On the substrate 104 on which is disposed, the photoelectric complex module 101 according to the present invention and a logic LSI 12 that controls electrical signals input to and output from the module are mounted.
  • the opto-electric composite module 101 shown in FIG. 7 is in the form of the opto-electric composite module 5 according to the fifth embodiment described above, and the opto-electric composite module 1 0 1 and the logic LSI 1 0 2 And are electrically connected via flexible sheet 1 0 3 3 to exchange electrical signals.
  • the logic LSI 102 Since the voltage signal level of the input and output of the photoelectric complex module 101 is specified by the driver IC in the photoelectric complex module 101, the logic LSI 102 is designed in a form close to a normal LSI. It is possible. Further, FIG. 7 shows the case of one photoelectric complex module 101, but a plurality of modules may be used. The electrical connection from the logic LSI 102 to each module is individually performed for each module. It may be connected by flexible sheet 1.
  • the photoelectric composite module 5 of the fifth embodiment using the flexible sheet as the photoelectric composite module 101 has been described, the first to fourth and sixth to fourth composite modules using a transparent plate are described.
  • the connection between the photoelectric complex module and the logic LSI may be made via an electrode in the metal substrate 104 using the photoelectric complex module according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic side sectional view showing the configuration of the light input / output device according to the second embodiment in the case where the heat of the logic LSI is dissipated from the substrate side.
  • heat can be dissipated from the substrate side by applying a heat dissipation means such as vias 2 0 7 to the lower part of the logic LSI 2 0 2 of the substrate 2 0 4 There is.
  • the electrical connection between the optoelectric composite module 201 and the logic LSI2O2 is connected via a flexible sheet 203 which constitutes the optoelectric composite module 201. Further, the electrical connection between the logic L S I 2 0 2 and the electrode 2 0 5 of the substrate 2 0 4 is made through the metal wire 2 0 6.
  • the connection between the photoelectric composite module and the logic LSI can be made by using metal wires or a substrate in the substrate 24. The connection may be via an electrode.
  • the optical element 11 is a surface emitting type laser with an oscillation wavelength of 850 nm, and an Au Sn solder was used for the metal bumps 15 and flip chip mounting was performed on the transparent plate 13.
  • the transparent plate 13 was selected to be transparent with a high light transmittance to the oscillation wavelength of 850 nm of the light element 11.
  • the driver I C 1 2 the input current to the optical element 1 1 is controlled by the external electrical signal of the differential input of 3.125 G b / s.
  • the amplitude of the current supplied to the light element 1 is about several mA, and the maximum output is 1 d Bm.
  • the coupling efficiency was ⁇ 3 ⁇ 0.3 d B by flip chip mounting of the optical element 1 1 and the light extraction portion 1 4.
  • the photoelectric composite module according to the present invention has the following effects. That is, 1) The number of parts and the number of processes can be reduced to reduce the mounting cost. This is because an optical element and a driver IC or an electrical amplification IC are mounted on a flip chip on a transparent base material that has wiring and simultaneously has a light extraction function.
  • Wiring margins can be narrowed, enabling high-density mounting of mounted components. This is because the optical device and driver IC were mounted on a flip chip.
  • Electromagnetic shielding can be realized at low cost. This is because forming the ground electrode on the transparent substrate can also be used as an electromagnetic shield.

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Abstract

外部へ光を出力するための光取り出し部１４、配線のための電極１６、および電磁シールドのための電極１７を有する透明プレート１３の下面に、光素子１１が光取り出し部１４の直下に、ドライバＩＣ１２が所望の位置にメタルバンプ１５でフリップチップ実装されている。外部からの電気論理信号によりドライバＩＣ１２から光素子１１を駆動する電流が流れると、光素子１１から光信号が出射され、光取り出し部１４を介して外部へ出力される。光取り出し部１４には、光結合部材や光軸変換器が設けられていてもよい。

Description

明 細 書 光電気複合モジユールおよびそのモジユールを構成要素とする光入出 力装置 技術分野
本発明は、 光電気複合モジュールに関し、 '特に光素子やドライノ I C などが実装された光電気複合モジュールに関する。 背景技術
近年、 通信ネッ トワークの大容量化に対応して大容量ルータ等の大規 模なスィ ツチングシステムが必要とされている。 その場合にその架間や 架内部での大容量接続における電気的接続の距離やサイズによる容量の 限界が懸念されている。 このことは I C 、 L S I技術の進展によって動 作速度や集積規模は向上してきたものの、 電気信号配線の高速 · 高密度 化や電気配線における遅延が高性能化を実現する上でのネックとなって きていることによる。 この問題を解消する技術と して光イ ンタ一コネク シヨ ンが注目されている。 光イ ンターコネクショ ンを用いた低コス 卜で かつ小型な信号入出力装置の構成として、 信号処理はロジック L S I に て行い、 外部とのィ ンターフヱイスは光電気複合モジュールを用いたも のが有効である。
これまで、 この種の光電気複合モジュールは、 光素子と ドライバ I C とを搭載した基板と、 レンズ等の光取り出し部を取り付けたケースとを 組み合わせることで構成されていた。 第 9図に従来の光電気複合モジュ 一ルの模式的側面断面図を示す。 第 9図に示されるように、 層間配線 9 6や上下面に配線パターンが形 成された配線基板 9 8上に、 光信号を送信あるいは受信したりする光素 子 9 1 がはんだで固定され、 光素子 9 1 と配線基板 9 8の配線とがメタ ルワイヤ 9 7で配線接続され、 光素子 9 1の電流振幅を調整する ドライ バ I C 9 2 (光素子 9 1 が受光素子の場合は電気増幅 I C ) も同様に固 定されて、 電気接続されている。 また、 コパール等の金属でできたケー ス 9 3上には平板マイク口 レンズ等の光結合手段 9 4が搭載されている ( そして、 配線基板 9 8にケース 9 3を搭載することにより、 光結合手段 9 4を介して光素子 9 1 と外部との間の光結合が実現される。
しかし、 この従来の光電気複合モジュールでは、 光素子は、 はんだや ワイヤボンディ ングで、 ドライバ I Cははんだづけで配線基板にそれぞ れ固定および接続されており、 レンズはケースに接着剤等で固定されて いるなど個別にそれぞれが実装された配線基板とケースとを用いて最後 に全体を組立てる。 このため、 部品数と工程数が多く なり、 実装コス ト を引き上げるという問題があった。
また、 配線の引き出しにおいても、 光素子をワイャボンディ ングする ためには、 配線のマージンを広めに取る必要があるため、 搭載部品の高 密度実装が難しく なるという問題があった。
また、 電磁シールドを効果的に行うためには、 ケースをコバール等の 金属製とすることが好ま しいため、 コス トが引き上げられるという問題 があった。
また、 光の取り出しあるいは取り込みにおいては、 レンズと光素子と が別々に実装されているためにレンズ一光素子間の距離や位置のばらつ きが大きく なり、 これにともなって光出力自体もばらついてしまうとい う問題があった。 さらに、 封止という観点から見た場合、 ケースと配線基板とに分割さ れているために、 この 2つで構成される分割型パッケージの中空部分に 封止材を流し込む必要があるといった問題がある。 また、 レンズの固定 が接着剤であるため、 ハ一メチック封止も困難であった。 発明の開示
本発明の目的は部品数と工程数を減らし実装コス トが抑制された光電 気複合モジュールを提供することにある。 また、 本発明の他の目的は配 線のマージンが狭く て済み、 搭載部品の高密度実装が可能な光電気複合 モジュールを提供することにある。 さらに、 本発明の他の目的は電磁シ ールドを低コス トで実現できるプレー トを有する光電気複合モジユール を提供することにある。 本発明の他の目的はレンズ一光素子間の距離の ばらつきを抑制し、 光出力のばらつきが少ない光電気複合モジュールを 提供することにある。 また、 本発明の他の目的は封止が比較的容易な光 電気複合モジュールを提供することにある。
前記目的を達成するため、 本発明に係る光電気複合モジュールは、 光 信号と電気信号とを相互に変換する光素子と、 前記光素子を駆動制御す る入出力用 I C と、電気配線を有し光透過性を備えた透明基材とを含み、 前記光素子と前記入出力用 I Cとは、 前記透明基材にフ リ ップチップ 実装されており、
前記光素子と外部との間での光の入出力は、 前記透明基材の光透過性 により行われるものであるという構成を採っている。
本発明によれば、 光信号と電気信号とを相互に変換する光素子と、 前 記光素子を駆動制御する入出力用 I Cとは、 電気配線を有し光透過性を 備えた透明基材にフ リ ップチップ実装される。 さらに、 前記光素子と外 部との間での光の入出力は、 前記透明基材の光透過性により行われる。 したがって、 部品数と工程数を減らし実装コス トを抑制することがで きる。 さらに、 配線のマージンが狭くて済み、 搭載部品の高密度実装を 実現することができる。
また、 前記透明基材の電気配線は、 前記光素子と前記入出力用 I Cと を電気的に接続すると共に、 当該光素子及び入出力用 I Cに対する電磁 シールドとして作用させることが可能である。
また、 前記光素子は、 電気信号を光信号に変換して出力する発光素子 と して構成し、 前記入出力用 I Cは、 前記光素子に電気信号を出力する ドライバ I Cと して構成する。 或いは前記光素子は、 光信号を電気信号 に変換する受光素子として構成し、 前記入出力用 I Cは、 前記受光素子 からの電気信号を増幅する電気増幅 I Cとして構成するようにしてもよ いものである。
また、 前記透明基材は、 光を透過する透明プレー トで形成し、 当該透 明プレー トは、 前記光素子の波長に対して透過性の高い素材から構成す る。 或いは前記透明基材は、 光を透過するフ レキシブルシ一 トで形成し、 当該フ レキシブルシー トは、 前記光素子の波長に対して透過性の高い素 材から構成するようにしてもよいものである。
前記透明基材は、 前記光素子に対面する箇所に光結合効率を向上する 光結合手段を備えていることが望ま しいものである。 この場合、 前記光 結合手段は、 前記透明基材に一体に形成してもよいものである。 また前 記透明基材は、 前記光結合手段に対する光軸の向きを変換する光軸変換 器を備えるようにしてもよいものである。
また、 前記光素子及び前記入出力用 I Cは、 ヒー トスプレッダを兼ね た保持部材であるイ ンタポーザを備える。 或いは前記透明基材は、 電気 配線の内装されている保持枠に固定されていることが望ま しいものであ る。
さらに、 本発明に係る光電気複合モジュールを構成要素として光入出 力装置を構成することが可能である。 具体的には、 本発明に係る光入出 力装置は、 光電気復号モジュールと、 ロジック L S I とを有し、
前記光電気復号モジユールは、 光信号と電気信号とを相互に変換する 光素子と、 前記光素子を駆動制御する入出力用 I cと、 電気配線を有し 光透過性を備えた透明基材とを含み、 前記光素子と前記入出力用 I cと が、 前記透明基材にフリ ップチップ実装され、 前記光素子と外部との間 での光の入出力が、 前記透明基材の光透過性により行われる構成になつ ており、
前記ロジック L S I は、 前記光電気複合モジユールに入出力される電 気信号を制御するものであり、
前記光電気復号モジユールと前記ロジック L S I とは、 同一の基板上 に実装した構成を採っている。
上述のように構成された本発明においては、 透明基材に、 光素子 入 出力用 I Cをフ リ ップチップ実装し、 当該透明基材の光透過性を利用し て前記光素子に対する光の入出力を行う構成とするため、 部品数と工程 数を減らして実装コス トが抑制でき、配線のマージンが狭くて済むので、 搭載部品の高密度実装が可能である。 さらに、 電磁シールドを考慮した 低コス トプレー トを実現でき、 光出力のばらつきを抑制することが可能 で、 封止が比較的容易である。 図面の簡単な説明
第 1 図は、 本発明の第 1の実施形態に係る光電気複合モジュールの構 成を示す模式的側面靳面図である。 第 2図は、 本発明の光取り出し部が ポッティングレンズなどの光結合手段を有する第 2の実施形態に係る光 電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。 第 3図は、 本発明の光取り出し部にあらかじめ透明プレートに作製された結合手段 を有する第 3の実施形態に係る光電気複合モジュールの構成を示す模式 的側面断面図である。 第 4図は、 本発明の光取り出し部において光軸変 換器を有する構造の第 4の実施形態に係る光電気複合モジュールの構成 を示す模式的側面断面図である。 第 5図は、 本発明の透明基材がフレキ シブルシ一卜で構成された第 5の実施形態に係る光電気複合モジュール の構成を示す模式的側面断面図である。 第 6図は、 本発明の透明プレー 卜が保持枠で固定された第 6の実施形態に係る光電気複合モジュールの 構成を示す模式的側面断面図である。 第 7図は、 光電気複合モジュール とロジック L S I とで構成される第 1の実施形態に係る光入出力装置の 構成を示す模式的側面断面図である。 第 8図は、 ロジック L S I の発熱 を基板側から放熱する場合の第 2の実施形態に係る光入出力装置の構成 を示す模式的側面断面図である。 第 9図は、 従来の光電気複合モジユー ルの構造を示す模式図である。 発明を実施するための最良の形態
次に、 本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 第 1図 は本発明に係る第 1の実施形態における光電気複合モジュールの構成を 示す模式的側面断面図である。
第 1図に示す実施形態に係る光電気複合モジュールでは、 外部と光素 子 1 1 との間で光を入出力させるための光取り出し部 1 4と上下面に配 線された電極 1 6 、 1 7とを備えた透明プレート 1 3を用いている。 そ して、 透明プレート 1 3の下面に、 光素子 1 1 が光取り出し部 1 4の直 下となるように、 また ドライ ノ I C 1 2が光素子 1 1 の近傍に位置する ようにメタルバンプ 1 5でフリ ップチップ実装されている。 ここでは透 明 ¾材として透明プレー ト 1 3が用いられている。 前記光取り出し部 1 4は、 光素子 1 1 に対面する透明プレートの光結合効率を向上する光結 合手段を構成しているが、 当該光結合手段は、 前記光取り出し部 1 4の 構造に限られるものではない。
光素子 1 1 は、 電気信号を光信号に変換して出力する発光素子、 或い は入光する光信号を電気信号に変換する受光素子から構成される。 そし て、 光素子 1 1 は、 前記発光素子或いは前記受光素子を複数アレイ状に 形成している。
ドライ ノ I C 1 2は、 発光素子 （光素子） 1 1 に電気信号を出力する 入出力用 I Cを構成しており、 当該ドライバ I C 1 2は、 規定電圧の変 調信号に応じて、 発光素子 （光素子） 1 1 を駆動するのに必要な電流振 幅に規制された電気信号を発光素子に対して出力するようになつている, また、 光素子 1 1 が受光素子であるときには、 入出力用 I Cは、 受光素 子 （光素子） 1 1 から出力される電気信号を電気増幅する電気増幅 I C と して構成され、 この電気増幅 I Cが図示の ドライバ I C 1 2に代えて 用いられ、 かつ前記発光素子に代えて受光素子が光素子 1 1 として用い られる。 この電気増幅 I Cとしては、 トランスインピーダンスアンプ， リ ミ ッタアンプ等が用いられる。
本発明の光電気複合モジュールには、 上述のように発光素子を備えて 光素子からの光をプレー ト側から出射させるモジュールと、 受光素子を 備えてプレー トの外側からの光を光素子に入射させるモジュールとの 2 種類の構成が含まれているが、 光素子と素子に対応する入出力用 I Cの 機能が異なるだけであって、 基本的な構成は同じなので、 図面を参照し て説明される以後の実施の形態を含めて、 発光素子と ドライバ I Cとを 備えた形態を代表例として説明する。 しかし、 これに限定されるもので はなく、 発光素子を受光素子に置き換え、 ドライバ I Cを電気増幅 I C に置き換えた形態も本発明の範囲に含まれている。
透明プレー ト 1 3は、 光素子 1 1 の波長に対して透過性の高いガラス やシリ コン系などの材料を用いて構成することが望ましい。 光取り出し 部 1 4の上面は、 光素子 1 1 のビーム広がりが小さい場合は平坦面であ つてもよい。また透明プレー ト 1 3の上下面に配設されている電極 1 6、 1 7は、 それぞれの面に電極材料を成膜した後にリ ソグラフィ ー技術を 用いて形成される。 下面側の電極 1 6はおもに光素子 1 1 と ドライ ノく I C 1 2との間、 ならびに ドライバ I C 1 2と外部との間の電気的接続を 行うとともに、 メタルバンプ 1 5を用いたフ リ ップチップ実装により光 素子 1 1 と ドライ ノ I C 1 2との高精度な位置決めを行うために形成さ れている。
このように、 フ リ ップチップ実装により接続が行われるので、 従来ヮ ィャボンディ ングで必要とされていた接続用のスペースは不用となり、 高密度実装が可能となった。 一方、 上面側の電極 1 7は接地電極として 電磁シールドの役割の一部を担うように形成することによって、 従来例 のような高価な金属パッケージを用いなく ともシールド構成が可能にな る。 また、 樹脂封止を行う場合には透明プレー ト 1 3の下部に実装され た素子の周辺のみを封止すればよく、 適切な樹脂材料を選び、 透明プレ ート 1 3と光素子 1 1 との間に隙間なく樹脂封止されることにより不用 意な反射や散乱を取りこむことのない封止が可能となる。これによつて、 従来の分割型パッケージでは必要であった中空部分全体に樹脂を流し込 むことも不要となる。
次に、 光電気複合モジュール 1の動作を光素子 1 1が発光素子の場合 について説明する。 外部から規定電圧の電気論理信号が ドライバ I C 1 2に供給され、 また同時に ドライバ I C 1 2に透明プレー ト 1 3の電極 1 6を介して電源電圧が供給されている。 ドライバ I C 1 2から光素子 1 1 (この場合は発光素子） を駆動するのに必要な振幅をもち外部電気 信号に対応した電流が光素子 1 1 に入力される。 入力された電流に応じ て光素子 1 1 から光信号が出射され、 光取り出し部 1 4を介して外部へ 出力される。
光素子 1 1 が受光素子の場合には、 外部から光取り出し部 1 4を経由 して入光された光信号を受光素子である光素子が受光し、 当該受光素子 が発生した電流を、 ドライバ I C 1 2に代わつて設けられた電気増幅 I Cで電圧に変換するとともに規定の電圧で外部に出力する。
次に本発明に係る第 2の実施形態について図面を参照して説明する。 第 2図は、 本発明の光取り出し部がポッティ ングレンズなどの光結合部 材を有する第 2の実施形態に係る光電気複合モジユールの構成を示す模 式的側面断面図である。
透明プレー ト 2 3それ自体は平坦面で構成されており、 光結合手段で ある光結合部材 2 4は、 凸面形状のポッティ ングレンズ或いはマイク口 レンズ等を透明プレー ト 2 3に接合して形成される。 これらの光結合部 材 2 4は実装工程における熱履歴を考慮した場合、 熱膨張係数が透明プ レート 2 3のものに近似していることが望ましい。 また、 透明プレー ト 2 3と前記レンズとの間の接合面での反射を抑えるため、 屈折率が透明 プレー ト 2 3のものに近似していることが望ま しい。 これによつて、 ビ ーム広がりが大きい場合でも、 効率よく集光することができる。 光結合 部材 2 4を備えた以外の構成、 具体的には光素子 2 1 , ドライ ノ I C 2 2， 透明プレー ト 2 3 , 電極 2 6及ぴ 2 7 , メタルバンプ 2 5は、 第 1 の実施の形態と同じであり、 その動作についても第 1 の実施の形態と同 様であるため、 その説明を省略する。
次に、本発明に係る第 3の実施形態について図面を参照して説明する。 第 3図は本発明の光取り出し部にあらかじめ透明プレー トに作製された 結合部を有する第 3の実施形態に係る光電気複合モジユールの構成を示 す模式的側面断面図である。
透明プレー ト 3 3は、 S i基板， ポリマ一， ガラス等で構成され、 光 結合部 3 4は、 エッチングあるいは機械加工によって透明プレー ト 3 3 自体に形成されたレンズである。 この透明プレート 3 3の場合は、 光結 合手段である光結合部 3 4がー体形成されているため、 第 2の実施の形 態に比べて光結合手段の光軸ずれを十分小さくできることが特徴である < 光結合部 3 4を備えた以外の構成、 具体的には光素子 3 1 , ドライ ノ I C 3 2 , 透明プレー ト 3 3， 電極 3 6及ぴ 3 7 , メタルバンプ 3 5は、 第 1 の実施の形態と同じであり、 その動作についても第 1 の実施の形態 と同様であるため、 その説明を省略する。
次に、本発明に係る第 4の実施形態について図面を参照して説明する。 第 4図は本発明の光取り出し部において光軸変換器を有する構造の第 4 の実施形態に係る光電気複合モジユールの構成を示す模式的側面断面図 である。
例えば光軸変換器 4 4はマイクロミラー等を透明プレー ト 4 3の上に 設置したり、 あるいは透明プレート 4 3 自体を加工してメタルミラ一と したりすることにより、 第 4図のように垂直方向から水平方向に例えば 9 0度光軸を変換させることが可能である。 また、 光素子 4 1 のビーム 広がりが問題になるときはミ ラー部を凹面鏡形状にして集光機能を持た せることも可能である。
光軸変換器 44を備えた以外の構成、 具体的には光素子 4 1 , ドライ ノ I C 42， 透明プレート 43, 電極 46及び 47, メタルバンプ 4 5 は、 第 1の実施の形態と同じであり、 その動作についても第 1の実施の 形態と同様であるため、 その説明を省略する。
次に、本発明に係る第 5の実施形態について図面を参照して説明する。 第 5図は本発明の透明基材がフ レキシブルシー トで構成された第 5の実 施形態に係る光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図であ る。 光取り出し部 54及び光素子 5 1、 ドライ ノ I C 52の構成は第 1 〜第 4の実施の形態と同じである。
本実施形態は、 外部からの電気信号入力 （あるいは外部への電気信号 出力） が、 透明機材であるフ レキシブルシート 53を介して行なわれる ことを特徴と している。 こ こでは第 1の実施の形態に対応した構成で示 されているが、 第 2〜第 4の実施形態のように光取り出し部 54に光結 合部材が設けられていたり、 光結合部材が形成されていたり、 光軸変換 器が設けられていたり形成されていてもよい。
また、 搭載された光素子 5 1 と ドライバ I C 52の個々の高さを揃え ることによって、 下部に光素子 5 1 と ドライバ I C 52のヒー トスプレ ッダを兼ねた保持部材であるインタポーザ 58を設置することができ、 放熱ならびに保持機能が向上する。 ここではイ ンタポーザ 58が設けら れた状態で示されているが、 設けられなくてもよい。
また、 イ ンタポーザを第 1〜第 4の実施形態の透明基材が透明プレー トである光電気複合モジュールに設けることもできる。 透明基材がフ レ キシブルシー トで構成されていることと、 放熱ならびに保持機能を有す るィ ンタポーザを備えている以外の構成や動作は、 第 1 の実施の形態と 同じなので説明を省略する。
次に、本発明に係る第 6の実施形態について図面を参照して説明する。 第 6図は本発明の透明プレートが保持枠で固定された第 6の実施形態に 係る光電気複合モジユールの構成を示す模式的側面断面図である。
透明プレー ト 6 3の下側の周辺に光素子 6 1 と ドライバ I C 6 2 とを 取り囲むように層間配線 6 9を有する保持枠 6 8が取り付けられている が、 光の取り出しは第 5の実施の形態と同様に第 1 〜第 4の実施形態と 同じである。
一方、 電気の入出力は保持枠 6 8に内装された層間配線 6 9によって 行なわれることを特徴と し、 下面から電気的接続が可能である。 また、 層間配線 6 9に受動部品を組み込み、 保持枠 6 2の中に埋め込んでもよ い。 保持枠 6 2 と透明プレー ト 6 3との固定は、 従来技術のような光軸 調整が不要で、 電気的接続のみによって行うことができる。 ここでは透 明基材が透明プレー ト 6 3である例について説明したが、 透明基材がフ レキシブルシー トである光電気複合モジュールについても同様に保持枠 を設けることができる。 またィ ンタポーザと保持枠とを組み合わせた構 成と してもよい。
光素子 6 1， ドライバ I C 6 2 , 透明プレー ト 6 3， 光取り出し部 6 4 , 電極 6 6及び 6 7， メタルバンプ 6 5は、 第 1 の実施の形態と同じ であり、 その動作についても第 1 の実施の形態と同様であるため、 その 説明を省略する。
次に、 本発明の光電気複合モジユールを用いた信号処理モジユールで ある光入出力装置に係る第 1 の実施形態について図面を参照して説明す る。 第 7図は光電気複合モジュールとロジック L S I とで構成される第 1 の実施形態に係る光入出力装置の構成を示す模式的側面断面図である c 図 7に示す第 1 の実施形態に係る光入出力装置 1 0は、 層間および表 面に電極 1 0 5が配置された基板 1 0 4の上に、 本発明の光電気複合モ ジュール 1 0 1 と、 このモジュールに入出力される電気信号を制御する ロジック L S I 1 ◦ 2 とが実装されている。
図 7に示す光電気複合モジユール 1 0 1 は、 上述した第 5の実施の形 態に係る光電気複合モジユール 5の形態となっており、 光電気複合モジ ユール 1 0 1 とロジック L S I 1 0 2 とはフ レキシブルシート 1 0 3を 介して電気的に接続されて電気信号のやり とりが行われる。
光電気複合モジユール 1 0 1の入出力の電圧信号レベルは光電気複合 モジュール 1 0 1 内の ドライバ I Cによって規定されているため、 ロジ ック L S I 1 0 2は通常の L S I に近い形で設計が可能である。 また第 7図では、 1個の光電気複合モジユール 1 0 1 の場合を示しているが、 複数個でもよく、 ロジック L S I 1 0 2から各モジュールへの電気的接 続は、 個別にそれぞれのモジュールのフレキシブルシー ト 1 0 3で接続 される形であってもよい。
また、 光電気複合モジユール 1 0 1 としてフ レキシブルシー トを用い た第 5の実施の形態の光電気複合モジュール 5を説明したが、 透明プレ — トを用いた第 1〜第 4、 第 6の実施の形態に係る光電気複合モジユー ルを用い、 光電気複合モジユールとロジック L S I との接続は、 メ タル ヮィャゃ基板 1 0 4内の電極を介した接続としてもよい。
次に、 本発明の光電気複合モジユールを用いた信号処理モジュールで ある光入出力装置に係る第 2の実施形態について図面を参照して説明す る。 第 8図はロジック L S I の発熱を基板側から放熱する場合の第 2の 実施形態に係る光入出力装置の構成を示す模式的側面断面図である。 第 2の実施の形態に係る光入出力装置 2 0は、 基板 2 0 4のロジック L S I 2 0 2の下部にビア 2 0 7等の放熱手段を施すことによって基板 側から放熱が可能となっている。
光電気複合モジュール 2 0 1 とロジック L S I 2 0 2との電気的接続 は光電気複合モジュール 2 0 1を構成するフレキシブルシ一ト 2 0 3を 介して接続される。 また、 ロジック L S I 2 0 2と基板 2 0 4の電極 2 0 5との電気的接続は、 メタルワイヤ 2 0 6を介して行われている。 こ こでも透明プレートを用いた第 1〜第 4、 第 6の実施形態に係る光電気 複合モジュールを用い、 光電気複合モジュールとロジック L S I との接 続は、 メタルワイヤや基板 2 0 4内の電極を介した接続としてもよい。 実施例
図 1に示す光電気複合モジュール 1の具体例を示す。 光素子 1 1は、 発振波長 8 5 0 nmの面発光型レーザであり、 メタルバンプ 1 5には A u S nはんだを用いて透明プレート 1 3にフリップチップ実装した。 透 明プレート 1 3は、 光素子 1 1の発振波長 8 5 0 nmに対して光透過率 の高い透明なものを選択した。 ドライバ I C 1 2は、 外部から 3. 1 2 5 G b / sの差動入力の電気信号により光素子 1 1への入力電流が制御 される。 光素子 1 1に供給される電流の振幅は数 mA程度であり、 最大 出力は一 1 d Bmである。 光素子 1 1 と光取り出し部 1 4とをフリップ チップ実装したことにより、 結合効率は— 3 ± 0. 3 d Bであった。 産業上の利用の可能性
以上説明したように、 本発明による光電気複合モジュールでは、 次の ような効果が得られた。 即ち、 1 ) 部品数と工程数を減らし実装コス トを抑制することがで きる。 これは配線を有し光取り出し機能を同時に持った透明基材に、 光 素子と ドライバ I Cあるいは電気増幅 I Cをフ リ ップチップ実装した構 成としたからである。
2 ) 配線のマージンが狭く て済み、 搭載部品の高密度実装が可能にな る。 これは光素子と ドライバ I Cとをフリ ツプチップ実装したからであ る。
3 ) 電磁シール ドを低コス トで実現できる。 これは透明基材に接地電 極を形成することにより電磁シ一ルドと兼用できるからである。
4 ) レンズ一光素子間の距離のばらつきを抑制し、 光出力のばらつき を小さくすることができる。 これは光取り出し機能を持つた透明基材に 光素子をフリ ップチップ実装したからである。
5 ) 各素子と透明基材との間のみ封止すればよく、 封止が比較的容易 にできる。 これは透明基材に光素子と ドライノ I Cとが一括して実装さ れているからである。

Claims

請 求 の 範 囲
1 光信号と電気信号とを相互に変換する光素子と、
前記光素子を駆動制御する入出力用 I Cと、
電気配線を有し光透過性を備えた透明基材と、
を含み、
前記光素子と前記入出力用 I Cとは、 前記透明基材にフ リ ップチップ 実装されており、
前記光素子と外部との間での光の入出力は、 前記透明基材の光透過性 により行われるものであることを特徴とする光電気複合モジュール。
2 前記透明基材の電気配線は、 前記光素子と前記入出力用 I Cとを電 気的に接続すると共に、 当該光素子及び入出力用 I Cに対する電磁シー ルドとして作用するものであることを特徴とする請求の範囲第 1項に記 載の光電気複合モジユール。
3 前記光素子は、 電気信号を光信号に変換して出力する発光素子と し て構成され、
前記入出力用 I C .は、 前記光素子に電気信号を出力する ドライバ I C として構成されたものであることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載 の光電気複合モジユール。
4 前記光素子は、 光信号を電気信号に変換する受光素子と して構成さ れ、
前記入出力用 I Cは、 前記受光素子からの電気信号を増幅する電気増 幅 I Cとして構成されたものであることを特徴とする請求の範囲第 1項 に記載の光電気複合モジユール。
5 前記透明基材は、 光を透過する透明プレー トで形成され、 当該透明プレートは、 前記光素子の波長に対して透過性の高い素材か ら構成されたものであることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の光 電気復号モジュール。
6 前記透明基材は、 光を透過するフ レキシブルシー トで形成され、 当該フ レキシブルシー トは、 前記光素子の波長に対して透過性の高い 素材から構成されたものであることを特徴とする請求の範囲第 1項に記 載の光電気復号モジユール。
7 前記透明基材は、 前記光素子に対面する箇所に光結合効率を向上す る光結合手段を備えていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の 光電気複合モジュール。
8 前記光結合手段は、 前記透明基材に一体に形成されていることを特 徴とする請求の範囲第 7項に記載の光電気複合モジユール。
9 前記透明基材は、 前記光結合手段に対する光軸の向きを変換する光 軸変換器を有することを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の光電気複 合モジュール。
1 0 前記光素子及び前記入出力用 I Cは、 ヒー トスプレッダを兼ねた 保持部材であるィンタポーザを備えていることを特徴とする請求の範囲
1 に記載の光電気複合モジュール。
1 1 前記透明基材は、 電気配線の内装されている保持枠に固定されて いることを特徴とする請求の範囲 1 に記載の光電気複合モジュール。
1 2 光電気復号モジュールと、 ロジック L S I とを有し、
前記光電気復号モジユールは、 光信号と電気信号とを相互に変換する 光素子と、 前記光素子を駆動制御する入出力用 I Cと、 電気配線を有し 光透過性を備えた透明基材とを含み、 前記光素子と前記入出力用 I Cと が、 前記透明基材にフ リ ップチップ実装され、 前記光素子と外部との間 での光の入出力が、 前記透明基材の光透過性により行われる構成になつ ており、
前記口ジック L S I は、 前記光電気複合モジユールに入出力される電 気信号を制御するものであり、
前記光電気復号モジユールと前記ロジック L S I とは、 同一の基板上 に実装されていることを特徴とする光入出力装置。
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