WO2022113174A1

WO2022113174A1 - 光モジュール

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Publication number: WO2022113174A1
Application number: PCT/JP2020/043684
Authority: WO
Inventors: 諒太藤原; 誠二中野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-06-02
Anticipated expiration: 2023-05-24
Also published as: JPWO2022113174A1; CN116648835B; US20230209718A1; CN116648835A; JP7204065B2; US12256497B2

Abstract

光モジュールは、金属製のステム１０と、ステム１０の貫通孔１０ｃを貫通する信号用リードピン１３と、ピン部１４ａ、及びピン部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と、表面に配線パターン３２を、裏面にステム１０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３３を具備し、信号用リ－ドピン１３のアウターリード部１３ｂが貫通する第１のスルーホール３６が形成され、第１のスルーホール３６を貫通した信号用リードピン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、グランドピン１４のピン部１４ａが貫通する第２のスルーホール３７が形成され、第２のスルーホール３７を貫通したグランドピン１４のピン部１４ｂ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１０の外平面１０ａに接合され、表面がグランドパターン３３の露出面に接合された金属製のプレート４を備える。

Description

光モジュール

　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

　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。
　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。
　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。
　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。
　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。