JP2005327880A

JP2005327880A - 高速・大容量信号接続用コネクター構造

Info

Publication number: JP2005327880A
Application number: JP2004144154A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shioda; 剛史塩田; Daisuke Suzuki; 大介鈴木; Naoyuki Kato; 奈緒之加藤
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】本発明の目的は、電気での信号転送では速度で限界があったものを回避すべく、高速・大容量信号接続を必要とするものを光で接続するコネクターを提案することにある。
【解決手段】第１の電気回路からの信号を第２の電気回路に転送するために、第１の電気回路からの信号を光信号として発光する発光素子を搭載する第１の基台と、発光素子からの光信号を受光して第２の電気回路に伝送する受光素子を搭載する第２の基台とが着脱可能に勘合することを特徴とするコネクタ構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は高速・大容量伝送の接続を実現するコネクター、このコネクターを内蔵する大容量記憶デバイス、パーソナルコンピュータ、動画像表示デバイスなどに関する。

近年、ギガを超えるＣＰＵ（中央演算ユニット）の処理速度の高速化や記憶装置デバイスの大容量化が進んでいる。メモリースティック（登録商標）やコンパクトフラッシュ（登録商標）、ＳＤメモリーカード（登録商標）など、さらにはコンパクトディスク（ＣＤ）ドライブ、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）ドライブなど百メガバイトや１ギガバイトを超える大容量記憶装置デバイスが商品化されている（非特許文献1）。しかしながら、これらのデバイスとパーソナルコンピュータ、カーナビ、動画像表示デバイスなどとの信号通信速度は、速くても数十メガビット毎秒であり、データのやりとりに時間がかかっている。多チャネルという手法も考えられるが、これらデバイスの小型化、薄型化という流れから、チャネル数にも限界がある。今後、更なる大容量メモリーデバイスが開発されたとき、この通信速度の低さは問題となる。これは、電気接続部のノイズや電磁輻射などが原因であり、従来の簡易な接続方式では、百メガビット毎秒の伝送も困難であった。

一方、高速対応の電気コネクターはさまざま開発されているが、同軸形状であり、嵩高い構造である。また、アースの設計が重要となり、ピン数も増えてしまう。また、高い加工精度が要求され、金メッキされたＳＵＳや真鍮などを用いるため、コスト高となってしまう。これらのデバイスの小型化、低コスト化の流れからすると、高速対応の電気コネクターを適用するのは困難になると考えられる。
トランジスタ技術 CQ出版社 2002年１月号

本発明の目的は、上記の問題を回避すべく、高速・大容量信号接続部を光で接続するコネクターを提案することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、信号接続を光で行える受発光素子内臓のコネクターを用いることにより、ノイズや電磁輻射の影響がほとんど無くなることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち本発明は、第１の電気回路からの信号を第２の電気回路に伝送するために、第１の電気回路からの信号を光信号として発光する発光素子を搭載する第１の基台と、発光素子からの光信号を受光して第２の電気回路に伝送する受光素子を搭載する第２の基台とが着脱可能に勘合されているコネクタ構造である。
これにより２つの電気回路間で10 GHzを超える高速信号の転送が可能となる。

この第１または第２の基台に発光素子または受光素子への電力供給用の電気的接続部が同時に備えられていることが好ましい。
基台としてはパッケージ形状でもよいし、板状でもよい。

本発明によるコネクターを用いることにより、コネクタ部に電気接点を持たないため各種デバイス間を高速・大容量信号を通信できるようになる。

以下、本発明を詳細に説明する。ここでは、エポキシ成形材を用いたコネクターを例に挙げて説明するが、その他の樹脂やセラミックスなどの焼結体などを用いることももちろん可能である。
図１に示すようにエポキシ樹脂組成物を用いて、中空パッケージに成形する。このとき、該成形体１には発光素子、受光素子が搭載できる空間を設ける。また、ＱＦＰ（クワッドフラットパッケージ）やＤＩＰ（デュアルインパッケージ）のように、リードフレーム２を組み込んで一体成形してもよい（図１(a)）。次に、該成形体に受発光素子を駆動するための電気配線（図示せず）を施す。これには、リフトオフ法や、表面粗化とめっき法など様々な方法が考えられる。次に、光素子として発光ダイオードチップ8など、面受光素子チップ９などをそれぞれ一つずつはんだ実装し、リードフレームとの間をワイヤボンディングで電気的に接続した（図１(b)）。その後、透明エポキシ樹脂10でディップ部を埋め込み、紫外線照射により硬化させた。

このようにして、光接続が可能なコネクターが作成された（図１(c)）。それぞれの成形体から出ているリードフレームを受発光素子を駆動する電気回路を含むFR-4ガラスエポキシ製プリント配線板や回路加工13が施されている成形体14などの上にはんだ付けによって導通・固定した（図２）。図１のコネクター形状に追加してさらに外周に突起部を設けたものを別に作成し、図１のコネクタと雄雌勘合することにより着脱可能に面同士をつき合せて、それぞれに設置されている受発光素子間で信号の伝送を行なうコネクター構造が実現できる。その勘合の状況を図４で断面図で示す。ここでは位置合わせピン32と受けの孔33を設けている。

次に、図３にメモリーボードの電気接続ポートの一部を光接続にする例を示す。これは従来から用いられるメモリチップなどのチップを搭載したメモリボードを他のボード上のコネクタとしてのスリットに固定する形を一部援用するものである。図３において電気回路やメモリチップなどのチップ23が搭載され電気端子34が配されたメモリーボード24の、スリットから露出する箇所に受光または発光素子35を設け、そこから電気端子の列の高さまで貼り付けられた両端に４５°ミラーが形成された光導波路フィルム36によって光学的に接続される。このとき、スリット側にはスリットの内面に発光または受光素子を埋め込んで設けるか、あるいは両端に４５°ミラーが形成された光導波路フィルムでスリット側の任意の場所に設けられた発光または受光素子まで接続する。具体的にはメモリボードに貫通孔を設け、その貫通孔に受光部または発光部がかかるように受光素子または発光素子35を固定する。受光素子または発光素子が固定された反対の面に両端に４５°ミラーが形成された光導波路フィルム36（図３では裏面であるため点線で示す）を貼り付ける。その導波路フィルムの一端が貫通孔にかかり、受光素子または発光素子から一端に形成された４５°ミラーで直角に曲げられて光導波路に至る光路が形成される。また光導波路フィルムの他端側の４５°ミラーで直角に曲げられてスリット内面に設けられた発光素子または受光素子あるいはそこに導かれる別の光導波路の４５°ミラーに向けて光路が形成される。ボードがスリットから容易に抜けないようにするには通常用いられている着脱レバー（図示せず）を設ければよい。。

別の形態として、メモリーボードの電気接続ポートの一部を光接続化するために、先に述べた受発光素子内臓の成形体をはんだ付けにより固定すれば良い。このとき、コネクター構造のスリット凹側にはその成形体の大きさに相当する凹みを作りこむ。
さらに別の形態で、メモリーボードの多層プリント配線板の一部の上層を取り除き、あるいはあらかじめ除かれた形にプリント配線板加工を施し、そのできたディップに直接、発光素子や受光素子を実装、ワイヤボンディングする方法もある

勘合構造による光接続においては、受光素子と発光素子の位置合せ精度が重要となる。一般的に、高速応答可能な受光素子の受光径は100μmから500μm程度、発光素子は10μm程度となる。そのための別のコネクタ構造を図５に示す。受光素子5と発光素子4が埋め込まれた基板を勘合させる構造である。ここで位置合せのための勘合ピン21、それを受けるガイドとなる勘合穴22を設けるとよい。このピンは、成形体として始めから埋め込まれても構わないし、後から穴をあけそこにピンを埋め込んでも構わない。図５(a)は垂直方向に押し込んで勘合する型、図５(b)は水平方向に押し込んで勘合するものである。

特に、発光ダイオードなど広がり角の大きい発光素子を使用した場合、アレイ上に受光素子が配列していると隣接受光素子で受光してしまい、クロストークを引き起こすことが考えられる。このような場合、このクロストークを避けるために、図６に示すように、封止樹脂の表面に遮光マスクとして光遮蔽薄膜31を形成するとよい。

今まで述べた実施の形態においては、ディップ部を樹脂で封止していた。しかしながら封止をせず中空パッケージのように、受発光素子の前面に透明蓋をする形態でも構わない。このとき図7に示すように、集光させるためのレンズ51が形成されている蓋41を用いても良い。さらに、レンズではなく光導波路としてもよい。

金型に厚さ０．２ｍｍのリードフレームを設置し、エポキシ樹脂組成物を用いて樹脂パッケージを成形した。使用したエポキシ樹脂組成物は、三井化学（株）製TM-250Gを用いた。このとき、サイズは５ｍｍ×５ｍｍで、厚さ２ｍｍの成形体であった。また、同時に成形体の中心付近に光素子などの実装用に２ｍｍ×２ｍｍ、深さ１ｍｍのディップを設けた。次に、貫通穴を含んだリードフレーム全体をニッケルめっき（５μｍ）、金めっき（０．３μｍ）の順にめっきし、前述のリードフレームに予め形成してある貫通穴上で外部端子とリードフレームを切断して、個片化されたコネクター成形体を得た。同様の成形体を二つ作成する。このとき、光接続する位置合せのため、かつ、コネクター同士を機械的に勘合させるために、片方に直径１ｍｍ、高さ１ｍｍの凸形状、もう片方に直径１．５ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝を成形にて形成しておくことにより、±０．２５ｍｍの位置合せ精度で位置決めできる。受光素子が300μmの受光径の場合、この精度で十分光接続が可能である。

次に、光素子として赤色発光ダイオードチップ、面受光素子チップをそれぞれ一つずつはんだ実装し、リードフレームとの間をワイヤボンディングで電気的に接続した。その後、透明エポキシ樹脂でディップ部を埋め込み、紫外線を30mW/cm²で10分間照射し、硬化させた。面を平坦化するため、およびコネクター面（成形樹脂面）を表面に出すために、研磨を施した。このようにして、光接続が可能なコネクターが作成された。それぞれのコネクターから出ているリードフレームを受発光素子の駆動する回路を含むFR-4ガラスエポキシ製プリント配線板上にはんだ付けした。二つのコネクターをガイドとなる凹凸形状部を勘合し、発光ダイオードに２００メガビット毎秒の変調信号を送り、光でもう一方のコネクター側に送信したところ、受信側の受光素子では、良好なアイの開いたパターンが観測できた。

本発明のコネクター製造工程の一例を示す図。本発明のコネクター構造の一例を示す図。本発明のコネクター構造の一例を示す図。本発明のコネクター構造の勘合部断面を示す図。本発明のコネクター構造の細部断面を示す図。本発明のコネクター構造の細部断面を示す図。本発明のマイクロレンズ搭載コネクター構造の一例を示す図

符号の説明

１：成形体、２：リードフレーム、３：電気配線、
４：発光素子、５：受光素子、７：プリント配線板、
8：発光ダイオードチップ、 9：面受光素子チップ
１０：エポキシ樹脂１１：電気接続部、
２１：勘合ピン、２２：勘合穴、２３:チップ
２４：メモリーボード３１：光遮蔽薄膜、
４１：蓋、５１：レンズ、

Claims

第１の電気回路からの信号を第２の電気回路に伝送するために、第１の電気回路からの信号を光信号として発光する発光素子を搭載する第１の基台と、発光素子からの光信号を受光して第２の電気回路に伝送する受光素子を搭載する第２の基台とが着脱可能に勘合されていることを特徴とするコネクタ構造。
第１または第２の基板に発光素子または受光素子への電力供給用の電気的接続部が同時に備えられていることを特徴とする請求項１に記載のコネクター構造。