JP2015532538A - 光電子アセンブリー - Google Patents

Abstract

本発明は、光電子アセンブリーに関する。光電子アセンブリーは、１つ以上の光電子部品及びハウジングを含む。ハウジングは１つ以上の光電子部品に電気的に接続された外壁を含む。ハウジングは、１つ以上の光電子部品と外部電子デバイスとの間の電気的インターフェースを提供するように構成される。外壁と１つ以上の光電子部品との間の電気的接続は、導電要素を含む。導電要素は誘電体材料上に支持され、誘電体材料は１つ以上の光電子部品と外壁との間において導電要素に対する構造的支持を提供する。

Description

本発明は、光電子アセンブリーに関する。具体的には、本発明は、１つ以上の光電子部品とハウジングの外壁との間に低熱伝導率を提供する光電子アセンブリーに関する。

光ネットワークにおいては、ネットワーク内の光電子デバイスの光電子部品を安定した温度に保つのが望ましい。典型的には、必要とされる安定した温度は、光電子デバイスの外部の環境の温度よりも低く、例えば光電子部品を冷却する必要がある。

例えば、高出力光ネットワークレーザーパッケージは通常ラック内に高密度に配置され、それらが占める空間を低減させる。この高密度の配置は、きわめて近接して大量の電子部品を配置し、そのため周囲の領域、レーザーパッケージ外部の温度を上昇させることとなる。典型的には、外部温度は８５℃またはそれ以上に達しうる。

レーザーパッケージ内の光電子部品の動作を正常に保つために、これらの部品の温度は安定した温度に維持しなければならず、８５℃よりも低くなければならない。そのため、レーザーパッケージ内の光電子部品の温度は正確に制御される。

光電子部品の温度を制御する方法の１つは、熱電冷却によるものである。熱電冷却器（ＴＥＣ、Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）が、光電子部品と熱的に連通して配置され、ペルチェ効果を用いて熱を光電子部品から除去する。この機能を提供するために、ＴＥＣは電力を必要とする。

第１の態様の本発明によれば、光電子アセンブリーが提供される。光電子アセンブリーは、１つ以上の光電子部品及び１つのハウジングを含む。ハウジングは、１つ以上の光電子部品に電気的に接続された外壁を含む。ハウジングは、１つ以上の光電子部品と外部電子デバイスとの間の電気的インターフェースを提供するように構成される。外壁と１つ以上の光電子部品との間の電気的接続は、導電要素を含む。導電要素は誘電体材料上に支持され、誘電体材料は１つ以上の光電子部品と外壁との間において、導電性要素に対する構造的な支持を提供する。

導電要素の厚さは０．１μｍから０．５μｍの範囲であってよい。導電要素の幅は、２５μｍから３５μｍの範囲であってよい。厚さ及び幅を減少させると、導電要素の断面積が減少し、導電要素に沿った熱移送がより少なくなることとなる。

任意選択的に、導電要素の断面積は２．５×１０^−１２ｍ^２から１．７５×１０^−１１ｍ^２の範囲である。これは、任意の形状の断面を有する導電要素によって提供されうる。例示的な断面は、長方形または円形である。

任意選択的に、誘電体材料は柔軟である。このことにより、光電子部品は、導電要素に損傷を与えることなく、外壁に対して動くことが可能になる。

任意選択的に、誘電体材料は、上部及び下部誘電体層を含み、導電要素は上部及び下部誘電体層の間に配置される。上部層及び下部層は、一片の誘電体材料を形成してもよく、誘電体材料は水平方向に導電要素を取り囲んでもよい。

任意選択的に、第１及び第２の誘電体層のそれぞれの厚さは４μｍから８μｍの範囲である。誘電体材料が水平方向に導電要素を取り囲む場合、導電要素の上部及び下部の誘電体材料の厚さは４μｍから８μｍの範囲にあってもよい。

任意選択的に、第１及び第２の誘電体層のそれぞれの厚さ（または導電材料の上部及び下部の誘電体の厚さ）は、１３μｍから１７μｍの範囲にある。

任意選択的に、第１及び第２の誘電体層のそれぞれの幅は、３５μｍから５５μｍの範囲にある。

任意選択的に、誘電体材料はそれぞれの側部において８μｍから１２μｍの範囲だけ、導電要素よりも幅が広い。誘電体材料が導電要素を水平に取り囲む場合、導電要素のいずれかの側部の誘電体材料の厚さは、８μｍから１２μｍの範囲にあってもよい。

任意選択的に、導電要素は、誘電体材料の間接的な経路に沿うものであってよい。

任意選択的に、電気的接続は、それぞれが誘電体材料上に配置された複数の導電要素を含む。

任意選択的に、光電子部品は、チップ上に配置され、チップはチップキャリア上に配置される。

任意選択的に、光電子アセンブリーはさらに、１つ以上の光電子部品と熱的に連通したヒートポンプを含む。

任意選択的に、ヒートポンプは熱電冷却器である。

第２の態様の本発明によれば、前述の光電子アセンブリーを含む光通信ネットワークで用いるためのレーザーパッケージが提供される。

第３の態様の本発明によれば、１つ以上の光電子部品と、１つ以上の光電子部品に電気的に接続された外壁を含むハウジングと、を含み、ハウジングは１つ以上の光電子部品と外部電子デバイスとの間の電気的インターフェースを提供するように構成され、外壁と１つ以上の光電子部品との間の電気的接続は、２．５×１０^−１２ｍ^２から１．７５×１０^−１１ｍ^２の範囲の断面積を有する導電要素を含む、光電子アセンブリーが提供される。

第４の態様の本発明によれば、１つ以上の光電子部品と、１つ以上の光電子部品に電気的に接続された外壁を含むハウジングと、を含み、ハウジングは１つ以上の光電子部品と外部電子デバイスとの間の電気的インターフェースを提供するように構成され、外壁と１つ以上の光電子部品との間の電気的接続は、第１の熱伝導率を有し、第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料上に支持された導電要素を含む、光電子アセンブリーが提供される。

本発明の例示的な実施形態をこれから添付する図面を参照して説明する。

光電子アセンブリーを通る断面の簡略化された概略図である。 レーザーパッケージを通る断面である。 ハウジング内に配置された光電子部品の平面図である。 電気的接続の概略的な等角図である。 電気的接続を通る概略的な断面である。 ボンドパッドに接合された電気的接続を通る概略的な断面である。 電気的接続の概略的な等角図である。 チップとハウジングの外壁との間の電気的接続の概略図である。

一般に、本明細書では光電子部品とハウジングの外壁との間の電気的接続が低熱電導性経路を提供するように構成された光電子アセンブリーを開示する。

発明者は、光電子部品と光電子アセンブリーのハウジングとの間の電気的接続が、比較的高温のハウジングから比較的低温の光電子部品への熱移送経路を提供することを認識した。さらに、発明者は、熱移送経路を通って移送される熱量が減少すると、光電子アセンブリーの効率が改善しうることを認識した。

例えば、前述のレーザーパッケージを参照すると、光電子部品及びＴＥＣが、典型的にはパッケージハウジング内に収容されている。ハウジングは光電子部品と任意の外部電子デバイスとの間の光学的、電気的インターフェースを提供する。そのため、光電子部品からハウジングまでの電気的接続を提供することが必要である。ハウジングの外壁は、外部環境の比較的高い温度の影響を受ける。従って、外壁と光電子部品との間の電気的接続は、熱移送経路を提供し、その結果、光電子部品は加熱される。そのためＴＥＣは、光電子部品を冷却するためにより稼働する必要があり、レーザーパッケージの効率を低下させることとなる。

極端な状況では、ＴＥＣの負荷が増大すると、より多くの熱を発生させることとなり、正の熱フィードバックに寄与し、熱的暴走につながる恐れがある。

図１は、光電子アセンブリー１０を通る概略的な断面を示している。アセンブリー１０は、ハウジング１６内のキャリア１４に実装されたチップ１２（例えばレーザーダイオード）などの電子デバイスを含む。チップ１２は、出力光ファイバー（図示されない）に接続される。熱電冷却器（ＴＥＣ）１８は、キャリア１４に接続され、ケーシング１６上に取り付けられまたはケーシング１６と一体化されたヒートシンクに接続されて、熱を（比較的低温の）キャリア１４から（比較的高温の）ケーシング１６へ移送する。

例示的な光学アセンブリーにおいて、ハウジングは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックから製造される。ハウジング１６の外壁１６ａは、互いの上部に積層された複数のＡｌＮ区画の積層構造を含む。例示的な光学アセンブリーの実際の実施形態では、ハウジング１６の外壁はそれぞれ積層構造を含んでもよい。外壁１６ａの積層構造によって、導電配線が、外壁１６ａの長さ方向にそって水平に配線可能となる。配線は、ハウジングの外壁に配置された、アセンブリー１０の入力及び出力ポートに接続される。これらの入力及び出力ポートは、チップ１２とアセンブリー１０の適切な動作のために必要な任意の外部電子デバイスとの間のインターフェースを、積層外壁１６ａのＡｌＮ層間に配置された導電配線を介して提供する。

電気的接続２０は、チップ１２と外壁１６ａとの間に提供されて、チップ１２を導電配線を介して入力及び出力ポートに電気的に接続する。

チップ１２は、複数の電子部品及び光電子部品を含む。具体的には、チップ１２は１５５０ｎｍの波長で光を出力するように構成された高出力レーザーダイオードであってもよい。典型的には、レーザーダイオードから出力された光は、例えば５０ＧＨｚのチャネル間隔を有する個別のチャネルに伝送される。レーザーダイオードから出力される光の波長を正確に保つために、波長基準部品が使用される。波長基準はファブリー・ペロー干渉器またはエタロンであってもよい。波長基準の出力は温度に依存し、そのため基準を所望の安定した動作温度に保つことが重要である。

前述のように、ハウジング１６は、外部環境にさらされており、外部環境はチップ１２の所望の動作温度に対して高い温度である。典型的には、外部温度は８５℃またはそれ以上に達する可能性があり、チップ１２の所望の動作温度は約２５℃でありうる。

ＴＥＣ１８は、キャリア１４及び、すなわちチップ１２の温度を低下させるように動作する。ＴＥＣ１８がキャリア１４及びチップ１２の温度を所望の動作温度に保つように動作するために、通常はフィードバックループが使用される。ＴＥＣはキャリア１４及びチップ１２から熱を除去するために電力を使用するため、チップ１２の温度が高温になるほど、ＴＥＣ１８はチップ１２を冷却するためにより多くの電力を必要とする。

図２は、光ネットワークで使用するのに適した高出力レーザーパッケージに含まれる光電子アセンブリーのより詳細な断面を示している。ハウジング１６は、外壁１６ａ、ベース１６ｂ及びカバー１６ｃを含む。外壁１６ａの積層構造が、ハウジングの周囲を取り囲んでいる様子が、図２でははっきりと見ることができる。導電配線（図示されない）は、積層外壁１６ａの層間に配置されて、外壁１６ａの周囲に電気的接続を提供する。

ＴＥＣ１８は、ベース１６ｂ上に位置する。ＴＥＣの頂部にはキャリア１４が位置する。キャリア１４の上にはチップ１２が位置する。図２は、チップ１２上に配置された典型的な光電子部品及び電子部品を示している。

図３は、カバー１６ｃを除去してチップ１２を露出した光電子アセンブリー１０の平面図を示している。パッケージの外壁１６ａは、電気的接続２０によってチップ１２上の様々な部品に接続される。例示的な電気的接続２０が、図２の点線の円領域内に示されている。

発明者は、ハウジング１６とチップ１２との間の顕著な熱移送経路が電気的接続２０によって提供されることに気付いた。典型的には、既知の光電子アセンブリーにおいて、電気的接続は８本の平行した直径２５μｍのワイヤーボンドを含む。ワイヤーボンドは、典型的には金またはアルミニウムから作られ、さらに、良好な導電体であり、良好な熱伝導体でもある。そのため、チップ１２の温度は、相対的に高温のハウジング１６から相対的に低温のチップ１２に流れる熱によって上昇する。チップ１２とハウジング１６との間のインダクタンス結合を低くすることが望ましいため、８本の平行なワイヤーボンドが使用される。

本明細書に開示された例示的な光電子アセンブリーにおいて、電気的接続２０は誘電体基板上の導電要素によって提供される。誘電体基板を使用することにより、導電体が損傷する危険性を低減しつつ、より薄い電気的接続を使用することが可能となる。そのため誘電体基板は、導電要素の構造的支持を提供する。

図４は、例示的な電気的接続２０の概略斜視図を示している。電気的接続２０は、誘電体基板４２内に設けられた導電要素４０を含む。図５は、電気的接続２０を通る断面を示している。図５に示されるように、電気的接続２０は、３つの層を含む。誘電体の第１の層４２ａ、誘電体の第１の層４２ａ上に支持された導電材料の層４０及び導電材料４０の上に配置され、導電材料４０を覆う誘電体の第２の層４２ｂである。

例示的な電気的接続２０において、第１及び／または第２の誘電体の層４２ａ、４２ｂはポリイミド材料であってもよい。導電要素は金、アルミニウムまたは銅を含んでもよい。

第１及び第２の誘電体層４２ａ及び４２ｂを柔軟にすることが有利であるが、これは、電気的接続２０の損傷または破損の危険を低減しつつ、チップ１２とハウジング１６との間の相対的な移動が可能となるためである。ＴＥＣ１８が動作すると、ハウジング１６内で上下運動する可能性がある。チップ１２及びキャリア１４は、ＴＥＣ１８の頂部に位置するため、チップ１２とハウジング１６との間の相対的な移動に繋がり、電気的接続２０に張力が生じる。第１及び第２の誘電体層４２ａ及び４２ｂが柔軟である場合、ハウジング１６内のチップ１２の運動によって生じた張力の大部分は、電気的接続２０の柔軟性によって吸収されうる。

電気的接続２０の導電要素４０は、小さな断面積で高帯域接続を提供する。高帯域接続は、１５ＧＨｚから２５ＧＨｚの範囲でありえ、特に、２０ＧＨｚでありうる。小さな断面積は、導電要素４０を通る熱移送量を低下させる。例示的な電気的接続２０において、導電要素４０は、０．１μｍから０．５μｍの範囲の厚さを有しうる。特定の例示的な電気的接続２０において、導電要素４０の厚さは０．３μｍでありうる。他の例示的な電気的接続において、導電要素の厚さは０．３μｍ未満でありうる。導電要素４０は、２５μｍから３５μｍの範囲の幅を有してもよく、特に、導電要素の幅は３０μｍでありうる。

第１及び第２の誘電体層４２ａ及び４２ｂのそれぞれの厚さは、４μｍから２０μｍの範囲でありうる。特定の例示的な電気的接続２０において、第１及び第２の誘電体層４２ａ及び４２ｂのそれぞれの厚さは、４μｍから８μｍまたは１３μｍから１７μｍの範囲でありうる。さらに特定の例示的な電気的接続２０において、第１及び第２の誘電体層４２ａ及び４２ｂの厚さは、６μｍから１５μｍでありうる。

第１及び第２の誘電体層４２ａ及び４２ｂのそれぞれの幅は、３５μｍから５５μｍの範囲でありうる。特定の例示的な電気的接続２０において、第１及び第２の誘電体層４２ａ及び４２ｂの幅は、５０μｍでありうる。例示的な組み立てられた電気的接続２０において、第１及び第２の誘電体層４２ａ及び４２ｂは、導電要素４０よりも、それぞれの側部において８μｍから１２μｍの範囲だけ幅が広くてもよい。

例示的な導電要素は、伝送線として構成され、そのため光電子アセンブリーに適切な任意の長さを有してもよい。ワイヤーボンドを含む例示的な導電要素において、ワイヤーボンドのインダクタンスは長さ単位ごと及び長さである。そのため、ワイヤーボンドが長くなるほど、ボンドの帯域が狭くなる。そのため、そのような導電要素の長さは帯域制限に依存して制限される。

典型的には、約１０Ｇｂ／ｓで動作するデバイスは、ハウジングとチップとの間で０．３ｍｍ以下の距離を必要としうる。本明細書で開示される導電要素を使用する場合、ハウジングとチップとの間の距離は０．３ｍｍよりも大きな距離に延びうる。特定のデバイスにおいて、ハウジングとチップとの間の距離は０．５ｍｍ以上、または１ｍｍ以上でありうる。これにより、ハウジングとチップとの間の熱分離が向上し、より大きなギャップはチップパッケージ及び／またはハウジングに関するより大きな許容範囲を吸収することができるので、必要とする部品精度は低くなる。

電気的接続２０は、ハウジング１６及びチップ１２のそれぞれの上の金のボンドパッドに接続されて、それらの間の電気的相互接続を提供しうる。図６は、電気的接続２０を、ハウジング１６の積層された外壁１６ａの層の間に形成された金ボンドパッド６０に接続するための例示的な方法を示している。

電気的接続２０の一端において、第１の誘電体層４２ａが除去されて、導電要素４０の下面を露出させる。第１のビア６２が第２の誘電体層４２ｂに形成されて導電要素４０の上面を露出させる。第１のビア６２より小さく、第１のビア６２と中心が一致する第２のビア６４が、導電要素４０に形成される。次いで、金ボンドボール６６が第２のビア６４の上に配置され、圧力が印加されて金ボンドボール６６が第２のビア６４を通して押し付けられる。これによって、平坦化された端部が導電要素４０の上面に接触し、第２のビア６４を通して押し付けられた金ボンドボール６６の一部が金ボンドパッド６０に接触するように、金ボンドボール６６は変形する。

図７は、誘電体材料７２内に保持された複数の導電要素７２ａからｃを含むさらなる例示的な電気的接続７０を示している。電気的接続７０は、図８に示されるように、帯状に、チップ１２とハウジング（図示されない）との間の複数の電気的接続を提供するように使用されうる。図８において、複数の導電要素７２ａから７２ｃは、チップ１２上の電気的接続点に対応するように間隔をあけて分岐する。

図７は、３つの導電要素７０ａからｃのみを示しているが、他の数の導電要素が使用されてもよい。さらに、図４から７は直線的な導電要素４０、７０ａからｃを示している。しかし、任意の設計の導電要素が使用されてもよい。例えば、導電要素は必要に応じて曲線のまたは角度の付けられた経路を取るように設計されてもよい。さらに、導電要素は多数の方向転換を含んでもよい。

図４から７は誘電体材料４２、７２によって取り囲まれた導電要素４０、７０ａからｃを示しているが、例示的な電気的接続は、誘電体材料の単一の層の上に支持された導電要素を含んでもよいことに注意すべきである。

さらに、前述の例示的な導電要素は長方形の断面を有するが、導電要素は特許請求の範囲を逸脱せずに、他の断面を有してもよいことに注意すべきである。例えば、導電要素は円形の断面を有してもよい。

他の実施形態は、特許請求の範囲を逸脱せずに、当業者によって予測されうる。

１０ 光電子アセンブリー
１２ チップ
１４ キャリア
１６ ハウジング
１６ａ 外壁
１６ｂ ベース
１６ｃ カバー
１８ 熱電冷却器（ＴＥＣ）
２０ 電気的接続
４０ 導電要素
４２ａ 第１の誘電体層
４２ｂ 第２の誘電体層
６０ 金ボンドパッド
６２ 第１のビア
６４ 第２のビア
６６ 金ボンドボール
７０ 電気的接続
７２ａからｃ 導電要素

Claims (20)

1. １つ以上の光電子部品と、
   前記１つ以上の光電子部品に電気的に接続された外壁を含み、前記１つ以上の光電子部品と外部電子デバイスとの間の電気的インターフェースを提供するように構成されたハウジングと、を含み、
   前記外壁と前記１つ以上の光電子部品との間の前記電気的接続が、誘電体材料上に支持された導電要素を含み、前記誘電体材料が、前記１つ以上の光電子部品と前記外壁との間で、前記導電要素に対する構造的支持を提供する、光電子アセンブリー。
2. 前記導電要素が、０．１μｍから０．５μｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の光電子アセンブリー。
3. 前記導電要素が、２５μｍから３５μｍの範囲の幅を有する、請求項１または２に記載の光電子アセンブリー。
4. 前記導電要素の断面積が、２．５×１０^−１２ｍ^２から１．７５×１０^−１１ｍ^２の範囲である、請求項１から３のいずれか一項に記載の光電子アセンブリー。
5. 前記誘電体材料が柔軟である、請求項１から４のいずれか一項に記載の光電子アセンブリー。
6. 前記誘電体材料が、上部誘電体層及び下部誘電体層を含み、前記導電要素が前記上部誘電体層と前記下部誘電体層との間に配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載の光電子アセンブリー。
7. 第１及び第２の誘電体層のそれぞれの厚さが、４μｍから８μｍの範囲である、請求項６に記載の光電子アセンブリー。
8. 第１及び第２の誘電体層のそれぞれの厚さが、１３μｍから１７μｍの範囲である、請求項６に記載の光電子アセンブリー。
9. 前記第１及び第２の誘電体層のそれぞれの幅が、３５μｍから５５μｍの範囲である、請求項６から８のいずれか一項に記載の光電子アセンブリー。
10. 前記誘電体材料が、前記導電要素よりも、それぞれの側部において８μｍから１２μｍの範囲だけ幅が広い、請求項１から９のいずれか一項に記載の光電子アセンブリー。
11. 前記導電要素が前記誘電体材料上の間接的な経路を通る、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光電子アセンブリー。
12. 前記電気的接続が、それぞれが前記誘電体材料上に配置された複数の導電要素を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光電子アセンブリー。
13. 前記光電子部品がチップ上に配置され、前記チップがチップキャリア上に配置される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光電子アセンブリー。
14. 前記１つ以上の光電子部品と熱的に連通するヒートポンプをさらに含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光電子アセンブリー。
15. 前記ヒートポンプが熱電冷却器である、請求項１４に記載の光電子アセンブリー。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の前記光電子アセンブリーを含む、光通信ネットワーク内で使用するためのレーザーパッケージ。
17. １つ以上の光電子部品と、
    前記１つ以上の光電子部品と電気的に接続された外壁を含み、前記１つ以上の光電子部品と外部電子デバイスとの間に電気的インターフェースを提供するように構成されたハウジングと、を含み、
    前記外壁と前記１つ以上の光電子部品との間の前記電気的接続が、２．５×１０^−１２ｍ^２から１．７５×１０^−１１ｍ^２の範囲の断面積を有する導電要素を含む、光電子アセンブリー。
18. １つ以上の光電子部品と、
    前記１つ以上の光電子部品と電気的に接続された外壁を含み、前記１つ以上の光電子部品と外部電子デバイスとの間の電気的インターフェースを提供するように構成されたハウジングと、を含み、
    前記外壁と前記１つ以上の光電子部品との間の前記電気的接続が、第１の熱伝導率を有し、前記第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料上に支持された導電要素を含む、光電子アセンブリー。
19. 添付された図面を参照して明細書で実質的に説明された光電子アセンブリー。
20. 添付された図面を参照して明細書で実質的に説明されたレーザーパッケージ。