JP2016015405A

JP2016015405A - 光モジュール、及び光アクティブケーブル

Info

Publication number: JP2016015405A
Application number: JP2014136807A
Authority: JP
Inventors: 馬場　亮吉; Ryokichi Baba; 亮吉馬場; 片山　弘樹; Hiroki Katayama; 弘樹片山; 有器長沼; Yuki Naganuma; 真行二階堂; Masayuki Nikaido
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2016-01-28

Abstract

【課題】集積回路の駆動熱を効率的に放熱することができ、しかも小型化や高性能化等に伴う部品の高密度実装に対応することが可能な光モジュール、及び光アクティブケーブルを提供する。
【解決手段】第１の領域１０１と第１の領域１０１を囲繞する第２の領域１０２とを有する基板１０３と、第１の領域１０１と対応する位置に形成されると共に第１の領域１０１の表面を露出させる窓部１０４を有し、第２の領域１０２の表面に貼り付けられた金属板１０５と、第２の領域１０２に形成されたサーマルビア１０６と、第１の領域１０１の表面に実装された光素子１０７と、第２の領域１０２の表面に金属板１０５を介して実装された集積回路１０８と、を備える光モジュール１００である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号と電気信号とを相互変換する光電変換機能を有する光モジュール、及び光アクティブケーブルに関する。

光信号と電気信号とを相互変換する光電変換機能を有する光アクティブケーブルや光トランシーバ等に搭載される光モジュールは、基板と、基板の表面に実装された光素子と、基板の表面に実装された集積回路と、を備えている（例えば、特許文献１を参照）。

集積回路は、光素子の駆動を制御するための部品であり、ワイヤボンディング等の導電路を介して光素子と電気的に接続されることになるが、導電路の線路長が長距離に亘ると小型化の観点や導電路における信号の低損失化の観点から好ましくないため、光素子と集積回路との間の物理的な距離が可能な限り短縮されるように、集積回路を光素子に近接して配置している。

ところが、単純に、集積回路を光素子に近接して配置すると、集積回路の駆動熱が光素子に伝熱され易くなるため、光素子と集積回路との熱干渉により、光素子の性能が低下してしまう虞がある。

そのため、基板の所定の領域にサーマルビアを形成し、サーマルビアが形成された領域の表面を基板よりも熱伝導率が高いセラミック板で覆い、セラミック板の表面に光素子と集積回路を一括して実装することにより、集積回路の駆動熱をセラミック板とサーマルビアとを介して基板の表面から裏面に伝熱し、更に基板の裏面に直接的又は間接的に（例えば、サーマルグリース等を介して）接触する筐体を通して大気中に効率的に放熱している（例えば、特許文献２を参照）。

特開２０１１−１５８６４３号公報特開２００３−０４３３１１号公報

しかしながら、基板の表面が広範囲に亘ってセラミック板で覆われるため、セラミック板で覆われた箇所には、他の部品や電気回路等を実装することができなくなり、光モジュールの小型化や高性能化等に伴う部品の高密度実装に対応することができないという課題がある。

そこで、本発明の目的は、集積回路の駆動熱を効率的に放熱することができ、しかも小型化や高性能化等に伴う部品の高密度実装に対応することが可能な光モジュール、及び光アクティブケーブルを提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、第１の領域と前記第１の領域を囲繞する第２の領域とを有する基板と、前記第１の領域と対応する位置に形成されると共に前記第１の領域の表面を露出させる窓部を有し、前記第２の領域の表面に貼り付けられた金属板と、前記第２の領域に形成されたサーマルビアと、前記第１の領域の表面に実装された光素子と、前記第２の領域の表面に前記金属板を介して実装された集積回路と、を備える光モジュールである。

前記金属板は、金属鍍金が施されたコバール板からなると良い。

前記光素子が発光又は受光する光に対して透明であり、前記金属板の表面に接合されると共に前記窓部を封止する位置に配置される封止部材を更に備えると良い。

前記基板の表面に開口部を有すると共に前記第１の領域と前記第２の領域との間に形成された断熱溝を更に備えると良い。

前記第１の領域の裏面と前記第２の領域の表裏面とに形成された鍍金層を更に備えると良い。

また、本発明は、前記光モジュールと、前記光モジュールにおける光素子と光結合する光ファイバと、を備える光アクティブケーブルである。

本発明によれば、集積回路の駆動熱を効率的に放熱することができ、しかも小型化や高性能化等に伴う部品の高密度実装に対応することが可能な光モジュール、及び光アクティブケーブルを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る光モジュールを示す断面模式図である。図１の光モジュールにおける金属板を示す斜視模式図である。本発明の他の実施の形態に係る光モジュールを示す断面模式図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の好適な実施の形態に係る光モジュール１００は、第１の領域１０１と第１の領域１０１を囲繞する第２の領域１０２とを有する基板１０３と、第１の領域１０１と対応する位置に形成されると共に第１の領域１０１の表面を露出させる窓部１０４を有し、第２の領域１０２の表面に貼り付けられた金属板１０５と、第２の領域１０２に形成されたサーマルビア１０６と、第１の領域１０１の表面に実装された光素子１０７と、第２の領域１０２の表面に金属板１０５を介して実装された集積回路１０８と、を備えている。

ここで、図２では、窓部１０４、金属板１０５、及び後述する断熱溝１１６の形状を強調して示すために部材の一部を省略して描いている。

第１の領域１０１は、第２の領域１０２の内側に位置しており、第１の領域１０１と第２の領域１０２とで基板１０３の少なくとも一部が構成されている。即ち、基板１０３は、第２の領域１０２を囲繞する第３の領域を更に有していても構わない。

基板１０３は、ガラスエポキシ基板等の回路基板からなり、基板１０３には、光素子１０７と集積回路１０８の他にも、光素子１０７からの光信号を光コネクタ１０９に伝送したり光コネクタ１０９からの光信号を光素子１０７に伝送したりするためのレンズブロック１１０やレンズブロック１１０を固定するための固定枠１１１等が実装されている。

窓部１０４は、図２に示すように、金属板１０５の一部を打ち抜いて形成されており、窓部１０４により露出される第１の領域１０１の表面の一部には、光素子１０７を実装するための鍍金層１１２が金や銀等による金属鍍金を施して形成されている。

これにより、従来、セラミック板で広範囲に亘って覆われていた基板１０３の表面の一部、即ち第１の領域１０１の表面が窓部１０４から露出されるため、第１の領域１０１の表面に他の部品や電気回路等を実装することができ、光モジュール１００の小型化や高性能化等に伴う部品の高密度実装に対応することが可能となる。

金属板１０５は、金や銀等による金属鍍金が施されたコバール板からなり、集積回路１０８が実装される前に導電性接着剤等を介して第２の領域１０２に予め接合されている。

これにより、集積回路１０８の駆動熱等により基板１０３が熱膨張したとしても、金属板１０５と集積回路１０８（又はその他の電子部品）の線膨張係数が極めて近似しているため、基板１０３と集積回路１０８（又はその他の電子部品）の線膨張係数差により集積回路１０８（又はその他の電子部品）が損傷することを防止することが可能となる。

また、金属板１０５は基板１０３よりも熱伝導率や導電性が高く、集積回路１０８を基板１０３の表面に直接的にダイボンドするよりも金属板１０５を介して間接的にダイボンドする方が光素子１０３から発生した熱、及び集積回路１０８の駆動熱等をより効率的に放熱することが可能となるし、また金属板１０５を全面グランドとして使用することにより、安定したグランド電位を確保することも可能となる。

なお、前述した通り、光素子１０７や集積回路１０８を基板１０３の表面にセラミック板を介して間接的にダイボンドすることは既に知られている。セラミック板は、光素子１０７や集積回路１０８（又はその他の電子部品）と線膨張係数が極めて近似しており、また硬度も高いが、金属板１０５よりも高価であり、金属板１０５を採用する場合よりも光モジュールが高価になってしまうという問題がある。

ところで、光モジュール１００の小型化や高機能化等を図ることを目的として、多数の部品を極めて狭い領域に高密度で実装することが望まれており、これを実現するためには、部品同士が機械的に干渉することを回避することができる配置レイアウトを設計する必要がある。

例えば、基板１０３を切削して基板１０３の表面に段差を形成し、その段差で部品間の高さを調節することにより、部品同士が機械的に干渉することを回避することが考えられるが、基板１０３の切削により基板１０３の機械的強度が著しく低下する虞があるので好ましいとは言えない。

また、基板１０３の表面に配置されたセラミック基板を切削してセラミック基板の表面に段差を形成し、その段差で部品間の高さを調節することにより、部品同士が機械的に干渉することを回避することも考えられるが、セラミック基板は基板１０３よりも割れ易く、加工性が悪いことから、設計自由度が制限されるという課題がある（セラミック板に窓部１０４を形成する場合も同様の課題が生じる）。

これに対して、金属板１０５はセラミック基板よりも加工性が高く、金属板１０５を切削して金属板１０５の表面に段差を容易に形成することができるため、その段差で部品間の高さを調節することにより、部品同士が機械的に干渉することを回避することができ、しかも基板１０３を切削せずに済むため、基板１０３の機械的強度が著しく低下することも無い。

光素子１０７は、発光素子又は受光素子からなり、光信号と電気信号とを相互変換する光電変換機能の中核を成している。また、光素子１０７は、発光素子や受光素子が並列して配置された光素子アレイ（例えば、Vertical Cavity Surface Emitting Laser；ＶＣＳＥＬ）からなっても構わない。

これらの光素子１０７が受光素子である場合には熱雑音による影響を受け、その特性が低下することになる。また、これらの光素子１０７が発光素子である場合には熱による影響を受け、発光波長が変化することになる。そのため、集積回路１０８の駆動熱が第１の領域１０１に伝熱される前に、その駆動熱を第２の領域１０２で効率的に放熱する構造を採ることが望まれる。

サーマルビア１０６は、基板１０３の表裏面に亘って貫通して形成されていると共に内面に伝熱のための金属鍍金が施されているスルーホールからなり、第２の領域１０２の一部又は全部に亘って形成されている。

これにより、集積回路１０８の駆動熱を基板１０３の表面から裏面に向けて伝熱し、更に基板１０３の裏面に直接的又は間接的に（例えば、シリコーンシート等の放熱シートを介して）接触する筐体１１３を通して大気中に放熱することができるため、集積回路１０８の駆動熱が第１の領域１０１に伝熱される前に、その駆動熱を第２の領域１０２で効率的に放熱することが可能となる。

なお、集積回路１０８の駆動熱が光素子１０７に伝熱されることを抑制するという観点から言えば、図３に示すように、サーマルビア１０６は、放熱性を損なわない範囲で第１の領域１０１から可能な限り離間して配置される、即ち、第１の領域１０１に隣接する側の第２の領域１０２の半分にはサーマルビア１０６を配置せず、第１の領域１０１に隣接しない側の第２の領域１０２の半分にのみサーマルビア１０６を配置することが好ましい。

これにより、集積回路１０８の駆動熱が第１の領域１０１の近傍に伝熱されることを抑制することができるため、光素子１０７と集積回路１０８との熱干渉を低減することが可能となる。

なお、図３では、サーマルビア１０６の数を物理的に減らして集積回路１０８の駆動熱が第１の領域１０１の近傍に伝熱されることを抑制することとしたが、第１の領域１０１に隣接する側の第２の領域１０２の半分のスルーホールには内面に金属鍍金を施さず、第１の領域１０１に隣接しない側の第２の領域１０２の半分のスルーホールにのみ内面に金属鍍金を施すことでも、集積回路１０８の駆動熱が第１の領域１０１の近傍に伝熱されることを抑制することが可能となる。この場合、内面に金属鍍金が施されていないスルーホールが断熱溝として機能することになる。

集積回路１０８は、制御用集積回路、具体的には、発光素子の駆動を制御するための駆動用集積回路や受光素子からの電気信号を増幅するための変換増幅器（Transimpedance Amplifier;ＴＩＡ）等からなる。

また、光モジュール１００は、光素子１０７が発光又は受光する光に対して透明であり、金属板１０５の表面に接合されると共に窓部１０４を封止する位置に配置される封止部材１１４と、基板１０３の表面に開口部１１５を有すると共に第１の領域１０１と第２の領域１０２との間に形成された断熱溝１１６と、第１の領域１０１の裏面と第２の領域１０２の表裏面とに形成された鍍金層１１７と、を更に備えている。

封止部材１１４は、封止される内部空間を他の外部空間から隔離して内部空間に配置された光素子１０７等を粉塵や水分等から防護するために、金属板１０５の表面にリングウェルドされている。

なお、封止部材１１４が金属からなる脚部１１８を有している場合、抵抗溶接等を使用して封止部材１１４を金属板１０５の表面に接合することができる。

断熱溝１１６は、基板１０３の表面から裏面に向けて所定の深さや幅を有する矩形溝等からなり、光モジュール１００として基板１０３に要求される機械的強度を満足しながら、断熱性を最大限に発揮することができる深さや幅に設計されている。

これにより、第１の領域１０１と第２の領域１０２とを光素子１０７と集積回路１０８とが実装される基板１０３の表面で熱的に分断し、即ち駆動熱の発生を伴う集積回路１０８から光素子１０７を熱的に分断し、集積回路１０８の駆動熱が光素子１０７に伝熱されることを抑制することができるため、光素子１０７と集積回路１０８との熱干渉をより低減することが可能となる。

鍍金層１１７は、第１の領域１０１の裏面と第２の領域１０２の表裏面とに金や銀等による金属鍍金を施して形成されており、特に、第１の領域１０１の裏面と第２の領域１０２の表裏面の全面に亘って形成されていることが好ましい。

これにより、第２の領域１０２のサーマルビア１０６が形成されている部分のみならず、その表裏面の全面を熱伝導率の高い伝熱面とすることができるため、光素子１０７から発生した熱、及び集積回路１０８の駆動熱等をより効率的に放熱することが可能となる。

これまで説明してきた光モジュール１００を採用した光アクティブケーブル２００は、光モジュール１００と、光モジュール１００における光素子１０７と光結合する光ファイバ１１９と、を備えている。

光素子１０７と光ファイバ１１９は、光コネクタ１０９とレンズブロック１１０とを介して光結合されている。

具体的には、光素子１０７が発光素子である場合、発光素子から基板１０３と垂直な方向に出射された光は、レンズブロック１１０により４５度の角度を持って基板１０３と平行な方向に反射されると共に光コネクタ１０９の端面に露出された光ファイバ１１９の入射端面に入射される。

また、光素子１０７が受光素子である場合、光コネクタ１０９の端面に露出された光ファイバ１１９の出射端面から基板１０３と平行な方向に出射された光は、レンズブロック１１０により４５度の角度を持って基板１０３と垂直な方向に反射されると共に受光素子に入射されて受光される。

以上の通り、本発明によれば、集積回路の駆動熱を効率的に放熱することができ、しかも小型化や高性能化等に伴う部品の高密度実装に対応することが可能な光モジュール、及び光アクティブケーブルを提供することができる。

１００光モジュール
１０１第１の領域
１０２第２の領域
１０３基板
１０４窓部
１０５金属板
１０６サーマルビア
１０７光素子
１０８集積回路
１０９光コネクタ
１１０レンズブロック
１１１固定枠
１１２鍍金層
１１３筐体
１１４封止部材
１１５開口部
１１６断熱溝
１１７鍍金層
１１８脚部
１１９光ファイバ
２００光アクティブケーブル

Claims

第１の領域と前記第１の領域を囲繞する第２の領域とを有する基板と、
前記第１の領域と対応する位置に形成されると共に前記第１の領域の表面を露出させる窓部を有し、前記第２の領域の表面に貼り付けられた金属板と、
前記第２の領域に形成されたサーマルビアと、
前記第１の領域の表面に実装された光素子と、
前記第２の領域の表面に前記金属板を介して実装された集積回路と、
を備えることを特徴とする光モジュール。
前記金属板は、金属鍍金が施されたコバール板からなる請求項１に記載の光モジュール。
前記光素子が発光又は受光する光に対して透明であり、前記金属板の表面に接合されると共に前記窓部を封止する位置に配置される封止部材を更に備える請求項１又は２に記載の光モジュール。
前記基板の表面に開口部を有すると共に前記第１の領域と前記第２の領域との間に形成された断熱溝を更に備える請求項１から３の何れか一項に光モジュール。
前記第１の領域の裏面と前記第２の領域の表裏面とに形成された鍍金層を更に備える請求項１から４の何れか一項に記載の光モジュール。
請求項１から５の何れか一項に記載の光モジュールと、
前記光モジュールにおける光素子と光結合する光ファイバと、
を備えることを特徴とする光アクティブケーブル。