JP4768384B2

JP4768384B2 - 光伝送路保持部材及び光モジュール

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Publication number: JP4768384B2
Application number: JP2005285185A
Authority: JP
Inventors: 浩史濱崎; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: KR100852019B1; US7441964B2; US20070081769A1; JP2007094153A; KR20070036710A; CN1940611A; CN100485430C

Description

本発明は、光通信技術や光伝送技術などに用いられる光半導体モジュールに係わり、特に電気配線部の改良をはかった光伝送路保持部材及び光モジュールに関する。

近年、光通信技術及び光伝送技術においては、光を搬送波として強度変調や位相変調などによって信号を伝送することが広く行われるようになっている。このような光伝送のためには、発光素子や受光素子などの光半導体素子と光ファイバなどの光伝送路とを光学的に結合するための光結合装置が必要となる。

この種の装置の一つとして、光ファイバと光半導体素子を直近の位置に対向させてレンズを用いないで光結合を得る、いわゆる直接光結合（バットジョイント）と呼ばれる結合方式によって実装コストの低減をはかる技術が研究開発されている。直接光結合を用いる場合、光ファイバと光半導体素子との距離を数十μｍ程度にまで近づける必要がある。そのため、光ファイバなどを保持する光伝送路保持部材（いわゆる光ファイバフェルール）の主面上に電気配線を直接作製しておき、主面上に光素子の受発光領域が光ファイバと対向するように搭載する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この方法では、光半導体素子と光ファイバを非常に近接して配置することができる。また、光ファイバを基準として光伝送路保持部材に光半導体素子を搭載できるので、通常のフリップチップ実装を用いることで横方向も高い精度で搭載が可能でありながら、部品点数が少なく低コスト化に向いた構造とすることができる。さらに、保持部材の基材を樹脂とすることで、部品作製コストを大幅に低減することができる。また、電気配線を光ファイバ用穴の開口のある面から側面にかけて形成していることにより、直交変換を実現しており、光ファイバの伸びる方向と実装基板の実装面とを平行に保ち、実装面に対して光ファイバが垂直に立ち上がるのを防止することができる。
特開２００１−１５９７２４号公報

しかしながら、（特許文献１）に記載の構造によれば、実装基板の実装面に対して光ファイバを平行に配置するためには、光伝送路保持部材の光半導体素子を搭載する主面の電気配線を、主面から側面にかけて３次元的に形成する必要がある。そのため、電気配線の製造過程に３次元的なプロセスが介在することとなり、工程の煩雑化及びコストアップを招くという問題があった。

また、（特許文献１）に記載の構造では、電気配線は光伝送路保持部材の外面に沿ってＬ字状に形成され、側面で電気接続を行うため、ボンディングを行った場合に、電極の下地となる伝送路保持部材の基材が直接ボンディングによる内側への歪みを受ける。一方、光伝送路保持部材を安価に製造するために、樹脂を基材とすることが有効であり、多くの製品に採用されている。この場合、基材が樹脂であるためにボンディングによる応力で電極下の基材が内側にめり込むように歪むため、安定したボンディングが困難になると共に、最悪の場合、電極自体が歪みで断線するといった問題があった。

本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、光半導体素子と光ファイバ等の光伝送路とを安価に直接光結合させることが可能で、光素子搭載面と実装面との３次元的な電気配線を安定して、且つ容易に実現し、光ファイバと実装基板が平行に配置可能な光伝送路保持部材及びそれを用いた光モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様は、光伝送路を保持するための保持穴を有する光伝送路保持部材であって、前記光伝送路保持部材の前記保持穴の一方の開口が位置する第１の面に少なくとも一部が露出するように埋め込まれた電気リードを有し、該電気リードの両端面の少なくとも一方が前記第１の面に隣接する第２の面に露出してなり、且つ前記電気リードの前記第２の面に沿った断面形状が、第１の面の埋め込み表面部よりも埋め込み深部の方で広がった部分を有することを特徴とする。

また、本発明の別の一態様は、光伝送路を保持するための保持穴を有する光伝送路保持部材と光半導体素子とを具備した光モジュールであって、前記光伝送路保持部材の前記保持穴の一方の開口が位置する光素子搭載面に少なくとも一部が露出するように埋め込まれた電気リードを有し、該電気リードの両端面の少なくとも一方が前記光素子搭載面に隣接する面に露出してなり、且つ前記電気リードの前記光素子搭載面に隣接する面に沿った断面形状が、前記光素子搭載面の埋め込み表面部よりも埋め込み深部の方で広がった部分を有し、前記電気リードの前記光素子搭載面に露出した部分が前記光半導体素子の電極に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、光伝送路保持部材の保持穴の一方の開口が位置する第１の面（光素子搭載面）に電気リードを埋め込み、該電気リードの端部を第１の面に隣接する第２の面に露出させることにより、３次元的に配線形成することなく、第２の面に電極引出し用の電極パッドを設けることができる。従って、光半導体素子と光ファイバ等の光伝送路とを安価に直接光結合させることが可能で、光モジュールとその実装基板との３次元的な電気接続を容易に実現することができる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す斜視図である。

図中の１は光伝送路保持部材であり、この保持部材１は光伝送路の保持穴２と電気リード３を有している。保持穴２は保持部材１を貫通して設けられ、主面（光素子搭載面）８上に光伝送路の光入出力端を露出させるための開口４を有している。

光伝送路保持部材１は、例えば３〜３０μｍ程度のガラスフィラーを８０％程度混入したエポキシ樹脂を金型による射出成型で形成したものである。電気リード３は、例えばＣｕ，Ｃｕ合金，４２アロイ，若しくはインバー材からなり、表面にＮｉ，Ａｕ，ＡｇＳｎ，ＡｕＳｎ，ＳｎＡｇＣｕ，ＳｎＺｎＢｉ，ＳｎＡｇＩｎ，ＳｎＢｉＡｇ，ＳｎＰｂのうち何れか１つによる単層若しくは組み合わせによる多層からなるメッキが施されていてもよい。

電気リード３は、光素子搭載面８上に光半導体素子を搭載するために少なくとも一部が露出している。また、電気リード３は高速信号引き出し用の信号用配線５と電源或いはＧＮＤ用のコモン配線７とが交互に配列された構造となっていることが望ましく、これによって各信号配線間のクロストークが低減される。コモン配線７は、その両端面（切断面）が光素子搭載面８に隣接する側面３２に露出して露出部３１を形成している。さらに、信号用配線５の一方の端面も同様に露出部３１を形成している。露出部３１の表面は、メッキ処理されていても良い。メッキ金属は、例えばＮｉ，Ａｕ，ＡｇＳｎ，ＡｕＳｎ，ＳｎＡｇＣｕ，ＳｎＺｎＢｉ，ＳｎＡｇＩｎ，ＳｎＢｉＡｇ，ＳｎＰｂのうち何れか１つによる単層若しくは組み合わせによる多層からなっている。

ここで、光伝送路保持部材１の側面３２に露出する配線５，７の端面に、光半導体素子を駆動するための駆動素子がボンディング等により接続され、側面３２と対向する別の側面に露出する配線７の端面が実装基板上にバンプ等を介して接続されることになる。

このような構造により、特別の３次元的なプロセスを経ることなく、光素子搭載面８から側面３２への擬似的な直交配線を形成することができ、光伝送路保持部材１を光伝送路と平行な面で実装することが容易となる。さらに、この構造により、側面３２でのボンディングによる応力を、電気リード３の長手方向で受け止めることができるため、基材沈み込みによる断線やボンディング不良を生じない安定した３次元的な電気接続を実現することができる。

上記の構造は、以下のようにして形成可能である。図２〜図４を参照して説明する。

図２において、１０はＣｕなどからなるリードフレームであり、電気リード３のパターンが形成されている。パターン形成はエッチングでも打ち抜きによってもかまわない。好ましくは、エッチングにより形成することでリードフレーム１０の断面に凹凸が形成されやすくなり、樹脂等にインサート成形した場合のアンカー効果が高い。

最初は、電気リード３を成す信号用配線５及びコモン配線７は全てタイバー１３により連結されている。また、電極パターンが微細になってくると電極幅が非常に狭くなり強度を確保するのが困難となるため、光伝送路保持部材１が形成される部位の直近に図２中の１１に示したような補助的なタイバーで連結しておいてもよい。１２は、リードフレーム１０の位置合わせ穴である。ここでは、１つの光伝送路保持部材用のパターンのみを示したが、図で上下方向に同様のパターンがつながって形成されている。

このリードフレーム１０に、図２のように光伝送路保持部材１を位置合わせしてインサート成形する。成形は、フープを用いた連続した射出成形を用いることができる。成形後は、図３のようにリードフレーム１０に光伝送路保持部材１が形成されたものが連なった構造となっている。これを、光伝送路保持部材１の外形に合わせてカットすることで光伝送路保持部材１の個片が作製される。その後、側面を研磨などすることでバリを取った後にＡｕなどのメッキを施して完成する。

図４に光伝送路保持部材１の断面構造を示す。この図のように、信号用配線５は片側の切断面が、コモン配線７は両方の切断面が光伝送路保持部材１の側面に露出する構造となる。

信号用配線５及びコモン配線７共に、リードフレーム１０から光伝送路保持部材１の直近でカットされた後、バリ取りの目的で研磨などされる。この場合、配線５，７を形成する電気リード３と光伝送路保持部材１の基材との材料が異なるため、研磨速度に違いが生じ、研磨面は必ずしも平坦にはならない。また、研磨後にメッキを施すため、電極（配線部分）が側面よりも出っ張る傾向にある。そのため、側面を実装面としたときに平坦性が失われ傾斜する場合がある。そこで、予め光伝送路保持部材１の側面に段差（図示せず：約５０μｍ程度が好ましい）を設けておいてもよく、研磨は段差の低い方の面で行うことにより、実装面の平坦性を確保できる。

このように本実施形態によれば、光伝送路保持部材１の主面（光素子搭載面）８に電気リード３を埋め込み形成するだけで、光半導体素子を直接アセンブリ可能な安価な構造を実現することができる。そしてこの場合、光半導体素子を搭載する電気リードを光素子搭載面８から側面３２にかけて３次元的に配線形成することなく、直線状の電気リード３を光素子搭載面８に埋め込みリード端を側面３２に露出させるだけで、側面３２に電極引出し用の電極パッドを設けることができる。このため、特別のプロセスを必要とせずに安価に光ファイバを実装面に対して平行に配置して実装することが可能となる。

さらに、この構造により、側面３２でのボンディングによる応力を、電気リード３の長手方向で受け止めることができるため、基材沈み込みによる断線やボンディング不良を生じない安定した３次元的な電気接続を実現することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係わる光モジュールの概略構成を示す斜視図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

光伝送路保持部材１は第１の実施形態と同様に構成されている。この光伝送路保持部材１の光素子搭載面８上の電気配線３（信号用配線５及びコモン配線７）に、受発光面を開口４側に対向させるように光半導体素子１４をＡｕスタッドバンプ（図示せず）などによってマウントする。そして、保持穴２に光ファイバ１５などを挿入固定することで光モジュール１６を作製する。この構造により、光半導体素子を搭載する電気リードを光素子搭載面８から側面３２にかけて３次元的に配線形成することなく、直線状の電気リード３を光素子搭載面８に埋め込みリード端を側面３２に露出させるだけで、側面３２に電極引出し用の電極パッドを設けることができる。このため、特別のプロセスを必要とせずに安価に光ファイバを実装面に対して平行に配置して実装した光モジュールをすることが可能となる。

図６は、本実施形態の光モジュールを実装基板に実装した場合を説明する斜視図である。図５に示す光モジュール１６は実装基板１７上にアセンブリされ、光モジュール１６の側面に露出したリードを電極パッドとして利用し、直近におかれた光半導体素子駆動用ＩＣ１８の電極パッド１９とＡｕワイヤ２０などで電気的に接続されている。このような構成をとることで、直交配線を立体的に形成したと同じ効果を得られるため、非常に小型で安価な光アッセンブリを形成することが可能である。

また、より高速信号に対応可能な構造として、配線長を極力短くするためのフリップチップ実装を行った例を、図７に示す。実装基板１７上に電気配線４０が形成され、この電気配線４０に各部材を接続されている。即ち、前記図５に示す光モジュール１６は、その側面に露出した電気リード３の端面をバンプ４２により電気配線４０に接続することによりマウントされている。ここで、電気リード３にはバンプ４３により光半導体素子１４が予めマウントされている。また、光半導体素子駆動用ＩＣ１８も同様に、バンプ４１により電気配線４０に接続することによりマウントされている。

このような構成であれば、光半導体素子駆動用ＩＣ１８と光半導体素子１４との間に流れるアナログ信号のパスの長さを短くすることができるため、より高速な信号に対応することができる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す斜視図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

図中の１は光伝送路保持部材であり、光伝送路の保持穴２と電気配線３を有しており、光素子搭載面８上に光伝送路の光入出力端を露出させるための開口４を有している。光伝送路保持部材１は、エポキシ樹脂を金型による射出成型で形成したものであり、電気リード３は、例えばＣｕからなり表面にＡｕやＳｎＡｇといった半田メッキが施されていても良い。電気リード３は、光素子搭載面８上に光半導体素子を搭載するために少なくとも一部が露出している。また、電気リード３は高速信号引き出し用の信号用配線５と電源或いはＧＮＤ用のコモン配線７とが交互に配列された構造となっている。

ここまでの構成は第１の実施形態と同様であり、本実施形態ではこれに加えて、ダミー配線６が設けられている。即ち、光素子搭載面８側の開口４に対して信号用配線５に対向する位置にダミー配線６が形成されている。コモン配線７は、光素子搭載面８を図で上下方向に横切るように配線されており、従って開口４に対する非対称性を極力排除した配置となっている。

このように本実施形態は、基本的には第１の実施形態と同様の構造であり、第１の実施形態と異なるのはダミー配線６を新たに設け、開口４に対して電気リード３の対称性を向上させたことにある。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、電気配線の配置により次のような効果が得られる。

即ち、光伝送路保持部材１を形成する際の熱過程で光伝送路保持部材１の基材と電気リード３のメタルの熱膨張係数差に起因する応力が光伝送路の保持穴２の軸方向に直交する主面８の面内で対称とすることができる。従って、保持穴２の変形は軸対称となり少なくとも保持穴２の中心軸の面８内での相対位置のずれ量を極力小さくすることが可能な構造となっている。また、保持穴２の形状寸法の変形も軸対称となるので応力による変形の設計が非常に簡素化されるという利点がある。

また、各電気配線５，６，７は、図９に示したように開口４の縁からの距離がなるべく等しくなるように、開口４に近接する部分を開口４の形状に合わせて円弧状に形成されていてもよい。この図９では、信号用配線５及びダミー配線６の方がコモン配線７よりも開口４に近い場合を示しており、より対称性を上げるためにコモン配線７から一部引き出す配線２３を形成して、開口４からの距離が等しくなるようにしている。このようにすることで、熱過程における応力分布が上下方向と左右方向の対称性が高くなるため、保持穴２の歪みによる外形の変形をより抑えることが可能である。

さらに、図１０に示したように、信号用配線５及びダミー配線６の方がコモン配線７よりも開口４に遠い場合、コモン配線７の一部を窪ませた形状２４とすればよい。この場合も同様に、熱過程における応力分布が上下方向と左右方向の対称性が高くなるため、保持穴２の歪みによる外形の変形をより抑えることが可能である。

（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す斜視図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は一部拡大図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

電気リードのピッチが微細化してくるにつれ、リード自身の幅も非常に狭くなってくる傾向にある。そのため、光伝送路保持部材１に埋め込む際の光伝送路保持部材１の基材に接触する面積が小さくなり、主面法線方向への引っ張り強度が不十分となる傾向にある。そこで本実施形態では、電気リードの断面を単なる矩形ではなく、多角形状にして主面法線方向への引っ張り強度を高めている。

具体的には、電気リードの断面において、主面８での露出部の幅よりも光伝送路保持部材１の内部に埋め込まれた部分の幅を広くしている。即ち、電気リード３（配線５，７）の主面８に沿った断面形状が、埋め込み表面部よりも埋め込み深部の方で広がった部分を有する用にしている。

このような構成であれば、電気リード３の露出部３１は内部で幅が広く形成されているため、主面法線方向への引っ張り強度を強化することが可能である。このため、光伝送路保持部材１からの電気リード３の脱落を未然に防止することができ、信頼性の向上をはかることができる。なお、上記のような断面形状は、図２で示したような電気リード３を含んだリードフレームを形成する際に両面エッチングを行うことで容易に形成可能である。

（第５の実施形態）
図１２は、本発明の第５の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

基本的な構成は第１の実施形態と同様であるが、本実施形態ではこれに加えて、電気リード３が長手方向に対して部分的な窪み部３３を有した構造となっている。このような構造によれば、窪み部３３が光伝送路保持部材１の基材に食い込む形になり、主面に平行な方向への引っ張り強度を高めることができる。この構造は、電気リード３を形成する際に、一部にハーフエッチングを行うことで容易に形成可能である。

電気リード３の窪み部３３は、図１３に示すように、保持穴２の開口４が位置する主面に露出する向きにあっても良い。この場合には、主面８に部分的に露出した電気リード３でパターンを形成することができる。そして、このパターンを光半導体素子のボンディングパターンと一致させておけば、この部分にのみ半田メッキすることができる。そしてこの場合、半田流れによるチップ位置ずれや短絡といった故障を未然に予防することが可能である。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、電気リードの切断面は光素子搭載面に隣接する側面と面一にしたが、電気リードが側面から外側に突出するようにしても良い。また、実施形態では、光伝送路として光ファイバを用いたが、光導波路を用いることも可能である。さらに、光伝送路保持部材の基材としての材料及び電気配線等の材料は、仕様に応じて適宜変更可能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す斜視図。第１の実施形態に係わる光伝送路保持部材を説明するためもので、光伝送路保持部材とリードフレームとの関係を示す平面図。第１の実施形態に係わる光伝送路保持部材を説明するためのもので、光伝送路保持部材とリードフレームとの関係を示す斜視図。第１の実施形態に係わる光伝送路保持部材の断面構成を示す断面図。第２の実施形態に係わる光モジュールの概略構成を示す斜視図。第２の実施形態の光モジュールを実装基板に実装した例を示す斜視図。第２の実施形態の光モジュールに対しフリップチップ実装を行った例を示す断面図。第３の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す斜視図。第３の実施形態の光伝送路保持部材の電極パターンの例を示す平面図。第３の実施形態の光伝送路保持部材の電極パターンの例を示す平面図。第４の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す斜視図。第５の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す断面図。第５の実施形態に係わる光伝送路保持部材の概略構成を示す断面図。

符号の説明

１…光伝送路保持部材
２…光伝送路保持穴
３…電気リード
４…開口
５…信号用配線
６…ダミー配線
７…コモン配線
８…主面（光素子搭載面）
１０…リードフレーム
１１…補助タイバー
１２…位置合わせ穴
１３…タイバー
１４…光半導体素子
１５…光ファイバ（光伝送路）
１６…光モジュール
１７…実装基板
１８…光半導体素子駆動用ＩＣ
１９…電極パッド
２０…Ａｕワイヤ
２３…配線
２４…窪み部
３１…露出部
３２…側面
３３…窪み部
４０…電気配線
４１，４２，４３…バンプ

Claims

光伝送路を保持するための保持穴を有する光伝送路保持部材であって、
前記光伝送路保持部材の前記保持穴の一方の開口が位置する第１の面に少なくとも一部が露出するように埋め込まれた電気リードを有し、該電気リードの両端面の少なくとも一方が前記第１の面に隣接する第２の面に露出してなり、且つ前記電気リードの前記第２の面に沿った断面形状が、第１の面の埋め込み表面部よりも埋め込み深部の方で広がった部分を有することを特徴とする光伝送路保持部材。
光伝送路を保持するための保持穴を有する光伝送路保持部材であって、
前記光伝送路保持部材の前記保持穴の一方の開口が位置する第１の面に少なくとも一部が露出するように埋め込まれた電気リードを有し、該電気リードの両端面の少なくとも一方が前記第１の面に隣接する第２の面に露出してなり、且つ前記電気リードが長手方向に対して部分的な窪み部を有し、該窪み部が前記第１の面に露出していないことを特徴とする光伝送路保持部材。
前記電気リードの端面の露出部が、該電気リードを外部に電気接続する接続端子となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝送路保持部材。
前記電気リードの前記第１の面に露出した部分及び前記電気リードの端面の露出部に、金属メッキが施されていること特徴とする請求項１から３の何れかに記載の光伝送路保持部材。
前記光伝送路保持部材がガラスフィラーを含む樹脂材料からなり、前記電気リードがＣｕ，Ｃｕ合金，４２アロイ，若しくはインバー材からなり、前記金属メッキがＮｉ，Ａｕ，ＡｇＳｎ，ＡｕＳｎ，ＳｎＡｇＣｕ，ＳｎＺｎＢｉ，ＳｎＡｇＩｎ，ＳｎＢｉＡｇ，ＳｎＰｂのうちの１つによる単層又は組み合わせによる多層からなることを特徴とする請求項４記載の光伝送路保持部材。
前記電気リードは、前記第１の面内で前記開口の中心に対して点対称に配置されていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の光伝送路保持部材。
前記電気リードが長手方向に対して部分的な窪み部を有し、該窪み部が前記第１の面に露出していないことを特徴とする請求項１に記載の光伝送路保持部材。
光伝送路と、該光伝送路を保持するための保持穴を有する光伝送路保持部材と、光半導体素子と、を具備した光モジュールであって、
前記光伝送路保持部材の前記保持穴の一方の開口が位置する光素子搭載面に少なくとも一部が露出するように埋め込まれた電気リードを有し、該電気リードの両端面の少なくとも一方が前記光素子搭載面に隣接する面に露出してなり、且つ前記電気リードの前記光素子搭載面に隣接する面に沿った断面形状が、前記光素子搭載面の埋め込み表面部よりも埋め込み深部の方で広がった部分を有し、前記電気リードの前記光素子搭載面に露出した部分が前記光半導体素子の電極に接続されていることを特徴とする光モジュール。
光伝送路と、該光伝送路を保持するための保持穴を有する光伝送路保持部材と、光半導体素子と、を具備した光モジュールであって、
前記光伝送路保持部材の前記保持穴の一方の開口が位置する光素子搭載面に少なくとも一部が露出するように埋め込まれた電気リードを有し、該電気リードの両端面の少なくとも一方が前記光素子搭載面に隣接する面に露出してなり、且つ前記電気リードが長手方向に対して部分的な窪み部を有し、該窪み部が前記光素子搭載面に露出せず、前記電気リードの前記光素子搭載面に露出した部分が前記光半導体素子の電極に接続されていることを特徴とする光モジュール。
前記電気リードの端面の露出部が、前記光半導体素子を駆動する駆動素子に電気接続されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の光モジュール。