JP4776466B2

JP4776466B2 - フレキシブル基板付き光モジュール

Info

Publication number: JP4776466B2
Application number: JP2006204089A
Authority: JP
Inventors: 和宏御田村; 栄記伊藤; 功渡邊
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: JP2007067380A; US20070031091A1; US7260285B2

Description

本発明は、フレキシブル基板を介して光モジュールと回路基板との電気的接続が行われたフレキシブル基板付き光モジュールに関し、特に、高周波特性を改善することができるフレキシブル基板付き光モジュールに関する。

近年、ＸＦＰ（１０ギガビット・スモール・フォーム・ファクタ・プラガブル）等の光トランシーバ１０１は、筐体１２０内に光モジュール１１０（受光素子、発光素子）が実装されており、１０ＧＢｐｓクラスの高周波伝送特性を確保するために、フレキシブル基板１３０を介して光モジュール１１０と回路基板１５０（駆動回路を有するボード）との電気的接続が行われている（図３参照、特許文献１参照）。このような構成にする理由の１つは、フレキシブル基板１３０を用いずに、図４のように光モジュール１１０のリード１１１を折り曲げて回路基板１５０に直接、電気的接続（半田付け）すると、リード１１１部分でインダクタンス成分が見えてしまい、高周波特性が著しく劣化するからである（図４参照）。

特開２００１‐２９８２１７号公報特開平９‐２１４０８６号公報

しかしながら、従来例１（図３参照）の光トランシーバ１０１のように、フレキシブル基板１３０を用いて光モジュール１１０と回路基板１５０との電気的接続を行うと、以下のような問題が生ずる。

図５を参照すると、高周波電流Ｉの大部分は、光モジュール１１０の本体から、リード１１１、フレキシブル基板１３０の配線パターン１３２ａを介して、回路基板１５０へと流れる。また、わずかではあるが、光モジュール１１０の本体から、リード１１１を介して、フレキシブル基板１３０の裏面配線層１３４へも高周波電流Ｉ´が流れる。その理由は、直流的に絶縁（リード１１１と裏面配線層１３４が絶縁）されていても、リード１１１からフレキシブル基板１３０の裏面配線層１３４へ向かって、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式で説明される変位電流がわずかに流れるからである。

また、図５では、フレキシブル基板１３０はリード１１１部分でしか半田付けされていない。この場合、フレキシブル基板１３０の裏面配線層１３４のうち丸で囲ったスタブ部位１３４ａでは、スタブ構造（電流を分岐する伝送路を有する構造）が潜在的に存在することになる。スタブ部位１３４ａは、長さに応じて特定の周波数で共振（スタブ部位１３４ａへの電流が共鳴的に増大する現象）、意図しないコモンモード電流路形成による放射、ＧＮＤ揺らぎ（０［Ｖ］からのずれ）等が起こり、高周波特性（Ｓパラメータ、アイ開口におけるマスクマージン等）が劣化するおそれがあった。

なお、裏面配線層１３４においてスタブ部位１３４ａを排除した場合、スタブ構造はなくなるが、配線パターン１３２ａに高周波電流Ｉが流れたとき、意図しない線状アンテナ、ループアンテナが形成され、極めて電磁波の放射が起こりやすく外部回路に悪影響を及ぼす。

本発明の主な課題は、高周波特性を改善することである。

本発明の第１の視点においては、フレキシブル基板付き光モジュールにおいて、光素子が内装されるとともにステムの外部に複数のリードが引き出された光モジュールと、前記光モジュールと電気的に接続するフレキシブル基板と、を備え、前記フレキシブル基板は、樹脂層の両面に第１配線層および第２配線層が形成され、前記第１配線層は、前記リードと電気的に接続する複数の配線パターンと、前記リードと電気的に絶縁されたダミー配線パターンとを有し、前記第２配線層は、前記配線パターンと電気的に絶縁されるように前記樹脂層の片側全面に配されるとともに、少なくとも前記第２配線層の一部が前記リードに対してスタブ構造となるスタブ部位を有し、前記ダミー配線パターンは、前記フレキシブル基板の板面に対する法線方向から見て前記スタブ部位に重なる位置に配されており、前記フレキシブル基板は、前記リードから離れた位置にて前記ダミー配線パターンと前記スタブ部位を貫通する貫通孔を有するとともに、前記貫通孔に充填された半田を有し、前記半田は、前記ダミー配線パターン及び前記スタブ部位と前記ステムとを電気的に接続することを特徴とする。

本発明の第２の視点においては、フレキシブル基板付き光モジュールにおいて、光素子が内装されるとともにステムの外部に複数のリードが引き出された光モジュールと、前記光モジュールを駆動する回路基板と、前記光モジュールと前記回路基板を電気的に接続するフレキシブル基板と、を備え、前記フレキシブル基板は、樹脂層の両面に第１配線層および第２配線層が形成され、前記第１配線層は、前記リードと前記回路基板の駆動回路とを電気的に接続する複数の配線パターンと、前記リードと電気的に絶縁されたダミー配線パターンとを有し、前記第２配線層は、前記配線パターンと電気的に絶縁されるように前記樹脂層の片側全面に配されるとともに、前記回路基板のグランドと電気的に接続され、かつ、少なくとも前記第２配線層の一部が前記リードに対してスタブ構造となるスタブ部位を有し、前記ダミー配線パターンは、前記フレキシブル基板の板面に対する法線方向から見て前記スタブ部位に重なる位置に配されており、前記フレキシブル基板は、前記リードから離れた位置にて前記ダミー配線パターンと前記スタブ部位を貫通する貫通孔を有するとともに、前記貫通孔に充填された半田を有し、前記半田は、前記ダミー配線パターン及び前記スタブ部位と前記ステムとを電気的に接続することを特徴とする。

本発明（請求項１−３）によれば、フレキシブル基板の裏面配線層のうちスタブ部位の共振周波数を大きく上昇させることができ、高周波特性が劣化するという問題を解消することができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る光トランシーバについて図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る光トランシーバの構成を模式的に示した（Ａ）筐体内の側面図、（Ｂ）矢印Ｌ方向から見たときの図、（Ｃ）Ｘ−Ｘ´間の部分断面図である。

光トランシーバは、フレキシブル基板３０を介して光モジュール１０と回路基板５０との電気的接続が行われたフレキシブル基板付き光モジュールであり、光モジュール１０と、筐体２０と、フレキシブル基板３０と、回路基板５０と、を有する。

光モジュール１０は、電気信号を光信号に変換し、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）またはマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を伝送路として、通信機器やネットワーク機器、コンピュータ、記憶装置間でデータの送受信を行うための装置である。光モジュール１０には、例えば、伝送速度１〜２０Ｇｂｐｓ、周波数０〜１７．５ＧＨｚの周波数成分を含むデジタル信号を扱うものを用いることができる。光モジュール１０は、筐体２０内に実装され、受信側の場合には受光素子を有し、送信側の場合には発光素子を有する。光モジュール１０は、受光素子又は発光素子（光素子）が円筒状の筐体およびステム１２によって内装され、サブモジュール化されている。光モジュール１０は、受光素子又は発光素子と電気的に接続するとともにステム１２の外部に引き出された複数のリード１１を有する。リード１１は、半田４０を介して対応する配線パターン３２ａと電気的に接続されている。ステム１２は、リード１１と電気的に絶縁されており、裏面配線層３４のスタブ部位３４ａに形成された貫通孔にて半田６０を介してフレキシブル基板３０のダミー配線パターン３２ｂおよびスタブ部位３４ａと電気的に接続されている。

筐体２０は、光モジュール１０、フレキシブル基板３０、および回路基板５０を内装する。筐体２０は、光モジュール１０の端部に通ずる開口部を有する。筐体２０は、例えば、図３（Ａ）と同様な外観構成とすることができる。

フレキシブル基板３０は、所定厚さのポリイミド層３３の両面に所定厚さの銅箔よりなる表面配線層３２および裏面配線層３４が形成され、表面配線層３２側の面がカバー層３１で覆われ、裏面配線層３４側の面がカバー層３５で覆われている。フレキシブル基板３０は、筐体２０内にて湾曲した状態で配される。フレキシブル基板３０は、光モジュール１０のリード１１と対応する位置に貫通孔を有し、当該貫通孔に挿入された光モジュール１０のリード１１と対応する表面配線層３２の配線パターン３２ａとが電気的に接続されており、光モジュール１０のリード１１とダミー配線パターン３２ｂおよび裏面配線層３４とは電気的に絶縁されている。フレキシブル基板３０は、裏面配線層３４のスタブ部位３４ａの所定位置に貫通孔を有し、当該貫通孔にてステム１２とダミー配線パターン３２ｂおよび裏面配線層３４とが電気的に接続されており、ステム１２と配線パターン３２ａとが電気的に絶縁されている。なお、フレキシブル基板３０の基板厚は、例えば、５０μｍ程度である。フレキシブル基板３０の比誘電率は、例えば、３．４程度である。配線パターン３２ａの各配線幅は、例えば、１００μｍ程度である。

表面配線層３２では、光モジュール１０の各リード１１と対応する複数の配線パターン３２ａと、スタブ部位３４ａと対応するダミー配線パターン３２ｂと、が形成されている。各配線パターン３２ａは、半田４０を介して対応するリード１１と電気的に接続するとともに、回路基板５０の駆動回路の電極（図示せず）と電気的に接続している。ダミー配線パターン３２ｂは、各配線パターン３２ａと電気的に絶縁しており、裏面配線層３４のスタブ部位３４ａに形成された貫通孔にてスタブ部位３４ａとビア接続しており、半田６０を介してステム１２と電気的に接続している。

裏面配線層３４は、フレキシブル基板３０の貫通孔に配された半田４０（配線パターン３２ａ）と電気的に絶縁されるようにポリイミド層３３の片側全面に配され、スタブ部位３４ａの所定位置にてダミー配線パターン３２ｂと電気的に接続し、スタブ部位３４ａの所定位置にて半田６０を介してステム１２と電気的に接続し、回路基板５０のＧＮＤ（図示せず）と電気的に接続している。なお、スタブ部位３４ａは、平面方向から見て、裏面配線層３４のうち配線パターン３２ａが配されていない部位である。

回路基板５０は、光モジュール１０を駆動する回路を有するボードであり、筐体２０内に実装されている。回路基板５０は、光モジュール１０の信号処理等を行う電子部品（例えば、プリアンプＩＣ、信号処理ＩＣ、チップ抵抗、チップコンデンサ等；図示せず）が搭載されている。回路基板５０は、ＧＮＤ（図示せず）にて裏面配線層３４と電気的に接続しており、所定の電極（図示せず）にて対応配線パターン３２ａと電気的に接続している。

実施形態１によれば、裏面配線層３４のスタブ部位３４ａが半田６０を介して表面配線層３２のダミー配線パターン３２ｂおよび光モジュール１０のステム１２に電気的に接続されているため、スタブ部位３４ａの線路長が短くなり、共振周波数を大きく上昇させることができる。特に、スタブ部位３４ａの長さが、配線パターン３２ａとリード１１が電気的に接続された位置から１０ＧＨｚ以上の周波数の波長の４分の１に相当する長さ（例えば、周波数１０ＧＨｚのときには４．６ｍｍ、周波数１５ＧＨｚのときには３．１ｍｍ、周波数２０ＧＨｚのときには２．６ｍｍ）と一致するときは、効果的である。

また、裏面配線層３４がステム１２と電気的に接続（半田６０付け）されることによりステム１２はＧＮＤと接続されるため、裏面配線層３４は高周波電流Ｉ´が漏れてもＧＮＤ揺らぎ（０［Ｖ］からのずれ）を抑えることができる。言い換えると、裏面配線層３４を半田６０付けしたことにより裏面配線層３４の高周波に対するＧＮＤ性が強化されたことになる。

また、裏面配線層３４のスタブ部位３４ａは、ステム１２と電気的に接続（半田６０付け）されることによって、共振周波数を大きく上昇させることができる。

さらに、ステム１２が半田６０および裏面配線層３４を介して回路基板５０のＧＮＤ（図示せず）と接続されることにより、ステム１２のＧＮＤが強化され、フレキシブル基板３０の裏面配線層３４に高周波電流Ｉ´が流れてもＧＮＤ揺らぎを抑制することができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る光トランシーバについて図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態２に係る光トランシーバの構成を模式的に示した（Ａ）筐体内の側面図、（Ｂ）矢印Ｍ方向から見たときの図、（Ｃ）Ｙ−Ｙ´間の部分断面図である。

実施形態２に係る光トランシーバは、フレキシブル基板７０の構成について実施形態１に係る光トランシーバと異なる。

フレキシブル基板７０は、所定厚さのポリイミド層７３の両面に所定厚さの銅箔よりなる表面配線層７２および裏面配線層７４が形成され、表面配線層７２側の面がカバー層７１で覆われ、裏面配線層７４側の面がカバー層７５で覆われている。フレキシブル基板７０は、筐体２０内にて湾曲した状態で配される。フレキシブル基板７０は、光モジュール１０のリード１１と対応する位置に貫通孔を有し、当該貫通孔に挿入された光モジュール１０のリード１１と対応する表面配線層７２の配線パターン７２ａとが電気的に接続されている。なお、フレキシブル基板７０は、図１のように裏面配線層７４のスタブ部位７４ａの所定位置に貫通孔を有さない。なお、フレキシブル基板７０の基板厚は、例えば、５０μｍ程度である。フレキシブル基板７０の比誘電率は、例えば、３．４程度である。配線パターン７２ａの各配線幅は、例えば、１００μｍ程度である。

表面配線層７２では、光モジュール１０の各リード１１と対応する複数の配線パターン７２ａが形成されている。なお、表面配線層７２では、実施形態１のようにスタブ部位７４ａと対応するダミー配線パターンを有さない。各配線パターン７２ａは、半田４０を介して対応するリード１１と電気的に接続するとともに、回路基板５０の対応する電極（図示せず）と電気的に接続している。

裏面配線層７４は、フレキシブル基板７０の貫通孔に配された半田４０と電気的に接続しないように基板全面に配されている。裏面配線層７４は、ステム１２と重なる部位の全体又は一部においてカバー層７５で覆われておらず、半田８０（又は導電性接着剤）を介してステム１２と電気的に接続する。裏面配線層７４は、回路基板５０のＧＮＤ（図示せず）と電気的に接続している。なお、スタブ部位７４ａは、平面方向から見て、裏面配線層７４のうち配線パターン７２ａが配されていない部位である。

実施形態２によれば、裏面配線層７４に流れるわずかな高周波電流Ｉ´は、半田８０を通じてステム１２に流れるため、スタブ部位７４ａの共振周波数は大きく上昇する。

また、裏面配線層７４とステム１２との間の接着面積が大きくとれるため、フレキシブル基板７０のＧＮＤの安定性がさらに増し、実施形態１と同様、スタブ部位７４ａの線路長が短くなり、共振周波数を大きく上昇させることができる。

さらに、フレキシブル基板７０と光モジュール１０のステム１２との密着性がさらに向上し、組立時や振動衝撃時に発生するフレキシブル基板７０をステム１２から引き剥がすような力に対して強くなる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る光トランシーバについて図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態３に係る光トランシーバの構成を模式的に示した（Ａ）筐体内の側面図、（Ｂ）矢印Ｐ方向から見たときの図、（Ｃ）Ｑ−Ｑ´間の部分断面図である。

実施形態３に係る光トランシーバは、実施形態１に係る光トランシーバにおける半田６０の接続箇所を２箇所から３箇所（３箇所以上でも可）に変更したものである。その他の構成は、実施形態１と同様である。

実施形態３によれば、ステム１２と裏面配線層３４との接続点が増えることで、ＧＮＤが更に強化され、高周波特性が改善する。また、フレキシブル基板３０のダミー配線パターン３２ｂと半田６０の接着面積が広くなるので、半田６０の接着強度が増加する。

本発明の実施形態１に係る光トランシーバの構成を模式的に示した（Ａ）筐体内の側面図、（Ｂ）矢印Ｌ方向から見たときの図、（Ｃ）Ｘ−Ｘ´間の部分断面図である。本発明の実施形態２に係る光トランシーバの構成を模式的に示した（Ａ）筐体内の側面図、（Ｂ）矢印Ｍ方向から見たときの図、（Ｃ）Ｙ−Ｙ´間の部分断面図である。従来例１に係る光トランシーバの構成を模式的に示した（Ａ）外観斜視図、（Ｂ）筐体内の側面図である。従来例２に係る光トランシーバの構成を模式的に示した筐体内の側面図である。従来例１に係る光トランシーバの構成を模式的に示した（Ａ）筐体内の側面図、（Ｂ）矢印Ｎ方向から見たときの図、（Ｃ）Ｚ−Ｚ´間の部分断面図である。本発明の実施形態３に係る光トランシーバの構成を模式的に示した（Ａ）筐体内の側面図、（Ｂ）矢印Ｐ方向から見たときの図、（Ｃ）Ｑ−Ｑ´間の部分断面図である。

符号の説明

１０、１１０光モジュール（受光素子、発光素子）
１１、１１１リード
１２、１１２ステム
２０、１２０筐体
３０、１３０フレキシブル基板
３１、１３１カバー層
３２表面配線層（第１配線層）
３２ａ、１３２ａ配線パターン
３２ｂダミー配線パターン
３３、１３３ポリイミド層（樹脂層）
３４、１３４裏面配線層（第２配線層）
３４ａ、１３４ａスタブ部位
３５、１３５カバー層
４０、１４０半田
５０、１５０回路基板
６０半田
７０フレキシブル基板
７１カバー層
７２表面配線層（第１配線層）
７２ａ配線パターン
７３ポリイミド層（樹脂層）
７４裏面配線層（第２配線層）
７４ａスタブ部位
７５カバー層
８０半田
１０１光トランシーバ

Claims

光素子が内装されるとともにステムの外部に複数のリードが引き出された光モジュールと、
前記光モジュールと電気的に接続するフレキシブル基板と、
を備え、
前記フレキシブル基板は、樹脂層の両面に第１配線層および第２配線層が形成され、
前記第１配線層は、前記リードと電気的に接続する複数の配線パターンと、前記リードと電気的に絶縁されたダミー配線パターンとを有し、
前記第２配線層は、前記配線パターンと電気的に絶縁されるように前記樹脂層の片側全面に配されるとともに、少なくとも前記第２配線層の一部が前記リードに対してスタブ構造となるスタブ部位を有し、
前記ダミー配線パターンは、前記フレキシブル基板の板面に対する法線方向から見て前記スタブ部位に重なる位置に配されており、
前記フレキシブル基板は、前記リードから離れた位置にて前記ダミー配線パターンと前記スタブ部位を貫通する貫通孔を有するとともに、前記貫通孔に充填された半田を有し、
前記半田は、前記ダミー配線パターン及び前記スタブ部位と前記ステムとを電気的に接続することを特徴とするフレキシブル基板付き光モジュール。
光素子が内装されるとともにステムの外部に複数のリードが引き出された光モジュールと、
前記光モジュールを駆動する回路基板と、
前記光モジュールと前記回路基板を電気的に接続するフレキシブル基板と、
を備え、
前記フレキシブル基板は、樹脂層の両面に第１配線層および第２配線層が形成され、
前記第１配線層は、前記リードと前記回路基板の駆動回路とを電気的に接続する複数の配線パターンと、前記リードと電気的に絶縁されたダミー配線パターンとを有し、
前記第２配線層は、前記配線パターンと電気的に絶縁されるように前記樹脂層の片側全面に配されるとともに、前記回路基板のグランドと電気的に接続され、かつ、少なくとも前記第２配線層の一部が前記リードに対してスタブ構造となるスタブ部位を有し、
前記ダミー配線パターンは、前記フレキシブル基板の板面に対する法線方向から見て前記スタブ部位に重なる位置に配されており、
前記フレキシブル基板は、前記リードから離れた位置にて前記ダミー配線パターンと前記スタブ部位を貫通する貫通孔を有するとともに、前記貫通孔に充填された半田を有し、
前記半田は、前記ダミー配線パターン及び前記スタブ部位と前記ステムとを電気的に接続することを特徴とするフレキシブル基板付き光モジュール。
前記フレキシブル基板付き光モジュールは、光トランシーバであることを特徴とする請求項１又は２記載のフレキシブル基板付き光モジュール。