JP5195476B2

JP5195476B2 - 光伝送モジュール

Info

Publication number: JP5195476B2
Application number: JP2009023767A
Authority: JP
Inventors: 健一田村
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2029-02-04
Also published as: JP2010182800A

Description

本発明は、光素子と該光素子を駆動するＩＣとを並列して設け、ワイヤを用いずに光素子の電極とＩＣの電極とを電気的に接続した光伝送モジュールに関するものである。

ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）などの光素子を基板に実装する方法として、フリップチップ実装が注目されている。フリップチップ実装は、光素子と基板とを、Ａｕバンプ、半田バンプなどのバンプを介して電気的に接続する実装方法である。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、フリップチップ実装用の光素子１００は２列の電極（パッド）１０１を有する。フリップチップ実装用の光素子１００では、１つの光入出力部（発光部あるいは受光部）１０２に対して、アノード電極１０１ａとカソード電極（あるいはダミーパッド）１０１ｂがそれぞれ形成されており、光入出力部１０２の両側に各電極１０１ａ，１０１ｂが配置されている。

フリップチップ実装用の光素子１００では、光入出力部１０２の両側の電極１０１ａ，１０１ｂをそれぞれ基板１０３にバンプ接続するため、バンプ１０４が脚となって光素子１００が安定な姿勢で基板１０３に実装される。

フリップチップ実装では、実装面積を小さくでき、また、その配線が短いために、インピーダンス整合などの電気特性が優れるという特徴がある。

一方、光素子を基板に実装する方法として、ワイヤボンディングが知られている。ワイヤボンディングでは、図８（ａ）に示すように、ワイヤボンディング用の光素子１２０を用い、光素子１２０の電極１０１が形成されていない面を基板（ベース）１２２に実装し、電極１０１をワイヤ１２３を介して光素子駆動用のＩＣ１２４と電気的に接続する。

図８（ｂ）に示すように、ワイヤボンディング用の光素子１２０は、光入出力部１０２の一側のみに電極１０１が一列に形成されている。よって、ワイヤボンディング用の光素子１２０は、図７（ｂ）のフリップチップ実装用の光素子１００と比較して小型である。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開２００７−２７５０７号公報特開２００２−２３７６４４号公報

一般的に、ワイヤボンディング用の光素子１２０は、フリップチップ実装用の光素子１００よりも、素子全体の大きさ（面積）が小型である等の理由から、価格が安い。光素子の価格はウエハからの取り数によって左右されるため、面積が小さい方が安くなるためである。したがって、コストの観点から、光素子としてはワイヤボンディング用の光素子１２０を用いることが望ましい。

しかし、ワイヤボンディングでは、ワイヤ１２３がある程度の長さを有するため、ワイヤ１２３に起因するインダクタンス成分が発生してしまい、特性インピーダンスの調整が困難となり、その結果、高周波特性などの電気的特性が劣化してしまう問題がある。したがって、ワイヤボンディング用の光素子１２０を用い、かつ、ワイヤを用いずに光素子１２０の電極と光素子駆動用のＩＣ１２４の電極を電気的に接続したいという要求がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、フリップチップ実装用でないワイヤボンディング用の光素子を用いても、ワイヤを用いずに光素子の電極とＩＣの電極とを電気的に接続可能であり、低コストで、かつ電気的特性が良好な光伝送モジュールを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、光素子と該光素子を駆動するＩＣとを並列して設け、前記光素子の電極と前記ＩＣの電極とを電気的に接続する光伝送モジュールにおいて、接続用基板に、前記光素子および前記ＩＣの各電極に対応した電極部と、前記光素子側の電極部と前記ＩＣ側の電極部とを接続する配線部とからなる配線パターンを形成し、前記光素子の電極と前記光素子側の電極部、および前記ＩＣの電極と前記ＩＣ側の電極部とをバンプ接続することで、前記光素子の電極と前記ＩＣの電極とを電気的に接続し、基板の一端部に切欠きを形成すると共に、該切欠きにベース部材を配置し、そのベース部材に前記光素子と前記ＩＣを固定して、前記基板の表面と、前記光素子の電極が形成された面と、前記ＩＣの電極が形成された面の高さを略一致させると共に、前記ＩＣの電極と前記基板とを電気的に接続する光伝送モジュールである。
前記ベース部材は、前記光素子の電極が形成された面と前記ＩＣの電極が形成された面の高さが略一致するように段差が形成され、断面視で略Ｌ字状に形成され、前記光素子と前記ＩＣは前記段差の異なる面にそれぞれ固定されてもよい。

前記接続用基板は、前記光素子が出射、あるいは受光する光に対して透明な材料からなり、前記接続用基板の前記光が通過する位置にレンズが形成されてもよい。

前記ベース部材を放熱板を介してケース筐体と接触させて放熱路を形成してもよい。

前記光素子は、その電極が形成された面と反対側の面にカソード電極が形成されており、前記ベース部材が導電性部材からなり、前記光素子のカソード電極と前記ベース部材とが導電性接着剤を介して接合され、前記ベース部材と前記基板のグランド電極とが電気的に接続されてもよい。

前記基板の切欠きを覆うように前記接続用基板を形成すると共に、該接続用基板に前記ＩＣと前記基板とを接続する配線パターンを形成して、前記接続用基板を介して、前記ＩＣと前記基板とを電気的に接続してもよい。

本発明によれば、フリップチップ実装用でないワイヤボンディング用の光素子を用いても、ワイヤを用いずに光素子の電極とＩＣの電極とを電気的に接続可能となり、低コストで、かつ電気的特性が良好な光伝送モジュールを提供できる。

図１（ａ）は、本発明の光伝送モジュールの平面図および側面図であり、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図、図１（ｃ）はそのＡ部拡大図、図１（ｄ）は図１（ｂ）におけるＢ部拡大図である。本発明において、基板の切欠きにベース部材を配置したときの斜視図である。本発明の光伝送モジュールに用いる接続用基板の斜視図である。図１の光伝送モジュールにおいて、光ファイバと光素子を光結合させる構造を説明する概略断面図である。図５（ａ）は、光入出力部毎に１つの電極が形成された光素子の斜視図であり、図５（ｂ）は、光入出力部毎に２つの電極が形成された光素子の斜視図である。図５（ａ）の光素子において、電極が形成された面と反対側の面がカソード電極となることを説明する図である。図７（ａ）は、フリップチップ実装用の光素子の概略断面図であり、図７（ｂ）は、その斜視図である。図８（ａ）は、ワイヤボンディング用の光素子を実装した光伝送モジュールの概略断面図であり、図８（ｂ）は、ワイヤボンディング用の光素子の斜視図である。

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。

本発明の光伝送モジュールは、例えば、光トランシーバとして用いられるものである。

図１（ａ）は、本実施形態に係る光伝送モジュールの平面図および側面図であり、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図、図１（ｃ）はそのＡ部拡大図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＢ部拡大図である。

図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、光伝送モジュール１は、光素子２と光素子２を駆動するＩＣ３とを並列して設け、光素子２の電極とＩＣ３の電極とを電気的に接続する際に、光素子２の電極とＩＣ３の電極とを接続する配線パターン５を形成した接続用基板４を用いて、光素子２の電極とＩＣ３の電極とを電気的に接続したものである。

光伝送モジュール１は、一端部に切欠き７ａが形成された基板７と、基板７の裏面に接合された放熱板８と、基板７の切欠き７ａに位置する放熱板８上に配置され、光素子２とＩＣ３とを固定するベース部材９と、光素子２やＩＣ３、基板７などを保護すべく、これらを囲むように設けられた図示しないケース筐体とを備える。

光素子２とＩＣ３は、その電極が形成された面の高さが略一致するように、その反対側の面がベース部材９に固定される。ベース部材９には、光素子２とＩＣ３の電極が形成された面の高さが略一致するように適宜段差が形成され、断面視で略Ｌ字状に形成される。

基板７は、ＰＣＢ（Printed-Circuit Board）であり、図示しない所定の配線パターンが形成されている。基板７の一端部（図示左側）には、切欠き７ａが形成され、他端部（図示右側）には外部の電気機器と接続するための図示しないコネクタが形成される。

この基板７の切欠き７ａに位置する放熱板８上にベース部材９を配置して、基板７の表面と、光素子２の電極が形成された面と、ＩＣ３の電極が形成された面の高さを略一致させる。本実施形態では、放熱板８とベース部材９を別部材としているが、放熱板８とベース部材９は同一部材で形成してもよい。基板７の切欠き７ａにベース部材９を配置したときの斜視図を図２に示す。

基板７の表面と、光素子２およびＩＣ３の電極が形成された面の高さは、ベース部材９の高さを調整することにより一致させるとよい。ＩＣ３の電極と基板７の配線パターンとは、図示しないワイヤにより電気的に接続される。

放熱板８は、図示しないケース筐体に接触するように設けられる。これにより、光素子２やＩＣ３で発生した熱を、ベース部材９、放熱板８、ケース筐体からなる放熱路を介して外部に放熱することが可能となる。ケース筐体は、例えば金属からなる。また、ベース部材９としては、放熱性を高めるため、熱伝導性の高い材料からなるものを用いるとよい。また、放熱板８を放熱シートを介してケース筐体と接触させるようにしてもよい。

さて、本実施形態では、光素子２として、ワイヤボンディング用の光素子を用いる。本実施形態では、光素子２として、アレイ状のＶＣＳＥＬを用いる場合を説明する。光素子２をアレイ状とするのは、伝送容量を増大させるためである。光素子２はこれに限定されず、アレイ状でない光素子を用いてもよいし、また、ＶＣＳＥＬ以外の他の発光素子でもよく、フォトダイオードなどの受光素子であってもよい。

光素子２は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、１列に形成された複数の発光部（光入出力部）３１と、その発光部３１の一側に１列に形成された複数の電極３２とを備える。

図５（ａ）は、発光部３１毎に１つの電極３２が形成された光素子２を示し、図５（ｂ）は、発光部３１毎に、アノードとなる電極３２ａと、カソードとなる電極（あるいはダミーパッド）３２ｂの２つの電極３２が形成された光素子２を示す。図５（ａ）の光素子２では、図６に示すように、電極３２がアノード電極となり、電極３２が形成された面と反対側の面にカソード電極が形成される。

本発明では、図５（ａ）、（ｂ）のどちらの光素子２も用いることもできる。本実施形態では、図５（ａ）の光素子２を用いる場合を説明する。

光素子２の電極３２とＩＣ３の電極とは、接続用基板４を介して電気的に接続される。

図１（ｃ）および図３に示すように、接続用基板４には、光素子２の電極３２とＩＣ３の電極とを接続するための配線パターン５が形成される。

本実施形態では、接続用基板４として、光素子２が出射、あるいは受光する光に対して透明な材料（例えば、石英ガラス）からなるものを用いる。また、接続用基板４の光が通過する位置には、接続用基板４を加工することで、光素子２が出射、あるいは受光する光を集光するためのレンズ４ａが一体に形成される。

本実施形態では、接続用基板４の配線パターン５を形成した面と反対側の面にレンズ４ａを形成したが、配線パターン５を形成した面にレンズを形成してもよいし、その両面にレンズを形成してもよい。ただし、配線パターン５を形成した面にレンズを形成する場合は、レンズが光素子２と接触しないよう、バンプ１０の高さよりも低く形成するとよい（図１（ｄ）参照）。

配線パターン５は、光素子２の電極３２に対応した光素子側電極部５ａと、ＩＣ３の電極に対応したＩＣ側電極部５ｂと、光素子側電極部５ａとＩＣ側電極部５ｂとを接続する配線部５ｃとからなる。図１（ｃ）および図３では、直線状の配線パターン５が形成された例を示しているが、配線パターン５は直線状に限らず、所望の形状としてよい。また、光素子２とＩＣ３間のインピーダンスを調整するために、グランドとなる配線パターン等を適宜形成してもよい。

この接続用基板４を用い、光素子２の電極３２と光素子側電極部５ａ、ＩＣ３の電極とＩＣ側電極部５ｂをそれぞれバンプ接続することで、光素子２の電極とＩＣ３の電極とを電気的に接続する。バンプ１０としては、Ａｕバンプや半田バンプなどを用いるとよい。

また、本実施形態では、図５（ａ）の光素子２を用いるため、光素子２のカソード電極（電極３２が形成された面と反対側の面）を基板７のグランド電極（図示せず）に電気的に接続する必要がある。

そのため、本実施形態では、ベース部材９を導電性部材で形成すると共に、光素子２のカソード電極とベース部材９とを導電性接着剤を介して接合し、さらに、ベース部材９を基板７のグランド電極に電気的に接続した。これにより、光素子２のカソード電極は、ベース部材９を介して基板７のグランド電極に電気的に接続される。

ベース部材９と基板７のグランド電極とを接続する方法については、例えば、基板７の裏面（図１（ｂ）では下側）にグランド電極を形成すると共に、放熱板８を導電性部材で形成し、基板７のグランド電極と放熱板８とを導電性接着剤を介して電気的に接続することで、ベース部材９と基板７のグランド電極とを放熱板８を介して電気的に接続するようにすればよい。基板７の表面（図１（ｂ）では上側）にグランド電極を形成する場合は、例えば、グランド電極とベース部材９とをワイヤを介して電気的に接続するようにすればよい。

ベース部材９としては、熱伝導性が高くかつ導電性の材料を用いるとよく、例えば、線膨張係数の値が光素子２と近いコバール（鉄にコバルト、ニッケルを配合した合金）を用いるとよい。また、コバールの腐食を防ぐために、表面に金めっき等のめっきを施してもよい。図５（ｂ）の光素子２を用いる場合は、ベース部材９を導電性部材で形成する必要はない。

図４に示すように、光伝送モジュール１では、基板７の表面側に、レンズブロック４１を設けると共に、レンズブロック４１と対向するように光ファイバ４２を配置し、レンズブロック４１、レンズ４ａ、接続用基板４を介して、光ファイバ４２と光素子２とを光結合させる。レンズブロック４１および光ファイバ４２は、図示しない支持部材やケース筐体により支持される。

本実施形態の作用を説明する。

本実施形態に係る光伝送モジュール１では、接続用基板４に、光素子２の電極３２とＩＣ３の電極とを接続する配線パターン５を形成し、その接続用基板４を用いて、光素子２の電極とＩＣ３の電極とを電気的に接続している。

これにより、フリップチップ実装用でないワイヤボンディング用の光素子２の電極とＩＣ３の電極とを、ワイヤを用いることなく電気的に接続することが可能となる。接続用基板４の配線パターン５により光素子２の電極とＩＣ３の電極とを電気的に接続するため、高周波特性などの電気的特性を良好とすることが可能となる。また、ワイヤボンディング用の光素子２を用いることにより、コストを抑制することができる。

さらに、接続用基板４を用いることで、光素子２としてアレイ状のものを用いた場合であっても、光素子２の電極３２とＩＣ３の電極とを一括で接続することが可能となるため、光素子２とＩＣ３との接続が容易となる。

また、本実施形態では、ベース部材９を放熱板８を介してケース筐体と接触させて放熱路を形成している。これにより、光素子２で発生した熱を、ベース部材９、放熱板８、ケース筐体を介して外部に放熱することが可能となり、放熱性の優れた光伝送モジュール１を実現できる。

さらに、ベース部材９として導電性部材からなるものを用い、光素子２とベース部材９とを導電性接着剤を介して接合し、かつ、ベース部材９と基板７のグランド電極とを電気的に接続することで、電極３２が形成された面と反対側の面にカソード電極が形成された光素子２（図５（ａ）参照）を用いることが可能となり、よりコストを抑制することができる。

上記実施形態では、ＩＣ３の電極と基板７の配線パターンとをワイヤにより電気的に接続したが、これに限定されず、基板７の切欠き７ａを覆うように接続用基板４を形成すると共に、接続用基板４にＩＣ３と基板７とを接続する配線パターンを形成し、その接続用基板４の配線パターンを介して、ＩＣ３の電極と基板７の配線パターンとを電気的に接続するようにしてもよい。

すなわち、図１（ａ）〜（ｄ）に示した接続用基板４よりもサイズの大きい接続用基板を形成し、光素子２とＩＣ３間の接続のみならず、ＩＣ３と基板７間の接続も接続用基板４を用いて行うようにしてもよい。

これにより、光素子２とＩＣ３間の接続と、ＩＣ３と基板７間の接続を一括して行うことが可能となる。また、ＩＣ３と基板７間のインピーダンス調整が容易となり、高周波特性などの電気的特性を良好とすることができる。

また、上記実施形態では、接続用基板４として、光素子２が出射、あるいは入射する光に対して透明な材料からなるものを用いたが、光素子２が出射する光（あるいは受光する光）を通過させるための穴を形成したものを用いてもよい。

さらに、上記実施形態では、光素子２とＩＣ３とをベース部材９に固定したが、これに限定されず、例えば、基板７の厚さが薄い場合などは、光素子２のみをベース部材９に固定し、ＩＣ３を直接放熱板８に固定するようにしてもよいし、さらに基板７の厚さが薄い場合は、基板７と放熱板８との間にスペーサ等を設けて、基板７の表面と、光素子２およびＩＣ３の電極が形成された面とを一致させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、接続用基板４を加工してレンズ（集光レンズ）を形成したが、これに限定されず、接続用基板４に回折格子を形成して、いわゆるグレーティングレンズを形成するようにしてもよい。

このように、本発明は、上記実施形態には限定されず、当業者にとって想到し得る本明細書に説明された基本的教示の範囲に含まれる全ての変更、および代替的構成を具体化するものとして解釈されるべきである。

１光伝送モジュール
２光素子
３ＩＣ
４接続用基板
４ａレンズ
５配線パターン
５ａ，５ｃ電極部
５ｂ配線部
７基板
７ａ切欠き
８放熱板
９ベース部材
１０バンプ

Claims

光素子と該光素子を駆動するＩＣとを並列して設け、前記光素子の電極と前記ＩＣの電極とを電気的に接続する光伝送モジュールにおいて、
接続用基板に、前記光素子および前記ＩＣの各電極に対応した電極部と、前記光素子側の電極部と前記ＩＣ側の電極部とを接続する配線部とからなる配線パターンを形成し、前記光素子の電極と前記光素子側の電極部、および前記ＩＣの電極と前記ＩＣ側の電極部とをバンプ接続することで、前記光素子の電極と前記ＩＣの電極とを電気的に接続し、
基板の一端部に切欠きを形成すると共に、該切欠きにベース部材を配置し、そのベース部材に前記光素子と前記ＩＣを固定して、前記基板の表面と、前記光素子の電極が形成された面と、前記ＩＣの電極が形成された面の高さを略一致させると共に、前記ＩＣの電極と前記基板とを電気的に接続することを特徴とする光伝送モジュール。
前記ベース部材は、前記光素子の電極が形成された面と前記ＩＣの電極が形成された面の高さが略一致するように段差が形成され、断面視で略Ｌ字状に形成され、前記光素子と前記ＩＣは前記段差の異なる面にそれぞれ固定される請求項１記載の光伝送モジュール。
前記接続用基板は、前記光素子が出射、あるいは受光する光に対して透明な材料からなり、前記接続用基板の前記光が通過する位置にレンズが形成される請求項１又は２記載の光伝送モジュール。
前記ベース部材を放熱板を介してケース筐体と接触させて放熱路を形成する請求項１〜３いずれかに記載の光伝送モジュール。
前記光素子は、その電極が形成された面と反対側の面にカソード電極が形成されており、前記ベース部材が導電性部材からなり、前記光素子のカソード電極と前記ベース部材とが導電性接着剤を介して接合され、前記ベース部材と前記基板のグランド電極とが電気的に接続される請求項１〜４いずれかに記載の光伝送モジュール。
前記基板の切欠きを覆うように前記接続用基板を形成すると共に、該接続用基板に前記ＩＣと前記基板とを接続する配線パターンを形成して、前記接続用基板を介して、前記ＩＣと前記基板とを電気的に接続する請求項１〜５いずれかに記載の光伝送モジュール。