JP2009054938A - 受光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】寄生インピーダンスによる高周波信号、高速応答への悪影響を抑制し、トランスファモールドを必要としない生産性のよい受光モジュールを提供する。
【解決手段】受光素子２がフリップチップ実装されたプリアンプ回路チップ３と、受光素子を収容する収容凹部４ａを有し所定の光波長に対して透光性のあるベース配線基板４と、光ファイバを接続保持するスリーブ７とを備える。前記のプリアンプ回路チップ３はベース配線基板４にフリップチップ実装で搭載され、前記のスリーブ７は光ファイバからの信号光を受光素子２で受光するように調芯されてベース配線基板４に接着固定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信に用いられる受光モジュールに関する。

高速光ファイバ通信では、高速応答性と高い受光感度を有する受光素子が求められている。特に高速応答性を実現するためには、受光素子をフリップチップ実装することで、ボンディングワイヤによるインダクタンス成分、発生磁界の伝播などを低減する構造が提案されている。また、光ファイバ通信の高速化対応を満たす一方で、小型化、低コスト化も重要となっている。

これらの要求に対して、例えば、特許文献１には、配線膜と透光性樹脂膜を有する基板上に光素子をフリップチップ実装することで、小型化や高周波特性の改善を図ると共に、トランスファモールドにより気密封止して保護された構造の光通信モジュールが開示されている。また、特許文献２では、フリップチップ実装するに適した構造の受光素子が開示されている。さらに、特許文献３には、受光素子、発光素子を回路チップ上にフリップチップ実装することが開示されている。
特開２００４−３６１６３０号公報 特開平５−３７００５号公報 特開平１０−１１２５５３号公報

特許文献１に開示の光通信モジュールは、複数の光素子をアライメント調整でフリップチップ実装し、この後、ダイシングにより各モジュールに分割している。しかし、その構造上、封止のためのトランスファモールドが必要とされが、個別のモジュールごとのモールドで行われているため量産性が悪い。量産性を高めるには、複数のモジュールを一度にトランスファモールドする必要があるが、これには、金型が大型になり設備投資の負担が大きくなる。
また、特許文献３に開示のように、回路チップ上に受光素子または発光素子をフリップチップ接続で実装することで信号の高速応答は期待できる。しかし、回路チップと配線基板間は、ワイヤ接続を行う構造であり改善の余地がある。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、寄生インピーダンスによる高周波信号、高速応答への悪影響を抑制し、トランスファモールドを必要としない生産性のよい受光モジュールの提供を目的とする。

本発明による受光モジュールは、受光素子がフリップチップ実装されたプリアンプ回路チップと、受光素子を収容する収容凹部を有し所定の光波長に対して透光性のあるベース配線基板と、光ファイバを接続保持するスリーブとを備える。前記のプリアンプ回路チップはベース配線基板にフリップチップ実装で搭載され、前記のスリーブは光ファイバからの信号光を受光素子で受光するように調芯されてベース配線基板に接着固定される。

また、本発明による受光モジュールは、前記の受光素子が、入光面側に集光レンズを備える構成とされる。また、ベース配線基板上には、プリアンプ回路チップが収容される収容空間を有し、ベース配線基板の配線電極に電気接続された側面電極をもつカバー基板を備える構成とすることができる。さらに、前記のカバー基板の収容空間に封止樹脂材を充填して封止された構造とすることもできる。

本発明によれば、受光素子の接続電極面、プリアンプ回路チップの接続電極面およびベース配線基板の配線面を同一面に対向する形態で構成することができるので、これらの部品間の電気接続は全てフリップチップ実装が可能となる。この結果、ワイヤ接続による電気接続を省略することができ、浮遊インピーダンスによる高周波応答性の低下を抑制することができ、高周波特性に優れた受光モジュールを実現できる。
また、トランスファモールドを必要としない構造であるため金型の使用が不要で、大きなサイズのベース配線基板を用いてマトリックス状に組立てることが可能で、安価で生産性のよい受光モジュールを提供することが可能となる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１（Ａ）は本発明による受光モジュールの概略を説明する斜視図、図１（Ｂ）はその断面図である。図中、１は受光モジュール、２は受光素子、３はプリアンプ回路チップ、４はベース配線基板、４ａは収容凹部、５はカバー基板、５ａは収容空間、６は封止樹脂材、７はスリーブ、７ａはフランジ部、７ｂは挿着孔を示す。

本発明による受光モジュール１は、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子２が実装されたプリアンプ回路チップ３と、該プリアンプ回路チップ３が実装搭載されるベース配線基板４と、ベース配線基板４に接着等により固定されるスリーブ７で構成される。プリアンプ回路チップ３は、受光素子２で受光した光電流をプリアンプ回路で電圧信号に変換される。このプリアンプ回路には、低雑音で広いダインミックレンジのものが要求されていて、通常は、増幅器の入力部と出力部の間に帰還抵抗を入れたトランスインピーダンス型のプリアンプ（ＴＩＡ）が用いられる。このＴＩＡ回路は、プリアンプ回路チップ３として、一体化された矩形状のチップ状部品で提供される。

受光素子２は、後述するように、プリアンプ回路チップ３にフリップチップ実装が可能な形状のものが用いられ、プリアンプ回路チップ３の中央部分に電気的、機械的に接続される。ベース配線基板４は、受光素子２を収容する収容凹部４ａを有し、所定の光波長に対して透光性のある絶縁材料が用いられ、収容凹部４ａを設けた表面側に配線導体が形成されている。このベース配線基板４には、受光素子２を搭載したプリアンプ回路チップ３がフリップチップ実装で搭載される。

また、ベース配線基板４には、カバー基板５を接合して受光素子２およびプリアンプ回路チップ３を保護するようにすることができる。このカバー基板５にはプリアンプ回路チップ３が収容される収容空間５ａを有し、必要に応じて、収容空間５ａ内に封止樹脂材６を充填して気密封止することができる。なお、封止樹脂材６が所定の光波長に対して透光性を有している場合は、ベース配線基板４の収容凹部４ａにも充填させることができる。

スリーブ７は、光ファイバを接続するための光コネクタを嵌合保持するためのもので、フランジ部７ａでベース配線基板４に接着材等により固定される。このスリーブ７の挿着孔７ｂには、光ファイバの端部に取り付けられた光コネクタのフェルール（図示せず）が挿着され、外部装置からの信号光が受光素子２に向けて出射される。光ファイバから出射される信号光が、効率よく受光素子２で受光できるように、ベース配線基板４との接着に際しては調芯して位置決めされる。

図２は、受光素子２とプリアンプ回路チップ３の概略を説明する図である。受光素子２は、図２（Ａ）に示すようなフリップチップ実装が可能な形状のもの（例えば、特許文献２に開示のような受光素子）が用いられる。この受光素子２は、中央部に受光部１０を有し、この受光部１０が接する実装面２ａ側において、電極リード１１ａ，１１ｂの端部に半田バンプ１２が、蒸着法、めっき法、または印刷法等により形成されている。また、受光部１０に対向する信号光が入射される入光面２ｂ側には、集光レンズとしてモノシリックレンズ１３が形成されていて、このレンズ１３の光軸上にある光ファイバからの信号光を受光部１３に集光させる。

プリアンプ回路チップ３は、例えば、トランスインピーダンス型のプリアンプ（ＴＩＡ）で形成され（回路構成は省略）、実装面３ａの中央部に上記した受光素子２をフリップチップ接続で直接実装させるための電極１４が形成されている。また、プリアンプ回路チップ３の実装面３ａには、この他、ベース配線基板４を介して次段の増幅回路等への接続のための接続電極１５が設けられている。この接続電極１５は、プリアンプ回路チップ３をベース配線基板４にフリップチップ接続で搭載するために、半田バンプで形成される。

図３は、受光素子２をフリップチップ実装したプリアンプ回路チップ３を、ベース配線基板４上にフリップチップ接続で実装する例を説明する図である。図２（Ｂ）で説明したように、プリアンプ回路チップ３には、受光素子２がプリアンプ回路チップ３の実装面３ａから突出する形態でフリップチップ実装されている。このため、プリアンプ回路チップ３が実装されるベース配線基板４には、受光素子２を逃がすための収容凹部４ａが形成されている。

また、ベース配線基板４の配線面１６には、プリアンプ回路チップ３を次段増幅等の外部回路に接続するための配線導体１７が、プリント回路技術等により形成されている。この配線導体１７の内側の電極１７ａは、受光素子２が収納される収容凹部４ａの周りに配列され、プリアンプ回路チップ３の半田バンプで形成された接続電極１５が、フリップチップ接続される。配線導体１７の外側の電極１７ｂは、ベース配線基板４の周縁に配列され、外部回路との接続に供せられる。受光素子２は、収容凹部４ａ内に浮いた状態で収納される。

上記の構成によれば、受光素子２の接続電極面（実装面２ａ）、プリアンプ回路チップ３の接続電極面（実装面３ａ）およびベース配線基板４の配線面１６を同一面に対向する形態で構成することができるので、これらの部品間の電気接続は、上述したように全てフリップチップ接続が可能となる。
また、ベース配線基板４の配線導体１７は、所定に導体幅と厚さで所定の特性インピーダンスとなるように形成され、ワイヤ接続のような３次元配線を用いていないので、浮遊インピーダンスによる高周波信号の劣化が低減され、信号劣化の少ない高速伝送の実現を可能としている。

ベース配線基板４は、例えば、石英ガラスや多成分ガラス、透光性のセラミックスやＳｉのような半導体材料で形成することができる。このベース配線基板４は、少なくとも受光素子２で受光する信号光の波長に対して透光性を有している絶縁材料で形成され、受光素子２には、ベース配線基板４の下面（配線面１６の反対面）から入射される信号光を低減することなく受光することができる。

図４は、プリアンプ回路チップ３の実装を保護するカバー基板を説明する図である。図４（Ａ）は、カバー基板５の一例を示す図で、矩形状に形成される。このカバー基板５は、中央部にプリアンプ回路チップ３が収容される上下面を貫通する収容空間５ａを有し、周縁部にベース配線基板４の配線導体１７に接続される側面電極１８を有している。側面電極１８は、ベース配線基板４の配線導体１７の外側電極１７ｂに対応する位置に形成され、カバー基板５の上下面に接続電極部１８ａ、１８ｂを有している。なお、収納空間５ａは、上面側に抜けていない形状の凹み穴で形成されていてもよい。

図４（Ｂ）は、前述したベース配線基板４に、受光素子２を搭載したプリアンプ回路チップ３は、フリップチップ接続で実装した搭載状態を示している。カバー基板５は、ベース配線基板４上に、その配線面１６上に形成されている配線導体１７の外側電極１７ｂに、接続電極１８ａを半田材等により電気的に直接接続することにより取付け固定され、外部回路には側面電極１８または上面の接続電極部１８ｂを介して接続される。

図５は、ベース配線基板４上にカバー基板５を取付け固定した状態を示す図である。図５（Ａ）は、封止樹脂材が充填されていない状態を示し、カバー基板５は、ベース配線基板４の外形にほぼ一致する形状で、プリアンプ回路チップ３の周囲を囲うようにして配設される。このカバー基板５は、ベース配線基板４と同じ材料で形成してもよいが、透光性を必要としないことから、通常のセラミックスや樹脂材料で形成したものを用いることもできる。

図５（Ｂ）は、受光素子２およびプリアンプ回路チップ３を気密封止する形態を示す図である。図に示すように、カバー基板５の収容空間５ａとプリアンプ回路チップ３との間の空間に接着性の封止樹脂材６を充填する。この封止樹脂材６の充填は、少なくともプリアンプ回路チップ３の露出面３ｂの位置に達する程度としてもよいが、プリアンプ回路チップ３の露出面３ａを完全に覆うように充填するようにしてもよい。

また、ベース配線基板４とカバー基板５との間の隙間部分１９にも封止樹脂材を浸透充填させ、受光素子２およびプリアンプ回路チップ３を完全に気密封止する。
封止樹脂材６に透光性のものが用いられる場合は、受光素子２の収容凹部４ａ内にも充填するようにしてもよい。
また、カバー基板５の収納空間５ａが、上面側が閉塞された凹み穴で形成されている場合は、窒素雰囲気中でベース配線基板４に接着することで気密封止することができる。

なお、図１〜図５では、個別に受光モジュール品を製造する例で説明したが、トランスファモールドを必要としない構造であるため金型の使用が不要で、大きなサイズのベース配線基板上に、マトリックス状に複数の収納凹部４ａと配線導体１７を形成したものを用いた製造方法の採用が可能となる。そして、大きなサイズのベース配線基板上に形成された各収納凹部４ａと配線導体１７に対応させて、受光素子２およびプリアンプ回路チップ３を搭載し、さらに、カバー基板５を所定位置に接続、接着し、次いで封止樹脂材を充填して封止し、複数の受光モジュール品を一体に形成する。この後、大きなサイズのベース配線基板を、ダイシングにより個別の受光モジュール品に切り出し、次いで、光ファイバ接続用のスリーブを取り付けて完成品とするようにしてもよい。この方法によれば、安価で生産性のよい受光モジュールを提供することが可能となる。

図６は、本発明による受光モジュールの使用形態の一例を示す図である。本発明による受光モジュール１は、図１で説明したように、ベース配線基板４にスリーブ７を接着剤で固定することにより完成される。スリーブ７の接着固定に際しては、スリーブ７の挿着孔７ｂに光コネクタのフェルールを挿着した状態で、ベース配線基板４をスリーブ７のフランジ部７ａ上をスライドさせ、受光素子が高光結合が得られるように調芯する。なお、接着剤には、調芯後に直ちに接着固定できるように、紫外線硬化型の接着剤を用いることが望ましい。
完成した受光モジュール１は、回路基板等に直接実装するようにしてもよいが、フレキシブル回路板２０を用いて電気接続するようにしてもよい。

本発明による受光モジュールの概略を説明する図である。 本発明で用いる受光素子とプリアンプ回路チップを説明する図である。 本発明で用いるベース配線基板と実装例を説明する図である。 本発明で用いるカバー基板を説明する図である。 本発明におけるベース配線基板上にカバー基板を取付け固定した状態を示す図である。 本発明による受光モジュールの使用形態の一例を示す図である。

符号の説明

１…受光モジュール、２…受光素子、２ａ…実装面、２ｂ…入光面、３…プリアンプ回路チップ、３ａ…実装面、３ｂ…露出面、４…ベース配線基板、４ａ…収容凹部、５…カバー基板、５ａ…収容空間、６…封止樹脂材、７…スリーブ、７ａ…フランジ部、７ｂ…挿着孔、１０…受光部、１１ａ，１１ｂ…電極リード、１２…半田バンプ、１３…モノシリックレンズ（集光レンズ）、１４…電極、１５…接続電極、１６…配線面、１７…配線導体、１７ａ…内側の電極、１７ｂ…外側の電極、１８…側面電極、１８ａ，１８ｂ…接続電極部、１９…隙間部分、２０…フレキシブル回路板。

Claims (4)

1. 受光素子がフリップチップ実装されたプリアンプ回路チップと、前記受光素子を収容する収容凹部を有し所定の光波長に対して透光性のあるベース配線基板と、光ファイバを接続保持するスリーブとを備え、前記プリアンプ回路チップは前記ベース配線基板にフリップチップ実装で搭載され、前記スリーブは光ファイバからの信号光を前記受光素子で受光するように調芯されて前記ベース配線基板に固定されていることを特徴とする受光モジュール。
2. 前記受光素子は、受光面側に集光レンズを備えていることを特徴とする請求項１に記載の受光モジュール。
3. 前記ベース配線基板上に、前記プリアンプ回路チップが収容される収容空間を有し、前記ベース配線基板の配線電極に電気接続された側面電極をもつカバー基板を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の受光モジュール。
4. 前記カバー基板の収容空間に封止樹脂材が充填されていることを特徴とする請求項３に記載の受光モジュール。

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