JP2013138066A

JP2013138066A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2013138066A
Application number: JP2011287633A
Authority: JP
Inventors: Hajime Arao; 肇荒生; Tomoki Sekiguchi; 知樹関口
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11

Abstract

【課題】基板上の複数の発熱素子間の伝熱を抑制し、素子の動作品質を良好に維持することのできる光モジュールを提供する。
【解決手段】第１の発熱素子５０ａと、第１の発熱素子５０ａより発熱量が小さい第２の発熱素子５２と、が回路基板２４上に搭載され、回路基板２４における、第１の発熱素子５０ａが搭載された第１搭載部７１と第２の発熱素子５２が搭載された第２搭載部７３との間に、厚さ方向に凹んだ凹部７４が形成されていることを特徴とする光モジュール１により上記課題が解決される。
【選択図】図５

Description

本発明は、基板上に搭載された素子を用いて光信号の送受信を行う光モジュールに関する。

光モジュールの一例として、受光素子または発光素子とからなる光素子や、光素子制御用のＩＣなどが基板上に設けられ、基板が放熱シートを介して金属ケース内に支持された光電気変換モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。この光電気変換モジュールでは、光素子やＩＣなどで発生する熱を、基板を介して金属ケースに伝えている。

特開２０１０−０１０２５４号公報

光モジュール内では、基板上に発熱する素子が複数搭載されており、比較的に発熱量の多い素子から少ない素子に、基板を介して熱が伝わる。そのような場合、発熱量の少ない素子が高温になりやすく、素子の動作性能が低下するおそれがある。

本発明の目的は、基板上の複数の発熱素子間の伝熱を抑制し、素子の動作品質を良好に維持することのできる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ことのできる本発明の光モジュールは、第１の発熱素子と、前記第１の発熱素子より発熱量が小さい第２の発熱素子と、が基板上に搭載され、
前記基板における、前記第１の発熱素子が搭載された第１搭載部と前記第２の発熱素子が搭載された第２搭載部との間に、厚さ方向に凹んだ凹部が形成されていることを特徴とする。

本発明の光モジュールにおいて、前記第２の発熱素子は、光素子であり、前記第１の発熱素子は、前記光素子を駆動する駆動ＩＣであることが好ましい。その場合、前記光素子と前記駆動ＩＣとが、前記凹部を跨いでワイヤボンディングされていることがより好ましい。

本発明の光モジュールにおいて、前記凹部は前記基板の厚さ方向の全域にわたって貫通していてもよい。

本発明の光モジュールにおいて、前記第２の発熱素子は、光素子であり、前記基板上に、前記基板との間に収容室を形成するとともに前記光素子と他の光学部材とを光結合させる光結合部材が搭載され、前記第１の発熱素子と前記光素子とが前記収容室内に収容されていることが好ましい。

本発明の光モジュールにおいて、前記基板における前記第１搭載部の裏面領域と前記第２搭載部の裏面領域に、放熱部材が設けられていることが好ましい。その場合、前記放熱部材は、前記第１搭載部の裏面領域への接触面積が、前記第２搭載部の裏面領域への接触面積より大きいことがより好ましい。

本発明の光モジュールによれば、基板における、第１の発熱素子が搭載された第１搭載部と第２の発熱素子が搭載された第２搭載部との間に、厚さ方向に凹んだ凹部が形成されている。そのため、第１搭載部と第２搭載部との間で基板を伝わって熱が伝わることが抑制される。すなわち、比較的に発熱量の大きい第１の発熱素子から発熱量が小さい第２の発熱素子へ熱が伝わることを抑制でき、第２の発熱素子が高温になることを防止できる。したがって、第２の発熱素子の動作品質を良好に維持することができ、高品質な光モジュールを提供することができる。

本実施形態に係る光モジュールを示す斜視図である。樹脂ハウジングを外した状態を示す斜視図である。ハウジングを外した状態を示す斜視図である。図３に示す基板を上から見た図である。図３に示す基板を横から見た図である。

以下、本発明に係る光モジュールの実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光モジュールは、光通信技術などにおいて信号（データ）の伝送に用いられるものであり、接続先のパソコンなどといった電子機器に電気的に接続され、入出力される電気信号を光信号に変換して光信号を伝送するものである。

図１から図３に示すように、光モジュール１は、光ケーブル３の端部に取り付けられている。この光ケーブル３は、単芯或いは多芯の光ケーブルである。
光ケーブル３は、複数本（ここでは４本）の光ファイバ心線７と、この光ファイバ心線７を被覆する樹脂製の外被９と、光ファイバ心線７と外被９との間に介在された極細径の抗張力繊維（ケブラー）１１と、外被９と抗張力繊維１１との間に介在された金属編組１３とを有している。つまり、光ケーブル３では、光ファイバ心線７、抗張力繊維１１、金属編組１３及び外被９が、その中心から径方向の外側に向けてこの順に配置されている。

光ファイバ心線７は、コアとクラッドが石英ガラスである光ファイバ（ＡＧＦ：All Glass Fiber）、クラッドが硬質プラスチックからなる光ファイバ（ＨＰＣＦ：Hard Plastic Clad Fiber）、等を用いることができる。ガラスのコア径が８０μｍの細径ＨＰＣＦを用いると、光ファイバ心線７が小径に曲げられても破断しにくい。

外被９は、ノンハロゲン難燃性樹脂である例えばＰＶＣ（poly vinyl chloride）から形成されている。外被９の外径は、４．２ｍｍ程度である。抗張力繊維１１は、例えば、アラミド繊維であり、束状に集合された状態で光ケーブル３に内蔵されている。

金属編組１３は、例えば錫めっき導線から形成されており、編組密度が７０％以上、編み角度が４５°〜６０°である。金属編組１３の外径は、０．０５ｍｍ程度である。

光モジュール１は、ハウジング２０と、ハウジング２０の前端（先端）側に設けられる電気コネクタ２２と、ハウジング２０に収容される回路基板２４とを備えている。

ハウジング２０は、金属ハウジング２６と、樹脂ハウジング２８とから構成されている。金属ハウジング２６は、収容部材３０と、収容部材３０の後端部に連結され、光ケーブル３を固定する固定部材３２とから構成されている。

収容部材３０は、断面が略矩形形状を呈する筒状の中空部材である。収容部材３０は、回路基板２４などを収容する収容空間を画成している。収容部材３０の前端側には、電気コネクタ２２が設けられ、収容部材３０の後端側には、固定部材３２が連結される。

固定部材３２は、板状の基部３４と、光ケーブル３側へ突出する筒部（図示略）と、基部３４の両側から前方に張り出す一対の第１張出片３８と、基部３４の両側から後方に張り出す一対の第２張出片４０とを有している。一対の第１張出片３８は、収容部材３０の後部からそれぞれ挿入され、収容部材３０に当接して連結される。一対の第２張出片４０は、後述する樹脂ハウジング２８のブーツ４６に連結される。なお、固定部材３２は、基部３４、筒部、第１張出片３８及び第２張出片４０が板金により一体に形成されている。

筒部は、略円筒形状をなしており、基部３４から後方に突出するように設けられている。筒部は、カシメリング（図示略）との協働により光ケーブル３を保持する。具体的には、外被９を剥いだ後、光ケーブル３の光ファイバ心線７を筒部の内部に挿通させると共に、抗張力繊維１１を筒部の外周面に沿って配置する。そして、筒部の外周面に配置された抗張力繊維１１上にカシメリングを配置して、カシメリングをかしめる。これにより、抗張力繊維１１が筒部とカシメリングとの間に挟持されて固定され、固定部材３２に光ケーブル３が保持固定される。

基部３４には、光ケーブル３の金属編組１３の端部がはんだにより接合されている。具体的には、金属編組１３は、固定部材３２においてカシメリング（筒部）の外周を覆うように配置されており、その端部が基部３４の一面（後面）にまで延ばされてはんだにより接合されている。これにより、固定部材３２と金属編組１３とは、熱的に接続されている。さらに、収容部材３０の後端部に固定部材３２が結合することにより、収容部材３０と固定部材３２とが物理的且つ熱的に接続される。つまり、収容部材３０と光ケーブル３の金属編組１３とが熱的に接続される。

樹脂ハウジング２８は、例えばポリカーボネートなどの樹脂材料から形成されており、金属ハウジング２６を覆っている。樹脂ハウジング２８は、外装ハウジング４４と、外装ハウジング４４と連結するブーツ４６とを有している。外装ハウジング４４は、収容部材３０の外面を覆うように設けられている。ブーツ４６は、外装ハウジング４４の後端部に連結され、金属ハウジング２６の固定部材３２を覆っている。ブーツ４６の後端部と光ケーブル３の外被９とは、接着剤（図示しない）により接着される。

電気コネクタ２２は、接続対象（パソコンなど）に挿入され、接続対象と電気的に接続される部分である。電気コネクタ２２は、ハウジング２０の前端側に配置されており、ハウジング２０から前方に突出している。電気コネクタ２２は、接触子２２ａにより回路基板２４に電気的に接続されている。

回路基板２４は、金属ハウジング２６（収容部材３０）の収容空間に収容されている。図４および図５に示すように、回路基板２４は、平面視で略矩形形状を呈しており、所定の厚みを有している。回路基板２４は、例えば、ガラスエポキシ基板、セラミック基板などの絶縁基板であり、その表面又は内部には、金（Ａｕ）、アルミ（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）などにより回路配線が形成されている。

図４および図５に示すように、回路基板２４の表面上には、前方側にＣＤＲ搭載部７２と、後方側に光素子搭載部７３と、ＣＤＲ搭載部７２と光素子搭載部７３との間にＩＣ搭載部７１とが設けられている。これらＣＤＲ搭載部７２、光素子搭載部７３およびＩＣ搭載部７１には、電極パッドが形成されている。ＣＤＲ搭載部７２には、制御用半導体５０としてのＣＤＲ装置５０ｂが搭載されている。光素子搭載部７３には、受発光素子５２が搭載されている。ＩＣ搭載部７１には、制御用半導体５０としての駆動ＩＣ５０ａが搭載されている。制御用半導体５０と受発光素子５２とは、光電変換部を構成している。

また、回路基板２４の表面上には、ＩＣ搭載部７１と光素子搭載部７３との間に、厚さ方向に凹んだ凹部７４が形成されている。さらに回路基板２４にはＩＣ搭載部７１とＣＤＲ搭載部７２との間に、厚さ方向の全域にわたって貫通する貫通穴７５が形成されている。このような凹部７４や貫通穴７５は、回路基板２４の作成時のマスキングやエッチング、あるいは機械加工によって作成することができる。

また、回路基板２４の裏面と金属ハウジング２６との間には、伝熱性に優れる放熱シート８０が設けられている。この放熱シート８０は、前方側に位置するＣＤＲ搭載部７２の裏面全域から、ＩＣ搭載部７１の裏面を含み、後方側に位置する光素子搭載部７３の裏面全域と接するように設けられている。これにより、制御用半導体５０および受発光素子５２から生じた熱は、放熱シート８０を介して金属ハウジング２６に伝えられる。

制御用半導体５０は、駆動ＩＣ（Integrated Circuit）５０ａや波形整形器であるＣＤＲ（Clock Data Recovery）装置５０ｂなどを含んでいる。ＣＤＲ装置５０ｂは、回路基板２４の表面上に形成された配線を介して電気コネクタ２２と電気的に接続されている。また、ＣＤＲ装置５０ｂは、貫通穴７５の上方を跨ぐように設けられたボンディングワイヤ７６（図５参照）を介して、駆動ＩＣ５０ａと電気的に接続されている。

受発光素子５２は、複数（ここでは２つ）の発光素子５２ａと、複数（ここでは２つ）の受光素子５２ｂとを含んで構成されている。発光素子５２ａとしては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）などを用いることができる。受光素子５２ｂとしては、例えば、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）などを用いることができる。この受発光素子５２は、凹部７４の上方を跨ぐように設けられたボンディングワイヤ７７（図５参照）を介して、駆動ＩＣ５０ａと電気的に接続されている。

受発光素子５２は、光ケーブル３の光ファイバ心線７と光学的に接続されている。具体的には、図５に示すように、回路基板２４には、受発光素子５２及び駆動ＩＣ５０ａを覆うようにレンズアレイ部品（光結合部材）５５が配置されている。このレンズアレイ部品５５は回路基板２４側の面に凹部が設けられており、回路基板２４との間に収容室Ｓ１を形成している。駆動ＩＣ５０ａと受発光素子５２はこの収容室Ｓ１の内部に収容されている。

レンズアレイ部品５５は、光ファイバ心線７の末端に取り付けられたコネクタ部品５４が結合されている。レンズアレイ部品５５は、発光素子５２ａから出射された光を光ファイバ心線７へ入力し、また、光ファイバ心線７を伝送された光を受光素子５２ｂに入力する。これにより、光ファイバ心線７と受発光素子５２とを光結合する。

上記構成を有する光モジュール１は、電気コネクタ２２から回路基板２４の配線を介して制御用半導体５０に電気信号が入力される。制御用半導体５０に入力された電気信号は、レベルの調整やＣＤＲ装置５０ｂにより波形整形などが行われた後に、制御用半導体５０から回路基板２４の配線を介して受発光素子５２に出力される。電気信号を入力した受発光素子５２は、電気信号を光信号に変換し、発光素子５２ａからレンズアレイ部品５５を介して光ファイバ心線７に光信号を出射する。

また、光ケーブル３で伝送された光信号は、レンズアレイ部品５５を介して受光素子５２ｂにより入射される。受発光素子５２は、入射された光信号を電気信号に変換し、この電気信号を回路基板２４の配線を介して制御用半導体５０に出力する。制御用半導体５０では、電気信号に所定の処理を施した後、電気コネクタ２２にその電気信号を出力する。

以上のように構成される光モジュール１において、駆動ＩＣ５０ａは受発光素子５２よりも入力電力が大きく、発熱量が大きい。例えば、一般的に受発光素子５２の発熱量は大きくても数十ｍＷであるのに対して、駆動ＩＣ５０ａの発熱量は３００ｍＷになることがある。このため、駆動ＩＣ５０ａから回路基板２４を介して受発光素子５２へ熱が伝わってしまう虞がある。特に、駆動ＩＣ５０ａと受発光素子５２はレンズアレイ部品５５と回路基板２４との間に形成された収容室Ｓ１の内部に収容されている。つまり、駆動ＩＣ５０ａと受発光素子５２は小さな空間の内部に配置されており、熱がこもりやすく、受発光素子５２は駆動ＩＣ５０ａで生じた熱の影響を受けやすい。

ところが、回路基板２４において、ＩＣ搭載部７１と光素子搭載部７３との間に凹部７４が設けられている。つまり、ＩＣ搭載部７１と光素子搭載部７３との間で回路基板２４の断面積が小さくされている。伝熱量は断面積に比例するから、回路基板２４を介してＩＣ搭載部７１から光素子搭載部７３へ向かう熱の伝導が抑制される。したがって、駆動ＩＣ５０ａで生じた熱によって受発光素子５２の動作品質が低下することなく、受発光素子５２の動作品質を良好に維持することができる。

つまり、第１の発熱素子としての駆動ＩＣ５０ａと、駆動ＩＣ５０ａより発熱量が小さい第２の発熱素子としての受発光素子５２とが、第１搭載部としてのＩＣ搭載部７１と第２搭載部としての光素子搭載部７３との間に設けられた凹部７４によって互いの熱伝導が抑制されている。

また、回路基板２４においてＩＣ搭載部７１とＣＤＲ搭載部７２との間にも貫通穴７５が設けられている。このため、駆動ＩＣ５０ａとＣＤＲ装置５０ｂとの間の回路基板２４の断面積が小さくされており、駆動ＩＣ５０ａとＣＤＲ装置５０ｂとの間の熱伝導が抑制されている。これにより、ＣＤＲ装置５０ｂで生じた熱が駆動ＩＣ５０ａへ伝わりにくく、駆動ＩＣ５０ａの動作品質を良好に維持することができる。逆に、駆動ＩＣ５０ａから生じた熱もＣＤＲ装置５０ｂへ伝わりにくく、ＣＤＲ装置５０ｂの動作品質も良好に維持することができる。

つまり、駆動ＩＣ５０ａよりもＣＤＲ装置５０ｂの方が発熱量が大きい場合は、第１の発熱素子としてのＣＤＲ装置５０ｂと、ＣＤＲ装置５０ｂより発熱量が小さい第２の発熱素子としての駆動ＩＣ５０ａとが、第１搭載部としてのＣＤＲ搭載部７２と第２搭載部としてのＩＣ搭載部７１との間に設けられた貫通穴７５によって互いの熱伝導が抑制されている。

また、これとは逆に、駆動ＩＣ５０ａよりもＣＤＲ装置５０ｂの方が発熱量が小さい場合は、第１の発熱素子としての駆動ＩＣ５０ａと、駆動ＩＣ５０ａより発熱量が小さい第２の発熱素子としてのＣＤＲ装置５０ｂが、第１搭載部としてのＩＣ搭載部７１と第２搭載部としてのＣＤＲ搭載部７２との間に設けられた貫通穴７５によって互いの熱伝導が抑制されている。

また、ＩＣ搭載部７１、ＣＤＲ搭載部７２および光素子搭載部７３の裏面領域には放熱シート８０が設けられている。この放熱シート８０のＩＣ搭載部７１の裏面領域との接触面積は、図５に示したように、光素子搭載部７３の裏面領域との接触面積よりも大きく設定されている。このため、駆動ＩＣ５０ａで生じた熱は、受発光素子５２で生じた熱よりも、より効率よく放熱シート８０に伝わり、金属ハウジング２６に伝えられる。このため、駆動ＩＣ５０ａで生じた熱が受発光素子５２に伝わることがより効果的に抑制され、受発光素子５２の動作品質をより一層良好に維持することができる。

なお、上述の実施形態においては、受発光素子５２、駆動ＩＣ５０ａおよびＣＤＲ装置５０ｂとの間の回路基板２４を介した熱伝導を抑制するために、回路基板２４に凹部７４や貫通穴７５を回路基板２４に形成する例を挙げて説明したが、本発明はこれらの例に限られない。例えば、受発光素子５２、駆動ＩＣ５０ａおよびＣＤＲ装置５０ｂをそれぞれ別体の回路基板上に搭載し、それぞれの回路基板を離間させて（すなわち凹部が形成された状態で）金属ハウジング２６の収容空間に配置してもよい。このような構成によっても、相互の回路基板の間での熱伝導が抑制され、受発光素子５２、駆動ＩＣ５０ａおよびＣＤＲ装置５０ｂとの間の熱伝導が抑制される。

上述の実施形態においては、光素子搭載部７３とＩＣ搭載部７１との間に凹部７４を設け、ＩＣ搭載部７１とＣＤＲ搭載部７２との間に貫通穴７５を設けた例を挙げて説明したが、本発明はこの例に限られない。光素子搭載部７３とＩＣ搭載部７１との間に凹部７４の替わりに貫通穴を設けたり、ＩＣ搭載部７１とＣＤＲ搭載部７２との間に凹部を設けたりしてもよい。

また、上述の実施形態においては、回路基板２４に凹部７４と貫通穴７５の両方を設けて、受発光素子５２、駆動ＩＣ５０ａおよびＣＤＲ装置５０ｂの相互の熱伝導を抑制する構成を例に挙げて説明したが、凹部７４と貫通穴７５のいずれか一方のみを回路基板２４に設けてもよい。この場合、特に熱のこもりやすく熱によって信号特性が影響を受けやすい受発光素子の動作特性を良好に維持するために、凹部７４のみを回路基板２４に設けることが好ましい。

また、凹部７４の寸法については、抑制したい伝熱量に応じてその寸法を設定することができる。例えば、抑制したい伝熱量を大きく確保したい場合には、凹部７４を回路基板２４の幅（図４の上下方向寸法）全域に亘って設けることが好ましい。これとは逆に、回路基板２４の長手方向に凹部７４の寸法を大きく設定すると、その分、受発光素子５２と駆動ＩＣ５０ａの離間距離が大きくなってしまい、回路基板２４全体が大型化してしまう。しかし、凹部７４を回路基板２４の幅方向の全域に亘って形成すると、回路基板２４の小型化と受発光素子５２の良好な動作特性を両立させることができる。

上述の実施形態では、凹部７４で隔てられた受発光素子５２と駆動ＩＣ５０ａとの間をボンディングワイヤ７７によって電気的に接続する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。複数の絶縁層と複数の導電層とを有する積層構造の回路基板２４を採用し、回路基板２４の内部に埋め込まれた凹部７４の下側を通過する導電層を介して受発光素子５２と駆動ＩＣ５０ａとを電気的に接続するように構成してもよい。

また、上述の例ではＣＤＲ搭載部７２の裏面から光素子搭載部７３の裏面にかけて延在する一枚の放熱シート８０を配置する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、ＣＤＲ搭載部７２の裏面、ＩＣ搭載部７１の裏面および光素子搭載部７３の裏面にそれぞれ別個の放熱シート８０を設けても良い。

また、上記実施形態の例では、レンズアレイ部品５５を用いて光ファイバ心線７と受発光素子５２とを光結合させた例を挙げて説明したが、本発明は、レンズアレイ部品５５を用いなくてもよい。例えば、レンズアレイ部品５５を用いずに光ファイバ心線７を受発光素子５２に接着するなどして、光ファイバ心線７と受発光素子５２とを光結合させても良い。

１：光モジュール、２６：金属ハウジング、５０：制御用半導体、５０ａ：駆動ＩＣ、５０ｂ：ＣＤＲ装置、５２：受発光素子、５５：レンズアレイ部品、７１：ＩＣ搭載部、７２：ＣＤＲ搭載部、７３：光素子搭載部、７４：凹部、７５：貫通穴、７６，７７：ボンディングワイヤ

Claims

第１の発熱素子と、前記第１の発熱素子より発熱量が小さい第２の発熱素子と、が基板上に搭載され、
前記基板における、前記第１の発熱素子が搭載された第１搭載部と前記第２の発熱素子が搭載された第２搭載部との間に、厚さ方向に凹んだ凹部が形成されていることを特徴とする光モジュール。
請求項１に記載された光モジュールであって、
前記第２の発熱素子は、光素子であり、
前記第１の発熱素子は、前記光素子を駆動する駆動ＩＣであることを特徴とする光モジュール。
請求項２に記載された光モジュールであって、
前記光素子と前記駆動ＩＣとが、前記凹部を跨いでワイヤボンディングされていることを特徴とする光モジュール。
請求項１から３の何れか一項に記載された光モジュールであって、
前記凹部は前記基板の厚さ方向の全域にわたって貫通していることを特徴とする光モジュール。
請求項１から４の何れか一項に記載された光モジュールであって、
前記第２の発熱素子は、光素子であり、
前記基板上に、前記基板との間に収容室を形成するとともに前記光素子と他の光学部材とを光結合させる光結合部材が搭載され、
前記第１の発熱素子と前記光素子とが前記収容室内に収容されていることを特徴とする光モジュール。
請求項１から５の何れか一項に記載された光モジュールであって、
前記基板における前記第１搭載部の裏面領域と前記第２搭載部の裏面領域に、放熱部材が設けられていることを特徴とする光モジュール。
請求項６に記載された光モジュールであって、
前記放熱部材は、前記第１搭載部の裏面領域との接触面積が、前記第２搭載部の裏面領域との接触面積より大きいことを特徴とする光モジュール。