JP5273600B2 - 光半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光通信技術を用いて使用される光トランシーバに内包される光半導体装置に関連し、特にCAN型光パッケージとフレキシブル基板が接続されて構成された光半導体装置に関連する。
光通信では、光信号を送受信するための光トランシーバと、光信号を伝播するための媒体として光ファイバが重要な役割を担っている。光トランシーバは、その筐体内に、電気信号を光信号に、光信号を電気信号に変換するための光半導体装置と、制御のための電子素子、電気コネクタ等を搭載したプリント基板を内包している。
光半導体装置の代表的な実施例が、特開2007−43496号公報、特開2007−42756号公報、特開2006−80418号公報などに例示されている。光半導体装置は、レーザ(光送信素子)、フォトダイオード(光受光素子)といった光電気変換を行う光素子を内に搭載したCAN型光パッケージと、フレキシブル基板によって構成される。このような光半導体装置の構成は、数百Mbps〜10Gbps程度の伝送速度に対応した光トランシーバ内において、しばしば利用されている。
上記従来例によれば、CAN型光パッケージとフレキシブル基板の接続法は、以下に述べる方法が取られる。CAN型光パッケージ裏面から、突き出たリードピンに、穴を開けたフレキシブル基板を挿し、その穴の部分で、リードピンとフレキシブル基板を固着する方法である。一般的に、リードピンは、グランド、電源、信号の端子であることが多く、フレキシブル基板上の金属パターンと、半田によって導通固着されることが多い。CAN型光パッケージのリードピンが、フレキシブル基板の孔に挿されているため、接続が強固なものとなり、温度湿度の変化による応力、機械的な圧力に強く、製品としての信頼性が高いという利点を有している。
特開2007−43496号公報 特開2007−42756号公報 特開2006−80418号公報
しかしながら、近年、光トランシーバの伝送速度は、10Gbpsを超える伝送速度、すなわち25Gbps、40Gbps程度の伝送速度が要求されて来ており、従来の光半導体装置では、その欠点が顕著になり、適用できなくなって来ている。その欠点とは、以下である。CAN型光パッケージの信号用のリードピンと、フレキシブル基板上の信号用の金属パターンは、ほぼ垂直に接続される。この伝送路が急速に曲げられた箇所では、特性インピーダンスのミスマッチが生じやすくなり、高周波信号の反射を引き起こしてしまう。
高周波信号の反射は、伝送波形に劣化を引き起こすだけでなく、反射信号が光トランシーバの筐体内にノイズとして放射され、光トランシーバの誤動作を引き起こすことがあり、十分低減される必要がある。
そこで、本発明の目的は、CAN型光パッケージを用いた光半導体装置において、フレキシブル基板とCAN型光パッケージ両者が強固に接続され、製品としての信頼性を保ちながらも、接続部において、高周波信号の反射が少なく高周波特性の良い光半導体装置を提供することにある。
本発明は、ステムから垂直方向に複数のリードピンが取り付けられているCAN型光パッケージと、このリードピンと固着導通する目的で金属パターンがパターニングされたフレキシブル基板の接続構造に関するものである。
フレキシブル基板上の信号用金属パターンの該端が位置する場所で、フレキシブル基板は、おおむね直角程度で曲げられている。そして、ステムに取り付けられたリードピンのうち、少なくとも信号用リードピンが、フレキシブル基板上の信号用電気パターンと該水平を成す状態で、固着導通がとられる。
一方、ステムに取り付けられたリードピンの一部は、フレキシブル基板にあけられた孔に貫通された状態で、フレキシブル基板上の電気パターンと固着導通が取られている。
なお、ここで、従来例と本発明の特性を比較するため、電磁界計算による特性比較を図26に示す。横軸は周波数であり、縦軸は反射損失である。従来例と比較して、本構造では反射損失が、周波数20GHz程度で15dB以上、30GHz程度で10dB以上の改善(低減)が見られていることが分かる。なお、図27A、Bは、本構造の特性を電磁界計算するために用いた図面である。図27A、Bは同一構造の断面図である。電磁界計算した際の条件を以下に示す。絶縁体112はガラス材(比誘電率は5.5)とした。第1のリードピン103は直径200μmで、特性インピーダンスはおよそ50Ω程度となっている。第1のリードピン103と第1の金属パターン105は半田117によって接続固定されている。ステム102に第1のリードピン103は3本接続されているが、真ん中の第1のリードピン103がシグナル用で、残りの2本はグランドラインとして使用している。裏面のグランド金属パターン301は、スルーホール108によって、上面の第1のグランド用金属パターン105と接続されている。フレキシブル基板107はポリイミド材(比誘電率3.5)で、厚さは100μmである。第1の金属パターン105でシグナルラインは、幅200μmで、50Ω程度の特性インピーダンスを有している。電磁界計算では、ステム102の厚さを1mm、信号用の第1の金属パターン105の長さを2mmとして、計算した。
本発明によれば、ステムに取り付けられた一部のリードピンは、フレキシブル基板にあけた孔に貫通された状態で、接続されるため、フレキシブル基板とCAN型光パッケージが強固に接続される。その一方で、高周波信号を伝送する、リードピンと、フレキシブル基板上の金属パターンは、ほぼ水平に接続されるため、高周波信号の反射が少なくなるという利点を有する。
以下、図を用いて、本発明の実施例の一形態を説明する。
図1は、本実施の形態の光半導体装置とプリント基板110を概略的に示す斜視図である。光半導体装置とプリント基板110は、光トランシーバを構成する部品である。図2に図1の断面図を示し、図3にフレキシブル基板107のみの上面図を示す。
図1、図2に示すように、CAN型光パッケージは、ステム102と窓113をともなった蓋101によって、光素子115の気密封止が成される。ステム102上には、電子素子114と光素子115が搭載され、第1のリードピン103と第2のリードピン104を含め、電気的な結合をする必要がある箇所には、ワイヤ116で接続されている。第1のリードピン103、第2のリードピン104とステム102の間は、絶縁体112が位置している。ただし、リードピンの一部をグランドとして使用する場合、絶縁体112は必ずしも必要ではなく、ステム102にリードピンが直接取り付けられていることもある。第1のリードピン103には高周波電気信号が流れる。一方、第2のリードピン104は光素子に供給する電源に使用されているが、これ以外にもグランド、電子素子114用の電源、電子素子114の制御信号用として使用されても良い。
図3に示すように、フレキシブル基板107には、第1の金属パターン105と第2の金属パターン106がパターニングされている。図3において点線で示された金属パターンは、フレキシブル基板107裏面側にパターニングされた金属パターンである。折り目A-A’においてフレキシブル基板は直角程度に曲げられている。そして、第1の金属パターン105端部は折り目A-A’の近傍にあり、第1のリードピン103と半田117によって固着導通がとられている。すなわち、第1のリードピン103と第1の金属パターン105は、ほぼ水平に取り付けられるため、高周波信号の反射が少ないという利点がある。
さて、本構造の利点を、別の一面から説明する。光トランシーバ内においては、第1のリードピン103とプリント基板110は概ね水平に配置されることが多い。そのため、第1のリードピン103と第1の金属パターン105を概ね水平に取り付け、第1の金属パターン105と第3の金属パターン109を概ね水平に取り付けている本光半導体装置においては、フレキシブル基板107を大きく曲げる必要もないため、第1の金属パターン105を短く配線することが出来るという利点がある。この利点は、信号の伝送速度が速くなった時に特に顕著であり、以下に詳細に説明する。一般的に、信号用の第1の金属パターン105と、信号用の第1のリードピン103の特性インピーダンスを完全に一致して作製することは困難であり、信号用の第1の金属パターン105と、信号用の第3の金属パターン109の特性インピーダンスを完全に一致して作製することも困難である。すなわち、これらの特性インピーダンスの不連続点で、高周波信号は多少なりとも反射され、2点の反射点の間で、特定の周波数における共振を起こしてしまう。共振した信号の一部は、しばしノイズとして光トランシーバ内に放出され、他の電子部品の誤動作を引き起こす原因になったりする。共振する周波数は、一般的に、2分の1波長、1波長、2分の3波長・・・と2分の1波長ごとにおきことが知られている。すなわち、信号用の第1の金属パターン105の長さが短ければ短いほど、信号の周波数範囲内に、共振点が少なくて済み、光半導体装置の設計がしやすいという利点がある。例えば40Gbpsの信号を伝送する光半導体装置では、信号用の第1の金属パターン105の長さは6mm以下にするほうが望ましい。
さて、図1、図2に戻り、第2のリードピン104は、フレキシブル基板107に設けた第1の孔118に貫通され、半田117によって第2の金属パターン106と固着導通が取られる。このようにして、フレキシブル基板107と、ステム102をともなったCAN型光パッケージの固定は強固なものとなる。
なお、実際の折り目A-A’を100ミクロン程度の曲げ半径以下で折ると第2の金属パターン106が破断しやすくなることが多く、数百ミクロン程度の曲げ半径を持つのが普通である。また、折り目A-A’においてフレキシブル基板は完全に直角に曲げられる必要があるわけでなく、90度±20度程度の曲げでも、本発明の目的は十分達成される。
図4は、フレキシブル基板107の上面図を示したものである。折り目A-A’近傍にてフレキシブル基板107は曲げられるが、第1の切れ込み201や、第2の孔202が設けられているため、フレキシブル基板107は曲げ易いという利点を有する。フレキシブル基板107の線B-B’における断面図を図5に示し、線C-C’における断面図を図6に示す。フレキシブル基板107は、ベースフィルム204上に金属パターン105、106がパターニングされ、樹脂層203によって金属パターン105、106が保護されているのが一般的である。このベースフィルム204と樹脂層203はポリイミド等の樹脂などの有機物で構成されている。またフレキブル基板107には内壁をメタライズしたスルーホール108を設けることが可能であり、必要に応じて、両面と裏面の金属パターンを導通することが出来る。
図7はフレキシブル基板107の上面図である。裏面には幅広の電源やグランド金属パターン301がパターニングされている。第1の金属パターン105や電源またはグランド金属パターン301の端部は、折り目A-A’の近くに位置する。一般的に、フレキシブル基板107を構成する材質は、金属パターンより柔らかい。そのため、このように幅広の金属パターンの端部が、折り目A-A’の近くに位置する場合は、フレキシブル基板が曲げ易いという利点を持つ。
図8はフレキシブル基板107の上面図である。裏面にはフレキシブル基板がおおむね垂直に曲げられる箇所で細くなっている第2の金属パターン106がパターニングされている。金属パターン106の細くなっている部分は、折り目A-A’の近くに位置する。フレキシブル基板107を構成する材質は、金属パターンより柔らかい。このように金属パターンの細くなっている部分が、折り目A-A’の近くに位置する場合は、曲げ易いという利点を持つ。
図9に光半導体装置の斜視図を、図10に光半導体装置の断面図を、図11にフレキシブル基板の上面図を示す。
図11に示すフレキシブル基板107には、第3の孔501が設けられている。第3の孔501の該端まで、第1の金属パターン105が設けられており、図9に示すように、第1の金属パターン105と第1のリードピン104が水平を成すよう固着導通が取られており、高周波信号の反射が少なく伝搬されるという利点を持つ。また、第3の孔501に第1のリードピン103が貫通されるため、フレキシブル基板107とステム102の固定はより強固なものとなる。なお、グランドとして使われる第1の金属パターン105は、スルーホール108によってフレキシブル基板107裏面のグランド金属パターン301と接続されている。
図12に第3の孔501の別実施形態を示す。第3の孔501は、複数のリードピン群103が貫通することになる。この場合、フレキシブル基板107に、第3の孔501を複数あける必要がなくなるため、孔501の製造がしやすくなるという利点がある。
図13は、別実施形態のフレキシブル基板107を示す。フレキシブル基板107には、第2の切り込み502が入れられている。この場合、折り目A-A’近傍にて、フレキシブル基板がより折りやすい。また、二股に分かれたフレキシブル基板を、任意の方向、例えば、互い違いの方向に折り、ステムに取り付けることが出来るという利点を有する。
図14に光半導体装置の断面図を示す。図14で示されたCAN型光パッケージは、ステム102がセラミック601の積層で構成されており、ステム102の表面及び内部には、第4の金属パターン602がパターニングされ、ビア603が内包される。このように、第1のリードピン103がステム102の裏面よりほぼ垂直に取り付けられているCAN型光パッケージであれば、本発明のアイディアは適用でき、CAN型光パッケージの材質、構成、形状によらない。
図14に戻って、第2の金属パターン106は、半田117によってステム102上の、第4の金属パターン602と固着導通が取られている。すなわち、第2のリードピン104は必ずしも必要ではなく、金属パターン同士の半田固着、または導電性接着剤による固着でも十分である。
図14に戻って、第1のリードピン根元部604は太くなっている。これは、以下の理由による。フレキシブル基板107を曲げた場合、実際には、図示したR(数百ミクロン程度)の曲率半径を有した曲げと成る。すなわち、第1のリードピン根元部604と第1の金属パターン105の間には空隙が多少なりとも開いてしまう。このような空隙において、伝送線路のインピーダンスは増加し、高周波信号の反射を引き起こし易くなることが知られている。そこで、本発明では、第1のリードピン根元部604を太くすることで、インピーダンスを故意に低下させており、全体のインピーダンスの増加を防いでいる。
図15に光半導体装置の断面図を示し、図16にフレキシブル基板の上面図を示す。これは、図14でしめしたCAN型光パッケージのリードピン103が、第3の孔501を貫通しているものである。フレキシブル基板の第1の金属パターン105は、第1のリードピン103が固着される部分において、半田117による固着を強固にするため、第1のリードピン103の直径よりも太くなっている部分を有する形態となっている。
図17にフレキシブル基板107の上面図を示す。フレキシブル基板107の第2の金属パターン106は、フレキシブル基板107が曲げられる箇所A-A’近傍において、太くなっている。この場合、フレキシブル基板107が曲げられたとき、第2の金属パターン106の断線が少なくなるという利点を有する。
図18は、図17に示したフレキシブル基板のD-D’における断面図の一例である。フレキシブル基板107が曲げられる箇所において、表面または裏面の樹脂層203の一部は、取り払われて良い。この場合、フレキシブル基板107を曲げやすいという利点を有する。樹脂層203は、樹脂や接着剤を含む有機材料で構成されている。
図19は、図18に示したフレキシブル基板107の一例である。本構造は、フレキシブル基板107を曲げたときに、第2の金属パターン106が破断する恐れがある場合に適している。表面の樹脂層203の一部が取り払われているため、第2の金属パターン106上に半田117を固着することが出来、金属パターン106の補強を行うことが可能となる。
図20に、図17に示すフレキシブル基板のD-D’における断面図の一例である。金属パターンで空気中に晒される部分は、腐食防止のために、ニッケルを下地とする金メッキが施されることが多い。ニッケル材質は延性が少なく、金属パターン106を曲げた場合、金属パターンの破断を引き起こすことが多く問題である。そこで、金属パターン106上には、樹脂層203が取り付けられており、ニッケルを下地とする金メッキを施す必要性が無くなるという利点がある。
図21はフレキシブル基板の上面図、図22は図21に示したフレキシブル基板を用いた光半導体装置の断面図である。第3の孔501が、第1の金属パターン105の一部の三方向を囲んでいる形状となっている。この場合、第1の金属パターン105の端部を第1のリードピン103の根元まで近接させた場合においても、フレキシブル基板107には急峻な曲げが加わらなくなる。すなわち、第2の金属パターン106の破断がしにくくなるという利点がある。
図23に、光半導体装置の実施例を示す斜視図を示し、そのフレキシブル基板の上面図を図24に示す。第3の孔501は、第1の金属パターン105の一部の三方向を、囲んだ形状となっている。この場合、フレキシブル基板107を急峻に曲げることなく、第1の金属パターン105の該端部を第1のリードピン103の根元まで近接させることが出来るという利点を有する。
図25は、光半導体装置の実施例を示す斜視図である。ステム102には台座1101が取り付けられており、台座1101には、第1のリードピン103が取り付けられている。また、フレキシブル基板105には、第2の切れ込502があり、台座1101は第2の切れ込み502の中に位置する。この光半導体装置では、第1のリードピン103が取り付けられた位置の高さは、第2のリードピン104が取り付けられた位置の高さよりも高くなっている。このような形態では、フレキシブル基板105の曲げ曲率半径が大きくした場合でも、第1のリードピン103の根元部と第1の金属パターン端部を近接させることが出来るという利点を有する。すなわち、第2の金属パターン106の破断等を避けると同時に、高周波信号の伝送を良くすることが可能となる。
光通信分野で利用されるCAN型光パッケージを用いた光半導体装置において、フレキシブル基板とCAN型光パッケージ両者が強固に接続され、接続部において、高周波信号の反射が少なく高周波特性の良い光半導体装置を提供することができる。
本発明第1の実施形態を示す斜視図である。 本発明第1の実施形態を示す断面図である。 本発明第1の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第2の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第2の実施形態のフレキシブル基板を示す断面図である。 本発明第2の実施形態のフレキシブル基板を示す断面図である。 本発明第3の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第4の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第5の実施形態を示す斜視図である。 本発明第5の実施形態を示す断面図である。 本発明第5の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第5の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第5の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第6の実施形態を示す断面図である。 本発明第7の実施形態を示す断面図である。 本発明第7の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第8の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第8の実施形態のフレキシブル基板を示す断面図である。 本発明第8の実施形態のフレキシブル基板を示す断面図である。 本発明第9の実施形態のフレキシブル基板を示す断面図である。 本発明第10の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第10の実施形態を示す断面図である。 本発明第10の実施形態を示す斜視図である。 本発明第10の実施形態のフレキシブル基板を示す上面図である。 本発明第12の実施形態を示す斜視図である。 本発明の効果を示すグラフである。 本発明の効果を確認するための断面図である。 本発明の効果を確認するための断面図である。
符号の説明
101…蓋、
102…ステム、
103…第1のリードピン、
104…第2のリードピン、
105…第1の金属パターン、
106…第2の金属パターン、
107…フレキシブル基板、
108…スルーホール、
109…第3の金属パターン、
110…プリント基板、
111…スルーホール、
112…絶縁体、
113…窓、
114…電子素子、
115…光素子、
116…ワイヤ、
117…半田、
118…第1の孔、
201…第1の切れ込み、
202…第2の孔、
203…樹脂層、
204…ベースフィルム、
301…電源またはグランド金属パターン、
501…第3の孔、
502…第2の切れ込み、
601…セラミック、
602…第4の金属パターン、
603…ビア、
604…第1のリードピン根元部、
1101…台座。

Claims (16)

  1. ステム底面に対して法線方向に第1および第2のリードピンを含む複数のリードピンが取り付けられたCAN型光パッケージと、
    前記リードピンと固着導通される金属パターンが設けられたフレキシブル基板とを備え、
    前記フレキシブル基板は、該基板の第1の主表面上に第1の金属パターンが設けられた第1領域と、前記第1の金属パターンが設けられていない第2領域とを有するとともに、第2の金属パターンは、前記第1の主表面と対向する第2の主表面上に設けられており、
    前記第1領域は、前記第1領域と前記第2領域の境界近傍で曲げられ前記ステム底面に対してほぼ直角をなし、
    前記第2領域は、前記ステム底面に沿って固着され、
    前記第1のリードピンと前記第1の金属パターンとが概ね水平をなすように固着導通され、
    前記第2のリードピンは、前記フレキシブル基板に設けられた第1の孔を貫通して、前記第2の金属パターンと固着導通されることを特徴とする光半導体装置。
  2. 前記第2の金属パターンのすくなくとも一部が、前記第1領域の前記第2の主表面にあることを特徴とする請求項記載の光半導体装置。
  3. 前記第1のリードピンの一部は、高周波信号を伝搬するために使用され、
    前記第2のリードピンは、電源、グランド、低周波信号を伝搬するために使用されることを特徴とする請求項1又は2記載の光半導体装置。
  4. 前記フレキシブル基板は、前記第1領域と前記第2領域の境界近傍に設けられた第1の切り込みまたは第2の孔を備え、
    前記第1の切り込みまたは前記第2の孔付近で、前記フレキシブル基板が概ね直角に曲げられていることを特徴とする請求項1乃至3に記載の光半導体装置。
  5. 前記第2の主表面には、幅広の電源またはグランド金属パターンが設けられ、前記グランド金属パターンの一端部が前記フレキシブル基板が概ね垂直に曲げられる箇所に位置することを特徴とする請求項記載の光半導体装置。
  6. 前記第2の金属パターンの幅が、前記フレキシブル基板がおおむね直角に曲げられる箇所で細くなっていることを特徴とする請求項記載の光半導体装置。
  7. 前記フレキシブル基板は、前記境界近傍にその一辺を有する第2の切り込みまたは第3の孔を備え、
    前記第2の切り込みの前記一端付近または前記第3の孔の前記一端付近まで、前記第1の金属パターンが設けられており、前記第1の金属パターンと前記第1のリードピンが概ね水平を成すように固着導通されることを特徴とする請求項記載の光半導体装置。
  8. ステム底面に対して法線方向に少なくとも一つの第1のリードピンが取り付けられたCAN型光パッケージと、
    前記リードピンと固着導通される金属パターンが設けられたフレキシブル基板とを備え、
    前記ステムは、複数のセラミック層が積層されてなり、
    前記セラミック層のそれぞれの表面には、金属パターンがパターニングされた電極パッドが設けられ、前記セラミック層のそれぞれがビアを介して前記電極パッドと電気的に接続され、さらに前記第1のリードピンに電気的に接続され、
    前記フレキシブル基板は、該基板の第1の主表面上に第1の金属パターンが設けられた第1領域と、前記第1の金属パターンが設けられていない第2領域とを有するとともに、第2の金属パターンは、前記第1の主表面に対向する第2の主表面上に設けられており、
    前記第1領域は、前記第1領域と前記第2領域の境界近傍で曲げられ前記ステム底面に対してほぼ直角をなし、
    前記第2領域は、前記ステム底面に沿って固着され、
    前記第1のリードピンと前記第1の金属パターンとが概ね水平をなすように固着導通され、
    前記電極パッドと前記第2の金属パターンとが固着導通されることを特徴とする光半導体装置。
  9. 前記第1のリードピンの断面太さが、前記ステム接続部において太くなっていることを特徴とする請求項記載の光半導体装置。
  10. 前記フレキシブル基板の前記第1の金属パターンは、前記第1のリードピンが固着される部分において、前記第1のリードピンの幅よりも太くなっている部分を有することを特徴とする請求項または記載の光半導体装置。
  11. 前記第2の金属パターンは、概ね前記フレキシブル基板が曲げられる箇所において、太くなっていることを特徴とする請求項または記載の光半導体装置。
  12. 前記フレキシブル基板に設けられた金属パターンを覆う樹脂層の一部が、概ね前記フレキシブル基板が曲げられる箇所において、取り払われていることを特徴とする請求項または記載の光半導体装置。
  13. 前記フレキシブル基板上の第2の金属パターンは、概ね前記フレキシブル基板が曲げられる箇所において、半田固着されていることを特徴とする請求項または記載の光半導体装置。
  14. 前記フレキシブル基板上の第2の金属パターンが、概ね前記フレキシブル基板が曲げられる箇所において、樹脂層によって覆われていることを特徴とする請求項または記載の光半導体装置。
  15. 前記第1のリードピンの前記ステム底面からの高さが、前記第2のリードピンの前記ステム底面からの高さより高くなるように設定されていることを特徴とする請求項または記載の光半導体装置。
  16. 請求項1または請求項8に記載の光半導体装置と、
    プリント基板と、を備え、
    前記フレキシブル基板は、前記第2の主表面側にて前記プリント基板と接続される
    ことを特徴とする光トランシーバ。
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