JP7243449B2

JP7243449B2 - 光モジュール

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Publication number: JP7243449B2
Application number: JP2019098133A
Authority: JP
Inventors: 大徳東; 哲男石坂; 孝二大坪
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: JP2020194019A; US20200373691A1; CN111983758A; US11710914B2

Description

本発明は、光モジュールに関する。

一般に、光信号の通信に用いられる光トランシーバは、光と電気の信号変換を行う光デバイス部分と、電気信号に対する信号処理を行う電気回路部分とに分けられる。光トランシーバの小型化、高機能化及び低価格化の要求はますます高まっており、光デバイス部分については、光変調器などの光素子を金属パッケージ内に集積するＯＳＡ（Optical Sub Assembly）の形態から、これらの光素子を回路基板上に直接又は中継基板を用いて実装する形態へシフトしつつある。

回路基板上に光素子を直接実装するＣＯＢ（Chip on Board）などの形態は、例えば金属パッケージなどの高コスト部材を削減したり、部品のリフロー実装によって工程を簡略化したりすることを可能にし、低コスト化を見込むことができる。また、中継基板上に光素子を実装してサブアセンブリとした後に、中継基板を回路基板上にリフロー実装することにより、組立性の向上が図られることもある。

ところで、光デバイス部分には、光変調器などの光素子の他に、例えばレンズやファイバなどの光学部品が実装される。光学部品は、光素子と光ファイバとの光結合を行う部品であり、実装には例えば１μｍ以下の高い位置精度が要求されることがある。このため、実装性、設備コスト及び小型集積化などの点から、近年では光学部品用の精密接着材を用いて、光学部品が実装されるのが一般的である。

特開平８－１７２１４４号公報特開２００９－１０５１９９号公報米国特許出願公開第２０１５／００９８６７５号明細書米国特許出願公開第２０１６／０３７９９１１号明細書

しかしながら、接着材による光学部品の実装と他の部品のリフロー実装との両立が困難であるという問題がある。すなわち、例えばＣＯＢ形態や中継基板を回路基板上にリフロー実装する形態においては、例えばレンズなどの光学部品が搭載された回路基板又は中継基板がリフロー時に高温に加熱される。このとき、光学部品の実装に用いられる接着剤が融解又は変形することにより、光学部品の実装位置がずれて所望の性能が得られなくなることがある。

具体的に例を挙げると、一般的にリフローに使用されるＳＡＣ（Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ）はんだは融点が２２０度程度であるため、部品は例えば２５０度程度にまで加熱される。一方で、光学部品用の精密接着材のガラス転移温度は、数十度から百数十度程度である。このため、接着材によって光学部品が実装された回路基板又は中継基板に対してリフローが行われると、硬化していた接着材が変性し、光学部品の位置ずれが発生する。結果として、光結合の精度が低下し、所望の性能が得られなくなる。

最近では、ガラス転移温度が２００度程度の高耐熱の精密接着材が開発されているが、接着材自体が高価であるためコストが増加する上に、このような高耐熱の接着材のガラス転移温度もＳＡＣはんだの融点よりは低く、リフローによる光学部品の位置ずれが発生し得る。また、高耐熱接着材と併せて低融点はんだを用いることも考えられるが、コストがさらに上昇するため現実的ではない。このように、高い位置精度が要求される光学部品の接着材による実装と、他の部品のリフローによる実装とは両立が困難である。

開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、光学部品の接着実装と他の部品のリフロー実装とを両立することができる光モジュールを提供することを目的とする。

本願が開示する光モジュールは、１つの態様において、接着材によって光学部品が接着される第１の基板と、前記第１の基板から立ち上がり、前記第１の基板の材料よりも熱伝導率が小さい材料からなる接続構造部と、前記接続構造部と接合される第２の基板とを有する。

本願が開示する光モジュールの１つの態様によれば、光学部品の接着実装と他の部品のリフロー実装とを両立することができるという効果を奏する。

図１は、一実施の形態に係る光モジュールの外観を示す斜視図である。図２は、一実施の形態に係る光モジュールの構成を示す図である。図３は、光処理部周辺を拡大して示す図である。図４は、光処理部の構成を示す斜視図である。図５は、回路基板の構成を示す図である。図６は、光処理部の構成を示す斜視図である。図７は、一実施の形態に係る光モジュールの製造方法を示すフロー図である。図８は、主基板と接続構造部の構成例を示す図である。図９は、周辺部品実装を説明する図である。図１０は、光学部品実装を説明する図である。図１１は、カバー装着を説明する図である。図１２は、リフローを説明する図である。図１３は、光処理部の他の構成を示す図である。図１４は、光処理部と回路基板の接続を説明する図である。

以下、本願が開示する光モジュールの一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、一実施の形態に係る光モジュール１００の外観を示す斜視図である。光モジュール１００は、例えば光信号の通信に用いられる光トランシーバなどの光伝送装置であっても良い。光モジュール１００は、例えば金属製の筐体１１０に光コネクタ部１２０が設けられた構成を有する。筐体１１０は、光モジュール１００の回路基板及び各種部品を内部に保持し支持する。光コネクタ部１２０は、光ファイバを挿抜可能なコネクタであり、光ファイバが接続されることにより、光モジュール１００への光信号の入出力部となる。

図２は、一実施の形態に係る光モジュール１００の構成を示す図である。図２においては、光モジュール１００の断面が模式的に示されている。図２に示すように、光モジュール１００は、筐体１１０、光コネクタ部１２０、ヒートシンク１３０、回路基板１４０、光処理部１５０、ＩＣ（Integrated Circuit）チップ１６０、放熱部材１７０、１７５、電子部品１８０及び光ファイバ１９０を有する。

ヒートシンク１３０は、例えばアルミなどの金属製であり、放熱部材１７０、１７５によって光処理部１５０及びＩＣチップ１６０から吸収された熱を放熱する。ヒートシンク１３０は、空気に触れる表面積を大きくして放熱効率を向上するため、複数の放熱フィンを有する。

回路基板１４０は、光処理部１５０、ＩＣチップ及び電子部品１８０を搭載する基板である。回路基板１４０の表面及び内層には、各種の部品を電気的に接続する配線がプリントされている。回路基板１４０への光処理部１５０、ＩＣチップ及び電子部品１８０の実装時には、リフローが行われる。

光処理部１５０は、光信号の処理をする部品を保持し、光コネクタ部１２０との間で光信号を入出力するとともに、光電変換を行って、回路基板１４０との間で電気信号を入出力する。光処理部１５０は、例えばレンズ及び光フィルタなどの光学部品と、例えば光変調器及びドライバなどの周辺部品とを搭載する主基板を有し、主基板が断熱性の高い接続構造部によって回路基板１４０上に接続される構成を有する。光処理部１５０の構成については、後に詳述する。

ＩＣチップ１６０は、回路基板１４０の表面に搭載され、電気信号を用いた種々の処理を実行する。ＩＣチップ１６０は、回路基板１４０の両面に実装されても良い。

放熱部材１７０は、発熱しやすいＩＣチップ１６０などの部品に接触して設けられ吸熱する。そして、放熱部材１７０は、熱を筐体１１０及びヒートシンク１３０へ伝達し、放熱する。

放熱部材１７５は、発熱しやすい光処理部１５０に接触して設けられ吸熱する。そして、放熱部材１７５は、熱を筐体１１０及びヒートシンク１３０へ伝達し、放熱する。

電子部品１８０は、例えばコンデンサや抵抗器などの部品であり、回路基板１４０の表面又は内層の配線に接続される。

光ファイバ１９０は、光コネクタ部１２０と光処理部１５０を接続する。すなわち、光ファイバ１９０は、一端が光コネクタ部１２０に接続され、他端が光処理部１５０に接続される。そして、光ファイバ１９０は、光コネクタ部１２０と光処理部１５０の間で光信号を伝送する。光コネクタ部１２０に外部から光ファイバが接続された状態では、この光ファイバと光ファイバ１９０とが光結合する。

図３は、光処理部１５０周辺を拡大して示す図である。図３に示すように、光処理部１５０は、主基板１５１と接続構造部１５２とを有し、主基板１５１の一方の面に光学部品２１０、周辺部品２２０及びＴＥＣ（Thermoelectric Cooler）２３０を搭載する構成となっている。そして、主基板１５１の他方の面には放熱部材１７５が接触し、主に周辺部品２２０から発生する熱を放熱部材１７５が吸収する。主基板１５１は、例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）を材料とし、表面に光学部品２１０及び周辺部品２２０を搭載するとともに、周辺部品２２０及びＴＥＣ２３０に接続する配線を有する。

光学部品２１０は、例えばフェルール、レンズ及び光フィルタなどを含み、光信号が通過する光路を構成する。これらの光学部品２１０は、精密接着材によって主基板１５１に接着されている。周辺部品２２０は、光変調器又は光復調器などの光素子やドライバ及びアンプなどを含み、光信号と電気信号を相互に変換する。これらの周辺部品２２０は、例えばＳＡＣはんだを用いたリフローによって主基板１５１に実装されている。また、周辺部品２２０は、例えばワイヤボンディングによって主基板１５１の配線又は他の周辺部品２２０と電気的に接続される。ＴＥＣ２３０は、主に周辺部品２２０の温度を制御する素子であり、主基板１５１に埋設されている。ＴＥＣ２３０は、周辺部品２２０に接触し、発熱する周辺部品２２０を冷却する。

主基板１５１の周縁部には、接続構造部１５２が立ち上がり、接続構造部１５２が回路基板１４０に接合される。接続構造部１５２の内部には、主基板１５１の配線と回路基板１４０の配線とを電気的に接続するビアパタン１５２ａが形成されている。後述するように、接続構造部１５２は、主基板１５１周縁の４辺のうち３辺において立ち上がり、主基板１５１を回路基板１４０上に支持する。接続構造部１５２は、例えば絶縁性の樹脂を材料とするが、主基板１５１の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料から構成される。すなわち、接続構造部１５２は、主基板１５１よりも熱を伝達しにくい。好ましくは、接続構造部１５２は、断熱材料からなる。

図４に示すように、接続構造部１５２は、回路基板１４０上の配線１４１とビアパタン１５２ａが接続するように回路基板１４０上にリフロー実装される。このリフロー実装の際には、回路基板１４０が加熱されるが、接続構造部１５２の熱伝導率が低いため、回路基板１４０から主基板１５１への熱伝導が抑制される。このため、主基板１５１に搭載される光学部品２１０を接着する接着材が加熱されることがなく、接着材の変形による光学部品２１０の位置ずれを防止することができる。また、主基板１５１が接続構造部１５２に支持されるため、主基板１５１と回路基板１４０の間には空間ができ、この空間を利用して回路基板１４０に電子部品１８０を実装することができる。結果として、回路基板１４０の表面を有効利用し、実装面積を小さくすることができる。

具体的には、例えば図５に示すように、回路基板１４０の光処理部１５０が搭載される領域には、接続構造部１５２のビアパタン１５２ａに対応する位置に配線１４１が形成される。また、主基板１５１に対向する位置には、電子部品１８０が実装される。なお、図５においては図示を省略したが、回路基板１４０には、ＩＣチップ１６０などが実装されていても良い。

一方、例えば図６に示すように、光処理部１５０の主基板１５１には、フェルール２１１、レンズ２１２及び光フィルタ２１３などの光学部品２１０と、光素子２２１及びドライバ２２２などの周辺部品２２０とが搭載される。

フェルール２１１は、光ファイバ１９０の一端を保持し、光ファイバ１９０の端面をレンズ２１２の位置に合わせる。レンズ２１２は、光ファイバ１９０から出射される光信号を光フィルタ２１３へ入力するか、又は光フィルタ２１３から出力される光信号を光ファイバ１９０へ入力する。光フィルタ２１３は、レンズ２１２から入力される光信号又は光素子２２１から入力される光信号をフィルタリングする。これらの光学部品２１０は、例えば１μｍ程度の誤差で高精度に位置合わせされた上で、主基板１５１に接着材によって接着される。

光素子２２１は、例えば光変調器又は光復調器などを含み、光源からの光を変調して光信号を光学部品２１０へ出力したり、光学部品２１０から入力される光を復調して電気信号を取得したりする。ドライバ２２２は、光素子２２１を駆動し、電気信号を光素子２２１へ入力したり、光素子２２１から電気信号を取得したりする。ドライバ２２２は、例えばワイヤボンディングによって主基板１５１の配線に接続し、この配線と接続構造部１５２のビアパタン１５２ａとを介して、回路基板１４０の配線１４１と電気的に接続される。光素子２２１及びドライバ２２２は、発熱する可能性があるため、ＴＥＣ２３０上に配置されても良い。光素子２２１及びドライバ２２２などの周辺部品２２０は、例えばリフローによって主基板１５１に実装される。周辺部品２２０がリフロー実装される場合には、光学部品２１０よりも先に主基板１５１に実装される。

光学部品２１０及び周辺部品２２０を三方から囲む主基板１５１の周縁部には、接続構造部１５２が立ち上がる。すなわち、光ファイバ１９０が接続する１辺を除く主基板１５１の３辺において、接続構造部１５２が立ち上がる。接続構造部１５２は、主基板１５１の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料を用いて形成される。接続構造部１５２の内部には、周辺部品２２０に入出力される電気信号を回路基板１４０へ伝達する導体のビアパタン１５２ａが形成される。すなわち、ビアパタン１５２ａは、主基板１５１に接する面から回路基板１４０に接する面まで接続構造部１５２内を貫通する貫通孔に導体が配置されて形成され、主基板１５１上の配線と回路基板１４０上の配線１４１とを接続する。

図６のように構成された光処理部１５０は、上下反転されて図５に示した回路基板１４０に接合される。このとき、回路基板１４０上の配線１４１と接続構造部１５２のビアパタン１５２ａとが接触するように位置合わせされてリフロー実装される。リフロー実装においては、回路基板１４０が加熱されて配線１４１とビアパタン１５２ａがはんだ付けされるが、接続構造部１５２の熱伝導率が低いため、回路基板１４０から主基板１５１への熱伝導が抑制される。このため、主基板１５１に搭載される光学部品２１０を接着する接着材が加熱されることがなく、接着材の変形による光学部品２１０の位置ずれを防止することができる。

次いで、上記のように構成される光モジュール１００の製造方法について、具体的に例を挙げながら、図７に示すフロー図を参照して説明する。

まず、光学部品２１０及び周辺部品２２０を搭載する光処理部１５０が作成される。具体的には、例えば図８に示すように、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）を材料とする主基板１５１に配線１５１ａが配置されるとともに、ＴＥＣ２３０が埋設されて、主基板１５１が作成される（ステップＳ１０１）。主基板１５１は、単層基板でも積層基板でも良く、掘り込み又は段付きの基板でも良い。主基板１５１の一方の面には発熱する周辺部品２２０が実装され、他方の面には放熱部材１７５が取り付けられるため、比較的熱伝導率が高い材料を用いて主基板１５１を作成することにより、放熱効率を向上することができる。

また、主基板１５１の材料よりも熱伝導率が低い樹脂を材料として、接続構造部１５２が作成される（ステップＳ１０２）。すなわち、主基板１５１周縁の３辺に対応するＵ字型に樹脂が成形され、主基板１５１の配線１５１ａに対応する位置にビアパタン１５２ａが配置される。ビアパタン１５２ａの径は、可能な限り小さくし、ビアパタン１５２ａを介した熱伝導の発生を低減する。また、接続構造部１５２の内壁には、段差１５２ｂが設けられる。段差１５２ｂは、接続構造部１５２が主基板１５１に接合された際に、主基板１５１からの高さが、光学部品２１０及び周辺部品２２０の高さよりも高い位置に設けられる。後述するように、段差１５２ｂは、光学部品２１０及び周辺部品２２０を保護するカバーの位置決めをする。

主基板１５１及び接続構造部１５２は、ＡｕＳｎ（金錫）、はんだ又は導電性接着材によって接合される（ステップＳ１０３）。このとき、主基板１５１の配線１５１ａと接続構造部１５２のビアパタン１５２ａとが接続される。

そして、例えば図９に示すように、主基板１５１上に周辺部品２２０が実装される（ステップＳ１０４）。すなわち、光素子２２１及びドライバ２２２などが例えばＡｕＳｎ又は接着材によって主基板１５１上に実装される。このとき、周辺部品２２０は、ＴＥＣ２３０上に配置されても良い。そして、必要に応じてワイヤボンディングにより周辺部品２２０と主基板１５１上の配線１５１ａとが電気的に接続される。なお、周辺部品２２０は、ワイヤボンディングではなく、フリップチップ実装されても良い。

そして、例えば図１０に示すように、主基板１５１上に光学部品２１０が実装される（ステップＳ１０５）。すなわち、フェルール２１１、レンズ２１２及び光フィルタ２１３などが例えば精密接着材によって主基板１５１上に接着される。光学部品２１０を接着する接着材としては、例えば紫外線が照射されることによって硬化する紫外線硬化樹脂などを用いることができる。光学部品２１０の実装は、例えば１μｍ程度の小さな位置誤差で行われる。

主基板１５１上に光学部品２１０及び周辺部品２２０が実装されると、カバー２４０が接続構造部１５２に装着される（ステップＳ１０６）。カバー２４０は、段差１５２ｂによって位置決めされ、接続構造部１５２の内壁に支持されることにより、光学部品２１０及び周辺部品２２０を覆う。これにより、光処理部１５０が完成する。

そして、光処理部１５０は、他のＩＣチップ１６０などの部品とともに、回路基板１４０にリフロー実装される（ステップＳ１０７）。具体的には、例えば図１２に示すように、配線１４１にリフローはんだが塗布された回路基板１４０が加熱され、上下反転された光処理部１５０が回路基板１４０上に接合される。このとき、配線１４１と接続構造部１５２のビアパタン１５２ａとが位置合わせされる。リフロー時には、回路基板１４０が加熱されているが、回路基板１４０に接触する接続構造部１５２の熱伝導率は小さい。このため、回路基板１４０から主基板１５１への熱伝導が抑制され、主基板１５１が加熱されることはない。これにより、主基板１５１に搭載される光学部品２１０を接着する接着材が加熱されることがなく、接着材の変形による光学部品２１０の位置ずれを防止することができる。

また、リフロー時には、はんだからのフラックス飛散が発生することがあるが、カバー２４０によって光学部品２１０及び周辺部品２２０が保護されているため、飛散したフラックスが光学部品２１０などに付着することがない。結果として、光路がフラックスによって遮断されることがなく、確実な光信号の入出力が可能となる。

回路基板１４０に実装された光処理部１５０及びＩＣチップ１６０には、必要に応じて放熱部材１７０、１７５が取り付けられ、回路基板１４０が筐体１１０に組み込まれる。このとき、光ファイバ１９０が光コネクタ部１２０に接続される。これにより、光モジュール１００が完成する。

以上のように、本実施の形態によれば、接着材によって光学部品が接着された主基板と、主基板の周縁部から立ち上がり、主基板の材料よりも熱伝導率が小さい材料からなる接続構造部とによって光処理部を形成し、光処理部の接続構造部が他の部品とともに回路基板にリフロー実装される。これにより、リフロー実装時に回路基板が加熱されても、回路基板から主基板への熱伝導が接続構造部によって抑制され、主基板に接着された光学部品の位置ずれを防止することができる。換言すれば、光学部品の接着実装と他の部品のリフロー実装とを両立することができる。

なお、上記一実施の形態においては、主基板１５１の周縁部の３辺において接続構造部１５２が立ち上がるものとしたが、接続構造部１５２の位置はこれに限定されない。例えば図１３に示すように、主基板１５１の周縁部の対向する２辺において接続構造部１５２が立ち上がるようにしても良い。また、例えば主基板１５１の四隅に接続構造部１５２が配置されても良い。すなわち、接続構造部１５２は、必ずしも一体形成されなくても良く、主基板１５１上の複数の位置に分離して配置されても良い。

また、上記一実施の形態においては、接続構造部１５２のビアパタン１５２ａによって周辺部品２２０と回路基板１４０の配線１４１とが電気的に接続されるものとしたが、これに限定されない。すなわち、例えば図１４に示すように、周辺部品２２０と回路基板１４０の配線１４１とが可撓性のフレキシブル基板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuits）３０１によって電気的に接続されても良い。この場合、例えば電源電圧は接続構造部１５２のビアパタン１５２ａを介して供給される一方、高周波信号はＦＰＣ３０１を介して入出力されるようにしても良い。高周波信号をＦＰＣ３０１を介して入出力することにより、接続構造部１５２の材料選択において、例えば誘電率などの高周波特性を考慮する必要がなくなり、柔軟な設計をすることが可能となる。

１１０筐体
１２０光コネクタ部
１３０ヒートシンク
１４０回路基板
１５０光処理部
１５１主基板
１５１ａ配線
１５２接続構造部
１５２ａビアパタン
１５２ｂ段差
１６０ＩＣチップ
１７０、１７５放熱部材
１８０電子部品
１９０光ファイバ
２１０光学部品
２２０周辺部品
２３０ＴＥＣ
２４０カバー
３０１ＦＰＣ

Claims

接着材によって第１の面に光学部品が接着され、前記第１の面に搭載される部品から発生する熱を第２の面に伝達する第１の基板と、
前記第１の基板の前記第２の面に接触し、前記第１の基板の前記第１の面から前記第２の面に伝達された熱を放熱する放熱部材と、
前記第１の基板の前記第１の面側から立ち上がり、前記第１の基板の材料よりも熱伝導率が小さい材料からなる接続構造部と、
前記接続構造部と接合される第２の基板とを有し、
前記光学部品は、光信号が通過する光路を構成することを特徴とする光モジュール。
前記第１の基板は、
光信号と電気信号を相互に変換する周辺部品を搭載し、
前記接続構造部は、
前記周辺部品に入出力される電気信号を前記第２の基板へ伝達する導体部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記第２の基板は、
前記第１の基板と対向する位置に電子部品を搭載する
ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記接続構造部によって支持され、前記光学部品を覆うカバー部材をさらに有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記第１の基板に配置される配線と前記第２の基板に配置される配線とを接続する可撓性のフレキシブル基板をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記第１の基板に接触し、前記第１の基板に搭載される部品から発生する熱を放熱する放熱部材をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記接続構造部は、
前記第２の基板にリフロー実装されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記光学部品の実装は、前記接着材で１μｍ以下の位置誤差で行われることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。