JP7245626B2

JP7245626B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP7245626B2
Application number: JP2018181872A
Authority: JP
Inventors: 幸一大森
Original assignee: 日本ルメンタム株式会社
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: JP2020053567A

Description

本発明は、光モジュールに関する。

送受信機能を有する光モジュール（トランシーバ）は、ホスト装置に設けられたケージに挿入されて使用される。ケージにはヒートシンク（ヒートスプレッダ）が取り付けられており、光モジュールを冷却するようになっている（特許文献１）。ケージの底面はプリント基板に固定されるので、ヒートシンクはケージの上面のみに設けられ、光モジュールのケースの上面から熱が伝えられる。あるいは、ヒートシンクを光モジュールのケースに設けることもある。特許文献２には、光モジュールの上面にヒートシンクを取り付けた例が開示されている。いずれにしても、ヒートシンクは、ケージ又は光モジュールの片側にのみ設けられる。

特開２０１７－１１１４２１号公報特開２００４－６３８６１号公報

光モジュールは発熱体を含む電子部品を内蔵し、その構造によって上側から熱を伝えることが難しいときには、底面から放熱することになる。しかし、電子部品の底面からの放熱では、ヒートシンクとは反対側であるために、放熱性が不十分であり、十分に光モジュールを冷却することができず、特性・消費電力の観点で良好な特性が得られないおそれがある。

本発明は、十分な放熱性を確保することを目的とする。

（１）本発明に係る光モジュールは、光信号及び電気信号を少なくとも一方から他方に変換するための光サブアセンブリと、熱を発生する電子部品と、相反する第１面及び第２面を有し、前記第１面に前記電子部品が搭載され、前記光サブアセンブリに電気的に接続され、前記電子部品に重なる貫通穴を有するプリント基板と、合体した第１ケース及び第２ケースを含み、前記第１ケースは前記第１面と対向し、前記第２ケースは前記第２面と対向し、前記光サブアセンブリ、前記電子部品及び前記プリント基板を収容する筐体と、前記電子部品に熱的に接触するように、前記プリント基板の前記貫通穴の内側に配置された第１熱伝導部材と、前記第１ケースと前記第１面の間にある第１部分と、前記第２ケースと前記第２面の間にある第２部分と、前記プリント基板の側方で前記第１部分及び前記第２部分を接続する第３部分と、を一体的に含む第２熱伝導部材と、を有し、前記第１熱伝導部材と前記第２熱伝導部材は、熱的に接触し、前記第２熱伝導部材の前記第１部分は、前記第１ケースと熱的に接触していることを特徴とする。

本発明によれば、プリント基板の第１面に電子部品が搭載されており、反対側の第２面から第１面の方向に、第２熱伝導部材によって熱を伝えることができる。これにより、十分な放熱性を確保することができる。

（２）（１）に記載された光モジュールであって、前記第１熱伝導部材は、サーマルビアを形成するために前記貫通穴の内面に設けられた金属層を含むことを特徴としてもよい。

（３）（１）又は（２）に記載された光モジュールであって、前記第１熱伝導部材は、金属ブロックを含むことを特徴としてもよい。

（４）（１）から（３）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記第２熱伝導部材の前記第２部分は、前記第２ケースと熱的に接触していることを特徴としてもよい。

（５）（１）から（４）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記第１ケースと前記第２熱伝導部材の前記第１部分の間に介在する熱伝導グリスをさらに有することを特徴としてもよい。

（６）（１）から（５）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記プリント基板は、前記第２熱伝導部材の前記第３部分の隣に、切り欠きを有することを特徴としてもよい。

（７）（１）から（６）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記第１熱伝導部材と前記第２熱伝導部材の前記第２部分の間に熱的に接触するように介在する第３熱伝導部材をさらに有することを特徴としてもよい。

（８）（７）に記載された光モジュールであって、前記第２熱伝導部材の前記第２部分は、前記第３熱伝導部材よりも大きいことを特徴としてもよい。

（９）（８）に記載された光モジュールであって、前記第３熱伝導部材に隣り合って、前記プリント基板の前記第２面に搭載された第２電子部品をさらに有し、前記第２熱伝導部材の前記第２部分は、前記第２電子部品と前記第２ケースの間に至ることを特徴としてもよい。

（１０）（９）に記載された光モジュールであって、前記第３熱伝導部材は、前記第１熱伝導部材に対向するベース部と、前記ベース部から突出するフランジ部と、を含むことを特徴としてもよい。

（１１）（１０）に記載された光モジュールであって、前記フランジ部は、前記第２電子部品に重なることを特徴としてもよい。

実施形態に係る光モジュールの外観図である。実施形態に係る光モジュールが装着されたホスト装置を示す斜視図である。ホスト装置の内部構造を示す斜視図である。図１に示す光モジュールの内部構造を斜め上から見た斜視図である。図１に示す光モジュールの内部構造を斜め下から見た斜視図である。プリント基板の第１面を示す斜視図である。プリント基板の第２面を示す斜視図である。図１に示す光モジュールのVIII－VIII線断面図である。実施形態の変形例１に係る光モジュールの断面図である。実施形態の変形例２に係る光モジュールの断面図である。変形例２で使用される第３熱伝導部材の斜視図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。全図において同一の符号を付した部材は同一又は同等の機能を有するものであり、その繰り返しの説明を省略する。なお、図形の大きさは倍率に必ずしも一致するものではない。

図１は、実施形態に係る光モジュールの外観図である。光モジュール１０は、ビットレートが400 Gbit/s級の、送信機能及び受信機能を有する光受信機（光トランシーバ）である。

図２は、実施形態に係る光モジュール１０が装着されたホスト装置を示す斜視図である。ホスト装置は、例えば、大容量のルータやスイッチであり、例えば交換機の機能を有しており、基地局などに配置される。

図３は、ホスト装置の内部構造を示す斜視図である。ホスト装置は、回路基板１２を有する。回路基板１２には、ケージ１４が取り付けられている。ケージ１４の上面側（回路基板１２とは反対側の外面側）にはヒートシンク１６が取り付けられている。光モジュール１０は、ケージ１４に挿入され、ヒートシンク１６を介して、放熱されるようになっている。熱は、さらに、ホスト装置の通気口１８（図２）から放出される。

図４は、図１に示す光モジュール１０の内部構造を斜め上から見た斜視図である。図５は、図１に示す光モジュール１０の内部構造を斜め下から見た斜視図である。光モジュール１０は、光信号及び電気信号を少なくとも一方から他方に変換するための複数の光サブアセンブリ２０を備えている。複数の光サブアセンブリ２０は、光送信機能を有する光送信サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Subassembly）、光受信機能を有する光受信サブアセンブリ（ＲＯＳＡ：Receiver Optical Subassembly）及び光送受信機能を有する双方向サブアセンブリ（ＢＯＳＡ：Bi-directional Optical Subassembly）のいずれかを含む。光受信サブアセンブリ２０Ａから電気信号が、図３に示すホスト装置の回路基板１２へ伝送される。回路基板１２から電気信号が、光送信サブアセンブリ２０Ｂへ伝送される。

光モジュール１０は、図示しない配線パターンが形成されたプリント基板２２を有する。プリント基板２２は、光サブアセンブリ２０に電気的に接続されている。プリント基板２２は第１面２４を有する。プリント基板２２は、第１面２４とは反対の第２面２６を有する。

図６は、プリント基板２２の第１面２４を示す斜視図である。第１面２４には、熱を発生する第１電子部品２８が搭載されている。また、第１面２４には、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）３０も搭載されており、発熱源の一つとなっている。

図７は、プリント基板２２の第２面２６を示す斜視図である。第２面２６には、電源ＩＣ３２や制御ＩＣ３４のほかに、少なくとも１つの第２電子部品３６が搭載されている。第２電子部品３６は、第１電子部品２８とは重ならない。第１電子部品２８及び第２電子部品３６は、プリント基板２２の幅方向（第１電子部品２８と光サブアセンブリ２０との間の方向に対して直交する方向）にずれている。

図８は、図１に示す光モジュール１０のVIII－VIII線断面図である。第１電子部品２８は、集積回路チップ３８を内蔵する。集積回路チップ３８は、セラミックなどの絶縁体からなるパッケージ基板４０に搭載されて、ビア４２を通して外部との電気的接続を図るようになっている。封止部４４は、コストダウンの要求から樹脂が使用されており、図示しないワイヤの変形を防止するために内部に空間があるため、熱が伝わりにくくなっている。

プリント基板２２は、第１電子部品２８に重なる複数又は１つの貫通穴４６を有する。貫通穴４６の内側には第１熱伝導部材４８が配置されている。第１熱伝導部材４８は、サーマルビアを形成するために貫通穴４６の内面に設けられた金属層である。第１熱伝導部材４８は、第１電子部品２８（その底面）に熱的に接触する。例えば、第１熱伝導部材４８及び第１電子部品２８は、直接的に接触していてもよいし、熱伝導性の接着剤やフィルム、及びはんだなどが介在してもよい。

プリント基板２２の上方には、図示しない配線パターンが形成されたサブプリント基板５０が配置されている。詳しくは、シリコーンなどの熱伝導性を有する材料からなる熱伝導シート５２を介して、第１電子部品２８の上にサブプリント基板５０が載っている。なお、サブプリント基板５０は別の金具などを用いてプリント基板２２の上方に固定されていても構わない。サブプリント基板５０も、第１電子部品２８（熱伝導シート５２）に重なる貫通穴５４を有し、貫通穴５４の内側には熱伝導部材５６が配置されている。この熱伝導部材５６も、サーマルビアを形成するための金属層であってもよい。なお、ここではサブプリント基板５０を用いた例を示したが、サブプリント基板５０が無くても構わない。

光モジュール１０は、筐体５８を有する。筐体５８は、光サブアセンブリ２０、第１電子部品２８及びプリント基板２２を収容する。筐体５８は、合体した第１ケース６０及び第２ケース６２を含む。合体は、ネジなどの締結手段でなされてもよいし、接着剤を使用してもよいが、第１ケース６０及び第２ケース６２は別部材であるため、その接触界面の熱伝導性は十分ではない。なお、第１ケース６０は、プリント基板２２の第１面２４と対向する。第２ケース６２は、プリント基板２２の第２面２６と対向する。また第１ケース６０の外面がケージ１４のヒートシンク１６と対向する。

光モジュール１０は、第２熱伝導部材６４を有する。第２熱伝導部材６４は、第１部分６６を含む。第２熱伝導部材６４の第１部分６６は、第１ケース６０とプリント基板２２（第１面２４）の間であって、第１電子部品２８の上方にある。第１部分６６は、第１ケース６０と熱的に接触する。第１部分６６及び第１ケース６０は、直接的に接触していてもよいが、熱伝導グリス６８が介在している。熱伝導グリス６８は、第１部分６６とサブプリント基板５０の間にも介在する。言い換えると、第１ケース６０とサブプリント基板５０の間に密着して介在する熱伝導グリス６８の中に第１部分６６が配置されている。

第２熱伝導部材６４は、第２部分７０を含む。第２熱伝導部材６４の第２部分７０は、第２ケース６２とプリント基板２２（第２面２６）の間にある。第２部分７０は、第２ケース６２と熱的に接触する。例えば、第２部分７０及び第２ケース６２は、直接的に接触していてもよいし、熱伝導性の接着剤やフィルムなどが介在してもよい。なお、第２部分７０が第２ケース６２と接触していなくても構わない。

第２熱伝導部材６４は、プリント基板２２の側方で第１部分６６及び第２部分７０を接続する第３部分７２を含む。図４～図７に示すように、プリント基板２２は、第２熱伝導部材６４の第３部分７２の隣に切り欠き７４を有する。第３部分７２は、切り欠き７４に収容されることで、プリント基板２２の側方に出っ張らないようになっている。

第１部分６６、第２部分７０及び第３部分７２は連続一体的になっている。第２熱伝導部材６４には、他の部材との熱的な接触の妨げとならないのであれば、表面に電気的絶縁膜が形成されていることが好ましい。第２熱伝導部材６４は例えば金属板、グラファイトなど熱伝導性に優れた材料で構成することが好ましい。

第２熱伝導部材６４は、第１熱伝導部材４８と熱的に接触する。第１熱伝導部材４８と第２部分７０の間に、金属ブロックなどの第３熱伝導部材７６が熱的に接触するように介在する。第２熱伝導部材６４の第２部分７０は、第３熱伝導部材７６よりも大きい。第３熱伝導部材７６に隣り合って、プリント基板２２の第２面２６には、第２電子部品３６が搭載されている。第２熱伝導部材６４の第２部分７０は、第２電子部品３６と第２ケース６２の間に至る。なお、ここでは第３熱伝導部材７６を配置した例を示したが、第３熱伝導部材７６を介さずに第２熱伝導部材６４の第２部分７０と第１熱伝導部材４８とが熱的に接触しても構わない。

本実施形態によれば、プリント基板２２の第１面２４に第１電子部品２８が搭載されており、反対側の第２面２６から第１面２４の方向に、第２熱伝導部材６４によって熱を伝えることができる。第１面２４側の第１ケース６０はヒートシンク１６と熱的に接触するため、十分な放熱性を確保することができる。また図示しないが、第１ケース６０の外面に直接ヒートシンクを設けても構わない。この場合はケージ１４にはヒートシンクは配置されない。

［変形例１］
図９は、実施形態の変形例１に係る光モジュールの断面図である。本変形例では、プリント基板１２２は、第１貫通穴１４６Ａ及び第２貫通穴１４６Ｂを有する。第１貫通穴１４６Ａの内面には、サーマルビアを形成するための金属層１７８が設けられている。第２貫通穴１４６Ｂには、金属ブロック１８０が配置されている。第１熱伝導部材１４８は、金属層１７８及び金属ブロック１８０を含む。

［変形例２］
図１０は、実施形態の変形例２に係る光モジュールの断面図である。本変形例では、第３熱伝導部材２７６の形状が異なる。図１１は、本変形例で使用される第３熱伝導部材２７６の斜視図である。第３熱伝導部材２７６は、第１熱伝導部材２４８に対向し、熱的に接触するベース部２８２を含む。第３熱伝導部材２７６は、ベース部２８２から突出するフランジ部２８４を含む。フランジ部２８４は、第２電子部品２３６に重なる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。

１０光モジュール、１２回路基板、１４ケージ、１６ヒートシンク、１８通気口、２０光サブアセンブリ、２０Ａ光受信サブアセンブリ、２０Ｂ光送信サブアセンブリ、２２プリント基板、２４第１面、２６第２面、２８第１電子部品、３０デジタルシグナルプロセッサ、３２電源ＩＣ、３４制御ＩＣ、３６第２電子部品、３８集積回路チップ、４０パッケージ基板、４２ビア、４４封止部、４６貫通穴、４８第１熱伝導部材、５０サブプリント基板、５２熱伝導シート、５４貫通穴、５６熱伝導部材、５８筐体、６０第１ケース、６２第２ケース、６４第２熱伝導部材、６６第１部分、６８熱伝導グリス、７０第２部分、７２第３部分、７４切り欠き、７６第３熱伝導部材、１２２プリント基板、１４６Ａ第１貫通穴、１４６Ｂ第２貫通穴、１４８第１熱伝導部材、１７８金属層、１８０金属ブロック、２３６第２電子部品、２４８第１熱伝導部材、２７６第３熱伝導部材、２８２ベース部、２８４フランジ部。

Claims

光信号及び電気信号を少なくとも一方から他方に変換するための光サブアセンブリと、
熱を発生する電子部品と、
相反する第１面及び第２面を有し、前記第１面に前記電子部品が搭載され、前記光サブアセンブリに電気的に接続され、前記電子部品に重なる貫通穴を有するプリント基板と、
合体した第１ケース及び第２ケースを含み、前記第１ケースは前記第１面と対向し、前記第２ケースは前記第２面と対向し、前記光サブアセンブリ、前記電子部品及び前記プリント基板を収容する筐体と、
前記電子部品に熱的に接触するように、前記プリント基板の前記貫通穴の内側に配置された第１熱伝導部材と、
前記第１ケースと前記第１面の間であって前記電子部品の上方にある第１部分と、前記第２ケースと前記第２面の間にある第２部分と、前記プリント基板の側方で前記第１部分及び前記第２部分を接続する第３部分と、を一体的に含む第２熱伝導部材と、
を有し、
前記第２熱伝導部材の前記第１部分と前記電子部品との間にも、その他の熱伝導部材が介在し、
前記第１熱伝導部材と前記第２熱伝導部材は、熱的に接触し、
前記第２熱伝導部材の前記第１部分は、前記第１ケースと熱的に接触し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１熱伝導部材は、サーマルビアを形成するために前記貫通穴の内面に設けられた金属層を含むことを特徴とする光モジュール。
請求項１又は２に記載された光モジュールであって、
前記第１熱伝導部材は、金属ブロックを含むことを特徴とする光モジュール。
請求項１から３のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記第２熱伝導部材の前記第２部分は、前記第２ケースと熱的に接触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のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記第１ケースと前記第２熱伝導部材の前記第１部分の間に介在する熱伝導グリスをさらに有することを特徴とする光モジュール。
請求項１から５のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記プリント基板は、前記第２熱伝導部材の前記第３部分の隣に、切り欠きを有することを特徴とする光モジュール。
請求項１から６のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記第１熱伝導部材と前記第２熱伝導部材の前記第２部分の間に熱的に接触するように介在する第３熱伝導部材をさらに有することを特徴とする光モジュール。
請求項７に記載された光モジュールであって、
前記第２熱伝導部材の前記第２部分は、前記第３熱伝導部材よりも大きいことを特徴とする光モジュール。
請求項８に記載された光モジュールであって、
前記第３熱伝導部材に隣り合って、前記プリント基板の前記第２面に搭載された第２電子部品をさらに有し、
前記第２熱伝導部材の前記第２部分は、前記第２電子部品と前記第２ケースの間に至ることを特徴とする光モジュール。
請求項９に記載された光モジュールであって、
前記第３熱伝導部材は、前記第１熱伝導部材に対向するベース部と、前記ベース部から突出するフランジ部と、を含むことを特徴とする光モジュール。
請求項１０に記載された光モジュールであって、
前記フランジ部は、前記第２電子部品に重なることを特徴とする光モジュール。
請求項５に記載された光モジュールであって、
前記その他の熱伝導部材は、前記熱伝導グリスと、前記電子部品の上に配置された熱伝導シートと、を含むことを特徴とする光モジュール。
請求項１２に記載された光モジュールであって、
前記プリント基板の上方に配置され、前記電子部品と重なる第２貫通孔を含むサブプリント基板と、
前記第２貫通孔の内側に配置された第４熱伝導部材と、
をさらに有し、
前記その他の熱伝導部材は、少なくとも前記第４熱伝導部材を含むことを特徴とする光モジュール。
請求項１３に記載された光モジュールであって、
前記その他の熱伝導部材は、前記電子部品を超えて延在す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１部分は、前記電子部品を超えて延在す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熱伝導部材は、前記電子部品を三方向から囲み、
前記第２熱伝導部材の側面は、前記電子部品を超えて延在し、
前記第２熱伝導部材の前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分は、一体で構成されていることを特徴とする光モジュール。