JP2007287767A - 光サブアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】インピーダンスの不整合を生じやすいリードピンを用いない構造で、しかも、組立が容易でインピーダンスを伝送インピーダンスに近付けやすい光サブアセンブリを提供する。
【解決手段】レンズキャップ３と多層フレキシブル基板２により形成される空間に半導体光素子４を搭載した光サブアセンブリで、多層フレキシブル基板２は、少なくともキャップ接着層７、配線層８、接地層９を有し、キャップ接着層８に形成された金属パターン７ａにレンズキャップ３を接着して前記の空間を封止している。この空間には、半導体光素子４と電気的に接続される増幅器６が搭載され、増幅器６の出力電極は、配線層８に形成された信号パターン１６，１７に電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信などに用いられる光サブアセンブリに関する。

光サブアセンブリは、例えば、光信号を受光して電気信号に変換するフォトダイオード等の半導体光素子と、半導体光素子で変換された電気信号を増幅するプリアンプとを、１つのパッケージ基板上に実装して構成される。しかし、近年の光通信においては、１０Ｇｂｐｓを超える伝送速度が求められている。従来の一般的な光サブアセンブリで、このような高伝送速度の信号を扱うと、寄生インダクタンスの増加でインピーダンス整合がとれなくなり、信号の反射、減衰が生じるという問題があった。

これに対し、今までにも、寄生インダクタンスによる特性の劣化を抑制する種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、ステムにフレキシブル配線基板を配し、このフレキシブル配線基板の導体パターンをリードピンに直接接続し、また、フレキシブル配線基板上に受光素子又は発光素子、さらには増幅器を実装して、電気接続の距離を短くして、寄生インダクタンスによる高周波特性の劣化を抑えることが開示されている。

また、特許文献２には、パッケージ基板のステム部に発光素子等を搭載し、配線パターンを形成したセラミック基板を貫通するように設けている。そして、高周波信号路の接続は、セラミック基板上の配線パターンで形成し、また、主回路との接続にフレキシブル配線基板を用いることで、リードピンを用いる接続に比べてインピーダンス不整合が生じにくくする技術が開示されている。

また、特許文献３には、パッケージ内に配線基板を搭載してレーザダイオードと配線基板上の配線パターンとを短い長さでワイヤボンディング接続し、レーザダイオードとリードピン間の接続部におけるインピーダンス不整合を解消する技術が開示されている。さらに、特許文献４には、ステム部を貫通する信号用リードピンの径を小さくし、かつ封止孔の径を大きくして、当該個所での伝送インピーダンスを信号源インピーダンスに近付けるようにする技術が開示されている。
特開２００５−１５９０３６号公報 米国特許第６，７０３，５６１号明細書 特開２００４−１４６７７７号公報 特開２００３−２５８２７２号公報

特許文献１に開示のように、パッケージ内の配線にフレキシブル配線基板を用いることによりある程度の高周波特性の劣化を低減することはできるが、外部回路との接続にリードピンを用いるため、リードピン部分での信号劣化、インピーダンス不整合を完全に抑えることには限界があった。また、特許文献２のようにセラミック基板を用いて配線するのには、そのとり回しに柔軟性を欠き、製造や組立の点で問題がある。また、特許文献３においても、特許文献１と同様にパッケージ内のインピーダンス不整合はある程度解消できるとしてもリードピンが存在する以上、完全に解消されるわけではない。特許文献４では、ステムの貫通部でのリードピンのインピーダンス不整合は解消されるとしても、リードピンの外部回路への接続部分でのインピーダンス不整合については解消されていない。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、インピーダンスの不整合を生じやすいリードピンを用いない構造で、しかも、組立が容易でインピーダンスを伝送インピーダンスに近付けやすい光サブアセンブリの提供を目的とする。

本発明による光サブアセンブリは、レンズキャップと多層フレキシブル基板により形成される空間に半導体光素子を搭載した光サブアセンブリで、前記の多層フレキシブル基板は、少なくともキャップ接着層、配線層、接地層を有し、キャップ接着層に形成された金属パターンにレンズキャップを接着して前記の空間を封止している。この空間には、半導体光素子と電気的に接続される増幅器が搭載され、増幅器の出力電極は、配線層に形成された信号パターンに電気的に接続される。

前記の信号パターンは、当該パターンが接続する外部回路もしくはその回路素子に対してインピーダンス整合することが可能で、接地パターンは接地層に面状に形成された接地導体にヴィアホールを介して電気的に接続される。また、キャップ接着層に形成された金属パターンも接地層に面状に形成された接地導体にヴィアホールを介して電気的に接続される。

本発明の構成によれば、多層プリント基板上にレンズキャップを接着して形成される空間部に、半導体光素子を搭載して多層プリント基板上の配線導体に短い長さでワイヤリング接続することができ、しかも、多層プリント基板を外部回路に直接接続できる形態とすることができるので、リードピンを用いる必要がなくなる。このため、多層プリント基板の配線導体の導体幅や絶縁厚さ等を適宜選定することにより、インピーダンス整合された安定な接続を形成することができる。また、組立も容易で、放熱経路の確保も可能な光サブアセンブリを提供することができる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による光サブアセンブリの概略を説明する図、図２は本発明による多層フレキシブル基板の一例を説明する図である。図中、１は光サブアセンブリ、２は多層フレキシブル基板、３はレンズキャップ、４は半導体光素子、５はダイキャップ、６は増幅器、７はキャップ接着層、８は配線層、９は接地層、１０はボンディングワイヤ、１１，１２はヴィアホール、１３は補強板、１５〜１９は導体パターンを示す。

本発明による光サブアセンブリ１は、図１に示すように、多層フレキシブル基板２とレンズキャップ３で形成される空間部分に半導体光素子４を搭載して構成される。半導体光素子４は、レーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子、あるいはフォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子で形成され、レンズキャップ３に取り付けられているレンズ３ｂを介して光信号の送受信が行われる。光サブアセンブリ１としては、多層フレキシブル基板２とレンズキャップ３で形成されるパッケージの空間部に、上記の半導体光素子４とその他の回路部品が搭載され、多層フレキシブル基板２に対してボンディングワイヤ１０による配線が行われる。

多層フレキシブル基板２は、図２に示すように、少なくともキャップ接着層７、配線層８、接地層９を有する３層構造で形成される。キャップ接着層７は最上層に配され、図２（Ａ）に示すように絶縁層７ｂの上面に環状の金属パターン７ａを設けて形成され、金属パターン７ａの内側は開口７ｃとされ、配線層８の配線パターン８ａが露出される。また、配線層８の外部接続の導電パッド部分が露出するようにエッジ７ｄが他の層より短くされている。

配線層８はキャップ接着層７と接地層９の間に配され、図２（Ｂ）に示すように絶縁層８ｂ上に、複数の配線パターン８ａを設けて形成され、点線で示す所定の領域以外は上層のキャップ接着層７の絶縁層７ｂで覆われ絶縁される。配線パターン８ａは、例えば、図に示すように中央に接地パターン１５、その両側に正相信号パターン１６と逆相信号パターン１７を配し、その外側にＰＤ用電源パターン１８と増幅器用電源パターン１９を配して形成される。

それぞれのパターン１５〜１９は、従来のリードピンに代わるもので、外部回路への接続のための導電パッド１５ａ〜１９ａと、搭載部品の接続のための導電パッド１５ｃ〜１９ｃを有し、これら導電パッド間を所定の線幅からなる配線導体１５ｂ〜１９ｂで配線して形成される。外部回路への接続のための導電パッド１５ａ〜１９ａは、外部回路のコネクタ等への接続に応じて、パッドの形状、間隔等が設定される。また、搭載部品の接続のための導電パッド１５ｃ〜１９ｃは、ボンディングワイヤによる接続が可能な大きさと、その配線長さが最短になるような位置に形成される。また、搭載部品が接地電極部を有する場合は、接地パターン１５に幅広の導体パッド１５ｃとして直接回路部品のマウントが可能なように形成される。

接地層９は最下層に配され、図２（Ｃ）に示すように、絶縁層９ｂの上面に面状に接地導体９ａを設けて形成される。図では、全面に接地導体９ａを形成した例で示してあるが、所定の部分が除去された形態であってもよい。例えば、搭載部品との接続のための導電パッドの面積は、幅広となる。通常、絶縁層の厚さは均一に形成されているので、この幅広の導電パッド部分でのインピーダンスが低下するが、当該個所の接地導体９ａを部分的に除去しておくことにより、この部分でのインピーダンスを伝送インピーダンスに近付けることができる。

キャップ接着層７の金属パターン７ａ、配線層８の導電パターン８ａ、接地層９の接地導体９ａは、例えば、厚さ１２μｍ程度の銅箔でエッチング、スパッタリング等の通常のプリント配線回路技術で形成することができる。また、各層の絶縁層７ｂ，８ｂ，９ｂは、厚さ２５μｍ程度の柔軟性のあるポリイミド樹脂層で形成され、各層が互いに接着一体化されて多層のフレキシブル基板とされる。

また、図１に示すように、キャップ接着層７の環状の金属パターン７ａは、導電材が充填された複数のヴィアホール１１を介して接地層９の接地導体９ａに予め接地接続しておくことができる。配線層８の接地パターン１５も同様に、導電材が充填された複数のヴィアホール１２を介して接地層９の接地導体９ａに予め接地接続しておくことができる。なお、金属パターン７ａのヴィアホール１１は、配線層８を貫通するので、その配線パターン８ａに接近して伝送インピーダンスに影響を与えない程度に距離を離して形成する。なお、ヴィアホール１１，１２による接地接続は多層フレキシブル基板２の柔軟性を損なわない範囲で、より多く形成しておくことが好ましい。

図１に戻って、本発明による光サブアセンブリの一例について説明する。最上層のキャップ接着層７の環状の金属パターン７ａには、レンズキャップ３の金属キャップ部３ａの底部が半田もしくは導電接着剤により取り付けられ、封止される。レンズキャップ３のレンズ３ｂは、半導体光素子４のほぼ真上に位置して、光ファイバ等を介して送受される光信号を効率よく送受信する。そして、光サブアセンブリ１が、例えば、受信装置として構成されている場合、多層フレキシブル基板２とレンズキャップ３で形成されるパッケージ内の空間部には、半導体光素子（ＰＤ）４の他に、ダイキャップ５、増幅器（プリアンプ）６等の回路部品が搭載され、ボンディングワイヤ１０による配線が行われる。

これらの回路部品は、上述した多層フレキシブル基板２の配線層８に形成されている接地導体パターン１５の幅広に形成された導電パッド１５ｃ上に搭載される。ダイキャップ５は、下面側の電極が導電パッド１５ｃに接して接地接続され、上面側の電極上には半導体光素子（ＰＤ）４が搭載される。このダイキャップ５は、例えば、幅０.７ｍｍ、長さ１.７ｍｍ、厚さ０.１５ｍｍ程度の誘電体（ＴｉＢａＯ_３）を用いたものが用いられる。ダイキャップ５の上面電極は、ＰＤ用電源パターン１８の導電パッド１８ｃにワイヤリングされる。一方、ＰＤ４の−電極からもこの上面電極にワイヤリングすることで、導電パッド１８ｃからＰＤ４の電極の途上にダイキャップ５が挿入され、このダイキャップ５が電源のバイパスコンデンサとして機能することとなる。

なお、ダイキャップ５の上面にフィルム抵抗を形成し、このフィルム抵抗の一端に導電パッド１８ｃからワイヤリングされ、前記のフィルム抵抗の他端とダイキャップ５の電極を直結し、ＰＤ４上の電極がこのフィルム抵抗の他端にワイヤリングされる形態とする。この場合、導電パッド１８ｃからフィルム抵抗を介してダイキャップ５とＰＤ４の並列回路にＰＤ用電源が供給される形態となり、フィルム抵抗とダイキャップ５とで、ＣＲ積分フィルタを形成することとなり、電源のバイパス効果を高めることが可能となる。

また、接地パターン１５の導電パッド１５ｃの端部側には、増幅器（プリアンプ）６が搭載される。この構成においては、隣接して配置されたＰＤ４上の他電極がプリアンプ６の入力に直接ワイヤリングされ、ワイヤ長を短くすることができ、ワイヤに起因するインダクタンス及び浮遊容量の影響を避けることができる。プリアンプ６の電源は電源パターン１９の導電パッド１９ｃから直接ワイヤリングされる。なお、他のダイキャップを接地パターン１５の導電パッド１５ｃ上に搭載し、ＰＤ４の電源と同様に、導電パッド１９ｃから先ずダイキャップにワイヤリングし、次いで、プリアンプ６の電源パッドにワイヤリングし、電源パターン１９に対する高周波バイパス効果を高めることもできる。

プリアンプ６の出力は、正相、逆相を有する相補的信号で、位相がほぼ１８０°異なり、その振幅は相互にほぼ等しい。また、信号パターン１６，１７は、一方の導電パッドから他方の導電パッド（例えば、１６ａ，１７ａ→ １６ｃ，１７ｃ）に向けての配線は、インピーダンス整合（通常は５０Ωであるが、この２つの信号を受けるホスト側基板のメインアンプの入力インピーダンスに一致してさえいればよい。）するようにされる。このインピーダンス整合には、その信号パターンの配線導体１６ｂ，１７ｂの導体幅（例えば、０.７ｍｍ程度）、層間の絶縁層８ｂの誘電率やその厚さ、配線に隣接する接地パターン１５との間隔等によって決定される。

なお、導電パッド１５ｃ〜１９ｃの部分は、回路部品の搭載やワイヤボンディングのために導体幅が幅広で形成されているため、インピーダンスが低下する。したがって、このインピーダンスの低下を抑制するには、接地層９の接地導体９ａを部分的に除去しておくと効果的である。また、他方の導電パッド１５ａ〜１９ａも幅広で形成されているが、この部分は、接続される相手側のガラスエポキシ基板等に接続される部分であり、相手側基板の誘電率や厚さ、あるいは配線の幅等で決定される。このため、この導電パッド１５ａ〜１９ａ側でのインピーダンス不整合は生じない。

また、レンズキャップ３が接着されたパッケージ部分は、多層フレキシブル基板２に柔軟性を持たせる必要がなく、むしろ硬質構造である方が好ましい。このため、多層フレキシブル基板２の背面側に補強板１３を接合して強度を高めるようにすることが望ましい。この場合、補強板に熱伝導性のよいものを用いることにより、パッケージ内の放熱を行う機能を持たせることができる。このため、補強板１３には収納筐体等への取り付け片１３ａと取り付け孔１３ｂを設けておくことにより、強度補強と熱放散を効果的に行うことができる。

本発明による光サブアセンブリの概略を説明する図である。 本発明による多層フレキシブル基板の一例を説明する図である。

符号の説明

１…光サブアセンブリ、２…多層フレキシブル基板、３…レンズキャップ、４…半導体光素子（ＰＤ）、５…ダイキャップ、６…増幅器（プリアンプ）、７…キャップ接着層、７ａ…環状の金属パターン、７ｂ，８ｂ，９ｂ…絶縁層、７ｃ…開口、７ｄ…エッジ、８…配線層、８ａ…配線パターン、９…接地層、９ａ…接地導体、１０…ボンディングワイヤ、１１，１２…ヴィアホール、１３…補強板、１５〜１９…導体パターン、１５ａ〜１９ａ，１５ｃ〜１９ｃ…導電パッド、１５ｂ〜１９ｂ…配線導体。

Claims (4)

1. レンズキャップと多層フレキシブル基板により形成される空間に半導体光素子を搭載した光サブアセンブリであって、
   前記多層フレキシブル基板は、少なくともキャップ接着層、配線層、接地層を有し、前記キャップ接着層に形成された金属パターンに前記レンズキャップを接着して、前記空間が封止されていることを特徴とする光サブアセンブリ。
2. 前記空間に前記半導体光素子と電気的に接続される増幅器が搭載され、該増幅器の出力電極は、前記配線層に形成された信号パターンに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光サブアセンブリ。
3. 前記配線層は接地パターンを有し、該接地パターンは、前記接地層に面状に形成された接地導体にヴィアホールを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光サブアセンブリ。
4. 前記キャップ接着層に形成された金属パターンは、前記接地層に面状に形成された接地導体にヴィアホールを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光サブアセンブリ。

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