JPH09172221A

JPH09172221A - 光半導体素子の実装構造

Info

Publication number: JPH09172221A
Application number: JP32910295A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Mineo; 尚之峯尾; Ryozo Furukawa; 量三古川
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 1997-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波信号入力時にも、信号波形が劣化する
等のおそれがなく、素子の安定した動作を可能にする、
光半導体素子の実装構造。【解決手段】基台１１上に、第１伝送線路１３が形成
してある伝送基板１２と、光半導体素子１５と、これら
伝送基板１１および光半導体素子１５を電気的に接続す
る接続手段とを具えた光半導体素子の実装構造におい
て、この接続手段を、インピーダンス整合された第２伝
送線路２１が形成してあるフレキシブル基板２０とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光半導体素子の
実装構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速応答特性に優れた光半導体素子の実
装構造の一例として、特開平４−３４９６８６号公報
（以下、公報）に開示されているものがある。この公報
に開示の実装構造（チップキャリア）は、光半導体素子
を設置する基台と、この基台上に載置されるフレキシブ
ル基板と、光半導体素子とフレキシブル基板とを電気的
に接続する手段とを、基本的に具えたものである。この
フレキシブル基板はポリイミド絶縁層と、この絶縁層の
両面に形成された金属導体層とからなり、これらでイン
ピーダンス整合された伝送線路を形成している。このよ
うに、外部回路との接続用の端子が形成してある電極パ
ッドの代わりに、インピーダンス整合された伝送線路が
形成してあるフレキシブル基板を用いることにより、従
来、端子やパッドに生じていた寄生インダクタンスや寄
生キャパシタンス等の寄生成分が実質的に生じなくな
り、高周波応答特性が向上したことが記載されている。
また、高い熱抵抗や柔軟性を有することが知られるフレ
キシブル基板を用いたことにより、外部から光半導体素
子に伝わる熱を低減させたり、外部から素子に伝わる応
力を吸収したりできるという利点も記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した公報
に開示の光半導体素子の実装構造には、以下に示すよう
な問題点があった。

【０００４】通常、このような実装構造においては、外
部回路との接続用の伝送線路の特性インピーダンスを設
定し、さらに光半導体素子に電気的に接続された終端抵
抗器の抵抗値を入力信号のエネルギーを吸収できるよう
な値に設定して（例えば、この特性インピーダンスの値
から光半導体素子が有する抵抗値を差し引いた値に設定
して）、回路全体でのインピーダンス整合をとることが
知られている。

【０００５】しかし、上述の公報に開示の実装構造によ
れば、光半導体素子およびフレキシブル基板、光半
導体素子および終端抵抗器、の電気的接続には金属ワイ
ヤを用いている。このため、この金属ワイヤに生じる寄
生インダクタンスによって、十分な高周波特性が得られ
ないという問題点があった。すなわち、数ＧＨ_Z 以上の
高周波帯域では、金属ワイヤのワイヤ長がそのまま寄生
インダクタンスとして回路の動作に影響を及ぼしてしま
うため、高周波入力時には、インピーダンス不整合によ
る波形劣化等が起こるおそれがあった。この寄生成分
は、音声周波程度の低周波から、ある程度の高周波まで
は回路の動作にほとんど影響を及ばさないものの、数Ｇ
Ｈ_Z 以上の高周波に達すると、無視できなくなるほどの
影響を及ぼす。すなわち、この寄生成分に起因する不整
合反射が起こり、入力信号の波形が劣化し、正確な受信
ができなくなる。

【０００６】このため、高周波信号入力時にも、信号波
形が劣化することなく、安定した動作を可能にする、光
半導体素子の実装構造が望まれる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、この発明の光
半導体素子の実装構造によれば、基台上に、第１伝送線
路が形成してある伝送基板と、光半導体素子と、これら
伝送基板および光半導体素子を電気的に接続する接続手
段とを具えた光半導体素子の実装構造において、この接
続手段を、インピーダンス整合された第２伝送線路が形
成してあるフレキシブル基板としたことを特徴とする。
すなわち、伝送基板と光半導体素子との接続を金属ワイ
ヤではなく、伝送基板および光半導体素子のインピーダ
ンス整合がとれるような所定の値にインピーダンス設定
された伝送線路を設けたフレキシブル基板とした。この
ことにより、電気的に接続する部分に、実質的に寄生成
分が生じない回路を達成できるため、高周波信号入力時
にも波形劣化等のおそれがない。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態につき説明をする。各図は発明が理解でき
る程度に各構成成分の大きさ、形状および位置関係等を
概略的に示してあるにすぎず、したがって図示例にのみ
限定されるものではない。また、同じ構成成分には同一
の符号を付して示してある。また、平面図において、第
１信号ライン１３ａ、接地導体層１３ｂ、１９ｂ、２１
ｂ、２３ｂ、抵抗体層１９ａをハッチングで強調して示
してあり、また、正面図においてはこれらの成分１３
ａ、１３ｂ、１９ａ、１９ｂ、２１ｂ、２３ｂを省略し
て示してある。

【０００９】図１の（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の
実施の形態の光半導体素子の実装構造（以下、単に実装
構造ともいう。）１０を示す概略的な説明図である。特
に図１の（Ａ）は実装構造１０の平面図であり、図１の
（Ｂ）は正面図である。

【００１０】この発明は基本的に、基台上に、第１伝送
線路が形成してある伝送基板と、光半導体素子と、これ
ら伝送基板および光半導体素子を電気的に接続する接続
手段とを具えた光半導体素子の実装構造において適用さ
れるものである。ここでは、金属製の基台１１上に、セ
ラミック性の伝送基板１２、光半導体素子としてレーザ
ダイオード１５、ヒートシンク１７、終端抵抗器１９を
設置した実装構造１０とした。伝送基板１２上の第１信
号ライン１３ａと、その両側に所定の間隔を隔てて設け
られた接地導体層１３ｂとからなるコプレーナラインに
より、第１伝送線路１３が構成されている。また、ヒー
トシンク１７は伝送基板１２に隣接して設けてあり、レ
ーザダイオード１５はこのヒートシンク１７上に設置し
てある。ヒートシンク１７は、レーザダイオード１５の
発熱を効率よく基台１１に放熱すると同時に、レーザダ
イオード１５と基台１１の熱膨張の差を吸収する緩衝部
材として働くものである。このヒートシンク１７の材料
としては、絶縁性を有しかつ熱伝導率が高いＳｉＣやダ
イヤモンド等が好適である。また、ヒートシンク１７に
隣接して、インピーダンス整合用の終端抵抗器１９が設
けてある。

【００１１】この発明の光半導体素子の実装構造によれ
ば、伝送基板および光半導体素子を電気的に接続する接
続手段を、インピーダンス整合された第２伝送線路２１
が形成してあるフレキシブル基板２０としている。

【００１２】図２の（Ａ）は、フレキシブル基板の、伝
送線路が設けられている側の面の様子を示す平面図であ
り、図１に示すフレキシブル基板２０および後に述べる
第２のフレキシブル基板２２の裏面側を同じ図で示した
ものである。まず、フレキシブル基板２０について説明
する。このフレキシブル基板２０は、後に述べる第２の
フレキシブル基板２２と区別するために、特に第１のフ
レキシブル基板（以下、第１基板）２０と称する。この
図において第１基板２０の右側の点線で囲まれた領域は
レーザダイオード１５と接続される側（接合部とす
る。）であり、左側の点線で囲まれた領域は伝送基板１
２と接続される側（接合部とする。）とする。また、
図２の（Ｂ）は図２の（Ａ）の側面図である。

【００１３】ここでは、伝送基板１２およびレーザダイ
オード１５を電気的に接続する接続手段は、ポリイミド
等からなる絶縁性の層２０ａの上に、メタライズ等によ
り形成された第２信号ライン２１ａと、第２信号ライン
２１ａの両側に所定の間隔を隔てて設けられた接地導体
層２１ｂとで第２伝送線路２１を構成する第１基板２０
とした。ここでは、第１基板２０上の接合部において
は、第２信号ライン２１ａ上にのみ、レーザダイオード
１５の信号入力部（図示せず）と接合させるためのバン
プ３０が１つ形成されている。また、接合部において
は、第２信号ライン２１ａ上と、その両側の接地導体層
２１ｂ上に各１つずつ合計３つのバンプ３０が形成され
ている（図２の（Ａ）および（Ｂ））。バンプ３０は、
例えば金（Ａｕ）や半田等からなる。この第１基板２０
の、これら２１ａ、２１ｂ、３０が設けられている面を
下向きにして、伝送基板１２上の一端の第１信号ライン
１３ａおよび接地導体層１３ｂに、第１基板２０の接合
部を対向させ、また、レーザダイオード１５の信号入
力部を接合部と対向させて設置する。そしてその後、
好適な加熱処理あるいは圧着によりバンプ３０を溶融さ
せて接合部およびを接合する。このとき、第１信号
ライン１３ａと第２信号ライン２１ａとが接合部のバ
ンプ３０を介して接続され、また、接地導体層１３ｂ、
２１ｂのそれぞれがバンプ３０のそれぞれを介して接続
されている。また、同時に、第２信号ライン２１ａと、
レーザダイオード１５の信号入力部とが接合部のバン
プ３０を介して接続されている。

【００１４】また、ここでは、レーザダイオード１５お
よび終端抵抗器１９を電気的に接続する手段として、第
２のフレキシブル基板（第２基板）２２を用いた。第２
基板２２は、絶縁性の層２２ａ上に設けられた、第３信
号ライン２３ａとこの第３信号ライン２３ａの両側に所
定の間隔を隔てて形成された接地導体層２３ｂとで第３
伝送線路２３を構成している。また、所定の位置に４つ
のバンプ３０が設けられている（図２の（Ａ）および
（Ｂ））。図２の（Ａ）において、第２基板２２の右側
の点線で囲まれた領域はレーザダイオード１５と接続さ
れる側（接合部とする。）であり、左側の点線で囲ま
れた領域は終端抵抗器１９と接続される側（接合部と
する。）である。ここでは、接合部においては第３信
号ライン２３ａ上にのみバンプ３０が１つ形成されてい
る。また、接合部においては、第３信号ライン２３ａ
上と、その両側の接地導体層２３ｂ上に各１つずつ合計
３つのバンプ３０が形成されている。

【００１５】ここで、終端抵抗器１９側寄りのヒートシ
ンク１７上に、レーザダイオード１５から延長して設け
られた導体パターンがメタライズ等により形成されてあ
る（図示せず）。

【００１６】また、図３は終端抵抗器１９上の、電気的
接続用のパターンを示す斜視図である。ここでは、終端
抵抗器１９の上面の一辺を除いて、コの字状に縁どるよ
うな形状の接地導体層１９ｂと、コの字の中心に設けた
抵抗体１９ａとからなっている。

【００１７】第２基板２２の各成分２３ａ、２３ｂ、３
０が設けられている面を下向きにして、ヒートシンク１
７上の導体パターンの端に近い部分と、接合部とを対
向させ、また、終端抵抗器１９上の抵抗体層１９ａおよ
びその両側の接地導体層１９ｂと接合部とを対向させ
て設置する。その後、好適な熱処理、あるいは圧着等に
よりバンプ３０を溶融させて、接合部およびを接合
し図１に示す実装構造１０となる。

【００１８】次に、フレキシブル基板のインピーダンス
設定について説明する。図４は、フレキシブル基板のイ
ンピーダンス設定の説明図であり、フレキシブル基板の
側面図で示したものである。伝送線路の特性インピーダ
ンスは、フレキシブル基板の絶縁層の誘電率ε_r 、信号
ラインと接地導体層とのギャップ（間隔）Ｇ、絶縁性の
層の厚みＨ、信号ラインの厚みｔ、信号ラインの幅ｗ等
の関係で決定されるので、これらε、Ｇ、Ｈ、ｔ、ｗを
適当な値にすることにより、所望の特性インピーダンス
を有する伝送線路とすることができる。例えば、伝送基
板１２の特性インピーダンスを５０Ωに設定したとき、
実装構造１０の第１基板２０の特性インピーダンスも５
０Ωに設定する。また、レーザダイオード１５が５Ω程
度の抵抗を有しているとすれば、終端抵抗器１９と第２
基板２２は４５Ωとなるように設定するとよい。

【００１９】図５は、実装構造１０における等価回路を
示す図である。また、図８の（Ａ）〜（Ｃ）は、電気的
接続に金属ワイヤを用いた、従来の実装構造１００の平
面図（図８の（Ａ））、正面図（図８の（Ｂ））、ま
た、このときの等価回路図（図８の（Ｃ））である。従
来構造１００を簡単に説明すると、基台１１上にインピ
ーダンス整合された伝送線路を有するフレキシブル基板
と、レーザダイオード１５を搭載したヒートシンク１７
と、終端抵抗器１９と、フレキシブル基板とレーザダイ
オード１５とを電気的に接続する金属ワイヤと、レーザ
ダイオード１５と終端抵抗器１９とを電気的に接続する
金属ワイヤとからなる。

【００２０】図５と図８の（Ｃ）に示す、実装構造１０
と従来構造１００の等価回路図を比較すると、従来は金
属ワイヤに寄生インダクタンスが生じるが、フレキシブ
ル基板を用いると、寄生成分が実質的に生じない理想伝
送線路に設定できることがわかる。

【００２１】図６は、実装構造１０と、従来構造１００
においてワイヤ長をそれぞれ０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍ
ｍとした試料１、２、３とについて、周波数応答特性の
シミュレーションを行った結果を示すグラフであり、縦
軸に相対電流値（単位ｄＢ）をとり、横軸に周波数（単
位ＧＨ_Z ）をとって示してある。ここでは、実装構造１
０のレーザダイオード１５を、抵抗（５Ω）とコンデン
サ（５ｐＦ）の並列接続とした（図５参照）。また、試
料１〜３における金属ワイヤはコイルＬ１とＬ２と等価
であり、インダクタンス値をワイヤ長１ｍｍにつき１ｎ
Ｈとした。また、実装構造１０と同様に、レーザダイオ
ードを、抵抗（５Ω）とコンデンサ（５ｐＦ）の並列接
続とした（図８の（Ｃ）参照）。これら実装構造１０、
試料１〜３に対して、周波数を変化させた信号を入力し
たときの、各回路に流れる電流の値を、相対電流値（ｄ
Ｂ）で示した。図中曲線Ｉは実装構造１０、曲線IIは試
料１、曲線III は試料２、曲線IVは試料３の結果を示
す。

【００２２】通常、周波数特性の評価は−３ｄＢ帯域
（相対電流値が−３ｄＢを示すときの周波数帯域）をみ
て判断する。−３ｄＢ帯域を見ると、試料１（ワイヤ長
０．５ｍｍ；０．５ｎＨ）では、曲線IIより約６ＧＨ
_Z 、試料２（ワイヤ長１ｍｍ；１ｎＨ）では、曲線III
より約４．５ＧＨ_Z 、試料３（ワイヤ長２ｍｍ；２ｎ
Ｈ）では曲線IVより約３ＧＨ_Z であることがわる。この
ように、ワイヤ長が長くなるほど−３ｄＢ帯域は狭くな
っており、ワイヤ長がそのまま寄生インダクタンスとし
て回路に影響を及ぼすことが理解できる。一方、電気的
接続手段をフレキシブル基板とした実装構造１０の場
合、相対電流値が−３ｄＢを示すときの周波数帯域は、
曲線Ｉより、約７ＧＨ_Z であり、試料１〜３の帯域より
も広くなっている。これは、インピーダンス整合された
理想伝送線路が形成されているため、寄生インダクタン
ス成分は生じず、理論的には試料１〜３においてワイヤ
長が０（ワイヤを用いない）の場合と等しくなるからで
ある。このため、周波数帯域はフレキシブル基板の長さ
に依存せず、第１基板２０および２２のどちらも、ほぼ
グラフ中の曲線Ｉと同様の結果を示した。よって、本発
明の実装構造によれば、高周波信号を入力したときに
も、インピーダンス不整合による波形劣化を生じにく
く、良好な高周波特性が得られることがわかる。

【００２３】また、周波数帯域がフレキシブル基板の長
さに依存しないので、伝送基板、レーザダイオード、終
端抵抗器の固定位置（実装位置）に制限がなくなり、実
装が容易に行えるという利点もある。

【００２４】この発明は例示の形態にのみ限定されるも
のではないことは明らかである。例えば、伝送線路はメ
タライズで形成してあるものに限らない。また、半導体
素子はレーザダイオードに限らず、光変調器等の他の光
半導体素子にも適用できる。図７の（Ａ）および（Ｂ）
は、例えば光変調器を用いた他の実装形態の例（変形
例）を示す平面図および正面図である。外部回路との接
続用の伝送線路１３（信号ライン１３ａ、接地導体層１
３ｂ）を形成してある伝送基板１２を、光変調器の左右
に２枚設け、１枚のフレキシブル基板２０が光変調器と
２枚の伝送基板１３とにまたがるように設けて、これら
の電気的接続を同時に行うようにしてある。ここでは、
基台１１上には終端抵抗器やヒートシンクは設けられて
いない。その他の部分については実装構造１０と同様で
あるため、詳細な説明を省略する。

【００２５】また、フレキシブル基板を接合するために
ここではバンプを用いたが、例えばメッキにより接合部
分を形成して好適な熱処理あるいは圧着等により接合し
てもよい。また、各伝送線路はコプレーナラインに限ら
ないし、伝送基板、半導体素子等は整列して設けなくて
もよい。

【００２６】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の光半導体素子の実装構造によれば、基台上の、
第１伝送線路が形成してある伝送基板と光半導体素子と
を電気的に接続する接続手段を、インピーダンス整合さ
れた第２伝送線路が形成してあるフレキシブル基板とし
てある。このため、電気的に接続する部分に、実質的に
寄生インダクタンスや寄生キャパシタンス等の寄生成分
が生じない。したがって、高周波信号入力時にも波形劣
化のおそれがなく、良好な高周波特性を有する光半導体
素子の実装構造が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の光半導体素
子の実装構造の実施の形態の一例を概略的に示す平面図
および正面図である。

【図２】（Ａ）、（Ｂ）はフレキシブル基板および第２
フレキシブル基板の説明図である。

【図３】終端抵抗器上の、電気的接続用のパターンを示
す斜視図である。

【図４】フレキシブル基板のインピーダンス設定の説明
図である。

【図５】実施の形態における等価回路である。

【図６】実施の形態の実装構造におけるシミュレーショ
ン結果を示すグラフである。

【図７】（Ａ）および（Ｂ）は変形例の実装形態を示す
平面図および正面図である。

【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は、従来の実装構造の平面図、
正面図、等価回路図である。

【符号の説明】

１１：基台１２：伝送基板１３：第１伝送線路１３ａ：第１信号ライン１３ｂ：接地導体層１５：レーザダイオード（光半導体素子）１７：ヒートシンク１９：終端抵抗器１９ａ：抵抗体層１９ｂ：接地導体層２０：フレキシブル基板（第１のフレキシブル基板）２０ａ：絶縁性の層２１：第２伝送線路２１ａ：第２信号ライン２１ｂ：接地導体層２２：第２のフレキシブル基板２２ａ：絶縁性の層２３：第３伝送線路２３ａ：第３信号ライン２３ｂ：接地導体層３０：バンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基台上に、第１伝送線路が形成してある
伝送基板と、光半導体素子と、これら伝送基板および光
半導体素子を電気的に接続する接続手段とを具えた光半
導体素子の実装構造において、前記接続手段を、インピーダンス整合された第２伝送線
路が形成してあるフレキシブル基板としたことを特徴と
する光半導体素子の実装構造。
【請求項２】請求項１に記載の光半導体素子の実装構
造において、前記フレキシブル基板は、前記第２伝送線
路が形成されている面と同一面に接地導体層を具え、前
記伝送基板は、前記第１伝送線路が形成されている面と
同一面に接地導体層を具えていることを特徴とする光半
導体素子の実装構造。
【請求項３】請求項１または２に記載の光半導体素子
の実装構造において、前記光半導体素子と前記基台との間に設けたヒートシン
クと、該ヒートシンクに隣接した前記基台上に設けた終端抵抗
器と、前記光半導体素子および終端抵抗器を電気的に接続す
る、インピーダンス整合された第３伝送線路が形成して
ある第２のフレキシブル基板とをさらに具えたことを特
徴とする光半導体素子の実装構造。