光モジュールおよび多層基板

【課題】集積回路がフリップチップ実装された光モジュールにおいて、２５Ｇｂｐｓ以上の超高速伝送を行っても、隣接するチャンネル間のクロストークを低減し、良好な信号伝送を実現する光モジュールを提供する。
【解決手段】多層基板上の隣り合う第１および第２電極パッドのうち、第１電極パッドは第１導体ビア、第１内層導体配線と順次接続され、第２電極パッドは多層基板の表層導体配線、第３電極パッド、第２導体ビア、第２内層導体配線と接続され、第１内層導体配線と表層導体配線の間にはグランド導体ビアもしくは電源導体ビアが設けられ、第１内層導体配線が形成された第１形成層と第２内層導体配線が形成された第２形成層との間には、グランド導体配線層もしくは電源導体配線層が設けられる。第１および第２電極パッドは、それぞれ第１および第２光素子の表面に形成された電極パッドと接続される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信で使用する多層基板を用いた光モジュールに関する。特に、２５Ｇｂｐｓ以上の超高速動作を目的とする光モジュールに有用な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの急速な普及により、ルータ・サーバを代表とするＩＴ機器の高速・大容量化が急速に進められている。現在、このような装置の中は、電気配線がなされたボードとそのボード上に搭載された電子部品、さらに電子部品をつなぐ電気伝送線路が実装されている。すなわち、装置の外部から入力されたデータのほとんどは、装置内で電気信号として処理される。
【０００３】
しかしながら、１つの装置当たりが扱う情報処理と速度は年々増加しており、装置内の電気配線の高密度化と高周波化が進み、電気配線の伝送損失や隣接信号配線間でのクロストークが顕著になってきている。近年、以上述べたような電気配線の欠点を解決するため、各電子部品間を光信号で結ぶ装置の開発が盛んになっている。光は無誘導性であるため、光信号の伝送速度を上げても、伝送損失、クロストークが発生しないという利点がある。電子部品間を光信号によって、信号伝送する従来の半導体装置として、図１に示すように、光素子と集積回路は表面実装され、光素子と集積回路はそれぞれワイヤボンディングにより電気的に接続特された光モジュールが特許文献１（特開２０１０−１７７５９３号公報）等で知られている。
【０００４】
図１において、光素子は、電気信号を光信号に変換する半導体レーザおよび、光信号を電気信号に変換するフォトダイオードであり、集積回路は半導体レーザの前段で電気信号の整形と増幅を行うドライバ回路もしくは、フォトダイオードから出力される電気信号（電流信号）を電圧信号に変換した後、電圧信号を増幅するトランスインピーダンスアンプ回路である。多チャンネル信号伝送のために、光素子は複数個が一定の距離で並んだアレイを形成しており、各光素子間の距離は光信号の伝送媒体として使用される光リボンファイバのチャンネル間ピッチに合わせて２５０μｍとなっている。
【０００５】
しかしながら、光素子と集積回路を表面実装し、ボンディングワイヤにより電気接続を行う場合、集積回路に形成される電極パッドのレイアウトは自ずと表面外周部に限定され、集積回路の高機能化にともなう多ピン化（入出力電極パッドの増加）に対応できないといった問題がある。
【０００６】
一方、集積回路の多ピン化に適応した光モジュールとして、図２、３、４に示す集積回路と光素子を、多層基板上にフリップチップ実装した光モジュールが知られている。この実装形態では、集積回路の電極パッドと多層基板表層に形成された電極パッドを対向させ、それぞれの電極パッドを半田バンプにより電気接続し、多層基板に形成した基板貫通導体（導体ビアやスルーホール）と内層導体配線により光素子と集積回路とが電気的に接続される。隣接するチャンネルの内層信号配線は、それぞれ異なる層に形成し、各内層信号配線の間には、広面積のグランド導体もしくは電源導体が設けられ、隣接する内層導体配線同士のクロストークを抑制している。
【０００７】
しかしながら、信号伝送速度が２５Ｇｂｐｓ以上の超高速光モジュールでは、多層基板中の信号導体ビア同士のクロストークの信号品質への影響が無視できなくなる。信号導体ビア間のクロストークを抑制する手法としては、隣接チャンネルの信号導体ビアの間にクロストーク遮蔽用のグランド導体ビアを設置する方法が知られている。しかし、アレイ状に並んだ光素子に接続される信号ビア同士のピッチはアレイ光素子のピッチと同様に２５０μｍと狭ピッチであるため、信号導体ビアの間にグランド導体ビアを設けることができないという難点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１７７５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１に示す光モジュールのように、光素子と集積回路を表面実装し、ボンディングワイヤにより電気接続を行う場合、集積回路に形成される電極パッドのレイアウトは自ずと表面外周部に限定され、集積回路の高機能化にともなう多ピン化（入出力電極パッドの増加）に対応できない。
【００１０】
一方、図２、３、４に示す光モジュールのように、多層基板に形成された導体ビアと内層導体配線により光素子と集積回路の電気接続を行う場合、アレイ光素子に接続される導体ビアと導体ビアとの距離は２５０μｍと狭ピッチであるためチャンネル間クロストークが大きくなる。特に２５Ｇｂｐｓ以上の超高速信号伝送では、この導体ビア間のクロストークの信号品質への影響が無視できなくなる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、集積回路がフリップチップ実装された光モジュールにおいて、２５Ｇｂｐｓ以上の超高速伝送を行っても、隣接するチャンネル間のクロストークを低減し、良好な信号伝送を実現する光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本願発明の多層基板およびそれを用いた光モジュールの主な特徴は、以下の通りである。
【００１３】
多層基板上の隣り合う第１電極パッド、第２電極パッドのうち、第１電極パッドは第１導体ビア、第１内層導体配線と順次接続され、第２電極パッドは多層基板の表層導体配線、第３電極パッド、第２導体ビア、第２内層導体配線と順次接続される、第１内層導体配線と表層導体配線の間にはグランド導体ビアもしくは電源導体ビアが設けられ、第１内層導体配線が形成されている第１形成層と第２内層導体配線が形成されている第２形成層との間には、グランド導体配線もしくは電源導体配線が形成されている形成層が設けられる。第１電極パッドと第２電極パッドは、第１光素子と第２光素子の表面に形成された電極パッドと接続される。第１電極パッドと第２電極パッドは、第１光素子と第２光素子の表面に形成された電極パッドはボンディングワイヤを介して接続しても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光モジュールを用いれば、２５Ｇｂｐｓ以上の超高速伝送を行っても、隣接するチャンネル間のクロストークを低減し、良好な信号伝送を実現する光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の光モジュールの斜視図である。
【図２】従来の光モジュールの斜視図である。
【図３】従来の光モジュールを構成する基板のうち、光素子と接続する配線を示す図である。
【図４】従来の光モジュールの断面図である。
【図５】本発明による光モジュールの第１の実施例の斜視図である。
【図６】本発明による光モジュールの第１の実施例の、光素子と接続する基板配線の斜視図である。
【図７】本発明による光モジュールの第１の実施例の断面図である。
【図８】本発明による光モジュールの隣接チャンネル間のクロストークを示す図である。
【図９】本発明による光モジュールの第２の実施例の斜視図である。
【図１０】本発明による光モジュールの第３の実施例の上面図である。
【図１１】本発明による光モジュールの第３の実施例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施例の具体的な構造を順に説明する。
＜実施例１＞
図５に本発明の第１実施例に係る光モジュールの斜視図を示す。本実施例では、多層基板０１０１上に光素子０１０５、集積回路０１０２がそれぞれ実装されている。光素子０１０５は、電気信号を光信号に変換する半導体レーザもしくは、光信号を電気信号へ変換するフォトダイオードのいずれかである。集積回路０１０２は半導体レーザ前段で、電気信号の波形整形と増幅を行うドライバ回路もしくは、フォトダイオードから入力した電気信号（電流信号）を電圧信号へ変換したのち増幅するトランスインピーダンス回路のいずれかである。大容量情報伝送を実現するために、光素子０１０５はアレイ上に実装されており、各光素子間の距離は多チャンネル光ファイバのピッチ間隔に合わせて２５０μｍとなっている。
【００１７】
上記所定のピッチで配列された複数の光素子０１０５からは、図示するように、一つ置きに多層基板０１０１上に設けられた表層導体配線０１１２が引き出され、電極パッド０１０８−３に接続されている。以下に、この表層導体配線０１１２に関して、さらに詳細に説明する。
【００１８】
図６は、本実施例に係る光モジュールのうち、光素子０１０５近傍の配線の斜視図を示し、図７は、本実施例に係る光モジュールの断面図を示している。
【００１９】
まず、図７で示すように多層基板０１０１上に電極パッド０１０８−１が形成され、同様に多層基板０１０１上に電極パッド０１０８−２が電極パッド０１０８−１に隣接して形成されている。なお、同図では、電極パッド０１０８−１および０１０８−２が重なって図示されている。
また、光素子０１０５上に形成された電極パッド０１０８−１ａは、電極パッド０１０８−１に対向するように配置され（図６参照）、それぞれの電極パッドは半田バンプ０１１１−１により電気的に接続されている。同様に、光素子０１０５上に形成された電極パッド０１０８−２ａは、電極パッド０１０８−２に対向するように配置され（図６参照）、それぞれの電極パッドは半田バンプ０１１１−１により電気的に接続されている。
【００２０】
集積回路０１０２上の電極パッドも同様に多層基板０１０１上に形成された電極パッドが半田バンプ０１１１−２により電気的に接続されている。
【００２１】
次に、図６を用いて、表層導体配線および内層導体配線の関係を説明する。図６では、主として、前記の配線関係を図示するために、電極パッド０１０８−１と電極パッド０１０８−１ａとを接続する半田バンプは図示していない。また、図６は、図７で示す光素子０１０５の直下近傍における配線層を図示し、その他の多層基板や集積回路などは省略している。
【００２２】
多層基板０１０１上に形成された隣り合う電極パッド０１０８−１と０１０８−２のうち、電極パッド０１０８−１は、多層基板の垂直方向に配設される導体ビア０１０９−１、内層導体配線０１１０−１と順次接続されている。もう一方の電極パッド０１０８−２は、表層導体配線０１１２、電極パッド０１０８−３、導体ビア０１０９−０２、内層導体配線０１１０−２と順次接続されている。
【００２３】
通常、内層導体配線０１１０−１、あるいは０１１０−２および表層導体配線０１１２は、長手方向に延在するように配置され、途中経路で迂回するように配置される場合もあるが、互いに電気的に短絡しないような配置が施される。
【００２４】
導体ビア０１０９−１や０１０９−２などは、多層基板表面に対して、通常は、ほぼ垂直な方向に、多層基板を構成する積層膜を貫通して設けられた貫通孔に導電材料を埋め込んで設けられている。
【００２５】
また、内層導体配線０１１０−１や０１１０−２は、多層基板表面に対して、ほぼ平行な面で形成され、互いに該基板表面からの深さを異にする位置に配置されている。
【００２６】
内層導体配線０１１０−１と内層導体配線０１１０−２との間は、電気的に絶縁する絶縁層あるいは絶縁膜が形成されていることは言うまでもない。他の導体配線間における多層基板の縦方向の絶縁も同様である。
【００２７】
図６において、導体ビア０１０９−１と導体ビア０１０９−２との間隔は、電極パッド０１０８−１および０１０８−２との間の間隔より、明らかに広がっていることが判る。
【００２８】
図３で示すように、従来の導体ビア０１０９−１と導体ビア０１０９−２との間隔は、電極パッド０１０８−１および０１０８−２との間の間隔と同じである。すなわち、従来は光素子と接続された導体ビア０１０９−１と０１０９−２との間の距離は、多チャンネル光ファイバのピッチ間隔に合わせ２５０μｍと狭ピッチになっており、導体ビア０１０９−１と導体ビア０１０９−２の間にはクロストークを遮蔽するための導体ビアを、加工上の問題などにより設置することができなかった。
【００２９】
一方、本実施例では、表層導体配線０１１２を新たに導入することにより、導体ビア０１０９−１と導体ビア０１０９−２との間隔を広げることが可能となり、両者の間にクロストーク遮蔽用導体ビア０１０９−３を設けることが可能となった。ここで、導体ビア０１０９−３はグランド導体ビアもしくは電源導体ビアのいずれかである。
【００３０】
ここで、導体ビア０１０９−１と導体ビア０１０９−２との間とは、内層導体配線０１１０−１の配線パターンを多層基板表面に投影した投影像と、表層導体配線０１１２の配線パターンとによって挟まれる平面領域内に位置するように配置されていることを指す。
【００３１】
また、内層導体配線０１１０−１と０１１０−２の間には、広面積の導体配線０１１０−３が形成されており（図７を参照）、内層導体配線０１１０−１と０１１０−２の間のクロストークを低減している。ここで、内層導体配線０１１０−３はグランド導体配線もしくは電源導体配線のいずれかである。
【００３２】
本実施例の構造をとることにより、導体ビア０１０９−１と導体ビア０１０９−２との間にクロストーク遮蔽用導体ビア０１０９−３を設けることが可能となり、基板垂直方向のチャンネル間クロストーク（導体ビア同士のクロストーク）低減することができるようになった。さらに、内層導体配線０１１０−１と０１１０−２の間には、広面積の導体配線０１１０−３が形成されることにより、基板水平方向のチャンネル間クロストーク（内層導体配線同士のクロストーク）を同時に低減することができる。
【００３３】
図８は、導体ビア間のクロストークを計算した結果であり、横軸が周波数（Frequency）、縦軸がクロストークを示す。測定条件は、導体ビアの直径を１００μｍ、導体ビアの長さを１．０ｍｍ、基板材料としては、光素子を実装する多層基板材料はアルミナ（誘電率１０）とし、導体材料はタングステンとした。図中に示された３つのグラフのうち（１）のプロットは、ビア導体間のピッチを２５０μｍで、かつ導体ビア間にクロストーク遮蔽用導体ビアがない場合であり、（２）のプロットは、導体ビア間のピッチを５００μｍで、かつ信号導体ビア間にクロストーク遮蔽用導体ビアがない場合であり、（３）のプロットは、導体ビア間のピッチを５００μｍで、かつ導体ビア間にクロストーク遮蔽用導体ビアがある場合のクロストークをそれぞれ示している。たとえば、２５Ｇｂｉｔ／ｓ信号の基本周波数である１２．５ＧＨｚでのクロストークは、従来のモジュールに相当する（１）のプロット−１１ｄＢであるのに対して、本実施例に相当する（３）のプロットはと−３０ｄＢと特性が改善されることがわかる。
＜実施例２＞
図９に本発明の実施例２に係る光モジュール斜視図を示す。本実施例は、光素子０１０５の電極パッドと、多層基板０１０１の電極パッドがボンディングワイヤ０１０７により接続されている点を除いては、実施例１と同様である。従って、その詳細説明は省略する。
【００３４】
本構造においても、実施例１と同様にクロストークを低減した良好な特性を実施することができる。
【００３５】
本実施例は、光素子０１０５に設けられた電極パッドを実施例１で示したようにフェースダウンできない場合に適用が可能となる。
＜実施例３＞
図１０に本発明の実施例３に係る光モジュール上面図を示す。図１１は本実施例の光モジュールの断面図である。本実施例は、光素子０１０５の光信号の入出力方向に、複数の光信号を１つの多重化信号へ変換する光多重器もしくは、１つの多重化信号を複数の光信号へ変換する光分波器が実装されている。光素子０１０５から基板垂直方向へ入出力される光信号は光多重器/分波器０１１３に形成されたミラー０１１４（図１１を参照）により基板水平方向へ光路変換され、光多重器/分波器内０１１３に形成された光導波路０１１５を伝播する。本実施例は光素子０１０５の上部に光多重器/分波器が実装されている点を除いては、実施例１と同様である。
【００３６】
したがって、光多重器/分波器からはクロストークの低減された良好な特性が得られる。
【符号の説明】
【００３７】
０１０１…多層基板、０１０２…集積回路、０１０３…光コネクタ、０１０４…光ファイバ、０１０５…光素子、０１０６…スペーサ、０１０７…ボンディングワイヤ、０１０８…電極パッド、０１０９…導体ビア、０１１０…内層導体配線、０１１１…半田バンプ、０１１２…表層導体配線、０１１３…光多重器/分波器、０１１４…ミラー、０１１５…光導波路。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する内層導体配線層と絶縁層とが複数積層された積層膜と、該積層膜を貫通し設けられた前記内層導体配線層間を電気的に接続する導体ビアとを含んでなる多層基板において、
前記多層基板上に配置された複数の電極パッドの一つに第１の導体ビアを介して接続された第１の内層導体配線層と、
前記電極パッドの一つに隣接する他の一つの電極パッドに第２の導体ビアを介して接続された第２の内層導体配線層と、を有し、
前記他の一つの電極パッドと前記第２の導体ビアとは、前記多層基板の表面上に設けられた表層導体配線層を介して接続され、
前記表層導体配線層と前記第１の内層導体配線層との間に、接地電位に保持されたグランド導体ビア、もしくは電源電位に保持された電源導体ビアが設けられていることを特徴とする多層基板。
【請求項２】
前記第１の内層導体配線層と前記第２の内層導体配線層との間に、接地電位に保持されたグランド導体配線層、もしくは電源電位に保持された電源導体配線層がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の多層基板。
【請求項３】
前記グランド導体ビア、もしくは前記電源導体ビアは、前記第１の内層導体配線層を前記多層基板表面に投影してなる投影像と前記表層導体配線層との間に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多層基板。
【請求項４】
前記第２の導体ビアと前記表層導体配線層とは、前記電極パッドの一つ、又は他の一つと異なる別の電極パッドを介して接続され、前記グランド導体ビア、もしくは前記電源導体ビアは、前記電極パッドの一つと別の電極パッドとの間に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多層基板。
【請求項５】
前記表層導体配線層の長手方向は、前記第１および第２の内層導体配線層の長手方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多層基板。
【請求項６】
基板上に少なくとも光素子と電子回路装置とを搭載した光モジュールにおいて、
導電性を有する内層導体配線層と絶縁層とが複数積層された積層膜と、該積層膜を貫通し設けられた前記内層導体配線層間を電気的に接続する導体ビアとを含んでなる多層基板と、
前記多層基板上に配置された複数の電極パッドの一つに第１の導体ビアを介して接続された第１の内層導体配線層と、
前記電極パッドの一つに隣接する他の一つの電極パッドに、前記多層基板の表面上に設けられた表層導体配線層を介して接続された第２の導体ビアと、
前記第２の導体ビアを介して接続された第２の内層導体配線層と、を有し、
前記表層導体配線層と前記第１の内層導体配線層との間に、接地電位に保持されたグランド導体ビア、もしくは電源電位に保持された電源導体ビアが設けられ、
前記第１の内層導体配線層と前記第２の内層導体配線層との間に、接地電位に保持されたグランド導体配線層、もしくは電源電位に保持された電源導体配線層が設けられ、
前記光素子、および前記電子回路装置は、それぞれに設けられた電極パッドを介して前記多層基板上に配置された複数の電極パッドの何れかと接続されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
前記光素子に設けられた電極パッドと前記多層基板上に配置された複数の電極パッドの何れかがボンディングワイヤを介して接続されていることを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
【請求項８】
前記光素子の複数が、同一基板上に配列されたアレイ素子であることを特徴とする請求項６または７に記載の光モジュール。
【請求項９】
前記光素子は、光信号変調方式が直接変調方式もしくは間接変調方式のいずれかの半導体レーザであることを特徴とする請求項６または７に記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記光素子は、光共振方向が、前記多層基板に対して水平方向もしくは垂直方向のいずれかの半導体レーザであることを特徴とする請求項６または７に記載の光モジュール。
【請求項１１】
前記光素子は、光受発光部とレンズとが同一基板に一体集積されていることを特徴とする請求項６または７に記載の光モジュール。
【請求項１２】
前記光素子から入出力される光信号の入出力方向には、外部レンズが実装されていることを特徴とする請求項６または７に記載の光モジュール。
【請求項１３】
前記光素子から入出力される光信号の入出力方向には、複数の光信号を１つの多重化光信号へ変換する光多重化部もしくは、一つの多重化光信号を複数の光信号へ変換する光分波部を有することを特徴とする請求項６または７に記載の光モジュール。

【図１】