光電気複合モジュール
【課題】受発光素子の温度特性の向上を図ることが可能な光電気複合モジュールを提供する。
【解決手段】ガラスファイバ１５が挿入される光ファイバ挿通孔１４を有し、ガラスファイバ１５の挿入方向前方側の固定面１２ａに電極１３が設けられたフェルール１２と、電極１３と導通接続された状態にフェルール１２の固定面１２ａに取り付けられた受発光素子１６と、フェルール１２が固定された回路基板３２と、を備えた光電気複合モジュール１１であって、受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を有し、ヒートシンク３１が回路基板３２と接触している。
【解決手段】ガラスファイバ１５が挿入される光ファイバ挿通孔１４を有し、ガラスファイバ１５の挿入方向前方側の固定面１２ａに電極１３が設けられたフェルール１２と、電極１３と導通接続された状態にフェルール１２の固定面１２ａに取り付けられた受発光素子１６と、フェルール１２が固定された回路基板３２と、を備えた光電気複合モジュール１１であって、受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を有し、ヒートシンク３１が回路基板３２と接触している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝送等に用いられる光電気複合モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ間信号の高速化に伴い、電気による伝送ではノイズ、消費電力増加を解消することが困難となってきている。そこで、近年、ＬＳＩ間を、電磁障害や周波数依存性損失が殆どない光通信で伝送する試みがなされている。
【０００３】
この光伝送に用いられる光配線部品として、光素子チップ実装用の接続端面、接続端面に相対する対向端面、接続端面と対向端面を接続する複数の側面とで外形を定義される絶縁性の基体と、接続端面と対向端面間を貫通し、光ファイバ等の光伝送路を機械的に保持する保持穴の接続端面における開口部の近傍から、複数の側面の内の１側面上まで延長形成される複数の電気配線とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この光配線部品は、接続端面において、複数の電気配線と互いに交互に配置され、且つ１側面上まで延長形成され、接続端面上での長さが、複数の電気配線の接続端面上での長さより長いか、或いは、１側面上での長さが、複数の電気配線の１側面上での長さより長い複数の熱伝導ストリップを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９５６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の光配線部品は、光ファイバの固定および接続端面への受発光素子の固定強度向上、ならびに光ファイバと受発光素子との光学的な結合効率向上を目的として、受発光素子と基体であるフェルールとの間にアンダーフィル材と呼ばれる樹脂を埋め込むことが行われている。また、受発光素子への電力供給のための電気配線であるリードフレームからドライバＩＣや回路基板の電極パッドにワイヤボンディングを行い、そのボンディングワイヤの保護としてポッティング材と呼ばれる樹脂で封止している。
【０００６】
アンダーフィル材やポッティング材などの樹脂は上記目的のためには非常に有効ではあるが、熱伝導率が非常に小さいため、樹脂を介した放熱はほとんど行われず、受発光素子のメインの放熱経路としては、全て金属で構成される、受発光素子のパッド電極、フリップチップ用金バンプ、リードフレーム及びボンディングワイヤとなる。
ところが、これらの放熱経路は、その断面積が小さく、かつ、長いことから熱抵抗をなくすことはできず、そのため受発光素子においては１０℃〜２０℃程度の温度上昇が起き、上記のように熱伝導ストリップを設けても温度特性が劣化してしまうおそれがあった。
【０００７】
本発明の目的は、受発光素子の温度特性の向上を図ることが可能な光電気複合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】
【０００８】
上記課題を解決することのできる本発明の光電気複合モジュールは、光ファイバが挿入される光ファイバ挿通孔を有し、前記光ファイバの挿入方向前方側の固定面に電極が設けられたフェルールと、前記電極と導通接続された状態に前記フェルールの前記固定面に取り付けられた受発光素子と、前記フェルールが固定された基板と、を備えた光電気複合モジュールであって、
前記受発光素子の裏面側にヒートシンクを有し、前記ヒートシンクが前記基板と接触していることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記ヒートシンクが導電体であり、前記ヒートシンクと前記受発光素子との間または前記ヒートシンクと前記基板との間に、絶縁性を有する放熱シートを設けるのが好ましい。
【００１０】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記ヒートシンクが絶縁体であることが好ましい。
【００１１】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記基板における前記ヒートシンクの接触領域付近に複数のスルーホールが設けられていることが好ましい。
【００１２】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記スルーホールに、前記基板より熱伝導率の高い放熱材が埋め込まれていることが好ましい。
【００１３】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記基板における前記ヒートシンクの接触領域付近に、前記基板より熱伝導率の高い放熱材が埋め込まれていることが好ましい。
【００１４】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記基板への前記ヒートシンクの接触領域付近における前記ヒートシンクと反対側に、放熱用ヒートシンクが設けられていることが好ましい。
【００１５】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記基板への前記ヒートシンクの接触領域付近における前記ヒートシンクと反対側に、放熱部材を介して筐体が接触されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、受発光素子の裏面側にヒートシンクを有し、ヒートシンクが基板と接触しているので、受発光素子の熱がヒートシンクへ伝達され、さらにヒートシンクから基板へ伝達されて逃がされる。これにより、受発光素子の放熱性を大幅に向上させることができ、受発光素子の温度特性の向上を図ることができる。よって、出力の安定化及び伝送速度低下の防止を図り、高い信頼性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態例に係る光電気複合モジュールの断面図である。
【図２】図１の光電気複合モジュールを構成する複数の受発光素子の装着面側から視た平面図である。
【図３】図１の光電気複合モジュールの製造工程を示す図であって、（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールを示す図であって、（ａ）は光電気複合モジュールの断面図、（ｂ）は回路基板の平面図である。
【図５】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールを示す図であって、（ａ）は光電気複合モジュールの断面図、（ｂ）は回路基板の平面図である。
【図６】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールの断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールの断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る光電気複合モジュールの実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る光電気複合モジュール１１は、フェルール１２を備えている。このフェルール１２は、一方の端面が固定面１２ａとして形成されており、この固定面１２ａには、複数の電極１３が設けられている。このフェルール１２は、例えば、熱可塑性樹脂から形成されたものであり、複数の電極（リードフレーム）１３とともに一体成形されたＬＦＩ（Lead Frame Inserted）フェルールである。
【００１９】
このフェルール１２には、光ファイバ挿通孔１４が形成されており、この光ファイバ挿通孔１４には、光ファイバ心線の端部から露出されたガラスファイバ（光ファイバ）１５が後端側から挿入されている。このガラスファイバ１５は、コア１５ａの外周をクラッド１５ｂによって覆った構造とされている。光ファイバとしては、ガラスファイバの他、クラッドが樹脂のものなども使用できる。
【００２０】
図２に示すように、受発光素子１６は、フェルール１２の固定面１２ａに複数配列されて設けられている。これらの受発光素子１６は、ガリウム基板等の基材２０に素子部１７と端子部１８とを備えており、端子部１８には、金スタッドバンプからなるバンプ２１が設けられている。受発光素子１６は、例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などの発光素子やフォトダイオード（Photo Diode）などの受光素子である。受発光素子１６の素子部１７は、受発光素子１６が発光素子である場合は発光部であり、受発光素子１６が受光素子である場合は受光部である。
【００２１】
この受発光素子１６は、フェルール１２の固定面１２ａに重ね合わせた状態で実装される。このとき、受発光素子１６の各素子部１７がフェルール１２の光ファイバ挿通孔１４の対向位置に配置され、また、端子部１８が電極１３に配置されてバンプ２１を介して導通接続される。バンプ２１による接続は、超音波振動あるいは熱によるフリップチップ接続で行われる。
【００２２】
フェルール１２には、後端１２ｂ側における一側面に、切欠き部２３が形成されている。これにより、光ファイバ挿通孔１４が切り欠かれて露出される。この切欠き部２３には、接着剤として機能するエポキシ樹脂等のアンダーフィル材２５が充填されている。このアンダーフィル材２５は、切欠き部２３からガラスファイバ１５と光ファイバ挿通孔１４との間にも入り込んでおり、このアンダーフィル材２５によって、光ファイバ挿通孔１４に挿入されたガラスファイバ１５が接着されて固定されている。このアンダーフィル材２５は、フェルール１２の固定面１２ａと受発光素子１６との間にも充填されており、このアンダーフィル材２５によって受発光素子１６とフェルール１２とが強固に接合されている。このアンダーフィル材２５は、フェルール１２に対して熱処理を施すことにより硬化されている。
【００２３】
フェルール１２は、回路基板３２に対して、例えばエポキシ樹脂等からなるダイボンド材３５によって固定されてモジュール化されている。
【００２４】
また、本実施形態に係る光電気複合モジュール１１では、受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１が設けられている。このヒートシンク３１は、受発光素子１６側の面積が受発光素子１６の裏面の面積よりも大きく形成されている。これにより、受発光素子１６は、その裏面がヒートシンク３１によって完全に覆われている。
【００２５】
このヒートシンク３１としては、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、銅タングステン合金（ＣｕＷ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄にニッケル及びコバルトを配合したコバールなどが用いられる。
【００２６】
これらの何れか一つまたは複数の材料から形成されたヒートシンク３１は、導電体であるので、ヒートシンク３１と受発光素子１６との間に絶縁性を有する放熱シート３３を設ける。このようにすると、受発光素子１６と回路基板３２との間における絶縁が確保され、伝送特性の劣化を防止することができる。また、ヒートシンク３１と回路基板３２との間には、銀ペースト３４が塗布されており、ヒートシンク３１と回路基板３２との間における良好な熱伝達が図られている。なお、ヒートシンク３１と受発光素子１６との間に銀ペースト３４を塗布し、ヒートシンク３１と回路基板３２との間に放熱シート３３を設けても良い。
【００２７】
また、このヒートシンク３１としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの絶縁体、ならびにダイヤモンドなどの半絶縁性材料を用いても良い。特に、窒化アルミニウムであるアルミナイトライドは、熱伝導率及び電気絶縁性が高いのでヒートシンク３１として用いるのに好適である。
【００２８】
このような絶縁体を用いた場合、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間に、銀ペースト３４が塗布され、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間における良好な熱伝達が図られている。このように、絶縁体からなるヒートシンク３１を用いれば、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間に銀ペースト３４を塗布しても、受発光素子１６と回路基板３２との間が絶縁される。
【００２９】
さらに、このヒートシンク３１として、ケイ素（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体を用いても良く、ガリウム砒素においては半絶縁性を有する場合は、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間に銀ペースト３４を塗布するとよい。ヒートシンク３１が導電性を有する場合は、伝送特性を劣化させないために、ヒートシンク３１と受発光素子１６との間またはヒートシンク３１と回路基板３２との間に、絶縁性を有する放熱シート３３を設けるとよい。
【００３０】
なお、放熱シート３３は安価であるので、モジュールのコストを低く抑えることができる。絶縁体のヒートシンク３１を用いる場合では、放熱シート３３を不要とすることができ、材料費及び製造費の両面でコストを抑えることができる。
【００３１】
また、受発光素子１６と同等（±１０％〜２０％）の熱膨張係数を持つヒートシンク３１を選択することで熱応力を低減し、受発光素子１６の信頼性を向上させることができる。ガリウム砒素（ＧａＡｓ）をヒートシンク３１に用いる場合は、半絶縁性のものを用いることで絶縁シート３３が不要になり、熱応力を低減させると共に、コストを抑えることができる。ケイ素（Ｓｉ）は価格も安く、しかも、熱膨張係数も受発光素子１６に近く、熱応力を良好に抑えることができる。
【００３２】
各材料の熱膨張係数、比抵抗及び熱伝導率を表１に示す。
【表１】
【００３３】
回路基板３２には電極パッド３０が設けられ、この電極パッド３０は、例えば、金（Ａｕ）からなるボンディングワイヤ３６によってフェルール１２の電極１３に導通接続されている。また、回路基板３２には、例えば、ドライバ、トランスインピーダンスアンプなどの光素子駆動ＩＣである電子デバイス（図示省略）が実装されている。
【００３４】
光電気複合モジュール１１は、ボンディングワイヤ３６が完全に埋まるようにポッティング材３８が塗布されており、このポッティング材３８によって、ボンディングワイヤ３６及びその周囲が封止されて保護されている。
【００３５】
上記の光電気複合モジュール１１では、受発光素子１６とガラスファイバ１５との間で光伝送が行われる。発光素子からなる受発光素子１６からガラスファイバ１５へ光伝送が行われる場合では、受発光素子１６の素子部１７から発光された光がガラスファイバ１５のコア１５ａへ入射することとなる。また、ガラスファイバ１５から受光素子からなる受発光素子１６へ光伝送が行われる場合では、ガラスファイバ１５のコア１５ａから出射した光が受発光素子１６の素子部１７へ入射することとなる。
【００３６】
そして、上記の光電気複合モジュールは、例えば、長距離機器配線用の光ＤＶＩケーブル、光ＵＳＢケーブル、携帯電話用光配線、家庭用電化製品のネットワーク用の光ＨＤＭＩ、データサーバ間通信用の光ＩｎｆｉｎｉＢａｎｄケーブルあるいは車載情報機器通信用の車載用光ハーネスなどの様々なアクティブオプティカルケーブルや光配線部品として用いることができる。
【００３７】
上記の光電気複合モジュール１１を製造するには、まず、図３（ａ）に示すように、フェルール１２の固定面１２ａと、金のバンプ２１を有する面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）またはフォトダイオードからなる受発光素子１６とを用意し、温度２００℃で超音波フリップチップにより受発光素子１６をフェルール１２に実装する。
【００３８】
次に、図３（ｂ）に示すように、フェルール１２の光ファイバ挿通孔１４に、切欠き部２３からアンダーフィル材２５を充填し、この光ファイバ挿通孔１４へ機械的に位置決めするパッシブアライメントで位置決めしながらガラスファイバ１５を挿し込み、接着剤２６でガラスファイバ１５を仮固定する。このとき、光ファイバ挿通孔１４から染み出したアンダーフィル材２５によって受発光素子１６の表面が覆われるようにする。
【００３９】
次いで、図３（ｃ）に示すように、例えば、エポキシ系樹脂からなるダイボンド材３５によってフェルール１２を、ガラスエポキシ基板からなる回路基板３２上にダイボンドして実装し、アンダーフィル材２５及びダイボンド材３５を硬化させるために、温度１２０℃で３０分間の熱処理を行う。
【００４０】
さらに、図３（ｄ）に示すように、受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付ける。なお、ヒートシンク３１として導電体を用いる場合は、ヒートシンク３１受発光素子１６との間またはヒートシンク３１と回路基板３２との間に、絶縁性を有する放熱シート３３を設ける。また、ヒートシンク３１として絶縁体を用いる場合は、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間に銀ペースト３４を塗布する。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させる。
【００４１】
その後、図３（ｅ）に示すように、金からなるボンディングワイヤ３６によって電極パッド３０とフェルール１２の電極１３とを導通接続させる。なお、ボンディングワイヤ３６によるワイヤボンディングでは、回路基板３２が約１７５℃で約１５分加熱される。
【００４２】
最後に、ボンディングワイヤ３６が完全に埋まるようにポッティング材３８を塗布し、ポッティング材３８によってボンディングワイヤ３６及びその周囲を封止し（図１参照）、アンダーフィル材２５及びポッティング材３８を硬化させるために、１５０℃で３０分間の熱処理を行う。
【００４３】
フェルール１２に実装された受発光素子１６は、その大半が熱伝導率の小さい樹脂に覆われているため放熱性が低い。このため、受発光素子１６の熱を放熱しないと、その素子部１７の温度が数十度上昇し、出力低下や伝送速度低下などの温度特性の劣化を招き、信頼性も低下してしまう。
【００４４】
本実施形態に係る光電気複合モジュール１１によれば、受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を有し、ヒートシンク３１が回路基板３２と接触しているので、受発光素子１６の熱がヒートシンク３１へ伝達され、さらにヒートシンク３１から回路基板３２へ伝達されて逃がされる。これにより、受発光素子１６の放熱性を大幅に向上させることができ、受発光素子１６の温度特性の向上を図ることができる。よって、出力の安定化及び伝送速度低下の防止を図り、高い信頼性を維持することができる。
【００４５】
次に、光電気複合モジュール１１の他の実施形態例について説明する。なお、図４から図８において、ボンディングワイヤ３６及びポッティング材３８は図１と同様に設けられるものであるが、図示を省略する。
【００４６】
図４に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に複数のスルーホール４５が設けられている。スルーホール４５は、それぞれ１００μｍ以下の径とするのが好ましい。
【００４７】
この光電気複合モジュール１１によれば、回路基板３２に設けたスルーホール４５が放熱経路となり、このスルーホール４５の空洞からヒートシンク３１の熱を容易に回路基板３２の裏面側へ逃がすことができる。回路基板３２として、放熱効果が高い窒化アルミニウム製の回路基板３２を用いずに安価なガラスエポキシ基板を用いたとしても、受発光素子１６の放熱効果を高めることができる。また、回路基板３２にスルーホール４５を形成するだけの構造であるので、コストも極力抑えることができる。
【００４８】
図５に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に設けたスルーホール４５に、回路基板３２より熱伝導率の高い放熱材４６が埋め込まれている。この放熱材４６としては、ヒートシンク３１と同様に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの絶縁体を用いることが好ましい。
【００４９】
この光電気複合モジュール１１によれば、スルーホール４５に埋め込んだ放熱材４６によってヒートシンク３１の熱をさらに良好に回路基板３２の裏面側へ逃がすことができ、受発光素子１６の放熱効果を高めることができる。
【００５０】
図６に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に回路基板３２より熱伝導率の高い放熱材４７が埋め込まれている。この放熱材４７としては、ヒートシンク３１と同様に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの絶縁体を用いるのが好ましい。
【００５１】
この光電気複合モジュール１１によれば、回路基板３２に埋め込んだ放熱材４７を放熱経路とし、この放熱材４７によってヒートシンク３１の熱を容易にかつ良好に回路基板３２の裏面側へ逃がすことができ、回路基板３２として、放熱効果が高い窒化アルミニウム製の回路基板３２を用いずに安価なガラスエポキシ基板を用いたとしても、受発光素子１６の放熱効果を高めることができる。
【００５２】
図７に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２においてヒートシンク３１の接触領域付近におけるヒートシンク３１を有する側と反対側に、放熱材４７を介して放熱用ヒートシンク５１が設けられている。放熱用ヒートシンク５１は、露出された表面積が大きくなるように複数の放熱用フィンを有する。
【００５３】
この光電気複合モジュール１１によれば、ヒートシンク３１からの熱を回路基板３２に設けた放熱用ヒートシンク５１から外部へ極めて良好に放出させることができる。これにより、受発光素子１６の放熱効果をさらに高めることができる。
【００５４】
図８に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２においてヒートシンク３１の接触領域付近におけるヒートシンク３１を有する側と反対側に、放熱材４７を介するとともに、回路基板３２よりも熱伝導性の高い材料からなるヒートシンクや放熱シート等の放熱部材５２を介して、金属板または樹脂から形成された筐体５３が接触されている。
【００５５】
この光電気複合モジュール１１によれば、ヒートシンク３１からの熱を回路基板３２に接触させた放熱部材５２及び筐体５３へ伝達させて、極めて良好に放出させることができる。これにより、受発光素子１６の放熱効果をさらに高めることができる。特に、回路基板３２に放熱用ヒートシンク５１を設けることができない場合であっても、極めて良好な放熱効果を得ることができる。
【００５６】
また、放熱用ヒートシンク５１を設けた光電気複合モジュール１１では、放熱用ヒートシンク５１をさらに筐体５３に接触させることが好ましく、このようにすると、放熱用ヒートシンク５１の熱も筐体５３へ伝達させて放出させることができ、放熱効果をより一層高めることができる。
【００５７】
なお、上記の実施形態では、ガラスエポキシ基板からなる回路基板３２を用いたが、回路基板３２として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成されたものを用いて、回路基板３２からの放熱効果をさらに高めるようにしても良い。
【００５８】
また、受発光素子１６の裏面に設けるヒートシンク３１及び回路基板３２の裏面に設ける放熱用ヒートシンク５１は、体積が大きいほど放熱性を向上させることができるが、ボンディングワイヤ３６によるワイヤボンディング及び筐体５３内における収容スペース等でサイズが制限されることとなる。つまり、これらのヒートシンク３１及び放熱用ヒートシンク５１としては、高熱伝導率を有する材質から形成し、ワイヤボンディングによる制限及び収容スペースによる制限下において極力大きいサイズにすることが好ましい。
【００５９】
一例として、１チャンネルの面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の受発光素子１６は、幅２５０μｍ、高さ３５０μｍであり、回路基板３２上のフェルール１２の高さが１ｍｍである。また、フェルール１２の固定面１２ａから電極パッド３０上のボンディングワイヤ３６の接続箇所までの距離は１ｍｍ以内である。この場合、ヒートシンク３１の大きさは、フェルール１２の光軸方向に５００μｍ以下、回路基板３２上の高さが７００〜８００μｍ程度が最大となる。また、受発光素子１６を１２チャンネルのＶＣＳＥＬとした場合、その幅は３ｍｍ程度であるので、ヒートシンク３１の幅もこの程度まで大きくできる。
【実施例】
【００６０】
構造が異なる比較例１及び実施例１〜７の８種類の光電気複合モジュール１１に対して、２５℃において６ｍＡでの波長スペクトル（面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の発振波長（設計波長８５０ｎｍ））を測定した。なお、モジュール化する前に受発光素子１６単体でも波長スペクトルを各々測定し、スペクトルの最長波長（基本モード）の差からモジュール化による温度増加分を算出した。温度算出には波長の温度依存性として「０．０６ｎｍ／Ｋ」を用いた。
【００６１】
（測定対象の光電気複合モジュールの製造方法）
フェルール１２の固定面１２ａと、金のバンプ２１を有する面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）からなる受発光素子１６とを用意し、温度２００℃で超音波フリップチップにより受発光素子１６をフェルール１２に実装した。
【００６２】
次に、フェルール１２の光ファイバ挿通孔１４に、切欠き部２３からアンダーフィル材２５を充填し、この光ファイバ挿通孔１４へ機械的に位置決めするパッシブアライメントで位置決めしながらガラスファイバ１５を挿し込み、接着剤２６でガラスファイバ１５を仮固定した。このとき、光ファイバ挿通孔１４から染み出したアンダーフィル材２５によって受発光素子１６の表面が覆われるようにした。
【００６３】
次いで、エポキシ系樹脂からなるダイボンド材３５によってフェルール１２を、ガラスエポキシ基板からなる回路基板３２上にダイボンドして実装し、ダイボンド材３５を硬化させるために、温度１２０℃で３０分間の熱処理を行った。
【００６４】
受発光素子１６に電力供給できるように回路基板３２上に形成されているパッド電極３０とフェルール１２の電極１３とを金ワイヤからなるボンディングワイヤ３６によって導通接続させた。
【００６５】
ボンディングワイヤ３６の保護のため、パッド電極３０からフェルール１２の電極１３までのボンディングワイヤ３６及び受発光素子１６が完全に埋もれるようにポッティング材３８を塗布し、アンダーフィル材２５及びポッティング材３８を硬化させるために、１５０℃で３０分間の熱処理を実施した。
【００６６】
（光電気複合モジュールの放熱構造）
（比較例１）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンクを設けず、特に放熱構造を持たない。
【００６７】
（実施例１）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、銅タングステン合金（ＣｕＷ）からなる導電体を用い、ヒートシンク３１と受発光素子１６との間に放熱シート３３を設け、ヒートシンク３１と回路基板３２との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。
【００６８】
（実施例２）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。
【００６９】
（実施例３）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に複数のスルーホール４５を設けた。
【００７０】
（実施例４）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に複数のスルーホール４５を設け、スルーホール４５に、熱伝導率の高い放熱材４６を埋め込んだ。
【００７１】
（実施例５）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に熱伝導率の高い放熱材４７を埋め込んだ。
【００７２】
（実施例６）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に熱伝導率の高い放熱材４７を埋め込んだ。さらに、回路基板３２へのヒートシンク３１の接触領域付近におけるヒートシンク３１と反対側に、放熱用ヒートシンク５１を設けた。
【００７３】
（実施例７）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子及び回路基板とヒートシンク３１との間に銀ペーストを塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に熱伝導率の高い放熱材４７を埋め込んだ。さらに、回路基板３２へのヒートシンク３１の接触領域付近におけるヒートシンク３１と反対側に、放熱部材５２を介して筐体５３を接触させた。
【００７４】
（試験結果）
上記のように、放熱構造が異なる８種類の光電気複合モジュールに対して、２５℃において６ｍＡでの波長スペクトルを測定した結果を表２に示す。
【００７５】
【表２】
【００７６】
表２に示すように、比較例１では、約１．２ｎｍの波長変動Δλがあり、モジュール化後に約２０℃の温度上昇ΔＴが認められた。
【００７７】
これに対して、実施例１〜２では、受発光素子１６の裏面にヒートシンク３１を設けることで、比較例１に対して温度上昇ΔＴを約２℃〜５℃低下させることができた。
【００７８】
また、回路基板３２にスルーホール４５を設けた実施例３、回路基板３２にスルーホール４５を設けて放熱材４６を埋め込んだ実施例４及び回路基板３２に放熱材４７を埋め込んだ実施例５では、受発光素子１６からの放熱経路が確保されたことで、比較例１に対して温度上昇ΔＴを約１０℃〜１５℃低下させることができた。
【００７９】
そして、回路基板３２の裏面に放熱用ヒートシンク５１を設けた実施例６及び回路基板３２の裏面を筐体５３に接触させた実施例７では、モジュール化による温度上昇ΔＴをほぼ無くすことができた。
【００８０】
このように、受発光素子１６の裏面にヒートシンク３１を設け、回路基板３２内に放熱経路を設け、更に、回路基板３２の裏面にも放熱経路を設けることにより、放熱性を大幅に向上させることが可能となり、光電気複合モジュール１１における受発光素子１６の温度上昇を略無くすことができた。これにより、温度特性に優れた高品質及び高信頼性を有する光電気複合モジュール１１を得ることができた。
【符号の説明】
【００８１】
１１：光電気複合モジュール、１２：フェルール、１２ａ：固定面、１３：電極、１４：光ファイバ挿通孔、１５：ガラスファイバ（光ファイバ）、１６：受発光素子、３１：ヒートシンク、３２：回路基板（基板）、３３：放熱シート、４５：スルーホール、４６，４７：放熱材、５１：放熱用ヒートシンク、５２：放熱部材、５３：筐体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝送等に用いられる光電気複合モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ間信号の高速化に伴い、電気による伝送ではノイズ、消費電力増加を解消することが困難となってきている。そこで、近年、ＬＳＩ間を、電磁障害や周波数依存性損失が殆どない光通信で伝送する試みがなされている。
【０００３】
この光伝送に用いられる光配線部品として、光素子チップ実装用の接続端面、接続端面に相対する対向端面、接続端面と対向端面を接続する複数の側面とで外形を定義される絶縁性の基体と、接続端面と対向端面間を貫通し、光ファイバ等の光伝送路を機械的に保持する保持穴の接続端面における開口部の近傍から、複数の側面の内の１側面上まで延長形成される複数の電気配線とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この光配線部品は、接続端面において、複数の電気配線と互いに交互に配置され、且つ１側面上まで延長形成され、接続端面上での長さが、複数の電気配線の接続端面上での長さより長いか、或いは、１側面上での長さが、複数の電気配線の１側面上での長さより長い複数の熱伝導ストリップを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９５６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の光配線部品は、光ファイバの固定および接続端面への受発光素子の固定強度向上、ならびに光ファイバと受発光素子との光学的な結合効率向上を目的として、受発光素子と基体であるフェルールとの間にアンダーフィル材と呼ばれる樹脂を埋め込むことが行われている。また、受発光素子への電力供給のための電気配線であるリードフレームからドライバＩＣや回路基板の電極パッドにワイヤボンディングを行い、そのボンディングワイヤの保護としてポッティング材と呼ばれる樹脂で封止している。
【０００６】
アンダーフィル材やポッティング材などの樹脂は上記目的のためには非常に有効ではあるが、熱伝導率が非常に小さいため、樹脂を介した放熱はほとんど行われず、受発光素子のメインの放熱経路としては、全て金属で構成される、受発光素子のパッド電極、フリップチップ用金バンプ、リードフレーム及びボンディングワイヤとなる。
ところが、これらの放熱経路は、その断面積が小さく、かつ、長いことから熱抵抗をなくすことはできず、そのため受発光素子においては１０℃〜２０℃程度の温度上昇が起き、上記のように熱伝導ストリップを設けても温度特性が劣化してしまうおそれがあった。
【０００７】
本発明の目的は、受発光素子の温度特性の向上を図ることが可能な光電気複合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】
【０００８】
上記課題を解決することのできる本発明の光電気複合モジュールは、光ファイバが挿入される光ファイバ挿通孔を有し、前記光ファイバの挿入方向前方側の固定面に電極が設けられたフェルールと、前記電極と導通接続された状態に前記フェルールの前記固定面に取り付けられた受発光素子と、前記フェルールが固定された基板と、を備えた光電気複合モジュールであって、
前記受発光素子の裏面側にヒートシンクを有し、前記ヒートシンクが前記基板と接触していることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記ヒートシンクが導電体であり、前記ヒートシンクと前記受発光素子との間または前記ヒートシンクと前記基板との間に、絶縁性を有する放熱シートを設けるのが好ましい。
【００１０】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記ヒートシンクが絶縁体であることが好ましい。
【００１１】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記基板における前記ヒートシンクの接触領域付近に複数のスルーホールが設けられていることが好ましい。
【００１２】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記スルーホールに、前記基板より熱伝導率の高い放熱材が埋め込まれていることが好ましい。
【００１３】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記基板における前記ヒートシンクの接触領域付近に、前記基板より熱伝導率の高い放熱材が埋め込まれていることが好ましい。
【００１４】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記基板への前記ヒートシンクの接触領域付近における前記ヒートシンクと反対側に、放熱用ヒートシンクが設けられていることが好ましい。
【００１５】
本発明の光電気複合モジュールにおいて、前記基板への前記ヒートシンクの接触領域付近における前記ヒートシンクと反対側に、放熱部材を介して筐体が接触されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、受発光素子の裏面側にヒートシンクを有し、ヒートシンクが基板と接触しているので、受発光素子の熱がヒートシンクへ伝達され、さらにヒートシンクから基板へ伝達されて逃がされる。これにより、受発光素子の放熱性を大幅に向上させることができ、受発光素子の温度特性の向上を図ることができる。よって、出力の安定化及び伝送速度低下の防止を図り、高い信頼性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態例に係る光電気複合モジュールの断面図である。
【図２】図１の光電気複合モジュールを構成する複数の受発光素子の装着面側から視た平面図である。
【図３】図１の光電気複合モジュールの製造工程を示す図であって、（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールを示す図であって、（ａ）は光電気複合モジュールの断面図、（ｂ）は回路基板の平面図である。
【図５】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールを示す図であって、（ａ）は光電気複合モジュールの断面図、（ｂ）は回路基板の平面図である。
【図６】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールの断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールの断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態例に係る光電気複合モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る光電気複合モジュールの実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る光電気複合モジュール１１は、フェルール１２を備えている。このフェルール１２は、一方の端面が固定面１２ａとして形成されており、この固定面１２ａには、複数の電極１３が設けられている。このフェルール１２は、例えば、熱可塑性樹脂から形成されたものであり、複数の電極（リードフレーム）１３とともに一体成形されたＬＦＩ（Lead Frame Inserted）フェルールである。
【００１９】
このフェルール１２には、光ファイバ挿通孔１４が形成されており、この光ファイバ挿通孔１４には、光ファイバ心線の端部から露出されたガラスファイバ（光ファイバ）１５が後端側から挿入されている。このガラスファイバ１５は、コア１５ａの外周をクラッド１５ｂによって覆った構造とされている。光ファイバとしては、ガラスファイバの他、クラッドが樹脂のものなども使用できる。
【００２０】
図２に示すように、受発光素子１６は、フェルール１２の固定面１２ａに複数配列されて設けられている。これらの受発光素子１６は、ガリウム基板等の基材２０に素子部１７と端子部１８とを備えており、端子部１８には、金スタッドバンプからなるバンプ２１が設けられている。受発光素子１６は、例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などの発光素子やフォトダイオード（Photo Diode）などの受光素子である。受発光素子１６の素子部１７は、受発光素子１６が発光素子である場合は発光部であり、受発光素子１６が受光素子である場合は受光部である。
【００２１】
この受発光素子１６は、フェルール１２の固定面１２ａに重ね合わせた状態で実装される。このとき、受発光素子１６の各素子部１７がフェルール１２の光ファイバ挿通孔１４の対向位置に配置され、また、端子部１８が電極１３に配置されてバンプ２１を介して導通接続される。バンプ２１による接続は、超音波振動あるいは熱によるフリップチップ接続で行われる。
【００２２】
フェルール１２には、後端１２ｂ側における一側面に、切欠き部２３が形成されている。これにより、光ファイバ挿通孔１４が切り欠かれて露出される。この切欠き部２３には、接着剤として機能するエポキシ樹脂等のアンダーフィル材２５が充填されている。このアンダーフィル材２５は、切欠き部２３からガラスファイバ１５と光ファイバ挿通孔１４との間にも入り込んでおり、このアンダーフィル材２５によって、光ファイバ挿通孔１４に挿入されたガラスファイバ１５が接着されて固定されている。このアンダーフィル材２５は、フェルール１２の固定面１２ａと受発光素子１６との間にも充填されており、このアンダーフィル材２５によって受発光素子１６とフェルール１２とが強固に接合されている。このアンダーフィル材２５は、フェルール１２に対して熱処理を施すことにより硬化されている。
【００２３】
フェルール１２は、回路基板３２に対して、例えばエポキシ樹脂等からなるダイボンド材３５によって固定されてモジュール化されている。
【００２４】
また、本実施形態に係る光電気複合モジュール１１では、受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１が設けられている。このヒートシンク３１は、受発光素子１６側の面積が受発光素子１６の裏面の面積よりも大きく形成されている。これにより、受発光素子１６は、その裏面がヒートシンク３１によって完全に覆われている。
【００２５】
このヒートシンク３１としては、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、銅タングステン合金（ＣｕＷ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄にニッケル及びコバルトを配合したコバールなどが用いられる。
【００２６】
これらの何れか一つまたは複数の材料から形成されたヒートシンク３１は、導電体であるので、ヒートシンク３１と受発光素子１６との間に絶縁性を有する放熱シート３３を設ける。このようにすると、受発光素子１６と回路基板３２との間における絶縁が確保され、伝送特性の劣化を防止することができる。また、ヒートシンク３１と回路基板３２との間には、銀ペースト３４が塗布されており、ヒートシンク３１と回路基板３２との間における良好な熱伝達が図られている。なお、ヒートシンク３１と受発光素子１６との間に銀ペースト３４を塗布し、ヒートシンク３１と回路基板３２との間に放熱シート３３を設けても良い。
【００２７】
また、このヒートシンク３１としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの絶縁体、ならびにダイヤモンドなどの半絶縁性材料を用いても良い。特に、窒化アルミニウムであるアルミナイトライドは、熱伝導率及び電気絶縁性が高いのでヒートシンク３１として用いるのに好適である。
【００２８】
このような絶縁体を用いた場合、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間に、銀ペースト３４が塗布され、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間における良好な熱伝達が図られている。このように、絶縁体からなるヒートシンク３１を用いれば、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間に銀ペースト３４を塗布しても、受発光素子１６と回路基板３２との間が絶縁される。
【００２９】
さらに、このヒートシンク３１として、ケイ素（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体を用いても良く、ガリウム砒素においては半絶縁性を有する場合は、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間に銀ペースト３４を塗布するとよい。ヒートシンク３１が導電性を有する場合は、伝送特性を劣化させないために、ヒートシンク３１と受発光素子１６との間またはヒートシンク３１と回路基板３２との間に、絶縁性を有する放熱シート３３を設けるとよい。
【００３０】
なお、放熱シート３３は安価であるので、モジュールのコストを低く抑えることができる。絶縁体のヒートシンク３１を用いる場合では、放熱シート３３を不要とすることができ、材料費及び製造費の両面でコストを抑えることができる。
【００３１】
また、受発光素子１６と同等（±１０％〜２０％）の熱膨張係数を持つヒートシンク３１を選択することで熱応力を低減し、受発光素子１６の信頼性を向上させることができる。ガリウム砒素（ＧａＡｓ）をヒートシンク３１に用いる場合は、半絶縁性のものを用いることで絶縁シート３３が不要になり、熱応力を低減させると共に、コストを抑えることができる。ケイ素（Ｓｉ）は価格も安く、しかも、熱膨張係数も受発光素子１６に近く、熱応力を良好に抑えることができる。
【００３２】
各材料の熱膨張係数、比抵抗及び熱伝導率を表１に示す。
【表１】
【００３３】
回路基板３２には電極パッド３０が設けられ、この電極パッド３０は、例えば、金（Ａｕ）からなるボンディングワイヤ３６によってフェルール１２の電極１３に導通接続されている。また、回路基板３２には、例えば、ドライバ、トランスインピーダンスアンプなどの光素子駆動ＩＣである電子デバイス（図示省略）が実装されている。
【００３４】
光電気複合モジュール１１は、ボンディングワイヤ３６が完全に埋まるようにポッティング材３８が塗布されており、このポッティング材３８によって、ボンディングワイヤ３６及びその周囲が封止されて保護されている。
【００３５】
上記の光電気複合モジュール１１では、受発光素子１６とガラスファイバ１５との間で光伝送が行われる。発光素子からなる受発光素子１６からガラスファイバ１５へ光伝送が行われる場合では、受発光素子１６の素子部１７から発光された光がガラスファイバ１５のコア１５ａへ入射することとなる。また、ガラスファイバ１５から受光素子からなる受発光素子１６へ光伝送が行われる場合では、ガラスファイバ１５のコア１５ａから出射した光が受発光素子１６の素子部１７へ入射することとなる。
【００３６】
そして、上記の光電気複合モジュールは、例えば、長距離機器配線用の光ＤＶＩケーブル、光ＵＳＢケーブル、携帯電話用光配線、家庭用電化製品のネットワーク用の光ＨＤＭＩ、データサーバ間通信用の光ＩｎｆｉｎｉＢａｎｄケーブルあるいは車載情報機器通信用の車載用光ハーネスなどの様々なアクティブオプティカルケーブルや光配線部品として用いることができる。
【００３７】
上記の光電気複合モジュール１１を製造するには、まず、図３（ａ）に示すように、フェルール１２の固定面１２ａと、金のバンプ２１を有する面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）またはフォトダイオードからなる受発光素子１６とを用意し、温度２００℃で超音波フリップチップにより受発光素子１６をフェルール１２に実装する。
【００３８】
次に、図３（ｂ）に示すように、フェルール１２の光ファイバ挿通孔１４に、切欠き部２３からアンダーフィル材２５を充填し、この光ファイバ挿通孔１４へ機械的に位置決めするパッシブアライメントで位置決めしながらガラスファイバ１５を挿し込み、接着剤２６でガラスファイバ１５を仮固定する。このとき、光ファイバ挿通孔１４から染み出したアンダーフィル材２５によって受発光素子１６の表面が覆われるようにする。
【００３９】
次いで、図３（ｃ）に示すように、例えば、エポキシ系樹脂からなるダイボンド材３５によってフェルール１２を、ガラスエポキシ基板からなる回路基板３２上にダイボンドして実装し、アンダーフィル材２５及びダイボンド材３５を硬化させるために、温度１２０℃で３０分間の熱処理を行う。
【００４０】
さらに、図３（ｄ）に示すように、受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付ける。なお、ヒートシンク３１として導電体を用いる場合は、ヒートシンク３１受発光素子１６との間またはヒートシンク３１と回路基板３２との間に、絶縁性を有する放熱シート３３を設ける。また、ヒートシンク３１として絶縁体を用いる場合は、ヒートシンク３１と受発光素子１６及び回路基板３２とのそれぞれの間に銀ペースト３４を塗布する。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させる。
【００４１】
その後、図３（ｅ）に示すように、金からなるボンディングワイヤ３６によって電極パッド３０とフェルール１２の電極１３とを導通接続させる。なお、ボンディングワイヤ３６によるワイヤボンディングでは、回路基板３２が約１７５℃で約１５分加熱される。
【００４２】
最後に、ボンディングワイヤ３６が完全に埋まるようにポッティング材３８を塗布し、ポッティング材３８によってボンディングワイヤ３６及びその周囲を封止し（図１参照）、アンダーフィル材２５及びポッティング材３８を硬化させるために、１５０℃で３０分間の熱処理を行う。
【００４３】
フェルール１２に実装された受発光素子１６は、その大半が熱伝導率の小さい樹脂に覆われているため放熱性が低い。このため、受発光素子１６の熱を放熱しないと、その素子部１７の温度が数十度上昇し、出力低下や伝送速度低下などの温度特性の劣化を招き、信頼性も低下してしまう。
【００４４】
本実施形態に係る光電気複合モジュール１１によれば、受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を有し、ヒートシンク３１が回路基板３２と接触しているので、受発光素子１６の熱がヒートシンク３１へ伝達され、さらにヒートシンク３１から回路基板３２へ伝達されて逃がされる。これにより、受発光素子１６の放熱性を大幅に向上させることができ、受発光素子１６の温度特性の向上を図ることができる。よって、出力の安定化及び伝送速度低下の防止を図り、高い信頼性を維持することができる。
【００４５】
次に、光電気複合モジュール１１の他の実施形態例について説明する。なお、図４から図８において、ボンディングワイヤ３６及びポッティング材３８は図１と同様に設けられるものであるが、図示を省略する。
【００４６】
図４に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に複数のスルーホール４５が設けられている。スルーホール４５は、それぞれ１００μｍ以下の径とするのが好ましい。
【００４７】
この光電気複合モジュール１１によれば、回路基板３２に設けたスルーホール４５が放熱経路となり、このスルーホール４５の空洞からヒートシンク３１の熱を容易に回路基板３２の裏面側へ逃がすことができる。回路基板３２として、放熱効果が高い窒化アルミニウム製の回路基板３２を用いずに安価なガラスエポキシ基板を用いたとしても、受発光素子１６の放熱効果を高めることができる。また、回路基板３２にスルーホール４５を形成するだけの構造であるので、コストも極力抑えることができる。
【００４８】
図５に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に設けたスルーホール４５に、回路基板３２より熱伝導率の高い放熱材４６が埋め込まれている。この放熱材４６としては、ヒートシンク３１と同様に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの絶縁体を用いることが好ましい。
【００４９】
この光電気複合モジュール１１によれば、スルーホール４５に埋め込んだ放熱材４６によってヒートシンク３１の熱をさらに良好に回路基板３２の裏面側へ逃がすことができ、受発光素子１６の放熱効果を高めることができる。
【００５０】
図６に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に回路基板３２より熱伝導率の高い放熱材４７が埋め込まれている。この放熱材４７としては、ヒートシンク３１と同様に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの絶縁体を用いるのが好ましい。
【００５１】
この光電気複合モジュール１１によれば、回路基板３２に埋め込んだ放熱材４７を放熱経路とし、この放熱材４７によってヒートシンク３１の熱を容易にかつ良好に回路基板３２の裏面側へ逃がすことができ、回路基板３２として、放熱効果が高い窒化アルミニウム製の回路基板３２を用いずに安価なガラスエポキシ基板を用いたとしても、受発光素子１６の放熱効果を高めることができる。
【００５２】
図７に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２においてヒートシンク３１の接触領域付近におけるヒートシンク３１を有する側と反対側に、放熱材４７を介して放熱用ヒートシンク５１が設けられている。放熱用ヒートシンク５１は、露出された表面積が大きくなるように複数の放熱用フィンを有する。
【００５３】
この光電気複合モジュール１１によれば、ヒートシンク３１からの熱を回路基板３２に設けた放熱用ヒートシンク５１から外部へ極めて良好に放出させることができる。これにより、受発光素子１６の放熱効果をさらに高めることができる。
【００５４】
図８に示すように、この光電気複合モジュール１１は、回路基板３２においてヒートシンク３１の接触領域付近におけるヒートシンク３１を有する側と反対側に、放熱材４７を介するとともに、回路基板３２よりも熱伝導性の高い材料からなるヒートシンクや放熱シート等の放熱部材５２を介して、金属板または樹脂から形成された筐体５３が接触されている。
【００５５】
この光電気複合モジュール１１によれば、ヒートシンク３１からの熱を回路基板３２に接触させた放熱部材５２及び筐体５３へ伝達させて、極めて良好に放出させることができる。これにより、受発光素子１６の放熱効果をさらに高めることができる。特に、回路基板３２に放熱用ヒートシンク５１を設けることができない場合であっても、極めて良好な放熱効果を得ることができる。
【００５６】
また、放熱用ヒートシンク５１を設けた光電気複合モジュール１１では、放熱用ヒートシンク５１をさらに筐体５３に接触させることが好ましく、このようにすると、放熱用ヒートシンク５１の熱も筐体５３へ伝達させて放出させることができ、放熱効果をより一層高めることができる。
【００５７】
なお、上記の実施形態では、ガラスエポキシ基板からなる回路基板３２を用いたが、回路基板３２として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成されたものを用いて、回路基板３２からの放熱効果をさらに高めるようにしても良い。
【００５８】
また、受発光素子１６の裏面に設けるヒートシンク３１及び回路基板３２の裏面に設ける放熱用ヒートシンク５１は、体積が大きいほど放熱性を向上させることができるが、ボンディングワイヤ３６によるワイヤボンディング及び筐体５３内における収容スペース等でサイズが制限されることとなる。つまり、これらのヒートシンク３１及び放熱用ヒートシンク５１としては、高熱伝導率を有する材質から形成し、ワイヤボンディングによる制限及び収容スペースによる制限下において極力大きいサイズにすることが好ましい。
【００５９】
一例として、１チャンネルの面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の受発光素子１６は、幅２５０μｍ、高さ３５０μｍであり、回路基板３２上のフェルール１２の高さが１ｍｍである。また、フェルール１２の固定面１２ａから電極パッド３０上のボンディングワイヤ３６の接続箇所までの距離は１ｍｍ以内である。この場合、ヒートシンク３１の大きさは、フェルール１２の光軸方向に５００μｍ以下、回路基板３２上の高さが７００〜８００μｍ程度が最大となる。また、受発光素子１６を１２チャンネルのＶＣＳＥＬとした場合、その幅は３ｍｍ程度であるので、ヒートシンク３１の幅もこの程度まで大きくできる。
【実施例】
【００６０】
構造が異なる比較例１及び実施例１〜７の８種類の光電気複合モジュール１１に対して、２５℃において６ｍＡでの波長スペクトル（面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の発振波長（設計波長８５０ｎｍ））を測定した。なお、モジュール化する前に受発光素子１６単体でも波長スペクトルを各々測定し、スペクトルの最長波長（基本モード）の差からモジュール化による温度増加分を算出した。温度算出には波長の温度依存性として「０．０６ｎｍ／Ｋ」を用いた。
【００６１】
（測定対象の光電気複合モジュールの製造方法）
フェルール１２の固定面１２ａと、金のバンプ２１を有する面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）からなる受発光素子１６とを用意し、温度２００℃で超音波フリップチップにより受発光素子１６をフェルール１２に実装した。
【００６２】
次に、フェルール１２の光ファイバ挿通孔１４に、切欠き部２３からアンダーフィル材２５を充填し、この光ファイバ挿通孔１４へ機械的に位置決めするパッシブアライメントで位置決めしながらガラスファイバ１５を挿し込み、接着剤２６でガラスファイバ１５を仮固定した。このとき、光ファイバ挿通孔１４から染み出したアンダーフィル材２５によって受発光素子１６の表面が覆われるようにした。
【００６３】
次いで、エポキシ系樹脂からなるダイボンド材３５によってフェルール１２を、ガラスエポキシ基板からなる回路基板３２上にダイボンドして実装し、ダイボンド材３５を硬化させるために、温度１２０℃で３０分間の熱処理を行った。
【００６４】
受発光素子１６に電力供給できるように回路基板３２上に形成されているパッド電極３０とフェルール１２の電極１３とを金ワイヤからなるボンディングワイヤ３６によって導通接続させた。
【００６５】
ボンディングワイヤ３６の保護のため、パッド電極３０からフェルール１２の電極１３までのボンディングワイヤ３６及び受発光素子１６が完全に埋もれるようにポッティング材３８を塗布し、アンダーフィル材２５及びポッティング材３８を硬化させるために、１５０℃で３０分間の熱処理を実施した。
【００６６】
（光電気複合モジュールの放熱構造）
（比較例１）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンクを設けず、特に放熱構造を持たない。
【００６７】
（実施例１）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、銅タングステン合金（ＣｕＷ）からなる導電体を用い、ヒートシンク３１と受発光素子１６との間に放熱シート３３を設け、ヒートシンク３１と回路基板３２との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。
【００６８】
（実施例２）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。
【００６９】
（実施例３）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に複数のスルーホール４５を設けた。
【００７０】
（実施例４）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に複数のスルーホール４５を設け、スルーホール４５に、熱伝導率の高い放熱材４６を埋め込んだ。
【００７１】
（実施例５）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に熱伝導率の高い放熱材４７を埋め込んだ。
【００７２】
（実施例６）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子１６及び回路基板３２とヒートシンク３１との間に銀ペースト３４を塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に熱伝導率の高い放熱材４７を埋め込んだ。さらに、回路基板３２へのヒートシンク３１の接触領域付近におけるヒートシンク３１と反対側に、放熱用ヒートシンク５１を設けた。
【００７３】
（実施例７）
受発光素子１６の裏面側にヒートシンク３１を取り付けた。ヒートシンク３１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁体を用い、受発光素子及び回路基板とヒートシンク３１との間に銀ペーストを塗布した。銀ペースト３４は１００℃で３０分間の熱処理で硬化させた。また、回路基板３２におけるヒートシンク３１の接触領域付近に熱伝導率の高い放熱材４７を埋め込んだ。さらに、回路基板３２へのヒートシンク３１の接触領域付近におけるヒートシンク３１と反対側に、放熱部材５２を介して筐体５３を接触させた。
【００７４】
（試験結果）
上記のように、放熱構造が異なる８種類の光電気複合モジュールに対して、２５℃において６ｍＡでの波長スペクトルを測定した結果を表２に示す。
【００７５】
【表２】
【００７６】
表２に示すように、比較例１では、約１．２ｎｍの波長変動Δλがあり、モジュール化後に約２０℃の温度上昇ΔＴが認められた。
【００７７】
これに対して、実施例１〜２では、受発光素子１６の裏面にヒートシンク３１を設けることで、比較例１に対して温度上昇ΔＴを約２℃〜５℃低下させることができた。
【００７８】
また、回路基板３２にスルーホール４５を設けた実施例３、回路基板３２にスルーホール４５を設けて放熱材４６を埋め込んだ実施例４及び回路基板３２に放熱材４７を埋め込んだ実施例５では、受発光素子１６からの放熱経路が確保されたことで、比較例１に対して温度上昇ΔＴを約１０℃〜１５℃低下させることができた。
【００７９】
そして、回路基板３２の裏面に放熱用ヒートシンク５１を設けた実施例６及び回路基板３２の裏面を筐体５３に接触させた実施例７では、モジュール化による温度上昇ΔＴをほぼ無くすことができた。
【００８０】
このように、受発光素子１６の裏面にヒートシンク３１を設け、回路基板３２内に放熱経路を設け、更に、回路基板３２の裏面にも放熱経路を設けることにより、放熱性を大幅に向上させることが可能となり、光電気複合モジュール１１における受発光素子１６の温度上昇を略無くすことができた。これにより、温度特性に優れた高品質及び高信頼性を有する光電気複合モジュール１１を得ることができた。
【符号の説明】
【００８１】
１１：光電気複合モジュール、１２：フェルール、１２ａ：固定面、１３：電極、１４：光ファイバ挿通孔、１５：ガラスファイバ（光ファイバ）、１６：受発光素子、３１：ヒートシンク、３２：回路基板（基板）、３３：放熱シート、４５：スルーホール、４６，４７：放熱材、５１：放熱用ヒートシンク、５２：放熱部材、５３：筐体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバが挿入される光ファイバ挿通孔を有し、前記光ファイバの挿入方向前方側の固定面に電極が設けられたフェルールと、前記電極と導通接続された状態に前記フェルールの前記固定面に取り付けられた受発光素子と、前記フェルールが固定された基板と、を備えた光電気複合モジュールであって、
前記受発光素子の裏面側にヒートシンクを有し、前記ヒートシンクが前記基板と接触していることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光電気複合モジュールであって、
前記ヒートシンクが導電体であり、前記ヒートシンクと前記受発光素子との間または前記ヒートシンクと前記基板との間に、絶縁性を有する放熱シートを設けたことを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の光電気複合モジュールであって、
前記ヒートシンクが絶縁体であることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の光電気複合モジュールであって、
前記基板における前記ヒートシンクの接触領域付近に複数のスルーホールが設けられていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項５】
請求項４に記載の光電気複合モジュールであって、
前記スルーホールに、前記基板より熱伝導率の高い放熱材が埋め込まれていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項６】
請求項１から３の何れか一項に記載の光電気複合モジュールであって、
前記基板における前記ヒートシンクの接触領域付近に、前記基板より熱伝導率の高い放熱材が埋め込まれていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一項に記載の光電気複合モジュールであって、
前記基板への前記ヒートシンクの接触領域付近における前記ヒートシンクと反対側に、放熱用ヒートシンクが設けられていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項８】
請求項１から６の何れか一項に記載の光電気複合モジュールであって、
前記基板への前記ヒートシンクの接触領域付近における前記ヒートシンクと反対側に、放熱部材を介して筐体が接触されていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項１】
光ファイバが挿入される光ファイバ挿通孔を有し、前記光ファイバの挿入方向前方側の固定面に電極が設けられたフェルールと、前記電極と導通接続された状態に前記フェルールの前記固定面に取り付けられた受発光素子と、前記フェルールが固定された基板と、を備えた光電気複合モジュールであって、
前記受発光素子の裏面側にヒートシンクを有し、前記ヒートシンクが前記基板と接触していることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光電気複合モジュールであって、
前記ヒートシンクが導電体であり、前記ヒートシンクと前記受発光素子との間または前記ヒートシンクと前記基板との間に、絶縁性を有する放熱シートを設けたことを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の光電気複合モジュールであって、
前記ヒートシンクが絶縁体であることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の光電気複合モジュールであって、
前記基板における前記ヒートシンクの接触領域付近に複数のスルーホールが設けられていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項５】
請求項４に記載の光電気複合モジュールであって、
前記スルーホールに、前記基板より熱伝導率の高い放熱材が埋め込まれていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項６】
請求項１から３の何れか一項に記載の光電気複合モジュールであって、
前記基板における前記ヒートシンクの接触領域付近に、前記基板より熱伝導率の高い放熱材が埋め込まれていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一項に記載の光電気複合モジュールであって、
前記基板への前記ヒートシンクの接触領域付近における前記ヒートシンクと反対側に、放熱用ヒートシンクが設けられていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【請求項８】
請求項１から６の何れか一項に記載の光電気複合モジュールであって、
前記基板への前記ヒートシンクの接触領域付近における前記ヒートシンクと反対側に、放熱部材を介して筐体が接触されていることを特徴とする光電気複合モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２３０２１８（Ｐ２０１２−２３０２１８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９７８８４（Ｐ２０１１−９７８８４）
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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