(57)【要約】【課題】モールド樹脂と内蔵部品との線膨張係数の差で生じる応力を低減するための構造を低コストで実現可能な光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュールは、光学素子２１，２２を搭載したリードフレーム２と、リードフレーム２の周囲に光学素子２１，２２を覆うように設けられた応力抑制部材１とを備える。リードフレーム２と応力抑制部材１とがモールド樹脂３により一体的に固定され、応力抑制部材１は、モールド樹脂３よりも線膨張係数が小さく、且つ、剛性が高い材料で形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を搭載したリードフレームと、該リードフレームの周囲に該光学素子を覆うように設けられた応力抑制部材とを備え、
前記リードフレームと前記応力抑制部材とがモールド樹脂により一体的に固定され、
前記応力抑制部材は、前記モールド樹脂よりも線膨張係数が小さく、且つ、剛性が高い材料で形成されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記応力抑制部材は、前記モールド樹脂により前記リードフレームと共にインサート成型されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記応力抑制部材は、前記モールド樹脂を成型するためのモールド金型のゲート側とエアベント側にそれぞれ樹脂流動用の孔を備えたことを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記リードフレームは、互いに平行な２つの切り込みが形成され、該２つの切り込みに前記応力抑制部材が挿入固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記応力抑制部材は、前記モールド樹脂の外周面に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記応力抑制部材は、円筒形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項７】
前記応力抑制部材の材料は、金属であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項８】
前記応力抑制部材の材料は、フィラー入り樹脂であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に用いられる光モジュールに関する
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信用機器において、光コネクタに含まれる光ファイバと、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode），ＬＤ（Laser Diode），ＰＤ（Photo Diode）などの光学素子とを光学的に結合させるための光結合素子モジュールの構造に関し、図９（特許文献１），図１０（特許文献２）に示すものが知られている。
【０００３】
図９は、特許文献１に記載されたモジュール構造の断面を示す図である。この特許文献１に記載のモジュール構造において、レンズ部材１０４は、透明接着樹脂１０３を介してリードフレーム１０１に接着されており、封止体１０２によってトランスファーモールドされていない。
【０００４】
こうすることにより、透明接着樹脂１０３をリードフレーム１０１とレンズ部材１０４との線膨張係数差による熱応力の緩衝部材として利用でき、シリコン系の樹脂等のヤング率が低い樹脂を使用することによって、レンズ部材１０４に働く熱応力を大幅に低減してレンズ部材１０４の損傷や変形を防止するようにしている。さらに、封止体１０２にフィラーを添加することによって線膨張係数を低減でき、例えば−４０℃から１１５℃のように、広い温度範囲の環境下で使用することが可能となる。
【０００５】
図１０は、特許文献２に記載されたモジュール構造の断面を示す図である。この特許文献２に記載のモジュール構造において、リードフレームの搭載部１１３の開口１１４に光出射部が面するようにＬＥＤ１１９を搭載する。ＬＥＤ１１９とリードフレームのリード部１１１とを接続するワイヤ１２０を、ＬＥＤ１１９を搭載した側に配置する。リードフレームのＬＥＤ１１９を搭載した側と反対側に、ＬＥＤ１１９からの出射光を透過する光透過性樹脂１１５を配置する。リードフレームのＬＥＤ１１９を搭載した側に、ＬＥＤ１１９とワイヤ１２０を封止する低応力樹脂１１７を配置する。
【０００６】
そして、リード部１１１に設けられてＬＥＤ１１９を搭載した側に屈曲する屈曲部１１８と、この屈曲部１１８のＬＥＤ１１９を搭載した側と反対側に位置する低応力樹脂の部分１１６と、この低応力樹脂の部分１１６に接する光透過性樹脂の端部１１２とで、クラック防止構造を構成する。樹脂モールドパッケージにて応力低減構造部(ＬＥＤ，ワイヤ)に低応力樹脂を使用し、レンズ部に透明樹脂を使用し、これらを使い分けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０１２２６号公報
【特許文献２】特開２００５−１５９２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の樹脂モールドパッケージにおいて、モールド樹脂と発光素子、受光素子、リードフレーム、ワイヤなどの内蔵部品との線膨張係数の違いによって、例えば、高温高湿やヒートサイクル(−４０℃／８５℃)などの環境変化があると樹脂の膨張収縮による応力が内蔵部品へ加わり、ワイヤの破断、素子の破壊、樹脂にクラック発生などの品質上の問題が発生する場合がある。
【０００９】
上記特許文献１，２に記載の従来技術では、上記問題を解決するために、レンズを別部品にしたり、使用するモールド樹脂の種類を増加する等により対応しているため、製造工程が増加して、結果的にコストが増加するなどの問題が生じる。さらに、これらの従来技術は、素子の種類がＬＥＤなどの面発光素子のみに適応可能であり、光通信用途で現在一般的に用いられている端面発光素子へそのまま適用することは難しい。
【００１０】
すなわち、特許文献１に記載の技術では、レンズを別部品とするため、コストが増加し、また、別部品にすることでレンズ貼り付け工程が増加すると共に、実装精度がばらつくために品質（光結合効率など）が一定しない。特に、シングルモードファイバに結合させる場合、高い実装精度が必要なため、実装精度のばらつきは問題となる。
【００１１】
特許文献２に記載の技術では、モールド樹脂の種類の増加により、工程やコストが増加し、さらに、リードフレームの一方の面に部品を実装し、もう一方の面を光学領域としているため、光通信用途で一般に使用されている端面発光素子へ適応するためにはなんらかの工夫が必要であり、そのまま適用することは困難である。
【００１２】
本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであり、モールド樹脂と内蔵部品との線膨張係数の差で生じる応力を低減するための構造を低コストで実現可能な光モジュールを提供すること、を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による光モジュールは、光学素子を搭載したリードフレームと、リードフレームの周囲に光学素子を覆うように設けられた応力抑制部材とを備える。リードフレームと応力抑制部材とがモールド樹脂により一体的に固定され、応力抑制部材は、モールド樹脂よりも線膨張係数が小さく、且つ、剛性が高い材料で形成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安価で、複雑な製造工程を必要とせずに、環境変化に伴い、モールド樹脂と内蔵部品との線膨張係数の差に従い発生する内蔵部品への応力を低減することにより、ワイヤ断線などの内蔵部品への不具合を改善することができる。
さらに、本発明は、一般に光通信用途に用いられている端面発光タイプのＬＤにも対応することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による光モジュール構造の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る光モジュール構造の一例を示す図である。
【図３】光モジュール構造における応力抑制部材及びリードフレームの構造の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に係る光モジュール構造の一例を示す図である。
【図５】シミュレーションモデルの構造を示す図である。
【図６】シミュレーションに用いた物性パラメータの一覧を示す図である。
【図７】図５に示すシミュレーションモデルにおける応力抑制部材の厚みと応力の関係の一例を示すグラフである。
【図８】図５に示すシミュレーションモデルにおける応力抑制部材の幅と応力の関係の一例を示すグラフである。
【図９】特許文献１に記載されたモジュール構造の断面を示す図である。
【図１０】特許文献２に記載されたモジュール構造の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明による光モジュール構造の一例を示す図である。図中、１は応力抑制部材、２はリードフレーム、３はモールド樹脂、４はモールドパッケージ、５はレセプタクルスリーブを示す。なお、モールドパッケージ４は、応力抑制部材１，リードフレーム２，及びモールド樹脂３から構成される。
【００１７】
図１（Ａ）に示すように、光モジュールの組立時において、モールドパッケージ４はレセプタクルスリーブ５に挿入され、図１（Ｂ）に示すように、モールドパッケージ４とレセプタクルスリーブ５とが調芯された後に接着剤６で固定される。この接着剤６としては、例えば、ＵＶ接着剤や加熱硬化接着剤が用いられ、モールドパッケージ４とレセプタクルスリーブ５とはＵＶ接着剤により仮固定され、エポキシ樹脂等の加熱硬化接着剤により補強される。
【００１８】
また、図１（Ｃ）に示すように、リードフレーム２には、モニタ受光素子（モニタＰＤ）２１，端面発光型の発光素子（ＬＤ）２２，ＬＤサブマウント２３，及びワイヤ２４が実装される。図１（Ｃ）において、リードフレーム２上にＬＤ２２、モニタＰＤ２１の電子部品を実装してこれらを樹脂でモールドした、モールドパッケージ型のＴＯＳＡ（Transmitting Optical Sub-Assembly）において、リードフレーム２は、ＬＤ２２を駆動するための高周波信号ライン、グランドライン、及びモニタＰＤ２１の出力信号ラインとして機能する。モニタＰＤ２１は、ＬＤ２２の出力をモニタする機能を果たすためにＬＤ２２の近傍に配置される。
【００１９】
これら実装部品は、リードフレーム２の実装面上に実装されるだけでなく、リードフレーム２の実装面からの高さの調整や、リードフレーム２との不要な導通を避けるためにＬＤサブマウント２３のようなサブマウントを介してリードフレーム２上に実装される場合がある。また、これらＬＤサブマウント２３、ＬＤ２２、モニタＰＤ２１などの実装部品はリードフレーム２とともに必要な回路を構成するためにワイヤ２４などによって必要な電気的接続が行われている。
【００２０】
前述したように、温度、湿度などの外部環境の変化に伴う、モールド樹脂の膨張、収縮による応力は、モールドされている部品へ影響を与える。このような問題を解決するために、モールド樹脂３よりも線膨張係数が小さくて剛性が高い応力抑制部材１を、光学素子（モニタＰＤ２１，ＬＤ２２）やワイヤ２４など、モールド樹脂３の応力による影響を与えたくない内蔵部品の周囲に配置する。そして、この応力抑制部材１とともに内蔵部品をモールドすることにより、モールド樹脂３の膨張、収縮が、応力抑制部材１によって抑制され、その結果、内蔵部品にかかる応力を低減し、ワイヤ断線、チップ破損などの不具合を抑制することができる。
【００２１】
なお、応力抑制部材１としては、例えば、銅合金、ステンレスなどの金属部品、あるいは、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＬＣＰ（液晶ポリエステル）などにフィラーを混入した樹脂部品などを好適に用いることができる。また、応力抑制部材１は、後述の実施例１に示すように、モールド工程で同時にモールド（インサート成型）しても良いが、実施例２に示すように、リードフレーム２にモールド樹脂３を成型加工した後に、応力抑制部材１をモールド樹脂３の外周面に接着等の一般的な手法で固定してもよい。
【００２２】
また、応力抑制部材１は、図１では円筒形状（断面円形）として例示しているが、この円筒形状に限らず、断面が多角形、半円、あるいは、Ｃ（アルファベット）字状であってもよい。また、応力抑制部材１は、複雑な形状を有する必要は無く、高い部品精度は不要であるため、プレスや成型などの安価な量産加工方法で作成することができる。このためコストの増加を抑えることができる。また、本発明による光モジュールは、例えば、発光素子をモールドする場合において、表面発光素子あるいは端面発光素子のいずれでもあってもよく、実装部品の形態によらずに適応することができる。
【００２３】
このように、光モジュールの樹脂モールド構造において、モールド樹脂の周囲に、モールド樹脂よりも線膨張係数の小さく、剛性が高い応力抑制部材を配置することにより、内蔵部品にかかる応力を低減することができる。
【００２４】
（実施例１）
図２は、本発明の実施例１に係る光モジュール構造の一例を示す図である。図２（Ａ）は光モジュール構造の斜視図、図２（Ｂ）は光モジュール構造の上面図、図２（Ｃ）は図２（Ｂ）のＸ方向から見た図である。図中、７はレンズであって、このレンズ７はモールド部材３に一体成型されているものとする。
【００２５】
前述の図１（Ｃ）に示したリードフレーム２において、部品実装と電気的接続を行った後に、図２に示すように、トランスファーモールド用で光信号を透過するモールド樹脂３（例えば、透明エポキシ樹脂など）により、応力抑制部材１とリードフレーム２とを一体的にモールドしてモールドパッケージ４を形成する。そして、モールドパッケージ４とレセプタクルスリーブ（図示せず）とを調芯した後に、モールドパッケージ４の外周面とレセプタクルスリーブの内周面とを接着剤で固定する。
【００２６】
光トランシーバに一対のＴＯＳＡとＲＯＳＡ（Receiving Optical Sub-Assembly）を収容して光コネクタと接続することを考えると、モールドパッケージ４は略円筒状が好ましい。このモールドパッケージ４を製造する方法としては、応力抑制部材１をリードフレーム２の周囲に配置した状態で、モールド金型にセットし、応力抑制部材１とリードフレーム２とを同時にインサートモールドする。この際、インサートモールドされたモールド樹脂３のＬＤの出射光と交わる面にレンズ７を形成し、出射光を集光する機能を持たせるようにしてもよい。
【００２７】
前述したように、応力抑制部材１は、モールド樹脂３よりも線膨張係数が小さく、剛性が高い材料、例えば、ステンレスや銅合金などの金属や、フィラー入りのＰＰＳ、ＬＣＰなどの樹脂などを材料とする。これは、モールド樹脂３よりも線膨張係数が小さくても、剛性の低い（柔らかい）材料だと、モールド樹脂３の変形に伴い、応力抑制部材１が変形してしまい、応力を抑制する効果が十分に得られないものと考えられる。このため、上記のように、モールド樹脂３よりも線膨張係数が小さく、剛性が高い材料にしている。
【００２８】
モールド樹脂３よりも線膨張係数が小さく剛性の高い応力抑制部材１を一体的にモールドすることにより、線膨張係数が高いモールド樹脂３の膨張・収縮を抑制することができる。例えば、ＴＯＳＡにおける一般的なサイズのモールドパッケージ４において、モールド樹脂３の線膨張係数が６．５×１０−５，ヤング率が３．２ＧＰａであり、銅合金の応力抑制部材１の線膨張係数が１．７×１０−５/K，ヤング率が１２５ＧＰａ，厚みが０．３ｍｍであるとした場合に、最も応力がかかるワイヤの第一接続部のネック部における応力を７．６×１０８Ｐａ（応力抑制部材１無し）から１．８×１０８Ｐａ（応力抑制部材１有り）へと、約４分の１に抑えられることが試算されており、内蔵部品への影響を低減し信頼性を向上することが可能となる。
【００２９】
また、応力抑制に使用する応力抑制部材１は、例えば、簡素な円筒構造であり、部品精度も必要なく、プレス加工などの量産加工法で実現できるため、コストをかけずに実現することができる。また、光モジュールの製造工程においても、応力抑制部材１とリードフレーム２とを一体的にインサート成型する。このため本実施例のモールド構造とするために、モールド工程がさらに増加することがない。
【００３０】
図３は、光モジュール構造における応力抑制部材及びリードフレームの構造の一例を示す図である。図３（Ａ）は応力抑制部材１の斜視図、図３（Ｂ）はリードフレーム２の斜視図、図３（Ｃ）は応力抑制部材１をリードフレーム２に取り付ける様子を示す図である。図中、１１は回転方向位置決め孔、１２は樹脂注入ゲート用孔、１３はエア抜き用孔、２５はリードフレーム位置決め用孔、２６は切り込みを示す。
【００３１】
図３（Ａ）において、応力抑制に使用する応力抑制部材１は、インサート成型時の位置決めをするため、例えば２箇所の位置決め孔１１を設けておくおことが望ましい。さらに、位置決め孔１１のほかに、モールド樹脂３の流動を妨げないための孔を、例えば、モールド金型のゲート側（樹脂注入ゲート用孔１２）とエアベント側（エア抜き用孔１３）の２箇所に設けることが望ましい。
【００３２】
さらに、図３（Ｂ）において、リードフレーム２には、リードフレーム位置決め用孔２５が設けられ、応力抑制部材１が挿入される一対の切り込み２６を設けることが望ましい。これら２つの切り込み２６は、互いに平行に形成されている。そして、図３（Ｃ）に示すように、応力抑制部材１は、リードフレーム２の切り込み２６に挿入され、モールド樹脂３によりモールドパッケージ４に成型される。そして、このモールドパッケージ４は、光接続を担うレセプタクルスリーブ（図示せず）に調芯固定され、光モジュールとして完成する。この調芯固定には樹脂接着剤を用いることができる。
【００３３】
（実施例２）
図４は、本発明の実施例２に係る光モジュール構造の一例を示す図である。図４（Ａ）は光モジュール構造の斜視図、図４（Ｂ）は光モジュール構造の上面図、図４（Ｃ）は応力抑制部材を成型済みリードフレームに取り付ける様子を示す図である。図中、８はモールド樹脂、９は応力抑制部材、１０は成型済みリードフレームを示す。なお、成型済みリードフレーム１０は、リードフレーム２及びモールド樹脂８により構成される。
【００３４】
上述の実施例１ではリードフレームとともに応力抑制部材をインサートモールドした場合について説明したが、この実施例２では、まず、実装済みリードフレーム２をモールド樹脂８でモールドして成型済みリードフレーム１０を製作し、この成型済みリードフレーム１０と応力抑制部材９とを相互に固定（接着または圧入など）する。このような方法においても実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
以下、図５に示す形状のモデルにおいて、代表的な樹脂や金属の物性パラメータを用いて、ボンディングワイヤのネック近傍に生じる応力をシミュレーションによって算出した結果について説明する。なお、図５に示す応力抑制部材１，リードフレーム２，及びモールド樹脂３は実施例１に対応しており、図中、ｗはリング幅、ｔはリング厚み、ｒはリング半径を示す。また、このシミュレーションに用いた物性パラメータの一覧を図６に示す。そして、ここでは、応力抑制部材１の材料として、銅合金を用いた場合を代表例として示すものとする。
【００３６】
図７は、図５に示すシミュレーションモデルにおける応力抑制部材の厚みと応力の関係の一例を示すグラフである。このグラフは、応力抑制部材１の厚みｔを変数として算出している。このグラフでは、例えば、物性パラメータを図６に示す値、リング半径ｒを２ｍｍ、リング幅ｗを３ｍｍとしたときに、リング厚みｔを厚くすると応力は低減される傾向にあることが分かる。なお、リング厚みｔが０（ゼロ）のとき、応力抑制部材１が存在しない状態であることを示す。
【００３７】
図８は、図５に示すシミュレーションモデルにおける応力抑制部材の幅と応力の関係の一例を示すグラフである。このグラフは、応力抑制部材１の幅ｗを変数として同じくワイヤのネック近傍の応力を算出した結果である。このグラフでは、例えば、物性パラメータを図６に示す値、リング半径ｒを２ｍｍ、リング厚みｔを１ｍｍとしたときに、リング幅ｗを大きくするにつれて、応力緩和の効果が大きくなる傾向にあることが分かる。なお、リング幅ｗが０（ゼロ）のとき、応力抑制部材１が存在しない状態であることを示す。
【符号の説明】
【００３８】
１，９…応力抑制部材、２…リードフレーム、３，８…モールド樹脂、４…モールドパッケージ、５…レセプタクルスリーブ、６…接着剤、７…レンズ、１０…成型済みリードフレーム、１１…回転方向位置決め孔、１２…樹脂注入ゲート用孔、１３…エア抜き用孔、２１…モニタＰＤ、２２…ＬＤ、２３…ＬＤサブマウント、２４…ワイヤ、２５…リードフレーム位置決め用孔、２６…切り込み。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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