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    公开号:WO1985005698A1
    申请号:PCT/JP1985/000296
    申请日:1985-05-29
    公开日:1985-12-19
    发明作者:Takanobu Noro；Seiichi Onoda；Yasumasa Koakutsu；Hideo Arima；Hitoshi Yokono；Minoru Tanaka；Gyozo Toda
    申请人:Hitachi, Ltd.；
    IPC主号:G02B6-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 光伝送モジュ —ル実装基板
    [0003] 技 術 分 野 ，
    [0004] 本発明は、 光通信に用いられる光伝送モジュ ール実装 基板に係り、 特に受光素子及び又は発光素子と光伝送用 フ ァ イ バとを高い光結合効率で接続し、 かつ前記素子な いしは信号の受発信に必要な電気素子を能率的かつ小型， 高密度に搭載するに好適な光伝送モジュ ール実装基板に 関する O
    [0005] 背 景 技 術
    [0006] 近年、 光ファイバを伝送路とした光通信の発達はめざ ましく、 通信幹線をはじめ、 電力， ブラ ン ト ， オフ ィ ス 才ー ト メ 一 シ ヨ ン （ O A ) , フ ァ ク ト リ 一才一 ト メ 一 シ ヨ ン （ F A ) ， 構内通信網（ L AN )などへの適用、 さ らには高度情報通信網（ I N S )計画における加入者系 伝送システムへの応用が検討されている o これら通信分 野で光通信の適用において、 今後重要であることは、 シ ステムを構成する機器， 部品などが低廉で、 かつモ ジュ ールの小型化， 組み立ての簡素化， 量産技術の確立が要 求される o
    [0007] 従来、 これらの伝送モ ジュ ールの発光素子とフ ァ イ バ の結合部は、 日本国特開昭 5 5 — 1 1 7 1 1 4号公報に 示されるよ うに、 個別の球レンズゃロ ッ ドレンズを用い て組み立てていた o しかしこの方法ではレンズと フアイ バとの軸合わせや設置に多くの時間と工数が必要である o またこの方法では、 発光素子， レンズ， ' フ ァ イ バ相互の 設計許容誤差が厳しく、 組立作業を著しく困難としてい る。 さらにこの方法では、 レンズの焦点距離に合わせた 一定の間隔が必要である O このため光軸方向に対する短 小化にはおのずと限界がある O また、 発光素子の駆動や 信号の符号化のための電気素子を搭載するために別個の スペースが必要である O さらに双方向通信用には、 これ に受信系統も付加しなければならない O これらの理由に よって、 従来の方法では、 その組立作業工程は複雑多岐 にわたり、 量産性に乏しく、 また小型化， 低コ ス ト化を はばんでいた ο
    [0008] 癸 明 の 開 示
    [0009] 本発明の目的は、 受光素子及び又は発光素子と光ファ ィバを容易に結合し、 かつ光伝送モジュ ールや電気一光 学機器等の小型化， 生産性の向上， 組み立ての簡素化， 低コスト化を図った光伝送モジュ ール実装基板を提供す - ることにある Ο
    [0010] 本発明は、 基板の一部に光の導波部が埋設されるとと もに少なく とも片面に電気配線部が施こされ、 上記光の 導波部に隣接しかつ該電気配線部に光電変換素子が接続 されたことを特徵とする 0 これによ り、 光ファ イバと光電変換素子 （ 受光素子 発光素子 ） は光の導波部を介して容易に結合され、 また その光の結合効率は非常に高いものが得られる o さらに 光学系部品と電気系部品を単一の基板に実装しているた め小型化が図られ、 生産性の向上， 組み立ての簡素化， 低コス ト化も実現できる効果を有する o
    [0011] 図面の簡単な説明
    [0012] 第 1 図は本発明による光伝送モジュ —ル実装基板の製 造過程における平面図、 第 2図は第 1 図の要部破断斜視 図、 第 3図は本発钥を双方向光通信用モ ジュ ールに適用 した場合の完成斜視図、 第 4図は第 3図の断面図である o 発明を実施するための最良の形態
    [0013] 以下図面に示した実施例によって本発明を詳細に説明 する。
    [0014] 第 1 図及び第 2図は本発明の製造過程を示す図であり、 1は例えばセ ラ ミ ッ ク ス ， 有機材料を用いて製作された 基板で、 この基板 1 には 2個の穴 1 a が穿孔されている。 この穴 1 a には、 光フアイ バからの光信号或いは光フ了 ィ バへの光信号の導波部となるフ ニ一ス プレー 卜 2が融 着材によって固着される 0 4 a 〜 4 dは電気素子搭載部 であり、 各搭載部 4 a ， 4 b , 4 c ， 4 d には第 3図に 示すよ う にそれぞれ受光素子 8 ， 発光素子 9 ， 受光素子 用 I C 1 0 ， 発光素子用 I C 7が実装される o 3及び 5 は上記素子 7 〜 1 0 と電気的に接続される電気配線部及 び端子ピン付用の配線部である o 配線部 5 としては、 特 に表示はしていないが、 電源端子用， 接地端子用があり、 また受光素子側にはデータアウ ト端子、 発光素子側には デ—タイ ン端子がある o
    [0015] 第 3図及び第 4図は完成されたモジュールの斜視図及 び断面図であり、 第 1図及び第 2図に示した基板 1 の一 方の面に素子 7 〜 1 0 が実装され、 他方の面には上記フ エース プレー ト 2の光軸と連続するよ うに光伝送用フ了 ィバ 6が配設される o 1 1は端子ピンであり、 上記配線 部 5に電気 ' 機械的に接合される o 1 2はカバ— モ ール ドであり、 素子 7 〜 1 0 ， 端子ビン 1 1 及び光伝送用フ アイバ 6 の保護及び光伝送用フ ァ イ バ 6 の機械的保持も 兼ねている o
    [0016] このよ う に完成されたモジュ一ルは、 その端子ピン 1 1 が例えばプリ ン ト配線基板（ 図示せず ） のス ルーホ—ル に実装され、 実用に供される o そして光学 · 電気的な作 用としては次のよ う に行なわれる o 即ち、 光伝送用ファ ィバ 6を通して送信されて来た光信号は、 フヱースプレ - ト 2を介して受光素子 8で受信され、 受光素子用 I C 1 0 及び上記プリ ン ト配線基板上の受信回路で電気的に 処理される o —方発信のため電気信号は、 プ リ ン ト配線 基板上の発信回路及び発光素子用 I C 7で得られ、 発光 素子 9で光信号に変換され、 フ - ースプレー ト 2を介し て別の光伝送用フ ァ イ バ 6へ送信される o
    [0017] このよ う に基板 1 に 2個のフ ヱ 一スプレー ト 2が埋設 され、 一方のフ ェースプレー ト 2の光軸に連続して受光 素子 8が実装されると と もに、 他方のフ ヱースプレー ト 2の光軸に連続して発光素子 9が実装されるこ とによ り、 双方向光通信用モ ジュ ールが得られる o
    [0018] 次に本発明の要素部品及び要素技術について説明する。
    [0019] 〔光の導波部及び材料 （ 第 1表参照 ） 〕
    [0020] 本発明基板の重要な要素である光の導波部の材料と し ては、 フ ェ ースプレー ト ， 光フ ァ イ バ， ロ ッ ドレンズを あげることができる o
    [0021] フヱ一ス プレー ト とは、 コア径が約 1 5 ίΠΐ以下からな る複数本のガラス繊維を束ね、 これを低融点ガ ラ スで融 着したものである ο この融着されたガラス繊維の束を輪 切り にし、 切断面を研摩したものをフ ェースプレー ト と 呼んでいる ο このよ うなフ ヱ 一スプレー トを基板 1 に埋 設することによって、 従来のよ う に個別に球レンズや口 ッ ドレンズを用いず、 直接電気部品搭載用の基板 1 を介 して、 受 · 発光素子と光伝送用フ ァ イ バを接続して入 · 出力光を結合できる ο また他の導波材と しては、 光ファ ィバないしはロ ッ ドレ ンズを使用するこ.とができる。
    [0022] これらフ ェ ースプレー ト ， 光フ ァ イ バ， ロ ッ ドレンズ はその材料組成によって、 線熱膨張係数（以下熱膨張係 数と呼ぶ） が異なる o 通常はフ ヱ一スプレー トが 8 0 〜 1 0 0 X 1 0_ 7 / X：、 光ファ イ バ及びロ ッ，ドレンズ（ 多成 分ガラス等） で 3 5 〜 8 0 X I 0"V X：である。
    [0023] 〔基板及び融着材料（第 2表及び第 3表参照） 〕 基板の重要条件の一つとして次のことが要求される o これらのことは本発明を生むに至った一連の実験結果に よって明らかとなった o
    [0024] (1) 基板材料， 光の導波材料及びこれらを接着固定する ための融着材料のそれぞれの熱膨張係数の差が 1 5 X 1 0—7Z iC以内であること。
    [0025] これは、 基板の導波部の埋設（埋込み）作業工程に おける加熱 ·冷却及び実稼働時における電気及び光学 回路素子の発熱による熱衝撃によって、 基板にクラッ クが発生することを防ぐためである。 第 5表は基板材 料， 導波材料， 融着材料の 3者の熱膨張係数の異なる 材料を用いて導波部を埋設した実験結果である o これ で明らかのよ うに、 それぞれ、 用いる材料の熱膨張係 数が 1 5 X 1 (T7Z 'C以内であればクラックは発生しな い。 このため、 まず初めに使用する導波材に近い熱膨 張係数の基板材料の選定を要する o
    [0026] たとえば、 セラ ミ ッ クス基板は組成 ·製法によって 熱膨張係数が次のように異なっている o 第 1 表 導 波 材 料
    [0027]
    [0028] 第 2 表 基 板 材 料
    [0029]
    [0030] ^ 導波材を埋め込む穴 （ ス ル ホ ー ル ）
    [0031] 第 3 表 融 着 材 料
    [0032]
    [0033] 第 4 表 施 例
    [0034]
    [0035] ^ 熱膨張係数 （ X 10—7Z )
    [0036] 第 5 表 熱膨張係数を異えた実施例
    [0037]
    [0038] * 熱膨張係数 （ Χ ΐ( 7/€ )
    [0039] フォルステラィ ト系基板 80〜 98 X 10— 7/Ό
    [0040] アルミ ナ系基板 65〜80 X 10— 7
    [0041] ムライ ト系基板 ····， 40〜 50 XdiT'ZO
    [0042] ガラスセラミ ックス系基板 … 30〜： LOO X 10_7
    [0043] したがって、 埋込む各種導波部材の熱膨張係数に見合 つた基板の熱膨張係数を 3 0 〜 1 0 0 X 1 0~7/ の範 囲で選定することができる。
    [0044] また、 本発明は上記 2者の融着材として次の特性を 有することが要求される o
    [0045] (2) 融着作業温度は 7 0 0 Ό以下であること o これは、 基板と導波部材とを融着するための加熱によって、 導 波材特性の劣化を防止するためである。
    [0046] (3) 融着材の融着後の熱膨張係数は基板及び導波材と熱 膨張係数の差が 1 5 X 1 以内であること o この 条件を満たすために基板の融着材として、 次の物質を あげることができる。
    [0047] 1. PbO-ZnO (または Si02 ) 一 B203系ガラスフ リ ツ 卜 -
    [0048] 2. ZnO-B203-Si02 ( ま.たは V20s ) 系 ガラスフ リ ッ 卜
    [0049] 3. S i02 -B203 -A^203 -Mgo ( または Bao ) 系ガラ ス フ リ ツ ト
    [0050] これらの物質はそれぞれの組成比を変えることによつ て、 融着作業温度を 3 5 0 〜 6 8 5 C の範囲に、 また 熱膨張係数を 4 0 〜 1 2 0 X 1 Q~7/°C の範囲に変える ことができる。 このため各種の熱膨張率の異なる導波 材と基板の接着に適用できる o
    [0051] 〔基板配線方法〕
    [0052] 次に電気配線方法について述べる o
    [0053] 電気配線方法は、 主に厚膜法と薄膜法をとることがで きる o 厚膜法では Ag—Pd系やその他導電ペース トが有 効である。 また薄膜法では、 Cr一 Ni ( または Cu ) — An よ り成る導体配線方法が有効である o この配線工程は光 の導波部を埋込む前及び後に実施できる o
    [0054] 以上、 本発明による材料及び構造によって電気及び光 学回路素子を搭載し、 これと光伝送に必要な光ファイバ を接続できる実装基板を得ることができる o また、 基板 としてセラ ミ ツクスを使用すれば、 （1)抗折強度， （2)気密 性， （3)電気配線性の利点を活かすことができる o これら の特性は基板の実用上重要である、 たとえば (1)の強度は 1 5 kノ„2以上が必要で、 これは基板のパッケージング - 時または端子ピン接続時に要求される。 （2)の気密性はパ ッケージの気密封止を行うに有効である o (3).の電気配線 性の良さは、 基板.の量産性， 低コス ト化， 長期寿命性， 信頼性を確保するため有効である。
    [0055] 以下、 これまで述べた特徵を得るために、 本発明基板 の製造方法を実施例を用いて説明する o
    [0056] 〔実施例 1 ( 第 4表 N0L 1 ) 〕
    [0057] 第 2表 1のアル ミナ系基板に Ag—Pd及び Ail系へ ース トを用い、 第 1 図に示した電気配線部を印刷した o ここで、 Auは電気素子をワイヤボンドするための配線部 3に、 また Ag—Pdは電気端子ピン付用の配線部 5に用 いた o
    [0058] 次に前記印刷済の基板をベル ト炉にて、 850 ΌΧ 10 分で焼成し、 厚膜による電気配線部を形成した o
    [0059] 次に第 1表 N0L 1 に示したフ ヱ 一スプレー ト の鏡面研摩 仕上の端面に耐熱性ポリ イ ミ ド系樹脂をコー ト し、 これ を上記基板の穴 1 a に揷入した o このときフ ヱ ースプレ - ト 2は基板 1 に水平にセッ ト した。
    [0060] 次に第 3表 NQL 1 に示した PbO— ZnO— B203系低融点ガ ラ スフ リ ツ トの固形体 （ 0.5丽角 ） を フ ヱ 一スブレー ト 2の周辺に置き 4 6 5 1C X 1 5分で加熱した 0 このときガ ラスフ リ ツ トは熔融し、 基板 1 の穴 l a と フ ヱ 一スブレ 一 ト 2のすきまに滲透する 0 この融着加熱の昇降温速度 は 5 0 lCZhで行った o
    [0061] 次に室温まで冷却した前記基板 1 のフ ニ 一ス ブレー ト 2の光導波部端面にコー ト してあるポリ イ ミ ド系樹脂を 除去したのち、 有機溶剤及び水を用い超音波洗净器で洗 浄して基板を得た o Ί 5
    [0062] このよ う にして得た本発明の基板は、 たとえば光ファ ィバを用いる光通信の光伝送用モジュ ールの実装用基板 に供するこ とができる ο これについては後にまとめて述 ベる （ 以下同様 ） ο
    [0063] 〔実施例 2 ( 第 4表 Na 2 ) 〕
    [0064] 第 2表 Nil 1 に示したアル ミ ナ系基板に実施例 1 と同様 の方法で電気配線部を形成したのち、 第 1 表 N0L 3に示し たフ エ 一スプレー ト 2を第 3表 N0L 2 の PbO—B203— ZnO 系低融点ガ ラ ス フ リ ッ トを用い埋込んだ o この導波部の 埋込むための融着加熱は 5 0 0 Ό Χ 2 0分 、 昇降温速度 は 5 0 ^Zh で行った。
    [0065] C実施例 3 ( 第 4表 N0L 3 ) 〕
    [0066] 第 2表 Nd 4に示したムライ ト系グリ ー ン シ一 卜 に W— Mo系ペース トを用いて第 1 図に示した電気配線部を印刷 し、 1550。C X 1 h ( N2 +H2 +H20 中） で焼成して、 配 線済の基板を得た 0 次にこれの配線表面にメツキ法で Au を約 3 miの厚さに付けた。
    [0067] 次に前記基板を十分に水洗したのち、 実施例 1 と同様 の方法で第 1表 Na 4のロ ッ ドレンズを埋込んだ。 この口 ッ ドレ ンズの融着には第 3表 Nd 5 に示した PbO— B203— ZnO系ガ ラス フ リ ッ トを用い、 4 9 5 C X 2 5分、 昇降 温速度は 5 0 iCZh で行った o
    [0068] 〔実施'例 4 ( 第 4表 Na 4 ) D S ! 02 -Β 203 -A£203 -MgO の低融点ガラス 4 5 wt. % と石英ガラス粉末 5 5 wt. からなるグリ ーンシー ト の 原料粉末に、 ポリ ビュルプチラールとその溶剤 （ ノルマ ルブチルアル コ ール ） などからなる有機バイ ンダーを加 え、 ボール ミ ルで 8 li混合する o 次に混合泥しょ う （ ス リ ッ ブ ） をキャスティ ングマシー ンで、 1. 2纖 の厚さを もつガラスセ ラ ミ ッ クス系グリ 一 ンシ一 トを作る o この グリ 一ンシー トを用いて、 焼き上がりが第 2表 Να 5に示 した寸法になるよ う切断し、 パンチ法で穴 1 a をあけた ο 次にこの加工済のグリ ーンシー ト に第 1表 N0L 5 に示し たフアイバを穴 1 a に揷入し、 6 8 5 1C X 1 h で焼成し た o このときの昇降温速度は 5 0 TC Z li である。 このグ リ ーンシ一 卜の焼成によって、 同時に導波材であるフ ァ ィバも固着できた o
    [0069] この前記焼成済の基板の導波部端面の付着物を落すた め、 1 / 4 miのダイ ヤモン ドペース トで約 3分研摩した。
    [0070] 次に前記の基板を有機溶剤及び水で十分洗浄したのち、 配線材料として、 Cr 0. 1 mi— Cu 3 im— An 0· 1 mi の厚 さの 3層からなる導体をスパッ タ リ ング（ 薄膜） 法で形 成した。 このときの配線回路は第 1図に示した配線パタ ーンをステンレスでマスクを作り、 これを基板の上に重 ね前記金属を次順蒸着した。
    [0071] 〔実施例 5 ( 第 5表 ） 〕 第 5表の Nd l 〜Na 5に示したよ う に、 導波材， 基板材， 融着材のそれぞれの熱膨張係数を異えて、 導波部の埋込 み作業を実施した o 次にこの導波部の埋込み済の基板に ついて、 クラ ッ ク発生の有無を顕微鏡（ 4 0 0倍） で観察 検査した。
    [0072] その結果、 第 5表に示したよ う に、 導波材， 基板材， 融着材の 3者の熱膨張係数の差が. 1 5 X 1 0~ °C 以内で あればク ラ ッ クの発生はなく、 本発明の基板は支障な く 製造できることを確認した o
    [0073] なお、 実施例 1 〜 4については前記の熱膨張係数の差 が ί α = 0 〜 1 5 の範囲以内であり、 それぞれについて 顕微鏡を用い、 4 0 0 倍で観察 ·検査した結果、 ク ラ ッ クのないことを確認しナこ。
    [0074] 実施^ 1 〜· 4にて製造した本発明の電気及び光学回路 基板を用い、 第 3図に示したよ う に発光素子 9及び受光 素子 8ならびに光伝送用フ ァ イ バ （ 多モー ドフ ァ イ バ ） 6、 また前記素子 8 ， 9を駆動するに必要な電気素子 7 ， 1 0などを実装した。 その結果、 - (1) モ ジュ ール寸法の小型化、
    [0075] (2) 光の結合効率の向上、
    [0076] (3) 設置許容誤差の緩和、
    [0077] (4) モ ジュ ール組立工数の低減、 -
    [0078] (5) モ ジュ —ル組立時間の低減、 (6) モジュ ールの低コ ス ト化等の効杲を得た o
    [0079] 産業上の利用可能性
    [0080] 本発明の採用が最も顕著な効果を発攆する例として、 光通信分野における光通信モジュ ールが挙げられる。 し かし本発明はこの分野に限定されるものではなく、 光信 号を電気信号に変換したり、 逆に電気信号を光信号に変 換したり、 或いはその両者を含む光電変換技術を使用す るあらゆる分野に利用することができるものであるつ
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    1. 基板の一部に光の導波部が埋設されると と もに少な く と も片面に電気配線 ½が施こされ、，上記光の導波部 に隣接しかつ該電気配線部に光電変換素子が接続され たことを特徵とする光伝送モジュ ール実装基板 o
    2. 上記光の導波部は 1 対埋設され、 一方の光の導波部 の光軸に連続して受光素子が実装されると と もに、 他 方の光の導波部の光軸に連続して発光素子が実装され たことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の光伝送モ ジュー ル実装基板 o
    3. 上記光の導波部は、 融着材を用いて上記 S板に固着 されたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の光伝 送モジュ —ル実装基板。
    4. 上記光の導波部， 基板及び融着材の線熱膨張係数の 差が 1 5 X 1 (Γ7/ 以内であることを特徵とする請求 の範囲第 3項記載の光伝送モジュ ール実装基板つ
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JPH0336405B2|1991-05-31|
    JPS60252308A|1985-12-13|
    EP0182920A1|1986-06-04|
    EP0182920A4|1987-06-16|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1985-12-19| AK| Designated states|Designated state(s): KR US |
    1985-12-19| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): DE FR GB |
    1986-01-16| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1985902653 Country of ref document: EP |
    1986-06-04| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1985902653 Country of ref document: EP |
    1988-06-07| WWW| Wipo information: withdrawn in national office|Ref document number: 1985902653 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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