JP2003344679A

JP2003344679A - 電子回路基板

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Publication number: JP2003344679A
Application number: JP2002155878A
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Inventors: Mamoru Uchida; 護内田
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Filing date: 2002-05-29
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Abstract

(57)【要約】【課題】光配線層へ効率的な光の入出力が可能な電子
回路基板を提供する。【解決手段】２層の電気配線層間に挟まれた光配線層
を備えた電子回路基板であって、該光配線層は２次元型
光導波路構造であり、該光配線層の内部あるいは該光配
線層と該電気配線層の界面にＥ／Ｏデバイス及びＯ／Ｅ
デバイスを有し、且つ２つの該電気配線層間は該光配線
層を貫通するビアにより接続されていることを特徴とす
る電子回路基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＣＰＵやメモリ等の
ＬＳＩが高密度に実装され得る電子回路基板に関する。
特に、電気配線層と光配線層とを有する光電融合基板
（あるいは光集積回路用基板）に関するものである。

【０００２】

【背景技術】携帯電話や個人情報端末（ＰＤＡ）は、処
理速度の速いことと小型・軽量であることが同時に求め
られる。しかしながら、処理速度が上がるにつれ、電子
回路基板内における配線遅延の影響が大きくなることが
指摘されている。これを防ぐには、チップ内およびチッ
プ間の配線を極力短くすることがもっとも単純な方法で
ある。このことは、基板の小型化にもつながるため、こ
れまで多くの発明がなされてきた。

【０００３】しかしながら、処理速度が向上するにつ
れ、別の問題点が顕在化してきた。それはＥＭＩ（電磁
放射干渉ノイズ）である。

【０００４】電子部品同士が近接して配置されることか
ら、配線は短くなるが、配線密度は高くなる。この結
果、近接した信号線に高速の信号が流れた場合、相互の
電磁誘導により電磁波が干渉しあってノイズを発生し、
信号が正しく伝送できないのある。特にモバイル端末で
は、低電圧化が進む結果、大電流で駆動されるケースが
増えており、ＥＭＩの影響が大きくなってきている。

【０００５】この現象は、そのモバイル端末が、外部の
電波環境にも影響を受けることを意味する（いわゆるイ
ミュニティとかＥＭＣとか言われている）。つまり自分
自身がＥＭＩを発生しやすいということは、同時に外部
電磁界を拾いやすくなることを意味するため、電波環境
によっては、正常なデータ処理ができなくなることにな
る。

【０００６】これらを防ぐ方法として、たとえば、セラ
ミック基板を多層にすることで、層ごとのＥＭＣ（電磁
放射ノイズ耐性）を高める方策が通常とられているが、
コスト高や歩留まりの点で問題があるとともに、本質的
にＥＭＩフリーとすることはできない。

【０００７】一方、本質的に電磁無誘導の利点を有する
光配線を用いる方法が提案されている。

【０００８】たとえば、特開平９−９６７４６号公報
（吉村他「アクティブ光回路シートまたはアクティブ光
回路基板」）は、光配線部と電気配線部を分離し、電子
機器からの信号電圧によって光スイッチや光変調器で、
電気信号を光信号に変換して伝送して、光配線部の異な
る場所にある受光素子により再び電気信号に変換し、他
のまたは同一の機器との間に電気的な接続を行うもので
ある。

【０００９】この方法は、電気配線のデメリットを光配
線で補うという点では優れた方法であるが、光配線を１
次元光導波路（あるいはファイバ）でおこなっているた
めに、光配線する場所をあらかじめ決めておく必要があ
ったり、サイズが電気配線にくらべはるかに大きくなっ
てしまうという新たな問題点を生じる。

【００１０】また、特開平１１−１９６０６９号公報
（逆井他「光信号伝送装置、光信号伝送方法、および信
号処理装置」）は、２次元的に広がる光シートバスの対
向する２端にそれぞれ信号光入出力部を配置し、１端か
らの光信号を光シートバスに２次元的に伝播させ、他端
の受光素子によって電気信号に変換するものであり、従
来、電気配線では、避けることのできなかった遅延や伝
送速度の限界を打破し、かつ実装が容易な点が特徴であ
る。光シートと呼ばれる２次元の光導波路（厚さ方向に
のみ導波構造をもつ）の両端には、送信デバイス（たと
えば、１次元半導体レーザアレイ）や受信デバイス（た
とえば、１次元フォトダイオードアレイ）が配置されて
いる。

【００１１】その動作を簡単に説明すると以下のように
なる。電気回路のロジック信号から前記半導体レーザを
直接駆動して電気信号を光信号に変え、発光した光は、
前記光シートの内部を伝播するが、厚さ方向には導波さ
れるが、それと直角な平面方向には自由に伝播する。こ
の結果、必要とされる光パワーは従来例よりも大きくな
り、電気回路に負担がかかるものの、光シートと光デバ
イスの実装の許容度は従来例よりもはるかに簡単にな
り、かつ、電気配線では、避けることのできなかった遅
延や伝送速度の限界を打破できる点が特徴である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、当該技
術は、機器間配線（バスライン）であり、電子デバイス
が混在した基板から発生するＥＭＩに対しての効果は期
待できない。また、光シートの端面から光を入力するこ
とが前提になっており、光シートに垂直方向に光を入力
することに関しては検討されていなかった。そこで、本
発明者が光シートに光を入力することに関して検討を進
めたところ、発光部からの光を単に光シート上に設けた
だけでは光の効率的な入力は困難であることが分かっ
た。

【００１３】そこで、本発明は、光シート内にその端部
からではなく、垂直方向の光入力を効率的に行うことが
できる電子回路基板を提供することを目的とする。更に
は、光シート内を伝搬してきた信号光を効率的に受光で
きる電子回路基板を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電子回路基
板は、２層の電気配線層間に挟まれた光配線層を備えた
電子回路基板であって、該光配線層は２次元型光導波路
構造であり、該光配線層の内部あるいは該光配線層と該
電気配線層の界面にＥ／Ｏデバイス及びＯ／Ｅデバイス
を有し、且つ２つの該電気配線層間は該光配線層を貫通
するビアにより接続されていることを特徴とする。

【００１５】そして、前記Ｅ／ＯデバイスあるいはＥ／
Ｏデバイスの少なくとも一方が、球状、円盤状あるいは
円柱状の形態を有していることが好ましい。

【００１６】更に、前記電気配線層中にパラレル信号ラ
インを有し、その出力端子が前記Ｅ／Ｏデバイスに接続
されており、パラレル信号は該Ｅ／Ｏデバイスに設けら
れた電子回路によりパラレル−シリアル変換後、シリア
ル光信号として前記光配線層に送出してもよい。また、
前記シリアル光信号を前記Ｏ／Ｅデバイスで受光し、電
気信号に変換した後、該Ｏ／Ｅデバイスに設けられた電
子回路によりシリアル−パラレル変換後、前記パラレル
信号ラインに伝送してもよい。

【００１７】本発明においては、該光配線層の内部ある
いは該光配線層と該電気配線層の界面にＥ／Ｏデバイス
及びＯ／Ｅデバイスを設けることで、効率的な光信号の
入力あるいは出力が可能となる。Ｅ／ＯデバイスやＯ／
Ｅデバイスとはいわゆる光電変換デバイスのことであ
る。以下では主として球形状を有する項遺伝変換デバイ
スを用いて説明しているが、光配線層との光の入出力が
可能であれば特に限定されるものではない。

【００１８】また、本発明に係る電子回路基板は、電気
配線層と光配線層の２層を１単位として積層された電子
回路基板であって、該基板の表面あるいは内部に複数の
電子デバイスが配置され、該電気配線層は、前記電子デ
バイスを互いに電気的に接続する電気配線を内蔵し、該
光配線層は、フィルム状の２次元光導波路構造を有し、
該電気配線層中あるいは光配線層中あるいは両者の界面
に、前記光電子デバイスの電気信号を光信号に変換し、
かつ前記光配線層中に該光信号を送出する機能を有する
ＥＯデバイスと、該光信号を受光し、該光信号を電気信
号に変換する機能とを有するＯＥデバイスとが配置さ
れ、かつ、該ＥＯおよびＯＥデバイスへの電気接続を前
記電気配線層から行うことを特徴とする。

【００１９】前記電子回路基板において、光配線層を貫
通し、それを挟む電気配線層同士を電気的に結合する複
数のビアが形成されていたり、前記電子デバイスの電気
信号を光信号に変換し、かつ前記光配線層中に該光信号
を送出する機能を有するＥＯデバイスが、球状の半導体
基板上に、他の電子デバイスとともに集積して形成され
ていてもよい。

【００２０】前記光配線層中の光信号を電気信号に変換
する機能を有するＯＥデバイスが、球状の半導体基板上
に、他の電子デバイスとともに集積して形成されていて
もよい。また、前記電子回路基板がパラレル信号ライン
を有し、その出力端子が前記ＥＯデバイスに結合され、
該球状デバイスの前記電子回路でパラレルシリアル変換
することで、シリアル光信号として前記光シートに送出
することも可能であるし、前記シリアル光信号を前記光
シートに埋め込まれた前記ＯＥデバイスで受光し、電気
信号に変換されたあと、該球状半導体に同時に形成され
た電子回路によりシリアルパラレル変換されて前記パラ
レル信号ラインに伝送することもできる。なお、前記電
子回路基板が可とう性のある材料で構成することができ
る。

【００２１】更にまた、本発明に係る電子回路基板は、
電気配線層と光配線層の２層を１単位として積層された
多層からなる電子回路基板であって、該基板の表面ある
いは内部に複数の電子デバイスが配置され、該電気配線
層は、前記電子デバイスを互いに電気的に接続する電気
配線を内蔵し、該光配線層は、フィルム状の２次元光導
波路構造を有し、光配線層中に、前記光電子デバイスの
電気信号を光信号に変換し、かつ前記光配線層内の全方
位に該光信号を送出する機能を有するＥＯデバイスと、
前記光配線層内の全方位からの前記光信号を受光し、電
気信号に変換する機能とを有するＯＥデバイスとが配置
され、かつ、該ＥＯおよびＯＥデバイスへの電気接続を
前記電気配線層から行うことを特徴とする。

【００２２】また、前記電子回路基板において、光配線
層を貫通し、それを挟む電気配線層同士を電気的に結合
する複数のビアが形成されていたり、前記電子デバイス
の電気信号を光信号に変換し、かつ前記光配線層中に該
光信号を送出する機能を有するＥＯデバイスが、円盤状
あるいは円柱状の形態をなしていたり、あるいは前記光
配線層中の光信号を電気信号に変換する機能を有するＯ
Ｅデバイスが、円盤状あるいは円柱状の形態をなしてい
てもよい。

【００２３】前記電子回路基板がパラレル信号ラインを
有し、その出力端子が前記ＥＯデバイスに結合され、該
球状デバイスの前記電子回路でパラレルシリアル変換す
ることで、シリアル光信号として前記光配線層に送出す
ることもできるし、前記シリアル光信号を前記光配線層
中に埋め込まれた前記ＯＥデバイスで受光し、電気信号
に変換されたあと、該デバイスに同時に形成された電子
回路によりシリアルパラレル変換されて前記パラレル信
号ラインに伝送することも可能である。

【００２４】（作用）高速なデータ（たとえば１Ｇｂｐ
ｓ）がメタル配線によって近接して配置されていると
き、その近傍の電磁放射ノイズの強さは、「発生源の強
さ（周波数、波形、駆動電流）」ｘ「伝達係数（電源ラ
インとの共振、近接するラインとの結合）」ｘ「アンテ
ナ要因（コネクタ、電極）」で表される。つまり、配線
長が長いほど、電流値が大きいほど、信号のスピードが
速いほど、また信号パルスが矩形波に近いほどノイズレ
ベルが高くなる。したがって、ＣＰＵ近傍でメタル配線
を用いる限りＥＭＩを根本的に除去することはできな
い。

【００２５】一方、配線に光を用いることで、これらを
一気に改善することが可能である。すなわち、光配線で
は、電磁誘導がないため伝達係数がゼロとなるからであ
る。

【００２６】反面、光配線は、１本当たりの配線の物理
的大きさは、光導波路を用いる限り電気配線にくらべ一
桁以上大きいため、すべての電気配線を光配線に変更す
ることは、サイズが大きくなったり、曲げによる損失が
大きくなるなどのデメリットの方が大きくなる。さら
に、光配線を導入することで、従来の電気配線パターン
の変更を余儀なくされるデメリットもある。この解決策
として、電気配線は従来通りの配線パターンとし、光配
線のみ２次元空間を伝送する光フィルムを用いることが
提案され、上記の問題は緩和されつつあるが、電気信号
を光に変換するＥＯデバイスおよび光信号を電気信号に
変えるＯＥデバイスの実装方法に関しては、依然有効な
解決策は提示されていない。本発明は、その具体的に実
現するうえで不可欠な技術である、光電融合基板のＯＥ
およびＥＯデバイスの実装技術を提供する。

【００２７】本発明の主眼は以下のように要約される。（１）光配線となる光導波路に２次元光導波路（光フィ
ルム）を適用し、１対の電気配線層と光配線層を単位と
した、多層の光電融合基板構造とする。（→光電融合基
板関しては「ＦｉｌｅＮｏ．２０２３４９光電融合配
線基板、光電融合集積回路、及びそれらの製造方法」参
照。）（２）複数の電気配線層同士の接続にはビアを用いる。（３）光電変換デバイスとして、ボール形状を有し、光
デバイスとその駆動ＩＣあるいはアンプを同時に集積し
たフォトニックボールＩＣを用いる。

【００２８】通常の電子回路基板（ＰＣＢ）に２次元の
光導波路を融合させた光電融合基板は、電気配線部分は
従来通りの手法で、光配線部分は、２次元の光導波路
（光フィルム）を使用するため、従来の問題点であっ
た、光配線の方が配線サイズが大きくなるということ
や、光配線をもちいることで電子デバイスの配置に影響
を与えること、などの問題点を解決している。この結
果、電気配線でも光配線でも自由に選ぶことができる。

【００２９】なお、ビアは３次元配線するうえで不可欠
な手段である。光配線層を導入したことで、任意の位置
のビアが形成できなくなるとしたら大きなデメリットと
なる。本発明では、フィルム状の光導波路を用いている
ため、任意の位置にビアが形成されても、光信号は２次
元的に拡散しながら伝播するためビアの影響は無視する
ことができる。すなわち、従来の設計指針に影響を与え
ることなく、ＥＭＩフリーの光配線を導入することがで
きる。

【００３０】実装方法としてフリップチップ実装やＢＧ
Ａ法を用いることで、光配線のために新たな実装方法を
適用することなく、容易に実装することができる。ＢＧ
Ａ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）法は、ＩＣの電
極パッドと基板の電極パッドを、バンプとよばれるハン
ダによってアレイ状に接続するもので、従来のワイヤボ
ンディングに比べ、高速化、低占有面積、低抵抗化など
極めて優れた特性を有している。

【００３１】ＢＧＡのピッチとボールハンダの典型なサ
イズは、それぞれ１ｍｍおよび０．５０ｍｍφ程度であ
る。つまり、上記ホトニックボールＩＣが１ｍｍφ以下
であれば、ＢＧＡのプロセスを用いて、簡便に上記必要
条件をクリアできる。

【００３２】フォトニックボールＩＣは、球状の半導体
基板（通常球状Ｓｉ基板）上に、電子デバイスと光デバ
イスを集積したものであり、これ１つでＯＥ／ＥＯ変換
できる。光電融合基板状のＬＳＩからのロジック信号の
電圧で直接駆動できるものを使用すれば、特別な付加回
路は必要はない。また球形状を有しているので、独別な
光学系を必要としないで前記光電融合基板の光フィルム
部に光学結合させることができる。

【００３３】フォトニックディスクＩＣについて簡単に
説明する（製造方法等の詳細は、たとえば、特開平１０
−２６２８３７号公報「リング共振器を有する偏波変調
可能な半導体レーザ」、あるいは、特開２０００−０２
２２８５号公報「光電融合デバイス」に詳しい）。

【００３４】図１０は、フォトニックディスクＩＣのも
っとも簡単な例である、リング共振器型半導体レーザ
（以下リングＬＤと略記する）の模式図である。リング
ＬＤは、リング共振器内を光が周回することで、利得を
得て発振するデバイスであり、原理的には、共振器内に
光が閉じ込めれるが、一部の光は外部に取り出されるの
で円形の共振器の場合、共振器平面内で３６０度方向に
光を出射することができる。このリングレーザを前記光
配線層中に設置することで、光配線層内全体を伝搬させ
ることができる。

【００３５】以下図面を用いて簡単に説明する。図１０
は、リングレーザの模式図である。

【００３６】図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は立
面図（左半分は、Ａ−Ｂラインの断面図）である。たと
えば、１３０１はｎ型半導体基板であり、１３０２はｎ
型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１３０２はＭＱＷ活性層、
１３０３はｐ型クラッド層となっていて、垂直かつ滑ら
かな側面を有するリング状の共振器１３０７（共振器長
はたとえば２００ｕｍ）が形成されている。また、キャ
リア注入のためのカソード１３０５とアノード１３０６
を形成してある。このレーザの特徴は、キャリア注入が
あるレベル達すると利得がリングレーザの共振器損失を
上回ることにより、時計周りと半時計回りの２つの周回
発振モードがたつことである。そのレーザ光の一部はリ
ング共振器側面から、外部に取り出すことができ、完全
に円形のリングレーザの場合、リングレーザの活性層平
面においてほぼ３６０度全域にレーザ光を送出する。つ
まり、このリングレーザを２次元スラブ導波に閉じ込め
た場合、アノードとカソードに、リングレーザの発振し
きい値に見合うレベルの電気信号を重畳すると、光信号
として、２次元スラブ導波路全体に伝搬させることがで
きる。

【００３７】一方、このリングレーザあるいは類似の半
導体デバイスは光受光器として動作させることができ
る。リング共振器側面は、それが置かれた平面のすべて
の方向から伝播してくる光を受光面となり得る。適当な
バイアスをかけておくことで空乏層を広げることによ
り、受光効率を高めることができる。以下この受光器を
リングＰＤと表記する。

【００３８】したがって、前記リングＬＤを前記光配線
層中に配置することで、光配線層中のあらゆる方向から
伝搬してくる光を受光し、電気信号に変換することがで
きる。

【００３９】以上のことは、ほぼ同構造のフォトニック
デバイスで、発光および受光の機能を持たせることがで
きることを意味する。

【００４０】さらに、リングＬＤの駆動回路やリングＰ
Ｄのバイアス回路やアンプをなどの電子回路を該デバイ
スで集積することで、他のＬＳＩからのロジック信号を
直接光信号に変換したり、光信号を直接電気信号に変換
することができる。図１１は、そのフォトニックディス
クデバイスの模式図である。図において、（ａ）は平面
図（左はリングＬＤ部の断面図）、（ｂ）は立面図（左
半分はＣ−Ｄラインの断面図）である。リングＬＤ部は
図１０とほとんど同じであるが、薄膜化するため、基板
は除去してある。その上下に、上記電子回路を有するＳ
ｉデバイスを接合した構造になっている。表面には、電
極パッドが形成されており、ロジック信号を入出力でき
るようになっている。

【００４１】

【発明の実施の形態】（実施例１）（光配線層の上下
界面にフォトニックボールＩＣを配置する。）図１は本発明の電子回路基板の断面図である。

【００４２】図において１０１は保持基板、１０３は電
気配線層および１０４は電気配線層にはさまれるように
形成されたフィルム状の光配線層である。１０２は、電
気配線層１０３表面に実装されたＩＣチップであり、バ
ンプ（たとえばボールハンダ）１０７で実装されてい
る。１０８はフォトニックボールＩＣであり、上記電気
配線層１０３および光配線層１０４の界面に実装されて
いる。１０６は電気配線層内部あるいは表面に形成され
たマイクロストリップラインであり、１０５はそれらを
電気的に接続する電極パッドである。また、１０９は光
配線層を貫通して電気配線層間を電気的に接続するため
のビアである。

【００４３】（フォトニックボールＩＣ）本発明の特徴
のひとつは、電気配線層１０３と光配線層１０４の接続
を、ＥＯあるいはＯＥデバイスを介して行う点にある。
次に、このＥＯあるいはＯＥデバイスの一例である、フ
ォトニックボールＩＣについて簡単に説明する（製造方
法等の詳細は他の明細書を参照されたい。たとえば、出
願Ｎｏ２０００−０９０８２６「立体形状を有する光電
融合デバイス」）。

【００４４】図３において、３０１はアンドープ球状Ｓ
ｉ基板（たとえば１ｍｍφ）であり、３０２はその半球
表面（ここでは北半球表面）に形成されたＩＣである。
３０３は、南半球部表面に形成された、発光素子あるい
は受光素子等の光デバイスである（ここでは、４つの
（１１１）相当面に形成された、ＧａＩｎＮＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓ系の面発光レーザや面型フォトダイオードを想
定しているがこれに限るものではない）。

【００４５】ＩＣ３０２は、発光素子３０３と集積する
場合、駆動ＩＣだったり、パラレルシリアル変換回路だ
ったりする。受光素子３０３と集積する場合には、バイ
アス回路、プリアンプ、波形調整回路、あるいはシリア
ルパラレル変換回路だったりする。もちろん両方の機能
を兼ねる場合は、それに応じた電子回路を付加する。こ
れらの回路は、通常のＣＭＯＳプロセスで作製可能で、
そのロジック電圧は３．３Ｖである。

【００４６】図４はフォトニックボールＩＣの別の形態
を示している。図において電子回路部は上記と変わらな
いが、光デバイス部分が大きく異なっている。４０５は
半球状に形成された活性層であり、発光デバイスの場
合、光デバイス用電極４０７から注入されたキャリアが
再結合して発光する。受光デバイスの場合、活性層４０
５には逆バイアスがかけられ、受光した光が電子−ホー
ル対を形成する。どちらの場合も、球形状をしているこ
とがら、光放出あるいは光吸収ともに特別な光学系を用
意することなく、高効率でＥＯあるいはＯＥ変換するこ
とができる。

【００４７】次に製造方法について説明する。

【００４８】（電気配線層）図１において、まず支持基
板上に電気配線層を積層する。

【００４９】ここでは複数層からなるＣｕマイクロスト
リップライン１０６を内蔵した熱溶融性樹脂材（たとえ
ば、ポリイミド、厚さ０．３ｍｍ）をガラスエポキシ樹
脂基板１０１上に積層した。

【００５０】（電気配線基板へのフォトニックＩＣの実
装）次に、フォトニックボールＩＣを実装する。球状光
デバイスの実装方法について説明する（図５参照）。ま
ず、前記電気配線基板の表面の所望の位置に、前記フォ
トニックボールＩＣを実装するための半球状の穴をあけ
る。あける方法は任意でよい。

【００５１】たとえば、フォトリソグラフィとエッチン
グを用いて形成しても良いし、レーザ加工装置等を用い
て任意の場所に個別にホールを形成しても良い。

【００５２】ここでは、エキシマレーザを用いて所望の
位置に所望の形状のホール５０１を連続的に形成した。
この方法は、基板作製時のＣＡＤのデータがそのまま使
えるので、２次元方向は正確であるとともに、深さ方向
に対しても制御性が高い。

【００５３】このホールに、ボールＩＣの電極パッド４
０３と電気配線基板の電極パッド１０３を位置合わせし
て、異方性導電樹脂等で電気的かつ機械的コンタクトを
とる。

【００５４】この工程のあと、必要であればさらに表面
に電気配線を行ってもよい。

【００５５】（光配線層の作製）光配線層の構造は以下
の条件を満たすものなら任意のものでよい。（１）光を導波する２次元スラブ型光導波路を有するこ
と。伝播損失は、小さければ小さいほど良いが、伝送距
離による。たとえば、数ｃｍ角の基板の場合、伝送損失
は導波する光の波長に対して０．１ｄＢ／ｃｍ以下であ
ることが望ましい。（２）表面に電気配線層を作製できること。これは、従
来の電気配線パターンをそのまま生かすためである。（３）実装したフォトニックボールＩＣを埋め込むこと
ができること。この３点を満たすものとして、本実施例では、ポリイミ
ド等の有機樹脂を塗布して平坦化し、ほぼ１ｍｍ厚のフ
ィルム状光導波路からなる光配線層を作製した。ここで
は単層からなるフィルム状光導波路を用いたが、構造は
これに限るものではない。たとえば、コア層（厚さ０．
１ｍｍ、屈折率ｎ１）をクラッド層（厚さ０．３ｍｍ、
屈折率ｎ２；ｎ１＞ｎ２）ではさんだスラブ導波路構造
でもよい。引き続き第２の電気配線層（フォトニックボ
ールＩＣ付）を積層することが効果的である。

【００５６】以上で、図１のように保持基板１０１上に
第１の電気配線層１０３ａ、光配線層、第２の電気配線
層１０３ｂが積層されたことになる。最後に第２の電気
配線層１０４の上に、ＩＣチップ１０２を半田バンプ１
０７等を介して表面実装することで本発明の実施例は完
成する。

【００５７】（動作原理）以下動作原理について説明す
る。

【００５８】（送信機能）図１において、ＬＳＩ１０２
の電極パッド１０５は、バンプ１０７を介して電気配線
層に接続され、電気信号を近傍の電子デバイスに伝送し
たり、受けたりすることができる。ＬＳＩのロジック信
号（たとえばＣＭＯＳなら３．３Ｖ）は、前記球状光デ
バイスを直接駆動するのに十分な電圧である。電気配線
層に直接実装されたフォトニックボールＩＣ１０８ｃ上
の発光デバイス（たとえばＬＥＤ）に順バイアスとなる
ようロジック信号を印加することで、電気信号は光信号
に変換される（パワーが必要な場合や所定のバイアス電
圧をかけたい場合には、フォトニックボールＩＣ１０８
ｃ上にドライバ回路やバイアスをつくりこんでおけば良
い）。ＥＯ変換された光信号は、光配線層１０４に放出
され、特別な光学系なしで、光シート全面に出力光１１
０として拡散伝播していく。基板サイズが３０ｍｍ□程
度および伝播損失が０．１ｄＢ／ｃｍ以下なら、光出力
１ｍＷ程度で十分最小受信感度に必要な受信入力を得る
ことができる。

【００５９】（受信機能）逆に、光配線層１０４の任意
の方向から伝播してくる入力光信号１１０は、フォトニ
ックボールＩＣの受光素子１０２表面に達すると内部に
取り込まれ、逆バイアスをかけたＰＮ接合付近で吸収さ
れ電子信号に変換される。変換された電気信号は入力電
気信号として、近接する電気配線層１０３ｂを介してＬ
ＳＩ１０２内部に取り込まれ処理される。

【００６０】（電気パラレル・光シリアル伝送）実際の
使用例のひとつ、電気パラレル・光シリアル伝送につい
て図を用いて説明する。図２において、２０２はＣＰ
Ｕ、２０３ａおよび２０３ｂはＲＡＭ、２０４はその他
電子デバイス、２０７は電気配線層中に形成されたパラ
レル電気配線、２０８は光配線層中の光配線（光路）で
ある。

【００６１】通常の電気配線では、たとえば、６本の伝
送路で６４ビット幅のデータ線を必要としている。低速
のデータ処理は問題は起きなくても、大容量のデータ高
速で送る用途（動画など）では、基板上に配置された他
のデバイスの動作から影響を受けやすくなったり、ＥＭ
Ｉの影響を与えやすくなる。従来の配線では、常時安定
したデータを送ることは極めて困難である。このような
用途のみに光配線を使う。

【００６２】たとえば図２において、ＣＰＵ２０２から
ＲＡＭ２０３に６４ビット幅でデータを送るため、電気
配線としては６本必要だが、ＣＰＵの最終段でパラレル
・シリアル変換し、１個の光Ｉ／Ｏ素子を接続すること
で、電気信号が、光信号として、光電融合基板の光導波
路部で伝送され、受け側の光Ｉ／Ｏ素子で受光したあ
と、シリアル・パラレル変換することで、６４ビット幅
のパラレル信号とする。パラレルからシリアル変換する
ことで、クロックは高くなるが、光導波路に伝播するた
めＥＭＩの心配はない。

【００６３】本実施例では最初から光配線を選択してい
るが、かならずしも光配線のみを使用する必要はない。
つまり、電気配線のパスも選択できるようにしておくこ
とで、あるときは電気配線、あるときは光配線として接
続することが可能である。この柔軟性が本発明の大きな
特長のひとつである。

【００６４】電気配線では、ＥＭＩを避けるため、他の
デバイスを避けるように配線する場合があり、その結果
配線長が長くなり、今度は配線遅延や波形歪の原因とな
る場合がある。このとき、光配線を選択することで、最
短でＥＭＩフリーの接続ができるため、配線遅延も波形
歪を生じない。また、本実施例ではビア１０９が光導波
路層を貫通して形成されているが、光信号は拡散して伝
搬していくので、ビアの密度が極端に大きくならない限
り影響は少ない。

【００６５】どの信号を電気配線あるいは光配線にする
かは最終判断は、バスを管理するデバイスが決定する。
光に変換された光は、光配線層中を拡散して伝播し、他
所に配置された、ＩＣへ到達する。このＩＣ近傍にもＯ
Ｅ変換用のフォトニックボールＩＣが配置されている。
本実施例は、同一のフォトニックボールＩＣを設置し
た。表面が球形状をしているために、プリズムやミラー
等を用いなくとも、直接光がｐｎ接合面に当たるため、
きわめて簡便に実装可能である。

【００６６】（効果）（１）従来の電気配線パターンに大きな変更をあたえる
ことなく光配線ができる。（２）従来の電気実装方法に準じた方法で、ＯＥデバイ
スあるいはＯＥデバイスの実装ができる。（３）基板側に２次元の光導波路層（光フィルム）を有
しているため、自由な光配線が可能となり、高速伝送お
よびＥＭＩフリー伝送が可能である。（４）用途により、同一の信号を電気配線でも光配線で
も伝送することができる。

【００６７】なお、また、２次元の光導波路を表面に結
合する方法については以下の方法が提案されている。
（１）ミラーやプリズムを配置する方法として、たとえ
ば「光学接続装置およびその製造方法」（特開平８−２
２０３５７号公報）や、ＳＰＩＥＯｐｔｏｅｌｅｃｔ
ｒｏｃｉｃｄＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓａｎｄＰ
ａｋａｇｉｎｇ，ＣＲ６２（１９９６），３２９などが
ある。また、これらの他にも、（２）グレーティングや
ホログラムを配置する方法などがある。

【００６８】しかしながら、これらの方法は、１）光軸
あわせが困難、２）部品点数が多くなる、３）光導波路
に微細加工が必要となる、４）光導波路を微細加工する
ため、任意の位置にデバイスを配置することが難しくな
る、５）任意の方向へ光信号を送信したり、任意の方向
からの光信号を受信することが困難である等の問題が懸
念される。

【００６９】本実施例においては、光配線層内あるいは
光配線層と電気配線層間の界面に直接発光部からの光を
入力等するので、光軸あわせの問題を解決すると共に、
効率的な光の入出力が可能となる。

【００７０】（実施例２）多層型図６は本発明の第２実
施例の断面模式図である。

【００７１】以下第１の実施例との相違点は、（１）光
配線層が多層に形成されている、（２）保持基板がな
い、（３）両面に電子デバイスが実装されていることで
ある。

【００７２】（共通点）（１）光配線層は層ごとに平面的に光信号を拡散させて
データを伝送する。（２）電気配線層ごとの接続はビアによって行う。

【００７３】以下簡単に補足する。・電気配線層（たとえばＰＭＭＡ）の表面の所望の位置
にフォトニックボールＩＣを実施例１にならって実装す
る。・光配線層をその表面に積層する。・フォトニックボールＩＣが実装された第２の電気配線
層を張り合わせる。・所望の位置にビアを開け、めっき等を施し、電気的コ
ンタクトをとる。以上４つの工程を繰り返すことにより、電気配線層と光
配線層が交互に積層された多層の電子回路基板を作製す
ることができる。

【００７４】上記実施例では、光配線層は、すべてシー
ト状の光導波路である例を示したが、適用例はこれに限
るものではない。たとえば、光が完全に閉じ込められた
１次元導波路を形成してもよい。

【００７５】（実施例３）ボールＩＣを散乱体としても
用いる。

【００７６】図７は、本発明の第３の実施例を説明する
模式図である。

【００７７】第１の実施例との相違点を中心に説明す
る。（１）フォトニックボールＩＣ近傍に光散乱体が配置さ
れている。（２）発光時には、散乱体と機能して光配線層全体に拡
散する。（３）受光時には、集光体として機能して、直上の受光
器に効率的に光を集光する。

【００７８】以下簡単に補足する。・電気配線層（たとえばＰＭＭＡ）の表面の所望の位置
にフォトニックボールＩＣおよび散乱体あるいは集光体
を同時に実施例１にならって実装する。・光配線層をその表面に積層する。・フォトニックボールＩＣおよび光散乱体（あるいは集
光体）１１１が実装された第２の電気配線層を張り合わ
せる。・所望の位置にビアを開け、めっき等を施し電気的コン
タクトをとる。必要であれば以上４つの工程を繰り返すことにより、電
気配線層と光配線層が交互に積層された多層の電子回路
基板を作製することができる。

【００７９】光散乱体の機能は、フォトニックボールＩ
Ｃからの光をできるだけ光拡散層に伝搬させるよう反射
させることである。

【００８０】また、集光体の機能は、光配線層内を伝搬
してきた光を、フォトニックボールＩＣの近傍でできる
だけ集光し、受光効率を上げることである。

【００８１】両者の具体的構造は、（１）円錐形状（表面は高反射率）（２）波長オーダの微粒子の集合体（３）リング状のグレーティング素子などがあり、いずれも公知の構造である。

【００８２】ここでは、単に集光率、散乱率だけでな
く、実装の容易さやコストを考慮して、ＳｉボールＩＣ
に高反射膜をコーティングしたものを用いた。また、フ
ォトニックボールＩＣそのものを、散乱体あるいは集光
体として用いても良い。実施例３としての特有の効果
は、散乱率および集光率の高い電子回路基板が作製でき
ることである。

【００８３】（実施例４）光配線層中にフォトニックデ
ィスクＩＣを入れる。

【００８４】図８は本発明第４の実施例の断面図であ
る。図において１０１は支持基板、１０３は電気配線層
および１０４は電気配線層にはさまれるように形成され
たフィルム状の光配線層である。１０２は、電気配線層
１０３表面に実装されたＩＣチップであり、バンプ（た
とえばボールハンダ）１０７で実装されている。１０８
はフォトニックディスクＩＣであり、上記光配線層１０
４中に実装されている。１０６は電気配線層内部あるい
は表面に形成された電気配線（たとえば、マイクロスト
リップライン）であり、１０５はそれらを電気的に接続
する電極パッドである。

【００８５】以下製造方法について図９を用いて説明す
る。

【００８６】（電気配線層）まず支持基板１０１上に電
気配線層を積層する。

【００８７】ここでは複数層からなるＣｕマイクロスト
リップライン１０６を内蔵した熱溶融性樹脂材（厚さ
０．３ｍｍ）をガラスエポキシ基板１０１上に積層し
た。その表面には、ＯＥ／ＥＯデバイスと電気的に接続
する電極パッド１０５を形成した（図９（ａ））。

【００８８】（電気配線基板へのフォトニックディスク
ＩＣの実装）次に、フォトニックディスクＩＣを実装す
る。フォトニックディスクＩＣの電極パッドと電気配線
層の電極パッド１０５を位置合わせして、異方性導電樹
脂やハンダボール等で電気的かつ機械的コンタクトをと
る（図９（ｂ））。

【００８９】（光配線層の作製）光配線層の構造や材料
は以下の条件を満たすものなら任意のものでよい。（１）光を導波する２次元スラブ型光導波路を有するこ
と。（２）伝播損失が小さいこと。小さければ小さいほど良
いが、伝送距離による。たとえば、数ｃｍ角の基板の場
合、伝送損失は０．１ｄＢ／ｃｍ以下であることが望ま
しい。（３）実装したフォトニックディスクＩＩＣを埋め込む
ことができること。この３点を満たすものとして、本実施例では、ポリイミ
ド等の有機樹脂を塗布して平坦化し、ほぼ０．３ｍｍ厚
のフィルム状光導波路からなる光配線層を作製した。

【００９０】ここでは単層からなるフィルム状光導波路
を用いたが、構造はこれに限るものではない。たとえ
ば、コア層（厚さ０．０５ｍｍ、屈折率ｎ１）をクラッ
ド層（厚さ０．１ｍｍ、屈折率ｎ２；ｎ１＞ｎ２）では
さんだスラブ導波路構造でもよい。引き続き第２の電気
配線層（電極パッド付）を積層する。

【００９１】以上で、図８のように支持基板１０１上に
第１の電気配線層、光配線層、第２の電気配線層が積層
されたことになる。最後に第２の電気配線層の上に、Ｉ
Ｃチップ１０２を半田バンプ１０７等を介して表面実装
することで本発明の実施例は完成する。

【００９２】（動作原理）以下動作原理について説明す
る。

【００９３】（送信機能）図８において、ＬＳＩ１０２
の電極パッド１０５は、バンプ１０７を介して電気配線
層に接続され、電気信号を近傍の電子デバイスに伝送し
たり、受けたりすることができる。ＬＳＩのロジック信
号（たとえばＣＭＯＳなら３．３Ｖ）は、前記球状光デ
バイスを直接駆動するのに十分な電圧である。電気配線
層に直接実装されたフォトニックディスクＩＣ１０８ｃ
上の発光デバイス（たとえばＬＥＤ）に順バイアスとな
るようロジック信号を印加することで、電気信号は光信
号に変換される（パワーが必要な場合や所定のバイアス
電圧をかけたい場合には、フォトニックディスクＩＣ１
０８ｃ上にドライバ回路やバイアスをつくりこんでおけ
ば良い）。ＥＯ変換された光信号は、光配線層１０４に
放出され、特別な光学系なしで、光シート全面に出力光
１０９として拡散伝播していく。基板サイズが３０ｍｍ
□程度および伝播損失が０．１ｄＢ／ｃｍ以下なら、光
出力１ｍＷ程度で十分最小受信感度に必要な受信入力を
得ることができる。

【００９４】（受信機能）逆に、光配線層１０４の任意
の方向から伝播してくる入力光信号１１０は、フォトニ
ックディスクＩＣの受光素子表面に達すると内部に取り
込まれ、逆バイアスをかけたＰＮ接合付近で吸収され電
子信号に変換される。変換された電気信号は入力電気信
号として、近接する電気配線層１０３ｂを介してＬＳＩ
１０２内部に取り込まれ処理される。

【００９５】（電気パラレル・光シリアル伝送）実際の
使用例のひとつ、電気パラレル・光シリアル伝送につい
て図を用いて説明する。図２において、２０２ＣＰＵ、
２０３ａおよび２０３ｂはＲＡＭ、２０４はその他電子
デバイス、２０７は電気配線層中に形成されたパラレル
電気配線、日光配線層中の２０８は光配線（光路）であ
る。

【００９６】通常の電気配線では、たとえば、６本の伝
送路で６４ビット幅のデータ線を必要としている。低速
のデータ処理は問題は起きなくても、大容量のデータ高
速で送る用途（動画など）では、基板上に配置された他
のデバイスの動作から影響を受けやすくなったり、ＥＭ
Ｉの影響を与えやすくなる。従来の配線では、常時安定
したデータを送ることは極めて困難である。このような
用途のみに光配線を使う。

【００９７】たとえば図２において、ＣＰＵ２０２から
ＲＡＭ２０３に６４ビット幅でデータを送るため、電気
配線としては６本必要だが、ＣＰＵの最終段でパラレル
・シリアル変換し、１個の光Ｉ／Ｏ素子を接続すること
で、電気信号が、光信号として、光電融合基板の光導波
路部で伝送され、受け側の光Ｉ／Ｏ素子で受光したあ
と、シリアル・パラレル変換することで、６４ビット幅
のパラレル信号とする。パラレルからシリアル変換する
ことで、クロックは高くなるが、光導波路に伝播するた
めＥＭＩの心配はない。

【００９８】本実施例では最初から光配線を選択してい
るが、かならずしも光配線のみを使用する必要はない。
つまり、電気配線のパスも選択できるようにしておくこ
とで、あるときは電気配線、あるときは光配線として接
続することが可能である。この柔軟性が本発明の大きな
特長のひとつである。

【００９９】電気配線では、ＥＭＩを避けるため、他の
デバイスを避けるように配線する場合があり、その結果
配線長が長くなり、今度は配線遅延や波形歪の原因とな
る場合がある。このとき、光配線を選択することで、最
短でＥＭＩフリーの接続ができるため、配線遅延も波形
歪を生じない。

【０１００】どの信号を電気配線あるいは光配線にする
かは最終判断は、バスを管理するデバイスが決定する。
光に変換された光は、光配線層中を拡散して伝播し、他
所に配置された、ＩＣへ到達する。このＩＣ近傍にもＯ
Ｅ変換用のフォトニックボールＩＣが配置されている。
本実施例は、同一のフォトニックボールＩＣを設置し
た。表面が球形状をしているために、プリズムやミラー
等を用いなくとも、直接光がｐｎ接合面に当たるため、
きわめて簡便に実装可能である。

【０１０１】また、本実施例ではビア１０９が光導波路
層を貫通して形成されているが、光信号は拡散して伝搬
していくので、ビアの密度が極端に大きくならない限り
影響は少ない。

【０１０２】なお、本実施例では、電子回路が集積され
たフォトニックディスクＩＣを用いたが、電子回路が集
積されていない、単体のリングＬＤやリングＰＤを替わ
りに用いてもよい。

【０１０３】この場合には、これらを制御するための回
路を別に設ける必要がある場合がある。

【０１０４】さらに、電気配線層や光配線層を可とう性
のある材料（たとえば本実施例）を用いることで柔軟性
のある基板を作製することができる。

【０１０５】（効果）（１）従来の電気配線パターンに大きな変更をあたえる
ことなく光配線ができる。（２）従来の電気実装方法に準じた方法で、ＯＥデバイ
スあるいはＯＥデバイスの実装ができる。（３）基板側に２次元の光導波路層（光フィルム）を有
しているため、自由な光配線が可能となり、高速伝送お
よびＥＭＩフリー伝送が可能である。（４）用途により、同一の信号を電気配線でも光配線で
も伝送することができる。

【０１０６】（実施例５）多層型それぞれの光配線層に
フォトニックディスクを入れる。図１２は本発明の第２
実施例の断面模式図である。

【０１０７】以下第４の実施例との相違点を中心に説明
する。

【０１０８】（相違点）（１）光配線層が多層に形成されている。（２）保持基
板がない。（３）両面に電子デバイスが実装されてい
る。

【０１０９】（共通点）（１）光配線層は層ごとに平面的に光信号を拡散させて
データを伝送する。（２）電気配線層ごとの接続はビア
によって行う。以下簡単に補足する。・電気配線層（たとえばＰＭＭＡ）の表面の所望の位置
にフォトニックボールＩＣを実施例１にならって実装す
る。・光配線層をその表面に積層する。・フォトニックボールＩＣが実装された第２の電気配線
層を張り合わせる。・所望の位置にビアを開ける。以上４つの工程を繰り返すことにより、電気配線層と光
配線層が交互に積層された多層の電子回路基板を作製す
ることができる。

【０１１０】上記実施例では、光配線層は、すべてシー
ト状の光導波路である例を示したが、適用例はこれに限
るものではない。たとえば、光が完全に閉じ込められた
１次元導波路を形成してもよい。

【０１１１】（実施例６）単層光配線層にフォトニック
シリンダを入れる。

【０１１２】第４の実施例では、ＥＯデバイスもＯＥデ
バイスもほぼ同構造のリングＬＤ構造を用いた例につい
て示したが、別々の構造でもよい。ここでは、ディスク
型のリングＰＤの替わりに、シリンダー型のリングＰＤ
を用いた例について説明する。

【０１１３】シリンダ型のリングＰＤとは、ディスク型
に比べ、活性層厚を厚く（たとえば、１０ｕｍ）にした
ものである。これは受光面積を大きくすることで、最小
受信感度を上げることを目的としている。活性層厚が受
光面に比例するため厚くすればするほど受光感度は上が
るが、応答速度を犠牲にしないためには、逆バイアス電
圧を高く設定する必要がある。

【０１１４】

【発明の効果】上記したように本発明によれば、光配線
層への効率的な光の入出力が可能な電子回路基板を提供
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するための模式図である。

【図２】本発明を説明するための模式図である。

【図３】本発明に係るデバイスの構成例である。

【図４】本発明に係るデバイスの構成例である。

【図５】本発明に係るデバイスの実装方法の説明図であ
る。

【図６】本発明を説明するための模式図である。

【図７】本発明を説明するための模式図である。

【図８】本発明を説明するための模式図である。

【図９】本発明に係るデバイスの構成例である。

【図１０】本発明に係るデバイスの構成例である。

【図１１】本発明に係るデバイスの実装方法の一例であ
る。

【図１２】本発明を説明するための模式図である。

【符号の説明】

１０１保持基板１０２ＩＣチップ１０３電気配線層１０４光配線層１０５電極パッド１０６マイクロストリップライン１０７ハンダボール１０８フォトニックボールＩＣ１０９ビア１１０光信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２層の電気配線層間に挟まれた光配線層
を備えた電子回路基板であって、該光配線層は２次元型
光導波路構造であり、該光配線層の内部あるいは該光配
線層と該電気配線層の界面にＥ／Ｏデバイス及びＯ／Ｅ
デバイスを有し、且つ２つの該電気配線層間は該光配線
層を貫通するビアにより接続されていることを特徴とす
る電子回路基板。
【請求項２】前記Ｅ／ＯデバイスあるいはＥ／Ｏデバ
イスの少なくとも一方が、球状、円盤状あるいは円柱状
の形態を有していることを特徴とする請求項１記載の電
子回路基板。
【請求項３】前記電気配線層中にパラレル信号ライン
を有し、その出力端子が前記Ｅ／Ｏデバイスに接続され
ており、パラレル信号は該Ｅ／Ｏデバイスに設けられた
電子回路によりパラレル−シリアル変換後、シリアル光
信号として前記光配線層に送出することを特徴とする請
求項１記載の電子回路基板。
【請求項４】前記シリアル光信号を前記Ｏ／Ｅデバイ
スで受光し、電気信号に変換した後、該Ｏ／Ｅデバイス
に設けられた電子回路によりシリアル−パラレル変換
後、前記パラレル信号ラインに伝送することを特徴とす
る請求の範囲第３項記載の電子回路基板。