JP2004177521A - Optical and electrical combined circuit board - Google Patents

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JP2004177521A
JP2004177521A JP2002341413A JP2002341413A JP2004177521A JP 2004177521 A JP2004177521 A JP 2004177521A JP 2002341413 A JP2002341413 A JP 2002341413A JP 2002341413 A JP2002341413 A JP 2002341413A JP 2004177521 A JP2004177521 A JP 2004177521A
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JP
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optical
circuit board
optical fiber
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composite circuit
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Takeshi Ishizuka
剛 石塚
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical and electrical combined circuit board for optical communication aiming to communication at a relatively short distance such as between boards or devices, in which an optical fiber and an optical element can be optically coupled without using a lens, and thereby, precise positioning of a lens is not necessary during assembling. <P>SOLUTION: The circuit board is equipped with a core substrate 51 where grooves to house optical fibers are formed; optical fibers 55 arranged in one line, adhered and fixed with an adhesive in the groove with the clad face of the fiber or the adhesive face aligned to the same level as the surface of an insulating layer or the surface of an electric wiring surface of the core substrate 51; a V-groove which is formed on the opposite surface of the core substrate 51 to the surface where fibers are aligned, which obliquely cuts the core 55B of the optical fiber 55, and which has a metal film mirror 61 covering the cut face; and a surface light emitting semiconductor laser or a surface light receiving element mounted by using electric lines on the surface where the optical fibers 55 are aligned. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバをはじめ、面発光型半導体レーザ、面受光型受光素子、電子デバイスなどを内蔵し、光伝送モジュールとして好適な光電気複合回路基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、電気信号を光信号に変換し、その光信号を送受信する為の光伝送モジュールは、基幹系光通信や装置間信号伝送に多用されつつある。
【0003】
従来の光伝送モジュールとしては、基板上に無機材料で光導波路を形成して半導体レーザ等の光部品を搭載したもの、或いは、基板上にポリマ導波路を形成したもの等が知られている。
【0004】
図9は石英導波路を用いた光伝送モジュールを例示する要部斜面図である(例えば、非特許文献1参照。)
【0005】
図に於いて、1はSi基板、1AはSi基板に於けるテラス型部分、2は石英導波路、3はボンディング・パッド、4はフォトダイオードからなるモニタ、5は半導体レーザからなる送信器、6はフィルタ、7はフォトダイオードからなる受信器をそれぞれ示している。
【0006】
この光伝送モジュールに於いては、例えば、火炎堆積法を適用してSi基板1上に石英導波路2を形成すると共に光部品を実装したものであって、波長1.5〔μm〕の光信号を入力した場合、フィルタ6を通過して受信器7に到達し、また、送信器5から波長1.3〔μm〕の光信号が放射された場合、フィルタ6で反射されてから出力されることなどが明らかにされている。
【0007】
図10はSi基板そのものを導波路として用いた光伝送モジュールを例示する要部切断側面図である(例えば、非特許文献2参照)。
【0008】
図10(A)に於いて、11は第1のSi基板、12は入射側直線状グレーティング、13は出射側直線状グレーティング、14はリレー・レンズ、15A及び15Bは第2のSi基板、16及び17はレンズ、18は光源、19は受光器をそれぞれ示している。
【0009】
図10(B)に於いて、15は第2のSi基板、20はLSIをそれぞれ示していて、図10(A)に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0010】
図10(B)は、図10(A)に見られる第2のSi基板15Aと15Bとを一体化し、LEDからなる光源18から波長1.5〔μm〕の光信号を放射し、レンズ16から図10(A)に於ける第1のSi基板11に入射させ、Si基板11中を反射を繰り返しながら進行した光信号をPDからなる受光器19で受信するようにしてある。尚、波長1.5〔μm〕の光はSiを透過する。
【0011】
図11は光ファイバを用いた光伝送モジュールを例示する要部切断側面図である(例えば、非特許文献3参照。)。
【0012】
図に於いて、21は支持基板、22はOIIC(optically interconnected integrated circuits)、23はドライバ、24はLSIからなる論理部、25はレシーバ、26はVCSEL(vertical cavity surface emitting Laser)、27はフォトダイオード、28はPOF(plastic optical fiber)をそれぞれ示している。
【0013】
非特許文献1及び2について説明した従来例では、何れSi基板を用いることが必須であり、基板が限定されてしまう旨の問題があり、また、非特許文献3について説明した従来例では、空間に出射される光を光ファイバの端面で受光する構成になっている為、構造が大きくなり、また、光ファイバを安定に固定する為の部材が必要になるなどの問題がある。
【0014】
図12はマイクロレンズを用いる光伝送モジュールを例示する要部切断側面図であり、(A)は全体を、(B)は一部の拡大詳細をそれぞれ示している(例えば、非特許文献4参照)。
【0015】
図に於いて、31はポリマ導波路、32はVCSEL、33はドライバIC、34はLSI、35はPD、36はレシーバIC、37はマイクロレンズ、37A及び37Bはマイクロレンズ、38はVCSELやPDなどの光素子、39はソルダ・バンプをそれぞれ示している。
【0016】
図13はマイクロレンズ及びミラーを用いる光伝送モジュールを例示する要部切断説明図であり、(A)は要部切断平面を、(B)は要部切断側面をそれぞれ示している(例えば、非特許文献5参照。)。
【0017】
図に於いて、41はPETIT(photonic/electric tied interface)用ケース、42はVCSEL、43は平板マイクロレンズ(PML:planar micro lens)、44はpin−PD、45はMT(mechanically transferable)型コネクタ互換ガイド孔、46はV溝つきハウジング、47は45度ミラー、48はガイドピン、49は光ファイバ(12芯)をそれぞれ示している。
【0018】
非特許文献4について説明した従来例では、有機基板に光導波路であるポリマ導波路31を内蔵し、マイクロレンズ37A及び37Bを用いてポリマ導波路31とVCSELやPDなどの光素子37との光結合を行うものであり、また、非特許文献5について説明した従来例では、空間に出射する光を平板マイクロレンズ43及び精密プラスチック成形で作製した光を垂直に曲げる45度ミラー47を用いて光ファイバ49に結合するものであり、何れもマイクロレンズや精密なミラーを用いているので、光素子と導波路とを光学的に結合させること、及び、それを長期に亙って維持するのは簡単なことではない。
【0019】
光伝送モジュールについては、前記した諸文献に見られる技術だけでなく、他に多くの発明が開示されている。
【0020】
基板表面に光ファイバを回路状に載置固定した光回路基板であって、光ファイバの端部が基板表面に対して90度の方向に最も光を屈折或いは反射できる角度を有するように切断されていて、その切断面の真下に基板を貫通する穴があり、その穴の内壁は金属化されている(例えば特許文献1参照。)。
【0021】
この発明では、レンズに代えて内壁を金属化した穴に依って光を伝播させようとするものであり、レンズを用いることなく光伝送路を形成することができる旨の特徴はあるが、光の散乱が少ない平滑な金属膜を穴の内壁に形成することは容易でない。
【0022】
45度傾斜端面をもつ複数の光ファイバ及びそれぞれの該光ファイバの端部を挿入固定する溝が配列形成された基板と、それぞれの該溝に挿着された該光ファイバの45度傾斜端面に対応する箇所にレンズ部が配列形成され該基板の表面に貼着される平板レンズ部材と、それぞれの該レンズ部に対応する箇所に設けた孔及び駆動または増幅回路を有して該平板レンズ部材の表面に形成された回路基板層と、出射光或いは入射光が該孔を通るように該回路基板層上に実装された光/電変換素子とを備えたことを特徴とする光/電変換素子−光ファイバ結合モジュールが開示されている(例えば、特許文献2参照)。
【0023】
本例では、傾斜端面をもつ光ファイバからの入出力光を平板レンズを用いて受発光素子と結合しているが、部材として平板レンズが必要であり、また、これを設置する為には高精度のアライメントが必要になる旨の問題がある。
【0024】
光−電子間の相互変換に依って通信システムや計測システム等をなす装置に於いて、該システムに必要な光能動素子、光受動素子、及び少なくとも前記光能動素子を駆動する電子回路等を設けた種類の基板を少なくとも3層以上積層し、且つ、各積層基板間の光素子同士を基板中に設置した光ファイバで結合したことを特徴とする光−電子複合積層基板装置が開示されている。この場合、光結合について、光ファイバ端に球レンズを設ける構成が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
【0025】
本例では、光導波路又は光ファイバとVCSELやPDとをレンズを用いて結合しているので、部材としてレンズが必要であり、また、これを組み立てる際には高精度のアライメントが必要になる旨の問題がある。
【0026】
基板上に光回路を形成する方法として、光導波路を光ファイバとし、ツールを用いて光ファイバを基板上に接着層を介して施設することを特徴とするものが知られている(例えば、特許文献4参照)。
【0027】
本例のように、光ファイバの端部を基板に於ける所定位置に固定するに際し、基板表面に接着剤を用いて固定する場合、光ファイバ端部が光ファイバの接着剤面からの高さに最も分布を生じ易い部分であり、接着剤層が非常に薄くないと端部の位置や角度にばらつきを発生する旨の問題がある。
【0028】
【特許文献1】
特開平11−248976号公報
【特許文献2】
特開平6−151903号公報
【特許文献3】
特開昭61−186908号公報
【特許文献4】
特開平1−180505号公報
【非特許文献1】
光通信技術の最新資料集III オプトロニクス社 平成10年 第1版 p122
【非特許文献2】
沖電気、Real World Computing Project,次世代情報処理基盤技術開発事業総合報告
【非特許文献3】ゲント大、L Vanwassenhove,et,al.“Demonstration of 2−D Plastic Optical Fiber based Optical interconnect between CMOS IC’s”OFC2001 WDD74
【非特許文献4】
NTT、エレクトロニクス実装学会誌 Vol.5,No5.AUG,2002
【非特許文献5】
NEC、Real World Computing Project、次世代情報処理基板技術開発事業総合報告、エレクトロニクス実装学会誌 Vol.5,No5.AUG,2002
【0029】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、基板間や装置間などの比較的短距離の伝送を対象とした光伝送用の光電気複合回路基板に於いて、光ファイバとVCSELやPD等の光素子との間をレンズを用いることなく光結合することを可能にし、従って、組み立て時にレンズの精密な位置合わせも不要にしようとする。
【0030】
【課題を解決するための手段】
本発明に依る光電気複合回路基板に於いては、少なくとも電気配線、マーカ、光ファイバを内蔵する為の溝が形成されてなるコア基板と、一列に並べ接着剤で相互に接着固定した光ファイバに於けるクラッド面或いは接着剤面と前記コア基板に於ける絶縁層面或いは電気配線表面とを略同じ高さに整列させて前記溝に配置すると共に接着固定した光ファイバと、前記整列させた面と反対側のコア基板表面から形成され少なくとも光ファイバのコアを斜めにカットし且つ該カットした面が金属膜で覆われたV状溝と、前記光ファイバと面を揃えた側の電気配線、又は、前記光ファイバと面を揃えた側に形成したジルドアップ配線を用いて搭載された面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子とを備えてなることが基本になっている。
【0031】
前記手段を採ることに依り、光ファイバとVCSELやPD等の光素子との間をレンズを用いることなく光結合することが可能となり、従って、組み立て時にレンズの精密な位置合わせも不要となり、その結果、部材のコスト、及び、プロセスのコストを共に低減させることが可能となり、その製造面の優位性は極めて高い。
【0032】
【発明の実施の形態】
本発明に於いて使用されるコア基板は、精密に切削加工され、また、精密な接着剤プロセスが施される。即ち、石英光ファイバを内蔵する為、切削加工精度が高く、また、面内方向で低熱膨張であることが望ましく、例えば、ガラス、セラミック、少なくとも面内方向で低熱膨張である芳香族ポリアミド樹脂からなる層を有する有機樹脂などが知られている。
【0033】
コア基板に形成するマーカは、光ファイバ設置用の溝を形成する場合、ファイバ・コア部の斜めカットを行う場合、その斜めカット面を用いて光を入出力する所定位置へ受発光素子を搭載する場合などに利用するものであり、マーカをコア基板の両面に形成する加工プロセスは高精度で実施することが必要であって、貫通孔を形成することが好ましい。また、表裏両面を高精度に位置合わせできる露光機を用いて表裏両面にパターンを形成する方法を採っても良い。
【0034】
受発光素子は、面発光型半導体レーザ(VCSEL)並びに面受光型受光素子(PD)であることが好ましく、これ等の素子は、マーカを利用し、光ファイバのクラッド面を整列させた側の斜めカット面を用いて光を入出力させる所定の位置に搭載する。
【0035】
前記VCSELの光出射角が30度以下であって、光ファイバのクラッド径が125〔μm〕以上、また、コア径が50〔μm〕以上であれば、厚さ25〔μm〕以下のビルドアップ層を介して実装しても良く、コア径が62.5〔μm〕以上であれば厚さ40〔μm〕のビルドアップ層、コア径が100〔μm〕以上であれば100〔μm〕以下のビルドアップ層を介して実装することができる。
【0036】
少なくとも受発光素子を含むコア基板に実装される電気部品の実装は、ベアチップ実装であり、また、封止することが必要である為、受発光素子の周辺には、受発光素子に比較して厚く積層材料を積層し、有機材料を主体とする封止剤、或いは、熱伝導性絶縁樹脂を充填する。
【0037】
受発光素子がワイヤ・ボンディングされるものである場合には、ワイヤのチップからの高さを越える厚さの積層材料を積層することが必要であり、具体的な積層材料としては、受発光素子が存在する領域に穴を開けたプリプレグ層やコア基板などが挙げられる。
【0038】
本発明に依る光電気複合回路基板は、光ファイバ、VCSEL、PD等を内蔵するのであるが、VCSELやPDの上部を含む近傍にVCSEL用ドライバIC、PD用アンプIC等を3次元的に実装して良く、この実装方法を採った場合には、従来の表面実装に比較し、VCSEL−ドライバIC間、PD−アンプIC間の配線距離は著しく短縮され、高速動作性能は向上する。
【0039】
また、本発明に依る光電気複合回路基板では、並列光信号伝送を行う為、複数の光ファイバを等間隔で整列させ接着・固定してテープ状に形成して使用する。
【0040】
このテープ状光ファイバは、基板に内蔵して、光ファイバに作り付けた45度ミラーを介してクラッド側壁から光を入射又は出射する構成になるので、VCSEL或いはPDまでの光路長を短縮する為には薄いことが望ましい。
【0041】
従って、このテープ状光ファイバのクラッド径が例えば125〔μm〕であれば、125〔μm〕間隔で並列させて1本置きに使用するようにしても良く、その場合、使用しない光ファイバは、使用する光ファイバを250〔μm〕間隔とする為のスペーサの役割を果たすことになるので、光信号を伝播する為の長さは必要としない。
【0042】
更にまた、本発明に依る光電気複合回路基板では、光ファイバを内蔵した基板を他のボードに実装する場合も起こり得るが、基板端から延び出る光ファイバをフリーにするか、或いは、固定にするかは任意である。光ファイバとして石英ファイバを用いた場合、固定するには低弾性率の材料を用いると良い。これは、石英ファイバの熱膨張率が例えばボードに多用されているガラスエポキシ材料の熱膨張率に比較して低いことに依るものであり、石英ファイバとボードとの熱膨張率差を或程度吸収することができる。一般に、低弾性率の材料は、同じ応力に対し、より変形し易く、従って、熱膨張率差をより良く吸収することができる。低弾性率の材料としては、例えばシリコーン系材料であるJCR6140(東レ・ダウコーニング・シリコーン株)やエポキシ系材料である3074(Cookson Semiconductor Packaging Materials社)が知られている。
【0043】
実施例1
図1は製造工程要所に於けるコア基板を表す要部平面図であり、また、図2は製造工程要所に於ける光電気複合回路基板を説明する要部説明図であり、(A)は要部切断側面、(B)及び(C)はテープ状並列光ファイバを説明する要部平面及び要部正面をそれぞれ示している。
【0044】
図1(A)、(B)、図2(A)参照
100×100×0.15〔mm〕の両面銅張り有機コア基板51(アラミカ旭化成製)にプレス機用穴51A、溝形成用マーカ51B、V溝形成用マーカ51C(裏面)、VCSEL実装用マーカ51D、スルービア52、配線53などを形成する。
【0045】
ダイサを用い、溝形成用マーカ51Bを利用して所定位置に幅1〔mm〕のテープ状並列ファイバ内蔵用溝54を形成する。尚、有機コア基板51は、室温付近に於ける面内方向の熱膨張率が4〜7〔ppm/℃〕と低いので、低熱膨張の石英からなるファイバを内蔵するには好適である。
【0046】
図2(B)及び(C)参照
図2の(B)は要部平面、(C)は要部切断正面であり、コア径62.5〔μm〕、クラッド径125〔μm〕の石英からなるファイバ55(G.62.5/125.3502 フジクラ製)の8本を平面上で一列に並べ、接着剤56で固定してテープ状並列ファイバ57とする。
【0047】
ファイバ55は1本おきの4本が光信号伝送用であり、残り1本おきの4本がスペーサ用であり、また、55Aはクラッド、55Bはコアをそれぞれ示している。
【0048】
テープ状並列ファイバ57は、平板上でコア基板51の溝54に一部を挿入して、コア基板51の一方の面に在る配線53の表面とクラッド55Aの表面とを整列させ、溝54内に更に接着剤を充填して接着を行う。尚、記号58は接着剤層を指示している。
【0049】
ファイバ57のクラッド55Aの表面を整列させるのは、コア基板51の平坦な絶縁表面或いは金属表面を利用して良く、また、配線53の表面と整列させる場合、溝54の周辺に高さ設定用として配線53と同じ銅からなる金属膜を残存させても良い。
【0050】
実施例2
図3(A)は金属ミラーを設けた光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1及び図2に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0051】
斜め45度切削部をもつブレードを取り付けたダイサを用い、図3について説明した接着剤層58側から石英ファイバ55の側表面に対して斜め45度カットを行ってV状溝59を形成する。勿論、この場合、V溝形成用マーカ51Cを利用して位置決めする。
【0052】
次いで、例えばスパッタリング法を適用することに依り、前記斜め45度カットで形成されたV状溝内面に厚さ1〔μm〕のAu膜を被着し、それを樹脂60で埋め込んで金属膜ミラー61を完成する。この構成に依り、コア基板51の表面側から光信号を入出力させることが可能となる。
【0053】
実施例3
図3(B)は樹脂付き銅箔を付設した光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1乃至図3(A)に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0054】
実施例2として説明した光電気複合回路基板の両面に樹脂付き銅箔であるビルドアップ層62(アラミカ 旭化成製)を積層する。尚、62Aは樹脂層、62Bは銅層をそれぞれ示している。
【0055】
樹脂層62Aの層厚は、多用されている15〔μm〕〜85〔μm〕で良く、また、銅層62Bの層厚は、同じく多用されている9〔μm〕、12〔μm〕、18〔μm〕で良く、積層するには、真空プレスを利用することができ、プレス条件は、180〔℃〕の温度で120〔分〕程度にすると良い。
【0056】
樹脂層62Aは、VCSELやPDを実装する温度に耐える材料であれば、エポキシ樹脂、PPE(polyphenylene ether)、BT(bismaleimide triazine resin)などの樹脂で良い。
【0057】
ビルドアップ層62には、金属膜ミラー61を利用して石英ファイバ55に光を導入する領域には、光が通過する孔を予め形成しておくものとする。尚、樹脂層62Aが例えばVCSELの発光波長に対して透明であれば前記孔は不要であるが、銅層62Bには形成することが必要である。発光波長に対して透光性を有する樹脂としては、アラミカ(旭化成製)、ユーピレックス(宇部興産製)が知られている。
【0058】
実施例3に依れば、ファイバを内蔵した基板の両面にビルドアップ層を一層ずつ形成した光電気複合回路基板が実現される。
【0059】
実施例4
図4(A)は多層化された全ての層がIVH(interstitial via−hole)で結ばれた光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1乃至図3に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0060】
実施例3として説明した光電気複合回路基板に於けるビルドアップ層62にビア・ホールを形成し、無電解銅めっき、並びに、電解銅めっきを行ってコア基板51に於ける配線53と導通を取り、リソグラフィ技術を摘要し、ビルドアップ層62に於ける銅層62Bをエッチングして配線62Cを形成し、チップ部品搭載用パッド62Dを形成することで、全ての層がIVHで結ばれ、4層配線をもつ光ファイバ内蔵の光電気複合回路基板が実現される。尚、パッド62Dを構成する材料としては、Ag、Sn、Pb、Ni、Bi、In等の金属から選択することができ、そして、パッド62Dを作製する場合もリソグラフィ技術を適用することができ、レジスト成膜、パッド・パターンの露光、レジスト現像、Cuめっき、接合用金属めっき、レジスト剥離などを実施すれば良い。
【0061】
実施例5
図4(B)はVCSELなどを実装した光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1乃至図4(A)に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0062】
実施例4として説明した光電気複合回路基板にVCSEL63を実装する。この場合のVCSEL63としては、表面発光型のフリップ・チップ実装可能なものが好適であり、例えば、表面発光型850〔nm〕光発光VCSLE(U04T:ULM Photonics社製)を用いることができる。
【0063】
VCSLE63を実装する際のパッド62Dとの接合用金属としては、Ag−Snなど低温実装用の各種金属を用いることができる。因に、Ag−Snの接合温度は240〔℃〕程度である。
【0064】
VCSLE63を実装してから、VCSEL用ドライバIC64のダイ・ボンディングを行い、ボンディング・ワイヤ65を用いて所要箇所、例えば、VCSEL63やその他の配線62Cとボンディングすることで、電気信号を光信号に変換し且つ送信することができる送信機能をもつ光電気複合回路基板を実現することができる。尚、VCSEL用ドライバIC64としては、例えば、HXT2312A(Helix社製)を用いることができる。尚、ドライバIC用としてキャパシタを設置することは任意である。
【0065】
実施例6
図5(A)はVCSELなどを実装した光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1乃至図4に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0066】
実施例5として説明した光電気複合回路基板に100〔μm〕程度に薄板化したドライバIC64を搭載し、ボンディング・ワイヤ65の高さをドライバIC64の上方150〔μm〕以下に抑えてボンディングする。
【0067】
VCSEL63の下方に透光性アンダー・フィル剤66を充填してから、VCSEL63、ドライバIC64、キャパシタなどが設置された領域に対応する収容穴68Aが形成され、且つ、配線が形成されたコア基板68(アラミカ 旭化成社製)をプリプレグ層67を介して積層する。
【0068】
透光性アンダー・フィル剤66としては、例えばJCR6140、JCR6122(東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)などを用いて良い。
【0069】
積層したコア基板68に形成されている収容穴68A内に封止剤69を充填する。封止剤69としては、有機パッケージで多用されているものを用いることができ、熱伝導性の樹脂であることが好ましい。封止剤69の上方には、放熱用のフィンを設置しても良い。
【0070】
実施例7
図5(B)はPD及びPD用アンプICなどを実装した光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1乃至図5(A)に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0071】
実施例6として説明した光電気複合回路基板に於けるVCSEL63に代えてPD70を、そして、ドライバIC64に代えてPD用アンプIC71をそれぞれ搭載したものであり、光ファイバから導入された光信号を受信する機能をもっている。
【0072】
実施例8
図6(A)は高速LSIを搭載したインターポーザ型の光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1乃至図5に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0073】
実施例8は、実施例1乃至6に於いて、光ファイバを内蔵したコア基板51に高速LSIを実装する為の領域を確保し、高速LSI用の配線や実装用パッドを形成し、高速LSI72を実装することで、高速LSI72からの電気信号を光信号に変換して送信することができるインターポーザ型の光電気複合回路基板を実現した。尚、記号73は光ファイバに接続したコネクタを示している。
【0074】
実施例9
図6(B)は高速LSIを搭載したインターポーザ型の光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1乃至図6(A)に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0075】
実施例9は、実施例7に於いて、光ファイバを内蔵したコア基板51に高速LSIを実装する為の領域を確保し、高速LSI用の配線や実装用パッドを形成して高速LSI72を実装することで、光ファイバ55からの高速光信号を電気信号に変換して高速LSI72に伝送することができるインターポーザ型の光電気複合回路基板を実現した。
【0076】
実施例10
図7(A)は基板内光配線用の光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1乃至図6に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0077】
実施例10は、実施例8として説明した送信モジュール74と実施例9として説明した受信モジュール75を同一基板上に形成することで、基板内光配線を実現したものである。
【0078】
実施例11
図7(B)はドライバICをスタック状に搭載した光電気複合回路基板を表す要部切断側面図であり、図1乃至図7(A)に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0079】
実施例11は、実施例6に於いて、VCSEL用ドライバIC64やキャパシタをVCSEL63と同一配線層に実装することなくビルドアップ層を積層し、配線やIVHを形成し、表面出射型VCSEL76の直上にVCSEL用ドライバIC77を実装し、また、必要に応じて近傍にキャパシタを設置する構造を採っている。
【0080】
実施例11に依れば、VCSEL76とVCSEL用ドライバIC77とはスタック状に実装してあるから、配線を短くすることができ、高速化を必要とする場合に用いて好適である。
【0081】
実施例12
図8はドライバICをスタック状に搭載した光電気複合回路基板の他の例を表す要部切断側面図であり、図1乃至図7(B)に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0082】
実施例12は、実施例11に見られる表面出射型VCSEL76自体の基板に貫通孔を形成し、その貫通孔を導電材料で埋めて導電プラグ78を形成することで、VCSEL76の裏面に電気配線を引き出した構成とし、光出射部76Aが下向きになるようにVCSEL76を設置してエポキシ樹脂で固定し、インナービア、配線、パッドなどを形成してからVCSEL駆動用ドライバIC77をフリップ・チップ実装するものである。
【0083】
実施例12に依れば、実施例11と同様、VCSEL76とVCSEL用ドライバIC77とはスタック状に実装され、しかも、光出射部76A側に在る電気配線はVCSEL76内を通って反対側に導出された構成になっているので、電気配線をVCSEL76の外側を引き回す構成に比較し、高速化の面からすると更に有利である。
【0084】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【0085】
(付記1)
少なくとも電気配線、マーカ、光ファイバを内蔵する為の溝が形成されてなるコア基板と、
一列に並べ接着剤で相互に接着固定した光ファイバに於けるクラッド面或いは接着剤面と前記コア基板に於ける絶縁層面或いは電気配線表面とを略同じ高さに整列させて前記溝に配置すると共に接着固定した光ファイバと、
前記整列させた面と反対側のコア基板表面から形成され少なくとも光ファイバのコアを斜めにカットし且つ該カットした面が金属膜で覆われたV状溝と、
前記光ファイバと面を揃えた側の電気配線を用いて搭載された面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子と
を備えてなることを特徴とする光電気複合回路基板。
【0086】
(付記2)
光ファイバを内蔵したコア基板に積層形成された絶縁層と金属箔とからなるビルドアップ配線層及びそのビルドアップ配線層上に搭載された面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子と を備えてなることを特徴とする(付記1)記載の光電気複合回路基板。
【0087】
(付記3)
コア基板は室温付近の面内膨張率が10×10−6/deg以下の芳香族ポリアミド樹脂を含む有機基板、ガラス基板、セラミック基板から選択されたものであること
を特徴とする(付記1)或いは(付記2)記載の光電気複合回路基板。
【0088】
(付記4)
光ファイバは光入出力部近傍を含む一方側がコア基板に固定され、且つ、他方側が非固定、或いは、低弾性材料で覆われてなること
を特徴とする(付記1)乃至(付記3)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0089】
(付記5)
光ファイバのコアが斜めカットされた位置を基準にして配線が形成されたビルドアップ配線層
を備えてなることを特徴とする(付記2)記載の光電気複合回路基板。
【0090】
(付記6)
面発光型半導体レーザはビルドアップ配線層に於ける配線側に在って且つV状溝を覆う金属膜で反射される光が光ファイバに入射される位置に設置され、前記ビルドアップ配線層に於ける絶縁層は前記金属膜と前記面発光半導体レーザとの間を材料自体を透光性にするか或いは開口を形成することで光学結合する光路をもつものであること
を特徴とする(付記2)乃至(付記5)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0091】
(付記7)
面受光型受光素子はビルドアップ配線層に於ける配線側に在って且つV状溝を覆う金属膜で反射される光が光ファイバから出射される位置に設置され、前記ビルドアップ配線層に於ける絶縁層は前記金属膜と前記面受光型受光素子との間を材料自体を透光性にするか或いは開口を形成することで光学結合する光路をもつものであること
を特徴とする(付記2)乃至(付記5)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0092】
(付記8)
面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子とV状溝を覆う金属膜との間の光路中に透光性樹脂が充填されてなること
を特徴とする(付記1)乃至(付記7)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0093】
(付記9)
光ファイバの一端側はコア基板内側に設置され且つ他端側はコア基板外側に自由端として露出され光コネクタが取り付けられてなること
を特徴とする(付記1)乃至(付記8)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0094】
(付記10)
面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子の周囲に該光素子の厚さ以上の厚さをもつ積層材料が配設されてなること
を特徴とする(付記1)乃至(付記9)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0095】
(付記11)
面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子が有機材料を主体とする封止剤或いは熱伝導性絶縁樹脂で封止されてなること
を特徴とする(付記1)乃至(付記10)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0096】
(付記12)
面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子の近傍であって、且つ、同一配線層に設置された光素子動作用IC或いは光素子動作用ICとキャパシタを備えてなること
を特徴とする(付記1)乃至(付記11)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0097】
(付記13)
面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子の上方を含む近傍であって、且つ、異なる配線層に設置された光素子動作用IC或いは光素子動作用ICとキャパシタを備えてなること
を特徴とする(付記1)乃至(付記12)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0098】
(付記14)
光ファイバはコア径が50〔μm〕以上であって且つクラッド径が125〔μm〕のものであること
を特徴とする(付記1)乃至(付記18)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0099】
(付記15)
光ファイバは等間隔に整列させて接着・固定することでテープ状に形成してあること
を特徴とする(付記1)乃至(付記19)の何れか1記載の光電気複合回路基板。
【0100】
【発明の効果】
本発明に依る光電気複合回路基板に於いては、少なくとも電気配線、マーカ、光ファイバを内蔵する為の溝が形成されてなるコア基板と、一列に並べ接着剤で相互に接着固定した光ファイバに於けるクラッド面或いは接着剤面と前記コア基板に於ける絶縁層面或いは電気配線表面とを略同じ高さに整列させて前記溝に配置すると共に接着固定した光ファイバと、前記整列させた面と反対側のコア基板表面から形成され少なくとも光ファイバのコアを斜めにカットし且つ該カットした面が金属膜で覆われたV状溝と、前記光ファイバと面を揃えた側の電気配線を用いて搭載された面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子とを備えることが基本になっている。
【0101】
前記手段を採ることに依り、光ファイバとVCSELやPD等の光素子との間をレンズを用いることなく光結合することが可能となり、従って、組み立て時にレンズの精密な位置合わせも不要となり、その結果、部材のコスト、及び、プロセスのコストを共に低減させることが可能となり、その製造面の優位性は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】製造工程要所に於けるコア基板を表す要部平面図である。
【図2】製造工程要所に於ける光電気複合回路基板を説明する要部説明図である。
【図3】光電気複合回路基板を表す要部切断側面図である。
【図4】光電気複合回路基板を表す要部切断側面図である。
【図5】光電気複合回路基板を表す要部切断側面図である。
【図6】光電気複合回路基板を表す要部切断側面図である。
【図7】光電気複合回路基板を表す要部切断側面図である。
【図8】光電気複合回路基板を表す要部切断側面図である。
【図9】石英導波路を用いた光伝送モジュールを例示する要部斜面図である。
【図10】Si基板そのものを導波路として用いた光伝送モジュールを例示する要部切断側面図である。
【図11】光ファイバを用いた光伝送モジュールを例示する要部切断側面図である。
【図12】マイクロレンズを用いる光伝送モジュールを例示する要部切断側面図である。
【図13】マイクロレンズ及びミラーを用いる光伝送モジュールを例示する要部切断説明図である。
【符号の説明】
51 コア基板
51A プレス機用穴
51B 溝形成用マーカ
51C V溝形成用マーカ
51D VCSEL実装用マーカ
52 スルービア
53 配線
54 溝
55 ファイバ
55A クラッド
55B コア
56 接着剤
57 テープ状並列ファイバ
58 接着剤層
59 V状溝
60 樹脂
61 金属膜ミラー
62 ビルドアップ層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an opto-electric composite circuit board that incorporates an optical fiber, a surface emitting semiconductor laser, a surface receiving type light receiving element, an electronic device, and the like, and is suitable as an optical transmission module.
[0002]
[Prior art]
At present, an optical transmission module for converting an electric signal into an optical signal and transmitting and receiving the optical signal is being frequently used for backbone optical communication and signal transmission between apparatuses.
[0003]
As a conventional optical transmission module, a module in which an optical waveguide is formed of an inorganic material on a substrate and an optical component such as a semiconductor laser is mounted, or a module in which a polymer waveguide is formed on a substrate are known.
[0004]
FIG. 9 is a perspective view of a main part illustrating an optical transmission module using a quartz waveguide (for example, see Non-Patent Document 1).
[0005]
In the figure, 1 is a Si substrate, 1A is a terrace type portion of the Si substrate, 2 is a quartz waveguide, 3 is a bonding pad, 4 is a monitor composed of a photodiode, 5 is a transmitter composed of a semiconductor laser, Reference numeral 6 denotes a filter, and reference numeral 7 denotes a receiver including a photodiode.
[0006]
In this optical transmission module, for example, a quartz waveguide 2 is formed on a Si substrate 1 by applying a flame deposition method, and an optical component is mounted. When a signal is input, the signal passes through the filter 6 and reaches the receiver 7, and when an optical signal having a wavelength of 1.3 [μm] is emitted from the transmitter 5, the signal is reflected by the filter 6 and output. Things have been clarified.
[0007]
FIG. 10 is a main part cutaway side view illustrating an optical transmission module using a Si substrate itself as a waveguide (for example, see Non-Patent Document 2).
[0008]
In FIG. 10A, 11 is a first Si substrate, 12 is an incident side linear grating, 13 is an output side linear grating, 14 is a relay lens, 15A and 15B are second Si substrates, 16 And 17, a lens, 18 a light source, and 19 a light receiver.
[0009]
In FIG. 10 (B), reference numeral 15 denotes a second Si substrate, and reference numeral 20 denotes an LSI, respectively. The same symbols as those used in FIG. 10 (A) represent the same parts or have the same meanings. Shall have.
[0010]
FIG. 10 (B) shows an example in which the second Si substrates 15A and 15B shown in FIG. 10 (A) are integrated, an optical signal having a wavelength of 1.5 [μm] is emitted from a light source 18 composed of an LED, and a lens 16 is formed. 10A, the optical signal is made incident on the first Si substrate 11 shown in FIG. 10 (A), and the optical signal which has progressed while repeating reflection in the Si substrate 11 is received by the photodetector 19 composed of a PD. Note that light having a wavelength of 1.5 [μm] transmits through Si.
[0011]
FIG. 11 is a cutaway side view of an essential part illustrating an optical transmission module using an optical fiber (for example, see Non-Patent Document 3).
[0012]
In the figure, 21 is a supporting substrate, 22 is an OIC (optically connected integrated circuits), 23 is a driver, 24 is a logic part composed of an LSI, 25 is a receiver, 26 is a VCSEL (vertical cavity emitting, and 27 is a photo-equivalent emission 27). A diode 28 indicates a POF (plastic optical fiber).
[0013]
In the conventional examples described in Non-patent Documents 1 and 2, it is essential to use a Si substrate in any case, and there is a problem that the substrate is limited. Since the configuration is such that the light emitted to the optical fiber is received by the end face of the optical fiber, there is a problem that the structure becomes large and a member for stably fixing the optical fiber is required.
[0014]
FIGS. 12A and 12B are main-part cutaway side views illustrating an optical transmission module using a microlens, wherein FIG. 12A shows the entirety, and FIG. 12B shows an enlarged detail of a part thereof. ).
[0015]
In the figure, 31 is a polymer waveguide, 32 is a VCSEL, 33 is a driver IC, 34 is an LSI, 35 is a PD, 36 is a receiver IC, 37 is a microlens, 37A and 37B are microlenses, 38 is a VCSEL or PD. And 39, solder bumps, respectively.
[0016]
FIGS. 13A and 13B are main-part cutting explanatory views illustrating an optical transmission module using a microlens and a mirror. FIG. 13A shows a main-part cutting plane, and FIG. See Patent Document 5.).
[0017]
In the drawing, 41 is a case for PETIT (photonic / electric tied interface), 42 is a VCSEL, 43 is a planar microlens (PML), 44 is a pin-PD, and 45 is an MT (mechanically transferable) type connector. Compatible guide holes, 46 is a housing with a V-groove, 47 is a 45-degree mirror, 48 is a guide pin, and 49 is an optical fiber (12 cores).
[0018]
In the conventional example described in Non-Patent Document 4, a polymer waveguide 31 which is an optical waveguide is built in an organic substrate, and light is transmitted between the polymer waveguide 31 and an optical element 37 such as a VCSEL or PD using micro lenses 37A and 37B. In the conventional example described in Non-Patent Document 5, light emitted to the space is reflected by a flat microlens 43 and a 45-degree mirror 47 for vertically bending light produced by precision plastic molding. Since the optical element and the waveguide are optically coupled to each other and are maintained for a long period of time, it is necessary to optically couple the optical element and the waveguide, since both use a microlens or a precision mirror. It's not easy.
[0019]
Regarding the optical transmission module, many inventions have been disclosed in addition to the techniques found in the above-mentioned documents.
[0020]
An optical circuit board in which an optical fiber is mounted and fixed in a circuit shape on the substrate surface, and the end of the optical fiber is cut so as to have an angle capable of refracting or reflecting light in the direction of 90 degrees with respect to the substrate surface. There is a hole penetrating the substrate just below the cut surface, and the inner wall of the hole is metallized (for example, see Patent Document 1).
[0021]
According to the present invention, light is propagated by a hole having a metalized inner wall instead of a lens, and there is a feature that an optical transmission path can be formed without using a lens. It is not easy to form a smooth metal film on the inner wall of the hole with less scattering.
[0022]
A substrate on which a plurality of optical fibers having a 45 ° inclined end face and grooves for inserting and fixing the ends of the respective optical fibers are formed, and a 45 ° inclined end face of the optical fiber inserted into each of the grooves. A flat lens member having a lens portion arrayed and formed at a corresponding position and adhered to the surface of the substrate, and a hole and a driving or amplifying circuit provided at a position corresponding to each of the lens portions. Characterized by comprising a circuit board layer formed on the surface of the substrate, and a photo / electric conversion element mounted on the circuit board layer so that outgoing light or incident light passes through the hole. An element-optical fiber coupling module is disclosed (for example, see Patent Document 2).
[0023]
In this example, the input / output light from the optical fiber having the inclined end face is coupled to the light receiving / emitting element by using a flat lens. However, a flat lens is required as a member. There is a problem that precision alignment is required.
[0024]
In an apparatus that forms a communication system or a measurement system by interconversion between light and electrons, an optical active element, an optical passive element, and an electronic circuit for driving at least the optical active element necessary for the system are provided. An optical-electronic composite laminated substrate device is disclosed in which at least three or more types of substrates are laminated, and optical elements between the laminated substrates are connected to each other by an optical fiber provided in the substrate. . In this case, a configuration in which a spherical lens is provided at an end of an optical fiber for optical coupling is disclosed (for example, see Patent Document 3).
[0025]
In this example, since the optical waveguide or optical fiber and the VCSEL or PD are coupled using a lens, a lens is required as a member, and a high-precision alignment is required when assembling the same. There is a problem.
[0026]
As a method of forming an optical circuit on a substrate, there is known a method in which an optical fiber is used as an optical waveguide, and an optical fiber is provided on the substrate through an adhesive layer using a tool (for example, a patent is known). Reference 4).
[0027]
When fixing the end of the optical fiber to a predetermined position on the substrate using an adhesive as in this example, the end of the optical fiber is at a height from the adhesive surface of the optical fiber. This is the part where the distribution is most likely to occur, and if the adhesive layer is not very thin, there is a problem in that the position and angle of the end portion will vary.
[0028]
[Patent Document 1]
JP-A-11-248976
[Patent Document 2]
JP-A-6-151903
[Patent Document 3]
JP-A-61-186908
[Patent Document 4]
JP-A-1-180505
[Non-patent document 1]
Latest Collection of Optical Communication Technologies III Optronics, 1998 1st edition p122
[Non-patent document 2]
Oki Electric, Real World Computing Project, Next Generation Information Processing Technology Development Comprehensive Report
[Non-Patent Document 3] Ghent University, L Vanwassenhove, et. Al. “Demonstration of 2-D Plastic Optical Fiber based Optical interconnect between CMOS IC's” OFC2001 WDD74
[Non-patent document 4]
NTT, Journal of Japan Institute of Electronics Packaging Vol. 5, No5. AUG, 2002
[Non-Patent Document 5]
NEC, Real World Computing Project, Next Generation Information Processing Board Technology Development Project General Report, Journal of Japan Institute of Electronics Packaging Vol. 5, No5. AUG, 2002
[0029]
[Problems to be solved by the invention]
According to the present invention, a lens is provided between an optical fiber and an optical element such as a VCSEL or a PD in a photoelectric composite circuit board for optical transmission intended for transmission over a relatively short distance between substrates or between devices. It seeks to allow optical coupling without use, and thus also eliminates the need for precise alignment of the lenses during assembly.
[0030]
[Means for Solving the Problems]
In the photoelectric composite circuit board according to the present invention, at least an electrical wiring, a marker, and a core substrate formed with grooves for incorporating optical fibers, and optical fibers arranged in a line and adhered and fixed to each other with an adhesive The cladding surface or the adhesive surface of the core substrate and the insulating layer surface or the electric wiring surface of the core substrate are aligned at substantially the same height, and the optical fiber is disposed in the groove and bonded and fixed; and the aligned surface A V-shaped groove formed obliquely from the core substrate surface on the opposite side and at least cutting the core of the optical fiber, and the cut surface being covered with a metal film; Or, it is basically provided with an optical element such as a surface-emitting type semiconductor laser or a surface-receiving type light-receiving element mounted by using a spill-up wiring formed on the side where the surface is aligned with the optical fiber. That.
[0031]
By adopting the above-mentioned means, it becomes possible to optically couple an optical fiber and an optical element such as a VCSEL or a PD without using a lens, and therefore, it is not necessary to precisely align the lens at the time of assembly. As a result, it is possible to reduce both the cost of the members and the cost of the process, and the manufacturing advantage is extremely high.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The core substrate used in the present invention is precisely cut and subjected to a precise adhesive process. That is, in order to incorporate a quartz optical fiber, cutting accuracy is high, and it is desirable that the thermal expansion is low in the in-plane direction. For example, glass, ceramic, aromatic polyamide resin having low thermal expansion in at least the in-plane direction An organic resin having a layer formed is known.
[0033]
Markers formed on the core substrate are used to form grooves for installing optical fibers, and when making diagonal cuts of the fiber core, use the diagonally cut surface to mount light receiving and emitting elements at predetermined positions for inputting and outputting light. The processing for forming the markers on both sides of the core substrate needs to be performed with high precision, and it is preferable to form through holes. Alternatively, a method may be employed in which a pattern is formed on both the front and back surfaces by using an exposure device capable of positioning the front and back surfaces with high precision.
[0034]
The light receiving and emitting elements are preferably a surface emitting semiconductor laser (VCSEL) and a surface receiving light receiving element (PD), and these elements use a marker to align the cladding surface of the optical fiber. It is mounted at a predetermined position for inputting and outputting light using the oblique cut surface.
[0035]
When the light emission angle of the VCSEL is 30 degrees or less, the cladding diameter of the optical fiber is 125 μm or more, and the core diameter is 50 μm or more, the build-up with a thickness of 25 μm or less is performed. It may be mounted via a layer, a build-up layer having a thickness of 40 [μm] if the core diameter is 62.5 [μm] or more, and 100 [μm] or less if the core diameter is 100 [μm] or more. Can be implemented via a build-up layer.
[0036]
The mounting of the electrical components mounted on the core substrate including at least the light emitting and receiving elements is a bare chip mounting, and since it is necessary to seal, around the light emitting and receiving elements, compared with the light emitting and receiving elements A layered material is laminated thickly and filled with a sealant mainly composed of an organic material or a thermally conductive insulating resin.
[0037]
When the light emitting / receiving element is to be wire-bonded, it is necessary to laminate a laminated material having a thickness exceeding the height of the wire from the chip. A prepreg layer or a core substrate in which a hole is formed in a region where the metal exists.
[0038]
The photoelectric composite circuit board according to the present invention incorporates an optical fiber, a VCSEL, a PD, and the like, and a driver IC for the VCSEL, an amplifier IC for the PD, and the like are three-dimensionally mounted in the vicinity including the upper part of the VCSEL and the PD. When this mounting method is adopted, the wiring distance between the VCSEL and the driver IC and between the PD and the amplifier IC are significantly reduced and the high-speed operation performance is improved as compared with the conventional surface mounting.
[0039]
In the photoelectric composite circuit board according to the present invention, a plurality of optical fibers are aligned at regular intervals, adhered and fixed, and formed into a tape shape for parallel optical signal transmission.
[0040]
This tape-shaped optical fiber is built into the substrate and receives or emits light from the side wall of the clad through a 45-degree mirror built into the optical fiber. To reduce the optical path length to the VCSEL or PD, Is desirably thin.
[0041]
Therefore, if the clad diameter of this tape-shaped optical fiber is, for example, 125 [μm], it may be used in parallel at intervals of 125 [μm], and every other fiber may be used. Since the fiber serves as a spacer for providing an interval of 250 [μm] between the optical fibers to be used, a length for transmitting an optical signal is not required.
[0042]
Furthermore, in the photoelectric composite circuit board according to the present invention, it is possible that the board containing the optical fiber is mounted on another board, but the optical fiber extending from the end of the board is made free or fixed. It is optional. When a quartz fiber is used as the optical fiber, a material having a low elastic modulus is preferably used for fixing. This is due to the fact that the coefficient of thermal expansion of the quartz fiber is lower than that of, for example, a glass epoxy material frequently used for boards, and the difference in the coefficient of thermal expansion between the quartz fiber and the board is absorbed to some extent. can do. In general, low modulus materials are more susceptible to deformation for the same stress and can therefore better absorb differences in thermal expansion coefficients. As a material having a low elastic modulus, for example, JCR6140 (Dow Corning Silicone Co., Ltd.) which is a silicone material and 3074 (Cookson Semiconductor Packaging Materials) which is an epoxy material are known.
[0043]
Example 1
FIG. 1 is a plan view of a main part showing a core substrate in a main part of a manufacturing process, and FIG. 2 is an explanatory view of a main part illustrating an optoelectronic circuit board in a main part of the manufacturing process. () Shows a cutaway side of a main part, and (B) and (C) show a main part plane and a main part front, respectively, for explaining a tape-shaped parallel optical fiber.
[0044]
See FIGS. 1 (A), (B) and 2 (A)
A hole 51A for press, a marker 51B for forming a groove, a marker 51C for forming a V-groove, and a marker for mounting a VCSEL on a 100 × 100 × 0.15 [mm] double-sided copper-clad organic core substrate 51 (manufactured by Aramika Asahi Kasei) 51D, a through via 52, a wiring 53 and the like are formed.
[0045]
Using a dicer, a groove 54 for incorporating a tape-shaped parallel fiber with a width of 1 [mm] is formed at a predetermined position using a groove forming marker 51B. Since the organic core substrate 51 has a low coefficient of thermal expansion in the in-plane direction at around room temperature of 4 to 7 ppm / ° C., it is suitable for incorporating a fiber made of quartz with low thermal expansion.
[0046]
See FIGS. 2B and 2C
FIG. 2B is a plan view of a main part, and FIG. 2C is a cut front view of the main part. The fiber 55 made of quartz having a core diameter of 62.5 μm and a clad diameter of 125 μm (G.62.5 / 125.3522 (made by Fujikura) are arranged in a line on a plane and fixed with an adhesive 56 to form a tape-shaped parallel fiber 57.
[0047]
Four of the fibers 55 are for optical signal transmission, and the other four are for spacers, 55A is a cladding, and 55B is a core.
[0048]
The tape-shaped parallel fiber 57 is partially inserted into the groove 54 of the core substrate 51 on a flat plate so as to align the surface of the wiring 53 on one surface of the core substrate 51 with the surface of the clad 55A. The inside is further filled with an adhesive to perform bonding. The symbol 58 indicates an adhesive layer.
[0049]
The surface of the cladding 55A of the fiber 57 may be aligned using the flat insulating surface or the metal surface of the core substrate 51. When the surface is aligned with the surface of the wiring 53, a height setting around the groove 54 is used. Alternatively, the same metal film made of copper as the wiring 53 may be left.
[0050]
Example 2
FIG. 3A is a cutaway side view showing a main part of an optoelectronic composite circuit board provided with a metal mirror, and the same symbols as those used in FIGS. 1 and 2 represent the same parts or have the same meanings. Shall have.
[0051]
A V-shaped groove 59 is formed by cutting the side surface of the quartz fiber 55 from the side of the adhesive layer 58 described with reference to FIG. Of course, in this case, positioning is performed using the V-groove forming marker 51C.
[0052]
Then, by applying a sputtering method, for example, an Au film having a thickness of 1 [μm] is deposited on the inner surface of the V-shaped groove formed by the oblique 45-degree cut, and the Au film is buried with a resin 60 to form a metal film mirror. 61 is completed. According to this configuration, it is possible to input and output optical signals from the front side of the core substrate 51.
[0053]
Example 3
FIG. 3B is a cutaway side view of a main part showing an optoelectronic composite circuit board provided with a resin-coated copper foil, and the same symbols as those used in FIGS. 1 to 3A denote the same parts. Or have the same meaning.
[0054]
A build-up layer 62 (made by Aramica Asahi Kasei), which is a copper foil with resin, is laminated on both surfaces of the photoelectric composite circuit board described as the second embodiment. Here, 62A indicates a resin layer, and 62B indicates a copper layer.
[0055]
The layer thickness of the resin layer 62A may be 15 [μm] to 85 [μm], which is frequently used, and the layer thickness of the copper layer 62B is 9 [μm], 12 [μm], 18 [Μm], and a vacuum press can be used for lamination, and the pressing conditions are preferably about 120 [minutes] at a temperature of 180 [° C.].
[0056]
The resin layer 62A may be a resin such as an epoxy resin, a PPE (polyphenylene ether), or a BT (bismaleimide triazine resin) as long as the material can withstand the temperature at which the VCSEL or PD is mounted.
[0057]
In the build-up layer 62, a hole through which light passes is formed in advance in a region where light is introduced into the quartz fiber 55 using the metal film mirror 61. The holes are unnecessary if the resin layer 62A is transparent to the emission wavelength of the VCSEL, for example, but must be formed in the copper layer 62B. Aramica (manufactured by Asahi Kasei) and Iupirex (manufactured by Ube Industries) are known as resins having translucency with respect to the emission wavelength.
[0058]
According to the third embodiment, an opto-electric composite circuit board in which build-up layers are formed one by one on both sides of a board containing a fiber is realized.
[0059]
Example 4
FIG. 4A is a cutaway side view of a main part showing an optoelectronic composite circuit board in which all layers of a multilayer are connected by an IVH (interstitial via-hole), and is used in FIGS. 1 to 3. The symbol and the same symbol represent the same part or have the same meaning.
[0060]
Via holes are formed in the build-up layer 62 in the photoelectric composite circuit board described as the third embodiment, and electroless copper plating and electrolytic copper plating are performed to establish conduction with the wiring 53 in the core board 51. Then, the lithography technique is used, the copper layer 62B in the build-up layer 62 is etched to form the wiring 62C, and the chip component mounting pad 62D is formed. An optical-electrical composite circuit board with a built-in optical fiber having layer wiring is realized. Note that the material forming the pad 62D can be selected from metals such as Ag, Sn, Pb, Ni, Bi, and In, and the lithography technique can be applied when the pad 62D is manufactured. It suffices to perform resist film formation, exposure of a pad pattern, resist development, Cu plating, metal plating for bonding, resist peeling, and the like.
[0061]
Example 5
FIG. 4B is a cutaway side view of a main part showing an opto-electric composite circuit board on which a VCSEL or the like is mounted, and the same symbols as those used in FIGS. 1 to 4A indicate the same parts or Shall have the same meaning.
[0062]
The VCSEL 63 is mounted on the photoelectric composite circuit board described as the fourth embodiment. As the VCSEL 63 in this case, a surface-emitting type flip chip mountable chip chip is preferable, and for example, a surface-emitting type 850 [nm] light emitting VCSLE (U04T: manufactured by ULM Photonics) can be used.
[0063]
Various metals for low-temperature mounting such as Ag-Sn can be used as the metal for bonding to the pad 62D when mounting the VCSLE 63. Incidentally, the junction temperature of Ag-Sn is about 240 ° C.
[0064]
After mounting the VCSLE 63, die bonding of the VCSEL driver IC 64 is performed, and an electric signal is converted into an optical signal by bonding to a required portion, for example, the VCSEL 63 or other wiring 62C using the bonding wire 65. In addition, it is possible to realize a photoelectric composite circuit board having a transmitting function capable of transmitting. As the VCSEL driver IC 64, for example, HXT2312A (manufactured by Helix) can be used. It is optional to install a capacitor for the driver IC.
[0065]
Example 6
FIG. 5A is a cutaway side view showing a main part of an opto-electric composite circuit board on which a VCSEL or the like is mounted. The same symbols as those used in FIGS. 1 to 4 indicate the same parts or have the same meanings. Shall have.
[0066]
The driver IC 64 thinned to about 100 [μm] is mounted on the opto-electric composite circuit board described as the fifth embodiment, and bonding is performed while the height of the bonding wire 65 is suppressed to 150 μm or less above the driver IC 64.
[0067]
After filling the translucent underfill agent 66 below the VCSEL 63, the core substrate 68 on which the receiving hole 68A corresponding to the area where the VCSEL 63, the driver IC 64, the capacitor and the like are installed is formed, and the wiring is formed. (Aramika Asahi Kasei Co., Ltd.) are laminated via a prepreg layer 67.
[0068]
As the translucent underfill agent 66, for example, JCR6140 and JCR6122 (manufactured by Dow Corning Toray Silicone Co., Ltd.) may be used.
[0069]
The sealing agent 69 is filled in the accommodation hole 68A formed in the laminated core substrate 68. As the sealant 69, a material that is frequently used in an organic package can be used, and it is preferable that the sealant 69 is a thermally conductive resin. Above the sealant 69, a fin for heat dissipation may be provided.
[0070]
Example 7
FIG. 5B is a cutaway side view showing a main part of an opto-electric composite circuit board on which a PD and a PD amplifier IC are mounted, and the same symbols as those used in FIGS. 1 to 5A are the same. Indicate parts or have the same meaning.
[0071]
In the photoelectric composite circuit board described as the sixth embodiment, a PD 70 is mounted in place of the VCSEL 63, and a PD amplifier IC 71 is mounted in place of the driver IC 64, and receives an optical signal introduced from an optical fiber. Has the ability to
[0072]
Example 8
FIG. 6A is a cutaway side view showing a main part of an interposer-type optoelectronic composite circuit board on which a high-speed LSI is mounted, and the same symbols as those used in FIGS. Shall have the same meaning.
[0073]
The eighth embodiment is different from the first to sixth embodiments in that an area for mounting a high-speed LSI is secured on the core substrate 51 having a built-in optical fiber, and wiring and mounting pads for the high-speed LSI are formed. Has realized an interposer-type photoelectric composite circuit board that can convert an electric signal from the high-speed LSI 72 into an optical signal and transmit the optical signal. The symbol 73 indicates a connector connected to the optical fiber.
[0074]
Example 9
FIG. 6B is a cutaway side view of a main part showing an interposer-type optoelectronic composite circuit board on which a high-speed LSI is mounted, and the same symbols as those used in FIGS. 1 to 6A denote the same parts. It shall be shown or have the same meaning.
[0075]
The ninth embodiment is different from the seventh embodiment in that an area for mounting a high-speed LSI is secured on the core substrate 51 having a built-in optical fiber, and wiring and mounting pads for the high-speed LSI are formed and the high-speed LSI 72 is mounted. By doing so, an interposer-type opto-electric composite circuit board capable of converting a high-speed optical signal from the optical fiber 55 into an electric signal and transmitting the electric signal to the high-speed LSI 72 has been realized.
[0076]
Example 10
FIG. 7A is a cutaway side view of a main part showing an opto-electric composite circuit board for optical wiring in a board, and the same symbols as those used in FIGS. 1 to 6 represent the same parts or have the same meanings. Shall have.
[0077]
In the tenth embodiment, the transmission module 74 described as the eighth embodiment and the reception module 75 described as the ninth embodiment are formed on the same substrate, thereby realizing the optical wiring in the substrate.
[0078]
Example 11
FIG. 7B is a cutaway side view of a main part showing an optoelectronic composite circuit board on which driver ICs are mounted in a stack. The same symbols as those used in FIGS. 1 to 7A denote the same parts. Shall represent or have the same meaning.
[0079]
The eleventh embodiment is different from the sixth embodiment in that the build-up layer is laminated without mounting the VCSEL driver IC 64 and the capacitor on the same wiring layer as the VCSEL 63, and the wiring and the IVH are formed. A VCSEL driver IC 77 is mounted, and a capacitor is installed in the vicinity as necessary.
[0080]
According to the eleventh embodiment, since the VCSEL 76 and the driver IC 77 for the VCSEL are mounted in a stack, the wiring can be shortened, which is suitable for use when high speed is required.
[0081]
Example 12
FIG. 8 is a cutaway side view showing a main part of another example of an optoelectronic composite circuit board on which driver ICs are mounted in a stack. The same symbols as those used in FIGS. 1 to 7B denote the same parts. Or have the same meaning.
[0082]
In the twelfth embodiment, a through hole is formed in the substrate of the surface emission type VCSEL 76 itself, which is found in the eleventh embodiment, and the through hole is filled with a conductive material to form a conductive plug 78. A VCSEL 76 is mounted so that the light emitting portion 76A faces downward, fixed with epoxy resin, and inner vias, wiring, pads, etc. are formed, and then the VCSEL driver IC 77 is flip-chip mounted. It is.
[0083]
According to the twelfth embodiment, similarly to the eleventh embodiment, the VCSEL 76 and the driver IC 77 for the VCSEL are mounted in a stack, and the electric wiring on the light emitting portion 76A side is led to the opposite side through the inside of the VCSEL 76. This configuration is more advantageous in terms of speeding up as compared with the configuration in which the electric wiring is routed outside the VCSEL 76.
[0084]
The present invention can be embodied in many forms including the above-described embodiment, and will be exemplified below as additional notes.
[0085]
(Appendix 1)
At least an electric wiring, a marker, a core substrate formed with a groove for incorporating an optical fiber,
The cladding surface or the adhesive surface of the optical fiber and the insulating layer surface or the electric wiring surface of the core substrate are aligned at substantially the same height and are arranged in the groove. An optical fiber bonded and fixed together with
A V-shaped groove formed obliquely from the core substrate surface opposite to the aligned surface and at least cutting the core of the optical fiber, and the cut surface covered with a metal film;
An optical element such as a surface-emitting type semiconductor laser or a surface-receiving type light-receiving element mounted using the electrical wiring on the side where the optical fiber and the surface are aligned.
An opto-electric composite circuit board comprising:
[0086]
(Appendix 2)
A build-up wiring layer composed of an insulating layer and a metal foil laminated on a core substrate having a built-in optical fiber, and an optical element such as a surface emitting semiconductor laser or a surface receiving light receiving element mounted on the build-up wiring layer The photoelectric composite circuit board according to (Supplementary Note 1), comprising:
[0087]
(Appendix 3)
The core substrate has an in-plane expansion coefficient of about 10 × 10 around room temperature. -6 Selected from an organic substrate, a glass substrate, and a ceramic substrate containing an aromatic polyamide resin of not more than / deg.
The photoelectric composite circuit board according to (Appendix 1) or (Appendix 2), characterized in that:
[0088]
(Appendix 4)
One side of the optical fiber, including the vicinity of the optical input / output section, is fixed to the core substrate, and the other side is unfixed or covered with a low elastic material.
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 1) to (Appendix 3), characterized in that:
[0089]
(Appendix 5)
Build-up wiring layer where wiring is formed based on the position where the core of the optical fiber is cut obliquely
The photoelectric composite circuit board according to (Supplementary Note 2), comprising:
[0090]
(Appendix 6)
The surface-emitting type semiconductor laser is located on the wiring side of the build-up wiring layer and is installed at a position where light reflected by the metal film covering the V-shaped groove is incident on the optical fiber. The insulating layer has an optical path for optically coupling between the metal film and the surface emitting semiconductor laser by making the material itself transparent or forming an opening.
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 2) to (Appendix 5), characterized in that:
[0091]
(Appendix 7)
The surface light receiving type light receiving element is located on the wiring side in the build-up wiring layer and is installed at a position where light reflected by the metal film covering the V-shaped groove is emitted from the optical fiber. The insulating layer has an optical path for optically coupling between the metal film and the surface light receiving element by making the material itself translucent or by forming an opening.
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 2) to (Appendix 5), characterized in that:
[0092]
(Appendix 8)
A light-transmitting resin is filled in an optical path between an optical element such as a surface-emitting type semiconductor laser or a surface-receiving type light-receiving element and a metal film covering the V-shaped groove.
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 1) to (Appendix 7), characterized in that:
[0093]
(Appendix 9)
One end of the optical fiber is installed inside the core substrate, and the other end is exposed as a free end outside the core substrate and an optical connector is attached.
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 1) to (Appendix 8), characterized in that:
[0094]
(Appendix 10)
A laminated material having a thickness equal to or greater than the thickness of the optical element is provided around an optical element such as a surface emitting semiconductor laser or a surface receiving light receiving element.
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 1) to (Appendix 9), characterized in that:
[0095]
(Appendix 11)
An optical element such as a surface-emitting type semiconductor laser or a surface-receiving type light-receiving element is sealed with a sealing agent mainly composed of an organic material or a thermally conductive insulating resin.
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 1) to (Appendix 10), characterized in that:
[0096]
(Appendix 12)
An IC for operating an optical element or an IC for operating an optical element and a capacitor, which are located near an optical element such as a surface emitting semiconductor laser or a surface receiving type light receiving element and are installed on the same wiring layer
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 1) to (Appendix 11), characterized in that:
[0097]
(Appendix 13)
An optical element operating IC or an optical element operating IC and a capacitor are provided near and including an optical element such as a surface-emitting type semiconductor laser or a surface-receiving type light receiving element and installed in different wiring layers. thing
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 1) to (Appendix 12), characterized in that:
[0098]
(Appendix 14)
The optical fiber must have a core diameter of 50 μm or more and a cladding diameter of 125 μm.
The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 1) to (Appendix 18), characterized in that:
[0099]
(Appendix 15)
Optical fibers must be tape-shaped by aligning them at equal intervals and bonding and fixing them
20. The photoelectric composite circuit board according to any one of (Appendix 1) to (Appendix 19).
[0100]
【The invention's effect】
In the opto-electric composite circuit board according to the present invention, at least a core board in which a groove for incorporating an electric wiring, a marker, and an optical fiber is formed; The cladding surface or the adhesive surface of the core substrate and the insulating layer surface or the electric wiring surface of the core substrate are aligned at substantially the same height, and the optical fiber is disposed in the groove and bonded and fixed; A V-shaped groove formed obliquely from the surface of the core substrate on the opposite side and at least cutting the core of the optical fiber and having the cut surface covered with a metal film; It is basically provided with an optical element such as a surface emitting semiconductor laser or a surface light receiving type light receiving element mounted thereon.
[0101]
By adopting the above-mentioned means, it becomes possible to optically couple an optical fiber and an optical element such as a VCSEL or a PD without using a lens, and therefore, it is not necessary to precisely align the lens at the time of assembly. As a result, it is possible to reduce both the cost of the members and the cost of the process, and the manufacturing advantage is extremely high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a main part showing a core substrate in a main part of a manufacturing process.
FIG. 2 is an explanatory view of a main part for explaining an opto-electric composite circuit board in a main part of a manufacturing process.
FIG. 3 is a cutaway side view showing a main part of the photoelectric composite circuit board;
FIG. 4 is a cutaway side view showing a main part of the photoelectric composite circuit board.
FIG. 5 is a cutaway side view showing a main part of the photoelectric composite circuit board.
FIG. 6 is a cutaway side view showing a main part of the photoelectric composite circuit board;
FIG. 7 is a cutaway side view showing a main part of the photoelectric composite circuit board.
FIG. 8 is a cutaway side view of an essential part showing the photoelectric composite circuit board.
FIG. 9 is a perspective view of an essential part illustrating an optical transmission module using a quartz waveguide.
FIG. 10 is a cutaway side view of an essential part illustrating an optical transmission module using a Si substrate itself as a waveguide.
FIG. 11 is a cutaway side view illustrating a main part of an optical transmission module using an optical fiber.
FIG. 12 is a cutaway side view of an essential part illustrating an optical transmission module using a microlens.
FIG. 13 is a fragmentary explanatory view illustrating an optical transmission module using a microlens and a mirror.
[Explanation of symbols]
51 core board
51A Hole for Press Machine
51B Groove forming marker
51C V-groove forming marker
51D VCSEL mounting marker
52 Through Via
53 wiring
54 grooves
55 fiber
55A clad
55B core
56 adhesive
57 Tape-shaped parallel fiber
58 Adhesive layer
59 V-shaped groove
60 resin
61 Metal film mirror
62 Build-up layer

Claims (5)

少なくとも電気配線、マーカ、光ファイバを内蔵する為の溝が形成されてなるコア基板と、
一列に並べ接着剤で相互に接着固定した光ファイバに於けるクラッド面或いは接着剤面と前記コア基板に於ける絶縁層面或いは電気配線表面とを略同じ高さに整列させて前記溝に配置すると共に接着固定した光ファイバと、
前記整列させた面と反対側のコア基板表面から形成され少なくとも光ファイバのコアを斜めにカットし且つ該カットした面が金属膜で覆われたV状溝と、
前記光ファイバと面を揃えた側の電気配線を用いて搭載された面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子と
を備えてなることを特徴とする光電気複合回路基板。
At least an electric wiring, a marker, a core substrate formed with a groove for incorporating an optical fiber,
The cladding surface or the adhesive surface of the optical fiber and the insulating layer surface or the electric wiring surface of the core substrate are aligned at substantially the same height and are arranged in the groove. An optical fiber bonded and fixed together with
A V-shaped groove formed obliquely from the core substrate surface opposite to the aligned surface and at least cutting the core of the optical fiber, and the cut surface covered with a metal film;
An opto-electric composite circuit board comprising: an optical element such as a surface-emitting type semiconductor laser or a surface-receiving type light receiving element mounted using the optical fiber and electric wiring on the side of which the surface is aligned.
光ファイバを内蔵したコア基板に積層形成された絶縁層と金属箔とからなるビルドアップ配線層及びそのビルドアップ配線層上に搭載された面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子と を備えてなることを特徴とする請求項1記載の光電気複合回路基板。A build-up wiring layer composed of an insulating layer and a metal foil laminated on a core substrate having a built-in optical fiber, and an optical device such as a surface emitting semiconductor laser or a surface receiving light receiving device mounted on the build-up wiring layer The opto-electric hybrid circuit board according to claim 1, comprising: 面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子の周囲に該光素子の厚さ以上の厚さをもつ積層材料が配設されてなること
を特徴とする請求項1或いは請求項2記載の光電気複合回路基板。
3. A laminated material having a thickness equal to or greater than the thickness of an optical element, such as a surface-emitting type semiconductor laser or a surface-receiving type light-receiving element, is provided around the optical element. The opto-electric composite circuit board as described in the above.
面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子の近傍であって、且つ、同一配線層に設置された光素子動作用IC或いは光素子動作用ICとキャパシタを備えてなること
を特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1記載の光電気複合回路基板。
An IC for operating an optical element or an IC for operating an optical element and a capacitor which are provided near an optical element such as a surface-emitting type semiconductor laser or a surface-receiving type light receiving element and which are provided on the same wiring layer. The photoelectric composite circuit board according to claim 1, wherein:
面発光型半導体レーザ或いは面受光型受光素子などの光素子の上方を含む近傍であって、且つ、異なる配線層に設置された光素子動作用IC或いは光素子動作用ICとキャパシタを備えてなること
を特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1記載の光電気複合回路基板。
An optical element operating IC or an optical element operating IC and a capacitor are provided near and including an optical element such as a surface-emitting type semiconductor laser or a surface-receiving type light receiving element and installed in different wiring layers. The photoelectric composite circuit board according to any one of claims 1 to 3, wherein:
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