JP2005197689A - 可撓性接続ケーブルを備えた電気−光モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 プリント回路基板において光学要素の精密な位置合わせ(アライメント)を可能とする電気−光モジュールを提供する。
【解決手段】 可撓性接続ケーブルおよびアライメント機能を備えた電気−光モジュールを開示する。本発明によれば、ガラス等の透明基板または光導波路を備えた基板上に電気−光デバイスをはんだ付けし、導電トレースを設計して、電気−光モジュールを形成する。かかる電気−光モジュールをプリント回路基板に挿入し、位置合わせを行い、可撓性ケーブルと呼ぶ導電トレースおよびパッドを備えた基板の外側部分をPCBの取り付け面に向けて曲げて、これらのパッドとPCBとの間の電気的接続を設けることができる。基板は、予め形成した溝に沿って割って、基板の外側部分を除去し、可撓性ケーブル部を所定位置に残す。
【選択図】 図2

Description

本発明は、一般に光通信装置に関し、更に具体的には、プリント回路基板(printed circuit board)における光相互接続リンクの実装(implementation)に関する。
通例、今後の数年以内に光相互接続(opticalinterconnect)を用いる可能性のあるシステムは、サーバ、スーパーコンピュータ、および電気通信スイッチ−ルータである。これらは、多数のラック(rack)を備え、各ラックがバックプレーン(背面)およびミッドプレーン(中央面)を有し、更に多数のプラグイン・カード(またはブレード)を備える。プラグイン・カード間の通信は、バックプレーン(backplane)を介してルーティングされる。単一のラック内での総計データ転送速度(data rate)は、10年後には毎秒数テラビット(Tb/s)に達すると予想され、これは今後、数十Tb/sまで増大すると考えられる。現在、通信は、銅配線を介して電気的に行われている。しかしながら、電気配線では、減衰およびクロストークが周波数と共に増大する。典型的な1メートルの距離のボード間相互接続では、光伝送の電力効率のほうが電気伝送より高くなるデータ転送速度は、5Gb/sである。更に、光伝送線は、電気配線よりもはるかに高密度で実装することができる。
プリント回路基板(PCB)において、導波路(waveguide)、送信器、および検出器等の光学要素を、高い信頼性、高精度、高費用効果で集積することは、主に高い集積度および光学的アライメント(位置合わせ)の点で難しい。光学要素のアライメントの要求は、電気コンポーネントのものよりはるかに厳しい。例えば、プリント回路基板の実現において、最小のアライメント許容度は20μmであり、光学要素は5μmの精度で位置決めする必要がある(50μmx50μm角の光導波路において)。このため、プリント回路基板において光学要素のアライメントを行うことは困難である。
従って、本発明の主な目的は、上述のような従来技術の欠点を取り除くことである。
本発明の別の目的は、高い集積度の電気−光モジュールを提供することである。
本発明の別の目的は、高い集積度の電気−光モジュールの位置合わせ(アライメント)を行うための方法およびシステムを提供することである。
本発明の更に別の目的は、高い集積度の電気−光モジュールを製造するための方法およびシステムを提供することである。
これらおよび他の関連する目的の達成は、プリント回路基板に接続するように構成された電気−光モジュールによって達成される。この電気−光モジュールは、少なくとも1つの導電トレースを有する補強材(stiffener)を備え、少なくとも1つの導電トレースの一部を備えた前記補強材の一部は、除去可能であり、かつ前記電気−光モジュールと前記プリント回路基板との間の電気的コンタクト(contact:接触)を設ける(establish)ように構成されている(adapt)ことを特徴とする。
また、これらおよび他の関連する目的の達成は、プリント回路基板に接続するように構成された電気−光モジュールを製造するための方法によって達成される。電気−光モジュールは、少なくとも1つの導電トレースを有する補強材を備え、少なくとも1つの導電トレースの一部を備えた補強材の一部は、除去可能であり、かつ電気−光モジュールとプリント回路基板との間の電気的コンタクトを設けるように構成されている。この方法は、
電気−光モジュールの上側に誘電体材料を被覆するステップと、
金属材料を堆積しパターニングするステップと、
誘電体材料の第2の層を適用するステップと、
所定の位置で誘電体材料の第2の層に開口を形成するステップと、
を備える。
また、これらおよび他の関連する目的の達成は、プリント回路基板に接続するように構成された電気−光モジュールを取り付けるための方法によって達成される。この電気−光モジュールは、少なくとも1つの導電トレースを有する補強材を備え、少なくとも1つの導電トレースの一部を備えた補強材の一部は、除去可能であり、かつ電気−光モジュールとプリント回路基板との間の電気的コンタクトを設けるように構成され、プリント回路基板は、電気−光モジュールを部分的に挿入するように構成されたキャビティを備えた取り付け面を有する。この方法は、
プリント回路基板のキャビティに、電気−光モジュールを挿入し、位置合わせを行い、固定するステップと、
少なくとも1つの導電トレースの一部を備えた補強材の一部を取り付け面に向けて曲げるステップと、
前記少なくとも1つの導電トレースの前記一部と前記取り付け面との間の電気的接続部を設けるステップと、
を備える。
本発明の更に別の利点は、図面および詳細な説明を検討すれば、当業者には明らかとなろう。
本発明は、極めて小さい寸法を有する高集積度の電気−光モジュールを製造する際に用いる設計技法を開示する。本発明によれば、かかるモジュールの製造、アライメント、および接続を行うための手段が提供される。光学部品を基板に係合させる精密アライメントのステップの数は、絶対的最小値である1まで削減される。
例示のため、この説明は、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface-Emitting Laser)および関連した光信号検出器に基づく。これらは、光バックプレーン内部に形成可能であるか、またはマイクロ電気機械システム(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)またはマイクロ光−電気機械システム(MOEMS:Micro Opto-Electro Mechanical Systems)に電気信号を接続するために使用可能なもののような小さいキャビティ内にアセンブルする(assemble)必要がある。
これらのモジュールは、高性能の電気的特性を有する熱的に安定した構造上に1つ以上のデバイスをアセンブルすることを可能にするように設計されている。取り付け(mounting)動作は、平坦な表面上で行われ、これらの動作がすでに利用可能なほとんどの業界のインフラストラクチャとコンパチブルで、かつ追加コストを必要としないようにする。モジュールは、モジュール自体を組み立てるのに用いる固定の(rigid)補強材を割って(breaking)除去する単純な動作によって、システムの要求に基づいて立体形状に折り畳んでアセンブルすることができる。
図1は、本発明を実施することができる、サーバ、スーパーコンピュータ、または電気通信スイッチ−ルータ等の電気−光システム100の部分斜視図である。例示のため、電気−光システム100は、固定のバックプレーン105、可撓性(flexible)バックプレーン110、ならびに、光コネクタ120−1および120−2を介して双方のバックプレーン105および110に接続されたプリント回路基板(PCB)115を備える。PCB115は、2つの半導体デバイス125−1および125−2、ならびにいくつかの電気−光モジュール130−1、130−2、130−3を備える。この実施例では、光信号は、電気−光モジュール130−2から電気−光モジュール130−1に、電気−光モジュール130−1から光コネクタ120−1に、電気−光モジュール130−3から光コネクタ120−2に伝送される。電気−光モジュール130−1、130−2、130−3は、本発明に従って製造およびアライメントが行われ、PCB115に接続される。従って、電気−光モジュール130−1は、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)および光信号検出器を結合し、電気−光モジュール130−2および130−3は、垂直共振器面発光レーザを収容する。一般に、各電気−光モジュールは、垂直共振器面発光レーザのアレイ(array:配列)、光検出器のアレイ、またはそれら双方を含む。かかるアレイは、VCSELまたは検出器のいずれかを含む1つのダイ(die)上で利用可能であり、VCSELおよび検出器は、例えば250μmの明確に画定された分離を有する。VCSELおよび検出器のアレイは、例えば、1x4、1x8、または1x12の一次元のレイアウトで、または2x4、または4x12の二次元のレイアウトで配置することができる。
図2は、線A−A’に沿った図1のPCB115の部分断面図であり、全体的に130として示す電気−光モジュール130−1および130−2の構造、ならびに、それらのアライメントおよび接続に用いる原理を示す。図示のように、好適な実施形態では、電気−光モジュール130は、ホルダ200および複数のアライメント・ピン205を備える。ピン205は、PCBの穴に嵌合して、PCB115上で電気−光モジュール130のアライメントを行うようになっている。電気−光モジュール130の補強材210の1つの表面上に、いくつかの誘電体および導電体の層215が形成されている。例えば、補強材210は、2つの誘電体層に挟まれた1つの導電層から成り、ここに導電トラックを設計することができる。図2に示す例では、電気−光モジュール130の半導体デバイスは、この導電層に属するパッドにはんだ付けされている。電気−光モジュール130は、面発光レーザ220およびドライバ(driver)225、または光信号検出器220および増幅器225を備える。当然、補強材210は、光信号が通過可能であるように透明(transparent)または半透明(translucent)のいずれかであるか、または導波路230を備える。なお、好適な実施形態では、電気−光モジュール130は、更に、ヒート・スプレッダ(heat spreader)および光遮蔽部235を備える。電気−光モジュール130は、PCB115内に設計された導波路240に突合せ結合(butt coupled)されている。電気−光モジュール130をPCB115内に挿入され、位置合わせされると、半導体デバイス220から発信される光信号または半導体デバイス220に受信される光信号が、導波路240を介して伝送される。電気−光モジュール130は、1組の導電トラックおよびパッド240を用いて、PCB115に電気的に接続されている。導電トラックおよびパッドは、可撓性ケーブルに実装されて、補強材210とPCB115の表面との間の90度の角度を乗り越える。基板内で電気−光モジュールのアライメントを行うため、次の2ステップ・プロセスを用いると好ましい。
a)標準的な選択的レーザ穴あけ概念に基づいて、PCBにレセプタクル(凹部)またはホルダを正確に位置決めし、上部または下部から挿入することができる。
b)電気−光モジュールは、ホルダ内のアライメント構造体(feature)を忠実に反映したものである、例えばホール(hole)またはトレンチ(trench)のようなエッチングした基準構造を含む。ホルダ内に電気−光モジュールをしっかり嵌合させると、精密なアライメントが保証される。適切な設計によって、同じホルダ内部に引き続いて多数の接続を行うことができる。
図3は、図4、5、6と共に、本発明による電気−光モジュール130の一例を示す。図3はモジュールの正面図であり、図4、5、6は、それぞれ挿入前、接続中、および据付け後のモジュールの側面図である。わかりやすくするために、プリント回路基板は図示していない。例えばガラスまたはシリコンから成るモジュール補強材210は、誘電体材料および例えば300のような電気信号を搬送するための導電トレースの1つ以上の層を備え、例えば305のようなパッドで終端する。また、導電回路は、誘電体材料の更に別の層によって被覆することができる。具体的な実施形態では、構築段階のモジュールは、3つの別個のゾーンを有する。それらは(I)デバイスを搭載するためのゾーン、(II)機械的ホルダ(アライメント)のためのゾーン、(III)電気的接続のためのゾーンである。好適な実施形態では、点線で示すように、第2(II)および第3(III)のゾーン間で補強材210に溝を前もって形成して、補強材210のゾーンIIIを割ることを容易にする。この第3(III)ゾーンの導電トレースおよびパッドは、電気−光モジュール130をPCB115に接続するために用いられる上部の可撓性ケーブル(flex-cable)を形成する。
この例では、電気−光および電気要素は、モジュールのゾーンIにおいて、パッド上にフリップ・チップ結合される。光信号は、モジュール基板を介して伝送される。このため、基板は、例えばガラスのように透明でなければならない。ガラス基板の場合、好ましくは、高い光結合効率(optical coupling efficiency)を得るため、および光クロストークを防ぐため、ガラスを介してレンズを用いて信号を画像化(image)する必要がある。補強材210は、光学レンズ310、および/または、ガラス自体に加工されたレンズを搭載する(host)ことができる。
いったん図3および4に示すアセンブルした(組み立てた)光モジュールをPCBキャビティ内部に挿入してアライメントを行い、ホルダ200およびアライメント・ピン205によって所定位置に保持すると、第3(III)のゾーンに対応する補強材の部分すなわち上部可撓性ケーブルを含む部分を、図5に示すように基板の取り付け面に向けて曲げて、例えば標準的なホットバー(hot-bar)またはレーザ・プロセスによって、例えばはんだ付けのようなパッド305の電気的接続を可能とする。補強材は、溝に沿って、または予め切り込みを入れたチャネルに沿って割り、図6に示すように、補強材部分を可撓性ケーブル部から除去し剥離することができる。
従って、本発明によれば、PCB上に搭載された電子部分とマイクロ光モジュール(可撓性ケーブル)との間の高速通信のための経路は最短になる。
別の実施形態では、図7に示すように電子部品または電気−光モジュール400を搭載するPCB115のパッド内で、可撓性ケーブルをはんだ付けする。かかる技法によって、高速信号を単一の電気媒体に沿って伝送することができ、導電体を囲む材料の物理的特性が変化するために生じるインピーダンス不整合を回避する。高速信号は、できる限り速く可撓性ケーブル内に直接「注入」され、光学的能動要素(optical active element)に到達する前に同一の信号を異なる媒体および異なるレベルの電気的相互接続を介して伝送する必要はない。これが可能であるのは、標準的なレーザ処理によって達成可能であるよりも、フラット・ケーブルの誘電体上層の開口(opening)のためである。例えば、ケーブルのポリマを銅パッドの位置で除去し、露出したパッドを、電気−光モジュールの可撓性部分上に電子モジュールを取り付ける等、はんだ付け工程において更に用いることができる。
図8は、標準的な半導体製造ツールによる、記載した本発明の電気−光モジュールの製造を可能とするプロセス・ステップの一例を示す。この例では、補強材はガラス製であり、いくつかの電気−光モジュールは、単一のガラス・ウエハ上で同時に製造される。このプロセスは、以下のステップを備える。
ステップ1:ガラス・ウエハ上の電気−光モジュール配置設計に従って、所定の位置に、ガラス・ウエハの裏面側に溝を形成する。
ステップ2:上面側に、ベンゾシクロブテン(BCB:BenzoCycloButene)系のCyclotene4026−46(14μm)で被覆する(CycloteneはDow Chemical Companyの商標である)。
ステップ3:銅の堆積を可能とするため、シード(seeding)層を塗布する。
ステップ4:シード層の上にレジストを堆積しパターニングする。
ステップ5:銅の無電解めっきを行う。
ステップ6:レジストを剥離する。
ステップ7:Cyclotene4026−46の第2の層を塗布する。
ステップ8:銅パッドの位置でCyclotene4026−46の上層に開口を形成する。
レンズの実装は難しく、PCB内において電気−光モジュールのアライメントの限界をもたらすので、好ましい代替案は、シリコン基板を用い、シリコン・ウエハを介して光導波路を実現することによって透明性(transparency)を得ることである。ガラス基板の使用に比べ、光信号は幾何学的に分離され、これによって光クロストークを防ぎ、突合せ結合により良好な結合(カップリング)効率を得る。シリコンを介した導波路は、以下のように形成可能である。第1に、シリコン・ウエハにホール(hole)をエッチングする。第2に、シリコン・ウエハを酸化させ、導波路のクラッディング(cladding:被覆材)として作用する二酸化シリコン膜を形成する。最後に、ホールに、二酸化シリコンの屈折率よりも大きい屈折率を有する光学的に透明な導波路材料を充填する。
図9は、この最後の実施形態の一例を示し、補強材を形成するためのシリコンの使用を例示する。かかる場合、VCSELが発する光は、ポリマ導波路を介して導かれる。検出器モジュールの場合、基本的なレイアウトは同じであるが、VCSELは検出器に置き換えられる。図示のように、VCSELまたは検出器600は、銅パッド610を備え、この上にはんだ615を塗布する。パッド610は、パッシベーション層605によって囲まれている。補強材620はシリコン製であり、外部表面625は酸化している(SiO2)。VCSELまたは検出器600をはんだ付けする補強材表面は、BCB630および635の2層によって覆われている。銅パッド640は、VCSELまたは検出器のはんだ付けのためのものである。銅パッド640は、第1のBCB層630の上に構築され、第2のBCB層635によって保護される導電層に属する。補強材620にポリマ導波路645が設計されており、VCSELからPCBまたはPCBから検出器へ光を伝送する。
本発明の別の実施形態は、電気−光モジュールに構築された異なる層において誘電体として液晶ポリマを用いる。
ガラス、シリコン、またはアルミナ基板の利用は、プラスチックまたはPCB材料に比べて、極めて良好な熱寸法安定性を提供し、光ユニット間の精密なアライメントを維持するのに役立つ。ガラスによって、レーザはんだ付けの使用が可能となり、シリコンによって、基板上でのフラット・ケーブルのはんだ接合部のIR(レーザ)はんだ付けが可能となり、組立(アセンブリ)材料の「相対的」熱膨張特性によって熱サイクルに対して全組立部に影響を及ぼす(光要素のアライメントを損なう)ことはない。
また、本発明の電気−光モジュール技術は、試験で発見され再加工(リワーク)が必要な欠陥を有するキャビティおよび他の受動光学デバイス(ミラーおよびファイバー)を備える複雑な基板内に、固定していない(loose)コンポーネントを取り付ける代わりに、電気−光モジュールを基板(product)上に配置する前に、「最初に取り付け」、それを試験することができる。
適用の観点から、本発明の電気−光モジュールは以下の利点を提供する。
a)光−電気モジュールは、標準的なIC技術コンパチブルのプロセス・ステップに基づいて実現され、光電子コンポーネントおよびプリント回路基板に要素を取り付けるためのアライメント構造体の極めて良好なアライメント精度(1μm)を提供する。
b)この実現は、好ましくはウエハに基づくプロセスであり、従って、多くの電気−光モジュールを同時に製造することができ、大きなコスト節約をもたらす。
c)電気−光モジュールは、電気−光または電気−光変換のための全ての必要な機能を1つの要素に組み合わせ、従って、この要素をプリント回路基板に位置決めするために、必要となる重要なアライメント・ステップはただ1つである。
d)光電および電子コンポーネントは、光が基板を介して伝送されるようにガラスまたはシリコン基板上にフリップ・チップ実装される。ガラスまたはシリコンは、プリント回路基板上の導波路との明確に画定され正確に位置決めされたインタフェースを形成する。光結合部に影響を与えることなく、光電子および電子コンポーネント上に別個のヒートシンクを接合することができる。
e)電気的可撓性ケーブルは、光反射ミラーの必要を回避する。この結果、光結合は簡略化され、プリント回路基板上の光ピン(pin)と導波路との間のより高い光結合効率をもたらす。
f)電気−光モジュールの概念は、多層導波路システム、すなわち相互に重なったいくつかの導波路層のために使用可能である。
この記述は、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)および関連する光信号検出器に基づき、これらは光導波路を備えた透明材料、半透明材料、または不透明材料の使用を必要とするが、かかる補強材特性を必要としない他の種類の発光および受光デバイスを用いて本発明を実施可能であることは理解すべきである。例えば、パッドのような電気的コネクタの対向側に発光または光検知面(sensible surface)が配置されている光信号検出デバイスによって本発明を実施することができる。
当然、局所的かつ具体的な要求を満たすため、当業者は、上述の解決法に多くの変更および修正を適用することができるが、それらの全ては、特許請求の範囲によって画定される本発明の保護の範囲内に含まれる。
本発明を実施可能な電気−光システムの部分斜視図を示す。 本発明を実施する図1に示したプリント回路基板の部分断面図である。 本発明による電気−光モジュールの一例を示す。 本発明による電気−光モジュールの一例を示す。 本発明による電気−光モジュールの一例を示す。 本発明による電気−光モジュールの一例を示す。 1つ以上の電子または電気−光モジュールも搭載するPCBのパッド内の電気−光モジュール可撓性ケーブルのはんだ付けを示す。 標準的な半導体製造ツールおよびプロセスを用いて本発明の電気−光モジュールの製造を可能とするプロセスのステップの一例を示す。 本発明の電気−光モジュールの補強材を形成するためのシリコンの使用を示す別の実施形態を示す。

Claims (13)

  1. プリント回路基板に接続するように構成された電気−光モジュールであって、少なくとも1つの導電トレースを有する補強材を備え、前記少なくとも1つの導電トレースの一部を備えた前記補強材の一部は、除去可能であり、かつ前記電気−光モジュールと前記プリント回路基板との間の電気的コンタクトを設けるように構成されていることを特徴とする、電気−光モジュール。
  2. 前記電気−光モジュールを前記プリント基板に位置を合わせ、かつ維持するように構成されたホルダを更に備える、請求項1に記載の電気−光モジュール。
  3. 前記補強材はガラス製である、請求項1または2のいずれかに記載の電気−光モジュール。
  4. 前記補強材を介して伝送された少なくとも1つの光ビームが焦点をむすぶように構成された少なくとも1つのレンズを更に備える、請求項3に記載の電気−光モジュール。
  5. 前記補強材は不透明物質で形成され、前記補強材は、前記補強材を介して少なくとも1つの光ビームを伝送するように構成された光導波路を更に備える、請求項1または2のいずれかに記載の電気−光モジュール。
  6. 前記補強材はシリコン製である、請求項5に記載の電気−光モジュール。
  7. 前記補強材の前記一部は予め形成された溝に沿って割ることができる、前出の請求項のいずれか1項に記載の電気−光モジュール。
  8. ヒート・スプレッダを更に備え、前記ヒート・スプレッダは光を遮蔽するように光学的に構成されている、前出の請求項のいずれか1項に記載の電気−光モジュール。
  9. プリント回路基板に接続するように構成された電気−光モジュールを製造するための方法であって、前記電気−光モジュールは少なくとも1つの導電トレースを有する補強材を備え、前記少なくとも1つの導電トレースの一部を備えた前記補強材の一部は、除去可能であり、かつ前記電気−光モジュールと前記プリント回路基板との間の電気的コンタクトを設けるように構成され、前記方法は、
    前記電気−光モジュールの上側に誘電体材料を被覆するステップと、
    金属材料を堆積しパターニングするステップと、
    誘電体材料の第2の層を塗布するステップと、
    所定の位置で前記誘電体材料の第2の層に開口を形成するステップと、
    を備える、方法。
  10. 前記電気−光モジュールの裏側に溝を前もって形成するステップである第1のステップを更に備える、請求項9に記載の方法。
  11. プリント回路基板に接続するように構成された電気−光モジュールを取り付けるための方法であって、前記電気−光モジュールは少なくとも1つの導電トレースを有する補強材を備え、前記少なくとも1つの導電トレースの一部を備えた前記補強材の一部は、除去可能であり、かつ前記電気−光モジュールと前記プリント回路基板との間の電気的コンタクトを設けるように構成され、前記プリント回路基板は、前記電気−光モジュールを部分的に挿入するように構成されたキャビティを備えた取り付け面を有し、前記方法は、
    前記プリント回路基板の前記キャビティに、前記電気−光モジュールを挿入し、位置合わせを行い、固定するステップと、
    前記少なくとも1つの導電トレースの一部を備えた前記補強材の前記一部を前記取り付け面に向けて曲げるステップと、
    前記少なくとも1つの導電トレースの前記一部と前記取り付け面との間の電気的接続部を設けるステップと、
    を備える、方法。
  12. 前記少なくとも1つの導電性トレースの一部を所定位置に残しながら、前記少なくとも1つの導電トレースの前記一部を備えた前記補強剤の前記一部を除去するステップを更に備える、請求項11に記載の方法。
  13. 前記少なくとも1つの導電トレースの前記一部と前記取り付け面との間に設けられた前記電気的接続部に電気デバイスを接続するステップを更に備える、請求項11に記載の方法。
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