JP2006235031A - マルチチップモジュールおよびその実装方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 光導波路配線基板に対して位置合せの容易なマルチチップモジュールおよびその実装方法の提供。
【解決手段】 光信号を送受信する光素子を備え、光導波路が形成された光導波路配線基板に装着されるマルチチップモジュールであって、前記光素子と光学的に接続され、実装時において、前記光導波路と交差するように前記光導波路配線基板に形成された挿入孔に挿入される光路変換部材が、前記マルチチップモジュールにおける前記光導波路基板に接続される側に突設され、前記光路変換部材は、前記光導波路基板に設けられた挿入孔に挿入されることにより、前記光素子と光導波路との間の光路を形成することを特徴とするマルチチップモジュール、およびその実装方法。
【選択図】 図1

Description

本発明は、マルチチップモジュールおよびその実装方法に係り、特に光導波路配線基板に対して位置合せの容易なマルチチップモジュール、および前記マルチチップモジュールを用いた実装方法に関する。
近年、マイクロコンピュータなどの電子装置において、ボード間やチップ内において電気配線に代えて光配線を行なうことにより、動作速度や集積度を向上させることが検討されている。また、従来の電気通信システムに代えて高速、大容量で通信を行なうことのできる光インターコネクションが使用されるようになってきている。
このような光配線システムとしては、光素子を搭載した光マルチチップモジュール(光MCM)を、光導波路を表面または内部に形成した光導波路基板に実装したものが提案されてきた(特許文献1〜6)。
また、光MCMを含むMCM(マルチチップモジュール)は、一般的に発熱量が大きいので、最適化された性能を発揮するためには効率よく冷却する必要がある。また長時間使用すると熱的ダメージが蓄積され、長寿命化が困難であるという問題もあった。
そこで、半導体集積回路パッケージと放熱板とを積み重ねる方法(特許文献7)、熱伝導シート、金属放熱板、およびスルーホールを設けて冷却する方法(特許文献8)、基板内にヒートシンクを設け、MCMを前記ヒートシンクに接触させて冷却する方法(特許文献9)、およびチップの間に配設した板状部材により冷却する方法(特許文献10)などが提案された。
特開平7−183570号公報 特開2000−047044号公報 特開2002−098863号公報 特開2002−365457号公報 特開2000−039531号公報 特開2001−036197号公報 特開平8−130292号公報 特開平10−321775号公報 特開2002−270743号公報 特開2002−343928号公報
しかしながら、従来のシステムにおいては、光導波路基板に形成された光導波路の両端に反射鏡を設け、光MCMに設けられた光素子からの光を前記反射鏡で反射させて光導波路に誘導している。したがって、光MCMを光導波路基板に実装するときに、位置合せを高精度に行う必要があったので、システムが高価になるとともに、生産性が低下するという問題があった。
また、光導波路基板に光導波路だけでなく反射鏡も作りこむプロセスは複雑であり、光導波路基板の面積が大きくなると、充分な精度が得られなくなるという問題もあった。
更に、MCMの冷却方法として特許文献7〜10で提案された方法は、複雑に過ぎたり、高密度化されたMCMを、最適化された性能が発揮されるように冷却するには不充分であったりする問題がある。
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、光導波路配線基板に対して位置合せの容易なマルチチップモジュール、および前記マルチチップモジュールを用いた実装方法の提供を目的とする。
また、上記目的に加え、チップが高密度で実装されているにも係らず、過熱の問題がないマルチチップモジュールの提供も目的とする。
請求項1に記載の発明は、光信号を送受信する光素子を備えるとともに、光導波路が形成された光導波路配線基板に装着されるマルチチップモジュールであって、前記光素子と光学的に接続されてなるとともに、実装時において、前記光導波路と交差するように前記光導波路配線基板に形成された挿入孔に挿入される光路変換部材が、前記マルチチップモジュールにおける前記光導波路基板に接続される側に突設されてなり、前記光路変換部材は、前記光導波路基板に設けられた挿入孔に挿入されることにより、前記光素子からの光を前記光導波路に導き、または前記光導波路を伝達してきた光を前記光素子に導く光路を形成することを特徴とするマルチチップモジュールに関する。
前記MCM(マルチチップモジュール)においては、光導波路配線基板に実装するときに、光導波路配線基板に形成された挿入孔に光路変換部材を挿入することにより、前記マルチチップモジュールにおける光素子と光導波路配線基板に形成された光導波路とを接続する光路が自動的に形成される。
したがって、前記MCMにおいては、実装時の位置合せが極めて容易になるので、自動実装にも容易に対応できる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のマルチチップモジュールにおいて、前記光路変換部材が、光反射性材料からなるブロック状部材の少なくとも1つの面に、前記光素子からの光を導く導光溝とその一端に形成された反射鏡とからなる光路を形成した光路変換ブロックであるものに関する。
前記MCMを光導波路配線基板に装着すると、前記MCMの有する光素子から出射された光は、前記光路変換ブロックにおける導光溝に導入され、前記導光溝の壁面で反射されつつ、前記光導波路配線基板における光導波路に導入される。
前記光路変換ブロックは、光ファイバー等と比較して容易にしかも安価に作製できるという特長がある。
前記光路変換ブロックにおいては、導光溝は、V字溝で光路変換部が45度であることが好ましい。光路変換部が45度のV字溝であれば、光素子と光導波路との間で効率的に光の授受を行なうことができる。
また、前記光路変換ブロックの材料としてはシリコンが好ましい。材料がシリコンであれば、従来から用いられているICやLSIの製造設備や製造プロセスを容易に転用することができる。
更に、前記光路変換ブロックの導光溝にポリシランなどの光導波路材料を充填すれば、前記導波溝から外部に漏洩する光を少なくできるから好ましい、更に、前記光導波路材料の層にコア層、および前記コア層を包囲するとともに屈折率の異なるクラッド層を形成すれば、前記導波溝から外部に漏洩する光を殆ど皆無にできる。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のマルチチップモジュールにおいて、前記光路変換ブロックに、前記導光溝と反射鏡とからなる光路が少なくとも2以上の面に形成されてなるマルチチップモジュールに関する。
前記マルチチップモジュールによれば、一度に複数の光信号を送出したり、一の方向からの光信号を受信しつつ、他の方向に光信号を送出したり、一度に複数の方向からの光信号を受信したりすることが可能になる。
請求項4に記載の発明は、光信号を送受信する光素子を備えるとともに、光導波路が形成された光導波路配線基板に装着される光マルチチップモジュールであって、前記光マルチチップモジュールにおいて実装時に前記光導波路基板に接続される側の面には、実装時において、前記光導波路と交差するように前記光導波路配線基板に形成された挿入孔に挿入される挿入ブロックが形成され、前記挿入ブロックの側面には、実装時において前記挿入孔における光導波路の端面に相対するように光素子が装着されてなることを特徴とするマルチチップモジュールに関する。
請求項1に記載のMCMと同様に、前記MCMにおいても、光導波路配線基板に実装するときに、光導波路配線基板に形成された挿入孔に光路変換部材を挿入することにより、前記マルチチップモジュールにおける光素子と光導波路配線基板に形成された光導波路とが自動的に接続されるから、実装時の位置合せが極めて容易である。
また、MCMの光素子と光導波路基板の光導波路との間においては、光路変換部材を介さずに直接に光を授受するから、更に効率的に光の授受を行なえる。
請求項5に記載の発明は、複数のチップが積層されてなるマルチチップモジュールであって、前記チップの間には放熱板が挟設され、前記放熱板は前記マルチチップモジュールの外側に突出してなることを特徴とするマルチチップモジュールに関する。
前記MCMにおいては、チップで発生した熱は、放熱板に伝達され、放熱板における両端部から外界に発散されるから、効率的に除去される。
また、チップの集積度が特に高く、MCMの発熱量が大きな場合においても、放熱板におけるMCMの外側に突出した部分を適宜の方法で冷却すれば、MCMからの発熱は効果的に除去できる。
前記MCMにおいては、前記チップと前記放熱板の中央部とをパッケージに封入し、前記放熱板の両端を前記パッケージから突出させれば、チップが外部環境から保護される上に、各チップで生じた熱がパッケージ内に篭ることがないから好ましい。
また、前記放熱板の両端を、前記MCMにおける基板に実装される側の面とは反対側の面に向って屈曲し、所謂フィン状に形成すれば、少ない実装面積において放熱板の面積をより大きくすることができるから、MCMの発熱をより効果的に除去でき、高密度実装用のMCMとして好適である。
更に、前記放熱板の先端はヒートシンクに接続すれは、放熱板だけでは間に合わないほどにMCMの発熱が大きな場合においてもMCMを安定に作動させるのに充分な程度まで冷却できる。
加えて、、前記マルチチップモジュールを基板に実装したときに、前記MCMを構成するチップが前記放熱板を介して前記基板における電気配線に接続されるようにすれば、放熱板も単なる放熱部材としてだけでなく、配線部材としても機能する。したがって、MCMにおける電気配線を大幅に簡略化できるから好ましい。
前記放熱板は、1枚の板状の部材であってもよいが、複数枚のストリップ状部材を用い、前記ストリップ状部材を、隣接する2層のチップの間に、一定間隔で配設するか、または井桁状に配設すれば、MCM内の熱は、短時間で放熱板の両端まで伝達され、高い冷却効率が得られるから好ましい。特にストリップ状の放熱板を井桁嬢に配設すれば、放熱効率が高い。
請求項6に記載の発明は、光信号を送受信する光素子を備えるマルチチップモジュールを、光導波路が形成された光導波路配線基板に実装するマルチチップモジュール実装方法であって、前記光導波路と交差するように前記光導波路配線基板に挿入孔を穿設し、光路を所定の方向に屈曲させる光路変換部材の一端を、前記マルチチップモジュールの光素子に接続して他端を前記光導波路配線基板の挿入孔に挿入し、前記光素子からの光を前記光導波路に導き、または前記光導波路を伝達してきた光を前記光素子に導く光路を形成することを特徴とするマルチチップモジュール実装方法に関する。
請求項1のところで説明したように、前記MCM実装方法によれば、光導波路配線基板に実装するときに、光導波路配線基板に形成された挿入孔に光路変換部材を挿入することにより、前記マルチチップモジュールにおける光素子と光導波路配線基板に形成された光導波路とが自動的に接続されるから、実装時のMCMと光導波路配線基板との間の位置合せが極めて容易である。
以上説明したように本発明によれば、光導波路配線基板に対して位置合せの容易なマルチチップモジュール、および前記マルチチップモジュールを用いた実装方法が提供される。
1.実施形態1
本発明に係るMCMの一例について、以下に説明する。
実施形態1に係るMCM100は、チップ4と、チップ4に積層されたチップ2と、チップ4の下面に電気的に接続された発光素子8と、一端が発光素子8に光学的に接続されているとともに、他端が基板200に穿設された挿入孔210に挿入される光路変換ブロック6とを備える。発光素子8は、本発明における光素子に相当し、光路変換ブロック6は、本発明における光路変換部材に相当する。
チップ2、チップ4、および発光素子8は、パッケージ10に収容されている。
基板200は、内部に埋設された光導波路202と、表面に形成された電気配線204とを有している。挿入孔210は、光導波路202に達する深さに形成されている。MCM100のチップ4は、下面に設けられた半田ボール12によって基板200における電気配線204に電気的に接続される。
光路変換ブロック6は、図2において(A)に示すように、シリコン等の光反射性材料からなるブロック6Cの表面に、二等辺直角三角状の断面を有する導光溝6Aを複数列、たとえば4列形成したものを挙げることができる。各導光溝6Aの一端には、導光溝6Aに沿って進んだ光を直角に反射させる反射鏡6Bが形成されている。
光路変換ブロック6は、図2において(B)に示すような手順によって作製できる。
先ず、シリコン基板を異方性エッチングして導光溝6Aをたとえば4列形成する。反射率を上げるために、導光溝6Aの両端に、蒸着などの手段により、反射鏡6Bを形成することもできる。なお、光路変換ブロック6を形成するのに使用される材料は、シリコンには限定されず、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料や、樹脂成形したものに金属蒸着したものを使用してもよい。。
そして、図2の(B)において二点鎖線で示すように、ブロック6Cを導光溝6Aに直交する方向に切断して2つに分ける。切断はブロック6Cを切り出した後に、個別に実施してもよいが、ブロック6Cを、切断と同時に2分割するようにダイシングソーで切断すると効率がよい。
導光溝6Aには、ポリシランのような透光性樹脂が充填されている。樹脂の充填は切断前に実施して基板を切断することで、一方の短面を形成する。
光路変換ブロック6は、図1に示すように、ブロック6Cを切断して形成された側の端部が発光素子8に光学的に接続されるように、MCM100の下面に装着され、図1の(A)において太矢印で示すように、反射鏡6Bが形成された側が挿入孔210に挿入される。そして、光路変換ブロック6が挿入孔210に挿入された状態においては、発光素子8から出射された光は、図10の(B)において矢印aで示すように、導光溝6Aを通って反射鏡6Bで反射されて基板200における光導波路202に導入される。
なお、光路変換ブロック6は、図3に示すように、導光溝6Aが設けられた側の面がMCM100の下面に当接するように装着することができる。この場合、発光素子8からの光が先ず最初に反射鏡6Bに当るように光路変換ブロック6の位置を設定すれば、発光素子8からの光を基板200における光導波路202に導入できる。
更に、図4に示すように、ブロック6Cの両面に導光溝6Aおよび反射鏡6Bを形成し、発光素子8からの光を、光導波路202に、矢印aおよび矢印bで示すように2方向に導入して伝送してもよい。図4に示すMCMにおいては、光路変換ブロック6の導光溝6Aが設けられた2つの面に対応して発光素子8が2列に設けられているが、発光素子8を1列に設け、夫々の発光素子8から光路変換ブロック6の夫々の面の導光溝6Aに光を導入するようにしてもよい。
2.実施形態2
本発明に係るMCMの別の例について、以下に説明する。
実施形態2に係るMCMを図5に示す。図5において(A)は、実施形態2に係るMCM102を基板200に装着するところを、(B)は、MCM102を基板200に装着したところを示す。なお、図5において図1と同一の符号は、前記符号が図1において示すのと同様の要素を示す。
図5から判るように、MCM102の下面には、中央部に挿入ブロック14が立設されている。挿入ブロック14の側面の先端寄りには、チップ2またはチップ4と電気的に接続された光素子16が固定されている。
図5において(B)に示すように、MCM102を基板200に実装すると、挿入ブロック14は、基板200における挿入孔210に挿入され、光素子16は、挿入孔210における光導波路202の端面に位置する。
したがって、光素子16から出射した光信号は、光導波路202中を伝送され、また光導波路202中を伝送されてきた光信号は、光素子16で受光される。
図6は、MCM102において、周縁部近傍に挿入ブロック14を複数立設した例である。図6に示す例においても、各挿入ブロック14の先端には光素子16が固定されている。なお、光素子16は、チップ2または4と電気的に接続されている。
図6に示すMCM102が装着される基板200には、夫々の挿入ブロック14に対応して挿入孔210が穿設されている。したがって、前記MCM102を基板200に装着すれば、挿入ブロック14は夫々対応する挿入孔210に挿入されるから、各挿入ブロック14に設けられた光素子16から基板200における光導波路202に光信号を伝送したり、光導波路202を伝送してきた光信号を光素子16で受信したりすることができる。
3.実施形態3
本発明に係るMCMの更に別の例を図7に示す。
図7に示すように、実施形態3に係るMCM104は、最下層のチップ22と、チップ22に積層されたチップ24と、チップ24に積層されたチップ26と、チップ22とチップ24との間、およびチップ24とチップ26との間に挿入された放熱板30とを備える。チップ22、チップ24、チップ26、および放熱板30は、パッケージ32で覆われて外界から保護されているが、放熱板30の両端部はパッケージ32の外側に突出している。MCM104を基板(図示せず。)に実装したときに、チップ22は半田ボール34によって基板と電気的に接続される。なお、チップ24およびチップ26は、図9に示すように、ボンデングワイヤ40によってチップ22と電気的に接続されている。
放熱板30は、アルミニウム、銅、および銅合金など、熱伝導性および電気伝導性の高い金属より形成することができる。
放熱板30は、図9において(A)に示すように、1枚の板状部材乃至シート状部材であってもよく、(B)および(C)に示すように、長さに対して幅の狭いシートであるスリット状部材であってもよい。
放熱板30としてスリット状部材を用いる場合には、図9において(B)に示すように互いに平行に配設してもよく、また(C)に示すように井桁状に配設してもよい。
MCM104は、チップ22にチップ24およびチップ26が積層されているから、発熱量が大きい。しかし、チップ22とチップ24とチップ26との間には夫々放熱板30が挿入され、放熱板30の両端は、パッケージ32の外側に突出しているから、各チップで生じた熱は、放熱板30で効果的に除去される。したがって、各チップで生じた熱がMCM104に篭ることはない。
なお、図8に示すように、放熱板30の両端を、MCM104における基板に載置される側とは反対側の面に向かって屈曲させてもよい。
また、MCM104における発熱が著しい場合には、図10に示すように放熱板30の先端にヒートシンク50を接触させてもよい。
更に、MCM104を図11に示すように、基板250に実装する場合に、基板250に設けられた電気配線252とチップ22、チップ24、チップ26とを放熱板30によって電気的に接続してもよい。
図1は、実施形態1に係るMCMを基板に装着しようとする状態および基板に装着した状態を示す概略断面図である。 図2は、実施形態1に係るMCMが備える光路変換ブロックを示す斜視図および前記光路変換ブロックを作製する手順を示す説明図である。 図3は、実施形態1に係るMCMの別の例を示す断面図である。 図4は、実施形態1に係るMCMの更に別の例を示す断面図である。 図5は、実施形態2に係るMCMを基板に装着しようとする状態および基板に装着した状態を示す概略断面図である。 図6は、実施形態2に係るMCMの別の例を示す概略断面図である。 図7は、実施形態3に係るMCMの構成を示す概略断面図である。 図8は、実施形態3に係るMCMの別の例を示す概略断面図である。 図9は、実施形態3に係るMCMに使用される放熱板の例を示す斜視図である。 図10は、実施形態3に係るMCMにおいて放熱板にヒートシンクを装着した例を示す概略断面図である。 図11は、実施形態3に係るMCMにおいて、放熱板を電気配線部材としても使用した例を示す概略断面図である。
符号の説明
2 チップ
4 チップ
6 光路変換ブロック
6A 導光溝
6B 反射鏡
6C ブロック
8 発光素子
10 パッケージ
12 半田ボール
14 挿入ブロック
16 光素子
22 チップ
24 チップ
26 チップ
30 放熱板
32 パッケージ
34 半田ボール
40 ボンデングワイヤ
50 ヒートシンク
200 基板
202 光導波路
204 電気配線
210 挿入孔
250 基板
252 電気配線

Claims (6)

  1. 光信号を送受信する光素子を備えるとともに、光導波路が形成された光導波路配線基板に実装されるマルチチップモジュールであって、
    前記光素子と光学的に接続されてなるとともに、実装時において、前記光導波路と交差するように前記光導波路配線基板に形成された挿入孔に挿入される光路変換部材が、前記マルチチップモジュールにおける前記光導波路配線基板に接続される側に突設されてなり、
    前記光路変換部材は、前記光導波路基板に設けられた挿入孔に挿入されることにより、前記光素子からの光を前記光導波路に導き、または前記光導波路を伝達してきた光を前記光素子に導く光路を形成することを特徴とするマルチチップモジュール。
  2. 前記光路変換部材は、光反射性材料からなるブロック状部材の少なくとも1つの面に、前記光素子からの光を導く導光溝とその一端に形成された反射鏡とからなる光路を形成した光路変換ブロックである請求項1に記載のマルチチップモジュール。
  3. 前記光路変換ブロックは、前記導光溝と反射鏡とからなる光路が少なくとも2以上の面に形成されてなる請求項2に記載のマルチチップモジュール。
  4. 光信号を送受信する光素子を備えるとともに、光導波路が形成された光導波路配線基板に装着される光マルチチップモジュールであって、
    前記光マルチチップモジュールにおいて実装時に前記光導波路基板に接続される側の面には、実装時において、前記光導波路と交差するように前記光導波路配線基板に形成された挿入孔に挿入される挿入ブロックが形成され、
    前記挿入ブロックの側面には、実装時において前記挿入孔における光導波路の端面に相対するように光素子が装着されてなることを特徴とするマルチチップモジュール。
  5. 複数のチップが積層されてなるマルチチップモジュールであって、
    前記チップの間には放熱板が挟設され、
    前記放熱板は前記マルチチップモジュールの外側に突出してなる
    ことを特徴とするマルチチップモジュール。
  6. 光信号を送受信する光素子を備えるマルチチップモジュールを、光導波路が形成された光導波路配線基板に実装するマルチチップモジュール実装方法であって、
    前記光導波路と交差するように前記光導波路配線基板に挿入孔を穿設し、
    光路を所定の方向に屈曲させる光路変換部材の一端を、前記マルチチップモジュールの光素子に接続して他端を前記光導波路配線基板の挿入孔に挿入し、前記光素子からの光を前記光導波路に導き、または前記光導波路を伝達してきた光を前記光素子に導く光路を形成することを特徴とするマルチチップモジュール実装方法。
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