JP2008203336A - 光電気複合基板およびその製造方法、並びに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡易なプロセスで光電気複合基板を作製できる光電気複合基板の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る光電気複合基板の製造方法は、基板２の内部に光導波路３及び電気配線４を備えた光電気複合基板１の製造方法であって、前記基板において前記光導波路及び前記電気配線を形成する領域を改質させる工程Ａと、前記改質された領域のうち、前記電気配線となる部分をエッチングにより除去する工程Ｂと、前記除去された部分に導電体６を充填して前記電気配線を形成する工程Ｃと、を少なくとも順に備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、信号処理の高速化、低消費電力化に向けた光電気複合配線や、電子デバイス、光学デバイス等を混載したＳｉＰ(システムインパッケージ)を可能にする光電気複合基板およびその製造方法、並びに電子機器に関する。

近年、電子機器の高速化、高機能化に伴い、それらに使われるＬＳＩにも更なる高速化、高機能化が要求されている。しかしながら、通常、ＬＳＩはパッケージされた後、実装基板に実装されて電子機器に搭載されるため、いくらＬＳＩ自身を高速化してもＬＳＩ間の伝送距離が長いと高速化が困難になってしまう。

この問題を解決する方法として、ＬＳＩ間を最短で接続する３次元実装技術や、従来の電気配線に代えて光信号を用いた「光インタコネクション」が提案され、活発に研究開発されている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１参照) 。例えば、非特許文献１では、図４に示すように実装基板５１内部に導波路５２及び電気回路５３を形成し、基板上に光電変換素子５４や電子デバイス５５を表面実装することで、光及び電気接続を行い、上記光インタコネクションを実現している。

上述した光インタコネクションに用いられる実装基板は、従来の電気配線に加え、新たに光配線の機能を取り込んだ光電気複合実装基板である。そのため、両方の配線を簡易にかつ安価に作製できる構造及びプロセスの開発がより重要となる。

また、近年の電子機器の高機能化に伴い、異なる電子デバイスを一つのパッケージ内でシステム化するＳｉＰ（システムインパッケージ）や、光デバイス、ＭＥＭＳデバイスなどを高密度に複合実装する機能キューブなどが提案されており、これらを実現するための高機能実装基板の開発が不可欠である。そのためには、上述した光電気複合実装基板のような高機能の実装基板の開発が重要になると考えられる。
特開平１１−２４８９５３号公報 特開２００４−１２６３５号公報 特開２００４−１７０７１６号公報 電子情報通信学会論文誌Ｃ，Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ｃ，Ｎｏ．９，ｐｐ．７１５−７２６，２００１．

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、より簡易なプロセスで光電気複合基板を作製できる光電気複合基板の製造方法を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、電気的な信頼性が高く、設計上の自由度にも優れ、高密度な実装をも可能とする光電気複合基板を提供することを第二の目的とする。
また、本発明は、高速化および高機能化を図ることが可能な電子機器を提供することを第三の目的とする。

本発明の請求項１に記載の光電気複合基板の製造方法は、基板の内部に光導波路及び電気配線を備えた光電気複合基板の製造方法であって、前記基板において前記光導波路及び前記電気配線を形成する領域を改質させる工程Ａと、前記改質された領域のうち、前記電気配線となる部分をエッチングにより除去する工程Ｂと、前記除去された部分に導電体を充填して前記電気配線を形成する工程Ｃと、を少なくとも順に備えることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の光電気複合基板の製造方法は、請求項１において、前記工程Ｂの前に、前記基板において前記光導波路となる部分に保護層を形成する工程Ｄを、さらに備えることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の光電気複合基板は、基板の内部に光導波路及び電気配線を備えた光電気複合基板であって、前記電気配線は、前記基板に設けられた微細孔と、該微細孔内部に充填された導電体と、からなることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の光電気複合基板は、請求項３において、前記光導波路及び前記電気配線は、互いに干渉しない位置に配されていることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の光電気複合基板は、請求項３において、前記電気配線は、前記基板内部において分岐していることを特徴とする。
本発明の請求項６に記載の光電気複合基板は、請求項３において、前記電気配線の一端部は、基板の側面に露呈されていることを特徴とする。
本発明の請求項７に記載の電子機器は、光電気複合基板を少なくとも備えた電子機器であって、前記光電気複合基板は、基板の内部に光導波路及び電気配線を備え、前記電気配線は、前記基板に設けられた微細孔と、該微細孔内部に充填された導電体と、からなることを特徴とする。

本発明では、基板において前記光導波路及び前記電気配線を形成する領域を同時に改質しておき、その後、電気配線となる部分のみエッチングし、導電体を充填することで電気配線を形成する。そのため、光配線と電気配線の作製工程の一部を同時に行うことができる。これにより、本発明では、工数を大幅に削減し、より簡易なプロセスで光電気複合基板を製造することが可能な光電気複合基板の製造方法を提供することができる。
また、本発明では、基板の内部に光導波路及び電気配線を備えた光電気複合基板において、前記電気配線を、前記基板に設けられた微細孔と、該微細孔内部に充填された導電体と、から構成することで、電気的な信頼性が高く、設計上の自由度にも優れたものとなる。これにより、三次元実装やＳｉＰにおいて、より高機能、高密度なパッケージをもたらし、ひいてはデバイスの高速化、高機能化に貢献することが可能な光電気複合基板を提供することができる。
さらに、本発明では、ＳｉＰ等においてより高機能、高密度なパッケージを実現することが可能な、上述した構成の光電気複合基板を備えているので、高速化、高機能化に貢献することが可能な電子機器を提供することができる。

以下、本発明に係る光電気複合基板の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る光電気複合基板の一例を示す断面図である。
本発明の光電気複合基板１は、基板２の内部に光導波路３及び電気配線４を備えた光電気複合基板１であって、前記電気配線４は、前記基板２に設けられた微細孔５と、該微細孔５内部に充填された導電体６と、からなることを特徴とする。

本発明の光電気複合基板１では、電気配線４を、基板２に設けられた微細孔５と、該微細孔５内部に充填された導電体６と、から構成することで、電気的な信頼性が高く、設計上の自由度にも優れたものとなる。これにより、三次元実装やＳｉＰにおいて、より高機能、高密度なパッケージをもたらし、ひいてはデバイスの高速化、高機能化に貢献することが可能となる。

また、光導波路３及び電気配線４は、互いに干渉しない位置に配されていることが好ましい。これにより、光配線及び電気配線４をそれぞれ独立して形成することが可能となる。ここで、「互いに干渉しない位置」とは、例えば、少なくとも物理的に重ならない位置など、が挙げられる。ただし、両者が物理的に重ならなくても、貫通配線を通す信号が、光配線を電磁気的に干渉するような位置も、本発明における「互いに干渉しない位置」に含まれる。

なお、本実施形態において、電気配線４の形状は、種々の形態をとることができる。
例えば図１に示すように、電気配線４Ａの一端４Ａαが基板２の一面２ａ（紙面の上側）に、電気配線４の他端４Ａβが基板２の他面２ｂ（紙面の上側）に、それぞれ露呈されてなる構成とすることができる。
例えば電気配線４Ａが直線状をなし、電気配線４Ａ自体が基板２の厚み方向（紙面の上下方向）に延びている例が挙げられる。

具体的には後述するように、本発明の製造方法によれば、電気配線４Ａをなす改質部２２ｂを基板２の表裏を貫通するようにして電気配線４Ａを形成するため、いわゆる貫通電極を形成することができる。
図１に示した構成例とするためには、基板２をなす一面２ａと他面２ｂとを結ぶように、直線部からなる微細孔５Ａを設け、この微細孔５に導電体６を充填し、電気配線４Ａを形成すればよい。

また、電気配線４は、基板２内部において分岐していてもよい。これにより、より自由度の高い電気配線を形成することができる。
図１に示すように、例えば電気配線４Ｂが複数の直線部と分岐部との組み合わせからなり、少なくとも１つの直線部が基板２の厚み方向とは異なる方向に延びている例が挙げられる。分岐部から延びる電気配線４Ｂの端部４Ｂβ、４Ｂγがそれぞれ基板２の一面２ａと他面２ｂに露呈している。
図の構成例では、１つの分岐部から直線部が個々に一面２ａ又は他面２ｂに延びている。

電気配線４Ｂは、少なくとも一部に、基板２の厚み方向とは異なる方向に延びる部分を有するので、電気配線４Ｂはその一端４Ｂαを基板２の一面２ａに、他端４Ｂβ、４Ｂγを基板２の他面２ｂに、それぞれ露呈させる構成とすることができる。これにより、電気配線４を通じて基板２を構成する、あらゆる面同士の間を電気的に接続可能となる。

具体的には後述するように、本発明の製造方法によれば、電気配線４Ｂをなす改質部２２ｂの一部を基板内部で分岐するように形成できるため、より自由度の高い電気配線４Ｂを形成することができる。
図に示した構成例とするためには、基板２をなす一面２ａと他面２ｂとを結ぶように、複数の直線部と分岐部とを組み合わせてなる微細孔５Ｂを設け、この微細孔５に導電体６を充填し、電気配線４Ｂを形成すればよい。

また、電気配線４Ｃの一端部は、基板２の側面２ｃに露呈されていてもよい。これにより、より自由度の高い電気配線４を形成することができる。
例えば図１に示すように、電気配線４Ｃの一端４Ｃαが基板２の主面２ａに、電気配線４Ｃの他端４Ｃβが基板２の側面２ｃに、それぞれ露呈されてなる構成とすることができる。
電気配線４Ｃをなす２つの直線部が屈曲部において接続されており、一方の直線部は基板２の厚み方向に延びて主面２ａに露呈する一端４Ｃαを、他方の直線部は基板２の厚み方向と垂直をなす方向に延びて側面２ｃに露呈する他端４Ｃβを有する。

電気配線４Ｃは、少なくとも一部に、基板２の厚み方向と垂直をなす方向に延びる部分を有するので、電気配線４Ｃはその一端４Ｃαを基板２の一面２ａに、他端４Ｃβを側面２ｃに、それぞれ露呈させる構成とすることができる。これにより、電気配線４Ｃを通じて基板２を構成する、あらゆる面同士の間を電気的に接続可能となる。

具体的には後述するように、本発明の製造方法によれば、電気配線４Ｃをなす改質部２２ｂの一部を基板２内部で屈曲するように形成できるため、より自由度の高い電気配線４Ｃを形成することができる。
図に示した構成例とするためには、基板２をなす一面２ａ又は他面２ｂと、側面２ｃとを結ぶように、直線部をなす微細孔５Ｃを設け、この微細孔５に導電体６を充填し、電気配線４を形成すればよい。
なお、上記各形態の説明において直線部と表現した電気配線４の箇所は、これ（直線状）に限定されるものではなく、例えば曲線状や屈曲状としても構わない。

次に、このような光電気複合基板１の製造方法について説明する。
本発明の光電気複合基板１の製造方法は、基板２の内部に光導波路３及び電気配線４を備えた光電気複合基板１の製造方法であって、基板２において光導波路３及び電気配線４を形成する領域を改質させる工程Ａと、前記改質された領域のうち、電気配線４となる部分をエッチングにより除去する工程Ｂと、前記除去された部分に導電体６を充填して電気配線４を形成する工程Ｃと、を少なくとも順に備えることを特徴とする。

本発明では、基板２において光導波路３及び電気配線４を形成する領域を同時に改質しておき、その後、電気配線４となる部分のみエッチングし、導電体６を充填することで電気配線４を形成する。そのため、光配線と電気配線４の作製工程の一部を同時に行うことができる。これにより、本発明では、工数を大幅に削減し、コストの増加を招くこと無く、より簡易なプロセスで光電気複合基板１を大量にかつ安価に提供することが可能となる。

以下、各工程について図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明の光電気複合実装基板の製造方法を工程順に示した断面複式図である。
まず、基板２において光導波路３及び電気配線４を形成する領域を改質させる（工程Ａ）。
図２（ａ）に示すように、基板２の内部において光配線及び電気配線４を形成する箇所をレーザーにより改質する。

本実施形態では、基板２として厚さが５００μｍのガラス（石英）基板を用いた。なお、前記基板２は、石英基板に限定されるものではなく、例えばサファイヤなどの絶縁基板や、アルカリ成分等を含んだ他の多成分ガラス基板を用いることができ、その厚さも１５０μｍ〜１ｍｍ程度まで適宜設定できる。
前記基板２において少なくとも微細孔５を形成したい箇所にレーザー光を照射して基板２内に改質部２２を形成する。

本実施形態においては、レーザー光の光源としてとしてフェムト秒レーザー２０を用い、基板２内部に焦点２１を結ぶようにレーザービームを集光照射して、例えば径が数μｍ〜数十μｍの改質部２２を形成する。この際、焦点２１と基板２の位置を制御することにより、図に例示するように様々な形状の改質部２２を形成することができる。

このとき、改質部２２において、光導波路３となる部分（２２ａ）と、電気配線４となる部分（２２ｂ）とは、互いに干渉しない位置に形成することが好ましい。これにより、光配線及び電気配線４をそれぞれ独立して形成することが可能となる。

また、当該改質部２２の屈折率を、基板２（例えば、ここでは石英）の屈折率よりも高くなるように形成しておくことが好ましい。これにより、当該改質部２２（２２ａ）を、そのまま光配線における光導波路３として使用することが可能となる。

本実施形態においては、光配線をなす改質部２２ａの径を１０μｍ、電気配線４をなす改質部２２ｂの径を３０μｍとした。しかしながら、これに限定されず、光配線をなす改質部２２ａの径は、実装する光デバイスや伝送させる光信号に応じて数μｍから数十μｍ程度まで適宜設定することができる。また、同様に電気配線４をなす改質部２２ｂの径も、伝送させる電気信号の周波数や伝送させる距離に応じて数μｍから数百μｍ程度まで適宜設定することができる。

次に、前記改質された領域のうち、電気配線４となる部分をエッチングにより除去する（工程Ｂ）。
図２（ｂ）に示すように、所定の薬液２３中に、改質部２２を形成した基板２を浸漬する。これにより、改質部２２（２２ｂ）は薬液２３によりウェットエッチングされ、基板２内から除去される。本エッチングにおいては、改質部２２が改質されていない部分に比べて非常に早くエッチングされるために、結果として改質部２２に起因した形状の微細孔５を形成することができる。

本実施形態では、薬液２３としてフッ酸を主成分とする酸溶液を用いた。なお、薬液２３はフッ酸に限定されず、例えばフッ酸に硝酸等を適量添加したフッ硝酸系の混酸等を用いることができる。
なお、レーザーにより石英基板２の一部を改質した後、改質した部分をエッチングにより除去する微細孔５の形成方法については、例えば非特許文献「機能材料」２００３年２月号、ｐ．４４〜５１などで開示されている。

このようにして形成される微細孔５の形状は特に限定されるものではなく、表裏を貫通するもの（図中５Ａ）や内部で分岐しているもの（図中５Ｂ）、一方が基板２側面に開口しているもの（図中５Ｃ）など、適宜設定することができ、いわゆる貫通電極を含んだより自由度の高い電気配線４を形成することができる。基板２を貫通するもの、非貫通のものどちらでも良い。

なお、前記工程Ｂに先立って、基板２において光導波路３となる部分に保護層を形成しておく（工程Ｄ）ことが好ましい。
図２（ｂ）に示すように、改質部２２のうち光導波路３となる部分（２２ａ）に、その表面をレジスト２４などにより保護しておくことで、薬液２３にさらされるのを防ぎ、結果としてエッチングを防止することができる。本実施形態では、レジスト２４として当該溶液に耐性のある金属薄膜を用いたが、金属薄膜に限定されず、当該薬液に耐性があれば樹脂レジストや無機系の材料の薄膜などを用いることができる。

次に、前記除去された部分に導電体６を充填して電気配線４を形成する（工程Ｃ）。
図２（ｃ）に示すように、微細孔５の内部に導電体６を充填することで、電気配線４を形成することができる。本実施形態では、導電体６として金錫（Ａｕ−Ｓｎ）を用い、溶融金属充填法により微細孔５内部に充填した。

溶融金属充填法は、圧力差を用いて微細孔内部に溶融した金属を流しこむものであり、複雑な形状をした微細孔内部にも気密性良く短時間で充填できる方法である。なお、本実施形態においては、充填金属として金錫（Ａｕ−Ｓｎ）を用いたが、本発明はこれに限定されず、異なる組成を有する金錫合金や、錫（Ｓｎ）、インジウム（ｌｎ）などの金属、また、錫鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）系、錫（Ｓｎ）基、鉛（Ｐｂ）基、金（Ａｕ）基、インジウム（ｌｎ）基、アルミニウム（Ａｌ）基などのはんだを使用することができる。

また、充填方法も溶融金属吸引法を用いたが、本発明はこれに限定されず、めっき法による金属充填や印刷法による導電性ペーストの充填、またＣＶＤ等によるカーボンナノチューブの充填を利用することができる。

なお、導電体６は、微細孔５内部に完全に充填されていなくとも良いが、ＭＥＭＳデバイスなどのパッケージには気密性を要求するものが少なくないため、好ましくは微細孔５内部に完全に充填されていることが望ましい。これにより、基板表裏の気密性を確保することができる。

以上のようにして、簡易なプロセスで光電気複合基板１を製造することができる。
このようにして得られる光電気複合基板１は、電気配線４が、基板２に設けられた微細孔５と、該微細孔５内部に充填された導電体６と、から構成されているので、電気的な信頼性が高く、設計上の自由度にも優れたものとなる。これにより、三次元実装やＳｉＰにおいて、より高機能、高密度なパッケージをもたらし、ひいてはデバイスの高速化、高機能化に貢献することが可能なものとなる。

また、上述したような光電気複合基板１を用いて、光インタコネクションや高機能ＳｉＰ、機能キューブなどの電子機器を実現することができる。
本発明の電子機器は、光電気複合基板１を少なくとも備えた電子機器であって、前記光電気複合基板１は、基板２の内部に光導波路３及び電気配線４を備え、前記電気配線４は、前記基板２に設けられた微細孔５と、該微細孔５内部に充填された導電体６と、からなることを特徴とする。

図３は、前記光電気複合基板１を用いた電子機器３０の一例を示す断面図である。光電気複合基板１の表面には複数の光デバイス群３１や電子デバイス群３２が三次元的に複合実装されている。また、貫通電極３３を介して、ＭＥＭＳデバイス３４などを気密実装することもでき、全体として非常に高機能なシステムを構築することができる。

このように、本発明の電子機器３０は、ＳｉＰ等においてより高機能、高密度なパッケージを実現することが可能な、上述した構成の光電気複合基板１を備えているので、高速化、高機能化に貢献することが可能となる。

以上、本発明の光電気複合基板およびその製造方法、並びに電子機器について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

本発明は、基板の内部に光導波路及び電気配線を備えた光電気複合基板及びその製造方法、並びに電子機器に広く適用可能である。

本発明に係る光電気複合基板の一例を示す断面図である。 本発明に係る光電気複合基板の製造方法の工程を示す断面図である。 本発明に係る電子装置の一例を示す断面図である。 従来の光電気複合基板の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 光電気複合基板、２ 基板、３ 光導波路、４ 電気配線、５ 微細孔、６ 導電体、２０ フェムト秒レーザー、２１ 焦点、２２ 改質部、２３ 薬液、２４ レジスト、３０ 電子機器、３１ 光デバイス群、３２ 電子デバイス群、３３ 貫通電極、３４ ＭＥＭＳデバイス。

Claims (7)

1. 基板の内部に光導波路及び電気配線を備えた光電気複合基板の製造方法であって、
   前記基板において前記光導波路及び前記電気配線を形成する領域を改質させる工程Ａと、
   前記改質された領域のうち、前記電気配線となる部分をエッチングにより除去する工程Ｂと、
   前記除去された部分に導電体を充填して前記電気配線を形成する工程Ｃと、を少なくとも順に備えることを特徴とする光電気複合基板の製造方法。
2. 前記工程Ｂの前に、前記基板において前記光導波路となる部分に保護層を形成する工程Ｄを、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光電気複合基板の製造方法。
3. 基板の内部に光導波路及び電気配線を備えた光電気複合基板であって、
   前記電気配線は、前記基板に設けられた微細孔と、該微細孔内部に充填された導電体と、からなることを特徴とする光電気複合基板。
4. 前記光導波路及び前記電気配線は、互いに干渉しない位置に配されていることを特徴とする請求項３に記載の光電気複合基板。
5. 前記電気配線は、前記基板内部において分岐していることを特徴とする請求項３に記載の光電気複合基板。
6. 前記電気配線の一端部は、基板の側面に露呈されていることを特徴とする請求項３に記載の光電気複合基板。
7. 光電気複合基板を少なくとも備えた電子機器であって、
   前記光電気複合基板は、基板の内部に光導波路及び電気配線を備え、前記電気配線は、前記基板に設けられた微細孔と、該微細孔内部に充填された導電体と、からなることを特徴とする電子機器。

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