JP2009265164A - フレキシブル光配線及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的な信頼性を向上させたフレキシブル光配線を提供する。
【解決手段】コア２とクラッド３からなる光導波路の層４を含む複数の層を有するフレキシブル光配線１において、上記コア２が曲げによる伸び縮みのない中立面Ｎを含むよう配置されるか又は上記コア２が上記中立面Ｎを含まない場合は、上記コア２の上記中立面Ｎに近い面と上記中立面Ｎとの距離Δｙが最外層の表面の許容曲率半径Ｒの０．０３倍以下となるよう配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械的な信頼性を向上させたフレキシブル光配線及びその製造方法に関する。

パソコン、携帯電話、テレビなどの電子機器において、画像などの大容量のデータを扱うサービスやアプリケーションの拡大に伴い、高速・大容量な信号伝送技術の開発が活発に進められている。上記に挙げられるような機器間、機器内、または機器内における電子基板間、電子基板内において、高速・大容量の信号伝送を可能とする光インターコネクションの開発が注目されている。

従来より、上記基板間の信号伝送路の接続には電気配線が用いられている。特に機器内、電子基板間においてフレキシブル性を求められる部位には、多芯でフレキシブルなＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）や細径の同軸ケーブルを用いた電気配線が検討されている。

しかし、電気配線による信号伝送は、信号の高速化に伴ってクロストーク、電磁輻射、帯域の制限、高周波化による損失などの問題が表れる。電気配線では、伝送速度は１チャンネルあたり数Ｇｂｐｓ程度が限界であり、今後の高速化には、芯線数の増加や波形補正機能を持つ素子を用いる必要がある。芯線数を増加した場合、配線コストが高くなるばかりでなく、配線の体積も増加し、配線スペースの点で問題となる。また、信号伝送の高速化を行うには、伝送路の終端付近に伝送での遅延等により生じた波形の乱れを補正する波形補正機能をもった補正回路が必要となり、これを新たに実装する場合には、補正回路のコストと合わせて実装コストが新たに加わり、コスト高となる問題がある。さらに、電気配線においては伝送路がアンテナの役割を果たし、伝送路からの電磁波の放射や、外部の電磁波により信号にノイズが発生するなどの問題がある。

電気信号に代わって、光を伝送媒体とした光インターコネクションにより、クロストーク、電磁輻射等の問題なく電気信号では実現できない数Ｇｂｐｓ以上の高速伝送が可能となる。電気配線より高速伝送が可能な光配線は、主に長距離情報伝送で用いられており、例えば、大陸間や大都市間を結ぶネットワークでは、光パルス間の遅延の少ないシングルモード伝送により行われている。より伝送距離の短いＬＡＮ（Loca1 Area Network）や、機器間においては、コア径が大きいため機器間の光接続が容易なマルチモード伝送にて信号伝送が行われている。これらは、光ファイバを用いて伝送されており、それぞれの伝送モードに対応したシングルモードファイバやマルチモードファイバが利用されている。

一方、機器内や電子基板間、電子基板内においては、光導波路を用いた光伝送が検討されている。これらの光伝送のために、主にポリマから作製されるマルチモード光導波路が数多く開発されている。これらの光導波路には、電気信号と光信号を変換する素子が搭載され、電気信号は光信号に変換されて光導波路に入り、光導波路を伝送した光信号は再び電気信号に変換される。電気信号を光信号に変換するためには発光素子と発光素子を駆動させるためのドライバが使用され、光信号を電気信号に変換するためには、受光素子と受光した信号を増幅処理するためのアンプが使用される。

これら受発光素子やドライバ、アンプは光配線に表面実装され、発光素子からの光の出射される方向と光導波路の長手方向（光導波路内を伝播する光の方向）は垂直な配置にある。また、光導波路の長手方向と光導波路から出射され受光素子に入射する光の方向は垂直な配置にある。従って、発光素子から光導波路への入射部と光導波路から受光素子への出射部には、光路の向きを９０゜変換する光路変換部が必要となる。光路変換部には、光導波路コアの入射部と出射部に４５゜の角度を設けるように加工し、この４５゜の面をミラー面として光を９０゜の角度で反射させる技術が利用されている。

可動部を有する機器内や基板間を光配線にて信号伝送する際には、光配線が屈曲や変形に耐える必要があり、フレキシブルな光配線の開発が活発に行われている。携帯電話やパソコンのヒンジ部、可動機械等の信号伝送を行うために、主にポリマ導波路を用いた開発が行われている。

特開２００６−３２３３１６号公報 特開２００６−３３９１７３号公報

ポリマ導波路を用いたフレキシブル光配線で可動部を有する機器内や基板間を信号伝送する際には、フレキシブル光配線は繰り返し屈曲や変形に耐える必要がある。そこで、ポリイミドやノルボルネンなどの屈曲特性に優れたポリマを用いたフレキシブル光配線が開発されている（特許文献１）。

フレキシブル光配線は、光導波路単独の配線として用いられる場合と、電気配線や他の部材と積層されて用いられる場合がある。他の部材と積層されて用いられる場合においては、光導波路の他に電力や電気信号を伝送するための金属配線やこの金属配線を作製するための基材フィルム、また、フレキシブル光配線の強度を向上させるためや磨耗、傷による損傷を防ぐための補強板などが用いられる。

フレキシブル光配線が厚み方向の中心面に対して対称な構成となっていない場合には、これら様々な部材は様々な材料から構成され、弾性係数や厚みが異なっているため、曲げによる伸び縮みのない中立面は厚さ方向の中心位置からずれることになる。フレキシブル光配線が曲げられた場合に曲げの外側部分（中立面より外側部分）には引張応力が加わって材料は伸び、曲げの内側部分（中立面より内側部分）には圧縮応力が加わって材料は縮むことになる。この伸びや縮みのひずみのない部分が中立面である。

ポリマ導波路はコアの屈折率をクラッドより大きくするために、通常、ベンゼン環など剛直な構造が導入される。そのためコアはクラッドに比べて弾性係数が大きくなり、クラッドと比較して硬く脆い材料となる。繰り返し屈曲性には弾性係数の大きい材料は不利であり、加わる引張応力や圧縮応力は極力小さい方が好ましい。従って、弾性係数の大きいコアはフレキシブル光配線の中立面やその近傍に位置していることが必要である。

フレキシブル光配線に加わる引張応力や圧縮応力を小さくするには、全体の厚さを小さくする方法がある。しかし、先に挙げた金属配線や補強板等の付与が必要な場合には、厚さの下限には制限がある（特許文献２）。

機器内や基板間の可動部に使用するフレキシブル光配線は、繰り返し屈曲特性に優れていなければならず、フレキシブル光配線中で特に屈曲特性に劣るコア部分に破断などの不具合が起こりやすい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、機械的な信頼性（屈曲特性）を向上させたフレキシブル光配線及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のフレキシブル光配線は、コアとクラッドからなる光導波路の層を含む複数の層を有するフレキシブル光配線において、上記コアが曲げによる伸び縮みのない中立面を含むよう配置されるか又は上記コアが上記中立面を含まない場合は、上記コアの上記中立面に近い面と上記中立面との距離Δｙが上記フレキシブル光配線を曲げた際の該フレキシブル光配線の内側最表面の曲率半径Ｒの０．０３倍以下となるよう配置されたものである。

また、本発明のフレキシブル光配線は、コアとクラッドからなる光導波路の層を含む複数の層を有するフレキシブル光配線において、該フレキシブル光配線の最表面からｉ番目（ｉは自然数）の層における弾性係数Ｅｉ、該層の厚さｔｉ、該層の厚さ方向中心から上記最表面までの距離ｙｉの時、上記コアが上記最表面から式（１）

で定義される距離ｙｎにある中立面を含むよう配置されるか又は上記コアが上記中立面を含まない場合は、上記コアの上記中立面に近い面と上記中立面との距離Δｙが上記フレキシブル光配線を曲げた際の該フレキシブル光配線の内側最表面の曲率半径Ｒの０．０３倍以下となるよう配置されたものである。

上記複数の層中に電気配線層を含んでもよい。

上記光導波路がポリマ導波路又は光ファイバであってもよい。

また、本発明のフレキシブル光配線の製造方法は、コアとクラッドからなる光導波路の層を含む複数の層を有するフレキシブル光配線の製造方法において、上記フレキシブル光配線を構成する各層の弾性係数と各層の厚さとを用いて上記フレキシブル光配線の最表面から中立面までの距離ｙｎを算出し、該距離ｙｎより上記フレキシブル光配線内に形成される上記中立面の位置を算出し、上記コアが上記中立面を含むか又は上記コアの上記中立面に近い面と上記中立面との距離Δｙが上記フレキシブル光配線を曲げた際の該フレキシブル光配線の内側最表面の曲率半径Ｒの０．０３倍以下となるように上記各層の弾性係数と上記各層の厚さとにより上記フレキシブル光配線内に形成される上記中立面の位置を制御するものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）機械的な信頼性（屈曲特性）を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、本発明に係るフレキシブル光配線１は、コア２とクラッド３からなる光導波路の層４を含む複数の層を有するフレキシブル光配線１において、上記コア２が曲げによる伸び縮みのない中立面Ｎを含むよう配置されたものである。

また、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、本発明に係るフレキシブル光配線１１は、コア２とクラッド３からなる光導波路の層４を含む複数の層を有するフレキシブル光配線１１において、コア２が中立面Ｎを含まないように各層が配置されたものである。このフレキシブル光配線１１は、最表面Ｓが内側となるように、中心点Ｏを中心とする曲率半径Ｒ（μｍ）の曲率で曲げられている。また、中立面Ｎは、内側最表面Ｓ側のクラッド３内に位置している。

このようにコア２が中立面Ｎを含まない場合は、コア２の中立面Ｎに近い面と中立面Ｎとの距離Δｙ（μｍ）が曲率半径Ｒの０．０３倍以下となるようにフレキシブル光配線１１が形成されている。なお、フレキシブル光配線１，１１を形成する各層の配置方法については、後述する。

本実施形態では、フレキシブル光配線１は、銅配線層５、ポリイミド等からなる銅配線用基材フィルム６、クラッド３、コア２、クラッド３、ポリイミド等からなるカバーフィルム７の６層からなる。

図１に示す実施形態では、図示のように、コア２は該コアの厚み方向両面の間に、中立面Ｎを含むように配置されている。

また、図２に示されるように、コア２が中立面Ｎを含まない場合は、コア２の中立面Ｎに近い面と中立面Ｎとの距離をΔｙ（μｍ）とし、曲げられた際の内側最表面Ｓの曲率半径をＲ（μｍ）としたとき、
Δｙ≦０．０３×Ｒ （２）
となるようコアが配置される。この式（２）の理由については後述する。

コア２の配置を、コア２が中立面Ｎを含むようにするか、あるいはコア２と中立面Ｎとの距離Δｙを曲率半径Ｒとの関係で規定する理由を以下に説明する。

フレキシブル光配線１，１１が屈曲などの動作をする際には、フレキシブル光配線１，１１に引張応力と圧縮応力が加わる。この応力が繰り返し加わると、疲労によりフレキシブル光配線１，１１の機械的に弱い部分から破断などの不具合を生じることになる。屈曲された際にフレキシブル光配線１，１１の曲げの外側最表面に最も大きい引張応力が加わり、表面から内部に進むにつれて応力は減少し、やがて圧縮応力に変わる。この引張応力から圧縮応力に変わる部分が中立面Ｎである。さらに曲げの内側にいくと、曲げの最内側部分にあたる内側最表面Ｓにおいて圧縮応力が最も大きくなる。

本発明のフレキシブル光配線１，１１は、中立面Ｎ又はその近傍にコア２を配置したものである。ここで、中立面Ｎにコア２を配置するとは、コア２が中立面Ｎを含むよう配置することを意味し、中立面Ｎの近傍にコア２を配置するとは、コア２が中立面Ｎを含まない場合であって、コア２の中立面Ｎに近い面と中立面Ｎとの距離Δｙが内側最表面Ｓの曲率半径Ｒの０．０３倍以下となるよう配置することを意味する。

一般に、フレキシブル光配線がポリマ導波路で構成されている場合、コア、クラッド、さらにこれらを保護するためのカバーフィルム、これを貼り付ける接着層などが積層された構造が想定される。それぞれの層に用いられる材料は、厚み、弾性係数が異なっていることが通常である。これらの材料のうち光導波路のコア２は、屈折率を高くする必要があるため、ベンゼン環など剛直な構造を含んだ材料で作製されることが多く、コア２は硬く脆い部位となりがちである。屈曲の際に加わる応力を考慮せずに作製された従来のフレキシブル光配線で、コアに大きい引張応力が加わる場合、応力に対する伸びなどの応答の小さいコアからクラック、破断などの不具合を生じることが考えられる。

本発明のフレキシブル光配線１，１１では中立面Ｎやその近傍にコア２を配置することにより、コア２が受ける引張や圧縮応力によるひずみは小さく、これから生じる不具合を減少させることが可能となる。

また、本発明のフレキシブル光配線１，１１は、コア２、クラッド３に加えさらに金属などの電気配線（銅配線層５）を含めた複数の層から形成されるフレキシブル光配線１であり、中立面Ｎ又はその近傍にコア２を配置したものである。金属の電気配線（銅配線層５）がフレキシブル光配線１に含まれる場合、金属の弾性係数は他のポリマ層に比較し、１桁から２桁ほど大きくなるため、中立面Ｎの位置はこの電気配線の厚さに大きく影響される。このフレキシブル光配線１，１１においても、コア２を中立面Ｎまたはその近傍に配置することでコアの不具合を抑制することが可能となる。

図２に示すように、コア２が中立面Ｎを含まない場合、フレキシブル光配線１１に要求される曲率半径Ｒによって、コア２の中立面Ｎに近い面と中立面Ｎとの距離Δｙ（μｍ）の許容される値は異なる。

ここで図２（ｂ）のようにフレキシブル光配線１１を中心点Ｏを中心とする曲率半径Ｒ（μｍ）の曲率で屈曲させ、圧縮応力が最も強く作用する内側最表面Ｓから中立面Ｎまでの距離をｙｎ（μｍ）とする。このとき、コア２の中立面Ｎに近い面と中立面Ｎとの距離Δｙ（μｍ）に位置する面に作用する歪みεは式（３）で表される。

通常、フレキシブル光配線１，１１が用いられる機器間の配線などの用途での曲率半径Ｒは１０００μｍ以上であり、フレキシブル光配線１，１１は１００〜３００μｍ程度の厚さであるので、Ｒ＞＞ｙｎとし、式（３）を近似すると、
Δｙ＝εＲ （４）
と表される。コア２が３％伸びるような引っ張り応力が１０００回以上繰り返し作用すると、破損等の不具合が生じる場合がある。そのため、歪みεは０．０３以下であることが望ましい。フレキシブル光配線１，１１の曲率半径Ｒ（μｍ）に依存して、コア２の中立面Ｎに近い面と中立面Ｎとの距離Δｙ（μｍ）が、式（２）を満足するようコアが配置されるのが好ましい。

フレキシブル光配線１，１１は、光導波路単独の配線として用いられる場合と、電気配線や他の部材と積層されて用いられる場合がある。他の部材と積層されて用いられる場合においては、光導波路（コア２、クラッド３）の他に電力や電気信号を伝送するための金属配線やこの金属配線を作製するための基材フィルム（銅配線層５、銅配線用基材フィルム６）、また、フレキシブル光配線１の強度を向上させるためや磨耗、傷による損傷を防ぐための補強板（カバーフィルム７）、これらを接着させるための接着層（図示せず）が用いられることもある。これらの材料は互いに弾性係数が異なり、用いられる厚みも異なる。フレキシブル光配線１，１１を構成する上側最表面層又は下側最表面層（図示上の上下で最も上又は下となる層）からなる最表面層からｉ番目（ｉは自然数であり最表面層から数えた順番）の層の弾性係数をＥｉとし、その層の厚さをｔｉとし、フレキシブル光配線１，１１の最表面層からｉ番目の層の厚さの中心までの距離をｙｉ（ｉ＝１の場合は、ｙ１＝ｔ１／２、ｉが２以上の自然数の場合、

）とすると、フレキシブル光配線１，１１を構成するフレキシブル光配線１，１１の中立面Ｎとフレキシブル光配線１，１１の最表面層の表面位置（最表面）との距離ｙｎは式（１）で表される。

本発明によれば、この距離ｙｎの位置（中立面Ｎ）またはその近傍に光導波路のコア２を配置することで、屈曲等によるコア２の破断等の不具合を抑制することが可能となる。フレキシブル光配線１を構成する各層の弾性係数、厚みを変えることで中立面Ｎを任意の位置に設定し、この中立面Ｎまたはその近傍にコア２を配置することで、屈曲特性に優れたフレキシブル光配線１，１１を得ることが可能となる。ここにおいて、
Δｙ≦０．０３×Ｒ （２）
となるようコア２が配置されることが望まれる。

本発明のフレキシブル光配線の光導波路としてポリマ導波路または光ファイバ（図３参照）を用いることができる。

ポリマ導波路は様々な材料、様々な作製法により開発されており、ここにおいてはどのような材料、作製法も用いることが可能である。ポリマ材料は、エラストマからポリイミド、また無機物を充填させた材料まで様々な材料を用いることができ、弾性係数も０．０１〜８ＧＰａ程度が通常である。作製法も直接露光法、ドライエッチング、フォトブリーチ、スタンパ法など、材料と合わせて様々に用いることができる。電気配線（銅配線層５）とともにフレキシブル光配線１に積層させる際には、電気配線の基材フィルム（銅配線用基材フィルム６）として、ポリイミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、液晶ポリマ、または光導波路材料そのものなど様々な材料を用いることができ、各層を接着剤（図示せず）で貼り付ける際にもその材料に制限はない。ポリマ材料のみでフレキシブル光配線１が構成されている際には、各層の弾性係数にそれほど大きな差はないため、コア２の配置場所の許容範囲は大きいが、コア２を中立面Ｎまたはその近傍に配置することで、より屈曲の信頼性を向上できる。

図３に示されるように、本発明の他の実施形態に係るフレキシブル光配線３１は、銅配線層５、銅配線用基材フィルム６、光ファイバ３２、接着剤３３、支持層３５、カバーフィルム７の５層からなる。このように、フレキシブル光配線３１は、光ファイバが銅配線用基材フィルム６とカバーフィルム７の間で接着剤を用いてラミネートされた構造となっている。

光ファイバ３２を用いる場合には、光ファイバ３２を支持するための支持層３５となるフィルムにラミネートやＶ溝加工により配置することができる。光ファイバ３２は、特にガラスファイバで作製されている場合、光ファイバ３２が硬く脆い材料であるため屈曲に弱い。この際にも光ファイバ３２のコアをフレキシブル光配線３１の中立面Ｎまたはその近傍に配置させることで、屈曲による不具合を抑制することが可能となる。

大きい弾性係数の層と小さい弾性係数の層が同じ厚さで２層張り合わせてある場合には、弾性係数の大きい方へ中立面Ｎは移動する。この中立面Ｎの移動を制御すること（＝目論んだ位置に中立面Ｎがあるように構成すること）で、コア２内部の位置に中立面Ｎを配置することも可能である。金属の電気配線（銅配線層５）がフレキシブル光配線１，１１，３１の表面にある場合には、弾性係数の大きい電気配線側に中立面Ｎが移動する傾向にある。電気配線の厚みが大きいほど顕著になり、電気配線に中立面Ｎが入り込むこともある。この際には、この電気配線と反対側の最外層表面やフレキシブル光配線１，１１，３１の中に同様の弾性係数をもつ金属箔等からなる対抗金属層（図示せず）を設けることでフレキシブル光配線３１の中ほどに中立面Ｎを移動させることができ、この位置にコア２（又は光ファイバ３２）を配置させることが可能となる。対抗金属層は放熱、電気配線など他の目的にも使用可能である。対抗金属層の弾性率や厚さを調節することで、中立面Ｎの位置を自在に設計することが可能となる。

図１又は図２の構造を基本とするフレキシブル光配線１，１１（実施例１〜４）を作製し、表１に各層の弾性係数と厚さ、式（１）より得られる銅配線層５の表面（最表面）から中立面（以下、中立面Ｎとする）までの距離ｙｎを示す。

実施例１〜４では銅配線用基材フィルム６、カバーフィルム７はポリイミドを用い、弾性係数は３ＧＰａである。クラッド３、コア２の弾性係数はそれぞれ１ＧＰａ、２ＧＰａである。コア２の厚さはマルチモードの５０μｍとした。

表１中の実施例１について、基準となる最表面を銅配線層（上側最表面層）側とした場合のコア２の中立面に近い面と中立面Ｎとの距離Δｙの算出方法と、基準となる最表面をカバーフィルム（下側最表面層）側とした場合のコア２の中立面に近い面と中立面Ｎとの距離Δｙの算出方法の２通りの方法について以下詳述する。

まず、最表面Ｓを銅配線層５側とした場合について、図５（ａ）を用いて説明する。図５（ａ）は、フレキシブル光配線を光伝播方向と積層方向を含む面に沿ってコア２が含まれるように切断した側断面図である。

最表面Ｓから中立面Ｎまでの距離ｙｎを式（１）によって算出すると、ｙｎ＝２２．５μｍとなる。次に、この中立面Ｎがフレキシブル光配線内のどの部分に位置するかを判断する。具体的には、最表面Ｓから第１クラッド３までの位置（０〜２６．５μｍ）、コア２内（２６．５〜７６．５μｍ）、第２クラッド３からカバーフィルム７までの位置（７６．５〜１２１．５μｍ）のどの位置に中立面Ｎが位置しているかを判断する。この結果、中立面Ｎは第１クラッド３内であること、つまり、図５（ａ）のようにコア２の中立面Ｎに近い面と中立面Ｎとの距離Δｙ＝（４＋１２．５＋１０）−２２．５＝４μｍが算出される。

次に、最表面Ｓをカバーフィルム７側とした場合について、図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ｂ）は、フレキシブル光配線を光伝播方向と積層方向を含む面に沿ってコア２が含まれるように切断した側断面図である。

最表面Ｓから中立面Ｎまでの距離ｙｎを式（１）によって算出すると、ｙｎ＝９９．０μｍとなる。次に、この中立面Ｎがフレキシブル光配線内のどの部分に位置するかを判断する。具体的には、最表面Ｓから第２クラッド３までの位置（０〜４５μｍ）、コア２内（４５〜９５μｍ）、第１クラッド３から銅配線層５までの位置（９５〜１２１．５μｍ）のどの位置に中立面Ｎが位置しているかを判断する。この結果、中立面Ｎは第１クラッド３内であること、つまり、図５（ｂ）のようにコア２の中立面Ｎに近い面と中立面Ｎとの距離Δｙ＝９９．０−（２５＋２０＋５０）＝４μｍが算出される。

上記のように最表面Ｓを図示上側となる上側最表面層にあるものとするか図示下側となる下側最表面層にあるものとするかの選択にかかわらず、コア２の中立面Ｎに近い面と中立面Ｎとの距離Δｙは一義的に求めることができる。

また、図４に、式（２）で表される中立面Ｎからコア２までの距離Δｙの許容値（μｍ）を示す。図４中の直線は、Δｙの許容上限値（Δｙ＝０．０３×Ｒ）をプロットしたものである。図示のように、曲率半径Ｒが小さい場合、言い換えるとフレキシブル光配線１，１１を大きな曲率で曲げる場合、距離Δｙは小さいことが必要となる。つまり、コア２は中立面Ｎからあまり離して配置できない。一方、曲率半径Ｒが大きく、フレキシブル光配線１を小さな曲率で曲げる場合は、距離Δｙは大きくできる。つまり、コア２は中立面Ｎから離して配置してもよいことになる。

実施例１では、銅配線用基材フィルム６の上に銅配線層５が作製された構造である。中立面Ｎの位置は、銅配線層５の表面から距離ｙｎ＝２２．５μｍであり、銅配線層５の表面からコア２の上面までの距離が２６．５μｍであるため、中立面Ｎはコア２近傍に配置した構造（Δｙ＝４μｍ）となっている（曲率半径Ｒ=１ｍｍでは、Δｙは３０μｍ以下）。

このフレキシブル光配線を用いて曲率半径Ｒ＝１ｍｍとなる曲げを３万回繰り返しても、コア２は破断しないことを確認した。また、曲率半径Ｒ＝２ｍｍとなる曲げを５万回繰り返しても、コア２は破断しないことを確認した。

実施例２では、光導波路のクラッド３に直接、銅配線層５が作製された構造となっている。この組み合わせにおいては、銅配線層５の表面から中立面Ｎまでの距離ｙｎは２０．９μｍであり、中立面Ｎからコア２までの距離が１９μｍであるため、コア２は中立面Ｎを含む位置に配置されている構造となっている。

このフレキシブル光配線を用いて曲率半径Ｒ＝２ｍｍとなる曲げを１０万回繰り返しても、コア２は破断しないことを確認した。

これら実施例１、２は、フレキシブル光配線１の表面にある銅配線層５が銅箔として、フレキシブル光配線１の表面全体に備えられている構造となっている。しかし、実際の製品では、コア２より狭い幅をもつ銅配線が一本または複数本配置され、銅配線面積はコア面積より小さくなっている。従って、銅配線がある部分とない部分で中立面Ｎの位置は異なっている。銅配線のない部分は銅配線からより離れたところに中立面Ｎ₁が存在し、銅配線がある部分は銅配線に近いところに中立面Ｎ₂が存在する。銅配線面積がコア面積より小さい場合、平均的な中立面Ｎ_AVGはよりコア２側へと移動する。

このような実際の製品においては、銅配線が無い部分の面積と銅配線がある部分の面積（銅配線面積）とから求まる面積比と、銅配線側の最表面から中立面Ｎ₁までの距離ｙ₁と、銅配線側の最表面から中立面Ｎ₂までの距離ｙ₂とを用いて、銅配線側の最表面から中立面Ｎ_AVGまでの距離ｙ_AVGを算出し、コア２がこの中立面Ｎ_AVGを含むように配置するか、又はコア２がこの中立面Ｎ_AVGを含まない場合は式（３）を満たすようにコア２を配置する。このΔｙ_AVGは、コア２の中立面に近い側の面と中立面Ｎ_AVGとの距離である。

Δｙ_AVG≦０．０３×Ｒ （３）
例えば、銅配線が無い部分と銅配線がある部分の面積比が１：１の場合は、銅配線の最表面から中立面Ｎ_AVGまでの距離ｙ_AVG＝（ｙ₁＋ｙ₂）／２となる。銅配線が無い部分と銅配線がある部分の面積比が２：１の場合は、銅配線の最表面から中立面Ｎ_AVGまでの距離ｙ_AVG＝（２×ｙ₁＋ｙ₂）／３となる。

実施例３では、銅配線層５の表面から中立面Ｎまでの距離ｙｎは１９．２μｍであり、銅配線層５の表面からコア２までの距離が５５μｍであることからΔｙは３５．８μｍであり、式（２）によるとＲ＝１ｍｍの場合のΔｙが３０μｍを超えてしまう。しかし、Ｒ＝２ｍｍでは許容値Δｙは６０μｍであるため、Ｒ＝２ｍｍ以上の屈曲に用いる光配線としては実用可能である。

このフレキシブル光配線を用いて曲率半径Ｒ＝１ｍｍとなる曲げを繰り返したところ、１０００回未満の曲げでコア２は破断してしまうことを確認した。しかし、曲率半径Ｒ＝２ｍｍの場合は、曲げを３万回繰り返しても、コア２は破断しないことを確認した。

実施例４は、実施例３におけるカバーフィルム７の外側にさらに銅箔による対抗金属層（図示せず）を設けた構造である。両面に銅箔（銅配線層５と対抗金属層）を設けることで、コア２に中立面Ｎが含まれた構造となっている。この銅箔のない実施例３では、コア２が中立面Ｎから離れた構造となっているが、実施例４のように新たな層（厚さ５μｍの銅箔）を付与することで中立面Ｎの位置を制御し、コア２内に中立面Ｎが含まれる構造となっている。したがって、実施例４のフレキシブル光配線を曲げた際にコア２に作用する引っ張り力又は圧縮応力を低減することができるので、コア２の破断等の不具合を低減し、フレキシブル光配線の機械的な信頼性を向上させることができる。

このフレキシブル光配線を用いて曲率半径Ｒ＝１ｍｍとなる曲げを５万回繰り返しても、コア２は破断しないことを確認した。また、曲率半径Ｒ＝２ｍｍとなる曲げを１０万回繰り返しても、コア２は破断しないことを確認した。

図３の構造を基本とする光ファイバ３２を光導波路に用いたフレキシブル光配線３１（実施例５、６）を作製し、表２に各層の弾性係数と厚さ、式（１）より得られる銅配線層５の表面から中立面Ｎまでの距離ｙｎを示す。表２に示されるように、実施例５、６において中立面Ｎは、光ファイバ中に位置している構造となっている。

上述した通り、フレキシブル光配線の各層の弾性率及び各層の層厚を制御することにより、中立面Ｎがコア２内又はその近傍に位置するように調整できる。これより、フレキシブル光配線が曲げられた際にコアに作用する引っ張り力又は圧縮応力を低減することができる。したがって、フレキシブル光配線の曲げによるコアの破断等の不具合を低減することができ、フレキシブル光配線の機械的な信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示すフレキシブル光配線の図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断面図である。 本発明の一実施形態を示すフレキシブル光配線の図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は屈曲時の横断面図である。 本発明の一実施形態を示すフレキシブル光配線の図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断面図である。 本発明による許容曲率半径Ｒ対距離Δｙ特性の図である。 実施例における距離算出方法を示す図であり、（ａ）は銅配線層に最表面がある場合の側断面図、（ｂ）はカバーフィルムに最表面がある場合の側断面図である。

符号の説明

１ フレキシブル光配線
２ コア
３ クラッド
５ 銅配線層
６ 銅配線用基材フィルム
７ カバーフィルム

Claims (5)

1. コアとクラッドからなる光導波路の層を含む複数の層を有するフレキシブル光配線において、上記コアが曲げによる伸び縮みのない中立面を含むよう配置されるか又は上記コアが上記中立面を含まない場合は、上記コアの上記中立面に近い面と上記中立面との距離Δｙが上記フレキシブル光配線を曲げた際の該フレキシブル光配線の内側最表面の曲率半径Ｒの０．０３倍以下となるよう配置されたことを特徴とするフレキシブル光配線。
2. コアとクラッドからなる光導波路の層を含む複数の層を有するフレキシブル光配線において、該フレキシブル光配線の最表面からｉ番目（ｉは自然数）の層における弾性係数Ｅｉ、該層の厚さｔｉ、該層の厚さ方向中心から上記最表面までの距離ｙｉの時、上記コアが上記最表面から式（１）
   

   

   で定義される距離ｙｎにある中立面を含むよう配置されるか又は上記コアが上記中立面を含まない場合は、上記コアの上記中立面に近い面と上記中立面との距離Δｙが上記フレキシブル光配線を曲げた際の該フレキシブル光配線の内側最表面の曲率半径Ｒの０．０３倍以下となるよう配置されたことを特徴とするフレキシブル光配線。
3. 上記複数の層中に電気配線層を含むことを特徴とする請求項１又は２記載のフレキシブル光配線。
4. 上記光導波路がポリマ導波路又は光ファイバであることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のフレキシブル光配線。
5. コアとクラッドからなる光導波路の層を含む複数の層を有するフレキシブル光配線の製造方法において、上記フレキシブル光配線を構成する各層の弾性係数と各層の厚さとを用いて上記フレキシブル光配線の最表面から中立面までの距離ｙｎを算出し、該距離ｙｎより上記フレキシブル光配線内に形成される上記中立面の位置を算出し、上記コアが上記中立面を含むか又は上記コアの上記中立面に近い面と上記中立面との距離Δｙが上記フレキシブル光配線を曲げた際の該フレキシブル光配線の内側最表面の曲率半径Ｒの０．０３倍以下となるように上記各層の弾性係数と上記各層の厚さとにより上記フレキシブル光配線内に形成される上記中立面の位置を制御することを特徴とするフレキシブル光配線の製造方法。

Images