JP2009276489A - 光基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受発光素子と光導波路および光信号路変換部品が接続する構造を、安価かつ簡便なプロセスで提供する。さらに接続部の実装信頼性を向上させる。これにより低コストかつ接続特性のよい光基板とその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】第１面に金属層（２０）がパターニングされ、かつ開口部が形成された絶縁樹脂層（１０）と前記開口部に受発光部（６１）が前記第一面側となるように設置された受発光素子（６０）と、前記絶縁樹脂層上に前記受発光素子と光学的に接続するように配置された光導波路（５０）と、を備える光基板とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気配線及び光配線を有する光基板及びその製造方法に関する。

処理信号の高速化や電気ノイズの低減を始めとして、高速通信の障害となる課題解決に向けた有望な技術として、光信号を利用することで、高速の伝送速度で情報を送受信することが可能な光配線を用いた技術が注目を集めている。特に、光配線を用いた大容量光インターコネクションを実現するために、光配線の高密度化や低損失接続が重要であり、高性能かつ価格低減に向けての様々な技術検討が行われている。

光信号は、発光素子や光配線から出力されると拡散される。このため、光信号の接続部品はできるだけ近い間隔で接続する必要がある。また、光接続はその接続位置がずれると光信号が漏洩損失するため、正確に位置をあわせて接続する必要がある。また、光信号を伝播する光導波路は基板平面内に水平方向に設けられるため、受発光素子の受発光面に光信号を入出力するためには、光信号路を概略９０°変換する必要がある。

特に、受発光素子と光導波路の実装において、光導波路を橋桁を用いて固定実装し、光導波路と受発光素子の高さを合わせる手法が報告されている（非特許文献１）。しかしこの手法では、光導波路の実装信頼性が低下する問題、および光導波路の先端部の位置がずれて光接続効率が低下する問題がある。また、シリコン基板をエッチング加工し、エッチング部に受発光素子を埋め込み、その上に光導波路を実装する手法が報告されている（特許文献１）。しかしこの手法ではワイヤボンディングの高さ分、受発光素子と光導波路が離れてしまい、光接続効率が低下する問題がある。またエッチング加工したシリコン基板が高価となる問題もある。

Ｍ．Ｕｓｕｉ，Ｎ．Ｍａｔｓｕｕｒａ ｅｔ ａｌ．，１０ｔｈ ＬＥＯＳ ’９７，５１（１９９７） 特開平０５−００２７６６

本発明はかかる従来技術の欠点に鑑みてなされたもので、受発光素子と光導波路および光信号路変換部品が接続する構造を、安価かつ簡便なプロセスで提供する。さらに接続部の実装信頼性を向上させる。これにより低コストかつ接続特性のよい光基板とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明において上記の課題を達成するために為された第１の発明は、少なくとも第１面に金属配線が形成され、かつ開口部が形成された絶縁樹脂層と前記開口部に受発光部が前記第一面側となるように設置された受発光素子と、前記絶縁樹脂層上に前記受発光素子と光学的に接続するように配置された光導波路とを備える光基板である。

第２の発明は、前記受発光素子の厚みと前記絶縁樹脂層の膜厚が略同一であることを特徴とする請求項１記載の光基板である。

第３の発明は、前記絶縁樹脂層が感光性樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の光基板である。

第４の発明は、少なくとも前記第一面上の少なくとも一部がモールド樹脂で覆われていることを特徴とする請求項１乃至３記載の光基板である。

第５の発明は、絶縁樹脂層の少なくとも前記第一面上に金属層を有する絶縁樹脂フィルムの該金属層をパターニングして電気配線を形成する電気配線工程と、前記絶縁樹脂層をパターニングして、開口部を設ける絶縁樹脂層形成工程と、支持基材上に、絶縁樹脂フィルムを前記第一面を外側にして貼り合せる絶縁樹脂基板設置工程と、前記開口部に受発光面が前記第一面側となるように前記受発光素子を設置する受発光素子実装工程と、前記受発光素子と光学的に接続するように前記受発光面と光導波路の光入出力面を一致させて絶縁樹脂フィルム上に光導波路を設置する光導波路実装工程と、前記支持基材を除去する支持基材除去工程と、を有する光基板の製造方法である。

第６の発明は、感光性樹脂からなる絶縁樹脂層の少なくとも前記第一面上に金属層を有する絶縁樹脂フィルムの該絶縁樹脂層をフォトリソグラフィー法によりパターニングして開口部を形成する絶縁樹脂層形成工程と、支持基材上に、絶縁樹脂フィルムを前記第一面を外側にして貼り合せる絶縁樹脂基板設置工程と、前記金属層をパターニングして電気配線を形成する電気配線工程と、前記開口部に受発光素子の受発光面が前記第一面側となるように前記受発光素子を設置する受発光素子実装工程と、前記受発光素子と光学的に接続するように前記受発光面と光導波路の光入出力面を一致させて絶縁樹脂フィルム上に光導波路を設置する光導波路実装工程と、前記支持基材を除去する支持基材除去工程と、を有する光基板の製造方法である。

第７の発明は、前記電気配線上に受発光素子のコントロールチップを実装するコントロールチップ実装工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の光基板の製造方法である。

第８の発明は、前記受発光面と、前記光入出力面との間隙に透明樹脂を充填させる透明樹脂充填工程を有することを特徴とする請求項４から８のいずれか記載の光基板の製造方法光基板の製造方法である。

第９の発明は、絶縁樹脂層の少なくとも一部をモールド樹脂で覆うモールド樹脂形成工程を有することを特徴とする請求項４から８のいずれか記載の光基板の製造方法である。

第１０の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の光基板を備える事を特徴とする光部品である。

第１１の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の光基板を備える事を特徴とする電子機器である。

本発明は、次のような効果がある。
第一に、受発光素子と絶縁樹脂の厚さを合わせ、絶縁樹脂層中に受発光素子を埋め込むことで、絶縁樹脂層の表面と受発光素子の受発光面の高さを合わせることが可能となる。これにより、光導波路を実装する場所を平坦とすることができ、光導波路の実装信頼性を向上し、実装難易度を簡易化する効果がある。

第二に、絶縁樹脂層中に受発光素子を固定することで、受発光素子と電気配線の接続が容易となる。受発光素子全体が基板に固定されているため、ワイヤボンディング等の高温加熱条件下でも素子が移動することが無く、ワイヤバンプ形成も容易となる。これにより実装歩留まりが向上し製造コストを低減する効果がある。

第三に、受発光素子の受発光面と電気接続用パット面を、共に基板上方に設置することで、汎用受発光素子をそのまま使用することが可能となる。受発光面を下面、電気接続用パット面を上面とした受発光素子は価格が高く、製造コストが上昇する。汎用受発光素子を使用することで、製造コストを低減する効果がある。

本発明の光基板において、その断面図を図１に示す。
本発明の光基板１１０は、第１面に金属層がパターニングされた電気配線２１を有する絶縁樹脂層１０を備えている。絶縁樹脂層には開口部が形成され、該開口部に受発光素子６０がその受発光部６１を外面、つまり電気配線側に向けてはめ込まれて設置されている。受発光面上には光信号を受発光素子と光配線との間で入出力するための光導波路５０が配置されている。

絶縁樹脂層１０は、任意の有機材料及び無機材料を選択することができる。具体的にはアクリル材料、シリコーン材料、シリコンウェハ、金属材料、硝子材料、プリプレグ、積層板材料などが使用できる。さらに、感光性樹脂を用いてフォトリソグラフィー法により絶縁樹脂層を形成することで、高精度にパターニングすることが可能であり、このため開口部形状を受発光素子に一致させて位置精度良く設置できるためである。これにより受発光素子埋め込み部を高精度に造形することが可能となり、外形突き当て位置合わせにより受発光素子を実装することができる。感光性樹脂の例としては、感光性ポリイミド樹脂、感光性アクリル樹脂、感光性エポキシ樹脂、またこれらを重合させた感光性エポキシアクリレート樹脂などを用いることができる。

本願発明では後述のように支持基板を用いた工程により光基板を作製することで、絶縁樹脂層を貫通する開口部を設け、該開口部に受発光素子を設置している。このため絶縁樹脂層を受発光素子の厚みと略同一の膜厚まで薄くすることが可能であり、高密度な光基板を実現することができる。

光導波路５０には、コアと、コアの外周を覆うクラッドとで構成される一般的な光配線光導波路を用いる事ができる。材質として、カーボネート系、エポキシ系、アクリル系、イミド系、ウレタン系、ノルボルネン系などの高分子材料および石英などの無機材料を用いる事ができる。伝送モードとして、シングルモード、マルチモード、シングルマルチ混合配線などの構成をとることができる。また、光導波路は単層であっても複数層積層されているものでも良い。

図１の光基板では、光導波路の受発光素子側の端面が４５度にカットされ、光信号を反射するミラー面が形成されている。あるいは端面に金属層を形成してミラーを構成しても良い。これにより、モールド樹脂で覆った際のモールド樹脂による光信号の漏洩を防ぐ事ができる。受発光素子の受発光部６１と、光導波路端面の光入出力面を一致させて配置することにより、両者は光学的に接続されている。

受発光素子６０には、単チャンネルもしくは複数チャンネルの光素子を用いる事ができる。具体的には、端面発光型ＬＤ、面発光型ＬＤ、面受光型ＰＤなどを使用する事ができる。受発光素子６０の実装は、ワイヤボンディングなどの方法を取る事ができる。

本発明では、絶縁樹脂層中に受発光素子を固定することで、受発光素子と電気配線の接続が容易となる。受発光素子全体が基板に固定されているため、ワイヤボンディング等の高温加熱条件下でも素子が移動することが無く、ワイヤバンプ形成も容易となるためである。これにより実装歩留まりが向上し製造コストを低減することができる。

また、必要に応じて受発光素子６０の受発光面と光導波路５０の光入出力面の間に透明樹脂８０を充填する事ができる。透明樹脂８０には一般に用いられている高分子材料を用いる事ができる。具体的には、カーボネート材料、エポキシ材料、アクリル材料、イミド材料、ウレタン材料、シリコーン材料、無機フィラー混入有機材料などが使用できるが、これに限定されるものではない。また、界面の屈折率差を無くすため、光導波路５０と同等の屈折率を持った光学樹脂を用いる事が望ましい。これにより受発光素子と光導波路間の屈折率不整合を改善し、光接続特性を向上し、環境信頼性を改善することができる。

さらに必要に応じて、銅箔２０上に、受発光素子６０のコントロールチップ４０を実装することができる。コントロールチップの近傍で光配線に接続することができ、光電変換された電気信号を基板内部を通さずに受発光素子とコントロールチップとを接続することができるので、電気配線による高周波信号の損失を抑えることができる。コントロールチップ４０の実装は、ダイボンディング、ワイヤボンディング、フリップチップ実装などの方法を取る事ができる。

光基板の電気配線が形成された第一面上の全体又は光導波路及び受発光素子を含む任意の部分をモールド樹脂７０によりモールドすることで、基板および実装部品の環境信頼性を高める事ができる。その場合、受発光素子６０と光導波路５０の界面にモールド樹脂が入る事を防ぐため、あらかじめ前記透明樹脂８０を充填することが望ましい。

光基板下面は平坦に形成されているため、高精度にコネクタを設置することができる。具体的には、ＬＧＡ、ＰＧＡ、小型電気コネクタ等を設置することができる。図１では半田バンプ９０を介して配線基板１１０と接続した例を示している。

本発明の光基板は、多量の情報入出力を伴う電子機器、あるいは光部品に有効である。光基板を搭載した電子機器の具体例としては、ノートパソコンや業務用大型コンピュータを含む様々な電子計算機、家庭用ゲーム機、録画再生機、テレビ、あるいは、ルータなどの大きな情報の入出力を伴う情報・通信機器に用いることで、ノイズの影響を受けずに効率的に信号の送受信が可能となるために有効である。また、光基板１を搭載する光部品の具体例としては、光インターコネクション（光電気配線板）、光コネクタ、光カプラ、光結合器、光スイッチ、光スプリッタ、あるいは、光送受信機などの、光部品にも搭載することで、同様の効果を期待することができる。

次に、本発明の光基板の製造方法について説明する。
まず片面に銅箔等の金属層が形成された絶縁樹脂フィルムの絶縁樹脂層及び金属層を相前後してパターニングし、電気配線の形成と、受発光素子を設置する開口部やバイアホール等の絶縁樹脂層除去部分の除去を行う。

上記工程の具体的な方法としては、まず金属層をパターニングし、配線パターンや実装用パットを形成する。金属層のパターニング方法としては、公知の金属加工方法を用いることが可能である。具体的には、配線パターン、実装用パットに合わせてレジストパターンを形成し、エッチングにより配線パターンを形成する。また必要に応じてＮｉ，Ａｕメッキやソルダーレジスト印刷を行っても良い。次にレーザ加工等の絶縁樹脂加工方法用いて受発光素子を設置する開口部やバイアホール等の絶縁樹脂層除去部分を除去することができる。次に、パターニングされた絶縁樹脂フィルムを、電気配線が形成された面を外側にして支持基材上に張り合わせる。

また、絶縁樹脂層を感光性樹脂で形成する場合には、フォトリソグラフィー工程として、感光性樹脂のパターンに対応するマスクを用いて露光し、現像を行って絶縁樹脂層をパターニングして開口部等を形成することができる。次に電気配線形成面を表として支持基材上にラミネートした後、前述の方法で金属層のパターニング等を行うことができる。

上述の各工程は適宜、相前後しても良い。支持基材と絶縁樹脂フィルムの張り合わせには一般的なラミネート方法を用いることができる。支持基材には、一般に用いられている材料を用いることができる。具体的には、カーボネート材料、エポキシ材料、アクリル材料、イミド材料、ウレタン材料、シリコーン材料、無機フィラー混入有機材料などが使用できるが、これに限定されるものではない。また、支持基材上に紫外線剥離型の粘着層を設けることもできる。支持基材上で各プロセスを行う事で、光基板下面を平坦とすることができる。これにより光導波路の実装難易度を簡易とし、実装信頼性を向上させることができることから、光基板下面に高精度にコネクタを設置することができる。具体的には、ＬＧＡ、ＰＧＡ、小型電気コネクタ等を設置することができる。また、支持基材により絶縁樹脂層が保持固定されるため、絶縁樹脂層の膜厚が薄い場合でも安定して光基板を実装することができる。

次に、絶縁樹脂層を除去した受発光素子設置部分に受発光素子を実装する。前記絶縁樹脂層の膜厚が受発光素子の厚みと略同一となるようにすることで、光導波路との接続部における損失を最大限少なくすることができる。絶縁樹脂層の膜厚が受発光素子の厚みと略同一であれば、すなわち受発光素子の受発光面の少なくとも一部を光導波路の光入出力部と接触させて光電変換させることができるからである。

また受発光素子の実装工程と相前後して、必要に応じて受発光素子のコントロールチップを実装しても良い。この場合は電気配線上に、受発光素子のコントロールチップを実装することができる。コントロールチップ４０の実装は、ワイヤボンディング、フリップチップ実装などの方法を取る事ができる。

次に、光導波路の光入出力部と受発光素子の受発光部が接続するように、光導波路を実装する。必要に応じて、受発光素子と光導波路との界面に光学接着剤を充填しても良い。受発光素子と光導波路の接続部分での光学損失を低減することができる。

次に基板全体もしくは任意の箇所をモールド樹脂でモールドすることができる。この場合にはモールド工程の後、最後にキャリアフィルムを剥離して、本発明の光基板とすることができる。なお、支持基板に紫外線剥離型の粘着層を設けた場合には、紫外線照射により支持基板を剥離することができる。

以下に本発明に係る光基板の製造方法の具体例を下記実施例をもって示すが、本発明はこれらに限定解釈されるものではない。

＜実施例１＞
まず東レ製片面銅箔ポリイミド基材（銅箔１２μｍ厚、ポリイミド３５０μｍ厚）の銅箔上にエッチングレジストパターン２５を形成し、銅箔をエッチングすることで、パターニングされた銅箔２０を得た（図２ｂ）。

次に炭酸ガスレーザーにて絶縁樹脂１０を加工することで、パターニングされた絶縁樹脂層を得た（図２ｃ）。

次に、絶縁樹脂層１０を支持基材３０（ＰＥＴ：東洋インキ製）にラミネートした（図２ｄ）。

次に、銅箔２０上にコントロールチップ４０（ＶＣＳＥＬドライバーチップ３５０ｕｍ厚：ＨＥＬＩＸ ＡＧ製）を実装し、ワイヤボンディングにより電気接続を行った（図２ｅ）。

次に、パターニングにより絶縁樹脂が除去されたキャリアフィルム上に受発光素子６０（４ｃｈ ＶＣＳＥＬ：ＵＬＭ製）を実装した（図２ｆ）。設置位置合わせは、絶縁樹脂層１１の外形を利用した突き当て位置合わせを行った。

次に、絶縁樹脂層１０および受発光素子６１上に光導波路フィルム５０（マルチモードエポキシ系光導波路フィルム：ＮＴＴ−ＡＴ製）を設置した（図２ｇ）。設置固定にはエポキシ系屈折率整合光学接着剤：ＮＴＴ−ＡＴ製）を使用した。

次に、絶縁樹脂層１０上をモールド樹脂７０で被覆した（図２ｈ）。

次に、支持基材３０を剥離し、光基板１００を製造した（図２ｉ）。

作製した光基板を光学特性評価した結果、各チャンネルで０．９〜１．１ｍＷの安定した光出力を確認できた。

＜実施例２＞
まず感光性絶縁材料として、ビスフェノールＡ型エポキシアクリレート（リポキシＶＲ−９０：昭和高分子）５２重量部と無水フタル酸１５重量部をプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶媒中で１１０℃３０分攪拌してアルカリ現像型感光性絶縁樹脂ワニス原料を調製した。更に、前記アルカリ現像型感光性絶縁樹脂ワニス原料を５０重量部、脂環式エポキシ類化合物（ＥＨＰＥ３１５０：ダイセル化学）１７重量部、光硬化型エポキシ樹脂（サイクロマーＭ１００：ダイセル化学）３０重量部、光開始剤（ＬｕｃｉｒｉｎＴＰＯ：ＢＡＳＦ）３重量部に、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶剤を加えて連続式横型サンドミルにて約３時間分散し、アルカリ現像型感光性絶縁樹脂ワニスを調製した。

次に銅箔上に前記アルカリ現像型感光性絶縁樹脂ワニスをスリットコーターにて塗布し、７０℃２０分乾燥して、約３５０μｍ厚の半硬化状態の感光性絶縁樹脂層を形成し、片側銅箔付き感光性絶縁樹脂を製造した（図３ａ）。

次に感光性絶縁樹脂層１０にフォトマスクを密着させ、超高圧水銀灯により５００ｍＪ／ｃｍ^２で露光、紫外線硬化させた。その後約５％有機アミン系アルカリ水溶液にて現像、水洗し、９０℃オーブンで十分乾燥させることで、パターニングされた絶縁樹脂層を得た（図３ｂ）。

次に、絶縁樹脂層１０を支持基材３０（ＰＥＴ：東洋インキ製）にラミネートした（図３ｃ）。

次に、銅箔２０上にエッチングレジストパターン２５を形成し、銅箔をエッチングすることで、パターニングされた銅箔２１を得た（図３ｄ）。

次に、銅箔２０上にコントロールチップ４０（ＶＣＳＥＬドライバーチップ：ＨＥＬＩＸ ＡＧ製）を実装し、ワイヤボンディングにより電気接続を行った（図３ｅ）。

次に、パターニングにより絶縁樹脂が除去されたキャリアフィルム上に受発光素子６０（４ｃｈ ＶＣＳＥＬ：ＵＬＭ製）を実装した（図３ｆ）。設置位置合わせは、絶縁樹脂層１１の外形を利用した突き当て位置合わせを行った。

次に、絶縁樹脂層１０および受発光素子６０上に光導波路フィルム５０（マルチモードエポキシ系光導波路フィルム：ＮＴＴ−ＡＴ製）を設置した（図３ｇ）。設置固定にはエポキシ系屈折率整合光学接着剤：ＮＴＴ−ＡＴ製）を使用した。

次に、絶縁樹脂層１０上をモールド樹脂７０で被覆した（図３ｈ）。

次に、支持基材３０を剥離し、光基板１００を製造した（図３ｉ）。

作製した光基板を光学特性評価した結果、各チャンネルで０．９〜１．１ｍＷの安定した光出力を確認できた。

本発明の光基板の断面図。 本発明の光基板の製造方法の説明図（実施例１）。 本発明の光基板の製造方法の説明図（実施例２）。

符号の説明

１０ 絶縁樹脂層
２０ 金属層（銅箔）
３０ 支持基材
４０ コントロールチップ
５０ 光導波路
６０ 受発光素子
６１ 受発光部
７０ モールド樹脂
８０ 透明樹脂
９０ 半田バンプ
１００ 光基板
１１０ 配線基板

Claims (11)

1. 少なくとも第１面に電気配線が形成され、かつ開口部が形成された絶縁樹脂層と
   前記開口部に受発光部が前記第一面側となるように設置された受発光素子と、
   前記絶縁樹脂層上に前記受発光素子と光学的に接続するように配置された光導波路と、
   を備える光基板。
2. 前記受発光素子の厚みと前記絶縁樹脂層の膜厚が略同一であることを特徴とする請求項１記載の光基板。
3. 前記絶縁樹脂層が感光性樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の光基板。
4. 少なくとも前記第一面上の少なくとも一部がモールド樹脂で覆われていることを特徴とする請求項１乃至３記載の光基板。
5. 絶縁樹脂層の少なくとも前記第一面上に金属層を有する絶縁樹脂フィルムの該金属層をパターニングして電気配線を形成する電気配線工程と、
   前記絶縁樹脂層をパターニングして、開口部を設ける絶縁樹脂層形成工程と、
   支持基材上に、絶縁樹脂フィルムを前記第一面を外側にして貼り合せる絶縁樹脂基板設置工程と、
   前記開口部に受発光面が前記第一面側となるように前記受発光素子を設置する受発光素子実装工程と、
   前記受発光素子と光学的に接続するように前記受発光面と光導波路の光入出力面を一致させて絶縁樹脂フィルム上に光導波路を設置する光導波路実装工程と、
   前記支持基材を除去する支持基材除去工程と、
   を有する光基板の製造方法。
6. 感光性樹脂からなる絶縁樹脂層の少なくとも前記第一面上に金属層を有する絶縁樹脂フィルムの該絶縁樹脂層をフォトリソグラフィー法によりパターニングして開口部を形成する絶縁樹脂層形成工程と、
   支持基材上に、絶縁樹脂フィルムを前記第一面を外側にして貼り合せる絶縁樹脂基板設置工程と、
   前記金属層をパターニングして電気配線を形成する電気配線工程と、
   前記開口部に受発光素子の受発光面が前記第一面側となるように前記受発光素子を設置する受発光素子実装工程と、
   前記受発光素子と光学的に接続するように前記受発光部と光導波路の光入出力面を一致させて絶縁樹脂フィルム上に光導波路を設置する光導波路実装工程と、
   前記支持基材を除去する支持基材除去工程と、
   を有する光基板の製造方法。
7. 前記電気配線上に受発光素子のコントロールチップを実装するコントロールチップ実装工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の光基板の製造方法。
8. 前記受発光面と、前記光入出力面との間隙に透明樹脂を充填させる透明樹脂充填工程を有することを特徴とする請求項４から８のいずれか記載の光基板の製造方法光基板の製造方法。
9. 絶縁樹脂層の少なくとも一部をモールド樹脂で覆うモールド樹脂形成工程を有することを特徴とする請求項４から８のいずれか記載の光基板の製造方法。
10. 請求項１から４のいずれかに記載の光基板を備える事を特徴とする光部品。
11. 請求項１から４のいずれかに記載の光基板を備える事を特徴とする電子機器。