JP2014021203A

JP2014021203A - 光電気混載基板

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Publication number: JP2014021203A
Application number: JP2012157828A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hanazono; 博行花園; Yuichi Tsujita; 雄一辻田
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: JP6045829B2; EP2685794B8; EP2685794B1; CN103543492B; US20140016896A1; TWI546578B; CN103543492A; TW201405185A; EP2685794A1; US9366815B2; KR102133601B1; KR20140009022A

Abstract

【課題】光学素子の実装性に優れているとともに、フレキシブル性にも優れている光電気混載基板を提供する。
【解決手段】絶縁層１の表面に光学素子実装用パッド３が形成されている電気回路基板Ｅと、この電気回路基板Ｅの上記絶縁層１の裏面にその第１クラッド層６が接触した状態で形成されている光導波路Ｗとを備えた光電気混載基板であって、上記絶縁層１と上記第１クラッド層６との間のうち、上記光学素子実装用パッド３に対応する部分に、降伏応力もしくは０．２％耐力が１７０ＭＰａ以上で、厚みが１０〜２５μｍの範囲内に設定された金属層Ｍが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路と電気回路基板とが積層された光電気混載基板に関するものである。

最近の電子機器等では、伝送情報量の増加に伴い、電気配線に加えて、光配線が採用されている。そのようなものとして、例えば、図６に示すように、フレキシブル基板５１の表面に電気配線５２が形成されてなるフレキシブル回路基板Ｅ₀の上記フレキシブル基板５１の裏面（電気配線５２の形成面と反対側の面）に、エポキシ樹脂等からなる光導波路（光配線）Ｗ₀（アンダークラッド層５６，コア５７，オーバークラッド層５８）が積層された光電気混載基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、フレキシブル回路基板Ｅ₀も光導波路Ｗ₀も、薄いものであり、可撓性を有するため、上記光電気混載基板のフレキシブル回路基板Ｅ₀に光学素子を実装する場合、その実装時にかかる荷重により、上記フレキシブル回路基板Ｅ₀も光導波路Ｗ₀も変形する。そのため、実装し難く、実装時の作業性が悪い。しかも、上記変形が原因で、光伝播損失が大きくなるおそれがある。

一方、光電気混載基板として、図７に示すように、上記フレキシブル回路基板Ｅ₀と光導波路Ｗ₀との間にステンレス層Ｍ₀を全面的に設けたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このものでは、上記ステンレス層Ｍ₀が補強材として作用し、光学素子の実装時の荷重による変形が抑制されるため、光学素子の実装性に優れるとともに、上記変形による光伝播損失も小さいものとなっている。

特開２０１１−４８１５０号公報特開２００９−２６５３４２号公報

ところで、最近では、上記電子機器等の小形化が要請されており、それに伴って、上記光電気混載基板も、小スペースでの使用が要請されている。そのため、光電気混載基板をフレキシブルにして、小スペース内に格納する必要がある。しかしながら、上記のようにステンレス層Ｍ₀を全面的に設けた光電気混載基板（図７参照）では、そのステンレス層Ｍ₀がフレキシブル化の妨げとなっている。この点で、改善の余地がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、光学素子の実装性に優れているとともに、フレキシブル性にも優れている光電気混載基板の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光電気混載基板は、絶縁層の表面に光学素子実装用パッドが形成されている電気回路基板と、この電気回路基板の上記絶縁層の裏面にそのクラッド層が接触した状態で形成されている光導波路とを備えた光電気混載基板であって、上記絶縁層と上記クラッド層との間のうち、上記光学素子実装用パッドに対応する部分に、降伏応力もしくは０．２％耐力が１７０ＭＰａ以上で、厚みが１０〜２５μｍの範囲内に設定された金属層が設けられているという構成をとる。

本発明の光電気混載基板は、金属層が、全面的ではなく、光学素子実装用パッドに対応する部分に設けられているため、フレキシブル性に優れている。さらに、その金属層は、降伏応力もしくは０．２％耐力が１７０ＭＰａ以上で、厚みが１０〜２５μｍの範囲内に設定されているため、本発明の光電気混載基板は、薄形化を図りつつ、上記光学素子実装用パッドに光学素子を実装する際の、電気回路基板および光導波路の変形を抑えることができ、光学素子の実装性に優れたものとなっている。また、上記変形の抑制により、その変形による光伝播損失を小さくすることができる。

特に、上記金属層の形成材料が、ステンレスである場合には、熱に対する伸縮耐性に優れるため、品質信頼性の高い光電気混載基板とすることができる。

本発明の光電気混載基板の第１の実施の形態を模式的に示し、（ａ）はその縦断面図であり、（ｂ）はその平面図である。（ａ）〜（ｅ）は、上記光電気混載基板の製法における電気回路基板の作製工程および金属層の作製工程を模式的に示す説明図である。（ａ）〜（ｄ）は、上記光電気混載基板の製法における光導波路の作製工程を模式的に示す説明図である。本発明の光電気混載基板の第２の実施の形態を模式的に示す縦断面図である。本発明の光電気混載基板の第３の実施の形態を模式的に示す平面図である。従来の光電気混載基板を模式的に示す縦断面図である。他の従来の光電気混載基板を模式的に示す縦断面図である。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１（ａ）は、本発明の光電気混載基板の第１の実施の形態を模式的に示す縦断面図であり、図１（ｂ）は、その平面図である。なお、図１（ｂ）では、上記光電気混載基板の光学素子実装用パッド３と金属層Ｍの配置を明確にするため、光学素子実装用パッド３，金属層Ｍおよびコア７等の一部の構成のみを図示している。この実施の形態の光電気混載基板は、透光性を有する絶縁層１の表面に、光学素子実装用パッド３が形成された電気配線２を備えた電気回路基板Ｅと、この電気回路基板Ｅの上記絶縁層１の裏面に、その第１クラッド層（アンダークラッド層）６が接触した状態で形成されている光導波路Ｗとを備えており、全体が帯状に形成されている。そして、上記絶縁層１と上記第１クラッド層６との間のうち、上記光学素子実装用パッド３に対応する部分に、金属層Ｍが設けられている。この金属層Ｍは、降伏応力もしくは０．２％耐力が１７０ＭＰａ以上で、厚みが１０〜２５μｍの範囲内に設定されている。

なお、この実施の形態では、上記帯状の光電気混載基板の長手方向の各端部において、その長手方向に並んだ状態で、２個の光学素子実装用パッド３が形成されており、それに対応して、金属層Ｍも長手方向に並んだ状態で２個設けられている。そのうち、端部側の金属層Ｍは、光電気混載基板のフレキシブル性にあまり関与しない端部方向に延設され、その延設部分に、上記電気配線２のアース用電極部２ｂが接触している。また、上記２個の金属層Ｍの間の部分は、上記光学素子実装用パッド３に実装される光学素子とコア７の光反射面（４５°傾斜面）７ａとの間の光路部５になっている。

上記光電気混載基板は、金属層Ｍが、全面的ではなく、光学素子実装用パッド３に対応する部分等に限定的に設けられているため、上記金属層Ｍが設けられていない大部分では、フレキシブル性に優れているとともに、軽量化を図ることができる。さらに、上記金属層Ｍは、降伏応力もしくは０．２％耐力が１７０ＭＰａ以上で、厚みが１０〜２５μｍの範囲内に設定されているため、上記光電気混載基板は、薄形化を図りつつ、上記光学素子実装用パッド３に光学素子を実装する際の、電気回路基板Ｅおよび光導波路Ｗの変形を抑えることができ、光学素子の実装性に優れたものとなっている。

また、上記金属層Ｍは、光伝播効率を悪化させる水分が、第１クラッド層６の両端側面〔図１（ａ），（ｂ）の左右両端面〕から光路部５に浸透することを遮断する作用も有している。すなわち、上記光電気混載基板は、フレキシブル化，軽量化，薄形化を実現しながら、同時に、光路部５への水分浸透による光伝播効率の悪化を防止することができる。

より詳しく説明すると、上記電気回路基板Ｅは、上記のように、透光性を有する絶縁層１と、その表面に形成された電気配線２とを備えている。この電気配線２は、光学素子実装用パッド３が形成される光学素子実装部２ａと、上記絶縁層１を貫通して裏面の金属層Ｍに接触するアース用電極部２ｂとを有している。そして、上記光学素子実装用パッド３は露呈しており、上記電気配線２は、カバーレイ４により被覆され絶縁保護されている。

上記金属層Ｍは、上記のように、光電気混載基板の各端部において、絶縁層１と第１クラッド層６との間のうち、２個の光学素子実装用パッド３のそれぞれに対応する部分に設けられている。そして、上記金属層Ｍは、光電気混載基板の薄形化を図りつつ、上記光学素子実装用パッド３に光学素子を実装する際の、電気回路基板Ｅおよび光導波路Ｗの変形を抑える観点から、降伏応力もしくは０．２％耐力が１７０ＭＰａ以上で、厚みが１０〜２５μｍの範囲内に設定されている。この金属層Ｍの厚みが１０μｍを下回ると、さらなる薄形化が図れるものの、光学素子を実装する際の上記変形を抑えることが不充分となり、実装強度の低下や光学素子の位置精度の低下を招く。逆に、金属層Ｍの厚みが２５μｍを上回ると、上記変形を充分に抑えることができるものの、第１クラッド層６が上記金属層Ｍを被覆した状態で形成されることから、その第１クラッド層６が厚くなり、光電気混載基板のフレキシブル性が不充分となる。

上記光導波路Ｗは、上記第１クラッド層（アンダークラッド層）６と、この第１クラッド層６の表面に所定パターン形成されたコア７と、このコア７を被覆した状態で上記第１クラッド層６の表面に形成された第２クラッド層（オーバークラッド層）８とを備えている。そして、上記第１クラッド層６は、上記金属層Ｍを被覆するとともに上記光路部５に入り込んで埋めた状態で形成され、その裏面（コア７の形成面と反対側の面）で上記電気回路基板Ｅの絶縁層１と接触している。さらに、長手方向の両端部では、上記光路部５に対応するコア７の部分が、コア７の長手方向に対して４５°の傾斜面に形成されている。その傾斜面は、光を反射して、上記光学素子実装用パッド３に実装される光学素子とコア７との間の光伝播を可能にする光反射面７ａになっている。すなわち、その光反射面７ａでは、コア７の屈折率の方が、その光反射面７ａの外側にある空気の屈折率よりも大きいため、発光素子（光学素子）からの光やコア７内を伝播してきた光が上記光反射面７ａに当たると、その光の大部分が反射して９０°光路を変換する。

なお、上記光路部５は、エポキシ樹脂等の樹脂からなる第１クラッド層６に形成されているため、吸湿性を有している。湿度の高い環境下での使用や長期にわたる使用等により、外気の水分が第１クラッド層６の外周側面から光路部５まで浸透し、その光路部５の第１クラッド層６の部分の吸湿量が多くなり過ぎると、その光路部５での光伝播効率が悪化する。これに対し、この実施の形態では、上記のように、金属層Ｍが光路部５への水分浸透を防止している。

つぎに、上記光電気混載基板の製法について説明する〔図２（ａ）〜（ｅ），図３（ａ）〜（ｄ）参照〕。

まず、上記金属層Ｍを形成するための金属シート材Ｍ₁〔図２（ａ）参照〕を準備する。この金属シート材Ｍ₁（金属層Ｍ）の金属材料としては、降伏応力もしくは０．２％耐力が１７０ＭＰａ以上である、ステンレス，チタン，各種合金等があげられる。また、上記金属シート材Ｍ₁の厚みは、上記金属層Ｍの厚みと同様の、１０〜２５μｍの範囲内に設定される。

ついで、図２（ａ）に示すように、上記金属シート材Ｍ₁の表面に、ポリイミド樹脂等からなる感光性絶縁樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、所定パターンの絶縁層１を形成する。この実施の形態では、金属層Ｍ（金属シート材Ｍ₁）に接触するアース用電極部２ｂを形成するために、長手方向の両端部に、上記アース用電極部２ｂに対応する金属シート材Ｍ₁の表面部分を露呈させる孔部１ａを形成する。なお、上記絶縁層１の厚みは、３〜４０μｍの範囲内に設定される。

つぎに、図２（ｂ）に示すように、上記電気配線（光学素子実装部２ａおよびアース用電極部２ｂを含む）２を、例えばセミアディティブ法により形成する。この方法は、まず、上記絶縁層１の表面に、スパッタリングまたは無電解めっき等により、銅やクロム等からなる金属膜（図示せず）を形成する。この金属膜は、後の電解めっきを行う際のシード層（電解めっき層形成の素地となる層）となる。ついで、上記金属シート材Ｍ₁，絶縁層１およびシード層からなる積層体の両面に、感光性レジスト（図示せず）をラミネートした後、上記シード層が形成されている側の感光性レジストに、フォトリソグラフィ法により、上記電気配線２のパターンの孔部を形成し、その孔部の底に上記シード層の表面部分を露呈させる。つぎに、電解めっきにより、上記孔部の底に露呈した上記シード層の表面部分に、銅等からなる電解めっき層を積層形成する。そして、上記感光性レジストを水酸化ナトリウム水溶液等により剥離する。その後、上記電解めっき層が形成されていないシード層の部分をソフトエッチングにより除去する。残存したシード層と電解めっき層とからなる積層部分が上記電気配線２である。なお、上記電気配線２の厚みは、５〜３５μｍの範囲内に設定される。

そして、図２（ｃ）に示すように、上記光学素子実装部２ａを除く部分にマスキングを施し、その光学素子実装部２ａの表面に、金やニッケル等からなる電解めっき層を形成し、光学素子実装用パッド３を形成する。その後、上記マスキングを除去する。

ついで、図２（ｄ）に示すように、上記光学素子実装用パッド３が露呈するようにして、電気配線２の部分に、ポリイミド樹脂等からなる感光性絶縁樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、カバーレイ４を形成する。なお、上記カバーレイ４の厚みは、３〜４０μｍの範囲内に設定される。このようにして、前記金属シート材Ｍ₁の表面に、電気回路基板Ｅが形成される。

つぎに、上記金属シート材Ｍ₁と電気回路基板Ｅとからなる積層体の両面に、感光性レジスト（図示せず）をラミネートした後、上記金属シート材Ｍ₁の裏面側（電気回路基板Ｅと反対側の面側）の感光性レジストのうち、前記金属層Ｍ以外の部分に対応する部分に、フォトリソグラフィ法により、孔部を形成し、その孔部の底（図では上面）に上記金属シート材Ｍ₁の裏面部分を露呈させる。

そして、図２（ｅ）に示すように、上記孔部の底に露呈した上記金属シート材Ｍ₁の部分を、その金属シート材Ｍ₁の金属材料に応じたエッチング用水溶液（例えば、ステンレス層の場合は、塩化第２鉄水溶液）を用いてエッチングすることにより除去し、上記金属層Ｍを形成し、その除去跡の底（図では上面）に上記絶縁層１を露呈させる。その後、上記感光性レジストを水酸化ナトリウム水溶液等により剥離する。

そして、上記電気回路基板Ｅの裏面（図では下面）に光導波路Ｗ〔図３（ｄ）参照〕を形成するために、まず、図３（ａ）に示すように、上記金属層Ｍを被覆するように、上記絶縁層１の裏面に、第１クラッド層（アンダークラッド層）６の形成材料である感光性エポキシ樹脂等の感光性樹脂を塗布した後、その塗布層を照射線により露光して硬化させ、第１クラッド層６に形成する。上記第１クラッド層６の厚み（金属層Ｍの裏面からの厚み）は、５〜６０μｍの範囲内に設定される。なお、光導波路Ｗの形成時〔上記第１クラッド層６，下記コア７，下記第２クラッド層（オーバークラッド層）８の形成時〕は、上記金属層Ｍの裏面は上に向けられる。

ついで、図３（ｂ）に示すように、上記第１クラッド層６の表面（図では下面）に、フォトリソグラフィ法により、所定パターンのコア７を形成する。このコア７の厚みは、２０〜２００μｍの範囲内に設定され、幅は、２０〜２００μｍの範囲内に設定される。上記コア７の形成材料としては、例えば、上記第１クラッド層６と同様の感光性樹脂があげられ、上記第１クラッド層６および下記第２クラッド層８〔図３（ｃ）参照〕の形成材料よりも屈折率が大きい材料が用いられる。この屈折率の調整は、例えば、上記第１クラッド層６，コア７，第２クラッド層８の各形成材料の種類の選択や組成比率を調整して行うことができる。

つぎに、図３（ｃ）に示すように、上記コア７を被覆するよう、上記第１クラッド層６の表面（図では下面）に、フォトリソグラフィ法により、第２クラッド層８を形成する。この第２クラッド層８の厚み（第１クラッド層６の表面からの厚み）は、上記コア７の厚み以上であり、４００μｍ以下に設定される。上記第２クラッド層８の形成材料としては、例えば、上記第１クラッド層６と同様の感光性樹脂があげられる。

そして、図３（ｄ）に示すように、前記光路部５に対応する（図では下方に位置する）光導波路Ｗの部分（両端部）を、レーザ加工または刃先角度９０°の回転刃等を用いた切削加工等により、コア７の長手方向に対して４５°傾斜した傾斜面に形成する。そして、その傾斜面のコア７の部分が光反射面７ａとして作用する。このようにして、上記電気回路基板Ｅの裏面に、光導波路Ｗが形成される。このようにして、図１（ａ），（ｂ）に示す光電気混載基板を得る。

図４は、本発明の光電気混載基板の第２の実施の形態を模式的に示す縦断面図である。この実施の形態では、図１（ａ），（ｂ）に示す第１の実施の形態において、端部側の金属層Ｍが、端部方向に延設されておらず、光学素子実装用パッド３の下方において、上記電気配線２のアース用電極部２ｂが形成され、上記金属層Ｍに接触している。それ以外の部分は、図１（ａ），（ｂ）に示す第１の実施の形態と同様であり、同様の部分には、同じ符号を付している。

この実施の形態の光電気混載基板では、端部側の金属層Ｍが端部方向に延設されていないことから、光電気混載基板の両端部も、フレキシブル性を有している。

図５は、本発明の光電気混載基板の第３の実施の形態を模式的に示す平面図である。この実施の形態では、図４に示す第２の実施の形態において、光電気混載基板の幅方向にも、２個の金属層Ｍが追加形成され、長手方向に並んだ２個の金属層Ｍとともに、金属層Ｍが光路部５を囲んだ状態で四角枠状に形成されている。それ以外の部分は、図４に示す第２の実施の形態と同様であり、同様の部分には、同じ符号を付している。なお、図５では、上記光電気混載基板の光学素子実装用パッド３と金属層Ｍの配置を明確にするため、光学素子実装用パッド３，金属層Ｍおよびコア７等の一部の構成のみを図示している。

この実施の形態では、光学素子実装用パッド３の近傍において、上記金属層Ｍが四角枠状に形成されていることから、その四角枠状の金属層Ｍの剛性が高くなっており、上記光学素子実装用パッド３に光学素子を実装する際の、電気回路基板Ｅおよび光導波路Ｗの変形をより一層抑えることができ、光学素子の実装性がより一層優れたものとなっている。

上記光路部５は、先に述べたように、感光性エポキシ樹脂等の感光性樹脂からなる第１クラッド層６に形成されていることから、吸湿性を有している。湿度の高い環境下での使用や長期にわたる使用等により、外気の水分が第１クラッド層６の外周側面から光路部５まで浸透し、その光路部５の第１クラッド層６の部分の吸湿量が多くなり過ぎると、その光路部５での光伝播効率が悪化する。それに対し、この実施の形態では、上記光路部５が四角枠状の金属層Ｍで囲まれているため、上記光路部５への水分の浸透が略完全に防止され、光伝播効率を長期にわたり高く維持することができる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。但し、本発明は、実施例に限定されるわけではない。

〔実施例１〜３，比較例１〜４〕
上記第１の実施の形態において、金属層の種類および厚みならびにアンダークラッド層の厚み（絶縁層からの厚み）を下記の表１に示すものとした。なお、いずれも、光電気混載基板の長さを１００ｍｍ、光電気混載基板の幅を３０ｍｍ、絶縁層の厚みを５μｍ、コアの厚みを５０μｍ、コアの幅を５０μｍ、第２クラッド層の厚み（第１クラッド層の表面からの厚み）を６０μｍとした。

〔光学素子の実装性〕
上記実施例１〜３および比較例１〜４の光電気混載基板の光学素子実装用パッドに、発光素子（ＵＬＭ社製、ＵＬＭ８５０−０５−ＴＴ−Ｃ０１０１Ｄ）を、フリップチップボンダーを用いて実装した。そして、その実装後の光学素子実装用パッドの変形量を電子顕微鏡で測定し、その変形量が５μｍ以下のものを、実装性に優れているとして○、５μｍを上回るものを、実装性に劣っているとして×と評価し、下記の表１に示した。

〔フレキシブル性〕
上記実施例１〜３および比較例１〜４の光電気混載基板を、長手方向および幅方向で数回屈曲させた。そして、屈曲し易いものを○、屈曲し難いものを×と評価し、下記の表１に示した。

上記表１の結果から、金属層の０．２％耐力が１７０ＭＰａ以上で、金属層の厚みが１０〜２５μｍの範囲内に設定されている実施例１〜３は、光学素子の実装性およびフレキシブル性に優れ、上記範囲を外れる比較例１〜４は、光学素子の実装性またはフレキシブル性が劣っていることがわかる。

本発明の光電気混載基板は、電子機器内の小スペースにおいて利用可能である。

Ｅ電気回路基板
Ｍ金属層
Ｗ光導波路
１絶縁層
３光学素子実装用パッド
６第１クラッド層

Claims

絶縁層の表面に光学素子実装用パッドが形成されている電気回路基板と、この電気回路基板の上記絶縁層の裏面にそのクラッド層が接触した状態で形成されている光導波路とを備えた光電気混載基板であって、上記絶縁層と上記クラッド層との間のうち、上記光学素子実装用パッドに対応する部分に、降伏応力もしくは０．２％耐力が１７０ＭＰａ以上で、厚みが１０〜２５μｍの範囲内に設定された金属層が設けられていることを特徴とする光電気混載基板。
上記金属層の形成材料が、ステンレスである請求項１記載の光電気混載基板。