JP2018159855A

JP2018159855A - 電子装置

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Publication number: JP2018159855A
Application number: JP2017057799A
Authority: JP
Inventors: 康弘藤本; Yasuhiro Fujimoto
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2037-03-23
Also published as: JP6882030B2

Abstract

【課題】光素子および電子素子を高密度に搭載可能であるとともに動作の信頼性が高い電子装置を提供する。
【解決手段】電子装置は、基板と、複数の第１電極と、複数の第２電極と、ソルダーレジスト層と、光導波路と、光素子とを具備している。基板は、第１面を有している。複数の第１電極は、第１面の第１領域上に配されている。複数の第２電極は、第１面の第１領域とは異なる部位上に配されている。ソルダーレジスト層は、第１面上に配されており、第１領域の全体を取り囲むように開口しているとともに複数の第２電極のそれぞれを取り囲むように開口している。光導波路は、基板に配されており、第１領域に光入力部または光出力部を有している。光素子は、複数の第１電極と電気的に接続されるように表面実装されており、上記入力部または光出力部と光学的に接続されている。
【選択図】図３

Description

本開示は、光導波路および配線導体を具備する光電気配線基板に光素子を搭載した電子装置に関する。

近年、情報処理能力の向上を目的として、電子機器間の信号伝送を光で行なうことが検討されている。そのため、光信号を伝送する光導波路と電気信号を伝送する電気回路とが一体となった光電気配線基板に、発光素子または受光素子としての光素子が搭載された電子装置が開発されている。このような電子装置としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。

特開２０１０−７２４７２号公報

電子機器では、さらなる小型化および高機能化が望まれている。そのため、このような電子機器に用いられる電子装置は、１つの光電気配線基板に光素子だけでなく電子素子を少ないスペースで高密度に搭載可能であるとともに、長期にわたって良好に動作することが可能な信頼性の高いものが望まれている。

本開示はこのような事情に鑑みて案出されたものであり、光素子および電子素子を高密度に搭載可能であるとともに動作の信頼性が高い電子装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る電子装置は、基板と、複数の第１電極と、複数の第２電極と、ソルダーレジスト層と、光導波路と、光素子とを具備している。基板は、第１面を有している。複数の第１電極は、第１面の第１領域上に配されている。複数の第２電極は、第１面の第１領域とは異なる部位上に配されている。ソルダーレジスト層は、第１面上に配されており、第１領域の全体を取り囲むように開口しているとともに複数の第２電極のそれぞれを取り囲むように開口している。光導波路は、基板に配されており、第１領域に光入力部または光出力部を有している。光素子は、複数の接続電極を有している。そして、光素子は、これらの複数の接続電極のそれぞれが上記複数の第１電極のそれぞれと電気的に接続されるように表面実装されており、上記入力部または光出力部と光学的に接続されている。

上記実施形態によれば、光素子および電子素子を高密度に搭載可能であるとともに動作の信頼性が高い電子装置とすることができる。

第１実施形態の電子装置の平面図である。図１の電子装置における光電気配線基板の平面図である。図１の電子装置のIII−III線における断面図である。図３の電子装置の要部を拡大した断面図である。図１の電子装置のIV−IV線における断面図である。図５の電子装置の要部を拡大した断面図である。第２実施形態の電子装置の断面図である。第３実施形態の電子装置の断面図である。第４実施形態の電子装置の断面図である。第５実施形態の電子装置における光電気配線基板の平面図である。

本開示の電子装置について、図面を参照しながら説明する。なお、電子装置は、いずれの方向が上方とされてもよいが、本開示では、便宜的に、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義し、Ｚ軸方向の正側を上方として説明する場合がある。

図１〜図６に第１実施形態の電子装置１００を示す。図１は電子装置１００の平面図である。図２は図１の電子装置１００における光電気配線基板１００ａの平面図である。この光電気配線基板１００ａに光素子６を搭載することで電子装置１００となる。図３は図１の電子装置１００のIII−III線における断面図である。図４は図３の電子装置１００の要部を拡大した断面図である。図５は図１の電子装置１００のIV−IV線における断面図である。図６は図５の電子装置１００の要部を拡大した断面図である。電子装置１００は、例えば、光トランシーバー、サーバーまたはルータ等の製品に搭載される。

電子装置１００は、光信号および電気信号を伝送する機能を有する。電子装置１００は、基板１と、複数の第１電極２と、複数の第２電極３と、ソルダーレジスト層４と、光導波路５と、光素子６とを具備している。

基板１は、第１面（上面）を有しており、この第１面上で光素子６を支持している。基板１は、例えば、複数の絶縁層（図示せず）と、複数の配線導体（図示せず）と、ビア導体（図示せず）とを具備している。これらの複数の絶縁層および複数の配線導体は交互に積層されている。また、ビア導体は絶縁層を貫通して設けられており、このビア導体を介して、上下方向に隣り合う配線導体同士が電気的に接続されている。基板１は、従来周知の方法によって作製することができる。

基板１は、複数の絶縁層および複数の配線導体を有している場合に限られない。基板１は、例えば、１層の絶縁層と、１層の絶縁層の表面に配された配線導体とを有するものでもよい。また、基板１は、例えば、複数の絶縁層からなる積層体と、積層体の表面に配された配線導体とを有するものでもよい。また、基板１は、例えば、絶縁層と、複数の絶縁層からなる積層体とを混合して積層したものでもよい。

基板１の絶縁層は、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料、あるいはシリカ、アルミナまたはジルコニア等のセラミックス材料等が用いられる。また、基板１の配線導体およびビア導体は、例えば、銅またはアルミニウム等の金属材料等が用いられる。

複数の第１電極２は、基板１の第１面の第１領域１ａ上に配されている。複数の第１電極２は、基板１の配線導体と光素子６とを電気的に接続するためのものである。複数の第１電極部２は、例えば、銅またはアルミニウム等の金属材料等が用いられる。

複数の第２電極３は、基板１の第１面の第１領域１ａとは異なる部位上に配されている。複数の第２電極３は、基板１の配線導体と電子素子７とを電気的に接続するためのものである。電子素子７は、ＩＣ等の能動素子、または、コンデンサ等の受動素子等である。複数の第２電極部３は、例えば、銅またはアルミニウム等の金属材料等が用いられる。電子素子７は、例えば、半田または導電性樹脂等で第２電極３に接続される。

ソルダーレジスト層４は、基板１の表面を保護するためのものである。ソルダーレジスト層４は、基板１の第１面上に配されており、第１領域１ａの全体を取り囲むように開口している。つまり、図１および図２に示すように、ソルダーレジスト層４の１つの開口の内側に、複数の第１電極２が位置している。また、ソルダーレジスト層４は、複数の第２電極３のそれぞれを取り囲むように開口している。つまり、図１および図２に示すように、複数の第２電極３は、１つ１つがソルダーレジスト層４によって取り囲まれている。

このような構成によって、電子装置１００は、光素子６および電子素子７を高密度に搭載しても、動作の信頼性を高めることができる。つまり、電子素子７が接続される複数の第２電極３は、隣接する第２電極３同士の間にソルダーレジスト層４が存在することから、電気絶縁性を良好に維持することができる。一方、光素子６が接続される複数の第１電極２は、隣接する第１電極２同士の間にはソルダーレジスト層４が存在しないことから、ソルダーレジスト４の熱膨張等によって生じる光素子６と光導波路５との光軸のずれを低減することができる。また、光素子６を搭載する際、搭載機側において複数の第１電極２の輪郭を明確に認識できるようになるため、搭載精度が向上する。以上のことから、電子素子７を含む電気回路の電気的特性および光素子６を含む光学回路の光学特性を長期にわたって良好に維持することができ、これらの動作の信頼性を高めることができる。

ソルダーレジスト層４は、絶縁性を良好に維持可能な絶縁材料が用いられる。このような絶縁材料としては、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料が挙げられる。第２電極部３と基板１に設けられた配線導体との電気的な接続をさらに良好に維持するという観点からは、ソルダーレジスト層４は、例えば、４０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の無機フィラーを有していてもよい。無機フィラーとしては、例えば、平均粒径が０．１μｍ以上２μｍ以下のシリカ粒子またはアルミナ粒子等が用いられる。

光導波路５は、基板１に配されており、第１領域１ａに光入力部５ｄまたは光出力部５ｄを有している。図１〜図６の例では、光導波路５は基板１の第１面上に配されている。そして、光素子６が発光素子である場合、ミラー部５ｅを介して、光素子６の発光部６ｂと光導波路５の光入力部５ｄとが光結合される。あるいは、光素子６が受光素子である場合、ミラー部５ｅを介して、光素子６の受光部６ｂと光導波路５の光出力部５ｄとが光結合される。

なお、光導波路５は、第１面上に配された例に限定されず、基板１の内部あるいは基板１の第１面とは反対側の下面に配されてもよい。この場合、第１面から基板１の厚み方向（Ｚ方向）に延び、光導波路５の端部と光接続する第２の光導波路を、透光性部材等を用いて設ければよい。

光導波路５は、光信号を伝送する機能を有する。光導波路５は、第１クラッド層５ａと、帯状のコア部５ｂと、第２クラッド層５ｃとを有している。コア部５ｂの屈折率は、第１クラッド層５ａおよび第２クラッド層５ｃの屈折率よりも大きく設定されているため、コア部５ｂ内に進入した光は、コア部５ｂと第１クラッド層５ａとの界面およびコア部５ｂと第２クラッド層５ｃとの界面において反射を繰り返しつつ、コア部５ｂ内を進むことになる。その結果、光導波路５は、光信号を伝送することができる。

コア部５ｂの屈折率は、例えば、１．５以上１．６以下に設定される。また第１クラッド層５ａおよび第２クラッド層５ｃの屈折率は、例えば、１．４５以上１．５５以下に設定される。コア部５ｂの屈折率は、第１クラッド層５ａおよび第２クラッド層５ｃの屈折率に対して例えば０．１％以上０．５％以下の範囲で、第１クラッド層５ａおよび第２クラッド層５ｃの屈折率よりも大きく設定される。

第１クラッド層５ａは層状体である。第１クラッド層３ａの厚み（Ｚ方向の厚み）は、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下である。第１クラッド層５ａとしては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂またはアクリル樹脂等を使用することができる。

コア部５ｂは第１クラッド層５ａ上に配されており、Ｘ軸方向に延びる帯状体である。コア部５ｂの厚み（Ｚ方向の厚み）は、例えば２０μｍ以上５０μｍ以下であり、コア部５ｂの幅（図１のＹ軸方向の長さ）は、例えば２０μｍ以上５０μｍ以下である。コア部５ｂとしては、例えば、エポキシ樹脂等を使用することができる。

第２クラッド層５ｃは、コア部５ｂの上面および側面を覆っている。第２クラッド層５ｃの厚み（図２および図３のＺ方向の厚み）は、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下である。第２クラッド層５ｃとしては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂またはアクリル樹脂等を使用することができる。

ミラー部５ｅは、光導波路５の一部に配されており、光素子６と光入力部（または光出力部）５ｄとを光学的に接続するためのものである。ミラー部５ｅは、コア部５ｂの延びる方向（Ｘ軸方向）に対して傾斜しており、その傾斜面が光反射面となっている。すなわち、ミラー部５ｅは、光素子６から下方（−Ｚ方向）に向かって出射された光を平面方向（＋Ｘ方向）に反射して、コア部５ｂ内に光を誘導することができる。あるいは、ミラー部５ｅは、コア部５ｂから平面方向（−Ｘ方向）に出射された光を上方（＋Ｚ方向）に反射して光素子６に光を誘導することができる。ミラー部５ｅは、光導波路３の一部を、ダイシング、レーザー加工等を使用して切り欠くことによって形成することができる。

光素子６は、電気信号を光信号に変換する発光素子であってもよく、光信号を電気信号に変換する受光素子であってもよい。発光素子としては、例えば、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等を使用することができる。また、受光素子としては、例えば、フォトダイオード（PD：Photo Diode）等を使用することができる。あるいは光素子６は発光部および受光部をともに有する受発光素子であってもよい。

光素子６は、複数の接続電極６ａを有している。光素子６は、これらの複数の接続電極６ａのそれぞれが複数の第１電極２のそれぞれと電気的に接続されるように表面実装されている。また、光素子６は、その下面に発光部６ｂまたは受光部６ｂを有しており、その発光部６ｂまたは受光部６ｂがミラー部５ｅと対向している。

光素子６は、その接続電極６ａが、例えば、導電性の接合部材を介した接合、あるいはバンプ接合等によって第１電極２と電気的に接続される。なお、バンプ接合とは、第１電極２および接続電極６ａの少なくとも一方をバンプ状にし、これらを、接合部材を介さずに直接接触させ、熱圧着によって、または超音波によって、接合させたものである。このようなバンプ接合を用いた場合、隣接するバンプ接合間のショートをさらに低減でき、電子素子７を含む電気回路の電気的特性をさらに長期にわたって良好に維持することができる。また、バンプ接合の場合、半田を用いないため、フラックス洗浄が不要となり、発光部６ｂまたは受光部６ｂにフラックス洗浄時に汚れが付着するのを有効に低減できる。

図３〜図６に示すように、光素子６と基板１の第１面との距離は、ソルダーレジスト層４の厚さよりも短くしてもよい。つまり、光素子６の下面は、ソルダーレジスト層４の上面よりも低い位置にあってもよい。この場合、光素子６の下面に位置する発光部６ｂまたは受光部６ｂの周囲をソルダーレジスト層４で取り囲むことができる。その結果、光素子６と光導波路５との光接続部分に、外部から不要な光が侵入することを低減でき、光接続をさらに良好にすることができる。

電子装置１００は、第１領域１ａを取り囲むソルダーレジスト層４の開口内に、光導波路５で伝送される光に対して光透過性を有する透光性樹脂８を有しており、この透光性樹脂８が第１領域１ａと光素子６との隙間を埋めていてもよい。この場合、光素子６と第１電極２との電気的な接続の信頼性をさらに高めることができる。

このような透光性樹脂８としては、例えば、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等を使用することができる。透光性樹脂８の屈折率は、コア部５ｂの屈折率よりも小さくてもよい。このような構成によって、光素子６とコア部５ｂとの間で良好に光信号を伝送させることができる。なお、透光性樹脂８の屈折率は、例えば１．４５以上１．５５以下に設定される。

また、電子装置１００のＺ軸方向に平行な断面において、光素子６のＺ軸に直交する方向の長さをＬとしたときに、光素子６とソルダーレジスト層４の開口の内周面との距離は、０．０１×Ｌ以上としてもよい。この場合、光素子６とソルダーレジスト層４との間に透光性樹脂８を充填しやすくなる。

本開示の電子装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、以下のような変形例であってもよい。

図７は、第２実施形態の電子装置２００の要部拡大断面図である。図７において、第１実施形態の電子装置１００と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。電子装置２００は、第１領域１ａに搭載されている光素子２６の側面が、下面との成す角θ_１が鋭角である第１傾斜面２６ｃを有する点で、第１実施形態の電子装置１００と異なっている。また、この光素子２６の下側の部位は、第１領域１ａに設けられた透光性樹脂８に埋め込まれており、透光性樹脂８が第１傾斜面２６ｃの一部を覆っている。このような構成によって、光素子２６が透光性樹脂８でしっかりと固定され、光素子２６と第１電極２との接続信頼性をより高めることができる。

なお、第１傾斜面２６ｃは、光素子２６の全部の側面にある必要はなく、一部の側面にあってもよい。例えば、光素子２６の平面視形状が四角形状の場合、４つの側面のうち、１つの側面だけが第１傾斜面２６ｃを有していてもよく、２つの側面だけ、あるいは全部の側面が第１傾斜面２６ｃを有していてもよい。

図８は、第３実施形態の電子装置３００の要部拡大断面図である。図８において、第１実施形態の電子装置１００と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。電子装置３００は、第１領域１ａに搭載されている光素子３６の側面が、下面との成す角θ_２が鈍角である第２傾斜面３６ｄを有する点で、第１実施形態の電子装置１００と異なっている。このような構成によって、光素子３６とソルダーレジスト層３４との間に透光性樹脂８を充填しやすくなり、透光性樹脂８内に空隙が生じることをより低減できる。

さらに、この第２傾斜面３６ｄに対向するソルダーレジスト層３４の側面（開口の内周面）は、ソルダーレジスト層３４の下面との成す角θ_３が鋭角の第３傾斜面３４ａを有していてもよい。このような構成によって、第２傾斜面３６ｄとそれに対向する第３傾斜面３４ａとを平行に近づけることができる。その結果、光素子３６と第３傾斜面３ａとの間に位置する透光性部材８が、熱膨張等によって光素子３６の各部位に与える応力を均一に近づけることができる。その結果、光素子３６に歪が生じるのを低減でき、光素子３６の動作を安定に維持できる。

なお、第２傾斜面３６ｄは、光素子３６の全部の側面にある必要はなく、一部の側面にあってもよい。例えば、光素子３６の平面視形状が四角形状の場合、４つの側面のうち、１つの側面だけが第２傾斜面３６ｄを有していてもよく、２つの側面だけ、あるいは全部の側面が第２傾斜面３６ｄを有していてもよい。特に、光素子３６の発光部または受光部への応力を低減して、光素子３６の動作をより安定に維持するという観点からは、光素子３６の発光部または受光部に近い側面が第２傾斜面３６ｄを有していてもよい。

図９は、第４実施形態の電子装置４００の要部拡大断面図である。図９において、第１実施形態の電子装置１００と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。電子装置４００は、第１領域１ａに搭載されている光素子４６の対向する側面の一方が第１傾斜面４６ｃを有するとともに、対向する側面の他方が第２傾斜面４６ｄを有する点で、第１実施形態の電子装置１００と異なっている。第１傾斜面４６ｃは第２実施形態の電子装置２００の第１傾斜面２６ｃと同様の構成である。第２傾斜面４６ｄは第３実施形態の電子装置３００の第２傾斜面３６ｄと同様の構成である。このような構成によって、第１傾斜面４６ｃと第２傾斜面４６ｄの両方の効果を有するものとなる。

図１０は、第５実施形態の電子装置における光電気配線基板５００ａの平面図である。図１０において、第１実施形態の電子装置１００と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。光電気配線基板５００ａは、平面視したときに、第１領域１ａを取り囲むソルダーレジスト層５４の内周に複数の凹部および複数の凸部の少なくとも一方を有している点で、第１実施形態の電子装置１００の光電気配線基板１００ａと異なっている。このような構成によって、ソルダーレジスト層５４の開口内に設けられる透光性樹脂とソルダーレジスト層５４の内周面との密着性を高めることができる。また、ソルダーレジスト層５４の熱膨張等によって生じる光素子６と光導波路５との光軸のずれを低減することができる。

１：基板
１ａ：第１領域
２：第１電極
３：第２電極
４、３４、５４：ソルダーレジスト層
３４ａ：第３傾斜面
５：光導波路
６、２６、３６、４６：光素子
６ａ：接続電極
２６ｃ、４６ｃ：第１傾斜面
３６ｄ、４６ｄ：第２傾斜面
１００、２００、３００、４００：電子装置

Claims

第１面を有する基板と、
前記第１面の第１領域上に配された複数の第１電極と、
前記第１面の前記第１領域とは異なる部位上に配された複数の第２電極と、
前記第１面上に配されており、前記第１領域の全体を取り囲むように開口しているとともに前記複数の第２電極のそれぞれを取り囲むように開口したソルダーレジスト層と、
前記基板に配されており、前記第１領域に光入力部または光出力部を有する光導波路と、
複数の接続電極を有するとともに前記複数の接続電極のそれぞれが前記複数の第１電極のそれぞれと電気的に接続されるように表面実装されており、前記光入力部または前記光出力部と光学的に接続された光素子と
を具備する電子装置。
前記光素子と前記第１面との距離が前記ソルダーレジスト層の厚さよりも短い、請求項１に記載の電子装置。
前記複数の接続電極と前記複数の第１電極との接続はバンプ接合である、請求項１または２に記載の電子装置。
前記光素子の側面は前記光素子の下面との成す角が鋭角の第１傾斜面を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の電子装置。
前記光素子の側面は前記光素子の下面との成す角が鈍角の第２傾斜面を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の電子装置。
前記ソルダーレジスト層の第２傾斜面に対向する側面は、前記ソルダーレジスト層の下面との成す角が鋭角の第３傾斜面を有する、請求項５に記載の電子装置。
平面視したときに、前記ソルダーレジスト層は、前記第１領域を取り囲む内周に複数の凹部および複数の凸部の少なくとも一方を有する、請求項１乃至６のいずれかに記載の電子装置。