JP2021523414A - 高密度光導波路構造体およびプリント回路基板ならびにその作製方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、高密度光導波路構造体、プリント回路基板、およびその作製方法に関する。高密度光導波路構造体は、アンダークラッド層と、コア層と、上側クラッド層と、を順に備え、下側クラッド層は、間隔を置いて配設されている。トレンチは、光導波路材料で充填されて、コア層を形成している。導波路構造体は、光導波路をＰＣＢに統合して、光電相互接続を実現する。導波路構造体は、より高い並列相互接続密度をより良好に達成し、良好な信号整合性を維持し、デバイスおよびデバイスサイズを減少させ、同時に、消費電力をより少なくすることができる。構造体は、熱を容易に放散するように構成されており、よりシンプルな物理的アーキテクチャおよび設計を可能にし、プリント回路基板の配線スペースを最大化し、極細ワイヤ基板の製造を容易にし、既存の製造方法の配線密度および信頼性を向上させる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年５月９日に出願された「Ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ」と題された中国特許出願第ＣＮ２０１８２０６７４３９６Ｕ号の優先権を主張し、また、２０１８年５月９日に出願された「Ｈｉｇｈ−ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ａｎｄ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈｅｒｅｏｆ」と題された中国特許出願第ＣＮ２０１８１０４３００６７号の優先権も主張し、各出願の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、プリント回路基板または半導体集積回路パッケージ基材の製造技術に関し、特に、高密度光導波路構造体、プリント回路基板、およびその作製方法に関する。

社会経済の発展に伴い、人々の情報需要は急激に増加し、情報量も指数関数的に増加している。インターネットユーザのみが送信する必要がある情報のビットレートは、毎年８倍増加している。長距離有線通信の分野では、光ファイバ通信技術はこの高性能要件を満たすことができる。しかしながら、短距離情報伝送の分野では、コストおよび技術的な問題に起因して、光ファイバ通信技術は依然として電気的相互接続が主流となっている。しかしながら、電気的相互接続は、電磁干渉、高損失、および低帯域幅などの固有の欠点を有し、これはデータ伝送性能のさらなる改善を制限している。光信号チャネルとして、光導波路は、高帯域幅、抗電磁干渉、低損失、低電力消費、低クロストーク、小さな物理的サイズなどの利点を有し、これにより光相互接続は、高速電気信号相互接続のボトルネックに対する有効な解決策となっている。同時に、光導波路理論に基づく光学印刷バックプレーン技術が開発段階にある。その技術的なホットスポットは、光導波路の伝送特性、および光導波路と光ファイバとの結合である。

本発明の目的は、光導波路をＰＣＢに統合して光電相互接続を実現することができ、より高い並列相互接続密度をより良好に達成することができる、高密度光導波路構造体、プリント回路基板、およびその作製方法を提供することである。良好な信号整合性を維持することで、デバイスおよびデバイスサイズを低減する。

同時に、電力消費が小さく、放熱が容易で、よりシンプルな物理構造と設計を実現することができ、プリント回路基板の配線スペースが最大化され、超微細な配線回路基板の製造が容易になり、既存の作製方法を改善することができる。配線密度の増加は、信頼性の向上につながる。

上記の目的を達成するために、本発明の技術的解決策は、
高密度光導波路構造体は、下側クラッド層と、コア層と、上側クラッド層と、を順に含み、複数のトレンチが、下側クラッド層内に配設され、光導波路材料が、トレンチ内に充填されてコア層を形成する。

さらに、下側クラッド層内のトレンチの内壁には、反射膜が設けられている。

好ましくは、反射膜は、０．１ｎｍ〜５０μｍの厚さを有する。

好ましくは、下側クラッド層内の溝の長手方向断面形状は、円形、楕円形、三角形、台形、または長方形である。

好ましくは、光導波路材料は、アクリレート、ポリメチルメタクリレートならびにそれらに由来するフッ化物およびオキシム、エポキシ樹脂、フッ素含有ポリアリーレンエーテル、フッ素化ポリイミド、ポリシロキサン、フッ素化デンドリマー、またはフッ素化分岐ポリマーである。

好ましくは、反射膜の材料は、光導波路材料と同じであるか、または金属である。

本発明は、光導波路構造体と、第１の回路層、誘電体層、第２の回路層、はんだ抵抗層、および表面処理層と、を備える高密度光導波路構造体のプリント回路基板を備え、誘電体層には導電媒質を充填する孔が配置される。

好ましくは、誘電体層材料は、エポキシ樹脂またはポリイミドである。

好ましくは、表面処理層は、化学ニッケル金、化学銀、化学ニッケルパラジウム金、電気めっきニッケル金、電気めっき銀、または電気めっきニッケルパラジウム金である。

本発明による高密度光導波路構造体のプリント回路基板を作製するための方法は、以下のステップを含む。

１）従来のプリント回路基板基材の２つ以上の層を作成することであって、基材が、第１の導電層と、第１の導電層の上の第１の絶縁層および第２の導電層と、を備える、作成するステップと、
２）初期硬化させる第２の導電層上の光導波路のアンダークラッド材料を積層するステップと、
３）アンダークラッド材料上にトレンチを形成し、トレンチ光導波路材料をトレンチ内に充填し、硬化するステップと、
４）下側クラッド層およびコア層の光導波路上に上側クラッド層を形成し、硬化するステップと、
５）表面処理およびはんだマスキングを実施して、高密度光導波路のプリント回路基板を得るステップ。

他の実施形態では、ステップ３において、トレンチの内壁に反射膜が形成され、トレンチ内のコア光導波路材料を充填する前に充填される。

好ましくは、ステップ３において、トレンチの内壁上に反射膜が形成され、トレンチ内のコア光導波路材料を充填する前に固化される。

好ましくは、ステップ３は、エンボス加工またはレーザアブレーションによってトレンチを形成することである。

好ましくは、ステップ３は、スピンコーティングまたは注入によって、コア光導波路材料をトレンチに充填する。

好ましくは、露光または加熱によって光導波路コア層を硬化させるステップ３。

好ましくは、ステップ４はまた、光導波路上でクラッドを製造することも含み、まず、光導波路材料膜を光導波路コア層に取り付け、次いで、露光および現像によって光導波路上のクラッドを得ることを含む。

好ましくは、光導波路構造体内の溝は、インプリントによって作製される。

好ましくは、エンボス加工方法は、高温エンボス加工、紫外線硬化エンボス加工、ソフトステンシルインプリント、リバースエンボス加工、またはローラエンボス加工を含む。

好ましくは、光導波路構造体内のトレンチは、レーザアブレーションによって作製される。

好ましくは、レーザアブレーション法は、ＣＯ２、紫外線、ピコ秒レーザ、エキシマ、またはフェムト秒レーザを含む。

本発明の有益な効果
１．配線密度を高め、コストを節約する
本発明は、光導波路の溝を製造するためのインプリントおよびレーザアブレーションのプロセスを採用し、特にインプリントの方法を使用して、光導波路の線幅／ピッチを小さくすることができ、光導波路の線幅／間隔は、１μｍ／１μｍに達することができ、光導波路製造の微細さおよび密度を大幅に向上させ、その能力は先行技術のプロセス（３０／３０μｍ）よりもはるかに高い。

その主な理由は以下のとおりである。インプリント技術は、機械的な力によってポリマー材料でコーティングされたシリコン基材上にナノパターンを有するナノパターンをエンボス加工することであり、処理分解能は、ステンシルパターンのサイズにのみ関連し、光学リソグラフィの最短露光波長の物理的制限に起因して、ナノインプリント技術は現在、５ｎｍ未満の線幅を有するパターンを生成することができる。

光学リソグラフィマスクのコストおよび光学撮像装置の使用を排除することによって、ナノインプリント技術の使用は、光導波路の製造コストを低減することができる。

プロセスの安定性が良いだけでなく、量産性も保証されている。

２．接合性を高める
先行技術では、光導波路を製造する際に、コア層は露光および現像によって形成される。しかしながら、現像プロセスでは、光導波路がアンダークラッド層の表面上にあるので、現像シロップによって非常に容易に洗い流される。

本発明では、光導波路が製造されるときに、まず、トレンチが形成され、次いで、内層がトレンチまたはスピンコーティングに注入され、トレンチはすでに下側クラッド層の表面よりも下にあるので、トレンチ中の溶液は容易ではない。固化後、コア層は下側クラッド層の内側に完全に固定され、三方は下側クラッド層に囲まれ、接合力は先行技術よりもはるかに大きい。

３．光信号のクロストークが少なく、低損失である
インプリント技術およびレーザアブレーション技術を使用して、光導波路のトレンチを作成することに起因して、線の均一性を大幅に向上させることができ、線は非常に急峻であり、光信号のクロストークは比較的小さく、損失は低く、信頼性は高い。

従来の高密度光導波路構造体の構造を示す断面図である。 本開示の第１の実施形態の構造体を示す断面図である。 本開示の第２の実施形態の構造体を示す断面図である。 本開示の第３の実施形態の構造体を示す断面図である。 本開示の第４の実施形態の構造体を示す断面図である。 本開示の第５の実施形態の構造体を示す断面図である。 本開示の第６の実施形態の構造体を示す断面図である。 本開示の高密度光導波路構造体を有するプリント回路基板の構造を示す断面図である。

現時点で、従来の光導波路構造体は、図１に示すとおりである。光導波路は、主に上側クラッド層３０と、コア層２０と、アンダークラッド層１０と、から構成され、コア層２０は下側クラッド層１０の表面上にあり、４０はキャリアボードである。製造方法は、以下のステップを含む。まず、光導波路のアンダークラッド層を形成し、次いで、スピンコーティングまたはフィルミングによって、光導波路コア層材料をアンダークラッド層の表面に置き、露光および現像し、線を作成し、次いで、層の製造のためのラッピングを実施する。先行技術の欠点は、製造プロセスにおいて、コア層が露光、現像などによってアンダークラッド層の表面上に形成されるので、光導波路の一方の側が下側クラッド層に接続され、接合力が現像プロセス中に比較的劣ることである。シロップの攻撃を受けて、光導波路線は容易に分離または剥離され、欠陥を形成し、比較的微細な光導波路線の状況はより深刻になる。

したがって、光導波路とアンダークラッドの接合力を高めるためには新しい構造が必要であり、それは、比較的微細な光導波路の製造に適している。

光導波路プリント回路基板において、光導波路の伝送特性は、システムの性能において決定的な役割を果たす。光導波路の伝送特性に影響を与える要因は、光導波路材料の固有の損失、光導波路幾何学形状、および光導波路である。材料の表面粗さおよび端面の処理は、これらの要因が光導波路の伝送損失に影響し、したがってシステムの安定性に影響を与える。現在、光導波路の作製方法は、反応性イオンエッチング、紫外線リソグラフィ、マスクレスダイレクト書き込みなどを含む。作製方法の各々は、その独自の適用範囲、特性、利点を含み、例えば、イオンエッチング法は成熟しており、従来のＩＣプロセスは互換性があるが、プロセスは複雑であり、側面エッチングは深刻であり、側壁粗さは大きい。ＵＶフォトリソグラフィ法の欠点は、光導波路コア層のサイズを制御することが困難なことである。マスクレス直接書き込みプロセスは単純であり、材料は直接形成される。ただし、装置が高価であり、処理面積が小さく、量産が困難である。

上記から分かるように、光導波路の処理方法は柔軟性があり、材料の特性に従って選択することができる。ただし、以下の原則に従う必要がある。（１）光導波路の界面粗さが小さく、（２）波路が均一に硬化しており、（３）波路と基材との密着性が良好で、剥離がなく、（４）プロセス安定性が良好で、量産に適している。

現在、従来の光導波路製造方法は以下のとおりである。

１）光導波路層の底部での基材製造
光導波路層の底部に基材を形成することであって、基材は、第１の銅層と、第１の銅層の上の第１の基材層と、第１の基材層の上の第２の銅層と、を備える、形成すること。

２）光導波路のアンダークラッドの製造
まず、基材の第２の銅層に光導波路材料膜を貼り付け、露光現像または露光およびレーザ窓開口によって、光導波路下側クラッド層を得て、アライメントのための第２の銅層のアライメント領域を露光する。

３）光導波路コア層の製造
まず、光導波路の下側クラッドに光導波路材料膜を貼り付け、次いで、露光および現像によって光導波路コア層パターンを形成し、そのパターンはコア層アライメント基準パターンを含む。

４）光導波路上のクラッドの製造
まず、光導波路コア層に光導波路材料フィルムを貼り付け、露光および現像により光導波路上側クラッド層を得る。

光導波路を製造するための上記の方法は欠点を有する。露光機の性能に起因して、上記方法によって製造された光導波路の線幅／ピッチは３０／３０μｍにしか達することができない。より微細な光導波路製造のためには、新しいプロセスを採用する必要がある。

ここで図２を参照すると、本開示の高密度光導波路構造体は、アンダークラッド層１と、コア層２と、上側クラッド層３と、を含む。下側クラッド層１は、内部に複数のトレンチ１０１を備え、トレンチ１０１はその中に光導波路材料を充填してコア層２を形成する。この実施形態において、溝１０１は、長方形である。

図３を参照すると、下側クラッド層１のトレンチ１０１の内壁には、０．１ｎｍ〜５０μｍの厚さを有する反射膜４が設けられ、反射膜４はポリシロキサンから作成されている。

図４〜図７を参照すると、下側クラッド層１における溝１０１の長手方向断面形状は、台形、円形、楕円形、または三角形である。

好ましくは、光導波路材料は、アクリレート、ポリメチルメタクリレートおよびそれに由来するフッ化物、エポキシ樹脂、フッ素含有ポリアリーレンエーテル、フッ素化ポリイミド、ポリシロキサン、フッ素化樹超分子／超分子およびフッ素化分岐ポリマーである。

好ましくは、反射膜４の材料は、光導波路材料と同じであるか、または金属である。

図２および図８を参照すると、本開示は、光導波路構造体と、第１の回路層５、誘電体層６、第２の回路層、とをそれぞれ備える、高密度光導波路構造体のプリント回路基板を備える。７．はんだ抵抗層８および表面処理層９であって、誘電体層６が、導電媒質で充填される孔１１を備えている、はんだ抵抗層８および表面処理層９である。

好ましくは、誘電体層６の材料は、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリマレイミドトリアジン樹脂、ポリフェニレンエーテルまたはポリテトラフルオロエチレン、ガラス、石英、または酸化ケイ素である。

好ましくは、表面処理層９は、化学ニッケル金、化学銀、化学ニッケルパラジウム金、電気めっきニッケル金、電気めっき銀、または電気めっきニッケルパラジウム金である。

Claims (17)

1. 高密度光導波路構造体であって、下側クラッド層と、コア層と、上側クラッド層と、を備え、複数のトレンチが、前記下側クラッド層内に配設され、光導波路材料が、前記トレンチ内に充填されてコア層を形成する、高密度光導波路構造体。
2. 前記下側クラッド層内の前記トレンチの内壁には、反射膜が設けられている、請求項１に記載の高密度光導波路構造体。
3. 前記反射膜が、０．１ｎｍ〜５０μｍの厚さを有する、請求項２に記載の高密度光導波路構造体。
4. 前記下側クラッド層内の前記溝の長手方向断面形状が、円形、楕円形、三角形、台形、または長方形である、請求項１に記載の高密度光導波路構造体。
5. 前記光導波路材料が、アクリレート、ポリメチルメタクリレートおよびそれに由来するフッ化物、エポキシ樹脂、フッ素含有ポリアリーレンエーテル、フッ素ポリイミド、ポリシロキサン、フッ素化デンドリマー、またはフッ素化分岐ポリマーである、請求項１に記載の高密度光導波路構造体。
6. 前記反射膜の材料が、前記光導波路材料の材料と同じであるか、または金属である、請求項２または３または５に記載の高密度光導波路構造体。
7. 請求項１に記載の高密度光導波路構造体を備えるプリント回路基板であって、前記光導波路構造体およびその下側部分には、第１の回路層と、誘電体層と、第２の回路層と、抵抗と、はんだ層と、表面処理層と、がそれぞれ設けられており、前記誘電体層には、導電媒質が充填される孔が設けられている、プリント回路基板。
8. 前記誘電体層の材料が、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリマレイミドトリアジン樹脂、ポリフェニレンエーテルもしくはポリテトラフルオロエチレン、ガラス、石英、またはシリカである、請求項７に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板。
9. 前記表面処理層が、化学ニッケル金、化学銀、化学ニッケルパラジウム金、電気めっきニッケル金、電気めっき銀、または電気めっきニッケルパラジウム金である、請求項７に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板。
10. 請求項７〜９のいずれか一項に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板を製造する方法であって、１）従来のプリント回路基板基材の２つ以上の層を製造するステップであって、前記基材が、第１の導電層と、前記第１の導電層の上の第１の絶縁層および第２の導電層と、を備える、製造するステップと、２）前記光導波路のアンダークラッド材料が、前記第２の導電層に接着され、初期硬化されるステップと、３）前記パッケージの下で、トレンチが前記層材料上に形成され、前記コア光導波路材料が、硬化される前記トレンチに充填されるステップと、４）オーバークラッド層が、前記下側クラッド層および前記コア層が完了し、硬化した前記光導波路上に形成されるステップと、５）表面処理および抵抗が実施されて、高密度光導波路のプリント回路基板を得るステップと、を含む、方法。
11. 前記ステップ３）が、前記トレンチ内に前記コア光導波路材料を充填する前に、前記トレンチの内壁に前記反射膜を形成することである、請求項１０に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板を作製するための方法。
12. 前記ステップ３）が、エンボス加工またはレーザアブレーションによって実施される、請求項１０に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板を製造する方法。
13. 前記ステップ３）が、スピンコーティングまたは注入によって前記コア光導波路材料を前記トレンチに充填することである、請求項１０に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板を製造する方法。
14. 前記ステップ３）が、前記光導波路コア層を露光または加熱することによって実施される、請求項１０に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板を製造する方法。
15. 前記ステップ４）が、前記光導波路上で前記クラッドを製造することが、まず、前記光導波路材料膜を前記光導波路コア層に取り付けることを含み、次いで、前記光導波路上の前記クラッドが、露光現像によって得られる、請求項１０に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板を製造する方法。
16. 前記エンボス加工の方法が、高温エンボス加工、紫外線硬化エンボス加工、ソフトステンシルインプリント、およびリバースエンボス加工またはローラエンボス加工を含む、請求項１２に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板を製造する方法。
17. 前記レーザアブレーションの方法が、ＣＯ２、紫外線、ピコ秒レーザ、エキシマ、またはフェムト秒レーザを含む、請求項１２に記載の高密度光導波路構造体のプリント回路基板を製造する方法。

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