JP4006813B2 - 光回路基板とその製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に光ファイバーを回路状に敷設固定した光回路基板とその製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバは、周波数が非常に高い光を搬送波として用いる通信に使用され、遠距離を損失が少なく高品位の伝送ができる通信媒体として発達してきている。このように遠距離の通信に用いるために開発された光ファイバを、近年、情報量の少ない電線に代えて短距離の通信や装置の中での伝送に用いることが提案され、開発されてきている。
【０００３】
例えば、特開昭６１−１８６９０８号公報には、光−電子間の相互変換によって行う通信システムや計測システムにおいて、光能動素子、光受動素子、及び光能動素子の駆動回路を設けた基板を３層以上設け、その基板間に光回路を配設したものが開示されている。ここで、光ファイバについては、ＵＶ樹脂基板に、２本の光ファイバを２ｍｍ間隔で長さ６０ｍｍの光分岐・結合器を設けたと記載されている。
【０００４】
また、特開平１−１８０５０５号公報には、光ファイバを基板上に接着層を介して敷設するという光回路形成方法が開示されている。ここで、光ファイバは、ＡＢＳ樹脂基板にアクリル系の粘着層を形成したものに、敷設するためのツールを用いて敷設したと記載されている。
【０００５】
さらにまた、特開平４−３１１９０５号公報には、リジッドな基板に光ファイバを挟んだフレキシブルな基材を貼り、そのフレキシブルな基材をリジッドな基板の途中から浮かせて、光ファイバの先端を、コネクタに接続できるようにした回路板が開示されている。
【０００６】
さらにまた、特開平１−１８３６０５号公報に開示されているように、基板端面に、光ファイバからの光を傾斜して受ける集光レンズを有する光回路基板が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開昭６１−１８６９０８号公報に開示されているように、光−電子間の相互変換によって行う通信システムや計測システムにおいて、光能動素子、光受動素子、及び光能動素子の駆動回路を設けた基板を３層以上設け、その基板間に光回路を配設すると、基板の厚さが厚くなり、また、光回路に故障があると、電子回路を含む全ての基板部分を取り替えなければならず、経済的でないという課題があった。
また、このような方法では、光インターコネクションに必要とされる位置合わせ精度と光素子などが電気的に実装されている精度とに大きなギャップがあるため、光インターコネクション部分にかなりの精度ギャップを吸収するための余裕が必要であり、基板の大きさが大きくなり実用的でないという課題もあった。
【０００８】
そういう意味では、特開平１−１８０５０５号公報や特開平４−３１１９０５号公報に開示されたように、光回路のみを独立させたもののほうが経済的である。
【０００９】
しかし、特開平１−１８０５０５号公報に開示されているように、接着層の上にツールで敷設すると、光ファイバの全ての部分が接着剤に固定され、光回路から信号を取り出すためには、その部分を剥がすか、あるいは、その部分を固定しないようにしなければならず、固定されない光ファイバーが破損し易いという課題があった。
【００１０】
また、特開平４−３１１９０５号公報に開示されているように、リジッドな基板に光ファイバを挟んだフレキシブルな基材を貼り、そのフレキシブルな基材をリジッドな基板の途中から浮かせて、光ファイバの先端を、コネクタに接続できるようにしても、固定されない光ファイバーが破損し易いことに変わりはなく、かつ、浮かせた光ファイバの先端に接続する光コネクタは、部品面積が大きいために光インターコネクション部が大きくなるという課題があると共に、コネクタを接続する作業時に移動を必要とするため固定されないファイバーの長さが長くなるという課題もあった。
【００１１】
さらに、特開平１−１８３６０５号公報に開示されているように、基板端面に、光ファイバからの光を傾斜して受ける集光レンズを設けると、傾斜角度を小さくすると光ファイバーの固定位置を低くしなければならず、大きくすると基板の高さが高くなるという課題があった。
【００１２】
本発明は、スペースを取らずに精度よく光回路を接続することのできる光回路基板と、そのような光回路基板を効率よく製造する方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光回路基板は、基板表面に光ファイバーを回路状に載置固定した光回路基板であって、光ファイバーの端部が基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断されており、その切断面の真下に基板を貫通する穴であって、その内壁が金属化された穴を有することを特徴とする。
【００１４】
この光ファイバーの切断面の真下に設けた穴が、光回路を接続する穴であり、光は、４５度に切断された光ファイバーの端部で、全反射して光ファイバに垂直な穴に導かれる。
【００１５】
この穴は、光透過性の樹脂で充填されていてもよく、使用しているときに、周囲からほこりやごみを堆積しないので光接続路を確保し易い。
【００１６】
この穴には、光ファイバーの切断面の真下に設けた穴の光ファイバーと接しない面に、受発光素子の光入出力部位が位置あわせして接続されていてもよく、基板と垂直に素子を取り付けるので、実装面積がすくなくでき、また、基板の厚さも厚くならずにすむ。
【００１７】
穴に充填された光透過性の樹脂を、穴内壁側と穴中心側で異なる屈折率の樹脂で構成し、穴内壁側の樹脂の屈折率よりも穴中心側の樹脂の屈折率が大きいものを使用すれば、接続の損失を小さくでき好ましい。さらに、この穴内に、レンズを設けることもできる。
【００１８】
基板には、絶縁基板もしくは内層回路基板にプリプレグで絶縁処理されたものの表面に導体回路を有するもの、導体回路層と光回路層とを別々に有するもの、あるいは、導体回路基板と光回路基板とを組み合わせたものを使用することができる。
また、基板材料には、樹脂フィルムを用い、光ファイバーの固定手段に接着剤コート樹脂フィルム、接着性樹脂フィルムもしくは感光性樹脂を用いることもできる。
【００１９】
光回路基板に、その平面形状において、切り込み部または突出部が形成されており、その切り込みに囲まれた部分または突出部に、光ファイバーが光回路基板の主要部分から連続して敷設されており、その切り込みに囲まれた部分または突出部に、切断面が設けられているものを使用することができる。
【００２０】
このような光基板は、例えば、基板を貫通する穴をあけ、その内壁を金属化し、基板表面に、光ファイバーを回路状に載置固定し、光ファイバーの端部を、先に設けた穴の箇所で基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断することによって製造することができる。
【００２１】
また、基板を貫通する穴をあけ、その内壁を金属化し、基板表面に、光ファイバーを回路状に載置しながら、光ファイバーの端部を、先に設けた穴の真上に切断面が固定されるように、かつ基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断することによっても製造することができる。
【００２２】
さらに、基板表面に、光ファイバーを回路状に載置固定し、光ファイバーの端部を、先に設けた穴の箇所で基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断し、基板の裏面から、光ファイバーの切断面の真下に穴を設け、その内壁を金属化することによっても製造することができる。
【００２３】
さらにまた、基板表面に、光ファイバーを回路状に載置しながら、光ファイバーの端部を、後に設ける穴の真上に切断面が固定されるように、かつ基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断し、基板の裏面から、光ファイバーの切断面の真下に穴を設け、その内壁を金属化することによっても製造することができる。
【００２４】
光ファイバーの敷設は、基板上に設けた粘着フィルムもしくは接着フィルム上に、光ファイバーを供給しながら、ＮＣ装置によりその固定位置を変えて圧接もしくは熱圧接することにより行うことができる。
【００２５】
光ファイバーの切断面を、研磨材、弗化水素酸、ホウ弗化水素酸、溶剤などにより略鏡面化することにより、より損失を抑制でき好ましい。
【００２６】
信号光透過性の樹脂の充填の度合いにより、樹脂表面形状をコントールすることができ、充填を穴内の体積よりも多めに行って凸レンズ形状としたり、充填を穴内の体積よりも少な目に行って凹レンズ形状とすることができる。
【００２７】
穴内に信号光透過性の樹脂を充填した後に、光ファイバーと接しない穴の開口部にレンズを接着することもできる。
【００２８】
光接続のための穴を設けるためには、レーザーを用いることができ、また、感光性樹脂シートを用い、露光・現像により穴を設けることもできる。
光透過性の樹脂を２種類用い、穴を屈折率の小さい光透過性の樹脂で埋めた後、元の穴よりも小さい直径に穴をあけ、そこに、屈折率の大きい光透過性の樹脂を埋めることもできる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる光ファイバーは、石英ファイバーが耐レーザー光性の点で好適であるが、耐レーザー光性があればプラスチックファイバーもしくは金属皮膜を設けたプラスチックファイバーも使用できる。光ファイバーに樹脂などがコートされているものも、レーザー光により除去可能で有れば使用できる。光ファイバーを基板上に回路状に載置固定する手段は、基板上に粘着性を有する接着シートを積層し、その上に熱及びもしくは超音波の治具により圧着し、Ｘ−Ｙテーブルなどの手段により回路を形成することができる。更に必要ならば、固定したファイバー上にプリプレグ、接着剤樹脂フィルムあるいは感光性樹脂などにより、保護固定層を設けることができる。
【００３０】
本発明における基板裏面から光ファイバーに対して設ける穴は、赤外線レーザー、エキシマレーザーが使用可能であるが、熱的影響を小さくするために短パルスで、時間当たりのエネルギー密度の高いレーザー光が適している。プラズマにより穴をあけることも可能であるが、マスクの併用が必要である。
レーザー光で穴あけ可能な樹脂は、エポキシ、ポリイミドなどの積層板で良く用いられる材料が使用可能で、有機、無機のフィラーもレーザー穴あけを阻害しない範囲で使用可能である。充填方法はプレス、注型、印刷などが使用可能である。
この穴は、その内壁を金属化する方法には、どのような方法でも用いることができるが、通常、プリント配線板のスルーホールを金属化する無電解めっき方法を用いるのが経済的である。この金属には、銅でもよいが、ニッケルのように酸化されにくく、光沢のある金属がより好ましい。
【００３１】
本発明におけるファイバーの切断法は、例えば厚さ２５０μｍ、刃先が回転刃の回転面の片側に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するダイヤモンドカッター、ダイシングソーなどの回転刃によって形成可能であるし、刃先が９０度の同様な回転刃を基板表面に対して４５度傾けて切断することも可能である。
【００３２】
本発明におけるレーザー光により形成した基板の穴に、光透過性の樹脂を充填することにより、光ファイバーへの光信号の入出力を良くすることができる。その場合、ファイバーのクラッド層の屈折率と等しいか、やや高い屈折率であることが好ましい。光透過性樹脂の基板面露出形状をレンズ状に形成すると信号伝達効率を向上できる。光透過性樹脂の基板表面露出部に微小なレンズ形状の物を接着させることも好適である。
このような信号光透過性の樹脂としては、アクリル系樹脂のように透明な樹脂であることが好ましいが、エポキシ樹脂、特にアクリル変性のエポキシ樹脂やフッ素含有型のエポキシ樹脂、あるいはポリイミド樹脂などのような樹脂でもよく、光が透過する樹脂であればどのようなものでも使用できる。
【００３３】
形成した穴に信号光透過性の樹脂を充填した後、再度該基板の裏面側からより径の小さい穴を形成し、最初に充填した樹脂より屈折率のやや大きい樹脂を充填することは、穴部分の信号伝達効率の向上に更に好適である。
【００３４】
基板裏面側に位置する光信号の受発光素子と光透過性樹脂の基板裏面露出部、基板表面のレンズ形状の物あるいは直接光ファイバー切断部とを光透過性樹脂で接続することは、信号伝達効率の向上に更に好適である。
【００３５】
光ファイバーの４５度切断面に低屈折率材料層を形成することは、切断面における光の漏れの抑制に好適であり、ファイバーのコアより低屈折率であるとさらに好適である。
【００３６】
光ファイバーの信号取り出し部位の基板にコの字状の切り込みを入れるには、カッターナイフ、ルーターなどが使用できる。
【００３７】
本発明によれば、ピッグテールを使用しないため光ファイバーの折損の心配が少なく、レーザー光により光の取り出し穴を作るため光の取り出しが容易である。また、光の取り出しのためのファイバーの反射面形成に、固定されたファイバーを切断する手法を用いているので作製が容易である。これらの構造により光接続のための面積が小さい光インターコネクション用の光ファイバー配線基板が得られる。
また、光ファイバー配線基板全体をフレキシブルな材料で形成することにより、ファイバー光入出部と光素子との位置合わせを基板の変形を用いて容易にでき、また基板に入れたコの字状の切り込みは、同様に位置合わせをより容易にすると共に、素子とファイバーとの光接続の部分だけを取り出すことができ、接続の信頼性を高めることが可能になる。
【００３８】
【実施例】
実施例１
７０μｍ厚のポリイミドフィルムを基板とし、アクリルゴム系の粘着フィルムを基板の片面に貼り付け、超音波振動による圧接治具及びＮＣ駆動のＸ−Ｙテーブルにより直径１２５μｍのマルチモード石英光ファイバーを敷設した。
このファイバー敷設面に硬化後に可撓性を有するアミドエポキシ感光性樹脂を１００μｍ塗布、真空脱泡後紫外線により硬化させた。
この感光性樹脂層形成を２回繰り返してファイバーの保護固定層を形成した。
次に、光ファイバーの信号取り出し領域をダイシングソーにより表面から光ファイバーの底部まで切断し、光ファイバーの４５度の切断面を得た。
その表面に、めっきレジスト用フィルムであるＨＷ−４４０（日立化成工業株式会社製、商品名）をラミネートした。
その後、基板裏面より赤外線レーザーを照射して直径０．３ｍｍの穴を光ファイバーに到達するまであけた。
その後、めっき用触媒を穴内壁とめっきレジストの表面に付着させ、めっきレジストを剥離除去した。
この穴をあけた基板を、ニッケルめっき液であるブルーシューマ（日本カニゼン株式会社製、商品名）に、８５℃、２０分浸漬し、厚さ５μｍのニッケルめっきを行った。
さらに、切断ファイバーを囲む様に基板にコの字状の切り込みをカッターナイフで形成し、フレキシブル光ファイバー配線基板を得た。
【００３９】
実施例２
厚さ０．２５ｍｍのガラスクロス・エポキシ樹脂両面銅張り積層板であるＭＣＬ−Ｅ−６７９（日立化成工業株式会社製、商品名）の表面銅箔を既存のサブトラクト法でエッチング除去後、光ファイバーの信号取り出し領域に相当する基板領域に、予め直径５ｍｍの穴を設けエポキシ樹脂で穴を注型充填硬化して基板を得た。
次に、アクリルゴム系の粘着フィルムを基板の片面に貼り付け、超音波振動による圧接治具及びＮＣ駆動のＸ−Ｙテーブルにより直径１２５μｍのマルチモード石英光ファイバーを敷設した。
このファイバー敷設面にエポキシプリプレグを重ねクッションプレス法により熱硬化させて、ファイバーの保護固定層を形成した。
次に、光ファイバーの信号取り出し領域をダイシングソーにより表面から光ファイバーの底部まで切断し、光ファイバーの４５度の切断面を得た。
その表面に、めっきレジスト用フィルムであるＨＷ−４４０（日立化成工業株式会社製、商品名）をラミネートした。
その後、基板裏面より赤外線レーザーを照射して直径０．３ｍｍの穴を光ファイバーに到達するまであけた。
その後、めっき用触媒を穴内壁とめっきレジスト表面に付着させ、めっきレジストを剥離除去した。
この穴をあけた基板を、ニッケルめっき液であるブルーシューマ（日本カニゼン株式会社製、商品名）に、８５℃、２０分浸漬し、厚さ５μｍのニッケルめっきを行った。
さらに、ニッケルめっきを形成した穴にフッ素含有型のエポキシ樹脂を充填し、表面張力で丸みを帯びる程度に基板表面から盛り上がらせて、紫外線を照射して硬化させ光ファイバー配線基板を得た。
【００４０】
実施例３
実施例１で作製したフレキシブル光ファイバー配線基板の、光ファイバーと接しない穴の開口部に、受発光素子を、その光入出力部位を位置あわせして設けたフレキシブル光ファイバー配線基板を得た。
【００４１】
実施例４
実施例１において、光ファイバーの切断面を、研磨材であるアルミナ粉を吹き付けて磨き、バフ研磨し、希釈した溶剤で洗浄して鏡面化した以外は、実施例１と同様にしてフレキシブル光ファイバー配線基板を得た。
【００４２】
実施例５
実施例２において、穴内に信号光透過性の樹脂を充填した後に、光ファイバーと接しない穴の開口部に凸レンズを接着し、光ファイバー配線基板を得た。
【００４３】
実施例６
基板に感光性樹脂シートを用い、露光・現像により穴を設けること以外は、実施例２と同様にして光ファイバー配線基板を得た。
【００４４】
実施例７
実施例２において、光透過性の樹脂を２種類用い、最初の穴径を１．０ｍｍとし、その穴を屈折率の小さい光透過性の樹脂で埋め、加熱硬化した後、元の穴の真ん中に直径０．３ｍｍの穴をあけ、そこに、屈折率の大きい光透過性の樹脂を埋めること以外は、実施例２と同様にして光ファイバー配線基板を得た。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明により、光接続のための面積が小さく、光素子と光ファイバー間の位置合わせが容易な光インターコネクション用の光回路基板と、そのような光回路基板を効率よく製造する方法を提供することができる。

Claims (21)

1. フレキシブルな基板表面に光ファイバーを回路状に載置固定した光回路基板であって、光ファイバーの端部が基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断されており、その切断面の真下に基板を貫通する穴であって、その内壁が金属化された穴を有し、穴の周囲に切断ファイバーを囲む様に基板にコの字状の切り込みが形成されていることを特徴とする光回路基板。
2. 光ファイバーの切断面の真下に設けた穴が、光透過性の樹脂で充填されていることを特徴とする請求項１に記載の光回路基板。
3. 光ファイバーの切断面の真下に設けた穴の光ファイバーと接しない面に、受発光素子の光入出力部位が位置あわせして接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光回路基板。
4. 穴に充填された光透過性の樹脂が、穴内壁側と穴中心側で異なる屈折率の樹脂から構成され、穴内壁側の樹脂の屈折率よりも穴中心側の樹脂の屈折率が大きいものであることを特徴とする請求項２または３に記載の光回路基板。
5. 基板が、絶縁基板もしくは内層回路基板にプリプレグで絶縁処理されたものの表面に導体回路を有するものであることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれかに記載の光回路基板。
6. 基板が、導体回路層と光回路層とを別々に有するものであることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれかに記載の光回路基板。
7. 基板が、導体回路基板と光回路基板とを組み合わせたものであることを特徴とする１〜４のうちいずれかに記載の光回路基板。
8. 基板材料が樹脂フィルムであり、光ファイバーの固定手段が接着剤コート樹脂フィルム、接着性樹脂フィルムもしくは感光性樹脂であることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれかに記載の光回路基板。
9. 基板を貫通する穴をあけ、その穴内壁を金属化し、基板表面に、光ファイバーを回路状に載置固定し、光ファイバーの端部を、先に設けた穴の箇所で基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断することを特徴とする請求項１記載の光回路基板の製造法。
10. 基板を貫通する穴をあけ、その穴内壁を金属化し、基板表面に、光ファイバーを回路状に載置しながら、光ファイバーの端部を、先に設けた穴の真上に切断面が固定されるように、かつ基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断することを特徴とする請求項１記載の光回路基板の製造法。
11. 基板表面に、光ファイバーを回路状に載置固定し、光ファイバーの端部を、先に設けた穴の箇所で基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断し、基板の裏面から、光ファイバーの切断面の真下に穴を設け、その穴内壁を金属化することを特徴とする請求項１記載の光回路基板の製造法。
12. 穴を設ける箇所に、予めその穴より大きい径の穴をあけ、そこにレーザー光で穴あけ可能な樹脂を充填し、加熱硬化させておき、レーザ光を用いて穴をあけることを特徴とする請求項１１に記載の光回路基板の製造法。
13. 基板表面に、光ファイバーを回路状に載置しながら、光ファイバーの端部を、後に設ける穴の真上に切断面が固定されるように、かつ基板表面に対して９０度の方向に最も光を屈折あるいは反射できる角度を有するように切断し、基板の裏面から、光ファイバーの切断面の真下に穴を設け、その穴内壁を金属化することを特徴とする請求項１に記載の光回路基板の製造法。
14. 基板上に設けた粘着フィルムもしくは接着フィルム上に、光ファイバーを供給しながら、ＮＣ装置によりその固定位置を変えて圧接もしくは熱圧接することにより、光ファイバーを敷設することを特徴とする請求項９〜１３のうちいずれかに記載の光回路基板の製造法。
15. 光ファイバーの切断面を、研磨材、弗化水素酸、ホウ弗化水素酸、溶剤などにより略鏡面化することを特徴とする請求項９〜１４のうちいずれかに記載の光回路基板の製造法。
16. 穴を設けその内壁を金属化した後に、穴内に信号光透過性の樹脂を充填することを特徴とする請求項９〜１５のうちいずれかに記載の光回路基板の製造法。
17. 穴内に信号光透過性の樹脂を充填した後に、光ファイバーと接しない穴の開口部にレンズを接着することを特徴とする請求項１６に記載の光回路基板の製造法。
18. 穴内に信号光透過性の樹脂を充填した後に、光ファイバーと接しない穴の開口部に、受発光素子を、その光入出力部位を位置あわせして設けることを特徴とする請求項１６〜１７のうちいずれかに記載の光回路基板の製造法。
19. 穴を設けるために、レーザーを用いることを特徴とする請求項９〜１８のうちいずれかに記載の光回路基板の製造法。
20. 基板に感光性樹脂シートを用い、露光・現像により穴を設けることを特徴とする請求項９〜１８のうちいずれかに記載の光回路基板の製造法。
21. 光透過性の樹脂を２種類用い、穴を屈折率の小さい光透過性の樹脂で埋めた後、元の穴よりも小さい直径に穴をあけ、そこに、屈折率の大きい光透過性の樹脂を埋めることを特徴とする請求項１６〜２０のうちいずれかに記載の光回路基板の製造法。