JP4119809B2 - 光電気混載基板 - Google Patents

Description

本発明は高分子光導波路に関し、特に光集積回路、光インターコネクション用光学部品等で用いられる光電気混載板およびその製造方法に関する。

光部品あるいは光ファイバの基材としては、光伝搬損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴を有する石英ガラスや多成分ガラス等の無機系の材料が広く使用されているが、最近では高分子系の材料も開発され、無機系材料に比べて加工性や価格の点で優れていることから、光導波路用材料として注目されている。例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、あるいは、ポリスチレンのような透明性に優れた高分子をコアとし、そのコア材料よりも屈折率の低い高分子をクラッド材料としたコア−クラッド構造からなる平板型光導波路が作製されている（特開平３−１８８４０２号）。これに対して耐熱性の高い透明性高分子であるポリイミドを用い低損失の平板型光導波路が実現されている（特開平２−１１０５００号）。コストなどの要求から光インターコネクション分野において、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）が搭載されようとしているが、基板に対して垂直に出射するレーザ光を基板に対して水平な光導波路に入射するとき、約９０°の光路変換が必要となる。高分子光導波路では、ダイシングソーによって、約４５°に切削し、９０°光路変換を可能にしている（特許文献１：特開平１０−３００９６１）。 しかしながら、ダイシングソーで切削する場合、必要な場所以外も４５°に切削してしまうこと、切削時に汚染の恐れがあること、更には、受発光素子との間隔を５０μｍ以下にすることは難しく、切削だけでは集光機能が無いため光が発散してしまい損失の原因になるなどの問題がある。

図３に示すようにインクジェット方式などで形成したマイクロレンズ５を用いて集光させることも提案されている。プリント配線板８のインターポーザ基板４に設けられた発光素子１あるいは、受光素子２と４５度カットされた光導波路７の間にマイクロレンズ５が基板側とパッケージ側に形成されている。これにより位置精度が緩和され、通常のハンダ実装のみで光結合が可能となる。しかしながら、レンズ用樹脂の粘度、導波路表面の濡れ性管理などコスト高になってしまう。また、空気中を伝搬するため、反射が起こり入出力強度も小さくかつ不安定になる、更には、汚染などの問題があった。

可とう性を有するプラスチック光導波路を曲げて受発光素子に結合する方法が提案されている（特許文献２：特開平５−２８１４２８）。
この方法は、しかしながら、基板を精度良く穴加工や曲面加工しなければならなく、コスト高になってしまう。

更に、図２に示すように発光素子１や受光素子２と光配線７を備えたプリント配線板８に形成した穴に光路変換のための端面４５度カットしたピン９を挿入する方法も提案されている。この場合、ピンは光ファイバを短くカットして得られるが、１ｍｍ前後の長さを数ミクロンの精度で作製する必要がある、穴の要求位置精度が非常に高いなど高精度加工が要求されるため、コスト高になってしまう。また、基板を通さずに光導波路を曲げて上面を空中配線する方法もあるが、高さに制限がある場合実現困難である。
特開平１０−３００９６１号公報 特開平５−２８１４２８号公報

本発明の目的は、上記の問題を回避すべく、低コストで実現できるボードレベル光インターコネクションとなる光電気混載基板を提供することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、面型発光素子または面型受光素子と基板に形成された光配線を光結合するために、ピンやミラーなどを用いて９０°変換するのではなく、光導波路フィルムを用いて、面発光素子あるいは面受光素子と光配線を直接結合することにより、前記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。

すなわち本発明は、光配線および面型発光素子または面型受光素子が搭載された光電気混載板であって、面型発光素子または面型受光素子と光配線との間が屈曲した光導波路で結ばれ、面端発光素子の発光端部または面型受光素子の受光端部と光導波路の一方の端部、および光導波路の他端部と光配線の端部とがそれぞれ直接結合されている光電気混載板である。

このとき、前記光配線が面型発光素子または面型受光素子が取り付けられた側と反対側の面に設けられており、前期光導波路が光電気混載板に設けられたスルーホールを貫通していることが薄型化に寄与するので好ましい。

また本発明は、光配線および面型発光素子または面型受光素子が搭載された光電気混載板の製造方法であって、面型発光素子の発光端部または面型受光素子の受光端部に光導波路の一端部を直接接合した後に、面型発光素子または面型受光素子を光電気混載板に対して固定し、光混載板に設けられたスルーホールを貫通した光導波路を屈曲させて、面型発光素子または面型受光素子が取り付けられた側と反対側の面に取り付けられた光配線の端部と光導波路の前記他端部を直接接合する工程を含むことを特徴とする光電気混載板の製造方法である。光導波路をスルーホールを貫通させるのは、面型発光素子または面型受光素子に直接接合させる前でもよいし、直接接合させた後でもよい。

光電気混載板は１枚の基板からなりその表に面型発光素子または面型受光素子が搭載され裏面に光配線がされていてもよいし、また面型発光素子または面型受光素子が凸形状基板の内側に搭載されその凸形状基板が光電気混載板の主基板の表に取り付けられ、主基板の裏面に光配線がされていてもよい。この光配線は通常の光導波路であって基板面上に貼り付けられたものでよいし、基板面上に形成された光導波路でもよい。

光導波路と面型発光素子や面型受光素子などの光素子との光結合は、光素子を基板に実装後に行うと、基板の反りの影響を受けたり、屈曲させた短い光導波路を光素子に対して垂直に保持することが難しいため、光結合効率が低くなってしまう。また、光結合を行う箇所が多い場合、その度に治具を移動させる必要があるため、光結合の時間も長くなってしまう。

光導波路と光素子の光結合を先に行うと、以上のことは起こらない。
また、光導波路と光配線の光結合は、要求位置精度も低く、比較的簡単に結合できる。

本発明による光電気混載基板構造を用いることにより、結合効率が良好でかつ量産性の優れた低コストな光電気混載板などが製造できる。

以下、本発明を詳細に説明する。ここでは、ポリイミド光導波路、面発光型あるいは面受光型光素子を例に挙げて説明するが、光導波路の材料としてポリイミド以外の光学用材料の樹脂を用いて光結合することももちろん可能である。

まず、本発明に用いる光導波路の一例として光導波路フィルムの製造方法を説明する。シリコンウェハ上に下部クラッド層を形成する。その上にコア層を形成する。次に、所望のコアパターンの描いてあるマスクパターンを用いて、レジストパターン形成を行う。このレジストをマスクとして酸素プラズマでドライエッチングする。次に、残ったレジストを剥離液で除去する。次に上から上部クラッド層を形成する。次に、フッ酸水溶液に浸せきさせシリコンウェハから、光導波路を剥離する。このようにして得られた光導波路フィルムを、所望の形状にダイシングソー等で切り出す。この光導波路フィルムの長さは、基板の厚みに数ｍｍ加えた長さとし、パッケージ実装後、光導波路が基板の裏面から出るように長さを調整する。

次に図１を用いて本発明の光混載板の製造方法の一例を示す。上述のように作成された短冊光導波路１０を凸形状のインターポーザ基板４の内側に実装されている面型発光素子１あるいは面型受光素子２に直接突き当て結合する。すなわち光導波路の長さ方向に直角に切断して得た端面を、面型発光素子の発光部または面型受光素子の受光部に直接突き当てて固定する。

インターポーザ基板４には面型受発光素子を経由する光信号を電気的に処理するＩＣチップ３が取り付けられていてもよい。結合時の位置あわせ方法としてマーカを用いても良いし、発光させて短冊光導波路内を導波する光強度が最大になるようにして位置合わせしても良い。光導波路のコア中心と受発光素子の受発光径の中心が重なる位置で接着材を用いて接着する。このようにして、光導波路の端面に受発光素子をレンズや反射面を介さずに直接結合することが出来る（図１(a)）。

樹脂封止材１１等で光素子を封止したのち、ドリルやレーザなどで形成されたプリント配線板８のスルーホール６に光導波路を通して、インターポーザ基板（例えば、ＢＧＡ：ball grid array基板）にハンダボール１２を用いてハンダ実装する（図１(b)）。電気的な実装をここではハンダを用いて説明しているが、種々の電気実装方法を用いることが出来る。その後、光素子に直接結合した短冊状光導波路10をプリント配線板の内部あるいは裏面に貼り合せられた光配線７に接続する。すなわち光導波路をその長さ方向に直角に切断して得られた端面と、同様に光配線をその長さ方向に直角に切断して得られた端面同士を突き合わせて固定した。このとき、光軸をあわせるためにマーカを用いても良いし、光導波路および光配線の外形形状から光軸となる中心位置を求めて行っても良い。必要であれば、接着剤１３を用いて接続部を固定する（図１(c)）。

これにより、４５°カットした光導波路あるいは光ファイバを用いる場合と比較して、結合損失が大幅に低減でき、かつ低コスト光電気混載板が形成出来る。

引き続いて、実施例を用いて本発明を更に詳しく説明する。なお、分子構造の異なる種々の高分子の溶液を用いることにより数限りない本発明の高分子光導波路および光電気混載板が得られることは明らかである。したがって、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
４インチシリコンウェハ上に２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤＡ）と２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４, ４' −ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）から形成されるポリイミドをクラッドとして、６ＦＤＡと４, ４' −オキシジアニリン（ＯＤＡ）から形成されるポリイミドをコアとして、フォトリソグラフィとドライエッチング技術により光導波路フィルムを形成する。その後、このシリコンウェハ上の光導波路を５ｗｔ％のフッ酸水溶液中に浸漬させ、シリコンウェハから光導波路を剥し、フィルム光導波路を作製した。フィルム導波路の厚みは約５０μｍとした。長さ５ｍｍ、幅３ｍｍになるように短冊光導波路をダイシングソーにより切り出した。

この光導波路をＢＧＡ基板に実装された面発光型レーザダイオードおよび面受光型フォトディテクタを直接結合した。このとき、面発光レーザを発光させて位置合わせを行った。光導波路のコア中心と受発光素子のそれぞれ受発光径の中心が重なる位置でＵＶ硬化エポキシ接着材を用いて接着した。このようにして、光導波路の端面に光素子を直接突き当て結合した。その後、ＢＧＡパッケージを、光配線として光導波路フィルムが裏面に貼り合せられているプリント配線板にハンダ実装した。このとき、プリント配線板には短冊光導波路を通す穴が形成されている。穴を貫通した短冊光導波路を曲げ、光配線の光導波路の端面と接続した。位置合わせ後、接着剤により固定した。このようにして、光電気混載板が製造できた。

受発光素子と電気回路の双方を搭載して光信号や光通信の中継処理を行う光電気混載基板に応用できる。

本発明による光素子と光配線の光結合構造の一例を示す図である。 光ピンを用いた光素子と光配線の光結合構造の従来例を示す図である。 マイクロレンズを用いた光素子と光配線の光結合構造の従来例を示す図である。

符号の説明

１：発光素子、 ２：受光素子、 ３：ＩＣチップ、
４：インターポーザ基板、 ５：マイクロレンズ、 ６：スルーホール、
７：光配線、 ８：プリント配線板、 ９：ピン、
１０：光導波路、 １１：封止材、 １２：ハンダボール、
１３：接着剤

Claims (3)

1. 光配線および面型発光素子または面型受光素子が搭載された光電気混載板であって、
   前記光配線は、面型発光素子または面型受光素子が取り付けられた光電気混載板の面と反対側の面に設けられており、
   前記面型発光素子または面型受光素子と、前記光配線との間は、光電気混載板に設けられたスルーホールを貫通している光導波路で結ばれ、面型発光素子の発光端部または面型受光素子の受光端部と光導波路の一方の端部、および光導波路の他端部と光配線の端部とがそれぞれ直接結合されており、
   前記光導波路は、前記スルーホールを貫通させた当該光導波路の他端部と光配線の端部とを直接接続するために、前記面型発光素子または面型受光素子との接合後においても屈曲可能であることを特徴とする光電気混載板。
2. 前記光導波路は、樹脂フィルムである、請求項１に記載の光電気混載板。
3. 光配線および面型発光素子または面型受光素子が搭載された光電気混載板の製造方法であって、面型発光素子の発光端部または面型受光素子の受光端部に光導波路の一端部を直接接合した後に、面型発光素子または面型受光素子を光電気混載板に対して固定し、光電気混載板に設けられたスルーホールを貫通した前記光導波路を屈曲させて、面型発光素子または面型受光素子が取り付けられた側と反対側の面に取り付けられた光配線の端部と前記光導波路の他端部を直接接合する工程を含むことを特徴とする光電気混載板の製造方法。

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