JP4155160B2

JP4155160B2 - 光電気混載基板の製造方法

Info

Publication number: JP4155160B2
Application number: JP2003367962A
Authority: JP
Inventors: 亮一寺内
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: JP2005134488A

Description

本発明は、電気配線と光配線が混在する光電気混載基板の製造方法に関する。

従来、電気配線と光配線（光導波路コア）が混在する複合基板である光電気混載基板において、基板内部の面内方向光配線から基板表面の光電気変換素子まで光信号を導波する光路部分（厚み方向光結合部）に、光路を９０度曲げる光偏向部及び厚み方向光配線が形成されて用いられている。光偏向部及び基板表面に対して垂直方向に光信号を伝搬させる厚み方向光配線の光路の形成方法として、例えば、図８に示すものが知られている。

これらの従来の光電気混載基板の厚み方向光結合部への形成方法を述べる。図８（ａ）に示すものは、コア（光配線）９２、クラッド９３からなる光導波路板に貫通孔９４があけられ、コア用樹脂が充填・硬化されて厚み方向光配線９５が形成される。続いて、光配線の交叉部近傍において切削加工やエッチング加工によりミラー９６が形成される。以上により、基板平面内の方向から基板厚み方向に向かう光導波路が形成される（例えば、特許文献１参照）。また、図８（ｂ）に示すものは、基板９１の両面の光配線を結合する方法を示す。貫通孔にコア用樹脂が充填・硬化され、切削加工やエッチング加工によりミラー９６が形成される点は、前記同様である（例えば、特許文献２参照）。

図８（ｃ）に示す方法は、貫通孔にコア用樹脂を充填・硬化するかわりに、貫通孔に成形した導波路を挿入している。すなわち、光電気混載基板のクラッド９３に囲まれたコア（光配線）９２の所定の場所を貫通するように、貫通孔９４があけられ、片側端面をθ＝４５度にカットしてマイクロミラー９６を形成した光ファイバ（光ピン）９５ａが挿入される（例えば、非特許文献１参照）。
特開２０００−３０４９５３号公報特開２０００−２９８２１６号公報三上修、内田禎二「光表面実装技術の進展」、電子情報通信学会論文誌（Ｃ）、Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ｃ、Ｎｏ．９，ｐｐ．７１５−７２６，２００１年９月

しかしながら、上述した図８（ａ）（ｂ）に示すような厚み方向光結合部を有する光電気混載基板においては、貫通孔にコア用樹脂を隙間や気泡の発生なく充填・硬化することが難しく、光信号の導波損失を低減することが難しいという問題がある。また、図８（ｃ）に示すような、マイクロミラーを形成した光ピンを挿入する方法によると、ミラーになった端面を傷つけることなく貫通孔に挿入することが困難である上に、ミラーの回転方向、及びミラーの高さ位置の決定が非常に困難であり、光ピン位置ずれによる光信号の導波損失を低減することが難しいという問題がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により導波損失を低減した信頼性の高い厚み方向光結合部を有するものとする光電気混載基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、基板表面に配した電気信号を伝播させる電気配線と、基板内部に配した光信号を導波させる面内方向光配線と、前記面内方向光配線と光結合し、基板の厚み方向に光信号を導波させる厚み方向光配線と、前記面内方向光配線と厚み方向光配線とを光結合させる光偏向部と、を備えた光電気混載基板の製造方法において、基板の厚み方向に孔を形成する工程と、前記工程で形成された孔に固体状の透明体を挿入することにより前記厚み方向光配線を形成する工程と、前記面内方向光配線と厚み方向光配線との光結合部における前記工程により挿入した前記透明体をレーザ光照射により加工して前記光偏向部を形成する工程と、を備えていることを特徴とする光電気混載基板の製造方法である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板の製造方法において、前記光偏向部を形成する工程では、基板の電気配線を備えた面と異なる側の面から前記透明体にレーザ光を照射することにより傾斜面を形成するものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板の製造方法において、前記光偏向部を形成する工程では、基板の電気配線を備えた面と異なる側の面から前記透明体にレーザ光を照射することにより凹面形状を形成するものである。

請求項４の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板の製造方法において、前記厚み方向光配線の基板表面側の端面を凸面形状に加工する工程をさらに備えるものである。

請求項５の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板の製造方法において、前記孔を形成する工程では、前記基板表面に存在する電気配線の位置を基準にして孔の形成位置を決定するものである。

請求項６の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板の製造方法において、前記光偏向部を形成する工程では、前記光偏向部として回折格子を形成するものである。

請求項７の発明は、請求項６に記載の光電気混載基板の製造方法において、前記回折格子は、レーザ光を照射することにより前記透明体を内部改質して形成するものである。

請求項１の発明によれば、孔に透明体を挿入することにより、気泡を発生させることなく厚み方向の光配線を形成でき、また孔に挿入した透明体をレーザ光照射により加工して光偏向部を形成するので光偏向部の位置・形状・配置方向などの精度を確保でき、従って、導波損失を低減した信頼性の高い厚み方向光結合部を有する光電気混載基板が得られる。

請求項２の発明によれば、レーザ光を走査することにより微細形状加工を高精度に行えるので、高精度な傾斜面が形成され、従って光損失の少ない光偏向部を有する光電気混載基板が得られる。また、レーザ光にエネルギー分布を持たせることで、所望する形状を短時間に形成することができる。また、レーザ光をマスクを介して照射しながらマスクを移動して、加工の位置、範囲、形状を制御することができ、所望する形状を短時間に形成することができる。

請求項３の発明によれば、レーザ光を走査することにより微細形状加工を高精度に行えるので、高精度な凹面形状の光偏向部が形成され、凹面形状の光偏向部の集光機能により、発光素子（光電気変換素子）からの光を集光して光配線に伝送し、又は光配線からの光を集光して受光素子（光電気変換素子）に伝送することができ、光結合損失を低減することができる。

請求項４の発明によれば、厚み方向光配線の基板表面側端面の凸面形状に加工するので、その凸面形状によるレンズ効果により、上記同様の効果を奏する。

請求項５の発明によれば、電気配線を位置決めの基準にして透明体挿入の孔を形成するので、後工程で光電気変換素子の受発光部の位置と厚み方向光配線の基板表面端部とを位置精度良く実装できる。また、電気配線を基準にして決定した基板表面の位置の垂直下方に光偏向部の形成位置がきていない場合、孔形成の段階で個々の孔について判断して透明体を挿入する孔を斜めに形成する対応が可能であり、基板全体として光結合損失を低減した光電気混載基板が得られる。

請求項６の発明によれば、回折格子からなる光偏向部によると、光信号を多方向へ偏向して分岐することができる。

請求項７の発明によれば、レーザ光の焦点位置に内部改質を発生させて回折格子を形成できるので、透明体を挿入する孔を貫通穴にすることなく回折格子を形成できる。

以下、本発明の一実施形態に係る光電気混載基板の製造方法について、図面を参照して説明する。図１は、光電気混載基板１とその製造工程を示す。光電気混載基板１は、図１（ａ）に示すように、基板２の表面に配した電気信号を伝播させる電気配線３と、基板２内部に配した光信号を導波させる面内方向光配線４と、面内方向光配線４に光結合して基板２の厚み方向に光信号を導波させる厚み方向光配線５と、面内方向光配線４と厚み方向光配線５との光結合部に形成した光偏向部６を備えている。

面内方向光配線４は、面内方向光配線４よりも低い屈折率を有するクラッド４１により囲まれている。また、基板２はベース基板２１の上に形成されている。厚み方向光配線５は、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、基板２の厚み方向に基板２とベース基板２１とを貫通して形成された孔２０に透明体１０を挿入することにより形成され、光偏向部６は、挿入した透明体１０をレーザ光ＬＢを用いて加工・形成される。

ここで、面内方向光配線４から光偏向部６及び厚み方向光配線５を経由して基板２の外部へと至る光路について説明する。電気信号を伝搬させる電気配線３と光信号を伝搬させる面内方向光配線４とが混在する複合基板（光電気混載基板）では、面内方向光配線４を伝搬する光信号を垂直方向に取り出し、図１（ａ）に点線で示したように、基板表面に実装されたフォトダイオードなどの光電気変換素子Ｃまで伝搬させるか、又は、基板表面に実装された面発光レーザなどから出射された光信号を基板面に平行に設けられた面内方向光配線４まで伝搬させることが行われる。

上述の光路を伝搬する光信号の損失（光電気結合損失）は、光が伝搬する媒質の吸収率や反射率、さらに光の広がり角、伝搬距離に依存する。この他、特に、垂直方向導波路５の光入出射端面の位置と、光電気変換素子Ｃの受発光部Ｃ１の位置との位置合わせ精度は、光電気結合損失の大小に大きく影響する。そこで、位置精度良くあけた孔２０に、光伝播特性のすぐれた透明体１０を挿入して、光特性と位置精度に優れた厚み方向光配線５を形成する。まず、透明体１０の挿入と光偏向部６の形成について説明し、その後、加工位置精度について説明する。

透明体１０は、光を効率よく伝播させる高屈折率材料からなる中心部のコア１１と、コア１１を囲み、コア１１よりも低い屈折率を有する材料からなるクラッド１２からなる光ファイバ状のものが好適に用いられる。また、透明体１０を挿入する孔２０は、面内方向光配線４との接触部において空気層などが介在しないように、透明体１０が隙間なく納まる寸法とされる。孔２０に透明体１０を挿入する方法としては、例えば、エアー等の吸引による方法を用いることができる。

透明体１０の材料は、ガラス、樹脂などがあげられる。樹脂材料であるほうが、挿入するときに容易であり、また安価である。樹脂材料としては、エポキシ系、アクリル系などがあげられる。特に、プラスチック材料からなる光ファイバ（ＰＯＦ）等は大量に生産されているため、非常に安価である。後者の材料を用いる場合、光偏向部６をレーザ光で形成する際、被加工面に微細構造が発生する場合があるが、後処理としてエネルギを弱めたレーザ光を照射することで、微細構造を除去して鏡面を得ることができる。このように、透明体１０を挿入して形成した厚み方向光配線５は、従来の、孔に樹脂を充填・硬化して形成するものと異なり、気泡発生や樹脂硬化変形等の問題がなく、光伝播損失が低減される。

続いて、光偏向部６の形成について説明する。光偏向部６は、例えば、面内方向光配線４を伝搬する光信号を反射させるミラーによって構成される。光偏向部６は、図１（ｃ）に示すように、挿入した透明体１０を基板２の背面（図の下側、電気配線面の反対側）から、孔２０の中の透明体１０の下端面にレーザ光ＬＢを照射することにより、端面を形状加工して形成される。光偏向部６として加工される端面形状は、例えば４５度の傾斜面である。４５度斜面の加工方法として、例えば、レーザ光ＬＢの照射ショット数をＸＹ面内で分布を持たせて制御する方法と、反射率や透過率に分布を持たせたマスクを透過させることによりレーザ光に強度分布を持たせる方法がある。レーザ光にエネルギー分布を持たせることで、所望する形状を非常に短時間に形成することができる。用いるレーザとしては、ＵＶ〜近赤外域の波長をもつレーザが適している。ミラー形成位置の決定方法として、基板表面側（図の上側、電気配線面側）から、ガイドとなる可視光を照射する方法を用いることができる。

続いて、加工の位置精度について説明する。加工の位置精度確保は、まず、垂直方向導波路５の形成に、電気配線３を位置決めの基準とすることによる。垂直方向導波路５の形成の後、同様に、電気配線３を位置決めの基準として光電気変換素子Ｃと厚み方向光配線５との位置合わせを行い、光電気変換素子Ｃを実装することで、全体の位置合わせ精度が向上し、光電気結合損失の低減ができる。すなわち、まず、透明体１０を挿入する位置を基板２の表面の電気配線３から算出して決定する。電気配線３は、厚み方向光配線５の光軸の位置を容易に算出できるパターンを持たせた設計としておく。また、電気配線３と面内方向光配線４の面方向位置ずれは、例えば、±２０μｍ以下にしておき、基板２の表面から垂直に透明体１０を挿入する孔２０を形成する。孔２０は、例えばレーザ光を用いて形成される。

しかしながら、電気配線３と面内方向光配線４の位置ずれが大きくなった場合や、面内方向光配線３が細いため位置ずれを許容できない場合、透明体１０を挿入する孔２０を基板２の表面に対し垂直とはせずに、面内方向光配線４の中心であって光偏向部６を形成すべき位置と、受発光部Ｃ１の中心とを結ぶ直線に沿ってレーザ光により孔をあけ、そこに透明体１０を挿入する。このような透明体１０に形成する光偏向部６は、面内方向光配線４の光軸と透明体１０の光軸の成す角度の２等分線を法線とする面からなる反射面等で形成する必要がある。

次に、本発明の他の一実施形態に係る光電気混載基板の製造方法を、図２により説明する。この製造方法による光電気混載基板１では、上述の４５度反射面からなる光偏向部６傾斜面に、金属膜６１を蒸着させて、反射率の向上が図られている。蒸着する金属膜６１として、例えば、金（Ａｕ）が適している。金属膜６１の厚さは、蒸着金属によるが、Ａｕの場合、約１０００ｎｍ〜３０００ｎｍ程度が望ましい。金属膜６１により、光の結合損失低減と垂直方向の導波路の伝搬損失が低減できる。なお、金属膜６１による反射率向上は、４５度反射面に限らず、次に説明する凹面形状ミラーにも同様に適用できる。

次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の製造方法を、図３により説明する。この製造方法による光電気混載基板１は、光偏向部６として、凹面形状ミラーを備えている。厚み方向光配線５を形成する透明体の基板内側端面が、前述のようにレーザ光を用いて、凹面ミラー形状に加工される。凹面ミラーの凹面形状は、反射する光が集光するように加工され、光が面内方向光配線４から厚み方向光配線５へ、又はその逆方向に伝搬する際に、光学損失を低減させるように形成される。凹面形状の、好適な加工方法として、開口マスクと遮蔽マスクの２枚のマスクを重ね合わせ、遮蔽マスクを移動させて、開口マスクの開口部面積を徐々に広げて加工を行う開口マスク法と、前述の反射率や透過率に分布を持たせたグレーマスクを透過させることによりレーザ光に強度分布を持たせるグレーマスク法がある。開口マスク法は、所望する加工形状に応じて遮蔽マスクの移動速度を制御する必要があり、また、グレーマスク法は所望する加工形状に応じてマスク設計が必要となる。用いるレーザは、ＵＶ〜近赤外域の波長をもつレーザが適している。

次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の製造方法を、図４、図５により説明する。図４に示す光電気混載基板１は、厚み方向光配線５を形成する透明体の基板表面側端面が、レーザ光を用いて、上側に凸になった凸レンズ形状に加工されている。基板２に実装された光電気変換素子との光の入出射において、厚み方向光配線５の上端に形成された凸レンズ形状によって、光信号の広がりを抑え、光学損失を低減させることができる。

この凸レンズ形状の加工方法として、例えば、前述の凹面ミラー形状の加工法と同様の方法と、図５に示すマスクドラッキング法がある。後者の方法は、例えば、図５（ａ）に示す開口７０と開口形状７１を有するマスク７を用いて行われる。図５（ｂ）に示すように、マスク７をＸ方向に移動しつつ開口７０を通してレーザ光ＬＢを被加工物７５に照射する。被加工物７５のＸ方向に、開口形状７１を反映した蒲鉾状の構造が形成される。この蒲鉾状の構造に対して、Ｘ方向と同様にＹ方向にレーザ光ＬＢを照射することにより、蒲鉾状構造の交差部分Ｈに、図５（ｃ）に示すようなドーム形状が形成される。

用いるレーザとしては、ＵＶ〜近赤外域の波長をもつレーザがあげられる。レンズ面を高精度にするために波長の短いＵＶレーザが望ましい。エキシマレーザを用いてマスクドラッキング法により加工を行った場合、エキシマレーザが連続光ではなく、パルスレーザであるため、加工面に開口マスクの縁辺の形状跡が残る可能性があるが、形成された凸レンズ面全体にレーザ光を照射して形状跡を除去することができる。

次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の製造方法を、図６により説明する。この製造方法による光電気混載基板１は、厚み方向光配線５の上端（図の上側、基板２表面側の端面）を予め基板２の表面よりも所定の高さだけ突出させたものである。この突出部の高さは、基板２の表面から、実装した光電気変換素子Ｃの受発光部Ｃ１の表面までの高さに揃えられている。光電気変換素子Ｃと厚み方向光配線５の突出した部分の間で、空間中を伝播させることなく光信号を直接授受させるので、この間の光信号の広がりを抑え、光学損失を低減することができる。また、この突出した厚み方向光配線５の側面に金属膜を蒸着させることにより、さらに光学損失の低減が可能となる。また、光電気変換素子Ｃの受発光部Ｃ１に、例えば凸レンズが取り付けられている場合、凸レンズの形状に合わせて、厚み方向光配線５の突出部端面をレーザ加工を行い、光電気変換素子Ｃを実装した際に、受発光部Ｃ１の表面形状と一致するようにして、光の漏洩や広がりを防止することができる。この加工に用いるレーザとして、ＵＶレーザなどが望ましい。また、形状加工法として、前述の開口マスク法やグレーマスク法を用いることができる。

次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の製造方法を、図７により説明する。この製造方法による光電気混載基板１は、図７（ａ）に示すように、光偏向部として透明体１０の内部に回折格子８を備えている。回折格子８は、面内方向光配線４の光軸と挿入した透明体１０の光軸との交点付近に形成されている。この回折格子８によると、分岐後の光の強度は低下するが、光信号を３分岐して、多方向に同期信号を伝搬させることが可能である。また、光信号の分岐が不必要な方向に反射膜、又は吸収膜を形成することができる。

回折格子８の形成は、図７（ｂ）に示すように、回折格子８の形成位置にレーザ光ＬＢを集光させて、Ｙ方向に連続走査加工し、Ｘ方向には回折格子８の格子間隔分だけ移動さえて、Ｙ方向に加工を続ける。Ｘ方向は、図７（ａ）に示す面内方向光配線４の光軸方向であり、Ｙ方向は、面内方向光配線４と厚み方向光配線５の両方に直交する方向である。レーザ光ＬＢの集光サイズは１μｍ以下にし、パルス幅は１ｎｓ以下にすることが望ましい。また、レーザ光ＬＢの照射は、基板２の背面方向（Ｚ方向）からだけでなく、基板２の表面方向（−Ｚ方向）からの照射も可能である。従って、透明体１０を挿入する孔は、光電気混載基板１を貫通する孔である必要がなく、面内光配線４より深い位置にまで挿入できればよい。用いるレーザとして、極短時間で高エネルギーを与えて加工部の周囲への熱影響を少なくできるフェムト秒レーザなどが望ましい。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る製造方法により製造された光電気混載基板の断面図、（ｂ）（ｃ）は同光電気混載基板の製造工程を示す断面図。本発明の他の一実施形態に係る製造方法により製造された光電気混載基板の断面図。本発明のさらに他の一実施形態に係る製造方法により製造された光電気混載基板の断面図。本発明のさらに他の一実施形態に係る製造方法により製造された光電気混載基板の断面図。（ａ）は同上光電気混載基板の製造に適用されるマスクの平面図、（ｂ）（ｃ）は同マスクを用いた加工方法を説明する斜視図。本発明のさらに他の一実施形態に係る製造方法により製造された光電気混載基板の断面図。（ａ）は本発明のさらに他の一実施形態に係る製造方法により製造された光電気混載基板の断面図、（ｂ）は同光電気混載基板の製造方法を説明する斜視図。（ａ）（ｂ）は従来の光結合部の製造方法を説明する断面図、（ｃ）は光結合部の他の従来の製造方法を説明する斜視図。

符号の説明

１光電気混載基板
２基板
３電気配線
４面内方向光配線
５厚み方向光配線
６光偏向部
８回折格子
１０透明体
２０孔
ＬＢレーザ光

Claims

基板表面に配した電気信号を伝播させる電気配線と、基板内部に配した光信号を導波させる面内方向光配線と、前記面内方向光配線と光結合し、基板の厚み方向に光信号を導波させる厚み方向光配線と、前記面内方向光配線と厚み方向光配線とを光結合させる光偏向部と、を備えた光電気混載基板の製造方法において、
基板の厚み方向に孔を形成する工程と、
前記工程で形成された孔に固体状の透明体を挿入することにより前記厚み方向光配線を形成する工程と、
前記面内方向光配線と厚み方向光配線との光結合部近傍における前記工程により挿入した前記透明体をレーザ光照射により加工して前記光偏向部を形成する工程と、を備えていることを特徴とする光電気混載基板の製造方法。
前記光偏向部を形成する工程では、基板の電気配線を備えた面と異なる側の面から前記
透明体にレーザ光を照射することにより傾斜面を形成することを特徴とする請求項１に記
載の光電気混載基板の製造方法。
前記光偏向部を形成する工程では、基板の電気配線を備えた面と異なる側の面から前記透明体にレーザ光を照射することにより凹面形状を形成することを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板の製造方法。
前記厚み方向光配線の基板表面側の端面を凸面形状に加工する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板の製造方法。
前記孔を形成する工程では、前記基板表面に存在する電気配線の位置を基準にして孔の形成位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板の製造方法。
前記光偏向部を形成する工程では、前記光偏向部として回折格子を形成することを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板の製造方法。
前記回折格子は、レーザ光を照射することにより前記透明体を内部改質して形成することを特徴とする請求項６に記載の光電気混載基板の製造方法。