JP4164757B2 - 光電複合装置、この装置に用いられるソケット、並びに光電複合装置の実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、光電複合装置、この装置に用いられるソケット、並びに光電複合装置の実装構造に関するものである。

現在、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体チップ間の信号伝播は、全て基板配線を介した電気信号によりなされている。しかし、昨今のＭＰＵ高機能化に伴い、チップ間にて必要とされるデータ授受量は著しく増大し、結果として様々な高周波問題が浮上している。それらの代表的なものとして、ＲＣ信号遅延、インピーダンスミスマッチ、ＥＭＣ／ＥＭＩ、クロストーク等が挙げられる。

上記の問題を解決するため、これまで実装業界などが中心となり、配線配置の最適化や新素材開発などの様々な手法を駆使し、解決に当たってきた。

しかし近年、上記の配線配置の最適化や新素材開発等の効果も物性的限界に阻まれつつあり、今後システムの更なる高機能化を実現するためには、単純な半導体チップの実装を前提としたプリント配線板の構造そのものを見直す必要が生じてきている。近年、これら諸問題を解決すべく様々な抜本対策が提案されているが、以下にその代表的なものを記す。

・マルチチップモジュール（ＭＣＭ）化による微細配線結合
高機能チップを、セラミック・シリコンなどの精密実装基板上に実装し、マザーボード（多層プリント基板）上では形成不可能である微細配線結合を実現する。これによって配線の狭ピッチ化が可能となり、バス幅を広げることでデータ授受量が飛躍的に増大する。

・各種半導体チップの封止、一体化による電気配線結合
各種半導体チップをポリイミド樹脂などを用いて二次元的に封止、一体化し、その一体化された基板上にて微細配線結合を行う。これによって配線の狭ピッチ化が可能となり、バス幅を広げることでデータ授受量が飛躍的に増大する。

・半導体チップの三次元結合
各種半導体チップに貫通電極を設け、それぞれを貼り合わせることで積層構造とする。これにより、異種半導体チップ間の結線が物理的に短絡化され、結果として信号遅延などの問題が回避される。但しその一方、積層化による発熱量増加、半導体チップ間の熱応力などの問題が生じる。

さらに、上記のように信号授受の高速化及び大容量化を実現するために、光配線による光伝送結合技術が開発されている（例えば、後記の非特許文献１及び非特許文献２参照。）。例えば、図１７に示すように、電気信号を光変調し、半導体チップ間の伝送速度そのものを大幅に向上させるものである。光は電磁波に関する対策を全く必要とせず、比較的自由な配線設計が可能となる。

上記の半導体チップ間に対応する光配線技術には様々な方式のものがあるが、以下にその代表的な例を示し、簡単に考察する。

・アクティブインターポーザー方式
これは、プリント配線板（ボード）上に光導波路を実装し、光導波路の反光入出射側には光ファイバーコネクタが取りつけられ、その間の伝送はファイバーにてなされる。光素子はトランシーバーモジュールの裏面に実装され、光導波路の４５°全反射ミラーに対し、精密に位置決められている。利点としては、既存のプリント配線板の実装構造上に展開できること、またファイバーを用いるため、プリント配線板の内外を問わず幅広い適用が可能であることが挙げられる。また、懸案点としては、構造が大掛かりなため、コストが高いこと、光軸合わせが困難であること、また電気伝送経路の短縮が困難であり、高周波伝送に不向きであることが挙げられる。

・自由空間伝送方式
これは、プリント配線基板の裏面に光配線基板（石英）を実装し、伝送基板内において光をジグザグに反射させ、信号を伝播させる。光素子アレイ＋自由空間伝送により、原理的には数千レベルの多チャンネル化が可能である。また、光軸合わせを容易にするため、数枚のレンズを組み合わせたハイブリッド光学系を構成している。利点としては、原理的には数千ｃｈの多重伝送が可能であること、またハイブリッド光学系を構成しているため、光軸合わせが容易であることが挙げられる。また、懸案点としては、光配線基板が高価であること、反射による信号伝播のため、波形が乱れ易く、伝播損失が大きいこと、また新規開発技術が数多く盛り込まれているため、信頼性に関する実績がほとんど無いことが挙げられる。

・光コネクタ接続方式
これは、ＬＳＩチップの周囲に小型光コネクタを配置し、ＬＳＩチップを実装した後、自由に光路を設定できる光伝送モジュールシステムである。利点としては、コネクタにより精度が保証されており、コストのかかる光軸合わせ工程が不要であること、光ファイバーを用いているため、プリント配線基板間などの中距離伝送が可能であること、また既存のプリント配線基板の実装構造上に展開できることが挙げられる。また、懸案点としては、コネクタモジュールの小型化に限界があり、半導体チップとコネクタ間における電気配線の短縮化が困難であること、高周波伝送用としては不向きであること、伝送媒体として光ファイバーを採用しているため、多バス化に限界が有ること、また構成部品数が多く、バス当たりのコストダウンが困難であることが挙げられる。

・光導波路埋め込み方式
これは、光導波路をプリント配線基板に埋め込み、既存のプリント配線基板の実装構造の形態を維持しながら光配線を設ける方法である。光路結合にマイクロレンズを採用し、光軸ズレ許容量を一般実装精度レベルまで緩和させている。利点としては、発光素子をＬＳＩチップの裏面に直接実装しているため、ＬＳＩチップと発光素子間の電気配線経路を極限まで短くできること、またコリメート光結合により、一般実装精度での光軸合わせが可能であることが挙げられる。また、懸案点としては、光配線をプリント配線基板内に設けるため、プリント配線基板の製造やコストダウンが困難であること、光素子の放熱対策が不明であること、またプリント配線基板が脆弱であるため、レンズと光導波路間の光結合損失が変動する可能性が有ることが挙げられる。

・表面実装方式
これは、光素子を、ＬＳＩチップの裏面に直接貼り付けて機能させ、また、光導波路をプリント配線板上に直接実装する方式である。既存のプリント配線板の構造をそのまま維持し、光配線の併設が可能である。利点としては、発光素子をＬＳＩチップの裏面に直接実装しているため、ＬＳＩチップと発光素子間の電気配線経路を極限まで短くできること、構造がシンプルであり、コストダウンが可能であること、また既存のプリント配線板の実装構造上に展開できることが挙げられる。また、懸案点としては、光素子をＬＳＩチップに直接貼りつけるため、専用のＬＳＩチップの開発が必要であること、また光素子が高温のＬＳＩチップに直接貼り付けられているため、光素子の高温劣化が懸念されることが挙げられる。

日経エレクトロニクス、"光配線との遭遇"２００１年１２月３日の１２２頁、１２３頁、１２４頁、１２５頁、図４、図５、図６、図７ NTT R&D, vol.48, no.3, pp.271-280 (1999)

しかしながら、上記に示した代表的な仕様は、以下の理由から、現状では決定力に欠けているのが実状である。

第１に、既存のプリント配線板の実装構造をそのまま利用できる構造ではないこと。即ち、プリント配線板上に光経路を直接積層する構造は、ベースとなるプリント配線板自体が脆弱であるため、光軸ズレ等の問題が生じて現実的ではない。一方、これまで培われてきたプリント配線板の構造に変更を加えると、性能、信頼性、高周波性能の確認などに膨大な労力を要する。従って、埋め込み型光導波路など、既存のプリント配線板を流用できないシステム構造は望ましくない。

第２に、既存の実装プロセスをそのまま利用できる構造ではないこと。一般に、光導波路などの光モジュールは高温プロセスに弱い。上記したようなプリント配線板と光配線部が一体化した方式では、光モジュールが、はんだリフロー、アンダーフィル樹脂封止などの高温プロセスに曝されることになり、現実には実施が困難である。また、高温プロセスを考慮した材料や部品を採用しなくてはならず、大きな制約条件となる。

第３に、大掛かりな構造物を排除した構造ではないこと。即ち、プリント配線板の剛性が低いため、大掛かりな部品による光路構造は、外部応力により光軸ズレを引き起こし易い。従って、上述したようなアクティブインターポーザー方式によるポスト構造は、避けるべきである。

第４に、高密度化が可能な光配線構造ではないこと。即ち、プリント配線板上の半導体チップ間の光配線に特化すると、高密度化が不可能な光ファイバーは採用すべきではないと考えられる。光ファイバーを用いた光コネクタ接続方式などは、装置間通信に向けたシステムとして限定されたものとなる。

第５に、ＬＳＩチップ−光素子間の配線長を短くできる構造ではないこと。即ち、ＬＳＩチップ−光素子間の電気配線長を短絡化できない構造では、高周波信号が光素子に到達する前に劣化し、光変換の効果がなくなる。従って、この距離を短くできるシステム構造を構築する必要がある。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、既存のプリント配線板の実装構造及び実装プロセスをそのまま利用でき、大掛かりな構造物を排除することができ、配線の高密度化が可能であり、及び半導体チップ−光素子間の配線長を短くできる構造が実現可能な光電複合装置、この装置に用いられるソケット、並びに光電複合装置の実装構造を提供することにある。

即ち、本発明は、ソケットと、このソケットに設置された光導波路とを有し、前記光導波路に光入射を行うための発光素子と、前記光導波路からの出射光を受けるための受光素子との少なくとも一方が、前記光導波路に対向して配置されている、光電複合装置であって、
前記ソケットに凹凸構造が設けられ、この凹凸構造の凹部内に前記光導波路が嵌め込 まれ、その幅方向が位置決めされて固定されると共に、この光導波路固定面と同一面に 、前記光導波部の長さ方向を位置決めするための突起部が設けられ、
前記光導波路の長さ方向において、その固定領域から前記突起部の周辺側方位置にま で延びる接着材注入用の溝が前記固定面に形成され、
前記ソケットに対する前記光導波路の位置決め状態で前記溝から接着材を注入するこ とによって、前記凹部に前記光導波路を接着固定するように構成された
ことを特徴とする光電複合装置に係るものである。

また、光導波路を設置するための設置部を有し、前記光導波路に光入射を行うための発光素子と、前記光導波路からの出射光を受けるための受光素子との少なくとも一方が前記光導波路に対向して配置される、光電複合装置用のソケットであって、
前記設置部に凹凸構造が設けられ、この凹凸構造の凹部内に前記光導波路が嵌め込ま れ、その幅方向が位置決めされて固定されると共に、この光導波路固定面と同一面に、 前記光導波路の長さ方向において、その固定領域から前記突起部の周辺側方位置にまで 延びる接着材注入用の溝が前記固定面に形成され、
前記設置部に対する前記光導波路の位置決め状態で前記溝から接着材を注入すること によって、前記凹部に前記光導波路を接着固定するように構成された
ことを特徴とする光電複合装置用のソケットに係るものである。

さらに、上記した本発明の光電複合装置がプリント配線板に電気的に接続された状態で固定されている、光電複合装置の実装構造に係るものである。

本発明によれば、光電複合装置が、前記ソケットと、このソケットに設置された前記光導波路とを有し、前記発光素子と、前記受光素子との少なくとも一方が、前記光導波路に対向して配置されており、この光電複合装置が、前記プリント配線板に電気的に接続された状態で固定され、前記光導波路が前記凹凸構造の凹部内に幅方向が位置決めされかつ突起部によって長さ方向が位置決めされているので、以下に示すように、上記した従来例による光配線技術に起因する諸問題を解決することができる。

即ち、前記光導波路が前記ソケットに設置された状態で前記プリント配線板に電気的に接続されるので、既存の前記プリント配線板の実装構造をそのまま利用できる構造である。従って、前記プリント配線板上に前記ソケットが設置できる領域を設ければ、その他の一般の電気配線は従来通りのプロセスで形成することが可能である。

また、前記光導波路が高温プロセスに弱くても、例えば、前記プリント配線板に前記ソケットを固定し、更にはんだリフロー、アンダーフィル樹脂封止などの高温プロセスを含む、全ての実装プロセスを完了した後、前記ソケットに前記光導波路を設置することができるので、前記光導波路が高温によるダメージをこうむることなしにその実装を行うことが可能である。

また、本発明のソケットは、実装業界に広く浸透しているＩＣ（半導体集積回路）ソケット構造と同様のソケット構造を用いて、特に、垂直方向の光結合を実現することができる。前記ソケットは材料、絶縁性、信頼性等のデータが既に多く存在し、また扱っているメーカーも多岐に渡る。従って、機能、コスト、信頼性等の全てにおいて受け入れ易い構造物であり、既存のプリント配線板実装プロセスとの融合も図り易く、大掛かりな構造物を排除した構造とすることができる。

また、前記プリント配線板と比較して剛性の高い樹脂によって前記ソケットを作製でき、このソケット上で、前記発光素子及び／又は前記受光素子及び前記光導波路間の光結合を行うことがでるため、光結合に必要とされる実装精度を容易に確保できる。例えば、現状のモールド技術により、数μｍオーダーの組立て精度は確保可能である。従って、光バスの高密度化も可能となる。

さらに、例えば、半導体集積回路チップ及び前記発光素子及び／又は前記受光素子を、インターポーザーを介してその上下面に近接させて設置することができるので、前記半導体集積回路チップと、前記発光素子及び／又は前記受光素子との間の配線長を短くすることができる。従って、電気信号のノイズ対策やクロストーク対策も容易となり、光変調速度も向上させることが可能となる。

また、従来例による電気配線構造では、プリント配線板に光導波路を直接設けていたので、半導体集積回路チップの高機能化に伴って半導体集積回路チップから引き出されるピンや配線数が増大すると、光導波路によってプリント配線板の設計の自由度を阻害していた。これにより、プリント配線板の高機能化が困難となり、結果として、全ての機能をワンチップに納めるＳＯＣ（system on chip）化に頼る状況となっていた。これに対し、本発明によれば、前記光導波路が前記ソケットに設置された状態で前記プリント配線板に電気的に接続されるので、プリント配線板の高密度配線とその設計の自由度を確保しながら光配線システムを安価かつ高い自由度で前記プリント配線板上に展開することが可能となり、前記プリント配線板上での高速分散処理、電子機器トータルでの高機能化、及び開発の短ＴＡＴ（turn around time）化等が期待できる。
更に、前記光導波部が前記凹凸構造の凹部及び前記突起部によって幅方向及び長さ方向が位置決めされた状態で、前記突起部の側方位置まで延びる前記溝にディスペンサー等によって接着材を注入することによって前記光導波路を正規の位置に接着固定することができる。

本発明において、前記凹凸構造の凸面上に、前記発光素子（例えばレーザー）及び／又は前記受光素子を実装したインターポーザーが固定されていることが望ましい。この場合、前記凸面に、前記インターポーザーの位置決め機構を有してもよい。また、前記インターポーザーに、前記発光素子及び／又は前記受光素子に接続された半導体集積回路チップが実装されていることが望ましい。これにより、前記半導体集積回路チップ及び前記発光素子及び／又は前記受光素子を、前記インターポーザーを介してその上下面に近接させて設置することができるので、前記半導体集積回路チップと、前記発光素子及び／又は前記受光素子との間の配線長を短くすることができる。従って、電気信号のノイズ対策やクロストーク対策も容易となり、光変調速度も向上させることができる。

また、前記凹凸構造が、前記光導波路を嵌め込んでその幅方向を位置決めするための凹部と、前記光導波路の長さ方向を位置決めするための突起部とを有しているが、前記凹凸構造の前記凹部の深さとしては、前記光導波路の厚さよりも大きいのが望ましい。

本発明に基づく光電複合装置は、一対の前記ソケット間に前記光導波路が架け渡されていることが望ましく、これにより、前記光導波路が光配線として用いられる光配線システムを構成することができる。

本発明に基づく光電複合装置の実装構造は、前記光導波路が前記プリント配線板とは非接触となっていることが好ましい。これにより、前記半導体集積回路チップの放熱により、前記光導波路が破壊されるのを効果的に防止することができる。

また、前記光導波路の光伝搬方向にいて、前記ソケットに固定される前記クラッド層の長さが、前記プリント配線板に固定された前記一対のソケット間距離より大きいことが好ましい。前記一対のソケット間において前記光導波路をたわませた状態で固定することにより、前記ソケットの前記プリント配線板上における位置決め誤差を吸収することができ、常に安定したかつ効率的な光導波を行うことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に基づくソケットを理解するためにソケットの要部を示す概略斜視図である。図１（ａ）は、ソケットの前記光導波路が設置される面側から見た概略斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の反対の面側から見た概略斜視図である。

図１に示すように、このソケット１には、前記光導波路を位置決めして固定するための、凹凸構造からなる位置決め手段が設けられている。具体的には、前記凹凸構造が、前記光導波路を嵌め込んでその幅方向を位置決めするための凹部２と、前記光導波路の長さ方向を位置決めするための突起部３とを有している。また、凹部２の深さは、前記光導波路の厚さよりも大きい。

また、ソケット１の前記凹凸構造の凸面４には、ソケット１の表及び裏面とを導通するための導通手段、例えばターミナルピン５が設けられている。そして、この凹凸構造の凸面４上に、後述するように、前記発光素子及び／又は前記受光素子が実装された前記インターポーザーが固定される。

ソケット１の材質としては絶縁性樹脂であれば、従来公知の材料を用いることができ、例えばガラス入りＰＥＳ（ポリエチレンスルフィド）樹脂、ガラス入りＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂等が挙げられる。このようなソケット１の材料は、その種類、絶縁性、信頼性等のデータが既に多く存在し、また扱っているメーカーも多岐に渡る。従って、機能、コスト、信頼性等の全てにおいて受け入れ易い構造物であり、既存のプリント配線板実装プロセスとの融合も図り易い。

ソケット１の製造方法は特に限定されないが、例えば、前記凹凸構造を有する金型を用いて成形により容易に作製することができる。

図２は、ソケット１を用いた光電複合装置の概略斜視図である。図２（ａ）は、その光電複合装置の要部の概略斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の分解図である。

図２に示すように、この光電複合装置６は、一対のソケット１と、このソケット１に設置された光導波路アレイ９とを有し、この一対のソケット１間に光導波路アレイ９が架け渡されている。なお、光導波路アレイ９は、図示省略したが、その内部に並列に配置された複数の光導波路を備える。このとき、光導波路アレイ９は、後述するプリント配線板とは非接触となっているので、前記半導体集積回路チップの発熱により、光導波路アレイ９が破壊されるのを効果的に防止することができる。

また、ソケット１の前記凹凸構造の凸面４上に、半導体集積回路チップ２１ａ、２１ｂと、前記発光素子（図示省略）（例えばレーザー）及び／又は前記受光素子（図示省略）とが実装されたインターポーザー２０が固定されている。

インターポーザー２０は、例えば図３に示すように、一方の面側には半導体集積回路チップ２１が実装されており（図３（ａ））、他方の面側には光導波路アレイ９に光入射を行うための発光素子アレイ７と、光導波路アレイ９からの出射光を受けるための受光素子アレイ８とが実装され、周辺部には再配線電極２２が設けられている（図３（ｂ））。なお、発光素子アレイ７及び受光素子アレイ８は、上記した各光導波路の光入出射部に対応する位置に配置された複数の発光素子及び受光素子を備える（図示省略）。各発光素子及び受光素子の間隙には、発光素子及び受光素子と半導体集積回路チップとの間の電気的接続を行う貫通電極が配置されている（図示省略）。

そして、凹部２に光導波路アレイ９が設置されてなる一対のソケット１と、インターポーザー２０とを固定するに際し、インターポーザー２０の発光素子アレイ７及び／又は受光素子アレイ８が実装された面側をソケット１の凸面４と接するように構成し、またソケット１のターミナルピン５とインターポーザー２０の再配線電極２２とを電気的に接続するように固定する。

また、上記したように、ソケット１の凹部２の深さを、光導波路アレイ９の厚さ（例えば１ｍｍ）よりも大きく形成する（例えば前記深さを２ｍｍとする。）ことにより、図２（ａ）に示すように、光導波路アレイ９の一方の面２３側と、インターポーザー２０の発光素子アレイ７及び／又は受光素子アレイ８が実装されている面側との間に空間（例えば５００μｍ）を形成することができる（これは、発光素子アレイ７及び／又は受光素子アレイ８の厚さを５００μｍとした場合である。）。

上記したように、ソケット１上に、インターポーザー２０を介して半導体集積回路チップ２１を実装し、及び光導波路アレイ９の一方の面２３側と、インターポーザー２０の発光素子アレイ７及び／又は受光素子アレイ８が実装されている面側との間に空間２５を形成することにより、光電複合装置６の使用時に半導体集積回路チップ２１が発熱しても、この熱によって光導波路アレイ９が破壊されるのを効果的に防ぐことができる。

この動作メカニズムは、一方の半導体チップ２１ａから発信される電気信号が光信号に変換されて、発光素子アレイ７の各発光素子（図示省略）からレーザー光による光信号として出射される。出射された光信号は、光導波路アレイ９の対応する一つの光導波路（図示省略）の光入射部に入射し、前記光導波路が延伸する導波方向に導波され、他方の前記光導波路の光出射部から出射する。そして、前記光導波路から出射された光信号は、受光素子アレイ８の対応する受光素子（図示省略）に受光されて電気信号に変換され、他方の半導体チップ２１ｂに電気信号として伝送される。

光電複合装置６は、前記光導波路が光配線として用いられる光配線システムを構成することができる。即ち、この光電複合装置６を前記プリント配線板に電気的に接続された状態で固定する。

この光電複合装置６によれば、光導波路アレイ９がソケット１の凹部２に設置された状態で前記プリント配線板に電気的に接続することができるので、既存の前記プリント配線板の実装構造をそのまま利用できる構造である。従って、前記プリント配線板上にソケット１が設置できる領域を設ければ、その他の一般の電気配線は従来通りのプロセスで形成することが可能である。

また、前記光導波路が高温プロセスに弱くても、例えば、前記プリント配線板にソケット１を固定し、更にはんだリフロー、アンダーフィル樹脂封止などの高温プロセスを含む、全ての実装プロセスを完了した後、ソケット１の凹部２に光導波路アレイ９を設置することができるので、前記光導波路が高温によるダメージをこうむることなしにその実装を行うことが可能である。

また、前記プリント配線板と比較して剛性の高い樹脂によってソケット１を作製でき、このソケット１上で、前記発光素子及び／又は前記受光素子及び前記光導波路間の光結合を行うことがでるため、光結合に必要とされる実装精度を容易に確保できる。例えば、現状のモールド技術により、数μｍオーダーの組立て精度は確保可能である。従って、光バスの高密度化も可能となる。

さらに、半導体集積回路チップ２１と、発光素子アレイ７及び／又は受光素子アレイ８とを、インターポーザー２０を介してその上下面に近接させて設置することができるので、半導体集積回路チップ２１と、前記発光素子及び／又は前記受光素子との間の配線長を短くすることができる。従って、電気信号のノイズ対策、クロストーク対策も容易となり、光変調速度も向上させることが可能となる。

また、従来例による電気配線構造では、プリント配線板に光導波路を直接設けていたので、半導体集積回路チップ２１の高機能化に伴って半導体集積回路チップ２１から引き出されるピンや配線数が増大すると、光導波路によってプリント配線板の設計の自由度を阻害している。これにより、プリント配線板の高機能化が困難となり、結果として、全ての機能をワンチップに納めるＳＯＣ（system on chip）化に頼る状況となっていた。これに対し、上記した光電複合装置６によれば、光導波路アレイ９がソケット１の凹部２に設置された状態で前記プリント配線板に電気的に接続することができるので、前記プリント配線板の高密度配線とその設計の自由度を確保しながら光配線システムを安価かつ高い自由度で前記プリント配線板上に展開することが可能となり、前記プリント配線板上での高速分散処理、電子機器トータルでの高機能化、及び開発の短ＴＡＴ（turn around time）化等が期待できる。

次に、この光電複合装置６の製造方法の一例について、図４〜図６を参照して説明する。なお、図４及び図５は、図２（ａ）の光電複合装置６のＡ−Ａ’線断面図である。

まず、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、プリント配線板１４上に、一対のソケット１を実装する。このとき、プリント配線板１４上の電極（図示省略）と、ソケット１のターミナルピン５とを位置合わせして、前記電極とソケット１が電気的に接続されるように実装する。

なお、図示省略したが、プリント配線板１４上には予めその他の電子部品等の実装及び電気配線を形成しておく。

次に、図４（ｃ）に示すように、ソケット１の凹部２に光導波路アレイ９を設置し、この一対のソケット１間に光導波路アレイ９を架け渡しさせる。このとき、ソケット１に設けられた前記凹凸構造としての突起３により、光導波路アレイ９の長さ方向における位置決めは容易に行うことができ、また凹部２によって光導波路アレイ９の幅方向における位置決めは容易に行うことができる。なお、ソケット１の凹部２に光導波路アレイ９を設置するので、光導波路アレイ９とプリント配線板１４とは非接触の状態になっている。

このとき、図７に幾分誇張して示すように、光導波路アレイ９の実装時に、その光伝搬方向において、ソケット１に固定される光導波路アレイ９の長さが、プリント配線板１４に固定された一対のソケット１間距離より大きいことが望ましい。図示するように、光導波路アレイ９をたわませた状態で固定することにより、ソケット１のプリント配線板１４上における位置決め誤差を吸収することができ、常に安定したかつ効率的な光導波を行うことができる。なお、光導波路アレイ９は、その内部に並列に配置された複数の光導波路を備え、前記光導波路は例えばクラッド層３０、３１とこれらクラッド層３０、３１に挟着されたコア層３２とからなる。

光導波路アレイ９のソケット１への接着固定手段としては、例えば接着性樹脂を用いて行うことできる。具体的には、まず図６（ａ）に示すように、ソケット１の凹部２の底面に溝１６を任意の形状で形成する。このとき、溝の端部がソケット１の突起３の周辺部まで位置するように形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、ソケット１の凹部２に、複数の光導波路１７が並んで配置されてなる光導波路アレイ９を設置する。上述したように、光導波路アレイ９の長さ方向及び幅方向における位置決めは、ソケット１に設けられた突起３及び凹部２によって容易に行うことができる。ここで、溝１６は突起３の周辺部まで位置するように形成されているので、溝１６の一部は光導波路アレイ９に覆われない状態となる。次に、図６（ｃ）に示すように、光導波路アレイ９に覆われていない溝１６の一部からディスペンサー１８等を用いて接着性の樹脂を注入し、固めることによって、ソケット１の凹部２に光導波路アレイ９を接着固定することができる。

上記のようにしてソケット１に光導波路アレイ９を設置した後、図５（ｄ）に示すように、ソケット１の凸面４上に、前記半導体集積回路チップとしての例えばＭＰＵ（micro processor unit）２１ａ又はＤＲＡＭ（dynamic random access memory）２１ｂと、発光素子アレイ７及び／又は受光素子アレイ８とが実装されたインターポーザー２０を固定する。このとき、インターポーザー２０の発光素子アレイ７及び／又は受光素子アレイ８が実装された面側をソケット１の凸面４と接するように構成し、またソケット１の凸面４に露出したターミナルピン（図示省略）とインターポーザー２０の再配線電極２２とを電気的に接続するように固定する。

次に、図５（ｅ）に示すように、ＭＰＵ２１ａ、ＤＲＡＭ２１ｂ上にそれぞれ、アルミのフィン１５を設置する。

以上のようにして、本発明に基づく光電複合装置６を用いて、光導波路１７が光配線として用いられる光配線システムを構成することができる。

ここで、図８は、本発明に基づく光電複合装置６をプリント配線板１４上に展開した例を示す模式図である。例えば、光導波路モジュールを規格化することで、４方向に自在に展開することが可能となる。

本実施の形態によれば、光導波路アレイ９がソケット１の凹部２に設置された状態でプリント配線板１４に電気的に接続することができるので、既存のプリント配線板１４の実装構造をそのまま利用することができる。従って、プリント配線板１４上にソケット１が設置できる領域を設ければ、その他の一般の電気配線は従来通りのプロセスで形成することが可能である。

また、光導波路アレイ９が高温プロセスに弱くても、上述したように、プリント配線板１４にソケット１を固定し、更にはんだリフロー、アンダーフィル樹脂封止などの高温プロセスを含む、全ての実装プロセスを完了した後、ソケット１の凹部２に光導波路アレイ９を設置するので、前記光導波路が高温によるダメージをこうむることなくその実装を行うことが可能である。

また、プリント配線板１４と比較して剛性の高い樹脂によってソケット１を作製でき、このソケット１上で、前記発光素子及び／又は前記受光素子及び前記光導波路間の光結合を行うことがでるため、光結合に必要とされる実装精度を容易に確保できる。例えば、現状のモールド技術により、数μｍオーダーの組立て精度は確保可能である。従って、光バスの高密度化も可能となる。

また、半導体集積回路チップ２１ａ、２１ｂと、発光素子アレイ７及び／又は受光素子アレイ８とを、インターポーザー２０を介してその上下面に近接させて設置することができるので、半導体集積回路チップ２１ａ、２１ｂと、前記発光素子及び／又は前記受光素子との間の配線長を短くすることができる。従って、電気信号のノイズ対策、クロストーク対策も容易となり、光変調速度も向上させることが可能となる。

また、光導波路アレイ９がソケット１の凹部２に設置された状態でプリント配線板１４に電気的に接続することができるので、プリント配線板１４の高密度配線とその設計の自由度を確保しながら光配線システムを安価かつ高い自由度で前記プリント配線板上に展開することが可能となり、前記プリント配線板上での高速分散処理、電子機器トータルでの高機能化、及び開発の短ＴＡＴ（turn around time）化等が期待できる。

さらに、ソケット１上に、インターポーザー２０を介して半導体集積回路チップ２１ａ、２１ｂを実装し、及び光導波路アレイ９の一方の面２３側と、インターポーザー２０の発光素子アレイ７及び／又は受光素子アレイ８が実装されている面側との間に空間２５を形成することにより、光電複合装置６の使用時に半導体集積回路チップ２１が発熱しても、この熱によって光導波路アレイ９が破壊されるのを効果的に防ぐことができる。

上記した実施の形態において、前記光導波路アレイは従来公知のものが使用可能であるが、特に図１０に示すような構造を有する光導波路アレイ９を用いるのが好ましい。

図１０（ａ）は、本発明に基づくソケット側から見た発光素子アレイ７、受光素子アレイ８及び光導波路アレイ９の概略構成を示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）においてＸ方向から見た状態を上下逆転して示す（以下、同様）側面図であり、図１０（ｃ）は、図１０（ａ）においてＹ方向から見た側面図である。

この光導波路アレイ９は、図１０に示すように、一定方向に延びる光導波路９０が並列に複数配置されている。各光導波路９０の端部は、４５°ミラー面からなる光入出射部９０ａとなる。そして、この光導波路アレイ９では、各光導波路９０の光入出射部９０ａが、隣接する他の光導波路９０の光入出射部９０ａに対して長さ方向にずれて形成されている。

この光導波路アレイ９では、光導波路９０の長さ方向において配列する発光素子７１同士のピッチは、上記の長さ方向のずれ量だけの大きさとなる。例えば、隣接する光導波路９０の光入出射部９０ａを長さ方向において１００μｍだけずらした場合には、光導波路９０の長さ方向において配列する発光素子７１同士のピッチは１００μｍとなる。これは、受光素子８１においても同様である。

また、光導波路９の配列方向に並ぶ発光素子７１のピッチは、５本の光導波路９０の配列ピッチの合計分だけの大きさとなる。例えば、各光導波路９０が２０μｍの配列ピッチで配列している場合には、光導波路９の配列方向に並ぶ発光素子７１のピッチは、１００μｍとなる。

このように、各光導波路９０の光入出射部９０ａが、隣接する他の光導波路９０の光入出射部９０ａに対して長さ方向にずれて形成されていることにより、光入出射部９０ａに対応して配置される光素子７１、８１を二次元的に配置することができ、光素子７１、８１を１００μｍピッチ程度で配置しながら、光導波路９０を２０μｍピッチにまで集積することが可能となる。

以上のように、この光導波路アレイ９によれば、光素子７１、８１の距離を光干渉や素子発熱によるクロストークの影響をより効果的に避けるためのピッチで配列させつつ、光導波路９０の集積度を向上させることが可能となる。

次に、上記に説明した光導波路アレイの製造方法について、図１１〜図１４を参照して説明する。なお、図１１〜図１４は、図１０（ａ）のＡ−Ａ’線の位置に相当する断面図である。

最初に、以下のようにして、光導波路アレイ９を製造するための金型を製造する。

まず、図１１（ａ）に示すように、基板１０上に感光性樹脂層１１を形成する。感光性樹脂層１１を構成する感光性樹脂としては、例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いることができる。感光性樹脂層１１の膜厚は、形成する光導波路の高さに相当し、例えば１０μｍ程度とする。

次に、図１１（ｂ）に示すように、感光性樹脂層１１の近傍に、各光導波路のパターンで開口するマスクＭを設置する。

次に、図１１（ｃ）に示すように、マスクＭを用いて、感光性樹脂層１１の表面に対して垂直にシンクロトロン放射光ＳＲを入射させて感光性樹脂層１１を露光する。感光性樹脂層１１に露光領域１１ａと未露光領域１１ｂが形成される。

次に、図１２（ｄ）に示すように、形成する光導波路の一方の導波方向側にシンクロトロン放射光ＳＲの入射角θを倒し、マスクＭを用いて、感光性樹脂層１１の表面に対して約４５°の角度でシンクロトロン放射光ＳＲを入射させて感光性樹脂層１１を露光する。実際には、シンクロトロン放射光ＳＲに対して基板１０側を調整して行う。これにより、光導波路の一方の端部に相当する位置におけるマスクＭの下部にまでシンクロトロン放射光が回り込み、この部分での露光領域１１ａと未露光領域１１ｂの境界は、感光性樹脂層１１の表面に対して斜めに４５°傾けられて明瞭に形成される。

次に、図１２（ｅ）に示すように、図１２（ｄ）に示す工程と同様にして、形成する光導波路の他方の導波方向側にシンクロトロン放射光ＳＲの入射角θを倒し、マスクＭを用いて、感光性樹脂層１１の表面に対して約４５°の角度でシンクロトロン放射光ＳＲを入射させて感光性樹脂層１１を露光する。これにより、光導波路の他方の端部に相当する位置におけるマスクＭの下部にまでシンクロトロン放射光が回り込み、この部分での露光領域１１ａと未露光領域１１ｂの境界は、感光性樹脂層１１の表面に対して上記とは逆の方向に斜めに４５°傾けられて明瞭に形成される。

次に、図１２（ｆ）に示すように、所定の現像液による現像処理を行い、感光性樹脂層１１の感光した部分（露光領域１１ａ）を除去する。この結果、未露光領域１１ｂのみが残され、露光領域１１ａにおける感光性樹脂層が除去された部分に開口部が形成される。

次に、図１３（ｇ）に示すように、例えばニッケル電解めっき処理などにより、感光性樹脂層１１が除去されて形成された開口部内にニッケルなどの金属を堆積させ、金属層１２を堆積させる。

次に、図１３（ｈ）に示すように、感光性樹脂層１１の感光していない部分（未露光領域１１ｂ）を除去する。この結果、基板１０上に光導波路と同一の形状の金属層１２が複数形成された光導波路アレイを形成するための金型ＭＭ（マスタスタンパ）が得られる。金型ＭＭにおいて、各光導波路の４５°ミラー面となる面は、シンクロトロン放射光ＳＲを斜めに４５°傾けて露光したときに形成された面が転写されて形成された面である。

次に、以下のようにして、金型ＭＭから光導波路アレイを製造する。

まず、図１３（ｉ）に示すように、例えばニッケル電解めっき処理などにより、基板１０及び金属層１２上にマザースタンパ１３を形成する。マザースタンパ１３の表面には、金属層１２による凸部が転写されて凹部が形成されている。

次に、図１４（ｊ）に示すように、基板１０及び金属層１２からなる金型ＭＭからマザースタンパ１３を離型する。金属層１２とマザースタンパ１３の界面に予め酸化被膜などを形成しておくことで、両者の剥離をし易くすることができる。

次に、図１４（ｋ）に示すように、上記で得られたマザースタンパ１３を射出成形キャビティ内に固定し、このキャビティ内に、例えば溶融状態のＰＭＭＡなどの有機材料を射出して、マザースタンパ１３の凹部が転写された光導波路を複数有する光導波路アレイ９を形成する。

次に、図１４（ｌ）に示すように、マザースタンパ１３から光導波路アレイ９を離型する。光導波路アレイ９は、図１０（ａ）〜（ｃ）に示す構成であり、複数の光導波路９０が形成され、各光導波路９０の両端に４５°ミラー面からなる光入出射部９０ａが設けられた構成となっている。各光導波路９０において、４５°ミラー面からなる光入出射部９０ａは、シンクロトロン放射光ＳＲを斜めに４５°傾けて露光したときに形成された面が転写されて形成された面である。

ここで、上記のシンクロトロン放射光は、光束に近いスピードで運動する電子の軌道が磁場により曲げられたときに放射される、赤外から紫外、Ｘ線に広い波長分布を持った電磁波である。上記のシンクロトロン放射光の光源としては、軌道の直径が数ｋｍの大型の装置から数ｍの小型の装置まで用いることができる。シンクロトロン放射光は、例えばレーザー光と比較して強度が低いがエネルギーの高い光となっており、厚さが１０μｍ程度の感光性樹脂層１１を基板１０に達する位置まで完全に露光することができ、基板に対して逆テーパ状の開口部を高精度に形成することができる。なお、シンクロトロン放射光ではなく、半導体レーザーやその他の通常の光源を用いて露光すると、１０μｍ程度の厚さのために、感光性樹脂層１１を基板１０に達する位置まで完全に露光することはできない。

以上のような製造方法によれば、円板ブレードソーなどによる機械的加工により４５°ミラー面を形成する方法では困難である、長さ方向に光入出射部９０ａをずらしたような微細で複雑な光導波路アレイ９を容易に形成することができる。この結果、上述したように、光導波路９０の高密度集積化に寄与することができ、これを備えた光配線システムによる大容量の光伝送の実現に好適に寄与することができる。

また、高価な円板ブレードソーなどによる機械的加工工程は不要であり、製造コストを低下させることができる。

前記光導波路アレイとして、図１０に示すような構造を有する光導波路アレイを用いる例を説明したが、この他に、図１５に示すような構造を有する光導波路アレイを用いることも好適である。

図１５（ａ）は、本発明に基づくソケット側から見た発光素子アレイ、受光素子アレイ及び光導波路アレイの概略構成を示す図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）においてＸ方向から見た側面図であり、図１５（ｃ）は、図１５（ａ）においてＹ方向から見た側面図である。

この光導波路アレイ９では、図１５に示すように、各光導波路９０−１、９０−２の光入出射部９０ａが、隣接する他の光導波路９０−２、９０−１の光入出射部９０ａに対して長さ方向にずれて形成されている。なお、本実施の形態では、光入出射部９０ａの位置がずれた２つの第１の光導波路９０−１及び第２の光導波路９０−２を一単位として、繰り返し配列されている。

各光導波路の長さ方向の一方側において、第１の光導波路９０−１の光入出射部９０ａに対応して配置された発光素子７１を複数有する発光素子アレイ７−１と、第２の光導波路９０−２の光入出射部９０ａに対応して配置された受光素子８１を複数有する受光素子アレイ８−２が配置されている。

各光導波路の長さ方向の他方側において、第１の光導波路９０−１の光入出射部９０ａに対応して配置された受光素子８１を複数有する受光素子アレイ８−１と、第２の光導波路９０−２の光入出射部９０ａに対応して配置された発光素子７１を複数有する発光素子アレイ７−２が配置されている。

即ち、この光導波路アレイ９では、並列に配置された各光導波路９０−１、９０−２に対し、発光素子７１及び受光素子８１が交互に配置されている。そのため、各光導波路９０−１、９０−２は、互いに隣接する他の光導波路９０−２、９０−１に対し逆方向に光を導波する。

この光導波路アレイによれば、並列に配置された各光導波路９０−１、９０−２に対し、発光素子７１及び受光素子８１が交互に配置されていることから、例えば、半導体チップの特定の回路に接続する入出力パッドに対応する発光素子７１及び受光素子８１の位置は、図１５のＢ部に示すように近接配置されていることから、電気配線の長さを短くすることができ、高周波対策がより容易になるという効果がある。その他、第３の実施の形態と同様の効果も勿論有する。

前記光導波路アレイとして、図１６に示すような構造を有する光導波路アレイを用いることも好適である。

図１６（ａ）は、本発明に基づくソケット側から見た発光素子アレイ、受光素子アレイ及び光導波路アレイの概略構成を示す図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）においてＸ方向から見た側面図であり、図１６（ｃ）は、図１６（ａ）においてＹ方向から見た側面図であり、図１６（ｄ）は、受光素子アレイにおける受光素子の配置及び発光素子アレイにおける発光素子の配置を示す図である。

この例では、上記した図１０の例と図１５の例の光導波路アレイの構造を複合した構成となっている。即ち、図１５の例と同様に、光導波路アレイ９は、並列に配置された各光導波路９０に対し、発光素子７１及び受光素子８１が交互に配置されている。そのため、各光導波路９０は、互いに隣接する他の光導波路に対し逆方向に光を導波する。

また、図１０の例と同様に、各光素子アレイ７−１、７−２、８−１、８−２における光素子７１、８１は、図１６（ｄ）に示すように、隣り合う他の光素子７１、８１に対し、光導波路９０の長さ方向にずれて配置されている。

この光導波路アレイによれば、各光素子アレイにおいて光素子が直線的に配列している場合に比べて、光素子間のピッチを大きく取ることができることから、上述した図１５の例の効果を維持しつつ、光素子間の距離を光干渉や素子発熱によるクロストークの影響を一層避けるためのピッチで配列させることができることから、光導波路９０の集積度をより向上させることができる。その他、図１０の例の効果を勿論奏することができる。

以上、本発明を実施の形態について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。

例えば、ソケット１の表裏面を導通するための導通手段として、例えばターミナルピン５が設けられている例を説明したが、この他にもソケット１に貫通電極を設け、ソケット１と、前記プリント配線板及び前記インターポーザーとをはんだによって電気的に接続してもよい。

また、本発明に基づくソケット１は、図９に示すように、凸面４上に、前記インターポーザーの位置決め機構１９（例えばはめあいボス等）を有していてもよく、その形状、大きさ等は特に限定されない。

さらに、ソケット１の凹部２に形成された突起部３の形状、大きさ等は特に限定されない。

なお、本発明は、レーザー光に信号を乗せた上述した光配線システムに好適であるが、これ以外にも、光源等の選択によりディスプレイ用などにも適用可能である。

本発明は、光導波路で効率良く所定の光束に集光されて出射し、或いは光導波路に効率良く入射した後に出射した信号光を次段回路の受光素子（光配線やフォトディテクタ等）に入射させるように構成した光通信等の光情報処理に有効に用いることができる。

本発明に基づくソケットを理解するために示すソケットの要部の概略斜視図である。 同、ソケットを用いた光電複合装置の要部の概略斜視図である。 同、インターポーザーの概略斜視図である。 同、光電複合装置の製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。 同、製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。 同、製造方法の本発明に基づく一部工程の概略平面図である。 同、光電複合装置の実装時の概略断面図である。 同、光電複合装置の実装構造の一例の概略平面図である。 本発明に基づくソケットの他の例の概略斜視図である。 本発明の実施の形態による光電複合装置側から見た発光素子アレイ、受光素子アレイ及び光導波路アレイの概略構成図である。 同、光導波路アレイの製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。 同、光導波路アレイの製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。 同、光導波路アレイの製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。 同、光導波路アレイの製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。 本発明の他の実施の形態による光電複合装置側から見た発光素子アレイ、受光素子アレイ及び光導波路アレイの概略構成図である。 本発明の更に他の実施の形態による光電複合装置側から見た発光素子アレイ、受光素子アレイ及び光導波路アレイの概略構成図である。 従来例による光導波路の実装構造を示す概略図である。

符号の説明

１…ソケット、２…凹部、３…突起、４…凸面、５…ターミナルピン、
６…光電複合装置、７…発光素子アレイ、８…受光素子アレイ、９…光導波路アレイ、
１４…プリント配線板、１５…フィン、１６…溝、１７、９０…光導波路、
１８…ディスペンサー、１９…インターポーザーの位置決め機構、
２０…インターポーザー、２１…半導体集積回路チップ、２２…再配線電極、２５…空間

Claims (16)

1. ソケットと、このソケットに設置された光導波路とを有し、前記光導波路に光入射を行うための発光素子と、前記光導波路からの出射光を受けるための受光素子との少なくとも一方が、前記光導波路に対向して配置されている、光電複合装置であって、
   前記ソケットに凹凸構造が設けられ、この凹凸構造の凹部内に前記光導波路が嵌め込 まれ、その幅方向が位置決めされて固定されると共に、この光導波路固定面と同一面に 、前記光導波路の長さ方向を位置決めするための突起部が設けられ、
   前記光導波路の長さ方向において、その固定領域から前記突起部の周辺側方位置にま で延びる接着材注入用の溝が前記固定面に形成され、
   前記ソケットに対する前記光導波路の位置決め状態で前記溝から接着材を注入するこ とによって、前記凹部に前記光導波路を接着固定するように構成された
   ことを特徴とする光電複合装置。
2. 前記凹凸構造の前記凹部の深さが、前記光導波路の厚さよりも大きい、請求項１に記載した光電複合装置。
3. 前記凹凸構造の凸面上に、前記発光素子及び／又は前記受光素子を実装したインターポーザーが固定されている、請求項１に記載した光電複合装置。
4. 前記インターポーザーに、前記発光素子及び／又は前記受光素子に接続された半導体集積回路チップが実装されている、請求項３に記載した光電複合装置。
5. 前記凸面に、前記インターポーザーの位置決め機構を有する、請求項３に記載した光電複合装置。
6. 一対の前記ソケット間に前記光導波路が架け渡されている、請求項１に記載した光電複合装置。
7. 前記光導波路が光配線として用いられる光配線システムを構成する、請求項１に記載した光電複合装置。
8. 光導波路を設置するための設置部を有し、前記光導波路に光入射を行うための発光素子と、前記光導波路からの出射光を受けるための受光素子との少なくとも一方が前記光導波路に対向して配置される、光電複合装置用のソケットであって、
   前記設置部に凹凸構造が設けられ、この凹凸構造の凹部内に前記光導波路が嵌め込ま れ、その幅方向が位置決めされて固定されると共に、この光導波路固定面と同一面に、 前記光導波路の長さ方向を位置決めするための突起部が設けられ、
   前記光導波路の長さ方向において、その固定領域から前記突起部の周辺側方位置にま で延びる接着材注入用の溝が前記固定面に形成され、
   前記設置部に対する前記光導波路の位置決め状態で前記溝から接着材を注入すること によって、前記凹部に前記光導波路を接着固定するように構成された
   ことを特徴とする光電複合装置用のソケット。
9. 前記凹凸構造の前記凹部の深さが、前記光導波路の厚さよりも大きい、請求項８に記載した光電複合装置用のソケット。
10. 前記凹凸構造の凸面上に、前記発光素子及び／又は前記受光素子を実装したインターポーザーが固定されている、請求項８に記載した光電複合装置用のソケット。
11. 前記インターポーザーに、前記発光素子及び／又は前記受光素子に接続された半導体集積回路チップが実装されている、請求項１０に記載した光電複合装置用のソケット。
12. 前記凸面に、前記インターポーザーの位置決め機構を有する、請求項１０に記載した光電複合装置用のソケット。
13. 前記光導波路が光配線として用いられる光配線システムを構成する、請求項８に記載した光電複合装置用のソケット。
14. 請求項１〜７のいずれか１項に記載した光電複合装置がプリント配線板に電気的に接続された状態で固定されている、光電複合装置の実装構造。
15. 前記光導波路が前記プリント配線板とは非接触となっている、請求項１４に記載した光電複合装置の実装構造。
16. 前記光導波路の光伝搬方向において、前記ソケットに固定されるクラッド層の長さが、前記プリント配線板に固定された前記一対のソケット間距離より大きい、請求項１４に記載した光電複合装置の実装構造。

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