JP4227471B2

JP4227471B2 - 受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの製造方法

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Publication number: JP4227471B2
Application number: JP2003181700A
Authority: JP
Inventors: 秀樹岩城; 豊田口; 哲義小椋; 康博菅谷; 俊行朝日; 東作西山; 義信井戸川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: JP2004086185A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路部と電気配線部が設けられた光電気混載配線板内に受発光用の半導体素子を内蔵した受発光素子内蔵光電気混載配線モジュール、その製造方法及びその実装体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信の大容量化、信号処理の高速化を実現するために、電気配線の限界を越える方法として、集積回路間を光導波路で結ぶ光インタコネクション技術の開発が行われている。従来の光インタコネクション技術では、基板内に光導波路としての光配線を行う配線基板として、下記特許文献１に開示されているように、配線基板内に繊維状の光導波路体を埋設形成した配線基板がある。
【０００３】
また、受発光素子と光導波路の光結合を行う構成について、下記特許文献２に開示されているように、発光素子が実装された光電子ＩＣチップを光導波路と反射ミラーを備えた光配線基板に実装するものがある。
【０００４】
また、下記特許文献３に開示されているように、光導波路の端部を面発光素子の入出力光に対して４５度の角度をなすように加工し、４５度端面に金属膜等を付着させた反射ミラーとして面発光素子の入出力光を光導波路のコア層へ９０度の光路変換をしてから光結合させる構成が示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３４０９０７号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平５−６７７７０号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平２０００−３３２３０１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光素子と光導波路のコア層へ反射ミラーを用いて９０度の光路変換をして光結合させる構成では、光導波路に反射ミラーを構成しなければならない。また、光素子以外の半導体素子や回路部品を同時に表面実装技術を用いて光導波路が形成された基板上へ電気的接続を目的として実装する場合、通常の共晶はんだを用いた製造プロセスの特にリフロープロセスにおいてはんだ中のフラックス等により光結合部が汚染され、光結合効率が低下するという課題もある。そのため、光導波路と光結合する光素子の表面実装はフラックスなどを用いない特別のプロセスを用いなければならない。
【０００９】
さらに、このような課題を解決すると同時に周波数の高い信号を光素子とその駆動用もしくは信号増幅用の半導体素子との間で伝送しようとすると短距離で電気的に配線しなければならない。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題を解決するため、光素子と光導波路の間に反射ミラー等の光学素子を用いることなく光結合をすることができる受発光素子内蔵光電気混載配線モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの製造方法は、
受発光素子と光導波路とが光学素子を介することなく光学的に結合される受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの製造方法であって、
コア部とクラッド部とを含む光導波路層に貫通孔を形成し、
離型フィルムの一主面に複数の配線パターンを形成し、前記配線パターンに受光素子及び発光素子を実装し、
前記離型フィルムを前記配線パターンが前記光導波路層側に向くように位置あわせして前記光導波路層に重ねて加圧することにより、前記受光素子又は発光素子を前記光導波路層の貫通孔内に配置し、
前記貫通孔内に前記コア部を伝搬する光に対して透明な樹脂を充填し、
前記樹脂を硬化させることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、コア部をクラッド部に埋め込んで光導波路層を形成し、光導波路層の少なくとも一方の主面に配線パターンを形成し、受光素子と発光素子もクラッド部である樹脂に埋め込んで、それぞれ配線パターンと電気的に接続する。これにより、光導波路端面に反射ミラーを用いた９０度の光路変換部を設けることなく光導波路と受発光素子間の光学的な結合を行うことができる。また回路部品を、フラックス等を含むはんだを用いた表面実装技術を用いて光導波路が形成された基板上へ電気的に接続する実装をすることができる。
【００１５】
また、上記モジュールは、受光素子及び発光素子は光導波路層のコア部が形成された面に平行な方向で光入出力を行う位置で光導波路層内に配置されていることが望ましい。これにより、光導波路層のコア部が形成された面に平行な方向で受発光素子と光入出力を行うことで、光導波路と受発光素子間に光の進行方向を変換する光路変換部を設けることなく光学的に結合することができる。
【００１６】
また、上記モジュールは、発光素子は面発光型レーザにより構成されていることが望ましい。面発光型レーザとすることで、発光素子から放射される光強度分布が端面出射型に比較して狭い角度に集中するため、光導波路のコア部と発光素子間の光結合効率が向上する。
【００１７】
また、上記モジュールは、光導波路層のコア部端面は透光性樹脂材料を介して受光素子又は前記発光素子と光学的に接続することが望ましい。光導波路のコア部端面を透光性樹脂材料を介して受発光素子と光結合することで、光導波路コア部端面もしくは受光素子又は発光素子の光学的に接続する面における光信号の反射を低減すると共に、光導波路コア部と受光素子又は発光素子間の光学的な結合効率を向上させることができ、さらに受光素子又は発光素子の環境に対して保護することもできる。
【００１８】
また、上記モジュールは、光導波路層の他方の主面に第３の配線パターンが形成されていることが望ましい。また、第３の配線パターン上に、回路部品が実装されていることが望ましい。
【００１９】
また、上記モジュールは、前記光導波路層の少なくとも片側に無機フィラーと熱硬化性樹脂とを含む混合物からなる絶縁性基板を備えていることが望ましい。
【００２０】
本発明においては、前記コア部は複数存在していてもよい。高密度化のためである。前記複数のコア部のうち、少なくとも２つは同一平面に配置されていてもよい。また、前記複数のコア部端面のうち、少なくとも３つは同一平面に配置されていてもよい。また、前記複数のコア部端面のうち、少なくとも３つは略同一直線上に配置されていてもよい。
【００２１】
前記光導波路層が複数存在しても良い。高密度化のためである。前記光導波路層のコア部端面は凹型または凸型形状であることが好ましい。光学的接合を容易にするためである。
【００２２】
本発明のモジュールにおいては、受光素子と、発光素子及び光導波路層は、いずれも電気的絶縁層に埋設されていることが好ましい。このようにすると、電気的絶縁層に埋設するときに受光素子、発光素子及び光導波路層の位置合わせを正確に行うことができ、かつ取り扱い性の良いモジュールとすることができる。
【００２３】
本発明の製造方法によれば、本発明の受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールを容易に製造することができる。
【００２４】
本発明の実装体によれば、受光素子又は発光素子と駆動素子又は増幅素子間の配線長を短くすることができ、伝送特性の周波数特性の遮断周波数を高くすることができる。
【００２５】
また、上記実装体では、前記発光素子のアノード端子とカソード端子の両方が前記第２の配線パターンを介して駆動素子に電気的に接続され、前記受光素子のアノード端子とカソード端子の両方が前記第１の配線パターンを介して増幅素子に電気的に接続することが望ましい。受光素子又は発光素子と駆動素子又は増幅素子間の配線長をさらに短くすることができ、伝送特性の周波数特性の遮断周波数をさらに高くすることができる。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１５を用いて詳細に説明する。各図において同一符号は同一部品を示している。なお、本発明は下記の実施の形態に限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成の概略を示す断面図である。
【００２８】
図１において、受光素子１０１及び発光素子１０３はそれぞれ光導波路層１０４に設けられた配線パターン１２１ａの一端に電気的に接続して実装されており、配線パターン１２１ａの他端は光導波路層１０４の外部に露出している。光導波路コア部１０５と受光素子１０１及び発光素子１０３はそれぞれ光学的に結合されている。また、受光素子１０１及び発光素子１０３は光導波路層１０４内に埋設している。光導波路層１０４の別の表面には配線パターン１２１ｂ，１２１ｃが形成されている。
【００２９】
光導波路コア部１０５は、受光素子１０１及び発光素子１０３の受発光波長において各波長に対して透明なポリマーからなる。特に、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、ポリシラン、ベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂、シロキサン樹脂、ポリカーボネート等を用いることができる。受光素子１０１及び発光素子１０３はＧａＡｓ系、ＩｎＰ系等の化合物半導体素子を用いることができ、受発光波長は例えば７８０ｎｍ、８５０ｎｍ、１．３μｍ、１．５μｍのものを用いることができる。
【００３０】
光導波路の作製は、フォトリソグラフィーとエッチングによる方法や、紫外線硬化による方法の他に、電子やレーザ等のビームによる直接描画や、射出成型もしくはプレス成形等を用いて作製することができる。光導波路コア層は上記の方法を用いて、矩形状の光導波路コア層を形成することができ、コアサイズが８〜１０μｍ程度のシングルモードサイズもしくは４０μｍから数１００μｍ程度のマルチモードサイズのものを用いることができる。特に、上記の光導波路の作製工程において、受光素子及び発光素子と光学的に結合を行う光導波路コア層の端面は、非球面状の端面処理を施した場合、それにより受発光素子と光導波路コア層の光学的な結合効率を向上させることができる。
【００３１】
光導波路層１０４内に設けられた受光素子１０１及び発光素子１０３は、光導波路コア部１０５が形成された面に平行な方向で光入出力を行う形態で光導波路層１０４内に配置されている。
【００３２】
特に、光導波路コア部１０５と光学的に結合を行う発光素子１０３の光出射面は、光導波路コア部１０５の光軸と垂直から１０度以下の角度をなす配置で実装されている。１０度以下の角度をなす場合、発光素子１０３から出射された光が光導波路コア部１０５の端面で反射して発光素子１０３に戻る、いわゆる戻り光の影響を低減することが可能である。１０度以上の場合においても戻り光の影響を低減することは可能であるが、光導波路コア層と発光素子間の光学的な結合効率が低下するため、角度は１０°未満が望ましく、１〜３°が最も好ましい。
【００３３】
発光素子は、端面出射型もしくは表面出射型の半導体レーザを用いることができ、表面出射型の場合、発光素子はＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等からなる半導体により作製された活性層が設けられた発光部と発光部の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数のＳｉ、ＡｌＮ、ＳｉＣ等から選ばれるサブキャリア部とから構成され、サブキャリア部の側面に表面出射型の発光部が設けられている。
【００３４】
発光部の電極はサブキャリア部に設けられた電極を介して配線パターンと接続される。表面出射型の発光素子で構成した場合、発光素子から放射される光強度分布が端面出射型に比較して狭い角度に集中するため、光導波路のコア部と発光素子間の光結合効率が向上する。また、端面出射型の半導体レーザにおいて、半導体レーザの出射端にスポットサイズ変換機能が組み込まれている場合、光強度分布が狭い角度に集中するため光導波路のコア部と発光素子間の光結合効率を向上できる。
【００３５】
光導波路層１０４は、光導波路コア部１０５と光導波路クラッド層１０６を含んでおり、光導波路コア部１０５は、受光素子１０１及び発光素子１０３の受発光波長において各波長に対して透明なポリマーからなる。特に、ポリメチルメタクリレート、フッ素化ポリイミド、ベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂、シロキサン樹脂、ポリカーボネート等を用いることができる。光導波路クラッド層１０６にも光導波路コア層と同じポリメチルメタクリレート、フッ素化ポリイミド、ベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂、シロキサン樹脂、ポリカーボネート等を用いることができるが、光導波路クラッド層の屈折率よりも高い屈折率になるよう、光導波路クラッド層と光導波路コア層の材料の屈折率差が調整されている。
【００３６】
光導波路クラッド層１０６に、フッ素化ポリイミドを用いた場合、光導波路コア層は光導波路クラッド層の屈折率よりも高く屈折率を調整した屈折率差調整フッ素化ポリイミドを用いることができる。また、光導波路クラッド層にポリシランを用いる場合、光照射により屈折率が変化する材料を用い、例えば、紫外線照射により屈折率が高くなる材料を用い、マスクと露光により光導波路クラッド層の屈折率よりも高い屈折率の光導波路コア層を形成する。
【００３７】
また、図２に示すように、光導波路のコア部端面は透光性樹脂１０９を介して受光素子又は発光素子と光学的に接続することもできる。この場合、透光性樹脂１０９は送信又は受信する光信号に対して透明である材料を用い、シリコーン系またはアクリレート系の樹脂材料等を用いることができるが、光導波路のコア層の屈折率と近似した屈折率をもつ透光性樹脂材料が好ましい。特に、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、ベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂、シロキサン樹脂、ポリカーボネート等の、光導波路コア部と同一の屈折率の材料を用いることが最も好ましい。このような構成にした場合、光導波路コア部端面もしくは受光素子又は発光素子の光学的に接続する面における光信号の反射を低減すると共に、光導波路コア部と受光素子又は発光素子間の光学的な結合効率を向上させることができ、さらに受光素子又は発光素子を環境に対して保護することもできる。透光性樹脂材料は少なくとも光導波路のコア部端面と受光素子又は発光素子と光学的に接続する面の間に形成した場合に効果があり、受光素子又は発光素子の周囲に充填されていてもよい。その場合、受発光素子を外気から遮断することができるため、湿度等による受発光素子の信頼性の低下を防止することができる。
【００３８】
図３は図２のＩ−Ｉ線の断面図である。この例においては、光導波路コア部１０５と受光素子１０１及び発光素子１０３がそれぞれ３個同一平面に並列して配列されている。このようにすると、高密度化、高集積化できる。マーカー１３１は光導波路コア部１０５と同じプロセスで形成されたマーカーで、光導波路コア部１０５と同じ材料で同じ屈折率である。またその大きさは光導波路コア部１０５の幅の１〜５倍の直径の円形に形成されている。このマーカー１３１を位置基準として受光素子１０１及び発光素子１０３と光導波路コア部１０５を光学的に結合するよう位置合わせし実装する。
【００３９】
図４は図２のＩ−Ｉ線断面図に相当する別の例の断面図である。この例においては、光導波路コア部１０５が同一平面に４個並列して配列され、受光素子１０１及び発光素子１０３が１個配置されている。この例においては、４つのコア部端面が同一直線上に配置されている。このようにすると、より高密度化、高集積化できる。
【００４０】
図５に示したように、光導波路層の少なくとも片側に無機フィラーと熱硬化性樹脂とを含む混合物からなる絶縁性基板１２９を備えた構成も可能である。
【００４１】
その場合、一体となった光導波路層１０４と絶縁性基板１２９の剛性が向上するため、光導波路層１０４の内部に埋設して設けられた受発光素子１０１，１０３の外部応力からの影響による受発光素子のクラックや破壊等を低減することができる。１４０は絶縁性基板１２９に形成されたインナービアホール、１４１は絶縁性基板１２９の表面に設けられた配線パターンである。絶縁性基板１２９の厚さは、５０μｍ〜４００μｍの範囲が好ましい。
【００４２】
無機フィラーとしては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮおよびＳｉＯ₂から選ぶことができ、これらの無機フィラーを用いることにより放熱性に優れた受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールが得られる。なお、無機フィラーの含有量は７０〜９５重量パーセント配合するのが好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂を５〜３０重量パーセント配合するのが好ましい。
【００４３】
無機フィラーを選ぶことで電気絶縁性基板の熱膨張係数を調節して、受発光素子の熱膨張係数に整合させることができるため、信頼性の高い受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールが得られる。
【００４４】
さらに、図６に示したように、光導波路層１０４の両側に無機フィラーと熱硬化性樹脂とを含む混合物からなる絶縁性基板１２９ａ，１２９ｂを設けた場合、光導波路層と絶縁性基板間の熱膨張係数差に起因する反りの発生を抑制することができる。絶縁性基板１２９ａ，１２９ｂの厚さは、それぞれ５０μｍ〜４００μｍの範囲が好ましい。絶縁性基板１２９ａ，１２９ｂの材料は、前記図５で説明したものと同一の物質を使用できる。
【００４５】
絶縁性基板には、多層に電気的な配線パターンを施したものを用いることで、一体となった光導波路層と絶縁性基板の上に回路部品を搭載することができ、反りの発生が抑制されているため、安定して回路部品を搭載することができる。
【００４６】
また、光導波路層の少なくとも片側にＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮからなる無機材料を用いたセラミック基板を用いることで、光導波路層とセラミック基板の積層体の剛性を更に向上することができるとともに、無機材料を選択することで、受発光素子の熱膨張係数と整合させ、熱膨張係数の差による受発光素子への応力発生を防止することができ、信頼性の高い受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールが得られる。
【００４７】
絶縁性基板には送信又は受信する光信号に対して非透光性材料を用いることにより、外部から光導波路層へ入射するノイズの影響を防止することができる。そのため、光導波路層の両側に非透光性材料からなる絶縁性基板を設けた場合は、光導波路層の片側に非透光性材料からなる絶縁性基板を設けた場合に比べて光による周囲からのノイズの影響を低減することができる。また、発光素子からの迷光によるノイズについても防止することができる。
【００４８】
上記に説明した受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールに回路部品を電気的に接続することを目的として実装する場合、光導波路と受発光素子間の光結合部はモジュール内に配置されているため、フラックス等を含むはんだを用いた表面実装技術を用いても光導波路と受発光素子間の光結合部に影響を与えることはない。また、光導波路と受発光素子間の光学的な結合は受発光素子内蔵光電気混載配線モジュール内のみで行うため、回路部品を実装する際に光学的な結合をする必要なく電気的な接続ができ、既存の表面実装技術、設備を用いて他の回路部品をモジュール上へに搭載することが可能である。なお、回路部品としては例えば、コンデンサ、インダクタ、抵抗、半導体チップ、ＣＳＰ（チップサイズパッケージ）などが用いられる。
【００４９】
（実施の形態２）
図７Ａ−Ｉは、本発明の実施の形態２における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの製造方法の概略を示す断面図である。以下に本実施の形態における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの製造方法について、図７Ａ−Ｉを参照しながら説明する。
【００５０】
まず図７Ａに示すように、光導波路コア部１０５の周囲に光導波路クラッド層１０６が形成された光導波路層１０４を準備する。光導波路層１０４は、フィルム状の光導波路フィルムを用いることができる。ポリカーボネートなどの光導波路下部クラッド層となるフィルムに、金型を用いたプレスにより光導波路コア層を形成するための凹部を設け、凹部に光導波路コア層となる、導波路クラッド層の屈折率よりも高い屈折率のポリマーを充填して、光導波路上部クラッド層を光導波路下部クラッド層と同一材料で形成したプレス成形による光導波路フィルムや、紫外線照射により屈折率が高くなる樹脂材料を用いた紫外線照射硬化型光導波路フィルムを用いることができる。
【００５１】
次に図７Ｂに示すように、光導波路層１０４の所望の位置に第１の貫通孔１１５を形成する。第１の貫通孔は、例えば、レーザ加工または金型による加工で形成することができる。レーザ加工は、微細なピッチで第１の貫通孔１１５を形成することができ、削り屑が発生しないため好ましい。レーザ加工では、炭酸ガスレーザやエキシマレーザを用いると加工が容易である。
【００５２】
第１の貫通孔１１５の側面には光導波路コア部１０５の端面が露出している。第１の貫通孔１１５は後に説明する受光素子又は発光素子を実装して、光導波路コア部１０５と受光素子又は発光素子を光学的に結合させる領域に形成することが望ましい。また、同時に、離型フィルム１１９上に配線パターン１２１ａ，１２１ｃを形成したものを第１の貫通孔１１５が形成された光導波路層１０４と位置あわせして重ねる。
【００５３】
離型フィルム１１９には、例えば、ポリエチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイドのフィルムを用いることができる。配線パターン１２１ａ，１２１ｃは、例えば、離型フィルム１１９に銅箔を接着した後フォトリソ工程及びエッチング工程を行うことによって形成できる。銅箔以外に金属薄膜を用いても可能である。その際、貫通孔１１５に対応して受光素子または発光素子を搭載する領域には受光素子または発光素子の電極配置に対応した配線パターン１２１ａ，１２１ｃを転写する。
【００５４】
その後、図７Ｃに示すように、それぞれを位置あわせして重ねたものを加圧加熱することによって光導波路１０４と配線パターン１２１ａ，１２１ｃの積層体を得る。
【００５５】
その後、図７Ｄに示すように、配線パターン１２１ａ，１２１ｃ上に受光素子及び発光素子を光導波路コア部１０５との光学的な結合するように搭載する。その際、配線パターン１２１ａ，１２１ｃもしくは光導波路層１０４に位置合わせ用アライメントマーカーを形成しておくことにより、受光素子及び発光素子の搭載を容易にすることができる。そして、受光素子及び発光素子を搭載した後離型フィルム１１９を剥離する。なお、この離型フィルム１１９は最終的にモジュールが完成した後に剥離しても構わない。
【００５６】
その後、図７Ｅに示すように、第１の貫通孔１１５に透光性樹脂１０９を印刷法等により充填する。透光性樹脂１０９は光硬化型もしくは光と加熱併用硬化型の場合、第１の貫通孔１１５への透光性樹脂１０９の充填後、光照射により硬化する。また、熱硬化型の場合においては、後述する加熱工程において硬化を行う。
【００５７】
透光性樹脂としては、光導波路コア層と屈折率整合する材料を用いることができる。例えば、透光性樹脂の屈折率は光導波路コア層の屈折率±０．０５の範囲で選ぶことができる。好ましくは±０．０１である。例えば、フッ素化エポキシ系やアクリル系、臭素化エポキシ系やイオウ含有ビニル系などを用いると、屈折率を１．４０から１．７１の範囲において±０．００５の精度で屈折率を自由にコントロールすることができる。紫外線や加熱などにより硬化するもののほか、ゲル状で硬化しないものも用いることができる。
【００５８】
その後、図７Ｆに示すように、第２の貫通孔１１７をレーザ加工等により形成し、図７Ｇに示すように第２の貫通孔１１７に導電性樹脂組成物１２３を充填する。その後、図７Ｈに示すように、銅箔１２７を位置あわせして重ね、加圧と加熱を行うことにより、導電性樹脂組成物１２３中の熱硬化性樹脂を硬化させ、ビア導体１２５を形成する。加熱は、導電性樹脂組成物１２３中の熱硬化性樹脂が硬化する温度以上の温度（例えば１５０℃〜２６０℃）で行う。この工程によって、銅箔１２７と光導波路層１０４とが機械的に接着する。
【００５９】
また、ビア導体１２５によって、銅箔１２７が電気的に接続される。その後、図７Ｉに示すように、銅箔１２７を加工することによって配線パターンを形成する。このようにして第１の実施の形態で説明した受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールが形成される。
【００６０】
上記の製造方法によれば、第１の実施の形態で説明した受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールを容易に製造することができる。また、上記の製造工程において透光性樹脂が硬化後、ゲル状になる材料を用いた場合、温度変化による受発光素子への応力を緩和させることができるため、信頼性の高い受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールが得られる。
【００６１】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの実装体の構成の概略を示す断面図である。以下に本実施の形態における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの実装体の構成について、図８を参照しながら説明する。本実施の形態においては、受光素子１０１は配線パターン１２１を介して増幅素子１１１と電気的に接続されており、発光素子１０３は配線パターン１２１を介して駆動素子１１３と電気的に接続されている。
【００６２】
特に、発光素子１０３及び受光素子１０１と増幅素子１１１、駆動素子１１３とは図９に示したように、受光素子１０１のアノード１０１ａ及びカソード１０１ｂ端子の２つの端子はともに増幅素子に電気的に接続されており、発光素子１０３のアノード１０３ａ及びカソード１０３ｂ端子の２つの端子はともに駆動素子に電気的に接続されている。受光素子１０１と発光素子１０３とは光学的に光導波路１０５を介して接続されていることが好ましい。
【００６３】
これらの構成において、増幅素子１１１および駆動素子１１３を受光素子１０１及び発光素子１０３と対向して配置した場合、配線長を短くすることができ、伝送特性の周波数特性の遮断周波数を高くすることができる。また、増幅素子１１１および駆動素子１１３を受光素子１０１及び発光素子１０３とが対向しない位置に配置した場合においても駆動素子１１３と発光素子１０３又は増幅素子１１１と受光素子１０１間に伝送される電気信号の波長よりも短い配線の場合は、高周波領域における伝送特性を劣化させることなく動作することができる。増幅素子１１１および駆動素子１１３と受光素子１０１及び発光素子１０３との間に多層基板が設けられた場合においても同様である。
【００６４】
つまり、図９に示す回路図の構成を有する各デバイスの配置関係を有するものであれば、本発明は図８に示したモジュール構造に限定されることは無い。例えば増幅素子１１１と受光素子１０１とを電気的に接続するために、他の配線パターン及びビア導体を用いても構わない。ただし、伝送特性を考慮する場合は配線長をできるだけ短くしたいので、図８に示すようなモジュールの構造が好ましい。
【００６５】
また、光導波路層１０４の片側もしくは両側に無機フィラーと熱硬化性樹脂とを含む混合物からなる絶縁性多層基板を設けた場合、増幅素子１１１および駆動素子１１３を絶縁性多層基板の内部に配置して増幅素子１１１および駆動素子１１３と受光素子１０１及び発光素子１０３との間を短距離で接続する構成においても配線長を短くできるため、伝送される電気信号の波長よりも短い配線の場合は、高周波領域における伝送特性を劣化させることなく動作することができる。
【００６６】
特に増幅素子１１１、駆動素子１１３、受光素子１０１及び発光素子１０３が光導波路層内や絶縁性多層基板内にベアチップ状態で埋設して搭載される場合においては外気から遮断されることによって湿度等による信頼性の低下を防止できる。
【００６７】
また、増幅素子１１１および駆動素子１１３と、受光素子１０１及び発光素子１０３の熱膨張係数を整合させるように、無機フィラーとしてＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ等の材料と、樹脂成分の配合して絶縁性多層基板を形成する。これにより、温度変化による応力を低減できる。また、温度の変化においても特性の変化を防止できる。
【００６８】
また、発光素子と駆動素子間には抵抗素子を設けた構成にした場合、発光素子と駆動素子間の電気的な配線長を伝送する信号の波長よりも長くした場合においても高周波領域における伝送特性を劣化させることなく動作することができる。
【００６９】
受光素子と増幅素子間には受光素子から出力される電気信号に含まれる周波数帯域において、受光素子の出力インピーダンスよりも低いインピーダンスの特性のバイパス用コンデンサを配置した構成の場合、受光素子と増幅素子間の電気的な配線長を伝送する信号の波長よりも長くした場合においても高周波領域における伝送特性を劣化させることなく動作することができる。
【００７０】
コンデンサを配置する構成としてはチップ状のコンデンサを用いて絶縁性多層基板に埋設されるように構成することもでき、また、対向電極を絶縁性多層基板内部に設けることで容量素子を設けることも同様の効果が得られる。対向電極を絶縁性多層基板内部に設けることで容量素子を形成した場合、対向電極の間に絶縁性多層基板よりも高誘電率の材料を設けた構成を用いるか、対向電極の間を数１０μｍ程度に構成して対向電極の寸法を伝送する信号の波長の１／４よりも小さく設けた場合においては、更に高い周波数領域においても伝送特性を劣化させることなく動作することができる。
【００７１】
以上のとおり、本実施例の実装体は、光素子と光導波路の間に反射ミラー等の光学素子を用いることなく光結合を行い、光配線と電気的な配線が混載して形成された配線基板に回路部品を通常の表面実装技術を用いて実装することができ、光素子とその駆動用もしくは信号増幅用の半導体素子間の伝送信号用の信号が数ＧＨｚ以上の周波数においても動作可能な実装体とすることができる。
【００７２】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成の概略を示す断面図、図１１は図１０のII−II断面図である。以下に本実施の形態における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成について図１０と図１１を参照しながら説明する。本実施の形態においては、受光素子１０１はサブキャリア１３３ａ上にバンプを介したフリップチップ実装もしくはフェイスアップ実装され、サブキャリア１３３ａ上に形成された配線パターンに電気的に接続されている。サブキャリアは窒化アルミニウムや炭化珪素やアルミナなどのセラミック材料で形成されており、サブキャリア１３３ａは光導波路層１０４の表面に設けられた配線パターン１２１に電気的に接続されている。受光素子１０１は素子表面の同一面内に複数の受光部が設けられており、光導波路層１０４内の厚み方向に複数設けられた光導波路コア部１０５と光学的に結合している。一方、発光素子１０３はサブキャリア１３３ｂ上にフリップチップ実装されている。また、発光素子１０３はサブキャリア１３３ｂ上にハンダや導電性接着剤でダイボンドされ、発光素子１０３上の電極とサブキャリア上に設けられた電極とをワイヤボンドを用いて実装されていてもよい。サブキャリア１３３ｂは発光素子１０３が実装された面とは垂直の関係になる側面に電極が形成されており、側面電極は光導波路層１０４の表面に設けられた配線パターン１２１に電気的に接続されている。発光素子１０３は例えば表面出射型のレーザー素子などを用いることができ、表面に複数の出射光部が設けられている。複数の出射光部はそれぞれ光導波路層１０４内の厚み方向に複数設けられた光導波路コア部１０５と光学的に結合している。光導波路層１０４の表面に設けられた配線パターン１２１はビア導体１２５を介して光導波路層１０４の他面にも電気的に接続されている。図１１において、光導波路クラッド部１０６内に複数の光導波路コア部１０５が設けられており、厚み方向に２段設けられた場合を図示した。格子点状の位置に光導波路コア部１０５は設けられている。この構成では図１１で示す格子点状に設けられた光導波路コア部１０５と対向するように発光素子の出射光部もしくは受光素子の受光部が同様に設けられている。また、光導波路コア部１０５が設けられた光導波路層表面には配線パターン１２１が設けられている。このような構成とすることで、複数の光導波路コア部を用いてそれぞれ異なる信号を受光素子と発光素子間で伝送することができ、高密度に光導波路コア部を配置することができるため、大容量の信号を伝送することができる。
【００７３】
（実施の形態５）
図１２及び図１３は、本発明の実施の形態５における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成の概略を示す断面図である。以下に本実施の形態における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成について図１２と図１３を参照しながら説明する。本実施の形態においては、受光素子１０１の受光部と光導波路コア部１０５と発光素子１０３の出射光部が同一平面内に配置され、受光素子１０１と光導波路コア部１０５及び発光素子１０３と光導波路コア部１０５はそれぞれ光学的に結合されている。受光素子１０１及び発光素子１０３は光導波路層１０４の表面に設けられた配線パターン１２１に電気的に接続されている。また、受光素子１０１及び発光素子１０３は光導波路層１０４と絶縁性基板１２９とが一体となり貫通して形成した貫通孔内に設けられており、受光素子１０１及び発光素子１０３の周囲は光導波路コア部１０５と屈折率が整合し、受光素子１０１及び発光素子１０３に入出力する光の波長に対して透明な樹脂で充填されている。受光素子１０１及び発光素子１０３は光導波路層１０４の厚さよりも厚い高さで、光導波路層１０４と絶縁性基板１２９を一体化したときの厚さよりも低い高さを有している。特に、図１３においては、光導波路層１０４の両側に絶縁性基板１２９ａ及び１２９ｂが設けられており、貫通孔はそれらを一体として貫通して形成し、その孔内に受光素子及び発光素子が設けられている。受光素子１０１はサブキャリア１３３ａ上に実装されており、例えばフリップチップ実装されている。受光素子１０１は表面入射型のフォトダイオードなどを用いる。受光素子が実装されたサブキャリア１３３ａは側面に電極が設けられており、側面の電極は、光導波路層１０４の表面に設けられた配線パターン１２１に電気的に接続されている。サブキャリア１３３ａは光導波路層１０４の厚さよりも厚い寸法で、光導波路層１０４と絶縁性基板１２９を一体化したときの厚さよりも低い高さを有している。このような構成にすることで、受光素子及び発光素子を光導波路層よりも厚い寸法のものを用いることができ、さらに受発光素子の出射光部及び受光部が端面と表面のいずれの場合においても制約を受けることなく受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールを構成することができるため、設計の自由度が向上する。
【００７４】
（実施の形態６）
図１４は、本発明の実施の形態６における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成の概略を示す断面図である。以下に本実施の形態における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成について図１４を参照しながら説明する。本実施の形態においては、光導波路層１０４は絶縁性基板１２９の内部に設けられており、光導波路層１０４内の光導波路コア部１０５と受光素子１０１及び発光素子１０３は光学的に結合している。光導波路層１０４は前記図１で説明したものと同一の物質の他にガラスを用いることができる。図中では光導波路層１０４は表裏２層に設けられた配線パターン１２１が形成されている絶縁性基板１２９の厚さよりも薄い形態について説明したが、厚い形態についても可能である。この場合、内部に配線パターンが設けられた３層以上の配線層を有する基板内に光導波路層が設けられた形態となる。このような構成にすることで、光導波路層を寸法の制約を受けることなく任意に選択することができる。
【００７５】
次に、光導波路コア部と受光素子１０１との光学的結合部について図１５を参照しながら説明する。受光素子１０１は光導波路クラッド部１０６に円形の貫通孔が形成された内部に設置され、受光素子１０１の周囲は受光素子が受光する光の波長に対して透明な透光性樹脂１０９で充填されており、光導波路クラッド部よりも高い屈折率の樹脂を用いることができる。透光性樹脂１０９の屈折率は貫通孔と光導波路コア部１０５とが接する面の曲率により任意に選ぶことができる。この構成にすることで円形の貫通孔と光導波路クラッド部１０６が接する形状とによるレンズ効果により光導波路クラッド部１０６と受光素子１０１との光学的な結合効率を向上させることができる。本構成において、受光素子が発光素子の場合においても同様の効果を得ることができる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明のモジュールは、光導波路端面に反射ミラーを用いた９０度の光路変換部を設けることなく光導波路と受発光素子間の光学的な結合を行うことができる。また、回路部品をフラックス等を含むはんだを用いた表面実装技術を用いて光導波路が形成された基板上へ電気的に接続する実装をすることができる。
【００７７】
また、光導波路層のコア部が形成された面に平行な方向で受発光素子と光入出力を行うことで、光導波路と受発光素子間に光の進行方向を変換する光路変換部を設けることなく光学的に結合することができる。また、面発光型レーザとすることで、発光素子から放射される光強度分布が端面出射型に比較して狭い角度に集中するため、光導波路のコア部と発光素子間の光結合効率が向上する。
【００７８】
また、本発明の実装体は、受光素子又は発光素子と駆動素子又は増幅素子間の配線長を短くすることができ、伝送特性の周波数特性の遮断周波数を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における第１の受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの概略を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における第２受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの概略を示す断面図である。
【図３】図２のＩ−Ｉ線断面図である。
【図４】図２のＩ−Ｉ線断面図に相当する別の例の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における第３受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの概略を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における第４受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの概略を示す断面図である
【図７】本発明の実施の形態２における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの製造方法の概略を示す工程断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの実装体の概略を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの実装体の回路を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態４における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成の概略を示す断面図である。
【図１１】図１０のII−II線断面図である。
【図１２】図１２は本発明の実施の形態５における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成の概略を示す断面図である。
【図１３】図１３は本発明の実施の形態５における別の受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成の概略を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態６における受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの構成の概略を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態６における光導波路コア部と受光素子との光学的結合を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１受光素子
１０３発光素子
１０４光導波路層
１０５光導波路コア層
１０６光導波路クラッド層
１０７電気絶縁性基板
１０９透光性樹脂
１１１増幅素子
１１３駆動素子
１１５第１の貫通孔
１１７第２の貫通孔
１１９離型フィルム
１２１配線パターン
１２３導電性樹脂組成物
１２５ビア導体
１２７銅箔
１２９絶縁性基板

Claims

受発光素子と光導波路とが光学素子を介することなく光学的に結合される受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの製造方法であって、
コア部とクラッド部とを含む光導波路層に貫通孔を形成し、
離型フィルムの一主面に複数の配線パターンを形成し、前記配線パターンに受光素子及び発光素子を実装し、
前記離型フィルムを前記配線パターンが前記光導波路層側に向くように位置あわせして前記光導波路層に重ねて加圧することにより、前記受光素子又は発光素子を前記光導波路層の貫通孔内に配置し、
前記貫通孔内に前記コア部を伝搬する光に対して透明な樹脂を充填し、
前記樹脂を硬化させる受発光素子内蔵光電気混載配線モジュールの製造方法。