JP4258641B2 - 光配線板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光導波路を有する光配線板およびその製造方法に関し、さらに詳しく言えば、内部に光入出力用コネクタを備えた生産性の良好な光配線板およびその製造方法に関するものである。本発明には光回路と電気回路とを混在させた光電気複合配線板も含まれる。

最近の回路配線板の分野においては、配線の高密度化と高速信号伝達のために光ファイバーを利用した設計が行われている。その一例として、シリコンウェハー上にフォトリソ技術により光導波路を形成してその両端に光学部品（集光レンズなどの光コネクタ）を配置してモジュール化したもの（特許文献１参照）や、光ファイバーを所定の配線路に沿って布線し樹脂で固めて板状としその両端に光デバイスを直接軸合わせして結合する技術（特許文献２，３参照）が知られている。

また、内部に光導波路を有するプリント配線板にレーザなどにより孔開けを行って、その孔を通して光導波路に光入出力用コネクタとしてのくさび状のピンを圧入する技術が非特許文献１，２に報告されている。また、特許文献４にはフレキシブル基板に光回路と電気回路とを混在させた光電気複合配線板が提案されている。

特開２０００−１２１８８３号公報 特開平７−１７６７１６号公報 特開２０００−１４７２７０号公報 特開２００１−３１１８４６号公報 「光表面実装技術」回路実装学会誌，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．５，ｐｐ．３４６〜３５０，１９９５． 「４５゜端面ファイバの光路変換特性」エレクトロ実装技術，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．３，ｐｐ２１９〜２２０，２０００．

しかしながら、特許文献１のようにシリコンウェハー上に光学部品を配置する場合、その大きさに制約があるばかりでなくフォトリソ技術による光導波路は高価であり、さらには異なるモジュール間を光学的につなぐ方法がないという問題がある。

特許文献２のように光ファイバーを所定の配線路に沿って布線し樹脂で固めて板状にするといった方法では、光ファイバーの曲げ半径を小さくすることができないため小型化に無理があり、また、光の入出力部分の大きさの制限もあることから接近した部品間の光伝送が不可能であり、かつ、光ファイバーの１本ごとに端末処理が必要であることから量産的な手法ではない。

また、非特許文献１，２によるピン圧入方式ではレーザによる孔開けが行われるが、その孔開け位置の特定に細心の注意を要し生産性が悪い。そのうえ、別途にピンを調達する必要がありコスト的にも負担がかかる。

特許文献３には光回路と電気回路とを混在させた光電気複合配線板が提案されているが、結局のところ、その光導波路の光入出力用コネクタに上記非特許文献１，２によるピン圧入方式を採用しているため、依然として生産性が悪くコスト高になることは否めない。

上記各従来技術に共通して言えることは光導波路の端末処理、すなわち光導波路の両端に設けられる光入出力用コネクタに問題の所在がある。したがって、本発明の課題は、光入出力用コネクタを別途に調達する必要がなく一連の生産工程のなかで形成することができるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本願の請求項１に記載の発明は、遮光性を有する第１基板と、光透過材よりなり上記第１基板上の複数箇所に形成された錐面を含む光バンプ（光入出力用コネクタ）と、目的方向以外への光漏れを防止するため上記光バンプの周面の一部分に形成されたリフレクタと、ガラスファイバーが縦横方向に織り込まれたガラスファイバー製の織物基材に上記ガラスファイバーの屈折率よりも小さな屈折率を有する樹脂を含浸してなり上記光バンプが貫通された状態で上記第１基板上に配置されたプリプレグと、上記第１基板に上記プリプレグを介して積層プレスされた遮光性を有する第２基板とを備え、所定の２箇所に位置する２つの上記光バンプ同士が上記プリプレグに含まれている上記ガラスファイバーにて光学的に結合されており、上記第１，第２基板のいずれか一方には上記光バンプの大径面側を露出させて発光素子および受光素子を配置するための開口が形成されていることを特徴としている。

上記第１，第２基板はともに遮光性を有する樹脂シートであってもよいが、本願の請求項２に記載の発明は光電気複合配線板で、上記請求項１に記載の発明において、上記第１基板および／または上記第２基板が電気配線形成用の銅箔よりなり、その銅箔基板に外層回路が形成されていることを特徴としている。

本願の請求項３に記載の発明は、光電気複合配線板のうちの多層基板で、上記請求項１または２に記載の発明において、上記第１基板と上記第２基板とがともに電気配線形成用の銅箔よりなるとともに、上記第２基板もその一方の面に上記第１基板と同じく上記光バンプおよび上記プリプレグを備え、上記第１基板と上記第２基板とがそれらの間に内層回路を有する内層基材を挟んで積層プレスされ、上記各基板に外層回路が形成されており、上記外層回路と上記内層回路とが上記基板側に形成されている上記プリプレグを貫通し得る導電性バンプにより導通されていることを特徴としている。

本願の請求項４に記載の発明は、光配線板の製造方法に関し、上記課題を解決するため、遮光性を有する第１基板上の複数箇所に光透過材により円錐状の光バンプ（光入出力用コネクタ）を形成する第１工程と、上記光バンプの周面の一部分に目的方向以外への光漏れを防止するリフレクタを形成する第２工程と、ガラスファイバーが縦横方向に織り込まれたガラスファイバー製の織物基材に上記ガラスファイバーの屈折率よりも小さな屈折率を有する樹脂を含浸してなるプリプレグを第１基板上に配置して上記プリプレグに上記光バンプを貫通させる第３工程と、上記プリプレグ上に遮光性を有する第２基板を配置して積層プレスする第４工程と、上記第１基板の一部分を除去して上記ガラスファイバーにより光学的結合関係にある上記光バンプの大径面側に開口を形成する第５工程とを含むことを特徴としている。

本願の請求項５に記載の発明は、上記請求項４に記載の発明において、上記第１基板および／または上記第２基板が銅箔よりなり、その銅箔基板に外層回路を形成する工程をさらに含むことを特徴としている。

本願の請求項６に記載の発明は、上記請求項４または５に記載の発明において、上記第１基板と上記第２基板とがともに銅箔よりなり、上記第４工程における上記第２基板が上記第１工程ないし上記第３工程を経て得られた上記光バンプと上記プリプレグとを含む上記第１基板と同一構成であり、上記第４工程において上記第１基板と上記第２基板とをそれらの間に内層回路を有する内層基材を挟んで積層プレスした後、上記第５工程で上記各基板に外層回路を形成し、さらに上記外層回路間および／または上記外層回路と上記内層回路とを所定の導通手段にて接続することを特徴としている。

本願の請求項７に記載の発明は、上記請求項６に記載の発明において、上記外層回路と上記内層回路とを接続する導通手段として、上記第１工程で上記基板側に上記プリプレグを貫通し得る錐状の導電性バンプを形成することを特徴としている。本発明において、光バンプおよび導電性バンプは円錐状であることが好ましいが角錐状であってもよい。

本願の請求項８に記載の発明は、上記請求項４ないし７のいずれか１項に記載の発明において、上記第４工程での積層プレス時に上記光バンプの圧縮比（プレス前の高さ／プレス後の高さ）を１〜３とすることを特徴としている。

本発明によれば、銅箔もしくは樹脂シートからなる基板上の複数箇所に印刷法により光入出力用コネクタとしての好ましくは円錐状の光バンプを形成し、その基板上にガラスファイバーを含むプリプレグを配置して光バンプを貫通させることにより、２つの光バンプ間がガラスファイバーを介して光学的に結合される。したがって、ガラスファイバーの端末処理が不要となり生産性に優れ高密度化が可能な光配線板（光電気複合配線板を含む）を提供することができる。

次に、図１ないし図１０を参照して本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。各図は本発明の理解を容易にするうえで誇張的に描いた模式図で、図１ないし図６は本発明の第１実施形態をその製造工程順に示しており、図７ないし図１０は本発明の第２実施形態をその製造工程順に示している。

本発明の第１実施形態によると、まず、図１（ａ）の断面図に示すように第１基板１０上に錐状の光バンプ１１を形成する。第１基板１０は遮光性（もしくは光反射性）を有する基板で、プリント配線板に用いられる銅箔もしくは樹脂シートのいずれであってもよいが、この例では銅箔である。

光バンプ１１は光入出力用コネクタとしての役割を有し、光透過性樹脂もしくはガラス粉末などのセラミック粉末を含む透明ペースト材を例えばメタルマスクを用いて例えば円錐状に印刷する。なお、図１（ｂ）の平面図に示すように光バンプ１１を四角錐状に形成することもできる。

光バンプ１１は配線の設計にしたがって複数箇所に設けられるが、図１（ａ）（ｂ）には光学的に結合される一対の光バンプ１１ａ，１１ｂのみが示されている。通常、その一方が発光側で他方が受光側として利用されるが、例えば３つの光バンプ１１を光学的に結合することもできる。なお、光バンプ１１ａ，１１ｂを区別する必要がない場合には総称として単に光バンプ１１という。

また、光バンプ１１を図１（ｂ）のように角錐状とする場合には、その面同士を対向させて配置することが好ましい。光バンプ１１ａ，１１ｂを第１基板１０上に印刷したのち加熱して硬化させる。その光屈折率をＮ１とする。

次に、図２（ａ）の断面図およびその平面図である図２（ｂ）に示すように、光バンプ１１ａ，１１ｂの各々の周面の一部分に目的方向以外への光漏れ（クロストーク）を防止するためのリフレクタ１２ａ，１２ｂを形成する。

リフレクタ１２ａ，１２ｂは上記光バンプ１１ａ，１１ｂの内面において全反射を可能とするため、光バンプの光屈折率Ｎ１よりも小さい光屈折率Ｎ２を有する樹脂シートもしくは光反射率の高い例えば銀色もしくは白色のペーストにより形成することができる。

次に、図３（ａ）の断面図に示すようにプリプレグ２０を第１基板１０上に配置する。このとき、プリプレグ２０に対して光バンプ１１ａ，１１ｂを貫通させる。図３（ｂ）の斜視図に第１基板１０とプリプレグ２０とを分離して示す。プリプレグ２０は多数本のガラスファイバー２１ａを含む織物基材２１にエポキシ樹脂やフェノール樹脂などの図示しない樹脂を含浸させた半硬化のプリプレグである。

したがって、プリプレグ２０に光バンプ１１ａ，１１ｂを貫通させることにより、織物基材２１に含まれている所定のガラスファイバー２１ａ（１本もしくは複数本）が破断され、その端面が光バンプ１１ａ，１１ｂに接し光学的に結合する。

本発明において、ガラスファイバー２１ａは縦方向（Ｙ軸方向）および横方向（Ｘ軸方向）に織り込まれている。織り方は平織りなど任意であってよいが、光バンプ１１ａ，１１ｂを貫通させる際にガラスファイバー２１ａが横に逸れないような密度で、かつ、歪みがないように規則正しく織り込まれていることが好ましい。

また、本発明に用いられているガラスファイバー２１ａはコア材のみからなり、プリプレグ２０の樹脂をガラスファイバー２１ａのクラッド材として代用しているため、プリプレグ２０の樹脂はその屈折率がガラスファイバー２１ａの屈折率に比べて小さい。

次に、図４の断面図に示すようにプリプレグ２０の上に第２基板３０を配置して全体を積層プレスする。第２基板３０も遮光性（もしくは光反射性）を有する基板で、プリント配線板に用いられる銅箔もしくは樹脂シートのいずれであってもよいが、この例では両面基板とするため銅箔が用いられている。

図５の断面図に、積層プレス後において第１，第２基板（銅箔）１０，３０に通常のプリント配線板と同じように外層回路１０ａ，３０ａを形成した状態を示す。なお、外層回路を形成したのちソルダーレジストが形成され外形加工などが行われるが、これらについては特に図示しない。

第１基板１０に外層回路１０ａを形成する際、光バンプ１１ａ，１１ｂの大径面側を露出させるための開口１３ａ，１３ｂを形成する。このようにして目的とする光電気複合配線板が得られ、実際の使用時には図５に示すように一方の光バンプ１１ａの開口１３ａに面して発光素子としての例えば発光ダイオードＤ１が配置され、他方の光バンプ１１ｂの開口１３ｂに面して受光素子としての例えばフォトダイオードＤ２が配置される。

図６（ａ）に光バンプ１１ａと光バンプ１１ｂとがガラスファイバー２１ａにて光学的に結合された状態を模式的に示す。図６（ｂ）はその要部拡大図である。これから分かるように、発光ダイオードＤ１から光バンプ１１ａに向けて照射された光は光バンプ１１ａの錐面にて反射され、そのうちの水平方向に反射された光がガラスファイバー２１ａに導かれて光バンプ１１ｂ側に至り、その錐面にて反射された光がフォトダイオードＤ２にて受光される。このようにして光伝送が行われる。

なお、積層プレスする際の圧力によっては光バンプ１１が圧縮されることになるが、本発明においてその圧縮比（プレス前の高さ／プレス後の高さ）は１〜３の範囲内であることが好ましい。圧縮比１の場合にはほぼ原形（例えば円錐形状もしくは角錐形状）が維持されることを意味するが、圧縮比が３を超えると光バンプ１１が円筒形状もしくは角筒形状に近くなり、ガラスファイバー２１ａに向かう水平方向の反射光が少なくなるので好ましくない。

また、外層回路１０ａ，３０ａ間を接続する場合には、光バンプ１１ａ，１１ｂ間のガラスファイバー２１ａによる光導波路以外の部分に例えば炭酸ガスもしくはＹＡＧレーザーまたはドリルなどにて孔開けし、そのビア内にめっきを施して外層回路１０ａ，３０ａ間の導通をとればよい。

これとは別に、図３（ｂ）に示すように第１基板１０に光バンプ１１ａ，１１ｂを形成したのち、外層回路１０ａ，３０ａ間の導通をとる予定位置に円錐状もしくは角錐状の導電性バンプ１５を形成し、導電性バンプ１５を光バンプ１１ａ，１１ｂとともにプリプレグを貫通させる。

そして、図５に示すように積層プレスによって第１基板１０側の外層回路１０ａと第２基板３０側の外層回路３０ａとを導電性バンプ１５を介して導通させることもできる。導電性バンプ１５には導電性樹脂もしくは金属材が用いられるが、導電性樹脂の場合には光バンプ１１ａ，１１ｂと同じく印刷により形成することができる。なお、導電性バンプ１５は第２基板３０側に形成されてもよい。

次に、図７ないし図１０により本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態は上記第１実施形態を発展させて多層基板としたものである。すなわち、この第２実施形態においては、上記第１実施形態での図１ないし図３までの工程は同じで、それ以降の工程が異なる。

まず、図７に示すように先の図３（ａ）に示した光バンプ１１ａ，１１ｂを形成し、かつ、プリプレグ２０を配置した第１基板１０を２枚用い、それらの間に例えば両面に内層回路４１ａ，４１ｂが形成された内層基材４０を配置して積層する。なお、２枚の第１基板１０を識別するため、下側の第１基板１０を下側基板１０１とし上側の第１基板１０を上側基板１０２とする。

そして、図８に示すように積層プレスして下側基板１０１，上側基板１０２および内層基材４０をプリプレグ２０，２０を介して一体化する。このときの光バンプ１１ａ，１１ｂの圧縮比は上記第１実施形態と同じく１〜３の範囲内であることが好ましい。

しかるのち、図９に示すように下側基板１０１，上側基板１０２の各々に先の第１実施形態と同じく外層回路１０１ａ，１０２ａを形成するとともに、各光バンプ１１ａ，１１ｂの大径面側を露出させるための開口１３ａ，１３ｂを形成する。

この第２実施形態においても、必要に応じて外層回路１０１ａと内層回路４１ａ間，外層回路１０２ａと内層回路４１ｂ間を上記第１実施形態と同じくレーザービアやドリルビアもしくは導電性バンプにより接続することができる。なお、例えば外層回路１０１ａ，１０２ａ間を接続する場合や外層回路１０１ａ，１０２ａ，内層回路４１ａ，４１ｂのすべての回路間を接続する場合にはレーザービアやドリルビアによる。

この多層基板においては、図１０に例示するように下側基板１０１の開口１３ａ，１３ｂおよび上側基板１０２の開口１３ａ，１３ｂにそれぞれ発光ダイオードＤ１とフォトダイオードＤ２とが配置される。

この受発光素子を配置するにあたって、本発明によれば発光面，受光面を有する各チップ部品を開口１３ａ，１３ｂの部分に配置すればよく、光軸のずれに対しての許容値が大きいため厳密な光軸合わせは要求されない。

本発明の第１実施形態における光バンプ形成工程を示す説明図で、（ａ）はその模式的な断面図，（ｂ）は他の例を示す平面図。 本発明の第１実施形態におけるリフレクタ形成工程を示す説明図で、（ａ）は模式的な断面図，（ｂ）はその平面図。 本発明の第１実施形態におけるプリプレグ配置工程を示す説明図で、（ａ）はその模式的な断面図，（ｂ）は第１基板とプリプレグとを分離して示す斜視図。 本発明の第１実施形態における積層工程を示す模式的な断面図。 本発明の第１実施形態の積層プレス後で外層回路が形成された状態を示す模式的な断面図。 本発明の第１実施形態で２つの光バンプ間が光学的に結合されている状態を示す説明図で、（ａ）は模式的な平面図，（ｂ）はその要部拡大図。 本発明の第２実施形態に係る多層基板の積層工程を示す模式的な断面図。 本発明の第２実施形態に係る多層基板の積層プレス後の状態を示す模式的な断面図。 本発明の第２実施形態に係る多層基板の外層回路の形成状態を示す模式的な断面図。 本発明の第２実施形態に係る多層基板の使用状態の一例を示す模式的な断面図。

符号の説明

１０（１０１，１０２） 第１基板
１０ａ（１０１ａ，１０２ａ） 外層回路
１１（１１ａ，１１ｂ） 光バンプ
１２ａ，１２ｂ リフレクタ
１３ａ，１３ｂ 開口
１５ 導電性バンプ
２０ プリプレグ
２１ 織物基材
２１ａ ガラスファイバー
３０ 第２基板
４０ 内層基材
４１ａ，４１ｂ 内層回路
Ｄ１ 発光素子（発光ダイオード）
Ｄ２ 受光素子（フォトダイオード）

Claims (8)

1. 遮光性を有する第１基板と、
   光透過材よりなり上記第１基板上の複数箇所に形成された錐面を含む光バンプ（光入出力用コネクタ）と、
   目的方向以外への光漏れを防止するため上記光バンプの周面の一部分に形成されたリフレクタと、
   ガラスファイバーが縦横方向に織り込まれたガラスファイバー製の織物基材に上記ガラスファイバーの屈折率よりも小さな屈折率を有する樹脂を含浸してなり上記光バンプが貫通された状態で上記第１基板上に配置されたプリプレグと、
   上記第１基板に上記プリプレグを介して積層プレスされた遮光性を有する第２基板とを備え、
   所定の２箇所に位置する２つの上記光バンプ同士が上記プリプレグに含まれている上記ガラスファイバーにて光学的に結合されており、上記第１，第２基板のいずれか一方には上記光バンプの大径面側を露出させて発光素子および受光素子を配置するための開口が形成されていることを特徴とする光配線板。
2. 上記第１基板および／または上記第２基板が電気配線形成用の銅箔よりなり、その銅箔基板に外層回路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光配線板。
3. 上記第１基板と上記第２基板とがともに電気配線形成用の銅箔よりなるとともに、上記第２基板もその一方の面に上記第１基板と同じく上記光バンプおよび上記プリプレグを備え、上記第１基板と上記第２基板とがそれらの間に内層回路を有する内層基材を挟んで積層プレスされ、上記各基板に外層回路が形成されており、上記外層回路と上記内層回路とが上記基板側に形成されている上記プリプレグを貫通し得る導電性バンプにより導通されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光配線板。
4. 遮光性を有する第１基板上の複数箇所に光透過材により錐状の光バンプ（光入出力用コネクタ）を形成する第１工程と、
   上記光バンプの周面の一部分に目的方向以外への光漏れを防止するリフレクタを形成する第２工程と、
   ガラスファイバーが縦横方向に織り込まれたガラスファイバー製の織物基材に上記ガラスファイバーの屈折率よりも小さな屈折率を有する樹脂を含浸してなるプリプレグを第１基板上に配置して上記プリプレグに上記光バンプを貫通させる第３工程と、
   上記プリプレグ上に遮光性を有する第２基板を配置して積層プレスする第４工程と、
   上記第１基板の一部分を除去して上記ガラスファイバーにより光学的結合関係にある上記光バンプの大径面側に開口を形成する第５工程とを含むことを特徴とする光配線板の製造方法。
5. 上記第１基板および／または上記第２基板が銅箔よりなり、その銅箔基板に外層回路を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の光配線板の製造方法。
6. 上記第１基板と上記第２基板とがともに銅箔よりなり、上記第４工程における上記第２基板が上記第１工程ないし上記第３工程を経て得られた上記光バンプと上記プリプレグとを含む上記第１基板と同一構成であり、上記第４工程において上記第１基板と上記第２基板とをそれらの間に内層回路を有する内層基材を挟んで積層プレスした後、上記第５工程で上記各基板に外層回路を形成し、さらに上記外層回路間および／または上記外層回路と上記内層回路とを所定の導通手段にて接続することを特徴とする請求項４または５に記載の光配線板の製造方法。
7. 上記外層回路と上記内層回路とを接続する導通手段として、上記第１工程で上記基板側に上記プリプレグを貫通し得る錐状の導電性バンプを形成することを特徴とする請求項６に記載の光配線板の製造方法。
8. 上記第４工程での積層プレス時に上記光バンプの圧縮比（プレス前の高さ／プレス後の高さ）を１〜３とすることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の光配線板の製造方法。

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