JP4345138B2 - 光素子電気素子搭載セラミック基板 - Google Patents

光素子電気素子搭載セラミック基板 Download PDF

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  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Production Of Multi-Layered Print Wiring Board (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
光通信等における光電気変換機能を有するモジュール等の、光素子と電気素子の両方が実装された基板に関する。また本発明は、その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
通信の大容量化、高速化を実現するために、光交換機や、光インターコネクション装置等が、活発に研究開発されている。それらの装置は、電気信号処理部分、光信号処理部分、光信号を電気信号へ、又は電気信号を光信号へ変換する部分から構成されている。光電気変換部分は、LD、PD等の光電変換素子(光素子)と、それを駆動、又は増幅する電気素子とから構成されている。
【0003】
光素子と電気素子の両方を一つの基板に実装する技術がいくつか提案されている。例えば、特開平9−236731号公報では、光素子と電気素子は、いずれもセラミック基板上に実装されている。特開平3−245586号公報では、電気素子から光素子である半導体レーザ装置へ熱が回り込むのを抑えるために、フッ素樹脂(商標名テフロン)等の樹脂を断熱材として用い、その上に半導体レーザ装置を実装している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
セラミック基板上に、電気素子と光素子の両方を実装する方法をとる場合、光素子を高速駆動させるために電気素子と光素子を接近させて実装すると、熱絶縁をセラミックで行うことになるが、セラミックの熱伝導性はそれほど低くないため、電気素子と光素子との間の熱干渉を十分に防ぐことができない。
【0005】
また、セラミック基板上に形成した、樹脂を用いた断熱材上に光素子を実装する場合、樹脂は柔らかいため、光軸ずれが起こりやすくなる。
【0006】
光素子を高速動作させたい場合、電気素子と光素子間の電気配線を短くする必要があるが、電気素子と半導体レーザ装置を別の方法で実装する方法では、電気素子と光素子間の電気配線長を短くするのに限界がある。また、電気素子、光素子等の高密度化にも限界がある。
【0007】
従って、本発明の目的は、高速動作が可能な光素子電気素子搭載セラミック基板を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光素子電気素子搭載セラミック基板は、セラミック基板が凹部を有し、その凹部に樹脂で充填されており、少なくとも光発光素子部がセラミック基板上に、電気素子がセラミック基板凹部の樹脂上に実装されていることを特徴とするものである。又、前記樹脂が充填された凹部には該樹脂を電気絶縁層として用いた微細電気配線層が形成されていることを特徴としている。
【0009】
また本発明は、セラミック基板に凹部を形成する工程、該凹部に樹脂を充填する工程、セラミック基板上に光素子を、該凹部に充填した樹脂上に電気素子を実装する工程を有することを特徴とする光素子電気素子搭載セラミック基板の製造方法に関する。
【0010】
【発明の実施の形態】
セラミック基板上に光素子、特に少なくともLDなどの光発光素子を実装し、セラミック基板の凹部に充填した樹脂上に電気素子を実装すれば、樹脂はセラミックよりも熱伝導率が小さいために、セラミック基板のみを用いて光素子と電気素子を実装する場合より電気素子と光素子の間の熱干渉を抑えることができ、特に樹脂を電気絶縁層として微細電気配線を形成する場合は、セラミック電気配線では対応できない微細配線の電気素子を搭載することができる。また、光素子をセラミック基板上に実装することになり、セラミック基板は樹脂よりも硬いため、光軸ずれは起こりにくい。さらに、電気素子、光素子はベアチップ実装等の同様な方法で実装されるため、両素子を近づけて実装することにより、両素子間を接続する電気配線長を短くすることができ、より一層の高密度化も進めることができる。尚、その場合には、光素子を実装するセラミック基板表面と電気素子を実装する凹部に充填される樹脂の表面高さを電気配線の形成に支障がない程度に一致させておくことが望ましい。
【0011】
ここで、セラミック基板としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化シリコン、酸化ベリリウム等のセラミック粉末を適宜バインダー等と混合して所望の形状に塑性形成し、表面に配線パターンを形成したグリーンシートを多数積層した後焼成した多層セラミック配線基板が使用できるが、それ以外にも、ムライト(3Al23・2SiO2)、ガラスセラミック、窒化アルミニウム、炭化シリコン、酸化ベリリウム(BeO)等の単体も使用可能である。
【0012】
セラミック基板への凹部の形成方法は、例えば、形成する凹部の深さに応じて、予め凹部形状に型抜きしたグリーンシートを所定枚数重ね合わせる、あるいは、フォトレジストを塗布し、加工したい部分だけを露出させてサンドブラスと処理することにより形成することができるが、これらの方法に限定されるものではない。
【0013】
セラミック基板の凹部に充填する樹脂材料としては、通常の電気素子に多用される樹脂材料であれば、いずれの材料も使用できるが、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などが好ましいものとして例示できる。
【0014】
樹脂の充填には、バーコート、ナイフコート、スピンコート法などの塗布法により凹部と共にセラミック基板全面に樹脂を供給する方法、あるいはディスペンサー等を用いて凹部のみに樹脂を供給する方法のいずれでも良く、樹脂表面とセラミック表面との表面高さを一致させるには、使用する樹脂に応じた硬化法を適用した後、表面を研磨して平坦化すればよい。あるいは、樹脂をセラミック基板に形成した凹部形状に別途硬化成形した後、セラミック基板の凹部に接着してはめ込んでも良い。尚、本発明において、表面高さを一致させるとは、完全に段差のない平坦状にする必要は必ずしもなく、光素子と電気素子とをつなぐ配線が断線することなく形成できる程度の段差があってもかまわないことを意味する。
【0015】
第1の実施の形態
図1は第1の実施の形態を示す図である。セラミック多層配線基板1が凹部2を有し、その凹部2に樹脂3が充填されていて、セラミック多層配線基板1と凹部2に充填した樹脂3の表面高さは一致しており、光素子5がセラミック多層配線基板1上に、放熱フィン7を備えた電気素子6がセラミック多層配線基板1の凹部2に充填した樹脂3上に実装されている。光素子と電気素子は電気配線4を通じて最短距離で電気接続されている。
【0016】
第2の実施の形態
図2は第2の実施の形態を示す図である。セラミック多層配線基板1が凹部2を有し、その凹部2に電気絶縁樹脂層81と電気導体層82からなる微細電気配線層8が形成されていて、セラミック多層配線基板1と凹部2の微細電気配線層8の表面高さは一致しており、光素子5がセラミック多層配線基板1上に、放熱フィン7を備えた電気素子6がセラミック多層配線基板1の凹部2の微細電気配線層8上に実装されていて、光素子5と電気素子6は電気配線4を通じて最短距離で電気接続されている。
【0017】
【実施例】
実施例1
図3に示す工程で図1の構造を作製する。まず、工程(a)においてセラミック多層配線基板1を作製する。アルミナ粉末、フラックス、有機バインダ、溶剤、可塑剤をボールミル中で良く混合した後、ブレードによりキャリアテープ上へ伸展し、乾燥させグリーンシートを作製する。グリーンシートに金型で穴開けを行い、この中へ金属粉末で作製した導体ペーストを充填し、導体パターンを印刷したものを複数枚積層して、焼成し、セラミック多層配線基板1を作製する。凹部はグリーンシート必要枚を金型を用いて穴を開けることにより形成する。
【0018】
工程(b)において、セラミック多層配線基板1の凹部2に樹脂3を充填する。樹脂3をスピンコート法により塗布した後、樹脂3に固有の温度で加熱を行い、樹脂3を硬化させる。凹部以外に塗布された樹脂を研磨することにより、凹部の樹脂3の表面とセラミック多層配線基板1の表面が一致するようにする。尚、ここでは、樹脂としてポリイミドを用いており、まず、前駆体であるポリアミック酸のN−メチルピロリドン溶液を、スピンコート法にて、凹部2を含む基板1表面に塗布し、硬化温度350℃で熱硬化させてイミド化し、研磨砥石を用いてセラミック基板が完全に露出するまで研磨して凹部に樹脂を埋め込んだ。次に、凹部2に充填した樹脂3を含むセラミック基板全体にレジストを塗布、露光、現像を行い、電気素子6と光素子5間の電気配線、電気素子6の電気配線4を形成するためのパターニングを行った後、銅メッキを施し、樹脂上に実装する電気素子6とセラミック基板1に実装する光素子5間の電気配線4と、セラミック多層配線基板1と電気素子6間の電気配線4を、セラミック多層配線基板1と凹部2の樹脂表面に形成する。
【0019】
工程(b)における電気配線4を形成する様子をセラミック多層配線基板の上面から見たのが図5である。図5の(a)において、凹部2の樹脂3の周りに、光素子5実装用の電極9、電気素子用の電極10がセラミック多層配線基板1上に作製されている。図5の(a)の構造に、上記の図3の工程(b)を施すことにより、セラミック多層配線基板1上の電極から凹部2の樹脂3表面へ電気配線4が形成される(図5(b))。
【0020】
工程(c)において、光素子(光発光素子)5を金/錫半田ボール等を用いてセラミック基板1に実装する。工程(d)において、電気素子6を鉛/錫半田ボール等を用いて、セラミック基板1の凹部2に充填した樹脂3の表面に形成した電気配線に実装し、放熱フィン7を付ける。以上の工程によって、図1に示す構造を作製することができる。
【0021】
実施例2
図4に示す工程で図2の構造を作製する。工程(a)においてセラミック多層配線基板1を作製する。アルミナ粉末、フラックス、有機バインダ、溶剤、可塑剤をボールミル中で良く混合した後、ブレードによりキャリアテープ上へ伸展し、乾燥させグリーンシートを作製する。グリーンシートに金型で穴開けを行い、この中へ金属粉末で作製した導体ペーストを充填し、導体パターンを印刷したものを複数枚積層して、焼成し、セラミック多層配線基板1を作製する。凹部はグリーンシート必要枚を金型を用いて穴を開けることにより形成する。
【0022】
工程(b)において、セラミック多層配線基板1の凹部2に微細電気配線層8を作製する。凹部2を有するセラミック多層配線基板1に電気絶縁用の感光性ポリアミック酸溶液(溶媒:N−メチルピロリドン)をスピンコート法により凹部を含めたセラミック基板全体に塗布する。凹部に塗布された電気絶縁層81として機能する感光性ポリアミック酸溶液は、セラミック表面よりも低い位置に塗布されているので、ステッパー等を用いて波長365nm、露光量500mJ/cm2程度で露光を行う。次に現像を行い、凹部2以外に塗布した樹脂は取り除くと同時に、凹部2内に形成した樹脂層には電気絶縁層としてのパターンを形成する。続いて、窒素雰囲気中、350℃で加熱を行い、感光性ポリアミック酸を硬化させ、ポリイミドとする。凹部2内にポリイミド膜を形成する際、凹部2の側面にもポリイミド膜81が成膜される。それを考慮して、電気配線の絶縁膜として、ポリイミド膜の膜厚が一定となっている凹部側面付近を除いた部分を用いる。又、凹部2内の側面付近ではポリイミドがセラミック表面よりも高く成膜されるので、砥石で切削し、セラミック基板と表面高さを合わせる。次に、メッキレジストをスピンコータ、噴霧式レジスト塗布装置等を用いて塗布し、露光・現像して、電気導体層のパターニングを行った後、銅メッキを施し、電気導体層82を形成する。前記の電気絶縁層形成、電気導体層形成を必要回数繰り返すことにより、目的の微細電気配線層8をセラミック多層配線基板1の凹部2に作製する。凹部に微細電気配線層8を、セラミック基板と表面が一致するまで形成した後、凹部2の微細電気配線層8を含むセラミック基板全体にレジストを塗布、露光、現像を行い、電気素子と光素子間の電気配線を形成するためのパターニングを行った後、銅メッキを施し、微細電気配線8上に実装する電気素子6と、セラミック基板に実装する光素子5間の電気配線を基板表面に形成する。
【0023】
工程(b)における電気配線4を形成する様子をセラミック多層配線基板1の上面から見たのが図6である。図6の(a)において、凹部2の微細電気配線層8の横に、光素子5実装用の電極9がセラミック多層配線基板1上に作製されている。図6の(a)の構造に、上記の図4・工程(b)を施すことにより、セラミック多層配線基板1上の電極9から凹部2の電気導体層82へ電気配線4が形成される(図6(b))。
【0024】
工程(c)において、光素子(光発光素子)5を金/錫半田ボール等を用いてセラミック基板に実装する。工程(d)において、電気素子6を鉛/錫半田ボール等を用いて、セラミック基板の凹部に形成された微細電気配線層上に実装し、放熱フィン7を付ける。以上の工程によって、図2に示す構造を作製することができる。
【0025】
実施例3
図4に示す工程で図2の構造を作製する。工程(a)においてセラミック多層配線基板1を作製する。アルミナ粉末、フラックス、有機バインダ、溶剤、可塑剤をボールミル中で良く混合した後、ブレードによりキャリアテープ上へ伸展し、乾燥させグリーンシートを作製する。グリーンシートに金型で穴開けを行い、この中へ金属粉末で作製した導体ペーストを充填し、導体パターンを印刷したものを複数枚積層して、焼成し、セラミック多層配線基板1を作製する。凹部はグリーンシート必要枚を金型を用いて穴を開けることにより形成する。
【0026】
工程(b)において、セラミック多層配線基板1の凹部2に微細電気配線層8を作製する。凹部2を有するセラミック多層配線基板1に電気絶縁用のポリアミック酸溶液(溶媒:N−メチルピロリドン)をスピンコート法により凹部を含めたセラミック基板全体に塗布する。窒素雰囲気中、350℃で加熱を行い、ポリアミック酸を硬化させ、ポリイミドとする。凹部2内にポリイミド膜を形成する際、凹部2の側面にもポリイミド膜81が成膜される。それを考慮して、電気配線の絶縁膜として、ポリイミド膜81の膜厚が一定となっている凹部側面付近を除いた部分を用いる。次に、レーザを用いてポリイミド膜81にビアを空け、絶縁パターンを形成する。続いてメッキレジストをスピンコータ、噴霧式レジスト塗布装置等を用いて塗布し、露光・現像して、電気導体層のパターニングを行った後、銅メッキを施し、電気導体層82を形成する。前記の電気絶縁層形成、電気導体層形成を必要回数繰り返すことにより、目的の微細電気配線層8をセラミック多層配線基板1の凹部2に作製する。凹部以外に成膜された樹脂などは砥石で研磨して除去する。凹部に微細電気配線層8を、セラミック基板と表面が一致するまで形成した後、凹部の微細電気配線を含むセラミック基板全体にレジストを塗布、露光、現像を行い、電気素子と光素子間の電気配線を形成するためのパターニングを行った後、銅メッキを施し、微細電気配線8上に実装する電気素子6と、セラミック基板に実装する光素子5間の電気配線を基板表面に形成する。
【0027】
その後実施例2と同様に図6の(a)の構造に、上記の図4・工程(b)を施すことにより、図6(b)に示すようなセラミック多層配線基板1上の電極9から凹部2の電気導体層82へ電気配線4が形成される。
【0028】
工程(c)において、光素子(光発光素子)5を金/錫半田ボール等を用いてセラミック基板に実装する。工程(d)において、電気素子6を鉛/錫半田ボール等を用いて、セラミック基板の凹部に形成された微細電気配線層上に実装し、放熱フィン7を付ける。以上の工程によって、図2に示す構造を作製することができる。
【0029】
実施例4
実施例1の工程(b)のみを変更した例である。変更の方法は、凹部に充填する樹脂3を、凹部2を有するセラミック多層配線基板1に直接形成するのではなく、他基板において樹脂をスピンコート、加熱して作製する。次に、充填する樹脂3をセラミック多層配線基板1の凹部2の大きさに切断して、他基板から剥離する。または、感光性の樹脂を用いて、露光・現像を行うことで凹部2の大きさに樹脂を加工して、他基板から剥離してもよい。前記の方法で得た樹脂3をセラミック多層配線基板1の凹部2に、接着させる。接着剤としては、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系などの接着剤が使用できる。
【0030】
実施例5
実施例2、3の工程(b)のみを変更した例である。変更の方法は、微細電気配線層8を、凹部2を有するセラミック多層配線基板1に直接形成するのではなく、他基板において実施例2、3の微細電気配線層8を作る方法と同様にして作製する。次に、微細電気配線層8をセラミック多層配線基板1の凹部2の大きさに切断した後、他基板から剥離して、セラミック多層配線基板1の凹部2において、図7に示すように、半田11を用いてセラミック多層配線基板と微細電気配線層8を電気接合させる。
【0031】
実施例6
図1又は2に示すような構造において、光素子5から発生する熱を効果的に放熱させるために、セラミック多層配線基板1のセラミック材料を熱伝導性の良い、窒化アルミニウムや炭化シリコン、酸化ベリリウムにする。
【0032】
実施例7
図1又は2に示すような構造において、光素子5をダイボンディングする場合、温度変化による光素子5とセラミック多層配線基板1間の熱膨張差によって光素子に生じるひずみが小さくなるように、セラミック多層配線基板1のセラミック材料を、光素子5の材料の熱膨張係数に近い材料にする。ここでは、セラミック材料として窒化アルミニウム(熱膨張係数:4.6×10-6(1/K))、光素子としてGaAsレーザダイオード(熱膨張係数:4.7×10-6(1/K))を使用した。
【0033】
セラミック多層配線基板の凹部は必要個設けてよく、セラミック材料、セラミック多層配線基板の作製方法、凹部における高密度多層配線層の作製方法、凹部における樹脂の充填方法、電気素子や光素子の実装方法などはいかなる方法を用いてもよい。なお、本発明は上述の実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良等を加えることは何ら差し支えない。
【0034】
【発明の効果】
セラミック基板上に光素子、特に熱による影響の大きいLDなどの光発光素子を実装し、セラミック基板の凹部に形成した樹脂上に電気素子を実装すれば、電気素子と光素子の間の熱干渉を抑えることができ、光軸ずれが起こりにくくなり、又、セラミック基板と凹部樹脂との表面高さを一致させることで、電気素子と光素子間の電気配線長を短くすることができ、また高密度化も一層進めることができる。特に凹部に形成した樹脂を電気絶縁層として微細電気配線層を該凹部に形成し、その上に電気素子を実装することで、電気素子の微細配線化にも対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態、実施例1、4、6、7を示す図で、セラミック多層配線基板の凹部に樹脂を電気絶縁層として用いた微細配線が形成されており、その上に電気素子、セラミック基板上に光素子が実装されている。
【図2】第2の実施の形態、実施例2、3、5、6、7を示す図で、セラミック多層配線基板の凹部に樹脂を充填しており、その上に電気素子、セラミック基板上に光素子が実装されている。
【図3】第1の実施の形態、実施例1、6、7の製造工程を示す図である。
【図4】第2の実施の形態、実施例2、3、6、7の製造工程を示す図である。
【図5】実施例1の工程(b)を詳細に説明するための、セラミック多層配線基板の上面図である。
【図6】実施例2、3の工程(b)を詳細に説明するためのセラミック多層配線基板の上面図である。
【図7】実施例5の構造を示す図である。
【符号の説明】
1 セラミック多層配線基板
2 凹部
3 樹脂
4 電気配線
5 光素子
6 電気素子
7 放熱フィン
8 微細電気配線層
81 電気絶縁樹脂層(ポリイミド膜)
82 電気導体層
9 セラミック多層配線基板の光素子実装用電極
10 セラミック多層配線基板の電気素子用電極
11 半田

Claims (8)

  1. セラミック基板が1つの表面に所定の深さの凹部を有し、その凹部が樹脂で充填されており、少なくとも光発光素子部が該セラミック基板の該表面上に、電気素子がセラミック基板凹部の樹脂上に実装されており、前記セラミック基板が多層配線基板である光素子電気素子搭載セラミック基板。
  2. 前記凹部に充填される樹脂表面とセラミック基板表面とが一致していることを特徴とする請求項に記載の光素子電気素子搭載セラミック基板。
  3. 前記凹部に充填される樹脂を電気絶縁層として、該凹部に微細電気配線層が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光素子電気素子搭載セラミック基板。
  4. セラミック基板を多層配線構造に形成する工程、前記セラミック基板に凹部を形成する工程、該凹部に樹脂を充填する工程、セラミック基板上に光素子を、該凹部に充填した樹脂上に電気素子を実装する工程を有することを特徴とする光素子電気素子搭載セラミック基板の製造方法。
  5. 前記凹部に充填した樹脂を平坦化してセラミック基板表面と高さを一致させる工程を有することを特徴とする請求項に記載の光素子電気素子搭載セラミック基板の製造方法。
  6. 前記凹部に充填される樹脂を電気絶縁層として、該凹部に微細電気配線層を形成する工程を有することを特徴とする請求項4又は5に記載の光素子電気素子搭載セラミック基板の製造方法。
  7. 前記凹部に充填される樹脂を、該凹部内で硬化させることを特徴とする請求項乃至のいずれか1項に記載の光素子電気素子搭載セラミック基板の製造方法。
  8. 前記凹部に充填される樹脂を、該凹部形状に硬化成形した後、該凹部にはめ込むことを特徴とする請求項乃至のいずれか1項に記載の光素子電気素子搭載セラミック基板の製造方法。
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