JP4762937B2 - 光部品の実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、光素子を搭載した半導体装置を、光導波路を備えたプリント配線板に実装するための光部品の実装方法に関するものである。

近年、半導体からなる集積素子の分野では、高速・高密度化への進展が著しく、従来の電気的な配線による相互接続では、信号の遅延、減衰、干渉等により、十分な特性が期待できなくなることが問題となっている。この問題は、ＩＯボトルネックといわれ、これを解決するために光インターコネクション技術が注目されている。光インターコネクション技術は、通信機器相互間や通信機器内のボード間にとどまらず、１つのボード内の集積回路素子間にも適用することが検討されている。

従来のボード内光インターコネクションを実現するための光回路基板としては、特許文献１に開示されている光導波路が形成された多層プリント基板が知られている。ここでは、基板表面に実装された面発光型素子（ＶＣＳＥＬ）から基板に垂直な方向に出射された信号光を、光配線に形成された光路変換ミラーで反射させることで光導波路を導波させ、導波した信号光を別の光路変換ミラーで反射させて面受光型光素子（プレーナー型フォトダイオード）によって受光するものである。

このような光回路基板においては、発光素子及び受光素子における光結合損失が信号の減衰に大きな影響を与える。そこで、このような信号の減衰を抑えるために、光素子と光導波路との位置合わせを数μｍという高い精度で行う光結合手段が必要となる。

光回路基板における上記のような高精度の位置合せを行うための従来の光部品の実装方法としては、例えば特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献２では、半田が有するセルフアライメント作用により、部品が所定の実装位置に配置されるようにしている。

ここで、セルフアライメント作用とは、ソルダーレジスト層が半田をはじくことから、リフロー処理時に、半田が有する流動性によってソルダーレジストの開口中央部付近により安定な形状で存在しようとする作用である。これにより、リフロー前に位置ズレが発生していたとしても、リフロー時に上記のセルフアライメント作用によって位置の修正が行われる。
特開２００６−１２０９５６号 特開２００２−２９６４３５号

しかしながら、上記従来の実装方法では、以下のような問題があった。特許文献２に開示されているようなセルフアライメントを用いて実装位置決めを行う方法では、電気回路上にソルダーレジスト層を形成する際、その電気回路とソルダーレジスト層の位置合せ精度が低いことから、リフロー時の半田の流動特性を調べてセルフアライメントによる位置変化を把握し、これを設計に反映させる必要があるが、このようなセルフアライメントによる位置変化を数μｍ程度の高い精度で制御するのは極めて難しいという問題があった。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、光素子を搭載した半導体装置を、光結合損失を増加させることなくプリント配線板に固定することが可能な光部品の実装方法を提供することを目的としている。

この発明の光部品の実装方法の第１の態様は、光素子を搭載した半導体装置を、光導波路を備えたプリント配線板に固定する光部品の実装方法であって、前記半導体装置と前記プリント配線板の少なくともいずれか一方の電気的に結合させる部位に半田を供給する第１のステップと、前記半田のリフロー温度に対する耐熱性を有する光透過性樹脂を、未硬化の状態で前記光素子と前記光導波路とを光学的に結合させる部位に充填して樹脂だまりを形成する第２のステップと、前記半田が前記電気的に結合させる部位の間に位置し、前記樹脂だまりが前記光学的に結合させる部位の間に位置するよう、前記半導体装置を位置決めして前記プリント配線板上に載置する第３のステップと、前記樹脂だまりを硬化させることで前記光素子と前記光導波路とを光学的に結合して固定する第４のステップと、前記半田をリフローして前記半導体装置と前記プリント配線板とを電気的に結合する第５のステップと、を備え、少なくとも前記第４のステップを前記第５のステップより先に行うことを特徴とする。

この発明の光部品の実装方法の他の態様は、前記第２のステップでは、前記プリント配線板上の前記光学的に結合させる部位に前記光透過性樹脂を充填して前記樹脂だまりを形成することを特徴とする。

この発明の光部品の実装方法の他の態様は、前記第２のステップでは、前記光透過性樹脂を前記光素子を覆うように前記半導体装置上に充填して前記樹脂だまりを形成することを特徴とする。

この発明の光部品の実装方法の他の態様は、前記第２のステップでは、前記プリント配線板上の前記光学的に結合させる部位に前記光透過性樹脂を充填して前記樹脂だまりを形成するとともに、前記光透過性樹脂を前記光素子を覆うように前記半導体装置上に充填して別の樹脂だまりを形成することを特徴とする。

この発明の光部品の実装方法の他の態様は、前記第１から第５までのすべてのステップを終了した後に、前記半導体装置と前記プリント配線板との隙間にアンダーフィル樹脂を充填する第６のステップをさらに実行することを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、光透過性樹脂を用いて光学的な結合位置を固定した後に電気的な結合を行わせるようにしていることから、光素子を搭載した半導体装置を、光結合効率を低下させることなくプリント配線板に固定することが可能な光部品の実装方法を提供することが可能となる。

また、本発明の光部品の実装方法によれば、半田のリフロー温度に対する耐熱性を有する光透過性樹脂を用いて光学的な結合を行わせるようにしていることから、半田のリフローにより電気的な結合を行わせる場合にも、セルフアライメントによる位置ずれを防止して光結合効率の低下を防止することが可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における光部品の実装方法の構成について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

光素子を搭載した半導体装置を、光導波路を備えたプリント配線板に実装する場合、半導体装置とプリント配線板とを電気的に結合する工程と光学的に結合する工程の２つの工程が必要となる。本発明の光部品の実装方法は、電気的な結合を行う工程において光学的な結合状態に位置ずれが生じるのを防止することで、光学的な結合効率を好適に維持できるようにするものである。

以下では、図２に示すような半導体装置とプリント配線板を例に、本発明の光部品の実装方法を説明する。図２（ａ）に示す半導体装置１０は、光素子搭載用基板１１の一方の面に光素子１２を搭載しており、他方の面には光素子１２の駆動用ＩＣ１３等が搭載され、これをモジュール封止用樹脂１４で封止している。また、光素子搭載用基板１１の光素子１２を搭載した面には、プリント配線板２０と電気的に結合するための電気結合部（接続端子）１５が設けられている。

図２（ｂ）に示すプリント配線板２０は、電気回路基板２１と、これに平行な方向に光を導波させる光導波路２２とを備えており、光導波路２２の所定の位置に反射面２３が設けられている。電気回路基板２１は、絶縁層２１ａを挟んでその両面に導体パターン層２１ｂを備える構造を有しており、光導波路２２は、光を導波させるコア層２２ａとこれを囲むクラッド層２２ｂを備える構造を有している。電気回路基板２１には、半導体装置１０と電気的に結合するための電気結合部２５が設けられている。

光導波路２２の途中に設けられた反射面２３は、光導波路２２の光軸を垂直方向に変更させるものであり、垂直方向に光素子１２を配置することで、光素子１２から出射された光を光導波路２２のコア層２２ａに導波させる、あるいはコア層２２ａを導波して来た光を光素子１２に出射させることができる。

プリント配線板２０には、電気回路基板２１が除去されて光導波路２２が露出した空孔２６が形成されており、光導波路２２の光軸が反射面２３で垂直方向に変更されたその延長上に空孔２６が位置するように形成されている。すなわち、空孔２６の底部が光導波路２２の光入出力部２７となっている。

図２に示した半導体装置１０をプリント配線板２０に実装する本発明の第１の実施形態に係る光部品の実装方法を、図１を用いて以下に説明する。本実施形態の光部品の実装方法では、第１のステップとして、半導体装置１０の電気結合部１５とプリント配線板２０の電気結合部２５の少なくともいずれか一方に半田３０を供給する。図１（ａ）では、半導体装置１０の電気結合部１５に半田３０を供給している。

次の第２のステップでは、所定の光透過性樹脂を用いて、これが未硬化の状態でプリント配線板２０の空孔２６に充填して樹脂だまり４０を形成する。プリント配線板２０の空孔２６に樹脂だまり４０を形成した状態を図１（ｂ）に示す。なお、第２のステップを上記の第１のステップより先に行うようにしてもよい。

上記の樹脂だまり４０の形成には、電気結合部１５に供給された半田３０のリフロー温度では軟化しない耐熱性を有する光透過性樹脂を用いており、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレン樹脂、フッ素樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。

次の第３のステップでは、半導体装置１０をプリント配線板２０の上に載置する（図１（ｃ））。このとき、プリント配線板２０の空孔２６に形成された樹脂だまり４０が半導体装置１０に搭載された光素子１２を覆い、かつ光素子１２の光軸が反射面２３を介して光導波路２２の光軸と一致するよう位置決めされている。また、半導体装置１０の電気結合部１５に供給された半田３０が、プリント配線板２０上の電気結合部２５と接触するように位置決めされている。

次の第４のステップでは、半導体装置１０とプリント配線板２０とで挟まれた状態の樹脂だまり４０を硬化させ、これにより光素子１２と光導波路２２とを光学的に結合して固定する。樹脂だまり４０を形成する光透過性樹脂として熱硬化樹脂を用いた場合には、樹脂だまり４０を所定の温度まで加熱することで硬化させる。また、樹脂だまり４０を形成する光透過性樹脂として光硬化樹脂を用いた場合には、樹脂だまり４０に光を照射することで硬化させる。

さらに、第５のステップでは、半田３０をリフローすることで半導体装置１０の電気結合部１５とプリント配線板２０の電気結合部２５とを電気的に結合する（図１（ｄ））。本実施形態の光部品の実装方法では、上記の第４のステップを第５のステップより先に行わせることが重要である。第４のステップを先に行うことにより、光素子１２と光導波路２２との光学的な結合を予め固定しておき、その後に第５のステップの電気的な結合を行うようにすることで、光素子１２と光導波路２２との光学的な結合が位置ずれするのを防止している。

光素子１２と光導波路２２との光学的な結合に用いる樹脂だまり４０には、半田３０のリフロー温度では軟化しない耐熱性を有する光透過性樹脂を用いていることから、第５のステップでの半田３０のリフロー時にも樹脂だまり４０が軟化する恐れはなく、光素子１２と光導波路２２との光学的な結合が半田３０のセルフアライメントにより位置ずれするのを防止することができる。

本発明の第２の実施形態に係る光部品の実装方法を、図３を用いて以下に説明する。
上記の第１の実施形態においては、第１のステップで半導体装置１０の電気結合部１５とプリント配線板２０の電気結合部２５の少なくともいずれか一方に半田３０を供給した後（図３（ａ））、第２のステップで樹脂だまり４０をプリント配線板２０の空孔２６に形成していたが、本実施形態の光部品の実装方法では、樹脂だまり４０を半導体装置１０上に形成するようにしている。

すなわち、本実施形態の第２のステップでは、所定の光透過性樹脂を用いて、これが未硬化の状態で光素子１２を覆うように半導体装置１０の上に充填して樹脂だまり４０を形成する。半導体装置１０の上に樹脂だまり４０を形成した状態を図３（ｂ）に示す。なお、本実施形態でも第２のステップを第１のステップより先に行うようにしてもよい。

次の第３のステップで半導体装置１０をプリント配線板２０の上に載置し（図３（ｃ））、第４のステップで樹脂だまり４０を硬化させて光素子１２と光導波路２２との光学的な結合を固定し、さらに第５のステップで半田３０をリフローして電気的な結合を固定する（図３（ｄ））。

本実施形態の光部品の実装方法でも、第４のステップを第５のステップより先に行わせることが重要である。これにより、光素子１２と光導波路２２との光学的な結合を固定した後に電気的な結合を行うことから、光素子１２と光導波路２２との光学的な結合が位置ずれするのを防止することができる。また、樹脂だまり４０には、半田３０のリフロー温度では軟化しない耐熱性を有する光透過性樹脂を用いていることから、半田３０のリフロー時のセルフアライメントによる位置ずれも防止することができる。

本発明の第３の実施形態に係る光部品の実装方法を、図４を用いて以下に説明する。
本実施形態でも、第２のステップにおける樹脂だまり４０の形成方法が、上記の第１の実施形態及び第２の実施形態と異なっている。本実施形態では、第１のステップで半導体装置１０の電気結合部１５とプリント配線板２０の電気結合部２５の少なくともいずれか一方に半田３０を供給した後（図４（ａ））、第２のステップにおいて、樹脂だまり４０を半導体装置１０とプリント配線板２０の両方に形成するようにしている。

本実施形態の第２のステップでは、所定の光透過性樹脂を用いて、これが未硬化の状態で光素子１２を覆うように半導体装置１０の上に充填して樹脂だまり４０ａを形成するとともに、プリント配線板２０の空孔２６に充填して樹脂だまり４０ｂを形成する。半導体装置１０の光素子１２の上に樹脂だまり４０ａを形成し、かつプリント配線板２０の空孔２６にも樹脂だまり４０ｂを形成した状態を図４（ｂ）に示す。

上記のように、半導体装置１０とプリント配線板２０の両方に樹脂だまり４０ａ、４０ｂを形成した本実施形態では、次の第３のステップで半導体装置１０をプリント配線板２０の上に載置したとき、樹脂だまり４０ａと４０ｂとが接触して一体化する（図４（ｃ））。その結果、光素子１２と空孔２６とを光透過性樹脂で確実に光結合させることが可能となる。以下、同様に第４のステップで樹脂だまり４０を硬化させて光素子１２と光導波路２２との光学的な結合を固定し、第５のステップで半田３０をリフローして電気的な結合を固定する（図４（ｄ））。

本実施形態の光部品の実装方法でも、第４のステップを第５のステップより先に行わせることが重要である。これにより、光素子１２と光導波路２２との光学的な結合を固定した後に電気的な結合を行うことから、光素子１２と光導波路２２との光学的な結合が位置ずれするのを防止することができる。また、樹脂だまり４０には、半田３０のリフロー温度では軟化しない耐熱性を有する光透過性樹脂を用いていることから、半田３０のリフロー時のセルフアライメントによる位置ずれも防止することができる。

本発明の第４の実施形態に係る光部品の実装方法を、図５を用いて以下に説明する。
本実施形態の光部品の実装方法は、上記の第１から第３の実施形態のいずれの実装方法にも適用できるものであり、第１のステップから第５のステップまでのすべての処理を終えた後に、さらに別の処理を追加したものである。

図５（ａ）は、上記の第１の実施形態から第３の実施形態のいずれの実装方法を用いて、半導体装置１０をプリント配線板２０の上に載置した後、樹脂だまり４０及び半田３０で固定した状態を示している。本実施形態の光部品の実装方法では、図５（ａ）の状態からさらに以下の第６のステップの処理を行う。

第６のステップとして、半導体装置１０とプリント配線板２０との隙間にアンダーフィル樹脂５０を充填する（図５（ｂ））。半導体装置１０とプリント配線板２０との隙間が小さいことから、アンダーフィル樹脂５０を毛管現象によって隙間に充填させることができる。

特に、アンダーフィル樹脂５０として熱硬化型のエポキシ樹脂を用いるのがよく、これを毛管現象によって半導体装置１０とプリント配線板２０との隙間に充填させることができる。熱硬化型のエポキシ樹脂は、低線膨張であるとともに熱変形が小さく、寸法が安定した材料である。

上記のように、熱硬化型のエポキシ樹脂を用いることで、例えば半導体装置１０からの繰り返し発生する熱等で半導体装置１０とプリント配線板２０との線膨張のミスマッチが生じ、樹脂だまり４０にひずみが生じ光学的な結合効率が低下してしまう、あるいは半田３０にひずみによるき裂が生じ最終的には破断してしまう、といった劣化を防止して信頼性を向上させることができる。

上記の本実施形態の光部品の実装方法では、第１のステップで半田３０を半導体装置１０またはプリント配線板２０に供給している。以下では、半田３０の供給方法について、図６を用いてさらに詳細に説明する。

半田３０の供給方法の一例として、第１のステップで半田３０を半導体装置１０の電気結合部１５に供給する場合について説明する。図６において、半導体装置１０に複数設けられている電気結合部１５に、ボール形状の半田３０をそれぞれ供給する。このとき、半田３０や電気結合部２５には酸化被膜が形成されていることから、プリント配線板２０の電気結合部２５との接合を容易にするために、プリント配線板２０の電気結合部２５にもクリーム半田３１を塗布しておくのが好ましい。

上記のように、半導体装置１０の電気結合部１５にボール形状の半田３０を供給するとともに、ボール形状の半田３０を予め供給しないプリント配線板２０の電気結合部２５には、クリーム半田３１を予め塗布しておくことで、ステップ５におけるリフロー時にクリーム半田３１に含まれているフラックス成分が活性化され、これにより半田３０や電気結合部に形成されていた酸化被膜が除去されて半田３０とクリーム半田３１が溶融しプリント配線板２０の電気結合部２５と確実に接合されるようになる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る光部品の実装方法の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における光部品の実装方法の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の第１の実施形態に係る光部品の実装方法を説明する図である。 光素子を搭載した半導体装置及び光導波路を備えたプリント配線板の構造図である。 本発明の第２の実施形態に係る光部品の実装方法を説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る光部品の実装方法を説明する図である。 本発明の第４の実施形態に係る光部品の実装方法を説明する図である。 半田の供給方法を説明する図である。

符号の説明

１０ 半導体装置
１１ 光素子搭載用基板
１２ 光素子
１３ 駆動用ＩＣ
１４ モジュール封止用樹脂
１５、２５ 電気結合部
２０ プリント配線板
２１ 電気回路基板
２２ 光導波路
２３ 反射面
２６ 空孔
２７ 光入出力部
３０ 半田
３１ クリーム半田
４０ 樹脂だまり
５０ アンダーフィル樹脂

Claims (5)

1. 光素子を搭載した半導体装置を、光導波路を備えたプリント配線板に固定する光部品の実装方法であって、
   前記半導体装置と前記プリント配線板の少なくともいずれか一方の電気的に結合させる部位に半田を供給する第１のステップと、
   前記半田のリフロー温度に対する耐熱性を有する光透過性樹脂を、未硬化の状態で前記光素子と前記光導波路とを光学的に結合させる部位に充填して樹脂だまりを形成する第２のステップと、
   前記半田が前記電気的に結合させる部位の間に位置し、前記樹脂だまりが前記光学的に結合させる部位の間に位置するよう、前記半導体装置を位置決めして前記プリント配線板上に載置する第３のステップと、
   前記樹脂だまりを硬化させることで前記光素子と前記光導波路とを光学的に結合して固定する第４のステップと、
   前記半田をリフローして前記半導体装置と前記プリント配線板とを電気的に結合する第５のステップと、を備え、
   少なくとも前記第４のステップを前記第５のステップより先に行う
   ことを特徴とする光部品の実装方法。
2. 前記第２のステップでは、前記プリント配線板上の前記光学的に結合させる部位に前記光透過性樹脂を充填して前記樹脂だまりを形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光部品の実装方法。
3. 前記第２のステップでは、前記光透過性樹脂を前記光素子を覆うように前記半導体装置上に充填して前記樹脂だまりを形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光部品の実装方法。
4. 前記第２のステップでは、前記プリント配線板上の前記光学的に結合させる部位に前記光透過性樹脂を充填して前記樹脂だまりを形成するとともに、前記光透過性樹脂を前記光素子を覆うように前記半導体装置上に充填して別の樹脂だまりを形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光部品の実装方法。
5. 前記第１から第５までのすべてのステップを終了した後に、前記半導体装置と前記プリント配線板との隙間にアンダーフィル樹脂を充填する第６のステップをさらに実行する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光部品の実装方法。

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