JP4856205B2

JP4856205B2 - 光電気配線板および光電気配線装置の製造方法

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Publication number: JP4856205B2
Application number: JP2009076704A
Authority: JP
Inventors: 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP2010232319A; US20100247030A1

Description

本発明は、光電気配線板及びそれを用いた光電気配線装置の製造方法に関する。

バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイス性能向上により、大規模集積回路（ＬＳＩ）の内部動作は年々高速化されている。しかし、ＬＳＩを実装するプリント基板レベルの動作速度はＬＳＩの内部動作速度より低く抑えられ、そのプリント基板を装着したラックレベルでは更に動作速度が低く抑えられている。これらは、動作周波数の上昇に伴う電気配線の伝送損失や雑音、電磁障害の増大に起因するものである。それゆえ、信号品質を劣化させないため長い配線ほど動作速度を下げる必要がでてくる。

即ち、換言すれば電気配線においては、能動素子であるＬＳＩの動作速度が向上しても、その実装において装置速度の低下を余儀なくされるという問題がある。そこで、ＬＳＩの動作速度よりも実装技術がシステムの動作速度を支配する傾向が、近年益々強まってきている。

このような電気配線装置の問題を鑑み、ＬＳＩ間を光で接続する光配線装置がいくつか提案されている。光配線の特徴は、直流から１００ＧＨｚ以上の広い周波数領域で損失などの周波数依存性が殆ど無く、また、配線路の電磁障害や接地電位変動雑音が無いため数１０Ｇｂｐｓの配線が容易に実現できること、等である。このため、光配線装置ではプリント基板やラックレベルでも非常に高速の動作が期待でき、活発な研究開発が進められている。このため、光配線装置では、光配線と電気配線を複合化した光電気配線板に光半導体素子等を位置合せする構成の例が知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−１５８４４０号公報

本発明は、光半導体素子の実装精度を向上させる光電気配線板及びそれを用いた光電気配線装置を提供しようとするものである。

この発明の一態様に係る光電気配線板は、光導波路による光配線と導電材料による電気配線とを有する光電気配線板に光半導体素子または外部光導波路を配置して前記光導波路との光信号授受を行う光入出力部と、前記光入出力部の形成時に前記光入出力部と同一工程で形成されたダミー光入力部と、前記ダミー光入力部に接続され、前記ダミー光入力部と反対の端部に、前記ダミー光入力部に入射された光を前記光電気配線板内で吸収、または散逸させる光終端部を有するダミー光導波路と、を具備する。

また、この発明の一態様に係る光電気配線装置の製造方法は、光電気配線板の光入出力部に光半導体素子または外部光導波路を配置する工程において、ダミー光入力部に入射された光を前記光電気配線板内で吸収、または散逸させつつ、前記ダミー光入力部周辺の画像を二値化処理し、該画像における黒色部分を認識することで、前記ダミー光入力部の位置を検出し、前記検出結果を位置指標として前記光入出力部に光半導体素子または外部光導波路を配置する。

本発明によれば、光半導体素子の実装精度を向上させる光電気配線板及びそれを用いた光電気配線装置の製造方法を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る光電気配線板の概略構成を示す斜視図。本発明の第１の実施形態に係る光電気配線板の概略構成を示す断面図。本発明の第１の実施形態に係る光電気配線板の概略構成を示す断面図。本発明の第２の実施形態に係る光電気配線装置の組立工程の概略を示す斜視図。本発明の第２の実施形態に係る光電気配線装置の組立工程の概略を示す断面図。本発明の第２の実施形態に係る光電気配線装置の組立工程の概略を示す上面図。本発明の第２の実施形態に係る光電気配線装置の組立工程の概略を示す斜視図。本発明の第３の実施形態に係るダミー光導波路形状の概略を示す上面図及びその断面図。

以下、この発明の実施形態につき図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

以下第１乃至第３の実施形態及び変形例では光電気配線板の例として光電気ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）を例にとって説明していくが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般のプリント基板（ＰＷＢ：Printed Wiring Board）のようなリジッドボードでも同様に実施可能であり、その材料も種々材料が適用できる。例えば、一般的ＰＷＢ材料である（ガラス）エポキシや一般的ＦＰＣ材料であるポリイミド、また、低誘電率基板に用いられるテフロン（登録商標）、また、光導波路で用いられるアクリルやシリコーンなど、種々の材料系が適用可能であり、更に、セラミック材料などであっても構わない。更に、これらの複合材料であっても構わないものである。光および電気の配線パターンや本数は用途に応じて決めればよく、光導波路の端部構造（光入出力部構造）も任意であり、これらにより本発明の趣旨を逸脱するものではない。

[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電気配線装置１００を示す斜視図である。但し、図１では図示の簡単化のため、電気配線パターンは省略している。図１において、１は光電気配線板基体、２は光導波路（以下、光配線チャネル２と呼ぶことがある）、３はダミー光導波路、４は受光素子アレイ（以下、光半導体素子４と呼ぶことがある）、５は発光素子アレイ（以下、光半導体素子５と呼ぶことがある）である。発光素子アレイ５と受光素子アレイ４とは、光導波路２を介して光信号の授受を行う。

図２は、図１における光電気配装置１００のＡ−Ａ方向に沿った断面図である。図２において、１の光電気配線板基体は、ＦＰＣ基体フィルム（例えば２５μｍ厚ポリイミドフィルム）で形成される。２の光導波路（または光導波路コア、例えば４０μｍ厚で４０μｍ幅の透明エポキシ樹脂）は、光閉じ込めクラッド２ａ、２ｂ（例えば１５μｍ厚で２より屈折率の低い透明エポキシ樹脂）に囲まれてなる。そして、１の光電気配線板基体と２の光導波路２、クラッド２ａ、及びクラッド２ｂにより１１０の光電気配線板が形成される。

そして６は４５°ミラー、７は電気配線（１２μｍ厚Ｃｕ）、８はバンプ金属（例えば半田バンプやＡｕスタッドバンプなど）である。また光配線チャネル２は、光入出力部９において光導波路コア２を４５°に加工し、その加工面に反射金属６（例えばＡｕ）を設けて形成した、垂直立ち上げミラー６（４５°ミラー）を備える。

光信号は図２に矢印で示したように５の発光素子から出力された後４５°ミラーで水平方向に反射され、導波路２を伝播して反対の４５°ミラーで垂直方向に反射され、受光素子アレイ４に入力する。

図１で示したように、ここでは複数の光配線チャネル２は、第１方向に直交する第２の方向に沿って並列に配置されている。すなわち光配線チャネル２は、光入出力部９下部の４５°ミラーを第２方向に沿って所定ピッチで配置する。これにより、第２方向と直交する第１方向に光信号が入出力できるようになっている。これに対応して光半導体素子４、及び５も光能動部（発光部、または受光部）が第２方向に沿って所定ピッチで一列に並んだアレイ素子となっており、光入出力部９の光導波路光軸に合わせて光能動部位置が揃うように搭載する。

また、４５°ミラー６の形成は、４５°断面を有するブレードによるダイシング加工や、エキシマレーザやＣＯ_２レーザを斜め方向から照射してレーザアブレーションする方法などで行えば良い。そして４５°加工面には、４５°加工の後でその４５°面にＡｕを蒸着することで４５°ミラー６が完成する。

このとき、光配線チャネル２の４５°ミラー６を配置した直線上で光半導体素子４及び５の両側の光配線チャネル２から第２方向に沿って所定量離れた位置にも４５°ミラー１２を形成し、ダミー光入力部１１を形成しておく。なお、ダミーミラー１２は反射金属ミラー６と同一の構成をとる。すなわち、ダミーミラー１２も、４５°面に例えばＡｕが蒸着された垂直立ち上げミラーである。こうすることにより、光配線チャネル２の光入出力部９の位置を光半導体素子４及び５の搭載後でも確認することができるようになる。即ち、光配線チャネル２の仮想延長線と、両側のダミー光入力部１１を結ぶ線との交点が光配線チャネル２の光入出力部９（図１中、Ｏ点）であり、その座標を光半導体素子４及び５の外形と比較して該光半導体素子４及び５のアレイ素子の搭載傾きや凡その搭載位置ずれなどを確認できるようになる。これにより、光電気配線板１１０上に部品搭載して光電気配線装置１００を組み立てた際の良否確認や、動作不良解析などが簡単に行えるようになる。

次に、図３を用いて本実施形態に係る光電気配線装置１００について説明する。図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図示するように上記ダミー光入力部１１を単なるダミーミラー１２で構成するのではなく、光配線チャネル２と同一工程で形成されたダミー光導波路３を設けておき、その先端を途中で分断してクラッド２ａ（または２ｂ）により埋め込んでおく。これにより、画像（パターン）認識のための照射光を効果的に吸収し、画像認識時のダミー光入力部１１の黒パターン化が確実に行えるようになる。なお後述するが、ここでパターン認識とは、ダミー入出力部１１周辺における撮影画像を二値化処理し、該ダミー光入力部１１における画像の黒色及びその周囲の白色を認識することである。これにより、黒色とされた画像の位置（座標等）を認識する。またなお、黒色となるのはダミーミラー１２である。このときダミー光入力部１１に入射した光は４５°ミラー１２で水平方向に反射され、ダミー光導波路３の端部で該ダミー光導波路３からクラッド中２ａ（または２ｂ）に放出されるため、殆どダミー光入力部１１に戻らない。即ち、ダミー光入力部１１が光吸収による黒パターンと同等となり、明暗コントラストの高い黒パターンが実現される。

本実施形態は、光導波路２端部に設けられる光入出力端子９で画像認識照射光を吸収し、それにより光入出力部９の形状を検出して位置基準とすることにあり、特に、光導波路２およびその端部に設けられる光入出力端子９を光素子等の搭載位置から離れた部分に独立して余分に作成し、その余分に作成した光入出力端子１１の形状検出を行って光導波路２の光軸を認識するものである。

このように本実施形態に係る光電気配線板及びそれを用いた光電気配線装置の製造方法によると、機械加工の加わった光導波路光入出力部１１と電気配線パターンとの位置ずれがある場合でも、光半導体素子４、５や外部光導波路（光ファイバや別の光電気配線板）と光導波路との光軸合せを正確に行え、電気配線パターンと光導波路光入出力部４、５との位置ずれにより光配線性能が低下することを抑制可能な光電気配線板およびその製造方法を提供することにある。

これに対し従来では、フォトリゾグラフィーによるパターン加工で形成する電気配線パターンに対して位置合わせすることが多く、その精度が電気配線パターンのフォトリゾグラフィーと光導波路パターンのフォトリゾグラフィーとのパターン合わせ精度のほかに４５°ミラー加工のミラー形成位置精度が関与し、一般にフォトリゾグラフィーの位置合わせ誤差よりミラー形成の機械加工誤差が大きくなり易いため光導波路パターンがいくら正確に形成されても光軸ずれを起こし易いという困難さがあった。このため、特許文献１で示すように光導波路の出射光パターンを合わせマーカーとして光素子などを実装する方法が考案されているが、光導波路の反対側から光入射する必要があること、光導波路の光伝播可能波長とパターン認識に必要な光波長とが一致せず、最適な位置合せができないことがあるといった問題があった。

しかし本実施形態に係る光電気配線板及びそれを用いた光電気配線装置の製造方法によると、上述した光半導体素子４、５下部の光入出力部９の位置確認が確実に行えるようになる他、画像認識の照明に特許文献１のように光導波路を伝播し易い長い波長の光（一般的に赤色〜赤外）ではなく、画像認識精度を高め易い短い波長の光（青色など）を用いることができ、画像認識精度自体を高めることができる。即ち、ダミー光入力部１１に入射した光が内部で反射して戻ってくることが少ないため、ダミー光入力部１１の外形境界が明瞭に確認でき、ダミー光入力部１１の外観に対する正確な位置確認ができるようになる。

このため、本実施形態に係る光電気配線板及びそれを用いた光電気配線装置の製造方法によれば、フォトリゾグラフィーによる電気配線パターンと機械加工による光導波路光入出力部との位置ずれを許容しながら、光導波路２と光半導体素子４、５または外部光導波路の光軸合せを正確に行うことが可能になり、これまでの加工手段を用いながら光配線部の光伝送品質と光電気配線装置の製造歩留まりの大幅な向上が可能になる。従って、本発明の実施形態に係る光電気配線板及びそれを用いた光電気配線装置の製造方法より、光配線の導入促進による情報通信機器などの性能向上と、それによる産業発展への寄与が可能になるという効果を奏する。

以上から、本実施形態に係る光電気配線板１１０及び光電気配線装置１００の製造方法は、光導波路２による光配線と導電材料による電気配線７を有する光電気配線板１１０において、該光電気配線板１１０に光半導体素子４、５または外部光導波路を配置して前記光導波路２との光信号授受を行う光入出力部９と、該光入出力部９と同様に形成されたダミー光入力部１１と、該ダミー光入力部１１に接続され、前記ダミー光入力部１１と反対の端部に前記ダミー光入力部１１に入射された光を吸収または散逸させる光終端部を有するダミー光導波路３を有してなる光電気配線板１１０であり、前記ダミー光入力部１１は、前記光入出力部９と同一線上に配置されてなること、前記ダミー光入力部１１周囲のパターン認識に必要な領域内には前記電気配線７を設けないこと、前記ダミー光入力部１１は、前記光入出力部９毎に２箇所以上設けられてなることが望ましいものである。また、本実施形態に係る光電気配線板１１０及び光電気配線装置１００の製造方法は、光導波路２による光配線と導電材料による電気配線７を有する光電気配線板１１０において、該光電気配線板１１０に光半導体素子４、５または外部光導波路を配置して前記光導波路２との光信号授受を行う光入出力部９と、該光入出力部９と同様に形成されたダミー光入力部１１と、該ダミー光入力部１１に接続され、前記ダミー光入力部１１と反対の端部に、該ダミー光入力部１１に入射された光を、該ダミー光入力部１１へと反射することから防止する光終端部を有するダミー光導波路３を有してなる光電気配線板１１０である。

[第２の実施形態]
次に本実施形態では、上記第１の実施形態で説明した光電気配線板１１０の光入出力部９に光半導体素子４、５または外部光導波路を配置してなる光電気配線装置１００の製造過程について説明する。具体的には、前記ダミー光入力部１１周辺の撮影画像を二値化処理して前記ダミー光入力部１１の位置を検出し、該検出結果を位置指標として前記光入出力部９に光半導体素子４、５または外部光導波路を配置する光電気配線装置１００の製造方法について説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る光電気配線装置１００の製造途中工程の概略を示す斜視図である。図４の番号は図１と同じであるが、ここでは光半導体素子４が搭載される直前の状態を示している。図５に図４の途中工程を断面で示す。図５において、１０は画像認識カメラであり、光電気配線板１１０に図示せぬ照明をあて画像認識による位置確認を行って光半導体素子４を搭載する様子を示している。このとき、光半導体素子４を搭載する側と反対の光入出力部９から入った光が、図の矢印のように伝播して画像認識カメラに入力される場合がある。すなわち、光配線路２の光入出力部９を黒パターン認識する場合にこれはコントラストを低下させる迷光となってしまう。

一方、このような場合でもダミー光入力部１１は迷光の影響を受けずにコントラストの高い黒パターンとなる。これは、前述したようにダミー導波管３の端部が切断され、該ダミー導波路３の光入力部１２から入射した光が該端部で散逸されるためである。すなわち、光入力部１１におけるダミーミラー１２に当たる光は反射するため、該ダミーミラー１２は黒色となり、該ダミーミラー１２では、高いコントラストで該ダミーミラー１２のミラー部の黒色と、その周囲の白色とに別れる。従って、図１で示したダミー光入力部１１を黒パターンとして認識し、その位置（座標）情報から光半導体素子４または５や外部光導波路などを所定の搭載位置に搭載することで電気配線７と光配線２との位置ずれや４５°ミラーの加工誤差に左右されない正確な光軸割出しが可能になる。これは、ダミー光入力部１１と、光入出力部９との位置関係が互いに分かっているためである。

そして本実施形態に係る光電気配線板１１０では、マーカーとしてのダミー光入力部１１が高コントラストの黒パターンとなることから、ダミー光入力部１１周辺を２値化画像で認識することが位置精度を高めるために有効である。２値化画像とは、画像の明部と暗部を所定の輝度を境に白と黒に強制的に振分けた画像であり、パターン境界の認識を高めるために有効な画像認識方法である。２値化画像認識は、輝度コントラストの高い画像でより効果を発揮するため、高いコントラストを持つ図１のダミー光入力部１１の認識に適用すると非常に効果が高い。

更に、光配線路２の光入出力部９周辺には、図６に示すような光半導体素子４または５の配線電極７が存在することが一般的であり、光配線路２の光入出力部９を黒パターン認識する場合、配線電極７の反射輝度が高いことによる配線電極７以外の部分を黒とみなす誤認識が起こり易い。また、配線電極７のパターン境界が２値化画像のノイズになり易く、これを防止するため２値化しきい値を低め（暗部寄り）に設定する必要があり、光入出力部９の境界がにじんでパターン誤差を含みやすくなる。そこで、ダミー光入力部１１の周囲に配線電極７を設けると同様のパターン認識誤差が生じるため、ダミー光入力部１１周囲の一定領域には配線電極７を設けないことが望ましい。これにより、２値化しきい値を適正な値とすることができ、より正確なパターン認識が可能となる。

図７は、図４に示す工程で光半導体素子（受光素子アレイ４）が位置合わせ搭載された後、もう一方の光半導体素子（発光素子アレイ５）を搭載する様子を示した概略の斜視図である。このときは、図５に示したような迷光問題は生じ難いが、前述したようにパターンの検出誤差低減のため、周囲の一定領域に配線電極７を設けていないダミー光入力部１１を２値化画像認識して位置合せすることが望ましい。すなわち、受光素子アレイ４だけでなく、発光素子アレイ５を光入力部９上に搭載する場合においても、該発光素子アレイ５搭載予定の両側に位置するダミー導波路３が備える光入力部１１のダミーミラー１２の黒パターンを認識しながら、該発光素子アレイ５の位置合わせを行う。

[第３の実施形態]
次に本発明の第３の本実施形態に係る光電気配線装置１００が備えるダミー導波路３の端部の形状について図８を用いて説明する。図８（ａ）〜（ｄ）は、ダミー光導波路３の端部形状（光終端部）の例を示す上面図であり、全てダミー光入力部から入射した光が反射して戻らないようにする例である。また図８（ｅ）に、図８（ａ）〜（ｄ）に示すダミー導波路３のＣ−Ｃ断面図を示す。

図８（ａ）は、ダミー光導波路３の端部を４５°に切断し、端部の垂直反射を防止するものである。図８（ｂ）は、ダミー光導波路３の端部をテーパー状に切断し、端部で徐々に光導波されなくしていくことによって光を散逸させるものである。図８（ｃ）は、ダミー光導波路３の端部を逆テーパー状に切断し、端部で徐々に光導波モードを増やして光を散逸させるものである。図８（ｄ）は、ダミー光導波路３の端部を曲げ、光が放射される方向を導波方向からずらさせるものである。これらの例は組合せ実施可能なものは組み合わせて実施しても構わない。

（変形例）
なお、本願発明は上記第１乃至第３実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した本願発明の実施形態はいくつかの具体例を示しているが、これはあくまで構成例であり、本願発明の趣旨に従い個々の要素に他の手段（材料、寸法など）を用いても構わないものである。また、実施形態に示された材料、形状、配置などはあくまで一例であり、また、各実施形態を組み合わせて実施することも可能である。例えば、光導波路は基体フィルムの反対側に形成しているが、これは光導波路上に電気配線を形成して、光入出力部の極近傍に光素子が配置されるようにしても良い。また、ここでは１つの発光部と１つの受光部を１対１で接続する形式で示してきたが、これは１対複数（複数対１）、複数対複数などとしても構わないものである。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができるものである。

更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。

１…光電気配線板基体、２…光配線チャネル（光導波路）、３…ダミー光導波路、４…光半導体素子、５…光半導体素子、６…４５°ミラー、７…電気配線層、８…バンプ、９…光入出力部、１０…画像認識カメラ、１１…光入力部

Claims

光導波路による光配線と導電材料による電気配線とを有する光電気配線板に光半導体素子または外部光導波路を配置して前記光導波路との光信号授受を行う光入出力部と、
前記光入出力部の形成時に前記光入出力部と同一工程で形成されたダミー光入力部と、
前記ダミー光入力部に接続され、前記ダミー光入力部と反対の端部に、前記ダミー光入力部に入射された光を前記光電気配線板内で吸収、または散逸させる光終端部を有するダミー光導波路と、
を具備することを特徴とする光電気配線板。
前記ダミー光入力部は、前記光入出力部と同一線上に配置されてなる
ことを特徴とする請求項１記載の光電気配線板。
前記ダミー光入力部は、前記光入出力部毎に２箇所以上設けられてなる
ことを特徴とする請求項１または２記載の光電気配線板。
光電気配線板の光入出力部に光半導体素子または外部光導波路を配置する工程において、ダミー光入力部に入射された光を前記光電気配線板内で吸収、または散逸させつつ、前記ダミー光入力部周辺の画像を二値化処理し、該画像における黒色部分を認識することで、前記ダミー光入力部の位置を検出し、前記検出結果を位置指標として前記光入出力部に光半導体素子または外部光導波路を配置する
ことを特徴とする光電気配線装置の製造方法。
前記ダミー光入力部周囲のパターン認識に必要な領域内には前記電気配線を配置しないことを特徴とする請求項４記載の光電気配線装置の製造方法。