JP5334806B2 - 光電気配線基板および光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、貫通電極を有する光電気配線基板およびそれを具備する光モジュールに関する。

近年、コンピュータの情報処理能力の向上化にともなって、マイクロプロセッサとして使用される半導体大規模集積回路素子（ＬＳＩ，ＶＬＳＩ）等の集積回路（ＩＣ）では、トランジスタの集積度が高められており、ＩＣの動作速度は、クロック周波数でＧＨｚのレベルまで達している。それに伴い、電気素子間を電気的に接続する電気配線についても高密度化および微細化されたものが要求されている。

高密度な電気配線を設ける手法として、例えば、特許文献１に示すように、貫通電極を設けた光導波路が開示されている。

特開２０００−３４０９０６号公報

しかし、長期間光導波路を使用すると、外部の熱環境などの要因によって、熱膨張率の大きい樹脂製の光導波路が膨張する傾向がある。光導波路においてコアとクラッドとは、屈折率が異なるように、組成等が異なるものを用いているため、熱膨張率の違いによりコアとクラッドとの積層界面が剥離する場合があった。

本発明の目的は、光導波路中におけるコアおよびクラッドの剥離を低減させた光電気配線基板および光モジュールを提供することにある。

本発明の一実施形態にかかる光電気配線基板は、基板と、前記基板上に設けられ、上面に第１の凹凸部を有する下部導体層と、前記下部導体層上の前記第１の凹凸部上に設けられ、下部クラッドとコアと上部クラッドとから構成される光導波路と、前記光導波路に設
けられ、前記第１の凹凸部とともに前記光導波路を挟むように下面に第２の凹凸部を有する上部導体層と、前記基板と前記光導波路との積層方向に前記下部導体層から前記上部導体層まで連続して設けられた貫通電極と、を具備し、前記第１の凹凸部の表面粗さと前記第２の凹凸部の表面粗さは異なる。

本実施形態によれば、貫通電極と連続して設けられた、特定の下部導体層および上部導体層によって光導波路を挟みこむことにより、光導波路におけるコアとクラッドとの剥離を抑制することができる。

本発明の実施形態の光電気配線基板の断面図である。 本発明の実施形態の光電気配線基板の断面図である（図３のＡ−Ａ’断面）。 図２の光電気配線基板の上面図である。 本発明の実施形態の光電気配線基板の断面図である（図３のＢ−Ｂ’断面）。 本発明の実施形態の光モジュールの断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施態様の光電気配線基板を詳細に説明するが、それらの図面は実施形態の一例に過ぎず、本発明はそれらに限定されるものではない。

図１における光電気配線基板は、コア４ａと上部クラッド４ｂと下部クラッド４ｃとから構成される光導波路４、貫通電極２、基板１、下部導体層３ａおよび上部導体層３ｂを具備する。

図１において貫通電極２の両端は、それぞれ下部導体層３ａと上部導体層３ｂと接続し、それらは電気的に接続している。そして、下部導体層３ａの上面には第１の凹凸部３ａ１が設けられ、上部導体層３ｂの下面には第２の凹凸部３ｂ１が設けられている。この構成により、下部導体層３ａと上部導体層３ｂとが光導波路４を挟みこみ、さらに、下部導体層３ａおよび上部導体層３ｂを貫通電極２が保持することで、熱による光導波路の縦方向への膨張を抑制することができる。さらに、第１の凹凸部３ａ１および第２の凹凸部３ｂ１における凸部が光導波路４にアンカー効果を示すことにより、横方向への熱膨張を抑制することができる。よって、光導波路４の熱膨張を抑制することで、光導波路４においてコアとクラッドとの剥離を抑制することができる。

第１の凹凸部３ａ１の表面粗さ（十点平均粗さ）Ｒｚは、１〜１０μｍが好ましい。また、第２の凹凸部３ｂ１の表面粗さ（十点平均粗さ）Ｒｚは、１〜１５μｍが好ましい。

第１の凹凸部３ａ１の表面粗さＲｚおよび第２の凹凸部３ｂ１の表面粗さＲｚは異なることが好ましい。具体的には、第１の凹凸部３ａ１の表面粗さＲｚは、第２の凹凸部３ｂ１の表面粗さＲｚの１．１〜１．５倍であることが好ましい。

このように、表面粗さＲｚが異なることで、第２の凹凸部３ｂ１と下の第１の凹凸部３ａ１とによって、光導波路４の上部および下部をまんべんなく保持することができ、光導波路４の熱膨張を抑制することができる。

図２において示すように、光導波路４および上部導体層３ｂの一部を覆うように、樹脂絶縁層としてソルダレジスト層５が設けられる。なお、図２は、図３の上面図のＡ−Ａ’断面を示す。図３の上面図に示すようにソルダレジスト層５は、上部導体層３ｂの一部が外部と電気接続できるよう露出されている。図２のように、ソルダレジスト層５は、その下部に上部導体層３ｂが潜りこんだ第１の領域５１と、下部が直接光導波路４と接触した第２の領域５２と、を有する。第１の領域５１において、ソルダレジスト層５と上部導体層３ｂとの接続を確保し、第２の領域５２においてソルダレジスト層５と光導波路４との接続を確保することで、上部導体層３ｂによる光導波路４の熱膨張抑制効果を補強することができる。なお、樹脂絶縁層としては、ソルダレジスト層の他に、ポリエポキシ樹脂などの有機樹脂からなるものでもよい。

さらに、第２の領域５２の下面には、第３の凹凸部５ａが設けられることが好ましい。これにより、第３の凹凸部５ａの凸部が第２の凹凸部３ｂ１の凸部とともに、光導波路４にアンカー効果を示すことにより、より十分に光導波路の熱の膨張を抑制することができる。とくに、この効果が十分に得られるため、第３の凹凸部５ａの表面粗さＲｚは、第２の凹凸部３ｂ１の表面粗さと等しいことが好ましい（表面粗さ（十点平均粗さ）Ｒｚは、１〜１０μｍ）。ここで、等しいとは、それぞれの値の差が５％以内のものも含む。

図４は、図３の上面図のＢ−Ｂ’断面を示す。図４において、コア４ａの周囲を覆うように、下部クラッド４ｃ上に、２つの貫通電極２と２つ上部クラッド４ｂとが設けられている。これにより、光導波路４の熱膨張を十分に抑制することができる。とくに、この効果が得られるため、上部クラッド４ｂを介してコア４ａの上方に上部導体層３ｂが位置することが好ましい。

上述の効果を得るためには、貫通電極２とコア４ａとの間の長さ（図４において両矢印で示す）は１０〜９０μｍであることが好ましい。

以下、各構成について示す。

（基板１）
基板１は、厚みが０．２〜２ｍｍであり、ガラスエポキシ基板、ＢＴレジン基板、ポリイミド基板などが使用される。基板１は、単層でも積層でもよく、貫通導体などで基板１の両面および内部で電気配線が形成されていてもよい。

基板１としては、ベース基体とビルドアップ層とから構成されるビルドアップ基板が挙げられる。ビルドアップ層は、樹脂絶縁層と導電層とから構成される。樹脂絶縁層は、熱硬化性エポキシ樹脂などから構成され、厚みは１０〜５０μｍである。厚みが薄いためレーザで微細な穴あけも可能であり、積層して複雑な電気配線パターンを引き回したり、狭い範囲に集約したりすることができる。ビルドアップ層中の導電層は、基体に形成された貫通電極などと電気的に接続されている。

（下部導体層３ａと上部導体層３ｂ）
下部導体層３ａと上部導体層３ｂは、例えば、一般的に電気配線として用いられている銅などから構成される。とくに、下部導体層３ａは、コア４ａを伝送する特定の波長の光を吸収させるために、その表面を黒化処理していることが好ましい。この黒化処理とは、亜塩素酸ナトリウム等によって表面を酸化処理することをいう（処理温度60〜90℃）。黒化処理によって、下部導体層３ａの表面は、黒化し、特定の波長の光を吸収することが可能となる。また、この黒化処理によって、前述の第１の凹凸部３ａ１を同時に形成することができる。

（貫通電極２）
貫通電極２は、下部導体層３ａと上部導体層３ｂと接続する。貫通電極２によって、電気的効果だけでなく、光導波路４の垂直方向の放熱効果が高まる。図１および２において、貫通電極２の中心部が中空となった形状を示しているが、貫通電極２はこれに限定されず、例えば、中央が導電ペーストなどにより埋められた構成でもかまわない。貫通電極２の形成は、めっき法、金属膜の蒸着法、導電性樹脂の注入法などの方法が用いられる。なかでも、形成が容易であることから、めっき法が好ましい。

（光導波路４）
光導波路４を形成するコア４ａと上部クラッド４ｂと下部クラッド４ｃの材料としては、感光性を有するエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂など直接露光法が使用可能な樹脂、または、ポリシランなどの屈折率変化法が使用可能な樹脂などが挙げられる。なお、直接露光法とは、下部クラッド４ｃの形成後、コア４ａの材料を塗工してマスク露光によりコア４ａを形成し、その上面および側面にさらに上部クラッド４ｂを塗工形成して光導波路４を作製する方法である。また、屈折率変化法とは、ＵＶ（紫外線）照射により屈折率が低下するポリシラン系ポリマー材料等の特性を利用して、コア４ａとなる部位以外にＵＶ照射を行ない、コア部４ａとなる部位以外の屈折率を低下させることによって光導波路を作製する方法である。

また、コア４ａならびに上部クラッド４ｂおよび下部クラッド４ｃの作製は一般的な光導波路の作製方法により行われる。コア４ａの断面サイズとしては、例えば、３５〜１００μｍ角である。

コア４ａは、上部クラッド４ｂおよび下部クラッド４ｃよりも屈折率が大きく（好ましくはクラッドの屈折率に対して比屈折率差が１〜３％）、光信号を閉じ込めることができる。

以下に本発明の一実施形態の光電気配線基板の作製方法の一例を示す。

まず、黒化処理が施され、第１の凹凸部３ａ１が設けられた下部導体層３ａ上に、上述した方法により下部クラッド４ｃ、コア４ａ、上部クラッド４ｂを積層する。

次に、エキシマレーザまたはドリルなどを用いた加工により、光導波路１に貫通孔を形成する。このとき、貫通孔の形状は、略円筒形、略台円柱、略逆台形円柱のいずれの形状でも良い。貫通孔に、金属蒸着、スパッタリング、めっき等の手法を用いて形成される。
なお、貫通孔を加工する際に生じるスミアはクロム酸法、濃硫酸法、アルカリ過マンガン酸法、プラズマ法等によりデスミア処理を行い除去する。そしてビアホールの内壁に、めっき法や金属の蒸着、導電性材料の注入によって貫通電極２を形成する。

上部クラッド４ｂの上面を、例えば、クロム酸法、濃硫酸法、アルカリ過マンガン酸法、プラズマ法、銅箔のアンカー処理等の方法により粗化する。なお、この処理は、前述したデスミア処理をおこなうことにより、同時に上部クラッド４ｂの上面の粗化が可能である。粗化後の上部クラッド４ｂには、金属箔のラミネート、蒸着、スパッタリング、めっき法等の手法で第２の凹凸部３ｂ１を有する上部導体層３ｂが形成される。第２の凹凸部３ｂ１の凹凸形状は、上部クラッド４ｂの上面の粗化に起因するものである。上部導体層３ｂの形成法としてめっき法を用いる場合は、粗化後の上部クラッド４ｂ上面をパラジウム-錫の錯化合物溶液によりPdを吸着した上で、PdCuSo₄、HCHO、NaOH、ロッシェル塩、ポリエチレングリコール等の混合溶液を用いて銅層を形成する（厚み0.3〜3.0um）。次にラミネート法等によりレジスト層を上部クラッド４ｂの上面に形成し、さらにレジストをパターニングする事により、開口部を形成する。次に、硫酸銅、硫酸、塩素イオン、金属銅溶液中でめっき層に電解をかけることにより、上部クラッド４ｂの上面に厚み0.1〜10.0um程度の厚みの銅めっきを形成する。さらに、レジストを除去し、さらに不要部分の無電解銅をプラズマ等によるエッチングで除去する事によって、パターンニングされた上部導体層３ｂを形成する。

ソルダレジスト層５は、上部クラッド４ｂの上面には、ラミネート法やスピンコート、ドクターブレードに代表される塗布法を用いることで作製する。このとき、上部クラッド４ｂ上に直接塗布されたソルダレジスト層５の下面には、上部クラッド４ｂの上面の粗化状態にもとづく凹凸形状を示す第３の凹凸部５ａも作製する。ソルダレジスト層５の他に、絶縁層としてビルドアップ層、プリプレグ等を用いても良い。

図５に、図２の光電気混載基板の貫通電極２上に、金属バンプまたは半田によって発光素子６を実装させた光モジュールを示す。なお、図５には発光素子６を例示しているが、かわりに例えばＰＤなどの受光素子も用いることができる。

図５に示すように、発光素子６から出た光信号（図中の矢印）は、コア４ａに進入するように光路変換面８にて光の進行方向を変換される。光路変換面８は、光軸方向に対して４５度に傾斜する傾斜面によって光の光路方向を９０度変更させる。

光路変換面８には、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ）等の様に、コア４ａを導波する光に対して反射率の高い膜がその表面に形成されていることが好ましい。

光路変換面８の作製において、まず、光導波路４に対して、型押し、エッチング、ダイシングまたはレーザ加工などによって傾斜面を有する溝構造が作製される。そして、傾斜面の上に、前述したような反射率の高い膜を形成することで光路変換面１２を作製することができる。なお、溝構造には、下部クラッド４ｃおよび上部クラッド４ｂよりも屈折率の高い高屈折率体を充填させることが、光の伝搬損失を抑制する観点から好ましい。

発光素子６の電極６ａと貫通電極２との間には、はんだボールなどの電気接続部７を設ける。電気接続部７としては、高速信号伝送用途として適した導電性部材であれば使用することが可能である。たとえば、金、銀、銅などの金属部材、さらにその形態としてはボールに限らず、柱状、バンプ状などであってもよい。

図５に示すように、光路変換面８は、下部導体層３ａと貫通電極２と上部導体層３ｂ（または樹脂絶縁層５）とともに光導波路４を囲むことで、囲まれた領域内の光導波路４の熱膨張を十分に抑制するという効果も奏することができる。

本発明の説明において用いた図３において、３つのコア４ａが、２つの貫通電極２に挟まれた構造を示しているが、本発明はこれに限られず、４以上のコア４ａであっても、また、１つのコア４ａであってもよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に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内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

１：基板
２：貫通電極
２ａ：突出部
３ａ：下部導体層
３ａ１：第１の凹凸部
３ｂ：上部導体層
３ｂ１：第２の凹凸部
４：光導波路
４ａ：コア
４ｂ：上部クラッド
４ｃ：下部クラッド
５：ソルダレジスト層
５ａ：第３の凹凸部
６：発光素子
６ａ：発光素子の電極部
７：電気接続部
８：光路変換面

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられ、上面に第１の凹凸部を有する下部導体層と、
   前記下部導体層上の前記第１の凹凸部上に設けられ、下部クラッドとコアと上部クラッドとから構成される光導波路と、
   前記光導波路上に設けられ、前記第１の凹凸部とともに前記光導波路を挟むように下面に第２の凹凸部を有する上部導体層と、
   前記下部クラッドおよび前記上部クラッドを貫通するように前記下部導体層から前記上部導体層まで連続して設けられた貫通電極と、を具備し、
   前記第１の凹凸部の表面粗さと前記第２の凹凸部の表面粗さは異なる光電気配線基板。
2. 前記光導波路および前記上部導体層の一部を覆うように設けられ、前記光導波路と接触する下面に第３の凹凸部を有する樹脂絶縁層をさらに具備する請求項１記載の光電気配線基板。
3. 前記上部クラッドを介して前記コアの上方に前記上部導体層が位置する請求項１または２記載の光電気配線基板。
4. 前記光導波路中であって前記下部導体層上に設けられ、コア中の光の進行方向を変換する光路変換面をさらに具備する請求項１乃至３のいずれか記載の光電気配線基板。
5. 請求項４記載の光電気配線基板と、
   前記光路変換面により前記コアと光学的に結合する光電変換素子と、
   を具備する光モジュール。

Images