JP5349192B2

JP5349192B2 - 光配線構造およびそれを具備する光モジュール

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Publication number: JP5349192B2
Application number: JP2009177739A
Authority: JP
Inventors: 孝宏松原; 麿明前谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: JP2011033696A

Description

本発明は、光配線構造およびそれを具備する光モジュールに関する。

近年の情報処理、通信、画像処理用電子機器においては高性能化と高機能化が飛躍的に進んでおり、信号処理を行う半導体集積回路、とりわけ大規模集積回路（ＬＳＩ）の性能向上は著しい。半導体集積回路の実装及び機器内の配線接続においては、従来からの金属配線方式は信号の減衰、クロストーク、消費電力の増大が問題となるため、光信号を使った接続技術、すなわち光インターコネクションの適用が有望視されている。

このうち、プリント配線板に実装される半導体集積回路の間を光信号で相互接続する技術をオンボード光インターコネクションと呼んでおり、半導体集積回路を搭載するパッケージ基板に光配線として光導波路を形成する構成、および光導波路の一部を加工して反射ミラーを形成する構成などが開発されている。

たとえば特許文献１においては、半導体集積回路を搭載するパッケージ基板に形成した光配線と、光コネクタを両端に取り付けたフィルム状のフレキシブルな光導波路の光学的結合によって実現する構成が示されている。この構成により、半導体パッケージ基板に搭載した半導体集積回路同士をプリント配線板の上で光配線接続し、オンボード光インターコネクションが実現する。

特開２００７−２１２７８６号公報

しかし、特許文献１に開示された技術では、半導体パッケージ基板同士の接続に幾つかの問題が伴う。まず、配線基板と表記されるプリント配線板上でマウント基板と表記される半導体パッケージ間の空間を光導波路が占有してしまうために、他の電子部品または機構部品の実装、あるいは半導体集積回路に取り付けられるヒートシンクの取り付けに支障をきたす。次に、電子機器の冷却ファンによって生じる空気流をフレキシブル光導波路が妨げるために、機器内の冷却効率を低下させてしまう。更に、空気流によってフレキシブル光導波路が振動することで光信号伝送が不安定になり半導体集積回路の誤動作を引き起こす。これらのフレキシブル光導波路によって生じる問題を最大限に対策するために、その取り回しに多くの注意が必要となる。

本発明はこの様な問題点を解決するための手段として、プリント配線板に実装される複数の半導体パッケージ基板に同士を光配線で接続する際の構造を提供するものである。

本発明の一実施形態にかかる電気配線基板は、第一の光導波路を有する第一の基板と、前記第一の基板上に設けられた第二の基板であって、前記第二の基板の上面上に前記第一の光導波路よりも高い位置に配置された第二の光導波路を有する第二の基板と、前記第一の光導波路および前記第二の光導波路に光学的に結合した第三の光導波路と、前記第一の基板に固定された、前記第一の光導波路と前記第三の光導波路とを接続する第一の接続部と、平面視して前記第二の基板と一部が重なるように配置されているとともに、前記第二の基板に固定された、前記第二の光導波路と前記第三の光導波路とを接続する第二の接続部と、を具備し、前記第三の光導波路は、端部が、平面視して、前記第二の接続部と重なるように配置されているとともに、前記第一の光導波路と前記第二の光導波路と光学的に結合するために光路を変換させる第一および第二の屈曲部を有する。

前記第三の光導波路は、フレキシブル光導波路であることが好ましい。

前記第一の接続部は、第一の基板に設けられた第一の嵌合部と嵌合して固定するための第二の嵌合部を有することが好ましい。

前記第二の接続部は、第二の基板に設けられた第三の嵌合部と嵌合して固定するための第四の嵌合部を有することが好ましい。また、前記第一の接続部は、側面視において、前記第四の嵌合部が前記第三の光導波路の端部から離れて配置されている。

本発明の一実施形態にかかる光モジュールは、前記光配線構造と、前記第二の光導波路と光学的に結合する光電変換素子と、を具備することが好ましい。

本実施形態によれば、半導体パッケージである第二の基板に第二の光導波路を設け、プリント配線板である第一の基板に第一の光導波路を設け、第一の基板および第二の基板に固定させる第一の接続部および第二の接続部によって固定された第三の光導波路を設けることにより、第一の基板上で第二の基板の横の空間を占める第三の光導波路の割合が低減される。そのため、第一の基板上の機器内の空気流れを妨げない。また、光導波路の接続が安定し、光信号の安定な伝搬を可能にするため、電子機器の動作を高速化できる。

本発明の実施形態の光モジュールの断面図である。図１に示す光モジュールの上面透視図である。（Ａ）は、第一の接続部６ｂおよび第二の接続部６ａを有する端部第三の光導波路５を示す側面図であり、（Ｂ）は、矢印の方向から見たときの図３（Ａ）の光導波路５の下面図である。図１の光モジュールにおける第三の光導波路の設置に関する断面図である。

以下、本発明の一形態にかかる複合光伝送基板について、図面を参照しつつ説明する。

図１における本発明の第１の実施態様にかかる光モジュールは、例えば、電子機器内に搭載されるプリント配線板（図１における第一の基板３）上で、発光素子または受光素子などの光電変換素子９を上面に有する半導体デバイスを光信号で接続する場合に用いられる。その場合、光電変換素子９は周辺回路と接続されて使用される。なお、図１〜図４においては説明を簡略化するため、周辺回路を図示していない。

第一の基板３上の第一の光導波路４と、第二の基板１上の第二の光導波路２とは、第三の光導波路５によって光学的に結合している。具体的には、光電変換素子９が例えば面型発光素子の場合、光電変換素子９から出た光は、光路変換ミラー８ａによって第二の光導波路２のコア部２ａに導入される。そして、伝達された光はコア部２ａから第三の光導波路５のコア部５ａに導入されて伝搬し、コア部５ａの端側に設けられた光路変換ミラー８ｂにて進行方向が下方向に向き、第一の光導波路４のコア部４ａに導入される。さらに、光路変換ミラー８ｃにて再度光の進行方法が右方向になって伝搬される。

なお、図１においては、第三の光導波路５と第二の光導波路４との光学的結合は、光路変換ミラー８ｂおよび８ｃを対面させることでおこなったが、本発明においてはこれに限定されない。

光路変換ミラー８ａ、８ｂおよび８ｃはそれぞれ、例えば略４５度の断面を持つダイシングブレードで、第二の光導波路２、第三の光導波路６および第一の光導波路４を第一の基板３または第二の基板１の主面に直交するようにカットされたのち、略４５度の斜面に、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、またはニッケルなどの金属材料を、薄く膜付け又は塗布されることにより設けられる。

第三の光導波路５は、第一の光導波路４と結合するために第一の接続部６ｂにより接続されている。また、第三の光導波路５は、第二の光導波路２と結合するために第二の接続部６ａにより接続されている。

本発明における光配線構造は、上述のような第一の接続部６ｂおよび第二の接続部６ａにより第三の光導波路５の両端がそれぞれ第一の基板３および第二の基板１に固定されることにより、第三の光導波路５の設置場所が確定し、プリント配線板（第一の基板３）上で第三の光導波路５を引き回すスペースが低減され、例えば、コネクタ、ヒートシンクなどの他の部材をより多く搭載することが可能となる。

第三の光導波路５としては、第三の光導波路５の省スペース化が可能なことから、フレキシブル光導波路であることが好ましい。このフレキシブル光導波路とは、フィルム状の材料から構成されるものをいう。具体的には、まず、基材上に下部クラッドフィルムをラミネートまたは塗布をして硬化させ、次にコアフィルムをラミネートまたは塗布をしてマスク露光および現像を行い、コアパターンを形成させ、上部クラッドフィルムをラミネートまたは塗布をして硬化させることで作製されたものをいう。

第三の光導波路５の材質としては、ポリイミド、エポキシ、アクリルなどの各高分子材料が挙げられる。

第三の光導波路５としてフレキシブル光導波路を用いる場合、フレキシブル光導波路を３６０°に曲げた際、曲げ半径２ｍｍまで光損失増加が０．１ｄＢに抑えられている屈曲特性を有することが好ましい。このような屈曲特性を有することにより、第三の光導波路５は、図１に示すような２つの屈曲部（図１の上側の屈曲部を第一の屈曲部、下側の屈曲部を第二の屈曲部）を有することができる。

第三の光導波路５は、コア５ａとその周囲のクラッド５ｂによって構成されている。コア５ａの屈折率がクラッド５ｂよりも数％以上高いため、コアに光信号を閉じ込めて低損失で伝送することができる。第三の光導波路５の具体的な寸法としては、例えば、コア５ａの断面サイズが３５〜１００μｍ角、クラッド５ｂの上部または下部の厚みが１５〜２５μｍである。

第三の光導波路５は、その端部にそれぞれ第一の接続部６ｂと第二の接続部６ａとを有している。第一の接続部６ｂおよび第二の接続部６ａは、第三の光導波路５を第一の基板３および第二の基板１に固定するための固定部を有している。例えば、図１の場合、第一の接続部６ｂは凸部６ｂ１を有し、第二の接続部６ａは凸部６ａ１を有している。また、この場合、第一の基板３は凸部６ｂ１と嵌合するための凹部３ａを有し、第二の基板１は凸部６ａ１と嵌合するための凹部１ａを有する。そして、これらがそれぞれ嵌合することで第三の光導波路５の両端が固定される。

第一の接続部６ｂおよび第二の接続部６ａは、エポキシ樹脂、ＰＢＴ(ポリブチレン・テレフタレート)樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレン・サルファイド）樹脂などの材質により形成されている。

なお、図１〜４には、接続部側に凸部を設け、基板側に凹部を設けた例を開示しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、接続部側に凹部を設け、基板側に凸部を設けたものでもかまわない。

以下に、図１〜４のように、接続部側に凸部を設けた実施形態について説明する。凸部
６ａ１および６ｂ１の形状としては、円柱状、順テーパー状（先細り構造）、などが挙げられる。凸部６ａ１および６ｂ１の高さは、例えば１５０〜３００μｍである。また、凸部６ａ１および６ｂ１の断面形状が円形の場合、凸部６ａ１および６ｂ１の直径は例えば１００〜９００μｍである。

図２に示すように、凸部６ａ１および６ｂ１はそれぞれ、第三の光導波路５に対して対称になるよう複数設けられ、また、凹部３ａは第一の光導波路４に対して対称になるように複数設けられ、同様に、凹部１ａは第二の光導波路２に対して対称になるように複数設けられることが好ましい。これにより、第三の光導波路５と、第一の光導波路４および第二の光導波路２との位置合わせを精度良く行うことができる。その結果、光伝送基板間の光漏れを防ぎ、チャネル間のクロストークと光の伝送損失を抑制することができる。

凸部６ａ１および６ｂ１の形成方法を以下に示す。

まず、感光性樹脂を厚さ１５０〜３００μｍでスピンコートし、プリベークして仮硬化させる。そして、フォトマスクを用いて露光し、現像したのちポストベークすることにより凸部６ａ１および６ｂ１は形成される。感光性樹脂としては、いわゆる永久レジストが好ましい。ここで、永久レジストとは、フォトリソグラフィ加工終了後も除去されずに用いられるレジストをいう。永久レジストとしては、エポキシ樹脂などが挙げられる。また、永久レジストの表面に金属膜を形成して表面の強度を向上させることも可能である。

凹部３ａおよび凹部１ａの形成方法としては、第一の光導波路４のクラッド部４ｂおよび第二の光導波路２のクラッド部２ｂに対して精密ドリルまたはレーザによって穿孔する方法、フォトリソグラフィによる方法などが挙げられるが、これに限定されるものではない。凹部３ａおよび凹部１ａは、凸部６ｂ１および６ａ１と高密度に嵌合するために、凸部６ｂ１および６ａ１の形状に対応したものが好ましい。

凸部６ｂ１および６ａ１と凹部３ａおよび凹部１ａとは高精度に嵌合されるため、第一の基板１と第二の基板３との水平方向の光接続にかかる位置ずれが抑制できる。

図３に示すように、第三の光導波路５は、第一の光導波路４および第二の光導波路２との接続の前に、まず、第一の接続部６ｂおよび第二の接続部６ａにより固定される。第三の光導波路５と、第一の光導波路４および第二の光導波路２と、の固定方法としては、具体的に、接着剤などを用いて第三の光導波路５と第一の接続部６ｂまたは第二の接続部６ａとを接着させることによる固定、第一の接続部６ｂまたは第二の接続部６ａに設けられた保持体（不図示）によって第三の光導波路５の少なくとも側面を挟んで保持する固定、他に、第一の接続部６ｂと第二の接続部６ａとの間に表面が平滑な別の基板（不図示）を配置しておいた状態で第三の光導波路５を形成した後に別の基板だけを取り除く形成方法などが挙げられる。なかでも、第一と第二の接続部に対する密着強度が高く凸部６ａ１と６ｂ１に対する位置決めが高く出来るという理由により、接続部に直接光導波路を形成する方法が好ましい。

第二の接続部６ａは、光導波路の少なくとも側面を保持する保持体を有する場合、第三の光導波路５を固定させるだけでなく、第二の光導波路２をも固定することができる。その際、図２に示すように、光電変換素子９にて第二の光導波路２のコア２ａ間の間隔を広く設定したとしても、第二の接続部６ａによりコア２ａ間の間隔を縮小させて保持することが可能となる。もし、第二の接続部６ａを設けずにコア２ａ間の間隔を縮小しようとしても、急峻な光導波路間隔の縮小が困難である。よって、第三の光導波路５の幅が大きくなりヒートシンクなどの他の部材を確保できるスペースが得られにくい傾向がある。

その他の構成について以下に示す。

第一の光導波路４および第二の光導波路２はそれぞれ、コアおよびクラッドによって同軸構造に構成されている。コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも数％以上高く設定されている。ここで、第一、第二、第三の光導波路を同じ屈折率を持つ材料で同じコアサイズで形成することでそれぞれの接続による光損失を低減できる。

第一の光導波路４および第二の光導波路２は、例えば、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から形成される。なお、直接露光法とは、下部クラッドの形成後、コアの材料を塗工してマスク露光によりコアを形成し、その上面および側面にさらに上部クラッドを塗工形成して光導波路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、コアとなる部位以外にＵＶ照射を行ない、コア部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。

第一の光導波路４および第二の光導波路２の具体的な寸法としては、例えば、クラッドの厚みが１５〜２５μｍ、コアの断面サイズが３５〜１００μｍ角である。

第一の光導波路４および第二の光導波路２の作製方法としては、塗布による作製方法（塗布およびベークを行う方法）、または、フィルムをラミネートする作製方法などが挙げられる。

第一の基板３と第二の基板１とは、対向する接続パッド同士をはんだボールまたははんだバンプなどの複数の実装部７により接続する。

はんだボールまたははんだペーストには主に有機系溶剤によるフラックスを含んでおり、加熱によって拡散する。そのため、第一の基板３と第二の基板１のそれぞれ互いに向かい合う面上にフラックスが付着する傾向がある。一般的にフラックスは無色透明であるが、加熱後に白濁する、あるいは経時変化で茶褐色に変色する。そのため、光導波路の露出面に付着することは光損失を生じさせる傾向があり、光伝送基板間の光接続の実現が困難な場合があった。とくに、プリント配線板上の光導波路と半導体パッケージ基板上の光導波路とを光学的に結合させる場合に、半導体パッケージ基板に設けた貫通孔中の光伝送構造を用いた場合、プリント配線板上の光導波路のうち前記光伝送構造と結合する端面がはんだボールなどの実装部７に近いことが多く、上述の問題が顕著であった。

しかし、本実施態様にかかる光結合構造の場合、プリント配線板である第一の基板３上の光導波路４の端面（図１の場合、光路変換ミラー８ｃ）を実装部７から遠くに設定することができるため、上述の問題の影響を小さくできる。

上記の第一の基板３と第二の基板１とを以下の手順で組み立てて光結合構造を形成する。

まず、第一の基板３上に所望の直径を持つはんだボール７を加熱して貼り付ける。その際、ソルダーパッドと同じピッチで穴の開いたマスクを用いてソルダーペーストをソルダーパッドに印刷し、その上にソルダーボールを配列してから、リフロー炉などで第一の基板３および第二の基板１を加熱して第一の基板３および第二の基板１を接続させる。

次に、第一の基板３および第二の基板１にそれぞれ第一の光導波路４および第二の光導波路５を作製したのち、レーザによる穿孔によりそれらのクラッド部に凹部１ａおよび３ａを設ける。

そして、図４の矢印の方向に示すように、凹部１ａに対して凸部６ａ１が、凹部３ａに対して凸部６ｂ１が嵌合するように、第三の光導波路５を第一の光導波路４および第二の光導波路２に接続させる。

図１、２および４には、光電変換素子９として半導体レーザアレイを実装したものを具体例としている。半導体レーザアレイは、その発光点が第二の基板１に形成された第２の光導波路２に対向するようにフェイスダウンで実装されている。図１、２および４では半導体レーザアレイ５１は面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）を実装している。半導体レーザアレイは、その表面電極パッドに金バンプ５４を形成しておき、第二の基板１の表面に形成した電極パッドに超音波圧着することで実装できる。

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：第二の基板
１ａ：第二の基板１に設けられた凹部
２：第二の光導波路
２ａ：第二の光導波路２のコア部
２ｂ：第二の光導波路２のクラッド部
３：第一の基板
３ａ：第一の基板３に設けられた凹部
４：第一の光導波路
４ａ：第一の光導波路４のコア部
４ｂ：第一の光導波路４のクラッド部
５：第三の光導波路
５ａ：第三の光導波路５のコア部
５ｂ：第三の光導波路５のクラッド部
６ａ：第二の接続部
６ａ１：第二の接続部６ａに設けられた凸部
６ｂ：第一の接続部
６ｂ１：第一の接続部６ｂに設けられた凸部
７：実装部
８：光路変換ミラー
９：光電変換素子

Claims

第一の光導波路を有する第一の基板と、
前記第一の基板上に設けられた第二の基板であって、前記第二の基板の上面上に前記第一の光導波路よりも高い位置に配置された第二の光導波路を有する第二の基板と、
前記第一の光導波路および前記第二の光導波路に光学的に結合した第三の光導波路と、
前記第一の基板に固定された、前記第一の光導波路と前記第三の光導波路とを接続する第一の接続部と、
平面視して前記第二の基板と一部が重なるように配置されるとともに、前記第二の基板に固定された、前記第二の光導波路と前記第三の光導波路とを接続する第二の接続部と、を具備し、
前記第三の光導波路は、端部が、平面視して、前記第二の接続部と重なるように配置されているとともに、前記第一の光導波路と前記第二の光導波路と光学的に結合するために光路を変換させる第一および第二の屈曲部を有する光配線構造。
前記第三の光導波路は、フレキシブル光導波路である請求項１記載の光配線構造。
前記第一の接続部は、前記第一の基板に設けられた第一の嵌合部と嵌合して固定するための第二の嵌合部を有する請求項１または２に記載の光配線構造。
前記第二の接続部は、前記第二の基板に設けられた第三の嵌合部と嵌合して固定するための第四の嵌合部を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の光配線構造。
前記第二の接続部は、側面視において、前記第四の嵌合部が前記第三の光導波路の端部から離れて配置されている請求項４記載の光配線構造。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光配線構造と、
前記第二の光導波路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。