JP5409441B2

JP5409441B2 - 光伝送基板および光モジュール

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Publication number: JP5409441B2
Application number: JP2010042759A
Authority: JP
Inventors: 允彦廣瀬; 恵子小田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP2011180276A

Description

本発明は、光伝送基板および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。

しかしながら、電気配線の高密度化および微細化は、電気信号のクロストークおよび伝搬損失が生じやすい。このことから、半導体素子に入出力される電気信号を光信号に変換し、さらに、その光信号を実装基板に形成した光導波路などの光配線によって伝送される光伝送技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、光導波路と、光導波路をダイシングして設けた光反射面と、を具備する配線基板が開示されている。

特開平１１−３２６６６２号公報

しかし、特許文献１に示す配線基板に対して、面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）などの光電変換素子を設けた場合、長期間の使用により光電変換素子から発生する熱によって、光電変換素子の下側に設けられた光反射面を設置した部材が熱膨張する傾向があった。これにより、光反射面の位置ずれが生じ、結果として光伝送特性が低下する場合があった。

本発明の目的は、光電変換素子から伝達される熱による影響を低減させた光伝送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伝送基板は、基板と金属層と光導波路と金属反射部とを具備する。基板上には、金属層と光導波路とが設けられる。また、金属反射部は、金属層と接する。

本実施形態によれば、金属反射部と金属層とが接しているため、光電変換素子が設けられた際に光電変換素子からの熱が金属反射部から金属層に伝達して基板に逃がされるため、金属反射部が設けられる部位に熱が溜りにくくなり、結果として光伝送特性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態の光モジュールの断面図である。本発明の参考例に係る光モジュールの断面図である。凹部２ｂを有する本発明の第１の実施形態の光モジュールの断面図である。本発明の第１の実施形態の光伝送基板の上面図である。本発明の第１の実施形態の光モジュールの上面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施態様の光伝送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には、本発明の第１の実施形態の光モジュールを示し、図２には、本発明の第２の実施形態の光モジュールを示す。

図１では、金属反射部４がベース部７の傾斜面（光導波路３の光軸ｘに対して上向きに傾斜している）上に設けられているのに対して、図２では、金属反射部４が光導波路３の端部に設けられた傾斜面（光導波路３の光軸ｘに対して下向きに傾斜している）上に設けられている点が異なる。しかし、光の進路は、図１および２の点線で示すように同様である。

また、いずれの光モジュールも金属反射部４と金属層２とが接している点も共通している。

以下に、第１の実施形態の光モジュールをもとに説明する。なお、以下の説明において、第２の実施形態の光モジュールについて特に述べていない箇所は、第２の実施形態の光モジュールについても同様の説明となるため記載を省略している。

また、図１の他に、図３〜５を用いて説明する。図３は、高屈折率体９および凹部２ｂを有する本発明の第１の実施形態の光モジュールの断面図であり、図４は、ベース部７が角錐台形状を示し、ベース部７の周囲に光導波路３が複数設けられた光伝送基板の上面図であり、図５は、図４の光伝送基板に、光電変換素子５と集積回路素子６と駆動回路素子１０とを実装させた光モジュールの上面図である。また、図１は、図５のＡ−Ａ’を切断した断面である。

各構成について具体的に示す。

（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、貫通導体を有するビルドアップ基板が好適に用いられる。貫通導体としては、中央が中空となった形状でも、また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。貫通導体の形成は、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。貫通導体が設けられていることにより、金属反射部４から金属層２へ伝達された熱は、貫通導体を通って、外部へ放出することが可能となる。

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ー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。

（金属層２）
金属層２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。

金属層２の厚みは５〜２５μｍであることが好ましい。

金属層２は、図４および図５において示すように基板１の表面一面に設けられてもよく、また、電気配線として用いるためにパターニングされていてもよい。とくに、熱伝達を向上させることから基板１の表面一面に設けられていることが好ましい。

図１および図３に示すように、金属層２が光導波路３と基板１との間まで設けられる場合、金属層２の表面（光導波路３との接触面）は酸化処理されて、金属酸化膜２ａが設けられていることが好ましい。

金属層２の上には光導波路３が設けられているが、金属層２を熱が伝導する際、光導波路３にも熱が伝達されて光導波路３が膨張する場合がある。とくに光導波路３が、エポキシ系樹脂などの樹脂から構成される場合、樹脂の熱膨張率が大きいため、光導波路３が熱膨張して光導波路３の光伝送特性が低下する傾向があった。

しかし、金属層２上に金属酸化膜２ａを設けることにより、金属よりも熱伝導率の低い金属酸化膜２ａが光導波路３と接触しているため、金属層２を伝達される熱が光導波路３に伝達しにくくなり、結果として長期間使用における光の伝送特性を向上させることができる。

また、酸化処理により金属酸化膜２ａを設けることにより、表面に凹凸が形成される。この凹凸が設けられることにより、光導波路３と金属層２との密着性を向上させることができる。なお、酸化処理としては、例えば、次亜塩素酸ナトリウム等による表面処理が挙げられる（処理温度６０〜９０度）。また、凹凸の表面粗さＲｚ（十点平均粗さ）は１〜１５μｍである。

なお、自然酸化によっても金属は酸化されるが、その場合の金属酸化膜は厚みが十分ではなく、上述のような酸化処理により得られた金属酸化膜２ａの効果は得られない。

金属層２として特に銅を用い、金属酸化膜２ａはＣｕＯを用いることが好ましい。ＣｕＯはその表面が黒色であることから、光導波路３のクラッド３ｂ内の迷光を金属酸化膜２ａに吸収させることができる。光導波路３の作製において、フォトリソグラフィ技術により光導波路３を形成する場合、フォトリソグラフィ工程における露光が基板１で乱反射して、コア３ａの側面形状が不十分となるため、複数のコア３ａを光導波路３内に設けることが困難であったが、ＣｕＯ膜が乱反射を低減させることにより、コア３ａの微細なパターンを形成することができるようになる。

金属層２は、後述するベース部７と基板１との間に設けられることが好ましい。これにより、金属反射部４を伝達してきた熱を広い範囲に分散させることができる。とくに、ベース部７が樹脂から構成されている場合、ベース部７は、樹脂よりも熱膨張率の低い金属反射部４および金属層２によって挟まれる構成をとることになる。そうすると、例えば光電変換素子５からベース部７に伝達した熱によってベース部７が熱膨張しようとしても、金属反射部４および金属層２が熱膨張を押さえ込み、結果としてベース部７の熱膨張を低減させることができる。このような熱膨張を押さえ込む効果が得られやすいことから、金属層２および金属反射部４におけるベース部７との接触面同士がなす角度は特に鋭角であることが好ましい。

（光導波路３）
光導波路３を形成するコア３ａとクラッド３ｂ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、クラッド３ｂの下部を形成後、コア３ａの材料を塗工してマスク露光によりコア３ａを形成し、その上面および側面にさらにクラッド３ｂの材料を塗工形成して光導波路３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３ａとなる部位以外にＵＶ照射を行ない、コア３ａ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。

コア３ａの断面サイズとしては、例えば、３５〜１００μｍ角である。

コア３ａは、クラッド３ｂ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。

光導波路３内には、図４および図５に示すようにコア３ａを複数設けることが好ましい。なお、その際、コア３ａ同士の間隔は、１０〜２５μｍである。

（金属反射部４）
金属反射部４は、光導波路３と対向して、光導波路３からの光を外部へ光路変換する、又は外部からの光を光導波路３へ光路変換させるための光反射面４ａを有する。光反射面４ａは、光導波路３の光軸に対して傾斜しており、これにより光路変換が可能となる。傾斜角は、略４５度、具体的には、４３度〜４７度の範囲内である。

金属反射部４は、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属から構成される。

金属反射部４の作製法としては、スパッタリング法、塗布法、メッキ法などが挙げられる。図１に示す光モジュールの場合はスパッタリング法、塗布法が好ましく、図２に示す光モジュールの場合はメッキ法が好ましい。

金属反射部４の膜厚は５０〜５００ｎｍが好ましい。

金属反射部４と光導波路２との間には、光導波路３のクラッド３ｂよりも屈折率の高い高屈折率体９を充填することが好ましい（図３参照）。これにより、光電変換素子５と光導波路２との間の光の伝搬損失を抑制することができる。

なお、高屈折率体９と基板１との間、つまり高屈折率体９の下面に金属層２が存在することが好ましい。これにより、高屈折率体９が、例えば、樹脂であり、熱が伝達される金属反射部４から熱が伝達されたとしても、高屈折率体９と基板１との間に位置する金属層２に熱が伝達されることで、高屈折率体９に熱が溜ることを低減させる。とくに、高屈折率体９と金属層２との接触面積が大きいため、より十分に金属層２に熱を伝達できることから、図３に示すように、金属反射部４と光導波路２との間であって基板１上に設けられる金属層２には凹部２ｂが設けられることが好ましく、凹部２ｂは溝状であることがより好ましい。

図１および図３においては光電変換素子５の下に設けられた実装部８は金属反射部４と離間しているが、実装部８と金属反射部４とは接触していることが好ましい。こうすることで、光電変換素子５から発生した熱を、実装部８から金属反射部４へ早く伝達することができる。

（ベース部７）
ベース部７は傾斜面を有し、その傾斜面上に金属反射部４が設けられている。この傾斜面は光導波路３の光軸に対して上向きに傾斜している。

ベース部７は、光導波路３とは別々に作製されてもよいし、光導波路３の作製と同時に作製されてもよい。なお、同時に作製される場合、光導波路３を作製するための樹脂（エポキシ樹脂など）を積層させたのち、ダイシングブレードなどにより分断することによりベース部７と光導波路３とが作製される。この場合、ベース部７は、光導波路３（なかでもクラッド部２ｂ）と同様の樹脂を含む。ベース部７の傾斜面は、先端角が４５度傾斜したダイシングブレードを用いることで作製できる。

図４および５に示すように、複数の光導波路３を用いる場合、ベース部７は角錐台形状（図４および５の場合、四角錐台形状）を示すことが好ましく、これにより、金属反射部４を設けるための傾斜面をベース部７が複数有することができ、光電変換素子５を複数設けても複数の光導波路３のそれぞれと光学的に結合させることができる。

ベース部７が角錐台形状であって、樹脂から構成され、金属反射部４がそれぞれの傾斜面に設けられた場合、金属層２はベース部７と基板１との間にも設けられることが好ましい。これにより、ベース部７は、底面から傾斜面にわたって、樹脂よりも熱膨張率の低い金属から構成される金属反射部４および金属層２によって四方を挟まれる構成をとることになるため、ベース部７が熱膨張しようとしても、金属反射部４および金属層２が熱膨張を押さえ込み、結果としてベース部７の熱膨張を低減させることができる。特に図５に示すように、熱を発生させる集積回路素子がベース部７上に設けられる場合、このような構成をとることで、熱発生量の多い集積回路素子を直接ベース部上に搭載したとしても十分にベース部７の熱膨張を抑制することができる。

なお、図４および５の場合、角錐大形状のベース部７の傾斜面に連続して金属反射部４が設けられているが、光導波路３と光電変換素子５との間の光路変換を可能にする領域にだけ設けられていてもよい。とくに、ベース部７の傾斜面に連続して金属反射部４が設けられている構成が好ましく、このような構成をとることにより、金属反射部４がベース部７の熱膨張を、ベース部７の側面から押さえ込み、十分に熱膨張を抑えることができる。

（光電変換素子５）
光電変換素子５としては、面型発光素子（ＶＣＳＥＬ）または面型受光素子（ＰＩＮ−ＰＤ）などが挙げられる。

光電変換素子５は、ＶＣＳＥＬの場合、複数の発光点を有していてもよく、また、ＰＩＮ−ＰＤの場合、複数の受光点を有していてもよい。複数の発光点または受光点はそれぞれ、金属反射部４を介して光導波路３のそれぞれのコアと光学的に結合している。

（集積回路素子６）
集積回路素子６としては、例えば、ＬＳＩなどがあげられる。集積回路素子６は光電変換素子５と電気的に接続される。具体的には、図５に示すように、ＶＣＳＥＬとＬＳＩとの間に駆動回路素子１０であるドライバＩＣを設けた場合、ドライバＩＣにＬＳＩから電気信号が出されてドライバＩＣが駆動し、ドライバＩＣによって駆動したＶＣＳＥＬが発光する。また、ＰＩＮ−ＰＤとＬＳＩとの間に駆動回路素子１０であるレシーバＩＣを設けた場合、ＰＩＮ−ＰＤで受光した光信号に基づく電気信号がレシーバＩＣに出力され、レシーバＩＣの出力がＬＳＩに入力される。

駆動回路素子を設ける場合、図５に示すように、駆動回路素子１０は、集積回路素子６と光電変換素子５との間に設けられる。駆動回路素子１０の配置位置が、金属反射部４と近接している場合、駆動回路素子から発生する熱を金属反射部４に伝達させることができる。

上述の光電変換素子５または集積回路素子６は、実装部８として金属バンプ、半田などによって実装される。

なお、図示していないが、光導波路３上には樹脂絶縁層としてソルダレジスト層が設けられていてもよい。ソルダレジスト層は、クラッド３ｂの上面には、ラミネート法またはスピンコート、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。

また、光導波路３とソルダレジスト層との間には、導体層が設けられていてもよい（不図示）。導体層が設けられていることで、光電変換素子５を光導波路３上に直接実装することが可能となる。なお、導体層の厚みは０．３〜３μｍが好ましい。

導体層は金属反射部４と接していることが好ましい。これにより、導体層上に光電変換素子５を設けた場合、より熱を放出しやすくなる。

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：基板
２：金属層
２ａ：金属酸化膜
２ｂ：凹部
３：光導波路
３ａ：コア
３ｂ：クラッド
４：金属反射部
４ａ：光反射面
５：光電変換素子
５ａ：発光点
６：集積回路素子
７：ベース部
８：実装部
９：高屈折率体
１０：駆動回路素子
ｘ：光導波路３の光軸

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた金属層と、
前記基板上に設けられた光導波路と、
前記金属層上に設けられ、前記光導波路の光軸に対して上向きに傾斜した傾斜面を有するベース部と、
上方に光電変換素子を設けて前記光導波路と光学的に結合させるための金属反射部であって、前記光導波路の光軸に対して傾斜するとともに前記光導波路と対向するように前記傾斜面に位置する光反射面を有し、前記金属層と接して前記基板の上方に設けられた金属反射部と、
を具備する光伝送基板。
前記金属層は、前記光導波路と前記基板との間に設けられ、
前記金属層の表面のうち前記光導波路と接する部位には、酸化処理されている請求項１記載の光伝送基板。
前記光導波路は樹脂から構成される請求項１または２記載の光伝送基板。
前記光導波路の光軸に対して傾斜した前記光反射面の傾斜角は、略４５度である請求項１乃至３のいずれか記載の光伝送基板。
前記ベース部は、樹脂から構成される請求項１乃至４のいずれか記載の光伝送基板。
前記ベース部は角錐台形状であって、前記角錐台形状の有する前記複数の傾斜面のそれぞれに前記金属反射部が設けられ、
前記金属反射部のそれぞれと、それぞれの端部と、が光学的に結合するように、前記ベース部の周囲に複数の光導波路をさらに具備する請求項１乃至５のいずれか記載の光伝送基板。
請求項１乃至５のいずれか記載の光伝送基板と、
前記金属反射部の上方に設けられた光電変換素子と、
前記光伝送基板上に設けられ、前記光電変換素子と電気的に接続する集積回路素子と、
を具備する光モジュール。
請求項６記載の光伝送基板と、
前記複数の金属反射部の上方にそれぞれ設けられた複数の光電変換素子と、
前記ベース部の上面の中央に設けられた集積回路素子と、
を具備する光モジュール。