JP5842714B2 - 光導波路デバイス、および、光導波路デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本明細書で論じられる実施の形態は、光導波路部材と光部品との光結合のためのミラー面を有する光導波路デバイス、および、光導波路部材と光部品との光結合のためのミラー面を形成する光導波路デバイスの製造方法に関する。

近年、消費電力、伝送距離或いは速度、設計自由度（例えば、通信仕様，配線レイアウト，電磁ノイズ）、配線スペースなどの点で効果が期待できる光配線が注目されている。光配線は、スーパーコンピュータ、高性能サーバ機、携帯端末などへの利用が検討されている。

垂直共振器面発光レーザ（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）やフォトダイオード(PD：photodiode）などの光素子が知られている。これらの光素子或いは、光素子と制御ＩＣ（Integrated Circuit）とが内蔵された光モジュール（以下、これらを「光部品」と記す。）を、光導波路シート上に設置された電極にフェイスダウン実装する方法が知られている。このように実装を行う場合、光導波路シート内に形成された４５度のミラーと光部品の発光部（または受光部）の光軸とを高精度で結合（光結合）することと、光配線（電極）の接合とが行われる。

光部品の実装は、はんだ接合（C4：Controlled Collapse Chip Connection）、圧接（NCP：Non-Conductive Paste）、超音波接合などの実装工法が採用されているが、アンダーフィル材を適用する構造では、光部品と光導波路シート内ミラーとの間の光結合を得るため、光透過率の高い透明アンダーフィル材が用いられている。

一方、光配線板では、光導波路シート上に電気配線層および電極が形成されるケース、光導波路シートがリジット基板或いはフレキ基板上に実装されるケースなどがある。
なお、光部品のアライメント手段には、光部品に通電し光軸調整するアクティブアライメントと、非通電の光部品をミラー部或いはその他のアライメントマークを認識して実装するパッシブアライメントとがある。光配線板への光部品の実装では、アクティブアライメントが困難であるため、ローコスト化にも有利なパッシブアライメントの採用が一般的である。

特開２００２−９８８６３号公報

光導波路シート上に形成された電極に光部品を実装する方法において、光導波路シートは、部品実装時の加熱（例えば≦250℃）および荷重（例えば約30g/Bump≦）により変形する。これにより、光導波路シート内に形成されたミラーに歪みが生じることで光損失が悪化する。

図８Ａおよび図８Ｂは、参考技術に係る光部品の実装方法（光導波路デバイスの製造方法）を説明するための断面図である。
図８Ａに示すように、光導波路デバイス５０は、光部品５１と、基材５２と、電気配線５３と、ポリイミド膜５４と、アンダーフィル材５５と、を含む。

光部品５１は、発光部分５１ａと、複数の電極５１ｂとを有する。
基材５２は、例えばシート状（平板状）を呈し、光導波路部材の一例である複数のコア層５２ａと、コア層５２ａを覆うクラッド層５２ｂとを有する。

基材５２には、厚さ方向の底面側（光部品の実装面と反対側）に切り込み５２−１が設けられている。この切り込み５２−１は、基材５２のコア層５２ａに対して例えば４５度の傾きを有するミラー面を構成する。これにより、切り込み５２−１のミラー面は、光部品５１の発光部分５１ａから発光された信号光Ｌをコア層５２ａに反射させる。

しかし、上記のとおり、基材５２が光部品５１の実装時の加熱および荷重によって、図８Ｂに示すように変形する。そのため、切り込み５２−１（ミラー面）に歪みが生じることで光損失が悪化する。

対策として、ミラー形成の下部に補強樹脂を充填することで変形を抑制しようとすると、硬化した補強樹脂により光導波路シート（基材５２）を突き破りうるほか、補強樹脂の充填作業を新たに要する。

また、光導波路シートへのミラー形成は、レーザ加工またはダイシング（ブレード）といった切削による方法が採られるが、いずれも高精度の加工が必要となり、コスト面などで問題がある。

なお、光導波路シートのミラー部を実装装置内の画像認識系で認識する場合、光導波路シートの仕様によってコントラストが得られず、アライメントできないことがある。また、実装スペースなどに起因し、実装部周辺にアライメントマークを設置できない場合、実装精度に影響が生じうる。

１つの側面では、実施の形態に係る光導波路デバイスの製造方法は、光導波路と光部品との光結合のためのミラー面を簡単かつ高精度に形成することを目的とする。

実施の形態に係る光導波路デバイスの製造方法は、光導波路部材が配置された基材の表面に対して傾斜する傾斜面を有する型の該傾斜面を、前記基材に形成された、前記光導波路部材が露出する貫通孔に対し、該基材の一方の面側から挿入し、光部品を前記基材の他方の面側の前記貫通孔の開口上に配置するとともに、前記光部品と前記他方の面との間及び前記貫通孔に、熱硬化性を有するアンダーフィル材を注入し、加熱により前記アンダーフィル材を硬化させることで、前記光導波路部材と前記光部品との光結合のためのミラー面を前記アンダーフィル材に形成する。

実施の形態に係る光導路デバイスは、光導波路部材が配置され、貫通孔が形成された基材と、前記基材の一方の面側の前記貫通孔の開口上に搭載された光部品と、前記光部品と前記一方の面との間、及び前記貫通孔内に注入され、前記光導波路部材と前記光部品との光結合のための前記一方の面に対して傾斜するミラー面を有する、熱硬化性を有するアンダーフィル材と、を有する。

実施の形態に係る光導波路デバイスの製造方法によれば、光導波路部材と光部品との光結合のためのミラー面を簡単かつ高精度に形成することができる。

光導波路デバイスの製造方法を説明するための断面図（その１）である。 光導波路デバイスの製造方法を説明するための断面図（その２）である。 光導波路デバイスの製造方法を説明するための断面図（その３）である。 光導波路デバイスの製造方法（第１の変形例）を説明するための断面図である。 光導波路デバイスの製造方法（第２の変形例）を説明するための断面図（その２）である。 基材を示す平面図である。 基材（第３の変形例）を示す平面図である。 基材（第４の変形例）を示す平面図である。 光導波路デバイスの製造方法（第５の変形例）を説明するための断面図である。 光導波路デバイスの製造方法（第６の変形例）を説明するための断面図である。 光部品の実装方法（参考技術）を説明するための断面図（その１）である。 光部品の実装方法（参考技術）を説明するための断面図（その２）である。

以下、実施の形態に係る光導波路デバイスおよび光導波路デバイスの製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図１〜図３は、光導波路デバイス１０の製造方法を説明するための断面図である。

図３に示すように、光部品１１の実装後の光導波路デバイス１０は、光部品１１と、基材１２と、電気配線１３と、絶縁膜の一例であるポリイミド膜１４と、アンダーフィル材１５と、を含む。

光部品１１は、光素子であるか、または、光素子と制御ＩＣとが内蔵された光モジュールである。光部品１１は、例えばＶＣＳＥＬであり、発光部分１１ａと、複数の電極１１ｂとを有する。但し、光部品１１は、発光素子または発光素子が内蔵された光モジュールではなく、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子、または受光素子が内蔵された光モジュールであってもよい。

基材１２は、例えばシート状（平板状）を呈し、光導波路部材の一例である複数のコア層１２ａと、コア層１２ａを覆うクラッド層１２ｂとを有する。
コア層１２ａは、クラッド層１２ｂよりも屈折率が高く、クラッド層１２ｂとの境界面で全反射させながら信号光Ｌを伝送する。

電気配線１３およびポリイミド膜１４は、基材１２の図１〜図３における上面（光部品１１の実装面）側に形成されている。
アンダーフィル材１５は、基材１２のコア層１２ａにより伝送される信号光Ｌを透過させるため、光透過率が高い透明樹脂であることが好ましい。アンダーフィル材１５は、例えば、エポキシ系樹脂またはウレタン系樹脂である。

光導波路デバイス１０の製造方法に用いられる型１００は、ベース部分１０１と、このベース部分１０１から突出する突起１０２とを有する。型１００の材料は、例えば、金属やセラミックである。

ベース部分１０１は、例えば、基材１２と平行に拡がる平板状を呈する。ベース部分１０１は、基材１２の全体が載置されることが望ましい。型１００は、例えば実装ステージに配置されるが、実装ステージと一体であってもよい。

突起１０２には、後述するアンダーフィル材１５のミラー面１５ａに形状を転写する傾斜面１０２ａが形成されている。なお、ミラー面１５ａは、基材１２の表面に対して傾斜（例えば４５度の傾き）するように形成される。

突起１０２は、後述する図５Ａに示すように、傾斜面１０２ａが基材１２の複数のコア層１２ａに亘って位置するように形成され、挿入されていることが望ましい。但し、後述する図５Ｂ（第３の変形例）および図５Ｃ（第４の変形例）に示すように、複数の突起１０２の傾斜面１０２ａが基材１２の複数のコア層１２ａにそれぞれ位置するように形成され、挿入されてもよい。更には、基材１２の複数のコア層１２ａのそれぞれに型１００が配置されるようにしてもよい。

型１００は、傾斜面１０２ａの少なくとも一部において基材１２の貫通孔１２−１に挿入されればよく、ベース部分１０１と突起１０２とを有するものでなくともよい。例えば、型１００は、基材１２の貫通孔１２−１に挿入されるピン形状とすることもできる。

以下、光部品１１の実装方法および光導波路デバイス１０の製造方法について説明する。
まず、図１に示すように、基材１２およびポリイミド膜１４には、例えばダイシング、レーザなどにより貫通孔１２−１，１４−１が形成される。貫通孔１２−１が形成されることにより、貫通孔１２−１の内壁にはコア層１２ａが露出する。

図５Ａ（図５Ｂも同様）に示すように、基材１２の貫通孔１２−１（ポリイミド膜１４の貫通孔１４−１も同様）は、基材１２の複数のコア層１２ａに亘るように溝状に形成するとよい。或いは、レーザなどで断続的に貫通孔１２−１を形成する場合は、図５Ｃに示すように、貫通孔１２−１は、複数のコア層１２ａのそれぞれに位置するように複数個形成するとよい。

次に、型１００に形成された傾斜面１０２ａが、基材１２の一方の面側（図１〜図３における底面側であり、光部品１１の実装面とは反対の面側）から挿入される（図１の矢印（１））。なお、傾斜面１０２ａの形状によっては、傾斜面１０２ａの全部が貫通孔１２−１に挿入されずに、傾斜面１０２ａの一部が貫通孔１２−１に挿入されるようにしてもよい。

傾斜面１０２ａの挿入は、例えば、型１００に対して基材１２を手動または自動で載置するときに行うとよい。

次に、光部品１１が基材１２の他方の面側（図１〜図３における上面側）の貫通孔１２−１の開口上に配置される（図１の矢印（２））。基材１２およびポリイミド膜１４に貫通孔１２−１，１４−１が形成されているため、実装装置内の画像認識系（例えば、顕微鏡,撮像装置）により型１００の傾斜面１０２ａの位置、ひいては光部品１１の実装位置を高精度に取得することができる。

また、図２に示すように、アンダーフィル材１５は、光部品１１と基材１２の上記他方の面（図１〜図３における上面）との間及び貫通孔１２−１に注入され、例えば熱により硬化する。これにより、後述する図３に示すように、アンダーフィル材１５には、傾斜面１０２ａに形状を転写されてミラー面１５ａが形成される。上記のとおり、ミラー面１５ａは、基材１２のコア層１２ａに対して例えば４５度の傾きを有するように形成される。

なお、アンダーフィル材１５の貫通孔１２−１への注入は、光部品１１の配置よりも先に行ってもよい。その場合でも、アンダーフィル材１５は、コア層１２ａと連続する光路を構成するため、上記の画像認識系により型１００の傾斜面１０２ａの位置を高精度に取得することができる。

次に、図３に示すように、型１００の傾斜面１０２ａが貫通孔１２−１から抜き出される。ミラー面１５ａは、傾斜面１０２ａを抜き出すことで生じる空間によって光を反射させる。

なお、図４Ａ（第１の変形例）に示すように、ミラー面１５ａには、例えばスパッタリングにより、例えばＡｕ（金）膜である反射膜１６を形成するとよい。その場合には、ミラー面１５ａは、反射膜１６によって光を反射させる。

上述の型１００は、例えば、金属やセラミックであるが、図４Ｂ（第２の変形例）に示すように、型１１０が光透過性を有し（例えばガラス）、アンダーフィル材１５が光硬化性樹脂であるようにすることもできる。その場合には、型１１０を通して光（例えば、紫外線，可視光）を照射することで、アンダーフィル材１５を硬化させることができる。なお、型１１０は、照射される光に対する光透過率が１０％以上あれば光透過性を有することとする。また、型１１０は、アンダーフィル材１５を硬化させる光に対する光透過率５０％以上の光透過性を有することが望ましい。

型１１０が透過性を有する場合には、画像認識系により図４Ｂにおける底面側（光部品１１の実装面とは反対側）から光部品１１の実装位置を取得することもできる。なお、図４Ｂに示す型１１０のベース部分１１１と、傾斜面１１２ａが形成された突起１１２は、図１〜図４Ａに示す型１００のベース部分１０１および突起１０２と同様の形状を呈する。

図６（第５の変形例）に示す光導波路デバイス２０のように、電気配線２１およびポリイミド膜２２が基材１２の上記一方の面側（光部品１１の実装面とは反対側）に位置することもある。その場合、ビア２３が基材１２のクラッド層１２ｂを貫通するように形成される。基材１２およびポリイミド膜２２に貫通孔１２−１，２２−１を形成するのは上述の説明と同様である。

図７（第６の変形例）に示す光導波路デバイス３０のように、基材１２が基板（光配線基板）３１に配置されることもある。その場合には、基板３１に対して、基材１２の貫通孔１２−１に連通する貫通孔３１−１が形成される。そして、図１〜図３に示す型１００の傾斜面１０２ａは、基板３１の貫通孔３１−１を貫通して、基材１２の貫通孔１２−１に挿入される。

以上説明した本実施の形態に係る光導波路デバイスの製造方法は、コア層１２ａ（光導波路部材）が配置された基材１２の表面に対して傾斜する傾斜面１０２ａを有する型１０２の傾斜面１０２ａを、基材１２に形成された、コア層１２ａが露出する貫通孔１２−１に対し、基材１２の一方の面側から挿入する。また、光導波路デバイスの製造方法は、光部品１１を基材１２の他方の面側の貫通孔１２−１の開口上に配置するとともに、光部品１１と他方の面との間及び貫通孔１２−１にアンダーフィル材１５を注入して硬化させることで、コア層１２ａと光部品１１との光結合のためのミラー面１５ａをアンダーフィル材１５に形成する。

上記の光導波路デバイスの製造方法では、アンダーフィル材１５の注入により、ミラー面１５ａを形成することができるため、ミラー面１５ａの形成のためのレーザ加工，ダイシング（ブレード）といった切削などの工程を省略することができる。

また、アンダーフィル材１５の注入により、ミラー面１５ａを形成することができるため、基材１２に予めミラー面を形成する場合のように、光部品１１の実装時の加熱および荷重によりミラー面に歪みが生じるのを抑えることができる。

よって、本実施の形態によれば、基材１２と光部品１１との光結合のためのミラー面１５ａを簡単かつ高精度に形成することができる。

更には、基材１２に貫通孔１２−１を形成するため、光部品１１の実装時において、上記の画像認識系などにより、貫通孔１２−１の位置または貫通孔１２−１に挿入された傾斜面１０２ａの位置、ひいては光部品１１の実装位置を取得することができる。これにより、光部品１１の実装精度を向上させることもできる。

また、本実施の形態では、アンダーフィル材１５がエポキシ系樹脂またはウレタン系樹脂である場合、信号光Ｌをより確実に伝送することができる。

また、本実施の形態では、ミラー面１５ａが、型１００の傾斜面１０２ａを貫通孔１２−１から抜き出すことで生じる空間によって光を反射させる場合、ミラー面１５ａをより簡単に形成することができる。

また、本実施の形態では、図４Ａ（第１の変形例）に示すように、ミラー面１５ａに反射膜１６を形成する場合、信号光Ｌをより確実に伝送することができる。

また、本実施の形態では、図５Ａに示すように、基材１２の貫通孔１２−１が複数のコア層（光路）１２ａに亘って形成され、傾斜面１０２ａが複数のコア層１２ａに亘って位置する場合、ミラー面１５ａをより簡単に形成することができる。

また、本実施の形態では、図５Ｂ（第３の変形例）に示すように、基材１２の貫通孔１２−１が、複数のコア層（光路）１２ａに亘るように形成され、複数の突起１０２の傾斜面１０２ａが複数のコア層（光路）１２ａにそれぞれ位置する場合でも、ミラー面１５ａをより簡単に形成することができる。

また、本実施の形態では、図５Ｃ（第４の変形例）に示すように、基材１２の貫通孔１２−１が、複数のコア層（光路）１２ａのそれぞれに位置するように複数個形成され、複数の突起１０２の傾斜面１０２ａが複数のコア層（光路）１２ａにそれぞれ位置する場合でも、ミラー面１５ａをより簡単に形成することができる。

また、本実施の形態では、図７（第６の変形例）に示すように、基材１２が基板３１に配置され、基板３１には、基材１２の貫通孔１２−１に連通する貫通孔３１−１が形成されている場合でも、ミラー面１５ａを簡単かつ高精度に形成することができる。

また、本実施の形態では、図１に示すように、型１００の傾斜面１０２ａの少なくとも一部を貫通孔１２−１に挿入するのは、型１００に対して光導波路基材１２を載置するときに行う場合、ミラー面１５ａをより簡単に形成することができる。

また、本実施の形態では、図４Ｂ（第２の変形例）に示すように、型１００は、光透過性を有し、アンダーフィル材１５は、光硬化性樹脂である場合でも、型を通して光を照射することによりアンダーフィル材１５を硬化させることで、ミラー面１５ａを簡単かつ確実に形成することができる。

以上説明した実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
光導波路部材が配置された基材の表面に対して傾斜する傾斜面を有する型の該傾斜面を、前記基材に形成された、前記光導波路部材が露出する貫通孔に対し、該基材の一方の面側から挿入し、
光部品を前記基材の他方の面側の前記貫通孔の開口上に配置するとともに、前記光部品と前記他方の面との間及び前記貫通孔にアンダーフィル材を注入して硬化させることで、前記光導波路部材と前記光部品との光結合のためのミラー面を前記アンダーフィル材に形成する、
ことを特徴とする、光導波路デバイスの製造方法。
（付記２）
前記アンダーフィル材は、エポキシ系樹脂またはウレタン系樹脂であることを特徴とする付記１記載の光導波路デバイスの方法。
（付記３）
更に、
前記貫通孔に挿入された前記傾斜面を、前記アンダーフィル材の硬化後に前記貫通孔から抜き出し、
前記ミラー面に反射膜を形成する、
ことを特徴とする付記１または付記２記載の光導波路デバイスの製造方法。
（付記４）
前記光導波路部材は、複数の光路を有し、
前記貫通孔は、前記複数の光路に亘って形成され、
前記型は、ベース部分と、該ベース部分から突出し前記傾斜面が形成された突起と、を有し、前記傾斜面を前記複数の光路に亘って位置するように前記貫通孔に挿入する、
ことを特徴とする付記１から付記３のいずれか記載の光導波路デバイスの製造方法。
（付記５）
前記光導波路部材は、複数の光路を有し、
前記型は、ベース部分と、該ベース部分から突出し前記傾斜面が形成された複数の突起と、を有し、
前記貫通孔は、前記複数の光路に亘るように形成されるか、または、前記複数の光路のそれぞれに位置するように複数個形成され、
前記複数の傾斜面を前記複数の光路の対応する光路にそれぞれ位置するように前記貫通孔に挿入する、
ことを特徴とする付記１から付記３のいずれか記載の光導波路デバイスの製造方法。
（付記６）
前記基材は、基板に配置され、
前記基板には、前記光導波路の前記貫通孔に連通する貫通孔が形成されている、
ことを特徴とする、付記１から付記５のいずれか記載の光導波路デバイスの製造方法。
（付記７）
前記型に対して前記光導波路を載置するときに前記傾斜面を前記貫通孔に挿入することを特徴とする付記１から付記６のいずれか記載の光導波路デバイスの製造方法。
（付記８）
前記型は、光透過性を有し、
前記アンダーフィル材は、光硬化性樹脂であり、
前記アンダーフィル材を硬化させるのは、前記型を通して光を照射することにより行う、
ことを特徴とする付記１から付記７のいずれか記載の光導波路デバイスの製造方法。
（付記９）
光導波路部材が配置され、貫通孔が形成された基材と、
前記基材の一方の面側の前記貫通孔の開口上に搭載された光部品と、
前記光部品と前記一方の面との間、及び前記貫通孔内に注入され、前記一方の面に対して傾斜する傾斜面を有するアンダーフィル材と、
を有する光導波路デバイス。

１０ 光導波路デバイス
１１ 光部品
１１ａ 発光部分
１１ｂ 電極
１２ 光導波路
１２ａ コア層
１２ｂ クラッド層
１２−１ 貫通孔
１３ 電気配線
１４ ポリイミド膜
１４−１ 貫通孔
１５ アンダーフィル材
１５ａ ミラー面
１６ 反射膜
２０ 光導波路デバイス
２１ 電気配線
２２ ポリイミド膜
２２−１ 貫通孔
２３ ビア
３０ 光導波路デバイス
３１ 基板
３１−１ 貫通孔
５０ 光導波路デバイス
５１ 光部品
５１ａ 発光部分
５１ｂ 電極
５２ 基材
５２ａ コア層
５２ｂ クラッド層
５２−１ 切り込み
５３ 電気配線
５４ ポリイミド膜
５５ アンダーフィル材
１００ 型
１０１ ベース部分
１０２ 突起
１０２ａ 傾斜面
１１０ 型
１１１ ベース部分
１１２ 突起
１１２ａ 傾斜面

Claims (5)

1. 光導波路部材が配置された基材の表面に対して傾斜する傾斜面を有する型の該傾斜面を、前記基材に形成された、前記光導波路部材が露出する貫通孔に対し、該基材の一方の面側から挿入し、
   光部品を前記基材の他方の面側の前記貫通孔の開口上に配置するとともに、前記光部品と前記他方の面との間及び前記貫通孔に、熱硬化性を有するアンダーフィル材を注入し、加熱により前記アンダーフィル材を硬化させることで、前記光導波路部材と前記光部品との光結合のためのミラー面を前記アンダーフィル材に形成する、
   ことを特徴とする、光導波路デバイスの製造方法。
2. 更に、
   前記貫通孔に挿入された前記傾斜面を、前記アンダーフィル材の硬化後に前記貫通孔から抜き出し、
   前記ミラー面に反射膜を形成する、
   ことを特徴とする請求項１記載の光導波路デバイスの製造方法。
3. 前記光導波路部材は、複数の光路を有し、
   前記貫通孔は、前記複数の光路に亘って形成され、
   前記型は、ベース部分と、該ベース部分から突出し前記傾斜面が形成された突起と、を有し、
   前記傾斜面を前記複数の光路に亘って位置するように前記貫通孔に挿入する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光導波路デバイスの製造方法。
4. 前記光導波路部材は、複数の光路を有し、
   前記型は、ベース部分と、該ベース部分から突出し前記傾斜面が形成された複数の突起と、を有し、
   前記貫通孔は、前記複数の光路に亘るように形成されるか、または、前記複数の光路のそれぞれに位置するように複数個形成され、
   前記複数の前記傾斜面を前記複数の光路の対応する光路にそれぞれ位置するように前記貫通孔に挿入する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光導波路デバイスの製造方法。
5. 光導波路部材が配置され、貫通孔が形成された基材と、
   前記基材の一方の面側の前記貫通孔の開口上に搭載された光部品と、
   前記光部品と前記一方の面との間、及び前記貫通孔内に注入され、前記光導波路部材と前記光部品との光結合のための前記一方の面に対して傾斜するミラー面を有する、熱硬化性を有するアンダーフィル材と、
   を有する光導波路デバイス。

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