JP6190247B2 - 配線基板 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品および高速配線を含む電気配線および光導波路を有する光電子融合デバイスに関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光機能素子を高密度に集積する技術が求められている。そのプラットフォームの一つとして、石英系平面光導波路回路（以下、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）ともいう）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、高い設計自由度といった優れた特徴を有し、複合機能一体集積のプラットフォームとして有望である。（特許文献１、非特許文献1,2を参照）

実際に伝送端局における光受信装置にはフォトダイオード（以下、ＰＤともいう。）などの受光素子からなる光モジュールや、レーザーダイオード（以下、ＬＤともいう。）などの発光素子と、合分波器、分岐・結合器、光変調器、電気配線などの機能素子が形成されたＰＬＣとが光結合により実装されている。また、例えば、波長多重分割伝送方式におけるノード装置においては、ＰＬＣの中の複数の光導波路についての光強度を監視するために、多数のＰＤが集積化されて実装されている。

一方、電子回路を高密度集積化するため、多様なプリント配線基板が提案されている。プリント配線基板の材料により分類すると、紙フェルール基板、紙エポキシ基板、ガラスコンポジット基板、ポリマ樹脂基板、ガラスエポキシ基板、テフロン（登録商標）基板、セラミック基板等がある。多層化しスルーホールビアを形成し層間を繋ぐことで高密度の配線基板が実現されている。

特開２０１２−０４２５１５号公報

倉田優生 他著, "ヘテロジニアス技術による高速InP−PD集積型石英系PLCデバイス"， 2011年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会エレクトロニクス講演論文集, C−3−33, 155頁, 2011年 Yu Kurata et al., "Heterogeneous Integration of High−Speed InP PDs on Silica−Based Planar Lightwave Circuit Platform"， Proc. ECOC2011, Th.12, LeSaleve.5, 2011年

しかしながら、多層の石英系ＰＬＣと多層化された金属配線を組み合わせた電気・光の複合配線基板技術の実現が望まれている。しかしながら石英基板に金属メッキしたビアを形成すると石英基板は金属の熱膨張係数より１桁小さくなるため、温度変動によりビア内に形成された金属が剥離する問題が発生していた。特に埋め込み型のビアではビア径が大きくなるほど容易に剥離する問題があった。またアクティブな電子部品をガラス層（光導波路を含む）の上に設置した場合、ガラスが高い絶縁性を有すること、高い断熱性(Ｓｉの１００分の１以下の熱伝導度)のガラス層の厚みが２０μｍ以上もあることの原因により、（１）電気的な安定性、（２）電子部品の安定動作や信頼性に影響を与える放熱性、に問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＰＬＣおよび電気配線を複合化した多層光電気配線融合ガラス基板を提供することである。加えて、石英基板に形成されたビア内の金属が温度変動等の負荷により剥離し難くすることで該ガラス基板の信頼性を向上することを目的とする。さらにガラス基板上に設置された電子部品の安定性を改善することも目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、本発明の第一の態様は、配線基板であって、ＳｉＯ₂ガラスを主要組成とするガラス基板と、前記ガラス基板内に形成された、該ガラス基板より高屈折率のガラス材料のコアの光導波路と、前記ガラス基板の上面に成膜された金属配線と、前記ガラス基板の下面に成膜された金属配線とを備える。前記配線基板は、前記ガラス基板の上面から下面までを貫通した、前記配線基板の上面から見た形状が直線と半円とを組み合わせた形状である貫通穴と、前記上面に成膜された金属配線と前記下面に成膜された金属配線とを繋ぐ前記貫通穴内の金属配線とをさらに備える。

本発明の第二の態様は、配線基板であって、半導体基板上に成膜されたＳｉＯ₂ガラスを主要組成とするガラス膜と、前記ガラス膜内に形成された、該ガラス膜より高屈折率のガラス材料のコアの光導波路と、前記ガラス膜および半導体基板の少なくとも一方の表面に成膜された金属配線とを備える。前記配線基板は、前記半導体基板の上面から下面までを貫通した、前記配線基板の上面から見た形状が直線と半円とを組み合わせた形状である貫通穴と、前記半導体基板の上面と下面の金属配線を繋ぐ前記貫通穴内の金属配線とをさらに備える。

一実施形態では、前記貫通穴金属配線が貫通穴の壁面の一部のみに成膜されている。

一実施形態では、前記貫通穴の側壁が基板水平面に対し垂直では無く、貫通穴の側壁の金属配線と基板の上面および下面の金属配線とが９０度より大きい角度で接続されている。

上記配線基板を多層接合して１つの配線基板としてもよく、多層接続された配線基板の光導波路を繋ぐ光結合部を備えてもよい。

本発明の第三の態様は、光電子融合デバイスであり、上記態様の配線基板の上面および下面および内部に電子部品を有し、前記光導波路および前記金属配線が前記電子部品と接続されていることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、上記３つの態様に加え、電子部品の直下もしくは周辺部に光導波路が形成された層を貫通する放熱ビアおよびグランドビアの少なくとも一方を具備することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、ガラス基板の貫通穴の形状を非円形にし、蒸着して形成される金属配線の領域を貫通穴側壁の一部とすることで、熱膨張係数が大幅に異なるガラスと金属膜の界面で発生する大きな応力を緩和し、金属膜の剥離を回避することが可能となる。また配線の断面形状を大きく変えずに貫通穴の側壁に金属配線を配置することも可能であるため、高周波電気信号を伝搬させた場合に反射損失および伝搬損失を極力低減することが可能である。さらに金属配線の形成を蒸着工程のみでも実施することが可能であるため、メッキ工程と組み合わせる場合と比較し、工程を少なくすることが可能である。また貫通穴の側壁角度を非直角とすることで、基板上面および下面の金属配線との接続角が小さくなるため、更なる反射損失並び伝搬損失低減が可能となる。

さらに電子部品の直下もしくは周辺部に光導波路が形成された層を貫通する放熱ビアおよびグランドビアの少なくとも一方を具備することで、十分な放熱性と電気的な安定性を得ることが可能となる。

第一の実施の形態の配線基板を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は段面図、（ｃ）は断面図、（ｄ）は斜視図ある。 金属配線の形成法を説明する図であり、（ａ）は配線基板の側面図、（ｂ）はビア部の上面図である。 各種ビア形状を説明する図である。 各種ビアの蒸着特性を示す図である。 本発明の一実施例の配線基板の断面図であり、コプレーナ線路の構造を説明する図である。 伝送損失の周波数依存性を示す図である。 伝送損失のビア内金属配線膜厚依存性を示す図である。 過剰損失のビア内金属配線膜厚依存性を示す図である。 特性インピーダンスの周波数依存性を示す図である。 金属配線の剥離頻度の金属配線膜厚依存性を示す図である。 第二の実施の形態の配線基板を示す図であり、（ａ）はレジストによりテーパ構造のビアが形成された状態における断面図、（ｂ）はレジストが除去され配線が蒸着された状態における断面図、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ（ｂ）のビアの部分を拡大した断面図および上面図、（ｅ）は斜視図である。 第三の実施の形態の配線基板の作製プロセスおよび基本構成を説明する図であり、（ａ）はビアが形成された状態における断面図、（ｂ）はビアの側壁にガラス膜が形成された状態における断面図、（ｃ）は配線が蒸着された状態における断面図を示す図である。 第三の実施の形態の配線基板のバリエーションを例示する表である。 第四の実施の形態の配線基板を示す図である。 第四の実施の形態の配線基板のバリエーションを例示する表である。 ビア内の金属配線にかかる応力を説明する図であり、（ａ）は円形ビア、（ｂ）は非円形ビアを示す。 剥離頻度のビア構造依存性を示す図である。 第五の実施の形態の配線基板を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は放熱ビアを有した配線基板の断面図である。 放熱ビアを有する配線基板を用いた光受信機の構造を示す図であり、（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）はＴＩＡの下部の断面図、（ｃ）はＴＩＡの上方の上面図である。 放熱ビアを有する配線基板の構造および光の伝搬状態を示す図である。 光導波路の伝搬損失とＴＩＡの温度上昇に関する図である。 ＴＩＡの温度上昇のＳｉＯ_２層の厚さ依存性を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
［第一の実施の形態］
図１に、本実施形態に係るガラス配線基板の基本構成を示す。図１（ａ）は上面図、（ｂ）はｂ−ｂ断面線の断面図、（ｃ）はｃ−ｃ断面線の断面図、（ｄ）は斜視図である。本実施形態に係るガラス配線基板は、ＳｉＯ_２を主成分とするガラス基板１１と、基板１１内に形成された光導波路１２と、基板１１を貫通するビア１３と、基板１１の上面に蒸着された金属配線１４と、貫通ビア１３内に蒸着された金属配線１５と、基板１１の下面に蒸着された金属配線１６とを備える。本ガラス配線基板ではグラウンド（ＧＮＤ）、信号（Ｓｉｇｎａｌ）、ＧＮＤの順に配列された３本の金属配線から構成されるコプレーナ線路構造を有する。コプレーナ線路は高周波信号の伝送に優れた特性を有する。

基板１１を貫通するビア１３は、プラズマエッチング、ドリル、サンドブラスト等により形成される。貫通ビア内で一部の側壁に蒸着される金属配線（Ａｕ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｗ等）は、図２（ａ）に示すように斜め蒸着（抵抗加熱法、電子ビーム法、レーザ法、高周波誘導加熱法、アーク法等）で形成される。ここで基板１１の水平面に対する蒸着方向の角度をδと定義する（図２（ａ））。貫通ビア１３を基板１１の上面から見た形状は半円と直線を組み合わせた形になっており（図２（ｂ））、蒸着源から発生した蒸着金属粒子の堆積方向を、図２に示すように基板垂直方向からビアの半円部側へ斜めに傾けた方向にすることで、貫通ビアの直線部分の壁面のみに金属粒子が堆積し、貫通ビア内の一部壁面への金属配線形成が可能となる（図２（ｂ））。本実施例では配線を形成しない部分（非配線形成部）の形状を半円としているが、矩形（四角）や三角の場合でも可能である。ただし以下のような違いが生じる。

１つ目の違いはビア内の非配線形成部（非所望蒸着面）が矩形（四角）の場合と半円場合を比較した場合、矩形の場合は基板水平方向の蒸着方向にわずかにずれが生じると、配線形成部に隣接し直角に接する非配線形成部への蒸着の可能性がある。しかし矩形形状の方が金属配線の膜厚を一定にするのが容易であったり、基板下面まで蒸着可能な蒸着角度が大きく振ることが可能であったりするため蒸着速度を高くできるメリットもある。２つ目の違いはビア内の非配線形成部（非所望蒸着面）が三角形状の場合と半円場合を比較した場合、三角形状の場合は基板水平方向の蒸着方向が多少ずれても、配線形成部と非配線形成部がより小さな鋭角で接しているため、非配線形成部への蒸着は起こらない。しかしながら基板下面まで蒸着可能な角度は小さくなり、蒸着速度をあまり高くできないというデメリットがある。

図３は各種ビアの形状と配線形成部と隣接する非配線形成部の接触角をそれぞれα、β、γとした状態を示した図である。また図４は各接触角に対する基板下面まで蒸着可能なδおよびビア（ＶＩＡ）内の非配線形成部に蒸着した面積／ビア内の配線形成部に蒸着した面積をプロットした図である。上記で述べたような傾向になっていることが確認できる。

図５に今回作製したガラス配線基板のコプレーナ線路の詳細（断面形状）を示す（図１のｖ−ｖ断面線における断面図）。ガラス基板上下面の配線ともに、信号線幅：Ｌ＝１００μｍ，グランド線幅：Ｗ＝１５０μｍ，ギャップ：Ｇ＝１０μｍ，配線の厚み：ｔ＝１μｍ，配線長：Ｍ＝１０ｍｍ（基板の上下面共に）、配線の材質はＣｕであった。ガラス基板の厚みは１ｍｍであった。またＶＩＡの形状は図１で示したように半円形状でＶＩＡ内には、異物混入防止のためエポキシ樹脂を充填した。 またＶＩＡ内のコプレーナ線路のＬ，Ｗ，Ｇのパラメータは、ガラス基板１１の上下面と同一の値とした。ガラス基板上面のコプレーナ線路の端部（図２のＡ点）に高周波の信号を入力し、ガラス基板下面のコプレーナ線路の端部（図２のＢ点）からプローバを介して電気のスペクトラムアナライザを接続し、Ｓパラメータの評価を行った。図６にＶＩＡ内の配線膜厚：ｔ＝１μｍ（０．００１ｍｍ）の時のＳ２１（伝送損失）を示す。２５ＧＨｚ時に伝送損失（Ｓ２１）：−２．８ｄＢを達成している。図７にビア内金属配線膜厚（ｔ）の伝搬損失依存性を示す。０．０００３＜ｔ＜０．０２（ｍｍ）の範囲で伝送損失：２．８ｄＢを達成している。ガラス基板の上面のコプレーナ線路の単位長さあたりの伝送損失は、０．１３ｄＢ／ｍｍであったので、ＶＩＡを含めた多層配線長が２１ｍｍであることから、ＶＩＡ構造による過剰損失を導出した（図８）。０．０００３＜ｔ＜０．０２（ｍｍ）の範囲でほぼ過剰損失は発生しておらず、本実施例のＶＩＡおよび配線構造が優れた特性を有していることを確認した。図９に特性インピーダンス（Ｚ_０）の周波数依存性を示す。汎用的に使用されている５０Ωに整合した。１５５０ｎｍの光信号の光導波路の損失も０．０１ｄＢ／ｃｍ以下となり、貫通ビアおよび金属配線による過剰損失は発生しておらず優れた特性を達成しており、本発明の有効性を確認した。

図１０は、本実施例で配線膜厚を１〜２０μｍまで変化させた場合の配線基板作成時の剥離頻度を表した図である。配線膜厚ごとに１００サンプル作製して検証を行った。配線膜厚が１０μｍを越えると剥離発生確率が１０％を越えるため、配線膜厚を１０μｍ以下にするのが望ましい。

［第二の実施の形態］
図１１に、本実施形態に係るガラス配線基板の断面構造を示す。（ａ）はレジストによりテーパ構造のビアが形成された状態における断面図、（ｂ）はレジストが除去され配線が蒸着された状態における断面図、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ（ｂ）のビアの部分を拡大した段面図および上面図、（ｅ）は斜視図である。（ａ）〜（ｃ）はｃ−ｃ断面線の断面図である。

本実施形態に係るガラス配線基板は、ガラス基板２１と、基板２１内に形成された光導波路２２と、基板２１を貫通するビア２３と、基板２１の上面に蒸着された金属配線２４と、貫通ビア２３内に蒸着された金属配線２５と、基板２１の下面に蒸着された金属配線２６とを備える。本ガラス配線基板では図１と同様にグラウンド（ＧＮＤ）、信号（Ｓｉｇｎａｌ）、ＧＮＤの順に配列された３本の金属配線から構成されるコプレーナ線路構造を有する。コプレーナ線路は高周波信号の伝送に優れた特性を有する。

本実施の形態ではビア形状が断面から見た場合にテーパ構造を有することを特徴とする。テーパ構造のビアはプラズマエッチングやドリルやサンドブラスト等により形成される。これによりビア２３の側壁に形成される金属配線２５は、斜面上に形成可能となる。

基板の下側の貫通ビアの穴幅（ｅ）は配線厚＋２μｍ以下が望ましい。このような形状のビア構造にすることで、ビア側壁の金属配線２５を蒸着した時に基板の下面部分のビアを金属配線で完全に埋めることが可能となる。これによって図１１に示したように、基板の上面の右側に形成された金属配線２４と接続されたビア側壁の金属配線２５を、基板の下面側の金属配線２６とを接続するための追加の領域（たとえば、金属配線２５を基板の下面にて折り返す領域など）が不要となる。この結果、基板に蒸着された金属配線２４，２６とビアの側壁に蒸着された金属配線２５との角度(θ)が鈍角となり、基板断面方向における金属配線の急な角度変更が小さくなるため、伝搬損失の低減や反射特性の改善が可能となる。また貫通ビアの穴幅（ｅ）の微小な調整が難しい場合は、ビアの側壁の金属配線２５を蒸着後、ビア内を樹脂で充填し、基板の下面側の樹脂の上から金属配線を蒸着する方法もある。

本実施例で作製したガラス配線基板およびコプレーナ線路は、信号線幅：Ｌ＝２００μｍ，グランド線幅：Ｗ＝３００μｍ，ギャップ：Ｇ＝３０μｍ，配線の厚み：ｔ＝３μｍ，基板の上面の配線長：７ｍｍ，基板の下面の配線長：３ｍｍ，ＶＩＡ内の配線長：０．８ｍｍ、基板に蒸着された金属配線（Ａｕ）とビアの側壁に蒸着された金属配線（Ａｕ）との角度(θ)：１２０°であった。金属配線全体での伝搬損失（Ｓ２１）は１．１ｄＢ（５０ＧＨｚ）であり優れた高周波線路特性も得られた。特性インピーダンスも４９．２Ωであった。１３００ｎｍの光信号の光導波路の損失も０．０１ｄＢ／ｃｍ以下となり、貫通ビアおよび金属配線との干渉による過剰損失は発生しておらず優れた特性を達成しており、本発明の有効性を確認した。

［第三の実施の形態］
図１２に、本実施形態に係る配線基板の作製プロセスおよび基本構成を示す。本実施形態に係る配線基板は、Ｓｉ基板３０の上面もしくは下面に形成されたガラス膜３１と、ガラス膜３１内に形成された光導波路３２と、ガラス膜３１およびＳｉ基板３０を貫通するビア３３と、貫通ビア３３の側壁に堆積されたＳｉＯ_２を主成分とするガラス膜３７、基板の上面に蒸着された金属配線３４と、貫通ビア内でガラス膜３７の上から蒸着された金属配線３５と、基板の下面に蒸着された金属配線３６を備える。金属配線の材質はＡｕであった。図１２（ａ）に示すように最初にプラズマエッチング、ドリル、サンドブラスト等による貫通ビアを形成し、その後、図１２（ｂ）に示すように貫通ビア３３の側壁にChemical Vapor Deposition（ＣＶＤ）等によりガラス膜３７の堆積を行う。貫通ビア側壁のガラス膜３７は、金属配線３５とＳｉ基板３０との間に絶縁性を確保し、金属配線３７を伝搬する高周波信号の特性劣化を最小限に抑制する。しかしながら、高抵抗のＳｉ基板を使用すれば、貫通ビア３３の側壁にガラス膜３７の形成が無くても短尺であれば高周波の信号を伝搬することが可能である。その後、図１２（ｃ）貫通ビアの一部側面のみに金属配線３７の蒸着を実施する。

図１２の構造に加え、ガラス膜を成膜したＳｉ基板の各種配線の構造と伝送特性を図１３の表に示す。図１２に示した構造は、図１３の表の｛ａ｝に示す構造に相当する。

図１３の表の｛ｂ｝の構造は、ビアの側壁のガラス層が無いため、｛ａ｝に示す構造と比較し伝送損失が大きいが、高抵抗Ｓｉ基板（＞１０００Ω）を使用することで極端な損失劣化は生じていない。

図１３の表の｛ｃ｝の構造は、ＰＬＣ層がＳｉ基板の上面だけに設けられた構造である。ビアの側壁のガラス層も無いので、単位長さ当たりの伝搬損失は大幅に高い。Ｓｉ基板厚の薄いものを使用したり、Ｓｉ基板に直接接している金属配線の長さを短くしたりすることで伝搬損失の低減が可能である。

図１３の表の｛ｄ｝の構造は、図１を参照して説明したような垂直型の貫通ビアを使用した場合であり、表１中の｛ａ｝と同等の低損失を実現している。また図１３の表の｛ａ｝，｛ｂ｝，｛ｄ｝の特性インピーダンスはほぼ５０Ωであった。

図１３の表の｛ｅ｝および｛ｆ｝の構造は、比較のための構造であり、ビアの側壁全面を金属膜で覆った構造、またはビア内を金属で完全で充填した構造を示す。図１３の表の｛ｅ｝の構造は、垂直貫通型の円形のビアの側壁全面に１μｍの厚さで成膜した例を示す。ビア径（伝搬損失が最低となるように最適化）はグランドがφ１９０μｍ、シグナルが１５０μｍで伝搬損失は２．５ｄＢ以下であった。また、図１３の表の｛ｆ｝の構造は、垂直貫通型の円形ビアでビア内を金属で完全に充填している。ビア径（伝搬損失が最低となるように最適化）はグランドがφ１９０μｍ、 シグナルが１５０μｍで、伝搬損失は２．３ｄＢ以下であった。図１３の表の｛ｅ｝、｛ｆ｝、｛ｄ｝の構造は、同等の伝搬損失特性を有しており、ビアの壁面の一部にのみ、配線を成膜しない場合でも十分な特性が得られることが確認できた。

１５５０ｎｍの光信号の光導波路の損失も０．０１ｄＢ／ｃｍ以下となり、貫通ビアおよび金属配線による過剰損失は発生しておらず優れた特性を達成しており、本発明の有効性を確認した。

［第四の実施の形態］
図１４に、本実施形態に係る配線基板の基本構成を示す。本実施形態に係る配線基板は第一〜第三の実施の形態の配線基板を多層化した構成である。多層化のための各基板の接合の手法には、樹脂による接合、ウェハボンディングによる接合等がある。接合の際に問題となるのは、金属配線とガラスの熱膨張係数の差による剥離やガラス膜付Ｓｉウェハの反りによる密着性不足である。前者については数μｍ以下の薄膜の金属配線を使用することでその応力を最小限に抑えることで接合が可能となり、後者については接合する二つの基板を全面に渡って押し付け合うことで接合が可能となる。

図１４の配線基板において接合される各基板はそれぞれ、Ｓｉ基板４０の上面もしくは下面に形成されたガラス膜４１と、ガラス膜４１内に形成された光導波路４２と、ガラス膜４１およびＳｉ基板４０を貫通するビア４３と、貫通ビア４３の側壁に堆積されたＳｉＯ_２を主成分とするガラス膜４７、当該基板の上面に蒸着された金属配線４４と、貫通ビア内でガラス膜４７の上から蒸着された金属配線４５と、当該基板の下面に蒸着された金属配線４６を備える。図１４の配線基板では、上側のＳｉ基板４０の下面に蒸着された金属配線４６は、下側のＳｉ基板４０の上面に蒸着された金属配線４４となる。このような基板接合部に形成される金属配線４６（４４）は、上側のＳｉ基板４０の下面のガラス膜４１（ＰＬＣ層）または下側のＳｉ基板４０の上面のガラス膜４１（ＰＬＣ層）に溝を形成し、そこに蒸着することで、埋め込み形の金属配線とすることで、基板接合部の段差をなくすことができる。

図１５の｛ａ｝に示す構造は、図１３の表の｛ａ｝の配線基板を２枚重ねた構造である。図１５の｛ａ｝に示すようにコプレーナのディメンジョンを一部変更している。ウェハの結合にはウェハボンディングを使用した。下層側基板上面の配線は、ウェハボンディング時の障害とならないようにするため、ＰＬＣ側に配線形状に合わせて深さ１μｍ程度の溝を形成し、そこに蒸着等により金属配線（Ａｕ）を形成し（金属配線の埋め込み構造とし）、金属配線によりガラス膜層の接合部に段差が発生しないようにした。配線長は合計１８．１ｍｍ（各面の配線長の合計＋ビア内配線長の合計、ここで各ビア内の配線長は(１ｍｍ／ｃｏｓ（１４０°−９０°））、伝搬損失は２．０ｄＢであり、優れた特性を達成した。特性インピーダンスはほぼ５０Ωであった。１５５０ｎｍの光信号の光導波路の損失も０．０１ｄＢ／ｃｍ以下となり、貫通ビアおよび金属配線による過剰損失は発生しておらず優れた特性を達成しており、本発明の有効性を確認した。

図１５の表の｛ｂ｝の構造は、図１のガラス配線基板を４枚重ねた構造である。図１５の表の｛ａ｝と同様、２つ基板間に挟まれる金属配線は埋め込み構造になっている。また異なる基板に設置される金属配線間でクロストークの発生を抑制するため、図１５の表の｛ｂ｝に示すように基板と基板の間にグランド層（埋め込み構造）を設置した。また基板間のグランド層はコプレーナ線路（ＣＰＷ）のグランド線路（ＧＮＤ）と円形の貫通埋め込みビアを介して接合され、コプレーナ線路のグランドを大幅に強化している（通常グランテッドコプレーナ線路と呼ばれる）。さらに光導波路についても基板間の接続を実現するため跳ね上げミラーおよびレンズを設置した。２つの基板の接合面で跳ね上げミラーの形成位置にドライエッチング等により凹面を形成し、ＣＶＤ等で高屈折ガラス材料を堆積し、さらに研磨を行い、平滑なガラス配線を作製すると同時に、レンズも形成した。配線長は合計１７．４ｍｍ（各面の配線長の合計＋ビア内配線長の合計）、伝搬損失は２．０ｄＢであり、優れた特性を達成した。特性インピーダンスはほぼ５０Ωであった。１５５０ｎｍの光信号の光導波路の損失も０．０１ｄＢ／ｃｍ以下、跳ね上げミラーによる結合損失も０．３ｄＢ以下と貫通ビアおよび金属配線との干渉による過剰損失は発生しておらず優れた特性を達成しており、本発明の有効性を確認した。

図１５の表の｛ｃ｝の構造は、図１５の表の｛ｃ｝の構造においてコプレーナ線路をマイクロストリップ線路に変更した場合の断面構造である。各ガラス膜（ＰＬＣ層）上面または下面およびビアの側壁における金属配線は信号（Ｓｉｇｎａｌ）配線でありであり、Ｇｒａｎｄ配線は無い。配線長は合計１６．２ｍｍ（各面の配線長の合計＋ビア内配線長の合計）、伝搬損失は２．５ｄＢであり、優れた特性を達成した。特性インピーダンスはほぼ５０Ωであり、本発明の有効性を実証した。

図１５の表の｛ｄ｝の構造は、図１５の表の｛ｂ｝の構造においてフォトダイオード（ＰＤ）およびトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）を設置した受信フロントエンドモジュールの構造である。光導波路に波長１５５０ｎｍの２５ＧＨｚの信号光(入力パワー−５ｄＢｍ)を入力し、ビットエラーフリーの伝送特性を確認した。

図１６（ａ）のように円形の貫通ビアで縁に沿ったビアもあるが、金属とガラスの熱膨張係数の差による応力は円形ビアの接線方向に加え、接線に対して鉛直方向にも応力が発生する(接線の交点を「Ｘ」とする)。一方、図１６（ｂ）に示す本発明のビアはビア側壁の一部のみしか金属配線を蒸着しないため蒸着面水平方向のみしか応力が発生しない。したがって本発明のビアの方が金属配線とガラスの間で剥離し難く信頼性が高い。またビア内を金属で完全に充填するビアについては内縁部のみビアと比較し、さらに大きな応力が発生することは言うまでもない。図１７に図１３の｛ｄ｝，｛ｅ｝、｛ｆ｝の配線基板について−４０〜８５℃のヒートサイクルを100回掛けた際の剥離頻度のヒストグラムを示す。図１３の｛ｄ｝の構成のビアにおける金属配線の剥離発生の頻度は０であり、本発明の有効性を確認した。

[第五の実施の形態]
図１８（ａ）および（ｂ）に、本実施形態に係る配線基板の構成をそれぞれ示す。本実施形態に係る配線基板はガラス基板もしくは、ガラス膜を堆積した半導体基板において、ガラス部分を貫通したビアを有する構成である。該ビアは直上に設置された電子部品に対して電気的な安定性や高い放熱性を得るため、グランドビアもしくは放熱ビアとして機能する。

図１８（ａ）に示す配線基板は、Ｓｉ基板５０の上下面に厚膜のＳｉＯ_２膜（ガラス膜、ＰＬＣ層）５１を堆積した構造である。ガラス膜５１内には光導波路５２が形成されている。図１８（ａ）の配線基板は、ガラス膜５１およびＳｉ基板５０を貫通するビア５３と、貫通ビア５３の側壁に堆積されたＳｉＯ_２を主成分とするガラス膜５７、基板の上面に蒸着された金属配線５４と、貫通ビア内でガラス膜３７の上から蒸着された金属配線５５と、基板の下面に蒸着された金属配線５６を備える。また、Ｓｉ基板５０の上面のＳｉＯ_２膜５１には、Ｓｉ基板５０に達する貫通ビア５８，５９が形成されている。貫通ビア５８は放熱ビアとして、貫通ビア５９はグランドビアとしてのビアである。貫通ビア５８，５９の上部にはアクティブ素子６０が設けられている。アクティブ素子６０で発生した電荷および熱はグランドビア５９および放熱ビア５８を介してそれぞれＳｉ基板５０へ放出される。放熱ビア５８の充填方法は、金メッキや銅メッキプロセスに加え、熱伝導性の高い銀ペースト等でも可能である。銀ペーストを使用する場合、メッキプロセスと比較し放熱性が若干低くなる傾向はあるが、ビアの充填とアクティブ素子６０の固定を１種の銀ペーストで同時に行うことができるため、製造性を大きく向上させることが可能である。またグランドビア５９と放熱ビア５８の適用ついては、ビアの充填材料が高い電気伝導性と高い熱伝導性を有していれば、２種類のビアの効果を１つのビアで兼ねることも可能である。

図１８（ｂ）は、石英ガラス基板７１を使用した場合の配線基板の段面図であり、金属基板７０上に石英ガラス基板７１を設置し、アクティブ素子６０で発生した電荷および熱はグランドビア５９および放熱ビア５８を介してそれぞれ金属基板７１を介して放出する構造により、放熱と電気的な緩和（電位が安定する）を実現している。

図１９に、放熱ビア５８に関して光受信機での具体例を示す。図１９（ａ）は、光受信機の構成図を示す。石英ガラス層（ＰＬＣ）５１の上に受信した光を光電変換して電流値へ変換する機能を有するフォトダイオード（ＰＤ）とＰＤで発生した電流を電圧に変換する機能を有しアクティブ素子６０であるトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）を備える。図１９（ｂ）の断面図および（ｃ）の上面図のように光導波路５２のコアと放熱ビア５８が交互に並ぶ構造になっている。放熱ビア５８内には高熱伝導の銀ペースト（石英ガラスの１００倍程度の熱伝導度）が充填されている。光導波路間のピッチは１２０μｍ，コアサイズは４．５μｍ×４．５μｍ，比屈折率差は１．５％で光導波路５２の本数は１５本である。ＴＩＡの消費電力は０．９Ｗ，シリコン基板５０の厚さは１ｍｍ，ビアの長さは１．１ｍｍ，放熱ビア５８の本数は１６本であった。

図２０に示すように光導波路５２を伝搬する光は、コアのサイズより若干広がった状態で伝搬するため、放熱ビア５８と光導波路５２が接近しすぎると伝搬損失に影響する可能性がある（光導波路を伝搬する光のフィールドが放熱ビアに至ると伝搬損失に影響する可能性がある）。ＴＩＡ６０はアクティブ素子であり大きく発熱するためできるだけ放熱ビア５８の面積を大きくして放熱性を向上させることが望ましいが、伝搬損失への影響も考慮しなければならないため、放熱性と伝搬損失の両方を考慮したビア面積の範囲に設定する必要がある。

ここで、コアとビアとの距離をＤ，ＴＩＡを動作させる前の温度に対して動作後に上昇した温度をΔＴと定義する。図２１に、伝送損失とΔＴのＤ依存性を示す。伝送損失は、Ｄが１０μｍ以上の範囲でほぼ０ｄＢとなっている。一方ΔＴは、Ｄが４５μｍ以下の範囲で１０℃以下（ＴＩＡが安定して動作可能な温度）となっている。従って、コアとビアとの距離Ｄは、１０μｍ以上、４５μｍ以下の範囲とするのが望ましい。

次に、図２２に、ＳｉＯ_２層５１の厚さｔｓ（図２０を参照)を変化させた場合におけるＴＩＡを動作させる前の温度に対して動作後に上昇した温度をΔＴ（放熱ビア５８が有る場合と無いの場合）示す。なお、図２２に示す例は、Ｄ＝２３μｍの場合の結果である。ｔｓが７μｍ未満の範囲で放熱ビアの有無にかかわらず線形的にΔＴが上昇している、しかし、ｔｓが７μｍ以上の範囲で放熱ビアが有る場合の効果が明確に現れ、放熱ビアが無い場合と比較して大幅な温度上昇の抑圧に成功した。光導波路を有する石英ガラス層５１の厚みは少なくとも２０μｍ以上あるので、本実施形態で説明した放熱ビアの有効性は明らかである。石英ガラス層１５を挟んだ基板としてＳＯＩ基板が良く知られているが、ｔｓ＝１μｍ程度であるので、放熱性への要求条件は大きく異なる。

１１ ガラス基板
１２ 光導波路
１３ 貫通ビア
１４，１５，１６ 金属配線
２１ ガラス基板
２２ 光導波路
２３ 貫通ビア
２４，２５，２６ 金属配線
３０ Ｓｉ基板
３１，３７ ガラス膜
３２ 光導波路
３３ 貫通ビア
３４，３５，３６ 金属配線
４０ Ｓｉ基板
４１，４７ ガラス膜
４２ 光導波路
４３ 貫通ビア
４４，４５，４６ 金属配線
５０ Ｓｉ基板
５１，５７ ガラス膜
５２ 光導波路
５３ 貫通ビア
５４，５５，５６ 金属配線
５８ 放熱ビア
５９ クランドビア
６０ アクティブ素子
６１ 金属ワイヤ
７０ 金属基板
７１ ガラス基板

Claims (8)

1. ＳｉＯ₂ガラスを主要組成とするガラス基板と、
   前記ガラス基板内に形成された、該ガラス基板より高屈折率のガラス材料のコアの光導波路と、
   前記ガラス基板の上面に成膜された金属配線と、
   前記ガラス基板の下面に成膜された金属配線と、
   を備えた配線基板であって、
   前記ガラス基板の上面から下面までを貫通した、前記配線基板の上面から見た形状が直線と半円とを組み合わせた形状である貫通穴と、
   前記上面に成膜された金属配線と前記下面に成膜された金属配線とを繋ぐ前記貫通穴内の金属配線と
   をさらに備えたことを特徴とする配線基板。
2. 半導体基板上に成膜されたＳｉＯ₂ガラスを主要組成とするガラス膜と、
   前記ガラス膜内に形成された、該ガラス膜より高屈折率のガラス材料のコアの光導波路と、
   前記ガラス膜および半導体基板の少なくとも一方の表面に成膜された金属配線と
   を備えた配線基板であって、
   前記半導体基板の上面から下面までを貫通した、前記配線基板の上面から見た形状が直線と半円とを組み合わせた形状である貫通穴と、
   前記半導体基板の上面と下面の金属配線を繋ぐ前記貫通穴内の金属配線と
   をさらに備えたことを特徴とする配線基板。
3. 前記貫通穴内の金属配線が前記貫通穴の壁面の一部のみに成膜されていることを特徴とする請求項１または２記載の配線基板。
4. 前記貫通穴の側壁が前記配線基板の水平面に対し垂直では無く、前記貫通穴の側壁の前記金属配線と前記配線基板の上面の金属配線および前記配線基板の下面の金属配線とが９０度より大きい角度を有して接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の配線基板。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の配線基板を多層接合したことを特徴とする配線基板。
6. 多層接続された前記配線基板の光導波路間を繋ぐ光結合部を備えたことを特徴とする請求項５に記載の配線基板。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の配線基板の上面および下面および内部に電子部品を有し、前記電子部品が前記光導波路および前記金属配線と接続されていることを特徴とする光電子融合デバイス。
8. 請求項７に記載の光電子融合デバイスにおいて、前記電子部品の直下もしくは周辺部に前記光導波路が形成された層を貫通する放熱ビアおよびグランドビアの少なくとも一方を備えたことを特徴とする光電子融合デバイス。

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