JP7101454B2

JP7101454B2 - 光電気混載基板

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Publication number: JP7101454B2
Application number: JP2016254717A
Authority: JP
Inventors: 直幸田中; 康人石丸; 雄一辻田
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: JP2018106095A; CN110114707B; KR20190097076A; CN110114707A; TW201825937A; US20190324200A1; WO2018123389A1; US10996395B2; TWI781967B

Description

本発明は、電気回路基板と、この電気回路基板に積層形成された光導波路と備えた光電気混載基板に関するものである。

最近の電子機器等では、伝送情報量の増加に伴い、電気配線に加えて、光配線が併用されている。そのようなものとして、電気回路基板に光導波路が積層形成された光電気混載基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。上記電気回路基板は、絶縁性基板と、この絶縁性基板の裏面に形成された電気配線とを備えている。また、上記光導波路は、上記絶縁性基板の表面に形成されており、その絶縁性基板の表面に形成されたアンダークラッド層と、このアンダークラッド層の表面にパターン形成されたコア（光配線）と、このコアを被覆した状態で上記アンダークラッド層の表面に形成されたオーバークラッド層とを備えている。

上記光電気混載基板の電気配線部分には、発光素子および受光素子が超音波実装により実装される。そして、その発光素子から発光された光が、上記光導波路のコアを経て、上記受光素子で受光されることにより、光伝播がなされる。

特開２０１２－１３３２４１号公報

しかしながら、上記光電気混載基板は、場合によって、光導波路を内側にして反ることがある。その原因を本発明者らが追究した結果、その原因は、上記光電気混載基板の作製において光導波路のオーバークラッド層を形成したとき、そのオーバークラッド層が硬化収縮することにあることがわかった。オーバークラッド層は、コアを被覆する必要性から、体積が大きく、特に複数のコアをまとめて被覆する場合は、体積がより大きくなり、硬化収縮する量も多くなる。このように光電気混載基板が反った状態で、発光素子等を超音波実装により実装すると、その発光素子等を光電気混載基板に適正に押圧することができず、しかも、超音波振動が適正に伝達されないため、上記発光素子等が適正に実装されない。その結果、後に、上記発光素子等が光電気混載基板から脱落することがある。また、反った光電気混載基板を強制的に押さえて平坦にした状態で、上記発光素子等を超音波実装により実装したとしても、上記押さえを解除した際に、上記光電気混載基板が再度反り、そのときに、上記発光素子等が光電気混載基板から脱落することがある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、反りが無いか小さい光電気混載基板の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光電気混載基板は、電気回路基板と、上記電気回路基板の片面に積層形成された光導波路とを備え、その光導波路が、光路用のコアと、そのコアを被覆するオーバークラッド層とを有する光電気混載基板であって、上記オーバークラッド層の少なくとも表面部分に、上記コアの頂面よりも低い位置にその溝底を有する溝が形成されているという構成をとる。

本発明の光電気混載基板は、電気回路基板に光導波路が積層形成されており、その光導波路のオーバークラッド層の少なくとも表面部分に、上記コアの頂面よりも低い位置（コアの頂面に対してオーバークラッド層の表面と反対側の位置）にその溝底を有する溝が形成されている。そのため、上記オーバークラッド層を形成したとき、上記溝の形成により、その溝の分だけ、オーバークラッド層の体積が少なくなる。すなわち、硬化収縮するオーバークラッド層の体積が少ないことから、オーバークラッド層が硬化する際の収縮量も少ない。また、上記溝の形成により、オーバークラッド層の少なくとも表面部分が分断された状態になっている。それにより、オーバークラッド層の表面部分の硬化収縮が、分断された部分毎に起こり、その分断された部分では、硬化収縮するオーバークラッド層の体積が少なくなることから、収縮量が少なくなる。これらのことから、上記電気回路基板と上記光導波路とが積層された、本発明の光電気混載基板は、反りが無いか小さくなる。そのため、本発明の光電気混載基板は、発光素子や受光素子等の光素子を超音波実装等により実装する際の実装性に優れている。その結果、実装された光素子が後に脱落しないようになる。

また、上記溝の延びている方向が、上記コアの延びている方向に沿っている場合には、上記溝の長さが長いほど、オーバークラッド層の体積が少なくなることから、上記オーバークラッド層の収縮量がより少なくなる。これにより、本発明の光電気混載基板は、反りが無いかより小さくなっている。そのため、本発明の光電気混載基板は、光素子の実装性により優れている。

特に、上記光導波路が、上記電気回路基板の片面に形成されたアンダークラッド層を有し、そのアンダークラッド層の表面に上記コアおよび上記オーバークラッド層が形成されており、上記アンダークラッド層の側端部が上記オーバークラッド層で被覆されずに露呈している場合には、上記アンダークラッド層の側端部を被覆しない分だけ、オーバークラッド層の体積が少なくなっていることから、収縮量が少なくなる。これにより、本発明の光電気混載基板は、反りが無いかより小さくなっている。そのため、本発明の光電気混載基板は、光素子の実装性により優れている。

そして、上記光電気混載基板の反りの曲率半径が３５ｍｍ以上である場合には、その反りが無いか非常に小さくなっているため、本発明の光電気混載基板は、光素子の実装性がさらに向上したものとなっている。

本発明の光電気混載基板の第１の実施の形態を模式的に示す横断面図である。（ａ）～（ｃ）は、上記光電気混載基板の電気回路基板の形成工程を模式的に示す説明図であり、（ｄ）は、上記光電気混載基板の金属層の形成工程を模式的に示す説明図である。（ａ）～（ｃ）は、上記光電気混載基板の光導波路の形成工程を模式的に示す説明図である。本発明の光電気混載基板の第２の実施の形態を模式的に示す横断面図である。本発明の光電気混載基板の第３の実施の形態を模式的に示す横断面図である。本発明の光電気混載基板の第４の実施の形態を模式的に示す横断面図である。本発明の光電気混載基板の第５の実施の形態を模式的に示す横断面図である。（ａ）～（ｄ）は、上記実施の形態の変形例を模式的に示す横断面図である。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１は、本発明の光電気混載基板の第１の実施の形態を示す横断面図（コアの長手方向と直交する断面図）である。この実施の形態の光電気混載基板は、図１に示すように、電気回路基板Ｅと、この電気回路基板Ｅの片面（図１では上面）に積層形成された光導波路Ｗとを備えている。また、この実施の形態では、上記電気回路基板Ｅと上記光導波路Ｗとの間に、補強用の金属層Ｍが部分的に配置されている。そして、上記光導波路Ｗのオーバークラッド層５に、上記光導波路Ｗのコア４の長手方向に沿って、反り防止用の溝Ｇが形成されている。このように、オーバークラッド層５に反り防止用の溝Ｇを形成したことが本発明の特徴である。この実施の形態では、上記溝Ｇは、上記光導波路のアンダークラッド層３の表面を溝底としている。

より詳しく説明すると、上記電気回路基板Ｅは、絶縁層１と、この絶縁層１の裏面に形成された電気配線２と、この電気配線２を被覆するカバーレイ２ａとを備えている。ここで、上記絶縁層１は、上記金属層Ｍの裏面に形成されている。

上記光導波路Ｗは、この実施の形態では、１層のアンダークラッド層３と、このアンダークラッド層３の表面にパターン形成された複数（図１では４本）の光路用のコア４と、それら複数のコア４を分けて（図１では２本ずつに分けて）被覆するようパターン形成された複数（図１では２本）のオーバークラッド層５とを備えている。すなわち、隣り合うオーバークラッド層５とオーバークラッド層５との間は、上記アンダークラッド層３の表面を溝底とする溝Ｇとなっており、その溝Ｇにより、オーバークラッド層５が分断された状態になっている（図１では左右一対のオーバークラッド層５がコア４の長手方向に沿って形成されている）。ここで、上記アンダークラッド層３は、上記金属層Ｍの表面に形成されている。そして、上記電気回路基板Ｅと上記光導波路Ｗとの間のうち金属層Ｍが配置されていない部分は、上記アンダークラッド層３で埋められている。

つぎに、上記光電気混載基板の製法について説明する。

〔光電気混載基板の電気回路基板Ｅの形成〕
まず、上記金属層Ｍを形成するための金属シート材Ｍａ〔図２（ａ）参照〕を準備する。この金属シート材Ｍａの形成材料としては、例えば、ステンレス，４２アロイ等があげられ、なかでも、寸法精度等の観点から、ステンレスが好ましい。上記金属シート材Ｍａ（金属層Ｍ）の厚みは、例えば、１０～１００μｍの範囲内に設定される。

ついで、図２（ａ）に示すように、上記金属シート材Ｍａの裏面に、感光性絶縁樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、所定パターンの絶縁層１を形成する。この絶縁層１の形成材料としては、例えば、ポリイミド，ポリエーテルニトリル，ポリエーテルスルホン，ポリエチレンテレフタレート，ポリエチレンナフタレート，ポリ塩化ビニル等の合成樹脂、シリコーン系ゾルゲル材料等があげられる。上記絶縁層１の厚みは、例えば、１０～１００μｍの範囲内に設定される。なお、この絶縁層１の形成工程およびつぎの電気配線２の形成工程では、上記金属シート材Ｍａの裏面は上に向けられる。

つぎに、図２（ｂ）に示すように、上記電気配線２を、例えば、セミアディティブ法，サブトラクティブ法等により形成する。

ついで、図２（ｃ）に示すように、上記電気配線２の部分に、ポリイミド樹脂等からなる感光性絶縁樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、カバーレイ２ａを形成する。このようにして、上記金属シート材Ｍａの裏面に、電気回路基板Ｅを形成する。

〔光電気混載基板の金属層Ｍの形成〕
その後、図２（ｄ）に示すように、上記金属シート材Ｍａにエッチング等を施すことにより、その金属シート材Ｍａの不要部分を除去して形を整え、上記金属シート材Ｍａを金属層Ｍに形成する。

〔光電気混載基板の光導波路Ｗの形成〕
そして、上記金属層Ｍの表面（上記電気回路基板Ｅと反対側の面）に光導波路Ｗ（図１参照）を形成するために、まず、図３（ａ）に示すように、上記金属層Ｍの表面（図では上面）に、アンダークラッド層３の形成材料である感光性樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、その塗布層を１層のアンダークラッド層３に形成する。このアンダークラッド層３の厚み（金属層Ｍの表面からの厚み）は、例えば、５～８０μｍの範囲内に設定される。

ついで、図３（ｂ）に示すように、上記アンダークラッド層３の表面に、コア４の形成材料である感光性樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、その塗布層を複数のコア４にパターン形成する。コア４の寸法は、例えば、幅が２０～１００μｍの範囲内に設定され、厚みが２０～１００μｍの範囲内に設定される。また、コア４の屈折率は、上記アンダークラッド層３および下記オーバークラッド層５〔図３（ｃ）参照〕の屈折率よりも大きくなっている。

そして、図３（ｃ）に示すように、上記コア４を被覆するよう、上記アンダークラッド層３の表面（図では上面）に、オーバークラッド層５の形成材料である感光性樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、その塗布層を複数のオーバークラッド層５にパターン形成する。このパターン形成では、隣り合うオーバークラッド層５とオーバークラッド層５との間に、上記アンダークラッド層３の表面を溝底とする溝Ｇを、コア４の長手方向に沿って形成する。このオーバークラッド層５の厚み（コア４の頂面からの厚み）は、例えば、３～５０μｍの範囲内に設定される。上記溝Ｇの幅は、例えば、１０～３００００μｍの範囲内に設定される。上記オーバークラッド層５の形成材料としては、例えば、上記アンダークラッド層３と同様の感光性樹脂があげられる。このようにして、上記金属層Ｍの表面に、光導波路Ｗを形成する。

そして、図１に示す光電気混載基板を得る。この光電気混載基板は、オーバークラッド層５に上記溝Ｇが形成されることにより、その溝Ｇの分だけ、オーバークラッド層５の体積が少なくなる。すなわち、硬化収縮するオーバークラッド層５の体積が少ないことから、オーバークラッド層５が硬化する際の収縮量も少ない。また、上記溝Ｇの形成により、オーバークラッド層５の少なくとも表面部分が分断される。それにより、オーバークラッド層５の表面部分の硬化収縮が、分断された部分毎に起こり、その分断された部分では、硬化収縮するオーバークラッド層５の体積が少なくなることから、収縮量が少なくなる。これらのことから、上記電気回路基板Ｅと上記光導波路Ｗとが積層された光電気混載基板は、反りが無いか小さくなっている。特に、この実施の形態では、光電気混載基板の幅方向（図１の横方向）の反りが無いか小さくなっている。すなわち、上記溝Ｇは、光電気混載基板の反り防止用となっている。そして、上記のように光電気混載基板の反りが無いか小さくなっているため、上記光電気混載基板は、後の素子実装工程において、発光素子や受光素子等の光素子を超音波実装等により実装する際の実装性に優れている。その結果、その実装された光素子が後に脱落することがない。

図４は、本発明の光電気混載基板の第２の実施の形態を示す横断面図である。この実施の形態の光電気混載基板は、図１に示す第１の実施の形態において、アンダークラッド層３の表面の側端部３ａ（図４では表面の右側端部）が上記オーバークラッド層５で被覆されずに露呈したものとなっている。それ以外の部分は上記第１の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。

この第２の実施の形態の光電気混載基板では、上記アンダークラッド層３の側端部を被覆しない分だけ、オーバークラッド層５の体積が少なくなっていることから、収縮量が少なくなる。そのため、本発明の光電気混載基板は、反りが無いかより小さくなっている。

図５は、本発明の光電気混載基板の第３の実施の形態を示す横断面図である。この実施の形態の光電気混載基板は、図１に示す第１の実施の形態において、コア４を１本ずつ、１本のオーバークラッド層５で被覆したものとなっている。これにより、隣り合うコア４とコア４との間には全て溝Ｇが形成された状態となっている。それ以外の部分は上記第１の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。

この第３の実施の形態の光電気混載基板では、オーバークラッド層５を分断する溝Ｇの本数が増えることから、その分だけ、オーバークラッド層５の体積がより少なくなり、収縮量がより少なくなる。そのため、上記光電気混載基板は、反りが無いかより一層小さくなっている。

図６は、本発明の光電気混載基板の第４の実施の形態を示す横断面図である。この実施の形態の光電気混載基板は、図５に示す第３の実施の形態において、アンダークラッド層３を複数（図６では４本）にパターン形成し、各アンダークラッド層３にコア４およびオーバークラッド層５をそれぞれ１本ずつ形成したものとなっている。それ以外の部分は上記第３の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。

この第４の実施の形態の光電気混載基板では、アンダークラッド層３も分断されることから、その分だけ、アンダークラッド層３の体積が少なくなる。それにより、オーバークラッド層５の収縮量が少なくなることに加えて、アンダークラッド層３の収縮量も少なくなる。そのため、上記光電気混載基板は、反りが無いかさらに小さくなっている。

図７は、本発明の光電気混載基板の第５の実施の形態を示す横断面図である。この実施の形態の光電気混載基板は、図６に示す第４の実施の形態において、一部（図７では中央部の２本）のアンダークラッド層３にオーバークラッド層５を形成していないものとなっている。それ以外の部分は上記第４の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。

この第５の実施の形態の光電気混載基板では、一部のオーバークラッド層５を形成しないことから、その分だけ、オーバークラッド層５の体積がさらに少なくなり、収縮量がさらに少なくなる。そのため、上記光電気混載基板は、反りが無いかさらに小さくなっている。

なお、上記各実施の形態において、上記溝Ｇは、オーバークラッド層５の全長にわたって形成してもよいし、オーバークラッド層５の長さ方向に部分的に形成してもよい。そして、上記各実施の形態では、上記溝Ｇを、コア４とコア４との間に形成したが、コア４とオーバークラッド層５の側端面との間に形成してもよい。

また、上記各実施の形態では、上記溝Ｇを、アンダークラッド層３の表面を溝底とするように形成したが、溝底がコア４の頂面よりも低い位置にあれば、オーバークラッド層５の表面部分のみ（オーバークラッド層５の厚み方向の途中まで）に形成してもよい。この場合でも、オーバークラッド層５の表面部分が分断された状態になることにより、オーバークラッド層５の表面部分の硬化収縮が、分断された部分毎に起こる。そして、その分断された部分では、硬化収縮するオーバークラッド層５の体積が少なくなることから、収縮量が少なくなる。そのため、上記光電気混載基板は、反りが無いか小さくなる。

また、上記各実施の形態では、上記溝Ｇを、コア４の長手方向に沿って形成したが、コア４の長手方向に直角ないし傾斜した状態で形成してもよい。また、オーバークラッド層５の表面部分に複数の点状の穴部を形成し、それら穴部のいくつかを連ねてなる列を、上記溝Ｇとしてもよい。

さらに、上記各実施の形態を説明する図１，図４～図７では、隣り合うコア４とコア４との間に形成された溝Ｇを、それらコア４の間の中央に配置した状態に図示したが、その溝Ｇは、隣り合うコア４とコア４との間に偏心した状態で形成されてもよい。

さらに、上記第１，第３～第５の実施の形態を説明する図１，図５～図７では、オーバークラッド層５の配置を、コア４の配置に対し、均等に図示したが、そのオーバークラッド層５の配置は、均等でなくてもよい。例えば、コア４の一方の側面を被覆するオーバークラッド層５の部分を幅方向（図では横方向）に長く形成してもよい。その場合、オーバークラッド層５の側端部が電気回路基板Ｅの絶縁層１の側端縁からはみ出してもよい。

そして、上記各実施の形態では、アンダークラッド層３の側面を、オーバークラッド層５で被覆していないが、オーバークラッド層５で被覆してもよい。

また、上記各実施の形態では、コア４を被覆するオーバークラッド層５が形成されているが、場合によって、アンダークラッド層３もコア４も形成されていない部分にオーバークラッド層５が形成されたり、コア４が形成されていないアンダークラッド層３にオーバークラッド層５が形成されたりすることがある。そのような場合にも、上記各実施の形態と同様にして、図８（ａ）～（ｄ）に示すように、オーバークラッド層５に溝Ｇを形成することが好ましい。なお、図８（ａ）～（ｄ）では、アンダークラッド層３が形成されている場合を図示している。

さらに、上記各実施の形態では、金属層Ｍを光電気混載基板の一部分に配置したが、金属層Ｍを配置しないものであってもよい。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。但し、本発明は、実施例に限定されるものではない。

〔アンダークラッド層およびオーバークラッド層の形成材料〕
成分ａ：エポキシ樹脂（三菱化学社製、ＪＥＲ１００２）６０重量部。
成分ｂ：エポキシ樹脂（ダイセル社製、ＥＨＰＥ３１５０）３０重量部。
成分ｃ：エポキシ樹脂（ＤＩＣ社製、ＥＸＡ－４８１６）１０重量部。
成分ｄ：光酸発生剤（サンアプロ社製、ＣＰＩ－１０１Ａ）０．５重量部。
成分ｅ：酸化防止剤（共同薬品社製、Ｓｏｎｇｎｏｘ１０１０）０．５重量部。
成分ｆ：酸化防止剤（三光社製、ＨＣＡ）０．５重量部。
成分ｇ：乳酸エチル（溶剤）５０重量部。
これら成分ａ～ｇを混合することにより、アンダークラッド層およびオーバークラッド層の形成材料を調製した。

〔コアの形成材料〕
成分ｈ：エポキシ樹脂（新日鐵化学社製、ＹＤＣＮ－７００－３）５０重量部。
成分ｉ：エポキシ樹脂（三菱化学社製、ＪＥＲ１００２）３０重量部。
成分ｊ：エポキシ樹脂（大阪ガスケミカル社製、オグソールＰＧ－１００）２０重量部。
成分ｋ：光酸発生剤（サンアプロ社製、ＣＰＩ－１０１Ａ）０．５重量部。
成分ｌ：酸化防止剤（共同薬品社製、Ｓｏｎｇｎｏｘ１０１０）０．５重量部。
成分ｍ：酸化防止剤（三光社製、ＨＣＡ）０．１２５重量部。
成分ｎ：乳酸エチル（溶剤）５０重量部。
これら成分ｈ～ｎを混合することにより、コアの形成材料を調製した。

〔実施例１〕
上記形成材料を用いて、図１に示す光電気混載基板を作製した。この光電気混載基板の全幅を３ｍｍ、全長を４２．５ｍｍとした。金属層は、厚み２０μｍのステンレス層とし、光電気混載基板の全体にわたって配置した。また、電気回路基板の絶縁層の厚みを１０μｍ、電気配線の厚みを２０μｍとした。さらに、光導波路のアンダークラッド層の厚みを２０μｍ、各コアの寸法を厚み４０μｍ×幅４０μｍ、各オーバークラッド層の寸法は、厚み（コアの頂面からの厚み）を３０μｍ、幅を１２５１．５μｍとした。そして、溝は、幅５００μｍとし、オーバークラッド層の全長にわたって形成した。

〔実施例２〕
上記形成材料を用いて、図５に示す光電気混載基板を作製した。各オーバークラッド層の幅を１６０μｍとした。それ以外の部分は、上記実施例１と同様とした。

〔実施例３〕
上記形成材料を用いて、図６に示す光電気混載基板を作製した。各アンダークラッド層の幅を１４０μｍとした。それ以外の部分は、上記実施例２と同様とした。

〔実施例４〕
上記形成材料を用いて、図７に示す光電気混載基板を作製した。構成の寸法は、上記実施例３と同様とした。

〔比較例〕
上記実施例１において、オーバークラッド層に溝が形成されていないものとした。それ以外の部分は、上記実施例１と同様とした。

〔反りの曲率半径〕
上記実施例１～４および比較例の光電気混載基板の反りの曲率半径を、レーザ顕微鏡（キーエンス社製、ＶＫ－Ｘ２００）を用いて測定した。その結果を下記の表１に示した。

上記表１の結果から、実施例１～４は、比較例よりも、反りの曲率半径が大きいことから、反りが小さいことがわかる。

また、上記実施例１～４において、上記溝を、オーバークラッド層の長さ方向に部分的に形成した光電気混載基板についても、上記実施例１～４と同様の傾向を示す結果が得られた。

さらに、上記実施例１～４において、上記溝を、オーバークラッド層の表面部分のみに形成した光電気混載基板についても、上記実施例１～４と同様の傾向を示す結果が得られた。

また、上記実施例１～４において、金属層を配置しない光電気混載基板についても、上記実施例１～４と同様の傾向を示す結果が得られた。

本発明の光電気混載基板は、それ自体の反りを無くすか小さくする場合に利用可能である。

Ｅ電気回路基板
Ｇ溝
Ｗ光導波路
３アンダークラッド層
４コア
５オーバークラッド層

Claims

厚み１０～１００μｍの絶縁層を基板とし光素子が実装される電気回路基板と、上記電気回路基板の絶縁層の片面に積層形成された光導波路とを備え、その光導波路が、上記絶縁層の片面に形成されたアンダークラッド層と、そのアンダークラッド層の表面に複数並んだ状態で設けられる光路用のコアと、その複数のコアを被覆するオーバークラッド層とを有する光電気混載基板であって、上記オーバークラッド層の、上記コアとコアの間の表面部分のうち、少なくともその一部に、上記アンダークラッド層の表面にその溝底を有する溝が形成されているとともに、上記アンダークラッド層の、上記コアの延びる方向に沿う側端部における表面部分が、上記オーバークラッド層で被覆されずに露呈しており、上記溝は、どの部分においても、この溝の両側にあるコアとコアの間に挟まれた配置で、上記コアの延びる方向に沿って延びており、かつ、上記溝の溝幅が、溝の深さ方向においてどの部分においても同一であることを特徴とする光電気混載基板。
上記光電気混載基板の反りの曲率半径が３５ｍｍ以上である請求項１記載の光電気混載基板。