JP7337167B2 - 光回路基板およびそれを用いた電子部品実装構造体 - Google Patents

Description

本発明は、光回路基板およびそれを用いた電子部品実装構造体に関する。

近年、大容量のデータを高速で通信可能な光通信網が拡大しており、このような光通信網を利用した種々の光通信機器が存在する。このような機器としては、例えば特許文献１に記載されるように、シリコンフォトニクス技術が採用された機器が挙げられる。

特許第６２９０７４２号公報

本開示に係る光回路基板は、配線基板と、配線基板の表面に位置している光導波路とを含む。光導波路は、配線基板側から順に位置する下部クラッド層、コアおよび上部クラッド層を有している。下部クラッド層が、平面視した場合に、開口部を有する第１領域と、第１領域に隣接するとともにコアおよび上部クラッド層が順に位置する第２領域とを有しており、コアは、第１領域において上部クラッド層が位置していない露出部を有している。さらに、下部クラッド層の第１領域に、開口部の周縁部に位置する支持体を少なくとも１つ有しており、支持体の高さとコアにおける露出部の高さとの差が５％以内である。

本開示に係る電子部品実装構造体は、上記の光回路基板とシリコンフォトニクスデバイスとを含む。シリコンフォトニクスデバイスは、シリコン導波路、光源部および光検出部を有し、光回路基板と電気的に接続されており、シリコン導波路と光導波路のコアの露出部とが対向して接触している。

本開示の一実施形態に係る光回路基板に、シリコンフォトニクスデバイスが実装された電子部品実装構造体を示す平面図である。 （Ａ）は、図１に示す領域Ｘの断面を説明する拡大説明図であり、（Ｂ）は、図１に示す領域Ｘの平面図（但し、シリコンフォトニクスデバイス、上部クラッド層を除く）である。 本開示の一実施形態に係る光回路基板に含まれる光路部材の変形例を示す説明図である。 本開示の一実施形態に係る光回路基板に含まれる光導波路とシリコンフォトニクスデバイスとのカップリング状態を確認するための方法を説明する説明図である。 本開示の一実施形態に係る光回路基板に形成される開口部の変形例を示す説明図である。

光回路基板にシリコンフォトニクスデバイスを実装する場合、光学的な信頼性を損なわないようにするために、シリコンフォトニクスデバイスは光回路基板に対して略平行となるように実装するのがよい。このように、シリコンフォトニクスデバイスが光回路基板に対して略平行となるように実装するために、例えば、シリコンフォトニクスデバイスと光回路基板とを電気的に接続するための半田の量（高さ）などを調整する。しかし、半田の量（高さ）などを調整したとしても、光回路基板にシリコンフォトニクスデバイスを実装する際に、シリコンフォトニクスデバイスが傾いてしまうことが多い。

本開示に係る光回路基板は、光導波路に含まれる下部クラッド層の開口部の周縁部に、コアと略同じ高さを有する支持体が少なくとも１ヶ所に備えられている。そのため、本開示に係る光回路基板は、シリコンフォトニクスデバイスを実装する際に、シリコンフォトニクスデバイスの傾きを低減することができる。したがって、シリコンフォトニクスデバイスが光回路基板に対して略平行となるように実装され、得られる電子部品実装構造体の光学的信頼性が損なわれにくくなる。

本開示の一実施形態に係る光回路基板を、図１および２に基づいて説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る光回路基板１に、シリコンフォトニクスデバイス４が実装された電子部品実装構造体１０を示す平面図である。

本開示の一実施形態に係る光回路基板１は、配線基板２と光導波路３とを含む。一実施形態に係る光回路基板１に含まれる配線基板２としては、一般的に光回路基板に使用される配線基板が挙げられる。

このような配線基板２としては、例えば、コア基板と、コア基板の両面に積層されたビルドアップ層とを含む。コア基板は、絶縁性を有する素材で形成されていれば特に限定されない。絶縁性を有する素材としては、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド－トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂などの樹脂が挙げられる。これらの樹脂は２種以上を混合して用いてもよい。コア基板には、通常、コア基板の上下面を電気的に接続するために、スルーホール導体が形成されている。

コア基板には、補強材が含まれていてもよい。補強材としては、例えば、ガラス繊維、ガラス不織布、アラミド不織布、アラミド繊維、ポリエステル繊維などの絶縁性布材が挙げられる。補強材は２種以上を併用してもよい。さらに、コア基板には、シリカ、硫酸バリウム、タルク、クレー、ガラス、炭酸カルシウム、酸化チタンなどの無機絶縁性フィラーが、分散されていてもよい。

ビルドアップ層は、絶縁層と導体層とが交互に積層された構造を有している。ビルドアップ層に含まれる絶縁層は、コア基板と同様、絶縁性を有する素材で形成されていれば特に限定されない。絶縁性を有する素材としては、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド－トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂などの樹脂が挙げられる。これらの樹脂は２種以上を混合して用いてもよい。ビルドアップ層に絶縁層が２層以上存在する場合、それぞれの絶縁層は、同じ樹脂で形成されていてもよく、異なる樹脂で形成されていてもよい。ビルドアップ層に含まれる絶縁層とコア基板とは、同じ樹脂で形成されていてもよく、異なる樹脂で形成されていてもよい。ビルドアップ層に含まれる絶縁層には、通常、層間を電気的に接続するためのビアホール導体が形成されている。

さらに、ビルドアップ層に含まれる絶縁層には、シリカ、硫酸バリウム、タルク、クレー、ガラス、炭酸カルシウム、酸化チタンなどの無機絶縁性フィラーが、分散されていてもよい。

配線基板２の両表面の一部には、ソルダーレジストが形成されていてもよい。ソルダーレジストは、例えば、アクリル変性エポキシ樹脂で形成されている。

一実施形態に係る光回路基板１に含まれる光導波路３は、配線基板２の表面に位置している。光導波路３は、図２（Ａ）に示すように、配線基板２側から下部クラッド層３１、コア３２および上部クラッド層３３の順に積層された構造を有している。図２（Ａ）は、図１に示す領域Ｘの断面を説明する拡大説明図である。

光導波路３に含まれる下部クラッド層３１は、配線基板２の表面に位置している。下部クラッド層３１を形成している材料は限定されず、例えば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。

光導波路３に含まれる上部クラッド層３３についても、下部クラッド層３１と同様の材料で形成されている。下部クラッド層３１と上部クラッド層３３とは同じ材料で形成されていてもよく、異なる材料で形成されていてもよい。さらに、下部クラッド層３１および上部クラッド層３３は、同じ厚みを有していてもよく、異なる厚みを有していてもよい。下部クラッド層３１および上部クラッド層３３は、例えば、それぞれ１０～５０μｍ程度の厚みを有する。

光導波路３に含まれるコア３２は、光導波路３に侵入した光が伝搬する部分である。コア３２を形成している材料は限定されず、例えば、光の透過性や伝搬する光の波長特性などを考慮して、適宜設定される。材料としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。コア３２は、例えば、２～１０μｍ程度の厚みを有する。

コア３２において、後述する開口部３１１に近い側の端部３２１が、上部クラッド層３３で被覆されていない露出部３２２を有している。図２（Ａ）において、露出部３２２は、光導波路３に含まれるコア３２と後述するシリコンフォトニクスデバイス４に含まれるシリコン導波路（Ｓｉ導波路）４１とが対向している部分である。つまり、この露出部３２２において、コア３２の上部とＳｉ導波路４１の下部とが接触しており、両者の間で光信号の授受が行われる。

光導波路３には、反射ミラー部３４がさらに含まれている。反射ミラー部３４は、コア３２を伝搬する光の向きを変えるために備えられている。反射ミラー部３４は、下部クラッド層３１、コア３２および上部クラッド層３３を厚み方向に貫通するように形成されている。反射ミラー部３４は、光導波路３の厚み方向と平行に形成されておらず、厚み方向に対して傾斜を有するように形成されている。傾斜角度は、光導波路３に接続される光ファイバーや光素子などに応じて適宜設定される。

図２（Ｂ）は、図１に示す領域Ｘの平面図である。光導波路３に含まれる下部クラッド層３１には、図２（Ｂ）に示すように、開口部３１１が形成されている。下部クラッド層３１において、この開口部３１１を有する領域が「第１領域３１３」であり、第１領域３１３に隣接するとともに、光導波路３の厚さ方向にコア３２および上部クラッド層３３が順に位置している領域が「第２領域３１４」である。図２（Ｂ）では、図１に示すシリコンフォトニクスデバイス４および光導波路３に含まれる上部クラッド層３３を除いた状態を記載している。実際には、シリコンフォトニクスデバイス４は、シリコンフォトニクスデバイス実装部３１２に実装されている。開口部３１１は、光回路基板１とシリコンフォトニクスデバイス４とを電気的に接続する電極２１を露出するために形成されている。つまり、シリコンフォトニクスデバイス実装部３１２を含む領域が第１領域３１３である。そして、第１領域３１３に隣接しており、上部クラッド層３３を含む光伝送経路が位置している領域が第２領域３１４である。電極２１は、配線基板２の表面に、金属などの導体で形成されている。

開口部３１１は、下部クラッド層３１の上面から下面まで貫通している。開口部３１１の大きさは限定されず、実装されるシリコンフォトニクスデバイス４の大きさに応じて適宜設定される。

光導波路３に含まれる下部クラッド層３１の開口部３１１の周縁部には、支持体３５が備えられている。支持体３５の高さと、光導波路３に含まれるコア３２における露出部３２２の高さとの差は５％以内であり、０．５％以内であってもよい。支持体３５は、エポキシ樹脂、アクリル、シロキサン、シリコン、ポリイミド、ポリシラン、ポリノルボネン、フッ素樹脂などの樹脂で形成されている。支持体３５と光導波路３に含まれるコア３２とは同じ材料で形成されていてもよい。

一実施形態に係る光回路基板１は支持体３５を備えているため、シリコンフォトニクスデバイス４の下部を支持体３５の上部に当接して実装することで、シリコンフォトニクスデバイス４の傾きを低減することができる。さらに、支持体３５は、コア３２と略同じ高さを有しているため、露出部３２２におけるコア３２の上部とＳｉ導波路４１の下部との接触状態を保持しやすくなる点で有利である。

一実施形態に係る光回路基板１には、入光部および出光部を含む光路部材３６がさらに備えられている。図２（Ｂ）に示すように、光路部材３６は、平面視した場合に、光導波路３に含まれる下部クラッド層３１の上面におけるコア３２の露出部３２２と、下部クラッド層３１の開口部３１１との間の領域に備えられている。光路部材３６の高さと、光導波路３に含まれるコア３２における露出部３２２の高さとの差は５％以内であり、０．５％以内であってもよい。光路部材３６は、エポキシ樹脂、アクリル、シロキサン、シリコン、ポリイミド、ポリシラン、ポリノルボネン、フッ素樹脂などの樹脂で形成されている。光路部材３６と支持体３５とは同じ材料で形成されていてもよい。さらに、光路部材３６と支持体３５と光導波路３に含まれるコア３２とが同じ材料で形成されていてもよい。

一実施形態に係る光回路基板１は、光路部材３６を備えることによって、シリコンフォトニクスデバイス４を実装する際に、シリコンフォトニクスデバイス４の傾きをより低減することができる。つまり、支持体３５の上部とともにコア３２と同じ高さを有する光路部材３６の上部にシリコンフォトニクスデバイス４の下部を当接して実装することで、シリコンフォトニクスデバイス４を支持する領域を増やすことが可能になり傾きをより低減することができる。

さらに、シリコンフォトニクスデバイス４を実装する際に、後述するアンダーフィル８を使用しても、光路部材３６がダムとしての機能を発揮する。そのため、光導波路３に含まれるコア３２とシリコンフォトニクスデバイス４に含まれるＳｉ導波路４１との間で光信号の授受が行われる部分（カップリング部）に、アンダーフィル８が流入するのを低減することができる。カップリング部にアンダーフィル８が流入すると、シリコンフォトニクスデバイス４が傾きやすくなるだけでなく、光信号の伝搬にも影響を及ぼす。

一実施形態に係る光回路基板１は、入光部および出光部を含む光路部材３６を備えることによって、光ファイバー５を実装する前に、カップリング状態を確認することができる。具体的には、光導波路３に含まれるコア３２とシリコンフォトニクスデバイス４に含まれるＳｉ導波路４１との間で、カップリング不良が生じているか否かを、光ファイバー５を実装する前に確認することができる。詳細については後述する。

光路部材３６の形状は限定されない。光路部材３６は、図２（Ｂ）に示すように、平面視した場合に直線状を有していてもよく、図３に示すように、平面視した場合に端部が湾曲した形状を有していてもよい。

光導波路３に含まれるコア３２とシリコンフォトニクスデバイス４に含まれるＳｉ導波路４１との間で、カップリング不良が生じているか否かを確認する方法を、図４に基づいて説明する。まず、シリコンフォトニクスデバイス４は、図２（Ａ）および図４に示すように、Ｓｉ導波路４１、保護膜（パッシベーション膜）４２、光源部４３および光検出部４４を含んでいる。Ｓｉ導波路４１は、信号伝播用のＳｉ導波路４１ａと位置精度検出用のＳｉ導波路４１ｂとを有している。図４は、シリコンフォトニクスデバイス４に含まれるパッシベーション膜４２を除去して、カップリング部を上面から透視した図である。このような信号伝播用のＳｉ導波路４１ａおよび位置精度検出用のＳｉ導波路４１ｂは、それぞれ光導波路３に位置するコア３２および光路部材３６’に接続できるように所定の位置に配置されている。つまり、光導波路３に位置するコア３２および光路部材３６’の配置に対応するように、シリコンフォトニクスデバイス４に信号伝播用のＳｉ導波路４１ａおよび位置精度検出用のＳｉ導波路４１ｂが配置されている。

シリコンフォトニクスデバイス４は、図２（Ａ）に示すように、配線基板２と半田７を介して電気的に接続されている。配線基板２からの電気信号が半田７を介してシリコンフォトニクスデバイス４に含まれる光源部４３に伝搬される。伝搬された電気信号を受信した光源部４３は発光する。発光した光信号が、信号伝播用のＳｉ導波路４１ａおよび光導波路３のコア３２を経由して光ファイバー５に伝播される。また、別の光源部４３で発光した光信号は、位置精度検出用のＳｉ導波路４１ｂおよび光導波路３の下部クラッド層３１に備えられた光路部材３６’を経由して光検出部４４に伝搬される。このとき、光検出部４４が光信号を検出できない、あるいは検出した光信号が弱い場合、シリコンフォトニクスデバイス４と光導波路３との位置精度が悪いことを確認できる。すなわち、位置精度検出用のＳｉ導波路４１ｂと光路部材３６’との位置精度が悪いことを確認できる。このため、信号伝播用のＳｉ導波路４１ａとコア３２との位置精度が悪いことも確認できる。このようにして、光ファイバー５を実装して実際に光信号の伝送を行う前に、信号伝播用のＳｉ導波路４１ａとコア３２との間のカップリング不良が生じているか否かを確認することができる。

例えば、図３に示す光路部材３６’のように、端部が湾曲した形状を有する場合、カップリング不良が生じているか否かを、より正確に確認することができる。図４に示す破線の囲み部分のように、検出部分が実際の光信号接続部分である信号伝播用のＳｉ導波路４１ａとコア３２とのカップリング部に近いためである。

次に、本開示の電子部品実装構造体について説明する。本開示の一実施形態に係る電子部品実装構造体１０は、一実施形態に係る光回路基板１にシリコンフォトニクスデバイス４が実装された構造を有している。本開示の一実施形態に係る電子部品実装構造体１０は、さらに電子部品６を備えており、光ファイバー５に接続されている。電子部品６としては、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ドライバＩＣなどが挙げられる。

シリコンフォトニクスデバイス４は、例えばケイ素（Ｓｉ）をコアとし、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）をクラッドとする光導波路の１種であり、上述のように、Ｓｉ導波路４１、パッシベーション膜４２、光源部４３および光検出部４４を含んでいる。

図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、シリコンフォトニクスデバイス４はシリコンフォトニクスデバイス実装部３１２に、下部クラッド層３１に形成された開口部３１１および支持体３５を被覆するように、配線基板２と半田７を介して電気的に接続されている。下部クラッド層３１に形成された開口部３１１には、アンダーフィル８が充填されている。アンダーフィル８は、一般的に封止樹脂として使用できる樹脂であれば限定されない。このような樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリル、シロキサン、シリコン、ポリイミド、ポリシラン、ポリノルボネン、フッ素樹脂などの樹脂が挙げられる。

一実施形態に係る電子部品実装構造体１０において、Ｓｉ導波路４１と光導波路３のコア３２の露出部３２２とは対向しており、シリコンフォトニクスデバイス４の光源部４３および光路部材３６’の入光部、ならびにシリコンフォトニクスデバイス４の光検出部４４および光路部材３６’の出光部が光学的に接続されている。

このような構成によって、一実施形態に係る電子部品実装構造体１０において、シリコンフォトニクスデバイス４はほとんど傾いておらず、光回路基板１に対して略平行となるように実装されている。その結果、一実施形態に係る電子部品実装構造体１０は、電気的信頼性が損なわれにくくなる。さらに、上述のように、光ファイバー５を実装する前に、カップリング不良が生じているか否かを確認することができる。

本開示の光回路基板は、上述の一実施形態に限定されない。例えば、上述の光回路基板１において開口部３１１は、図２（Ｂ）に示すように、光導波路３に含まれる下部クラッド層３１を、いわゆる「コの字型」となるように切り欠いている。さらに、図２（Ｂ）では、下部クラッド層３１の第１領域３１３には、開口部３１１を挟んで対向して位置するように２つの支持体３５が形成されている。

しかし、本開示の光回路基板において下部クラッド層３１は、必ずしも「コの字型」となるように切り欠かれていなくてもよい。例えば、図５に示すように、下部クラッド層３１が、いわゆる「ロの字型」となるように開口部３１１が形成されていてもよい。すなわち、本明細書において「開口部」は、下部クラッド層３１を「コの字型」となるように切り欠く形状だけでなく、下部クラッド層３１に貫通部を形成するような形状も包含される。

図５に示すように、開口部３１１が下部クラッド層３１に貫通部を形成するような形状である場合、下部クラッド層３１の第１領域３１３には、開口部３１１の周縁部のそれぞれの辺に近接して位置するように複数の支持体３５が形成されていてもよい。支持体３５は、開口部３１１の周縁部の少なくとも１ヶ所に備えられていればよい。

さらに、図２（Ｂ）および図５において支持体３５は、開口部３１１の周縁部の辺に沿ってそれぞれ１本形成されている。しかし、支持体３５は必ずしも１本でなくてもよい。例えば、平面視した場合に、比較的短い支持体が、開口部の周縁部のそれぞれの辺に近接して複数形成されていてもよい。

１ 光回路基板
２ 配線基板
２１ 電極
３ 光導波路
３１ 下部クラッド層
３１１ 開口部
３１２ シリコンフォトニクスデバイス実装部
３１３ 第１領域
３１４ 第２領域
３２ コア
３２１ 端部
３２２ 露出部
３３ 上部クラッド層
３４ 反射ミラー部
３５ 支持体
３６ 光路部材
４ シリコンフォトニクスデバイス
４１ シリコン導波路（Ｓｉ導波路）
４２ 保護膜（パッシベーション膜）
４３ 光源部
４４ 光検出部
５ 光ファイバー
６ 電子部品
７ 半田
８ アンダーフィル
１０ 電子部品実装構造体

Claims (9)

1. 電極が位置する実装部を含む配線基板と、該配線基板の表面に位置している光導波路とを含み、
   該光導波路が、前記配線基板側から順に位置する下部クラッド層、コアおよび上部クラッド層を有しており、
   該下部クラッド層が、前記電極を露出させる開口部を有して前記実装部の対向する少なくとも一対の外周部に延在する第１領域と、該第１領域に隣接するとともに前記コアおよび前記上部クラッド層が順に位置する第２領域とを有しており、
   前記コアは、前記第１領域において前記上部クラッド層が位置していない露出部を前記第２領域に隣接して有しており、
   前記実装部における前記下部クラッド層の前記開口部の周縁部に前記露出部から前記第２領域と反対側に離間して位置する支持体を少なくとも１つ有しており、
   平面視で前記下部クラッド層の上面に、前記コアが延びる方向において前記露出部と前記開口部との間に光路部材を、さらに有しており、
   前記支持体の高さおよび前記光路部材の高さと前記コアにおける前記露出部の高さとの差が、前記コアの高さの５％以内である光回路基板。
2. 前記下部クラッド層の前記第１領域に、前記開口部を挟んで対向して前記支持体が２つ位置する、請求項１に記載の光回路基板。
3. 前記下部クラッド層の前記第１領域に、平面視における前記開口部の辺に沿って前記支持体が複数位置する、請求項１に記載の光回路基板。
4. 前記光路部材は、入光部および出光部を含む、請求項１～３のいずれかに記載の光回路基板。
5. 前記光路部材は、湾曲部分を含む二つの端部と、該端部の間に位置し直線部分を含む中央部とを有しており、前記二つの端部は前記中央部よりも前記露出部側に位置している、請求項４に記載の光回路基板。
6. 前記支持体の材料と前記コアの材料とが同じである請求項１～５のいずれかに記載の光回路基板。
7. 前記光路部材の材料と前記コアの材料とが同じである請求項１～５のいずれかに記載の光回路基板。
8. 前記支持体の材料と前記光路部材の材料と前記コアの材料とが同じである請求項７に記載の光回路基板。
9. 請求項１～８のいずれかに記載の光回路基板とシリコンフォトニクスデバイスとを含み、
   前記シリコンフォトニクスデバイスは、シリコン導波路、光源部および光検出部を有し、前記光回路基板の支持体およびコアの露出部の上に搭載されて前記光回路基板と電気的に接続されており、
   前記シリコン導波路と前記光導波路の前記コアの露出部とが対向して接触している電子部品実装構造体。