TW202326193A - 光迴路基板 - Google Patents

Abstract

本揭示之光迴路基板係包含具有上表面之配線基板及光波導。配線基板在上表面的一部分具有光學元件的安裝區域。光波導係配置成在配線基板上與光學元件的安裝區域鄰接，且該光波導係從配線基板的上表面側起包含下部包層、光波導用芯層及上部包層。以與下部包層相同的材料形成的至少一個台座係配置成其至少一部分與安裝區域重疊。

Description

光迴路基板

本發明係關於光迴路基板、使用該光迴路基板之光學元件安裝構造體以及光學元件安裝構造體的製造方法。

近年來，在資訊通訊上使用了可高速傳輸大量的資料之光纖。在光纖與光學元件(矽光學元件(silicon photonics device))之間進行光訊號的傳送接收。如此的光學元件係安裝於例如專利文獻1中記載的平面光波迴路(光迴路基板)上。

在光迴路基板上安裝光學元件之際，為了使光迴路基板中包含的光波導(optical waveguide)的芯層(core)與光學元件的芯層的位置(高度)對準，會在光學元件的正下方設置台座。光波導與台座係採用不同的材料在不同的步驟中形成。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2009-86238號公報

有的情況，光波導的芯層的位置精度會因為光波導所包含的下部包層(cladding)的厚度並未形成為預定的尺寸而不良。因此，即使配合台座而安裝上光學元件，也無法精度良好地使光波導的芯層與光學元件的芯層的位置對準。結果，傳輸損耗就會變大。

本揭示的課題係在於提供在安裝光學元件之際，可高精度地使光迴路基板所包含的光波導的芯層與光學元件的芯層的位置對準，使光波導與光學元件之間的光訊號的傳輸損耗很小之光迴路基板。

本揭示之光迴路基板係包含具有上表面之配線基板以及光波導。配線基板係在上表面的一部分具有光學元件的安裝區域。光波導係配置成在配線基板上與光學元件的安裝區域鄰接，且該光波導係從配線基板的上表面側起包含下部包層、光波導用芯層及上部包層。以與下部包層相同的材料形成的至少一個台座係配置成其至少一部分與安裝區域重疊。

本揭示之光學元件安裝構造體係具有上述的光迴路基板以及位於安裝區域之包含光學元件用芯層之光學元件，且光學元件的下表面的一部分係抵接於台座。

本揭示之光學元件安裝構造體的製造方法係包含：準備具有相鄰接的光波導形成區域及安裝區域之配線基板之步驟；以相同的材料在光波導形成區域形成下部包層及在安裝區域形成台座之步驟；形成沿著下部包層的上表面之光波導用芯層之步驟；形成被覆下部包層的上表面及光波導用芯層之上部 包層之步驟；研削下部包層、光波導用芯層及上部包層的端面而形成光波導之步驟；準備包含光學元件用芯層之光學元件之步驟；以及一邊加熱光學元件一邊將光學元件的下表面壓抵於台座，並使光波導用芯層與光學元件用芯層的光軸對準而將光學元件安裝於安裝區域之步驟。

本揭示之光迴路基板如上述，以與光波導所包含的下部包層相同的材料形成的至少一個台座係位於與安裝區域重疊的區域。因而，根據本揭示之光迴路基板，在安裝光學元件之際，可使光迴路基板所包含的光波導的芯層與光學元件的芯層的位置高精度地對準，可減少傳輸損耗。

1:光迴路基板

2:配線基板

3:光波導

4:光學元件

5:光纖

5a:光連接器

6:電子元件

7:焊料

10:光學元件安裝構造體

21a:金屬層

21b:焊墊

22:台座

31:下部包層

32:光波導用芯層

33:上部包層

41:光學元件用芯層(矽波導、Si波導)

R1:安裝區域

R2:光波導形成區域

圖1係顯示在本揭示的一實施型態之光迴路基板安裝上光學元件及電子元件而構成的光學元件安裝構造體之俯視圖。

圖2係用來說明圖1所示的區域X的剖面之放大說明圖。

圖3係圖2所示的區域Y的俯視圖(但其中省略了光學元件及光波導所具有的上部包層)。

圖4係用來說明台座的配置例之說明圖。

圖5係用來說明光學元件與台座的抵接部之說明圖。

圖6係用來說明光學元件與台座的抵接部之說明圖。

圖7係用來說明製造本揭示的一實施型態之光學元件安裝構造體的步驟之說明圖。

根據圖1至圖4來說明本揭示的一實施型態之光迴路基板。圖1係顯示在本揭示的一實施型態之光迴路基板1安裝上光學元件4而構成的光學元件安裝構造體10之俯視圖。

本揭示的一實施型態之光迴路基板1係包含配線基板2及光波導3。一實施型態之光迴路基板1所包含的配線基板2，係例如一般使用於光迴路基板之配線基板。

雖然未具體地圖示上述的配線基板2，但上述配線基板2係例如包含：芯基板、以及在芯基板的兩面堆疊而形成的增疊(build up)層。芯基板若是具有絕緣性的材料即可，並沒有具體限制。作為具有絕緣性的材料的例子，例如可列舉：環氧樹脂、雙馬來醯亞胺-三氮雜苯樹脂(bismaleimide-triazine resin)、聚醯亞胺樹脂、聚苯醚樹脂(polypheylene ether resin)等樹脂。可將此等樹脂混合兩種以上而使用。芯基板通常為了電性連接芯基板的上下表面，而具有貫通孔(through hole)導體。

芯基板可含有補強材。作為補強材的例子，例如可列舉：玻璃纖維、玻璃不織布、聚芳醯胺(aramid)不織布、聚芳醯胺纖維、聚酯纖維等之絕緣性布材。可合併使用兩種以上的補強材。另外，芯基板中亦可混入有分散的二氧化矽(silica)、硫酸鋇、滑石、黏土、玻璃、碳酸鈣、氧化鈦等無機填料。

增疊層係具有：交互堆疊絕緣層與導體層而成的構造。位於最表面的導體層(位於配線基板2的上表面之導體層)的一部分係包含光波導3將位於其上之金屬層21a。金屬層21a由例如銅等之金屬所形成。增疊層中包含的絕緣層 與芯基板一樣，若具有絕緣性的材料即可，並沒有具體的限制。作為具有絕緣性的材料的例子，例如可列舉：環氧樹脂、雙馬來醯亞胺-三氮雜苯樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚苯醚樹脂等之樹脂。可將此等樹脂混合兩種以上而使用。

增疊層中存在有兩層以上的絕緣層之情況，各絕緣層可為相同的樹脂，亦可為不同的樹脂。增疊層中包含的絕緣層與芯層基板，可為相同的樹脂，亦可為不同的樹脂。增疊層通常具有為了層間的電性連接而設之通孔(via hole)導體。

另外，增疊層中包含的絕緣層中，亦可混入有分散的二氧化矽、硫酸鋇、滑石、黏土、玻璃、碳酸鈣、氧化鈦等之無機填料。

如圖2所示，一實施型態之光迴路基板1所包含的光波導3，係位於存在於配線基板2的表面之金屬層21a的表面上。圖2係用來說明圖1所示的區域X的剖面之放大說明圖。光波導3係具有從金屬層21a側起依序堆疊下部包層31、光波導用芯層32及上部包層33而成的構造。

光波導3所包含的下部包層31係位於配線基板2的表面，具體而言係位於存在於配線基板2的光波導形成區域的表面之金屬層21a的表面。形成下部包層31之材料並沒有限制，可列舉的例子有例如環氧樹脂、矽樹脂等之樹脂。

光波導3所包含的上部包層33，也與下部包層31一樣，以環氧樹脂、矽樹脂等之樹脂形成。下部包層31與上部包層33可為相同的材料，亦可為不同的材料。另外，下部包層31與上部包層33可具有相同的厚度，亦可具有不同的厚度。下部包層31及上部包層33具有例如5μm以上150μm以下之範圍的厚度。

光波導3所包含的光波導用芯層32，係供進入至光波導3的光進行傳輸之部分。具體而言，光學元件4所包含的光學元件用芯層41的側面與光波導 3的光波導用芯層32的側面係配置成相對向。在此端部，在光波導用芯層32與光學元件用芯層41之間進行光訊號的傳送接收。形成光波導用芯層32之材料並沒有限制，可考慮例如光的透射性、要傳播的光的波長特性等而適當地設定。材料可為例如環氧樹脂、矽樹脂等之樹脂。光波導用芯層32具有例如3μm以上50μm以下之範圍的厚度。

如圖2所示，一實施型態之光迴路基板1係具備有台座22。台座22係為了在安裝光學元件4之際，使光學元件4所包含的光學元件用芯層41與光波導3所包含的光波導用芯層32的位置精度良好地對準而使用。

如圖3所示，台座22係以至少一部分與配線基板2的安裝區域重疊的型態位於金屬層21a上。圖3係圖2所示的區域Y的俯視圖(但其中省略了光學元件4及光波導3所具有的上部包層33)。

台座22係以與光波導3所具有的下部包層31相同的材料形成。若台座22以與下部包層31相同的材料形成，台座22與下部包層31的熱伸縮時的變形量就會大致相同。因此，可容易地進行光學元件用芯層41與光波導3所包含的光波導用芯層32的位置對準(高度調節)。

台座22的位置只要至少一部分與配線基板2的安裝區域重疊即可，並沒有具體的限制。台座22可一部分與安裝區域重疊，亦可全部與安裝區域重疊。圖4顯示台座22的配置例。如圖4所示，複數個焊墊(pad)21b所在的部分為安裝區域，為求方便，圖4中以實線圍繞而成的方型形狀的區域表示安裝區域。

台座22只要具備至少一個即可，其中的一個台座22可如例如圖3所示，在俯視觀看的情況配置成與光波導3(光波導用芯層32)相對向。若台座22配置成與光波導用芯層32相對向，就可在使用封裝樹脂(底部填充膠(underfill))的 情況使封裝樹脂難以流入光波導3與台座22之間。如此一來，就不易發生封裝樹脂阻礙光傳播的情形。

相較於只具備一個台座22，具備複數個台座22較可穩定地支持光學元件4，位置對準的精度會更加提高。具體而言，安裝區域為方型形狀的情況，可將台座22配備於安裝區域的四個角部，亦可使台座22位於方型形狀的邊上。台座22的大小也一樣，若不會妨礙光學元件4的安裝及光的傳播之大小即可，並沒有具體的限制。例如，具備的台座22可為在俯視觀看的情況呈長條形位於方型形狀的邊上。

雖未圖示，但在配線基板2的表面的局部係可設有阻焊劑(solder resist)。阻焊劑由樹脂所形成，樹脂的例子有例如丙烯酸改性環氧樹脂等。

接著，針對本揭示之光學元件安裝構造體進行說明。本揭示的一實施型態之光學元件安裝構造體10係如圖1所示，具有在一實施型態之光迴路基板1安裝光學元件4及電子元件6而構成的構造。安裝於一實施型態之光學元件安裝構造體10中的光學元件4係包含有光學元件用芯層41。如此的包含有光學元件用芯層41之光學元件4的例子，有例如矽光學元件(silicon photonics device)等。電子元件6的例子，則有例如ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特殊應用積體電路)、驅動IC等。

光學元件4係如圖2所示，經由焊料7而與位於配線基板2的光學元件的安裝區域之焊墊21b電性連接。焊墊21b係位於配線基板2的上表面之導體層(金屬層21a)的一部分。

以矽光學元件作為光學元件4的一例來進行說明。矽光學元件係為例如以矽(Si)作為芯層，以二氧化矽(SiO₂)作為包層之光波導的一種。矽光學元 件係包含Si波導(矽波導)作為光學元件用芯層41，且雖未圖示，但光學元件4更包含有鈍化膜、光源部、光檢測部等。如上述，光學元件用芯層41(Si波導41)係在光波導3的一方的端部與光波導3所包含的光波導用芯層32相向。

例如，來自配線基板2的電訊號經由焊料7而傳輸到光學元件4(矽光學元件)所包含的光源部。接收到傳輸來的電訊號之光源部會發光。發光而得的光訊號經由光學元件用芯層41(Si波導41)及光波導用芯層32而傳播到經由光連接器5a所連接之光纖5。

在一實施型態之光學元件安裝構造體10中，光學元件4的下表面的一部分係抵接於台座22。如此，藉由光學元件4的下表面的一部分抵接於台座22，可使光學元件4穩定，且可容易地進行光學元件用芯層41與光波導用芯層32的位置對準(高度調節)。

為了更穩定地支持光學元件4，光學元件4的下表面可為粗化面。當光學元件4的下表面為粗化面時，形成台座22之樹脂會埋入粗化面的凹部內，形成台座22之樹脂與粗化面的凹凸會發揮錨定效果。因而，光學元件4與台座22之接合強度會提高而可更穩定地支持光學元件4。粗化處理可利用例如氮氣電漿處理而進行，粗化面的表面粗度以用JIS B0601：2013等所定義的Ra(算術平均粗度)來表示的話在0.1μm以上0.5μm以下之範圍為佳。

如圖5所示，光學元件4的下表面亦可埋設於台座22。採用如此的構成，可更穩定地使光學元件4抵接於台座22，且可更精度良好地進行光學元件用芯層41與光波導用芯層32的位置對準。

或者，如圖6所示，光學元件4的下表面可位於台座22的整個上表面上，且台座22的上表面的面積比台座22的下表面的面積大。亦即，以在台座22 中，與光學元件4抵接的部分的面積比與金屬層21a抵接的部分的面積大為佳。如此的構成的情況也一樣，可使光學元件4更穩定地在台座22上，且可更精度良好地進行光學元件用芯層41與光波導用芯層32的位置對準。

關於本揭示之光學元件安裝構造體的製造方法，只要可將光學元件安裝構造體10製造成具有如上述的構造即可，並沒有具體的限制。本揭示的一實施型態之光學元件安裝構造體10的製造方法包含下述的步驟(a)~(g)。

步驟(a)：準備具有相鄰接的光波導形成區域及安裝區域之配線基板之步驟。

步驟(b)：以相同的材料在光波導形成區域形成下部包層及在安裝區域形成台座之步驟。

步驟(c)：形成沿著下部包層的上表面之光波導用芯層之步驟。

步驟(d)：形成被覆下部包層的上表面及光波導用芯層之上部包層之步驟。

步驟(e)：研削下部包層、光波導用芯層及上部包層的端面而形成光波導之步驟。

步驟(f)：準備包含有光學元件用芯層之光學元件之步驟。

步驟(g)：一邊加熱光學元件一邊將光學元件的下表面壓抵於台座，並使光波導用芯層與光學元件用芯層的光軸對準而將光學元件安裝於安裝區域之步驟。

在步驟(a)，如圖7所示，準備配線基板2。配線基板2係在上表面具有相鄰接的光學元件4的安裝區域R1及光波導形成區域R2。在配線基板2的光波導形成區域R2包含有金屬層21a，金屬層21a係位於最表面的導體層(位於配線基板2的上表面之導體層)的一部分。在配線基板2的安裝區域R1包含有焊墊21b，焊 墊21b係位於最表面的導體層的一部分。金屬層21a及焊墊21b係由例如銅等之金屬所形成。

接著，在步驟(b)，如圖7所示，以相同的材料在光波導形成區域R2形成下部包層31及在安裝區域R1形成台座22。具體而言，以被覆光波導形成區域R2及安裝區域R1的方式，堆疊以環氧樹脂、矽樹脂等之樹脂形成的樹脂層。然後，進行曝光及顯影而同時形成下部包層31及台座22。

接著，在步驟(c)，如圖7所示，形成沿著下部包層31的上表面之光波導用芯層32。光波導用芯層32係如上述以環氧樹脂、矽樹脂等之樹脂形成。

接著，在步驟(d)，如圖7所示，形成被覆下部包層31的上表面及光波導用芯層32之上部包層33。上部包層33也與下部包層31一樣，以環氧樹脂、矽樹脂等之樹脂形成。下部包層31與上部包層33可為相同的材料，亦可為不同的材料。另外，下部包層31與上部包層33可具有相同的厚度，亦可具有不同的厚度。

接著，在步驟(e)，如圖7所示，研削下部包層31、光波導用芯層32及上部包層33的端面而形成光波導3。接著，在步驟(f)，準備包含有光學元件用芯層41之光學元件4。如此的光學元件4的例子，如上述，有例如矽光學元件等。

最後，在步驟(g)，如圖7所示，一邊加熱光學元件4一邊將光學元件4的下表面壓抵於台座22，並使光波導用芯層32與光學元件用芯層41的光軸對準而將光學元件4安裝於安裝區域R1。具體而言，係加熱到200℃以上350℃以下的程度，使台座22軟化，使焊料7熔融。將光學元件4壓抵於軟化的狀態的台座22，來使光波導用芯層32與光學元件用芯層41的光軸對準。在使光波導用芯層32與光學元件用芯層41的位置對準之際，可使光學元件4埋入台座22。或者，可使光學元件4的下表面位於台座22的整個上表面上，且使台座22的上表面的面積比台 座22的下表面的面積大。使光波導用芯層32與光學元件用芯層41的光軸對準後，藉由使光學元件4冷卻至常溫而使台座22硬化，焊料7固化，而將光學元件4精度良好地安裝於配線基板2的安裝區域R1。

如上所述進行各步驟，得到一實施型態之光學元件安裝構造體10。一實施型態之光學元件安裝構造體10，光迴路基板1所包含的光波導3的光波導用芯層32與光學元件4的光學元件用芯層41的位置(光軸)為高精度地對準。因此，一實施型態之光學元件安裝構造體10可減少光訊號的傳輸損耗。

2:配線基板

3:光波導

21a:金屬層

21b:焊墊

22:台座

Claims (10)

1. 一種光迴路基板，係包含具有上表面之配線基板以及光波導；

   前述配線基板係在前述上表面的一部分具有光學元件的安裝區域；

   前述光波導係配置成在前述配線基板上與前述光學元件的安裝區域鄰接，且該光波導係從前述配線基板的前述上表面側起包含下部包層、光波導用芯層及上部包層；

   以與前述下部包層相同的材料形成的至少一個台座係配置成其至少一部分與前述安裝區域重疊。
2. 如請求項1所述之光迴路基板，其中，

   前述光波導及前述台座係隔著位於前述配線基板之金屬層而位於前述配線基板上。
3. 如請求項1或2所述之光迴路基板，其中，

   前述台座中的一個係配置成於俯視觀看時與前述光波導用芯層相對向。
4. 一種光學元件安裝構造體，係具有：

   請求項1至3中任一項所記載的光迴路基板；以及

   位於前述安裝區域之包含有光學元件用芯層之光學元件，

   前述光學元件的下表面的一部分係抵接於前述台座。
5. 如請求項4所述之光學元件安裝構造體，其中，

   前述光學元件的下表面為粗化面。
6. 如請求項4或5所述之光學元件安裝構造體，其中，

   前述光學元件的下表面係埋設於前述台座。
7. 如請求項4或5所述之光學元件安裝構造體，其中，

   前述光學元件的下表面係位於前述台座的整個上表面上，且前述台座的上表面的面積係比前述台座的下表面的面積大。
8. 如請求項5至7中任一項所述之光學元件安裝構造體，其中，

   前述台座的一部分係埋入前述粗化面的凹部內。
9. 一種光學元件安裝構造體的製造方法，係包含：

   準備具有相鄰接的光波導形成區域及安裝區域之配線基板之步驟；

   以相同的材料在前述光波導形成區域形成下部包層及在前述安裝區域形成台座之步驟；

   形成沿著前述下部包層的上表面之光波導用芯層之步驟；

   形成被覆前述下部包層的上表面及前述光波導用芯層之上部包層之步驟；

   研削前述下部包層、前述光波導用芯層及前述上部包層的端面而形成光波導之步驟；

   準備包含有光學元件用芯層之光學元件之步驟；以及

   一邊加熱前述光學元件一邊將該光學元件的下表面壓抵於前述台座，並使前述光波導用芯層與前述光學元件用芯層的光軸對準而將前述光學元件安裝於前述安裝區域之步驟。
10. 如請求項9所述之光學元件安裝構造體的製造方法，其中，

    前述台座係與前述下部包層同時形成。

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