WO2014080709A1 - 電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造において、光導波路の層を貫通する電気連絡用ビア - Google Patents

Abstract

　【課題】　従来技術における問題点（接合後のチップ・ミラー間距離が長いこと、金同士の接合は機械的強度が不十分であること、光導波路への化学的ダメージ）を解決すること。　【解決手段】　電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造において、光導波路の層を貫通する電気連絡用ビアとして用意される構造を形成する。電極パッドの表面にはんだをめっきする。それを覆って、光導波路の層を形成する。はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層を除去して、露出させる。さらに、光導波路と光学的に連絡する発光体または受光体と、スタッド（柱）との両方を有する、素子を準備する。スタッド（柱）を、光導波路の層が除去された部分に挿入して、めっきされているはんだを溶融させて、電気基板上の電極パッドと挿入されたスタッド（柱）の先端とを接合する。従来技術における問題点を解決する（接合後のチップ・ミラー間距離を縮める、はんだによる強固な金属接合が可能となる、めっきを省き光導波路へのダメージを抑制する）。

Description

電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造において、光導波路の層を貫通する電気連絡用ビア

　本発明は、電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造に関するものである。

　より具体的には、光導波路の層を貫通する電気連絡用ビアとして用意される構造を形成する技術に関する。

　電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造が開発され工夫されている。

　光導波路と光学的に連絡して動作する発光体（ＶＣＳＥＬ等）または受光体（ＰＤ等）を含む素子または光チップは、電気的な動作と連携するため、電気基板と電気的に連絡する必要がある。

　この点、光導波路の層を貫通する電気連絡用ビアが知られている。

　図１および図２は、従来技術における電気連絡用ビアの形成を説明する図である。

　図１と図２とは、続いているので注意されたい。

　電気基板は、絶縁層と導電層との組合せで成り立つため、（１）のように、絶縁層と銅配線とを形成する。

　従来技術では、（２）のように、絶縁層の一部を除去してビア穴を形成する。

　従来技術では、（３）のように、前処理してシード層を形成する。

　従来技術では、（４）のように、レジストパターンを形成する。

　従来技術では、（５）のように、形成したビア穴を充填した銅配線を形成する。

　このように異なる層にまで達するように形成される配線は、ビア(via)と呼ばれ、特にフィルドビア（filledvia）と呼ばれる。

　従来技術では、（６）のように、レジストパターンを剥離する。

　従来技術では、（７）のように、シード層を除去する。

　以降は、電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造の形成の段階に入る。

　従来技術では、（８）のように、光導波路の層を形成する。

　コア内を光が伝播していくように、コアはアンダークラッドとオーバークラッドとによって囲まれている。

　コアとクラッドとでは、屈折率が異なる。

　従来技術では、（９）のように、光導波路の層の一部を除去してビア穴を形成する。

　従来技術では、（１０）のように、前処理してシード層を形成する。

　このシード層の形成は、その後の銅めっきの際に、めっきが必要な部分へ電気が供給されるようにするためのものである。

　シード層は、一般的には無電解めっきによって行われる。この際に、無電解めっき液が銅配線の隙間に浸透してしまう。

　一般に、光導波路の材料の耐薬品性は低いため、薬品による処理時間を短くするなどの工夫をしている。

　よって、このようなプロセスは、可能であれば省略したい。

　従来技術では、（１１）のように、レジストパターンを形成する。

　従来技術では、（１２）のように、ビア穴への銅めっきを施して、ビア穴を充填した銅配線を形成する。

　ここでも、フィルドビア（filled via）を形成することになるが、後述するように、接合後のチップ・ミラー間距離が長くなってしまうという問題点につながる。

　従来技術では、（１３）のように、形成されたフィルドビアの上面に金めっきする。

　電極パッドとしてのものである。

　金は、腐食されず電気的接点として優れた特性を有するが、後述するように、金同士の接合には機械的強度が不十分であるという問題点につながる。

　従来技術では、（１４）のように、レジストパターンを剥離する。

　従来技術では、（１５）のように、シード層を除去する。

　従来技術では、最後に、（１６）のように、光導波路の層の一部を除去して、ミラーを設ける。

　面で発光する発光体（ＶＣＳＥＬ等）、または、面で受光する受光体（ＰＤ等）と光学的な連絡をとるために、典型的には４５度の光の方向変換をするためである。

　図３は、従来技術における素子または光チップと電気基板との電気連絡の構成を示す図である。

　素子または光チップは、スタッド（柱）を有しており、スタッド（柱）を、電気基板上の電極パッドとしての金めっきに接合する。

　金同士の圧着、押しつぶし等により、金同士の接合が形成されることになるが、接触する断面積も限られるため、機械的強度は不十分である。

　また、接触する断面積は、そこを流れる電流の電気抵抗にも影響する。

　また、スタッド（柱）の長さの分が残って、接合後のチップ・ミラー間距離は長いままである。

　チップ・ミラー間距離は、その距離が長いほど光の損失につながるため、可能な限り短い方がよい。

　また、ミラーによる方向変換誤差（例えば、４５度±α度）があると、その距離が長いほど、発光体または受光体との位置決めが難しくなってしまう。

　特許文献１、特許文献２、および、特許文献３は、チップとミラーとを近づけて光損失を少なくするという共通の課題をもち、光導波路の領域にビアを形成することが開示されている。

　しかし、後述する本発明の特徴とするところの「光導波路の一部を除去してビアを形成する」という要点についての記載はない。

　特許文献４、特許文献５、および、特許文献６は、光チップの実装についての記述があるものの、上記の要点は開示がなく、参考程度にすぎない。

　以下、特許文献１～６を列挙する。

特許第４５２３９７０号（ＰＣＴ国際公開　ＷＯ２００６／０１２１９５）（日本国へ国内段階移行後の国内公表　特表２００８－５００５９１） 特開２００８－２８１８１６ 特開平７－１５９６５８ 特許第３７３１５４２号（特開２００３－２１５３７１） 特開２００９－１８０８６１ 特開２００５－１９５６５１

　本発明の目的は、従来技術における問題点（接合後のチップ・ミラー間距離が長いこと、金同士の接合は機械的強度が不十分であること、光導波路への化学的ダメージ）を解決することにある。

　方法の特徴としては、
　電気基板上の電極パッドの上方に、レジストパターンを準備し、
　レジストパターンに従って、電極パッドの表面にはんだをめっきし、
　準備されたレジストパターンを除去し、
　電気基板上について、はんだがめっきされている部分を覆って、光導波路の層を形成し、
　はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層を除去して、はんだがめっきされている部分を露出させる。

　構造の特徴としては、
　電気基板上の電極パッドの表面に、はんだのめっきが形成されていて、
　電気基板上について、光導波路の層が覆って形成されているが、はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層が除去されて露出している。

　本発明に従うことで、従来技術における問題点を解決する（接合後のチップ・ミラー間距離を縮める、はんだによる強固な金属接合が可能となる、めっきを省き光導波路へのダメージを抑制する）。

図１は、従来技術における電気連絡用ビアの形成を説明する図である。（図１と図２とは、続いているので注意されたい。） 図２は、従来技術における電気連絡用ビアの形成を説明する図である。（図１と図２とは、続いているので注意されたい。） 図３は、従来技術における素子または光チップと電気基板との電気連絡の構成を示す図である。 図４は、本発明における電気連絡用ビアの形成を説明する図である。（図４と図５とは、続いているので注意されたい。） 図５は、本発明における電気連絡用ビアの形成を説明する図である。（図４と図５とは、続いているので注意されたい。） 図６は、本発明における素子または光チップと電気基板との電気連絡の構成を示す図である。 図７は、本発明を適用した実験結果を示す図である。

　図４および図５は、本発明における電気連絡用ビアの形成を説明する図である。

　図４と図５とは、続いているので注意されたい。

　（１）から（６）までは、従来技術における手順（図１および図２）と共通の手順を採用することができる。

　従って、重複することになるので、説明を省略する。

　本発明では、（７）のように、レジストパターンを形成する。

　すなわち、電気基板上の電極パッドの上方に、レジストパターンを準備する。

　本発明では、（８）のように、電極パッド上にはんだを形成する。

　すなわち、レジストパターンに従って、電極パッドの表面にはんだをめっきする。

　電解めっきによって、はんだを薄く形成することも、厚く形成することも可能であり、様々な厚さに調整することができる。

　このことで、はんだによる強固な金属接合が可能となる。

　本発明では、（９）のように、レジストを剥離する。

　すなわち、準備されたレジストパターンを除去する。

　本発明では、（１０）のように、シード層を除去する。

　以降は、電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造の形成の段階に入る。

　本発明では、（１１）のように、光導波路の層を形成する。

　すなわち、電気基板上について、はんだがめっきされている部分を覆って、光導波路の層を形成する。

　本発明では、（１２）のように、光導波路の層の一部を除去してビア穴を形成する。

　すなわち、はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層を除去して、はんだがめっきされている部分を露出させる。

　従来技術で行われているところのシード層形成工程およびめっきが省かれている。

　当然に、光導波路への化学的ダメージが及ぶことはない。

　本発明では、従来技術のフィルドビア（filledvia）ではなく、いわゆるコンフォーマルビア（conformalvia）が形成されることになる。

　コンフォーマルビア（conformal via）の空間を利用できるので、後述するように、接合後のチップ・ミラー間距離を縮めることができる。

　最後に、（１３）のように、光導波路の層の一部を除去して、ミラーを設ける。

　図６は、本発明における素子または光チップと電気基板との電気連絡の構成を示す図である。

　素子または光チップは、スタッド（柱）を有しており、スタッド（柱）を、電気基板上の電極パッドの表面にめっきされているはんだに接合する。

　スタッド（柱）を光導波路の層が除去された部分に挿入し、めっきされているはんだを溶融させて、電気基板上の電極パッドと挿入されたスタッド（柱）の先端とを接合すればよい。

　ここに、はんだによる強固な金属接合が、具体的な構造として実現に至る。

　また、接合後のチップ・ミラー間距離は、コンフォーマルビア（conformal via）の空間を利用して、その中にスタッド（柱）が収まっているため、大幅に縮めることができる。

　このような構造を実現するためには、素子として、導波路と光学的に連絡する発光体または受光体と、電気基板上のはんだめっきされている電極にまで達する長さのあるスタッド（柱）との両方を有するものが準備されていればよい。

　言い換えると、コンフォーマルビアのビア底を利用していると言える。

　かかる趣旨において、「スタッド（柱）」の形状等は、当業者であれば様々な改変・応用が可能であって、広く解釈されて然るべきである。

　めっきされているはんだの厚みは、形成されている光導波路の層の厚みや、準備すべきスタッド（柱）の長さ（高さ）等との関係において、様々なものを採用することができる。

　コンフォーマルビアの中へはんだペーストを埋め込むことによる等、コンフォーマルビアをはんだで埋めて、フィルドビアに近い厚みに設定してしまうことも考えられるであろう。

　しかし、はんだの溶融による接合の際に、はんだが（熱膨張などで）あふれてショートを生じてしまうリスクがある。

　適量のはんだペーストをビアの中に供給することも容易なことではない。

　この点、めっきを利用することの優位性がある。

　例えば、光導波路の層を形成するにあたっては、電気基板上に（アンダークラッド層とオーバークラッド層との間に、コアが）ラミネートされた光導波路を積層するようにしてもよい。

　さらには、ラミネートされた光導波路が、予め、はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層が除去されていて、積層によって、はんだがめっきされている部分が露出されるように、設定しておいてもよい。

　ラミネートされた光導波路を利用すれば、本発明における（１１）と（１２）との手順を、一つの手順に集約することができ、工程を短縮することができる。

　ラミネートされた光導波路であれば、アンダークラッド→コア→オーバークラッドと光硬化樹脂（等）を積層していくものに比較して相対的に薄いものが入手可能である。

　ラミネートされた光導波路を利用する場合には、相対的に薄いことにあわせて、はんだめっきの厚さを相対的に薄くすればよい。

　光硬化樹脂を積層していく場合には、はんだめっきの厚さを相対的に厚くすることも可能である。

　はんだが溶融して接合されている状態は、はんだが溶融して一旦流動することになるので、表面張力に従って例えば図示のような状態になっているであろう。

　このような状態を見れば、本発明の構造自体も新規であると言うことができる。

　グラフ中のプロットの分布から、光の損出の改善効果を良好であることが読み取れる。

　図７は、本発明を適用した実験結果を示す図である。

　電気基板上の電極パッドの表面にはんだ（この場合はＳｎ１００％）をめっきし、その上に金スタッド（バンプ）を搭載することにより、良好な金属接合が得られた。

　１バンプ当たりの抵抗は数十ミリΩである。

　なお、金同士の接合を行ったものでは、１バンプ当たりの抵抗が数Ωであった。

Claims (8)

1. 　電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造において、光導波路の層を貫通する電気連絡用ビアとして用意される構造を形成する方法であって、
   　電気基板上の電極パッドの上方に、レジストパターンを準備するステップと、
   　レジストパターンに従って、電極パッドの表面にはんだをめっきするステップと、
   　準備されたレジストパターンを除去するステップと、
   　電気基板上について、はんだがめっきされている部分を覆って、光導波路の層を形成するステップと、
   　はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層を除去して、はんだがめっきされている部分を露出させるステップと、を有する、
   　方法。
2. 　さらに、
   　光導波路と光学的に連絡する発光体または受光体と、電気基板上のはんだめっきされている電極にまで達する長さのあるスタッド（柱）との両方を有する、素子を準備するステップと、
   　スタッド（柱）を、光導波路の層が除去された部分に挿入するステップと、
   　めっきされているはんだを溶融させて、電気基板上の電極パッドと挿入されたスタッド（柱）の先端とを接合するステップとを有する、
   　請求項１に記載の方法。
3. 　電気基板上について、はんだがめっきされている部分を覆って、光導波路の層を形成するステップが、
   　電気基板上に（アンダークラッド層とオーバークラッド層との間に、コアが）ラミネートされた光導波路を積層することによる、
   　請求項１に記載の方法。
4. 　ラミネートされた光導波路が、
   　予め、はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層が除去されていて、積層によって、はんだがめっきされている部分が露出されるように、設定されている、
   　請求項３に記載の方法。
5. 　電気基板上について、はんだがめっきされている部分を覆って、光導波路の層を形成するステップが、
   　光硬化樹脂を積層することによる、
   　請求項１に記載の方法。
6. 　電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造において形成されている、光導波路の層を貫通する電気連絡用ビアとして用意される構造であって、
   　電気基板上の電極パッドの表面に、はんだのめっきが形成されていて、
   　電気基板上について、光導波路の層が覆って形成されているが、はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層が除去されて露出している、
   　電気連絡用ビアとして用意される構造。
7. 　電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造において形成されている、光導波路の層を貫通する電気連絡用ビアとして用意される構造として、
   　電気基板上の電極パッドの表面に、はんだのめっきが形成されていて、
   　電気基板上について、光導波路の層が覆って形成されているが、はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層が除去されて露出していたところに、
   　光導波路と光学的に連絡する発光体または受光体と、電気基板上のはんだめっきされている電極にまで達する長さのあるスタッド（柱）との両方を有する、素子が接合されていて、
   　スタッド（柱）が、光導波路の層が除去されて露出している部分に挿入されていて、
   　めっきされていたはんだが溶融して、電気基板上の電極パッドと挿入されたスタッド（柱）の先端とが接合されている、
   　電気連絡用ビアによって接合されている構造。
8. 　電気基板と光導波路の層とが積層される多層構造において形成されている、光導波路の層を貫通する電気連絡用ビアとして用意される構造を有していて、
   　電気基板上の電極パッドの表面に、はんだのめっきが形成されていて、
   　電気基板上について、光導波路の層が覆って形成されているが、はんだがめっきされている部分の上方の光導波路の層が除去されて露出していて、
   　光導波路と光学的に連絡する発光体または受光体と、電気基板上のはんだめっきされている電極にまで達する長さのあるスタッド（柱）との両方を有する、光チップが接合されていて、
   　スタッド（柱）が、光導波路の層が除去されて露出している部分に挿入されて、めっきされていたはんだが溶融して、電気基板上の電極パッドと挿入されたスタッド（柱）の先端とが接合されて、光チップと電気基板との間の電気連絡が形成されている、
   　光チップアセンブリ。

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