JP2006091500A - 光導波路が嵌め込まれた光導波路基板および光電気混載基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気配線基板との積層を可能にし、光配線の配置を自由に行える安価で大面積の光導波路基板を提供する事を目的とする。
【解決手段】樹脂からなるコア部とクラッド部を備えた光導波路２が平板３に嵌め込まれて固着していることを特徴とする光導波路基板である。この平板には電気配線パターンが形成されていることが好ましい。また、これら光導波路が平板に嵌め込まれた光導波路基板と電気配線板とが積層してなる光電気混載基板である。
【選択図】 図１

Description

本発明は高分子光導波路に関し、特に光集積回路、光インターコネクション用光学部品、光電気混載板等を製造する方法に関する。

光部品、あるいは光ファイバの基材としては、光伝搬損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴を有する石英ガラスや多成分ガラス等の無機系の材料が広く使用されているが、最近では高分子系の材料も開発され、無機系材料に比べて加工性や価格の点で優れていることから、光導波路用材料として注目されている。例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、あるいは、ポリスチレンのような透明性に優れた高分子をコアとし、そのコア材料よりも屈折率の低い高分子をクラッド材料としたコア−クラッド構造からなる平板型光導波路が作製されている（特許文献１）。これに対して耐熱性の高い透明性高分子であるポリイミドを用い低損失の平板型光導波路が実現されている（特許文献２）。

光インターコネクション用には、光導波路は電気配線の代替として検討されている。電気配線で困難とされる伝送を光配線でおこなうことが求められる。特に電気配線が形成されたプリント配線板と積層して用いる場合には、プリント配線板と光導波路を同じ大きさにすることが好ましく、例えば２０ｃｍ以上などの大面積の光導波路を求められることが多い。しかしながら、多くの光導波路は、スピンコートを用いて作製するためにその大きさにが限界がある。例えば、１０インチなどの大きな基板を用いて作成しようとした場合、膜厚や加工精度の不均一性などが生じてしまい、また直線で２０ｃｍ以上の光導波路を作成することは非常に困難である。また、スピンコートは通常丸い基板を用いて行うため、長い光導波路を矩形状で大面積で作成することは困難であった。さらに、多くの光電気混載基板において、光が伝送する面積は小さいことが多いことから、コスト高でかつ無駄な面積が多いことになってしまう。
特開平３−１８８４０２号 特開平４−９８０７号

本発明者が検討したところ、大面積の光導波路が作成でき電気配線を備えたプリント配線板と同じ大きさの光導波路を積層する事が可能になった場合でも、次の問題があることが分かった。光導波路とプリント配線板とを積層する光電気混載基板において、表裏のプリント配線板で導通をとるためにスルーホールを形成し、そこにメッキをしたり穴埋めなどを行う必要がある。そのためには光導波路にドリルやレーザなどによる穴あけ加工性やメッキの密着性が求められる。特に光導波路の多くはフッ素を含有しており、光導波路を貫通する穴の壁面に形成されるメッキ膜の密着性不良が発生する可能性があり、表裏のプリント配線板間の導通不良が生じるおそれがある。さらに、プリント配線板と光導波路の樹脂が異なるために、誘電率が異なる。したがって、光導波路の面積が必要以上に大きくなると回路設計も複雑になってしまう。

本発明の目的は、上記の問題を回避すべく、安価に大面積な光電気混載基板を実現できる光導波路基板を提供することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、安価な平板に光導波路を嵌め込むことにより、前記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明は、樹脂からなるコア部とクラッド部を備えた光導波路が、平板に嵌め込まれて固着している光導波路基板である。このとき、平板に電気配線パターンが形成されていることが好ましい。

また本発明は、これらの光導波路基板と電気配線板とが積層してなる光電気混載基板である。

本発明による光導波路基板を用いることにより、大面積の光電気混載基板が低コストに製造できる。また、光導波路の多種多様なパターン、光導波路を必要とする基板面内の箇所がどのような箇所であっても、嵌め込む光導波路の形、大きさ、数を変えることにより、簡便に多種多様なパターンの大面積光電気混載基板が安価に形成できる。そのうえ、光導波路基板の中で光導波路を回路設計上必要な箇所のみに配置でき、その他の部分の材料はプリント配線板の基板材料と同種の材料を選べるので、誘電率をあわせることができ回路設計が容易になる。また平板とプリント配線基板とを同種の材料を用いる事により、積層した電気混載基板を製造する場合でも、導通をとるための光導波路基板のスルーホールは、光導波路以外の部分である平板に形成する事で、スルーホール内のメッキ膜は、実績のあるプリント配線基板と同等の密着性を確保できる。

さらには光導波路を光導波路基板内に自由に配置できるので、回路設計の自由度を高めることにもなる。
また光導波路を嵌め込む平板が電気配線を備える場合は、たとえ電気配線が光導波路と独立した機能を有していても、配線密度を高める効果がある。

以下、本発明を詳細に説明する。ここでは、ポリイミド光導波路を例に挙げて説明するが、光導波路の材料としてポリイミド以外の光学用材料の樹脂を用いることももちろん可能である。図１に本発明の平板に光導波路を嵌め込んだ光導波路基板の一例を示す。

まず、シリコンウェハ上に下部クラッド層を形成する。その上にコア層を形成する。次に、所望のコアパターンの描いてあるマスクパターンを用いて、レジストパターン形成を行う。このレジストをマスクとして酸素プラズマでドライエッチングする。次に、残ったレジストを剥離液で除去する。次に上から上部クラッド層を形成する。次に、フッ酸水溶液に浸せきさせシリコンウェハから、光導波路を剥離する。このようにして図１(a)のような複数のコア6を有する光導波路フィルム１が得られる。光導波路フィルムの厚みを調整するために、樹脂をコートしたり、他のプラスチックフィルムをラミネートなどしてもよい。次に、光導波路を所望の形状にカッターや型などで型どりをする。このようにして、図１(b)に示す光導波路基板を構成する例えば矩形状の光導波路２が得られる。

次に、図１(b)のように光導波路を嵌め込む平板３を用意する。平板は、樹脂フィルムや樹脂基板、プリント配線板、多層プリント配線板に用いられる内層板、プリプレグなど、フィルムからリジッド基板まで様々なものが用いることができる。平板に光導波路を嵌め込むためのスペース４を形成する。このスペースは、光導波路を型どりしたものと同じ型で同様に型どりして貫通穴にする。あるいは、所望の形状の型を熱し、エンボス加工によって、凹みを形成してスペースとしてもよい。できた嵌め込みスペースは穴形状あるいは凹み形状、平板の端に設ける場合は切り込み形状となる。熱可塑性材料のように熱することによって粘度が下がる材料の場合、平板側は型どりせず、熱しながら型どりした光導波路を押し付けることによって、嵌め込むことも可能である。

嵌め込んだときにできる平板と光導波路との間の空隙は、樹脂によって埋め込めばよい。この樹脂は、光電気混載基板をラミネートして作成するときの接着層と同じ樹脂を用いることが望ましい。また、平板の凹みへ嵌め込むタイプでは、光導波路面全体に接着層を形成し、平板と光導波路とを接合することによって固着すればよい。

このようにして、図１(c)に示すような光導波路基板５が作成できる。平板に設けられた穴に光導波路を嵌め込む場合は、図２(a)のように、平板１１に設けた穴に光導波路１２を嵌め込み、平板と光導波路の端部の空隙を樹脂１３で埋めることにより固着できる(図２(b))。

平板に光導波路を嵌め込んで得られる光導波路基板は平坦であることが望ましい。この光導波路基板を用いて光電気混載基板を積層によって作成する場合の接着層の厚みよりも光導波路基板の凹凸は小さくする必要がある。望ましくは、光導波路基板の凹凸による最大厚みと最小厚みの差、または光導波路基板の最大厚みあるいは最小厚みと平板の厚みの差は２０μｍ以下にする。

光導波路や平板がフッ素などのハロゲンを含んでいるなどにより、電気配線板との密着性が低い場合、光導波路基板の両面に接着を改良するための樹脂膜（図示せず）をコーティングする。この樹脂膜には、光導波路基板に対して密着性を有する樹脂を用いる。例えば、熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、光導波路が嵌め込まれた平板に接着層が既に形成されている場合や不必要な場合は、光導波路を嵌め込む前に光導波路のみにこの接着改良層を形成しておく。

図３(a)は、光導波路基板１８を上下からプリント配線板１４で挟んで、その間に接着層１５をはさみ、熱プレスなどによって接着した断面を示す。接着層にはエポキシ樹脂をはじめ種々の樹脂を用いることが出来る。また、多層プリント配線板を作成するように、接着層を用いずにプリプレグをそのまま接着層として使用しても良い。図３(b)に示すように、上下のプリント配線板間の導通は、光導波路12を嵌め込んだ平板部に当たる箇所に、スルーホール１６形成し、そこにメッキを施してメッキ膜１７を形成し、穴を樹脂埋めすることによって実現できる。このとき、平板部にはプリント配線板や多層プリント配線板の内層と同種の樹脂、あるいはメッキ密着性の良好な樹脂を用いることによって、従来の工程のままで良好な導通を得る事ができる。

図４に、光電気混載基板における光結合部の形成工程と光が伝送する形態を示す。先に述べたように光導波路基板18が埋め込まれた形の光電気混載基板に、光の入出力部から光導波路のコアにかかるようにレーザで穴２１をあける（図４(a)）。次にその穴に光ファイバあるいは光導波路の先端を４５度傾斜加工された光路変換用の光ピン２２を挿入した（図４(b)）。光ピンの４５度面には金などの金属でコーティングされていることが好ましい。次に、発光素子２３と受光素子２４あるいはそれらが搭載された基板をはんだボール２５によって、プリント配線板上に実装した（図４(c)）。光ピン２２と発光素子や受光素子の間の空間を発光素子の発信波長に対して透明な樹脂２６で埋めた。このようにして光電気混載基板を用い、発光素子と受光素子間を矢印（点線）の光路２７を通り、光信号の伝送が実現できる。

光導波路を嵌め込む平板にプリント配線板を用いることにより、あるいは、平板も含めた光導波路基板へ電気配線を施すことにより、この光導波路基板も光電気混載基板として使用することは出来る。図５(a)において平板31に電気配線36および光素子実装用の電極パッド32と光導波用のスルーホール35を形成しておき、平板31に光導波路33を嵌め込んで接着剤で固着する。スルーホール35はダイシングソーやレーザで形成する事ができる。そしてスルーホールの中に先端に４５度ミラーを有する公知の光ピンなどの９０度光路変換する機能を付与しておく。そして図５(b)のように、面型の受発光素子34をはんだなどによって実装する。

引き続いて、いくつかの実施例を用いて本発明を更に詳しく説明する。
（実施例１）
５インチシリコンウェハ上に２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤＡ）と２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４, ４' −ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）から形成されるポリイミドをクラッドとして、６ＦＤＡとＴＦＤＢおよび６ＦＤＡと４, ４' −オキシジアニリン（ＯＤＡ）の共重合ポリアミド酸溶液から形成されるポリイミドをコアとして、フォトリソグラフィとドライエッチング技術により埋め込み型光導波路フィルムを形成する。その後、このシリコンウェハ上の光導波路を５ｗｔ％のフッ酸水溶液中に浸漬させ、シリコンウェハから光導波路を剥し、フィルム光導波路を作製した。フッ素化ポリイミド光導波路のフィルム厚は４３μｍ、コアサイズは幅３５μｍ×高さ１４μｍとした。その後、フッ素化ポリイミドの両面に接着を向上させるために、熱可塑性ポリイミド（ＬＡＲＣ−ＴＰＩ）をそれぞれ１μｍの厚みだけ、スピンコートおよび熱処理をして形成した。光導波路フィルムの厚みは４５μｍとなった。次に、作製した光導波路を幅５ｍｍ、長さ６０ｍｍに刃のついた型で型どりした。このような光導波路を二つ用意した。

次に、光導波路を嵌め込むポリイミドフィルムとして、カプトン（登録商標）を用意した。厚みは３８μｍであった。その後、光導波路をかたどったものと同じ刃のついた型を用いて、カプトン（登録商標）フィルムに幅５ｍｍ、長さ６０ｍｍの光導波路が嵌め込まれる穴を二箇所空けた。カプトン（登録商標）フィルムの大きさは、２００ｍｍ×２００ｍｍとした。

次に、その穴にかたどった光導波路フィルムを嵌め込んだ。そのとき、カプトン（登録商標）フィルムと光導波路の間に空間が空かないように、あらかじめ光導波路の端面にエポキシ樹脂（三井化学製ＥＰＯＸ（登録商標）ＡＨ）を付着させておいた。このエポキシ樹脂は、ラミネートするときの接着層と同じ樹脂を用いた。

あらかじめアプリケータによってＰＥＴフィルム上にエポキシ樹脂を２５μｍの厚みになるように塗工し、１４０℃で乾燥させた。この２５μｍの厚みのエポキシ樹脂（三井化学製ＥＰＯＸ（登録商標）ＡＨ）を接着層とし、二枚の銅箔付きポリイミドフィルム（三井化学製ネオフレックス（登録商標））を光導波路フィルムの両側に加熱プレスにより接着固定した。まず、接着層を１００℃で光導波路基板にラミネートし、接着層を光導波路基板の両側に形成した。その後、プレス温度１６０℃、プレス圧力は１ＭＰａでプレス接着を実施した。このとき、銅箔付きポリイミドフィルムの大きさは幅２００ｍｍ×長さ２００ｍｍとした。このようにして、２００ｍｍ×２００ｍｍの中に幅５ｍｍ×長さ６０ｍｍの光導波路が二つ埋め込まれた光電気混載基板が作製できた。この後銅箔を必要な配線パターンにパターニングしたり、光導波路の部分にかからないようにスルーホールを形成したり、受発光素子を含む光電部品や電子部品を実装すればよい。

（実施例２）
実施例１と同様のフッ素化ポリイミドを用いて、同様に光導波路を作製した。光導波路両面を実施例１と同様に熱可塑性ポリイミド（ＬＡＲＣ−ＴＰＩ）をコーティングしておいた。ここで、光導波路のトータル厚みを０．１ｍｍとした。平板として、電気回路がパターニングされている内層板用ＦＲ−４ガラスエポキシプリント配線板を用意した。配線板の厚み（銅箔無し厚み）は０．１ｍｍとした。光導波路と内層板用ＦＲ−４ガラスエポキシプリント配線板を実施例１と同様に幅５ｍｍ×長さ６０ｍｍのそれぞれ、形および穴を形成した。
次に、かたどった光導波路を穴の形成された内層板用配線板へ嵌め込んだ。そのとき、配線板と光導波路の間に空間が空かないように、あらかじめ光導波路の端面にエポキシ樹脂（三井化学製ＥＰＯＸ（登録商標）ＡＨ）を付着させておいた。

次に、二枚のＦＲ−４銅張積層板と二枚のＦＲ−４用プリプレグを用意した。銅張積層板／プリプレグ／光導波路基板／プリプレグ／銅張積層板の順に積層し、熱プレスによって接着させた。このとき、１００Ｔｏｒｒ以下にし、温度１７０℃、圧力４ＭＰａで８０分間保持した。このようにして、幅５ｍｍ×長さ６０ｍｍの光導波路が二枚嵌め込まれた光電気混載基板が作製できた。

次に、光導波路の無い場所に対して、公知のスルーホールめっき技術によって、上下層および内外層間の導通をとった。これは、通常のＦＲ−４基板に対するスルーホール形成と同じであるため、密着性、信頼性ともに、通常のＦＲ−４配線板と同等であった。

本発明は、電気回路と光回路を搭載した光電気混載基板に利用できる。

平板へ光導波路を嵌め込んだ光導波路基板の作成例を示す図。 平板へ光導波路を嵌め込んだ光導波路基板の作成例を示す断面図。 光電気混載基板の製造工程の一部を示す断面図。 光電気混載基板の製造工程の一部を示す断面図。 平板が電気配線を有する例を示す図。

符号の説明

１：光導波路フィルム、 ２：光導波路、 ３：平板、
４：スペース、 ５：光導波路基板、 １１：平板、
１２：光導波路、 １３：樹脂、 １４：プリント配線板、
１５：接着層、 １６：スルーホール、 １７：メッキ膜、
１８：光導波路基板、 ２１：穴、 ２２：光ピン、
２３：発光素子、 ２４：受光素子、 ２５：はんだボール、
２６：透明な樹脂、 ２７：光路、 ３１：平板、
３２：電極パッド、 ３３：光導波路、 ３４：受発光素子
３５：スルーホール、 ３６：電気配線

Claims (3)

1. 樹脂からなるコア部とクラッド部を備えた光導波路が、平板に嵌め込まれて固着していることを特徴とする光導波路基板。
2. 平板に電気配線パターンが形成されている請求項１記載の光導波路基板。
3. 電気配線板と請求項１または請求項２の光導波路基板とが積層してなる光電気混載基板。
   
   

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