JP2011186121A - 光基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板内に光導波路が内装された光基板を、安価な材料で且つ生産性の高いプロセスであり、低コスト且つ接続性のよい光基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】第一の絶縁樹脂層の第一面に光導波路を接着する工程と、該光導波路の外周全体または外周の一部にスペーサを積層する工程と、光導波路の光入出力部に合わせて接着層を開口する工程と、第一の絶縁樹脂層の第一面に第二の絶縁樹脂層を接着層により加熱圧着する工程と、絶縁樹脂層の最外層に貫通口を設ける工程と、絶縁樹脂層の最外層にパターニングにより電気気配線を形成する工程と、光導波路の光信号の入出力部が露出するように前記第二の絶縁樹脂層に開口部を設け、電気配線上に光入出力を行う受発光素子を実装する工程と、電気配線上に上に受発光素子制御素子を設ける工程を有することを特徴とする光基板の製造方法で得られる光基板とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気配線および光配線を有する光基板およびその製造方法に関する。

近年の高度情報化の進展に伴い、情報通信に用いられるルータやサーバ等の情報処理装置の高性能化はめざましく進んでおり、これら機器においては、通信信号の更なる高速化が求められている。この高速化においては、電子回路や電気回路における電気配線の通信品質が性能向上の障害となるために、通信速度を高速化する上でこの障害が無視できなくなってきている。そのため、処理信号の高速化や電気ノイズの低減を始めとして、高速通信の障害となる課題解決に向けた有望な技術として、光信号を利用することで、高速の伝送速度で情報を送受信することが可能な光配線を用いた技術が注目を集めている。特に、光配線を用いた大容量光インターコネクションを実現するために、光配線の高密度化や低損失接続が重要であり、高性能かつ価格低減に向けての様々な技術検討が行われている。

光信号は、発光素子や光配線から出力されると拡散される。このため、光信号の接続部品はできるだけ近い間隔で接続する必要がある。また、光接続はその接続位置がずれると光信号が漏洩損失するため、正確に位置をあわせて接続する必要がある。また、光信号を伝播する光導波路は基板平面内に水平方向に設けられるため、受発光素子の受発光面に光信号を入出力するためには、光信号路を概略９０°変換する必要がある。

光信号を９０°変換する構造として、光導波路の端部を概略４５°にカットしたミラー構造を形成することが公知の技術として挙げられる。

光配線を電子基板上へ組み込む方法としては、光配線、光を電気に変換する素子、素子のコントロールユニット等をひとまとめにした、光電気モジュールを基板へ搭載する方法がある。こうした光基板の製造方法について、現在様々な方法が検討されている。

光基板として、これまでに例えば特許文献１のように、基板の最外層に光導波路が積層されたものに関する報告が数多くなされてきたが、最近では特許文献２のように、基板内に光導波路が内装された構造に関する報告もみられるようになってきた。このような傾向にあるのは、光導波路を基板内に内装することで、パターン設計の自由度が高まり、更なる基板の高密度実装化が可能となるからである。

しかしながら、この種の光導波路内装構造において、基板を積層プロセスにより製造する場合、積層工程において特に光導波路端部が圧力により変形してしまうことが考えられる。光導波路端部が変形すると、光接続の位置ずれにより光信号の伝送が行えなくなる恐れがある。

特開２００９−１２２１６２号公報 特許第４２９２４７６号公報

本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、基板内に光導波路が内装された光基板を、安価な材料で且つ生産性の高いプロセスで提供する。特に、積層プロセスにより光導波路内装基板を得る場合において、導波路端部の変形を抑制する。これにより、低コスト且つ接続性のよい光基板とその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に係る発明としては、光信号を伝送する光導波路が内装された光基板であって、前記光基板に内装され且つ前記光導波路の外周全体または外周の一部に内装されたスペーサと、少なくとも表裏に電気配線がパターニングされた絶縁樹脂層と、前記電気配線上に設けられた受発光素子と、前記電気配線上に設けられた受発光素子制御素子とを有することを特徴とする光基板である。

また、請求項２に係る発明としては、前記スペーサの材質が金属であることを特徴とする請求項１に記載の光基板である。

また、請求項３に係る発明としては、前記光導波路の光入出力部に光路変換ミラーが形成され、該光路変換ミラー表面に金属膜が設けられたことを特徴とする請求項１および２に記載の光基板である。

また、請求項４に係る発明としては、第一の絶縁樹脂層の第一面に光導波路を接着する工程と、該光導波路の外周全体または外周の一部にスペーサを積層する工程と、前記光導波路の光入出力部に合わせて接着層を開口する工程と、前記第一の絶縁樹脂層の第一面に第二の絶縁樹脂層を前記接着層により加熱圧着する工程と、絶縁樹脂層の最外層に貫通口を設ける工程と、絶縁樹脂層の最外層にパターニングにより電気気配線を形成する工程と、前記光導波路の光信号の入出力部が露出するように前記第二の絶縁樹脂層に開口部を設け、前記電気配線上に光入出力を行う受発光素子を実装する工程と、前記電気配線上に上に受発光素子制御素子を設ける工程を有することを特徴とする光基板の製造方法である。

本発明は、次のような効果が奏する。第１の発明によれば、光導波路が内装された光基板において、光導波路の外周全体またはその一部にスペーサを配置する。これにより、導波路が積層された面上にプリプレグ等の接着層を介して基板を積層する加熱・圧着工程において、導波路にかかる熱応力が配置されたスペーサにより吸収されるため、特に光導波路端部の変形を大きく抑制することができる。

また、第２の発明によれば、スペーサ材料を金属にすることで、樹脂系スペーサを使用した場合よりも、熱応力によるスペーサの変形を少なくすることが可能となる。

また、第３の発明によれば、光導波路の光入出力部に光路変換ミラーを形成し、該ミラーに金属膜を設けることにより、金属膜を設けないエアミラー時よりも、より信頼性が高く光損失の少ないミラーとなる。

また、第４の発明によれば、光導波路の外周にスペーサを配置することで、低損失な光導波路内装光基板を提供することができる。特に積層プロセスにより光基板を作製するため、ビルドアップ方式よりもよりも安価に光基板を提供することが可能となる。

本発明の光基板の製造方法に係る一例を示す断面図である。 図１に続く本発明の光基板の製造方法に係る一例を示す断面図である。 図２に続く本発明の光基板の製造方法に係る一例を示す断面図である。 図３に続く本発明の光基板の製造方法に係る一例を示す断面図である。

本発明に係る光基板とその製造方法をより詳細に述べる。

本発明の光基板１００において、その完成図を図４（ｍ）に示す。本発明の光基板１００は、まず絶縁樹脂基板１０ａにミラー１２が設けられた光導波路１１を積層する。光導波路１１の固定は一般的に、エポキシ系光学接着剤で行うがこれに限定されるものではない。

絶縁樹脂層１０ａには、任意の有機材料および無機材料を使用することができる。具体的には、アクリル材料、シリコーン材料、シリコンウェハ、金属材料、硝子材料、プリプレグ、積層板材料などが使用できるが、これに限定されるものではない。

光導波路１１としては、光導波路フィルムに一般的な光配線を形成した光導波路を用いる事ができる。光導波路フィルムのフィルム材質として、カーボネート系、エポキシ系、アクリル系、イミド系、ウレタン系、ノルボルネン系などの高分子材料および石英などの無機材料を用いる事ができる。形成した光配線の伝送モードとして、シングルモード、マルチモード、シングルマルチ混合配線などの構成をとることができる。また、フィルムに限定されず、細線光ファイバーアレイを用いることもできる。

ミラー１２は伝搬光の波長に対して高い反射率を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、金、銀、アルミニウムやこれらの合金からなる金属膜を用いることができる。また、これらの金属材料は発光素子として用いられる波長８５０ｎｍの光に対しても高い反射率を有する点で好適である。

光導波路１１を固定した後、光導波路の両端ミラー部周辺にスペーサ１３を設置する。固定には一般的なプリント配線板用のエポキシ系接着剤を用いたが、これに限定されるものではない。

スペーサ１３は光導波路１１の周辺部であれば、複数箇所、光導波路１１周辺全体に設置してもよいが、両端のミラー部１２周辺の２箇所に分けて設置することがより好ましい。

スペーサ１３の材質として任意の有機材料および無機材料を使用することができる。具体的には、ステンレス、銅、鉄、アルミなどの無機材料や、ポリイミド系、アクリル系、フェノール系樹脂などの有機材料があげられるが、コストや耐久性の観点から、ステンレスがより好ましい。

続いて、光導波路１１の光入出力部に合わせて接着層に開口部１５を設け、この接着層１４を介して絶縁樹脂層１０ａと１０ｂを加熱・圧着する。

接着層１４に設ける開口部１５は、ドリルマシンやルータ加工機、レーザ加工機などにより形成する。また、接着層１４は開口部１５と光導波路の入出力部であるミラー部１２との位置合わせを行い積層する必要がある。

接着層１４の材質として、アラミド繊維や炭素繊維プリプレグ、他のプリント配線板用の絶縁性接着剤を用いることができるが、耐熱性、信頼性、低線膨張係数からグラスファイバープリプレグがより好ましい。

絶縁樹脂を加熱・圧着した後、ビアホール用穴１６およびスルーホール用穴１７を開口し、めっき処理にてビアホール１８およびスルーホール１９を形成した。

ビアホール用穴を形成する方法については、レーザ加工が好ましい。レーザについては炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ（基本波、第２高調波、第３高調波、又は第４高調波）、或いはエキシマーレーザ等があるが、導体層、絶縁樹脂層共に加工を行う為、両者を同時に加工することのできる４００ｎｍ以下の短波長レーザであるＹＡＧレーザ（第３高調波、又は第４高調波）、或いはエキシマーレーザがより好ましい。

スルーホール用穴はドリル加工機によりドリリングし形成することができる。

めっき工程は絶縁樹脂面に電解めっきのシード層を形成する、無電解銅めっきまたはダイレクトプレーティングを行う工程と、シード層を給電パターンとしてめっきを行う電解めっき工程とがある。

次に、露光、現像といった公知のフォトリソグラフィー技術を使用することによりエッチングレジスト２０を形成する。その後、エッチング、剥離を行い、電気配線や実装用パットにパターニングされた導電層２１を形成する。必要に応じて、Ｎｉ／Ａｕめっきやソルダーレジスト印刷も行う。

さらに、光スルーホール２２を開口する。これには予め、開口位置を示すマーキングをパターニングにより形成しておくことが好ましく、これにより、所定の位置に必要な大きさ、深さを開口することができる。開口には高精度な加工が必要であるため、ＹＡＧレーザ（第３高調波、又は第４高調波）、或いはエキシマーレーザがより好ましい。

この後、必要に応じて金属箔のパターンで形成された実装用パット上に、受発光素子制御素子２３を実装することができる。受発光素子制御素子２３の実装は、ダイボンディング、ワイヤボンディング２４、フリップチップ実装などの方法を取る事ができる。

最後に光導波路１１の光入出力部と受発光素子２５の受発光部が接続するように、受発光素子２５を実装する。

受発光素子２５には、単チャンネルもしくは複数チャンネルの光素子を用いる事ができる。具体的には、端面発光型ＬＤ、面発光型ＬＤ、面受光型ＰＤなどを使用する事ができる。受発光素子２５とパターニングされた導電層で形成された電気配線の接続には、ワイヤボンディングや半田接続などの方法を取る事ができる。

以下に本発明の実施例をもって説明するが、本発明がそれらに限定解釈されるものではない。また、以下の記載では、光基板１００の光導波路１１を１層の光導波路フィルムとして説明するが、必ずしも１層である必要はない。また、以下の記載では光導波路１１をマルチモードとして説明するが、必ずしもマルチモードである必要はない。

（実施例） 絶縁層として不織布ガラスクロスエポキシ基板（５００μｍ厚、図１（ａ））に光導波路１１（マルチモードエポキシ系光導波路フィルム：ＮＴＴ−ＡＴ製）を設置した（図１（ｂ））。設置固定にはエポキシ系屈折率整合光学接着剤（ＮＴＴ−ＡＴ製）を使用した。ここで、光導波路１１のミラー１２には金がスパッタリングされている。

次に、絶縁樹脂上１０ａのミラー１２周辺部にステンレス製のスペーサ（高さ１００μｍ）を設置した。接着剤にはエポキシ系金属用接着剤（スリーボンド製）を使用した（図１（ｃ）、図１（ｄ））。

次に、接着層１４としてはガラスクロスプリプレグ（日立化成製）を使用し、これに光導波路１１の入出力部に対応した開口部を設けた（図１（ｅ））。続いて、この接着層１４を介して絶縁樹脂層１０ａと１０ｂを加熱・圧着した（図２（ｆ））。

次に、波長３５５ｎｍの紫外線レーザ（ＹＡＧ第三高調波）にて加工することで、ビアホール用穴１６を形成し、ドリル加工機にてスルーホール用穴１７を形成した（図２（ｇ））。ここで加工したビアホール用孔部径およびスルーホール用孔部径はそれぞれ６０μｍ、１２０μｍであった。

次に、ビアホール用孔部に堆積した樹脂残渣を除去する為に、過マンガン酸カリウムと水酸化ナトリウムを３対２の割合でイオン交換水に溶解させ、約５０℃に加熱した。この混合液中に基板を浸漬させ、樹脂残渣を除去した。

次に、銅めっき処理を施し、ビアホール１８およびスルーホール１９を形成した（図２（ｈ））。

次に、配線パターン形成するために、配線形成用のドライフィルムレジストをラミネーターにより加熱加圧し張り合わせ、レジスト層を形成した。さらに、所定のパターンを形成したフォトマスクを用いて超高圧水銀ランプを光源とした平行光にて露光し、１％炭酸ナトリウム水溶液にて現像を行い、所望のエッチングレジストパターンを得た（図２（ｉ））。

銅のエッチングは比重１．４０の塩化第二鉄水溶液にてエッチングを行い形成した。その後、レジストを３％水酸化ナトリウム水溶液にて剥離を行い、回路パターンを得た（図３（ｊ））。

次に、光スルーホール２２を形成した（図３（ｋ））。これには波長３５５ｎｍの紫外線レーザ（ＹＡＧ第三高調波）にて加工することが好ましい。

次に、パターニングされた銅箔２１上に受発光素子制御素子２３（ＶＣＳＥＬドライバーチップ３５０μｍ厚：ＨＥＬＩＸ ＡＧ製）を実装し、ワイヤボンディング２４により電気接続を行った（図３（ｌ））。

次に、パターニングされた銅箔２１上に、光導波路１１の光入出力部と受発光素子２５（４ｃＨ ＶＣＳＥＬ １５０μｍ厚：ＵＬＭ製）の受発光部が接続するように、受発光素子２５を実装した（図４（ｍ））。

（比較例）
比較例として、実施例とほぼ同様に作製した二つの光基板についての光出力を確認した。一つは実施例と同じ製造方法で作製した光基板１００、もう一方はスペーサ１３を内装しなかった光基板についてである。

光基板１００の光学特性評価の結果、光導波路の各チャンネルで０．９〜１．３ｍＷの光出力を確認した。

前記光学特性評価の方法としては、まず、発光素子からら強度５．０ｍＷの光（８５０ｎｍ）の光を出射させた。この５．０ｍＷの光信号は光導波路の各コアチャンネルの端部から入り、光導波路の他端から出て受光素子で受光される。この時の光強度を光強度測定器により測定を行った。

比較例としたスペーサを内装しなかった光基板に関しては、接着層として使用したガラスクロスプリプレグの加熱・圧着工程後に光の入出力部であるミラーが変形し、この時点で光の入出力が全く行えなくなった。

よって、本発明の光基板の製造方法を用いることにより、接着層を介して基板を積層する加熱・圧着工程後に、導波路にかかる熱応力が配置されたスペーサにより吸収されるため、光導波路端部の変形を大きく抑制することができ、低損失な光導波路内装光基板を製造することができた。

１０ａ・・・絶縁樹脂層
１０ｂ・・・絶縁樹脂層
１１ ・・・光導波路
１２ ・・・ミラー
１３ ・・・スペーサ
１４ ・・・接着層
１５ ・・・接着層開口部
１６ ・・・ビアホール用穴
１７ ・・・スルーホール用穴
１８ ・・・ビアホール
１９ ・・・スルーホール
２０ ・・・エッチングレジスト
２１ ・・・パターニングされた導電層
２２ ・・・光スルーホール
２３ ・・・受発光素子制御素子
２４ ・・・ワイヤボンディング
２５ ・・・受発光素子
１００・・・光基板

Claims (4)

1. 光信号を伝送する光導波路が内装された光基板であって、
   前記光基板に内装され且つ前記光導波路の外周全体または外周の一部に内装されたスペーサと、
   少なくとも表裏に電気配線がパターニングされた絶縁樹脂層と、
   前記電気配線上に設けられた受発光素子と、
   前記電気配線上に設けられた受発光素子制御素子と、
   を有することを特徴とする光基板。
2. 前記スペーサの材質が金属であることを特徴とする請求項１に記載の光基板。
3. 前記光導波路の光入出力部に光路変換ミラーが形成され、
   該光路変換ミラー表面に金属膜が設けられたことを特徴とする請求項１および２に記載の光基板。
4. 前記光基板において、第一の絶縁樹脂層の第一面に光導波路を接着する工程と、
   該光導波路の外周全体または外周の一部にスペーサを積層する工程と、
   前記光導波路の光入出力部に合わせて接着層を開口する工程と、
   前記第一の絶縁樹脂層の第一面に第二の絶縁樹脂層を前記接着層により加熱圧着する工程と、
   絶縁樹脂層の最外層に貫通口を設ける工程と、
   絶縁樹脂層の最外層にパターニングにより電気気配線を形成する工程と、
   前記光導波路の光信号の入出力部が露出するように前記第二の絶縁樹脂層に開口部を設け、前記電気配線上に光入出力を行う受発光素子を実装する工程と、
   前記電気配線上に上に受発光素子制御素子を設ける工程と、
   を有することを特徴とする光基板の製造方法。