CN103364893A - 光电混合基板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够不使生产率降低而且以稳定的位置精度在光学元件与芯之间的光路上形成透镜的光电混合基板。该光电混合基板包括：在绝缘层（1）的表面形成电气布线（2）而制成的电路基板（E）；安装在该电路基板的电气布线形成面上的光学元件（发光元件11、受光元件12）；以及形成在上述电路基板的上述绝缘层的背面侧的光波导路（W）；在该光波导路的芯（7）的端部形成有能够对光（L）进行反射而在上述芯与上述光学元件之间形成光传播的反射面（7a），其中，上述绝缘层由透光性材料构成，上述绝缘层的、与上述光学元件和形成于上述芯的上述反射面之间的光路相对应的部分形成为透镜部（1a）。

Description

光电混合基板
技术领域
本发明涉及将安装有光学元件的电路基板和光波导路层叠起来而成的光电混合基板。
背景技术
在最近的电子设备等中，随着传输信息量的增加，除了采用电气布线之外，还采用光布线。作为这种基板，提出有如下的光电混合基板，例如，如图7所示，该光电混合基板包括：在绝缘层51的表面形成有电气布线52而制成的电路基板Eo；层叠在该电路基板Eo上的上述绝缘层51的背面（与电气布线52的形成面相反一侧的面）上的光波导路（光布线）Wo（下包层56、芯57、上包层58）；安装在上述电气布线52的形成面中的、与上述光波导路Wo的两端部相对应的部分的发光元件11和受光元件12（例如，参照专利文献1）。并且，上述光波导路Wo的两端部形成为相对于上述电路基板Eo倾斜了45°的倾斜面，芯57的位于该倾斜面的部分成为光反射面57a。而且，上述绝缘层51的与上述发光元件11和受光元件12相对应的部分形成有光路用的通孔55，在上述发光元件11与一端部的光反射面57a之间和上述受光元件12与另一端部的光反射面57a之间能够通过通孔55使光L有L进行传播。
光L在上述光电混合基板中的传播如下这样进行。首先，光L从发光元件11朝向一端部的光反射面57a发光。该光L在通过形成于上述绝缘层51的光路用的通孔55之后，透过光波导路Wo的一端部（在图7中为左端部）的下包层56，由芯57的一端部的光反射面57a反射（光路变换了90°），在芯57内沿着轴向行进。然后，该光L由芯57的另一端部（在图7中为右端部）的光反射面57a反射（光路变换了90°），朝向受光元件12行进。接着，该光L透过另一端部的下包层56而出射，在通过光路用的通孔55之后，由受光元件12接收。
但是，从上述发光元件11发出的光L和由另一端部的光反射面57a反射的光L会如图7所示地发散。因此，光L的传播效率较低。因此，如图8所示，提出有在上述光路用的通孔55的开口面上安装透镜60，通过该通孔55的光L在上述透镜60的作用下成为平行光或者集束光（例如，参照专利文献2）。其中，通过如上那样使光L形成为平行光或者集束光，对光L高效地进行传播。
专利文献1：日本特开2009－288341号公报
专利文献2：日本特开2002－258081号公报
不过，由于上述透镜60需要进行安装，因此存在如下问题：需要透镜60的安装工序，生产率降低。而且，由于是进行的安装，也存在有安装位置的精度产生偏差这样的问题。
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而做成的，其目的在于提供一种能够不使生产率降低而且以稳定的位置精度在光学元件与芯之间的光路上形成透镜的光电混合基板。
为了达到上述目的，本发明的光电混合基板，其包括：在绝缘层的表面形成电气布线而制成的电路基板；安装在该电路基板的电气布线形成面上的光学元件；以及形成在上述电路基板的上述绝缘层的背面侧的光波导路；在该光波导路的芯的端部形成有能够对光进行反射而在上述芯与上述光学元件之间形成光传播的反射部，其中，该光电混合基板采用如下结构：上述绝缘层由透光性材料构成，上述绝缘层的、与处于上述光学元件和形成于上述芯的上述反射部之间的光路相对应的部分形成为透镜部。
本发明的光电混合基板的绝缘层由透光性材料构成，因此，上述绝缘层的、与处于光学元件和形成于芯的反射部之间的光路相对应的部分不需要形成光路用的通孔。而且，绝缘层的成为上述光路的部分形成为透镜部，因此该透镜部是绝缘层的一部分，不需要安装另外的透镜。这样，本发明的光电混合基板不需要在绝缘层上形成光路用的通孔的工序和在光路部分安装透镜的工序，因此能够提高生产率。而且，如上所述，不需要在绝缘层上安装另外的透镜，因此，不会产生安装位置的偏差，能够以稳定的位置精度形成上述透镜部。
特别是，在上述绝缘层的透光性材料是感光性树脂、上述透镜部是利用光刻（フオトリソグラフイ）法时的灰度曝光（日文：階調曝光）而形成的的情况下，利用一次光刻法处理，就能够形成带有透镜部的绝缘层，因此，生产率和透镜部的位置精度优异。
而且，当在上述绝缘层上形成有上述电气布线定位用的对位标记，以上述对位标记为定位标记形成上述电气布线时，上述电气布线的位置精度也优异。
另外，当在上述绝缘层上形成有上述光学元件定位用的对位标记，以上述对位标记为定位标记安装上述光学元件时，上述光学元件的位置精度也优异。
而且，在上述绝缘层对波长600nm以上的光的透射率为70%以上的情况下，透过上述绝缘层的光变多，因此光的耦合损失较少。
另外，在上述绝缘层为具有150℃以上的耐热性的耐热层的情况下，不会因安装上述光学元件时的热量而引起上述透镜部变形，因此，起到适当的透镜的聚光效果。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的光电混合基板的第1实施方式的纵剖视图。
图2的（a）～图2的（d）是示意性地表示上述光电混合基板的电路基板的制作工序的说明图，图2的（e）是示意性地表示上述光电混合基板的金属层的蚀刻工序的说明图。
图3的（a）～图3的（d）是示意性地表示上述光电混合基板的光波导路的制作工序的说明图。
图4是示意性地表示本发明的光电混合基板的第2实施方式的纵剖视图。
图5是示意性地表示本发明的光电混合基板的第3实施方式的纵剖视图。
图6是示意性地表示本发明的光电混合基板的第4实施方式的纵剖视图。
图7是示意性地表示以往的光电混合基板的纵剖视图。
图8是示意性地表示以往的光布线基板的纵剖视图。
具体实施方式
接下来，根据附图对本发明实施方式进行详细说明。
图1是示意性地表示本发明的光电混合基板的第1实施方式的纵剖视图。本实施方式的光电混合基板为沿左右方向延伸的带状，其包括：在绝缘层1的表面形成有电气布线2而制成的电路基板E；安装在该电路基板E的电气布线2的形成面上的发光元件11和受光元件12；形成在该电路基板E的绝缘层1的背面的光波导路W；以及形成在该光波导路W与上述电路基板E的绝缘层1的背面之间的金属层M。而且，在金属层M的与上述发光元件11和受光元件12相对应的部分形成有光路用的通孔5。并且，在光波导路W的与上述发光元件11和受光元件12相对应的两端部形成有呈倒V字状的缺口部，其倒V字的倾斜面形成为相对于光波导路W的芯7的长度方向倾斜了45°的面。该倾斜面成为能够对光进行反射而能够在发光元件11与芯7之间进行光传播和在受光元件12与芯7之间进行光传播的反射面7a。
并且，上述绝缘层1由透明的合成树脂等透光性材料构成，上述绝缘层1的、与处于上述芯7的一端部的反射面7a与上述发光元件11之间的光路相对应的部分形成为具有向上述发光元件11侧鼓出的凸状的曲面的透镜部1a。上述绝缘层1的、与处于上述芯7的另一端部的反射面7a与上述受光元件12之间的光路相对应的部分也同样地形成为透镜部1a。本发明的主要特征在于，如上所述地使上述绝缘层1自身由透光性材料构成，上述绝缘层1的、与光路相对应的部分形成为透镜部1a。
上述光电混合基板中的光传播如下这样进行。即、光L从上述发光元件11呈发散状向芯7的一端部（在图1中为左端部）的反射面7a发光。该光L首先通过上述绝缘层1的透镜部1a。在该通过上述绝缘层1的透镜部1a的过程中，借助上述透镜部1a的作用，使上述发散了的光L形成为平行光或者集束光（在图中为平行光）。接着，该光L在通过形成于金属层M的光路用的通孔5之后，由芯7的一端部的反射面7a反射，在芯7内沿着轴向行进。然后，该光L在由芯7的另一端部（在图1中为右端部）的反射面7a反射，通过形成于金属层M的光路用的通孔5之后，通过上述绝缘层1的透镜部1a。在该通过上述绝缘层1的透镜部1a的过程中，借助上述透镜部1a的作用，使上述光L形成为集束光。并且，该光由受光元件12接收。这样，由于从发光元件11出射并入射到芯7的一端部的光L和由芯7的另一端部的反射面7a反射被受光元件12接收的光L，借助上述绝缘层1的透镜部1a的作用形成为平行光或集束光，因此，光L高效地传播。
而且，上述绝缘层1的透镜部1a是绝缘层的一部分，因此，不需要安装另外的透镜。因此，可以不需要透镜的安装工序，也不会产生伴随该安装而产生的安装位置的偏差。即、上述光电混合基板的生产率优异，透镜部1a的位置精度也优异。
另外，在本实施方式中，在上述电路基板E中，在其长度方向的两端部，在上述绝缘层1的表面上以暴露的状态形成有光学元件安装用焊盘2a，并且，以暴暴露的状态形成有贯穿上述绝缘层1而与背面的金属层M接触的接地用电极2b。这些光学元件安装用焊盘2a和接地用电极2b是上述电气布线2的一部分，除这些之外的电气布线2的部分被覆盖层（カバーレイ）3覆盖来进行绝缘保护。
而且，上述光波导路W包括下包层6、在该下包层6的表面上以规定图案形成（图1中为下表面）的芯7、以覆盖该芯7的状态形成在上述下包层6的表面上的上包层8。并且，上述下包层6形成为在其背面（与芯7的形成面相反一侧的面）与上述金属层M相接，进入形成于上述金属层M的光路用的通孔5而填埋该光路用的通孔5。
接着，对上述光电混合基板的制作方法进行说明〔参照图2的（a）～图2的（e）、图3的（a）～图3的（d）〕。
首先，准备平坦状的上述金属层M〔参照图2的（a）〕。作为该金属层M的形成材料，能够列举出不锈钢、42合金等，其中，出于尺寸精度等观点，优选的是不锈钢。而且，上述金属层M的厚度例如设定在10μm～100μm的范围内。
接着，如图2的（a）所示，在上述金属层M的表面上涂敷感光性绝缘树脂，利用光刻法形成规定图案的绝缘层1。在本实施方式中，利用灰度曝光将绝缘层1的规定部分形成为上述透镜部1a。与此同时，为了在长度方向的两端部，形成与金属层M接触的接地用电极2b，而形成使上述金属层M的表面暴露的孔部1b。这样，在该光电混合基板的制作方法中，由于在形成绝缘层1的同时，将该绝缘层1的规定部分形成为透镜部1a，因此，不需要安装另外的透镜的工序。生产率优异的同时形成透镜部1a的位置精度也优异。
作为上述绝缘层1的形成材料，能够列举出例如聚酰亚胺、聚醚腈（ポリエ一テルニトリル）、聚醚砜（ポリエ一テルスルホン）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（ポリエチレンテレフタレ一ト）、聚萘二甲酸乙二醇酯（ポリエチレンナフタレ一ト）、聚氯乙烯（ポリ塩化ビニル）等合成树脂、有机硅类溶胶凝胶材料等。其中，优选耐热性和绝缘性优异、在波长600nm以上的光的情况下具有全光线透射率70％以上的感光性聚酰亚胺。而且，出于不会因安装上述发光元件11和受光元件12时的热量而引起上述透镜部1a变形的观点，优选上述绝缘层使用具有150℃以上的耐热性的形成材料。上述绝缘层1的厚度被设定在例如3μm～100μm的范围内。另外，上述全光线透射率是利用日本JISK7105“塑料的光学特性试验方法”的5.5“光线透射率和全光线反射率”中规定的积分式光线透射率测量装置和测量法所测量的值。
接着，如图2的（b）所示，利用例如半加成法形成上述电气布线（包括光学元件安装用焊盘2a和接地用电极2b）2。在该方法中，首先，利用溅射或者非电解镀等在上述绝缘层1的表面上形成由铜、铬等构成的金属膜（未图示）。该金属膜成为之后的进行电解镀时使用的晶种层（作为形成电解镀层时的基底的层）。接着，在由上述金属层M、绝缘层1以及晶种层构成的层叠体的两面上层叠感光性抗蚀剂（未图示）之后，利用光刻法在形成有上述晶种层这侧的感光性抗蚀剂上形成上述电气布线（包含有光学元件安装用焊盘2a和接地用电极2b）2的图案的孔部，使上述晶种层的表面部分暴露于该孔部的底部。接着，利用电解镀，在上述晶种层的从上述孔部的底部暴露的表面部分层叠形成由铜等构成的电解镀层。并且，利用氢氧化钠水溶液等将上述感光性抗蚀剂剥离。其后，利用微蚀（日文：ソフトエッチング）去除晶种层的、未形成有上述电解镀层的部分。由残留的晶种层和电解镀层构成的层叠部分为上述电气布线（包含有光学元件安装用焊盘2a和接地用电极2b）2。在此，说明了上述半加成法，也可以是减去（サブトラクティブ）法。
然后，如图2的（c）所示，在上述电气布线（包含有光学元件安装用焊盘2a和接地用电极2b）2的表面上形成由镍等构成的非电解镀层（未图示）之后，在电气布线2的、除了上述光学元件安装用焊盘2a和接地用电极2b之外的部分涂敷由聚酰亚胺树脂等构成的感光性绝缘树脂，利用光刻法形成覆盖层3。
接着，如图2的（d）所示，在利用蚀刻对形成在上述光学元件安装用焊盘2a和接地用电极2b上的上述非电解镀层（未图示）进行去除之后，在其去除痕迹上形成由金、镍等构成的电解镀层4。这样，在上述金属层M的表面上形成电路基板E。
接着，在由上述金属层M和电路基板E构成的层叠体的两面上层叠感光性抗蚀剂（未图示）。其后，利用光刻法在上述金属层M的背面侧（与电路基板E相反一侧的面的一侧）的感光性抗蚀剂中的、与光路用的通孔形成预定部相对应的部分形成孔部，使上述金属层M的背面部分暴露于该孔部的底部（图中为上表面）。
并且，如图2的（e）所示，使用与金属层M的金属材料相应的蚀刻用水溶液（例如，不锈钢层的情况下为氯化铁水溶液）来进行蚀刻，使上述金属层M的从上述孔部的底部暴露的部分去除，使上述绝缘层1暴露于该去除痕迹R的底部（图中为上表面）。其后，利用氢氧化钠水溶液等将上述感光性抗蚀剂剥离。上述去除痕迹R为光路用的通孔5。
然后，为了在上述金属层M的背面形成光波导路W（参照图3的（d）），首先，如图3的（a）所示，将作为下包层6的形成材料的感光性树脂涂敷在上述金属层M的背面（图中为下表面）之后，利用照射线对该涂敷层曝光而使其固化，形成下包层6。该下包层6以进入并填埋上述金属层M中的、由蚀刻去除形成的光路用的通孔5（去除痕迹R）的状态形成。上述下包层6的厚度（自绝缘层1的背面起算的厚度）被设定在例如5μm～200μm的范围内。另外，当形成光波导路W时（形成上述下包层6、下述芯7、下述上包层8时），上述金属层M的背面朝上。
接着，如图3的（b）所示，利用光刻法在上述下包层6的表面（图中为下表面）上形成规定图案的芯7。而且，上述芯7的厚度设定在5μm～200μm的范围内、宽度设定在5μm～200μm的范围内。作为上述芯7的形成材料，能够列举出例如与上述下包层6相同的感光性树脂，使用折射率比上述下包层6和下述上包层8〔参照图3的（c）〕的形成材料的折射率大的材料。能够例如通过选择上述下包层6、芯7、上包层8的各自形成材料的种类来调整该折射率，通过调整上述下包层6、芯7、上包层8的各自形成材料的组成比率来调整其折射率。
接着，如图3的（c）所示，以能够覆盖上述芯7的方式利用光刻法在上述下包层6的表面（图中为下表面）上形成上包层8。该上包层8的厚度（自下包层6的表面起的厚度）为大于等于上述芯7的厚度，设定为200μm以下。作为上述上包层8的形成材料，能够列举出例如与上述下包层6相同的感光性树脂。
并且，如图3的（d）所示，通过激光加工或者使用了刀尖角度为90°的旋转刀等的切削加工等，将光波导路W的与上述电路基板E的光学元件安装用焊盘2a相对应的（在图中位于下方）部分（两端部）形成为相对于芯7的长度方向倾斜了45°的倾斜面。该倾斜面的芯7的部分作为光反射面7a起作用。这样，在上述金属层M的背面形成光波导路W。
其后，在上述光学元件安装用焊盘2a上安装发光元件11和受光元件12（参照图1），获得如图1所示的光电混合基板。
图4是示意性地表示本发明的光电混合基板的第2实施方式的纵剖视图。本实施方式的光电混合基板是在上述第1实施方式的光电混合基板（参照图1）中未设有金属层M的结构。除此以外的部分与上述第1实施方式相同，对于与上述第1实施方式相同的部分标注相同的附图标记。
如下所述地进行本实施方式的光电混合基板的制作：例如，在剥离性基座上在与上述第1实施方式同样地形成电路基板E之后，将该剥离性基座剥离，在上述电路基板E的绝缘层1的背面（与电气布线2的形成面相反一侧的面）上，与上述第1实施方式同样地形成光波导路W。
图5是示意性地表示本发明的光电混合基板的第3实施方式的纵剖视图。本实施方式的光电混合基板是在上述第1实施方式的光电混合基板（参照图1）中利用透光性的接合片C接合金属层M和光波导路W的结构，下包层6未进入、也未填埋形成在金属层M上的光路用的通孔5。除此以外的部分与上述第1实施方式相同，对于与上述第1实施方式相同的部分标注相同的附图标记。
如下所述地进行本实施方式的光电混合基板的制作：与上述第1实施方式同样地在金属层M的表面上在形成电路基板E之后，利用上述具有透光性的接合片C将利用另一工序制作的光波导路W接合于该金属层M的背面。另外，作为该具有透光性的接合片C的形成材料，能够列举出例如环氧树脂、丙烯酸树脂、酚树脂等。而且，该接合片C的厚度设定在例如1μm～200μm的范围内。
图6是示意性地表示本发明的光电混合基板的第4实施方式的纵剖视图。本实施方式的光电混合基板是在上述第2实施方式的光电混合基板（参照图4）中利用与上述第3实施方式相同的具有透光性的接合片C将电路基板E和光波导路W接合的结构。除此以外的部分与上述第2实施方式相同，对于与上述第2实施方式相同的部分标注相同的附图标记。
利用上述具有透光性的接合片C将分别利用另一工序制作的电路基板E和光波导路W接合来进行本实施方式的光电混合基板的制作。
另外，在上述各个实施方式中，利用光刻法形成了具有透镜部1a的绝缘层1，但也可以利用激光蚀刻或者模具成形来形成具有透镜部1a的绝缘层1。
而且，在上述各个实施方式中，在绝缘层1中的、与发光元件11相对应的部分和与受光元件12相对应的部分这两部分形成了透镜部1a，但也可以在光L的传播效率充分的情况下等，根据情况仅在其中一个部分上形成透镜部1a。
并且，在上述各个实施方式中，将形成于绝缘层1的透镜部1a设置为凸透镜，只要能够对发散的光进行抑制或者集束，也可以是凹透镜等其他透镜。
而且，在上述各实施方式中，也可以在形成绝缘层1时，利用上述光刻法、激光蚀刻或者模具成形，在该绝缘层1的表面上形成电气布线2的定位用的对位标记。这样来提高绝缘层1中的电气布线2的形成位置精度。另外，上述对位标记的位置设定在例如绝缘层1的上下、左右、四角等。
并且，在上述各个实施方式中，也可以在形成绝缘层1时，利用上述光刻法、激光蚀刻或者模具成形，在该绝缘层1的表面上形成发光元件11和受光元件12的定位用的对位标记。这样来提高绝缘层1中的发光元件11和受光元件12的安装位置精度。另外，上述对位标记的位置设定在例如光学元件安装用焊盘2a的附近。
而且，在上述各个实施方式中，也可以在形成绝缘层1时，利用上述光刻法、激光蚀刻或者模具成形在该绝缘层1上形成通孔（导通孔）。
接着，与比较例一起说明实施例。但是，本发明并不限定于实施例。
实施例
（实施例1～4）
将上述第1实施方式的光电混合基板作为实施例1，将上述第2实施方式的光电混合基板作为实施例2，将上述第3实施方式的光电混合基板作为实施例3，将上述第4实施方式的光电混合基板作为实施例4。实施例1～4均利用光刻法在厚度为20μm的不锈钢箔（SUS304H－TA：金属层）的表面上形成了具有透镜部的聚酰亚胺树脂制的绝缘层。使用于该光刻法的光掩膜的与透镜部相对应的部分的平均透射率为其他部分的平均透射率的80％，设置为平均透射率分级降低。上述绝缘层在波长600nm时的全光线透射率为70％。
〔比较例〕
将上述实施例1中的在绝缘层上未形成有透镜部的例子作为比较例。除此以外的部分与上述实施例1相同。
〔光的耦合损失〕
作为发光元件，准备了VC SEL（Ulm Photonics公司制、850-05-1×1），作为受光元件准备了PD（Roithner laser Technik公司制、TPD-8D12-014）。并且，对直接由上述PD接收从上述VC SEL发出的光时的光量Io进行了测量。接着，在安装了上述VC SEL和PD之后，对将从上述VC SEL发出的光通向上述光电混合基板的光波导路的芯而由上述PD接收时的光量I进行了测量。并且，计算出其比值（Io／I），将该值作为光在上述光电混合基板中的传播损失。另一方面，利用倒推（日文：カットバック）法求得的、光在上述光波导路的中间部的传播损失为0.1dB／cm。根据该值与光在上述光电混合基板中的传播损失计算出了上述光电混合基板中的耦合损失。并且，将其结果一并表示在下述的表1中。
表1
Figure BDA00002878620400141
根据上述表1的结果可知，在绝缘层上形成有透镜部的实施例1～4的耦合损失较小，在绝缘层上未形成有透镜部的比较例的耦合损失较大。
产业上的可利用性
本发明的光电混合基板能够用于使光学元件与芯之间的耦合损失变小的情况。
附图标记翻译
E、电路基板；W、光波导路；L、光；1、绝缘层；1a、透镜部；2、电气布线；7、芯；7a、反射面；11、发光元件；12、受光元件。

Claims (6)

1.一种光电混合基板，其包括：在绝缘层的表面形成电气布线而制成的电路基板；安装在该电路基板的电气布线形成面上的光学元件；以及形成在上述电路基板的上述绝缘层的背面侧的光波导路；
在该光波导路的芯的端部形成有能够对光进行反射而在上述芯与上述光学元件之间形成光传播的反射部，其中，上述绝缘层由透光性材料构成，上述绝缘层的、与处于上述光学元件和形成于上述芯的上述反射部之间的光路相对应的部分形成为透镜部。
2.根据权利要求1所述的光电混合基板，其中，
上述绝缘层的透光性材料是感光性树脂，上述透镜部是利用光刻法加工时的灰度曝光形成的。
3.根据权利要求1或2所述的光电混合基板，其中，
在上述绝缘层上形成有上述电气布线定位用的对位标记，以上述对位标记为定位标记形成上述电气布线。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的光电混合基板，其中，
在上述绝缘层上形成有上述光学元件定位用的对位标记，以上述对位标记为定位标记安装上述光学元件。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的光电混合基板，其中，
上述绝缘层对波长600nm以上的光的透射率为70％以上。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的光电混合基板，其中，
上述绝缘层是具有150℃以上的耐热性的耐热层。
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