JP2018159728A - 光電気配線基板、電子装置および光電気配線基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的な接続信頼性および光伝送特性を高めることが可能な光電気配線基板および電子装置を提供する。【解決手段】光電気配線基板１００は、基板１と、電極部２と、第１クラッド層３ａと、ソルダーレジスト層４と、コア部３ｂと、第２クラッド層３ｃとを具備している。基板は、第１面１ａを有している。電極部２は第１面上に配されている。また、電極部は、基板とは反対側の第２面２ａを有している。第１クラッド層は、第１面上に第２面を露出するように配されている。また、第１クラッド層は、基板とは反対側の第３面３ａａを有している。ソルダーレジスト層は、第２面から第３面の端部にかけて配されている。コア部は、第２面からの距離が端部よりも遠い第３面の部位上に配されている。第２クラッド層は、コア部を覆っている。【選択図】図２

Description

本開示は、光導波路および配線導体を具備する光電気配線基板およびそれを用いた電子装置に関する。

近年、情報処理能力の向上を目的として、電子装置間の信号伝送を光で行なうことが検討されている。そのため、電子装置の電気信号を光信号に変換して、光信号を伝送する光導波路が形成された光電気配線基板が開発されている。

このような光電気配線基板としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。この光電気配線基板は、配線基板上に光導波路と電極とを有している。この光導波路はクラッド層とコア層とを有している。また、電極は光素子等を実装するためのものであり、クラッド層を貫通する貫通導体を介して配線基板に設けられた配線導体に接続されている。

特開２０１１−１１８１６３号公報

光電気配線基板およびこれを用いた電子装置では、電気的な接続信頼性および光伝送特性をともに高めることが望まれている。本開示はこのような事情に鑑みて案出されたものであり、電気的な接続信頼性および光伝送特性を高めることが可能な光電気配線基板および電子装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る光電気配線基板は、基板と、電極部と、第１クラッド層と、ソルダーレジスト層と、コア部と、第２クラッド層とを具備している。基板は、第１面を有している。電極部は第１面上に配されている。また、電極部は、基板とは反対側の第２面を有している。第１クラッド層は、第１面上に第２面を露出するように配されている。また、第１クラッド層は、基板とは反対側の第３面を有している。ソルダーレジスト層は、第２面から第３面の端部にかけて配されている。コア部は、第２面からの距離が前記端部よりも遠い第３面の部位上に配されている。第２クラッド層は、コア部を覆っている。

本発明の一実施形態に係る電子装置は、上記の光電気配線基板と、第２面に接続部材を介して接続された光素子とを具備している。

本発明の一実施形態に係る光電気配線基板の製造方法は以下の工程を具備している。第１面を有する基板を準備する工程。第１面上に基板とは反対側の第２面を有する電極部を設ける工程。第１面上に基板とは反対側の第３面を有する第１クラッド層を第２面が露出するように設ける工程。第２面から第３面の端部にかけてソルダーレジスト層を設ける工程。第２面からの距離が前記端部よりも遠い第３面の部位上に、コア部およびコア部を覆う第２クラッド層を設ける工程。

上記各実施形態によれば、光電気配線基板および電子装置において、電気的な接続信頼性および光伝送特性を高めることが可能となる。

第１実施形態の光電気配線基板の平面図である。 （ａ）は図１の光電子配線基板のII−II線における断面図であり、（ｂ）は（ａ）の光電子配線基板に光素子を搭載した電子装置の断面図である。 （ａ）は図１の光電子配線基板のIII−III線における断面図であり、（ｂ）は（ａ）の光電子配線基板に光素子を搭載した電子装置の断面図である。 （ａ）は第２実施形態の光電気配線基板の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の光電子配線基板に光素子を搭載した電子装置の電子装置の断面図である。 （ａ）は第２実施形態の光電気配線基板の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の光電子配線基板に光素子を搭載した電子装置の電子装置の断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は光電気配線基板の製造方法の一例における、製造工程途中の状態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は光電気配線基板の製造方法の他の例における、製造工程途中の状態を示す断面図である。

本開示の光電気配線基板および電子装置について、図面を参照しながら説明する。なお、光電気配線基板および電子装置は、いずれの方向が上方とされてもよいが、本開示では、便宜的に、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義し、Ｚ軸方向の正側を上方として説明する場合がある。

図１〜図３に第１実施形態の光電気配線基板１００を示す。図１は光電気配線基板１００の平面図である。図２（ａ）は図１の光電子配線基板１００のII−II線における断面図である。図３（ａ）は図１の光電子配線基板１００のIII−III線における断面図である。光電子配線基板１００に光素子６を搭載することで図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す電子装置１０１となる。なお、図２（ｂ）および図３（ｂ）は、それぞれ図２（ａ）および図３（ａ）と同じ位置での断面図である。電子装置１０１は、例えば、光トランシーバー、サーバーまたはルータ等の製品に搭載される。

光電気配線基板１００は、光信号および電気信号を伝送する機能を有する。光電気配線基板１００は、基板１と、電極部２と、第１クラッド層３ａと、ソルダーレジスト層４と、コア部３ｂと、第２クラッド層３ｃとを具備している。第１クラッド層３ａ、コア部３ｂおよび第２クラッド層３ｃは、光導波路３として機能する。

基板１は、第１面（上面）１ａを有しており、この第１面上で光素子６および光導波路３を支持している。基板１は、例えば、複数の絶縁層（図示せず）と、複数の金属層（図示せず）と、ビア導体（図示せず）とを具備している。これらの複数の絶縁層および複数の金属層は交互に積層されている。また、ビア導体は１層の絶縁層を貫通して設けられており、このビア導体を介して、上下方向に隣り合う金属層同士が電気的に接続されている。なお、金属層は、基板１の配線導体として機能する。基板１は、従来周知の方法によって作製することができる。

基板１は、複数の絶縁層および複数の金属層を有している場合に限られない。基板１は、例えば、１層の絶縁層と、１層の絶縁層の上面に配された金属層とを有するものでもよい。また、基板１は、例えば、複数の絶縁層からなる積層体と、積層体の上面に配された金属層とを有するものでもよい。また、基板１は、例えば、絶縁層と、複数の絶縁層からなる積層体とを混合して積層したものでもよい。

基板１の絶縁層は、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料、あるいはシリカ、アルミナまたはジルコニア等のセラミックス材料等が用いられる。また、基板１の金属層およびビア導体は、例えば、銅またはアルミニウム等の金属材料等が用いられる。

電極部２は、基板１の第１面１ａ上に配されている。また、電極部２は、基板１とは反対側の第２面（上面）２ａを有している。電極部２は基板１の配線導体と光素子６とを電気的に接続するためのものである。電極部２は、例えば、銅またはアルミニウム等の金属材料等が用いられる。

ソルダーレジスト層４は、基板１の表面を保護するためのものである。ソルダーレジスト層４は、光素子６を半田等の接続部材７を介して接続する際の加熱工程においても絶縁性を良好に維持可能な絶縁材料が用いられる。このような絶縁材料としては、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料が挙げられる。電極部２と基板１に設けられた配線導体との電気的な接続をさらに良好に維持するという観点からは、ソルダーレジスト層４は、例えば、４０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の無機フィラーを有していてもよい。無機フィラーとしては、例えば、平均粒径が０．１μｍ以上２μｍ以下のシリカ粒子またはアルミナ粒子等が用いられる。

ソルダーレジスト層４は、図２および図３に示すように、電極部２の第２面２ａの少なくとも一部を露出させるとともに、第２面２ａから、後述する第１クラッド層３ａの第３面（上面）３ａａの端部３Ａにかけて配されている。なお第１クラッド層３ａの第３面３ａａの端部３Ａとは、第１クラッド層３ａの第３面３ａａのうち、電極部２の第２面２ａの近傍に位置する部位のことである。

光導波路３は、光信号を伝送する機能を有する。光導波路３は、第１クラッド層３ａと、帯状のコア部３ｂと、第２クラッド層３ｃとを有している。コア部３ｂの屈折率は、第１クラッド層３ａおよび第２クラッド層３ｃの屈折率よりも大きく設定されているため、コア部３ｂ内に進入した光は、コア部３ｂと第１クラッド層３ａとの界面およびコア部３ｂと第２クラッド層３ｃとの界面において反射を繰り返しつつ、コア部２ｂ内を進むことになる。その結果、光導波路３は、光信号を伝送することができる。

コア部３ｂの屈折率は、例えば、１．５以上１．６以下に設定される。また第１クラッド層３ａおよび第２クラッド層３ｃの屈折率は、例えば、１．４５以上１．５５以下に設定される。コア部３ｂの屈折率は、第１クラッド層３ａおよび第２クラッド層３ｃの屈折率に対して例えば０．１％以上０．５％以下の範囲で、第１クラッド層３ａおよび第２クラッド層３ｃの屈折率よりも大きく設定される。

第１クラッド層３ａは層状体である。第１クラッド層３ａは、基板１の第１面１ａ上に、電極部２の第２面２ａを露出するように配されている。また、第１クラッド層３ａは、基板１とは反対側の第３面３ａａを有している。第１クラッド層３ａの厚み（図２および図３のＺ方向の長さ）は、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下である。第１クラッド層３ａとしては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂またはアクリル樹脂等を使用することができる。

第１クラッド層３ａは、図２および図３に示すように、電極部２の第２面２ａの外縁部に接触していてもよい。このような構成であれば、電極部２と第１クラッド層３ａとの間に隙間がなくなり、ソルダーレジスト層４を形成する際に、ソルダーレジスト４内に気泡が生じ難くなる。その結果、ソルダーレジスト層４にクラックが生じ難くなる。

また、第１クラッド層３ａは、平面視したときに電極部２を取り囲んでいてもよい。このような構成であれば、光導波路３の近傍に電極部２を配置して光電気配線基板１００を小型化した場合でも、第１クラッド層３ａと基板１上との密着性を良好に維持できる。

さらに、このような構成において、ソルダーレジスト層４と第１クラッド層３ａとが重なっている部位は、電極部２を取り囲んでいてもよい。このような構成であれば、電極２の周囲を同じ材料で取り囲むことによって、熱膨張等による歪みが生じ難くなる。

コア部３ｂはＸ軸方向に延びる帯状体である。コア部３ｂは、電極部２の第２面２ａからの距離が、端部３Ａよりも遠い位置にある第３面３ａａの部位上に配されている。コア部３ｂの厚み（図２および図３のＺ方向の厚み）は、例えば２０μｍ以上５０μｍ以下であり、コア部３ｂの幅（図１のＹ軸方向の長さ）は、例えば２０μｍ以上５０μｍ以下である。コア部３ｂとしては、例えば、エポキシ樹脂等を使用することができる。

第２クラッド層３ｃは、コア部３ｂの上面および側面を覆っている。第２クラッド層３ｃの厚み（図２および図３のＺ方向の長さ）は、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下である。第２クラッド層３ｃとしては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂またはアクリル樹脂等を使用することができる。

第２クラッド層３ｃは、コア部３ｂと同様に、電極部２の第２面２ａからの距離が、端部３Ａよりも遠い位置にある第３面３ａａの部位上に配されている。つまり、第１クラッド層３ａはコア部３ｂおよび第２クラッド層３ｃよりも電極部２側に突出しており、その突出した第１クラッド層３ａ上に、ソルダーレジスト層４に覆われた端部３Ａが位置している。

このような構成によって、光電気配線基板１００および電子装置１０１において、電気的な接続信頼性および光伝送特性を高めることが可能となる。つまり、ソルダーレジスト層４が光導波路３の一部を覆うことによって、光導波路３の耐熱性が比較的低くても、光導波路３をソルダーレジスト層４で基板１にしっかりと固定して剥離し難くすることができる。また、ソルダーレジスト層４は電極部２の近傍において、第１クラッド層３ａのみを覆っていることから、ソルダーレジスト４が覆っている部位の段差が低くなり、光導波路３とソルダーレジスト４との熱膨張係数差の違いによる応力も小さくすることができる。以上のことから、電極部２等の電気伝導性を有する部分は耐熱性および絶縁性に優れたソルダーレジスト層４で保護するすることで電気的な接続信頼性を高くすることができる。また、光導波路３の部分は光伝送性に優れた材料を優先的に採用することで光伝送性を高くすることができる。そして、光導波路３の一部をソルダーレジスト層４が覆うことで、光導波路３の耐熱性を補い、光導波路３を安定に維持することができる。

ミラー部５は、光導波路３の一部に配されており、光素子６とコア部３ｂとを光学的に接続するためのものである。ミラー部５は、コア部３ｂの延びる方向（Ｘ軸方向）に対して傾斜しており、その傾斜面が光反射面となっている。すなわち、ミラー部５は、光素子６から下方（−Ｚ方向）に向かって出射された光を平面方向（＋Ｘ方向）に反射して、コア部３ｂ内に光を誘導することができる。あるいは、ミラー部５は、コア部３ｂから平面方向（−Ｘ方向）に出射された光を上方（＋Ｚ方向）に反射して光素子６に光を誘導することができる。ミラー部５は、光導波路３の一部を、ダイシング、レーザー加工等を使用して切り欠くことによって形成することができる。

なお、ミラー部５とコア部３ｂとの間には、これらの間で伝送される光に対して光透過性を有する透光性樹脂が充填されていてもよい。このような透光性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等を使用することができる。透光性樹脂の屈折率は、コア部３ｂの屈折率よりも小さくてもよい。このような構成によって、ミラー部５とコア部３ｂとの間で良好に光信号を伝送させることができる。なお、透光性樹脂の屈折率は、例えば１．４５以上１．５５以下に設定される。

光電子配線基板１００に光素子６を搭載することで図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す電子装置１０１となる。光素子６は、電気信号を光信号に変換する発光素子であってもよく、光信号を電気信号に変換する受光素子であってもよい。光素子６は、例えば、半田等の接合部材７を介して光電気配線基板１００の電極２に電気的に接続される。

光素子６は、種々の発光素子または受光素子を適用することができる。発光素子としては、例えば、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等を使用することができる。また、受光素子としては、例えば、フォトダイオード（PD：Photo Diode）等を使用することができる。あるいは光素子６は発光部および受光部をともに有する受発光素子であってもよい。

光素子６は、その発光部６ａまたはその受光部６ａが、ミラー部５と対向するようにして光電気配線基板１００上に搭載される。このような構成によって、光素子６とミラー部５とを近づけることができ、光導波路３と光素子６とを低損失で光結合させることができる。

上記の第１実施形態の光電気配線基板１００の製造方法を以下に示す。

まず、図６（ａ）に示すように、基板１の第１面１ａ上に、フォトリソグラフィ技術等を利用して電極部２を作製する。その後、図６（ｂ）に示すように、電極部２の第２面２ａを露出するように第１クラッド層３ａを、フォトリソグラフィ技術等を利用して作製する。

次に、図６（ｃ）に示すように、電極部２の第２面２ａ上から第１クラッド層３ａの第３面３ａの端部３Ａ上に連続するようにソルダーレジスト層４を、フォトリソグラフィ技術等を利用して作製する。

次に、図６（ｄ）に示すように、第２面２ａからの距離が端部３Ａよりも遠い位置にある第３面３ａａの部位上に、コア部３ｂおよびコア部３ｂを覆う第２クラッド層３ｃを、フォトリソグラフィ技術等を利用して作製する。

このように、ソルダーレジスト層４を形成した後にコア部３ｂおよび第２クラッド層３ｃを形成して光導波路３とする場合、製造工程中に光導波路３が受ける外力等が少なくなるため、光導波路３光導波路３の寸法精度を良好に維持することができ、光伝送特性を高めることができる。

次に、図６（ｅ）に示すように、光導波路３の一部を、ダイシング加工等を使用して切欠くことによって、傾斜面から成るミラー部５を形成する。ミラー部５の傾斜面には、めっき等で金属層を被着して光反射率を高めてもよい。以上のようにして、第１実施形態の光電気配線基板１００を作製することができる。

第１実施形態の光電気配線基板１００の製造方法は上記の製造方法に限定されず、種々の変形が可能である。以下に変形例を示す。

まず、図７（ａ）に示すように、基板１の第１面１ａ上に、フォトリソグラフィ技術等を利用して電極部２を作製する。その後、図７（ｂ）に示すように、電極部２の第２面２ａを露出するように第１クラッド層３ａを、フォトリソグラフィ技術等を利用して作製する。

次に、図７（ｃ）に示すように、第２面２ａからの距離が、第１クラッド層３ａの端部３Ａよりも遠い位置にある第３面３ａａの部位上に、コア部３ｂおよびコア部３ｂを覆う第２クラッド層３ｃを、フォトリソグラフィ技術等を利用して作製する。

次に、図７（ｄ）に示すように、電極部２の第２面２ａ上から第１クラッド層３ａの端部３Ａ上に連続するようにソルダーレジスト層４を、フォトリソグラフィ技術等を利用して作製する。

このように、コア部３ｂおよび第２クラッド層３ｃを形成して光導波路３とした後、ソルダーレジスト層４を形成してもよい。この場合、コア部３ｂおよび第２クラッド層３ｃを第１クラッド層３ａ上に形成する際にソルダーレジスト層４が無いため、コア層３ｂおよび第２クラッド層３ｃの形成が容易となり、第１クラッド層３との密着性を高めることができる。

次に、図７（ｅ）に示すように、光導波路３の一部を、ダイシング、レーザー加工等を使用して切欠くことによって、傾斜面から成るミラー部５を形成する。ミラー部５の傾斜面には、めっき等で金属層を被着して光反射率を高めてもよい。以上のようにして、第１実施形態の光電気配線基板１００を作製することができる。なお、ミラー部５の形成は、ソルダーレジスト層４の形成の前に行なってもよい。

本開示の光電気配線基板および電子装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、以下のような他の実施例であってもよい。

図４および図５に第２実施形態の光電気配線基板２００を示す。図４（ａ）は光電気配線基板２００の断面図であり、図２（ａ）の光電子配線基板１００の断面と同様の位置における断面を示している。また、図４（ｂ）は電子装置２０１の断面図であり、図２（ｂ）の電子装置１０１の断面と同様の位置における断面を示している。また、図５（ａ）は光電気配線基板２００の断面図であり、図３（ａ）の光電子配線基板１００の断面と同様の位置における断面を示している。また、図５（ｂ）は電子装置２０１の断面図であり、図３（ｂ）の電子装置１０１の断面と同様の位置における断面を示している。

光電気配線基板２００は、第１面２１ａを有する基板２１と、第２面２２ａを有する電極部２２と、第３面２３ａａを有する第１クラッド層２３ａと、ソルダーレジスト層２４と、コア部２３ｂと、第２クラッド層２３ｃとを具備している。第１クラッド層２３ａ、コア部２３ｂおよび第２クラッド層２３ｃは、光導波路２３として機能する。

光電気配線基板２００は、第１実施形態の光電気配線基板１００と同様に、ソルダーレジスト層２４が、第２面２２ａから第３面２３ａａの端部２３Ａにかけて配されている。これによって、光電気配線基板２００の電気的な接続信頼性および光伝送特性を高めることが可能になる。一方、光電気配線基板２００は、第１クラッド層２３ａが電極部２２と離れている点で光電気配線基板１００と異なっている。このような構成の場合、電極部２２上にソルダーレジスト層２４を安定して形成することができる。

光電気配線基板２００は、第１実施形態の光電気配線基板１００と同様に、電極部２に半田等の接合部材２７を介して光素子２６を搭載することで電子装置２０１となる。光素子２６は、その発光部２６ａまたはその受光部２６ａが、ミラー部２５と対向するようにして光電気配線基板２００上に搭載される。このような構成によって、光素子２６とミラー部２５とを近づけることができ、光導波路２３と光素子２６とを低損失で光結合させることができる。

基板２１、電極部２２、第１クラッド層２３ａ、ソルダーレジスト層２４、コア部２３ｂおよび第２クラッド層２３ｃは、それぞれ第１実施形態の光電気配線基板１００における、基板１、電極部２、第１クラッド層３ａ、ソルダーレジスト層４、コア部３ｂ、第２クラッド層３ｃと同様のものを用いることができる。また、光電気配線基板２００の製造方法は、光電気配線基板１００と同様の製造方法を用いることができる。

１、２１：基板
１ａ、２１ａ：第１面
２、２２：電極部
２ａ、２２ａ：第２面
３ａ、２３ａ：第１クラッド層
３ａａ、２３ａａ：第３面
３Ａ、２３Ａ：端部
３ｂ、２３ｂ：コア部
３ｃ、３３ｃ：第２クラッド層
６、２６：光素子
７、２７：接続部材
１００、２００：光電気配線基板
１０１、２０１：電子装置

Claims (9)

1. 第１面を有する基板と、
   前記第１面上に配されており、前記基板とは反対側の第２面を有する電極部と、
   前記第１面上に前記第２面を露出するように配されており、前記基板とは反対側の第３面を有する第１クラッド層と、
   前記第２面から前記第３面の端部にかけて配されたソルダーレジスト層と、
   前記第２面からの距離が前記端部よりも遠い前記第３面の部位上に配されたコア部と、
   前記コア部を覆う第２クラッド層と
   を具備する光電気配線基板。
2. 前記第１クラッド層は前記電極部と離れている、請求項１に記載の光電気配線基板。
3. 前記第１クラッド層は前記電極部と接触している、請求項１に記載の光電気配線基板。
4. 前記第１クラッド層は平面視したときに前記電極部を取り囲んでいる、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電気配線基板。
5. 前記ソルダーレジスト層と前記第１クラッド層とが重なっている部位は前記電極部を取り囲んでいる、請求項４に記載の光電気配線基板。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光電気配線基板と、
   前記第２面に接続部材を介して接続された光素子と
   を具備する電子装置。
7. 第１面を有する基板を準備する工程と、
   前記第１面上に前記基板とは反対側の第２面を有する電極部を設ける工程と、
   前記第１面上に前記基板とは反対側の第３面を有する第１クラッド層を前記第２面が露出するように設ける工程と、
   前記第２面から前記第３面の端部にかけてソルダーレジスト層を設ける工程と、
   前記第２面からの距離が前記端部よりも遠い前記第３面の部位上にコア部および前記コア部を覆う第２クラッド層を設ける工程と
   を具備する光電気配線基板の製造方法。
8. 前記コア部および前記第２クラッド層を設ける工程は、前記ソルダーレジスト層を設ける工程の後に行なう、請求項７に記載の光電気配線基板の製造方法。
9. 前記ソルダーレジスト層を設ける工程は、前記コア部および前記第２クラッド層を設ける工程の後に行なう、請求項７に記載の光電気配線基板の製造方法。