JP3542268B2

JP3542268B2 - チップ実装用光伝送機構およびチップ実装方法

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Publication number: JP3542268B2
Application number: JP10636898A
Authority: JP
Inventors: 良和服部
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2018-04-16
Also published as: JPH11295557A; US6152610A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板にチップを実装する際に、回路基板の基板本体に形成された光伝送路にチップを接続させるチップ実装用光伝送機構に関する。また、本発明は、そういったチップ実装用光伝送機構を用いた場合のチップ実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大型コンピュータを始めとする計算機システムでは、プリント基板上に形成された電気配線によってチップ間の信号伝達が行われることが一般的であった。こうした電気配線を用いた場合、電気信号の伝達速度に限界が見えつつあり、その結果、計算処理の一層の高速化が望めなくなっている。
【０００３】
そこで、チップ間の信号伝達に光伝送を用いることが提案されている。光伝送を用いれば、チップ間の信号伝送速度を高速化することができ、その結果、計算処理の高速化を実現することができると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
回路基板に実装されるチップ間で光伝送を実現するには、チップ側に設けられた発光素子や受光素子と、回路基板の基板本体に形成された光伝送路（光ファイバや光導波路）とを光学的に結合する必要がある。例えば、受光素子と基板本体側の光導波路との間を１本の光ファイバで結んだり、同じく発光素子と光導波路との間を１本の光ファイバで結んだりといった手法が考えられる。各光ファイバの一端は、発光素子や受光素子に通じる受け穴に差し込まれてチップに接着され、その他端は、光導波路に通じる受け穴に差し込まれて基板本体に接着されることとなる。
【０００５】
こうした手法を用いてチップを回路基板に実装する場合、チップおよび基板本体のいずれか一方に予め光ファイバを接着しておき、チップおよび基板本体の他方に形成される受け穴にその光ファイバを差し込まなければならない。したがって、基板本体に対して高い精度でチップを位置決めしなければ、光ファイバの先端が受け穴に進入してくれない。しかも、チップに形成される受け穴同士の間隔と、基板本体側に形成される受け穴同士の間隔とが異なれば、チップを高精度で位置決めしたところで、いずれか一方の光ファイバは受け穴に進入することができない。
【０００６】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、チップ実装時の位置決め精度を緩和させながら、チップと基板本体側の光伝送路との間に確実な信号伝達を実現することができるチップ実装用光伝送機構を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、チップから突出する第１光ファイバと、そのチップが実装される回路基板の基板本体から突出し、第１光ファイバに結合される第２光ファイバとを備えることを特徴とするチップ実装用光伝送機構が提供される。
【０００８】
かかる光伝送機構によれば、チップと回路基板の基板本体とを光学的に接続するにあたって、第１および第２光ファイバのいずれか一方の柔軟性を利用して両者の先端同士を容易に同軸に結合することができる。その結果、チップと基板本体との間に確実な光信号伝達が確立される。こういった接続は、例えば回路基板上でチップ同士が光信号をやり取りする場合のほか、回路基板の入力端子からチップに光信号が供給される場合や、チップから回路基板の出力端子に光信号が供給される場合に用いられる。
【０００９】
こうした回路基板には、実装されるチップ間を結ぶ光伝送路が形成される基板本体と、光伝送路に通じて基板本体から突出する光ファイバと、基板本体に対して光ファイバの先端を相対変位させる案内部材とを備えたものが用いられればよい。
【００１０】
前記チップ実装用光伝送機構は、チップに対して第２光ファイバの先端を相対変位させる案内部材を備えてもよい。あるいは、チップ実装用光伝送機構は、チップに対して第１光ファイバの先端を相対変位させる案内部材を備えてもよい。こうした案内部材によれば、基板本体に対してチップが固定的に位置決めされた後でも、第１光ファイバの先端に対して同軸に第２光ファイバの先端を位置決めすることができたり、第２光ファイバの先端に対して同軸に第１光ファイバの先端を位置決めすることができたりする。したがって、基板本体に対するチップの位置決め精度に拘る必要がなくなる。こうした案内部材は、基板本体に対して強制的に相対変位させられてもよい。
【００１１】
また、チップ実装用光伝送機構は、チップに対して第２光ファイバの先端を相対変位させる案内部材に加え、チップに対して第１光ファイバの先端を相対変位させる補助案内部材を備えてもよい。こうした光伝送機構によれば、第１光ファイバの先端に対して第２光ファイバの先端を近づけることができる一方で、反対に、第２光ファイバの先端に対して第１光ファイバの先端を接近させることができる。その結果、第１および第２光ファイバ先端同士の位置ずれを修正することのできる範囲が広がることとなる。
【００１２】
この場合、補助案内部材は案内部材に対して位置決めされればよい。この位置決めによって第１および第２光ファイバの先端同士を同軸にもたらすのである。例えば、補助案内部材および案内部材に共に基準面を形成しておき、基準面に対する第１光ファイバの位置と、基準面に対する第２光ファイバの位置とを予め合わせ込んでおく。すると、補助案内部材および案内部材の２つの基準面を一致させるだけで、第１および第２光ファイバは同軸に位置決めされることとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態に係るチップ実装用光伝送機構が適用された回路基板１０の一部断面を示す。この回路基板１０は、光伝送路１１が形成される基板本体１２と、この基板本体１２に実装される１以上のチップ１３とを備える。光伝送路１１は、例えばチップ１３同士で光信号をやりとりする場合や、回路基板１０の入力端子（図示せず）からチップ１３に光信号が伝送される場合、チップ１３から回路基板１０の出力端子（図示せず）に光信号が伝送される場合などに用いられることができる。光伝送路１１には、例えば光ファイバや光導波路が用いられればよい。
【００１５】
チップ１３と基板本体１２との間にはチップ実装用光伝送機構１４が設けられる。この光伝送機構１４は、チップ１３が出力する光信号を基板本体１２側の光伝送路１１に送り込む第１光通路１５と、回路基板１２側の光伝送路１１を伝わる光信号をチップ１３に取り込ませる第２光通路１６とを備える。チップ１３が光信号を送信する場合、光出力部１７で半導体レーザ（図示せず）から放射された光は、レンズ（図示せず）で収束された後、第１光通路１５に送り込まれる。第１光通路１５を通過した光は、ミラー１８で反射されて回路基板１２側の光伝送路１１を伝わっていく。反対に、チップ１３が光信号を受信する場合、回路基板１２側の光伝送路１１を伝わってきた光は、ミラー１９によって第２光通路１６に取り込まれた後、受光部２０の受光素子（図示せず）によって検知されることとなる。
【００１６】
第１および第２光通路１５、１６は、チップ１３から突出する第１光ファイバ２２と、基板本体１２から突出する第２光ファイバ２３とを備える。第１光ファイバ２２の基端は、チップ１３に形成されて、光出力部１７や受光部２０に通じる受け穴２４に接着固定される。同じく、第２光ファイバ２３の基端は、基板本体１２に形成されて、光伝送路１１のミラー１８、１９に通じる受け穴２５に接着固定される。
【００１７】
第１および第２光ファイバ２２、２３の先端同士は案内部材２７内で同軸に結合される。案内部材２７は、弾性固定部材２８によって基板本体１２に固定されている。
【００１８】
次にこの回路基板１０の製造方法を詳述する。まず、チップ１３の実装位置に対応して配置された光伝送路１１を備えるセラミック製その他の基板本体１２を用意する。チップ１３の実装位置では、第１および第２光通路１５、１６に対応して複数の受け穴２５が形成される。受け穴２５の底にはミラー１８、１９が配置される。
【００１９】
続いて金属性の案内部材２７を用意する。この案内部材２７には、図２に示すように、第１光通路１５を形成する第１および第２光ファイバ２２、２３の先端同士を案内する案内孔３０と、第２光通路１６を形成する第１および第２光ファイバ２２、２３の先端同士を案内する案内孔３１とが形成される。２つの案内孔３０、３１を挟むように、案内部材２７の２隅には、案内部材２７に電流を通過させるための接続端子３２が設置される。
【００２０】
案内部材２７の各案内孔３０、３１には、図３に示すように、周囲に融着材３３が塗布された長尺の光ファイバ３４が差し込まれる。光ファイバ３４の先端は基板本体１２の受け穴２５に受容されて接着固定される。光ファイバ３４の先端が固定されると、案内部材２７が基板本体１２に重ね合わされる。この状態で案内孔３０、３１から突出する光ファイバ３４はカットされる。基板本体１２の表面から案内部材２７を引き離した後、接着剤などによって弾性固定部材２８が形成される。こうして、図４に示されるように案内孔３０、３１の半分までを占有した第２光ファイバ２３が用意される。
【００２１】
いま、案内部材２７が固定された光回路用基板にチップ１３が実装される場面を考える。図４に示すように、チップ１３の受け穴２４には予め第１光ファイバ２２が接着固定されている。この場合でも、第１光ファイバ２２の周囲には融着材３３が塗布されている。
【００２２】
図４に示すように、基板本体１２に対して位置決めされたチップ１３は、基板本体１２に対して垂直方向に降ろされてくる。第１光ファイバ２２の先端は、案内孔３０、３１から偏心した位置にある。このままでは、チップ１３を降ろしていっても第１光ファイバ２２は案内孔３０、３１に進入することはできない。そこで、案内部材２７に基板本体１２表面に沿って変位力Ｐを作用させる。この変位力Ｐは、第２光ファイバ２３および弾性固定部材２８を変形させつつ案内孔３０、３１の位置を強制的に移動させる。したがって、第１光ファイバ２２の先端が案内孔３０、３１と同軸になった時点でチップ１３を降ろせば、第１光ファイバ２２の先端は案内孔３０、３１に進入することができる。その結果、第１および第２光ファイバ２２、２３の先端同士は、案内孔３０、３１内で同軸で向き合うこととなる。
【００２３】
その後、案内部材２７の接続端子３２間に電流を通過させる。この電流は、金属性の案内部材２７を加熱し、その結果、第１および第２光ファイバ２２、２３周囲に塗布された融着材３３が融ける。このとき、融着材３３の融点は、１０００度近いガラスの融点よりも低く設定されればよい。案内部材２７が冷えると、融着材３３が再び固まり、第１および第２光ファイバ２２、２３の先端同士は強固に結合されることとなる。変位力Ｐを除去しても、第１および第２光ファイバ２２、２３の結合は維持され、第１および第２光ファイバ２２、２３間では確実に光信号が伝送されることとなる。
【００２４】
このように第２光ファイバ２３の先端を相対変位させることによって確実に第１光ファイバ２２の先端を第２光ファイバ２３の先端に結合させることができるので、基板本体１２に対するチップ１３の位置決め精度を問題にする必要がなくなる。特に、第１光通路１５の第１光ファイバ２２と、第２光通路１６の第１光ファイバ２２とを異なる長さに設定すれば、チップ１３側の受け穴２４同士の間隔と基板本体１２側の受け穴２５同士の間隔とが異なる場合でも、各第１光ファイバ２２の先端を案内部材２７の案内孔３０、３１に確実に進入させることができる。変位力Ｐによって案内部材２７を移動させつつ長い方の第１光ファイバ２２を対応する案内孔３０、３１に進入させた後、再び案内部材２７を移動させつつ短い方の第１光ファイバ２２を対応する案内孔３０、３１に進入させればよいからである。
【００２５】
図５は、本発明の第２実施形態に係るチップ実装用光伝送機構を構成する案内部材２７および結合部材４１を示す。この第２実施形態では、前述した融着材３３に代えて、結合部材４１の働きによって第１および第２光ファイバ２２、２３が互いに強固に結合される。なお、前述した第１実施形態と同様な作用効果を発揮する構成には同一の参照符号が付され、その詳細な説明は省略される。
【００２６】
回路基板１０を製造するにあたっては、まず、前述した実施形態と同様に基板本体１２を用意する（例えば図１参照）。続いて、図５に示されるように、案内部材２７および結合部材４１を用意する。案内部材２７や結合部材４１は、必ずしも金属製である必要はなく、合成樹脂その他の材料から製作されてもよい。
【００２７】
結合部材４１は、案内部材２７の各案内孔３０、３１に対応する貫通孔４２を備える。各貫通孔４２の入り口には、貫通孔４２の内面から連続する押圧面を形成する縦壁４３が形成される。結合部材４１が案内部材２７に重ね合わせられると、縦壁４３は案内孔３０、３１に進入する。縦壁４３の押圧面と案内孔３０、３１内面との間には、第１および第２光ファイバ２２、２３を受容するための十分な空間が確保されている。
【００２８】
図３と同様に、案内部材２７の案内孔３０、３１に差し込まれる長尺の光ファイバは、結合部材４１の貫通孔４２を貫通して基板本体１２の受け穴２５に受容される。受容された光ファイバの先端は受け穴２５に接着固定される。続いて、前述と同様に、光ファイバがカットされ、弾性固定部材２８が形成される。この弾性固定部材２８は、結合部材４１と基板本体１２とを結合させる。案内部材２７は、結合部材４１に仮固着される。こうして、図６に示されるように、縦壁４３が進入した案内孔３０、３１の半分までを占有した第２光ファイバ２３が用意される。
【００２９】
案内部材２７および結合部材４１が固定された光回路用基板にチップ１３を実装するにあたっては、基板本体１２に対して位置決めされたチップ１３が基板本体１２に向けて降ろされる。このとき、案内部材２７および結合部材４１に変位力Ｐを作用させることによって第１光ファイバ２２の先端を確実に案内孔３０、３１に進入させる。
【００３０】
図６に示されるように、第１光ファイバ２２の先端が案内孔３０、３１に進入したことを確認したら、固定された結合部材４１に対して案内部材２７を相対移動させる。この相対移動によって、縦壁４３の押圧面は案内孔３０、３１の内面に接近する。その結果、押圧面と案内孔３０、３１内面との間に第１および第２光ファイバ２２、２３は挟み込まれる。ここで、結合部材４１に対して案内部材２７を接着させる。これにより第１および第２光ファイバ２２、２３は相互に強固に結合される。
【００３１】
この第２実施形態では、基板本体１２側に結合部材４１のみを設置しておき、この結合部材４１に案内部材２７を位置決めさせるようにしてもよい。案内部材２７の各案内孔３０、３１にチップ１３側の第１光ファイバ２２を貫通させ、案内部材２７に変位力Ｐを加えることによって、チップ１３に対して第１光ファイバ２２の先端を相対変位させるのである。かかる構成によって、確実に第１および第２光ファイバ２２、２３の先端同士を同軸に位置決めすることができる。
【００３２】
図７は、本発明の第３実施形態に係るチップ実装用光伝送機構を構成する案内部材２７および補助案内部材４９を示す。この第３実施形態では、前述した２つの実施形態と同様に案内部材２７が第２光ファイバ２３の先端を相対変位させると同時に、補助案内部材４９が第１光ファイバ２２の先端を相対変位させる。したがって、案内部材２７および補助案内部材４９同士を位置決めすることによって容易に第１および第２光ファイバ２２、２３の先端同士を同軸に位置決めすることが可能となる。なお、前述した実施形態と同様な作用効果を発揮する構成には同一の参照符号が付され、その詳細な説明は省略される。
【００３３】
回路基板１０を製造するにあたっては、まず、前述した実施形態と同様に基板本体１２を用意する（例えば図１参照）。続いて、図７に示されるように、案内部材２７および補助案内部材４９を用意する。補助案内部材４９には、案内部材２７の案内孔３０、３１に対応する補助案内孔５０、５１が形成される。補助案内孔５０、５１と基準面５２との位置関係は、基準面５３に対する案内孔３０、３１の位置関係と完全に一致する。
【００３４】
こうした案内部材２７および補助案内部材４９を製作するには、図８に示されるように、互いに重ね合わされた２枚の板材５５、５６を用意すればよい。板材５５、５６は必ずしも金属製である必要はなく、合成樹脂その他の材料から製作されてもよい。板材５５、５６の一側面を任意の基準壁５７に対して接触させる。この状態で、ドリル５８等を用いて２枚の板材５５、５６を同時に穴あけ加工する。これにより、板材５５、５６の一側面すなわち基準面５３、５２からの位置が完全に合わせ込まれた案内孔３０、３１および補助案内孔５０、５１が得られる。
【００３５】
続いて、案内部材２７の案内孔３０、３１には、図３と同様に長尺の光ファイバが差し込まれる。受け穴２５に受容された光ファイバの先端は受け穴２５に接着固定される。第１実施形態と異なり、この時点で案内部材２７は、弾性固定部材２８を介して基板本体１２に固定されてもよい。固定された後、案内孔３０、３１から突出する光ファイバがカットされる。光ファイバは、案内孔３０、３１に対して固定される。この固定には、前述した融着材を用いてもよく接着剤を用いてもよい。こうして、図９に示されるように、案内孔３０、３１全体を占有する第２光ファイバ２３が得られる。第２光ファイバ２３の先端は案内部材２７の表面に臨んでいる。
【００３６】
補助案内部材４９の補助案内孔５０、５１には、同様に、長尺の光ファイバが差し込まれる。チップ１３側の受け穴２４に受容された光ファイバの先端はその受け穴２４に接着固定される。チップ１３に対して任意の離隔位置で補助案内部材４９は仮止めされ、光ファイバは補助案内部材４９に対して固定される。この固定には、前述した融着材を用いてもよく接着剤を用いてもよい。固定された後、補助案内孔５０、５１から延びる光ファイバがカットされる。こうして、図９に示されるように、補助案内孔５０、５１全体を占有する第１光ファイバ２２が得られる。第１光ファイバ２２の先端は補助案内部材４９の表面に臨んでいる。
【００３７】
いま、案内部材２７が固定された光回路用基板に、補助案内部材４９が固定されたチップ１３を実装する場面を考える。図９に示すように、基板本体１２に対して位置決めされたチップ１３は、基板本体１２に対して垂直方向に降ろされてくる。第１光ファイバ２２の先端は、対応する第２光ファイバ２３の先端からずれた位置にある。このままでは、第１および第２光ファイバ２２、２３の先端同士は同軸に結合されない。そこで、案内部材２７および補助案内部材４９の両基準面５３、５２が基準壁６０に衝突するまで案内部材２７および補助案内部材４９に基板本体１２表面に沿って変位力Ｐを作用させる。この変位力Ｐは、第１光ファイバ２２先端の位置を強制的に移動させる。反対に、図１０に示すように、変位力Ｐは、第２光ファイバ２３先端の位置を強制的に移動させることもある。こうした第１および第２光ファイバ２２、２３の相対変位を通じて、図１１に示されるように、第１および第２光ファイバ２２、２３の先端同士が同軸に位置決めされる。この状態で、接着剤等によって案内部材２７および補助案内部材４９を互いに固定させれば、第１および第２光ファイバ２２、２３は強固に連結されることとなる。
【００３８】
なお、図１２に示されるように、光ファイバ６２が差し込まれる案内孔３０、３１や補助案内孔５０、５１その他の孔には、入り口を徐々に広げさせるテーパ面６３が形成されてもよい。かかるテーパ面６３によれば、光ファイバ６２の先端が進入しやすくなる。また、本発明に係るチップ実装用光伝送機構を備える回路基板や、本発明に係るチップ実装方法が適用された回路基板は、大型コンピュータを始めとする計算機システムだけでなく、光信号伝送が必要とされるその他の機器に使用されることができる。しかも、本発明を適用することのできるチップには、集積回路だけでなく、小型基板上で複数のチップをパッケージ化したマルチチップモジュールといったチップ形態が含まれてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、チップと回路基板の基板本体とを光学的に接続するにあたって、第１および第２光ファイバのいずれか一方の柔軟性を利用して両者の先端同士を容易に同軸に結合することができる。その結果、チップと回路基板との間に確実な光信号伝達機能が確立される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るチップ実装用光伝送機構が適用された回路基板を示す断面図である。
【図２】案内部材の斜視図である。
【図３】光回路用基板の製造方法を示す断面図である。
【図４】チップの実装方法を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るチップ実装用光伝送機構を構成する案内部材および結合部材を示す斜視図である。
【図６】第２実施形態に係るチップ実装用光伝送機構が適用された回路基板を示す断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係るチップ実装用光伝送機構を構成する案内部材および補助案内部材を示す斜視図である。
【図８】案内部材および補助案内部材の製作方法を示す図である。
【図９】チップの実装方法を示す断面図である。
【図１０】チップの実装方法を示す断面図である。
【図１１】チップの実装方法を示す断面図である。
【図１２】各種孔のテーパ面を示す断面図である。
【符号の説明】
１０回路基板、１１光伝送路、１２基板本体、１３チップ、１４チップ実装用光伝送機構、２２第１光ファイバ、２３光ファイバとしての第２光ファイバ、２７案内部材、４９補助案内部材。

Claims

チップから突出する第１光ファイバと、そのチップが実装される回路基板の基板本体から突出し、第１光ファイバに結合される第２光ファイバと、第２光ファイバの先端に接触し、基板本体に対して第２光ファイバの先端を相対変位させる案内部材とを備えることを特徴とするチップ実装用光伝送機構。
請求項１に記載のチップ実装用光伝送機構において、前記第１光ファイバの先端に接触し、前記チップに対して第１光ファイバの先端を相対変位させる補助案内部材を備えることを特徴とするチップ実装用光伝送機構。
請求項２に記載のチップ実装用光伝送機構において、前記補助案内部材は前記案内部材に対して位置決めされることを特徴とするチップ実装用光伝送機構。
チップから突出する複数の第１光ファイバと、そのチップが実装される回路基板の基板本体から突出し、対応する第１光ファイバに結合される複数の第２光ファイバと、少なくとも第１および第２光ファイバのいずれかの先端に接触し、基板本体に対してその先端を相対変位させる案内部材とを備えることを特徴とするチップ実装用光伝送機構。
請求項１〜４のいずれかに記載のチップ実装用光伝送機構を備えることを特徴とする回路基板。
請求項５に記載の回路基板を備えることを特徴とするコンピュータ装置。
請求項５に記載の回路基板を備えることを特徴とする電気製品。
実装されるチップ間を結ぶ光伝送路が形成される基板本体と、光伝送路に通じて基板本体から突出する光ファイバと、光ファイバの先端に接触し、基板本体に対して光ファイバの先端を相対変位させる案内部材とを備えることを特徴とする回路基板用基材。
回路基板の基板本体に対して、実装されるチップを位置決めする工程と、基板本体から突出する光ファイバの先端に案内部材を接触させつつ基板本体に対して案内部材を相対移動させ、チップに対して光ファイバの先端を相対変位させる工程とを備えることを特徴とするチップ実装方法。
回路基板の基板本体に対して、実装されるチップを位置決めする工程と、チップから突出する光ファイバの先端に案内部材を接触させつつ基板本体に対して案内部材を相対移動させ、基板本体に対して光ファイバの先端を相対変位させる工程とを備えることを特徴とするチップ実装方法。