JP3964835B2

JP3964835B2 - 立体配線基板及び光半導体モジュール

Info

Publication number: JP3964835B2
Application number: JP2003202440A
Authority: JP
Inventors: 浩史濱崎; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2005044965A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信技術，光伝送技術及び光情報記録技術などに用いられる光半導体装置に係わり、特に電気配線の改良をはかった立体配線基板及び光半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や光伝送及び光情報記録技術などにおいては、光を搬送波として強度変調や位相変調などによって信号を伝送することが広く行われるようになっている。その中で、光源に発光ダイオードや半導体レーザを、受光素子にフォトダイオードなどの光半導体素子を用いることにより、装置全体の構成を小型軽量化することが可能となっている。
【０００３】
また、高速変調することにより広帯域の信号を伝送可能であることから、高速の情報処理が可能となり、ブロードバンドや動画像記録といったことも可能となってきた。しかし、現状の技術の信号伝送帯域は必ずしも十分ではなく、幹線系から端末、或いは民生品においてもより高いスループットが要求されていると同時に、普及のためには低コスト技術が必須となっている。
【０００４】
実装面に対して垂直方向に光を入出力する光半導体素子と光伝送路とを光結合する際の方法として、各々を直接対向させて光結合する方式は、結合距離を短くすることができ、シンプルで低価格な構造を提供することができる方法である。この場合、光ファイバの光軸方向は、ほぼ光素子搭載基板に垂直な方向となる。
【０００５】
一方、モジュールを構成する際、モジュール搭載面（ボード）は、他のボードと平行に並べられ、いわゆるラックマウントされるため、ボード間の距離は近接させた方が実装容積が少なくて済む。そのため、実装ボードから光ファイバが垂直に突き出た形態よりも、モジュールを搭載するボード面に平行な方向に光ファイバを配置したいという要求がある。この要求を満たすためには、光素子搭載基板と光ファイバ保持部材の搭載面（実装基材表面）とは立体的に配線する必要が生じる。
【０００６】
従来、立体的に直角配線を施すために、セラミック基板の２面にまたがる厚膜の配線を施した例や、フレキシブル配線板を利用したものなど、各種の方法がある。しかし、配線パターンが微細化し、しかも高速化して電気接続部の形状の制御が重要になってくると、パターンの精度の点で適用が困難となる。また、側面にも電極が必要なため、個別に作製する必要があり量産化が困難である。
【０００７】
そこで最近、光半導体素子の搭載面と実装基材面が直交するよう配置した後、ワイヤボンディングにより３次元的に配線する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、搭載面上の電極パッドと実装基材面上の電極をワイヤでつなぐため、配線長を短くすることができるという特徴を持つ。また、基板に斜面を設け斜面上に電気配線の一部を形成しておき、同様に斜面配線を設けた別基板と対向させることで、立体的な配線を実現する方法がある（例えば、特許文献２参照）。この場合、平面とほぼ同様な方法で精度の高い配線を形成して組み合わせるので、微細なパターンや高速の配線にも適用が可能である。また、ウェハプロセスが適用可能であるため量産化に向いている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−１６２００４号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−２９９７４３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の文献においては、以下に述べるような問題がある。特許文献１の方法では、ワイヤボンディングは平面でしか行えないため、ワイヤの片端をボンディング後、ボンディングツール又は基板を９０°回転させてもう一方のワイヤ端をボンディングする必要があるため、タクトタイムが長く必要であり実装コストが上昇しがちである。また、回転系が入ることで位置決めに時間がかかりやすく、更に一方のワイヤをつないだ状態での回転のため、ワイヤ切れを起こさないよう回転させる必要があり、ボンディングできる形状が制限されるといった問題がある。
【００１１】
また、特許文献２の方法では、一対の基板の両方に加工を必要とし、エッジ部までの配線引き回しが必要なため配線長が長くなりがちである。しかも、対向させた配線の接続に際して、半田材や接着剤が押し潰されて隣り合う配線同士の短絡につながる虞があり、組立時に調整が必要となり工程コストが上昇するという問題がある。また、同様に接合部の形状は組立時の条件や押圧の調整に依存するため、所望の形状にするためには更なる微調整が必要となる可能性があり、実装コストが上昇するという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、実装基板上に垂直にマウントされる配線基板の電気配線を、ワイヤボンディングを必要とすることなく、実装基板上の電気配線と電気的に接続することができ、立体配線を簡易に実現し得る立体配線基板及びこれを用いた光半導体モジュールを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１４】
即ち本発明は、立体配線基板において、基板と、この基板の一主面上に設けられた絶縁層と、この絶縁層上に設けられ、一端側が該絶縁層に密着され、他端側が該絶縁層に離間して形成された複数の電気配線と、前記各電気配線の他端側をそれぞれ機械的に接続するように設けられた絶縁支持体と、を具備してなることを特徴とする。
【００１５】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００１６】
(1) 電気配線の他端側は、基板の一主面とほぼ垂直に立ち上がり、基板から離れた個所で前記絶縁支持体により機械的に接続されていること。
【００１７】
(2) 電気配線の他端側で絶縁支持体を接続した面と反対側にボンディング用バンプが形成されていること。
【００１８】
(3) 基板の一主面に、光半導体素子が搭載されること。
【００１９】
また本発明は、基板の一主面上に絶縁層を形成し、この絶縁層上に一端側が該絶縁層に密着し他端側が該絶縁層と離間するように複数の電気配線を形成し、各々の電気配線の他端側を機械的に接続するように絶縁支持体を設けた立体配線基板と、この立体配線基板にマウントされる光半導体素子と、前記立体配線基板が主面上に垂直にマウントされ、且つ該主面上に前記光半導体素子の活性領域に光結合される光伝送路及び外部接続電気配線が設けられた実装基板と、を具備してなる光半導体モジュールであって、前記立体配線基板の電気配線の他端側は、前記基板の一主面とほぼ垂直に立ち上がり、前記外部接続電気配線と電気的に接続されてなることを特徴とする。
【００２０】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００２１】
(1) 立体配線基板側の基板の一部に光半導体素子の活性領域に相当する位置に貫通口が設けられ、光半導体素子の活性領域と光伝送路とはこの貫通口を介して光結合されること。
【００２２】
(2) 電気配線の他端側は、外部接続電気配線と直接接続されること。
【００２３】
(3) 電気配線の他端側は、実装基板上にマウントされた他の半導体素子に接続されて、外部接続電気配線と間接的に接続されること。
【００２４】
（作用）
本発明によれば、立体配線基板側の電気配線の他端側を絶縁層から浮かせ、例えば基板主面とほぼ垂直に形成することにより、立体配線基板を実装基板上に垂直にマウントした場合に、立体配線基板の電気配線の他端側を実装基板上の外部接続配線や他の半導体素子に直接接続することができる。即ち、ワイヤボンディングなどを要することなく立体的に直角な配線を施すことができ、基板の状態で立体的に直立した配線が形成される。従って、実質的に平面実装のみで対応可能であるため、工程を簡略化できる共に、ウェハプロセスを用いて安価に基板を製造可能な構造を実現可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる立体配線基板の概略構成を示す斜視図である。
【００２７】
図中の１０は光半導体素子等が搭載される配線基板であり、この配線基板１０の表面（一主面）上には、絶縁層１１が形成されている。絶縁層１１の表面上には、メタル材料からなる複数の電気配線１２が形成されている。各々の電気配線１２は、一端側１２−１が絶縁層１１の表面に密着しており、他端側１２−２は絶縁層１１から浮いた構造となっている。
【００２８】
絶縁層１１から浮いた部分１２−２は基板１０からほぼ垂直な方向に立ち上がった状態になっている。絶縁層１１から浮いた部分１２−２の一部には、複数の電気配線１２にまたがるように絶縁支持体１３が設けられ、この絶縁支持体１３で電気配線１２がそれぞれ機械的に接続されている。この絶縁支持体１３は、各電気配線１２のピッチを揃える効果を持つ。この構造により、基板１０からほぼ垂直に立ち上がった、一体となった複数の配線構造が得られる。
【００２９】
このような構成であれば、例えば図２に示すように、実装基板１６上にマウントされたＬＳＩ１４と配線基板１０が立体的に直交した配置になっている場合でも、通常のボンダを用いて、非常に短い距離で、複数の配線を一度に接続可能である。なお、図２中の１５は、ＬＳＩ１４の電極パッドであり、電気配線１２と電気的に接続される。
【００３０】
本実施形態の構造は、次のようにして実現可能である。ここで、図３（ａ）に示すように、チップ単位で形成するのではなく、シリコンウェハ上にウェハの状態で一括形成する。図３（ｂ）（ｃ）に細部を拡大して示す。
【００３１】
まず、図３（ｂ）に示すように、シリコン等からなり表面に各種の配線が形成された配線基板１０を用意する。この配線基板１０の表面（一主面）上に、保護膜としての酸化膜などからなる絶縁層１１を形成する。そして、絶縁層１１上の一部に、犠牲層となるポリシリコン層１８を形成する。次いで、一部が絶縁層１１上に密着し、一部がポリシリコン層１８にかかるようにたとえば金やチタン、白金、ニッケル、アルミニウム、銅などの金属あるいはその複数の組み合わせからなる多層金属からなる複数の電気配線１２を形成する。その後、複数の電気配線１２にまたがるように絶縁膜（絶縁支持体）１３を形成する。このとき、スパッタ条件等を調節して、ウェハに密着する面から法線方向の引っ張り応力が大きくなるように形成しておく。
【００３２】
次いで、図３（ｂ）に示すように、ＫＯＨ等で犠牲層１８をエッチングし、取り去ることにより、電気配線１２の一部を絶縁層１１から浮かせる。このとき、残留応力により反りが生じて、電気配線１２の一部が立ち上がる。この立ち上がり量は、応力分布により決まるため、スパッタ条件やメタル種などにより設計可能である。また、メタルを複数層構造として応力をコントロールすることも可能である。最後に、ダイシング等により個片化する。このように、ウェハプロセスの適用が可能であるため大量生産可能であり、低コストに製造可能である。
【００３３】
このように本実施形態によれば、実装基板１６上に垂直にマウントされる配線基板１０の電気配線１２を、ワイヤボンディングを必要とすることなく、実装基板１６上のＬＳＩ１４の電極パッド１５と電気的に接続することができ、立体配線を簡易に実現することが可能となる。
【００３４】
そしてこの場合、ワイヤボンディングを行う方法とは異なり、ボンディングツール又は基板を回転させる必要もなく、タクトタイムを短くして実装コストの上昇を抑えることができる。さらに、配線引き回しが不要となるため配線長を短くすることができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる立体配線基板の概略構成を説明するためのもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である
基本的な構成は図１と同様であり、配線基板２０の表面（一主面）上に絶縁層２１が形成され、絶縁層２１の表面上に複数の電気配線２２が形成されている。各々の電気配線２２は、一端側が絶縁層２１の表面に密着しており、他端側は絶縁層２１から浮いた構造となっている。絶縁層２１から浮いた部分は基板１０からほぼ垂直な方向に立ち上がった状態になっている。基板１０から浮いた部分の一部には、複数の電気配線にまたがるように絶縁支持体２３で接続されている。
【００３６】
電気配線２２の浮いた側の端部近傍には、絶縁支持体２３と反対側に、ボンディング用のバンプ２４が形成されている。このバンプ２４により、ＬＳＩや外部接続配線等との接続をより安定に行うことができる。バンプ２４は、例えばＡｕや半田合金等からなり各配線毎に別々に設けられる。実現方法は、前記図２（ａ）に示す工程で、電気配線形成前にバンプ金属を犠牲層１８上に形成すればよく、その他は第１の実施形態と同様にして作製可能である。
【００３７】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わる光半導体モジュールの概略構成を示す断面図である。
【００３８】
立体配線基板としては、前記図４に示す構造のものを用いた。
【００３９】
実装基板３４の表面（主面）上に、配線基板２０と共に、光伝送路保持部材３３及びＬＳＩ３５がマウントされている。光伝送路保持部材３３上には光ファイバ等の光伝送路３２が基板平面方向に固定されている。ＬＳＩ３５は、データ信号及び制御信号、電源などが供給される外部接続配線３８に接続されている。
【００４０】
配線基板２０は、実装基板３４に垂直に立てられ、バンプ２４によりＬＳＩ３５と電気接続されている。一方、配線基板２０の一主面上には、光半導体素子３１がフリップチップ実装などにより搭載されており、この光半導体素子３１は電気配線２２と電気的に接続されている。配線基板２０には光半導体素子３１の入出力光に相当する位置に貫通口３６が設けられており、光半導体素子３１からの光は配線基板２０を貫通して入出力され、光伝送路３２と光結合している。
【００４１】
なお、図中の３７はパッケージ封止部材であり、光モジュールを保護する目的で設置される。また、３９はＬＳＩ３５の表面に設けられた電極パッドを示している。光伝送路３２の一部はパッケージ封止部材３７を貫通してパッケージ外に導出され、外部接続配線３８の一部もパッケージ外に導出されている。
【００４２】
このような構造であれば、実装基板３４上に垂直にマウントされた立体配線基板に対し、外気版に設けられた光半導体素子３１とマウント基板３４の基板平面方向に配置された光伝送路３４とを光結合させることができる。そしてこの場合、立体配線基板の電気配線２２とＬＳＩ３５上の電極バンプ３９とを直接接続することができるため、光半導体素子３１からＬＳＩ３５までの配線長を極めて短くすることができる。しかも、ボンディングワイヤなどの外部からの新たな接続部材の供給を必要としない接続が可能であり、平面実装のみで作製可能であるため、高速動作が可能な低コストの光モジュールを作製可能である。
【００４３】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、配線基板上の電気配線の他端側を基板面に対してほぼ垂直に立ち上げたが、必ずしも垂直に曲げる必要はなく、要は実装基板上の配線やバンプなどに接続可能な程度に曲げればよい。さらに、電気配線は実装基板上の半導体素子に接続したが、実装基板上の外部接続配線に直接接続してもよいのは勿論のことである。
【００４４】
また、立体配線基板の製造方法は、前記図３に示した例に何ら限定されるものではなく、配線基板上の電気配線の一端側が絶縁層に密着され、他端側が該絶縁層に離間されるように形成できる方法であればよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、配線基板上の複数の電気配線の一端側を絶縁層に密着し、他端側を該絶縁層に離間して形成し、各々の電気配線の他端側を絶縁支持体で機械的に接続する構成としたことにより、実装基板上に垂直にマウントされる配線基板の電気配線を、ワイヤボンディングを必要とすることなく、実装基板上の電気配線と電気的に接続することができ、立体配線を簡易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる立体配線基板の概略構成を示す斜視図。
【図２】図１の立体配線基板をマウントした光半導体モジュールの構成を示す断面図。
【図３】第１の実施形態における立体配線基板の製造工程を示す断面図。
【図４】第２の実施形態係わる立体配線基板の概略構成を示す斜視図。
【図５】第３の実施形態係わる光半導体モジュールの概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
１０，２０…配線基板
１１，２１…絶縁層
１２，２２…電気配線
１３，２３…絶縁膜（絶縁支持体）
１４，３５…ＬＳＩ
１５…パッド
１６，３４…実装基板
１８…犠牲層
２４…バンプ
３１…光半導体素子
３２…光伝送路
３３…光伝送路保持部材
３７…パッケージ封止部材
３８…外部接続配線
３９…電極パッド

Claims

基板と、
この基板の一主面上に設けられた絶縁層と、
この絶縁層上に設けられ、一端側が該絶縁層に密着され、他端側が該絶縁層に離間して形成された複数の電気配線と、
前記各電気配線の他端側をそれぞれ機械的に接続するように設けられた絶縁支持体と、
を具備してなることを特徴とする立体配線基板。
前記電気配線の他端側は、前記基板の一主面とほぼ垂直に立ち上がり、前記基板から離れた個所で前記絶縁支持体により機械的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の立体配線基板。
前記電気配線の他端側で前記絶縁支持体を接続した面と反対側にボンディング用バンプが形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の立体配線基板。
前記基板の一主面上に、光半導体素子が搭載されることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の立体配線基板。
請求項４記載の立体配線基板と、この立体配線基板が主面上に垂直にマウントされ、且つ該主面上に前記光半導体素子の活性領域に光結合される光伝送路及び外部接続電気配線が設けられた実装基板と、を具備してなる光半導体モジュールであって、
前記立体配線基板の電気配線の他端側は、前記基板の一主面とほぼ垂直に立ち上がり、前記外部接続電気配線と電気的に接続されてなることを特徴とする光半導体モジュール。