JP5281075B2 - 複合光伝送基板および光モジュール - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は、電子機器内に搭載される回路基板上で複数の半導体デバイスを光信号で接続するための複合光伝送基板およびこれを備える光モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体デバイスに入出力される電気信号を光信号に変換して伝送する回路基板上の光伝送技術が検討され、その伝送路として光導波路等の光配線が盛んに研究開発されている。
【0003】
光配線を用いれば信号伝送の高速化が可能なだけでなく、信号間のクロストークノイズの低減および配線の微細化及び高密度化がより一層可能になる。
【0004】
一般に、半導体デバイスはセラミックスまたはプラスティック材料からなるパッケージ基板の表面に実装される。以後、パッケージ基板を半導体パッケージとも呼ぶ。
【0005】
半導体パッケージは、回路基板に実装され、回路基板に電気的に接続される。回路基板は、半導体パッケージの入出力信号に対応する配線を有しており、この配線により、半導体パッケージと回路基板との間で電気信号の入出力を相互に行うことができる。また、回路基板の表層には、半導体パッケージの金属パッドに対応する電極パッドが形成されており、両者をはんだボールで接続している。
【0006】
特開2003−215372号公報記載の光通信用デバイスでは、半導体受光素子と半導体発光素子とが半導体パッケージに実装される。半導体パッケージは、貫通する光伝送体を有しており、半導体パッケージの表面と裏面とを光接続する。一方、回路基板には光導波路が形成されており、その端面は45度に加工された光路変換ミラーとなっている。
【0007】
光導波路の表層にはソルダーレジスト層が形成されており、光路変換ミラーの周囲に光路用開口が設けられている。
【0008】
半導体パッケージと回路基板とははんだボールで相互に接続され電気的な導通が得られるようになっている。
【0009】
半導体パッケージと回路基板の位置決めには、例えば、はんだボールが有するセルフアライメント作用が利用されている。
【0010】
しかし、半導体パッケージと回路基板との間にははんだボールの大きさの分だけ距離が生じることになり、その間には光漏れが生じ、チャネル間のクロストークおよび光の伝送損失が発生するという課題がある。
【0011】
また、セルフアライメント作用を用いた位置決めと実装は、熟練した作業者の操作に大きく依存する工法であり、低コストで大量生産が要求される電子機器用の実装工法として用いることは極めて難しい。
【発明の開示】
【0012】
本発明の目的は、2つの基板間の光漏れを低減し、チャネル間のクロストークおよび光の伝送損失の発生を抑制し、低損失かつ容易に基板間の光接続を実現できる複合光伝送基板および光モジュールを提供することである。
【0013】
本発明の一形態にかかる複合光伝送基板は、第1の光伝送路を有する第1の光伝送基板と、第2の光伝送路を有する第2の光伝送基板と、前記第1の光伝送基板と前記第2の光伝送基板との間に配置される光結合構造体であって、前記第1の光伝送路と前記第2の光伝送路を光学的に結合する第3の光伝送路を有する光結合構造体と、前記第1の光伝送基板と前記第2の光伝送基板との間に介在し、前記光結合構造体の外側で前記第1の光伝送基板と前記第2の光伝送基板とを電気的に固定接続する複数の実装部と、を備え、前記第1の光伝送基板は、該第1の光伝送基板が前記光結合構造体と対向した領域に設けられる第1の係合部を更に有し、前記光結合構造体は、前記第1の光伝送基板と対向した領域に設けられ、前記第1の係合部に係合される第2の係合部を更に有している。
【0014】
本発明の他の形態にかかる光モジュールは、前記複合光伝送基板と、前記第2の光伝送路と光学的に結合し、前記第2の光伝送基板を介して前記光結合構造体と対向するように前記第2の光伝送基板に実装された光半導体素子と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【0015】
本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
【図1】本発明の第1の実施態様にかかる複合光伝送基板の断面図である。
【図2】図1に直交する方向から見た断面図である。
【図3】図1と同方向から見た分解断面図である。
【図4】本発明の第2の実施態様にかかる複合光伝送基板の構成を示す断面図である。
【図5】図4に直交する方向から見た断面図である。
【図6】図4と同方向から見た分解断面図である。
【図7】光モジュールの構成を示す断面図である。
【図8】本発明の第1の実施態様にかかる複合光伝送基板であって、図1の複合光伝送基板とは別の構成を示す複合光伝送基板の断面図である。
【図9】図8に直交する方向から見た断面図である。
【図10】本発明の第3の実施態様にかかる複合光伝送基板の構成を示す断面図である。
【図11】図10と直交する方向から見た断面図である。
【図12】図10と同方向から見た分解断面図である。
【図13】光モジュールの構成を示す断面図である。
【図14】本発明の第3の実施態様にかかる複合光伝送基板であって、図10の複合光伝送基板とは別の構成を示す複合光伝送基板の断面図である。
【図15】図14と直交する方向から見た断面図である。
【図16】本発明の第4の実施態様にかかる複合光伝送基板の構成を示す断面図である。
【図17】図16と直交する方向から見た断面図である。
【図18】図16と同方向から見た分解断面図である。
【図19A】本発明の第4の実施態様にかかる複合光伝送基板の部分断面図である。
【図19B】本発明の第4の実施態様にかかる複合光伝送基板の部分断面図である。
【図19C】本発明の第4の実施態様にかかる複合光伝送基板の部分断面図である。
【図20】光モジュールの構成を示す断面図である。
【図21】本発明の第4の実施態様にかかる複合光伝送基板であって、図16の複合光伝送基板とは別の構成を示す複合光伝送基板の断面図である。
【図22】図21と直交する方向から見た断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、本発明の一形態にかかる複合光伝送基板について、図面を参照しつつ説明する。
図1〜図3における本発明の第1の実施態様にかかる複合光伝送基板は、例えば、電子機器内に搭載される回路基板上で複数の半導体デバイスを光信号で接続する場合に用いられる。その場合、半導体素子、光電及び電光変換デバイスと周辺回路と接続されて使用されるが、図1〜図3においては説明を簡略化するため、それらを図示していない。
【0017】
複合光伝送基板は、回路基板30および半導体パッケージ10が積層され、回路基板30と半導体パッケージ10とが光結合構造体20により光接続されている。なお、図1〜図3において、回路基板30を第1の光伝送基板とし、半導体パッケージ10を第2の光伝送基板としてあつかう。
【0018】
回路基板30は、第1の基板36と、光を伝送する第1の光伝送路37と、を備える。
図1〜図3に示されるように、第1の光伝送路37は、光導波路31と、この光導波路31の光軸方向に対して傾斜した光路変換面を有する光路変換ミラー31Dとを有する。光導波路31は、第1の基板36の一方の主面上に、主面と平行に延びるように設けられる。光路変換ミラー31Dは、例えば光軸方向に対して45度に傾斜する光路変換面である。この光路変換面は、光導波路31を進む光の光路方向を90度変換し、第1の基板36の主面に垂直な法線方向へと光路を変更させる。
【0019】
光路変換ミラー31Dは、例えば略45度の断面を持つダイシングブレードで光導波路31を第1の基板36の主面に直交するようにカットされたのち、略45度の斜面に、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、またはニッケルなどの金属材料を、薄く膜付け又は塗布されることにより設けられる。
【0020】
光導波路31は、下部クラッド31A、コア31B、上部及び側面クラッド31Cによって同軸構造に構成されている。コア31Bの屈折率がクラッド31Aおよび31Cよりも数%以上高いため、コアに光信号を閉じ込めて低損失で伝送することができる。
【0021】
光導波路31の具体的な寸法としては、例えば、下部クラッド31Aの厚みが15〜25μm、コア31Bの断面サイズが35〜100μm角、上部クラッド31Cの厚みが15〜25μmである。
【0022】
半導体パッケージ10は、第2の基板16と、光を伝送する第2の光伝送路14と、を備える。図1〜図3に示されるように、第2の光伝送路14は、第2の基板16を厚み方向に貫通する。
【0023】
光結合構造体20は、回路基板30および半導体パッケージ10の間に配置される。光結合構造体20は、例えば、厚さ0.3〜0.5mm、幅6mm、奥行き3mm程度の板状部材で構成される。光結合構造体20の中央部には、半導体パッケージ10に形成した第2の光伝送路14および回路基板30の第1の光伝送路3731に対応する位置に、厚み方向に貫通して光伝送を行う第3の光伝送路21が形成されている。
【0024】
光結合構造体20を厚み方向に貫通するように設けられた第3の光伝送路21は透明材料から構成され、光ファイバと同様のクラッド21Bとコア21Aとから成る。第3の光伝送路21は光結合構造体20の表面から裏面にかけて厚み方向に光学接続する。第3の光伝送路21は、主面に平行な断面形状が円形に設けられる。
【0025】
第3の光伝送路21は、半導体パッケージ10と対向する光結合構造体20の主面において、半導体パッケージ10の第2の光伝送路14と光学的に接続する。また、第3の光伝送路21は、光結合構造体20の回路基板30と対向する主面において、回路基板30の第1の光伝送路37と光学的に接続する。図1〜図3では、第3の光伝送路21は、第2の光伝送路14および第1の光伝送路37と同様の本数設けられる。
【0026】
光結合構造体20は、回路基板30および半導体パッケージ10の間に設けられる第1の光伝送路37と第2の光伝送路14との間で生じる光漏れを低減し、チャネル間のクロストークおよび光の伝送損失の発生を抑制するために設けられたものである。
【0027】
光の伝送損失の発生をさらに抑制するために、半導体パッケージ10に備えられる第2の光伝送路14および第1の光伝送路37に囲まれた空間35(詳細には第2の光伝送路14と光路変換ミラー31Dと光導波路31により囲まれた空間)に、樹脂が充填されることが好ましい。これにより、第3の光伝送路21と第1の光伝送路37との間の光の伝送損失を抑制することができる。樹脂としては、光導波路31のコア31Bと同様の屈折率を有する樹脂が好ましい。
【0028】
光結合構造体20は、第3の光伝送路21以外の部分は、遮光性を有する材料で構成されている。この場合、「遮光性を有する」とは、外部の光を第2の光伝送路14に到達させないように遮蔽するものであればよく、例えば、遮光性を示す顔料などでエポキシ樹脂を着色したものでもよい。
【0029】
光結合構造体20は、フォトリソグラフィにより形成することもできる。第2の基板16に対して、必要な厚みの感光性樹脂を塗布し、露光・現像によりパターニングを行う。
【0030】
これにより、光結合構造体20となる部分以外の余分な感光性樹脂は現像により除去される。また、第2の係合部が光結合構造体20を貫通した貫通孔である場合、同じようにして現像を用いて作製することができる。例えば、光結合構造体20を光導波路31のクラッド材と同じ材料で形成する場合、第2の光伝送路14はコア14Aのみを形成して、光導波路31と同じ屈折率差の光閉じ込め効果を利用した伝搬を行うことができる。
【0031】
回路基板30は、光結合構造体20と対向した領域に第1の係合部として突起32を有する。図1〜図3に示される複合光伝送基板において、光結合構造体20と対向した領域は、光導波路31の上部を意味する。
【0032】
突起32の形状としては、円柱状、順テーパー状(先細り構造)、逆テーパー状(先太り構造)などが挙げられる。突起32の高さは、例えば150〜300μmである。また、突起32の断面形状が円形の場合、突起32の直径は例えば100〜900μmである。
【0033】
この突起32は、後述の光結合構造体20に第2の係合部として設けられた凹部15と係合する。換言すれば、突起32は、凹部15の内面と接触可能に凹部15に挿入されて、回路基板30と光結合構造体20とが光学的に結合するように回路基板30と光結合構造体20との位置を決める。
【0034】
突起32は、第1の光伝送路37上であって第2の基板16と対向する位置に設けられることが好ましい。図3の場合、突起32は、光導波路31の上部クラッド31C上に設けられている。突起32を、第1の光伝送路上に設けることにより、突起32が第1の光伝送路の厚さ分だけ半導体パッケージ10の第2の基板16に近づけることができる。
【0035】
また、凹部15と突起32とが、第1の光伝送路37と第3の光伝送路21との光接続部分の近傍に設けられているため、第1の光伝送路37と第2の光伝送路14との位置合わせを精度良く行うことができる。その結果、光伝送基板間の光漏れを防ぎ、チャネル間のクロストークと光の伝送損失を抑制することができる。
【0036】
突起32の形成方法を以下に示す。
まず、感光性樹脂を厚さ150〜300μmでスピンコートし、プリベークして仮硬化させる。そして、フォトマスクを用いて露光し、現像したのちポストベークすることにより突起32は形成される。感光性樹脂としては、いわゆる永久レジストが好ましい。ここで、永久レジストとは、フォトリソグラフィ加工終了後も除去されずに用いられるレジストをいう。永久レジストとしては、エポキシ樹脂などが挙げられる。
【0037】
回路基板30は、例えば、以下のような方法により作製される。
第1の基板36の表面に塗布、プリベーク、露光、現像、ポストベークを繰り返して下部クラッド31Aを形成する。
【0038】
下部クラッド31Aの上部に塗布、プリベーク、露光、現像、ポストベークを繰り返してコア31Bを形成する。
【0039】
コア31Bの側面と上部に塗布、プリベーク、露光、現像、ポストベークを繰り返して上部及び側面クラッド31Cを順に形成する。
【0040】
さらに、略45度の端面を持つダイシングブレードによって、光導波路31を第1の基板36に直交して切断し、光路変換ミラー31Dを作製する。光路変換ミラー31Dの斜面上に、反射膜としてAuを2000Å蒸着する。このとき、垂直面上にはAuが蒸着されないようにマスクを施すか、蒸着時に蒸着源に対して垂直面が隠れるように基板設置に注意する。または、蒸着後に再度垂直面を切り出すなどして、垂直面に反射膜が形成されることがないように注意する。
【0041】
突起32と同様に、感光性樹脂を厚さ150〜300μmでスピンコートし、プリベークして仮硬化させる。
【0042】
感光性樹脂を、フォトマスクを用いて露光し、現像したのちポストベークして突起32を形成する。
以上のようにして回路基板30を形成することができる。
【0043】
図1〜図3に示す第2および第3の光伝送路14,21は、第2の基板16および光結合構造体20を厚み方向に貫通するように設けられている。これにより、基板の表面から裏面にかけて光を伝送させることができる。第2および第3の光伝送路14,21の直径は、たとえば、100〜200μmである。コア14Aの直径は、たとえば、35〜100μmである。なお、後述する図4〜図6に示すように、第2の光伝送路67は第2の基板66上に設けられていてもよい。
【0044】
図1〜図3に示された第2の光伝送路14は、クラッド14Bとコア14Aから成る。
この第2の光伝送路14は、第2の基板16および光結合構造体20を厚み方向に貫通するように設けられた貫通孔13に、透明材料を充填することによって形成される。第2の光伝送路14は断面形状が円形に設けられる。なお、断面は第1の基板36の主面に平行な断面をいう。
【0045】
光結合構造体20は、凹部15を有する。光結合構造体20に設けられた第2の光伝送路14の外側近傍には、突起32に対応する凹部15が複数設けられる。凹部15の直径は、例えば0.7mm、ピッチは4.3mmである。
【0046】
突起32が、光結合構造体20の凹部15に挿入された状態で、第2の光伝送路14および第1の光伝送路37と光学的に接続するように構成されている。
【0047】
凹部15の形成方法としては、光結合構造体20に対して精密ドリルまたはレーザによって穿孔する方法などが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【0048】
突起32と凹部15とは高精度に係合されるため、半導体パッケージ10と回路基板30との水平方向の光接続にかかる位置ずれが抑制できる。
【0049】
さらに、突起32が、光結合構造体20の凹部15に挿入された状態では、光結合構造体20の第1の基板36に対向する面が、半導体パッケージ10と回路基板30との互いに対向する主面と密着するように配置される。これにより、半導体パッケージ10と回路基板30の垂直方向の間隙を正確に保持するとともに、光漏れを抑制することができる。
【0050】
凹部15と突起32とを係合させた場合、凹部15の開口寸法が突起32の幅よりも大きくてもよい。この場合、凹部15と突起32との間に隙間ができ、凹部15の内壁面と突起32の外壁面とを接触させながら、凹部と突起との係合を円滑におこなうことができる。例えば、凹部と突起との断面形状が円形である場合、凹部の直径は突起の直径よりも3〜10μm大きくてもよい。
【0051】
突起32と凹部15の開口の断面形状は、それぞれ同形状であればよいが、円形状であることが好ましい。それらの断面形状が円形状であることにより、突起と凹部との係合を容易におこなうことが可能となる。なお、断面は第1の基板36の主面に平行な断面をいう。
【0052】
突起32および凹部15の形状としては、例えば、円柱状、順テーパー状(先細り形状)、逆テーパー状(先太り形状)などが挙げられる。
【0053】
半導体パッケージ10は、例えば、以下のような方法により作製される。
第2の基板16の貫通孔と、光結合構造体用部材に設けられた貫通孔とが連通して貫通孔13を構成するように第2の基板16と光結合構造体用部材とを位置合わせし、第2の基板16と光結合構造体用部材とを接着固定する。位置合わせには、例えば、光結合構造体用部材の貫通孔13と精密に適合するワイヤを用いる。アレイ状に並んだ貫通孔13の両端にワイヤを通し、接着剤41を塗布して第2の基板16上に光結合構造体用部材を硬化させた後、ワイヤを抜き取ることで、正確な貫通孔の位置合わせを行うことができる。
【0054】
次に、貫通孔13に透明材料、例えば、屈折率が1.5程度の透明エポキシ樹脂をクラッドとして均一に充填して加熱硬化させる。
【0055】
次に、その中心部に精密ドリルまたはレーザを使ってコア部を形成するための貫通孔を開ける。そして、その貫通孔にクラッドよりも比屈折率が数%高い透明エポキシ樹脂等の材料をコアとして均一に充填し、加熱硬化させる。このようにして、第3の光伝送路21は、第2の光伝送路14と連続的かつ一体的に形成される。
以上により、半導体パッケージ10を形成することができる。
【0056】
上述の方法では、第2の光伝送路14に2種類の樹脂を用いて同軸構造を作製したが、コアおよびクラッドがあらかじめ同軸構造となっている部品を挿入して第2の光伝送路14および第3の光伝送路21を形成することも可能である。例えば、市販されている光ファイバをあらかじめ必要な長さに加工し、加工した光ファイバ部材を貫通孔13に挿入して接着剤で固定することで第2の光伝送路14および第3の光伝送路21を形成しても良い。
【0057】
半導体パッケージ10と回路基板30とは、上記のように光結合構造体20によって光学的に接続される一方、電気的には対向する接続パッド同士をはんだボールまたははんだバンプなどの複数の実装部40により接続する。
【0058】
はんだボールまたははんだペーストには主に有機系溶剤によるフラックスを含んでおり、加熱によって拡散する。そのため、回路基板30と半導体パッケージ10のそれぞれ互いに向かい合う面上にフラックスが付着する傾向がある。一般的にフラックスは無色透明であるが、反応で白濁する、あるいは経時変化で茶褐色に変色する。そのため、光伝送路の露出面に付着することは光損失を生じさせる傾向があり、光伝送基板間の光接続の実現が困難な場合があった。
【0059】
しかし、本実施態様にかかる複合光伝送基板において、半導体パッケージ10に設けられた光結合構造体20が、回路基板30との隙間を減少させるように設けられるため、フラックスが、第1の光伝送路37の露出面および第2の光伝送路14の露出面を覆う可能性を低減させ、光の伝搬性能の低減を抑制することができる。
【0060】
実装部40は、光結合構造体20の外側を取り巻くように設けられ、半導体パッケージ10と回路基板30とを直接固定接合する。
【0061】
回路基板30および半導体パッケージ10には、実装部40と接続するために、接続パッドなどの配線層38,39が設けられている。回路基板30の場合、配線層38は半導体パッケージ10と対向する第1の基板36の主面に設けられており、金属材料による金属層33とその周囲を覆うソルダーレジスト34によって形成される。また、半導体パッケージ10の場合、配線層39は回路基板30と対向する第2の基板16の主面に設けられており、金属材料による金属層11とその周囲を覆うソルダーレジスト12によって形成されている。
【0062】
上記の半導体パッケージ10と回路基板30とを以下の手順で組み立てて複合光伝送基板を形成する。
【0063】
まず、回路基板30に所望の直径を持つはんだボール40を加熱して貼り付ける。その際、ソルダーパッドと同じピッチで穴の開いたマスクを用いてソルダーペーストをソルダーパッドに印刷し、その上にソルダーボールを配列してから、その溶融温度以上に加熱する。
【0064】
次に、回路基板30および半導体パッケージ10との間に光結合構造体20が介在されるように回路基板30と半導体パッケージ10とを重ね、凹部15を突起32に嵌め合わせる。その際には、両者の間隙に屈折率整合剤を微量だけ添加しておく。屈折率整合剤としては、第2の光伝送路14のコアに屈折率が近いシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが好ましい。
【0065】
回路基板30および半導体パッケージ10の複合基板をリフロー炉などで加熱する。はんだボールの融点以下では、半導体パッケージ10に設けられる光結合構造体20と回路基板30の第1の光伝送路37上部には隙間があるが、周囲温度が上がってはんだボールの融点以上になると、はんだボールが溶融して、半導体パッケージ10が自重で沈み込む。そのため、凹部15と突起32の精密なはめ合いによって半導体パッケージ10に設けられた光結合構造体20と回路基板30の第1の光伝送路37上部の隙間が減少する。そして、周囲温度が下がるに伴ってはんだボールの硬化収縮が生じ、半導体パッケージ10と回路基板30を引っ張りつけることで、第1の光伝送路37と光結合構造体20とが接する。このように、第2の光伝送路14から光路変換ミラー31Dおよび光導波路31までの光結合が完成する。尚、組みあがったものをリフロー炉などで加熱する際に、半導体パッケージ10側に加重をかけることも、第1の光伝送路37および第3の光伝送路21との光接続部分の隙間を小さくする方法として有効である。
【0066】
図4〜図6に示す本発明の第2の実施態様にかかる複合光伝送基板は、第1の光伝送基板である半導体パッケージ10Aと第2の光伝送基板である回路基板60とが積層されて光接続された構成を有している。
【0067】
前述した第1の実施態様にかかる複合光伝送基板の説明では、第1の光伝送基板として回路基板30を、また、第2の光伝送基板として半導体パッケージ10を示したのに対して、第2の実施態様にかかる複合光伝送基板の説明では、第1の光伝送基板として半導体パッケージ10Aを、また、第2の光伝送基板として回路基板60を示す。なお、本発明の一形態の複合光伝送基板において、第1の光伝送基板および第2の光伝送基板は、半導体パッケージまたは回路基板のいずれでもかまわない。
【0068】
図4〜図6に示す半導体パッケージ10Aは、第1の基板46と、第1の光伝送路44とを有する。第1の光伝送路44は、第1の基板46を厚み方向に貫通するように設けられるが、第1の基板46上に設けられても構わない。
【0069】
第1の光伝送路44は、前述の図1〜図3における第2の光伝送路14と同様に、クラッド44Bおよびコア44Aから構成される。
【0070】
第1の基板46は、その主面に第1の係合部である複数の突起62である。この突起62は、後述の光結合構造体50に第2の係合部である凹部45に挿入されて、半導体パッケージ10Aと光結合構造体50との位置を決める。
【0071】
突起62の形状および突起62の形成方法は、前述した第1の実施態様にかかる複合光伝送基板における突起32と同様であるため、それらの詳細な説明は省略する。
【0072】
回路基板60は、第2の基板66と第2の光伝送路67とを有する。第2の光伝送路67は、第2の基板66に設けられる。
【0073】
図4〜図6の場合、第2の光伝送路67は、第2の基板66の一方の主面上に、主面と平行に延びるようにして設けられる光導波路61と、この光導波路61の光軸方向に対して傾斜した光路変換面を有する光路変換ミラー61Dとを含む。回路基板60に設けられた光結合構造体50は、その厚み方向に設けられた第3の光伝送路61Eを有する。また光結合構造体50は、凹部45を有する。光導波路61は、下部クラッド部61A、コア61Bおよび上部クラッド部61Cから構成されている。また、第3の光伝送路61Eは、中心に設けられたコアとこのコアの周囲を覆うクラッドとから構成されている。
【0074】
光導波路61および光路変換ミラー61Dは、第1の実施態様にかかる複合光伝送基板における光導波路31および光路変換ミラー31Dとそれぞれと同様であるため詳細な説明を省略する。
【0075】
図4〜図6においては、光結合構造体50は、光導波路61の上に設けられている。これにより、回路基板60が光導波路61の厚さ分だけ半導体パッケージ10A側に近づくことができ、突起62と凹部45とを十分に係合することができる。
【0076】
光結合構造体50の形成方法および光結合構造体50における凹部45の形成方法は、前述した本発明の第1の実施態様にかかる複合光伝送基板における光結合構造体20および凹部15の場合と同様であるためそれぞれ詳細な説明を省略する。
【0077】
図4〜図6における凹部45としては、光結合構造体50と隣接する光導波路61の上面を底面とする凹部の例が挙げられている。凹部45としては他に、光結合構造体50および光導波路61を貫通して第2の基板66の上面を底面とする凹部であってもよく、光結合構造体50を貫通するが光導波路61内に底面を有する凹部であってもよい。この場合、凹部は、凹部となる貫通孔の直下にある光導波路61の下部クラッドと上部クラッド、且つ/またはコアのパターニング時に、それらのクラッドに穴を設け、光結合構造体に設けられた貫通孔と位置を合わせることで得られる。
【0078】
このように、光結合構造体50から光導波路61まで連続した凹部45を設けることにより、第1の係合部である突起62を大きくして、それらをより十分に嵌合させることができる。
【0079】
図7は、図1における複合光伝送基板を具備する光モジュールの構成を示す断面図である。
図7において、光モジュールは、図1における複合光伝送基板の半導体パッケージ10に、さらに光半導体素子として半導体レーザアレイ51を実装したものである。半導体レーザアレイ51は、その発光点52が半導体パッケージ10に形成された第2の光伝送路14に対向するようにフェイスダウンで実装されている。図7では半導体レーザアレイ51は面発光型レーザ(VCSEL)を実装している。半導体レーザアレイ51の表面電極パッド53に金バンプ54を形成しておき、半導体パッケージ10の表面に形成した電極パッド17に超音波圧着することで実装できる。
【0080】
なお、半導体レーザアレイ51と半導体パッケージ10の間隙には通常、透明樹脂による屈折率整合が行われるが図7において図示は省略されている。また、図7において、半導体デバイスとして光を照射する光源である半導体レーザを用い、半導体パッケージ10、光結合構造体20、回路基板30の順に光を伝送させる場合を示しているが、半導体デバイスとして光信号を受信するフォトダイオードを用い、回路基板30、光結合構造体20、半導体パッケージ10の順に光伝送させる構成であってもよい。
【0081】
次に、図1の構成とは別の構成を示す複合光伝送基板を説明する。図8および図9に示すように、半導体パッケージ10の第2の基板16と対向する主面とは反対の主面に、この主面に平行に延びて、第2の光伝送路14と光学的に接続する光導波路18が設けられる。第2の光伝送路14と光導波路18とは、光路変換ミラー19を介してこれらの光軸が90度変化するように設けられている。半導体パッケージ10に搭載される光半導体素子が、端面から光の取り出し、取り入れを行う端面型の場合はこのように半導体パッケージ10の主面に平行に光を伝送させる光導波路18を設けるような構成が好ましい。また、複数の半導体パッケージ10を積層する構成においても、本実施態様のような構成が好ましい。
【0082】
図10〜図12に示すように、本発明の第3の実施態様にかかる複合光伝送基板は、第2の光伝送基板である半導体パッケージ10、光結合構造体120、および第1の光伝送基板である回路基板30がこの順に積層されて光接続された構成を有している。
【0083】
図10〜図12における本発明の第3の実施態様にかかる複合光伝送基板は、第1の光伝送基板である回路基板30と、第2の光伝送基板である半導体パッケージ10と、光結合構造体120と、を有している。光結合構造体120は、本発明の第1および第2の実施態様にかかる複合光伝送基板における光結合構造体と同様の働きを有している。なお、本発明の第3の実施態様にかかる複合光伝送基板は、本発明の第1および第2の実施態様にかかる複合光伝送基板は、第2の光伝送基板に第3の係合部を有し、光結合構造体に第3の係合部が係合される第4の係合部を有する点が、本発明の第1および第2の実施態様にかかる複合光伝送基板と異なる。
【0084】
回路基板30は、本発明の第1の実施態様にかかる複合光伝送基板の回路基板30と同様の構成であるので、詳細な説明を省略する。
【0085】
また、半導体パッケージ10は、本発明の第2の実施態様にかかる複合光伝送基板の半導体パッケージ10Aと同様の構成であるので、詳細な説明を省略する。
【0086】
なお、半導体パッケージ10は、光結合構造体120と対向した領域に設けられる第3の係合部である第2の突起115を備える。また第1の突起32および第2の突起115は、互いに対向する位置に設けられる。
【0087】
光結合構造体120は、第2の係合部と第4の係合部とを有する。図10〜図12において、第2の係合部としては、第4の係合部と一体となった貫通孔122を図示しているが、本発明における第2の係合部はこれに限定されず、第1の係合部32と係合が可能であればよい。そのため、例えば、第2の係合部は、貫通孔のかわりに底面を有する凹部であってもかまわない。同様に、第4の係合部も、第3の係合部115と係合が可能であればよい。そのため、例えば、第4の係合部は、貫通孔のかわりに底面を有する凹部であってもかまわない。
【0088】
なお、第1の係合部である第1の突起32および第3の係合部である第2の突起115が突起の場合、光結合構造体120に複数設けられた第2の係合部および第4の係合部が貫通孔であることにより、光結合構造体120の作製が容易になって、作製コストを抑えることができる。
【0089】
本発明の第3の実施態様にかかる複合光伝送基板は、第1の係合部が第2の係合部に係合し、第3の係合部が第4の係合部に係合した状態で、第3の光伝送路121が、第2の光伝送路14および第1の光伝送路37と光学的に接続するように構成されている。
【0090】
このようにして、第1の係合部と第2の係合部とが高精度に係合し、第3の係合部と第4の係合部とが高精度に係合するため、光結合構造体120介して半導体パッケージ10と回路基板30との水平方向の光接続にかかる位置ずれが抑制できる。
【0091】
本発明の第1および第2の実施態様にかかる複合光伝送基板における光結合構造体20の場合と同様に、光結合構造体120の第3の光伝送路121以外の部分は、遮光性を有する材料で構成されている。
【0092】
図10〜図12における複合光伝送基板では、第2の突起115および第1の突起32の高さは、貫通孔122の長さ、すなわち光結合構造体120の厚み、はんだボール40の高さと関係している。たとえば、第2の突起115の高さと第1の突起32の高さとの和が、光結合構造体120の厚みと同じかそれ以下となるように設ける。
【0093】
半導体パッケージ10と回路基板30とは、上記のように光結合構造体120によって光学的に接続される一方、電気的には対向する接続パッド同士をはんだボールまたははんだバンプなどの複数の実装部40により接続する。
【0094】
本発明の第3の実施態様にかかる複合光伝送基板は、第1の光伝送基板と第2の光伝送基板との隙間に、第3の光伝送路を有する光結合構造体が存在するので、第1実施態様および第2実施態様の光伝送基板の場合と同様に、フラックスが、第1の光伝送路の露出面および第2の光伝送路の露出面を覆う可能性を低減させ、光の伝搬性能の低減を抑制することができる。
【0095】
第1の光伝送路37と第3の光伝送路121との光接続部分および第2の光伝送路14と第3の光伝送路121との光接続部分は、複合光伝送基板において中央部にある。実装部40は、光結合構造体120の外側を取り巻くように設けられ、光結合構造体120を介さずに、直接半導体パッケージ10と回路基板30とを固定接合する。
【0096】
このような複合光伝送基板は、半導体パッケージ10、平板部品である光結合構造体120、回路基板30を次のような手順で組み立てて形成する。
【0097】
(a)半導体パッケージ10に所望の直径を持つはんだボール40を加熱して貼り付ける。その際は、接続パッドと同じピッチで穴の開いたマスクを用いてはんだペーストを接続パッドに印刷し、その上にはんだボールを配列してから、その溶融温度以上に加熱する。
【0098】
(b)回路基板30に光結合構造体120を載せ、第1の突起32を貫通孔122に係合する。その際には、回路基板30と光結合構造体120の間隙に屈折率整合剤を微量だけ添加しておく。屈折率整合剤としては、光貫通孔のコアに屈折率が近いシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂が相応しい。
【0099】
(c)光結合構造体120に半導体パッケージ10を重ね、第2の突起115を貫通孔122に係合する。その際には、光結合構造体120と半導体パッケージ10の間隙に屈折率整合剤を微量だけ添加しておく。
【0100】
(d)このように組み合わさったものをリフロー炉などで加熱する。はんだボール40の直径は、溶融後を想定して予め大きく形成されるので、融点以下では、光結合構造体120と半導体パッケージ10との間には隙間があるが、前述の第1実施態様の複合光伝送基板における回路基板と半導体パッケージとはんだボールとの間の作用と同様の作用により、上述の隙間が減少する。
【0101】
以上により、第2の光伝送路14、第3の光伝送路121および第1の光伝送路37までの光結合構造が完成する。
【0102】
なお、組みあがったものをリフロー炉などで加熱する際に、半導体パッケージ10側に加重をかけることも、第1の光伝送路37と第3の光伝送路121との光接続部分および2の光伝送路14と第3の光伝送路121との光接続部分の隙間を減少させる方法として有効である。
【0103】
図13には、本発明の第3の実施態様にかかる複合光伝送基板に半導体レーザアレイ51を実装した光モジュールを示す。なお、半導体レーザアレイ51は、前述した図7のものと同様であるため、詳細な説明を省略する。
【0104】
図14および図15に示す複合光伝送基板は、半導体パッケージ10の第2の基板16と対向する主面とは反対の主面に、この主面に平行に延びて、第2の光伝送路14と光学的に接続する光導波路18が設けられた本発明の第3の実施態様にかかる複合光伝送基板を示す。なお、図14および図15における光導波路18は、図8および図9の場合と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【0105】
以下に、光結合構造体120の第3の光伝送路121の形成方法について説明する。
(a)遮光性を有する板状部材を、厚み方向に貫通する大小2種類の貫通孔を設ける。
大径の貫通孔は、突起115および突起32と係合する位置決め用の貫通孔122である。小径の貫通孔は、以下の工程で第3の光伝送路121を形成するための貫通孔である。
【0106】
(b)小径貫通孔に透明樹脂、例えば屈折率が1.5程度の透明エポキシ樹脂からなるクラッド材を充填し、加熱硬化させる。
【0107】
(c)貫通孔に充填したクラッド材の中心に、精密ドリルまたはレーザを使って貫通孔を開ける。
【0108】
(d)クラッド材の中心に開けた貫通孔に、クラッド材よりも比屈折率が数%高い透明エポキシ樹脂等の材料をコア材として均一に充填し、加熱硬化させる。
【0109】
(e)両主面を研磨して、第3の光伝送路121の表面を平坦化する。
以上の手順によって、光結合構造体120が作製される。
【0110】
なお、他の形成方法については、ブロック状の部品に大小2種類の貫通孔を設け、小径貫通孔に光ファイバを挿入接着したものを所望の厚みにスライス加工しても良い。
【0111】
図16〜図18には、本発明の第4の実施態様にかかる複合光伝送基板を示す。
なお、第4の実施態様にかかる複合光伝送基板は、第1の係合部が凹部142であり、第3の係合部が凹部141であり、第2の係合部が突起144であり、第4の係合部が突起143である点が第3の実施態様にかかる複合光伝送基板と異なり、それ以外は同様の構成である。
【0112】
なお、図16〜図18において、第2の係合部である突起144と第4の係合部である突起143とは、光結合構造体120の厚みよりも長い挿入ピンを大径の貫通孔に挿入することで形成されている。
【0113】
凹部141および142の開口は好ましくは円形状であり、突起143および144の形状としては、円柱状、順テーパー状(先細り構造)、逆テーパー状(先太り構造)などが挙げられる。
【0114】
図19Aおよび図19Bでは、半導体パッケージ10の凹部141および回路基板30の凹部142の形状が、厚み方向に直径を変化されている。いずれの凹部も外側に向かって径が広がるように形成されることが好ましい。
【0115】
図19Aに示すように、半導体パッケージ10における凹部141は、構成する層を2層構造にするなどして、すり鉢状として形成されている。2層構造にすることにより、1層では不可能な厚み(=深さ)の凹部141が得られるだけでなく、円滑な係合を実現できる。
【0116】
図19Bに示すように、第1の光伝送路37の光導波路31を構成する各層に応じて凹部142に段差を設けて、突起144を係合しやすくすることも有効である。その場合、下部クラッド31Aからコア31B、上部クラッド31Cと上層になるにつれて、凹部142の開口径をわずかに広げていくことにより、すり鉢状の凹部142が得られる。下部クラッド31Aの開口径は、突起144の直径と等しくなるように形成されるので、高精度の位置決めを実現しつつ、すり鉢状の凹部142により突起144がはめこみ易くなりより円滑な係合が行える。
【0117】
回路基板30の凹部142は、必要に応じて係合時に更に安定するように、凹部142の深さを深くすることも可能である。第1の光伝送路37の光導波路31のコア31Bは光配線設計により決定されるため、下部クラッド31A、上部クラッド31Cの厚みを厚くすることで凹部142の深さを調整できる。
また、光導波路31上部に感光性樹脂のパターンを形成して深さを増すこともできる。
【0118】
深さ増加分が多い場合は、基板の反りなどの影響を避けるため、凹部142となる微小部分のみ樹脂層を形成するほうが好ましい。その場合は、図19Cに示すように、感光性樹脂を塗布し、プリベーク、マスク露光、現像、ポストベークして、光導波路31上に形成した凹部142の上部に更に凹部を追加形成する。
【0119】
図20には、図16の複合光伝送基板に光半導体素子として半導体レーザアレイ51を実装した光モジュールを示す。なお、半導体レーザアレイ51は、前述した図7および図13のものと同様であるため、詳細な説明を省略する。
【0120】
図21および図22に示す複合光伝送基板は、半導体パッケージ10の第2の基板16と対向する主面とは反対の主面に、この主面に平行に延びて、第2の光伝送路14と光学的に接続する光導波路18が設けられた本発明の第4の実施態様にかかる複合光伝送基板を示す。なお、図21および図22における光導波路18は、図14および図15の場合と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【0121】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施態様はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
Claims (9)
- 第1の光伝送路を有する第1の光伝送基板と、
第2の光伝送路を有する第2の光伝送基板と、
前記第1の光伝送基板と前記第2の光伝送基板との間に配置される光結合構造体であって、前記第1の光伝送路と前記第2の光伝送路を光学的に結合する第3の光伝送路を有する光結合構造体と、
前記第1の光伝送基板と前記第2の光伝送基板との間に介在し、前記光結合構造体の外側で前記第1の光伝送基板と前記第2の光伝送基板とを電気的に固定接続する複数の実装部と、を備え、
前記第1の光伝送基板は、該第1の光伝送基板が前記光結合構造体と対向した領域に設けられる第1の係合部を更に有し、
前記光結合構造体は、前記第1の光伝送基板と対向した領域に設けられ、前記第1の係合部に係合される第2の係合部を更に有している複合光伝送基板。 - 前記第1の光伝送路が、光導波路と、前記光導波路の光軸方向に対して傾斜した光路変換面と、を含み、
前記第2の光伝送基板は、前記第2の光伝送路が厚み方向に貫通する第2の基板を更に有し、
前記第3の光伝送路が前記光結合構造体を厚み方向に貫通する請求項1記載の複合光伝送基板。 - 前記第3の光伝送路が、前記第2の光伝送路と連続的かつ一体的に形成されている請求項2記載の複合光伝送基板。
- 前記光結合構造体の第3の光伝送路以外の部分が、遮光性を有する材料で構成される請求項1記載の複合光伝送基板。
- 請求項1記載の複合光伝送基板と、
前記第1の光伝送路と光学的に結合し、前記第2の光伝送基板の主面のうち、前記第1の光伝送基板と対向する主面とは反対側の主面上に実装された光半導体素子と、を具備する光モジュール。 - 前記第2の光伝送基板は、前記光結合構造体と対向した領域に設けられる第3の係合部を更に備え、
前記光結合構造体は、前記第2の光伝送基板と対向した領域に設けられ、前記第3の係合部に係合される第4の係合部を更に有している請求項1に記載の複合光伝送基板。 - 前記第1の係合部および前記第3の係合部はともに突起であり、かつ互いに対向する位置に設けられ、
前記第2の係合部および前記第4の係合部は、それぞれが一体となって前記光結合構造体を貫通するように設けられた貫通孔である請求項6記載の複合光伝送基板。 - 前記第1の係合部および前記第3の係合部はともに凹部であり、かつ互いに対向する位置に設けられ、
前記第2の係合部および前記第4の係合部はともに突起である請求項6記載の複合光伝送基板。 - 請求項6に記載の複合光伝送基板と、
前記第2の光伝送路と光学的に結合し、前記第2の光伝送基板を介して前記光結合構造体と対向するように前記第2の光伝送基板に実装された光半導体素子と、を具備する光モジュール。
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