JP5395734B2 - 光電気複合基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光を伝播する光導波路を備えた光電気複合基板の製造方法に関する。
近年、光ファイバ通信技術を中心に基幹系の通信回線の整備が着々と進行する中でボトルネックとなりつつあるのが情報端末内の電気的配線である。このような背景から、すべての信号伝達を電気信号によって行う従来の電気回路基板に代わって、電気信号の伝達速度の限界を補うために、高速部分を光信号で伝達するタイプの光電気複合基板が提案されている。
表面実装型の発光素子及び受光素子を光導波路に接続する場合は、光導波路の両端に光伝播方向に対して角度:45°で交差して傾斜する光路変換傾斜面を形成し、光路変換傾斜面に接するように光路変換ミラーを構成することにより、光路変換が行われる。
特許文献1には、光導波路本体が光信号を伝送する第1の領域と光信号の伝送に寄与しない両側の第2の領域を有し、光導波路本体の第2の領域に貫通ビアを設けると共に、第1の領域の光導波路本体を、第2の領域の光導波路本体よりも突出させることが記載されている。
特許文献2には、支持基板上に、プリント配線基板と、光導波路と、光路変換部と、光路変換部を覆う第二のクラッドを形成した後に、支持基板を剥離することにより、光回路基板を形成することが記載されている。
特開2008−281816号公報 特開2010−39082号公報
後述する関連技術で説明するように、配線基板の上に光導波路を形成する際に、コア層は感光性樹脂層をコンタクト露光方式に基づいてパターニングすることにより得られる。
しかしながら、コア層を得るための感光性樹脂層は配線基板の接続パッドの影響で段差が生じるため、フォトマスクの全体を感光性樹脂層に接触させることが困難になる。
従って、コンタクト露光の本来の性能を十分に引き出すことができなくなるため、コア層のパターン幅が設計スペック以上にばらついたり、ひいては解像不良が発生することがあり、歩留りよく光導波路を形成できない問題がある。
本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、接続パッドを備えた配線基板の上にコア層を十分なパターン精度で形成して光導波路を構成できる光電気複合基板の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は光電気複合基板の製造方法に係り、上面に、対向する接続パッドを備えた配線基板を用意し、前記配線基板上の接続パッドの間の領域に、前記接続パッドの厚みと同一の厚みの第1クラッド層を形成する工程と、前記第1クラッド層の上にコア層を形成すると共に、前記コア層の両端側に前記コア層と分離された状態でそれぞれ配置され、前記コア層側に傾斜面を備え、かつ前記接続パッドの上にホールが設けられた周辺樹脂部を前記コア層と同一層から形成する工程と、前記周辺樹脂部の傾斜面に光路変換ミラーを形成する工程と、前記コア層を被覆する第2クラッド層を形成して、前記コア層が前記第1クラッド層及び前記第2クラッド層で囲まれた構造の光導波路を得ると共に、前記周辺樹脂部のホールに連通する開口部を前記第2クラッド層に形成して前記接続パッドに到達するビアホールを形成する工程と、前記接続パッドに接続される接続電極を前記ビアホールに形成する工程とを有し、前記第1クラッド層、前記コア層及び第2クラッド層は、感光性樹脂層がフォトリソグラフィに基づいてパターン化されて形成されることを特徴とする。
本発明では、まず、上面側に接続パッドを備えた配線基板上の接続パッドPを除く領域にパターン化された第1クラッド層が形成される。第1クラッド層は接続パッドPの段差を解消する段差解消パターンとして機能する。
次いで、第1クラッド層の上に横方向に延在する帯状のコア層を形成する。好適には、コア層は感光性樹脂層がパターニングされて得られる。このとき、第1クラッド層によって接続パッドの段差が解消されるため、感光性樹脂層はその上面が平坦な状態で形成される。このため、コンタクト露光に基づいて感光性樹脂層を高精度でパターニングしてコア層を形成することができる。その後に、コア層を被覆する第2クラッド層を形成して光導波路が構成される。
このようにして、十分なパターン精度で形成されたコア層を含む所望の光導波路を歩留りよく形成することができる。
以上説明したように、本発明では、接続パッドを備えた配線基板の上にコア層を十分なパターン精度で形成して光導波路を構成することができる。
図1(a)〜(c)は関連技術の光電気複合基板の製造方法の問題点を説明する断面図である。 図2(a)及び(b)は本発明の実施形態の光電気複合基板の製造方法を示す断面図及び平面図(その1)である。 図3(a)〜(c)は本発明の実施形態の光電気複合基板の製造方法を示す断面図及び平面図(その2)である。 図4(a)〜(d)は本発明の実施形態の光電気複合基板の製造方法を示す断面図(その3)である。 図5は本発明の実施形態の光電気複合基板を示す断面図及び平面図である。 図6は図5の光電気複合基板に発光素子及び受光素子が実装された様子を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
(関連技術)
本発明の実施形態を説明する前に、本発明に関連する関連技術の問題点について説明する。図1は関連技術の光電気複合基板の製造方法の問題点を説明する断面図である。
関連技術の光電気複合基板の製造方法では、図1(a)に示すように、まず、上面に接続パッドPを備えた配線基板100を用意する。配線基板100には接続パッドPに接続される所要の多層配線(不図示)が内蔵されている。接続パッドPの厚みは10〜20μmであり、配線基板100の上面に10〜20μmの段差が生じている。
次いで、図1(b)に示すように、配線基板100の上面全体に第1クラッド層200を形成する。配線基板100の上面には接続パッドPの段差が生じているので、第1クラッド層200は接続パッドP上で盛り上がった状態となり、段差が生じた状態で形成される。
続いて、図1(c)に示すように、第1クラッド層200の上にコア層を得るための感光性樹脂層300aを形成する。感光性樹脂層300aにおいても、接続パッドP上に段差が生じた状態で形成される。
次いで、感光性樹脂層300aがフォトリソグラフィによってパターニングされる。このとき、図1(c)に示すように、フォトマスク120を感光性樹脂層300aに接触させて露光するコンタクト露光方式が採用される。コンタクト露光を使用することにより、十分なパターニング精度を得ることができる。
しかしながら、感光性樹脂層300aの上面は接続パッドP上で盛り上がって段差が生じているので、フォトマスク120と感光性樹脂層300aとの間に隙間dが発生し、フォトマスク120の全体を感光性樹脂層300aに接触(密着)させることは困難である。そのような状態では、コンタクト露光の本来の性能を十分に引き出すことができなくなる。
従って、感光性樹脂層300aに対して露光/現像を行ってコア層300(図1(c)の部分断面図)を形成すると、正常なコンタクト露光を遂行できる場合に比べてコア層300のパターン幅のばらつきがかなり大きくなり、設計スペックから外れてしまう。
しかも、フォトマスク120の一端側に接続パッドPが存在しない場合は、接続パッドPの段差分だけフォトマスク120が傾いて配置されるので、コア層300のパターン精度がさらに悪くなってしまう。ひいては、解像不良が発生してパターン同士が繋がって形成されることがある。
図1(c)の部分断面図に示すように、帯状にパターン化されたコア層300を形成した後に、コア層300の上に第2クラッド層400が形成されることによって光導波路が構成される。しかしながら、コア層300を形成する際に設計スペックから外れるため、所望の特性を有する光導波路を形成することは困難である。
以下に説明する本発明の実施形態では上記した不具合を解消することができる。
(実施の形態)
図2〜図4は本発明の実施形態の光電気複合基板の製造方法を示す断面図及び平面図、図5は同じく実施形態の光電気複合基板を示す断面図及び平面図である。
本発明の実施形態の光電気複合基板の製造方法では、まず、図2(a)に示すような配線基板10を用意する。配線基板10では、厚み方向の中央部にコア基板12が配置されている。コア基板12には貫通電極Tが設けられており、コア基板12の両面側には貫通電極Tを介して相互接続される配線層20がそれぞれ形成されている。
コア基板12の上面側には配線層20を被覆する層間絶縁層30が形成されている。また、コア基板12の下面側には配線層20を被覆するソルダレジスト32が形成されている。層間絶縁層30には配線層20に到達する深さのビアホールVHが形成されている。
層間絶縁層30の上にはビアホールVH(埋込ビア導体)を介して配線層20に接続される接続パッドPが形成されている。配線基板10の配線層20及びそれに接続された接続パッドPは電気配線として機能する。
次いで、図2(b)に示すように、配線基板10の上面側に感光性樹脂層を形成し、フォトリソグラフィに基づいて露光/現像を行った後に、感光性樹脂層を150℃程度の加熱処理によって硬化させる。これにより、パターン化された第1クラッド層40が形成される。本実施形態では、第1クラッド層40は、接続パッドP上で段差が生じないように接続パッドPを除く領域に形成される。
第1クラッド層40を得るための感光性樹脂層の形成方法としては、液状の感光性樹脂を塗布してもよいし、あるいは、半硬化状態の感光性樹脂シートを貼付してもよい。
図2(b)の部分平面図に示すように、縦方向に並んで配置された複数の接続パッドPの群が左右対称に対向して配置されており、第1クラッド層40は、対向する複数の接続パッドPの間の領域と、接続パッドPの外側の領域にそれぞれ配置される。
このようにして、接続パッドPを除く領域に第1クラッド層40をパターン化して配置することにより、第1クラッド層40を接続パッドPの段差を解消する段差解消パターンとして機能させることができる。
接続パッドPと第1クラッド層40の厚みは任意に設定できるが、接続パッドPの段差を十分に解消するためには、第1クラッド層40の厚みは接続パッドPの厚みと同一に設定することが好ましい。例えば、接続パッドPと第1クラッド層40の厚みは、10〜20μmに設定される。
なお、図2(b)の例では、接続パッドPの外側領域にも第1クラッド層40を配置しているが、接続パッドPの外側領域には第1クラッド層40を必ずしも配置しなくてもよい。
次いで、図3(a)に示すように、配線基板10の上面側の第1クラッド層40及び接続パッドPの上にコア層を得るための感光性樹脂層50aを形成する。このとき、第1クラッド層40が接続パッドPの段差解消パターンとして機能するので、感光性樹脂層50aは上面全体にわたって平坦な状態で形成される。
感光性樹脂層50aの形成方法としては、液状の感光性樹脂を塗布してもよいし、あるいは、半硬化状態の感光性樹脂シートを貼付してもよい。
さらに、図3(b)に示すように、感光性樹脂層50aの上にフォトマスク14を接触(密着)させて配置する。このとき、感光性樹脂層50aの上面に段差が生じていないので、フォトマスク14の全体を感光性樹脂層50aに接触(密着)させることができる。
続いて、この状態で、フォトマスク14を介して感光性樹脂層50aを露光する。さらに、図3(c)に示すように、フォトマスク14を取り外し、感光性樹脂層50aを現像した後に、150℃程度で加熱処理して硬化させることにより、パターン化されたコア層50を得る。
図3(c)の部分平面図に示すように、対向する各接続パッドPの間の第1クラッド層40上の領域に横方向に延在する帯状のコア層50がそれぞれ配置される。コア層50はその屈折率が第1クラッド層40及び後述する第2クラッド層の屈折率よりも高くなるように設定される。コア層50の厚みは40μm程度であり、コア層50のパターン幅は400μm程度である。
このとき同時に、コア層50の両端側に、所定間隔を開けてコア層50から分離された周辺樹脂部52がそれぞれ配置され、接続パッドP上の周辺樹脂部52の部分にホール52xが形成される。そして、コア層50の両端と周辺樹脂部52との間隔がそれぞれ光路変換領域50xとなる。
このように、感光性樹脂層50aはその上面全体が平坦な状態で形成されるため、フォトマスク14の全体を感光性樹脂層50aに接触(密着)させてコンタクト露光を行うことができる。
従って、コンタクト露光の本来の性能を十分に引き出せるため、感光性樹脂層50aがパターン化されて得られるコア層50のパターン幅のばらつきを抑えることができ、設計スペックに対応するコア層50を形成することができる。また、本来の解像性能が得られるので、コア層50同士が繋がって形成されたりする不具合が発生しなくなり、歩留りよくコア層50を形成することができる。
さらには、コア層50及び周辺樹脂部52を得るための感光性樹脂層50aとして解像度が比較的高いものを使用できるので、コア層50をパターン精度よく形成できるばかりではなく、光路変換ミラーが配置される光路変換領域50xと接続パッドPを露出させるホール52xをパターン精度よく配置することができる。
次いで、図4(a)に示すように、両側の周辺樹脂部52において、光路変換領域50xのコア層50側の側面を切削装置の回転ブレード(切削刃)で傾斜面になるようにそれぞれ切削する(べベルカット)。これにより、コア層50の両端側に、コア層50の延在方向(光伝播方向)と角度:45°で交差して傾斜する光路変換傾斜面Sがそれぞれ形成される。
なお、回転ブレードを使用する代わりに、周辺樹脂部52のコア層50側の側面をレーザで加工して光路変換傾斜面Sを形成してもよい。あるいは、感光性樹脂層50aをフォトリソグラフィでパターン化する際に光路変換領域50xを形成せずに、後の工程で回転ブレードやレーザによって光路変換傾斜面Sを備えた光路変換領域50xを形成してもよい。
このようにして、コア層50の両端側に、コア層50と同一層から形成されてコア層50側の側面に光路変換傾斜面Sを備えた周辺樹脂部52がそれぞれ形成される。
次いで、図4(b)に示すように、光路変換傾斜面Sに対応する部分に開口部が設けられたマスク(不図示)を配線基板10の上方に配置した状態で、蒸着法又はスパッタ法により光反射性の金属層を光路変換傾斜面Sに選択的に成膜することにより光路変換ミラーMを得る。光反射性の金属層としては、金(Au)又はアルミニウム(Al)などが好適に使用される。
次いで、図4(c)に示すように、コア層50及び周辺樹脂部52の上に、周辺樹脂部52のホール52x及び光路変換領域50xを埋め込むようにして感光性樹脂層60aを形成する。感光性樹脂層60aの形成方法としては、液状の感光性樹脂を塗布してもよいし、あるいは、半硬化状態の感光性樹脂シートを貼付してもよい。
さらに、図4(d)に示すように、感光性樹脂層60aをフォトリソグラフィに基づいて露光/現像した後に、150℃程度で加熱処理して硬化させる。これにより、コア層50を被覆する第2クラッド層60が形成される。
第2クラッド層60はコア層50の上から周辺樹脂部52の上に形成され、周辺樹脂部52のホール52xの上にそれに連通する開口部60xが設けられる。第2クラッド層60の厚みは10〜20μmである。
このようにして、第1、第2クラッド層40,60によってコア層50が取り囲まれた構造の光導波路Lが得られる。コア層50及び第1、第2クラッド層40,60を形成するための感光性樹脂としては、UV硬化型エポキシ樹脂などが好適に使用される。
そして、周辺樹脂部52のホール52xと第2クラッド層60の開口部60xとによって接続パッドPに到達するビアホールVHが構成される。
その後に、図5に示すように、接続パッドPに電気接続される接続電極70をビアホールVH内に埋め込んで形成する。例えば、ビアホールVHに搭載したはんだボールをリフロー加熱することにより接続電極70を形成することができる。
これにより、本実施形態の光電気複合基板1が得られる。
図5に示すように、本実施形態の光電気複合基板1では、前述した図2(a)で説明した配線基板10上の接続パッドPを除く領域にパターン化された第1クラッド層40が形成されている。対向する接続パッドPの間の領域及び接続パッドPの外側領域に第1クラッド層40が配置されている。
接続パッドPの間の領域に配置された第1クラッド層40の上に帯状にパターン化されたコア層50が形成されている。図5の部分平面図に示すように、横方向に延在する帯状のコア層50が縦方向に並んで配置されている。
コア層50の両端側にはコア層50と同一層から形成されてコア層50と分離された周辺樹脂部52がそれぞれ配置されている。そして、コア層50の両端と周辺樹脂部52との間隔が光路変換領域50xとなっている。両側の周辺樹脂部52において、コア層50側の側面がコア層50の延在方向(光伝播方向)に対して角度:45°で交差して傾斜する光路変換傾斜面Sとなっている。光路変換傾斜面Sには光反射性の金属層からなる光路変換ミラーMが形成されている。
さらに、周辺樹脂部52には、接続パッドPに到達するホール52xが設けられている。コア層50及び周辺樹脂部52の上には第2クラッド層60が形成されている。図5の部分平面図では、第2クラッド層60は透視的に描かれている。
第2クラッド層60には周辺樹脂部52のホール52xに連通する開口部60xが形成されている。周辺樹脂部52のホール52xと第2クラッド層60の開口部60xとによって接続パッドPに到達するビアホールVHが構成される。
そして、コア層50とそれを取り囲む第1、第2クラッド層40,60とにより光導波路Lが構成される。コア層50両端側に配置された光路変換ミラーMによって光路が90°変換される。
ビアホールVHには接続パッドPに電気接続されるはんだなどから形成された接続電極70が充填されている。接続電極70は第2クラッド層60から上側に突出するバンプ電極であってもよい。
前述したように、本実施形態の光電気複合基板の製造方法では、上面側に接続パッドPを備えた配線基板10上の接続パッドPを除く領域に第1クラッド層40が形成される。第1クラッド層40は接続パッドPの段差を解消する段差解消パターンとして機能する。
次いで、第1クラッド層40及び接続パッドPの上にコア層50を得るための感光性樹脂層50aを形成する。このとき、第1クラッド層40によって接続パッドPの段差が解消されるため、感光性樹脂層50aはその上面が平坦な状態で形成される。このため、正常なコンタクト露光に基づいて感光性樹脂層50aを高精度でパターン化してコア層50及び周辺樹脂部52を形成することができる。
これにより、コア層50のパターン幅のばらつきなどを抑制することができ、設計スペックに対応するコア層50を歩留りよく形成することができる。
また、コア層50を形成する工程で、コア層50と分離された周辺樹脂部52がコア層50の両側に同時に形成され、光路変換ミラーMを配置するための光路変換領域50xと接続パッドPを露出させるためのホール52xが位置精度よく配置される。
このように、本実施形態の光電気複合基板1では、配線基板10の接続パッドP上に第1クラッド層40を形成しない構造を採用している。これにより、平坦な感光性樹脂層50aをコンタクト露光に基づいて精度よくパターン化してコア層50及び周辺樹脂部52を形成できるので、光路変換ミラーMに精度よく光結合される所望の光導波路Lを歩留りよく構成することができる。
次に、図5の光電気複合基板1に発光素子及び受光素子を実装する方法について説明する、図6に示すように、発光素子80及び受光素子82を用意する。発光素子80としては、面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)が好適に使用される。また、受光素子82としては、フォトダイオードが好適に使用される。
発光素子80はその下面側に発光部80aと接続端子80bとを備えている。そして、発光素子80の発光部80aを下側に向けた状態で、発光素子80の接続端子80bを光電気複合基板1の一端側の接続電極70に接続して実装する。
このとき、発光素子80の発光部80aが光路変換ミラーMの真上に配置される。これにより、発光素子80が光路変換ミラーMによって光導波路L(コア層50)の一端側に光結合される。
また、受光素子82はその下面側に受光部82aと接続端子82bとを備えている。そして、受光素子82の受光部82aを下側に向けた状態で、受光素子82の接続端子82bを光電気複合基板1の他端側の接続電極70に接続して実装する。
このとき、受光素子82の受光部82aが光路変換ミラーMの真上に配置される。これにより、受光素子82が光路変換ミラーMによって光導波路L(コア層50)の他端側に光結合される。
続いて、発光素子80の下側の隙間にアンダーフィル樹脂84を充填する。さらに、受光素子82の下側の隙間にアンダーフィル樹脂84を充填する。アンダーフィル樹脂84としては、前述したコア層50又は第1、第2クラッド層40,60と同一樹脂が使用される。
本実施形態の光電気複合基板1では、光電気複合基板1に実装された不図示の第1LSIチップ(CPUなど)から出力される電気信号が発光素子80に供給され、発光素子80の発光部80aから下側に光が出射される。
発光素子80から出射された光は、発光素子80の下のアンダーフィル樹脂84を透過して光導波路Lの一端側の光路変換ミラーMに到達する。さらに、光路変換ミラーMで光が反射され、光路が90°変換されてコア層50に入射する。
次いで、コア層50に入射した光は、コア層50内で全反射を繰り返して伝播し、他端側の光路変換ミラーMに到達する。そして、他端側の光路変換ミラーMで光が反射されて光路が90°変換され、アンダーフィル樹脂84を透過して受光素子82の受光部82aに光が入射される。
受光素子82は光信号を電気信号に変換し、光電気複合基板1に実装された不図示の第2LSIチップ(メモリなど)に電気信号が供給される。
このように、本実施形態の光電気複合基板1では、所望の特性の光導波路Lを備えているので、高性能な発光素子80及び受光素子82の実装基板として使用することができる。
1…光電気複合基板、10…配線基板、12…コア基板、14…フォトマスク、20…配線層、30…層間絶縁層、32…ソルダレジスト、40…第1クラッド層、50…コア層、50a,60a…感光性樹脂層、50x…光路変換領域、52…周辺樹脂部、52x…ホール、60…第2クラッド層、60x…開口部、70…接続電極、80…発光素子、80a…発光部、80b,82b…接続端子、82…受光素子、82a…受光部、84…アンダーフィル樹脂、L…光導波路、M…光路変換ミラー、S…光路変換傾斜面、T…貫通電極、P…接続パッド、VH…ビアホール。

Claims (2)

  1. 上面に、対向する接続パッドを備えた配線基板を用意し、前記配線基板上の接続パッドの間の領域に、前記接続パッドの厚みと同一の厚みの第1クラッド層を形成する工程と、
    前記第1クラッド層の上にコア層を形成すると共に、前記コア層の両端側に前記コア層と分離された状態でそれぞれ配置され、前記コア層側に傾斜面を備え、かつ前記接続パッドの上にホールが設けられた周辺樹脂部を前記コア層と同一層から形成する工程と、
    前記周辺樹脂部の傾斜面に光路変換ミラーを形成する工程と、
    前記コア層を被覆する第2クラッド層を形成して、前記コア層が前記第1クラッド層及び前記第2クラッド層で囲まれた構造の光導波路を得ると共に、前記周辺樹脂部のホールに連通する開口部を前記第2クラッド層に形成して前記接続パッドに到達するビアホールを形成する工程と、
    前記接続パッドに接続される接続電極を前記ビアホールに形成する工程とを有し、
    前記第1クラッド層、前記コア層及び第2クラッド層は、感光性樹脂層がフォトリソグラフィに基づいてパターン化されて形成されることを特徴とする光電気複合基板の製造方法。
  2. 前記光導波路の一端側に前記光路変換ミラーによって光結合され、前記一端側の前記接続電極に接続される発光素子と、前記光導波路の他端側に前記光路変換ミラーによって光結合され、前記他端側の前記接続電極に接続される受光素子とを実装する工程をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の光電気複合基板の製造方法。
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