JP6602687B2 - 光電気混載デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光電気混載デバイスに関する。

従来、基板上に光回路と電子部品を混載した光電気混載デバイスが知られている。例えば特許文献１（図２８）に開示された光電気混載デバイスでは、基板と基板上の薄板ガラスとの間に基板に対して立設した縦型光導波路が形成され、縦型光導波路の上端は薄板ガラスに接している。

国際公開第２０１４／１５６９６２号明細書

しかしながら、上記のように構成された光電気混載デバイスでは、縦型光導波路の上端と薄板ガラスとの接合面において剥離が生じるおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、縦型光導波路の上端と薄板ガラスとの接合面において剥離を生じにくくさせることにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、光信号の送信部と受信部の少なくとも何れか一方が設けられた基板と、前記基板上に搭載され、前記送信部と受信部の少なくとも何れか一方と電気信号を送受信する電子部品と、前記基板上に設置されたスペーサと、前記スペーサ上に前記スペーサから張り出す形で設置された透明な板材と、前記基板と前記板材の張り出した部分との間に形成された縦型光導波路と、前記電子部品上に開口を有して前記基板上の少なくとも一部分を覆うと共に、前記縦型光導波路のクラッドを構成する樹脂層と、を備え、前記スペーサと前記クラッドとの間に空隙が設けられていることを特徴とする光電気混載デバイスである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記スペーサと前記板材が接着剤によって接着され、前記接着剤は、前記板材が温度変化による前記クラッドの収縮に応じて傾斜可能であるような柔軟性を有することを特徴とする光電気混載デバイスである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記スペーサと前記板材が接着剤によって接着され、前記接着剤は、紫外光照射によって接着力が低下することを特徴とする光電気混載デバイスである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記板材は、前記空隙の上部箇所で切断されていることを特徴とする光電気混載デバイスである。

本発明によれば、縦型光導波路の上端と薄板ガラスとの接合面において剥離を生じにくくさせることができる。

光電気混載デバイスの製造方法を示すフローチャートである。 光電気混載デバイスの製造方法の第１工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第２工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第３工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第４工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第５工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第６工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第７工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第８工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第９工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第１０工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第１１工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第１２工程を示す図である。 光電気混載デバイスの製造方法の第１３工程を示す図である。 完成した光電気混載デバイスの縦型光導波路近傍の拡大図を示す。 シリコーン系接着剤２７を用いて薄板ガラス２８をガラス基板２０に接着することによって構成された光電気混載デバイスの、低温時における縦型光導波路近傍の拡大図を示す。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光電気混載デバイスの製造方法を示すフローチャートである。この製造方法は、第１〜１３工程からなる。図２〜１４は、各工程におけるデバイスの状態をそれぞれ示す図である。

まず、第１工程において、基板１０上にＩＣ（電子部品）１２を実装する（図２）。基板１０は、例えばＳＯＩ基板であり、その表面には予め光回路１４が形成されている。光回路１４の一例は、フォトダイオードやグレーティングカプラである。光回路１４がフォトダイオードである場合、フォトダイオードはその受光面が上方を向くように配置され、基板１０上には受光信号をＩＣ１２へ伝送するための電気配線（不図示）が更に設けられる。光回路１４がグレーティングカプラである場合、基板１０上には、光源と、光源からの光を変調する光変調器と、光変調器によって変調された光信号（送信光）をグレーティングカプラまで導く平面光導波路が更に設けられる（何れも不図示）。そして、グレーティングカプラは、平面光導波路を伝搬してきた光信号を上方へ跳ね上げる機能を有するように構成される。光回路１４の上面には、更に、後述する露光工程の際に露光光の基板１０からの反射を防止するための反射防止膜１６が、予め形成されている。

ＩＣ１２は、上述の光変調器を電気的に駆動するためのドライバＩＣ、又は上述のフォトダイオードからの受光信号（電流）をＩＶ変換するためのトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）である。ＩＣ１２は、例えばボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等の接続電極１８を介してＩＣ１２側の各端子が基板１０側の電気配線（光変調器又はフォトダイオードと電気接続する配線）と接続されるように、基板１０上に実装される。

次に、第２工程において、基板１０上にガラス基板（スペーサ）２０を搭載する（図３）。ガラス基板２０には一続きの大きな開口２２が設けられており、この開口２２の中にＩＣ１２と後述する縦型光導波路の形成領域（反射防止膜１６の部分）とが収容されるようにして、ガラス基板２０が搭載される。ガラス基板２０はＩＣ１２の搭載高さ（基板１０の表面からＩＣ１２の上面までの高さ）よりも大きい厚さを持ち、ＩＣ１２の上面は開口２２の上端よりも凹んだ位置にある。ガラス基板２０は、更に貫通配線（ＴＧＶ）２４を有し、この貫通配線２４は、基板１０上に設けられた電気配線（不図示）と上述の接続電極１８を介してＩＣ１２と接続される。

次に、第３工程において、搭載されたガラス基板２０の開口２２内の縦型光導波路形成領域上に、光導波路コア形成用の光硬化性樹脂２６を供給する（図４）。縦型光導波路形成領域は、ＩＣ１２と開口２２の壁面との間の反射防止膜１６部分である。コア用樹脂２６は、ＩＣ１２の側面と開口２２の壁面との間の空間に、その液面が開口２２の上端よりも少し飛び出た状態となるような高さまで充填される。

次に、第４工程において、ガラス基板２０上に薄板ガラス（透明板材）２８をその一部分が縦型光導波路形成領域上に張り出す形で搭載する（図５）。この時、薄板ガラス２８のガラス基板２０から張り出した部分が、上から見て縦型光導波路形成領域の全体を覆う（重なる）形となるようにする。これにより、搭載された薄板ガラス２８の当該張り出した部分と縦型光導波路形成領域との間の空間全体が、コア用樹脂２６によって満たされた状態となる。なお、薄板ガラス２８をガラス基板２０上に搭載する際に、余剰のコア用樹脂２６はＩＣ１２の上面へと拡がり、また、薄板ガラス２８とガラス基板２０との接触面の間隙にも、コア用樹脂２６の一部が入り込んでいく。この間隙に入り込んだコア用樹脂２６によって、薄板ガラス２８はガラス基板２０と仮固定された状態となっている。

次に、第５工程において、コア形成用マスク３０を配置する（図６）。コア形成用マスク３０は、ガラス板の一方の面に、縦型光導波路コア形成用透光部３２、薄板ガラス接着部用透光部３６、及び位置合わせ穴形成用透光部３８を除いて、露光時の遮光用の金属膜が形成されて構成されている。縦型光導波路コア形成用透光部３２は、基板１０上の光回路１４の位置及び数に対応して設けられている。薄板ガラス接着部用透光部３６は、薄板ガラス２８とガラス基板２０との接触面に対応した位置に設けられている。位置合わせ穴形成用透光部３８は、光電気混載デバイスが完成した後に光ファイバコネクタを接続する際の位置合わせ用の穴を形成するためのものである。

次に、第６工程において、コア形成用マスク３０を介して露光を行う（図７）。露光光は、コア用樹脂２６が感光して硬化する波長の光（例えばＵＶ光）である。露光により、各透光部３２、３６、及び３８の下部に存在するコア用樹脂２６が硬化する。その結果、縦型光導波路コア形成用透光部３２の下部には、薄板ガラス２８と基板１０上の光回路１４との間に基板１０に対して垂直に立設した、柱状の（縦型の）光導波路コア４０が形成される。また、薄板ガラス接着部用透光部３６の下部において、前述したように薄板ガラス２８とガラス基板２０との接触面の間隙にコア用樹脂２６が入り込んでいるが、この部分のコア用樹脂２６が露光されて硬化することによって、薄板ガラス２８がガラス基板２０に対して固着（本固定）される。
次に、第７工程において、コア形成用マスク３０を取り外す（図８）。

このように、縦型光導波路コア４０の形成と薄板ガラス２８のガラス基板２０への固着を、同じ露光工程により一括して行うことができる。

次に、第８工程において、露光後に未硬化のまま残ったコア用樹脂２６を溶剤で洗い流して除去する（図９）。

次に、第９工程において、ガラス基板２０の開口２２内全体を満たすように、光導波路クラッド形成用の光硬化性樹脂４４を供給する（図１０）。この時、クラッド用樹脂４４は、その液面が開口２２の上端よりも少し飛び出た状態となるような高さまで充填されて、ＩＣ１２の上面全体が、クラッド用樹脂４４で完全に覆われた形となっている。

次に、第１０工程において、クラッド形成用マスク４６を配置する（図１１）。クラッド形成用マスク４６は、ガラス板の一方の面においてＩＣ開口形成用遮光部４８と、空隙形成用遮光部４９と、ガラス基板２０の開口２２より外周側の部分に、露光時の遮光用の金属膜が形成されて構成されている。このＩＣ開口形成用遮光部４８は、後述するＩＣ１２上面の開口を形成するためのものであり、ＩＣ１２の上面に対応した位置に、ＩＣ１２の上面の略全面（ＩＣ１２の上面全体よりも若干小さい広さ）を覆うような形状と大きさで設けられている。空隙形成用遮光部４９は、薄板ガラス２８の下部においてガラス基板２０の開口２２の壁面近傍部分を遮光するように設けられている。

次に、第１１工程において、クラッド形成用マスク４６を介して露光を行う（図１２）。露光光は、コア用樹脂２６の露光時と同様、クラッド用樹脂４４が感光して硬化する波長の光（例えばＵＶ光）である。露光により、ガラス基板２０の開口２２内に充填されているクラッド用樹脂４４が、ＩＣ開口形成用遮光部４８の下部と空隙形成用遮光部４９の下部を除いて硬化する。その結果、縦型光導波路コア４０の周囲にクラッド５０が形成される。空隙形成用遮光部４９の下部では露光光が遮蔽されてクラッド用樹脂４４が硬化しないため、クラッド５０は、ガラス基板２０の開口２２の壁面から離れて形成される。即ち、露光によって形成されたクラッド５０とガラス基板２０の開口２２の壁面との間には未硬化のクラッド用樹脂が残っており、以下の第１３工程においてこの未硬化樹脂が除去されると、樹脂で占められていない空隙５１が出現する。一方、ＩＣ１２の底部近傍では、ＩＣ１２の底面と基板１０との間の間隙（接続電極１８が設置されている間隙）の周囲において硬化したクラッド用樹脂４４ａによって、ＩＣ１２と基板１０を電気接続している接続電極１８が封止される。更に、ＩＣ１２の上面部分では、クラッド形成用マスク４６のＩＣ開口形成用遮光部４８の存在によって、ＩＣ１２の周縁部分においてのみクラッド用樹脂４４ｂが硬化することで当該周縁を取り囲むように壁面が形成され、この壁面の内側にはクラッド用樹脂４４が未硬化のまま残っている。即ち、ＩＣ１２の周縁を取り囲んだ硬化したクラッド用樹脂４４ｂからなる壁面によって、ＩＣ１２の上面には開口５２が形成される。
次に、第１２工程において、クラッド形成用マスク４６を取り外す（図１３）。

このように、縦型光導波路クラッド５０の形成と、ＩＣ１２上面の開口５２の形成と、接続電極１８の封止を、同じ露光工程により一括して行うことができる。

次に、第１３工程において、露光後に未硬化のまま残っている開口５２内のクラッド用樹脂を溶剤で洗い流して除去する（図１４）。なお、ＩＣ１２下部の接続電極部分に存在するクラッド用樹脂も、露光時にＩＣ１２で遮光されるため未硬化のままである。しかしながら、上述したようにＩＣ１２は周囲が既に硬化したクラッド用樹脂４４ａで囲まれているため、接続電極周囲の未硬化のクラッド用樹脂は、洗浄工程によって除去することができない。そこで、この部分の未硬化のクラッド用樹脂は、別途、加熱工程により硬化させる。なお、予めＩＣ１２の底面周囲にアンダーフィリングを施しておき、クラッド用樹脂がＩＣ１２の底面の間隙に入り込まないようにしてもよい。

以上の工程により、本発明の一実施形態に係る光電気混載デバイスが完成する。図１４は光電気混載デバイスの完成形態を示している。本実施形態による光電気混載デバイスを使用する際には、開口５２を通して、ＩＣ１２上面に熱伝導性の良い樹脂を介してヒートシンクを接続することにより、ＩＣ１２から効果的に放熱を行うことが可能である。

図１５は、完成した光電気混載デバイスの縦型光導波路近傍の拡大図を示す。図示されるように、薄板ガラス２８の下部において、縦型光導波路クラッド５０はガラス基板２０の開口２２の壁面２２ａから離間して形成され、したがって縦型光導波路クラッド５０と壁面２２ａとの間には空隙５１が存在する。ここで、樹脂から成る縦型光導波路クラッド５０（及び縦型光導波路コア４０）の線膨張係数は、一般にガラス基板２０の線膨張係数と比べて大きいので、光電気混載デバイスに温度変化が加えられた際には、縦型光導波路クラッド５０とガラス基板２０は異なる伸縮を示す。例えば、光電気混載デバイスが低温に曝されると、縦型光導波路クラッド５０はガラス基板２０よりも顕著に収縮し、縦型光導波路クラッド５０の高さ方向の寸法は、ガラス基板２０の高さ方向の寸法（即ち厚さ）より小さくなる。そのため、縦型光導波路クラッド５０と薄板ガラス２８との接合面には、縦型光導波路クラッド５０を薄板ガラス２８から剥離させようとする力が発生する。しかしながら、縦型光導波路クラッド５０とガラス基板２０の壁面２２ａとの間には空隙５１が存在しているため、薄板ガラス２８は、ガラス基板２０の壁面２２ａが薄板ガラス２８と接する箇所２８ａを支点として、収縮する縦型光導波路クラッド５０によって下方向へ引っ張られる形で弾性的に変形する（撓む）ことが可能である。したがって、薄板ガラス２８のこのような弾性変形によって、縦型光導波路クラッド５０と薄板ガラス２８との接合面にかかる応力（縦型光導波路クラッド５０を剥離させようとする力）が緩和され、その結果、縦型光導波路クラッド５０の薄板ガラス２８からの剥離が生じにくくすることができる。

なお、図１２乃至１４において縦型光導波路クラッド５０はＩＣ１２と接して形成されているが、縦型光導波路クラッド５０は、ＩＣ１２から離間して（即ち縦型光導波路クラッド５０とＩＣ１２との間にも空隙が介在するように）形成されてもよい。同様に、縦型光導波路クラッド５０は、コア用樹脂で構成された位置合わせ穴（又は位置合わせ穴の側におけるガラス基板２０の壁面）から離間して形成されてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。変形例のいくつかを以下に述べる。

上述した実施形態では、薄板ガラス２８のガラス基板２０への固定は、薄板ガラス２８とガラス基板２０との接触面の間隙にコア用樹脂２６が入り込んで硬化することによってなされているが、コア用樹脂２６ではなく、別途の接着剤を用いて薄板ガラス２８をガラス基板２０に対して接着することとしてもよい。このような接着剤として、例えばシリコーン系接着剤などの、柔軟性の高い接着剤を適用することが好適である。図１６は、シリコーン系接着剤２７を用いて薄板ガラス２８をガラス基板２０に接着することによって構成された光電気混載デバイスの、低温時における縦型光導波路近傍の拡大図を示す。図示されるように、縦型光導波路クラッド５０は、収縮によって高さ方向の寸法がガラス基板２０の厚さよりも小さくなっているが、薄板ガラス２８とガラス基板２０との間に介在するシリコーン系接着剤２７が比較的高い柔軟性を持つため、薄板ガラス２８のガラス基板２０との接合部位は、シリコーン系接着剤２７によってガラス基板２０との接合を保持したまま、ガラス基板２０の表面からわずかに浮くような形で可動する。これにより、薄板ガラス２８は、コア用樹脂によってガラス基板２０に接着される場合と比べて、撓みの少ない状態で縦型光導波路クラッド５０の側が下がった姿勢に落ち着く。したがって、このようにシリコーン系接着剤２７の柔軟性によって薄板ガラス２８のガラス基板２０との接合部位がわずかに変位可能とされることで、縦型光導波路クラッド５０と薄板ガラス２８との接合面にかかる応力が緩和され、その結果、縦型光導波路クラッド５０の薄板ガラス２８からの剥離を生じにくくさせることができる。

薄板ガラス２８とガラス基板２０を接着する接着剤の別の例として、例えばＵＶ光の照射によって接着力が低下又は消失する接着剤を適用してもよい。このような接着剤を用いて、上述した第４工程において、一旦薄板ガラス２８はガラス基板２０に対して接着（固定）される。その後更に、上述した第１１工程（又は第１３工程後の別工程）において、薄板ガラス２８とガラス基板２０で挟まれた部位の当該接着剤にも露光光を照射することで、薄板ガラス２８はガラス基板２０から剥離される（なお、接着剤は洗浄して除去することが好ましい）。この場合、低温時には、薄板ガラス２８は、ガラス基板２０に対して固定されていないことによって、元の平板形状を保ったまま縦型光導波路クラッド５０の側が下がった状態に傾斜する。したがって、シリコーン系接着剤２７を用いた場合と同じように、縦型光導波路クラッド５０と薄板ガラス２８との接合面にかかる応力が緩和され、その結果、縦型光導波路クラッド５０の薄板ガラス２８からの剥離を生じにくくさせることができる。

更に別の変形例として、薄板ガラス２８を、空隙５１の上部の箇所で切断することとしてもよい。即ち、薄板ガラス２８は、ガラス基板２０側の部分と縦型光導波路クラッド５０側の部分に分離されてもよい。このような光電気混載デバイスに温度変化が加えられた際には、ガラス基板２０と縦型光導波路クラッド５０のそれぞれの伸縮に応じて、薄板ガラス２８のガラス基板２０側の部分と縦型光導波路クラッド５０側の部分は、互いに独立して可動する。したがって、縦型光導波路クラッド５０と薄板ガラス２８との接合面には応力がかからず、縦型光導波路クラッド５０の薄板ガラス２８からの剥離を完全に回避することができる。

１０ 基板
１２ ＩＣ（電子部品）
１４ 光回路
１６ 反射防止膜
１８ 接続電極
２０ ガラス基板（スペーサ）
２２ ガラス基板の開口
２４ 貫通配線
２６ コア用樹脂
２８ 薄板ガラス（透明板材）
３０ コア形成用マスク
３２ 縦型光導波路コア形成用透光部
３６ 薄板ガラス接着部用透光部
３８ 位置合わせ穴形成用透光部
４０ 縦型光導波路コア
４４ クラッド用樹脂
４６ クラッド形成用マスク
４８ ＩＣ開口形成用遮光部
４９ 空隙形成用遮光部
５０ 縦型光導波路クラッド
５１ 空隙
５２ ＩＣ上面の開口

Claims (3)

1. 光信号の送信部と受信部の少なくとも何れか一方が設けられた基板と、
   前記基板上に搭載され、前記送信部と受信部の少なくとも何れか一方と電気信号を送受信する電子部品と、
   前記基板上に設置されたスペーサと、
   前記スペーサ上に前記スペーサから張り出す形で設置された透明な板材と、
   前記基板と前記板材の張り出した部分との間に形成された縦型光導波路と、
   前記電子部品上に開口を有して前記基板上の少なくとも一部分を覆うと共に、前記縦型光導波路のクラッドを構成する樹脂層と、
   を備え、前記スペーサと前記クラッドとの間に空隙が設けられており、
   前記スペーサと前記板材が接着剤によって接着され、前記接着剤は、前記板材が温度変化による前記クラッドの収縮に応じて傾斜可能であるような柔軟性を有することを特徴とする、光電気混載デバイス。
2. 光信号の送信部と受信部の少なくとも何れか一方が設けられた基板と、
   前記基板上に搭載され、前記送信部と受信部の少なくとも何れか一方と電気信号を送受信する電子部品と、
   前記基板上に設置されたスペーサと、
   前記スペーサ上に前記スペーサから張り出す形で設置された透明な板材と、
   前記基板と前記板材の張り出した部分との間に形成された縦型光導波路と、
   前記電子部品上に開口を有して前記基板上の少なくとも一部分を覆うと共に、前記縦型光導波路のクラッドを構成する樹脂層と、
   を備え、前記スペーサと前記クラッドとの間に空隙が設けられており、
   前記スペーサと前記板材が接着剤によって接着され、前記接着剤は、紫外光照射によって接着力が低下することを特徴とする、光電気混載デバイス。
3. 光信号の送信部と受信部の少なくとも何れか一方が設けられた基板と、
   前記基板上に搭載され、前記送信部と受信部の少なくとも何れか一方と電気信号を送受信する電子部品と、
   前記基板上に設置されたスペーサと、
   前記スペーサ上に前記スペーサから張り出す形で設置された透明な板材と、
   前記基板と前記板材の張り出した部分との間に形成された縦型光導波路と、
   前記電子部品上に開口を有して前記基板上の少なくとも一部分を覆うと共に、前記縦型光導波路のクラッドを構成する樹脂層と、
   を備え、前記スペーサと前記クラッドとの間に空隙が設けられており、
   前記板材は、前記空隙の上部箇所で切断されていることを特徴とする、光電気混載デバイス。

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