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JP5281075B2 - 複合光伝送基板および光モジュール - Google Patents

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Description

【技術分野】
【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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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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