JP5225490B2 - 光伝送基板とその製造方法、複合光伝送基板ならびに光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光を反射させる光路変換面を有する光伝送基板とその製造方法、ならびに複合光伝送基板に関する。

近年、コンピュータの情報処理能力の向上化にともなって、マイクロプロセッサとして使用される半導体大規模集積回路素子（ＬＳＩ，ＶＬＳＩ）等の集積回路（ＩＣ）では、トランジスタの集積度が高められており、ＩＣの動作速度は、クロック周波数でＧＨｚのレベルまで達している。それに伴い、電気素子間を電気的に接続する電気配線についても高密度化および微細化されたものが要求されていた。

しかしながら、電気配線の高密度化および微細化は、電気信号のクロストークや伝搬損失が生じやすいことから、半導体素子に入出力される電気信号を光信号に変換し、さらに、その光信号を実装基板に形成した光導波路などの光配線によって伝送される光伝送技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、光路変換面を含む光導波路を具備する光伝送基板が開示されている。詳細には、先端が平坦なダイシングブレードにより光導波路を削って溝を設けたうえで、その溝の内面を金属材料等によって偏向ミラー（光反射膜）を形成して得られた光路変換面を有する光伝送基板が開示されている。

特開２００６−２３５１２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光伝送基板は、特許文献１の図１に示すように、水平方向と偏向ミラー上方との光路変換を行なう場合、光路変換面の下端周辺において迷光となる光が多く発生するため、余分な信号成分が伝達されることになり、高い純度を有する光信号の伝達をすることが困難であった。

よって、本発明の目的は、より簡便な方法で作製でき、さらに、迷光の発生を抑制する光伝送基板とその製造方法、ならびに複合光伝送基板を提供することである。

本発明の一実施形態の光伝送基板は、基板と、該基板上に設けられた、コア部および該コア部を光軸方向の途中で分断する溝部を有する、樹脂材料からなる光導波路とを備えた光伝送基板であって、前記光導波路の前記溝部内に、前記コア部が露出した端面と、該端面から離れた位置にあって前記光導波路の光軸方向に対して傾斜している光路変換面と、該光路変換面の下端に繋がっているとともに前記基板に対して前記光路変換面よりも大きく傾斜した傾斜面を持つ、下方向に凹んだ凹部とを有する。

また、本発明の実施形態に係る複合光伝送基板は、上記光伝送基板と、前記光路変換面を介して前記コア部と光学的に結合し、主面間を光が伝送する第２の光伝送基板と、前記光伝送基板に第２の光伝送基板を実装させる実装手段と、を具備する。

また、本発明の実施形態に係る光モジュールは、上記複合光伝送基板と、前記光路変換面および前記第２の光伝送基板を介して前記コア部と光学的に結合し、前記第２の光伝送基板の主面のうち、前記実装手段が設けられた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。

さらに、本発明の光伝送基板の製造方法は、基板上に、コア部およびクラッド部を有する、樹脂材料からなる光導波路を形成する工程（１）と、前記基板に対して傾斜した第１の内面と、該第１の内面と対向する第２の内面と、を有する溝を、前記光導波路の前記コア部を分断するように形成する工程（２）と、前記溝内部に光反射膜を設ける工程（３）と、前記工程（３）において形成された、前記第１の内面上の光反射膜の一部、前記第２の内面上の光反射膜および前記光導波路の一部をダイシングブレードで除去して、前記第１の内面よりも前記基板に対して傾斜した傾斜面を持つ、下方向に凹んだ凹部、および前記コア部が露出した端面を有する溝部を前記光導波路に形成する工程（４）とを含む。

本発明の一実施態様の光伝送基板は、前記端面と前記光路変換面と間に凹部が介在していることにより、迷光を生じさせやすい光路変換面の下端部周辺を含まない構成であるため、迷光を最小限に抑えることができる。

また、前記端面と前記光路変換面との間に凹部が介在している場合、前記光路変換面上の屑が傾斜した前記光路変換面から前記凹部に滑り落ち、前記凹部内に溜まる。そして、前記凹部内に溜まった屑は洗浄で除去されなかったとしても光路変換に対する影響が小さいため、屑による散乱などの悪影響を受けずに前記光伝送基板は高効率な光結合が得られる。

前記凹部は、前記光路変換面の下端と連続して繋がっており、前記基板に対して、前記光路変換面よりも大きく傾斜した傾斜面を含むことが好ましい。前記凹部が前記傾斜面を含むことにより、前記凹部の容量が大きくなることから、前記屑を前記凹部内により多く溜め込むことが可能となる。

また、前記凹部は、前記傾斜面と前記端面との間に設けられ、前記傾斜面と連続して繋がる底面を有しているため、光伝送基板の上から光路変換面付近を見て、他の部材と位置合わせする場合、前記底面が目印を形成するため、容易に位置合わせをおこなうことができる。

本発明の一実施態様の複合光伝送基板は、前記光伝送基板と、第２の光伝送基板と、実装手段とを具備する。第２の光伝送基板は、前記光路変換面を介して前記コア部と光学的に結合し、主面間を光が伝送する。また、前記実装手段は、前記光伝送基板に第２の光伝送基板を実装させる。このような構成を有する複合光伝送基板には、実装時に、前記実装手段から流出したフラックスにより汚染されやすいが、前記凹部の側縁が前記光路変換面と連続して繋がっていることにより、前記光路変換面上のフラックスが前記光路変換面の傾斜面から前記凹部に滑り落ち、前記凹部内に溜まる。そして、前記凹部内に溜まったフラックスは光路変換への影響が小さいため、前記光伝送基板は高効率な光結合が得られる。

本発明の一実施態様の光伝送基板の製造方法は、前記光導波路の前記コア部を分断するように形成された溝内部に光反射膜を設け、前記第２の内面上の光反射膜を除去することにより、リフトオフ、エッチングなどの煩雑な工程を経ることなく、光導波路端面を露出できる。さらに前記製造方法は、光導波路の透明性および密着性に影響が小さい。前記製造方法により、第２の内面を除去した箇所には、コア部が露出されるため、前記光伝送基
板は高効率な光結合が得られる。

さらに、前記製造方法は、光導波路に、前記光導波路のコア部を分断するように溝を形成したことにより、溝内面に露出したコア部を直接確認しながら光反射膜を設けることができる。そのため、光導波路や光路変換面を別途形成する場合と比較して、位置ずれを抑制でき、得られた光伝送基板は高効率な光結合が得られる。

前記製造方法は、前記第２の内面の光反射膜の除去工程において、前記第１の内面の下端以下の領域と前記第２の内面を含む領域とを除去することにより、前記凹部を形成することができる。

光伝送基板の実施の形態の一例を模式的に示す断面図である。 複合光伝送基板の実施の形態の一例を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、光伝送基板（図１）の製造方法の実施態様の一例を模式的に示す工程ごとの要部断面図である。

図面にもとづいて、本発明の実施態様の光伝送基板について説明するが、これらの図面は本発明の実施態様の一例に過ぎず、本発明はそれらに限定されない。

図１は、光伝送基板の実施の形態の一例を模式的に示す断面図である。図１において、１は基板、２は光導波路、３は光路変換面、４は凹部、Ａは光導波路２の光軸、およびＢは光路変換面３に入出力する光の光軸を示す。

なお、図１において光導波路２は、上部クラッド部２ａとコア部２ｂと下部クラッド部２ｃとから構成され、コア部２ｂが露出した光導波路２の端面２ｄを有する。

図１の光伝送基板は、外部からの光Ｂを光路変換面３にて反射させて光導波路２のコア部２ｂに導入する、あるいは光導波路２のコア部２ｂから伝搬してきた光Ａを光路変換面３にて反射させて外部へ射出する。つまり、光路変換面３は、それ自体を介して外部と前記光導波路との間で光を授受する。

図１の光伝送基板は、基板１と光導波路２と光路変換面３とを具備し、さらに凹部４を具備する。

凹部４は、基板１上に設けられ、光導波路２の端面２ｄと光路変換面３との間に介在し、基板１の方向に凹む構造を有する。たとえば、図１において凹部４は、底面４ｂ、傾斜面４ｃおよび端面２ｄに囲まれた領域をいう。

凹部４が端面２ｄと光路変換面３との間に介在することで、通常、端面２ｄの下端まで設けられる光路変換面３の面積を縮小することができる。そのため、光路変換時において生じる迷光を最小限に抑えることができる。

凹部４は、その側縁４ａが光路変換面３の下端と連続して繋がっている。このように凹部４と傾斜面４ｃとが連続して繋がっているため、例えば、その製造上において、屑（例えば、ダイシングソーによる光導波路の切削屑など）が光路変換面３上に存在する場合、または、別の基板との実装工程において、半田などの実装手段から発生したフラックスが光路変換面３上に存在する場合、傾斜した光路変換面３上の屑またはフラックスを凹部４まで落とし、凹部３内に屑またはフラックスを溜めることができる。そして、凹部３内の
屑またはフラックスは光路変換への影響が小さいため、光伝送基板は高効率な光結合が得られる。

光路変換面３は、光導波路２の光軸方向Ａに対して傾斜している。この傾斜角は、光路変換させたい角度によってそれぞれ異なり、例えば、光路を９０度変換させたい場合、光導波路２の光軸方向Ａに対して光路変換面３の傾斜角を４５度に設定することが好ましい。

凹部４は、基板１に対して光路変換面３よりも大きく傾斜した傾斜面４ｃを有することが好ましい。傾斜面４ｃは、光路変換面３の下端と連続して繋がっている。凹部４が傾斜面４ｃを有することにより、傾斜面４の傾斜角が光路変換面３の傾斜角よりも大きく、凹部４の容量が大きくなることから、屑またはフラックスを凹部４内により多く溜め込むことが可能となる。なお、図１において、基板１に対する傾斜面４ｃが傾斜角は略直角である。

光路変換面３と傾斜面４ｃとの面が形成する角度が１８０度未満であることが好ましい。なお、図１における１３５度であることが最も好ましい。１８０度未満であることにより、屑等を光路変換面３から凹部４内へ落ちやすくなる。

また、凹部４は、さらに底面４ｂを有することが好ましい。ここで、底面４ｂとは、傾斜面４ｃと端面２ｄとの間に設けられ、傾斜面４ｃと連続して繋がる部位をいう。底面４ｂを有しているため、光伝送基板の上から光路変換面付近を見て、位置合わせする場合、底面が光路変換面よりも小さな目印となるため、厳密な位置合わせをおこなうことができる。前述のように底面は光伝送基板の上から見て目印として確認できればよく、平面でも曲面でもかまわない。

以下に、基板１、光導波路２、光路変換面３の材料等について具体的に示す。

（基板１）
基板１としては、例えば、一般的に使用されているエポキシ樹脂やセラミックなどからなるプリント配線基板が用いられる。なかでも、機械的強度が大きく、熱による基板の反りに対して効果的な防止が可能となるため、両面に同じ厚さの樹脂絶縁層を形成した対称層構造を有するプリント配線基板が好ましく、両面の樹脂絶縁層の厚さが同じであることがより好ましい。基板１の厚みとしては、０．５〜１．６ｍｍとすることができる。

また、基板１として、多層配線基板を用いても良い。ここで、多層配線基板とは、電気配線層と絶縁層とが交互に複数積層されたものであればよく、例えば、コア基板と、配線基板表面側に形成されたビルドアップ層とからなる基板も含まれる。

（光導波路２）
光導波路２は、基板１のソルダーレジストや電気配線層を除去した基板１表面に形成される。基板１の表面に直接形成する方法は、フォトリソグラフィによりソルダーレジスト開口部から確認できる電気配線層のマーカの位置を確認しながらコア２ｂの位置を決定することができる。

光導波路２の作製法としては、一般的に使用されている方法でよく、直接露光法、屈折率変化法（フォトブリーチング法）、反応性イオンエッチング法等がある。光導波路２の材料としては、感光性を有するエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。

（光路変換面３）
光路変換面３の形成方法としては、一般的には先端が４５度又は９０度に加工されたダイヤモンドブレードを用いてダイシングソーで溝入れ加工することにより、光導波路２の一部を斜めに切り取って形成される。それ以外にも、光導波路２のパターニング時にグレイマスクや斜め露光等により斜面を形成する方法や、プリント基板切り分け時に使用するケガキ機などを用いる方法もある。

光路変換面３の表面は、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ）等のように光導波路２を伝送する光に対して反射率の高い膜を反射膜としてその表面に形成されている。光の波長が６００から１５００ｎｍの場合、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属膜が好ましい。

光路変換面３の形成方法としては、一般的に使用されている方法（蒸着法、スパッタリング法、めっき法など）が挙げられる。

光路変換面３としては反射率を高めるために平坦で空隙の少ない膜が求められることから、蒸着による成膜が最も好適である。基板１上には光路変換面３をつけられない素子や基板実装部分（不図示）があることから、成膜時には不要部分を隠して必要な箇所のみを開けるマスクが必要となる。大きさや位置の精度からもメタルマスクを用いた蒸着が作製上最も簡便な方法である。

＜複合光伝送基板＞
本発明の一実施態様の複合光伝送基板は、前記光伝送基板と、第２の光伝送基板５と、光伝送基板に第２の光伝送基板５を実装させる実装手段６と、を具備する。

（第２の光伝送基板）
図２は複合光伝送基板の実施の形態の一例を模式的に示す断面図である。

図２において第２の光伝送基板内には、主面間を光が伝送する光伝送部７が設けられている。また、光伝送部７は、光路変換面３を介してコア部２ｂと光学的に結合している。なお、図２において光伝送部７は、第２の光伝送基板５の両主面間の貫通孔中に充填された透明樹脂を示している。

光伝送部７は、中心部に屈折率の高いコア部７ａと、コア部７ａの周囲に設けられ、コア部７ａよりも屈折率の低いクラッド部７ｂと、を有する。なお、コア７ａは、透明樹脂のうち、貫通孔の中心軸に沿って設けられ、径方向における屈折率が周囲よりも高い領域をいう。また、クラッド部７ｂは、コア部７ａの周囲に位置し、コア部７ａの屈折率よりも高い屈折率を有する領域をいう。このような構造をとることにより、第２の光伝送基板５において基板間の光信号の伝送を高効率に行なうことが可能となる。

光伝送部７としては、光を照射すると屈折率が低下するフォトブリーチング現象を生じるポリシラン、あるいは光を照射した部分が現像により除去できる感光性のアクリル系樹脂やエポキシ樹脂等を用いて形成することができる。例えば、フォトブリーチング現象を利用する場合は、第２の光伝送基板５に設けられた貫通孔にポリシランを充填し、加熱硬化させた後、フォトマスク（貫通孔より小さい径の円形パターンの遮光部を具備する）を介して紫外光を照射して紫外光照射部の屈折率を低下させ、最後にポストベークを行うことにより貫通孔内の透明樹脂に屈折率の分布を形成する。

また、紫外線硬化型のアクリル系樹脂やエポキシ系樹脂を用いる場合は、第２の光伝送基板５の貫通孔にこれらの感光性ポリマー材料を充填し、加熱硬化させた後、ドリルなど
により穿孔した部分（光伝送孔中心部）に、最初に充填した材料より屈折率の高い材料を充填し、フォトマスクを使用しないで紫外光を照射して硬化後、最後にポストベークを行うことにより、貫通孔内の光伝送部７に屈折率分布を形成する。

なお、前述の貫通孔の形成には、通常のプリント基板の穿孔工程に使用されるドリルやレーザーが好適に使用される。そして、一方の主面から他方の主面まで第２の光伝送基板５を貫通させることにより貫通孔は形成される。貫通孔は断面を円形とすることが望ましく、直径は３５〜２００μｍとすることが望ましい。

第２の光伝送基板５は、一方の主面から他方の主面まで電気的に接続させる電気配線層１１を有する。例えば、図２では、第２の光伝送基板５は、実装手段６を介して前記光伝送基板と電気的に接続している。

（実装手段）
実装手段６として、光伝送基板に対して格子状に配置した球状の導電性部材（例えば、ボールグリッドアレイ（登録商標）、以下ＢＧＡとする）を用いることにより、リフロー時のセルフアライメントによって、光伝送基板と第２の光伝送基板５との位置合わせが行なわれる。

実装手段６としては、他にピングリッドアレイ（登録商標）などがあげられるが、とくに、機械的に位置合わせをおこなう必要がないことから、ＢＧＡが好ましい。

（光半導体素子）
図２の複合光伝送基板は、第２の光伝送基板５に対して、光半導体素子８を実装して用いられる。具体的には、第２の光伝送基板５の主面のうち、実装手段６が設けられた主面とは反対側の主面上の電気配線層１１上に光半導体素子８は実装される。光半導体素子８は、光路変換面３および第２の光伝送基板５の光伝送部７を介してコア部２と光学的に結合する。

光半導体素子８としては、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの発光素子や、面受光型の半導体受光素子（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）等が挙げられる。

なお、本発明の一実施態様の光伝送基板は、光半導体素子８が直接実装されてもよいが、光導波路２に貫通電極、または光導波路２上に電気配線を設ける必要がなく、光導波路へのクラックや形状不良などの悪影響および段差を有する電気配線の断線の可能性が低いことから、図２のように、本発明の一実施態様の光伝送基板と光半導体素子８との間に第２の光伝送基板５を介在させて使用されることが好ましい。

光半導体素子８は、第２の光伝送基板５の主面のうち、実装手段が設けられた主面とは反対側の主面上に実装される。

図２において、複合光伝送基板における光の伝送は、以下のようにおこなわれる。

光半導体素子８が面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの発光素子の場合、その発光点から出射した光信号は光伝送部７のコア部７ａ中に伝搬する。そして、光路変換面３にて略直角に光路変換して、光導波路２のコア部２ｂに到達する。

図３（ａ）〜（ｄ）は、光伝送基板（図１）の製造方法の実施態様の一例を模式的に示す工程ごとの要部断面図である。図３をもとにして実施例にて、本発明の実施態様である
光伝送基板の具体的な作製プロセスを説明する。なお、本実施態様である光伝送基板の製造方法は以下の態様に限定されない。

（ａ）光導波路２の形成
基板１として、０．８ｍｍの厚みを有する多層プリント配線板を用いた。なお、基板１の最表面には、ソルダーレジスト層、および光導波路２を形成するためにソルダーレジスト層と電気配線層とが除去された部位が設けられている（不図示）。

基板１の最表面に対して、感光性エポキシ樹脂を塗布、露光および現像をおこなうことにより、下部クラッド部２ｃ、コア部２ｂ、上部クラッド２ａの順に積層した光導波路２を作製した。なお、下部クラッド部２ｃ、コア部２ｂ、上部クラッド部２ａの厚みは、それぞれ２５μｍ、５０μｍ、２５μｍであった。また、基板１の電気配線層１１の厚み約１５μｍであった。

（ｂ）溝９の形成
光導波路２に、先端角が４５度のダイシングブレードを有するダイシングソーを用いて、上部クラッド２ａから、基板の電気配線層を削らないように下部クラッド２ｃの一部まで溝入れを行い、深さが８５μｍ、基板１に対して垂直な面（第２の内面９ｂ）と４５度傾斜した面（第１の内面９ａ）とを有する溝９を形成した。その際、ソルダーレジスト開口のアライメントマーカと光導波路２のコア部２ｂとを観察してダイシングソーの位置合わせを行なった。

作製された溝９によりコア部２ｂは分断されていた。また、溝９はコア部２ｂの光軸方向とは略垂直に設けられていた。

（ｃ）光反射膜１０の形成
溝９上から金（Ａｕ）を蒸着することにより溝９の内部に光反射膜１０（厚さ約１０００Å）を形成した。なお、蒸着は、開口をもつメタルマスクを基板１と位置合わせして固定し、溝９のみが露出した状態で行った。

（ｄ）第２の内面９ｂ上の光反射膜１０の除去工程
厚み２０μｍのダイシングブレードを有するダイシングソーを用いて、溝９の第２の内面９ｂ上に蒸着した金を除去するように、第２の内面９ｂと、下部クラッド部２ｃは、コア部２ｂと基板１との間に介在する光導波路２の領域と、に溝入れを行い、コア部２ｂが露出した光導波路２の端面２ｄを露出させた（幅２０μｍ）。

具体的には、前記ダイシングソーを用いることにより、第２の内面９ｂおよび下部クラッド部２ｃを含む光導波路２の領域を除去して第２の内面９ｂ上の光反射膜を除去し、さらに第１の内面９ａの下端を含む領域を除去して、図１に示す凹部４を形成した。

なお、工程（ｄ）において、下部クラッド部２ｃおよび第２の内面９ｂにそれぞれ１０μｍ切り込みを入れるよう位置合わせすることで、最終的に光導波路２の端面２ｄから光路変換面３までの最短距離が２０μｍとなるよう設定した。これにより光導波路２の端面２ｄから光路変換面３の間隔が広がることを極力抑えることができた。また、溝入れ深さは８５μｍとすることで電気配線への影響も避けることができた。

以上により、本発明の一実施態様の光伝送基板が得られた。

１ 基板
２ 光導波路
２ａ 上部クラッド部
２ｂ コア部
２ｃ 下部クラッド部
２ｄ 端面
３ 光路変換面
４ 凹部
４ａ 凹部の側縁
４ｂ 底面
４ｃ 傾斜面
５ 第２の光伝送基板
６ 実装手段
７ 光伝送部
７ａ コア部
７ｂ クラッド部
９ 溝
９ａ 第１の内面
９ｂ 第２の内面
１０ 光反射膜
１１ 電気配線層
Ａ 光導波路２の光軸
Ｂ 光路変換面に入出力する光の光軸

Claims (6)

1. 基板と、
   該基板上に設けられた、コア部および該コア部を光軸方向の途中で分断する溝部を有する、樹脂材料からなる光導波路とを備えた光伝送基板であって、
   前記光導波路の前記溝部内に、前記コア部が露出した端面と、該端面から離れた位置にあって前記光導波路の光軸方向に対して傾斜している光路変換面と、該光路変換面の下端に繋がっているとともに前記基板に対して前記光路変換面よりも大きく傾斜した傾斜面を持つ、下方向に凹んだ凹部とを有する光伝送基板。
2. 前記光路変換面の表面には、金属材料からなる金属膜が形成されているとともに、前記傾斜面は樹脂材料が露出している請求項１に記載の光伝送基板。
3. 前記傾斜面は、前記光路変換面となす角度が１８０度未満である請求項１または２に記載の光伝送基板。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光伝送基板と、
   前記光路変換面を介して前記コア部と光学的に結合し、主面間を光が伝送する第２の光伝送基板と、
   前記光伝送基板に第２の光伝送基板を実装させる実装手段と、
   を具備する複合光伝送基板。
5. 請求項４に記載の複合光伝送基板と、
   前記光路変換面および前記第２の光伝送基板を介して前記コア部と光学的に結合し、前記第２の光伝送基板の主面のうち、前記実装手段が設けられた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. 基板上に、コア部およびクラッド部を有する、樹脂材料からなる光導波路を形成する工程（１）と、
   前記基板に対して傾斜した第１の内面と、該第１の内面と対向する第２の内面と、を有する溝を、前記光導波路の前記コア部を分断するように形成する工程（２）と、
   前記溝内部に光反射膜を設ける工程（３）と、
   前記工程（３）において形成された、前記第１の内面上の光反射膜の一部、前記第２の内面上の光反射膜および前記光導波路の一部をダイシングブレードで除去して、前記第１の内面よりも前記基板に対して傾斜した傾斜面を持つ、下方向に凹んだ凹部、および前記コア部が露出した端面を有する溝部を前記光導波路に形成する工程（４）と
   を含む光伝送基板の製造方法。
   

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