JP2007108228A - 光電気混載基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路のコア層と金属製配線パターン表面との間の距離を充分に短縮し、光信号の伝搬効率を充分に向上させることができる光電気混載基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】剥離基材の表面に金属薄膜が形成された金属薄膜転写シートの金属薄膜の表面に第１クラッド層２ａを形成する工程と、剥離基材を剥離する工程と、金属薄膜をエッチングにより所定の配線パターン１１に形成する工程と、第１クラッド層２ａの表面にコア層２ｂを形成する工程と、このコア層２ｂの表面を覆うように第２クラッド層２ｃを形成する工程と、コア層２ｂの所定位置を光路変換ミラー２１に形成する工程とにより、光電気混載基板を製造する。
【選択図】図６

Description

本発明は、一つの基板に光導波路（光配線）と金属製配線パターン（電気配線）とが形成されている光電気混載基板およびその製造方法に関するものである。

最近、光を媒体とした情報通信が普及している。そこで、情報通信用電子機器等に用いる基板として、光導波路（光配線）と金属製配線パターン（電気配線）とが形成されている光電気混載基板（例えば、特許文献１参照）が採用されている。

この光電気混載基板は、図９に示すように、金属製配線パターン１１が形成された基板５０と、光導波路２とが、接着剤層６０を介して接着されて形成されている。この光電気混載基板には、通常、上記金属製配線パターン１１上に、電気信号を光信号Ｌに変換する発光素子Ａと、光信号Ｌを電気信号に変換する受光素子Ｂとが接続されている。そして、発光素子Ａからの光信号Ｌを、光導波路を介して受光素子Ｂに伝達できるよう、発光素子Ａの下方および受光素子Ｂの下方では、上記基板５０に貫通孔５１が形成され、かつ、コア層２ｂに光路変換ミラー２１が形成されている。この光路変換ミラー２１は、コア層２ｂに形成された、光軸に対して４５°傾斜した傾斜面である。

そして、光信号Ｌの伝達は、発光素子Ａから下方に発せられた光信号Ｌを、一方（図９では左側）の光路変換ミラー（傾斜面）２１で反射させて（光路を９０°変換させて）、光導波路２のコア層２ｂ内に導き、再度、他方（図９では右側）の光路変換ミラー（傾斜面）２１で反射させて（光路を９０°変換させて）、上方の受光素子Ｂに伝達させることにより行われる。なお、図９において、２ａは第１クラッド層、２ｃは第２クラッド層である。
特開２００４−２０７６７号公報

しかしながら、信号の高密度化および高速化に伴って、従来の光電気混載基板では、光信号Ｌの伝搬効率が不充分になってきている。

そこで、本発明者は、この原因について研究を重ねた結果、その原因は、特に、光導波路２のコア層２ｂと受光素子Ｂとの間で光信号Ｌが減衰することにあることを突き止めた。そして、その減衰する原因は、光導波路２のコア層２ｂと受光素子Ｂとの間の距離が長いことにあることも突き止めた。

この原因究明結果に基づいて、本発明者は、光導波路２のコア層２ｂと受光素子Ｂとの間の距離（コア層２ｂと金属製配線パターン１１の表面との間の距離）を短縮すべく、金属製配線パターン１１が形成された基板５０を用いない光電気混載基板の製造方法を考えた。この製造方法は、金属箔等の金属シートの片面に光導波路２を形成した後、上記金属シートをエッチングすることにより、所定の金属製配線パターン１１に形成する方法である。

しかしながら、この製造方法では、金属シートの厚みをある程度厚くしなければ、製造過程における金属シートの取り扱い性が悪く、光導波路２および金属製配線パターン１１を形成する際の作業性が悪かった。そこで、金属シートの取り扱い性をよくするために金属シートを厚くすると、金属製配線パターン１１も厚くなるため、今度は光導波路２のコア層２ｂと受光素子Ｂとの間の距離が充分に短縮されず、光信号Ｌの伝搬効率を充分に向上させることができないという問題が生じた。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、光導波路のコア層と金属製配線パターン表面との間の距離を充分に短縮し、光信号の伝搬効率を充分に向上させることができる光電気混載基板およびその製造方法の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、光信号伝達手段と、電気信号伝達手段とを有した光電気混載基板であって、上記光信号伝達手段が、第１クラッド層と第２クラッド層とでコア層を挟持するとともに被包し、そのコア層の所定位置を光路変換ミラーに形成してなる光導波路からなり、上記電気信号伝達手段が、上記第１クラッド層の表面に絶縁層を介さず直接形成した金属製配線パターンからなる光電気混載基板を第１の要旨とする。

また、本発明は、上記光電気混載基板を製造する方法であって、剥離基材の表面に金属薄膜が形成された金属薄膜転写シートを準備し、その金属薄膜の表面に第１クラッド層を形成する工程と、上記剥離基材を金属薄膜から剥離する工程と、上記金属薄膜をエッチングにより所定の配線パターンに形成する工程と、上記第１クラッド層の表面にコア層を形成する工程と、このコア層の表面を覆うように第２クラッド層を形成する工程と、上記コア層の所定位置を光路変換ミラーに形成する工程とを備えている光電気混載基板の製造方法を第２の要旨とする。

本発明者は、先の考えた光電気混載基板の製造方法での結果に基づき、さらに研究を重ねた。その結果、光電気混載基板の製造方法において、剥離基材の表面に金属薄膜が形成された金属薄膜転写シートを用い、その金属薄膜の表面に第１クラッド層を形成した後に、上記剥離基材を金属薄膜から剥離し、上記金属薄膜をエッチングにより所定の配線パターンに形成すると、作業性がよく、品質の安定した光電気混載基板を製造することができ、しかも、コア層と配線パターン表面との間の距離を充分に短縮できることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、剥離基材の表面に金属薄膜が形成された上記金属薄膜転写シートを用いると、その金属薄膜を厚くしなくても、剥離基材により、ある程度の剛性を有しているため、金属薄膜転写シートの取り扱い性がよくなっている。これにより、その金属薄膜転写シートの金属薄膜の表面に第１クラッド層を形成する際の作業性がよくなっている。そして、剥離基材を剥離しても、上記金属薄膜と第１クラッド層との積層体は、第１クラッド層の形成により、ある程度の剛性を得ることができ、取り扱い性がよくなっている。このため、その後の工程（金属薄膜をエッチングにより所定の配線パターンに形成する工程，第１クラッド層表面にコア層を形成する工程等）でも、作業性がよく、その結果、品質の安定した光電気混載基板を得ることができる。そして、その得られた光電気混載基板は、従来の光電気混載基板を構成する、コア層上方の基板（金属製配線パターンが形成された基板）がなく、しかも、配線パターン（金属薄膜）の厚みも薄くできるため、その配線パターン上に接続される受光素子と光導波路のコア層との間の距離を充分に短縮することができ、光信号の伝搬効率を充分に向上させることができる。

本発明の光電気混載基板は、金属製配線パターンが、光導波路の第１クラッド層の表面に絶縁層を介さず直接形成されているため、光導波路のコア層と金属製配線パターン表面との間の距離が充分に短縮されている。その結果、上記配線パターン上に接続される受光素子と光導波路のコア層との間の距離を充分に短縮することができ、光信号の伝搬効率を充分に向上させることができる。

特に、上記金属製配線パターンの厚みが、１．０〜５．０μｍの範囲内である場合には、その金属製配線パターンの厚みが充分に薄いため、光信号の伝搬効率をより一層向上させることができる。

また、本発明の光電気混載基板の製造方法は、後に所定の配線パターンに形成される金属薄膜が剥離基材の表面に形成されている金属薄膜転写シートを用いるため、その金属薄膜転写シートを、ある程度の剛性を有した状態で取り扱うことができる。このため、その金属薄膜転写シートの金属薄膜（配線パターン）を薄くすることができる。また、その金属薄膜の表面に第１クラッド層を形成するため、金属薄膜転写シートの剥離基材を剥離しても、金属薄膜と第１クラッド層との積層体は、その第１クラッド層により、ある程度の剛性を得ることができ、取り扱い性がよくなっている。このため、その後の工程では、作業性がよく、その結果、品質の安定した光電気混載基板を得ることができる。そして、その得られた光電気混載基板では、配線パターンが、光導波路の第１クラッド層の表面に絶縁層を介さず直接形成されているため、光導波路のコア層と配線パターン表面との間の距離を充分に短縮することができる。その結果、上記配線パターン上に接続される受光素子と光導波路のコア層との間の距離を充分に短縮することができ、光信号の伝搬効率を充分に向上させることができる。

特に、上記金属薄膜の厚みが、１．０〜５．０μｍの範囲内である場合には、後に形成される配線パターンの厚みを充分に薄くすることができ、しかも、剥離基材を剥離した後の、金属薄膜と第１クラッド層との積層体を、ある程度の剛性を得た状態で取り扱うことができる。このため、光信号の伝搬効率をより一層向上させた光電気混載基板を、安定した品質で製造することができる。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。但し、本発明は、これに限定されるわけではない。

図１〜図６は、本発明の光電気混載基板の製造方法の一実施の形態を示している。この光電気混載基板の製造方法は、図６に示す光電気混載基板を製造する方法である。この光電気混載基板は、図６に示すように、光導波路２の表面に、絶縁層を介さず直接、金属製配線パターン１１を形成したものである。

より詳しく説明すると、上記光導波路２は、第１クラッド層２ａと第２クラッド層２ｃとでコア層２ｂを挟持するとともに被包し、そのコア層２ｂの所定位置（図６では、左右両側部分）を光路変換ミラー２１に形成してなるものとなっている。この光路変換ミラー２１は、コア層２ｂを光軸に対して傾斜した傾斜面に形成した部分であり、その傾斜角度は、光路を変換させる角度によって決まり、通常、光軸に対して４５°に設定され、光路を９０°変換するように形成される。そして、金属製配線パターン１１は、光導波路２の第１クラッド層２ａの表面に形成されている。

このような光電気混載基板は、つぎのようにして製造することができる。

まず、図１に示す、金属薄膜１ａが剥離基材１ｂの表面（図１では下面）に形成された金属薄膜転写シート１を準備し、さらに、下記に説明する、上記第１クラッド層２ａおよび第２クラッド層２ｃの形成材料、ならびにコア層２ｂの形成材料を準備する。

すなわち、上記金属薄膜転写シート１は、通常、市販品を用いるが、作製（例えば、剥離基材１ｂの表面に、スパッタリング法により金属薄膜１ａを形成する等）してもよい。そして、上記金属薄膜１ａは、後に配線パターン１１（図４参照）に形成されるものであり、その材料は、特に限定されないが、通常、銅が用いられる。金属薄膜１ａの厚みも、特に限定されないが、後に形成されるコア層２ｂと金属薄膜１ａの表面（上面）と間の距離を短くする観点から、１．０〜５．０μｍの範囲内にすることが好ましい。この距離が１．０μｍを下回ると、後に形成される配線パターン１１（図４参照）が断線し易くなり、上記距離が５．０μｍを上回ると、光信号Ｌの伝搬効率が不充分になるからである。また、上記剥離基材１ｂは、上記金属薄膜１ａとの接触面に剥離処理が施されており、金属薄膜１ａとの剥離が容易になっている。剥離基材１ｂとしては、特に限定されないが、通常、樹脂シートまたは金属シート等が用いられる。剥離基材１ｂの厚みも、特に限定されないが、できる限り薄い範囲で、金属薄膜転写シート１の取り扱い性がよくなる程度に剛性が得られる観点から、１０〜５０μｍの範囲内にすることが好ましい。

上記第１クラッド層２ａおよび第２クラッド層２ｃの形成材料としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。また、それ以外の形成材料としては、ポリイミド樹脂前駆体等があげられる。なお、第１クラッド層２ａの形成材料と第２クラッド層２ｃの形成材料とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

上記コア層２ｂの形成材料としては、例えば、感光性エポキシ樹脂があげられる。また、それ以外の形成材料としては、感光性ポリイミド前駆体等があげられる。

なお、光導波路２を構成する関係から、コア層２ｂは第１クラッド層２ａおよび第２クラッド層２ｃよりも屈折率が高い必要があるが、この屈折率の調整は、例えば、エポキシ樹脂の種類の選択や組成比率を調整して行うことができる。具体的には、コア層２ｂの屈折率と第１クラッド層２ａおよび第２クラッド層２ｃの屈折率との関係、すなわち、両者の比屈折率差Δ〔比屈折率差Δ＝（ｎコア−ｎクラッド）／ｎコア：ｎ＝屈折率〕は、通常、０．１〜５．０％の範囲であればよい。

そして、このようにして準備された上記金属薄膜転写シート１および各種形成材料を用いて、つぎのようにして、光電気混載基板を製造する。

すなわち、図２に示すように、上記金属薄膜転写シート１の金属薄膜１ａの表面（図２では下面）に、第１クラッド層２ａの形成材料であるエポキシ樹脂ワニス等を、乾燥後の膜厚が好ましくは１〜３０μｍ、特に好ましくは５〜２０μｍとなるよう塗布し、乾燥させることにより、エポキシ樹脂からなる樹脂層を形成する。上記塗布方法としては、スピンコート法やキャスティング法等の一般的な成膜方法を用いることができる。ついで、ＵＶ硬化、加熱することにより上記樹脂層中の残存溶媒の除去および硬化反応を完結させることにより、上記金属薄膜転写シート１の金属薄膜１ａの表面にエポキシ樹脂製の第１クラッド層２ａを形成する。なお、通常は、図２に図示したものを上下逆さまにした状態で、第１クラッド層２ａが形成される。

つぎに、図３に示すように、上記金属薄膜転写シート１の剥離基材１ｂを金属薄膜１ａから剥離し、その剥離により露呈した金属薄膜１ａの表面（第１クラッド層２ａとは反対側の表面）に、フォトレジストを用いて、金属製配線パターンと同じパターンのエッチング用レジスト３を形成する。

ついで、図４に示すように、エッチング液を用いて、エッチング用レジスト３以外の部分の（エッチング用レジスト３から露出している）金属薄膜１ａを溶解し除去する。その後、エッチング用レジスト３を除去する。これにより、所定パターンの金属製配線パターン１１を形成する。

つぎに、図５に示すように、上記第１クラッド層２ａの表面（図５では下面）に、コア層２ｂの形成材料である感光性エポキシ樹脂ワニス等を、乾燥後の膜厚が好ましくは２〜６０μｍ、特に好ましくは６〜５０μｍとなるよう塗布し、初期乾燥によりコア層２ｂとなる感光性エポキシ樹脂層を形成する。ついで、所望のパターンが得られるよう、感光性ポリイミド樹脂前駆体層上にフォトマスクを載置してその上方から紫外線を照射する。この紫外線の照射における露光量は１０００〜１００００ｍＪ／ｃｍ² である。その後、光反応を完結させるために、Post Exposure Bake（ＰＥＢ）と呼ばれる露光後の熱処理を行い、現像液を用いて現像を行う（ウェットプロセス法）。そして、現像によって得られた所望のパターンをイミド化するために、通常熱処理を行う。この際の加熱温度は、一般的に１００〜１５０℃である。このようにして硬化することにより、ポリイミド樹脂製のパターンとなるコア層２ｂを形成する。

その後、コア層２ｂの表面（下面および側面）を覆うように、第２クラッド層２ｃを、上記第１クラッド層２ａの形成と同様にして形成する。なお、通常は、図５に図示したものを上下逆さまにした状態で、コア層２ｂおよび第２クラッド層２ｃが形成される。

そして、図６に示すように、レーザ加工，ダイヤモンドブレードを用いたダイシング等により、コア層２ｂの所定位置（図６では、左右両側部分）を、上記第２クラッド層２ｃの側から、光軸に対して傾斜した光路変換ミラー（傾斜面）２１に形成する。この実施の形態では、コア層２ｂと第２クラッド層２ｃとからなる積層部分を断面三角形に切削し、その断面三角形の斜面の一部を上記光路変換ミラー２１としている。また、左右の上記光路変換ミラー２１の形成位置は、後で説明する発光素子Ａおよび受光素子Ｂ（図７参照）の下方位置である。このようにして、上記光電気混載基板が製造される。なお、通常は、図６に図示したものを上下逆さまにした状態で、光路変換ミラー２１が形成される。

このようにして製造された上記光電気混載基板には、図７に示すように、光路変換ミラー２１の上方位置に形成されている金属製配線パターン１１に、発光素子Ａおよび受光素子Ｂが接続される。

そして、上記光電気混載基板による光路変換は、つぎのようにして行われる。すなわち、発光素子Ａから下方に発せられた光信号Ｌは、上記光電気混載基板の第１クラッド層２ａの表面から入射し、第１クラッド層２ａ内を透過した後、コア層２ｂの一方（図７では左側）の光路変換ミラー２１で反射し（光路を９０°変換し）、コア層２ｂ内に導かれ、再度、他方（図７では右側）の光路変換ミラー２１で反射し（光路を９０°変換し）、上方の受光素子Ｂに伝達される。

この光路変換では、図９に示す従来の光電気混載基板による光路変換と比較すると、金属製配線パターン１１形成用の基板５０がないため、コア層２ｂと受光素子Ｂとの間の距離が短く、光信号Ｌの伝搬効率が向上している。さらに、この実施の形態では、発光素子Ａとコア層２ｂとの間の距離も短くなっており、光信号Ｌの伝搬効率がより向上している。

なお、上記実施の形態では、発光素子Ａも、光導波路２の表面に形成した金属製配線パターン１１に接続させたが、図８に示すように、発光素子Ａを、コア層２ｂの光軸上でその一端面（図８では左端面）の外側近傍に配置し、コア層２ｂの一方（図７では左側）の光路変換ミラー２１を形成しないようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、金属薄膜転写シート１の金属薄膜１ａの表面に第１クラッド層２ａを形成した後に、金属薄膜転写シート１の剥離基材１ｂを金属薄膜１ａから剥離し、エッチング用レジスト３の形成を経て金属製配線パターン１１を形成したが、上記剥離基材１ｂを剥離する順序は、これに限定されるものではなく、コア層２ｂを形成した後でもよいし、第２クラッド層２ｃを形成した後でもよいし、光路変換ミラー２１を形成した後でもよい。そして、いずれの場合でも、上記剥離基材１ｂを剥離した後は、上記実施の形態と同様に、エッチング用レジスト３の形成を経て金属製配線パターン１１を形成する。

つぎに、実施例について比較例および従来例と併せて説明する。

〔金属薄膜転写シート〕
市販の金属薄膜転写シート〔三井金属社製、ＭｉｃｏＴｈｉｎ ＭＴＳＤ−Ｈ（３μｍ）〕を準備した。この金属薄膜転写シートは、厚み３μｍの銅薄膜が、厚み２５μｍの剥離基材（銅箔）の表面に形成されているものである。

〔第１クラッド層および第２クラッド層の形成材料〕
ＢＰＥＦＧ（長瀬産業社販売、オンコートＥＸ−１０２０）２０ｇ、セロキサイド２０２１Ｐ（ダイセル化学社製）４．１ｇ、ＳＰ−１７０（旭電化社製）０．２４ｇを、シクロへキサン８．４７ｇに溶解することにより、第１クラッド層および第２クラッド層の形成材料である樹脂溶液を得た。

〔コア層の形成材料〕
ＢＰＥＦＧ（長瀬産業社販売、オンコートＥＸ−１０２０）２０ｇ、ＢＰＦＧ（長瀬産業社販売、オンコートＥＸ−１０１０）１０ｇ、ＳＰ−１７０（旭電化社製）０．３ｇを、シクロへキサン２０ｇに溶解することにより、コア層の形成材料である樹脂溶液を得た。

〔光電気混載基板の製造〕
上記実施の形態（図１〜図６参照）と同様にして、光電気混載基板を製造した。このとき、第１クラッド層および第２クラッド層の厚みをそれぞれ２０μｍとし、コア層を直線状のパターンに形成し、その寸法を、厚み５０μｍ，幅５０μｍ，長さ５ｃｍとした。また、光路変換ミラーは、レーザ加工により、光軸に対して４５°傾斜した傾斜面に形成した。なお、金属製配線パターンを形成する際に用いるエッチング液として、５％ＮａＨＣＯ₃ 水溶液を用いた。

上記実施例１において、金属薄膜転写シートとして、銅薄膜の厚みが５μｍのもの〔三井金属社製、ＭｉｃｏＴｈｉｎ ＭＴＳＤ−Ｈ（３μｍ）〕を用いた。それ以外は、実施例１と同様にした。

〔製造方法の比較例１〕
上記実施例１において、金属薄膜転写シートに代えて、圧延銅箔（厚み１８μｍ）を用いた。それ以外は、実施例１と同様にした。すなわち、上記圧延銅箔の片面に第１クラッド層を形成した後、圧延銅箔をエッチングすることにより、所定パターンの金属製配線パターンを形成した。そして、上記第１クラッド層の表面にコア層および第２クラッド層を形成した後、光路変換ミラーを形成した。

〔従来例１〕
図９に示す従来の光電気混載基板を準備した。この光電気混載基板において、金属製配線パターンが形成された基板の厚みは１４３μｍ、金属製配線パターンの厚みは１８μｍだった。また、光導波路を構成する第１クラッド層，第２クラッド層およびコア層の厚みはそれぞれ実施例１と同様であった。また、基板と光導波路との間の接着剤層の厚みは１０μｍだった。

〔光伝搬損失の測定〕
このようにして得られた実施例１，２ならびに比較例１および従来例１の光電気混載基板に、発光素子および受光素子を実装し、光信号を、発光素子から発し、コア層を経て、受光素子に伝達させた。そして、そのときの光伝搬損失を測定した。その結果、実施例１の光伝搬損失は３．０ｄＢ、実施例２のそれは３．４ｄＢ、比較例１のそれは８．２ｄＢ、従来例１のそれは９．５ｄＢであった。

このように、実施例１，２および比較例１の光電気混載基板は、従来例１の光電気混載基板よりも、光伝搬損失が小さいことから、光信号の伝搬効率が高いことがわかる。なかでも、実施例１，２の光電気混載基板は、比較例１の光電気混載基板よりも、光信号の伝搬効率がさらに高いことがわかる。

本発明の光電気混載基板の製造方法の一実施の形態を模式的に示す説明図である。 上記光電気混載基板の製造方法を模式的に示す説明図である。 上記光電気混載基板の製造方法を模式的に示す説明図である。 上記光電気混載基板の製造方法を模式的に示す説明図である。 上記光電気混載基板の製造方法を模式的に示す説明図である。 上記光電気混載基板の製造方法を模式的に示す説明図である。 本発明の光電気混載基板に発光素子および受光素子を実装した状態を模式的に示す説明図である。 本発明の光電気混載基板の他の実施の形態に発光素子および受光素子を実装した状態を模式的に示す説明図である。 従来の光電気混載基板を模式的に示す説明図である。

符号の説明

２ａ 第１クラッド層
２ｂ コア層
２ｃ 第２クラッド層
１１ 配線パターン
２１ 光路変換ミラー

Claims (4)

1. 光信号伝達手段と、電気信号伝達手段とを有した光電気混載基板であって、上記光信号伝達手段が、第１クラッド層と第２クラッド層とでコア層を挟持するとともに被包し、そのコア層の所定位置を光路変換ミラーに形成してなる光導波路からなり、上記電気信号伝達手段が、上記第１クラッド層の表面に絶縁層を介さず直接形成した金属製配線パターンからなることを特徴とする光電気混載基板。
2. 上記金属製配線パターンの厚みが、１．０〜５．０μｍの範囲内である請求項１記載の光電気混載基板。
3. 上記請求項１記載の光電気混載基板を製造する方法であって、剥離基材の表面に金属薄膜が形成された金属薄膜転写シートを準備し、その金属薄膜の表面に第１クラッド層を形成する工程と、上記剥離基材を金属薄膜から剥離する工程と、上記金属薄膜をエッチングにより所定の配線パターンに形成する工程と、上記第１クラッド層の表面にコア層を形成する工程と、このコア層の表面を覆うように第２クラッド層を形成する工程と、上記コア層の所定位置を光路変換ミラーに形成する工程とを備えていることを特徴とする光電気混載基板の製造方法。
4. 上記請求項２記載の光電気混載基板を製造する方法であって、上記金属薄膜の厚みが、１．０〜５．０μｍの範囲内である請求項１記載の光電気混載基板の製造方法。

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