JP5328095B2 - 光伝送基板、光電子混載基板、光モジュールおよび光電気回路システム - Google Patents

Description

本発明は、基板の主面間の光路長を短くして高効率に光信号の伝搬を可能とした前記光伝送基板、前記光電子混載基板、前記光モジュールおよび光電気回路システムに関する。

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。

前記光伝送技術では、光信号と電気信号との変換を行なう光電変換部としては、省電力化や面アレイ化に有利な面発光型の縦キャビティ型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）や面受光型の半導体受光素子（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）等の光半導体が使用されている。また、光信号を伝搬する光配線としては、コア部となる高屈折率の領域を、それより低屈折率の材料により覆いクラッド部とした光導波路などが使用されている。

一般的に、ＶＣＳＥＬなどの前記光半導体は基板の表面に実装され、また、前記光導波路は基板の表面に平行な方向に形成されている。これらの光半導体素子と光導波路との光結合構造においては、信号光の入出力方向と光導波路とがおおよそ交差する位置関係にあるため、高効率な光信号の伝搬を達成するために様々な提案がなされている。

例えば、一方の主面上に実装された光半導体素子と他方の主面上に設けられた光導波路との間を光学的に結合するために、一方の主面側から他方の主面側までを貫通する光伝送孔と、該光伝送孔の下面位置に光路方向を変換させる光路変換体と、を具備する光モジュールが開示されている（特許文献１および２参照）。
特開２０００−８１５２４号公報 特開２００４−５４００３号公報

しかしながら、特許文献１および２に記載の光モジュールでは、光伝送孔を通る間に光が広がるため、光伝送時、特に光伝送方向の変換時に十分に高効率な光信号の伝搬を達成できない傾向があった。また、光の広がりを防ぐために、透明樹脂を光伝送孔内に設けるなどしても透明樹脂を充填したとしても光の広がりを十分に抑えることはできないため、依然として十分に高効率な光信号の伝搬を達成できなかった。

本発明は以上のような従来の技術における問題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、十分に高効率に基板の面内方向と垂直方向の光伝送方向の変換を行うことができ、かつ容易に製造することができて信頼性の高い光伝送基板、光電子混載基板線基板、光モジュール、および光電気回路システムを提供することにある。

本発明の第一の態様は、一方の主面側に設けられ、光半導体素子を収納して設けるための凹部と、他方の主面側に設けられた第２の凹部と、前記凹部の底面から前記第２の凹部の底面までの間を貫通し、前記凹部の底面および前記第２の凹部の底面に開口する光伝送孔と、を具える基板と、前記第２の凹部内に全体が収容され、且つ前記第２の凹部の深さよりも厚みが薄い光導波路と、前記光伝送孔と前記光導波路との間で光伝送方向を変換させるべく、前記光伝送孔および前記光導波路の双方に対して光学的に結合した光路変換体と、を具備する光伝送基板に関する。

前記光伝送孔中には、光の伝送が可能な透明樹脂が設けられていることが好ましい。

本発明は、第一の態様における光伝送基板または第二の態様における光伝送基板と、前記凹部の底面および前記一方の主面上に少なくとも一部が露出した露出部を具える電気配線層と、を具備する光電子混載基板に関する。

本発明は、前記光電子混載基板と、前記凹部内において、前記電気配線層の露出部に実装され、前記光伝送孔と光学的に結合した光半導体素子と、を具備する光モジュールに関する。

前記基板は、前記凹部および前記光伝送孔を二組有し、前記光半導体素子は、発光素子および受光素子の二種類であって、前記二組の凹部内のそれぞれに実装され、前記光路変換体は二組であって、一方が前記光導波路の一端と前記発光素子とを、他端が前記光導波路の他端と前記受光素子とを、それぞれ前記二組の光伝送孔を介して光学的に結合している光伝送経路を有することが好ましい。

本発明は、前記光モジュールと、前記一方の主面上において、前記電気配線層の露出部に実装された半導体集積回路素子と、を具備する光電気回路システムに関する。

前記半導体集積回路素子は二種類であって、双方間でデータ転送を行なうように構成されており、前記基板には、前記光伝送経路がさらにもう一組具えられ、これら二組の光伝送経路が互いに異なる方向に光を転送することによって前記データ転送を行なうことが好ましい。

前記半導体集積回路素子上であって、かつ、前記光半導体素子を覆うように設けられ、この半導体集積回路素子によって生じた熱を放散させる冷却装置をさらに具備することが好ましい。

本発明の第一の態様における光伝送基板によれば、一方の主面側に設けられ、光半導体素子を設けるための凹部と、前記凹部の底面から他方の主面側までの間を貫通し、前記凹部の底面に開口する光伝送孔と、を具える基板と、前記基板の他方の主面側に設けられた光導波路と、前記光伝送孔と前記光導波路との間で光伝送方向を変換させるべく、前記光伝送孔および前記光導波路の双方に対して光学的に結合した光路変換体と、を具備することにより、基板の主面間の光路長を短縮することができるため、光の広がりを抑制し、とくに光伝送方向の変換時に十分に高効率な光信号の伝搬を達成することが可能となる。

本発明の光伝送基板において好ましくは、前記他方の主面側に、第２の凹部がさらに設けられ、前記光伝送孔は前記第２の凹部の底面に開口しており、さらに前記第２の凹部内に光導波路が設けられていることにより、基板主面間の光伝送方向をさらに短縮することができる。

また、本発明の第三の態様における光伝送基板によれば、一方の主面側から他方の主面側までの間を貫通する光伝送孔と、前記他方の主面側に形成され、前記光伝送孔が底面に開口している凹部と、を具える基板と、前記凹部内に形成された光導波路と、前記光伝送孔と前記光導波路との間で光伝送方向を変換させるべく、前記光伝送孔および前記光導波路の双方に対して光学的に結合した光路変換体と、を具備することで、基板の主面間の光路長を短縮することができるため、光の広がりを抑制し、とくに光伝送方向の変換時に十分に高効率な光信号の伝搬を達成することが可能となる。

本発明の光伝送基板において好ましくは、前記光伝送孔中には、光の伝送が可能な透明樹脂が設けられていることにより、光伝送孔の開口部における光反射を少なくしたうえで、さらに、光路変換体での光の散乱を少なくすることができ、隣接する他のコア部との光のクロストークを小さくできる。

また、本発明の光電子混載基板によれば、前記光伝送基板と、前記凹部の底面および前記一方の主面上に少なくとも一部が露出した露出部を具える電気配線層と、を具備することにより、前記凹部の底面および前記一方の主面上に対して、光半導体素子および半導体集積回路などをそれぞれ実装することが可能となる。また、光路がすでに確保されているため、電気配線層の形状が光路により制約されることがない。

本発明の光電子混載基板において好ましくは、前記露出部のうち、前記一方の主面上に露出した露出部が、前記一方の主面であって凹部の周辺に具えられることにより、電気配線層間の長さをより短縮化することができる。

また、本発明の光モジュールによれば、光電子混載基板と、前記凹部内において、前記電気配線層の露出部に実装され、前記光伝送孔と光学的に結合した光半導体素子と、を具備することにより、光半導体素子を凹部内に収納することができ、光モジュールの小型化を実現することができる。

本発明の光モジュールにおいて好ましくは、前記基板が、前記凹部および前記光伝送孔を二組有し、前記光半導体素子が、発光素子および受光素子の二種類であって、前記二組の凹部内のそれぞれに実装され、前記光路変換体は二組であって、一方が前記光導波路の一端と前記発光素子とを、他端が前記光導波路の他端と前記受光素子とを、それぞれ前記二組の光伝送孔を介して光学的に結合している光伝送経路を有することにより、光伝送経路を短縮できるとともに、同一基板上の発光素子から受光素子まで光伝送を可能とすることができる。

また、本発明の光電気回路システムによれば、前記光モジュールと、前記一方の主面上において、前記電気配線層の露出部に実装された半導体集積回路素子と、を具備することにより、光伝送によって半導体集積回路素子のデータ転送をおこなうことができる。

本発明の光電気回路システムにおいて好ましくは、前記半導体集積回路素子は二種類であって、双方間でデータ転送を行なうように構成されており、前記基板には、前記光伝送経路がさらにもう一組具えられ、これら二組の光伝送経路が互いに異なる方向に光を転送することによって前記データ転送を行なうことにより、光伝送経路を短縮できるとともに、同一基板上の半導体集積回路間において双方向のデータ転送を可能とすることができる。

本発明の光電気回路システムにおいて好ましくは、前記一方の主面上において、前記電気配線層の露出部に実装された半導体集積回路素子をさらに具備し、また、前記半導体集積回路素子上に設けられ、この半導体集積回路素子によって生じた熱を放散させる冷却装置をさらに具備することにより、半導体集積回路の配置位置と光半導体素子の配置位置との間には段差が設けられていることから、半導体集積回路による光半導体素子への温度の影響が抑えられ、また、冷却装置実装時に、冷却装置による光半導体素子への損傷の発生を防止することができる。

図面にもとづいて、第一の態様、第二の態様および第三の態様における光伝送基板、光電子混載基板、光モジュールおよび光電気回路システムについて説明するが、それらの図面は実施形態の一例に過ぎず、本発明はそれらに限定されるものではない。

［第一の態様における光伝送基板］
図１において、１は基板、２ａ（２ａ１，２ａ２，２ａ３）は基板１の一方の主面、２ｂ（２ｂ１，２ｂ２）は基板１の一方の主面側に設けられた凹部（第１の凹部）、３ａ（３ａ１，３ａ２）は基板１の他方の主面、３ｂは他方の主面側に設けられた凹部（第２の凹部）、４（４ａ，４ｂ）は光伝送孔、５は光導波路、および、６（６ａ，６ｂ）は光路変換体を、それぞれ示す。

ここで、上述した「基板１の一方の主面側」とは、一方の主面２ａとともに、一方の主面２ａに対して略同方向を向く面をいい、例えば、図１では、第１の凹部２ｂの底面を指す。

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挙げられる。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。基板の厚みとしては、０．５〜１．５ｍｍとすることができる。

また、基板１としては、具体的には多層基板が挙げられる。ここで、多層基板とは、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。ここで、ビルドアップ層とは、電気配線層と絶縁層が交互に積層された多層基板であり、また、コア基板とは、ビルドアップ層が表面に設けられ、ビルドアップ層を支持する単層をいう。

図１に示すように、本発明の光伝送基板は、一方の主面２ａと他方の主面３ａとを有する基板１を本体とするものである。基板１には、第１の凹部２ｂと、第２の凹部３ｂと、第１の凹部２ｂから第２の凹部３ｂまでの間を貫通する光伝送孔４（４ａ，４ｂ）と、が具えられる。

第１の凹部２ｂは、その内部に、発光素子または受光素子などの光半導体素子を設けることが可能な大きさを有するものである。具体的には、第１の凹部２ｂの深さは１００〜５００μｍである。そして、光半導体素子を内部に設けることにより、基板１の一方の主面側から他方の主面側までの光の伝送距離を短縮できるとともに、一方の主面２ａ上に半導体集積回路素子を設けた場合、半導体集積回路素子の配置位置と光半導体素子の配置位置との間に段差を有することになるため、半導体集積回路素子による光半導体素子の温度変化を大きく抑えることができる。また、第１の凹部２ｂを設けることにより、基板の厚みが大きい場合には作製が困難であった小さい孔径を有する光伝送孔を容易に作製することができる。

第１の凹部２ｂの内部には、光半導体素子とともに、ＶＣＳＥＬドライバやＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプ）などをともに設けることが可能な大きさであってもよい。

第１の凹部２ｂの作製方法としては、例えば基板１が多層基板である場合、多層基板を積層前に必要な層数に対して型抜きを行う方法や、多層基板を作製後に切削により削り取る方法などが挙げられる。とくに、広い面積にわたって凹部を形成する場合、製造コストおよびタクトタイムの観点から、型抜きによる方法が好ましい。また、多層基板がコア層とビルドアップ層とからなる多層基板である場合、第１の凹部２ｂは、ビルドアップ層をパターニングすることにより形成される。

また、図１に示すように、本発明の光伝送基板は、第１の凹部２ｂが設けられている一方の主面２ａの反対側の他方の主面３ａに第２の凹部３ｂが設けられていることが好ましく、第２の凹部３ｂの凹部内の底面に光伝送孔４が開口するとともに、この光伝送孔４と光学的に結合するように、光導波路５がさらに設けられていることが好ましい。そうすることによって、基板１の一方の主面側から他方の主面側までの光の伝送距離を短縮できる。また、本発明の光伝送基板に対してさらに光半導体素子を設け、光モジュールとした場合、光モジュールを多層配線基板（マザーボード）に実装する際に光導波路５を保護しながら他方の主面３ａにて安定な実装が可能となる。

第２の凹部３ｂの作製方法としては、上述した第１の凹部２ｂの作製方法と同様におこなうことができる。

図１において光伝送孔４は、第１の凹部２ｂの底面から他方の主面側（この場合は、第２の凹部３ｂの底面）まで貫通し、光を伝送させるものである。ここで、「他方の主面側」とは、他方の主面３ａとともに、他方の主面３ａに対して略同方向を向く面をいい、例えば、図１では、第２の凹部３ｂの底面をいう。

光伝送孔４は第１の凹部２ｂの底面に開口しており、例えば、第１の凹部２ｂ内に発光素子を設置した場合、発光素子から出射された光が開口部を通り光伝送孔に伝搬することによって、光伝送孔４に光が伝送される。光伝送孔４は、発光素子または受光素子が凹部内に設けられる場合、発光素子の発光部、または、受光素子の受光部に向かいあう位置に形成される。

また、第１の凹部２ｂ内に、光半導体素子を設ける場合、光伝送孔４の孔径は、発光素子及び受光素子の各々の発光径または受光径と光路変換体の大きさにあわせ、光の広がりを考慮して決定される。受光部に対応する光伝送孔４の孔径は受光部よりも小さく、また、発光部に対応する光伝送孔４の孔径は発光部より大きく設定されることが最も好ましい。

光伝送孔４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。

第１の凹部２ｂの底面内において開口している光伝送孔４の数は、光半導体素子の有するチャンネル数と同数であることが好ましい。例えば、４チャンネルアレイのＶＣＳＥＬを第１の凹部２ｂの内部に設けた場合、光伝送孔４の孔数は、ＶＣＳＥＬのチャンネル数と同じ４個とすることが好ましい。このように、光伝送孔４の孔数を光半導体素子の有するチャンネル数と同じ数にすることにより、各チャンネルから出射または入射した光信号を正確に伝送することが可能となる。

以上のように光伝送孔４の孔径および孔数を決定すると、例えば、発光部が直径１５μｍで２５０μｍピッチの４チャンネルアレイのＶＣＳＥＬを使用する場合は、光伝送孔４も発光部に合わせて直径１５μｍ以上およびピッチ２５０μｍとして各々の発光部に対して同じ孔数である４個の光伝送孔を形成し、また、受光部が直径６５μｍで２５０μｍピッチの４チャンネルアレイのＰＤを使用する場合は光伝送孔４を直径６５μｍ以下およびピッチ２５０μｍとして各々の受光部に対して同じ孔数である４個の光伝送孔を形成することが好ましい。

光伝送孔４内には、光の伝送が可能な透明樹脂が設けられていることが好ましい。光伝送孔内の透明樹脂は一様な屈折率の単一樹脂であってもよい。とくに、透明樹脂としては、その屈折率の分布が径方向において中心部で高く、周辺部で低くなっている樹脂が最も好ましい。このような同心円状の屈折率の分布は、信号光を中心部に閉じ込める光閉じ込め作用を有している。透明樹脂としては、光伝送孔４の径方向において中心部から周辺部に向かって階段状に低くなるように形成された屈折率分布を具える透明樹脂（以下、透明樹脂Ａ）、または、光伝送孔の径方向において中心部から周辺部に向かって同心円状に漸次低くなるように形成された屈折率分布を具える透明樹脂（以下、透明樹脂Ｂ）が好ましい。

透明樹脂Ａや透明樹脂Ｂの屈折率の分布は、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、光伝送孔４にポリシランを充填し、加熱硬化させた後、フォトマスク（光伝送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未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光伝送孔４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、光伝送孔４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、フォトマスク（光伝送孔より小さい径の円形パターンの透光部を具備する）を介して紫外光を照射して現像を行うことにより紫外光照射部の樹脂を除去し、その後に光伝送孔４内の現像により除去された部分（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、光伝送孔４内の透明樹脂に屈折率分布を形成する。

光導波路５は、基板１の他方の主面側の面に平行に設けられ、光を伝送する役割を果たすものである。光導波路５は、コア部と、これを取り囲み、コア部よりも屈折率の小さいクラッド部とから構成される。図１の場合、コア部は、光導波路５の中心軸側に位置する箇所であり、クラッド部は、コア部を包みこむように位置する箇所をいう。また、クラッド部において、基板１に近い側が下部クラッド部であり、基板１よりも遠い側が上部クラッド部とする。下部クラッド部および上部クラッド部を有する光導波路５は、コア部およびクラッド部のそれぞれの屈折率を調整することで良好な光伝搬が可能となる。光導波路のコア部およびクラッド部の形状や寸法は、例えば、マルチモードの光導波路の場合であれば、コア部の厚みを約５０μｍとすると、下部クラッド部および上部クラッド部の厚みを、それぞれコア部の半分の約２５μｍとして、約１００μｍの厚みの光導波路５とすることができる。

光導波路５は、第２の凹部３ｂ内に設けられることが好ましい。そして、それにより、基板１の一方の主面側から他方の主面側までの光の伝送距離を短縮できる。また、本発明の光伝送基板に対してさらに光半導体素子を設け、光モジュールとした場合、光モジュールを多層配線基板（マザーボード）に実装する際に光導波路５を保護しながら他方の主面３ａにて安定な実装が可能となる。

光導波路５は、第２の凹部３ｂ内に作りこむ方法のほかに、光導波路５のみを別途作製して、基板１の第２の面の凹部３ａ上に貼りあわせる方法とすることもできる。光導波路５を基板１の第２の面の凹部に貼りあわせるには、マーカーを用意して光伝送孔４の位置と光導波路５のコア部の位置とを正確に位置合わせする。

コア部を有する光導波路５の作製方法には、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。いずれの方法でも作製可能であるが、最も簡便で安定した作製方法としては、直接露光法があげられる。とくに、基板１上に直接作りこむ方法はフォトリソグラフィにより光伝送孔４の位置を確認しながらコア位置を決定でき、さらに、光伝送孔４と光導波路５のコア部との位置合わせが簡便となる。

直接露光法で作製できる材料には、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上げられる。直接露光法では、コア部およびクラッド部に相当する材料を塗布・露光・現像することにより必要なパターンを得ることができる。例えば、ネガ型の感光性エポキシ樹脂を用いた場合、材料を塗布し、必要な箇所を露光する形のフォトマスクを用意して露光することにより、露光された部分の樹脂は硬化され、露光されていない部分の樹脂は現像により除去されることによって所望のパターンが得られる。この方法を下部クラッド部および上部クラッド部とコア部の両方に適用することにより、基板全体で必要な箇所にのみ光導波路５を形成することができる。

前述のポリマー材料は、低温プロセスによる光導波路５の作製が可能で、大面積化への対応も容易であり、しかも低コストで作製することができるため、種々の基板１に形成できる点で好適である。特にエポキシ樹脂を用いた場合、基板として一般的に用いられるガラスエポキシ基板と同系列の材料であることから、密着性が良く、剥がれなどの不良が無く、信頼性が高いものとなる。感光性エポキシの他に、感光性ポリイミドもまた、耐久性に富み、従来、保護膜や封止樹脂として用いられていることから好適である。

光路変換体６は、光伝送孔４と光導波路５の双方に対して光学的に結合したものであり、それにより、光伝送孔４と光導波路５との間で光の伝送方向を変換させるはたらきを有する。具体的には、光路変換体６が一定の傾斜角を有する光反射面であることにより、光の入射方向を反射方向へ変換させることができ、それにより、それぞれ光路方向の異なる光伝送孔４と光導波路５に対して光学的に結合させることを可能としたものである。

図１において光路変換体６は、光導波路５の一部を斜めに切り取られることで得られた光反射面であるが、光導波路５とは別の部材からなるものでもよい。

図１において、光路変換体６（６ａ，６ｂ）は光導波路５を形成後、光伝送孔４の開口位置に対応した箇所に形成されたものである。光路変換体６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形成される。それ以外にも、光導波路５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が、安定性や加工精度、生産性を考慮した場合、ダイシングソーがもっとも好適である。

光路変換体６は、光導波路５の中途の表面に形成された斜面の、または、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ）等の様に光導波路５を導波する光に対して反射率の高い膜をその表面に形成したものとすることができる。

本発明の第一の態様における光伝送基板の別の例として、図２を示す。図２における光伝送基板は、図１とは異なり、光導波路を第２の凹部３ｂ内ではなく他方の主面３ａ上に設けたものである。図２における光伝送基板についても、基板の主面間の光路長を短縮することができ、高い結合効率を得ることができる。

〔本発明の光電子混載基板〕
本発明の光電子混載基板は、図３に示すように、本発明の図１の光伝送基板に対して、さらに電気配線層を具備させたものである。電気配線層の大半は、基板１中においてプリント配線基板中に形成されている（不図示）。

図３中において電気配線層の露出部７ａ（７ａ１，７ａ２）が一方の主面２ａ上に、また、露出部７ｂ（７ｂ１，７ｂ２）が第１の凹部７の底面上に露出している。このように露出部７ａおよび７ｂを有することにより、露出部７ａには半導体集積回路素子を、また、露出部７ｂには光半導体素子を実装することが可能となる。

電気配線層は、一方の主面側の露出部７ａおよび７ｂのほかに、他方の主面３ａ上にも電気配線層の露出部が形成されており（不図示）、この露出部は一方の主面側の露出部７ａおよび７ｂと電気的に接続されている。このように他方の主面３ａ上にも電気配線層の露出部が形成されていることにより、基板１をドーターボードとして他のプリント基板（マザーボード）に実装する場合、第２の面３の電気配線５を使って電気的に接合できる。

基板１としてはプリント配線基板に限らず、基板内部の絶縁層にアルミナ等を用いたセラミック配線基板や、シリコンやガラス等に電気配線を形成した基板を用いてもよい。中でも、汎用性があり低コストに作製できるものとしては、ガラスエポキシ配線基板が好適である。

基板１における電気配線層の配線パターンは、通常のプリント基板製造工程中に、銅箔や銅箔付き樹脂のフォトリソグラフィ工程やエッチング工程により形成される。

電気配線層５上には、電気配線層５との電気絶縁層と電気配線層５の保護を兼ねて、ソルダーレジスト層（不図示）が形成されてもよい。その場合、素子を実装するために最低限必要な箇所にはソルダーレジスト上に開口部を設け、開口部内の電気配線層５上に半田等を使って素子を実装する。基板１の第１の面の凹部２ａ内は特にソルダーレジストを必要とせず、電気配線層５が露出した形でもよい。

［光モジュール］
本発明の光モジュールは、図４に示すように、本発明の図３の光電子混載基板に対して、さらに、発光素子８や受光素子９のような光半導体素子を具備させたものである。

図４に示す光モジュールは、発光素子８から受光素子９まで光を伝送させることができる光伝送経路を有する。発光素子８から発せられた光信号は、光伝送孔４ａを介したのち光路変換体６ａにて光の伝送方向が変換されて、光導波路５に伝送され、その後、光路変換体６ｂにて光の伝送方向が変換されたのち光伝送孔４ｂを介して受光素子９に入る。

上述のような光信号の伝送は、図４に示す光モジュールが二種類の光路変換体６ａおよび６ｂを有するとともに、一方の光路変換体６ａが、光導波路５の一端および発光素子８と光伝送孔４ａを介して光学的に結合し、さらに、他方の光路変換体６ｂが、光導波路５の一端および受光素子９と光伝送孔４ｂを介して光学的に結合していることにより可能となる。

さらに、図４に示すように、発光素子８および受光素子９がそれぞれ、二組の凹部２ｂ１および２ｂ２に実装されていることにより、発光素子８から受光素子９までの光路長を短縮することができる。また、図４に示すように、二組の凹部２ｂ１および２ｂ２にはさらに、発光素子８とともにＶＣＳＥＬドライバ１０を、また、受光素子９とともにＴＩＡ１１を設けてもよい。

以上のように本発明の光モジュールについて、図４として発光素子および受光素子が同一基板中にあるものを例にして説明したが、本発明の光モジュールは、発光素子および受光素子がそれぞれ同一基板中にないものも含まれる。また、図４として、発光素子が設けられた凹部と受光素子が設けられた凹部とが別のものを例にして説明したが、本発明の光モジュールは、発光素子および受光素子が同一の凹部に設けられたものも含まれる。

〔光電気回路システム〕
また、本発明の光電気回路システムは、図５に示すように、本発明の図４の光電子混載基板に対して、さらに、ＣＰＵ１２（セントラルプロセシングユニット）、ＧＰＵ１３（グラフィックスプロセッシングユニット）を具備させたものである。

ＣＰＵ１２やＧＰＵ１３のような半導体集積回路は、動作中に高温になり、多量の熱を放出し、とくに光半導体素子に温度変化を生じさせる傾向があるが、図５に示すように光半導体素子が第１の凹部２ｂ中に実装されていることによって、段差により半導体集積回路からの熱が遮蔽され、光半導体素子の温度変化を防ぐことができるという効果が得られる。

なお、図５においては、〔光モジュール〕の説明において記載した発光素子８から受光素子９までの光伝送経路が、一組しか記載されていないが、本発明においては光伝送経路をさらにもう一組具えられていてもよい。そして、本発明の光電気回路システムが、ＣＰＵおよびＧＰＵのように、二種類の半導体集積回路素子を有するとともに、それらが互いに異なる方向に光を転送するものである場合、双方向でデータ転送をおこなうことができる。

また、上述したように、半導体集積回路は多量の熱を放出する傾向があるため、一般的に半導体集積回路上には、ヒートシンクのような巨大な冷却装置が設けられる。そして、冷却装置を光モジュールに実装する場合に、冷却装置によって光半導体素子が損傷しやすい傾向があった。それに対して図６に記載したように、本発明の光モジュールでは、光半導体素子が第１の凹部２ａ内に設けられているため、ヒートシンク１４による損傷の可能性も少なくなるとともに、ヒートシンク１４により光半導体素子が覆われているため、外部からのノイズとなる光信号の入射を防ぐことができる。

光半導体素子は、第１の面の凹部２ａを利用して、アンダーフィルで固定後、樹脂でモールドすることにより、温度変化や振動などの外的変動要因から素子を保護することができる。ここで、アンダーフィルとしては、透明な絶縁性を有する樹脂が用いられ、具体的には、エポキシ樹脂などが挙げられる。

［第二の態様における光伝送基板］
第二の態様における光伝送基板の具体例として図７を示す。１５は実装手段であるはんだ、１６はアンダーフィル、１７は第２光伝送基板、１８は第２光伝送基板１７に設けられた光導波路、および、１９は光導波路１８に設けられた光路変換体を示す。

第二の態様における光伝送基板は、別の基板（以下、第２光伝送基板１７）に実装され、用いられるものである。なお、第二の態様における基板が具える凹部および光伝送孔は、上述した第一の態様における光伝送基板における基板のものと同様であるため、説明を省略する。

図７において、第２光伝送基板１７は、光の入出力可能箇所として、光路変換体１９を有する。ここで、光の入出力可能箇所とは、光伝送孔４に光を入力または出力することができればよく、光路変換体１９の他に、例えば、光半導体素子であってもよい。また、光路変換体１９は、光導波路１８の一部を斜めに切り取ることで得られた光反射面でも、光導波路１８とは別の部材からなるものでもよい。

第二の態様における光伝送基板の実装手段は、光路変換体１９と光伝送孔２４とが光学的に結合するように光伝送基板を第２光伝送基板１７に実装させるものであり、さらに、光伝送基板を、第２光伝送基板は１７と電気的に接続させるものである。

具体的な実装手段としては、例えば、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ），ＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ），ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）等が挙げられ、図７の場合は、はんだボール１５を使用したＢＧＡを実装手段として開示している。なお、図７に示すように、実装手段として用いたはんだボール１５の厚みが光導波路１８の厚みよりも大きい場合に生じた空隙部には、アンダーフィルなどにより充填される。

参考例の第二の態様における光電子混載基板は、本発明の第一の態様における光電子混載基板と同様に、さらに電気配線層を具備させたものである。そして、電気配線層の大半は、基板１中においてプリント配線基板中に形成されている（不図示）。電気配線層の露出部は、その他方の主面上に形成されており、はんだなどの実装手段と接続する。そして、それにより、光電気混載基板と第２光伝送基板とを電気的に接続させることができる。

参考例の第二の態様における光モジュールは、本発明の第一の態様における光モジュールと同様に、光電子混載基板に対して、さらに、発光素子や受光素子のような光半導体素子を具備させたものである。第一の態様における光伝送経路では、光導波路および光路変換体は発光素子および受光素子と同一の基板に実装されたものであったが、本発明の第二の態様においての光伝送経路および光路変換体はそれに限られず、光伝送経路および光路変換体は、第２光伝送基板に設けられていてもよい。

その他の記載に関しては、本発明の第一の態様における光モジュールと同様である。

参考例の第二の態様における光電気回路システムは、本発明の第一の態様における光電気回路システムと同様に、光モジュールに一方の主面上において、電気配線層の露出部に実装された半導体集積回路素子とを具備させたものである。本発明の第一の態様における光電気回路システムと同様に、光伝送経路が二組の互いに異なる方向に光を転送するものであってもよく、また、半導体集積回路素子によって生じた熱を放散させる冷却装置をさらに具備するものでもよい。

［第三の態様における光伝送基板］
本発明の第三の態様における光伝送基板、光電子混載基板、および光モジュールは、他方の主面側に凹部が形成され、さらに、該凹部内に光導波路５が形成されている点が必須である点以外は、本発明の第一の態様における光伝送基板、光電子混載基板、および光モジュールと同様である（図８参照）。そして、得られる効果についても、主面間の光伝送方向を短縮することであり、本発明の第一の態様の光伝送基板、光電子混載基板、および光モジュールと同様であるため、説明を省略する。

以下、実施例にもとづいて、図４の光モジュールの具体的な作製工程を詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことができる。

＜第１の凹部２ｂおよび第２の凹部３ｂを有する基板１の作製工程＞
まず、厚み０．７ｍｍの多層配線基板を作製する。この多層配線基板は、厚さが０．１ｍｍの基板を７個積層させたものである。なお、上述した厚さが０．１ｍｍの基板は、電気配線層と絶縁層（エポキシ樹脂）とを重ね合わせて加熱押圧することにより作製した。

上述した厚さが０．１ｍｍの基板のうち、型抜きが必要なものについては、それらを積層する前に、必要な箇所について型抜きをおこなった。ここで、型抜きが必要な箇所とは、積層後に第１の凹部２ｂ１および２ｂ２、ならびに第２の凹部３ｂとなる箇所をいう。第１の凹部２ｂ１および２ｂ２については３層分（０．３ｍｍ）の型抜きをおこない、第２の凹部３ｂについては２層分（０．２ｍｍ）の型抜きをおこなった。

型抜きをおこなったのち、上述した厚さが０．１ｍｍの基板を７層積層し、さらに、従来のプリント配線板の作製工程（穿孔工程、鍍金工程など）と同様の工程をおこなうことにより、第１の凹部２ｂ１および２ｂ２と第２の凹部３ｂとを有する基板１を作製した。なお、基板１は、一方の主面２ａ１上において電気配線層の露出部７ａ１が、一方の主面２ａ２上において電気配線層の露出部７ａ２がそれぞれ露出している。また、第１の凹部２ｂ１の底面上において電気配線層の露出部７ｂ１が、第１の凹部２ｂ２の底面上において電気配線層の露出部７ｂ２がそれぞれ露出している。そして、露出部７ａ１が露出部７ｂ１と電気的に接合され、また、露出部７ａ２が露出部７ｂ２と電気的に接合されている。なお、他方の主面３ａ１上および他方の主面３ａ２上においても電気配線層が露出している（不図示）。また、最表面にソルダーレジスト層が形成されている。

以上の工程により、２箇所の第１の凹部２ｂおよび１箇所の第２の凹部３ｂを有する基板１を作製した。なお、基板１において、第１の凹部２ｂと第２の凹部３ｂとの間に挟まれた基板１の箇所の厚さは０．２ｍｍとなっている。

＜光伝送孔４ａ，４ｂの作製工程＞
ドリルを用いて、第１の凹部２ｂ１の底面から第２の凹部３ｂの底面まで、および、第１の凹部２ｂ２の底面から第２の凹部３ｂの底面まで、それぞれ直径が９０μｍの光伝送孔４ａを４個、２５０μｍピッチで作製した。なお、光伝送孔４ａの個数と直径とピッチの長さは、後述する工程において第１の凹部２ｂ１の凹部内に搭載されるＶＣＳＥＬ（発光径が１５μｍであり、発光部の間隔が２５０μｍピッチである４チャンネルアレイ）および第２の凹部３ｂの凹部内に設けられるＰＤ（受光径が６５μｍであり、発光部の間隔が２５０μｍピッチである４チャンネルアレイ）に合わせたものである。

<光伝送孔４ａおよび４ｂへの透明樹脂の充填工程＞
絶縁層と同様にエポキシ樹脂を、光伝送孔４ａおよび光伝送孔４ｂの内部に充填し、紫外線照射およびベークをおこなってエポキシ樹脂を硬化させることによって透明樹脂１４ａおよび１４ｂを充填した。

＜光導波路５の作製工程>
（下部クラッド部）
第２の凹部３ｂの底面全体に対して、エポキシ樹脂をスピンコートにより塗布し、プリベークをおこなった。次に、第２の凹部３ｂ内に、下部クラッド部のパターンに合わせてＣｒ膜がエッチングされているフォトマスクを用い、残すべき箇所に露光をおこなった。その際、フォトマスクと基板との位置合わせは、位置合わせマーカーを用いて行った。位置合わせマーカーは基板形成時にソルダーレジストパターン、メタルパターン、光伝送孔などにより用意することができる。

そして、未露光部を現像により除去したのち、ポストベークを行うことで下部クラッド部６ｂを形成した。なお、下部クラッド部の厚さは２５μｍであった。

（コア部）
下部クラッド部に対する比屈折率差Δｎ＝１．４％の材料を、スピンコートにより下部クラッド部に塗布し、プリベークをおこなった。下部クラッド部のパターンに合わせてＣｒ膜がエッチングされているフォトマスクを用い、残すべき箇所に露光をおこなった。なお、フォトマスクと基板との位置合わせは、フォトマスク上で透明になっているコアパターンから、下部クラッド部を通して光伝送孔４を確認しながらマスク合わせを行うことで正確な位置あわせを行なった。

そして、未露光部を現像により除去したのち、ポストベークを行うことでコア部を形成した。なお、コア部の厚さは５０μｍであった。

（上部クラッド部）
下部クラッド部の作製工程と同様にして、コア部の上に上部クラッド部を作製した。なお、厚さも下部クラッド部と同様に２５μｍであった。

以上の工程をおこなうことにより、光導波路５を作製した。

＜光路変換体の形成工程＞
光導波路５のうち、中途の光伝送孔４ａおよび４ｂの開口位置に対応する光導波路５の表面に対しダイシングソーにより、断面がＶ字型となるように加工を行なって、光路変換体６１および６２を作製した。断面の深さは、光導波路５の表面から約８０μｍ、下部クラッド部まで達するものとした。なお、ダイシングソーとしては、ブレードとして先端が９０度に加工され、さらに厚さが２００μｍのものを使用した。

以上の工程によって光電子混載基板を作製した。

＜発光素子および受光素子の搭載＞
光電子混載基板に対して、発光部が光伝送孔４の開口部と向かい合うように、発光素子８を第１の凹部２ｂの光伝送孔４上に実装した。同様に、受光部が光伝送孔４の開口部と向かい合うように、受光素子８を第１の凹部２ｂの光伝送孔４上に実装した。更に、受光素子９を第１の凹部２ｂの光伝送孔４上に、受光部と開口部とが向かい合った形となるように実装した。

以上の工程をおこなうことにより、図４の光モジュールを容易に作製することができた。

図１は、本発明の第１の態様の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は、本発明の第１の態様の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３は、図１の光伝送基板を具備する光電子混載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４は、図３の光電子混載基板を具備する光モジュールの実施の形態の一例を模式的に示す図である。 図５は、図４の光モジュールを具備する光電気回路システムの実施の形態の一例を模式的に示す図である。 図６は、図５の光電気回路システムに対してヒートシンクをさらに具備させた光電気回路システムの実施の形態の一例を模式的に示す図である。 図７は、参考例の第二の態様の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８は、本発明の第三の態様の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。

符号の説明

１、２１、３１ 基板
２ａ、２２ａ、３２ａ 一方の主面
２ｂ、２２ｂ、３２ｂ 一方の主面側に設けられた凹部（第１の凹部）
３ａ、２３ａ、３３ａ 他方の主面
３ｂ、２３ｂ、３３ｂ 他方の主面側に設けられた凹部（第２の凹部）
４、２４、３４ 光伝送孔
５、１８、３５ 光導波路
６、１９、３６ 光路変換体
７ 電気配線層の露出部
８ 発光素子
９ 受光素子
１０ ＶＣＳＥＬドライバ
１１ ＴＩＡ
１２ ＣＰＵ
１３ ＧＰＵ
１４ ヒートシンク
１５ はんだボール
１６ アンダーフィル
１７ 第２光伝送基板

Claims (9)

1. 一方の主面側に設けられ、光半導体素子を収納して設けるための凹部と、他方の主面側に設けられた第２の凹部と、前記凹部の底面から前記第２の凹部の底面までの間を貫通し、前記凹部の底面および前記第２の凹部の底面に開口する光伝送孔と、を具える基板と、
   前記第２の凹部内に全体が収容され、且つ前記第２の凹部の深さよりも厚みが薄い光導波路と、
   前記光伝送孔と前記光導波路との間で光伝送方向を変換させるべく、前記光伝送孔および前記光導波路の双方に対して光学的に結合した光路変換体と、
   を具備する光伝送基板。
2. 前記光伝送孔中には、光の伝送が可能な透明樹脂が設けられている請求項１に記載の光伝送基板。
3. 請求項１または２に記載の光伝送基板と、
   前記凹部の底面および前記一方の主面上に少なくとも一部が露出した露出部を具える電気配線層と、
   を具備する光電子混載基板。
4. 前記電気配線層が、前記他方の主面上に少なくとも一部が露出した露出部をさらに具える請求項３に記載の光電子混載基板。
5. 請求項３または４に記載の光電子混載基板と、
   前記凹部内において、前記電気配線層の露出部に実装され、前記光伝送孔と光学的に結合した光半導体素子と、
   を具備する光モジュール。
6. 前記基板は、前記凹部および前記光伝送孔を二組有し、
   前記光半導体素子は、発光素子および受光素子の二種類であって、前記二組の凹部内のそれぞれに実装され、
   前記光路変換体は二組であって、一方が前記光導波路の一端と前記発光素子とを、他方が前記光導波路の他端と前記受光素子とを、それぞれ前記二組の光伝送孔を介して光学的に結合している光伝送経路を有する請求項５に記載の光モジュール。
7. 請求項５または６に記載の光モジュールと、
   前記一方の主面上において、前記電気配線層の露出部に実装された半導体集積回路素子と、
   を具備する光電気回路システム。
8. 前記半導体集積回路素子は二種類であって、双方間でデータ転送を行なうように構成されており、
   前記基板には、前記光伝送経路がさらにもう一組具えられ、これら二組の光伝送経路が互いに異なる方向に光を転送することによって前記データ転送を行なう、請求項６に係る請求項７に記載の光電気回路システム。
9. 前記半導体集積回路素子上であって、かつ、前記光半導体素子を覆うように設けられ、前記半導体集積回路素子によって生じた熱を放散させる冷却装置をさらに具備する請求項７または８に記載の光電気回路システム。

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