JP5493626B2 - 光電気混載基板および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、光電気混載基板および電子機器に関するものである。

近年、情報化の波とともに、大容量の情報を高速でやりとりできる広帯域回線（ブロードバンド）の普及が進んでいる。また、これらの広帯域回線に情報を伝送する装置として、ルーター装置、ＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing)装置等の伝送装置が用いられている。これらの伝送装置内には、ＬＳＩのような演算素子、メモリーのような記憶素子等が組み合わされた信号処理基板が多数設置されており、各回線の相互接続を担っている。

各信号処理基板には、演算素子や記憶素子等が電気配線で接続された回路が構築されているが、近年、処理する情報量の増大に伴って、各基板では、極めて高いスループットで情報を伝送することが要求されている。しかしながら、情報伝送の高速化に伴い、クロストークや高周波ノイズの発生、電気信号の劣化、特性インピーダンスの不整合等の問題が顕在化しつつある。このため、電気配線がボトルネックとなって、信号処理基板のスループットの向上が困難になっている。

一方、光搬送波を使用してデータを移送する光通信技術が開発され、近年、この光搬送波を、一地点から他地点に導くための手段として、光導波路が普及しつつある。この光導波路は、線状のコア部と、その周囲を覆うように設けられたクラッド部とを有している。コア部は、光搬送波の光に対して実質的に透明な材料によって構成され、クラッド部は、コア部より屈折率が低い材料によって構成されている。

このような光導波路では、コア部の一端から導入された光が、クラッド部との境界で反射しながら他端に搬送される。光導波路の入射側には、半導体レーザー等の発光素子が配置され、出射側には、フォトダイオード等の受光素子が配置される。発光素子から入射された光は光導波路を伝搬し、受光素子により受光され、受光した光の明滅パターンに基づいて通信を行う。

最近になって、信号処理基板内の電気配線を光導波路で置き換える動きが進んでいる。電気配線を光導波路で置き換えることにより、前述したような電気配線の問題が解消され、信号処理基板のさらなる高スループット化が可能になると期待されている。

ところで、演算素子や記憶素子はもちろん、光信号と電気信号の相互変換を担う発光素子や受光素子のような各素子の駆動には電力を供給するための電気配線が不可欠である。このため信号処理基板には、電気配線と光導波路とが混載されることとなり、このような基板（光電気混載基板）の開発が進められている。

例えば、特許文献１には、微細配線回路部と光配線回路部と光学素子とを有する光・電気配線混載ハイブリッド回路モジュールが開示されている。

しかしながら、上記特許文献１に記載の回路モジュールには、次のような問題点がある。
１．多層に形成された微細配線回路部上に光学素子を載置するため、回路モジュール全体の厚さが厚くなり、薄型化の要求に応えられない。
２．光学素子および半導体チップが微細配線回路部の上面から突出するように載置されているため、これらが他の部材と干渉するなどして、外力を受け易い構造になっている。外力の大きさによっては、光学素子や半導体チップが故障したり、脱落するおそれがある。

特開２００４−１４６６０２号公報

本発明の目的は、光素子を外力から確実に保護するとともに、光導波路と積層した際には、光素子と光導波路との間を低損失で接続しつつ、光電気混載基板の薄型化を実現可能な光素子搭載基板を備えた光電気混載基板および電子機器を提供することにある。

このような目的は、下記（１）〜（１３）の本発明により達成される。
（１） 可撓性を有する第１の基板と、前記第１の基板上に設けられた電気配線と、前記第１の基板上に載置され、前記第１の基板に臨む受光部または発光部を備える光素子と、前記光素子の周囲を囲うように前記第１の基板上に載置され、前記第１の基板よりも剛性の高い第２の基板と、前記第２の基板を厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記貫通孔内に設けられ前記電気配線と電気的に接続された貫通ビア構造と、前記貫通ビア構造と電気的に接続され、前記第２の基板の表面から突出するように設けられたバンプと、を備える光素子搭載基板と、
線状のコア部と該コア部の側面を覆うように設けられたクラッド部とを備え、前記第１の基板と接するように前記光素子搭載基板と積層された光導波路と、
前記光素子と前記光導波路とを光学的に接続する光路変換手段と、
絶縁基板と、前記絶縁基板に設けられた配線パターンと、を備える実装基板と、
を有し、
前記バンプと前記配線パターンとが接するように、前記光素子搭載基板と前記実装基板とが積層されていることを特徴とする光電気混載基板。

（２） 前記第１の基板および前記電気配線は、それぞれ前記第２の基板の外側に延伸している延伸部分を備えている上記（１）に記載の光電気混載基板。
（３） 前記第２の基板は、前記光素子の全周を囲う枠状のものである上記（１）または（２）に記載の光電気混載基板。

（４） 前記第２の基板の厚さは、前記光素子の厚さより厚い上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の光電気混載基板。

（５） 前記第１の基板の平均厚さは、５〜５０μｍである上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の光電気混載基板。

（６） 前記光素子搭載基板は、さらに、前記第２の基板の内側に設けられ、前記光素子の動作を制御する制御素子を備える上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の光電気混載基板。

（７） 前記第１の基板の上面と前記第２の基板の内面とで画成される空間の少なくとも一部が封止樹脂で充填されている上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の光電気混載基板。

（８） 前記封止樹脂は、前記光素子全体を覆うように充填されている上記（７）に記載の光電気混載基板。

（９） 前記光素子搭載基板は、前記光導波路の一方の端部、または、双方の端部にそれぞれ積層されている上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の光電気混載基板。

（１０） 前記光素子搭載基板は、前記光導波路の一方の端部に設けられており、
当該光電気混載基板は、前記光導波路の他方の端部に設けられ、該光導波路を接続相手と接続するコネクターを備える上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の光電気混載基板。

（１１） 前記第１の基板および前記電気配線は、それぞれ前記第２の基板の外側に延伸した延伸部分を備えており、該延伸部分は、途中で折り曲げられ、前記光導波路の前記第２の基板側の面からそれと反対の側の面にかけて覆うよう構成されている上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の光電気混載基板。
（１２） 前記第１の基板および前記電気配線は、それぞれ前記第２の基板の外側に延伸した延伸部分を備えており、
当該光電気混載基板は、さらに、前記延伸部分に設けられたヒートシンクを有している上記（１）ないし（１１）のいずれかに記載の光電気混載基板。

（１３） 上記（１）ないし（１２）のいずれかに記載の光電気混載基板を備えたことを特徴とする電子機器。

本発明によれば、受発光素子の周囲を囲うように剛性基板が配されているので、光導波路と積層した際に、全体の薄型化が図られるとともに、受発光素子を外力から保護し得る光電気混載基板が得られる。

また、光導波路と剛性基板との間には、可撓性基板が配されているので、可撓性基板が光導波路と剛性基板との熱膨張差を緩和するように作用し、熱履歴による層間剥離等の不具合が防止される。

また、このような光電気混載基板を備えることにより、薄型で信頼性の高い電子機器が得られる。

本発明の光電気混載基板の実施形態を一部透過して示す斜視図である。 図１に示す光電気混載基板のＡ−Ａ線断面図である。 図２に示す光電気混載基板の他の構成例を示す断面図である。 図２に示す光電気混載基板を実装基板に実装した状態を示す断面図である。 図２に示す光電気混載基板の他の構成例を示す断面図である。 図１に示す光電気混載基板の製造方法を説明するための図（断面図）である。

以下、本発明の光素子搭載基板、光電気混載基板および電子機器について添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜光電気混載基板＞
図１は、本発明の光電気混載基板の実施形態を一部透過して示す斜視図、図２は、図１に示す光電気混載基板のＡ−Ａ線断面図、図３は、図２に示す光電気混載基板の他の構成例を示す断面図、図４は、図２に示す光電気混載基板を実装基板に実装した状態を示す断面図、図５は、図２に示す光電気混載基板の他の構成例を示す断面図、図６は、図１に示す光電気混載基板の製造方法を説明するための図（断面図）である。なお、以下の説明では、図１〜６の上側を「上」、下側を「下」という。また、各図では、光電気混載基板の厚さ方向を強調して記載されている。

図１に示す光電気混載基板１は、光導波路２１が形成された光回路層２と、その上方に設けられ、受発光素子（光素子）７を内蔵する光素子搭載基板（光電気複合モジュール）１０とを積層してなる積層体を有するものである。

ここで、光回路層２は長尺の帯状をなしており、光素子搭載基板１０は、光回路層２の一方の端部の上面に積層されている。

光素子搭載基板１０は、平板状の第１の基板１１と、第１の基板１１上に設けられ、四角形の枠状をなす第２の基板１２と、第２の基板１２の内側の第１の基板１１上に設けられた受発光素子７および半導体素子（制御素子）８とを有している。

受発光素子７は、電気信号を光信号に変換し、発光部から光信号を発光して光導波路２１に入射させる発光素子、または、光導波路２１から出射された光信号を受光部で受光して電気信号に変換する受光素子である。図２に示す受発光素子７は、その下面にそれぞれ設けられた受発光部７１と電極パッド７２とを有している。受発光部７１は、下方に向けて光信号を発光したり、あるいは、上方に向かう光信号を受光する。なお、図２に示す矢印は、受発光素子７が発光素子である場合の光路の例である。

一方、光導波路２１のうち、受発光部７１の下方には、ミラー（光路変換手段）２２が設けられている。このミラー２２は、図２の左右方向に延伸する光導波路２１と光素子搭載基板１０に設けられた受発光部７１とが光学的に接続されるよう、光路を４５°変換し得る。このようなミラー２２を介することにより、受発光部７１から出射した光信号を光導波路２１へと送出したり、あるいは、光導波路２１を伝搬してきた光信号を受発光部７１に入射させることができる。その結果、光電気混載基板１において、光通信が可能になる。

また、光電気混載基板１では、枠状をなす第２の基板１２の内側に受発光素子７や半導体素子８を配したことから、受発光素子７や半導体素子８の厚さは、光電気混載基板１全体の厚さに対して影響を及ぼさない。換言すれば、受発光素子７や半導体素子８は、第２の基板１２の内側の空間１３に内包されていることから、光電気混載基板１全体の厚さは、第２の基板１２、第１の基板１１および光回路層２の３層の厚さの和となる。よって、光電気混載基板１は、従来に比べてより薄型化が図られることとなる。

また、第２の基板１２は、受発光素子７や半導体素子８を囲うように設けられているため、これらの素子を外力から保護することができる。

以下、光電気混載基板１の各部について詳述する。
（光回路層）
図１に示す光回路層２は、下方からクラッド層（下部クラッド層）２１１、コア層２１３、およびクラッド層（上部クラッド層）２１２をこの順で積層してなる光導波路２１で構成されている。このうちコア層２１３には、図１に示すように、平面視で線状のコア部２１４と、このコア部２１４の側面に隣接する側面クラッド部２１５とが形成されている。コア部２１４は、帯状をなす積層体の長手方向に沿って直線状に設けられている。また、コア部２１４は、コア層２１３の幅のほぼ中央に位置している。なお、図１において、コア部２１４にはドットを付している。

図１に示す光導波路２１では、コア部２１４の一方の端部に入射された光を、コア部２１４とクラッド部（各クラッド層２１１、２１２および各側面クラッド部２１５）との界面で全反射させ、他方の端部に伝搬させることができる。これにより、出射端で受光した光の明滅パターンに基づいて光通信を行うことができる。

コア部２１４とクラッド部との界面で全反射を生じさせるためには、界面に屈折率差が存在する必要がある。コア部２１４の屈折率は、クラッド部の屈折率より大きければよいが、その差は特に限定されないものの、０．５％以上であるのが好ましく、０．８％以上であるのがより好ましい。一方、上限値は、特に設定されなくてもよいが、好ましくは５．５％程度とされる。屈折率の差が前記下限値未満であると光を伝達する効果が低下する場合があり、前記上限値を超えても、光の伝送効率のそれ以上の増大は期待できない。

なお、前記屈折率差とは、コア部２１４の屈折率をＡ、クラッド部の屈折率をＢとしたとき、次式で表わされる。
屈折率差（％）＝｜Ａ／Ｂ−１｜×１００

また、図１に示す構成では、コア部２１４は、平面視で直線状に形成されているが、途中で湾曲、分岐等していてもよく、その形状は任意である。

また、コア部２１４の横断面形状は、正方形または矩形（長方形）のような四角形であるのが一般的であるが、特に限定されず、真円、楕円のような円形、菱形、三角形、五角形のような多角形であってもよい。

コア部２１４の幅および高さは、特に限定されないが、それぞれ、１〜２００μｍ程度であるのが好ましく、５〜１００μｍ程度であるのがより好ましく、２０〜７０μｍ程度であるのがさらに好ましい。

コア層２１３の構成材料は、上記の屈折率差が生じる材料であれば特に限定されないが、具体的には、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリシラン、ポリシラザン、また、ベンゾシクロブテン系樹脂やノルボルネン系樹脂等の環状オレフィン系樹脂のような各種樹脂材料の他、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスのようなガラス材料等である。

また、これらの中でも特にノルボルネン系樹脂が好ましい。これらのノルボルネン系ポリマーは、例えば、開環メタセシス重合（ＲＯＭＰ）、ＲＯＭＰと水素化反応との組み合わせ、ラジカルまたはカチオンによる重合、カチオン性パラジウム重合開始剤を用いた重合、これ以外の重合開始剤（例えば、ニッケルや他の遷移金属の重合開始剤）を用いた重合等、公知のすべての重合方法で得ることができる。

一方、各クラッド層２１１、２１２は、それぞれ、コア層２１３の下部および上部に位置するクラッド部を構成するものである。このような各クラッド層２１１、２１２は、各側面クラッド部２１５とともに、コア部２１４の外周を囲むクラッド部を構成し、これにより光導波路２１は導光路として機能する。

クラッド層２１１、２１２の平均厚さは、コア層２１３の平均厚さ（各コア部２１４の平均高さ）の０．１〜１．５倍程度であるのが好ましく、０．２〜１．２５倍程度であるのがより好ましく、具体的には、クラッド層２１１、２１２の平均厚さは、特に限定されないが、それぞれ、通常、１〜２００μｍ程度であるのが好ましく、５〜１００μｍ程度であるのがより好ましく、１０〜６０μｍ程度であるのがさらに好ましい。これにより、光回路層２が必要以上に大型化（厚膜化）するのを防止しつつ、クラッド層としての機能が好適に発揮される。

また、各クラッド層２１１、２１２の構成材料としては、例えば、前述したコア層２１３の構成材料と同様の材料を用いることができるが、特にノルボルネン系ポリマーが好ましい。

また、コア層２１３の構成材料およびクラッド層２１１、２１２の構成材料を選択する場合、両者の間の屈折率差を考慮して材料を選択すればよい。具体的には、コア層２１３とクラッド層２１１、２１２との境界において光を確実に全反射させるため、コア層２１３の構成材料の屈折率がクラッド層２１１、２１２の屈折率に比べ十分に大きくなるように材料を選択すればよい。これにより、光回路層２の厚さ方向において十分な屈折率差が得られ、コア部２１４からクラッド層２１１、２１２に光が漏れ出るのを抑制することができる。

なお、光の減衰を抑制する観点からは、コア層２１３の構成材料とクラッド層２１１、２１２の構成材料との密着性（親和性）が高いことも重要である。

また、前述したように、光導波路２１の途中には、ミラー２２が設けられている（図２参照）。このミラー２２は、光導波路２１の途中に掘り込み加工を施し、これにより得られた空間（空洞）の内壁面で構成される。この内壁面の一部は、コア部２１４を斜め４５°に横切る平面であり、この平面がミラー２２となる。ミラー２２を介して、光導波路２１と受発光部７１とが光学的に接続されている。

なお、ミラー２２には、必要に応じて反射膜を成膜するようにしてもよい。この反射膜としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の金属膜が好ましく用いられる。

（光素子搭載基板）
光回路層２の上方には、光素子搭載基板１０が設けられている。

光素子搭載基板１０は、前述したように、第１の基板１１、第２の基板１２、受発光素子７および半導体素子８を有している。

第１の基板１１は、その下面が光回路層２の上面と接するように設けられており、受発光素子７および半導体素子８は、この第１の基板１１上に設けられている。

前述したように、受発光素子７の受発光部７１と光導波路２１とを結ぶ光路は、第１の基板１１を厚さ方向に貫通しているため、第１の基板１１は、透光性を有する材料で構成されているのが好ましい。これにより、光路の伝送効率が向上する。なお、第１の基板１１が透光性の低い材料で構成される場合には、前記光路に合わせてスルーホールを設けるようにすればよい。

また、第１の基板１１は可撓性を有しているため、光導波路２１に対する密着性が高い。これは、可撓性を有する第１の基板１１は形状追従性が高いため、仮に光導波路２１の上面が平坦面でなかったとしても、優れた密着性を示すからである。また、光電気混載基板１を湾曲させた場合でも、光導波路２１の湾曲に応じて第１の基板１１も湾曲可能であるため、密着性の低下が防止される。さらに、密着界面には隙間が生じ難くなるので、光路上における伝送効率の低下が防止されるという利点もある。

また、第１の基板１１の構成材料として選択される可撓性材料は、その熱膨張率が、後述する第２の基板１２の構成材料と光回路層２の構成材料（光導波路材料）との中間的な値を示すものが多いため、第１の基板１１は、第２の基板１２と光回路層２の中間層として位置づけられる。前述したように、第１の基板１１は可撓性を有していることから、第１の基板１１は、各層間に発生する変形応力を緩和させる機能を有するものとなる。すなわち、第１の基板１１は、製造工程や実装工程、あるいは実使用環境中において、熱膨張差に基づいて層間に発生し得る応力の蓄積を緩和することにより、熱履歴による剥離、破壊等を確実に防止することができる。

なお、第１の基板１１のヤング率（引張弾性率）は、一般的な室温環境下（２０〜２５℃前後）で１〜２０ＧＰａ程度であるのが好ましく、２〜１２ＧＰａ程度であるのがより好ましい。ヤング率の範囲がこの程度であれば、第１の基板１１は、上述したような効果を得る上で十分な可撓性を有するものとなる。

このような第１の基板１１を構成する材料としては、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、各種ビニル系樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂等のポリエステル系樹脂等の各種樹脂材料が挙げられるが、なかでもポリイミド系樹脂を主材料とするものが好ましく用いられる。ポリイミド系樹脂は、耐熱性が高く、優れた透光性および可撓性を有していることから、第１の基板１１の構成材料として特に好適である。

なお、第１の基板１１の具体例としては、ポリエステル銅張フィルム基板、ポリイミド銅張フィルム基板、アラミド銅張フィルム基板等に使用されるフィルム基板が挙げられる。

また、第１の基板１１の平均厚さは、５〜５０μｍ程度であるのが好ましく、１０〜４０μｍ程度であるのがより好ましい。このような厚さの第１の基板１１であれば、その構成材料によらず、十分な可撓性を有するものとなる。また、第１の基板１１の厚さが前記範囲内であれば、光電気混載基板１の薄型化が図られるとともに、受発光部７１と光導波路２１との離間距離を十分に短縮することができ、第１の基板１１の透過損失が抑制される。

さらには、第１の基板１１の厚さが前記範囲内であれば、光信号の発散によって伝送効率が低下するのを防止することができる。例えば、光導波路２１を伝搬してきた後、ミラー２２により上方に反射された光は、広く発散してしまう前に受発光部７１に到達することができる。このため、受発光部７１に到達する光量が減少するのを防止して、光通信のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、上記の理由から、光信号を収束させるためのレンズが不要になるので、光電気混載基板１の構造を簡略化することができ、製造歩留まりを向上させることができる。

一方、受発光部７１が発光部である場合には、発光した光が発散してしまう前にミラー２２に到達させることができる。

第１の基板１１上には、第２の基板１２が積層されている。
第２の基板１２は、第１の基板１１よりも剛性の高い基板である。具体的には、第２の基板１２のヤング率（曲げ弾性率）は、一般的な室温環境下（２０〜２５℃前後）で５〜５０ＧＰａ程度であるのが好ましく、１２〜３０ＧＰａ程度であるのがより好ましい。ヤング率の範囲がこの程度であれば、第２の基板１２は、上述したような効果をより確実に発揮することができる。

また、前述したように、第２の基板１２は、四角形の枠状をなす基板であるが、この枠は、必ずしも閉じた枠でなくてもよく、一部が開いた枠であってもよい。この場合、四角形の４辺のうち、開放箇所は１辺かその長さ以下であるのが好ましい。これにより、第２の基板１２は、その効果を十分に発揮し得るものとなる。また、第２の基板１２を他の電気基板に搭載する際の搭載精度および作業性向上の観点から、第２の基板１２には位置合わせのための凹部、凸部、孔部あるいは切欠部が設けられていてもよい。

このような第２の基板１２を構成する材料としては、例えば、紙、ガラス布、樹脂フィルム等を基材とし、この基材に、フェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂等の樹脂材料を含浸させたものが挙げられる。

具体的には、ガラス布・エポキシ銅張積層板等のガラス基材銅張積層板や、ガラス不織布・エポキシ銅張積層板等のコンポジット銅張積層板に使用される絶縁基板のほか、ポリエーテルイミド樹脂基板、ポリエーテルケトン樹脂基板、ポリサルフォン系樹脂基板等の耐熱・熱可塑性の有機系リジッド基板や、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板、炭化ケイ素基板等のセラミックス系リジッド基板が挙げられる。

また、第２の基板１２の平均厚さは、特に限定されないが、好ましくは３００μｍ〜３ｍｍ程度、より好ましくは５００μｍ〜２．５ｍｍ程度とされる。このような厚さの第２の基板１２は、十分な剛性を有するとともに、受発光素子７および半導体素子８よりも厚いために、これらを確実に囲うことができる。その結果、受発光素子７および半導体素子８は、第２の基板１２の内側の空間１３内に内包されることとなり、これらの素子が光電気混載基板１全体の厚さに影響を及ぼすことが防止される。その結果、光電気混載基板１の薄型化が確実に図られることとなる。

なお、第２の基板１２は、１枚の基板であってもよいが、複数層の基板を積層してなる多層基板（ビルドアップ基板）であってもよい。この場合、多層基板の層間には、パターニングされた導電層が含まれており、任意の電気回路が形成されていてもよい。これにより、第２の基板１２が小面積であっても、内部に複雑な電気回路を構築することができ、回路の高密度化が図られる。

また、第２の基板１２には、図１および図２に示すように、厚さ方向に貫通する複数の円柱状の貫通孔１２１が設けられている。これらの貫通孔１２１は、枠状をなす第２の基板の全周にわたり、等間隔に列をなして並んでいる。

各貫通孔１２１には、導電性材料が充填されているか、または内壁面に沿って導電性材料の被膜が成膜されている。これにより、各貫通孔１２１内にはそれぞれ貫通ビア構造１５１が形成されている。

各貫通孔１２１の開口部（上方の開口端近傍）には、各貫通ビア構造１５１と電気的に接続された接続端子１５２と、各接続端子１５２上に設けられたバンプ１５３とが設けられている。

一方、第１の基板１１上には、導電性材料で構成された配線パターン（電気配線）１５が設けられている。この配線パターン１５により、受発光素子７の電極パッド７２や半導体素子８の電極パッド８２と各貫通ビア構造１５１とが接続されている。このため、バンプ１５３、接続端子１５２、貫通ビア構造１５１および配線パターン１５を介して、受発光素子７や半導体素子８に外部からの駆動電力や制御信号を送出することができる。

接続端子１５２、貫通ビア構造１５１および配線パターン１５に用いられる導電性材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の各種金属材料が挙げられる。

貫通ビア構造１５１は、例えば、各種めっき法により貫通孔１２１の内壁面に導電性の被膜を成膜することで形成される。

また、配線パターン１５の平均厚さは、配線パターン１５の構成材料や配線パターン１５に要求される電気抵抗値等に応じて適宜設定されるものの、一例として１〜３０μｍ程度とされる。

また、配線パターン１５の幅も、配線パターン１５の構成材料や配線パターン１５に要求される電気抵抗値等に応じて適宜設定されるものの、一例として２〜１０００μｍ程度であるのが好ましく、５〜５００μｍ程度であるのがより好ましい。

なお、このような配線パターン１５は、例えば、一旦全面に形成された導電層をパターニングする（例えば銅張基板の銅箔をパターニングする）方法、別途用意した基板上にあらかじめパターニングされた導電層を転写する方法等により形成される。

各貫通孔１２１の開口部に設けられる接続端子１５２は、各貫通ビア構造１５１の上端面であってもよく、その上端面に連結し、より面積の広いパッドであってもよい。

また、接続端子１５２上に設けられるバンプ１５３は、各種ハンダ、各種ろう材等で構成されたボール状またはランド状の電極である。

このうち、ハンダまたはろう材としては、Ｓｎ−Ｐｂ系の鉛ハンダの他、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系の各種鉛フリーハンダ、ＪＩＳに規定された各種低温ろう材等が挙げられる。

なお、かかるバンプ１５３は、光電気混載基板１を他の部材に対して電気的に接続する際に、その接続を担う電極である。バンプ１５３により、光電気混載基板１は、ＢＧＡ(Ball Grid Array)タイプやＬＧＡ(Land Grid Array)タイプの実装が可能になる。

また、接続端子１５２とハンダ（またはろう材）とが接触することにより、接続端子１５２を構成する金属成分の一部がハンダ側に溶解する現象が生じるおそれがある。この現象は、特に銅製端子に対して生じる場合が多いことから「銅食われ」と呼ばれている。銅食われが発生すると、接続端子１５２が薄くなったり、欠損したりする等の不具合を招き、接続端子１５２の機能を損なうおそれがある。

そこで、導電性材料と接する接続端子１５２の表面には、あらかじめ、ハンダの下地として銅食われ防止膜（下地層）を形成しておくのが好ましい。この銅食われ防止膜の形成により、銅食われが防止され、接続端子１５２の機能を長期にわたって維持することができる。

銅食われ防止膜の構成材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、スズ（Ｓｎ）、パラジウム（Ｐｄ）等が挙げられ、銅食われ防止膜は、これらの金属組成１種からなる単層であってもよく、２種以上を含む複合層（例えば、Ｎｉ−Ａｕ複合層、Ｎｉ−Ｓｎ複合層等）であってもよい。

銅食われ防止膜の平均厚さは、特に限定されないが、０．０５〜５μｍ程度であるのが好ましく、０．１〜３μｍ程度であるのがより好ましい。これにより、銅食われ防止膜そのものの電気抵抗を抑制しつつ、十分な銅食われ防止作用を発現させることができる。

第２の基板１２の内側に設けられる受発光素子７は、前述したように、下面に受発光部７１と電極パッド７２とを有するものであるが、具体的には、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子、フォトダイオード（ＰＤ、ＡＰＤ）等の受光素子である。

一方、受発光素子７に隣接する半導体素子８は、受発光素子７の動作を制御する素子であり、下面には、電極パッド８２を有している。かかる半導体素子８としては、ドライバーＩＣや、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）、リミッティングアンプ（ＬＡ）等を含むコンビネーションＩＣの他、各種ＬＳＩ、ＲＡＭ等が挙げられる。

このようにして枠状の第２の基板１２の内側に受発光素子７および半導体素子８が載置された結果、仮に外側から光素子搭載基板１０に外力が付与されたとしても、第２の基板１２によって外力が受け止められることとなり、外力がこれらの素子に付与されることが防止される。その結果、受発光素子７および半導体素子８に生じる故障や脱落等の不具合が防止され、信頼性の高い光電気混載基板１が得られる。特に、第２の基板１２は、受発光素子７や半導体素子８の全周を囲うように設けられているため、全方位からの外力に対して各素子の保護が可能である。

なお、受発光素子７の電極パッド７２と配線パターン１５との接続、および、半導体素子８の電極パッド８２と配線パターン１５との接続は、上述したような電極パッドと配線パターンとを重ね合わせる接続方法に限定されず、例えばワイヤーボンディング技術により接続されてもよい。

ワイヤーボンディングによれば、電極パッドと配線パターンとの電気的接続において、接続される両者の熱膨張差を無視することができる。例えば熱履歴に伴って光素子搭載基板１０が変形したときに、電極パッドと配線パターンとの間で変形量に差が生じたとしても、柔軟性の高いボンディングワイヤーがこの差を吸収することで、電極パッドと配線パターンとの電気的接続が確実に維持されるという利点もある。なお、電極パッドと配線パターンとの電気的接続は、これらの方法に限定されず、例えば異方性導電フィルム（ＡＣＦ）、異方性導電ペースト（ＡＣＰ）を用いた方法でもよい。

また、第１の基板１１の上面と第２の基板１２の内面とで画成される空間１３には、少なくとも受発光素子７全体および半導体素子８全体を覆うようにモールド樹脂（封止樹脂）１４が充填されている。このモールド樹脂１４により、受発光素子７および半導体素子８は、耐候性（耐熱性、耐湿性、気圧変化等）、振動、外力、応力集中、異物付着等から確実に保護される。

なお、配線パターン１５や、受発光素子７の電極パッド７２、半導体素子８の電極パッド８２は、それぞれ所定の厚さを有していることから、第１の基板１１の上面に載置した際には、これらの素子本体は、第１の基板１１の上面からやや浮いた状態となる。その結果、これらの素子と第１の基板１１の上面との間には隙間が生じるが、モールド樹脂１４は、この隙間にも侵入し、隙間を充填する。

この場合、モールド樹脂１４は光路上にも存在することになるので、できるだけ透光性の高いものが好ましい。また、モールド樹脂１４と第１の基板１１との界面の透光性を高めるためには、モールド樹脂１４は、その屈折率が、第１の基板１１の屈折率と近いことが好ましい。具体的には、両者の屈折率差は、０．０５以下であるのが好ましい。

モールド樹脂１４としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂等が挙げられる。

また、光素子搭載基板１０では、有底の空間１３にモールド樹脂１４が充填されるため、未硬化時であっても、充填されたモールド樹脂１４が空間１３の外側に流れ出すおそれがない。このため、充填時のモールド樹脂１４の粘度は、特に制御される必要がなく、充填作業が容易である。

なお、受発光素子７と第１の基板１１との間の隙間、またはこの隙間とその周辺には、アンダーフィル剤を充填するようにしてもよい。このアンダーフィル剤としては、透光性を有するものが用いられ、具体的には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂を主材料とするものが好ましく用いられる。また、アンダーフィル剤を用いた場合には、その上から充填されるモールド樹脂１４は必ずしも透光性を有していなくてもよい。

以上のような光素子搭載基板１０は、その下面が光回路層２と接するように積層するだけで、光信号の伝送効率が高い光電気混載基板１を、極めて簡単に製造可能であるという利点を有する。

なお、光素子搭載基板１０の第１の基板１１および配線パターン１５は、それぞれ第２の基板１２の外側に延伸した延伸部分１６を有しているのが好ましい。具体的には、図３に示すように、第１の基板１１および配線パターン１５は、第２の基板１２の外側に延伸しており、その延伸部分１６は、光回路層２の端面に沿って下方に９０°折り曲げられ、さらに９０°折り曲げられて光回路層２の下面に積層されている。このような延伸部分１６では、配線パターン１５が露出していることから、配線パターン１５を介して効率よく放熱することが可能である。すなわち、配線パターン１５は熱伝導性が高いことから、受発光素子７および半導体素子８から発生した熱を効率よく伝搬し、延伸部分１６において放熱することで放熱体として機能する。これにより、受発光素子７や半導体素子８が過熱するのを防止し、熱による素子の特性低下を防止することができる。なお、図３に示す光素子搭載基板１０は、延伸部分１６を有する以外は、図２に示す光素子搭載基板１０と同様である。

また、延伸部分１６に位置する配線パターン１５の線幅は、空間１３に位置する配線パターン１５に比べて広いことが好ましく、延伸部分１６に位置する第１の基板１１全体を覆うように設けられていることがより好ましい。これにより配線パターン１５において放熱に寄与する面積が大きくなることから、放熱効率を高めることができる。

さらに、配線パターン１５の厚さを厚くしたり、表面に凹凸を形成することで、放熱効率をより高めることができる。

なお、延伸部分１６が折り曲げられた結果、延伸部分１６は、光素子搭載基板１０の下方を覆う電磁シールドとして機能する。その結果、外部空間からの電磁波ノイズが配線パターン１５を流れる電気信号に重畳するのを防止したり、反対に、配線パターン１５を流れる電気信号が外部空間に漏れ出るのを防止することができる。

また、図３に示す延伸部分１６には、ヒートシンク１７が設けられている。このヒートシンク１７により、延伸部分１６の放熱性をより高めることができる。ヒートシンク１７は、銅、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料からなるブロック体であり、放熱フィンを備えたものが好ましい。

また、この延伸部分１６は、光電気混載基板１を実装する実装基板側に積層するようにしてもよい。例えば、図４に示す光電気混載基板１は、バンプ１５３を介して実装基板９に実装されている。

実装基板９は、絶縁基板９１と、絶縁基板９１の下面に設けられた配線パターン９２とを有している。光電気混載基板１は、バンプ１５３と配線パターン９２とが接するように実装され、これにより配線パターン９２と配線パターン１５とが電気的に接続されている。

また、図４に示す実装基板９は、その下方に設けられた放熱フィン９３０を備えるヒートシンク９３と、ヒートシンク９３と配線パターン９２との間を絶縁する絶縁基板９４とを有している。一方、図４に示す光電気混載基板１の延伸部分１６は、左方に水平に延伸しており、ヒートシンク９３の下面に積層されている。これにより、延伸部分１６の放熱性がより高められる。

なお、延伸部分１６を積層する相手は、ヒートシンク９３に限らず、絶縁基板９１、配線パターン９２等であってもよく、その他の図示しない筐体等であってもよい。また、図４に示す光素子搭載基板１０は、延伸部分１６の構成が異なること以外は、図３に示す光素子搭載基板１０と同様である。

なお、光素子搭載基板１０は、光回路層２の一方の端部上に積層されていても、両端部上に積層されていてもよい。

図５（ａ）に示す光電気混載基板１は、光回路層２の両端部上にそれぞれ光素子搭載基板１０が積層されてなるものである。また、光素子搭載基板１０の積層箇所に対応して、それぞれミラー２２が形成されている。これにより、光電気混載基板１では、一方の光素子搭載基板１０において電気信号から光信号が生成され、得られた光信号は光回路層２で他方の光素子搭載基板１０に伝搬される。他方の光素子搭載基板１０では、受光した光信号から電気信号を生成する。このようにして両端部間で光信号によるデータ通信を行うことができる。

一方、図５（ｂ）に示す光電気混載基板１では、光回路層２の一方の端部上には光素子搭載基板１０が積層されており、他方の端部には、光回路層２と接続相手との接続を担うコネクター２０が設けられている。コネクター２０としては、光ファイバーとの接続に用いられるＰＭＴコネクター等が挙げられる。すなわち、コネクター２０は、例えば光ファイバー等と連結されることにより、光導波路２１が光ファイバーで延長されることとなり、より長距離の光通信が可能になる。

なお、図５に示す光電気混載基板１は、いずれも一方の端部と他方の端部とを１対１で接続する場合を前提にした構成であるが、光回路層２の途中に複数の分岐が可能な光スプリッターを介在させることにより、１対複数の接続が可能になる。この場合、複数の端部には、全てに光素子搭載基板１０が積層されていてもよく、一部に光素子搭載基板１０が積層され、残りにはコネクター２０が設けられていてもよく、全てにコネクター２０が設けられていてもよい。

＜光電気混載基板の製造方法＞
次に、上述したような光電気混載基板１を製造する方法の一例について説明する。

図１に示す光電気混載基板１は、光回路層２および光素子搭載基板１０をそれぞれ用意し、これらを積層することで製造される。

［１］光素子搭載基板の製造
まず、光電気混載基板１の製造に用いられる光素子搭載基板１０の製造方法について説明する。

［１−１］配線パターンの製造
第１の基板１１を用意し、その上面の一部または全部を覆うように導電層を形成する。

この導電層は、前述した金属組成の被膜であり、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の物理蒸着法、電解めっき、無電解めっき等のめっき法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法等の方法により形成される。

次いで、この導電層を、各種パターニング法によりパターニングする。パターニング法としては、例えばフォトリソグラフィー法とエッチング法とを組み合わせた方法が挙げられる。

以上のようにして、図６（ａ）に示すように、第１の基板１１上に配線パターン１５が形成される。

［１−２］第２の基板の積層
次いで、図６（ａ）に示すように、配線パターン１５を設けた第１の基板１１上に、貫通ビア構造１５１や接続端子１５２を設けた第２の基板１２を積層する。

第１の基板１１と第２の基板１２との間は、それぞれ熱圧着や、各種接着剤（粘着剤を含む。）による接着等の方法で接着される。

接着剤としては、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、ウレタン系接着剤、シリコーン系接着剤の他、各種ホットメルト接着剤（ポリエステル系、変性オレフィン系）等が挙げられる。また、特に耐熱性の高いものとして、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリイミドアミドエーテル、ポリエステルイミド、ポリイミドエーテル等の熱可塑性ポリイミド接着剤が挙げられる。

なお、この積層により、配線パターン１５と貫通ビア構造１５１とが電気的に接続される。

［１−３］素子の搭載
次いで、図６（ｂ）に示すように、第２の基板１２の内側に受発光素子７および半導体素子８を搭載する。これにより、配線パターン１５と、受発光素子７の電極パッド７２および半導体素子８の電極パッド８２とが電気的に接続される。

次いで、図６（ｃ）に示すように、第２の基板１２の内側の空間１３にモールド樹脂１４を供給し、固化させる。これにより、空間１３に設けられた受発光素子７および半導体素子８がモールド樹脂１４で封止される。

次いで、図６（ｄ）に示すように、接続端子１５２上にバンプ１５３を設ける。このようなバンプ１５３は、ハンダやろう材の溶融物またはボールを接続端子１５２上に供給する方法や、ハンダペースト（ろう材ペースト）を塗布したのち乾燥させる方法等により形成される。
以上のようにして光素子搭載基板１０が得られる。

［２］光回路層の製造
まず、クラッド層２１１、コア層２１３およびクラッド層２１２をそれぞれ製造する。これらは、基材上に、各層の形成用組成物を塗布して液状被膜を形成した後、この基材をレベルテーブルに載置して、液状被膜表面の不均一な部分を水平化するとともに、溶媒を蒸発（脱溶媒）することにより形成される。

液状被膜を形成するための塗布法としては、例えば、ドクターブレード法、スピンコート法、ディッピング法、テーブルコート法、スプレー法、アプリケーター法、カーテンコート法、ダイコート法等の方法が挙げられる。

また、同一層（コア層２１３）内に、コア部２１４と、側面クラッド部２１５を形成する方法としては、例えば、フォトブリーチング法、フォトリソグラフィー法、直接露光法、ナノインプリンティング法、モノマーディフュージョン法等が挙げられる。

その後、形成したクラッド層２１１、コア層２１３およびクラッド層２１２を、互いに圧着する。これにより、クラッド層２１１、コア層２１３およびクラッド層２１２が接合、一体化され、光回路層２（光導波路２１）が得られる。

［３］光電気混載基板の製造
次に、光素子搭載基板１０を用いて光電気混載基板１を製造する方法について説明する。

光回路層２および光素子搭載基板１０を順次積層し、層間を接着する。これにより図６（ｅ）に示す光電気混載基板１が得られる。

各層間は、それぞれ熱圧着や、前述した各種接着剤（粘着剤を含む。）による接着等の方法で接着されるが、クラッド層２１２が接着性を有している場合には、その接着性を利用して接着するようにしてもよい。

＜電子機器＞
本発明の光電気混載基板を備える電子機器（本発明の電子機器）は、光信号と電気信号の双方の信号処理を行ういかなる電子機器にも適用可能であるが、例えば、ルーター装置、ＷＤＭ装置、携帯電話、ゲーム機、パソコン、テレビ、ホーム・サーバー等の電子機器類への適用が好適である。これらの電子機器では、いずれも、例えばＬＳＩ等の演算装置とＲＡＭ等の記憶装置との間で、大容量のデータを高速に伝送する必要がある。したがって、このような電子機器が本発明の光電気混載基板を備えることにより、電気配線に特有なノイズ、信号劣化等の不具合が解消されるため、その性能の飛躍的な向上が期待できる。

さらに、光導波路部分では、電気配線に比べて発熱量が大幅に削減される。このため、基板内の集積度を高めて小型化が図られるとともに、冷却に要する電力を削減することができ、電子機器全体の消費電力を削減することができる。

以上、本発明の光素子搭載基板、光電気混載基板および電子機器の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば光素子搭載基板や光電気混載基板を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。

例えば、光回路層２の上面および下面には、それぞれカバーフィルムが積層されていてもよい。カバーフィルムにより、光回路層２を確実に保護することができる。なお、カバーフィルムとしては、第１の基板１１と同様のものが用いられる。

また、前記実施形態では、コア部２１４が１本である光導波路２１（シングルチャンネル）について説明したが、コア部２１４が複数本である光導波路（マルチチャンネル）についても本発明を適用することができる。この場合、複数のコア部２１４にそれぞれ対応してミラーが形成され、このミラーに対応してそれぞれ受発光素子７が設けられる。なお、この複数の受発光素子７は、１つの第２の基板１２の内側にまとめて配置されるようにしてもよく、個々の受発光素子７がそれぞれ個別の第２の基板１２の内側に配置されるようにしてもよい。

また、受発光素子７として、複数の受発光部７１と複数の電極パッド７２とを有するものを用いる場合には、マルチチャンネルの光導波路を横断するように１つの受発光素子７を設けるようにすればよい。

１ 光電気混載基板
１０ 光素子搭載基板
１１ 第１の基板
１２ 第２の基板
１２１ 貫通孔
１３ 空間
１４ モールド樹脂
１５ 配線パターン
１５１ 貫通ビア構造
１５２ 接続端子
１５３ バンプ
１６ 延伸部分
１７ ヒートシンク
２ 光回路層
２０ コネクター
２１ 光導波路
２１１、２１２ クラッド層
２１３ コア層
２１４ コア部
２１５ 側面クラッド部
２２ ミラー
７ 受発光素子
７１ 受発光部
７２ 電極パッド
８ 半導体素子
８２ 電極パッド
９ 実装基板
９１ 絶縁基板
９２ 配線パターン
９３ ヒートシンク
９３０ 放熱フィン
９４ 絶縁基板

Claims (13)

1. 可撓性を有する第１の基板と、前記第１の基板上に設けられた電気配線と、前記第１の基板上に載置され、前記第１の基板に臨む受光部または発光部を備える光素子と、前記光素子の周囲を囲うように前記第１の基板上に載置され、前記第１の基板よりも剛性の高い第２の基板と、前記第２の基板を厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記貫通孔内に設けられ前記電気配線と電気的に接続された貫通ビア構造と、前記貫通ビア構造と電気的に接続され、前記第２の基板の表面から突出するように設けられたバンプと、を備える光素子搭載基板と、
   線状のコア部と該コア部の側面を覆うように設けられたクラッド部とを備え、前記第１の基板と接するように前記光素子搭載基板と積層された光導波路と、
   前記光素子と前記光導波路とを光学的に接続する光路変換手段と、
   絶縁基板と、前記絶縁基板に設けられた配線パターンと、を備える実装基板と、
   を有し、
   前記バンプと前記配線パターンとが接するように、前記光素子搭載基板と前記実装基板とが積層されていることを特徴とする光電気混載基板。
2. 前記第１の基板および前記電気配線は、それぞれ前記第２の基板の外側に延伸している延伸部分を備えている請求項１に記載の光電気混載基板。
3. 前記第２の基板は、前記光素子の全周を囲う枠状のものである請求項１または２に記載の光電気混載基板。
4. 前記第２の基板の厚さは、前記光素子の厚さより厚い請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光電気混載基板。
5. 前記第１の基板の平均厚さは、５〜５０μｍである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光電気混載基板。
6. 前記光素子搭載基板は、さらに、前記第２の基板の内側に設けられ、前記光素子の動作を制御する制御素子を備える請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光電気混載基板。
7. 前記第１の基板の上面と前記第２の基板の内面とで画成される空間の少なくとも一部が封止樹脂で充填されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光電気混載基板。
8. 前記封止樹脂は、前記光素子全体を覆うように充填されている請求項７に記載の光電気混載基板。
9. 前記光素子搭載基板は、前記光導波路の一方の端部、または、双方の端部にそれぞれ積層されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光電気混載基板。
10. 前記光素子搭載基板は、前記光導波路の一方の端部に設けられており、
    当該光電気混載基板は、前記光導波路の他方の端部に設けられ、該光導波路を接続相手と接続するコネクターを備える請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光電気混載基板。
11. 前記第１の基板および前記電気配線は、それぞれ前記第２の基板の外側に延伸した延伸部分を備えており、該延伸部分は、途中で折り曲げられ、前記光導波路の前記第２の基板側の面からそれと反対の側の面にかけて覆うよう構成されている請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光電気混載基板。
12. 前記第１の基板および前記電気配線は、それぞれ前記第２の基板の外側に延伸した延伸部分を備えており、
    当該光電気混載基板は、さらに、前記延伸部分に設けられたヒートシンクを有している請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の光電気混載基板。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の光電気混載基板を備えたことを特徴とする電子機器。

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