(57)【要約】【課題】精密な位置合わせの必要がなく、コストの安い、光インターフェイスＢＧＡの実装方法を提供する。また、光学的な接合に優れ、量産性に適する、光学部品を提供する。【解決手段】本発明の実装方法は、光学素子と板状の光学部品とを有する光インターフェイスＢＧＡの実装方法であって、光学部品が、同一の配向性を有する複数の光導波性柱状体と、隣接する柱状体の間に光導波性のない材料または柱状体と屈折率の異なる材料からなる層とを有し、柱状体の横断面が直径１００μｍ以下の円または最大径が１００μｍ以下の多角形であり、光学部品の横断面における柱状体の占積率が４０％以上である光学部品により、プリント配線基板の光学素子に光接続することを特徴とする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子と板状の光学部品とを有する光インターフェイスボールグリッドアレイの実装方法であって、前記光学部品が、同一の配向性を有する複数の光導波性柱状体と、隣接する該柱状体の間に光導波性のない材料または前記柱状体と屈折率の異なる材料からなる層とを有し、前記柱状体の横断面が直径１００μｍ以下の円または最大径が１００μｍ以下の多角形であり、光学部品の横断面における前記柱状体の占積率が４０％以上である光学部品により、プリント配線基板の光学素子に光接続する光インターフェイスボールグリッドアレイの実装方法。
【請求項２】
同一の配向性を有する複数の穴が並設された板状体の前記穴に樹脂を充填することにより製造する光学部品。
【請求項３】
同一の配向性を有する複数の柱状体が並設された板状体の前記柱状体の周囲に樹脂を充填することにより製造する光学部品。
【請求項４】
同一の配向性を有する複数の光導波性柱状体が、隣接する該柱状体の間にある光導波性のない材料または前記柱状体と屈折率の異なる材料からなる層から突出し、突出部が凸レンズ構造を有する請求項２または３に記載の光学部品。
【請求項５】
同一の配向性を有する複数の光導波性柱状体が、隣接する該柱状体の間にある光導波性のない材料または前記柱状体と屈折率の異なる材料からなる層の２倍以上の硬度を有し、突出部の前記凸レンズ構造が研磨により形成される請求項４に記載の光学部品。
【請求項６】
金型を用いたモールドにより製造した板状体であって、同一の配向性を有する複数の穴が並設された板状体を用いる光学部品の製造方法。
【請求項７】
金型を用いたモールドにより製造した板状体であって、同一の配向性を有する複数の柱状体が並設された板状体を用いる光学部品の製造方法。
【請求項８】
前記金型は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、前記樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程を含む方法により製造される請求項６または７に記載の光学部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の表面実装方法に関し、特に光接続を行なうボールグリッドアレイの実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体を収納し、外部環境から保護し、プリント配線基板に実装するために、半導体パッケージが使用され、実装方法により、表面実装型パッケージと挿入実装型パッケージとに分類される。表面実装型パッケージのうち、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）は、パッケージのベース面にハンダボールが一定の間隔で格子状に並べられ、プリント配線基板の表面にあるハンダ付けパターンにハンダ付けすることにより実装する。
【０００３】
ＢＧＡについては、信号の高速化に伴う、電極間のクロストークおよび基板の製作設計コストの大幅増などの問題を解消し、パッケージ間のインピーダンスのマッチングを高めるため、光実装技術を加えた光インターフェイスＢＧＡの開発が進められている。
【０００４】
光インターフェイスＢＧＡは、典型的には、図２に示すように、半導体２１と、パッケージ基板２２と、ハンダボール２３と、からなり、パッケージ基板２２のベース面には、高速信号を送受信するために、送信用の面発光レーザ２４と受信用のフォトダイオード（図示していない。）とが樹脂層２６により封止され、樹脂層２６上にマイクロレンズ２５ａが取り付けられている。
【０００５】
光インターフェイスＢＧＡをプリント配線基板上に実装した後の状態を図３に示す。半導体３１とパッケージ基板３２が、ハンダボール３３を介して、プリント配線基板３７に実装している。ハンダボール３３を介して実装するため、パッケージ基板３２とプリント配線基板３７との間の距離Ｗは、およそハンダボール３３の直径に等しく、通常４００μｍである。この距離Ｗにおいて光が散乱し、隣合う光信号との間でクロストークが生じないようにするために、面発光レーザ３４から発せられた光を、マイクロレンズ３５ａにより平行光とし、プリント配線基板３７側のマイクロレンズ３５ｂにまで到達すると、マイクロレンズ３５ｂにより集光し、光導波路３８に導かれる（日経エレクトロニクス、２００１年１２月３日発行、１２４頁）。
【０００６】
マイクロレンズの製造方法としては、レジスト・リフロー法が知られている（Ｄ．　Ｄａｌｙ，　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｒｏｃ．　ＭｉｃｒｏｌｅｎｓＡｒｒａｙｓ　Ｔｅｄｄｉｎｇｔｏｎ．，　ｐ２３−３４，　１９９１）。この方法は、基板上に形成した樹脂をフォトリソグラフィにより円筒状にパターニングし、加熱によりリフローさせて、樹脂の表面張力によりマイクロレンズを作成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、マイクロレンズを使用する光インターフェイスＢＧＡでは、実装に際して、光学素子と、光導波路と、マイクロレンズと、の位置合わせが難しく、Ｘ方向およびＹ方向のみならず、Ｚ軸方向の位置合わせも必要である。また、マイクロレンズの形状は、樹脂の表面張力、粘度および温度などにより一定ではないため、光インターフェイスＢＧＡのベース面に複数形成するすべてのマイクロレンズの焦点が完全に合うようにＺ方向の位置を合わせることは不可能に近く、時間と手間がかかる。
【０００８】
また、前述のとおりマイクロレンズの形状は一定ではないため、歩留りが低く、ＢＧＡ上に直接作りこむため、マイクロレンズのリペアは不可能である。したがって、ＢＧＡのベース面に形成される複数のマイクロレンズのうち一部に不良があった場合、半導体も含めてＢＧＡ全体を廃棄せざるを得ず、損失が大きい。さらに、マイクロレンズの製造には複雑な工程を必要とし、コストも高い。
【０００９】
本発明の課題は、第１に、精密な位置合わせの必要がなく、コストの安い、光インターフェイスＢＧＡの実装方法を提供することにある。本発明の課題は、第２に、光学的な接合に優れ、量産性に適する、光学部品を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の実装方法は、光学素子と板状の光学部品とを有する光インターフェイスＢＧＡの実装方法であって、光学部品が、同一の配向性を有する複数の光導波性柱状体と、隣接する柱状体の間に光導波性のない材料または柱状体と屈折率の異なる材料からなる層とを有し、柱状体の横断面が直径１００μｍ以下の円または最大径が１００μｍ以下の多角形であり、光学部品の横断面における柱状体の占積率が４０％以上である光学部品により、プリント配線基板の光学素子に光接続することを特徴とする。
【００１１】
本発明の光学部品は、同一の配向性を有する複数の穴が並設された板状体を形成し、その穴に樹脂を充填する方法か、または同一の配向性を有する複数の柱状体が並設された板状体を形成し、その柱状体の周囲に樹脂を充填することにより製造することを特徴とする。光学部品は、同一の配向性を有する複数の光導波性柱状体が、隣接する柱状体の間にある光導波性のない材料または柱状体と屈折率の異なる材料からなる層から突出し、突出部が凸レンズ構造を有するものが好ましい。このような光学部品は、同一の配向性を有する複数の光導波性柱状体が、隣接する柱状体の間にある光導波性のない材料または柱状体と屈折率の異なる材料からなる層の２倍以上の硬度を有し、突出部の凸レンズ構造が研磨により形成されるものが好ましい。
【００１２】
本発明の光学部品の製造方法は、金型を用いたモールドにより製造した板状体であって、同一の配向性を有する複数の穴が並設された板状体を用いることを特徴とする。また、本発明の光学部品の別の製造方法は、金型を用いたモールドにより製造した板状体であって、同一の配向性を有する複数の柱状体が並設された板状体を用いることを特徴とする。使用する金型は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程を含む方法により製造されるものが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実装方法で使用する光インターフェイスＢＧＡは、図１（ａ）に示すように、光学素子１４と板状の光学部品１９とを有し、光学部品１９は、図１（ｂ）に示すように、同一の配向性を有する複数の光導波性柱状体１９ａを有する。本発明の光インターフェイスＢＧＡの実装方法においては、ＢＧＡの光学素子１４の上に光学部品１９を貼り付けて実装するだけで、光学部品１９により、プリント配線基板１７の光学素子１８にＢＧＡを光接続することができる。このため、ＢＧＡの光学素子１４と光学部品１９とのＺ方向の精密な位置合わせ、およびプリント配線基板１７の光学素子１８と光学部品１９とのＺ方向の精密な位置合わせは不要であり、実装コストを大幅に低減することができる。また、光学部品１９が不良の場合には、光学部品１９を剥がすだけで済み、光学素子１４、１８およびパッケージ基板１７などを再利用することができる。光学部品１９は、必要に応じて、プリント配線基板１７側の光学素子１８の上に貼りつけてもよい。
【００１４】
光学部品は、図１（ｂ）に示すように、光導波性を有する柱状体１９ａと、隣り合う柱状体１９ａの間に光導波性のない材料または柱状体１９ａと屈折率の異なる材料からなる層１９ｂとを有する。光導波性を有する柱状体１９ａを、光導波性のない材料からなる層１９ｂの中に設けることにより、導波する光をコリメートすることができる。また、周囲の層１９ｂの屈折率が、柱状体１９ａの屈折率と異なることにより、柱状体１９ａは光導波路としての機能を発揮する。光導波性を有する柱状体１９ａの材料としては、たとえば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、スチレン系樹脂、アリル系樹脂、非晶質シクロオレフィン樹脂などがあり、具体的には　Ｅｐｏｘｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＩＮＣ．　製の３０１、ＪＳＲ製のデソライトまたは　ＪＳＲ製のオプスタなどがある。また、光導波性柱状体の周囲にある層１９ｂの材料としては、たとえば、結晶性樹脂のポリプロピレン、ポリアセタール、ナイロン６、非晶性不透明樹脂のポリイミド、ポリアミドなどがある。また、非晶性透明樹脂のアクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリスルホンなどにカーボン、シリカなどのフィラーを充填したり、ＡＢＳ樹脂などとポリマーアロイしてもよい。
【００１５】
光学部品内にある柱状体の横断面は、直径１００μｍ以下の円または最大径が１００μｍ以下の多角形であり、直径５０μｍ以下の円または最大径が５０μｍ以下の多角形が好ましい。光インタフェイスＢＧＡの光学素子およびプリント配線基板の光学素子の口径より、光学部品内にある柱状体の口径を十分に小さくすることで、パッケージの実装に際して、Ｘ、Ｙ方向の位置合わせを不要とすることができる。多角形とは、たとえば、四角形、六角形または九角形などをいう。また、最大径が１００μｍ以下の多角形とは、最も長い対角線の長さが１００μｍ以下の多角形をいう。
【００１６】
光学部品の横断面における柱状体の占積率は、４０％以上であり、５５％以上が好ましい。柱状体の占積率を４０％以上とすることにより十分な量の光量を導波することができる。また、光学部品の厚さ（柱状体の高さ）は、パッケージの実装に際して、Ｚ方向の位置合わせおよびマイクロレンズが不要となる点で、光インターフェイスＢＧＡの光学素子からプリント配線基板の光学素子までの距離の１００％〜７０％が好ましい。
【００１７】
光学部品は、同一の配向性を有する複数の穴が並設された板状体を形成し、その穴に樹脂を充填することにより製造することができる。このような板状体は、金型を用いたモールドにより形成することができる。これらの方法は、簡単な工程で容易に行なうことができるため、量産性に優れている。また、これらの方法は、実装（接着）が容易で、コストの安いプラスチックの成形方法として優れており、穴径５μｍ〜１００μｍ、板厚５０μｍ〜５００μｍ、占積率７０％以下およびアスペクト比２０以下の微細穴構造を形成することができる。
【００１８】
これらの方法により光学部品を製造するときは、図４（ａ）に示すように、凸部を有する金型４２を用いて、プレスまたは射出成形などのモールドにより、図４（ｂ）に示すような凹状の（穴を有する）樹脂型４３を形成する。樹脂としては、ポリアセタール、アクリル系樹脂、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。つぎに、図４（ｃ）に示すように、樹脂型４３の穴に、光導波性柱状体の材料である樹脂４９ａを充填した後、不要部分を研磨すると、図４（ｄ）に示すような光学部品４９が得られる。
【００１９】
光学部品は、そのほか、同一の配向性を有する複数の柱状体が並設された板状体を形成し、その柱状体の周囲に樹脂を充填することにより製造することができる。このような板状体は、金型を用いたモールドにより形成することができる。これらの方法は、簡単な工程で容易に行なうことができるため、量産性に優れている。また、これらの方法は、実装（接着）が容易で、コストの安いプラスチックの成形方法として優れ、穴径５μｍ〜１００μｍ、板厚５０μｍ〜５００μｍ、占積率７０％以下およびアスペクト比２０以下の微細穴構造を形成することができる。
【００２０】
これらの方法により光学部品を製造するときは、図５（ａ）に示すように、凸部を有する金型５２を用いて、プレスまたは射出成形などのモールドにより、図５（ｂ）に示すような凸状の（柱状体を有する）樹脂型５３を形成する。樹脂としては、光導波性柱状体の材料を用いる。つぎに、図５（ｃ）に示すように、樹脂型５３の柱状体の周囲に、樹脂５９ｂを充填した後、不要部分を研磨すると、図５（ｄ）に示すような光学部品５９が得られる。樹脂５９ｂとしては、前述のとおり、光導波性のない材料または柱状体と屈折率の異なる材料を用いる。
【００２１】
光学部品の製造に際して使用する金型は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程を含む方法により製造することが好ましい。光学部品内の光導波性柱状体は、１００μｍ以下の口径、４０％以上の占積率、±２μｍ以下の寸法精度が要求され、また柱状体の壁面は５０ｎｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）とする必要がある。かかる微細構造体は、リソグラフィと電鋳を組合せた方法により容易に一体形成することができ、部品点数を減らし、組立て工程を簡略化することができる。
【００２２】
この製造方法は、図６（ａ）に示すように、導電性基板６１上にリソグラフィのための樹脂層６２を形成する。導電性基板として、たとえば、銅、ニッケル、ステンレス鋼などの金属製基板、チタン、クロムなどの金属材料をスパッタリングしたシリコン基板などを用いることができる。樹脂層を形成するための材料としては、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリメタクリル酸エステルを主成分とする樹脂材料、Ｘ線に感受性を有する化学増幅型樹脂材料などがある。樹脂層の厚さは、形成しようとする金型の凸部の高さに応じて任意に設定することができ、たとえば５０μｍ〜５００μｍとすることができる。
【００２３】
つぎに、樹脂材料６２上にマスク６３を配置し、マスク６３を介してＸ線６４（または紫外線）を照射する。Ｘ線としては、高いアスペクト比を実現することができる点で、シンクロトロン放射のＸ線（以下、「ＳＲ光」と略す。）が好ましい。マスク６３は、金型の所定のパターンに応じて形成したＸ線吸収層６３ａを有する。マスク６３を構成する透光性基材６３ｂには、たとえば窒化シリコン、シリコン、ダイヤモンド、チタンなどを用いることができる。また、Ｘ線吸収層６３ａには、たとえば金、タングステン、タンタルなどの重金属あるいはその化合物を用いることができる。Ｘ線６４の照射後、現像し、Ｘ線６４により変質した部分６２ａを除去すると、図６（ｂ）に示すような樹脂型６２ｂが得られる。
【００２４】
つぎに、電鋳を行ない、図６（ｃ）に示すように、樹脂型６２ｂに金属材料６５を堆積する。電鋳とは、金属イオン溶液を用いて導電性基板上に金属材料からなる層を形成することをいう。導電性基板６１をめっき電極として電鋳を行なうことにより、樹脂型６２ｂに金属材料６５を堆積することができ、堆積した金属材料６５からなる層が金型となる。金属材料としては、ニッケル、銅、それらの合金、またはパーマロイなどを用いることができるが、金型の耐摩耗を高める点で、ニッケルまたはニッケル合金が好ましい。
【００２５】
電鋳後、研磨または研削により所定の厚さに揃えてから、図６（ｄ）に示すように、ウエットエッチングまたはプラズマエッチングにより樹脂型６２ｂを除去すると、金型を得ることができる。
【００２６】
光学部品からの光をプリント配線基板の光学素子に集光する必要がある場合には、光学部品としては、隣接する柱状体の間にある光導波性のない材料または屈折率の異なる材料からなる層から光導波性柱状体が突出し、突出部が凸レンズ構造を有するものが好ましい。柱状体が突出し、突出部が凸レンズ構造を有する光学部品では、柱状体内を導波してきた光を、プリント配線基板の光学素子に集光することができる。同様に、光学部品のパッケージ基板側の面についても、必要に応じて、柱状体が突出し、突出部が凸レンズ構造を有するものとすることができる。
【００２７】
光学部品の柱状体が突出し、突出部が凸レンズ構造を有するものを製造するときは、柱状体が、隣接する柱状体の間にある光導波性のない材料または屈折率の異なる材料からなる層の２倍以上の硬度を有し、突出部の凸レンズ構造が研磨により形成されるものが、容易に製造することができ、量産性に優れる点で、好ましい。
【００２８】
光学部品の研磨に際しては、たとえば、図７（ａ）に示すような上下両面が平面構造を有する光学部品７９を、図７（ｂ）に示すように、研磨部分７１がゴムのような弾性体である回転パッドの上に置き、光学部品７９の上から研磨部分７１に向かって加圧しながら研磨することが好ましい。このような方法により、硬度の低い樹脂部分７９ｂが先に研磨され、図７（ｃ）に示すような突出した構造を有する柱状体７９ａを得ることができる。また、柱状体の突出部においては、エッジが先に研磨されるから、凸レンズ構造を容易に形成することができる。研磨時の押し付け圧、回転パッドの速度、研磨部分の砥粒および硬度ならびに樹脂部分の硬度などを変化させることにより、レンズの曲率などを微妙に調整することができる。
【００２９】
【実施例】
実施例１
まず、図６（ａ）に示すように、導電性基板６１上にリソグラフィのための樹脂層６２を形成した。導電性基板としては、チタンをスパッタリングしたシリコン基板を用いた。樹脂層を形成するための材料としては、メタクリル酸メチルとメタクリル酸との共重合体を用い、樹脂層の厚さは、形成しようとする光導波性柱状体の高さに合わせて、４００μｍとした。
【００３０】
つぎに、樹脂層６２上にマスク６３を配置し、マスク６３を介してＸ線６４を照射した。Ｘ線としては、ＳＲ装置（ＮＩＪＩ−ＩＩＩ）によりＳＲ光を照射した。マスク６３は、光導波性柱状体のパターンに応じて形成したＸ線吸収層６３ａを有するものを使用した。マスク６３を構成する透光性基材６３ｂは窒化シリコンからなるものを用い、Ｘ線吸収層６３ａは窒化タングステンからなるものを用いた。
【００３１】
Ｘ線６４の照射後、メチルイソブチルケトンにより現像し、Ｘ線６４により変質した部分６２ａを除去すると、図６（ｂ）に示すような樹脂型６２ｂが得られた。つぎに、電鋳を行ない、図６（ｃ）に示すように、樹脂型６２ｂに金属材料６５を堆積した。金属材料としては、ニッケルを用いた。電鋳後、研磨して表面の凹凸を除去してから、酸素プラズマにより樹脂型６２ｂを除去し、図６（ｄ）に示すような凸部を有する金型を得た。
【００３２】
つぎに、図４（ａ）に示すように、得られた金型４２を用いて射出成形により、図４（ｂ）に示すような樹脂型４３を形成した。樹脂としては、ポリアセタールを用いた。この樹脂型４３は、板状体であり、同一の配向性を有する複数の穴が並設されていた。つづいて、図４（ｃ）に示すように、樹脂型４３の穴に、光導波性柱状体の材料である樹脂４９ａを充填した後、不要部分を研磨し、図４（ｄ）に示すような光学部品４９を得た。樹脂４９ａとしては、Ｅｐｏｘｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＩＮＣ．　製の３０１を用いた。
【００３３】
得られた光学部品は、図１（ｂ）に示すように、同一の配向性を有する複数の光導波性柱状体１９ａと、隣り合う柱状体１９ａの間に結晶性樹脂であるポリアセタールからなる層１９ｂとを有していた。柱状体１９ａの横断面は、直径２０μｍの円であり、占積率は５０％であった。また、柱状体１９ａの高さは、４００μｍであり、柱状体１９ａのアスペクト比は２０であった。
【００３４】
光インターフェイスＢＧＡの実装方法に際しては、図１（ａ）に示すように、光学部品１９をＢＧＡの光学素子１４の上に貼り付けるだけで、光学部品１９により、プリント配線基板１７の光学素子１８に光接続することができた。ＢＧＡの光学素子１４と、プリント配線基板の光学素子１８との距離は、４００μｍであり、光学部品１９の厚さは４００μｍである。このため、光学部品１９と光学素子１４とのＺ方向の精密な位置合わせ、および光学部品１９と光学素子１８とのＺ方向の精密な位置合わせが不要であり、実装コストを大幅に低減することができることがわかった。
【００３５】
また、光学素子１４および光学素子１８の口径は８０μｍであるのに対して、光学部品内にある柱状体１９ａの口径は２０μｍであり、柱状体１９ａの口径が光学素子の口径よりを十分に小さいため、パッケージの実装に際して、Ｘ、Ｙ方向の位置合わせが不要となった。さらに、柱状体１９ａの占積率が５０％と高く、十分な光を導波することができた。
【００３６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、精密な位置合わせの必要がなく、コストの安い、光インターフェイスＢＧＡの実装方法を提供することができる。また、光学的な接合に優れ、量産性に適する、光学部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の方法により光インターフェイスＢＧＡをプリント配線基板に実装した後の状態を表す断面図であり、（ｂ）は本発明の実装方法で使用する光学部品の斜視図である。
【図２】マイクロレンズを有する従来の光インターフェイスＢＧＡの断面図である。
【図３】マイクロレンズを有する従来の光インターフェイスＢＧＡをプリント配線基板に実装した後の状態を表す断面図である。
【図４】本発明の光学部品の製造方法を表す工程図である。
【図５】本発明の光学部品の製造方法を表す工程図である。
【図６】本発明の光学部品の製造方法を表す工程図である。
【図７】本発明の光学部品の製造方法を表す工程図である。
【符号の説明】
１７　プリント配線基板、１９，４９，５９，７９　光学部品、１９ａ，７９ａ　柱状体、４２，５２　金型。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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