用于光电印制电路板_OEPCB_的聚合物光波导的制作
多模聚合物波导在光电背板中的应用
多模聚合物波导在光电背板中的应用吴金华1，Marika Immonen2，严惠娟1，朱龙秀1，彭增1，时睿智3，韩春华31. 上海美维科技有限公司；2. 美维爱科（芬兰）有限公司；3. 上海美维电子有限公司摘要：本文主要介绍了一种多模聚合物波导印制线路板制作方法及其测试结果。
实验表明，这种多模聚合物波导印制线路板可以经受完整的PCB制程及可靠性测试，传输损耗约为0.03dB/cm，波导之间的串扰<30dB，10Gbps下的眼图质量好。
经过共平面及90度转向的耦合封装后，可以进行实际的高速信号传输。
关键词：光电印制线路板，光波导，聚合物波导，背板Abstract：This paper introduced the fabrication and test results of O/E PCB. The test results showed that the multimode polymer waveguide electrical-optical PCB can go through the whole PCB process and pass the reliability test. The transmission loss is around 0.3dB/ cm, cross talk between neighboring waveguide is lower than 30dB. Good eye diagram can be obtained under 10Gbps. After in-plane and out-of-plane coupling assembly, real high speed signal can be transmitted.Key words：optical-electrical PCB, optical waveguide, polymer waveguide, backplane1.背景介绍随着电子产业，尤其是超级计算、数据中心、通信等领域的不断发展，系统对带宽的要求越来越高。
0EPCB光波导层的工作原理、成型工艺与测试
０ 引言
随着 电子 信 息 技 术 的 日益 发 展 ，尤 其 是 大 规模 集成化 技术 的实 现 ，在 高端 电子 系统 中 ，传
统 的印制 电路铜 导线 已满 足不 了线路长 度 、信号
一
种 新 型的光 电印制 电路板 （ Ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ — Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ
Ｐ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｄ Ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ Ｂ ｏ ａ ｒ ｄ ，Ｏ Ｅ Ｐ Ｃ Ｂ）。它是 由传 统 的 Ｐ Ｃ Ｂ 层和 波导 层压 合而 成 ，利 用光 互联 来实 现信
号的传输。 光 电 印制 电路 板 的 实现 ，解 决 了很 多 传 统 的Ｐ Ｃ Ｂ 线 路 问题 ，如趋肤 效应 、 电磁干 扰 、介 质 损耗 。面对 当前 的 印制 电路 行业 ，竞争 越来越 激
宫立 军 陈 蓓 田 玲
（ 广州兴森快捷 电路科技有限公司，广东 广州 ５ １ ０ ６ ６ ３ ）
摘 要 本文对ｏＥ ｐ ｃ Ｂ 的发展进程进行 了阐述 。介绍 了光 电印制 电路板的结构原理和工作模式 ，尤其对光 电印制
电路板 中的光 电转换模块和 激光器的原理进行 阐述 ，同时 阐述 了几种主要 的光波导材料 ，对 比各种 光波导材料 的优缺
ｒ ｅ ｖｉ ｅ ｗｅ ｄ ．Ｔｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ＯＥＰＣＢ ａ ｎ ｄ ｗｏ ｒ ｋｉ ｎｇ ｐ ｒ ｉ ｎｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｗｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏｄ ｕｃ ｅ ｄ ，ｅ ｓ ｐｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌ ｙ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈｅ ｐ ｈｏ ｔ ｏ － ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ．Ｉ ｔ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕｃ ｅ ｄ ｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｗａ ｖ ｅ ｇ ｕｉ ｄ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｂ ｙ ｃ ｏ ｍｐａ ｒ ｉ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ｍ．Ｔｈ ｅ ｍｏ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｐ ｏ ｌ ｙ ｍｅ ｒ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｗａ ｖ ｅ ｇ ｕｉ ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎｄ ｅ ｘ ｗｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ．Ｉ ｔ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｏｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｐ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｄ Ｃｉ ｒ ｃ ｕｉ ｔ Ｂｏ ａ ｒ ｄ ｓ ．
OEPCB光波导层的工作原理、成型工艺与测试
OEPCB光波导层的工作原理、成型工艺与测试倪修任;王守绪;何为;陈苑明;宫立军;陈蓓;田玲【摘要】本文对OEPCB的发展进程进行了阐述.介绍了光电印制电路板的结构原理和工作模式,尤其对光电印制电路板中的光电转换模块和激光器的原理进行阐述,同时阐述了几种主要的光波导材料,对比各种光波导材料的优缺点.最后介绍了光电印制电路板光波导层的多种制造工艺和基本性能要求,对OEPCB光波导层进行阐述.【期刊名称】《印制电路信息》【年(卷),期】2017(025)012【总页数】6页(P33-38)【关键词】光电印制电路板;光波导;波导工艺;激光器【作者】倪修任;王守绪;何为;陈苑明;宫立军;陈蓓;田玲【作者单位】电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054;电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054;电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054;电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054;广州兴森快捷电路科技有限公司,广东广州510663;广州兴森快捷电路科技有限公司,广东广州510663;广州兴森快捷电路科技有限公司,广东广州510663【正文语种】中文【中图分类】TN41随着电子信息技术的日益发展，尤其是大规模集成化技术的实现，在高端电子系统中，传统的印制电路铜导线已满足不了线路长度、信号衰减、失真及串扰等严格的要求。
而在印制电路板中导入光电子线路的优势逐渐凸显，继而产生一种新型的光电印制电路板（Optical-Electronic Printed Circuit Board，OEPCB）。
它是由传统的PCB层和波导层压合而成，利用光互联来实现信号的传输。
光电印制电路板的实现，解决了很多传统的PCB线路问题，如趋肤效应、电磁干扰、介质损耗。
面对当前的印制电路行业，竞争越来越激烈，而光电印制电路板会极大提升通信和信号传输的效率，真正实现高速互联，保证信号的完整性[14]。
聚合物光波导的制备与特性研究
聚合物光波导的制备和特性研究专业：应用物理学号：084773110姓名：胡开强摘要本文讲述有机聚合物光波导材料的制备其特性。
关键字：有机聚合物导波光学光刻技术一、引言在信息时代的今天，巨大的通信容量对通信载体的要求越来越高，以往的电路传输已经产生了局限。
而光路有比电路更大的信息容量、低的传输损耗、低的发热量、以及电磁干扰小、重量轻、尺寸小等优点。
如何更有效、经济的利用好光路这一载体对信息通信有很大意义。
光波导（optical waveguide）由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。
实用光波导有光导纤维、薄膜波导、带状波导三类。
光纤的传输衰减很小，频带很宽，是其他传输线难以达到的，因此可用于大容量信号的远距离传输。
有机聚合物是制作集成光波导器件非常有前景的材料。
其本身具有易于集成、响应速度快、成本低等优点，这使得有机聚合物光波导在目前光通信领域拥有强大的魅力和应用前景。
二、光波导（optical waveguide )定义：用于传输光信号的波导。
常用的光波导是光纤。
结构：实用光波导有光导纤维（见光纤光缆）、薄膜波导、带状波导等三类。
薄膜波导（图中a）有三层介质,中层的薄膜厚度约1～10微米，上层（通常即为空气）和底层介质的折射率n0与n2都小于n1。
当薄膜的宽度为有限尺寸时，称为带状波导(图中b)。
光波能量主要集中在W ×d的矩形带状结构中。
薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件，如激光器、调制器和光耦合器等。
它们采用半导体薄膜工艺，适合于制成平面结构的集成光路（即光集成部件）。
三、聚合物光波导材料相对于传统硅基材料的优点1、聚合物材料相对于半导体硅（SI）材料具有较低的光损耗和小的双折射。
因为聚合物有比硅（SI）材料大的热光系数，所以其受热能量转换效率高。
而其高的折射率比值使得其器件尺寸可以做的很小。
2、有机聚合物光波导材料具有较高的电光耦合细数，较低的介电常数，响应时间短，热损小。
光波导加工工艺流程
光波导加工工艺流程光波导加工可是个超有趣的事儿呢！咱先来说说啥是光波导。
简单来讲呀，光波导就像是光的小管道，能让光按照我们想要的路线走。
就好比给光修了一条专属的高速公路。
那光波导加工的工艺流程呢？这可就有不少好玩的步骤啦。
一、材料准备。
这是光波导加工的第一步哦。
要选择合适的材料呢。
比如说，有些时候会用玻璃材料，因为玻璃对光的传输特性很不错。
不过玻璃也有很多种类呀，就像我们挑水果一样，得精挑细选。
有时候呢，也会用一些特殊的聚合物材料，这种材料就像是个很听话的小助手，在加工过程中比较容易塑形。
这材料的纯度、均匀性都很重要呢。
要是材料不好，就像盖房子用了劣质的砖头，后面的工序再怎么努力都可能白搭啦。
二、光刻。
光刻这个步骤就像是给光波导画个设计图。
这时候呢，会用到光刻胶这种神奇的东西。
把光刻胶涂在材料表面，就像给材料穿了一件特殊的衣服。
然后呢，用光刻设备通过光照射光刻胶，把我们想要的光波导的图案印上去。
这个图案可讲究啦，就像画家画画一样，每一笔都有它的意义。
光刻设备的精度也得很高，要是精度不够，那画出来的图案就歪歪扭扭的，做出来的光波导就不能很好地让光跑在正确的路线上啦。
三、刻蚀。
光刻完了就到刻蚀啦。
刻蚀就像是个雕刻大师拿着小刻刀在材料上按照光刻出来的图案进行雕刻。
这时候呢，会用到一些化学试剂或者物理的方法。
如果是用化学试剂的话，就像让试剂和材料发生一场小小的化学反应，把不需要的部分去掉，留下我们想要的光波导的形状。
这个过程就像是在做一个超级精细的手工，一点点偏差都不行。
而且化学试剂的浓度、反应时间都得控制得刚刚好，不然就可能把该留的部分也给腐蚀掉了，那就糟糕咯。
四、清洗。
刻蚀完了之后呀，材料表面肯定脏兮兮的啦，有好多残留的东西。
这时候清洗就很重要啦。
就像我们做完饭要洗碗一样，得把锅碗瓢盆洗得干干净净的。
清洗的时候呢，要用专门的清洗液，把那些残留的光刻胶啊，刻蚀的副产物啊都给清洗掉。
要是清洗不干净，这些残留的东西就可能会影响光波导的性能，就像灰尘进到机器里，会让机器运转不顺畅一样呢。
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, 引言
计算机内数据的传输与城市交通正好相反 ! 在微 处理器的内核 " 数据以惊人的速率传输 ! 但在微处理 器与微处理器 # 电路板与电路板连接起来的导线所形 成的 %宽阔道路% 上 "数据传输速度非常慢 ! 为了解决 &’( 的瓶颈 " 科技人员提出一些解决办 法 " 其中最有代表性的就是集成聚合物光波导的 )*+ 和 ,-*./ 阵列的光互连 ! 图 0 为集成光波导的 )*+ 光互连的原理图 ! 图中用高速率的光连接技术取代目 前计算机中所采用的铜导线 " 以光子而不是电子为媒 介 " 在电 路板 # 芯 片 甚 至 芯 片 的 各 个 部 分 之 间 传 输 数 据 ! 同时还可以传送传统的数率低的电信号 ! 工作原 理是 1 大规模集成芯片产生的电信号经过驱动芯片作 用于 ,*-./ 激光发生器 "激光束直接或通过透镜传输 到有 $#! 镜面的聚合物波导反射进入波导中 " 然后通 过另一端波导镜面反射传送到 )2 接收 " 再经过接收
种材料也有明显的弱点 ! 含氟聚酰亚胺是今年来开发
图 . 集成光波导的 /01 光互连的原理图 收稿日期 $!""$80"80$ 作者简介 $ 付 凯 男 "0DE" 年生 " 硕士研究生
的一种比较理想的光波导用高分子聚合物 ! 通常的聚 酰亚胺为不溶有机物 " 掺氟后有良好的溶解性 ! 适合 波导制备的工艺要求 ! 含氟聚酰亚胺兼有了聚酰亚胺
# 结束语
对所制作的聚合物光波导进行了测试 ! 结果证实 所制作的光波导的性能较好 " 由于 >1?/) 在芯片间 传输具有很大优势 ! 其必将成为未来高速传输的主流 方向 ! 聚合物光波导作为 >1?/) 的一个部分 ! 必定越 来越多的人会重视它的研究 " $!"#$%&’()*%
!""# 年第 $ 期
必要的 烘 干 及 固 化
!!! 光通信技术
$ # "
图 $ 光刻胶掩膜制作聚合物光波导的工艺
应的烘干及固化处理 " 在芯层上旋涂厚度至少相当于 芯层材料厚度的光刻胶 ! 并进行必要的坚膜 " 然后进 行光刻 ! 显影 " 对光刻成功的样品进行离子刻蚀 ! 控制 输入功率及刻蚀时间以便获得最佳刻蚀效果 ! 一般地 使用 慢 的 刻 蚀 数 率 更 有 利 于 获 得 侧 壁 光 滑 的 聚 合 物 光波导 ! 之后对样品的硅衬底进行解理以获得图 ! 所 示的波导截面 " 由图 - 可知 !./012 发 出的激光是 射 到 波 导 $## 镜面上反射进入波导内传输 " 所以我们使用 <"# 的 . 型金刚石刀切割波导 ! 如图 % "
已往的各种波导型器件大多采用 -3 基 -3(! 光波 导或者 石英基 -3(! 光波 导结构 " 虽 然具有低 传 输 损 耗 ! 高抗温度变动性能及很好的长期稳定性 " 但制作 工 艺难度大 # 成 本 高 " 其 价 格 不 能 为 大 多 数 用 户 终 端 所接受 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 而采用高分子聚合物材料 " 通过旋涂薄模 # 聚 合反应 # 光刻 # 反 应 离 子 刻 蚀 等 工 艺 可 制 出 相 应 的 波 导 " 各个工艺过程相对简单 " 且可以大批量生产 " 大幅 度降低成本 ! 最早被考虑应用于广通信领域的高分子 材料聚甲基丙烯酸甲酯 4)5567 虽然在可见 光波段透 光性优异 " 但在近红外波段 " 由于其分子中的 *89 键 振动吸收峰恰巧处于 0:"";< 和 0##";< 处 " 因此其吸 收损耗较大 ! 一种改进的高分子材料是氟代聚甲基丙 烯酸酯和氘代聚甲基丙烯酸酯的共聚物 4=8)>567 " 在
层 " 要求波导能够在印制电路板叠片过程当中保持性 能的稳定 ! 为了保证光波导在叠片过程当中没有影响 其 性 能 " 波 导 材 料 必 须 能 够 保 证 在 )*+ 叠 片 过 程
0A"" 和 0#BC?@<! 的压力下保持稳定 ! 而 =8)>56 的 玻璃化温度很低 " 其可耐受的温度不超过 0""" " 故这
=8)>56 中大部分的 9 被较重的原子 2 和 > 替代 " 构 成 *82 键 和 *8> 键 " 使 得 吸 收 峰 发 生 漂 移 ! 用 =8 )>56 制 备 的 单 模 波 导 的 近 红 外 传 输 损 耗 可 小 于 "! 0=+?@<! 但考虑到光电 )*+ 的制作工艺问题 " 传统的 )*+ 制作工艺是通过叠片而成 " 而光波导作为其中一
的耐高温特性和掺氟后的近红外吸收小的特点 ! 耐热 温度可达 %&"! ! 近红外的传输损耗约为 "’%()*+, ! 达 到了实用要求 " 聚酰亚胺的折射率大小 可以通过调 整共聚物的含氟量 ! 从而调节折射率的大小 " 所以波 导芯层和包层都可以采用聚酰亚胺 "
! 含氟聚酰亚胺波导的制备
从图 - 可以看出 ! 为了能使 ./012 发出的光和 波导更容易耦合 ! 波导设计成多模波导 ! 芯层为 $"!, 的正方形 " 考虑到材料的折射率范围 ! 为了便于测试 ! 试验采用玻璃衬底作为基板并同时作为衬底层 " 基板 表面的粗糙度和清洁度对成膜质量影响很大 ! 基板需 经严格的抛光及清洗处理 " 清洗剂包括 3 中性洗剂 # 丙 酮 # 异丙醇和纯酒精 ! 各步均采用超声波清洗 ! 中性洗 剂和丙酮在清洗之后均采用去离子水超声波漂洗 ! 最 后将基板置于干燥箱中烘干 " 采用旋图法成膜 " 将清洁干燥的基板吸附于匀胶 机转台上 ! 将 制 得 的共聚亚 胺 酸 溶 液 适量均匀 地 滴 在 基 板上表面 " 按 照 设 定的转速 及 时 间 旋 转涂胶 " 然 后 进 行
# " !
光通信技术
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用于光电印制电路板 4>1?/)@ 的聚合物光波导的制作
图 " 聚合物光波导测试装置示意图
处理 " 考虑到实际制备高分子波导较厚 4%"5$"!,6 且 均匀的高分子薄膜 ! 大量的试验采用旋涂法制备高分 子薄膜波导 ! 匀胶机转速越高 ! 薄膜 均匀性越好 7 膜厚 主要受匀胶机转速和共聚亚胺酸浓度的控制 ! 即转速 越低 # 浓度越高 ! 制备的薄膜越厚 7 反之转速越高 ! 浓度 越低 ! 制备的薄膜就越薄 " 采用质量分数为 !8" 的聚 合物 !-"""9*,:; 的转速 ! 得到了约 -"!, 厚的均匀薄 膜 " 通过直接垂直堆积多层薄膜结构的方法 ! 经过三 四次甩膜及热处理实现厚膜的制备 " 固化完成后在包 层材料中旋涂一定厚度的芯层聚合物材料 ! 并进行相
!"#$%&’(&)*!"#$%&’+,-./ 0+123456789:5;0+(<=>?+@ (=ABC@(DE%FG(<HIJKL+MNO PQ RM5ST,UVW+FG+X%2Y8Z[\ 5R]K^Q 关键词 ,-.%FG
中图分类号 ’()*)
ST,UVW %X_ +
文献标识码
- 波导材料的选择
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中国科技核心期刊
!"#$%&$’(!"#$%&’) *+,#-./&0
付 凯 罗风光 曹明翠 武汉
!华中科技大学 激光技术国家重点实验室
摘要
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芯片转换成电信号传给大规模集成芯片 ! 这样使得芯 片和芯片可以通过光波导高速通信 " 从而整体提高系 统性能 ! 该 )*+ 制作和传统 )*+ 的制作工艺兼容 " 只 是把聚合物波导层当作其中的一层进行叠片而成 ! 本 文将探讨波导材料的选择和波导制作过程 !
图 ! 聚合物光波导的 %&’ 镜面
" 聚合物光波导的测试
光波导的测试是检验所设计 # 制作的光波导的导 光性能的必须过程 " 利用一个带尾纤的 -##!, 的半导 体激光器作为光源 ! 通过光纤连接器将光耦合进拉锥 光纤 ! 之后在显微镜及 //= 摄像机的监视下通过五维 精密微动台将光波耦合进所制作的聚合物光波导 ! 在 另一端通过物镜将输出光斑放大 ! 并利用 //= 对光斑 进行监视 ! 具体的装置如图 $ 所示 "