AT12314U1 - Leiterplattenelement und verfahren zur herstellung eines solchen leiterplattenelements - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Leiterplattenelement mit einem Substrat, auf dem zumindest eine optische Komponente angebracht und mit dem zumindest eine Wellenleiter-Komponente verbunden ist.

[0002] Weiters bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiterplattenelements.

[0003] Bei Vorliegen einer optischen Komponente auf einem Substrat und einer damit verbundenen Wellenleiter-Komponente ergibt sich das Problem einer geeigneten optischen Kopplung (optisches Interface) zwischen der Wellenleiterstruktur und der optischen Komponente. Unter „optische Komponente" wird dabei sowohl eine rein optische Komponente, wie etwa ein Spiegel, ein Gräting (Gitter), ein optischer Stecker etc., als auch eine opto-elektronische Komponente, z.B. eine Licht emittierende Diode bzw. Laserdiode oder aber, als Empfänger, eine Fotodiode oder ein Fototransistor, verstanden. Die Wellenleiter-Komponente kann mindestens einen Wellenleiter, gegebenenfalls auch mehrere Wellenleiter nebeneinander und/oder übereinander enthalten.

[0004] In der Praxis werden bisher für die optische Kopplung die optischen Komponenten zu den Wellenleiter-Komponenten oder umgekehrt die Wellenleiter-Komponenten zu den optischen Komponenten mechanisch ausgerichtet, damit eine geeignete Lichtleitung zwischen den optischen Komponenten und den Wellenleiter-Komponenten erzielt wird. Dieser Ausrichtprozess ist aufwändig, teuer und nichtsdestoweniger wenig effektiv, und es besteht demgemäß ein Bedarf an einer Technik, mit der auf einfache Weise eine effiziente Lichtkopplung zwischen den genannten Komponenten sichergestellt werden kann.

[0005] Dieser Bedarf ist umso größer, wenn berücksichtigt wird, dass Leiterplatten mit integrierten optischen Signalverbindungen immer häufiger, insbesondere zur Realisierung hochkomplexer Applikationen, eingesetzt werden, wobei eine weitere Miniaturisierung und eine Erhöhung der Integrationsdichte und somit eine höhere Produktwertschöpfung ermöglicht wird. Leiterplatten mit optischen Verbindungen kommen dort zum Einsatz, wo Applikationen höchste Datenströme zwischen Bauelementen bzw. Komponenten, Modulen und Funktionseinheiten vorsehen (z.B. High-End-Computer-Anwendungen), wo Störsicherheit gegen elektromagnetische Felder gewünscht ist (z.B. bei Automobil- und Aeronautik-Anwendungen) oder ganz allgemein, wo ein platzsparendes Design von Verbindungen (z.B. mobilen Anwendungen) benötigt wird.

[0006] Ganz allgemein kommen als Wellenleiter-Komponenten traditionell z.B. Glasfasern oder Polymerfasern als optische Lichtleiter zum Einsatz, aber auch planare Polymer-Wellenleiter, die hinsichtlich Dämpfung zwar nicht die Eigenschaften von Glasfasern erreichen können, was aber bei kurzen Verbindungen weniger von Bedeutung ist, die aber hinsichtlich Herstellung, Bearbeitung und Design-Möglichkeiten ebenso wie hinsichtlich Kosten enorme Vorteile bieten.

[0007] Es ist an sich eine Verbindung von zwei Lichtfasern mittels einer TPA-Lichtwellenleiter-struktur aus WO 2006/003313 A1 bekannt, jedoch liegt hier kein Leiterplattenelement mit einer auf einem Substrat angebrachten optischen Komponente vor, zu der eine effiziente Lichtkopplung herzustellen wäre, so dass sich das vorstehend beschriebene spezielle Ausrichtproblem hier nicht ergibt.

[0008] An sich ist die Strukturierung von Lichtwellenleitern in einer optischen Schicht mit Hilfe von Mehrphotonenabsorption, insbesondere Zweiphotonenabsorption (TPA - Two Photon Absorption) bereits bekannt, vgl. beispielsweise AT 413 891 B, AT 503 027 B und AT 503 585 B, wobei hier jedoch nur allgemein die TPA-Strukturierung, beispielsweise in Zuordnung zu aktiven bzw. passiven optischen Bauelementen, beschrieben wird.

[0009] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei der Herstellung von optischen Verbindungen mittels Wellenleiter-Komponenten deren Ankopplung an optische bzw. opto-elektronische Komponenten auf einem Substrat eines Leiterplattenelements in einer effizienten Weise und genau zu ermöglichen, um so etwaige optische Verluste so gering wie möglich zu halten und eine 1 /19 österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15 optimale Lichtkopplung zwischen den genannten, von ihrer Bauweise her ebenso wie von ihrer Fixierung sehr unterschiedlichen Komponenten zu gewährleisten.

[0010] Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung ein Leiterplattenelement wie in Anspruch 1 bzw. ein Verfahren wie in Anspruch 13 definiert vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0011] Bei der vorliegenden Technik wird davon ausgegangen, dass auf einem Substrat, z.B. einer Leiterplatten-Innenlage, sowohl optische bzw. opto-elektronische Komponenten als auch lichtführende Strukturen, hier einfach Wellenleiter-Komponenten genannt, montiert werden. Als Wellenleiter-Komponenten kommen dabei herkömmliche Lichtfasern ebenso wie zuvor hergestellte planare Polymerwellenleiter in Frage. Anders als bei den bisherigen Techniken, bei denen diese Komponenten körperlich zueinander ausgerichtet werden mussten, wird nun bei der vorliegenden Technik zuerst die Bestückung des Leiterplatten-Substrats mit den Komponenten durchgeführt, und danach wird das Interface zwischen den Komponenten realisiert, und zwar mit Hilfe eines TPA-strukturierten (oder allgemein durch Mehrphotonenabsorption strukturierten) Lichtwellenleiters. Diese Technik bietet unter anderem auch den Vorteil, dass die Montage der Komponenten mit geringem Aufwand, also durchaus grob, erfolgen kann, da die gewünschte Lichtkopplung zwischen den Komponenten durch den strukturierten Interface-Lichtwellenleiter hergestellt wird.

[0012] Wie in der bereits erwähnten AT 413 891 B beschrieben, wird beim Strukturierungsverfahren mittels Mehrphotonenabsorption, insbesondere TPA, zur Realisierung von Lichtwellenleitern zunächst die Montage der Komponenten (einschließlich elektrischer Kontaktierung) vorgenommen, und diese Komponenten werden dann in ein optisches Material eingebettet. Danach erfolgt die Strukturierung des Lichtwellenleiters zwischen den Komponenten mittels Bestrahlung, insbesondere mit einem Laser. Bei dieser Strukturierung wird eine chemische Reaktion, nämlich Polymerisation, durch gleichzeitige Absorption von mehreren - in der Regel zwei -Photonen im optischen Material aktiviert. Das Material ist an sich für die eingestrahlte Laserwellenlänge (z.B. 800 nm) transparent. Dadurch kommt es im Material zunächst zu keiner Absorption und zu keinem Einphotonenprozess. Im Fokusbereich des Lichtstrahls bzw. Laserstrahls ist jedoch die Intensität so hoch, dass das optische Material zwei (oder mehr) Photonen gleichzeitig absorbiert, wodurch die genannte chemische Reaktion ausgelöst wird. Von Vorteil ist dabei auch, dass durch die Transparenz des optischen Materials für die Anregungswellenlänge alle Punkte in der optischen Schicht erreicht und somit problemlos dreidimensionale Strukturen in der optischen Schicht eingeschrieben werden können. Unter „dreidimensional" ist dabei zu verstehen, dass der Lichtwellenleiter nicht nur in einer Ebene (der x-y-Ebene) - gegebenenfalls hin- und hergehend - verlaufen, sondern auch in der Höhe, in der z-Richtung, variieren kann; der Lichtwellenleiter kann somit in x-y- und z-Richtung in beliebiger Form strukturiert werden; darüber hinaus kann der Lichtwellenleiter aber auch seine (Querschnitts-)Form über seine Längserstreckung in x-y- und z-Richtung ändern, etwa indem der Querschnitt kleiner oder größer wird, von kreisförmig auf flachelliptisch und dann wieder auf kreisförmig, auf hochstehend elliptisch usw.. Der genannte Mehrphotonenabsorptionsprozess ist weiters ein Ein-Schritt-Strukturierungsprozess, bei dem keinerlei Mehrfachbelichtungen und keine nass-chemischen Entwicklungsschritte erforderlich sind.

[0013] Die vorgenannte dreidimensionale Lichtwellenleiter-Strukturierung ist gerade beim Vorsehen einer optischen Verbindung zwischen einer Wellenleiter-Komponente und einer optischen (optoelektronischen) Komponente, mit vorhergehender eher grober Positionierung, von besonderem Vorteil, wobei der Interface-Lichtwellenleiter insbesondere direkt an die Wellenleiterstruktur der Wellenleiter-Komponente anschließt und zur optischen Komponente, gegebenenfalls zu einem Umlenkspiegel an dieser, führen kann.

[0014] Die vorliegende Erfindung kann in opto-elektronischen Leiterplatten mit Multimode- oder Singlemode-Wellenleitern für hohe Datentransferraten und mehr Designfreiheiten eingesetzt werden. Sie kann bei Rigid-Flex- und Rigid-Flex-Rigid-Leiterplatten eingesetzt werden und ist vor allem für die Produktion von High-Volume-Produkten einsetzbar. Es wird ein Interface zwi- 2/19 österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15 sehen einer herkömmlichen Lichtfasertechnologie bzw. einer planaren Wellenleitertechnologie basierend auf Kunststoffen und einer optischen Komponente ermöglicht, die wesentlichen Vorteile, wie erwähnt, bei der Anbindung zur optischen bzw. opto-elektronischen Komponenten aufweist. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist beispielsweise jene der optischen Verbindung eines aktiven optischen Kabels zum optischen Anschluss eines High-End-Computers.

[0015] Bei der vorliegenden Technik werden wie erwähnt vorab die Komponenten (Wellenleiter-Komponente und optische Komponente) montiert, und vor der Strukturierung des Interface-Lichtwellenleiters zwischen ihnen werden ihre Positionen mit Hilfe eines optischen Systems („Vision'-System genannt) ausgemessen. Hiefür weisen die Komponenten, insbesondere die Wellenleiter-Komponente in ihrem Endbereich, wenigstens eine Markierung auf. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn diese optische Positions-Ausmessung nach dem Anbringen der Schicht aus optischem Material, unter Einbettung der optischen Komponente und des Endes der Wellenleiter-Komponente, erfolgt. Das optische Material hat nämlich einen ähnlichen Brechungsindex wie die Wellenleiter-Komponente, so dass letztere vom optischen System innerhalb der optischen Schicht nur schwer zu detektieren wäre. Mit Hilfe der genannten Markierung, die beispielsweise färbig oder aber aus einem reflektierenden Material, insbesondere einem metallischen Material, gebildet sein kann, kann die Detektion jedoch problemlos bewerkstelligt werden. Beispielsweise kann die Markierung durch Aufdrucken einer Farbe oder durch Aufsputtern eines Metalls hergestellt werden.

[0016] Beim Ausmessen können die Komponenten genau hinsichtlich ihrer Position, auch ihrer Verdrehung oder Verkippung, vermessen werden, so dass damit Daten für die Ansteuerung des Laserstrahls beim Strukturieren des Interface-Lichtwellenleiters gewonnen werden, um so dessen Verlauf, in genauer Ausrichtung seiner Enden zu den genannten Komponenten, bestimmen zu können.

[0017] Wie bereits erwähnt kann die Wellenleiter-Komponente eine planare Wellenleiterstruktur mit zumindest einem Wellenleiter-Kern, vorzugsweise mit mehreren Wellenleiter-Kernen (ähnlich einer Bandleitung), oder aber auch eine Lichtfaser aufweisen. Diese Wellenleiter-Komponenten (planare Struktur ebenso wie Lichtfaser) bestehen üblicherweise aus einer Mantelschicht (Cladding-Schicht genannt) und einem Kern, dessen Brechungsindex höher als jener der Cladding-Schicht ist, so dass eine Totalreflexion an der Grenzschicht erfolgen kann.

[0018] Für die Ausmessung der Wellenleiter-Komponente ist es auch von Vorteil, wenn diese mit ihrem Ende auf einem eigenen Substratteil angebracht ist, der mit wenigstens einer Markierung versehen ist. Dieser Substratteil kann weiters vorteilhaft zugleich ein Distanzelement, einen Abstandhalter, zur Höheneinstellung der Wellenleiter-Komponente relativ zur optischen Komponente bilden, d.h. es wird ein Substratteil mit geeigneter Dicke ausgewählt, mit dem die Wellenleiter-Komponente mit ihrem Endbereich, beispielsweise durch Aufkleben, verbunden wird, wonach der Substratteil auf dem Leiterplattenelement-Substrat befestigt, z.B. aufgeklebt, wird.

[0019] Zur Anpassung an die Licht-Ein- bzw. Ausgänge der optisch zu verbindenden Komponenten ist es mit Vorteil möglich, den Interface-Lichtwellenleiter mit einem sich in Richtung des Lichtwellenleiters ändernden Querschnitt vorzusehen.

[0020] Der Interface-Lichtwellenleiter kann auch beispielsweise als Wellenleitersplitter, als Wellenleiterkreuzung oder ähnliche optische Komponente ausgebildet sein. Andererseits kann die Wellenleiter-Komponente ein Wellenleiter-Array mit mehreren Wellenleiter-Kernen enthalten; in diesem Fall kann, wenn alle Wellenleiter-Kerne zu nützen sind, eine entsprechende Anzahl und Anordnung von Interface-Lichtwellenleitern vorgesehen werden.

[0021] Die optische Komponente kann wie erwähnt in an sich bekannter Weise eine Licht emittierende Komponente, z.B. eine Laserdiode, oder aber eine Licht empfangende Komponente, wie eine Fotodiode oder ein Fototransistor, sein. Diese Komponenten können auch wie ebenfalls an sich bereits bekannt Umlenkspiegel enthalten, um das Licht jeweils aus der Komponente heraus- oder in die Komponente hineinzuleiten. Denkbar ist es aber auch, wenn die optische 3/19 österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15

Komponente ein (standardisierter) optischer Stecker ist.

[0022] Die Positionen der Komponenten können vor dem Anbringen der optischen Schicht oder aber auch nach deren Anbringen ausgemessen werden.

[0023] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen: [0024] Die Fig. 1A und 1B schematisch ein Leiterplattenelement mit einer optischen Kopp- [0025] die Fig. 2A und 2B lung einer Wellenleiter-Komponente mit einer opto-elektroni-schen Komponente in einem Längsschnitt (Fig. 1A) bzw. in Draufsicht (Fig. 1B); in einem Längsschnitt (gemäß der Linie A-A in Fig. 2B) bzw. Querschnitt (gemäß der Linie B-B in Fig. 2A) eine als Wellenleiter-Komponente ersetzbare, an sich herkömmliche Lichtfaser; [0026] die Fig. 3A, 3B und 3C in einem Längsschnitt, in einer Draufsicht und in einem Quer- [0027] die Fig. 4A und 4B schnitt gemäß der Linie C-C in Fig. 3B, eine planare Wellenleiter-Komponente, beispielsweise mit einem Array von vier Lichtwellenleiter-Kernen; in einem schematischen Längsschnitt und in einer Draufsicht den Aufbau eines Rigid-Flex-Rigid-Leiterplattenelements in einem Zwischenstadium der Herstellung, noch vor Anbringung des optischen Materials und der Strukturierung des Interface-Lichtwellenleiters zwecks optischer Kopplung zwischen den einzelnen Komponenten; [0028] die Fig. 5A und 5B dieses Leiterplattenelement gemäß Fig. 4A und 4B, nun jedoch in einem Stadium nach Anbringung des optischen Materials in Form einer Schicht, wobei Fig. 5A wiederum einen schematischen Längsschnitt und Fig. 5B eine schematische Draufsicht zeigt; [0029] die Fig. 6A und 6B wiederum in einem schematischen Längsschnitt und einer schematischen Draufsicht das Leiterplattenelement gemäß Fig. 4A, 4B bzw. 5A, 5B, nunmehr nach Fertigstellung, nach Strukturierung des Interface-Lichtwellenleiters; [0030] Fig. 7 in einem schematischen Längsschnitt einen Mehrlagenaufbau eines Leiterplattenelements mit Interface-Lichtwellenleitern zwischen Wellenleiter-Komponenten und opto-elektronischen Komponenten; [0031] Fig. 8 einen schematischen Längsschnitt durch ein Leiterplattenelement mit einem dreidimensionalen (3D)-Wellenleiterarray als Wellenleiter-Komponente; [0032] Fig. 9 schematisch eine Draufsicht auf den Endbereich einer Wellenleiter-Komponente mit einem eigenen Substratteil, auf dem Markierungen zwecks Vermessung angebracht sind; [0033] die Fig. 10A und 10B einen schematischen Teil-Längsschnitt bzw. eine Teil-Draufsicht auf ein Leiterplattenelement mit einer derartigen Wellenleiter-Komponente mit eigenem Substratteil, der am Substrat des Leiterplattenelements befestigt ist; [0034] die Fig. 11 und 12 zwei Beispiele für Leiterplattenelemente ähnlich Fig. 1A, in entsprechenden schematischen Längsschnitten, wobei im Vergleich zu Fig. 1A ein Interface-Lichtwellenleiter mit sich in Erstre- 4/19

österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15 ckungsrichtung änderndem Querschnitt, nämlich zum Einen mit einem von der Wellenleiter-Komponente zur optoelektronischen Komponente zunehmenden Querschnitt (Fig. 11) und zum Anderen mit einem von der opto-elektronischen Komponente zur Wellenleiter-Komponente zunehmenden Querschnitt (Fig. 12), gezeigt ist; [0035] die Fig. 13A und 13B in einer schematischen Draufsicht bzw. in einem schematischen Längsschnitt Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Leiterplattenelements mit unterschiedlich strukturierten Interface-Lichtwellenleitern; und [0036] Fig. 14 eine weitere Ausführungsform eines Leiterplattenelements mit einem optischen Stecker (optischen Koppler) als optische Komponente in Verbindung mit einer Wellenleiter-Komponente über einen schräg verlaufenden Interface-Lichtwellenleiter.

[0037] In der Zeichnung sind verschiedene Leiterplattenelemente, teilweise in Phasen bei der Herstellung, veranschaulicht, denen gemeinsam ist, dass eine Wellenleiter-Komponente mit zumindest einer optischen Komponente über einen durch Mehrphotonenabsorption in einem optischen Material strukturierten Interface (Schnittstellen)-Lichtwellenleiter optisch gekoppelt ist. Der Einfachheit halber werden in der Zeichnung alle Leiterplattenelemente mit 1, alle Wellenleiter-Komponenten mit 2, alle optischen Komponenten mit 3 bzw. 3, 3' und alle Interface-Lichtwellenleiter mit 4 bzw. 4, 4' bezeichnet. Jedes Leiterplattenelement 1 weist weiters ein Substrat 5 bzw. 5, 5' auf.

[0038] Unter „optische Komponente" oder auch „optisches Bauelement" ist dabei ganz allgemein ein Bauteil zu verstehen, der sowohl eine rein optische Funktion als auch eine optoelektronische Funktion haben kann, wie z.B. ein Spiegel, ein Gitter, ein Optokoppler (optischer Stecker), oder aber Sende-Bauteile wie LEDs, Laserdioden, oder aber Empfänger-Bauteile, wie Fotodioden oder Fototransistoren. Diese Bauteile, d.h. optischen Komponenten 3, können dabei auch durch einen Umlenkspiegel allein oder aber durch eine opto-elektronische Komponente mit Umlenkspiegel gebildet sein.

[0039] Gemäß Fig. 1A und 1B ist eine Wellenleiter-Komponente 2 im Bereich ihres Endes 6 an der Oberseite des Substrats 5 des Leiterplattenelements 1, beispielsweise mit Hilfe einer Kleberschicht 7, angebracht. In Abstand davon ist das Substrat 5 mit der optischen Komponente 3, die hier einen Umlenkspiegel 8 aufweist, bestückt. Der Umlenkspiegel 8 als Lichteingang oder Lichtausgang der optischen Komponente 3 befindet sich im Abstand vom Ende 6 der Wellenleiter-Komponente 2. Zur optischen Kopplung dieser beiden Komponenten 2, 3 ist ein Überbrü-ckungs- oder Interface-Lichtwellenleiter 4 in einer Schicht 9 eines optischen, polymerisierbaren Materials, wie an sich bekannt (vgl. z.B. AT 413 891 B), strukturiert. Eine Rand- oder Begrenzungsschicht 10 begrenzt die optische Schicht 9.

[0040] Als Wellenleiter-Komponente 2 könnte beispielsweise eine an sich bekannte Lichtfaser, wie aus Fig. 2A und 2B ersichtlich, vorgesehen sein; eine derartige Lichtfaser weist einen Kern 11, auch Core genannt, innerhalb einer Mantel- oder Cladding-Schicht 12 auf.

[0041] Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A und 1B ist jedoch als Wellenleiter-Komponente eine planare Wellenleiter-Komponente 13, wie aus Fig. 3A, 3B und 3C ersichtlich, vorgesehen, wobei diese Wellenleiter-Komponente 13 gemäß Fig. 3C beispielhaft ein Array mit vier Lichtwellenleiter-Kernen(Cores) 14 aufweist. Diese Lichtwellenleiter-Kerne 14 befinden sich innerhalb einer Ummantelung, ähnlich der Mantelschicht 12 gemäß Fig. 2A und 2B, wobei üblicherweise in einem planaren Aufbau auf eine untere Cladding-Schicht 15 nach Strukturierung oder Anbringung der Lichtwellenleiter-Kerne 14 eine obere Cladding-Schicht 16 angebracht wird. Der gesamte Aufbau 14, 15, 16 erfolgt gemäß Fig. 3A-3C sowie auch gemäß Fig. 1A auf einem flexiblen Substrat 17, z.B. einer Polyimidfolie.

[0042] Beim vorliegenden Leiterplattenelement 1 werden die optisch zu koppelnden Kompo- 5/19 österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15 nenten, also 3 und 2 gemäß Fig. 1A, ohne besondere Ausrichtmaßnahmen auf dem Substrat 5 des Leiterplattenelements 1 befestigt; mit anderen Worten, bei dieser Bestückung erfolgt anders als bei früheren Techniken keine bzw. keine genaue mechanische Ausrichtung der Komponenten 2 und 3 relativ zueinander. Dies ist deshalb möglich, weil nach der Bestückung ein optisches Interface zwischen den Komponenten 2, 3 realisiert wird, das einen durch seine Strukturierung genau von einer Komponente, z.B. der Wellenleiter-Komponente 2, zur anderen Komponente, z.B. zum Umlenkspiegel 8 der Komponente 3, führenden Lichtwellenleiter 4 enthält, der hier als „Interface-Lichtwellenleiter" 4 bezeichnet wird. Dieser Interface-Lichtwellenleiter 4 wird wie erwähnt durch Mehrphotonenabsorption, insbesondere Zweiphotonenabsorption (TPA - Two Photon Absorption), im optischen Material der Schicht 9 in bekannter Weise strukturiert, indem ein Laserstrahl auf die jeweils gewünschte Stelle innerhalb der Schicht 9 fokussiert und im Fokusbereich durch die hohe Intensität eine Material-Polymerisation zufolge der Absorption von mehreren, zumeist zwei, Photonen verursacht wird. Hinsichtlich dieses Mechanismus und der hiefür möglichen Materialien ist der Einfachheit halber auf die AT 413 891 B zu verweisen.

[0043] Aus den Fig. 4A und 4B, weiters aus den Fig. 5A und 5B und schließlich den Fig. 6A und 6B ergibt sich diese Vorgangsweise mehr im Detail. In den Fig. 4A-6B ist dabei ein Leiterplattenelement 1 in Form eines sogenannten Rigid-Flex-Rigid-Boards gezeigt, wobei eine Wellenleiter-Komponente 2, beispielhaft in Form einer planaren Wellenleiter-Komponente 13 gemäß Fig. 3A, 3B und 3C, mit einem flexiblen eigenen Substratteil 17, vorgesehen ist, das in seinen beiden Endbereichen 6, 6' an Substraten 5 bzw. 5' aus starrem Material, z.B. Epoxidharz, beispielsweise durch Aufkleben, befestigt ist. Die beiden Substrate 5, 5' tragen je eine optische Komponente 3 bzw. 3', beispielsweise wieder mit Umlenkspiegeln 8 bzw. 8' (im gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechend den vier Lichtwellenleiterkernen 14 gemäß Fig. 3C jeweils vier Umlenkspiegel 8 bzw. 8', siehe Fig. 4B).

[0044] Als nächstes wird nun gemäß Fig. 5A und 5B der Raum zwischen den Teilen der Begrenzungsschichten 10 bzw. 10', die ähnlich Fig. 1A und 1B auch hier vorgesehen sind, mit einem optischen, fotopolymerisierbaren Material in Form einer Schicht 9 bzw. 9' ausgefüllt, wobei die optischen Komponenten 3 bzw. 3' sowie die Endbereiche 6 bzw. 6' der Wellenleiter-Komponente 2 im optischen Material dieser Schichten 9, 9' eingebettet werden, wie am besten aus Fig. 5A ersichtlich ist.

[0045] Davor oder aber danach werden die Komponenten 2, 3 bzw. 3' mit Hilfe eines optischen Systems, eines Vision-Systems 18, hinsichtlich ihrer Positionen vermessen, um so Steuersignale für die Strukturierung der Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' gemäß Fig. 6A, 6B zu erhalten, wie dies ebenfalls an sich bekannt ist. Bei diesem Ausmessen mit Hilfe des Vision-Systems 18 können die x-y-z-Positionen der Komponenten 2, 3, 3' ebenso wie etwaige Verdrehungen oder Verkippungen dieser Komponenten erfasst werden, so dass der Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' optimal in seiner Ausrichtung zu den Komponenten 2, 3, 3' strukturiert werden kann. Hinsichtlich einer solchen Vermessung bzw. der Anbringung von Markierungen kann auch auf AT 503 585 B verwiesen werden.

[0046] Insbesondere im Fall, dass die Komponenten 2, 3, 3' erst nach Anbringung der Schicht 9 bzw. 9' mit Hilfe des Vision-Systems 18 ausgemessen werden, ist zu beachten, dass die Wellenleiter-Komponente 2, die zumeist einen ähnlichen Brechungsindex wie das optische Material der Schicht 9 bzw. 9' aufweist, in diesem optischen System 18 nur schlecht sichtbar ist. In diesem Fall ist es daher besonders vorteilhaft, wenn Markierungen in den Endbereichen 6, 6' der Wellenleiter-Komponente 2 angebracht werden, beispielsweise in Form eines reflektierenden Materials auf der oberen Fläche der oberen Cladding-Schicht 16, z.B. durch Aufsputtern von Metallen, oder in Form eines färbigen Aufdrucks. In Fig. 5A sind derartige Markierungen - die selbstverständlich auch am Bauelement 3 bzw. 3' vorgesehen werden können, wie dies an sich bekannt ist - nicht ersichtlich; im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 und 10B sind jedoch Markierungen 19 - dort an einem eigenen Substratteil 20 der Wellenleiter-Komponente 2 - gezeigt. Ähnliche Markierungen wie die Markierungen 19 können im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4A-6B wie erwähnt auf der Oberseite der oberen Cladding-Schicht 16 (und auf den Komponenten 3, 3') angebracht sein. 6/19 österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15 [0047] Nach Erhalt der Positionsdaten einschließlich Ausrichtdaten betreffend die Komponenten 2, 3, 3' (was die Wellenleiter-Komponente 2 betrifft, genauer deren Endbereiche 6, 6') werden wie erwähnt die Interface-Lichtwellenleiter 4, 4' „eingeschrieben", wobei Bestückungsungenauigkeiten ausgeglichen werden können, da der Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' durchaus einen schrägen oder bogenförmigen Verlauf zwischen dem jeweiligen Kern 14 der Wellenleiter-Komponente 2 und beispielsweise dem jeweiligen Umlenkspiegel 8 der optischen Komponente 3 erhalten kann.

[0048] Auf diese Weise wird, zufolge der beiden starren Substrate 5, 5' und der flexiblen Wellenleiter-Komponente 2 dazwischen, die erwähnte Rigid-Flex-Rigid-Leiterplatte 1 mit zwei starren Bereichen (Substrate 5, 5') und einem dazwischen befindlichen flexiblen Bereich (Wellenleiter-Komponente 2 mit dem flexiblen Substratteil 17) erhalten.

[0049] Bei der Bestückung kann die Montage der optischen Komponenten 3, 3' sowohl vor als auch nach der Wellenleiter-Bestückung durchgeführt werden.

[0050] Als Wellenleiter-Komponente 2 kann außer der gezeigten planaren Wellenleiter-Komponente 13 gemäß Fig. 3A-3C auch eine Lichtfaser wie in Fig. 2A und 2B gezeigt verwendet werden. Eine derartige Lichtfaser oder ein Lichtfaserkabel kann beispielsweise aus Glas oder Polymer (POF) gefertigt sein.

[0051] Die planare Polymer-Wellenleiter-Komponente mit der unteren Cladding-Schicht 15, der Kernschicht 14 und der oberen Cladding-Schicht 16 kann andererseits aus einem Polymer, wie einem Acrylat, Polyimid, Polysiloxan, Epoxidharz usw., oder aus Hybridpolymeren (anorganisch-organischen Hybridmaterialien, z.B. Ormocere) aufgebaut sein. Derartige planare Wellenleiter-Komponenten 2 können durch verschiedenste bekannte Technologien hergestellt werden, wie beispielsweise durch Maskenbelichtungstechniken, Inprint-Techniken, lonendiffusionsver-fahren, aber auch Laser-Direktschreiben usw..

[0052] Wenn weiters bislang die optischen Komponenten 3 bzw. 3' mit Umlenkoptiken (Spiegel 8 bzw. 8') gezeigt wurden, so können selbstverständlich optische Komponenten 3, 3' ohne derartige Umlenkspiegel 8, 8' ebenso vorgesehen sein.

[0053] Was den Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' oder allgemein das optische Material der Schicht 9, 9' betrifft, so sollte hier der Brechungsindex, um Reflexionen zu minimieren, bevorzugt zwischen den Brechungsindizes der zu koppelnden Komponenten 3 bzw. 3' einerseits und 2 andererseits liegen.

[0054] Mit dem Vision-System 18 können die x- und y-Koordinaten sowie die Höhe (z-Koordinate), weiters Verdrehungen oder Verkippungen der montierten Komponenten, also der Endbereiche 6, 6' der Wellenleiter-Komponente 2 und der optischen Komponente 3, 3', insbesondere auch von deren Umlenkspiegeln 8 bzw. 8' anhand von Markierungen (z.B. 19 in Fig. 9 und 10B), aber auch anhand der Umrisse bestimmt werden.

[0055] Bei den folgenden, anhand der Fig. 7-14 erläuterten Ausführungsbeispielen wird in entsprechender Weise das vorstehend ausführlich erläuterte Prinzip der Interface-Lichtwellenleiter 4, 4' zwischen Wellenleiter-Komponenten 2 und optischen Komponenten 3, 3' angewandt, so dass sich diesbezüglich weitere Erläuterungen erübrigen können. Es soll daher im Nachfolgenden vor allem auf die Besonderheiten dieser Ausführungsbeispiele eingegangen werden.

[0056] In Fig. 7 ist ein Leiterplattenelement 1 mit einem Mehrlagenaufbau gezeigt, wobei auf einem unteren Element ähnlich dem Leiterplattenelement 1 gemäß Fig. 6A über eine Substrat-Zwischenlage 5A, 5A' eine weitere Wellenleiter-Komponente 2', beispielsweise von derselben Bauart „planare Wellenleiter-Komponente" wie die untere Wellenleiter-Komponente 2 (siehe Fig. 3A-3C), z.B. wiederum über Kleberschichten 7', stapelartig angebracht ist; auf den Zwi-schenlagen-Substraten 5A, 5A' sind wiederum optische Komponenten 3, 3' angebracht. Wiederum sind zur optischen Kopplung Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' vorgesehen. Als oberer Abschluss ist eine Deckschicht 22, z.B. ein Standard-Lötstopplack, zum Schutz des gezeigten Mehrlagenaufbaus vorgesehen. Seitlich wird die Anordnung auch in der oberen Lage durch 7/19 österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15 eine Begrenzungsschicht 10A geschützt.

[0057] Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist eine Wellenleiter-Komponente 2 mit einem dreidimensionalen Array von Lichtwellenleiter-Kernen 14 vorgesehen, wobei das dreidimensionale Array beispielsweise vier Lichtwellenleiter-Kerne nebeneinander (siehe Fig. 3C) und diese Nebeneinander-Anordnungen dreimal übereinander (siehe Fig. 8) aufweist, so dass eine 3D-Anordnung von 3x4 Wellenleiter-Kernen 14 gegeben ist. Ein entsprechendes Array von Interface-Lichtwellenleitern 4 ist sodann in der jeweiligen optischen Schicht 9 zur optischen Kopplung der Wellenleiter-Komponente 2 mit dem jeweiligen optischen Bauelement 3 bzw. 3' in der optischen Schicht 9 strukturiert.

[0058] In Fig. 9 ist der Endbereich bzw. das Ende 6 einer Wellenleiter-Komponente 2 mit einem eigenen Substratteil 20 gezeigt, wobei die bereits erwähnten Markierungen 19 für das Ausmessen des Endbereichs 6 der Wellenleiter-Komponente 2 statt auf der Wellenleiter-Komponente 2 selbst auf diesem eigenen Substratteil 20 angebracht sind.

[0059] Die Wellenleiter-Komponente 2 wird mit Hilfe dieses eigenen Substratteils 20 auf dem Substrat 5 des Leiterplattenelements 1 angebracht. Dabei kann der Substratteil 20 (aus einem Sortiment mit mehreren Dicken) mit einer derartigen Dicke, d.h. Höhe, gewählt werden, dass die Wellenleiter-Komponente 2 mit ihrem Lichtwellenleiter-Kern 11 bzw. 14 (siehe Fig. 2 und 3) in der Höhe bereits der Höhenlage der optischen Komponente 3 bzw. des Umlenkspiegels 8 der optischen Komponente 3 ungefähr angepasst ist. Der Substratteil 20 hat somit hier auch die Funktion eines Abstandhalters oder Distanzelements. Nach der Montage der beiden Komponenten 2, 3 erfolgt wiederum die Einbettung der Komponenten 2, 3 im optischen Material der Schicht 9, wonach die Markierungen 19 am Substratteil 20 ausgemessen werden. Danach wird wie beschrieben der Interface-Lichtwellenleiter 4 strukturiert.

[0060] In Fig. 11 und 12 sind Abwandlungen der Ausführungsform gemäß Fig. 1A gezeigt, wobei der Interface-Lichtwellenleiter 4 mit sich änderndem Querschnitt, z.B. kegelig, ausgeführt ist; dabei vergrößert er sich gemäß Fig. 11 von der Wellenleiter-Komponente 2 zur optischen Komponente 3 hin, was von besonderem Vorteil ist, wenn es sich bei der optischen Komponente um eine Fotodiode handelt; gemäß Fig. 12 vergrößert sich der Querschnitt des Interface-Lichtwellenleiters 4 ausgehend von der optischen Komponente 3' zur Wellenleiter-Komponente 2 hin, beispielsweise wiederum kegelig, was dann von Vorteil ist, wenn es sich bei der optischen Komponente 3' um eine Laserdiode oder dergl. handelt. In beiden Fällen, Fig. 11 und Fig. 12, kann durch die kegelige Ausführung des Interface-Wellenleiters 4 bzw. 4' die Lichtkopplungseffizienz erhöht werden.

[0061] Der jeweilige Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' kann aber nicht nur in der Durchmessergröße, sondern auch in der Querschnittsform eine Anpassungs-Änderung erfahren, z.B. von rund auf elliptisch oder von rund auf mehr oder weniger rechteckig, um die Lichtkopplung zwischen den Komponenten 2 und 3 bzw. 3' zu verbessern. Beispielsweise ist normalerweise das Lichtemissionsfeld einer Laserdiode rund, der Wellenleiter-Querschnitt eines planaren Wellenleiters 13 jedoch rechteckig (siehe Fig. 3C); ein „gleitender" Übergang vom runden Querschnitt auf den rechteckigen Querschnitt ist für die Lichtkopplung günstiger als ein abrupter Übergang.

[0062] In den Ausführungsformen gemäß Fig. 13A und 13B wird ebenfalls das Licht zwischen der Wellenleiter-Komponente 2, z.B. in Form einer Lichtfaser oder aber wiederum in Form einer planaren Wellenleiter-Komponente, und einer optischen Komponente 3 über einen TPA-struk-turierten Lichtwellenleiter 4 gekoppelt; der Lichtwellenleiter 4 kann dabei je nach Notwendigkeit und Zielvorstellungen auch verschiedene andere Formen haben außer einer einfachen Wellenleiterkonfiguration. Aus Fig. 13A sind dabei beispielhaft mehrere verschiedene Konfigurationen ersichtlich, wie etwa ein Wellenleitersplitter 4A und eine Wellenleiterkreuzung 4B. Die Lichtwellenleiter 4 sind dabei in Fig. 13A nur ganz schematisch, mit strichlierten Linien, angedeutet, ebenso wie die Komponenten 2, 3, wobei der Einfachheit halber eine Wellenleiter-Komponente 2 mit mehreren Lichtwellenleiter-Kernen 14 und ein optischer Bauteil 3 mit mehreren Empfangsbereichen 24 schematisch veranschaulicht sind. Selbstverständlich wäre es aber auch denkbar, von einer Laserdiode ausgehend einen Interface-Lichtwellenleiter 4 vorzusehen, der 8/19

Claims (20)

1. österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15 sich dann zu mehreren Lichtwellenleiter-Kernen einer Lichtwellenleiter-Komponente 2 aufteilt. Was die Wellenleiterkreuzung 4B betrifft, so können hier die beiden Lichtwellenleiter höhenmäßig übereinander liegen, es ist aber durchaus denkbar, dass die beiden Lichtwellenleiter eine gegenseitige (eventuell teilweise) Durchdringung bilden, vorausgesetzt, dass der Winkel derart gewählt ist, dass ein Übersprechen des Lichtsignals von einem Wellenleiterkanal in den anderen Wellenleiterkanal minimiert wird. Weiters ist es vorstellbar, die beiden Wellenleiter im Kreuzungsbereich 4B so zu führen, dass sie einander nicht durchdringen oder berühren, sondern in unterschiedlichen Höhen kreuzen, was ein Übersprechen des Lichtsignals von einem Wellenleiterkanal zum anderen Wellenleiterkanal praktisch nicht mehr ermöglicht. [0063] Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13B ist ein sich in einer vertikalen Ebene teilender Interface-Lichtwellenleiter 4, also mit einem Wellenleiter-Splitter 4A in z-Richtung, zwischen einer Wellenleiter-Komponente 2 mit zumindest einem Wellenleiterkern 14 und einem optischen Bauteil 3 mit mehreren Empfangsbereichen 24 vorgesehen. [0064] Es sei erwähnt, dass mit der vorliegenden Technologie auch die Möglichkeit gegeben ist, den Wellenleiter-Splitter 4A schräg im Raum vorzusehen, so dass die beiden Wellenleiter-Arme des Spliters 4A nicht nur in verschiedenen Tiefen, sondern auch seitlich zueinander versetzt vorliegen. [0065] In Fig. 14 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel mit einem standardisierten optischen Stecker (Koppler) 23 als optische Komponente 3 veranschaulicht, deren Lichtwellenleiter 23' wiederum über einen innerhalb einer optischen Schicht 9 TPA-strukturierten Interface-Lichtwellenleiter 4 - der sich hier beispielsweise zwecks Höhenanpassung schräg erstreckt - mit dem Wellenleiter-Kern 14 einer z.B. planaren Wellenleiter-Komponente 2 gemäß Fig. 3A-3C gekoppelt ist. Das so gebildete modifizierte Leiterplattenelement 1 besitzt dabei wiederum ein Substrat 5, so dass das Leiterplattenelement in diesem Bereich steif ist, und dass an diesen steifen Bereich ein flexibler Bereich mit der Wellenleiter-Komponente 2 anschließt. [0066] Als optische Komponente 3 kommen auch weitere aktive bzw. passive optische Bauteile in Frage, wie z.B. ein VCSEL-Bauelement oder aber eine Linse, ein Gitter (Gräting) usw., und insofern ist der Ausdruck „optische Komponente" ganz allgemein zu verstehen. Ansprüche 1. Leiterplattenelement (1) mit einem Substrat (5, 5'), auf dem zumindest eine optische Komponente (3, 3') angebracht und mit dem zumindest eine Wellenleiter-Komponente (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ende (6) der Wellenleiter-Komponente (2) und der optischen Komponente (3, 3') zumindest ein in einer Schicht (9, 9') aus optischem Material durch Mehrphotonenabsorption strukturierter Interface-Lichtwellenleiter (4, 4') vorgesehen ist.
2. 2. Leiterplattenelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) in ihrem Endbereich (6) wenigstens eine Markierung (19) aufweist.
3. 3. Leiterplattenelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (19) aus einem reflektierenden Material gebildet ist.
4. 4. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) eine auf einem flexiblen Substrat (17) angebrachte planare Wellenleiterstruktur (13) mit zumindest einem Wellenleiter-Kern (14) aufweist.
5. 5. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) zumindest eine Lichtfaser aufweist.
6. 6. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) mit ihrem Ende auf einem eigenen Substratteil (20) aufgebracht ist, der mit wenigstens einer Markierung (19) versehen ist. 9/19 österreichisches Patentamt AT12 314U1 2012-03-15
7. 7. Leiterplattenelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratteil (20) zugleich ein Distanzelement zur Höheneinstellung der Wellenleiter-Komponente (2) relativ zur optischen Komponente (3) bildet.
8. 8. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Interface-Lichtwellenleiter (4, 4') einen sich in Leiterrichtung ändernden Querschnitt aufweist.
9. 9. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Interface-Lichtwellenleiter (4) als optische Komponente, z.B. als Wellenleitersplitter (4A) oder Wellenleiterkreuzung (4B), ausgebildet ist.
10. 10. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) ein Wellenleiterarray mit mehreren Lichtwellenleiter-Kernen (14) enthält, wobei vorzugsweise eine entsprechende Zahl und Anordnung von Interface-Lichtwellenleitern (4) vorgesehen ist.
11. 11. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (3, 3') eine Fotodiode, oder eine Licht emittierende Diode bzw. eine Laserdiode, gegebenenfalls mit Umlenkspiegel (8'), ist.
12. 12. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (3) ein optischer Stecker (23) ist.
13. 13. Verfahren zur Herstellung eines Leiterplattenelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) auf dem Substrat (5, 5') fixiert und das Substrat (5, 5') mit der optischen Komponente (3, 3') bestückt wird, wonach die Schicht (9) aus optischem Material unter Einbettung der optischen Komponente (3, 3') und des Endes (6) der Wellenleiter-Komponente (2) auf dem Substrat (5, 5') aufgebracht und darin der Interface-Lichtwellenleiter (4, 4') mit Hilfe eines Laserstrahls durch Mehrphotonenabsorption strukturiert wird.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) mit ihrem Ende (6) auf dem Substrat (5, 5') aufgeklebt wird.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen des Endes (6) der Wellenleiter-Komponente (2) und der optischen Komponente (3, 3') mittels eines optischen Systems (18) ausgemessen werden, wonach der Interface-Lichtwellenleiter (4, 4') unter Verwendung der gewonnenen Positionssignale strukturiert wird.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen ausgemessen werden, bevor die Schicht (9) aus optischem Material aufgebracht wird.
17. 17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen nach dem Aufbringen der Schicht (9) aus optischem Material ausgemessen werden.
18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Endbereich (6) der Wellenleiter-Komponente (2) eine optisch detektierbare Markierung (19) angebracht wird.
19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (6) der Wellenleiter-Komponente (2) auf einem eigenen Substratteil (20) aufgebracht wird, der mit wenigstens einer Markierung (19) versehen wird bzw. wurde.
20. 20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratteil (20) zugleich als Distanzelement zur Einstellung der Höhe des Endes (6) der Wellenleiter-Komponente (2) in Bezug auf die optische Komponente (3) verwendet wird. Hierzu 9 Blatt Zeichnungen 10/19