CN103762205A - 兼容pcb工艺的多功能基板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼容PCB工艺的多功能基板及其制作方法，包括多层互连基板、玻璃基板以及光波导层，玻璃基板的上表面刻蚀有上层图形，光波导层中设置有倒三角形反射镜，光波导层的下表面刻蚀有下层图形，上层图形、下层图形通过垂直嵌装在玻璃基板、多层互连基板以及光波导层上的通孔与多层互连基板的传输通道连通；制作方法包括压合玻璃基板和光波导层、切割反射镜、制作通孔、镀孔铜和面铜、刻蚀图形和焊盘以及安装器件的步骤。本发明能够解决高频传输损耗小的问题，使得光互连传输容量大，互连密度高，抗电磁干扰能力强，适用于毫米波互连，制作工艺简单，成本低廉，而且也适用于有密封要求的应用。

Description

兼容PCB工艺的多功能基板及其制作方法

技术领域

本发明涉及集成电子技术领域，特别是一种混合集成的封装器件及其制作方法。

背景技术

现有的集成电路多为二维集成电路，二位集成电路是指将集成电路的各种元器件一个挨一个的分布在一个平面上。随着集成度不断提高，每片上的器件单元数量急剧增加，芯片面积增大，单元间连线的增长既影响电路工作速度又占用很多面积，严重影响集成电路进一步提高集成度和工作速度。于是产生三维集成的新技术思路。三维集成电路多层器件重叠结构可成倍提高芯片集成度，重叠结构使单元连线缩短，并使并行信号处理成为可能，从而实现电路的高速操作，具有诸多优点；然而由于多层电路的设计，存在较复杂的电互连传导，必然会在带宽限制、电磁干扰、延迟、能耗方面出现难以克服的技术难题，使得信息输入输出的增长速度无法匹配信息的处理速度。光互连技术具有极大的带宽资源和可以轻易实现信息交叉及复用优势，可使单个传输通道实现海量数据的传输，并且不同信道光信号之间彼此独立，不会出现交叉和串扰现象，因此是替代电互连的理想技术。

在制作光互连集成器件的过程中，需要采用基板进行封装，目前用于封装的材料主要包括有机基板、硅基板和陶瓷基板，其中有机基板支持的速率约在30GHz，支持更高频的有机基板则基本被禁运；陶瓷基板的高频特性较好，还能够满足密闭的要求，但是成本较高；硅基板由于半导体寄生效应，后续封装损耗较大，并且使用高阻硅作为基板成本较高。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种能够进行高频传输、损耗较小且成本低廉的光互连封装结构。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

兼容PCB工艺的多功能基板，包括多层互连基板、设置在多层互连基板上表面的玻璃基板以及设置在多层互连基板下表面的光波导层；所述玻璃基板的上表面刻蚀有用于焊接电子器件的上层图形；所述光波导层包括上包层、光波导芯层以及下包层；光波导层中设置有倒三角形反射镜，光波导层的下表面刻蚀有用于焊接电子器件和光子器件的下层图形；所述上层图形和下层图形通过垂直嵌装在玻璃基板、多层互连基板以及光波导层上的通孔与多层互连基板的传输通道连通。

兼容PCB工艺的多功能基板的制作方法，主要包括以下步骤：

第一步，采用光波导薄膜材料和与制备塑料光纤相兼容的制备工艺制备光波导层；

第二步，在光波导层单面上采用激光切割形成斜面，作为反射镜，然后化学镀，电镀增强反射；

第三步，在多层互连基板的上端面压合玻璃基板，在多层互连基板的下端面上压合光波导层单面布线板；

第四步，采用通孔工艺在玻璃基板、多层互连基板以及光波导层上钻垂直于各层的通孔；

第五步，在玻璃基板和光波导层上分别进行化学镀、电镀形成孔铜和面铜；

第六步，在玻璃基板的上表面和光波导层的下表面分别进行图形和焊盘的刻蚀，并进行表面处理；

第七步，分别在玻璃基板上表面和光波导层下表面安装器件。

本发明第一步所述光波导层的具体结构为：光波导层包括上包层、光波导芯层以及下包层，所述上包层连接在多层互连基板下端面上，光波导芯层位于上包层和下包层之间；所述反射镜位于上包层和芯层上。

本发明第一步所述光波导层的具体结构为：所述光波导芯层是采用薄膜材料制成，薄膜材料为塑料或者PI材料。

本发明第二步所述反射镜的具体结构为：反射镜为倒三角形结构，光反射界面与光波导芯层的夹角为40°~50°。

本发明第七步的改进在于：第七步安装在玻璃基板上表面的器件采用密封罩密封，密封罩钎焊在玻璃基板上表面。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明能够解决高频传输损耗小的问题，使得光互连传输容量大，互连密度高，抗电磁干扰能力强，适用于毫米波互连，制作工艺简单，成本低廉。采用玻璃基板及密闭罩结构，能够实现密闭封装的要求。

附图说明

图1为本发明所述光电同传器件的结构示意图。

图2为本发明制作光电同传器件的工艺流程图。

其中：1. 多层互连基板，2. 玻璃基板，3. 光波导层，31. 上包层，32. 光波导芯层，33. 下包层，34. 反射镜，4.图形，5. 电子器件，6. 光子器件，7.通孔。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种兼容PCB工艺的多功能基板，其结构如图1所示，包括多层互连基板1、玻璃基板2以及光波导层3。

其中玻璃基板2压合在多层互连基板1的上端面，玻璃基板2的上表面刻蚀有上层图形。玻璃基板上表面的上层图形上焊接有电子器件5，电子器件采用玻璃罩封闭。

所述光波导层3压合在多层互连基板1的下端面，光波导层3包括上包层31、光波导芯层32以及下包层33；光波导层3中设置有倒三角形反射镜34，光波导层3的下表面刻蚀有下层图形。光波导芯层下表面的下层图形上安装有光子器件6和电子器件5，光子器件的数量与反射镜的以及光波导通道的数量相应。

所述玻璃基板、多层互连基板以及光波导层上垂直嵌装有贯穿上下表面的通孔7，上层图形和下层图形通过通孔与多层互连基板的传输通道连通。

上述兼容PCB工艺的多功能基板制作的工艺流程图如图2所示，具体包括以下步骤：

第一步，采用光波导薄膜材料和与制备塑料光纤相兼容的制备工艺制备光波导层3。光波导层包括上包层、光波导芯层以及下包层，所述上包层连接在多层互连基板下端面上，光波导芯层位于上包层和下包层之间。

如果是多模波导，光波导层的芯层厚度可设置为几十个微米到几百个微米；上包层和下包层的厚度相对薄一些，大概几十个微米；上包层与光波导芯层之间以及光波导芯层与下包层之间均采用熔融压合方式制造成薄片形状。

光波导芯层是采用薄膜材料制作而成的板材，薄膜材料可以是塑料，也可以是PI材料。当然，光波导芯层板材不限于塑料光纤材料，也可以是其他有机材料制成的片状或卷状的光波导板材，其制备工艺可以包括层压加光刻的工艺步骤，也可以包括硬模压印的工艺步骤。由于制备方法的限制，采用与制备塑料光纤相兼容的制备工艺制备的光波导板材所包含的光波导只能是直的，而采用层压加光刻或硬模压印的工艺步骤制备的光波导板材所包含的光波导可以是任意图形的。该光波导芯层板材含有多路成一定间距分布的光波导，光波导的间距分布可以是均匀的、也可以是周期性的，但不限于此。

光波导层可以包括两种或两种以上不同折射率材料组成芯层和包层，也可以只包括一种折射率的材料；光波导芯层可以是折射率突变型，也可以是折射率渐变型。光波导芯层横截面的折射率分布可以是圆形、方形、梯形，但不限于此。

第二步，在光波导层单面上采用激光切割形成斜面，作为反射镜34，然后化学镀，电镀增强反射。如果光波导层很薄很软不方便上述工艺操作采用胶体粘接的方式将光波导层固定临时键合在玻璃载板上，在上述工艺完成后再拆键合。

反射镜的结构为倒三角形结构，光反射界面与光波导芯层的夹角为40度到50度，优选值为45度。反射镜的光反射界面是通过激光烧蚀工艺制备的，所使用的激光烧蚀设备可以是基板激光打孔设备。光反射界面的作用是将在多层互连基板内传输的光波耦合出光波导层的上表面，以及将入射到光波导层的上表面的光波耦合到多层互连基板内并在多层互连基板内传输。为提高光耦合效率，需要光反射界面镜面光滑。

化学镀的厚度很薄，大概在几百个nm左右，增强金属和基板的粘附力。电镀后，化学镀铜层被电镀金属增厚，概几个um到几十个um。金属电镀层可以是纯铜、铜合金、也可以是几种不同金属电镀层的组合。在化学镀电镀的金属层上涂覆干膜作为光刻胶，干膜光刻（紫外曝光）显影后，采用腐蚀液刻蚀图形形成布线，去除多余金属，留下单层线路；再进行干膜剥离、清洗、烘干。光波导层形成单面布线板。

第三步，在多层互连基板的上端面压合玻璃基板，在多层互连基板的下端面上压合光波导层单面布线板；

本发明中使用的多层互连基板，是指已经采用PCB工艺或者substrate（载板）工艺加工制造的载板，可以是多层板也可以是双层板。载板的材料可以是高频材料（rogers、metron6等）、普通的板材（FR4等）、BT板材或者是混压板。多层互连基板制造是从双面板工艺基础上，结合一些特有的金属化孔、内层互连、钻孔、定位系统、层压，以及专用材料发展而来的，是比较成熟的技术。

玻璃基板表面平整度高，并且具有良好的热稳定性和化学稳定性。本发明玻璃基板的玻璃采用是石英玻璃，比如康宁公司的XT系列的玻璃等。玻璃的尺寸有4寸、6寸、8寸、12寸以及更大的panel，优选大小和PCB基板的尺寸兼容的玻璃。玻璃的厚度有100μm、200μm、500μm、700μm几种选择。

第四步，采用通孔工艺在玻璃基板、多层互连基板以及光波导层上钻垂直于各层的通孔7。

在玻璃基板上钻孔的方式可以采用机械、激光或者干法刻蚀的方法形成通孔。在光波导层上钻孔的方式可以采用机械的方法，优选激光钻孔的方式，支持的互连密度高。

通孔孔径的大小和玻璃的厚度以及玻璃的厚度有关，一般的厚度和深度比为10:1，或者5：1，或者更小；以100μm厚的玻璃interposer，孔径深宽比1:1为例，通孔的孔径大小为100μm。

第五步，在玻璃基板和光波导层上分别进行化学镀、电镀形成孔铜和面铜。

化学镀和电镀在PCB工艺线上可以实现，先进行化学镀，然后再进行电镀。其中，化学镀的厚度很薄，大概在几百个nm左右，增强金属和基板的粘附力。经过电镀后，化学镀铜层被电镀金属增厚，大概几个um到几十个um。

玻璃的孔铜为了满足密封的要求，可以采用将通孔镀铜填满。

第六步，在玻璃基板的上表面和光波导层的下表面分别进行图形4和焊盘的刻蚀，并进行表面处理。

为了满足芯片焊接的要求，基板形成的表面需要后处理。比如为了引线接合的需求，需要表面局部或者全部做成镍钯金的处理；比如为了实现光子器件和光反射镜的对准，制作一些对准标记的图形等。

表面金属化处理的目的是在铜上形成一层抗腐蚀、抗氧化的金属保护层，起到保护作用。通常金属保护层是镍金复合层或镍钯金复合层。

该工艺步骤后在光波导芯层上下表面形成了金属布线、芯片和元器件组装的焊盘。多层互连基板的最外层是阻焊层，就是我们常说的“绿油”，目的是保护线路和防止后续的SMT焊接产生的短路。

第七步，分别在玻璃基板上表面和光波导层下表面安装器件。由多层基板（或者PCB板）、玻璃基板、光波导形成的多功能基板结构和外界信号的连接可以采用多种形式，比如金手指，BGA，PGA等。

安装在光波导层上的器件为光子器件6和电子器件5。光子器件比如激光器、探测器等，可以是单个VCSEL激光器或单个光探测器，也可以是多个VCSEL激光器组成的VCSEL激光器阵列或者多个光探测器组成的光探测器阵列；所述VCSEL激光器阵列或光探测器阵列可以是1×N（N大于等于1）阵列，也可以是M×N（M、N大于等于1）阵列。光子器件应与光波导对准，采用光子器件都是面发射和面接收的器件。光波导的通道数以及反射镜个数与光子器件的通道数对应，以保证每一个独立的VCSEL激光器或光探测器与一根光波导进行光耦合。

电子器件比如激光器的驱动电路，探测器的放大电路以及ASIC芯片等。激光器驱动电路和探测器放大电路的通道数应与光子器件数目对应。光子器件的高速放大和接收电路可以采用wirebonding或者flip-chip的形式，普通的IC采用SMT工艺即可。

光子器件及电子器件安装后，需要用胶保护，胶的选用应满足对传输波长透明、折射率处于芯片波导和空气之间、粘结度好、导热性好、硬度适中等要求。

安装在玻璃基板上表面的器件如果需要密封，可采用钎焊方式，将器件用玻璃罩罩起来进行密封，以满足特殊环境和密闭的要求。

Claims (6)

1.兼容PCB工艺的多功能基板，其特征在于：包括多层互连基板（1）、设置在多层互连基板（1）上表面的玻璃基板（2）以及设置在多层互连基板（1）下表面的光波导层（3）；

所述玻璃基板（2）的上表面刻蚀有用于焊接电子器件的上层图形；

所述光波导层（3）包括上包层（31）、光波导芯层（32）以及下包层（33）；光波导层（3）中设置有倒三角形反射镜（34），光波导层（3）的下表面刻蚀有用于焊接电子器件和光子器件的下层图形；

所述上层图形和下层图形通过垂直嵌装在玻璃基板、多层互连基板以及光波导层上的通孔（7）与多层互连基板的传输通道连通。

2.兼容PCB工艺的多功能基板的制作方法，其特征在于主要包括以下步骤：

第一步，采用光波导薄膜材料和与制备塑料光纤相兼容的制备工艺制备光波导层（3）；

第二步，在光波导层单面上采用激光切割形成斜面，作为反射镜，然后化学镀，电镀增强反射；

第三步，在多层互连基板的上端面压合玻璃基板，在多层互连基板的下端面上压合光波导层单面布线板；

第四步，采用通孔工艺在玻璃基板、多层互连基板以及光波导层上钻垂直于各层的通孔；

第五步，在玻璃基板和光波导层上分别进行化学镀、电镀形成孔铜和面铜；

第六步，在玻璃基板的上表面和光波导层的下表面分别进行图形和焊盘的刻蚀，并进行表面处理；

第七步，分别在玻璃基板上表面和光波导层下表面安装器件。

3.根据权利要求2所述的兼容PCB工艺的多功能基板的制作方法，其特征在于：第一步所述的光波导层包括上包层、光波导芯层以及下包层，所述上包层连接在多层互连基板下端面上，光波导芯层位于上包层和下包层之间；所述反射镜位于上包层和芯层上。

4.根据权利要求3所述的兼容PCB工艺的多功能基板的制作方法，其特征在于：所述光波导芯层是采用薄膜材料制成，薄膜材料为塑料或者PI材料。

5.根据权利要求2所述的玻璃基板与光波导混合集成的封装器件制作方法，其特征在于：第二步所述的反射镜结构为倒三角形结构，光反射界面与光波导芯层的夹角为40°~50°。

6.根据权利要求2所述的玻璃基板与光波导混合集成的封装器件制作方法，其特征在于：第七步安装在玻璃基板上表面的器件采用密封罩密封，密封罩钎焊在玻璃基板上表面。

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