CN103763855A - 光电印制板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电印制板及其制作方法，其中光电印制板包括光波导层、第一金属层、半固化片PP、第二厚铜层、上外铜层、下外铜层及金属保护层，光波导层中设置有反射镜，第一金属层上设置有与反射镜连通的图形RDL1，半固化片PP上设置有盲埋孔，第二厚铜层上设置有图形RDL2；所述通孔贯穿光波导层、第一金属层、半固化片PP以及第二厚铜层并止于金属保护层之间。所述上外铜层上植入有焊球，所述下外铜层对应反射镜的下方设置有光子器件，光子器件周边的下外铜层上安装有光子器件连接电路和光子器件保护装置。本发明制作工艺简单，使用PCB工艺或者载板工艺，实现复杂、高速、多IO的芯片之间的互连，不仅互连密度高，而且还适用于大批量生产。

Description

光电印制板及其制作方法

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。

在制作光电互连集成器件的过程中，必须制作光波导层，光波导层包括下包层、波导芯层和上包层。目前光波导层的下包层、波导层和上包层均是分别单独加工，无论是刚性光PCB板还是柔性光PCB板，其中有机光波导部分的制备方法大体分为两种：一种是层压加光刻的方法，另一种是硬模压印的方法，成本都较高，组装复杂。上述两种制备方法与PCB板工艺兼容性存在一定问题，尤其是开发高耐热性的高聚物作为光波导线路材料难度很大。并且，采用的有机光波导材料目前还远没有成熟和大批量生产。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种制作工艺简单、适合于大批量生产的光电印制板以及光电印制板的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

光电印制板，包括自下而上依次设置的光波导层、第一金属层、半固化片PP以及第二厚铜层，所述光波导层的下底面设置有相互融合设置的下外铜层及金属保护层，第二厚铜层的上端面设置有相互融合设置的上外铜层及金属保护层；

所述光波导层中设置有反射镜，第一金属层上设置有与反射镜连通的图形RDL1，半固化片PP上设置有盲埋孔，第二厚铜层上设置有图形RDL2；所述通孔贯穿光波导层、第一金属层、半固化片PP以及第二厚铜层并止于金属保护层之间；

所述上外铜层上植入有焊球，所述下外铜层对应反射镜的下方设置有光子器件，光子器件周边的下外铜层上安装光子器件连接电路和光子器件保护装置。

本发明所述光电印制板的改进在于：由半固化片PP、盲埋孔和第二厚铜层通过PCB工艺或者基板工艺制成基板层单元，所述第一金属层和金属保护层之间设置有至少一层基板层单元。

光电印制板的制作方法，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，采用胶体粘接的方式将光波导层固定在玻璃载板上，并在光波导层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，在连为一体的光波导层和载板上先进行化学镀、再进行电镀形成第一金属层；

第四步，在第一金属层上涂覆干膜作为光刻胶，干膜光刻显影后，采用腐蚀液刻蚀图形RDL1，去除多余金属，留下线路；再进行干膜剥离、清洗、烘干；

第五步，在第一金属层上压合半固化片PP，并在半固化片PP上与图形RDL1错位布置的设置盲埋孔；

第六步，在半固化片PP上进行化学镀、电镀形成第二厚铜层，然后可是图形RDL2；

第七步，采用UV光照射去掉载板，采用机械钻孔的方法在基板上钻出通孔；

第八步，在多层基板上进行化学镀和电镀形成外铜层，并刻蚀外铜层形成线路和焊盘；

第九步，进行表面金属化处理，形成金属保护层；

第十步，在多层基板的下外铜层上安装光子器件和电路；

第十一步，在光子器件周边的下外铜层上安装光子器件连接电路和光子器件保护装置；

第十二步，在多层基板的上外铜层上植焊球。

光电印制板制作方法的改进在于：在进行第七步之前，重复第五步和第六步压合成由半固化片PP和第二厚铜层贴合在一起制成的基板层单元，由两层以上基板层单元形成多层基板。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明制作工艺简单，采用较成熟的塑料光纤材料和与制备塑料光纤相兼容的制备工艺制备片状或卷状的光波导层，由于柔性光学材料本身就是波导，含有波导层和外包层，因此不需要单独在PCB工艺中制作波导，简化了工艺步骤；本发明采用的工艺与PCB工艺兼容，反射镜制作、电互连的设计与加工以及各层的组装均在光学材料上进行，基板完成后再进行电路PCB的焊接组装。本发明采用柔性光学材料薄片和多层PCB或者载板材料进行压合，使用PCB工艺或者载板工艺，实现复杂、高速、多IO的芯片之间的互连，不仅互连密度高，而且还适用于大批量生产。

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. 光波导层，2.玻璃载板，3.第一金属层，4. RDL1，5. 半固化片PP，6. 盲埋孔，7. 第二厚铜层，8. RDL2，9. 通孔，10. 上外铜层，11. 金属保护层，12. 光子器件，13. 光子器件保护装置，14. 焊球，15. 下外铜层，16.反射镜。

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。

一种光电印制板，其结构如图1所示，包括自下而上依次设置的光波导层1、第一金属层3、半固化片PP以及第二厚铜层7，所述光波导层1的下底面设置有相互融合设置的下外铜层15及金属保护层11，第二厚铜层的上端面设置有相互融合设置的上外铜层10及金属保护层11。

所述光波导层1中设置有反射镜16，第一金属层3上设置有与反射镜连通的图形RDL1，半固化片PP上设置有盲埋孔6，第二厚铜层7上设置有图形RDL2；所述通孔9贯穿光波导层1、第一金属层3、半固化片PP以及第二厚铜层7并止于金属保护层11之间。

所述上外铜层10上植入有焊球14，所述下外铜层15对应反射镜的下方设置有光子器件12，光子器件周边的下外铜层15上安装有光子器件保护装置13。

由半固化片PP、盲埋孔和第二厚铜层7通过PCB工艺或者基板工艺制成基板层单元，在第一金属层3和金属保护层11之间设置有至少一层基板层单元，当设置有两层以上基板层单元时，可形成多层基板。

光电印制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1。

如果是多模波导，光波导层的芯层厚度大概几十个微米到几百个微米，包层的厚度相对薄一些，大概几十个微米；芯层和包层采用熔融压合方式制造成薄片形状。光波导薄膜材料可以是塑料，也可以是PI。当然，光波导层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层。

光波导层可含有多路有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。光波导可以包括两种或两种以上不同折射率的材料组成芯层和包层，也可以只包括一种折射率的材料；光波导可以是折射率突变型光波导，也可以是折射率渐变型光波导。光波导的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，采用胶体粘接的方式将光波导层临时键合在玻璃载板2上，并在光波导层上采用激光切割形成斜面作为反射镜16，然后化学镀、电镀增强反射。

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。光反射界面与光波导板材的上下表面的夹角为40度到50度，优化值为45度。光反射界面的作用是将在与之紧邻的其他光波导层内传输的光波耦合到本光波导板层的上表面，以及将入射到本光波导层的上表面的光波耦合到与之紧邻的其他光波导层内并在其内传输。为提高光耦合效率，需要光反射界面镜面光滑。

将光波导层固定在载板上的目的时便于操作过程的拿持，采用胶体粘接的方式固定，可以在后续的工序中去掉载板。

第三步，在连为一体的光波导层和载板上先进行化学镀、再进行电镀形成第一金属层3；反射镜光反射界面的金属附着在反射镜的内壁上。

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。

第四步，在第一金属层3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RDL1，去除多余金属，留下线路；再进行干膜剥离、清洗、烘干。

干膜是一种光敏的PI材料，作为临时的掩膜。干膜的厚度，依据厚度的不同干膜可以分为四类：0.8mil、1.2mil、1.5mil、2.0mil，干膜越薄，制作的线路越精细。

第五步，在第一金属层3上压合半固化片PP，并在半固化片PP上与图形RDL1错位布置的设置盲埋孔6。

本发明采用半固化片，又称预浸材料，是用树脂浸渍并固化到中间程度的薄片材料；半固化片PP的材料有很多种，一般和使用的PCB或者substrate基材相同，PP的材料对应可以是特氟龙，BT，聚酰亚胺等；半固化片PP的厚度有2mil、4mil等。采用buidup工艺，多层板最外面的介质层是pp，然后再pp上打孔移机制作线路，互连的密度高，路径短，支持的速率高。但不限于buidup工艺也采用采用普通的PCB工艺。

盲埋孔的厚度与半固化片PP的厚度有关，100um的厚度的pp的盲埋孔的大小大概为100um，环宽（孔的焊盘大小）200um以上。盲埋孔的在电镀的时候可以选择填满。

第六步，在半固化片PP上进行化学镀、电镀形成第二厚铜层7，然后可是图形RDL2。

重复第五步和第六步可以压合成由半固化片PP和第二厚铜层7贴合在一起制成的基板层单元，由两层以上基板层单元可形成多层基板。

第七步，采用UV光照射去掉载板，采用机械钻孔的方法在基板上钻出通孔9。

第八步，在多层基板上进行化学镀和电镀形成外铜层，并刻蚀外铜层形成线路和焊盘。

第九步，进行表面金属化处理，形成金属保护层11。

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板材上下表面形成了金属布线、以及芯片和元器件组装的焊盘（Pad）。多层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。

第十步，在多层基板的下外铜层15上安装光子器件12。光子器件需要安装光子器件保护装置13，比如胶体或者金属罩等。

光子器件比如激光器、探测器等，光子器件与光波导对准，采用的光子器件都是面发射和面接收的器件。光子芯片可以是单个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。

光波导的通道数以及反射镜个数与光子芯片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。

第十一步，在光子器件周边的下外铜层15上安装光子器件连接电路和光子器件保护装置13。

光子器件连接电路例如激光器的驱动电路、探测器的放大电路以及ASIC芯片等。激光器的驱动电路和探测器的放大电路可以采用wirebonding或者flip-chip的形式安装，普通的IC采用SMT工艺安装即可。

激光器的驱动电路、探测器的放大电路的数量与光子器件的数目相应。光子器件12和光子器件连接电路安装后，需要用胶保护；所使用的胶必须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、硬度适中等特点。

第十二步，在多层基板的上外铜层10上植焊球14。

焊球的材料有铅和无铅均可，比如PbSn,SAC305等，焊球的直径尺寸有250um，400um，500um，600um多种规格。

Claims (4)

1.光电印制板，其特征在于：包括自下而上依次设置的光波导层（1）、第一金属层（3）、半固化片PP（5）以及第二厚铜层（7），所述光波导层（1）的下底面设置有相互融合设置的下外铜层（15）及金属保护层（11），第二厚铜层的上端面设置有相互融合设置的上外铜层（10）及金属保护层（11）；

所述光波导层（1）中设置有反射镜（16），第一金属层（3）上设置有与反射镜连通的图形RDL1（4），半固化片PP（5）上设置有盲埋孔（6），第二厚铜层（7）上设置有图形RDL2（8）；所述通孔（9）贯穿光波导层（1）、第一金属层（3）、半固化片PP（5）以及第二厚铜层（7）并止于金属保护层（11）之间；

所述上外铜层（10）上植入有焊球（14），所述下外铜层（15）对应反射镜的下方设置有光子器件（12），光子器件周边的下外铜层（15）上安装光子器件连接电路和光子器件保护装置（13）。

2.根据权利要求1所述的光电印制板，其特征在于：由半固化片PP、盲埋孔和第二厚铜层（7）通过PCB工艺或者基板工艺制成基板层单元，所述第一金属层（3）和金属保护层（11）之间设置有至少一层基板层单元。

3.光电印制板的制作方法，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；

第二步，采用胶体粘接的方式将光波导层固定在玻璃载板上，并在光波导层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，在连为一体的光波导层和载板上先进行化学镀、再进行电镀形成第一金属层；

第四步，在第一金属层上涂覆干膜作为光刻胶，干膜光刻显影后，采用腐蚀液刻蚀图形RDL1，去除多余金属，留下线路；再进行干膜剥离、清洗、烘干；

第五步，在第一金属层上压合半固化片PP，并在半固化片PP上与图形RDL1错位布置的设置盲埋孔；

第六步，在半固化片PP上进行化学镀、电镀形成第二厚铜层，然后可是图形RDL2；

第七步，采用UV光照射去掉载板，采用机械钻孔的方法在基板上钻出通孔；

第八步，在多层基板上进行化学镀和电镀形成外铜层，并刻蚀外铜层形成线路和焊盘；

第九步，进行表面金属化处理，形成金属保护层；

第十步，在多层基板的下外铜层上安装光子器件和电路；

第十一步，在光子器件周边的下外铜层上安装光子器件连接电路和光子器件保护装置；

第十二步，在多层基板的上外铜层上植焊球。

4.根据权利要求3所述的光电印制板的制作方法，其特征在于：在进行第七步之前，重复第五步和第六步压合成由半固化片PP和第二厚铜层贴合在一起制成的基板层单元，由两层以上基板层单元形成多层基板。

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