CN103926647B - 一种含有锥形光波导的印制线路板的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种含有锥形光波导的印制线路板的制造方法，包括如下步骤：1)基板制作，用覆铜板制作基板，该覆铜板中间为介质层，两面为铜层；2)光波导层制作，在基板上分别依次制作包括上包裹层、芯层和下包裹层；沿着光信号传播方向上光波导芯层截面面积逐渐减小，光波导芯层输入端截面面积大于芯层输出端截面面积，形成锥形光波导；3)配套印制电路板制作；4)印刷电路板与带光波导层的基板进行压合，形成带光波导层和铜层的混合板；5)混合板的后续加工，包括钻孔、电镀、图形制作、绿油、表面处理、清洗、检验、清洗、包装。本发明可以有效降低线路板光波导耦合损耗；在相同耦合损耗的要求下，可以增大光纤或者光波导的对位公差。

Description

一种含有锥形光波导的印制线路板的制造方法

技术领域

本发明涉及印制电路技术领域，特别涉及一种含有锥形光波导的印制线路板的制造方法。

背景技术

随着高速信息通信网的飞速发展，传统的电互联方式由于金属线的电磁干扰、RC延迟、高传输损耗，已经越来越不适应高速信息处理与传输的要求。在这样的背景下，大量公司开始研究一种全新的光互连方式。光互连取代电互连，具有明显的优势，在光互连高速传输时信号发散小、失真小，损耗低，能轻易实现并保持良好的信号完整性。如今光互连广泛地应用于系统内印刷电路板之间、板到背板之间、芯片之间的互连研究上。

光互连一般分为三种：光纤互连、自由空间光互连和波导光互连。其中波导光互连，即以沿波导传播的光信号为媒质进行数据传输，其工艺能与CMOS工艺兼容，波导的集成与对准也较容易解决，具有广泛的应用前景，是现今印制电路板级光互连技术研究中的热点。

光波导是一种由三层结构组成的，上下两层为外包裹层，中间为芯层，中间芯层的折射率略大于外包裹层，光通过全反射的方式传递信号。

印制电路板中的光波导是通过光纤与光学器件进行耦合的。目前常用的多模光纤主要有IEC-60793-2光纤产品规范中的A1a类(50/125μm)和A1b类(62.5/125μm)两种，多模光纤的纤芯直径为50μm和62.5μm，与之相匹配的光波导芯层的尺寸主要是50μm和62.5μm。通常光波导的芯层截面是矩形，并且截面是恒定的，输入端截面尺寸等于输出端截面尺寸。而对应耦合器件的光纤截面为圆形，相同尺寸的矩形光波导和圆形光纤进行耦合时总是存在不同程度的耦合损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有锥形光波导的印制线路板的制造方法，可以有效降低线路板光波导耦合损耗；在相同耦合损耗的要求下，可以增大光纤或者光波导的对位公差；并且该线路板制造简单，易于实现现有条件下的规模化生产。

本发明的技术方案是：

一种含有锥形光波导的印制线路板的制造方法，包括如下步骤：

1)基板制作

用覆铜板制作基板，该覆铜板中间为介质层，两面为铜层；

2)光波导层制作

在基板上分别依次制作包括上包裹层、芯层和下包裹层；光波导材料包括干膜类和湿膜类光波导材料；锥形光波导的形成主要在芯层进行，沿着光信号传播方向上，光波导芯层截面面积逐渐减小，光波导芯层输入端截面面积大于输出端截面面积，呈锥形；

3)印制电路板制作

制作需要与带有光波导层的基板进行压合的配套印制电路板；

4)印刷电路板与带有光波导层的基板进行压合，形成带光波导层和铜层的混合板；

5)混合板的后续加工，包括钻孔、电镀、图形制作、绿油、表面处理、清洗、检验、清洗、包装。

进一步，所述的锥形光波导芯层通过增大常规恒定截面光波导芯层的输入端截面面积，或，减小常规恒定截面光波导芯层输出端截面面积，或，增大常规恒定截面光波导芯层的输入端截面面积、同时减小光波导芯层输出端截面面积的方法形成。

步骤1)制作基板时，覆铜板蚀刻掉铜，或，对覆铜板进行粗化处理。

所述的湿膜类光波导材料包括环氧类、硅氧烷类、硅烷类、丙烯酸类或聚酰亚胺类液态材料；干膜类光波导材料包括环氧类、硅氧烷类、硅烷类、丙烯酸类或聚酰亚胺类制成的薄膜材料。

本发明的一种印制线路板中光波导层的结构，其特征在于，沿着光信号传播方向上光波导芯层截面面积逐渐减小，光波导芯层输入端截面面积大于输出端截面面积，呈锥形。

进一步，所述的光波导芯层输入端的长宽为5～150μm，光波导芯层输出端的长宽为1～140μm。

光波导是光波的传播所规定的通道，是光集成的核心，大部分集成光学器件，都是以光波导为基础的。光波导与光纤耦合是各种集成光学器件走向实用化的关键一步。一个理想的耦合应该是效率高，能获得尽可能大的输出功率，以利于扩展系统的传输距离和提高系统的信噪比。如果光纤与波导之间是理想的对准，光波导总的插入损耗包括光波导的传输损耗及光波导和光纤间的耦合损耗。而耦合损耗又包括菲涅耳反射(两端面多次反射)损耗和光纤与波导间的模场失配损耗。菲涅耳反射损耗一般可以通过使用折射率匹配液或在波导端面镀上一层抗反射层而消减。在总插入损耗中，模场失配损耗是个主要因素，因为波导中的光束能量向光纤的转移是通过波导模场和光纤中模场的匹配来完成的。

在光波导与光纤的耦合中，一束光能够从光波导有效地耦合进光纤的条件是该束光在两者中的模场分布尽可能地相匹配。然而，在一般的集成光学器件中，矩形光波导和圆形光纤进行耦合时波导中的模场分布在大小和形状上都不能与光纤中的模场相匹配，耦合损耗大，耦合效率低。

本发明通过扩大波导芯层输入端截面面积，缩小波导芯层输出端截面面积的方法，得到了不同于恒定截面常规光波导的锥形光波导，该锥形光波导改变了常规光波导中的模场分布，提高了波导模场和光纤中模场的匹配性，提高了光波导到光纤的耦合效率；同时，该锥形光波导的制作在相同耦合损耗的要求下，可以增大光纤或者光波导的对位公差。

本发明的有益效果：

本发明通过锥形光波导的设计，可以有效降低线路板光波导耦合损耗，在相同耦合损耗的要求下，可以增大光纤或者光波导的对位公差；并且，本发明线路板制造工艺简单，易于实现现有条件下的规模化生产。

附图说明

图1～图8为本发明实施例的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

实施例1

参见图1～图8，以一个四层铜层+一层光波导层为例(两层铜层+一层光波导层+两层铜层)，其工艺流程如下：

1)基板制作，1、2、3为切割好的覆铜板，覆铜板1、3用于四层铜层的制作，位于中间的覆铜板2用于光波导层的制作。其中，101为介质层，102、103为铜层，参见图1；光波导基板201为蚀刻掉铜的覆铜板，参见图2。

2)光波导层制作，包括下包裹层203、芯层204、上包裹层205，参见图3，具体制作步骤包括贴膜、曝光、显影和烘板等。其中，芯层和上、下包裹层所用的光波导材料为厚度为50μm的干膜类材料。通过曝光显影得到光波导芯层输入端截面长宽分别为62.5μm×50μm(图3中的芯层204)，光波导芯层输出端截面长宽分别为50μm×50μm(图4中的芯层204)，长度为30cm的锥形光波导。参见图3～图5，其中图3、图4分别为光波导和基板的输入端、输出端截面视图，图5为光波导芯层的顶端视图，箭头表示波导中光信号的传输方向。

3)制作需要与制作完成光波导层的基板进行压合的配套印制电路板，参见图6，其中，配套印制电路板采用已制作完成内层图形103和302的覆铜板1、3，204为光波导芯层输入端截面。

4)将制作完内层图形的配套印制电路板和制作完成光波导层的基板201压合在一起，参见图7。

5)然后进行后续PCB外层部分的制作，包括钻孔、电镀、图形制作(参见图8)、绿油、字符、化学镍金、测试、包装等。

通过损耗模拟和仿真对锥形光波导的损耗进行测试，该锥形光波导芯层的输入截面为62.5×50μm，输出端截面为50×50μm。结果显示当光波导芯层的输入端截面由50×50μm改为62.5×50μm的时候，耦合损耗明显减小，并且减小值随着波导偏离输入光纤的距离的增大而增大；同时在给定的耦合损耗要求下，光波导芯层输入端截面为62.5μm波导的对位公差大于波导芯层输入端截面为50μm的波导。具体内容参见表1、表2。

表1为输入50μm光纤，光波导芯层输入端截面分别为62.5×50μm和50×50μm光纤时垂直光波导方向(水平方向)的错位量-耦合损耗测试对比表格。通过表1可以看到当正向错位量为25μm的时候，光波导芯层输入端截面为62.5×50μm的耦合损耗比光波导芯层输入端截面为50×50μm时平均减小10.88dB。在耦合损耗小于4dB的要求下，光波导芯层输入端截面为50×50μm的对位公差为±10μm，光波导芯层输入端为62.5×50μm的对位公差为±15μm，高于光波导芯层输入端截面为50×50μm的情况。

表2为输入50μm光纤，光波导芯层输入端截面分别为62.5×50μm和50×50μm时沿着光波导方向(轴向)的错位量-耦合损耗测试对比表格。通过该表可以看到当错位量为50μm的时候，光波导芯层输入端截面为62.5×50μm的耦合损耗比输入端截面为50×50μm时减小1.13dB。在耦合损耗小于1dB的要求下，光波导芯层输入端截面为50×50μm光波导的对位公差为10μm，输入端截面为62.5×50μm光波导的对位公差为25μm，高于光波导芯层输入端截面为50×50μm的情况。

同时通过光波导传输仿真可以发现当输入输出为50μm光纤，光波导芯层输入端和输出端截面为50×50μm的30cm长光波导的输出效率为90.33％。输入输出为50μm光纤，光波导芯层输入端截面为62.5×50μm，光波导芯层输出端截面为50×50μm的30cm长光波导的输出效率为90.45％。结果显示该实施例下锥形光波导设计在减少耦合损耗的情况下不会降低原始光波导的总体损耗。

实施例2

本实施例为一个含锥形光波导的六层PCB板的制作，首先通过开料和芯板图形转移完成内层基板的制作，然后在内层基板上进行光波导的制作。光波导制作通过光波导湿膜材料的涂覆、曝光、显影、烘板等得到，该锥形光波导芯层输入端截面分别为70×70μm，输出端截面分别为30×30μm，光波导长度为50cm。后续通过层压、钻孔、电镀、图形制作、绿油、字符、化学浸银、测试、铣外形、包装等完成。

表1

轴向偏移量(μm)	实施例1	比较例1
			-25	8.34	18.44
-20	5.15	11.78

-15	2.95	7.27
			-10	1.39	3.82
-5	0.83	0.92
			0	0.67	0.70
5	0.92	1.35
			10	1.66	3.68
15	3.56	7.39
			20	6.59	13.49
25	11.66	23.32

表2

纵向偏移量(μm)	实施例1	比较例1
			0	0.70	0.70
5	0.76	0.75
			10	0.98	0.80
15	1.13	0.89
			20	1.33	0.92
25	1.49	0.97
			30	1.70	1.03
35	1.83	1.14
			40	2.05	1.20
45	2.28	1.26
			50	2.50	1.37

综上所述，本发明印制线路板通过锥形光波导的会聚特性有效降低印制电路板中光波导与光纤的耦合损耗，提高光波导与光学器件的耦合效率。

Claims (4)

1.一种含有锥形光波导的印制线路板的制造方法，包括如下步骤：

1)基板制作

用覆铜板制作基板，该覆铜板中间为介质层，两面为铜层；

2)光波导层制作

在基板上分别依次制作包括上包裹层、芯层和下包裹层；光波导材料包括干膜类或湿膜类光波导材料；所述的湿膜类光波导材料包括环氧类、硅氧烷类、硅烷类、丙烯酸类或聚酰亚胺类液态材料；干膜类光波导材料包括环氧类、硅氧烷类、硅烷类、丙烯酸类或聚酰亚胺类制成的薄膜材料；光波导的形成主要在芯层进行，沿着光信号传播方向上，光波导芯层截面面积逐渐减小，光波导芯层输入端截面面积大于芯层输出端截面面积，呈锥形；所述的光波导芯层输入端的长、宽度为5～150μm，光波导芯层输出端的长、宽度为1～140μm；

3)印制电路板制作

制作需要与带有光波导层的基板进行压合的配套印制电路板；

4)印刷电路板与带有光波导层的基板进行压合，形成带光波导层和铜层的混合板；

5)混合板的后续加工，包括钻孔、电镀、图形制作、绿油、表面处理、清洗、检验、清洗、包装。

2.如权利要求1所述的含有锥形光波导的印制线路板的制造方法，其特征是，所述的锥形光波导芯层是通过增大常规恒定截面光波导芯层的输入端截面面积，或，减小常规恒定截面光波导芯层输出端截面面积，或，增大常规恒定截面光波导芯层的输入端截面面积、同时减小光波导芯层输出端截面面积的方法形成。

3.如权利要求1所述的含有锥形光波导的印制线路板的制造方法，其特征是，步骤1)制作基板时，覆铜板蚀刻掉铜，或对覆铜板进行粗化处理。

4.一种印制线路板中光波导层的结构，其特征在于，沿着光信号传播方向上光波导芯层截面面积逐渐减小，光波导芯层输入端截面面积大于芯层输出端截面面积，呈锥形；所述的光波导芯层输入端的长、宽度为5～150μm，光波导芯层输出端的长、宽度为1～140μm。