CN109616469A - 一种基于3d打印的三维光电集成线路板 - Google Patents

一种基于3d打印的三维光电集成线路板 Download PDF

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    • H01L27/0207—Geometrical layout of the components, e.g. computer aided design; custom LSI, semi-custom LSI, standard cell technique

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的三维光电集成线路板，制作方法如下：在CAD软件中设计三维波光导层结构模型，使用3D打印机制作三维光波导层，其中波导所在位置打印完成后为中空管道；使用液体和研磨颗粒混合物快速注入灌注口并冲刷中空管道内壁；波导材料为热熔性材料，沿灌注口和假波导管道灌入中空管道或直接灌入中空管道，并固化，形成波导胚体；加热三维光波导层，冷却后形成波导；在波导层上面粘贴安装PCB板，PCB板上安装有光电转换模块，光电转换模块通过金属导线与PCB板电路连接；波导中的光路与光电转换模块光路窗口对准；本发明适合三维光电集成线路板的小批量甚至单件的快速生产、三维光电集成线路板用于大型计算机和服务器内部通信。

Description

一种基于3D打印的三维光电集成线路板
技术领域
本发明涉及光电集成线路板等领域，具体为一种基于3D打印的三维光电集成线路板。
背景技术
21世纪的科学技术是日新月异的，电子行业作为高新技术行业，技术发展更是一日千里。当前，随着多媒体业务，包括电话，有线电视(CATV)，数字电视和Internet的快速和全面发展，对电路带宽和容量的要求急剧增加。在传统的电学领域，信号的传输和开关的速度已经受到限制。以电子计算机为例，其CPU的主频已经达到2-2.9GHz，在电信干线上传输码流的的速度更达到几十甚至上千Gbit。而与之相对照的是，计算机的总线传输依然不过Gbit级别。显然，计算机内部总线连接和计算机互连的速率已经成为整个计算机环境的瓶颈。因此近期把光作为计算机内部(包括电路板内部)及计算机之间的互连手段成为技术发展趋势。从原理上讲，用导线连接的传输速率受到其寄生参量(寄生电阻、电感和旁生电容)的影响和限制，无法与光比拟，尤其在大的传输距离光传输对于电传输优势更加明显。光子具有较大的带宽和较低的传输损耗，免于串扰和电磁干扰，在同一个光学媒介中传输多个波长时，不同的波长可以平行通过。所以，光子在电子学领域的应用都发挥了重要作用。
在这样的背景下，光波导用于计算机通信基板是提高计算机通信速度和带宽的很好的方案，基于光波导基板的光电线路板是以光子做信号传输，以电子进行运算的新一代高运算所需的封装基板，将目前发展得非常成熟的传统印制电路板加上一层波导层。因此使得电路板的使用由现在的电连接技术发展到光传输领域。
目前光波导基板还是平面的二维结构，其制作方法还是基于半导体芯片加工的刻蚀、化学气相沉积等工艺，适合大批量的制作，而定制化小批量生产则成本较高；而计算机内部网络更加复杂、功能模块更多，二维结构以及不能满足线路布局要求了；另一方面目前光波导基板光向垂直于波导基板的方向引出时，目前采用的是微反射镜结构，这种微结构反射镜制作工艺复杂、成本高。
基于以上原因，本发明提出一种基于3D打印的三维光电集成线路板，以快速的3D打印方式代替传统的平面加工工艺，以一次成形的光路代替平面波导内部的微反射镜结构，并可以形成3维分布的结构，更加充分利用空间。
本发明适合三维光电集成线路板的小批量甚至单件的快速生产、三维光电集成线路板的PCB层可以安装芯片、存储器、传感器等器件，并可用于大型计算机和服务器内部通信，可以提高通信速率，也更方便于大型计算机和服务器内部线路布局设计和加工，成本更低。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于3D打印的三维光电集成线路板，以解决现有技术中至少一种技术问题。
实现上述目的的技术方案是：一种基于3D打印的三维光电集成线路板包括：波导层、PCB层、光电转换模块；波导层由波导和波导基体组成；
进一步的，波导的种类分为3种：直通波导、连接波导、外接波导；
进一步的，波导的折射率高于基体，当光由波导一端射入，由于光在波导和基体界面形成全反射，因此光可沿波导内传输；
进一步的，波导上分布有波导纵向分支，光沿波导传输遇到分支时光会按一定功率比例分成两束光。
三维光电集成线路板的制作方法如下：在CAD软件中设计三维波光导层结构模型，其中波导区域为空腔；
进一步的，使用3D打印机制作三维光波导层，其中波导所在位置打印完成后为中空管道；
进一步的，在三维光波导层中留有灌注口；
进一步的，使用液体和研磨颗粒混合物快速注入灌注口并冲刷中空管道内壁，直到中空管道内壁打磨光滑；
进一步的，波导材料为热熔性材料，沿灌注口和假波导管道灌入中空管道或直接灌入中空管道，并固化，形成波导胚体；
进一步的，加热三维光波导层，使得波导的热熔性材料与3D打印材料流动性提高，并互相渗透融合，在交界面形成连续过渡区域，再次冷却后形成波导；
进一步的，在波导层上面粘贴安装PCB板，PCB板上安装有光电转换模块，光电转换模块通过金属导线与PCB板电路连接；
进一步的，波导中的光路与光电转换模块光路窗口对准；
进一步的，光电转换模块包括激光器和探测器两种；
进一步的，PCB层可安装芯片、存储器、传感器、显卡等器件。
本发明适合三维光电集成线路板的小批量甚至单件的快速生产、三维光电集成线路板用于大型计算机和服务器内部通信，可以提高通信速率，也更方便于大型计算机和服务器内部线路布局设计和加工，成本更低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释。
图1是本发明实施例的一种基于3D打印的三维光波导集成线路板结构示意图。
图2是本发明实施例的折射率随波导边线尺寸变化示意图。
图3是本发明实施例的一种基于3D打印的三维光波导集成线路板截面示意图。
其中，
11波导层； 12PCB层；
13光电转换模块； 14金属引线；
21波导； 22分支波导；
23直通波导； 24外接波导；
25连接波导；
具体实施方式
以下实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
实施实例：如图1所示，一种基于3D打印的三维光电集成线路板包括：波导层11、PCB层12、光电转换模块13；波导层11由波导和波导基体组成；
进一步的，波导21的种类分为3种：直通波导23、连接波导25、外接波导24，其中直通波导23之间通过光电集成线路板不与光电集成线路板的器件发生连接，连接波导25连接两个光电转换模块13，并实现光电转换模块13间的通信，外接波导24一端连接光电转换模块13另一端直通到波导层11的侧面可以与外接连接器或光波导连接，并实现光电集成线路板与外界的通信；
进一步的，如图2所示，折射率随波导边线尺寸变化，波导21区域折色率高于基体区域，并在交界面连续过度，本实施实例中波导21区域折色率为1.62，基体区域折色率为1.52。
进一步的，波导21的折射率高于基体，当光由波导一端射入，由于光在波导21和基体界面形成全反射，因此光可沿波导内传输；
进一步的，波导21上分布有波导分支波导22，光沿波导21传输遇到分支波导22时光会按一定功率比例分成两束光；
三维光电集成线路板的制作方法如下：在CAD软件中设计三维波导层11结构模型，其中波导区域为空腔；
进一步的，使用3D打印机制作三维光波导层11，其中波导所在位置打印完成后为中空管道；
进一步的，在三维光波导层11中留有灌注口；
进一步的，使用液体和研磨颗粒混合物快速注入灌注口并冲刷中空管道内壁，直到中空管道内壁打磨光滑；
进一步的，波导材料为热熔性材料，沿灌注口和假波导管道灌入中空管道或直接灌入中空管道，并固化，形成波导胚体；
进一步的，加热三维光波导层11，使得波导的热熔性材料与3D打印材料流动性提高，并互相渗透融合，在交界面形成连续过渡区域，再次冷却后形成波导11；
进一步的，如图3所示，在波导层11上面粘贴安装PCB板，PCB板上安装有光电转换模块13，光电转换模块13通过金属引线14与PCB板电路连接；
进一步的，波导11中的光路与光电转换模块13光路窗口对准；
进一步的，光电转换模块13包括激光器和探测器两种；
进一步的，PCB层12可安装芯片、存储器、传感器、显卡等器件。
进一步的，本实施事例中的三维光波导结构仅为一种三维光波导结构举例，根据不同功能需要三维波导结构和其中波导11分布可以不同，但都是采用本发明的方法实现；
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于3D打印的三维光电集成线路板，其特征在于，包括：波导层、PCB层、光电转换模块；波导层由波导和波导基体组成；波导的种类分为3种：直通波导、连接波导、外接波导；波导的折射率高于基体，当光由波导一端射入，由于光在波导和基体界面形成全反射，因此光可沿波导内传输；波导上分布有波导纵向分支，光沿波导传输遇到分支时光会按一定功率比例分成两束光。三维光电集成线路板的制作方法如下：在CAD软件中设计三维波光导层结构模型，其中波导区域为空腔；使用3D打印机制作三维光波导层，其中波导所在位置打印完成后为中空管道；在三维光波导层中留有灌注口；使用液体和研磨颗粒混合物快速注入灌注口并冲刷中空管道内壁，直到中空管道内壁打磨光滑；波导材料为热熔性材料，沿灌注口和假波导管道灌入中空管道或直接灌入中空管道，并固化，形成波导胚体；加热三维光波导层，使得波导的热熔性材料与3D打印材料流动性提高，并互相渗透融合，在交界面形成连续过渡区域，再次冷却后形成波导；在波导层上面粘贴安装PCB板，PCB板上安装有光电转换模块，光电转换模块通过金属导线与PCB板电路连接；波导中的光路与光电转换模块光路窗口对准；光电转换模块包括激光器和探测器两种。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的三维光电集成线路板，其特征在于，所述波导材料对于其应用系统所需的通信波长光透明。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的三维光电集成线路板，3D打印的方法包括：熔融沉积式、选择性激光融化成型、选择性热烧结、选择性激光烧结、分层实体制造、立体平板印刷、数字光处理等方法。
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