CN111031669B - 一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板及制作方法，印制电路基板包括基材层和设于所述基材层相对表面的第一铜箔层和第二铜箔层；在所述第一铜箔层上开设有若干均匀分布的矩形开口，所述矩形开口穿透第一铜箔层和基材层至第二铜箔层上表面，形成能完全容纳一根裸光纤的矩形定位微槽；相邻两个矩形定位微槽之间由脊背间隔，所述脊背由第一铜箔层与基材层构成；所述矩形定位微槽的侧壁与印制电路基板表面垂直。本发明开口层铜箔可阻挡激光能量，保证基材层在激光刻蚀过程中侧壁不被烧蚀，从而制作出高精度的矩形定位微槽，保证定位微槽的间隔精度，提升裸光纤阵列与光电芯片阵列的耦合效率。

Description

一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板及制作方法
技术领域
本发明涉及一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板及制作方法。
背景技术
随着电子装备集成度和工作频率的迅速提高，基于金属铜的电互联方式已无法高效地传输信号。在高频情况下，它将带来严重的信号延迟与串扰、带宽受限、功耗急剧增加等问题，已成为电子装备快速发展的瓶颈。将光纤埋入印制电路板基材中，形成光电互联电路，利用光互联代替电互联可实现电子装备系统内个功能单元之间的信息传递，可消除信息传输中所遇到的技术瓶颈。
光电互联电路的光信号传输层一般采用裸光纤为传输介质，而且包含多条裸光纤组成光纤阵列，可提升互联密度。为了保证光纤阵列组件中每根裸光纤与VCSEL激光器阵列和PD探测器阵列高精度对准，降低光电互联电路的耦合损耗，需在基板上加工制造裸光纤高精度定位微槽。
目前国内外生产光电互联电路的光纤阵列定位结构一般采用机械加工和激光刻蚀的方法。机械加工方法主要利用金刚刀切割设备制作出所需定位微槽，在切割加工过程中金刚刀受到磨损，需要不断修磨，磨损的刀具易造成定位微槽形状变化，不能满足精度要求。激光刻蚀方式主要利用高能量激光热效应来制作所需定位微槽。无论采用上述哪种方法，由于机械设备固有的定位误差(某型设备轴向的全行程固有定位累计误差达到20μm)，随着裸光纤定位微槽通道数增加，累计误差将越大，定位微槽间距精度无法保证，良品率下降，成本增加。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板及制作方法，以提高裸光纤阵列组装良品率、降低耦合损耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板，包括基材层和设于所述基材层相对表面的第一铜箔层和第二铜箔层；在所述第一铜箔层上开设有若干均匀分布的矩形开口，所述矩形开口穿透第一铜箔层和基材层至第二铜箔层上表面，形成能完全容纳一根裸光纤的矩形定位微槽；相邻两个矩形定位微槽之间由脊背间隔，所述脊背由第一铜箔层与基材层构成；所述矩形定位微槽的侧壁与印制电路基板表面垂直。
本发明还提供了一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板的制作方法，包括如下步骤：
步骤一、选取具有双面铜箔层的基材层作为印制电路基板材料，基材层厚度值不小于埋入裸光纤直径，先对印制电路基板表面进行清洁处理；
步骤二、采用湿法腐蚀工艺在印制电路板基板上表面的第一铜箔层上形成高精度矩形定位微槽所需的矩形开口；
步骤三、利用CO2激光钻机，对矩形开口处的基材层进行光热烧蚀，直至露出第二铜箔层为止，从而制作获得所需的高精度矩形定位微槽；
步骤四、利用等离子气体与超声波对定位微槽中的残渣进行清洗。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
1.本发明采用PCB图形刻蚀工艺与激光刻蚀技术在印制电路基板材料上制作裸光纤高精度矩形定位微槽，利用PCB图形刻蚀工艺制作高精度铜箔开口(开口宽度及间隔值误差＜±1μm)，开口层铜箔可阻挡激光能量，保证基材层在激光刻蚀过程中侧壁不被烧蚀，从而制作出高精度的矩形定位微槽，保证定位微槽的间隔精度，可克服机械设备固有定位累计误差无法在实现高精度定位微槽的制造难题，提升裸光纤阵列与光电芯片阵列的耦合效率；
2.本发明在印制电路基板材料上制作的矩形定位微槽，主要应用于光电印制电路板技术中，相对于以前在石英或玻璃基板上制作U型槽或V型槽，可减小裸光纤和矩形定位微槽在高温层压过程中所受应力，降低了传输损耗，提升裸光纤阵列组装的可靠性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为矩形定位微槽结构示意图；
图2为矩形定位微槽安装裸光纤的使用示意图；
图3至图9为本高精度矩形定位微槽的具体实施工艺步骤剖视图，其中：
图3为印制电路基板结构示意图；
图4为在印制电路基板的上下面压合感光层示意图；
图5为紫外光线曝光示意图；
图6为感光层显影示意图；
图7为印制电路基板第一铜箔层刻蚀制作矩形定位微槽所需的开口示意图；
图8为感光层剥离后的示意图；
图9为激光刻蚀获得高精度矩形定位微槽的示意图；
图10为高精度矩形定位微槽光学显微镜图。
其中，附图标记为：1—印制电路基板；2—第一铜箔层；3—基材层；4—第二铜箔层；5—感光层；6—感光层上的开口；7—第一铜箔层上的开口；8—矩形定位微槽；9—脊背；10—裸光纤；11—填充胶；12—覆盖层；13—菲林底片微槽图形光绘层；14—菲林底片光绘层。
具体实施方式
一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板，如图1所示，包括印制电路基板1；所述印制电路基板1包括基材层3、设于所述基材层相对表面的第一铜箔层2和第二铜箔层4；在所述第一铜箔层2上开设有若干均匀分布的矩形开口7(如图7所示)，所述矩形开口穿透第一铜箔层2和基材层3至第二铜箔层4上表面，形成矩形定位微槽8(如图9所示)，所述矩形定位微槽8的深度与宽度略大于裸光纤10的直径，以确保能完全容纳一根裸光纤(如图2所示)，相邻两个矩形定位微槽之间由脊背9间隔，所述矩形定位微槽8的侧壁与印制电路基板1表面垂直；所述的脊背9由第一铜箔层2与基材层3构成，如图9所示。
所述矩形定位微槽8的数量一般为4的整倍数。
所述矩形定位微槽8的间距可根据实际需求进行定制，若要与并行光电阵列芯片进行对准耦合，如垂直腔面发射激光器阵列(VCSEL)或GaAs PIN光电探测器阵列，优选的，矩形定位微槽间距为250μm。
所述基材层3材料可为玻璃纤维环氧树脂、聚酰亚胺、FR4、聚酯等材料。
本发明还提供了一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板的制作方法，按如下步骤进行：
步骤一、选取基材层3应具有双面铜箔层，作为印制电路基板材料，基材层厚度值不小于埋入裸光纤直径，如125μm，155μm，铜箔层厚度优选为1oz；并对印制电路基板1表面进行清洁处理；如图3所示；
步骤二、在印制电路板基板1上表面的第一铜箔层2上形成高精度矩形定位微槽所需的开口7，如图8所示，其制作过程包括：感光层压合、紫外光线曝光、感光层显影、铜箔层刻蚀以及感光层剥离工序，由于采用印制电路板对铜箔的湿法腐蚀工艺，开口宽度及间隔值误差＜±1μm。
感光层压合：是在印制电路基板1上下表面的第一铜箔层2和第二铜箔层4上压合感光层5，感光层材料为光致抗蚀剂，厚度有1.5mil，2mil等值，优选值1.5mil；如图4所示。
紫外光线曝光：是在上下感光层5上分别覆盖菲林底片微槽图形光绘层13和菲林底片光绘层14进行感光层局部紫外光线曝光；菲林底片微槽图形光绘层13和菲林底片光绘层14的制作是通过光绘机读取处理好的图形电子文件，在底片上绘制出所需图形，菲林底片厚度优选值7mil；其中菲林底片微槽图形光绘层13包含透光区域13-1和不透光区域13-2，从而构成了微槽的正向和反向图形；菲林底片光绘层14透光区域大于第二铜箔层4；利用曝光机的紫外光线通过菲林底片微槽图形光绘层13的透光区域13-1和菲林底片光绘层14的透光区域作用于感光层5上使之发生光聚合反应，而不透光区域13-2下的感光膜5不发生变化；曝光能量控制在50mJ-60mJ级，曝光时间20-35s；如图5所示。
感光层显影：去除菲林底片微槽图形光绘层13和菲林底片光绘层14；用碳酸钠显影液(浓度控制PH值：9-13)将未发生光聚合反应区域的感光膜5乳化分离于铜箔表面，而感光膜曝光区域(即发生光聚合反应的区域)在显影后将继续保留在铜箔表面，进而在第一铜箔层2上的感光层5中将形成开口6，如图6所示。
铜箔层刻蚀：用腐蚀液体溶解裸露在外的铜箔，即对感光层开口6(表面没有感光层)处的铜箔层进行刻蚀，则在印制电路板基板1上表面的第一铜箔层2上形成制作高精度矩形定位微槽的开口7；刻蚀液为碱性氨类刻蚀液，浓度控制PH值：7.8-8.6；如图7所示。
感光层剥离：使用碱性溶液(浓度控制PH值：9-14)溶胀剥离铜箔表面所有的感光膜5，并对印制电路基板1进行表面清洁处理，如图8所示。
步骤三、利用CO2激光钻机，发射高能量激光，刻蚀裸露在外的基材层，即对第一铜箔层开口7处的基材层3(表面没有铜箔层)进行光热烧蚀，烧蚀深度为基材层3的厚度，直至露出印制电路基板下表面的第二铜箔层4为止。激光刻蚀技术主要利用光热烧蚀原理，且基材层烧蚀所需的激光能量远小于铜箔层烧蚀所需能量，设置适当的激光发射参数使铜箔层产生烧蚀、铜箔层不发生烧蚀即可。在开口7两侧的第一铜箔层2的保护下，其可吸收阻挡部分激光能量，可保证基材层3在激光烧蚀过程中侧壁不被过度烧蚀，从而制作获得所需的高精度矩形定位微槽8，如图9所示。激光脉冲能量5～10mJ，光斑大小125～200μm，脉冲宽度7～12μs，脉冲频率100Hz，脉冲枪数3～5次，激光器运行速度50m/min。激光刻蚀技术采用光热烧蚀原理，利用高能量激光轰击材料表面，导致其内部电子不断碰撞产生温升，当温升达到材料熔点以上后，材料将产生溶化、气化，进而产生等离子体溢出。
步骤四、利用等离子气体与超声波对激光刻蚀加工后的印制电路基板定位微槽8中的残渣进行清洗，通过光电显微镜观察制作的高精度定位微槽如图10所示，最后测量微槽宽度与间距误差＜5μm。

Claims (8)

1.一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板，其特征在于：包括基材层和设于所述基材层相对表面的第一铜箔层和第二铜箔层；在所述第一铜箔层上开设有若干均匀分布的矩形开口，所述矩形开口穿透第一铜箔层和基材层至第二铜箔层上表面，形成能完全容纳一根裸光纤的矩形定位微槽；相邻两个矩形定位微槽之间由脊背间隔，所述脊背由第一铜箔层与基材层构成；所述矩形定位微槽的侧壁与印制电路基板表面垂直；所述矩形定位微槽的数量为4的整倍数；所述矩形定位微槽间距为250μm±5μm。
2.根据权利要求1所述的一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板，其特征在于：所述基材层的材料为玻璃纤维环氧树脂、聚酰亚胺、FR4、聚酯。
3.根据权利要求1所述的一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板，其特征在于：所述第一铜箔层和第二铜箔层厚度为1oz。
4.一种权利要求1所述的具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、选取具有双面铜箔层的基材层作为印制电路基板材料，基材层厚度值不小于埋入裸光纤直径，先对印制电路基板表面进行清洁处理；
步骤二、采用湿法腐蚀工艺在印制电路板基板上表面的第一铜箔层上形成高精度矩形定位微槽所需的矩形开口；
步骤三、利用CO2激光钻机，对矩形开口处的基材层进行光热烧蚀，直至露出第二铜箔层为止，从而制作获得所需的高精度矩形定位微槽；
步骤四、利用等离子气体与超声波对定位微槽中的残渣进行清洗。
5.根据权利要求4所述的一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板的制作方法，其特征在于：所述湿法腐蚀工艺包括如下流程：
(1)感光层压合：分别在第一铜箔层的上表面和第二铜箔层的下表面压合感光膜，形成上、下感光层；
(2)紫外光线曝光：分别在上、下感光层上覆盖菲林底片微槽图形光绘层和菲林底片光绘层，所述菲林底片微槽图形光绘层包含透光区域和不透光区域，所述不透光区域为形成高精度矩形定位微槽所需的矩形开口区域；菲林底片光绘层全部为透光区域；然后利用曝光机的紫外光线通过透光区域作用于感光层上使之发生光聚合反应；
(3)感光层显影：去除菲林底片微槽图形光绘层和菲林底片光绘层；然后用碳酸钠显影液将未发生光聚合反应区域的感光膜乳化，使之与第一铜箔层表面分离，从而在第一铜箔层上的感光层中形成矩形开口；
(4)铜箔层刻蚀：用腐蚀液体对矩形开口处的铜箔层进行刻蚀，从而在印制电路板基板上表面的第一铜箔层上形成制作高精度矩形定位微槽的矩形开口；
(5)感光层剥离：使用碱性溶液溶胀剥离第一铜箔层和第二铜箔层表面所有的感光膜，并对印制电路基板进行表面清洁处理。
6.根据权利要求5所述的一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板的制作方法，其特征在于：所述菲林底片的厚度为7mil，所述菲林底片微槽图形光绘层和菲林底片光绘层通过光绘机读取处理好的图形电子文件，在底片上绘制出所需图形制作而成。
7.根据权利要求5所述的一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板的制作方法，其特征在于：所述感光层厚度为1.5mil，所述曝光机的曝光能量控制在50mJ-60mJ级，曝光时间20-35s；所述碳酸钠显影液的PH值为9-13；所述腐蚀液体为碱性氨类刻蚀液，PH值为7.8-8.6；所述碱性溶液PH值为9-14。
8.根据权利要求4所述的一种具有高精度矩形定位微槽的印制电路基板的制作方法，其特征在于：步骤三所述CO2激光钻机的激光脉冲能量为5～10mJ，光斑大小为125～200μm，脉冲宽度为7～12μs，脉冲频率为100Hz，脉冲枪数为3～5次，激光器运行速度为50m/min。
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