CN114488397B - 一种基于印刷电路板的平面光波导结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于印刷电路板的平面光波导结构及其制作方法，其中制作方法包括如下步骤：S1、制作印刷电路板；S2、在印刷电路板的一侧面设置下包层，进行固化及退火处理；S3、通过电流体动力喷印设备将光波导材料以预设的路径涂覆在下包层的上表面上，形成待固化的光波导线路，光波导材料为包含银离子及UV固化剂的浆液；S4、通过紫外光照射使得光波导线路固化，其中紫外光通过具有狭缝的镜组照射到光波导线路上；S5、在下包层及光波导线路上设置上包层，进行固化处理。本发明实现了集成光路与集成电路的融合，最大限度保证了传输信号的完整性，能够有效提高生产效率及产品质量，大大降低了成本，尤其适合于小批量光电混合印刷电路板的生产。
Description
技术领域
本发明涉及印制电路板、集成电路或集成光路的制造技术，特别涉及一种基于印刷电路板的平面光波导结构及其制作方法。
背景技术
随着高速数据传输需求的不断提高，对系统内印刷电路板之间和/或印刷电路板上芯片之间的互连速率、带宽和通道密度均提出了更高的要求。传统的印刷电路板上芯片间基于金属线的电互连方式，由于金属线本身固有的物理特性使其在高速数据传输过程中存在严重的传输损耗、有限的传输距离、严重串扰等一系列瓶颈问题，使得电互连方式不能够满足高速信息的处理和传输需求。相比传统的电互连技术，光互连技术采用光波作为信息传输的载体，具有高时空带宽积、高集成密度、可波分复用、抗电磁干扰以及低传输损耗等优点。结合光互连技术与电互连技术，发展一种光电混合印刷电路板，对于促进未来数据中心、高性能计算机的发展具有极其重要的意义和应用价值。
一般地，采用光互连技术的结构称为光波导。光波导是一种由光透明介质构成、引导光波在其中传播的导行介质装置。光波导的传输原理为：在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。常见的光波导包括光导纤维（即光纤）、平面光波导、带状光波导等。其中平面光波导结构呈平板状，能够以印刷电路板为基底，实现集成光路与集成电路的融合，提高信号传输效率。
目前批量生产的平面光波导芯层的制作方法主要为丝网印刷：以丝网作为版基，并通过感光制版方法，制成带有图案的丝网印版，利用丝网印版有图案部分网孔可透过材料、非图案部分网孔不能透过的基本原理进行印刷。印刷时在丝网印版的一端部导入光波导材料，用刮板对丝网印版上的光波导材料部位施加一定的压力，同时丝网印版另一端部匀速移动，光波导材料在移动中被刮板从图案部分的网孔中挤压到下包层材料上。上述丝网印刷的主要缺点在于：（1）印刷精度低，印刷线路宽度基本保持在30μm左右；（2）小批量生产成本高，光波导设计路线每改变一次，均需要重新设计丝网印版，生产不够柔性化。
综上所述，目前缺少一种适用于小批量生产光电混合印刷电路板的技术，能够在提高印刷精度的同时有效控制成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种适用于小批量生产的基于印刷电路板的平面光波导及其制作方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：
S1、制作印刷电路板；
S2、在所述印刷电路板的一侧面设置下包层，然后对所述下包层进行固化处理及退火处理；
S3、通过电流体动力喷印设备将光波导材料以预设的路径涂覆在所述下包层的上表面上，形成待固化的光波导线路，所述光波导材料为包含银离子及UV固化剂的浆液；
S4、通过紫外光照射使得所述光波导线路固化，其中，所述紫外光通过具有狭缝的镜组照射到所述光波导线路上，所述紫外光的投射形状与所述光波导线路的形状相同，所述紫外光不照射在所述下包层上；
S5、在所述下包层及所述光波导线路上设置上包层，然后对所述上包层进行固化处理。
优选地，在所述下包层的上表面上，所述光波导线路的投影位于所述狭缝的投影的内部，所述镜组还包括用于汇聚所述紫外光的凸透镜，所述凸透镜位于所述狭缝与所述光波导线路之间。
优选地，所述电流体动力喷印设备包括喷嘴与工作台，所述喷嘴用于喷射所述光波导材料，所述印刷电路板放置在所述工作台上，在步骤S3中，所述喷嘴与所述工作台之间先形成第一电场，再形成第二电场，所述第一电场与所述第二电场均垂直于所述下包层的上表面，且所述第一电场与所述第二电场的方向相反。
进一步优选地，所述喷嘴的口径为0.5 ~2μm。
进一步优选地，在步骤S3中，所述喷嘴沿X方向和/或Y方向在所述下包层上方运动，所述X方向与所述Y方向相交且均平行于所述下包层的上表面。
优选地，在步骤S4中，紫外光曝光的同时，所述光波导线路在180~200℃下保温20~40min。
优选地，在步骤S2中，所述下包层通过粘合剂粘附到所述印刷电路板上，所述下包层在180~220℃下进行退火处理。
优选地，所述光波导材料还包含阴离子R-，在步骤S4中，所述光波导线路在紫外光照射下发生如下反应：Ag++R-→Ag↓+R↑。
优选地，在步骤S5中，所述上包层通过化学气相沉积法制成。
优选地，在步骤S5之后，还包括步骤S6：对所述印刷电路板进行表面处理及阻焊处理，所述表面处理为电镀镍金、电镀硬金、化学镀镍钯金、沉金、沉锡、沉银中的一种。
优选地，在步骤S1中，制作n层所述印刷电路板，n≥2，所述下包层设置在最外层的所述印刷电路板上。
本发明还提供一种采用上述制作方法制得的基于印刷电路板的平面光波导结构。
优选地，所述光波导线路的宽度为4~6μm。
优选地，所述下包层的折射率为n1，所述光波导线路的折射率为n2，n1=1.3~1.5，n2- n1=0.02~0.1。
由于上述技术方案的运用，本发明提供的基于印刷电路板的平面光波导结构，以印刷电路板为基底，实现了集成光路与集成电路的融合，使得集成线路向着微细化方向发展，提高了布线密度，更好地实现光电并行互联，最大限度保证了传输信号的完整性，减小了器件的几何尺寸及功耗。
本发明提供的平面光波导结构的制作方法，采用电流体动力喷印设备，利用电场作用力直接在下包层上喷射出预设的光波导线路，电场喷射相比于传统气压等喷射方式能够直接制备出更精细、精准的图案线路，线宽最低能达到4μm，获得更高的印刷精度和产品性能，同时降低了后续光固化的成本和难度。并且电流体动力喷印设备的喷嘴移动自由，可以根据设计要求，灵活更改喷涂路线及线宽，无需针对不同图案每次另外制备丝网印版，大大降低了成本。进一步地，在光波导线路的固化过程中，由于喷射出的光波导材料就是最终所需的光波导线路，因此无需另外制作掩模版，有效减少了光波导材料的浪费。高精度镜组的使用使得紫外光能够准确落在待固化的光波导线路上，下包层材料不会因多余的紫外光照射而损伤，生产效率及产品质量均得到提高，尤其适合于小批量光电混合印刷电路板的生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
附图1为本发明一具体实施例中步骤S3的示意图；
附图2为本实施例中基于印刷电路板的平面光波导结构的剖视示意图；
其中：110、喷嘴；120、工作台；130、电路；200、光波导材料；
1、印刷电路板；11、第一线路层；12、介电层；121、导通孔；13、第二线路层；14、阻焊层；15；表面处理层；21、下包层；22、芯层；221、光波导线路；23、上包层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“左右方向”、“高度方向”、“前后方向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、仅具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图2所示，一种基于印刷电路板的平面光波导结构，包括印刷电路板1及设置在其上的平面光波导，能够实现光电并行互联，显著提高数据传输效率和完整性。
本实施例中，以单层印刷电路板1 为示意。在其他实施例中，根据实际需求，为了获得更高的数据传输速率，可以层叠设置两层或更多层的印刷电路板1。具体地，单层印刷电路板1包括自下而上依次设置的第一线路层11、介电层12及第二线路层13，其中介电层12由环氧树脂制成，第一线路层11及第二线路层13由金属导线构成。介电层12上还开设有用于连接第一线路层11与第二线路层13的导通孔121。在印刷电路板1的最下层进一步设有阻焊层14及表面处理层15。
在印刷电路板1的上方自下而上依次设有下包层21、芯层22及上包层23。其中下包层21与上包层23均由二氧化硅或其他光透明材料制成，下包层21与上包层23的折射率n1约为1.457，厚度均在10~15μm。芯层22由多条光波导线路221构成，光波导线路221的折射率n2比n1大0.02~0.1，从而能够将光波局限在光波导线路221及其周围有限区域内传播。光波导线路221的宽度最低可达到4μm，具有较高的印刷精度及布线密度，在相同的布线数量下能够大大减小平面光波导结构的几何尺寸。
参见图1所示，本实施例中基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法包括如下步骤：
S1、制作单层或多层印刷电路板1，每层印刷电路板1包括自下而上依次设置的第一线路层11、介电层12及第二线路层13，再将制好的印刷电路板1放置在水平的工作台120上；
S2、对下包层材料（此处为二氧化硅）进行细磨、清洗、吹干等前处理，然后通过粘合剂将下包层材料粘附到印刷电路板1上，接着对下包层材料进行固化处理，再经约200℃退火处理，消除残余应力，得到下包层21；
S3、通过电流体动力喷印设备将光波导材料200以预设的路径涂覆在下包层21的上表面上，形成待固化的光波导线路221，光波导材料200为包含银离子、阴离子R-及UV固化剂的浆液；
S4、通过紫外光照射使得光波导线路221固化，其中，紫外光通过具有狭缝的镜组（图中未示出）照射到光波导线路221上，同时光波导线路221在180~200℃下保温约30min，增强光波导材料200的粘附能力，得到芯层22；
S5、通过化学气相沉积法在下包层21及芯层22上沉积生长出一层二氧化硅，即为上包层23，然后对上包层23进行固化处理及退火硬化处理，使得上包层23二氧化硅变得致密均匀；
S6、对印刷电路板1进行表面处理及阻焊处理，表面处理可以为电镀镍金、电镀硬金、化学镀镍钯金、沉金、沉锡、沉银中的任一种，最终得到基于印刷电路板的平面光波导结构。
其中，对下包层21、上包层23的材料生长和退火硬化工艺，要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确，以达到设计的结构参数，尽量减少材料内部的残留应力，以降低平面光波导结构的双折射效应。
进一步地，上述电流体动力喷印设备包括喷嘴110与工作台120，喷嘴110与工作台120之间通过电路130连通，从而通电后喷嘴110与工作台120之间能够形成电场。喷嘴110既能够沿X方向又能够沿Y方向相对运动地设置在工作台120上，X方向与Y方向相互垂直且均为水平方向。在一些实施例中，喷嘴110还能够在竖直的Z方向上进行微调，从而精确控制喷嘴110与下包层21上表面的距离。
本实施例中，喷嘴110的口径约为1μm，电流体动力喷印设备向喷嘴110中传输光波导材料200。在电场作用下，光波导材料200被电离为阴离子和阳离子，进而在对应的电场力作用下喷射到下包层21上。电流体动力喷印设备还包括用于控制喷嘴110运动路径及电场方向、强度的控制系统（图中未示出）。
在步骤S3中，喷嘴110与工作台120之间先形成第一电场，再形成第二电场，第一电场与第二电场均垂直于下包层21的上表面，且第一电场与第二电场的方向相反。如此，经过一轮电场反转，喷嘴110能够将阴离子、阳离子全部喷射出来，形成精细的光波导线路221。
与此同时，在步骤S3中，控制系统根据预设的图案控制喷嘴110沿X方向和/或Y方向在下包层21上方运动，从而以预设路径喷射出设计的光波导线路221。
如此，采用本实施例的制作方法制作具有不同光波导线路221的平面光波导结构时，只需要在控制系统中更改预设的图案，就能够直接喷印出对应的光波导线路221，无需单独设置丝网印版等工具，大大降低了生产成本和工艺复杂度。
本实施例中，镜组中狭缝的形状与光波导线路221的形状相同。在下包层21的上表面上，光波导线路221的投影位于狭缝的投影的内部，也即是说狭缝的宽度略大于光波导线路221的宽度。镜组还进一步包括用于汇聚紫外光的凸透镜，凸透镜位于狭缝与光波导线路之间。如此，在步骤S4中，紫外光通过狭缝及凸透镜的传递，能够恰好照射在待固化的光波导线路221上，紫外光的投射形状与光波导线路221的形状完全对应相同，从而将光波导线路221精准固化，而不会照射在下包层21或其他器件上，避免过强的紫外光造成损伤，影响平面光波导结构性能。
在步骤S4中，光波导线路221在紫外光照射下发生如下反应：Ag++R-→Ag↓+R↑。最终微纳米级的单质银被固定在下包层21上，作为光波导的主要传输介质。
综上所述，本实施例提供的基于印刷电路板的平面光波导结构及其制作方法，能够制作出高精度的平面光波导结构，制作方法灵活度高，尤其适用于小批量光电混合印刷电路板的生产。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括如下步骤：
S1、制作印刷电路板；
S2、在所述印刷电路板的一侧面设置下包层，然后对所述下包层进行固化处理及退火处理；
S3、通过电流体动力喷印设备将光波导材料以预设的路径涂覆在所述下包层的上表面上，形成待固化的光波导线路，其中，所述光波导材料为包含银离子、阴离子R-及UV固化剂的浆液，所述电流体动力喷印设备包括喷嘴与工作台，所述喷嘴用于喷射所述光波导材料，所述印刷电路板放置在所述工作台上，所述喷嘴与所述工作台之间先形成第一电场，再形成第二电场，所述第一电场与所述第二电场均垂直于所述下包层的上表面，且所述第一电场与所述第二电场的方向相反；
S4、通过紫外光照射使得所述光波导线路固化，其中，所述紫外光通过具有狭缝的镜组照射到所述光波导线路上，所述光波导线路在紫外光照射下发生如下反应：Ag++R-→Ag↓+R↑，获得微纳米级的单质银，所述紫外光的投射形状与所述光波导线路的形状相同，所述紫外光不照射在所述下包层上，在所述下包层的上表面上，所述光波导线路的投影位于所述狭缝的投影的内部，所述镜组还包括用于汇聚所述紫外光的凸透镜，所述凸透镜位于所述狭缝与所述光波导线路之间；
S5、在所述下包层及所述光波导线路上设置上包层，然后对所述上包层进行固化处理。
2.根据权利要求1所述的基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法，其特征在于：所述喷嘴的口径为0.5~2μm。
3.根据权利要求1所述的基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法，其特征在于：在步骤S3中，所述喷嘴沿X方向和/或Y方向在所述下包层上方运动，所述X方向与所述Y方向相交且均平行于所述下包层的上表面。
4.根据权利要求1所述的基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法，其特征在于：在步骤S4中，紫外光曝光的同时，所述光波导线路在180~200℃下保温20~40min。
5.根据权利要求1所述的基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法，在步骤S2中，所述下包层通过粘合剂粘附到所述印刷电路板上，所述下包层在180~220℃下进行退火处理。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法，其特征在于：在步骤S5中，所述上包层通过化学气相沉积法制成。
7.根据权利要求1至5任一项所述的基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法，其特征在于：在步骤S5之后，还包括步骤S6：对所述印刷电路板进行表面处理及阻焊处理，所述表面处理为电镀镍金、电镀硬金、化学镀镍钯金、沉金、沉锡、沉银中的一种。
8.根据权利要求1至5任一项所述的基于印刷电路板的平面光波导结构的制作方法，其特征在于：在步骤S1中，制作n层所述印刷电路板，n≥2，所述下包层设置在最外层的所述印刷电路板上。
9.一种基于印刷电路板的平面光波导结构，其特征在于：所述平面光波导结构采用权利要求1至8任一项所述的制作方法制成。
10.根据权利要求9所述的基于印刷电路板的平面光波导结构，其特征在于：所述光波导线路的宽度为4~6μm；和/或，所述下包层的折射率为n1，所述光波导线路的折射率为n2，n1=1.3~1.5，n2-n1=0.02~0.1。
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