DE102005039421B3

DE102005039421B3 - Verfahren zum Erzeugen eines Bauelementträgers mit eingebettetem optischer Wellenleiter und Strahlumlenkung

Info

Publication number: DE102005039421B3
Application number: DE200510039421
Authority: DE
Inventors: Peter Beil; Peter Demmer; Martin Franke; Tobias Happel; Frank-Peter Dr. Schiefelbein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2025-08-17
Also published as: DE102005039421B8

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Bauelementträger, in den ein Lichtleiter (14) eingebettet ist. Um für diesen eine Strahlumlenkung (16) hin zur Oberfläche des Bauelementträgers zu erzeugen, wird erfindungsgemäß beispielsweise ein Schlitz (20) in den Bauelementträger eingebracht, welcher den Lichtleiter (14) in einem Winkel von 45 DEG schneidet. Die Bearbeitung mit dem Mikrofräser hat den Vorteil, dass ein flexibles Verfahren für Bauelementträger unterschiedlicher Geometrie zur Verfügung steht. Die Strahlumlenkung kann zusätzlich mit einer Spiegelschicht (18) versehen werden, um die optischen Verluste bei der Umlenkung gering zu halten.

Description

Verfahren zum Erzeugen eines Bauelementträgers mit eingebettetem optischer Wellenleiter und Strahlumlenkung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauelementträgers mit einem eingebetteten optischen Wellenleiter (im Folgenden kurz als Wellenleiter bezeichnet), bei dem der Lichtleiter mit einer Strahlumlenkung versehen wird, welcher eine optische Verbindung des Lichtleiters mit auf der Oberfläche des Bauelementträgers zu montieren optischen Bauelementen ermöglicht.

Bauelemente der eingangs genannten Art können beispielsweise nach einem Verfahren hergestellt werden, welches in „Self-Aliened-Coupling of Optical Transmitter and Receiver Modules to Board-Integrated Optical Multimode Waveguides" von E. Griese u. a. in Proceedings of SPIE, Vol. 4455, Oktober 2001 beschrieben ist. Dieses Verfahren beinhaltet ein Heißprägen von Gräben in einem Bauelementträger, die durch ein optisches Wellenleitmaterial ausgefüllt werden können. Auf diese Weise wird ein in den Bauelementträger eingebetteter Lichtleiter gebildet, wobei an den Enden der Gräben durch das Heißprägewerkzeug eine 45°-Schräge ausgebildet wird, die nach Verfüllen der Gräben mit dem optischen Wellenleitmaterial eine Reflektorfläche ausbildet, die als Strahlumlenkung für auf den Bauelementträger befestigte optische Bauelemente zum Einsatz kommen kann.

Das Heißprägewerkzeug muss aufgrund der geforderten hohen Toleranzanforderungen hochgenau gefertigt sein und muss aufgrund des Werkzeugverschleißes beim Heißprägen regelmäßig ausgewechselt werden.

Gemäß der DE 103 46 376 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementträgers beschrieben, bei dem ein Verbund aus einer Trägerlage und einer darauf befindlichen strukturierten optischen Lage hergestellt wird. In der optischen Lage wird eine Strahlumlenkung erzeugt, die eine Verbindung des ebenfalls in der optischen Lage erzeugten Lichtleiters mit einem auf der Oberfläche des Bauelementträgers montierten optischen Bauelement ermöglicht. Die erzeugten Reflexionsflächen können zum Schutz gegenüber der Umgebung abgeschirmt werden. Weiterhin kann die optische Lage auf der von der Trägerlage abgewandten Seite mit einer Schutzlage versehen werden, welche die Reflexionsflächen frei lässt.

Gemäß der WO 2004/036799 A2 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem auf einer Trägerlage durch mikromechanische Verfahren Trägerstrukturen für optische Lichtleiter erzeugt werden können. Nach deren Erzeugung können die Lichtleiter an den so gebildeten Bezugsflächen der Trägerstrukturen erzeugt werden, wodurch auch Strahlumlenkungen erzeugt werden können.

Gemäß der DE 102 00 853 A1 wird beschrieben, wie die optischen Lichtwellenleiter auf Trägerlagen hergestellt werden können. In die Trägerlage werden demnach Vertiefungen vorgesehen, welche auch schräge Wandteile zur Herstellung von Strahlumlenkungen aufweisen können. Diese Vertiefungen werden zur Herstellung der Lichtleiter durch Heißprägen mit dem Material der Lichtleiter ausgefüllt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauelementträgers mit einem eingebettetem Lichtleiter anzugeben, mit dem sich Strahlumlenkungen für den eingebetteten Lichtleiter hochgenau und für unterschiedliche Anwendungsfälle flexibel einbringen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verbund, bestehend aus einer Trägerlage und einer darauf befindlichen strukturierten optischen Lage, gebildet wird, wobei durch die Strukturierung der optischen Lage die Lichtleiter gewonnen werden, die Strahlumlenkung durch Fräsen einer Fase mit einem Mikrofräser in die optische Lage derart, dass die Lichtleiter von der Fase unter Ausbildung von Reflektionsflächen geschnitten werden, erzeugt wird und die Reflektionsflächen gegenüber der Umgebung abgeschirmt werden, wobei der Mikrofräser von derjenigen Seite der Trägerlage mit dieser in Eingriff gebracht wird, die der optischen Lage abgewandt ist, wobei die optische Lage auf der von der Trägerlage abgewandten Seite mit einer Schutzlage versehen wird, welche im Bereich der Reflektionsflächen eine optische Zugänglichkeit derselben gewährleistet.

Der Einsatz eines Mikrofräsers zur Erzeugung der Strahlumlenkung hat den großen Vorteil, dass die Reflektionsflächen der Strahlumlenkung durch ein Werkzeug erzeugt werden können, welches im Bezug auf den Verlauf des Lichtleiters eine stark lokal begrenzte Ausdehnung aufweist. Daher muss bei der Konzeption des Werkzeugs nicht der Verlauf der Lichtleiter berücksichtigt werden, wie dies bei einem Heißprägewerkzeug der Fall wäre. Damit sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bauelementträger mit einem größeren Gestaltungsspielraum herstellbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einbringung einer Strahlumlenkung kann nicht nur bei klassischen Leiterplatten mit eingebetteten Lichtwellenleitern Anwendung finden, sondern auch bei anderen Bauelementträgern, wie z. B. Gehäusestruktu ren mit integrierten Schaltungen, in deren Wandungen Lichtleiter eingebettet sind, die zur Außenseite oder Innenseite des Gehäuses umgelenkt werden müssen, um dort mit optischen Bauelementen zu kommunizieren.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fase im Bereich der Reflektionsflächen verspiegelt wird. Damit können evtl. Lichtverluste ausgeschlossen werden, die an der Reflektionsfläche auftreten könnten. Grundsätzlich ist eine Verspiegelung nicht zwingend notwendig, da die gefräste Fläche aufgrund der Lichtleitungseigenschaften des Lichtleiters ohnehin bereits reflektierende Eigenschaften aufweist. Hierbei muss jedoch auch die optische Brechzahl des an die Fräsfläche angrenzenden optischen Mediums beachtet werden. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das beim Fräsen abgespante Material durch ein Füllmaterial ersetzt wird. Das Füllmaterial führt vorteilhaft zu einer Stabilisierung des Bauelementträgers und stellt weiterhin einen Schutz der Strahlumlenkungen dar, da diese durch das Füllmaterial von der Umgebung abgeschirmt werden.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auf die Trägerlage auf der der Schutzlage abgewandten Seite nach Abschluss des Fräsens eine Abdecklage aufgebracht wird. Die Abdecklage erfüllt ähnliche Funktionen wie das bereits beschriebene Ausfüllen der gefrästen Kavität mit einem Füllmaterial. Einerseits wird der Bauelementträger über seine gesamte Oberfläche und insbesondere im Bereich der gefrästen Kavität stabilisiert, andererseits ist damit ein Abschluss der Strahlumlenkung gegenüber der Umgebung möglich. Die Abdecklage kann in Kombination mit dem Füllmaterial oder auch ohne die erstgenannte Maßnahme zur Anwendung kommen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Schutzlage vor dem Aufbringen auf die optische Lage mit einer Ausnehmung versehen wird, die nach dem Aufbringen den Bereich der Reflektionsfläche frei lässt. Hierdurch wird die Zugänglichkeit der Strahlumlenkung von der Richtung, in die die optischen Signale des Lichtleiters umgelenkt werden, ermöglicht, so dass beispielsweise Fotodioden oder Leuchtdioden als optische Bauelemente oberhalb der Strahlumlenkung mit einer optischen Verbindung zu dieser montiert werden können. Wird die Ausnehmung bereits vor dem Aufbringen der Schutzlage auf den Bauelementträger hergestellt, so hat dies den Vorteil, dass bei der Herstellung der Ausnehmung eine Verletzung der Strahlumlenkung ausgeschlossen werden kann, die nach der Montage der Schutzlage auf dem Bauelementträger direkt an die optische Lage angrenzt.

Um die Strahlumlenkung vor der Montage eines optischen Bauelementes vor Umgebungseinflüssen, z. B. einer Verschmutzung, zu schützen, kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass der in der Ausnehmung frei liegende Teil der optischen Lage mit einer ablösbaren Schutzfolie versehen wird. Diese schützt vorteilhaft nicht nur die Strahlumlenkung selbst, sondern auch die optische Lage im Bereich der Ausnehmung, in der die Lichtleiter strukturiert sind.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der Bauelementträger im Bereich der Strahlumlenkung mit einer Justierhilfe versehen wird, mit deren Hilfe zu montierende optische Bauelemente oberhalb der Strahlumlenkung derart ausgerichtet werden können, dass eine möglichst verlustarme Übertragung von Lichtsignalen aus den Lichtleitern über die optische Strahlumlenkung in das montierte optische Bauelement sowie die entgegengesetzte Richtung möglich ist. Die Justierhilfe kann während des Fertigungsprozesses der Strahlumlenkung un ter Berücksichtigung aller Fertigungstoleranzen mit einer für die Übertragung optischer Signale notwendigen Genauigkeit in den Bauelementträger eingebracht werden. Eine Justierhilfe kann beispielsweise aus Markierungen bestehen, deren Lage bei der Montage des betreffenden optischen Bauelementes optisch erfasst wird.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Justierhilfe aus Führungslöchern besteht, die bevorzugt als Präzisionsbohrungen ausgeführt werden. Diese können als Zentrierhilfe verwendet werden, indem das optische Bauelement mit Führungsstiften versehen wird, die genau in die Führungslöcher passen. Hierzu bietet sich beispielsweise der Einsatz so genannter optischer Pins an.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. In den Figuren sind gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen die

1 bis 3 ausgewählte Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und

4 ein Ausführungsbeispiel des mit Hilfe des in den 1 bis 3 dargestellten Verfahrens hergestellten Bauelementträgers.

In 1 ist dargestellt, wie ein Halbzeug für die Bearbeitung mittels eines Mikrofräsers 11 ausgestaltet sein kann. Dieses Halbzeug besteht aus einer Trägerlage 12, die als Träger für eine optische Lage 13 dient. Die optische Lage besteht aus einem fotochemisch strukturierbaren Material, mit dessen Hilfe in bekannter Weise unter Einsatz der Maskentechnologie Lichtleiter 14 ausgebildet werden können. Der Rest der optischen Lage, der nicht entwickelt wurde, wird anschließend abgetragen und durch eine Füllmasse (nicht dargestellt) ausgefüllt, so dass die optische Lage 13 wieder mit konstanter Schichtdicke vorliegt. In der 1 ist der Schnitt durch einen der Lichtleiter 14 in der optischen Lage 13 dargestellt. Daher ist die Füllmasse in der 1 nicht zu erkennen, da diese hinter der Zeichnungsebene liegt.
Mit Hilfe des Mikrofräsers 11 wird eine der Seitenkanten der Trägerlage 12 bearbeitet, derart, dass eine Fase 15 entsteht, die auch den Lichtleiter 14 in einem Winkel von 45° schneidet. Daher entsteht am Ende des Lichtleiters 14 eine Reflektionsfläche 16, mit deren Hilfe in den folgenden Verfahrensschritten eine Strahlumlenkung 17 (vgl. 4) erzeugt werden kann.
Der 2 kann entnommen werden, dass das Halbzeug, bestehend aus Trägerlage 12 und optischer Lage 13, nicht nur durch Fräsen einer Fase am Rand des Halbzeugs bearbeitet werden kann, sondern dass der Mikrofräser (in 2 nicht dargestellt) auch auf den Seiten der Trägerlage 12, die der optischen Lage 13 abgewandt ist, in die diese eingeführt werden kann. Dabei ist die Einführtiefe des Mikrofräsers derart bemessen, dass ein schlitzartiger Durchgang in dem Halbzeug entsteht, der wiederum zur Bildung zweier sich gegenüberliegender Fasen im weiteren Sinne führt, die die Trägerlage 12 im Winkel von 45° schneiden. Hierdurch entstehen zwei sich gegenüberliegende Reflektionsflächen 16. Um eine schlitzartige Öffnung zu erzeugen, muss der Mikrofräser nach dem Eintauchen in das Halbzeug linear geführt werden und zwar in eine Richtung parallel zur Oberfläche der Trägerlage. Die entstehenden Fasen 15 können mit einer Spiegelschicht 18 versehen werden, die beispielsweise durch Bedampfen der Fasen mit einem Metall hergestellt werden können.
Der 3 lässt sich entnehmen, dass die schlitzartige Aussparung 19 mit einem Füllmaterial 20 ausgefüllt werden kann, welches zur Stabilisierung der Trägerlage beiträgt. Das Füllmaterial 20 kann beispielsweise aus einem Kunststoff bestehen, der in die Aussparung 19 eingefüllt und anschließend beispielsweise mittels UV-Licht ausgehärtet wird. Weiterhin kann die freiliegende Seite der optischen Lage 13 mit einer Schutzlage 21 versehen werden, wobei diese vor einem Auflaminieren auf die optische Lage 13 mit einer Ausnehmung 22 versehen wird, die nach dem Auflaminieren den Bereich um die Reflektionsflächen 16 zur Ausbildung der späteren Strahlumlenkung 17 (vgl. 4) freilässt.
In 4 ist der fertig gestellte Bauelementträger 23 dargestellt. In der Aussparung 22 ist eine Oberfläche 24 ausgebildet, in der exemplarisch ein strichpunktiert dargestelltes optisches Bauelement 25 montiert werden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Laserdiode oder um eine Fotodiode handeln. Es ist schematisch angedeutet, wie ein optisches Signal 26 in den Lichtleiter 14 eingespeist werden kann und mittels der Strahlumlenkung 17 in Richtung des optischen Bauelements 25 wieder abgestrahlt werden kann, wobei eine Strahlumlenkung um 90° erfolgt. Nicht dargestellt ist die entgegengesetzte Strahlrichtung.
Zum Schutz des Bauelementträgers vor der Montage eines optischen Bauelementes ist auf der Oberfläche 24 in der Aussparung 22 eine Schutzfolie 27 aufgebracht, die auch die Strahlumlenkung 17 abdeckt. Diese Schutzfolie 27 muss vor einer Montage des optischen Bauelementes 25 entfernt werden. Über eine Klebeschicht 28 ist weiterhin eine Abdecklage 29 auf der der optischen Lage 13 abgewandten Seite der Trägerlage 12 aufgebracht, die den Bauelementträger 23 stabilisiert.
Wie an der Bruchlinie 30 zu erkennen ist, ist der Bauelementträger 23 in zwei unterschiedlichen Ebenen dargestellt. Die linke Seite stellt einen Bereich der Ausnehmung 22 dar, in dem keine Strahlumlenkung untergebracht ist. In diesem Bereich liegt ein Führungsloch 31, welches durch eine Präzisionsbohrung für die Aufnahme eines optischen Pins ausgeführt ist. Dieser ermöglicht eine genaue Ausrichtung des optischen Bauelementes 25, wobei der zum Bauelement 25 zugehörige Pin nicht dargestellt ist.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Bauelementträgers (23) mit einem eingebetteten optischen Lichtleiter (14), der aus einem Verbund, bestehend aus einer Trägerlage (12) und einer darauf befindlichen strukturierten optischen Lage (13) durch die Strukturierung der optischen Lage (13) gewonnen wird und bei dem der Lichtleiter (14) mit einer eine Reflexionsfläche (16) aufweisenden Strahlumlenkung (17) versehen wird, welche eine optische Verbindung des Lichtleiters (14) mit auf der Oberfläche (24) des Bauelementträgers (23) zu montierenden optischen Bauelementen ermöglicht, wobei die Reflexionsfläche (16) gegenüber der Umgebung abgeschirmt wird und die optische Lage (13) auf der von der Trägerlage (12) abgewandten Seite mit einer Schutzlage (21) versehen wird, welche im Bereich der Reflexionsfläche (16) eine optische Zugänglichkeit derselben gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkung (17) durch Fräsen einer Fase (15) mit einem Mikrofräser (11) in die optische Lage (13) derart erzeugt wird, dass die Lichtleiter von der Fase (15) unter Ausbildung der Reflexionsfläche (16) geschnitten werden, wobei der Mikrofräser (11) von derjenigen Seite der Trägerlage (12) mit dieser in Eingriff gebracht wird, die der optischen Lage abgewandt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fase (15) im Bereich der Reflexionsflächen (16) verspiegelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das beim Fräsen abgespante Material durch ein Füllmaterial (20) ersetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Trägerlage (12) auf der der Schutzlage (21) abgewandten Seite nach Abschluss des Fräsens eine Abdecklage (29) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzlage (21) vor dem Aufbringen auf die optische Lage (13) mit einer Ausnehmung (22) versehen wird, die nach dem Aufbringen den Bereich der Reflexionsfläche (16) freilässt
Verfahren ach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Ausnehmung (22) freiliegende Teil der optischen Lage (13) mit einer ablösbaren Schutzfolie (27) versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauelementträger (23) im Bereich der Strahlumlenkung (17) mit einer Justierhilfe für zu montierende optische Bauelemente versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Justierhilfe aus Führungslöchern (31) besteht, die bevorzugt als Präzisionsbohrungen ausgeführt werden.