DE10202277A1

DE10202277A1 - Elektrisch-optischer Schaltungsträger und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10202277A1
Application number: DE2002102277
Authority: DE
Inventors: Udo Wiggermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2003-07-31
Also published as: WO2003062876A2; AU2003203136A1; WO2003062876A3

Abstract

Der elektrisch-optische Schaltungsträger in Form einer Leiterplatte besitzt mindestens eine lichtleitende Schicht (30) zwischen lichtundurchlässigen Schichten (12; 21), wobei auf der Oberseite neben elektrischen Bauelementen (4) auch optische Bauelemente (5) angeordnet sind. In der lichtleitenden Schicht werden Leitbahnen (31) durch lichtundurchlässige Grenzschichten (34) abgegrenzt, welche durch Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge in der ansonsten lichtleitenden Schicht (30) gebildet werden. Die optische Verbindung zwischen oberflächlich angeordneten optischen Bauelementen (5) und einer Lichtleitbahn (31) erfolgt über senkrecht zur Leiterbahnebene gebohrte Lichtleitkanäle (32). An den Kreuzungspunkten zwischen den Lichtleitkanälen (32) und den Lichtleitbahnen (31) sind schräge Spiegelflächen angeordnet. In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung werden diese schrägen Spiegelflächen ebenfalls durch punktweise Bestrahlung des lichtleitenden Materials mit einer von diesem Material absorbierten Wellenlänge erzeugt, wobei die Schräge durch entsprechende Änderung der Fokussierung des Laserlichts erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch optischen Schaltungsträger mit mindestens einer elektrischen Schaltungslage und mindestens einer optischen Schaltungslage, wobei jede elektrische Schaltungslage eine elektrisch leitende Struktur auf einer Isolierstoffschicht aufweist und wobei jede optische Schaltungslage lichtleitende Strukturen aufweist, die zwischen zwei lichtundurchlässigen Schichten eingeschlossen sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schaltungsträgers.

Aus der DE 198 26 648 A1 ist ein elektrisch-optischer Schaltungsträger der eingangs genannten Art bekannt. Dieser besteht aus mehreren Schichten aus zumindest einem Isoliermaterial sowie aus Leiterstrukturen, die sich auf oder in den Schichten befinden, bei welchen zumindest eine optische Schicht vorgesehen ist, die beidseitig in anderen Schichten eingebettet ist. Um optische Bauelemente, die auf diesem Schaltungsträger angeordnet sind, an die optische Schicht anzukoppeln, sind in dem Schaltungsträger Bohrungen vorgesehen, in welche ein optischer Anschluß des jeweiligen Bauelementes in Form eines Stutzens hineinragt. Dieser Stutzen besitzt an seinem freien Ende im Bereich der lichtleitenden Schicht einen Umlenkspiegel oder ein Umlenkprisma. Allerdings sind dort die optisch leitenden Strukturen innerhalb der optischen Schicht nicht gezeigt, mit denen der jeweilige Lichtstrahl gezielt zu einem optischen Ausgang bzw. zu einem anderen optischen Bauelement geführt werden kann.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Ausgestaltung eines derartigen elektrisch optischen Schaltungsträgers mit einer Strukturierung, die eine gezielte Führung des jeweiligen Lichtstrahls innerhalb des elektrisch optischen Schaltungsträgers ermöglicht. Außerdem soll durch die Erfindung ein Verfahren angegeben werden, derartige Strukturen möglichst einfach und günstig herzustellen.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei einem Schaltungsträger der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die lichtleitenden Strukturen in einer lichtleitenden Schicht als Lichtleitbahnen ausgebildet sind, deren Oberseite und Unterseite parallel zu einer Leiterplattenebene des Schaltungsträgers jeweils durch benachbarte lichtundurchlässige Schichten begrenzt sind und deren senkrecht zur Leiterplattenebene verlaufende Seitenwände als lichtundurchlässige Grenzbereiche in dem Material der lichtleitenden Schicht ausgebildet sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträger, der in der Regel flach als zweidimensionale oder dreidimensionale Leiterplatte ausgebildet ist, besitzt also zwischen den elektrischen Schaltungslagen eine optische Schaltungslage, in deren Material lichtundurchlässige Grenzbereiche ausgebildet sind, um auf diese Weise Lichtleitbahnen von den übrigen Bereichen dieser Schicht und von anderen Lichtleitbahnen abzugrenzen. Zur Einkopplung des Lichts von optischen Bauelementen, die außen auf dem Schaltungsträger sitzen, in diese Lichtleitbahnen, sind im Bereich dieser Bauelemente jeweils Lichtleitkanäle senkrecht zur Leiterplattenebene, vorzugsweise als Bohrungen, vorgesehen, die bis zu der jeweiligen optischen Schaltungslage bzw. zu der betreffenden Lichtleitbahn reichen. Im Kreuzungsbereich einer Lichtleitbahn und eines Lichtleitkanals ist dann jeweils eine reflektierende Fläche angeordnet, die das Licht zwischen dem Lichtleitkanal und der Lichtleitbahn umlenkt. Zu diesem Zweck bildet die reflektierende Fläche jeweils mit dem Lichtleitekanal und der Lichtleitbahn jeweils den gleichen Schnittwinkel, also einen Winkel von 45°, wenn Lichtleitbahn und Lichtleitkanal zueinander senkrecht stehen.

Die reflektierende Fläche kann durch einen zusätzlich in den Lichtleitkanal eingesetzten Spiegel gebildet sein. Es ist aber auch möglich, daß die reflektierende Fläche als lichtundurchlässiger, schräger Grenzbereich in dem Material der lichtleitenden Schicht ausgebildet ist.

Die Lichtleitkanäle, die als Bohrungen durch lichtundurchlässige Schichten erzeugt werden, können als lichtleitendes Medium sowohl Luft als auch ein nachträglich eingefülltes und erstarrtes durchsichtiges Medium, wie Kunststoff, enthalten.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrisch-optischen Leiterplatte weist folgende Schritte auf:

- mindestens eine elektrische Schaltungslage mit elektrisch leitenden Strukturen auf einer Isolierstoffschicht und mindestens eine optische Schaltungslage in Form. einer lichtdurchlässigen Schicht werden derart aufeinander geschichtet, daß die lichtdurchlässige Schicht an ihrer Oberseite und an der Unterseite jeweils durch eine licht- undurchlässige Schicht begrenzt wird;
- durch Bestrahlung der lichtdurchlässigen Schicht mit Licht einer von dem Material dieser Schicht absorbierten Wellenlänge werden lichtundurchlässige Bereiche als seitliche Begrenzungen für vorgesehene Lichtleitbahnen erzeugt;
- mindestens ein Lichtleitkanal wird senkrecht zur Leiterplattenebene von einer äußeren Oberfläche bis zu der lichtdurchlässigen Schicht einer jeden optischen Schaltungslage gebohrt und
- im Kreuzungsbereich eines jeden Lichtleitkanals mit einer Lichtleitbahn wird eine reflektierende Fläche derart angeordnet, daß die Achsen des Lichtleitkanals und der Lichtleitbahn jeweils unter dem gleichen Winkel auf diese Fläche auftreffen.

Dabei kann die reflektierende Fläche durch Einsetzen eines zusätzlichen Spiegels erzeugt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die reflektierende Fläche durch Bestrahlung der lichtdurchlässigen Schicht mit Licht einer von dieser Schicht absorbierten Wellenlänge derart erzeugt, daß die zur erzeugende reflektierende Fläche punktweise durch den Lichtstrahl abgetastet und die Schräge durch zeilenweise Veränderung der Fokussierung des Lichtstrahls erzielt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäß gestaltete elektrisch-optische Leiterplatte in Schnittansicht,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Erzeugung von lichtundurchlässigen Grenzbereichen in einer lichtdurchlässigen Schicht,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine optische Schaltungslage mit einem schematisch dargestellten Abschnitt einer gekrümmten Lichtleitbahn,

Fig. 4 einen Schnitt IV-IV durch die Leiterplatte gemäß Fig. 1 und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erzeugung einer schrägen Spiegelfläche in einer Lichtleitbahn.

In Fig. 1 ist schematisch ein elektrisch-optischer Schaltungsträger bzw. eine elektrisch-optische Leiterplatte gezeigt, welche von zwei elektrischen Schaltungslagen 1 und 2 sowie einer optischen Schaltungslage 3 gebildet ist. Die elektrischen Schaltungslagen werden jeweils von einer Isolierstoffschicht 11 bzw. 21 und einer strukturierten Leiterbahnschicht 12 bzw. 22 gebildet, während in der optischen Schaltungslage 3 in einer lichtdurchlässigen Schicht 30 jeweils voneinander abgegrenzte Lichtleitbahnen 31 ausgebildet sind. Auf der Oberseite der Leiterplatte sind elektrische Bauelemente 4 und optische Bauelemente 5 angeordnet. Dabei sind die elektrischen Bauelemente 4 in nicht weiter dargestellter, bekannter Weise mit der Leiterbahnschicht 22 der Schaltungslage 2 sowie über ebenfalls nicht dargestellte elektrische Durchkontaktierungen mit der Leiterbahnstruktur 12 der elektrischen Schaltungslage 1 verbunden.
Im Bereich der optischen Bauelemente 5 sind jeweils Lichtleitkanäle 32 durch die elektrische Schaltungslage 2 gebohrt, so daß eine lichtdurchlässige Verbindung von den optischen Bauelementen 5 zu einer Lichtleitbahn 31 hergestellt ist. Dort wo die Lichtleitkanäle 32 jeweils eine Lichtleitbahn 31 kreuzen, ist eine schräge Spiegelfläche 33 vorgesehen. Diese Spiegelfläche 33 kann durch einen separat in die Bohrung des Lichtleitkanals 32 eingefügten Spiegel gebildet werden; es ist aber auch möglich, diese Spiegelfläche durch Ausbildung einer lichtundurchlässigen, schrägen Grenzschicht in dem lichtdurchlässigen Material der Lichtleitbahn 31 zu erzeugen, wie dies später noch detailliert geschildert wird. Die Lichtleitkanäle 32 selbst können nach dem Bohren entweder freibleiben, so daß das Licht durch die Luft bis zur Spiegelfläche gelangt, oder sie können mit einem durchsichtigen Kunststoffmaterial gefüllt werden.
In Fig. 2 ist schematisch der Vorgang gezeigt, bei dem die Lichtleitbahnen 31 in dem Material 30 der optischen Schaltungslage 3 abgegrenzt werden. Die die optische Schaltungslage 3 bildende Kunststoffschicht 30 besteht aus einem Material. wie Acryl oder Polycarbonat, welches an sich lichtdurchlässig ist, jedoch bei Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge lichtundurchlässig wird. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Lichtstrahl eines Lasers 35 über eine Ablenkeinheit mit zwei Galvospiegeln 36 und 37 und eine Abbildungseinheit mit einer Linse 38 derart auf die gewünschte Begrenzungswand 34 einer Lichtleitbahn 31 gelenkt und fokussiert, daß entlang dieser Grenzfläche das Material der Schaltungslage 3 seine Eigenschaft verändert und lichtundurchlässig wird. Natürlich wird der Laser 35 so gewählt, daß seine Wellenlänge von dem Material der Schaltungslage 3 absorbiert wird.
Anstelle der in Fig. 2 gezeigten Laser-Direktstrukturierung der Lichtleitbahnen 31 ist es auch möglich, andere Methoden anzuwenden, wie sie für die Strukturierung von elektrischen Leiterbahnen üblich sind. So wäre es denkbar, mittels des Lasers eine Zinnabdeckschicht auf der optischen Schaltungslage 3 zu strukturieren und dabei Gräben entlang der gewünschten Grenzschichten 34 in die Zinnschicht einzuarbeiten, durch die anschließend eine Belichtung der gewünschten Grenzflächen mit einer Lichtwellenlänge erfolgen kann, die von dem lichtleitenden Material der Schaltungslage 3 absorbiert wird. Auch mit Hilfe von Fotolithografie könnte eine solche Strukturierung erfolgen.
Fig. 3 zeigt weiter schematisch in Draufsicht auf einen Abschnitt einer optischen Schaltungslage den gekrümmten Verlauf einer Lichtleitbahn 31, wie er erfindungsgemäß ohne weiteres herstellbar ist. In dieser Darstellung der Fig. 3 ist gezeigt, daß Richtungsänderung der Lichtleitbahn 31 mit unterschiedlichen Gestaltungen des Wandverlaufs möglich sind. Dargestellt ist beispielsweise ein Kurvenverlauf mit einem abgerundeten Wandabschnitt 39 und ein weiterer Kurvenverlauf mit einer unter 45° schräg gestellten Spiegelfläche 40, die jeweils das Lichtsignal in der Lichtleitbahn weiterbefördern.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt IV-IV aus Fig. 1, in welchem der Lichtleitkanal 32 mit einer Spiegelfläche 33 zu sehen ist. Die Erzeugung einer derartigen schräg gestellten Spiegelfläche 33 ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Dabei ist der Übersichtlichkeit halber lediglich der Verlauf der Lichtleitbahn 31 dargestellt, während die übrige Struktur der Leiterplatte und auch des senkrechten Lichtleitkanals 32 nicht dargestellt ist. Der Lichtstrahl 43 eines Lasers 35 wird auch in diesem Fall über eine Ablenkeinheit mit den Galvospiegeln 36 und 37 und eine Abbildungseinheit mit der Linse 38 so abgelenkt, daß es jeweils auf einen Brennfleck 41 im Material der Lichtleitbahn 31 trifft. Dabei wird die Wellenlänge des Lasers 35 so gewählt, daß das Licht im Bereich des jeweiligen Brennflecks von dem lichtdurchlässigen Material der optischen Schaltungslage absorbiert wird und im Bereich dieses Brennflecks dessen Eigenschaft von der Lichtdurchlässigkeit in Lichtundurchlässigkeit verändert. Durch die entsprechende Führung des Laserstrahls entlang einer Mäanderlinie 42 werden so nebeneinander jeweils teilweise überlappende, reflektierende Flächen von der Größe des Brennflecks 41 erzeugt, die zusammen dann die Spiegelfläche 33 ergeben. Um diese Spiegelfläche 33 schräg anzuordnen, wird bei jeder aufeinanderfolgenden Punktreihe der Fokus des Lasers so verändert, daß eine Schräge von 45° erzielt wird.

Claims

1. Elektrisch-optischer Schaltungsträger, insbesondere Leiterplatte, mit mindestens einer elektrischen Schaltungslage (1, 2) und mindestens einer optischen Schaltungslage (3), wobei jede elektrische Schaltungslage eine elektrisch leitende Struktur (12; 22) auf einer Isolierstoffschicht (11; 21) aufweist und wobei jede optische Schaltungslage (3) lichtleitende Strukturen (31) aufweist, die zwischen zwei lichtundurchlässigen Schichten (12, 21) eingeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitenden Strukturen (31) in einer lichtleitenden Schicht (30) als Lichtleitbahnen (31) ausgebildet sind, deren Oberseite und Unterseite parallel zur Leiterplattenebene jeweils durch benachbarte lichtundurchlässige Schichten (12, 21) begrenzt sind und deren senkrecht zur Leiterplattenebene verlaufende Seitenwände als lichtundurchlässige Grenzbereiche (34) in dem Material der lichtleitenden Schicht (30) ausgebildet sind.

2. Schaltungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer mit optischen Bauelementen (5) bestückbaren Außenoberfläche des Schaltungsträgers und jeder lichtleitenden Schicht (3) mindestens ein senkrecht zur Leiterplattenebene gerichteter Lichtleitkanal (32) vorgesehen ist, der mit einem lichtdurchlässigen Medium gefüllt ist.

3. Schaltungsträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreuzungsbereich zwischen einer Lichtleitbahn (31) und einem Lichtleitkanal (32) jeweils eine reflektierende Fläche (33) angeordnet ist, die das Licht (6) zwischen dem Lichtleitkanal (32) und der Lichtleitbahn (31) umlenkt.

4. Schaltungsträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche durch einen in den Lichtleitkanal eingefügten Spiegel gebildet ist.

5. Schaltungsträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche (33) als lichtundurchlässiger, schräger Grenzbereich in dem Material der lichtleitenden Schicht (3) ausgebildet ist.

6. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitkanäle (32) mit Luft gefüllt sind.

7. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitkanäle (32) mit lichtdurchlässigem festem Material, vorzugsweise Kunststoff, gefüllt sind.

8. Verfahren zur Herstellung einer elektro-optischen leiterplatte mit folgenden Schritten:

- mindestens eine elektrische Schaltungslage (1; 2) mit elektrisch leitenden Strukturen (12; 22) auf einer Isolierstoffschicht (11; 21) und mindestens eine optische Schaltungslage (3) in Form einer lichtdurchlässigen Schicht werden derart aufeinandergeschichtet, daß die lichtdurchlässige Schicht (30) an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite jeweils durch eine lichtundurchlässige Schicht (12; 21) begrenzt wird,

- durch Bestrahlung der lichtdurchlässigen Schicht (30) mit Licht einer von dem Material dieser Schicht absorbierten Wellenlänge werden lichtundurchlässige Bereiche (34) als seitliche Begrenzungen für vorgesehene Lichtleitbahnen (31) erzeugt,

- mindestens ein Lichtleitkanal (32) wird senkrecht zur Leiterplattenebene von einer äußeren Oberfläche bis zu der lichtdurchlässigen Schicht (30) einer jeden optischen Schaltungslage (3) gebohrt und

- im Kreuzungsbereich eines jede Lichtleitkanals (32) mit einer Lichtleitbahn (31) wird eine reflektierende Fläche (33) derart angeordnet, daß die Achsen des Lichtleitkanals und der Lichtleitbahn (31) jeweils unter dem gleichen Winkel auf diese Fläche auftreffen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche (33) durch Einsetzen eines zusätzlichen Spiegels erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche (33) durch Bestrahlung der lichtdurchlässigen Schicht (30) mit Licht (43) einer von dieser Schicht absorbierten Wellenlänge derart erzeugt wird, daß die zu erzeugende reflektierende Fläche (33) punktweise (41) durch den Lichtstrahl (43) abgetastet und die Schräge durch zeilenweise Veränderung der Fokussierung des Lichtstrahls (43) erzielt wird.