JP3666752B2 - インターボード通信用ｐｃｂに光学層を一体化するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、全般的に、プリント回路基板の分野に関する。更に詳しく言うと、本発明は、電気的な接続をせずに光学データ通信を他のプリント回路基板と一体化するマルチレベル・プリント回路基板（あるいは「ＰＣＢ」）に関する。すなわち、本発明は、光通信接続を一体化するバックプレーン回路基板に関する。

今日、多量の世界の通信が光ファイバ上で伝送され、データは、変調光にコード化されている。伝送速度は、データがその目的地に到着するまでに、数億ビット／秒で測定される。その場合、光は、電子的に送られ得るように電気インパルスに変換される。その結果、データ転送速度が低くなり、遅延が増大することとなる。

光バスと電気バスを統合できるようにシリコン基板上に導波路構造を組み込んだ光電子装置が、現在開発されつつある。これら統合された装置はいずれ個別の構成要素に取って代わるようになり、光子流から電子流への移行をより効率的にしたり、完全に移行を排除するようになるであろう。光信号から電気信号への変換がまったく必要なくなれば、明らかに、究極の効率が達成されて、それ故に、発信源から送信先への光として通信を行うことができるようになる。

この目的を達成する妨げとなる障害の１つが、バックプレーン（backplane）である。バックプレーンは、システム内の装置に対する相互接続点であって、受動的でインテリジェントであり得る。一般的に、装置（時には「ドーターボード（doughter boards）」と呼ぶ）は、機械的手段を介してバックプレーンへ差し込まれるようになる。装置を各々相互に接続したり、バックプレーン上の他のポイントへ接続したりするには、追加の配線が必要であり、このことが、データ転送速度をいっそう遅くしたり故障の可能性を増大させると共に、コストも増大させることになる。光電子装置は、バックプレーンに対する電気的インターフェイスおよび／または光学的インターフェイスを必要とする。

バックプレーンおよびドーターボードは、一般的には、個別の構成要素が装着されたプリント回路基板（ＰＣＢ）上に構成される。ここで必要なのは、追加の配線を排除して、光信号から電気信号に変換する必要性を低減するか排除するように、電気インターフェイスおよび光学インターフェイスの両方を有するＰＣＢで構成したドーターボードおよびバックプレーンである。このようなＰＣＢはまた、光信号伝達を達成するために、マルチプレクサー、デマルチプレクサー、トランスデューサー、干渉計などのような受動的な構成要素をも含む。

本発明の目的は、光伝送材料をＰＣＢと一体化して、光信号を回路基板間に伝送できるようにすることにある。

本発明の別の目的は、光学ポリマーをＰＣＢ製品と一体化して光信号伝送を可能にすることにある。

本発明のさらに別の目的は、接続配線を必要とすることなく、ドーターボードの取り扱い、挿入、取り外しを容易にするために光伝送を用いて通信を行うように、回路基板を光バックプレーンと一体化するということにある。

本発明のまたさらに別の目的は、レーザーで接続構造を書き記すことによって、ＰＣＢに光伝送ポリマー（光導波路）を限定することにある。

本発明のさらに別の目的は、レーザー技術を使用して光導波路と一体化したＰＣＢを製造する方法を開発することにある。

本発明のなおさらに別の目的は、異なった屈折率の光伝導材料からなる連続薄層を使用して光導波路をＰＣＢと一体化する方法を開発することにある。

本発明のさらなる別の目的は、光導波路位置付けを整列させるために銅層上に標的マークを使用することにある。

ＰＣＢは、光バックプレーンが、挿入した回路基板と電気配線を使用しないで通信するのを可能にする光信号を発生するように設計されている。ＰＣＢ上の表面またはコネクタは、光エネルギ（信号）の伝送を可能にするように設計されている。好ましく実施するのは、Polyguide^TM（登録商標）のようなポリマーを使用することである。ここで使用するポリマーは、良好な光学的性質および高耐熱性を有していることが必要である。

ＰＣＢは、或る特定の屈折率（ｎ２）を有する材料から成る表面被覆で薄く覆われている。本発明の一実施例では、外面薄層は、Polyguide^TM（登録商標）のようなポリマーである。このポリマー層は、銅層の上に積層される。銅層は、接着性を高めるために、化学的方法であるとか、機械的方法であるとか、またはこれらを組み合わせた方法によって、積層前に粗面加工される。このようにしてから、ＰＣＢ表面全体がポリマーで覆われる。

次に、第１ポリマー層の上面に第２ポリマー層が積層される。この層は、異なった屈折率（ｎ１）を有する。光信号は、第２ポリマー層内を伝送される。

次いで、たとえばレーザー焼灼法などの自動方法によって、層に溝を切る。この溝切り工程により、ポリマー層に空隙ができる。二重ポリマー層に溝切りがされた所では、銅層が露出されるようになる。レーザー焼灼の照準は、表面銅層上にあるマークとしての認識パターンへ一致させる。銅にエッチング加工したマークは、自動レーザー・ツールによって容易に識別できるように設計された形状である。

次いで、これらの溝または空隙に、屈折率ｎ２を有するポリマーを充填する。もっと高い屈折率（ｎ１）を有する第２ポリマーを第１ポリマーではさむ。このはさまれたポリマー層は、光導波路として機能する。導波路は、光学信号伝達を達成するために、マルチプレクサー、デマルチプレクサー、トランスデューサー、干渉計などのような受動的な構成要素をも含む。

スルーホール穿孔前に、スルーホールを穿孔することになっている位置をレーザー焼灼法で溝切りする。上面と底面の両面に、「プリプレグ（prepreg）」の最終薄層および銅箔を付着させることによって、マルチレイヤーＰＣＢ（多層ＰＣＢ）が完成する。そして、スルーホールを穿孔し、光信号伝送を終了する。

図１を参照すると、ここには、光学的一体化の初期段階での、銅の最外方層を備えるマルチレイヤーＰＣＢ（多層ＰＣＢ）の断面図が示してある。マルチレイヤーＰＣＢ１４は、上面と底面が、銅層１０，１１で覆われている。このようにして、ＰＣＢは、まず、電気的な回路および機能を維持するように構築されてから、次いで、その構造内に光伝送層を組み込む。マルチレイヤーＰＣＢのコア部分は、第１光伝送層１２を積層する前に処理される。本発明の一実施例では、光伝送層１２は、商品名Polyguide^TM（登録商標）の下に販売されているポリマー材料である。この第１ポリマー層１２は、或る特定の屈折率ｎ２を有する。この層は、上面銅層１０を覆うように、ＰＣＢの上面表面積全体を覆う。

本発明の一実施例では、上面銅層１０は、接着性を向上させるために、ポリマー被覆層１２で表面を積層する前に、粗面化される。たとえば、化学的方法や、機械的方法、或いはこれら両方を組み合わせた研磨方法も使用できる。公知の他の研磨方法も使用できる。

以下の特性を有するのであれば、本発明を実施するためには、光学ポリマー材料が最適である。つまり、良好な光学特性（すなわち低分散性）；組立て製作中に材料に損傷を与えないような高耐熱耐摩耗性；ＰＣＢにおいて使用されるガラス繊維強化材料に匹敵するＺ軸膨張係数；という特性である。典型的なエポキシ樹脂ベースのシステムは、Ｚ軸において１００〜１５０ｐｐｍの範囲の熱膨張率（ＣＴＥ）を有する。Ｘ軸およびＹ軸におけるＣＴＥは、１６〜１８ｐｐｍの範囲である。

図２には、部分的に完成しているマルチレイヤーＰＣＢの断面図が、第１ポリマー層の上面に第２ポリマー層を伴った、次に続く処理段階で示してある。第２ポリマー層１６は、第１ポリマー層１２の上面に積層してある。第２ポリマー層１６は、上面表面積全体を覆っている。第２ポリマー層１６は、第１ポリマー層１２と同じ特性が必要である。
第２ポリマー薄層は、或る特定の屈折率ｎ１を有する。屈折率ｎ１は、屈折率ｎ２より大きい。光信号は、ｎ１屈折率層内を伝送される。

図３には、レーザー焼灼で溝切りされた第１，第２ポリマー層の断面図が示してある。２層の光伝送ポリマー層１２，１６は溝切りされて、第１，第２ポリマー層に空隙１８が出来ている。本発明の一実施例では、レーザー焼灼を使用する。レーザーは、自動深さ制御機能を有する。レーザーでは、銅層１０を切断するにはエネルギーが不十分である。従って、銅の保全性が保持されて、銅層１０のすぐ下の絶縁層２０が貫通されないようになっている。他の、銅層１０にまで達しないように２つのポリマー層に空所や空隙を作るという方法を用いても、本発明の実施に影響を及ぼすものではない。

図３Ａを参照すると、独特の、容易認識可能パターンで模様付けされた表面銅層の断面図が示してある。銅層には、ポリマー層が空隙１８を形成されている位置の内のいくつかにはマーク付けがされている。本発明の一実施例では、レーザー焼灼工程の整合用の標的２２を作り出すために、銅層をエッチングまたはマーク付けしている。標的２２は、回路およびＰＣＢ設計ロジックに支障がないように位置付けられている。本発明の一実施例では、これらの「整合用」標的または特徴付けをＰＣＢの縁に置いている。マークは複数個使用されるが、マークの数が多ければ多いほど、精度は上がる。自動認識を容易にするために、標的２２は独特の形状を有する。本発明の一実施態様によれば、銅層は化学物質によってエッチングされる。本発明では、別の方法として、銅層における整合用標的をマーク付けするのに、レーザーを使用する。更に他の選択肢として、銅目標をマーク付けするのに、本発明では機械的工程も使用する。

図４では、第１ポリマー材料からなる被膜が上面ポリマー層上に追加して積層されて、レーザーで作った溝を充填した後の、マルチレイヤーＰＣＢの断面図が示してある。ＰＣＢの上面には、この第３ポリマー層２４が積層されて、ＰＣＢを均一な厚さにする。レーザー焼灼で作った空隙が充填される。第３ポリマー層は、第１ポリマー層１２と同じ屈折率（ｎ２）を有する。ポリマー層空隙が埋められると、屈折率ｎ１を有する第２ポリマー層１６の島（islands）が生じる。これらの島は「光導波路」と呼ばれる。これら光導波路は、その屈折率よりも小さい屈折率ｎ２を有するポリマー材料で取り囲まれている。

これらの光導波路島１６は、電気配線の必要なく光バックプレーンを介して、光信号を送信して、回路基板間相互接続を可能にする。レーザー焼灼工程が光導波路を限定して、ＰＣＢおよびバックプレーンに対する接続構成を書き記してゆく。マルチプレクサー、デマルチプレクサー、トランスデューサー、干渉計といった他の受動的な構成要素も、光信号伝達を達成するために、回路内に一体化される。光導波路は、光信号を伝送してインターボード通信を可能にする。

図５を参照すると、ここには、スルーホールを穿設することになる場所にさらに溝切りがされたマルチレイヤーＰＣＢの断面図が示してある。スルーホールが位置付けられる予定の場合には、空隙２５が、上面銅層１０の上の多層ポリマー層に作られる。先に説明したように、レーザー焼灼処理工程が、銅層１０のところまでポリマー材料１２，１６，２４を除去するのに使用される。ここには記載しないが、他の、マルチレイヤーＰＣＢのポリマー層を除去する（すなわち、溝切りする）方法でも、本発明を実行できることは了解されたい。

図６を参照すると、ここには、スルーホールの組み入れ以前に、「プリプレグ（prepreg）」と銅箔が適所に圧着された後のマルチレイヤーＰＣＢの断面図が示してある。本発明の一実施例では、プリプレグ２６（非導電性材料）は、ＰＣＢの上面および底面にプレス加工（積層）される。その後に、銅箔２８の層が両面に圧着されて、スルーホール組み入れを予定した場合のマルチレイヤーＰＣＢの仕上げ完了となる。

図７を参照すると、ここには、スルーホール穿孔後のマルチレイヤーＰＣＢの断面図が示してあり、スルーホール３０が組み入れられている。本発明の一実施例では、マルチレイヤーＰＣＢを機械的に穿孔することによってスルーホールを組み入れるようにする。スルーホール３０は、構成要素を装着するために用いられたり、ＰＣＢの内部層にアクセスするためのバイア・ホールとして使用されたりする。ポリマー材料を除去することが、スルーホールの一体性を弱めたりすることはない。プリプレグ材料２６は、スルーホールの側壁を維持する。光導波路１６は領域を保存されている点に注意されたい。

本発明の「インターボード通信用のＰＣＢに光学層を一体化するためのシステムおよび方法」を好ましい実施例に関して記載してきたが、説明した実施例に対し、発明の範囲から逸脱することなく種々の修正や変更をなし得ることは当然のことである。

部分的に仕上げたマルチレイヤーＰＣＢの断面図であり、外側銅層がポリマー層で覆われている。 部分的に仕上げたマルチレイヤーＰＣＢの断面図であり、第２ポリマー層が第１ポリマー層の上面に設けられている。 レーザー焼灼によって溝切りされた第１および第２ポリマー層の断面図である。 特有な、容易認識可能なパターンでマーク付けした表面銅層の断面図である。 第１のポリマー材料から成る追加被覆を最上部ポリマー層上に層状に重ねて、レーザーで作成した溝を充填した後の、マルチレイヤーＰＣＢの断面図である。 スルーホールが穿設することになっている位置で更に溝切りされたマルチレイヤーＰＣＢの断面図を示している。 スルーホール組み入れ前に、「プリプレグ（prepreg）」および銅箔を適所に圧着した後のマルチレイヤーＰＣＢの断面図である。 スルーホール穿孔後のマルチレイヤーＰＣＢの断面図である。

Claims (10)

1. 第１銅箔層が接合された絶縁体を含むプリント回路基板において光学層を一体化する方法であって、前記方法が、
   プリント回路基板を用意する工程と、
   ｎ２の屈折率を有する第１ポリマー材料から成る層を銅層上へ積層する工程と、
   ｎ１の屈折率を有する第２ポリマー材料から成る層を前記第１ポリマー材料の層上へ積層し、ｎ１はｎ２より大きい、という工程と、
   第１および第２ポリマー材料から成る層を貫いて溝を作る工程と、
   前記溝を充填して第２ポリマー材料から成る残りの層を覆うように、第１ポリマー材料から成る上面層を積層する工程と、
   プリプレグ材料から成る層を前記上面層上へ積層する工程と、
   第２銅箔層を前記プリプレグ材料の上へ積層する工程と、
   から成る方法。
2. 第１および第２ポリマー材料の熱膨張係数が、プリント回路基板の熱膨張の係数と実質的に同じであることを特徴とする請求項１の方法。
3. 第１ポリマー層が、Polyguide^TM（登録商標）であることを特徴とする請求項１の方法。
4. 積層用にプリント回路基板を用意する工程が、第１の銅箔層を粗面加工する工程を含むことを特徴とする請求項１の方法。
5. 第１の銅箔層を粗面加工する工程が、機械的手段によって第１の銅箔層を粗面加工する工程を含むことを特徴とする請求項４の方法。
6. 第１の銅箔層を粗面加工する工程が、化学手段によって第１の銅箔層を粗面加工する工程を含むことを特徴とする請求項４の方法。
7. 積層用にプリント回路基板を用意する工程は、更に、第１の銅層上に複数個のマークを付ける工程を含み、これらのマークが溝の経路を限定することを特徴とする請求項４の方法。
8. 第１および第２ポリマー材料層に溝を作る工程が、レーザーで溝をレーザー焼灼法する工程を含むことを特徴とする請求項１の方法。
9. 第１および第２ポリマー材料から成る層に溝を作る工程は、更に、
   複数個のマークにレーザーの照準を合わせる工程と、
   複数個のマークによって定められた経路に沿って第１および第２ポリマー材料から成る層を焼灼する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項７の方法。
10. 第１銅箔層が接合された絶縁体を含むプリント回路基板において光学層を一体化する方法であって、前記方法が、
    プリント回路基板を用意する工程と、
    ｎ２の屈折率を有する第１ポリマー材料から成る層を前記銅層上へ積層する工程と、
    ｎ１の屈折率を有する第２ポリマー材料から成る層を前記第１ポリマー材料の層上へ積層し、ｎ１はｎ２より大きい、という工程と、
    第１および第２ポリマー材料から成る層を貫いて溝を作る工程と、
    開口の位置を確認する工程と、
    開口の位置のところに第１および第２ポリマー材料から成る層に空隙を作る工程と、
    前記溝および空隙を充填して第２ポリマー材料から成る残りの層を覆うように、第１ポリマー材料から成る上面層を積層する工程と、
    プリプレグ材料から成る層を前記上面層上へ積層する工程と、
    第２銅箔層を前記プリプレグ材料の上へ積層する工程と、
    開口の位置に開口を作る工程と、
    とから成る方法。

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