RU2778285C1 - Method for manufacturing the structure of an optoelectronic bus of a printed circuit board and apparatus for implementation thereof - Google Patents

Method for manufacturing the structure of an optoelectronic bus of a printed circuit board and apparatus for implementation thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2778285C1
RU2778285C1 RU2021114123A RU2021114123A RU2778285C1 RU 2778285 C1 RU2778285 C1 RU 2778285C1 RU 2021114123 A RU2021114123 A RU 2021114123A RU 2021114123 A RU2021114123 A RU 2021114123A RU 2778285 C1 RU2778285 C1 RU 2778285C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical waveguides
circuit board
printed circuit
optical
polymer
Prior art date
Application number
RU2021114123A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Тамара Александровна Радзиевская
Николай Николаевич Иванов
Сергей Анатольевич Тарасов
Валерий Антонович Шубарев
Наталья Евгеньевна Манвелова
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-Исследовательский Технологический Институт "Авангард"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-Исследовательский Технологический Институт "Авангард" filed Critical Акционерное общество "Научно-Исследовательский Технологический Институт "Авангард"
Application granted granted Critical
Publication of RU2778285C1 publication Critical patent/RU2778285C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electronics.
SUBSTANCE: invention relates to the technology for manufacturing a printed circuit board and/or a substrate of the body of a semiconductor integrated circuit, in particular, to a method for manufacturing the structure of a high-density optical waveguide and to the printed circuit board itself. Claimed method for manufacturing the structure of an optoelectronic bus on the surface of a printed circuit board consists in manufacturing a master die of the structure of optical waveguides of an optoelectronic bus, applying a polymer material of the of optical waveguides, applying a polymer material of the lower shell of optical waveguides, and applying a polymer material of the upper shell of optical waveguides. The method of photolithography is therein used in order to produce the master die, consecutively applying the two layers thereof and forming a two-layer structure of the master die from a single material, then applying a layer of an adhesion modifier to the formed master die structure. The polymer material of the core of optical waveguides is then applied to the master die by pouring, followed by broaching with a scraper over the master die, the polymer material of the lower shell is applied, followed by broaching with a scraper over a frame of a set thickness, and the polymer material of the lower shell is covered with the base of the printed circuit board with a preactivated contact surface and held until the polymer materials are fully cured. The base, being a printed circuit board with the formed layers of the lower shell and the core of optical waveguides, is then removed from the master die, followed by applying the polymer material of the upper shell and subsequently broaching over a frame of a set thickness. The apparatus of an optoelectronic bus of a printed circuit board comprises a base of a printed circuit board with the above structures of polymer planar optical waveguides of the optoelectronic bus applied thereon. The cross section of cores of the polymer planar optical waveguides is therein rectangular with the dimensions of the rectangle within 10…100 mcm×10…100 mcm. The core, the lower and upper shells of the polymer planar optical waveguides are made of the same polymer material, but with different refractive indices, and the lower and upper shells of the polymer planar optical waveguides are made with a thickness in the range of 10…60 mcm.
EFFECT: increase in the quality of polymer planar optical waveguides of the optoelectronic bus of a printed circuit board and reduction in losses occurring during optical signal transmission.
2 cl, 6 dwg

Description

Заявленные технические решения относятся к технологии изготовления печатной платы, в частности к способу изготовления структуры оптического волновода высокой плотности и к самой печатной плате.The claimed technical solutions relate to the technology of manufacturing a printed circuit board, in particular to a method for manufacturing a high-density optical waveguide structure and to the printed circuit board itself.

В последнее время потребность людей в информации резко возросла, и количество информации увеличилось в геометрической прогрессии. При этом скорость передачи информации (например, которую необходимо передавать только пользователям Интернета) ежегодно увеличивается в несколько (в восемь) раз.Recently, people's need for information has increased dramatically, and the amount of information has increased exponentially. At the same time, the speed of information transfer (for example, which needs to be transmitted only to Internet users) annually increases several (eight) times.

В области проводной связи на большие расстояния технология волоконно-оптической связи может удовлетворить эти требования к высокой производительности. Однако в области передачи информации на короткие расстояния из-за стоимости и технических проблем все еще преобладают электрические соединения. При этом электрические соединения (например, на печатной плате) имеют такие недостатки, как электромагнитные помехи, высокие потери и малая полоса пропускания, что ограничивает дальнейшее улучшение характеристик передачи данных. Каналы же передачи оптического сигнала - оптические волноводы имеют преимущества высокой полосы пропускания, защиты от электромагнитных помех, низких потерь, низкого энергопотребления, малых перекрестных помех, малых физических размеров и т.д. Это делает оптическое соединение эффективным решением для высокоскоростных электрических цепей.In the field of long distance wired communication, fiber optic communication technology can meet these high performance requirements. However, in the field of information transmission over short distances, due to cost and technical problems, electrical connections still predominate. At the same time, electrical connections (for example, on a printed circuit board) have disadvantages such as electromagnetic interference, high losses and low bandwidth, which limit further improvement in data transmission characteristics. On the other hand, optical signal transmission channels - optical waveguides have the advantages of high bandwidth, anti-electromagnetic interference, low loss, low power consumption, small crosstalk, small physical size, etc. This makes the optical connection an effective solution for high-speed electrical circuits.

В то же время технология оптических печатных объединительных плат, основанная на теории оптических волноводов, находится в стадии разработки, а именно: особенности передачи информации по оптическим волноводам, технологии (способы) их изготовления, а также соединение оптических волноводов и оптических волокон.At the same time, the technology of optical printed circuit boards, based on the theory of optical waveguides, is under development, namely: features of information transmission through optical waveguides, technologies (methods) for their manufacture, as well as the connection of optical waveguides and optical fibers.

Прототипом заявленного способа является способ изготовления устройства по патенту Канады: СА 3098887 (А1) от 21.11.2019, МПК G02B 6/10. G02B 6/122, G02B 6/13, «High-density optical waveguide structure and printed circuit board and preparation method thereof» - [1], заключающийся в применении мастер-штампа структуры оптических волноводов, нанесении полимерного материала сердцевины оптических волноводов, нанесении полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов, нанесении полимерного материала верхней оболочки оптических волноводов.The prototype of the claimed method is a method for manufacturing a device according to the Canadian patent: CA 3098887 (A1) dated 11/21/2019, IPC G02B 6/10. G02B 6/122, G02B 6/13, "High-density optical waveguide structure and printed circuit board and preparation method thereof" - [1], which consists in applying a master stamp of the structure of optical waveguides, applying a polymer material to the core of optical waveguides, applying a polymer the material of the lower shell of optical waveguides, the application of the polymeric material of the upper shell of optical waveguides.

Прототипом заявленного «устройства оптико-электронной шины печатной платы» также является патент Канады [1], структура которого состоит из основания из печатной платы (1), на котором нанесены структуры полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины. Структура оптического волновода высокой плотности [1] содержит нижний слой оболочки, слой сердцевины и верхний слой оболочки, при этом множество канавок расположено в нижнем слое оболочки, и материал оптического волновода заполняется канавку с образованием слоя сердцевины.The prototype of the declared “PCB optical-electronic bus device” is also a Canadian patent [1], the structure of which consists of a printed circuit board base (1), on which the structures of polymer planar optical waveguides of the optoelectronic bus are applied. The high-density optical waveguide structure [1] contains a lower cladding layer, a core layer, and an upper cladding layer, while a plurality of grooves are located in the lower cladding layer, and the material of the optical waveguide fills the groove to form a core layer.

Недостатком прототипа способа [1] является нераскрытие в патенте структуры мастер-штампа и конкретных параметров и режимов его изготовления, что не исключает возможного контакта слоев оптической структуры с кремниевой подложкой мастер-штампа, и как следствие к явлению неравномерной адгезии и низкому качеству изделия из-за возможных множественных поверхностных дефектов, приводящих к увеличению потерь при передаче оптического сигнала. Также применение центрифугирования приводит к возможному неравномерному распределению слоя сердцевины оптической структуры по ранее сформированным канавкам и по всей площади изготавливаемой структуры. Что в совокупности также приводит к снижению качества получаемой структуры и увеличению потерь при передаче оптического сигнала.The disadvantage of the prototype method [1] is the non-disclosure in the patent of the structure of the master stamp and the specific parameters and modes of its manufacture, which does not exclude the possible contact of the layers of the optical structure with the silicon substrate of the master stamp, and as a result, to the phenomenon of uneven adhesion and poor product quality due to for possible multiple surface defects, leading to an increase in losses in the transmission of an optical signal. Also, the use of centrifugation leads to a possible non-uniform distribution of the core layer of the optical structure along the previously formed grooves and over the entire area of the fabricated structure. Which in aggregate also leads to a decrease in the quality of the resulting structure and an increase in losses in the transmission of an optical signal.

Также известны аналоги заявленного способа и устройства для его реализации по нижеприведенным патентам:Also known analogues of the claimed method and device for its implementation according to the following patents:

- Патент Китая: CN 108415124 (А) от 17.08.2018, МПК G02B 6/122, H05K 1/02, H05K 3/00, «High-density optical waveguide structure, printing circuit board and preparation method thereof» - [2]. Патент [2] имеет те же недостатки, что и прототип [1] и почти полностью с ним совпадает.- Chinese patent: CN 108415124 (A) dated 08/17/2018, IPC G02B 6/122, H05K 1/02, H05K 3/00, "High-density optical waveguide structure, printing circuit board and preparation method thereof" - [2] . The patent [2] has the same disadvantages as the prototype [1] and almost completely coincides with it.

- Патент США: US2006198569 (А1) от 07.09.2006 и US 7343060 В2 от 11.03.2008, МПК G02B 6/12, «Light transmission and reception module, sub-mount, and method of manufacturing the sub-mount» - [3]. Модуль передачи и приема света [3] включает в себя: макромолекулярную оптическую волноводную пленку в форме гибкой ленты, включающую в себя оптический волновод, оптический источник излучения, содержащий светоизлучающий элемент и первую вспомогательную опору для размещения светоизлучающего элемента и для фиксации одного конца макромолекулярой оптической волноводной пленки на первом вспомогательном креплении, так что свет, излучаемый светоизлучающим элементом, может быть передан на входную торцевую поверхность оптического волновода, и оптический приемник, содержащий светочувствительный элемент, и вторую вспомогательную опору для размещения светочувствительного элемента и для фиксации другого конца макромолекулярной оптической волноводной пленки на втором вспомогательном креплении так, чтобы свет, излучаемый с выходной торцевой поверхности оптического волновода, мог приниматься в светочувствительном элементе. Недостатком патента [3] по сравнению с заявленными техническими решениями является то, что использование макромолекулярной оптической волноводной пленки в виде гибкой ленты для оптической передачи данных исключает возможность размещения оптической волноводной пленки на основании печатной платы, и как следствие потребует предусмотреть дополнительное размещение специальных разъемов для фиксации и соединения гибкой макромолекулярной оптической волноводной пленки к печатной плате.- US patent: US2006198569 (A1) dated 09/07/2006 and US 7343060 B2 dated 03/11/2008, IPC G02B 6/12, "Light transmission and reception module, sub-mount, and method of manufacturing the sub-mount" - [3 ]. The module for transmitting and receiving light [3] includes: a macromolecular optical waveguide film in the form of a flexible tape, including an optical waveguide, an optical radiation source containing a light emitting element and the first auxiliary support for accommodating the light emitting element and for fixing one end of the macromolecular optical waveguide film on the first auxiliary fixture, so that the light emitted by the light emitting element can be transmitted to the input end surface of the optical waveguide, and the optical receiver containing the photosensitive element, and the second auxiliary support for accommodating the photosensitive element and for fixing the other end of the macromolecular optical waveguide film on the second auxiliary fixture so that the light emitted from the output end surface of the optical waveguide can be received in the photosensitive element. The disadvantage of the patent [3] in comparison with the claimed technical solutions is that the use of a macromolecular optical waveguide film in the form of a flexible tape for optical data transmission excludes the possibility of placing an optical waveguide film on the basis of a printed circuit board, and as a result, it will require additional placement of special connectors for fixing and connecting the flexible macromolecular optical waveguide film to the printed circuit board.

- Патент на изобретение России: RU 2561202 С2 от 27.08.2015, МПК Н04В 10/00, «Способ формирования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля» - [4], который заключается в том, что из оптически прозрачного материала изготавливают призму, имеющую в основании трапецию, углы которой равны 45, 135, 135, 45°, и нижняя сторона должна иметь длину не более 200 мм. Призму изготавливают с требуемыми допусками на линейные и угловые размеры, а также допустимой шероховатостью, все грани призмы, кроме нижней, покрывают алюминием при помощи процесса напыления; берут кристалл, являющийся источником излучения VCSEL, и кристалл, являющийся приемником излучения PD, и приклеивают их на подложку, наносят изолирующий слой или изолирующие слои до верхней плоскости кристаллов, известным способом формируют токопроводящие межсоединения от контактных площадок кристаллов, вскрывают изолирующие слои над излучающей и принимающей площадками соответствующих кристаллов и устанавливают призму с рассчитанной точностью на соответствующее место, фиксируют ее полимерным слоем по периметру или тонким слоем фоторезиста, который наносят на контактируемые поверхности перед установкой призмы, и наносят изолирующие слои. В случае, когда требуется уменьшить расходимость светового пучка, в полости над излучающей и приемной площадками, образованными после вскрытия изолирующих слоев, могут устанавливать микролинзы. Недостатком патента [4] по сравнению с заявленными техническими решениями является нераскрытие в патенте материалов, параметров и режимов изготовления устройства - канала для передачи оптического сигнала в виде призмы, имеющей в своем основании трапецию, углы которой равны 45, 135, 135, 45°, и нижняя сторона должна иметь длину не более 200 мм.- Patent for the invention of Russia: RU 2561202 C2 dated 08.27.2015, IPC H04V 10/00, "Method of forming a channel for transmitting an optical signal between the components of an electronic module" - [4], which consists in the fact that a prism is made from an optically transparent material having a trapezoid at the base, the angles of which are 45, 135, 135, 45 °, and the lower side should have a length of not more than 200 mm. The prism is made with the required tolerances for linear and angular dimensions, as well as the permissible roughness, all faces of the prism, except for the bottom, are coated with aluminum using a spraying process; take a crystal that is a source of VCSEL radiation and a crystal that is a receiver of PD radiation, and glue them to the substrate, apply an insulating layer or layers to the upper plane of the crystals, form conductive interconnections from the contact pads of the crystals in a known way, open the insulating layers above the emitting and receiving areas of the corresponding crystals and set the prism with the calculated accuracy to the appropriate place, fix it with a polymer layer around the perimeter or a thin layer of photoresist, which is applied to the contact surfaces before installing the prism, and apply insulating layers. In the case when it is required to reduce the divergence of the light beam, microlenses can be installed in the cavity above the emitting and receiving areas formed after the opening of the insulating layers. The disadvantage of the patent [4] in comparison with the claimed technical solutions is the non-disclosure in the patent of materials, parameters and modes of manufacturing a device - a channel for transmitting an optical signal in the form of a prism, which has a trapezoid at its base, the angles of which are 45, 135, 135, 45 °, and the underside must have a length of no more than 200 mm.

- Патент на изобретение России: RU 2568341 О от 20.11.2015, МПК G02B 6/00, «Способ образования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля» - [5], состоящий в том, что из материала, который выбирают исходя из длины волны используемого оптического излучения, изготавливают оптическую деталь, которая представляет собой волновод оптического излучения, выполненный в виде двух зеркально-симметричных дифракционных решеток и прямолинейного участка между ними. Берут кристалл, являющийся источником излучения VCSEL, и кристалл, являющийся приемником излучения PD, и приклеивают их на подложку. Наносят изолирующий слой или изолирующие слои до верхней плоскости кристаллов, известным способом формируют токопроводящие межсоединения от контактных площадок кристаллов, вскрывают изолирующие слои над излучающей и принимающей площадками соответствующих кристаллов и устанавливают оптическую деталь с рассчитанной точностью на соответствующее место. Деталь фиксируют полимерным слоем по периметру или тонким слоем фоторезиста, который наносят на контактируемые поверхности перед установкой оптической детали, и наносят изолирующие слои. Недостатком патента [5] по сравнению с заявленными техническими решениями также является нераскрытие в патенте параметров и режимов изготовления устройства - оптической детали, которая представляет собой волновод оптического излучения, выполненный в виде двух зеркально-симметричных дифракционных решеток и прямолинейного участка между ними.- Patent for the invention of Russia: RU 2568341 O dated 11/20/2015, IPC G02B 6/00, "Method of forming a channel for transmitting an optical signal between the components of an electronic module" - [5], consisting in the fact that from a material that is selected based on wavelength of the used optical radiation, an optical part is made, which is an optical radiation waveguide made in the form of two mirror-symmetric diffraction gratings and a straight section between them. A VCSEL radiation source chip and a PD radiation receiver chip are taken and glued to a substrate. An insulating layer or insulating layers is applied to the upper plane of the crystals, conductive interconnections are formed from the contact pads of the crystals in a known manner, the insulating layers are opened above the emitting and receiving pads of the corresponding crystals, and the optical part is installed with the calculated accuracy at the appropriate place. The part is fixed with a polymer layer around the perimeter or a thin layer of photoresist, which is applied to the contact surfaces before installing the optical part, and insulating layers are applied. The disadvantage of the patent [5] in comparison with the claimed technical solutions is also the non-disclosure in the patent of the parameters and modes of manufacturing the device - an optical part, which is an optical radiation waveguide made in the form of two mirror-symmetric diffraction gratings and a straight section between them.

- Патент на полезную модель России: RU 83626 U1 от 10.06.2009, МПК G02B 6/34, «Оптический планарный волновод» - [6], состоящий из центрального оптически прозрачного волноводного слоя, граничные слои, устройство ввода излучения и устройство вывода излучения в виде дифракционной решетки. При этом дифракционная решетка устройства вывода излучения выполнена с переменной глубиной модуляции, возрастающей по длине решетки в направлении от начала вывода излучения по экспоненциальной зависимости. Недостатком патента [6] по сравнению с заявленными техническими решениями является то, что в описании патента не приведены материалы, параметры и режимы изготовления устройства - оптического планарного волновода, состоящего из центрального оптически прозрачного волноводного слоя, граничных слоев, устройства ввода излучения и устройства вывода излучения в виде дифракционной решетки. Это не позволяет воспроизвести устройство [6] без дополнительных разработок.- Russian utility model patent: RU 83626 U1 dated 06/10/2009, IPC G02B 6/34, "Optical planar waveguide" - [6], consisting of a central optically transparent waveguide layer, boundary layers, a radiation input device and a radiation output device in the form of a diffraction grating. At the same time, the diffraction grating of the radiation output device is made with a variable depth of modulation, increasing along the length of the grating in the direction from the beginning of the radiation output according to an exponential dependence. The disadvantage of the patent [6] in comparison with the claimed technical solutions is that the description of the patent does not provide materials, parameters and modes of manufacturing a device - an optical planar waveguide, consisting of a central optically transparent waveguide layer, boundary layers, a radiation input device and a radiation output device in the form of a diffraction grating. This does not allow to reproduce the device [6] without additional development.

- Патент США US2003179978 (А1) от 25.09.2003 и US6970610 (В2) от 29.11.2005, МПК F21V 8/00, G02B 6/122, G02B 6/43, «Optical transmission sheet, optoelectric apparatus, and optical transmission method» - [7]. Данное устройство оптической передачи включает в себя планарный волновод для передачи оптического сигнала, светоизлучающий блок для ввода светового луча в планарный волновод и установочный блок для установки угла распространения светового луча, передаваемого в планарном волноводе. В планарном волноводе передается множество световых лучей с разными углами распространения. Недостатком использования в устройстве по патенту [7] является применение плоского оптического слоя для передачи оптического излучения вместо планарных оптических волноводов прямоугольного сечения, как в заявленном техническом решении.- US patent US2003179978 (A1) dated 09/25/2003 and US6970610 (B2) dated 11/29/2005, IPC F21V 8/00, G02B 6/122, G02B 6/43, "Optical transmission sheet, optoelectric apparatus, and optical transmission method" - [7]. This optical transmission device includes a planar waveguide for transmitting an optical signal, a light emitting unit for inputting a light beam into the planar waveguide, and a setting block for setting the propagation angle of the light beam transmitted in the planar waveguide. In a planar waveguide, a plurality of light rays with different propagation angles are transmitted. The disadvantage of using the device according to the patent [7] is the use of a flat optical layer for transmitting optical radiation instead of planar optical waveguides of rectangular cross section, as in the claimed technical solution.

Вышеприведенные недостатки прототипа и аналогов ставят задачу повышения качества полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины печатной платы. Улучшение их качества в конечном итоге приведет к снижению потерь при передаче оптического сигнала. А качество полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины печатной платы может быть повышено только усовершенствованием способа их изготовления.The above shortcomings of the prototype and analogs pose the problem of improving the quality of polymer planar optical waveguides optoelectronic bus printed circuit board. Improving their quality will ultimately lead to a reduction in optical signal transmission losses. And the quality of polymer planar optical waveguides of the optical-electronic bus of a printed circuit board can only be improved by improving the method of their manufacture.

Сущность заявленного способа изготовления структуры оптико-электронной шины на поверхности печатной платы заключается в изготовлении мастер-штампа структуры оптических волноводов оптико-электронной шины, нанесении полимерного материала сердцевины оптических волноводов, нанесении полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов, нанесении полимерного материала верхней оболочки оптических волноводов. При этом для изготовления мастер-штампа используют метод фотолитографии с последовательным нанесением двух его слоев и формированием двухслойной структуры мастер-штампа из одного материала, после чего на сформированную структуру мастер-штампа наносят слой модификатора адгезии (например, гексаметилдисилазан - (ГМДС)), затем наносят полимерный материал сердцевины оптических волноводов в мастер-штамп путем наливки с последующей протяжкой ракелем по мастер-штампу, наносят полимерный материал нижней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины, полимерный материал нижней оболочки накрывают основанием (печатной платой) с предварительно активированной контактной поверхностью и выдерживают (например, при повышенной температуре) до полного отверждения полимерных материалов, далее извлекают основание -печатную плату с сформированными слоями нижней оболочки и сердцевины оптических волноводов из мастер-штампа, после чего наносят полимерный материал верхней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной (увеличенной) толщины.The essence of the claimed method of manufacturing the structure of an optical-electronic bus on the surface of a printed circuit board consists in manufacturing a master stamp of the structure of optical waveguides of an optoelectronic bus, applying a polymeric material to the core of optical waveguides, applying a polymeric material to the lower shell of optical waveguides, and applying a polymeric material to the upper shell of optical waveguides. At the same time, for the manufacture of a master stamp, the photolithography method is used with sequential application of two of its layers and the formation of a two-layer structure of the master stamp from one material, after which a layer of an adhesion modifier (for example, hexamethyldisilazane - (HMDS)) is applied to the formed structure of the master stamp, then the polymeric material of the core of the optical waveguides is applied to the master stamp by pouring, followed by drawing with a squeegee along the master stamp, the polymeric material of the lower shell is applied, followed by the squeegee drawing along a frame of a given thickness, the polymeric material of the lower shell is covered with a base (printed circuit board) with a pre-activated contact surface and kept (for example, at an elevated temperature) until the polymer materials are completely cured, then the base is removed - the printed circuit board with the formed layers of the lower shell and the core of the optical waveguides from the master stamp, after which the polymer material of the upper shell is applied, followed by broaching with a squeegee along a frame of a given (increased) thickness.

Сущность устройства оптико-электронной шины печатной платы состоит в том, что оно содержит основание из печатной платы, на котором нанесены структуры полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины. При этом сечение сердцевин полимерных планарных оптических волноводов имеет прямоугольную форму с размерами прямоугольника в диапазонах 10…100 мкм × 10…100 мкм (например, 88 мкм × 63 мкм), сердцевина, нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены из одного и того же полимерного материала (например, каучук СКТН по ГОСТ 13835 - 73), но имеющего различные показатели преломления (за счет изменения соотношения исходных компонентов полимерного материала для обеспечения полного внутреннего отражения на границе сердцевина - оболочка (нижняя или верхняя)), а нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены толщиной в диапазоне 10…60 мкм (например, 30 мкм).The essence of the PCB optical-electronic bus device is that it contains a printed circuit board base, on which the structures of polymer planar optical waveguides of the optoelectronic bus are deposited. At the same time, the cross section of the cores of polymer planar optical waveguides has a rectangular shape with the dimensions of a rectangle in the ranges of 10…100 µm × 10…100 µm (for example, 88 µm × 63 µm), the core, lower and upper shells of polymer planar optical waveguides are made of the same the same polymeric material (for example, SKTN rubber according to GOST 13835 - 73), but having different refractive indices (by changing the ratio of the initial components of the polymeric material to ensure total internal reflection at the core-shell boundary (lower or upper)), and the lower and upper shells of polymeric planar optical waveguides are made with a thickness in the range of 10…60 µm (for example, 30 µm).

Техническим результатом заявленных изобретений является повышение качества полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины печатной платы и снижение потерь при передаче оптического сигнала.The technical result of the claimed inventions is to improve the quality of polymer planar optical waveguides of the optical-electronic bus of the printed circuit board and to reduce losses in the transmission of an optical signal.

Введение отличительного признака способа «для изготовления мастер-штампа используют метод фотолитографии с последовательным нанесением двух его слоев и формированием двухслойной структуры мастер-штампа из одного материала» позволяет снизить неоднородность адгезии полимерных материалов сердцевин и нижней оболочки к мастер-штампу за счет исключения контакта полимерных материалов с основанием, на котором с помощью фотолитографии изготовлена топология мастер-штампа. Однородность адгезии позволяет сформировать более качественные изделия в сравнении с однослойными мастер-штампами, изготовленным известными способами.The introduction of a distinctive feature of the method "for the manufacture of a master stamp, the method of photolithography is used with the successive application of two of its layers and the formation of a two-layer structure of the master stamp from one material" makes it possible to reduce the heterogeneity of the adhesion of the polymeric materials of the cores and the lower shell to the master stamp by eliminating the contact of polymeric materials with a base on which the topology of the master stamp is made using photolithography. The homogeneity of adhesion allows the formation of better products in comparison with single-layer master stamps made by known methods.

Введение отличительного признака способа «после чего на сформированную структуру мастер-штампа наносят слой модификатора адгезии (например, гексаметилдисилазан - (ГМДС))» позволяет предельно снизить адгезию полимерных материалов сердцевин и нижней оболочки оптических волноводов, что способствует исключению факторов роста числа поверхностных дефектов, которые возникают при извлечении отвержденной структуры оптических волноводов из мастер-штампа и проводят к увеличению в них потерь сигнала. Следовательно, применение модификатора адгезии повышает качество изготавливаемых структур оптических волноводов и снижает в них потери сигнала.The introduction of a distinctive feature of the method “after which a layer of an adhesion modifier (for example, hexamethyldisilazane - (HMDS)) is applied to the formed structure of the master stamp” makes it possible to reduce the adhesion of polymeric materials of the cores and the lower cladding of optical waveguides to the maximum, which helps to eliminate growth factors in the number of surface defects, which occur when the cured structure of optical waveguides is removed from the master stamp and lead to an increase in signal losses in them. Therefore, the use of an adhesion modifier improves the quality of fabricated structures of optical waveguides and reduces signal losses in them.

Введение отличительного признака способа «затем наносят полимерный материал сердцевины оптических волноводов в мастер-штамп путем наливки с последующей протяжкой ракелем по мастер-штампу» позволяет равномерно (в отличие от центрифугирования) заполнить объемную (3-х мерную) топологию мастер-штампа полимерным материалом сердцевин оптических волноводов во избежание возникновения воздушных пустот в отвержденной сердцевине оптического волновода. Исключение причин возникновения воздушных пустот способствует снижению потерь сигнала в структуре оптических волноводов и улучшению качества их изготовления.The introduction of a distinctive feature of the method “then, the polymeric material of the core of optical waveguides is applied to the master stamp by pouring, followed by drawing with a squeegee over the master stamp” makes it possible to uniformly (unlike centrifugation) fill the volumetric (3-dimensional) topology of the master stamp with the polymeric material of the cores optical waveguides to avoid air voids in the cured core of the optical waveguide. Elimination of the reasons for the occurrence of air voids helps to reduce signal losses in the structure of optical waveguides and improve the quality of their manufacture.

Введение отличительного признака способа «наносят полимерный материал нижней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины» позволяет изготовить равномерную по толщине нижнюю оболочку оптических волноводов для облегчения последующей юстировки с устройствами ввода/вывода излучения и улучшения качества сформированной оптико-электронной шины печатной платы.The introduction of a distinctive feature of the method “the polymeric material of the lower shell is applied followed by drawing with a squeegee along a frame of a given thickness” makes it possible to produce a lower shell of optical waveguides uniform in thickness to facilitate subsequent alignment with radiation input / output devices and improve the quality of the formed optical-electronic bus of the printed circuit board.

Введение отличительного признака способа «полимерный материал нижней оболочки накрывают основанием (печатной платой) с предварительно активированной контактной поверхностью и выдерживают (например, при повышенной температуре) до полного отверждения полимерных материалов» позволяет обеспечить необходимую адгезию полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов к печатному основанию, что создает условия для формирования качественных оптико-электронных шин печатных плат, которым не свойственно отслаивание полимерных структур оптических волноводов.The introduction of a distinctive feature of the method "the polymer material of the lower shell is covered with a base (printed circuit board) with a pre-activated contact surface and kept (for example, at elevated temperature) until the polymer materials are completely cured" makes it possible to ensure the necessary adhesion of the polymer material of the lower shell of optical waveguides to the printed base, which creates conditions for the formation of high-quality optical-electronic tires of printed circuit boards, which are not characterized by peeling of the polymer structures of optical waveguides.

Введение отличительного признака способа «далее извлекают основание -печатную плату с сформированными слоями нижней оболочки и сердцевины оптических волноводов из мастер-штампа, после чего наносят полимерный материал верхней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной (увеличенной) толщины» позволяет изготовить качественную структуру оптических волноводов без использования дорогостоящего фотолитографического оборудования и полимерных материалов с относительно низким значением потерь при прохождении сигнала.The introduction of the distinguishing feature of the method “then, the base is removed - a printed circuit board with the formed layers of the lower shell and the core of the optical waveguides from the master stamp, after which the polymer material of the upper shell is applied, followed by drawing a squeegee along a frame of a given (increased) thickness” makes it possible to manufacture a high-quality structure of optical waveguides without the use of expensive photolithographic equipment and polymer materials with a relatively low signal transmission loss.

Введение отличительного признака устройства «сечение сердцевин полимерных планарных оптических волноводов имеет прямоугольную форму с размерами прямоугольника в диапазонах 10…100 мкм × 10…100 мкм (например, 88 мкм × 63 мкм)» позволяет изготовить как одномодовые, так и многомодовые полимерные планарные оптические волноводы прямоугольного сечения в структуре оптико-электронной шины печатной платы. Уменьшение размеров сердцевины меньше 10 мкм приводит к снижению эффективности ввода излучения из стандартного (стеклянного) оптоволокна, и, следовательно, увеличению потерь излучения. А увеличения размеров более 100 мкм приводит к увеличению дисперсии сигнала в сердцевине оптического волновода, что также приводит к снижению качества передаваемого сигнала.The introduction of the distinctive feature of the device “the cross section of the cores of polymer planar optical waveguides has a rectangular shape with the dimensions of a rectangle in the range of 10…100 µm × 10…100 µm (for example, 88 µm × 63 µm)” makes it possible to manufacture both single-mode and multimode polymer planar optical waveguides rectangular section in the structure of the optical-electronic bus of the printed circuit board. Reducing the core size to less than 10 μm leads to a decrease in the efficiency of radiation input from a standard (glass) optical fiber, and, consequently, to an increase in radiation losses. And increasing the size of more than 100 microns leads to an increase in the signal dispersion in the core of the optical waveguide, which also leads to a decrease in the quality of the transmitted signal.

Введение отличительного признака устройства «сердцевина, нижняя и верхние оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены из одного и того же полимерного материала (например, каучук СКТН по ГОСТ 13835 - 73), но имеющего различные показатели преломления (за счет изменения соотношения исходных компонентов полимерного материала для обеспечения полного внутреннего отражения на границе сердцевина - оболочка (нижняя или верхняя))» позволяет исключить предпосылки для возникновения внутренних напряжений в структуре оптических волноводов по причине рассогласованности температурных коэффициентов линейного расширения различных материалов. В предложенной структуре устройства использование одного и того же полимерного материала снижает вероятность увеличения потерь сигнала из-за внутренних напряжений в структуре оптико-электронной шины печатной платы и повышает ее качество.The introduction of a distinctive feature of the device "the core, lower and upper shells of polymer planar optical waveguides are made of the same polymer material (for example, SKTN rubber according to GOST 13835 - 73), but having different refractive indices (by changing the ratio of the initial components of the polymer material for ensuring total internal reflection at the core-cladding (lower or upper) interface” makes it possible to eliminate the prerequisites for the occurrence of internal stresses in the structure of optical waveguides due to the mismatch of the temperature coefficients of linear expansion of various materials. In the proposed structure of the device, the use of the same polymeric material reduces the likelihood of increasing signal losses due to internal stresses in the structure of the optical-electronic bus of the printed circuit board and improves its quality.

Введение отличительного признака устройства «нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены толщиной в диапазоне 10…60 мкм (например, 30 мкм)» позволяет эффективно совмещать торец полимерных планарных оптических волноводов со срезом стандартного оптического волокна, имеющего диаметр сечения 125…130 мкм, для снижения потерь сигнала при вводе/выводе оптического излучения из оптоволокна.The introduction of the distinctive feature of the device "the lower and upper shells of polymer planar optical waveguides are made with a thickness in the range of 10 ... to reduce signal loss during the input / output of optical radiation from the optical fiber.

Заявленные технические решения (способ и устройство) представлены в графических материалах, а именно:The claimed technical solutions (method and device) are presented in graphic materials, namely:

На фиг. 1 представлена последовательность операций технологии (способа) изготовления структуры оптико-электронной шины печатной платы по прототипу [1] в разрезах, где:In FIG. 1 shows the sequence of operations of the technology (method) for manufacturing the structure of the optical-electronic bus of a printed circuit board according to the prototype [1] in sections, where:

1а) - печатное основание с нанесенным слоем нижней оболочки оптического волновода;1a) - printed base with a layer of the lower shell of the optical waveguide;

1б) - топология мастер-штампа в процессе оттиска в нижней оболочке оптического волновода;1b) - the topology of the master stamp in the process of imprinting in the lower shell of the optical waveguide;

1в) - нижняя оболочка оптического волновода в момент оттиска мастер-штампа;1c) - the lower shell of the optical waveguide at the moment of imprinting the master stamp;

1г) - нижняя оболочка оптического волновода со сформированными канавками после оттиска мастер-штампа;1d) - the lower shell of the optical waveguide with the formed grooves after the imprint of the master stamp;

1д) - нижняя оболочка оптического волновода с нанесенным в канавки полимерным материалом сердцевин оптических волноводов;1e) - the lower shell of the optical waveguide with the polymeric material of the cores of the optical waveguides deposited into the grooves;

1е) - структура оптических волноводов с нанесенным слоем верхней оболочки.1e) - the structure of optical waveguides with a deposited layer of the upper cladding.

На фиг. 2 представлена последовательность операций заявленного способа (технологии) изготовления структуры оптико-электронной шины печатной платы в разрезах, где:In FIG. 2 shows the sequence of operations of the claimed method (technology) for manufacturing the structure of an optical-electronic bus of a printed circuit board in sections, where:

2а) - кремниевая подложка с нанесенным первым слоем мастер-штампа;2a) - silicon substrate with the first layer of the master stamp applied;

2б) - кремниевая подложка со вторым слоем мастер-штампа, нанесенным поверх первого слоя;2b) - silicon substrate with the second layer of the master stamp deposited on top of the first layer;

2 в) - сформированная путем фотолитографии топология двухслойного мастер-штампа;2 c) - the topology of a two-layer master stamp formed by photolithography;

2г) - двухслойный мастер-штамп с нанесенным слоем модификатора адгезии гексаметилдисилазаном;2d) - two-layer master stamp coated with a layer of adhesion modifier hexamethyldisilazane;

2д) - двухслойный мастер-штамп с нанесенным путем наливки с последующей протяжой ракелем слоем сердцевин оптических волноводов;2e) - a two-layer master stamp with a layer of optical waveguide cores applied by pouring followed by a squeegee drawing;

2е) - двухслойный мастер-штамп со слоем сердцевин и нанесенным путем наливки с последующей протяжой ракелем по рамке слоем нижней оболочки;2f) - a two-layer master stamp with a layer of cores and applied by pouring, followed by a squeegee drawing along the frame with a layer of the lower shell;

2ж) - присоединение печатного основания к нижнем слою оболочки оптического волновода и выдержка полимерной структуры для ее отверждения;2g) - attaching the printed base to the lower layer of the optical waveguide shell and holding the polymer structure for its curing;

2з) - отрыв печатного основания с отвержденной структурой полимерных планарных оптических волноводов;2h) - separation of the printed base with a cured structure of polymeric planar optical waveguides;

2и) - сформированная часть структуры оптических волноводов из нижней оболочки и сердцевины;2i) - formed part of the structure of optical waveguides from the lower shell and core;

2к) - структура оптических волноводов с нанесенным слоем верхней оболочки.2k) - the structure of optical waveguides with a deposited layer of the upper cladding.

На фиг. 3 - растровая электронная микроскопия (РЭМ-изображение) мастер-штампа.In FIG. 3 - scanning electron microscopy (SEM image) of the master stamp.

На фиг. 4 - фотография полученной структуры (ее части) оптико-электронной шины печатной платы по заявленному способу (технологии).In FIG. 4 - photograph of the obtained structure (its part) of the optical-electronic bus of the printed circuit board according to the claimed method (technology).

На фиг. 5 - схема проведения экспериментального исследования полученной структуры (ее части) оптико-электронной шины печатной платы по заявленному способу (технологии).In FIG. 5 is a diagram of an experimental study of the obtained structure (its part) of the optical-electronic bus of the printed circuit board according to the claimed method (technology).

На фиг. 6 - фотография проведения экспериментального исследования полученной структуры (ее части) оптико-электронной шины печатной платы по заявленному способу (технологии).In FIG. 6 - photograph of the experimental study of the obtained structure (its part) of the optical-electronic bus of the printed circuit board according to the claimed method (technology).

На фигурах цифрами обозначены: 1 - печатное основание, которое может быть выполнено из материала FR4; 2 - полимерный слой нижней оболочки оптических волноводов; 3 - материал топологии мастер-штампа оптических волноводов (3.1 и 3.2 - слои двухслойного мастер-штампа из одного и того же материала); 4 - основание мастер-штампа, которое может быть выполнено из кремния; 5 - полимерный слой сердцевин оптических волноводов; 6 - полимерный слой верхней оболочки оптических волноводов; 7 - слой модификатора адгезии, который может быть выполнен из гексаметилдисилазана; 8 - полимерный планарный оптический волновод (обобщенный и включающий в себя слои сердцевины (5), нижней оболочки (2) и верхней оболочки (6)); 9 - оптоволокно для ввода/вывода излучения; 10 - V-образные канавки для совмещения «встык» оптоволокна (9) с полимерным планарным оптическим волноводом (8); 11 - источник излучения; 12 - приемник излучения (тестер).In the figures, the numbers indicate: 1 - printed base, which can be made of FR4 material; 2 - polymer layer of the lower shell of optical waveguides; 3 - topology material of the master stamp of optical waveguides (3.1 and 3.2 - layers of a two-layer master stamp from the same material); 4 - the base of the master stamp, which can be made of silicon; 5 - polymer layer of the cores of optical waveguides; 6 - polymer layer of the upper shell of optical waveguides; 7 - layer of adhesion modifier, which can be made of hexamethyldisilazane; 8 - polymeric planar optical waveguide (generalized and including layers of the core (5), lower shell (2) and upper shell (6)); 9 - optical fiber for input/output of radiation; 10 - V-shaped grooves for "butt" alignment of the optical fiber (9) with the polymer planar optical waveguide (8); 11 - radiation source; 12 - radiation receiver (tester).

Способ изготовления структуры оптико-электронной шины на поверхности печатной платы (1) по прототипу [1] состоит (см. фиг. 1) в использовании мастер-штампа (3, 4) структуры оптических волноводов оптико-электронной шины, нанесении полимерного материала сердцевины оптических волноводов (5), нанесении полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов (2), и нанесении полимерного материала верхней оболочки (6) оптических волноводов. При этом в начале на печатное основание (1) наносят полимерный материал нижней оболочки (2), в котором затем путем оттиска мастер-штампа (3, 4) формируют канавки, топология которых соответствует сердцевинам формируемой структуры оптических волноводов. Далее канавки заполняют с помощью наливки и центрифугирования полимерным материалом сердцевин (5) оптических волноводов, затем сердцевины и нижняя оболочка оптических волноводов покрываются слоем верхней оболочки (6).The method of manufacturing the structure of an optoelectronic bus on the surface of a printed circuit board (1) according to the prototype [1] consists (see Fig. 1) in using a master stamp (3, 4) of the structure of optical waveguides of an optoelectronic bus, applying a polymer material of the optical core waveguides (5), applying the polymeric material of the lower shell of the optical waveguides (2), and applying the polymeric material of the upper shell (6) of the optical waveguides. In this case, at the beginning, a polymeric material of the lower shell (2) is applied to the printed base (1), in which then, by imprinting a master stamp (3, 4), grooves are formed, the topology of which corresponds to the cores of the formed structure of optical waveguides. Next, the grooves are filled by pouring and centrifuging the polymeric material of the cores (5) of the optical waveguides, then the cores and the lower shell of the optical waveguides are covered with a layer of the upper shell (6).

В отличие от прототипа [1] заявленный способ изготовления структуры оптико-электронной шины на поверхности печатной платы (1) (см. фиг. 2) состоит в использовании технологии мягкой литографии - подвида наноимпринтной литографии, включающей в себя изготовление мастер-штампа (3.1, 3.2 - двухслойной топологии, 4 - основания) структуры оптических волноводов оптико-электронной шины, нанесение полимерного материала сердцевины (5) оптических волноводов, нанесение полимерного материала нижней оболочки (2) оптических волноводов, присоединение основания печатной платы (1) к нижней оболочке (2) оптических волноводов, извлечение отвержденной структуры оптических волноводов (5, 2, 1) из мастер-штампа (3.1, 3.2, 4) и нанесение полимерного материала верхней оболочки (6) оптических волноводов. При этом на кремниевом основании (4) методом фотолитографии формируется топология мастер-штампа, которая соответствует обратной топологии оптического слоя сердцевин полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины печатной платы: в областях, где должны быть затем изготовлены сердцевины (5) оптических волноводов, в мастер-штампе (3.1, 3.2, 4) формируются канавки с конфигурацией и размерами, соответствующими топологии слоя сердцевин (5) полимерных планарных оптических волноводов. Для изготовления мастер-штампа (3.1, 3.2, 4) могут использоваться светочувствительные фотополимерные материалы, например, фоторезисты групп SU-8 2000, SU-8 3000, которые способны наносится слоями толщиной в диапазоне 10…65 мкм. Во избежание возможного контакта материала сердцевины (5) с кремниевым основанием (4) мастер-штампа (3.1, 3.2, 4), на первом этапе формирования мастер-штампа (3.1, 3.2, 4) на кремниевое основание (4) наносится сплошной слой материала мастер-штампа (3.1), затем наносится слой (3.2), толщина которого соответствует высоте слоя сердцевин оптических волноводов. Во втором слое (3.2) с помощью технологических операций фотолитографии формируется топология мастер-штампа. На сформированную структуру мастер-штампа (3.1, 3.2, 4) наносят слой модификатора адгезии (7) (например, гексаметилдисилазан - (ГМДС)) для уменьшения адгезии слоев сердцевины (3) и нижней оболочки (2) оптических волноводов к топологии мастер-штампа (3.1, 3.2, 4 и 7) и для обеспечения бездефектного извлечения сформированной структуры оптических волноводов после их отверждения в мастер-штампе (3.1, 3.2, 4 и 7). Затем наносят полимерный материал сердцевины (5) оптических волноводов в мастер-штамп (3.1, 3.2, 4 и 7) путем наливки с последующей протяжкой ракелем по мастер-штампу (3.1, 3.2, 4 и 7). Для этого мастер-штамп (3.1, 3.2, 4 и 7) фиксируют с помощью специальной рамки, превосходящей в 100…500 раз толщину формируемой структуры оптических волноводов, затем в открытую в рамке область мастер-штампа (3.1, 3.2, 4 и 7) наливают избыточное количество материала сердцевин (5) оптических волноводов, предварительно дегазированное в вакуумной камере. Далее с помощью ракеля, например, силиконового, втирают материал сердцевин (5) в канавки мастер-штампа (3.1, 3.2, 4 и 7). Излишний материал сердцевин (5) удаляется ракелем. Затем снимается рамка и мастер-штамп (3.1, 3.2, 4 и 7) с заполненными канавками материалом сердцевин (5) оптических волноводов подвергается дегазации в вакуумной камере, после чего выдерживают, например, при повышенной температуре, до отверждения материала сердцевин (5) оптических волноводов. Далее наносят полимерный материал нижней оболочки (2) с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины. Для этого мастер-штамп с канавками, заполненными отвержденными сердцевинами (5) оптических волноводов, фиксируют рамками, толщина одной из которых соответствует толщине нижней оболочки (2) оптических волноводов, а другая использовалась ранее на этапе изготовления сердцевин (5) оптических волноводов для фиксации мастер-штампа. Ширина первой рамки превосходит ширину второй рамки таким образом, чтобы открытая площадь была равна площади печатного основания (1), на поверхности которого изготавливается структура оптических волноводов. После этого неотвержденный материал нижней оболочки (2) накрывают основанием (1) (печатной платой) с предварительно активированной контактной поверхностью для увеличения адгезии материала нижней оболочки (2) к печатному основанию (1) и предотвращения отслаивания структуры оптических волноводов от печатного основания (1). Затем структуру выдерживают, например, при повышенной температуре от 25°С до 100°С до полного отверждения полимерных материалов, соответственно от 48 часов до 30 минут. По завершению полного отверждения полимерных материалов оптических волноводов основание - печатную плату (1) со сформированными слоями нижней оболочки (2) и сердцевины (5) оптических волноводов извлекают из мастер-штампа (3.1, 3.2, 4 и 7). После этого наносят полимерный материал верхней оболочки (6) с помощью протяжки ракелем по рамке с толщиной, соответствующей сумме толщин печатного основания (1), нижней оболочки (2), слоя сердцевины (5) и верхней оболочки (6).Unlike the prototype [1], the claimed method of manufacturing the optoelectronic bus structure on the surface of the printed circuit board (1) (see Fig. 2) consists in using soft lithography technology - a subspecies of nanoimprint lithography, which includes the production of a master stamp (3.1, 3.2 - two-layer topology, 4 - bases) of the structure of optical waveguides of an optical-electronic bus, applying a polymeric material of the core (5) of optical waveguides, applying a polymeric material of the lower shell (2) of optical waveguides, attaching the base of the printed circuit board (1) to the lower shell (2 ) of optical waveguides, removing the cured structure of optical waveguides (5, 2, 1) from the master stamp (3.1, 3.2, 4) and applying the polymer material of the upper shell (6) of optical waveguides. At the same time, the topology of the master stamp is formed on the silicon base (4) by photolithography, which corresponds to the reverse topology of the optical layer of the cores of polymer planar optical waveguides of the optical-electronic bus of the printed circuit board: in areas where cores (5) of optical waveguides should then be made, in On the master stamp (3.1, 3.2, 4), grooves are formed with a configuration and dimensions corresponding to the topology of the layer of cores (5) of polymeric planar optical waveguides. For the manufacture of a master stamp (3.1, 3.2, 4), light-sensitive photopolymer materials can be used, for example, photoresists of the SU-8 2000, SU-8 3000 groups, which can be applied in layers with a thickness in the range of 10 ... 65 microns. To avoid possible contact of the core material (5) with the silicon base (4) of the master stamp (3.1, 3.2, 4), a continuous layer of material is applied to the silicon base (4) at the first stage of the master stamp (3.1, 3.2, 4) formation. master stamp (3.1), then a layer (3.2) is applied, the thickness of which corresponds to the height of the layer of optical waveguide cores. In the second layer (3.2), the topology of the master stamp is formed using the technological operations of photolithography. A layer of adhesion modifier (7) (for example, hexamethyldisilazane - (HMDS)) is applied to the formed structure of the master stamp (3.1, 3.2, 4) to reduce the adhesion of the layers of the core (3) and the lower cladding (2) of optical waveguides to the topology of the master stamp (3.1, 3.2, 4 and 7) and to ensure defect-free extraction of the formed structure of optical waveguides after they have been cured in the master die (3.1, 3.2, 4 and 7). Then, the polymeric material of the core (5) of the optical waveguides is applied to the master stamp (3.1, 3.2, 4 and 7) by pouring followed by drawing with a squeegee along the master stamp (3.1, 3.2, 4 and 7). To do this, the master stamp (3.1, 3.2, 4 and 7) is fixed using a special frame that is 100 ... an excess amount of the material of the cores (5) of the optical waveguides is poured, previously degassed in a vacuum chamber. Next, using a squeegee, for example, silicone, rub the material of the cores (5) into the grooves of the master stamp (3.1, 3.2, 4 and 7). Excess core material (5) is removed with a squeegee. Then the frame is removed and the master stamp (3.1, 3.2, 4 and 7) with the grooves filled with the material of the cores (5) of the optical waveguides is degassed in a vacuum chamber, after which it is kept, for example, at an elevated temperature, until the material of the cores (5) of the optical waveguides is cured. waveguides. Next, a polymeric material of the lower shell (2) is applied, followed by drawing with a squeegee along a frame of a given thickness. To do this, the master stamp with grooves filled with hardened cores (5) of optical waveguides is fixed with frames, the thickness of one of which corresponds to the thickness of the lower shell (2) of optical waveguides, and the other was used earlier at the stage of manufacturing cores (5) of optical waveguides to fix the master -stamp. The width of the first frame exceeds the width of the second frame so that the open area is equal to the area of the printed base (1), on the surface of which the optical waveguide structure is fabricated. After that, the uncured material of the lower shell (2) is covered with a base (1) (printed circuit board) with a pre-activated contact surface to increase the adhesion of the material of the lower shell (2) to the printed base (1) and prevent the structure of optical waveguides from peeling off the printed base (1) . Then the structure is kept, for example, at an elevated temperature from 25°C to 100°C until complete curing of the polymeric materials, respectively, from 48 hours to 30 minutes. Upon completion of the complete curing of the polymeric materials of the optical waveguides, the base - the printed circuit board (1) with the formed layers of the lower shell (2) and the core (5) of the optical waveguides is removed from the master stamp (3.1, 3.2, 4 and 7). After that, the polymer material of the upper shell (6) is applied by drawing a squeegee along the frame with a thickness corresponding to the sum of the thicknesses of the printed base (1), lower shell (2), core layer (5) and upper shell (6).

Заявленное устройство оптико-электронной шины печатной платы состоит в том, что она содержит основание из печатной платы (1), на котором нанесены структуры полимерных планарных оптических волноводов (8) оптико-электронной шины. При этом сечение сердцевин (5) полимерных планарных оптических волноводов имеет прямоугольную форму с размерами прямоугольника в диапазонах 10…100 мкм × 10…100 мкм. В изготовленном заявителем устройстве размеры сечения слоя сердцевин (5) составили 88 мкм × 63 мкм. Сердцевина (5), нижняя (2) и верхние (6) оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены из одного и того же полимерного материала - каучука СКТН по ГОСТ 13835 - 73, но имеющего различные показатели преломления, соответственно 1,404 - сердцевины (5) и 1,41 - нижней (2) и верхней (6) оболочек. Что обеспечивает полное внутреннее отражение на границе сердцевина (5) - оболочка (нижняя (2) или верхняя (6)). Нижняя (2) и верхняя (5) оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены толщиной в диапазоне 10…60 мкм. В изготовленном заявителем устройстве размеры нижней (2) и верхней (5) оболочки составили 30 мкм.The claimed device of the optical-electronic bus of the printed circuit board consists in that it contains the base of the printed circuit board (1), on which the structures of polymeric planar optical waveguides (8) of the optical-electronic bus are deposited. In this case, the cross section of the cores (5) of the polymeric planar optical waveguides has a rectangular shape with the dimensions of a rectangle in the ranges of 10...100 µm × 10...100 µm. In the device manufactured by the applicant, the cross-sectional dimensions of the layer of cores (5) were 88 μm x 63 μm. The core (5), lower (2) and upper (6) shells of polymeric planar optical waveguides are made of the same polymeric material - rubber SKTN according to GOST 13835 - 73, but having different refractive indices, respectively 1.404 - cores (5) and 1.41 - lower (2) and upper (6) shells. This ensures total internal reflection at the core (5) - shell (lower (2) or upper (6)) interface. The lower (2) and upper (5) shells of polymeric planar optical waveguides are made with a thickness in the range of 10…60 µm. In the device manufactured by the applicant, the dimensions of the lower (2) and upper (5) shells were 30 μm.

Работа заявленного устройства состоит в том, что в структуру полимерных планарных оптических волноводов (8) оптико-электронной шины печатной платы (1) вводится оптическое излучение с длиной волны близкого ИК-диапазона 830…1510 нм на входной торец полимерных планарных оптических волноводов (8) с помощью сопряжения «встык» с оптическим волокном (9), зафиксированным в элементе ввода излучения в виде V-образной канавки (10) и соединенным с источником излучения (11). Оптическое излучение передается по полимерным планарным оптическим волноводам (8) за счет обеспечения полного внутреннего отражения на границе «сердцевина (5) - оболочки (2, 6)» оптического волновода (8). Затем оптическое излучение попадает на выходной торец полимерного оптического волновода (8) и передается на вход оптического волокна (9), зафиксированного в элементе вывода излучения в виде V-образной канавки (10) и подключенного к приемнику (12), например, тестеру, оптического излучения.The operation of the claimed device consists in the fact that optical radiation with a wavelength of the near-IR range of 830 ... by means of a "butt" interface with an optical fiber (9) fixed in the radiation input element in the form of a V-shaped groove (10) and connected to the radiation source (11). Optical radiation is transmitted through polymer planar optical waveguides (8) by providing total internal reflection at the "core (5) - shell (2, 6)" interface of the optical waveguide (8). Then the optical radiation enters the output end of the polymer optical waveguide (8) and is transmitted to the input of the optical fiber (9) fixed in the radiation output element in the form of a V-shaped groove (10) and connected to a receiver (12), for example, a tester, optical radiation.

По результатам измерения характеристик заявленного устройства величина потерь сигнала в полимерных планарных оптических волноводах (8) составила не более 10 дБ, что соответствует характеристикам аналогов из известных литературных источников, например: Bamiedakis N. el. «А 40 Gb/s Optical Bus for Optical Backplane Interconnections» - JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2014, vol. 32, №8, c. 1526-1537 - [8].According to the results of measuring the characteristics of the claimed device, the signal loss in polymer planar optical waveguides (8) was no more than 10 dB, which corresponds to the characteristics of analogues from well-known literary sources, for example: Bamiedakis N. el. "A 40 Gb / s Optical Bus for Optical Backplane Interconnections" - JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2014, vol. 32, no. 8, p. 1526-1537 - [8].

Печатная плата оптико-электронной шины может также содержать один или несколько слоев металлических проводников для электрической коммутации, выполненных известными способами, например как в [1] и [2].The printed circuit board of the optoelectronic bus may also contain one or more layers of metal conductors for electrical switching, made in known ways, for example, as in [1] and [2].

Изготовление структуры оптико-электронной шины печатной платы по заявленному способу, а также само устройство в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым по отношению к общеизвестным способам изготовления и устройствам данного назначения, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".The manufacture of the structure of the optical-electronic bus of a printed circuit board according to the claimed method, as well as the device itself, together with the restrictive and distinctive features of the claims, is new in relation to well-known manufacturing methods and devices for this purpose, and, therefore, meets the "novelty" criterion.

Совокупность признаков формулы изобретения не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных способов изготовления структуры оптико-электронной шины печатной платы, а именно изготовление фотолитографией двухслойной топологии мастер-штампа, покрытой слоем модификатора адгезии, а также формирование структуры полимерных планарных оптических волноводов в структуре мастер-штампа с последующим присоединением основания печатной платы, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень" (об этом свидетельствует также проведенный патентный поиск и ссылка на источники информации [1] -[8]).The set of features of the claims is not known at this level of development of technology and does not follow from the well-known methods for manufacturing the structure of an optical-electronic bus of a printed circuit board, namely, the production of a two-layer topology of a master stamp by photolithography, coated with an adhesion modifier layer, as well as the formation of a structure of polymer planar optical waveguides in the structure of the master stamp with the subsequent attachment of the base of the printed circuit board, which proves compliance with the criterion of "inventive step" (this is also evidenced by a patent search and a link to sources of information [1] -[8]).

Реализация заявленных способа и устройства может быть осуществлена известными и применяемыми методами, технологиями и оборудованием, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".The implementation of the claimed method and device can be carried out by known and used methods, technologies and equipment, which implies compliance with the criterion of "industrial applicability".

Литература:Literature:

1. Патент Канады: СА 3098887 (А1) от 21.11.2019, МПК G02B 6/10. G02B 6/122, G02B 6/13, «High-density optical waveguide structure and printed circuit board and preparation method thereof» - прототип.1. Canadian patent: CA 3098887 (A1) dated 11/21/2019, IPC G02B 6/10. G02B 6/122, G02B 6/13, "High-density optical waveguide structure and printed circuit board and preparation method thereof" - prototype.

2. Патент Китая: CN 108415124 (А) от 17.08.2018, МПК G02B 6/122, H05K 1/02, H05K 3/00, «High-density optical waveguide structure, printing circuit board and preparation method thereof».2. China patent: CN 108415124 (A) dated 08/17/2018, IPC G02B 6/122, H05K 1/02, H05K 3/00, "High-density optical waveguide structure, printing circuit board and preparation method thereof".

3. Патент США: US2006198569 (A1) от 07.09.2006 и US 7343060 B2 от 11.03.2008, МПК G02B 6/12, «Light transmission and reception module, sub-mount, and method of manufacturing the sub-mount».3. US patent: US2006198569 (A1) dated 09/07/2006 and US 7343060 B2 dated 03/11/2008, IPC G02B 6/12, "Light transmission and reception module, sub-mount, and method of manufacturing the sub-mount".

4. Патент на изобретение России: RU 2561202 С2 от 27.08.2015, МПК Н04В 10/00, «Способ формирования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля».4. Patent for the invention of Russia: RU 2561202 C2 dated 08/27/2015, IPC H04V 10/00, "Method of forming a channel for transmitting an optical signal between the components of an electronic module."

5. Патент на изобретение России: RU 2568341 С1 от 20.11.2015, МПК G02B 6/00, «Способ образования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля».5. Patent for the invention of Russia: RU 2568341 C1 dated 11/20/2015, IPC G02B 6/00, "Method of forming a channel for transmitting an optical signal between the components of an electronic module."

6. Патент на полезную модель России: RU 83626 U1 от 10.06.2009, МПК G02B 6/34, «Оптический планарный волновод».6. Russian utility model patent: RU 83626 U1 dated 06/10/2009, IPC G02B 6/34, "Optical planar waveguide".

7. Патент США US2003179978 (А1) от 25.09.2003 и US6970610 (В2) от 29.11.2005, МПК F21V 8/00, G02B 6/122, G02B 6/43, «Optical transmission sheet, optoelectric apparatus, and optical transmission method».7. US patent US2003179978 (A1) dated September 25, 2003 and US6970610 (B2) dated November 29, 2005, IPC F21V 8/00, G02B 6/122, G02B 6/43, "Optical transmission sheet, optoelectric apparatus, and optical transmission method ".

8. Bamiedakis N. el. «A 40 Gb/s Optical Bus for Optical Backplane Interconnections» - JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2014, vol. 32, №8, c. 1526-1537.8. Bamiedakis N. el. "A 40 Gb/s Optical Bus for Optical Backplane Interconnections" - JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2014, vol. 32, no. 8, p. 1526-1537.

Claims (16)

1. Способ изготовления структуры оптико-электронной шины на поверхности печатной платы, заключающийся в1. A method for manufacturing an optoelectronic bus structure on a printed circuit board surface, which consists in изготовлении мастер-штампа структуры оптических волноводов оптико-электронной шины,production of a master stamp of the structure of optical waveguides of an optical-electronic bus, нанесении полимерного материала сердцевины оптических волноводов,application of a polymeric material to the core of optical waveguides, нанесении полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов,deposition of polymeric material of the lower shell of optical waveguides, нанесении полимерного материала верхней оболочки оптических волноводов, отличающийся тем, чтоapplication of a polymeric material for the upper shell of optical waveguides, characterized in that для изготовления мастер-штампа используют метод фотолитографии с последовательным нанесением двух его слоев и формированием двухслойной структуры мастер-штампа из одного материала,for the manufacture of a master stamp, the photolithography method is used with the successive application of two of its layers and the formation of a two-layer structure of the master stamp from one material, после чего на сформированную структуру мастер-штампа наносят слой модификатора адгезии,after which a layer of adhesion modifier is applied to the formed structure of the master stamp, затем наносят полимерный материал сердцевины оптических волноводов в мастер-штамп путем наливки с последующей протяжкой ракелем по мастер-штампу,then, the polymeric material of the core of the optical waveguides is applied to the master stamp by pouring, followed by drawing with a squeegee along the master stamp, наносят полимерный материал нижней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины,the polymeric material of the lower shell is applied, followed by drawing with a squeegee along a frame of a given thickness, полимерный материал нижней оболочки накрывают основанием печатной платы с предварительно активированной контактной поверхностью и выдерживают до полного отверждения полимерных материалов,the polymeric material of the lower shell is covered with the base of the printed circuit board with a pre-activated contact surface and kept until the polymeric materials are completely cured, далее извлекают основание - печатную плату с сформированными слоями нижней оболочки и сердцевины оптических волноводов из мастер-штампа,then the base is removed - a printed circuit board with the formed layers of the lower shell and the core of the optical waveguides from the master stamp, после чего наносят полимерный материал верхней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины.after that, the polymeric material of the upper shell is applied, followed by broaching with a squeegee along a frame of a given thickness. 2. Устройство оптико-электронной шины печатной платы, содержащее основание из печатной платы, на котором нанесены структуры полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины, отличающееся тем, что2. The device of the optical-electronic bus of the printed circuit board, containing the base of the printed circuit board, on which the structures of polymer planar optical waveguides of the optical-electronic bus are deposited, characterized in that сечение сердцевин полимерных планарных оптических волноводов имеет прямоугольную форму с размерами прямоугольника в диапазонах 10…100 мкм × 10…100 мкм,the cross section of the cores of polymer planar optical waveguides has a rectangular shape with the dimensions of a rectangle in the ranges of 10…100 µm × 10…100 µm, при этом сердцевина, нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены из одного и того же полимерного материала, но имеющего различные показатели преломления,in this case, the core, lower and upper shells of polymer planar optical waveguides are made of the same polymer material, but having different refractive indices, а нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены толщиной в диапазоне 10…60 мкм.and the lower and upper shells of polymeric planar optical waveguides are made with a thickness in the range of 10…60 µm.
RU2021114123A 2021-05-18 Method for manufacturing the structure of an optoelectronic bus of a printed circuit board and apparatus for implementation thereof RU2778285C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778285C1 true RU2778285C1 (en) 2022-08-17

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040106674A (en) * 2003-06-11 2004-12-18 삼성전자주식회사 Structures of optical waveguide laminated printed circuit board and optical connection blocks and method for constructing waveguide layer
EP1628510A2 (en) * 2004-08-19 2006-02-22 Rohm and Haas Electronic Materials, L.L.C. Methods of forming printed circuit boards
WO2015157980A1 (en) * 2014-04-17 2015-10-22 华为技术有限公司 Optical waveguide and printed circuit board
CN108415124A (en) * 2018-05-08 2018-08-17 上海美维科技有限公司 A kind of high density optical waveguide structure and printed circuit board and preparation method thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040106674A (en) * 2003-06-11 2004-12-18 삼성전자주식회사 Structures of optical waveguide laminated printed circuit board and optical connection blocks and method for constructing waveguide layer
EP1628510A2 (en) * 2004-08-19 2006-02-22 Rohm and Haas Electronic Materials, L.L.C. Methods of forming printed circuit boards
WO2015157980A1 (en) * 2014-04-17 2015-10-22 华为技术有限公司 Optical waveguide and printed circuit board
CN108415124A (en) * 2018-05-08 2018-08-17 上海美维科技有限公司 A kind of high density optical waveguide structure and printed circuit board and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100976671B1 (en) Process for producing optical waveguide
JP3151364B2 (en) Method for manufacturing polymer optical waveguide
Wang et al. Fully embedded board-level optical interconnects from waveguide fabrication to device integration
JP2004240220A (en) Optical module, its manufacturing method, hybrid integrated circuit, hybrid circuit board, electronic appliance, photoelectric hybrid device and its manufacturing method
JP2004029507A (en) Optical element and its manufacturing method
JP2005275405A (en) Optical structure and method for connecting optical circuit board components
US9831634B2 (en) Apparatus and method of forming chip package with waveguide for light coupling
KR100476317B1 (en) Optical coupling device and method for fabricating the same, master for fabricating the optical coupling device and method for fabricating the same
US20030196746A1 (en) Method of manufacturing optical waveguide and method of manufacturing light transmitting/receiving apparatus
JP2006023385A (en) Multilayer optical waveguide film and manufacturing method thereof, and waveguide type optical module
JP4265293B2 (en) Method of manufacturing polymer optical waveguide integrated with mold and connector
RU2778285C1 (en) Method for manufacturing the structure of an optoelectronic bus of a printed circuit board and apparatus for implementation thereof
Chang et al. Chip-to-chip optoelectronics SOP on organic boards or packages
JP2007334235A (en) Manufacturing method of optical waveguide
Nakama et al. Board-to-board optical plug-in interconnection using optical waveguide plug and micro hole array
Jin et al. Industry compatible embossing process for the fabrication of waveguide-embedded optical printed circuit boards
US11693181B2 (en) High-density optical waveguide structure and printed circuit board and preparation method thereof
WO2019093460A1 (en) Optical waveguide and method for manufacturing same
JP2004163914A (en) Manufacturing method of optical circuit board
JP2002311273A (en) Method for manufacturing optical waveguide
CA2541688C (en) Method for the production of electro-optical printed circuit boards having polysiloxane waveguides, and their use
CN1878035A (en) Hybrid integrated silicon-based photosignal processing chip
JP2004053623A (en) Optical waveguide substrate equipped with optical path changing part and its manufacture method
US20050106368A1 (en) Printed circuit board and manufacturing method thereof
JP2004302325A (en) Method of manufacturing photoelectric compound substrate