WO2005073765A1 - Polymerwellenleiter für opto-elektronische schaltungsträger - Google Patents

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WO2005073765A1
WO2005073765A1 PCT/EP2005/000991 EP2005000991W WO2005073765A1 WO 2005073765 A1 WO2005073765 A1 WO 2005073765A1 EP 2005000991 W EP2005000991 W EP 2005000991W WO 2005073765 A1 WO2005073765 A1 WO 2005073765A1
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waveguide
buffer layer
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epoxy
resin
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Karl Pfeiffer
Ute Ostrzinski
Henning Schroeder
Joerg Bauer
Gabi Gruetzner
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Micro Resist Technology GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0274—Optical details, e.g. printed circuits comprising integral optical means

Definitions

  • the present invention relates to a polymer waveguide composite with at least one integrated waveguide, comprising a base substrate, at least one waveguide embedded in cladding layers, and optionally a cover substrate.
  • Optical signals can be transmitted via optical waveguides. These are embedded in cladding layers in a multi-layer composite that has to withstand high thermal, chemical and mechanical loads during subsequent processing steps, including integration into the circuit carrier, see e.g. W. Scheel, Optical assembly and connection technology in electrical assembly production, Verlag Dr. Markus, A. Detert
  • Polymers that can withstand such process requirements are e.g. special polyacrylates, vinyl esters, polyimides, polyarylene ethers, polysiloxanes, polycyclobutanes, Ormocere ® (organically modified ceramics, mainly made from silane
  • Adhesion strength to substrates suitable for electrical-optical circuit carriers is particularly critical, since these generally have relatively large surface dimensions (for example conventional circuit board formats of approximately 35 ⁇ 45 cm or even above).
  • Waveguide assemblies not intended for telecommunications purposes are often made from photoresist materials based on epoxidized bisphenol-A-formaldehyde novolaks (EPON SU-8 from Shell Chemical, EPIREX SU8 Hi-Tech Polymers, Louisville, KY). Structures with high structures are favorable for these materials
  • crosslinking of these materials leads to a change in the thermal, mechanical, chemical and optical properties of the material.
  • this is used to produce planar optical waveguides from a single original material, the waveguide structures and the cladding or buffer layers being given different refractive indices by the individual treatment steps.
  • a substrate material is first coated with a SU8 photoresist and crosslinked by a subsequent UV exposure and thermal treatment.
  • the subsequently applied second photoresist layer is exposed through a negative mask, as a result of which no crosslinking can be observed in the waveguide structures after thermal treatment.
  • the waveguides produced should have an optical attenuation of 0.3 dB / cm at a wavelength of 1300 nm. The advantage of this system is that there is no need for a wet development step to develop the structure and only a single chemical material is used.
  • Reactive resin combination selected which leads to a stable, cross-linked polymer after curing.
  • this curing reaction can take place purely thermally or in combination by UV surface exposure and subsequent thermal treatment.
  • the buffer layer (undercladding) conveys the adhesive strength to the substrate used and acts as an optical one
  • the subsequent coating with a photoreactive material with a higher refractive index is exposed through a positive mask, and after a thermal treatment the unexposed portions are removed with organic or aqueous solvents and likewise cured to a stable final state by a further thermal treatment.
  • Corresponding waveguide structures for light conduction are obtained by overlaying the exposed structures thus obtained with a reactive resin material and subsequent thermal or combined UV and thermal curing.
  • the waveguide composite has attenuation values in the range of 0.5 dB / cm in a window between approximately 850 and 1300 nm.
  • Ruano et al. coat an oxidized silicon wafer with the dimensions 2.5 ⁇ 1.0 cm 2 with an SU-8 undercladding, to which a small amount of a liquid aliphatic epoxy resin is added, and develop waveguide structures from pure
  • a cladding layer is applied to the waveguide structures; a fourth layer of SU-8 is applied to a cover substrate made of Pyrex glass, solidified there and bonded to the cover layer in a bonding process, which is not defined in any more detail, in order to cover the microchannels or analytical chambers formed in this process between the waveguide structures.
  • the pyrex glass should then be removed after further steps such as ultrasound treatment, which, however, led to difficulties.
  • the photolithographic process takes place here at temperatures up to 90 ° C; it is emphasized that no post-curing is carried out. It is also probably not necessary since the component obtained should be used at room temperature.
  • the optical attenuation is 1.1 dB / cm 2 .
  • the object of the present invention is to provide a waveguide structure with a base and cover substrate, which is suitable for an optical signal transmission in electrical-electronic circuit carriers.
  • Such optical-electrical circuit carriers require optical materials which, even in large-area formats customary in printed circuit board manufacture, enable an intimate bond with the printed circuit board and, when integrated into this bond, have a high thermal resistance. They also have to withstand the pressures involved in lamination and soldering processes.
  • the waveguide structure to be found should have a surface polarity which makes it compatible with organic substrates and has a low attenuation value in the preferred transmission range from about 600 to about 1000 nm, in particular less than 0.2 dB / cm if possible. It should also be able to be kept at 180 ° C.
  • a waveguide structure comprising a base substrate made of an organic substrate material or an inorganic modified or reinforced organic substrate material, a lower buffer or cladding layer made of a first organic material, a waveguide or core structure made of a second organic material, whose refractive index differs from that of the first organic material by more than about 0.003, an upper buffer or cladding layer made of the first organic material or a third organic material which has the same refractive index as the first organic material, and preferably a cover substrate, again from an organic substrate material or an inorganic modified or reinforced organic substrate material.
  • Suitable substrates or laminates are electrically insulating carrier materials, and in particular organic, possibly inorganic modified plastic materials, such as are used in the manufacture of printed circuit boards.
  • electrically insulating carrier materials and in particular organic, possibly inorganic modified plastic materials, such as are used in the manufacture of printed circuit boards.
  • organic, possibly inorganic modified plastic materials such as are used in the manufacture of printed circuit boards.
  • the base material of the substrates usually consists of a
  • Reactive resin such as a phenol or (multifunctional) epoxy resin or from a novolak; Bismaleimidtriazine / epoxy resins, cyanate esters, polyimides or PFTE are also common; all for rigid beams.
  • Hard paper, glass, quartz or kevlar fabric can be used as reinforcement materials.
  • flexible films based on polyimide, polyester, polydicyclopentadiene can be used.
  • FR2 made of phenolic resin, reinforced with hard paper
  • FR3 made of an epoxy resin, reinforced with hard paper
  • FR4 made of an epoxy resin, reinforced with glass fabric.
  • the final stability of the waveguide composite can only be obtained in direct association with a cover substrate or with the printed circuit board. This ensures that covalent bonds at the interfaces of the individual layers lead to a high level of adhesive strength and that the fluidity still present leads to an intimate bond between the multilayer structure. In general it can be said that a very good association of
  • Layers among each other and to the base and cover substrates is obtained if, especially in the case of the use of epoxy resins, the lower buffer and waveguide layers first up to a temperature of about 120-160 ° C, preferably of about 140 ° C, be treated thermally. The duration of the temperature treatment plays a minor role.
  • a buffer layer is applied to an organic or essentially organic substrate and a waveguide structure is applied thereon according to known techniques. These are shown as examples below.
  • the substrate carrier can thus be coated with a solution consisting of the buffer or jacket material (for example a material combination of aromatic and cycloaliphatic components of reactive resin, see below) and then dried (step 1 in FIG. 1). Subsequent pre-curing, e.g. UV exposure with a dose of approx. 150-650 mJ / cm 2 and thermal treatment at a temperature of 100-
  • the layer receives sufficient stability for the subsequent coating for the production of the waveguide cores (step 2 in Figure 1).
  • the photostructurable resin used for example at a temperature of 120-140 ° C, preferably at 140 ° C, using a positive mask with the layout of the future waveguide at a dose of 200-800 mJ / cm 2 , preferably about 300 mJ / cm 2 , UV-exposed.
  • the materials in the individual layers have not yet hardened, but only stabilized to the extent that they cannot be dissolved by subsequent coatings.
  • they due to the specified temperature treatment, they are already networked to such an extent that they can no longer flow, and the waveguides generated remain exactly in the intended position.
  • reactive groups still present, for example epoxy groups, remain reactive in the boundary region of the layers. This is a prerequisite in order to bond the layers to one another and to other layers, possibly the upper buffer layer (see below) and in particular the base and cover substrates, at a bonding temperature of
  • the free waveguides are covered with a covering layer.
  • the material composition, UV exposure and thermal curing used for this can correspond to those of the lower cladding or buffer layer. The is preferred
  • a cover substrate which can be the same material as that of the base substrate, is covered with a layer of a material as described for the lower cladding or buffer layer.
  • This layer is either chemically modified (e.g. by adjusting the reactivity, e.g. by the type and amount of the addition of one
  • Hardener e.g. an acid anhydride
  • Hardener e.g. an acid anhydride
  • it is only heat-treated to such an extent that it remains flowable or its viscosity allows it to adapt to structures imprinted from the outside.
  • a person skilled in the art can easily find a suitable viscosity; as a rule, it should be in the range of approximately 10 Pa s or less.
  • the composite of substrate and this layer is then pressed with the structure having the free waveguide. This is preferably done under higher pressures and / or elevated temperatures, for example at 160-190 ° C and a force of 15-45 kN (under vacuum, pressing time approx. 10-30 min). Temperatures above 200 ° C are then required for complete curing.
  • the upper buffer layer is applied and pre-hardened as for the lower buffer layer; the final curing then takes place with a cover substrate at the pressures and temperatures given above.
  • the commercially available SU-8 resist for example, consists of the basic resin EPON SU-8, a mainly octameric oligomer from
  • EPON SU-8 has a glass transition temperature of around 55-65 ° C when not cross-linked.
  • materials can be used according to the invention which, prior to crosslinking, have a glass transition temperature in the range from approximately 30 ° to 100 ° C., preferably from approximately 35 to 80 ° C. In the hardened state, the glass transition temperature is above 150 ° C, preferably above 180 ° C. If materials with a glass transition temperature in the lower part of the specified range are used, for example below 50 ° C., preferably 45 ° C.
  • the glass temperature can be reduced, for example, by adding monomers to the materials. These then act like a plasticizer in the resin mixture. For example, it was found that the addition of polyfunctional epoxy monomers to epoxy resins in particular can prevent embrittlement. Adding approx. 10% by weight of monomeric bisphenol A diglycidether to the EPON SU-8 base resin can lower the glass temperature (in the uncrosslinked state) by approx. 20-30 ° C. It was found that the polymer material showed no embrittlement even at temperatures of 150 ° C. or above when this or other monomers were added.
  • the measure mentioned can be chosen either for the buffer and / or the waveguide layers; preferably those for all materials of the waveguide composite are selected which have a low glass transition temperature.
  • the above-mentioned advantageous measures regarding the temperature regime chosen for the waveguide structure to maintain the reactivity of the resin before bonding and the selection of starting materials with a low glass transition temperature can also be combined with one another if required or on request.
  • Material combinations suitable for the invention for the buffer or cladding layers as well as the waveguide or core structures are combinations of so-called reactive resins. These include, in particular, epoxy resins, but also vinyl resins. Examples are epoxides which consist of multifunctional bisphenol A novolaks (SU8 Shell Chemical AG) and oligomers based on bisphenol A diglycidyl ethers (Rütapox 0191, Bakelite AG) such as the aforementioned EPON SU-8 as layer-forming materials in combination with e.g. Diepoxyoctane, 1, 2,5,8-diepoxycyclooctane,
  • Reactive resins are used for the buffer and cladding layers, which have the required refractive index contrast to the core material and can be thermally or combined UV / thermally cured.
  • Reactive resins e.g. Combinations of multifunctional epoxy compounds with aliphatic, cycloaliphatic or aromatic acid anhydrides in one
  • Phthalic, hydrophthalic and maleic anhydrides and aliphatic anhydrides with a carbon chain length of 2-5 are particularly suitable.
  • Other material combinations are polyfunctional epoxy compounds with phenolic hardeners, for example novolaks, which are added in a concentration of 5-50% by weight.
  • Combined UV / thermal curing are e.g. with dual-functional resins, e.g. Rütapox VE 4360 / R, Bakelite AG, possible, which both a UV radical initiator such as Genocure BDK, Rahn AG, or Irgacure, Ciba Geigy, in amounts of approx. 0.5-2% by weight, as well as a thermal hardener, e.g. an acid anhydride in a concentration of 5-50% by weight was added.
  • dual-functional resins e.g.
  • a UV radical initiator such as Genocure BDK, Rahn AG, or Irgacure, Ciba Geigy
  • a thermal hardener e.g. an acid anhydride in a concentration of 5-50% by weight was added.
  • a total refractive index difference of more than approx. 0.003 between the cladding and core material is necessary for light conduction through total reflection.
  • This can be achieved on the one hand by using a photostructurable reactive resin on a different chemical basis for the core material, for example by using novolak-based vinyl esters, which are commercially available, for example, under the trade name Bakelite EPA 05173, Bakelite AG.
  • the required refractive index contrasts can also be achieved by mixing in different monomers with basically the same chemical basis.
  • the addition of aliphatic oligomers or monomers can lower the refractive index, which Ruano et al., Loc. Cit. Attribute that long aliphatic chains are trapped in the polymer network.
  • an additive is of course particularly preferred since, as explained above, it lowers the glass transition temperature of the uncrosslinked material.
  • Suitable photo starters for cationic polymerization are known initiators such as e.g. Sulfonium, iodonium and phosphonium salts, which the reaction mixture in a
  • Triarylsulfonium hexafluoroantimonate, hexafluorophosphate or also mixtures of triarylsulfonium hexafluoroantimonate and thiophenoxytriarylsulfonium hexafluoroantimonate which are commercially available under the trade name UVE from General Electric Company or UVI-6974 and UVI 6990 from Union Carbide, are customary
  • the radical curing of vinyl esters can be carried out using UV radical initiators such as Genocure BDK, Rahn AG, or Irgacure, Ciba Geigy, which are added in amounts of approx. 0.5-2% by weight.
  • UV radical initiators such as Genocure BDK, Rahn AG, or Irgacure, Ciba Geigy, which are added in amounts of approx. 0.5-2% by weight.
  • the selected material combinations are in organic solvents, e.g.
  • GBL Gamma-butyrolactone
  • PGMEA propylene glycol monomethyl ether acetate
  • MPA methoxypropylacetate
  • the crosslinking which is triggered purely thermally or in the presence of a photo starter by UV exposure with subsequent thermal treatment, changes the flowability and the glass transition temperatures. The dependence on the thermal treatment is used according to the invention for the realization of a perfect multilayer composite.
  • the processing conditions are chosen such that reactive groups are still present in the individual layers of the planar optical waveguide. This is achieved because the crosslinking process is interrupted as soon as the layers are insoluble and are no longer changed by subsequent coatings.
  • this is the case with a material combination of EPON SU-8 and Rütapox 0191 with aromatic, aliphatic or cycloaliphatic diglycidethers with a share of 5 - 30% with a thermal treatment below a temperature of approx. 140 ° C and with a share of 10 - 30 wt .-% of an aliphatic or cycloaliphatic acid anhydride reached at about 160 ° C.
  • the invention relates to the production of a multilayer composite with optical waveguides, the buffer, waveguide and cladding layers of the planar optical waveguides consist of a combination of multifunctional aromatic, aliphatic and cycloaliphatic reactive resins, a refractive index difference between the different materials preferably being caused by the fact that the aromatic component in the photolithographically structurable waveguide layer is higher than in the thermally or photochemically / thermally crosslinkable buffer or cladding layer.
  • these materials are still in a reactive state as defined above and only reach directly in a multilayer composite under pressure and temperature with a laminate if the waveguide was previously embedded in a cover cladding in the usual way, or with a coated one Laminate, if the waveguide has not previously been embedded, the final curing.
  • reactive state is to be understood to mean a state in which the buffer and cladding layers become insoluble, but the crosslinking process was interrupted before the final curing, so that reactive groups are still available for covalent connection to the neighboring layers.
  • the proportion of aliphatic or cycloaliphatic constituents in the buffer or cladding layer is preferably 5-30% by weight, more preferably 10-20% by weight, above that in the waveguides.
  • the weight fraction of these components in the buffer layers in these cases preferably being 10-30% by weight higher than in the waveguides. It is very particularly preferred if the starting materials both for the buffer layers and for the waveguide structures contain at least 5% by weight, based on the total weight of the constituents of the organic resin, and preferably 10-15% by weight of monomers.
  • the actual amount should depend on the glass transition temperature of the respective starting material achieved with this measure, which, as mentioned above, is preferably below 45 ° C., more preferably below 40 ° C. and very particularly preferably around 35 ° C. or even below.
  • the reactive resins themselves can consist of aromatic, aliphatic and / or cycloaliphatic epoxy and / or vinyl resins.
  • the proportions of aliphatic or cycloaliphatic epoxides in the materials provided for the buffer layers include diepoxyoctane, 1, 2,5,8-diepoxycyclooctane, 1, 4-butanediol diglycidyl ether, 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexyl caboxylate, 7-Oxabicylo (4.1.0) - heptane-3-carboxylate, 7-Oxabicylo (4.1.0-) hept-3-ethyl ester hexahydrophthalic acid diglycide ester and polypropylene glycol bisglycidyl ether, and / or the proportions of aliphatic or cycloaliphatic acid anhydrides in these materials, succinic acid and tetrahydrophthalic anhydride.
  • Aromatic oligomers containing epoxy groups are preferably used as layer
  • poly (ethylene glycol) diacrylates poly (propylene glycol) diacrylates, tri (propylene glycol) diacrylates, tricyclo [5.2.1.02.6] decanedimethanol diacrylates, neopentyl glycol diacrylates are particularly suitable for this purpose .
  • Aromatic vinyl group-containing oligomers are preferably used as layer formers.
  • the curing is preferably carried out at a temperature of 180-200 ° C and a pressure of 15-25 kp / cm 2 .
  • the time period for this is relatively uncritical; a period of around 20-60 minutes is favorable.
  • polymer waveguides can be used.
  • a simulated soldering test showed that they survived 10x 230 ° C for 15 seconds without changing or even losing their optical properties. They are also very resistant to temperature changes: after a test with 100 subjects change from -40 ° C to
  • UVI 6674 (Union Carbide) as a photo starter.
  • the layer After UV flood exposure with a dose of 300 mJ / cm2 and a thermal treatment for 10 minutes at 160 ° C on a hot plate, the layer is insoluble in organic solvents.
  • the layer has a refractive index of
  • RÜTAPOX CY 110, 23.75 parts of RÜTAPOX 0162 and 52.5 parts of RÜTAPOX MNA are mixed homogeneously with stirring and then stirred at 100 ° C. for 4 h.
  • the mixture is then dissolved in 33.3 parts of methoxypropyl acetate and 0.8 parts of RÜTAPOX BDMA are added as accelerators.
  • the solution produced is worked onto an FR4 substrate with a gap width of 90 ⁇ m and then with a
  • the layer is insoluble in organic solvents.
  • Comparable refractive indices of the layers from Examples 1-4 are also on film supports such.
  • Example 5-1 (waveguide layer)
  • Example 5-2 (waveguide layer)
  • Example 5-1 is repeated, but with 73.5 parts of EPON SU-8 and 10 parts of bisphenol A diglycidyl ether instead of 83.5 parts of EPON SU-8.
  • the refractive index of the layer material remains unchanged from that of Example 5-1; the glass transition temperature is around 35 ° C.
  • Genocure BDK as a photo starter are dissolved in 100 parts of Bakelite EPA 05173 solution.
  • the solution prepared is worked onto an FR4 substrate with a gap width of 90 ⁇ m and then with a
  • the layer is UV-exposed at a dose of 300 mJ / cm 2 through a positive mask and then the structure layout of the mask is developed with a 1.5% sodium carbonate solution.
  • the exposed structures obtained are then thermally treated in a heating cabinet at 130 ° C. for 10 minutes. The determined
  • Example 1 A solution as described in Example 1 is used for the cladding layer.
  • the solution gives a layer thickness of approx. 120 ⁇ m after doctoring after UV flood exposure with a dose of 300 mJ / cm 2 and a thermal treatment at 140 ° C on a hot plate.
  • Example 2 A solution as set forth in Example 2 is used for the cladding layer.
  • the solution gives a layer thickness of approx. 120 ⁇ m after doctoring after UV flood exposure with a dose of 300 mJ / cm 2 and a thermal treatment at 160 ° C on a hot plate.
  • Example 10-1 multilayer composite
  • Example 2 Under the conditions set out in Example 1, an FR4 substrate of 10 ⁇ 10 cm and a thickness of 1.4 mm is coated. The waveguide layer is then applied under the conditions mentioned in Example 5-1. The free
  • Waveguides are then knife-coated according to Example 7, dried for 20 minutes at 140 ° C. and flood-exposed at a dose of 300 mJ / cm 2 .
  • the multilayer composite takes place in a press at a pressure of 22 kp / cm 2 and a temperature of 180 ° C.
  • the laminated waveguides have an average optical attenuation of ⁇ 0.5 dB / cm at 850 nm, with best values at ⁇ 0.3 dB / cm.
  • the glass temperature is above 180 ° C.
  • the optical attenuation value increases only slightly after simulated solder tests of 100 x 10 seconds at 230 ° C and after a 100-fold change from -40 to +125 ° C (TCT standard test).
  • Example 10-1 is repeated, but with a waveguide layer according to Example 5-2.
  • the laminated waveguides have a significantly lower optical attenuation with average values at about 0.2 dB / cm and a best value of 0.1 dB / cm at 850 nm.
  • the waveguides produced are distinguished by an excellent combination of Layers out of each other and to the substrate.
  • the optical attenuation value is maintained after simulated soldering tests of 100 x 10 seconds at 230 ° C and with a 100-fold change from -40 to +125 ° C (TCT standard test) without any signs of delamination of the multilayers.
  • a 1.4 mm thick FR4 8-inch substrate carrier is coated under the conditions specified in Example 2.
  • the waveguide layer is then applied under the conditions mentioned in Example 5-1.
  • the free waveguides are knife-coated according to Example 8, dried for 20 minutes at 160 ° C. and flood-exposed at a dose of 300 mJ / cm 2 .
  • the lamination process takes place in a press at a pressure of 20 kp / cm 2 and a temperature of 200 ° C.
  • the laminated waveguides have an average optical attenuation of ⁇ 0.5 dB / cm at 850 nm, with best values at
  • Example 11-1 is repeated, but with a waveguide layer according to Example 5-2.
  • the laminated waveguides have excellent optical attenuation with
  • the waveguides produced are characterized by an excellent bond between the layers and the substrate.
  • the optical attenuation value is retained after simulated solder tests of 100 x 10 seconds at 230 ° C and with a 100-fold change from -40 to +125 ° C (TCT standard test) without any signs of delamination of the multilayers.
  • Example 5-1 FR4-based substrate carrier coated.
  • the waveguide layer is then coated under the conditions mentioned in Example 5-1.
  • the free waveguides are then pressed with a laminate which has been coated with a cladding layer according to Example 8 at 180 ° C. and a pressure of 22 kp / cm.
  • the laminated waveguides have an optical attenuation of ⁇ 0.3 dB / cm at a
  • Example 4 An FR4 substrate of 10 ⁇ 10 cm 2 and a thickness of 1 mm is coated under the conditions set out in Example 4.
  • the waveguide layer is then applied and structured under the conditions mentioned in Example 6.
  • the free waveguides are then pressed with a laminate, which has been coated with a cladding layer according to Example 9, at 180 ° C. and a force of 30 kN for 20 minutes in a vacuum.
  • the laminated waveguides have an optical one

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Abstract

Die Erfindung betrifft Polymerwellenleiter mit guter Haftung der einzelnen Schichten untereinander sowie der Schichten zum Substrat, umfassend ein Basissubstrat aus einem organischen, ggf. mit anorganischen Partikeln oder Fasern verstärkten Material, vorzugsweise einem Epoxymaterial, eine untere Pufferschicht aus einem ersten Epoxy- und/oder Vinylpolymeren, eine Wellenleiterstruktur aus einem zweiten Epoxy- und/oder Vinylpolymeren, wobei die beiden Schichten in ihrer chemischen Grundzusammensetzung voneinander derart abweichen, dass die Wellenleiterstruktur einen um mindestens 0,003 abweichenden Brechungsindex bei Wellenlängen im Bereich zwischen 600 und 1000 nm besitzt, eine obere Pufferschicht mit demselben Brechungsindex wie ihn die untere Pufferschicht besitzt, und vorzugsweise ein Decksubstrat. Um die erwähnt gute Haftung zu erzielen, ist es günstig, wenn, vor allem im Falle des Einsatzes von Epoxyharzen, die untere Puffer- und die Wellenleiter-Schicht zuerst bis zu einer Temperatur von etwa 120-160°C, vorzugsweise von ca. 140°C, thermisch behandelt werden. Die Zeitdauer der Temperaturbehandlung spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Noch vorhandene reaktive Gruppen, beispielsweise Epoxydgruppen, bleiben hierbei reaktionsfähig. Dies ist eine Voraussetzung, um einen Verbund der Schichten untereinander und zu anderen Schichten, ggf. der oberen Pufferschicht (siehe unten) und insbesondere das Basis- und Decksubstrat, bei der später erforderlichen Bonding-Temperatur von 180°C oder noch darüber (200°C) und einem Druck von z.B. 5-20 bar zu erhalten. Eine gute Haftung lässt sich außerdem erzielen, wenn die Glasübergangstemperatur des als Ausgangsmaterial für die Schichten eingesetzten Harzes relativ niedrig ist. Eine Senkung dieses Parameters lässt sich beispielsweise über den Zusatz von Monomeren zu diesem Harz bewirken.

Description

Polymerwellenleiter für opto-elektronische Schaltungsträger
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Polymerwellenleiter-Verbund mit mindestens einem integrierten Wellenleiter, umfassend ein Basissubstrat, mindestens einen in Cladding-Schichten eingebetteten Wellenleiter sowie fakultativ ein Decksubstrat. Der
Verbund eignet sich für die Herstellung elektrisch-optischer Schaltungsträger (EOCB, Electrical Optical Circuit Boards).
Die zunehmenden Forderungen nach einem höheren Datentransfer und kürzeren Signallaufzeiten können mit herkömmlichen Leiterplatten nicht realisiert werden. Der zunehmende Bedarf an einem hohen und schnellen Datentransfer erfordert die Integration von Komponenten in einem System, die einerseits elektrische, andererseits optische Signale bzw. Informationen übertragen bzw. verarbeiten können. Derartige Systeme können eine flächenhafte oder räumlich-dreidimensionale Struktur besitzen. Optische Signale können hierbei über optische Wellenleiter übertragen werden. Diese befinden sich, eingebettet in Cladding-Schichten, in einem Mehrschichtverbund, der während nachfolgender Verarbeitungsschritte, darunter der Einbindung in den Schaltungsträger, hohen thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen standhalten muss, siehe z.B. W. Scheel, Optische Aufbau- und Verbindungstechnik in der elektrischen Baugruppenfertigung, Verlag Dr. Markus, A. Detert
Templin/Uckermark, Germany 2002.
Polymere, die solche Prozessanforderungen überstehen können, sind z.B. spezielle Polyacrylate, Vinylester, Polyimide, Polyarylenether, Polysiloxane, Polycyclobutane, Ormocere ® (Organisch modifizierte Keramiken, hergestellt vorwiegend aus Silan-
Ausgangskomponenten über die Sol-Gel-Technik) und Epoxydharze. Diesbezüglich sei insbesondere auf L. A. Hornak, Polymer for lightwave and integrated Optics, Marcel Dekker, Inc., AT&T Bell Laboratories, New York, 1993, verwiesen.
Beträchtlich eingeschränkt wird die Auswahl an geeigneten Polymeren, wenn zusätzlich hervorragende optische Eigenschaften, eine gute Schichtbildung in den erforderlichen Schichtdicken (> 50μm), eine gute Photostrukturierbarkeit und eine gute Haftfestigkeit sowohl der verschiedenen Schichten des Wellenleiters (Pufferschicht oder Cladding; Wellenleiter-Struktur oder Core) untereinander als auch an den jeweils für den Anwendungszweck geeigneten Substraten gefordert sind, wobei gerade die
Haftfestigkeit an für elektrisch-optische Schaltungsträger geeigneten Substraten besonders kritisch ist, da diese in der Regel relativ große Flächenabmessungen (z.B. übliche Leiterplatten-Formate von ca. 35x45 cm oder sogar darüber) besitzen. Nicht für Telekommunikationszwecke vorgesehene Wellenleiter-Verbünde werden häufig aus Photoresistmaterialien auf der Basis epoxydierter Bisphenol-A-Formaldehyd- Novolake (EPON SU-8 der Shell Chemical, EPIREX SU8 Hi-Tech Polymers, Louisville, KY) hergestellt. Günstig an diesen Materialien sind die Strukturen mit hohen
Aspektverhältnissen, steilen Kantenprofilen, die sich hiermit herstellen lassen, desgleichen die gute thermische Stabilität (siehe K.Y. Lee et al., J. Vac. Sei. Technol. B. 13(6), 3012-3016 (1995).
Die durch UV-Belichtung mit anschließender thermischer Behandlung erfolgende
Vernetzung dieser Materialien führt zu einer Änderung der thermischen, mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften des Materials. Dies wird nach der Lehre des US-Patents 5,054,872 dafür ausgenutzt, planare optische Wellenleiter aus einem einzigen Ursprungsmaterial zu erzeugen, wobei die Wellenleiter-Strukturen und die Cladding- oder Puffer-Schichten durch die einzelnen Behandlungsschritte unterschiedliche Brechungsindices erhalten sollen. Hierfür wird zunächst ein Substratmaterial mit einem SU8-Photoresist beschichtet und durch eine anschließende UV-Belichtung und thermische Behandlung vernetzt. Die anschließend aufgebrachte zweite Photoresistschicht wird über eine Negativmaske belichtet, wodurch nach thermischer Behandlung keine Vernetzung in den Wellenleiterstrukturen beobachtet werden kann. Die Überschichtung der Strukturen mit weiterem Photoresist und die nachfolgende UV-Belichtung und thermische Behandlung soll durch den unterschiedlichen Vernetzungsgrad in den Wellenleiterstrukturen und deren Umgebung eine Brechungsindex-Differenz von no = 0,005 ergeben. Dieser Brechungsindex- Kontrast wäre für eine Lichtleitung ausreichend. Die hergestellten Wellenleiter sollen bei einer Wellenlänge von 1300 nm eine optisch Dämpfung von 0,3 dB/cm besitzen. Von Vorteil ist bei diesem System, dass ein Nassentwicklungsschritt zur Strukturentwicklung entfällt und nur ein einziges chemisches Material zur Anwendung kommt.
Die Aushärtung gemäß des SU-8-Resists erfolgt gemäß der Lehre der US 5,054,872 nur sehr vorsichtig. Zwar sollten, wie in Spalte 10 unter „Thermal Fixing" beschrieben, 150°C in etwa erreicht werden, um den im Resist enthaltenen Photoinitiator zu zerstören, doch sollten keine höheren Temperaturen angewendet werden, da es über 150°C zu einer langsamen Nachvernetzung komme, die die Brechungsindex-Differenz zwischen Wellenleiterstrukturen und Cladding verringert oder sogar ganz aufhebt. In den allgemeinen Herstellungsvorschriften für spezifische Wellenleiterstrukturen ist dann allerdings nur noch von Aushärtungstemperaturen von 90°C, 110°C oder 120°C die Rede; die gemäß den Beispielen tatsächlich hergestellten Wellenleiter wurden keinen Temperaturen oberhalb von 90°C ausgesetzt.
Obwohl der Wellenleiterverbund gemäß US 5,054,872 in Hinblick auf Anwendungen in einem optoelektronischen Verbund entwickelt wurde, wie sich aus den einleitenden
Passagen dieses Patentes ergibt, ist er doch ganz offensichtlich nicht unter diesen Verbund simulierenden Bedingungen untersucht worden. Denn einerseits beschränken sich die Vorschläge für geeignete Substrate auf anorganische Materialien, während in Leiterplattenverbünden organische oder im wesentlichen organische Substrate vorteilhaft sind, und andererseits wird nicht berücksichtigt, dass die Temperaturen für das Bonden im Mehrschichtverbund deutlich über die Temperaturen hinausgehen, die für das beschriebene System gerade noch akzeptabel sind. Dieses System lässt sich daher nicht auf eine Anwendung in einem Leiterplattenverbund des eingangs beschriebenen Typs übertragen.
M. Kowatsch et al., VTE, Heft 5, Oktober 2001 schlagen die Herstellung eines planaren optischen Wellenleiters aus unterschiedlichen Materialkombinationen vor, die von vorneherein den notwendigen Brechungsindex-Unterschied besitzen oder nach erfolgter Endaushärtung erreichen und damit zu einer höheren Stabilität des Wellenleiters führen. Die Verfahrensschritte hierzu sind die folgenden: Als Pufferschicht wird eine
Reaktivharzkombination gewählt, die nach Aushärtung zu einem stabilen, vernetzten Polymeren führt. Diese Härtungsreaktion kann je nach verwendetem Reaktivharzsystem rein thermisch oder kombiniert durch UV-Flächenbelichtung und anschließende thermische Behandlung erfolgen. Die Pufferschicht (undercladding) vermittelt die Haftfestigkeit zum verwendeten Substrat und fungiert als optische
Mantelschicht zu den Wellenleitern (core). Die nachfolgende Beschichtung mit einem photoreaktiven Material mit einem höheren Brechungsindex wird über eine Positivmaske belichtet, und anschließend werden nach einer thermischen Behandlung die unbelichteten Anteile mit organischen oder wässrigen Lösungsmitteln entfernt und durch eine weitere thermische Behandlung gleichfalls zu einem stabilen Endzustand ausgehärtet. Durch Überschichten der so erhaltenen freiliegenden Strukturen mit einem Reaktivharzmaterial und anschließende thermische bzw. kombinierte UV- und thermische Härtung werden entsprechende Wellenleiterstrukturen für die Lichtleitung erhalten.
Eine derartige unterschiedliche Materialkombination wird auch von J.M. Ruano et. al., Monolithic Integration of microfluidic Channels and optical waveguides using a photodefinable epoxy, 17th IEEE International Conference on MEMS, 2004, Maastricht/NL und von Borreman et al., Proc. Symp. IEEE/LOES Benelux Chapter 2002b, Amsterdam, S. 83-86, vorgeschlagen. Borreman wählt für „große" Wellenleiter (10x10mm2) einen SU-8 Resist auf einem Borsilikat-Substrat und erzeugt aus diesem Material die Welleleiterstrukturen, die dann mit Polymethylmethacrylat als Deckschicht geschützt werden. Die Wellenleiter selbst werden einer Temperatur bis zu 150°C für die
Endaushärtung ausgesetzt. Der Wellenleiterverbund besitzt Dämpfungswerte im Bereich von 0,5 dB/cm in einem Fenster zwischen etwa 850 und 1300 nm. Ruano et al. beschichten einen oxidierten Siliziumwafer mit den Abmessungen 2,5x1 ,0 cm2 mit einem SU-8-Untercladding, dem eine geringe Menge eines flüssigen aliphatischen Epoxy-Harzes beigemischt ist, und entwickeln darauf Wellenleiterstrukturen aus reinem
SU-8. Durch die langen aliphatischen Ketten im SU-8-Netz ist der Brechungsindex der Cladding-Struktur im gewünschten Maße niedriger als der des reinen SU-8. Auf die Wellenleiterstrukturen wird eine Cladding-Schicht aufgebracht; eine vierte Schicht aus SU-8 wird auf ein Decksubstrat aus Pyrex-Glas aufgebracht, dort verfestigt und in einem nicht näher definierten Bonding-Prozess mit der Deckschicht verbunden, um die bei diesem Verfahren entstehenden Mikrokanäle oder analytische Kammern zwischen den Wellenleiter-Strukturen abzudecken. Das Pyrexglas soll anschließend, nach weiteren Schritten wie Ultraschall-Behandlung, abgenommen werden, was allerdings zu Schwierigkeiten führte. Der photolithographische Prozess erfolgt hier bei Temperaturen bis zu 90°C; es wird betont, dass keine Nachhärtung durchgeführt wird. Sie ist wohl auch nicht erforderlich, da das erhaltene Bauelement bei Raumtemperatur eingesetzt werden dürfte. Die optische Dämpfung liegt bei 1 ,1 dB/cm2.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wellenleiterstruktur mit Basis- und Decksubstrat bereitzustellen, die sich für eine optische Signalübertragung in elektrischelektronischen Schaltungsträgern eignet. Für solche optisch -elektrischen Schaltungsträger sind optische Materialien erforderlich, die auch in großflächigen, in der Leiterplattenfertigung üblichen Formaten einen innigen Verbund mit der Leiterplatte ermöglichen und bei einer Integration in diesen Verbund eine hohe thermische Beständigkeit besitzen. Außerdem müssen sie den bei Laminierungs- und Lötprozessen auftretenden Drücken widerstehen. Insbesondere soll die aufzufindende Wellenleiterstruktur eine Oberflächenpolarität besitzen, die sie mit organischen Substraten kompatibel macht und im bevorzugten Transmissionsbereich von etwa 600 bis etwa 1000 nm einen geringen Dämpfungswert, insbesondere von möglichst unter 0,2 dB/cm besitzt. Sie sollte ferner über einen längeren Zeitraum bei 180°C gehalten werden können, ohne ihre optischen Eigenschaften zu verändern oder zu verlieren, um in üblicher weise in einen Leiterplattenverbund der oben beschriebenen Art einlaminiert werden zu können. Die eingesetzten Materialien sollten in der Regel nicht fluoriert sein. Bei der Suche nach Lösungen dieser Aufgabe mussten die Erfinder feststellen, dass sich unter Zugrundelegen der aus dem Stand der Technik bekannten Parameter keine Wellenleiterstruktur erzeugen lässt, die die geforderten Bedingungen erfüllt.
Es ist den Erfindern jedoch gelungen, eine Wellenleiterstruktur bereitzustellen, umfassend ein Basissubstrat aus einem organischen Substratmaterial oder einem anorganisch modifizierten oder verstärkten organischen Substratmaterial, einer unteren Puffer- oder Claddingschicht aus einem ersten organischen Material, einer Wellenleiter- oder Corestruktur aus einem zweiten organischen Material, dessen Brechungsindex sich von dem des ersten organischen Materials um mehr als ca. 0,003 unterscheidet, einer oberen Puffer- oder Claddingschicht aus dem ersten organischen Material oder einem dritten organischen Material, das den gleichen Brechungsindex wie das erste organische Material besitzt, sowie vorzugsweise einem Decksubstrat, wiederum aus einem organischen Substratmaterial oder einem anorganisch modifizierten oder verstärkten organischen Substratmaterial.
Als Substrate bzw. Laminate kommen elektrisch isolierende Trägermaterialien, und darunter insbesondere organische, ggf. anorganisch modifizierte Kunststoffmaterialien in Betracht, wie sie in der Leiterplattenherstellung verwendet werden. Diesbezüglich sei auf M. Achternbosch und D. Brune, Stoffströme bei der Herstellung von Leiterplatten, Wissenschaftliche Berichte des Forschungszentrums Karlsruhe, Technik und Umwelt, FZKA 5854, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 1996, insbesondere S. 24-26, verwiesen, worin die gängigen Materialien sowie deren Anforderungsprofile aufgeführt sind. Das Grundmaterial der Substrate besteht in der Regel aus einem
Reaktionsharz wie einem Phenol- oder (multifunktionellen) Epoxidharz oder aus einem Novolak; gängig sind auch Bismaleimidtriazin/Epoxidharze, Cyanatester, Polyimide oder PFTE; alle für starre Träger. Als Verstärkungsmaterialien kommen Hartpapier, Glas, Quarz oder Kevlargewebe in Frage. Es können aber auch z.B. flexible Folien auf der Basis von Polyimid, Polyester, Polydicyclopentadien eingesetzt werden. Die
Materialien sind in der Regel flammgeschützt. Gängig sind FR2 aus Phenolharz, verstärkt mit Hartpapier, FR3 aus einem Epoxidharz, verstärkt mit Hartpapier, und FR4 aus einem Epoxidharz, verstärkt mit Glasgewebe.
Manche der Materialien, die für die Puffer- und Wellenleiterschichten erfindungsgemäß geeignet sind, zum Beispiel der von Ruano et al. eingesetzte SU-8 Resist, benötigen eine spezielle Beschichtungsaufbau-Technik. Denn sie sind, wie die Erfinder feststellen mussten, von Haus aus extrem spröde. Dies führt bei „konventioneller" Verarbeitung zu Produkten, die nach der Endvernetzung hohe innere Spannungen aufweisen. Haftungsprobleme und Mikrorisse sind die Folge, aber auch eine relativ starke optische Dämpfung. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung konnten jedoch feststellen, dass Haftungsprobleme und Mikrorisse dann vermieden und gute optische Dämpfungswerte dann erreicht werden, wenn die Einzelschichten des konzipierten optischen
Wellenleiterverbundes ihre Endstabilität erst im direkten Verbund mit einem Decksubstrat bzw. mit der Leiterplatte erhalten. Damit kann gewährleistet werden, dass kovalente Bindungen an den Grenzflächen der Einzelschichten zu einer hohen Haftfestigkeit und die noch vorhandene Fließfähigkeit zu einem innigen Verbund des Mehrschichtaufbaus führen. Generell lässt sich sagen, dass ein sehr guter Verbund der
Schichten untereinander und zu den Basis- und Decksubstraten erhalten wird, wenn, vor allem im Falle des Einsatzes von Epoxyharzen, die untere Puffer- und die Wellenleiter-Schicht zuerst bis zu einer Temperatur von etwa 120-160°C, vorzugsweise von ca. 140°C, thermisch behandelt werden. Die Zeitdauer der Temperaturbehandlung spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Ein thermische Behandlung der einzelnen
Schichten oberhalb von 160°C führt zunehmend zu einem schlechten Verbund.
Zu diesem Zweck wird auf einem organischen oder im Wesentlichen organischen Substrat eine Pufferschicht und darauf eine Wellenleiterstruktur nach bekannten Techniken aufgebracht. Nachstehend werden diese beispielhaft dargestellt. So kann der Substratträger mit einer Lösung, bestehend aus dem Puffer- bzw. Mantelmaterial (z.B. einer Materialkombination aus aromatischen und cycloaliphatischen Anteilen von Reaktivharz, siehe unten) beschichtet und danach getrocknet werden (Schritt 1 in Figur 1). Durch eine anschließende Vorhärtung, z.B. eine UV-Belichtung mit einer Dosis von ca. 150-650 mJ/cm2 und eine thermische Behandlung bei einer Temperatur von 100-
140°C erhält die Schicht eine ausreichende Stabilität für die Folgebeschichtung zur Herstellung der Wellenleiterkerne (Schritt 2 in Figur 1). Hierzu wird nach der Trocknung der aufgetragenen Schicht je nach verwendetem photostrukturierbarem Harz z.B. bei einer Temperatur von 120-140°C, bevorzugt bei 140°C, über eine Positivmaske mit dem Layout des zukünftigen Wellenleiters mit einer Dosis von 200-800 mJ/cm2, bevorzugt etwa 300 mJ/cm2, UV-belichtet. Falls erforderlich, erfolgt vor der Strukturentwicklung eine thermische Behandlung bei 90-140°C, bevorzugt bei 95- 120°C, und gegebenenfalls eine thermische Nachbehandlung nach dem Entwicklungsprozess bei einer Temperatur von 140°C (Schritt 3 in Figur 1). Unter den gewählten Bedingungen sind die Materialien in den Einzelschichten noch nicht ausgehärtet, sondern nur soweit stabilisiert, dass sie durch Folgebeschichtungen nicht angelöst werden. Sie sind aber durch die angegebene Temperaturbehandlung bereits so weit vernetzt, dass sie nicht mehr fließen können, und die erzeugten Wellenleiter verbleiben genau in der vorgesehenen Lage. Noch vorhandene reaktive Gruppen, beispielsweise Epoxydgruppen, im Grenzbereich der Schichten bleiben jedoch reaktionsfähig. Dies ist eine Voraussetzung, um einen Verbund der Schichten untereinander und zu anderen Schichten, ggf. der oberen Pufferschicht (siehe unten) und insbesondere das Basis- und Decksubstrat, bei einer Bonding-Temperatur von
180°C oder noch darüber (200°C) und einem Druck von 5-20 bar zu erhalten.
Im letzten Schritt werden die freien Wellenleiter mit einer Deckschicht versehen. Die hierfür verwendete Materialzusammensetzung, UV-Belichtung und thermische Härtung können denen der unteren Mantel- bzw. Pufferschicht entsprechen. Bevorzugt wird die
Wellenleiterstruktur jedoch anschließend nicht beschichtet. Stattdessen wird ein Decksubstrat, bei dem es sich um dasselbe Material wie das des Basissubstrats handeln kann, mit einer Schicht eines Materials wie für die untere Mantel- bzw. Pufferschicht beschrieben bedeckt. Diese Schicht ist entweder chemisch modifiziert (z.B. durch Einstellung der Reaktivität, z.B. durch Art und Menge der Zugabe einer
Härtersubstanz, z.B. ein Säureanhydrid) und/oder sie wird nur soweit wärmebehandelt, so dass sie fließfähig bleibt bzw. ihre Viskosität erlaubt, sich an von außen aufgeprägte Strukturen anzupassen. Eine geeignete Viskosität kann der Fachmann leicht auffinden; sie dürfte in der Regel im Bereich von ungefähr 10 Pa s oder darunter liegen. Der Verbund aus Substrat und dieser Schicht wird anschließend mit dem den freien Wellenleiter aufweisenden Aufbau verpresst. Dies geschieht vorzugsweise unter höheren Drücken und/oder erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 160-190°C und einer Kraft von 15-45 kN (unter Vakuum, Pressdauer ca. 10-30 min). Für die vollständige Aushärtung sind dann Temperaturen erforderlich, die oberhalb 200°C liegen.
Alternativ wird die obere Pufferschicht wie für die untere Pufferschicht aufgebracht und vorgehärtet; die Endaushärtung erfolgt dann mit einem Decksubstrat unter den oben angegebenen Drücken und Temperaturen.
Eine andere günstige Maßnahme, unabhängig vom gewählten Verfahren beim Beschichtungsaufbau, sieht den Einsatz von Materialien mit spezifischen Eigenschaften vor. Wie bereits oben erwähnt, kann die Sprödigkeit gewisser Materialien problematisch sein. Der kommerziell erhältliche SU-8 Resist beispielsweise besteht aus dem Grundharz EPON SU-8, einem hauptsächlich octamer vorliegenden Oligomer aus dem
Baustein Bisphenol A-Diglycidether, siehe beispielsweise US 5,054,872, in Kombination mit Lösungsmittel (gamma-Butyrolacton) und Photostarter (einem Onium-Salz). EPON SU-8 besitzt eine Glastemperatur im unvernetzten Zustand von etwa 55-65°C. Prinzipiell lassen sich erfindungsgemäß Materialien einsetzen, die vor der Vernetzung eine Glasübergangstemperatur im Bereich von etwa 30°-100°C, bevorzugt von etwa 35- 80°C besitzen. Im ausgehärteten Zustand liegt die Glasübergangstemperatur oberhalb 150°C, vorzugsweise oberhalb 180°C. Werden Materialien mit einer Glasübergangstemperatur im unteren Teil des angegebenen Bereichs eingesetzt, beispielsweise von unter 50°C, vorzugsweise von 45°C oder darunter und ganz besonders bevorzugt von ca. 30°-40°C (z.B. 35°C), lässt sich ein Verspröden vermeiden und ein guter Verbund der Schichten untereinander und zum Substrat erreichen, unabhängig von den konkret jeweils gewählten Bedingungen für den Aufbau der Wellenleiterstruktur. Die Glastemperatur lässt sich beispielsweise dadurch senken, dass den Materialien Monomere zugesetzt werden. Diese wirken dann in der Harzmischung wie ein Weichmacher. Beispielsweise konnte festgestellt werden, dass insbesondere der Zusatz von mehrfunktionellen Epoxydmonomeren zu Epoxyharzen ein Verspröden verhindern kann. So kann ein Zusatz von ca. 10 Gew.-% monomerem Bisphenol A-Diglycidether zum EPON SU-8 Grundharz die Glastemperatur (im unvernetzten Zustand) um ca. 20-30°C senken. Es konnte festgestellt werden, dass das Polymermaterial selbst bei Temperaturen von 150°C oder darüber bei Zusatz dieses oder anderer Monomere keine Versprödung zeigte. Die genannte Maßnahme kann auf Wunsch entweder für die Puffer- und/oder die Wellenleiterschichten gewählt werden; vorzugsweise werden für alle Materialien des Wellenleiterverbunds solche ausgewählt, die eine niedrige Glasübergangstemperatur aufweisen.
Selbstverständlich lassen sich die oben genannten vorteilhaften Maßnahmen bezüglich des für den Wellenleiter-Aufbau gewählten Temperatur-Regimes zum Erhalt der Reaktivität des Harzes vor dem Bonden und der Wahl von Ausgangsmaterialien mit geringer Glasübergangstemperatur bei Bedarf oder auf Wunsch auch miteinander kombinieren.
Für die Erfindung geeignete Materialkombinationen für die Puffer- bzw. Mantelschichten wie auch die Wellenleiter- oder Kernstrukturen sind Kombinationen aus sogenannten Reaktivharzen. Darunter sind insbesondere Epoxidharze zu nennen, aber auch Vinylharze. Beispiele sind Epoxide, die aus multifunktionellen Bisphenol A-Novolaken, (SU8 Shell Chemical AG) und Oligomeren auf der Basis von Bisphenol A-Diglycidethern (Rütapox 0191 , Bakelite AG) wie das vorerwähnte EPON SU-8 als schichtbildende Materialien im Kombination mit z.B. Diepoxyoctan, 1 ,2,5,8-Diepoxycyclooctan,
4-Butandioldiglycidether, 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexyl-carboxylat, 7-Oxabicyclo(4.1.0-)heptan-3-carboxylat, 7-Oxabicyclo(4.1.0-)hept-3-ethylester, Hexahydrophthalsäurediglycidester und Polypropylenglykolbisglycidether bestehen oder diese Substanzen - vorzugsweise hauptsächlich - enthalten. Einige dieser Materialien sind kommerziell unter den Handelsnamen Araldit CY 179, Araldit MY740 der Firma Ciby Geigy, ER 4221 der Firma Union Carbide und DER der Firma Dow Chemical verfügbar.
Für die Puffer - und Mantelschicht werden Reaktivharze eingesetzt, die den geforderten Brechungsindexkontrast zum core-Material aufweisen und thermisch bzw. kombiniert UV/thermisch gehärtet werden können. Möglich sind hierzu neben den oben erwähnten Materialien z.B. Kombinationen mehrfunktioneller Epoxydverbindungen mit aliphatischen, cycloaliphatischen bzw. aromatische Säureanhydriden in einer
Konzentration von 5 - 50 Gew.-%, bevorzugt 10-30 Gew.-%. Besonders geeignet sind Phthalsäure-, Hydrophthalsäure- und Maleinsäureanhydride sowie aliphatische Anhydride mit einer Kohlenstoff-Kettenlänge von 2 - 5. Weitere Materialkombinationen sind mehrfunktionelle Epoxydverbindungen mit phenolischen Härtern, beispielsweise Novolaken, die in einer Konzentration von 5 - 50 Gew.-% zugesetzt werden.
Kombinierte UV/thermische Härtungen sind z.B. mit dualfunktionellen Harzen, wie z.B. Rütapox VE 4360/R, Bakelite AG, möglich, denen sowohl ein UV-Radikalinitiator wie z.B. Genocure BDK, Rahn AG, oder Irgacure, Ciba Geigy, in Mengen von ca. 0.5 - 2 Gew.-%, als auch ein thermischer Härter, z.B. ein Säureanhydrid in einer Konzentration von 5 - 50 Gew.-%, zugesetzt wurde.
Für die Lichtleitung durch Totalreflexion ist eine Brechungsindexdifferenz von mehr als ca. 0,003 zwischen Mantel- und Kernmaterial notwendig. Dies kann zum einen durch Verwendung eines photostrukturierbaren Reaktivharzes auf anderer chemischer Basis für das Kernmaterial erreicht werden, z.B. durch Einsatz novolakbasierter Vinylester, die z.B. unter dem Handelsnamen Bakelite EPA 05173, Bakelite AG, kommerziell erhältlich sind. Zum anderen können die geforderten Brechungsindex-Kontraste auch durch Einmischen verschiedener Monomere bei prinzipiell gleicher chemischer Basis erreicht werden. Insbesondere kann ein Zusatz von aliphatischen Oligomeren oder Monomeren den Brechungsindex erniedrigen, was Ruano et al., a.a.O. darauf zurückführen, dass lange aliphatisch Ketten im Polymernetz eingefangen sind. In Form von Monomeren ist ein Zusatz natürlich besonders bevorzugt, da er wie oben erläutert die Glasübergangstemperatur des unvernetzten Materials herabsetzt. So führt ein Anteil von beispielsweise 10 Gew.-% eines aliphatischen Diepoxyds wie z.B. 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexyl-carboxylat in einem mehrfunktionellen epoxydierten Novolak wie z.B. EPON SU-8 zu einem Brechungsindexkontrast von Δn = 0,007 nach UV-Belichtung in Gegenwart eines Photostarters und einer thermischen Behandlung bei 180°C; der Zusatz des Monomeren setzt außerdem die Glasübergangstemperatur um ca. 20-25K herunter.
Geeignete Photostarter für die kationische Polymerisation sind bekannte Initiatoren wie z.B. Sulfonium-, lodonium- und Phosphoniumsalze, die dem Reaktionsgemisch in einer
Konzentration von 0,5 - 10 Gew.- %, bevorzugt 2 - 5 Gew.-% hinzugefügt werden. Üblich sind Triarylsulfoniumhexafluoroantimonat, -hexafluorophosphat oder auch Gemische aus Triarylsulfoniumhexafluoroantimonat und Thiophenoxytriarylsulfonium- hexafluoroantimonat, die unter dem Handelsnamen UVE der Firma General Electric Company bzw. UVI-6974 und UVI 6990 der Firma Union Carbide kommerziell zur
Verfügung stehen. Die radikalische Härtung von Vinylestern kann mit UV- Radikalinitiatoren wie z.B. Genocure BDK, Rahn AG, oder Irgacure, Ciba Geigy, die in Mengen von ca. 0.5 - 2 Gew.-% zugesetzt werden, initiiert werden.
Die ausgewählten Materialkombinationen werden in organischen Lösungsmitteln, z.B.
Gammabutyrolacton (GBL), Propylenglykolmonomethyletheracetat (PGMEA), Methoxypropylacetat (MPA) gelöst, und die Beschichtung erfolgt durch übliche Verfahrenstechniken, wie z.B. Aufschleudern, Rakeln oder Gießen. Es kommen vorrangig solche Kombinationen zur Anwendung, die nach Entfernung des Lösungsmittels zu klebfreien Schichten führen. Die Vernetzung, die rein thermisch oder in Gegenwart eines Photostarters durch UV- Belichtung mit anschließender thermischer Behandlung ausgelöst wird, verändert die Fließfähigkeit und die Glasübergangstemperaturen. Die Abhängigkeit von der thermischen Behandlung wird erfindungsgemäß für die Realisierung eines einwandfreien Mehrschichtverbundes genutzt.
Die Verarbeitungsbedingungen werden, wie oben ausgeführt, so gewählt, dass noch reaktive Gruppen in den Einzelschichten des planaren optischen Wellenleiters vorhanden sind. Dies wird erreicht, weil der Vernetzungsprozeß unterbrochen wird, sobald die Schichten unlöslich sind und durch Folgebeschichtungen nicht mehr verändert werden. Zum Beispiel wird dies bei einer Materialkombinationen aus EPON SU-8 und Rütapox 0191 mit aromatischen, aliphatischen bzw. cycloaliphatischen Diglycidethern mit einem Anteil von 5 - 30 % bei einer thermischen Behandlung unterhalb einer Temperatur von ca.140 °C und bei einem Anteil von 10 - 30 Gew.-% eines aliphatischen bzw. cycloaliphatischen Säureanhydrids bei ca. 160°C erreicht.
Die Erfindung betrifft zusammengefasst die Herstellung eines Mehrschichtverbundes mit optischen Wellenleitern, wobei die Puffer-, Wellenleiter- und Mantelschicht des planaren optischen Wellenleiters aus einer Kombination mehrfunktioneller aromatischer, aliphatischer und cycloaliphatischer Reaktivharze bestehen, wobei eine Brechungsindex-Differenz der verschiedenen Materialien vorzugsweise dadurch hervorgerufen wird, dass der Aromatenanteil in der photolithographisch strukturierbaren Wellenleiterschicht höher ist als in der thermisch bzw. photochemisch/thermisch vernetzungsfähigen Puffer- bzw. Mantelschicht. Bei der Herstellung des Verbundes befinden sich diese Materialien noch in einem reaktiven Zustand wie oben definiert und erreichen erst im Mehrschichtverbund unter Druck und Temperatur mit einem Laminat direkt, wenn der Wellenleiter zuvor auf übliche Weise in ein Deck-Cladding eingebettet wurde, oder mit einem beschichteten Laminat, wenn der Wellenleiter zuvor nicht eingebettet wurde, die Endaushärtung.
Unter dem Ausdruck "reaktiver Zustand" soll dabei ein solcher Zustand verstanden werden, in dem die Puffer- und Mantelschicht Unlöslichkeit erreichen, der Vernetzungsprozeß aber vor der endgültigen Aushärtung unterbrochen wurde, so dass noch reaktive Gruppen zur kovalenten Verbindung an die Nachbarschichten zur Verfügung stehen.
Der Anteil an aliphatischen bzw. cycloaliphatischen Bestandteilen in der Puffer- bzw. Mantelschicht liegt vorzugsweise 5 -30 Gew.-%, stärker bevorzugt 10 -20 Gew.-% über dem in den Wellenleitern. Wie voranstehend erwähnt, ist es günstig, diese in Form aliphatischer bzw. cycloaliphatischer Säureanhydride einzuarbeiten, wobei der Gewichtsanteil dieser Bestandteile in den Pufferschichten in diesen Fällen vorzugsweise 10- 30 Gew.% höher ist als in den Wellenleitern. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Ausgangsmaterialien sowohl für die Pufferschichten als auch für die Wellenleiterstrukturen mindestens 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der das organische Harz bildenden Bestandteile, und vorzugsweise 10-15 Gew.-% Monomere enthalten. Die tatsächliche Menge sollte von der mit dieser Maßnahme erzielten Glastemperatur des jeweiligen Ausgangsmaterials abhängen, die wie vorstehend erwähnt vorzugsweise unter 45°C liegt, stärker bevorzugt unter 40°C und ganz besonders bevorzugt bei etwa 35°C oder sogar noch darunter. Die Reaktivharze (Grundharze ohne die genannten Zusätze) selbst können aus aromatischen, aliphatischen und/oder cycloaliphatischen Epoxyd- und/oder Vinylharzen bestehen.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Anteile an aliphatischen bzw. cycloaliphatischen Epoxyden in den für die Pufferschichten vorgesehenen Materialien Diepoxyoctan, 1 ,2,5,8-Diepoxycyclooctan, 1 ,4-Butandioldiglycidether, 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3.4-epoxycyclohexylcaboxylat, 7-Oxabicylo(4.1.0)- heptan-3-carboxylat,7-Oxabicylo(4.1.0-)hept-3-ethylester Hexahydrophthalsäurediglycidester und Polypropylenglykol-bisglycidether, und/oder die Anteile an aliphatischen bzw. cycloaliphatischen Säureanhydriden in diesen Materialien Bernsteinsäureanhydrid und Tetrahydrophthalsäureanhydrid. Als Schichtbildner werden vorzugsweise aromatische epoxydgruppenhaltige Oligomere eingesetzt.
Werden für die jeweiligen Komponenten aliphatische bzw. cycloaliphatische Vinylharze eingesetzt, so eignen sich hierfür insbesondere Poly(ethyleneglycol) diacrylate, Poly(propylene glycol) diacrylate, Tri(propyleneglycol) diacrylate, Tricyclo[5.2.1.02,6]decanedimethanol diacrylate, Neopentyl glycol diacrylate,
Di(ethylene glycol) diacrylate, Glycerol 1 ,3-diglycerolate diacrylate, 1 ,6-Hexanediol diacrylate, 1 ,3-Butanedioldiacrylate, Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate. Als Schichtbildner werden vorzugsweise aromatische vinylgruppenhaltige Oligomere eingesetzt.
Die Aushärtung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 180 -200 °C und einem Druck von 15 -25 kp/cm2 durchgeführt. Die Zeitdauer hierfür ist relativ unkritisch; günstig ist ein Zeitraum von etwa 20-60 Minuten.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich Polymerwellenleiter mit
Dämpfungswerten von unter 0,2 d B/cm, in günstigen Fällen sogar 0,1 dB/cm erreichen. Bei einem simulierten Löttest konnte festgestellt werden, dass sie 10x 230°C für 15 Sekunden überstehen, ohne ihre optischen Eigenschaften zu verändern oder gar einzubüßen. Sie sind außerdem sehr widerstandsfähig gegenüber Temperaturwechseln: Nach einem Versuch mit 100 fächern Wechsel von -40°C nach
+125°C waren die optischen Eigenschaften ebenfalls unverändert.
Ohne Anspruch auf Vollständigkeit sollen die nachfolgenden Beispiele die Erfindung näher erläutern.
Beispiel 1 (Pufferschicht)
Unter Rühren und Gelblicht werden 60 Teile EPON SU-8, 6,6 Teile Araldit CY 179 in 30 Teilen γ-Butyrolacton gelöst und 3,3 Teile UVI 6674 (Union Carbide) als Photostarter hinzugeben. Die hergestellte Lösung ergibt bei einer
Schleudergeschwindigkeit von 3000 U/min auf 10 x10 cm FR4-Su betraten und anschließender Trocknung bei einer Temperatur von 140 °C eine Schichtdicke von ca. 40 μm. Nach erfolgter UV-Flutbelichtung mit einer Dosis von 300 mJ/cm2 und einer thermischen Behandlung von 10 Minuten bei 140°C auf einer Heizplatte ist die Schicht in organischen Lösungsmitteln unlöslich. Die Schicht besitzt einen Brechungsindex von 1 ,5718 (λ = 850 nm).
Beispiel 2 (Pufferschicht)
Unter Rühren und Gelblicht werden 59,8 Teile EPON SU-8, 8,1 Teile Tetrahydropthalsäureanhydrid (THP) in 30,6 Teilen γ-Butyrolacton gelöst und 1 ,3 Teile UVI 6674 (Union Carbide) als Photostarter hinzugeben. Die hergestellte Lösung ergibt bei einer Schleudergeschwindigkeit von 3000 U/min auf 10 x10 cm FR4-Substraten und anschließender Trocknung bei einer Temperatur von 180 °C eine Schichtdicke von ca. 40 μm. Nach UV-Flutbelichtung mit einer Dosis von 300 mJ/cm2 und einer thermischen Behandlung von 10 Minuten bei 160°C auf einer Heizplatte ist die Schicht in organischen Lösungsmitteln unlöslich. Die Schicht besitzt einen Brechungsindex von 1 ,5722 (λ = 850 nm).
Beispiel 3 (Pufferschicht)
Unter Rühren und Gelblicht werden 59,8 Teile RÜTAPOX 0191 , 8,1 Teile Tetrahydropthalsäureanhydrid (THP) in 30,6 Teilen γ-Butyrolacton gelöst und 1 ,3 Teile
UVI 6674 (Union Carbide) als Photostarter hinzugeben. Die hergestellte Lösung ergibt bei einer Schleudergeschwindigkeit von 3000 U/min auf 10 x10 cm FR4-Substraten und anschließender Trocknung bei einer Temperatur von 160 °C eine Schichtdicke von ca.
40 μm. Nach erfolgter UV-Flutbelichtung mit einer Dosis von 300 mJ/cm2und einer thermischen Behandlung von 10 Minuten bei 160°C auf einer Heizplatte ist die Schicht in organischen Lösungsmitteln unlöslich. Die Schicht besitzt einen Brechungsindex von
1 ,5718 (λ = 850 nm).
Beispiel 4 (Pufferschicht)
Unter Rühren werden 23,75 Teile RÜTAPOX CY 110 , 23,75 Teile RÜTAPOX 0162 und 52,5 Teile RÜTAPOX MNA homogen gemischt und danach 4 h bei 100°C gerührt. Die Mischung wird anschließend in 33,3 Teilen Methoxypropylacetat gelöst und 0,8 Teile RÜTAPOX BDMA als Beschleuniger hinzugeben. Die hergestellte Lösung wird auf ein FR4-Substrat mit einer Spaltbreite von 90 μm geräkelt und anschließend bei einer
Temperatur von 90 °C 15 Minuten getrocknet, so dass eine Schichtdicke von ca. 60 μm erhalten wird. Nach erfolgter thermischen Behandlung von 10 Minuten bei 150°C in einem Wärmeschrank ist die Schicht in organischen Lösungsmitteln unlöslich. Die Schicht besitzt einen Brechungsindex von 1 ,5324 (λ = 830 nm).
Vergleichbare Brechungsindices der Schichten aus den Beispielen 1-4 werden auch auf Folienträgern z. B. Topas (Cycloolefincopolymere) der Firma Ticona und Transphan (Polycyclopentadien- Copolymere) der Firma Lonza GmbH erzielt.
Beispiel 5-1 (Wellenleiterschicht)
Unter Rühren und Gelblicht werden 83,5 Teile EPON SU-8 in 14,7 Teilen γ-Butyrolacton gelöst und 1 ,7 Teile UVI 6674 (Union Carbide) als Photostarter hinzugeben. Die hergestellte Lösung ergibt bei einer Schleudergeschwindigkeit von 1000 U/min auf 10 x10 cm FR4-Substrat eine Schichtdicke von ca. 50 μm nach UV-Belichtung mit einer Dosis von 300 mJ/cm2 über eine Positivmaske und einer thermischen Behandlung von 10 Minuten bei 120°C auf einer Heizplatte. Die Entwicklung des Strukturlayout der Maske mit PGMEA führt zu steilen Profilkanten. Der ermittelte Brechungsindex liegt bei 1 ,5848 (λ = 850 nm).
Beispiel 5-2 (Wellenleiterschicht)
Beispiel 5-1 wird wiederholt, jedoch mit 73,5 Teile EPON SU-8 und 10 Teilen Bisphenol- A-Diglycidylether anstelle von 83,5 Teilen EPON SU-8. Der Brechungsindex des Schichtmaterials bleibt gegenüber dem von Beispiel 5-1 unverändert; die Glasübergangstemperatur liegt bei etwa 35°C.
Unter vergleichbaren Bedingungen ergeben folgende Zusammensetzungen die in der Tabelle 2 angeführten Brechungsindices.
Tabelle 2
Figure imgf000016_0001
Beispiel 6 (Wellenleiterschicht)
Unter Rühren und Gelblicht werden 2 Teile Genocure BDK als Photostarter in 100 Teilen Bakelite EPA 05173 - Lösung gelöst. Die hergestellte Lösung wird auf ein FR4- Substrat mit einer Spaltbreite von 90 μm geräkelt und anschließend bei einer
Temperatur von 90 °C 15 Minuten getrocknet, so dass eine Schichtdicke von ca. 60 μm erhalten wird. Die Schicht wird mit einer Dosis von 300 mJ/cm2 über eine Positivmaske UV-belichtet und anschließend das Strukturlayout der Maske mit einer 1.5%igen Sodalösung entwickelt. Die erhaltenen freiliegenden Strukturen werden anschließend 10 Minuten bei 130°C in einem Wärmeschrank thermisch behandelt. Der ermittelte
Brechungsindex liegt bei 1 ,5585 (λ = 850 nm).
Beispiel 7 (Mantelschicht)
Für die Mantelschicht wird eine Lösung, wie unter Beispiel 1 beschrieben, verwendet.
Die Lösung ergibt beim Aufrakeln eine Schichtdicke von ca.120 μm nach der UV- Flutbelichtung mit einer Dosis von 300 mJ/cm2 und einer thermischen Behandlung bei 140 °C auf einer Heizplatte. Der Brechungsindex liegt bei 1 ,5718 (λ = 850 nm).
Beispiel 8 (Mantelschicht)
Für die Mantelschicht wird eine Lösung, wie unter Beispiel 2 dargelegt, verwendet. Die Lösung ergibt beim Aufrakeln eine Schichtdicke von ca.120 μm nach UV-Flutbelichtung mit einer Dosis von 300 mJ/cm2 und einer thermischen Behandlung bei 160 °C auf einer Heizplatte. Der Brechungsindex liegt bei 1 ,5720 (λ = 850 nm).
Beispiel 9 (Mantelschicht)
Unter Rühren werden 23,75 Teile RÜTAPOX CY 110 , 23,75 Teile RÜTAPOX 0162, 52,5 Teile RÜTAPOX MNA und 0,8 Teile RÜTAPOX BDMA homogen gemischt. Die
Mischung wird auf ein FR4-Substrat mit einer Spaltbreite von 120 μm geräkelt und anschließend bei einer Temperatur von 100°C 30 Minuten in einem Wärmeschrank thermisch behandelt, so daß eine Schichtdicke von ca. 90 μm erhalten wird. Die Schicht besitzt einen Brechungsindex von 1 ,533 (λ = 830 nm). Beispiel 10-1 (Mehrschichtverbund)
Unter den in Beispiel 1 dargelegten Bedingungen wird ein FR4-Substrat von 10 x10 cm und einer Dicke von 1 ,4 mm beschichtet. Anschließend erfolgt das Auftragen der Wellenleiterschicht unter den in Beispiel 5-1 genannten Bedingungen. Die freien
Wellenleiter werden anschließend nach Beispiel 7 überrakelt, 20 Minuten bei 140 °C getrocknet und mit einer Dosis von 300 mJ/cm2 flutbelichtet. Der Mehrschichtverbund erfolgt in einer Presse bei einem Druck von 22 kp/cm2 und einer Temperatur von 180°C. Die laminierten Wellenleiter besitzen eine durchschnittliche optische Dämpfung von <0,5 dB/cm bei 850 nm, mit Bestwerten bei <0,3 dB/cm. Die Glastemperatur liegt oberhalb 180 °C. Der optische Dämpfungswert steigt nach simulierten Löttests von 100 x 10 Sekunden bei 230 °C und bei einem 100 fachen Wechsel von -40 nach +125 °C (TCT Standardtest) nur geringfügig an.
Beispiel 10-2 (Mehrschichtverbund)
Beispiel 10-1 wird wiederholt, jedoch mit einer Wellenleiterschicht gemäß Beispiel 5-2. Die laminierten Wellenleiter besitzen gegenüber denen des Beispiels 10-1 eine wesentlich geringere optische Dämpfung mit Durchschnittswerten bei etwa 0,2 dB/cm und einem Bestwert von 0,1 dB/cm bei 850 nm. Die hergestellten Wellenleiter zeichnen sich durch einen ausgezeichneten Verbund der Schichten untereinander und zum Substrat aus. Der optische Dämpfungswert bleibt nach simulierten Löttests von 100 x 10 Sekunden bei 230 °C und bei einem 100 fachen Wechsel von -40 nach +125 °C (TCT Standardtest) ohne Anzeichen von einem Delaminieren der Mehrfachschichten erhalten.
Beispiel 11-1 (Mehrschichtverbund)
Unter den in Beispiel 2 angeführten Bedingungen wird ein 1 ,4 mm dicker FR4 8-Zoll- Substratträger beschichtet. Anschließend erfolgt das Auftragen der Wellenleiterschicht unter den in Beispiel 5-1 genannten Bedingungen. Die freien Wellenleiter werden nach Beispiel 8 überrakelt, 20 Minuten bei 160 °C getrocknet und mit einer Dosis von 300 mJ/cm2 flutbelichtet. Der Laminierprozeß erfolgt in einer Presse bei einem Druck von 20 kp/cm 2 und einer Temperatur von 200 °C. Die laminierten Wellenleiter besitzen eine durchschnittliche optische Dämpfung von <0,5 dB/cm bei 850 nm, mit Bestwerten bei
<0,3 dB/cm. Der optische Dämpfungswert steigt nach simulierten Löttests von 100 x 10 Sekunden bei 230 °C und bei einem 100 fachen Wechsel von -40 nach +125 °C (TCT Standardtest) nur geringfügig an. Beispiel 11-2 (Mehrschichtverbund)
Beispiel 11-1 wird wiederholt, jedoch mit einer Wellenleiterschicht gemäß Beispiel 5-2. Die laminierten Wellenleiter besitzen eine ausgezeichnete optische Dämpfung mit
Durchschnittswerten bei etwa 0,2 dB/cm bei 850 nm und Bestwerten bei ca. 0,1 dB/cm. Die hergestellten Wellenleiter zeichnen sich durch einen ausgezeichneten Verbund der Schichten untereinander und zum Substrat aus. Der optische Dämpfungswert bleibt nach simulierten Löttests von 100 x 10 Sekunden bei 230 °C und bei einem 100 fachen Wechsel von -40 nach +125 °C (TCT Standardtest) ohne Anzeichen von einem Delaminieren der Mehrfachschichten erhalten..
Beispiel 12 (Mehrschichtverbund)
Unter den in Beispiel 1 angeführten Bedingungen wird ein 1 ,4 mm dicker 8-Zoll-
Substratträger auf FR4- Basis beschichtet. Anschließend erfolgt die Beschichtung der Wellenleiterschicht unter den in Beispiel 5-1 genannten Bedingungen. Die freien Wellenleiter werden anschließend mit einem Laminat, das mit einer Mantelschicht nach Beispiel 8 beschichtet wurde, bei 180 °C und einem Druck von 22 kp/cm verpreßt. Die laminierten Wellenleiter besitzen eine optische Dämpfung von < 0,3 dB/cm bei einer
Wellenlänge von 850 nm.
Beispiel 13 (Mehrschichtverbund)
Unter den in Beispiel 4 dargelegten Bedingungen wird ein FR4-Substrat von 10 x10 cm2 und einer Dicke von 1 mm beschichtet. Anschließend erfolgt das Auftragen der und Strukturieren der Wellenleiterschicht unter den in Beispiel 6 genannten Bedingungen. Die freien Wellenleiter werden anschließend mit einem Laminat, das mit einer Mantelschicht nach Beispiel 9 beschichtet wurde, bei 180 °C und einer Kraft von 30 kN 20 Minuten im Vakuum verpreßt. Die laminierten Wellenleiter besitzen eine optische
Dämpfung von < 0,3 dB/cm bei einer Wellenlänge von 850 nm.
* * * *

Claims

Ansprüche:
1. Polymerwellenleiter, umfassend - ein Basissubstrat aus einem organischen, ggf. mit anorganischen Partikeln oder Fasern verstärkten Material, - eine untere Pufferschicht aus einem ersten Epoxy- und/oder Vinylpolymeren, - eine Wellenleiterstruktur aus einem zweiten Epoxy- und/oder Vinylpolymeren, wobei die beiden Schichten in ihrer chemischen Grundzusammensetzung voneinander derart abweichen, dass die Wellenleiterstruktur einen um mindestens 0,003 abweichenden Brechungsindex bei Wellenlängen λ im Bereich zwischen 600 und 1000 nm besitzt, - eine obere Pufferschicht mit demselben Brechungsindex wie ihn die untere Pufferschicht besitzt, und vorzugsweise ein Decksubstrat.
2. Polymerwellenleiter nach Anspruch 1 , worin mindestens eines der Materialien, aus denen die untere, die obere Pufferschicht und der Wellenleiter gebildet sind, vor der Vernetzung des zugrunde liegenden Epoxy- und/oder Vinylharzes eine Glasübergangstemperatur von unter 45°C, vorzugsweise von unter 40°C besaß.
3. Polymerwellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle der genannten Materialien eine Glasübergangstemperatur von unter 45°C, vorzugsweise von unter 40°C besaßen.
4. Polymerwellenleiter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dass die untere und die obere Pufferschicht einen geringeren Aromatenanteil aufweist als der Wellenleiter.
5. Polymerwellenleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die untere und die obere Pufferschicht und der Wellenleiter aus einem Epoxy-Polymeren gebildet sind, wobei das Epoxy-Polymere der Pufferschichten einen höheren Anteil an aliphatischen oder cycloaliphatischen Gruppen enthält als das Epoxy- Polymere, aus dem der Wellenleiter gebildet ist.
6. Polymerwellenleiter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Pufferschichten und/oder der Wellenleiter aus einem Epoxyharz erzeugt wurde, dessen Ausgangs- Zusammensetzung 5-25 Gew.-%, vorzugsweise 10-20 Gew.-% Monomeranteil enthielt.
7. Polymerwellenleiter nach einem der voranstehenden Ansprüche, erhalten durch das Verpressen einer Struktur, die das Basissubstrat, die untere Pufferschicht und die Wellenleiterstruktur in einem Zustand umfasst, in dem der Wellenleiter in den für die Lösung unvernetzter Epoxydharze und/oder Vinylharze geeigneten organischen Lösemitteln nicht mehr löslich ist, mit einer auf einem Decksubstrat aufgebrachten oberen Pufferschicht, die eine solche Viskosität aufweist, dass sie beim Verpressen mit der Wellenleiterstruktur in deren Zwischenräume einfließen kann.
8. Polymerwellenleiter nach Anspruch 7, worin die untere und die obere Pufferschicht aus dem gleichen Polymermaterial bestehen.
9. Polymerwellenleiter nach Anspruch 7 oder 8, worin das Verpressen bei einer Temperatur zwischen 175°C und 200°C, vorzugsweise bei etwa 180°C und/oder bei einem Druck von 20-40, vorzugsweise etwa 30 kN erfolgt.
10. Polymerwellenleiter nach Anspruch 9, worin das Verpressen 10 bis 30 min, vorzugsweise etwa 20 min lang im Vakuum durchgeführt wird.
1. Verfahren zum Herstellen eines Polymerwellenleiters wie in einem der Ansprüche 1 bis 10 definiert, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Substrates aus einem organischen, ggf. anorganisch modifizierten Material - Beschichten des Substrats mit einem in einem geeigneten Lösungsmittel gelösten oder suspendierten oder gequollenen ersten Epoxy- und/oder Vinylharz, - Entfernen von Lösungsmittel aus der Schicht durch Trocknen bei erhöhter Temperatur, derart, dass gleichzeitig eine Anfangsvernetzung der im Harz enthaltenen reaktiven Bestandteile auftritt, - Vorhärten und/oder Belichten der so erhaltenen unteren Pufferschicht bei einer geeigneten Temperatur und/oder Lichtwellenlänge/Strahlungsdosis, derart, dass das Harz bereits eine so stabile Vernetzung ausbildet, dass es im eingesetzten Lösungsmittel nicht mehr löslich und formstabil ist, aber noch reaktive Gruppen besitzt, - Überschichten der Pufferschicht mit einem in einem geeigneten Lösungsmittel gelösten oder suspendierten oder gequollenen zweiten Epoxy- und/oder Vinylharz mit vom ersten Harz abweichender chemischer Zusammensetzung, das nach Polymerisation einen um mindestens 0,003 abweichenden Brechungsindex gegenüber dem ersten Harz nach dessen Polymerisation besitzt, - Entfernen von Lösungsmittel aus der Schicht durch Trocknen bei erhöhter Temperatur, -Belichten der Harzschicht durch eine Positivmaske mit einer Lichtwellenlänge/Strahlungsdosis derart, dass die Strukturen bereits eine so stabile Vernetzung ausbilden, dass sie im eingesetzten Lösungsmittel nicht mehr löslich sind, aber noch reaktive Gruppen besitzen, - Herauslösen des unbelichteten Harzes mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels unter Ausbildung von Wellenleiterstrukturen, - mildes thermisches Nachhärten der entwickelten Wellenleiterstrukturen, derart, dass sie formstabil sind und dass reaktive Gruppen der genannte Art verbleiben, - Überschichten der Wellenleiterstrukturen mit dem ersten oder einem dritten, in einem geeigneten Lösungsmittel gelösten oder suspendierten oder gequollenen Epoxy- und/oder Vinylharz, das nach Polymerisation denselben Brechungsindex aufweist wie das erste Harz, - Aushärten des so gebildeten Verbunds, ggf. in Gegenwart eines Decksubstrats, bei einer Temperatur, die oberhalb der für die vorgenannten Schritte und vorzugsweise mindestens 20°C über dieser liegt, und vorzugsweise unter erhöhtem Druck.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , worin das Harz zumindest teilweise aus einem Oligomeren des Bisphenol A-Diglycidylethers besteht und zumindest die untere Pufferschicht bei mindestens 140°C, bevorzugt bei mindestens 160°C und die Wellenleiterschicht bei mindestens 120°C, bevorzugt 130°C vorgehärtet werden und das Aushärten mindestens 20°C über der Temperatur der Vorhärtung der Pufferschichten und vorzugsweise bei 180-200°C erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 der 12, worin die obere Pufferschicht nach Aufbringen des Harzes auf die Wellenleiter-Schicht und vor dem Aushärten des Verbundes getrocknet und vorgehärtet und ggf. durch Bestrahlung vorvernetzt wird, derart, dass sie bereits eine so stabile Vernetzung ausbildet, dass sie im eingesetzten Lösungsmittel nicht mehr löslich ist, aber noch reaktive Gruppen besitzt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, worin das für die obere Pufferschicht vorgesehene Harz auf ein Decksubstrat aufgebracht und nur soweit vorgetrocknet und/oder vorvernetzt wird, dass es (zäh-)fließfähig bleibt, worauf die Struktur aus Basissubstrat, unterer Pufferschicht und nach oben freien Wellenleitern und die auf dem Decksubstrat befindliche obere Pufferschicht miteinander verpresst und bei erhöhter Temperatur ausgehärtet werden.
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