WO2005096682A2 - Vollintegrierte hybride optisch-elektrische leiterplatte - Google Patents

Vollintegrierte hybride optisch-elektrische leiterplatte Download PDF

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WO2005096682A2
WO2005096682A2 PCT/DE2005/000567 DE2005000567W WO2005096682A2 WO 2005096682 A2 WO2005096682 A2 WO 2005096682A2 DE 2005000567 W DE2005000567 W DE 2005000567W WO 2005096682 A2 WO2005096682 A2 WO 2005096682A2
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WO
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circuit board
layer
printed circuit
optoelectronic components
optical information
Prior art date
Application number
PCT/DE2005/000567
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Neyer
Rainer Michalzik
Original Assignee
Universität Dortmund
Universität Ulm
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0274—Optical details, e.g. printed circuits comprising integral optical means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H05K1/182—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components associated with components mounted in the printed circuit board, e.g. insert mounted components [IMC]

Definitions

  • the invention relates to a hybrid optical-electrical circuit board according to the preamble of claim 1 and a method for producing such an optical-electrical circuit board according to claim 28.
  • optical connection technologies for computer-internal data transmission have been investigated for years, since fiber optics do not show any antenna effect even at data rates down to the terabit / s range.
  • a technical problem that has to be solved for the realization of an optical connection technology between electrically working modules (processors) is the integration of optical and electrical line media in a module.
  • the so-called electrical-optical circuit board (EOLP) is a preferred solution for industrial use. It consists, for example, of a conventional multilayer circuit board in which the electrical Layers are added to an optical layer.
  • the light signals can be coupled into and out of the optical position, for example by means of micromirrors which are located at the ends of the waveguides.
  • thermoplastic stability On the subject of "temperature stability" it should be noted that this is determined by the conventional manufacturing process of a multilayer board, i.e. the temperature when laminating in at approx. 180 ° C must be withstood without damage for 2 hours and the reflow soldering temperature of 220 ° C for approx. 2 minutes. These requirements are only insufficiently met by the previously known thermoplastic systems.
  • the current preferred solution is the so-called micromirror solution, in which the ends of the waveguides are provided with 45 ° deflecting mirrors and the optical modules are adjusted precisely over the mirrors using dowel pins.
  • This solution is described in the publication by E. Griese, A. Himmler, K. Klinke, A. Koske, J.-R. Kropp, S. Lehmacher, A. Neyer, and W. Süllau, "Self-aligned coupling of optical transmitter and receiver modules to board-integrated optical multimode waveguides", in MRTaghizadeh et al.
  • the optoelectronic assemblies are introduced here on their own carrier boards through slots in the upper layers of the multilayer structure of the boards. Problems of such a solution are possible damage and contamination of the waveguide end faces when the slots are introduced into the circuit board, and a precise and stable coupling to the waveguide.
  • the object of the present invention is therefore to propose an optical-electrical circuit board and a production method therefor, in which a simple and reliable coupling of optoelectronic assemblies to the optical position in electrical-optical circuit boards is realized.
  • the invention is based on a generic printed circuit board with at least one optically conductive layer and at least one layer that transmits electrical information, in which information can be transmitted between optoelectronic components integrated into the optically conductive layer of the printed circuit board by means of the optically conductive layer.
  • a circuit board is further developed in that the optoelectronic components are completely embedded in the optical information-transmitting layer and only the electrical connections of the optoelectronic components are routed to the outside, the optoelectronic components being coupled to the optical information-transmitting optical fiber or the like via a direct butt coupling are.
  • the arrangement of the optoelectronic components ensures that these components are not attached to the circuit board outside in a manner prone to errors or mechanically unstable, or that they have to be arranged in large cutouts in the circuit board in such a way that an input or coupling into or out of the respective optoelectronic component of the light coming from or entering the light guide or the like is only possible in the first place.
  • both the optoelectronic components and the light guide are mechanically securely accommodated within the circuit board and are reliably protected against external influences such as contamination, mechanical loads or the like.
  • the light guides can in this case be formed in a basically known layer-like structure from a layer of laterally structured waveguide cores, each of which is surrounded on one side by a superstrate layer and a substrate layer and thus offers the required light-guiding properties. It is also conceivable to form the light-guiding layer from light-guiding fibers, such as glass fibers, which are already light-guiding and are completely embedded in the circuit board in this form.
  • the optical information-transmitting layer is accordingly understood - always in relation to the respective context - either the composite of waveguide cores, superstrate layer and substrate layer or the layer of the printed circuit board which contains light guides, for example in the form of fibers.
  • the invention provides that the optoelectronic components in the layer which transmits optical information can be inserted in registers which preferably form recesses and which precisely position the optoelectronic components relative to one another and to the light guides or the like.
  • the light-guiding elements for example, configured as waveguides, optical fibers or the like, and the optoelectronic components can be arranged with respect to one another in such a way that optimum transmission ratios are achieved over the optically conductive path.
  • the receptacles position the optoelectronic components relative to the printed circuit board and thus also relative to one another and to the light guides or the like, so that the butt coupling between the light guides or the like and the optoelectronic components is produced immediately after assembly.
  • the recordings can be prefabricated before the layer transmitting the optical information is produced.
  • separate positioning devices and depressions can be formed separately from the layer transmitting optical information in specially provided substrates, which can then be introduced into the optically conductive layer and used there for fixing the optoelectronic components and the light guides, preferably in the form of glass fibers.
  • an inexpensive type of prefabrication of such recordings can be realized through possibly specialized manufacturing processes.
  • the recordings take place simultaneously with the production of parts which transmit the optical information.
  • Layer preferably the waveguide cores or the like.
  • the basic idea here is to use the processes used to produce the optical information-transmitting layer at the same time to produce the recordings, again using a number of common processes such as casting techniques, molding techniques, photolithographic processes or ablative or applying processes from microstructure technology can find.
  • this can also be used to form the receptacles themselves from the same material as the waveguide cores or the like simultaneously with the production of the receptacles, and thus also to include any inaccuracies that may occur when the waveguide cores are later mounted in the optically conductive layer avoid.
  • the waveguide cores or the like are produced simultaneously with the receptacles in a simultaneous manufacturing process and only the optoelectronic components are to be inserted into the receptacles since the waveguide cores or the like are already present and are formed in one piece with the optically conductive layer.
  • the receptacles are formed as depressions within a common reference frame for a region of the layer which transmits the optical information and which has precisely arranged positioning elements for inserting and positioning the associated optoelectronic components.
  • a reference frame can also be used to great advantage in casting techniques, for example, to simultaneously serve as a border for doctoring and to assign all receptacles or functional components arranged within the reference frame in terms of size and position to one another.
  • the reference frame and the receptacles serve as a mounting mask for the components to be inserted into the optically conductive layer.
  • the receptacles as positioning elements for accommodating light guides, such as glass fibers or the like. It is assumed here that the light guides are produced as separate components, such as fibers, and that, after manufacture, the optoelectronic components are only introduced into the optically conductive layer after assembly. By the exact positioning of the light guide or the like through the positioning elements the recording allows a precise location of the light guide or the like to the optically conductive layer and thus to the optoelectronic components.
  • receptacles can also be provided as positioning elements for additional components, preferably for cooling elements, conductor elements or the like, which may be needed or are helpful for additional functions within the optically conductive layer. These, too, are then positioned and held correspondingly precisely and simply via the recordings.
  • the optoelectronic components can be precisely accommodated and positioned in receptacles within additional components, preferably within cooling or printed circuit board elements, which are themselves positioned again by the reference frame or its receptacles within the layer which transmits the optical information and are fixed.
  • This quasi-indirect positioning of the optoelectronic components in relation to the reference frame has the advantage of a simpler design of the reference frame, since not so many receptacles have to be provided for the individual components to be introduced, but rather, for example, with the additional components also pre-assembled in the optically conductive layer let insert.
  • cooling elements in the form of prefabricable heat-conducting elements preferably copper elements
  • additional components which have precisely fitting outer shapes for insertion into the reference frame or the associated receptacles and precisely fitting receptacles for the optoelectronic components.
  • a loss of accuracy is also to be avoided with regard to the dimensional assignment of optoelectronic components and reference frames.
  • circuit board elements can also be used advantageously for precise prepositioning of the optoelectronic components.
  • the optoelectronic components can be attached to the front of the circuit boards and can be connected to the high-frequency by a flip-chip technology or wire bonding technology. frequency lines of the circuit board are connected.
  • the circuit board elements can have precisely fitting outer shapes for insertion into the reference frame, as a result of which there is an exact dimensional assignment of the optoelectronic components and the light guides.
  • a conceivable embodiment provides that a separate reference frame is provided for each optoelectronic component, which specifies the exact position of the associated optoelectronic component and light guides or the like.
  • a separate reference frame is provided for each optoelectronic component, which specifies the exact position of the associated optoelectronic component and light guides or the like.
  • longer transmission paths can also be implemented via a light guide or the like, since the reference frame only defines the dimensions of the respective contact point between the light guide and the optoelectronic component and the light guide can then be of any length within the dimension of the circuit board.
  • each optical transmission link which specifies the exact position of optoelectronic components and light guides or the like to one another.
  • a separate reference frame is provided for each optical transmission link, which specifies the exact position of optoelectronic components and light guides or the like to one another.
  • the reference frame has the same layer thickness as the layer which transmits the optical information. This ensures full resilience of the optically conductive layer of the circuit board for the further processing steps, such as pressing as part of the application of further layers of the circuit board.
  • a covering layer is arranged above the layer which transmits the optical information and protects the layer which transmits the optical information.
  • a layer can be a further, for example also electrically conductive layer of the printed circuit board.
  • the at least one optically conductive layer will usually be surrounded by one or more electrically conductive layers on both sides.
  • Such an arrangement is useful, for example, when the light guides are formed from glass fibers, for example, since the glass fibers are inherently designed to be light-guiding and do not require any further optically effective layer for covering.
  • the so-called superstrate layer is used as the covering layer, which together with the waveguide core and the substrate layer also produces the optical conductivity of an optically conductive layer formed in this way. Subsequently, a further layer that conducts electrical signals can of course also be arranged.
  • optical waveguides or fibers with optical functions preferably polymer fibers or glass fibers, or the like.
  • Functional assemblies can be provided within the optically conductive layer in the context of this invention as optical fibers transmitting optical information, wherein here in a simplified manner one always speaks of optical fibers or the like.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), preferably transversely multi-mode VCSEL and / or photodiodes, preferably GaAs-based pin-type photodiodes or MSM photodiodes, are provided as optoelectronic components.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • Such optoelectronic components act as optical transmitters or optical receivers within optical transmission links and are generally known.
  • commercial VCSELs are modified with regard to their radiation behavior, their geometric configuration and their mechanical properties in order to be used in the context of the present invention. It is advantageous if both VCSEL and photodiodes are arranged in one-dimensional array structures.
  • the electrical contacting of the optoelectronic components takes place perpendicular to the layer which transmits the optical information to other electrically conductive layers of the printed circuit board via a film-like transparent carrier material, on which corresponding electrical conductor tracks are applied, which have contacts the optoelectronic components and contacts can be connected in at least one electrically conductive layer of the circuit board or in another circuit board.
  • the use of the film-like transparent carrier material has the advantage that this film-like carrier material can be passed through, for example, through recesses in the layers adjoining the optically conductive layer, and can then be bent back in the plane of the printed circuit board due to its flexibility, for example by bending to be able to be placed there on any existing solder contacts or other contacting options.
  • the flexibility of the film-like substrate material thus allows such a space-saving construction.
  • a Kapton film can be used as a film-like transparent carrier material.
  • the transparent support material it is also conceivable for the transparent support material to run between the optoelectronic component and the waveguide or the like in the region of the butt coupling. This also contributes to a further reduction in the size of these additional devices belonging to the optoelectronic component, since the film-like, transparent design can be used to arrange the carrier material in the area of the radiation exit of a VCSEL before this radiation exit in the area of the butt coupling and from the optically conductive layer lead out without affecting the optical properties of the transmission across the butt coupling, in another embodiment it is also conceivable that the film-like transparent carrier material has a recess in the area of light passage between the optoelectronic component and the light guide or the like in the area of the butt coupling having. As a result, the optical properties in the region of the transition at the butt coupling are not influenced at all, so that it is even conceivable to use an opaque carrier material here.
  • the film-like transparent carrier material can also form the carrier for VCSELs bonded thereon.
  • the VCSELs are simultaneously fastened to the film-like transparent support material and can be contacted with it towards the outside and can also be mounted with this support material at the same time.
  • the optoelectronic components can be electrically contacted with other electrically conductive layers of the circuit board by vias or microvias.
  • the vias or microvias are involved These are blind holes that are precisely positioned in the board after their lamination and filled with electrically conductive material.
  • the vias or microvias end on the contact pads of a high-frequency circuit board element on which the optoelectronic components are located and which was inserted in the reference frame to match the light guides.
  • the invention further relates to a method for producing a printed circuit board with at least one layer that transmits optical information and at least one layer that transmits electrical information.
  • a method in particular also for producing a printed circuit board, has as method steps that in a first step a reference frame of a region of the layer which transmits the optical information, the receptacles for the optoelectronic components and / or the Has light guides and / or other components, in a second step the optoelectronic components and possibly the light guides and / or other components are inserted into the receptacles and thereby positioned passively to one another, and the electrical connections of the optoelectronic components are led out perpendicular to the circuit board level and then the optical ones Pouring information-transmitting layer and / or laminated with a cover.
  • the positioning relative to one another that is relevant for the position of the individual components and optoelectronic components is established using a uniform manufacturing process, and at the same time simple assembly of these components is achieved.
  • complex adjustment work for coordinating the optical transmission behavior between the optoelectronic components and the light guides or the like can be avoided and a reliable function of the optical transmission paths can be ensured with comparatively simple assembly methods or the like.
  • the waveguide cores or the like when the light guides are configured as waveguides, and the reference frame are produced in one operation, preferably from the same material. As a result, further increases in accuracy can be achieved in that positional tolerances between the waveguide cores and the reference frame or the receptacles cannot even arise.
  • the reference frame and the receptacles formed therein as well as part of the layer which transmits the optical information are produced by means of a casting process using doctor blade technology.
  • temperature-stable polysiloxanes can be used as the casting material. Such methods are known in principle and can be applied to the present method in a modified manner.
  • the reference frame and the recordings formed therein, and in part the layer that transmits the optical information are produced by means of a photolithographic method, in a further embodiment, for example, laser direct writing or a mask exposure method.
  • a photolithographic method for example, laser direct writing or a mask exposure method.
  • polysiloxanes, polyurethanes, polyamides, acrylates, epoxides or combinations thereof can be used as photosensitive materials.
  • the reference frame and the receptacles formed therewith are produced from a starting material by means of application and / or removal laser processing methods and / or are introduced into the layer which transmits the optical information.
  • the drawing shows a particularly preferred embodiment of the printed circuit board according to the invention.
  • FIG. 1 shows a view of a printed circuit board according to the invention with a reference frame arranged thereon and receptacles for the light guides in a first production state
  • FIG. 3 the printed circuit board according to FIG. 2 with optoelectronic components mounted in the cooling elements
  • FIG. 4b shows a modified printed circuit board with light guides in the form of waveguide cores which are produced at the same time as the receptacles, as a connection between the optoelectronic components,
  • FIG. 7 shows a view of a further printed circuit board according to the invention with a reference frame arranged thereon and separate circuit board elements arranged in the reference frame for contacting the optoelectronic components by means of microvias,
  • FIG. 8 shows a longitudinal section through a printed circuit board according to FIG. 7 with separate circuit board elements arranged in the reference frame and recognizable microwires.
  • FIGS. 1 to 5 show a typical sequence of a method for producing a printed circuit board according to the invention in the form of an assembly and production plan, in which optoelectronic components 2 and Light guides 3 for the production of an optically conductive layer 15 are positioned and fixed to one another.
  • a substrate layer 7 can be seen, which serves as a substrate for the construction of the optically conductive layer 15 of the circuit board 16.
  • a reference frame 1 is applied to this substrate layer 7, which serves as a receptacle for cooling elements 6 and optoelectronic components 2 arranged in the cooling elements ⁇ . Between the optoelectronic components 2, as can be seen in more detail in FIG.
  • light guides 3 are arranged and positioned in receptacles 12, so that a so-called butt coupling between the optoelectronic components 2 and the light guides 3 is formed, which is a special one allows good transmission of light signals between the optoelectronic components 2 and the light guides 3.
  • Integrated optical waveguides, optical plastic fibers (POF) or glass fibers can be used here as light guides.
  • the reference frame 1 and the receptacles 12 for the light guides 3 are first applied or introduced onto the substrate layer 7 before the cooling elements 6 are inserted into the inner shape of the reference frame 1 according to FIG.
  • the reference frame 1 and the receptacles 12 for the light guides 3 can be produced, for example, by means of casting techniques or impression techniques or other methods of microstructure technology, with casting techniques advantageously being used by doctoring or photolithographic methods.
  • Another advantageous embodiment consists in that instead of the receptacles 12 for the light guides 3, when using such a method, the waveguide cores 3 'are also produced, as can be seen in more detail in FIG. 4b. This eliminates possible inaccuracies in the positioning of fibers or the like used as light guide 3.
  • the cooling elements 6, offer a possibility due to their outer shape to be positioned exactly in relation to the reference frame 1 in the reference frame 1, and on the other hand, they have a possibility via receptacles 11 for the optoelectronic components 2 to position and fix the optoelectronic components 2 very precisely relative to the receptacles 12 for the light guides 3 or the waveguide cores 3 ′ to be used.
  • the optoelectronic components 2 after assembly or Manufacture of the cooling elements 6 inserted into the receptacles 11 and thus positioned relative to the receptacles 12 or the waveguide cores 3 ' , so that the abovementioned shock coupling can be achieved.
  • the optoelectronic components 2 may be provided with separate receptacles (not shown) within the reference frame 1, which are applied directly to the substrate layer 7 or incorporated therein. These recordings, not shown, would thus be constructed analogously to the recordings 12 shown for the light guides 3.
  • the light guides 3 are then inserted into the receptacles 12 according to FIG. 4a and form the butt coupling with the optoelectronic components 2.
  • FIG. 4b shows the alternative production method, in which instead of the light guide 3 to be inserted separately in receptacles 12, the light is guided by waveguide cores 3 ' , which become optically effective through the connection with the substrate layer 7 and the superstrate layer 17 and in a common production process be produced together with the reference frame 1 and other recordings, not shown in detail.
  • corresponding counter-forms are produced as a preferred method of production by means of corresponding mask processes or other processes known from the mirostructure technology, into which, for example, the material of the reference frame 1 and the waveguide cores 3 'can be poured and scraped off. The resulting cast negative shape in the area of the waveguide cores 3 ' can then be seen in FIG.
  • the waveguide cores 3 ' are shown integrated on the substrate layer 7.
  • the cooling elements 6 and the optoelectronic components 2 are inserted analogously to the description of FIGS. 1 to 4a.
  • the optically conductive layer 15 is then understood to mean the entire composite of substrate layer 7, waveguide cores 3 ′ and superstrate layer 17.
  • the optoelectronic components 2 are each connected via a film-like carrier material 4 to a region outside the optically conductive layer 15, which is not shown in any more detail in which the foil-like carrier material 4 is contacted with the optoelectronic component 2 by means of conductor tracks 5 attached thereon and the end regions of the conductor tracks 5 are then placed in the manner shown in FIG. 6, for example in an electrical circuit board layer 9 on contacts there.
  • corresponding openings 18 (not shown in FIG. 5) must be provided in a cover layer (also not shown in FIG.
  • the remaining cavity in the area of the light guide 3 is potted, for example, with a corresponding material and a protective layer, not shown, is applied to the circuit board 16 above the optically conductive layer 15.
  • This cover layer also has the function of mechanically covering and thus protecting the optically conductive layer 15. Such a cover layer will usually follow as a further electrical layer 9.
  • FIGS. 6 a and 6 b show in detail the type of coupling of the optoelectronic component 2 to the light guide 3 or the waveguide core 3 'according to the preceding figures in a section and in a top view.
  • a further electrical layer of the printed circuit board 16 is located on the top side of the superstrate layer 17 and is connected to the optoelectronic component 2 via the foil 13 with a conductor track 8 running there via the contact 13.
  • the film-like carrier material 4 on the optoelectronic component 2 is brought into an electrically conductive connection via special contacts 13, passes through an opening 18 on the upper side of the substrate layer 17 into the region of the electrically conductive layer 9 and is there bent over into the region of the conductor tracks 8 or the contact 8, which is used for the electrical transmission of the signals from and to the optoelectro- African component 2 is used.
  • the cooling element 6 can be seen, which offers a corresponding receptacle for the optoelectronic component 2 and at the same time is responsible for the heat dissipation of the heat loss of the optoelectronic component 2.
  • a through-contact 14 can be seen in the area of the cooling element 6, which makes it possible to dissipate the heat of the optoelectronic component 2 dissipated in the cooling element 6 outside of the printed circuit board 16.
  • the reference frame 1 can also be seen, which in turn positions the cooling element 6 and thus indirectly also the optoelectronic component 2 and fixes it relative to the receptacle 12 for the light guides 3 and the waveguide cores 3 ′ not shown here.
  • the optically conductive layer 15 of the circuit board 16 is almost completely closed with the exception of the opening 1 S for the film-like carrier material 4 in relation to the surroundings of the circuit board 1 6, electrical signals from and to the only being provided via the film-like carrier material 4 see optoelectronic component 2.
  • the optical transmission of information takes place entirely within the optically conductive layer 15, favored by the type of butt coupling between the optoelectronic component 2 and the light guide 3.
  • FIG. 7 shows the schematic structure of a similar hybrid electrical-optical circuit board 16 in the form of a multilayer circuit board, circuit board elements in the form of coupling module circuit boards 19 being used in the reference frame 1 in the manner already described for the exact passive positioning of the optoelectronic components 2 which the light guide 3 and the waveguide cores 3 'end faces to optoelectronic components 2 to directly butt-coupled to the light guide 3 and waveguide cores 3' are located.
  • the coupling module boards 19 are provided with high-frequency electrical conductors 21, via which the optoelectronic components 2 can be controlled.
  • the electrical connections between the coupling module circuit board 19 and the optoelectronic components 2 can be wire bond connections 22 or can also be made with the aid of solder bumps 25 shown in FIG.
  • the high-frequency lines 21 on the coupling module circuit board 19 can be designed, inter alia, as microstrip lines, as symmetrical or asymmetrical coplanar lines or as microcoaxial lines.
  • 8 shows a longitudinal section through a hybrid electrically optical printed circuit board 16 in the form of a multilayer circuit board according to FIG. 7, the optoelectronic components 2 being completely integrated into the optically conductive layer 15.
  • the high-frequency coupling module boards 19 are electrically contacted to the other electrical layers 8, 9 of the electrical-optical circuit board 16 via vias or icovias 24, which are introduced as blind holes in the electrical-optical circuit board 16, except for the contact pads 20 the coupling module boards 19 are sufficient and then filled with low-loss metal.
  • the arrangement described has the advantage that the coupling module boards 19 with the high-frequency lines 21 and the attached optoelectronic components 2 can only be produced by passive adjustment via the reference frame 1 and the further manufacturing process of casting / knife coating the superstrate layer 17 or the waveguide substrate 7 and the lamination of further circuit board layers 9 do not hinder.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine hybride Leiterplatte (16) mit mindestens einer optisch leitenden Schicht (15) und mindestens einer elektrische Informationen übertragenden Schicht (9), bei der zwischen optoelektronischen, in die optisch leitende Schicht (15) der Leiterplatte (16) integrierten Bauteilen (2) mittels der optisch leitenden Schicht (15) Informationen übertragbar sind. Bei einer derartigen Leiterplatte (16) sind die optoelektronischen Bauteile (2) im wesentlichen vollständig in die optische Informationen übertragende Schicht (15) eingebettet und nur die elektrischen Verbindungen (5) der optoelektronischen Bauteile (2) nach außen geführt, wobei die optoelektronischen Bauteile (2) über eine direkte Stoßkopplung an die optische Informationen übertragenden Lichtleiter (3) oder dgl. angekoppelt sind. Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Leiterplatte (16).

Description

Voll integrierte hybride optisch-elektrische Leiterplatte
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine hybride optisch-elektrische Leiterplatte gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen optisch- elektrischen Leiterplatte gemäß Anspruch 28.
Die zunehmende Taktrate von Prozessoren und die damit einhergehende Steigerung der Datenrate auf Platinen z.B. für Computeranwendungen stellt eine wachsende Herausforderung an die Signalübertragung bzw. die elektrische Verbindungstechnik dar. Insbesondere ist die Signalintegrität bei Datenraten im Multi-Gigabit s-Bereich nur unter großen technischen und finanziellen Aufwendungen zu gewährleisten. Der Grund liegt in der Antennenwirkung elektrischer Leitungen im Hochfrequenzbereich, sowohl was die Sendewirkung als auch was die Empfangswirkung anbelangt. Hierbei ist die Problematik der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von großer Bedeutung für die Steigerungsfähigkeit der Datenraten. Auch bei EMV-belasteten Einsatzumgebungen wie etwa in Fertigungsbereichen oder dgl. können entsprechende Störungen beim Betrieb der Platinen entstehen, die die Zuverlässigkeit der Datenübertragung maßgeblich mindern oder unmöglich machen. Hingegen unterliegt die optische Übertragung bei hohen Frequenzen nicht den bei elektrischen Übertragungen zwangsläufig auftretenden Einschränkungen hinsichtlich der überproportio- nal auftretenden Dämpfung innerhalb der elektrischen Leiter.
Aus diesem Grund werden seit Jahren optische Verbindungstechniken auch für die rechnerinterne Datenübertargung untersucht, da Lichtleiter keine Antennenwirkung auch bei Datenraten bis in den Terabit/s-Bereich zeigen. Ein technisches Problem, welches es zur Realisierung einer optischen Verbindungstechnik zwischen elektrisch arbeitenden Modulen (Prozessoren) zu lösen gilt, ist die Integration von optischen und elektrischen Leitungsmedien in einer Baugruppe. Für einen industriellen Einsatz stellt die sog. elektrisch-optische Leiterplatte (EOLP) eine bevorzugte Lösung dar. Sie besteht z.B. aus einer konventionellen Multilayerplatine, in der den elektrischen Lagen eine optische Lage hinzugefügt wird. Die Ein- und Auskopplung der Lichtsignale in die optische Lage kann z.B. durch Mikrospiegel erfolgen, die sich an den Enden der Wellenleiter befinden.
In der Publikation von S. Lehmacher und A. Neyer "Integration of polymer optical waveguides into printed circuit boards (PCB)", Proceedings MICRO.tec 2000, vol. 1 , Hannover, Sept. 2000, pp. 111-113 wird eine solche EOLP beschrieben. Dabei wird die optische Lage durch Heißprägetechniken in thermoplastischen Materialien wie z.B. Polycarbonat (PC) oder Cyclo-Olefin-Copolymere (COC, z.B. Topas) hergestellt. Es wurden auch ähnliche Konzepte verfolgt, die auch auf Heißprägeverfahren unter Verwendung von thermoplastischen Materialien basieren. Weiterhin ist es bekannt, photostrukturierbare Epoxydharze als Wellenleitermaterial zu verwenden.
Zwei der Hauptprobleme bei der Herstellung von elektrisch-optischen Leiterplatten sind die Temperaturstabilität der verwendeten polymeren Lichtleitermaterialien und die zuverlässige Ankopplung optoelektronischer Module an die optische Lage.
Zum Thema "Temperaturstabilität" ist anzumerken, dass diese vom konventionellen Herstellungsprozess einer Multilayerplatine vorgegeben wird, d.h. die Temperatur beim Einlaminieren bei ca. 180°C muss über 2 Stunden und die Reflow- Löttemperatur von 220°C muss für ca. 2 Minuten schadlos überstanden werden. Diese Anforderungen werden von den bisher bekannten thermoplastischen Syste- men nur unzureichend erfüllt.
Zum Thema "Ankopplung der optoelektronischen Bauteile an die optische Lage" ist die aktuelle präferierte Lösung die sog. Mikrospiegellösung, bei der die Enden der Wellenleiter mit 45°-Umlenkspiegeln versehen werden und die optischen Module über Paßstifte paßgenau über den Spiegeln justiert werden. Diese Lösung wird u.a. in der Veröffentlichung von E. Griese, A. Himmler, K. Klinke, A. Koske, J.-R. Kropp, S. Lehmacher, A. Neyer, and W. Süllau, "Self-aligned coupling of optical transmitter and receiver modules to board-integrated optical multimode waveguides", in M.R.Taghizadeh et al. (Eds.), Micro- and Nano-optics for Optical Interconnection and Information Processing, Proc. SPIE vol. 4455, July 2001 , paper 32 und in der Veröf- fentlichung von S. Kopetz, S. Lehmacher, E. Rabe, A. Neyer, "Coupling of optoelectronic modules to optical layer in printed circuit boards (PCB's)", Photonics Fabrica- tion Europe, Brügge, Belgium, 2002, in Proc. SPIE vol. 4942, 2003, pp. 282-286 beschrieben.
Probleme, die sich aus dieser Lösung ergeben, sind einerseits das erforderliche Offenlegen der optischen Lage nach Fertigstellung der Gesamtplatine, das Einbringen der passgenauen Bohrungen für die Paßstifte sowie nicht vermeidbare Verschmutzungen der optischen Ein- und Austrittsflächen über den Spiegeln bei diesen Prozessen und darüber hinaus die Strahlaufweitung und damit Koppelverluste durch den Abstand] zwischen den optoelektronischen Komponenten und den Mikrospie- geln. Eine solche Lösung, die bei der Einzelteilfertigung noch beherrschbar sein mag, wird spätestens in der Serienfertigung zu großen Problemen führen.
Als alternative Lösung ist eine direkte Stoßkopplung zwischen den optischen Sendern und Empfängern mit den Wellenleitern denkbar. Diese wurde in S. Bargiel, F. Ebling, H. Schröder, H. Franke, G. Spickermann, E. Griese, A. Himmler, C. Lehnber- ger, L Oberender, G. Mrozynski, D. Steck, E. Strake, and W. Süllau, "Electrical- optical circuit boards with 4-channel transmitter and receiver modules", in Proc. 6th Workshop Optics in Computing Technology, ORT 2001, pp. 17-27. Paderborn, Germany, Apr. 2001 beschrieben. Allerdings geschieht hier das Einbringen der optoelektronischen Baugruppen auf eigenen Träger-Platinen durch Schlitze in den oberen Lagen der Multilayer-Struktur der Platinen. Probleme einer solchen Lösung sind eine mögliche Beschädigung und Verschmutzung der Wellenleiterendflächen beim Einbringen der Schlitze in die Platine sowie eine paßgenaue und stabile Ankopplung an die Wellenleiter.
Eine ähnliche Idee einer in die Platine integrierten optoelektronischen Verbindung wird auch beschrieben in R.T. Chen, L. Lin, C. Choi, Y.J. Liu, B. Bihari, L Wu, S. Tang, R. Wickmann, B. Picor, M.K. Hibbs-Brenner, J. Bristow, and Y.S. Liu, "Fully embedded board-level guided-wave optoelectronic interconnect", Proc. IEEE, vol. 88, pp. 780-793, 2000. Hier befindet sich die als VCSEL-Zeile (Vertical Cavity Sur- face Emitting Laser) ausgebildete Sendeeinheit zwar in der Platine selbst, die Lichteinkopplung in die optische Lage erfolgt jedoch weiterhin über 45°-Umlenkspiegel. Es sind hierbei aber gerade die Umlenkspiegel, die bei der Fertigung der optischen Lage einen besonderen Aufwand verlangen und die eine sehr kritische Stelle in der gesamten Fertigungskette darstellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine optisch-elektrische Leiterplatte und ein Herstellungsverfahren hierfür vorzuschlagen, bei der eine einfache und zuverlässige Ankopplung von optoelektronischen Baugruppen an die optische Lage in elektrisch-optischen Leiterplatten realisiert ist.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich der Leiterplatte aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 28 in Zusammenwir- ken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einer gattungsgemäßen Leiterplatte mit mindestens einer optisch leitenden Schicht und mindestens einer elektrische Informationen übertragenden Schicht, bei der zwischen optoelektronischen, in die optisch leitende Schicht der Leiterplatte integrierten Bauteilen mittels der optisch leitenden Schicht Informationen übertragbar sind. Eine derartige Leiterplatte wird dadurch weiterentwickelt, daß die optoelektronischen Bauteile vollständig in die optische Informationen übertragende Schicht eingebettet und nur die elektrischen Verbindungen der optoelektronischen Bauteile nach außen geführt sind, wobei die optoelektronischen Bauteile über eine direkte Stoßkopplung an die optische Informationen übertragenden Lichtleiter oder dgl. angekoppelt sind. Hierdurch wird es erreicht, daß die sonst sehr störanfällige Ein- und Auskopplung des die Informationen übertragenden Lichts in bzw. aus dem beispielsweise als Wellenleiter ausgestalteten lichtleitenden Element innerhalb der optisch leitenden Schicht etwa mittels der verbreiteten 45°-Spiegel vermieden werden kann, da die optoelektronischen Bauteile im wesentlichen vollständig in der die optischen Informationen übertragenden Schicht selbst angeordnet sind und nur mittels elektrischer Verbindungen mit dem Rest der Leiterplatte funktional in Verbindung stehen. Hierdurch ist eine direkte Kopplung in Form eines unmittelbaren Stoßes zwischen den Lichtleitern in der optisch Informationen übertragenden Schicht und den optoelektronischen Bauteilen möglich, die die beste Übertragung ohne wesentliche Verluste oder Dämpfungen ermöglicht und daher das Signalverhalten am wenigsten beeinflußt. Ferner ist durch die Anordnung der optoelektronischen Bauteile wie etwa optischen Sendern und Empfängern dafür gesorgt, daß diese Bauteile nicht fehleranfällig bzw. mechanisch instabil außerhalb an der Leiterplatte befestigt werden oder etwa in großen Aussparungen der Leiterplatte so angeordnet sein müs- sen, daß eine Ein- bzw. Auskopplung in das bzw. aus dem jeweiligen optoelektronischen Bauteil des aus dem Lichtleiter oder dergleichen kommenden bzw. in ihn eintretenden Lichtes überhaupt erst möglich ist. Darüber hinaus sind sowohl die optoelektronischen Bauteile als auch der Lichtleiter mechanisch sicher innerhalb der Leiterplatte aufgenommen und gegenüber äußeren Einflüssen wie etwa Verschmutzun- gen, mechanischen Belastungen oder dergleichen sicher geschützt. Weiterhin wird dadurch erreicht, daß der Fertigungsprozeß zur Herstellung derartiger Leiterplatten nur wenig gegenüber der üblichen Fertigung rein elektronischer Leiterplatten geändert werden muß, so daß weitgehend auf existierender Technik mit entsprechenden Erweiterungen hinsichtlich der Fertigung der lichtleitenden Schicht aufgebaut werden kann. Die Lichtleiter können hierbei in grundsätzlich bekanntem schichtartigem Aufbau aus einer Schicht von lateral strukturierten Wellenleiterkernen gebildet sein, die jeweils einseitig von einer Superstratschicht und einer Substratschicht umgeben ist und damit die geforderten lichtleitenden Eigenschaften bietet. Es ist ebenfalls denkbar, die lichtleitende Schicht aus lichtleitenden Fasern wie z.B. Glasfasern zu bilden, die für sich schon lichtleitend ausgebildet sind und in dieser Form komplett in die Leiterplatte eingebettet werden. Sofern im weiteren nicht ausdrücklich auf eine der vorstehend genannten Arten der Lichtleiter Bezug genommen wird, sollen unter der Bezeichnung Lichtleiter immer alle diese technischen Realisierungen gemeint sein. Unter der optische Informationen übertragenden Schicht wird demgemäß - immer bezogen auf den jeweiligen Zusammenhang - entweder der Verbund aus Wellenleiterkernen, Superstratschicht und Substratschicht oder die Schicht der Leiterplatte verstanden, die Lichtleiter z.B. in Form von Fasern der beinhaltet.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß die optoelektronischen Bauteile in der optische Informationen übertragenden Schicht in vor- zugsweise Vertiefungen bildende Aufnahmen paßgenau einsetzbar sind, die die optoelektronischen Bauteile präzise relativ zueinander und zu den Lichtleitern oder dgl. positionieren. Hierdurch kann erreicht werden, daß ohne aufwendige Justagearbei- ten die z.B. als Wellenleiter, Lichtleitfasern oder dergleichen ausgestalteten lichtleitenden Elemente sowie die optoelektronischen Bauteile zueinander so angeordnet werden können, daß optimale Übertragungsverhältnisse über die optisch leitende Strecke erreicht werden. Dies kann mit einfachen Montagemöglichkeiten wie etwa der üblichen Bestückungstechnik erreicht werden, wenn die Lichtleiter oder dergleichen und die optoelektronischen Bauteile innerhalb von entsprechenden Strukturen in der lichtleitenden Schicht der Leiterplatte zwangsläufig aufgenommen und in fest vorgegebener Orientierung zueinander gehalten werden. Es muß daher nicht mehr aufwendig jede einzelne Zuordnung von optoelektronischem Bauteil und Lichtleiter oder dergleichen eingemessen oder nachjustiert werden, sondern es ist schon nach einem einfachen Montagevorgang eine hinreichende Genauigkeit der Zuordnung von Lichtleiter oder dergleichen und optoelektronischen Bauteilen erreichbar. Derartige Aufnahmen können mittels grundsätzlich bekannter Verfahren der Mikrostruktur- technik in oder an der optisch leitenden Schicht der Leiterplatte vorgesehen werden, wobei hier alle wesentlichen Methoden angewendet werden können, die beispielsweise auch aus dem Bereich der Mikrostrukturtechnik für diese oder ähnliche Zwecke benutzt werden. Die Aufnahmen positionieren durch entsprechende Einrichtungen die optoelektronischen Bauteile relativ zu der Leiterplatte und damit auch relativ zueinander sowie zu den Lichtleitern oder dergleichen, so daß die Stoßkopplung zwi- sehen den Lichtleitern oder dergleichen und den optoelektronischen Bauteilen nach der Montage unmittelbar hergestellt ist.
Hierbei ist es denkbar, daß in einer ersten Ausgestaltung die Aufnahmen vor der Herstellung der die optische Informationen übertragenden Schicht vorfertigbar sind. Beispielsweise können getrennt von der optische Informationen übertragenden Schicht entsprechende Positϊoniereinrichtungen und Vertiefungen in eigens dafür vorgesehenen Substrate gebildet werden, die dann in die optisch leitende Schicht eingebracht und dort zur Festlegung der optoelektronischen Bauteile und der Lichtleiter, vorzugsweise in Form von Glasfasern, benutzt werden können. Hierdurch kann durch möglicherweise spezialisierte Herstellungsverfahren eine kostengünstige Art der Vorfertigung derartiger Aufnahmen realisiert werden.
In einer anderen denkbaren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Aufnahmen gleichzeitig mit der Herstellung von Teilen der die optische Informationen übertra- genden Schicht, vorzugsweise der Wellenleiterkerne oder dgl. fertigbar sind. Grundidee hierbei ist es, die zur Herstellung der optische Informationen übertragenden Schicht benutzten Verfahren gleichzeitig auch zur Herstellung der Aufnahmen anzuwenden, wobei auch hierbei wieder eine Reihe von gängigen Verfahren wie etwa Gießtechniken, Formtechniken, photolithographische Verfahren oder auch abtragende oder auftragende Verfahren aus der Mikrostrukturtechnik Verwendung finden können. Dies kann in weiterer Ausgestaltung auch dazu genutzt werden, gleichzeitig mit der Herstellung der Aufnahmen die Aufnahmen selbst aus dem selben Material wie die Wellenleiterkerne oder dgl. zu bilden und damit auch möglicherweise auftretende Ungenauigkeiten beim späteren Montieren der Wellenleiterkerne in der optisch leitenden Schicht gleich mit zu vermeiden. Es ist also denkbar, daß die Wellenleiterkerne oder dergleichen gleichzeitig mit den Aufnahmen in einem simultanen Fertigungsverfahren hergestellt werden und nur noch die optoelektronischen Bauteile in die Aufnahmen einzusetzen sind, da die Wellenleiterkerne oder dergleichen schon vorhanden und einstückig mit der optisch leitenden Schicht ausgebildet sind.
Von Vorteil ist es hierbei, wenn die Aufnahmen als Vertiefungen innerhalb eines gemeinsamen Bezugsrahmens für einen Bereich der die optische Informationen übertragenden Schicht gebildet sind, der exakt angeordnete Positionierungselemente für das Einsetzen und Positionieren der zugehörigen optoelektronischen Bauteile auf- weist. Ein derartiger Bezugsrahmen kann beispielsweise mit großem Vorteil bei Gießtechniken auch dazu genutzt werden, gleichzeitig etwa als Berandung zum Abrakeln zu dienen und alle innerhalb des Bezugsrahmens angeordneten Aufnahmen bzw. Funktionsbauteile maßlich und lagemäßig einander zuzuordnen. Der Bezugsrahmen und die Aufnahmen dienen dabei quasi als eine Montagemaske für die in die optisch leitende Schicht einzubringenden Bauteile.
Es ist weiterhin denkbar, die Aufnahmen auch als Positionierungselemente für die Aufnahme von Lichtleitern wie z.B. Glasfasern oder dgl. vorzusehen. Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Lichtleiter als getrennte Bauteile wie etwa Fasern hergestellt werden und nach der Herstellung erst mit der Montage etwa auch der optoe- lektronischen Bauteile in die optisch leitende Schicht eingebracht werden. Durch die genaue Positionierung der Lichtleiter oder dergleichen durch die Positionierelemente der Aufnahme ist eine lagegenaue Zuordnung der Lichtleiter oder dergleichen zu der optisch leitenden Schicht und damit zu den optoelektronischen Bauteilen möglich.
Weiterhin können auch Aufnahmen als Positionierungselemente für zusätzliche Bauteile, vorzugsweise für Kühlelemente, Leiterelemente oder dgl. vorgesehen werden, die etwa für zusätzliche Funktionen innerhalb der optisch leitenden Schicht benötigt werden können oder hilfreich sind. Auch diese werden dann über die Aufnahmen entsprechend genau und einfach positioniert und gehalten.
Es ist in einer anderen Ausgestaltung auch denkbar, daß die optoelektronischen Bauteile in Aufnahmen innerhalb zusätzlicher Bauteile, vorzugsweise innerhalb von Kühl- oder Leiterplattenelementen, präzise aufnehmbar und positionierbar sind, die selbst wieder durch den Bezugsrahmen oder dessen Aufnahmen innerhalb der die optische Informationen übertragenden Schicht positioniert und festgelegt sind. Diese quasi indirekte Positionierung der optoelektronischen Bauteile bezogen auf den Bezugsrahmen hat den Vorteil einer einfacheren Ausgestaltung des Bezugsrahmens, da nicht so viele Aufnahmen für die einzelnen einzubringenden Bauteile vorzusehen sind, sondern diese sich etwa mit den zusätzlichen Bauteilen ggf. auch vormontiert in die optisch leitende Schicht einsetzen lassen. Gleichzeitig ist etwa für die Kühlung der optoelektronischen Bauteile eine enge Verbindung mit derartigen Kühlelementen oder dergleichen von Vorteil, so daß die in einem Kühlelement gebildete Aufnahme gleichzeitig eine Verbesserung der Kühlwirkung des darin eingesetzten optoelektronischen Bauteils mit sich bringt. Hierbei können in weiterer Ausgestaltung als zusätzliche Bauteile Kühlelemente in Form vorfertigbarer Wärmeleitelemente, vorzugsweise als Kupferelemente verwendet werden, die paßgenaue Außenformen zum Einsetzen in den Bezugsrahmen oder die zugehörigen Aufnahmen und paßgenaue Aufnahmen für die optoelektronischen Bauteile aufweisen. Damit ist auch hinsichtlich der maßlichen Zuordnung von optoelektronischen Bauteilen und Bezugsrahmen ein Verlust an Genauigkeit zu vermeiden.
Neben Kühlelementen können auch Leiterplattenelemente vorteilhaft zur präzisen Vorpositionierung der optoelektronischen Komponenten herangezogen werden. Da- bei können die optoelektronischen Bauteile auf der Stirnseite der Leiterplatten angebracht und durch eine Flip-Chip-Technik oder Drahtbondtechnik mit den Hochfre- quenzleitungen der Leiterplatte verbunden werden. Die Leiterplattenelemente können dabei passgenaue Außenformen zum Einsetzen in den Bezugsrahmen besitzen, wodurch eine genaue maßliche Zuordnung der optoelektronischen Komponenten und der Lichtleiter gegeben ist.
Eine denkbare Ausgestaltung sieht hierbei vor, daß je optoelektronischem Bauteil ein eigener Bezugsrahmen vorgesehen ist, der die genaue Lage von zugehörigem optoelektronischem Bauteil und Lichtleitern oder dgl. zueinander vorgibt. Damit können beispielsweise auch längere Übertragungswege über einen Lichtleiter oder dergleichen realisiert werden, da der Bezugsrahmen nur die jeweilige Kontaktstelle zwi- sehen Lichtleiter und optoelektronischem Bauteil maßlich festlegt und der Lichtleiter dann innerhalb der Abmessung der Leiterplatte beliebig lang sein kann.
Denkbar ist es jedoch auch, daß je optischer Übertragungsstrecke ein eigener Bezugsrahmen vorgesehen ist, der die genaue Lage von optoelektronischen Bauteilen und Lichtleitern oder dgl. zueinander vorgibt. So kann beispielsweise innerhalb einer Übertragungsstrecke bei kürzeren Übertragungswegen mit einem gemeinsamen Bezugsrahmen sowohl die Zuordnung des optischen Senders als auch des optischen Empfängers mit dem gemeinsamen Lichtleiter maßgerecht und mit höchster Genauigkeit realisiert werden.
Von Vorteil ist es, wenn der Bezugsrahmen die gleiche Schichtdicke wie die die opti- sehen Informationen übertragende Schicht aufweist. Hierdurch ist für die weiteren Bearbeitungsgänge wie etwa das Pressen im Rahmen der Aufbringung weiterer Schichten der Leiterplatte eine volle Belastbarkeit der optisch leitenden Schicht der Leiterplatte gewährleistet.
Zur weiteren Sicherung der optisch leitenden Schicht kann vorgesehen werden, daß über der die optische Informationen übertragenden Schicht eine Abdeckschicht angeordnet ist, die die optische Informationen übertragende Schicht schützt. Eine derartige Schicht kann eine weitere, beispielsweise auch elektrisch leitende Schicht der Leiterplatte sein. Insbesondere bei Multilayer-Platinen wird die mindestens eine optisch leitende Schicht üblicherweise von einer oder mehreren elektrisch leitenden Schichten beidseitig jeweils umgeben sein. Eine solche Anordnung ist beispielsweise bei einer Ausbildung der Lichtleiter etwa aus Glasfasern sinnvoll, da die Glasfasern von sich aus lichtleitend gestaltet sind und keine weitere optisch wirksame Schicht zur Abdeckung benötigen. Bei Ausgestaltung der Lichtleiter als auf einer Substratschicht aufgebrachte Wellenleiterkerne wird als Abdeckschicht die sog. Superstratschicht verwendet, die gemeinsam mit den Wellenleiterkemen und der Substrat- schicht auch die optische Leitfähigkeit einer derart gebildeten optisch leitenden Schicht herstellt. Daran anschließend kann dann selbstverständlich auch eine weitere elektrische Signale leitende Schicht angeordnet werden.
Innerhalb der optisch leitenden Schicht können im Rahmen dieser Erfindung als die optische Informationen übertragenden Lichtleiter integriert-optische Wellenleiter oder Fasern mit optischen Funktionen, vorzugsweise Polymerfasern oder Glasfasern, oder dgl. funktionale Baugruppen vorsehbar sein, wobei hier vereinfacht immer von Lichtleitern oder dergleichen gesprochen wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß als optoelektronische Bauteile VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), vorzugsweise transversal mehrmodig auf der Vorderseite emittierende VCSEL und/oder Photodioden, vorzugsweise GaAs-basierte pin-Typ Photodioden oder MSM-Photodioden vorgesehen sind. Derartige optoelektronische Bauteile wirken als optische Sender bzw. optische Empfänger innerhalb optischer Übertragungsstrecken und sind grundsätzlich bekannt. Insbesondere im Bereich der VCSEL werden derartige handelsübliche VCSEL hinsichtlich ihres Abstrahlungsverhaltens, ihrer geometrischen Konfiguration und ihrer mechanischen Eigenschaften modifiziert, um im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung benutzt zu werden. Von Vorteil ist es dabei, wenn sowohl VCSEL als auch Photodioden in eindimensionalen Arraystrukturen angeordnet sind.
Von Bedeutung für die Erfindung ist es, wenn die elektrische Kontaktierung der op- toelektronischen Bauteile senkrecht zu der die optische Informationen übertragenden Schicht mit anderen elektrisch leitenden Schichten der Leiterplatte über einen folienartig durchsichtigen Trägerwerkstoff erfolgt, auf dem entsprechende elektrische Leiterbahnen aufgebracht sind, die mit Kontakten der optoelektronischen Bauteile sowie Kontakten in mindestens einer elektrisch leitenden Schicht der Leiterplatte oder auch einer anderen Leiterplatte verbindbar sind. Hierdurch wird es erreichbar, daß die optoelektronischen Bauteile selbst vollständig innerhalb der optisch leitenden Schicht angeordnet sind und gleichwohl mit etwa Treiberbaugruppen oder Stromversorgung etc. in einer elektrisch leitenden Schicht der Leiterplatte oder auch einer anderen Leiterplatte einfach in Verbindung gebracht werden können. Die Verwendung des folienartig durchsichtigen Trägerwerkstoffs hat den Vorteil, daß etwa durch Ausneh- mungen der an die optisch leitende Schicht angrenzenden Schichten dieser folienartige Trägerwerkstoff hindurchgeführt werden kann und durch seine Flexibilität etwa durch Umbiegen dann wieder in der Ebene der Leiterplatte zurück gebogen werden kann, um dort auf etwa vorhandene Lötkontakte oder sonstige Kontaktierungsmög- lichkeiten aufgelegt werden zu können. Die Flexibilität des folienartigen Trägerwerk- Stoffes erlaubt damit eine derartige platzsparende Bauweise. Hierbei kann beispielsweise als folienartig durchsichtiger Trägerwerkstoff eine Kaptonfolie verwendet werden.
Weiterhin ist es denkbar, daß der folienartig durchsichtige Trägeiwerkstoff zwischen dem optoelektronischen Bauteil und dem Wellenleiter oder dgl. im Bereich der Stoß- kopplung verläuft. Auch dies trägt zu einer weiteren Reduzierung der Baugröße dieser zu dem optoelektronischen Bauteil gehörenden Zusatzeinrichtungen bei, da die folienartig durchsichtige Ausgestaltung dazu genutzt werden kann, den Trägerwerkstoff im Bereich des Strahlungsaustrittes eines VCSELs vor diesem Strahlungsaustritt im Bereich der Stoßkopplung anzuordnen und aus der optisch leitenden Schicht herauszuführen, ohne daß die optischen Eigenschaften der Übertragung über die Stoßkopplung hinweg beeinträchtigt werden, in einer anderen Ausgestaltung ist es auch denkbar, daß der folienartig durchsichtige Trägerwerkstoff eine Aussparung im Bereich des Lichtdurchtrittes zwischen dem optoelektronischen Bauteil und dem Lichtleiter oder dgl. im Bereich der Stoßkopplung aufweist. Hierdurch werden die op- tischen Eigenschaften im Bereich des Übergangs an der Stoßkopplung gar nicht beeinflußt, so daß sogar auch denkbar ist, hier einen undurchsichtigen Trägerwerkstoff zu verwenden.
In weiterer Ausgestaltung kann der folienartig durchsichtige Trägerwerkstoff auch den Träger für darauf aufgebondete VCSEL bilden. Dies hat den Vorteil, daß die VCSEL gleichzeitig auf dem folienartig durchsichtigen Trägerwerkstoff befestigt sind und mit diesem nach außen hin kontaktiert werden und gleichzeitig mit diesem Trägerwerkstoff auch montiert werden können. Altemativ kann zur Vermeidung von Handlingsproblemen im Verlauf des Herstellungsprozesses der elektrisch-optischen Leiterplatte bei der Kontaktierung über eine Trägerfolie die elektrische Kontaktierung der optoelektronischen Bauteile mit anderen elektrisch leitenden Schichten der Leiterplatte durch Vias bzw. Microvias erfol- gen. Bei den Vias bzw. Microvias handelt es sich um Sacklöcher, die präzise positioniert in die Platine nach ihrer Lamination eingebracht werden und mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt werden. Die Vias bzw. Microvias enden dabei auf den Kon- taktpads eines hochfrequenztauglichen Leiterplattenelementes, auf dem sich die optoelektronischen Bauteile befinden und welches passgenau zu den Lichtleitern in den Bezugsrahmen eingesetzt wurde.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit mindestens einer optische Informationen übertragenden Schicht und mindestens einer elektrisch Informationen übertragenden Schicht. Ein derartiges Verfahren insbesondere auch zur Herstellung einer Leiterplatte gemäß Anspruch 1 weist als Ver- fahrensschritte auf, daß in einem ersten Schritt auf einer Substratschicht ein Bezugsrahmen eines Bereiches der die optische Informationen übertragenden Schicht gebildet wird, der Aufnahmen für die optoelektronischen Bauteile und/oder die Lichtleiter und/oder weitere Bauteile aufweist, in einem zweiten Schritt die optoelektronischen Bauteile und ggf. die Lichtleiter und/oder weitere Bauteile in die Aufnahmen eingesetzt und dadurch passiv zueinander positioniert sowie die elektrischen Anschlüsse der optoelektronischen Bauteile senkrecht zur Leiterplattenebene herausgeführt werden und anschließend die optische Informationen übertragende Schicht vergossen und/oder mit einer Abdeckung kaschiert wird. Hierdurch wird mit einem einheitlichen Herstellungsverfahren die für die Lage der einzelnen Bauteile und op- toelektronischen Bauteile relevante Positionierung zueinander festgelegt und gleichzeitig eine einfache Montage dieser Bauteile erreicht. Hierdurch können aufwendige Justierungsarbeiten zur Abstimmung des optischen Übertrag ungsverhaltens zwischen den optoelektronischen Bauteilen und den Lichtleitern oder dergleichen vermieden werden und mit vergleichsweise einfachen Bestückungsverfahren oder der- gleichen eine sichere Funktion der optischen Übertragungsstrecken gewährleistet werden. Von Vorteil ist es, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die bei einer Ausgestaltung der Lichtleiter als Wellenleiter die Wellenleiterkerne oder dgl., und der Bezugsrahmen in einem Arbeitsgang, vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt werden. Hierdurch können weitere Erhöhungen der Genauigkeit dadurch erreicht werden, daß Lagetoleranzen zwischen etwa Wellenleiterkernen und Bezugsrahmen bzw. den Aufnahmen gar nicht erst entstehen können.
Von weiterem Vorteil ist es, wenn der Bezugsrahmen und die darin gebildeten Aufnahmen sowie zum Teil die optische Informationen übertragende Schicht mittels eines Gießverfahrens mittels Rakeltechnik hergestellt werden. Hierbei können etwa als Gießmaterial temperaturstabile Polysiloxane verwendet werden. Derartige Verfahren sind grundsätzlich bekannt und können auf das hier vorliegende Verfahren entsprechend modifiziert angewendet werden.
In anderer Ausgestaltung ist es auch denkbar, daß der Bezugsrahmen und die darin gebildeten Aufnahmen sowie zum Teil die optische Informationen übertragende Schicht mittels eines photolithographischen Verfahrens, in weiterer Ausgestaltung etwa des Laser-Direktschreibens oder eines Masken-Belichtungsverfahrens hergestellt werden. Hierbei können zum Beispiel als photosensitive Materialien Polysiloxane, Polyurethane, Polyamide, Acrylate, Epoxide oder Kombinationen derselben verwendet werden.
Ebenfalls ist es denkbar, daß i n anderer Ausgestaltung der Bezugsrahmen und die damit gebildeten Aufnahmen mittels auftragender und/oder abtragender Laserbearbeitungsverfahren aus einem Vormaterial hergestellt und/oder in die die optische Informationen übertragende Schicht eingebracht werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leiterplatte zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
Figur 1 - eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Leiterplatte mit daran angeordnetem Bezugsrahmen und Aufnahmen für die Lichtleiter in einem ersten Fertigungszustand, Figur 2 - die Leiterplatte gemäß Figur 1 in einem weiter montierten Zustand mit in dem Bezugsrahmen vormontierten Kühlelementen für die Aufnahme der optoelektronischen Bauelemente,
Figur 3 - die Leiterplatte gemäß Figur 2 mit in den Kühlelementen montierten optoelektronischen Bauelementen,
Figur 4a - die Leiterplatte gemäß Figur 3 mit in den zugehörigen Aufnahmen montierten Lichtleitern als Verbindung zwischen den optoelektronischen Bauelementen,
Figur 4b - eine modifizierte Leiterplatte mit gleichzeitig mit den Aufnahmen her- gestellten Lichtleitern in Form von Wellenleiterkernen als Verbindung zwischen den optoelektronischen Bauelementen,
Figur 5 - die Leiterplatte gemäß Figur 4 mit eingebrachten elektrischen Verbindungen zwischen den optoelektronischen Bauteilen und einer nicht dargestellten elektrisch leitfähigen Schicht der Leiterplatte bzw. einer anderen Leiterplatte,
Figur 6a+6b - ein Schnitt und eine Draufsicht auf die Anbindung eines optoelektronischen Bauteils an Wellenleiter gemäß Figur 5 in einer vergrößerten Detailansicht,
Figur 7 - eine Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Leiterplatte mit dar- an angeordnetem Bezugsrahmen und in dem Bezugsrahmen angeordneten separaten Platinenelementen zur Kontaktierung der optoelektronischen Bauteile mittels Microvias,
Figur 8 - eine Längsschnitt durch eine Leiterplatte gemäß Figur 7 mit in dem Bezugsrahmen angeordneten separaten Platinenelementen und er- kennbaren Microwires.
In den Figuren 1 bis 5 ist in Form eines Montage- und Fertigungsplanes ein typischer Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Leiterplatte dargestellt, bei der mittels Aufnahmen 12, 1 1 optoelektronische Bauelemente 2 und Lichtleiter 3 für die Herstellung einer optisch leitenden Schicht 15 zueinander positioniert und festgelegt werden. Hierbei ist aufgebracht auf zwei elektrische Leiterplatten 9 mit elektrischen Leiterbahnen 8 eine Substratschicht 7 zu erkennen, die als Substrat für den Aufbau der optisch leitenden Schicht 15 der Leiterplatte 16 dient. Auf dieser Substratschicht 7 ist ein Bezugsrahmen 1 aufgebracht, der als Aufnahme für Kühlelemente 6 und in den Kühlelementen Θ angeordnete optoelektronische Bauteile 2 dient. Zwischen den optoelektronischen Bauteilen 2 sind, wie dies in der Figur 5 näher zu erkennen ist, Lichtleiter 3 in Aufnahmen 12 angeordnet und positioniert, so daß sich eine sogenannte Stoßkopplung zv vischen den optoelektronischen Bau- teilen 2 und den Lichtleitern 3 bildet, die eine besonders gute Übertragung von Lichtsignalen zwischen den optoelektronischen Bauteilen 2 und den Lichtleitern 3 ermöglicht. Als Lichtleiter können hier integriert-optische Wellenleiter, optische Plastikfasern (POF) oder Glasfasern eingesetzt werden.
Wie in der Figur 1 zu erkennen ist, wird auf die Substratschicht 7 zuerst der Bezugs- rahmen 1 und die Aufnahmen 12 für die Lichtleiter 3 aufgebracht bzw. eingebracht, bevor gemäß Figur 2 die Kühlelemente 6 in die Innenform des Bezugsrahmens 1 eingesetzt werden. Der Bezugsrahmen 1 und die Aufnahmen 12 für die Lichtleiter 3 können dabei etwa mittels Gießtechniken oder Abformtechniken oder sonstigen Verfahren der Mikrostrukturtechnik hergestellt werden, wobei vorteilhaft Gießtechniken mittels Abrakeln oder photolithographische Verfahren Verwendung finden werden. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß statt der Aufnahmen 12 für die Lichtleiter 3 bei Anwendung eines solchen Verfahrens gleich die Wellenleiterkerne 3' mit hergestellt werden, wie dies in der Figur 4b näher zu erkennen ist. Damit entfallen mögliche Ungenauigkeiten bei der Positionierung von als Lichtleiter 3 verwendeten Fasern oder dgl.
Die Kühlelemente 6 bieten in der gemäß Figur 2 bzw. 3 dargestellten Weise einerseits durch ihre Außenform eine Möglichkeit, relativ zu den Bezugsrahmen 1 exakt positioniert in den Bezugsrahmen 1 eingesetzt zu werden, zum anderen weisen sie über Aufnahmen 11 für die optoelektronischen Bauteile 2 eine Möglichkeit auf, die optoelektronischen Bauteile 2 sehr genau relativ zu den Aufnahmen 12 für die einzusetzenden Lichtleiter 3 bzw. den Wellenleiterkernen 3' zu positionieren und zu fixieren. Hierfür werden die optoelektronischen Bauteile 2 nach dem Montieren bzw. Herstellen der Kühlelemente 6 in die Aufnahmen 11 eingesetzt und damit relativ zu den Aufnahmen 12 bzw. den Wellenleiterkernen 3' positioniert, so daß sich die vorstehend erwähnte Stoßkopplung erreichen läßt.
Es ist selbstverständlich auch denkbar, für die optoelektronischen Bauteile 2 eigene, nicht dargestellte Aufnahmen innerhalb des Bezugsrahmens 1 vorzusehen, die unmittelbar auf der Substratschicht 7 aufgebracht oder in diese eingebracht sind. Diese nicht dargestellten Aufnahmen würden damit analog zu den dargestellten Aufnahmen 12 für die Lichtleiter 3 aufgebaut sein.
Nach dem Einsetzen der optoelektronischen Bauteile 2 gemäß Figur 3 werden dann die Lichtleiter 3 in die Aufnahmen 12 gemäß Figur 4a eingesetzt und bilden die Stoßkopplung mit den optoelektronischen Bauteilen 2.
In der Figur 4b ist die alternative Fertigungsweise dargestellt, bei der anstatt separat in Aufnahmen 12 einzubringender Lichtleiter 3 die Lichtleitung durch Wellenleiterkerne 3' erfolgt, die optisch wirksam werden durch die Verbindung mit der Substrat- schicht 7 und der Superstratschicht 17 und in einem gemeinsamen Fertigungsablauf zusammen mit dem Bezugsrahmen 1 und weiteren, nicht genauer dargestellten Aufnahmen hergestellt werden. Hierzu werden als bevorzugte Fertigungsweise mittels entsprechender Maskenverfahren oder sonstigen aus der Mirostrukturtechnik bekannten Verfahren entsprechende Gegenformen hergestellt, in die beispielsweise das Material des Bezugsrahmens 1 und der Wellenleiterkerne 3' eingegossen und abgerakelt werden kann. Die dabei entstehende abgegossene Negativform im Bereich der Wellenleiterkerne 3' erkennt man dann in der Figur 4b, in der die Wellenleiterkerne 3' integriert auf der Substratschicht 7 aufgebracht dargestellt sind. Das Einlegen der Kühlelemente 6 sowie der optoelektronischen Bauteile 2 erfolgt hierbei analog zu der Beschreibung zu den Figuren 1 bis 4a. In einer solchen Ausgestaltung wird unter der optisch leitenden Schicht 15 dann der gesamte Verbund aus Substratschicht 7, Wellenleiterkernen 3' und Superstratschicht 17 verstanden.
Danach werden in beiden Ausgestaltungen gemäß Figur 4a bzw. Fig. 4b die optoelektronischen Bauteile 2, wie in Figur 5 dargestellt gemäß der Ausgestaltung nach Fig. 4b, über jeweils einen folienartigen Trägerwerkstoff 4 mit einem nicht weiter dargestellten Bereich außerhalb der optisch leitenden Schicht 15 verbunden, in dem der folienartige Trägerwerkstoff 4 mittels darauf angebrachter Leiterbahnen 5 einerseits mit dem optoelektronischen Bauteil 2 kontaktiert wird und die Endbereiche der Leiterbahnen 5 in gemäß Figur 6 dargestellter Weise dann z.B. in einer elektrischen Leiterplattenschicht 9 auf dortige Kontakte aufgelegt wird. Hierfür müssen entspre- chende, in Figur 5 nicht dargestellte Öffnungen 18 in einer in der Figur 5 ebenfalls nicht dargestellten Abdeckschicht sowie ggf. der Superstratschicht 17 oberseitig der optisch leitenden Schicht 15 vorgesehen werden, durch die der folienartige Trägerwerkstoff 4 jeweils hindurch treten kann und damit in den Bereich gelangen kann, in dem die Kontaktierung nach außen bzw. zu der elektrisch leitenden Schicht 9 der Leiterplatte 16 hergestellt werden soll.
Abschließend und nicht weiter dargestellt wird nach dem Herstellen der optisch leitenden Schicht 15 der verbleibende Hohlraum im Bereich der Lichtleiter 3 etwa mit einem entsprechenden Werkstoff vergossen und zum Schutz eine nicht weiter dargestellte Abdeckschicht oberhalb der optisch leitenden Schicht 15 auf die Leiterplatte 16 aufgebracht. Diese Abdeckschicht hat auch die Funktion, die optisch leitende Schicht 15 mechanisch zu verdecken und damit zu schützen. Eine solche Abdeckschicht wird üblicherweise als eine weitere elektrische Schicht 9 folgen .
In den Figuren 6 a und 6 b ist in einem Detail die Art der Einkopplung des optoelektronischen Bauteils 2 an den Lichtleiter 3 bzw. den Wellenleiterkern 3' gemäß den vorstehenden Figuren in einem Schnitt und in einer Draufsicht noch einmal genauer dargestellt. Man erkennt im Schnitt die elektrische Leiterplattenschicht 9 unterhalb der Substratschicht 7, auf der die Lichtleiter 3 bzw. die Wellenleiterkerne 3' sowie das optoelektronische Bauteil 2 und der Kühlkörper 6 aufgebracht und oberseitig mit einer Superstratschicht 17 abgedeckt ist. Oberseitig der Superstratschicht 17 sitzt eine weitere elektrische Schicht der Leiterplatte 16, die über den folienartigen Trägerwerkstoff 4 mit einer dort verlaufenden Leiterbahn 8 über die Kontaktierung 13 in Verbindung mit dem optoelektronischen Bauteil 2 steht. Hierzu ist der folienartige Trägerwerkstoff 4 an dem optoelektronischen Bauteil 2 über spezielle Kontakte 13 in elektrisch leitende Verbindung gebracht, tritt durch eine Öffnung 18 oberseitig der Substratschicht 17 in den Bereich der elektrisch leitenden Schicht 9 und wird dort über ein Umbiegen in den Bereich der Leiterbahnen 8 oder des Kontaktes 8 gebracht, der für die elektrische Weiterleitung der Signale von und zu dem optoelektro- nischen Bauteil 2 dient. Rückseitig des optoelektronischen Bauteils 2 ist das Kühlelement 6 zu erkennen, das eine entsprechende Aufnahme für das optoelektronische Bauteil 2 bietet und gleichzeitig für die Wärmeabfuhr der Verlustwärme des optoelektronischen Bauteils 2 zuständig ist. Im Bereich des Kühlelementes 6 ist eine Durchkontaktierung 14 zu erkennen, die eine Wärmeabfuhr der in dem Kühlelement 6 abgeführten Wärme des optoelektronischen Bauteiles 2 nach außerhalb der Leiterplatte 16 ermöglicht. In der Draufsicht ist weiterhin der Bezugsrahmen 1 zu erkennen, der wiederum das Kühlelement 6 und damit indirekt auch das optoelektronische Bauteil 2 positioniert und relativ zu der hier nicht weiter dargestellten Aufnahme 12 für die Lichtleiter 3 bzw. die hier dargestellten Wellenleiterkerne 3' festlegt.
Wie man erkennen kann, ist die optisch leite nde Schicht 15 der Leiterplatte 16 nahezu vollständig mit Ausnahme der Öffnung 1 S für den folienartigen Trägerwerkstoff 4 gegenüber der Umgebung der Leiterplatte 1 6 geschlossen, wobei lediglich über den folienartigen Trägerwerkstoff 4 elektrische Signale von und zu dem optoelektroni- sehen Bauteil 2 gelangen können. Die optische Übertragung von Informationen geschieht dabei vollständig innerhalb der optisch leitenden Schicht 15 begünstigt durch die Art der Stoßkopplung zwischen optoelektronischem Bauteil 2 und Lichtleiter 3.
Fig. 7 zeigt den schematischen Aufbau einer ähnlichen hybriden elektrisch optischen Leiterplatte 16 in Form einer Multilayerplatine, wobei Leiterplattenelemente in Form von Koppelmodul-Platinen 19 zur genauen passiven Positionierung der optoelektronischen Bauteile 2 in der schon vorstehend beschriebenen Weise in den Bezugsrahmen 1 eingesetzt wurden, auf deren dem Lichtleiter 3 bzw. den Wellenleiterkernen 3' zugewandten Stirnseiten sich optoelektronische Bauteile 2 zur direkten Stoßkopplung an die Lichtleiter 3 bzw. Wellenleiterkerne 3' befinden. Die Koppelmodul- Platinen 19 sind mit hochfrequenztauglichen elektrischen Leiterbahnen 21 versehen, über die die optoelektronischen Bauteile 2 angesteuert werden können. Die elektrischen Verbindungen zwischen Koppelmodul -Platine 19 und den optoelektronischen Bauteilen 2 können Drahtbond-Verbindungen 22 sein oder auch mit Hilfe von in der Figur 8 dargestellten Löt-Bumps 25 in Flip-Chip-Technik erfolgen. Die Hochfre- quenzleitungen 21 auf der Koppelmodul-Platine 19 Platine können ausgelegt sein u.a. als Mikrostripleitungen, als symmetrische oder unsymmetrische Koplanarleitun- gen oder als Mikrokoaxialleitungen. Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch eine hybride elektrisch optische Leiterplatte 16 in Form einer Multilayerplatine gemäß Figur 7, wobei die optoelektronischen Bauteile 2 vollständig in die optisch leitende Schicht 15 integriert sind. Die elektrische Kontaktierung der hochfrequenztauglichen Koppelmodul-Platinen 19 zu den anderen elekt- rischen Lagen 8, 9 der elektrisch optischen Leiterplatte 16 erfolgt über Vias oder ic- rovias 24, die als Sacklöcher in die elektrisch optische Leiterplatte 16 eingebracht werden, bis auf die Kontaktpads 20 der Koppelmodul-Platinen 19 reichen und anschließend mit elektrisch verlustarmem Metall aufgefüllt werden.
Die beschriebene Anordnung hat den Vorteil, dass die Koppelmodul-Platinen 19 mit den Hochfrequenzleitungen 21 und den aufgesetzten optolektronischen Bauteilen 2 getrennt gefertigt werden können, nur durch passive Justierung über die Bezugsrahmen 1 eingesetzt zu werden braucht und den weiteren Fertigungsprozess des Gießens/Rakelns der Superstratschicht 17 bzw. des Wellenleitersubstrates 7 und das Auflaminieren weiterer Platinenlagen 9 nicht behindern.
Sachnjummemliste
- Bezugsrahmen - optoelektronisches Bauteil - Lichtleiter - Wellenleiterkerne - folienartiger Trägerwerkstoff - Leiterbahnen - Kühlelement - Substratschicht - elektrische Leiterbahnen - elektrische Leiterplattenschichten - Einsteckrichtung - Aufnahme optoelektronisches Bauteil - Aufnahme Lichtleiter - Kontaktierung optoelektronisches Bauteil - Durchkontaktierung - optisch leitende Leiterplattenschicht - hybride elektrisch-optische Leiterplatte - Superstratschicht - Öffnung - Koppelmodul-Plateine - Kontaktpads - Hochfrequenzleiterbahnen - Bonddrähte - Lötstellen - Mikrovia - Lötbump

Claims

Patentansprüche
1. Hybride Leiterplatte (16) mit mindestens einer optisch leitenden Schicht (15) und mindestens einer elektrische Informationen übertragenden Schicht (9), bei der zwischen optoelektronischen, in die optisch leitende Schicht (15) der Lei- terplatte (16) integrierten Bauteilen (2) mittels der optisch leitenden Schicht (15) Informationen übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Bauteile (2) vollständig in die optische Informationen übertragende Schicht (15) eingebettet und nur die elektrischen Verbindungen (5) der optoelektronischen Bauteile (2) nach außen geführt sind, wobei die optoelektronischen Bauteile (2) über eine direkte Stoßkopplung an die optische Informationen übertragenden Lichtleiter (3, 3') oder dgl. angekoppelt sind.
2. Leiterplatte (16) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Bauteile (2) in der optische Informationen übertragenden Schicht (15) in vorzugsweise Vertiefungen bildende Aufnahmen (11 , 12) paßgenau einsetzbar sind, die die optoelektronischen Bauteile (2) präzise relativ zueinander und zu den Lichtleitern (3, 3') oder dgl. positionieren.
3. Leiterplatte (16) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (11 , 12) vor der Herstellung der die optische Informationen übertra- genden Schicht (15) vorfertigbar sind.
4. Leiterplatte (16) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (11 , 12) gleichzeitig mit der Herstellung von Teilen der die optische Informationen übertragenden Schicht (15), vorzugsweise der Wellenleiterkerne (3') oder dgl. fertigbar sind.
5. Leiterplatte (16) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (11, 12) selbst aus dem selben Material wie die Wellenleiterkerne (3') oder dgl. gebildet sind.
6. Leiterplatte (16) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (11, 12) als Vertiefungen innerhalb eines gemeinsa- men Bezugsrahmens (1 ) für einen Bereich der die optische Informationen übertragenden Schicht (15) gebildet sind, der exakt angeordnete Positionierungselemente für das Einsetzen und Positionieren der optoelektronischen Bauteile (2) aufweist.
7. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Aufnahmen (11 , 12) auch als Positionierungselemente für die Aufnahme der Lichtleiter (3) oder dgl. vorgesehen sind.
8. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Aufnahmen (11 , 12) auch als Positionierungselemente für zu- sätzliche Bauteile, vorzugsweise für Kühlelernente (6), Leiterplattenelemente (19) oder dgl. vorgesehen sind.
9. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Bauteile (2) in Aufnahmen (11 , 12) innerhalb zusätzlicher Bauteile, vorzugsweise innerhalb von Kühlelementen (6), auf- nehmbar und positionierbar sind, die selbst wieder durch den Bezugsrahmen (1) oder dessen Aufnahmen (11 , 12) innerhalb der die optische Informationen übertragenden Schicht (15) positioniert und festgelegt sind.
10. Leiterplatte (16) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Bauteile Kühlelemente (6) in Form v-orfertigbarer Wärmeleitelemente, vorzugsweise als Kupferelemente verwendbar sind, die paßgenaue Außenformen zum Einsetzen in den Bezugsrahmen (1 ) oder die zugehörigen Aufnahmen (11 , 12) und paßgenaue Aufnahmen (11 , 12) für die optoelektronischen Bauteile (2) aufweisen.
11. Leiterplatte (16) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als zu- sätzliche Bauteile Leiterplattenelemente (19) mit hochfrequenztauglichen Leiterbahnen (20, 21) verwendbar sind, die passgenaue Außenformen zum Einsetzen in den Bezugsrahmen (1 ) und passgenaue Positionierungen der optoelektronischen Bauteile (2) auf ihrer Stirnseite aufweisen.
12. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je optoelektronischem Bauteil (2) ein eigene r Bezugsrahmen (1) vorgesehen ist, der die genaue Lage von zugehörigem optoelektronischem Bauteil (2) und Lichtleitern (3, 3') oder dgl. zueinander vorgibt.
13. Leiterplatte (16) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß je optischer Übertragungsstrecke ein eigene r Bezugsrahmen (1) vorgesehen ist, der die genaue Lage von optoelektronischen Bauteilen (2) und Lichtleitern (3, 3') oder dgl. zueinander vorgibt.
14. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Bezugsrahmen (1) die gleiche Schichtdicke wie die die optischen Informationen übertragende Schicht (15) aufweist.
15. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über der die optische Informationen übertragenden Schicht (15) eine Abdeckschicht angeordnet ist, die die optische Informationen übertragen- de Schicht (15) schützt.
16. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als die optische Informationen übertragende Schicht (15) in Form von integriert-optischen Wellenleitern (3', 7, 17) oder Lichtleiter (3), vorzugsweise in Form von Fasern mit optischen Funktionen, /orzugsweise Poly- merfasem oder Glasfasern, oder dgl. funktionale Baugruppe n vorsehbar sind.
17. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüch , dadurch gekennzeichnet, daß als die optische Informationen übertragende Schicht (15) integriert-optische Wellenleiter aus Wellenleiterkernen (3"), Substratschicht (7) und Superstratschicht (17) vorsehbar sind, wobei alle diese Schichten für die Be- triebswellenlänge transparent und die Brechzahl der Wel lenleiterkemschicht (3") größer als die der Substratschicht (7) und der Superstratschicht (17) sind.
18. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als optoelektronische Bauteile (2) VCSEL (Vertical Cavity Surfa- ce Emitting Laser), vorzugsweise transversal mehrmodig auf der Vorderseite emittierende VCSEL und/oder Photodioden, vorzugsweise GaAs-basierte pin- Typ Photodioden oder MSM-Photodioden vorgesehen sind.
19. Leiterplatte (16) gemäß Anspruch 18, dadurch ge ennzeichnet, daß die VCSEL bei etwa 850 nm emittieren.
20. Leiterplatte (16) gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß VCSEL und/oder Photodioden in eindimensionale Arraystruktu- ren angeordnet sind.
21. Leiterplatte (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der optoelektronischen Bauteile (2) senkrecht zu der die optische Informationen übertragenden Schicht (15) mit anderen elektrisch leitenden Schichten (9) der Leiterplatte (16) über einen folienartig durchsichtigen Trägerwerkstoff (4) erfolgt, auf dem entsprechende e- lektrische Leiterbahnen (5) aufgebracht sind, die mit Kontakten der optoelektronischen Bauteile (2) sowie Kontakten in mindestens einer elektrisch lei- tenden Schicht (9) der Leiterplatte (16) oder einer anderen Leiterplatte verbindbar sind.
22. Leiterplatte (16) gemäß Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß als folienartig durchsichtiger Trägerwerkstoff (4) eine Kaptonfolie verwendbar ist.
23. Leiterplatte (16) gemäß einem der Ansprüche 21 ode- r 22, dadurch gekenn- zeichnet, daß der folienartig durchsichtige Trägerwerkstoff (4) durch eine Öffnung in der über der die optische Informationen übe rtragenden Schicht (15) angebrachten Abdeckschicht oder Superstratschicht ("17) nach außerhalb der Leiterplatte (16) oder in eine andere elektrisch leitende Schicht (9) der Leiterplatte (16) oder einer anderen Leiterplatte geführt ist.
24. Leiterplatte (16) gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der folienartig durchsichtige Trägerwerkstoff (4) zwischen dem optoelektronischen Bauteil (2) und dem Lichtleiter (3, 3") oder dgl. im Bereich der Stoßkopplung verläuft.
25. Leiterplatte (16) gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der folienartig durchsichtige Trägerwerkstoff (4) eine Aussparung im Bereich des Lichtdurchtrittes zwischen dem optoelektronischen Bauteil (2) und dem Lichtleiter (3, 3') oder dgl. im Bereich der Stoßkopplung aufweist.
26. Leiterplatte (16) gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der folienartig durchsichtige Trägerwerkstoff (4) auch den Träger für darauf aufgebondete VCSEL bildet.
27. Leiterplatte (16) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der optoelektronischen Bauteile (2) senkrecht zu der die optische Informationen übertragenden Schicht (15) mit anderen elektrisch leitenden Schichten (9) der Leiterplatte (16) über die elektrisch leitenden Schichten (9) durchdringende Vias oder Microvias erfolgt, die mit Kontakten der optoelektronischen Bauteile (2) sowie Kontakten in mindestens einer elektrisch leitenden Schicht (9) der Leiterplatte (16) oder einer ande- ren Leiterplatte verbunden sind.
28. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte (16) mit mindestens einer optische Informationen übertragenden Schicht (15) und mindestens einer elektrisch Informationen übertragenden Schicht (9), insbesondere einer Leiterplatte (16) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt auf einer Substratschicht (7) ein Bezugsrahmen (1 ) eines Bereiches der die optische Informationen übertragenden Schicht (15) gebildet wird, der Aufnahmen (1 1 , 12) für die optoelektronischen Bauteile (2) und/oder die Lichtleiter (3) und/oder weitere Bauteile (6) aufweist, in einem zweiten Schritt die optoelektronischen Bauteile (2) und ggf. die Lichtleiter (3) und/oder weitere Bauteile (6) in die Aufnahmen (1 1 , 12) eingebracht und dadurch passiv zueinander positioniert sowie die elektrischen Anschlüsse (5) der optoelektronischen Bauteile (2) senkrecht zur Leiterplattenebene herausgeführt werden und anschließend die optische Informationen übertragende Schicht (15) vergossen und/oder mit einer Abdeckung kaschiert wird.
29. Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausgestaltung der Lichtleiter als Wellenleiter die Wellenleiterkerne (3') oder dgl. und der Bezugsrahmen (1) in einem Arbeitsgang, vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt werden.
30. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Bauteile (2) mittels herkömmlicher Bestückungsverfahren in die vorgefertigten Aufnahmen (11 , 12) eingesetzt werden.
31. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsrahmen (1) und die darin gebildeten Aufnahmen (11 , 12) sowie zum Teil die optische Informationen übertragende Schicht (15) mittels eines Gießverfahrens mittels Rakeltechnik hergestellt werden.
32. Verfahren gemäß Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, daß als Gießmaterial temperaturstabile Polysiloxane verwendet werden.
33. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsrahmen (1) und die darin gebildeten Aufnahmen (11 , 12) sowie zum Teil die optische Informationen übertragende Schicht (15) mittels eines photolithographischen Verfahrens hergestellt werden.
34. Verfahren gemäß Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß als photolithographisches Verfahren das Laser-Direktschreiben oder ein Masken- Belichtungsverfahren eingesetzt wird.
35. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß als photosensitive Materialien Polysiloxane, Polyurethane, Polyamide, Ac- rylate, Epoxide oder Kombinationen derselben verwendet werden.
36. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsrahmen (1) und die damit gebildeten Aufnahmen (11 , 12) mittels auftragender und/oder abtragender Laserbearbeitungsverfahren aus einem Vormaterial hergestellt und/oder in die die optische Informationen übertragende Schicht (15) eingebracht werden.
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