4.2　光印制布线板与光电印制电路板

4.2.1　概述和背景

伴随着5G技术、高速计算机技术、数字电视技术等的快速、全面发展，对电路带宽和容量的要求急剧增加。在传统的电子学领域，信号的传输速率和开关的速度已经受到限制，以计算机为例，其CPU的主频已经达到2～2.9 GHz，在电信干线上传输码流的速率已达到了几十甚至上千吉比特每秒，而与之相对照的计算机总线传输速率依然只有10～100 Mbps，没有超过吉比特每秒。显然，计算机内部总线连接线和计算机间互连线的传输速率已成为整个计算机环境的瓶颈。

多年前，人们就开始探讨将光作为计算机内部（包括电路板内部）以及计算机之间的互连手段。从原理上讲，用导线连接的传输速率因受到其寄生参量（寄生电阻、电感和旁路电容）的影响和限制，比如，常用的FR-4基材中信号的传输速率大约为光速的70%，这样的速率在很多领域已经不能满足需求了，而光互连可以克服这一不足。光子具有较宽的带宽和较低的传输损耗，且免于串扰和电磁干扰，当在同一个光学媒介中传输多个波长的信号时，不同波长的信号可以平行通过。在这样的背景下，光印制布线板（OPWB）和光电印制电路板（OEPCB）的概念应运而生了。简单地说，OEPCB就是将光与电整合，用光传输信号，用电进行运算的新一代高速运算所需的安装基板。在目前发展得非常成熟的传统印制电路板上加一层导光层制成光印制布线板（OPWB），使得传统的印制电路板技术由现在的电连接快速地拓展到光传输领域。

4.2.2　光印制布线板的原理、构造及应用

1. 光纤印制线的构成

光纤印制线的构成，如图4.5所示。从该图中可知，是在纤维的中央设置了高折射率的芯线，而在其周围设置了低折射率的包层，当沿芯线将光信号射入时，由于折射率的差异在芯线内的光产生反射和干涉，从而达到传送信号的目的。

2. OPWB的制造工艺

OPWB的光导线的工作原理与构造同光纤一样。OPWB的制造工艺，如图4.6所示。

图4.6所示工序说明如下。

① 图4.6（a）：基板。作为OPWB基板的材料有石英玻璃、聚酰亚胺、环氧树脂、聚碳酸酯、硅等多种，它们各有所长和所短。一般，石英玻璃可靠性能优良，但价格高，在制造过程中需要1000℃以上的高温，因此很难实现与印制布线板（PWB）复合安装。

② 图4.6（b）：制作下包层。在选择各种聚合物包层材料时，不仅要考虑材料与PWB的亲和性要好，可靠性要高，还要考虑聚合物材料的温度变化、吸湿性等对折射率和透光性等光学特性大小变化的影响；另外，还要考虑在进行温度周期循环试验、高温高湿试验时，是否存在与PWB规格不适配的问题。

③ 图4.6（c）：制作芯线层（选用折射率n高的材料）。近年来开发的含氟聚酰亚胺的光波导材料是一种比较理想的光波导材料，它兼有聚酰亚胺的耐高温特点（耐热温度可过380℃）和掺氟后的近红外吸收小（传输损耗约为0.3 dB/cm）的特点，而且聚酰亚胺的折射率的大小可以通过调整共聚物的含氟量来调节，所以光波导芯线层和包层都可采用聚酰亚胺。

④ 图4.6（d）：制作布线图形的保护层。在制作好的芯线层上，制作芯线布线图形的保护层，可借鉴传统的印制电路板制作工艺进行。

⑤ 图4.6（e）：芯片层刻蚀除去保护层。可借鉴传统的印制电路板制作工艺进行。

⑥ 图4.6（f）：制作上包层。制作工艺与下包层基本上相同。

光布线有对应高速长距离的单模和对应较低速短距离的多模两种。网络系统多采用单模，对于近距离及室内的局域网系统多采用多模。二者的结构有较大的不同，主要表现在芯线的尺寸上。单模的芯线尺寸约为8～10 μm，而多模的芯线尺寸约为40～60 μm。图4.7所示为单模／多模光布线板（OPWB）断面图。

上述芯线尺寸的不同，影响了部件的安装精度，对单模光布线板来说，通过光部件的接续件传输光信号的偏差量只有2～3 μm。显然，单模部件的安装精度要求为±1 μm，因此，制造成本高。相反，与单模光布线板相比，多模光布线板要求的安装精度要宽松得多，其部件要求的安装精度为±10μm。光部件的位置间隙与光信号接续如图4.8所示。

3. OPWB的优点和问题

（1）优点

• 由于光信号的带宽宽，LSI内部传送速率同等，因此可以消除传送速率的瓶颈；

• 布线不存在电磁辐射问题；

• 布线设计容易，阻抗整合和绝缘层膜厚等无须控制；

• 由于每1条布线（引线）带宽很宽，故布线（引线）数可以减少。

（2）问题

• 安装位：精度及布线形状精度要求为±（1～10）μm；

• 可靠性：特别是聚合物材料的光布线还存在一些问题；

• 部件成本：光布线的出入口必须配置光电信号转换元件；

• 消耗电力：光电信号变换元件及其驱动IC均要消耗电力；

• 光布线的现行布线间距均为250 μm，布线密度低。

4. OPWB应用实例

（1）挠性OPWB

挠性OPWB应用实例如图4.9所示。

（2）刚性OPWB

刚性OPWB应用实例如图4.10所示。

4.2.3　光电印制电路板结构及其材料与制作成型工艺

1. 概述

光电印制电路板（Optical Electronic Printed Circuit Board，OEPCB）是将光与电整合，以光来完成信号传输，以电进行运算的新一代高速数字电路安装平台。OEPCB是在印制电路板加上一层导光层制成的，图4.11展示了光电印制电路板的结构示意图。

光传输速率可数倍于电路传输速率，实现了短距离高速传输，促进了宽带通信的广泛应用。目前，人们利用现有的宽带传输技术，已成功地通过电话线提供高速信号传输。但是，终端用户使用的计算机则始终受限于印制电路板的信号传输速度，不能将计算机和服务器传输的信号以高速方式传输至系统内部或外围的模块，以至延误了网络终端用户接收或发送信息的实时性。未来在采用可实现高速传输的光电印制电路板的系统中，该瓶颈问题可被很好地解决。

OEPCB上芯片间传输的信号具有低传输损耗和高传输速率的优点，因此，采用OEPCB将成为未来实现高速传输的主流方向，而为高速多芯片（IC）封装提供通路和安装布线将成为OEPCB的发展目标。另外，低成本、阵列化的垂直腔面发射激光器（VCSEL）的问世，为实现光波导线路的产业化奠定了坚实的基础，并将进一步驱动OEPCB的快速发展。

2. OEPCB的发展现状

（1）OEPCB是PCB发展的必然趋势

纵观印制电路板的发展历程，大致可划分为以下六代。

• 第一代—单面板（SSB）：仅在绝缘基板的一面上制作导电电路图形。

• 第二代—双面板（DSB）：在绝缘基板的两面上制作导电电路图形。

• 第三代—多层板（MLB）：由多于两层导电电路图形与半固化片交替黏合在一起制成，导电电路图形层间按规定互连。

• 第四代—高密度互连板（HDI）：又称积层多层板。20世纪90年代，随着表面积层电路板技术（SLC）在日本的发展，高密度积层式薄型多层板（即高密度互连板）被大量应用。

• 第五代—光电印制电路板（OEPCB）：OEPCB=PCB+OPWB+光波导层。

• 第六代—多功能板（MFB）：可能的结构模式是OEPCB+内藏光、电元器件。

（2）OEPCB的发展态势

据报道，苏格兰伊洛瓦特大学完成了一项名为HOLMS的研发计划，通过光电技术创新，使传统的印制电路板与相关功能进行整合，从而实现了标准电子设备组装流程的大幅改进与完善。该研究计划的主要成果是成功地将光纤、无线通信技术、光学三领域的组件有机结合，构成功能强大的光电接口，解决了当前计算机系统面临的首要问题—存取内存数据时间过长（即时延长）的技术瓶颈问题。内存时延的主要问题是，尽管计算机处理器的运算速度越来越快，但是，计算机处理器从内存存取数据因时延造成的速度失配问题却越来越严重。苏格兰伊洛瓦特大学的此研究的结果表明，光电技术是唯一可以解决处理器速度与内存频宽差异的方案，美国半导体产业协会也证明了这一结论。参与HOLMS计划的研究单位将经济实用的高速光学电路板导入信息系统，其目标是开发光电结合技术，使之与标准电子设备组装流程兼容。实施的关键技术是，将光学接口加载在商用平行光纤阵列和低成本的光波导上，使其很容易地与传统的印制电路板整合为一体，构成高频宽的光电印制电路板，并使之能尽快进入实用性阶段。

有资料表明：光波导采用了聚合物材料，据说这比光纤更容易与系统集成。Primarion公司正在开发短距离内以10 Gbps速率传输信号的光波导系统。电信号从电路板进入激光驱动芯片，然后进入一个由垂直腔面发射激光器（VCSEL）组成的阵列；激光光束通过光纤进入另一块电路板上的类似装置，由光电探测器和接收单元将光信号再转换回电信号。该公司称近年内可将这一技术用于计算机光输入输出设备中。中国台湾工业技术研究院电子工业研究所（简称工研院电子所）也展示了其和相关公司共同开发的传输高速电信号的OEPCB及其关键技术—有机光波导软膜技术。此项新组装技术将对计算机宽带网络及其服务所需的吉赫兹级高速信号传输环境提供强有力的技术支持。目前，已经通过2.5 GHz实际传输应用及信号眼图测试，欧美、日本、韩国等国的许多基板材料生产厂家也已经积极投入到这一新技术市场的开发之中，并不断有此方面的研究论文发表。

3. OEPCB的光互连结构

典型OEPCB结构如图4.12所示，该图中用高速的光连接技术取代了目前计算机中所采用的铜线连接，以光子而不是以电子为媒介，在电路板、芯片甚至芯片的各个部分之间传输数据。同时还可以传送传统的低效率电信号，其基本工作原理是：大规模集成芯片（LSI）产生的电信号经过驱动芯片作用于VCSEL阵列，激光束直接或通过透镜传输到具有45o镜面的聚合物光波导并反射进入该光波导，然后通过另一端光波导镜面反射传送到PD阵列接收，再经过接收芯片转换成电信号传给大规模集成芯片，这样使得芯片和芯片可以通过光波导高速通信，从而整体提高了系统性能。该OEPCB制作和传统PCB的制作工艺兼容，只是把聚合物光波导层当作PCB其中的一层进行叠加而成。

4. 聚合物光波导材料及其特点

聚合物光波导材料具有较高的电光耦合系数、较低的介电常数、响应时间短、热损耗小、加工工艺简单、价格低廉、无须高温加热的特点，还可以通过分子设计来合成具有预期效果的聚合物。但传统的聚合物光波导材料如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）应用的最大障碍是在近红外波段（1.0～1.7 μm）传播时吸收损耗大。

在OEPCB上，光波导制作应遵循以下原则。

• 光波导层的厚度和折射率的误差要小，并且芯线层与包层的折射率之差至少为8%。

• 传输损耗小，通常应在1 dB/cm以下，即光学透明度好，表面凹凸小，光学散射少。

• 高热稳定性好。为了保证光波导在叠片过程当中没有影响其性能，光波导材料必须能够保证在PCB叠片过程的170℃和15 kg/cm2的压力下保持稳定。

（1）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

PMMA是传统聚合物光波导材料的代表，其尺寸稳定，透明，耐光，折射率约为1.48，热变形温度为85℃，太阳光透过率为90%～92%，紫外线透过率为74.5%。其制备简单，与客体非线性有机分子相容性好，并且在一般情况下，具有与非线性有机分子无强相互作用等优点，但是，其热稳定性较差，在近红外波段传播时吸收损耗大。

（2）聚苯乙烯（PS）

PS具有透明性好、折射率较PMMA高、吸水率低、尺寸稳定好、易加工成型、价格低廉、成膜性和光学特性较好等优点，且在通信波长1553 nm（波数6439/cm）处没有吸收峰，即对通信光信号有良好的透明性，是制作薄膜光波导成膜材料。但其力学性能较差，不耐热，表面硬度低，脆性大，应用范围受到限制。

（3）聚碳酸酯（PC）

PC具有耐热性好、高冲击强度、尺寸稳定好、力学性能高、吸湿性低、折射率比PMMA高、可在135℃长期使用等优点。但其表面硬度低，耐磨性差，经紫外光或辐射线照射后会变黄。

（4）环氧树脂

环氧树脂具有耐热性和耐溶性好、蠕变小、机械强度变化不大等优点，且其双折射率和透光率均比PMMA和PC的小。但作为OEPCB上的光波导，要求无色、透明、易于加工成型，而一些通用型环氧树脂难以满足上述要求。

显然，传统聚合物光波导材料在有些方面不符合OEPCB上光波导制作原则，需要改性提高。传统聚合物光波导的性能如表4.4所示。

（5）含氟聚酰亚胺

含氟聚酰亚胺是新型聚合物光波导材料的代表，是一种比较理想的用于制作光波导的高分子聚合物。通常的聚酰亚胺为不溶有机物，掺氟后有良好的溶解性，适合光波导制备的工艺要求。含氟聚酰亚胺兼有聚酰亚胺的耐高温特性和掺氟后的近红外吸收小的特点，耐热温度高达380℃，近红外的传输损耗约为0.3 dB/cm，达到了实用要求。聚酰亚胺的折射率大小可以通过调整共聚物的含氟量来调节，含氟量越高，含氟聚酰亚胺薄膜折射率越小，从而达到了调节折射率大小的目的，因而光波导芯线层和包层都可以采用聚酰亚胺。但是，其合成原料价格昂贵，大大限制了其应用。

5. 聚合物光波导材料性能提高方法

聚合物光波导材料性能提高方法以PMMA为例介绍如下，常见透明PMMA性能，如表4.5所示。

（1）提高PMMA耐热性

① 增强高分子链间相互作用力：当PMMA与具有活泼氢的单体共聚时，活泼氢与羰基上的氧原子形成氢键从而提高了其耐热性。含有活泼氢的单体有丙烯酸、甲基丙烯酸、丁烯酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酰胺等。如果用10%的N-苯基甲基丙烯酸酰胺与PMMA共聚，其维卡软化点可提高到154℃；如果用甲基丙烯酸（MAA）改性PMMA，当MAA的含量在5%左右时，可使其维卡软化点提高20～30℃，且透光率不降低；如果PMMA与丙烯酸（AA）的共聚物耐热性可大大提高，当AA含量为5%左右时，共聚物容易制备，软化点温度可从125℃提高到140℃，且聚合物折射率明显提高。

② 引入金属离子：将金属以离子形式引入到聚合物的分子链段中，由于离子键具有较强的相互影响，使分子链的刚性增加，可显著提高聚合物的玻璃化转变温度（Tg），从而提高聚合物的耐热性能。如甲基丙烯酸金属盐（Sn、Pb、Ba等）与PMMA共聚，可在高分子中引入金属离子，形成二维或是三维结构，可以将玻璃化转变温度（Tg）提高到250 ℃以上。

③ 增加链段刚性：在PMMA主链上引入大体积基团（环状结构或大单体）的刚性侧链，可提高其耐热性。常用的大单体有甲基丙烯酸多环降冰片烯酯（NMA）、甲基丙烯酸环己基酯、甲基丙烯酸双环戊烯酯、甲基丙烯酸苯酯、甲基丙烯酸对氯苯酯、甲基丙烯酸金刚烷酯和甲基丙烯酸异冰片酯。例如，在PMMA中引入20%的NMA，共聚物Tg可以提高到125℃，性能优良，其在可见透光率光弹性系数或双折射等方面都可与PMMA媲美，且吸湿性低于PMMA，密度比PMMA低10%。

④ 加入交联剂：可用的交联剂有甲基丙烯酸丙烯酯、乙二醇二丙烯酯、丁二醇二丙烯酯等丙烯酯类，二乙烯基苯、二乙烯基醚等二乙烯基类，以及甲基丙烯酸封端的聚酯、聚醚、聚醚砜等。如在PMMA中加入甲基丙烯酸环氧丙酯进行共聚，通过热固化使引入的环氧基团进行开环交联，使聚合物膜层形成三维交联网状结构，不仅使玻璃化转变温度从373 K提高到398 K，而且降低了材料的双折射率。

⑤ 掺杂刚性分子：纳米SiO2颗粒能够大幅度提高PMMA的热稳定性和玻璃化转变温度（Tg）。

（2）提高折射率

① 引入双酚A型环氧树脂：引入不同质量分数的双酚A型环氧树脂对其折射率进行调节。在未引入双酚A型环氧树脂时，共聚物的折射率为1.481，随着双酚A型环氧树脂引入量的增加，折射率也随着增大，当引入量达到16wt%时，共聚物折射率为1.495。

② 离子照射：用不同强度的离子对PMMA照射，在100 keV和180 keV之间用不同强度的离子，并在不同波长下对其折射率变化进行测量。结果：经过高强度照射的PMMA光波导对应高的折射率。

③ 电场作用：利用电场来调节折射率。当电场强度有0～20 kV/cm变化时，折射率有所提高，当电场强度持续增长时，折射率有下降趋势。

④ 引入金属离子：当介质中具有大的极化率和小的分子体积基团时，该其折射率将显著提高。由于重金属离子具有小的离子半径和大的极化率，所以将此类重金属离子引入透明聚合物材料中可以达到提高折射率的目的。这类含金属离子的、可反映单体通常可以表示如下：

式中，R为H、烷烃、含苯环的基团，Me为Pb、Ba、Ti、Zr、Sr、Zn、Sb、Tn、Sn等金属，n为结构单元数。

⑤ 掺杂纳米颗粒：在PMMA中掺杂纳米TiO2颗粒可显著提高折射率。

⑥ 掺杂染料：在PMMA中掺杂染料（如分散红）可提高其折射率。随着染料掺杂浓度的增加，折射率呈线性上升，芯线层和包层可以通过调节掺杂浓度进行精确控制。

⑦ 引入环状基团：用PMMA的酯基取代基团含有的具有共轭结构的苯环分子，则折射率增大。对于含有相同碳原子的碳氢基团，折射率的变化顺序为支化链<直链<环状链，而聚合物中含有甲基和氟原子将使聚合物折射率降低。根据基团结构决定分子体积的原理，在相同碳原子数基团中应尽可能采用环状基团，以此设计出高折射率的材料。

（3）减少光传播损失

① 用重原子代替氢：目前普遍采用的方法是用氘、卤素（如氯和氟）等代替氢，例如，C-D和C-F伸缩振动波长是C-H的1.4倍和2.8倍，使振动吸收向长波方向移动，即所谓红移，从而减少近红外区的吸收衰减，使光在1.3 mm和1.55 mm处有很高的透明性。又如，在分子中引人氟原子后，由于氟原子具有很强的电负性，会破坏聚合物分子链中具有染色功能的共轭结构，破坏了分子的平面结构，减少了分子内或分子间电荷转移络合物的形成，从而大大降低了材料在通信波段的光学损耗。

② 掺杂光引发剂：在PMMA中掺杂光引发剂二苯基乙二酮制成的光波导，当光引发剂浓度大约为10%时，光传输总损失可降到最小值——0.015 dB。

③ 控制弯曲半径：减小弯曲损失的方法是使弯曲半径大于15 mm。

④ 降低翘曲：采用较薄的光学积层和较少表面涂层，或者应用较为刚性基板，可以显著降低基板翘曲，从而减小光波导散射损失。

⑤ 增大透明度：薄膜的透明度越高、色泽越浅，光波导损耗越小。

⑥ 选用高沸点溶剂：采用高沸点溶剂（如环己酮），溶剂沸点越高，挥发性越小，所制成薄膜表面粗糙度越小，平整度越好。高沸点溶剂可显著改善薄膜表面的平整度，以降低光波导的散射损耗。

6. 聚合物光波导的主要制作成型工艺

（1）反应离子蚀刻

该工艺选择相应的化学气体，利用在等离子体腔中产生的低温等离子体，通过对被蚀刻基片的物理溅射轰击和化学反应双重作用，获得抗蚀剂掩蔽下的精细三维微浮雕结构。常用的蚀刻工艺有四种：化学蚀刻、离子蚀刻、等离子化学蚀刻和反应离子蚀刻。

（2）平版影印

首先，在基板上用旋转涂布的方法涂上一低折射率的下包层；然后，再在其上涂布作为芯线层材料的高折射率层，并采用曝光显影的方式设计出符合需要的光波导芯线层的尺寸大小；最后，再在其上涂布与下包层相同材料的上包层，这样就完成了整个平版影印光波导制程。

（3）激光烧蚀

将激光照射到材料上使之熔化并再蒸发掉的工艺被称为激光烧蚀。

（4）加热模压

加热模压工艺需要针对所需导光层的图案进行压模制作，具体过程如下：在温度和压力的作用下，将模板上的图形转印在光聚合物材料上，去模后就可获得所需要的光波导凹槽，然后在凹槽中填入光波导材料，最后再在顶端覆盖一层上包层，即完成了导光层的制作。

（5）激光直接写入

激光直接写入无须掩膜，易于实现柔性化；加工精度高，速度快，无污染，成本低，因此被认为是具有工业化应用前景的柔性布线技术，将持续成为研究的热点。

（6）电子束写入法

电子束写入法工艺利用高能量的电子束直接射入低折射率的覆盖层中，有机光波导材料的分子结构因受到高能量电子束的照射而产生结构变化，使得其折射率增加，进而形成高折射率的芯线层部分。由于这种方法可简化光波导制程，因而该工艺广泛被人们看好。

（7）光漂白技术

光漂白技术利用某些聚合物材料所具有的光敏成分，在光照的情况下会发生光化学反应，最终在曝光部分和未曝光部分形成折射率差，从而获得所需的光波导。

（8）微细笔（MicroPen）直写技术

微细笔（MicroPen）直写技术是一种新型的厚膜直接描绘制备技术，它无须图样拷贝、光绘胶片、掩模制版等成膜工艺准备过程，只要利用CAD/CAM设计生成的数控加工数据就可以在各种基板上直写光波导。

7. 聚合物光波导的测试方法

（1）折射率的测试

可采用椭偏仪椭圆偏振测试方法测量折射率。椭偏仪可以测量材料的折射率、消光系数和厚度，它能测量入射偏振光经薄膜反射后偏振状态的变化，无须测量绝对的光强度，所以很灵敏。

（2）光波导损耗测试方法

① 液体耦合法：基于传统的滑动棱镜法理论，以液体取代棱镜，将传输线上各点的光耦合出来，以实现对光波导传输损耗的测量。

② 包层改变法：将光波导插入折射率一定的液体中，用液体取代原来的空气作为光波导的上包层，由于光在传播过程中会有部分能量散射到上包层中，所以，通过改变光波导浸入深度，实现对光波导不同模式传输损耗的测量。

③ 调制法：利用相位调制原理实现对光波导的无损测量。

8. OEPCB制作工艺

OEPCB通常是在基板上形成光波导层，通过采用激光成像或曝光菲林形成互连图形，然后经特殊显影液（水溶液显影液）显影并去掉未成像部分的光波导层，形成含有光波导互连图形的内层芯板，最后将含光波导层的芯板和含电路层的芯板压合在一起，形成成品OEPCB。平面光波导和光电印制电路板截面图如图4.13所示。

OEPCB制作有两个核心工艺：一是光波导层制作；二是光波导层与铜线层的压合。对于传统PCB厂家来说，OEPCB制作中相对陌生的工艺是光波导层的制作。