劉錦鋒 周文木

（江南計算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）

1 引言

在21世紀(jì)信息技術(shù)革命的浪潮下，電子系統(tǒng)不斷突破高速率、高密度、小型化的極限，但在電互連導(dǎo)線的物理特性是上難以改變。隨著傳輸?shù)乃俾屎皖l率的升高，電互連中寄生效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)重，即使可以通過優(yōu)化布局布線，縮短傳輸路徑等方法提升其性能，也不能從根本上解除對高速通信系統(tǒng)發(fā)展的限制。作為一種有潛力的替代電互連的方案，光電互聯(lián)技術(shù)吸引了越來越多研究人員的關(guān)注，將導(dǎo)光層植入基板的光電印制板（OEPCB）將是未來 PCB 發(fā)展的趨勢。

2 光電互聯(lián)技術(shù)的簡介與分類

2.1 簡介

隨著電子通信行業(yè)的新一輪蓬勃發(fā)展，“大數(shù)據(jù)”、“5G”等技術(shù)的出現(xiàn)，信息量呈指數(shù)級爆炸，要求計算機處理速度向著更快的高性能計算機方向發(fā)展。對帶寬、高速、大容量的信息處理和傳輸對系統(tǒng)內(nèi)PCB之間、板到背板之間、芯片之間的互連帶寬和密度都提出了更高的要求。伴隨著集成電路技術(shù)中的器件尺寸減小，芯片尺寸增大，頻率的提高以及數(shù)據(jù)流量的劇增，傳統(tǒng)電互連在帶寬、互連密度、時鐘扭歪、能耗、抗干擾性等方面均受到限制[1]。光互連充分利用了光的優(yōu)勢，用光作為信息載體來實現(xiàn)計算單元之間的信息交換。由于光互連的速度高、光波獨立傳播無干擾、互連數(shù)目大，互連密度高、功耗低等優(yōu)點，使得光互連技術(shù)在通信帶寬、傳輸速度、抗電磁干擾及低能耗等方面與電互連相比有巨大的優(yōu)勢[2]，光互連和電互聯(lián)的比較見表1所示。

根據(jù)2007年度版日本組裝技術(shù)路線、JEITA對印制電路板的時代劃分如下[3]：

第1代：單面印制電路板

第2代：雙面印制電路板

第3代：多層印制電路板

第4代：HDI多層印制電路板

第5代：嵌入式印制電路板

第6代：光電印制電路板（EOCB，Electrical Optical Circuit Board）

第7代：多功能多層板（MFB，Mult ifunctional Multi-layer PWB）、系統(tǒng)一體化基板（SIB，System Integration into Board）

從上述PCB的發(fā)展路徑可以看出，光電印制板的發(fā)展是未來發(fā)展的必然趨勢。光電印制板的工作原理：電信號通過光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為光信號；通過發(fā)射模塊發(fā)射后，經(jīng)過光耦合端面耦合至光傳輸介質(zhì)，光信號通過光傳輸介質(zhì)傳至光接收端；通過耦合后傳至光接收器件，光信號再通過光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電信號進行后期處理[4]（見圖1）。

圖1 光電印制板工作原理

2.2 分類

2.2.1 按照互聯(lián)層次分類

在短距離通信范圍內(nèi)，按照互聯(lián)器件類型和距離可以分為7個級別[4][5]，見圖2所示。

除了大家所熟知的城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，機柜級和系統(tǒng)級光電互連功能是把較低層次如插箱或機柜連接成一個整體，實現(xiàn)光電產(chǎn)品的整體技術(shù)指標(biāo)和要求，在這個層次上傳輸信道主要采用光纖互聯(lián)代替電纜連接；背板級光電互聯(lián)功能是把印制板與印制板之間通過光互聯(lián)連接成一個功能模塊或組件，實現(xiàn)光電產(chǎn)品的分模塊技術(shù)指標(biāo)和要求，主要采用光纖進行互聯(lián)。

表1 光互連和電互聯(lián)比較[2]

圖2 光互連技術(shù)在不同互聯(lián)層次的發(fā)展趨勢圖[3][4]

板級光電互聯(lián)是指在同一PCB板上，在芯片與芯片之間嵌入光傳輸介質(zhì)（一般有光纖和光波導(dǎo)），完成芯片間的光互連。器件級光互連主要包括光電轉(zhuǎn)換器件，如發(fā)光二極管、激光器等，一般在同一器件內(nèi)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。芯片級光互連指芯片內(nèi)部的信號傳輸通過光信號進行傳輸。

2.2.2 按照互聯(lián)傳輸介質(zhì)分類

（1）自由空間光互連。

自由空間光互聯(lián)是指光信號從光源發(fā)出后在自由空間中傳播，經(jīng)過一些光學(xué)器件改變光路后，到達接收端的互聯(lián)方式。自由空間光互聯(lián)的優(yōu)點是可充分利用三維空間，構(gòu)成各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，理論上來說不受I/O引腳限制，可以充分發(fā)揮光的寬頻帶和光波獨立傳播無干擾的特性，大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率和互聯(lián)密度[6]。但實際應(yīng)用的難度很大，首先所有的光器件都必須要精確地安裝和定位，這對工藝要求很高；其次，空氣中的灰塵容易對自由空間的光傳輸造成干擾，系統(tǒng)的維護比較困難[7]。

（2）光纖光互連。

利用傳統(tǒng)光纖技術(shù)的可靠性，將光纖壓入并粘合在基板上的層壓光纖電路制成光纖電路板。此方法開發(fā)難度小，直接利用現(xiàn)有的光纖進行信號傳輸，但同一層的光纖不能相互交叉，只能通過轉(zhuǎn)接的方式走線。此外，對于每一個疊加的光纖層，通常必須添加背襯基板將光纖固定，這就極大增加了電路板的厚度，不利于小體積高密度的集成，限制了層壓光纖電路在PCB疊層中的長期實用性[8]。

（3）光波導(dǎo)光互連。

光波導(dǎo)主要包括玻璃波導(dǎo)和聚合物波導(dǎo)[9][10]，其中玻璃波導(dǎo)以玻璃材料為襯底，制作工藝簡單、成本低，并且有較低的插入損耗。平面玻璃波導(dǎo)技術(shù)能夠結(jié)合光纖的一些性能優(yōu)勢，在較長的工作波長下，具有較低的光波吸收損耗和模式色散，同時有利于在單層上設(shè)計高密度的傳輸線路，傳輸損耗低，容易集成在系統(tǒng)中[11]。

高分子聚合物光學(xué)材料的研究和開發(fā)，在諸如高分子波導(dǎo)等方面受到國內(nèi)外研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。采用高分子聚合物材料，通過旋涂薄膜、聚合反應(yīng)、光刻、離子刻蝕等工藝即可制作出相應(yīng)的波導(dǎo)器件，各工藝過程相對簡單，且可以大批量生產(chǎn)，有望大幅度降低成本。由于當(dāng)前光纖是光通訊的主要傳輸媒介，具有兩個低損耗傳輸窗口，即波長13l0 nm和1550 nm。光通訊材料與器件的研究應(yīng)用主要集中在這兩個波長上，傳統(tǒng)聚合物作為有機聚合物光波導(dǎo)材料應(yīng)用的最大障礙是在近紅外波段（NIR：1.0 μm～1.7 μm）的傳播吸收損耗較大，主要原因是這些分子結(jié)構(gòu)中含有的C-H鍵或O-H鍵的振動會引起近紅外光的吸收，但可以通過調(diào)節(jié)取代基含量，比如采用F摻雜等方法，可以減小或完全取消C-H鍵的振動造成的傳輸損耗[12]。

3 板級光電印制板國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，光電互聯(lián)技術(shù)發(fā)展速度日趨加快，至2016年，在光波導(dǎo)材料、波導(dǎo)制造和互連三大關(guān)鍵領(lǐng)域取得重大突破，使得聚合物光波導(dǎo)在工作波長范圍下（850 nm）與光纖具有相當(dāng)?shù)男盘杺鬏敁p耗和色散[13]。

目前，光學(xué)材料的制造性能（如：耐熱耐壓等性能）已經(jīng)能夠與傳統(tǒng)PCB制造工藝相兼容，使得光波導(dǎo)能夠很好地嵌入PCB 中[14][15]。發(fā)展起來的各種波導(dǎo)制作技術(shù)，不僅適合小批量或樣機的開發(fā)（激光直接成像技術(shù)），同時適用于大批量生產(chǎn)制造（光刻工藝）。以聚合物和玻璃作為基體制作光折射率漸變波導(dǎo)，能夠有利于降低通過側(cè)壁的模式色散、串?dāng)_和傳輸損耗，此前很長一段時間內(nèi)，將波導(dǎo)嵌入PCB中是光電板商業(yè)化的最大技術(shù)障礙。直到2015年，隨著光互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，波導(dǎo)和PCB互聯(lián)的端部損耗可以降至很低的水平[14][15]。板裝式光學(xué)收發(fā)器和高密度并行光接口系統(tǒng)的成功開發(fā)，使得將光互連嵌入低成本、大容量的數(shù)據(jù)通信機箱中的可能性得到極大的提升。

國外針對光電印制板的主要研究機構(gòu)有：日本富士通、德國的德累斯頓工業(yè)大學(xué)電子封裝實驗室、美國IBM和富士通美國實驗室、芬蘭技術(shù)研究中心（VTT）、德國弗勞恩霍夫可靠性與微集成研究所英國劍橋大學(xué)等機構(gòu)這些機構(gòu)成功開發(fā)并制備了光電互聯(lián)印制板，各個研究機構(gòu)的研究概況總結(jié)（見圖3）。

圖3 國外各研究機構(gòu)對光電印制板的研究成果

（續(xù)圖3）

（續(xù)圖3）

國內(nèi)在板級波導(dǎo)光電互連技術(shù)方向的科研成果還非常有限，主要研究機構(gòu)有華中科技大學(xué)（HUST）激光技術(shù)國家重點實驗室[27]、國防科技大學(xué)[28]、上海交通大學(xué)和浙江大學(xué)等，國內(nèi)各個研究機構(gòu)的研究概況總結(jié)至圖4所示。

圖4 國內(nèi)各研究機構(gòu)對光電印制板的研究成果

國內(nèi)研究水平明顯滯后于國外，國外已制作加工成了完整的混合光電印制板，并開展了背板級光電互聯(lián)的研究，而國內(nèi)主要研究重點則集中于實驗室級，缺少生產(chǎn)級研制。重點還須對如下方向開展深入研究：（1）適用于批量生產(chǎn)的光波導(dǎo)制備工藝研究；（2）板級光電高精度耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作；（3）光電模塊（包括光發(fā)送和光接收等模塊）微組裝技術(shù)研究。

4 聚合物光電印制板制備工藝流程

4.1 聚合物光波導(dǎo)制備

聚合物光波導(dǎo)更有利集成于傳統(tǒng)微電子制備工藝中，嵌入聚合物波導(dǎo)的光電印制板是一種具有光電互連功能的多信號電路結(jié)構(gòu)。在典型的設(shè)計中，銅線提供了大多數(shù)的互連結(jié)構(gòu)，特別是低速信號和主要傳輸供電網(wǎng)絡(luò)。聚合物波導(dǎo)是為選擇的高I/O芯片——芯片和芯片——模塊的信號傳輸而設(shè)計的，并行光學(xué)可以提高帶寬密度和提高板的實際利用率。由于混合疊加的結(jié)果，光波導(dǎo)層和光學(xué)材料必須能夠和傳統(tǒng)的印刷電路板制造工藝兼容，包括壓合、鉆孔、金屬化和表面精加工工藝。制備光波導(dǎo)的聚合物為能夠嵌入傳統(tǒng)PCB中，其熱穩(wěn)定性和加工性能等需要滿足一定的要求，如較低的光吸收損耗、低的極化損耗（PDL）、低的偏振模色散（PMD）、可變折射率差（△n）、低折射率色散（dn/dλ)、良好的熱穩(wěn)定性、與基底材料較好的附著力、有較好的可加工性能、有較大的熱光系數(shù)（dn/dT）和較強的可制造性能等[32]。

在800～850 nm波長范圍內(nèi)適合制造光波導(dǎo)的聚合物材料及其生產(chǎn)廠商和傳輸損耗見表2[33]。

隨著光波導(dǎo)研究工作的不斷深入，多種聚合物光波導(dǎo)的制作方法相繼被提出，常見的制備方法主要有：光刻法、軟光刻法等（圖5）。

4.1.1 光刻法

（1）基于光刻膠的光刻法。

這種聚合物波導(dǎo)的制造方法類似于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體加工技術(shù)，例如使用旋涂、烘烤和反應(yīng)離子刻蝕（RIE）。但是傳統(tǒng)的RIE方法會引入較大的表面粗糙度，從而導(dǎo)致較大的散射損耗[39]。此外，此方法要求大尺寸掩模，采用大面積光刻的方法其成本更高。

（2）直接光刻法。

直接光刻法一般用來制作由光敏聚合物制成的波導(dǎo)。對光敏聚合物進行直接曝光，之后將掩膜下未曝光聚合物部分直接通過濕法蝕刻進行去除，形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[40]。這種方法工藝流程更加簡化，具有更快的周轉(zhuǎn)時間，并且比RIE工藝產(chǎn)生更小的表面粗糙度。

（3）激光直寫法。

激光直寫是在聚合物薄膜中形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一種方法。采用激光束光斑大小和間距可以直接制備不同規(guī)格的光波導(dǎo)。與傳統(tǒng)的基于掩模的光刻方法相比，這種方法不需要掩模，因此更快捷，且成本更低。這種技術(shù)有可能被應(yīng)用于大規(guī)模制造中，但該技術(shù)對設(shè)備能力要求較高[37]。

4.1.2 軟光刻（或模塑）技術(shù)

軟光刻或模塑法是一種非光刻技術(shù)，由Xia和Whitesides所開創(chuàng)[41]。軟光刻法工藝流程如圖6所示，首先制備光波導(dǎo)模具（PDMS），然后基于PDMS模具制備下包層和芯層波導(dǎo)，之后脫模，涂覆上包覆層，完成聚合物光波導(dǎo)的制備。軟光刻技術(shù)成本低，經(jīng)濟效益高，是一種適合大規(guī)模制造的技術(shù)。然而，這種方法的缺點所制造的光波導(dǎo)表面粗糙度較大，會造成較大的散射損耗。

表2 常規(guī)聚合物材料在800-850 nm波長下的性能總結(jié)

圖5 不同光刻法的機理流程圖

4.1.3 Mosquito法[14]

Mosquito法具體工藝流程如圖7所示，主要包括以下步驟：

（1）將包覆層涂覆在基板材料上；

（2）將帶有芯層材料的針頭插入包覆層中，將芯層聚合物材料注射進入包層聚合物中；

（3）采用UV光照射，進行后固化流程。

該方法工藝流程簡單，大批量產(chǎn)業(yè)化制造性強，且聚合物光波導(dǎo)芯層尺寸規(guī)格容易控制，并且在固化前，芯層聚合物和包覆層聚合物會進行三維交聯(lián)，形成共聚物，因此其折射率分布非常穩(wěn)定。

4.2 光波導(dǎo)耦合

主要存在兩種光耦合機理：直接端面耦合和間接耦合。

圖6 軟光刻制備工藝流程

圖7 Mosquito法制備光波導(dǎo)的工藝原理圖[14]

如圖8所示：間接耦合方式是把光電轉(zhuǎn)換模塊直接貼裝在PCB板的表面，實現(xiàn)與電子芯片的光電互聯(lián)，但在波導(dǎo)兩端都需要進行90°的光耦合，耦合難度較大。直接端面耦合技術(shù)是利用現(xiàn)有光電轉(zhuǎn)換器件嵌入PCB中，與波導(dǎo)層直接連接，成本更低，且這種方式不需要進行光學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜耦合，但是在電學(xué)領(lǐng)域需要仔細(xì)設(shè)計。例如，需要阻抗匹配連接器將高速電信號從板的表面以90°的角度轉(zhuǎn)換至到位于波導(dǎo)面附近的光源和檢測器。

4.2.1 間接耦合

由于光收發(fā)模塊一般經(jīng)由表面貼裝工序固定在PCB表面，其底部的激光器（VCSEL）和探測器（PD）出射/入射光線垂直于水平光波導(dǎo)，耦合元件的作用是將垂直光線轉(zhuǎn)向90°后，耦合進水平光波導(dǎo)，其耦合損耗不僅直接關(guān)系到最終的耦合效率，甚至可能導(dǎo)致光路不通，光電板無法工作；耦合效率是光收發(fā)組件集成時的重要指標(biāo)，除了耦合元件，優(yōu)良的光電板結(jié)構(gòu)及工藝也能降低光收發(fā)組件出現(xiàn)耦合偏差的概率，還能對光收發(fā)組件加強保護、提高光電印制板整體的集成度帶45°鏡面的波導(dǎo)耦合器具有與波長無關(guān)的優(yōu)點，但鏡面角必須嚴(yán)格控制45°±1.5°之內(nèi)，耦合效率接近80%

目前主要有兩種耦合方式：

第一種耦合方式為在光波導(dǎo)的端面制備制作45°全反射（Total Internal Reflection，TIR）鏡面（見圖9）。這種耦合方法省去了單獨植入反射微鏡的環(huán)節(jié)，具有加工工序簡單、鏡面粗糙度可控，易集成等優(yōu)點，但對制備工藝有較高的要求，主要的制備方法有：激光燒蝕[43]，激光直寫[44]，切割[45]，v型刀切割波導(dǎo)[46]、反應(yīng)離子刻蝕[47]、微銑削[48]、紫外光刻[49]和X射線光刻[50]等，需要對制備過程中的工藝條件和參數(shù)進行深入研究。

第二種耦合方式采用采用波導(dǎo)耦合器。如圖10所示為韓國Mu Hee Cho[51]等人在光電印制板開發(fā)中，采用了一種光纖彎曲90°的耦合連接方案。主要由間距為250 μm的12根45°端面光纖陣列組成。發(fā)射模塊的光信號通過45°端面反射進光波導(dǎo)層，或者光波導(dǎo)層的光信號通過45°端面發(fā)射進光接收模塊，從而實現(xiàn)光收發(fā)模塊與光波導(dǎo)層的耦合。MT連接器是目前常用于光纖陣列一種耦合方式，具有體積小、定位精確和插入損耗小等優(yōu)點。垂直的MT連接器連同預(yù)先插入的光纖一起被磨制出45°端面，通過端面的反射實現(xiàn)與水平的MT連接器之間的耦合，裝配45°反射鏡的方法可以保證鏡面的光滑程度，但是需要額外加工器件與工序，并且在光波導(dǎo)內(nèi)部形成用于放置微鏡的腔體，工藝復(fù)雜且引入大量的對準(zhǔn)誤差。

圖8 光耦合機理[42]

圖9 不同制備方法下45°端面的聚合物光波導(dǎo)

4.2.2 直接端面耦合

IBM開發(fā)了基于直接端面耦合方式（采用MT連接器）集成的光電印制板，如圖11[19]所示，工藝簡單，能夠進行手動即插即用，組裝簡單方便，且重復(fù)性較好，成本低。然而，由于放置插針和套圈所需的大面積，這種方案通常用于板的邊緣，因此施加了嚴(yán)格的布局要求，并限制它們主要用于卡到卡而不是芯片到芯片的互連。

4.3 光電印制板制備工藝

光電印制板的結(jié)構(gòu)中間為光波導(dǎo)層，兩邊為銅層（常規(guī)FR-4基材）。先制作第三層（L3）的圖形，隨后在L3上制作光波導(dǎo)層，然后和第一、第二層（L1/2）壓合，隨后進行諸如鉆孔、電鍍和圖形制作等流程，具體工藝流程如圖12（a，b）所示[30]，關(guān)鍵工藝設(shè)備如圖12（c）所示[13]。

5 總結(jié)

從上述介紹中可以看出，隨著信息傳輸量日益增大，對傳輸速度的要求日益加快，光電印制板的發(fā)展是未來發(fā)展的必然趨勢，但高速光電印制板也不可避免地存在不足。此前很長一段時間，將波導(dǎo)嵌入PCB中是光電板商業(yè)化最大的技術(shù)障礙，且波導(dǎo)制作和耦合精度要求高，商業(yè)化成本較高。隨著光互連技術(shù)的進一步發(fā)展，技術(shù)不斷成熟，生產(chǎn)成本將有所降低，光電印制板商業(yè)化應(yīng)用的步伐，有可能推遲，但不會缺席。

圖10 （a）光纖彎曲90°耦合連接方案原理，（b）波導(dǎo)耦合器示意圖

圖12 （a，b）光電印制板的制備工藝流程，（c）光電印制板制備關(guān)鍵工藝設(shè)備