叠层光电互联印制板及其实现方法与流程

本发明属于电子器件技术领域，特别是一种光电互联印制板eopcb的叠层结构及其实现方法，可用于多层eopcb的研究中。

背景技术：

随着电子信息技术的发展，对高速通信的需求呈现爆炸式增长，而随着数据传输的速率和频率的升高，在短距离的互连领域，尤其是电子设备内部机框之间、单板之间以及芯片之间的互连，传统的电互联中趋肤效应和介电损耗等固有属性会使高速信号失真，带宽受限。新型的光电互联具有很多特点，如低能量消耗、消除emi、高带宽、高速，基于这些特点，光互连非常适合于板级信号传输。

光电互联印制板eopcb的板内组装技术主要是指将包括光子器件在内的整条光电通路埋入pcb板内的工艺途径，在pcb表面仅留电气特性接口，以增强光电互联的可靠性。现有工艺加工多层印制电路板相邻层之间的连接依靠半固化片熔融实现。采用热压工艺实现光子器件板内组装，必须将叠层好的模具放入层压机中，依靠高温高压的方法，使半固化片熔融。此时，光子器件的性能必须要在近200℃的高温和15kp/cm2的压力下保持稳定，而光子器件对温度和压力均较为敏感，此种工艺方法对光子器件易造成很大的机械损伤和热损伤，导致器件性能衰退或失效。

因此要实现光子器件在印制电路板内的组装不能直接利用已有的成熟pcb工艺方法进行。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种叠层光电互联印制板及其实现方法，以避免光子器件在印制板的高温压合工艺过程中造成失效的问题，使光电转换及传导通路完全在基板内完成，起到保护作用。

为实现上述目的，本发明的叠层光电互联印制板，包括：

上中下3层基板、光发射器、光接收器和光波导；光波导制作在下基板表面，光波导上设有45°耦合端面；中间基板压合在光波导上，光发射器和光接收器贴装在中间基板的表面，并与光波导的45°耦合端面对准，其特征在于：

在位于中间基板的上表面的光发射器和光接收器的四周设有焊盘阵列，在上基板的相同位置设有相同的焊盘阵列，并在上基板的所有焊盘上植入焊球，光发射器和光接收器的引脚通过基板上走线连到焊盘上，上层基板和中间基板通过焊球互连，构成3层堆叠结构。

为实现上述目的，本发明的实现方法，包括如下步骤：

(1)在第一覆铜板上采用显影刻蚀的方法制作矩形光波导的芯层和上、下包层，并激光刻蚀光波导，再进行化学镀、电镀，形成45°反射微镜；

(2)依据45°反射微镜位置在第二覆铜板上作定位点，在定位点各预留一个面积为n*n的空间，预留位置之外放置焊盘阵列，其中n≥5mm，重复此步骤处理第三覆铜板；

(3)将第二覆铜板层压到光波导上包层，并在预留位置处制作一个光通孔，使光收发器件的入/出射光可以借助光通孔聚焦到45°反射微镜；

(4)将光发射器贴装到第二覆铜板的一个预留位置处，光接收器贴装到第二覆铜板的另一预留位置处，使光子器件、光通孔与45°反射微镜的对准精度在容差范围内，光发射器和光接收器的引脚通过基板上走线连至焊盘；

(5)利用自动植球机在第三覆铜板的所有焊盘上植入焊球；

(6)将第三覆铜板上的焊球与第二覆铜板上的焊盘连接，通过叠层的方式，完成光收发器件的板内组装和电气互连。

上述叠层光电互联印制板的实现方法，其中所述步骤(1)中的利用显影刻蚀的方法制作光波导并制作45°反射微镜，包括如下步骤：

(1a)利用fecl3溶液蚀刻覆铜板上的铜以改善涂层附着性；

(1b)充分清洗基板，除去表面有机污渍；

(1c)在基板上涂覆折射率低的下包层材料微抗蚀剂聚合物mr-l6100xp，厚度为60μm；

(1d)在下包层上涂覆折射率高的芯层材料su-8，厚度为50μm；

(1e)覆盖掩膜版，用曝光显影的方式制作出芯层为50μmx50μm矩形光波导；

(1f)旋涂上包层mr-l6100xp，厚度为50μm；

(1g)激光切割光波导，形成45°斜面，并进行化学镀、电镀增强斜面反射，制成45°反射微镜；

(1h)在五维调节平台上对波导进行通光测试，根据光功率计示数确定光路传输损耗，判断包括45°反射微镜和光波导在内的光通路是否满足要求。

上述叠层光电互联印制板的实现方法，所述步骤(4)中的光子器件的smt电装，是使用工装夹具控制光发射器在各关键容差变量方向做扫描运动，观测接收端输出的光功率；找到最大光功率位置后，以工装固定的形式，使得光收发器件在水平和垂直方向均固定，再实施smt电装，避免电装过程中器件出现偏移和翘曲影响光耦合。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明由于在基板间采用焊接叠层形式进行电气互连，这样的设计在实现光收发器件板内组装的同时，克服了传统层压工艺易对光收发器件易造成很大的机械损伤和热损伤的缺点。

2.本发明通过光功率扫描确定光衰最小位置后以工装固定的形式完成光收发器件的电装，避免了在电装过程中因偏移和翘曲等因素影响对准精度，造成额外的光路衰减。

附图说明

图1是本发明的叠层光电互联印制板示意图；

图2是本发明的叠层光电互联印制板实现过程示意图；

图3是本发明的叠层光电互联印制板实现步骤(4)的光功率扫描设置示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

一种叠层光电互联印制板，其结构参照图1，包括：上中下3层基板、光发射器和光接收器、聚合物光波导。基板均是材质为fr4的覆铜板，尺寸为15×5×0.5mm³。

聚合物矩形光波导制作在下基板表面，中间基板压合在光波导上，所述光波导上设有45°反射微镜，中间基板开有光通孔，并与45°反射微镜对准。

光发射器和光接收器贴装在中间基板的上表面，与光通孔、45°反射微镜对准。

在位于中间基板的上表面的光发射器和光接收器的四周设有焊盘阵列，在上基板的相同位置设有相同的焊盘阵列，并在上基板的所有焊盘上植入焊球，光发射器和光接收器的引脚通过基板上走线连到焊盘上，上层基板和中间基板通过焊球互连，构成3层堆叠结构。

参照图2，本发明中的叠层光电互联印制板的实现方法，包括如下步骤：

(1)在第一覆铜板上采用显影刻蚀的方法制作矩形光波导的芯层和上、下包层，并激光刻蚀光波导，再进行化学镀、电镀，形成45°反射微镜；

该步骤具体包括如下子步骤：

(1a)利用fecl3溶液蚀刻覆铜板上的铜以改善涂层附着性；

(1b)充分清洗基板，除去表面有机污渍；

(1c)在基板上涂覆折射率低的下包层材料微抗蚀剂聚合物mr-l6100xp，厚度为60μm；

(1d)在下包层上涂覆折射率高的芯层材料su-8-50，厚度为50μm；

(1e)覆盖掩膜版，用曝光显影的方式制作出芯层为50μmx50μm矩形光波导；

(1f)旋涂上包层mr-l6100xp，厚度为60μm；

(1g)激光切割光波导，形成45°斜面，并进行化学镀、电镀增强斜面反射，制成45°反射微镜；

借助激光打孔设备调整透过掩膜的激光入射角度对固化后的光波导层进行垂直和45°切割，切口中的45°斜面作为45°反射微镜，将光发射器的垂直入射光转向90°后耦合进水平光波导，再将光波导的出射光转向90°与光光接收器耦合。为了增强反射镜面的光滑度，在45°斜面上镀一层很薄的金属镀层，厚度约几百nm。垂直切割形成切口有助于进行化学镀，同时也能使在光线在光子器件与光波导端面间耦合。

(1h)在五维调节平台上对波导进行通光测试，根据光功率计示数确定光路传输损耗，判断包括45°反射微镜和光波导在内的光通路是否满足要求。

(2)依据45°反射微镜位置在第二覆铜板上作定位点，在定位点各预留一个面积为n*n的空间，预留位置之外放置焊盘阵列，其中n≥5mm，焊盘厚度为0.1mm,直径为0.5mm，相邻焊盘间距为1.2mm，重复此步骤处理第三覆铜板；

第二覆铜板和第一覆铜板大小一致，对位后，依据45°反射微镜位置在第二覆铜板上标定位点，定位点处预留空间可根据光收发器件的大小进行调整。

(3)将第二覆铜板层压到光波导上包层，并在预留位置制作一个光通孔，使出入射光可以借助光通孔聚焦到45°反射微镜；

第二覆铜板热压合到光波导上，采用机械钻孔的方法依据定位点在基板上钻出光通孔，通孔大小和步骤(1)激光刻蚀的切口直径尽量一致，为确保光通孔与45°反射镜面的对准精度，借助axi检测系统进行观测。

(4)将光发射器贴装到第二覆铜板的一个预留位置处，光接收器贴装到第二覆铜板的另一预留位置处，使光收发器件、光通孔与45°反射微镜的对准精度在容差范围内，光发射器和光接收器的引脚通过基板上走线连至焊盘；

参照图3，光发射器为vcsel光发射器，光接收器pd也是面接收器件，使用工装夹具控制光发射器以光通孔几何中心为基准在关键容差变量方向做扫描运动，观测接收端输出的光功率，最大光功率位置即为最佳对位位置。为避免电装过程中器件出现偏移和翘曲影响光耦合，以工装固定的形式，使得光子器件在水平和垂直方向均固定。

(5)利用自动植球机在第三覆铜板的所有焊盘上植入焊球；

植球前清洗焊盘并在焊盘上涂抹助焊剂，自动植球机将焊球植到焊盘上后，需进行质量检测，对质量不合格的焊球重新植入。

(6)将第三覆铜板上的焊球与第二覆铜板上的焊盘焊接，通过叠层的方式，完成光收发器件的板内组装和电气互连。

以叠层方式完成光子器件的板内组装后，在测试平台上对vcsel光发射器加5ma的电流进行通光测试，检测pd光接收器输出的光电流，其值在光子器件性能参数范围内，表明使用该工艺实现叠层光电互联印制板的过程中，未对光收发器件和光波导造成损伤，所制印制板可用于光电互联通信。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的技术人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。