专利名称：对用于电路板间通信的pcb中的光层进行集成的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及印制电路板领域。更具体而言，本发明涉及不通过电连接而将与其它板的光数据通信集成的多级印制电路板(或者“PCB”)。也就是说，本发明涉及将光连接集成的底板电路板。
背景技术：
今天，许多世界的通信是在光纤上进行的，数据是以调制光进行编码的。传输速率是以每秒钟几十亿比特来计算的。直到数据到达其目的地。在那里，光转换成电脉冲，以使其能被电子发送。结果是数据速率降低并且增加了延迟。
正在发展在硅衬底上包括波导结构的光电子装置，以允许光总线和电总线的集成。这些集成装置将取代分散的元件并使得从光子流到电子流的转换更高效和/或者完全消除转换。很清楚，当不再需要从光到电信号的转换时就会达到最大效率，从而使通信以光的形式从出发点到目的地。
实现该目标的障碍之一是底板。底板是系统中装置的互连点并且可以是无源的或者智能的。通常，装置(有时候指的是“子板”)通过机械手段插入到底板中。可能需要其它布线使装置相互连接或与底板上的其它点连接，导致数据传输速率降低、失效几率增加以及成本增加。光电子装置需要与底板形成的电和/或光界面。
通常，底板和子板设置在安装有分散元件的印制电路板(PCB)上。所需要的是子板和底板由具有电和光界面的PCB形成，从而消除另外的布线并减少或者消除从光信号到电信号转换的需要。这样的PCB也包括无源元件例如多路器、分路器、变换器和干涉仪来影响光信号。
发明内容
本发明的一个目的是将光传输材料与PCB集成，以允许光信号在电路板之间传输。
本发明的另一目的是将光学聚合物与PCB产品集成，以允许光信号传输。
本发明的另一目的是将电路板和光底板集成，使用光传输来通信，以便于子板的操作、插入和除去，而不需要连接布线。
本发明的另一目的是通过用激光写连接方案来定义PCB中的光传输聚合物(光波导)。
本发明的又一目的是提出一种方法，用于制造通过激光技术与光波导集成的PCB。
本发明的再一目的是提出一种方法，用于通过不同折射指数的导光材料的连续层压将光波导与PCB集成。
本发明的另一目的是使用铜层上的目标标记来对齐光波导的位置。
设计PCB来产生光信号以允许光底板与插入的电路板通信而不使用电布线。设计PCB上的表面或者连接器以允许光能量(信号)的传输。优选的操作是使用诸如PolyguideTM的聚合物。所使用的聚合物需要具有良好的光学性能和耐高温性。
PCB与具有特定折射指数n2的材料表面涂层层压。在本发明的一个实施方案中，外层层压体是诸如PolyguideTM的聚合物材料。聚合物层层压在铜层上。在层压之前，通过化学或机械或组合方法对铜层进行粗糙化来提高粘结性。然后用聚合物覆盖整个PCB表面。
然后在第一聚合物层上形成第二聚合物层。该层具有不同的折射指数n1。光信号在第二聚合物层中传输。
随后通过诸如激光融化的自动方法，对层进行凿沟。凿沟工艺在聚合物层中留下孔隙。在对双聚合物层进行凿沟处暴露铜层。激光融化时对齐表面铜层上作为标记的可辨认图案。在铜上进行蚀刻的标记是为了易于被自动激光工具辨认而设计的形状。
然后用折射指数为n2的聚合物填充这些通道或者孔隙。具有较高折射指数n1的第二聚合物被第一聚合物夹入中间。夹入中间的聚合物层作为光波导而发挥作用。波导也包含另外的无源元件例如多路器、分路器、变换器和干涉仪来影响光信号。
在钻通孔之前通过激光融化方法在钻通孔的那些位置凿沟。通过最后层压“预浸料”以及在顶部和底部沉积铜箔来完成多层PCB。然后钻通孔，完成光信号传输。
图1表示部分完成的具有由聚合物层覆盖的外铜层的多层PCB的截面图。
图2表示部分完成的在第一聚合物层上具有第二聚合物层的多层PCB的截面图。
图3表示通过激光融化来凿沟的第一和第二聚合物层的截面图。
图3a表示用独特的、易于辨认的图案进行标记的表面铜层的截面图。
图4表示在顶部聚合物层上形成第一聚合物材料的附加涂层填充激光产生的通道后的多层PCB的截面图。
图5表示在钻通孔的位置进一步凿沟的多层PCB的截面图。
图6表示在插入通孔之前、将“预浸料”和铜箔压在适当位置处之后的多层PCB的截面图。
图7表示钻通孔之后的多层PCB的截面图。
具体实施例方式
参考图1，截面图表示在光集成的最初阶段具有铜最外层的多层PCB。多层PCB14的顶部和底部被铜层10、11覆盖。这样，首先制造PCB以支持电路和功能，然后将光导层引入到其结构中。在层压第一光导层12之前，将多层PCB的芯进行加工。根据本发明的一个实施方案，光导层12是以商标名称PolyguideTM出售的聚合物材料。第一聚合物层压层12具有特定的折射指数n2。层压体在顶部铜层10上，覆盖PCB的整个上表面区域。
根据本发明的一个实施方案，在将具有聚合物涂层12的表面进行层压之前对顶部铜层10进行粗糙化，目的是为了提高粘结性。例如，可以使用化学的、机械的、或者化学和机械联合的磨损方法。也可以使用已知的其它磨损方法。
如果光学聚合物材料具有以下性能，则将最适合于本发明的实施好的光学性能(即低分散性)、耐高温和磨损性以避免制造和组装的时候对材料的损害以及与PCB中使用的玻璃增强材料相当的Z轴膨胀系数。典型的环氧基体系的Z轴热膨胀系数(CTE)在100-150ppm之间。X轴和Y轴的CTE为16-18ppm。
参考图2，表示处于随后的加工阶段中在第一聚合物层上具有第二聚合物层的部分完成多层PCB的截面图。第二聚合物层16层压在第一聚合物层12的顶部。第二聚合物层16覆盖整个顶部表面区域。第二聚合物层16需要与第一聚合物层12相同的性能。
第二聚合物层压体具有特定的折射指数n1。折射指数n1大于折射指数n2。光信号在折射指数为n1的层中传输。
参考图3，截面图表示通过激光融化而凿沟的第一和第二聚合物层。对这两个光导聚合物层12、16凿沟，在第一和第二聚合物层中产生孔隙18。根据本发明的一个实施方案，采用激光融化。激光能自动控制深度。激光没有足够的能量来切削铜层10。维持铜的完整性以使位于铜层10下方的介电层20不被穿透。在沿着铜层10的两个聚合物层中创造空腔或者孔隙的其它方法和工艺不会影响本发明的实施。
参考图3a，该截面图表示用独特的、容易辨认的图案进行标记的表面铜层。铜在一些聚合物层形成孔隙18的位置中进行标记。本发明的一种实现方式是蚀刻或者标记铜层以形成用于激光融化工艺对齐的目标22。设置目标22，使得不会妨碍电路和PCB设计逻辑。本发明的一个实施方案将这些“对齐”目标或者特征设置在PCB的边缘上。使用多个标记；标记越多，准确性越大。目标22具有独特的形状，从而便于自动辨认。根据本发明的一个方面，用化学试剂对铜进行蚀刻。作为替代方案，本发明使用激光来对铜层中的对齐特征作标记。作为另一种替代方案，本发明使用机械方法来对铜目标作标记。
参考图4，截面图表示在顶部聚合物层上形成第一聚合物材料的附加涂层填充激光创造的通道后的多层PCB。第三聚合物层24层压在PCB的顶部表面上，以均匀的厚度覆盖PCB。由激光融化而创造的孔隙得到填充。第三聚合物层具有和第一聚合物层12相同的折射指数n2。当聚合物层孔隙被填充的时候，产生折射指数为n1的第二聚合物层16的岛状物(islands)。这些岛状物称为“光波导”。光波导被具有较小折射指数n2的聚合物材料所包围。
这些光波导岛状物16传输光信号并允许电路板间通过光底板连通而不需要电路布线。激光融化方法定义光波导，写出PCB和底板的连接方案。也可以将其它无源元件如多路器、分路器、变换器和干涉仪集成在电路上，来影响光信号。光波导传输光信号以使电路板间通信。
参考图5，截面图表示在要钻通孔的位置处进一步凿沟的多层PCB。在定位通孔处，在顶部铜层10上的多层聚合物层中创造孔隙25。如上所述，使用激光融化方法除去聚合物材料12、16、24达到铜层10。注意，本文没有描述的其它移除多层PCB中的聚合物层(即凿沟)的方法也可以使本发明得以实施。
参考图6，截面图表示在插入通孔之前、将“预浸料”和铜箔压在适当位置之后的多层PCB。在本发明的一个实施方案中，预浸料26(一种非传导性材料)压(层压)到PCB的顶部和底部表面上。然后将铜箔层28压到每一边上以完成期待插入通孔的多层PCB。
参考图7，表示钻通孔后的多层PCB的截面图。然后插入通孔30。本发明的一个实施方案通过多层PCB的机械钻孔来插入通孔。通孔30用来组装元件或者用作导通孔来接近PCB的内层。聚合物材料的去除不损害通孔的完整性。预浸料材料26维持通孔的侧壁。注意保护光波导16。
本发明“对用于电路板间通信的PCB中的光层进行集成的系统和方法”用优选的实施方案进行了描述。应该理解的是，可以在不偏离本发明范围的情况下对所描述的实施方案进行各种更改和改进。
权利要求
1.一种将印制电路板中的光层集成的方法，其特征在于，印制电路板包含与第一层铜箔结合的绝缘材料，该方法包括制造印制电路板；在铜层上层压折射指数为n2的第一聚合物材料层在第一聚合物材料层上层压折射指数为n1的第二聚合物材料层，其中，n1＞n2；创造通过第一和第二聚合物材料层的通道；层压第一聚合物材料的顶层，以填充通道并覆盖剩余的第二聚合物材料层；在顶层上层压预浸材料层；和在预浸材料上层压第二层铜箔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一和第二聚合物材料的热膨胀系数基本上与印制电路板的热膨胀系数一样。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一聚合物层是polyguideTM。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制造用于层压的印制电路板包括将第一层铜箔粗糙化。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将第一层铜箔粗糙化包括通过机械方法将第一层铜箔粗糙化。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将第一层铜箔粗糙化包括通过化学方法将第一层铜箔粗糙化。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，制造用于层压的印制电路板进一步包括在第一层铜上施加多个标记，其中所述标记定义通道路径。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，创造第一和第二聚合物材料层中的通道包括用激光融化所述层。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，创造第一和第二聚合物材料层中的通道进一步包括使激光与所述多个标记对齐；和沿着由所述多个标记定义的路径融化第一和第二聚合物材料层。
10.一种将印制电路板中的光层集成的方法，其特征在于，印制电路板包含与第一层铜箔结合的绝缘材料，该方法包括制造印制电路板；在铜层上层压折射指数为n2的第一聚合物材料层；在第一聚合物材料层上层压折射指数为n1的第二聚合物材料层，其中，n1＞n2；创造通过第一和第二聚合物材料层的通道；鉴别用于组装手段的开口位置；在开口位置处的第一和第二聚合物材料层中创造孔隙；层压第一聚合物材料的顶层，以填充通道和孔隙并覆盖剩余的第二聚合物材料层；在顶层上层压预浸材料层；在预浸材料上层压第二层铜箔；和在用于组装手段的开口位置处创造开口。
11.一种用于连接多个光电子装置的系统，包括印制电路板，该印制电路板包括用于传送电信号的电路径和用于光信号的光路径；第一连接器，该连接器连接到印制电路板以及连接到用于接收第一光电子装置的电以及光路径；和第二连接器，该第二连接器连接到印制电路板以及连接到用于接收第二光电子装置的电和光路径，其中，第一光电子连接器通过电路径和光路径与光电子连接器相连接。
全文摘要
不同折射指数的聚合物嵌入到PCB(14)中，通过光底板提供PCB(14)与另外的电路板的光连通性。完全被折射指数为n2的聚合物材料包围的折射指数为n1的聚合物材料(12)岛状物(islands)的产生，其中n1大于n2，使得折射指数为n1的聚合物岛状物可以用作光波导。讲授了通过使用连续层压和使用光融化来写出光连接方案，从而形成具有光波导岛状物的多层PCB(14)的方法。而且，也讲授了在生产中使用铜层(10，11)上的独特标记目标来对齐光波导。此外，还讲授了随着预浸料的层压，应用聚合物材料的清除和聚合物孔隙的增加，以允许通孔的简单、高公差插入。
文档编号B23K26/00GK1870862SQ200610078569
公开日2006年11月29日 申请日期2002年6月24日 优先权日2001年7月6日
发明者约瑟夫·A·A·M·陶瑞 申请人:惠亚集团公司