光电印制电路板用聚合物光波导资料
摘要：对用于光电印制电路板上的聚合物光波导的资料及特色、制备准则、办法、分类、成型工艺以及测验办法进行了评论和总结，供给了资料制备、耐热性、折射率、光传输丢失和光波导制备等方面的试验成果。
导言
光电印制板（OpTIcal-Electronic PrintedCircuit Board,EOPCB），作为未来十分具有生长潜力的PCB产品之一，简略地说，便是将光与电整合，以光来做信号传输，以电进行运算的新一代高速运算所需的封装基板。将现在开展得十分老练的印制电路板加上一层导光层，使得电路板的运用由现有的电衔接技能延伸到光传输范畴。
光电印制板是PCB前史开展的必然趋势。有资料将印制电路板划分为六代，即单面板（榜首代）、双面板（第二代）、多层板（第三代）、高密度互连板（第四代）、光电印制板（第五代）、多功用板（第六代）。为处理I/O瓶颈，最具代表性的计划是，光子用笔直腔面发射激光器（VSCEL）发射，波导选用了聚合物资料，听说这比光纤更简单与体系集成。典型光电印制板结构原理图如图1，其作业原理是：大规模集成芯片发作的电信号经过驱动芯片效果VCSEL激光发作器，激光束直接或经过透镜传输到有45o镜面的聚合物波导反射进入波导中，然后经过另一端波导镜面反射传送到PD接纳，再经过接纳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能够经过光波导高速通讯，然后全体进步体系功用，该PCB制造和传统PCB的制造工艺兼容，仅仅把聚合物波导层当作PCB其间的一层进行叠片而成。
图1典型光电印制电路板的结构原理图
1 聚合物光波导资料及其特色
聚合物光波导资料，具有较高的电光耦合系数、较低的介电常数、呼应时间短、热损耗小、加工工艺简略、价格低廉、无须高温加热，还能够经过分子规划来组成具有预期效果的聚合物。但传统的聚合物光波导资料如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）使用的最大妨碍是在近红外波段（1.0 m～1.7 m）传达时吸收损耗大，并且玻璃化温度和热安稳性都很低。而光电印制板上光波导制造应遵从以下准则：榜首，光波导层的厚度和折射率的差错都要小，并且芯层与包层的折射率之差至少为8％；第二，传输损耗小，一般应在1dB/cm以下，即光学通明度好，外表凹凸小，光学散射少；第三，高热安稳性，为了确保光波导在叠片进程傍边没有影响其功用, 波导资料有必要能够确保在PCB叠片进程170℃和15kp/cm2的压力下保持安稳。明显，传统聚合物光波导资料在有些方面不符光电印制板上光波导制造准则，需求改性进步。
1.1 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）
PMMA 是传统聚合物光波导资料代表，尺度安稳、通明、耐光，折射率约为1.48，热变形温度85℃，太阳光透过率为90%~92%，紫外线透过率为73.5%。其制备简略，与客体非线性有机分子相容性好，并且一般情况下与非线性有机分子无强彼此效果等长处。但热安稳性较差和在近红外波段传达时吸收损耗大。
1.2 聚苯乙烯（PS）
PS的通明性、折射率较PMMA高、吸水率低、尺度安稳好、易加工成型、价格低廉、较好成膜性和光学特性,在通讯波长1553nm（波数6439cm-1）处没吸收峰，即对通讯光信号有杰出的通明性，可制造薄膜波导成膜资料。但其力学功用较差，不耐热，外表硬度低，脆性大，使用规模遭到约束。
1.3 聚碳酸酯(PC)
PC具有耐热性好、高冲击强度、尺度安稳好、力学功用高、吸湿性低、折射率比PMMA高，可在135℃长期运用等长处。但其外表硬度低，耐磨性差，经紫外光或辐射线照耀后会变黄。
1.4 环氧树脂
环氧树脂具有耐热性和耐溶性好，蠕变小，机械强度改动不大等长处，且其双折射和透湿率均比PMMA和PC的小。但作为光电印制板上光波导要求无色、通明、易于加工成型，而一些通用型环氧树脂难以满足上述要求。
表1 传统聚合物光波导的功用
1.5 含氟聚酰亚胺
新式聚合物光波导资料代表，是一种比较抱负的光波导用高分子聚合物。一般的聚酰亚胺为不溶有机物，掺氟后有杰出的溶解性，合适波导制备的工艺要求。含氟聚酰亚胺兼有了聚酰亚胺的耐高温特性和掺氟后的近红外吸收小的特色，耐热温度可达380 ℃，近红外的传输损耗约为0.3dB/cm，到达了有用要求。聚酰亚胺的折射率巨细能够经过调整共聚物的含氟量，含氟量愈高，含氟聚酰亚胺薄膜折射率愈小，然后调理折射率的巨细，所以波导芯层和包层都能够选用聚酰亚胺。但其组成质料价格之贵重大大约束了它的使用。
2 聚合物光波导资料功用进步办法以PMMA为例
表2 常见通明PMMA功用
2.1 进步PMMA耐热性
(1) 增强高分子链间彼此效果力
当MMA与具有生动氢的单体共聚时，生动氢与羰基上的氧原子构成氢键然后进步其耐热性。含有生动氢的单体如：丙烯酸、甲基丙烯酸、丁烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸酰胺等。如用10％N-苯基甲基丙烯酸酰胺与MMA共聚时，其维卡软化点进步到154 ℃；又如用甲基丙烯酸（MAA）改性PMMA,当MAA的含量在5%左右时，可使其维卡软化点进步20－30℃，且透光率不下降；再如MMA 与丙烯酸（AA）的共聚物耐热性大大进步，AA含量为5%左右时，共聚物简单制备，软化点温度从125℃进步到140℃，且聚合物折射率明显进步。
(2) 引进金属离子
将金属以离子办法引进到聚合物的分子链段中，由于离子键具有较强的彼此左右，使分子链的刚性添加，明显进步聚合物的玻璃化转变温度Tg，然后进步聚合物的耐热功用。如甲基丙烯酸金属盐（Sn 、Pb 、Ba 等）与MMA共聚时，可在高分子中引进金属离子，构成二维或是三维结构，能够将玻璃化温度Tg进步到250 ℃以上。
(3) 添加链段刚性
在PMMA主链上引进大体积基团(环状结构或大单体) 的刚性侧链, 可进步其耐热性。常用的大单体有甲基丙烯酸多环降龙脑烯酯(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(AdMA) 和甲基丙烯酸异龙脑酯(IBMA) 例如在PMMA 中引进20% 的NMA, 共聚物Tg 就能够进步到125℃, 功用优秀, 其可见透光率光弹性系数或双折射等方面都可与PMMA 相媲美, 且吸湿性低于PMMA, 密度比PMMA 低10% 。
(4) 参加交联剂
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MMA 中参加甲基丙烯酸环氧丙酯进行共聚，热固化使引进的环氧基团进行开环交联，使聚合物膜层构成三维交联网状结构，不只使玻璃化温度从373K进步到398K, 并且下降了资料的双折射率。
(5) 掺杂刚性分子
纳米SiO2颗粒能够大幅度进步PMMA的热安稳性和玻璃化转变温度Tg 。
2.2 进步折射率
(1) 引进双酚A 型环氧树脂
引进不同质量分数的双酚A 型环氧树脂对其折射率进行调理。未引进双酚A 型环氧时共聚物的折射率为1.481 ，跟着双酚A 型环氧引进量的添加，折射率也跟着增大，当引进量到达16％（wt） 时，共聚物折射率为1.495 。
(2) 离子照耀
用不同强度的离子对PMMA照耀，在100kev和180kev之间用不同强度的离子，并在不同波长下对其折射率改动进行丈量，成果经过高强度照耀的PMMA光波导对应高的折射率。
(3) 电场效果
使用电场来调理折射率，当电场强度有0-20kv/cm改动时，折射率有所进步，当电场继续增长时，折射率有下降趋势，到200 秒时安稳。
(4) 引进金属离子
当介质中具有大的极化率和小的分子体积的基团时，该物质将显现高的折射率。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进通明聚合物资猜中能够到达进步折射率的意图。这类含金属离子的可反映单体一般能够表明如下：
式中，R为H、烷烃、含苯环的基团等：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颗粒可明显进步折射率。
(6) 掺杂染料
在PMMA 中掺杂染料（如涣散红）来进步其折射率，跟着染料掺杂浓度的添加，折射率呈线性上升，芯层和包层能够经过调理掺杂浓度得到准确操控
(7) 引进环状基团
PMMA的酯基替代基若含有共轭结构的苯环分子，则折射率较大。关于含有相同碳原子的碳氢基团，折射率按：支化链<直链<环状链的次序而变大，而聚合物中含有甲基和氟原子使聚合物折射率下降，依据基团结构决议分子体积的原理，在相同碳数基团中应尽或许选用环状基团，以此规划出高折射率的资料。
2.3 下降光传达丢失
(1) 重原子替代氢
现在遍及选用的办法是用氘、卤素（如氯、氟）等替代氢，例如C-D和C-F弹性振荡波长是C-H 的1.4倍和2.8倍，使振荡吸收向长波方向移动即所谓红移，然后削减近红外区的吸收衰减，使光在1.3m和1.55m处有很高的通明性。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，会损坏聚合物分子链中具有发色功用的共扼结构，损坏了分子的平面结构，削减分子内或分子间电荷转移络合物的构成，然后大大下降了资料在通讯波段的光学损耗。
(2) 掺杂光引发剂
在PMMA中掺杂光引发剂二苯基乙二酮制成光波导，当光引发剂浓度大约为10%时，经过检测总丢失可降到最小值0.015dB。
(3) 操控曲折半径
减小曲折丢失的办法是选用曲折半径大于15mm。
(4) 下降翘曲
选用较薄的光学积层层和较少外表涂层，或许使用较为刚性基板能够明显下降基板翘曲，然后将光波导散射丢失。
(5) 增大通明度
薄膜的通明度越高、色泽越浅，波导损耗越小。
(6) 选用高沸点溶剂
用高沸点溶剂(如环己酮)，溶剂沸点越高，挥发性越小，所成薄膜外表粗糙度越小，平整度越好，高沸点溶剂可明显改进薄膜外表平整度，以下降波导的散射损耗。
3 聚合物光波导首要的制造成型工艺
3.1 反响离子蚀刻
挑选相应的化学气体，使用在等离子体腔中发作的低温等离子体，经过对被蚀刻基片的物理溅射炮击和化学反响两层效果，取得抗蚀剂掩蔽下的精密三维微浮雕结构。一般蚀刻工艺有四种：化学蚀刻、离子蚀刻、等离子化学蚀刻和反响离子蚀刻。
3.2 平版影印
首先是在基板上用旋转涂布的办法涂上一低折射率的下包层，再在其上涂布作为芯层资料的高折射率层，并将其用曝光显影的办法规划出契合需求的波导芯层的尺度巨细，终究再在其上涂布与下包层相同资料的上包层，这样就完成了整个平版影印光波导制程。
3.3 激光烧蚀
将激光照耀到资料上，使之熔化然后蒸发掉的工艺称为激光烧蚀。
3.4 加热模压
需求针对所需导光层的图画进行压模的制造，在温度和压力的效果下，将模板上的图形转印在光聚合物资料上，去模后，就可取得所需求的光波导凹槽，然后，在凹槽中填入光波导资料，终究再在顶端掩盖一层上包层，即完成了导光层的制造。
3.5 激光直接写入
无需掩膜，易于完成柔性化，加工精度高，速度快，无污染，成本低，因而被认为是具有工业化使用远景的柔性布线技能而继续成为国外的研讨热门。
3.6 电子束写入法
使用高能量的电子束直接射入低折射率的掩盖层中。由于有机光波导资料的分子结构会遭到高能量电子束的照耀而发作结构改动，使得其折射率添加而构成高折射率的芯层部分，这种办法可简化光波导制程，因而是一种很被看好的技能。
3.7 光漂白技能
使用某些聚合物资料所具有的光敏成分在光照的情况下发作光化学反响，终究在曝光部分和未曝光部分构成折射率差，然后取得所需的光波导。
3.8 微细笔笔写技能
MicroPen工艺是一种新式的厚膜直接描绘制备技能，它无需图样复制、光绘胶片、掩模制版等成膜工艺预备进程，只需使用CAD/CAM规划生成的数控加工数据就能够在各种基板上直写光波导。
4 聚合物光波导的测验办法
4.1 折射率的测验
椭偏仪椭圆偏振丈量法,椭偏仪能够丈量资料的折射率，消光系数和厚度，它是丈量入射偏振光经薄膜反射后偏振状况的改动，无需丈量肯定的光强度，所以很活络。
4.2 光波导损耗测验办法
(1) 液体耦合法
该法是根据传统的滑动棱镜法理论,以液体替代棱镜,将传输线上各点的光耦合出来完成对光波导传输损耗的丈量。
(2) 包层改动法
该法是使用将波导刺进折射率必定的液体,将液体替代本来的空气作为波导的上包层,光在传达进程中会有部分能量散射到上包层中去,经过波导浸入深度的改动,完成对光波导不同形式传输损耗的丈量。
(3) 调制法
该法使用相位调制原理完成对光波导的无损丈量。
(4) 其他办法
其他办法包含：堵截法、结尾耦合法、滑动棱镜法、三棱镜耦合法。切断法要把待测波导截成几块, 归于有损丈量结尾耦合法对低损耗的波导测成果令咱们很不满足滑动棱镜法是把棱镜装在一个导轨上滑动, 这样测出每点的光强信息求出损耗, 需求很杂乱的试验技巧三棱镜耦合法需求波导比较长。两种比较新颖的办法一种是对称棱镜法, 另一种是散射光法。
展望
OEPCB 在芯片间传输具有很大优势，其必将成为未来高速传输的干流方向。一起遭到低传输损耗和高速传输需求的驱动，为高速多芯片集成电路(IC)封装供给通路和安装配线将会成为OEPCB的开展方针，而聚合物光波导资料作为OEPCB的重要部分，必定引起越来越多的人的注重和研讨爱好。
