光互連背板的發(fā)展現(xiàn)狀

劉秋華　吳小龍　方慶玲 編譯（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇　無錫　214083）

光互連背板的發(fā)展現(xiàn)狀

劉秋華吳小龍方慶玲 編譯
（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇無錫214083）

文章概述了光互連背板的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，著重介紹了光互連背板的關(guān)鍵材料光波導(dǎo)及其性能指標(biāo)、加工工藝，并列舉了幾個(gè)重要的光互連背板相關(guān)研究工作。

光互連；背板；波導(dǎo)；UV曝光

1　光互連意義

我們聽到光互連或光信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候，通常想到：通過光纖進(jìn)行長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，海底光纜與光纖的轉(zhuǎn)換，90年代后期的城際光纖傳輸線，以及隨后的城市內(nèi)建筑物之間的光纖線路連接及其網(wǎng)絡(luò)。

芯片-芯片在傳統(tǒng)背板上是通過銅導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)電子互連的，當(dāng)銅導(dǎo)線長(zhǎng)度到500 mm以上時(shí)，遇見10 Gb/s信號(hào)傳輸速率技術(shù)瓶頸，光學(xué)互連技術(shù)則可以使背板數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)大于現(xiàn)有電互連平臺(tái)可獲得的10 Gb/s。（實(shí)際上，在10 Gb/s以上，傳統(tǒng)電互連和光互連處于博弈狀態(tài)。根據(jù)松下、臺(tái)耀、生益等全球知名材料供應(yīng)商的高速基材開發(fā)進(jìn)展，以及Cisco、江南所、快捷等國(guó)內(nèi)外先進(jìn)印制板加工單位測(cè)試狀況，目前通過HVLP銅箔，低損耗NE型玻璃纖維增強(qiáng)的低損耗PPO或PTFE樹脂基材有望解決25 Gb/s信號(hào)傳輸問題，但對(duì)于下一代更高傳輸速率56 Gb/s及以上的信號(hào)傳輸需求，采用傳統(tǒng)的電子互連背板并未顯露出光明前景，而光波導(dǎo)印制板相對(duì)更被看好。）哪怕采用差分信號(hào)線和金屬化通孔背鉆，該信號(hào)傳輸速率的電子互連信號(hào)衰減和信號(hào)形狀失真變得不可避免。光互連背板理論上沒有傳輸損耗、沒有電磁干擾，并有能力傳輸無法超越的巨量數(shù)據(jù)，這些使得光互連技術(shù)有望解決電互連碰到的那些問題。光傳輸可以通過光纖、波導(dǎo)以及空氣，或者是它們的組合。盡管如此，光電元件的成本和精確裝配的成本是光互連背板往前推進(jìn)的一個(gè)主要阻礙。

2　光波導(dǎo)技術(shù)

2000年代早期，光互連背板前景雖被看好，但費(fèi)用問題限制了它的發(fā)展進(jìn)度。這期間值得一提的是基于干膜光阻的有機(jī)光波導(dǎo)技術(shù)，如杜邦的PolyguideTM。UV曝光改變了光波導(dǎo)曝光區(qū)的光學(xué)性能，使之區(qū)別于周圍未曝光區(qū)。用來制作光波導(dǎo)的材料是基于丙烯酸酯的化學(xué)物質(zhì)，由于該材料的自身?yè)p耗，在一定程度上限制了光信號(hào)多模傳輸?shù)膫鬏斁嚯x。采用更低損耗的光敏氟化聚酰亞胺雖然技術(shù)可行度更高，但是其成本高且該化學(xué)品有毒，限制了其推廣應(yīng)用。

光波導(dǎo)有各種化學(xué)結(jié)構(gòu)：有機(jī)物、玻璃、石英、硅、含硅物等。光波導(dǎo)的重要性能指標(biāo)包括：

（1）固有吸收損耗；

（2）低光散射損耗；

（3）低波導(dǎo)加工損耗；

（4）高熱穩(wěn)定性；

（5）環(huán)境穩(wěn)定性；

（6）折射率的精確控制；

（7）低雙折射；

（8）加工粗糙度。

光波導(dǎo)在被認(rèn)為可集成在印制線路板（尤其是背板）上之前，在晶片級(jí)封裝上就有應(yīng)用。通過旋涂工藝在石英或硅片上涂覆一層聚合物薄層。好的涂層在硅片表面覆蓋均勻，并且厚度精準(zhǔn)。然后在其上再旋涂一層更高折射率的波導(dǎo)聚合物，并通過其自身的光敏性能，或者利用額外的光阻層，或者利用金屬掩膜制作出初始波導(dǎo)圖形。波導(dǎo)層的厚度范圍為5 μm ～ 60 μm。接著通過等離子體刻蝕或者溶劑獲得波導(dǎo)圖形結(jié)構(gòu)，通常采用后者——溶劑顯影。最后，在波導(dǎo)層上面繼續(xù)旋涂一層涂覆膜，即完成了晶片波導(dǎo)的制作。劃成方片后，在玻璃或陶瓷基上完成與玻纖的連接安裝，有時(shí)會(huì)在加熱器或者熱電冷卻器上進(jìn)行，然后固定在封裝體內(nèi)并完成電氣連接。

制作聚合物光波導(dǎo)有幾種工藝。一種是光成像，如圖1所示，所有都是干制程。波導(dǎo)前驅(qū)混合液組分包括易反應(yīng)的單體、聚合物、引發(fā)劑以及其它組分，將混合液旋涂在一個(gè)臨時(shí)的聚酯基底載體上，該載體另有一層聚酯保護(hù)薄板，形成波導(dǎo)預(yù)涂層，對(duì)該涂層進(jìn)行曝光，曝光區(qū)域發(fā)生光聚合反應(yīng)，這些區(qū)域?qū)⒊蔀楣鈧鬏斖ǖ?。曝光之后，單體從富集的臨近區(qū)域擴(kuò)散到單體貧乏的曝光區(qū)域，從而制作出擁有比周圍區(qū)域更高折射率的波導(dǎo)特征形貌。曝光層疊合于上下兩層非曝光薄層之間，它們的單體也向曝光區(qū)擴(kuò)散。接著進(jìn)行全面曝光，三層薄膜固化交聯(lián)形成機(jī)械穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持波導(dǎo)圖形與其它區(qū)域及上下薄層的折射率差異。

圖1　波導(dǎo)成型的干法光刻工藝

由于聚合物基波導(dǎo)較高的光衰減，研究者們對(duì)更低損耗的Si-O玻璃基波導(dǎo)產(chǎn)生了興趣。在文獻(xiàn)2的研究工作中描述了光電印制板的加工，它使用光刻和離子交換工藝在薄玻片中形成分級(jí)折射率的多模波導(dǎo)，并該薄玻片埋置于印制板中。薄玻片可以從Schott商購(gòu)。首先，對(duì)玻璃片進(jìn)行清潔，玻片的雙面浸鋁層作為掩膜層。然后雙面鋁層外側(cè)都涂覆上光阻，校準(zhǔn)圖形掩膜后進(jìn)行UV曝光和顯影處理。將開窗的鋁掩膜圖形蝕刻掉，然后通過離子交換在玻片中生成波導(dǎo)，然后移除其余掩膜層。該工作是一個(gè)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開展的，該團(tuán)隊(duì)包括了研究所（如，F(xiàn)raunhofer IZM）、大學(xué)、電路板廠制造商（Wuerth Elektronik），和材料供應(yīng)商如Siemens AG等單位。

3　光互連背板的近期工作

下述交流文檔也是描述光互連背板的相關(guān)工作：

由EE Times（2012年2月6日）的惠普實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)訊可知，惠普創(chuàng)建了一個(gè)30 Gb/s的光學(xué)背板樣品，其曲線含9200個(gè)開關(guān)。該背板的信號(hào)傳輸是通過金屬空道波導(dǎo)傳輸?shù)?2-10Gb/s光通道集束。

EE Times（2012年10月5日）公布，對(duì)于56 Gb/s背板技術(shù)來說，從銅印制板到光印刷背板的轉(zhuǎn)變開始變得必要。在未來的兩到三年內(nèi)希望發(fā)展出該新平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。

Tyco/Electronics/AMP 的Beth Murphy和Scott Schaeffer在《光學(xué)背板——幻想還是現(xiàn)實(shí)？》報(bào)告中給出了一個(gè)對(duì)光背板應(yīng)用的詳細(xì)綜述，如交換平臺(tái)、內(nèi)部平臺(tái)以及互聯(lián)器件背板等?；诘蛽p耗層壓板，他們觀察到一些銅背板技術(shù)可以延伸應(yīng)用，但是其金屬化孔是一個(gè)主要的性能問題。

在LEOS HSD研討會(huì)上， iNEMI 的Jack Fisher給出了一個(gè) “光背板路標(biāo)——一個(gè)銅 vs.光的事件分析”報(bào)告，（May 14-17， 2006， Santa Fe， New Mexico.）。

綜上所述，在2000年代中期，光印刷背板有了一個(gè)發(fā)展的間斷時(shí)期，而目前又重新顯現(xiàn)出了發(fā)展勢(shì)頭，認(rèn)為它值得繼續(xù)開發(fā)拓展。

［1］Masahiro Katoh， Chikashi Horikiri. Low-Cost Optical Interconnect Expected for GHz Boards. Nikkei Electronics Asia，2002（2）.

［2］Henning Schroeder et al.， Thin Glass Based Electro-Optical Circuit Boards （EOCB） Using Ion-Exchange Technology for Graded-Index Multimode Waveguides. Proceedings Electronic Component and Technology Conference，2008:268.

［3］Karl Dietz， Optical Interconnects， the PCB Magazine， 2015.3:82-86. ?

The development review of the optical interconnecting backplanes

LIU Qiu-huaWU Xiao-longFANG Qing-ling

This article reviewed the development of the optical backplanes， and introduced the interested materials waveguides， including their properties index which related to their performance， and the fabricating process. Several worldwide works were also liOptical interconnects； backplanes； waveguide； UV exposure.-sted here.

Optical Interconnects； Backplanes； Waveguide； UV Exposure

TN41

A

1009-0096（2015）09-0044-02