光互聯(lián)背板研究現(xiàn)狀

毛久兵,郭元興,劉 強(qiáng),楊 劍,楊 偉,楊唐紹,秦宗良

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川 成都 640041)

1 引 言

高速背板是高性能計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)交換等系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,是多板卡之間高速信號(hào)傳輸和交換通道,其速率高、密度高、負(fù)載多、信號(hào)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此,高速背板很大程度上決定了系統(tǒng)的整體性能。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,信息流量和帶寬呈指數(shù)暴增,對(duì)高速背板的帶寬、速率、互聯(lián)密度及制造工藝等要求越來越高。為了提升電互聯(lián)高速背板性能,科研學(xué)者開展了大量的研究工作來解決信號(hào)完整性問題及電源分配設(shè)計(jì)、EMC/EMI控制等技術(shù)問題[1-5],如利用低k介電常數(shù)的M6、M7板材和更光滑HVLP銅箔來降低信道損耗；在發(fā)送端和接受端分別引入加重和均衡技術(shù)來補(bǔ)償通道損耗；優(yōu)化互聯(lián)布線的計(jì)劃尺寸及結(jié)構(gòu)等,但這些方法無法從根本上解決電互聯(lián)固有的物理局限性。

光互聯(lián)技術(shù)是以光信號(hào)代替電信號(hào)進(jìn)行信息的傳輸與交換,圖1所示為IMB光互聯(lián)技術(shù)分類及預(yù)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)[6]。光互聯(lián)背板是將光互聯(lián)技術(shù)與背板制造技術(shù)相結(jié)合,在傳統(tǒng)電路板材料中埋入光傳輸介質(zhì)作為高速信號(hào)傳輸通道,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅導(dǎo)線,其具有高速率、高帶寬、低功耗、低損耗和抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì),可有效解決電互聯(lián)背板設(shè)計(jì)與制造過程中的信號(hào)完整性、電源分配及EMC/EMI問題[7]。本文將對(duì)國內(nèi)外光互聯(lián)背板的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述和分析,并探討光互聯(lián)背板的關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展方向。

圖1 光互聯(lián)技術(shù)分類及發(fā)展趨勢(shì)

2 光纖光互聯(lián)背板

光纖光互聯(lián)背板,也稱為光纖背板,是在剛性或撓性印制電路基材上,制造V型或U槽對(duì)埋入光纖進(jìn)行定位固定,疊層半固化片和保護(hù)層,在進(jìn)行加熱加壓制作而成?；诠饫w已非常成熟制造技術(shù)及非常低的傳輸損耗,光纖埋入光互聯(lián)背板受到了廣泛而深入的研究。

2.1 光纖埋入剛性印制電路板

2006年,韓國情報(bào)與通信大學(xué)S.H.Hwang直接將帶MT連接器的光纖陣列作為光互聯(lián)層埋入剛性印制電路板中[8-9]。光纖陣列為12通道多模石英光纖,纖芯和包層直徑分別為100/110 μm,涂層為聚酰亞胺材料,厚度為7.5 μm。相對(duì)于單根光纖V型或U型定位槽,MT連接器可更好保證在層壓過程中光纖端面位置精度,提高與光源和探測(cè)器耦合效率。圖2(a)為光纖陣列高溫層壓埋入剛性印制電路板制造示意圖,工藝參數(shù)為35 kg/cm2,溫度185 ℃,時(shí)間1.5 h,埋入光纖長度為5 cm。圖2(b)為光電互聯(lián)背板實(shí)物圖,制造了方形通孔,用于打磨光纖端面和放置耦合器件。

(a)光纖埋入PCB板制造示意圖

2008年,德國卡爾斯魯厄科研中心,在剛性印制電路板材料(FR4)中埋入了標(biāo)準(zhǔn)的多模玻璃光纖制造了光互聯(lián)背板[10-11]。其采用激光鉆機(jī)在包含銅層或聚酰亞胺層的FR4基材上制作光纖的定位槽,如圖3(a)所示,其厚度與光纖直徑相同,為125 μm,光纖間隔為250 μm。然后對(duì)槽放置多根并行光纖,再疊放環(huán)氧膠半固化層和頂層FR4,通過高溫層壓工藝(高溫:180 ℃,壓強(qiáng):1.5×106N/cm2,時(shí)間:90 min)完成光互聯(lián)背板,如圖3(b)所示。光互聯(lián)背板尺寸為200 mm×320 mm,光纖布線方式有直線和彎曲兩種,在光纖兩端具有4 mm×4 mm通孔,用于放置耦合器件。

(a)不同類型的光纖定位槽

國內(nèi)的中國電科10所,在“十二五”期間,開展了光纖埋入剛性印制電路板的研究[12]。在FR4基材上加工1×12路U型定位槽,將125 μm多模光纖對(duì)槽放置,采用UV固化光學(xué)樹脂固定光纖,然后疊放半固化片和頂層FR4,通過高溫層壓工藝制造光電互聯(lián)基板,如圖4所示。

圖4 光電互聯(lián)基板實(shí)物圖

2.2 光纖埋入撓性印制電路板

光纖埋入撓性印制電路基材的光互聯(lián)背板,國外已有商業(yè)化產(chǎn)品,主要集中在Molex和TE Connectivity兩家公司,也稱為“光學(xué)柔性線路(Flex Plane)”,如圖5所示[13]。光學(xué)柔性線路主要包含光纜(帶外護(hù)套的光纖),基底和保護(hù)層,光纜采用對(duì)稱或交叉布線方式,放置在基底和保護(hù)層之間,并已粘接層進(jìn)行保護(hù)。

圖5 光學(xué)柔性線路示意圖

由于光學(xué)柔性線路采用光纜作為背板光傳輸層,其彎曲半徑較大,難以滿足未來電子裝備向小型化、輕量化、輕薄化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化發(fā)展要求。2014年,日本日立橫濱研究實(shí)驗(yàn)室C.Norio在聚酰亞胺材料中埋入2×12芯抗彎多模光纖帶制作而成柔性光互聯(lián)背板[14],光纖兩端為MT連接器,如圖6所示,最小彎曲半徑為5 mm,單通道傳輸速率25 Gbps。通過該技術(shù)制造的光互聯(lián)背板在288 mm×53 mm小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了某網(wǎng)絡(luò)電子設(shè)備7.2Tb高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

作者團(tuán)隊(duì)在“十三五”期間[15-16],對(duì)裸光纖埋入聚酰亞胺材料的光互聯(lián)基板展開了研究,為了提升互聯(lián)密度,進(jìn)一步降低其彎曲半徑,在聚酰亞胺基材上通過激光刻蝕加工裸光纖U型定位槽,如圖7(a)所示,對(duì)槽放置裸光纖,疊層半固化片和保護(hù)層,通過高溫層壓工藝制造光互聯(lián)背板,如圖7(b)所示,最小彎曲半徑可達(dá)2 mm,在10 Gbps測(cè)試平臺(tái)上對(duì)其傳輸性能進(jìn)行測(cè)試,在10 min測(cè)試時(shí)間下,誤碼數(shù)為0,誤碼率小于10-16。

圖7 裸光纖埋入柔性光互聯(lián)背板

光纖光互聯(lián)背板單通道光傳輸損耗低、帶寬高,更適合應(yīng)用于大尺寸光互聯(lián)背板的制造[9],但僅能提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光互聯(lián),布線方式不夠靈活,需與MT/MPO光連接器配合使用才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),這也是剛性光纖光互聯(lián)背板未成熟應(yīng)用的原因之一。

3 光波導(dǎo)光互聯(lián)背板

光波導(dǎo)光互連背板是在剛性或撓性印制電路板基材上,加工成型一層或多層多模矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),再疊層半固化片和保護(hù)層進(jìn)行加熱加壓制作而成。

3.1 光波導(dǎo)材料

聚合物光波導(dǎo)材料具有制備工藝簡單豐富、襯底兼容性強(qiáng)、電學(xué)和機(jī)械性能好等優(yōu)勢(shì),因此,常用于光互聯(lián)背板制造過程中。雖然德國L.Brusberg從2013年起致力于玻璃光波導(dǎo)光互聯(lián)背板的研究[17-18],通過離子交換等工藝技術(shù)在玻璃材料上制備了大尺寸光波導(dǎo)層,并疊壓制造了光互聯(lián)背板,仍需要克服玻璃光波導(dǎo)層在層壓過程中易脆的特點(diǎn)。表 1所示為市場(chǎng)上常用的聚合物光波導(dǎo)材料。

表1 聚合物光波導(dǎo)材料特性

3.2 光波導(dǎo)制備工藝

光波導(dǎo)制備工藝是實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)參數(shù)與性能最為關(guān)鍵的一步,針對(duì)聚合物光波導(dǎo),其制備方法主要有光刻工藝、納米壓印工藝、Mosquito工藝等。

3.2.1 光刻工藝

(1)基于光刻膠的光刻工藝:該工藝是聚合物光波導(dǎo)制造的傳統(tǒng)方法,和標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體加工技術(shù)類似,通過涂覆、固化、濕法顯影工藝步驟,將掩模板上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠層上,再利用反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching,RIE)或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)去除多余的光刻膠并形成光波導(dǎo)芯層,最后涂覆上包層,其制造工藝流程如圖8所示。該制備工藝最大的優(yōu)勢(shì)是對(duì)聚合物材料的特性無特殊要求,擴(kuò)展了材料的可選范圍,但刻蝕工藝會(huì)造成光波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度較大,導(dǎo)致光損耗增加[28]。

圖8 基于光刻膠的光刻工藝流程圖

(2)直接光刻工藝:該工藝技術(shù)也稱為平板影印工藝,主要包含涂覆、固化、曝光、顯影等工藝步驟,主要利用芯層材料的光敏特性,通過紫外光曝光后,再通過顯影工藝流程去除未曝光芯層材料,從而形成需要的波導(dǎo)圖形,其制造工藝流程如圖9所示。平板影印工藝與傳統(tǒng)的光刻膠工藝技術(shù)相比,其無需光刻膠模板、省去光刻膠成型和等離子刻蝕等復(fù)雜工藝流程,同時(shí)改善光波導(dǎo)表面粗糙度,降低了光損耗[29]。

圖9 直接光刻工藝流程圖

(3)激光直寫工藝:該工藝技術(shù)主要包括涂覆、激光直寫曝光和顯影等工藝步驟,如圖10所示。可直接通過控制激光束聚焦光斑大小、曝光功率、曝光時(shí)間及曝光間距制備不同規(guī)格的光波導(dǎo),制備效率更高,成本更低[30]。激光直寫工藝無需掩模板,在大尺寸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和大面積制備領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。此外,還有許多類似的制備工藝,如電子束直寫工藝、質(zhì)子束直寫工藝和激光刻蝕工藝等。

圖10 激光直寫工藝流程圖

3.2.2 納米壓印工藝

納米壓印工藝技術(shù)是通過機(jī)械方式轉(zhuǎn)印圖案,需提前根據(jù)光波導(dǎo)制備參數(shù)(如幾何尺寸、間距等)制造高精度壓印模具。為了克服傳統(tǒng)硬模具壓印技術(shù)的不足,提出了一種紫外軟壓印工藝技術(shù)(也稱軟光刻工藝技術(shù)),其采用彈性模代替硬模,主要采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制造壓印模具,光波導(dǎo)表面精度可達(dá)20 nm[31-32]。根據(jù)壓印材料的不同,壓印過程可分為壓印包層和壓印芯層兩種,如圖11所示。該制備工藝靈活性高,材料適應(yīng)性廣,易脫模,易量產(chǎn),一致性高等優(yōu)點(diǎn),但其依然對(duì)原始母模具及PDMS軟模具的精度要求很高。

(a)壓印包層

3.2.3 Mosquito工藝

Mosquito工藝和3D打印工藝類似,但與3D打印的增材制造方法不同。其制備工藝步驟如圖12所示,首先在襯底的硅膠?？騼?nèi)涂覆包層材料；然后將裝有芯層聚合物材料的針頭插入包層中,將芯層材料注射到包層中；最后對(duì)整體波導(dǎo)進(jìn)行UV光固化,完成波導(dǎo)制備[33-34]。Mosquito工藝流程簡單,制備速度快,適用于大批量大面積光波導(dǎo)制備,而且具備良好的3D光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備靈活性。通過控制固化前等待時(shí)間,來控制芯層與包層聚合物材料之間的擴(kuò)散,進(jìn)而控制光波導(dǎo)的折射率分布。

圖12 Mosquito工藝流程圖

3.3 光波導(dǎo)光路布線工藝

聚合物光波導(dǎo)光互聯(lián)背板的最大優(yōu)勢(shì)就是可在同一層上優(yōu)化設(shè)計(jì)并制作交叉、分叉、彎曲等形狀的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)分光、濾波、耦合、路由等復(fù)雜功能。

交叉波導(dǎo)也稱X型波導(dǎo),其不僅可克服銅交叉布線的短路問題,提高背板光路布線靈活性,還可提升布線的密度和復(fù)雜度,具有重要的實(shí)用價(jià)值。交叉角度是該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù),其直接決定了光損耗和串?dāng)_。日本慶應(yīng)大學(xué)T.Ishigure制備了交叉角度分別為90°和45°網(wǎng)狀交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[35],如圖13所示,波導(dǎo)尺寸為40 μm2,間隔125 μm。相比階躍折射率光波導(dǎo),漸變折射率光波導(dǎo)500個(gè)交叉節(jié)點(diǎn)的損耗可低至0.46 dB(90°)和1.32 dB(45°)。

圖13 90°和45°網(wǎng)狀交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

分叉波導(dǎo)也稱Y型波導(dǎo),可用于信號(hào)組播和多個(gè)信號(hào)組合。Y型波導(dǎo)包括一個(gè)輸入臂、一個(gè)過渡區(qū)域、兩個(gè)S型彎曲波導(dǎo)以及兩個(gè)輸出臂。分束比和插入損耗是Y型波導(dǎo)重要的性能參數(shù),為了減小插入損耗,在過渡區(qū)域可引入拋物線型或指數(shù)型過渡波導(dǎo)代替矩形過渡波導(dǎo),并對(duì)S型彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[32]。劍橋大學(xué)N.Bamiedakis針對(duì)光互聯(lián)背板提出了基于聚合物光波導(dǎo)可擴(kuò)展光總線架構(gòu),可實(shí)現(xiàn)子板之間的高速光信號(hào)交換,如圖14所示[36],光通道的插入損耗低于13 dB,串?dāng)_低于-29 dB,在10 GB/s速率下,誤碼率<10-12。

(a)光總線架構(gòu) (b)光總線實(shí)物圖

為了進(jìn)一步提升光互聯(lián)密度,增加光通道數(shù),降低平板光波導(dǎo)因交叉節(jié)點(diǎn)過多而導(dǎo)致的光損耗和通道間串?dāng)_,光波導(dǎo)3D光路布線工藝可實(shí)現(xiàn)多層光波導(dǎo)之間的互聯(lián)通信。富士通美國實(shí)驗(yàn)室的A.L.Glebov和比利時(shí)根特大學(xué)N.Hendrickx利用帶金屬涂層的45°波導(dǎo)微鏡,實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)在三維多層光波導(dǎo)之間的傳輸[37-38],如圖15(a)和(b)所示。浙江大學(xué)倪瑋在多層光互聯(lián)方案中引入S型彎曲層間耦合結(jié)構(gòu),如圖16所示[32]。上海交通大學(xué)徐曉設(shè)計(jì)并制備了三維1×4分束器/合束器,可實(shí)現(xiàn)三維空間光信號(hào)的分束與合束,如圖17所示[39]。其采用Mosquito光波導(dǎo)制備工藝,器件長度為4 cm,作為分束器,插入損耗為0.79 dB,作為合束器,四個(gè)端口平均插入損耗為1.73 dB。

(a)

圖16 S型多層光耦合結(jié)構(gòu)及S型層間耦合結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

圖17 Mosquito工藝制備的3D分束器/合束器示意圖和端面顯微鏡照片

4 光互聯(lián)背板關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向

由前文分析可知,光纖光互聯(lián)更適合應(yīng)用于大尺寸、高I/O數(shù)量的光背板制造,但還需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化光纖布線,提升布線靈活性和準(zhǔn)確性。基于聚合物光波導(dǎo)的光互聯(lián)背板可充分發(fā)揮聚合物波導(dǎo)在光路設(shè)計(jì)、集成、制作等優(yōu)勢(shì),將成為未來重點(diǎn)研究方向,其關(guān)鍵技術(shù)主要包括:(1)光波導(dǎo)平面及三維布線工藝；(2)垂直光耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作；(3)光波導(dǎo)埋入及光互聯(lián)背板全周期制造工藝。為了滿足大帶寬、高速率、大容量的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)際需求,光互聯(lián)背板未來的發(fā)展方向包含如下幾個(gè)方面:(1)大尺寸光互聯(lián)背板；(2)多層光互聯(lián)背板；(3)光電混合互聯(lián)背板。

5 結(jié) 論

光互聯(lián)背板是將光互聯(lián)技術(shù)與背板制造技術(shù)相結(jié)合,可有效解決電互聯(lián)背板設(shè)計(jì)與制造過程中的信號(hào)完整性、電源分配及EMC/EMI問題,有望在高性能計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本文對(duì)光纖光互聯(lián)背板和光波導(dǎo)光互聯(lián)背板的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與分析,最后指出光互聯(lián)背板的關(guān)鍵技術(shù)和未來主要發(fā)展方向。