光電PCB技術(shù)概述

時(shí)間：2011-12-24 09:37:34

關(guān)鍵字： PCB 光電 BSP 光波導(dǎo)

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[導(dǎo)讀] 一、引言隨著多媒體業(yè)務(wù)，包括電話，有線電視（CATV），數(shù)字電視和Internet的快速和全面發(fā)展，對(duì)電路帶寬和容量的要求急劇增加。在傳統(tǒng)的電學(xué)領(lǐng)域，信號(hào)的傳輸和開(kāi)關(guān)的速度已經(jīng)受到限制。以電子計(jì)算機(jī)為例，其CPU的

一、引言

隨著多媒體業(yè)務(wù)，包括電話，有線電視（CATV），數(shù)字電視和Internet的快速和全面發(fā)展，對(duì)電路帶寬和容量的要求急劇增加。在傳統(tǒng)的電學(xué)領(lǐng)域，信號(hào)的傳輸和開(kāi)關(guān)的速度已經(jīng)受到限制。以電子計(jì)算機(jī)為例，其CPU的主頻已經(jīng)達(dá)到2-2.9GHz，在電信干線上傳輸碼流的的速度更達(dá)到幾十甚至上千Gbit。而與之相對(duì)照的是，計(jì)算機(jī)的總線傳輸依然停留在10-100M，高也不過(guò)Gbit。顯然，計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線連接和計(jì)算機(jī)互連的速率已經(jīng)成為整個(gè)計(jì)算機(jī)環(huán)境的瓶頸。很久以來(lái)，就有人談?wù)摰桨压庾鳛橛?jì)算機(jī)內(nèi)部（包括電路板內(nèi)部）及計(jì)算機(jī)之間的互連手段。從原理上講，用導(dǎo)線連接的傳輸速率受到其寄生參量（寄生電阻、電感和旁生電容）的影響和限制，比如常用的FR-4基材中信號(hào)的傳輸速率大約為光速的70%，這樣的速率在很多領(lǐng)域已經(jīng)不能滿足需求了。而光互連可以克服這種情況。光子具有較大的帶寬和較低的傳輸損耗，免于串?dāng)_和磁干擾，在同一個(gè)光學(xué)媒介中傳輸多個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，不同的波長(zhǎng)可以平行通過(guò)。所以，光子在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用都發(fā)揮了重要作用。

在這樣的背景下，光電印制電路板的概念就被提出來(lái)了。簡(jiǎn)單的說(shuō)，光電印制電路板就是將光與電整合，以光做信號(hào)傳輸，以電進(jìn)行運(yùn)算的新一代高運(yùn)算所需的封裝基板，將目前發(fā)展得非常成熟的傳統(tǒng)印制電路板加上一層導(dǎo)光層。因此使得電路板的使用由現(xiàn)在的電連接技術(shù)發(fā)展到光傳輸領(lǐng)域。
圖3是光電印制電路板的結(jié)構(gòu)示意圖：

HOLMS 計(jì)劃在2005 年9 月結(jié)束并完成了兩個(gè)示范作品，展現(xiàn)該技術(shù)的功能層面。參與該項(xiàng)研究的主要大學(xué)有蘇格蘭伊洛瓦特大學(xué)、德國(guó)海根大學(xué)，它們都在整合相關(guān)技術(shù)及學(xué)術(shù)研究。多家產(chǎn)業(yè)伙伴包括PCB 廠商ILFA、德國(guó)西門子和法國(guó)Thales 等已將研究成果導(dǎo)入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，其中Thales正在探討如何將H O L M S 光電科技運(yùn)用在超高速國(guó)防內(nèi)嵌式系統(tǒng)上，西門子也在開(kāi)發(fā)高頻寬光波導(dǎo)印制電路板，并有望在兩年內(nèi)上市。戴姆勒克瑞斯勒（德國(guó)）研究中心正在開(kāi)發(fā)基于光波導(dǎo)的底板以聯(lián)接飛機(jī)上的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)或在用于電信系統(tǒng)的若干計(jì)算機(jī)之間傳送信號(hào)。光子又垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射，波導(dǎo)采用了聚合物材料，據(jù)說(shuō)這比光纖更容易與系統(tǒng)集成。Primarion 公司正在著手開(kāi)發(fā)在短距離內(nèi)以10Gb/s 速率傳輸信號(hào)的波導(dǎo)光路系統(tǒng)，目的是保管信號(hào)一直傳送到處理器。電信號(hào)從電路板進(jìn)入激光驅(qū)動(dòng)芯片，然后進(jìn)入一個(gè)有12 個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器組成的陣列。激光光束通過(guò)光纖進(jìn)入另一塊電路板上的類似裝置，由光電探測(cè)器及接收單元將信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。公司希望在兩三年內(nèi)將這一技術(shù)用于計(jì)算機(jī)光輸入輸出設(shè)備。

在中國(guó)臺(tái)灣世貿(mào)中心揭幕的2003 年臺(tái)灣電路板暨組裝大展中，中國(guó)臺(tái)灣工研院電子所展示該所與華通計(jì)算機(jī)和嘉聯(lián)益科技兩家公司共同開(kāi)發(fā)的高速電性訊號(hào)傳輸光電印制電路板成果及其關(guān)鍵技術(shù)——有機(jī)光波導(dǎo)軟膜技術(shù)，此項(xiàng)新構(gòu)裝技術(shù)將對(duì)計(jì)算機(jī)寬頻網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)所需的GHz 級(jí)高速信號(hào)傳輸環(huán)境提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。電子所提供的動(dòng)態(tài)展示系統(tǒng)是利用內(nèi)含1Gbps 網(wǎng)絡(luò)界面的計(jì)算機(jī)分設(shè)兩端，其中一端先以電/光轉(zhuǎn)換模塊，將網(wǎng)絡(luò)卡的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并憑借光電印制電路板的光波導(dǎo)軟膜層將資料傳送出，而另一端計(jì)算機(jī)則將收到的光信號(hào)透過(guò)光/ 電轉(zhuǎn)換模塊再轉(zhuǎn)回電信號(hào)由網(wǎng)絡(luò)卡接收。經(jīng)過(guò)上述的傳輸架構(gòu)，呈現(xiàn)高速資料流透過(guò)光電印制電路板傳輸?shù)恼故?。目前臺(tái)灣工研院電子所開(kāi)發(fā)的光電印制電路板已經(jīng)通過(guò)2.5GHz 實(shí)際傳輸應(yīng)用及信號(hào)眼圖測(cè)試。此外，它更具備高密度、多回路、高整合、適合量產(chǎn)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。在歐美、日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等許多PCB 生產(chǎn)廠家、PCB 用基板材料生產(chǎn)廠家等都已經(jīng)積極的投入到這一新技術(shù)及市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)之中。世界開(kāi)發(fā)光電印制電路板的熱潮已開(kāi)始掀起。近兩年來(lái)，世界PCB 業(yè)不斷有此方面的研究論文發(fā)表。

2005 年2 月在美國(guó)召開(kāi)的第十屆世界電子電路大會(huì)（ECWC10）中關(guān)于光電印制電路板的論文見(jiàn)表1；
世界EOCB 的主要研究機(jī)構(gòu)見(jiàn)表2。

三、光電印制電路的板的光互連結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)IPC-0040標(biāo)準(zhǔn)，光電印制電路板的信號(hào)傳輸及光電轉(zhuǎn)換見(jiàn)圖6

圖7所示為集成光波導(dǎo)的PCB光互連原理圖。圖中用高速的光連接技術(shù)取代目前計(jì)算機(jī)中所采用的銅導(dǎo)線連接，以光子而不是以電子為媒介，在電路板、芯片甚至芯片的各個(gè)部分之間傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)還可以傳送傳統(tǒng)的效率低的電信號(hào)，其基本工作原理為：

大規(guī)模的集成芯片產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯面作用VSCEL激光發(fā)射器，激光束直接或通過(guò)透鏡傳輸?shù)接?5°鏡面的聚合物波導(dǎo)反射進(jìn)入波導(dǎo)中，然后通過(guò)另一端波導(dǎo)鏡面反射傳送到PD接收，再經(jīng)過(guò)接收芯片轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給大集成芯片。這樣使得芯片與芯片之間能通過(guò)光波導(dǎo)高速通訊，從而整體提高系統(tǒng)性能。

該P(yáng)CB的制作與傳統(tǒng)的PCB制作流程兼容，只是把聚合物波導(dǎo)當(dāng)成PCB其中銅的特性。

四、光學(xué)PCB的優(yōu)點(diǎn)

前面有提到，銅連線的數(shù)據(jù)傳輸率受到其寄生參量電阻、電感和電容的影響。在低頻段，電路板的串接電阻和旁路電容對(duì)性能的影響很大，直接決定上升沿和下降沿的轉(zhuǎn)換時(shí)間，從而影響數(shù)據(jù)的傳輸速率；在高頻段，連線串接感抗影響超過(guò)電阻，最終的結(jié)果與串接電阻和旁路電容相同，限制了數(shù)據(jù)的傳輸速率。所有這些寄生參量很大程度上依賴于連線的幾何形狀，電阻正比于連線長(zhǎng)度，反比于截面積，因此連線越長(zhǎng)越細(xì)，則數(shù)據(jù)傳輸率越低。現(xiàn)有的空間限制將不允許連線太粗。雖然在降低轉(zhuǎn)換時(shí)間方面可以采用較硬的連線，但同時(shí)加大了噪音與功耗，而且發(fā)熱量的增加將難以控制。

相對(duì)于電互連，光互連有以下幾個(gè)特性：
1.光互連的速度與互連通道無(wú)關(guān)；
2.光學(xué)信號(hào)在空間可獨(dú)立傳播，彼此之間互不干擾；
3.光學(xué)信號(hào)可以在三維自由空間傳播。

另外，光互連可以通過(guò)空間光調(diào)節(jié)器（SLM）適當(dāng)改變，而且光信號(hào)非常容易轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。
綜上所述，光學(xué)PCB和傳統(tǒng)PCB的優(yōu)點(diǎn)對(duì)比如下：

傳統(tǒng)PCB	光電PCB
能量消耗高	較少衰減和分散，長(zhǎng)傳導(dǎo)距離低能消耗
互連密度受制于EMI	互連不受EMI影響，無(wú)地層或參考平面
低針密度（小于50針/in）	大針密度
直接調(diào)制或GHz載波調(diào)制	THz載波調(diào)制
較小帶寬	很大帶寬
難于控制反射	易于控制過(guò)反射

五、光電PCB發(fā)展的三個(gè)時(shí)代

5.1第一代：在PCB上分散纖維光芯片-芯片互連和板-板互連
發(fā)展于20世紀(jì)90年代初，主要使用分離式光纖及光纖連接器來(lái)進(jìn)行摸組與摸組之間或摸組與元器件之間的互換，為目前大型主機(jī)所廣泛采用。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，因此可提供較低廉的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光連接。由于采用單膜（Discrete）光纖在載板內(nèi)的光互連，這種形式的光互連，是過(guò)去已采用的光纖通信技術(shù)的一種衍生。因此它比較容易實(shí)現(xiàn)將光通信信號(hào)由一點(diǎn)傳遞到另一點(diǎn)的定向傳送方式。

5.2第二代：撓性基板光連接技術(shù)

發(fā)展于20世紀(jì)90年代中期，利用撓性基板進(jìn)行光纖分布，同樣的，該技術(shù)可以應(yīng)用于如前所述的連接器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光連接。撓性光波導(dǎo)薄板構(gòu)成光信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，是光波導(dǎo)線路產(chǎn)品的形式和技術(shù)的第二發(fā)展階段的最突出特點(diǎn)。有光纖代替了金屬絲線。這樣對(duì)于它的特點(diǎn)，是以撓性材料作為固定的載體，實(shí)現(xiàn)撓性光纖的光信號(hào)傳送。在配線中的特性阻抗高精度的控制方面，它比原有電氣配線形式特有了明顯的改善。

5.3第三代：混雜式光電連接技術(shù)

根據(jù)埋入式材料和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，大概可以分為以下四種技術(shù)：表面型高分子波導(dǎo)、埋入式高分子波導(dǎo)、埋入式光纖技術(shù)和埋入式光波導(dǎo)玻璃。與前兩種最大的區(qū)別是此技術(shù)可以提供多回路的光波導(dǎo)，而且可以與有源及無(wú)源元件進(jìn)行連接。第三代的光波導(dǎo)線路方式，是以現(xiàn)有印制電路板與光傳送線路形成一體化的光電印制電路板。實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合化的優(yōu)點(diǎn)在于：在板上能夠有比初期階段引入光纖配線形式具有更高的光傳送線路的布線密度。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換元件等的自動(dòng)化安裝。在PCB內(nèi)的光傳送通路使用材料方面的開(kāi)發(fā)動(dòng)向，采用了低傳送損失、高耐熱性的高聚物作為光波導(dǎo)線路材料。

六、結(jié)束語(yǔ)

由于電互連在物理性能方面上的局限性，光互連已經(jīng)登上了新一代PCB的歷史舞臺(tái)，其涉及到的主要內(nèi)容有光波導(dǎo)材料、光波導(dǎo)的制作方法、低成本光電元件以及光組裝等。而且，以上的技術(shù)必須與傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)、制造、加工和配合精度相兼容。相信，隨著光電印制板的產(chǎn)業(yè)化加速，必將大大提高終端產(chǎn)品的性能。