光互连背板的发展现状

刘秋华　吴小龙　方庆玲 编译（江南计算技术研究所，江苏　无锡　214083）

光互连背板的发展现状

刘秋华吴小龙方庆玲 编译
（江南计算技术研究所，江苏无锡214083）

文章概述了光互连背板的发展现状和应用前景，着重介绍了光互连背板的关键材料光波导及其性能指标、加工工艺，并列举了几个重要的光互连背板相关研究工作。

光互连；背板；波导；UV曝光

1　光互连意义

我们听到光互连或光信号传输的时候，通常想到：通过光纤进行长距离信号传输，海底光缆与光纤的转换，90年代后期的城际光纤传输线，以及随后的城市内建筑物之间的光纤线路连接及其网络。

芯片-芯片在传统背板上是通过铜导线实现电子互连的，当铜导线长度到500 mm以上时，遇见10 Gb/s信号传输速率技术瓶颈，光学互连技术则可以使背板数据传输速率远大于现有电互连平台可获得的10 Gb/s。（实际上，在10 Gb/s以上，传统电互连和光互连处于博弈状态。根据松下、台耀、生益等全球知名材料供应商的高速基材开发进展，以及Cisco、江南所、快捷等国内外先进印制板加工单位测试状况，目前通过HVLP铜箔，低损耗NE型玻璃纤维增强的低损耗PPO或PTFE树脂基材有望解决25 Gb/s信号传输问题，但对于下一代更高传输速率56 Gb/s及以上的信号传输需求，采用传统的电子互连背板并未显露出光明前景，而光波导印制板相对更被看好。）哪怕采用差分信号线和金属化通孔背钻，该信号传输速率的电子互连信号衰减和信号形状失真变得不可避免。光互连背板理论上没有传输损耗、没有电磁干扰，并有能力传输无法超越的巨量数据，这些使得光互连技术有望解决电互连碰到的那些问题。光传输可以通过光纤、波导以及空气，或者是它们的组合。尽管如此，光电元件的成本和精确装配的成本是光互连背板往前推进的一个主要阻碍。

2　光波导技术

2000年代早期，光互连背板前景虽被看好，但费用问题限制了它的发展进度。这期间值得一提的是基于干膜光阻的有机光波导技术，如杜邦的PolyguideTM。UV曝光改变了光波导曝光区的光学性能，使之区别于周围未曝光区。用来制作光波导的材料是基于丙烯酸酯的化学物质，由于该材料的自身损耗，在一定程度上限制了光信号多模传输的传输距离。采用更低损耗的光敏氟化聚酰亚胺虽然技术可行度更高，但是其成本高且该化学品有毒，限制了其推广应用。

光波导有各种化学结构：有机物、玻璃、石英、硅、含硅物等。光波导的重要性能指标包括：

（1）固有吸收损耗；

（2）低光散射损耗；

（3）低波导加工损耗；

（4）高热稳定性；

（5）环境稳定性；

（6）折射率的精确控制；

（7）低双折射；

（8）加工粗糙度。

光波导在被认为可集成在印制线路板（尤其是背板）上之前，在晶片级封装上就有应用。通过旋涂工艺在石英或硅片上涂覆一层聚合物薄层。好的涂层在硅片表面覆盖均匀，并且厚度精准。然后在其上再旋涂一层更高折射率的波导聚合物，并通过其自身的光敏性能，或者利用额外的光阻层，或者利用金属掩膜制作出初始波导图形。波导层的厚度范围为5 μm ～ 60 μm。接着通过等离子体刻蚀或者溶剂获得波导图形结构，通常采用后者——溶剂显影。最后，在波导层上面继续旋涂一层涂覆膜，即完成了晶片波导的制作。划成方片后，在玻璃或陶瓷基上完成与玻纤的连接安装，有时会在加热器或者热电冷却器上进行，然后固定在封装体内并完成电气连接。

制作聚合物光波导有几种工艺。一种是光成像，如图1所示，所有都是干制程。波导前驱混合液组分包括易反应的单体、聚合物、引发剂以及其它组分，将混合液旋涂在一个临时的聚酯基底载体上，该载体另有一层聚酯保护薄板，形成波导预涂层，对该涂层进行曝光，曝光区域发生光聚合反应，这些区域将成为光传输通道。曝光之后，单体从富集的临近区域扩散到单体贫乏的曝光区域，从而制作出拥有比周围区域更高折射率的波导特征形貌。曝光层叠合于上下两层非曝光薄层之间，它们的单体也向曝光区扩散。接着进行全面曝光，三层薄膜固化交联形成机械稳定和热稳定的波导结构，同时保持波导图形与其它区域及上下薄层的折射率差异。

图1　波导成型的干法光刻工艺

由于聚合物基波导较高的光衰减，研究者们对更低损耗的Si-O玻璃基波导产生了兴趣。在文献2的研究工作中描述了光电印制板的加工，它使用光刻和离子交换工艺在薄玻片中形成分级折射率的多模波导，并该薄玻片埋置于印制板中。薄玻片可以从Schott商购。首先，对玻璃片进行清洁，玻片的双面浸铝层作为掩膜层。然后双面铝层外侧都涂覆上光阻，校准图形掩膜后进行UV曝光和显影处理。将开窗的铝掩膜图形蚀刻掉，然后通过离子交换在玻片中生成波导，然后移除其余掩膜层。该工作是一个联合团队开展的，该团队包括了研究所（如，Fraunhofer IZM）、大学、电路板厂制造商（Wuerth Elektronik），和材料供应商如Siemens AG等单位。

3　光互连背板的近期工作

下述交流文档也是描述光互连背板的相关工作：

由EE Times（2012年2月6日）的惠普实验室简讯可知，惠普创建了一个30 Gb/s的光学背板样品，其曲线含9200个开关。该背板的信号传输是通过金属空道波导传输的12-10Gb/s光通道集束。

EE Times（2012年10月5日）公布，对于56 Gb/s背板技术来说，从铜印制板到光印刷背板的转变开始变得必要。在未来的两到三年内希望发展出该新平台的标准。

Tyco/Electronics/AMP 的Beth Murphy和Scott Schaeffer在《光学背板——幻想还是现实？》报告中给出了一个对光背板应用的详细综述，如交换平台、内部平台以及互联器件背板等。基于低损耗层压板，他们观察到一些铜背板技术可以延伸应用，但是其金属化孔是一个主要的性能问题。

在LEOS HSD研讨会上， iNEMI 的Jack Fisher给出了一个 “光背板路标——一个铜 vs.光的事件分析”报告，（May 14-17， 2006， Santa Fe， New Mexico.）。

综上所述，在2000年代中期，光印刷背板有了一个发展的间断时期，而目前又重新显现出了发展势头，认为它值得继续开发拓展。

［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