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作者:李文欽
雖然光互連技術(shù)在PCB應(yīng)用上的商業(yè)化時程不斷延遲，然而國際間相關(guān)技術(shù)進(jìn)展卻不曾稍退，未來國內(nèi)可以切入該領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)空間已經(jīng)越來越有限。在這個即將到來的PCB光構(gòu)化世代，國內(nèi)廠商能不能從中受益，唯有靠自己勤奮做功課。本文將簡短地介紹有機(jī)光波導(dǎo)材料的最新應(yīng)用現(xiàn)況，內(nèi)容主要摘取2008年ECTC (Electronic Components and Technology Conference)會議中所發(fā)表的研究，特別是光波導(dǎo)的應(yīng)用方式與結(jié)果分析部份。
無機(jī)光波導(dǎo)材料在光電基板上的新研究發(fā)表是較往年新穎的地方，而關(guān)于有機(jī)光波導(dǎo)材料的研究，除了現(xiàn)有商品的驗證之外，材料技術(shù)已經(jīng)被多數(shù)廠商視為Know How 而不愿多談，目前鮮少是研究發(fā)表的重點。筆者分析可能原因有二，第一是面對這么長時間的材料開發(fā)，新光波導(dǎo)材料的研究已經(jīng)逐年減少，廠商已經(jīng)將重點轉(zhuǎn)換到既有光波導(dǎo)材料的商品化上，而不再發(fā)散資源開發(fā)新材料。第二是為了降低材料成本，廠商開始采用進(jìn)入障礙較低的有機(jī)光波導(dǎo)材料配方或是已商品化的配方（例如環(huán)氧系或壓克力系感光材料），此時材料配方與光波導(dǎo)制程或?qū)ξ辉O(shè)計的配合性是成本降低的重點，在發(fā)表相關(guān)研究時廠商自然不愿意揭露太多材料信息，以避免進(jìn)度輕易被競爭對手追趕上。下面將針對涉及有機(jī)光波導(dǎo)材料的研究論文進(jìn)行重點介紹，特別是光波導(dǎo)的應(yīng)用方式與結(jié)果分析部份。
1. High-Density Optical Interconnect Exploiting Build-Up Waveguide-on-SLC Board
這篇文章是由IBM 東京研究所與日本京瓷(Kyocera SLC Technologies Corporation)所共同發(fā)表，內(nèi)容則延續(xù)去年他們在ECTC發(fā)表的合作研究－以整合有光波導(dǎo)的SurfaceLaminar Circuit (SLC)板將光互連導(dǎo)入PCB中。圖一為所設(shè)計之整合有光互連架構(gòu)的SLC 板，圖二則是其制作流程說明。此光互連架構(gòu)包含光波導(dǎo)層（12 個通道）、45° 反射鍍面、光源(VCSEL: 850nm)、光源Driver (LDD)、光傳感器(PD: GaAs)、轉(zhuǎn)阻放大器(Transimpedance Amplifier; TIA) 及限幅放大器(Limiting Amplifier; LIA)。
圖一、IBM 與京瓷所設(shè)計整合光互連架構(gòu)的SLC板概念圖
SLC 板本身即具備多層電路（ 圖二(a)），光波導(dǎo)層制作是利用熱壓的方法將高分子膜貼在SLC 板上（圖二(b)）；作者說明他們已經(jīng)在全制程上（包含Solding 及覆晶）測試了多種的高分子膜及樹脂，并且以目前最佳的材料及制程條件來驗證本研究的模塊。雖然材料這部份并未深入說明，但是從制程上他們揭露該有機(jī)光波導(dǎo)是以干膜(Dry Film)的形式被使用， Core 層光波導(dǎo)的制作方法，由文意推測，是利用黃光顯影制程。光波導(dǎo)Clad-core-clad 的厚度最后是控制在10-35-10μm 的比例，由于作者說明上層Clad 是用30μm 干膜去熱壓，所以筆者推測下層Clad 原來至少要有25μm厚。很顯然地，這中間還有許多制程上的重要信息尚未被揭露；在熱壓上層Clad 層時，已布線完成的Core 層似乎會同時再往下層Clad 層陷入。所制作光波導(dǎo)截面為35×35μm ，信道與信道間距為250μm ，而在經(jīng)過所有后制程高溫后，測得的實際光傳輸損耗為0.3 dB/cm (850nm)。作者解釋這個數(shù)據(jù)可以在制程的改良后進(jìn)一步降低，筆者亦相當(dāng)認(rèn)同此說法。在看了許多光傳輸損耗小于0.1 dB/cm (850nm)的展示品發(fā)表后，本研究所發(fā)布的數(shù)據(jù)顯然較具說服力；畢竟光傳輸損耗數(shù)據(jù)在不同研究單位量測時的再現(xiàn)性頗差，此問題一直為人所詬病。
圖二、含光互連架構(gòu)的SLC 板的制作流程
2. Flexible Opto-Electronic Circuit Board for In-device Interconnection
日立化成的Tomoaki Shibata 和 AtsushiTakahashi 二位專家繼去年在ECTC 發(fā)表了迭層的PCB 光互連技術(shù)之后，今年在ECTC再度發(fā)表了軟性光電基板的研究。這顯現(xiàn)日立化成無論在PCB 硬板或軟板上，都儲備了堅強(qiáng)的光互連技術(shù)能量，作為未來PCB 產(chǎn)業(yè)升級的后盾。日立化成的研究發(fā)表完成度一向都很高，本篇也不例外的展示該研究的實用性。然而最令人佩服的是，日立化成展現(xiàn)了其在材料整合開發(fā)的實力；該公司在實現(xiàn)軟性光電基板的雛型時，同時開發(fā)了相對應(yīng)的干膜式光波導(dǎo)材料及干膜式高透明熱壓膠。除此之外，他們也篩選（或制造）出高透明的（Transmittance:86%；波長850 nm）聚酰亞胺薄膜作為軟性電路板的基材。
圖五是日立化成所開發(fā)的軟性光電基板示意圖，其架構(gòu)雖沒有很獨特的設(shè)計，但是卻能充分發(fā)揮該公司的核心技術(shù)及綜效。該設(shè)計采用不鉆孔的方式，讓光直接通過高透明的軟板基材及膠材后，再由反射面耦合進(jìn)光波導(dǎo)中。這種設(shè)計可以省去鉆孔的程序，降低成本；但是要確保光耦合效率的話，對基材及膠材特性的掌握度是重要關(guān)鍵。很明顯的，這正是日立化成可以發(fā)揮的強(qiáng)項。圖六為此光電軟板各層結(jié)構(gòu)說明，為了降低光穿過基板及膠材的光損耗，聚酰亞胺的厚度只有25μm ， 膠材則只有10μm；光波導(dǎo)Core 層則有50μm ，比前一篇IBM 所選用的厚。較厚的Core 層有助于光組件的被動對位，因為它可以容許較大的對位誤差，抑制光耦合損耗的增加。
圖五、日立化成所開發(fā)的軟性光電基板示意圖
圖六、日立化成所開發(fā)的軟性光電基板各層結(jié)構(gòu)說明
光電軟板的光波導(dǎo)層制作流程如圖七所示。光波導(dǎo)制作也是采用干膜壓合的方法，和前一篇IBM 所采用的制程如出一轍，不禁另人聯(lián)想到IBM 是否也是采用日立化成的干膜材料進(jìn)行測試。不同的是， IBM 是一層一層將Cladding 及Core 做在SLC 上，而日立化成是將光波導(dǎo)部分先獨立做好，再和軟性電路板壓合。詳細(xì)的作法是先在載板上制作Cladding 層（ 圖七(a)） ， 再將50μm的Core 層干膜熱壓上去（圖七(b)）。干膜再經(jīng)由曝光（圖七(c)）、顯影 （圖七(d)）后完成布線，然后壓合上層Cladding來填補(bǔ)布線空隙（圖七(e)），最后剝離載板完成光波導(dǎo)層制作（圖七(f)）。光波導(dǎo)材料并未在報告內(nèi)容中提及，筆者根據(jù)日立化成申請的相關(guān)專利推斷，其材料應(yīng)該是高分子和環(huán)氧− 壓克力寡聚物的配方組成（業(yè)內(nèi)人士應(yīng)該也猜得到）。由于相關(guān)專利Claim 的范圍很大，雖然尚未獲證，仍然建議各方注意。此光波導(dǎo)在850nm 波長的光傳輸損耗只有0.05dB/cm ，相當(dāng)?shù)停辉诮?jīng)由20 秒3 次265°C（氮氣）測試、1000 次-55~125°C循環(huán)測試或是1000 小時的85°C/85% RH 的溫濕度測試下，光傳輸損耗都只增加不到0.03dB/cm ，安定性很高。最佳彎曲半徑為2 mm 以上，在半徑2 mm 下翻轉(zhuǎn)1 百萬次180 度后，光損耗只增加不到0.1dB/cm 。
圖七、軟性光電基板之光波導(dǎo)層制作流程
在亞洲地區(qū)，短距離光互連研究的先驅(qū)國家除了日本之外，韓國也是其中翹楚。筆者早在2004 年日本千葉的光電展上，就曾看到韓國的企業(yè)在會場中展出他們的光波導(dǎo)布線制作解決方案。在這幾年韓國的光電技術(shù)研究所(Korea Photonics TechnologyInstitute)在ECTC 的光波導(dǎo)應(yīng)用發(fā)表也都未曾間斷。今年該單位則在ECTC 發(fā)表了有機(jī)光波導(dǎo)軟板的研究，主要在探討有機(jī)光波導(dǎo)軟板在螺旋狀彎曲下的光傳輸損耗與螺旋角的關(guān)系。他們認(rèn)為螺旋狀彎曲比直接180 度折迭光波導(dǎo)軟板要具有低光傳輸損耗的優(yōu)勢，尤其在折迭式手持裝置中的光總線線應(yīng)用上。在降低光波導(dǎo)彎曲時的光傳輸損耗上，最基本的作法是提高Core 和Cladding 層材料的折射率差異。不過，目前光學(xué)材料的折射率差異有限，所以只能重新開發(fā)新材料。然而根據(jù)筆者經(jīng)驗，偏低折射率材料通常接著會變差，偏高折射率材料則透光性會變差，二者共同之處是材料成本都會大幅上揚�；蛟S，采取如此篇研究的不同作法，可以作為在合理光損耗范圍內(nèi)的變通方式。
該研究采用UV 固化型壓克力樹脂，此類光波導(dǎo)材料具有高透明度以及高柔軟性，四年前我國臺灣工研院也曾使用在光波導(dǎo)軟板的研究上，并發(fā)表于2005 年的ECTC 上。韓國光電技術(shù)研究所所使用的Core 及Cladding層折射率差是1.55% (850 nm)，光波導(dǎo)制作方法則采用2004 年在日本光電展展出的模具法制作，其流程如圖八所示。通常模具法的制作都很容易理解，困難的是模具的制作方法及脫模的技術(shù)，而這二點此篇作者都沒有詳細(xì)說明。由圖九照片看到，所制成光波導(dǎo)軟板相當(dāng)柔軟， 180 度可以彎到曲率半徑1mm 以下，螺旋彎曲540 度以上。不過，這是低玻璃轉(zhuǎn)化溫度材料的特色，跟波導(dǎo)制程無關(guān)。為了驗證螺旋彎曲的優(yōu)勢，該研究群先是測試1mm 半徑180度彎曲下，光傳輸損耗和螺旋角度的關(guān)系。結(jié)果證明，當(dāng)螺旋角度達(dá)到60 度時，光傳輸損耗可以減少4dB 。他們接著進(jìn)一步實際測試10Gbps 數(shù)據(jù)傳導(dǎo)和螺旋角度的關(guān)系，可以看到當(dāng)螺旋角度達(dá)到60 度時，數(shù)據(jù)傳送誤差會降到0 。本篇研究將簡單的物理特性加以應(yīng)用并證明，雖沒有太多技術(shù)性的呈現(xiàn)，但是在某些手持式產(chǎn)品的應(yīng)用設(shè)計上，確實提供了提高光傳輸效率的方法。
圖八、韓國光電技術(shù)研究所所采用的光波導(dǎo)制作流程
圖九、540 度螺旋狀彎曲的光波導(dǎo)膜
筆者在看完今年ECTC 的研究發(fā)表后，感觸頗深；雖然光互連技術(shù)在PCB 應(yīng)用上的商業(yè)化時程不斷延遲，然而國際間相關(guān)技術(shù)進(jìn)展卻不曾稍退，未來國內(nèi)可以切入該領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)空間已經(jīng)越來越有限。此外， 10Gbps 的VCSEL 光源(850 nm)已經(jīng)被研究單位普遍采用，光學(xué)組件的性能正在不斷推進(jìn)，單信道光傳輸?shù)男畔⒘空诩铀偬嵘小Ｔ谶@個即將到來的PCB光構(gòu)化世代，國內(nèi)廠商能不能從中受益，唯有靠自己勤奮做功課。先分析自己的核心技術(shù)，從光互連的布線架構(gòu)中找到可以切入的標(biāo)的，持續(xù)關(guān)切技術(shù)發(fā)展變化，集中資源，針對主流技術(shù)開發(fā)出相對應(yīng)的PCB 光構(gòu)化部件。
