光纤阵列埋入式PCB的压合技术研究.pdf

2023春季国际PCB技术/信息论坛170特种印制板制造技术 Special PCB technology光纤阵列埋入式PCB的压合技术研究 Paper Code:S-074 林洪德 吴军权（深圳市金百泽电子科技股份有限公司，广东 深圳 518000）（惠州市金百泽电路科技有限公司，广东 惠州 516083）摘 要 光纤阵列可实现多通道的光信号传输，在埋入PCB的制程中，难点在于压合。光纤阵列的结构决定了需要设计对应的层压结构和压合参数，以确保光线阵列埋入后的完整性和可靠性。文章以特殊的层压结构设计、开槽设计和加工流程参数设置，实现光纤阵列在PCB的完整埋入，并确保产品具有较好的热可靠性。关键词 光纤阵列；压合技术；埋入式PCB 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0170-04 Research on the laminating technology of embedded optical fiber array PCBLin Hongde Wu Junquan Abstract Optical fiber array can realize multi-channel optical signal transmission.In the process of embedded PCB,the difficulty lies in lamination.The structure of the optical fiber array determines the need to design corresponding laminated structures and laminating parameters to ensure the integrity and reliability of the embedded optical fiber array.In this paper,the special laminated structure design,slotting design and processing flow parameter settings are used to achieve the complete embedding of optical fiber array in PCB,and ensure that the product has good thermal reliability.Key words Optical Fiber Array;Laminating Technology;Embedded PCB0 前言电子设备集成度和工作频率在迅速提升，传统电互连的寄生电容、延迟时间和信号串扰等寄生效应问题变得十分突出，这使得铜导线连接的电气互联不可避免地出现了信号延迟和电磁兼容等问题。而光传输具有传输速率高、抗干扰能力强的优点，可大大减少信号完整性问题。在高速传输线路中，以光纤代替铜线，光路与电路结合形成的电路板称之为光电印制板。当前光电印制板有多种形式，文章介绍的是通过在内部埋入光纤阵列实现光信号传输的光纤阵列埋入式PCB。1 光纤阵列埋入式 PCB 的制作要点光纤阵列PCB产品的集成度高，可靠性好，通过压合结构设计，将光纤阵列埋嵌入PCB中，可使产品通过光电互连实现光信号传输。光纤阵列形态各异，较为适合埋入PCB的是采用MT-MT封装的平行光纤阵列跳线，后续辅以FA-MT跳线将光信号引导至PD阵列芯片或VCSEL阵列芯片。171特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛图1 光纤阵列埋入式PCB结构示意图这里简单介绍MT-MT封装的光纤阵列跳线，如下图所示，中间彩色条带部分为多条光纤平行排布，堆芯间距一般为250 m，光纤阵列的厚度不到0.3 mm。相比之下两端的MT连接头尺寸较大，其标准高度达3.0 mm。图2 MT-MT跳线及设计图 因此若要将MT-MT跳线埋入PCB内，需根据MT-MT跳线的具体规格进行各种芯板和半固化片的开槽设计为PCB内部腾出空间，确保光纤阵列部分的埋入和MT接口的保护。并且放置跳线后还需要匹配叠层材料和调整压合参数，以满足压合后的产品的可靠性，后续还需要去除遮盖部分使MT接口露出。2 光纤阵列埋入解决方案2.1 压合结构设计为满足光纤阵列埋入的压合结构，压合结构设计如下图分盖板层+埋光纤层+盖板层结构。两个盖板层属于外层，埋光纤层属于内层。盖板层由芯板+不流胶半固化片构成，埋光纤层采用芯板、普通流胶半固化片、不流胶半固化片将光纤埋入板内。埋光纤层总厚度略大于光耦合接口的厚度，使光耦合接口处于悬空状态，确保在压合过程中不会被压到。埋光纤层的不流胶半固化片总厚度比光纤线的厚度略厚，确保能在保护光纤线的同时有少量胶流入固定住光纤线。图3 光纤阵列埋入式PCB层压结构设计2023春季国际PCB技术/信息论坛172特种印制板制造技术 Special PCB technology2.2 预留空间开槽设计首先是埋光纤层，为方便光纤固定与埋入，在埋光纤层的不流胶半固化片中间设计一个长比MT跳线长度略短的半固化片U型槽。U型槽在叠板时起预固定的作用，在叠板能将光纤线进行预固定，并且两端进行铣槽预留接头，以便后续连接FA-MT跳线。埋光纤层芯板：主要起保护光耦合接口的作用，芯板的铣槽区域尺寸通常长度40 mm，宽度20 mm，边角部分做成半径2 mm的圆角以减少压合过程中的流胶处溢出，距离光耦合接口的部位预留5 mm的空间。埋光纤层的不流胶PP层可将光纤预固定，中间光纤埋入部分铣槽宽度比光纤线宽度大0.2 mm，埋光纤层普通流胶PP仅对光耦合结构部位开槽，可参考埋光纤层芯板开槽尺寸单边补偿5 mm。最后盖板层不留流胶PP仅对光耦合结构部位开槽，参考埋光纤层芯板开槽尺寸单边补偿0.5 mm。图4 光纤阵列埋入式PCB的开槽设计2.3 加工流程与压合参数设置光纤阵列埋入式PCB产品，可以理解为内部埋入了光纤阵列的多层板，因此整体加工流程可参考多层板，这里着重讲解压合流程。压合辅料方面，因为板内中间部分处于悬空状态，不能使用有塑性的压合辅料。这里设计压合仅添加离型膜作为辅料，以方便压合完成后下板分离。在离型膜上面直接盖钢板，再添加一定厚度的牛皮纸即完成了排板。排板完成将板送入压机选择压合参数，考虑到半固化片的固化所需压合参数以及对光纤阵列的保护，这里要求最大压力不超过27 kgf/cm2，最高温度不超过210。光纤阵列埋入式PCB产品的整体流程如下：普通内层：开料线路制作埋光纤层芯板：开料钻定位孔线路制作铣扩孔PP：开料钻定位孔PP铣槽总卡：棕化叠板压合X-RAY打靶钻孔孔金属化外层线路制作阻焊字符表面处理揭盖CNC外形成品检验包装3 产品加工效果成品经过三次回流焊，采样灌胶并通过金象显微镜收集高精度放大倍数下的切片图信息如下。可以看到，产品切片观察光纤无碎裂现象，光纤周围亦无爆板分层情况。此外，本产品搭配FA-MT跳线，将可见光激光从其中一端入射，可从另一端清晰看到出射光作初步的缺陷判断，如下图所示。173特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛表1 光纤阵列埋入式PCB的切片分析数数据据 切切片片 判判定定 1 OK 2 OK 3 OK 图5 光纤阵列埋入式PCB的可见光传输效果4 总结光纤阵列埋入式PCB通过埋入光纤阵列可实现高集成化的多通道光信号传输，其光纤阵列埋入段采用MT-MT跳线可满足高温高压的加工条件，尤其是本方案采用全树脂高温压合的方式将光纤阵列精确埋入PCB中，确保了产品具有较好的耐热可靠性。同时在MT端口外可搭配FA-MT跳线实现光路偏转，也便于光学器件或芯片的安装与检测维护。参考文献1 邱钊.光纤埋入式光电互联技术J.光通信研究,2016第1期.2 张家亮.光电印制电路板的发展评述J.印制电路信息,2006第10期.3 陈伟,范和平.光电印制电路板用聚合物光波导研究进展J.印制电路信息,2009,(z1):478-488.第一作者简介林洪德，现任金百泽研究院研发工程师，从事新产品新技术研发工作。