СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КАНАЛА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА МЕЖДУ ЭЛЕКТРОННЫМИ МОДУЛЯМИ НА ОДНОЙ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ
METHOD OF FORMING CHANNEL FOR TRANSMITTING OPTICAL SIGNAL BETWEEN ELECTRONIC MODULES ON ONE PRINTED-CIRCUIT BOARD

Изобретение относится к радиоэлектронике. В нем предлагается новый способ формирования канала для передачи оптического сигнала между электронными модулями на одной печатной плате. Почему переходят в оптику при передаче сигнала между электронными модулями на одной печатной плате? Дело в том, что при больших частотах (скоростях передачи) в несколько гигабит в секунду в медных проводниках (дорожках) печатной платы возникают сильные искажения сигналов, как за счет увеличения сопротивления самих проводников, так и из-за резонансных явлений.
Выход ищут в использовании оптического соединения, когда исходный электрический сигнал при помощи микролазера преобразуют в оптический, затем осуществляют передачу оптического сигнала по волокну (полимерному оптическому волноводу), прием оптического сигнала микрофотодетектором, преобразование оптического сигнала в исходный электрический.
Оптический сигнал в этом случае необходимо передать с наименьшими потерями, так как мощность микролазера очень мала, а излучение имеет свойство в значительной степени рассеиваться.
Известны различные способы решения этой задачи.
«Соединения к источникам и детекторам света, связанным с электронными чипами, обеспечивают разнообразные варианты конфигураций оптических межсоединений, герметизированных гибкими прочными пленками. <…>:
* волноводы прикреплены к поверхности платы для связи края платы с чипом или между чипами. <…>;
* используется гибкая перемычка для соединения с верхней поверхностью чипа. Такая конфигурация обеспечивает разнообразные соединения, такие как концевой контакт к чипу, чип к чипу или чип к зажиму множества стекловолокон вне платы;
* перемычка вне основания от концевого контакта к чипу и между чипами;
* гибридные варианты, содержащие связи либо на, либо вне основания, к зеркалу и набору линз для обеспечения соединений к нижней стороне основания или к оптическому слою между основаниями;
* многоярусный пленочный волновод обеспечивает набор межсоединений между объединительной, дочерней и дочерними платами» (http://www.circuitrv.ru/joumal/article/2254).
Это справедливо и для модулей на печатной плате. Лазер устанавливают либо вверху, либо внизу модуля. Поэтому для передачи оптического сигнала между электронными модулями существует проблема поворота луча. (Следует отметить, что гибкие перемычки обладают низкими эксплуатационными характеристиками.)
В диссертации (Karppinen M. High bit-rate optical interconnects on printed wiring board. Micro-optics and hybrid integration, Edita prima Oy, Helsinki, 2008, p.71-72) для решения этих проблем используют микролинзы и зеркала для поворота луча. Однако линзы и зеркала требуют тщательной юстировки, и при серийном производстве это оказывается узким местом.
В (Takahara H. Optoelectronic Packaging Trends in Japan. Stanford University, US-Asia TMC, May 2003, p.6) луч последовательно от лазера проходит прозрачный полимер, микролинзу, воздух, снова микролинзу, полимер, зеркало, оптический волновод, снова зеркало, полимер, микролинзу, воздух, опять микролинзу, полимер и попадает в микрофотодетектор. Здесь тоже требуется тщательная установка микролинз и зеркал.
Этот способ формирования канала для передачи оптического сигнала принимается за прототип.
Технический результат изобретения - существенное упрощение в формировании канала для передачи оптического сигнала между электронными модулями на одной печатной плате в случае многократной повторяемости и значительное улучшение эксплуатационных характеристик этой группы модулей.
Известна наноимпринтная литография (НИЛ) - «недорогая технология получения технологического рисунка с высоким разрешением и на больших площадях.
Ключевые преимущества НИЛ-технологии - минимальный размер получаемых структур, высокие точность и воспроизводимость при переходе от пластины к пластине и повторяемость по всей их площади.
Наиболее широко распространены три метода НИЛ - термоконтактная литография, УФ-наноимпринтная фотолитография и микроконтактная печать <…><…>
<…>
УФ-НИЛ - одна из наиболее известных технологий этой группы, используется для получения структур на всей поверхности пластин диаметром до 300 мм. Она сочетает в себе несколько важных особенностей - высокий уровень повторяемости и точность ориентации элементов на пластине, что обеспечивает одновременное нанесение микро- и наноструктур, а также длительный срок службы используемых штампов, поскольку в техпроцессе последние не подвергаются воздействию высоких температур и давления. <…>
<…>
Хотя максимальное разрешение процесса составляет менее 50 нм, в настоящее время УФ-НИЛ наиболее широко используется для получения структур с размерами от 20 мкм до 200 нм для создания микрооптических устройств, фотонных и микрожидкостных элементов, широкого спектра всемозможных сенсорных структур. <…>
<…>
Достоинства УФ-НИЛ, начиная от протекания процесса при комнатных температурах и заканчивая низкими (менее 1 бара) усилиями прижима штампа, позволяют получать структуры с высочайшей точностью и увеличивать производительность используемых УФ-НИЛ-систем. Применяемые мягкие штампы компенсируют неровности и изгибы поверхности пластины и дают возможность наносить рисунок на всю ее поверхность за один технологический цикл, обеспечивая очень высокое разрешение (менее 50 нм) на всей площади пластины» (Чабанов А. УФ-наноимпринтная фотолитография с мягкими штампами. Наноиндустрия, 2010, №2, с. 8-10).
Предлагается использовать технологию УФ-НИЛ для формирования канала для передачи оптического сигнала между электронными модулями на одной печатной плате в целом (фиг. 1-4).
С этой целью:
1. Берут маску (штамп) 2 и заготовку 3, в состав которой входит прозрачный полимер 1 (фиг. 1).
2. Над соответствующим местом заготовки располагают фоторезист 4 и воздействуют на него штампом (фиг. 2).
3. Осуществляют экспозицию УФ-излучением 5 через прозрачную маску (фиг. 3).
4. Внешнюю поверхность тракта из отвердевшего фоторезиста 6 (фиг. 4) покрывают светоотражающим металлическим слоем путем напыления.
Фрагмент некоторой оптической системы, которая может быть получена предложенным способом, приведен на фиг. 5. Здесь 7 - зеркало, 8 - VCSEL (лазер), 9 - модуль, 10 - подложка, 11 - оптический луч, 12 - оптический волновод, 13 - проводник электрического тока.
Необходимо отметить, что даже при использовании технологии УФ-НИЛ с подогревом температура при штамповке не более 200-250°C.
Допустимая температура для чипа   310-370°C. Усилие прессования таково, что никакого разрушительного воздействия на чипы или изменяющего их выходные характеристики не оказывает.
В предлагаемом изобретении полученная оптическая система не имеет воздушных промежутков. Это объясняется тем, что теперь не требуется юстировать микролинзы, для чего требовалось их перемещение в воздушном пространстве. Сейчас необходимость в юстировке оптических элементов отпала. Все допуска на размеры заложены в расчете и обеспечиваются формой штампа (маски), точность изготовления которого определяется прямо из оптического выпуска (документ, которым завершается расчет оптической системы, в котором указываются все допуски к расстояниям и точности изготовления отдельных поверхностей). Поэтому обеспечивается принцип «монолитного исполнения» этой группы модулей, что значительно улучшает ее эксплуатационные характеристики (температурный диапазон, вибрации, перегрузки и др.).
Данный способ решает задачу перехода от опытного (или единичного) производства электронных модулей со встроенными оптическими межсоединениями (из-за необходимости в юстировке элементов и настройке оптической системы) к серийному и массовому производству этих модулей (за счет возможности единовременных трудозатрат на расчет и изготовление штампа/штампов и последующей высокопроизводительной передачи формы штампа форме фоторезиста, образующего оптическую систему).