Способ изготовления структуры оптико-электронной шины печатной платы и устройство для его реализации Российский патент 2022 года по МПК G02B6/10 H05K1/02 

Заявленные технические решения относятся к технологии изготовления печатной платы, в частности к способу изготовления структуры оптического волновода высокой плотности и к самой печатной плате.

В последнее время потребность людей в информации резко возросла, и количество информации увеличилось в геометрической прогрессии. При этом скорость передачи информации (например, которую необходимо передавать только пользователям Интернета) ежегодно увеличивается в несколько (в восемь) раз.

В области проводной связи на большие расстояния технология волоконно-оптической связи может удовлетворить эти требования к высокой производительности. Однако в области передачи информации на короткие расстояния из-за стоимости и технических проблем все еще преобладают электрические соединения. При этом электрические соединения (например, на печатной плате) имеют такие недостатки, как электромагнитные помехи, высокие потери и малая полоса пропускания, что ограничивает дальнейшее улучшение характеристик передачи данных. Каналы же передачи оптического сигнала - оптические волноводы имеют преимущества высокой полосы пропускания, защиты от электромагнитных помех, низких потерь, низкого энергопотребления, малых перекрестных помех, малых физических размеров и т.д. Это делает оптическое соединение эффективным решением для высокоскоростных электрических цепей.

В то же время технология оптических печатных объединительных плат, основанная на теории оптических волноводов, находится в стадии разработки, а именно: особенности передачи информации по оптическим волноводам, технологии (способы) их изготовления, а также соединение оптических волноводов и оптических волокон.

Прототипом заявленного способа является способ изготовления устройства по патенту Канады: СА 3098887 (А1) от 21.11.2019, МПК G02B 6/10. G02B 6/122, G02B 6/13, «High-density optical waveguide structure and printed circuit board and preparation method thereof» - [1], заключающийся в применении мастер-штампа структуры оптических волноводов, нанесении полимерного материала сердцевины оптических волноводов, нанесении полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов, нанесении полимерного материала верхней оболочки оптических волноводов.

Прототипом заявленного «устройства оптико-электронной шины печатной платы» также является патент Канады [1], структура которого состоит из основания из печатной платы (1), на котором нанесены структуры полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины. Структура оптического волновода высокой плотности [1] содержит нижний слой оболочки, слой сердцевины и верхний слой оболочки, при этом множество канавок расположено в нижнем слое оболочки, и материал оптического волновода заполняется канавку с образованием слоя сердцевины.

Недостатком прототипа способа [1] является нераскрытие в патенте структуры мастер-штампа и конкретных параметров и режимов его изготовления, что не исключает возможного контакта слоев оптической структуры с кремниевой подложкой мастер-штампа, и как следствие к явлению неравномерной адгезии и низкому качеству изделия из-за возможных множественных поверхностных дефектов, приводящих к увеличению потерь при передаче оптического сигнала. Также применение центрифугирования приводит к возможному неравномерному распределению слоя сердцевины оптической структуры по ранее сформированным канавкам и по всей площади изготавливаемой структуры. Что в совокупности также приводит к снижению качества получаемой структуры и увеличению потерь при передаче оптического сигнала.

Также известны аналоги заявленного способа и устройства для его реализации по нижеприведенным патентам:

- Патент Китая: CN 108415124 (А) от 17.08.2018, МПК G02B 6/122, H05K 1/02, H05K 3/00, «High-density optical waveguide structure, printing circuit board and preparation method thereof» - [2]. Патент [2] имеет те же недостатки, что и прототип [1] и почти полностью с ним совпадает.

- Патент США: US2006198569 (А1) от 07.09.2006 и US 7343060 В2 от 11.03.2008, МПК G02B 6/12, «Light transmission and reception module, sub-mount, and method of manufacturing the sub-mount» - [3]. Модуль передачи и приема света [3] включает в себя: макромолекулярную оптическую волноводную пленку в форме гибкой ленты, включающую в себя оптический волновод, оптический источник излучения, содержащий светоизлучающий элемент и первую вспомогательную опору для размещения светоизлучающего элемента и для фиксации одного конца макромолекулярой оптической волноводной пленки на первом вспомогательном креплении, так что свет, излучаемый светоизлучающим элементом, может быть передан на входную торцевую поверхность оптического волновода, и оптический приемник, содержащий светочувствительный элемент, и вторую вспомогательную опору для размещения светочувствительного элемента и для фиксации другого конца макромолекулярной оптической волноводной пленки на втором вспомогательном креплении так, чтобы свет, излучаемый с выходной торцевой поверхности оптического волновода, мог приниматься в светочувствительном элементе. Недостатком патента [3] по сравнению с заявленными техническими решениями является то, что использование макромолекулярной оптической волноводной пленки в виде гибкой ленты для оптической передачи данных исключает возможность размещения оптической волноводной пленки на основании печатной платы, и как следствие потребует предусмотреть дополнительное размещение специальных разъемов для фиксации и соединения гибкой макромолекулярной оптической волноводной пленки к печатной плате.

- Патент на изобретение России: RU 2561202 С2 от 27.08.2015, МПК Н04В 10/00, «Способ формирования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля» - [4], который заключается в том, что из оптически прозрачного материала изготавливают призму, имеющую в основании трапецию, углы которой равны 45, 135, 135, 45°, и нижняя сторона должна иметь длину не более 200 мм. Призму изготавливают с требуемыми допусками на линейные и угловые размеры, а также допустимой шероховатостью, все грани призмы, кроме нижней, покрывают алюминием при помощи процесса напыления; берут кристалл, являющийся источником излучения VCSEL, и кристалл, являющийся приемником излучения PD, и приклеивают их на подложку, наносят изолирующий слой или изолирующие слои до верхней плоскости кристаллов, известным способом формируют токопроводящие межсоединения от контактных площадок кристаллов, вскрывают изолирующие слои над излучающей и принимающей площадками соответствующих кристаллов и устанавливают призму с рассчитанной точностью на соответствующее место, фиксируют ее полимерным слоем по периметру или тонким слоем фоторезиста, который наносят на контактируемые поверхности перед установкой призмы, и наносят изолирующие слои. В случае, когда требуется уменьшить расходимость светового пучка, в полости над излучающей и приемной площадками, образованными после вскрытия изолирующих слоев, могут устанавливать микролинзы. Недостатком патента [4] по сравнению с заявленными техническими решениями является нераскрытие в патенте материалов, параметров и режимов изготовления устройства - канала для передачи оптического сигнала в виде призмы, имеющей в своем основании трапецию, углы которой равны 45, 135, 135, 45°, и нижняя сторона должна иметь длину не более 200 мм.

- Патент на изобретение России: RU 2568341 О от 20.11.2015, МПК G02B 6/00, «Способ образования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля» - [5], состоящий в том, что из материала, который выбирают исходя из длины волны используемого оптического излучения, изготавливают оптическую деталь, которая представляет собой волновод оптического излучения, выполненный в виде двух зеркально-симметричных дифракционных решеток и прямолинейного участка между ними. Берут кристалл, являющийся источником излучения VCSEL, и кристалл, являющийся приемником излучения PD, и приклеивают их на подложку. Наносят изолирующий слой или изолирующие слои до верхней плоскости кристаллов, известным способом формируют токопроводящие межсоединения от контактных площадок кристаллов, вскрывают изолирующие слои над излучающей и принимающей площадками соответствующих кристаллов и устанавливают оптическую деталь с рассчитанной точностью на соответствующее место. Деталь фиксируют полимерным слоем по периметру или тонким слоем фоторезиста, который наносят на контактируемые поверхности перед установкой оптической детали, и наносят изолирующие слои. Недостатком патента [5] по сравнению с заявленными техническими решениями также является нераскрытие в патенте параметров и режимов изготовления устройства - оптической детали, которая представляет собой волновод оптического излучения, выполненный в виде двух зеркально-симметричных дифракционных решеток и прямолинейного участка между ними.

- Патент на полезную модель России: RU 83626 U1 от 10.06.2009, МПК G02B 6/34, «Оптический планарный волновод» - [6], состоящий из центрального оптически прозрачного волноводного слоя, граничные слои, устройство ввода излучения и устройство вывода излучения в виде дифракционной решетки. При этом дифракционная решетка устройства вывода излучения выполнена с переменной глубиной модуляции, возрастающей по длине решетки в направлении от начала вывода излучения по экспоненциальной зависимости. Недостатком патента [6] по сравнению с заявленными техническими решениями является то, что в описании патента не приведены материалы, параметры и режимы изготовления устройства - оптического планарного волновода, состоящего из центрального оптически прозрачного волноводного слоя, граничных слоев, устройства ввода излучения и устройства вывода излучения в виде дифракционной решетки. Это не позволяет воспроизвести устройство [6] без дополнительных разработок.

- Патент США US2003179978 (А1) от 25.09.2003 и US6970610 (В2) от 29.11.2005, МПК F21V 8/00, G02B 6/122, G02B 6/43, «Optical transmission sheet, optoelectric apparatus, and optical transmission method» - [7]. Данное устройство оптической передачи включает в себя планарный волновод для передачи оптического сигнала, светоизлучающий блок для ввода светового луча в планарный волновод и установочный блок для установки угла распространения светового луча, передаваемого в планарном волноводе. В планарном волноводе передается множество световых лучей с разными углами распространения. Недостатком использования в устройстве по патенту [7] является применение плоского оптического слоя для передачи оптического излучения вместо планарных оптических волноводов прямоугольного сечения, как в заявленном техническом решении.

Вышеприведенные недостатки прототипа и аналогов ставят задачу повышения качества полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины печатной платы. Улучшение их качества в конечном итоге приведет к снижению потерь при передаче оптического сигнала. А качество полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины печатной платы может быть повышено только усовершенствованием способа их изготовления.

Сущность заявленного способа изготовления структуры оптико-электронной шины на поверхности печатной платы заключается в изготовлении мастер-штампа структуры оптических волноводов оптико-электронной шины, нанесении полимерного материала сердцевины оптических волноводов, нанесении полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов, нанесении полимерного материала верхней оболочки оптических волноводов. При этом для изготовления мастер-штампа используют метод фотолитографии с последовательным нанесением двух его слоев и формированием двухслойной структуры мастер-штампа из одного материала, после чего на сформированную структуру мастер-штампа наносят слой модификатора адгезии (например, гексаметилдисилазан - (ГМДС)), затем наносят полимерный материал сердцевины оптических волноводов в мастер-штамп путем наливки с последующей протяжкой ракелем по мастер-штампу, наносят полимерный материал нижней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины, полимерный материал нижней оболочки накрывают основанием (печатной платой) с предварительно активированной контактной поверхностью и выдерживают (например, при повышенной температуре) до полного отверждения полимерных материалов, далее извлекают основание -печатную плату с сформированными слоями нижней оболочки и сердцевины оптических волноводов из мастер-штампа, после чего наносят полимерный материал верхней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной (увеличенной) толщины.

Сущность устройства оптико-электронной шины печатной платы состоит в том, что оно содержит основание из печатной платы, на котором нанесены структуры полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины. При этом сечение сердцевин полимерных планарных оптических волноводов имеет прямоугольную форму с размерами прямоугольника в диапазонах 10…100 мкм × 10…100 мкм (например, 88 мкм × 63 мкм), сердцевина, нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены из одного и того же полимерного материала (например, каучук СКТН по ГОСТ 13835 - 73), но имеющего различные показатели преломления (за счет изменения соотношения исходных компонентов полимерного материала для обеспечения полного внутреннего отражения на границе сердцевина - оболочка (нижняя или верхняя)), а нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены толщиной в диапазоне 10…60 мкм (например, 30 мкм).

Техническим результатом заявленных изобретений является повышение качества полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины печатной платы и снижение потерь при передаче оптического сигнала.

Введение отличительного признака способа «для изготовления мастер-штампа используют метод фотолитографии с последовательным нанесением двух его слоев и формированием двухслойной структуры мастер-штампа из одного материала» позволяет снизить неоднородность адгезии полимерных материалов сердцевин и нижней оболочки к мастер-штампу за счет исключения контакта полимерных материалов с основанием, на котором с помощью фотолитографии изготовлена топология мастер-штампа. Однородность адгезии позволяет сформировать более качественные изделия в сравнении с однослойными мастер-штампами, изготовленным известными способами.

Введение отличительного признака способа «после чего на сформированную структуру мастер-штампа наносят слой модификатора адгезии (например, гексаметилдисилазан - (ГМДС))» позволяет предельно снизить адгезию полимерных материалов сердцевин и нижней оболочки оптических волноводов, что способствует исключению факторов роста числа поверхностных дефектов, которые возникают при извлечении отвержденной структуры оптических волноводов из мастер-штампа и проводят к увеличению в них потерь сигнала. Следовательно, применение модификатора адгезии повышает качество изготавливаемых структур оптических волноводов и снижает в них потери сигнала.

Введение отличительного признака способа «затем наносят полимерный материал сердцевины оптических волноводов в мастер-штамп путем наливки с последующей протяжкой ракелем по мастер-штампу» позволяет равномерно (в отличие от центрифугирования) заполнить объемную (3-х мерную) топологию мастер-штампа полимерным материалом сердцевин оптических волноводов во избежание возникновения воздушных пустот в отвержденной сердцевине оптического волновода. Исключение причин возникновения воздушных пустот способствует снижению потерь сигнала в структуре оптических волноводов и улучшению качества их изготовления.

Введение отличительного признака способа «наносят полимерный материал нижней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины» позволяет изготовить равномерную по толщине нижнюю оболочку оптических волноводов для облегчения последующей юстировки с устройствами ввода/вывода излучения и улучшения качества сформированной оптико-электронной шины печатной платы.

Введение отличительного признака способа «полимерный материал нижней оболочки накрывают основанием (печатной платой) с предварительно активированной контактной поверхностью и выдерживают (например, при повышенной температуре) до полного отверждения полимерных материалов» позволяет обеспечить необходимую адгезию полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов к печатному основанию, что создает условия для формирования качественных оптико-электронных шин печатных плат, которым не свойственно отслаивание полимерных структур оптических волноводов.

Введение отличительного признака способа «далее извлекают основание -печатную плату с сформированными слоями нижней оболочки и сердцевины оптических волноводов из мастер-штампа, после чего наносят полимерный материал верхней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной (увеличенной) толщины» позволяет изготовить качественную структуру оптических волноводов без использования дорогостоящего фотолитографического оборудования и полимерных материалов с относительно низким значением потерь при прохождении сигнала.

Введение отличительного признака устройства «сечение сердцевин полимерных планарных оптических волноводов имеет прямоугольную форму с размерами прямоугольника в диапазонах 10…100 мкм × 10…100 мкм (например, 88 мкм × 63 мкм)» позволяет изготовить как одномодовые, так и многомодовые полимерные планарные оптические волноводы прямоугольного сечения в структуре оптико-электронной шины печатной платы. Уменьшение размеров сердцевины меньше 10 мкм приводит к снижению эффективности ввода излучения из стандартного (стеклянного) оптоволокна, и, следовательно, увеличению потерь излучения. А увеличения размеров более 100 мкм приводит к увеличению дисперсии сигнала в сердцевине оптического волновода, что также приводит к снижению качества передаваемого сигнала.

Введение отличительного признака устройства «сердцевина, нижняя и верхние оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены из одного и того же полимерного материала (например, каучук СКТН по ГОСТ 13835 - 73), но имеющего различные показатели преломления (за счет изменения соотношения исходных компонентов полимерного материала для обеспечения полного внутреннего отражения на границе сердцевина - оболочка (нижняя или верхняя))» позволяет исключить предпосылки для возникновения внутренних напряжений в структуре оптических волноводов по причине рассогласованности температурных коэффициентов линейного расширения различных материалов. В предложенной структуре устройства использование одного и того же полимерного материала снижает вероятность увеличения потерь сигнала из-за внутренних напряжений в структуре оптико-электронной шины печатной платы и повышает ее качество.

Введение отличительного признака устройства «нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены толщиной в диапазоне 10…60 мкм (например, 30 мкм)» позволяет эффективно совмещать торец полимерных планарных оптических волноводов со срезом стандартного оптического волокна, имеющего диаметр сечения 125…130 мкм, для снижения потерь сигнала при вводе/выводе оптического излучения из оптоволокна.

Заявленные технические решения (способ и устройство) представлены в графических материалах, а именно:

На фиг. 1 представлена последовательность операций технологии (способа) изготовления структуры оптико-электронной шины печатной платы по прототипу [1] в разрезах, где:

1а) - печатное основание с нанесенным слоем нижней оболочки оптического волновода;

1б) - топология мастер-штампа в процессе оттиска в нижней оболочке оптического волновода;

1в) - нижняя оболочка оптического волновода в момент оттиска мастер-штампа;

1г) - нижняя оболочка оптического волновода со сформированными канавками после оттиска мастер-штампа;

1д) - нижняя оболочка оптического волновода с нанесенным в канавки полимерным материалом сердцевин оптических волноводов;

1е) - структура оптических волноводов с нанесенным слоем верхней оболочки.

На фиг. 2 представлена последовательность операций заявленного способа (технологии) изготовления структуры оптико-электронной шины печатной платы в разрезах, где:

2а) - кремниевая подложка с нанесенным первым слоем мастер-штампа;

2б) - кремниевая подложка со вторым слоем мастер-штампа, нанесенным поверх первого слоя;

2 в) - сформированная путем фотолитографии топология двухслойного мастер-штампа;

2г) - двухслойный мастер-штамп с нанесенным слоем модификатора адгезии гексаметилдисилазаном;

2д) - двухслойный мастер-штамп с нанесенным путем наливки с последующей протяжой ракелем слоем сердцевин оптических волноводов;

2е) - двухслойный мастер-штамп со слоем сердцевин и нанесенным путем наливки с последующей протяжой ракелем по рамке слоем нижней оболочки;

2ж) - присоединение печатного основания к нижнем слою оболочки оптического волновода и выдержка полимерной структуры для ее отверждения;

2з) - отрыв печатного основания с отвержденной структурой полимерных планарных оптических волноводов;

2и) - сформированная часть структуры оптических волноводов из нижней оболочки и сердцевины;

2к) - структура оптических волноводов с нанесенным слоем верхней оболочки.

На фиг. 3 - растровая электронная микроскопия (РЭМ-изображение) мастер-штампа.

На фиг. 4 - фотография полученной структуры (ее части) оптико-электронной шины печатной платы по заявленному способу (технологии).

На фиг. 5 - схема проведения экспериментального исследования полученной структуры (ее части) оптико-электронной шины печатной платы по заявленному способу (технологии).

На фиг. 6 - фотография проведения экспериментального исследования полученной структуры (ее части) оптико-электронной шины печатной платы по заявленному способу (технологии).

На фигурах цифрами обозначены: 1 - печатное основание, которое может быть выполнено из материала FR4; 2 - полимерный слой нижней оболочки оптических волноводов; 3 - материал топологии мастер-штампа оптических волноводов (3.1 и 3.2 - слои двухслойного мастер-штампа из одного и того же материала); 4 - основание мастер-штампа, которое может быть выполнено из кремния; 5 - полимерный слой сердцевин оптических волноводов; 6 - полимерный слой верхней оболочки оптических волноводов; 7 - слой модификатора адгезии, который может быть выполнен из гексаметилдисилазана; 8 - полимерный планарный оптический волновод (обобщенный и включающий в себя слои сердцевины (5), нижней оболочки (2) и верхней оболочки (6)); 9 - оптоволокно для ввода/вывода излучения; 10 - V-образные канавки для совмещения «встык» оптоволокна (9) с полимерным планарным оптическим волноводом (8); 11 - источник излучения; 12 - приемник излучения (тестер).

Способ изготовления структуры оптико-электронной шины на поверхности печатной платы (1) по прототипу [1] состоит (см. фиг. 1) в использовании мастер-штампа (3, 4) структуры оптических волноводов оптико-электронной шины, нанесении полимерного материала сердцевины оптических волноводов (5), нанесении полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов (2), и нанесении полимерного материала верхней оболочки (6) оптических волноводов. При этом в начале на печатное основание (1) наносят полимерный материал нижней оболочки (2), в котором затем путем оттиска мастер-штампа (3, 4) формируют канавки, топология которых соответствует сердцевинам формируемой структуры оптических волноводов. Далее канавки заполняют с помощью наливки и центрифугирования полимерным материалом сердцевин (5) оптических волноводов, затем сердцевины и нижняя оболочка оптических волноводов покрываются слоем верхней оболочки (6).

В отличие от прототипа [1] заявленный способ изготовления структуры оптико-электронной шины на поверхности печатной платы (1) (см. фиг. 2) состоит в использовании технологии мягкой литографии - подвида наноимпринтной литографии, включающей в себя изготовление мастер-штампа (3.1, 3.2 - двухслойной топологии, 4 - основания) структуры оптических волноводов оптико-электронной шины, нанесение полимерного материала сердцевины (5) оптических волноводов, нанесение полимерного материала нижней оболочки (2) оптических волноводов, присоединение основания печатной платы (1) к нижней оболочке (2) оптических волноводов, извлечение отвержденной структуры оптических волноводов (5, 2, 1) из мастер-штампа (3.1, 3.2, 4) и нанесение полимерного материала верхней оболочки (6) оптических волноводов. При этом на кремниевом основании (4) методом фотолитографии формируется топология мастер-штампа, которая соответствует обратной топологии оптического слоя сердцевин полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины печатной платы: в областях, где должны быть затем изготовлены сердцевины (5) оптических волноводов, в мастер-штампе (3.1, 3.2, 4) формируются канавки с конфигурацией и размерами, соответствующими топологии слоя сердцевин (5) полимерных планарных оптических волноводов. Для изготовления мастер-штампа (3.1, 3.2, 4) могут использоваться светочувствительные фотополимерные материалы, например, фоторезисты групп SU-8 2000, SU-8 3000, которые способны наносится слоями толщиной в диапазоне 10…65 мкм. Во избежание возможного контакта материала сердцевины (5) с кремниевым основанием (4) мастер-штампа (3.1, 3.2, 4), на первом этапе формирования мастер-штампа (3.1, 3.2, 4) на кремниевое основание (4) наносится сплошной слой материала мастер-штампа (3.1), затем наносится слой (3.2), толщина которого соответствует высоте слоя сердцевин оптических волноводов. Во втором слое (3.2) с помощью технологических операций фотолитографии формируется топология мастер-штампа. На сформированную структуру мастер-штампа (3.1, 3.2, 4) наносят слой модификатора адгезии (7) (например, гексаметилдисилазан - (ГМДС)) для уменьшения адгезии слоев сердцевины (3) и нижней оболочки (2) оптических волноводов к топологии мастер-штампа (3.1, 3.2, 4 и 7) и для обеспечения бездефектного извлечения сформированной структуры оптических волноводов после их отверждения в мастер-штампе (3.1, 3.2, 4 и 7). Затем наносят полимерный материал сердцевины (5) оптических волноводов в мастер-штамп (3.1, 3.2, 4 и 7) путем наливки с последующей протяжкой ракелем по мастер-штампу (3.1, 3.2, 4 и 7). Для этого мастер-штамп (3.1, 3.2, 4 и 7) фиксируют с помощью специальной рамки, превосходящей в 100…500 раз толщину формируемой структуры оптических волноводов, затем в открытую в рамке область мастер-штампа (3.1, 3.2, 4 и 7) наливают избыточное количество материала сердцевин (5) оптических волноводов, предварительно дегазированное в вакуумной камере. Далее с помощью ракеля, например, силиконового, втирают материал сердцевин (5) в канавки мастер-штампа (3.1, 3.2, 4 и 7). Излишний материал сердцевин (5) удаляется ракелем. Затем снимается рамка и мастер-штамп (3.1, 3.2, 4 и 7) с заполненными канавками материалом сердцевин (5) оптических волноводов подвергается дегазации в вакуумной камере, после чего выдерживают, например, при повышенной температуре, до отверждения материала сердцевин (5) оптических волноводов. Далее наносят полимерный материал нижней оболочки (2) с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины. Для этого мастер-штамп с канавками, заполненными отвержденными сердцевинами (5) оптических волноводов, фиксируют рамками, толщина одной из которых соответствует толщине нижней оболочки (2) оптических волноводов, а другая использовалась ранее на этапе изготовления сердцевин (5) оптических волноводов для фиксации мастер-штампа. Ширина первой рамки превосходит ширину второй рамки таким образом, чтобы открытая площадь была равна площади печатного основания (1), на поверхности которого изготавливается структура оптических волноводов. После этого неотвержденный материал нижней оболочки (2) накрывают основанием (1) (печатной платой) с предварительно активированной контактной поверхностью для увеличения адгезии материала нижней оболочки (2) к печатному основанию (1) и предотвращения отслаивания структуры оптических волноводов от печатного основания (1). Затем структуру выдерживают, например, при повышенной температуре от 25°С до 100°С до полного отверждения полимерных материалов, соответственно от 48 часов до 30 минут. По завершению полного отверждения полимерных материалов оптических волноводов основание - печатную плату (1) со сформированными слоями нижней оболочки (2) и сердцевины (5) оптических волноводов извлекают из мастер-штампа (3.1, 3.2, 4 и 7). После этого наносят полимерный материал верхней оболочки (6) с помощью протяжки ракелем по рамке с толщиной, соответствующей сумме толщин печатного основания (1), нижней оболочки (2), слоя сердцевины (5) и верхней оболочки (6).

Заявленное устройство оптико-электронной шины печатной платы состоит в том, что она содержит основание из печатной платы (1), на котором нанесены структуры полимерных планарных оптических волноводов (8) оптико-электронной шины. При этом сечение сердцевин (5) полимерных планарных оптических волноводов имеет прямоугольную форму с размерами прямоугольника в диапазонах 10…100 мкм × 10…100 мкм. В изготовленном заявителем устройстве размеры сечения слоя сердцевин (5) составили 88 мкм × 63 мкм. Сердцевина (5), нижняя (2) и верхние (6) оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены из одного и того же полимерного материала - каучука СКТН по ГОСТ 13835 - 73, но имеющего различные показатели преломления, соответственно 1,404 - сердцевины (5) и 1,41 - нижней (2) и верхней (6) оболочек. Что обеспечивает полное внутреннее отражение на границе сердцевина (5) - оболочка (нижняя (2) или верхняя (6)). Нижняя (2) и верхняя (5) оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены толщиной в диапазоне 10…60 мкм. В изготовленном заявителем устройстве размеры нижней (2) и верхней (5) оболочки составили 30 мкм.

Работа заявленного устройства состоит в том, что в структуру полимерных планарных оптических волноводов (8) оптико-электронной шины печатной платы (1) вводится оптическое излучение с длиной волны близкого ИК-диапазона 830…1510 нм на входной торец полимерных планарных оптических волноводов (8) с помощью сопряжения «встык» с оптическим волокном (9), зафиксированным в элементе ввода излучения в виде V-образной канавки (10) и соединенным с источником излучения (11). Оптическое излучение передается по полимерным планарным оптическим волноводам (8) за счет обеспечения полного внутреннего отражения на границе «сердцевина (5) - оболочки (2, 6)» оптического волновода (8). Затем оптическое излучение попадает на выходной торец полимерного оптического волновода (8) и передается на вход оптического волокна (9), зафиксированного в элементе вывода излучения в виде V-образной канавки (10) и подключенного к приемнику (12), например, тестеру, оптического излучения.

По результатам измерения характеристик заявленного устройства величина потерь сигнала в полимерных планарных оптических волноводах (8) составила не более 10 дБ, что соответствует характеристикам аналогов из известных литературных источников, например: Bamiedakis N. el. «А 40 Gb/s Optical Bus for Optical Backplane Interconnections» - JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2014, vol. 32, №8, c. 1526-1537 - [8].

Печатная плата оптико-электронной шины может также содержать один или несколько слоев металлических проводников для электрической коммутации, выполненных известными способами, например как в [1] и [2].

Изготовление структуры оптико-электронной шины печатной платы по заявленному способу, а также само устройство в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым по отношению к общеизвестным способам изготовления и устройствам данного назначения, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Совокупность признаков формулы изобретения не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных способов изготовления структуры оптико-электронной шины печатной платы, а именно изготовление фотолитографией двухслойной топологии мастер-штампа, покрытой слоем модификатора адгезии, а также формирование структуры полимерных планарных оптических волноводов в структуре мастер-штампа с последующим присоединением основания печатной платы, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень" (об этом свидетельствует также проведенный патентный поиск и ссылка на источники информации [1] -[8]).

Реализация заявленных способа и устройства может быть осуществлена известными и применяемыми методами, технологиями и оборудованием, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

Литература:

1. Патент Канады: СА 3098887 (А1) от 21.11.2019, МПК G02B 6/10. G02B 6/122, G02B 6/13, «High-density optical waveguide structure and printed circuit board and preparation method thereof» - прототип.

2. Патент Китая: CN 108415124 (А) от 17.08.2018, МПК G02B 6/122, H05K 1/02, H05K 3/00, «High-density optical waveguide structure, printing circuit board and preparation method thereof».

3. Патент США: US2006198569 (A1) от 07.09.2006 и US 7343060 B2 от 11.03.2008, МПК G02B 6/12, «Light transmission and reception module, sub-mount, and method of manufacturing the sub-mount».

4. Патент на изобретение России: RU 2561202 С2 от 27.08.2015, МПК Н04В 10/00, «Способ формирования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля».

5. Патент на изобретение России: RU 2568341 С1 от 20.11.2015, МПК G02B 6/00, «Способ образования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля».

6. Патент на полезную модель России: RU 83626 U1 от 10.06.2009, МПК G02B 6/34, «Оптический планарный волновод».

7. Патент США US2003179978 (А1) от 25.09.2003 и US6970610 (В2) от 29.11.2005, МПК F21V 8/00, G02B 6/122, G02B 6/43, «Optical transmission sheet, optoelectric apparatus, and optical transmission method».

8. Bamiedakis N. el. «A 40 Gb/s Optical Bus for Optical Backplane Interconnections» - JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2014, vol. 32, №8, c. 1526-1537.

Изобретение относится к технологии изготовления печатной платы и/или подложки корпуса полупроводниковой интегральной схемы, в частности к способу изготовления структуры оптического волновода высокой плотности и к самой печатной плате. Заявленный способ изготовления структуры оптико-электронной шины на поверхности печатной платы заключается в изготовлении мастер-штампа структуры оптических волноводов оптико-электронной шины, нанесении полимерного материала сердцевины оптических волноводов, нанесении полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов, и нанесении полимерного материала верхней оболочки оптических волноводов. Причем для изготовления мастер-штампа используют метод фотолитографии с последовательным нанесением двух его слоев и формированием двухслойной структуры мастер-штампа из одного материала, после чего на сформированную структуру мастер-штампа наносят слой модификатора адгезии. Затем наносят полимерный материал сердцевины оптических волноводов в мастер-штамп путем наливки с последующей протяжкой ракелем по мастер-штампу, наносят полимерный материал нижней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины, а полимерный материал нижней оболочки накрывают основанием печатной платы с предварительно активированной контактной поверхностью и выдерживают до полного отверждения полимерных материалов. Далее извлекают основание - печатную плату с сформированными слоями нижней оболочки и сердцевины оптических волноводов из мастер-штампа, после чего наносят полимерный материал верхней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины. Устройство оптико-электронной шины печатной платы содержит основание из печатной платы, на котором нанесены указанные выше структуры полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины. При этом сечение сердцевин полимерных планарных оптических волноводов имеет прямоугольную форму с размерами прямоугольника в диапазонах 10…100 мкм × 10…100 мкм. Сердцевина, нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены из одного и того же полимерного материала, но имеющего различные показатели преломления, а нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены толщиной в диапазоне 10…60 мкм. Технический результат - повышение качества полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины печатной платы и снижение потерь при передаче оптического сигнала. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления структуры оптико-электронной шины на поверхности печатной платы, заключающийся в

изготовлении мастер-штампа структуры оптических волноводов оптико-электронной шины,

нанесении полимерного материала сердцевины оптических волноводов,

нанесении полимерного материала нижней оболочки оптических волноводов,

нанесении полимерного материала верхней оболочки оптических волноводов, отличающийся тем, что

для изготовления мастер-штампа используют метод фотолитографии с последовательным нанесением двух его слоев и формированием двухслойной структуры мастер-штампа из одного материала,

после чего на сформированную структуру мастер-штампа наносят слой модификатора адгезии,

затем наносят полимерный материал сердцевины оптических волноводов в мастер-штамп путем наливки с последующей протяжкой ракелем по мастер-штампу,

наносят полимерный материал нижней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины,

полимерный материал нижней оболочки накрывают основанием печатной платы с предварительно активированной контактной поверхностью и выдерживают до полного отверждения полимерных материалов,

далее извлекают основание - печатную плату с сформированными слоями нижней оболочки и сердцевины оптических волноводов из мастер-штампа,

после чего наносят полимерный материал верхней оболочки с последующей протяжкой ракелем по рамке заданной толщины.

2. Устройство оптико-электронной шины печатной платы, содержащее основание из печатной платы, на котором нанесены структуры полимерных планарных оптических волноводов оптико-электронной шины, отличающееся тем, что

сечение сердцевин полимерных планарных оптических волноводов имеет прямоугольную форму с размерами прямоугольника в диапазонах 10…100 мкм × 10…100 мкм,

при этом сердцевина, нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены из одного и того же полимерного материала, но имеющего различные показатели преломления,

а нижняя и верхняя оболочки полимерных планарных оптических волноводов изготовлены толщиной в диапазоне 10…60 мкм.