光电印制电路板用聚合物光波导材料

文章摘要：摘要：对用于光电印制电路板上的聚合物光波导的材料及特点、制备原则、方法、分类、成型工艺以及测试方法进行了讨论和总结，提供了材料制备、耐热性、折射率、光传输损失和光波导制备等方面的实验结果。引言光电印制板（Optical-Electronic PrintedCircuit Board,EOPCB），作为未来非常具有成长潜力的PCB产品之一，简单地说，就是将光与电整合，以光来做信号传输，以电进行运算的新一代高速运算所需的封装基板。将目前发展得非常成熟的印制电路板加上一层导光层，使得电路板的使用由现有的电连接技术延伸到光传输领域。光电印制板是PCB历史发展的必然趋势。有资料将印制电路板划分为六代，即

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　　摘要：对用于光电印制电路板上的聚合物光波导的材料及特点、制备原则、方法、分类、成型工艺以及测试方法进行了讨论和总结，提供了材料制备、耐热性、折射率、光传输损失和光波导制备等方面的实验结果。

　　引言

　　光电印制板（Optical-Electronic PrintedCircuit Board,EOPCB），作为未来非常具有成长潜力的PCB产品之一，简单地说，就是将光与电整合，以光来做信号传输，以电进行运算的新一代高速运算所需的封装基板。将目前发展得非常成熟的印制电路板加上一层导光层，使得电路板的使用由现有的电连接技术延伸到光传输领域。

　　光电印制板是PCB历史发展的必然趋势。有资料将印制电路板划分为六代，即单面板（第一代）、双面板（第二代）、多层板（第三代）、高密度互连板（第四代）、光电印制板（第五代）、多功能板（第六代）。为解决I/O瓶颈，最具代表性的方案是，光子用垂直腔面发射激光器（VSCEL）发射，波导采用了聚合物材料，据说这比光纤更容易与系统集成。典型光电印制板结构原理图如图1，其工作原理是：大规模集成芯片产生的电信号经过驱动芯片作用VCSEL激光发生器，激光束直接或通过透镜传输到有45o镜面的聚合物波导反射进入波导中，然后通过另一端波导镜面反射传送到PD接收，再经过接收芯片转换成电信号传给大规模集成芯片，这样使得芯片和芯片可以通过光波导高速通信，从而整体提高系统性能，该PCB制作和传统PCB的制作工艺兼容，只是把聚合物波导层当作PCB其中的一层进行叠片而成。

　　图1典型光电印制电路板的结构原理图

　　1　聚合物光波导材料及其特点

　　聚合物光波导材料，具有较高的电光耦合系数、较低的介电常数、响应时间短、热损耗小、加工工艺简单、价格低廉、无须高温加热，还可以通过分子设计来合成具有预期效果的聚合物。但传统的聚合物光波导材料如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）应用的最大障碍是在近红外波段（1.0 m～1.7 m）传播时吸收损耗大，并且玻璃化温度和热稳定性都很低。而光电印制板上光波导制作应遵循以下原则：第一，光波导层的厚度和折射率的误差都要小，并且芯层与包层的折射率之差至少为8％；第二，传输损耗小，通常应在1dB/cm以下，即光学透明度好，表面凹凸小，光学散射少；第三，高热稳定性，为了保证光波导在叠片过程当中没有影响其性能, 波导材料必须能够保证在PCB叠片过程170℃和15kp/cm2的压力下保持稳定。显然，传统聚合物光波导材料在有些方面不符光电印制板上光波导制作原则，需要改性提高。

　　1.1 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

　　PMMA 是传统聚合物光波导材料代表，尺寸稳定、透明、耐光，折射率约为1.48，热变形温度85℃，太阳光透过率为90%~92%，紫外线透过率为73.5%。其制备简单，与客体非线性有机分子相容性好，并且一般情况下与非线性有机分子无强相互作用等优点。但热稳定性较差和在近红外波段传播时吸收损耗大。

　　1.2 聚苯乙烯（PS）

　　PS的透明性、折射率较PMMA高、吸水率低、尺寸稳定好、易加工成型、价格低廉、较好成膜性和光学特性,在通信波长1553nm（波数6439cm-1）处没吸收峰，即对通信光信号有良好的透明性，可制作薄膜波导成膜材料。但其力学性能较差，不耐热，表面硬度低，脆性大，应用范围受到限制。

　　1.3 聚碳酸酯(PC)

　　PC具有耐热性好、高冲击强度、尺寸稳定好、力学性能高、吸湿性低、折射率比PMMA高，可在135℃长期使用等优点。但其表面硬度低，耐磨性差，经紫外光或辐射线照射后会变黄。

　　1.4 环氧树脂

　　环氧树脂具有耐热性和耐溶性好，蠕变小，机械强度变化不大等优点，且其双折射和透湿率均比PMMA和PC的小。但作为光电印制板上光波导要求无色、透明、易于加工成型，而一些通用型环氧树脂难以满足上述要求。

　　表1 传统聚合物光波导的性能

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