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一、引言 21世紀的科學技術是日新月異的，電子行業作為高新技術行業，技術發展更是一日千里。當前，隨著多媒體業務，包括電話，有線電視（CATV），數字電視和Internet的快速和全面發展，對電路帶寬和容量的要求急劇增加。在傳統的電學領域，信號的傳輸和開關的速度已經受到限制。以電子計算機為例，其CPU的主頻已經達到 2-2.9GHz，在電信干線上傳輸碼流的的速度更達到幾十甚至上千Gbit。而與之相對照的是，計算機的總線傳輸依然停留在10-100M，高也不過 Gbit。顯然，計算機內部總線連接和計算機互連的速率已經成為整個計算機環境的瓶頸。很久以來，就有人談論到把光作為計算機內部（包括電路板內部）及計算機之間的互連手段。從原理上講，用導線連接的傳輸速率受到其寄生參量（寄生電阻、電感和旁生電容）的影響和限制，比如常用的FR-4基材中信號的傳輸速率大約為光速的70%，這樣的速率在很多領域已經不能滿足需求了。而光互連可以克服這種情況。光子具有較大的帶寬和較低的傳輸損耗，免于串擾和磁干擾，在同一個光學媒介中傳輸多個波長時，不同的波長可以平行通過。所以，光子在電子學領域的應用都發揮了重要作用。 在這樣的背景下，光電印制電路板的概念就被提出來了。簡單的說，光電印制電路板就是將光與電整合，以光做信號傳輸，以電進行運算的新一代高運算所需的封裝基板，將目前發展得非常成熟的傳統印制電路板加上一層導光層。因此使得電路板的使用由現在的電連接技術發展到光傳輸領域。 圖3是光電印制電路板的結構示意圖 二、光電印制電路板的發展現狀 有資料將印制電路板劃分為六代，即單面板（第一代）、雙面板（第二代）、多層板（第三代）、高密度互連板（第四代）、光電印制電路板（第五代）、多功能板（第六代）。從圖4（六代電路板的結構特點）和圖5（PCB 的發展路線圖）可以發現，光電印制電路板是PCB 歷史發展的必然趨勢。 根據報道，蘇格蘭伊洛瓦特大學完成一項名為HOLMS 的研發計劃，通過創新的光電技術，使傳統的印制電路板與其功能整合，從而實現標準電子設備組裝流程大幅進步。該研究主要成果是成功結合光纖、無線科技以及光學PCB 等三項組件，構成強大的光電接口，解決現有內存延時的技術瓶頸。據悉，內存延時是當前計算器系統面臨的首要障礙之一，主要問題在于盡管計算機處理器的速度越來越快，卻仍要等上一段時間才能存取內存內的資料。根據伊洛瓦特大學的研究結果，光電科技是唯一可解決處理器速度和內存頻寬差異的方案，而美國半導體產業協會也已經證明了這一點。參與H O L M S 計劃的研究單位將經濟實用的高速光學電路板導入信息系統中，目標是開發光電科技，使它和標準電子設備組裝流程兼容。其主要的關鍵技術是：將光學接口加載在商用平行光纖陣列以及低成本光波導上，使其可輕易地和傳統的印制電路板整合于一體。 HOLMS 計劃在2005 年9 月結束并完成了兩個示范作品，展現該技術的功能層面。參與該項研究的主要大學有蘇格蘭伊洛瓦特大學、德國海根大學，它們都在整合相關技術及學術研究。多家產業伙伴包括PCB 廠商ILFA、德國西門子和法國Thales 等已將研究成果導入產品開發，其中Thales正在探討如何將H O L M S 光電科技運用在超高速國防內嵌式系統上，西門子也在開發高頻寬光波導印制電路板，并有望在兩年內上市。戴姆勒克瑞斯勒（德國）研究中心正在開發基于光波導的底板以聯接飛機上的幾臺計算機或在用于電信系統的若干計算機之間傳送信號。光子又垂直腔面發射激光器發射，波導采用了聚合物材料，據說這比光纖更容易與系統集成。Primarion 公司正在著手開發在短距離內以10Gb/s 速率傳輸信號的波導光路系統，目的是保管信號一直傳送到處理器。電信號從電路板進入激光驅動芯片，然后進入一個有12 個垂直腔面發射激光器組成的陣列。激光光束通過光纖進入另一塊電路板上的類似裝置，由光電探測器及接收單元將信號轉換回電信號。公司希望在兩三年內將這一技術用于計算機光輸入輸出設備。在中國臺灣世貿中心揭幕的2003 年臺灣電路板暨組裝大展中，中國臺灣工研院電子所展示該所與華通計算機和嘉聯益科技兩家公司共同開發的高速電性訊號傳輸光電印制電路板成果及其關鍵技術 ——有機光波導軟膜技術，此項新構裝技術將對計算機寬頻網絡及服務所需的GHz 級高速信號傳輸環境提供強有力的技術支持。電子所提供的動態展示系統是利用內含1Gbps 網絡界面的計算機分設兩端，其中一端先以電/光轉換模塊，將網絡卡的電信號轉換成光信號，并憑借光電印制電路板的光波導軟膜層將資料傳送出，而另一端計算機則將收到的光信號透過光/ 電轉換模塊再轉回電信號由網絡卡接收。經過上述的傳輸架構，呈現高速資料流透過光電印制電路板傳輸的展示。目前臺灣工研院電子所開發的光電印制電路板已經通過2.5GHz 實際傳輸應用及信號眼圖測試。此外，它更具備高密度、多回路、高整合、適合量產等多項優點。在歐美、日本、韓國、中國臺灣等許多PCB 生產廠家、PCB 用基板材料生產廠家等都已經積極的投入到這一新技術及市場的開發之中。世界開發光電印制電路板的熱潮已開始掀起。近兩年來，世界PCB 業不斷有此方面的研究論文發表。 2005 年2 月在美國召開的第十屆世界電子電路大會（ECWC10）中關于光電印制電路板的論文見表1；世界EOCB 的主要研究機構見表2。 三、光電印制電路的板的光互連結構原理 根據IPC-0040標準，光電印制電路板的信號傳輸及光電轉換見圖6 圖7所示為集成光波導的PCB光互連原理圖。圖中用高速的光連接技術取代目前計算機中所采用的銅導線連接，以光子而不是以電子為媒介，在電路板、芯片甚至芯片的各個部分之間傳輸數據。同時還可以傳送傳統的效率低的電信號，其基本工作原理為： 大規模的集成芯片產生的電信號經過驅動芯面作用VSCEL激光發射器，激光束直接或通過透鏡傳輸到有45°鏡面的聚合物波導反射進入波導中，然后通過另一端波導鏡面反射傳送到PD接收，再經過接收芯片轉換成電信號傳輸給大集成芯片。這樣使得芯片與芯片之間能通過光波導高速通訊，從而整體提高系統性能。 該PCB的制作與傳統的PCB制作流程兼容，只是把聚合物波導當成PCB其中銅的特性。 四、光學PCB的優點 前面有提到，銅連線的數據傳輸率受到其寄生參量電阻、電感和電容的影響。在低頻段，電路板的串接電阻和旁路電容對性能的影響很大，直接決定上升沿和下降沿的轉換時間，從而影響數據的傳輸速率；在高頻段，連線串接感抗影響超過電阻，最終的結果與串接電阻和旁路電容相同，限制了數據的傳輸速率。所有這些寄生參量很大程度上依賴于連線的幾何形狀，電阻正比于連線長度，反比于截面積，因此連線越長越細，則數據傳輸率越低。現有的空間限制將不允許連線太粗。雖然在降低轉換時間方面可以采用較硬的連線，但同時加大了噪音與功耗，而且發熱量的增加將難以控制。 相對于電互連，光互連有以下幾個特性： 1.光互連的速度與互連通道無關； 2.光學信號在空間可獨立傳播，彼此之間互不干擾； 3.光學信號可以在三維自由空間傳播。 另外，光互連可以通過空間光調節器（SLM）適當改變，而且光信號非常容易轉變成電信號。 綜上所述，光學PCB和傳統PCB的優點對比如下： 五、光電 PCB發展的三個時代 5.1第一代：在PCB上分散纖維光芯片-芯片互連和板-板互連 發展于 20世紀90年代初，主要使用分離式光纖及光纖連接器來進行摸組與摸組之間或摸組與元器件之間的互換，為目前大型主機所廣泛采用。由于結構簡便，因此可提供較低廉的點對點光連接。由于采用單膜（Discrete）光纖在載板內的光互連，這種形式的光互連，是過去已采用的光纖通信技術的一種衍生。因此它比較容易實現將光通信信號由一點傳遞到另一點的定向傳送方式。 5.2第二代：撓性基板光連接技術 發展于20世紀90年代中期，利用撓性基板進行光纖分布，同樣的，該技術可以應用于如前所述的連接器進行點對點的光連接。撓性光波導薄板構成光信號網絡，是光波導線路產品的形式和技術的第二發展階段的最突出特點。有光纖代替了金屬絲線。這樣對于它的特點，是以撓性材料作為固定的載體，實現撓性光纖的光信號傳送。在配線中的特性阻抗高精度的控制方面，它比原有電氣配線形式特有了明顯的改善。 5.3第三代：混雜式光電連接技術 根據埋入式材料和結構的特點，大概可以分為以下四種技術：表面型高分子波導、埋入式高分子波導、埋入式光纖技術和埋入式光波導玻璃。與前兩種最大的區別是此技術可以提供多回路的光波導，而且可以與有源及無源元件進行連接。第三代的光波導線路方式，是以現有印制電路板與光傳送線路形成一體化的光電印制電路板。實現這種復合化的優點在于：在板上能夠有比初期階段引入光纖配線形式具有更高的光傳送線路的布線密度。同時還實現了光電轉換元件等的自動化安裝。在PCB內的光傳送通路使用材料方面的開發動向，采用了低傳送損失、高耐熱性的高聚物作為光波導線路材料。 六、結束語 由于電互連在物理性能方面上的局限性，光互連已經登上了新一代PCB的歷史舞臺，其涉及到的主要內容有光波導材料、光波導的制作方法、低成本光電元件以及光組裝等。而且，以上的技術必須與傳統的PCB設計、制造、加工和配合精度相兼容。相信，隨著光電印制板的產業化加速，必將大大提高終端產品的性能。 |
