CN103630986B - 用于印刷电路板的光通孔 - Google Patents

Abstract

这里描述了用于将电或电-光设备、印刷电路板或连接器的不同层互连的压配光通孔。设备包括具有光学元件的设备层以及具有另外的光学元件的另一个设备层。压配光通孔将所述设备层和所述另一个设备层互连。压配光通孔包括具有用于将所述设备层与所述另一个设备层互连的长度的筒，在所述筒的一端的插入点，以及在所属筒的另一端的透镜。该压配光通孔包括在所述透镜和所述筒之间的提取颈，在所述提取颈和所述筒之间的插入限制面，以及从所述提取颈和所述插入限制面延伸的旋转销。多个冲模被插入在所述筒和所述插入限制面上。

Description

用于印刷电路板的光通孔

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年8月24日提交的美国临时专利申请No.61/692,922的权益，其内容以引用的方式结合于此。

技术领域

本申请涉及光学互连。

背景技术

印刷电路板（PCB）被用于对电子元件机械支撑以及通过使用蚀刻在层叠于非导电衬底上的金属片上的导电通路来电连接电子元件。大多数类型的PCB是双面板或多层板。这些类型的PCB板使用被称为通孔（via）的电镀通孔来连接位于PCB的不同层上的导电通路。

发明内容

这里描述了用于将电子或电-光设备的不同层互连的压配（pressfit）光通孔、印刷电路板或连接器。设备包括具有光学元件的设备层（level）以及具有另外的光学元件的另一个设备层。压配光通孔将所属设备层和所属另一个设备层互连。压配光通孔包括具有用于在所述设备层以及所述至少另一个设备层之间互连的长度的筒（barrel），在所述筒的一端的插入点，以及在所属筒的另一端的透镜。该压配光通孔包括在所述透镜和所述筒之间的提取颈（extractioncollar），在所述提取颈和所述筒之间的插入限制面，以及从所述提取颈和所述插入限制面延伸的旋转销。多个冲模（swage）被插入在所述桶和所述插入限制面上。

附图说明

图1示出了光通孔的适用性示例；

图2A、2B和2C示出了压配光通孔的示例；

图3以相对比例示出了通过压配光通孔300向下看向平面光波导（waveguide）305；

图4示出了伴随特定用途集成电路（ASIC）使用压配光通孔的示例；

图5示出了如何形成压配光通孔的示例；

图6示出了成组的压配光通孔的示例；

图7示出了用于1092.5um的示例性光通孔；

图8示出了用于695um的示例性光通孔；

图9示出了用于297.5um的示例性光通孔；

图10示出了光通孔的示例性图解；

图11示出了光通孔的示例性图解；以及

图12示出了光通孔的示例性图解。

具体实施方式

应该理解，为了便于清楚地理解，用于印刷电路板（PCD）的光通孔的实施方式中的图形和说明已经被简化以描述相关的元件，同时，以清晰为目的，除去了可以在典型PCB上、在典型的互连技术中以及在具有嵌入的平面光波导管的PCB上发现的其它元件。本领域技术人员可以确认出在实施用于PCB的光通孔的过程中期望和/或需要的其它元件和/或步骤。然而，由于这些元件和步骤在本领域中是众所周知的，并且其不能促进对用于PCB的光通孔的更好地理解，因此在这里将不对这些元件和步骤讨论。

这里所描述的非限制性实施方式针对的是用于PCB的光通孔。在这里所述描述的以及/或者在附图中所示出的实施方式和变形仅以示例的方式被呈现，并且不对本发明的范围和精神有所限制。用于PCB的光通孔可以在很多应用中被使用。

现有的电PCB技术已经达到或者可以达到关于用于PCB的材料类型、电镀PCB通孔的长宽比、电镀通孔（PTH）通孔标准孔尺寸、PCB布线及间隔准则、电气布线及间隔准则、球栅阵列间距（pitch）、PCB层限制以及影响底板接头密度和信息信令上限的人为介入力限制的技术限制。

然而，随着技术推进了超过28GHz的电气信令，既然电气输入/输出性能以及信令密度接近基本限制，为何使用光互连。光波导具有更好的传输特性，并且在高频率达到较低损耗，并且因此更大的系统可以被建立。相比较于针对有效的28GHz电气信令典型地需要7-7-7thou（100-100-100m）线宽（tracewidth）设计规则的纯电气PCB，光信道可以在50-35um光线宽范围内具有更高的布线密度。电气线路是差分的，间隔设计规则随着速度增大进一步地超过28GHz。电信道需要通孔横穿彼此。光信道可以交叉而只受到很小的影响，由此可以大幅度地减少布线层。光信道不辐射电磁干扰（EMI），不受噪声和串音干扰，因此不需要额外成本的相关的附加接地板。光子也比电子传播得稍快。

PCB技术起始于使用嵌入的光波导，互连上侧的光设备以及互连底侧的光设备。然而，问题是存在的。例如，虽然光信道可以被显微加工为以45°角接受上集中光截面，有效地完成通孔，但是显微加工过程在灵活性上非常有局限性，难于清洁并且在大量制造时会极度昂贵。此外，还难以制造、难以测试，不适用于标准的PCB制造或者标准的工厂装配技术。此外，问题还出现于特定用途集成电路（ASIC）至波导的连接。

这里描述了克服至少上述问题的压配光通孔。该压配光通孔可以用于PCB至特定用途集成电路（ASIC）的连接、ASIC至PCB的连接、ASIC至面板的连接、PCB至底板的连接、底板至PCB的连接以及底板至底板的连接。仅以图示为目的，图1示出了光压配PCB-光连接可以在不同层被完成。例如，压配光通孔可以被用作PCB光通孔（1）、ASIC封装压头（packagepenetrator）（2）、压配光面板连接器（3）、压配光卡边缘连接器（4）、压配光底板连接器（5）以及压配光底板中断连接器。在另一个实施例中，压配光通孔可以被用于集成电路（IC）封装中来允许向高能边射型激光器的直接、底侧连接。

在连接至ASIC之前，所述光通孔是可被检查、可再工作并且可测试的。所述光通孔可以被制成单通孔、双通孔或组通孔组件来同标准光纤带间距发射器、探测器和例如可以是10-12路的测试电缆一起工作。如果必要，光清晰、折射率匹配（indexmatching）的润滑剂或者甚至光结合剂用于减小光损耗以及更容易的向厚PCB的压配插入。大量的这种使用通孔的光压配连接器取代了传统的电气压配来被使用。

在示意性实施方式中，为了用于垂直光通路而截断埋在PCB中的平面光波导，精确未镀通孔（在这里也被称作通孔）被钻孔，这有效地终止在通孔边缘的光波导。如果光波导的多个层被该通孔截断，则这形成了用于光分路器或组合器的基础。

在另一个示意性实施方式中，压配光通孔可以使用反光镜来转变拐角。该反光镜通过任意各种不同方法被压配至未镀通孔，其中方法包括选取和放置工厂硬件、人工插入或压配砧座（anvil）。所述反光镜由注模成型的适于所需的光波长的光学性能塑料或玻璃制成，其中所述光波长可以例如在1500和850nm之间。所述反光镜可以具有下述特性，但不仅限于：顶侧（或底侧）共层叠（collamination）透镜、用于精确压配深度的限制凸缘（flange）以及用于保证针对反光镜-光通孔校准的精确方位角或插入角度的校准细节（detail）。

在另一个示意性实施方式中，如果光预算可以容忍可能的内反射，所述反光镜可以不需要被电镀。更加精工的反光镜可以允许在光通孔内部的光分路（或合并）或者极化分裂（或合并），以用于使光接口（interface）多路复用或同多层PCB嵌入的光波导一同使用。考虑通过在分路器内的通孔的另一侧的一些损耗可以考虑ASIC光探测以及完成的装配的测试。

图2A、2B和2C显示了示例性压配光通孔200的侧视图、侧立体图以及上立体图。所述压配光通孔200可以通过测量所述压配光通孔的管205的长度来匹配于特定的波导（WG）深度。每个压配光通孔200可以包括，例如，保持通孔的临界插入旋转角的通孔冲模细节210。尤其是，所述通孔冲模细节210保证了光通孔200在生产过程以及产品的使用寿命中不会旋转出去或拉伸出去。所述通孔冲模细节210即凸缘，稍微切入PCB材料。在另一种实施方式中，如果使用了光接合剂，则不需要通孔冲模细节210，但是得到的通孔变为不可再工作。所述压配光通孔200还包括用于再工作和/或改装的提取颈215、用于精确深度放置的插入限制面220以及用于精确校准的选取-放置旋转销225。插入点细节230可以在插入操作过程中清除碎屑（debris）。所述压配光通孔200还包括适于操作波长的四分之一波长光学厚度（QWOT）氟化镁防反射（AR）涂层（coating）凸面透镜235，以及提供了用于指引射入或来自光学组件的光束的全内反射面/表面的反射镜240，该光学组件例如是，激光器、发光二极管（LED）、PIN、雪崩光电二极管（APD）探测器或者光波导。所述（AR）涂层防止反射并且允许更高速的光接口。

所述压配光通孔200可以在PCB制造商的制造过程中制备并且可以被设计为用于例如在光纤带间距上的8thou孔（0.008”）。如下所述，所述压配光通孔200可以由能够容忍PCB热焊周期的精确的模制肖特（Schott）玻璃光学器件制成。所述压配光通孔200可以在焊模（solderstencil）之后但是在焊接设备放置和回流之前被选取-放置/压配。

从功能上来说，准直光束245射入所述QWOT氟化镁AR涂层凸面透镜235并且通过所述管205反射出所述反光镜240射入光设备或组件。准直为所述压配光通孔200降低了容差（tolerance）和污染敏感度。

图3以相对比例示出了通过压配光通孔300俯视平面光波导305的透视图。压配光通孔300包括透镜310，以及考虑到了对应于标准带间距（提供了孔之间允许的最小侧壁距离）的内部通孔壁PCB支撑320的筒315。从所述压配光通孔300俯瞰的透视图示出了如同以45度镜像（mirror）看到的波导点325以及聚焦并准直的光束330。压配光通孔300以及波导305接口点355也被示出。

图4示出了压配光通孔与ASIC的示例性使用。在该实施例中，PCB400具有多层，其具有表面波导405以及掩埋（buried）的波导407、408和409。传统的通孔410可以在PCB400中被实现为提供互连和焊球415的焊接位置以连接至球栅矩阵（BGA）封装420。所述BGA420还通过使用控制崩塌（controlledcollapse）芯片连接器（C4）430被连接至硅载体或衬底425，并且所述激光器435和440依次通过C4445被连接至所述硅载体或衬底425。如果全内反射被用作镜像法，清除通孔450也可以被实施来冲去会导致准直光束变为不集中或损害镜面功能的回流的气体和流出的蒸汽残留。

压配光通孔460被设置为从激光器435接收光束并且指引该光束射入另一个压配光通孔462，该压配光通孔462接下来指引所述光束射入掩埋的波导407。另一个压配光通孔470指引来自掩埋的波导409的光束通过压配光通孔472射入二极管或激光器400。如在此所述，所述压配光通孔可被清洁，可以被设计为指定的深度，镜像来实现反转，极化，作为光束分路器以及其它类似功能。

如在此所示和所述，这些光通孔极小，并且被插入8thou的钻孔。虽然折射率匹配的流体或润滑剂可以被用于使压配容易，但是安装压配光通孔不必使用光学胶。可以使用管道镜（borescope）显微镜工具来将孔插入。通孔可以以与纤带相同的间距被插入，并且可以被设计为插入有具有可编程压力限制和θ（theta）控制的放置工具的产品。

可以在ASIC安装之前为光性能检查安装链路。可以使用提取工具来提取光通孔并且破损的通孔可以通过PCB被推出。光通孔链路可以以在光域信号完整性（SI）中允许的任何速率运载任何λ粒子（lambda），或者密集型光波复用（DWDM）组合。在一种实施方式中，如果ASIC需要再工作，由于通孔与大部分焊接屏处理相干扰，因此需要替换通孔。

这里描述了如何钻通孔来制备压配光元件以及检测结果。完成的通孔应当尽可能的平滑来使通孔至波导接口处的损耗最小化。在一种实施方式中，通过芯棒（mandril）和研磨剂（grindingcompound）来抛光通孔从而使侧壁上的光损耗和反射最小化。在光通孔设计中，重要的是光通孔堆中不出现从传统的PCB管的铜板以造成对光通孔侧壁的划痕。完成的孔可以通过镜像的光学微管道镜（borescope）来检测。在一种实施方式中，可以使用具有预设的深度凸缘以及位置标线的定制检测工具。在另一种实施方式中，在配置后也可以使用背光式波导和可见光源通过透镜来完成检测。当外部光纤或光纤带被用于检测时，可以运行光时域反射计（OTDR）来确认链路质量和插入损耗。

图5示出了如何形成压配光通孔的示例。使用微制造技术将金属棒形成模具形状。多个形状中的任何形状都是可行的，包括但不限制于：诸如弯曲45度的复杂形状以及更好适应通孔侧壁形状的非球面形状。通过本领域技术人员已知的技术，玻璃材料被放入模具中，被加热并且被成形。例如，这些技术防止在玻璃中形成气泡。例如，冲模（die）500和砧座505被成形，放入玻璃被并且这种组合被加热来形成光通孔。在一种实施方式中，如果必要，可以对表面进行防反射（AR）涂层。在一种实施方式中，可以使用该方法来形成x1或x12带组（ribbonganged）通孔。例如，具有预设的擒纵角（escapeangle）的12元素通孔可以以相同压力被形成并插入。成组的设计有助于增加路径至路径（lanetolane）的容差。在另一种实施方式中，通过双镜头光模具技术，45度角可以被镀银并且更深保护的通孔被形成。例如，可以通过三个步骤、2个不同模具砧座以及两个不同镜头来制成通孔。从位于更高温度材料中的包括45度角的圆锥通孔的点，反射金属化的表面，并且照射在玻璃内的第二光部分而不回流第一部分。结果是光通孔被完全对准（point），并且反光镜表面被充分地保护并且不以全内反射为依据。可以使用相同的方法以适当的45度角镀膜来形成光束分路器以及组合器。

图6示出了成组压配光通孔600的实施例。可以使用上述的技术来制成成组的压配光通孔600，但是使用更复杂的模具。例如，所得到的结构可以与1x12纤带条兼容。

这里描述了可以用于压配光通孔的材料。在一种实施方式中，适用于精确模塑的光学玻璃可以被用于光通孔。例如，可以使用具有467摄氏度的低相变温度（Tg）以及1.4952（nd）折射率（nd）（塑形之后）的肖特玻璃。这与陶氏（Dow）光路（Lightpath）材料很好地匹配。其还具有81.3（vd）的阿贝量，其中阿贝为一种材料的关于折射率的散布性（伴随波长的折射率的变化）的度量。在另一种实施方式中，可以使用高温度光学塑料。例如，高温光学塑料可以被使用。

图7示出了用于1092.5um的示例性光通孔700。如在此所述，所述光通孔700包括冲模705，提取颈710、插入限制面715、选取-放置旋转销720、反光镜725以及筒730。图10A、10B、10C以及10D示出了图7中的光通孔700的俯视图、侧视图、另一面侧视图以及分解图。

图8示出了用于695um的示例性光通孔800。如在此所述，所述光通孔800包括冲模805，提取颈810、插入限制面815、选取-放置旋转销820、反光镜825以及筒830。图11A、11B、11C以及11D示出了图8中的光通孔800的俯视图、侧视图、另一面侧视图以及分解图。

图9示出了用于297.5um的示例性光通孔900。如在此所述，所述光通孔900包括冲模905，提取颈910、插入限制面915、选取-放置旋转销920、反光镜925以及筒930。图12A、12B、12C以及12D示出了图9中的光通孔900的俯视图、侧视图、另一面侧视图以及分解图。

尽管以上以特定的组合描述了特征和元素，但是每个特征或元素可以单独地或与其它的特征和元素任意组合地使用。

Claims (14)

1.一种设备，包括：

设备层，该设备层具有光学元件；

至少另一个设备层，该至少另一个设备层具有另外的光学元件；以及

压配光通孔，该压配光通孔用于将所述设备层以及所述至少另一个设备层互连，其中所述压配光通孔是可再工作的，以及

其中所述压配光通孔还包括：

筒，该筒具有用于在所述设备层与所述至少另一个设备层之间互连的长度；

在所述筒的一端的插入点；

在所述筒的另一端的透镜；

在所述透镜和所述筒之间的提取颈；

在所述提取颈和所述筒之间的插入限制面；

从所述提取颈和所述插入限制面延伸的旋转销；以及

多个冲模，该多个冲模被插入在所述筒和所述插入限制面上。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述透镜具有防反射涂层。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述压配光通孔还包括：

在所述筒的一端的反光镜，被配置为提供用于指引光束从光学元件射入到另一个光学元件的全内反射表面。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述压配光通孔是整体部件。

5.一种压配光通孔，包括：

筒；

在所述筒的一端的插入点；

在所述筒的另一端的透镜；

在所述透镜与所述筒之间的提取颈；

在所述提取颈与所述筒之间的插入限制面；

从所述提取颈和所述插入限制面延伸的旋转销；以及

多个冲模，该多个冲模被插入在所述筒和所述插入限制面上。

6.根据权利要求5所述的压配光通孔，其中所述透镜具有防反射涂层。

7.根据权利要求5所述的压配光通孔，还包括：

在所述筒的一端的反光镜，被配置为提供用于指引光束从光学元件射入到另一个光学元件的全内反射表面。

8.根据权利要求5所述的压配光通孔，其中所述压配光通孔是可再工作的。

9.根据权利要求5所述的压配光通孔，其中所述压配光通孔是整体部件。

10.一种印刷电路板，包括：

层，该层具有光学元件；

至少另一个层，该至少另一个层具有另外的光学元件；以及

压配光通孔，该压配光通孔用于将所述层与所述至少另一个层互连，

其中所述压配光通孔还包括；

筒，该筒具有用于在所述层与所述至少另一个层之间互连的长度；

在所述筒的一端的插入点；

在所述筒的另一端的透镜；

在所述透镜与所述筒之间的提取颈；

在所述提取颈和所述筒之间的插入限制面；

从所述提取颈和所述插入限制面延伸的旋转销；以及

多个冲模，该多个冲模被插入在所述筒和所述插入限制面上。

11.根据权利要求10所述的印刷电路板，其中所述透镜具有防反射涂层。

12.根据权利要求10所述的印刷电路板，其中所述压配光通孔还包括：

在所述筒的一端的反光镜，被配置为提供用于指引光束从光学元件射入到另一个光学元件的全内反射表面。

13.根据权利要求10所述的印刷电路板，其中所述压配光通孔是可再工作的。

14.根据权利要求10所述的印刷电路板，其中所述压配光通孔是整体部件。