DE19826658A1 - Schaltungsträger mit integrierten, aktiven, optischen Funktionen - Google Patents

Abstract

Ein Schaltungsträger, bestehend aus mehreren Schichten aus zumindest einem Isoliermaterial, sowie aus Leiterstrukturen (L6, L7), die sich auf oder in den Schichten befinden, bei welchen zumindest eine optische Schicht (1) vorgesehen ist, die beidseitig in anderen Schichten (19, 20) eingebettet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaltungsträger, beste­ hend aus mehreren Schichten aus zumindest einem Isoliermate­ rial, sowie aus Leiterstrukturen, die sich auf oder in den Schichten befinden.

Derartige Schaltungsträger sind bekannt und im allgemeinen als Leiterplatten ausgebildet, die gleichzeitig mechanischer Träger von Bauelementen sind, die an einer oder beiden Ober­ flächen der Leiterplatte durch verschiedene Lötverfahren be­ festigt und elektrisch mit den Leiterstrukturen verbunden werden. Meistens werden Mehrebenen-Leiterplatten verwendet, die zumindest an ihren beiden Außenseiten Leiterstrukturen aufweisen, oft jedoch auch in ihrem Inneren, wobei Durchkon­ taktierungen häufig sind. Je nach den Anforderungen an klima­ tische Bedingungen und Bauelementedichte bestehen solche Schaltungsträger aus Epoxidharz-Glasgeweben oder aus anderen Kunststoffen, wie Polyester, Polyamid oder Polytetrafluo­ rethylen. Die Bestückung der Leiterplatten, üblicherweise mit sogenannten SMD-Bauelementen, erfolgt überlicherweise vollau­ tomatisch.

In Hinblick auf die Vorteile der Informationsübertragung über optische Wege werden immer häufiger opto-elektronische Bau­ elemente verwendet, die Licht emittieren und/oder empfangen, wobei zur Verbindung solcher opto-elektronischer Bauelemente auch auf Leiterplatten flexible Lichtfaserleitungen verwendet werden. Für die Verbindung der Lichtfaserleitungen mit den opto-elektronischen Bauelementen wurden verschiedene An­ schluß- bzw. Steckertechniken entwickelt, doch ist es klar, daß sich alle diese Techniken kaum für eine vollautomatische Bestückung der Leiterplatten eignen, wobei sich die optischen Verbindungen außerhalb der eigentlichen Leiterplatte bzw. des Schaltungsträgers abspielen.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, hier eine grundsätz­ liche Verbesserung zu schaffen, die sowohl in Hinblick auf mechanische Festigkeit, als auch auf die Möglichkeit einer automatischen Bestückung einen Fortschritt bedeutet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu­ mindest eine optische Schicht vorgesehen ist, die beidseitig in anderen Schichten eingebettet ist.

Dank der Erfindung wird die Montage von gedruckten Schaltun­ gen mit opto-elektronischen Bauelementen wesentlich verein­ facht und es ergibt sich auch eine Erweiterung des Anwen­ dungsbereiches für opto-elektronische Systeme. Aufwendige und nach der automatisierten Bestückung vor zunehmende Verbindun­ gen über Lichtwellenleiterkabel auf der Oberfläche der Lei­ terplatte entfallen. Es kann von Vorteil sein, wenn an zumin­ dest einer Seite an die optische Schicht eine elektrisch lei­ tende Schicht grenzt, insbesondere dann, wenn die elektrisch leitende Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Polymer be­ steht und falls die optische Schicht eine optisch aktive, elektrisch anregbare Schicht ist. Auf diese Weise ist es auch möglich, innerhalb des Schaltungsträgers durch Anregung der optischen Schicht optische Signale zu erzeugen. Vorteilhaft kann die elektrische Anregung beispielsweise auch zum Schal­ ten eines optischen Schalters, um optische Signale zwischen mehreren in der Leiterstruktur angeordneten optischen Schich­ ten, wenn diese optisch miteinander verbunden sind, zu schal­ ten, oder zum Ansteuern eines Teilers (Splitters), der die optischen Signale auf mehrere optische Schichten verteilt, verwendet werden.

Um eine gute Packungsdichte zu erreichen, kann vorgesehen sein, daß an zumindest einer Seite an die optische Schicht eine Leiterplattenschicht mit Leiterstrukturen grenzt. Hier­ bei können sowohl die Festigkeits-, als auch die Wärmeablei­ tungseigenschaften verbessert werden, wenn die Leiterplatten­ schicht einen von einer Kunststoffschicht umgebenen Metall­ träger aufweist.

Zur Verbesserung der Stabilität und der Wärmeleitung ist es vorteilhaft, wenn zwischen der optischen Schicht und einer angrenzenden Schicht, eine dünne Schicht aus einen thermisch leitenden Prepreg angeordnet ist. Dieses Prepreg wird bei­ spielsweise als Folie vor dem Laminieren des Aufbaus zwischen die Schichten gebracht, und verbleibt dann bei fertigem Schaltungsträger als nur noch sehr dünne, jedoch wärmelei­ tende Schicht.

Bei einer weiteren Variante ist vorgesehen, daß die optische Schicht durch setzende Durchkontaktierungen vorgesehen sind, welche Leiterstrukturen zu beiden Seiten der optischen Schicht verbinden. Solche Durchkontaktierungen können somit auch bei einem erfindungsgemäßen Schaltungsträger verwendet werden und stören nicht, sofern die optische Schicht eine ge­ nügende Breite aufweist.

Zweckmäßige Ausführungsformen zeichnen sich auch dadurch aus, daß die optische Schicht eine Polyimid-Schicht ist, da diese sowohl gute elektrische, als auch mechanische Eigenschaften für den vorliegenden Zweck aufweist. Für die Zwecke der Lichtübertragung innerhalb des Schaltungsträgers empfiehlt es sich, die optische Schicht als Mehrmoden-Wellenleiter aus zu­ bilden, da diese aufgrund ihres allgemein größeren Durchmes­ sers unkritischer bezüglich der Ein- und Auskopplung der op­ tischen Signale sind.

Eine zweckmäßige Ausführung des erfindungsgemäßen Schaltungs­ trägers ist dadurch ausgezeichnet, daß zumindest eine Seite zur Oberflächenmontage von SMD-Bauelementen eingerichtet ist.

Weiters können mit Vorteil zumindest an einer Seite/Oberflä­ che opto-elektronische Bauteile montiert sein, von welchen ein Lichtleiter bis zumindest einer optischen Schicht führt. Da man versuchen wird, von dem opto-elektronischen Bauteil auf kürzestem Wege in die optische Schicht zu gelangen, wird die optische Verbindung zwischen Lichtleiter und optischer Schicht zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Winkelschliffes, vorzugsweise unter 90° erfolgen. In gleicher Weise kann die Umlenkung auch durch ein Prisma oder einen teilweise durch­ lässigen Strahlenteiler verwirklicht sein.

In Hinblick auf die verwendeten Laminiertechniken ist es auch empfehlenswert, wenn die optische Schicht als Folie ausgebil­ det/in einer Folie enthalten ist. Die optische Schicht kann vorteilhafterweise durch Heißprägen und/oder lichtoptisches- Dessinieren hergestellt sein.

Um den erfindungsgemäßen Schaltungsträger in gleicher Weise wie herkömmliche Schaltungsträger verwenden zu können, kann vorgesehen sein, daß zumindest ein Steckeranschluß mit elek­ trischen und optischen Kontakten vorgesehen ist, so daß mit passenden Gegenkontakten eine elektrooptische Hybridsteckver­ bindung eingerichtet ist.

Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schaltungsträgers nach der Erfindung in einer Explosionsdarstellung vor dem endgültigen Zusammenbau,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel in zusammengefügtem Zustand, die

Fig. 3 und 4 entsprechend den Fig. 1 und 2 ein drittes Aus­ führungsbeispiel der Erfindung, die

Fig. 5 und 6 entsprechend den Fig. 1 und 2 bzw. 3 und 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Schaltungsträgers nach der Erfindung und

Fig. 6 einen Schaltungsträger nach der Erfindung in schemati­ scher, teilweise geschnittener Seitenansicht mit darauf ange­ ordneten Komponenten und einer vereinfacht dargestellten Steckverbindung.

In Fig. 1 sind zur endgültigen Herstellung eines Schaltungs­ trägers nach der Erfindung vorbereitete bzw. vorhergestellte Lagen gezeigt, nämlich eine optische Schicht 1, die bei­ spielsweise eine optische aktive Polyimidschicht sein kann, und die zu beiden Seiten in Leiterplattenschichten 2 (in der Zeichnung oben) bzw. 3 (in der Zeichnung unten) eingebettet ist. Auf jeder der Leiterplattenschichten 2, 3 sind Leiter­ strukturen L2 bzw. L3 vorgesehen.

Fig. 1 zeigt weiters ober- und unterhalb der eben beschriebe­ nen, zusammengesetzten Lage je eine Schicht 4, 5 aus einem thermisch leitenden Prepreg, z. B. eine weiche, klebrige Po­ lymermatte. Ganz oben und ganz unten in Fig. 1 ist je eine Leiterplattenschicht 6 bzw. 7 zu sehen, wobei sich Leiter­ strukturen L6 bzw. L7 auf und in diesen Schichten befinden.

Die Leiterplattenschichten 2, 3, 6 und 7 bestehen in bekann­ ter Weise aus Kunststoffen, z. B. Thermagon®, die Leiter­ strukturen aus Metall, im allgemeinen aus Kupfer. Falls die optische Schicht 1 optisch aktiv ist, können einander gegen­ überliegende, an die Schicht 1 angrenzende Leiterbahnen - in Fig. 1 in der Mitte ersichtlich - zur elektrooptischen Anre­ gung der Schicht 1 herangezogen werden.

Zur endgültigen Herstellung eines kompletten Schaltungsträ­ gers werden die Lagen bzw. Schichten und Fig. 1 zusammenlami­ niert, wobei entsprechend den verwendeten Materialien be­ stimmte Drücke und Temperaturen angewandt werden. Als Ender­ gebnis stellt sich beispielsweise der in Fig. 2 dargestellte Schaltungsträger nach der Erfindung dar, der wie herkömmliche Leiterplatten mit Bauelementen versehen werden kann, was noch später näher gezeigt wird. Im Gegensatz zur Darstellung nach Fig. 1 sind hier die Leiterplattenschichten 2 und 3 der Fig. 1 entfallen. Die aus Fig. 1 ersichtlichen Schichten 4 und 5 sind in Fig. 2 nur ihrer Lage nach bezeichnet, da sie nach dem Laminiervorgang nur noch sehr dünn sind: genauer ge­ sagt liegt die Dicke dieser Schichten im Bereich von Mikrome­ tern.

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist gemäß Fig. 3 eine Lage aus einer optischen Schicht 1 und zwei daran angrenzende Leiterplattenschichten 2, 3 vorgesehen. Ebenso sind wie in Fig. 1 zwei Schichten 4, 5 eines Prepregs vorhan­ den.

In Fig. 3 ganz oben und ganz unten sind Leiterplattenschich­ ten 8, 9 gezeigt, die jeweils Metallträger M8, M9, ummantelt mit einem wärmeleitenden Kunststoff K8, K9, z. B. als Halbfa­ brikat unter dem Markennamen Thermagon® bekannt, aufweisen. Die Schichten 8, 9 enthalten weiters eine Leiterplatteniso­ lierung I8, I9 und Leiterstrukturen L8, L9, die hier aller­ dings noch nicht geätzt, d. h. tatsächlich strukturiert sind, sondern als Metallschicht vorliegen.

Fig. 4. zeigt die Lagen nach Fig. 3, durch eine entsprechende Behandlung zu einem Schaltungsträger nach der Erfindung ver­ eint. Nun sind auch die Leiterstrukturen L8, L9 den äußersten Schichten 8, 9 geätzt und in jeder dieser Schichten ist eine Durchkontaktierung D8, D9 vorgenommen, die sich bis zu Lei­ terbahnflächen erstrecken, welche einander gegenüberliegend an die optische Schicht 1 angrenzen und diese, falls sie op­ tisch aktiv ist, beispielsweise zur Lichtemission anregen können. Ebenso ist die Erzielung anderer elektrooptischer Ef­ fekte möglich, sofern das Material der optischen Schicht 1 dafür erforderliche Eigenschaften besitzt. Die aus Fig. 3 er­ sichtlichen Schichten 4 und 5 sind in Fig. 4 nur ihrer Lage nach bezeichnet, da sie nach dem Laminiervorgang nur noch sehr dünn sind: genauer gesagt liegt die Dicke dieser Schich­ ten im Bereich von Mikrometern.

Bei der in Fig. 5 in Explosionsdarstellung gezeigten vierten Ausführungsform der Erfindung sind drei Leiterplattenschich­ ten 10, 11, 12 gezeigt, die in ihrem Aufbau den Leiterplat­ tenschichten 8 und 9 der Fig. 3 bzw. 4 entsprechen, d. h. sie weisen mit Kunststoff I10, I11, I12 ummantelte Metallträger M10, M11, M12 und Leiterstrukturen L10, L11, L12 auf Leiter­ plattenisolierungen I10, I11, I12 auf. Allerdings sind bei den beiden äußersten Schichten 10 und 12 die äußeren Leiter­ bahnstrukturen L10a, L12a unmittelbar auf der Kunststoffum­ mantelung K10, K12 der Metallträger M10, M12 aufgebracht.

Zwischen je zwei Leiterbahnschichten 10 und 11 bzw. 11 und 12 sind optisch aktive Schichten 13 bzw. 14 aus einen Polyimid vorgesehen, wobei jede dieser Schichten 13, 14 in zwei Schichten 15, 16 bzw. 17, 18 aus einem elektrisch leitenden Polymer eingebettet ist.

Die vierte Ausführungsform der Erfindung in fertig laminier­ tem Zustand geht aus Fig. 6 hervor. Sie weist nun auch eine Durchkontaktierung D auf, welche sich durch sämtliche Schich­ ten, nämlich auch durch die beiden optischen Schichten 13 und 14 erstreckt. Letztere können über die an sie angrenzenden Schichten 15, 16 und 17, 18 und entsprechende elektrische Signale elektrooptisch beeinflußt, z. B. zur Lichtabgabe ak­ tiviert werden. Im Gegensatz zu dem halbfertigen Zustand nach Fig. 5 sind gemäß Fig. 6 auch die äußeren Leiterstrukturen L10a und L12a fertiggestellt.

Ein erfindungsgemäßer Schaltungsträger in fertiggestelltem Zustand, mit Komponenten bestückt und mit einem Stecker ver­ sehen, wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 7 näher beschrei­ ben. Der Schaltungsträger besteht aus zwei Leiterplatten­ schichten 6 und 7, die ähnlich wie jene in Fig. 2 ausgebildet sein können und daher die gleichen Bezugszeichen tragen, so­ wie aus einer optischen Schicht 1, wobei sich zwischen dieser Schicht und den Leiterplattenschichten 6, 7 je eine Trenn­ schicht 19, 20 befindet, die z. B. aus einem Polymer besteht. Die Leiterplattenschichten 6, 7 können nach außen hin von ei­ ner Deckschicht 21, 22, z. B. einer Lackschicht abgedeckt sein. Analog zur Fig. 6 können Durchkontaktierungen vorgese­ hen sein.

Auf den Oberflächen des Schaltungsträgers sind aktive und/oder passive elektronische Bauteile 23 unter Verwendung bekannter Technologien, z. B. nach der SMD- oder der Ball- Grid-Technik angeordnet und in der gewünschten Weise mit den Leiterstrukturen verbunden.

Zusätzlich sind jedoch auch aktive und/oder passive opto­ elektronische Bauteile 24 montiert, die an ihrer Unterseite einen optischen Anschluß 25 für den Lichtein- bzw. -austritt aufweisen und von welchem ein Lichtleiter 26 bis zu der opti­ schen Schicht 1 führt. Innerhalb der optischen Schicht 1 wird mit Hilfe eines Winkelschliffs 27, Prismas, Spiegels oder dgl. eine Strahlumlenkung um 90° vorgenommen, sodaß die in der Zeichnung von oder zu den Bauelementen 24 senkrecht ver­ laufenden Strahlen in waagrechte, innerhalb der optischen Schicht 1 verlaufende umgelenkt werden.

Zur Verbindung mit anderen elektronischen und/oder elektroop­ tischen Bauteilen oder Geräten ist ein Steckeranschluß 28 vorgesehen, der elektrische und optische Kontakte 29 und 30 besitzt und mit einem nicht gezeigten, passenden Gegenstück, das z. B. gerätefest sein kann, eine Hybridsteckverbindung bildet, die es erlaubt, den Schaltungsträger in üblicher Weise durch Stecken/Ziehen an seinen Platz zu bringen oder auszutauschen, ohne daß weitere Manipulationen erforderlich wären.

Die optische Schicht 1, 13, 14 kann als Folie ausgebildet sein oder in einer Folie mit entsprechenden Deckschichten 17, 18; 19, 20, die isolierend oder leitend sind, enthalten sein. Die Herstellung der optischen Schicht kann beispielsweise durch Heißprägen oder lichtoptisches, insbesondere Laser-Des­ sinieren erfolgen. Sie ist bevorzugt als Mehrmoden-Wellenlei­ ter gestaltet, kann jedoch auch als Single-Mode-Wellenleiter ausgeführt sein. Da die Abmessungen üblicher Schaltungsträger nicht sehr groß sind, können innerhalb der optischen Schicht Dämpfungswerte von beispielweise 0,2 dB pro Zentimeter akzep­ tiert werden, was sich günstig auf den Preis der verwendeten Materialien auswirkt.

Claims (16)

1. Schaltungsträger, bestehend aus mehreren Schichten aus zu­ mindest einem Isoliermaterial, sowie aus Leiterstrukturen, die sich auf oder in den Schichten befinden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine optische Schicht (1, 13, 14) vorgesehen ist, die beidseitig in anderen Schichten (2, 3, 6, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 20) eingebettet ist.

2. Schaltungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einer Seite an die optische Schicht (13, 14) eine elektrisch lei­ tende Schicht (15, 16, 17, 18) grenzt.

3. Schaltungsträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (15, 16, 17, 18) aus einem elektrisch leitfähigen Po­ lymer besteht.

4. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Schicht (1, 13, 14) eine optisch aktive, elektrisch anregbare Schicht ist.

5. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einer Seite an die optische Schicht (1, 13, 14) eine Leiterplatten­ schicht (6, 7, 8, 9) mit Leiterstrukturen (L6, L7, L8, L9) grenzt.

6. Schaltungsträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatten­ schicht (8, 9) einen von einer Kunststoffschicht (K8, K9) um­ gebenen Metallträger (M8, M9) aufweist.

7. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der optischen Schicht (1) und einer angrenzenden Schicht (6, 7) eine dünne Schicht (4, 5) aus einem thermisch leitenden Prepreg angeord­ net ist.

8. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Schicht (1, 13, 14) durchsetzende Durchkontaktierungen (D) vorgesehen sind, welche Leiterstrukturen (L6, L7, L10a, L12a) zu beiden Seiten der optischen Schicht verbinden.

9. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Schicht (1, 13, 14) eine Polyimid-Schicht ist.

10. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Schicht (1, 13, 14) als Mehrmoden-Wellenleiter ausgebildet ist.

11. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Seite zur Oberflächenmontage von SMD-Bauelementen (23) eingerichtet ist.

12. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an einer Seite/Oberfläche opto-elektronische Bauteile (24) montiert sind, von welchen ein Lichtleiter (26) bis zu zumindest einer optischen Schicht (1) führt.

13. Schaltungsträger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Verbindung zwischen Lichtleiter (26) und optischer Schicht (1) mit Hilfe eines Winkelschliffs (27), vorzugsweise unter 90°, erfolgt.

14. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Schicht (1, 13, 14) als Folie ausgebildet/in einer Folie enthalten ist.

15. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Schicht (1, 13, 14) durch Heißprägen und/oder lichtoptisches Dessi­ nieren hergestellt ist.

16. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Stec­ keranschluß (28) mit elektrischen und optischen Kontakten (29, 30) vorgesehen ist, sodaß mit passenden Gegenkontakten eine elektrooptische Hybridsteckverbindung eingerichtet ist.