光学pcb电路板用高聚物光波导原材料
　引言：对用以光学pcb电路板上的高聚物光波导的原料及特性、制取标准、方式 、归类、成形加工工艺及其测试标准开展了探讨和汇总，给予了原材料制取、耐温性、折光率、光传送损害和光波导制取等领域的研究結果。

前言

　　光学印制电路板（OpTIcal-Electronic PrintedCircuit Board,EOPCB），做为将来十分具备发展潜质的PCB商品之一，简易地说，便是将光与电融合，以光来做数据信号传送，以电开展计算的新一代快速计算需要的封裝基钢板。将现阶段發展得十分完善的pcb电路板再加上一层导光层，促使线路板的应用由目前的电联接技术性拓宽到光传送行业。

　　光学印制电路板是PCB历史时间发展趋势的大势所趋。有材料将pcb电路板区划为六代，即单面铝基板（第一代）、双面板（第二代）、实木多层板（第三代）、密度高的互联板（第四代）、光学印制电路板（第五代）、多用途板（第六代）。为处理I/O短板，最具象征性的预案是，光量子用竖直腔面放射激光发生器（VSCEL）发送，光波导入的选用了高聚物原材料，听说这比光纤线更易于与信息系统集成。典型性光学印制电路板构造电路原理图如图所示1，其基本原理是：规模性集成化集成ic造成的电子信号历经推动集成ic功效VCSEL激光器产生器，激光立即或根据镜片传送到有45o镜面玻璃的高聚物光波导入的反射面进到光波导入的中，随后根据另一端光波导入的全反射传输到PD接受，再历经接受集成ic转化成电子信号发送给规模性集成化集成ic，那样促使集成ic和集成ic能够 根据光波导无线数据传输，进而总体提升系統特性，该PCB制做和传统式PCB的加工工艺兼容，仅仅把高聚物光波导入的层作为PCB在其中的一层开展卷绕而成。

　　图1典型性光学pcb电路板的构造电路原理图

　　1　高聚物光波导原材料以及特性

　　高聚物光波导原材料，具备较高的光电耦合系数、较低的相对介电常数、响应速度短、热耗损小、制作工艺简易、质优价廉、不必高溫加温，还能够根据分子结构设计方案来生成具备预期目标的高聚物。但传统式的高聚物光波导原材料如聚乙酸乙烯酯(PMMA)、聚乙烯（PS）、聚碳酸（PC）运用的最大的阻碍是在近红外光谱仪股票波段（1.0 m～1.7 m）散播时消化吸收耗损大，而且热膨胀系数和耐热性都很低。而光学印制电路板上光波导制做应遵循下列标准：第一，光波导层的薄厚和折光率的偏差都需要小，而且纤维管与绝缘层的折光率之差最少为8％；第二，传送耗损小，一般 应在1dB/cm下列，即电子光学清晰度好，表层凸凹小，电子光学透射少；第三，高耐热性，为了更好地确保光波导在卷绕全过程之中沒有影响到其特性, 光波导入的原材料需要可以确保在PCB卷绕全过程170℃和15kp/cm2的工作压力下长期保持。显而易见，传统式高聚物光波导原材料在有一些层面不符合光学印制电路板上光波导制做标准，必须改性材料提升。

　　1.1 聚乙酸乙烯酯（PMMA）

　　PMMA 是传统式高聚物光波导原材料意味着，规格平稳、全透明、耐光性，折光率约为1.48，热变形温度85℃，自然光透过率为90%~92%，紫外光透过率为73.5%。其制取简易，与行为主体离散系统有机分子相溶性好，而且一般状况下与离散系统有机分子无强相互作用等优势。但耐热性较弱与在近红外光谱仪股票波段散播时消化吸收耗损大。

　　1.2 聚乙烯（PS）

　　PS的透光性、折光率较PMMA高、吸水性低、规格平稳好、易生产加工成形、质优价廉、不错涂膜性和电子光学特点,在通讯光波长1553nm（峰位6439cm-1）处没消化吸收峰，即对通讯光信号灯不亮有优良的透光性，可制做塑料薄膜光波导入的涂膜原材料。但其物理性能较弱，不耐高温，表层强度低，延性大，运用范畴受限制。

　　1.3 聚碳酸(PC)

　　PC具备耐温性好、高影响抗压强度、规格平稳好、物理性能高、吸水性低、折光率比PMMA高，可在135℃长时间应用等优势。但其表层强度低，耐磨性能差，经紫外线或辐射线直射后会变黄。

　　1.4 环氧树脂胶

　　环氧树脂胶具备热稳定性和耐可溶好，应力松弛小，冲击韧性转变较小等优势，且其双折射和透气性率均比PMMA和PC的小。但做为光学印制电路板上光波导规定没有颜色、全透明、便于生产加工成形，而一些通用性环氧树脂胶无法达到以上规定。

　　表1 传统式高聚物光波导的特性

　　1.5 含氟量聚丙烯腈

　　新式高聚物光波导原材料意味着，是一种非常满意的光波导用高分子材料高聚物。一般 的聚丙烯腈为不溶有机化合物，掺氟后有优良的溶解度，合适光波导入的制取的技术规定。含氟量聚丙烯腈兼具了聚丙烯腈的耐热特点和掺氟后的近红外光谱仪消化吸收小的特性，耐高温溫度可以达到380 ℃，近红外光谱仪的传送耗损约为0.3dB/cm，做到了好用规定。聚丙烯腈的折光率尺寸还可以经过调节预聚物的含氟量，含氟量愈高，含氟量聚丙烯腈塑料薄膜折光率越小，进而调整折光率的尺寸，因此光波导入的纤维管和绝缘层都能够选用聚丙烯腈。但其生成原材料价格之价格昂贵大大的局限了它的运用。

　　2　高聚物光波导原材料特性提升方式 以PMMA为例子

　　表2 普遍全透明PMMA特性

　　2.1 提升PMMA耐温性

　　(1) 提高高分子材料链间作用力

　　当MMA与具备开朗氢的单个共聚物时，开朗氢与羰基上的氧分子产生共价键进而增强其耐温性。带有活跃氢的单个如：亚克力、甲基丙烯酸、丁烯酸、正丁酸、甲基丙烯酸氟苯等。如用10％N-苯基甲基丙烯酸氟苯与MMA共聚物时，其维卡变软点提升到154 ℃；又如用甲基丙烯酸（MAA）改性材料PMMA,当MAA的占比在5%上下时，可让其维卡变软点提升20－30℃，且透光度不减少；再如MMA 与亚克力（AA）的预聚物耐温性进一步提高，AA成分为5%上下时，预聚物非常容易制取，变软点溫度从125℃提升到140℃，且高聚物折光率明显增强。

　　(2) 引进金属离子

　　将金属材料以正离子方式引进到高聚物的分子结构开链中，因为离子键具备极强的互相上下，使分子结构链的刚度提升，明显提升高分子化合物的玻璃化转换溫度Tg，进而提升高分子化合物的耐高温性能。如甲基丙烯酸金属盐（Sn 、Pb 、Ba 等）与MMA共聚物时，可在高分子材料中引进金属离子，产生二维或者三维构造，能够将热膨胀系数Tg提升到250 ℃之上。

　　(3) 提升开链刚度

　　在PMMA碳链上引进大容积官能团(环形构造或大单个) 的刚度主链, 可增强其耐温性。常见的大单个有甲基丙烯酸多环降冰片烯酯(NMA) 、甲基丙烯酸环己基酯、甲基丙烯酸双环戊烯酯、甲基丙烯酸苯酯、甲基丙烯酸对氯苯酯、甲基丙烯酸金刚烷酯(AdMA) 和甲基丙烯酸异樟脑酯(IBMA) 比如在PMMA 中引进20% 的NMA, 预聚物Tg 就可以提升到125℃, 特性优质, 其由此可见透光度光弹性系数或双折射等层面都可以与PMMA 相提并论, 且吸水性小于PMMA, 相对密度比PMMA 低10% 。

　　(4) 添加偶联剂

　　可以用的偶联剂有甲基丙烯酸pe酯、乙二醇二pe酯、丁二醇二pe酯等pe脂类, 二甲基丙烯酸酯苯、二乙烯基醚等二甲基丙烯酸酯类及其甲基丙烯酸封端聚脂、甲基丙烯酸酯、聚醚砜等。当在MMA 中添加甲基丙烯酸环氧树脂丙酯开展共聚物，热干固使导入的环氧树脂官能团开展开环增益化学交联，使高聚物膜层产生三维化学交联多孔结构，不但使热膨胀系数从373K提升到398K, 并且减少了原材料的双折光率。

　　(5) 夹杂刚度分子结构

　　纳米技术SiO2颗粒物可以大大提高PMMA的耐热性和玻璃化转换溫度Tg 。

　　2.2 提升折光率

　　(1) 引进双酚A 型环氧树脂胶

　　引进不一样质量浓度的双酚A 型环氧树脂胶对其折光率开展调整。未引进双酚A 型环氧树脂时预聚物的发射率为1.481 ，伴随着双酚A 型环氧树脂引进量的提升，折光率也随之扩大，当引进量做到16％（wt） 时，预聚物折光率为1.495 。

　　(2) 正离子直射

　　用不一样硬度的离子对PMMA直射，在100kev和180kev中间用不一样硬度的正离子，并在不一样光波长下对其折光率转变实现精确测量，結果历经高韧性直射的PMMA光波导相匹配高的折光率。

　　(3) 静电场功效

　　运用静电场来调整折光率，当场强有0-20kv/cm转变时，折光率逐步提高，当静电场稳步增长时，折光率有下降趋势，到200 秒时平稳。

　　(4) 引进金属离子

　　当物质中有着大的电极化率和小的分子结构容积的官能团时，该化学物质将表明高的折光率。因为重金属离子具备小的离子半径和大的电极化率，因此 将该类重金属离子引进全透明高聚物原材料中还可以做到提升折光率的目地。这种含金属离子的可体现单个一般能够 表明以下：

　　式中，R为H、乙烷、含苯环的官能团等：Me 为Pb 、Ba 、TI 、Zr 、Sr 、Zn 、Sb 、Tn 、Sn等金属材料；n为结构单元数。

　　(5) 夹杂纳米颗粒

　　在PMMA中夹杂纳米技术TIO2颗粒物可明显提升折光率。

　　(6) 夹杂染剂

　　在PMMA 中夹杂染剂（如分散化红）来提升其折光率，伴随着染剂夹杂浓度值的提升，折光率呈线形升高，纤维管和绝缘层能够 经过调整夹杂浓度值获得准确操纵

　　(7) 引进环形官能团

　　PMMA的酯基官能团若带有共轭点构造的苯环分子结构，则折光率很大。针对带有同样氧原子的碳氢化合物官能团，折光率按：支化链<网盘直链<环形链的次序而增大，而高聚物中带有羟基和氟原子使高聚物折光率减少，依据官能团构造决策分子结构容积的基本原理，在同样碳数官能团中应尽量选用环形官能团，为此设计方案出高折光率的原材料。

　　2.3 减少光散播损害

　　(1) 重分子替代氢

　　现阶段广泛采取的办法是用氘、卤素灯泡（如氯、氟）等替代氢，比如C-D和C-F伸缩式震动光波长是C-H 的1.4倍和2.8倍，使震动消化吸收向长波方位挪动即说白了红移，进而降低近红外光谱仪区的消化吸收衰减系数，使光在1.3m和1.55m上有很高的透光性。又如在分子结构中让人氟原子后，因为氟原子具备较强的电负性，会损坏高聚物分子结构链中具备头发颜色作用的共扼构造，毁坏了分子结构的表面构造，降低分子结构内或分子结构间辐射跃迁络离子的产生，进而大幅度降低了资料在通信股票波段的电子光学耗损。

　　(2) 夹杂光稳定剂

　　在PMMA中夹杂光稳定剂二苯基乙二酮做成光波导，当光稳定剂浓度值大概为10%时，根据检验总损害可降至极小值0.015dB。

　　(3) 操纵弯曲半径

　　减少弯折损害的办法是选用弯曲半径超过15mm。

　　(4) 减少涨缩

　　选用较薄的电子光学积逐层和较少表层镀层，或是运用比较刚度基钢板能够 明显减少基钢板涨缩，进而将光波导透射损害。

　　(5) 扩大清晰度

　　塑料薄膜的清晰度越高、颜色越淡，光波导入的耗损越小。

　　(6) 采用乙二醇二甲醚

　　用乙二醇二甲醚(如环己酮)，有机溶剂熔点越高，挥发物越小，三角形的重心塑料薄膜外表粗糙度越小，平面度越好，乙二醇二甲醚可明显改进塑料薄膜表层平面度，以减少光波导入的的透射耗损。

　　3　高聚物光波导关键的制造成形加工工艺

　　3.1 反映正离子蚀刻加工

　　挑选相对应的有机化学汽体，运用在等离子技术腔中形成的低溫等离子技术，根据对被蚀刻加工硅片的物理学磁控溅射负电子和化学变化双向功效，得到 抗蚀剂掩蔽下的细致三维微浮雕图案构造。一般蚀刻有四种：有机化学蚀刻加工、正离子蚀刻加工、低温等离子有机化学蚀刻加工和反映正离子蚀刻加工。

　　3.2 平版影印

　　最先是在基钢板上放转动施胶的办法涂上一低折光率的下绝缘层，再在其上施胶做为纤维管原材料的高折光率层，并将其用曝出显影液的方法设计方案出合乎必须的光波导入的纤维管的规格尺寸，最终再在其上施胶与下绝缘层同样材质的上绝缘层，那样就完成了全部平版影印光波导制造。

　　3.3 激光器烧损

　　将激光器照射原材料上，使之熔融随后挥发掉的加工工艺称之为激光器烧损。

　　3.4 加温压模

　　必须对于所需导光层的图样开展压膜的制做，在气温和工作压力的效果下，将模版上的图型转印纸在光高聚物原材料上，去模后，就可得到所须要的光波导凹形槽，随后，在凹形中填写光波导原材料，最终再在顶部遮盖一层上绝缘层，即完成了导光层的制做。

　　3.5 激光器立即载入

　　不用掩膜，便于完成柔性生产，加工精度高，速度更快，零污染，低成本，因而被觉得是具备现代化应用前景的软性走线技术性而不断变成海外的科研网络热点。

　　3.6 离子束载入法

　　运用高效率能量的离子束立即射进低折光率的土壤层中。由于有机化学光波导原材料的分子式会遭受高效率能量离子束的光照而发生构造转变，促使其折光率提升而产生高发射率的纤维管一部分，这类方式 可简化光波导制造，因而是一种很被关注的技术性。

　　3.7 光漂白技术性

　　运用一些高聚物原材料所具备的感光成份在阳光照射的情形下产生光化学变化，最后在曝出一部分和未曝出一部分产生折光率差，进而得到需要的光波导。

　　3.8 细微每一笔写技术性

　　MicroPen加工工艺是一种新式的厚膜立即勾勒制取技术性，它不用样图复制、光绘胶卷、掩膜印刷制版等涂膜加工工艺提前准备全过程，只需运用CAD/CAM设计方案转化成的数控车床加工数据信息就可以在各种各样基钢板上直写光波导。

　　4　高聚物光波导的测试标准

　　4.1 折光率的检测

　　椭偏仪椭圆偏振测量方法,椭偏仪能够 精确测量原材料的折光率，消光系数和薄厚，它是精确测量出射偏振光经塑料薄膜反射面后光的偏振模式的转变，不用精确测量肯定的光抗压强度，因此很灵巧。

　　4.2 光波导耗损测试标准

　　(1) 液态藕合法

　　该法是根据传统式的滚动三棱镜法基础理论,以液體替代三棱镜,将同轴电缆上各点的光藕合出去完成对光波导传送耗损的精确测量。

　　(2) 绝缘层更改法

　　该法是运用将光波导入的插进折光率一定的液态,将液态替代原先的气体做为光波导入的的上绝缘层,光在推广环节中也有一部分动能透射到上绝缘层中去,根据光波导入的渗入深层的更改,完成对光波导不一样方式传送耗损的精确测量。

　　(3) 调制法

　　该法运用相位差调配基本原理完成对光波导的高质量精确测量。

　　(4) 别的方式

　　别的方式 包含：断开法、尾端藕合法、滚动三棱镜法、三棱镜藕合法。断开法要把待测光波导入的裁成几元, 归属于不利于精确测量尾端藕合法对无耗的光波导入的测結果令大家很不满意滚动三棱镜法是把三棱镜装在一个滑轨上滚动, 那样测到每点的光照强度信息内容求出耗损, 必须很繁杂的试验方法三棱镜藕合法必须光波导入的较为长。二种较为新奇的方式 一种是对称性三棱镜法, 另一种是漫射光法。

　　未来展望

　　OEPCB 在集成ic间传送具备非常大优点，其必定变成将来远程数据传输的流行方位。与此同时遭受低传送耗损和远程数据传输必须的推动，为快速多集成ic集成电路芯片(IC)封裝给予通道和安装配流水线可能变成OEPCB的发展规划，而高聚物光波导原材料做为OEPCB的主要一部分，必然造成愈来愈多的人的高度重视和科学研究兴趣爱好。

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