TWI393509B - 光電混載電路板及其製造方法 - Google Patents

Description

光電混載電路板及其製造方法

本發明係有關於一種光電混載電路板及其製造方法，特別是有關於一種將微透鏡製作於光波導結構內之光電混載電路板及其製造方法。

隨著通訊系統及超大型積體電路(Very Large Scale Integration，VLSI)技術的迅速發展，使得通訊與電腦設備的速度大幅提升。現今電腦間對高速訊號傳輸的需求越來越大，習用以銅導線傳遞電子訊號之方式，因受限於頻寬不足的因素，業已無法負載如此龐大的傳輸訊號，且銅導線於執行高速傳輸過程中，將產生電磁干擾、傳輸信賴度降低、及散熱不易的問題。

為了改善此一問題，近年來開始研發光電混載電路之技術，將光波導元件結合光收發元件，以取代傳統金屬導線做為傳遞電子訊號之媒介。由於光傳輸具有高平行性、高頻寬、極低電磁信號干擾(Electromagnetic Interference，EMI)的特性，極適合做為電路板或是晶片間的信號傳輸應用。

由於光波導元件與光收發元件之間必須耦光對位(alignment)，而目前光電混載電路日趨微型化，要在有限的空間內設計光路彎曲、聚光及光學切換之光路佈線，是相當不容易的。

有鑑於此，美國專利第6,599,031號專利案揭露一種光電傳輸封裝模組，係於光電基板上設置一透明聚合物層，此透明聚合物層一側設置有光收發元件，於聚合物層與光電基板之兩相對側上分別製造複數個微透鏡陣列，以將光訊號折射至光纖之中。

上述之專利案於製造微透鏡前，必須先對聚合物層進行研磨處理，加上透鏡係獨立製作於聚合物層及光電基板上，如此不僅造成透鏡不易與光電基板製程進行整合，亦導致製造工序及成本的增加。再者，透鏡與光波導元件之間的距離過遠，加上透鏡元件於製造上所產生的誤差，使得投射至透鏡中的光束產生偏移，進而與光波導光路中之轉折元件相互錯位，導致光耦合效率不佳。

於美國專利第6,804,423號專利案揭示了一種光電路板，其具有一垂直光波導元件及一水平光波導元件，並於垂直光波導光路之起點設置一微透鏡，光源所投射出來的光訊號通過此透鏡而聚焦，且聚焦後之光訊號通過垂直光波導，再藉由設置於垂直光波導與水平光波導交界處之轉折鏡面，而可於光波導光路內進行全反射。

第6,804,423號專利案之透鏡與轉折鏡面的相對距離過遠，其聚焦後之光訊號仍存在有發散的問題，導致無法將全部的光能量投射至轉折鏡面中進行全反射。另外，轉折鏡面係於光波導元件製程完畢後，再以鑽石切割或是雷射切割等方式單獨製作，如此將導致光電路板之製造工序過於繁複，以及製造成本的增加。

鑒於以上的問題，本發明提供一種光電混載電路板及其製造方法，藉以改良先前技術之光電混載電路，其用以折射光訊號之微透鏡的設置距離過遠，導致折射後之光訊號容易產生發散及偏移，且習用微透鏡係獨立製作於光電基板上，微透鏡不易與光電基板整合，導致光耦合效率不佳、製程過於繁複、及成本過高的問題。

本發明所揭露之光電混載電路板，係用以承接並傳輸一光訊號，其包括有一導電基板及一光波導結構。光波導結構具有依序堆疊於導電基板上之第一包覆層、一核心層、及一第二包覆層，以形成一供光訊號通過之光傳輸路徑，且第一包覆層上形成有至少一微透鏡，係設置於光傳輸路徑上，以使通過微透鏡之光訊號產生折射。

本發明之光電混載電路板之製造方法，首先提供一導電基板，於導電基板一側上形成一第一包覆層，並且形成至少一微透鏡於第一包覆一側，此微透鏡係對應於光訊號之光傳輸方向，以使光訊號產生折射。接著形成一核心層於第一包覆層上，最後於核心層上形成一第二包覆層，以形成一光傳輸路徑。

本發明之光電混載電路及其製造方法具有下列優點：1.微透鏡與光傳輸路徑具備高度整合性。

2.節省各別元件單獨製作所產生的成本。

3.簡化光電混載電路之製程。

4.光訊號聚焦距離較短，光學對位容許度較高。

5.可應用於三維(3D)多層光路傳輸。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

「第1圖」所示為第一實施例之剖面示意圖。本發明之光電混載電路板100係用以承接並傳輸一光訊號，光電混載電路板100包括有一導電基板110，以及一設置於導電基板110上之光波導結構120。

第一實施例之導電基板110係為表面具有金屬導電佈線之印刷電路板，例如樹脂銅箔基板(FR4基板或是BT基板)等非透明材質之導電基板110。導電基板110開設有多個導光孔111，且於導光孔111內設有一導光核心層112，以及一包圍於導光核心層112之導光包覆層113。

導電基板110與一對應於其中一導光孔111之光發射器151，及一對應於另一導光孔111之光接收器152電性連接。光發射器151可發出一光訊號通過光電混載電路板100，再由光接收器152所接收。

光波導結構120具有覆蓋於導電基板110一側之第一包覆層121、一覆蓋於第一包覆層121上之核心層122、及一覆蓋於核心層122上之第二包覆層123，以形成一光傳輸路徑130。光傳輸路徑130更具有二分別對應於光發射器151與光接收器152之導引光路131，以及一銜接於導引光路131之反射光路132，以承接光發射器151射出之光訊號，並令光訊號通過導引光路131，而傳輸至光接收器152中。

其中，第一包覆層121與第二包覆層123之折射率(refractive index)係為相同，而夾設於二包覆層121、123中之核心層122的折射率係大於包覆層121、123之折射率，本發明之核心層122折射率為1.553，包覆層121、123之折射率為1.534，以使光訊號於核心層122中進行全反射，並依照所設計的光傳輸路徑130行進。

光波導結構120更具有至少一微透鏡124及至少一反射面140。其中微透鏡124設置於光傳輸路徑130上，以令光發射器151射出之光訊號產生聚焦、平準、或是發散等作用，反射面140係設置於導引光路131與反射光路132之銜接位置上，並且鄰近於微透鏡124。

本發明之通過導引光路131的光訊號，係透過微透鏡124的聚焦作用而聚焦至反射面140上，並且藉由反射面140轉換此聚焦光訊號之行進方向，而反射至反射光路132中進行全反射，再經由反射光路132另一端之反射面140及微透鏡124，而使光訊號聚焦至光接收器152中接收。

反射面140設置於導引光路131與反射光路132之銜接位置，且反射面140係相對於第一包覆層121一側以35至55度角之範圍傾斜，而本發明係以傾斜45度角之反射面140做為實施例之說明。然，反射面140可配合實際光波導結構120之光路設計，而對應傾斜一適當角度，並不以本實施例所揭露之45度角為限。另外，更可於反射面140上鍍覆一金屬鍍膜141，以增加聚焦光訊號的折射效果。

本發明之光波導結構120之材質可選自有機高分子材料，例如環氧樹脂(epoxy resin)、丙烯酸樹脂(acrylic resin)、或是聚酯樹脂(polyester resin)等；或者是選擇有機高分子與無機高分子材料之混合物，例如矽氧烷樹脂(siloxane)、壓克力(PMMA)、或是聚碳酸酯樹脂(PC)等。以上述高分子材料製造而成的光波導結構120，具有尺寸安定性高、加工容易、可依需求調整光學性質等優點。

如「第2A圖」至「第2H圖」、及「第3圖」所示，本發明揭露第一實施例之光電混載電路板100可藉由下述之製造方法而形成：首先提供一導電基板110(步驟200)，並以機械鑽孔或是雷射鑽孔等加工方式，形成至少一導光孔111於導電基板110上(步驟210)，且於導光孔111內形成導光核心層112及導光包覆層113。接著，形成一第一包覆層121於導電基板110的一側(步驟220)，並且形成對應於模具形狀之至少一微透鏡124於第一包覆層121上(步驟230)，此微透鏡124係設置於導電基板110相對於導電基板110之另一側面上，並且對應於光訊號之光傳輸方向，以使通過微透鏡124之光訊號產生折射。接著，形成一核心層122於第一包覆層121上(步驟240)，並形成至少一反射面140於核心層122上(步驟250)，且反射面140表面可選擇性地形成一金屬鍍膜141(步驟251)，以增加光訊號的折射效果。最後，形成一第二包覆層123於核心層122上(步驟260)，以形成光傳輸路徑130。

本發明之第一包覆層121、核心層122、及第二包覆層123係以熱固化或是光固化方式依序堆疊形成，並且用以聚焦及轉折光訊號行進方向之微透鏡124與反射面140，可透過模具熱壓、雷射雕刻、或是鑽石刀具切割等機械加工方式，分別形成於第一包覆層121及核心層122上。另外，微透鏡124及反射面140亦可與第一包覆層121及核心層122的製程進行整合，而以光固化方式與第一包覆層12及核心層122同時形成。

然形成微透鏡124及反射面140之方式已為熟悉該項技術之通常人士所能知悉的設計，除了本發明揭露之實施例外，更有多種加工方法可形成微透鏡124與反射面140，故發明人於此不另贅敘。

「第4圖」所示為本發明第二實施例之剖面示意圖。本發明第二實施例之光電混載電路板100所使用的導電基板110，可為一透明材質之印刷電路板，例如玻璃基板，本發明之光發射器151與光接收器152係對應於導引光路131之位置，而無須於導電基板110上鑽設多個供光訊號通過之導光孔。

請參閱「第5圖」，本發明更可依序堆疊多個光電混載電路板100，以形成一複合光電混載基板160。複合光電混載基板160具有多層光傳輸路徑，而可同時傳輸與接收多組光傳輸訊號。另外，可分別於光發射器151及光接收器152之光行進路徑上設置一準直透鏡153，以校直通過光傳輸路徑之光訊號，避免光訊號於複合光電混載基板160的行進路徑過長，而導致光訊號散射及偏移等問題。

本發明之微透鏡係於製造光波導結構時，同時形成於光波導結構之光傳輸路徑上，使得光電混載電路板之製程具備高度整合性，並且簡化製程及節省製造各個光學元件的成本。微透鏡與反射面係相互鄰近，使得光訊號的聚焦距離較短，光學對位容許度較高，並藉由多個光電混載電路板的堆疊，而具有三維(3D)多層光路傳輸的功效。

雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．光電混載電路板

110．．．導電基板

111．．．導光孔

112．．．導光核心層

113．．．導光包覆層

120．．．光波導結構

121．．．第一包覆層

122．．．核心層

123．．．第二包覆層

124．．．微透鏡

130．．．光傳輸路徑

131．．．導引光路

132．．．反射光路

140．．．反射面

141．．．金屬鍍膜

151．．．光發射器

152．．．光接收器

153．．．準直透鏡

160．．．複合光電混載基板

步驟200．．．提供導電基板

步驟210．．．形成至少一導光孔於導電基板上

步驟220．．．形成第一包覆層於導電基板一側

步驟230．．．形成至少一微透鏡於第一包覆層一側

步驟240．．．形成核心層於第一包覆層上

步驟250．．．形成至少一反射面於核心層之光傳輸路徑上

步驟251．．．形成金屬鍍膜於反射面表面

步驟260．．．形成第二包覆層於核心層上

第1圖為本發明第一實施例之剖面示意圖；第2A圖為本發明第一實施例之分解步驟示意圖；第2B圖為本發明第一實施例之分解步驟示意圖；第2C圖為本發明第一實施例之分解步驟示意圖；第2D圖為本發明第一實施例之分解步驟示意圖；第2E圖為本發明第一實施例之分解步驟示意圖；第2F圖為本發明第一實施例之分解步驟示意圖；第2G圖為本發明第一實施例之分解步驟示意圖；第2H圖為本發明第一實施例之分解步驟示意圖；第3圖為本發明第一實施例之步驟流程圖；第4圖為本發明第二實施例之剖面示意圖；以及第5圖為本發明之複合光電混載基板之剖面示意圖。

100．．．光電混載電路板

110．．．導電基板

111．．．導光孔

112．．．導光核心層

113．．．導光包覆層

120．．．光波導結構

121．．．第一包覆層

122．．．核心層

123．．．第二包覆層

124．．．微透鏡

130．．．光傳輸路徑

131．．．導引光路

132．．．反射光路

140．．．反射面

141．．．金屬鍍膜

151．．．光發射器

152．．．光接收器

Claims (24)

1. 一種光電混載電路板，用以承接並傳輸一光訊號，其包括有：一導電基板，具有至少一導光孔；以及一光波導結構，係設置於該導電基板上，其具有一第一包覆層、一核心層、一第二包覆層、及至少一微透鏡，該第一包覆層係覆蓋於該導電基板一側，該核心層覆蓋於該第一包覆層上，該第二包覆層覆蓋於該核心層上，以形成一光傳輸路徑以承接並傳輸該光訊號，該微透鏡係設置於該光傳輸路徑上，以使該光訊號產生折射，該光傳輸路徑更具有一導引光路，及一銜接於該導引光路之反射光路，該導引光路對應該導電基板的該導光孔，在該導引光路與該反射光路之銜接位置更設有至少一反射面，以改變該光訊號之光傳輸方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光電混載電路板，其中該導電基板係為一非透明材質之導電基板，該導光孔內設有一導光核心層及一包圍於該導光核心層之導光包覆層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光電混載電路板，其中於該導引光路與該反射光路之銜接位置更設有至少一反射面，以改變該光訊號之光傳輸方向。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光電混載電路板，其中該反射面係相對於該第一包覆層一側呈35度角至55度角傾斜。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光電混載電路板，其中該反射面係相對於該第一包覆層一側呈45度角傾斜。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光電混載電路板，其中該反射面 表面更具有一金屬鍍膜，用以改變該光訊號之光傳輸方向。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光電混載電路板，其中該導電基板係為一透明材質之導電基板。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光電混載電路板，其中該光波導結構係為一有機高分子材料製成。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光電混載電路板，其中該有機高分子材料係選自環氧樹脂、丙烯酸樹脂、及聚酯樹脂所成群組。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光電混載電路板，其中該光波導結構係為一有機高分子材料及無機高分子材料之混合物所製成。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光電混載電路板，其中該混合物係選自矽氧烷樹脂、壓克力、及聚碳酸酯樹脂所成群組。
12. 一種光電混載電路板之製造方法，其中該光電混載電路板係用以承接並傳輸一光訊號，該製造方法之步驟包括有：提供一導電基板；形成至少一導光孔於該導電基板上；形成一第一包覆層於該導電基板一側；形成至少一微透鏡於該第一包覆層一側，該微透鏡係對應於該光訊號之光傳輸方向，以使該光訊號產生折射；形成一核心層於該第一包覆層上；形成一第二包覆層於該核心層上，以形成一光傳輸路徑，該光傳輸路徑更具有一導引光路，及一銜接於該導引光路之反射光路，該導引光路對應該導電基板的該導光孔；以及 形成至少一反射面於該核心層之光傳輸路徑上，以改變該光訊號之光傳輸方向。
13. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中更包含有：於該導光孔內形成一導光核心層，及一包圍於該導光核心層之導光包覆層。
14. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中更包含有形成一金屬鍍膜於該反射面表面之步驟。
15. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中該反射面係藉由一模具熱壓於該核心層所形成。
16. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中該反射面係藉由光固化方式而形成於該核心層上。
17. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中該反射面係藉由雷射雕刻方式而形成於該核心層上。
18. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中該反射面係藉由鑽石刀具切割方式而形成於該核心層上。
19. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中該第一包覆層、該核心層及該第二包覆層係藉由熱固化方式所形成。
20. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中該第一包覆層、該核心層及該第二包覆層係藉由光固化方式所形成。
21. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法， 其中該微透鏡係藉由一模具熱壓於該第一包覆層所形成。
22. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中該微透鏡係藉由光固化方式而形成於該第一包覆層上。
23. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中該微透鏡係藉由雷射雕刻方式而形成於該第一包覆層上。
24. 如申請專利範圍第12項所述之光電混載電路板之製造方法，其中該微透鏡係藉由鑽石刀具切割方式而形成於該第一包覆層上。