Elektro-optische Leiterplatten und Mikrosysteme zur optischen Kopplung NeGIT – New Generation Interconnection Technology

Für die geforderten hoch-bitratigen Kurzstreckenverbindungen zwischen Baugruppen stellen optische Übertragungsstrecken eine sinnvolle Alternative zu hochfrequenten elektrischen Verbindungen dar. In die Leiterplatte eingebettete Folien mit integrierten Lichtwellenleitern sind hierfür besonders geeignet. Sie bieten eine höhere Verbindungsdichte bei geringerer Verlustwärme und weniger Störeinflüssen durch elektromagnetische Strahlung. Im BMBF-Projekt „NeGIT“ wurden spezielle Mikrosysteme entwickelt und hergestellt, die optische und elektrische Steckverbindungen – elektro-optisches Modul <-> Leiterplatte und Leiterplatte <-> Leiterplatte – ermöglichen.

Elektro-optische Leiterplatten und Mikrosysteme zur optischen Kopplung

Für die geforderten hoch-bitratigen Kurzstreckenverbindungen zwischen Baugruppen stellen optische Übertragungsstrecken eine sinnvolle Alternative zu hochfrequenten elektrischen Verbindungen dar. In die Leiterplatte eingebettete Folien mit integrierten Lichtwellenleitern sind hierfür besonders geeignet. Sie bieten eine höhere Verbindungsdichte bei geringerer Verlustwärme und weniger Störeinflüssen durch elektromagnetische Strahlung. Im BMBF-Projekt „NeGIT“ wurden spezielle Mikrosysteme entwickelt und hergestellt, die optische und elektrische Steckverbindungen – elektro-optisches Modul <-> Leiter-platte und Leiterplatte <-> Leiterplatte – ermöglichen.

Die Möglichkeit, durch eine parallel-optische Übertragung von Signalen die Bandbreite der Systeme stark zu erhöhen, treibt die Entwicklung optischer Kurzstecken-Verbindungen [1]. Die Anwendungen hierfür sind Server, Supercomputer und Telekom-Verteiler. In Deutschland wird seit etwa sieben Jahren intensiv an der Integration planarer optischer Wellenleiter in Schaltungsträgern gearbeitet. Ziel ist es dabei, die prognostizierte Grenze für die elektrische Signalübertragung von etwa 10 bis 15 Gbit/sxm ohne Signalaufbereitung durch den Übergang zu optischen Backplanes und hybriden elektro-optischen Schaltungsträgern (Electrical Optical Circuit Board) zu überwinden [2, 3, 4]. Diese Grenzwerte gelten bei Basismaterialien mit einem dielektrischen Verlust von tan δ = 0,02 ... 0,0041 und bei einem tolerierten Verlust von 20 dB auf 1 m. Mit Modulation und Signalgleichrichtung sind unter besten Bedingungen 20 Gbit/sxm erreichbar, jedoch ist dies mit erheblichen thermischen Verlustleistungen und Kosten verbunden [5, 6]. Des Weiteren sind Störsicherheit, Skalierbarkeit und geringerer Platzbedarf wesentliche Faktoren. Der Übergang in den Markt wird in der iNEMI Technology Roadmap Optoelectronic für die Jahre 2007 bis 2009 erwartet [7].

Im Projekt „NeGIT“ wurden lithographisch strukturierte Polymerwellenleiter als Zwischenlage in Backplanes und Tochterkarten integriert und die elektro-optische Kopplung durch Steckverbinder auf Basis speziell entwickelter Mikrosysteme (NeGIT-Pin) realisiert. Bild 1 zeigt ein Demonstratorkonzept mit drei elektro-optischen Tochterkarten in einer optischen Backplane mit jeweils integrierten optischen Wellenleitern und den Koppelstellen.

Wellenleitertechnologie und Leiterplattenherstellung

Im Wellenlängenbereich um 850 nm haben Epoxydharze, wie viele andere Polymere, eine hohe optische Transparenz, die eine Voraussetzung für ihre Verwendung als Material zur Herstellung von Wellenleitern mit geringer optischer Dämpfung darstellt. Ursachen von Dämpfungsverlusten sind aber auch Rauhheiten der Wellenleiteroberflächen, die durch Strukturierungsfehler (Rauhheit der Maskenkanten) erzeugt werden, sowie rauhe Oberflächen der Mantel- bzw. Kern-Schicht selbst. Während die Wandrauhheit durch Verwendung hochwertiger Masken und einer optimierten Technologie minimiert werden kann, hängt die Schichtrauhheit insbesondere des Mantels (Undercladding) stark von der Oberflächengüte des verwendeten Substratmaterials ab. Die Versuche zeigten, dass Substratoberflächen geringerer Rauhheit sowohl die Schichtqualität als auch die Adhäsion (Neigung zur Delamination) negativ beeinflussen. Das verwendete FR4-Substratmaterial mit einer mittleren Rauhheit von Ra = 850 nm, auf dem Polymerschichten mit Rauhheiten deutlich kleiner als 100 nm erzeugt werden können, stellt somit einen Kompromiss zwischen den Forderungen nach hoher optischer Oberflächengüte und Verbundfestigkeit dar. Bei optimaler Materialauswahl und Prozessführung können so reproduzierbar stabile Laminatverbunde erhalten werden, für die mittels thermomechanischer Analyse eine Delamination bei einer Temperatur von 286 °C und eine Delaminierungszeit von 5 min bei 260 °C erzielt wurden.

Vorzugsweise werden in der Leiterplatte Epoxydharze verwendet. Für das optische System werden daher gleichfalls Epoxydharzkomponenten verwendet. Bei den hier entwickelten Materialien EpoCore und EpoClad der micro resist technology GmbH handelt es sich um chemisch verstärkte Photoresiste auf Basis mehrfunktioneller, epoxydgruppenhaltiger Oligomere. Es lassen sich mit EpoCore als Kern- und EpoClad als Mantelmateral thermostabile, optische Wellenleiter mit kommerziellem Equipment und unter den Standardbedingungen der Leiterplattentechnologie herstellen (Verpressung 1 h, 180 °C, 2,255 MPa). Der Laminatverbund bleibt auch nach einem anschließenden Löttest (3 x 15 s bei 230 °C) und Temperatur-Zyklen-Test (TCT 200 Mal –40 bis +125 °C) stabil.

Zunächst wird ein konventionelles FR4-Substrat mit EpoClad beschichtet, wodurch sich auch ein hoher Planarisierungseffekt der Substratoberfläche ergibt. Nach einer flächenhaften UV-Belichtung und anschließender thermischer Behandlung bis zu einer Temperatur von 140 °C ist die Schicht gegenüber organischen Lösungsmitteln unlöslich und wird bei einer Zweitbeschichtung durch das Kernmaterial EpoCore nicht angelöst. Dessen Schichtdicke lässt sich beim Aufschleudern über die Umdrehungsgeschwindigkeit einstellen. Nach Entfernung des Lösungsmittels aus der Schicht bei einer Temperatur bis 120 °C erfolgt die UV-Belichtung über eine Maske mit entsprechendem Strukturlayout der Wellenleiterkerne. Hierbei wird für die vorgestellten Wellenleiter sowohl mit 4-Zoll- als auch mit 8-Zoll-Technik gearbeitet. Die Ummantelung der freien Wellenleiterkerne mit EpoClad erfolgt per Rakel-technik. Bevorzugt wird hierfür eine Schichtdicke von 100 µm gewählt. Hinsichtlich der optischen Verluste der so prozessierten Verbünde wur-den reproduzierbar Werte zwischen 0,1 dB/cm und 0,15 dB/cm erreicht [8, 9].