DE19918024A1

DE19918024A1 - Circuit board with glass optical layers e.g. for information and communication-equipment

Info

Publication number: DE19918024A1
Application number: DE1999118024
Authority: DE
Inventors: Elmar Griese; Andreas Himmler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2000-11-09

Abstract

A circuit board has electrical and optical conductors arranged in layers. One optical layer comprises a continuous glass plate which has optical conductors in zones of increased optical density. An optically transparent covering layer borders directly on the glass plate and its optical density is less than that of the optical conductors. A second glass plate specifically borders optically directly on the (first) glass plate and is mounted in mirror-image relationship to the interface. The optical conductor is specifically designed, at least partly, as a graded-index optical conductor.

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft Leiterplatten mit sowohl elektri schen als auch optischen Leitern.The invention relates to printed circuit boards with both electri and optical conductors.

State of the art

Für zukünftige Informations- und Kommunikationsgeräte ist es wünschenswert, über Leiterplatten zu verfügen, die so wohl elektrische als auch optische Verbindungen zwischen den Komponenten zulassen. Einen Überblick über den Stand der Technik auf diesem Gebiet enthält der Konferenzbereicht von E. Griese et. al., Electrical/optical circuit boards: Technology - Design - Modeling, 3rd Int. IEEE Workshop on "Signal Propagation on Interconnects", Titisee-Neustadt 1999.For future information and communication devices it is desirable to have circuit boards that so probably electrical as well as optical connections between allow the components. An overview of the status the conference area contains the technology in this area by E. Griese et. al., Electrical / optical circuit boards: Technology - Design - Modeling, 3rd Int. IEEE Workshop on "Signal Propagation on Interconnects", Titisee-Neustadt 1999.

Bislang wird dabei vorgeschlagen, die optischen Leiter aus Polymeren herzustellen, da diese leicht und in vielen Vari anten verarbeitbar sind. Allerdings gibt Probleme bei der Integration in herkömmliche Leiterplatten, da diese bei spielsweise bei der Laminierung Temperaturen von 165°C und Drucken von 28 kp/cm² ausgesetzt werden, so daß die polyme ren Lichtleiter verformt und beschädigt werden können.So far, it has been proposed to produce the optical conductors from polymers, since these are easy and can be processed in many variations. However, there are problems with the integration into conventional printed circuit boards, since they are exposed to temperatures of 165 ° C. and pressures of 28 kp / cm ² in the lamination, for example, so that the polymeric light guide can be deformed and damaged.

Eine Verwendung von optischen Leitern aus Glas jedoch würde eine große Anzahl von Vorteilen bringen.However, using glass optical conductors would bring a large number of advantages.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem optische Lagen aus Flachgläsern verwendet werden, in denen durch Zonen unter schiedlicher optischer Dichte Lichtleiter gebildet werden. Diese werden durch Diffusion, wie sie beispielsweise in dem Artikel von L. Roß, Integrierte Optik in Gläsern, Fachaus schußbericht Nr. 74 der Deutschen Glastechnischen Gesell schaft dargestellt ist. Damit ist es möglich, einen einer Gradientenfaser entsprechende Lichtleiter in optischen La gen zusammen mit elektrischen Lagen herzustellen, ohne ein zelne optische Leiter anlegen und assemblieren zu müssen.The invention solves this problem by creating optical layers Flat glasses are used in which by zones below Different optical density light guides are formed. These are by diffusion, such as in the Article by L. Roß, Integrated Optics in Glasses, Fachaus Shot Report No. 74 of the German Glass Technology Society shaft is shown. So it is possible to get a one Optical fibers corresponding to gradient fibers in optical La to produce together with electrical layers without one need to create and assemble individual optical conductors.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert.Further features and advantages of the invention result from the following description, which in connection with the accompanying drawings, the invention using a Exemplary embodiment explained.

Brief description of the drawings

Es zeigenShow it

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Leiterplatte mit elektischen und optischen Leitern gemäß der Erfindung, Fig. 1 shows a cross section through a printed circuit board with elektischen and optical conductors according to the invention,

Fig. 2 eine alternative Ausfühungsform gleichfalls als Querschnitt, Fig. 2 shows an alternative Ausfühungsform likewise as a cross section,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform gleichfalls im Quer schnitt. Fig. 3 shows another embodiment also in cross section.

Description of an embodiment of the invention

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Leiterplatte ge zeigt, bei dem verschieden Lagen sichtbar sind. Die Dar stellung ist, wie auch die anderen Figur, zugunsten der bes seren Übersichlichkeit weder vollständig noch maßstabsge recht. Der Querschnitt ist senkrecht zu der Laufrichtung der dargestellen optischen und elektrischen Leiter.In Fig. 1 is a cross section through a circuit board shows ge, in which different layers are visible. The representation, like the other figure, is neither complete nor true to scale for the sake of better clarity. The cross section is perpendicular to the running direction of the optical and electrical conductors shown.

Die Leiterplatte nach Fig. 1 zeigt eine isolierende Lage 10, ein gemäß der Erfindung gestaltete und im folgenden ge nauer beschriebene optische Lage 20, eine optische Decklage 30, eine isolierende Lage 40 und eine elektische Lage 50. In der elektrischen Lage 50 sind elektische Leiter 51, 52 und 53 angedeutet, die nach bekannten Verfahren additiv oder subtraktiv aufgebracht werden. Von dieser Art können mehrer Lagen vorhanden sein. Gleichfalls können die isolie renen Lagen 40 und 10 durch elektrische Leiter entsprechend ergänzt sein bzw. auf die Lage 40 weitere Lagen mit elekti schen Leitern aufgebracht sein.The circuit board according to Fig. 1 shows an insulating sheet 10, a according to the invention designed and ge hereinafter more precisely described optical layer 20, an optical cover layer 30, an insulating layer 40 and a layer 50 Electroseparators. In the electrical layer 50 , electrical conductors 51 , 52 and 53 are indicated, which are applied additively or subtractively by known methods. There may be several layers of this type. Likewise, the insulated layers 40 and 10 can be supplemented accordingly by electrical conductors or further layers with electrical conductors can be applied to the layer 40 .

Die optische Lage 20 ist eine dünne (z. B. 0.5 mm dicke) Glasplatte, in der ein optischer Leiter 22 dadurch gebildet wird, daß durch einen bekannte Diffusionprozeß Ionen in das Glas eingebracht werden, die dessen optische Dichte erhö hen. Weitere Hinweise zu dem diesbezüglichen Stand der Technik findet sich in dem Artikel von L. Roß: Integrierte Optik in Gläsern, in: Integrierte Optik, Fachausschußbe richt Nr. 74, Deutsche Glastechnische Gesellschaft.The optical layer 20 is a thin (eg 0.5 mm thick) glass plate in which an optical conductor 22 is formed by introducing ions into the glass by a known diffusion process, which increase its optical density. Further information on the relevant state of the art can be found in the article by L. Roß: Integrated optics in glasses, in: Integrated optics, Technical Committee No. 74, German Glass Technology Society.

Die Herstellung einer solchen Glasplatte geht von einer dünnen Glasplatte aus, die mit bekannten Verfahren herge stellt und z. B. von der Firma Schott angeboten wird. Wich tig ist eine optisch homogene Struktur. Um diese Glasplatte handhaben zu können, kann beispielsweise Träger aus Edel stahl verwendet werden, an dessen Oberfläche eine Vielzahl von Kanälen endet, die mit einer Vakuumpumpe verbunden sind. The manufacture of such a glass plate is based on one thin glass plate made with known methods represents and z. B. is offered by the Schott company. Wich What is important is an optically homogeneous structure. Around this glass plate To be able to handle, for example, carrier made of precious steel can be used on the surface of a variety ends of channels connected to a vacuum pump are.

Auf diese Glasplatte wird mit üblichen Verfahren, d. h. durch Siebdruck, Fotolack o. ä., eine Maske aufgetragen, die die zu erstellenden optischen Leiterbahnen freiläßt. Diese Maske wird in der Regel nach dem folgenden Schritt ent fernt.On this glass plate with usual methods, i. H. a mask is applied by screen printing, photoresist or the like, the leaves the optical conductor tracks to be created free. This Mask is usually removed after the following step distant.

Sodann wird die Oberfläche der Glasplatte mit einer Lösung oder Schmelze benetzt bzw. in diese eingetaucht, in der Io nen gelöst sind, die an den freigehaltenen Stellen in die Glasplatte eindringen. Diese sind so gewählt, daß die opti sche Dichte, d. h. der Brechungsindex des Glases, dort grö ßer wird als an den abgedeckten Stellen. Mit zunehmender Einwirkungszeit nimmt die Dichte der Ionen und damit der Brechungsindex zu. Abhängig von der Ionenart und anderen Prozeßparametern kann dabei entweder eine relativ gleichmä ßige und homogene Zone oder eine gleichfalls gleichmäßige, aber in Richtung der Glastiefe kontinuierlich abnehmende Dichte erreicht werden.Then the surface of the glass plate is covered with a solution or melt wetted or immersed in this, in the Io are solved, which in the spaces reserved in the Penetrate glass plate. These are chosen so that the opti cal density, d. H. the refractive index of the glass, larger there gets bigger than at the covered places. With increasing Exposure time takes the density of the ions and thus the Refractive index too. Depending on the type of ion and others Process parameters can either be a relatively even one icy and homogeneous zone or an equally uniform but continuously decreasing towards the depth of the glass Density can be achieved.

Auf diese Art und Weise entstehen optische Leiterbahnen in der Glasplatte. Mögliche Mittel zum Anschluß in der ferti gen Leiterplatte werden weiter unten dargestellt.In this way, optical conductor tracks are created in the glass plate. Possible means of connection in the ferti PCB are shown below.

In einer ersten Variante der Erfindung, dargestellt in Fig. 3, wird eine weitgehende Durchdiffundierung erreicht. In Richtung der Ebene der Glasplatte entsteht immer ein Gra dientengefälle mit mehr oder minder ausgeprägter Steigung. Natürlich müssen die optischen Leiter 23 soweit beabstandet sein, daß sich die Diffusionszonen nicht berühren. Um nun mehr einen optischen Leiter fertigzustellen, wird auf die Ober- und Unterseite der Glasplatte 20 eine weitere optisch durchlässige Lage 30, 30' aufgetragen, deren Brechungsindex dem der unbearbeiteten Glasplatte entspricht oder sogar ge ringer ist. Diese kann aus Glas oder Kunststoff (Polyacrylat) bestehen und in bekannter Art mit transparen tem Kleber befestigt werden. Somit entsteht ein Wechsel des Brechungsindex auch in der Flächennormale. Es ist als ein optischer "Kanal" entstanden, der an den Seiten einer Gra dientenfaser und oben bzw. unten einer Stufenindex-Faser entspricht.In a first variant of the invention, shown in FIG. 3, extensive diffusion is achieved. In the direction of the plane of the glass plate there is always a gradient of gradient with a more or less pronounced slope. Of course, the optical conductors 23 must be spaced so far that the diffusion zones do not touch. In order to finish more of an optical conductor, a further optically transparent layer 30 , 30 'is applied to the top and bottom of the glass plate 20 , the refractive index of which corresponds to that of the unprocessed glass plate or is even lower. This can be made of glass or plastic (polyacrylate) and fastened in a known manner with transparent adhesive. This results in a change in the refractive index also in the surface normal. It was created as an optical "channel" that corresponds to the side of a gradient fiber and the top and bottom of a step index fiber.

Im übrigen kann, sofern durch den Diffusionsprozeß die op tische Dichte vermindert wird, beispielsweise durch Auslö sen von Ionen, die Maske invertiert werden. Im Ergebnis sind in beiden Fällen optische Leiter als "Kanäle" höherer optischer Dichte vorhanden. Die nachfolgende Beschreibung ist entsprechend angepasst zu verwenden.Otherwise, if the op table density is reduced, for example by triggering sen of ions, the mask are inverted. As a result in both cases, optical conductors are higher than "channels" optical density available. The following description must be used accordingly.

Bei der Diffusion der Ionen kann auch dafür gesorgt werden, daß die Ionen nicht bis zur gegenüberliegenden Oberfläche diffundieren, so daß das Profil des Brechungsindex an einen Graben erinnert, wie in Fig. 1 für den optischen Leiter 22 im Querschnitt dargestellt. In diesem Fall kann auf die un tere transparente Deckfläche 30' verzichtet werden. Aller dings ist hierzu der Diffusionsprozeß entsprechend aufwen diger zu steuern.When the ions are diffused, it can also be ensured that the ions do not diffuse to the opposite surface, so that the profile of the refractive index is reminiscent of a trench, as shown in cross section in FIG. 1 for the optical conductor 22 . In this case, the lower transparent cover surface 30 'can be dispensed with. However, the diffusion process is correspondingly more expensive to control.

Die Deckplatte kann auch ein zweite, spiegelbildlich be druckte und diffundierte Glasplatte 20' mit grabenförmigem Grandientenprofil sein, wie in Fig. 2 dargestellt. Werden die beiden Glasplatten (nach Entfernen der Maske) mit den jeweiligen Oberseiten passend als Sandwich aufeinander ge klebt, wobei ein Klebstoff mit dem Brechungsindex des an der Oberfläche erzielten größeren Brechungsindex verwendet wird, so ergeben sich Lichtleiter, die einer Gradientenfa ser entsprechen. Dabei muß darauf geachtet werden, daß der Klebstoff möglichst dünn, d. h. mindestens eine Größenord nung dünner als die Glasplatten, aufgetragen wird, damit an der Grenze zwischen den beiden Glasplatten keine neue opti sche Schicht entsteht. Der Klebstoff dient im wesentlichen dem Ausgleichen von verbleibenden Unebenheiten und soll da her einen Brechungsindex aufweisen, der möglichst genau dem an der Oberfläche der Diffusionsstellen entspricht. Damit wird erreicht, daß die beiden Glasplatten 20, 20' optisch unmittelbar benachbart sind.The cover plate can also be a second, mirror-image printed and diffused glass plate 20 'with a trench-shaped gradient profile, as shown in Fig. 2. If the two glass plates (after removing the mask) with the respective tops are glued to one another as a sandwich, an adhesive with the refractive index of the larger refractive index obtained on the surface being used, light guides are obtained which correspond to a gradient fiber. Care must be taken to ensure that the adhesive is applied as thinly as possible, ie at least one order of magnitude thinner than the glass plates, so that no new optical layer is created at the boundary between the two glass plates. The adhesive essentially serves to compensate for remaining unevenness and should therefore have a refractive index which corresponds as closely as possible to that on the surface of the diffusion points. This ensures that the two glass plates 20 , 20 'are optically immediately adjacent.

Dabei kann der Klebstoff auch in Siebdrucktechnik nur auf die diffundierten optischen Bahnen aufgetragen werden, wenn die Kosten der notwendigen fertigungstechnischen Präzision den Gewinn an optischer Qualität rechtfertigen. Sind nur wenige Leiterbahnen und damit viel freie Fläche vorhanden, so werden zusätzliche Klebepunkte auf der freien Fläche, die dann nicht mit den Leiter interferieren, sinnvoll sein.The adhesive can only be applied using screen printing technology the diffused optical paths are plotted when the cost of the necessary manufacturing precision justify the gain in optical quality. Are only few conductor tracks and therefore a lot of free space, so there are additional glue dots on the free surface, that do not interfere with the leader then make sense.

Nachdem also eine optische Lage vorliegt, kann diese mit den bekannten Leiterplatten verbunden werden. Hierzu sind eine Vielzahl von Varianten möglich. Beispielsweise könnten die elektrischen Lagen vollständig fertig aufgebaut sein und die optische Lage zwischen beiden eingeklebt werden. Dieser Klebstoff ist unkritisch, da die fertige optische Lage an ihrer Oberfläche nicht optisch aktiv ist. Insbeson dere kann auch ein Verbinden mit Epoxy-Harzen erfolgen, wie sie bei der Herstellung von elektischen Leiterplatten Ver wendung finden. Daß dabei höhere Temperaturen bis zu 170°C und Drücke bis zu 28 kp/cm² Verwendung finden, stört die optische Lage nicht, da diese an den entscheidenden Stellen aus Glas besteht. Bei der Sandwich-Bauweise aus zwei Glasplatten ist ohnehin kein Problem gegeben. Wird die Glasplatte mit Kunstoffschichten laminiert, dann können zwar die Kunststoffschichten selbst an der dem Glas abge wandten Außenseiten abschmelzen; optisch relevant sind je doch nur die Grenzflächen zum Glas, welche davon nicht be troffen sind.After an optical layer has been obtained, it can be connected to the known printed circuit boards. A variety of variants are possible. For example, the electrical layers could be completely finished and the optical layer could be glued between them. This adhesive is not critical since the finished optical layer is not optically active on its surface. In particular, it can also be connected with epoxy resins, such as those used in the manufacture of electrical circuit boards. The fact that higher temperatures of up to 170 ° C and pressures of up to 28 kp / cm ^{2 are} used does not disturb the optical position, since it is made of glass at the critical points. In any case, there is no problem with the sandwich construction from two glass plates. If the glass plate is laminated with plastic layers, then the plastic layers can melt even on the outside facing away from the glass; However, only the interfaces to the glass which are not affected are optically relevant.

Auf diese Art kann auch die Glasplatte zunächst mit einer bzw. zwei Isolierschichten 10, 40 (auch als 'prepreg' be zeichnet) verbunden werden, auf die dann mit additiven Ver fahren elektrische Leiterbahnen in mehreren Lagen aufge bracht werden können. Das Glas übersteht den dabei notwen digen Fertigungsprozeß problemlos ohne Veränderungen. Da die Glasplatte sehr dünn und ferner fest in Kunstoff einge bettet ist, können die Bohrungen auch in herkömmlicher Technik erfolgen, sofern eine hohe Drehzahl bei geringem Vorschub verwendet wird bzw. diamantbesetzte Bohrer verwen det werden. Alternativ könne die Bohrungen auch mit Laser- Abrasion gefertigt werden. Eine dritte Alternative besteht darin, mindestens zwei getrennte Glasplatten vorzusehen, von denen die eine die optischen Leiter trägt und nicht durchbohrt wird und die andere kein optischen Leiter beher bergt und durchbohrt werden kann; Risse und Sprünge sind dann ohne Bedeutung, da diese nicht in die andere Platte induziert werden.In this way, the glass plate can first be connected to one or two insulating layers 10 , 40 (also referred to as 'prepreg'), to which electrical conductor tracks can then be brought up in several layers using additive processes. The glass easily survives the necessary manufacturing process without changes. Since the glass plate is very thin and also firmly embedded in plastic, the holes can also be made using conventional technology, provided a high speed is used at low feed rates or diamond-tipped drills are used. Alternatively, the holes can also be made with laser abrasion. A third alternative is to provide at least two separate glass plates, one of which carries the optical conductor and is not pierced and the other does not house and cannot pierce the optical conductor; Cracks and cracks are then irrelevant since they are not induced in the other plate.

Indem die Geometrie der optischen Leiter einfach bestimmt werden kann, ist es auch ohne weiteres möglich, den Quer schnitt des optischen Leiters in seinem Verlauf variabel zu gestalten, zumindest in der Breite. Um eine Variation in der Dicke zu erreichen, sind verschiedene Masken und Diffu sionsprozesse vorgesehen, wie sie aus der Halbleiterher stellung beherrschbar bekannt sind. Damit kann erreicht werden, daß der Lichtleiter dort, wo der Anschluß erfolgen soll, relativ groß ist, um einfacher den Koppler positio nieren zu können. In einem trichterförmigen Übergang wird der Lichtleiter dann dünner, weil dünne Lichtleiter weniger Moden ausbilden und daher bevorzugt werden. Am anderen Ende wird dann der Lichtleiter wieder verdickt. Dies läßt sich mit der Erfindung nahezu ohne zusätzlichen Fertigungsauf wand erreichen, wenn eine Verbreiterung des optischen Lei ters ausreichtend ist. Im übrigen wird bei einer Verbreite rung auch die Eindringtiefe zunehmen, so daß in vielen Fäl len auf mehrere Diffusionsschritte verzichtet werden kann.By simply determining the geometry of the optical conductor can be, it is also easily possible to cross the cut the optical conductor variably in its course shape, at least in width. To have a variation in To achieve the thickness, there are different masks and diffuses sion processes provided, as from the semiconductor position are known to be manageable. So that can be achieved be that the light guide where the connection is made should, is relatively large, to simplify the coupler positio to be able to kidney. In a funnel-shaped transition the light guide is then thinner because thin light guides are less Form fashions and are therefore preferred. On the other end the light guide is then thickened again. This can be done with the invention almost without additional manufacturing wall if there is a broadening of the optical lei ters is sufficient. Incidentally, with a spread tion also increase the depth of penetration, so that in many cases len can be dispensed with several diffusion steps.

Für den Anschluß an die optische Lage sind ein Anzahl von Lösungen möglich. Bei einer Ausführungsform wird die Lei terplattte an den Anschlußstellen aufgefräst. Hierbei wird quer zur Richtung der Glasleitfaser ein Schnitt, z. B. mit einem Hochgeschwindigkeites-Diamantwerkzeug oder einem La ser, geführt, welcher die Glasleitfaser kurz vor ihrem Ende durchtrennt. Es verbleibt in der Regel ein unbrauchbarer Appendix, einem Sackloch entsprechend. Ein Koppler taucht in die Leiterplatte ein; an ihm ist ein elektro-optischer Wandler befestigt, der elektrisch mit den Leiterbahnen an der Oberfläche verbunden wird. Die Schnittkante der opti schen Faser kann entweder poliert werden oder, besser, mit einem gradientenangepaßten Klebstoff an die Glasfaser ange koppelt werden.For the connection to the optical position there are a number of Solutions possible. In one embodiment, the lei milled on the connection points. Here will a cut across the direction of the optical fiber, e.g. B. with a high speed diamond tool or a la water, which led the optical fiber shortly before its end severed. There is usually an unusable one Appendix, corresponding to a blind hole. A coupler dives into the circuit board; there is an electro-optical one on it Transducer attached to the electrically connected to the conductor tracks the surface is connected. The cutting edge of the opti The fiber can either be polished or, better, with a gradient-matched adhesive attached to the glass fiber be coupled.

Claims

1. Printed circuit board with arranged in layers electrical and optical conductors, characterized in that an optical layer comprises a continuous glass plate in the zones of increased optical density are optical conductors.

2. Printed circuit board according to claim 1, wherein directly to the Glass plate an optically transparent top layer limits, whose optical density is lower than that in the optical conductors.

3. Printed circuit board according to claim 1, wherein optically immediately a second glass plate adjoins the glass plate, the constructed in mirror image with respect to the boundary layer is.

4. Printed circuit board according to one of the preceding claims, the optical conductor at least partially as Gra service managers are trained.

5. Printed circuit board according to one of the preceding claims, the cross section of the optical conductors along the Direction of the optical conductor is position-dependent.

6. Printed circuit board according to one of the preceding claims, the recesses that cut through the optical conductors points in which the optical conductors can be coupled.

7. A method for producing a printed circuit board with electrical and optical conductors arranged in layers, comprising the steps:

a glass plate is coated with a mask, through which the areas provided for the optical conductors are determined,
the glass plate is subjected to a diffusion process which changes the optical density in areas determined by the mask,
- The glass plate is combined with other, in particular insulating and electrical layers comprising layers to form a circuit board.

8. The method of claim 7, wherein the mask for the the optical conductor provided areas and the Diffusion process increases the optical density.

9. The method according to claim 7 or 8, wherein before the together with the other layers on the glass plate optical transparent layer is applied, the optical density smaller than that of the optical conductor in the glass plate is.

10. The method according to claim 7 or 8, wherein before the together add the glass plate with the other layers ner further glass plate is put together.

11. The method according to any one of claims 7 to the previous Claim, wherein after joining the layers from the optical conductors are attached separate.