Die optische Leiterplatte in den Startlöchern

Datentechnik
Bild 1: Im BMBF-Förderprojekt EOCB entwickelte elektrisch-optische Leiterplatte mit Direktkopplung der aktiven Laser- und Fotodioden an
die boardintegrierten optischen MultimodeWellenleiter
Manfred Frank
Die optische Leiterplatte
in den Startlöchern
Heutige Interconnect halten als
Träger aktiver und passiver
Bauelemente mit den wachsenden zukünftigen Anforderungen
an die Übertragungs-Technik und
-Geschwindigkeit nur noch
bedingt Schritt. Denn die zukünftigen Datenmengen, die schnell
und komplex übertragen werden
wollen, erfordern völlig andere
Voraussetzungen. Das haben
sowohl Forschung und Industrie
rechtzeitig erkannt und richten ihr
Augenmerk auf die schnelle Übertragung großer Datenmengen
bei zugleich hohen Datenraten.
Erinnern wir uns. Viele Science Fiction Filme sehen die Zukunft bereits weit voraus.
Menschen beamen sich von Ort zu Ort,
exotisch anmutende Fluggeräte rasen mit
Lichtgeschwindigkeit und schneller an jeden beliebigen Ort im Universum. Doch die
Realität sieht derzeit noch ganz anders
aus. Noch heute plagen sich Wissenschaftler und Techniker mit „erdnahen“ Problemen herum. Dazu zählt unter anderem
die schnelle und sichere Übertragung exponentiell wachsender Datenmengen.
Denn wer künftig Datenmengen von beispielsweise 70 GByte und mehr problemlos
übertragen will, der muss sich Techniken
bedienen, die dafür prädestiniert sind. Die
Entwicklung zeigt klar auf, wo die Reise
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hingeht. Angefangen von den ersten einseitigen „Gedruckten Schaltungen“ über
doppelseitige Leiterplatten mit und ohne
Durchkontaktierungen, Multilayern jedweder Komplexität und Raffinesse bis hin zu
heutigen HDI Schaltungen modernster Prägung, wobei darunter mehrlagige Leiterplatten mit einer mittleren Kontaktdichte
>20 Pads/cm2 und Microvias verstanden
werden. Die Treiber für die Weiterentwicklung dieser Technologie sind in den elektrischen
Anforderungen
eindeutig
auszumachen. Ausreichend Platz für EMVMaßnahmen, das heißt große Kupferflächen zur Schirmung auf den Außenlagen, die Microvia-Kapazität und -Induktivität wird auf Grund geringer Impedanzsprünge beim Lagenwechsel um den
Faktor 10 kleiner, die Zerklüftung der Powerinnenlagen wird durch Microvias minimiert und verbessert den HF-Rückstrom
und die Spannungsversorgung und optimiert damit letztlich auch die Leitungsführung. Zu dem inzwischen bekannten
sequentiellen Aufbau gesellt sich mit dem
semi-sequentiellen Aufbau eine Methode,
die höhere Ausbeuten, weniger Materialstress durch nicht so häufiges Verpressen
verspricht aber dafür höhere Registrieranforderungen erfordert.
Die optische Leiterplatte
Als fünfte Generation wird sich die
die EOC Electrical Optical Circuit anschließen, die optische Leiterplatte, der in
einiger Entfernung hinsichtlich Zeit und
Raum die multifunktionale Leiterplatte
MFB Multi Functional Board als Generation
Nummer sechs folgen wird. Heute stehen
wir am Übergang von Generation vier zu
fünf, vom Zeitalter der HDI High Density Interconnect zum EOC Electrical Optival
Board.
Professor Wolfgang Scheel vom Fraunhofer Institut Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, C-LAB Siemens und vielen
anderen gleichgesinnten Mitstreitern
geht alles viel zu langsam. Wenn es nach
dem Professor und seinen Mannen ginge,
stünden schon heute funktionssichere
und einsatzbereite Electrical Optical
Boards zur Verfügung, wenn, ja wenn alle logistichen und technischen Details bis
ins letzte abgeklärt wären und zur Verfügung stünden und auch die für eine erfolgreiche Produktion erforderlichen Voraussetzungen bis ins letzte Detail geklärt
wären.
So erfordert die elektrisch-optische Verbindungstechnik auf Leiterplatten die Verfügbarkeit entsprechender Komponenten und
Technologien zur Herstellung der hybriden
Platinen. Dazu zählen optische Sende- und
Empfangskomponenten und Empfangsmodule wie praxistaugliche Technologien für die Herstellung optischer Wellenleiter und deren Integration in die Leiterplatte sowie optische Steckverbindungen
für Bauelement-Leiterplatte, LeiterplatteLeiterplatte und Leiterplatte-Faser-Verbindungen.
Dazu hat C-LAB Siemens im Rahmen des
BMBF geförderten Projekts EOCB Electrical
Optical Circuit Board mit grundlegenden
Untersuchungen wertvolle Ergebnisse zur
optischen
Verbindungstechnik
beigesteuert. Ziel dieses Verbundprojektes war
die Überprüfung der Machbarkeit einer
elektrisch-optischen Leiterplatte und deren
Bewertung bei Anwendung in verschiedenen Nutzungsbereichen.
Parallel dazu wurden Basisalgorithmen zur
Analyse und Charakterisierung optischer,
in Heißprägetechnik hergestellter Multimodewellenleiter entwickelt. Gleichzeitig
wurde die Ankopplung der Laser- und Fotodioden an die in die Leiterplatte integrierten optischen Wellenleiter untersucht.
Im Ergebnis entstand auf der Basis partnerschaftlicher Zusammenarbeit eine Lösung,
die durchaus ihren Anspruch als „UrMutter“ der optischen Leiterplatte erheben kann. Zusammen mit der Andus,
Bosch, Fraunhofer IZM, Ilfa, Oeca, Siemens
C-LAB und der Universität Paderborn wurde eine Leiterplatte als Demonstrations- productronic 7/8 ‘02
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objekt entwickelt, die eine vollständige
elektrisch-optische Übertragungsstrecke enthält und den Anspruch der ersten funktionsfähigen Platine mit Wellenleitern erfüllt.
Der Teufel liegt im Detail
Grundlegende Bedeutung kommt einer
möglichst verlustarmen Kopplung zwischen den elektro-optischen Halbleitern,
LEDs, Laserdioden oder Kantenemitter als
Sendeelemente, Fotodektoren als Empfangselemente und den optischen Fasern
zu. Dazu ist eine extrem genaue Positionierung der ICs und deren Anbindung an die
Leiterbahnen Voraussetzung. Zudem ist
eine extrem genaue Positionierung und
Kontaktierung der ICs und der Leiterbahnen gefragt, denn die Lichtfasern oder
Wellenleitern müssen auf die optischen
Sende- und Empfangselemente hin exakt
ausgerichtet werden. Bereits geringste
Abweichungen auf Grund von Justagefehler führen zu erheblichen Dämpfungen,
die der Leistung des Gesamtsystems abträglich sind.
Länge und Wellenlänge der Licht- oder
Glasfaserkabel sind ein Aspekt, den es bei
der Montage eines EOCB zu beachten gilt,
denn Glasfasern sind wegen des geringen
Faserkerndurchmessers (zwischen 9 µm
und 62,5 µm) noch erheblich montagesensibler als Kunststofffasern bei einem
Durchmesser des Faserkerns von 200 µm
bis 1 mm. Zusätzlich spielt die Struktur der
Fasern der eingesetzten Kabel bei der Signalübertragung eine entscheidende Rolle.
Je mehr Brechungen das Signal auf dem
Weg durch das Kabel unterliegt, desto
größer wird die Dämpfung und damit der
zu erwartende Leistungsverlust sein.
Bekannt sind Datenübertragungen per Kabel in Weitverkehrsnetzen über sehr große
Entfernungen. Diese Anwendung greifen
meist auf Singlemode-Glasfasern mit 9 µm
Faserkerndurchmesser zurück. Auch in
diesen Fällen ist eine mikrometergenaue
Montage Voraussetzung für einwandfreie
Funktion. Spezielle Positioniersysteme garantieren die präzise aktive Montage über
das Verschieben in allen drei Dimensionen,
während parallel die eingekoppelte optische Leistung gemessen wird. Am Ende
wird die Faser in der Position fixiert, in der
die eingekoppelte Leistung ihr Optimum
erreicht.
stanten können lediglich
numerisch
berechnet werden.
Tatsache ist, für die
Berechnung spielen
Faktoren wie die
elektrische Feldstärke, Kreisfrequenz,
Modendispersion,
Einfallswinkel – wobei die Lichtführung
nur
stattfinden
kann, wenn der Einfallswinkel größer ist
als der kritische
Winkel der Totalre- Bild 2: Schliffbild einer Multilayer -Leiterplatte mit vier elektrischen Lagen
flexion – Materialei- und integrierten optischen Mulitmode-Wellenleitern (oben) sowie eine
genschaften und de- Querschnitt mit im CW-Betrieb angeregten LWLs
ren Brechzahl die
entscheidende Rolle. Bekanntermaßen baterplatte für hohe Bandbreiten auszulegen.
siert die Lichtführung in allen dielekEine gewitzte Kombination beider Technitrischen Wellenleitern auf dem Prinzip der
ken könnte des Rätsels Lösung sein:
elektrische Verbindungen für die AnTotalreflexion. Deshalb kommen dafür all
jene Wellenleiter in Frage, deren Kernforderungen, die keine hohen Damaterial und Mantel jeweils die gleichen
tenmengen erfordern, wie z.B. OnBrechzahlen aufweisen. Idealerweise lieBoard-Signale, und
optische Verbindungen für den Transgen die Brechzahlen optischer Materialien
im Bereich 1,45 bis 1,60.
port großer Datenmengen.
Der gravierende Unterschied zwischen opDas setzt natürlich auch eine realistische
tischen Verbindungen und elektrischen LeiProduzierbarkeit in der Praxis voraus. Die
tungen liegt nicht in deutlich kürzeren Vergleichen Maschinen, gleichen Verfahren
zögerungszeiten – die sind annähernd
wie für die Herstellung konventioneller
vergleichbar – sondern primär in der um
Verbindungstechnik sind zu nutzen, um
Klassen höheren Bandbreite. Das bedeutet
Fertigungsstandards beizubehalten. Wenn
die Möglichkeit der Übertragung entschiedie wichtigsten Voraussetzungen beachtet
den höherer Datenraten.
werden, sollte dem nichts im Wege stehen.
Derzeit liegt das Hauptaugenmerk auf den
optischen Wellenleitern und deren InteDie Praxis
gration in elektrische Leiterplatten. Dazu
gesellen sich elektrisch-optische und opLeiterplatten und Baugruppen werden
tisch-elektrische Signalwandlerkomponenauch aus zukünftigen Systemen nicht wegten für optische Sender und Empfänger sozudenken sein. Deshalb kommt der Verbinwie stabile Baulelemente-Board-, Boarddung elektrischer mit optischer VerbinBoard- sowie Board-Faser-Verbindungen.
dungstechnik eine Schlüsselrolle zu. Es
Neben den erforderlichen und wünschenswird sicherlich nicht erforderlich und zuwerten Technologiebedingungen analog dem nicht wünschenswert sein, jede Lei-
Ausbreitung optischer Signale
Wer sich mit dem Thema der Optischen
Leiterplatte befasst, kommt naturgemäß
an der Ausbreitungsgeschwindigkeit in
dielektrischen Wellenleitern nicht vorbei.
Danach basiert die Übertragung optischer
Signale sowohl auf Anregung als auch auf
Ausbreitung diskreter Moden. Die für die
Definition der Ausbreitung üblichen Kon-
productronic 7/8 ‘02
Bild 3: Hybrider Lagenaufbau durch elektrische und optische Lagen
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Datentechnik
Bild 4: Direkte Kopplung der optischen Sender und Empfänger an boardintegrierte optische Wellenleiter
der elektrischen Verbindungstechnik spielt
auch die Bestückung eine relevante Rolle.
Auch hier gilt für die optische Verbindungstechnik: bewährte und beherrschte
Technologien nutzen. Sicherlich müssen
Konzepte zur Kopplung der Wellenleiter
an optische Sender und Empfänger für die
diese Technik konzipiert werden.
Mit Blick auf die Positioniergenauigkeit
üblicher Bestückungsautomaten im Bereich +/-50 bis +/-90 µm wird schnell klar,
dass ausschließlich Wellenleiter in Multimode Technologie eine Lösung darstellen.
Die Leitungsquerschnitte sollten sich in der
gleichen Größenordnung wie die elektrischen Leiter liegen. Querschnittsabmessungen der optischen Wellenleiter von
50 µm x 100 µm entsprechen durchaus der
Realität. Obwohl auf den ersten Blick die
Positioniergenauigkeit im Vergleich zum
Querschnitt der optischen Wellenleiter als
nahezu kurios unzureichend erscheint,
kann die erforderliche passive Positionierung der Wandlerkomponenten durch
Bild 5: Indirekte Kopplung der optischen Sender und Empfänger an
boardintegrierte optische Wellenleiter
mehrstufige mikromechanische Positionierhilfen durchaus erreicht werden und die
Lage analog der Forderungen an optische
Verbindungen hinreichend genau zu den
Wellenleitern ausgerichtet werden.
Zugleich lässt sich nur unter strenger
Berücksichtigung der Forderung nach freier Verdrahtung, wie in der Leiterplattentechnik an der Tagesordnung, ein hoher
Integrationsgrad auf elektrisch-optischen
Leiterplatten erzielen.
Daneben werden durch eine freie Verdrahtung auch beliebige Mehrpunkt Verbindungsstrukturen realisiert, die zu einer
universelleren Nutzung dieser Technologie
führen. Letzten Endes müssen Anforderungen beachtet werden, die bereits für konventionelle Leiterplatten Gültigkeit haben
und auch für die elektrisch-optische Leiterplatte in Betracht kommen. So sind die
Verträglichkeit der Wellenleitermaterialien
mit dem Basismaterial – FR4 und Polymid –
sowie deren Lebensdauer und thermische,
klimatische, elektrische und mechanische
Eigenschaften zu koordinieren. Natürlich ist auch die
problemlose Montage und
Planarität der Platine insbesondere in der Nähe der
Einbauplätze eine stete Forderung. Denn es gilt signifikante Abweichungen zu
vermeiden.
Hybrider Aufbau
Bild 6: Konzept zur Entwicklung von EOCBs
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Ein weit verbreitetes Konzept, das alle Anforderungen berücksichtigt, sieht
einen hybriden Lagenaufbau durch elektrische und
optische Lagen vor (Bild 3).
Dieses Konzept kommt der
geforderten und auch gewünschten Kompatibilität
des Entwurfs- als auch Herstellungsprozesses entgegen
und bietet auch die Möglichkeit einer freien optischen Verdrahtung. Die optischen Wellenleiter befin-
den sich innerhalb eigener separater optischer Lagen, die durch einen Heißprägeprozess hergestellt werden können. Dieser
beherrschte Prozess bringt sowohl große
Freiheitsgrade mit sich als auch die damit
verbundene Voraussetzung der präzisen
Herstellung auch beliebiger Strukturen wie
Leistungsteiler oder Sternkoppler.
Polymerfolienstrukturierung
Eine andere Lösung sieht die Strukturierung einer Polymerfolie vor. Die Wellenleitergräben werden dann mit flüssigem
Kernmaterial gefüllt. Nach dem Aushärten
der Kerne wird dann das Overcladding
durch das Laminieren einer weiteren Polymerfolie aufgebracht. Um den Temperaturanforderungen zu genügen, können die
optischen Lagen auch mit COC oder
Polycarbonat gebildet werden, die sich
durch eine hohe Glasübergangstemperatur
auszeichnen.
Den Knackpunkt in diesem Prozess stellt
das Prägewerkzeug dar, das letztlich über
die erzielbaren Toleranzen und die Oberflächenqualität des Wellenleiters entscheidet.
UV-Lithografie
Eine Alternative wäre mit der UV-Tiefenlithografie denkbar, die auch die angesprochene uneingeschränkte optische Verdrahtung nahezu erfüllt. In Abhängigkeit der
Herstellung des Prägewerkzeuges sowie
des Prägesprozesses selbst weisen die
Wellenleiter Oberflächenrauhigkeiten auf,
die durch Streueffekte zu weiteren Verlusten führen und auch Übersprechen hervorrufen können.
Elektrisch-optische Signalwandler
Wandlermodule spielen im Konzert der
optischen Leiterplatte eine große Rolle. Sie
bilden die Schnittstelle, neben einer kostengünstigen und handelsüblichen Herstellung, zwischen den optischen Wellenleitern und den mikroelektronischen
Komponenten. Optische Sendeelemente productronic 7/8 ‘02
Datentechnik
basieren auf vertikal emittierenden Laserdioden, die Licht mit einer Wellenlänge
von 850 nm und weniger aussenden. Dieser Wellenbereich ist auf Grund des lokalen Dämpfungminimums der polymeren
Wellenleiter von entscheidender Relevanz.
Heute hat die VCSEL-Technologie einen akzeptablen Reifegrad erreicht. Sie hat das
Vermögen hohe Bandbreiten von 10 GBit/s
und mehr zu realisieren und bietet zugleich
beste Voraussetzungen für deren ökonomische Herstellung.
Photodioden mit integrierten Verstärkern
bilden die optischen Empfänger auf den
Opto Electronic Integrated Circuits. Doch
stellt sich ihre Dimensionierung als
konfliktbehaftet heraus. Aus der Sicht der
Aufbautechnik und der automatischen Bestückung elektrisch-optischer Platinen sollten die Querschnittsabmessungen der Wellenleiter möglichst groß sein. Auch die
Dioden sollten entsprechend groß sein.
Das heißt, die Photodiode muss entsprechend groß sein, damit es durch die
numerische Apertur der Wellenleiter und
den Abstand zwischen Wellenleiter und
Diode nicht zu Überstrahlungen der Diode
kommt, beziehungsweise dass die vorhandene Überstrahlung in Abhängigkeit
der zulässigen Toleranzen minimiert werden kann. Jedoch besitzt eine große
Photodiode eine relativ große Kapazität,
die wiederum die Bandbreite begrenzt.
Das hat zur Folge, in Abhängigkeit der geforderten Bandbreite der Übertragungsstrecke müssen die Querschnitte der
Wellenleiter zusammen mit dem Durchmesser der Photodiode reduziert werden.
Daneben eröffnet sich die Möglichkeit des
Einsatzes von mikrooptischen Komponenten wie Mikrolinsen. Mikrolinsen bündeln
die aus dem Wellenleiter austretende optische Leistung auf die Photodiode. Doch
führt diese Alternative zu nicht akzeptablen Kostensteigerungen.
Als Voraussetzung für den ökonomischen
industriellen Einsatz der optischen Verbindungstechnik muss also auch die Frage
nach einem Konzept für die sichere Ankopplung an die Wellenleiter beantwortet
werden. Die automatische Bestückung
muss die Wandlermodule sowie deren passive Ausrichtung relativ zu den Austrittsebenen der Wellenleiter innerhalb bestimmter Toleranzgrenzen ermöglichen.
Aus Gründen der Ökonomie sollte die
Positioniergenauigkeit marktüblicher Bestückungsautomaten zugrunde gelegt
werden. Die Forderung der passiven Justage ist primär zu erfüllen, da eine aktive
Justage die Kosten für die Montage unerträglich anheben würde. Grundsätzlich
bieten sich zwei Lösungen an:
Direktkopplung (Bild 4) und/oder
indirekte Kopplung (Bild 5).
Bei der direkten oder Stirnflächenkopplung
wird die aktive Wandlerkomponente direkt
productronic 7/8 ‘02
an die Stirnflächen der Wellenleiter angebracht. Bei der indirekten Kopplung
werden die aktiven Wandlerkomponenten
durch eine 90°-Strahlumlenkung an die
Wellenleiter angekoppelt.
Entwurfsregeln
Generell stellen Entwurfsregeln beim Konzipieren elektrischer Leiterplatten eine ungeheuer wichtige Hilfe dar (Bild 6). Diese
Regeln, die zum Teil auf eigene Erfahrungen gründen oder aus gezielten Simulationen stammen, helfen gravierende Fehler
von Beginn an zu unterbinden. Auch für
die optischen Verbindungen lassen sich
Entwurfsregeln einsetzen, die der Entwicklungsarbeit enorm förderlich sind. Nur, es
liegt noch kein Erfahrungswissen vor, da
die Herstellungstechnologie noch keine
Industriereife erreicht hat und elektrischoptische Leiterplatten noch nicht in Produkten eingesetzt werden. Deshalb muss
zur Erarbeitung von Entwurfsregeln für die
optische Verbindungstechnik auf Simulationen und messtechnische Untersuchungen zurückgegriffen werden.
Aus Funktions-, Kosten- und Kompatibilitätsgründen basiert die optische Verbindungstechnik auf Leiterplattenebene nicht
auf der Integration optischer Glas- oder
Kunststofffasern. Um topologisch beliebig
strukturierte optische Verbindungen (Busstrukturen, Mehrpunktverbindungen) realisieren zu können, müssen deshalb komplette optische Lagen mit Wellenleitern
und allen notwendigen passiven Verbindungselementen hergestellt werden. Neben fotolithografischen Prozessen eignen
sich auch Replikationsverfahren zur Produktion optischer Lagen mit integrierten
Multimode-Wellenleitern mit einem Stufenindex-Profil. Zu beachten ist jedoch,
dass die Übertragungsqualität optischer
Wellenleiter sehr stark von der Qualität der
Wellenleiteroberfläche abhängt. Insbesondere die unvermeidbaren herstellungsbedingten Rauheiten wirken sich signifikant auf das Übertragunsverhalten des
Wellenleiters aus.
C-LAB hat dafür ein
numerisches Analyseverfahren entwickelt,
mit dem sich der
Einfluss dieser Oberflächenstörungen auf
die
Übertragungseigenschaften von Wellenleitern mit beliebigem Querschnitt qualitativ und die Einkopplung bzw. die Anregung des Wellenleiters derart ausgestaltet
sein muss, dass die gesamte optische Leistung möglichst in die
Moden niedriger Ordnung eingekoppelt
wird. Dadurch wird die Gesamtdämpfung
der optischen Übertragungsstrecke reduziert. Unter praktischen Gesichtspunkten
heißt das, die numerische Apertur der optischen Quelle sollte geringer sein als die nominale Apertur des Wellenleiters.
Ausblick
Die erkennbaren physikalischen Leistungsgrenzen der elektrischen Aufbau- und Verbindungstechnik lassen sich durch die optische Verbindungstechnik wirksam umgehen. Die dafür erforderlichen Technologien und Komponenten zu deren Realisierung, wie Herstellung optischer Wellenleiter und deren Integration in Leiterplatten, bezahlbare optische Sender und
Empfänger mit entsprechenden Koppelmodulen sowie Simulations- und DesignTools, befinden sich derzeit in hoffnungsfrohen Entwicklungsstadien, die erste
Produkte mit elektrisch-optischen Übertragungsstrecken in wenigen Jahren ermöglichen werden. Damit lässt sich das
erkennbare Leistungspotential der Halbleitertechnologie, die in den kommenden
10 bis 12 Jahren eine kontinuierliche Steigerung von On-Chip-Taktfrequenzen auf
bis zu 10 GHz und mehr erreichen wird,
vollständig ausnutzen. Aus heutiger Sicht
werden die Leistungen für elektrische
Kommunikations- und Informationsgeräte
enorm steigen.
www.fhg.izm.de
productronic 414
Literatur
[1] C-LAB Jahresbericht 2001, Cooperative
Computing & Communication Laboratory, Siemens Business Services GmbH & Co. OHG und
Universität Paderborn.
[2] Neue Aufbau- und Verbindungstechniken –
Optik/HDI, Tutorial 10 – SMT Nürnberg 2001.
[3] Optische Aufbau und Verbindungstechnik
auf Leiterplatten: Grundlagen-Technologie-Anwendungen, Photonic 2001.
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Übersatz
[4] A High-Performance Hybrid Electrical-Optical Interconnection Technology for High-Speed
Electronic Systems, IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol. 24, No.3, 8-2001.
[5] Electrical-Optical Circuit Boards with Four
Channel Butt-Coupled Optical Transmitter and
Receiver Modules, Proceedings of SPIE, Vol.
4455, 10-2001.
[6] Self-Aligned Coupling of Optical Transmitter
and Receiver Modules to Board-Integrated Optical Multimode Waveguides, Proceedings of
SPIE, Vol. 4455, 10-2001.
[7] Projekte zur optischen Aufbau- und Verbindungstechnik im Rahmen des BMBF-Förderprojektes, 11-2001.
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Frank in 63165 Mühlheim.