集成电光柔性电路板的制作方法

1.本技术涉及集成电路板，特别涉及具有电子电路板的集成光学电路。


背景技术：

2.为了支持诸如高性能计算(hpc)之类的高速、高容量数据传输的未来设备，光学互联(interconnect)是首选技术。具有铜互联(copper interconnect)的传统电子电路由于其数据带宽限制以及信号完整性问题而不再符合需求。光学互联为高性能装置提供了众多优势，其在较低的衰减/损耗、延迟以及功耗以及较低的功耗下实现了大量数据的传输速率，同时几乎不受电磁干扰和噪音的影响。同时，电子互联(electrical interconnect)更适合于功率分配(power distribution)和信号处理及控制。电子互联也是在行业中具有完善基础设施的一种成熟技术，因此具有明显的成本优势。
3.近年来，柔性(flexible)电子装置已成为装置小型化(miniaturization)的可靠解决方案，因为与印刷电路板(printed board，pcb)的刚性(rigid)电子装置相比，柔性电子装置具有许多优点，包括更高的电路密度，更薄的外形，更轻的重量以及良好的形状适应性(可折叠和可弯曲)。为了获得更高的电路密度，柔性电子装置使用了多层的电路架构，其中各层之间的电路是通过被填充有信号传递材料的通孔(via hole)来连接。
4.通过将光学互联和电子互联集成至单个封包(package)中，可以实现两个系统的优点。这是一种有吸引力的解决方案，可以满足超级计算器(supercomputer)、物联网(internet of things，iots)、电信网络、图像检测、智能显示器等高性能设备复杂且苛刻的技术需求。
5.然而，从材料及加工的角度来看，结合两个互联(interconnect)系统以实现一个密实的包装模块带来了很大的挑战。
6.在光学电路中，光学信号是通过一必须被一包覆材料(cladding material)完全封闭的芯材料(core material)传输的。由于光学信号是基于全内反射原理(principle of total internal reflection)传输的，芯材料的折射率必须高于包覆材料的折射率。作为波导来传递光信号的纤芯通常由硅、三五半导体(iii-v)、玻璃或其他聚合物材料制成。在电子电路中，电子信号通常通过绝缘介质材料之间的铜线传输。如上所述，电子界面已妥善地形成，其中铜会在一介电表面(通常是柔性聚酰亚胺(flexible polyimide material)材料)上到沉积、构图、及蚀刻以形成电路。由于每个界面的要求明显不同，一种新颖的材料堆叠组合是实现集成电光柔性电路板模块的关键。在这方面，玻璃由于具有各种独特性能，成为一种有吸引力的材料而出现，可同时用于光学和电子互联。在光学界面中，由于玻璃相对较低的折射率，适合作为用于广泛范围的芯材料的包覆材料。在一电子界面中，玻璃为铜线和通孔的互联提供了几乎没有介电损耗的优异绝缘性能。玻璃还具有出色的热稳定性，且热膨胀系数接近硅等主流半导体材料。
7.许多美国专利探讨了光电集成(opto-electronic integration)，光学黏合层(adhesives)，以及环状烯烃聚合物(cyclic olefin polymer)，包括美国专利公告号6,
910,812(pommer等人)、9,130,254(izadian)、9,110,200(nichol等人)、10,089,516(popovich等人)，以及美国专利申请号2018/0138346(simavoryan等人)以及2018/0226014(komanduri等人)。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的在于提供一种在柔性电子电路上内嵌光学电路的方法。
9.本发明另一目的在于提供一种集成电光柔性电路板。
10.本发明另一目的在于提供一种包覆有电子和光学互联的集成电光柔性电路板。
11.根据本发明的目的，提供了一种集成电光(electro-optical)柔性电路板，该集成电光电路板包含一具有一顶侧以及一底侧的第一柔性基板、位于第一柔性基板底侧并通过一填充孔(filled via)连接于其顶侧的至少一第一光学电路、位于第一柔性基板顶侧的至少一第一金属线、连接第一柔性基板底侧至第二柔性基板顶侧的一光学黏合层(adhesive layer)、以及位于第二柔性基板底侧并通过一穿过第二柔性基板、光学黏合层以及第一柔性基板的填充孔来连接于至少一第一金属线的至少一第二金属线。
12.根据本发明的目的，另提供了一种集成电光(electro-optical)柔性电路板，该集成电光电路板包含一具有一顶侧以及一底侧的第一柔性基板、位于第一柔性基板底侧并通过一填充孔(filled via)连接于其顶侧的至少一第一光学电路、位于第一柔性基板顶侧的至少一第一金属线、连接第一柔性基板底侧至第二柔性基板顶侧的一光学黏合层(adhesive layer)、位于第二柔性基板顶侧的至少一第二金属线、以及位于第二柔性基板底侧并通过一穿过第二柔性基板的填充孔来连接于至少一第二金属线的至少一第三金属线。
附图说明
13.在构成本说明书重要部分的附图中，显示了：
14.图1是本发明的第一优选实施例的等距(isometric)示意图。
15.图2是本发明的第二优选实施例的等距示意图。
16.图3是本发明的第三优选实施例的等距示意图。
17.图4是本发明的第四优选实施例的等距示意图。
18.图5是本发明的第五优选实施例的截面图。
19.图6是本发明的一种完整包装的截面图。
具体实施方式
20.本发明公开了多种版本的集成电光柔性电路板(electoral-optical flexible circuit board，eofcb)。这些电路板的功能包括电子和光学电路、柔性电子组件以及玻璃材料。电子电路通常具有低速信号，并且通常用于功率分配，具有较低的电路密度。光学电路通常具有高速信号以及较高的电路密度。柔性电子产品具有较小的外型并且比较不起眼，它们通常具有较高的布线密度并且可折叠和可弯曲。玻璃材料具有光滑、透明的表面以及低介电信号损耗。
21.本发明的概念是在一个柔性电子电路上嵌入一个光学电路，制造会在用于柔性电
子电路的同一块玻璃板上进行，以提供较佳的隔离特性。本发明使用光学黏合剂于一个波导上形成一个包芯(core-clad)结构，且通过表面改性用铜在玻璃表面直接金属化。本发明的电光柔性电路板具有高耦合效率和低光学衰减，其中耦合效率是指信号在不同界面/介质之间传播时的损耗，而衰减是指在界面/介质内传输过程中信号强度的下降。
22.基板的光滑玻璃表面适合薄膜加工，从而将传输损耗降至最低。由于玻璃的固有特性，走线以及通孔布局会有最小的介电损耗。相较于分开的光学模块以及电子模块必须被组装在一印刷电路板(printed circuit board，pcb)上来形成内连接(interconnection)，本发明通过高密度布线、多层堆叠(multi-layer stack-up)以及模块组装过程简化，能够显著地降低尺寸。由于能够避免繁琐的组装步骤，可简化整体流程。
23.更具体地，请参考图1，其显示了本发明的第一优选实施例的等距(isometric)示意图。本发明提供了柔性玻璃10作为基膜(base film)材料。玻璃基板的厚度范围在大约12.5到100μm之间。在一替代方式中，可用环状烯烃聚合物(cyclic olefin polymer，cop)来取代玻璃基板，以获得更高的可弯曲性和柔性。芯波导(core waveguide)材料被沉积在玻璃基板10上，且波导材料的折射率(refractive index)应高于玻璃基板10的折射率。波导材料的各种替代材料包括硅、二氧化硅(silicon dioxide)、砷化镓(gallium arsenide)、磷化镓(gallium phosphide)，及其各种类型的聚合物，且波导材料的厚度范围在大约4到15μm之间。
24.波导材料会被图案化(patterned)以形成光学电路12。在波导侧壁的特定位置上形成有具有45
°
角的锥形结构，且一个45
°
的微镜(micro-mirror)14被沉积在其锥面顶部。
25.光学黏合材料16被层压(laminate)在图案化的波导光学电路以及基膜10上，光学黏合剂必须具有与柔性玻璃材料10完全相同的折射率。此光学黏合材料的各种替代材料包括环氧树脂(epoxies)、聚氨酯(polyurethanes)、有机硅弹性体(silicones elastomers)、紫外线固化丙烯酸(uv-cured acrylics)以及氰基丙烯酸酯(cyanoacrylates)，且光学黏合剂的厚度在约25至50μm之间。
26.接着，可以是柔性玻璃或者环状烯烃聚合物(cop)的第二层基膜材料18被层压在光学黏合剂的另一侧，且该第二基膜18的厚度约为12.5μm至100μm之间。
27.玻璃通孔(through glass via，tgv)20和22是以穿过指定界面的方式形成。以光学的通孔20而言，玻璃通孔仅穿过基膜界面10，且玻璃通孔的直径可以为15到25μm。波导材料可选择性地沉积并完全填充光学通孔20。
28.柔性玻璃基板10和18的外表面被改性以形成一硅低聚物结构(si oligomer structure)，接着通过五角环型配位(pentagonal ring coordination)来稳定地进行钯催化剂沉积(pd catalyst deposition)。在改性后的柔性玻璃表面上形成一个电路图案以形成铜电路并且对玻璃通孔22进行填充，以将电路的一侧连接至另一侧，其中铜电路的厚度范围为4至15μm。电子界面形成于玻璃或cop基板10和18的外表面。例如，镍磷(ni-p)、铜、银或任何类型的金属合金(例如镍铬合金)构成的种子层(seed layer)都可以按照所需图案来形成于基板10和18的外表面。接着，铜线可以被镀在种子层上，种子层24以及铜线26位于基板10的外表面上，且种子层28和铜线30位于基板18的外表面。填充后的玻璃通孔22将铜线30中至少一条铜线连接至铜线26中至少一条铜线。
29.图2是本发明的第二优选实施例。如同第一实施例，本实施例也提供了柔性玻璃10
作为基膜材料。玻璃基板的厚度范围在约12.5至100μm之间。芯波导材料沉积在玻璃基板10上，其中波导材料的折射率应高于柔性玻璃基板10的折射率。波导材料的各种替代材料包括硅、二氧化硅(silicon dioxide)、砷化镓(gallium arsenide)、磷化镓(gallium phosphide)，及其各种类型的聚合物，波导材料的厚度范围在大约4到15μm之间。
30.波导材料会被图案化(patterned)以形成光学电路12。在波导侧壁的特定位置上形成有具有45
°
角的锥形结构，一个45
°
的微镜(micro-mirror)14被沉积在其锥面顶部。
31.本实施例提供了作为第二基膜材料的柔性玻璃18，其厚度在大约12.5到100μm之间，与波导材料12相同的芯波导材料被沉积在第二玻璃基板18上。波导材料被图案化以形成第二光学电路42，在波导侧壁的特定位置上形成有具有45
°
角的锥形结构，且第二个45
°
的微镜44被沉积在其锥面顶部。
32.玻璃基板10和18是与光学黏合材料16层压在一起。光学电路12和42面对面被层压在光学黏合剂中。如上所述，光学黏合剂的折射率必须完全相同于柔性玻璃材料10和18的折射率。光学黏合材料的替代材料包括环氧树脂、聚氨酯、有机硅弹性体、紫外线固化丙烯酸以及氰基丙烯酸酯，且光学黏合剂具有约25至50μm的厚度范围。
33.本实施例的封装如同第一实施例，具有分别连接至光学电路12和42的玻璃通孔(tgv)20和40，且玻璃通孔22将第一玻璃基板12上的铜线26连接至第二玻璃基板18上的铜线30。
34.图3是本发明的第三优选实施例，如图3所示，第二玻璃基板18被替换为聚酰亚胺(polyimide，pi)、改性聚酰亚胺(modified polyimide，mpi)、液晶聚合物(liquid crystal polymer，lcp)、聚酯(polyester，pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene-naphtalate，pen)、聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene)，或替换为环氧树脂(epoxies)和bt、或特氟龙(teflon)、或改性特氟龙(modified teflon)的层压基板19；第二基膜19的厚度范围为12.5至100um。
35.光学电路12和微镜14形成在玻璃基板10的底侧。第二基板层19的外表面经改性以形成厚度范围为5-15nm的一聚酰胺酸(polyamic acid，paa)层，接着进行钯催化剂沉积(pd catalyst deposition)，然后在基板层19顶侧上形成电子电路53和种子层51以及在基板层19底侧形成金属线30和种子层28。通孔54是穿过基板19，以将基板层19的一侧上的金属线53中的至少一条与基板层19的相对侧上的金属线30中的至少一条连接。
36.图4是本发明的第四优选实施例。本实施例相似于第三实施例，其中第二基板18被替换为聚酰亚胺(polyimide，pi)、改性聚酰亚胺(modified polyimide，mpi)、液晶聚合物(liquid crystal polymer，lcp)、聚酯(polyester，pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene-naphtalate、pen)、聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene)，或替换为环氧树脂(epoxies)和bt、或特氟龙(teflon)、或改性特氟龙层19的层压基板。在第四实施例中，不使用单一基板层19，而是使用电子界面的多金属层(multi-metal layer)基板，其中这些界面之间插入有黏贴膜(bonding film)。
37.在第四优选实施例中，光学电路12以及微镜14是形成于玻璃基板10的底侧，具有种子层51的金属线53是形成于基板层19的顶侧，且具有种子层56的金属线58是形成于基板层19的底侧。通孔54是穿过基板层19，以将基板层19一侧的金属线53中至少一条金属线与基板层19另一侧的金属线58中至少一条金属线连接。相似地，具有种子层62的金属线64是
形成于第二基板层49的一侧，其中基板层49的材质可为聚酰亚胺(polyimide，pi)、改性聚酰亚胺(modified polyimide，mpi)、液晶聚合物(liquid crystal polymer，lcp)、聚酯(polyester，pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene-naphtalate、pen)、聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene)，或是环氧树脂(epoxies)和bt、或特氟龙(teflon)、或改性特氟龙层(modified teflon layer)的层压基板。两个基板层19和49被层压在一起，且两者之间具有一黏贴层50。黏贴层可以是诸如环氧树脂、氰化物酯、丙烯酸黏合剂、带有环氧树脂的改性聚酰亚胺(mpi)之类的纤维增强的黏合膜等等，具有约为10至50μm之间的厚度，并且较佳为约25μm。
38.如上所述，多金属层基板19/50/49是利用光学黏合剂16来层压至基膜板10上，接着形成顶部及底部的通孔和走线。玻璃通孔20和22是穿过基板10以及光学黏合剂16。波导材料可被选择性地沉积并完全填充于光学通孔20。柔性玻璃基板10的外表面被改性以形成硅低聚物结构(si oligomer structure)，接着通过五角环型配位(pentagonal ring coordination)来稳定地进行钯催化剂沉积(pd catalyst deposition)。电子界面是形成于玻璃基板10的外表面。例如，镍磷(ni-p)、铜、银或任何类型的金属合金(例如镍铬合金(nickel-chromium))的种子层(seed layer)都可以按照所需图案形成在基板10的外表面上。接着，铜线会被镀在种子层上，种子层24和铜线26位于基板的外表面上。填充后的玻璃通孔22将铜线26中至少一条铜线连接至可弯曲的多金属基板19上的铜线53中至少一条铜线。
39.同样地，通孔60、61是穿过可弯曲的多金属基板的基膜49以及黏贴膜50。外部基膜49的外表面经改性以形成厚度范围为5至15nm的聚酰胺酸层(polyamic acid，paa)，随后进行钯催化剂沉积，然后在基膜层49的外表面上形成具有种子层78的电子电路80。
40.图5是本发明的第五优选实施例。在本实施例中，有一折叠的柔性聚酰亚胺(folded flexible polyimide)基板47。一玻璃或cof基板10位于折叠的柔性基板47的两端之间。在上面形成有具有微镜14的波导电路12的基板10的一个表面上，一光学黏合层14将基板10连接至柔性基板47。在基板10的相对另一表面，一黏贴膜50将基板10连接至柔性基板47的一相对臂。
41.图6是集成电光柔性电路板。柔性电路板与第一实施例的图1相似。然而，应当理解的是，第一至第五实施例中的任何一者都可用于现在描述的制造步骤中。诸如放大器以及驱动集成电路之类的电子装置100安装在柔性电路板的一个外表面上的铜线26的顶部。诸如垂直腔表面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)以及光电探测器(photo detector，pd)模块之类的光电装置102安装在柔性电路板同一外表面的铜线26上。这些装置102对准于光学的玻璃通孔20。例如，可以通过例如是倒装芯片(flip chip)或引线键合(wire bonding)的表面安装技术(surface mount technology，smt)将装置100和102安装到一表面安装装置(surface mount device，smd)90。光学界面104是作为波导(介质)，用于来自任何其他模块的传入(incoming)信号106，或用于来自此封装架构的模块的传出(outgoing)信号。
42.本发明已描述了集成电光柔性电路板的各种实施例。本发明的电光柔性电路板提供了高耦合效率和低光学衰减，并在高密度布线和多层堆叠的基础上，显著降低了尺寸。
43.尽管本发明优选实施例和其详细内容已公开如上，但本领域技术人员容易理解的
是，可以在不脱离本发明的精神或是所附权利要求的范畴的情况下进行各种修改。