DE10132794A1

DE10132794A1 - Kopplung an in Leiterplatten eingebettete Lichtleiter

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Publication number: DE10132794A1
Application number: DE10132794A
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Ilfa Industrieelektronik und Leiterplattenfert De; Siemens AG
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-30
Also published as: JP2004533024A; EP1405116A1; WO2003005094A1; CA2453045A1; CN1688912A; US20040258345A1

Abstract

In einer Leiterplatte sind in einer optischen Lage Lichtwellenleiter vorhanden, die durch einen Prägeprozeß erzeugt werden und durch abgeschrägte und verspiegelte Enden senkrecht auskoppeln. Für die Positionierung von Kopplern werden mit dem Prägeprozeß mechanische Führungsmarken erzeugt, die bevorzugt als Führungslöcher für MT-Stifte dienen.

Description

Die Erfindung betrifft die Kopplung an in Leiterplatten eingebettete Lichtleiter.

Für zukünftige Informations- und Kommunikationsgeräte sind Leiterplatten vorgesehen, die neben elektrischen auch optische Leiter enthalten. Der Artikel "New Technology for Electrical/Optical Systems on Module and Board Level: The EOCB Approach" von D. Krabe, F. Ebling, N. Arndt-Staufenbiel, G. Lang und W. Scheel, Proc. 50th Electronic Components & Technology Conference 2000, pp. 970-4 (ISBN 0-7803-5908-9), gibt einen Überblick hierüber.

Eine zentrale Aufgabe in dieser Technologie ist die Kopplung der Bauelemente mit optischen Sendern und Empfängern mit den optischen Leitern, die durch die kleinen Abmessungen der optischen Fasern eine Genauigkeit der Positionierung erfordert, die mit den herkömmlichen Bestückungsautomaten nicht geleistet werden kann. Insbesondere entfällt bei optischen Verbindungen die bei der Löttechnik der elektrischen Verbindungen durch die Oberflächenspannung des Lots bewirkte Korrektur von Positionierungsfehlern.

In der Offenlegungsschrift DE 199 17 554 ist eine Lösung beschrieben, bei der parallel zu der Oberfläche Hohlkörper eingelassen sind, die die Position optischer Koppler bestimmen, an denen Führungsstifte angebracht sind. Die optischen Koppler bewirkten eine Umsetzung in elektrische Signale oder lenken das Licht zu einem auf der Oberfläche befindlichen Umsetzer um. Das Einbetten der Hohlkörper und das spätere Ausfräsen sind jedoch immer noch relativ aufwendig.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine andere Lösung, die weniger aufwendig ist. Hierbei sind in einer Leiterplatte in einer optischen Lage Lichtwellenleiter vorhanden, die durch einen Prägeprozeß erzeugt werden und durch abgeschrägte und verspiegelte Enden senkrecht ein- bzw. auskoppeln. Für die Positionierung von Kopplern werden mit dem Prägeprozeß mechanische Führungsmarken erzeugt, die bevorzugt als Führungslöcher für MT-Stifte dienen.

Dabei werden optische Wellenleiter verwendet, deren Enden mit Spiegelflächen im 45°-Winkel versehen sind. Diese sind beispielsweise in dem Artikel "Monomode Polymer Waveguides with Integrated Mirrors" von R. Wiesmann, S. Kalveram, A. Neyer; Proc. 22nd Europ. Conf. on Optical Communications (ECOC 96), vol. 2 pp. 265-8, Oslo 1996 (ISBN 8242304181), beschrieben. Anderer Winkel sind auch möglich, um eine Abstrahlung quer zur optischen Lage zu bewirken.

Zur Verdeutlichung zeigt Fig. 1 einen Querschnitt in Längsrichtung eines der optischen Wellenleiter. Dabei wird eine beispielsweise 200 µm dicke transparente Trägerfolie 10 verwendet, in der mittels eines Prägeprozesses Kanäle 11 für die Wellenleiter erzeugt werden. An den Enden der Kanäle sind Abschrägungen für Spiegel 12 vorgesehen. Die Abschrägungen werden metallisiert. Hernach werden die Kanäle 11 ausgefüllt, wobei die Füllung selbstverständlich gleichfalls transparent ist und einen höheren Brechungsindex hat als das geprägte Material. Danach wird als Deckschicht 13 eine wiederum durchsichtige Folie mit kleinerem Brechungsindex als die Füllung und von beispielsweise 100 µm Dicke aufgetragen, so daß die ausgefüllten Kanäle 11 als Wellenleiter dienen können.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht in Richtung des in Fig. 1 eingezeichneten Pfeiles A. Die Kanäle 11 können nach unten verjüngt sein, um Hinterschneidungen beim Prägen zu vermeiden; dieser Effekt ist übermäßig deutlich dargestellt. Mit D ist der Rasterabstand der Lichtleiter bezeichnet, der bei einer Breite der Lichtleiter von 100 µm, d. h. in etwa quadratischem Querschnitt, beispielsweise 250 µm beträgt.
Für die Erfindung werden nun zusätzlich zu den Kanälen 11, die nach Verfüllung die optischen Leiter ausmachen, Referenzmarken 24 nahe den Enden 12 der optischen Leiter mit eingeprägt. Deren Lage relativ zu den Enden 12 der optischen Leiter ist durch die hohen Fertigungsgenauigkeit des Prägewerkzeugs bestimmt und mit einer Genauigkeit herstellbar, die wesentlich besser ist als der Durchmesser eines optischen Leiters.
Nach dem Aufbringen der Deckschicht 13 werden diese Referenzmarken dazu verwendet, senkrechte Löcher 22 vorbestimmten Durchmessers in der optischen Lage anzubringen. Bevorzugt wird der Durchmesser von 0,7 mm von mechanischen Führungsstiften verwendet, die beispielsweise aus MT-Steckverbindern bekannt sind. Entweder sind die Referenzmarken optisch abtastbar, beispielsweise in Kreuzform und mit V-förmigem Querschnitt, um ein genaues und optisch gut erkennbares Zentrum bereitzustellen, das über ein optisches Positioniersystem einen Bohrer positioniert. Es kann wahlweise aus Richtung der Deckschicht, d. h. der Oberseite, oder von der Unterseite aus gebohrt werden. Ob diese Referenzmarke nur geprägt wird oder auch mit der für die Verspiegelung benutzten Metallisierung überzogen wird, hängt von den Eigenschaften des Bohrsystems ab. Bei Verwendung eines doppelseitigen Prägewerkzeugs kann die Referenzmarke auch von der Unterseite der Trägerfolie 10 erstellt werden und dann, beispielsweise als Kegel ausgebildet, zur Führung des Bohrers beitragen, wenn von unten gebohrt wird.
Nachdem die Führungslöcher 22 in der optischen Lage angebracht sind, kann diese nach bekannten Verfahren in eine Leiterplatte eingebracht werden. Das Ergebnis ist in Fig. 2 gezeigt. Die optische Lage ist auf eine untere Lage 30 aufgebracht und wird durch eine obere Lage 31a, 31b bedeckt. Durch eine als Freistellung bezeichnete Lücke 32 in der Oberseite ist die optische Lage an den verspiegelten Enden 12 der optischen Wellenleiter zugänglich. Die Freistellung 32 ist so groß, daß auch die Führungslöcher 22, die in Fig. 3 lediglich durch ihre Wandungen 23a, 23b angedeutet sind, zugänglich sind.
Der Anschluß an die optischen Leiter erfolgt nunmehr durch Koppler, die von oben eingesetzt werden. Fig. 4 zeigt schematisch den in die Freistellung 32 einzusetzenden Teil eines Kopplers 40. An der Unterseite 44 befinden sich in Einsetzrichtung Führungsstifte 41. Zwischen diesen enden Lichtleiter 42. Das eine Ende der Lichtleiter endet an der Oberfläche der Unterseite 44, das andere in Sende- bzw. Empfangswandlern 43. Diese sind dann (nicht gezeigt) über elektrische Verbindungen mit Verstärkerschaltungen und elektrischen Kontakten verbunden, die in Regel als Lötkontakte ausgebildet sind.
Die Führungsstifte 41 der Koppler haben denselben Abstand wie die Führungslöcher 22 in der optischen Lage. Normalerweise liegen sowohl die Enden der optischen Leiter in der optischen Lage als auch die Enden der optischen Leiter in dem Koppler symmetrisch auf der Verbindungslinie der Führungslöcher 22 bzw. Führungsstifte 41 und haben in der optischen Lage wie auch dem Koppler den gleichen Abstand. Dieses wird beispielsweise dadurch erreicht, daß in einem Formteil Gräben für sowohl die optischen Leiter als auch die Führungsstifte vorgesehen sind. Nach dem Einlegen der optischen Leiter wird ein zweites, meist gleiches, Formteil aufgelegt und so dieser Teil des Kopplers - meist durch Verkleben - geschlossen. Danach wird die Fläche, in der die optischen Leiter austreten, poliert, um die Übergangsverluste zu vermindern. Anschließend werden die Führungsstifte in die durch die Gräben bewirkten Löcher eingesetzt.
Die Härte der optischen Lage, die beispielsweise aus Polycarbonat besteht, reicht aus, um die Führungsstifte auf den Bruchteil eines Durchmessers eines Lichtleiters genau zu positionieren. Die Oberfläche der Unterseite 41 der Koppler liegt auf der Deckfolie der optischen Lage bündig auf. Das Licht von bzw. zum Koppler tritt durch diese Decklage hindurch.
Bevorzugt haben die Führungsstifte nur eine aus der Unterseite herausragende Länge, die der Dicke der optischen Lage entspricht, im Beispiel also 0,3 mm. In diesem Fall ist eine Freistellung an der Stelle der Führungslöcher in der unteren Lage 30 nicht notwendig. Alternativ kann jedoch auch um jedes der Führungslöcher eine relativ kleine Freistellung von beispielsweise 2 mm Durchmesser in der unteren Lage 30 vorgesehen sein (in Fig. 3 nicht gezeigt). In diesem Fall werden die Führungsstifte in dem Koppler wesentlich länger als die Dicke der optischen Lage ausgeführt und bevorzugt mit einer deutlichen Fase am Ende versehen oder konisch ausgebildet.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der Führungslöcher verwendet eine Präge-Mater, bei der die insbesondere zylindrische Führungslöcher durch die gesamte Materialstärke hindurch geprägt werden. Dieser Vorgang wird auch als "Durchprägen" bezeichnet. Die Deckschicht 13 ist nunmehr nicht vollständig durchgehend, sondern wird gleichfalls durch Prägen oder Stanzen mit Löchern versehen, die mindesten um soviel größer sind als die Führungslöcher wie die Positioniergenauigkeit beim nachfolgenden Aufbringen der Deckschicht beträgt. Diese beträgt beispielsweise 0,1 mm, so daß die Löcher in der Deckschicht einen Durchmesser von 0,95 mm haben, um die in der Trägerfolie befindlichen durchgeprägten Löcher sicher freizulassen. Die Führungsstifte an den Kopplern 40 sind wie bisher ausgebildet und werden in diesem Fall auf dem ersten Drittel, d. h. dem der Deckschicht entsprechenden Dicke, nicht geführt.
Nach dem Einsetzen und dem durch die Führungslöcher bestimmten Einrasten in die richtige Position werden die Koppler mit anderen Mitteln endgültig befestigt. Dies können Schraub- oder Klebeverbindungen sein. Auf jeden Fall müssen diese so gestaltet sein, daß durch die Lötung der elektrischen Anschlüsse die Koppler auf der optischen Lage nicht verrutschen. Beispielsweise kann die Freistellung nach dem Einsetzen des Kopplers mit einem selbstpolymerisierenden optischen Kleber ausgefüllt werden, der gleichzeitig in die Übergangsschicht zwischen der Unterseite des Kopplers und der Oberseite der optischen Lage eindringt und damit die Kopplung verbessert. Alternativ kann hier und den weiter unten dargestellten Fällen auch ein indexangepasstes Gel verwendet werden.
Alternativ kann der Koppler über lösbare Kontakte mit der Leiterplatte verbunden werden, wobei die Einsetzrichtung senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte ist. Durch die Führungselemente an dem Koppler bzw. in der optischen Lage werden die optischen Anschlüsse passend ausgerichtet. Entweder werden die Koppler wie vor verschraubt, verklebt oder sonstwie dauerhaft befestigt. Es ist aber auch möglich, durch einen Federbügel oder andere Maßnahmen einen Andruck in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte zu bewirken. Dies fixiert einerseits die Führungselemente zueinander. Andererseits kann damit gleichzeitig die lösbare elektrische Kontaktverbindung gesichert werden.
Bislang wurde beschrieben, daß MT-Führungsstifte in dem Koppler verwendet werden, die in Führungslöcher in der optischen Lage greifen. Es ist aber ohne weiteres auch möglich, bei der Herstellung der Formteile für den Koppler 40 an deren Unterseite 44 Einbuchtungen oder Ausnehmungen zu erzeugen, so daß die Verwendung von separaten MT-Stiften entfällt. Bei einer Dicke von 100 µm der Deckschicht und 200 µm der optischen Lage müßten diese Ausformungen um 300 µm oder 0,3 mm auftragen. Dies ist bei bekannten Ausformverfahren problemlos möglich. Da sie mit demselben Herstellungsschritt hergestellt werden, mit dem auch die Gräben für die optischen Fasern 42, die von der Oberfläche zu den elektro-optischen Elementen 43 führen, hergestellt werden, ist die notwendige hohe Genauigkeit erreicht.
Werden derart angeformte Ausformungen verwendet, dann ist deren Höhe gut beherrschbar. Daher ist es in diesem Fall auch nicht notwendig, durchgehende Löcher in der optischen Lage vorzusehen. Vielmehr ist es ausreichend, dort Vertiefungen zu prägen, die beispielsweise 3/4 der Schichtdicke, also zum Beispiel 150 µm, betragen. Die Ausformungen müßten dann 350 µm auftragen, wenn die Deckschicht 100 µm dick ist.
Dabei ist es auch möglich, anstelle von zylindrischen Löchern und Stiften andere Formen zu verwenden. Dies sind inbesondere quaderförmige Ausnehmungen und Ausformungen. Eine leichte Trapezform im Querschnitt sorgt dafür, daß bei der Positionierung die Kanten gut greifen. Bei passend gewählten Materialien kann auch ein Graben mit dreieckigem Querschnitt sinnvoll sein. Ferner können auf jeder Seite zwei Führungselemente vorgesehen werden, die insbesondere zu einem kreuzförmigen Gebilde mit rechteckigem, trapezförmigem oder dreieckigem Querschnitt der Schenkel zusammenrücken. Im Extrem entsteht dann eine Struktur in Form einer Pyramide.
Dabei kann ohne weiteres auch die Ausformung auf der optischen Lage und die Ausnehmung in dem Koppler vorgesehen sein. Letzteres hat den Vorteil, daß das Polieren der Oberfläche mit den optisch wirksamen Teilen wesentlich einfacher ist. Für die optische Lage ist es sowohl möglich, die mechanischen Führungselemente als Ausformungen als auch als Ausnehmungen vorzusehen. Letztere werden durch Vertiefungen im Prägestempel erreicht.

Claims

1. Optische Lage mit optischen Wellenleitern, an deren Enden die Ankopplung der optischen Signale durch Strahlung quer zur Ebene der optischen Lage bewirkt wird, gekennzeichnet dadurch, daß nahe den Enden der optischen Wellenleiter mechanische Führungskonturen auf der optischen Lage vorgesehen sind, deren Positionen in Bezug zu den Enden der optischen Wellenleiter vorbestimmt sind.

2. Optische Lage nach Anspruch 1, wobei die optische Lage eine Trägerfolie umfaßt, in der sowohl die Lage der Wellenleiter wie auch die Lage der Führungskonturen durch denselben Schritt des Herstellungsprozesses bestimmt sind.

3. Optische Lage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mechanischen Führungselemente prismatische oder zylindrische Öffnungen sind, deren Wandungen die Positionen bestimmen.

4. Optische Lage nach Anspruch 4, wobei die Führungselemente durchgehende Löcher in der Trägerfolie sind.

5. Optischen Lage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mechanischen Führungselemente vorstehende Ausformungen sind.

6. Optische Lage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Lage aus einer Trägerfolie und einer Deckschicht besteht, die Führungselemente in der Trägerfolie vorhanden sind und die Deckschicht im Bereich der Führungselemente Ausnehmungen aufweist.

7. Optischen Lage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optischen Wellenleiter an ihren Enden verspiegelt sind.

8. Leiterplatte mit elektrischen und optischen Lagen, wobei die optische Lage nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführt ist.

9. Herstellungsverfahren für eine optische Lage für eine Leiterplatte mit optischen Verbindungen, mit den Schritten:

- eine optische Lage wird durch Prägen von Kanälen für optische Wellenleiter auf einer Trägerfolie, Ausfüllen der Kanäle und Laminieren mit einer Deckschicht hergestellt.

- an durch die Prägung bestimmten Positionen werden mechanische Führungselemente erzeugt.

10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, wobei die Führungselemente dadurch erzeugt werden, daß durch die Prägung Positionsmarken erzeugt werden, mittels derer ein Bohrwerkzeug Führungsöffnungen erzeugt.

11. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, wobei durch die Prägung der Trägerfolie durchgehende Führungslöcher erzeugt werden und die Deckschicht Ausnehmungen für die Führungslöcher aufweist.

12. Herstellungsverfahren für eine Leiterplatte mit optischen Verbindungen, bei dem zunächst eine optische Lage nach einem Ansprüche 9 bis 11 hergestellt wird und diese sodann in eine Leiterplatte eingebettet wird, wobei eine Freistellung mindestens einer Seite vorgesehen ist, die die Enden der optischen Wellenleiter und die Führungsöffnungen zugänglich läßt.

13. Koppelelement zum Anschluß an in einer Leiterplatte enthaltenen optischen Wellenleitern, mit den Merkmalen:

- Das Koppelelement hat einen Bereich mit einer planen Koppelfläche,

- auf der planen Koppelfläche sind optisch wirksame Zonen und

- mechanische Führungselemente vorhanden, deren Lage in Bezug zu den optisch wirksamen Zonen vorbestimmt ist.

14. Koppelelement nach Anspruch 13, wobei die Position der mechanischen Führungelemente und die Position der optisch wirksamen Zonen durch denselben Schritt des Herstellungsprozesses bestimmt sind.

15. Koppelelement nach Anspruch 13 oder 14, wobei als mechanische Führungselemente zylindrische Stifte verwendet werden, die in Ausnehmungen in dem Koppelelement eingepaßt sind.