Kopioi artikkelin PDF-versio
Tulevaisuuden piirilevy sisältää perinteisten kuparijohtimien lisäksi valokanavia. Optiset väylät siirtävät tietoa mikropiirien ja -moduulien välillä hyvin suurella nopeudella ja ovat tunnottomia sähkömagneettisille häiriöille.
Prosessorien kellotaajuuden kasvaessa piirilevyjen sähköisten väylien suorituskyky on muodostumassa pullonkaulaksi. Samoin on käymässä muun muassa tietoliikennejärjestelmien taustalevyjen siirtokapasiteetin osalta. Sähköisten siirtolinjojen suorituskykyä rajoittavat fysikaaliset tekijät ovat jo vastassa.
Optisilla väylillä on mahdollista saavuttaa edelleen suurempia siirtonopeuksia ja samalla parantaa häiriönsietokykyä. Valokuitulinkkejä käytetään jo piiri- ja taustalevyjen välillä, mutta optiikka on tulossa myös piirilevyihin mikropiirien väliseen tiedonsiirtoon.
Valolla eroon kuparin rajoitteista
Kasvavat vaatimukset laitteiston suorituskyvylle ja laitekoon pieneneminen aiheuttavat jo lähitulevaisuudessa miltei ylitsepääsemättömiä ongelmia tavanomaiselle piirilevytekniikalle. Suuret kellotaajuudet ja nopeat pulssin nousu- ja laskuajat vaativat lähinnä mikroaaltotekniikassa totuttujen suunnittelunäkökohtien huomioimista.
Tavanomainen piirilevytekniikka alkaa olla järkevin toimenpitein saavutettavan suorituskykynsä ylärajoilla. Yksi mahdollisuus on täydentää sähköistä signaalinsiirtoa optisella siirtotiellä, jonka kaistaleveys on huomattavasti suurempi. Myös ylikuulumisongelmat sekä sähkömagneettiset immuniteetti- ja yhteensopivuusasiat (EMI/EMC) ovat paljon helpommin hallittavissa. Jos optisten väylien integrointi piirilevyyn saadaan toteutettua tehokkaasti, ei ratkaisu monimutkaisuudeltaan tai tehonkulutukseltaan merkittävästi poikkea aktiivisesti kompensoidusta sähköisestä väylästä. Myös suunnittelu helpottuu, kun ei tarvitse huomioida sähköisen siirtotien optimointia impedanssiepäjatkuvuuksien suhteen.
Optiset taustalevyt
Lyhyen kantaman optisia tiedonsiirtotekniikoita voidaan jaotella fysikaalisen kanavatyypin kannalta.
Perinteinen ratkaisu on valokuitukaapeli. Suurinta kapasiteettia tarjoavat kuitunauhoihin perustuvat linkit, joissa yhdellä lähettimellä ja vastaanottimella siirretään dataa rinnakkaisesti useassa kuidussa. Kuitujen käsittelyn helpottamiseksi on kehitetty automatisoituja menetelmiä eräänlaisten johdinsarjojen valmistamiseksi. Tällaisia ovat esimerkiksi ohuet kuitulevyt. Kaikesta huolimatta kuitulinkkien yleistymistä piirilevyetäisyyksillä rajoittaa kaapelointityyppinen käsiteltävyys, kuitujen ja liittimien tilantarve sekä usein korkea hinta.
Optinen siirtotie voidaan toteuttaa myös vapaan tilan linkillä, jolloin säteet eivät etene rajoitetussa kanavassa vaan suunnataan lähettimeltä vastaanottimelle. Tulevaisuudessa vapaan tilan linkkejä saatetaan käyttää hyvin lyhyillä etäisyyksillä ja suljetussa tilassa, kuten mikropiirien välillä moduulin sisällä. Sen sijaan soveltuvuus piirikorttitason yhteyksiin on kyseenalaista, lähinnä vaativien kohdistustarkkuuksien sekä ympäristötekijöiden vuoksi.
Uusinta tekniikkaa edustavat valokanavat, jotka ovat kuitujen tapaan taitekerroinrajapinnassa tapahtuviin kokonaisheijastuksiin perustuvia aaltojohteita, mutta jotka valmistetaan jollekin alustalle kuvioimalla optista materiaalia. Valmistamalla valokanavia piirilevylle sähköisten liuskajohtimien tapaan saadaan yhdistettyä optiset ja sähköiset siirtotiet samaan alustaan. Tätä vielä kehitysasteella olevaa optosähköistä piirilevyteknologiaa pidetään erittäin lupaavana.
Valokanavan valmistustekniikat
Piirilevylle toteutettavat optiset siirtolinjat ovat poikkileikkaukseltaan ainakin sadan mikrometrin suuruusluokkaa, jotta optisen komponentin kohdistaminen valokanavaan helpottuisi. Suhteellisen suurten dimensioiden ja tasomaisten geometrioiden ansiosta kanavan valmistuksessa voidaan käyttää perinteisiä paksukalvo- ja mikrotyöstötekniikoita.
Useissa demonstraattoreissa valokanava on valmistettu kuvionsiirtotekniikalla valolitografiaa ja märkä- tai kuivasyövytysprosesseja käyttäen. Olemassa oleva tuotantokalusto ja hyvin tunnetut prosessit ovat litografian etuina, mutta ongelmana on valokuvioitavien paksukalvopolymeerien niukka saatavuus. Toinen valokuviointitekniikka on erityisesti suurten pintojen prosessointiin soveltuva lasersuorakirjoitus, jota esim. DaimlerChrysler on käyttänyt.
Perinteiset mikro-optiikan replikointitekniikat, kuten kuumakohokuviointi ja ruiskuvalaminen, sopivat myös valokanavan valmistukseen. Tällöin prosessin tarkka lämpötilaprofiilin hallinta on avainasemassa vältettäessä materiaalin optisten ominaisuuksien muuttuminen.
Jotta valo kilpailisi myös kustannuksiltaan sähköisen siirron kanssa, teknologialta edellytetään massatuotantokelpoisuutta. Sekä maskilitografiaan pohjautuva monivaiheinen valokuviointitekniikka että skannaustyyppinen laserkirjoitus ovat prosesseja, joissa läpimenoajat ovat pitkiä. Niinpä onkin käynnistetty tutkimuksia korkean volyymin painotekniikkaan perustuvien rullalta-rullalle-tyyppisten tekniikoiden soveltuvuudesta optiikan valmistukseen.
Optiikka tuo uudet haasteet valmistukselle
Elektroniikan ja optiikan valmistuksen keskeisenä erona ovat optiikan puhtaus- ja tarkkuusvaatimukset. Optisen signaalin vaimentumiseen vaikuttavat aineen ominaisabsorption lisäksi rakenteen epäideaalisuuksista aiheutuvat sirontailmiöt. Nämä johtuvat muun muassa materiaaliin absorboituneista epäpuhtauksista ja kosteudesta, kanavan reunojen karheudesta, huokosista sekä lämpötilan synnyttämien jännitysten aiheuttamista vaurioista kuten delaminaatiosta tai säröilystä. Valokanavan pinnankarheusvaatimus on kymmenen nanometrin suuruusluokkaa.
Mikäli valittavalta polymeeriltä ei löydy riittävää taitekertoimen säädettävyyttä joudutaan käyttämään eri materiaaleja valokanavan ydin- ja kuorikerroksissa. Tällöin rajapintojen termomekaaninen ja kemiallinen yhteensopivuus sekä adheesiokysymykset nousevat keskeisiksi luotettavuuden määrääviksi tekijöiksi.
Valokanavan valmistuksen ohella keskeinen haaste liittyy komponentin ja kanavan rajapintaan. Useimmissa demonstraattoreissa kanava on sijoitettu levyn sisälle mekaanisen ja termisen suojauksen takia. Liitettäessä lähetin- ja vastaanotinpiirit levyn pinnalle, valo joudutaan kääntämään 90 astetta valokanavaan. Toinen lähestymistapa on välttää valon kääntäminen tuomalla optinen lähetin- ja vastaanotin suoraan valokanavan päähän.
Materiaali määrittää ominaisuudet
Valokanavan suorituskykyyn vaikuttavat keskeisimmät parametrit ovat ytimen materiaali sekä kanavan taitekerroinprofiili. Huolimatta lasin erinomaisesta valon läpäisevyydestä, polymeerien mekaaninen kestävyys, laaja matalanlämpötilan prosessointimenetelmien valikoima, edullinen hinta ja keveys ovat kiistattomia etuja materiaalin valinnassa piirilevytason valokanaville.
Optisilta materiaaleilta vaaditaan korkean läpäisevyyden lisäksi monia yhteensopivuuden ja kestävyyden kannalta tärkeitä ominaisuuksia. Polymeerien ongelmana on erityisesti heikko lämmönkesto ja ominaisabsorptiosta johtuva korkeahko optinen vaimennus. Tämän hetken optisilla polymeereillä vaimennus on suuruudeltaan 0,1-0,5 desibeliä senttimetriä kohti lyhyen etäisyyden tiedonsiirrossa suositulla 850 nanometrin aallonpituudella. Halogenoiduilla polymeereillä saavutetaan matalampia vaimennuksia, mutta hinnan lisäksi ongelmana on materiaalien haitallisuus ympäristölle.
Valokanavaan soveltuvia polymeerejä
Optisia polymeerejä on kehitetty paljon, mutta erityisesti valokuviointiin soveltuvia kaupallisia polymeerejä on saatavilla vasta rajoitetusti ja ominaisuudet on kehitetty sovelluskohtaisiksi. Piirilevyväyliä ajatellen tutkimusta tarvitaan erityisesti valokuvioitavien, taitekerroinsäädeltävien paksukalvomateriaalien osalta.
Polymetyylimetakrylaatti (PMMA) on tunnetuin läpinäkyvä polymeeri ja myös paljon käytetty optisissa sovelluksissa. PMMA ei kuitenkaan kestä kokoonpanossa käytettäviä juotoslämpötiloja. Polyimidit (PI) ovat termisesti kestäviä, mutta edellyttävät korkean lasisiirtymäalueen omaavia substraatteja. Epoksimateriaalien (EP) etuina ovat puolestaan korkea lämmön ja kemikaalien kesto, vähäinen veden absorptio ja kutistuminen sekä erinomainen adheesio useisiin materiaaleihin.
Uusi ryhmä ovat sykliset olefiinikopolymeerit (COC), joiden erityispiirteitä ovat muun muassa matala kahtaistaitteisuus ja alhainen veden absorptio, minkä ansiosta ne soveltuvat erinomaisesti valoaaltokanavan materiaaliksi. Myös epäorgaanisella osalla modifioituja sol-gel-tyyppisiä hybridimateriaaleja tutkitaan. Niillä on optisten ominaisuuksien lisäksi hyvät sähkön eristysominaisuudet ja demonstroiduissa hybridilevyissä on saavutettu suuri pakkaustiheys prosessoimalla samaan kerroksen sekä optiset että sähköiset väylät.
Valolähteet ja -ilmaisimet väyläpiireihin
Sopivimpana valoa emittoivana lähetinkomponenttina nopeisiin optisiin liityntöihin pidetään pintaemittoivaa VCSEL-diodia (vertical-cavity surface-emitting laser). VCSEL-diodeja voidaan helposti valmistaa monoliittisinä riveinä tai matriiseina, jotka soveltuvat tiheän rinnakkaisväylän toteutukseen.
Tyypillisessä optisessa väylätoteutuksessa 16 kappaletta 622:n megabitin väyliä niputetaan yhdeksi noin 10 gigabitin optiseksi väyläksi. Koska piirilevytasoiseen siirtoon kehitettyjä komponentteja ei tälle nopeudelle ole vielä markkinoilla, on toteutuksessa turvauduttava pidempien yhteyksien standardien komponentteihin (kuten Sonet/OC-192). Rinnakais/sarjamuunnos-piirit (SerDes) ovat samankaltaisia sähköisillä väylillä käytettyjen kanssa, joskin ne voivat sisältää optiseen rajapintaan liittyviä systeemilohkoja, esimerkiksi rajoitinvahvistimen, sekä usein myös kellonpalautuslohkon.
VCSELin ohjainpiirin tehtävänä on muodostaa oikea toimintapisteen asetusvirta sekä datasignaalin tahdissa vaihteleva laserin lähettämän valon intensiteettiä moduloiva virta. Vastaanotinpään ilmaisindiodilta (PIN- tai MSM-tyyppinen) saatava valon intensiteettiin verrannollinen virtasignaali muutetaan jännitteeksi transimpedanssivahvistimessa (TIA) ja jännitteenvaihtelut vahvistetaan edelleen rajoitinvahvistimessa logiikkastandardiin sopiviksi (esim. CML).
Optisen väylän tarvitsema analoginen signaalinkäsittelyelektroniikka (laserohjain, transimpedanssi- ja rajoitinvahvistimet) kuluttaa nykyisillä kaupallisilla komponenteilla tehoa luokkaa 0,5-2 wattia ja se saadaan integroitua laserin ja valoilmaisimen kanssa varsin pieneen tilaan, esimerkiksi mikropiirin pakkausalustalle. Yhdistepuolijohteista valmistetut laser ja vastaanotin voidaan liittää esimerkiksi flip-chip-bondaamalla. Ilmaisin voidaan valmistaa myös piistä, mutta sen ja esivahvistimen monoliittinen integroiminen logiikkapiirille tuskin kannattaa, koska tällöin vastaanottimen ominaisuudet eivät olisi optimoitavissa. Toisaalta VCSEL-tekniikan kehittyessä voidaan ehkä välttää erillisen ohjaimen tarve.
Kokoonpano vaatii tarkkuutta
Erityisesti optolektroniikassa pakkaaminen on usein merkittävässä osassa jonkin teknologian kaupallista hyödynnettävyyttä määritettäessä. Optisissa piirilevyissä suuri haaste on valotehon kytkeminen lähettimestä (laser) valokanavaan ja vastaanottimen puolella kanavasta valoilmaisimelle ilman merkittäviä häviöitä.
Kytkentähäviö ei myöskään saisi oleellisesti kasvaa kokoonpanossa syntyvien paikoitusvirheiden seurauksena. Vaikka kytkentähyötysuhdetta sekä asemointitoleransseja voidaan parantaa mikro-optisilla komponenteilla, kokonaistarkkuusvaatimukset ovat ehkä jopa 50 mikronin luokkaa eli hyvin haasteellisia nykyteknologioille.
Optiset liitännät tuovat lähes väistämättä uusia vaatimuksia pakkaus- ja kokoonpanoteknologioihin. Esimerkiksi välitäytemateriaalien (underfill) tulee olla läpinäkyviä kyseisellä aallonpituudella ja toisaalta välitäytteiden käyttöä saatetaan myös vaatia, sillä ilmarako komponentin ja valokanavan välissä saattaisi olla luotettavuusongelma, esimerkiksi kertyneen pölyn vaimentaessa optista signaalia. Yleensäkin monet luotettavuuskysymykset vaativat vielä tutkimusta, vaikka yksittäisten komponenttien luotettavuus tiedetään hyväksi.
Optinen kanava sähköistä nopeampi
Nykyisenä maksiminopeutena tavanomaisella piirilevytekniikalla voidaan pitää 10 gigabittiä sekunnissa. Se on raportoitu Gennum Corporationin ja Tyco Electronicsin koejärjestelmälle, jossa 10 gigabitin signaalia siirrettiin 0,6 metriä tavanomaisella FR-4-piirilevyllä differentiaalista siirtojohtoa pitkin. Kaikki heijastuksia aiheuttavat epäjatkuvuudet oli minimoitu ja taajuusriippuvaiset häviöt oli kompensoitu aktiivisesti.
Optisen linkin suorituskyky määräytyy siirtotien kohinasta, kaistaleveydestä, sekä optisesta tehobudjetista, joka muodostuu lähettimen optisesta tehosta, vastaanottimen herkkyydestä sekä optisesta vaimennuksesta siirtotiellä. Nykykomponenteilla sallittu vaimennus nopeudella 10 gigabittiä sekunnissa on luokkaa 10 desibeliä, mikä on soveltuville valokanavamateriaaleille ja optisille rakenteille varsin haasteellinen mutta mahdollistanee piirilevytason siirtoetäisyydet ja lyhyillä linjoilla myös pienen jakosuhteen haaroituksen.
Ylimpänä väylän suorituskykyä rajoittaa valokanavan kaistanleveys, joka määräytyy lähinnä ytimen ja kuorikerroksen taitekertoimien erosta. Käytännössä piirilevyyn integroidun kanavan kaistanleveys mahdollistaisi jopa kymmenien gigabittien sekuntinopeuden, ja kuitunauhoista yleistyneellä jakovälillä kanavia saataisiin rinnakkain neljä millimetriä kohti. Tänä päivänä kuitenkin linkin nopeuden rajaa sopivien optoelektronisten komponenttien kaistanleveys.
10 gigabitin VCSELit ovat tulossa markkinoille, mutta komponenttiteknologioissa nähdään vielä kehityspotentiaalia suurempiin nopeuksiin. Toisaalta paksuille valokanaville optimaalisia ilmaisimia ei edes ole markkinoilla, vaan kaikki on suunniteltu kuiduille.
Aiheesta enemmän
TKK:n Elektroniikan valmistustekniikan laboratorio: http://www.ept.hut.fi/Research/OHIDA
VTT Elektroniikka: http://www.vtt.fi/ele/projects/ohida
Kuituoptinen taustalevyteknologia (AIT): http://www.ait-incorp.com
Optosähköinen hybridipiirilevyteknologia (EOCB), Siemens C-Lab: http://www.c-lab.de/home/en/f-e-projects/OIT
Valokanavalaminaatit, Optical Crosslinks: http://www.opticalcrosslinks.com
Valokanavamateriaaleja, Teraherz Photonics: http://www.thzonline.com
VCSEL:it ja detektorit, Honeywell: http://content.honeywell.com/vcsel
Optisen väylän integroimista piirilevyyn on tutkittu jo vuosia. Keskeisenä tekijänä kehitykselle on ollut matalahäviöisten polymeerien ja pintaemittoivien laserien kehitys.
Optiset piirilevyt perustuvat haudattuihin polymeeri- tai lasivalokanaviin, jotka liitetään joko levyn pinnalle tai levyn keskelle sähköisten kerrosten väliin.
Muutamia lisensoitavia valokanavatekniikoita on jo saatavilla. DaimlerChrysler on kehittänyt mikro-optiseen liitäntään perustuvan taustalevyn lähinnä ilmailuteollisuuden sovelluksia ajatellen. Piirilevylle haudatun polymeerikanavan päihin on liitetty peili-ja linssirakenteet valon ohjaamista varten.
Demonstraattorilla on osoitettu metrin pituisella väylällä 2,5 gigabitin siirtonopeus ja pilotoinnit 10 gigabitin saavuttamiseksi sekunnissa ovat käynnissä. Liittimiä ja piirilevyjä valmistava Erni ilmoitti äskettäin lisensoineensa DaimlerChryslerin tekniikan ja kehittelevänsä sen tuotannollista valmistamista yhteistyössä korkean teknologian alustoihin erikoistuneen Varioprintin kanssa.
Toinen valokanavapohjainen ratkaisu on Fraunhofer Instituten ja Siemensin C-Labin kehittämä EOCB-hybridikonsepti, jossa piirilevyrakenteeseen laminoidaan optiset väylät sisältävä erillinen kalvorakenne. Kalvon sijoittaminen levyn keskelle suojaa valokanavia termisiltä ja mekaanisilta rasituksilta muun muassa komponenttien liittämisen ja tuotteen käytön aikana. Etuna on kalvon yhteensopivuus nykyisiin valmistusprosesseihin.
PPC Electronic ja ISOLA ovat aloittaneet yhteistyön matalan lämpölaajenemiskertoimen (CTE = 4 - 6 ppm/K) ohutlasimateriaalin kehittämiseksi. PPC Electronicin patentoimalla lasikanavatekniikalla saavutetaan suuri suorituskyky alhaisen vaimennuksen vuoksi sekä hyvä yhteensopivuus lasikuitulujitettuihin epoksilaminaatteihin, mutta valmistustekniikka on kallis. Materiaalin kerrotaan olevan saatavilla vielä tämän vuoden aikana.
Japanissa on tutkittu erityisesti kuitukimppujen hautaamiseen pohjautuvia ratkaisuja, mutta esimerkiksi NTT-AT on kehittänyt polymeerimateriaaleja planaareihin optisiin piirilevyihin.
Vaikka valokanavatekniikka tulee piirikorteille useiden arveluiden mukaan jo 3 - 5 vuoden kuluessa, monia kysymyksiä erityisesti kanavan liitäntärajapinnassa on vielä ratkaisematta. Paljon tutkimusta tarvitaan ennen kuin kaikki palaset ovat saatavilla, niiden luotettava toiminta on varmistettu ja hinta on kilpailukykyinen.
Aaltokanavamateriaaleilta vaadittavia ominaisuuksia:
- Vähäinen optinen vaimennus
- Hyvä taitekertoimen kontrolloitavuus ja räätälöitävyys
- Optisten ominaisuuksien säilyminen ympäristö- ja lämpörasituksessa
- Korkea lasisiirtymäalue ja lämmönkestävyys
- Helppo prosessoitavuus alhaisessa lämpötilassa
- Lämpölaajenemiskerroin yhteensopiva muiden rakennemateriaalien kanssa
- Hyvä mekaaninen lujuus
- Alhainen veden ja kosteuden absorptio
- Hyvä tasomaisuus
- Hyvä ympäristöolosuhteiden kestävyys
- Ympäristöystävällisyys
- Alhainen hinta
Taustat
Kirjoittajat: DI Mikko Karppinen, projektipäällikkö, FM Antti Tanskanen, tutkija, OHIDA-projekti, VTT Elektroniikka. Professori Jorma Kivilahti, TKK:n Elektroniikan valmistustekniikan laboratorion ja Elektroniikan tutkijakoulun johtaja Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osastolla. Marika Immonen, Elektroniikan valmistustekniikan laboratorion OHIDA-projektin TKK:n projektipäällikkö. Riia Lankinen, TKK, OHIDA-projekti.
Yhteyshenkilö: mikko.karppinen@vtt.fi.
Tutkimus: OHIDA (Optics on future printed circuit board in high-speed data transmission applications)
Yhteistyössä: Aplac Solutions, Aspocomp, Asperation, Perlos, Elcoteq Network, Teknillinen korkeakoulu ja VTT Elektroniikka.
Teknologiaohjelma: ELMO