IC光互連研究對有機光波導材料發起新一輪的挑戰

 

刊登日期:2015/10/5
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將電路板中之電回路升級為高頻寬且低 EMI干擾之光回路,在台灣已經不再是處於紙上談兵的觀望期;由於國外材料廠為開闢光波導材料市場,在基於養魚策略下,已經協助國內許多 PCB廠進行光傳輸 PCB的雛型產品開發。然而業界由於新通訊協定的硬體層更改不易,加上耗電量並未有顯著降低,導致光傳輸技術並未滲透到消費型電子產品上。近來為解決高速電腦耗電量問題,IBM等國外大廠已經在母板間以光纖串起的光通訊實現低耗能的大資料傳輸。隨著資料量的不斷倍增,高速電腦已發展到需要從晶片直接對晶片進行光傳輸才能有效降低耗電量。要實現 IC光互連必須要使用有機光波導協助連接光纖與光晶片,早期設計在電路板內使用的有機光波導材料並不適用於更密集通道數,耐熱性要求更高的 IC載板上。面對舊應用未起,新應用又更具挑戰的有機光波導開發商該如何因應,本文將簡要介紹國際開發現況並針對國內材料及電路板廠商提供適當建議。


圖二、在筆電中使用的光傳輸模組

光傳輸技術介紹
以光纖傳導訊號用於長途通信上已經為人類帶來巨大的便利性與效益;時下的網路巨擘如 Google、Facebook、eBay、Yahoo等公司仰仗的是光纖網路所建構的資訊流通,而人人可負擔的國際電話費率也是拜光纖網路所賜。目前光傳輸技術已經廣泛應用在長距離通訊及區域網路上,這是因為以電子來傳遞訊號,在訊息的傳遞及切換速率上有其物理極限。金屬導線上高頻的電子訊號會產生更嚴重的高阻抗、能耗、串訊及電磁干擾等問題。相較之下,光傳輸不但頻寬非常寬廣,傳輸損失也非常低且沒有電磁干擾的問題。由於長距離光通訊的成功,使得科學家開始思考短距離光通訊的應用需求,目的是為了解決傳統金屬導線的電子訊號傳遞速率無法跟上處理器日益增加之時脈的問題,這些問題常見於背板、母板或是模組當中。

在PCB中導入光傳輸技術
光傳輸技術簡單地說是由光發射模組、光傳導通道及光接收模組所構成。建構光訊號的傳輸途徑因為有許多的方法與材料可供選擇,製程彈性很高卻不見得有利於光傳輸技術運用於電路板中。採用光波導或是光纖埋入,其對應的光元件設計、對位方式與封裝方法都不一樣,短期間很難建立共通的製程標準來降低製造成本。光訊號的傳輸將因所選擇的方法與材料產生很大的成本差異,換言之,目前要在電路板做到耐久性高的單通道 20 GHz光傳輸規格會很貴,而單通道 6 GHz以下或不特別要求耐久性的產品則會相對便宜。現在光傳輸技術的研究,很大一部分是在解決光元件和光波導在電路板上的配置方式,這配置方式將決定是否能用業界工廠既有的量產設備來製作光傳輸電路板。

在高速運算設備中導入光傳輸技術
由於雲端運算及大數據應用的發展,資料中心要處理的數據流成長不斷創新高,高效節能的硬體設備將是建造資料中心的首選。高速電腦的效能增加同樣也面臨耗電量大增的問題,著眼未來長期技術發展,在次系統模組導入光傳輸技術以提供更高寬頻交換內部數據的作法已成為主流。

2. 光波導膜如何連接載板與載板(或母板)
IBM技術研發中心雖然分散在全球各國家,但是研發方向卻一致而分工,非常令人好奇他們如何進行技術開發之規劃聯繫與資源分配。先前曾提到,光波導膜在連接載板與載板或載板與母板時可以採用有機光波導膜或是光纖排線;IBM選擇各地分工,由IBM美加團隊與IBM美日團隊分別開發光纖排線與有機光波導膜之可量產被動對位方法……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖八、IBM利用透明高分子覆蓋片固定單模光纖實現Pick-and-place

作者:李文欽/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」346期,更多資料請見下方附檔。


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