Opto-Elektronik

High-Speed-Durchkontaktierungen in glasbasierten Schaltungsträgern

| Autor / Redakteur: C. Ranzinger, C. Herbst, M. Queisser, M. Neitz, H. Schröder * / Franz Graser

Bild 1: Konzept für elektro-optische Leiterplatten mit planar integrierten Wellenleitern(blau)
Bild 1: Konzept für elektro-optische Leiterplatten mit planar integrierten Wellenleitern(blau) (Bild: TU Berlin)

Mit zunehmender Datenübertragungsrate stoßen Kupferleitungen an ihre technischen Grenzen. Die Einführung hybrider opto-elektrisch integrierter Verbindungstechnik kann diese Nachteile überwinden.

In der konventionellen Leiterplattentechnik werden Signale zwischen den elektronischen Bauelementen einer Schaltung über geätzte Kupferleiterbahnen übertragen. Mit zunehmender Datenübertragungsrate stößt die Kupfertechnik jedoch schnell an ihre physikalischen Grenzen. Die übertragbare Bandbreite auf elektrischen Leiterbahnen ist proportional zum Leiterquerschnitt und umgekehrt proportional zum Quadrat der Länge des Leiterzuges.

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Zukünftige Leiterplatten müssen Bandbreiten in der Größenordnung von 25 bis 50 Gb/s unterstützen. Um eine hohe Signalintegrität zu erhalten, müssen dazu jedoch zusätzliche Treiber- und Gleichrichterbauelemente integriert und hochfrequenztaugliche Basismaterialien verwendet werden. Darüber hinaus führen die notwendigen Maßnahmen zur elektromagnetischen Schirmung vor allem im Steckkontaktbereich der Leiterplattenkante zu begrenzter Kanaldichte.

Elektrische Signale werden in Licht umgewandelt

Diese Nachteile können durch die Einführung hybrider opto-elektrisch integrierter Verbindungstechnik überwunden werden. Die elektrischen Signale werden in Lichtsignale umgewandelt, über Lichtwellenleiter im Schaltungsträger störungsfrei übertragen, vom Empfänger wieder in elektrische Impulse zurück gewandelt und anschließend konventionell weiterverarbeitet. Für die Signalwandlung sind bereits jetzt die notwendigen Komponenten – VCSEL (vertical cavity surface emitting lasers) und Photodioden – verfügbar. Im Vergleich zur konventionellen elektrischen Technik ist die Entwicklung schon so weit, dass Komponenten, die Datenraten von 40Gb/s unterstützen, bereits als Prototypen verfügbar sind.

Potenzielle Einsatzgebiete dieser EOCB („Electrical-Optical Circuit Boards“) sind überall dort gegeben, wo auf kurzen Strecken Übertragungsraten realisiert werden müssen, die elektrisch nur mit hohem Aufwand oder gar nicht mehr übertragbar sind und Glasfaserverbindungen aufgrund ihrer hohen Assemblierungskosten nicht wirtschaftlich sind. Im Moment ist das vor allem in Daten-Centern der Fall. Mehrere Veröffentlichungen zu Projekten international agierender Forscher zeigen anschaulich den rasanten Fortschritt und auch das große Marktinteresse von führenden Technologiekonzernen wie IBM, Intel, Seagate, Siemens und diversen Glasherstellern.

Entwicklung eines innovativen Herstellungsverfahrens

Die Forschung an einer produktionstauglichen elektro-optischen Leiterplatte wurde im Juni 2014 mit Abschluss des Forschungsprojektes „HybridVia – Entwicklung eines innovativen Herstellungsverfahrens für High-Speed-Durchkontaktierungen in glasbasierten, elektro-optischen Schaltungsträgern“ einen großen Schritt voran gebracht. Projektpartner in diesem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt waren der Berliner Leiterplattenhersteller CONTAG und die Technische Universität Berlin.

Seit 2009 beteiligt sich CONTAG regelmäßig an Forschungsprojekten. Hierbei handelt es sich sowohl um von Kundenseite initiierte Industrieprojekte als auch um durch staatliche Programme geförderte Entwicklungsprojekte. Das Unternehmen nutzt diese Projekte, um an Zukunftstechniken zu arbeiten, aber auch um risikoreiche Prozesse zu entwickeln und die technischen Machbarkeiten und Toleranzen in der Fertigung auszuloten.

An den Forschungsprojekten ist in der Regel ein kleiner Kreis von Prozesstechnologen unter Führung des technischen Leiters Christian Ranzinger beteiligt. Der Forschungsschwerpunkt „Technologien der Mikroperipherik“ an der TU Berlin gilt als Wissensträger und Innovator im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik. Die dort ansässige Arbeitsgruppe Optical Interconnection Technologies unter der Leitung von Dr. Henning Schröder beschäftigt sich etwa seit 1999 mit der Integration von planaren Wellenleitern in Leiterplatten. Nach einigen Projekten mit Polymerwellenleitern wurden hier erstmals das große Potential von integrierten Glaswellenleitern erkannt und entsprechende Prozesstechniken erforscht.

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