3D打印技術(shù)為制造光電混合電路板提供了一種新途徑

來源：電子工程3D打印

導(dǎo)讀：由于在PCB板上銅線連接的方法由于空間、干擾及功率限制了它們的帶寬能力，電子制造商正在尋找新技術(shù)來驅(qū)動下一代互聯(lián)，使其能夠提供即將到來的AI技術(shù)、處理器和量子計算方面應(yīng)用所需的帶寬。為了克服銅線的限制，光子將極有可能在光電印刷電路板中在未來幾年得到應(yīng)用。

光電電路板是通過結(jié)合電路和光學(xué)器件至單一單元，但是制造這種類型PCB板采用現(xiàn)有的制程工藝具有很大挑戰(zhàn)性。3D打印技術(shù)為制造這種類型電路板提供了一種新途徑，相比傳統(tǒng)PCB制造方法并可以用于制造更小、更輕和更復(fù)雜的設(shè)計，且功耗更小、污染更少。光電電路板同樣可以提高電磁屏蔽能力，能夠用于更高器件密度的電路板。

△在單個PCB板上結(jié)合光電功能

光電電路板會用在哪里？
芯片變得越來越快，且對于人工智能和機器學(xué)習(xí)需要計算功率看起來也無窮盡。但是隨著計算能耗的提升，數(shù)據(jù)的快速傳輸則需要更快的速度。因此高寬帶應(yīng)用是電子器件的未來。

更快的芯片需要更大的帶寬通信通道來實現(xiàn)我們所設(shè)計的吞吐量。但是在相同的管腳不增加尺寸來提高吞吐量，由于更高頻率會產(chǎn)生額外的干擾和熱量，且隨著管腳數(shù)量（互聯(lián)）將會增加成本和電子器件尺寸。

下面這些原因則是為什么銅線不會再增多了：

• 銅線的電容和電阻由于上升和下降時間限制無法達到更快的傳輸。
• 更高頻率的信號交互會產(chǎn)生更高的電磁干擾
• 更快的交互會帶來線路上更多功耗
  

通過增加芯片更多引腳來增加吞吐量的意味著：

• 更大更多昂貴的封裝
• 更多內(nèi)部金屬線路和更低的產(chǎn)量
• 在PCB上需要為線路留出更大面積
• 對于設(shè)計者來說是更高的復(fù)雜度
• 銅線路徑仍然會受到電磁干擾的影響
  

混合光電電路板可以通過嵌入光線來實現(xiàn)更高帶寬通信線以克服這些問題，而低頻信號仍采用銅線。這樣則提供了一種獨特的方式來提高信號接入速度和效率。在傳統(tǒng)電路板上3D打印光電波導(dǎo)將可能在一塊電路板上實現(xiàn)具有電子和光學(xué)信號傳輸功能的封裝，所具有的優(yōu)勢：


提高性能
由于電子和光學(xué)器件被集成在一塊板上，設(shè)計師可以根據(jù)需要在同一個設(shè)計中自由選用光電和全電子芯片。然而所有電子芯片采用銅線，每條線能夠?qū)崿F(xiàn)的帶寬在40Gbps，光學(xué)芯片通過基于嵌入光纖采用芯片—芯片互聯(lián)的方式能夠帶來大容量帶寬能力的優(yōu)勢。這意味著芯片-芯片通信基于配置光纖可以達到100Tbps或者更高速度。這將是一個巨大的受益。

更小的尺寸
光波導(dǎo)相比典型的銅線路更小，通常在50μm的寬度。相比銅線這將很容易攜載1000倍以上的數(shù)據(jù)。這將允許設(shè)計師通過替換部分銅線路為光纖以減小板子尺寸。在同樣一個方向，不必再分離電子和光學(xué)器件板，可以集成到一個板上。此外，3D打印能夠創(chuàng)建更復(fù)雜小尺寸特征的光電線路板。這將允許近一半增加器件密度和提高信息傳輸速度。

更高的能量效率
光學(xué)系統(tǒng)采用光纖中光子來傳輸信息，而電子系統(tǒng)則采用導(dǎo)體上的電子流動，通常是金屬。傳統(tǒng)電子器件會由于交互而產(chǎn)生熱。當(dāng)這些熱無法控制時，系統(tǒng)性能將會受阻，由于信息交互將會帶來額外的干擾。這就是為什么數(shù)據(jù)中心會花費數(shù)百萬美元來冷卻他們的服務(wù)器。而增加的光子器件和互聯(lián)產(chǎn)生的熱量通常更低，這也會提高器件的性能并降低制冷費用。

免除電磁干擾
電磁干擾通常由于線路電流通過時周圍產(chǎn)生的電磁場所造成，這個在電子設(shè)備中很常見。這種在導(dǎo)線上的電磁場會穿過不同材料（包括空氣）最終在附近導(dǎo)體上感應(yīng)出電流。畢竟，這是無線電工作的原理。這種電磁場的問題會導(dǎo)致電路中錯誤的線路上產(chǎn)生電流，對于正常線路傳輸和接收數(shù)據(jù)帶來干擾。線路上的電磁干擾很普遍，大多數(shù)電子設(shè)計在輕微干擾的情況下通過采用編碼的方式使其數(shù)據(jù)得到恢復(fù)或者仔細(xì)考慮銅線路的排布。在單根銅線和信道上太多的電磁干擾將導(dǎo)致無法使用。

光電波導(dǎo)并不會像銅一樣會受到電磁場的干擾。光纖它們不會產(chǎn)生電磁場，即使是在高頻通信交互的時候，且周圍的電磁場也不會造成影響。因此它們可以被用于信號傳輸且不用擔(dān)心信號失真。

采用光電電路板潛在的弊端
雖然光電電路板提供了很多潛在的優(yōu)勢，但是同樣具有一些潛在的弊端。3D打印光電PCB板是一種殺手級應(yīng)用。然而問題是光電電路板是很難實現(xiàn)3D打印的，其需要很精確的層厚和對準(zhǔn)。此外，光電材料是非常昂貴的且可能不適應(yīng)于打印。

光電PCB相比傳統(tǒng)PCB板是更難制造的，主要在于所需的材料和設(shè)備，且進一步技術(shù)還沒有實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的工藝流程。這將使得其一些芯片制造商需要光纖芯片的一側(cè)，有的些則需要連接在頂部，有些則允許光纖連接在芯片底部。這項技術(shù)幸運的是，3D打印本身就具有很大的靈活度，能夠適應(yīng)每個制造商的需求。

最后，光電電路板仍然是比較相對較新的技術(shù)，所以在打印制造或者使用過程中有很多難以預(yù)料的問題。盡管有這些挑戰(zhàn)，光電電路板對于不同的應(yīng)用領(lǐng)域仍有很大的希望。隨著不斷研發(fā)，研究人員和工程將會克服這些潛在的問題，再下一個五年光電電路板可能會看到不斷增加的應(yīng)用。

未來光電PCB：3D打印
印刷電路板的銅線正在面臨性能和板體中線路數(shù)量的限制。光子則是下一代材料能夠使得PCB板滿足不斷增加的更小、更快、能耗更低的需求。

隨著技術(shù)的進步，與時俱進是很重要的。對于光學(xué)而言其中一項最有希望的應(yīng)用可能是3D打印光電電路板。這種電路板將會很快推動未來基于人工智能和機器學(xué)習(xí)量子計算方面的應(yīng)用。

BotFactory 正在開展一項關(guān)于制造3D打印光電電路板方面的研究。這項技術(shù)能夠潛在改變我們構(gòu)建電子器件的制造方式。通過光子，將可能會創(chuàng)建出更為復(fù)雜和更好性能的電路板，但是尺寸更小且消耗的電力更少。這將允許在未來制造出更強的計算機和電子設(shè)備。很多光子通信主要集中在硅基，增加光學(xué)連接至芯片。然而在單根光纖點對點方面有很大的應(yīng)用需求。如果這種通信連接變得非常復(fù)雜，3D打印光電混合電路板將會發(fā)揮重要作用。