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(lái)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(lái)驅(qū)動(dòng)下一代互聯(lián),，使其能夠提供即將到來(lái)的AI技術(shù),、處理器和量子計(jì)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(lái)幾年得到應(yīng)用,。

光電電路板是通過(guò)結(jié)合電路和光學(xué)器件至單一單元，但是制造這種類(lèi)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(lèi)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(jì),，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(gè)PCB板上結(jié)合光電功能

光電電路板會(huì)用在哪里？
芯片變得越來(lái)越快,，且對(duì)于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)需要計(jì)算功率看起來(lái)也無(wú)窮盡,。但是隨著計(jì)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(lái),。

更快的芯片需要更大的帶寬通信通道來(lái)實(shí)現(xiàn)我們所設(shè)計(jì)的吞吐量,。但是在相同的管腳不增加尺寸來(lái)提高吞吐量，由于更高頻率會(huì)產(chǎn)生額外的干擾和熱量,，且隨著管腳數(shù)量（互聯(lián)）將會(huì)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(huì)再增多了：

• 銅線的電容和電阻由于上升和下降時(shí)間限制無(wú)法達(dá)到更快的傳輸。
• 更高頻率的信號(hào)交互會(huì)產(chǎn)生更高的電磁干擾
• 更快的交互會(huì)帶來(lái)線路上更多功耗
  

通過(guò)增加芯片更多引腳來(lái)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(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是更高的復(fù)雜度
• 銅線路徑仍然會(huì)受到電磁干擾的影響
  

混合光電電路板可以通過(guò)嵌入光線來(lái)實(shí)現(xiàn)更高帶寬通信線以克服這些問(wèn)題,，而低頻信號(hào)仍采用銅線,。這樣則提供了一種獨(dú)特的方式來(lái)提高信號(hào)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(shí)現(xiàn)具有電子和光學(xué)信號(hào)傳輸功能的封裝,，所具有的優(yōu)勢(shì)：


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(jì)師可以根據(jù)需要在同一個(gè)設(shè)計(jì)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(guò)基于嵌入光纖采用芯片—芯片互聯(lián)的方式能夠帶來(lái)大容量帶寬能力的優(yōu)勢(shì)。這意味著芯片-芯片通信基于配置光纖可以達(dá)到100Tbps或者更高速度,。這將是一個(gè)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(jì)師通過(guò)替換部分銅線路為光纖以減小板子尺寸。在同樣一個(gè)方向,，不必再分離電子和光學(xué)器件板,，可以集成到一個(gè)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(lái)傳輸信息,，而電子系統(tǒng)則采用導(dǎo)體上的電子流動(dòng),，通常是金屬。傳統(tǒng)電子器件會(huì)由于交互而產(chǎn)生熱,。當(dāng)這些熱無(wú)法控制時(shí),，系統(tǒng)性能將會(huì)受阻，由于信息交互將會(huì)帶來(lái)額外的干擾,。這就是為什么數(shù)據(jù)中心會(huì)花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元來(lái)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(huì)提高器件的性能并降低制冷費(fèi)用,。

免除電磁干擾
電磁干擾通常由于線路電流通過(guò)時(shí)周?chē)�產(chǎn)生的電磁場(chǎng)所造成,，這個(gè)在電子設(shè)備中很常見(jiàn)。這種在導(dǎo)線上的電磁場(chǎng)會(huì)穿過(guò)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(wú)線電工作的原理,。這種電磁場(chǎng)的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致電路中錯(cuò)誤的線路上產(chǎn)生電流，對(duì)于正常線路傳輸和接收數(shù)據(jù)帶來(lái)干擾,。線路上的電磁干擾很普遍,，大多數(shù)電子設(shè)計(jì)在輕微干擾的情況下通過(guò)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(wú)法使用,。

光電波導(dǎo)并不會(huì)像銅一樣會(huì)受到電磁場(chǎng)的干擾。光纖它們不會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng),，即使是在高頻通信交互的時(shí)候,，且周?chē)�的電磁�?chǎng)也不會(huì)造成影響。因此它們可以被用于信號(hào)傳輸且不用擔(dān)心信號(hào)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(shì),，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(jí)應(yīng)用,。然而問(wèn)題是光電電路板是很難實(shí)現(xiàn)3D打印的,，其需要很精確的層厚和對(duì)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(jìn)一步技術(shù)還沒(méi)有實(shí)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(xiàng)技術(shù)幸運(yùn)的是，3D打印本身就具有很大的靈活度,，能夠適應(yīng)每個(gè)制造商的需求,。

最后，光電電路板仍然是比較相對(duì)較新的技術(shù),，所以在打印制造或者使用過(guò)程中有很多難以預(yù)料的問(wèn)題,。盡管有這些挑戰(zhàn)，光電電路板對(duì)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(huì)克服這些潛在的問(wèn)題，再下一個(gè)五年光電電路板可能會(huì)看到不斷增加的應(yīng)用,。

未來(lái)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(jìn)步,，與時(shí)俱進(jìn)是很重要的。對(duì)于光學(xué)而言其中一項(xiàng)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(huì)很快推動(dòng)未來(lái)基于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)量子計(jì)算方面的應(yīng)用,。

BotFactory 正在開(kāi)展一項(xiàng)關(guān)于制造3D打印光電電路板方面的研究。這項(xiàng)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(guò)光子,，將可能會(huì)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(lái)制造出更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(huì)發(fā)揮重要作用,。