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1、 第 52 卷第 9 期 2016 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vo l.52 No.9 May 2016 DOI： 10.3901/JME.2016.09.158 基于断裂机理的板级电路光纤埋入结构设计*成 磊1周德俭2吴兆华2(1. 西安电子科技大学机电工程学院 西安 710071； 2. 桂林电子科技大学机电工程学院 桂林 541004) 摘要：板级光电互联中，光纤埋入结构的设计既要保证光路地对准，又要保证光纤在层压工艺过程中不被破坏，这大大增加了 PCB 制造的难度。针对光纤埋入工艺过程中可能出现的问题进行分析
2、研究，设计一种新的光纤埋入结构。对光纤埋入工艺与光纤断裂机理进行理论分析；基于有限元理论建立光纤埋入结构的仿真模型，对光纤埋入工艺进行数值模拟分析。结果表明，填充环氧树脂胶可降低层压过程中光纤所受最大应力，并且刻槽形状对光纤所受最大应力也有影响。设计一种新的槽型结构并对它进行了光纤埋入过程中的应力分析，研究光纤所受最大应力与槽底角度和侧壁间距的关系，并结合工程实际，分析了光纤尺寸公差和划片机加工精度对其应力的影响。研究表明，该板级电路光纤埋入结构设计在保证光路对准的基础上，制造过程中光纤所受的最大应力明显降低，具有较好的可加工性。 关键词： 光电互联；光纤埋入；工艺仿真；结构设计 中图分类号：
3、TN252 Design of the Optical Fiber Embedded Structure in PCB-Level Circuit Based on the Fracture Mechanism CHENG Lei 1ZHOU Dejian 2WU Zhaohua 2(1. School of Mechano-Electronic Engineering, Xidian University, Xian 710071; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electro
4、nic Technology, Guilin 541004) Abstract：The designs of the optical fiber embedded structure in PCB-level circuit not only needs optical link alignment, but also ensure that fiber is not damaged in the process of laminating process. It increases the difficulty to PCB manufacturing. So the problems wh
5、ich may take place during the manufacturing process and design a new kind of optical fiber embedded structure is studied. Optical fiber embedded process is introduced and optical fiber fracture mechanism is analyzed in theory. The simulation model of the optical fiber embedded structure based on the
6、 finite element theory is established and the optical fiber embedded process was analyzed by numerical simulation. The results indicate that the maximum stress in the lamination process can be reduced by filling with epoxy glue and the groove shapes also have influence on the maximum stress. An orig
7、inal groove type topology structure is designed. The stress condition is analyzed when optical fiber embedding the groove structure and discussed the relationship between the maximum stress on optical fiber and the angle in the bottom of the groove, also the distance optical fiber to the groove wall
8、. Combined with practical engineering, the influence is researched which to the stress caused by fiber size tolerance and scribing machining precision. It shows that the design of the optical fiber embedded structure not only effectively reduces the maximum stress which the fiber enduring in the man
9、ufacturing process, but also has good workability on the premise of guaranteeing optical link alignment. Key words：photoelectric interconnection；optical fiber embedded ；process simulation；structure design 0 前言*随着电子装备集成度和工作频率的迅速提高， 广西壮族自治区自然科学基金 (2011GXNSFF018004)和某部预研 资助项目。20150518 收到初稿，20151226 收到修
10、改稿 基于金属铜的电互联方式已经无法高效地传输信号。它带来的寄生电容、延迟时间、信号串扰等寄生效应问题，已成为限制电子产品快速发展的瓶颈。光电互联技术可以较好地弥补电互联的不足，具有卓越的潜在优势1，已经成为当今研究的热点。 如何将光互联模块集成在传统的 PCB上是光电月 2016 年 5 月 成 磊等：基于断裂机理的板级电路光纤埋入结构设计 159 互联技术能否工程化应用的关键技术之一。美国的 IBM 公司将激光器阵列集成到传统芯片内，在整合模组内还有光学调制器，光波导，光波分复用器，光开关，以及探测器，光芯片与光波导的耦合通过微透镜阵列和 45端面实现，光波导采用干模热压法制作2。德国弗劳
11、恩霍夫研究所提出的芯片间的板级光电互联技术主要将发射器及其驱动电路集成到玻璃基底上，光直接通过玻璃基底，驱动芯片与 PCB 板的连接通过在玻璃上穿孔，光直接通过玻璃入射到光波导的 45端面上进行耦合3。韩国的板级光电互联模组采用光纤带连接4。国内华中科技大学5、国防科学技术大学6等高校也对此进行了较深入的研究。 应用于板级电路中的光电互联主要有三种方式：自由空间互联，波导互联和光纤互联。自由空间互联，实施较困难，稳定性较差，信号散射较严重；波导互联，波导的制作工艺较复杂，很难兼容常规的 PCB 工艺，光纤互联信号散射低，有现成的光纤，可兼容常规 PCB 工艺。光纤互联在实际工程应用中，层压工艺
12、可能使埋入的光纤发生变形或破坏，影响正常的光通信数据传输。针对此问题，本研究基于光纤的断裂机理，在保证光纤定位的前提下，通过理论分析和仿真分析，对板级光纤埋入结构进行设计，以尽可能降低层压工艺对埋入光纤的影响。 1 板级光电互联电路板结构 板级光电互联电路板结构如图 1 所示。它包括PCB、耦合结构和光纤。 PCB 长 30 cm，宽 20 cm，厚度 3.6 mm；光纤长度 10 cm，光纤芯 /包层尺寸62.5/125 m。 图 1 板级光电互联电路板结构 PCB 剖面结构如图 1c 所示，采用四层板结构，由芯板和半固化片互相层叠压合而成。芯板是一种硬质的、有特定厚度的、两面覆铜的 FR-
13、4 板，是构成印制板的基础材料。而半固化片构成所谓的浸润层，起到黏合芯板的作用，材质采用环氧树脂玻璃布层压板。光纤埋入 PCB 中时，常规层压工艺下FR-4 中树脂不具流动性，也不会生成树脂富集区，唯有半固化片中环氧树脂流动时进行部分填充。 光纤是光电路板中光信号的传输通道。光纤结构如图 1b所示，一般由纤芯、包层和护套构成。本研究选用石英光纤。由于光纤埋入时通常使用裸光纤，光纤不能压、折、沾水、弯曲，否则光纤很容易断裂7，导致光纤不能使用或不能正常地使用。 耦合件的作用是连接光纤与光电转换器件。目前常用的耦合方式包括波导端面全反射透镜耦合，光连接棒耦合、分离式光耦合器耦合和嵌入式光耦合器耦合
14、等8-11。本研究中采用的是光连接器光耦合，如图 1a所示。 2 光纤埋入工艺与光纤断裂机理分析 光纤埋入工艺一般分为两个步骤。 第一个步骤是利用划片机刻槽以实现精确的光纤定位。划片机在纵向和横向上的精度都能达到0.5 m，可以满足光电互联中大多数地对准要求。光纤埋入到 PCB中 ，有 U型槽和 V型槽两种刻槽类型12-13。 U型槽的主要控制参数是深度和宽度， V型槽的主要结构参数是槽底角度和深度。两种槽型结构与尺寸参数如图 2 所示。 图 2 刻槽类型 第二个步骤是层压。层压是将埋置好光纤的芯板，半固化片和外层铜箔叠层、定位，然后放置在热压机的层压窗口，按工艺规定的条件加热加压。 芯板在层
15、压过程中，光纤槽中的光纤可能受力变形或破坏进而影响光路的质量。 PCB 行业的通常做法是通过试验来减少缺陷。然而，这种方式耗时长、费用高，已经不适应当前电子产品快速的革新需求和激烈竞争，并且针对埋入光纤的 PCB 还没有可靠的试验方法。因此，建立光纤埋入工艺的有限元模型，对层压过程进行仿真分析，研究光纤横截 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 9 期期 160 面应力变化情况是十分经济可行的。 裸光纤的主要成分是石英玻璃，通常情况下，根据 Griffith理论，其理论断裂强度 0由下式14 确定 0E=式中， E为玻璃的弹性 模量， E=71.9 GPa； 为石英玻璃的表面能， =7105
16、J/mm2； 为 Si-O化学键的键长，即原子间距 =2107mm。 代入公式计算得 0 15.86 GPa，实际强度比上述公式推出来的强度低 1 3 个数量级， Griffith理论能很好地解释这个现象15。任何断裂都是由裂纹的形成和扩展两个阶段组成，实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷。在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近就会产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展进而导致断裂。由于光纤切面整个区域内均存在着大小、深浅、方向各异的缺陷和裂纹，光纤实际断裂强度约为 4.07 GPa16。裂纹使光纤在张力作用下相当脆弱。应力集中会使局部范围超过断裂强度引起断裂。 由于在制作光电基板过
17、程中，为了定位准确要剥除光纤的涂覆层，剥除过程可能会在表面留下微裂纹，使光纤的实际强度进一步降低。因此，研究光纤在埋入基板过程中的应力变化情况，设计新的光纤埋入槽型结构以尽可能降低光纤埋入过程中出现的应力集中，对提高光电互联基板质量有着重要的意义。 3 光纤埋入工艺仿真及结果分析 3.1 建立有限元模型 以图 1 所示光电互联电路板为研究对象，为了使问题简化，减少计算工作量，根据实际情况，在保证有限元模拟准确性的前提下，提取一根光纤进行有限元分析。有限元模型各部分材料参数见表117。在层压过程中，光纤受到压力、温度的综合作用，属于热固耦合分析。 表1 材料参数 材料 材料属性 弹性模量 /GP
18、a 泊松比 热胀系数/ 107石英光纤 71.90 0.16 5.5 FR-4 22.00 0.28 180 填充胶 7.84 0.30 270 本研究中， 埋入光纤的层压有限元模型采用实体建模方式。由于光纤截面在层压过程中可能会有很大的变形，为了使网格不发生畸变，保证结果的准确性，网格采用 Solid185 单元映射划分，生成六面体单元，光纤变形区域的网格要充分细化。采用这种方式划分网格规整，单元数目少，计算速度快，程序运行顺利。 在埋入光纤的层压有限元仿真模型中，建立如下边界条件：分别固定模型上下板左右两侧面节点沿 X方向的自由度和下板底面节点沿 Y方向的自由度。另外，不填充环氧树脂胶的有
19、限元仿真中，采用接触向导完成 光纤与上板之间、光纤与下板之间接触对的定义， 光纤与上下 板之间的接触 均为面面接触。 层压工艺主要有温度、压力、时间等工艺参数，工艺曲线随 PCB 的材质不同而有所区别。本研究中的 PCB 材质为 FR-4，采用设备商提供的 PCB 层压工艺曲线，如图 3 所示。图 3 标示的压力曲线对应的压力是一中间值，实际推荐压力为一个范围，采用两段加压方式，开始压合时施加 0.5 0.6 MPa 的接触压力，经过 25 min，迅速施加 2 3 MPa 的全压力，保持 110 min，然后卸载。为了使仿真结果偏于安全，仿真中压力值均取推荐上限。光纤埋入前，温度为室温 (2
20、5 )，无压力施加，认为 光纤处于零应力状态。光纤埋入时，温度变化主要分为三个阶段：升温、保温固化和冷却。首先温度从室温经过 1 h 升高到 190 ，升温速率设定为2.75 /min，然后保温固化 1 h，最后耗时 30 min，冷却到 70 ，降温速率设定为 4 /min，总共耗时 150 min。 图 3 层压过程的温度和 压力加载曲线 3.2 建立有限元模型 为使光纤获得良好的定位，比较槽型对光纤受力的影响，两种槽的深度均以将光纤完全埋入为准，月 2016 年 5 月 成 磊等：基于断裂机理的板级电路光纤埋入结构设计 161 假设光纤半径为 R。以下对两种槽型分别进行分析比较， 文中所
21、述应力均 为 Von Mises Stress(冯米斯应力 )，它是一种等效应力，遵循材料力学第四强度理论 (形状改变比能理论 )。 3.2.1 槽型对光纤所受应力的影响 刻 U 型槽，使得光纤刚好埋入， U 型槽的深度等于埋入光纤外径 2R，为对光纤位置进行固定，取U 型槽宽度为 2R。由于光纤半径为 62.5 m，因此刻槽深度和宽度均取 125 m。同时施加压力和温度，进行热固耦合分析，分析结果如图 4a 所示，光纤应力分布见右侧局部放大图。由图可知，光纤最大应力点处于与上板的接触面上，应力大小为 2.38 GPa。 刻 V 型槽，使得光纤 刚好埋入。 V 型槽有天然的自对准优势， V 型
22、槽的深度为光纤截面圆外切等腰三角形的高，光纤半径为 62.5 m，以槽底角度60为例，刻槽深度取 187.5 m。同时施加压力和温度，进行热固耦合分析，分析结果如图 4b 所示，光纤应力分布如右侧局部放大图所示。由图可知，光纤最大应力点处应力为 3.15 GPa。 图 4 两种槽型热固耦合分析应力分布云图 比较以上结果可知， V 型槽比 U 型槽的最大应力点应力高 0.77 GPa，说明槽型结构对应力是有影响的。 3.2.2 填充胶对光纤截面所受应力的影响 填充胶可以固定石英光纤，防止光纤翘曲。将光纤与 FR-4 之间空隙中填充环氧树脂胶，加载条件保持不变，分别对上文的两种槽型进行分析， U型
23、槽分析结果如图 5a 所示，光纤应力分布见右侧局部放大图。由图可知，最大应力点应力降 到 1.3 GPa，相比较不填充环氧树脂胶的情况，最大应力降低了45%。 V 型槽分析结果如图 5b 所示，光纤应力分布如右侧局部放大图所示。由图 5b 可以看出，最大应力点应力降到 1.35 GPa，相比较不填充环氧树脂胶时的情况，最大应力降低了 57%。 图 5 加填充胶热固耦合分析应力分布云图 U 型和 V 型的 光纤埋入结构在使用填充胶 后最大应力点的应力 均有很大 改善，说明使用 填充胶可以有效降低光纤 的应力集中。 4 光纤埋入结构设计与应力分析 前面已分析了 U型槽和 60V型槽对光纤最大应力点
24、应力的影响，但槽的拓扑形状对光纤最大应力点应力的影响规律仍未明确。由于实际生产工艺的限制， V 型槽底部很难生成理想的尖角。限于光纤与光纤间距的限制，槽的最大宽度为 250 m，因此， V 型槽角度理论上可取 0 73.74。当取 0时，则变成标准的 U 型槽，取其他角度时槽型如图 6a 结构所示。为了研究方便，可以将槽型统一为 V 型槽， U 型槽可以看 作是 V 型槽底角等于 0的特殊形式。当槽底角角度为 73.74时，相邻两槽之间会产生一个 73.74的尖角，由于制造精度的限制可能使两槽尺寸产生干涉。为了使相邻两槽有所间隔，槽底角角度加工容易，槽底角取值 0 70，中间按 10进行离散，
25、应力出现突变的地方，再用黄金分割法进行加密分析。当槽底角等于 70时， 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 9 期期 162 两槽之间仍然有一个 10m 的支撑平面将两槽 隔开。 图 6 是 V 型槽底角在 0 70间光纤所受最大应力与 V 型槽角度的关系曲线，对应的槽型结构如图 6a 所示。从图中可以看出槽底角在 0到 28之间，最大应力点保持在 1.07 GPa 左右，没有明显变化，在 30附近时产生一个阶跃。在 30到 60之间时，应力明显上升， 60到 70之间，应力上升幅度变得更大，因此在应用此槽型结构时，槽底角的角度应控制在 28以内，反映在实际的工艺控制参数上，槽侧壁的倾角应
26、小于 14。 图 6 V 型槽底角 0到 70光纤所受最大应力与 V 型槽角度的关系曲线 比较槽底角为 60，均填充环氧树脂胶的两种情形。一种槽底部是尖角，结构如图 2b 所示，另一种槽底部是平面，结构如图 6a 所示。通过分析可知，光纤截面最大应力点应力分别为 1.35 GPa 和 1.13 GPa，可以看出将槽底部设计成平面可有效降低应力集中。 当槽底角角度大于 73.74时，如果还采用图6a 所示结构形式，相邻两槽必然产生干涉，因此 结合 V 型槽和 U 型槽 的优点，设计了一种 新型的 V型槽结构。此结构中 ， 槽截面底部 V 形与光纤截面切点以上的部分采用 U 型槽 轮廓，以下部分采
27、用图6a 所示改进的槽型 轮廓， 两侧壁的间距比实际的光纤直径略宽，截面形状如图 7a 所示。这种槽型可以有效将相邻两槽隔开。为了制造方便，槽底角取整到 80开始分析，仍然每增加 10进行一次分析。当槽底角大于 170时，槽底角所对应切平面宽度将小于 5.5 m，加工难度加大，此时， 槽底 V 形对光纤的限位作用将变得不够明显。当槽底角等于180时槽型将变为 U 型槽形式，显然不是我们想讨论的槽型，因此， 槽底角的讨论范围设定为 80170。 图 7 是槽底角 80 170光纤所受最大应力与槽角度的关系曲线，对应的槽型结构如图 7a 结构所示，槽壁与光纤间隙为 10 m。从图中可以看出随着角度
28、的变化，最大应力点呈现出无规律的波动。但波动范围在 1.07 1.10 GPa 之间，最大应力 点应力值之间最大相差 22 MPa， 平均值为 1.09 GPa，说明光纤压入此种槽型 结构 时，槽底角度对 最大应力点应力影响较小 。这种结构形式既可以满足定位要求，又可以有效地缓解应力集中。 图 7 光纤所受最大应力与槽底角角度的关系曲线 当然，图 7a 所示新设计槽型也可以推广应用到到槽底角小于 80的情形。槽底角角度取值越小，槽截面底部 V 形与光纤截面切点将越向上移 ， 最终槽的截面形状与图 6a 越来越相似。前文 已知，槽 截面底部 V形与光纤截面切点以上的部分采用 U型槽轮廓，槽壁与光
29、纤间隙为 10 m 时， 当槽底角角度减小到 12以下，如图 7a 所示槽型竖直方向上的轮廓将完全消失，转变为图 6a 所示槽型。 为了与 图6a 所示槽型进行对比， 选取如表 2 所示槽底角角度。在表 2 中，槽底角角度选取 10时，图 7a 所示槽型变得与图 6a 所示槽 型完全相同。经过仿真可知 ，与图 6a 相比，采用如图 7a 所示新设计槽型，最大应力点应力均取得了不同程度的改善。槽底角角度越小，最大应力 点应力改善越不明显，当槽底角减小到 10时，由于槽型相同，因此最大应力点应力改善为 0 MPa。这个 结论与 上文论述是吻合的，主要是由于槽底角角度取值越小， 图 7a 所示槽型的
30、最终截面形状与图 6a 越相似所造成的。由表 2 还可以看出，随着角度的变化，最大应力点仍然 呈现出无规律的波动，波动范围仍在 1.07 1.10 GPa 之间，这与前文所描述结论“此 种槽型结构，槽底角角度对最大应力点应力影响较小”也是吻合的。因此，图 7a 所示槽型结构比图 6a 所示槽型结构 优越。 月 2016 年 5 月 成 磊等：基于断裂机理的板级电路光纤埋入结构设计 163 表2 两种槽型最大应力的比较 MPa 槽型 槽底角角度 /() 10 20 30 40 50 60 70 图 6a 所示 槽型 1 067 1 070 1 090 1 106 1 119 1 132 1 16
31、7 图 7a 所示 槽型 1 067 1 072 1 086 1 089 1 092 1 088 1 095 改善大小 0 2 4 17 27 44 72 在图 7a 所示槽型结构尺寸设计中，光纤两侧的间隙是可以调整的，调整以 侧壁不超出开 口宽度范围为限。开口宽度范围和槽底角的理论延伸线与芯板的交点距离有关。以槽底角为 60的 结构为例 ，开口宽度最大 为 216.5 m，因此 侧壁与光纤之间的间隙取值范围在 0 45 m。图 8 是光纤 最大应力点应力与间隙参数之间的关系曲线图 (槽底角为 60，侧壁与光纤之间的 间隙从 0 m 到 45 m)。由图 8 可知，随着侧壁与光纤之间间隙的 增
32、大，最大应力点应力呈 递增趋势 ，可拟合为二次曲线，如图 8 虚线所示。但间隙为 0 m 时，最大应力点应力反而比 2 m 以下间隙时应力 大。可能的原因是，在不留间隙时，填充胶受到 挤压又无法流动，使得局部应力增大。 由图还可看出，最大应力点应力随间隙变化范围在 70 MPa 以内，对应力集中影响不大，因此，在实际槽型尺寸 设计中，侧壁与光纤之间的间隙尽量小些 就可以了。 图 8 光纤所受最大应力与间隙参数之间的关系曲线 以上研究均基于理想情况 进行分析，在实际 工程设计中不仅要考虑刻槽的拓扑形状，还要考虑光纤尺寸和划片机加工精度对其应力集中的影响。在本研究中，光纤包层直径 为 124.3
33、m0.7 m，划片机在纵向和横向上能达到 0.5 m 的精度，即槽深应为 124.3 m0.5 m。由于光纤包层直径和槽深公差的存在 ， 实际 制造中 可能出现两种极端情形： 光纤取上偏 差 ，槽 深取下偏差时，光纤高 于芯板上平面 1.2 m； 光纤取下偏差，槽深取上偏差时，光纤低于芯板 上平面 1.2 m。 以槽底角 60， 填充聚酰亚胺胶， 两侧间隙 2 m 结构为例，经过数值模拟，可得情形 (1)中最大应力点在光纤与 FR-4 板的接触面上，达到了 4.62 GPa，而光纤的实际断裂强度为 4.07 GPa，此最大应力值超过光纤实际断裂强度 0.55 GPa，光纤被压裂；情形 (2)中
34、最大应力 点应力为 1.03 GPa，小于理想情形 (光纤与芯板上表面 齐平 )。 因此，要保证光纤在层压工艺过程中 不被破坏，按照现有加工精度和光纤尺寸公差， 名义槽深应保证大于 125.5 m，才能 使光纤固定在槽中 而不高于芯板上表面 。而根据光纤在槽中的对准要求，名义槽深应尽可能小，因此 取值 125.5 m。 此时纤芯中心位置相对 偏移最大为 1.9 m， 可以保证光纤有较好的对准精度。 5 结论 基于光纤断裂机理建立有 限元模型对光纤埋入工艺进行数值模拟，分别研究了槽型结构和填充胶对 埋 入 PCB 中的光纤所受应力的影响。结果表明，槽型结构对 缓解光纤 的应力集中有影响 ，填充环
35、氧树脂胶可以进一步缓解光纤的应力集中 ，根据仿真分析得出了槽的拓扑形状对光纤最大应力点应力的影响规律。基于光纤 的断裂机理设计了新的槽型结构，结合工程实际确定了 此结构的关键尺寸。这种槽型结构既能满足光纤 定位的要求， 又能有效减小光纤的应力集中，为光电基板光纤埋入结构的设计提供了一种 新方案。 参 考 文 献 1 ZHOU Dejian ， CHENG Lei. The domestic and international research situation of photoelectric interconnection technologyJ. Advanced Materials R
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