不同槽型結構撓性基板對光纖應力應變的影響

夏安思，周德儉，佘雨來

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004)

隨著電子技術及制造工藝水平的不斷提高，電子產品的小型化、輕量化、結構復雜、多功能的發展導致了系統集成度及互聯密度的不斷增加[1]。同時，高速通信技術的飛速發展，寬帶、高速、大容量的信息傳輸及印制電路板之間，板到背板之間、多芯片組件之間的互聯速率、帶寬和密度提出了更高的要求[2]。傳統印制板的數據完整性、串擾、信號衰減、電磁干擾和功率消耗等瓶頸問題日漸突出[3]。

埋入光纖的撓性光電印制板可解決純電氣互連的電子傳輸速度、線路密度受限的“瓶頸”問題。其中光纖傳輸是將光傳輸性能良好、制作工藝成熟的光纖作為光傳輸介質，埋入撓性基板中制成撓性光電印制板，具有良好的綜合性能[4-6]。由于撓性光電板由多種材料組成，材料熱膨脹系數差異較大，在層壓過程中不同的槽型導致光纖發生偏移或受損程度不同。為此，建立撓性光電基板的有限元模型，研究層壓工藝過程中不同槽型與光纖的應力應變關系。

1 埋入光纖撓性基板結構模型

光纖埋入撓性印制板一般采用刻槽的形式。刻槽的目的在于：對光纖位置進行定位，以便與光耦合單元對準；對光纖布線的走向進行引導，使其按照理想的直線布線，盡量減少光纖在撓性基板內的微小彎曲；減小光纖在層壓工藝中的壓力，對光纖具有一定保護作用。同時槽型結構不同，層壓后光纖偏移量及其受力也有所不同，從而影響光電互聯過程中的信號傳輸。因此，在埋入光纖撓性基板的層壓研究中需要對槽型進行分析和選擇。

目前常用的刻槽類型主要有U形槽、矩形槽和梯形槽。為確保光纖可完全埋入撓性基板，且不減小基板強度及可靠性，基于所應用的光纖外形結構，將3種槽型深度統一設定為130 μm，每個槽間距為250 μm，其結構尺寸如圖1所示。

圖1 槽型結構示意圖

2 有限元模型的建立

3種槽型撓性基板的基本結構尺寸和材料參數相同，首先建立光纖埋入矩形槽撓性基板三維有限元模型。圖2(a)為光纖埋入矩形槽撓性基板基本結構尺寸示意圖，埋入基板長、寬、高分別為100.0、2.0、0.2 mm，每個槽型間距為250 μm，光纖直徑為125 μm。整個撓性基板厚度為288 μm，其各層結構厚度參數如圖2(b)。由于該模型的X、Y、Z方向上的尺寸差異較大，在仿真計算過程中存在網格難以合理劃分和計算機計算量過大等問題。因此，在計算過程中為不影響計算誤差，可將三維模型轉換為二維模型，取其XZ截面進行仿真計算。

有限元模型各部分的材料屬性如表1所示。聚酰亞胺基板、光纖芯層、包層以及填充膠為各向同性，均屬于彈性材料，其中光纖芯層和包層為純度不同的二氧化硅，按同種材料的熱力學參數計算[7-10]。

表1 材料屬性

埋入光纖撓性基板的壓制過程為熱壓機中上、下側熱壓板對撓性基板施加一定的壓力和溫度載荷，其溫度、壓力載荷曲線如圖3所示。設初始溫度為25 ℃，即撓性基板放入熱壓機時的初始溫度。由于撓性基板的厚度薄，可假定加載溫度后整個基板的溫度分布相同，不考慮材料熱傳導系數引起的溫差。

圖3 層壓工藝參數曲線

通過自定義網格劃分對遠離光纖區域模型網格簡化，光纖及其周圍區域網格進行加密處理，其網格劃分后的撓性光電基板有限元分析模型如圖4所示。

圖4 光纖埋入矩形槽撓性基板模型網格劃分

3 層壓工藝過程中光纖受力及偏移量分析

針對有限元模型，層壓條件下隨時間變化的壓力與溫度載荷進行瞬態仿真分析，計算光纖的熱應力和偏移量。與施加瞬態的溫度類似，對矩形槽撓性基板施加層壓條件時，銅箔處的熱應力最大，光纖及其他部分熱應力較小。光纖的最大熱應力分布圖如圖5所示，4根光纖的熱應力分布相對均勻，每根光纖頂部及光纖與填充膠接觸部分出現應力集中，層壓過程中4根光纖最大應力為光纖頂部部分，其值為21.77 MPa。

圖5 層壓過程中光纖埋入矩形槽撓性基板中光纖應力云圖

層壓過程中光纖埋入U形槽和梯形槽撓性基板中光纖最大應力分布如圖6所示。從圖6可看出：層壓過程中光纖埋入U形槽撓性基板，每根光纖應力主要集中于光纖頂部及光纖與填充膠接觸部分，其最大值為21.97 MPa；層壓過程中光纖埋入梯形槽撓性基板，每根光纖頂部及光纖與填充膠接觸部分出現應力集中，最大應力值為25.49 MPa。由此可得出，在層壓過程中光纖埋入U形槽時光纖所受應力最小，埋入梯形槽時應力最大。由于光纖許用應力(690 MPa)遠大于3種槽型中光纖受到的熱應力，光纖在層壓時受到的熱應力都在合理范圍內。

圖6 光纖埋入U形槽、梯形槽光纖最大應力分布云圖

圖7為光纖埋入不同槽型撓性基板總位移量曲線圖。從圖7可看出，埋入矩形槽的光纖發生最大偏移量最小(2.04 μm)。為確保埋入光纖撓性基板層壓后光纖對接過程中誤差最小，在選取光纖埋入撓性基板的槽型結構應以光纖發生偏移量最小為標準，此時最合適槽型為矩形槽。

圖7 光纖埋入不同槽型撓性基板總位移量曲線圖

4 槽型結構尺寸對層壓過程中光纖偏移量的影響

根據以上分析，在光纖埋入矩形槽撓性基板模型基礎上，分別改變矩形槽結構尺寸(槽深、槽寬)，不改變其材料參數和邊界條件，得出槽深、槽寬與光纖偏移量的關系如圖8所示。

圖8 槽型結構尺寸與光纖最大偏移量關系

當槽深分別為125、130、135、140、145、150、155、160、165、170 μm時，槽寬和槽間距值不變(分別為125、250 μm)，在層壓過程中得出相應光纖最大偏移量。如圖8(a)所示，隨著刻槽深度的增加，光纖最大偏移量變化趨勢為先減小后增加，當槽深度為145 μm時，光纖埋入矩形槽撓性基板在層壓過程中光纖最大偏移量可取最小值為2.027 μm。

當槽寬分別為125、127、129、131、133、135、137、139、141、143、145 μm時，槽深和槽間距不變(分別為130、250 μm)，光纖最大偏移量如圖8(b)所示。從圖8(b)可看出，隨著槽寬的增加，光纖最大偏移量逐漸增加，但增加的數量級非常小，可忽略不計。此時，當槽寬度為125 μm時，光纖埋入矩形槽撓性基板在層壓過程中光纖最大偏移量可取最小值為2.040 3 μm。

根據以上分析，在層壓過程中為確保光纖最大偏移量最小，應取槽深為145 μm、槽寬為125 μm時，光纖發生的最大偏移量將取最小值2.027 μm。

5 結束語

為分析層壓過程中不同槽型結構對光纖應力應變的影響，建立了光纖埋入不同結構槽型撓性基板的光電互聯印制板有限元模型，分析光纖的應力應變及光纖埋入撓性基板偏移量最小對應的最優槽型，并通過分析最優槽型的結構尺寸與光纖最大偏移關系。層壓工藝中光纖埋入撓性基板選取最優槽型為矩形槽，此時光纖最大偏移量最小，為2.04 μm；當矩形槽槽深、槽寬分別為145、125 μm時最優，光纖最大偏移量為2.027 μm。