3D打印技术为制造光电混合电路板提供了一种新途径

来源：电子工程3D打印

导读：由于在PCB板上铜线连接的方法由于空间、干扰及功率限制了它们的带宽能力，电子制造商正在寻找新技术来驱动下一代互联，使其能够提供即将到来的AI技术、处理器和量子计算方面应用所需的带宽。为了克服铜线的限制，光子将极有可能在光电印刷电路板中在未来几年得到应用。

光电电路板是通过结合电路和光学器件至单一单元，但是制造这种类型PCB板采用现有的制程工艺具有很大挑战性。3D打印技术为制造这种类型电路板提供了一种新途径，相比传统PCB制造方法并可以用于制造更小、更轻和更复杂的设计，且功耗更小、污染更少。光电电路板同样可以提高电磁屏蔽能力，能够用于更高器件密度的电路板。

△在单个PCB板上结合光电功能

光电电路板会用在哪里？
芯片变得越来越快，且对于人工智能和机器学习需要计算功率看起来也无穷尽。但是随着计算能耗的提升，数据的快速传输则需要更快的速度。因此高宽带应用是电子器件的未来。

更快的芯片需要更大的带宽通信通道来实现我们所设计的吞吐量。但是在相同的管脚不增加尺寸来提高吞吐量，由于更高频率会产生额外的干扰和热量，且随着管脚数量（互联）将会增加成本和电子器件尺寸。

下面这些原因则是为什么铜线不会再增多了：

• 铜线的电容和电阻由于上升和下降时间限制无法达到更快的传输。
• 更高频率的信号交互会产生更高的电磁干扰
• 更快的交互会带来线路上更多功耗
  

通过增加芯片更多引脚来增加吞吐量的意味着：

• 更大更多昂贵的封装
• 更多内部金属线路和更低的产量
• 在PCB上需要为线路留出更大面积
• 对于设计者来说是更高的复杂度
• 铜线路径仍然会受到电磁干扰的影响
  

混合光电电路板可以通过嵌入光线来实现更高带宽通信线以克服这些问题，而低频信号仍采用铜线。这样则提供了一种独特的方式来提高信号接入速度和效率。在传统电路板上3D打印光电波导将可能在一块电路板上实现具有电子和光学信号传输功能的封装，所具有的优势：


提高性能
由于电子和光学器件被集成在一块板上，设计师可以根据需要在同一个设计中自由选用光电和全电子芯片。然而所有电子芯片采用铜线，每条线能够实现的带宽在40Gbps，光学芯片通过基于嵌入光纤采用芯片—芯片互联的方式能够带来大容量带宽能力的优势。这意味着芯片-芯片通信基于配置光纤可以达到100Tbps或者更高速度。这将是一个巨大的受益。

更小的尺寸
光波导相比典型的铜线路更小，通常在50μm的宽度。相比铜线这将很容易携载1000倍以上的数据。这将允许设计师通过替换部分铜线路为光纤以减小板子尺寸。在同样一个方向，不必再分离电子和光学器件板，可以集成到一个板上。此外，3D打印能够创建更复杂小尺寸特征的光电线路板。这将允许近一半增加器件密度和提高信息传输速度。

更高的能量效率
光学系统采用光纤中光子来传输信息，而电子系统则采用导体上的电子流动，通常是金属。传统电子器件会由于交互而产生热。当这些热无法控制时，系统性能将会受阻，由于信息交互将会带来额外的干扰。这就是为什么数据中心会花费数百万美元来冷却他们的服务器。而增加的光子器件和互联产生的热量通常更低，这也会提高器件的性能并降低制冷费用。

免除电磁干扰
电磁干扰通常由于线路电流通过时周围产生的电磁场所造成，这个在电子设备中很常见。这种在导线上的电磁场会穿过不同材料（包括空气）最终在附近导体上感应出电流。毕竟，这是无线电工作的原理。这种电磁场的问题会导致电路中错误的线路上产生电流，对于正常线路传输和接收数据带来干扰。线路上的电磁干扰很普遍，大多数电子设计在轻微干扰的情况下通过采用编码的方式使其数据得到恢复或者仔细考虑铜线路的排布。在单根铜线和信道上太多的电磁干扰将导致无法使用。

光电波导并不会像铜一样会受到电磁场的干扰。光纤它们不会产生电磁场，即使是在高频通信交互的时候，且周围的电磁场也不会造成影响。因此它们可以被用于信号传输且不用担心信号失真。

采用光电电路板潜在的弊端
虽然光电电路板提供了很多潜在的优势，但是同样具有一些潜在的弊端。3D打印光电PCB板是一种杀手级应用。然而问题是光电电路板是很难实现3D打印的，其需要很精确的层厚和对准。此外，光电材料是非常昂贵的且可能不适应于打印。

光电PCB相比传统PCB板是更难制造的，主要在于所需的材料和设备，且进一步技术还没有实现标准化的工艺流程。这将使得其一些芯片制造商需要光纤芯片的一侧，有的些则需要连接在顶部，有些则允许光纤连接在芯片底部。这项技术幸运的是，3D打印本身就具有很大的灵活度，能够适应每个制造商的需求。

最后，光电电路板仍然是比较相对较新的技术，所以在打印制造或者使用过程中有很多难以预料的问题。尽管有这些挑战，光电电路板对于不同的应用领域仍有很大的希望。随着不断研发，研究人员和工程将会克服这些潜在的问题，再下一个五年光电电路板可能会看到不断增加的应用。

未来光电PCB：3D打印
印刷电路板的铜线正在面临性能和板体中线路数量的限制。光子则是下一代材料能够使得PCB板满足不断增加的更小、更快、能耗更低的需求。

随着技术的进步，与时俱进是很重要的。对于光学而言其中一项最有希望的应用可能是3D打印光电电路板。这种电路板将会很快推动未来基于人工智能和机器学习量子计算方面的应用。

BotFactory 正在开展一项关于制造3D打印光电电路板方面的研究。这项技术能够潜在改变我们构建电子器件的制造方式。通过光子，将可能会创建出更为复杂和更好性能的电路板，但是尺寸更小且消耗的电力更少。这将允许在未来制造出更强的计算机和电子设备。很多光子通信主要集中在硅基，增加光学连接至芯片。然而在单根光纤点对点方面有很大的应用需求。如果这种通信连接变得非常复杂，3D打印光电混合电路板将会发挥重要作用。