Optische Komponenten in Leiterplatten

Weltweit arbeiten Forscher seit Jahren daran optische Leitungen in Leiterplatten zu integrieren. Die meisten Konzepte sind aufwändig, teuer und kaum für die Massenfertigung geeignet. Dr. Ruth Houbertz-Krauß vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg fand eine praktikable Lösung. „Basis sind ORMOCER®e, eine Stoffklasse, die wir hier am Institut entwickelt haben,“ erzählt Dr. Houbertz.

„ORMOCER®e können Licht hervorragend mit niedrigen Verlustwerten führen und lassen sich auch für Leiterplattenprozesse einsetzen“. Damit aus dem zähflüssigen Ausgangsmaterial optische Wellenleiter auf einer Leiterplatte entstehen, passte Dr. Houbertz die Zusammensetzung spezieller ORMOCER®e an das TPA-Verfahren an, mit dem dreidimensionale Strukturen direkt in das Material geschrieben werden können.

Wie sieht dieser Prozess aus? „Auf die Leiterplatte, auf der bereits die opto-elektronischen Bauteile montiert sind, kommt eine 0,3 Millimeter dicke ORMORCER®-Schicht. Um die optische Schicht zu strukturieren, wird sie mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt“, erklärt Dr. Houbertz. „Die bestrahlte Struktur weist einen höheren Brechungsindex auf als das Umgebungsmaterial. Sie fungiert damit als Kern des Wellenleiters und verbindet die beiden Bauteile miteinander.

Die restliche Schicht bleibt unbelichtet, wird aber durch thermische Nachbehandlung stabilisiert, sodass sie auch die weiteren Aufbau-Schritte der Leiterplattenproduktion übersteht. Das neue Verfahren reduziert die Prozessschritte deutlich, der eigentliche Vorteil liegt aber in der vollstän-digen Integration der optischen Verbindung in der optischen Schicht. Auch die komplizierte Verbindungstechnik zwischen den optischen und elektrischen Teilen auf der Leiterplatte fällt weg, da sich die Wellenleiter direkt an die vormontierten Bauelemente „schreiben“ lassen. Gemeinsam mit seinen Forschungspartnern, dem österreichischen Leiterplatten-Hersteller AT&S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft sowie der Joanneum Research GmbH und weiteren hat das ISC die Funktionalität bereits demonstriert.

Als nächstes soll eine TPA-Anlage entwickelt werden, die für eine Prototypen-Produktion geeignet ist. Ziel ist es, opto-elektronische Leiterplatten mit Datenübertragungsraten von über 4 Gigabit pro Sekunde zu realisieren. Für ihre Entwicklung wird Dr. Ruth Houbertz mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2007 ausgezeichnet. Die Jury hob in ihrer Begründung hervor, dass AT&S mit diesem weltweit einzigartigen Fertigungsverfahren einen deutlichen Entwicklungsvorsprung erzielt und sich eine Marktführerschaft in Hinblick auf Material, Technologie und Produktion sichern kann.