3Dプリント技術は光電子ハイブリッド回路基板を製造する新しい方法を提供する

出典: 電子工学 3Dプリンティング

はじめに: PCB 上の銅線接続は、スペース、干渉、電力により帯域幅の能力が制限されるため、電子機器メーカーは、今後の AI テクノロジ、プロセッサ、量子コンピューティングアプリケーションに必要な帯域幅を提供できる次世代の相互接続を推進する新しいテクノロジを求めています。銅配線の限界を克服するために、フォトニクスは今後数年間で光電子プリント回路基板に応用される可能性が最も高いでしょう。

光電子回路基板は、電気回路と光学デバイスを 1 つのユニットに組み合わせて作成されますが、既存のプロセス技術を使用してこのタイプの PCB 基板を製造することは非常に困難です。 3D プリント技術は、このタイプの回路基板を製造する新しい方法を提供し、従来の PCB 製造方法よりも消費電力が少なく、汚染も少ない、より小型で軽量で複雑な設計を作成するために使用できます。光電子回路基板は電磁シールド機能も向上し、デバイス密度の高い回路基板にも使用できます。

△光電子機能を1枚のPCBに統合
光電子回路基板はどこで使用されていますか?
チップはますます高速化しており、人工知能や機械学習に必要な計算能力は無限に思えます。ただし、コンピューティングのエネルギー消費が増加するにつれて、より高速なデータ転送にはより高速な速度が必要になります。したがって、高帯域幅アプリケーションは電子機器の未来です。

より高速なチップでは、設計どおりのスループットを実現するために、より広い帯域幅の通信チャネルが必要になります。ただし、同じピンサイズでサイズを増やさずにスループットを増やすと、周波数が高くなるため干渉と熱がさらに発生し、ピン (相互接続) の数とともに電子デバイスのコストとサイズが増加します。

銅線がこれ以上増加しない理由は以下のとおりです。

銅線の静電容量と抵抗は、立ち上がり時間と立ち下がり時間の制限により、より高速な伝送を実現できません。
より高い周波数の信号相互作用はより高い電磁干渉を生じる。
より高速なインタラクションは回線上の電力消費の増加につながる

チップにピンを追加してスループットを向上させると、次のようになります。

より大きく、より高価なパッケージ
内部金属ラインの増加と歩留まりの低下
PCB上の回路にはより多くの領域が必要です
デザイナーにとっての複雑さが増す
銅線経路は依然として電磁干渉の影響を受けやすい

ハイブリッド光電子基板は、光を埋め込んでより高帯域幅の通信回線を可能にすることでこれらの問題を克服できますが、低周波信号には引き続き銅線を使用します。これにより、信号アクセス速度と効率を向上させる独自の方法が提供されます。従来の回路基板上に光電子導波路を 3D プリントすると、単一の回路基板上に電子信号伝送機能と光信号伝送機能を備えたパッケージングを実現でき、次のような利点があります。

パフォーマンスの向上 電子部品と光学部品が 1 つのボードに統合されているため、設計者は必要に応じて、同じ設計内でオプトエレクトロニクスチップと全電子チップを自由に選択できます。ただし、すべての電子チップは銅線を使用しており、各線は 40Gbps の帯域幅を実現できます。光チップは、埋め込まれた光ファイバーに基づくチップ間相互接続を使用することで、大容量の帯域幅機能の利点をもたらすことができます。これは、構成された光ファイバーに基づいて、チップ間通信が 100Tbps 以上の速度に達する可能性があることを意味します。これは大きな利益となるでしょう。

小さいサイズ 光導波路は一般的な銅トレースよりも小さく、通常は幅 50 μm です。これにより、銅線の 1,000 倍のデータを簡単に伝送できます。これにより、設計者は銅線の一部を光ファイバーに置き換えることで基板のサイズを縮小できるようになります。同様に、電子機器と光学系を別々のボードに配置する必要がなくなり、1 つのボードに統合できるようになりました。さらに、3D プリントでは、より複雑で小さな機能を備えた光電子回路基板を作成できます。これにより、デバイス密度が向上し、情報転送速度がほぼ半分に向上します。

エネルギー効率の向上 光学システムは光ファイバー内の光子を使用して情報を送信しますが、電子システムは導体（通常は金属）内の電子の流れを使用します。従来の電子機器は相互作用により熱を発生します。これらの熱を制御できない場合、システムのパフォーマンスが低下し、情報交換により追加の干渉が発生します。そのため、データセンターはサーバーの冷却に何百万ドルも費やしています。追加されたフォトニックコンポーネントと相互接続により発生する熱は通常少なくなり、デバイスのパフォーマンスが向上し、冷却コストも削減されます。

電磁干渉の影響を受けない 電磁干渉は通常、通過する線電流の周囲に生成される電磁場によって引き起こされ、電子機器では非常に一般的です。電線内のこの電磁場はさまざまな物質（空気を含む）を通過し、最終的に近くの導体に電流を誘導します。結局のところ、ラジオはそういう仕組みになっているのです。この電磁場の問題により、回路内の間違った回線に電流が流れ、通常の回線でのデータの送受信が妨げられる可能性があります。線路上の電磁干渉は一般的であり、ほとんどの電子設計では、コーディングを使用するか、銅線のレイアウトを慎重に検討することで、わずかな干渉が発生した場合でもデータを回復できます。単一の銅線とチャネルへの電磁干渉が多すぎると、使用できなくなります。

光導波路は銅のように電磁場の影響を受けません。光ファイバーは、高周波通信の相互作用中でも電磁場を生成せず、周囲の電磁場の影響を受けません。そのため、信号の歪みを気にすることなく信号伝送に使用できます。

光電回路基板の使用による潜在的なデメリット 光電子回路基板には多くの潜在的な利点がありますが、いくつかの潜在的な欠点もあります。 3D プリントされたオプトエレクトロニクス PCB ボードは、キラーアプリケーションです。問題は、光電子回路基板は 3D プリントが難しく、非常に正確な層の厚さと位置合わせが必要になることです。さらに、光電子材料は非常に高価であり、印刷に適さない可能性があります。

オプトエレクトロニクス PCB は、主に必要な材料と設備のせいで従来の PCB よりも製造が難しく、さらに技術が標準化されたプロセスフローをまだ実現していません。これには、チップメーカーによってはファイバーをチップの片側に接続し、他のチップメーカーはチップの上部に接続し、さらに他のチップメーカーはファイバーをチップの下部に接続できるようにする必要がある。幸いなことに、3D プリント技術自体は非常に柔軟性が高く、各メーカーのニーズに合わせて調整できます。

最後に、光電子回路基板はまだ比較的新しい技術であるため、印刷中や使用中に予期しない問題が発生することがよくあります。これらの課題にもかかわらず、光電子回路基板はさまざまな応用分野で依然として大きな可能性を秘めています。研究開発が進むにつれて、研究者やエンジニアはこれらの潜在的な問題を克服し、今後 5 年間で光電子回路基板の用途が拡大する可能性があります。

未来の光エレクトロニクス PCB: 3D プリント プリント基板上の銅トレースは、パフォーマンスと基板上に収まるトレースの数の点で制限に直面しています。フォトニクスは、PCB の小型化、高速化、低消費電力化に対する高まる需要に応えることができる次世代の材料です。

技術が進歩するにつれて、時代の変化に遅れずについていくことが重要です。おそらく、光学の最も有望な用途の 1 つは、光電子回路基板の 3D プリントです。この回路基板は、人工知能と機械学習に基づく量子コンピューティングの将来のアプリケーションをすぐに推進するでしょう。

BotFactory は、3D プリントされた光電子回路基板の製造に関する研究を行っています。この技術は電子機器の製造方法を変える可能性を秘めています。光子を利用すると、より複雑で性能が高く、サイズが小さく消費電力が少ない回路基板を作成できるようになります。これにより、将来的にはより強力なコンピューターや電子機器を開発できるようになります。多くの光通信はシリコンをベースとしており、チップに光接続が追加されています。しかし、単一の光ファイバーを使用したポイントツーポイントアプリケーションに対する需要は非常に高くなっています。この通信接続が非常に複雑になると、3D プリントされた光電子ハイブリッド回路基板が重要な役割を果たすことになります。