不同槽型結(jié)構(gòu)撓性基板對(duì)光纖應(yīng)力應(yīng)變的影響

夏安思，周德儉，佘雨來(lái)

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

隨著電子技術(shù)及制造工藝水平的不斷提高，電子產(chǎn)品的小型化、輕量化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多功能的發(fā)展導(dǎo)致了系統(tǒng)集成度及互聯(lián)密度的不斷增加[1]。同時(shí)，高速通信技術(shù)的飛速發(fā)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(lián)速率、帶寬和密度提出了更高的要求[2]。傳統(tǒng)印制板的數(shù)據(jù)完整性、串?dāng)_、信號(hào)衰減、電磁干擾和功率消耗等瓶頸問(wèn)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(wèn)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(zhì)，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(shù)差異較大，在層壓過(guò)程中不同的槽型導(dǎo)致光纖發(fā)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(guò)程中不同槽型與光纖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

1 埋入光纖撓性基板結(jié)構(gòu)模型

光纖埋入撓性印制板一般采用刻槽的形式?？滩鄣哪康脑谟冢簩?duì)光纖位置進(jìn)行定位，以便與光耦合單元對(duì)準(zhǔn)；對(duì)光纖布線的走向進(jìn)行引導(dǎo)，使其按照理想的直線布線，盡量減少光纖在撓性基板內(nèi)的微小彎曲；減小光纖在層壓工藝中的壓力，對(duì)光纖具有一定保護(hù)作用。同時(shí)槽型結(jié)構(gòu)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(lián)過(guò)程中的信號(hào)傳輸。因此，在埋入光纖撓性基板的層壓研究中需要對(duì)槽型進(jìn)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(qiáng)度及可靠性，基于所應(yīng)用的光纖外形結(jié)構(gòu)，將3種槽型深度統(tǒng)一設(shè)定為130 μm，每個(gè)槽間距為250 μm，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 槽型結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型的建立

3種槽型撓性基板的基本結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)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(jié)構(gòu)尺寸示意圖，埋入基板長(zhǎng)、寬、高分別為100.0、2.0、0.2 mm，每個(gè)槽型間距為250 μm，光纖直徑為125 μm。整個(gè)撓性基板厚度為288 μm，其各層結(jié)構(gòu)厚度參數(shù)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(jì)算過(guò)程中存在網(wǎng)格難以合理劃分和計(jì)算機(jī)計(jì)算量過(guò)大等問(wèn)題。因此，在計(jì)算過(guò)程中為不影響計(jì)算誤差，可將三維模型轉(zhuǎn)換為二維模型，取其XZ截面進(jìn)行仿真計(jì)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(xué)參數(shù)計(jì)算[7-10]。

表1 材料屬性

埋入光纖撓性基板的壓制過(guò)程為熱壓機(jī)中上、下側(cè)熱壓板對(duì)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(shè)初始溫度為25 ℃，即撓性基板放入熱壓機(jī)時(shí)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(gè)基板的溫度分布相同，不考慮材料熱傳導(dǎo)系數(shù)引起的溫差。

圖3 層壓工藝參數(shù)曲線

通過(guò)自定義網(wǎng)格劃分對(duì)遠(yuǎn)離光纖區(qū)域模型網(wǎng)格簡(jiǎn)化，光纖及其周圍區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，其網(wǎng)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(wǎng)格劃分

3 層壓工藝過(guò)程中光纖受力及偏移量分析

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

圖5 層壓過(guò)程中光纖埋入矩形槽撓性基板中光纖應(yīng)力云圖

層壓過(guò)程中光纖埋入U(xiǎn)形槽和梯形槽撓性基板中光纖最大應(yīng)力分布如圖6所示。從圖6可看出：層壓過(guò)程中光纖埋入U(xiǎn)形槽撓性基板，每根光纖應(yīng)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(guò)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(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為25.49 MPa。由此可得出，在層壓過(guò)程中光纖埋入U(xiǎn)形槽時(shí)光纖所受應(yīng)力最小，埋入梯形槽時(shí)應(yīng)力最大。由于光纖許用應(yīng)力(690 MPa)遠(yuǎn)大于3種槽型中光纖受到的熱應(yīng)力，光纖在層壓時(shí)受到的熱應(yīng)力都在合理范圍內(nèi)。

圖6 光纖埋入U(xiǎn)形槽、梯形槽光纖最大應(yīng)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(fā)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(duì)接過(guò)程中誤差最小，在選取光纖埋入撓性基板的槽型結(jié)構(gòu)應(yīng)以光纖發(fā)生偏移量最小為標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)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(jié)構(gòu)尺寸對(duì)層壓過(guò)程中光纖偏移量的影響

根據(jù)以上分析，在光纖埋入矩形槽撓性基板模型基礎(chǔ)上，分別改變矩形槽結(jié)構(gòu)尺寸(槽深、槽寬)，不改變其材料參數(shù)和邊界條件，得出槽深、槽寬與光纖偏移量的關(guān)系如圖8所示。

圖8 槽型結(jié)構(gòu)尺寸與光纖最大偏移量關(guān)系

當(dāng)槽深分別為125、130、135、140、145、150、155、160、165、170 μm時(shí)，槽寬和槽間距值不變(分別為125、250 μm)，在層壓過(guò)程中得出相應(yīng)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(shì)為先減小后增加，當(dāng)槽深度為145 μm時(shí)，光纖埋入矩形槽撓性基板在層壓過(guò)程中光纖最大偏移量可取最小值為2.027 μm。

當(dāng)槽寬分別為125、127、129、131、133、135、137、139、141、143、145 μm時(shí)，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(shù)量級(jí)非常小，可忽略不計(jì)。此時(shí)，當(dāng)槽寬度為125 μm時(shí)，光纖埋入矩形槽撓性基板在層壓過(guò)程中光纖最大偏移量可取最小值為2.040 3 μm。

根據(jù)以上分析，在層壓過(guò)程中為確保光纖最大偏移量最小，應(yīng)取槽深為145 μm、槽寬為125 μm時(shí)，光纖發(fā)生的最大偏移量將取最小值2.027 μm。

5 結(jié)束語(yǔ)

為分析層壓過(guò)程中不同槽型結(jié)構(gòu)對(duì)光纖應(yīng)力應(yīng)變的影響，建立了光纖埋入不同結(jié)構(gòu)槽型撓性基板的光電互聯(lián)印制板有限元模型，分析光纖的應(yīng)力應(yīng)變及光纖埋入撓性基板偏移量最小對(duì)應(yīng)的最優(yōu)槽型，并通過(guò)分析最優(yōu)槽型的結(jié)構(gòu)尺寸與光纖最大偏移關(guān)系。層壓工藝中光纖埋入撓性基板選取最優(yōu)槽型為矩形槽，此時(shí)光纖最大偏移量最小，為2.04 μm；當(dāng)矩形槽槽深、槽寬分別為145、125 μm時(shí)最優(yōu)，光纖最大偏移量為2.027 μm。