PCB de interconexión óptica

La demanda de ancho de banda en centros de datos y computación de alto rendimiento está llevando los interconectores de cobre tradicionales a sus límites físicos. A medida que aumentan las velocidades de la señal, la pérdida eléctrica y la generación de calor se vuelven inmanejables en distancias largas. La solución reside en la PCB de Interconexión Óptica. Esta tecnología integra guías de onda ópticas o soporta motores ópticos avanzados directamente en la placa de circuito, cerrando la brecha entre los circuitos integrados fotónicos (PICs) y los ASICs de conmutación electrónica.

Esta guía sirve como un recurso central para ingenieros y gerentes de adquisiciones que navegan por las complejidades de las interconexiones ópticas. Iremos más allá de las definiciones básicas para explorar las métricas específicas, los puntos de control de fabricación y las estrategias de validación necesarias para producir placas de alta velocidad fiables.

Puntos Clave

Definición: Una PCB de Interconexión Óptica es una placa híbrida que combina capas eléctricas estándar con vías ópticas (guías de onda o gestión de fibra) para transmitir datos utilizando luz en lugar de electrones.
Métrica Crítica: La pérdida de inserción es el indicador de rendimiento principal; para los sistemas ópticos, esto incluye la pérdida de acoplamiento entre la fibra y la interfaz de la PCB.
Gestión Térmica: Los motores ópticos son sensibles al calor; la configuración de la PCB debe priorizar la disipación de calor junto con la integridad de la señal.
Precisión de alineación: Las tolerancias de fabricación para las vías ópticas y las características de alineación son significativamente más estrictas (a menudo submicrónicas) que los requisitos estándar de IPC Clase 3.
Idea errónea: Pasar a la óptica no elimina los problemas de integridad de la señal eléctrica; el corto enlace eléctrico entre el ASIC y el motor óptico es crítico.
Consejo: Involucre a su fabricante en la fase de diseño (DFM temprano) para validar la compatibilidad de materiales entre las fibras de vidrio y los sustratos de polímero.
Validación: Las pruebas requieren tanto diagramas de ojo eléctricos estándar como mediciones de amplitud de modulación óptica (OMA).

Qué significa realmente una PCB de interconexión óptica (alcance y límites)

Comprender los puntos clave proporciona una visión general, pero primero debemos definir el alcance específico de esta tecnología para evitar confusiones con la fibra óptica estándar.

Una PCB de interconexión óptica no es simplemente una placa con un conector de fibra óptica soldado al borde. Representa un cambio fundamental en la arquitectura, a menudo denominado Óptica en Placa (OBO) u Óptica Co-Empaquetada (CPO). En configuraciones tradicionales, las señales eléctricas viajan a través de toda la PCB hasta un módulo conectable (como un QSFP) en el panel frontal. En un diseño de interconexión óptica, la conversión de electricidad a luz ocurre mucho más cerca del procesador principal (ASIC). Esta proximidad reduce la longitud de la traza de cobre, que es la parte del canal con "mayores pérdidas". Para aplicaciones modernas como los diseños de PCB Ethernet de 1.6T, esta reducción en la longitud de la traza es obligatoria para mantener la integridad de la señal.

Las Tres Arquitecturas Principales

Soporte de Óptica Conectable (Pluggable Optics Support): La PCB está optimizada para señales eléctricas de alta frecuencia (hasta 112G PAM4) que viajan hasta el borde. Aunque la óptica es externa, la PCB es la interconexión crítica.
Óptica Integrada (On-Board Optics - OBO): El motor óptico se monta directamente en la superficie de la PCB, en el centro de la placa. Las fibras se dirigen desde el motor hasta la placa frontal.
Óptica Co-Empaquetada (Co-Packaged Optics - CPO): El motor óptico y el ASIC comparten el mismo sustrato o encapsulado. La PCB actúa principalmente como una red de suministro de energía y como soporte para los conectores de matriz de fibra.

APTPCB (Fábrica de PCB APTPCB) se especializa en la fabricación de los sustratos complejos y las placas de interconexión de alta densidad (HDI) requeridas para las tres arquitecturas. El proceso de fabricación difiere significativamente dependiendo de si la placa requiere guías de onda integradas (raras y costosas) o un enrutamiento de alta precisión para la gestión de la fibra (estándar de la industria).

Métricas importantes (cómo evaluar la calidad)

Una vez que comprenda el alcance de la arquitectura, necesitará estándares cuantificables para medir el rendimiento de la placa. En el ámbito de las PCB de interconexión óptica, las pruebas eléctricas estándar son insuficientes. Se debe evaluar la placa en función de su capacidad para soportar señales eléctricas de alta frecuencia y su precisión mecánica para facilitar el acoplamiento óptico.

Métrica	Por qué es importante	Rango típico / Factores	Cómo medir
Pérdida de inserción (eléctrica)	Una alta pérdida degrada la señal antes de que llegue al motor óptico. Crítico para PCB Ethernet de 100G y superiores.	< 1.0 dB/pulgada a 28 GHz (dependiendo del material).	VNA (Analizador de Redes Vectorial) usando parámetros S (S21).
Eficiencia de acoplamiento	Mide cuánta luz se pierde al transferir de la fibra al motor integrado.	< 0.5 dB por interfaz es el objetivo.	Medidor de Potencia Óptica (OPM) con fuente de luz calibrada.
Planitud de la superficie (Coplanaridad)	El motor óptico debe asentarse perfectamente plano para alinearse con el conjunto de fibras.	< 30 µm sobre la huella del componente.	Perfilometría láser o interferometría de moiré de sombra.
Resistencia térmica (Rth)	Los láseres ópticos pierden eficiencia y vida útil si se sobrecalientan.	Depende de la pila; cuanto menor, mejor.	Simulación de modelado térmico validada por imágenes IR.
Control de impedancia	Los desajustes causan reflexiones que arruinan la Tasa de Error de Bit (BER).	85Ω o 100Ω ± 5% (más estricto que el estándar ±10%).	TDR (Reflectometría en el Dominio del Tiempo).
Precisión de Registro	Las capas deben alinearse perfectamente para que las vías alcancen sus almohadillas objetivo sin salirse.	± 2 mil (estándar) a ± 0.5 mil (avanzado).	Inspección por rayos X durante la laminación.
Sesgo (Intra-par)	Las diferencias de temporización entre las señales positivas y negativas destruyen el diagrama de ojo.	< 5 ps/pulgada.	Medición de retardo de fase con VNA.

Guía de selección por escenario (compensaciones)

Conocer las métricas ayuda, pero la elección correcta depende de su aplicación específica y de las compensaciones que esté dispuesto a aceptar.

Diferentes industrias priorizan distintos aspectos de la PCB de interconexión óptica. Un centro de datos prioriza la velocidad, mientras que una aplicación aeroespacial prioriza la fiabilidad bajo vibración. A continuación, se presentan escenarios comunes y el enfoque de PCB recomendado para cada uno.

Escenario 1: Centro de Datos a Hiperescala (Conmutación de 1.6T)

Requisito: Máxima densidad de ancho de banda, menor potencia por bit.
Recomendación: Utilizar arquitectura de Óptica Co-Empaquetada (CPO).
Compensación: Complejidad de diseño y costo extremadamente altos. La PCB se convierte en un sustrato de alto número de capas con paso ultrafino.
Material Clave: Materiales de ultra baja pérdida (p. ej., Megtron 8 o Tachyon 100G).

Escenario 2: Redes Empresariales (Actualizaciones de 400G/800G)

Requisito: Equilibrio entre rendimiento y compatibilidad con versiones anteriores.
Recomendación: Óptica en Placa (OBO) o soporte avanzado para conectables.
Compensación: Trazas eléctricas más largas que CPO, lo que requiere mejores materiales de PCB para compensar la pérdida.
Material clave: Materiales de PCB de alta velocidad con bajo Dk/Df.

Escenario 3: Backhaul de Telecomunicaciones 5G

Requisito: Durabilidad exterior y estabilidad térmica.
Recomendación: PCB Rígido-Flexible con transceptores ópticos montados en la sección rígida.
Compensación: La gestión térmica es difícil en carcasas selladas.
Característica clave: Cobre pesado para disipación de calor y capacidades HDI robustas.

Escenario 4: Imágenes Médicas (MRI/CT)

Requisito: Inmunidad a EMI (las señales ópticas son inmunes a la interferencia magnética).
Recomendación: Guía de onda óptica de polímero (incrustada) o cableado de fibra óptica enrutado a través de la PCB.
Compensación: El proceso de fabricación especializado para guías de onda incrustadas no está ampliamente disponible.
Característica clave: Materiales no magnéticos y aislamiento estricto.

Escenario 5: Servidores de Trading de Alta Frecuencia (HFT)

Requisito: La latencia más baja posible.
Recomendación: Diseño de PCB Ethernet de 100G de corto alcance con cableado de conexión directa.
Compensación: Distancia limitada; no apto para larga distancia.
Característica clave: Vías perforadas por la parte trasera para eliminar los talones que causan reflexión de la señal.

Escenario 6: Aviónica Aeroespacial y de Defensa

Requisito: Resistencia a la vibración y amplio rango de temperatura.
Recomendación: Conectores ópticos robustos (estándares VITA) montados en placas de cerámica o poliimida de alta Tg.
Desventaja: Alto costo de materiales y pruebas de validación.
Característica clave: Sustratos de PCB de Cerámica para estabilidad térmica.

Del diseño a la fabricación (puntos de control de implementación)

Después de seleccionar el enfoque correcto para su escenario, la ejecución se convierte en la prioridad para asegurar que el diseño sea fabricable.

La fabricación de una PCB de interconexión óptica requiere un control de proceso más estricto que las placas estándar. APTPCB utiliza un sistema de "puerta" donde la placa debe pasar criterios específicos antes de pasar a la siguiente etapa de producción.

1. Selección de Materiales y Apilamiento

Recomendación: Elija materiales con una baja Constante Dieléctrica (Dk) y Factor de Disipación (Df). Asegúrese de que el contenido de resina sea lo suficientemente alto para llenar los huecos en diseños con alto contenido de cobre.
Riesgo: El efecto de la trama de vidrio (sesgo causado por los haces de fibra) puede arruinar las señales de alta velocidad.
Aceptación: Utilice "vidrio extendido" o gire el diseño 10 grados con respecto a la trama.

2. Diseño y Perforación de Vías

Recomendación: Utilice microvías y vías enterradas para ahorrar espacio. Implemente el taladrado posterior para todos los pines de conectores de orificio pasante.
Riesgo: Los talones de vía actúan como antenas, causando resonancia y pérdida de señal.
Aceptación: Análisis de sección transversal para verificar que la longitud del talón sea < 6-8 mils.

3. Características de Alineación Óptica

Recomendación: Incluir marcas fiduciales específicamente para la colocación del motor óptico, no solo fiduciales globales.
Riesgo: Si el motor óptico está desalineado incluso por unas pocas micras, la eficiencia de acoplamiento disminuye drásticamente.
Aceptación: Inspección Óptica Automatizada (AOI) que mide la ubicación fiducial en relación con las almohadillas.

4. Aplicación del Acabado Superficial

Recomendación: Se prefiere ENIG (Níquel Químico/Oro por Inmersión) o ENEPIG para la unión de cables (wire bonding) de motores ópticos.
Riesgo: HASL (Nivelación con Aire Caliente) es demasiado irregular para componentes de paso fino.
Aceptación: Medición de la planitud de la superficie.

5. Laminación y Registro

Recomendación: Utilizar laminación con pines o unión por fusión para placas de alto número de capas para evitar el desplazamiento de las capas.
Riesgo: Un registro incorrecto causa discontinuidades de impedancia.
Aceptación: Verificación de perforación por rayos X.

6. Estructuras de Gestión Térmica

Recomendación: Incrustar monedas de cobre o "granjas" de vías térmicas debajo del motor óptico.
Riesgo: La potencia de salida óptica fluctúa con los cambios de temperatura.
Aceptación: Prueba de conductividad térmica.

7. Pruebas de Impedancia

Recomendación: Los cupones de prueba deben diseñarse para coincidir con las trazas reales en la placa.
Riesgo: El cupón pasa, pero la placa falla debido a variaciones de grabado.
Aceptación: Pruebas TDR al 100% en las trazas reales de la placa cuando sea posible.

8. Limpieza y Control de Contaminación

Recomendación: Limpieza con plasma antes del acabado superficial y el ensamblaje.
Riesgo: El polvo o los residuos en las interfaces ópticas bloquean la transmisión de luz.
Aceptación: Pruebas de contaminación iónica.

Errores comunes (y el enfoque correcto)

Incluso con un plan sólido y puntos de control estrictos, a menudo, escollos específicos descarrilan la producción durante la fase NPI (Introducción de Nuevos Productos).

Evitar estos errores comunes puede ahorrar semanas de tiempo de revisión y miles de dólares en costos de prototipos.

Ignorar el "Efecto de Tejido de Vidrio"
- Error: Usar estilos de vidrio FR4 estándar (como 106 o 1080) para señales de 50Gbps+. La señal viaja más rápido sobre la resina que sobre el vidrio, causando una desviación de tiempo.
- Corrección: Especificar estilos de "vidrio extendido" (como 1067 o 1078) o usar materiales de PCB Megtron diseñados para la homogeneidad.
Descuidar el Plano de Referencia
- Error: Enrutar trazas de alta velocidad sobre divisiones en el plano de tierra o cerca del borde de la placa.
- Corrección: Asegurar planos de referencia de tierra continuos para todos los pares diferenciales de alta velocidad. Unir vías de tierra cerca de las transiciones de señal.
Pasar por alto la Discrepancia de Expansión Térmica (CTE)
- Error: Montar un motor óptico cerámico directamente sobre una placa FR4 estándar sin alivio de tensión. La placa se expande más rápido que el componente, agrietando las uniones de soldadura.
- Corrección: Usar un interposer o elegir materiales de placa con un CTE más bajo que coincida con el componente.
Control insuficiente de la profundidad del taladrado posterior
- Error: Especificar el taladrado posterior pero no definir la tolerancia. Si el taladro es demasiado profundo, corta la conexión; si es demasiado superficial, el talón permanece.
- Corrección: Definir una capa estricta de "no cortar" y una longitud máxima de talón (p. ej., 10 milésimas de pulgada).
Mala planificación del enrutamiento de fibra
- Error: Diseñar la PCB sin considerar el radio de curvatura de las fibras ópticas que se conectarán a ella.
- Corrección: Definir zonas de "exclusión" en el diseño de la PCB específicamente para los clips de gestión de fibra y los radios de curvatura.
Asumir que las reglas eléctricas se aplican a la óptica
- Error: Tratar la interfaz del motor óptico como un BGA estándar.
- Corrección: Los motores ópticos requieren estándares de planitud y limpieza mucho más estrictos. Consulte la hoja de datos del componente para conocer las reglas específicas de diseño de la plantilla.

Preguntas Frecuentes

Para aclarar las incertidumbres restantes, aquí están las respuestas a las preguntas frecuentes que recibimos en APTPCB con respecto a las interconexiones ópticas.

P: ¿Puedo usar FR4 estándar para una PCB de interconexión óptica? R: Para las secciones de control de baja velocidad, sí. Sin embargo, para las líneas de datos de alta velocidad que alimentan el motor óptico, el FR4 estándar es demasiado con pérdidas. Una pila híbrida (FR4 + material de alta velocidad) suele ser la solución más rentable.

P: ¿Cuál es la diferencia entre CPO y OBO? A: OBO (Óptica en Placa) coloca el módulo óptico en la PCB cerca del ASIC. CPO (Óptica Co-Empaquetada) coloca el motor óptico dentro del mismo paquete que el ASIC. CPO requiere una fabricación de sustratos más avanzada.

P: ¿Cómo se prueba la parte óptica de la PCB? A: El fabricante de PCB típicamente prueba la integridad eléctrica (TDR, VNA). Las pruebas ópticas (rendimiento de luz) usualmente ocurren después del ensamblaje (PCBA) cuando el motor óptico y las fibras están conectados.

P: ¿Cuál es el número máximo de capas para estas placas? A: No hay un límite teórico, pero las PCB para Servidores y Centros de Datos a menudo varían de 16 a más de 40 capas para acomodar la densidad de enrutamiento y los requisitos de energía.

P: ¿APTPCB es compatible con guías de onda ópticas integradas? A: Esta es una tecnología altamente especializada. Principalmente apoyamos las interconexiones eléctricas para OBO/CPO y placas con enrutamiento de precisión para la gestión de fibra. Por favor, contacte a nuestro equipo de ingeniería para capacidades específicas de I+D.

P: ¿Cómo mejora la calidad de la señal el taladrado posterior (back-drilling)? A: Elimina la porción no utilizada de un orificio pasante chapado (stub de vía). A altas frecuencias (como 25GHz+), estos stubs reflejan las señales, causando una pérdida severa de datos.

P: ¿Qué acabado superficial es mejor para placas ópticas de alta velocidad? A: ENIG o Plata de Inmersión. Proporcionan una superficie plana para componentes de paso fino y no añaden la pérdida por "efecto piel" asociada al níquel en algunas frecuencias (aunque ENIG es generalmente aceptable para la mayoría de las aplicaciones digitales). P: ¿Por qué la gestión térmica es tan crítica para la óptica? R: Los láseres son menos eficientes y tienen una vida útil más corta a altas temperaturas. La PCB debe actuar como un disipador de calor para alejar el calor del motor óptico.

Páginas y herramientas relacionadas

Soluciones de PCB para Servidores y Centros de Datos: Profundice en los requisitos específicos para placas base de servidores y tejidos de conmutación.
Fabricación de PCB de Alta Velocidad: Conozca los materiales y procesos utilizados para velocidades de señal de 112G y 224G.
Capacidades de PCB HDI: Tecnología esencial para el enrutamiento de las señales de alta densidad requeridas por los motores ópticos.
Calculadora de Impedancia: Una herramienta para ayudarle a estimar el ancho y el espaciado de las trazas para su impedancia objetivo.

Glosario (términos clave)

Finalmente, dominar la terminología asegura una comunicación clara entre los equipos de diseño y los socios de fabricación.

Término	Definición
ASIC	Circuito Integrado de Aplicación Específica. El procesador principal o chip de conmutación que genera los datos.
CPO	Óptica Co-Empaquetada. Motores ópticos integrados en el mismo paquete que el ASIC.
OBO	Óptica en Placa. Motores ópticos montados en la superficie de la PCB, distintos del ASIC.
PAM4	Modulación por Amplitud de Pulso de 4 Niveles. Un esquema de modulación utilizado para Ethernet de alta velocidad (por ejemplo, 400G, 800G) que transmite dos bits por símbolo.
NRZ	No Retorno a Cero. Esquema de modulación más antiguo (1 bit por símbolo), menos eficiente que PAM4.
SerDes	Serializador/Deserializador. La interfaz que convierte datos paralelos en datos serie para transmisión de alta velocidad.
Guía de ondas	Una estructura (de vidrio o polímero) que guía las ondas de luz, análoga a una pista de cobre para la electricidad.
PIC	Circuito Integrado Fotónico. Un chip que manipula la luz (láseres, moduladores, detectores).
EIC	Circuito Integrado Electrónico. El chip controlador/TIA que controla el PIC.
Pérdida por Inserción	La pérdida de potencia de la señal resultante de la inserción de un dispositivo (o pista) en una línea de transmisión.
Dk (Constante Dieléctrica)	Una medida de la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica. Un Dk más bajo es mejor para la velocidad de la señal.
Df (Factor de Disipación)	Una medida de cuánta energía de la señal es absorbida por el material (pérdida). Un Df más bajo es mejor.
Taladrado posterior	El proceso de perforar la porción no utilizada de un barril de vía para reducir la reflexión de la señal.
QSFP-DD	Quad Small Form-factor Pluggable Doble Densidad. Un factor de forma común para transceptores ópticos de alta velocidad.

Conclusión (próximos pasos)

La transición a la tecnología de PCB de interconexión óptica no es solo una tendencia; es una necesidad para la próxima generación de infraestructura informática. Ya sea que esté diseñando para una arquitectura de PCB Ethernet de 1.6T o para dispositivos médicos especializados, la convergencia de la fotónica y la electrónica requiere un socio de fabricación que comprenda los matices eléctricos y mecánicos de estas complejas placas.

El éxito reside en los detalles: seleccionar los materiales de baja pérdida adecuados, garantizar una precisión de alineación submicrónica y validar la integridad de la señal mediante pruebas rigurosas.

¿Listo para llevar su diseño a producción? Al enviar sus datos a APTPCB para una revisión DFM o un presupuesto, asegúrese de proporcionar:

Archivos Gerber (RS-274X): Incluyendo todas las capas de cobre, máscara de soldadura y perforación.
Diagrama de apilamiento: Especificando los tipos de material (ej., Megtron 7), el espesor de la capa y los requisitos de impedancia.
Tabla de perforación: Identificando claramente las ubicaciones y profundidades de las perforaciones posteriores.
Plano de fabricación: Indicando las tolerancias críticas para las características de alineación óptica y los requisitos de planitud de la superficie.
Netlist: Para validación eléctrica (IPC-356).

Al colaborar con nosotros en las primeras etapas de la fase de diseño, podemos ayudarle a navegar por las compensaciones y asegurar que su proyecto de interconexión óptica esté construido para el rendimiento y la fiabilidad.