90°弯曲光纤埋入FR4基板的结构可靠性分析

摘要

板级光电互联是在板级电路中引入光互联的一种新型互联方式，可以有效解决纯电气互联的电子传输速度、线路密度受限的“瓶颈”问题。其中的光纤传输方式是将光传输性能良好、制作工艺成熟的光纤作为光传输介质，埋入到 F R4基板中制作成光电互联印制电路板（OPCB），具有良好的综合性能，相关技术研究进展很快。但是，对板级光电互联中导光层与光器件接口部分光互联模块的可靠性问题，国内外学者研究的较少。因此，本文主要针对该部分90°弯曲光纤埋入FR4基板结构合理性和使用可靠性问题，结合科研项目研究需要和相关产品研制单位实际研究需求，利用有限元模拟技术，从90°弯曲光纤埋入结构，埋入结构湿热耦合扩展以及埋入界面裂纹扩展三个方面进行了研究。 首先，从光纤类型、刻槽方式以及是否使用填充胶三个方面对90°弯曲光纤埋入F R4基板结构进行了模拟设计。针对六种不同的埋入结构，在随机振动载荷下，分别进行仿真分析，重点比较了光纤的最大应力和最大偏移量。结果表明：埋入无涂覆玻璃光纤时，需要使用填充胶保护光纤，刻 U型槽埋入，光纤应力较小；埋入涂覆玻璃光纤时，不使用填充胶，刻U型槽埋入，光纤应力较小；埋入无涂覆玻璃光纤时，光纤位置偏移量较小，因此建议刻U型槽，使用填充胶，埋入无涂覆玻璃90°弯曲光纤，有助于提高埋入光纤的结构合理性和使用可靠性。 其次，结合所选光纤埋入结构以及产品服役环境，对光纤埋入结构进行了湿热耦合扩展仿真分析。首先，对埋入FR4基板的光纤进行湿热分布分析：根据Luiko v方程对模型进行单个的数学建模；采用有限差分法并根据相关的边界条件对建立的控制方程进行离散化化解，得到易求解的方程，然后综合以上分析，编写程序，求解数学模型，得出埋入FR4基板的光纤各个交界处的温湿度分布。然后，经lap lace变换得出湿热耦合应力的数学模型。编写程序，得出各个交界面的湿热耦合应力分布，求出最大应力，并研究了填充胶材料参数对光纤湿热耦合应力的影响。 最后，研究了埋入90°弯曲光纤F R4基板中光纤与填充胶粘接界面的裂纹扩展规律。光纤上下两侧与填充胶尖角接触处最容易产生裂纹及扩展；在光纤直径一定的条件下，光纤埋入间距与光纤埋入的排布方式对整体结构的应力分布影响较大，并对刻槽弯曲半径和间距进行优化设计。预置裂纹，计算J积分并将结果与内聚力模型计算结果对比，最终得出当裂纹长度大于0.094 mm时，裂纹开始扩展，易发生低应力脆断，且裂纹尖角J积分值随着裂纹长度的增加呈现线性增长的趋势等结论。

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第一章 绪论

1. 1论文研究背景与意义

1. 2国内外研究现状

1. 3论文主要研究思路及章节安排

第二章 基本理论

2. 1有限元理论

2. 2 J积分理论

2. 3内聚力模型法及其模型

2. 4本章小结

第三章 光纤埋入结构设计

3. 1光纤埋入结构分析

3. 2光纤埋入结构建模

3. 3随机振动下光纤埋入结构分析

3. 4 本章小结

第四章 光纤埋入界面的湿热耦合分析

4. 1埋入光纤基板的模型的建立及其网格划分

4. 2多孔介质材料中湿热耦合产生的应力

4. 3湿热耦合应力分布

4. 4本章小结

第五章 光纤埋入结构中界面裂纹扩展分析

5. 1随机振动载荷下仿真分析

5. 2影响光纤应力的因素

5. 3计算J积分

5. 4内聚力模型

5. 5本章小结

第六章 总结与展望

6. 1总 结

6. 2展 望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果