CN100374891C - 将光纤与印刷布线板掩埋波导耦合的方法和结构 - Google Patents

Abstract

本发明给出光接口组件。光接口组件包括具有多个光波导的第一部分。第一部分用于与光纤连接器配对接合。第二部分与第一部分配对。第二部分用于与包括掩埋波导组件的电子衬底配对接合。第一和第二部分进一步将多个光波导在第一部分的第一端与掩埋波导组件的多个相应波导芯对准。第一和第二部分进一步将多个光波导在第一部分的第二端与光纤连接器中的多个相应光纤对准。还给出了电子组件和将光纤与电子衬底掩埋波导耦合的方法。

Description

将光纤与印刷布线板掩埋波导耦合的方法和结构

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2003年12月22日提交的美国临时专利申请No.60/532,020的利益，后者的全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明一般涉及光通信系统，更特定地，涉及将光纤与印刷布线板掩埋波导耦合的方法和结构。

背景技术

使用光纤代替铜布线用于计算机和网络设备中的印刷电路板(PCB)具有许多众所公认的好处.这种潜在好处包括：增大了带宽和数据率，克服了处理体系众的瓶颈，抗电磁干扰并降低了系统的辐射噪声，通过排除光/电(O/E)转换而减少了等待时间，以每引脚更低的成本得到更大的封装密度，以及能够使用像有孔环这样的新的处理器互连技术。这些以及其它因素直接为计算机系统的性能带来好处(例如增大了MIPS(百万指令每秒)或FLOPS(浮点运算每秒)的处理能力，增大了并行体系中的节点计数，等等)。

随着过去几年中处理器速度的显著提高以及对这一趋势将会继续的预期，铜互连技术将无法按比例缩小以满足处理单元的带宽需求。另一方面，光纤光学元件由于不会受到像铜那样的带宽/距离限制，从而成为处理单元之间甚大带宽传输的优选媒介。但是，为了完全实现这些好处，光纤互连元件应当继续提供已有电连接技术的好处。

当前，还没有已知的方法可将光从入射光纤直接耦合到形成在印刷线路板(PWB)中的掩埋波导中。作为代替，传统的连接组件集中在光纤-光纤耦合上。

例如，授予Grimes等人的美国专利6,402,393公开了一种互连系统，用于具有许多与底板相连和不相连的光学器件的光回路板。光回路板使用固定于回路板边缘的插座来与含有光插头列阵的底板相连。耦合时，相应的光学插头和插座并非单独互锁的，从而便于将光回路板从底板上取下。

授予Ngo等人的美国专利6,412,986公开了用于将多个光连接器连接在一起的转接器。转接器包括用于安装到印刷电路板上的框架和至少一个安装在框架容纳区中的转接器盒，转接器盒是可以移动的。转接器盒的尺寸和形状适于在其中容纳两个或更多个光连接器，并单独将光连接器与转接器盒相连。光连接器方向相反地容纳在转接器盒中，并在转接器盒中互相连接。

Morse等人提出的美国专利申请公开US 2003/0095758针对用于将单或多沟道器件与光纤对接的光连接适配器。该适配器具有用于传输光信号的衬底，具有相对端、顶参考面和单面表面。衬底载体容纳衬底和载体托架，后者利用载体对准基准容纳在衬底的顶参考面表面之上。然而，Morse的公开仍没有给出，例如，光纤光连接器和形成在印刷布线板中的光波导之间的直接接口。

授予Moore的美国专利6,302,590公开了一种光连接器，其特征在于外壳部分，它具有用于接合具有波导的插头的第一支架。第一支架在近端部分开口，在其远端具有侧壁.有一个小腔在该侧壁处与第一支架相接，其中具有光通路。另外，与第一支架整体形成了至少两个外部被动对准针脚，用于与第一插头中的凹口接合。外部被动对准针脚将波导被动对准光通路，以及侧壁中让光信号沿第一插头和小腔之间的光通路传输的开口。

授予Knott的美国专利5,155,784针对电路板所容纳的光波导和底板所容纳或与底板相连的光波导之间的光连接装置。连接装置包括一个两部分插头和插座机械连接器，它与一个两部分插头和插座光纤连接器结合。机械连接器的一部分相对于载体电路板或底板来说可以移动有限的距离，而另一部分是固定的。光纤连接器的一部分插入并固定在机械连接器的固定部分中，而光纤连接器的另一部分可移动地安装在机械连接器的可移动部分上。

因此，需要能够以与现有连接技术相容的方法将来自光纤连接器的光方便可靠地耦合/去耦合至掩埋PWB波导。

发明内容

在第一方面，给出光接口组件。光接口组件包括具有许多光波导的第一部分。第一部分用于与光纤连接器的配对接合。第二部分与第一部分配对。第二部分用于与包括掩埋波导组件的电子衬底的配对接合。第一和第二部分进一步用于在第一部分的第一端将掩埋波导组件的许多相应波导芯对准这许多光波导。第一和第二部分进一步用于在第一部分的第二端将光纤连接器中的许多相应光纤对准这许多光波导。

另一方面，给出电子组件。电子组件包括如上所述的光接口组件以及包括掩埋波导组件的电子衬底。光接口组件的第二部分与电子衬底配对从而这许多光波导在第一部分的第一端与掩埋波导组件的许多相应波导芯对准。

另一方面，给出用于将光纤与电子衬底耦合的方法。方法包括形成具有第一部分和第二部分的光接口组件。第一部分具有许多光波导。第一部分进一步用于与光纤连接器的配对接合。第二部分与第一部分配对。第二部分进一步用于与具有掩埋波导组件的电子衬底的配对接合。第一和第二部分进一步用于在第一部分的第二端将光纤连接器中的许多相应光纤对准这许多光波导。

附图说明

参看示例性附图，其中各图中相似的元素标号相似：

图1至10示出可用于其中具有掩埋波导的印刷布线板的形成中的示例性加工顺序，根据本发明的实施方案适于使用；

图11至17示出用于形成用于与图1-10的掩埋波导组件配对接合的光接口组件的示例性加工顺序；

图18至24示出光接口组件的另一实施方案的各种视图。

具体实施方式

此处所公开的为用于将光纤与形成在电子衬底中的掩埋波导耦合的方法和结构。简单说来，光接口组件包括第一部分和第二部分，其中第一部分用于在其中容纳许多光纤并用于在其第一端与光纤连接器配对耦合。光纤连接器可以是，例如，MT连接器等。用于下文中，术语“电子衬底”可描述这样的衬底，例如，印刷布线板衬底、半导体衬底、玻璃衬底、聚酯薄膜衬底等。为描述的目的，下文中还与术语“电子衬底”一起使用术语“印刷布线板”(PWB)或“PWB衬底”，它们是可互换的。

正如后面所要详细提出的，各种构成元件之间的配对接合以一种或多种凸/凹配对布置的形式来描述。从而，如下文所用的术语“凸对准部件”可描述任何合适形状的任何凸起，包括，但不局限于，杆、针、柱、钉、球、隆起等。类似地，如下文所用的术语“凹对准部件”可描述任何合适形状的任何凹接收部件，包括，但不局限于，缝、沟、插座、孔、空洞等。

因此，第一部分和连接器之间的配对接合能以各种方式来完成，例如，一个或多个对准针、对准球等。光接口组件的第二部分用于与第一部分相连。此外，光接口组件的第二部分包括，例如，一个或多个用于与形成在其中具有掩埋波导的印刷布线板衬底中相应的缝配对接合的突起，反之亦然。也就是，具有凸对准部件的元件可具有凹对准部件，反之亦然。

一旦配对了第二和第一部分，集成光接口组件就被以如下方式附着在印刷布线板上：置于第一部分中的光纤的末端与PWB中相应的掩埋波导对准。之后可将连接器插入第一部分的另一端中，从而完成带连接器的光纤与PWB的掩埋波导之间的接口。

先参看图1至10，示出可用于其中具有掩埋波导的印刷布线板的形成的示例性加工顺序，根据本发明的实施方案适于使用。特定地，图1示出PWB衬底102，例如，FR4板(或其它用于电子工业中的衬底类型)，它包括形成于其上的金属层104(例如，铜、铜合金或其它合适的导电或绝缘层)。正如本技术中已知的，FR4是一种普通的分层迭压板，由编织玻璃纤维织物浸透环氧树脂而制成。这一迭压板可用于双面材料中也可用于多层基材料中。对于许多电路板应用中的所有迭压板来说，FR4通常被认为具有最好的物理、热和电学特性。然而，还可使用其它材料，例如聚酰胺、PTFE等。如图2所示，腐蚀部分金属层104以便为随后接口组件的光纤与布线板102的掩埋波导之间的被动对准形成对准基准106。腐蚀可通过标准光刻和腐蚀构图技术来完成。

现在参看图3，在PWB衬底102的金属层104(或者，如果金属被腐蚀了的话，就是下层表面)上覆盖底包层108。底包层108形成掩埋波导的部分包层材料，可均匀地覆盖在PWB 102上(之后可选地构图成如图3所示的所需尺寸)。在图4中，通过涂敷芯材料以及随后的成像、显影和固化，在底包层108上形成许多波导芯部110。在示例性实施方案中，芯层材料(从而芯部110)具有大约5至大约500微米(μm)，更特定地，大约50±2μm的厚度。基准标记106可用于对准光掩模以确定芯部110的位置。在形成芯部110之后，在芯部110和底包层108之上形成顶包层112，如图5所示。顶包层112和底包层108的对准可通过参考基准标记或通过对准芯部110来实现。在示例性实施方案中，顶包层112和底包层可各具有大约5至大约500μm，更特定地，大约50μm的厚度。

如此形成之后，底包层108、芯部110和顶包层112一起形成PWB102上的光学层114。包层/芯/包层光学层114可由本技术中已知的任何合适光学材料制成，包括，但不局限于，环氧树脂、丙稀酸脂、硅氧烷、硅倍半氧烷、聚酰亚胺，或者它们的组合.构成光学层114的包层/芯/包层中的一层或多层可以是光敏的。在顶包层108为光敏的的情形中，可将其与和芯部110同时形成的相应对准部件对准，下文将更详细地讨论。材料可独立选择，只要理解，最终芯结构的折射率应当大于包层折射率。另外，图6示出可选的顶板介电层116的形成，它位于顶包层112之上，用作焊接掩模。

然后，如图7所示，在介电层116(以及，可选地，部分和全部光学层114)中形成一系列对准缝，用于容纳将最后固定于其中的光接口组件。

在所示实施方案中，示出了两组对准缝，每个接口组件三个缝，排成U形。然而，PWB 102的尺寸可根据需要进行改变以适应不同数量的接口组件。此外，还可以有不同数量的缝和排列用于容纳接口组件。例如，可形成一对缝来接纳接口组件(即，不使用水平布置的缝)，而不采用三缝U形结构。无论所使用的对准缝108的数目和何种排列，它们都可以通过，例如，各向异性干法腐蚀或通过微级控制的激光烧蚀/钻孔——利用基准掩模106来对准激光钻头——来形成。作为选择，可用更厚的光敏顶包层112来代替顶部介电层116。这种光敏包层可以与芯层上的对准掩模对准，并进行曝光和显影以形成沟。

如图8所示，除去部分PWB衬底102、光学层114和介电层116以暴露每个掩埋波导芯部110的一个端面。这可以通过任何合适的技术来完成，例如切割、激光钻孔或光刻腐蚀，之后，如果必要的话则对波导芯部110新暴露的端面进行打磨.在图9中，可除去PWB 102的剩余部分，从而留下完全掩埋的波导组件120。如图10所示，掩埋波导组件120的制作以严格的对准容差来进行，从而在芯部110和介电层116顶部之间形成所需距离L，其中L由顶包层112的厚度加上介电层的厚度减去波导芯部的厚度的一半来决定。举例来说，如果顶包层和介电层的厚度为50μm并且芯部的厚度为25μm，那么L＝50μm+50μm-1/2(25μm)＝87.5μm。

现在参看图11-17，示出形成用于与掩埋波导组件120交错接合的光接口组件的示例性加工顺序。光接口组件的第一部分包括底部件202，其中形成了许多光纤槽204。在某一实施方案中，底部件202可由半导体衬底(例如，单晶硅衬底，像(100)取向的单晶硅衬底)形成，光纤槽204可以是在硅中腐蚀出的V形槽。然而，也可以使用其它材料，例如模铸塑料。无论何种情形，光纤槽204都用来容纳插入其中的许多光纤(在图11中未示出)。另外，在底部件202中形成另一组更大的槽206，以容纳插入其中的凸对准针脚(在图11中未示出)。将会注意到对准针脚槽206无需延伸整个底部件202的长度。

在图12中，示出覆盖底部件202的顶部件208以及插入其间的许多光纤210。形成顶部件的材料可以与上述形成底部件202的材料相同，并且通常由相同材料形成。顶部件可选地可以与底部件202形状相同，如图所示。作为替代，底部件202和顶部件208之一可以具有平台表面而不是光纤槽。底和顶部件由环氧树脂或其它粘性材料密封，光纤210的端部可以抛光。如图13所示，可(例如，通过腐蚀或机器切削)沿顶部件的外边缘将其部分去除，从而形成凸缘，它随后可用于进行并便于光接口组件在其上的固定。由此，确定了光接口组件的第一部分.正如下文中将会注意到的，凸缘212的厚度“t”与掩埋波导组件120制作时出现的距离L是一致的.在替代实施方案中，凸缘212可简单地通过以小于底部件202的宽度形成顶部件208来形成，从而底部件202的顶表面用作光纤和针脚槽204、206以及用于固定第二部分的接收表面的基准。

图14示出一对对准针脚214插入对准针脚槽206中。针脚214可以用，例如，环氧树脂来固定。然而，将会注意到，针脚214也可以在更早的加工阶段就插入，例如在图11中形成底部件202之后。

参看图15，示出光接口组件的第二部分。与第一部分的情形一样，第二部分可以由如上所述制作底和顶部件的材料的衬底216来制作。包括在衬底218上的一对叉头218用于与第一部分的凸缘212接合。在衬底216的底表面上还包括许多导轨220，用于与掩埋波导组件120上的对准缝118配对接合。将会注意图中所示的特定视图是“颠倒”的，从而示出导轨。尽管图15示出U形结构的导轨220，但是其它结构也是可以的，只要导轨结构与缝结构匹配。

一旦完成了第一和第二部分，则将它们互相配对，如图16所示。这两部分可以通过，例如，环氧树脂或其它合适的粘接材料粘接在一起。所得光接口组件222就能够提供光纤连接器和掩埋波导组件120之间的接口。最后，如图17所示，示出一对光接口组件222，安装在相应的一对形成在印刷布线板224中的完全掩埋波导组件(在图17中未示出)上。光接口组件222中的光纤与波导芯的对准可通过像下面这样的方法来完成：使用导轨/缝的预对准步骤，然后光接口组件222使用像环氧树脂这样的粘接剂在底板224上的主动对准和粘接。

尽管所述的说明性实施方案使用了确定在光接口组件222的第二部分上的导轨和确定在掩埋波导组件120上的缝，但是将会注意，反过来也是可以的.也就是说，可以把掩埋波导组件120看成在其上确定了导轨(即凸对准部件)，而光接口组件的第二部分可进行机械切削、腐蚀等等以在其中确定缝(即凹对准部件)。

此外，还会注意，对准基准106无需如图2所示那样沿FR4板的外围形成。基准也可以直接形成在掩埋波导组件本身中，正如下文的另一实施方案中所要示出的。例如，在波导芯部的构图期间，可以在芯材料上也构图对准基准。如果顶包层也是可感光成像的，那么对准基准还可以用作光接口组件的凸或凹对准部件.

现在参看图18至21，示出光接口组件300的替代实施方案，其中为了说明的目的，组件300以半透明结构绘出。特定地，将会注意，第一部分301包括其中形成了许多光纤槽304以及一对对准针脚槽306的底部件302。正如图18和19的分解透视图中所示出的，许多光纤308和一对对准针脚310分别置于光纤槽304和对准针脚槽306中。另外，顶盖部件312用于覆盖这许多光纤308。与前面实施方案的情形一样，对准针脚310用于与光连接器，例如MT连接器，配对。

光接口组件300的第二部分315包括顶部件316，用于覆盖顶盖部件312和对准针脚310。这样，在第二部分315的第一端318，给出了容纳顶盖部件312的凹进部分320和容纳对准针脚310的对准针脚槽321。第二部分315的第二端322用于与掩埋波导组件和印刷布线板配对接合，正如上面所讨论的。

尽管附图示出的光接口组件300具有用于与带有凹插孔的MT或其它连接器连接的凸针脚310，但是还可以使用相反结构。换句话说，组件300也可以与具有凸针脚的连接器一起使用，其中组件将包括用于连接器针脚的插孔。这可以通过，例如，使用更短的针脚310来对准底和顶部件302、316来实现。在那种方式中，针脚槽306的一部分也可以用作用于凸连接器针脚的凹连接插孔。

底部件302可由，例如，硅或塑料制成。在槽304、306通过硅的各向异性腐蚀来制作的实施方案中，光纤芯可相对于参考表面(在所示实施方案中即为底部件302的顶部)具有亚微米容差.此外，通过合适的腐蚀技术，对准针脚槽306可以与光纤槽304同时制作。然而，尽管硅腐蚀是以严格的容差制作槽的合适选择，但是也可以使用塑料注入铸模和其它制作技术。

顶盖部件312也可以由硅或塑料制成，包含底部件302中相应的光纤槽，用于固定光纤308。在示例性实施方案中，光纤308可置于底部件302的槽304中并通过合适的粘接材料——例如环氧树脂——用顶盖部件312来固定。还可以使用其它固定光纤308的方法，顶盖部件312是可以省略的。

一旦底部件302和光纤308互相固定了，就可以将光接口组件300的前和后侧进行打磨和/或抛光。这给出光能从一侧传到另一侧的组件，光纤308用作光波导。按照示例性抛光工艺，可随后将对准针脚310插入底部件302的槽306中。在所示实施方案中，固定光纤308的顶盖部件312不会与针脚310的组件互相干扰，还可以用合适的粘接材料粘接在适当的位置。

然后，顶部件316附加到底部件302上并覆盖顶盖部件312。顶部件316也是可以由硅、塑料或其它合适的材料来制作并且包含相应的槽321来容纳对准针脚310。槽321还能够相对底部件302精确对准顶部件316的位置。这一对准使得顶部件316的底表面的固定在精确、预定的间隔，以与印刷布线板衬底102上的部件配对。

此时还应当注意如前所述充分进行的掩埋波导组件120的形成取决于对准基准的选择的位置和可感光成像顶包层的可用性。无论凸/凹连接机构是通过顶包层的激光钻孔还是感光成像而形成的，形成在印刷布线板102上的掩埋波导组件120的特点都在于底包层108、波导芯部110、顶包层112和(可选的)介电层/焊料掩模116。

图22位为接口组件300的第二部分315沿图18的A-A线剖开的剖面图。特定地，图22示出顶部件316的底表面上的一对示例性凸连接栓324。尽管图22绘出直接由顶部分315的材料(例如硅、铸模塑料)形成的凸连接栓324，凸连接栓可以由另一种材料制成，安装进或安装在顶部分315上。此外，在这一实施方案中，凸连接栓324用于与掩埋波导组件120上的凹连接缝配对。图23为光接口组件300的顶部件316沿图18的B-B线剖开的剖面图。特定地，图23示出要容纳对准针脚310的这对对准针脚槽322，以及要容纳顶盖部件312的凹进部分320。

图24示出印刷布线板衬底102与波导芯部110之间、光接口组件300与光纤308之间的相对位置，图中顶部件移开了。波导芯部110与光接口组件300中的光纤308精确地对准，以进小光信号的传输损耗。如图24所示，PWB衬底102上的外露线段122示作波导芯材料的附加线段，用作顶部件(在图24中未示出)的对准引导。在这一实施例中，线段122可以与波导芯部110同时通过光刻来制作。因此，线段122可以与波导芯部110以亚微米的精度对准。

在图24中还绘出了可选的附加对准部件，用于将顶部件316与底部件302对准。在这点上，在底部件的顶表面中形成许多空隙或凹坑。空隙可以是金字塔形的，如图所示，也可以是别的形状的。如果硅材料用于底部件302，那么空隙326特定地形成金字塔形。空隙用于接受置于其中的精度配对球328。空隙/球结构在使用凸连接件时和/或没有给出对准针脚310的情形中尤其适用。正如将会理解的，顶部件316还可以包括相应的空隙以与球328的顶部对准。尽管绘出了一种空隙/球排列，还可以使用凸/凹对准部件的其它排列，在精确对准底和顶部件方面能获得同样好的结果。

包括上面所讨论的各种对准部件的顶部件316可以作为光接口组件300的一部分利用合适的粘接剂来组合。然后，完成的光接口组件300可粘接到印刷布线板衬底102上。作为替代，顶部件316可以首先粘接到PWB衬底102上，之后组合到光接口组件300剩余部分上。无论何种情形，各种对准槽和部件使得组成部分能够彼此自对准。

虽然参考优选实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员将能理解，只要不超出本发明的范围，可以作出各种改变，并可以用等效物来替代其部件。另外，只要不超出其基本范围，可以进行许多调整以使本发明的陈述适合特定环境或材料。因此，本发明并不局限于作为用以实现这一发明的最佳模式而公开的特定实施方案，本发明将包括属于所附权利要求的范围中的所有实施方案。

Claims (10)

1.一种光接口组件，包含：

第一部分，包含多个光波导，所述第一部分用于与光纤连接器配对接合；以及

第二部分，与所述第一部分配对，所述第二部分用于与包含掩埋波导组件的电子衬底配对接合；

其中所述第一和第二部分进一步被配置使得所述多个光波导在所述第一部分的第一端与所述掩埋波导组件的多个相应波导芯对准，其中所述第一和第二部分进一步被配置使得所述多个光波导在所述第一部分的第二端与所述光纤连接器中的相应光纤对准，所述多个光波导在所述第一部分的第一端终止。

2.根据权利要求1的光接口组件，其中所述多个光波导包含多个光纤。

3.根据权利要求1的光接口组件，其中所述第一部分进一步包含：

底部件，包含多个形成于其中的光纤槽，所述底部件进一步包含一个或多个形成于其中的凹连接部件；以及

顶部件，覆盖所述底部件，所述顶部件和所述底部件具有所述多个置于其间的光纤。

4.根据权利要求3的光接口组件，其中所述第一部分的所述顶部件包含沿其外缘确定的一对凸缘，以容纳所述第二部分。

5.根据权利要求4的光接口组件，其中所述第二部分部件进一步包含一对叉头，用于与所述凸缘对接合。

6.根据权利要求3的光接口组件，其中：

所述第二部分进一步包含至少一个形成在其底表面上或内的凸或凹连接部件，分别用于与电子衬底的凹或凸连接部件连接。

7.一种电子组件，包含：

根据权利要求1至6中任何一个的光接口组件；以及

电子衬底，包含掩埋波导组件；

其中所述光接口组件的第二部分与所述电子衬底配对，从而所述多个光波导在所述第一部分的第一端与所述掩埋波导组件的多个相应波导芯对准。

8.根据权利要求7的电子组件，进一步包含包括多个光纤的光纤连接器，其中所述光接口组件的第一部分与所述光纤连接器配对，

从而所述多个光波导在所述第一部分的第二端与所述光纤连接器的光纤对准。

9.根据权利要求8的电子组件，其中所述光纤连接器为MT连接器。

10.根据权利要求7至9中任何一个的电子组件，其中所述掩埋波导组件包含：

底包层，置于所述电子衬底之上；

所述掩埋波导组件的多个波导芯部，形成在所述底包层之上；以及

可感光成像的顶包层，形成在所述掩埋波导组件的多个波导芯部和所述底包层之上；

其中掩埋薄波导组件被配置用于所述第一部分的多个光波导与所述掩埋波导组件的多个相应波导芯部的被动对准。

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