CN100391065C - 光学元件模块封装及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有TO-can结构的光学元件模块封装，包括用于发出光信号的激光二极管和用于监控从激光二极管发出的光信号的光电二极管。所述封装包括：管座，具有以与所述管座的径向相平行的呈长孔形状形成的第一通孔和从所述管座的一端伸出的热沉块；子架，安装在所述热沉块一侧，并具有在其表面上形成的电路图案，其中将所述激光二极管和所述光电二极管安装在所述子架上；以及多根引线，排列成一排，并设置在所述第一通孔中；以及其中，以玻璃材料的密封剂填充所述第一通孔，从而，将所述管座和所述多根引线固定在一起，以及所述多根引线通过所述电路图案向所述激光二极管提供从外部输入的射频信号。

Description

光学元件模块封装及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学元件模块，更具体地，涉及一种具有TO-can结构的光学元件模块封装及其制造方法。
背景技术
通常，安装在电路设备(如印刷电路板等)上的光学元件模块将射频信号调制成光信号。由于信息产业的快速发展，作为更快、更大数据容量需求的结果，通过光通信网络传输信息存在着日益增长的趋势。传统上，TO-can结构封装已经应用在便宜的光学元件模块中，而目前，也正被用于快速、大数据容量的光学元件模块。
图1是示出了具有TO-can结构的传统光学元件模块封装100的透视图。如图所示，光学元件模块封装100包括管座101，管座101具有从一端伸出的热沉块111和位于另一端的多根引线102。这些引线102包括激光二极管阳极引线、激光二极管103阴极引线、光电二极管阳极引线102和光电二极管阴极引线102。通常，激光二极管阳极引线与管座101电连接，将通过外部偏置T形(bias-tee)与直流(DC)偏置电流组合在一起的RF信号输入激光二极管阳极引线。将激光二极管103和检测从激光二极管103发出的光的光电二极管104安装在管座101上。将激光二极管103安装在热沉块111上，并通过引线焊接方法，将激光二极管103和光电二极管104与相应的引线102相连。
引线102与延伸通过管座101的各个通孔113同轴对准。然后，以玻璃材料的密封剂105填充通孔113。熔化密封剂105，将引线102与管座101合成一体，与此同时，密封通孔113。
从Luminent Inc.可以得到上述具有TO-can结构的封装，销售产品名称为“C-13-DFB10-TJ-SLC21”。但是，这类光学元件封装并不适用于高于几个Gbps的高速传输，因为这种封装将受到其引线的固有电感、其引线与管座之间的寄生电容以及在从外部输入的射频信号通过各个引线时可能发生的特性阻抗失配的影响。此外，由于各个引线必须与管座中的多个通孔对准，并且必须独立地密封通孔，制造程序很不方便。
图2是示出了具有使用陶瓷连接线的TO-can结构的另一传统光学元件模块封装200的透视图。如图所示，光学元件模块封装200包括管座201，管座201具有从其一端伸出的热沉块211和插入到管座201中的叠片陶瓷连接线203。连接线203定位在热沉块211上，并且在其表面上形成了共平面形波导(CPW)202。CPW型封装200通过引线204从外部接收射频信号。Kyocera Corp.销售这类CPW封装，产品名称为“TO TX PKGA2527”。
上述封装存在一些缺点。首先，通过在800～1000□温度下的低温互烧结陶瓷(LTCC)处理形成具有叠片陶瓷结构的连接线203。这种高温处理增加了制造成本。此外，很难保证连接线203与管座201之间的密闭性。此外，引线204与连接线203之间的连接强度较低。所有这些因素导致了不可靠的产品。
发明内容
因此，研究本发明，通过引入由于其出色的射频特性而可以应用于快速、大容量光学元件模块的一种封装及其制造方法，克服了上述问题并提供了额外的优点。
一个方面在于，本发明能够以简单、可靠和便宜的执行过程实现。
在另一方面中，提供了一种具有TO-can结构的光学元件模块封装，所述TO-can结构具有用于发出光信号的激光二极管和用于监控从所述激光二极管发出的所述光信号的光电二极管。所述封装包括：管座，具有以与所述管座的径向相平行的呈长孔形状形成的第一通孔和从所述管座的一端伸出的热沉块；子架，安装在所述热沉块一侧，并具有在其表面上形成的电路图案，其中将所述激光二极管和所述光电二极管安装在所述子架上；以及多根引线，排列成一排，并设置在所述第一通孔中；以及其中，以玻璃材料的密封剂填充所述第一通孔，从而，将所述管座和所述多根引线固定在一起，以及所述多根引线通过所述电路图案向所述激光二极管提供从外部输入的射频信号。
在本发明的另一方面中，提供了一种包括激光二极管和光电二极管的光学元件模块封装的制造方法。首先，提供管座，所述管座具有以与所述管座的径向平行延伸的呈长孔形状形成的加长通孔；设置从所述管座的一侧伸出的热沉块；设置引线框，所述引线框具有沿远离板的方向延伸的多根引线；将所述引线的末端从所述管座的一端插入到所述通孔中，并对准所述引线的所述末端；利用玻璃材料的密封剂密封所述通孔；设置子架，所述子架具有在其表面上形成的电路图案，并安装有所述激光二极管和所述光电二极管；以及将所述子架安装在所述热沉块上，其中所述多根引线通过所述电路图案向所述激光二极管提供从外部输入的射频信号。
在本发明的另一方面中，提供了一种光学元件模块封装，具有用于发出光信号的激光二极管和用于监控从所述激光二极管发出的所述光信号的光电二极管，所述封装包括：管座，具有在所述管座上以呈长孔形状形成的第一通孔和在所述管座上形成的第二通孔对、以及从所述管座的一端伸出的热沉块；子架，安装在所述热沉块一侧，并具有在其表面上形成的电路图案，其中将所述激光二极管和所述光电二极管安装在所述子架上；以及射频引线，设置在所述第一通孔中，以及多根引线，设置在所述第二通孔中，其中，以玻璃材料的密封剂填充所述第一通孔，从而，将所述管座和所述射频引线固定在一起，以及所述射频引线通过所述电路图案向所述激光二极管提供从外部输入的射频信号。
附图说明
通过以下参照附图的详细描述，本发明的上述特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1是表示现有技术光学元件模块封装一个实施例的透视图；
图2是按照现有技术示出了光学元件模块封装的另一实施例的透视图；
图3是表示本发明示光学元件模块封装第一优选实施例的透视图；
图4是示出了在装配图3所示的引线之前的引线框的透视图；
图5是示出了图3所示的光学元件模块封装的俯视图；
图6是按照本发明示出了光学元件模块封装的第二优选实施例的顶视图；
图7是按照本发明示出了光学元件模块封装的第三优选实施例的顶视图；以及
图8是描述本发明实施例的光学元件模块封装制造方法的流程图。
具体实施方式
随后，将参照附图，对按照本发明优选实施例的光学元件模块封装及其制造方法进行描述。为了清晰和简明的目的，在有可能会使本发明的主题不清楚时，将省略对本文已引入过的已知功能和结构的详细描述。
如图3到图5所示，按照本发明第一优选实施例的光元件模块封装300包括：管座301，在其一端形成了热沉块311；子架305，在上面安装有激光二极管303和光电二极管304；以及在另一端形成的多根引线302。在操作中，当射频信号施加于安装在子架305上的激光二极管303和光电二极管304上时，封装300发出光信号。
管座301具有与管座301的径向平行延伸的加长通孔313，使加长通孔313从一侧到另一侧延伸通过管座301。管座301还具有从其一端伸出的热沉块311。
子架305安装在热沉块311的侧面上，与加长通孔313相邻。子架305安装有用于将射频信号调制成光信号的激光二极管303和用于检测从激光二极管303发出的光信号的监控光电二极管304。光电二极管304检测从激光二极管303的背侧发出的光，以检查激光二极管303是否运行正常，并执行自动功率控制(APC)。
子架305可以由在其表面上形成有电路图案351的硅光具座(此后称为“SiOB”)制成。电路图案351通过薄膜处理形成，并且可以包括扼流电感器、阻抗匹配电阻等。将激光二极管303和光电二极管304安装在SiOB 305上。光电二极管304检测从激光二极管303的背侧发出的光。多根引线302延伸通过加长通孔313，以一端321从管座301的上表面突出。如图所示，引线302设置有与激光二极管303相连的直流偏置引线、与光电二极管304相连的引线和三根射频引线。射频引线由射频信号引线和一对环绕接地引线组成。引线302通过SiOB 305的电路图案351将从外部输入的设备信号提供给激光二极管303。
引线302通过填充在加长通孔313中的玻璃材料的密封剂306固定在管座301上。在玻璃密封状态下，将密封剂306填充到其中已经将导向302对准了的加长通孔313中。然后，在大约500□的温度下熔化密封剂306，以密封加长通孔313。
应当注意的是，为了防止施加在光学元件模块封装300上的射频信号失真或损耗，封装需要特性阻抗匹配。目前商用的激光二极管驱动器(LDD)IC或脉冲图样发生器(PPG)的输出阻抗均设置为25Ω或50Ω。例如，可以通过修改玻璃材料的密封剂的介电常数或引线302的直径等，使光学元件模块封装300的特性阻抗与这些LLD和PPG的输出阻抗相匹配。
图6是表示本发明第二实施例光学元件模块封装400的俯视图。第二实施例的结构和工作情况除了其具有四根引线302之外，实质上与上面参照图3所描述的相同。因此，省略了对前一段中所描述的类似元件的讨论，以避免重复，由于已经参照图3对其进行了描述。第二实施例设置了四根引线302，因为第一实施例中的一对接地引线被减少为单一的接地引线。接地引线数目的这种减少通过确保了每根引线之间足够的距离，使其更容易将封装400装配到印刷电路板上。
图7是按照本发明的第三优选实施例示出了光学元件模块封装700的顶视图。在此实施例中，将作为一组构成了射频引线721的射频信号引线和一对接地引线限制在以管座701的深孔形的形式形成的第一通孔713a中。然后，将引线725限制在每对第二通孔713b中，第二通孔713b形成在热沉块711的两侧。引线725构成了直流偏置引线和光电二极管的引线。在对准引线之后，以玻璃材料的密封剂706、769填充第一和第二通孔713a、713b。
当将如上构造的光学元件模块封装700装配到印刷电路板上时，设置在第一通孔713a中的射频引线721与板的上侧电连接，而设置在第二通孔713b中的引线725与板的下侧电连接。可以依照电路板的厚度，修改第一和第二通孔713a、713b之间的距离，或者反之。这样确保了引线721、725之间更大的距离，以便更容易装配。
参照图8，一种光学元件模块封装300的制造方法由以下步骤构成：步骤11，提供管座301，具有以呈长孔形状形成的加长通孔313；步骤21，设置引线框325，具有沿远离板323的方向延伸的多根引线302；步骤31，在通孔313中对准引线302；步骤41，以玻璃材料的密封剂306密封加长通孔313；步骤51，将子架305安装在热沉块311上，在子架305上安装有激光二极管303和光电二极管304；以及步骤61，去除引线框325的板323，以分离每根引线302。
当在加长通孔313中对准引线302时，引线302的端321必须伸出到距管座301的一端确定的高度。在以玻璃材料的密封剂填充加长通孔313之后，在500□以上的温度，对密封剂加热。于是，密封剂熔化，并固定在通孔中，以固定管座301和引线302。
再参照图4，将引线302配置为沿某一方向从初始的板323延伸的引线框325。将引线框325插入到管座301的加长通孔313中，然后对准，使引线302的每个端321(图3所示)均从管座301的一个端面伸出，最好从形成了热沉块311的端面伸出。当在加长通孔313中对准引线框325时，通过玻璃材料的密封剂306，将引线302固定在加长通孔302中。在固定了引线302之后，从引线302去除板323。此处理很容易同时装配多根引线。
如上所述，按照本发明的光学元件模块封装利用了玻璃材料的密封剂，将多根引线固定在金属材料的管座中。因此，此封装具有出色的热特性、射频特性，与此同时，很容易以较少的成本进行制造。此外，此封装设置了以玻璃材料的密封剂填充的通孔，以及由这些通孔环绕的共面形波导结构。这样能够与25Ω和50Ω进行阻抗匹配，并减少了寄生阻抗分量，以改进射频特性。此外，能够以方便的方式，将封装装配到印刷电路板上，因为在管座上成排地排列了引线。引线框的使用能够按照需要设计引线的共面形波导，并简化管座装配处理。由于将排成一排的多根引线插入到管座中并对准，改进了制造效率，而且降低了制造成本。
尽管已经参照本发明的特定优选实施例示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应当清楚的是，在不偏离所附权利要求所定义的本发明的精神和范围的前提下，可以对其进行多种形式和细节上的修改。

Claims (21)

1.一种光学元件模块封装，具有用于发出光信号的激光二极管和用于监控从所述激光二极管发出的所述光信号的光电二极管，所述封装包括：
管座，具有以与所述管座的径向相平行的呈长孔形状形成的第一通孔和从所述管座的一端伸出的热沉块；
子架，安装在所述热沉块一侧，并具有在其表面上形成的电路图案，其中将所述激光二极管和所述光电二极管安装在所述子架上；以及
多根引线，排列成一排，并设置在所述第一通孔中；以及
其中，以玻璃材料的密封剂填充所述第一通孔，从而，将所述管座和所述多根引线固定在一起，以及所述多根引线通过所述电路图案向所述激光二极管提供从外部输入的射频信号。
2.按照权利要求1所述的光学元件模块封装，其特征在于所述热沉块与所述第一通孔相邻。
3.按照权利要求2所述的光学元件模块封装，其特征在于所述子架附在所述热沉块的一个端面上。
4.按照权利要求3所述的光学元件模块封装，其特征在于所述激光二极管将射频信号调制为光信号，以及所述光电二极管检测从所述激光二极管发出的光信号。
5.按照权利要求1所述的光学元件模块封装，其特征在于所述多根引线包括激光二极管的直流偏置引线、射频信号引线、监控光电二极管的引线以及至少一根接地引线。
6.按照权利要求1所述的光学元件模块封装，其特征在于所述多根引线包括至少一根接地引线和所述激光二极管的射频信号引线。
7.按照权利要求1所述的光学元件模块封装，其特征在于还包括从一侧到另一侧延伸通过所述管座的第二通孔对和延伸通过所述第二通孔的附加引线对，其中，以玻璃材料的密封剂填充所述第二通孔，从而，将所述管座和附加引线固定在一起。
8.按照权利要求7所述的光学元件模块封装，其特征在于所述附加引线对之一是所述激光二极管的直流偏置引线，而另一根是所述监控光电二极管的引线。
9.按照权利要求7所述的光学元件模块封装，其特征在于所述管座具有从其一端伸出的热沉块，所述热沉块位于所述第二通孔之间，与所述第一通孔相邻。
10.一种包括激光二极管和光电二极管的光学元件模块封装的制造方法，包括以下步骤：
提供管座，所述管座具有以与所述管座的径向平行延伸的呈长孔形状形成的加长通孔；
设置从所述管座的一侧伸出的热沉块；
设置引线框，所述引线框具有沿远离板的方向延伸的多根引线；
将所述引线的末端从所述管座的一端插入到所述通孔中，并对准所述引线的所述末端；
利用玻璃材料的密封剂密封所述通孔；
设置子架，所述子架具有在其表面上形成的电路图案，并安装有所述激光二极管和所述光电二极管；以及
将所述子架安装在所述热沉块上，
其中所述多根引线通过所述电路图案向所述激光二极管提供从外部输入的射频信号。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于所述热沉块与所述通孔相邻。
12.按照权利要求10所述的方法，其特征在于将所述电路图案形成在所述子架的、安装有所述激光二极管的表面上。
13.按照权利要求10所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：密封所述通孔，该通孔中已经利用密封剂对准和固定了所述引线，然后分离所述引线框的所述板与所述引线。
14.按照权利要求10所述的方法，其特征在于在大约500℃的温度下使所述密封剂熔化，以密封所述通孔。
15.一种光学元件模块封装，具有用于发出光信号的激光二极管和用于监控从所述激光二极管发出的所述光信号的光电二极管，所述封装包括：
管座，具有在所述管座上以呈长孔形状形成的第一通孔和在所述管座上形成的第二通孔对、以及从所述管座的一端伸出的热沉块；
子架，安装在所述热沉块一侧，并具有在其表面上形成的电路图案，其中将所述激光二极管和所述光电二极管安装在所述子架上；以及
射频引线，设置在所述第一通孔中，以及多根引线，设置在所述第二通孔中，
其中，以玻璃材料的密封剂填充所述第一通孔，从而，将所述管座和所述射频引线固定在一起，以及所述射频引线通过所述电路图案向所述激光二极管提供从外部输入的射频信号。
16.按照权利要求15所述的光学元件模块封装，其特征在于所述射频引线包括射频信号引线和成对的接地引线。
17.按照权利要求15所述的光学元件模块封装，其特征在于多根引线构成了直流偏置引线和光电二极管的引线。
18.按照权利要求15所述的光学元件模块封装，其特征在于所述光学元件模块封装适合于装配在印刷电路板上，从而，设置在所述第一通孔中的所述射频引线与所述电路板的上侧面电连接，而设置在所述第二通孔中的所述多根引线与所述电路板的下侧面电连接。
19.按照权利要求18所述的光学元件模块封装，其特征在于根据电路板的厚度，有选择地调整所述第一和第二通孔之间的距离，或者相反。
20.按照权利要求15所述的光学元件模块封装，其特征在于所述热沉块位于所述第二通孔之间，与所述第一通孔相邻。
21.按照权利要求15所述的光学元件模块封装，其特征在于以玻璃材料的密封剂填充所述第一和第二通孔，使所述管座与所有引线固定在一起。
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