CN100407513C - 通过双重信号型简化芯片至板通信的混合光电lga插件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种通过双重信号型简化芯片至板通信的混合光电LGA插件，该插件装置具有电学和光学连接元件，以使包括电学和光学I/O的第一电学元件连接到另一个具有电学和光学I/O的第二电学元件，该插件装置还具有多个电学接触和至少一个顺从性光学窗口，其中在所述插件装置的上面和下面环绕所述光学窗口的外围还具有顺从性材料，以使所述插件装置与上面的所述第一电学元件和下面的所述第二电学元件接触。

Description

通过双重信号型简化芯片至板通信的混合光电LGA插件
技术领域
本发明涉及混合光电LGA插件，具体地说，涉及可同时将来自模块的电学和光学信号连接到印刷电路板的LGA插件。
背景技术
具有电学和光学互连的集成光电芯片或模块上的芯片集合在速度、功耗和热量产生方面具有许多优点。然而，混合信号型提出了严峻的封装问题。本发明描述了可同时将来自模块的电学和光学信号连接到印刷电路板的岸面栅格阵列(LGA)插件。
在混合光电LGA插件(OELGA)中，具有多个电学接触，该电学接触构造为使导电元件向与插件平面垂直的两个方向延伸，用于将来自上面模块的BLM连接到下面PWB的TLM。这些导电元件或接触(aka钮)可由各种材料和几何形状构成，但通常具有导电和机械顺从性(弹簧)功能。还具有一个或多个光学互连(窗口)，其具有光学透明性和机械顺从性的双重功能。这些顺从性光学窗口可以通过在所需位置直接浇铸硅树脂橡胶以希望的形状形成。
导电钮和光学窗口的合理结合允许具有电学和光学芯片的芯片模块通过LGA通信到电路板。
除了这样的弹簧加载窗口，还有一种选择是在LGA中的简单开口，该开口允许光学信号通过。然而，顺从性窗口的省略将允许灰尘的引入，其将阻断光路，并导致影响可靠性。从而，本专利的优选实施例利用这样的顺从性窗口，以产生无灰尘的、不间断的光路。
对于相关领域的技术人员来说，显然存在大量不同的可能布置，其应用于不同的光学与电学信号比例、不同的激光器与探测器选择、不同的间距、管脚数等。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种插件装置，具有电学和光学连接元件，以使包括电学和光学I/O的第一电学元件连接到另一个具有电学和光学I/O的第二电学元件，该插件装置还具有多个电学接触和至少一个顺从性光学窗口，其中在所述插件装置的上面和下面环绕所述光学窗口的外围还具有顺从性材料，以使所述插件装置与上面的所述第一电学元件和下面的所述第二电学元件接触。
本发明进一步提供一种插件装置，具有电学和光学连接元件，以使包括电学和光学I/O的芯片模块连接到具有电学和光学I/O的印刷线路板，该插件装置还具有多个电学接触和至少一个顺从性光学窗口，其中在所述插件装置的上面和下面环绕所述光学窗口的外围还具有顺从性材料，以使所述插件装置与上面的芯片模块和下面的印刷线路板接触。
具体地说，本发明提供一种岸面栅格阵列插件，具有电学和光学连接元件，以使包括电学和光学I/O的芯片模块连接到具有电学和光学I/O的印刷线路板(电路板)。
附图说明
图1示出了装配和部分未装配的光电封装；
图2示出了VCSEL(垂直腔面发射激光器)/PD(光电二极管或光电探测器)阵列；
图3示出了外侧框架、电学接触栅格(有些未被利用，有些被填充，以示范该设计的灵活性)、允许光学信号通过的中央窗口；
图4是具有电学接触栅格和在中央的允许光学信号通过的顺从性窗口部分的LGA插件的等比例图；
图5是图4的放大图；
图6是混合电光LGA的窗口结构部分的放大图；
图7示出了LGA的窗口子结构截面；
图8是窗口载体平面和窗口的等比例图；
图9示出了混合电/光LGA的侧面；
图10示出了与图9类似的混合电/光LGA的侧面，但窗口可在一个维度上具有弯曲顶面和底面而另一维度上为直角；
图11示出了与图9和图10类似的混合电/光LGA的侧面，但窗口可在两个维度上都具有曲面；
图12示出了而具有局域弯曲表面的窗口的混合电/光LGA的侧面；
图13示出了各种单个栅格点光学与电学连接的结合；
图14示出了电学和光学接触的结合。
具体实施方式
通过可容纳电学和光学信号的岸面栅格阵列插件，通过施加来自合适硬件的压力，将电子封装连接到印刷线路板，该电子封装包括安装在例如多芯片陶瓷、玻璃陶瓷或有机模块的芯片载体上的一个或多个芯片，在该模块中还嵌有垂直腔半导体腔激光器(VCSCL)和光电探测器(PD)的阵列。也可能需要一些透镜组件。除了从BLM传到LGA接触并直到PWB的电学信号，与常规电学LGA一样，光学信号从模块中的VCSCL和PD阵列通过LGA中的光学窗口，传到PWB上的相应VCSCL和PD。
图1示出了这样的布置的实例，但没有示出光学窗口的细节，对于光学窗口有多种可能的设计。图2示出了可嵌入模块和PWB并通过本发明的顺从性光学窗口通信的VCSCL/PD阵列的实例。图3示出了在LGA中的光学和电学IO的一种布置。电学接触用小圆圈表示，并且可包括多种不同的LGA接触，例如Synapse的Cinch无规则盘簧、Tyco的悬臂型，或者Interconn的C簧型等。根据应用的I/O密度的需要，可在规则阵列中的所有位置设置接触，或者这些位置仅部分设置接触。在图中，开圆表示未设置电学I/O接触的栅格点，闭圆表示设置电学I/O接触的位置。
准备用作光学连接的区域是在图中LGA中央的没有电学接触的近似方形的区域。在优选实施例中，用光学透明的顺从性材料，例如硅树脂橡胶(聚二甲基硅氧烷或PDMS)填充该区域。(作为参考，在该方形区域中示出了嵌入模块中的两个VCSCL和PD线形阵列)。图4示出了具有这样的顺从性窗口的LGA的实例。在该实例中，PDMS窗口是具有在窗口平面的两侧正向凸起(positive relief)抬高的两个区域的单个制成的小片。虽然显示橙色代表平面部分，白色代表正向凸起，但它们旨在表示单个单片成型的光学透明PDMS小片。然而，它也可由具有两个矩形窗口的载体平面制成，在这种情况下，橙色可以是非透明材料，其中只有白色矩形透明。以蓝色显示的边缘周围是旨在保持穿过LGA中的开口进入的窗口材料的框架。还示出了容纳对准插针的对准孔，该对准插针从模块中的VCSCL/PD或PWB上的固定位置延伸，穿过LGA中的对准孔，进入对应的VCSCL和PD阵列中的对准孔。这很有必要，因为为了优良的光学信号通信，有必要进行非常精确的xy对准。在LGA上的电学IO的对准要求较小的xy精度，因此可通过这些插针和通孔实现整个LGA的取向。
图5放大显示该实例。图6示出了混合光/电LGA的光学窗口部分及其相关框架。图7示出了仅光学窗口部分的侧面图，不包括框架。在该图中可以看出，正向凸起的两个直线部分都是沿着垂直方向。这是为了当芯片模块，LGA与PWB层叠在一起时，VCSCL和PD阵列将首先接触在两侧上的顺从性窗口的弯曲表面。当层叠结构在更大压力下挤压在一起时，使得与顺从性窗口的光学接触紧密，不包括任何气泡，否则可能形成气泡。图8示出了该窗口的等比例图。
混合光/电LGA的两种主要情况：
1)具有保护区域不致灰尘进入的顺从性垫圈的光学信号的自由空间传输。
1.1)具有灰尘挡圈的单钮区域
1.2)围绕穿过自由空间的多个光学路径的区域。通过顺从性垫圈共同保护不致灰尘进入。
2)顺从性光学窗口
2.1)钮作为单个窗口。具有二维电学钮阵列的LGA连接器可使特定钮位置空出，并使光学窗口置入它们的位置。未必将单独的VCSEL元件设置为与钮相同的间距(因为它们通常间距较密，例如250μm)，但该假想的情况提供了有用的设计参考点。
2.2)容纳比单个LGA钮栅格点大的面积或不同的面积的光学窗口。并且，如图1-8所示，实例是直线形的几何形状，以容纳VCSEL线形阵列。这是一个优选实施例。它包括装配在VCSEL线形阵列上的顺从性LGA窗口。它具有足够大的宽度，以覆盖一个VCSEL光源，并且足够长，以覆盖整个线形阵列。常见的VCSEL阵列包括12个间距250微米的光源。因此，合适的窗口为500μm宽、4mm长，其在各外侧边缘提供附加材料的余地，以确保良好接触。
2.3)用于不同光学阵列的多个窗口。一个LGA具有多个这样的窗口，以容纳多个VCSEL阵列。两个并排放置的VCSEL阵列可利用在LGA平面并排制作的两个窗口。如结合标号为图1的附图所示。或者，两个并排的线形阵列可利用宽度足够用于两个阵列的单个窗口。
2.4)覆盖光学元件的二维阵列的窗口(与上述实例的线形阵列相反，并示于图中)。
2.5)窗口几何形状，xy尺寸。窗口的几何形状可根据需要在xy平面内改变，以覆盖必要的或便利的数量的光学连接。它可容纳一个或多个光学IO路径。并且给定的LGA可以具有置于最佳位置的多个这样的窗口。
2.6)窗口几何形状，z尺寸。
此外，对于不同应用，窗口几何形状可具有多种不同的三维形状。这包括x、y以及z厚度相互独立的改变。并且，根据需要，x、y和z尺寸可在同一个窗口的不同部分改变。
如果保持窗口的x、y和z尺寸不变，如图9所示，制作就很简单。然而，在顶面和底面有曲率的窗口有助于消除在LGA啮合期间空气的夹杂。可能只在一个维度中(如图10所示)的曲率即可防止这样的气泡夹杂，但在第二维度中(如图11所示的橄榄球形)的曲率是可选项，可利用该可选项确保防止气泡的夹杂。
2.7)另一个可选项是使得表面拓扑具有与光学元件本身的间距对应的特征。例如在大窗口的顶面和底面上叠置的小凸点，以使各VCSEL和各PD接触小凸点，从而确保气泡的消除。该可选项的负面影响是需要仔细的对准。仅当所有的曲率可选项3a-3c被认为优选时，为了完整，应当包括该可选项。
2.8)除了或者代替顺从性光学窗口，可将光学成形或者透镜功能嵌入LGA中。这可通过几种方法完成，包括：
2.81)静态放置的透镜可牢固地固定在LGA的不同位置。孤立透镜的实例示于图11中，其中根据具体应用的最佳结合，可在LGA上一起设置顺从性电学接触(例如Aa)、没有预期的透镜功能的透明顺从性窗口(例如Ab)、双侧凹透镜(例如Bb)、双侧凸透镜(例如Bc)、混合凹凸透镜(例如Cb)，或者菲涅耳透镜(例如Cc)的不同结合。
2.82)用于包括透镜的另一种方法将具有希望的形状和折射率特性的透镜嵌入顺从性透明窗口。如图13b和13c所示，这些透镜可以相对于载体平面固定在合适位置或者可以在顺从性光学窗口材料中漂浮(floating)。图13a和图14旨在表示顺从性电学接触。当在操作过程中向LGA施加不同的机械应力，例如由随温度变化的热膨胀系数失配引起的应力时，这样的漂浮透镜具有自行调节透镜方向的优点。
自对准能力
本技术有多种方法自对准，这在一些应用中是重要的特征。
1)如已暗示的，利用顺从性(橡胶性)材料作为光学窗口允许光学元件(VCSEL/PD)在LGA的两侧形成紧密接触。通过激励硬件向LGA施加的压力值将确定光学元件彼此相向移动至超出点接触多远。
2)本技术允许对准的另一种方法是通过促进顺从性窗口的xy移动，该xy移动通过窗口材料的本征弹性质量实现而与LGA的其余部分无关。根据需要，可使该方法适合允许相对于LGA的其余部分的显著的移动量，或者非常小直至零的移动量。
3)本技术允许对准的另一种方法是通过允许嵌入弹性窗口材料的透镜根据施加的应力移动。这可通过合理设计，帮助透镜控制从一个光学元件到另一个光学元件的光。
LGA中光学窗口的制作
LGA中这样的光学窗口可利用多种方法、由多种材料制作。
对于第1种情况的材料：
其中顺从性材料的功能是作为灰尘垫圈，留下自由空间光学路径，然后该材料不需要光学透明。仅顺从。这种情况下，可采用多种弹性体，例如PDMS、环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸脂、聚酰亚胺等。
对于第2种情况的材料：
光学窗口必须由顺从性弹性体材料制作，该顺从性弹性体材料对发射信号的半导体激光器(VCSEL)和光电探测器(PD)所采用的光的波长同时透明或显著透明。
某些化学式相同的也公知为硅树脂橡胶的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在通常进行这样的光学信号发射的光学和近红外区具有透明度。也可采用其它材料，例如环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸脂、酯、聚酰亚胺等。
制作方法：
通过浇铸或转换成型，至少有两种制作用于OELGA的顺从性光学窗口的方法。
1)在LGA载体平面上或平面内注塑PDMS窗口，作为LGA的整体部分。
2)在框架内注塑PDMS窗口，该PDMS窗口随后将装配到LGA载体平面。该方法示于图1-6中。
3)另一种方法是通过向平的光学透明支撑结构上施加液体，并允许表面张力形成希望的曲率，形成窗口。
4)另一种方法是层叠光学透明材料，作为顺从性窗口。
5)另一种方法是在形成电学接触之前，将衬底浸泡入或者涂覆PDMS的前体溶液。该液体以在穿过小孩的玩具气泡环的肥皂膜的常见方式在开口上形成均匀的膜。PDMS或其它材料将在适当位置固化。这可进行两次，以实现轻微的正向凸起。首先浸泡以形成膜，然后水平悬挂LGA载体平面，允许PDMS固化。重力将轻微下拉该膜，在固化时，其将永久具有这种形状。然后，可进行第二次浸泡，或者涂覆，可再次水平悬挂LGA，但这次将原来的顶面朝下。随着重力的牵引，再次形成轻微的曲率。一旦固化，此曲率成为永久性的。
6)在形成聚合物膜的领域中的技术人员可容易地发现形成作为窗口的膜的许多其它的明显方法。
图1：一种光电封装，包括具有电学和光学通信输出的芯片模块、印刷线路板(电路板)、夹在它们之间并在两者之间提供电学和光学连接的混合电/光LGA。示出了装配和部分未装配的封装。
图2：VCSEL(垂直腔半导体发射激光器)/PD(光电二极管或光电探测器)阵列。将这种类型的自包括光学I/O嵌入模块和PWB中是如何将电学与光学IO集成在同一封装中的一个实例。在这样的应用中，LGA(岸面栅格阵列插件)是提供在模块上的电学和光学功能与在PWB上的电学和光学功能之间的连接的有效方法。
图3：示出了外侧框架、电学接触栅格(有些未被利用，有些被填充，以示范该设计的灵活性)、允许光学信号通过的中央窗口。作为参考，在该窗口中也示出了两个线形光学IO阵列。这些将被物理定位在模块或PWB中，但通过该窗口可见。
图4：具有电学接触栅格和在中央的允许光学信号通过的顺从性窗口部分的LGA插件的等比例图。还可看到环绕窗口外侧边缘的框架结构，该框架结构可将窗口材料保持在LGA载体平面内的适当位置中。还示出了用于容纳对准插针的对准孔。由于在VCSEL和PD之间需要精确对准，对准插针可与在(例如)模块侧面上的VCSEL/PD阵列严格连接，然后穿过在LGA顺从性窗口结构中的对准孔，插入在PWB上的VCSEL/PD中的准孔中。
图5：图4的放大图。
图6：混合电光LGA的窗口结构部分的放大图。示出了以下部分：A)窗口结构框架。该框架可保持窗口，并如果存在窗口载体片，则将窗口保持在主LGA载体框架的适当位置中。其可以由顶框架和底框架构成，在其中夹有窗口载体片的边缘(见D)。B)对准孔，用于容纳对准插针，该对准插针从模块上的VCSEL/PD延伸至PWB上的VCSEL/PD(反之亦然)。C)顺从性窗口，在两侧(相对于平面面朝上和朝下的两侧)上的正向凸起中。D)窗口载体片。该载体片可以是由与C相同材料构成的C的整体部分，或者是具有结构特性而非光学特性的分离材料。实例可以是kapton膜。
图7：LGA的窗口子结构截面。示出了框架A，夹住窗口载体片D以将其保持在合适位置。示出了窗口B，并示出了从一个VCSEL/PD器件的光经过该窗口B传输至在LGA另一侧上的对应器件。考虑到当如图1装配全部封装时，可使得顺从性窗口与LGA上面和下面的VCSEL/PD紧密物理接触。
图8：窗口载体平面和窗口的等比例图。它们可以是分离材料，即载体平面具有优化的结构特性，而窗口具有优化的顺从性和透明性，或者它们可以由透明、顺从性和支撑性的单一材料形成。
图9：示出了混合电/光LGA的侧面，其中包括分立的电学LGA接触和可容纳单个或多个VCSEL/PD器件的顺从性光学窗口。该图说明了可在LGA载体平面上直接制作窗口，而不需插入窗口框架结构。并且该图将窗口描述为具有直角以及平的直线形几何形状。
图10：与图9类似，除了示出了窗口可在一个维度上具有弯曲顶面和底面而另一维度上为直角。
图11：与图9和图10类似，除了示出了窗口可在两个维度上都具有曲面(有点像橄榄球的形状)。
图12：示出了不具有容纳多个光学元件的平滑而整体弯曲表面的大窗口，其可局部弯曲，以与分立的光学元件啮合。然而，这将需要精确的对准，因此可以预见，其不如其它图所示的整体窗口型重要。
图13：示出了各种单个栅格点光学与电学连接的结合。在装配A中，栅格点“Aa”被电学接触占用，该电接触形成从最顶面到最底面的电学连接。在栅格点“Ab”中，形成与电学接触大小相同的顺从性窗口。在装配B中，栅格点“Ba”仍为电学接触。栅格点“Bb”是嵌入LGA载体的透镜，其两侧均具有凹面形状。栅格点“Bc”为两侧均凸出的透镜。在装配C中，栅格点“Ca”是电学接触。栅格点“Cb”是一侧凹陷而另一侧凸出的透镜。栅格点“Cc”是Fresnel透镜。总之，该图旨在示出电学、窗口(无源光学)以及透镜(功能光学)特征的多种可能的结合可同时存在，以提供显著的设计优点。
图14：示出了电学和光学接触的结合。在装配D中，栅格点“Da”是例如电学接触。栅格点“Db”示出了具有嵌入顺从性光学材料例如PDMS中的透镜的光学接触。这允许VCSEL/PD器件与顶面和底面形成紧密接触，这在仅具有坚硬的透镜时是不可能的，并且可以消除空气间隙。还可为透镜提供根据机械应力微移的方法，该机械应力由LGA的一个VCSEL/PD器件相对于另一侧上对应的VCSEL/PD器件的位移引起。

Claims (17)

1.一种插件装置，具有电学和光学连接元件，以使包括电学和光学I/O的第一电学元件连接到另一个具有电学和光学I/O的第二电学元件，该插件装置还具有多个电学接触和至少一个顺从性光学窗口，其中在所述插件装置的上面和下面环绕所述光学窗口的外围还具有顺从性材料，以使所述插件装置与上面的所述第一电学元件和下面的所述第二电学元件接触。
2.根据权利要求1所述的插件装置，其中所述插件装置为岸面栅格阵列，所述光学窗口直接在岸面栅格阵列载体平面内或平面上浇铸成型。
3.根据权利要求1所述的插件装置，其中所述光学窗口由聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚丁二烯中的任何一种材料制成。
4.根据权利要求1所述的插件装置，其中所述插件装置为岸面栅格阵列，所述光学窗口被连接到支撑结构，而所述支撑结构被连接到岸面栅格阵列载体平面。
5.根据权利要求1所述的插件装置，其中所述光学窗口足够大，以容纳多个光学I/O。
6.根据权利要求1所述的插件装置，其中所述光学窗口旨在用于单个光学I/O。
7.根据权利要求1所述的插件装置，其中所述光学窗口在顶面和底面平坦。
8.根据权利要求1所述的插件装置，其中所述光学窗口具有曲面以消除气泡。
9.根据权利要求1所述的插件装置，其中所述光学窗口具有嵌入其中的透镜结构。
10.一种插件装置，具有电学和光学连接元件，以使包括电学和光学I/O的芯片模块连接到具有电学和光学I/O的印刷线路板，该插件装置还具有多个电学接触和至少一个顺从性光学窗口，其中在所述插件装置的上面和下面环绕所述光学窗口的外围还具有顺从性材料，以使所述插件装置与上面的芯片模块和下面的印刷线路板接触。
11.根据权利要求10所述的插件装置，其中所述插件装置为岸面栅格阵列，所述光学窗口被连接到支撑结构，而所述支撑结构被连接到岸面栅格阵列载体平面。
12.根据权利要求10所述的插件装置，其中所述光学窗口足够大，以容纳多个光学I/O。
13.根据权利要求10所述的插件装置，其中所述光学窗口旨在用于单个光学I/O。
14.根据权利要求10所述的插件装置，其中所述光学窗口在顶面和底面平坦。
15.根据权利要求10所述的插件装置，其中所述光学窗口具有曲面以消除气泡。
16.根据权利要求10所述的插件装置，其中所述光学窗口具有嵌入其中的透镜结构。
17.根据权利要求11所述的插件装置，其中所述光学窗口结构和/或所述光学窗口支撑结构具有导向孔，以允许来自一个光学元件阵列的对准插针，精确地连接到另一侧上的对应光学元件阵列。
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