CN100419479C - 用于光源和目标元件之间光耦合的扣合光学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学子组件，其包括衬底、在衬底上的一组焊接特征、在衬底上的管芯以及在衬底上且在管芯上方的罩。该罩包括(1)在管芯上方的透镜以及(2)扣合到焊接特征的内表面或外表面。

Description

用于光源和目标元件之间光耦合的扣合光学元件
技术领域
本发明涉及光学耦合元件。
背景技术
传统的光纤模块要求光源(例如，在发射器侧的激光器或LED，或在接收器侧的光纤)、透镜和目标元件(例如，在发射器侧的光纤或在接收器侧的光电二极管)高度精确的对准。总体而言，这种对准是“有源地”实现的，这意味着光链路被供以动力，并且在移动系统的某个部分时监视光源与标的之间的耦合。在最大耦合功率的位置，将结果机械锁定在该位置。这个过程慢而且成本高，不仅需要一组精确的机械推进器，而且需要用于给系统提供动力并监视系统的光电测试设备。
发明内容
在本发明的一个实施例中，光学子组件包括衬底、在衬底上的一组焊接特征(solder feature)、在衬底上的管芯(die)以及在衬底上且在管芯上方的罩(cap)。该罩包括(1)在管芯上方的透镜以及(2)扣合(snap-fit)到焊接特征的内表面或外表面。
附图说明
图1是在本发明的一个实施例中光学子组件的立体剖视图。
图2是在本发明的一个实施例中的图1的光学子组件的横截面视图。
图3是在本发明的一个实施例中的图1的光学子组件的俯视图。
图4是在本发明的一个实施例中的图1的光学子组件的立体剖视图。
图5是在本发明的一个实施例中的图1的光学子组件的横截面视图。
图6是在本发明的一个实施例中的图1的光学子组件的俯视横截面视图。
图7是在本发明的一个实施例中的光学子组件的俯视图。
图8是在本发明的一个实施例中的另一个光学子组件的立体剖视图。
图9是在本发明的一个实施例中的另一个光学子组件的立体剖视图。
图10、11、12、13、14是在本发明的实施例中的光学子组件的俯视横截面视图。
图15和图16分别是在本发明的一个实施例中的另一个光学组件的侧视横截面视图和俯视横截面视图。
在不同图中使用的相同的标号指示相似的或相同的元件。
具体实施方式
扣合光学元件使得能够去除当前限制制造者的昂贵设备和较慢的处理时间。这为在不那么精巧的位置上制造产品以减少制造成本创造了可能。
图1、2和3图示了在本发明一个实施例中的光学子组件10。光学子组件10包括在衬底14上形成的一组焊接基准特征12(例如焊球的环)。焊球12的环形成用于接收阳扣合特征的阴扣合特征。焊球12可以被沉积或丝网印刷在位于衬底14上的圆形焊盘16(图2)顶上。在一个实施例中，焊盘16一般是圆形的，而焊球12一般是球形的。不过，本文公开的概念可应用于由其他可重复形状组成的焊盘和焊接基准特征。衬底14可以是印刷电路板(PCB)、柔性电路、陶瓷衬底或硅衬底。
管芯18被安装在焊球12的环的中心。管芯18可以是光学器件，例如激光器、发光二极管、发射器、光电二极管、接收器或收发器。管芯19也可以安装在焊球12的环内。管芯19可以是驱动器集成电路(IC)、后置放大IC或与管芯18一起工作的任何其他IC。管芯18和管芯19可以通过在衬底14中的焊线或迹线被电连接。
透镜罩20被安装在衬底14上的管芯18上方。透镜罩20可以由高温光学材料(例如，由通用电气塑料(General Electric Plastics)提供的Ultem)或其他合适的光学材料制成。在一个实施例中，透镜罩20是具有基部24和外圆柱表面22的中空圆柱体。基部24包括在基部上表面上的透镜26(例如，准直透镜)和/或在基部下表面上的透镜28(例如，会聚透镜)。外圆柱表面22形成阳扣合特征，其被由焊球12的环形成的阴扣合特征接收。扣合特征使透镜罩20保持在衬底14上，并使透镜26/28与管芯18对准。透镜罩20可以是具有可变形外表面22的注模件，可变形外表面22与可变形焊球12形成紧密配合。
光学子组件10的一个优点是精确定位焊球12的能力，因为焊盘16是传统光刻方法定义的特征，所以它们非常精确，而焊球12对焊盘16具有固有的严格公差。虽然单个焊球12可能易受小变化(例如，球体积，表面张力，回流条件，和氧化物水平)的影响，但是焊球12的几何中心被定位以靠近焊盘16的几何中心。一般地，PCB焊盘中心到焊盘中心在约5mm距离的公差约为±5μm，对于300μm直径的球的焊球半径的公差约为±5μm，焊球中心到焊盘中心对准的公差约为±1μm。在最坏的情况，整个对准可能偏离约±11μm。假定所有这三个公差为正态分布，均方根分析给出±7μm的总公差。而且，如果使用多个焊球12作为对准基准，那么焊球和焊盘之间的变化能够达到其平均数，从而提供比以往更高的精确度。
图4、5和6图示了在本发明一个实施例中的光学子组件100。光学子组件100类似于光学子组件10，除了透镜罩20的内圆柱表面122形成阴扣合特征，而焊球12的环形成阳扣合特征以外。这样，内圆柱表面122围绕焊球12的环配合，来形成扣合。
虽然上面说明了由焊球和透镜罩形成的圆柱形扣合特征，但是可以使用其他形状。图7图示了在本发明一个实施例中的光学子组件200。透镜罩220具有形成扣合特征的凹部230，用于接收由衬底214上的两个焊球12形成的另一个扣合特征。这里，仅需两个焊球12来安装和对准透镜罩220。透镜罩220还包括位于衬底214上且在管芯上方的一个或多个透镜228。
图8图示了在本发明一个实施例中的光学子组件300。光学子组件300使用具有基部324和正交侧壁322的矩形透镜罩320。基部324包括在基部上表面上的透镜326(例如，准直透镜)和/或在基部下表面上的透镜328(例如，会聚透镜)。外侧壁表面322A形成阳扣合特征，其被由焊球12形成的阴扣合特征接收。扣合特征使透镜罩320保持在衬底14上，并使透镜326/328与管芯18对准。
图9图示了在本发明一个实施例中的光学子组件500。子组件500类似于子组件300，只是矩形透镜罩320的两个相对外角被夹在两对相对的焊球12之间。
图10图示了在本发明一个实施例中的光学子组件600。子组件600类似于子组件300，只是矩形透镜罩320A在其四个角形成有凹部330A，以抵靠四个焊球12配合。
图11图示了在本发明一个实施例中的光学子组件700。子组件700类似于子组件300，只是透镜罩320B的两个相对侧壁322具有用于抵靠焊球12配合的凹槽330。
图12图示了在本发明一个实施例中的光学子组件400。子组件400类似于子组件300，只是内侧壁表面322B形成阴扣合特征，其接收由焊球12形成的阳扣合特征。
图13图示了在本发明一个实施例中的光学子组件800。子组件800类似于子组件400，只是两对相对的焊球12被定位以抵靠矩形透镜罩320的两个相对的内角配合。
图14图示了在本发明一个实施例中的光学子组件900。子组件900类似于子组件400，只是两个相对的焊球12被定位以抵靠矩形透镜罩320的两个相对的内角配合。
图15和16图示了在本发明一个实施例中的光学子组件1000。子组件1000类似于子组件500，只是透镜罩1020包括用于管芯18A的透镜1026A和1028A，以及用于管芯18B的透镜1026B和1028B。这表明上述的任何实施例可以有多个具有相应透镜的管芯。
所公开实施例的特征的各种其他改变和组合都在本发明的范围内。所附权利要求涵盖了大量的实施例。

Claims (22)

1. 一种光学子组件，包括：
衬底；
在所述衬底上的多个焊接特征，所述焊接特征定义了第一扣合特征；
在所述衬底上的管芯，所述管芯包括光学器件；以及
在所述衬底上且在所述管芯上方的罩，所述罩包括(1)在所述管芯上方的透镜以及(2)定义了第二扣合特征的表面，所述第二扣合特征与所述第一扣合特征配合以使所述罩保持在所述衬底上并使所述透镜与所述管芯对准。
2. 根据权利要求1所述的子组件，其中，所述焊接特征包括焊球。
3. 根据权利要求2所述的子组件，其中，所述罩包括中空圆柱体。
4. 根据权利要求1所述的子组件，其中，所述表面选自(1)在所述焊接特征内侧配合的外表面，或者(2)接收所述焊接特征的内表面。
5. 根据权利要求1所述的子组件，其中，所述罩包括基部，并且所述透镜在所述基部上。
6. 根据权利要求1所述的子组件，其中：
所述衬底选自印刷电路板、柔性电路、陶瓷衬底或硅衬底；并且
所述光学器件选发射器、接收器或收发器。
7. 根据权利要求1所述的子组件，其中，所述罩是矩形的，并且所述焊接特征包括两对相对的焊球，所述两对相对的焊球抵靠所述罩的两个相对的内角或外角形成配合。
8. 根据权利要求1所述的子组件，其中，所述罩是具有凹角的矩形，并且所述焊接特征包括抵靠所述凹角配合的四个焊球。
9. 根据权利要求1所述的子组件，其中，所述罩是矩形的，所述矩形罩的两个相对的侧壁定义出两个凹槽，并且所述焊接特征包括抵靠所述凹槽配合的两个焊球。
10. 根据权利要求1所述的子组件，其中，所述罩是矩形的，并且所述焊接特征包括抵靠所述罩的两个相对的内角而配合的两个相对的焊球。
11. 根据权利要求6所述的子组件，其中所述光学器件选自激光器、发光二极管、光电二极管。
12. 一种光学子组件的组装方法，包括：
在衬底上形成焊接特征，所述焊接特征定义了第一扣合特征；
在所述衬底上安装管芯，所述管芯包括光学器件；以及
在所述衬底上且在所述管芯上方安装罩，所述罩包括(1)在所述管芯上方的透镜以及(2)定义了第二扣合特征的表面，所述第二扣合特征与所述第一扣合特征配合以使所述罩保持在所述衬底上。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述形成焊接特征包括形成焊球。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述罩包括中空圆柱体。
15. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述表面选自(1)外表面，并且所述安装罩的操作包括在所述焊接特征内侧配合所述外表面；或(2)内表面，并且所述安装罩的操作包括围绕所述焊接特征配合所述内表面。
16. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述罩包括基部，并且所述透镜在所述基部上。
17. 根据权利要求12所述的方法，其中：
所述衬底选自印刷电路板、柔性电路、陶瓷衬底或硅衬底；并且
所述光学器件选自发射器、接收器或收发器。
18. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述罩是矩形的，并且所述焊接特征包括两对相对的焊球，所述两对相对的焊球抵靠所述罩的两个相对的内角或外角形成配合。
19. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述罩是具有凹角的矩形，并且所述焊接特征包括抵靠所述凹角配合的四个焊球。
20. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述罩是矩形的，所述矩形罩的两个相对的侧壁定义出两个凹槽，并且所述焊接特征包括抵靠所述凹槽配合的两个焊球。
21. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述罩是矩形的，并且所述焊接特征包括抵靠所述罩的两个相对的内角而配合的两个相对的焊球。
22. 根据权利要求17所述的方法，其中所述光学器件选自激光器、发光二极管、光电二极管。
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