CN101473258A - 可光通的集成电路封装 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于将电路板与光纤相连的可光通的集成电路(IC)封装。所述IC封装包括具有预先与光纤对准的激光器的光学次组件(OSA)。所述OSA进一步包括用于连接微芯片的标准电接口和用于连接光纤的标准光接口。还提出了用于将光连接器、光缆与集成电路封装相连的一套机械概念，其可用于任何类型的光连接器，例如单个光纤套圈、MT－RJ型光学套圈和二维MT型光学套圈。

Description

可光通的集成电路封装
技术领域
当前公开的内容涉及用于超高速光互联应用的集成电路(IC)封装领域。
背景技术
在集成电路(或微芯片)与外界之间有效地传输数据在过去几年中已经成为IC封装制造商的强化(intense)工程学焦点，因为信号数据率和信号的数量都被推到了电技术的物理极限。
典型的工业标准IC封装例如球栅阵列(BGA)封装已使数据率和引脚要求跟不上前沿微芯片设计师的要求，并且在增长的能源消费问题面前，仍然面对更有挑战性的一系列密度和数据率的标准。这一问题由于多处理器微芯片架构的发展趋势而恶化，因为这种架构必须从外界获得更多的数据。
在通信网络产业中光互联的趋势是建立在距离和数据率之间平衡的基础上。因为数据率的增长，光纤已经取代了铜线(在物理距离相同的条件下)，这样更高速的信号不会衰减。就是这一趋势启发了“光纤到芯片”的概念，在这一状况下微芯片和外界之间的超高速电信号被光信号取代。通过允许微芯片仍然作为全电处理单元，并且具有光纤作为向微芯片发送或从其接收数据的高速数据的最终管道，可以将速度和密度的话题提到下一个十年。
在许多例子中，光发射装置都已经在电封装中与光纤耦合。由NEC公司的Photonic and Wireless Device Research Laboratories(光和无线设备研究实验室)完成的并由专利例如US 6,901,185描述的成果展示了用于紧凑光模块的引导和控制光信号的独一无二的方法。由例如Intel公司的专利申请例如US 2002/0196997所描述的可选的方法展示了在一些相同的封装中将激光器合成在微芯片中的高度集成的方法。Luxtera公司已经证明了其他将光引导进微芯片的更加积极的装置，并且部分它们的技术在专利申请US 2004/0156590中已被阐述。这个技术利用了在硅中的调制(modulation)效应来直接从处理芯片生成光的光学脉冲。但是，这些技术均未足够涉及到半导体市场的模块化和产业标准形状因数(form-factor)。大部分这些竞争的技术依赖于非常垂直地集成装配技术，其中光接口依赖于对准步骤的多个层面，包括微小的芯片倒装和精密拾放对准，导致最终封装对在电和光信号之间转化的任务来说非常特殊。并不存在关于使用者确定的微芯片(例如微处理器或开关)的规定，其中所述微芯片沿着在相同封装中的光-电或电-光转化器模块直接放置。这些技术同样严重依赖于集成电路封装装配车间的技术成熟度来提供可光通的封装。
将光学与在相同封装中的微芯片的计算能力接合的能力和使封装与其他标准封装在性能和组装方法上的规范相符合，这将推进电脑的互联性。
此外，在过去的几十年中在光纤连接器的标准化和产品发展两方面进行了大量的工作。设计出了很多用于将光纤与其他光纤或光电模块机械对准并形成永久的和可移除的连接的方法。这样的成就在用于标准多模和单模光纤以及塑料光纤和特制光纤的各种标准光连接器类型和光学壳体中已达到巅峰。它已经生成了多光纤光连接器标准类型，其中所述光连接器用于提高密度和与光发射和接收部件的1、2维阵列相对准。标准光连接器壳体的例子有LC、FC、SC和MPO等。这些连接器典型地使用至少一个经精密加工或精密模塑成型的包括光纤的部件，例如氧化锆套圈或者微模塑塑料套圈。典型地在精密部件的一端进行了抛光，以确保光纤的梢部是平的(尽管有时候是圆的或者有倾斜角度)并且允许最大量的光耦合进出光纤。围绕这一精密部件的连接器壳体通常具有连接机构例如螺纹管、塑料卡夹或夹子、或者装有弹簧的“浮动”组件，以帮助将光纤引导进理想的位置。在光电模块或无源光适配器上的与连接器相适配的对接壳体将典型地具有互补的一系列特征部，例如经精密加工的中空管或者一套经精密模塑的定位销孔。壳体或适配器也将具有互补性的一套机械连接特征部，例如螺纹孔、塑料凹口或槽、或者与连接器壳体扣紧或旋紧的塑料内适配器。此扣紧机构经常载有弹簧(以目前的螺旋弹簧、弹簧钢或者可压缩的塑料或橡胶中任一种的某种形式)，并且在光纤和光电模块、其他光纤之间提供正的适配力。这个力用于在两光纤之间维持恒定的光耦合，以及一定程度上避免可能渗透接口的碎屑。
大多数光连接器包括精密光部件(氧化锆套圈或者微模塑塑料套圈)和在光缆端部作为单个完整连接器组件的机械连接机构。但是，存在一些独立于精密光部件的机械连接机构。这些“外部”夹子的例子可以在Kanda等人的题目是“Connection Structure for an OpticalWaveguide Device and Method of Fabricating the Same(用于光波导管设备的连接结构和制造方法)”的美国专利US5,721,798中找到作为多光纤光连接器机构的例子，也可在Caron的标题为“Fiber OpticConnector(光纤连接器)”的美国专利US 4,741,590中找到作为单光纤连接器机构的例子。
比这更进一步的是，有多种连接器壳体的例子允许光缆与光电模块适配使得光纤与激光器或光电探测器对准。这样的壳体中最引人注意的例子是标准光收发器产品，例如SFP、XFP和XANPAK收发器形状因数，这些部件对准双LC终端光缆。可以在由例如Finisar公司(http://www.finisar.com)、Bookham公司(http://www.bookham.com/)和Intel公司(http://www.intel.com/design/network/products/optical/lc_transceivers.htm)的产品要约中找到例子。
对更高数据率和更大总带宽的要求引导了包括光连接器接口的混合集成电路封装的发展。这种混合方法直接把光信号带进封装内部的硅微芯片，由此缓解了高速电信号传输的大量设计和制造所带来的挑战。
尽管已经有许多方法涉及到了在标准和非标准集成电路封装内布置和对准光发射或接收的光电设备，但是只有非常少的光连接器和连接器壳体被提出来用于集成电路封装。Kunkel等人的标题为“Assembly for aligning an optical array with optical fibers(用于将光列阵和光纤对准的组件)”的美国专利申请US2003/0031431描述了这样一种夹具设计，即当把光连接器推向封装的光接口时，该夹具包裹在封装壳体周围并保持在封装的背面上。Steijer等人的标题为“SpringClip(弹簧夹)”的美国专利US6,511,233是一个将外部夹扣住封装的类似的方案，同时使用弹簧夹设计把光连接器推到封装的光接口上。
发明内容
一方面，当前公开的内容涉及将光、光电和电子元件混合集成进标准的球栅阵列IC封装中，并且涉及用于将光缆与可光通的集成电路封装相连的机械机构。
为了叙述模块化和形状因数的问题，我们建议充分利用(leverage)工业标准集成电路(IC)封装的形状因数例如针栅阵列式封装(PGA)和球栅阵列(BGA)封装，并用平板、模块、光学次组件将它们扩大。这将形成混合光学IC封装，包括典型IC封装的标准电连接器以及一个或更多在封装侧面上的光端口，以允许光信号输送进微芯片几毫米的范围内。这些新的“可光通的(opticallyenabled＂)”封装将用标准组装技术连续进行组装，例如夹附、焊线封装、芯片倒装、顶珠封装、焊料球法以及焊料回流技术，以避免干涉建立好的工业IC封装产品线。此外，微芯片设计者和制造商不用必须修改它们的架构或物理布图，因为光学转化将在微芯片之外发生。但是，由于光学转化发生在距离微芯片仅仅几毫米的地方，那么仍然可以实现非常高的数据率而不用在全电信号传输的情况下提高功率指数。进一步地，由于光信号的保真性以及它们对串扰和电磁效应的免疫，因此相对于全电信号传输的情况，微芯片消耗电能的比率下降。原因是当大于1Gb/s时光信号所要求的信号条件和信号修正要远远少于(晶体管总数更少)同等纯电信号传输方法。这使得每千兆比特每秒每瓦特的成本更低。
当前公开内容的一些方面如下：1)因为光学次组件已经光学预对准并可以通过电互连例如焊线封装简单地“下落(drop)”就位并与微芯片相连，从而消除了IC封装组件和印刷电路板(PCB)组件的光学对准问题；2)光学次组件具有用于IC封装内的微芯片的标准电接口和用于外部光缆的标准光接口；3)芯片设计者和芯片制造商不必改变它们的架构和生产方法；4)由于光学转化仅仅距离微芯片几毫米发生，那么可以直接向微芯片输送或从其接收非常密集和高速的数据率；5)不再需要与封装相连的典型的高速铜迹线，从而简化了主板设计并消除了设计中的额外组件例如光收发器；以及6)为了向IC封装输入或从其输出更快的信号，降低了电能消耗率。
此外，提出了一套用于将光连接器和光缆连接到集成电路封装的机械概念，其以混合可光通的集成电路(IC)封装为目标。这些原理最初是基于用于平行带状光纤一维阵列的多终端(MT)光学套圈(由NTT发明)而设计的。但是，可以想到用于任何类型光连接器(包括单光纤套圈、MT-RJ型光学套圈和二维MT型光学套圈)的相似构造。
在一实施方式中，采用的方案是围绕混合可光通的IC封装的光端口提供简单特征部，并且提供简单的连接夹以在MT光学套圈和在混合光学IC封装侧面的光端口之间提供适配力。考虑到IC封装和围绕的印刷电路板(PCB)，这必须在最小量物理侵入的情况下完成。PCB设计者和PCB组装者都希望将在PCB的物理布图上的任何光连接装置尺寸最小化，因为在PCB上为非电子的并且不会直接与PCB相连接的部件预留(reserving)面积不是有效利用空间的方法。所希望的是整个光学组件仅仅稍大于MT光学套圈自身，并且不需要对在PCB上的其他组件(例如散热器、风扇、插槽或适配器)进行明显的重新定位。
与PCB组件的标准实践保持一致，将光端口和适配夹设计成在板或设备组装的最后阶段进行连接，并且不需要特殊的组装工具。根据这一方面，本领域的技术人员可以手动将光缆与IC封装相连。光缆应当因此与电脑机箱中的更传统的电缆连接器具有相同的特性。此外，适配夹允许几种形式的光端口设计，并且如果定位在IC封装的周围，也可以允许每个IC封装具有多个光端口。
根据一实施方式，提供一种用于将电路板与光纤相连的可光通的集成电路封装。所述封装包括：由使用者确定的微芯片；包括电连接的底板，用于在微芯片和电路板之间传送信号；以及光学次组件(OSA)，具有预先与光纤对准的激光器，所述OSA进一步包括将OSA和微芯片相连的标准电接口以及用于与光纤相连的标准光接口，由此OSA将微芯片与激光器相连，所述激光器又与光纤光学连接。
根据一实施方式，提供一种用于将电路板与光纤相连的可光通的集成电路封装。所述封装包括：由使用者确定的微芯片，所述微芯片通过具有底部填充(underfill)的微焊球而形成可控坍塌芯片连接(C4)；包括电连接的底板，用于在微芯片和电路板之间传送信号；用于在微芯片上形成壳体的模具或封装；以及光学次组件(OSA)，具有预先与光纤对准的激光器，所述OSA进一步包括将OSA和微芯片相连的标准电接口以及用于与光纤相连的标准光接口，由此OSA将微芯片与激光器相连，所述激光器又与光纤光学连接。
根据一实施方式，当前公开的内容描述了一种用于将电路板与光纤连接的可光通的集成电路封装。所述封装包括：由使用者确定的微芯片；插入板(在微芯片和外界之间传递信号)；金属背衬(或热扩散板)；将微芯片和金属背衬相连的焊线；覆盖了微芯片和焊线的顶珠封装环氧树脂；用于连接电路板的焊料球(典型为直径0.8mm，呈规则的矩形阵列，在两个方向上均间隔1.27mm)；以及光学次组件(OSA)(100)，用于将微芯片与激光器相连，激光器又与光纤相光学连接，所述OSA具有预先与光纤对准的激光器，所述OSA进一步包括用于连接微芯片的标准电接口和用于连接光纤的标准光接口。
根据一实施方式，当前公开的内容描述了一种用于将电路板与光纤连接的可光通的集成电路封装。所述封装包括：由使用者确定的微芯片，所述微芯片通过(具有底部填充的)微焊球而形成可控坍塌芯片连接(C4)；插入板(在微芯片和外界之间传递信号)；用于在微芯片上形成壳体的模具或封装(也可以包括一些量的顶珠封装环氧树脂)；用于连接电路板的焊料球(典型为直径0.8mm，呈规则的矩形阵列，在两个方向上均间隔1.27mm)；以及使用焊线封装或者芯片倒装而与插入板相连的光学次组件(OSA)，所述光学次组件用于将微芯片与激光器相连，激光器又可光通的地与光纤相连，所述OSA具有预先与光纤对准的激光器，所述OSA进一步包括用于连接微芯片的标准电接口和用于连接光纤的标准光接口。
根据一实施方式，提供一种适配夹，用于确保在光连接器和混合可光通的集成电路封装的光端口之间的连接，所述光连接器具有连接在光缆上的光缆端并具有与光缆端相反的连接器端。所述适配夹包括：用于大致盖住光连接器的盖罩，所述盖罩包括允许光缆通过的开口；从所述盖罩延伸的S形弯曲特征部，用于对光缆端施加力；以及钩形特征部，从所述盖罩向光连接器的连接器端延伸，用于将由适配夹和光连接器形成的组件固定连接到光端口；其中，在固定适配夹/光连接器组件时，钩形特征部与在混合可光通的集成电路封装内的凹口以及所述光端口上的突起中的至少一个相互作用。
根据一实施方式，提供一种使用适配夹的方法，用于确保在光连接器和混合可光通的集成电路封装的光端口之间的连接。所述方法包括：提供一适配夹，具有从其延伸的钩形特征部；将光连接器插入适配夹中，由此形成适配夹/光连接器组件；以及通过钩形特征部与在混合可光通的集成电路封装内的凹口和所述光端口上的突起中的至少一个相互作用，确保适配夹/光连接器组件与光端口相连。
根据一实施方式，提供一种组装封装的方法，所述封装用于将电路板与光纤相连，所述方法包括：提供包括电连接的底板，用于在使用者确定的微芯片和电路板之间传送信号；提供具有预先与光纤对准的激光器的光学次组件(OSA)，所述光学次组件进一步包括用于将OSA与使用者确定的微芯片相连的标准电接口和用于连接光纤的光接口；提供盒状壳体，其包括用于插入微芯片的第一区域和用于插入OSA的第二区域；将壳体连接到底板的顶面上；以及将OSA侧向划动并穿过第二区域，直到标准电接口开始突出进入第一区域。
根据一实施方式，提供一种装配封装的方法，所述封装用于将电路板与光纤相连，所述方法包括：提供包括电连接的底板，用于在使用者确定的微芯片和电路板之间传送信号，所述底板包括焊盘；提供具有预先与光纤对准的激光器的光学次组件(OSA)，所述OSA进一步包括将OSA与使用者确定的微芯片相连的标准电接口和用于连接光纤的光接口；通过将标准电接口与底板的电连接对准，从而将OSA连接到底板上；使用微焊球将使用者确定的微芯片连接到焊盘上；以及使用壳体将使用者确定的微芯片和OSA密封。
附图说明
为了更好地理解本发明，将通过附图中的例子来解释本发明的实施方式。
图1是依据现有技术的DFB平板OSA的示意透视图；
图2a是依据现有技术的基于OSA的VCSEL从前方看的示意透视图；
图2b是依据现有技术的基于OSA的VCSEL从后方看的示意透视图；
图3是依据现有技术的双列直插式封装的示意透视图；
图4是依据现有技术的针栅阵列式封装的示意透视图；
图5是依据现有技术的四侧引脚扁平封装的内部结构示意透视图；
图6是依据现有技术的空腔区向上的球栅阵列封装的示意透视图；
图7a是依据一实施方式的完整可光通的空腔区向下的球栅阵列封装从底部看的示意透视图；
图7b是依据一实施方式的完整可光通的空腔区向下的球栅阵列封装从顶部看的示意透视图；
图8a是依据一实施方式的可光通的空腔区向下的球栅阵列封装从底部看的示意透视图，其中OSA尚未插入并且插入板与金属背衬分离；
图8b是依据一实施方式的可光通的空腔区向下的球栅阵列封装从底部看的示意透视图，其中微芯片已经放置并被焊线封装，并且OSA已经插入金属背衬，插入板与金属背衬分离；
图9是依据一实施方式的可光通的空腔区向下的球栅阵列封装从后面看的不具有顶珠封装的二维示意图，显示了在微芯片和插入板上的手指之间的焊线，以及显示了在OSA和微芯片之间的焊线；
图10a是依据一实施方式的完整可光通的空腔区向上的FC-BGA封装从底部看的示意透视图；
图10b是依据一实施方式的完整可光通的空腔区向上的FC-BGA封装从顶部看的示意透视图；
图11是依据一实施方式的可光通的空腔区向下的BGA插入板的示意透视图，包括用于微芯片的微焊球焊盘和用于OSA的连接焊盘和这些OSA的轮廓；
图12是依据一实施方式的微芯片和OSA的示意透视图，其中在插入板上布置有底部填充；
图13是依据一实施方式的芯片倒装OSA模块的一种可能形式的示意透视图，显示了在氧化铝底板的背面上的焊料球；
图14是根据现有技术的典型成型模具的示意透视图，显示了在模具中的腔；
图15是依据一实施方式的经过改进的成型模具的示意透视图，所述透视图朝向成型后的FC-BGA插入板并显示了OSA所需的额外腔；
图16是依据一实施方式的示意透视图，显示了一种可能的实施框架，以在模塑前准确地将OSA定位在FC-BGA插入板上；
图17是依据一实施方式的芯片倒装OSA的示意透视图，在FC-BGA插入板上定位有更长的用于位置灵活性的光纤带；
图18是依据一实施方式的预制件和围绕MT套圈的垫片的示意透视图，它们都定位在FC-BGA插入板上，用于在成型过程中密封在成型模具和MT套圈之间的接缝；
图19是根据现有技术的1×12的MT套圈和带状光缆组件的示意透视图；
图20是依据一实施方式的混合光学集成电路封装的示意透视图；
图21是依据一实施方式的适配夹的透视图，所述适配夹用于将1×12的MT套圈固定在混合光学集成电路封装中；
图22是依据一实施方式的空腔区向下的集成电路封装从其底部所示的示意透视图，具有其光端口的剖面图；
图23是依据一实施方式的空腔区向下的集成电路封装从其底部所示的示意透视图，具有其光端口和适配夹和MT套圈的剖面图，其中光纤连接进光端口中；
图24是依据一实施方式的空腔区向下的集成电路封装从其顶部所示的示意透视图，具有光端口、适配夹、MT套圈和连接进光端口的光纤，其中集成电路封装已经安装在印刷电路板上；
图25是根据现有技术的具有电力部分和光学部分的光学次组件的透视图；
图26是依据一实施方式的空腔区向上的集成电路封装的示意透视图，在周界周围具有四个光端口，并且光端口的一部分已经用环氧树脂进行顶珠封装，并且微芯片的中央已经用环氧树脂进行顶珠封装；
图27是依据一实施方式的光学次组件的透视图，所述光学次组件已经扩大以在光端口部分上包括侧面扩展，用于使用于外部光适配技术；
图28a、28b和28c是依据一实施方式的扩大的光学次组件的三个可能方向的三个顶部视图，显示了可能的对准位置；
图29是依据一实施方式的替代适配夹设计的透视图；
图30是依据一实施方式的空腔区向上的集成电路封装的透视图，其中其光端口中的一个连接有替代的适配夹和MT套圈；以及
图31是依据一实施方式的使用适配夹的方法的框图。
通过下面的详细描述，将非常清楚本发明更加详细的内容及其优点。
具体实施方式
在下面对实施方式的描述中，通过对可实施本发明的一个例子进行解释的方式对附图进行参考。应当明白的是，在不脱离本发明公开的范围内，可以采用其他的实施方式。
在本发明的一个实施方式中，提出了一种经改进的空腔区向下的球栅阵列(BGA)集成电路(IC)封装，其结合有用于模块光学次组件的机械间隙。所述光学次组件(OSA)是模块化的、小轮廓的、低成本的部件，具有标准的电接口和标准的光接口，其被布置在IC封装内并在使用者确定的微芯片和IC封装的侧面之间。在IC封装侧面的标准的光接口还包括用于将光接缆直接夹住或对接(及退出)封装侧面的装置。完成的光通球栅阵列集成电路封装接下来可以通过标准组装装置被安装到印刷电路板(PCB)上，其中光接口的连接安装是在稍后独立于PCB组件进行的。
光学次组件(OSA)
当前公开的内容中用于使IC封装光通的光学次组件(OSA)是作为模块形成的，可以在电信号和光信号之间互相转化。它可以是放置在IC封装中的光对准模块，具有紧凑、小轮廓的特点，具有标准电接口(例如用于焊线封装或芯片倒装的金焊盘)和标准光接口(例如机械转换(MT)多光纤光套圈，其最初由NTT研发，合成有高精密模具和对准定位销)。
由OSA发射或接收光的本质只依赖于所使用的设备的类型。在一实施方式中可以使用竖直空腔表面发射LASER(VCSEL)，其中所述LASER(VCSEL)具有大约850纳米的光波长。但是，也可以想到用其他光发射设备，例如具有较长的约为1550纳米的分布反馈(DFB)激光器。在由Karnacewicz等人发明的美国专利申请#6,862,378中给出了这样较长波长OSA的例子(参见图1)，所述OSA在光学硅平台上与单模光纤对准。
在下列美国专利申请中描述了用于光通集成电路封装的基于OSA的VCSEL的例子：Rolston等人的美国专利申请2005/0121820“Encapsulated Optical Package(密封光学封装)”、美国专利申请2005/0018993“Optical Ferrule(光学套圈)”和美国专利申请2005/0018974“Optical Connector Assembly(光连接器组件)”。参照图2a和2b，这种特殊的OSA基于在单个芯片底板(1)上的间距250微米的砷化镓(GaAs)1×12 VCSEL阵列(在850纳米波长发生作用)。所述1×12阵列VCSEL芯片粘在氧化铝底板(3)上并焊线封装至氧化铝上金迹线(5)的式样。V槽硅套圈(7)固定了以250微米准确间隔的多模光纤的平行带状光纤阵列，并且具有45度的前倒角和银涂层(9)以形成镜子，从而能够90度地反射来自VCSEL阵列的光并将光耦合进多模光纤(11)中。多模光纤的平行带状光纤阵列的另一端使用十二通道MT套圈(13)端接(参见图02a和图02b)。整个组件仅有16mm长×2.44mm高×7mm宽，通过形成式样的金迹线的端部提供电连接。相似的OSA用于光探测，但是使用1×12的光探测器阵列。
在一实施方式中，用于光通集成电路封装的OSA可以完全密封，典型地使用标准类型的环氧树脂。需要密封是因为将IC封装安装到印刷电路板(PCB)上时伴有非常高的温度。在典型的约215℃的焊料回流温度下，在IC封装的密封中的任何气隙都可能会因为气隙中的过热湿度而爆炸。因此使用微透镜的OSA的技术(其中在激光器和透镜间具有气隙)不能很好地适用于IC封装的光通性质。
OSA组件的另一个细节是在OSA的光接口上方包括灰尘/污染物盖罩。例如，小的密封连接的橡胶盖子或者粘着片可以固定在OSA的光接口上方，以在将光通的IC封装组装和最终集成到PCB上的整个过程中维持表面的清洁。这也可以在PCB组件的焊料回流过程中保护光接口。在将带状光缆连接到封装的侧面之前，可以将所述盖罩移除。
集成电路(IC)封装
有很多微芯片制造商可以采用的标准类型的IC封装。这些封装归类于尺寸、功率耗散能力、引脚数和每针脚最大数据率等等。双列直插式封装(DIP)(参见图03)是低针脚数、低速度封装的例子，而针栅阵列式封装(PGA)是高针脚数、中速度封装(参见图04)的例子。典型地，微芯片制造商基于尺寸和性能选择IC封装。如图5所示，IC封装组件包括使用环氧树脂或者焊料回流技术将微芯片(15)布置和连接在IC封装的中央区域。它通过在首先由IBM在20世纪60年代发明的被称为可控坍塌芯片连接(C4)的过程中的焊线(17)或者微焊球回流电连接到外界。在IC封装中的一套内部电迹线(19)从微芯片引出到在外界的外部针脚或连接件；在图05中显示了四侧引脚扁平(QFP)封装的例子。
根据一实施方式，一个或更多的预对准的OSA模块沿着“用户确定的”微芯片的侧面被布置在标准(或半标准)IC封装中。通过与用于将微芯片布置在IC封装内的“拾放”技术相同的基本原理，这些OSA被布置在IC封装内。并且，既然OSA已经经过光学预对准(用以同时提供标准光接口和电接口)，那么就消除了通过IC封装制造商或者PCB组件进行的任何精确光对准的必要性。应当注意的是典型的IC或者PCB组件技术具有大于±100微米的对准公差。而对于合适的光学均匀性和分光比而言，在OSA中所需的典型对准公差即使是多模光纤，也在±5微米以下。因此，预对准的OSA消除了IC或者PCB制造商的准确定位工作。于是光通的IC封装不仅允许微芯片实现IC封装的普通电连接，还允许其实现经由OSA的光学连接。然后封装可以被焊接到标准PCB上并且稍后光接缆也可被连接其上。
虽然根据各种实施方式，实际上任何类型的IC封装都可以被光通，当前公开的内容显示了一种球栅阵列(BGA)IC封装(参见图06)。选择BGA封装是因为它是典型地用于非常大的处理微芯片的高密度高速度的封装。BGA封装也分为几种类型，其中的两种是空腔区向上和空腔区向下的封装风格。一种BGA封装可以由陶瓷材料或者有机材料(例如FR-4)制成，并且也可以包含多种芯片例如多芯片模块(MCM)封装。
在下列光通的BGA集成电路封装的实施方式中，光学次组件(OSA)的数目将被限于两个；典型地是一个发射器OSA和一个接收器OSA。应当明白的是，取决于使用者确定的微芯片的需要，还可能是每个OSA都具有更高或更低通道数目，以及不同的发射或接收方向的多个OSA。IC封装的总体尺寸、可靠性、性能和组装方法由JEDEC Solid State Technology Association(JEDEC固态电子元件技术协会)，曾经是Joint Electron Device Engineering Council(联合电子设备工程协会)的规范(http://www.jedec.org)进行了概述，这里提出的光通的IC封装将在一定程度上与其相符合。
可光通的空腔区向下BGA集成电路封装
光通的空腔区向下BGA集成电路封装(参见图07a、07b、08a、08b和09)的一个形式由下列各个次部件组成：
a.插入板(21)(用以在微芯片和外界之间传递信号)
b.金属背衬(23)(或者散热板)
c.使用者确定的微芯片(47)
d.焊线封装(49)
e.顶珠封装环氧树脂(25)
f.焊料球(27)(典型为直径0.8mm，呈有规则的矩形阵列，在两个方向上均间隔1.27mm)
g.一个或更多光学次组件(OSA)(100)。
所述插入板(21)(参见图08a)(也被称为底板)与金属背衬(23)尺寸相同，并在中央具有方形开口，开口的周围具有可焊线封装的金“手指”(31)。所述插入板具有多层层叠，包括底层、电力层和迹线，其中迹线布置在中央方形开口周围的粘接手指和在阵列(33)中的各个焊料球焊盘之间。
金属背衬(23)(参见图08a)是薄的矩形铝金属块，尺寸为45mm×45mm×3.5mm。所述金属背衬具有两个特定区域。第一区域(区域1)(35)是对准在插入件中央的方形开口的凹陷空腔区，就是使用者确定的微芯片放置的区域。第二区域(区域2)(37)是另一个放置OSA的凹陷空腔区。区域2在微芯片和封装的外侧之间提供了用于OSA的空间，还具有额外的特征(39)，例如用于在OSA周围布置适配的夹子组件的凹槽，以及用于在OSA周围进行环氧树脂密封的注射孔(41)。
虽然有多种方法组装此封装，在一实施方式中的组装方法是将插入件(21)层压(laminate)在金属背衬(23)上作为组装过程的第一步，因为层压可能损伤OSA。这一实施方式因此为OSA模块提供了侧面的插入方法，通过将OSA滑过由金属背衬和插入板形成的在封装侧面的(参见图08b)开口通路(43)来插入。由与其适配的夹子组件(45)围绕的OSA(100)滑进封装的侧面，并在OSA的底面和金属背衬之间具有合适的粘接环氧树脂。所述OSA滑进封装足够远，这样氧化铝底板及其金迹线(5)稍微突出进区域1(35)，其中使用者确定的微芯片可以接触到这些迹线。一旦所述OSA插入，在OSA周围的空闲空间被环氧树脂密封填满，但是不会盖住在氧化铝底板端部的金迹线，环氧树脂也不会填满区域1。
IC封装此时只是部分完成了，并且还包括在封装外面具有连接器夹子(45)的标准MT光学套圈接口(13)。标准IC封装组装技术现在可以不用考虑在封装内的光学部件而应用到封装中。
使用者确定的微芯片(47)用导电/导热环氧树脂固定在区域1中，并焊线封装(49)于插入板中央开口周围的金手指(31)以及在氧化铝底板上的金迹线(5)，由此与光端口电接触(参见图09)。在组装此类型IC封装中的典型步骤是下面在内空腔的周围做个小的环氧树脂坝，并且接下来用环氧树脂(25)填满整个区域1的空腔，以完全覆盖微芯片和焊线，导致在封装的中央具有稍微凸起、硬的并且平坦的环氧树脂表面。
建立IC封装的最后一步是将焊料球布置在插入板的焊盘阵列上。这可以使用多种低科技或高科技的方法完成，但是实质上焊料球被回流以连接在插入板上。然后最终的可光通的BGA集成电路封装准备被送往PCB组装车间，在那里封装能通过标准装置被安装到PCB上。
可光通的空腔区向上的芯片倒装BGA集成电路封装
可光通的空腔区向上的芯片倒装(FC)BGA集成电路封装(FC-BGA)(参见图10a、10b、11和12)允许非常高的引脚密度和引脚数以及更高的数据率，因为它依赖于在使用者确定的微芯片上的可控坍塌芯片连接(C4)的方法。C4是一种有效的在使用者确定的微芯片和插入板之间连接微焊球的方法。
可光通的FC-BGA封装的一个形式基本包括下面的次部件，尽管也可添加可选的热发散部件例如平板：
a.插入板(51)(用以在微芯片和外界之间传递信号)
b.使用者确定的微芯片(61)，使用(具有底部填充的)微焊球进行可控坍塌芯片连接(C4)
c.模塑或密封(55)，用于在微芯片上方形成壳体(还可包括一些量的顶珠封装环氧树脂)
d.焊料球(53)(典型为直径0.8mm，呈规则的矩形阵列，在两个方向上均间隔1.27mm)
e.一个或更多光学次组件(OSA)(100)，通过焊线封装或者芯片倒装连接在插入板上。
插入板(51)是刚性的方形平板，封装的所有次部件都布置在上面。它可以由陶瓷或有机底板(如FR-4或者聚酰亚胺)制成，它可以具有多个层，其中具有电力层、接地面(ground planes)、通孔以及在微芯片和焊盘之间传递信号的信号线。封装的空腔区向上的芯片倒装意味着在封装和PCB之间用于连接的焊盘设在布置有微芯片的相反一侧上。焊料球阵列(53)也可盖住插入板的整个一侧(例如：32行乘32列的总共1024个焊料球的矩阵)。焊盘阵列(59)显示在插入板(51)的中间，并且微芯片放置在其上，所述焊盘阵列具有焊盘，所述焊盘在尺寸和间距上与微芯片上的连接点相匹配，因此这些焊盘更小并且间距更紧密(参见图11)。微芯片(或者整个晶片)在式样上与微焊球(例如金属铟)相符合，然后与在插入板中间的焊盘阵列(59)对准并回流(参见图12)。然后用环氧树脂(63)对芯片倒装微芯片(61)底部填充，用以帮助稳定用于CTE不匹配的连接并帮助堵住湿气。
类似于上述类型的光学次组件(OSA)(100)(参见图12)接下来放置在插入板上，并且对准在插入板上的匹配OSA电连接点(65)。信号在芯片倒装的微芯片和OSA之间仅仅运行几毫米，从不会离开插入板。虽然上面描述的OSA意味着在插入板和OSA之间使用焊线封装(图中未显示)，还可以想像另一种方法，即在OSA的氧化铝底板下使用类似的可控坍塌芯片连接芯片倒装的方法(67)(参见图13)，如果氧化铝底板也可以使用孔(69)构建的话。
当模制标准的FC-BGA时，使用了一种不锈钢模具(71)，其具有最终铸件的“负像”的机加工空腔(73)(参见图14)。当FC-BGA插入板被放置在这样的模具中时，使用模塑化合物例如环氧树脂来填充模具以形成大的固体的矩形形态以完全密封微芯片和焊线(参见图06)。
在可光通的FC-BGA封装的情况下，模具必须允许模塑化合物在插入板上方成形，而不会盖住OSA的光接口。因此，模具必须包括额外的空腔(75)以接入OSA的光接口(参见图15)。
在模制前，OSA必须物理地连接在插入板上并且电连接。在这种情况下不止一个OSA被布置在插入板上，这些OSA必须很好地对准模具的空腔。所述OSA可以使用精密拾放技术来高精度地布置，或者使用将这些OSA的MT-侧固定在正确位置的具有良好公差的框架(77)来定位(参见图16)。接下来这些OSA的金手指可以焊线封装于插入板。
对于OSA的芯片倒装形式来说，OSA在插入板上的位置通过在插入板上的芯片倒装点来固定。因此，OSA的MT侧可以不与模具对准。一种解决办法是通过在MT和VCSEL/PD装置之间使用稍长的带状光纤(79)来提供MT套圈的更高的位置灵活性，这样当模具被定位在插入板上方时，可以允许MT连接器的小的侧向移位(参见图17)。
在模制过程中另一个需要考虑的问题是在模具与MT套圈的接缝(81)处的模塑化合物闪光(flash)(从接缝中喷出环氧树脂)的可能性。这样就会需要特定的预成型件(83)和/或垫片(85)。在MT套圈上方的这种预成型件也可以用作光接缆所需的适配夹(87)的一部分(参见图18)。可选地，垫片可以被薄层的环氧树脂(或硅或类似物质)替代，所述环氧树脂将把MT套圈预成型件硬化密封在模具上。然后可以用模塑化合物填充模具而不会发生任何闪光。当然，在更加集成化的方法中，MT套圈、MT套圈预成型件和适配夹将都是单片生产的单块集成电路塑料部件，这将减少组装步骤的数目。
在插入板上方塑造壳体之后，最终步骤是使用在各个焊盘上的焊料球对另一个侧面进行板上组装。这可以使用各种低科技或高科技的方法完成，但是本质上是将焊料球回流以连接在插入板上。然后最终的可光通的FC-BGA集成电路封装准备送往PCB组装车间，在那里可以用标准的装置将封装安装到PCB上。
图19-24中描述了依据各种实施方式的内部光学适配。
在一个实施方式中，提出了一种适配夹，其合成有与光连接器适配的机械特征部件和具有混合可光通的集成电路(IC)封装的侧面光端口的光缆组件。在一实施方式中，该适配夹可以是弹簧钢适配夹。也可以考虑其他材料例如各种不同的塑料和金属。
如注明现有技术的图19所示，光连接器是1×12的MT套圈(102)，用于使用平行带状光缆(104)。
如图20所示，在IC封装(108)上的光端口(106)与MT套圈相类似，但是除了光接口(110)以外，所述IC封装的光端口具有机械特征部件，当对MT套圈的后部和光缆组件施加适配力的时候，其允许被适配夹扣住并且固定。
如图21所示，适配夹(200)设计用于大致围绕MT套圈并部分围绕在IC封装的MT套圈和光端口之间的前部光接口。这种遮盖特征部件(112)保护了在光接口(110)和MT套圈(102)之间的“接缝”或者“非常小的间隙”(114)，使其免于灰尘或碎片的渗透。也可以在光接口的上方设置额外的屏障(图中未显示)，以帮助密封接口，所述屏障可以是垫圈、O形环、密封带或粘在MT夹子内表面的绒垫，该屏障可以是独立的部件也可以是与适配夹集成在一起。
在适配夹后部的S形弯曲特征部(116)被用在图21所示的弹簧钢设计中。这些特征部向后偏离，从而当其被向上推并抵住IC封装的光端口时在MT套圈的后部产生适配力。S形弯曲特征部(116)的设计必须允许MT套圈以及IC封装的光端口在长度上的变化。在两个接口其中一个的光学刻面上的抛光程序可以导致各个部件在长度上的不同，并且当施加适配力时，弹簧特征部件必须抵消(accountfor)这些公差。
虽然有很多可能用于IC封装的光端口内部特征部的机械设计，图22显示了一种IC封装的光端口的剖面图，所述IC封装在光端口中具有固体的永久的不移动壁(118)和凹口(120)。图22中显示的IC封装与普通方式的IC封装上下颠倒，它将被焊接连接到印刷电路板上。注意，在IC封装上移动部件(可弯曲的夹子或弹簧)不仅是对标准IC封装非常异常的，它还可能是发生机械故障的原因，而这些故障将使得整个IC封装失效。
如图23所示的适配夹(200)使用它的突起前钩(122)扣住在IC封装的光端口中的凹口(120)，这些钩稍向内偏离，并且一旦被稍微推向凹口的前方就会弹回位置。
适配夹(200)已经设计有其他特征部分，这些特征部分使得在MT套圈和光端口之间产生适配力的任务被简单化。一旦IC封装被焊接到PCB上，就会使用定位销(124)将MT套圈(102)(和其带状光纤(104)一起)被适配到光端口上，如图19所示，并且被轻轻地向前滑动以与光端口的接口适配。由于适配夹(200)在底面(126)上是开口的，它可以在带状光纤(104)上方开槽且被向上推到MT套圈(102)上方，该MT套圈(102)将前钩(122)和IC封装光端口中的壁(118)、凹口(120)(如图22所示)排成一排。在适配夹(200)的侧面上的翼特征部(128)允许适配夹被轻易地手动向前推动(而不用推动位于必须向后弯曲的后部的S形特征部)。然后适配夹(200)被推进光端口，直到钩(122)扣住了IC封装的内部凹口(120)并且S形弹簧在MT套圈的后部施加作用力。
图24显示了MT套圈和光缆，适配夹和光学IC封装的最后组件，其中所述IC封装正面朝上，并且已经安装到印刷电路板(130)上。机械特征部、壁和凹口都在IC封装的壳体内。IC封装内的特征都可以使用各种IC封装制造过程例如机加工工序、注射模塑工序或冲压工序来完成。
适配过程的另一个方面是要保护IC封装上的光端口，使其免于物理损害。由于IC封装将典型地永久焊接在PCB上，那么当然不希望在PCB组装的过程中对光端口的前刻面造成损害，因为在前刻面上的划痕可能导致光功率耦合的下降。为了有助于避免对光端口的前刻面造成损害，在最初的制造过程中，可以把对准定位销(124)(如图19所示)固定在IC封装的光端口内并就位。这些定位销主要用于对准MT套圈，但是它们也可以用作当MT套圈和光缆插入时的保护屏障。有两个定位销挡在路上，就更难划伤光端口的表面。其次，将光端口从IC封装的侧面突起而不是凹陷在IC封装内的空腔区中可以更令人合意。尽管与大部分光模块(例如：SFP、XFP、SNAP-12收发器模块)的典型战略(光学刻面位于壳体内的空腔区中)相反，但是突起在IC封装内的光学刻面极大地改善了清洁光端口的能力，尤其是一旦IC封装已经被焊接在PCB上之后。这也方便了将任何在光端口上方的保护盖罩或者橡胶保护罩移除，这些保护盖罩或者橡胶保护罩作为光连接MT套圈的部件必须被移除。
图25-30根据各种实施方式描述了外部学光适配。
可选的用于混合可光通的IC封装的光耦合机构是基于上述对可光通的集成电路封装的描述和基于美国专利申请10/625,905中描述的光学次组件(OSA)与IC封装风格，所述专利申请是Rolston等人的日期为2003年7月24日，题目是“OPTICAL FERRULE(光学套圈)”的申请，在此被结合进本申请中以供参考。
如图25所示，使用“光学套圈”中的总体结构以及在上文和图7a-18中所提出的各种结构，可以得到只依赖于IC封装的光端口来完成光适配的光适配技术。
在图26中所示的特殊类型的IC封装是芯片倒装、有机底板(132)、空腔向上的IC封装，这种封装可以容纳微芯片(134)和在IC封装周围的多个光学次组件(OSA)模块(136)。图27中显示了经改进的适当的OSA模块(136)，其被改进为在各个侧面包括突起的外展部(138)以协助夹装机构。
图27所示的OSA除了额外的将光适配特征部(138)合成进OSA模块的概念以外，总体结构与上述参考文献中描述的相似，且并不依赖于IC封装的主体部上方的特征部来实现适配。
在图26中，作为IC封装组装中的标准工序，OSA模块(136)和微芯片(134)已经用环氧树脂(142)制成了顶珠。注意，各个OSA模块的至少一部分的位置是固定的(在顶珠之下)并且相对较好地相对于IC封装的有机底板机械定位，主要是因为在OSA和有机底板之间需要电连接。
图28b显示了如果所有的次部件都完美地对准并定位，光学次组件理想的样子。但是也可能因为次部件的放置和它们位置公差的累积错误，光端口接口(110)可能不会很好地与它自己的电力部分相互指引，如图28a和28c所示。这会导致在一OSA中，其电力部分很好地参照IC封装定位，而其光端口接口并未很好地相对于IC封装的有机底板进行相互指引。因此只需要在独立于IC封装的有机底板的光端口接口上包括机械特征部。因此，该OSA已经被扩大以包括在其侧面上的特征部，这些特征部不直接是IC封装的部件。通过使用适配夹，侧面的外展部(138)允许MT套圈和光缆与OSA的光端口形成光适配，但并不需要将光端口接口与IC封装完美地配准。如图29所示，经改进的适配夹(144)与第一实施方式类似，但是钩(140)指向内侧，以扣住在光端口的侧面上的特征部，即外展部(138)。
图30显示了MT套圈和光缆、适配夹和IC封装的最终组件。这种类型的设计可以在低成本、低公差组装技术上非常有利，这些技术均被用于OSA的光学对准和IC封装的组装。
现在参照图31，显示了本文所描述的方法1300，该方法使用适配夹来确保在光连接器和混合的可光通的集成电路封装的光端口之间的连接。
方法1300包括：提供一适配夹，具有从其延伸的钩形特征部(步骤1310)；将光连接器插进适配夹中，由此形成适配夹/光连接器组件(步骤1320)；通过使用在钩形特征部和在混合的可光通的集成电路封装内的凹口以及光端口上的突起之间的至少一个相互作用，将适配夹/光连接器组件与光端口固定(步骤1330)。
上面描述的实施方式只是用于解释。因此描述的范围仅将受到所附权利要求的范围限制。

Claims (23)

1.一种用于将电路板与光纤相连的可光通的集成电路封装，所述封装包括：
a.由使用者确定的微芯片；
b.底板，所述底板包括电连接，用于在微芯片和电路板之间传送信号；以及
c.光学次组件(OSA)，其包括预先与光纤对准的激光器，所述OSA进一步包括将OSA和微芯片相连的标准电接口以及用于与光纤相连的标准光接口，由此OSA将微芯片与激光器相连，所述激光器又与光纤光学连接。
2.如权利要求1所述的封装，其特征在于，所述标准电接口包括用于焊线封装或芯片倒装的金焊盘。
3.如权利要求2所述的封装，其特征在于，进一步包括连接微芯片和底板的焊线。
4.如权利要求1所述的封装，其特征在于，所述标准光接口包括结合有高精密模具和对准定位销的机械转化(MT)多光纤光学套圈。
5.如权利要求1所述的封装，其特征在于，进一步包括固定在底板上的壳体，并且所述壳体包括定位使用者确定的微芯片的第一区域和定位所述OSA的第二区域。
6.如权利要求5所述的封装，其特征在于，进一步包括遮盖了微芯片和所述焊线的顶珠封装环氧树脂。
7.如权利要求1所述的封装，其特征在于，所述底板进一步包括用于连接电路板的焊料球。
8.一种用于将电路板与光纤相连的可光通的集成电路封装，所述封装包括：
a.由使用者确定的微芯片，所述微芯片通过具有底部填充的微焊球而形成可控坍塌芯片连接(C4)；
b.底板，包括电连接，用于在微芯片和电路板之间传送信号；
c.模具或封装，用于在微芯片上方形成壳体；以及
d.光学次组件(OSA)，包括预先与光纤对准的激光器，所述OSA进一步包括将OSA和微芯片相连的标准电接口以及用于与光纤相连的标准光接口，由此OSA将微芯片与激光器相连，所述激光器又与光纤光学连接。
9.一种适配夹，用于确保在光连接器和混合可光通的集成电路封装的光端口之间的连接，所述光连接器具有连接光缆的光缆端以及具有与光缆端相反的连接器端，所述适配夹包括：
a.盖罩，用于大致盖住光连接器，所述盖罩包括允许光缆通过的开口；
b.从所述盖罩延伸的S形弯曲特征部，用于对光缆端施加力；以及
c.钩形特征部，从所述盖罩向所述光连接器的连接器端延伸，用于固定由所述适配夹和连接到光端口的光连接器形成的组件；
其中，在固定适配夹/光连接器组件时，所述钩形特征部与在混合可光通的集成电路封装内的凹口以及所述光端口上的突起中的至少一个相互作用。
10.如权利要求10所述的适配夹，其特征在于，进一步包括从盖罩延伸的翼特征部，用于手动操作所述适配夹固定至所述光端口。
11.一种使用适配夹的方法，用于确保在光连接器和混合可光通的集成电路封装的光端口之间的连接，所述方法包括：
a.提供一适配夹，具有从其延伸的钩形特征部；
b.将光连接器插入所述适配夹中，由此形成适配夹/光连接器组件；以及
c.通过所述钩形特征部与在混合可光通的集成电路封装内的凹口和光端口上的突起中的至少一个相互作用，将所述适配夹/光连接器组件固定至所述光端口。
12.一种装配封装的方法，用于将电路板与光纤相连，所述方法包括：
提供包括电连接的底板，用于在使用者确定的微芯片和电路板之间传送信号；
提供光学次组件(OSA)，具有预先与光纤对准的激光器，所述光学次组件进一步包括用于将OSA与使用者确定的微芯片相连的标准电接口和用于连接光纤的光接口；
提供盒状壳体，包括用于插入微芯片的第一区域和用于插入OSA的第二区域；
将所述壳体连接到底板的顶面上；并且
将所述OSA侧向地划行穿过第二区域，直到所述标准电接口开始突出进入第一区域。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述连接包括将所述壳体层压在所述底板上。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述OSA的底面粘结在所述壳体上。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括使用环氧树脂填充第二区域中的所述光学次组件周围的空闲空间。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括使用传导环氧树脂将所述使用者确定的微芯片固定在所述第一区域中。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括将使用者确定的微芯片焊线封装在所述OSA的所述标准电接口和所述底板的所述电连接上。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括使用环氧树脂遮盖住所述使用者确定的微芯片和所述焊线，其中所述焊线通过焊线封装形成。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述焊料球放置在所述底板的所述电路板上。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述封装安装在PCB上。
21.一种组装封装的方法，用于将电路板与光纤相连，所述方法包括：
提供包括电连接的底板，用于在使用者确定的微芯片和电路板之间传送信号，所述底板包括焊盘；
提供光学次组件(OSA)，所述光学次组件具有预先与光纤对准的激光器，所述OSA进一步包括将OSA与使用者确定的微芯片相连的标准电接口和用于连接光纤的标准光接口；
通过将所述标准电接口与所述底板的所述电连接对准，从而将所述OSA连接到底板上；
使用微焊球将所述使用者确定的微芯片连接到所述焊盘上；以及
使用所述壳体将所述使用者确定的微芯片和所述OSA密封。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述连接包括用环氧树脂将所述使用者确定的微芯片进行底部填充。
23.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括用焊料球覆盖住所述底板的底面。
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