CN101923194A - 一种多路并行光电模块结构及其装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及甚短距离光互连技术及电子封装领域，公开了一种多路并行光电模块装配结构。具体地说，是将多路并行光电模块中的光电转换器件和驱动(接收)芯片分别装配在两块载片上，然后将两块载片互相垂直进行装配和电连接，从而使得光电器件的出光(受光)面垂直于驱动(接收)芯片所在的基板平面，以达到降低该光电模块的高度，满足电子系统高密度小体积要求。该结构既可以用于制备独立的光电收发模块，也可以进一步与平面光波导耦合，实现光路无需转折的板内光互连。
Description
技术领域
本发明涉及甚短距离多路并行光互连技术及电子封装领域，具体地说，涉及一种多路并行光电模块结构及其装配方法。
背景技术
互连技术是电子技术的重要组成部本。随着各种高性能设备如超级计算机、高端服务器、核心路由器的发展，对互连带宽也提出了更高的要求。光互连可以克服电互连在高速数据传输中的物理瓶颈，是高速互连技术的发展趋势。
光互连涉及到光电转换，从而涉及到许多组件，如：激光器、光电探测器、激光器驱动芯片、探测器信号放大芯片、光纤或光波导等。随着技术的进步，上述分立的组件的制备已发展成熟并商用化，但是要实现完整的光互连链路，还要对组件进行高精度的装配与集成，有时还要用到微透镜与微反射镜等光学组件。以板内芯片间并行光互连为例，目前主流的光电子器件——垂直腔面发射激光器(VCSEL)和PIN型光电探测器(PINPD)都是垂直于装配基板的平面出光和受光，而板内光路传输方向平行于基板平面，所以为了实现光互连，光路需要两次转折90°。目前国际上一般使用45°反射镜和微透镜来实现光路的转折与耦合对准。因为这些反射镜和微透镜的尺度小至微米量级，对准精度要求非常严格，它们的组装及繁琐的光对准工序成为了导致光互连成本居高不下的重要原因。
为了简化光互连装配难度，降低光电模块的装配成本，本发明提出了一种新的光模块装配结构，即将光电器件(VCSEL、PD)和相应芯片(驱动、接收芯片)分别装配在两块不同载片上，然后将两块载片互相垂直装配并固定，使VCSEL和PD的表面垂直于基板平面，从而可以实现所述VCSEL和PD与平行于基板平面的光波导或光纤直接耦合，光路传播过程无需进行两次90°转折。该结构即可以用于制备独立的多路并行光电收发模块，也可以与平面光波导阵列直接耦合，实现光路无需转折的板内光互连。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多路并行光电模块结构及其装配方法，以简化光互连装配难度，降低光电模块的装配成本。
(二)技术方案
为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种多路并行光电模块结构，该结构包括两块相互垂直组装在一起的载片，其中在第一载片装配有光电器件，在第二载片装配有驱动芯片或接收芯片。
上述方案中，所述两块载片的表面有电路布线，其端点上有电极或焊盘，焊盘上有焊料凸点，用于装配光电器件和两载片的垂直装配。
上述方案中，所述两块载片互相垂直装配，并且第一载片边缘的焊料凸点与第二载片上的焊料凸点接触并连接。
为达到上述目的的另一个方面，本发明提供了一种多路并行光电模块的装配方法，该方法包括：将第一载片从焊料凸点处切割开，使凸点处于载片的边缘，将第一载片垂直装配在第二载片上并使第一载片边缘的凸点与第二载片上的凸点接触并连接。
上述方案中，所述载片上的焊料凸点采用置球或电镀的工艺实现。
上述方案中，所述载片上的凸点材料选用PbSn、Sn、Au、AuSn和In中的一种或多种。
上述方案中，所述第一载片通过划片工艺或边缘研磨的方法使焊料凸点露出或处于边缘。
上述方案中，将激光器和驱动芯片分别装配在第一载片和第二载片上，或者将光电探测器和接收芯片分别装配在第一载片和第二载片上。
上述方案中，通过回流使第一载片边缘的凸点和接触到的第二载片上的凸点熔成一个点，实现两块载片间的电连接。
(三)有益效果
1、本发明提供的这种多路并行光电模块结构及其装配方法，实现了VCSEL和PD的表面垂直于装配芯片的载片平面，所述第二载片可以进一步装配在PCB板上，从而可以实现VCSEL和PD与平面光波导或平行于PCB板的光纤直接耦合，光路传播过程无需进行两次90°转折，也就省去了微反射镜的使用，简化了光互连结构。
2、本发明提供的这种多路并行光电模块结构及其装配方法，将光电器件与驱动(接收)芯片装配在两块不同载片上，将两块载片互相垂直装配，实现电路垂直折转，使得采用该结构的光互连系统中光路无需作90度转向，从而降低成本和工艺难度。
附图说明
图1是第一载片的示意图，包括Si基载片101，金凸点102，通孔103，金线路104。
图2是第一载片经过切割或研磨后使焊料凸点201处于载片边缘的示意图。
图3是第二载片示意图，包括Si基载片301，Sn凸点302，金线路303，金凸点304。
图4a是光电模块整体装配图，其中标注了第一载片401，VCSEL阵列402，VCSEL驱动芯片403，第二载片404，光纤带405，第一载片和第二载片焊接处406；
图4b是第一载片和第二载片焊接处的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种多路并行光电模块结构，包括两块相互垂直组装在一起的载片。其中在第一载片装配有光电器件，在第二载片装配有驱动(接收)芯片。两块载片的表面有电路布线，其端点上有电极或焊盘，焊盘上有焊料凸点，用于装配光电器件和两载片的垂直装配。两块载片互相垂直装配，并且第一载片边缘的焊料凸点与第二载片上的焊料凸点接触并连接。
上述多路并行光电模块的装配方法，包括：
1.对第一载片(用于装配VCSEL或PD)和第二载片(用于装配VCSEL驱动芯片或PD信号放大芯片)进行特别设计和制备，载片上不仅具有装配光电器件或芯片所需的焊盘、电极和线路，还具有在两块载片线路将要连接的连接处的焊料凸点，另外，第一载片还具有完成光学耦合对准所需的必要标记或用于光纤耦合的通孔。所述载片可采用陶瓷片、Si片或其它高平整度半导体晶片；所述载片上的焊盘、电极、线路可通过光刻、金属溅射或蒸发等工艺实现；所述焊料凸点可通过置球或电镀焊料凸点工艺实现。
2.将第一载片从焊料凸点处进行划片，使焊料凸点处于载片的边缘，或者通过研磨的结构，去掉多余的载片部分，使焊料凸点处于载片的边缘。所述划片和研磨工艺可以确保载片截面和载片表面保持垂直。
3.在第一载片上装配好VCSEL或PD，在第二载片上装配好VCSEL驱动芯片或PD信号放大芯片。所述VCSEL、PD和相应芯片的装配采用线焊、倒装焊等工艺实现。
4.将第一载片垂直装配在第二载片上，使第一载片边缘的焊料凸点与第二载片的焊料凸点一一对应并接触，通过焊料回流使接触的焊料凸点熔成一个凸点，完成两个互相垂直的载片之间的电路连接。
5.通过粘结剂将载片固定。
以下结合附图通过对具体实施例的描述，进一步详细说明本发明载片垂直装配的光电模块装配结构，以装配12通道的VCSEL阵列和驱动芯片为例。
参照图1和图3，载片采用厚度约0.5mm的Si片，首先在载片上用热氧化工艺生长1μm厚SiO2介质层，然后通过光刻、金属蒸发等工艺在载片表面形成线路104和303，通过晶片上凸点电镀工艺在形成金凸点102、304和Sn凸点302。通过刻蚀在将要装配的VCSEL的出光点位置形成通孔阵列103，通孔阵列用于12通道的光纤带与VCSEL阵列的对准耦合。
参照图2，将第一载片从金凸点201处进行切割，使凸点被部分切割掉，从而使剩余的凸点处于载片的边缘，载片截面与载片平面呈90°角。
参照图4，在第一载片上采用热超声倒装焊装配好VCSEL阵列402，载片上凸点和通孔的相对位置由光刻定义，与VCSEL的电极和光发射中心对应，倒装焊的精度可以达到0.5μm，所以可以保证VCSEL的光发射中心对准第一载片的通孔。在第二载片上采用热超声倒装焊装配好VCSEL驱动芯片。
通过高精度贴装设备将第一载片垂直装配在第二载片上，使第一载片边缘的金凸点201与第二载片的Sn凸点302一一对应并接触，通过焊料回流使接触的Sn凸点与金凸点焊接，如图406所示，完成两个互相垂直的载片之间的电路连接，并用粘结剂将载片固定。
最后，采用微调工具将光纤带405插入第一载片上的通孔，完成光纤带与VCSEL阵列的耦合对准，并用粘接剂固定。整体装配模块如图4所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多路并行光电模块结构，其特征在于，该结构包括两块相互垂直组装在一起的载片，其中在第一载片装配有光电器件，在第二载片装配有驱动芯片或接收芯片。
2.根据权利要求1所述的多路并行光电模块结构，其特征在于，所述两块载片的表面有电路布线，其端点上有电极或焊盘，焊盘上有焊料凸点，用于装配光电器件和两载片的垂直装配。
3.根据权利要求1所述的多路并行光电模块结构，其特征在于，所述两块载片互相垂直装配，并且第一载片边缘的焊料凸点与第二载片上的焊料凸点接触并连接。
4.一种多路并行光电模块的装配方法，其特征在于，该方法包括：将第一载片从焊料凸点处切割开，使凸点处于载片的边缘，将第一载片垂直装配在第二载片上并使第一载片边缘的凸点与第二载片上的凸点接触并连接。
5.根据权利要求4所述的多路并行光电模块的装配方法，其特征在于，所述载片上的焊料凸点采用置球或电镀的工艺实现。
6.根据权利要求4所述的多路并行光电模块的装配方法，其特征在于，所述载片上的凸点材料选用PbSn、Sn、Au、AuSn和In中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的多路并行光电模块的装配方法，其特征在于，所述第一载片通过划片工艺或边缘研磨的方法使焊料凸点露出或处于边缘。
8.根据权利要求4所述的多路并行光电模块的装配方法，其特征在于，将激光器和驱动芯片分别装配在第一载片和第二载片上，或者将光电探测器和接收芯片分别装配在第一载片和第二载片上。
9.根据权利要求4所述的多路并行光电模块的装配方法，其特征在于，通过回流使第一载片边缘的凸点和接触到的第二载片上的凸点熔成一个点，实现两块载片间的电连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN103246027A (zh) * | 2013-05-23 | 2013-08-14 | 中航海信光电技术有限公司 | 可无源耦合的多路并行光组件及封装方法 |
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