CN103370644B - 光学电路板 - Google Patents

Abstract

一种光学电路板，包括：顶面（1a）；底面（1b）；光学层（9），其被埋入在底和顶面之间，所述光学层被配置成传输光学信号；光电部件（15a、15b），其配置成发射或接收经过光学层传输的光；固态散热元件（18），其配置成消散在光电部件处产生的热量。

Description

光学电路板

技术领域

本发明涉及光学电路板。

背景技术

如今，大多数通信系统包含许多系统卡。这种卡通常制造成所谓的印刷电路板（PCB）。通常，系统卡中的一些，被称为子板，在被称为背板或母板的刚性系统卡上组装到一起。

子板通常平行于彼此延伸并经由背板相互连接到一起，所述背板垂直于所述子板延伸。对于这种构造，存在多个实际优点：容易的子板插入、移除和更换。

因为在通信系统中的数据速率方面不断增长的需求，例如由于互联网，达到了在印刷电路板（PCB）之间使用电通信的极限。当经过电线以高频（例如25Gb/s或更高）在两个电气部件比如印刷电路板之间传输信息时，保证良好的信号完整性变得困难。

为了回应这种带宽需求，高速系统现在使用光学波导光来传输光携带的信息。

光使得能够改善两点之间的信息转换，因为光对于干涉现象敏感度更低。高速系统现在被构建，其中光学层（光纤或平面波导）被引入代替导电金属。光学层平行于背板的平均平面安置。另一光学层平行于子板的平均平面安置。

子板可以包括一组光电部件，其发射或检测经过其光学层传输的光。专利公开文献US7,149,376公开了一个这种实施方式。

在对于小型化的严格要求以及对于更高传输速率的不断增长的需求的情况下，注意力现在转向这种系统的热管理。

发明内容

为此，提供一种光学电路板，包括顶面和底面。

光学电路板具有被埋入在底和顶面之间的光学层。所述光学层可以传输光学信号。

板包括光电部件，用于发射或接收经过光学层传输的光。

板另外包括固态散热元件，其配置成消散在光电部件处产生的热量。

通过这些特征，使用散热元件，在板上提供了高效的光电部件热管理，这促成了在数据速率方面的新的增益。

在一些实施方式中，人们还可以使用从属权利要求中限定的特征中的一个或多个。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从对于作为非限制性实施例提供的其实施方式中的八个以及对于附图的以下描述中容易显现。

在附图中：

-图1是根据第一实施方式的子板的俯视图，

-图2是用于第一实施方式的沿图1的线B-B的局部截面图，

-图3至8分别是用于本发明第二至第七实施方式的类似于图2的视图，

-图9是适合于在上述实施方式的任一中使用的热沉的立体图，

-图10是用于第八实施方式的类似于图9的视图。

在不同的图中，相同的参考标记标注同样或类似的元件。

具体实施方式

图1示意性示出系统卡1，其比如是用于连接至光学通信系统的母板2的子板。系统卡1可以包括许多电子部件3，以及用于电连接至母板2的许多电连接器4。系统卡1是光学电路板。光学层的占用区域（在图1中以参考标记5示出。如示出的，光学通信可以在卡1内部中在遥远的两组电子部件3、3’之间施行，和/或在卡1内部中经过光学连接器6在一组电子部件3与母板2之间施行。如图2所示，系统卡1延伸在顶面1a和底面1b之间。所述系统卡施行为层的层叠。设置电气层7a、7b以引导板1的电信号。电气层7a设置成靠近顶面1a，电气层7b设置成靠近底面1b。所述电气层二者可以被外绝缘层8a、8b保护。光学层9被埋入在板的顶和底面1a、1b之间，并且，在本实施例中，该光学层被埋入在电气层7a、7b之间，同时可能有另外的绝缘层8c插入它们之间，如图所示。光学层9包括嵌入包层11中的多个光学波导10a、10b。在系统卡1中，光在光学波导10a、10b中传播。光例如沿图2中的方向X在平行于印刷电路板的顶和底面的平面内传播。在本实施例中，波导以沿方向Z相对于彼此偏移的多个行设置。顶行的波导10a比底行的波导10b更靠近电路板的顶面1a延伸。本发明可以与一或多行的波导一起应用。尽管在图2中每行只有一个波导10a、10b被示出，应理解，每个行可以包括多个波导，其沿方向Y相对于彼此偏移，并通过包层11彼此分离。

空腔12被设置在系统卡1中。例如，空腔是延伸在系统卡的顶和底面1a、1b之间的通孔。空腔可以接收光学引擎13。光学引擎13包括印刷电路板14，该印刷电路板在其顶面14a承载光电部件15a、15b和电子控制部件16。例如，设置一行光发射部件15a，所述光发射部件沿方向Y偏移并配置成发射出将被朝向顶行的波导10a引导的光，并且光电二极管15b沿一行设置，沿方向Y彼此偏移，以接收经过底行的波导10b传播的光。然而，这种布局纯粹是演示性的。

印刷电路板14主要包括散热基底，其例如由陶瓷或其它使得能够高效散热以及能够成为用于电迹（未示出）的支撑的材料制成，所述电迹将电子控制部件16电连接至光电部件15a、15b。基底使其底面14b组装至散热元件30比如均热器（heatspreader）。均热器例如可以是散热材料比如铜的薄片。至少300W/m·K的导热率对于这种材料是合适的。

电子控制部件16通过引线接合电连接至系统卡1的电迹，比如底电迹7b。

电子控制部件16电连接至光电部件15a、15b，以命令和/或协助所述光电部件。所述光电部件例如是光发射部件15a，比如适合的VCSEL。光学引擎13被提供和组装至系统卡的本体17，从而使得光发射部件15a沿方向Z朝向卡的顶面1a发射光。光电部件15b例如是配置成接收光的光电二极管。所述光电二极管15b还被如此定位，使得其可以检测沿方向Z朝向其传播、被引导朝向卡的底面1b的光。

附加散热元件，比如热沉18，被紧密靠近于光电部件15a、15b设置。例如，热沉18具有平面表面18a，所述平面表面被组装，例如被胶接，至均热器30，特别至该均热器的底面。热沉18另外包括热传递区域19，其具有高的表面与体积之比，并且是从系统卡外部可触及的以便接收适合的冷却流体，比如通风至接收系统卡的装置中的空气，或之类。例如，热传递区域19是从系统卡1的底面1b可触及的。

热沉18可以另外被组装，例如被胶接，至系统卡1的本体17，用于机械固定。因此，热沉18直接由光学电路板支撑。

根据一改型，热沉18（或附加散热元件）由均热器替代。因此，均热器30和附加散热元件可以制成为单一件。在这种情况下，均热器构造成接触换热器例如热沉。

系统卡1另外包括光学耦合装置20。

光学耦合装置20是一体件，由半透明材料制成，并配置成在波导10a、10b与光电部件15a、15b之间光学耦合光。

光学耦合装置20相对于光学波导10a、10b和光电部件15a、15b二者精确定位。特别地，光学耦合装置20沿方向Z相对于光学波导10a、10b的位置被精确限定。例如，光学耦合装置20的Z向基准21与系统卡1的Z向基准层22协作，所述Z向基准层的相对于光学波导10a、10b的位置精确已知。卡1的Z向基准层22例如是电气层7a，其与包层11直接接触。

另外，光学耦合装置20沿方向X相对于光电部件15a、15b的位置被精确限定。例如，参照施行在系统卡1中并准确示出光电部件15a、15b沿方向X的位置的基准标记，沿方向X放置光学耦合装置20。

光学耦合装置20沿方向Y相对于光学波导10a、10b和光电部件15a、15b二者的位置被精确限定，这例如通过使用与用于沿方向X定位的相同的基准标记来精确限定光学耦合装置20相对于光电部件的位置而实现。通过构造实现，光电部件15a、15b沿方向Y相对于光学波导10a、10b的定位需要非常精确。因此，当光学耦合装置20被沿方向Y与光电部件15a、15b对准时，其必然被沿方向Y与光学波导10a、10b对准。

当光学耦合装置20位于该精确位置中时，其例如通过胶或之类固定至本体17在位。

空腔12被密封以防止任何的物质进入。例如，空腔12的底部通过热沉18密封，空腔的顶部通过保护盖23密封。

光学耦合装置包括镜子24，以便在沿方向Z发射或接收光的光电部件15a、15b与沿方向X传播光的光学波导10a、10b之间反射光。例如，镜子24是与X-Y平面形成45度角的平面镜子。

光学耦合装置20另外包括光束成形结构25，以改善在光学波导10a、10b与光电部件15之间的光的耦合。这种光束成形结构例如可以是适合的透镜。

图3现在示出本发明的第二实施方式。较之于图2的实施方式，图3的实施方式区别在于其不使用散热印刷电路板14。该实施方式也不使用均热器。在以下实施方式中，以及在以上实施方式中，均热器可以是可选的。因此，光电部件15a、15b直接固定至热沉18。光电部件15a、15b通过引线接合电连接至系统卡1的电迹比如底卡7b。电子控制部件16因此直接设置在系统卡的本体17上并通过任何适合方式电连接至电气层7b。

图4现在示出第三实施方式。较之于图3的实施方式，主要区别在于光学耦合装置20的几何形态。在该光学耦合装置内侧设有更长的光学路径，这例如通过在光学耦合装置的界面之间设置多个镜子24、24b、24c实现。光学耦合装置20甚至可以从板1的顶面1a突伸出，并且，在光学耦合装置内侧，光甚至可以在比卡1的顶面1a沿方向Z更高的平面内传播。

图5现在示出第四实施方式。较之于图3的实施方式，其区别在于光电部件15a、15b电连接至板1的顶电气层7a。在卡1的本体17中设置两个空腔12a、12b。空腔12a接收热沉18，该热沉还在光学层9的高度延伸高达顶电气层7a。第二空腔12b接收光学耦合装置20的一部分。由激光器15a沿方向Z向上发射的光被第一镜子24a反射，以在耦合装置20内侧沿方向X向左传播，直至其到达第二镜子24b，光在此处被沿方向Z向下反射，直至在第二空腔12b内延伸的第三镜子24c再次将光沿方向X向左引导至适合的光学波导10b。在本实施方式中，光在光学层9的左手侧部分上传播。从波导10a朝向光电二极管15b引导的光依循相反的路径。

图6现在示出本发明的第五实施方式，该实施方式以下相对于图5描述。在本实施方式中，存在光学耦合系统，其包括光学耦合装置20和固定至卡本体的独立的镜座26二者。还有，在本实施方式中，在光学层9与底电气层7b之间不存在绝缘层8c，从而使得所述层7b可以用作基准层，该层沿方向Z相对于光学波导的位置精确已知，以便沿方向Z相对于波导精确定位镜座26。在本实施方式中，光学耦合装置20包括图5实施方式的光学耦合装置20的顶部部分，但不包括第三镜子24c。第三镜子24c现在与镜座26是一体的。光束成形结构25在光进入光学耦合装置20或从该光学耦合装置离开的地方被设置，并且相应地被定尺寸。

图7现在示出第六实施方式。在本实施方式中，光学耦合装置20类似于图5的实施方式的光学耦合装置，但是有一些区别，详述如下。

较之于热沉18从卡的底侧1b设置的以上实施方式，在本实施方式中，热沉18从卡的顶侧1a设置。热传递区域19因此朝向顶面1a定向，即较之于前述实施方式上下颠倒。与前述实施方式不同，光电部件15a、15b安装在热沉18的与包括热传递区域19的面相同的面上。从而，光电部件15a、15b围绕区域19定位。结果，所述光电部件可以彼此隔开得比前述实施方式中的大。为了应对这种增大的间隔，镜子24a可以分割成分离的镜子部分24a1、24a2，所述镜子部分通过延伸在X-Y平面内的平坦的水平部分24a3（或略微倾斜的区域）连接到一起。设置这种错开的镜子使得能够应对在光电部件15a、15b的间隔与波导10a、10b沿方向Z的间隔之间的间隔差。

图8现在示出本发明的第七实施方式。这里，本实施方式将相对于图3的实施方式描述。较之于图3的实施方式，光学层9仅包括一行的光学波导10。系统被设置为关于平行于Y-Z轴线的中平面P对称，借此，在平面P的右侧，在波导10与光电部件15之间光以类似于图3的方式被耦合。在平面P的左侧，光在光学波导10与光电部件15之间以对称的方式被耦合。通过这种方式，较之于仅使用光学层的一侧的以上实施方式，使用了光学层9的两侧（左手侧和右手侧）。

应注意的是，在本发明的范围内，用均热器代替描绘在图2至8中的实施方式的热沉是可能的。

图9示出适合于以上实施方式中任一的热沉18实施例。该热沉是刚性部件，其可以组装至卡的本体。热沉例如以散热材料被提供，比如铝。至少150W/m·K的导热率可以适合于这种装置。如果热沉以导电材料被提供，应注意使热沉与卡1的电迹7绝缘。优选地，热沉被组装至卡1的绝缘材料8。例如，可以使用适合的散热胶来提供组装。在图9的实施方式中，热沉18设置有基板27，热传递区域19从该基板延伸。热传递区域19例如被设置为沿方向Z延伸的多个直销。如图10的改型实施方式中所示，销28由延伸在Y-Z平面内的板29代替。当冷却剂在该装置中优选沿方向Y流动时，本实施方式可以是有用的。

在本发明的框架内，可以通过组合上述不同实施方式的特征中的一些而获得一些实施方式，如适用。

Claims (18)

1.一种光学电路板，包括：

-顶面(1a)，

-底面(1b)，

-光学层(9)，其被埋入在所述底面和顶面之间，所述光学层被配置成传输光学信号，

-光电部件(15a、15b；15)，其配置成发射或接收经过所述光学层传输的光，

-固态散热元件，其配置成消散在光电部件处产生的热量，和

-延伸在顶面和底面之间的空腔(12)，其中，所述固态散热元件从底面(1b)安装进空腔。

2.一种光学电路板，其具有本体(1)，所述光学电路板包括：

-顶面(1a)，

-底面(1b)，

-光学层(9)，其被埋入在所述底面和顶面之间，所述光学层被配置成传输光学信号，

-光学引擎(13)，其固定至所述本体，并且包括：

·由陶瓷制成的散热的印刷电路板基底(14)，

·光电部件(15a、15b；15)，其由所述基底(14)承载并配置成发射或接收经过所述光学层传输的光，

·控制部件(16)，其由所述基底(14)承载，所述控制部件电连接至在基底(14)上的光电部件(15a、15b；15)，

-作为固态散热元件的固态热沉(18)，其固定至散热的印刷电路板基底(14)并配置成消散在光电部件处产生的热量，和

-延伸在顶面和底面之间的空腔(12)，其中，所述固态散热元件从底面(1b)安装进空腔。

3.一种光学电路板，包括：

-顶面(1a)，

-底面(1b)，

-光学层(9)，其被埋入在所述底面和顶面之间，所述光学层配置成传输光学信号，

-光电部件(15a、15b；15)，其配置成发射或接收经过所述光学层传输的光，

-固态散热元件，其配置成消散在光电部件处产生的热量，

-光学耦合装置(20)，其配置成将光电部件光学耦合至埋入的光学层，和

-延伸在顶面和底面之间的空腔(12)，其中，所述固态散热元件从底面(1b)安装进空腔，

其中，所述光学耦合装置包括镜子(24)，其配置成在光电部件和埋入的光学层(9)之间偏转光，

其中，所述光学耦合装置(20)包括光束成形结构(25)，其配置成将光电部件光学耦合至埋入的光学层。

4.根据权利要求1或3所述的光学电路板，其中，所述固态散热元件是均热器。

5.根据权利要求1或3所述的光学电路板，其中，所述固态散热元件是热沉(18)。

6.根据权利要求1，2或3所述的光学电路板，其中，所述固态散热元件直接固定至光学电路板。

7.根据权利要求1，2或3所述的光学电路板，其中，所述光电部件直接固定至固态散热元件。

8.根据权利要求1或3所述的光学电路板，其中，所述光电部件经过固态散热的印刷电路板基底(14)固定至固态散热元件。

9.根据权利要求8所述的光学电路板，其中，所述固态散热的印刷电路板基底(14)由陶瓷制成。

10.根据权利要求1，2或3所述的光学电路板，包括被配置成密封空腔的安装至顶面的盖(23)。

11.根据权利要求1，2或3所述的光学电路板，其中，所述光电部件(15a、15b；15)和/或所述固态散热元件位于顶面和底面之间。

12.根据权利要求1或2所述的光学电路板，另外包括光学耦合装置，其配置成将光电部件光学耦合至埋入的光学层。

13.根据权利要求12所述的光学电路板，其中，所述光学耦合装置包括镜子(24)，其配置成在光电部件和埋入的光学层(9)之间偏转光。

14.根据权利要求12所述的光学电路板，其中，所述光学耦合装置(20)包括光束成形结构(25)，其配置成将光电部件光学耦合至埋入的光学层。

15.根据权利要求3或14所述的光学电路板，其中，所述光束成形结构(25)配置成将光电部件(15a、15b；15)光学耦合至光学耦合装置(20)，和/或其中，所述光束成形结构配置成将埋入的光学层(9)光学耦合至光学耦合装置(20)。

16.根据权利要求1、2或3所述的光学电路板，包括被埋入在所述底面和顶面之间的至少一个光学波导(10a、10b)，所述光学波导(10a、10b)配置成传输光学信号，所述光学电路板包括被配置用于发射经过一个光学波导(10a)传输的光的至少一个光电部件(15a)，并且所述光学电路板包括配置成接收经过一个光学波导(10b)传输的光的至少另一个光电部件(15b)。

17.根据权利要求1、2或3所述的光学电路板，包括单一光学耦合装置(20)，其配置成将光电部件(15a、15b；15)光学耦合至埋入的光学层。

18.根据权利要求1、2或3所述的光学电路板，另外包括导电层(7a、7b)，并且其中，所述光电部件通过引线接合电连接至所述导电层。