CN103915402A - 光电模块结构 - Google Patents

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Abstract

一种光电模块结构，包括：具有相对的第一表面及第二表面的基板，且该第一表面形成有凹槽；设置在该基板的第一表面上的多个支撑件；至少一设置在该凹槽中的光电元件，且该些光电元件具有相对的光作用面及非光作用面，并以该非光作用面连接该基板；具有对应该光电元件的光作用面的穿孔的中介板，其设置在该基板的第一表面与光电元件之上，并电性连接该基板及光电元件；以及具有对应该中介板的穿孔的透镜部的透光板，其通过该支撑件设置在该基板的第一表面与中介板的上方。本发明可达到信号耗损减少、对位精准度高、散热效果佳及电磁屏蔽效果佳的效果。

Description

光电模块结构
技术领域
本发明涉及一种可抗电磁干扰的光电模块结构，特别涉及一种以覆晶方式电性连接的体积较小的光电模块结构。
背景技术
随着半导体工艺技术的进步，除了将愈来愈多的电路电子元件整合在芯片中外，更将其它生物、光学、机械、电机、磁性等功能的元件整合在同一芯片中，如激光二极管芯片，即是整合有光学与电学功能的芯片。激光二极管可分为光学谐振腔结构(fabry-perot，FP)型激光二极管、分布反馈(distributed feedback，DFB)型激光二极管及垂直腔面发射型激光二极管(vertical cavity surface emitting laser diode，VCSEL）三种类型。由于VCSEL同时具有边射型及面射型两种发光模式，且VCSEL的制法较为精密，因此工艺较FP及DFB激光二极管较易控管，进而使VCSEL成为开发光电模块的首选。
另外，由于目前的VCSEL的光活性面与电性连接垫位于同一表面，因此，大多装配有VCSEL的光电模块皆以打线接合(wire bonding)方式将VCSEL电性连接至基板。
请参阅图1，其为目前业界开发的光电模块结构的剖面示意图。如图所示，现有光电模块1包括：基板10；设置在该基板10上的包含发光的激光二极管(laser diode，LD)111及收光的光感测二极管(photo diode，PD)112的光电元件，且该激光二极管111及光感测二极管112分别具有各自的光活性表面(111a、112a)及电极垫(111b、112b)；驱动/电子电路控制器(未图标)；支撑件12，其设于该基板10上；以及透光板14，设置于该支撑件12上，并具有对应于这些光活性表面(111a、112a)的透镜部(141、140)，且该激光二极管111及光感测二极管112通过导线110电性连接至该基板10。
然而，现有的打线接合方式在较高频信号传输的应用时，容易产生信号损耗及电磁干扰等问题。
因此，如何克服现有技术中的种种问题，实已成目前亟欲解决的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺失，本发明的主要目的在于提供一种光电模块结构，可达到信号耗损减少、对位精准度高、散热效果佳及电磁屏蔽效果佳的效果。
本发明的光电模块结构，包括：具有相对的第一表面及第二表面的基板，且该第一表面形成有凹槽；设置在该基板的第一表面上的多个支撑件；至少一设置在该凹槽中的光电元件，且该些光电元件具有相对的光作用面及非光作用面，并以该非光作用面连接该基板；具有对应该光电元件的光作用面的穿孔的中介板，其设置在该基板的第一表面与光电元件之上，并电性连接该基板及光电元件；以及具有对应该中介板的穿孔的透镜部的透光板，其通过该支撑件设置在该基板的第一表面与中介板的上方。此外，在所述光电模块结构中，该些支撑件位于该凹槽的外围。
本发明的光电模块结构中，还包括形成于该基板的凹槽中的导热粘着层，用以固定该光电元件在该基板的凹槽中。
所述的光电模块结构中，该光电元件为光发射元件或光接收元件。
本发明的光电模块结构中，还包括电性连接该中介板的半导体芯片，其设置在该基板的凹槽中。
本发明的光电模块结构中，还包括微控制器，其设置在该基板的第一表面上。
所述的光电模块结构中，该支撑件的材质为金属。
所述的光电模块结构中，该基板的第二表面具有多个贯穿该凹槽的导热通孔，以外露出部分为所述导热粘着层。
所述的光电模块结构中，该中介板具有相对的第三表面及第四表面，且在该第三表面上形成有金属层。
所述的光电模块结构中，该中介板的第四表面上依序形成有线路层、绝缘层与金属层。
所述的光电模块结构中，该中介板还包括贯穿所述中介板且将所述金属层电性连接至基板的导电通道。所述的光电模块结构中，该中介板的第三表面形成有软质层。此外，在所述的光电模块结构中，该软质层的材质包括但不限于例如聚酰亚胺(polyimide，PI)、苯环丁烯(benzocyclobutene，BCB)及聚对二唑苯(polybenzoxazole，PBO)的软性材料。
本发明还提供另一种光电模块结构，其包括：具有相对的第一与第二表面的基板，且该基板还具有贯穿该第一与第二表面的开口；具有相对的顶面及底面的散热件，其设置在该开口中，并在该开口的第二表面之侧，外露出该散热件的底面；多个设置在该基板的第一表面上的支撑件；至少一设置在该散热件的顶面上的光电元件，且该光电元件具有相对的光作用面及非光作用面，并以该非光作用面设置在该散热件的顶面上；具有对应该光电元件的光作用面的穿孔的中介板，其设置在该基板的第一表面与光电元件之上，并电性连接该基板及光电元件；以及具有对应该中介板的穿孔的透镜部的透光板，其通过该支撑件设置在该基板的第一表面与中介板的上方。此外，在所述光电模块结构中，该些支撑件位于该开口的外围。
在本发明的光电模块结构中，通过该中介板电性连接光电元件及基板，且通过该对应于该透镜部及光作用面的穿孔，用以供该透光板的透镜部所收聚的光束穿过，并由所述光电元件的光作用面接收。
优选的，所述光电元件为光发射元件或光接收元件，并通过导热胶粘层设置在所述散热件的顶面上。
优选的，所述结构还包括半导体芯片，在所述散热件的顶面还具有一凹陷部，所述半导体芯片设置在所述凹陷部中，且电性连所述所述中介板。
优选的，所述结构还包括微控制器，所述微控制器设置在所述基板的第一表面上。
优选的，所述支撑件的材质为金属。
优选的，所述中介板具有相对的第五表面及第六表面，所述第五表面面向所述基板的第一表面，且在所述第五表面上依序形成有线路层、绝缘层与金属层。
优选的，所述中介板具有相对的第五表面及第六表面，所述第五表面面向所述基板的第一表面，所述中介板的第六表面形成有金属层。
优选的，所述中介板具有相对的第五表面及第六表面，所述第五表面面向所述基板的第一表面，所述中介板的第六表面形成有软质层。
优选的，所述软质层的材质为聚酰亚胺、苯环丁烯或聚对二唑苯。
由上可知，本发明的有益效果为：本发明的光电模块结构通过覆晶方式将光电元件电性连接至该中介板，并通过电性连接至基板上，具有封装尺寸变小，且不会受到现有打线方式所衍生出对于弧长、弧高的限制，可使信号传输距离降低，因此可减少高频信号传输时所产生信号耗损，因此可应用于高频信号传输。
此外，通过该支撑件将透光板固定至基板，更能提升该透光板的透镜部与基板上的光电元件的对位精准度，且该多个支撑件的材质为金属，更具有电磁屏蔽效果，而有效解决电磁干扰等问题，因此能提升高频通讯的品质。
另外，通过在基板中嵌入散热件，并直接将光电元件、半导体芯片等设置在该散热件上，更使本发明的光电模块结构具有绝佳的散热效果。
综上，本发明的光电模块结构不仅克服现有光电模块中使用打线接合方式而产生信号损耗的缺点，更赋予其高对位精准度、高度电磁屏蔽效果及极佳散热效果的特性。
附图说明
图1为现有光电模块结构的剖面示意图。
图2A至图2C为本发明的光电模块结构及其制法的剖面示意图，其中，图2A’为图2A的另一实施例。
图3与图3’为本发明的光电模块结构的另一实施例的剖面示意图，其中，图3’为图3的另一实施例。
图4为本发明的光电模块结构的另一实施例的剖面示意图。
图5为本发明的光电模块结构的再一实施例的剖面示意图。
图6为本发明的光电模块结构的另一实施例的剖面示意图。
主要元件符号说明
1                   光电模块
10、20、20’        基板
110                 导线
111                 激光二极管
111a、112a          光活性表面
111b、112b          电极垫
112                 光感测二极管
12、22              支撑件
14                 透光板
141、140           透镜部
2、3、4、5、6      光电模块结构
20a、20’a         第一表面
20b、20’b         第二表面
200                凹槽
201                导热通孔
201a               内侧
21                 光电元件
21a                光作用面
21b                非光作用面
210                第二导电凸块
23                 中介板
23a                第三表面
23b                第四表面
230                第一导电凸块
231                线路层
232                穿孔
233                绝缘层
24                 透光板
240                透镜部
25                 半导体芯片
26                 导热粘着层
28                 微控制器
30                 导电通道
31、41             金属层
51                 软质层
60                 开口
61                 散热件
61a                顶面
61b                底面。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员的了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，因此不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明权利要求书涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如「上」、「下」、「顶」、「底」、「第一」、「第二」、「第三」、「第四」及「一」等的用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当也视为本发明可实施的范畴。
图2A至图2C为本发明的光电模块结构2及其制法的剖面示意图，其中，图2A’为图2A的另一实施例。
如图2A所示，提供一具有相对的第一表面20a及第二表面20b的基板20，且在该第一表面20a形成有凹槽200，该基板20的凹槽200处具有多个贯穿该凹槽200底部的导热通孔201，该导热通孔201的内侧201a具有金属层（未图标）。在另一实施例中，该基板20的凹槽200处也可不具有多个贯穿该凹槽200底部的导热通孔201，如图2A’所示。
在所述实施例中，对于基板20上的凹槽200与导热通孔201的形成方式并无特别限制，可行的方法包括切割、蚀刻、电浆或激光方式。
如图2B所示，其接续图2A的工艺，在该基板20的第一表面20a上设置并电性连接中介板23，该中介板23具有相对的第三表面23a及第四表面23b，该第四表面23b面向该基板的第一表面20a，其中，该中介板23的第四表面23b上设置并电性连接有至少一光电元件21与半导体芯片25，该光电元件21与半导体芯片25并收纳于该凹槽200中，其中，该些光电元件21具有相对的光作用面21a及非光作用面21b，并以该光作用面21a连接该中介板23的第四表面23b。
在本发明的光电模块结构中，该中介板23的第四表面23b具有线路层231。此外，该中介板23具有对应于该光电元件21的光作用面21a的穿孔232。在较佳实施例中，该穿孔的直径较佳为160μm。
在所述实施例中，该凹槽200中形成有导热粘着层26，并因此使这些光电元件21与半导体芯片25固定在该基板20的凹槽200中。该导热粘着层26可为散热膏(thermal grease)；该光电元件21包括但不限于：垂直腔面发射型激光二极管（VCSEL）、感光二极管(photo diode，PD)及发光二极管(lightemitting diode，LED)；该半导体芯片25不限于单一芯片，多个芯片也可，包括但不限于：转阻放大器(transimpedance amplifier，TIA)、激光二极管驱动器(Laser Diode Driver，LDD)、TIA包括LDD及电源驱动IC(power ICdriver)。此外，在本实施例中，该基板20的第一表面20a还设置并电性连接有微控制器28，其用以控制该光电元件21及半导体芯片25。
本发明的光电模块结构的制法中，对于将该光电元件21设置并电性连接在该中介板23及将该中介板23电性连接至该基板20的先后顺序并无特别限制，将该中介板23与该光电元件21电性连接的任意方式均为本发明的范畴。
在本实施例中，其以第二导电凸块210将该光电元件21及半导体芯片25设置并电性连接在该中介板23上，再通过第一导电凸块230将具有该中介板23电性连接至该基板20。
如图2C所示，在该基板20的第一表面20a上设置多个支撑件22，并通过该支撑件22将具有透镜部240的透光板24设置在该基板的第一表面20a上方，并使该透镜部240对应于该光电元件21的光作用面21a，且该些支撑件22位于该凹槽200的外围。
在本实施例中，该支撑件22可为一挡板，且其材质为镀覆有镍的铜材或任何金属材料，以达到电磁屏蔽的效果。
此外，如所述的光电模块结构中，该中介板23为硅中介板，其具有相当高的平坦表面特性，在其上形成的线路层231的精密度较高，因此该光电元件21以覆晶方式电性连接至该中介板23，再将该中介板23连接至该基板的第一表面的整体精密度也会较高，后续该透光板的透镜部对应于光电元件21的光路对位精密度也会因而提高。
请参阅图6，其为本发明的光电模块结构6的另一实施例，该光电模块结构6包括：具有相对的第一表面20’a、第二表面20’b及贯穿该第一表面20’a与第二表面20’b的开口60的基板20’；具有相对的顶面61a及底面61b的散热件61，设置在该开口60中，在该开口60的第二表面20’b之侧，外露出该散热件61的底面61b；多个支撑件22，其设置在该基板20’的第一表面20’a上；至少一设置在该散热件61的顶面61a上的光电元件21与半导体芯片25，且该光电元件21具有相对的光作用面21a及非光作用面21b，并以该非光作用面21b设置在该散热件61的顶面61a上；具有对应于该光电元件21的光作用面21a的透镜部240的透光板24，其通过该支撑件22设置在该基板20’的第一表面20’a上方；以及设置在该基板20’的第一表面20’a上及该光电元件21与透光板24间的中介板23，且该中介板23与该基板20’及光电元件21电性连接，该中介板23具有对应于该透镜部240及光作用面21a的穿孔232。
另外，图6的中介板23还可具有第3、3’、4、5图中的中介板23上的结构（也就是，该中介板23也可具有金属层31,41或软质层51等结构），且该散热件61通过基板20’电性接地。
请参阅图3，其为本发明的另一实施例，其大致上相同于所述的图2C，其主要不同之处在于：该光电模块结构3的中介板23的第三表面23a还形成有的金属层31，该金属层31的材质包括但不限于铝、铜、金及钛，该金属层31不仅可增加本发明的光电模块结构3的电磁屏蔽效果，更能在该穿孔232中镀上金属（未图标），用以将该金属层31接地至基板20。
在本实施例中，该中介板23还包括贯穿该中介板23的导电通道30，其将该金属层31电性连接至基板20，如图3’所示。
如图4所示的本发明的另一实施例，由所述制法制得的光电模块结构4中，该金属层41也可形成于该中介板23的第四表面23b上，且该金属层41上依序形成有绝缘层233与该线路层231，且该金属层41也可通过部分该线路层231与该中介板23共同接地至该基板20。
请参阅图5，其为本发明的另一实施例，其大致上相同于所述的图2C，其主要不同之处在于：本发明的光电模块结构5中还具有软质层51，其形成于该中介板23的第三表面23a上。在本实施例中，该软质层51的材质包括但不限于例如聚酰亚胺(polyimide，PI)、苯环丁烯(benzocyclobutene，BCB)及聚对二唑苯(polybenzoxazole，PBO)的软性材料。所述光电模块结构5中，该软质层51能增强中介板23的机械强度，使本发明的光电模块结构5具有更佳的机械强度。
如所述的本发明的光电模块结构6的制法大致与所述第2A至2C图的制法相同，差别仅在于执行图2A的步骤时，其将整凹槽200穿孔为一开口60，且对于基板20’上的开口60的形成方式并无特别限制，可行的方法包括切割、蚀刻、电浆及激光方式。
综上所述，本发明的光电模块结构通过覆晶方式将光电元件电性连接至该中介板，不仅克服以往光电元件以打线方式连接时所产生高频信号传输时所产生信号耗损，更进一步地使该光电模块结构产生封装尺寸较小的优点。
此外，通过该支撑件将透光板固定至基板，更能提升该透光板的透镜部与基板上的光电元件的对位精准度。不仅如此，通过金属做为该支撑件的材料，更使本发明的光电模块结构具有电磁屏蔽效果，而有效解决电磁干扰等问题，因此能提升高频通讯的品质。
另外，本发明的光电模块结构更利用在基板的凹槽形成穿孔或在基板中嵌入散热件等方式，得以直接将光电元件与半导体芯片所产生的热能传导至外界，而赋予本发明的光电模块结构具有绝佳的散热效果。
综上所述，本发明的光电模块结构不仅克服现有光电模块中使用打线接合方式而产生信号损耗的缺点，更赋予其高对位精准度、高度电磁屏蔽效果及极佳散热效果的特性。
上述实施例仅用以例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (23)

1.一种光电模块结构，该光电模块结构包括：
基板，所述基板具有相对的第一表面及第二表面，且所述第一表面形成有凹槽；
多个支撑件，所述支撑件设置在所述基板的第一表面上；
至少一光电元件，所述光电元件设置在所述凹槽中，且具有相对的光作用面及非光作用面，并以所述非光作用面连接所述基板；
中介板，所述中介板设置在所述基板的第一表面与光电元件之上，并电性连接所述基板及光电元件，其中，所述中介板具有对所述光电元件的光作用面的穿孔；以及
透光板，所述透光板通过所述支撑件设置在所述基板的第一表面与中介板的上方，并具有对所述中介板的穿孔的透镜部。
2.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述支撑件位于所述凹槽的外围。
3.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述凹槽中还形成有导热粘着层，以使该光电组件固定于该基板的凹槽中。
4.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述光电元件为光发射元件或光接收元件。
5.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述结构还包括半导体芯片，所述半导体芯片设置在所述基板的凹槽中，且电性连接所述中介板。
6.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述结构还包括微控制器，所述微控制器设置在所述基板的第一表面上。
7.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述支撑件的材质为金属。
8.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述基板在所述凹槽处具有多个贯穿所述基板的导热通孔。
9.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述中介板具有相对的第三表面及第四表面，所述第四表面面向所述基板的第一表面，且在所述第三表面上还形成有金属层。
10.根据权利要求9所述的光电模块结构，其特征在于，所述中介板还包括贯穿所述中介板且将所述金属层电性连接至基板的导电通道。
11.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述中介板具有相对的第三表面及第四表面，所述第四表面面向所述基板的第一表面，所述中介板的第四表面上依序形成有线路层、绝缘层与金属层。
12.根据权利要求1所述的光电模块结构，其特征在于，所述中介板具有相对的第三表面及第四表面，所述第四表面面向所述基板的第一表面，所述中介板的第三表面形成有软质层。
13.根据权利要求12所述的光电模块结构，其特征在于，所述软质层的材质为聚酰亚胺、苯环丁烯或聚对二唑苯。
14.一种光电模块结构，该光电模块结构包括：
基板，所述基板具有相对的第一表面、第二表面及贯穿所述第一表面与第二表面的开口；
散热件，所述散热件具有相对的顶面及底面，且设置在所述开口中，以在所述开口的第二表面之侧，外露出所述散热件的底面；
多个支撑件，所述支撑件设置于所述基板的第一表面上；
至少一光电元件，所述光电元件具有相对的光作用面及非光作用面，并以所述非光作用面设置在所述散热件的顶面上；
中介板，所述中介板设置在所述基板的第一表面与光电元件之上，并电性连接所述基板及光电元件，其中，所述中介板具有对所述光电元件的光作用面的穿孔；以及
透光板，所述透光板通过所述支撑件设置在所述基板的第一表面与中介板的上方，并具有对所述中介板的穿孔的透镜部。
15.根据权利要求14所述的光电模块结构，其特征在于，所述支撑件位于所述开口的外围。
16.根据权利要求14所述的光电模块结构，其特征在于，所述光电元件为光发射元件或光接收元件，并通过导热胶粘层设置在所述散热件的顶面上。
17.根据权利要求14所述的光电模块结构，其特征在于，所述结构还包括半导体芯片，在所述散热件的顶面还具有一凹陷部，所述半导体芯片设置在所述凹陷部中，且电性连接所述中介板。
18.根据权利要求14所述的光电模块结构，其特征在于，所述结构还包括微控制器，所述微控制器设置在所述基板的第一表面上。
19.根据权利要求14所述的光电模块结构，其特征在于，所述支撑件的材质为金属。
20.根据权利要求14所述的光电模块结构，其特征在于，所述中介板具有相对的第五表面及第六表面，所述第五表面面向所述基板的第一表面，且在所述第五表面上依序形成有线路层、绝缘层与金属层。
21.根据权利要求14所述的光电模块结构，其特征在于，所述中介板具有相对的第五表面及第六表面，所述第五表面面向所述基板的第一表面，所述中介板的第六表面形成有金属层。
22.根据权利要求14所述的光电模块结构，其特征在于，所述中介板具有相对的第五表面及第六表面，所述第五表面面向所述基板的第一表面，所述中介板的第六表面形成有软质层。
23.根据权利要求22所述的光电模块结构，其特征在于，所述软质层的材质为聚酰亚胺、苯环丁烯或聚对二唑苯。
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