CN104007521A - 光收发模块的结构和制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光收发模块的结构，包括一个垫块，垫块上相邻承载有独立且互相电连接的纯电部分和光电部分；光电部分包括载片，载片侧装在垫块上，另一个侧面以及顶面上设有金属布线，光电转换芯片倒扣安装在载片顶面上并与金属布线电连接；在载片中开有横向的一个或多个通孔，一根或多根光纤横向插入载片的各通孔中，光电转换芯片具有一个或多个工作单元，光电转换芯片正面各工作单元的有源区与各通孔中的光纤一一对准；纯电部分包括安装在垫块上的垫板，在垫板上靠近光电部分的边缘位置安装有电芯片；电芯片通过金属键合线连接载片侧面上的金属布线。本结构实现了光收发模块中，光纤方向同电路板平面相平行。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件，尤其是一种光收发模块。
背景技术
垂直腔面发射激光器（VCSEL）和面受光探测器同光纤直接面对面耦合虽然耦合效率高，但光纤方向同垂直腔面发射激光器（VCSEL）和面受光探测器垂直；通常，垂直腔面发射激光器（VCSEL）和面受光探测器的上下表面同电路板平面相平行，所以此时光纤方向和电路板平面间是相互垂直的；由于光纤的弯曲半径有限，特别是光纤带的弯曲半径较大，所以这种耦合方式的应用场景需要在电路板平面垂直方向上空间较大的场合，例如5厘米以上。如图1所示。
以垂直腔面发射激光器（VCSEL）和面受光探测器为光电转换器件的光收发模块和组件中，解决光纤方向和电路板平面相垂直问题的方法主要有两种，一种方法是采用45度光反射镜实现光路的90度转向，如Avago公司的美国专利“Multi-optical Fiber Connector Module for Use With A Transceiver Module and Method For Coupling Optical Signals Between The Transceiver Module and Multiple Optical Fibers ”(专利号：US7543994 B2)。这种方法增加了耦合光路上的光学部件，使得装配难度增加，同时增加的光学部件会引起额外的损耗，导致光耦合效率降低。此种方法的示意图如图2所示。
华中科技大学的曹明翠老师等将45度光反射镜移至光纤端面，在其中国专利“并行光纤阵列耦合组件”（专利号：03128028.5）中，端部裸露纤芯被加工成45°光学平面，这种方法需要光纤端面研磨和角度控制，同时耦合效率也没有光纤端面直接耦合高。此种结构的示意图如图3所示。
另一种方法是采用柔性印制电路板或者柔性印制电路板和刚性印制电路板构成的刚柔混合板，利用柔性印制电路板的可绕折特性，将柔性印制电路板弯折90度，实现电路的90度转向，如美国专利“Fiber Optic Connections and Method for Using Same”(专利号：US 6712527 B1)，但柔性印制电路板的制作成熟度还远不及刚性印制电路板，目前柔性印制电路板的层数不多（2-4层），板材的高频特性也没有刚性板材好，价格较贵，成本较高。此种结构的示意图如图4所示。
另外，光收发模块和组件内部可以分为纯电部分和光电部分，因技术成熟度的不均衡，光电部分的技术难度较大，准入门槛较高，成为普通电子企业进入光收发模块和组件领域的制约因素。如果在光收发模块和组件内部结构中纯电部分和光电部分可以实现相对独立，光电部分和光收发模块和组件可以形成上下游的关系，势必可以使更多的企业参与到光收发模块和组件行业，有利于光收发模块和组件的多元化发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种光收发模块的结构，实现在以垂直腔面发射激光器（VCSEL）和面受光探测器为光电转换器件的光收发模块和组件中，光纤方向同电路板平面相平行，避免在光路上的90度光路转弯，避免使用柔性印制电路板弯折90度，同时使得所获得的光收发模块的厚度可大大减薄，适应目前光收发模块应用环境中厚度方向空间越来越狭小的趋势；同时使得纯电部分和光电部分相互独立，且纯电部分和光电部分的后续拼接方便简易。本发明还附带提出了此种光收发模块的制作方法。本发明采用的技术方案是：
一种光收发模块的结构，包括一个垫块，所述垫块上相邻承载有独立且互相电连接的纯电部分和光电部分；
所述光电部分包括载片，载片侧装在垫块上，载片的一个侧面与垫块固定，另一个侧面以及顶面上设有金属布线，光电转换芯片倒扣安装在载片顶面上并与金属布线电连接；在载片中开有横向的一个或多个通孔，一根或多根光纤横向插入载片的各通孔中，光电转换芯片具有一个或多个工作单元，光电转换芯片正面各工作单元的有源区与各通孔中的光纤一一对准；
所述纯电部分包括安装在垫块上的垫板，在垫板上靠近光电部分的边缘位置安装有电芯片；电芯片通过金属键合线连接载片侧面上的金属布线，从而电连接光电转换芯片。
进一步地，在垫板侧面与光电转换芯片对应位置处设有导热材料，导热材料与光电转换芯片的背面贴合。
进一步地，当光电转换芯片具有多个工作单元时，多个工作单元排列成一维或二维阵列；相应地，多个横向通孔排列成一维通孔阵列或二维通孔阵列，多根光纤排列形成一维光纤阵列或二维光纤阵列。
进一步地，光纤由至少两个光纤夹片上下夹持住；光纤夹片的侧面与载片的底面固定，最下方的光纤夹片固定在垫块上。
进一步地，最下方的光纤夹片和载片通过导热胶固定在垫块上。
进一步地，单根光纤或一维光纤阵列由光纤上夹片和光纤下夹片夹持住，在光纤上夹片和光纤下夹片相对两个面的至少一个面上设有V型或U型的光纤定位槽；二维光纤阵列由≥3个光纤夹片夹持住，相邻两个光纤夹片中间夹持一层横向排列的光纤；相邻两个光纤夹片相对两个面的至少一个面上设有V型或U型的光纤定位槽；各光纤由光纤定位槽所定位。
进一步地，载片顶面的金属布线上设有凸点，光电转换芯片通过凸点倒扣安装在载片上。
进一步地，光纤端面距光电转换芯片工作单元有源区表面的距离在5～70微米。
进一步地，所述光电转换芯片包括垂直腔面发射激光器VCSEL或面受光探测器；所述电芯片包括与VCSEL对应的驱动器芯片或与面受光探测器对应的跨阻放大器芯片。
一种光收发模块的制作方法，包括下述步骤：
S10.光纤上夹片和光纤下夹片夹持光纤，光纤伸出光纤上夹片和光纤下夹片的侧面一个距离，构成光纤构件以备用；
S20.制备纯电部分，包括将电芯片贴装在垫板的边缘；
S30.制作光电载板：提供载片，在载片中钻通孔，通孔的数量和排列与光电转换芯片工作单元的数量和排列一一对应；在载片的顶面和一个侧面上布设金属布线，且在载片顶面的金属布线上制作凸点；
S40.在光电载板上倒装光电转换芯片，光电转换芯片正面各工作单元的有源区中心与各通孔的中心对准安装，形成光电构件；
S50.将光纤构件伸出的光纤部分插入光电构件的相应的通孔中，插到底后用胶固定，完成光电部分的制备；
S60.在垫板侧面与光电转换芯片对应位置处施加导热材料，将纯电部分与光电部分在垫块上贴近安装固定，使得导热材料与光电转换芯片的背面贴合；
S70.最后进行纯电部分中电芯片上的输入/输出焊盘与光电部分中载板侧面金属布线上焊点间金属键合线的引线键合，完成光收发模块的制备。
本发明的优点在于：
1.本发明的结构装配简单，耦合效率高。
2.避免在光路上的90度光路转弯，避免使用柔性印制电路板弯折90度，使得所获得的光收发模块的厚度可大大减薄，适应目前光收发模块应用环境中厚度方向空间越来越狭小的趋势。
3.纯电部分和光电部分相互独立，使得纯电部分和光电部分的后续拼接方便简易，低成本。
附图说明
图1为VCSEL或面受光探测器同光纤直接面对面耦合示意图。
图2为VCSEL或面受光探测器同光纤采用45度光反射镜耦合示意图。
图3为45度光反射镜移至光纤端面的耦合示意图。
图4为柔性印制电路板实现电路的90度转向示意图。
图5为本发明的结构示意图。
图6为本发明的制作光纤构件示意图。
图7为本发明的制作纯电部分示意图。
图8为本发明的制作光电载板示意图。
图9为本发明的制作光电构件示意图。
图10为本发明的制作光电部分示意图。
图11为本发明的施加导热材料和结构最后固定示意图。
图12为本发明的制作方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明所提出的光收发模块的结构，如图5所示，包括一个垫块11，垫块11上相邻承载有独立且互相电连接的纯电部分101和光电部分201。
光电部分201包括载片1，载片1侧装在垫块11上，载片1的一个侧面与垫块11固定，另一个侧面以及顶面上设有金属布线2，载片1顶面的金属布线2上设有凸点3，光电转换芯片4通过凸点3倒扣安装在载片1顶面上，与金属布线2电连接；在载片1中开有横向的一个或多个通孔12，一根或多根光纤7横向插入载片1的各通孔12中，光电转换芯片4具有一个或多个工作单元，光电转换芯片4正面各工作单元的有源区与各通孔中的光纤一一对准。
纯电部分101包括安装在垫块11上的垫板10，在垫板10上靠近光电部分201的边缘位置安装有电芯片6；电芯片6通过金属键合线5连接载片1侧面上的金属布线2，从而电连接光电转换芯片4。
在垫板10侧面与光电转换芯片4对应位置处设有导热材料13，导热材料13与光电转换芯片4的背面贴合。
光纤7由至少两个光纤夹片上下夹持住，如图5中的光纤上夹片8和光纤下夹片9；光纤夹片的侧面与载片1的底面固定，最下方的光纤夹片和载片1通过导热胶固定在垫块11上。
下面分别对各部件做详细说明。
载片1，其材料可以是陶瓷、硅、玻璃，但不限于此。
金属布线2，金属布线2从载片1的顶面延伸到另一个侧面，实现了电路的90度转弯。载片1侧粘贴在垫块11上，载片1与垫块11粘贴的侧面是平面；金属布线2所在的载片1的侧面远离垫块11，金属布线2所在的载片1的侧面可以是平面，也可以不是平面，只要保证载片1侧面的金属布线2上有能满足金属线键合焊点大小的区域是平面，一般为直径50微米以上。金属布线2由一层或多层金属组成，包括导电金属层Cu、Au，可以包括粘附层金属，如Ti、TiW、Cr；可以包括阻挡层金属，如Pt、Ni、TiN、TaN、WN。为了便于金属线键合（包括金线、铜线和铝线键合），载片1侧面的金属布线2上进行了表面处理，如适用于金线键合的镍钯金处理。
凸点3，位于载片1顶面的金属布线2上，凸点3主要用于光电转换芯片4在载片1顶面的倒扣组装，凸点3可以是AuSn凸点、Sn凸点、In凸点、带铜柱的柱状凸点，但不限于此，凸点3的直径为40-90微米，凸点3的高度为5-30微米。
光电转换芯片4，包括垂直腔面发射激光器VCSEL或面受光探测器。光电转换芯片4可以包括一个工作单元，也可以包括多个工作单元构成的一维阵列或二维阵列，此时载片1中则开有多个横向通孔12，多个横向通孔12相应排列成一维通孔阵列或二维通孔阵列，插入各通孔12的光纤7就排成一维光纤阵列或二维光纤阵列。举例来说，如果图5中所示是一个一维光纤阵列，则看到的纸面上的光纤7是其中最前面的一根，纸面后还有若干根光纤7并列排在能够看到的那根之后。光电转换芯片4通过凸点3倒扣组装在载片1顶面上时，光电转换芯片4正面各工作单元的有源区中心与各通孔12的中心对准，就可以保证插入光纤后，光电转换芯片4各工作单元的有源区与各通孔中的光纤一一对准。
金属键合线5，包括金线、铜线和铝线，可以是圆形线，也可以是扁形带状线。金属键合线5实现纯电部分101和光电部分201电连接。
电芯片6，包括与VCSEL对应的驱动器芯片或与面受光探测器对应的跨阻放大器芯片。
光纤7，可以是多模光纤，也可以是单模光纤。根据光电转换芯片4的工作单元的个数和排列情况，光纤7可以是单根，也可以是一维或二维的光纤阵列。
光纤上夹片8和光纤下夹片9，其材料可以是硅片、玻璃片和树脂等有机材料。在图5中所示的结构中，只有单根光纤7或者一维光纤阵列，在光纤上夹片8和光纤下夹片9相对两个面的至少一个面上设有V型或U型的光纤定位槽，光纤定位槽是横向并行间隔设置的，光纤上夹片8和光纤下夹片9夹持单根光纤，或者夹持多根光纤7形成具有一定周期结构的一维光纤阵列。各光纤由光纤定位槽所定位。当需要二维光纤阵列，则需要增加光纤夹片的数量（≥3个），相邻两个光纤夹片中夹持一层横向排列的光纤；相邻两个光纤夹片相对两个面的至少一个面上设有V型或U型的光纤定位槽。光纤上夹片8和光纤下夹片9沿光纤方向的长度可以相同也可以不同。控制光纤7伸出光纤上夹片8和光纤下夹片9的侧面的距离，使得带着光纤上下夹片8和9的光纤7插入载片1上的通孔12时，光纤7端面距光电转换芯片4工作单元有源区表面的距离在5～70微米。
垫板10，可以是印制电路板、陶瓷板、金属板等。垫板10可以给电芯片6提供电连接，也可以仅是一块体材料。垫板10的首要作用一是为电芯片6提供散热通道，二是减小电芯片6上的输入/输出焊盘与载板1侧面金属布线2上焊点间的高度差，以尽量缩短金属键合线5的长度，以保证模块或组件的高频特性。当垫板10是印制电路板和陶瓷板时，应该设计有电芯片6的导热通孔。电芯片6贴装在垫板10的边缘，减小电芯片6上的输入/输出焊盘与载板1侧面金属布线2上焊点间的横向距离，以尽量缩短金属键合线5的长度。
垫块11为纯电部分101和光电部分201提供后期拼装平台，同时为纯电部分和光电部分的芯片提供导热通道，帮助实现芯片到管壳的热传导。垫块11首选金属。
通孔12的直径较光纤7的直径增大5-15微米。
导热材料13，可以是导热胶，也可以是导热树脂和导热填充材料。在纯电部分和光电部分后期拼装时施加于光电转换芯片4背面和垫板10侧面之间，以减小光电转换芯片4背面和垫板10侧面间的热阻，为光电转换芯片4提供良好的导热通道。
在图5的基础上，本发明很容易就能扩展到二维光电器件和二维光纤阵列的情况，此时光纤构件001是由多个光纤夹片和多根光纤构成的具有一定周期结构的二维光纤阵列，凸点3是与二维光电器件焊盘相对应的二维凸点阵列。通孔12是二维光电器件工作单元有源区对应的二维通孔阵列。图6所示的光纤构件001虽然还只有两个光纤夹片
此种光收发模块的制作方法如下所述：
S10.光纤上夹片8和光纤下夹片9夹持光纤7，构成光纤构件001以备用。光纤7伸出光纤上夹片8和光纤下夹片9的侧面一个距离，通常近似等于载片1的厚度。如图6所示。
S20.制备纯电部分101，包括电连接器、封装器件等在电路板上的表贴，特别包括电芯片6在垫板10边缘的贴装。为本专利简明起见，图7只示意出纯电部分中电芯片6和垫板10间的相对位置，其它纯电部分未示出。
S30.制作光电载板002，提供载片1，在载片1中钻通孔12，通孔12的数量和排列与光电转换芯片4工作单元的数量和排列一一对应；在载片1的顶面和一个侧面上布设金属布线2，且在载片1顶面的金属布线2上制作凸点3；如图8所示。
S40.在光电载板002上倒装光电转换芯片4，形成光电构件003；如图9所示。光电转换芯片4通过凸点3倒扣安装在载片1上，光电转换芯片4正面各工作单元的有源区中心与各通孔12的中心对准安装。
S50.将光纤构件001伸出的光纤部分插入光电构件003的相应的通孔12中，插到底后用胶固定，完成光电部分201的制备；光纤构件001和光电构件003间的固定优选紫外固化和热固化的双固化胶，也可采用紫外固化胶。
S60.在垫板10侧面与光电转换芯片4对应位置处施加导热材料13，将纯电部分101与光电部分201在垫块11上贴近安装固定，使得导热材料13与光电转换芯片4的背面贴合；如图11所示。
此步骤中，可以采用导热胶将纯电部分101与光电部分201固定在垫块11上，以增强散热性能。
S70.最后进行纯电部分101中电芯片6上的输入/输出焊盘与光电部分201中载板1侧面金属布线2上焊点间金属键合线5的引线键合，完成光收发模块的制备。
Claims (10)
1.一种光收发模块的结构，包括一个垫块(11)，其特征在于：所述垫块(11)上相邻承载有独立且互相电连接的纯电部分(101)和光电部分(201)；
所述光电部分(201)包括载片(1)，载片(1)侧装在垫块(11)上，载片(1)的一个侧面与垫块(11)固定，另一个侧面以及顶面上设有金属布线(2)，光电转换芯片(4)倒扣安装在载片(1)顶面上并与金属布线(2)电连接；
在载片(1)中开有横向的一个或多个通孔(12)，一根或多根光纤(7)横向插入载片(1)的各通孔(12)中，光电转换芯片(4)具有一个或多个工作单元，光电转换芯片(4)正面各工作单元的有源区与各通孔中的光纤一一对准；
所述纯电部分(101)包括安装在垫块(11)上的垫板(10)，在垫板(10)上靠近光电部分(201)的边缘位置安装有电芯片(6)；电芯片(6)通过金属键合线(5)连接载片(1)侧面上的金属布线(2)，从而电连接光电转换芯片(4)。
2.如权利要求1所述的光收发模块的结构，其特征在于：在垫板(10)侧面与光电转换芯片(4)对应位置处设有导热材料(13)，导热材料(13)与光电转换芯片(4)的背面贴合。
3.如权利要求1或2所述的光收发模块的结构，其特征在于：
当光电转换芯片(4)具有多个工作单元时，多个工作单元排列成一维或二维阵列；相应地，多个横向通孔(12)排列成一维通孔阵列或二维通孔阵列，多根光纤(7)排列形成一维光纤阵列或二维光纤阵列。
4.如权利要求3所述的光收发模块的结构，其特征在于：
光纤(7)由至少两个光纤夹片上下夹持住；光纤夹片的侧面与载片(1)的底面固定，最下方的光纤夹片固定在垫块(11)上。
5.如权利要求4所述的光收发模块的结构，其特征在于：
最下方的光纤夹片和载片(1)通过导热胶固定在垫块(11)上。
6.如权利要求4所述的光收发模块的结构，其特征在于：
单根光纤(7)或一维光纤阵列由光纤上夹片(8)和光纤下夹片(9)夹持住，在光纤上夹片(8)和光纤下夹片(9)相对两个面的至少一个面上设有V型或U型的光纤定位槽；
二维光纤阵列由≥3个光纤夹片夹持住，相邻两个光纤夹片中间夹持一层横向排列的光纤；相邻两个光纤夹片相对两个面的至少一个面上设有V型或U型的光纤定位槽；
各光纤由光纤定位槽所定位。
7.如权利要求1或2所述的光收发模块的结构，其特征在于：
载片(1)顶面的金属布线(2)上设有凸点(3)，光电转换芯片(4)通过凸点(3)倒扣安装在载片(1)上。
8.如权利要求1或2所述的光收发模块的结构，其特征在于：
光纤(7)端面距光电转换芯片(4)工作单元有源区表面的距离在5～70微米。
9.如权利要求1或2所述的光收发模块的结构，其特征在于：
所述光电转换芯片(4)包括垂直腔面发射激光器VCSEL或面受光探测器；所述电芯片(6)包括与VCSEL对应的驱动器芯片或与面受光探测器对应的跨阻放大器芯片。
10.一种光收发模块的制作方法，其特征在于，包括下述步骤：
S10.光纤上夹片(8)和光纤下夹片(9)夹持光纤(7)，光纤(7)伸出光纤上夹片(8)和光纤下夹片(9)的侧面一个距离，构成光纤构件(001)以备用；
S20.制备纯电部分(101)，包括将电芯片(6)贴装在垫板(10)的边缘；
S30.制作光电载板(002):提供载片(1)，在载片(1)中钻通孔(12)，通孔(12)的数量和排列与光电转换芯片(4)工作单元的数量和排列一一对应；在载片(1)的顶面和一个侧面上布设金属布线(2)，且在载片(1)顶面的金属布线(2)上制作凸点(3)；
S40.在光电载板(002)上倒装光电转换芯片(4)，光电转换芯片(4)正面各工作单元的有源区中心与各通孔(12)的中心对准安装，形成光电构件(003)；
S50.将光纤构件(001)伸出的光纤部分插入光电构件(003)的相应的通孔(12)中，插到底后用胶固定，完成光电部分(201)的制备；
S60.在垫板(10)侧面与光电转换芯片(4)对应位置处施加导热材料(13)，将纯电部分(101)与光电部分(201)在垫块(11)上贴近安装固定，使得导热材料(13)与光电转换芯片(4)的背面贴合；
S70.最后进行纯电部分(101)中电芯片(6)上的输入/输出焊盘与光电部分(201)中载板(1)侧面金属布线(2)上焊点间金属键合线(5)的引线键合，完成光收发模块的制备。
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