CN107479147A - 一种光模块结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光模块结构，包括：第一载板，在第一载板的上表面设置有电芯片；第二载板，设置在第一载板的上方，在第二载板靠近电芯片的侧壁上设置有光电转换元件，光电转换元件通过连接结构与电芯片连接。这种光模块结构将光电转换元件设置于电芯片上方，通过倒装焊的方式，可以缩短光电转换元件和电芯片之间的互连，减少损耗，提高传输速率。

Description

一种光模块结构

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种光模块结构。

背景技术

随着集成电路的飞速发展，芯片处理能力越来越强，对传输速率和传输容量的要求也越来越高。光互连技术具有带宽高、延时低、重量轻等优点，因而具有广泛的市场需求和应用前景。目前大数据、云计算飞速发展，随之而来的需要实现海量数据的存储和交换，应用于服务器之间或者服务器与路由器之间的短距光互连传输方案应运而生。这种互连技术的关键是小体积、低功耗和低成本的光电转换模块的制作，而光耦合结构、信号完整性设计以及系统集成设计直接影响着它的实现。

图1为光互连系统的典型架构示意图，光芯片011包括激光器(Laser)0111和光电二极管(Photo-Diode，PD)0112，电芯片012包括驱动芯片(Driver)0121、跨阻放大器(Trans-impedance Amplifier，TIA)0122和限幅放大器(Limiting Amplifier，LA)芯片0123，电芯片的控制芯片013(CPU或者交换机)和Laser0111与PD 0112之间的传输光信号的光纤014。目前在光互连系统应用中，信号在发送端经过光芯片之前和接收端经过光芯片之后都是以电的形式传播，而光芯片(Laser和PD)与电芯片(Driver和TIA)通常位于同一平面且它们之间采用金丝键合进行互连，如图2所示，光芯片载板021和电芯片载板022通过金丝键合Bonding-wire023将光芯片与电芯片连接，这种互连结构导致阻抗不匹配进而使信号发生反射，严重影响信号的传输性能。另外，随着传输的速率越来越高，这种互连方式信号完整性差、损耗高和性能不佳问题也会越来越严重。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的光芯片和电芯片之间的互连阻抗不匹配导致信号传输性能差的缺陷。

为此，本发明提供一种光模块结构，包括第一载板，在所述第一载板的上表面设置有电芯片；第二载板，设置在所述第一载板的上方，在所述第二载板靠近所述电芯片的侧壁上设置有光电转换元件，所述光电转换元件通过连接结构与所述电芯片连接。

可选地，所述连接结构包括：第一连接线，第一连接线的第一端与所述光电转换元件连接，第一连接线的第二端延伸至所述第二载板的底部；第一焊球，第一焊球的第一端与所述第一连接线的第二端连接，第一焊球的第二端与所述电芯片或连接所述电芯片的连接线相连。

可选地，在所述第一载板的底部还设置有控制芯片，所述控制芯片用于控制所述电芯片；第二连接线，位于所述第一载板的上表面，第二连接线的第一端与所述电芯片连接，第二连接线的第二端与所述控制芯片连接。

可选地，所述电芯片倒装于所述第一载板的上表面，所述第一载板的上表面具有第三连接线，第三连接线的第一端与所述电芯片连接，第三连接线的第二端与所述第一焊球的第二端连接。

可选地，所述电芯片正装于所述第一载板的上表面，所述电芯片直接与所述第一焊球的第二端连接。

可选地，还包括第三载板，所述第三载板与所述第一载板并列排布，所述第三载板的上表面与所述第二载板的底部通过粘合材料连接。

可选地，所述第三载板具有伸出端，所述伸出端伸入所述第一载板的底部且与所述第一载板的底部通过所述粘合材料连接。

可选地，还包括光纤阵列，所述光纤阵列垂直于所述光电转换元件插入所述第二载板中。

可选地，所述光模块设置在壳体内，所述第三载板和所述控制芯片通过导热材料与所述壳体的侧壁连接。

可选地，所述壳体为金属材料。

可选地，所述壳体上设置有用于引出所述光纤阵列的出口。

可选地，还包括散热装置，安装于所述第三载板和所述壳体的接触侧。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的光模块结构，包括：第一载板，在所述第一载板的上表面设置有电芯片；第二载板，设置在所述第一载板的上方，在所述第二载板靠近所述电芯片的侧壁上设置有光电转换元件，所述光电转换元件通过连接结构与所述电芯片连接。这种光模块结构将光电转换元件设置于电芯片上方，通过倒装焊的方式，可以缩短光电转换元件和电芯片之间的互连，减少损耗，提高传输速率。

2.本发明提供的光模块结构，包括：第一载板，在所述第一载板的上表面设置有电芯片；第二载板，设置在所述第一载板的上方，在所述第二载板靠近所述电芯片的侧壁上设置有光电转换元件，所述光电转换元件通过连接结构与所述电芯片连接，所述连接结构包括第一连接线，第一连接线的第一端与所述光电转换元件连接；第一连接线的第二端延伸至所述第二载板的下表面；第一焊球，第一焊球的第一端与所述第一连接线的第二端连接，第一焊球的第二端与所述电芯片或连接所述电芯片的连接线相连。这种光模块结构采用尺寸较小的第一焊球和较短的第一连接线将光电转换元件和电芯片进行连接，具有寄生电感小和高频传输性能好的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明背景技术中的光互连系统的典型架构示意图；

图2为本发明背景技术中的光芯片(Laser和PD)与电芯片(Driver和TIA)金丝键合的示意图；

图3为本发明实施例中的光模块结构的一个具体示例的平面示意图；

图4为本发明实施例中的光模块结构的一个具体示例的立体示意图；

图5为本发明实施例中的光模块结构的光电转换元件安放位置的一个具体示例的示意图；

图6为本发明实施例中的光模块结构的光电转换元件安放位置的另一个具体示例的示意图；

图7为本发明实施例中的光模块结构的连接结构的一个具体示例的示意图；

图8为本发明实施例中的光模块结构的第一连接线的一个具体示例的立体图；

图9为本发明实施例中的光模块结构的第一连接线的一个具体示例的立体图的局部放大图；

图10为本发明实施例中的光模块结构的另一个具体示例的平面示意图；

图11为本发明实施例中的光模块结构的另一个具体示例的立体示意图；

图12为本发明实施例中的光模块结构的另一个具体示例的示意图；

图13为本发明实施例中的光模块结构的安放光纤阵列的通道位置的一个具体示例的示意图；

图14为本发明实施例中的光模块结构的光纤阵列与通道对位的示意图；

图15为本发明实施例中的光模块结构的光纤阵列与通道对位后的示意图；

图16为本发明实施例中的光模块结构的光纤阵列的安放位置的一个具体示例的示意图；

图17为本发明实施例中的光模块结构的光纤阵列的安放位置的一个具体示例的立体图；

图18为本发明实施例中的基于金丝键合Bonding-wire的光模块的插入损耗的仿真结果；

图19为本发明实施例中的基于倒装焊Flip-chip的光模块和基于金丝键合Bonding-wire的光模块的插入损耗的仿真结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供一种光模块结构，平面图如图3所示，立体图如图4所示，包括第一载板10，在第一载板10的上表面设置有电芯片11；第二载板20，设置在第一载板10的上方，在第二载板20靠近电芯片11的侧壁上设置有光电转换元件21，光电转换元件21通过倒装的方式设置，光电转换元件21通过连接结构30与电芯片11连接。由于硅载板(Silicon OpticalBench，SiOB)采用了较高加工精度的硅工艺，SiOB可以实现较小的尺寸，便于实现多通道光互连，在本实施例中，第二载板20为SiOB载板，长度为1.32mm，宽度为0.3mm，根据不同的光学通道数目的要求，SiOB载板的尺寸可以做相应的调整，因为是标准CMOS工艺，所以尺寸没有严格限制，合理选择SiOB载板的尺寸即可；当然，在其它可实施例中，第二载板20也可以为其它材料构成的载板，如玻璃载板、陶瓷材料载板等，根据需要合理选择即可。在本实施例中，第一载板10为印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)，即PCB板；当然，在其它可实施例中，第一载板10也可以为其它材料构成的载板，如高阻硅载板、玻璃载板、陶瓷材料载板、其他满足高频性能的有机材料构成的载板等，根据需要合理选择即可。在本实施例中，光电转换元件为2个，用于将电信号转换为光信号的垂直腔面发射激光器(VerticalCavity Surface Emitting Laser，VCSEL)和将光信号转换成电信号的光电二极管(Photo-Diode，PD)，电芯片为VCSEL的驱动芯片和与PD输出端连接的跨阻型放大器(Trans-impedance Amplifier,TIA)芯片，当然，在其它可实施例中，光电转换元件21可以为其它类型的元件，如激光器(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，LASER)，电芯片还可以为限幅放大器(Limiting Amplifier，LA)芯片或者是时钟数据恢复(Clock Data Recovery，CDR)芯片，根据需要合理设置即可。不同需求所需的光电转换元件21的数目不同，根据需要合理设置即可，在本实施例中，光电转换元件21为2个，安放于同一水平面，如图5所示；当然，在其它实施例中，也可以安放于不同水平面，如图6所示，光电转换元件21为4个，安放于不同水平面上，根据需要合理设置即可。

上述光模块结构将光电转换元件设置于电芯片上方，且将光电转换元件通过倒装焊的方式放置，可以缩短光电转换元件和电芯片之间的互连，减少损耗，提高传输速率。

在本实施例中，连接结构30，包括：第一连接线31，如图7所示，第一连接线31的第一端31a与光电转换元件21连接，第一连接线31的第二端31b延伸至第二载板20的底部，形成90度弯折，第一连接线31的立体图如图8所示；第一焊球32，第一焊球32的第一端32a与第一连接线31的第二端31b连接，第一焊球32的第二端32b与电芯片11或连接电芯片11的连接线相连，由于第一连接线31与电芯片11的间距可以减小到相当小，因此，它们之间的线损可以被控制地很小，传输速率高。在本实施例中，如图9所示，第一连接线31包括三层，从第二载板20表面向外依次为SiO₂层311、Cu层312和Ni层313，其中，SiO₂层311的厚度为0.5um～2um，Cu层312的厚度为2um～5um(优选值为3um)和Ni层313的厚度为4um～6um(优选值为4.5um)，第一端31b的宽度为50um，长度为200um～800um，相邻第一端31b的间距为100um；当然，在其它实施例中，第一连接线31可以为其它值，根据需要合理设置即可。

可选地，在上述光模块结构的第一载板10的底部还设置有控制芯片12，如图3所示，控制芯片12用于控制电芯片11，主要用于实现数据按照相应的协议标准来实现正常通信，控制电芯片11的参数；第二连接线13，位于第一载板10的上表面，第二连接线13的第一端13a与电芯片11连接，第二连接线13的第二端13b与控制芯片12连接。

在本实施例中，如图3所示，电芯片11倒装于第一载板10的上表面，第一载板10的上表面具有第三连接线14，第三连接线14的第一端14a与电芯片11连接，第三连接线14的第二端14b与第一焊球32的第二端32b连接；当然，在其它实施例中，平面图如图10所示，立体图如图11所示，电芯片11正装于第一载板10的上表面，电芯片11直接与第一焊球32的第二端32b连接，这样可以省去第一载板10上的传输线设计，减少损耗，电芯片11与第二连接线13之间的互连仍可以采用绑定线Bonding-wire的形式，制作方法简单，根据需要合理设置电芯片的安放形式即可。

可选地，为了改善光电转换元件21的散热且给第二载板20提供支撑，如图3所示，上述光模块结构还包括第三载板40，第三载板40与第一载板10并列排布，第三载板40的上表面与第二载板20的底部通过粘合材料50连接。为了改善电芯片散热，第三载板40具有伸出端41，伸出端41伸入第一载板10的底部且与第一载板10的底部通过粘合材料50连接。

可选地，为了减小损耗、提高光模块的传输速率，如图12所示，上述光模块结构还包括光纤阵列60，光纤阵列60垂直于光电转换元件21插入第二载板20中。由于光纤阵列60需要插入第二载板20，需要在第二载板20中开设容纳光纤阵列60的通道22，如图13所示；通道22待光纤阵列60插入并对位，如图14所示；对位后采用紫外固化胶进行固定，如图15所示。在本实施例中，如图16所示，光纤阵列60包括光纤61和包裹光纤的外壳62，外壳62可以是玻璃U形槽；当然，在其它实施例中，外壳62还可以为V型槽、或者是硅、有机等其他承载材料，根据需要合理设置即可。光纤阵列60的安放位置根据光电转换元件21的位置确定，具体安放位置如图17所示，使得光纤阵列60与光电转换元件21的发光面和受光面在同一水平面上，光纤阵列60的通道数根据光电转换元件21确定，本实施例中设置为12通道；当然，在其它实施例中可以设置为其它值，根据需要合理设置即可；当光电转换元件21位于不同水平面时，光纤阵列60和第二载板20中的容纳光纤阵列60的通道22与光电转换元件21位置对应即可，根据需要合理设置即可。

可选地，如图12所示，将上述光模块设置在壳体70内，第三载板40和控制芯片12通过导热材料80与壳体70的侧壁连接。为了保证光模块的电磁兼容性能(ElectromagneticCompatibility，EMC)、抗电磁干扰性能(Electromagnetic Interference，EMI)和抗静电性能(Electro-Static discharge，ESD)，光模块的壳体70通常选用金属材料，在本实施例中，金属材料可以为铜、铁、铝合金等，根据需要合理设置即可。光纤阵列60可以是可插拔或者固定在光模块内部，光口开放或者封闭，取决于光模块要求，本实施例不做具体限制。壳体70上设置有用于引出光纤阵列60的出口，在本实施例中，出口为通用光纤接口，如MPO(Multi Push On)连接器；当然，在其它实施例中，也可以为其它可以用于连接光纤的通用接口，根据需要合理选择即可；当光纤阵列60的长度较长时，也可以直接在壳体70上开孔，开孔作为出口将光纤阵列60引出，根据需要合理选择光纤阵列60的引出方式即可。

可选地，当环境温度较高或者光模块功耗较高时，如图12所示，上述光模块结构还包括散热装置90，安装于第三载板40和壳体70的接触侧。在本实施例中，散热装置90为散热片，并采用风冷散热，这样可以进一步提高光模块的热管理性能；当然，在其它实施例中，散热装置90还可以为其它可以用来散热的部件，如散热风扇、可控硅散热器等，根据需要合理设置即可。

以现有技术中的基于金丝键合Bonding-wire的光模块为例说明，硅载板(光电转换元件位于硅载板上面)、有机基板(电芯片位于有机基板上面)和MCU芯片(控制电芯片的控制芯片)的厚度都约为1mm，光电转换元件和电芯片位于同一个平面上，整个光模块的厚度只有2mm左右，相对较小。仿真结果如图18所示，虚线表示打线长度S1为300um的插入损耗，实线表示打线长度S1为400um的插入损耗，一般仿真带宽至少是信号传输速率的2次谐波频率，对于2Gbps信号，它的1次谐波是1GHz，而带宽至少为2GHz，在本实施例中，Ghz与Gbps之间的关系为2倍关系即1Ghz对应于2Gbps，按照仿真结果可以看出，这种基于金丝键合的光模块结构对于目前的单通10Gbps光模块能够满足要求；对于单通道25Gbps速率的光模块，需要尽量将打线长度控制在300um以下，打线难度大；不过对于单通道更高速率光模块，这两种长度都已经不能满足高频性能，但是本实施例中的技术方案可以通过增加通道数，例如25Gbps*16通道(channels)或者25Gbps*64channels，来实现光模块的总带宽为400Gbps甚至更高。

在本实施例中，相对于上述金丝键合Bonding-wire的方式，这种基于倒装焊的光模块，光电转换元件和电芯片不在同一个平面上，第一载板(本实施例中为SiOB载板)、第二载板(本实施例中为有机基板)和控制芯片(本实施例中为MCU芯片)的厚度都约为1mm，整个光模块的厚度超过3mm，相比于金丝键合结构其厚度大，不过这样厚度仍然小于标准化光模块的厚度标准(不超过1cm)；另外，这种基于倒装焊的光模块结构不仅对于目前的单通道10Gbps和25Gbps速率光模块能够满足要求；对于更高速率光模块，可以增加通道数来提高传输速率，在此不再赘述，如单通道40Gbps，因为采用尺寸较小的焊球和较短的基板传输线进行连接，具有较小的寄生电感和较好的高频传输性能，可以作为高速率光模块的解决方案。对于焊球，这里采用圆柱来等效焊球进行建模，焊球直径为60um，图19为本发明实施例中的基于倒装焊Flip-chip的光模块和基于金丝键合Bonding-wire的光模块的插入损耗的仿真结果，虚线表示金丝键合Bonding-wire的插入损耗，实线表示Flip-chip键合方式的插入损耗，相对于金丝键合而言，由于Flip-chip的组装方式使得互连路径明显变短，并且传输路径感性减弱，因而Flip-chip组装方式的插损明显小于金丝键合的组装方式，由图19的仿真结果可以看出，25GHz时，两者插损相差-1.5dB左右。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种光模块结构，其特征在于，包括：

第一载板(10)，在所述第一载板(10)的上表面设置有电芯片(11)；

第二载板(20)，设置在所述第一载板(10)的上方，在所述第二载板(20)靠近所述电芯片(11)的侧壁上设置有光电转换元件(21)，所述光电转换元件(21)通过连接结构(30)与所述电芯片(11)连接。

2.根据权利要求1所述的光模块结构，其特征在于，所述连接结构(30)包括：

第一连接线(31)，第一连接线(31)的第一端(31a)与所述光电转换元件(21)连接，第一连接线(31)的第二端(31b)延伸至所述第二载板(20)的底部；

第一焊球(32)，第一焊球(32)的第一端(32a)与所述第一连接线(31)的第二端(31b)连接，第一焊球(32)的第二端(32b)与所述电芯片(11)或连接所述电芯片(11)的连接线相连。

3.根据权利要求1或2所述的光模块结构，其特征在于，在所述第一载板(10)的底部还设置有控制芯片(12)，所述控制芯片(12)用于控制所述电芯片(11)；第二连接线(13)，位于所述第一载板(10)的上表面，第二连接线(13)的第一端(13a)与所述电芯片(11)连接，第二连接线(13)的第二端(13b)与所述控制芯片(12)连接。

4.根据权利要求3所述的光模块结构，其特征在于，所述电芯片(11)倒装于所述第一载板(10)的上表面，所述第一载板(10)的上表面具有第三连接线(14)，第三连接线(14)的第一端(14a)与所述电芯片(11)连接，第三连接线(14)的第二端(14b)与所述第一焊球(32)的第二端(32b)连接。

5.根据权利要求3所述的光模块结构，其特征在于，所述电芯片(11)正装于所述第一载板(10)的上表面，所述电芯片(11)直接与所述第一焊球(32)的第二端(32b)连接。

6.根据权利要求4或5所述的光模块结构，其特征在于，还包括第三载板(40)，所述第三载板(40)与所述第一载板(10)并列排布，所述第三载板(40)的上表面与所述第二载板(20)的底部通过粘合材料(50)连接。

7.根据权利要求6所述的光模块结构，其特征在于，所述第三载板(40)具有伸出端(41)，所述伸出端(41)伸入所述第一载板(10)的底部且与所述第一载板(10)的底部通过所述粘合材料(50)连接。

8.根据权利要求1-7任一所述的光模块结构，其特征在于，还包括光纤阵列(60)，所述光纤阵列(60)垂直于所述光电转换元件(21)插入所述第二载板(20)中。

9.根据权利要求8所述的光模块结构，其特征在于，所述光模块设置在壳体(70)内，所述第三载板(40)和所述控制芯片(12)通过导热材料(80)与所述壳体(70)的侧壁连接。

10.根据权利要求1-9任一所述的光模块结构，其特征在于，还包括散热装置(90)，安装于所述第三载板(40)和所述壳体(70)的接触侧。