CN108614330A - 主动光缆的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光主动光缆的制造方法，包括：(a)覆晶封装芯片在一电路板上，以形成一光电电路板；(b)光电电路板整合在一光学平台上，以形成一光电元件；(c)光电元件整合于一印制电路板上，以形成一光电模组；(d)利用胶体封装该光电元件；(e)缆线接合于该光电模组上；以及(f)利用低温低压射出成型以形成主动光缆。

Description

主动光缆的制造方法
技术领域
本发明关于一种光电元件，特别涉及一种用于光学元件与电子元件之间提供信号传输与转换的主动光缆的制造方法。
背景技术
光束或光信号经常被用于电子装置之间、长距离与相邻电路板之间传输数字化资料。根据需要，进行资料传输的光束可以被调变。光信号也可以用于其它目的，包括位置或运动感测、测量等。
某些类型的光纤连接器为主动系统，其在本领域中被称为“主动光缆”(AOC，Active Optical Cable)。AOC将光缆所载的光纤连接至主动光电元件，如AOC中的收发器(例如：传输器及接收器装置，或电-光转换器)。AOC通常使用电连接器，其经组态以与电性装置或电缆连接。AOC用于将电脑、服务器、路由器、大量储存装置、电脑芯片以及类似的资料装置相互连接，且时常用于电信网络。
因此，光学技术在现代电子装置之中扮演了一个重要的角色，且许多电子装置采用光学元件。这种光学元件的例子包括光学或光源，例如发光二极管与激光、波导、光纤、透镜和其它光学部件、光检测器和其它光学感测器、光学敏感半导体和其他。
光纤的使用需要光电转换模组，以将电信号转换成光信号，或将光信号转为电信号。光电转换模组被连接以固定到光纤的端部，或可以从光纤的端部连接或拆卸。
对于光电缆线来说，并不会采用射出成型做封胶保护。主要原因是目前大部分的光电模组封装方式，采用板上芯片(COB，Chip On Board)封装方式，而其不适用射出成型的分析原因如下：(1)其中光源芯片(LD)、光接收元件(PD)和控制IC是采用COB方式粘贴于印制电路板(PCB)上，透过打线方式连接LD/PD和控制IC以及控制IC和印制电路板；之后，镜组(connector body)再将光电芯片盖住并且粘贴于印制电路板上。为了维持镜组中的透镜阵列与LD/PD之间的焦距和避免碰触到打线，镜组下方必须要有足够的高度空间，而这高度通常不小于300微米(μm)。这样的空间很容易让胶材灌入而造成光电芯片或是打线的损坏；(2)镜组的面镜(mirror)是为将光学信号做非共平面转折且有效的引导外部光路的信号而设计，镜组本体材质与外部空气之间的折射率差异形成一有效的全反射效应。因此在进行封胶作业时，必须要避免胶材进入面镜空间。若胶材进入的话，其有效的全反射效应将失去作用。可以利用胶带或是保护盖方式保护，但是通常成型时压力过大，容易使胶材进入面镜处(因为内外压力差大)；(3)一般射出成型的压力设定在350～1300bar，以及射出温度会达到200℃以上。镜组在这样的压力冲压下容易造成损坏，而其耐温温度通常不超过200℃。因此，一般射出成型动辄200℃以上，容易造成镜组受高温而变形。
在光电转换模组架构运作机制中，为了可以达到光源芯片与光接收元件于光电转换模组与外部装置之间能顺利地传输光学信号，光源芯片与光接收元件必须对准镜组中的透镜阵列。然而在一般的板上芯片(COB)封装方式，光源芯片和光接收元件与盖于其上的镜组中的透镜阵列之间的距离过长(例如大于300微米(μm))，而较难以对准。因此，在对准封装时将光源芯片或光接收元件驱动，同时激发和接收光学信号，通过观测镜组在对准封装位移时的光学信号强度变化，来决定封装位置以达到光学对准要求。因此，透过此种对准封装机制，其模组封装时程较久而不利于大量生产。
鉴于上述现有技术的缺点，本发明提供一种崭新的主动光缆的制造方法以克服上述缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种主动光缆的制造方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种主动光缆的制造方法，包括(a)覆晶封装芯片在一电路板上，以形成一光电电路板；(b)光电电路板整合于一光学平台上，以形成一光电元件；(c)光电元件整合于一印制电路板上，以形成一光电模组；(d)利用胶体封装该光电元件；(e)混合式缆线或光纤元件接合于该光电模组上；以及(f)利用低温低压射出成型以形成主动光缆。
此光电模组包括电路板，具有导线形成于该电路板上；至少一光学元件通过覆晶封装在电路板上，以电连接至电路板上的导线；光学平台具有一第一配置区用以支撑印制电路板，一第二配置区用以支撑电路板；其中光学平台包括至少一透镜阵列与一镜面，至少一透镜阵列之一对准至少一光学元件。
根据本发明的另一实施例，混合式缆线包括电线，耦合印制电路板；光纤元件，耦合光电模组。第一透镜阵列与第二透镜阵列的配置方向相同。第一透镜阵列、第二透镜阵列与镜面是嵌入至光学平台中。导线印制于电路板上以耦合至少一光学元件。
根据本发明的一实施例，上述方法还包括提供一光纤接头以用于接合该光学平台与该光纤元件。光电元件通过金属线接合或覆晶板封装法以电连接该印制电路板。在另一实施例中，一连接头用以电连接印制电路板。
根据本发明的另一实施例，印制电路板通过一粘合材料以附着于光学平台的第一配置区上。电路板通过一粘合材料以附着于光学平台的第二配置区上。
电路板的大小为小于或等于光学平台的第二配置区的大小。
光电组件还包括一导向柱，用以接合光学连接器与光学平台以及光纤元件。印制电路板具有导电端以电连接电线。导线印制于印制电路板上。第一配置区位于光学平台的两侧。电路板具有一穿孔，穿过电路板的一上表面至电路板的一底部表面。
其中该步骤(b)中，利用电路板上的穿孔以对准光学平台上的对准记号。其中该步骤(c)中，利用印制电路板上的一穿孔以对准该光学平台上的对准记号。
此些优点及其它优点从以下较佳实施例的叙述及权利要求将使读者得以清楚了解本发明。
附图说明
如下所述的对本发明的详细描述与实施例的示意图，应使本发明更被充分地理解；然而，应可理解此仅限于作为理解本发明应用的参考，而非限制本发明于一特定实施例之中。
图1显示根据本发明的一实施例的主动光缆的制造方法的流程示意图；
图2显示根据本发明的一实施例的覆晶封装芯片于电路板上的一示意图；
图3显示根据本发明的一实施例的光电电路板配置于光学平台上的一示意图；
图4显示根据本发明的一实施例的光电元件配置于印制电路板上的一示意图；
图5显示根据本发明的一实施例的光电元件互相电连接印制电路板的一示意图；
图6显示根据本发明的一实施例的利用胶体以封装光电元件的一示意图；
图7显示根据本发明的一实施例的光电模组与光电混合缆线接合的一示意图；
图8显示根据本发明的另一实施例的光电模组的一截面图；
图9显示根据本发明的一射出成型后的主动光缆的一示意图。
主要部件附图标记：
100、110、120、130、140、150、160 步骤
200 电路板
201 光源芯片
202 光接收元件
203 控制集成电路(control IC)
204 驱动集成电路(driver IC)
205a、205b 穿孔
206 散热(金属)区域
207 导线
210 光电电路板
300 光学平台
301 平台区域
302、308 透镜阵列
303 凹槽部分
304 置放区域
305 记号
309 镜面
310 光电元件
320 导向柱(guide pin)
400 印制电路板
401 金属线打线
402 焊接垫
403 U-形区域
405 穿孔
406 口字型开口
407 电路线
410 光电模组(OE module)
420 胶体
500 光纤接头(optical connector)
510 导向孔(guide hole)
600 混合式缆线
620 电缆线
630 光纤元件
700 胶材
800 外壳
具体实施方式
此处本发明将针对发明具体实施例及其观点加以详细描述，此类描述为解释本发明的结构或步骤流程，其是供以说明之用而非用以限制本发明的权利要求。因此，除说明书中的具体实施例与较佳实施例外，本发明亦可广泛施行于其它不同的实施例中。以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可通过本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的功效性与其优点。且本发明亦可通过其它具体实施例加以运用及实施，本说明书所阐述的各项细节亦可基于不同需求而应用，且在不悖离本发明的精神下进行各种不同的修饰或变更。
图1显示根据本发明的一实施例的一主动光缆(Active Optical Cable)的制造方法流程图。举例而言，主动光缆包括一缆线、一第一光电转换组件以及一第二光电转换组件，第一光电转换组件与第二光电转换组件分别连接光电混合缆线的两端。主动光缆可以用于单向或双向信号传输。主动光缆可以应用于一高速传输线，例如USB、HDMI、Lighting或Thunderbolt等用于缆线消费性产品，或应用于一传输线，例如DATABUS包括光纤通道(FC)、SAS、PCIe或SATA用于光电产品或设备。在一例子中，主动光缆可以用于数字影音装置或设备之间的连接。在一实施例中，第一光电转换组件为一光学传输器，而第二光电转换组件为一光学接收器，以利于单向传输。在另一实施例中，第一光电转换组件为一第一光学收发器，而第二光电转换组件为一第二光学收发器，以利于双向传输。举例而言，根据不同的应用，主动光缆可以用于一光纤缆线或一混合式缆线。混合式缆线包括光纤与电线。
上述主动光缆的制造方法包括步骤100，覆晶(flip-chip)封装芯片于电路板上，以形成一光电电路板。在此步骤100中，芯片包括光学元件，例如一光源芯片(激光二极管、发光二极管)201与一光接收元件(或光检测芯片)202，与驱动集成电路集成电路(driverIC)204、控制集成电路集成电路(control IC)203；上述芯片是利用覆晶封装方法配置于电路板200上，如图2所示。在一实施例中，光源芯片201配置于电路板200上。在一实施例中，集成电路(ICs)，例如转阻放大器芯片、或其他主动元件系配置于电路板200上。此外，被动电子元件也可以配置于电路板200上。在一实施例中，集成电路(ICs)、被动电子元件可以配置于电路板200上。在一实施例中，导线(conductive trace)207印制于电路板200上。导线207，例如为金属线路(metal trace)，是分布于上述芯片的周边，可以通过一相同的制程所形成。上述光源芯片201、光接收元件202、ICs 203与204是通过一覆晶封装制程而封装于电路板200上。电路板200上的导线207可以电连接至外部应用电路(印制电路板上的焊线垫)，例如通过金属线接合(wire bonding)电连接或直接电连接(例如覆晶封装方式)。电路板200上的部分导线207电连接至光源芯片201与IC 204，而部分导线207电连接至光接收元件202与IC 203。电路板200的材料包括硅、二氧化硅、陶瓷或介电材料，或者电路板200本身为一软性印制电路板作为一基板。
上述芯片封装于电路板200上而形成光电电路板(OE Circuit Board)210。光电电路板210上除了金属线路207之外，更具有大片散热区域(金属区域)206布置于芯片四周，以将各芯片所产生的热量快速地导离芯片所在区域。散热(金属)区域206可以通过不同的图形设计，以成为更有效的散热机制。电路板200上制作数个穿孔(via hole)。位于光源芯片201或光检测芯片202下方的穿孔205a可以作为光信号通道，其主要让光学信号可以穿透电路板200。然而光信号通道的穿孔205a制作与否，取决于光学信号波长以及电路板材质的选择。而其他的穿孔205b则是提供检测与对准作用，将于下一步骤说明。上述电路板上方的散热(金属)区域206、金属线路207与穿孔205a、205b可以透过半导体制程来制作。金属区域206与金属线路207，可以通过一相同的制程所形成。
接下来，在步骤110之中，光电电路板与光学平台(Optical Bench)整合，如图3所示。在此步骤110中，光电电路板210配置于光学平台300上以形成一光电元件(OEcomponent)310。光学平台300上方具有一平台区域301以提供光电电路板210置放于其上。举例而言，光电电路板210通过一粘性材料(例如：胶体)以粘合于光学平台300上。在一实施例中，光学平台300利用一射出成型制程，例如塑胶射出成型制程，以形成一配置区域(平台)301、透镜阵列302。配置区域(平台)301是用以支撑光电电路板210。在一实施例中，配置区域(平台)301位于光学平台的上方，具有一凹槽部分303，而透镜阵列302位于其中。透镜阵列302用以聚光、集光或导光。透镜阵列302可以用于提升光学使用的效率与增加光学元件封装的容许值。光学平台300上方具有作为封装辨识或检查用的记号(mark)305。此记号305可以为凸点或是凹点。此记号305与光电电路板210上的检测作用穿孔205b为对应关系，而记号305的凸点直径小于穿孔205b的直径。因此，封装过程中或是完成之后，透过检查凸点记号是否位于穿孔内，以控制或检查封装误差值，如图3所示。
然后，在步骤120中，光电元件310配置于印制电路板400上，如图4所示。在此步骤120中，光电元件310整合印制电路板400为一光电模组(OE module)410。之后，在步骤130中，光电元件310互相电连接印制电路板400。由光电电路板210与外部应用电路的电性接合方式作区分，光电元件310与印制电路板400的电连接方式可以分为两种，包含金属线接合(wire bonding)与直接金属接合。在金属线接合方式中，光学平台300的左右两侧具有一置放区域(低部分平台)304，用以提供给印制电路板400配置于其上。举例而言，印制电路板400的U-形区域403通过一粘合材料(例如：胶体)以粘合于光电元件310的置放区域304上。光电电路板210通过金属线打线401以电连接印制电路板400的焊接垫402，以形成光电模组410，而与外部应用电路做电性接合，如图4所示。在直接金属接合方式中，利用覆晶板封装法(flip board mounting)，光电电路板210的芯片面向印制电路板400的口字型开口406，将光电电路板210的对外连接金属线(金属线路207)与印制电路板400上的电路线407直接金属压合连接，以形成一光电模组覆晶封装构件(flip-chip assembly)410，如图5所示。印制电路板400须有一足够空间的开口406，以避免与光电元件310之间有空间干涉问题。在上述的开口406周围，另外有数个较小的穿孔，使用于观察上面所提到位于光学平台300上方的凸点或凹点记号305。记号305的直径小于穿孔405的直径。亦即，当光电元件310与印制电路板400整合为光电模组410时，穿孔405对准穿孔205b与记号305。
接下来，在步骤140之中，利用胶体以封装光电元件310。为了保护光电模组410上的光电元件310，利用胶体(encapsulant)420以封装该光电元件310的上表面与下表面以进行保护，如图6所示。而胶体420除了提供光电元件310的保护作用之外，还可以成为一良好的散热导体(导热路径)，由此将光电元件310所产生的热源有效的导出。
然后，光电模组与光电缆线接合，以形成一光电转换组件。在步骤150中，光电模组410接合光纤630与电缆线620。在实施例中采用的是混合式缆线(Hybrid Cable)600，所谓的混合式缆线是包含光纤元件630和电缆线620所整合成的缆线。通常光纤元件负责传输高速的数据信号，而电缆线的部分是提供低速信号连结或是电源供应。光电转换组件还包括一光纤接头(optical connector)500以用于接合/连接光学平台300与光纤元件630。
混合式缆线600的光纤部分630要与光电模组410接合的地方，会接合一光纤接头500。而光纤接头500要与光电模组410接合的面会有导向孔(guide hole)510，其作用是与光电模组410中的光电元件310前端的导向柱(guide pin)320做接合。混合式缆线600的电缆线部分620与光电模组410的接合的方式，包括电线部分620直接电性焊接(soldering)于光电模组410的一侧(上表面或下表面)，或是采用电连接器。另一缆线实施例，是使用光纤缆线。其中没有电线的接合部分，仅有光纤接头500与光电模组410接合。
在一实施例中，光纤元件630为一光学带状光纤(ribbon fiber)或束状光纤(bundle fiber)。光学带状光纤具有光纤嵌入光学连接器500的接收孔洞中以利于光学耦合至光电电路板210上的光学元件。光纤嵌入光学连接器500以耦合/连接(接合)至光电转换模组。接收孔洞可以为圆柱形。举例而言，光纤为多膜光纤或单膜光纤。并排的光纤配置于光学带状光纤630之中。每一光纤的结构具有一核心部分(core)形成于其中心，与一包覆部分(cladding)围绕核心部分；另外可以增加一涂布层而涂布于包覆部分的外表面以保护核心部分与包覆部分。核心部分的折射率(n)为1.35～1.70，而包覆部分的折射率为1.35～1.70。
最后，在步骤160中，进行一射出成型(molding)制程，例如塑胶射出成型制程，以封装光电模组410，如图9所示。本发明采用低压(1～60bar)低温(<200度C)射出成型。射出成型的材料可以为塑胶材料。成型外观可以单纯是胶材700，也可以套上外壳800之后再进行成型胶材700，以保护光电模组410。外壳800的材料可以为金属或塑胶等材料。
以金属线接合方式为例，本发明的光电模组410封装(如图8所示)对于一般光电模组封装而言，光电模组缆线射出成型具有以下几点特征与优势：
(1)本架构设计包含一电路板200，其位于镜组302与LD/PD之间(焦距)，其作用包括：a).减少胶材可流入空间；b).保护镜组(lens array)302不受胶材影响。
(2)光电芯片以及打线部分皆有胶体封装(encapsulant)保护，因此不会因为射出成型的射出压力造成损坏。
(3)本发明采用低压(1～60bar)低温(<200度C)成型，可以避免一般射出成型为高压高温而容易造成镜组损坏的缺点。
(4)低压的设定下，透过保护机制(胶带或保护盖)可以有效避免胶材进入面镜308处。(内外压力差较小)。
电路板200的大小约等于光学平台300的配置区域(平台)301的大小。
光电转换模组具有电路板200以及具有双侧透镜阵列302与308的光学平台300，如图8所示。在一实施例中，透镜阵列302的配置方向与透镜阵列308的配置方向相同。光学平台300具有一平台区域301用于电路板200可以配置/固定于其上。在一实施例中，透镜阵列302、透镜阵列308与镜面309整合/形成于光学平台300中。镜面或反射面309整合于光学平台300中。镜面或反射面309被动地用于光源芯片201所发出的光信号，使其可以非共平面的转折(光学反射)，且光信号可以导向至外部的光传输介质，例如光纤。相反地，透过外部的光传输介质(光纤)传输的光信号可以通过镜面309而导向该些光信号，并进一步被光接收元件202所接收。镜面309可以被制作而直接整合于光学平台300或电路板200中。
在一实施例中，光学连接器500包括一光纤连接部分与一光学平台连接部分用以分别连接光纤元件与光学平台。光学连接器500可以作为一外部的光学传输介质(光纤)的连接部分。上述接收孔洞是从光纤连接部分的前表面而延伸穿过学平台连接部分的后表面。在一实施例中，光纤连接部分与光学平台连接部分为一体成型。
复数个光纤的后端固定于光学连接器500的光学平台连接部分的一端。光电转换模组具有一功能将从外部的电子装置或设备的一光信号(经由复数个光纤)转换为一电信号，或经由复数个光纤而传送一光信号至外部的电子装置或设备。
在一实施例中，ICs例如为一驱动IC、控制IC或转阻放大器芯片、或其他主动元件配置于电路板上。驱动IC可以用于驱动光源芯片(例如光电元件)以发光。
在一实施例中，电路板具有导波功能用以导光。电路板包括一光波导部分嵌入于电路板中。光波导部分的材料与厚度可以依照实际的应用所需而选择。举例而言，光波导部分的材料包括高分子材料、介电质材料，例如聚亚酰胺。在一实施例中，电路板为一可挠性基板。光源芯片可以发射可见光或非可见光。光源芯片例如为一激光光源、红外光源或发光二极管(LED)。红外光存在于红外光频带中，其可以通过激光或发光二极管所发射。
电路板可以通过一粘合材料(例如环氧树脂)以附着于光学平台的平台区域上。
光学平台结合具有可挠性波导(光波导部分)的电路板以用于光通信。此结构可以透过可挠性波导以接收与传送光信号。光源芯片所产生的光可以反射于可挠性波导的一侧边的光学微反射面。
如上所述，可挠性基板的可挠性波导(光波导部分)包括一上层包覆部分、一核心部分与一下层包覆部分。上层包覆部分、核心部分与下层包覆部分的材料并不特别的限定，其可能为例如丙烯酸树脂(acrylic resin)、环氧树脂(epoxy resin)或聚酰亚胺树脂(polyimide resin)等。
光学微反射面设置于光路径上而延伸于光源芯片(光电转换阵列元件)与核心部分之间以90度偏折光路径。
电路板200可以允许光路径穿越其中，以利于光源芯片201所发射光可以穿过其中，或者外部元件所发射光可以穿过其中。在另一实施例中，电路板200具有一穿孔从电路板200的上表面穿透至电路板200的下表面以允许光路径穿透其中，以利于光源芯片201所发射光可以穿过其中，或者外部元件所发射光可以穿过其中。导电凸块(例如：焊接凸块、金属凸块或金凸块)可以形成于导线207上以用于耦合至光源芯片201、光接收元件202、ICs204与203。
电路板上的导线可以通过焊线或覆晶板而电连接至ICs或电路板以传输信号。
综合上述，本发明的优点还包括：
(1)光电电路板上除了金属线路外，还包括大片金属区域布在芯片四周，以将各芯片所产生的热量快速地导离芯片所在区域；金属区域可以透过不同的图形设计，成为更有效的散热机制。
(2)光电电路板上方会制作数个穿孔(via hole)。若穿孔位于光源芯片或光检测芯片下方，这些穿孔即为光信号通道，主要让光学信号可以穿透电路板。然而光信号通道的穿孔制作欲否，取决于光学信号波长以及电路板材质选择。而其他的穿孔则是提供检测作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种主动光缆的制造方法，其特征在于，包括步骤：
(a)覆晶封装复数芯片在一电路板上，以形成一光电电路板；
(b)该光电电路板配置在一光学平台上，以形成一光电元件；
(c)该光电元件配置于一印制电路板上，以形成一光电模组；
(d)利用一胶体封装该光电元件；
(e)混合式缆线或光纤缆线接合于该光电模组上，以形成一光电转换组件；以及
(f)利用低温低压射出成型以形成该主动光缆。
2.如权利要求1所述的主动光缆的制造方法，其特征在于，所述光电模组包含：
所述电路板，具有导线形成于该电路板上；
至少一光学元件，通过覆晶封装于该电路板上，以电连接至该电路板上的该导线；
所述光学平台，具有一第一配置区用以支撑所述印制电路板，一第二配置区用以支撑该电路板；以及
其中该光学平台包括至少一透镜阵列与一镜面，该至少一透镜阵列之一对准该至少一光学元件。
3.如权利要求1所述的主动光缆的制造方法，其特征在于，所述混合式缆线包括电缆线，耦合所述印制电路板；光纤元件，耦合所述光电模组。
4.如权利要求3所述的主动光缆的制造方法，其特征在于，还包括提供一光纤接头以用于接合所述光学平台与所述光纤元件。
5.如权利要求3所述的主动光缆的制造方法，其特征在于，还包括所述光电元件利用覆晶板封装法以电连接所述印制电路板。
6.如权利要求1所述的主动光缆的制造方法，其特征在于，所述电路板具有一穿孔，穿过该电路板的一上表面至该电路板的一底部表面。
7.如权利要求6所述的主动光缆的制造方法，其特征在于，所述步骤(b)中，利用所述电路板上的所述穿孔以对准所述光学平台上的对准记号。
8.如权利要求1所述的主动光缆的制造方法，其特征在于，所述步骤(c)之中，利用所述印制电路板上的一穿孔以对准所述光学平台上的对准记号。
9.如权利要求1所述的主动光缆的制造方法，其特征在于，还包括所述光电元件通过金属线接合以电连接所述印制电路板。
10.如权利要求1所述的主动光缆的制造方法，其特征在于，还包括所述光电元件利用覆晶板封装法以电连接所述印制电路板。
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