CN110392855A - 具有光传输路径的电光电路、用于安装到这种电光电路中的电光结构组件和用于产生电光电路的光学接口的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电光电路，其中，光波导体(24)嵌入电路载体(11)中。根据本发明，设置有电光结构组件(14)，电光结构组件本身具有承载构件(15)，电光发送器(17)或者电光接收器(18)安装在承载构件上。根据本发明，这些电光结构组件安装在电路载体(11)上，使得光学结构元件(17、18)可以与光波导体(24)的光轴(26)直接对齐，因此可以放弃将射束转向至电路载体(11)的安装侧(12)。这明显简化了安装，其中，仅必须考虑电子器件安装的公差要求。本发明还涉及一种用于安装所提到的电光电路的方法。

Description

具有光传输路径的电光电路、用于安装到这种电光电路中的 电光结构组件和用于产生电光电路的光学接口的方法
技术领域
本发明涉及一种具有光传输路径的电光电路。该电光电路包括具有光发送结构元件和/或光接收结构元件的电光结构组件，光发送结构元件和/或光接收结构元件安装在承载构件的安装面上。此外，电光电路包括具有安装侧和嵌入的光波导体的电路载体，其中，光波导体的一个端面在电路载体的安装侧引入的凹部中暴露，即，光可以通过暴露的端面耦合到光波导体中。此外，电光电路在安装在电路载体上的电光结构组件与集成在电路载体中的光波导体之间具有光学接口。
此外，本发明涉及一种具有光发送结构元件和/或光接收结构元件的电光结构组件，光发送结构元件和/或光接收结构元件安装在为此设置的承载构件的安装面上。该电光结构组件适合用于安装到前面描述的电光电路中。
最后，本发明涉及一种用于在电光电路中产生光学接口的方法。在该方法中，提供具有安装侧和嵌入的光波导体的电路载体，光波导体的一个端面在安装侧引入的凹部中暴露。此外，具有光发送结构元件和/或光接收结构元件的电光结构组件安装在电路载体上，光发送结构元件和/或光接收结构元件安装在承载构件的安装面上。
背景技术
根据DE 10 2004 034 332 B3已知，可表面安装的具有光发送结构元件或者光接收结构元件的电光结构组件可以在电路载体上进行电接触。在此，通过将射束转向引入到电路载体的凹陷部中，在光发送结构元件或者光接收结构元件与集成到电路载体中的光波导体之间产生接口。这使得光发送结构元件和光接收结构元件，能够以垂直取向的光传输轴布置在承载构件的上侧，其中，借助射束转向，保证光信号耦合到水平取向的光波导体中或者从水平取向的光波导体解耦。借助止挡部来实现为此需要的定位精度，止挡部使遵循适合用于光学部件安装的公差要求变得简单。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，给出一种具有光传输路径的电光电路、具有光发送结构元件和/或光接收结构元件的电光结构组件以及用于在电光电路中产生光学接口的方法，其中，能够以小的安装开销形成光学接口，并且能够以成本低廉的方式制造涉及的光学接合配件。
根据本发明，上述技术问题如下利用开头给出的电光电路来解决，即，将光发送结构元件和/或光接收结构元件安装在承载构件上，其中，光发送结构元件和/或光接收结构元件的相应的光轴与安装面平行地取向。此外，光学结构组件利用安装面，以安装面面对电路载体的安装侧的方式安装在电路载体上。在此，光发送结构元件和/或光接收结构元件伸入凹部中，并且与暴露的光波导体形成唯一的光轴(其中，如下面还将详细说明的，该光轴受公差影响)。也就是说，光发送结构元件和/或光接收结构元件与光波导体的方向上的定义传输方向的光轴对齐，从而可以在没有射束转向的情况下实现光学接口。这意味着，唯一的光轴对于传输路径就足够了。
没有转向元件的配置具有如下优点。首先，省去了射束转向的结构元件，由此可以以更小的制造开销制造所使用的具有光发送结构元件和/或光接收结构元件(下面简称为光学结构元件，其中，光学结构元件可以实施为光发送结构元件和/或光接收结构元件)的电子结构组件。此外，通过沿着唯一的光轴布置光学结构元件和光波导体，来形成光学接口，通过该光学接口，使得能够有利地在更大的公差范围内进行光传输。由此，光学结构组件在电路载体上的安装也得到简化。尤其是，可以以也适用于电子部件的安装的公差要求来进行电光结构组件的安装，其中在此，与在进行光学部件安装时相比，适用更大的公差范围。这有利地使电光结构组件的安装方法得到简化，并且使该安装方法的成本降低。
根据本发明的一个有利的设计方案设置为，在承载构件的安装面上形成第一接触面，在第一接触面上，光发送结构元件和/或光接收结构元件进行电接触。因此，同样以适用于电子器件安装的公差要求来进行所述光学结构元件在承载构件上的安装。通过进行电接触，光学结构元件一方面被固定，并且另一方面进行电接触，以保证能量供应或者输出电信号。在此，可以通过支持该功能的部件来对电光结构组件进行补充。例如，对于光发送结构元件，可以将驱动电路集成到电光结构组件中。对于光接收结构元件，可以集成放大器电路，从而可以进一步处理基于光电转换而产生的电信号(信号调节)。
根据本发明的另一个设计方案设置为，在安装面上设置有第二接触面，第二接触面与第一接触面电连接，并且与电路载体的安装侧的第三接触面电连接。以这种方式，可以在电路载体与电光结构组件之间交换电信号。因此，电光结构组件可以通过信号技术与电光电路进行通信。此外，这些电接触也可以用于将电光结构组件机械地固定在电路载体上，如已经说明的，由于公差要求有利地相对低，在电气安装过程期间，将电光结构组件相对于光波导体对齐，以形成接口，因为不需要遵循对于光学部件安装来说通常更高的公差要求。
特别有利的是，第二接触面对称地分布在光发送结构元件和/或光接收结构元件周围。由此，确保在建立电连接时出现的公差可以保持尽可能小。例如，在形成电连接时，当在形成电连接期间，接合辅助材料、例如焊接材料的体积减小时，电光结构组件更均匀地下降。由此，电光结构组件相对于电路载体的安装侧倾斜地取向的危险有利地减小。
根据本发明的另一个设计方案设置为，在安装面上设置有第一附加接触面，第一附加接触面与通过电光结构组件形成的电路没有电连接。这些第一附加接触面分别与电路载体的安装侧的第二附加接触面连接。也就是说，有利地，这种第一和第二附加接触面不用于各个功能元件的电接触，而是对第二和第三接触面的布置进行补充，从而特别有利地，第二接触面和第一附加接触面整体可以对称地分布在光发送结构元件和/或光接收结构元件周围。这在第二接触面的有意义的对称的布置由于其数量而不可能时，也是可能的。
根据本发明的另一个设计方案设置为，在承载构件上安装有多个光发送结构元件和/或光接收结构元件。由此，在多个光波导体嵌入电路载体中的应用情况下，通过在承载构件上组合形成多个接口所需的光学结构元件，可以进一步简化安装过程。这种电光结构组件的制造开销也可以有利地降低。
也有利的是，光波导体构造为玻璃光波导体，即由光学玻璃制成。与光学塑料相比，这种材料有利地尤其是相对热稳定的。因此，可以在焊接过程中，对在电路载体中使用玻璃光波导体的电光电路施加比较强的热负荷，而不会使电路载体损坏。因此，尤其是也可以利用回流焊接过程来形成焊接连接。
根据本发明的一个有利的设计方案设置为，光波导体具有至少0.05mm2、最大1mm2的横截面积。在正方形的横截面的情况下，这对应于横截面的大约225μm至1mm的边长。有利地，也可以设置为，光波导体是圆形的，并且具有至少250μm、最大1000μm的直径。已经证明，在这些横截面的情况下，提供足够大的公差范围，用于形成光学接口，其中，在该公差范围内，实现足够的光传输质量。特别有利地，当光发送结构元件发送频率为至少1kHz、最大1MHz的光信号，和/或光接收结构元件接收频率为至少1kHz、最大1MHz的光信号时，可以保证光学信号的传输。在该频率范围内，对传输质量的要求有利地不太高，从而可以实现所提供的安装所需的范围内的传输质量。
根据本发明的一个有利的设计方案，电光结构组件与电路载体之间的允许的位置公差，在垂直于安装侧的方向上，最大是光波导体的高度的一半，优选最大是光波导体的高度的三分之一，并且在平行于光波导体的端面以及平行于安装侧的方向上，最大是光波导体的宽度的一半，优选最大是光波导体的宽度的三分之一。在此，应当注意，测量垂直于安装侧的高度和平行于安装侧的宽度，因为波导的横截面垂直于电路载体的安装侧。已经证明，与所提到的移位相关联的光损耗有利地不太高，从而进一步保证所要求的传输质量。
此外，可以有利地设置为，承载构件具有间隔件，光发送结构元件和/或光接收结构元件安装在间隔件上。该间隔件可以用于补偿光波导体和光学结构元件的光轴的如下高度差，该高度差可能由于结构类型，由于光学结构元件的尺寸和嵌入的光波导体在电路载体中的位置而出现。
此外，可以有利地设置为，光发送结构元件和/或光接收结构元件装备有聚光光学部件、尤其是准直光学部件。由此，发送结构元件的光入射可以聚集到光波导体的端面上，以便尤其是在出现公差时，使光损耗保持尽可能小。同样，从光波导体解耦的光信号可以借助聚光光学部件聚集到光接收结构元件的接收面上。
根据本发明，上述技术问题还通过开头给出的电光结构组件来解决，其中，光发送结构元件和/或光接收结构元件安装在承载构件上，其中，光发送结构元件和/或光接收结构元件的相应的光轴与安装面平行地取向。在此，安装面形成在光发送结构元件和/或光接收结构元件周围延伸的安装区域，用于安装在具有用于电光结构组件的凹部的电路载体上。如已经提到的，可以有利地利用电子器件安装的方式，将这种电光结构组件安装在相关的电路载体上，其中，光学配置有利地构造为，在安装电子器件时出现的公差保证光信号传输的足够的质量。
上面已经结合对电光电路的描述，说明了电光结构组件的其它变形方案。尤其是，可以在承载构件的安装面上形成第二接触面和第一附加接触面，以使得能够借助第三接触面和第二附加接触面，在相关的电路载体上进行电接触。第二接触面或者第二接触面和第一附加接触面整体尤其是可以对称地分布在光发送结构元件和/或光接收结构元件周围。至少1KHz、最大1MHz的电光结构组件的光学结构元件的传输频率是特别有利的。在承载构件中可以设置用于安装光学结构元件的间隔件。此外，光学结构元件可以装备有聚光光学部件。
上述技术问题还通过开头给出的方法来解决，其中，根据本发明，在安装在电路载体上的电光结构组件与光波导体之间产生光学接口，其方法是，在承载构件上安装光发送结构元件和/或光接收结构元件，其中，光发送结构元件和/或光接收结构元件的相应的光轴与承载构件的安装面平行地取向。然后，利用面对安装侧的安装面，将光学结构组件安装在电路载体上，其中，将光发送结构元件和/或光接收结构元件引入凹部中，并且与暴露的波导一起形成光轴，即，一个光学结构元件或者多个光学结构元件和光波导体(在考虑到光学结构元件与光波导体之间的允许的公差的情况下)位于一个光轴上。因此，不需要相应的光学结构元件的光轴与光波导体的光轴之间的射束转向。由此，利用根据本发明的方法，实现具有上面提到的优点的电光电路。所述方法可以有利地以相对低廉的成本执行，因为在进行安装时，可以接受相对大的安装公差。
因此，根据所述方法的一个设计方案，还设置为，通过在承载构件与电路载体之间产生电连接，将电光结构组件安装在电路载体上。在此，可以考虑在电子器件安装中常见的公差，因为该公差对于光学结构元件相对于光波导体的取向也足够了。同时，可以从电路载体出发，通过所产生的电连接，对电光结构组件进行控制并且供应电能。
根据本发明的方法的另一个设计方案设置为，在进行安装时，作为电光结构组件与电路载体之间的允许的位置公差，在垂直于安装侧的方向上，遵循最大为光波导体的高度的一半，优选最大为光波导体的高度的三分之一，并且在平行于光波导体的端面以及平行于安装侧的方向上，遵循最大为光波导体的宽度的一半，优选最大为光波导体的宽度B的三分之一。由此，可以有利地确保，在光波导体与光学结构元件之间的接口中，保证足够高的传输质量。如果对于特定的安装方法，要考虑的公差是已知的，那么也可以从这些公差出发，确定必须嵌入电路载体中的光波导体的横截面，以便在充分利用该公差范围时，在光学接口中可以实现足够的传输质量。
附图说明
下面，根据附图描述本发明的其它细节。对相同或者相应的附图元素分别设置相同的附图标记，并且仅在各个附图之间存在差异的情况下，多次进行说明。各个附图的特征可以相互组合，因此得到本发明的其它实施方式。
图1以示意性的截面图示出了根据本发明的电光电路的实施例，
图2作为具有根据本发明的方法的实施例的方法步骤的一部分，示出了根据本发明的电光电路的另一个实施例，
图3以三维图示示出了根据本发明的电光结构组件的实施例，以及
图4在根据本发明的电光电路的实施例的一部分中，示出了光波导体与光学结构元件之间的可能的公差偏差。
具体实施方式
在图1中示出了电光电路。该电光电路由提供安装侧12的电路载体11构成。在该安装侧12上可以安装电气结构元件13。此外，两个电光结构组件14安装在安装侧12上。
电光结构组件14分别具有承载构件15，承载构件15具有用于容纳光发送结构元件17或者光接收结构元件18的安装面16。此外，在承载构件15的安装侧16也可以安装用于光学结构元件的信号调节的电气结构元件。对于光发送结构元件来说，这例如可以是驱动电子器件19，并且对于光接收结构元件18来说，这可以是放大器电子器件20。
电光结构组件14通过电气连接21安装在电路载体11上。在此，承载构件14的安装面16面对电路载体11的安装侧12，使得光发送结构元件17、光接收结构元件18、驱动电子器件19和放大器电子器件20伸入承载构件11的安装侧12中的为此设置的凹部22中。在电路载体11的各个层25之间嵌入的光波导体24的端面23分别在这些凹部22中暴露。暴露的端面23因此与光发送结构元件17和光接收结构元件18形成光学接口，从而形成光传输路径。通过所述光学结构元件17、18伸入凹部22中，发送结构元件17、接收结构元件18和光波导体24的光轴对齐，从而形成唯一的光轴26(虽然受公差影响)。
在图2中示出了电光结构组件14，在电光结构组件14上，两个光学结构元件、即光发送结构元件17和光接收结构元件18固定在安装面16上。因此，通过将电光结构组件14放置到为此设置的两个凹部22中，可以同时安装这两个光学结构元件。代替如图2所示的两个凹部22，也可以设置唯一的凹部(未示出)。在此，仅必须考虑光波导体的端面23相对于彼此相隔足够远，以便信号的光学传输不受干扰。
电光结构组件14与电路载体11通过形成焊接连接来连接。为此，在电路载体11上设置焊接材料27。在安装之后(在图2中未示出)，焊接材料27连接承载构件15的第二接触面28与电路载体11的第三接触面29。第二接触面28以未详细示出的方式分别与光发送结构元件17或者光接收结构元件18连接，从而例如可以通过电路载体上的电气结构元件13(参见图1)控制光发送结构元件17或者光接收结构元件18。
此外，在承载构件14上设置有第一附加接触面30，并且在承载构件11上设置有第二附加接触面31，第一附加接触面30和第二附加接触面31同样利用焊接材料27相互连接。第一附加接触面30和第二附加接触面31不承担电气功能，而是机械地稳定电光结构组件14与电路载体11之间的连接。
在图3中示出了装备有光发送结构元件17的电光结构组件14。光发送结构元件17位于间隔件32上，间隔件32适合用于，在进行电光结构组件14的安装之后，使得光发送结构元件17更深地伸入为此设置的凹部中，以便光发送结构元件17的光轴26位于光波导体(未示出，参见图1)的光轴上。
间隔件32形成安装面16的一部分，其中，在间隔件32上设置第一接触面33，光发送元件固定在第一接触面33上(例如借助焊接连接或者能导电的粘合剂)。光发送结构元件例如可以是LED。LED具有聚光光学部件34，聚光光学部件34安装在未详细示出的辐射面上，并且沿光轴23聚集辐射的光。光电二极管例如可以用作电光接收结构元件(未示出)。
第一接触面33通过导体轨迹35与第二接触面28连接，如图2所示，第二接触面28用于发送结构元件17与电路载体11进行电接触。此外，承载构件15具有第一附加接触面30，第一附加接触面30和第二接触面28一起在环形的安装区域36内(通过点划线示出)对称地分布在发送结构元件17周围。因此，在电路载体上安装电光结构组件14时，可以有利地实现机械稳定的复合体。通过经由第一附加接触面30形成的连接，在机械上减轻该复合体的电接触负荷。因此，例如可以通过回流焊接过程(Reflow-)产生电连接，其中，由于承载构件15相对于电路载体的倾斜位置而出现公差的危险，由于焊接连接在光发送结构元件17周围的对称布置而尽可能减小。
在图4中示出了在电路载体11上安装电光结构组件时出现公差的可能的影响。在根据图4的实施例中，使用圆形的光波导体24，其被层压在电路载体11的层25之间。在此，光波导体可以是玻璃光波导体。光波导体在凹部22中提供圆形的端面23，用于产生光学接口。
通过点划线示出了未示出的光学结构元件18、19的辐射或者接收面37(下面简称为表面)。在安装光学结构元件时，由于公差，可能形成错位，使得光轴26受公差影响。通过光波导体24预先给定根据图4的光轴26，同时(通过表面37表示的)未示出的光发送结构元件或者光接收结构元件的光轴26a具有向上的高度错位。同样可以想到通过光轴26b示出的向下的高度错位。根据图4，向上或者向下的高度错位应当不大于光波导体的高度h的三分之一。由此，通过将可能的向上或者向下的高度位移相加，得到公差范围th：
以相同的方式，对于水平的错位，得到公差范围tb。因为根据图4的实施例是具有圆形的横截面的光波导体24，所以其同样大，并且得到：
对于圆形的横截面，适用h＝b，因此通过两个光轴26c和26d表示水平方向上的公差范围，其中，这两个光轴26c、26d与通过光波导体24预先给定的光轴26的距离最大分别是宽度b的三分之一。

Claims (19)

1.一种具有光传输路径的电光电路，所述电光电路具有
·具有光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)的电光结构组件(14)，光发送结构元件和/或光接收结构元件安装在承载构件(15)的安装面(16)上，
·具有安装侧(12)和嵌入的光波导体(24)的电路载体(11)，所述光波导体的端面(23)在安装侧(12)引入的凹部(22)中暴露，以及
·安装在电路载体(11)上的电光结构组件(14)与光波导体(24)之间的光学接口，
其特征在于，
·光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)安装在承载构件(15)上，其中，光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)的相应的光轴与安装面(16)平行地取向，以及
·光学结构组件(14)利用面对安装侧(12)的安装面(16)安装在电路载体(11)上，其中，光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)伸入凹部(22)中，并且与暴露的光波导体形成光轴.
2.根据权利要求1所述的电光电路，
其特征在于，
在承载构件(15)的安装面(16)上形成第一接触面(33)，在所述第一接触面上，光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)进行电接触。
3.根据权利要求2所述的电光电路，
其特征在于，
在安装面(16)上设置第二接触面(28)，所述第二接触面与第一接触面(33)电连接，并且与电路载体(11)的安装侧(12)的第三接触面(29)电连接。
4.根据权利要求3所述的电光电路，
其特征在于，
所述第二接触面(28)对称地分布在光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)周围。
5.根据权利要求3所述的电光电路，
其特征在于，
在安装面(16)上设置有第一附加接触面(30)，所述第一附加接触面与通过电光结构组件形成的电路没有电连接，而与电路载体(11)的安装侧(12)的第二附加接触面(31)连接。
6.根据权利要求5所述的电光电路，
其特征在于，
第二接触面(28)和第一附加接触面(28)整体对称地分布在光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)周围。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电光电路，
其特征在于，
在承载构件(15)上安装有多个光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电光电路，
其特征在于，
光波导体(24)构造为玻璃光波导体。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电光电路，
其特征在于，
光波导体(24)具有至少0.05mm2和最大1mm2的横截面积。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电光电路，
其特征在于，
光波导体(24)是圆形的，并且具有至少250μm和最大1000μm的直径。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电光电路，
其特征在于，
光发送结构元件(17)发送频率为至少1kHz、最大1MHz的光信号，和/或光接收结构元件(18)接收频率为至少1kHz、最大1MHz的光信号。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电光电路，
其特征在于，
电光结构组件(14)与电路载体(11)之间的允许的位置公差
·在垂直于安装侧(12)的方向上，最大是光波导体的高度h的一半，优选最大是光波导体的高度h的三分之一，并且
·在平行于光波导体(24)的端面(23)以及平行于安装侧(12)的方向上，最大是光波导体的宽度b的一半，优选最大是光波导体的宽度b的三分之一。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电光电路，
其特征在于，
承载构件(15)具有间隔件(32)，光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)安装在所述间隔件上。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电光电路，
其特征在于，
光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)装备有聚光光学部件。
15.一种电光结构组件(14)，具有光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)，光发送结构元件和/或光接收结构元件安装在承载构件(15)的安装面(16)上，
其特征在于，
·光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)安装在承载构件(15)上，其中，光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)的相应的光轴(26)与安装面(16)平行地取向，并且
·安装面形成在光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)周围延伸的安装区域(36)，用于安装在具有用于电光结构组件的凹部(22)的电路载体(11)上。
16.根据权利要求15所述的电光结构组件(14)，
其特征在于，
·在承载构件(15)的安装面(16)上形成第一接触面(33)，在所述第一接触面上，光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)进行电接触，以及
·在安装面(16)上，在所述安装区域中，设置有第二接触面(28)，所述第二接触面与第一接触面(33)电连接。
17.一种用于在电光电路中产生光学接口的方法，其中，
·提供具有安装侧(12)和嵌入的光波导体(24)的电路载体(11)，光波导体的端面(23)在安装侧(12)引入的凹部(22)中暴露，
·在电路载体上安装电光结构组件(14)，所述电光结构组件(14)具有光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)，光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)安装在承载构件(15)的安装面(16)上，
其特征在于，
在安装在电路载体(11)上的电光结构组件(14)与光波导体(24)之间产生光学接口，其方式是，
·将光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)安装在承载构件(15)上，其中，使光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)的相应的光轴与安装面(16)平行地取向，并且
·将光学结构组件(14)利用面对安装侧(12)的安装面(16)安装在电路载体(11)上，其中，将光发送结构元件(17)和/或光接收结构元件(18)引入到凹部(22)中，并且与暴露的光波导体(24)一起形成光轴(26)。
18.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
通过承载构件(15)与电路载体(11)之间产生电连接，将电光结构组件(14)安装在电路载体(11)上。
19.根据权利要求17或18所述的方法，
其特征在于，
在进行安装时，作为电光结构组件(14)与电路载体(11)之间的允许的位置公差，
·在垂直于安装侧(12)的方向上，遵循最大为光波导体的高度h的一半，优选最大为光波导体的高度h的三分之一，并且
·在平行于光波导体(24)的端面(23)以及平行于安装侧(12)的方向上，遵循最大为光波导体的宽度b的一半，优选最大为光波导体的宽度b的三分之一。
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