CN110412700A - 一种综合电子高速光互连模块集成结构及集成方法 - Google Patents

一种综合电子高速光互连模块集成结构及集成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种综合电子高速光互连模块集成结构及集成方法，通过在硅载板上开设通孔，将激光/探测器固定于硅载板一侧，将光纤穿过通孔与激光/探测器耦合，实现了电路的90°转弯，降低了光接口功耗和提高了模块寿命；通过将硅载板固定于HTCC基板盒内，在HTCC基板盒表面设有布线，采用基于HTCC高速布线技术，实现光电引擎部分和信息处理系统的一体化集成，解决信息系统小型化，轻量化的问题；光纤与HTCC基板盒过渡段外侧包覆有尾纤密封焊环，HTCC基板盒一侧设有外壳可伐封焊环，尾纤密封焊环与外壳可伐封焊环固定连接，从而满足高气密性的可靠性要求。本发明基于光电一体化线路原理，能够实现复杂线路电互联功能。

Description

一种综合电子高速光互连模块集成结构及集成方法
技术领域
本发明属于系统集成电路设计技术，具体涉及一种综合电子高速光互连模块集成结构及集成方法。
背景技术
为适应未来信息化发展，综合电子系统向协同化、体系化、一体化趋势发展。为了适应综合电子系统及传感器部分模块化、系列化发展，图像传感器作为一种重要的传感器，用于地形匹配与景象匹配制导，由于高清图像信息丰富、数据量大，要求其图像处理系统具有计算速度快、数据吞吐能力大，各系统之间还需要实时通信以保证信息共享，传统的依靠电缆和导线的电互连传输由于受到带宽、距离、乘积的限制不能满足高速大容量数据传输的需求。
光互连具有高带宽、低传输损耗、重量轻、特别是无电磁干扰问题(对电磁干扰不敏感、也不对外产生强电磁干扰)，必将成为高速图像处理综合电子的首选互连方式。在传统的纯电图像处理模块外添加分立的光模块，能解决光传输的问题，但存在以下缺点：
1、光电引擎部分和信息处理系统分立设计体积大：
传统的多路光传输接口结构使得光电转换部分和信息处理系统分别封装，模块重量、体积均大。随着综合电子系统向自主化、平台化、小型化方向发展，光学部分和电学部分分立封装不符合综合电子系统小型化、轻量化的要求；
2、光学部分90度转弯设计耦合损耗大，对准偏差的容忍度小：
采用光学部分90度转弯，再通过VCSEL激光器和PD探测器与光纤之间的耦合，对准偏差的容忍度小，且需要的VCSEL驱动电流大，光接口功耗大，环境适应性差；
3、填充胶完成气密性封装设计易开裂、易漏气
传统的光电模块采用填充胶完成模块的气密性封装，存在胶体封装易开裂、易漏气等问题，不能达到信息处理系统长寿命和高可靠性的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种综合电子高速光互连模块集成结构及集成方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种综合电子高速光互连模块集成结构，包括HTCC基板盒和硅载板，硅载板固定于HTCC基板盒内，HTCC基板盒表面设有布线，硅载板一侧固定有激光/探测器，硅载板上设有垂直于激光/探测器的通孔，硅载板的通孔内固定有光纤，光纤端部与激光/探测器耦合，硅载板与激光/探测器通过键合丝键合连接，光纤与HTCC基板盒过渡段外侧包覆有尾纤密封焊环，HTCC基板盒一侧设有外壳可伐封焊环，尾纤密封焊环与外壳可伐封焊环固定连接。
进一步的，激光/探测器通过FC焊接在硅载板一侧。
进一步的，硅载板表面设有金属布线，硅载板表面的金属布线与激光/探测器通过键合丝键合连接。
进一步的，HTCC基板盒通过布线连接有信息处理系统模块。
进一步的，信息处理系统模块通过焊接或粘片压焊封装在HTCC基板盒上。
进一步的，硅载板通过键合丝与固定于HTCC基板盒上的信息处理系统模块连接。
进一步的，激光/探测器与光纤之间的耦合采用抵头结合方式直接对接耦合。
一种综合电子高速光互连模块集成结构的集成方法，包括以下步骤：
步骤1)、在HTCC基板盒内进行布线；
步骤2)、在设有金属布线的硅载板上开设孔洞，然后将光纤穿过硅载板上的孔洞后与激光/探测器耦合连接，然后将激光/探测器垂直于孔洞方向固定于硅载板一侧；
步骤3)、最后将固定有激光/探测器的硅载板固定于HTCC基板盒内，通过键合丝键合将硅载板与激光/探测器连接。
进一步的，HTCC基板盒内的布线采用高速布线技术布线。
进一步的，步骤3)中，将与固定后的硅载板连接的光纤通过尾纤密封焊环与外壳可伐封焊环固定于HTCC基板盒上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种综合电子高速光互连模块集成结构及集成方法，通过在硅载板上开设通孔，将激光/探测器固定于硅载板一侧，将光纤穿过通孔与激光/探测器耦合，实现了电路的90°转弯，降低了光接口功耗和提高了模块寿命；通过将硅载板固定于HTCC基板盒内，在HTCC基板盒表面设有布线，采用基于HTCC高速布线技术，实现光电引擎部分和信息处理系统的一体化集成，解决信息系统小型化，轻量化的问题；光纤与HTCC基板盒过渡段外侧包覆有尾纤密封焊环，HTCC基板盒一侧设有外壳可伐封焊环，尾纤密封焊环与外壳可伐封焊环固定连接，从而满足高气密性的可靠性要求。本发明基于光电一体化线路原理，采用HTCC一体化外壳工艺集成后，能够达到50um的布线密度，能够实现复杂线路电互联功能，电路整体重量轻、体积减小，可靠性、通用性均有较大的提升；采用电路的90°转弯，降低了光接口功耗，提高了转换效率，提高了模块寿命。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为光纤固定结构示意图。
图3为光纤固定俯视图。
图4为信息处理系统模块电路的原理框图。
图中，1、HTCC基板盒；2、硅载板；3、激光/探测器；4、光纤；5、尾纤密封焊环；6、外壳可伐封焊环；7、信息处理系统模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1至图4所示，一种综合电子高速光互连模块集成结构，包括HTCC基板盒1和硅载板2，硅载板2固定于HTCC基板盒1内，HTCC基板盒1表面设有布线，硅载板2一侧固定有激光/探测器3，硅载板2上设有垂直于激光/探测器3的通孔，硅载板2的通孔内固定有光纤4，光纤4端部与激光/探测器3耦合，硅载板2与激光/探测器3通过键合丝键合连接，光纤4与HTCC基板盒1过渡段外侧包覆有尾纤密封焊环5，HTCC基板盒1一侧设有外壳可伐封焊环6，尾纤密封焊环5与外壳可伐封焊环6固定连接。
激光/探测器3通过FC焊接在硅载板2一侧；
硅载板2表面设有金属布线，硅载板2表面的金属布线与激光/探测器3通过键合丝键合连接，实现电路的90°转弯，以替代光路的90°转弯，降低了光接口功耗和提高了模块寿命；
HTCC基板盒1通过布线连接有信息处理系统模块7；信息处理系统模块7通过焊接或粘片压焊封装在HTCC基板盒1上；硅载板2表面的金属布线和HTCC基板盒1上的布线相对应，即满足多个信息处理系统模块7连接要求；
硅载板2通过键合丝与固定于HTCC基板盒1上的信息处理系统模块连接；
激光/探测器3与光纤4之间的耦合采用抵头结合方式直接对接耦合；
HTCC基板盒1内采用高速布线技术布线，实现光电引擎部分和信息处理系统的一体化集成，解决信息系统小型化，轻量化的问题；
本结构兼顾综合电子系统的高性能信息处理平台的通用信息处理模块功能，集成高性能计算部件与光电引擎组件。
信息处理系统模块包括多核处理器单元、现场可编程门阵列单元、算法协处理器单元、存储单元以及高速数据传输单元；本装置结构采用多核处理器单元(DSP)+现场可编程门阵列(FPGA)的系统构架集成在HTCC基板盒1内，其中，DSP实现数据运算，FPGA实现逻辑译码；存储单元包含FLASH存储器，PROM存储器和DDR存储器。采用具备倒扣焊芯片的装载能力HTCC基板盒完成模块的版图布线设计，HTCC布线工艺能够满足信息处理系统的原理设计的选用芯片要求，将多核处理器单元、现场可编程门阵列单元、算法协处理器单元、存储单元以及高速数据传输单元集成到HTCC基板盒内部，通过在HTCC基板盒外壳的侧面开腔将光纤直接植入HTCC基板盒内部，光纤即为光电引擎部分，HTCC基板盒1通过布线连接的信息处理系统模块即为信息处理中心，再采用硅载片上通过倒扣焊技术固定激光/探测器3，利用硅载片上的金属布线与激光/探测器连接，实现90°的电路转弯，替代传统的90°光路转弯，耦合效率高、对对准偏差的容忍度大，需要的VCSEL驱动电流小，达到提高耦合效率的目的。
电路的原理框图如图4所示。为了满足高速、高密度数据处理在计算性能、频率及功耗性能比方面的需求，在HTCC基板盒1上通过布线连接信息处理系统模块，信息处理系统模块采用多核处理器单元(DSP)+现场可编程门阵列(FPGA)的系统构架，在不同信息处理单元组成形态下，相同任务的实现效能存在差异，依据主从架构的形态特点，提取关键特征参数，实现了对计算机组成形态的定量描述。
信息处理系统模块主要实现数据运算、通讯和IO功能，DSP实现数据运算，FPGA实现逻辑译码、IO及其它功能扩展；
在上述信息处理系统模块中引入1×4驱动器芯片和1×4跨阻放大器/限幅放大器芯片作为CPU芯片的高速数字I/O引脚和VCSEL和PD模拟光电器件间的界面器件，实现光信号的感知和处理功能。由于FPGA本身的可重复配置性，该系统具备可扩展性和系统适应性。多个SiP可并联组成综合电子系统的高性能信息处理平台。满足高速、高密度数据处理在计算性能、频率及功耗性能比方面的需求。
实施例
本申请采用处理器控制核数量不少于1个，解算核数量不少于2个；控制核主频不低于200MHz，解算核主频不低于400MHz；具备独立的图形匹配加速单元和FFT协处理单元；RAM总容量不低于1Gb；FLASH容量不低于512Mb；Slices不少于10000个；工作频率不低于400MHz；内部Block RAM容量不低于1600Kb；集成配置FPGA的PROM；光纤接口4X模式，全双工工作，单通道3.125Gbps，实现与导引头图像传感器互联；SRIO接口4X模式，全双工工作，单通道3.125Gbps；LVDS接口，通道数不低于8，单通道速率不低于600Mbps；1553总线控制器1路，支持BC、RT和MT，支持4M模式；I2C总线接口1路，支持快速模式；UART接口4路；单端GPIO信号不少于32路，LVTTL33或LVCMOS33接口电平，速率不低于50MHz；功耗：不大于20W；模块尺寸：≤50×50×8mm3；模块光学指标：光传输接口为4路发射4路接收的收发一体化多路并行光接口，单路的传输速率不小于3.125Gbps，传输损耗：≤15dB，工作电流：≤50mA；组装工艺指标：双腔三维立体组装工艺、FC芯片倒装工艺；可靠性指标：全密封封装，漏率：5E-9Pa·m3/s(He)，工作温度范围：-45℃～85℃，满足恶劣环境要求。
处理器采用高性能多核异构处理器，片内存储器4MB以上，其中共享存储容量3MB；配置DDR2存储器作为片外RAM，使用两片128M*16bit的芯片拼接为128M*32bit规格，设计数据速率为800Mbps；多核异构处理器的EMIF接口配置并行NOR FLASH作为ROM，配置规格为16M*32bit，使用片选CE1空间；选用300万门的2V3000型FPGA，最大配置数据为10505120bit；FPGA配置PROM选用1片16P芯片，存储容量为16Mb，主并加载方式；FPGA与DSP通过EMIF总线实现互联，数据宽度32bit；光电转换芯片的数据通道连接DSP的SRIO接口，控制和状态信号连接FPGA的IO，I2C总线连接DSP的I2C接口。
模块采用HTCC高速布线技术及一体化外壳结构设计，包含光传输接口的4路发射4路接收的收发一体化的光传输接口设计；采用特种光纤及光电接芯片满足传输速率不小于3.125Gbps，传输损耗小于15dB，且工作电流小于50mA的要求。模块封装采用正面开腔和侧面面开腔设计，内部的DSP芯片为FC芯片，倒装焊在HTCC基板盒1内部；HTCC基板盒1侧面开腔工艺使光信信号能够直接深入信号处理系统内部，降低了损耗，有效保证了信号完整性；HTCC基板盒1正面及侧面模块的气密性封装采用激光熔封完成气密性封装，保证了模块的热特性及宇航级产品的完整的气密性指标。

Claims (10)

1.一种综合电子高速光互连模块集成结构，其特征在于，包括HTCC基板盒(1)和硅载板(2)，硅载板(2)固定于HTCC基板盒(1)内，HTCC基板盒(1)表面设有布线，硅载板(2)一侧固定有激光/探测器(3)，硅载板(2)上设有垂直于激光/探测器(3)的通孔，硅载板(2)的通孔内固定有光纤(4)，光纤(4)端部与激光/探测器(3)耦合，硅载板(2)与激光/探测器(3)通过键合丝键合连接，光纤(4)与HTCC基板盒(1)过渡段外侧包覆有尾纤密封焊环(5)，HTCC基板盒(1)一侧设有外壳可伐封焊环(6)，尾纤密封焊环(5)与外壳可伐封焊环(6)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种综合电子高速光互连模块集成结构，其特征在于，激光/探测器(3)通过FC焊接在硅载板(2)一侧。
3.根据权利要求1所述的一种综合电子高速光互连模块集成结构，其特征在于，硅载板(2)表面设有金属布线，硅载板(2)表面的金属布线与激光/探测器(3)通过键合丝键合连接。
4.根据权利要求1所述的一种综合电子高速光互连模块集成结构，其特征在于，HTCC基板盒(1)通过布线连接有信息处理系统模块(7)。
5.根据权利要求4所述的一种综合电子高速光互连模块集成结构，其特征在于，信息处理系统模块(7)通过焊接或粘片压焊封装在HTCC基板盒(1)上。
6.根据权利要求4所述的一种综合电子高速光互连模块集成结构，其特征在于，硅载板(2)通过键合丝与固定于HTCC基板盒(1)上的信息处理系统模块连接。
7.根据权利要求1所述的一种综合电子高速光互连模块集成结构，其特征在于，激光/探测器(3)与光纤(4)之间的耦合采用抵头结合方式直接对接耦合。
8.一种用于权利要求1所述集成结构的集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、在HTCC基板盒内进行布线；
步骤2)、在设有金属布线的硅载板(2)上开设孔洞，然后将光纤穿过硅载板(2)上的孔洞后与激光/探测器(3)耦合连接，然后将激光/探测器(3)垂直于孔洞方向固定于硅载板(2)一侧；
步骤3)、最后将固定有激光/探测器(3)的硅载板(2)固定于HTCC基板盒(1)内，通过键合丝键合将硅载板(2)与激光/探测器(3)连接。
9.根据权利要求1所述的一种综合电子高速光互连模块集成结构，其特征在于，HTCC基板盒(1)内的布线采用高速布线技术布线。
10.根据权利要求1所述的一种综合电子高速光互连模块集成结构，其特征在于，步骤3)中，将与固定后的硅载板(2)连接的光纤(4)通过尾纤密封焊环(5)与外壳可伐封焊环(6)固定于HTCC基板盒(1)上。
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