CN111983758A - 光学模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学模块，该光学模块包括：第一板，其具有用粘合剂结合到其上的光学部件；连接结构部分，其从所述第一板立起并且由导热率比所述第一板的材料的导热率低的材料制成；以及第二板，其接合到所述连接结构部分。

Description

光学模块
技术领域
本文讨论的实施方式涉及一种光学模块。
背景技术
通常，用于光信号通信的光收发器被分离成光学器件部分和电路部分，光学器件部分用于在光信号和电信号之间执行信号转换，电路部分用于对电信号执行信号处理。对更小、更高功能性和更便宜的光收发器的需求越来越高。作为用于安装光学器件部分的技术，其中将光学元件(例如光学调制器)集成在金属封装中的光学子组件(OSA)技术已经越来越多地被其中将这样的光学元件直接或经由中继板安装在电路板上的另一技术代替。
将光学元件直接安装在电路板上的诸如板上芯片(COB)技术之类的技术可以消除诸如金属封装之类的高成本构件，并且可以利用用于安装部件的回流焊接来简化制造工艺，因此期望通过使能来降低成本。还期望这种技术以这样的方式提供增强的组装简易性，即，在通过将光学元件安装在中继板上获得子组件之后，通过回流焊接将中继板安装在电路板上。
在光学器件部分中，除了诸如光学调制器的光学元件之外，还安装诸如透镜和光纤之类的光学部件。这样的光学部件是将光学元件和光纤光学耦合在一起的部件，并且在一些情况下，需要以例如1μm或更小的高位置精度安装。因此，近年来，用于结合光学部件的精密粘合剂在可安装性、设备成本和尺寸减小集成方面是有利的，因此通常用于安装光学部件。
相关传统技术的示例包括日本特开平8-172144号公报、日本特开平2009-105199号公报、美国专利申请公布2015/0098675的说明书和美国专利申请公布2016/0379911的说明书。
然而，成功地实现用粘合剂来安装光学部件和通过回流焊接来安装其它部件两者的困难仍然是不方便的。即，例如，在COB技术或通过回流焊接将中继板安装在电路板上的技术中，在回流焊接期间，将其上安装有诸如透镜的光学部件的电路板或中继板加热到高温。在回流焊接期间，用于安装光学部件的粘合剂熔化或变形，这可能导致光学部件的期望能力的损失。
一个具体的示例如下。通常用于回流焊接的SAC(Sn、Ag和Cu)焊料具有大约220摄氏度的熔点，因此部件被加热到例如大约250摄氏度。相反，用于粘合光学部件的精密粘合剂具有几十到一百几十摄氏度的玻璃化转变温度。因此，当用粘合剂将光学部件安装在其上的电路板或中继板经受回流焊接时，固化的粘合剂的质量改变，由此光学部件移出其正确位置。结果，这降低了光学耦合的精度，并且导致期望能力的损失。
最近研发了一种具有大约200摄氏度的玻璃化转变温度并且具有高耐热性的精密粘合剂。然而，粘合剂本身是昂贵的并且提高了成本，并且这样的高耐热性精密粘合剂仍然具有低于SAC焊料的熔点的玻璃化转变温度，并且没有消除在回流焊接期间光学部件被迫离开其正确位置的风险。虽然可以将低熔点焊料与高耐热性粘合剂组合使用，但是这进一步提高了成本并且是不现实的。因此，当光学部件需要满足高位置精度时，难以成功地实现用粘合剂来安装光学部件和通过回流焊接来安装其它部件两者。
所公开的技术是考虑到上述不便而做出的，并且旨在提供一种光学模块，该光学模块成功地实现通过结合来安装光学部件和通过回流焊接来安装其它部件两者。
发明内容
根据实施方式的一方面，一种光学模块包括：第一板，其具有用粘合剂结合到其上的光学部件；连接结构部分，其从所述第一板立起并且由导热率比所述第一板的材料的导热率低的材料制成；以及第二板，其接合到所述连接结构部分。
附图说明
图1是示出根据实施方式的光学模块的外观的立体图；
图2示出了根据实施方式的光学模块的配置；
图3示出了光学处理单元附近的放大图；
图4是示出光学处理单元的配置的立体图；
图5示出了电路板的配置；
图6是示出光学处理单元的配置的立体图；
图7是示出根据实施方式的用于制造光学模块的方法的流程图；
图8示出了主板和连接结构部分的配置示例；
图9示出了外围部件的安装；
图10示出了光学部件的安装；
图11示出了盖的附接；
图12示出了回流焊接；
图13示出了光学处理单元的配置的另一示例；以及
图14示出了光学处理单元和电路板之间的连接。
具体实施方式
将参考附图对本发明的优选实施方式进行说明。本实施方式并不意图限制本发明。
图1是示出根据实施方式的光学模块100的外观的立体图。光学模块100可以是例如用于光信号的通信的光收发器等中的光发送器。光学模块100具有其中光学连接器部分120设置在例如由金属制成的壳体110中的配置。壳体110在内部保持并支撑用于光学模块100和各种部件的电路板。光学连接器部分120是能够插拔光纤的连接器，并且是用于与光纤连接的光学模块100的光信号的输入/输出单元。
图2示出了根据实施方式的光学模块100的配置。在图2中，示意性地示出了光学模块100的一部分。如图2中所示，光学模块100包括壳体110、光学连接器部分120、散热器130、电路板140、光学处理单元150、集成电路(IC)芯片160、散热构件170和175、电子部件180以及光纤190。
散热器130由例如铝等金属制成，并且耗散由散热构件170和175从光学处理单元150和IC芯片160吸收的热。散热器130具有多个散热片，用于通过扩大散热器130与空气接触的表面积来提高散热器130的散热效率。
电路板140是其上具有光学处理单元150、IC芯片和电子部件180的板。将各种部件彼此电连接的互连部已经被印刷在电路板140的表面和内层上。进行回流焊接以将光学处理单元150、IC芯片和电子部件180安装在电路板140上。
在保持处理光信号的部件的同时，光学处理单元150从光学连接器部分120接收光信号的输入和向光学连接器部分120输出光信号，并且执行光电转换以从电路板140接收电信号的输入和向电路板140输出电信号。光学处理单元150包括其上安装有诸如透镜和滤光器的光学部件以及诸如光学调制器和驱动器的外围部件的主板，并且具有其中主板经由高绝热的连接结构部分连接到电路板140上的配置。下面详细描述光学处理单元150的配置。
IC芯片160安装在电路板140的表面上，并且使用电信号执行各种处理。电路板140可以具有安装在其两侧的表面上的IC芯片160。
散热构件170设置成与诸如IC芯片160的相对容易产生热的部件接触，并且吸收热。散热构件170通过将热传递到壳体110和散热器130来散热。
散热构件175设置成与光学处理单元150接触，该光学处理单元150相对容易产生热并且吸收热。散热构件175通过将热传递到壳体110和散热器130来散热。
电子部件180例如是诸如电容器和电阻器的部件，并且连接到设置在电路板140的表面或内层上的互连部。
光纤190将光学连接器部分120和光学处理单元150彼此连接。即，光纤190的一端连接到光学连接器部分120，另一端连接到光学处理单元150。因此，光纤190在光学连接器部分120和光学处理单元150之间传输光信号。当存在从外部连接到光学连接器部分120的另一光纤时，该另一光纤和光纤190彼此光学耦合。
图3示出了光学处理单元150附近的放大图。如图3中所示，光学处理单元150包括主板151和连接结构部分152，并且具有其中主板151的一侧安装有光学部件210、外围部件220和热电冷却器(TEC)230的配置。主板151具有设置成与其接触的散热构件175，由此散热构件175吸收由外围部件220产生的热。例如，氮化铝(AlN)被用作主板151的材料。主板151具有安装在其外表面上的光学部件210和外围部件220，并且主板151上具有连接到外围部件220和TEC 230的互连部。
作为光学部件210，例如包括箍圈、透镜和滤光器，并且箍圈、透镜和滤光器构成供光信号通过的光路。这些光学部件210用精密粘合剂结合到主板151。作为外围部件220，包括诸如光学调制器或光学解调器的光学元件、驱动器和放大器，它们一起执行光信号和电信号之间的转换。这些外围部件220通过使用例如SAC焊料的回流焊接安装在主板151上。外围部件220中的每个均电连接到主板151上的互连部，或通过例如引线结合电连接到其它外围部件220中的另一个。TEC 230是主要控制外围部件220的温度的元件，并且被埋入主板151中。TEC 230设置成与外围部件220接触并且冷却产生热的外围部件220。
连接结构部分152从主板151的外围部立起，并且连接结构部分152接合到电路板140。穿过连接结构部分152的内部形成有将主板151上的互连部电连接到电路板140上的互连部的通孔图案152a。如下所述，连接结构部分152从主板151的外围的四个侧面中的三个侧面立起，并且在电路板140上方支撑主板151。例如，当使用绝缘树脂作为连接结构部分152的材料时，连接结构部分152由导热率比主板151的导热率低的材料制成。也就是说，连接结构部分152比主板151更不容易导热。优选地，连接结构部分152由绝热材料制成。
如图4中所示，连接结构部分152通过回流焊接安装在电路板140上，使得电路板140上的每个互连部141和通孔图案152a可以彼此连接。虽然通过回流焊接的这种安装涉及电路板140的加热，但是由于连接结构部分152的低导热性，抑制了从电路板140到主板151的热传导。这防止了用于结合安装在主板151上的光学部件210的粘合剂被加热，因此可以防止光学部件210由于粘合剂的变形而移出正确的位置。另外，主板151由连接结构部分152支撑，从而在主板151和电路板140之间产生空间。该空间用于使电子部件180能够安装在电路板140上。这可导致电路板140的表面的有效利用，并因此导致较小的覆盖区。
具体地，在电路板140上，在安装有光学处理单元150的区域中，例如，如图5中所示，互连部141形成在与连接结构部分152的通孔图案152a相对应的位置中。此外，电子部件180安装在面对主板151的位置中。尽管在图5中未示出，但是IC芯片160等也可以安装在电路板140上。
另外，例如，如图6中所示，在用于光学处理单元150的主板151上安装有诸如套圈211、透镜212和滤光器213的光学部件210以及诸如光学元件221和驱动器222的外围部件220。
套圈211保持光纤190的一端，使得光纤190的端面对应于透镜212的位置。透镜212将从光纤190发射的光信号输入到滤光器213，或者将从滤光器213输出的光信号输入到光纤190。滤光器213对从透镜212输入到滤光器213的光信号或从光学元件221输入到滤光器213的光信号进行滤光。这些光学元件210在以高精度(例如，大约1μm的误差)定位之后用粘合剂结合到主板151。
光学元件221例如包括光学调制器或光学解调器，以在调制来自光源的光之后将光信号输出到光学部件210，或者在解调从光学部件210输入的光之后获取电信号。驱动器222驱动光学元件221以将电信号输入到光学元件221或从光学元件221获取电信号。驱动器222例如通过引线结合连接到主板151上的互连部，并且通过前述互连部和连接结构部分152中的通孔图案152a电连接到电路板140上的互连部141。光学元件221和驱动器222可能产生热，并且可以设置在TEC 230上。例如，通过回流焊接将诸如光学元件221和驱动器222的外围部件220安装在主板151上。当通过回流焊接安装外围部件220时，在将光学部件210安装在主板151上之前，将外围部件220安装在主板151上。
连接结构部分152在主板151的从三个侧面围绕光学部件210和外围部件220的外围部处立起。即，连接结构部分152在主板151的除了光纤190所连接到的一个侧面之外的三个侧面处立起。连接结构部分152由导热率比主板151的导热率低的材料形成。将输入到外围部件220和从外围部件220输出的电信号传输到电路板140的导体的通孔图案152a形成在连接结构部分152的内部。即，每个通孔图案152a均通过设置穿过通孔的导体而形成，该通孔从其与主板151接触的表面到与电路板140接触的表面穿透连接结构部分152，并且将主板151上的互连部连接到电路板140上的互连部141。
如图6中所示配置的光学处理单元150被上下翻转并接合到图5中所示的电路板140。在该接合中，电路板140上的每个互连部141和连接结构部分152中的相应通孔图案152a彼此相对地定位以便彼此接触，并且执行回流焊接以用于安装。在通过回流焊接进行安装期间，当每个互连部141和相应通孔图案152a在电路板140被加热的情况下彼此焊接时，由于连接结构部分152的低导热性，抑制了从电路板140到主板151的热传导。这防止了用于结合安装在主板151上的光学部件210的粘合剂被加热，因此可以防止光学部件210由于粘合剂的变形而移出正确的位置。
接着，参照图7中所示的流程图，以具体示例描述这样配置的光学模块100的制造方法。
在开始时，制备要安装光学部件210和外围部件220的光学处理单元150。具体地，例如，如图8中所示，以这样的方式制备主板151，即互连部151a设置在主板151上，TEC 230掩埋在主板151中，例如AlN用作主板151的材料(步骤S101)。主板151可以是单层板或多层板，并且可以是具有挖去部分或台阶的板。主板151具有安装在其一个表面上的用于产生热的外围部件220，并且具有附接到与该一个表面相对的另一个表面的散热构件175。因此，当使用具有相对高导热率的材料制备主板151时，提高了散热效率。
使用导热率比主板151的导热率低的树脂作为其材料来制备连接结构部分152(步骤S102)。即，树脂形成为与主板151的外围处的三个侧面相对应的U形，并且通孔图案152a设置在与主板151上的互连部151a相对应的位置中。使每个通孔图案152a的直径尽可能小，由此抑制通过通孔图案152a的热传导。台阶152b设置在连接结构部分152的内壁上。台阶152b设置在这样的位置中，使得在连接结构部分152接合到主板151之后，台阶152b距主板151的高度高于光学部件210和外围部件220的高度。如稍后所述，台阶152b用于定位保护光学部件210和外围部件220的盖。
利用金锡(AuSn)、焊料或导电粘合剂将主板151和连接结构部分152彼此接合(步骤S103)。在该接合中，主板151上的每个互连部151a和连接结构部分152中的相应通孔图案152a彼此连接。
随后，例如，如图9中所示，将外围部件220安装在主板151上(步骤S104)。即，光学元件221、驱动器222等利用例如AuSn或粘合剂安装在主板151上。在该安装中，外围部件220可以设置在TEC 230上。随后，如果需要，则通过引线结合将外围部件220和主板151上的互连部151a彼此电连接。每个外围部件220均可以通过倒装芯片封装而不是引线结合来安装。
随后，例如，如图10中所示，将光学部件210安装在主板151上(步骤S105)。即，套圈211、透镜212、滤光器213等通过例如精密粘合剂结合在主板151上。作为用于结合光学部件210的粘合剂，例如可以使用通过用紫外线照射而硬化的紫外线固化树脂。光学部件210以例如大约1μm的小位置误差安装。
在将光学部件210和外围部件220安装在主板151上之后，将盖240附接到连接结构部分152(步骤S106)。盖240由台阶152b定位，并且通过由连接结构部分152的内壁支撑而覆盖光学部件210和外围部件220。通过完成该步骤，完成了光学处理单元150。
随后，通过回流焊接将光学处理单元150与诸如IC芯片160的其它部件一起安装在电路板140上(步骤S107)。具体地，例如，如图12中所示，加热具有施加到互连部141的回流焊料的电路板140，并且将上下翻转的光学处理单元150接合到电路板140上。在该接合中，每个互连部141和连接结构部分152中的相应通孔图案152a彼此相对地定位。在回流焊接期间，当加热电路板140时，与电路板140正接触的连接结构部分152的导热率低。因此，抑制了从电路板140到主板151的热传导，并且主板151不被加热。这防止了用于结合安装在主板151上的光学部件210的粘合剂被加热，因此可以防止光学部件210由于粘合剂的变形而移出正确的位置。
此外，虽然在回流焊接期间焊剂可能飞溅，但是光学部件210和外围部件220由盖240保护，由此防止飞溅的焊剂附着到光学部件210等。这防止了光路被焊剂阻挡，并因此实现了光信号的可靠输入和输出。
如果需要，则将散热构件170和175附接到已经安装在电路板140上的光学处理单元150和IC芯片160，并且将电路板140安装到壳体110中。在该安装中，光纤190连接到光学连接器部分120。通过完成该步骤，完成了光学模块100。
如上所述，根据本实施方式，具有用粘合剂结合到其上的光学部件的主板和从主板的外围部立起并由导热率比主板的导热率低的材料制成的连接结构部分形成光学处理单元，并且光学处理单元的连接结构部分与其它部件一起通过回流焊接安装在电路板上。因此，即使当电路板在通过回流焊接的安装期间被加热时，从电路板到主板的热传导也被连接结构部分抑制，由此防止结合到主板的光学部件移出正确的位置。换句话说，成功地实现了通过结合来安装光学部件和通过回流焊接来安装其它部件两者。
虽然在上述实施方式中连接结构部分152在主板151的周边部分处从三个侧面立起，但是连接结构部分152的位置不限于此。例如，如图13中所示，连接结构部分152可以从主板151的外围部处的两个相对侧面立起。另选地，例如，连接结构部分152设置在主板151的四个角部处。也就是说，连接结构部分152不必形成为一个整体，而是可以离散地设置在主板151上的多个位置中。
虽然在上述实施方式中，外围部件220通过连接结构部分152中的通孔图案152a电连接到电路板140上的互连部141，但是本示例不是限制性的。也就是说，例如，如图14所示，外围部件220通过具有柔性的柔性印刷电路(FPC)板301电连接到电路板140上的互连部141。在这种情况下，例如，可以通过连接结构部分152中的通孔图案152a供应电源电压，可以通过FPC板301输入和输出高频信号。通过FPC板301输入和输出高频信号的配置消除了在选择连接结构部分152的材料时考虑诸如介电常数之类的高频特性的需要，从而使得能够进行灵活的设计。
根据本申请所公开的光学模块的一方面，可以产生通过结合成功地实现光学部件的安装和通过回流焊接成功地实现其他部件的安装的效果。

Claims (7)

1.一种光学模块，该光学模块包括：
第一板，其具有用粘合剂结合到其上的光学部件；
连接结构部分，其从所述第一板立起并且由导热率比所述第一板的材料的导热率低的材料制成；以及
第二板，其接合到所述连接结构部分。
2.根据权利要求1所述的光学模块，其中，
所述第一板具有安装在其上的外围部件，所述外围部件被配置为执行光信号和电信号之间的转换，并且
所述连接结构部分包括导体部分，所述导体部分将输入到所述外围部件或从所述外围部件输出的电信号传输到所述第二板。
3.根据权利要求1所述的光学模块，其中，所述第二板在其面对所述第一板的位置上具有电子部件。
4.根据权利要求1所述的光学模块，所述光学模块还包括盖构件，所述盖构件由所述连接结构部分支撑并覆盖所述光学部件。
5.根据权利要求1所述的光学模块，所述光学模块还包括具有柔性的柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板将设置在所述第一板上的互连部和设置在所述第二板上的互连部彼此连接。
6.根据权利要求1所述的光学模块，所述光学模块还包括散热构件，所述散热构件与所述第一板接触并且被配置为耗散由安装在所述第一板上的部件产生的热。
7.根据权利要求1所述的光学模块，其中，所述连接结构部分通过回流焊接安装在所述第二板上。
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