CN1123069C - 一种密封的光电元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种密封的光元件包括在一侧具有光界面的光元件组件(14)，组件(14)包括用于定位连接的光元件或光连接体的导向针(27)。组件(14)附着于弹性舌簧(9)的最外部分(10)上，该舌簧是如聚合物载体等介质载体(7)整体上的一部分。在载体和其舌簧(9)上或内，设置与光组件(14)及与驱动器电路组件(13)中的电驱器动电路连接的导电通道，使载体具有常规引线框的功能。用密封塑料材料(25)模制整个器件。在模制操作期间，由于弹性舌簧(9)的存在，容易进行光组件在精确确定的位置的定位及其余部分在其位置的定位，不会受例如注入的密封材料可能会使相当大的驱动电路组件(13)和载体(7)上的固定区(5)位移的影响。这种构形还可能只进行光组件的密封，而以其它方式保护驱动器电路，从而暴露出弹性舌簧(9)。这种设计方便了光元件组件在电路板的精确定位。

Description

一种密封的光电元件及其制造方法
                        技术领域
本发明涉及用树脂或塑料材料制成的光发射和接收组件的封装或包装及其制造方法，该组件包括硅基片上的光元件和通常为密封的光电元件。
                        发明背景
带有相关波导的密封的光元件、连接装置等目前很贵，这妨碍了光通信技术的更广泛应用。元件成本高的一个主要原因是对带波导的光电元件和带另一波导的元件中的波导进行对准时机械精度的要求很高。今天的安装方法不能允许电子电路以有作用且有效的方式装在管壳中和/或有效地与光电元件一起安装在电路板上。
为了能够低成本地制造光发射和接收组件，利用用于光和微电子器件的普通“微结构方法”情况将会有所改善，由此开辟了光通信的新应用和新市场。
目前，为了获得一微米数量级精度的器件定位方法，人们对微结构技术进行了深入细致地研究工作。这种工作的一个目标是用批量生产的零部件例如硅的零部件替换今天用于光元件安装中的昂贵零部件。
同时还有一种致力于更有效地安装和密封集成光器件的研究。一种明显的研究思路是为此目的而利用聚合物膜，通常是聚酰亚胺膜。由于可以在这种薄膜上利用涂敷和腐蚀制造导电引线，并使用具有包括导电体和底层平面的几层的夹层结构(“多层技术”)，使阻抗匹配，所以可以把几块芯片一起安装在基片或基底材料上，无需附加任何要求。而且，用例如聚合物膜等树脂密封可以替代传统的由薄金属板构成的引线框的作用。金属化或可能金属化的连接腿可以从由载体膜构成的封壳壁突出来，以便实现电路与外部的电连接。另外目前已可以将类似于此的外金属化表面用于TAB安装中。
具有引线部分的柔韧树脂带可以用于电子多芯片封装中，如美国专利5245215所述。这种带的柔韧性最初被用于芯片的高密度封装。
属于同一申请人/受让人的1995年3月20日申请的国际专利申请PCT/SE95/00281、1995年10月19日申请的PCT/SE95/01232和PCT/SE95/01233皆描述了用树脂或塑料材料低成本封装光电元件的方法。这些方法依靠的是将用于混合安装了光元件的基片高精度地定位于将由塑料过模制(overmoulded)的模具型腔中。利用传移模塑封装光元件，从而同时利用基片上的V形槽和模具中的导向针获得封壳壁中的光界面。导电引线框可以用于建立与电子电路的电接触。引线框通常由冲压或蚀刻的金属件构成，例如薄铜或铝片。
                      现有技术
用塑料同时密封光元件和带硅基片上定位波导和光电元件的电子电路的方法早已是众所周知的。
所以，欧洲专利申请公开EP-A1 0600645中，公开了一种用塑料密封的SIP(单列直插式封装)光电组件，其中包括设置于硅基片上的电子元件和光元件。
在欧洲专利申请公开EP-A2 0596163中，公开了连接光纤维6与“光单元”更确切地说通过“光单元”连接“电子部件”的连接组件。所述光单元可以包括可能为硅的基底13，其上具有电极和微距镜4a，还包括光探测器4，见图6a-7b。该光单元与电子部件例如通过支撑基板13上的电极与电子部件9上的导电区9a的引线键合而连接(图5a和5b)，其中电子部件可以是半导体集成电路。然而，此连接组件未用塑料密封。
                     发明概述
本发明的目的是提供一种密封的光元件及其制造方法，可以使电信号和驱动电路以有作用且有效的方式容纳于封壳中。
本发明的另一目的是提供一种密封的光元件及其制造方法，可以使电子电路与光电子元件一起以简单且有作用的方式设置于电路板上。
本发明可以实现这些目的，所附的权利要求书显示出其范围和特征。
因此，在一个实施例中，按用塑料封装的有效方式，还可以将例如接收/驱动电子电路等电子电路设置于封壳内。由此，由于整个密制的元件在电路板上所占空间较小，并可以获得相对于密封的光组件的标准电界面，所以可以获得更小型化的组件。电路板的设计者在设计新电路板时不必特别考虑封壳内装光元件的问题。电子电路的光电转换器件间的距离较短，提供了短电流通道，并由此提供了高调制速度的可能性。
如果除光元件外，现有技术中经常以硅板形式提供的上述基片或基板还包含必需的电子器件，那么基片变得相当大，这从上述欧洲申请EP-A1 0600645的公开中可以看出。由于为了将基片保持在精确校正的位置上需要更大的力，所以使基板在模具型腔中的定位更加困难。由于然后有更大的力作用于基片上，可使基片才从其精确确定的位置上移动，这在将用于密封元件的树脂注入模具型腔时表现更为突出。由于经常用大量处理技术制造硅板形式的基片，所以按每单位面积计算，这种形式的基片也较昂贵，因此自然一个目标就是尽可能减小基片。
为此，将电子电路安装于机械上与用于光元件的载体或基板分开的专用载体或基板上，或安装于至少未与光元件的载体或基板刚性连接的专用载体或基板上。
由于测试方法和用于各元件的载体的制造中及密封时不同步骤的变化，另外需要在光元件2和电子元件间提供某种程度的模件化，这可以通过提供分开的分别用于光元件和纯电子单元的载体或载体部件实现。
可以采用上述现有技术中已知的那种混合型光载体，见透视图1，那是一种例如单晶硅的较小的高精度零部件，该单晶硅具有设置于其上的集成波导或波导，并且包括设置于光载体表面上的光电元件。这种包括波导和光电元件的光载体或光支撑板形式的光元件组件连接且附着于薄膜载体的相应承载区上，薄膜载体包括附着于其上并与之电连接的用于驱动、接收、发射、调节等的电子电路。由此，可以获得适于用塑料至少局部封装的组合单元。
利用作为薄膜载体一部分的弹性舌簧可以实现具有安装于其上的驱动器电子器件的薄膜载体的电和机械连接。这种带有其最外部分的舌簧可以粘结于例如光元件的下侧，这样便可以将它们彼此作为一个整体进行处理。在与之连接时或连接后，可以在例如适于光元件上的合适导电面等电极和舌簧上的导电体间通过合适的方法建立电连接，合适的方法例如类似于具有金属焊料或导电粘结剂的岛或“凸点”的“倒装芯片”法。另外，可以用分散的导线，使用引线焊接-摩擦熔焊(friction welding)金属丝和不同的导电表面。
在进行封装时，即在将塑料或树脂材料注入到合适的模具型腔中时，模具中至少设置有一个载体，载体的一部分是舌簧，舌簧的机械弹性可以使光载体尽可能地定位于其精确确定的位置。舌簧具有机械弹性是由于舌簧可以比承载体的某些区域窄很多和/或细很多，舌簧由此载体延伸，特别是从所述的这些区域延伸，这些区域准备用作光元件组件和电子电路中的一个或两个。这样，光载体板便可以活动地悬于并附着于舌簧上。
在一个实施例中，电子电路可以设置于封装之外，这样除其前侧外便可以包封整个光元件组件，光界面位于其前侧。然后利用“球面-顶(globe-top)”封装保护电子电路。这样设计的封壳的好处是相对于附着于电路板上电子部件组件的良好密封的光部件的机械弹性很好，这相当有利于光部件与刚性安装于同一电路板上的另一光器件的连接。
这样，一般情况下，利用最好为薄膜载体一部分的“弹性舌簧”，电和机械连接具有波导、如LD阵列和电极等光电元件的最好是硅的光载体或光支撑板与具有驱动器电子电路的薄膜载体。此舌簧首先粘结于光载体的一侧如下侧，然后通过如光载体的电极与舌簧上的导电体之间的引线键合进行电连接。此后，用塑料密封整个单元，或除电子电路外的整个单元，即，将电子电路设置于封壳之外。
因此，密封的光电元件包括一个光元件组件。该组件可以在其一个侧面或表面有光界面，并可以在相反侧或表面的旁边设置用于电连接的区域。而且，实际上提供由具有可设于其同一表面上的不同区域的绝缘材料构成的如适合构形的片或膜的载体。其中一个区域用于光元件组件的固定，该区域的旁边有合适的用于与光元件组件上的区域电连接及与外部电连接的导电体连接区。密封壳至少包封光元件组件的主要部分。载体的一部分连接载体的用于固定光元件组件的区域和载体的其余部分，此部分至少在垂直于穿过载体的其它部分的平面的上下方向上有弹性。特别是，弹性部分与其余部分连接的区域可以是固定电子电路单元的地方。为此，还为电子电路单元上的区域的电连接提供在载体上的导电体。
有利的是，光元件组件自身可以包括用于相对具有相应导向装置的另一光器件定位该组件的机械导向装置，例如形成于光元件组件上的平行导向槽，用于与导向针配合。
弹性部分可以是载体的一部分，比该部分与之连接的载体其余部分的那些固定区域中至少一个的边缘窄很多，和/或比该区域细很多，这样载体上便存在强度更高的区，从而可以在被操作时使其自身有足够的刚性和稳定性。
为了用光元件供电和通信，在弹性部分上设置合适的导电体，例如用于向和/或从光元件组件传输电驱动器电压和信号的导体。
                      附图简述
下面结合附图用非限定性的实施例详细说明本发明，其中：
图1是光元件载体的透视图；
图2是具有安装于其上的电子电路的薄膜载体的平面图；
图3a是根据图2的设置于模具型腔或封壳中的薄膜载体的平面图，所述模具型腔或封壳中还具有设置于其上的光元件载体和导向针；
图3b是根据图3a的薄膜载体的立视图；
图3c和3d是薄膜载体与光元件载体连接的两种不同的可能形式的垂直剖面图；
图4是含有各元件且设置于封壳中的薄膜载体的透视图；
图5是具有用于驱动器电子电路的活动设置的部件的封壳的另一实施例的示图。
                    优选实施例详述
图2中示出了实际由介质或绝缘体、如聚酰亚胺膜等聚合物材料制成的薄膜载体1。该载体为一般的矩形。载体1的框架部分3的宽度基本上是均匀的，且围绕着载体的圆周延伸。框架3内部，为电子电路设置了承载区5，该区域为矩形区域或部分，其边缘平行于载体1的外缘。电路电路承载区5的上表面和表面层是不导电的。导电体或腿7从电子电路承载体5的三个边缘或侧边的区域延伸至框架部分3，用于电子电路的电连接。腿7包括例如涂在构成薄膜载体1的基底膜的某些部分上合适的导电材料。没有导电腿7从电子电路承载区5的第四边缘延伸。在此第四边缘处，设置具有基本上宽度均匀的弹性舌簧9，其宽度远小于第四边缘的长度。舌簧9中心地从电子承载体5的此边缘向上延伸至薄膜载体1的区域10，此处将安装光载体，图中未示出。这里，区域10是舌簧9的最外端部分，这样舌簧9和光载体区域10有相同的宽度。在舌簧9上设置彼此平行且与舌簧9边缘平行的导电体11，它们从电子电路载体5的边缘延伸到舌箦9的最外部分，上至为光载体预备的区域10。电子电路载体5上设置有电子电路13，例如合适的集成电路，它们利用例如合适的粘结剂中心地粘结在电子电路载体区5上。
电子电路13以合适的方式与用于组件与外部电连接的腿7、及与舌簧9上的导电体路径11电连接。这种电连接可以利用导电粘结剂的“焊料凸点”或岛形成，它们在该连接之前设置于电路载体区5上的合适形状的导电面上。然后，在把电路13设置于具有定位于“凸点”或粘结剂岛上的电连接区的合适位置后，加热这些凸点或岛。另外，当然也可以用连接金属丝(未示出)的引线键合法，尽管这可能会需要大量的人工操作。
光载体板可以大于舌簧9上预定的光载体区10，且可以是示于图1中的现有技术中的光载体板14。此光载体板14为硅矩形板，其上具有在两相对侧缘旁边的平行V形槽15。在内部，板表面上，设置有光电元件17，它们与波导19精密地光连接。波导19设置于光载体板14上或内，且平行于V形槽15向上延伸至光载体板14的一个边缘。光电元件17与电极区21的电连接也可以通过合适的方式在光载体板14的表面上完成，例如一般可利用引线键合法，按优选方式，可以通过利用合适形状和设置的焊料岛或导电粘结剂岛的倒装芯片法，在光电元件17即其下侧与光载体间的接触面进行。
光载体板14上的电极面21与薄膜载体1的舌簧9上的导电体11间的电接触也可以通过分散的或分开的、分立键合线22实现，如图3c所示。这里，还示出了这种情况下的导电体11设置于舌簧的聚合物层9’上的情况，及将安装光元件载体的舌簧上的区域10只在光载体板14下延伸较短距离的情况，此处粘结剂的接合部10’保留于光载体板14上。
另外，按优选方式，可以通过直接连接舌簧9上的导电通道11与光载体板14上的电极区21进行光载体板14的电连接，如图3d所示。此实施例需要舌簧9上的导电体11设置于其下侧，在聚合物层9”的下侧上。利用常规的焊接法、基本类似于引线键合法但不用分散的金属丝进行合适地焊接操作的“TAB连接”，或利用导电粘结剂，可以获得导电通道11和电极区21间的接合部22’。接合部22’同时可以保持整个光元件载体14固定于舌簧9的区域10上。
图3a和3b示出了具有设置于其中的薄膜载体1和光载体板14的密封的元件25或等效的模具型腔的剖面。这里去掉了薄膜载体1的框架部分5，以便用于电连接电子电路13的腿7从封壳25突出。导向针27插在封壳25中的导向孔中，并设置成与光载体板14上的导向槽17接触。光载体板14设置在封壳25一侧，其一个表面为波导21端部。
由于舌簧9由薄弹性聚合物材料制成，不必太精确地测量舌簧9的长度，只要舌簧稍小于在模具型腔中定位整个组件的至少某些部分时所需要的长度即可。舌簧9可以是弯曲的或在电子电路载体部分5和为光载体14预备且光载体板14将粘结于其上的舌簧9的区域10之间弯曲，如侧视图3b所示。
密封的元件25还示于透视图4中。这里，腿7在封装或封壳25的外侧向下折叠，使其外部弯曲，这样便可以与封装25下侧同平面设置腿7。由此，可以利用例如表面安装等合适的方法实现与下层电路板的电连接。而且，在此图中，孔29可视，由于对光载体板14的支撑，该孔穿过封壳，形成于模制塑料封壳期间，见上述同一申请人/受让人的国际专利申请。导向针27的导向孔31从头至尾延伸至横向孔29。
图5中，示出了另一种安装方法，其中，只有薄膜载体1的前部，即包括为光载体预备的舌簧9的区域10的前端部分，及与该区邻近的那部分舌簧9，及具有设置于其上的元件的光载体板14已模制到塑料材料。具有安装于其上的电子电路13的电子电路载5未被塑料封装保护，但必须以另一种方式进行保护，例如利用“球面-顶(globe-top)”密封保护。包括密封的光元件和利用弹性装置连接的电子驱动单元的这种组件的优点在于，光元件可以相对于刚性地附着于电路板上的元件的电子部件位移，这会极有益于光元件封壳和特别是其光界面精确地设置于电路板的精确位置上，用于与具有类似或相应光界面的其它器件的连接。

Claims (9)

1.  一种密封的光电元件(25)，包括：
一个光载体板(14)，该组件在其一侧或边缘处具有光界面，用于电连接的区域，和一个用于相对于具有相应的导向装置的另一光器件定位该组件的V形槽，以及
一个与光载体板配合使用的电子电路(13)，它具有一个用于电连接和安装到电路板上的区域，其特征在于：
薄膜载体(1)，它包括绝缘材料区(10，5)，用来附着光载体板和电子电路，一个电导体，用来电连接到光载体板的电连接区域和连接到外部区域，和
一个密封壳体，用于至少密封光载体板(14)的主要部分，光载体板在侧面或边缘有光界面，光界面与密封体表面相重合，其中用于附着光载体板(14)的载体区域(10)与该载体的其余部分通过一个载体的弹性部分(9)相连，该弹性部分从载体的区域(5)延伸，用于附着电子电路(13)，弹性部分包括置于其上的电导体，用来向和/或从光电元件组件和弹性部分传导驱动电压和信号，使在制造密封体的密封操作时能将光载体板精确定位在模具型腔体，和在密封体只密封光载体板和附着该光载体板的载体部分时，使光载体板(14)相对于被密封的包含电子电路(13)的光电元件部分移动，移动光元件可方便将光载体板(14)定位，和使光界面正确定位在用作附着电子电路(13)的电路板上。
2.根据权利要求1的密封光电元件，其特征在于：
光载体板(14)的V形槽包括平行导向槽(15)，导向槽形成在光载体板上用来与导向针(27)相配合。
3.根据权利要求1或2的密封光电元件，其特征在于：
弹性部分(9)是比一个载体(1)的区域窄很多和/或细很多，弹性部分从该区域伸延。
4.一种制造密封的光电元件的方法，该元件包括元件组件(14)，组件(14)在其一侧或表面有一个光界面，包括电接区域和用来相对于具有相应的导向装置的另一光器件定位该组件的v形槽，而密封的光电元件还包括一个电子电路(13)，用来与光电元件组件相配合，它具有用来电连接和安装到电路板的区域，其特征在于如下步骤：
制造薄膜载体(1)，该载体包括绝缘材料，具有一区域(10，5)，用来附着光载体板(14)和电子电路(13)，电导体，用来电连接到连接光载体板的区域，连接到连接电子电路的区域及连接到外部的区域，
制造载体(1)的连接部分(9)，该部分用于连接附着光载体板(14)的载体的区域(10)至载体的其余部分，该连接部分(9)是弹性的，基本上从用来附着电子电路(13)的载体的区域(5)延伸，并包括一个置于其上的电导体(11)用于向和或/从光载体板传导驱动电压和信号，
将光载体板(14)附着到载体的区域(5)和将光载体板电连接到载体的电导体，
在模具型腔中设置至少光载体板和与之相邻的那部分载体，使得在模具型腔的一侧或边缘所在的光载体板的侧面或边缘具有光界面，和
将密封材料注射到模具型腔中以密封至少光载体板(14)的主要部分和附着该光载体板的载体的一部分，
其中的弹性连接部分(9)使在注射步骤时能将光载体板精确定位到模具型腔中，并在密封材料注射时在只密封光载体板和附着到光载体板的载体的部分时，使密封的光载体板(14)相对于包含电子电路(13)的密封的光载体板部分移动，移动光载体板方便了光载体板的定位和使光界面在要安装电子电路的电子电路的电路板有一正确的位置。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于：
在模具型腔中设置光载体板和载体的步骤时，通过将光载体板的机械导引装置与模具的导引装置机械接触或配合将光载体板(14)以预定位置定位在模具型腔中。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于：
在模具型腔中设置光载体板和载体的步骤时，在光载体板(14)上的导引槽(15)是与模具的平行导引针(27)相配合的。
7.根据权利要求4-6之一的方法，其特征在于：
在制造连接部分(9)的步骤时，该部分是由比载体(1)的其余部细的材料制造的。
8.根据权利要求4-6之一的方法，其特征在于：
在制造连接导体(9)的步骤中，该部分是由比附着电子电路(14)的载体(1)细的材料制造的。
9.根据权利要求4-6之一的方法，其特征在于：
在制造连接导体(9)的步骤中，把该部分制造成比载体的其它部分窄或细很多的材料舌簧，所述连接部分从该处延伸。
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