CN113534366A - 高密cpo硅光引擎 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高密CPO硅光引擎，其包括：电路基板、光学芯片、电学芯片组件以及光学耦合组件；电路基板的顶面开设有第一凹槽，光学芯片设置于第一凹槽中，光学芯片与电路基板之间通过引线键合相连接；光学芯片顶面的一侧区域开设有第二凹槽，电学芯片组件倒装地设置于第二凹槽中，光学耦合组件设置于光学芯片顶面的另一侧区域上。本发明提供一种基于3D立体封装的高密CPO硅光引擎，通过将电路基板、光学芯片、电学芯片组件进行三维立体封装，可使得CPO硅光引擎传输带宽增加一倍。同时，将发射驱动电芯片和接收电芯片叠封为一个电芯片组件的封装结构，解决2D封装技术中电学芯片组件空间不足、光电芯片的连接方式导致高频信号失真、低带宽的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光通信硅基封装技术领域，尤其涉及一种高密CPO硅光引擎。
背景技术
随着人工智能、大数据、5G应用、超算等行业的发展，且数据中心、超算中心能耗要求越来越严苛的大环境下，光模块必须向高集成化、低功耗、高密度、低成本方向发展。传统光模块受限于板卡面板空间已不能通过增加光模块数量来提升带宽，同时800G、1.6T等超高速带宽高频电信号损耗大要求光电转换模组距离交换机芯片越近越好。
针对上述高集成化、低功耗、高密度、低成本方向的发展需求，在专利CN112859259A中阐述了一种常规的2D封装结构CPO硅光引擎，其中光电芯片间采用引线键合方式连接。然而，引线键合会影响高频信号传输，降低高频传输带宽。且每一个硅光引擎8通道，按照单通道25G带宽，即每个硅光引擎有200G带宽，那么1U交换机可以实现3.2T传输速率。但是，超算中心的数据传输爆发增长情况下，3.2T速率已经不能满足其需求。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种高密CPO硅光引擎，以克服现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种高密CPO硅光引擎，其包括：电路基板、光学芯片、电学芯片组件以及光学耦合组件；
所述电路基板的顶面开设有第一凹槽，所述光学芯片设置于所述第一凹槽中，并与所述电路基板形成一高度差，所述高度差适于所述光学芯片与电路基板之间通过引线键合相连接；
所述光学芯片顶面的一侧区域开设有第二凹槽，所述电学芯片组件倒装地设置于所述第二凹槽中，所述光学耦合组件设置于所述光学芯片顶面的另一侧区域上。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述光学芯片为多个，多个光学芯片共同地设置于所述第一凹槽中或者设置于各自的第一凹槽中，任一所述光学芯片的第二凹槽中设置有所述电学芯片组件。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述电路基板的底面还设置有阵列弹片。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述第二凹槽中还设置有若干第一凸起电极，所述若干第一凸起电极与所述电学芯片组件上的电极阵列对应设置。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述电学芯片组件与光学芯片之间还填充有绝缘导热胶。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述电学芯片组件包括自下而上依次设置的：基板层、驱动芯片、隔离绝缘层、TIA芯片以及密封层。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述基板层为陶瓷基板，其上开设有以阵列形式排布的通孔，所述通孔以及陶瓷基板的下表面设置有镀金层，且所述陶瓷基板的上表面还设置有若干第二凸起电极，所述驱动芯片通过所述第二凸起电极倒装焊接于所述陶瓷基板上。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述隔离绝缘层设置于所述驱动芯片的上方，且其两端具有向下凹陷设置，所述隔离绝缘层通过其两端的凹陷结构与所述陶瓷基板上的分布于所述驱动芯片两侧的第二凸起电极相连接。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述隔离绝缘层的顶面还设置有若干第三凸起电极，所述TIA芯片通过所述若干第三凸起电极倒装焊接于所述隔离绝缘层上。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述密封层为一金属密封帽，其设置于所述基板层上，所述驱动芯片、隔离绝缘层、TIA芯片封装于所述金属密封帽中，且所述金属密封帽中还填充有导热胶。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述光学耦合组件采用光栅耦合组件、端面耦合组件以及V型槽无源耦合组件中的一种。
作为本发明高密CPO硅光引擎的改进，所述高密CPO硅光引擎还包括密封盖；
所述密封盖设置于所述电路基板上，所述光学芯片、电学芯片组件以及光学耦合组件封装于所述密封盖中，且所述密封盖中还填充有导热胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种基于3D立体封装的高密CPO硅光引擎，通过将电路基板、光学芯片、电学芯片组件进行三维立体封装，可使得CPO硅光引擎传输带宽增加一倍，同时解决2D封装技术中电芯片排布空间不足、光电芯片的连接方式导致高频信号失真、低带宽的问题。
同时，通过将电学芯片组件进行分层设计使得驱动芯片和TIA芯片叠封，进而节省空间，同时又不影响TIA芯片的散热。此外，电学芯片组件通过采用金属密封帽，并在其中填充导热胶，有利于提高电学芯片组件的散热性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高密CPO硅光引擎一实施例的立体示意图；
图2为图1中电路基板的底面示意图；
图3为图1中高密CPO硅光引擎去掉密封盖的内部结构示意图；
图4为本发明高密CPO硅光引擎中电学芯片组件的立体分解示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一实施例提供一种高密CPO硅光引擎，其包括：电路基板10、光学芯片20、电学芯片组件30以及光学耦合组件40。
如图2所示，电路基板10用于作为其他器件封装的载体。一个实施方式中，电路基板10可以为PCBA，即其上安装有电子元器件的PCB板。该PCBA板的底面还设置有阵列弹片11。该阵列弹片11可作为硅光引擎与交换机主板电信号接口，此阵列弹片11可多次重复使用，使硅光引擎的更换具备灵活性。
如图3所示，本实施例的高密CPO硅光引擎将电路基板10、光学芯片20、电学芯片组件30进行三维立体封装。具体地，电路基板10的顶面开设有第一凹槽12，光学芯片20设置于第一凹槽12中，从而光学芯片20与电路基板10之间形成一高度差，该高度差适于光学芯片20与电路基板10之间通过引线键合相连接。如此，由于光学芯片20部分嵌入电路基板10中，使得光学芯片20与电路基板10打线电极等高或高度差小，进而金线键合更短，降低高频信号的损耗。即，第一凹槽12的深度匹配光学芯片20与电路基板10的高度差，便于引线键合和高频信号传输。其中，光学芯片20可以为硅光芯片。
进一步地，为了实现多个光学芯片20的封装，多个光学芯片20共同地设置于一第一凹槽12中，或者设置于各自的第一凹槽12中。任一第一凹槽12中设置有光学芯片20。且光学芯片20与电路基板10之间可通过胶水固定。第一凹槽12的深度可根据光学芯片20厚度来决定，以实现光学芯片20与电路基板10打线电极等高或高度差小。
光学芯片20顶面的一侧区域开设有第二凹槽21，电学芯片组件30倒装地设置于第二凹槽21中。如此，克服了现有技术中，光、电芯片间采用引线键合方式连接，导致影响高频信号传输，降低高频传输带宽的问题。当电路基板10上封装多个光学芯片20时，任一光学芯片20的第二凹槽21中设置有电学芯片组件30。
第二凹槽21中还设置有若干第一凸起电极211，若干第一凸起电极211与电学芯片组件30上的电极阵列对应设置。如此，可采用倒装焊技术，同时底部加热形式，对准光学芯片20和电学芯片组件30组件，贴片共晶。其中，第一凸起电极211可通过刻蚀工艺制作而成，其高度约3μm，且表面镀合金焊料层约2μm。此外，为了提高封装体的导热性能，电学芯片组件30与光学芯片20之间还填充有绝缘导热胶。
光学耦合组件40设置于光学芯片20顶面的另一侧区域上，其作为本实施例光引擎的光学接口使用。其中，光学耦合组件40采用光栅耦合组件、端面耦合组件以及V型槽无源耦合组件中的一种，可根据实际需求选择相应结构的耦合组件结合应用于本实施例的技术方案中。
如图4所示，电学芯片组件30包括自下而上依次设置的：基板层31、驱动芯片32、隔离绝缘层33、TIA芯片34以及密封层35。通过采用5层设计的电学芯片组件30使得驱动芯片和TIA芯片叠封，进而节省空间，同时又不影响TIA芯片的散热。
其中，基板层31为陶瓷基板，其上开设有以阵列形式排布的通孔，通孔以及陶瓷基板的下表面设置有镀金层。上述陶瓷基板上的通孔的设计应当适配光学芯片20、电学芯片组件30的电接口参数，并考虑高频性能的影响。同时，陶瓷基板的上表面还设置有若干第二凸起电极311，驱动芯片32用于驱动整个电学芯片组件30的工作，并通过第二凸起电极311倒装焊接于陶瓷基板上。第二凸起电极311可通过刻蚀工艺制作而成，其高度约3μm，且表面镀合金焊料层约2μm。
隔离绝缘层33用于实现驱动芯片32与TIA芯片34的隔离和绝缘。隔离绝缘层33设置于驱动芯片32的上方，且其两端具有向下凹陷设置，隔离绝缘层33通过其两端的凹陷结构与陶瓷基板上的分布于驱动芯片32两侧的第二凸起电极311相连接。隔离绝缘层33与陶瓷基板连接时，可将隔离绝缘层33放置于陶瓷基板上方，使得凹陷结构刚好套在相应第二凸起电极311的外部，预固化，然后在凹陷结构与陶瓷基板之间注入少量导电胶，最后进行回流焊。
如此，使得隔离绝缘层33能够避让下方的驱动芯片32。同时，隔离绝缘层33的顶面还设置有若干第三凸起电极331，TIA芯片34用于对输出的电调制信号进行跨阻放大以成电压信号。TIA芯片34通过若干第三凸起电极331倒装焊接于隔离绝缘层33上。TIA芯片34安装时，先通过相应治具固定隔离绝缘层33，同样采用倒装焊技术，对准TIA芯片34电极与隔离绝缘层33的第三凸起电极331阵列，然后共晶贴片。
密封层35用于实现驱动芯片32、隔离绝缘层33、TIA芯片34的封装。本实施例中，密封层35可以为一金属密封帽，其设置于基板层31上，驱动芯片32、隔离绝缘层33、TIA芯片34封装于金属密封帽中，且金属密封帽中还填充有导热胶，该导热胶采用满足高绝缘性、低介电常数、高导热性能的硅胶。如此有利于提高电学芯片组件30的散热性能。相应的，金属密封帽的顶部开设有注胶孔。此时，从其中一侧注胶孔注入灌封硅胶，灌满整个空间，然后固化。
此外，所述高密CPO硅光引擎还包括密封盖50。该密封盖50设置于电路基板10上，光学芯片20、电学芯片组件30以及光学耦合组件40封装于密封盖50中，且密封盖50中还填充有导热胶。相应的，密封盖50上还开设有注胶孔。
综上所述，本发明提供一种基于3D立体封装的高密CPO硅光引擎，通过将电路基板、光学芯片、电学芯片组件进行三维立体封装，可使得CPO硅光引擎传输带宽增加一倍，同时解决2D封装技术中光电芯片的连接方式导致高频信号失真、低带宽的问题。
同时，通过将电学芯片组件进行分层设计使得驱动芯片和TIA芯片叠封，进而节省空间，同时又不影响TIA芯片的散热。此外，电学芯片组件通过采用金属密封帽，并在其中填充导热胶，有利于提高电学芯片组件的散热性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述高密CPO硅光引擎包括：电路基板、光学芯片、电学芯片组件以及光学耦合组件；
所述电路基板的顶面开设有第一凹槽，所述光学芯片设置于所述第一凹槽中，并与所述电路基板形成一高度差，所述高度差适于所述光学芯片与电路基板之间通过引线键合相连接；
所述光学芯片顶面的一侧区域开设有第二凹槽，所述电学芯片组件倒装地设置于所述第二凹槽中，所述光学耦合组件设置于所述光学芯片顶面的另一侧区域上。
2.根据权利要求1所述的高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述光学芯片为多个，多个光学芯片共同地设置于所述第一凹槽中或者设置于各自的第一凹槽中，任一所述光学芯片的第二凹槽中设置有所述电学芯片组件。
3.根据权利要求1所述的高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述第二凹槽中还设置有若干第一凸起电极，所述若干第一凸起电极与所述电学芯片组件上的电极阵列对应设置。
4.根据权利要求1或3所述的高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述电学芯片组件与光学芯片之间还填充有绝缘导热胶。
5.根据权利要求1所述的高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述电学芯片组件包括自下而上依次设置的：基板层、驱动芯片、隔离绝缘层、TIA芯片以及密封层。
6.根据权利要求5所述的高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述基板层为陶瓷基板，其上开设有以阵列形式排布的通孔，所述通孔以及陶瓷基板的下表面设置有镀金层，且所述陶瓷基板的上表面还设置有若干第二凸起电极，所述驱动芯片通过所述第二凸起电极倒装焊接于所述陶瓷基板上。
7.根据权利要求6所述的高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述隔离绝缘层设置于所述驱动芯片的上方，且其两端具有向下凹陷设置，所述隔离绝缘层通过其两端的凹陷结构与所述陶瓷基板上的分布于所述驱动芯片两侧的第二凸起电极相连接。
8.根据权利要求7所述的高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述隔离绝缘层的顶面还设置有若干第三凸起电极，所述TIA芯片通过所述若干第三凸起电极倒装焊接于所述隔离绝缘层上。
9.根据权利要求5所述的高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述密封层为一金属密封帽，其设置于所述基板层上，所述驱动芯片、隔离绝缘层、TIA芯片封装于所述金属密封帽中，且所述金属密封帽中还填充有导热胶。
10.根据权利要求1所述的高密CPO硅光引擎，其特征在于，所述光学耦合组件采用光栅耦合组件、端面耦合组件以及V型槽无源耦合组件中的一种。
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