CN115508956A - 倾斜基板高带宽光引擎 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倾斜基板高带宽光引擎，光子集成电路芯片、激光器、透镜、隔离器、光纤阵列接头安装在倾斜的基板上组成了光引擎。光引擎设置在PCB板上，基板的正面为斜面，基板背面为平面且与PCB板凹槽的槽底面接触。本发明还公开了一种倾斜基板高带宽光引擎，光子集成电路芯片、光纤阵列接头、驱动器芯片和跨导放大器芯片安装在倾斜的基板6上组成了光引擎。基板为异形件，由基板本体和一边延伸设置的基板延伸板，基板正面为水平面，基板的背面为斜面，基板的背面与PCB板的板面接触。优点：采用的倾斜的基板设计，基板的高端和低端之间存在基板高度差，且基板高度差大于等于0.1mm，兼顾了PCB布线所要求的低厚度和光学器件所要求的高厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种倾斜基板高带宽光引擎。
背景技术
随着光通信技术的发展，对光引擎要求性能越来越高，体积越来越小。因此要求光引擎在与PCB打线时距离越短越好，但同时光引擎占用体积越来越小以适应PCB布线的要求。特别是目前光模块从400G发展800G乃至1.6T的时候，由于通道数翻倍，器件连线也几乎翻倍，给PCB的布线带来很大困难。
通常PCB的厚度是MSA协议规定的1.0毫米， PIC光子集成电路芯片的厚度为0.35毫米，基板一般为氮化铝陶瓷，基板厚度为0.35~0.45毫米，因此如果PIC硅光集成电路芯片芯片的上表面与PCB上表面齐平，PCB挖槽深度为0.7~0.8毫米。如果PIC光子集成电路芯片芯片的上表面与PCB上高0.1毫米驱动器芯片上表面齐平，则PCB挖槽深度为0.6~0.7毫米。这样PCB挖槽后所剩的厚度仅为0.2~0.4毫米。如果PCB为十层板，每层平均厚度为0.1毫米，则PCB可以布线的层数仅为2~4层。特别是目前光模块从400G发展800G乃至1.6T的时候，由于通道数翻倍，器件也翻倍，器件的连线也几乎翻倍。给PCB的布线带来很大困难，常规的光引擎由于体积较大，挖槽太深，布线层仅剩2~4层，甚至导致布线无法布通。
常规的光引擎由于体积较大，挖槽太深，甚至导致布线无法布通。布线要求基板尺寸尽可能薄，但基板过薄，光路上各种元件又无法保持稳定，变形太大，高低温功率变化过大导致可靠性失效。于是设计光引擎同时达到小体积高性能高可靠就成为亟待解决的问题。
发明内容
为解决背景技术提出的技术问题，本发明为了避免基板整体过薄采用倾斜基板，提出了一种倾斜基板高带宽光引擎，具体的技术方案如下：
一种倾斜基板高带宽光引擎，光引擎设置在PCB板上，包括光子集成电路芯片、激光器、透镜、隔离器、光纤阵列接头和基板，基板设置在PCB板上，基板的正面为斜面，基板的正面与水平面之间形成一个锐角，PCB板的板面内凹设置安装基板的PCB板凹槽，基板背面为平面且与PCB板凹槽的槽底面接触，PCB板上在PCB板凹槽周围的板面上设置PCB板打线焊盘，PCB板上在PCB板凹槽周围的板面上设置驱动器芯片，驱动器芯片的周围设置驱动器芯片打线焊盘， 光子集成电路芯片、激光器、透镜、隔离器和光纤阵列接头均设置在基板的斜面上，且光子集成电路芯片位于基板的低端，光子集成电路芯片上的第一光子集成电路芯片打线焊盘靠近驱动器芯片打线焊盘，且两者齐平，第一光子集成电路芯片打线焊盘与驱动器芯片打线焊盘打线连接；光子集成电路芯片上的第二光子集成电路芯片打线焊盘靠近PCB板打线焊盘，且两者打线连接。
对本发明技术方案的进一步优选，基板的高端和低端之间存在基板高度差，且基板高度差大于0.1mm。
对本发明技术方案的进一步优选，基板采用可伐合金、钨铜合金或钼铜合金制成，钨铜合金、钼铜合金拥有和氮化铝接近的高导热系数以及很低的热膨胀系数，能够满足光引擎基板的复杂要求，但是解决了采用氮化铝陶瓷较脆，磨成倾斜基板，加工费时费力，良率不高的技术问题。
对本发明技术方案的进一步优选，光子集成电路芯片为硅光子集成电路。光子集成电路所采用的基底材料主要包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）、硅以及二氧化硅。硅比其他材料便宜，同时二氧化硅基本是无源的，二氧化硅也便宜，并且集成度较低。
本发明还提出一种倾斜基板高带宽光引擎，光引擎设置在PCB板上，包括光子集成电路芯片、光纤阵列接头、驱动器芯片、跨导放大器芯片和基板，基板为异形件，由基板本体和一边延伸设置的用来安装驱动器芯片和跨导放大器芯片的基板延伸板，基板本体和基板延伸板的正面均为水平面，基板本体的正面低于板延伸板的正面；光子集成电路芯片和光纤阵列接头均设置基板本体的正面上，光子集成电路芯片靠近驱动器芯片，光子集成电路芯片上的第一光子集成电路芯片打线焊盘与驱动器芯片上的驱动器芯片打线焊盘之间打线连接，光子集成电路芯片上的第一光子集成电路芯片打线焊盘与跨导放大器芯片上的跨导放大器芯片打线焊盘之间打线连接；基板的背面为斜面，基板的背面与PCB板的板面接触。
对本发明技术方案的进一步优选，基板的制作材料采用可伐合金、钨铜合金或钼铜合金。基板的制作材料选择目的是，变形小，导热好，机加工比较方便，钨铜合金、钼铜合金拥有和氮化铝接近的高导热系数以及很低的热膨胀系数，能够满足光引擎基板的复杂要求，但是解决了采用氮化铝陶瓷较脆，磨成倾斜基板，加工费时费力，良率不高的技术问题。
对本发明技术方案的进一步优选，基板的边沿设置倒角或圆角，以便基板可以尽可能地靠近外壳的边缘。
本发明技术方案提及的光子集成电路芯片、光纤阵列接头、驱动器芯片、跨导放大器芯片、激光器、透镜和隔离器均为本技术领域内的已知技术，本领域技术人员已知。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明为了避免基板整体过薄采用的倾斜的基板设计，打线侧的基板厚度仅为0.2毫米，而另一侧靠近光学器件的基板厚度为0.7毫米，其光学器件的变形与原有基板相当甚至还有改善，这样兼顾了PCB布线所要求的低厚度和光学器件所要求的高厚度。
2、本发明，倾斜基板低厚度，使得光引擎和PCB板两者高度匹配，适合打线的需求，提高了硅光引擎的带宽。
附图说明
图1是实施例1的光引擎装在PCB板上的立体示意图。
图2是图1的主视图。
图3是图2的A-A剖切视图。
图4是图3中的B处放大视图。
图5是图1的侧视图。
图6是实施例1中PCB板的立体图。
图7是图6的主视图。
图8是实施例1的光引擎的立体示意图。
图9是图8的主视图。
图10是图8的侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-10及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1和2所示，光子集成电路芯片1、激光器5、透镜10、隔离器11、光纤阵列接头7安装在基板6上组成了光引擎。其中，光学器件包括激光器5、透镜10、隔离器11和光纤阵列接头7。
本实施例中，光子集成电路芯片1为硅光子集成电路。光子集成电路所采用的基底材料主要包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）、硅以及二氧化硅。硅比其他材料便宜，同时二氧化硅基本是无源的，二氧化硅也便宜。
如图1和2所示，本实施例的光引擎设置在PCB板4上，如图6和7所示，PCB板4的板面内凹设置安装基板6的PCB板凹槽4-2，基板6背面与PCB板凹槽4-2的槽底面接触，将光引擎与PCB板4固定。
如图2和3所示，本实施例中，基板6的正面为斜面，基板6的正面与水平面之间形成一个锐角，0.7°＜锐角＜10°，锐角角度的设计依据是，直径0.1毫米的光芯片长0.6-8毫米，要求反映到角度上。基板6背面为平面且与PCB板凹槽4-2的槽底面接触。
如图1和2所示，本实施例中，基板6的高端和低端之间存在基板高度差，且基板高度差大于等于0.1mm。光子集成电路芯片1、激光器5、透镜10、隔离器11和光纤阵列接头7均设置在基板6的斜面上。光子集成电路芯片1布置在基板6的低端侧，激光器5、透镜10、隔离器11和光纤阵列接头7布置在基板6的高端侧。
如图3和4所示，本实施例1中，PCB板4上在PCB板凹槽4-2周围的板面上设置电芯片，电芯片的周围设置电芯片打线焊盘2-1，光子集成电路芯片1上的第一光子集成电路芯片打线焊盘1-2靠近电芯片打线焊盘2-1，两者高度相差小于0.1mm，第一光子集成电路芯片打线焊盘1-2与电芯片打线焊盘2-1之间打线2-2。
如图2所示，本实施例中电芯片包括驱动器芯片2和跨导放大器芯片3，驱动器芯片2和跨导放大器芯片3均设置在PCB板4上，且布置在PCB板凹槽4-2周围的板面上，在驱动器芯片2和跨导放大器芯片3的周围均设置电芯片打线焊盘2-1，光子集成电路芯片1上的第一光子集成电路芯片打线焊盘1-2与电芯片打线焊盘2-1之间打线2-2。
如图3和4所示，第一光子集成电路芯片打线焊盘1-2与电芯片打线焊盘2-1之间基本为同一高度，两者高度相差小于0.1mm，几乎没有高度差，打线2-2连接了第一光子集成电路芯片打线焊盘1-2与电芯片打线焊盘2-1，距离很短有利于高频性能的提高。
如图2和3所示，光子集成电路芯片1上的第二光子集成电路芯片打线焊盘1-1靠近PCB板打线焊盘4-1，且两者打线连接。
如图3所示，第二光子集成电路芯片打线焊盘1-1因基板6的斜面，第二光子集成电路芯片打线焊盘1-1与PCB板打线焊盘4-1之间的高度差呈线性变化，由于是几乎是直流走线，并不会影响性能。
过去基板一般为氮化铝陶瓷，基板厚度为0.35~0.45毫米。为了增加PCB布线层，可将基板厚度减小0.2毫米，这样可增加布线层2层，达到4~6层，相对于过去的2~4层，布线难度大幅度下降。目前光模块从400G发展800G乃至1.6T的时候，由于通道数翻倍，器件也翻倍，器件的连线也几乎翻倍。给PCB的布线带来很大困难，常规的光引擎由于体积较大，挖槽太深，如布线层仅剩2~4层，甚至将导致布线无法布通。
但是基板的厚度仅剩下0.15~0.25毫米，相对于过去的0.35~0.45毫米，其刚度大幅度下降。根据薄板的弯曲刚度公式可知，薄板的弯曲刚度和薄板厚度的立方成正比。可想而知，刚度将下降到原有的1/6~1/12。 这样氮化铝陶瓷较脆，很容易碎裂。而且这么薄的厚度也容易变形。光引擎包含了由硅、磷化铟或者铌酸锂等材料制成的光子集成电路，以及其他较多光学器件，其光路容易受到基板变形的影响无法正常工作。
进一步，由于PCB板厚度受到MSA协议的影响很难改变。如果PIC光子集成电路芯片的速率达到单通道100G对于打线长度极为敏感，也不能采用提升PIC光子集成电路芯片和PCB以及驱动器芯片的高度差的方法。即使高度差0.1毫米也会大大地影响其高频性能。
本实施例中，为了避免基板整体过薄采用的倾斜式的基板设计，实施例1中，打线侧的基板厚度仅为0.2毫米，而另一侧靠近光学器件的基板厚度为0.7毫米。其光学器件的变形与原有基板相当甚至还有改善；这样兼顾了PCB布线所要求的低厚度和光学器件所要求的高厚度。
实施例中，现有的氮化铝陶瓷的基板，因氮化铝陶瓷较脆，磨成倾斜基板，加工费时费力，良率不高。本实施例的基板采用可伐合金、钨铜合金或钼铜合金制成。钨铜合金钼铜合金拥有和氮化铝接近的高导热系数以及很低的热膨胀系数，能够满足光引擎基板的复杂要求。
本实施例中，基板6的边沿有倒角或圆角，以便基板6可以尽可能地靠近PCB板4上的PCB板凹槽4-2的边缘。
实施例2
如图8和9所示，光子集成电路芯片1、光纤阵列接头7、驱动器芯片2和跨导放大器芯片3安装在基板6上组成了光引擎。其中，本实施例的电芯片包括驱动器芯片2和跨导放大器芯片3。
本实施例中，光子集成电路芯片1为硅光子集成电路。光子集成电路所采用的基底材料主要包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）、硅以及二氧化硅。硅比其他材料便宜，同时二氧化硅基本是无源的，二氧化硅也便宜。
如图10所示，本实施例的基板6为异形件，由基板本体和一边延伸设置的用来安装驱动器芯片2和跨导放大器芯片3的基板延伸板。基板本体和基板延伸板的正面均为水平面，基板本体的正面低于板延伸板的正面；基板6的背面为斜面，基板6的背面与PCB板4的板面接触。
如图9所示，光子集成电路芯片1和光纤阵列接头7均设置基板本体的正面上，光子集成电路芯片1靠近电芯片，光子集成电路芯片1上的第一光子集成电路芯片打线焊盘1-2与电芯片上的电芯片打线焊盘2-1之间打线连接。
如图9和10所示，光子集成电路芯片1布置在基板6的低端侧，光纤阵列接头7等其他光学器件布置在基板6的高端侧。本实施例中，优选，基板6的高端和低端之间存在基板高度差，且基板高度差大于等于0.1mm。
如图10所示，本实施例中，为了避免基板整体过薄采用的倾斜式的基板设计，打线侧的基板厚度仅为0.2毫米，而另一侧靠近光学器件的基板厚度为0.7毫米。其光学器件的变形与原有基板相当甚至还有改善；这样兼顾了PCB布线所要求的低厚度和光学器件所要求的高厚度。
本实施例中，现有的氮化铝陶瓷的基板，因氮化铝陶瓷较脆，磨成倾斜基板，加工费时费力，良率不高。本实施例的基板采用可伐合金、钨铜合金或钼铜合金制成。钨铜合金钼铜合金拥有和氮化铝接近的高导热系数以及很低的热膨胀系数，能够满足光引擎基板的复杂要求。
本实施例中，基板6的边沿有倒角或圆角，以便基板6可以尽可能地靠近外壳的边缘。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种倾斜基板高带宽光引擎，光引擎设置在PCB板（4）上，其特征在于：包括光子集成电路芯片（1）、光学器件和基板（6），基板（6）设置在PCB板（4）上，基板（6）的正面为斜面，基板（6）的正面与水平面之间形成一个锐角，0.7°＜锐角＜10°；PCB板（4）的板面内凹设置安装基板（6）的PCB板凹槽（4-2），基板（6）背面与PCB板凹槽（4-2）的槽底面接触，PCB板（4）上在PCB板凹槽（4-2）周围的板面上设置PCB板打线焊盘（4-1），PCB板（4）上在PCB板凹槽（4-2）周围的板面上设置电芯片，电芯片的周围设置电芯片打线焊盘（2-1）， 光子集成电路芯片（1）和光学器件均设置在基板（6）的斜面上，且光子集成电路芯片（1）位于基板（6）的低端，光子集成电路芯片（1）上的第一光子集成电路芯片打线焊盘（1-2）靠近电芯片打线焊盘（2-1），且两者高度相差小于0.1mm，第一光子集成电路芯片打线焊盘（1-2）与电芯片打线焊盘（2-1）打线连接；光子集成电路芯片（1）上的第二光子集成电路芯片打线焊盘（1-1）靠近PCB板打线焊盘（4-1），且两者打线连接。
2.根据权利要求1所述的倾斜基板高带宽光引擎，其特征在于：光学器件包括激光器（5）、透镜（10）和隔离器（11），激光器（5）、透镜（10）和隔离器（11）均设置在基板（6）的斜面上。
3.根据权利要求1所述的倾斜基板高带宽光引擎，其特征在于：在基板（6）的斜面上设置有光纤阵列接头（7）。
4.根据权利要求1所述的倾斜基板高带宽光引擎，其特征在于：基板（6）的高端和低端之间存在基板高度差，且基板高度差大于等于0.1mm。
5.根据权利要求1所述的倾斜基板高带宽光引擎，其特征在于：基板（6）采用可伐合金、钨铜合金或钼铜合金制成。
6.根据权利要求1所述的倾斜基板高带宽光引擎，其特征在于：光子集成电路芯片（1）为硅光子集成电路。
7.一种倾斜基板高带宽光引擎，光引擎设置在PCB板（4）上，其特征在于：包括光子集成电路芯片（1）、光纤阵列接头（7）、电芯片和基板（6），基板（6）为异形件，由基板本体和一边延伸设置的用来安装电芯片的基板延伸板，基板本体和基板延伸板的正面均为水平面，基板本体的正面低于基板延伸板的正面；光子集成电路芯片（1）和光纤阵列接头（7）均设置基板本体的正面上，光子集成电路芯片（1）靠近电芯片，光子集成电路芯片（1）上的第一光子集成电路芯片打线焊盘（1-2）与电芯片上的电芯片打线焊盘（2-1）之间打线连接；基板（6）的背面为斜面，基板（6）的背面与PCB板（4）的板面接触。
8.根据权利要求7所述的倾斜基板高带宽光引擎，其特征在于：基板（6）的高端和低端之间存在基板高度差，且基板高度差大于等于0.1mm。
9.根据权利要求7所述的倾斜基板高带宽光引擎，其特征在于：基板（6）采用可伐合金、钨铜合金或钼铜合金制成。
10.根据权利要求7所述的倾斜基板高带宽光引擎，其特征在于：基板（6）的边沿有倒角或圆角。
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