CN115832864A - 到表面发射器的高频信号耦合 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了到表面发射器的高频信号耦合。为了减少接合引线之间的串扰，说明性集成电路包括沿中心线布置的光电发射器的阵列，其中相邻的光电发射器在中心线的相对侧上具有接触焊盘。说明性组件包括具有光电发射器接触焊盘的阵列的集成电路芯片；具有凹陷的印刷电路板，印刷电路板芯片安装在其中；以及将接触焊盘与印刷电路板上的相应接触焊盘连接在一起的接合引线。说明性线缆连接器包括模块，模块将光纤光学地耦合到安装到印刷电路板的集成电路芯片上的光电发射器的阵列。每个光电发射器具有通过接合引线连接到印刷电路板接触焊盘的接触焊盘，用于每个光电发射器的接合引线相对于用于阵列中的任何相邻的光电发射器的接合引线沿相反方向布线。

Description

到表面发射器的高频信号耦合
技术领域
本公开总体上涉及高带宽线缆连接器，更具体地，涉及使接合引线(bond wire)长度最小化以减少信道之间串扰的布置。
背景技术
数据通信量和速率不断增加的需求仍在继续，经由各种形式的无线和物理介质发射和接收更高频率和更高带宽信号的复杂技术正在逐渐满足该需求。信号由换能器生成，在许多情况下，换能器采用由电信号驱动的集成电路(IC)芯片的形式。在至少一些实例中，换能器是表面发射器，这意味着生成的信号从IC芯片的顶部表面发射。顶部表面通常也是被图案化以提供期望的功能的层，层包括用于接收电驱动信号的接触焊盘。接合引线是将顶部表面接触焊盘连接到基板(诸如封装基板、插入器或印刷电路板(PCB))的传统(并且因此是最可靠且通常最便宜的)技术。然而，接合引线是非屏蔽的，并且因此在高信号频率下会发生串扰，特别是在IC芯片包含多个紧密间隔的换能器的情况下。
发明内容
因此，本文公开了用于减少将高频信号耦合到集成电路(IC)芯片中的多个换能器的接合引线之间的串扰的技术。
根据本申请的一个方面，提供了一种集成电路芯片，其特征在于，该集成电路芯片包括：光电发射器设备的阵列，该光电发射器设备的该阵列沿轴布置，该阵列具有平行于该轴的中心线，每个光电发射器设备在该中心线的与该阵列中的任何相邻的光电发射器设备的阳极接触焊盘相对的侧上具有阳极接触焊盘。
在一个实施例中，该集成电路芯片的特征在于，每个光纤发射器设备是在该中心线的与该阳极接触焊盘相同的侧上具有阴极接触焊盘的垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片。
在一个实施例中，该集成电路芯片的特征在于，每个光电发射器设备相对于该阵列中的任何相邻的光电发射器设备旋转180度。
在一个实施例中，该集成电路芯片的特征在于，相对于该阵列中的任何相邻的光电发射器设备，每个光电发射器设备跨该中心线镜像。
在一个实施例中，该集成电路芯片的特征在于，每个光电发射器设备在该中心线上具有发射器表面。
根据本申请的另一个方面，提供了一种印刷电路板组件，其特征在于，该印刷电路板组件包括：集成电路芯片，该集成电路芯片具有带有相关联的接触焊盘的光电发射器设备的阵列；印刷电路板，该印刷电路板具有凹陷，印刷电路板芯片安装在凹陷中；以及接合引线，该接合引线将光电发射器设备的接触焊盘与印刷电路板的顶部表面上的相应接触焊盘连接在一起。
在一个实施例中，该印刷电路板组件的特征在于，该凹陷的深度基本上等于该集成电路芯片的厚度。
在一个实施例中，该印刷电路板组件的特征在于，该集成电路芯片安装在该凹陷的至少一个壁的0.1mm以内。
在一个实施例中，该印刷电路板组件的特征在于，该光电发射器设备的该阵列沿轴布置，其中该阵列具有平行于该轴的中心线，并且该阵列中的每个光电发射器设备在该中心线的与该阵列中的任何相邻的光电发射器设备的该阳极接触焊盘相对的侧上具有阳极接触焊盘，并且其中该接合引线将该中心线的每一侧上的接触焊盘与该中心线的相同侧上的印刷电路板接触焊盘连接在一起，使得用于相邻的光电发射器的接合引线从该中心线沿相反方向布线。
根据本申请的另一个方面，提供了一种线缆连接器，其特征在于，该线缆连接器包括：光学耦合模块，该光学耦合模块将光纤光学地耦合到安装到印刷电路板的集成电路芯片上的光电发射器的阵列，该阵列中的每个光电发射器具有通过接合引线连接到该印刷电路板上的接触焊盘的接触焊盘，用于每个光电发射器的该接合引线相对于用于该阵列中的任何相邻的光电发射器的该接合引线沿相反方向布线以减少串扰。
在一个实施例中，该线缆连接器的特征在于，该光电发射器设备的该阵列沿轴布置，该阵列具有平行于该轴的中心线，每个光电发射器设备在该中心线的与该阵列中的任何相邻的光电发射器设备的该接触焊盘相对的侧上具有接触焊盘。
在一个实施例中，该线缆连接器的特征在于，该集成电路芯片安装在所述印刷电路板的凹陷中，该凹陷的深度基本上等于该集成电路芯片的厚度，并且其中该凹陷具有在该集成电路芯片的0.1mm以内的壁。
附图说明
图1是说明性光纤线缆连接器的立体视图。
图2是说明性光纤线缆连接器的框图。
图3是用于表面发射器的说明性驱动器的示意图。
图4是第一说明性垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片的等距视图。
图5是第一说明性VCSEL耦合布置的侧视图。
图6是第二说明性VCSEL耦合布置的侧视图。
图7是第三说明性VCSEL耦合布置的侧视图。
图8是第二说明性VCSEL芯片的等距视图。
图9是第三说明性VCSEL芯片的等距视图。
图10是第四说明性VCSEL芯片的等距视图。
图11是第四说明性VCSEL耦合布置的侧视图。
图12是第五说明性VCSEL耦合布置的侧视图。
具体实施方式
尽管在附图和以下描述中给出了特定实施例，但是请记住它们不限制本公开。相反，它们为普通技术人员提供用于辨别包含在所附权利要求书的范围内的替代形式、等效方案和修改的基础。
针对上下文，图1示出了光纤线缆的说明性连接器，诸如可用于连接数据处理中心中的网络设备。连接器框架102容纳印刷电路板(PCB)组件104，该印刷电路板(PCB)组件104配置有边缘连接器接触件106，该边缘连接器接触件106与主机设备的网络接口端口的插座中的接触件配合以发送和接收电信号。PCB组件104包括一个或多个封装集成电路(IC)芯片或安装在PCB的接触焊盘上的分立电气部件。例如，PCB组件104可以包括数字信号处理(DSP)设备108，以通过均衡接收信号、恢复数据和重新传输所恢复的数据来执行数据恢复和重新调制，从而人选地提供误差校正、信号格式转换和通道重新对准。
PCB组件104包括将集成光电检测器和光电发射器耦合到一个或多个光学路径的光学耦合模块110。当与光学耦合模块110配合时，套管(ferrule)112将光纤线缆114中的一个或多个光纤与一个或多个光学路径对准。光学耦合模块110通常可以使用透镜和棱镜来限定在光纤与光电检测器和光电发射器之间耦合光信号的光学路径，尽管其他光学元件(例如，镜、光栅)也适用。
光纤线缆连接器可以进一步包括盖和手指抓握部(finger grip)116，以保护其他部件在正常使用期间免受损坏。
图2是更清楚地示出了说明性光纤线缆连接器202的信号流的框图。DSP设备204耦合到网络接口端口，以在四个通道中的每个通道上接收28或56千兆比特(GBd)电发射信号，并在四个通道中的每个通道上提供28或56GBd电接收信号。电发射和接收信号是可以采用非归零(NRZ)信令或4电平脉冲幅度调制(PAM4)信令的差分信号。考虑开销后，四个信号通道以标称100或200千兆比特每秒(Gbps)针对NRZ传输数据，并且以标称200或400Gbps针对PAM4传输数据。
连接器202可以进一步包括微控制器单元(MCU)205，该微控制器单元(MCU)205经由管理数据总线(诸如内部集成电路(I2C)总线或管理数据输入/输出(MDIO)总线)耦合到网络接口端口。主机可以使用管理数据总线来标识线缆的功能、确定连接状态、诊断故障和/或配置线缆连接器的操作。MCU 205处理经由管理数据总线接收的命令，以适当地读取或设置DSP设备204的控制寄存器。在至少一些情况下，MCU 205被集成到DSP设备204中。
光学耦合模块110(图1)包括光电发射器阵列206、光学路径耦合器210和光电检测器阵列208。DSP设备204将电发射信号转换为驱动光电发射器的阵列206的经重新调制的电发射信号。作为下面进一步讨论的一个示例，阵列中的光电发射器是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。VCSEL阵列实现方式的详细信息在文献中可获得，这些文献包括例如，美国专利7,957,447(“VCSEL Array Device and Method for Manufacturing the VCSEL ArrayDevice(VCSEL阵列设备和用于制造VCSEL阵列设备的方法)”)和美国专利申请公开2020/0381897(“Vertical-cavity Surface-emitting Laser with CharacteristicWavelength of 910nm(特征波长为910nm的垂直腔面发射激光器)”)。电驱动信号在光电发射器中引起电流，光电发射器进而发射具有与电流振幅相对应的强度的光信号。
光学路径耦合器210将来自光电发射器的光信号光学地耦合到线缆114中的光纤，并将来自光纤线缆114的光信号耦合到光电检测器的阵列208。各种合适的光电检测器实现方式在文献中可获得。作为一个示例，阵列中的光电检测器是具有对应于接收到的光信号强度的阻抗的光电二极管。光电二极管可以被电压偏置以将阻抗转换为相对应的电流。跨阻抗放大器(TIA)提供电流的放大，同时将电流转换为接收信号电压。
图3是用于阵列206中的光电发射器的说明性驱动器的示意图。重新调制的发射信号S作为差分信号提供给差分晶体管对Q1、Q2的基极。当信号S处于其最大正振幅时，电流阱(current sink)ID通过晶体管Q1而不是Q2吸引电流，使得来自电阻器R2的电流中的全部电流流过光电发射器VCSEL。当信号S处于其最大负值时，电流阱ID通过晶体管Q2而不是Q1吸引电流，从而减少通过光电发射器VCSEL的电流。以这种方式，驱动器调制IB和IB+IMOD之间的VCSEL电流。
尽管一些配置将用于光电发射器阵列的驱动器和用于光电检测器阵列的放大器实现为独立于DSP设备的支持部件，但可以优选包括作为DSP设备的集成元件的驱动器和放大器。在任何情况下，预期驱动器和放大器的增益和输出偏移可以由DSP或MCU 205自适应地改变和/或控制。
图4是具有VCSEL光电发射器的阵列的第一说明性集成电路芯片402的等距视图。阵列中的每个光电发射器具有到有源区(active region)的发射器表面或“窗”404、用于阳极的接触焊盘406和用于阴极的接触焊盘408。从阳极到阴极通过有源区的电流从发射器表面404产生相干光发射。光学耦合模块110(图1)定义了从发射器表面404到光纤线缆的相关联光纤的光学路径。
图5是PCB组件104的一部分的侧视图，以示出第一光电发射器耦合布置，其中光电发射器阵列芯片402利用粘合剂502安装到PCB。分立驱动器芯片504包括驱动器的阵列，该驱动器的阵列经由接合引线505向光电发射器提供电流。接合引线焊接至芯片402、504上的接触焊盘(并且在其他布置中，焊接至PCB上的接触焊盘)。驱动电流对应于经由PCB迹线506从DSP芯片108接收的经重新调制的发射信号。DSP设备108可以安装在倒装芯片(flip-chip)配置中，其中球栅阵列提供设备上的接触焊盘和PCB之间的电连接。驱动器芯片504可以具有用于球栅连接的接触焊盘和用于接合引线连接的接触焊盘。通孔可以用于在驱动器芯片504的顶部表面和底部表面之间提供导电路径。替代地，接合引线可以将PCB迹线506连接到驱动器芯片504上的接触焊盘。
考虑到驱动电流的信号频率范围大于25GHz，期望保持接合引线长度相对较短，以使接合引线之间的电磁耦合和信号串扰最小化。如果驱动器芯片504靠近光电发射器阵列芯片402放置，则可以将接合引线505的长度最小化，特别是如果芯片402、504的厚度大致相等。如果使用裸管芯(未封装的芯片)，则说明性设备厚度为150微米。厚度基于制造工艺而变化，并且125至175微米范围内的厚度并不罕见。光电发射器接触焊盘的高度还取决于粘合剂502的厚度或所采用的任何替代附接机构的几何形状。
图6是具有将驱动器电路系统集成到DSP设备108中的第二耦合布置的PCB组件104的侧视图。缺少驱动器芯片504，第二耦合布置需要更长的接合引线602以将光电发射器接触焊盘耦合到PCB的顶部表面上的接触焊盘，以接收来自PCB迹线506的驱动电流。减少部件计数的好处被增加的接合引线长度和导致的信号串扰增加所抵消。较长的接合引线和PCB迹线之间的阻抗失配也会增加信号反射的幅度，从而降低传输信号的信号干扰比。
图7是具有第三耦合布置的PCB组件104的侧视图。在该耦合布置中，驱动器电路系统再次集成到DSP设备108中。光电发射器阵列芯片402安装在凹陷702内，以减少将光电发射器接触焊盘连接到用于PCB迹线506的接触焊盘的接合引线704的长度。凹陷可以是PCB基板的腔、凹槽、凸台或其他厚度减少的部分。芯片402和凹陷的壁之间的距离优选地也被最小化(使得小于，例如，0.1mm)，以使得PCB接触焊盘位于更靠近相对应的光电发射器接触焊盘的位置处。优选地，凹陷702的深度近似等于光电发射器芯片402的厚度和/或足以使光电发射器接触焊盘高度与用于PCB的顶部表面上的PCB迹线506的接触焊盘的高度基本对准。然而，减少的串扰利用较浅的凹陷也可实现。减少的接合引线长度减少了驱动信号遇到的阻抗不连续性，也减少了由反射引起的信号干扰比降低。
替代地或附加地，可以通过重新布置光电发射器阵列的接触焊盘来减少串扰，以使得相邻的光电发射器的接合引线之间的间隔增大。例如，图8示出了具有VCSEL光电发射器的阵列的第二说明性集成电路芯片802。与芯片402(图4)相比，阵列中的每隔一个光电发射器已经旋转180度，从而将用于给定的光电发射器的接触焊盘放置在芯片上与阵列中相邻的光电发射器的接触焊盘相对的侧上。如将参考图11和图12所讨论的，这种接触焊盘布置使得相邻的光电发射器能够从相反方向布线。因此，可以在不增加芯片尺寸或设备面积的情况下增加相邻的光电发射器的接合引线之间的间隔。
图9示出了具有VCSEL光电发射器的阵列的第三说明性集成电路芯片902。与芯片402(图4)相比，阵列中的每隔一个光电发射器都相对于阵列的长中心线904(平行于阵列的长轴的中心线)被镜像(或“倒装”)。用于相邻的光电发射器的接触焊盘再次出现在芯片的相对侧，使得相邻的光电发射器的接合引线能够从相反方向布线。与图8的布置不同，该布置的阳极到阳极和阴极到阴极布线间隔是均匀的。
与芯片402的阵列(图4)不同，图8和图9的发射器表面404不是共线的。预期光学耦合模块110(图1)可以被容易地配置为考虑将发射器表面耦合到光纤所需的光程差。在期望保持发射器表面的共线性(例如，用于现有的光学耦合模块)的情况下，倒装或旋转的光电发射器可以偏移，如图10中的第四说明性集成电路芯片1002所示。与芯片902相比，阵列中的每隔一个光发射器都通过发射器表面而不是通过阵列的中心线相对于轴1004进行镜像。增加芯片1002的宽度，从而进一步增加用于相邻的设备接合引线之间的间隔。
图11是具有第四耦合布置的PCB组件104的侧视图。如前所述，驱动器电路系统集成到DSP设备108中，该DSP设备108经由PCB迹线506、1106和接合引线1102将驱动信号提供给光电发射器阵列芯片1002。为了够到芯片1002远侧的PCB接触焊盘，PCB迹线1106中的一些迹线可以至少部分地位于PCB的不同布线层中，这些迹线通过通孔1104连接PCB接触焊盘。在一些情况下，可以提供接地层1108以防止不同布线层中的迹线之间的串扰。
图12是具有第五耦合布置的PCB组件104的侧视图。DSP设备的集成驱动器电路系统经由PCB迹线506、1106和接合引线1202耦合到光电发射器阵列芯片1002。用于阵列中的相邻的光电发射器的接合引线1202从相反方向布线以增加接合引线之间的间隔。光电发射极阵列芯片1002安装在凹陷702中，以减少接合引线的长度，进一步减少接合引线之间的串扰。
总而言之，一种说明性集成电路芯片包括沿轴布置的光电发射器设备的阵列，该阵列具有平行于该轴的中心线，每个光电发射器设备在中心线的与阵列中的任何相邻的光电发射器设备的阳极接触焊盘相对的侧上具有阳极接触焊盘。一种说明性印刷电路板组件包括集成电路芯片，该集成电路芯片具有带有相关联的接触焊盘的光电发射器设备的阵列；印刷电路板，该印刷电路板具有凹陷，印刷电路板芯片安装在凹陷中；以及接合引线，该接合引线将光电发射器设备的接触焊盘与印刷电路板的顶部表面上的相应接触焊盘连接在一起。一种说明性线缆连接器包括光学耦合模块，该光学耦合模块将光纤光学地耦合到安装到印刷电路板的集成电路芯片上的光电发射器的阵列。阵列中的每个光电发射器具有通过接合引线连接到印刷电路板上的接触焊盘的接触焊盘，用于每个光电发射器的接合引线相对于用于阵列中的任何相邻的光电发射器的接合引线沿相反方向布线以减少串扰。
上述中的每一者可以单独地或以组合的方式来实现，并且可与以下特征中的任何一个或多个以任何合适组合的方式来实现：1.每个光电发射器设备是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。2.每个光电发射器设备在中心线的与阳极接触焊盘相同的侧上具有阴极接触焊盘。3.每个光电发射器相对于阵列中的任何相邻的光电发射器设备旋转180度。4.相对于阵列中的任何相邻的光电发射器设备，每个光电发射器设备跨中心线进行镜像。5.每个光电发射器设备在中心线上具有发射器表面。6.凹陷的深度基本上等于集成电路芯片的厚度。7.集成电路芯片安装在凹陷的至少一个壁的0.1mm以内。8.光电发射设备的阵列沿中心线布置，并且阵列中的每个光电发射器设备在中心线的与阵列中的任何相邻的光电发射器设备的阳极接触焊盘相对的侧上具有阳极接触焊盘。9.接合引线将中心线的每一侧上的接触焊盘与中心线的相同侧上的印刷电路板接触焊盘连接，使得用于相邻光电发射器的接合引线以与中心线相对的方向布线。10.光电发射器设备的阵列沿中心线布置，其中每个光电发射器设备在中心线的与阵列中的任何相邻的光电发射器设备的接触焊盘相对的侧上具有接触焊盘。
一旦完全了解以上公开内容，则众多替代形式、等效方案和修改方案对于本领域技术人员将变得显而易见。旨在将权利要求书解释为涵盖包含在所附权利要求书的范围内的所有这些替代形式、等效方案和修改方案。

Claims (12)

1.一种集成电路芯片，其特征在于，所述集成电路芯片包括：
光电发射器设备的阵列，所述光电发射器设备的所述阵列沿轴布置，所述阵列具有平行于所述轴的中心线，每个光电发射器设备在所述中心线的与所述阵列中的任何相邻的光电发射器设备的阳极接触焊盘相对的侧上具有阳极接触焊盘。
2.如权利要求1所述的集成电路芯片，其特征在于，每个光电发射器设备是在所述中心线的与所述阳极接触焊盘相同的侧上具有阴极接触焊盘的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
3.如权利要求1-2中任一项所述的集成电路芯片，其特征在于，每个光电发射器设备相对于所述阵列中的任何相邻的光电发射器设备旋转180度。
4.如权利要求1-2中任一项所述的集成电路芯片，其特征在于，相对于所述阵列中的任何相邻的光电发射器设备，每个光电发射器设备跨所述中心线镜像。
5.如权利要求4所述的集成电路芯片，其特征在于，每个光电发射器设备在所述中心线上具有发射器表面。
6.一种印刷电路板组件，其特征在于，所述印刷电路板组件包括：
集成电路芯片，所述集成电路芯片具有带有相关联的接触焊盘的光电发射器设备的阵列；
印刷电路板，所述印刷电路板具有凹陷，所述集成电路芯片安装在所述凹陷中；以及
接合引线，所述接合引线将所述光电发射器设备的所述接触焊盘与所述印刷电路板的顶部表面上的相应接触焊盘连接在一起。
7.如权利要求6所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述凹陷的深度基本上等于所述集成电路芯片的厚度。
8.如权利要求6-7中任一项所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述集成电路芯片安装在所述凹陷的至少一个壁的0.1mm以内。
9.如权利要求6-7中任一项所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述光电发射器设备的所述阵列沿轴布置，其中所述阵列具有平行于所述轴的中心线，并且所述阵列中的每个光电发射器设备在所述中心线的与所述阵列中的任何相邻的光电发射器设备的所述阳极接触焊盘相对的侧上具有阳极接触焊盘，并且其中所述接合引线将所述中心线的每一侧上的接触焊盘与所述中心线的所述相同侧上的印刷电路板接触焊盘连接在一起，使得用于相邻的光电发射器的接合引线以从所述中心线沿相反方向布线。
10.一种线缆连接器，其特征在于，所述线缆连接器包括：
光学耦合模块，所述光学耦合模块将光纤光学地耦合到安装到印刷电路板的集成电路芯片上的光电发射器的阵列，
所述阵列中的每个光电发射器具有通过接合引线连接到所述印刷电路板上的接触焊盘的接触焊盘，
用于每个光电发射器的所述接合引线相对于用于所述阵列中的任何相邻的光电发射器的所述接合引线沿相反方向布线以减少串扰。
11.如权利要求10所述的线缆连接器，其特征在于，所述光电发射器设备的所述阵列沿轴布置，所述阵列具有平行于所述轴的中心线，每个光电发射器设备在所述中心线的与所述阵列中的任何相邻的光电发射器设备的所述接触焊盘相对的侧的上具有接触焊盘。
12.如权利要求10-11中任一项所述的线缆连接器，其特征在于，所述集成电路芯片安装在所述印刷电路板的凹陷中，所述凹陷的深度基本上等于所述集成电路芯片的厚度，并且其中所述凹陷具有在所述集成电路芯片的0.1mm以内的壁。
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