CN1451976A - 配备布线板的光模块 - Google Patents

Abstract

在一种包括一光学元件和一能够驱动壳体中光学元件的半导体IC的光模块中，光学元件10安装在其上面的金属管座35设有一布线板11，一电驱动光学元件10的半导体IC30，布线板11通过电线16相互连接，而且布线板11和光学元件10通过电线16相互连接。具有优越高频性能的光通信模块的形成能够排除半导体IC产生的热对光学元件的影响，在半导体IC和光连接透镜之间不会产生干扰。

Description

配备布线板的光模块

技术领域

本发明涉及一种光模块，更具体地说，本发明涉及一种包括电路元件如封装组件中的半导体光学元件和半导体IC的光模块，特别是一种在通信系统中使用的光学通信模块。

背景技术

目前，用于基础通信中占主导地位的传输介质是光纤，为了解决通信量增长和提高通信速度问题，就推行多路复用技术以便能通过一根光纤传输更多信息。在此情况下，对于组成通信网络的硬件来说，就要求它们尺寸较小、成本较低以及高性能。为此，在实现光电传输的光通信模块中，就增加了对于在相同的封装组件中包括放大器电路和驱动电路以及光学元件的需要。

半导体元件如将电信号转换为光的半导体激光器和半导体调制器会在特性和工作寿命方面依据温度而产生很大的变化。为此，需要稳定波长和长久工作寿命的光通信模块具有一种将这些半导体元件安装在帕尔帖元件上的结构。另一方面，由于如放大器电路和驱动电路这样的半导体ICs是散热源，因此将半导体ICs和上述光学元件包含在同一壳体中是不常见的。

但是，为了实现信号的高速传输，在高频信号传输方面更有利于将组成放大器电路和驱动电路的半导体IC和上述光学元件布置和连接成相互接近，因此就希望在同一壳体中包含这两个元件。这也有益于成本的降低，因为元件数量减少了。因此，就提出光模块应该具有这样的一种结构：安装半导体光学元件的底座和安装半导体ICs的底座相互分离以使半导体IC和半导体光学元件相互热隔绝，半导体IC和半导体光学元件相互接近布置和通过引线接合法直接相互连接以能获得令人满意的高频特性。

光模块的实例描述如下：

(1)一种光模块的构成是这样的：半导体激光二极管(此下文称之为LD)和驱动器IC直接安装在散热片上，LD和驱动器IC通过引线接合法相互直接连接。散热性能是因为将IC直接安装在散热片上而得到提高，内部布线衬底的形成能使LD和驱动器IC相互接近布置和相互直接连接，因此能够超高速传输信号(例如，JP-A-247758/1998)。

(2)一种光模块的构成是这样的：LD布置在帕尔帖元件背面的端部，LD驱动器布置在帕尔帖元件背面的外侧，LD和LD驱动器通过引线接合法直接连接。LD和LD驱动器之间的直接连接能够高速运行而不使用终端电阻，减少了由于终端电阻的散热而产生的热负荷。(例如，JP-A-247757/1998)。

(3)一种光模块的构成是这样的：光学元件，放大元件和信号输入端几乎是线性地布置在模块壳体中，放大元件和光学元件通过金属线直接连接。通过金属线使放大元件和光学元件之间的直接连接提高了高频特性。(例如，JP-A-91695/2000)。

上述任何一种常用的光模块通过引线接合法直接连接驱动器IC和LD而能够高速传输信号。

上述常用的光模块忽略了穿过将半导体IC与光学元件直接相连接的电线的一些热量，因为该电线是高热电阻。但是，对于使用较高频率的信号来说，使用横截面不是圆形而是带状的电线能够减小电线的电感分量，电线的长度必须较短。带状电线的热阻就会变小，通过电线进入光学元件的热量就会变多。此下文，可测算穿过电线的热量的影响。

常用的直径为25μm和长度为1mm的金属电线的热阻大约为6500(k/w)，而横截面积为25*50μm和长度为1mm的金属带电线的热电阻大约为2600(k/w)。如果缩短电线长度以提高高频传输性能，热阻就能变得更小。

穿过电线的一大部分热除了流过光学元件连接极板下面的元件激活区(对于LD来说是发光区)外，还有一部分热流进光学元件的激活区。如果流进激活区的热量假定对应于与该激活区相连接的电极区域和包括该极板的电极的比值，它被测算为5或10％。从激活区到光学元件安装在其上的衬底的热阻大约为60至120(k/w)，如果光学元件和半导体IC之间的温差为60度，由于通过具有圆形横截面的金属线连接，该元件的激活区的温度就会因为电线的热侵入从大约百分之几升高到0.1度。正如在有关常用光模块描述的文献中所述，该值是可忽略不计的。但是，如果用0.5mm长的金属带状线形成连接以提高高频传输特性，激活区中温度就会升高0.1或0.5度。

在DFB结构的半导体激光元件中，由于对每一度温度就会产生0.1nm波长变化，因此就产生0.05nm的最大波长。该值在与多路波长光通信中经常使用的波长间隔为0.8或0.4nm相比是一个大得不能忽略的值。在使用如此短的带状线的光模块中，由于经过电线而流入光学元件的热对光学元件的特性产生不良影响，因此就必须消除或减少流入光学元件的热。在常用的光模块中还没有考虑热的流入，因为它还是一个微不足道的问题。

在常用的光模块中，如图7A和7B所示，由于光连接透镜19的光轴方向17是向前的，半导体IC20就布置在光学元件10的背面的倾斜方向(7A)或侧面(7B)，一连接导线16a在半导体IC20的矩形芯片的顶点附近与光学元件10相连接，透镜19和用于监测光量的光电二极管15布置在光学元件10的周围。

为了在高频中使用，由于下述原因，半导体IC的信号端(电极极板)通常设置在芯片一侧的中部，在此情况下如图7A和7B所示的电线很难形成。因为微分放大的电路形成是用作一电路，正相和反相的信号电路元件对称地设置在半导体IC中，因此向正常相位和反相相位提供两个连接端。为了散热和布线方便的原因，半导体IC的功能部件设置在IC芯片的中部。布线图案的形成能使在IC芯片外边沿从功能部件到连接极板的布线部件是一与对称设置在信号端两测的地线共平面的传输线。

为此，从细布线规则的IC功能部件到连接极板的电线是通过逐渐变厚的多幅楔形布线图案而形成的。为了通过共平面传输线连接常规和非常规信号就需要五根电线，如果常规和非常规信号需要同等对待，信号线和地线长度就几乎要相同，信号连接极板必须布置在IC芯片20边沿的中部，如图8所示。在芯片的右侧设置输出电极极板22，它包括五个电极—接地端22G，反相信号端22R，接地端22G，正相信号端22S和接地端22G，在芯片的左侧设置与输出电极极板具有相同结构的输入电极极板23。在芯片的中部设置一具有信号放大功能和其它功能的功能区21；该功能区21中的布线宽度大约为1μm。输出电极极板22和输入电极极板23的尺寸大约从几十μm到100μm，为此，从功能区21到输出电极极板22和输入电极极板23的连接是通过逐渐一致变厚的楔形布线图案而形成的(未图示)，布线图案形成一共平面传输线。电源和控制用的电极极板24设置在芯片的上面和下面。

如果这样的半导体IC和光学元件通过引线接合法利用减小电线长度而相互直接连接，就会在IC和设置在光学元件前面的光连接透镜之间产生干扰，如下所述。图6表示解释这种干扰的视图。(1)半导体IC20至光学元件10的输出端位于其上的侧端长度例如为2mm，至光端子的输出端极板22位于该侧端的中部。(2)光学元件10的长度是0.6mm，连接电极极板22位于其中部位置。(3)如果半导体激光器的光连接专用透镜用作设置在光学元件10前面的光连接透镜19，在光学元件侧该透镜的工作距离，即，光学元件的端面和透镜表面之间的间隔为0.2至0.4mm。

为了用最短的电线连接光学元件和IC，光学元件的连接极板和IC的连接极板必须垂直于光学元件的光轴设置。如果它们被这样设置，上述的(1)和(2)就规定IC侧端的边沿到光学元件前部的距离为0.7mm。在此情况下，上述(3)规定IC和透镜将会占据相同的位置；实际上这样的位置若不加工透镜是不可能实现的。

发明内容

本发明的目的是提供一种光模块，它包括一适用于高速运行的半导体IC，该半导体IC能够排除由于经过连接电线从半导体IC进入光学元件的热而产生的特性变化，同时实现在芯片侧端中部具有信号输出端极板的半导体IC和对透镜没有干扰的光学元件之间的连接。

为了实现上述目的，这样构成根据本发明的光模块以便能使信号连接的布线板设置在半导体IC和光学元件之间，半导体IC的输出端经过布线板的电线与光学元件的电极极板相连接，布线板与光学元件一起安装在金属基座(管座)上。

根据本发明光模块的一个较佳实施例，光学元件安装在设置于帕尔帖元件中的金属基座上以稳定其性能，将用于将光学元件发射出的光输入给光纤的光连接透镜和用于检测金属基座温度和控制帕尔帖元件以便金属基座保持恒温的热敏电阻安装在金属基座上。在光学元件是发光元件如半导体激光器的情况下，用于监测光量的光电二极管设置在发光元件的背面，它检测光量和控制光输出。在光学元件是调制和输出所输入光的光调制元件，代替为上述发光元件而设置的光二极管的情况下，光连接透镜设置成能将要被调制的连续光输入给光学元件。

在半导体IC的周围，为半导体IC的电源和控制信号等的连接设置一布线衬底。半导体IC和布线衬底安装在一金属块上，该金属块不同于安装了光学元件的管座(金属材料)，在光通信模块壳体的底板上设置帕尔帖元件和配置半导体IC的金属块，配置光学元件的管座等安装在帕尔帖元件上。由于具有这种结构，就能在半导体IC和光学元件之间隔热。壳体底板固定于加热器上，用包括光通信模块的通信装置中的风扇等进行冷却。虽然本发明对处理频率大于80GHz信号的光通信模块特别有效，但是它也适用于其它用途的光模块。

本发明的这些和其它目的，特征和效果根据下面结合附图的较佳实施例的详细描述将会变得更加清楚。

附图说明

图1是根据本发明的光通信模块的实施例结构的侧剖面图；

图2是根据本发明的光通信模块的另一个实施例结构的顶视图；

图3是根据本发明的光通信模块的又一个实施例结构的顶视图；

图4是根据本发明的光通信模块的另一个实施例结构的顶视图；

图5是根据本发明的光通信模块的另一个实施例结构的顶视图；

图6是用于解释半导体IC和透镜之间干扰的视图；

图7A和7B表示常用光模块中光学元件，IC和其它部件分布的视图；

图8表示高频波半导体IC的外观视图。

具体实施方式

此下文，将使用附图描述本发明的实施例。

图1是根据本发明的一种光通信模块实施例结构的侧剖面图；

光通信模块的壳体34包含一金属管座35安装在其上面的帕尔帖元件36，和一驱动光学元件的半导体IC20和衬底30安装在其上面的金属块31。在管座35上安装了衬底12，光学元件10如半导体激光器，布线板11和热敏电阻14安装在衬底12上。连接器32和引线头33设置在壳体34的外侧。衬底30，半导体IC20，布线板11，光学元件10，热敏电阻14等通过金属线或细金属带的连接线16相电连接。

连接器32是一种将信号输入给光通信模块的连接器；适用于高频传输的同轴连接器用作连接器32。连接器32的信号导线与壳体34中的衬底30相连接，信号经过衬底30输入给半导体IC20。壳体34设有许多与外部电连接的引线33，这些引线与热敏电阻14，帕尔帖元件36等相连接。

本实施例的特征在于布线板11设置在其上面安装了光学元件10的管座35上，半导体IC20和光学元件10之间的连接是通过布线板11而形成的，布线板11安装在其上面的管座35和金属块相互分离。

热也通过连接线16与电信号一起从半导体IC20传输给布线板11。如果将许多粗短的布线电线11用于连接以提高高频性能，那么就会有比常用光模块更多的热传播。但是，在本实施例中，经过连接电线16传播的热从布线板11流入管座35而没有流入光学元件10。因此，由于半导体IC20产生的热而引起温度的升高不会引起光学元件10的性能产生变化，这样它就能保持稳定的运行。

布线板11最好用介电损失小和高频信号传输性能优越的陶瓷材料做成。布线板11上的布线图案通过照相平板印刷而形成。布线板11和管座通过焊料(例如，具有高熔点的AuSn等)相互固定。

图2表示图1光通信模块壳体的部分顶视图。

作为半导体IC30的输入电极极板23和输出电极极板22，将五个极板分别提供给正相和反相信号端和地处包围它们的接地端。在半导体IC20的另一侧设置电源和控制用的其它电极极板24。输入极板23和其它极板24通过金属电线等(未图示)与衬底20相连接。虽然，在本实施例中，半导体IC20的信号输入件和信号输出件的相应电极极板的数量是五个，但是本发明仅限定于该数量。

半导体IC20的输出电极极板22和布线板11通过连接电线16a相互电连接。作为连接电线16a，更希望使用的是带状电线而不是圆形截面的电线，因为其电感分量较小。它还希望半导体IC20的输入电极极板23和衬底30之间的连接也用带状电线制成。图2中的连接电线16a具有以共平面传输线形式连接信号的三根电线。

半导体IC20的输出电极极板22以共平面传输线的形式布线在布线板11上，其中信号线和包围信号线的接地线设置在相同的平面内。但是，由于光学元件10在其顶端输入信号，在其底端返回信号，因此希望与光学元件10的连接是通过使用微带传输线而形成的。所以，希望根据高频信号传输线的性能在半导体IC20的输出电极极板22和光学元件10之间的中途从共平面传输线到微带传输线形成转换。在图2的布线板11上形成的共平面微带转换区是为此目的形成的布线图案区。即，本实施例中布线板11上的布线图案由来自半导体IC20的共平面传输线组成，其后面有共平面微带转换区11a，和微带传输线区11b直至光学元件，因此能够实现令人满意的高频信号的传输性能。布线板上的布线图案是一个经过阻抗匹配的传输线。布线板11的传输线和光学元件10通过连接电线16b相互形成连接。作为电线16b，如上所述，根据高频传输特性更希望它是带状电线而不是圆形截面电线。

光学元件10在光轴17的方向发出光，用箭头表示的方向是向前的。在光学元件10的前面设置一光连接透镜19，它用于将发出的光变换为平行光或会聚光以使该光进入光纤。对于常用的光连接透镜来说透镜19和光学元件10之间的距离介于0.2至0.4mm的范围内。布线板11是纵向延伸形的，如矩形，它的设置能使布线图案的方向几乎垂直于光轴17的方向，布线板11安装在管座35上以便面向光轴的布线板11的侧面几乎处在与光学元件10前面相同的位置，由于这样的结构，在透镜19，透镜筒(或透镜架)(未图示)和布线板11中间不会产生干扰。如果半导体IC通过现有技术的电线直接布线在光学元件上，那么输出电极极板就设置在如图2所示的IC芯片侧面的中部位置，IC至少设置在透镜或透镜筒半径以外的距离以避免IC和透镜之间产生的干扰，，并通过此间的电线连接。在此情况下，连接电线的长度至少为1mm(对于1mm的透镜半径而言)，如果有透镜筒，就长达2mm。这样长的电线的电感高达0.8或1.6nH，该电感的阻抗在5GHz的频率下为25或50ohms，在高频传输方面很难利用光模块。

在金属管座35上，热敏电阻14通过衬底12相对于光学元件10与布线板11以反向关系设置。在金属管座35上，用于监测的光电二极管15通过衬底12相对于光学元件10与透镜19以反向关系设置。

根据本实施例，从半导体IC20流过连接电线16的热经过布线板11流入管座35而不会流入光学元件10。因此，由于半导体IC20产生的热而引起温度的升高不会引起光学元件10的特性产生变化，这样能够保持稳定的运行。用许多粗短布线电线11形成的连接能够提高高频特性。

在使用根据本实施例的布线板的地方，如果布线板上的布线经过阻抗匹配，就不会产生布线长度的问题。因此，根据本实施例，可以设置半导体IC20而无需考虑对透镜19产生的干扰，这样部件安装在光模块中而不需要紧固。

从防止IC和透镜(或透镜筒)之间干扰的观点来确定布线板11的最小长度为透镜筒的半径。

图3是根据本发明光通信模块又一个实施例结构的部分顶视图。

在本实施例中，光学元件10与电吸附调制器一体形成，电吸附调制器与激光元件一体形成，一电阻与光学元件10平行连接。在光学元件10与电吸附调制器和激光元件一体形成的情况下，如图3所示，对于激光连接端10b和调制器连接端10a来说在光学元件10顶部上至少需要两个电极。

由于光通信模块中使用的光学元件的阻抗经常不同于传输线的阻抗，像电阻这样的电路元件经常并联或串联以匹配布线板11上布线的阻抗。用于高速信号传输的电吸附调制器的阻抗通常大于50ohms，也是经常使用的传输线的阻抗。因此，电阻与光学元件通常以将用于负载匹配的电阻元件设置在光学元件的周围并通过电线在光学元件顶部上的连接极板和电阻元件的电极极板之间用导线形成连接的方式并联以匹配阻抗。

在本实施例中，在衬底12上形成用于负载匹配的端子电阻12a以便它通过电线与光学元件10的调制器元件连接端子相连接。虽然，在本实施例中，在衬底12上形成用于负载匹配的端子电阻12a，但是该电阻也可以在布线板11上形成或安装在布线板11上。基本上与图1和2所示实施例中部件相同的功能部件用相同的标号表示，将不作描述。这对于其它实施例来说也一样。

图4是根据本发明的光通信模块另一个实施例结构的顶视图。

本实施例的特征在于半导体IC20通过五根电线与布线板11相连接。存在一种情况，即具有正相和反相输出的半导体IC20与正相和反相输出相等的负载相连接时，它可提高电性能和稳定性。在此情况下，由于仅有其中一个输出端与光学元件10相连接，因此它就希望根据半导体IC20的运行将另一个没有与光学元件10相连接的输出端与负载电阻相连接。由于半导体IC20正相和反相输出的端子22设置接近，通过在插入半导体IC20和光学元件10之间的布线板中形成负载电阻就比较容易形成连接。即，在本实施例中，通过在布线板11上形成用作电路元件的端子电阻11c，就能增强半导体IC20的电气特性和稳定性。

图5是根据本发明的光通信模块另一个实施例结构的顶视图。本实施例不同于前述实施例在于光学元件10是一光调制元件和光连接透镜还设置在光学元件10的背面(附图的上侧)。由于光调制型的光学元件10具有设置在元件10前面和背面的光连接透镜19，因此与光学元件10相连接的元件必须设置在透镜19之间。透镜19之间的间隔是该光学元件的长度加上两倍的透镜工作距离。例如，如果光学元件的长度是0.6mm，透镜之间的间隔就稍微大于1mm。虽然通常将半导体IC设置在此间隔中非常困难，但是根据本发明的该实施例，即，在透镜之间安装布线板是可能的，因此就能非常容易地构成光通信模块。

根据上述的本发明，能够提供一种具有优越高频性能的光通信模块，其中光学元件不会受到半导体IC所产生热的影响，半导体IC和光连接透镜之间不会产生干扰，光学元件和半导体IC可包含在一个壳体中。虽然有关光通信模块的实施例已作了描述，该光通信模块是本发明的一个有效应用领域，但是本发明可用作需要高速运行的光模块领域。

虽然本发明结合较佳实施例已在上面作描述，但是本领域的任何技术人员通过公开的技术方案能够对本实施例作出各种修改，仍然包含在后面权利要求所限定的本发明的精神和保护范围内。

Claims (7)

1.一种光模块，包括一光学元件和一能够驱动相同壳体中光学元件的半导体IC，

其中：连接光学元件和半导体IC之间信号的布线板安装在一金属管座上。

2.如权利要求1所述的光模块，其特征在于：半导体IC安装在其上面的金属管座和金属块被分离为截然不同的部件。

3.如权利要求1所述的光模块，其特征在于：连接半导体IC和布线板的电线的数量为多个。

4.如权利要求3所述的光模块，其特征在于：布线板具有一个与多根电线相连接的共平面线和一个在其一端与共平面线耦接及在其另一端与光学元件的电极相连接的微带线。

5.如权利要求1所述的光模块，其特征在于：布线板是纵向延伸型的，布线板的长度方向几乎垂直于光学元件的光轴。

6.如权利要求1所述的光模块，其特征在于：布线板的布线结构是一个经过阻抗匹配的传输线。

7.如权利要求1所述的光模块，其特征在于：一电路元件安装在布线板上。

Images