CN1637450A - 包括可塑连接电缆的光电模块及其制造方法 - Google Patents

包括可塑连接电缆的光电模块及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明披露了一种包括可塑连接电缆和具有对准能力的光电模块，根据本发明，光电设备焊接在诸如玻璃的透明衬底或者包括光学波导管的衬底上，其中设计了导电迹线，形成了光电模块。当插入这样一种光电模块并和印刷电路板对准时，包括导电迹线和称作为可塑电缆的衬底的所述衬底的外部，朝向所述PCB的安装平面向下弯曲，以允许在这些衬底和PCB之间建立电连接。沿着预成型槽断开所述衬底，而且所述衬底的外部能够移开而适当留下所述可塑电缆部分。

Description

包括可塑连接电缆的光电模块及其制造方法
技术领域
本发明一般来说涉及光学通信装置，尤其涉及在印刷电路板中光互连链接的实现。
背景技术
在未来几年里潜在地可能使用光学互连的系统典型地是服务器、超级计算机和电信交换路由器，包括多个导轨，其中每个导轨有一个背板(backplane)或者中板(midplane)和多个可插入式卡(或者插片)。通过背板对可插入式卡之间的通信进行路由。期望在十年后在单个导轨内的累积数据率(aggregate data rate)达到每秒多个万亿比特(terabit)(Tb/s)，并假定在未来它还会增长至每秒十多倍的Tb/s。当前的通信用电学方法通过铜线来实现。然而，在电子线路中，衰减和串扰随着频率增加。对于按1米的典型距离的板到板之间的互连而言，光传输比电传输更有效的分界点(crossover point)是5Gb/s。而且，光传输线能够比电线更加密集地放在一起。
诸如在PCB中的波导管、发射器和检测器的光学器件的可靠、精确和节省成本的集成主要是对高集成度和光学准直(optical alignment)的挑战。光学器件的准直要求比电子器件严格得多。例如，在印刷电路板的实现中的最小准直容限是20μm，光学器件要求按5μm的精度进行定位(对于50μm×50μm的方形光学波导)。因此，在印刷电路板上将光学器件对准是一个挑战。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于克服如上所述的现有技术的缺陷。
本发明的另一个目的是提供高集成度的光电模块。
本发明的另一个目的是提供用于对准高集成度光电模块的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供用于制造高集成度光电模块的方法和系统。
这些和其他的有关目的的实现是通过使得适合于连接到印刷电路板的光电模块来达到的，所述光电模块包括具有至少一个导电迹线的加强杆，特征在于：所述加强杆的部分包括所述至少一个导电迹线的部分，所述加强杆是可移动的，并使得适合于在所述光电模块和所述印刷电路板之间建立电连接。
通过制造使得适合于连接到印刷电路板上的光电模块的方法，所述光电模块包括具有至少一个导电迹线的加强杆，所述加强杆的部分包括所述至少一个导电迹线的部分，所述加强杆是可移动的，并使得适合于在所述光电模块和所述印刷电路板之间建立电连接，所述方法包括步骤：
-在所述光电模块的顶端涂敷绝缘材料，
-用金属材料电镀并制作布线图案
-用绝缘材料涂上第二层，以及
-在预定位置切开绝缘材料的所述第二层。
以及通过安装使得适合于连接到印刷电路板的光电模块的方法，所述光电模块包括具有至少一个导电迹线的加强杆，所述加强杆的部分包括所述至少一个导电迹线的部分，所述加强杆是可移动的，并使得适合于在所述光电模块和所述印刷电路板之间建立电连接，所述印刷电路板有一个安装平面，包括使得适合于部分插入所述光电模块的槽，所述方法包括步骤：
-插入、对准和紧固在所述印刷电路板的所述槽中的所述光电模块，
-朝所述安装平面向下弯曲所述加强杆的所述部分，所述加强杆的部分包括所述至少一个导电迹线的部分，
-在所述部分的所述至少一个导电迹线和所述安装平面之间建立电连接。
在仔细查看附图及详细描述之后本领域普通技术人员将会清楚本发明的其他优点。期望在此合并任何其他的优点。
附图说明
图1图示了其中能够实现本发明的光电系统的部分透视图。
图2是在图1中所提出的其中实现本发明的印刷电路板的部分横截面视图。
图3包括图3a、3b、3c和3d，图示了根据本发明的光电模块的例子。
图4示出了在同样也容纳了一个或者多个电子或者光电模块的PCB衬板里面的光电模块可塑电缆的焊接。
图5图示了容许利用标准半导体制造工具和工艺制造本发明的光电模块的处理步骤的例子。
图6示出了说明用于制造本发明的光电模块加强杆的硅的应用的另一个实施例。
具体实施方式
本发明介绍了一种用于制造具有非常小尺寸的高集成度光电模块的设计技术。根据本发明，提供了用于制造、对准和连接这样的模块的装置。将在所述板上应用的光学器件的精确对准步骤数减少至绝对最小值1。
出于说明的目的，基于垂直腔表面发射激光器(VCESEL)以及相关的光学信号检测器进行说明，需要将所述光学信号检测器组装成类似能够被制作成光学背板或者能够用来连接光学信号到Micro ElectroMechanicalSystem(微机电系统)(MEMS)或者Micro Opto- ElectroMechanical System(微光电机械系统)(MOEM)的小空腔。
设计这些模块以允许将一个或者多个设备组装成具有高性能电特性的热稳定结构。在平的表面进行安装操作以使这些操作和已经存在且不需要添加成本的大多数工业基础结构相兼容。能够折叠所述模块，并基于简单断开并撤除用来组装所述模块自身的刚性加强杆操作的系统要求，能够在3D的型材中组装。
图1图示了其中可以实现本发明的诸如服务器、超级计算机或者电信交换路由器的光电系统100的部分透视图。为说明起见，光电系统100由刚性背板105、可塑背板110以及由光连接器120-1和120-2连接到背板105和110二者上的印刷电路板(PCB)115组成。PCB 115包括两个半导体设备125-1和125-2以及几个光电模块130-1、130-2和130-3。在此实施例中，将光信号从光电模块130-2发送到光电模块130-1，从光电模块130-1发送到光连接器120-1，以及从光电模块130-3发送到光连接器120-2。制造、对准光电模块130-1、130-2和130-3，并根据本发明连接到PCB 115。因此，光电模块130-1组合了垂直腔表面发射激光器与光信号检测器，光电模块130-2和130-3均具有垂直腔表面发射激光器。一般来说，每个光电模块将会包含垂直腔表面发射激光器阵列、光检测器阵列或者二者。在包含VCSEL或者检测器的一个模子中可获得这样的阵列，其中VCSEL和检测器有例如250μm的界线分明的分隔。VCSEL和检测器阵列可以用一维的布图，例如，1×4、1×8或者1×12或者二维的布图例如2×4、2×12来排列。
图2是图1的PCB 115部分横截面视图，根据线A-A’，图示一般地称作为130的光电模块130-1和130-2的结构，以及用于它们的对准和连接的原理。正如所示，在优选实施例中，光电模块130包括支架200和多个适于PCB孔以便对准在PCB 115上的光电模块130的多个对准针205。在光电模块130的加强杆210的表面上形成多个绝缘和导电层215。例如，加强杆210能够包括一个导电层，夹在两个绝缘层之间，在其中设计有导电轨道。在图2给定的例子中，将光电模块130的半导体设备焊接到属于这种导电层的衬板上。光电模块130包括表面发射激光器220和驱动器225或者光信号检测器220以及放大器225。从特性上讲，加强杆210可以是透明的，或者半透明的，使得光信号能够穿透它，或者包括波导管230。仍在此优选实施例中，光电模块130还包括散热器和光学屏蔽部分235。光电模块130是连接到在PCB 115中设计的波导管240的相邻部分。当将光电模块130插入PCB 115并对准时，将从半导体设备220发出或者接收至半导体220的光信号，经由波导管240发送。利用光电轨道和衬板组240将光电模块130连接到PCB 115。用可塑电缆实现光电轨道和衬板以克服在加强杆210和PCB 115的表面之间的90度。为了对准在所述板上的光电模块，最好使用两步骤处理：
-基于标准选择性激光钻孔概念，在PCB上精确定位插孔或者支架，它可以从顶或者底插入，
-光电模块包含蚀刻参照结构，例如，作为在所述支架中的对准特性的参照镜的孔或者沟槽。在支架中的光电模块紧吻合确保精确对准。适当的设计能够使得多个后续连接集中到相同的支架。
图3，包括图3a、3b、3c和3d，图示了根据本发明的光电模块的例子。图3a是所述模块的前视图，而图3b、3c和3d是分别在它插入之前，在它连接期间以及当安装它时的侧视图。为清晰起见，没有示出印刷电路板。由例如玻璃或者硅制作的模块加强杆包括一个或者多个绝缘材料层和导电迹线，例如300，以传输电信号，并以衬板结束，例如305。导电电路能够同样也用另一个绝缘材料层覆盖。在所述具体实施例中，在构造阶段的模块有3个分开的区域，一个(I)用于安放设备，一个(II)用于机械支架(对准)而一个(III)用于电连接。在优选实施例中，在所述第二和第三区域之间的加强杆210中进行开槽，如用点划线所示，以便容易断开加强杆210的区域III。这样的槽能够是预先锯的通道。导电迹线和该第三区域的衬板形成用来连接光电模块130到PCB 115的顶部可塑电缆。
在此例子中，光电和电子器件是焊接到在所述模块的区域一的衬板上的叩焊晶片(flip-chip)。光信号经由所述模块衬底行进。因此，所述衬底必须是透明的，例如玻璃。对于玻璃衬底的情形，所述信号最好经由所述玻璃利用透镜成像，以便获得高光学耦合效率，并防止光学串扰。加强杆210能够安放光学透镜310，和/或者，透镜能够在所述玻璃自身中碾磨。
一旦将所组装的在图3a和3b上提供的光学模块插入并对准到PCB腔，并通过支架200和对准针205固定位置，则将与例如包含顶部可塑电缆部分第三区域相对应的加强杆部分朝如图3C所示的板的安装平面向下弯曲，使得经由例如标准热-条(hot-bar)或者激光工艺进行例如衬板305焊接的电连接。加强杆沿着沟槽或者预先锯通道断开，并且能够从在如图3d所示的可塑电缆部分移开、移去所述加强杆部分。
因此，根据本发明，在所述PCB上安放的电子器件和微型光学模块(可塑电缆)之间的高速通信的路径最短。
在另一个实施例中，在同样也安装了如图4上所示的电子器件或者光电模块400的PCB 115的衬板里面焊接所述可塑电缆。这样的技术使得高速信号沿着单个导电介质行进，避免了由于在电子传导器周围的物理特性变化而导致的电阻失配。将高速信号尽可能地直接“注入”到可塑电缆，而不需要在到达光学有源器件之前，让同样的信号经由不同介质并经由电子互连接的不同电平行进。这是可能的，因为在能够通过标准激光处理-例如，在铜衬板位置烧蚀电缆聚合物并使得暴露的衬板进一步用于诸如在光电模块的可塑部分的顶部上安装电子模块的焊接操作-实现扁平电缆的绝缘顶层中断开的缘故。
图5图示了允许用标准的半导体制造工具制作如上所述的本发明的光电模块的工艺的步骤的例子。在此例子中，所述加强杆由玻璃组成，并且多个光电模块在单个玻璃圆片上同时制作。这种处理包括步骤：
步骤1：在所述玻璃圆片的后面以按照在所述玻璃圆片光电模块位置设计的预定位置进行开槽，
步骤2：在顶部涂敷基于Cyclotene 4026-46(14μm)的BenzoCycloButene(BCB)，(Cyclotene是Dow Chemical Company的商标)，
步骤3：敷贴起晶层(seeding 1ayer)以便能够使得铜沉淀，
步骤4：在所述起晶层的顶部沉淀并形成防腐蚀涂层图案，
步骤5：对铜进行无电式电镀，
步骤6：剥离防腐蚀涂层，
步骤7：敷贴第二层Cyclotene 4026-46，
步骤8：打开在铜衬板位置上的Cyclotene 4026-46顶层。
因为透镜的实现是困难的并且引入在PCB中的光电模块的严格对准，最好替代方法是使用硅衬底，其中经由硅圆片通过实现光学波导管获得透明性。和使用玻璃衬底相比，光信号在几何上是分开的，而这防止了光学串扰，并经过相邻耦合产生了良好的耦合效率。能够如下形成直通的硅波导管。首先实现通过所述硅圆片蚀刻洞孔，其次氧化所述硅圆片，使得形成担当波导管包层的二氧化硅膜。最后，用比二氧化硅更大折射系数的光学透明波导管材料填充所述洞孔。
图6示出了最后一个实施例的例子，图示了用于制作所述加强杆的硅的应用。在这种情况下，经由聚合体波导管引导由所述VCSEL发出的所述光。对于检测器模块的情形，所述基本的布局是相同的，但是用检测器代替了VCSEL。正如所示，所述VCSEL或者检测器600包括在其上敷贴焊料615的铜衬板。衬板610由钝化层605包围。加强杆620由外表面625被氧化的硅组成(SiO2)。在其上焊接有VCSEL或者检测器620的加强杆表面用BCB 630和635两层覆盖，其中设计铜衬板640以便VCSEL或者检测器焊接。铜衬板640属于在第一BCB层630的顶部构建并用所述第二BCB层635保护的导电层。在所述加强杆620中设计聚合体波导管645以把从所述VCSEL发出的光传输到所述PCB或者从所述PCB传输到所述检测器。
本发明的另一个实施例使用了液晶聚合体作为在光电模块中装配的不同层的绝缘材料。
对玻璃、硅或者氧化铝衬底的利用提供了相当好的热维度的稳定性，比有助于维持在光学单元之间的精确对准的塑料或者PCB材料更大。玻璃允许使用激光焊接，硅允许在所述板上的扁平电缆焊接点的IR(激光)焊接，由于所述组装材料“相对的”热扩散特性的缘故而在热周期(危及光学器件对准)不影响整个的组装。
本发明的光电模块技术同样也给出了“首先安装”光电模块的可能性，并在所述产品上为代替在具有在要求返工的测试时发现瑕疵的带有腔和其他无源光学设备(镜和光纤)的复杂板中安装松散组件而安装它之前，测试它。
从应用的角度看，本发明的光电模块带来了如下的优点：
-基于标准的IC技术兼容处理步骤实现光电模块，所述步骤提供光电组件非常好的对准精度(1μm)，和用于在印刷电路板上安装所述器件的对准特性。
-所述实现最好是基于处理的晶片，因此许多光电模块能够同时制造，带来较大成本的节省。
-光电模块合并了为在一个器件中的光电或者光电转换所要求的所有功能，因此，仅仅要求一个严格的对准步骤来在所述印刷电路板中定位该器件。
-所述光电和电子器件是在所述玻璃或者硅衬底上安装的叩焊晶片，以致所述光通过所述衬底行进。所述玻璃或者所述硅形成了界线分明且严格定位的与在所述印刷电路板上的波导管的接口。能够将分开的散热片安装在光电或者电子器件上而不影响所述光耦合部分。
-所述电子可塑电缆回避了光学转动镜片的需要。因此，所述光学耦合被简化，这潜在地导致在所述光纤针和在印刷电路板上的所述波导管之间的较高耦合效率。
-能够将所述光电模块概念用于多层波导管系统，即，在彼此的顶部的好几个光导管层。
尽管所述描述是基于垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和要求使用透明材料、半透明材料或者包括波导管的不透明材料的相关光学信号检测器进行的，但是必须理解用不需要这样的加强杆材料特征的其他种类的光发送和接收设备能够实现本发明。例如，用光发射或者可传感表面可能位于所述电子连接器-例如衬板-的反面的光学信号检测器实现本发明是可能的。
当然，为了满足局部和具体的要求，本领域普通技术人员可以将本发明所有的许多修改和变化应用于如上所述的解决方案中，不过这些修改和变化包括在所附权利要求所定义的本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种使得适合于连接到印刷电路板上的光电模块，所述光电模块包括具有至少严格导电迹线的加强杆，特征在于：所述加强杆的部分包括所述至少一个导电迹线的部分，所述加强杆是可移动的，并使得适合于在所述光电模块和所述印刷电路板之间建立电连接。
2.如权利要求1所述的光电模块，还包括使得适合于对准和维持在所述印刷电路板中的所述光电模块的支架。
3.如权利要求1或2所述的光电模块，其中所述加强杆由玻璃制成。
4.如权利要求3所述的光电模块，还包括至少一个使得适合于聚焦通过所述加强杆转发的至少一个光束的透镜。
5.如权利要求1或2所述的光电模块，其中，所述加强杆由不透明的材料制成，所述加强杆还包括使得适合于通过所述加强杆发射至少一个光波束的光波导管。
6.如权利要求5所述的光电模块，其中所述加强杆由硅制成。
7.如前面权利要求任何一个所述的光电模块，其中所述加强杆的所述部分是沿着预成型槽槽可断开的。
8.如前面权利要求任何一个所述的光电模块，还包括散热器，所述散热器可选择地适合于屏蔽光。
9.一种用于制造使得适合于连接到印刷电路板上的光电模块的方法，所述光电模块包括具有至少一个导电迹线的加强杆，所述加强杆的部分包括所述至少一个导电迹线的部分，所述加强杆是可移动的，并使得适合于在所述光电模块和所述印刷电路板之间建立电连接，所述方法包括步骤：
-在所述光电模块的顶端涂敷绝缘材料，
-用金属材料电镀并制作布线图案
-用绝缘材料涂上第二层，以及
-在预定位置切开绝缘材料的所述第二层。
10.如权利要求9所述的方法，还包括在其中的第一步骤：
-在所述光电模块背面开槽。
11.一种通过安装使得适合于连接到印刷电路板的光电模块的方法，所述光电模块包括具有至少一个导电迹线的加强杆，所述加强杆的部分包括所述至少一个导电迹线的部分，所述加强杆是可移动的，并使得适合于在所述光电模块和所述印刷电路板之间建立电连接，所述印刷电路板有一个安装平面，包括使得适合于部分插入所述光电模块的槽，所述方法包括步骤：
-插入、对准和紧固在所述印刷电路板的所述槽中的所述光电模块，
-朝所述安装平面向下弯曲所述加强杆的所述部分，所述加强杆的部分包括所述至少一个导电迹线的部分，
-在所述部分的所述至少一个导电迹线和所述安装平面之间建立电连接。
12.如权利要求11所述的方法，还包括移开包括所述至少一个导电迹线的部分的所述加强杆的所述部分而同时适当留下所述至少一个导电迹线的所述部分的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，还包括步骤：将电子设备连接到在所述部分的所述至少一个导电迹线和所述安装平面之间建立的所述电连接上。
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