CN1706051B - 光电混合集成模块和使用该模块作为部件的光输入/输出设备 - Google Patents

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Abstract

在具有用于将光输出到外部的光提取部件(14)、用于布线的电极(16)、以及用于电磁屏蔽的电极(17)的透明板的后表面上，通过金属凸点(15)将光学器件(11)倒装贴装于光提取部件(14)的正下方，将驱动IC(12)倒装贴装于希望的位置。当驱动光学器件(11)的电流根据来自外部的电逻辑信号从驱动IC(12)流出时，光信号从光学器件(11)被发射出去，并且通过光提取部件(14)被输出到外部。光提取部件(14)具有光耦合材料或光轴转换器。

Description

光电混合集成模块和使用该模块作为部件的光输入/输出设备
技术领域
本发明涉及光电混合集成模块，特别是涉及其中贴装有光学器件和驱动IC等的光电混合集成模块。
背景技术
近年随着通信网络容量的增加，需要诸如大容量路由器等大规模交换系统。在这种情况下，由于在机柜之间或机柜内部的大容量连接的电气连接的距离或者尺寸而引起的容量限制受到关注。这是因为尽管随着IC和LSI技术的发展，操作速度和集成规模已经得到提高，但高速和高密度的电信号布线和在电布线中的延迟在实现更高性能中始终作为瓶颈。作为解决这一问题的技术，光学互连正在吸引人们的注意。作为使用光学互连的小型和低成本信号输入/输出设备的结构，信号处理是由逻辑LSI执行的，并且与外部的接口是由光电混合集成模块来执行的，这是有效的。
这种类型的光电混合集成模块构造为结合了基底材料，其上贴装了光学器件和驱动IC，并且提供有诸如透镜等光提取部件。图9示出了现有光电混合集成模块的示意性侧截面图。
如图9所示，在其中上表面和后表面上形成有层间布线96和布线图形的布线衬底98上，用于发送或接收光信号的光学器件91被焊料所固定，并且光学器件91和布线衬底98的布线是通过金属线97连接的，并且用于调整光学器件91的电流幅度的驱动IC 92(在接收器的情况中是电子放大器IC)以同样方式被固定并且被电气连接起来。进而，在诸如柯伐合金(covar)等材料制成的盒体93上，贴装有诸如平面微透镜的光耦合装置94。然后，通过在布线衬底98上贴装盒体93，在光学器件91和外部之间的光耦合通过光耦合装置94得到实现。
不过，在现有光电混合集成模块中，使用了其上分别贴装有每个元件的布线衬底和盒体。例如，光学器件通过使用焊料或丝焊而被固定并且被连接到布线衬底，驱动IC通过焊接被固定并且被连接到布线衬底，透镜通过粘合等被固定在盒体上。然后，最后它们被组合为一体。这会引起元件和工艺数目的增加以及贴装成本的增加的问题。
此外，在绘制布线时，为了丝焊光学器件，需要布线的更宽间隔，这引起了元件的高密度贴装变得困难的问题。
此外，为了有效地进行电磁屏蔽，盒体优选地由诸如柯伐合金等金属制成，这引起了成本增加的问题。
此外，在提取或摄入光时，由于透镜和光学器件被分别贴装，因此在透镜和光学器件之间的距离或它们的位置的分散变大，这会造成光学输出本身的分散问题。
此外，当考虑密封时，由于模块被分为盒体和布线衬底，因此需要将密封材料注入由两部分组成的分立封装的中空部分。而且，由于透镜被粘合剂所固定，隔绝式密封也是很难的。
发明内容
本发明的目标是提出一种光电混合集成模块，在该模块中元件和工艺的数目减少，以便降低贴装成本。本发明的另一个目标是提出一种光电混合集成模块，在该模块中允许布线的窄间隔，并且贴装的元件能高密度地布置于其中。进而，本发明的另一个目标是提出一种带有平板的光电混合集成模块，使用该平板能够低成本地实现电磁屏蔽。进而，本发明的另一个目标是提出一种光电混合集成模块，在该模块中透镜和光学器件之间距离的分散受到抑制，以便使光学输出的分散很小。进而，本发明的另一个目标是提出一种光电混合集成模块，在该模块中可以相对容易地进行密封。
为了实现上述目标，根据本发明的光电混合集成模块包括：光学器件，用于将光信号转换成电信号，或者将电信号转换成光信号；输入/输出IC，用于驱动控制光学器件；以及透明基底材料，具有电布线和透光性。该模块构造为光学器件和输入/输出IC倒装贴装于透明基底材料上，并且由于透明基底材料的透光性而能进行光学器件和外部之间的光输入/输出。
根据本发明，将光信号转换成电信号以及进行反向转换的光学器件，以及用于驱动控制光学器件的输入/输出IC被倒装贴装于具有电布线和透光性的透明基底材料上。进而，由于透明基底材料的透光性而能进行光学器件和外部之间的光输入/输出。
因此，元件和工艺的数目被减少，从而降低了贴装成本。此外，允许布线的狭间隔并且贴装部件能高密度地布置于其中。
进而，透明基底材料的电布线可以将光学器件和输入/输出IC电气连接起来，并且还作为光学器件和输入/输出IC的电磁屏蔽。
进而，光学器件被构造为光发射器件，它将电信号转换成光信号并且将其输出，并且输入/输出IC被构造为驱动IC，它将电信号输出到光学器件。可选地，光学器件可以被构造为光接收器件，它将光信号转换成电信号，并且输入/输出IC被构造为电子放大器IC，它将来自光接收器件的电信号放大。
此外，透明基底材料是由透射光的透明板形成的，透明板是由对光学器件的波长具有高透光性的材料制成的。可选地，透明基底材料可以由透射光的柔性片来形成，柔性片是由对光学器件的波长具有高透光性的材料制成的。
最好是，透明基底材料包括位于面对光学器件的位置处的用于提高光耦合效率的光耦合装置。在这种情况下，光耦合装置可以与透明基底材料整体地形成。此外，透明基底材料可以包括光轴转换器，其参考光耦合装置来对光轴的方向进行转换。
此外，光学器件和输入/输出IC具有作为固定器和散热器的插入机构。可选地，最好是将透明基底材料固定到其中含有电布线的支撑框架上。
此外，可以使用本发明的光电混合集成模块来构造光输入/输出设备。更为具体地说，根据本发明的光输入/输出设备包括光电混合集成模块和逻辑LSI。光电模块包括：光学器件，用于将光信号转换成电信号，或者将电信号转换成光信号；输入/输出IC，用于驱动控制光学器件；以及透明基底材料，具有电布线和透光性。该设备构造为光学器件和输入/输出IC被倒装贴装于透明基底材料上，并且由于透明基底材料的透光性而能够执行光学器件和外部之间的光输入/输出。此外，该设备构造为逻辑LSI控制输入到光电混合集成模块或者从它输出的电信号，并且光电混合集成模块和逻辑LSI被贴装在相同衬底上。
如上所述，在本发明的结构中，光学器件和输入/输出IC被倒装贴装于透明基底材料上，并且通过利用透明基底材料的透光性，可以进行将光输入到光学器件或从光学器件输出。因此，元件和工艺的数目被降低，这样就降低了贴装成本。此外，允许布线的窄间隔，由此贴装元件能以高密度地布置于其中。此外，实现了其中考虑了电磁屏蔽的低价平板，抑制了光输出的分散，并且可以相对容易地进行密封。
附图说明
图1为示意性侧截面图，示出了根据本发明第一实施例的光电混合集成模块的结构。
图2为示意性侧截面图，示出了根据第二实施例的光电混合集成模块的结构，在该实施例中根据本发明的光学提取部件包括诸如填充透镜(potting lens)等光耦合装置。
图3为示意性侧截面图，示出了根据第三实施例的光电混合集成模块的结构，在该实施例中提供的本发明的光学提取部件具有预先在透明板上形成的耦合装置。
图4为示意性侧截面图，示出了根据第四实施例的光电混合集成模块的结构，本实施例具有为本发明的光学提取部件提供了光轴转换器的结构。
图5为示意性侧截面图，示出了根据第五实施例的光电混合集成模块的结构，在该实施例中透明基底材料由柔性片组成。
图6为示意性侧截面图，示出了第六实施例的光电混合集成模块的结构，在该实施例中本发明的透明板被固定到支撑框架上。
图7为示意性侧截面图，示出了根据第一实施例的光输入/输出设备，它由光电混合集成模块和逻辑LSI组成。
图8为示意性侧截面图，示出了根据第二实施例的光输入/输出设备，其中逻辑LSI的热量从基底材料侧被释放。
图9为示意性侧截面图，示出了现有光电混合集成模块的结构。
具体实施方式
接下来，参考附图来讲述本发明的实施例。图1为示意性侧截面图，示出了本发明第一实施例的光电混合集成模块的结构。
根据图1所示实施例的光电混合集成模块使用了透明板13，它具有用于在外部和光学器件11之间输入/输出光的光提取部件14以及布线于上表面和后表面上的电极16、17。在透明板的后表面上，光学器件11通过金属凸点倒装贴装从而被定位在光提取部件14的正下方，并且驱动IC通过金属凸点到装贴装从而被定位在光学器件11的附近。这里，使用透明板13来作为透明基底材料。尽管光提取部件14组成光耦合装置，用于改善面向光学器件的透明板的光耦合效率，但光耦合装置不限于光提取部件14的结构。
光学器件11由用于将电信号转换成光信号并且将其输出的光发射器件组成，或者由用于将入射的光信号转换成电信号的光接收器件组成。光学器件11可以由光发射器件或光接收器件以多阵列的形式来形成。
驱动IC 12组成了输入/输出IC，它将电信号输出到光发射器件(光学器件)11。驱动IC 12构造为将用于驱动光发射器件(光学器件)11所需的电流幅度所控制的电信号输出到光发射器件，对应于具体电压的调制信号。在光学器件11为光接收器件的情况下，输入/输出IC被构造为电子放大器IC，它能够电气放大从光接收器件(光学器件)11输出的电信号，并且使用电子放大器IC来代替图中所示的驱动IC 12。进而，使用光接收器件作为光学器件11，来代替光发射器件。至于电子放大器IC，使用了跨阻抗放大器和限幅放大器等。
本发明的光电混合集成模块包括两个模块，其中一个包括如上所述的光发射器件，以便使来自光学器件的光从平板侧发射出去，并且另一个包括光接收器件，以便使来自平板外部的光入射到光学器件。不过，基本结构是一样的，并且只有光学器件和对应于该器件的输入/输出IC的功能是不同的。因此，这里通过例子解释了包括有光发射器件和驱动IC的这种模式，该模式还应用于下面参考附图所讲述的实施例。不过，本发明并不限于这一模式。在本发明的范围内所包括的另一模式中，光发射器件被光接收器件所代替，并且驱动IC被电子放大器IC所代替。
透明板13最好是由诸如对光学器件11的波长具有高透光性的玻璃或硅系列的材料制成。如果光学器件11的光束发散度很小，光提取部件14的上表面可以是平坦的表面。进而，在电极材料被淀积到各个表面上之后，位于透明板13的上表面和后表面上的电极16、17是通过使用光刻技术而形成的。形成的后表面上的电极16将光学器件11和驱动IC 12，以及驱动IC 12和外部电气地联结起来，并且通过使用金属凸点15进行倒装贴装，来对光学器件11和驱动IC执行高精确度的定位。
这样，由于通过倒装贴装实现了连接，因此不需要现有丝焊中所需的用于连接的空间，这能够实现高密度贴装。另一方面，形成上表面上的电极17以承担作为接地电极电磁屏蔽的作用。这使得不需要向现有的例子那样使用昂贵的金属封装就能够实现屏蔽结构。进而，当执行树脂密封时，只有在位于透明板13的后表面上贴装的器件周围的区域才应该被密封住。通过选择合适的树脂材料和在透明板13和光学器件11之间执行没有空气间隙的树脂密封，则可以实现在非故意(unintentional)的反射或散射中从未考虑进去的密封。因此，不再需要在现有分立封装中所需要的将树脂注入整个中空部分这一步骤。
接下来，讲述在光学器件11为光发射器件的情况下，光电混合集成模块1的操作。从外部将预定电压的电逻辑信号提供给驱动IC12，并且与此同时，通过透明板13上的电极16，将电源电压提供给驱动IC 12。来自驱动IC 12的对应于外部电信号并且具有用于驱动光学器件11(在这种情况下为光发射器件)所需的幅度的电流被输入到光学器件11。对应于输入电流，光信号从光学器件11被发射出去，并且通过光提取部件14被输出到外部。
在光学器件11为光接收器件的情况下，光学器件接收从外部穿过光提取部件14入射来的光信号，并且通过电子放大器IC而不是驱动12，由光接收器件产生的电流被转换成电压并以预定的电压被输出到外部。
接下来，参考附图来讲述根据本发明的第二实施例。图2为示意性侧截面图，示出了根据第二实施例的光电混合集成模块的结构，在该实施例中本发明的光学提取部件包括诸如填充透镜等光耦合装置。
透明板23自身是由平坦表面形成的，并且作为光耦合装置的光耦合材料24是通过将凸填充透镜或微透镜结合到透明板23上而形成的。考虑到在贴装步骤中的加热过程，最好是光耦合材料24具有的热膨胀系数(CTE)要接近透明板23的热膨胀系数。此外，由于反射受到透明板23和透镜之间的结合表面的抑制，因此最好是透镜的折射率要接近透明板23的折射率。因此，即使在光束发散度大的情况下，也可以有效地执行压缩。这种结构除了提供有光耦合材料24以外，更具体地说，光学器件21、驱动IC 22、透明板23、电极26和27、以及金属凸点25与第一实施例的这些部件一样，并且它们的操作也与第一实施例的操作一样，因此这里省略了对它们的解释。
接下来，参考附图讲述根据本发明的第三实施例。图3为示意性侧截面图，示出了根据第三实施例的光电混合集成模块的结构，在该实施例中提供的本发明的光学提取部件具有预先在透明板上形成的耦合单元。
透明板33是由Si衬底、聚合物、玻璃等制成的，并且光耦合单元34是在透明板33自身中通过蚀刻或机器加工而形成的透镜。对于透明板33的情况，光耦合单元34，也就是光耦合装置，整体地形成，从而与第二实施例的相比，基本上减少了光耦合装置的光轴的不重合。该结构除了提供有光耦合单元24以外，更为具体地说，光学器件31、驱动IC 32、透明板33、电极36和37、以及金属凸点35与第一实施例的一样，并且它们的操作也与第一实施例的操作一样，因此这里省略了对它们的解释。
接下来，参考附图讲述根据本发明的第四实施例。图4为示意性侧截面图，示出了根据第四实施例的光电混合集成模块的结构，该实施例具有为本发明的光学提取部件提供了光轴转换器的结构。
光轴转换器44可以通过在透明板43上贴装微镜等，或者通过处理透明板43自身以便使其成为金属镜子来形成，其能够以例如从垂直方向到水平方向的90度来转换光轴，如图4所示。进而，如果光学器件41的光束发散度产生问题，则可以将镜子部件形成为凹面镜，以便具有会聚功能。
这种结构除了提供有光轴转换器44以外，更为具体地说，光学器件41、驱动IC 42、透明板43、电极46和47、以及金属凸点45与第一实施例的这些部件一样，并且它们的操作也与第一实施例的操作一样，因此这里省略了对它们的解释。
接下来，参考附图讲述根据本发明的第五实施例。图5为示意性侧截面图，示出了根据第五实施例的光电混合集成模块的结构，在该实施例中本发明的透明基底材料由柔性片组成。光提取部件54、光学器件51以及驱动IC 52的结构与第一到第四实施例中的那些结构相同。
本实施例的特点是，电信号从外部输入(或电信号输出到外部)是通过作为透明基底材料的柔性片53进行的。尽管这里示出了对应于第一实施例的结构，但是本实施例具有这样的结构，象第二至第四实施例那样，为光提取部件54提供了光耦合材料，提供或形成了光耦合材料，或者提供或形成了光轴转换器。
此外，通过将光学器件51和驱动IC 52的高度保持在相同水平，作为光学器件51和驱动IC 52的固定器和散热器的插入机构58可以布置在下部，这改善了散热和固定功能。尽管这里示出了所提供的插入机构58的状态，但是也可以不提供插入机构。
可以将插入机构提供给具有作为在第一至第四实施例中所述的透明基底材料的透明板的光电混合集成模块。其结构和操作与第一实施例的一样，除了提供有由柔性片组成的透明基底材料和具有散热和固定功能的插入机构以外，因此这里省略了对它们的解释。
接下来，参考附图讲述根据本发明的第六实施例。图6为示意性侧截面图，示出了根据第六实施例的光电混合集成模块的结构，在该实施例中本发明的透明板被固定到支撑框架上。
在透明板63的下侧周围，贴装具有层间布线69的支撑框架68，其包围着光学器件61和驱动IC 62。不过，与第五实施例一样，光提取与第一至第四实施例的一样。
本发明的特点是，电流的输入/输出是由包含在支撑框架68中的层间布线69来实现的，这能够从下侧建立电气连接。进而，层间布线69可以包含无源部件，并且被嵌入到支撑框架62中。只使用电气连接就可以实现支撑框架62和透明板63的固定，而不像现有技术那样需要调整光轴。尽管这里讲述的是作为透明板63的透明基底材料的例子，但是可以以同样的方式来为其中以柔性片作为透明基底材料的光电混合集成模块提供支撑框架。进而，一种结合了插入机构和支撑框架的结构也是可以接受的。
光学器件61、驱动IC 62、透明板63、光提取部件64、电极66和67、以及金属凸点65都与第一实施例的相同，并且其操作也与第一实施例的相同，因此这里省略了对它们的解释。
接下来，参考附图讲述光输入/输出设备的第一实施例，它是使用了本发明的光电混合集成模块的信号处理模块。图7为示意性侧截面图，示出了第一实施例的光输入/输出设备的结构，它由光电混合集成模块和逻辑LSI组成。
图7所示的第一实施例的光输入/输出设备10包括：本发明的光电混合集成模块101，以及用于控制被输入到该模块或从该模块输出的电信号的逻辑LSI 102，其贴装于衬底104上，在衬底104中有电极105布置于各层之间以及表面上。
图7所示的光电混合集成模块101具有根据上述第五实施例的光电混合集成模块5的结构，并且光电混合集成模块101和LSI 102通过柔性片103彼此电气连接起来，以便交换电信号。
光电混合集成模块101的输入/输出的电压信号电平是由包含于光电混合集成模块101中的驱动IC所定义的，从而可以将逻辑LSI 102设计得类似一般的LSI。尽管图7示出了提供一个光电混合集成模块101的例子，但是也可以提供多个模块。进而，使用每一个柔性片103来独立执行从逻辑LSI 102到每一个模块的电气连接。
尽管使用了柔性片的第五实施例的光电混合集成模块5已经作为光电混合集成模块101被讲过了，但是可以使用根据第一至第四和第六实施例的光电混合集成模块，并且可以使用衬底104中的金属布线或电极来执行在光电混合集成模块和逻辑LSI之间的连接。
接下来，参考附图讲述使用了本发明的光电混合集成模块的信号处理模块的光输入/输出设备的第二实施例。图8为示意性侧截面图，示出了根据第二实施例的光输入/输出设备，其中逻辑LSI的热量从基底材料侧被释放。
根据第二实施例的光输入/输出设备20包括在衬底204中的逻辑LSI 202下面的诸如热金属通孔等散热装置，从而可以从衬底侧释放热量。
使用组成光电混合集成模块201的柔性片203来执行光电混合集成模块201和逻辑LSI 202之间的电气连接。进而，通过金属布线206来执行衬底204中的逻辑LSI 202和电极205之间的电气连接。在该实施例中，可以适用根据适用了透明板的第一至第四和第六实施例的光电混合集成模块，并且可以使用在衬底204中的金属布线或电极来执行光电混合集成模块和逻辑LSI之间的连接。
(例子)
下面来讲述图1所示的光电混合集成模块1的具体例子。光学器件11是具有850nm谐振波长的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，并且被倒装贴装于使用AuSn焊料作为金属凸点15的透明板上。选择对光学器件11的850nm谐振波长具有高透光性的透明板来作为透明板13。受到控制的驱动IC 12根据从外部差分输入的3.125Gb/s的电信号将电流输入到光学器件11。提供给光学器件11的电流幅度为大约几个mA，并且最大输出为-1dBm。由于光学器件11和光提取部件14是倒装贴装的，因此耦合效果是-3±0.3dB。
工业实用性
如上所述，使用根据本发明的光电混合集成模块可以取得下述效果。
1)元件和工艺的数目降低，从而可以抑制贴装成本。这是因为在这种结构中，光学器件和驱动IC或电子放大器IC被倒装贴装于具有布线和光提取功能的透明基底材料上。
2)由于光学器件和驱动IC是倒装贴装的，因此布线的窄间隔是可以接受的，由此贴装元件可高密度地布置于其中。
3)由于接地电极形成于透明基底材料上，该材料也可以作为电磁屏蔽，因此可以以较低成本来实现电磁屏蔽。
4)由于光学器件被倒装贴装于具有光提取功能的透明基底材料上，因此在透镜和光学器件之间的距离的离散受到抑制，从而减少了在光输出中的离散。
5)只有在每一个器件和透明基底材料之间的间隙有待密封，而这是相对容易做到的。这是由于光学器件和驱动IC被一起贴装于透明基底材料上这样一个事实。

Claims (11)

1.一种光电混合集成模块，包括：
光学器件，用于将光信号转换成电信号，或者将电信号转换成光信号；
输入/输出IC，用于驱动控制光学器件；以及
透明基底材料，其具有电极和透光性；该透明基底材料包括位于基本面对光学器件的位置处的光耦合装置，
其中光学器件和输入/输出IC倒装贴装于透明基底材料的表面上，并且所述光学器件与光耦合装置对齐，
由于透明基底材料的透光性而进行光学器件和外部之间的光输入/输出，
位于透明基底材料的上表面和后表面上的所述电极是用电极材料在各表面上淀积的，并且是通过光刻技术形成的，
所述电极将光学器件和输入/输出IC电气连接从而在它们之间传输电信号，并且
位于与贴装光学器件的表面相对的表面上的电极被形成以作为光学器件和输入/输出IC的接地电极承担电磁屏蔽的作用。
2.如权利要求1所述的光电混合集成模块，其中光学器件被构造为光发射器件，它将电信号转换成光信号并且将其输出，并且输入/输出IC被构造为驱动IC，它将电信号输出到光学器件。
3.如权利要求1所述的光电混合集成模块，其中光学器件被构造为光接收器件，它将光信号转换成电信号，并且输入/输出IC被构造为电子放大器IC，它将来自光接收器件的电信号放大。
4.如权利要求1所述的光电混合集成模块，其中透明基底材料是由透射光的透明板形成的，并且透明板是由对光学器件的波长具有高透光性的材料制成的。
5.如权利要求1所述的光电混合集成模块，其中透明基底材料是由透射光的柔性片来形成的，并且柔性片是由对光学器件的波长具有高透光性的材料制成的。
6.如权利要求1所述的光电混合集成模块，其中光耦合装置用于提高光耦合效率。
7.如权利要求6所述的光电混合集成模块，其中光耦合装置与透明基底材料整体地形成。
8.如权利要求6所述的光电混合集成模块，其中透明基底材料包括光轴转换器，其参考光耦合装置来对光轴的方向进行转换。
9.如权利要求1所述的光电混合集成模块，其中光学器件和输入/输出IC具有作为固定器和散热器的插入机构。
10.如权利要求1所述的光电混合集成模块，其中透明基底材料被固定到其中含有电布线的支撑框架上。
11.一种光输入/输出设备，包括光电混合集成模块和逻辑LSI，其中
光电混合集成模块包括：光学器件，用于将光信号转换成电信号，或者将电信号转换成光信号；输入/输出IC，用于驱动控制光学器件；以及透明基底材料，其具有电极和透光性；该透明基底材料包括位于基本面对光学器件的位置处的光耦合装置，
光学器件和输入/输出IC倒装贴装于透明基底材料的表面上，并且所述光学器件与光耦合装置对齐，
由于透明基底材料的透光性而进行光学器件和外部之间的光输入/输出，
位于透明基底材料的上表面和后表面上的所述电极是用电极材料在各表面上淀积的，并且是通过光刻技术形成的，
所述电极将光学器件和输入/输出IC电气连接从而在它们之间传输电信号，
位于与贴装光学器件的表面相对的表面上的电极被形成以作为光学器件和输入/输出IC的接地电极承担电磁屏蔽的作用，
逻辑LSI控制输入到光电混合集成模块或者从它输出的电信号，并且
光电混合集成模块和逻辑LSI被贴装在相同的衬底上。
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