CN1779970B - 用于光电子模块的光旋转系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光电子模块的光旋转系统。用于光电子模块的光学子组件(OSA)使用允许将该OSA安装到主模块的电路板上的光旋转。由于能够与制造主模块分离地制造OSA，OSA的制造过程可以实现低复杂性和高产率。制造OSA可以包括对柔性电路上的光电子芯片进行老化测试，该柔性电路较小，以减少光电子芯片存在缺陷时的产率损失成本。OSA和主模块可以被机械附接，并且使用线接合技术电连接。

Description

用于光电子模块的光旋转系统
技术领域
本发明涉及用于光电子模块的光旋转系统。
背景技术
光电子模块通常设计为在模块的接收光纤的一端以及插入到电子系统中的相对端具有相对较小的面积。小的面积允许将光电子模块布置为密集阵列，以并行处理大量光信号。然而，这种光电子模块具有基本的封装问题，即，包含光源(例如，发光二极管(LED)和垂直腔表面发射激光器(VCSEL))或光探测器(例如，光电二极管和PIN探测器)的芯片一般要求光路垂直于该芯片的上表面。包含光源和/或探测器的一个芯片或多个芯片可以定位为平行于接收光纤的一端，但是该端的面积一般太小，以至于不能容纳光电子模块中所需的所有的光电子器件、集成电路(IC)和其他部件。
一种光电子模块封装方案安排光电子芯片，使主要表面平行于光电子模块的端面，并且使用柔性电路(flex circuit)的电弯曲(electrical bend)来将光电子芯片连接到包含光电子模块的其他电路的垂直电路板。垂直电路板沿光电子模块的长度方向延伸，并且不干扰阵列中的光电子模块的期望封装密度。
光电子模块的另一个封装考虑是使分立的光学元件与光电子芯片上的光源和/或探测器对准。具体地说，光电子模块一般要求光源(例如，发射侧的激光器或LED，或者接收侧的光纤)、居间透镜元件以及目标(例如，用于发射侧的光纤，或者用于接收侧的光电二极管)之间高精度的对准。
对于光电子模块封装，另一个技术障碍是在具有温度敏感的光电子器件的光电子模块中的高功率IC(例如，微控制器、编码器、解码器或者驱动器)的热管理。热管理尤其重要，因为诸如VCSEL之类的光电子器件的性能可能对温度波动极其敏感。优选的，使光电子器件与光电子模块中的高功率IC所产生的热隔离开，或者将其保护起来。
图1示意性地示出了传统的光电子模块100，其使用柔性电路110将光电子芯片130连接到其上安装有高功率IC 150的垂直电路板140。共享的传热器160帮助将在高功率IC 150和芯片130中产生的热传导到散热器170，其一般具有用于散热的散热片。柔性电路110提供光电子芯片130与垂直电路板140或IC 150之间的电通路，以使得垂直于光电子芯片130表面的光路可以与光纤190和居间光学元件180对准。
与光电子芯片130相比，IC 150一般对热较不敏感。因此，电路板140可以选择为提供低的热传导率，以允许IC 150自加热。然而，传热器160提供了高功率IC 150与温度敏感的芯片130之间的热路径，使得电路板140或IC 150与芯片130之间的距离需要相对较大，以控制热从IC 150流动到光电子芯片130。增加该距离一般增加了所需要的柔性电路110的大小和成本。
关于光电子模块的另一个考虑是生产率.制造光电子模块100的典型工艺将光电子芯片130附接到柔性电路110，在该点，芯片/柔性电路组件被测试.然而，将该组件附接到传热器160并进行到电路板140的连接要求芯片/柔性电路组件的进一步处理.这些额外的处理增加了损坏的风险，降低了可操作的光电子模块的生产率.
不管是由于额外的处理还是其他原因而导致产率下降，都是代价高昂的。例如，光学模块的测试一般要求老化(burn-in)测试，在此期间，光电子芯片130中的VCSEL或者其他激光器以一定的功率在一定的温度下长时间工作，以清除有故障的。如果芯片130发生故障，则要求附接柔性电路110进行芯片130的老化测试的传统制造工艺将要承受损失柔性电路110的代价。这是极大的额外代价，因为柔性电路110一般可能是光学子组件成本的50％，尤其是在柔性电路110必须足够大以提供上述的电弯曲时。
需要开发出这样的光电子模块：能够以高生产率、低成本制造，并且提供所期望的模块外形、所要求的光学对准、以及所要求的热管理。
发明内容
根据本发明的一个方面，光电子模块使用光旋转来将光信号引导入或引导出光电子模块。利用这种光旋转，一个和多个光电子芯片可以被安装到基板上，例如，电路板、陶瓷安装底座，或者柔性电路和支持传热器的组合。在对基板上的光电子芯片进行测试之后，光学透镜元件、以及包括集成的旋转镜和对准结构的帽可以被附接到基板或者光电子芯片，来完成光学子组件。散热器也可以被附接到邻近帽的基板。然后，可以使用线接合来将光学子组件电连接到包含高功率IC的主模块。光学子组件和主模块可以具有到共享散热器的分别的热路径，以最小化从高功率IC产生的热干扰。
用于光电子模块的制造过程可以将光电子芯片附接到基板，并且测试(例如，老化测试)所得到的结构。测试过的结构具有相对较低的投资成本，从而提供了较低的缺陷芯片损失成本。在一种特定实施例中，基板包括比传统使用的柔性电路小很多、简单很多的柔性电路。高度依赖于大小和复杂性的柔性电路成本可以被极大地减少，例如，在本发明某些实施例中，成本以10倍的量级减少。提供对光电子芯片密封的帽可以包括弯曲的或平面的旋转镜和对准柱，可以用诸如塑料之类的低成本材料将它们制作为一片的结构。将帽附接到基板完成了光学组件。当与具有较大的附接柔性电路相比时，该光学子组件是相对弹性结构，并且在将光学子组件组装到光电子模块中时，可以减少损坏的机会，并提高产率。在主模块和光学子组件被附接到散热器并例如通过线接合被电互连之前，包含高功率IC的主模块可以分别地制造。
本发明一种特定的实施例是这样的光电子模块：其包括光学子组件，主模块和散热器，光学子组件被安装在主模块上，散热器被安装在光学子组件上。光学子组件包括基板和光旋转系统，基板基本平行于主模块，光旋转系统在垂直于基板到平行于基板之间旋转光学子组件的光路。另外，光学子系统可以包括安装在基板上的光电子芯片，并且该光电子芯片可以包含用于平行光学应用的多个器件，例如光源或探测器。具有平面或弯曲的旋转镜的帽可以包围并保护光电子芯片，该光电子芯片具有延伸到帽之外的电迹线，并且接合线可以将光学子组件和主模块电连接起来。
本发明的另一种特定的实施例是用于制造光电子模块的过程。该过程一般地包括制造包括光旋转的光学子组件，并把该光学子组件附接到主模块。散热器可以被附接到光学子组件。附接时，光学子组件中的基板基本平行于主模块。光学子组件和主模块可以例如使用线接合而被电连接。
附图说明
图1示出了使用电弯曲来放置用于光信号的器件的传统光电子模块。
图2是示出了根据本发明实施例的包括透镜和旋转镜的光电子模块的部分剖视图。
图3是示出了根据本发明实施例的包括聚焦光信号的旋转镜的光电子模块的部分剖视图。
图4是示出了根据本发明实施例的具有多个光通道的光电子模块的顶视图。
图5示出了根据本发明实施例的光电子模块的热流。
图6是示出了根据本发明实施例的光电子模块的制造工艺的流程图。
在不同的附图中，使用相同的标号指示相似或等同的项目。
具体实施例
根据本发明的一个方面，光电子模块的光学子组件(OSA)利用光学旋转。由于能够与制造包含高功率集成电路的主要模块相分离地制造光学子组件，所以光学子组件的制造工艺可以实现低复杂度和高生产率。在不允许不期望的热流的情况下，光学子组件可以被附接到主模块电路板，并且使用接合线电连接。散热器可以被附接到光学子组件，来改善光电子模块的热特性。
图2示出了根据本发明实施例的光电子模块200。光电子模块200包括光电子芯片210，其包括一个或多个光电子器件，例如，发光二极管(LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、光电二极管或者PIN探测器。下面的描述集中于本发明的示例性实施例，其中，芯片210包含并行工作的VCSEL阵列，但是，从下面的描述中，本领域的技术人员来将明白包含其他类型光源和/或光探测器的本发明实施例的结构和组件。
VCSEL在光电子模块中具有广泛的用途，因为在可以使用标准IC制造方法制造的高密度阵列中，VCSEL的制造成本较低。另外，VCSEL表现了光电子模块的某些基本封装问题。具体地说，从VESEL发出的光束垂直于芯片210的主表面，以准许在紧凑阵列中排列光电子模块，但是光学模块封装件的端面积一般较小，例如，大约14mm×14mm或者更小。另外，VCSEL的特性是温度敏感的，要求对高功率IC进行热管理。
芯片210被安装在基板220上。基板220充当光学子组件240的基底，并且在电气功能上提供到芯片210上的焊盘或者其他电触点的电连接。基板220还包括在光学子组件240完成之后可接触的焊盘。在所示实施例中，基板220包括附接到传热器224的柔性电路222。柔性电路222可以是传统的结构的，并且包括导电迹线(未示出)，它们从对应于芯片210上的触点的电位置延伸到柔性电路222的可接触区域。一般的柔性电路222例如包括一层或多层导电金属迹线(例如大约25到50微米厚的铜或铝)，这些迹线利用大约25到100微米厚的诸如聚酰亚胺之类的材料层而彼此绝缘。在典型的实施例中，柔性电路222大约为3mm×5mm，其显著小于一般的电弯曲所要求的柔性电路面积。传热器224可以用热传导材料制成，例如大约0.2到数毫米厚的铝，并且还充当柔性电路222的加强构件。基板220的替换实施例包括具有用于电连接到芯片210和外部接合线的适当的迹线的有机印刷电路板，或者硅或陶瓷安装底座(sub-mount)。
帽230附接到基板220，并且密封或者以其他方式将芯片210从周围环境保护起来。在图2中，帽230的一部分被切除以更好地图示芯片210。帽230包括集成光学元件，这些集成光学元件包括旋转镜232和对准结构234。旋转镜232可以对光路20245°定向，来提供90°的光旋转。结果，模块200中的芯片210的表面可以垂直于接收光纤(未示出)的端面。对准结构234优选是诸如柱(post)或缺口之类的结构，其可以与光纤组件配合来自动将光纤组件对准到芯片210上的光电子器件。
在本发明的示例性实施例中，成型工艺可以将包括对准结构234的帽230和旋转镜232的光学表面形成为一片结构的多个部分，该结构由诸如聚醚酰亚胺(Polyetherimide，商品名ULTEM)之类的材料制成，或者由诸如丙烯酸或聚碳酸酯之类的其他光透明塑料制成。最终，材料选择将依赖于应用波长；例如，硅可以用在1310nm的波长处，在此波长处硅是透明的。在本发明的替换实施例中，旋转镜232或者依赖全内反射，或者依赖旋转镜232区域中的诸如金、银或铜之类的反射涂层来反射光信号。
在图2的实施例中，由诸如蓝宝石或高纯硅之类的材料制成的透镜元件212在光电子芯片210上，在芯片210中的光电子器件的各个光孔的上方。对于芯片210中的VCSEL或其他光源，对应的透镜元件212具有这样的焦距，其被设计使得来自VCSEL的出射光在从旋转镜232反射之后被准直，或者聚焦，以入射到对应的光纤的芯中。对于光电子芯片210中的光探测器，透镜元件212收集光线，并且将光线集中到探测器的光敏区域上。在示例性实施例中，使用诸如在题为“Large Tolerance Fiber OpticTransmitter and Receiver”的序列号No.10/795,064的美国专利申请中所述的技术，将透镜212制作在光电子芯片210上。
图3示出了包括使用替换光学系统的光学子组件340的光电子模块300。具体地说，光学子组件340使用了具有聚焦镜332的帽330。利用聚焦镜332，在光电子芯片210上就不再需要透镜。对于芯片210中的光源，聚焦镜332可以使来自光源的光旋转并聚焦，以使得出射光束被入射到对应的光纤的芯上。对于光电子芯片210中的光探测器，聚焦镜332可以收集光，并且将光集中到探测器的光敏区域上。包括聚焦镜332的帽330例如可以使用注射成型的塑料来产生所期望的光学表面。
帽230或330到基板220的附接可以在监控芯片210上的光电子器件的性能的同时进行。具体地说，帽230或330可以被对准，来优化出射光束相当于对准结构234的位置，或者在输入光束具有相对于对准结构234的期望的位置时，优化探测器的性能。当光路具有相对于对准结构234的期望位置时，可以使用粘合剂或者其他附接技术将帽230或330固定到位。一种成本有效的附接方法使用环氧树脂或者环氧树脂系统。例如，光固化树脂(Light-Cure Resin，LCR)可以被用来将帽230或330固定到基板220上的位置中，然后，当帽230或330在适当位置中时，可以添加结构粘合剂来提供强度和稳定性。一种替换方法使用可以用光来初步交联的双固化粘合剂，但是随后需要热固化来达到该粘合剂的最佳材料性能。将帽230或330附接到基板220完成了光学子组件240或340。
图4示出了光电子模块200的顶视图，并且具体示出了在平行光学应用中，光路202相对于对准结构234的位置。对于图4所示的实施例，光纤组件400包括对准结构410(例如，缝或孔)，其大小和位置适合配合帽230上的对应的对准结构234。当对准结构234和410配合时，组件400中的光纤420与和各个光电子器件相关联的光路202对准。
与制造光学子组件并行进行的制造工艺可以制造主模块，其包括电路板260以及光电子模块200的有源电路的其他部分。电路板260一般包含一个或多个充当电气子组件(ESA)的IC 250，其控制如何接收或者发射光，将光信号转变为数字输出，并且与主机板或服务器通信。IC 250一般包含功能阵列，并依赖于模块的应用，但是IC 250一般将包括控制器、激光器和/或PIN的驱动器IC、PIN的前置放大器/后置放大器IC，以及允许对该模块编程的EEPROM。这些IC常常是定制的，并且可以包括关键功能，例如，A/D转换器和用于激光器的温度控制传感器。在示例性实施例中，电路板260是这样的印刷电路板，其包含诸如聚酰亚胺、FR-4之类的有机绝缘材料，或者其他PCB材料，以及可以利用接合线或者其他电连接连接到IC 250的金属迹线。用于光电子模块的这些电路板在本领域中是公知的，并且可以使用多种不同的结构和材料来制造。
光学子组件被安装在电路板260上，并且散热器280可以被安装在光学子组件中的基板220的多个部分上。这样，散热器接近其中空气可以流过模块200的模块200的顶部。具体地说，光学子组件240和电路板260可以配装在外壳(未示出)中，并且该外壳可以包括散热器，但是一般来说散热器280是分离的部分，其夹到或者附接到外壳和/或传热器224。图4示出了传热器224的相对两端的暴露区域，在该处，散热器280的多个部分可以直接接触传热器224，而柔性电路222和帽230位于传热器224的两个暴露部分之间。散热器280可以由诸如铝之类的金属材料制成，其被成型为包括散热片或者其他结构，帮助散发由电路板260和光学子组件240所产生的热。
电路板260与光学子组件240相分离，但是与其平行。因此，不需要用于光学子组件240和电路板260之间的电连接的柔性电路。而是，接合线270将光学子组件240电连接到电路板260或IC 250。一般期望在光学子组件240或340与电路板260上的接触焊盘之间有大约25到100微米的间隔，以允许接合线将光学子组件240或340电连接到电路板260或者电路板260上的集成电路250。一般期望较短的接合线长度，以最小化阻抗和电噪声。尽管接合线很适于子组件240、IC 250和电路板260之间的连接，但是，其他连接技术也可以用于某些或所有期望的电连接。例如，接焊(tab bonding)可以提供柔性电路222与电路板260之间的直接电连接。
使用分离的光学子组件240准许从光电子芯片210到散热器280的直接热路径，以及从IC 250到光电子芯片210的高阻抗热路径。图5示意性地示出了光电子模块200中的热流路径。从芯片210通过柔性电路222和传热器224到散热器280的热阻RA、RB和RC较低，这是因为柔性电路222较薄，并且传热器224将来自光电子芯片210的热传播到了大面积的散热器280上。然而，从IC 250通过电路板260到传热器224或散热器280的热阻RW、RX、RY相对较高，这是因为热必须流过粘合剂和电路板260。通过控制粘合剂或接合材料(例如，散热器280和电路板260之间的热阻RX)，可以使到芯片210的反向流较小。因此，存在两个近乎独立的散热路径。热阻RA、RB和RC控制芯片210的温度，热阻RW和RX控制电路板260上的IC 250的温度。这允许芯片210和IC 250在相同的环境条件中以不同的温度工作。
图6示出了根据本发明实施例的光学子组件制造过程600。过程600包括分别的制造过程610和620，它们分别生产光学子组件和主电路板。
光学子组件的制造开始于步骤612中的构造柔性电路/基板组件.充当加强构件和传热器的基板可以由诸如铝之类的廉价导体制成.柔性电路被切开，以使得部分基板被暴露出来，以与散热器直接接触，这还带来了最小化柔性电路面积从而降低材料成本的好处.步骤614是管芯附接过程，该过程将光电子芯片附接并电连接(例如，线接合)到柔性/加强组件.此时，例如图2所示，透镜组件可以被附接到光电子芯片.另外，例如当随后要附接的帽包括椭圆镜来准直并旋转光束时，在芯片上不需要透镜.
在步骤616中，可以对尚未完成的光学子组件进行老化测试，以筛选出不可靠的激光器或芯片上的其他器件。这种测试可以与对使用电弯曲的系统中的芯片/柔性电路组件的测试非常相似，但是本发明实施例中的柔性电路可以更小，并且因此具有更低的成本，提供了低多了的产率损失成本。如果测试显示出芯片良好，则在附接步骤618中，对准并附接帽，以完成光学子组件。
制造过程620生产主模块。主模块包括上述印刷电路板，其可以在步骤622中使用公知技术而被制造。然后，在步骤624中附接集成电路、连接器和主模块的其他电子部件。
过程630组装光学子组件和主模块。图6的过程630在步骤632中将光学子组件附接到主模块。然后，线接合步骤634将光学子组件电连接至主模块的电路板，或者主模块中的特定芯片。然后，后端组装636完成该模块。具体地说，后端组装636可以包括将完成的OSA/ESA组合放入到外壳中，然后将散热器附接到该外壳(也使其与光学子组件中的传热器接触)。
就过程600的流程来说，光学子组件的制造过程610可以与主模块的制造过程620并行进行。在一个部件(即，光学子组件或主模块)中出现缺陷只影响该部件。相反，传统的电弯曲方案通常要求线性制造流程，其中最昂贵的部件(例如，VCSEL和柔性电路)经历了大多数的处理。在组装主模块期间出现的损坏或缺陷可能需要将好的光学子组件丢弃，在传统的制造过程中导致昂贵的累积产率损失。相反，过程600避免了线性流程，并且不需要大量处理柔性电路。该制造过程从而可以提高产率并降低制造成本。
尽管已参考具体的实施例描述了本发明，但是该描述只是本发明的应用的示例，而不应被看作是限制。所公开的实施例的特征的各种修改和组合都在由所附权利要求定义的本发明的范围之内。

Claims (17)

1.一种光电子模块，包括：
主模块；
安装在所述主模块上的光学子组件，其中，所述光学子组件包括基板、光旋转系统以及安装在所述基板上的光电子芯片，所述基板平行于所述主模块，所述光旋转系统在垂直于所述基板到平行于所述基板之间旋转所述光学子组件的光路；和
与所述光学子组件中的所述基板直接接触的散热器，
其中，从所述主模块至所述散热器以及从所述光电子芯片至所述散热器具有分别的散热路径。
2.如权利要求1所述的模块，还包括电连接所述光学子组件和所述主模块的接合线。
3.如权利要求1所述的模块，其中，所述光学子组件还包括：
包围所述光电子芯片的帽。
4.如权利要求3所述的模块，其中，所述光旋转系统包括被集成为所述帽的一部分的旋转镜。
5.如权利要求4所述的模块，其中，所述旋转镜具有弯曲反射表面。
6.如权利要求1所述的模块，还包括在所述光电子芯片上的透镜。
7.如权利要求3所述的模块，其中，所述光电子芯片包括多个光电子器件，所述光电子器件中的每个具有分别的光路，所述光旋转系统在垂直于所述基板到平行于所述基板之间旋转所述分别的光路中的每条。
8.如权利要求7所述的模块，其中，所述光旋转系统包括被集成为所述帽的一部分的旋转镜。
9.如权利要求8所述的模块，其中，所述旋转镜具有弯曲反射表面。
10.如权利要求8所述的模块，还包括在所述光电子芯片上的多个透镜。
11.如权利要求3所述的模块，其中，所述帽还包括标示所述光路位置的对准结构。
12.如权利要求1所述的模块，其中，所述光学子组件中的所述基板包括：
加强构件；和
安装在所述加强构件上的柔性电路。
13.一种用于制造光电子模块的过程，包括：
制造包括光旋转的光学子组件；
制造主模块；
将所述光学子组件附接到所述光电子模块的所述主模块，其中，所述光学子组件中的基板平行于所述主模块；
将所述光学子组件电连接到所述主模块；以及
使散热器与所述光学子组件中的传热器接触，
其中，制造所述光学子组件包括：
将柔性电路附接到所述传热器以形成所述基板；
将光电子芯片附接并电连接到所述柔性电路，所述光电子芯片具有平行于所述基板的主表面；以及
附接帽来将所述光电子芯片从周围环境保护起来，
其中，从所述主模块至所述散热器以及从所述光电子芯片至所述散热器具有分别的散热路径.
14.如权利要求13所述的过程，其中，所述帽包括实现所述光旋转的旋转镜。
15.如权利要求13所述的过程，还包括在附接所述帽之前测试所述柔性电路上的所述光电子芯片。
16.如权利要求15所述的过程，其中，所述光电子芯片的测试包括老化测试。
17.如权利要求13所述的过程，还包括在将所述光学子组件附接到所述主模块之前测试所述光学子组件。
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