CN1991428A - 光电板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的光电板包括具有光波导(9，10，11)、金属区(8；12)和孔(19)的印刷布线板(1)，其中光波导(9，10，11)的接合面(10.1)和金属区(8；12)的接合面形成孔(19)的侧面的部分。光电板还包括具有焊盘(21；22)的光电电路(20；26，27)，其中光电电路(20；26，27)布置在孔(19)中，并用它的焊盘(21；22)焊接到金属区(8；12)的接合面。

Description

光电板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光电板以及在混合印刷电路板上安装光电电路的方法。混合印刷电路板包括光波导和电线路。
背景技术
在几个应用中，例如高速伺服器和路由器中，需要在印刷布线板(PWB)上的1到3米的长度上通过几个连接器传输低损耗和低失真的高频信号。由于信号频率现在在10GHz的范围中，这对于电力完成变得日益困难，主要是因为在电路板中绝缘材料的介电损耗。即使可以应用更低损耗的介质材料，当频率进一步增加时，PWB的铜布线的电阻最终将变成限制因素。
该问题的一个解决方案可以是在长距离上以光传送更高的频率信号而不是以电传送。这可以通过在印刷布线板中集成光波导来完成。光波导在PWB的平面内传输光信号。通过光电转换器将高频电信号转化成光信号、耦合到波导内、集成到布线板中、以低损耗和低失真传送到它们的目的地(还可能通过几个光连接器)、耦合到波导外面并然后通过另外的光电转换器转换回电信号。相对于波导来说，光电转换器的发射器和检测器的位置的所需机械容差是几微米的级别，优选＜5μm。这导致了光电转换器相对于波导的安装问题，使得光可以高效地耦合到波导中或者从波导中耦合出来。
在专利申请WO 2005/031417A1中，描述了一种具有电线路和集成的光波导的印刷电路板。光电电路安装在印刷电路板的表面上，并通过印刷电路板中的开口光耦合到光波导。光从光波导耦合出来，并在光波导的端面上通过将光旋转90°引导到光电电路。因此，光波导的端面是倾斜的。
在公开R.T.Chen，L.Lin，C.Choi，Y.J.Liu，B.Bihari，L.Wu，S.Tang，R.Wickman，B.Picor，M.K.Hibbs-Brenner，J.Bristow，Y.S.Liu的“FullyEmbedded Board-Level Guided-Wave Optoelectronic Interconnects”(2000年6月，Proc.IEEE，88卷，第6期，780-793页)中描述了一种具有嵌入的光波导和嵌入的光电元件的印刷电路板。光电元件安装在光波导层的表面上。嵌入在波导中的反射镜改变光的方向，以在光电元件和光波导之间获得有效的光耦合。在波导层中实现反射镜是增加光板的成本的专门工艺。
在公开G.K.Chang，D.Guidotti，Z.Huang，L.Wan，J.Yu，S.Hegde，H.F.Kuo，Y.J.Chang，F.Liu，F.Wang R.Tummala的“High-density，end-to-end optoelectronic integration and packaging for digital-opticalinterconnect systems”(Proc.SPIE Conf.on Enabling PhotonicsTechnologies for Defense，Security and Aerospace Applications，2005年3月28日-4月1日，Kissimmee，Florida，美国，Vol.5814，(Paper 24))中描述了怎样将边缘发射激光器和边缘接收检测器嵌入在波导层中的空腔中，以获得将光界面耦合到波导平面的接合。这种方法避免了反射镜的使用，但是需要边缘发射激光器，它们通常比表面发射激光器更昂贵。而且，不能获得标准部件的边缘接收检测器。
在专利申请WO 2005/096682 A2中，将光电元件嵌入在印刷电路板中，其中表面发射激光器和检测器定向为垂直的方向。这种布置还克服了对于嵌入波导的反射镜的需求，并能够实现将光界面耦合到波导的端面的接合。通过印刷电路板中的微孔获得和光电元件的电接触。可选的是，通过柔性电板或者通过线焊接在印刷电路板和光电元件之间建立电连接。通过板中和光电元件上的机械对准特征获得光电元件相对于波导的精确定位。
发明内容
根据本发明的第一个方案，提供了一种具有波导和光电电路的光电板，其中相对于波导对准光电电路，使得可以更有效地将光耦合到波导中或者耦合出波导。在本发明的帮助下，可以更机械地定位光电电路。
根据本发明的第一个方案，提供了电信号的发射器或者接收器和光电电路之间的电连接。通过本发明可以保持电连接更短，并可以降低损耗和失真。
根据本发明的光电板包括具有光波导、金属区和孔的印刷布线板，其中光波导的接合面和金属区的接合面形成孔的侧面的部分。光电板还包括具有焊盘的光电电路，其中光电电路布置在孔中，并用它的焊盘焊接到金属区的接合面。
本发明的进一步发展的优点产生于从属权利要求显示的特征。
优选，在光电板中，光电电路的焊盘具有和金属区的接合面的高度基本上相同的高度。因此，可以进一步增加光电电路相对于波导对准的垂直精度。
而且，优选的是，在光电板中光电电路的焊盘具有和金属区的接合面的宽度基本相同的宽度。因此，还可以进一步增加光电电路相对于波导对准的水平精度。
在光电板的实施例中，光电电路包括发光或者检测元件，其中选择发光或者检测元件和焊盘之间的距离以及金属区和光波导的芯之间的距离，由此提供发光或者检测元件和光波导之间的光耦合。
在光电板的另一个实施例中，孔在印刷布线板的整个厚度上延伸。这使得更容易地制造孔。
在光电板的另一个实施例中，金属区覆盖光波导。因此，可以增强光电电路的对准精度，因为层的容差随着每个另一层而增加。
在光电板的研制中，形成金属区，使得它充当用于光电电路的电导体。因此，金属区充当机械定位辅助和用于电信号的导体。
根据光电板的另一实施例，印刷布线板包括其它金属区，以及光电电路包括其它焊盘，其中其它金属区的接合面形成孔侧面的其它部分并相对于光电电路的其它焊盘布置。因此，可以进一步增强光电电路的自对准，因为在焊接工艺的过程中每一个其它金属区改善了光电电路的自对准。
有利地是，在光电板中，光电电路包括载体，其中发光或者检测元件以及焊盘布置在载体上。
最后，在光电板中，金属区可以包括第一金属，并可以用不同的金属，例如金或者镍涂敷金属区的接合面。涂敷金属充当扩散阻挡。
根据本发明的另一个方案，提出了一种制造上述板的方法，其中该方法包括下述步骤。在定位步骤中将光电电路定位在孔中。然后，在焊接步骤中，将光电电路的焊盘焊接到金属区的接合面。
为了缓和光电转换器的发射器和检测器的位置相对于波导的机械误差，波导可以是多模的。
附图说明
通过结合附图参考根据本发明的优选但只是示例性的实施例的下面的具体描述，将更全面地理解本发明和它的实施例。
图1以横截面示出了具有设置有两个芯片的印刷布线板的光电板，其具有顶发射VCSEL；
图2以纵截面示出了图1的光电板；
图3以横截面示出了具有设置有两个芯片的印刷布线板的光电板，其具有底发射VCSEL。
具体实施方式
图1以截面示出了具有印刷布线板1的光电板1的第一个实施例。横断面沿图2所示的横截线A-A延伸。图2以沿图1所示的横截线B-B的纵截面的形式示出光电板1的截图。
印刷布线板1被配置有两个芯片。两个芯片的其中一个是安装在印刷布线板1上面的驱动器/接收器芯片30。驱动器/接收器芯片30具有焊接到印刷布线板1的布线线路的焊盘。在图1中，示出了用附图标记31和32表示的两个焊盘。第二个芯片是光电电路20，其安装在印刷布线板1的孔19中。在下面使用词光电电路、光电(O/E)转换器芯片、电光(E/O)转换器芯片或者简单地使用转换器芯片作为同义词。还称作印刷电路板的印刷布线板1包括具有还称为条导体的铜布线线路4.1和4.2的铜层4以及其它的铜层8和12。通过玻璃加强塑料的绝缘层5、7和13隔离铜层4、8和12。铜层8和12具有一个或者多个金属区，其中每一个金属区具有形成印刷布线板1中的孔19的侧面的部分的接合面。例如，层12包括金属区12.1到12.4。可以用例如金或者镍覆盖金属区12.1到12.4的接合表面和层8的金属区的接合表面，以阻止氧化或者为良好的焊接提供改善的表面。附图标记6和14表示另外的层，其可以包括其它铜和绝缘层。通过穿过中间绝缘层5和7的铜过孔15构成布线线路4.2和8之间的电互连。将包括上包层9、光波导芯层10和下包层11的光波导(OWG)放置在包括层4、5、6和7的上层UL和包括层13和14的下层LL之间。上包层9、光波导芯层10和下包层11组合成波导层WGL。
图3以横截面示出了具有设置有两个芯片的印刷布线板1的光电板的第二个实施例。关于光电电路20的结构，第二个实施例不同于第一个。尽管在图1中所示的光电电路是顶发射VCSEL，但是在图3中所示的光电电路是底发射VCSEL。VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)是光学发光器件。图3的光电电路包括具有几个焊盘21和22的载体27以及底发射VCSEL 26。VCSEL 26通过焊盘28和29电力和机械地连接到载体27。
在另一个实施例中，光电电路还可以是光检测电路，例如光敏电阻器。
为了确保完成的印刷布线板1基本上是平的，层UL、WGL和LL的布置关于中心层对称是有益的。为此，优选将光波导的层9、10和11放置在印刷布线板1的顶层或者上层UP和底层或者下层LL之间的中点处。
期望的是，以这样的方式安装光电转换器芯片20，使得光可以耦合到层叠到印刷布线板1中的光波导中或者从中耦合出。因此，在印刷布线板1中切割孔以暴露层叠在印刷布线板1内的OWG的端面，其还称为接合面，在图1-3中示出了其中的一个所述孔。将OE检测器芯片安装到孔中，使得从这些OWG的端面发射的光耦合到检测器。相反，在这个孔中安装发光芯片，使得发光芯片的激光器或者LED发出的光耦合到OWG的端面中。因此，OE芯片直接接合到印刷布线板1中的孔的侧壁上。通过将OE芯片接合到铜布线线路的端面，获得了更高程度的对准。将这些布线线路嵌入板中并和OWG对准，作为印刷布线板的制造工艺的一部分。可以使用相同的布线线路传送印刷布线板1上的OE芯片和其它器件例如驱动器30之间的电信号。
OE芯片20这样形成，当它接合到OWG上面和/或下面的铜层时，精确地对准它的光发射或者接收表面，也就是，相对于其耦合的OWG的中心层10在a＜5微米的范围内。平行于印刷布线板中的切割边缘的平面的这种对准是关于印刷布线板中的芯片和铜线路的几何形状的。通过OE芯片上的接合焊盘21、22的接合厚度23、24和结构给出芯片的发光表面到OWG的距离。OE芯片是否接合到OWG的一侧或者两侧上的铜层是可选的，并可以根据所考虑的器件的热、机械、光或者电问题来决定。
借助于焊球可以将光电芯片焊接到金属区的接合表面上。例如，在Karl Puttlitz，Paul A.Totta的“Area Array Interconnection Handbook”，Kluwer Academic Publishers(波士顿，多德雷赫特，伦敦)(2001，ISBN0-7923-7919-5)可以发现关于借助于焊球的芯片接合的其它信息。
在实施例中，光电电路20的焊盘22具有和金属区12的接合表面的高度基本相同的高度。原则上，印刷布线板1的光电电路20的其它焊盘和金属区例如层8的其它接合表面同样具有相同的高度。因此，可以进一步增加光电电路20相对于波导的对准的垂直精度，也就是在y方向上的精度。
在另一实施例中，光电电路20的焊盘22具有和金属区12的接合表面的宽度基本上相同的宽度w。原则上，印刷布线板1的光电电路20的其它焊盘和金属区例如层8的其它接合表面同样具有相同的宽度。因此，可以进一步增加光电电路20相对于波导的对准的水平精度，也就是在z方向上的精度。
将电光转换器芯片20的发光或者检测表面置于转换器芯片20的面25上，其和波导芯层10的发光或者接收面10.1相对。面10.1是上述接合面的其中一个。在转换器芯片20的相同面25上还放置导电焊盘21和22，它们相对于电光转换器20的发光或者检测表面具有基本上相同的高度。焊盘(附图标记21和22表示它们中的两个)形成到芯片20上的电光转换器的电连接。通过适当的冶金，例如焊料23和24形成焊盘21和22，使得它们可以分别接合到印刷布线板的铜布线线路8和12。一些处理，例如，对铜线路8和12的露出表面的其它金属比如金或者镍等清洗、电镀可能对于形成更好的接合有帮助。
在印刷布线板1的层的顺序中，铜层8和12置于紧挨着光波导层9、10和11的上面和下面。铜层8和12在层堆叠体内以高精度设置波导9、10、11的位置。因此，优选铜层8和12设置波导层9、10、11的位置。其原因是由于制造过程，整个叠层即整个印刷布线板1的厚度比光波导层9、10和11以及铜层8和12的全部厚度更大地变化。因此由光波导层9、10和11以及铜层8和12构成的叠层的整体厚度比整个印刷布线板的厚度可更精确地预测。
在期望耦合到波导9、10、11的每个位置，在印刷布线板中切割孔，优选为至少一个具有平坦边缘的孔，其从印刷布线板的一个表面至少通到限定波导9、10、11的相对侧的铜层。例如，如图1和3所示，可以完全穿过印刷布线板1切割孔。孔19通过印刷布线板露出横截面。尤其是，孔19通过波导9、10、11露出垂直部分，光L可以耦合到波导中或者从波导中出来。其次，孔19露出波导9、10、11上面和下面的铜布线线路8和12，光电转换器芯片20可以接合到所述波导上，并将它电连接到电路的剩余部分。可以知道的是，激光切割机可以在金属层上停止，因此可以切割具有预定深度的孔。
在紧挨着波导9、10、11的上面和下面形成具有两个功能的铜层8和12。首先，直接将电光转换器芯片20上的焊盘21和22分别接合到铜层8和12。还相对于光波导9、10、11横向地(以y和z方向)精确定位铜层8和12。如果使用焊料23、24作为接合材料(如在倒装芯片接合中)，熔融的焊料的表面张力将提供电光转换器芯片20上的焊盘21和22的与印刷布线板1的铜特征的一定程度的自对准。其次，布线线路8和12结合孔19执行布线功能，使得通过较短的路径将电信号传送给电光转换器芯片20、和将来自电光转换器芯片20的电信号传送给相邻的电驱动器和接收器芯片30。
这样形成电光转换器芯片20，使得当它接合到光波导9、10、11的上面和/或下面的铜层8和12时，它的光发射或者接收表面25相对于它耦合的光波导9、10、11的中心优选在小于5微米的范围内对准。平行于印刷布线板中的切割边缘平面的该对准是关于印刷布线板中的芯片和铜线路8和12的几何形状的。通过电光转换器芯片20上的焊盘的接合厚度和结构给出发射表面离光波导9、10、11的距离。
这里描述为电光芯片20的还可以是无源微光部件，例如透镜、光束偏转器或者分束器等的组合。可以使用这种无源光元件将光耦合到波导9、10、11中/从波导9、10、11中耦合出，并将其引导到印刷布线板的表面。只要存在就可以将光引导到检测器或者发射器或者光连接器中/引导来自检测器或者发射器或者光连接器的光。然而，使用部件上的焊盘和通过切割穿过印刷布线板露出的铜表面定位和安装的原理保持相同。
而且，这里描述为电光芯片20的可以是组合结构，例如包括光检测器芯片和放大器芯片并还可能是用于应力缓和的柔性结构。然而，使用部件上的焊盘和通过切割穿过印刷布线板露出的铜表面定位和安装的原理，和可能使用印刷布线板中的布线线路以完成和电光转换器芯片的电连接的原理保持相同。
对于新颖方法和光电板已经示出和描述了优选实施例，但是应当注意的是，在不脱离本发明的精神或者附带的权利要求的范围内可以对所述方法和光电板作出变化和修改。可以部分地或者整体地组合实施例。
附图标记
1印刷布线板
4铜层
4.1条导体
4.2另一条导体
5绝缘体
6另一层
7绝缘体
8铜层
9光波导上包层
10光波导芯
10.1光波导的光发射/接收面
11光波导下包层
12条导体
13绝缘体
14另一层
15过孔
19孔
20光电转换器芯片
21焊盘
22另一焊盘
22.1-22.4另一焊盘
23焊料
24焊料
24.1-24.4焊料
25转换器芯片的面
26VCSEL
27载体
28焊盘
29焊盘
30驱动器/接收器芯片
31焊盘
32另一焊盘
L光
UL上层
WGL波导层
LL下层

Claims (12)

1.光电板，包括：
印刷布线板(1)，其具有光波导(9，10，11)、金属区(8；12)和孔(19)，其中所述光波导(9，10，11)的接合面(10.1)和金属区(8；12)的接合面形成所述孔(19)的侧面的部分，以及
具有焊盘(21；22)的光电电路(20；26，27)，其中所述光电电路(20；26，27)被设置在所述孔(19)中、并利用焊盘(21；22)被焊接到所述金属区(8；12)的接合面。
2.根据权利要求1的光电板，其中所述焊盘(21；22)具有和所述金属区(8；12)的接合面的高度基本相同的高度(h)。
3.根据权利要求1或者2的光电板，其中所述焊盘(21；22)具有和所述金属区(8；12)的接合面的宽度基本相同的宽度(w)。
4.根据权利要求1至3中任一项的光电板，其中所述光电电路(20；26，27)包括发光或者检测元件(26)，以及其中所述发光或者检测元件(26)与所述焊盘(21；22)之间的距离和所述金属区(8；12)与所述光波导(10)的芯之间的距离被选择，使得提供所述发光或者检测元件(26)与所述光波导(10)之间的光耦合。
5.根据权利要求1至4中任一项的光电板，其中所述孔(19)在所述印刷布线板(1)的整个厚度上延伸。
6.根据权利要求1至5中任一项的光电板，其中所述金属区(8；12)覆盖所述光波导(9，10，11)的至少部分。
7.根据权利要求1至6中任一项的光电板，其中所述金属区(8；12)被形成用于充当所述光电电路(20；26，27)的电导体。
8.根据权利要求1至7中任一项的光电板，
其中所述印刷布线板(1)包括其它金属区(12.1-12.4)，
其中所述光电电路(20；26，27)包括其它焊盘(22.1-22.4)，以及
其中所述其它金属区(12.1-12.4)的接合面形成所述孔(19)的侧面的其它部分、并与所述光电电路(20；26，27)的其它焊盘(22.1-22.4)相对地设置。
9.根据权利要求4或者权利要求4和权利要求5至8中任一项的光电板，
其中所述光电电路(20；26，27)包括载体(27)，以及
其中所述发光或者检测元件(26)和焊盘(21，22.1-22.4)被置于所述载体(27)上。
10.根据权利要求1至9中任一项的光电板，其中所述金属区(8，12.1-12.4)包括第一金属，并且所述金属区(8，12.1-12.4)的接合面涂敷有不同金属。
11.根据权利要求1至10中任一项的光电板，其中微型光部件被提供以代替所述光电电路(20；26，27)。
12.一种制造根据前述权利要1到11中任一项的光电板的方法，包括下述步骤：
在孔(19)中定位光电电路(20；26，27)，
将所述光电电路(20；26，27)的焊盘(21，22.1-22.4)焊接到金属区(8，12.1-12.4)的接合面。
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