DE102005007355B4

DE102005007355B4 - Optisches Schnappeinpasselement zur optischen Kopplung zwischen einer Lichtquelle und einem Zielelement unter Verwendung von Oberflächenbefestigungstechnologie

Info

Publication number: DE102005007355B4
Application number: DE102005007355A
Authority: DE
Inventors: Robert E. Palo Alto Wilson; Brenton A. Palo Alto Baugh
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: JP2005321772A; DE102005007355A1; CN100419479C; CN1693932A; US20050249463A1; US6978068B2

Abstract

Optische Unteranordnung (10; 100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900), die folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat (14; 214);
eine Mehrzahl von Lötmerkmalen (12) auf dem Substrat, wobei die Lötmerkmale ein erstes Schnappeinpassmerkmal definieren;
einen Chip (18) auf dem Substrat, wobei der Chip eine optische Vorrichtung aufweist; und
eine Abdeckung (20; 200; 320) auf dem Substrat und über dem Chip, wobei die Abdeckung (1) eine Linse (26; 28; 228; 326; 328) über dem Chip und (2) eine Oberfläche (22; 122; 230; 322A; 322B) aufweist, die ein zweites Schnappeinpassmerkmal definiert, das mit dem ersten Schnappeinpassmerkmal zusammenpasst, um die Abdeckung auf dem Substrat zu halten und die Linse auf den Chip auszurichten.

Description

Herkömmliche Faseroptikmodule erfordern eine hochpräzise Ausrichtung zwischen der Lichtquelle (z. B. einem Laser oder einer LED auf der Senderseite oder einer Faser auf der Empfängerseite), der Linse und dem Ziel (z. B. einer Faser auf der Senderseite oder einer Photodiode auf der Empfängerseite). Allgemein wird diese Ausrichtung ”aktiv” erreicht, was bedeutet, dass die optische Verbindung mit Leistung versorgt wird und die Kopplung zwischen der Lichtquelle und dem Ziel überwacht wird, während ein Teil des Systems bewegt wird. An dem Ort einer maximalen gekoppelten Leistung wird die Lösung mechanisch an ihrer Position verriegelt. Dieser Prozess ist langsam und kostenintensiv, da derselbe nicht nur einen Satz von mechanischen Präzisionsbewegungseinrichtungen, sondern auch eine optoelektronische Testausrüstung erfordert, um das System mit Leistung zu versorgen und zu überwachen.
Die US 5,838,703 A betrifft einen Halbleiterlaserpack mit einem Leistungsüberwachungssystem und einem optischen Element. Eine Oberflächenbefestigungsstruktur umfasst ein ringförmiges Abstandselement, welches in z-Richtung für eine Ausrichtung des optischen Elements relativ zu einer Laseremissionsöffnung sorgt. Das optische Element erlaubt ein gegenseitiges Verriegeln mit einem obersten Teil des Abstandselementes unter Verwendung von Schnappvorsprüngen und entsprechenden Vertiefungen.
Die US 2003/0003779 A1 betrifft eine flexible nachgiebige Verbindungsanordnung zum Erzielen einer nachgiebigen lötfreien oder gelöteten Verbindung zwischen einem flexiblen Schaltungselement und einem oder mehreren anderen Schaltungselementen. Gemäß einer Ausführungsform haben Anschlüsse jeweils eine Öffnung mit einer Vielzahl von Schwachstellen, die einen Schnappeingriff mit einer Lötkugel erlauben.
Die US 2002/0075915 A1 betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem Halbleiterlaserelement, einer metallischen Basis zum Befestigen des Halbleiterlaserelementes und Stützen von Verdrahtungsadern über Isolatoren. Eine Kappe weist eine Öffnung auf, durch welche Licht von dem Laserelement emittiert wird. Die Kappe ist an der Basis durch Verschweißen mit dem Laserelement befestigt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Unteranordnung und ein Verfahren zum Assemblieren einer optischen Unteranordnung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Unteranordnung gemäss Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäss Anspruch 11 gelöst.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine optische Unteranordnung ein Substrat, eine Gruppe von Lötmerkmalen auf dem Substrat, einen Chip auf dem Substrat und eine Abdeckung auf dem Substrat und über dem Chip. Die Ab deckung umfasst (1) eine Linse über dem Chip und (2) eine innere oder äußere Oberfläche, die mit den Lötmerkmalen schnappeinpassbar ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Schnittansicht einer optischen Unteranordnung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht der optischen Unteranordnung von 1 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine Draufsicht der optischen Unteranordnung von 1 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine perspektivische Schnittansicht einer optischen Unteranordnung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine Querschnittsansicht der optischen Unteranordnung von 1 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine Querschnittsdraufsicht der optischen Unteranordnung von 1 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine Draufsicht einer optischen Unteranordnung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 eine perspektivische Schnittansicht einer weiteren optischen Unteranordnung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine perspektivische Schnittansicht einer weiteren optischen Unteranordnung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10, 11, 12, 14 Querschnittsdraufsichten von optischen Unteranordnungen bei Ausführungsbeispielen der Erfindung;
15 und 16 eine Seitenansicht und eine Querschnittsdraufsicht einer weiteren optischen Anordnung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Verwendung der gleichen Bezugszeichen bei unterschiedlichen Figuren zeigt ähnliche oder identische Elemente an.
Ein optisches Schnappeinpasselement ermöglicht die Beseitigung von teurer Ausrüstung und der langsamen Prozesszeit, die heutzutage Hersteller einschränken. Dies eröffnet die Möglichkeit, das Produkt an weniger hochentwickelten Orten herzustellen, um die Herstellungskosten zu senken.
Die 1, 2 und 3 veranschaulichen eine optische Unteranordnung 10 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die optische Unteranordnung 10 umfasst eine Gruppe von Lötjustiermerkmalen 12 (z. B. einen Ring von Lötkugeln), die auf einem Substrat 14 gebildet sind. Der Ring von Lötkugeln 12 bildet ein weibliches Schnappeinpassmerkmal zum Aufnehmen eines männlichen Schnappeinpassmerkmals. Die Lötkugeln 12 können auf kreisförmigen Lötfeldern 16 (2) auf dem Substrat 14 aufgebracht oder siebgedruckt sein. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Lötfelder 16 im Allgemeinen kreisförmig, und die Lötkugeln 12 sind im Allgemeinen kugelförmig. Trotzdem sind die hier offenbarten Konzepte bei Lötfeldern und Lötjustiermerkmalen anwendbar, die andere wiederholbare Formen umfassen. Bei dem Substrat 14 kann es sich um eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB), eine flexible Schaltung, ein Keramiksubstrat oder ein Siliziumsubstrat handeln.
Ein Chip 18 ist in der Mitte des Rings von Lötkugeln 12 befestigt. Bei dem Chip 18 kann es sich um eine optische Vorrichtung, wie zum Beispiel einen Laser, eine Licht emittierende Diode, einen Sender, eine Photodiode, einen Empfänger oder ein Sende-/Empfangsgerät handeln. Ein Chip 19 kann ebenfalls in dem Ring von Lötkugeln 12 befestigt sein. Bei dem Chip 19 kann es sich um eine integrierte Treiberschaltung, eine integrierte Nachverstärkungsschaltung oder irgendeine andere integrierte Schaltung (IC) handeln, die mit dem Chip 18 wirksam ist. Die Chips 18 und 19 können elektrisch durch Drahtverbindungen oder -bahnen in dem Substrat 14 verbunden sein.
Eine Linsenabdeckung 20 ist auf dem Substrat 14 über dem Chip 18 befestigt. Die Linsenabdeckung 20 kann aus einem optischen Hochtemperaturmaterial, wie zum Beispiel Ultem^® von General Electric Plastics oder einem anderen geeigneten optischen Material, hergestellt sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Linsenabdeckung 20 ein hohler Zylinder mit einer Basis 24 und einer äußeren zylindrischen Oberfläche 22. Die Basis 24 umfasst eine Linse 26 (z. B. eine kollimierende Linse) auf der oberen Basisoberfläche und/oder eine Linse 28 (z. B. eine konvergierende Linse) auf der unteren Basisoberfläche. Die äußere zylindrische Oberfläche 22 bildet ein männliches Schnappeinpassmerkmal, das durch das weibliche Schnappeinpassmerkmal, das durch den Ring von Lötkugeln 12 gebildet ist, aufgenommen wird. Die Schnappeinpassmerkmale halten die Linsenabdeckung 20 auf dem Substrat 14 und richten die Linse 26/28 auf den Chip 18 aus. Die Linsenabdeckung 20 kann ein spritzgegossenes Stück mit einer verformbaren äußeren Oberfläche 22 sein, das eine feste Einpassung mit den verformbaren Lötkugeln 12 bildet.
Ein Vorteil der optischen Unteranordnung 10 ist die Fähigkeit, die Lötkugeln 12 genau anzuordnen aufgrund der ihr eigenen engen Toleranz bezüglich der Lötfelder 16, die ziemlich genau sind, da es sich bei denselben um herkömmliche photolithographisch definierte Merkmale handelt. Obwohl eine einzelne Lötkugel 12 kleinen Schwankungen unterliegen kann (z. B. Kugelvolumen, Oberflächenspannung, Aufschmelzbedingung und Oxidgehalt), ist die geometrische Mitte der Lötkugel 12 trotzdem nahe der geometrischen Mitte des Lötfeldes 16 angeordnet. Normalerweise beträgt die Toleranz von PCB-Feldmitte zu Feldmitte über einen Abstand von etwa 5 mm etwa ±5 μm, die Toleranz des Lötkugelradius für eine Kugel mit einem Durchmesser von 300 μm beträgt etwa ±5 μm, die Toleranz der Ausrichtung von Lötkugelmitte zu Feldmitte beträgt etwa ±1 μm. Im schlimmsten Fall kann die Gesamtausrichtung um ±11 μm verschoben sein. Wird eine normale Verteilung aller drei Toleranzen angenommen, ergibt eine Quadratischer-Mittelwert-Analyse eine Gesamttoleranz von ±7 μm. Außerdem können, wenn mehrere Lötkugeln 12 als die Ausrichtungsreferenz verwendet werden, die Schwankungen zwischen Lötkugeln und Lötfeldern ausgeglichen werden, um einen immer höheren Genauigkeitsgrad zu liefern.
Die 4, 5 und 6 veranschaulichen eine optische Unteranordnung 100 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die optische Unteranordnung 100 ist der optischen Unteranordnung 10 ähnlich, mit der Ausnahme, dass eine innere zylindrische Oberfläche 122 einer Linsenabdeckung 20 ein weibliches Schnappeinpassmerkmal bildet, während der Ring von Lötkugeln 12 ein männliches Schnappeinpassmerkmal bildet. Somit passt die innere zylindrische Oberfläche 122 um den Ring von Lötkugeln 12, um die Schnappeinpassung zu erzeugen.
Obwohl im Vorhergehenden zylindrische Schnappeinpassmerkmale, die durch die Lötkugeln und die Linsenabdeckung gebildet sind, veranschaulicht wurden, können andere Formen verwendet werden. 7 veranschaulicht eine optische Unter anordnung 200 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Linsenabdeckung 220 weist Einkerbungen 230 auf, die ein Schnappeinpassmerkmal zum Aufnehmen eines anderen Schnappeinpassmerkmals bilden, das durch zwei Lötkugeln 12 auf dem Substrat 214 gebildet ist. Hier sind nur zwei Lötkugeln 12 notwendig, um die Linsenabdeckung 220 zu befestigen und auszurichten. Die Linsenabdeckung 220 umfasst ferner eine oder mehr Linsen 228, die über einem Chip auf dem Substrat 214 angeordnet sind.
8 veranschaulicht eine optische Unteranordnung 300 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die optische Unteranordnung 300 verwendet eine rechteckige Linsenabdeckung 320, die eine Basis 324 und orthogonale Seitenwände 322 aufweist. Die Basis 324 umfasst eine Linse 326 (z. B. eine kollimierende Linse) auf der oberen Basisoberfläche und/oder eine Linse 328 (z. B. eine konvergierende Linse) auf der unteren Basisoberfläche. Die äußeren Seitenwandoberflächen 322A bilden ein männliches Schnappeinpassmerkmal, das durch ein weibliches Schnappeinpassmerkmal aufgenommen wird, das durch Lötkugeln 12 gebildet ist. Die Schnappeinpassmerkmale halten die Linsenabdeckung 320 auf einem Substrat 14 und richten die Linse 326/328 auf einen Chip 18 aus.
9 veranschaulicht eine optische Unteranordnung 500 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Unteranordnung 500 ist der Unteranordnung 300 ähnlich, mit der Ausnahme, dass zwei gegenüberliegende äußere Ecken einer rechteckigen Linsenabdeckung 320 zwischen zwei gegenüberliegenden Paaren von Lötkugeln 12 angeordnet sind.
10 veranschaulicht eine optische Unteranordnung 600 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Unteranordnung 600 ist der Unteranordnung 300 ähnlich, mit der Ausnahme, dass eine rechteckige Linsenabdeckung 320A Einkerbungen 330A aufweist, die an ihren vier Ecken gebildet sind, um gegen vier Lötkugeln 12 zu passen.
11 veranschaulicht eine optische Unteranordnung 700 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Unteranordnung 700 ist der Unteranordnung 300 ähnlich, mit der Ausnahme, dass eine Linsenabdeckung 320B zwei gegenüberliegende Seitenwände 322 mit Einkerbungen 330, um gegen Lötkugeln 12 zu passen, aufweist.
12 veranschaulicht eine optische Unteranordnung 400 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Unteranordnung 400 ist der Unteranordnung 300 ähnlich, mit der Ausnahme, dass innere Seitenwandoberflächen 322B ein weibliches Schnappeinpassmerkmal bilden, das ein männliches Schnappeinpassmerkmal aufnimmt, das durch Lötkugeln 12 gebildet ist.
13 veranschaulicht eine optische Unteranordnung 800 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Unteranordnung 800 ist der Unteranordnung 400 ähnlich, mit der Ausnahme, dass zwei gegenüberliegende Paare von Lötkugeln 12 angeordnet sind, um gegen zwei gegenüberliegende Innenecken einer rechteckigen Linsenabdeckung 320 zu passen.
14 veranschaulicht eine optische Unteranordnung 900 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Unteranordnung 900 ist der Unteranordnung 400 ähnlich, mit der Ausnahme, dass zwei gegenüberliegende Lötkugeln 12 angeordnet sind, um gegen zwei gegenüberliegende Innenecken einer rechteckigen Linsenabdeckung 320 zu passen.
Die 15 und 16 veranschaulichen eine optische Anordnung 1000 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Unteranordnung 1000 ist der Unteranordnung 500 ähnlich, mit der Ausnahme, dass eine Linsenabdeckung 1020 Linsen 1026A und 1028B für einen Chip 18A und Linsen 1026B und 1028B für einen Chip 18B umfasst. Dies zeigt, dass jedes der Ausführungsbeispiele, die im Vorhergehenden beschrieben sind, mehrere Chips aufweisen kann, die entsprechende Linsen aufweisen.

Claims

Optische Unteranordnung (10; 100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900), die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (14; 214); eine Mehrzahl von Lötmerkmalen (12) auf dem Substrat, wobei die Lötmerkmale ein erstes Schnappeinpassmerkmal definieren; einen Chip (18) auf dem Substrat, wobei der Chip eine optische Vorrichtung aufweist; und eine Abdeckung (20; 200; 320) auf dem Substrat und über dem Chip, wobei die Abdeckung (1) eine Linse (26; 28; 228; 326; 328) über dem Chip und (2) eine Oberfläche (22; 122; 230; 322A; 322B) aufweist, die ein zweites Schnappeinpassmerkmal definiert, das mit dem ersten Schnappeinpassmerkmal zusammenpasst, um die Abdeckung auf dem Substrat zu halten und die Linse auf den Chip auszurichten.
Optische Unteranordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Lötmerkmale Lötkugeln (12) aufweisen.
Optische Unteranordnung gemäß Anspruch 2, bei der die Abdeckung (20) einen hohlen Zylinder aufweist.
Optische Unteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Oberfläche (22; 122; 230; 322A; 322B) aus der Gruppe ausgewählt ist, die (1) eine äußere Oberfläche, die in die Lötmerkmale passt, und (2) eine innere Oberfläche, die die Lötmerkmale aufnimmt, umfasst.
Optische Unteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Abdeckung (20; 200; 320) eine Basis aufweist, und die Linse (26; 28; 228; 326; 328) an der Basis ist.
Optische Unteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der: das Substrat (14; 218) aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine gedruckte Schaltungsplatine, eine flexible Schaltung, ein Keramiksubstrat und ein Siliziumsubstrat umfasst; und die optische Vorrichtung (18; 228) aus der Gruppe ausgewählt ist, die einen Laser, eine Licht emittierende Diode, einen Sender, eine Photodiode, einen Empfänger und ein Sende-/Empfangsgerät umfasst.
Optische Unteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Abdeckung (320) rechteckig ist und die Lötmerkmale zwei gegenüberliegende Paare von Lötkugeln (12) aufweisen, die gegen zwei gegenüberliegende innere oder äußere Ecken der Abdeckung passen.
Optische Unteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Abdeckung (320A) rechteckig mit eingekerbten Ecken (330A) ist und die Lötmerkmale vier Lötkugeln (12) aufweisen, die gegen die eingekerbten Ecken passen.
Optische Unteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Abdeckung (320B) rechteckig ist, wobei zwei gegenüberliegende Seitenwände zwei Einkerbungen (330B) definieren, und das Lötmerkmal zwei Lötkugeln (12) aufweist, die gegen die Einkerbungen passen.
Optische Unteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Abdeckung (320) rechteckig ist und die Lötmerkmale zwei gegenüberliegende Lötkugeln (12) aufweisen, die gegen zwei gegenüberliegende Innenecken der Abdeckung (320) passen.
Verfahren zur Assemblierung einer optischen Unteranordnung (10; 100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900), das folgende Schritte aufweist: Bilden einer Mehrzahl von Lötmerkmalen (12) auf einem Substrat (14; 214), wobei die Lötmerkmale ein erstes Schnappeinpassmerkmal definieren; Befestigen eines Chips (18) auf dem Substrat, wobei der Chip eine optische Vorrichtung aufweist; und Befestigen einer Abdeckung (20; 220) auf dem Substrat und über dem Chip, wobei die Abdeckung (1) eine Linse (26; 28; 228; 326; 328) über dem Chip und (2) eine Oberfläche (22; 122; 230; 322A; 322B) aufweist, die ein zweites Schnappeinpassmerkmal definiert, das mit dem ersten Schnappeinpassmerkmal zusammenpasst, um die Abdeckung auf dem Substrat zu halten.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem das Bilden der Lötmerkmale ein Bilden von Lötkugeln (12) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die Abdeckung (20) einen hohlen Zylinder aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Oberfläche aus der Gruppe ausgewählt ist, die (1) eine äußere Oberfläche (22; 230; 322A) umfasst, und die Befestigung einer Abdeckung ein Einpassen der äußeren Oberfläche innerhalb der Lötmerkmale aufweist, und (2) eine innere Oberfläche (122; 322B) umfasst, und das Befestigen einer Abdeckung ein Einpassen der inneren Oberfläche um die Lötmerkmale (12) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die Abdeckung eine Basis aufweist und die Linse (26; 28; 228; 326; 328) an der Basis ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem: das Substrat (14; 214) aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine gedruckte Schaltungsplatine, eine flexible Schaltung, ein Keramiksubstrat und ein Siliziumsubstrat umfasst; und die optische Vorrichtung (18; 218) aus der Gruppe ausgewählt ist, die einen Laser, eine Licht emittierende Diode, einen Sender, eine Photodiode, einen Empfänger und ein Sende-/Empfangsgerät umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem die Abdeckung (320) rechteckig ist und die Lötmerkmale zwei gegenüberliegende Paare von Lötkugeln (12) aufweisen, die gegen zwei gegenüberliegende innere oder äußere Ecken der Abdeckung passen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem die Abdeckung (320A) rechteckig mit eingekerbten Ecken (330A) ist und die Lötmerkmale vier Lötkugeln (12) aufweisen, die gegen die eingekerbten Ecken passen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem die Abdeckung (320B) rechteckig ist, wobei zwei gegenüberliegende Seitenwände zwei Einkerbungen (330B) definieren, und das Lötmerkmal zwei Lötkugeln (12) aufweist, die gegen die Einkerbungen passen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem die Abdeckung (320) rechteckig ist und die Lötmerkmale zwei gegenüberliegende Lötkugeln (12) aufweisen, die gegen zwei gegenüberliegende Innenecken der Abdeckung passen.