DE102006059613B4

DE102006059613B4 - Optoelektronische Baugruppe, Verfahren zu deren Herstellung und optoelektronische Sende- und/oder Empfangsanordnung

Info

Publication number: DE102006059613B4
Application number: DE102006059613.7A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Gottfried (FH) Beer; Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Althaus Hans-Ludwig
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: DE102006059613A1

Abstract

Optoelekronische Baugruppe aufweisend: – ein optoelektronisches Submodul (1) mit – mindestens einem optoelektronischen Bauteil (2) mit ersten elektrischen Kontaktflächen (22), – einem Kunststoffgehäuse (3), in dem das optoelektronische Bauteil (2) angeordnet ist, – einer Oberfläche (11), – zweiten elektrischen Kontaktflächen (41) und – einer Umverdrahtungsstruktur (4), die elektrische Kontaktflächen (22) von Bauteilen (2) des Submoduls untereinander oder mit den zweiten elektrischen Kontaktflächen (41) des Submoduls verbindet, – eine mit dem Submodul (1) verbundene Führungsstruktur (5, 71, 9, 9') geeignet zur Aufnahme einer optischen Faser (6), wobei das optoelektronische Bauteil (2) ein optisches Fenster (21) aufweist, das in der Ebene oder parallel zur Ebene der Oberfläche (11) des Submoduls (1) liegt und wobei der Abstand (d) zwischen dem optischen Fenster (21) des optoelektronischen Bauteils (2) und der Stirnfläche (63) der optischen Faser (6) kleiner als oder gleich 50 μm ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Baugruppe, ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe sowie eine optoelektronische Sende- und/oder Empfangsanordnung mit einer solchen optoelektronischen Baugruppe.
Es ist zunehmend von Interesse, eine optische Datenübertragung zwischen zwei Platinen eines elektronischen Gerätes zu realisieren. Beispiele für solche elektronischen Geräte sind Mobiltelefone oder Handcomputer (PDAs), bei denen eine Datenübertragung zwischen einer Platine eines Bildschirm und einer einer Tastatur zugeordneten Platine erfolgt. Aus Platz- und Kostengründen können bei solchen Anwendungen die bei optischen Datenübertragungen in short range (z. B. von Server zu Server oder zwischen Vermittlungsstationen) verwendeten Steckverbindungen nicht eingesetzt werden. Diese sind zwar leicht handhabbar, jedoch zu platzintensiv.
Bei der optischen Datenübertragung von Platine zu Platine stellt sich weiter die Anforderung, dass der Kern der Lichtleitfaser wegen der engen Biegeradien und Baugrößen einen kleinen Durchmesser und eine hohe numerische Apertur aufweisen muss. Dies erschwert das Einkoppeln von Licht in die Lichtleitfaser auf der Sendeseite sowie das Bereitstellen einer ausreichenden Lichtleistung an der Empfängerseite.
Es besteht ein Bedarf an optoelektronischen Baugruppen und Verfahren zu deren Herstellung, die eine optische Datenübertragung von Platine zu Platine realisieren können.
Die DE 103 32 015 A1 offenbart ein optoelektronisches Modul und ein Verbindungsstück für das Modul zu einer optischen Faser und zu einer Schaltungsplatine. Die optische Faser wird dabei mittels eines Röhrchenabschnitts derart gehalten, dass sich eine Stirnfläche der Faser vor einem Fenster eines Empfangschips befindet. Zwischen dem Fenster des Empfangschips und der Stirnfläche der Faser befindet sich eine Linse.
Unter der Bezeichnung ”RMPD (Rapid Micro Product Development) ist ein von der Mikrotec Gesellschaft für Mikrotechnologie mbH in DE-47057 Duisburg entwickeltes generatives Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen bekannt, bei dem sukzessive dünne Schichten eines UV-härtenden Werkstoffs gemäß den Schichten einer 3D-Vorlage aufgetragen und UV-Licht gesteuert ausgehärtet werden. Die einzelnen Schichten flüssigen Werkstoffs werden beispielsweise über eine Maske ausgehärtet. Die Verwendung solcher Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen ist beispielsweise in der DE 101 45 071 A1 und in der DE 101 45 070 B4 beschrieben. Es ist bekannt, solche RMPD-Verfahren zum Aufbau von Faserhaltungen über PIN-Dioden oder Leuchtdioden direkt auf einem Halbleiterwafer zu realisieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine optoelektronische Baugruppe, eine optoelektronische Sende- und/oder Empfangsanordnung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine optoelektronische Baugruppe bereitgestellt, die ein optoelektronisches Submodul sowie eine mit dem Submodul verbundene Führungsstruktur aufweist. Das Submodul umfasst mindestens ein optoelektronisches Bauteil mit ersten elektrischen Kontaktflächen, ein Kunstoffgehäuse, in dem das optoelekronische Bauteil angeordnet ist, eine Oberfläche, zweite elektrische Kontaktflächen und eine Umverdrahtungsstruktur, die elekrische Kontaktflächen von Bauteilen des Moduls untereinander oder mit den zweiten elektrischen Kontaktflächen des Submoduls verbindet. Die Führungsstruktur ist geeignet zur Aufnahme einer optischen Faser oder eines optischen Elements und auf der Oberfläche des Submoduls angeordnet.
Ein solches Submodul wird im folgenden auch als rekonfiguriertes Submodul oder rekonfiguriertes Package oder als Submodul mit rekonfigurierten elektrischen Kontaktflächen bezeichnet. Die Rekonfigurierung erfolgt durch die Umverdrahtungsstruktur, die beispielsweise über elektrische Leitungen in Dünnfilmtechnik realisiert ist. Die Umverdrahtungsstruktur ermöglicht eine elektrische Kontaktierung des Submoduls mittels elektrischer Kontaktflächen, die im Vergleich zu den elektrischen Kontaktflächen des optoelektronischen Bauteils großflächiger und besser zugänglich, insbesondere seitlich an gut zugängliche Randbereiche des Submoduls verlagert sind.
Das genannte Ausführungsbeispiel der Erfindung erlaubt es durch die Struktur des Submoduls mit einer Oberfläche, die bevorzugt zumindest teilweise plan ausgebildet ist, eine anzukoppelnde Lichtleitfaser derart in der Führungsstruktur zu positionieren, dass die Stirnfläche der optischen Faser dem optischen Fenster (d. h. der Licht emittierenden oder Licht detektierenden Fläche) des optoelektronischen Bauteils unmittelbar gegenüberliegt, wobei der Abstand zwischen dem optischen Fenster des optoelektronischen Bauteils und der Stirnfläche der optischen Faser sehr klein gewählt werden kann. In einer Ausgestaltung ist dieser Abstand kleiner als oder gleich 50 μm. Durch Realisierung eines minimalen Abstandes zwischen der Stirnfläche der optischen Faser und dem optischen Fenster des optoelektronischen Bauteils kann auch bei kleinen Faserdurchmessern (beispielsweise zwischen 5 μm und ca. 2 mm) und einer großen Apertur (beispielsweise im Bereich von 0,1 bis ca. 0,6) das ausgesandte Licht senderseitig effektiv in die Faser eingekoppelt werden und empfängerseitig auch bei kleinen Empfängerflächen und ohne aufwendige Optiken effektiv detektiert werden. Dabei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der verbleibende minimale Abstand zwischen der Stirnfläche der optischen Faser und dem optischen Fenster versiegelt wird, damit bei extremen Temperaturwechsel kein Beschlagen der entsprechenden Flächen erfolgt. Das verwendete Gel ist dabei in einer Ausgestaltung eine Matching-Flüssigkeit mit angepasster Brechzahl.
Zusätzlich zu einer optischen Faser kann in der Führungsstruktur auch ein optisches Element angeordnet sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft eine optoelektronische Sende- und/oder Empfangsanordnung mit einem rekonfigurierten Submodul, eine mit dem Submodul verbundene Führungsstruktur, die zur Aufnahme einer optischen Faser geeignet ist, und eine in die Führungsstruktur eingeführte optische Faser, wobei die Längsrichtung der optischen Faser senkrecht zur Oberfläche des Submoduls verläuft und die Stirnfläche der optischen Faser gegenüberliegend dem optoelektronischen Bauteil angeordnet ist.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe.
Ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe sieht vor, in einem Waferverbund eine Mehrzahl rekonfigurierter optoelektronischer Submodule bereitzustellen. Es erfolgt ein gleichzeitiges Aufbringen unmittelbar auf die planaren Oberflächen der Submodule jeweils einer Führungsstruktur, die geeignet ist zur Aufnahme einer optischen Faser. Das Aufbringen umfasst ein sukzessives Auftragen dünner Schichten eines lichtaushärtbaren Werkstoffs gemäß einer 3D-Vorlage der Führungsstruktur und Belichten und Aushärten dieser Schichten. Anschließend erfolgt ein Vereinzeln der Submodule des Waferverbunds. Die Führungsstruktur wird somit in einem generativen Verfahren direkt auf den Wafer mit den rekonfigurierten Submodulen aufgebracht. Als lichtaushärtbarer Werkstoff werden beispielsweise ein UV-härtender Kunststoff oder UV-härtende Sol-Gel-Materialen verwendet. Die gewünschte Führungsstruktur wird – gesteuert von den Daten der 3D-Vorlage – lagepräzise in Bezug auf das jeweilige optoelektronische Bauteil aufgewachsen. Die sukzessive aufgetragenen flüssigen Schichten können dabei per Laserstrahl oder mittels optischer Masken exakt strukturiert werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe stellt wiederum zunächst in einem Waferverbund eine Mehrzahl rekonfigurierter optoelektronischer Submodule bereit. Es erfolgt ein Vereinzeln der Submodule des Waferverbunds mittels z. B. Laserschneidens. Dabei werden beim Schneiden die einzelnen Subbaugruppen derart strukturiert, dass sie Raststrukturen für Schnappverbindungen ausbilden. Nach der Vereinzelung erfolgt ein Anklipsen jeweils einer Führungsstruktur für eine optische Faser an die Raststrukturen der Submodule. Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung ermöglicht es beispielsweise, einen optischen Stecker auf das Submodul aufzuklipsen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe stellt zunächst in einem Waferverbund eine Mehrzahl rekonfigurierter optoelektronischer Submodule bereit. Es erfolgen ein Bereitstellen einer Mehrzahl von vorgefertigten Führungsstrukturen, geeignet jeweils zur Aufnahme einer optischen Faser, ein Durchführen einer aktiven oder passiven Justage der Führungsstrukturen in Bezug auf das optoelektronische Bauteil des Submoduls, ein Befestigen der Führungsstrukturen jeweils unmittelbar auf den planaren Oberflächen der Submodule, und ein Vereinzeln der Submodule des Waferverbunds nach Befestigen der Führungsstrukturen. In einer Ausführungsvariante umfasst eine aktive Justage ein Betreiben der jeweiligen optoelektronischen Bauteile im Waferverbund, ein Anordnen jeweils einer Führungsstruktur sowie einer darin angeordneten optischen Hilfsfaser auf der planen Oberfläche des Submoduls, ein Optimieren jeweils der Lage der Führungsstruktur in Bezug auf das optoelektronische Bauelement durch Optimieren der Lichtkopplung zwischen optischer Hilfsfaser und optoeelektronischem Bauteil, ein Befestigen jeweils der in Bezug auf seine Lage optimierten Führungsstruktur auf dem Submodul, und ein Entfernen jeweils der optischen Hilfsfaser. Die Befestigung der jeweiligen Führungsstrukturen erfolgt im Waferverbund bzw. im Nutzen nach einer aktiven Justage.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe stellt in einem Nutzenverbund eine Mehrzahl rekonfigurierter optoelektronischer Submodule bereit. Es erfolgen des weiteren ein Aufbringen einer Photolackschicht auf die Oberfläche des Nutzenverbunds, ein Betreiben der jeweiligen optoelektronischen Sendebauteile im Nutzenverbund, wobei diese entsprechend ihrer Abstrahlcharakteristik die Photolackschicht belichten, ein Entfernen der Photolackschicht in den belichteten Bereichen, wobei Führungsstrukturen für die Lichtkopplung entstehen, und ein Vereinzeln der Submodule des Nutzenverbunds. Diese Ausführungsvariante erzeugt die Führungstrukturen photolithografisch mit einer Eigenbelichtung des lichtemittierenden optoelektronischen Bauteils.
Ein Nutzen bezeichnet eine Anordnung einer Mehrzahl von Einzelkomponenten. Ein bevorzugter Nutzenverbund kann geometrisch ein Waferverbund im Sinne der Halbleitertechnologie sein, es sind jedoch auch andere Geometrien des Nutzenverbundes wie z. B. eine rechteckige oder quadratische Geometrie möglich.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe stellt zunächst in einem Nutzenverbund eine Mehrzahl rekonfigurierter optoelektronischer Submodule bereit. Es erfolgen des weiteren ein Ausbilden jeweils einer Polymer-Optik auf der Oberfläche der Submodule im Nutzenverbund und ein Vereinzeln der Submodule des Nutzenverbunds. Verschiedene Techniken zur Herstellung der Polymer-Optik wie z. B. Hot-Embossing Verfahren, photolithografische Verfahren mit einem Umschmelzprozess oder einer Ätzprozess oder die Applikation eines Polymer-Tropfens mit definiertem Radius mit einer Ink-Jet Vorrichtung sind möglich. Die Realisierung dieses Verfahrens wird begünstigt durch die Verwendung optoelektronischer Submodule, die mit frei zugänglichen optischen Fenstern in der Nutzenebene plan und expandiert vorliegen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe stellt zunächst in einem Nutzenverbund eine Mehrzahl rekonfigurierter optoelektronischer Submodule bereit. Es erfolgen ein Ausbilden photolithografischer Strukturen auf der Oberfläche der Submodule im Nutzenverbund, ein Positionieren hybrider optischer Elemente in den erzeugten photolithografischen Strukturen, und ein Vereinzeln der Submodule des Nutzenverbunds. Dieser Erfindungsaspekt sieht photolithografische Prozesse auf der frei zugänglichen planen Oberfläche der im Nutzenverbund angeordneten Submodule zur Erzeugung von Führungsstrukturen für die Lichtkopplung vor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es versteht sieh, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als ihren Umfang begrenzend zu erachten sind. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen Baugruppe mit einer optoelektronischen Subbaugruppe und einer Führungsstruktur;
2A schematisch ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Submoduls mit rekonfigurierten elektrischen Anschlussflächen und einer planen Oberfläche, wobei sich das Submodul im Nutzenverbund befindet;
2B zusätzlich eine Führungsstruktur für die Aufnahme einer optischen Faser, die mittels einer Hilfsfaser auf dem Submodul befestigt wird;
3A schematisch ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Submoduls mit rekonfigurierten elektrischen Anschlussflächen, das eine durch Eigenbelichtung erzeugte photolithografische Führungsstruktur aufweist;
3B das Modul der 3A, wobei eine optische Faser an die photolithografische Führungsstruktur herangeführt ist;
3C das Modul der 3A, wobei eine Linse in hybrider Anordnung in die photolithografische Führungsstruktur eingesetzt ist;
4 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Submoduls mit rekonfigurierten elektrischen Anschlussflächen, wobei eine Polymer-Mikrolinse auf dem Submodul angeordnet ist;
5A schematisch in seitlicher Schnittansicht eine Anordnung mit einem optoelektronischen Submodul, einer auf dem Submodul direkt angeordneten Führungsstruktur und einer in die Führungsstruktur eingesteckten Faser, wobei die Anordnung auf einer Platine angeordnet ist;
5B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 5A;
6A schematisch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Anordnung entsprechend der 5A;
6B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 6A;
7A schematisch eine weitere Ausführungsvariante einer Anordnung gemäß der 5A, wobei die Führungsstruktur elastische Elemente für eine Faserklemmung aufweist;
7B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 7A;
8A schematisch in seitlicher Schnittansicht eine Anordnung mit einem optoelektronischen Submodul, einer auf dem Submodul angeordneten Führungsstruktur und einer in die Führungsstruktur eingesteckten Faser, wobei die Führungsstruktur rastend mit dem Submodul verklipst ist;
8B eine Schnittansicht entlang der Linie A-B der 8A;
9 Verfahrensschritte zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
10 Verfahrensschritte zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
11 Verfahrensschritte zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
12 Verfahrensschritte zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
13 Verfahrensschritte zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel; und
14 Verfahrensschritte zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
Die 1 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine optoelektronische Baugruppe weist ein optoelektronisches Submodul 1 und eine Führungsstruktur 5 zur Aufnahme und Ankopplung einer optischen Faser 6 auf. Das Submodul 1 weist ein optoelektronisches Bauelement 2 auf, das in einem Kunststoffgehäuse 3 angeordnet ist. Dieses besteht in einer Ausführungsvariante aus einem nicht transparenten Kunststoff. Bei dem optoelektronischen Bauteil 2 handelt es sich um ein elektrooptisches Sendebauelement, beispielsweise eine VCSEL-Diode, und/oder um ein optoelektronisches Empfangsbauelement, beispielsweise eine Photodiode. Dabei kann vorgesehen sein, dass in dem Submodul zusätzlich zu dem optoelektronischen Bauteil 2 mindestens ein elektronisches Bauteil, insbesondere eine Treiberschaltung, die ein Sendebauelement mit zu übertragenden Signalen versorgt, oder eine Verstärkerschaltung, die das empfangene Signal eines Empfangsbauelementes vorverstärkt und regeneriert, angeordnet sind. Das optoelektronische Bauteil 2 und – sofern vorhanden – das elektronische Bauteil sind jeweils als vorgefertigte Chips ausgebildet. Das optoelektronische Bauteil 2 kann dabei zusätzlich auf einem Substrat angeordnet oder mit einer gesonderten Umhüllung ummantelt sein.
Das optoelektronische Bauteil 2 weist einen optisch aktiven Bereich mit einem optischen Fenster 21 auf, bei dem es sich um eine Lichtaustrittsfläche im Falle eines Sendebauelementes und um eine Lichteintrittsfläche im Falle eines Empfangsbauelementes handelt. Das optoelektronische Bauteil 2 weist des weiteren eine Mehrzahl von elektrischen Kontaktflächen 22 auf, die der elektrischen Kontaktierung des Bauteils 2 dienen. Die elektrischen Kontaktflächen 22 sind hier lediglich schematisch dargestellt. Die Kontaktflächen 22 sind in einer Ausgestaltung beide auf der Oberseite des Bauteils ausgebildet, wobei eine der Kontaktflächen 22 mit im Inneren des Bauteils 2 verlaufenden Metallisierungen verbunden sein können.
Das Submodul 1 weist des weiteren eine Umverdrahtungsschicht 4 auf, die eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 22 des optoelektronischen Bauteils 2 mit elektrischen Kontaktflächen 41 des Submoduls 1 bereitstellt. Für den Fall, dass das Submodul 1 zusätzlich ein elektronisches Bauelement aufweist, stellt die Umverdrahtungsschicht 4 eine elektrische Verbindung zwischen dem optoelektronischen Bauteil 2, dem elektronischen Bauteil und den Kontaktflächen 41 des Submoduls bereit. Die Kontaktflächen 41 stellen die elektrischen Außenkontakte des Submoduls 1 dar.
Die Umverdrahtungsschicht 4 enthält beispielsweise in Dünnfilmtechnik ausgeführte Leitungen. Sie stellt eine oder meherere Umverdrahtungslagen dar und ermöglicht, die Kontakte 41 der Subbaugruppe 1 größer und in besser zugänglichen Randbereichen der Subbaugruppe anzuordnen, als dies bei den elektrischen Kontakten 22 des Bauteils 2 möglich wäre. Über die elektrischen Kontakte 41 erfolgt insbesondere eine Kontaktierung mit weiteren Bauteilen und/oder direkt mit einer Schaltungsplatine, auf der die Baugruppe angeordnet ist.
Die Subbaugruppe 1 bildet eine Oberfläche 11, die in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens in dem entsprechenden Funktionsbereich plan sein kann, und die im dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Oberfläche der Umverdrahtungsschicht 4 bereitgestellt wird. Das optische Fenster 21 des optoelektronischen Bauteils 2 liegt in dieser planen Fläche oder ist parallel zu dieser.
Die Führungsstruktur 5 zur Aufnahme einer optischen Faser kann durch verschiedene Verfahren auf die Oberfläche 11 des Submoduls 1 aufgebracht sein. Verschiedene solcher Verfahren werden weiter unten unter Bezugnahme auf die 10 bis 13 erläutert werden. Dabei weist die Führungsstruktur 5 in einer Ausgestaltung eine zylinderförmige Wandung 52 zur Aufnahme einer optischen Faser 6 und angrenzend an das Submodul 1 einen flanschartig verbreiterten Rand 53 auf, mit dem es auf dem Submodul 1 aufgesetzt und befestigt, beispielsweise verklebt oder verschweißt oder mit einem RMPD-Verfahren hergestellt ist.
Die Führungsstruktur 5 wird nachfolgend auch als Faseraufnahme bezeichnet. Die Faseraufnahme kann z. B. eine Trichterform aufweisen oder stufig ausgebildet sein, um eine leichtere Einführung der Faser 6 zu ermöglichen.
Die angekoppelte optische Faser 6 besteht in üblicher Weise aus einem Kern 61 und einem Mantel 62 und ist wahlweise als Nacktfaser, als Faser ohne Jacket oder als Faser mit einer Ferrule in die Führungsstruktur 5 eingeführt. Die Faser 6 besitzt eine Stirnfläche 63, die dem optischen Fenster 21 des Submoduls 1 gegenüber liegt. Sie ist derart in der Faseraufnahme 5 angeordnet, das ihre Längserstreckungsrichtung 64 senkrecht zur planen Oberfläche 11 der Subbaugruppe 1 verläuft. Dies bedeutet, dass die Stirnfläche 63 der eingeführten optischen Faser 6 und das optische Fenster 21 des optoelektronischen Bauteils 2 parallel zueinander sind. Der Abstand d wird möglichst gering gewählt und liegt in einer Ausführung bei weniger als 50 μm. in einer weiteren Ausführung beträgt der Abstand d weniger als 20 μm.
Die Faser 6 weist in einer Ausgestaltung einen kleinen Durchmesser beispielsweise zwischen 0.5 mm und 2 mm auf und besitzt in einer Ausgestaltung eine hohe numerische Apertur, beispielsweise von 0.4. Dies verhindert, dass das übertragene Signal bei der starken Biegung der Faser 6 auskoppeln kann. Die Faser 6 ist in einer Ausführung als polymere optische Faser (POF) ausgeführt. Sie kann jedoch auch als einzelne Glasfaser, z. B. als sogenannte Multimode-Faser oder Einmoden-Faser mit entsprechend kleinerem Durchmesser und numerischer Apertur ausgebildet sein.
In weiteren Ausführungsbeispielen sind eine Mehrzahl von als Laserdioden ausgeführten optoelektronischen Bauteilen in unmittelbarer Nähe zueinander in dem Submodul 1 angeordnet, wobei einige der Laserdioden redundant vorgehalten werden. Eine Monitordiode stellt den Ausfall einer aktuell verwendeten Laserdiode fest, worauf der Treiber dann auf eine andere Laserdiode umschaltet. Der Abstand zwischen den einzelnen Laserdioden eines Laserdiodenarrays mit mindestens 2 Einzeldioden, die in einer Ausgestaltung als vertikal emittierende Laserdioden (VCSEL) ausgeführt sind, liegt typischerweise um 50 μm und ist in jeweiligen Ausgestaltungen in der Regel kleiner als der Durchmesser der jeweiligen angewendeten optischen Faser oder des Faserbündels (z. B. ca. 300 μm). Durch den geringen Abstand der Faser 6 kann jedoch dann von jedem einzelnen oder allen Emissionsfenstern der VCSEL im Array ausreichend Lichtleistung in die Faser 6 angekoppelt werden. Die Verwendung redundanter Low-Cost-Laserdioden erlaubt es, auf ein kostenintensives burn-in der Laserdioden bei der Herstellung zu verzichten.
In weiteren Ausführungsbeispielen wird statt einer Faser ein Faserbündel verwendet, das aus einer Mehrzahl von Fasern besteht. Durch die Verwendung eines Faserbündels anstelle einer einzelnen Faser wird das Einkoppeln eines Signals auf der Senderseite erleichtert. Gleichzeitig wird das Bündeln des Lichts auf die Empfangsfläche des Empfangsbauelementes erschwert, insbesondere, wenn die Faser eine hohe numerische Apertur aufweist, so dass sich der austretende Lichtkegel schnell aufweitet. Dem kommt jedoch entgegen, daß in der erfindungsgemäßen Anordnung der Abstand der jeweiligen Faserendfläche zur Empfängerdiode sehr klein sein kann und der Gesamtfaser-Durchmesser in der Größe oder kleiner der Größe der Photodioden-Empfangsfläche ist. Es ist hier ein Kompromiss zu finden.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass die Führungsstruktur 5 zur Aufnahme einer optischen Faser keine elektrischen Leitungen oder Kontakte zur Übertragung elektrischer Signale enthält. Sie hat also allein die Funktion, die optische Faser anzukoppeln. Die elektrische Kontaktierung der Baugruppe erfolgt über die Kontaktflächen 41 des Submoduls. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass die Führungsstruktur 5 mit einer elektromagnetischen Schirmungsstruktur versehen ist, die mit GROUND verbunden ist.
In weiteren Ausführungsbeispielen weist die plane Oberfläche 11 des Submoduls 1 passive Justagestrukturen (nicht dargestellt) zur Ausrichtung und Positionierung der Führungsstruktur 5 bei der Montage auf.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass unmittelbar auf die Oberfläche 11 des Submoduls und angrenzend an das optische Fenster 21 des optoelektronischen Bauteils 2 ein lichtformendes Bauteil, insbesondere eine Linse integriert ist, die eine Lichtkopplung mit der Faser 6 verbessert.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, das zwischen der Stirnfläche 63 der optischen Faser 6 und dem optoelektronischen Bauelement 2 ein transparentes Versiegelungsmaterial vorgesehen ist. Dieses ist bevorzugt hinsichtlich seiner Brechzahl angepasst, um Rückreflexionen zu vermeiden.
Die Ausgestaltung der 1 ermöglicht es, durch Anordnung des optischen Fensters 21 des optoelektronischen Bauteils 2 parallel zu der Oberfläche 11 der Subbaugruppe 1, auf der die Faseraufnahme 5 angeordnet wird, und durch Umverdrahtung (Rekonfiguration) der elektrischen Kontakte 22 des Bauteils 2 zu großflächigeren und seitlich weggeführten Kontakten 41, eine Lichtleitfaser 6 in minimalem Abstand zu dem sendenden oder empfangenden optoelektronischen Bauelement 2 anzuordnen. Dies ermöglicht eine Lichtein- und auskopplung auch bei kleinen Durchmessern und einer hohen numerischen Apertur der Lichtleitfasern und damit z. B. eine Datenübertragung von Platine zu Platine.
Die Herstellung des Submoduls 1 mit rekonfigurierten Anschlüssen 41 erfolgt im Nutzenverbund. Hierzu werden in einer Ausführungsvariante eine Mehrzahl von als Chips ausgeführten optoelektronischen Bauteilen 2 (sowie eventuell vorhandene zugeordnete elektronische Bauteile) zunächst mit dem optischen Fenster und den elektrischen Kontakten nach unten präzise auf einer Klebefolie abgelegt. Die Klebefolie ist für die weiteren Prozesse selbst entweder hinreichend stabil, oder kann mit ihrer auf der Chip abgewandten Seite auf einen hinreichend stabilen Träger aufgebracht sein. Die Chips werden nun mit einer nicht transparenten Mouldmasse umhüllt. Nach Erhärten der Mouldmasse wird die Klebefolie abgelöst. Anschließend wird unter Nutzung üblicher photolithografischer Verfahren die Umverdrahtungsstruktur, die aus Metall-Lagen und Dielektrika besteht und mindestens im Bereich der optischen Fenster der elektrooptischen Chips in der verwendeten Wellenlänge optisch transparent ist, beispielsweise in Dünnfilmtechnik aufgebracht. Dabei werden die elektrischen Kontakte des bzw. der Chips rekonfiguriert bereitgestellt, und zwar in größerer Ausdehnung und in seitlichen Bereichen des jeweiligen Submoduls, so dass eine gut zugängliche Kontaktierung bereitgestellt wird. Zusätzlich werden – sofern das Submodul mehrere Chips aufweist – diese durch die Umverdrahtungsstruktur untereinander verbunden. Durch die Realisierung der Umverdrahtung in Dünnflilmtechnik wird die Verwendung von Bonddrähten vermieden, die nachteilig mit einem möglichen hohen Störsignal verbunden sind, aber auch wegen ihrer geometrischen Ausführung keinen sehr kurzen Faserabstand ermöglichen. Nach der Vereinzelung der im Nutzenverbund hergestellten rekonfigurierten Submodule liegen diese einzeln vor.
Weitere Ausgestaltungen einer optoelektronischen Baugruppe sowie unterschiedliche Herstellungsverfahren zur Bereitstellung einer Führungsstruktur oder anderer Strukturen in einer optoelektronischen Baugruppe mit einem rekonfigurierten Submodul sind in den weiteren Figuren beispielhaft angegeben. Gleiche oder vergleichbare Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 2A und 2B zeigen ein Ausführungsbeispiel entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 1, jedoch vor der Vereinzelung der im Nutzenverbund angeordneten Submodule 1. In den 2A und 2B ist dabei zusätzlich ein in Dünnfilmtechnologie ausgeführter elektrischer Leiter 42 der Umverdrahtungsschicht 4 dargestellt.
Es wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 11 ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe beschrieben. Es werden zunächst (Schritt 111 der 11) eine Mehrzahl von rekonfigurierten Submodulen 1 in einem Waferverbund bereitgestellt. Eine Möglichkeit der Herstellung eines solchen Waferverbunds mit rekonfigurierten Submodulen wurde in Bezug auf die 1 erläutert. Die optischen Fenster 21 der jeweiligen optoelektronischen Bauteile 2 sind dabei in der oder parallel zur Ebene 11 mit den elektrischen Kontaktflächen 41 angeordnet. Die flache, leiterbahnartige Rekonfiguration der elektrischen Kontakte ermöglicht eine besonders günstige dichte Faseranordnung zum optischen Fenster 11. Es kann die optische Aus- bzw. Einkopplung senkrecht zur frei zugänglichen Wafer-Ebene 11 erfolgen.
Es werden eine Mehrzahl vorgefertigter Führungsstrukturen 5 bereitgestellt (Schritt 112 der 11). Zur präzisen lateralen Faserpositionierung der Führungsstrukturen 5 und damit der präzisen lateralen Positionierung der Faser 6 erfolgt in einer Ausgestaltung eine aktive Justage (Schritt 113 der 11). Die aktive Justage umfasst ein Betreiben der jeweiligen optoelektronischen Bauteile 2 im Waferverbund, ein Anordnen jeweils einer Führungsstruktur 5 sowie einer darin angeordneten optischen Hilfsfaser 6' auf der planen Oberfläche 11, ein Optimieren jeweils der Lage der Führungsstruktur 5 in Bezug auf das optoelektronische Bauelement durch Optimieren der Lichtkopplung zwischen optischer Hilfsfaser 6' und optoeelektronischem Bauteil 2, ein Befestigen jeweils der in Bezug auf seine Lage optimierten Führungsstruktur 5 auf dem Submodul 1, und ein Entfernen jeweils der optischen Hilfsfaser 6'.
Dabei wird das jeweilige Bauteil auf Wafer-Ebene, wie aus der Wafermesstechnik grundsätzlich bekannt, mit Kontaktnadeln elektrisch kontaktiert. Daraufhin erfolgt eine Lichteinkopplung von einem emittierenden Chip 2 direkt in eine entsprechende, über den Wafer angeordnete Hilfs-Faser 6' bzw. von einer solchen Faser in eine Photodiode 2. Diese Direkteinkopplung des aktiven Chips 2 in eine optimal auszurichtende Faser stellt eine aktive Justage dar. Sie wird aufgrund ihrer hohen möglichen Präzision von +–1 μm beispielsweise bei der Faserkopplung von dünnen (SMF)-Fasern an aktive Einzelkomponenten eingesetzt.
Bei der aktiven Justage werden Faseraufnahmen bzw. Führungshülsen 5 mit der Hilfsfaser 6' geführt und bei aktivem Chip mit Lichtein- bzw. Lichtauskopplung auf ein optimales Koppelsignal justiert. Die notwendige Fixierung der Faseraufnahme (Schritt 114 der 11) kann sowohl durch eine Klebe-Verbindung 51 (beispielsweise einen UV-Kleber) oder auch durch eine Kunststoff-Laserschweißung 51 erfolgen. Die Führungshülse 5 kann dabei flanschartig ausgebildet sein und einen der Oberfläche 11 zugewandten Sockel 53 besitzen.
Die 2B zeigt die Hilfsfaser 6', die der Handhabung und Positionierung der Führungsstruktur 5 während der aktiven Justage dient.
Der beschriebene Justageprozess der Führungshülsen 5 kann rationell in einem vollautomatisierten Betrieb mit bekannten Halbleiter-Fertigungsanlagen durchgeführt werden. Nach Vereinzelung der einzelnen Submodule (Schritt 115 der 11) liegen Einzelkomponenten mit präzise justierten Führungsstrukturen 5 vor, die nach Einbau bzw. Einbringen der Subbaugruppe 1 in eine optoelektronische Anordnung der Ankopplung einer optischen Faser dienen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die geschilderte aktive Justage durch eine passive Justage der Faseraufnahme 5 ersetzt. Dies insbesondere dann, wenn notwendige Justagetoleranzen für die Faser (von z. B. bis zu +–20 μm) dies erlauben. Insbesondere bei größeren Fasern und größeren Photodioden ist eine passive Justage sinnvoll. Die Durchführung erfolgt beispielsweise mit entsprechend präzisen Bildbearbeitungs-Systemen an entsprechend optisch erkennbaren Strukturen. Der Vorteil liegt in einem rationelleren Prozessablauf, da auf eine elektrische Kontaktierung auf Nutzen-Ebene verzichtet werden kann. Typische Genauigkeiten von heutigen präzisen Patternrecognitionssystemen liegen bei ca. 3 μm.
In einer weiteren Ausgestaltung, die anhand der 3A bis 3C sowie der 12 erläutert wird, wird auf den Submodulen 1 auf Waferebene eine photolithografische Führungsstruktur in Eigenbelichtungstechnik ausgebildet. In dieser Ausgestaltung handelt es sich bei den optoelektronischen Bauteilen 2 der Submodule 1 um Sendebauelemente.
Zunächst werden wiederum eine Mehrzahl von rekonfigurierten Submodulen 1 in einem Nutzenverbund bereitgestellt (Schritt 121 der 12). Es wird zur Erzeugung von Faserführungsstrukturen der komplette Nutzen/Wafer auf der optischen Emissions-Seite mit einer entsprechend dicken Photolackschicht 7 versehen, die für die Emissionswellenlänge der Sendebauelemente 2 photosensitiv ist (Schritt 122 der 12). Eine positionsrichtige Justage-Struktur für eine anzukoppelnde Faser wird durch Inbetriebnahme des emittierenden Bauelements 2 erreicht. Dabei wird eine geeignete Lichtleistung gemäß einer spezifischen Abstrahlcharakteristik in den Photolack emittiert, der damit automatisch positionsrichtig für die Faserankopplung belichtet wird (Schritt 123 der 12). In einem anschließenden Ätzprozess kann dann im Photolack der entsprechende Emissionsbereich für den Transmitter-Chip entfernt werden (Schritt 124 der 12). Die dadurch auf jeder Subbaugruppe automatisch entstehende Struktur 71 ermöglicht eine ideale laterale Faserpositionierung und kann mit bekannten Verfahren verstärkt bzw. fixiert werden. Abschließend erfolgt ein Vereinzeln der Submodule (Schritt 125 der 12).
Da der beschriebene Prozess als „Waferprozess” auf dem gesamten Nutzen für alle Subbaugruppen gleichzeitig durchgeführt werden kann, ist er besonders rationell, in Analogie zu den bekannten Waferprozessen in der Mikroelektronik.
Die photolithografisch erzeugte Führungsstruktur 71 für die Lichteinkopplung kann verschiedenen Anwendungen zugeführt werden.
In einer ersten Anwendung dienen die bereitgestellten Führungsstrukturen 71 vor dem Vereinzeln der Submodule 1 der Ankopplung von Prüf-Fasern der rationellen Messung der faseroptischen Leistung der Submodule im Waferverbund.
In einer zweiten Anwendung dienen die bereitgestellten Führungsstrukturen 71 nach dem Vereinzeln der Submodule jeweils der Aufnahme einer optischen Faser 6, die mit dem optoelektronischen Sendebauelement des jeweiligen Submoduls koppelt. Diese Variante ist in der 3B dargestellt. Zur Anordnung einer optischen Faser 6 an dem vereinzelten Submodul 1 kann zusätzlich ein Umgehäuse mit einer Faservorführung vorgesehen sein (nicht dargestellt), das die anzukoppelnde optische Faser hält, während die Führungsstruktur 71 im wesentlichen einer idealen lateralen Positionierung der Faser dient. Wenn die Führungsstruktur 71 durch Verstärkung eine gewisse Dicke aufweist, kann auf ein Umgehäuse auch verzichtet werden.
In einer dritten Anwendung dienen die bereitgestellten Führungsstrukturen 71 als Aufnahmestrukturen für lichtformende Koppeloptiken. Dies ist in der 3C dargestellt. Dabei umfasst die lichtformende Koppeloptik beispielsweise mindestens eine Linse 81, die hybrid in die bereitgestellte Führungsstruktur 71 einer Baugruppe integriert wird. Es kann sich um eine Kugel-Linse, eine Plankonvex-Linse, eine Grin-Linse etc. aus geeigneten anorganischen oder polymer-optischen Materialien handeln. Mit dem hybriden Einbau zusätzlicher optischer Elemente können weitere, für verschiedenste Anwendungen der elektrooptischen Komponenten des Submoduls geeignete Eigenschaften der Abstrahlcharakteristiken erzeugt werden. Die so mit hybriden Optiken ausgestatteten Submodule können dann eine Anwendung weit über die Fiberoptik hinausgehend etwa in der Sensorik, Beleuchtung oder Messtechnik finden. Die im Nutzenverbund vorliegenden Strukturen auf den Einzel-Submodulen sind die Basis für die rationelle Hybrid-Integration der Optik am Submodul.
Bei dieser Gelegenheit wird darauf hingewiesen, dass eine Ausbildung der Submodule und optoelektronischen Bauteile derart erfolgen kann, dass einzelne Subbaugruppen mit einem Chip, Array-artig angeordnete Subbaugruppen oder in einer einzelnen Subbaugruppe angeordnete Chip-Arrays vorliegen können.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Submoduls 1 mit rekonfigurierten elektrischen Anschlüssen 41 ist in der 4 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren in der 13 dargestellt. Gemäß der 4 ist auf der planen Oberfläche 11 des Submoduls 1 und angrenzend an das optische Fenster 21 eine Polymer-Optik 82, im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer Polymer-Linse aufgebracht. Die Anbringung einer solchen Polymer-Optik direkt auf die plane Oberfläche 11 des Submoduls 1 wird erleichtert, da das Bauteil 2 mit seinem frei zugänglichen optischen Fenster 21 in der Waferebene plan und expandiert vorliegt.
Das Herstellungsverfahren für ein Submodul 1 gemäß der 4 ist in der 13 dargestellt. Danach wird in einem ersten Schritt 131 zunächst in einem Nutzenverbund eine Mehrzahl optoelektronischer Submodule mit rekonfigurierten elektrischen Kontaktflächen bereitgestellt. Anschließend wird im Schritt 132 jeweils eine Polymer-Optik auf der planen Oberfläche der Submodule im Nutzenverbund ausgebildet. Danach erfolgt ein Vereinzeln der Submodule des Nutzenverbunds, Schritt 133. Das Ausbilden der Polymer-Optik im Nutzenverbund kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Herstellung der Polymer-Optik am Nutzen im so genannten Hot-Embossing-Verfahren. Dabei wird ein thermoplastischer Kunststofftropfen auf die Oberfläche des jeweiligen Submoduls appliziert. Mittels eines erhitzten Stempels wird der Kunststofftropfen in einer gewünschten Weise geformt.
In einer Ausführungsvariante kann dies auch geschehen, indem über den ganzen Nutzen ein thermoplastischer Film entsprechender Dicke abgeschieden wird und anschließend ein erhitzter Stempel mit entsprechender Anzahl von Mikrolinsenformen lagerichtig über den Einzelkomonenten die Linsen abformt. Dies kann sektionsweise am Wafer oder gleichzeitig für alle Einzelkomponenten erfolgen. Nach dem Abkühlen des Stempels ist die Linsen-Form und -Position gefestigt. In einer anderen Ausführungsform kann statt des thermoplastischen Films für die Linsenform ein UV- oder photo-härtbares Polymer verwendet werden, dass bei aufgesetztem Stempel, der gegebenfalls für die Aushärtewellenlänge transparent ist, ausgehärtet und verfestigt wird. Anschließend wird jeweils der Stempel entfernt.
In einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt die Herstellung der Polymer-Optik photolithografisch im Waferverbund beispielsweise in Kombination mit einem Umschmelzprozess oder einem Ätzprozess. In einer weiteren Ausführungsvariante wird ein Polymer-Tropfen aus einer Applikationsdüse einer Ink-Jet-Vorrichtung unmittelbar auf das optische Fenster 21 des optoelektronischen Bauteils 2 appliziert. Über die Oberflächenspannung stellt sich dabei der gewünschte Radius des als Linse wirkendenden Tropfens ein.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht die Bereitstellung photolithografischer Strukturen auf Waferebene vor. Anders als bei der Ausgestaltung der 2A bis 2C und der 12 werden die photolithografischen Strukturen jedoch nicht durch Eigenbelichtung erzeugt, sondern in bekannter Wafertechnologie. Ein entsprechendes Verfahren ist schematisch in 14 dargestellt. In einem ersten Schritt 141 erfolgt wiederum ein Bereitstellen in einem Waferverbund einer Mehrzahl optoelektronischer Submodule mit rekonfigurierten elektrischen Kontaktflächen. Auf der planen Oberfläche des Waferverbunds bzw. dessen einzelner Submodule werden anschließend photolithografische Strukturen ausgebildet, Schritt 142. Anschließend werden in Schritt 143 hybride optische Elemente in den erzeugten photolithografischen Strukturen positioniert, Schritt 143. Abschließend erfolgt ein Vereinzeln der Submodule des Lieferverbunds, Schritt 144. Das Ausbilden der photolithografischen Strukturen auf der planen Waferoberfläche kann dabei aus der Wafertechnologie bekannte Prozesse wie Maskieren, Belichten, Ätzen und Aufwachsen von Epitaxie-Schichten umfassen. Die auf diese Weise erzeugten photolithografischen Strukturen dienen zur rationellen, lagerichtigen Positionierung der hybriden optischen Elemente im Waferverbund. Die nach Vereinzelung mit den hybriden Optiken ausgestatteten Submodule können neben der Fiberoptik z. B. auch in der Sensorik, Beleuchtung und Messtechnik Verwendung finden.
Die 5A und 5B zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Submoduls 1 mit rekonfigurierten Kontaktflächen 41 und einer mit dem Submodul 1 verbundenen Führungsstruktur 9 zur Aufnahme einer optischen Faser 6. Anders als in den Ausführungsbeispielen der 2A bis 4 ist die Führungsstruktur 9 im Ausführungsbeispiel der 5A und 5B kein vorgefertigtes Teil, das auf dem Submodul 1 positioniert wird, sondern ein Teil, das durch ein generatives Verfahren unmittelbar auf dem Submodul 1 hergestellt ist.
Die Herstellung der Anordnung der 5A, 5B ist in der 9 dargestellt. Danach erfolgt in einem ersten Schritt 91 wie auch bei den anderen bisher beschriebenen Verfahren zunächst ein Bereitstellen in einem Nutzenverbund einer Mehrzahl optoelektronischer Submodule mit rekonfigurierten elektrischen Kontaktflächen. Im Nutzenverbund ist das Submodul 1 gegenüber der 5A um 90° gedreht, entsprechend den 2A bis 4. Es erfolgt nun in Schritt 92 ein gleichzeitiges Aufbringen unmittelbar auf die planen Oberflächen der Submodule jeweils einer Führungsstruktur 9 zur Aufnahme einer optischen Faser. Das Aufbringen umfasst dabei das sukzessive Auftragen dünner Schichten eines lichtaushärtbaren Werkstoffes gemäß einer 3D-Vorlage der Führungsstruktur und ein Belichten und Aushärten dieser Schichten, Schritt 93. Anschließend erfolgt ein Vereinzeln der Submodule des Waferverbundes, Schritt 94. Als Werkstoff wird beispielsweise ein UV-härtender Kunststoff verwendet. Vorzugweise werden einfache „2,5-D”-Geometrien gewählt, die mittels weniger Masken hergestellt werden können. Genauso können selbstverständlich volle 3D-Geometrien in der bekannten Stereolithographie erstellt werden.
Die derart bereitgestellte Anordnung von Submodul 1 und Führungsstruktur 9 wird gemäß 5A, 5B beispielsweise auf eine Schaltungsplatine 20 aufgesetzt. Hierbei treten die elektrischen Kontaktflächen 41 des Submoduls 1 in Kontakt mit entsprechenden Kontaktflächen der Schaltungsplatine 20 (nicht dargestellt). Die Verbindung erfolgt beispielsweise mittels Lotkugeln 45.
Die durch sukzessive aufgetragene Schichten bereitgestellte Führungsstruktur 9 ermöglicht eine lagepräzise Anordnung der Führungsstruktur in Bezug auf das optoelektronische Bauteil 2. Die Toleranzkette wird wesentlich verkürzt. Darüber hinaus ist das Verfahren sehr produktiv, da es eine parallele Bereitstellung der Führungsstrukturen auf Waferebene bzw. im Nutzen erlaubt.
Das Belichten und Aushärten der einzelnen aufgetragenen Schichten erfolgt beispielsweise unter Verwendung von Masken, die für ein definiertes Belichten und Aushärten der einzelnen Schichten sorgen. Jede Schicht erfährt dabei durch Belichten und Aushärten eine definierte Topografie entsprechend der 2,5D- oder 3D-Vorlage. Alternativ kann statt der Verwendung von Masken ein schreibender Laserstrahl (analog Stereolithographie) zum Belichten und Aushärten der einzelnen Schichten verwendet werden.
Beim direkten Generieren der Führungsstruktur 9 kann vorgesehen sein, elastische Elemente 92 in die Führungsstruktur 9 zu integrieren. Diese elastischen Elemente, die in der 5A schematisch dargestellt sind, können beispielsweise für eine verbesserte Faserklemmung sorgen. Weiter kann die Führungsstruktur z. B. Stufen oder eine Trichterform für eine leichtere Einführung der Faser 6 aufweisen.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die erzeugte Führungsstruktur 9 mit einer elektromagnetischen Schirmung 93 ummantelt ist. Beispielsweise über einen mit der Schirmung verbundenen Lötpad 94 und eine Lotkugel 45 kann die Schirmung mit einem GROUND-Kontakt der Schaltungsplatine 20 verbunden sein. Das Informationssignal des optoelektronischen Bauteils 2 wird jedoch in dieser Ausgestaltung nicht über die Führungsstruktur 9, sondern direkt von der Schaltungsplatine 20 zu den elektrischen Kontakten 41 des Submoduls 1 übertragen.
In das auf der Schaltungsplatine 20 montierte Submodul 1 mit Führungsstruktur 9 wird eine optische Faser 6 eingeführt, die wie in Bezug auf 1 erläutert mit ihrer Stirnfläche in möglichst geringem Abstand zu dem optoelektronischen Bauteil 2 des Submoduls angeordnet wird.
In der Schnittdarstellung der 5B sind die an den Randbereich des Submoduls geführten elektrischen Kontakte 41 zu erkennen.
Die 6A und 6B zeigen eine optoelektronische Sende- und/oder Empfangsanordnung entsprechend den 5A und 5B. Der einzige Unterschied besteht darin, dass an der Führungsstruktur 9 zur Aufnahme der optischen Faser 6 kein Lötpad angeordnet ist. Lötpads 41 befinden sich ausschließlich an dem Submodul 1. Dabei sind in einer Ausführungsvariante Kontaktflächen 41 mittels Durchkontaktierungen auf die dem optoelektronischen Bauteil 2 gegenüberliegende Rückseite des Submoduls 1 geführt. Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass auch bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 5B die Umverdrahtungsstruktur des Submoduls 1 derart ausgebildet sein kann, dass Durchkontaktierungen von der Packagevorderseite auf die Packagerückseite geführt werden.
Die symmetrische Ausbildung der elektrischen Kontaktflächen 41 führt bei der Ausgestaltung der 6A, 6B zu einer stabilen Positionierung des Submoduls 1 und der Anordnung insgesamt auf der Schaltungsplatine 20. Sofern die elektrischen Kontaktflächen 41 nur auf der Vorderseite ausgebildet sind, kann eine Lotkugel 45 aus Stabilisierungsgründen trotzdem auf der Rückseite des Submoduls 1 angeordnet sein.
Das Ausführungsbeispiel der 7A und 7B entspricht bis auf den Aspekt dem Ausführungsbeispiel der 5A und 5B, dass die optische Faser 6 mittels eines verrasteten Deckelelementes in der Führungsstruktur 9 gehalten wird. Die Führungsstruktur 9 bildet dabei einen Grundkörper mit einer Nut 95 aus, in den eine optische Faser 6 senkrecht zur Faserachse eingelegt wird. Anschließend erfolgt mittels des Deckelelementes 96, das zwei Rastarme 961 aufweist, eine Fixierung der optischen Faser 6 per Schnappverbindung.
Die 8A, 8B zeigen ein Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Baugruppe mit einem optoelektronischen Submodul 1, an das eine vorgefertigte Führungsstruktur 9' zur Ankopplung einer optischen Faser 6 angeklipst ist. Hierzu weist zum einen das Submodul 1 Raststrukturen 121, 122 und zum anderen die Faseraufnahme 9' Rastarme 90' auf, die mit den Raststrukturen 121, 122 des Submoduls 1 korrespondieren und mit diesen in rastende Verbindungen treten können.
Dies ist in der 8B beispielhaft dargestellt. Danach weist das Submodul 1 Raststrukturen in Form von Fügeschrägen 121 und Aussparungen 122 auf, die mit Rastarmen 90' mit Rastnasen 91' der Faseraufnahme 9' korrespondieren. In dem Ausführungsbeispiel der 8A, 8B sind zwei seitliche Rastarme 90' (8B) und ein sich an der Rückseite des Submoduls 1 abstützender Rastarm 90' (8B) vorgesehen.
Zusätzlich können in einer Ausgestaltung elastische Elemente 96' entsprechend den elastischen Elementen der 5A bis 7B vorgesehen sein.
Die 8A und 8B zeigen darüber hinaus Ausgestaltungen des Submoduls 1, die in den vorangegangenen Figuren nicht explizit dargestellt wurden, in diesen jedoch ebenfalls realisiert sein können. Gemäß der 8B, die das Submodul 1 in Vorderansicht zeigt, weist dieses neben dem optoelektronischen Bauteil 2 ein elektronisches Bauteil 10 auf, bei dem es sich für den Fall, dass das optoelektronische Bauteil 2 ein Sendebauelement ist, um einen elektronischen Treiber handelt, und für den Fall, dass das optoelektronische Bauteil 2 ein Empfangsbauelement ist, um einen Verstärker. Das optoelektronische Bauteil 2 weist mehrere redundante, identische optoelektronische Wandler auf, wobei jeweils nur ein Wandler zu einem gegebenen Zeitpunkt betrieben wird und die anderen Wandler bei dessen Ausfall bereitstehen.
Die elektrischen Kontakflächen 22 des Bauteils 2 sind über elektrische Leitungen 42 mit dem elektronischen Bauteil 10 verbunden. Das elektronische Bauteil 10 weist elektrische Leitungen 42 zu elektrischen Kontaktflächen 41 auf, die zum einen auf der Frontseite des Submoduls 1 und zum anderen über Durchkontaktierungen 43 auf der Rückseite des Submoduls 1 bereitgestellt sind. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Kontaktflächen 41 ausschließlich auf der Vorderseite des Submoduls 1 ausgebildet sind.
Über eine Umverdrahtungsschicht, die die Leitungen 42 ausbildet, sind die Bauteile 2, 10 und die entsprechenden elektrischen Kontaktflächen 22, 41 miteinander verbunden. Die Umverdrahtungsschicht 4 realisiert die elektrischen Leitungen 42 beispielsweise in Dünnfilmtechnik.
Die Herstellung der optoelektronischen Baugruppe der 8A, 8B ist schematisch in 10 dargestellt. Es werden zunächst in einem Waferverbund eine Mehrzahl optoelektronischer Submodule mit rekonfigurierten elektrischen Kontaktflächen bereitgestellt, Schritt 101. Es erfolgt ein Vereinzeln der Submodule des Waferverbundes mittels Laserschneidens. Dabei werden beim Laserschneiden die einzelnen Subbaugruppen derart strukturiert, dass sie Raststrukturen 121, 122 für Schnappverbindungen ausbilden, Schritt 102. An die vereinzelten Submodule 1 wird dann jeweils eine Führungsstruktur 9' angeklipst, wobei die Führungsstruktur 9' rastende Elemente 90' aufweist, die mit dem beim Vereinzeln erzeugten Raststrukturen 121, 122 der Submodule in eine Schnappverbindung treten, Schritt 103. Das Verbinden der Führungsstruktur 9' mit dem Submodul 1 erfolgt hier nicht auf Waferebene. Auf Waferebene werden jedoch die Raststrukturen am Submodul 1 bereitgestellt, die dessen Verrastung mit einer Führungsstruktur 9' zur Aufnahme einer optischen Faser ermöglichen.
Nach Aufklipsen der Raststruktur 9' erfolgt in einer Ausgestaltung eine Funktionsprüfung der nun vorfixierten Einheit. Anschließend wird die Raststruktur 9' mittels Klebstoff (z. B UV-Kleber) robust mit dem Submodul 1 verbunden. Die fertige Anordnung kann dann wie in Bezug auf die 5A bis 7B beschrieben auf einer Schaltungsplatine 20 angeordnet werden.

Claims

Optoelekronische Baugruppe aufweisend: – ein optoelektronisches Submodul (1) mit – mindestens einem optoelektronischen Bauteil (2) mit ersten elektrischen Kontaktflächen (22), – einem Kunststoffgehäuse (3), in dem das optoelektronische Bauteil (2) angeordnet ist, – einer Oberfläche (11), – zweiten elektrischen Kontaktflächen (41) und – einer Umverdrahtungsstruktur (4), die elektrische Kontaktflächen (22) von Bauteilen (2) des Submoduls untereinander oder mit den zweiten elektrischen Kontaktflächen (41) des Submoduls verbindet, – eine mit dem Submodul (1) verbundene Führungsstruktur (5, 71, 9, 9') geeignet zur Aufnahme einer optischen Faser (6), wobei das optoelektronische Bauteil (2) ein optisches Fenster (21) aufweist, das in der Ebene oder parallel zur Ebene der Oberfläche (11) des Submoduls (1) liegt und wobei der Abstand (d) zwischen dem optischen Fenster (21) des optoelektronischen Bauteils (2) und der Stirnfläche (63) der optischen Faser (6) kleiner als oder gleich 50 μm ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Längsrichtung (64) der von der Führungsstruktur (5, 71, 9, 9') aufgenommenen optischen Faser (6) senkrecht zur Oberfläche (11) des Submoduls verläuft und die Stirnfläche (63) der optischen Faser (6) gegenüberliegend dem optoelektronischen Bauteil (2) angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Oberfläche (11) des Submoduls (1) zumindest teilweise plan ausgebildet ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweiten elektrischen Kontaktflächen (41) in oder an der Oberfläche (11) des Submoduls (1) ausgebildet sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Umverdrahtungsstruktur (4) in Dünnfilmtechnik ausgeführte elektrische Leiterbahnen (42) umfasst.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Umverdrahtungsstruktur (4) zumindest teilweise an der Oberfläche (11) des Submoduls ausgebildet ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Führungsstruktur (5, 9, 9') zur Aufnahme einer optischen Faser frei von elektrischen Leitungen oder Kontakten zur Übertragung elektrischer Signale ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Submodul (1) zusätzlich mindestens ein elektronisches Bauteil (10) aufweist, das elektrisch mit dem optoelektronischen Bauteil (2) verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 8, wobei das elektronische Bauteil (10) ein Treiberchip oder ein Verstärker- und/oder Signalregenerierungschip ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das optoelektronische Bauteil (2) eine vertikal emittierende Laserdiode oder eine Leuchtdiode oder eine Photodiode ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Submodul (1) mehrere redundante optoelektronische Bauteile aufweist, die derart verschaltet sind, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt nur eines aktuell betrieben wird und bei Ausfall des aktuell betriebenen Bauteils ein redundantes Bauteil den Betrieb übernimmt.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Submodul (1) mehrere redundante optoelektronische Bauteile aufweist, die derart verschaltet sind, dass alle gleichzeitig betrieben werden können.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Oberfläche (11) des Submoduls (1) passive Justagestrukturen zur Ausrichtung der Führungsstruktur aufweist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Führungsstruktur (5) mittels einer Klebeverbindung (51) oder einer Schweißverbindung (51) an dem Submodul (1) befestigt ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Führungsstruktur (71) photolithografisch erzeugt und durch eine Aussparung (71) in einer Schicht (7) gebildet ist, die auf die Oberfläche (11) des Submoduls (1) aufgebracht ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Submodul (1) Raststrukturen (12) zur rastenden Befestigung der Führungsstruktur (9') aufweist und die Führungsstruktur (9') an dem Submodul (1) durch eine Rastverbindung befestigt ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Führungsstruktur (9) aus einer Mehrzahl dünner Schichten aus einem lichtaushärtbaren Kunststoff besteht.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei unmittelbar auf die Oberfläche (11) des Submoduls angrenzend an das optoelektronische Bauteil (2) ein lichtformendes Bauteil (81, 82) integriert ist.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (9) mindestens ein elastisches Element (92) aufweist, das eine Haltekraft auf eine aufgenommene optische Faser (6) ausübt.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (9) einen Grundkörper (95) mit einer länglichen Nut zur Aufnahme einer optischen Faser (6) und ein Deckelelement (96) aufweist, das mittels einer Rastverbindung mit dem Grundkörper (95) verbindbar ist.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (5, 71, 9, 9') fest mit dem Submodul (1) verbunden ist.
Optoelektronische Sende- und/oder Empfangsanordnung aufweisend: – ein optoelektronisches Submodul (1) mit – mindestens einem optoelektronischen Bauteil (2) mit ersten elektrischen Kontaktflächen (22), – einem Kunststoffgehäuse (3), in dem das optoelektronische Bauteil (2) angeordnet ist, – einer Oberfläche (11), – zweiten elektrischen Kontaktflächen (41) und – einer Umverdrahtungsstruktur (4), die elektrische Kontaktflächen (22) von Bauteilen (2) des Submoduls untereinander oder mit den zweiten elektrischen Kontaktflächen (41) des Submoduls verbindet, – eine mit dem Submodul (1) verbundene Führungsstruktur (5, 9, 9') geeignet zur Aufnahme einer optischen Faser (6), und – eine derart in die Führungsstruktur (5, 9, 9') eingeführte optische Faser (6), dass die Längsrichtung (64) der optischen Faser (6) senkrecht zur Oberfläche (11) des Submoduls verläuft und die Stirnfläche (63) der optischen Faser (6) gegenüberliegend dem optoelektronischen Bauteil (2) angeordnet ist, wobei das optoelektronische Bauteil (2) ein optisches Fenster (21) aufweist, das in der Ebene oder parallel zur Ebene der Oberfläche (11) des Submoduls (1) liegt, und wobei der Abstand (d) zwischen dem optischen Fenster (21) des optoelektronischen Bauteils (2) und der Stirnfläche (63) der optischen Faser (6) kleiner als oder gleich 50 μm ist.
Anordnung nach Anspruch 22, wobei zwischen der Stirnfläche (63) der optischen Faser (6) und dem optoelektronischen Bauelement (2) ein transparentes Versiegelungsmaterial vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 22 bis 23, wobei die optische Faser (6) eine polymere optische Faser ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die optische Faser (6) durch ein Faserbündel gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Baugruppe, aufweisend: – Bereitstellen in einem Nutzenverbund einer Mehrzahl optoelektronischer Submodule (1), die jeweils aufweisen – mindestens ein optoelektronisches Bauteil (2) mit ersten elektrischen Kontaktflächen (22), – ein Kunststoffgehäuse (3), in dem das optoelektronische Bauteil (2) angeordnet ist, – eine Oberfläche (11), – zweite elektrische Kontaktflächen (41) und – eine Umverdrahtungsstruktur (4), die elektrische Kontaktflächen (22) von Bauteilen (2) des Submoduls untereinander oder mit den zweiten elektrischen Kontaktflächen (41) des Submoduls verbindet, – gleichzeitiges Aufbringen unmittelbar auf die planaren Oberflächen (11) der Submodule (1) jeweils einer Führungsstruktur (9), die geeignet ist zur Aufnahme einer optischen Faser, wobei das Aufbringen umfasst – sukzessives Auftragen dünner Schichten eines lichtaushärtbaren Werkstoffs gemäß einer 2,5 oder/und 3D-Vorlage der Führungsstruktur und Belichten und Aushärten dieser Schichten, und – Vereinzeln der Submodule (1) des Waferverbunds nach Aufbringen der Führungsstrukturen (9), wobei das optoelektronische Bauteil (2) ein optisches Fenster (21) aufweist, das in der Ebene oder parallel zur Ebene der Oberfläche (11) des Submoduls (1) liegt, und wobei der Abstand (d) zwischen dem optischen Fenster (21) des optoelektronischen Bauteils (2) und der Stirnfläche (63) der optischen Faser (6) kleiner als oder gleich 50 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei jede Schicht durch Belichten und Aushärten eine definierte Topographie erhält.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, wobei das Belichten und Aushärten der einzelnen Schichten unter Verwendung von Masken erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, wobei das Belichten und Aushärten der einzelnen Schichten unter Verwendung eines Laserstrahls erfolgt.