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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet
der Herstellung optischer Datenübertragungseinrichtungen, insbesondere
zur parallelen mehrkanaligen Datenübertragung mittels Lasersender.
Zur Leistungsregelung optischer Sender und insbesondere bei Lasersendern
zur Gewährleistung
einer ausreichenden Lasersicherheit werden auch als Monitoreinheiten
bezeichnete elektrooptische Unterbaugruppen verwendet. Eine Monitoreinheit
weist üblicherweise
eine Wandlerbaugruppe mit einer optisch aktiven Zone auf, die zumindest
einen Teil der emittierten Strahlung erfaßt und ein von der Strahlungsintensität abhängiges Ausgangssignal
generiert.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ist unter einer Wandlerbaugruppe eine Baugruppe zu verstehen, die
bei entsprechender elektrischer Ansteuerung ein optisches Signal
(Strahlung) abgibt (Sender) bzw. bei Beaufschlagung mit einem optischen
Signal ein entsprechendes elektrisches Signal generiert (Empfänger). Die
eigentliche elektro-optische bzw. opto-elektrische Signalumwandlung
erfolgt in einem strahlungsemittierenden Bereich bzw. einem strahlungssensitiven
Bereich. Diese Bereiche oder Flächen
werden nachfolgend allgemein auch als optisch aktive Zonen bezeichnet.
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Aus der internationalen Patentanmeldung WO
97/25638 ist eine mehrkanalige optische Sendeeinrichtung bekannt,
deren Sender aus Laserdioden in Form eines sogenannten Laserarrays
bestehen. Die optisch aktiven Zonen der einzelnen Laser sind derart
ausgebildet, daß ihre
Nutzstrahlung vertikal zur Deckfläche austritt (VCSEL). Die emittierte
Strahlung des ersten Halbleiterlasers des Arrays wird jedoch nicht
zur Datenüber tragung
(Nutzstrahlung) verwendet, sondern dient zur Regelung des Ansteuerstroms
aller Laser. Dieser erste Laser fungiert damit als Überwachungslaser.
Seine Strahlung gelangt durch eine Vertiefung an der dem Laserarray
zugewandten Seite eines Trägers
durch mehrfache Reflektion auf die optisch aktive (strahlungssensitive) Zone
einer neben dem Laserarray angeordneten elektrooptischen Baugruppe.
Die mehrfache Umlenkung der Strahlung des Überwachungslasers und die Montage
sind bei der bekannten Sendereinrichtung vergleichsweise aufwendig.
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In diesem Zusammenhang wird in der
nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 197 54
770.2 eine Sendeeinrichtung mit einem Laserarray beschrieben, bei der
eine elektrooptische Baugruppe eine Wandlerbaugruppe (Monitorempfänger) aufweist.
Die Wandlerbaugruppe ist auf einem separaten Einzelträger in Flip-Chip-Montagetechnik
kontaktiert und fixiert. Dabei wirken korrespondierende Anschlußflecken
auf der Unterseite der Wandlerbaugruppe mit Kontaktflecken auf der
Oberseite des Einzelträgers
mittels zwischenliegenden Lotkugeln (Lot-Bumps) zur Zentrierung
zusammen. Die Anschlußflecken
sind auf derselben Unterseite ausgebildet wie die optisch aktive Zone
der Wandlerbaugruppe. Die auf dem Einzelträger montierte Wandlerbaugruppe überragt
dabei den Überwachungslaser
kragträgerartig
und kann unabhängig
von dem Sendearray montiert und individuell geprüft werden. Zur Montage wird
die Wandlerbaugruppe visuell in Bezug auf den Einzelträger ausgerichtet
und dann die Lotkugeln erhitzt. Durch die Wiederverflüssigung
des Lotes unterliegen die Anschlußflecken und die Kontaktflecken
einer relativen Selbstjustage. Der Einzelträger ist auf einem Hauptträger befestigt,
der auch das Sendearray trägt.
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Da die Wandlerbaugruppe den Einzelträger zumindest
an einer Kante derart überragen
muß, daß die optisch
aktive Zone kragträgerartig
frei zugänglich
ist, ist die Herstellung und Handhabung vergleichsweise aufwendig
und kostenintensiv.
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Aus der
EP 0 398 575 ist ein Verfahren zum gleichzeitigen
Herstellen mehrerer optischer Baugruppen bekannt, die jeweils eine
auf einen Einzelträger
montierte Wandlerbaugruppe umfassen. Dabei wird zunächst ein
Substrat mit mehreren einander entsprechenden elektrisch leitenden
Bereichen und jeweils einer optischen Zone erstellt, die dann voneinander
getrennt werden. Der Einzelträger
weist mehrere Löcher
auf, die von den optischen Zonen vollständig überdeckt werden. Durch Einfuhr
von Lichtwellenleiterenden in diese Löcher können die jeweiligen optischen
Zonen ausgerichtet werden.
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Eine andere optoelektronische Sendebaugruppe
ist aus der
DE 196 01 955 bekannt,
die aus einem einseitig emittierenden Halbleiterlaser und einem
Monitorelement besteht. Aktive Flächen beider Bauteile weisen
zu einer Kopplungsvorrichtung. In dieser sind optische Kopplungselemente
in Form von Linsen und reflektierende Elemente in Form von spiegelnden
Flächen
integriert. Die Anordnung der Kopplungsvorrichtung ist so gewählt, dass
zumindest ein Teil der emittierten Strahlung auf das Monitorelement gelangt,
der verbleibende Anteil jedoch durch die Kopplungsvorrichtung zu
dem Kopplungselement dringt und durch diese in einen Lichtwellenleiter
eingekoppelt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
in der Bereitstellung eines Verfahrens, mit dem in fertigungstechnisch
einfacher und kostengünstiger
Weise mehrere elektrooptische Baugruppen der vorbeschriebenen Art
gleichzeitig hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer elektrooptischer
Baugruppen, die jeweils eine auf einem Einzelträger montierte Wandlerbaugruppe
mit zumindest einer optisch aktiven Zone umfassen, bei dem auf ein
gemeinsames Ausgangssubstrat Zuleitungen und Kontaktflecken für mehrere elektrooptische
Wandlerbaugruppen aufgebracht werden. In dem Ausgangssubstrat wird
mindestens eine fensterartige, das Ausgangssubstrat durchdringende
Ausnehmung vorgesehen, wobei die Ausnehmung mehreren Wandlerbaugruppen
zugeordnet wird und zumindest eine Ausnehmungskante so in Bezug
auf die durch die Kontaktflecken bestimmte spätere Anordnung der Wandlerbaugruppen
ausgebildet wird, daß die
jeweilige Wandlerbaugruppe die Ausnehmungskante kragträgerartig überragt
und ihre optisch aktive Zone im Bereich der Ausnehmung liegt. Anschlußflecken
der Wandlerbaugruppen werden mit den Kontaktflecken des Ausgangssubstrats verbunden
und das Ausgangssubstrat nach Montage der Wandlerbaugruppen wird
unter Bildung der Einzelträger
zerlegt.
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Ein wesentlicher vorteilhafter Aspekt
des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß die Einzelträger zunächst im
Verbund des ursprünglichen
gemeinsamen Ausgangssubstrats verbleiben und lediglich die Ausnehmungen
in den Bereichen vorgesehen werden müssen, in denen später die
jeweilige optisch aktive Zone der jeweiligen Wandlerbaugruppe kragträgerartig überstehen
soll. Damit ergibt sich der fertigungstechnische Vorteil, daß für die weitere
Montage ein mechanisch stabiles und weiterhin im Gesamtnutzen verarbeitbares
Ausgangssubstrat erhalten bleibt. Die Zuleitungen und Kontaktflecken
für die
Wandlerbaugruppen können
vor oder nach dem Gestalten der Ausnehmungen auf das Ausgangssubstrat
aufgebracht werden.
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Anschließend werden die Wandlerbaugruppen
in Flip-Chip-Montagetechnik derart positioniert, daß die Anschlußflecken
der Wandlerbaugruppen den korrespondierenden Kontaktflecken auf
dem Ausgangssubstrat gegenüberliegen.
Bevorzugt sind die Kontaktflecken mit Lot beschichtet, das bei Wiedererwärmung in
Kontakt mit den Anschlußflecken gelangt
und diese und damit die Wandlerbaugruppen in Bezug auf die ausgangssubstratseitigen
Kontaktflecken zentriert. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt sich daraus, daß die
Erwärmung des
Ausgangssubstrates zur Wiederverflüssigung des Lotes für die Montage
vieler Wandlerbaugruppen gleichzeitig erfolgen kann. Ein weiterer
Vorteil ergibt sich daraus, daß die
Wandlerbau gruppen mit dem Ausgangssubstrat solange eine gemeinsam
zu handhabende Einheit bilden, bis zum Abschluß des Verfahrens das Ausgangssubstrat
in die Einzelträger, zerlegt
wird.
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Für
Fertigungsfälle,
bei denen beispielsweise von der Rückseite her die Ausgangssubstratdicke in
einem späteren
Fertigungsschritt weiter vermindert wird (sog. Waferdünnen) können die
von der Montageoberseite des Ausgangssubstrats ausgehenden Ausnehmungen
nur eine Teiltiefe der Substratdicke betragen.
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Eine gleichzeitige Montage mehrerer
Wandlerbaugruppen wird nach einer bevorzugten Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
dadurch erleichtert, daß mehrere
Wandlerbaugruppen vor ihrer Montage auf dem Ausgangssubstrat in
eine Anordnung gebracht werden, die ihrer späteren Anordnung auf dem Ausgangssubstrat
entspricht. Besonders bevorzugt werden dabei Wandlerbaugruppen verwendet,
die zunächst
Bestandteil eines Verbandes (Arrays) sind und die beim Zerlegen
des Ausgangssubstrats mit vereinzelt werden.
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Die mechanische Stabilität der gesamten Anordnung
von Ausgangssubstrat und Wandlerbaugruppen kann vorteilhafterweise
sowohl für
den weiteren Fertigungsprozeß als
auch im Hinblick auf spätere
betriebsbedingte mechanische Belastungen dadurch verbessert werden,
daß vor
dem Zerlegen des Ausgangssubstrats ein zwischen der jeweiligen Wandlerbaugruppe
und dem Ausgangssubstrat bestehender Fügespalt mit einem Klebstoff
verfüllt
wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand
einer Zeichnung weiter erläutert;
es zeigen:
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1 den
grundsätzlichen
Aufbau einer Sendeeinrichtung mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Wandlerbaugruppe und
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2A bis 2D unterschiedliche Stadien
bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
eine Sendeeinrichtung beispielsweise für ein mehrkanaliges Sendemodul,
an das mehrere parallele, nicht dargestellte Lichtwellenleiter optisch
angekoppelt werden können.
Im einzelnen zeigt 1 mehrere
(z.B. 5) auf einer Grundplatte 1 angeordnete Lasersender 2,
die bei entsprechender elektrischer Ansteuerung andeutungsweise
dargestellte Nutzstrahlung 3 zur Informationsübertragung emittieren
(Nutzlaser). Die Laser 2 sind in Form eines Laserarrays 5 in
einem gemeinsamen Substrat 6 ausgebildet. Ein weiterer
Laser 8 (Monitor oder Überwachungslaser)
ist ebenfalls Bestandteil des Laserarrays 5.
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Um die Strahlung 9 bzw.
Ausgangsleistung des Überwachungslasers 8 zu
erfassen und daraus beispielsweise Regelgrößen für die Leistungsregelung auch
der Nutzlaser 2 gewinnen zu können und/oder eine Überwachung
hinsichtlich der maximal zulässigen
Ausgangsleistung im Hinblick auf die Lasersicherheit zu ermöglichen,
ist der optisch aktiven Zone (Emissionsbereich) 10 des
Lasers 8 gegenüberliegend
die optisch aktive Zone 12 (fotosensitive Fläche) einer
Monitordiode 14 angeordnet. Die Monitordiode 14 ist
Bestandteil einer Wandlerbaugruppe 16, die ein Substrat 17 und
darauf ausgebildete Anschlußflecken
(sog. Pads) 18, 19 umfaßt. Ruf der dem Laserarray 5 zugewandten
Unterseite 21 des Substrats 17 sind nicht näher dargestellte
elektrische Verbindungsleitungen von den Anschlußflecken 18, 19 zur
Monitordiode 14 ausgebildet, über die von der Monitordiode
in Abhängigkeit
von der Intensivität
der Strahlung 9 des Überwachungslasers 8 generierte elektrische
Signale abgegriffen werden können.
Die Anschlußflecken 18, 19 sind
zur mechanischen Montage des Substrats 17 und zur Weitergabe
der elektrischen Ausgangssignale der Monitordiode 14 mit Kontaktflecken 24, 25 über wiederaufgeschmolzene Lotkugeln 30, 31 elektrisch
und mechanisch verbunden. Die Kontaktflecken 24, 25 sind
auf der Oberseite 33 eines Einzelträgers 34 ausgebildet
und mit weiteren, nicht dargestellten elektrischen Anschlußleitungen
verbunden, die beispielsweise zu einer Regeleinheit für das Laserdiodenarray 5 führen.
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Der zwischen Unterseite 21 des
Substrates 17 und Oberseite 33 des Einzelträgers 34 verbleibende
Spalt kann zur Erhöhung
der mechanischen Stabilität
und zur Verbesserung der thermischen Belastbarkeit der Sendeeinrichtung
mit einer Vergußmasse (sog. „underfilling) 32 ausgefüllt sein.
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Die Herstellung der im wesentlichen
aus dem Einzelträger 34 und
dem Substrat 17 mit der Fotodiode 14 gebildete
elektroop tische Baugruppe 35 erfolgt nach dem in den 2A bis 2D illustrierten Verfahren folgendermaßen:
Ein
gemeinsames keramisches Ausgangssubstrat 40 (2A) wird durch geeignete
Metallabscheidung und Strukturierung mit Außenanschlüssen 41 versehen,
die über
Zuleitungen 42, 43 zu Kontaktflecken 45, 46 führen. Im
Ausführungsbeispiel
dienen jeweils zwei Kontaktflecken 45, 46 zur
Kontaktierung eines Monitordioden ICs 50. Die in diesem
Verfahrensstadium noch virtuelle Aufteilung der entsprechenden Oberflächenbereiche 52 des
Ausgangssubstrats 40 sind in der Fig. durch gestrichelte
Trennlinien 53 angedeutet.
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In dem Ausgangssubstrat 40 sind
zwei Ausnehmungen 56, 57 in Form von z.B. durch
Lasertrennen erzeugte Durchgangsöffnungen
vorgesehen, deren Kanten 56a bzw. 57a in ihrer
Position auf die Positionen der Kontaktflecken 45, 46 abgestimmt
sind. Die Ausnehmungen 56, 57 sind als Durchgangsfenster
ausgebildet, wobei ihre Kanten 56a, 57a sich im wesentlichen über die
gesamte Linie der mehreren Bereiche 52 erstrecken.
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Die Anordnung der Fenster 56, 57 und
der Kontaktflecken 45, 46 ist auch in der Querschnittsdarstellung
des Ausgangssubstrats 40 in der Mitte der 2A verdeutlicht.
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Die Wandlerbaugruppen 50 sind
als Monitordioden mit jeweils einer optisch aktiven Zone (fotosensitive
Fläche) 60 und
je zwei Anschlußflecken 62, 63 versehen.
Jeweils fünf
Wandlerbaugruppen 50 sind Bestandteil eines zusammenhängenden
Verbandes (Arrays) 70.
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Die Anschlußflecken 62, 63 jeder
Wandlerbaugruppe 50 und die Anordnung der Arrays 70 auf einem
Halter 72 sind derart gewählt, daß sie mit der vorgegebenen
Anordnung der Kontaktflecken 45, 46 auf dem Ausgangssubstrat 40 korrespondieren.
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Zur Montage wird die sichtbare Unterseite 74 der
Arrays 70 auf die Oberseite 40a des Ausgangssubstrats 40 visuell
(passiv) derart ausgerichtet, daß sich die Kontaktflecken 45, 46 und
die Anschlußflecken 62, 63 gegenüberliegen.
Dabei überragt
jeweils ein Teil der Wandlerbaugruppe 50 die Kante 56a bzw. 57a derart,
daß sich
die optisch aktive Zone 60 wie an einem Kragträger gehalten
im Bereich der Fenster 56 bzw. 57 befindet. Vorzugsweise
sind die Kontaktflecken 45, 46 vorbelotet.
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Die jeweils vorab aufgebrachte Lotmenge wird
in dem in 2B gezeigten
Verfahrensstadium durch z.B. rückwärtiges Erwärmen des
gesamten Ausgangssubstrats 40 durch eine Heizeinrichtung 80 wieder
verflüssigt
und bildet somit eine Lotverbindung der jeweiligen Kontaktflecken 45, 46 mit
den jeweils korrespondierenden Anschlußflecken 62, 63. Das
Trägersubstrat
kann zur Handhabung bevorzugt mit einer beheizbaren Saugdüse als Heizeinrichtung 80 angesaugt,
gehandhabt und erwärmt
werden. Der Träger 72 kann
als sogenannter Flip-Chip-Bonder ausgebildet sein und nach optischer
Ausrichtung die Arrays 70 in der vorbeschriebenen Weise
gegenüber dem
Ausgangssubstrat 40 positionieren und halten. Das ausgeschmolzene
Lot bewirkt eine Feinjustage der Arrays 70 in Bezug auf
die Kontaktflekken 45, 46.
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Nach erneutem Erstarren des Lotes
ist damit eine elektrische und mechanisch feste Verbindung zwischen
den Arrays 70 und dem Ausgangssubstrat 40 realisiert.
In diesem in 2C gezeigten
Verfahrensstadium überragen
also die noch im Verbund 70 befindlichen Wandlerbaugruppen 50 die
jeweilige Fensterkante 56a bzw. 57a wie ein Kragträger 82, wobei
die jeweilige optisch aktive Zone 60 jeweils im Bereich
der Ausnehmung 56 bzw. 57 übersteht. In diesem Verfahrensstadium
kann ein dünnflüssiger Klebstoff 83 in
einen Kapillarspalt 85 appliziert werden, der zwischen
der Unterseite der Wandlerbaugruppen bzw. der Oberseite des Ausgangssubstrats 40 aufgrund
der Flip-Chip-Bondhöhe
entsteht. Nach bevorzugt thermischer Aushärtung des Klebstoffs 83 ist
die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen den Wandlerbaugruppen 50 und
dem Ausgangssubstrat 40 weiter erhöht.
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In dem in 2D dargestellten Verfahrensstadium ist
das Ausgangssubstrat mit den darauf befindlichen Bauelementen bereits
gereinigt und anschließend
in an sich bekannter Trenntechnik z.B. mit einer üblichen
Wafersäge
entlang der Trennlinien 53 (2A und 2C) unter Bildung der Einzelträger 16 vereinzelt
worden. Dabei werden auch die Wandlerbaugruppen 50 aus
ihren jeweiligen Arrays 70 vereinzelt. Damit sind einzelne
Baugruppen 35 gemäß 1 in einem gemeinsamen und
fertigungstechnisch erheblich vereinfachten Verfahren geschaffen worden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
elektrooptische Baugruppen, die jeweils eine auf einem Einzelträger montierte
Wandlerbaugruppe mit zumindest einer optisch aktiven Zone umfassen, nunmehr
im sog. Nutzen montiert, bedarfsweise geprüft und gehandhabt werden. Damit
ist insgesamt eine erhebliche Kostenreduzierung und Vereinfachung
bei der Herstellung derartiger Baugruppen erzielbar.