DE4029559A1 - Mfg. optical transmitter or receiver unit - inserting spacers between substrate and carrier for optical lens for diode - Google Patents

Mfg. optical transmitter or receiver unit - inserting spacers between substrate and carrier for optical lens for diode

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DE4029559A1 DE19904029559 DE4029559A DE4029559A1 DE 4029559 A1 DE4029559 A1 DE 4029559A1 DE 19904029559 DE19904029559 DE 19904029559 DE 4029559 A DE4029559 A DE 4029559A DE 4029559 A1 DE4029559 A1 DE 4029559A1
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Abstract

A lens carrier (2) attached to a substrate (1) is fitted with an optical lens (3) cooperating with a transmission or reception diode (4). The lens carrier is attached via intermediate spacers (5) provided by welded wise sections of Au or Al. The spacers are initially fitted to carrier or substrate before welding the substrate, the spacers and the lens carrier together via thermo compression welding. The spacer are deformed to obtain the required relative spacing. ADVANTAGE - Allows automatic mfr.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sende- oder Empfangsein­ heit mit einem auf einem Substrat befestigten Linsenträger mit mindestens einer zu einer Sende- oder Empfangsdiode ausgerich­ teten und fixierten optischen Linse, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to an optical transmission or reception unit with a lens holder attached to a substrate at least one is sufficient for a transmitting or receiving diode opted and fixed optical lens, as well as a method their manufacture.

Bisher fallen beim Aufbau von Sende- oder Empfangseinheiten der optischen Nachrichtentechnik eine Vielzahl von manuell durchgeführten Arbeitsschritten an. Eine derartige Einheit, die im wesentlichen aus einer Grundplatte, einem Substrat, einer Sende- oder Empfangsdiode, einem Linsenträger mit .einer optischen Linse besteht, muß eine exakte gegenseitige Posi­ tionierung der einzelnen Teile aufweisen. Da zum Verbinden der Einzelteile, beispielsweise zum Verbinden eines Zwischenträ­ gers mit einem Substrat und dem Linsenträger mit der optischen Linse Lötverfahren angewendet werden, ist eine Abstimmung der einzelnen Arbeitsschritte nötig.So far, the construction of transmitter or receiver units has fallen optical communications a variety of manual performed work steps. Such a unit which essentially consists of a base plate, a substrate, a transmitting or receiving diode, a lens holder with one optical lens exists, an exact mutual Posi tion of the individual parts. Because to connect the Individual parts, for example for connecting an intermediate pipe gers with a substrate and the lens carrier with the optical Lens soldering techniques are used to tune individual work steps necessary.

Bisher wurde die Montage einer optischen Linse, die posi­ tionsgenau in Bezug auf eine Sende- oder Empfangsdiode posi­ tioniert sein muß, mit einem Zwischenträger durchgeführt, der vorab durch einen Hartlotprozeß mit dem Substrat verbunden wurde. Das Anlöten des Linsenträgers mit eingeglaster Linse an den Zwischenträger erfolgt durch Weichlöten bei ca. 230°C. Dieser Lötvorgang ist jedoch mit der Verwendung eines Fluß­ mittels verbunden. Folglich muß danach eine Waschung oder Rei­ nigung der Bauteile von den Flußmittelrückständen erfolgen. Hierbei besteht der wesentliche Nachteil, daß zwischen der op­ tischen Linse und der Sende- oder Empfangsdiode ein schwer zugänglicher Kapillarspalt existiert. Somit können nicht sämt­ liche Rückstände, die vom Lötvorgang herrühren, beseitigt werden. Anzustreben ist deshalb ein flußmittelfreier Montage­ vorgang für eine optische Linse.So far, the assembly of an optical lens, the posi posi with respect to a transmitting or receiving diode must be carried out with an intermediate carrier, the previously connected to the substrate by a brazing process has been. Soldering the lens holder with the glazed lens on the intermediate carrier is made by soft soldering at approx. 230 ° C. However, this soldering process is with the use of a flux connected by means. As a result, a wash or Rei afterwards cleaning of the components from the flux residues. The main disadvantage here is that between the op table lens and the transmitting or receiving diode a difficult accessible capillary gap exists. So not all of them residues resulting from the soldering process are eliminated will. Flux-free assembly is therefore the aim process for an optical lens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Sen­ de- oder Empfangseinheit zu beschreiben, die exakt positio­ nierbar, mechanisch tragfähig und flußmittelfrei ist, sowie ein Verfahren zur automatisierten Herstellung einer derartigen Einheit.The invention has for its object an optical Sen to describe de- or receiving unit, the exact positio nable, mechanically stable and flux-free, and a method for the automated production of such Unit.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wiedergegeben.The solution to this problem is provided by the characteristic part of claim 1 reproduced.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß an der ferti­ gen und aus fast allen Einzelteilen zusammengesetzten Sende­ oder Empfangseinheit weder Löt- noch Waschvorgänge, sowie ma­ nuelle Handhabungen durchgeführt werden dürfen. Es wird ein bereits mit ein oder mehreren optischen Linsen bestückter Lin­ senträger direkt über Höcker mit dem Substrat verbunden, so daß der Zwischenträger entfallen kann. Das vorgestellte Ver­ fahren ist automatisierbar. Nach dem Aufbringen einer Sende­ oder Empfangsdiode auf das Substrat, das in der Regel nach dem Die-Bonden geschieht, wird das Substrat meist auf eine Grund­ platte aufgeklebt. Der Linsenträger wird in ähnlicher Weise, wie in der Flip-Chip-Technik direkt auf das Substrat über der Sende- oder Empfangsdiode plaziert und fixiert, wobei ein Thermokompressionsverfahren Anwendung findet. Mittels der hier­ bei aufgebrachten Kraft, die die beiden Verbindungspartner an­ einanderdrückt, werden zwischengelagerte Höcker derart defor­ miert, daß sie als Abstandshalter und zugleich als Verbindun­ gen zwischen Linsenträger und Substrat dienen. Die Ausrichtung des annähernd parallel zum Substrat positionierten Linsenträ­ gers bezüglich zweier Raumrichtungen, die senkrecht zu einer Flächennormalen auf dem Substrat liegen, ist vor dem Schweiß­ vorgang geschehen. Die Einstellung des Abstandes zwischen Lin­ senträger und Substrat bzw. zwischen optischer Linse und Sen­ de- oder Empfangsdiode wird während der Verschweißung zwischen Linsenträger, Höcker und Substrat durch plastische Verformung der Höcker bewirkt. Zweckmäßigerweise werden die Höcker auf eines der beiden Bauteile, Substrat oder Linsenträger, vorher aufgebracht. Die Verbindung zum anderen Bauteil entsteht wäh­ rend der Thermokompressionsschweißung. The invention is based on the knowledge that the ferti gen and broadcast composed of almost all individual parts or receiving unit neither soldering nor washing processes, as well as ma natural handling may be carried out. It will be a Lin already equipped with one or more optical lenses carrier directly connected to the substrate via humps, see above that the intermediate carrier can be omitted. The presented ver driving can be automated. After applying a broadcast or receiving diode on the substrate, which is usually after the The bonding happens, the substrate is mostly based on a reason plate glued on. The lens wearer is similarly as in flip-chip technology directly onto the substrate above the Transmitting or receiving diode placed and fixed, with a Thermocompression process is used. By means of here when the force applied to the two connection partners pressing each other, intermediate cusps become so defor miert that they as a spacer and at the same time as a connection serve between lens carrier and substrate. The alignment of the lens tract positioned approximately parallel to the substrate gers with respect to two spatial directions that are perpendicular to one Surface normals lying on the substrate is before the sweat operation happen. The setting of the distance between Lin carrier and substrate or between optical lens and sensor de or receiving diode is between during welding Lens support, cusps and substrate through plastic deformation the hump causes. The bumps are expediently on one of the two components, substrate or lens carrier, previously upset. The connection to the other component is created thermocompression welding.  

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Ver­ wendung von Drahtabschnitten vor, die als Höcker auf das Sub­ strat aufgebracht werden. Diese Drahtabschnitte können bei­ spielsweise mit einem Thermosonic oder Ultraschallschweißver­ fahren gebondet werden. Bei der Verwendung eines Sonotroden­ stempels läßt sich durch dessen entsprechende Konstruktion je­ weils ein nach oben verjüngter senkrecht auf dem Substrat ste­ hender Drahtabschnitt ausformen.An advantageous embodiment of the invention sees the Ver use of wire sections that act as bumps on the sub be applied strat. These wire sections can at for example with a Thermosonic or ultrasonic welding process drive to be bonded. When using a sonotrode can be stamped by its corresponding construction because it is tapered vertically on the substrate Shape the wire section.

Bevorzugte Materialien hierfür sind Gold oder Aluminium.Preferred materials for this are gold or aluminum.

Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Aus­ führungsbeispiel beschrieben.In the following, an out is made using schematic figures example described.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Sende- oder Empfangseinheit. Fig. 1 shows the basic structure of a transmitting or receiving unit.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen verschiedene Varianten zur Ausgestaltung des Linsenträgers 2. FIG. 2 and FIG. 3 show different variants for the configuration of the lens carrier 2 .

In der Fig. 1 ist ein Substrat 1 mit einer Sende- oder Emp­ fangsdiode 4 dargestellt, das über Höcker 5 mit einem Linsen­ träger 2 verbunden ist. Der Linsenträger 2 enthält eine opti­ sche Linse 3, die in der Regel durch Einglasen extern mit dem Linsenträger 2 verbunden wurde. Die optische Linse 3 wird als Mikrolinse bezeichnet, wobei in der Regel Kugellinsen mit einem Durchmesser von ca. 0,3 mm gemeint sind. Erfindungsgemäß wird auf das Substrat 1 oder auf den Linsenträger 2 eine An­ zahl von meist zwei oder drei Drahtabschnitten aus Gold oder Aluminium aufgeschweißt. Dies kann mit einem Ultraschall-Bon­ der oder mit einer Ultraschalldrahtschweißmaschine geschehen. ln Anschluß daran wird der bereits mit der optischen Linse 3 versehene Linsenträger 2 unter Anwendung eines Thermokompres­ sionsschweißverfahrens mit dem Substrat 1 unter Zwischenschal­ tung der Höcker 5 verbunden. Die genaue Positionierung der optischen Linse 3 über der Sende- oder Empfangsdiode 4 war vor­ geschaltet, wobei die Positionierung bezüglich des Abstandes zwischen optischer Linse 3 und Sende- oder Empfangsdiode 4 durch Stauchen der Höcker 5 während des Verbindungsvorganges geschieht.In Fig. 1, a substrate 1 with a transmitting or Emp catch diode 4 is shown, which is connected via a bump 5 with a lens carrier 2 . The lens carrier 2 contains an opti cal lens 3 , which was usually externally connected to the lens carrier 2 by glazing. The optical lens 3 is referred to as a microlens, which generally means spherical lenses with a diameter of approximately 0.3 mm. According to the invention, a number of usually two or three wire sections made of gold or aluminum is welded onto the substrate 1 or onto the lens carrier 2 . This can be done with an ultrasonic receipt or with an ultrasonic wire welding machine. Subsequently, the lens carrier 2 , which is already provided with the optical lens 3 , is connected to the substrate 1 with the use of a thermocompression welding method, with the bumps 5 being interposed. The exact positioning of the optical lens 3 over the transmitting or receiving diode 4 was switched before, the positioning with respect to the distance between the optical lens 3 and the transmitting or receiving diode 4 being done by upsetting the bumps 5 during the connection process.

Die Fig. 2 und 3 zeigen mögliche Ausgestaltungen eines Lin­ senträgers 2. In der Fig. 2 sind die Höcker 5 als längere Drahtabschnitte ausgebildet, die auf dem Substrat 1 oder auf dem Linsenträger 2 der Länge nach und annähernd symmetrisch zur optischen Linse 3 aufgeschweißt sind. Diese Ausführungs­ weise ist praktisch zu handhaben und sehr stabil. Die Fig. 3 zeigt eine dreieckige Ausgestaltung des Linsenträgers 2, wobei die Höcker 5 jeweils aus kurzen Drahtabschnitten, die senkrecht zu Substrat 1 oder Linsenträger 2 stehen, darge­ stellt sind. Figs. 2 and 3 show possible embodiments of a Lin senträgers 2. In FIG. 2, the bumps 5 are formed as a long wire sections, which are welded on the substrate 1 or on the lens holder 2 lengthwise and nearly symmetrical to the optical lens 3. This execution is practical to use and very stable. Fig. 3 shows a triangular configuration of the lens holder 2 , the bumps 5 each consisting of short wire sections that are perpendicular to the substrate 1 or lens holder 2 , Darge is.

Erfindungsgemäß ist die optische Linse 3 in den meist aus Si­ lizium bestehenden Linsenträger 2 bereits vor dem Prozeß ein­ geglast und eventuell gesäubert. Das Justieren zwischen opti­ scher Linse 3 und Sende- oder Empfangsdiode 4 erfolgt über das Messen der eingekoppelten Lichtintensität, wobei ein Maximum gesucht wird und die Einstellung des gegenseitigen Abstandes der beiden Bauteile erfolgt durch seitliche optische Kontrol­ le. Ein derartiges Varfahren zum Aufbau einer erfindungsge­ mäßen optischen Sende- oder Empfangseinheit ist weitgehend automatisierbar, wobei nach dem Aufkleben eines Substrates auf eine Grundplatte eine lagerichtige Fixierung erfolgen kann, so daß bei der anschließenden Montage der weiteren Bauteile die Position des Substrates ständig bekannt ist.According to the invention, the optical lens 3 in the lens carrier 2, which usually consists of silicon, is glazed and possibly cleaned before the process. The adjustment between the opti cal lens 3 and the transmitting or receiving diode 4 is carried out by measuring the coupled light intensity, whereby a maximum is sought and the mutual distance between the two components is adjusted by lateral optical controls. Such a Varfahr to build a fiction, contemporary optical transmitter or receiver unit can be largely automated, with a correct fixation can be done after sticking a substrate to a base plate, so that the subsequent assembly of the other components, the position of the substrate is constantly known.

Das angewandte Thermokompressionsschweißverfahren beinhaltet die Einbringung von Wärme zur Erhöhung der Temperatur auf Schweißtemperatur und den gleichzeitigen Einsatz von mecha­ nischem Druck auf die zu verbindenden Teile. Eine bei einem Thermosonic-Schweißverfahren eingesetzte zusätzliche Ultra­ schallbeaufschlagung ist zwar vorteilhaft, aber nicht not­ wendig. Bei einem derartigen Verfahren könnte beispielsweise der Halbleitereffekt ausgenutzt werden, wie er beim Pinzet­ tenlöten mit einer geteilten Sonotrode auftritt.The applied thermocompression welding process includes the introduction of heat to increase the temperature Welding temperature and the simultaneous use of mecha pressure on the parts to be connected. One at one Thermosonic welding process uses additional Ultra sound exposure is advantageous, but not necessary agile. Such a method could, for example the semiconductor effect can be exploited, as with the tweezers soldering with a split sonotrode occurs.

Die Linsenträger 2 haben in der Regel eine maximale Abmessung von 1 mm×3 mm×0,2 mm. Dies ergibt ein Volumen von 0,6 mm3. Bei einer spezifischen Dichte des Siliziums von 2,3 mgr/mm3 erhält man eine Masse von 1,4 mgr. Daraus resultiert bei einer angesetzten maximalen Beschleunigung von 1500 g (lug ent­ spricht 10 mN/gr) eine Kraft von 21 mN. Im Vergleich dazu wird von einer Drahtbondverbindung eine Mindestfestigkeit von 50 mN erwartet. Dieser Wert wird demnach bei den hier verwendeten Abmessungen nicht erreicht. Es ist denkbar, daß ein Linsen­ träger mit darauf befindlichen Höckern als eigenständiges op­ tisches Bauteil gehandelt werden könnte.The lens carriers 2 generally have a maximum dimension of 1 mm × 3 mm × 0.2 mm. This results in a volume of 0.6 mm 3 . With a specific density of the silicon of 2.3 μ / mm 3 , a mass of 1.4 μ is obtained. This results in a force of 21 mN at a maximum acceleration of 1500 g (lug corresponds to 10 mN / gr). In comparison, a minimum bond strength of 50 mN is expected from a wire bond connection. This value is therefore not achieved with the dimensions used here. It is conceivable that a lens carrier with bumps on it could be traded as an independent op tical component.

Claims (4)

1. Optische Sende- oder Empfangseinheit mit einem auf einem Substrat (1) befestigten Linsenträger (2) mit mindestens einer zu einer Sende- oder Empfangsdiode (4) ausgerichteten und fi­ xierten optischen Linse (3), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Linsenträger (2) mit dem Substrat (1) über zwischengelagerte Höcker (5) verbunden ist.1. Optical transmitter or receiver unit with an attached on a substrate (1) lens carrier (2) with an aligned to a transmitting or receiving diode (4) and fi xed optical lens (3), characterized at least in that the lens carrier ( 2 ) is connected to the substrate ( 1 ) via intermediate bumps ( 5 ). 2. Optische Sende- oder Empfangseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (5) aufgeschweißte Drahtabschnitte sind.2. Optical transmitter or receiver unit according to claim 1, characterized in that the bumps ( 5 ) are welded wire sections. 3. Optische Sende- oder Empfangseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (5) aus Gold oder aus Aluminium bestehen.3. Optical transmitter or receiver unit according to claim 1 or 2, characterized in that the bumps ( 5 ) consist of gold or aluminum. 4. Verfahren zur Herstellung einer optischen Sende- oder Emp­ fangseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß
  • - das Substrat (1) oder der Linsenträger (2) zum gegenseitigen Verbinden mit Höckern (5) versehen ist,
  • - das Substrat (1) und der Linsenträger (2) unter Zwischenla­ gerung der Höcker (5) annähernd parallel aneinandergefügt und gegeneinander bezüglich zweier zu einer Flächennormalen senkrecht stehenden Koordinatenrichtungen ausgerichtet werden und
  • - das Substrat (1), die Höcker (5) und der Linsenträger (2) mittels eines Thermokompressionsschweißverfahrens ver­ schweißt werden, wobei unter Verformung der Höcker (5) ein vorgegebener Abstand zwischen dem Substrat (1) und dem Lin­ senträger (2) bzw. zwischen einer optischen Linse (3) und einer Sende- oder Empfangsdiode (4) eingestellt wird.
4. A method for producing an optical transmitter or receiver unit according to one of the preceding claims, characterized in that
  • - The substrate ( 1 ) or the lens carrier ( 2 ) is provided with bumps ( 5 ) for mutual connection,
  • - The substrate ( 1 ) and the lens carrier ( 2 ) with the interposition of the bumps ( 5 ) are joined approximately parallel to one another and aligned with respect to two coordinate directions perpendicular to a surface normal and
  • - The substrate ( 1 ), the humps ( 5 ) and the lens holder ( 2 ) are welded ver by means of a thermocompression welding process, with deformation of the humps ( 5 ) a predetermined distance between the substrate ( 1 ) and the Lin sträger ( 2 ) or between an optical lens ( 3 ) and a transmitting or receiving diode ( 4 ).
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