JP4378285B2 - 製造可能な光接続アセンブリおよび方法 - Google Patents

Description

本発明の分野は、ＶＣＳＥＬアレイなどの光源を、伝送リンクと光ルーティング部材とを含む基板に取り付ける分野である。

大容量ディジタル・システムが光相互接続の使用を拡大させるにつれ、製造可能な光接続システムに対する必要性は増している。

大容量システムは一般に、何枚かのシステム・ボードを接続したバックプレーン（backplane）を有する。このようなシステムは光を生成するＶＣＳＥＬなどの光源のアレイを含み、生成された光はデータを運ぶために変調され、さまざまな位置へ導かれ、そこで、フォトダイオードなどの検出器によって、変調された放射光は従来のディジタル処理システムで処理できる電子信号に変換される。

この分野で繰り返し起こる問題は、光コネクタ・システムの位置ずれ（misalignment）の問題である。雑音レベルを増大させまたは信号を検出不能にする信号の損失が頻繁に起こる。精密アライメント・システムは費用のかかる設備（setup）および不断の保守を必要とする。

低コストで製造され、リソグラフィの精度を有する自己整合（self-aligning）構造を使用した受動的アライメント・システムがあれば当技術分野の利益となろう。

本発明は、システム・ボード上の一組の光伝送部材と整列して光源アレイを取り付けるためのアライメント・システムに関する。

本発明の特徴は、光源のアレイを含む光チップ上に受動的アライメント構造体を製造することにある。

本発明の特徴は、光チップ上の受動的アライメント構造体とインタロックするアライメント部材とともに配置され、光源アレイと整列したレンズのアレイを含む単純なユニットを提供することにある。

本発明の他の特徴は、レンズ・アレイに適合したレセプタクルにはめ込まれ、ＶＣＳＥＬアレイから放射光を受け取り、それをシステム・ボード上のさまざまな位置に導く交換可能な光スイッチング構造を提供することにある。

本発明の他の特徴は、論理チップおよび光チップをチップ・キャリヤに取り付けるための構造にある。光チップ上の光源からシステム・ボード上の光伝送ガイドまで放射光がまっすぐな経路に沿って進むように、光チップは、チップ・キャリヤの、キャリヤが取り付けられたシステム・ボードに面した側に取り付けられる。

図１から６に、ＶＣＳＥＬアレイと、対応するレンズ・アレイと、放射光を変調させまたはスイッチングする光マニピュレータからなる他の対応するアレイとを組み合わせた３層モジュールの平面図および側面図を示す。図１および２では、ダイ１０上のＭ×Ｎ ＶＣＳＥＬアレイ１５−ｉが放射光を生み出す。このアレイを取り囲む帯状の領域１２は例示的には、その上にＳｎ−Ｐｂはんだプリフォームを塗布することができる金属薄膜からなる。基準マーク１７の一例が示されている。マーク１７は、精密ステージにおいてダイの位置を目測で位置合わせをするために使用される。自己整合のための他のマークを使用することもできる。このマークが図２の側面図に示されている。例えばダイ１０はＧａＡｓからなり、その中に従来のＶＣＳＥＬが形成される。単純にするため、ＶＣＳＥＬへ向かう従来の電気リード線は図面から省略されている。

図３および４に、全体を光転送ユニットと呼ぶアセンブリの次層を示す。光転送手段と呼ぶレンズ・アレイ２５−ｉはＶＣＳＥＬアレイと整列する。例示的には光ユニット２０の材料は、レーザ・アレイからの放射に対して透明であり、かつはんだ１２をリフローさせる２４０℃の温度に耐えることができるポリマーまたはガラスである。このユニットは、半導体リソグラフィ技法によって形成されたモデルに基づく従来の精密技法を用いて成形される。例えば、このアレイの個々のレンズをフレネル・レンズとして形成することができ、図４の側面図の突き出した縁（リム）２３は、モールド材料であるシリコンからエッチングされる。半導体のエッチング技法および成形技法を使用すると、光学レンズの画定および配置を、この光学系の要件の範囲に十分に含まれる１０ミクロンの許容差で達成することは容易である。

図３のストリップ（帯状領域）２２も、縁２３の底面に電気めっきされたはんだから形成される。図４のモジュール２０の上面には、リソグラフィ技法によってスタッド２４（受動的アライメント構造）が形成され、次いで成形される。あるいは、スタッドは、モジュールを成形した後に、モジュール２０を最初に作るときにモールドの中に配置した基準マークに合わせてモジュール２０の材料をエッチングして形成することもできる。

例示的には、ダイ１０とモジュール２０の間のアライメントは、ダイ１０の上面にエッチングされ、したがって第１の寸法を画定する段差の垂直縁１３とはまり合う（第２の寸法を画定する）縁２３によって提供される。したがって、ダイ１０の外縁は例示的には１０μｍへこんでおり、モジュール２０の縁２３は、ダイの突き出した中央部分を取り囲み、ＶＣＳＥＬアレイに対して横断方向にレンズを位置決めする。ダイ１０の段差のエッチングおよびモジュール２０のモールドへの縁の形成は高い機械精度で実施されるので、垂直距離も約５０ミクロンの仕様の範囲内にセットされる。この受動的自己整合システムは部片（piece）１０と２０がはまり合うという利点を有する。この応用に必要な非常に正確な許容差および接合されている部片間の熱膨脹係数の違いのため、組立ては、室温での部片間の応力が許容範囲内となるように２３０℃未満の組立て温度で実施されることが好ましい。

レンズの焦点距離は、放射光が、図５および６の光転送部材３５の受信セクション２５に結合されるように設定される。このスタックの最上位にあるこのユニットは、レンズ２５−ｉから出射した放射光を、部材３５の一組の導波路、ブラッグ（Bragg）・リフレクタ、ミラーおよび他の光マニピュレータに結合する機能を有する。部材３５の機能は放射光を処理すること、例えばデータ・ビットストリームで放射光を変調させることである。この図では部材３５が長方形の部材として概略的に示されている。この放射光は次いで、部材３５から、システム・ボード内のこの図には示されていない従来の導波路に結合される。

図５および６のシェル３０は、交換を迅速にするプラグ接続が可能である。プラグ接続が可能とは手で差し込み取り外すことができることを意味する。設計における柔軟性を提供するため個々の部片は取り外すことができる。ユニット３０は、ファイバ・アレイ、光ルーティング要素などに相互接続されるように適合されている。ボックス３５は、グレーティング、レンズなどの受動的光ルータとすることができる。代替実施形態ではこれが液晶バルブ・アレイを有することもできる。

コネクタ３０が取り外し可能であるのとは対照的に、モジュール２０ははんだリフローによってダイ１０に接合される。はんだを再び溶かすこともできるが、設計上、はんだは１回限りの接合材とすることが想定されている。コネクタ３０を再び参照すると、取付け構造３４はモジュール２０上の対応する構造２４と嵌合する。例えばプラグ２４の断面は円形（あるいは例えば１辺が１ｍｍの正方形）であり、嵌合するソケット３４は、非常に小さな許容差でプラグ２４と嵌り合う円形のキャビティ（cavity）を有する。組立て後、このアセンブリはエポキシまたははんだによって一体に保持することができる。スタッド２４とレセプタクル３４の間の間隔は１つの温度でしか適合しないので、ユニット２０と３０の間の境界面も規定された温度で組立られる。

次に図７を参照すると、本発明の他の実施形態の断面図が示されている。ボード１１０はディジタル・システム内のプリント回路基板、または電子チップ・アセンブリの他の任意の支持体を表す。ボード１１０は、光導波路１２０−１および１２０−２、ならびにチップ間の通常の電気的相互接続を含む。図の一番上のチップ２２０は、データを処理し、一組のコンタクト２２１を通して信号および電力を結合するいくつかの電子チップを表す。チップ２２０は、自体の中に成形された電気的相互接続を含むセラミック・チップ・キャリヤ２１０または他の任意の実装ユニットに接合されている。キャリヤ２１０のシステム・ボード１１０に面した側では、ワイヤ・ボンド・リード線２３２によって電気的に接続された光チップ２３０が、導波路１２０−１および１２０−２の中へ放射光を発射する。あるいは、電気接続と機械接続の両方を提供するはんだボールの「フリップチップ」法を使用してチップ２３０をキャリヤ２１０に取り付けることもできる。この放射光の転送を双方向にすることもできる。すなわちチップ２３０上の光検出器がボード１１０からの光学的放射を受け取る。

有利なことに、チップの平面から直角に放射光が導かれる図１および２のチップ１０のＶＣＳＥＬアレイに似たＶＣＳＥＬアレイを光チップ２３０が含む。この実施形態では、放射光が、チップ２３０と導波路１２０の間のエア・ギャップを通過する。結合を容易にするため図１および２に示したレンズ、ミラーなどをレーザと導波路の間に置くことができることに当業者は気付くであろう。

この実施形態の光源と導波路の間の直接伝送は、ＶＣＳＥＬアレイの組付けおよび交換が必要な場合にこれらの実施を容易にする。所望ならば、図１のリフロー１２などのシールを使用することができる。

これらの両方の実施形態では、半導体技法を使用して「後工程」に補強部材を形成することによって、例えばチップの裏面に材料層を堆積させそれをエッチングして、ダイに割れを生じさせる機械応力に抵抗する補強部材を形成することによって、ＶＣＳＥＬアレイのもろさの問題に対処することができる。

単一の好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、請求の範囲の趣旨および範囲に含まれるさまざまな変形形態で本発明を実施できることを当業者は理解されたい。

本発明の第１の実施形態の１つの層を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態の１つの層を示す側面図である。 本発明の第１の実施形態の別の層を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態の別の層を示す側面図である。 本発明の第１の実施形態の別の層を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態の別の層を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態を、一部は絵画的に、一部は図式的に示す図である。

符号の説明

１０ ダイ
１２ はんだ
１３ 段差の垂直縁
１５−ｉ ＶＣＳＥＬアレイ
１７ 基準マーク
２０ 光転送ユニット
２２ はんだ
２３ 縁
２４ スタッド
２５−ｉ レンズ・アレイ
３０ コネクタ
３４ レセプタクル
３５ 光転送部材
３６ スタッド
１１０ ボード
１２０ 導波路
１２０−ｉ 導波路
２１０ セラミック・チップ・キャリヤ
２２０ 電子チップ
２２１ コンタクト
２３０ 光チップ
２３２ ワイヤ・ボンド・リード線

Claims (14)

1. ＶＣＳＥＬダイの２次元エリア・アレイをボードに接続するための光アセンブリ構造であって、
   前記ＶＣＳＥＬエリア・アレイ（１５−ｉ）を含むＶＣＳＥＬダイ（１０）であって、前記エリア・アレイが、前記ＶＣＳＥＬダイの上面の金属被覆された接合シーム（１２）によって取り囲まれている、ＶＣＳＥＬダイと、
   精密光転送ユニット（２０）であって、前記光転送ユニット（２０）が、前記ＶＣＳＥＬダイ（１０）上の前記金属被覆された接合シーム（１２）に対応する底面の接合シーム（２２）を含み、対応する前記シーム（２２）が縁（２３）の底面に配置されており、その結果、ダイ（１０）の前記上面にエッチングされた段差の垂直縁（１３）と嵌り合うように適合された縁（２３）によって、前記ダイ（１０）と前記光転送ユニット（２０）との間の位置合わせがされる、精密光転送ユニットと、
   前記光転送ユニット（２０）の、上面の第１のスタッド・アレイ（２４）であって、前記光転送ユニット（２０）がさらに、前記ＶＣＳＥＬ（１５−ｉ）のエリア・アレイから発射された放射光を転送する光転送手段（２５−ｉ）を含み、前記光転送手段（２５−ｉ）の画定および配置の許容限界が１０μｍ、前記光転送手段（２５−ｉ）と前記ＶＣＳＥＬダイ（１０）の間の垂直距離の許容限界が５０μｍである、第１のスタッド・アレイと、
   プラグ接続可能な光コネクタ（３０）であって、
   そのキャビティ中に挿入された光伝送ユニット（３５）と、前記光転送ユニット（２０）の前記上面の前記第１のスタッド・アレイ（２４）と嵌合するその底面のインタロック・レセプタクル（３４）のアレイと、前記ボードと嵌合するための前記プラグ接続可能なコネクタ（３０）の上面の第２のスタッド・アレイ（３６）とを有するプラグ接続可能な光コネクタ（３０）と、を含み、
   前記ＶＣＳＥＬダイ（１０）と前記光転送ユニット（２０）が一体に接合されている、光アセンブリ構造。
2. 前記光転送手段（２５−ｉ）がレンズである、請求項１に記載のアセンブリ構造。
3. 前記ＶＣＳＥＬダイの第１の寸法が前記転送ユニット（２０）の対応する第２の寸法と適合することができるように、前記ＶＣＳＥＬダイ（１０）と前記光転送ユニット（２０）が一体に接合されている、請求項１に記載のアセンブリ構造。
4. 前記ＶＣＳＥＬダイ（１０）と前記光転送ユニット（２０）とを含む光モジュールが前記光コネクタ（３０）にプラグ接続している、請求項１に記載のアセンブリ構造。
5. 前記光伝送ユニット（３５）が、前記ボード上の一組の光伝送部材に接続されるように適合される受動的光ルータを含む、請求項４に記載のアセンブリ構造。
6. 前記光伝送部材が前記ボード内に形成された導波路（１２０−１；１２０−２）を含む、請求項５に記載のアセンブリ構造。
7. ＶＣＳＥＬのアレイを含むＶＣＳＥＬダイをボードに接続するための光アセンブリ構造を製造する方法であって、
   前記ＶＣＳＥＬエリア・アレイ（１５−ｉ）を含むＶＣＳＥＬダイ（１０）を準備するステップであって、前記エリア・アレイを、前記ＶＣＳＥＬダイの上面の金属被覆された接合シーム（１２）によって取り囲むステップと、
   精密光転送ユニット（２０）を準備するステップであって、前記光転送ユニット（２０）が、前記ＶＣＳＥＬダイ（１０）上の金属被覆された前記接合シーム（１２）に対応する底面の接合シーム（２２）を含み、それによって対応する前記シーム（２２）が縁（２３）の底面に配置されており、その結果、ダイ（１０）の上面にエッチングされた段差の垂直縁（１３）と嵌り合う縁（２３）によって、前記ダイ（１０）と前記光転送ユニット（２０）との間の位置合わせがされ、前記光転送ユニット（２０）がさらに、前記ＶＣＳＥＬアレイ（１５−ｉ）と整列して配置された前記光転送ユニット（２０）の上面の第１のスタッド・アレイ（２４）を含み、前記光転送ユニット（２０）がさらに、前記ＶＣＳＥＬ（１５−ｉ）のエリア・アレイから発射された放射光を転送する光転送手段（２５−ｉ）を含み、前記光転送手段（２５−ｉ）の画定および配置の許容限界が１０μｍ、前記光転送手段（２５−ｉ）と前記ＶＣＳＥＬダイ（１０）の間の垂直距離の許容限界が５０μｍであるステップと、
   前記ＶＣＳＥＬダイ（１０）と前記光転送ユニット（２０）とを一体に接合して光モジュールを形成するステップと、
   そのキャビティ中に挿入された光伝送ユニット（３５）と、前記光転送ユニット（２０）の前記上面の前記スタッド（２４）のアレイと嵌合する底面のインタロック・レセプタクル（３４）のアレイと、前記ボードと嵌合するための上面の第２のスタッド・アレイ（３６）とを有するプラグ接続可能な光コネクタ（３０）に前記光モジュールをプラグ接続するステップ
   を含む方法。
8. 前記許容限界がリソグラフィによって画定される、請求項７に記載の方法。
9. 前記接合ステップの前に前記ＶＣＳＥＬアレイ（１５−ｉ）をテストするステップをさらに含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記接合ステップの後に前記光モジュールをテストするステップをさらに含む、請求項７ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 前記光モジュールをプラグ接続する前に前記光伝送ユニット（３５）をテストするステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記接合ステップが、前記接合シーム（１２）上に付着させた金属のリフローを含む、請求項７ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記ＶＣＳＥＬアレイ（１５−ｉ）と前記光転送ユニット（２０）が、前記ＶＣＳＥＬダイ（１０）の第１の寸法が前記転送ユニット（２０）の第２の寸法と適合するような接合温度で一体に接合される、請求項７ないし１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記接合温度が摂氏２３０度未満である、請求項１３に記載の方法。

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