SE516160C2 - Kapslad optoelektronisk komponent - Google Patents

Description

35 40 516 160 2 detalj, t ex av tunn koppar- eller aluminiumplåt.

TEKNIKENS STÅNDPUNKT Gemensam plastkapsling av optokomponenter och elektronik med placering av vägle- dare och optoelektriska komponenter på bärare av kisel är förut känd.

I EP-A1 0 600 645 visas sålunda en plastkapslad optoelektronisk modul av SIP-typ ("Single in-line package") innefattande elektronik- och optokomponenter placerade på en bärare av kisel.

I EP-A2 0 596 613 beskrivs en kopplingsmodul för anslutning av optiska fibrer 6 till en "optisk enhet", eller snarare till en "elektronikde1" via en "optisk enhet". Den optiska enheten kan innefatta en bärare 13 av möjligen kisel med elektroder samt rnikrolinser 4a och fotodetektorer 4, se figur 6a - 7b. Den optiska enheten ansluts till elektronikdelen, som kan vara en integrerad halvledarkrets, tex genom trådbondning mellan elektrodema på bäraren 13 och ledande ytor 9a på elektronikdelen 9 (figur 5a och 5b). Denna kopplings- modul är dock ej plastkapslad.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett syfte med uppfinningen att anvisa en kapslad optokomponent och sätt för dess framställning, som medger att elektriska signal- och drivkretsar på ett funktionellt och effektivt sätt kan inrymmas i kapseln.

Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att anvisa en kapslad optokomponent och sätt för dess framställning, som medger att elektriska kretsar kan placeras tillsammans med den optoelektroniska komponenten på ett kretskort på ett enkelt och funktionellt sätt.

Dessa syften uppnås med uppfinningen, vars närmare detaljer och kännetecken fram- går av de bifogade patentkraven.

Sålunda kan vid en utföringsform, på ett för plastkapsling funktionellt sätt, även elektriska kretsar såsom exempelvis mottagar-/drivelektronik placeras inuti kapseln. Häri- genom kan man dels erhålla kompaktare moduler genom att hela den kapslade komponen- ten upptar mindre yta på kretskortet, dels kan standardiserade elektriska gränssnitt åstad- kommas mot den kapslade optomodulen. Kretskortskonstruktören behöver vid uppläggning av ett nytt kretskort inte ta någon särskild hänsyn till att kapseln innehåller optokomponen- ter. Närheten mellan de elektroniska kretsarna och den optoelektriska omvandlaren ger korta strömvägar och därigenom möjlighet till höga modulationshastigheter.

Om den ovan i samband med den kända tekniken nämnda bäraren, som ofta förelig- ger i form av en kiselplatta, förutom optokomponentema också skall rymma den nödvändi- ga elektroniken, blir den avsevärt större, såsom exempliñeras av vad som framgår av den ovan nämnda patentansökningen EP-A1 O 600 645. Detta kommer att försvåra positione- ringen av bärarplattan i formrurnmet, eftersom större krafter kommer att erfordras för att hålla bäraren på den exakt rätta platsen. Detta är särskilt påtagligt vid fyllning med plast av ett forrnrum för kapsling av komponenten, eftersom stora krafter då kommer att verka på bäraren och kan rucka denna ur dess noggrant bestämda läge. Bäraren i form av en kisel- platta är också relativt dyr räknat per ytenhet, på grund av den ofta omfattande behand- 10 20 25 30 35 40 516 160 3 lingstekniken vid dess framställning, varför så små bärare som möjligt eftersträvas.

Av dessa skäl monteras de elektroniska kretsarna på en särskild bärare, vilken är mekaniskt åtskild från bäraren för optokomponenten eller åtminstone inte är styvt förbun- den med bäraren för optokomponenten.

Det kan också vara önskvärt med en viss modularitet mellan optokomponenter och elektroniska komponenter på grund av testmetoder och förändringar i olika steg vid fram- ställning av bärare och vid kapslingen, vilket kan erhållas med skilda bärare eller bärarde- lar för optokomponent och rent elektriska enheter.

En sådan optobärare kan användas, som är känd från den ovan beskrivna tekniken, se den schematiska perspektivvyn i fig. 1, dvs en relativt liten högprecisionsdetalj av exem- pelvis monokristallint kisel med integrerade eller därpå anbragta vågledare och med opto- elektriska komponenter anbragta på optobärarens yta. Ett sådant optokomponentaggregat i form av en optobärare med vågledare och optoelektrisk komponent ansluts till och fastsätts vid ett motsvarande bärarornråde hos en tunnfilmsbärare, som innefattar därpå fastsatta och elektriskt anslutna elektroniska kretsar för drivning, mottagning, sändning, modulering etc.

Härigenom åstadkoms en för åtminstone delvis plastkapsling lämplig sammansatt enhet.

Den elektriska och mekaniska anslutningen av tunnfilmsbäraren med därpå anbragt drivelektronik åstadkoms med hjälp av en böjlig tunga, som är en del av tunnfilmsbäraren.

Tungan kan med sin yttersta del limmas mot optobärarens undersida, så att de tillsammans kan hanteras som en enhet. I samband dånned eller därefter kan den elektriska anslutning- en utföras mellan elektroder såsom lärnpliga elektriskt ledande ytor på optobäraren och elektriska ledare på tungan utföras med hjälp av någon lämplig metod, såsom exempelvis liknande typen "flipchip" med öar eller "bumpar" av metalliskt lod eller ledande lirn.

Altemativt kan lösa ledningstrådar användas med s k trådbondning - friktionssvetsning mellan trådama och de olika elektriska ledande ytorna.

Vid plastkapslingen, när ett plastmaterial insprutas i ett lämpligt fonnrum, i vilket åtminstone en bärare, i vilken tungan ingår, är placerad, utnyttjas eller möjliggör tungans mekaniska böjlighet eller allmänt att den kan vara betydligt smalare och/eller tunnare än de områden av bäraren, från vilken den utgår, och speciellt från de områden, som är avsedda för endera eller båda av optokomponentaggregat och elektronikkretsarna, positioneringen av optobäraren på dess noggrant bestämda plats. Optobäraren är här alltså fritt upphängd och fastgjord i tungan.

Vid ett utförande kan de elektroniska kretsarna placeras utanför kapseln, så att denna omsluter optokomponentaggregatet utom dess framsida, där ett optiskt gränssnitt fmns.

Elektroniken kan då skyddas genom s k "glob-topkapsling". Fördelen med en så utformad kapsel är att den väl kapslade optodelen av modulen är mekaniskt flexibel i förhållande till den på kretskortet ñxerade elektronikdelen, vilket kan avsevärt underlätta anslutning av den optiska delen till ett annat på samma kretskort fast monterat optodon.

Allmänt ansluts alltså en optobärare av företrädesvis kisel med vågledare, optoelekt- riska komponenter (LD-array) och elektroder elektriskt och mekaniskt till en tunnfilms- 10 15 20 25 30 35 40 516 160 4 bärare med drivelektronik medelst en "flexibel tunga". Tungan lirnmas först mot optobä- rarens undersida och ansluts sedan elektriskt med trådbondning mellan elektroderna på optobäraren och elektriska ledare på tungan. Plastkapsling sker därefter av hela enheten eller av hela enheten utom elektronikkretsarna, dvs alternativt kan elektroniken placeras utanför kapseln.

En kapslad optoelektrisk komponent innefattar sålunda ett optokomponentaggregat.

Aggregatet har ett optiskt gränssnitt vid en av sina sidor eller kanter och vidare områden för elektrisk förbindning, som kan vara placerade invid en motstående sida eller kant. Vi- dare fmns en bärare bestående i huvudsak av ett isolerande material med olika områden, som kan vara placerade på samma yta därav. Ett område fmns för fastgöring av optokom- ponentaggregatet och intill detta område fmns lämpliga anslutningsytor hos elektriska leda- re för elektrisk förbindning med områden på optokomponentaggregatet och för elektrisk för- bindning utåt. Ett kapslande hölje omger åtminstone den huvudsakliga delen av optokompo- nentaggregatet. Ett parti hos båraren förbinder bårarens område för fastgöring av optokom- ponentaggregatet med den övriga delen av bäraren och detta parti är böjligt, åtminstone i en riktning upp och ned, dvs vinkelrätt i förhållande till ett plan genom bärarens övriga de- lar. Speciellt kan det område, där det böjliga partiet ansluter till den övriga delen, vara ett område för fastgöring av en elektriska kretsenhet. För denna finns då också elektriska leda- re på bäraren för elektrisk förbindning med områden på den elektriska kretsenheten.

Själva optokomponentaggregatet kan med fördel innefatta mekaniska styranordningar för positionering av aggregatet mot en annan optisk anordning med motsvarande styranord- ningar, exempelvis parallella styrspår utformade på optokomponentaggregatet för ingrepp med styrpinnar.

Det böjliga partiet kan vara ett parti hos bäraren, som år avsevärt smalare än kanter hos minst ett av fastgöringsområden, till vilka partiet ansluter hos den övriga delen av bäraren, och/eller är avsevärt tunnare än ett sådant område, så att kraftigare områden finns på bäraren, varigenom denna får en tillräcklig egen styvhet och stabilitet vid hantering.

På det böjliga partiet finns lärnpligen elektriska ledare för drift och kommunikation med optokomponenten, såsom ledare för elektriska drivspänningar till och signaler till och/ eller från optokomponentaggregatet.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas närmare i anslutning till ej begränsande utföringsex- empel i samband med de bifogade ritningama, i vilka: - Fig. 1 visar en perspektivvy av en optokomponentbärare, - Fig. 2 visar i en vy uppifrån en tunnfilmsbärare med därpå anbragt elektronik, - Fig. 3a visar i en vy uppifrån tunnfilmsbäraren enligt fig. 2 anordnad i ett formrum eller en kapsel med också därpå anordnad optokomponentbårare och med styrpinnar, - Fig. 3b visar tunnñlmsbäraren enligt fig. 3a sedd i en sidovy, - Fig. 3c och 3d visar i sidovy två olika möjligheter för tunnfilmsbärarens anslutning till optokomponentbäraren, 15 20 25 30 35 40 516 160 5 - Fig. 4 visar en perspektivvy av tunnfilmsbäraren med komponenter anbragt i en kapsel, - Fig. 5 visar en alternativ utformning av kapseln med fritt liggande del för drivelektronik.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UT FÖRINGSFORMER I fig. 2 visas en tunnfilmsbärare 1 uppbyggd av polymerrnaterial. Den har en yttre rätvinklig kontur och en kring ytterkanten förlöpandc järnntjock ram 3. Inuti ramen 3 fmns ett bärarorriråde 5 för elektronik i form av en rektangulär ej ledande del. Från tre kantom- råden på elektronikbäraren 5 sträcker sig elektriska ledare eller ben 7 för elektrisk anslut- ning av elektroniska kretsar ut till ramdelen 3. Benen 7 är gjorda av lämpligt ledande material. Vid det kantornråde, där inte några elektriskt ledande ben 7 utgår från elektronik- bäraren 5, finns en flexibel tunga 9, som alltså utgår från en kant på elektronikbäraren 5 och sträcker sig mot det område 10, där en optobärare, ej visad i denna figur, skall an- bringas. Området 10 utgörs här av tungans 9 yttersta del. På tungan 9 finns elektriska ledare 11, som förlöper parallellt med varandra och med tungaris 9 kanter från kantornrå- det av elektronikbäraren 5 fram till den yttersta delen av tungan 9, där området 10 är reserverat för en optobärare. Pâ elektronikbäraren 5 placeras elektroniska kretsar 13 i form av någon exempelvis lämpligen integrerad krets och fastgörs mitt på elektronikbärarområ- det 5 med hjälp av exempelvis lärnpligt lirn.

De elektroniska kretsarna 13 förbinds elektriskt på lämpligt sätt dels med benen 7 för yttre anslutning, dels med de elektriska ledarna 11 på tungan 9 såsom medelst "lodbumpar" eller öar av elektriskt ledande lim, vilka före förbindningen placeras på läinpligt utformade elektriskt ledande ytor på bäraren och sedan uppvärms, när kretsarna 13 sitter på korrekt plats med sina anslutningsområden över "bumparna" eller limöarna. Alternativt kan givet- vis trådbondning med anslutningstrådar, ej visade, användas, även om detta kräver en tämligen stor manuell arbetsinsats.

Optobäraren kan vara större än området 10, som är reserverat för denna på tungan 9, och kan utgöras av den förut kända optobäraren 14 visad i fig. 1. Denna optobärare 14 består av en rektangulär platta av kisel med parallella V-spår 15 invid två motstående si- dokanter. Inne på plattans yta fmns själva den optoelektriska komponenten 17, som är monterad med noggrann optisk anslutning till vågledarna 19, vilka ligger på ytan av opto- bäraren och sträcker sig fram till en kant av denna parallellt med V-spåren 15. Den elekt- riska anslutningen av optokomponenten 17 kan åstadkommas på lämpligt sätt, tex såsom konventionellt med hjälp av trådbondning eller på föredraget sätt vid kontaktytan mellan optokomponenten och optobäraren medelst flip-chip-teknik med hjälp av lämpligt utforma- de och placerade lodöar eller öar av ledande lirn.

Den elektriska kontakten mellan elektrodytorna 21 på optokomponentbäraren 14 och de elektriska ledarria 11 på tungan kan också åstadkommas med hjälp av lösa bondade trådar 22, såsom visas schematiskt i fig. 3c. Här visas också att de elektriska ledarna 11 i detta fall ligger ovanpå ett polymerskikt 9' i tungan och att området 10 på tungan, där optokomponentbäraren är anbragt, bara sträcker sig ett kort stycke in under denna, där en fog 10' av liin håller fast optokomponentbäraren 14. 10 15 20 25 30 35 516 160 6 Alternativt och på föredraget sätt kan den elektriska anslutningen av optokomponent- bäraren 14 utföras genom direkt förbindning av de elektriska ledningsbanorna 11 på tungan med elektrodytoma 21 på bäraren 14, såsom schematiskt visas i fig. 3d. Detta förutsätter att de elektriska ledama 11 på tungan 9 är anbragta på undersidan av denna, på undersidan av polymerlagret 9". Fogarna 22' mellan ledningsbanorna 11 och elektrodytorna 21 kan åstadkommas med hjälp av konventionell lödning, "TAB-förbindning" som utförs väsentli- gen som trådbondning genom lämplig svetsning men utan lösa trådar, eller med hjälp av elektriskt ledande lim. Fogama 22' håller samtidigt fast hela optokomponentbäraren 14 vid området 10 på tungan 14.

Tvärsnitt genom en kapslad komponent 25 eller ett formrum med däri anbragt tunn- filrnsbärare 1 och optobärare 15 visas i fig. 3a och 3b. Ramen 5 hos tunnfilmsbäraren 1 är här avlägsnad, så att benen 7 för elektrisk anslutning av elektroniken 13 sticker ut från kapseln 25. Styrpinnar 27 är införda i styrhål i kapseln 25 och ligger väl i anliggning i styrspåren 17 på optobäraren 15. Optobäraren 15 är placerad med sin ena yta, där vägle- darna 21 utrnynnar, mot en kant av kapseln 25.

Genom att tungan 9 är utförd av tunt böjligt polymerrnaterial, behöver inte längden av tungan 9 vara alltför noggrant bestämd, så länge bara tungan är något längre än vad som kan krävas vid inläggning av åtminstone delar av hela aggregatet i ett formrum. Tung- an 9 kan ju, såsom visas i sidovyn i fig. 3b, böjas mellan elektronikbärardelen 5 och den plats 10 på tungan 9, vilken är reserverad för optobäraren 14 och vid vilken denna är fastlirnmad.

Den kapslade komponenten 25 visas också i perspektivvyn i flg. 4. Här är benen 7 nedvikta vid kapselns 25 utsida med yttre partier liggande i plan med kapselns undersida.

Härigenom kan elektrisk anslutning åstadkommas till ett kretskort med någon lämplig me- tod såsom ytrnontering. Vidare är i denna vy hål 29 synliga, som passerar genom kapseln och som har uppkommit vid gjutningen av plastkapseln på grund av stöd för styrpinnarna 15, se våra tidigare patentansökningar nänmda ovan. Styrhålen 31 för styrpinnarna 27 sträcker sig då in till de tvärgående hålen 29.

I tig. 5 visas en alternativ monteringsmetod, där endast den främre delen av tunn- filrnsbäraren 1, nämligen den främre änddelen omfattande området 10 av tungan 9, som är reserverad för optobäraren, och den närmast detta område liggande delen av tungan 9, och optobäraren 14 med därpå anbragt komponent har ingjutits i plastmaterial. Elektronikbära- ren 5 med därpå monterad elektronik 13 är här inte skyddad av plastkapseln utan får skyd- das på annat sätt, exempelvis genom "glob-topkapsling". Fördelen med en sådan kapsel, som består av en kapslad optokomponent och en medelst ett flexibelt organ ansluten elekt- ronisk drivenhet, är att optokomponentkapseln kan förflyttas i förhållande till den på krets- kortet fixerade elektronikdelen av komponenten, vilket kan avsevärt underlätta att optokom- ponentkapseln och särskilt dess optiska gränssnitt placeras vid exakt korrekt läge på krets- kortet.

Claims (3)

10 15 20 25 30 516 160 7 PATENTKRAV

1. Kapslad optoelektrisk komponent, innefattande - ett optokomponentaggregat innefattande ett optiskt gränssnitt vid en sida eller kant därav, varvid optokomponentaggregatet innefattar dels områden för elektrisk förbindning, dels mekaniska styranordningar för positionering av aggregatet mot en annan optisk anordning med motsvarande styranordningar, - en elektrisk kretsenhet med områden för elektrisk förbindning, vilken kretsenhet är av- sedd att samverka med optokomponentaggregatet, - en skivformad bärare innefattande områden för fastgöring av optokomponentaggregatet resp. den elektriska kretsenheten, varvid bäraren vidare är försedd med elektriska ledare avsedda dels för förbindning med närnnda områden hos optokomponentaggregatet resp. hos den elektriska kretsenheten, dels för elektrisk förbindning utåt, - ett hölje bestående av kapslingsmaterial, i vilket åtminstone optokomponentaggregatet är ingjutet, varvid detta är så positionerat, att sidan eller kanten med det optiska gränssnittet sammanfaller med en av höljets sidor, k ä n n e t e c k n a d av att bäraren består av ett isolerande material och att bärarens område (10) för fastgöring av optokomponentaggregatet är anslutet till den övriga delen av bäraren via ett böjligt parti (9) hos bäraren, vilket sträcker sig i huvudsak från bärarens område (5) för fastgöring av den elektriska kretsenheten (13) och vilket innefattar därpå anordnade elektriska ledare (11) för ledning av elektriska drivspänningar till och signaler till och/eller från optokomponentaggregatet, varvid det böjliga partiet (9) hos bäraren vid inkapslingen möjliggör positionering av optokomponentaggregatet på en för aggregatet nog- grant bestämd plats och att, i det fall det kapslande höljet endast omsluter optokomponent- aggregat, gör att aggregatet kan förflyttas i förhållande till den del, som innehåller den elektriska kretsenheten (13) och som är avsedd att fixeras på ett kretskort, för underlättan- de av att optokomponentaggregatet och det optiska gränssnittet hos detta placeras i korrekt läge på kretskortet.

2. Komponent enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att de mekaniska styranord- ningarna hos optokomponentaggregatet innefattar parallella styrspår (15) utformade på optokomponentaggregatet för ingrepp med styrpinnar.

3. Komponent enligt något av krav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a d av att det böjliga partiet (9) utgörs av ett parti hos bäraren, som är avsevärt smalare än det omrâde (5) hos bäraren, från vilket det böjliga partiet sträcker sig, och/eller är avsevärt tunnare än detta område.