TW201436489A - 使用於一光學通訊模組之散熱裝置及方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種在與一光學通訊模組之一電氣子總成(ESA)機械耦合之一光學子總成(OSA)中體現之散熱系統及方法。當該OSA與該ESA耦合時，嵌入於該OSA中之一散熱塊藉由一小氣隙與該ESA之組件間隔開。由此等組件中之一或多者產生之熱之至少一部分傳遞至該散熱塊中，該散熱塊延伸穿過該OSA之頂部及底部表面。由於該散熱塊從不與該ESA或與該ESA之組件進行實體接觸，因此不存在該塊損壞該ESA或不利地影響該模組之電效能之風險。

Description

使用於一光學通訊模組之散熱裝置及方法

本發明係關於光學通訊模組。更特定而言，本發明係關於一種供在諸如一平行光學傳輸器、接收器或收發器模組之一光學通訊模組中使用之散熱裝置及方法。

存在用於在多個各別光學資料通道上同時傳輸及/或接收多個光學資料信號之多種平行光學通訊模組。平行光學傳輸器具有用於在多個各別光學波導(例如，光纖)上同時傳輸多個各別光學資料信號之多個光學傳輸通道。平行光學接收器具有用於在多個各別光學波導上同時接收多個各別光學資料信號之多個光學接收通道。平行光學收發器具有用於在多個各別傳輸及接收光學波導上同時傳輸及接收多個各別光學傳輸及接收資料信號之多個光學傳輸及接收通道。

針對此等不同類型之平行光學通訊模組中之每一者，存在多種設計及組態。用於一平行光學通訊模組之一典型佈局包含：一電氣子總成(ESA)，其包括一電路板(諸如具有一球柵陣列(BGA)之一印刷電路板(PCB))以及安裝於電路板之上部表面上之各種電及光電子組件；及一光學子總成(OSA)，其包括光學元件(例如，折射、反射或繞射透鏡)，機械耦合至該ESA。在一平行光學傳輸器之情形中，雷射二極體及一或多個雷射二極體驅動器積體電路(IC)安裝於該電路板上。該 電路板具有延續穿過其之電導體(亦即，電跡線及導通體)以及其上之電接觸墊。雷射二極體驅動器IC之電接觸墊電連接至電路板之電導體。舉例而言，一或多個其他電氣組件(諸如，一控制器IC)通常亦安裝於電路板上且電連接至該電路板。

類似組態用於平行光學接收器，惟平行光學接收器之電路板在其上安裝有複數個光電二極體而非雷射二極體且在其上安裝有一接收器IC而非一雷射二極體驅動器IC除外。平行光學收發器通常在其上安裝有雷射二極體、光電二極體、一或多個雷射二極體驅動器IC及一接收器IC，但此等裝置中之一或多者可整合至相同IC中以減少部件計數並提供其他益處。

電路板通常具有安裝於其上部表面上之一或多個散熱裝置。該等散熱裝置可具有各種形狀。電及光電子組件通常藉由一導熱材料附接至此等散熱裝置以使得由其產生之熱能夠向下傳遞至散熱裝置中，在該等散熱裝置中，熱藉由某一其他手段經由電路板之底部耗散或移除。散熱裝置全部具有接收由各別組件產生之熱且吸收及/或散佈熱以使其移動遠離組件之相同的一般用途。由組件產生之熱可不利地影響平行光學通訊模組之效能及壽命。

在某些設計中，經由電路板之底部移除熱係不可能或不實際的。舉例而言，在BGA之情形下，BGA之底部上之導電球陣列與一外部裝置(諸如一主電路板)之一電觸點陣列接觸。由於此等電連接，可能不存在用於經由BGA之底部向下之一散熱路徑之空間。在此等情形中，已知藉由將一外部散熱裝置附接至模組之頂部而經由模組之頂部移除熱。在某些情形中，經由電路板之底部及模組之頂部兩者耗散熱。

在某些平行光學通訊模組中，電路板之上部表面在機械上極易碎且係電敏感的。在此等情形中，將一外部散熱裝置放置成與電路板 之上部表面接觸可能損壞電路板且/或不利地影響模組之電效能。舉例而言，由散熱裝置施加之機械力可使電路板破裂或翹曲且/或損壞電路板之電跡線，而散熱裝置與電路板之間的接觸可改變電跡線之電容，自而導致電效能問題。

因此，需要提供散熱之改良且允許經由一平行光學通訊模組之頂部耗散熱而不會潛在地損壞電路板或不利地影響模組之效能之方法及系統。

本發明提供在一光學通訊模組中用於耗散熱之方法及系統。該光學通訊模組包括一ESA、與該ESA機械耦合之一OSA及安置於形成於該OSA中之空隙中之一散熱塊。該ESA包括具有至少一頂部表面及一底部表面之一第一電路板、安裝於該第一電路板之該上部表面上之至少一第一電氣組件及安裝於該第一電路板之該上部表面上之至少一第一光電子組件。該第一電氣組件及該第一光電子組件中之至少一者構成至少一第一熱源。該OSA包括用於在該光學通訊模組之至少一個光纖之一端與該第一光電子裝置之間光學耦合光學信號之複數個光學元件。安置於該OSA之該空隙中之散熱塊包括一高導熱率材料且具有至少一頂部表面及一底部表面。該散熱塊之頂部表面大體在實質上平行於其中該OSA之頂部表面大體所處之一平面之一平面中。該散熱塊之底部表面大體在實質上平行於該OSA之底部表面之一平面中。該散熱塊之底部表面藉由一小氣隙與第一熱源之一頂部表面間隔開。由於散熱塊之底部表面與第一熱源之頂部表面之緊密接近，由該第一熱源產生之熱之至少一部分橫跨該氣隙且傳遞至該散熱塊中。

該方法包括將一光學通信模塊之一OSA與該光學通信模塊之一ESA機械耦合，其中該OSA具有形成於其中之一空隙，該空隙延伸穿過該OSA之頂部及底部表面。該空隙具有安置於其中且固定地緊固至 該OSA之一熱耗散塊。該ESA包括具有至少一頂部表面及一底部表面之一第一電路板、安裝於該第一電路板之該頂部表面上之至少一第一電氣組件及安裝於該第一電路板之該頂部表面上之至少一第一光電子組件，其中該第一電氣組件及該第一光電子組件中之至少一者構成至少一第一熱源。該散熱塊包括一高導熱率材料且具有至少一頂部表面及一底部表面。該散熱塊之該頂部表面大體在實質上平行於其中該OSA之頂部表面大體所處之一平面之一平面中。該散熱塊之該底部表面大體在實質上平行於該OSA之底部表面之一平面中。該散熱塊之該底部表面藉由一小氣隙與該第一熱源之一頂部表面間隔開，以使得由該第一熱源產生之熱之至少一部分橫跨該氣隙且傳遞至該散熱塊中。

依據以下說明、圖式及申請專利範圍，本發明之此等及其他特徵及優點將變得顯而易見。

1‧‧‧光學子總成

2‧‧‧光學子總成主體

2a‧‧‧頂部表面

2b‧‧‧底部表面

2c‧‧‧空隙或開口

2d‧‧‧周邊部分/隆脊

2d'‧‧‧下部表面/底部表面

10‧‧‧散熱塊/塊

10a‧‧‧頂部表面

10b‧‧‧底部表面

10c‧‧‧狹槽

10d‧‧‧狹槽

11‧‧‧折射光學元件

12‧‧‧折射光學元件

13‧‧‧反射光學元件

14a‧‧‧第一凸式配合特徵

14b‧‧‧第二凸式配合特徵

100‧‧‧電氣子總成

101‧‧‧電路板

101a‧‧‧頂部表面

101b‧‧‧下部表面

101b'‧‧‧焊料球

102‧‧‧垂直腔表面發射雷射二極體(VCSEL)陣列

102a‧‧‧垂直腔表面發射雷射二極體

103‧‧‧積體電路/第一積體電路/組件

103a‧‧‧頂部表面

104‧‧‧接合線

105‧‧‧接觸墊

106‧‧‧環氧樹脂流動區

107‧‧‧接觸墊

108‧‧‧接觸墊

110‧‧‧平行光學通訊模組

111‧‧‧環氧樹脂

120‧‧‧氣隙

140‧‧‧外部電路板

141‧‧‧電觸點

150‧‧‧外部散熱裝置

d1‧‧‧距離

d2‧‧‧距離

A-A'‧‧‧線

w‧‧‧寬度

圖1A及1B分別圖解說明根據一說明性實施例之一OSA之俯視及仰視透視圖，該OSA具有其中嵌入有一散熱塊之一OSA主體。

圖2圖解說明經設計以與圖1A及1B中所展示之OSA機械耦合之一ESA之一俯視透視圖。

圖3圖解說明包括圖1A及1B中所展示之OSA及圖2中所展示之ESA之一平行光學通訊模組之一俯視透視圖，其中展示該ESA與OSA機械耦合在一起。

圖4圖解說明圖3中所展示之平行光學通訊模組沿著線A-A'截取之一剖面透視圖。

圖5圖解說明圖3中所展示之平行光學通訊模組之一透視圖，其中OSA主體經隱藏，但其中展示散熱塊以圖解說明該散熱塊與ESA之組件之間的關係。

圖6圖解說明與一外部散熱裝置機械耦合之圖3中所展示之平行 光學通訊模組之一俯視透視圖，該外部散熱裝置與圖1A中所展示之散熱塊之頂部表面實體接觸。

根據本發明，提供一種允許經由一平行光學通訊模組之頂部耗散熱而不可能損壞電路板或不利地影響模組之電效能之散熱系統及方法。在與模組之一ESA之一電路板機械耦合之一OSA中體現該散熱系統及方法。當該OSA與該ESA機械耦合時，嵌入於該OSA中之一散熱塊與安裝於電路板之頂部表面上之一或多個電及/或光電子組件極緊密接近但不與其進行實體接觸。該散熱塊之一底部表面藉由一小氣隙與該ESA之至少一個熱源之一頂部表面間隔開。由此等組件中之一或多者產生之熱之至少一部分沿著穿過該氣隙且傳遞至散熱塊中之一熱路徑移動。散熱塊之一頂部表面經由形成於OSA之一頂部表面中之一開口曝露。一外部散熱裝置可與該模組機械耦合以使得該外部散熱裝置與該散熱塊之頂部表面直接實體接觸。以此方式，傳遞至該散熱塊中之熱接著傳遞至該外部散熱裝置中，在該外部散熱裝置中該熱被耗散。

由於散熱塊從不與該ESA之電路板或與安裝於該電路板上之電及/或光電子組件進行實體接觸，因此經由平行光學通訊模組之頂部耗散熱而不會有損壞該電路板或不利地影響該模組之電效能之風險。現在將參考圖1至6闡述散熱系統及方法之說明性或例示性實施例，其中相似參考編號表示相似元件、特徵或組件。

圖1A及1B分別圖解說明根據一說明性實施例之一OSA 1之俯視及仰視透視圖，OSA 1具有其中嵌入有一散熱塊10之一OSA主體2。圖2圖解說明經設計以與圖1A及1B中所展示之OSA 1機械耦合之一ESA 100之一俯視透視圖。圖3圖解說明包括圖1A及1B中所展示之OSA 1及圖2中所展示之ESA 100之一平行光學通訊模組110之一俯視透視圖， 其中展示ESA 100與OSA 1機械耦合在一起。圖4圖解說明圖3中所展示之平行光學通訊模組110沿著線A-A'截取之一剖面透視圖。圖5圖解說明圖3中所展示之平行光學通訊模組110之一透視圖，其中OSA主體2經隱藏以示範散熱塊10與ESA 100之組件之間的關係。現在將參考圖1A至6中所繪示之說明性實施例來闡述散熱系統及方法。

如圖1A及1B中所展示，該散熱系統由具有散熱塊10之OSA 1構成，散熱塊10嵌入於OSA 1之主體2中。舉例而言，散熱塊10由一高導熱率材料(諸如銅)製成。散熱塊10並不限於由任何特定材料製成，惟製成散熱塊10之材料將具有一相對高之導熱率除外。散熱塊10具有一頂部表面10a(圖1A)及一底部表面10b(圖1B)。頂部表面10a在圖1A中所展示之X、Y、Z笛卡爾(Cartesian)座標系統之正X方向上遠離OSA主體2之頂部表面2a一小距離d1。熱耗散塊10的底部表面10b可在X、Y、Z笛卡爾座標系統之負X方向上遠離OSA主體2的底部表面2b一小距離，但替代地可與OSA主體2之底部表面2b齊平。熱耗散塊10安置於形成於OSA主體2中之一空隙或開口2c中。OSA主體2之一周邊部分2d構成具有一下部表面2d'之一隆脊，下部表面2d'在X、Y、Z笛卡爾座標系統之負X方向上遠離OSA主體2之底部表面2b一小距離d2。

OSA主體2具有形成於其中之複數個一第一組折射光學元件11(圖1A)、一第二組折射光學元件12(圖1B)及一第一組反射光學元件13(圖1A)。該OSA主體在其上具有第一凸式配合特徵14a及第二凸式配合特徵14b以用於分別與和OSA主體2配合之一光學連接器模組(未展示)之第一及第二凹式配合特徵(未展示)配合。當該光學連接器模組(未展示)與OSA主體2配合時，使固持在光學連接器中之光纖(未展示)之端與各別折射光學元件11光學對準。各別折射光學元件11及12以及各別反射光學元件13一起工作以在各別光纖之端與ESA 100(圖2)之一垂直腔表面發射雷射二極體(VCSEL)陣列102之各別VCSEL 102a(圖2) 之間提供各別光學路徑。根據此說明性實施例，反射光學元件13係將各別光學路徑摺疊90°之一角度之45°鏡。根據此說明性實施例，VCSEL陣列102具有十二個VCSEL，且因此平行光學通訊模組110(圖3)係一個十二通道平行光學傳輸器模組。

參考圖2，ESA 100包含一電路板101、VCSEL陣列102、一第一IC 103、接合線104、接觸墊105及一環氧樹脂流動區106。根據此說明性實施例，第一IC 103係一模組控制器及一雷射二極體驅動器兩者。接合線104中之某些接合線將IC 103之接觸墊107與電路板101之接觸墊105電互連，而接合線104中之某些接合線將IC 103之接觸墊107與VCSEL陣列102之接觸墊108電互連。VCSEL陣列102及IC 103藉由環氧樹脂111附接至電路板101之一頂部表面101a。

參考圖2及3，當OSA 1與電路板101之頂部表面101a對準且安裝於其上時，OSA主體2之隆脊2d(圖1B)之底部表面2d'與安置於電路板101之頂部表面101a上之環氧樹脂流動區106(圖2)形成接觸。環氧樹脂流動區106在其上具有一旦固化便將OSA主體2固定地緊固至電路板101之環氧樹脂111。

參考圖4，根據此說明性實施例，電路板101係具有一焊料球101b'陣列之一BGA，該焊料球101b'陣列安置於其下部表面101b上以用於將該BGA與一外部主電路板(出於清晰之目的而未展示)電互連。可看到，散熱塊10之底部表面10b與IC 103之頂部表面103a間隔開，以使得散熱塊10之底部表面10b與IC 103之頂部表面103a之間存在一小氣隙120。

亦可在圖4中看到，僅OSA主體2之與電路板101實體接觸之部分係隆脊2d之底部表面2d'。隆脊2d之底部表面2d'藉由環氧樹脂111在環氧樹脂流動區106中固定地緊固至電路板101之頂部表面101a。由於隆脊2d之底部表面2d'與OSA主體2之底部表面2b之間的距離d2(圖1B)， OSA主體2不與VCSEL陣列102、IC 103、接合線104或電路板101之除環氧樹脂流動區106以外之任何部分形成實體接觸。因此，避免了損壞電路板101或不利地影響模組110之電效能之風險。氣隙120之寬度w並不限於任何特定寬度。根據此說明性實施例，氣隙120之寬度在自大約80微米至大約200微米之一範圍中且通常係大約150微米。氣隙120足夠小以使得由IC 103產生之熱之一顯著部分將藉由氣隙120向上傳導至散熱塊10中。如下文將參考圖6更詳細地闡述，一外部散熱裝置將通常與模組110機械耦合且與散熱塊10直接實體接觸以用於耗散傳遞至塊10中之熱。

參考圖5，可看到，根據此說明性實施例，散熱塊10具有形成於其相對側中之狹槽10c及10d。此等狹槽10c及10d促進將塊10固定地緊固至OSA主體2，如現在將參考圖5闡述。散熱塊10通常藉由一塑膠外模製製程緊固至OSA主體2，在此製程期間，將塊10定位於具有為OSA主體2既定具有之形狀之補體之一形狀之一模具(未展示)內部。接著將塑膠注射至模具中。當塑膠被注射至模具中時，該塑膠環繞塊10之所有側且填充狹槽10c及10d。當塑膠冷卻並硬化時，狹槽10c及10d內之經硬化塑膠將塊10與經模製塑膠OSA主體2聯鎖且防止塊10相對於經模製塑膠OSA主體2移動。

圖6圖解說明安裝於一外部電路板140上且與一外部散熱裝置150機械耦合之圖3中所展示之平行光學通訊模組110之一俯視透視圖。安置於模組電路板101(圖4)之底部表面101b上之焊料球101b'與安置於外部電路板140之頂部表面上之各別電觸點141接觸。散熱塊10(圖1A)之頂部表面10a(圖1A)與外部散熱裝置150之一底部表面直接接觸。經由此直接接觸，自IC 3跨越氣隙120(圖4)傳遞至散熱塊10中之熱接著被傳導至外部散熱裝置150中，在外部散熱裝置150中該熱被耗散。

應注意，已出於闡述本發明之原理及概念之目的而關於說明性實施例闡述了本發明。本發明並不限於此等實施例。舉例而言，儘管已參考具有一特定形狀且定位於ESA 100之構成一熱源之一特定組件103上方之散熱塊10闡述了本發明，但本發明關於塊10之形狀或關於ESA 100之塊10自其移除熱之組件並不受限制。此外，儘管已參考本發明在一平行光學傳輸器模組中之使用闡述了本發明，但本發明可用於任何光學通訊模組中。由於數目增加之通道及組件導致了更嚴格之散熱要求之事實而已參考一平行光學通訊模組闡述了本發明。如熟習此項技術者鑒於本文中所提供之說明將理解，可對本文中所闡述之實施例做出諸多修改，同時仍達成本發明之目標，且所有此等修改皆在本發明之範疇內。

1‧‧‧光學子總成

2‧‧‧光學子總成主體

2a‧‧‧頂部表面

2d‧‧‧周邊部分/隆脊

2d'‧‧‧下部表面/底部表面

10‧‧‧散熱塊/塊

10a‧‧‧頂部表面

10b‧‧‧底部表面

100‧‧‧電氣子總成

101‧‧‧電路板

101a‧‧‧頂部表面

101b‧‧‧下部表面

101b'‧‧‧焊料球

102‧‧‧垂直腔表面發射雷射二極體(VCSEL)陣列

103‧‧‧積體電路/第一積體電路/組件

103a‧‧‧頂部表面

106‧‧‧環氧樹脂流動區

110‧‧‧平行光學通訊模組

111‧‧‧環氧樹脂

120‧‧‧氣隙

w‧‧‧寬度

Claims (16)

1. 一種光學通訊模組，其包括：一電氣子總成(ESA)，其包括具有至少一頂部表面及一底部表面之一第一電路板、安裝於該第一電路板之該上部表面上之至少一第一電氣組件及安裝於該第一電路板之該上部表面上之至少一第一光電子組件，其中該第一電氣組件及該第一光電子組件中之至少一者構成至少一第一熱源；一光學子總成(OSA)，其與該ESA機械耦合，該OSA包括用於在該光學通訊模組之至少一個光纖之一端與該第一光電子裝置之間光學耦合光學信號之複數個光學元件，該OSA具有至少一頂部表面及一底部表面且具有形成於其中之一空隙，該空隙延伸穿過該OSA且穿過該OSA之該等頂部及底部表面；及一散熱塊，其安置於該OSA之該空隙中，該散熱塊包括一高導熱率材料且具有至少一頂部表面及一底部表面，該散熱塊之該頂部表面大體在實質上平行於其中該OSA之該頂部表面大體所處之一平面之一平面中，該散熱塊之該底部表面大體在實質上平行於該OSA之該底部表面之一平面中，該散熱塊之該底部表面藉由一小氣隙與該第一熱源之一頂部表面間隔開，且其中由該第一熱源產生之熱之至少一部分橫跨該氣隙且傳遞至該散熱塊中。
2. 如請求項1之光學通訊模組，其中該氣隙具有對應於該第一熱源之該頂部表面與該散熱塊之該底部表面之間的一距離之一寬度w，且其中該寬度w介於自大約80微米至大約200微米之範圍內。
3. 如請求項2之光學通訊模組，其中該寬度係大約150微米。
4. 如請求項1之光學通訊模組，其中該光學通訊模組係一平行光學 通訊模組，且其中該第一電氣組件係一第一積體電路(IC)裝置且其中該第一光電子組件係一光電子元件陣列。
5. 如請求項1之光學通訊模組，其中該散熱塊由銅製成。
6. 如請求項1之光學通訊模組，其中該散熱塊之該頂部表面大體所處之該平面係一X、Y、Z笛卡爾座標系統之一第一Y-Z平面，且其中該OSA之該頂部表面大體所處之該平面係該X、Y、Z笛卡爾座標系統之一第二Y-Z平面，該第一Y-Z平面及該第二Y-Z平面彼此平行。
7. 如請求項1之光學通訊模組，其進一步包括：一外部散熱裝置，其與該模組機械耦合以使得該外部散熱裝置之一底部表面與該散熱塊之該頂部表面直接接觸，且其中流動至該散熱塊中之該熱之至少一部分隨後流動至該外部散熱裝置中。
8. 如請求項1之光學通訊模組，其中該OSA包括一經模製塑膠。
9. 一種用於在一光學通訊模組中耗散熱之方法，該方法包括：將一光學通訊模組之一光學子總成(OSA)與該光學通訊模組之一電氣子總成(ESA)機械耦合，該OSA具有形成於其中之一空隙，該空隙延伸穿過該OSA之頂部及底部表面，該空隙具有安置於該空隙中且固定地緊固至該OSA之一散熱塊，其中該ESA包括具有至少一頂部表面及一底部表面之一第一電路板、安裝於該第一電路板之該頂部表面上之至少一第一電氣組件及安裝於該第一電路板之該頂部表面上之至少一第一光電子組件，其中該第一電氣組件及該第一光電子組件中之至少一者構成至少一第一熱源，其中該散熱塊包括一高導熱率材料且具有至少一頂部表面及一底部表面，該散熱塊之該頂部表面大體在實質上平行於其中該OSA之該頂部表面大體所處之一平面之一平面中，該散 熱塊之該底部表面大體在實質上平行於該OSA之該底部表面之一平面中，該散熱塊之該底部表面藉由一小氣隙與該第一熱源之一頂部表面間隔開，且其中由該第一熱源產生之熱之至少一部分橫跨該氣隙且傳遞至該散熱塊中。
10. 如請求項9之方法，其中該氣隙具有對應於該第一熱源之該頂部表面與該散熱塊之該底部表面之間的一距離之一寬度w，且其中該寬度w介於自大約80微米至大約200微米之範圍內。
11. 如請求項10之方法，其中該寬度係大約150微米。
12. 如請求項9之方法，其中該光學通訊模組係一平行光學通訊模組，且其中該第一電氣組件係一第一積體電路(IC)裝置且其中該第一光電子組件係一光電子元件陣列。
13. 如請求項9之方法，其中該散熱塊由銅製成。
14. 如請求項9之方法，其中該散熱塊之該頂部表面大體所處之該平面係一X、Y、Z笛卡爾座標系統之一第一Y-Z平面，且其中該OSA之該頂部表面大體所處之該平面係該X、Y、Z笛卡爾座標系統之一第二Y-Z平面，該第一Y-Z平面及該第二Y-Z平面彼此平行。
15. 如請求項9之方法，其進一步包括：將一外部散熱裝置與該模組機械耦合以使得該外部散熱裝置之一底部表面與該散熱塊之該頂部表面直接接觸，且其中流動至該散熱塊中之該熱之至少一部分隨後流動至該外部散熱裝置中。
16. 如請求項9之方法，其中該OSA包括一經模製塑膠。