TWI269086B - Optical assembly structure and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

!269〇86 致、發明說明： _【發明所屬之技術領域】 本發明之範畴是將諸如垂直共振腔面射型雷射（VCSEL) 陣列之光源聚集至含有傳送鏈及光發送總成之基板。 •XA前技術】 當高容量的數位系統擴大它們在光互連之使用時，一種 對可製造的光學連結系統的需求因而增加。 高容量系統典型地具有一種連接一些系統電路板之備援 方案。這樣的系統包含諸如VCSEL之光源陣列，其產生光 線，此光線被調變以載送資料，且被導向不同的位置，在 此諸如光電二極體之偵測器將調變光射線轉換成傳統數位 處理系統中所能處理之電子信號。 在此領域中一種重複出現問題是光連結器系統中的未調 2。增加雜訊水平或使得信號變得不可偵測之信號衰減時 常發生。精準的調準系統需要昂貴的設定費用及固定的保 養。 此技術將得益於被動調準系統，其使用以低成本所製造 且具有光學微影精準之自我調準結構。 本發明係關於一種調準系統，用於將一光源陣列以調準 万式聚集至系統電路板上的一組光學傳送總成。 本發明的一個特色是光學晶片上的構造物， 一 動調準特徵之光源陣列。 被 本發明的一個特色是提供一種簡單單元，其包含一透鏡 86247 1269086 陣列，其與光源陣列調準且被設置具有調準組件，該組件 與光學晶.片上被動對準功能連結。 本發明的另一個特色是提供一種可替換的光學切換結 構，其插入一插座，與透鏡陣列相配，用於接收來自 陣列之光射線且將它導向至系統基板上的不同位置。 本發明的另一個特色是一種用於固定一邏輯晶片及一光 學晶片於一晶片載具上之結構，光學晶片被固定在載具面 向載具被固足於其上之系統基板的面上，所以光射線從光 子日日片上的光源以直線路徑行進進入基板上的光學傳送導 管。 、 一【實施方式] 圖1至3以平視及側視顯示一個三層模組，其組成一 VCSEL 陣列、一個對應的透鏡陣列及另一個對應的光學操縱器陣 列，該操縱器陣列調整或切換光線。在圖丨八及1B中，在晶 粒10上的MxN VCSEL陣列15-i產生光射線。一環繞陣列之 帶狀物12作為例證地是由金屬薄膜所組成，在其上可以應 用錫鉛焊錫。基準標記17被顯示當作一例子。標記17被使 用來在精確期間中在視覺觀察下排列晶粒。其他標記用於 自我調準。這被顯示於圖⑺中之側視。例如，晶粒1〇是由 鎵坤所製成且具有在其中所形成之傳統VCSEL。連至VCSEl 的傳統電導線自圖中為了簡化被省略。 圖2A及2B顯示下一層是通常被稱為光轉換單元之總成， 其中一透鏡陣列25-i，被稱為光轉換裝置，被與VcSEl陣列 對準。作例證地，光學單元20之材料是聚合物或玻璃，對 86247 1269086 來自雷射陣列之光射線是透明的且能夠抵抗攝氏240度的高 溫’在此溫度下焊錫12被回流。根據由半導體微影技術所 形成之模型，它被以傳統精準技術塑造。 例如’陣列中個別的透鏡可以被形成如菲涅爾透鏡 (Fresnel lens)且圖2B中側邊上突出框邊23自矽化物被蝕刻 如一鑄模材料。由於半導體蝕刻及成形技術的使用，光學 透鏡之定義及定位可以容易地被達到i 〇微米之公差，成功 地符合光學系統的需求。 圖2 A中的片狀物22亦是由焊錫所形成，其被電鍍於框邊23 的底邵上。在圖2B中模組20的上表面上，柱螺栓24(被動調 準結構）以彳政影技術被形成且然後被製模。替代地，柱螺检 可以在模組2 0被製模之後被银刻進入模組之材料中，當模 組最出被製成時對準被置於模型中之基準標記。 作為例證地，晶粒10與模組20之間的對準是由框邊23(定 我一第一尺寸）所提供’其配合一台階之垂直邊緣13，其被 触刻進入晶粒1 〇的頂端，這樣定義第一尺寸。因此，晶粒i 〇 外面的框邊被隱藏，例如1〇毫微米（μιη)，且模組2〇之框邊23 包圍晶粒之突出中央，且橫向地置於透鏡與VCSEL陣列之 間’因為晶粒1 〇台階之蝕刻及模組2〇之模型中框邊之形成 以高機械精準被完成，垂直距離亦被設定在大約5〇微米内。 此被動自我调準系統具有部件1 〇及2 〇拼在一起的優點。因 為在此申請案中所需要之非常精準的公差及被結合部件之 不同係數熱膨脹，總成最好在低於攝氏230度C的組裝溫度 下被完成，以至於在市溫下部件之間的任何應力是在可接 86247 1269086 受的限制内。 透鏡的的焦距被設定，以致光射線被結合進入圖3八及3B 光轉換總成35上的接收部25。堆疊之此上部單元具有將由 透鏡25-i所合併之光射線結合進入總成35内的一組波導管、 布拉格反射鏡（Bragg reflectors)、鏡子及其他光學操縱器。 總成3 5的功能是處理光射線，例如以一資料位元流將它士周 變。在此圖中，總成35被概要地顯示成一長方形。光射線 從總成35被結合進入系統電路板中之傳統波導管内，為顯 示於.此圖中。 圖3中之外罩3 0是可插拔的，意思是它可以被用手插入且 移除’容易更換。個別的部件是可以被移除的，以便提供 設計上的彈性。單元3 0得用於互連至一光纖陣列，或一光 路由元件等。 盒子3 5可以市一被動光路由器，諸如格彳冊、透鏡等。再 一替代實施例中，它亦可以具有液晶閥陣列。 與可連接器3 0之可移除性質相比，模組2 〇藉由回銲被黏 合至晶粒10。銲錫可以被再熔化，但是設計的設想是這是 一種一次黏合。再次參看連接器30，鑲嵌結構34與模組20 上的對應結構24配成對。例如，插塞（piUg)24在截面圖中是 圓形的（它們可以替代地是例如1毫米的正方形）且配對插座 3 4具有與插塞24相稱的圓洞，其公差非常低。一旦被製成， 總成將以環氧化物或銲錫被保持在一起。單元2〇與3〇之間 的介面亦在一預定溫度下被完成，因為柱螺栓24與插座34 之間的間隙只有在一溫度下將相稱。 86247 1269086 現在參看圖4，其顯示本發明另一實施例之截面圖，其中 電路板110代表一種在數位系統中之印刷電路板或任何其他 用於電子晶片裝置之支撐物。電路板U〇含有光波導l2〇_i 及120-2，和晶片之間的平常電互連一樣。在圖的上部，晶 片220代表一些處理資料之電子晶片，透過接點221連接信 唬及電力。晶片220被黏合至一陶瓷晶片載體21〇，或任何 其他封裝單元，其含有模置於其内之電互連。在面朝系統 電路板120之載體側面上，一光學晶片23〇,藉由金屬導線232 被電連接，發射光射線進入波導12〇-1及12〇-2。替代地，晶 片230可以利用錫球之，，覆晶，，方法被固定至載體21〇，其提 供電連結與機械連結。光射線轉換亦可以是雙向的，以晶 片23 0上的感光二極體接收來自電路板u〇之光射線。 有利地，光晶片230含有一 VCSEL陣列，類似圖！中晶片1〇 的VCSEL陣列’具有與晶片平面成直角被導引之光射線。 再此貫施例中’光射線通過晶片2 3 0與波導12 0之間的空氣 間隙。那些精通此技藝者將知道如圖1所顯示之透鏡、鏡子 等可以被置於雷射與波導之間以增進耦合。 如果有需要，在此實施例中，光源與波導之間的直接傳 送有助於VCSEL陣列之組合或更換。如果必要，可以使用 一種諸如圖1A中回銲22之焊接。 在兩個實施例中，VCSEL的易碎性可以藉由製造強化組 件被解決，其使用來自"後端，，的半導體技術，在晶片的被 面上沉澱一金屬層且將它蝕刻，形成抗機械應力之強化組 件，這些機械應力會使晶粒破裂。 86247 -10- !269〇86 雖然本發明已經就單一較佳實施例被說明，但是那些精 通此技聲者將認清本發明可以以不同的版本被實施而不會 達背下列申請專利範圍之精神及範疇。 簡軍說明】 圖1A至3 B以平面及側面視圖顯不本發明弟'一貫施例中之 層。 圖4以部分繪畫地、部分概念地顯示本發明第二實施例之 外形。 表符號說明】 10 晶粒 12 帶狀物 13 垂直邊緣 15-i 垂直共振腔面射型雷射 17 基準標記 20 模組 22 回銲 23 突出邊框 24 柱螺栓 25 接收部 25-i 透鏡 30 連結器 34 鑲嵌結構 35 光轉換總成 36 柱螺栓 86247 -11 -

Claims (1)

1269086 第 092117808 號專利申請案 kit賴 中文申請專利範圍替換本(95年]1月） 拾、申請專利範圍： 1. 一種光學總成結構，其用於一垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL)陣列至一電路板之連結，包含： 一 VCSEL晶粒，其包含該VCSEL陣列，該陣列被晶粒上 部表面上的金屬化結合缝環繞； 一精密光學轉換單元，在其底部含有一相對應結合缝相 對應該VCSEL晶粒上之金屬化結合缝及其上部表面上之 第一被動調準結構陣列，該轉換單元含有光學轉換裝，用 於轉換自該VCSEL陣列所發射之光射線；及 一可插拔光學連接器，其具有插於其孔洞内之一光學傳 送單元，在其底部表面上與該光學轉換單元該上部表面上 該被動調準結構陣列相配之一連鎖插座陣列及在其上部表 面上用於與電路板相配之一第二被動調準結構陣列。 2. 如申請專利範圍第1項之總成結構，其中該光學轉換單元係 透鏡，其將由該VCSEL陣列所發射之光射線聚焦至該光學 轉換單元。 3. 如申請專利範圍第1項之總成結構，其中該VCSEL陣列及 該光學轉換單元已經被結合在一起。 4. 如申請專利範圍第3項之總成結構，其中該VCSEL陣列及 該光學轉換單元已經在一結合溫度下被結合在一起，以致 在該VCSEL晶粒上之第一面積匹配在該轉換單元上之相 對應第二面積。 5. 如申請專利範圍第4項之總成結構，其中該結合溫度小於攝 氏230度。 1269086 6. 如申請專利範園第1項之總成結構，其中包含該VCSEL晶 粒及該光學轉換單元之一模組插入該光學連結器，因此該 模組在製造後可以被替換。 7. 如申請專利範圍第3項之總成結構，其中包含該VCSEL晶 粒及該光學轉換單元之一模組插入該光學連結器，因此該 模組在製造後可以被替換。 8. 如申請專利範圍第7項之總成結構，其中該光學連接器包含 一被動光學路由器，適用於連接至該電路板上的一組光學 傳送組件。 9. 如申請專利範圍第8項之總成結構，其中該光學傳送組件包 含在電路板中所形成之波導。 10. —種製造一光學總成結構之方法，該結構將含有VCSEL 陣列之VCSEL晶粒連結至一電路板，該方法包含步騾有： 提供一含有該VCSEL陣列之VCSEL晶粒，該陣列被其上 部表面上之一金屬化結合缝環繞； 提供一光學轉換單元，其包含在其底部上對應該VCSEL 晶粒上該金屬化結合缝之一對應結合缝及在其上部表面上 被配置與該VCSEL陣列相對準之第一被動調準結構陣 列，該轉換單元包含光學轉換裝置，其用於將自該VCSEL 陣列所發射之光射線轉換； 將該光學總成及該光學轉換單元結合形成一光源模 組；且 將該光源模組插入一可插拔光學連接器，其具有一被插 入其孔中之光學操縱單元，在其下表面之一連扣插座陣 86247-950113.doc -2- 1269086 列，與該光學轉換單元該上表面之該被動對準結構相配， 及在其上表面上用於與該基板相配的第二被動對準結構， 因此該光學模組可以被取代。 11 ·如申請專利範圍第1 〇項之方法，尚包含在該結合步驟之前 測試該VCSEL陣列之步騾。 12·如申請專利範圍第1〇項之方法，尚包含在該結合步驟之後 測試該光學模組之步驟。 13 ·如申請專利範圍第11項之方法，尚包含在插入該光學模組 之前測試該光學操縱單元之步驟。 14.如申請專利範圍第1〇項之方法，其中該結合步驟包含在該 結合縫上所沉積之金屬的回焊。 15·如申請專利範圍第10項之方法，其中該VCSEL陣列及該光 學轉換單元已經在結合溫度下被結合在一起，以致在該 VCSEL晶粒上的第一面積與該轉換單元的第二面積相符 合。 16.如申請專利範園第15項之方法，其中該結合溫度小於攝氏 230 度。 86247-950113 .doc 1269086

第092117808號專利申請案 中文圖式替換頁(94年3及}

圖 3A 30 互補金氧半邏輯晶片 -220 .221 130 120-2 模組 雷射晶片 次― ,210 230 232 〆 120-1 110 周4 86247 -2-