平面光波電路的電氣互聯的製作方法

2023-10-17 15:40:39

專利名稱：平面光波電路的電氣互聯的製作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及在一個集成組件中的光學部件與電子部件的連接，尤其涉及光學部件與電學部件的電氣互聯。
背景技術：
隨著光纖在通訊系統中應用的增加，在光纖的應用中越來越需要高光學部件和電學部件有較高的集成度。此外，部件本身也越來越複雜。傳統的導線連接通常使用直徑為25到33微米(μm)的金線來連接電氣線路，例如平面光波電路連接到集成組件的引腳。例如直徑為25微米、長度為2.5mm的導線的機械諧振頻率約為2.2kHz。質量控制測試，如Bellcore質量鑑定測試，要求從10Hz到2kHz頻率範圍內的振動測試。採用現有技術中相對長的導線，隨著接近或達到振動頻率時，由于振動而導致導線接頭可能斷開或鬆開，從而引起封裝的部件的故障。為了緩和該問題，將互聯導體的長度縮短為大約1mm，使這種導體的振動頻率上升到大約5kHz。現有技術領域的該技術被稱為「縫合」，雖然減少或消除了因振動而引起的部件故障，但是它增加了接頭的數目，並需要用於較短串聯耦合導體互聯的島焊點。
連接光學部件與電學部件的另一方法是使用饋線，該饋線是印在沿集成組件延伸的襯底上的導體。對於諸如熱-光8×8開關的部件，能夠產生超過200個電氣連接。線路必須具有足以保持其相對低電阻的尺寸，以避免寄生加熱，而同時在鄰近的線路之間必須有足夠的空間，以防止電串擾。這些因素導致集成組件可觀數量表面積的消耗，而減少了因利用分離電導體而引發的一些內在的問題，使用平行饋線不能產生緊湊的混合集成組件。
因此，就需要適用於單個集成組件中光學/電學器件的封裝技術和結構，該集成組件能緩和現有技術中導線粘結和連接技術的問題。

發明內容
本發明的互聯繫統提供了光/電部件的集成組件，光/電部件包括一個光學部件和一個或多個與光學部件相間隔的絕緣材料的橋。電學部件裝配在與光學部件相反一側的橋上。通過穿過電橋延伸的電鍍通孔連接，實現電學部件與面向光學部件一側橋上的導體的電連接。使用相對短的電導體，使光學部件與電學部件互聯，並且使光學或電學部件與集成組件延伸出的連接引腳相連接。
在本發明的另一實施例中，設置了一個或多個橋，使得橋的電導體直接接觸耦合到連接引腳。該連接引腳使用導電粘結媒介，如導電膠材料或焊料。橋第二側上的電觸點採用穿過橋的電鍍通孔連接耦合到橋的第一側，並耦合到電學部件，該電學部件通過相對短的導線連接耦合到光學部件。
在本發明的又一實施例中，電橋包括集成組件中面向光學部件一側上的多個電導體或觸點。使用導電粘結媒介，如導電膠或焊料，直接完成光學器件和面向光學部件的橋表面上的觸點與連接器引腳之間的電接觸。通孔連接將橋第一側上的導體與裝配在橋第二側上的電學部件耦合。該結構去除了電學部件和光學部件之間以及這兩種部件與連接器引腳之間的導線連接。在每個實施例中，可大大減小或去除了電/光集成組件中導線接頭的數目，產生了更經濟更可靠的部件。
在以下詳細描述中將進一步給出本發明的其它特徵和優點，通過以下結合權利要求和附圖所述發明的討論和理解使本領域熟練的技術人員對本發明的其它特徵和優點是顯而易見的。
應該理解到以上描述僅僅是本發明的舉例，它試圖提供理解如所述本發明的特性和特徵的概述。所包含的附圖用於提供對本發明進一步的理解，並作為本說明書的一部分。


了本發明的各種特徵和實施例，它和描述一起用於解釋本發明的原理和操作。

圖1是使用本發明的平面光波電路的局部透視圖；圖2是根據本發明第一實施例平面光波電路的集成組件的局部頂視圖；圖3是沿圖2中剖面線III-III截取的，如圖2所示平面光波電路封裝的局部示意性的剖面圖；
圖4是根據本發明第二實施例平面光波電路的集成組件的局部頂視圖；圖5是沿圖4中剖面線V-V截取的，如圖4所示集成組件第二實施例的剖面圖；圖6是根據本發明另一實施例平面光波電路的集成組件的局部頂視圖；和圖7是沿圖6中剖面線VII-VII截取的，圖6中所示集成組件實施例的剖面圖。
較佳實施例的詳細描述本發明涉及諸如光學開關等平面光波電路的封裝，該電路主要包括必須在其中進行電連接的電學部件，如電阻加熱器。此外，經常將這些器件與其它電學部件，如發光二極體、電阻器、電容器或其它無源電學部件，封裝在一起，在通訊網絡中，平面光波電路耦合到這些電學部件。圖1顯示了馬赫-曾德耳結構的2×2光學開關10，用以說明本發明可以使用的平面光波電路類型。
如圖1所示，開關10包括可覆蓋石英包層14的矽襯底12。一對波導16和18嵌入在包層14中。第一輸入光纖20和第二輸入光纖22分別耦合到波導16和18。在耦合器24中波導16和18粘結，耦合器24構成了馬赫-曾德耳幹涉儀的一部分。通過電連接29和31向熱阻元件28施加來自電源(表示為電池32)的電功率，使得熱阻元件28的選擇性地控制幹涉儀一條腿的長度，用於將輸入I1或輸入I2切換到輸出O1或輸出O2。第二耦合器34使馬赫-曾德耳幹涉儀26的一條腿粘結，使得輸出波導36和38分別耦合到第一輸出光纖40和第二輸出光纖42。眾所周知，通過將電功率施加到熱阻元件28，可以將光纖20上的輸入信號從光纖40的輸出端切換到光纖42，類似地，輸入光纖22的輸入信號可以被切換到輸出端40或42。
在該2×2開關中，在熱阻元件28上安排兩個電氣互聯。對2×8的開關來說，就會有7個熱阻元件，並需要14個連接，而在更複雜的開關中，如8×8的開關，就有112個加熱元件並需要224個電連接。因此，隨著諸如電路10的平面光波電路尺寸的增加以及複雜性的增加，平面光波電路自身的電連接的數目也增加。此外，採用這種電路，諸如電阻器、電容器、LED等無源電學部件或與平面光波電路一同使用並與器件同一集成組件中的其它分離電學部件的數目會顯著增加。
過去，正如背景中所提到的，分離的電連接的實現採用了提供這種連接的相當長金線、較短「縫合」導線，或印刷饋線的導線粘結的電路板。本發明的系統提供了獨特的集成組件，它消除了導線粘結斷開的問題和加熱產生的問題，並提供了光/電部件的高密度封裝。
現在參考圖2，其中顯示了實施本發明的封裝光/電部件50，其中去除了頂蓋，使得能夠清楚地看見集成組件內部。集成組件包括由鐵、鎳、鈷的合金Kovar製成的鍍金外殼52。然而，外殼也可以由其它材料製成，包括合適的聚合材料。外殼52具有多個導電引腳54，通常引腳54穿過集成組件50中的貫通絕緣體51延伸，以實現集成組件50內部部件的電連接。集成組件包括耦合到光學部件的輸入光纖束56和輸出光纖束58，光學部件諸如開關60的平面光波電路，它可以是具有如圖1所示的馬赫-曾德耳結構的2×2開關，或者是具有多個輸入端和輸出端的多種開關，或者是需要連接到電導體的任何其它光學部件。可調光纖布拉格光柵和光學放大器僅僅是這種光學部件的實例。
集成組件50包括帶有絕緣材料墊片62的肩64(圖3)，它位於光學部件60的相對側，用於支撐接觸引腳54。肩64還支撐一對平面橋70、71，在相符的實施例中，平面橋包括由鋁(Al2O3)、陶瓷、玻璃或其它諸如光纖環氧的合適材料組成的絕緣材料。橋70、71通過適當的粘合劑固定在外殼52的肩64上。在所示的實施例中，橋構成了一般的平面矩形部件，其寬度略小於集成組件50的內部寬度，它位於肩64上，選擇其長度以支撐耦合到光學部件60或引腳54所期望數目的電學部件或導體，在較佳實施例中，橋的厚度約為0.5到1mm。橋70、71具有位於光學開關60上的第一表面72，光學開關和第一表面間隔距離約為25到100μm，以及相對的或上表面74可以容納電學部件80，如電阻器、電容器、互阻抗放大器、光電二極體等等。橋70包括一對允許導體填入的通孔導體76，如短線導體75(＜1mm)將圖3所示的連接器引腳54之一耦合到連接通孔導體76的表面導體77，用於將電信號或功率從引腳饋送至橋70的下表面72上的導體78。使用通孔導體75將提供橋70的相對表面72、74之間較短的、無故障的直接耦合，使得連接器引腳54可以通過諸如長度小於大約1mm的導體75這樣較短的導體耦合到表面72或78上形成的圖形導體以通過附加的通孔連接器耦合到其它引腳連接器或部件。在橋70、71上按要求提供孔隙的地方形成通孔導體，其中採用導電材料來電鍍孔隙的邊緣，如在一些應用中為採用銅或金。通過絲網印刷、掩膜沉積或其它常規的工藝，形成橋表面上的導體77和78。
在圖2和3所示的實例中，導體75與橋70上表面74上的導體77、79相耦合，導體77、79還電耦合到通孔導體76和橋70下表面72上的導體78。導體79通過短線(小於1mm)導體73耦合到光學開關60上第一電阻加熱膜66的一端61。膜66的另一端通過短線67(圖2)耦合到橋71上的導體77』，並通過另一短線68耦合到連接器引腳54。因此，橋70，71提供了方便於印刷導體和部件的安裝平臺，以消除了較長的或多線連接，並允許將來自一對連接器引腳54的控制信號饋送至光學部件60的控制加熱器66。正如圖2和3所示，第二加熱器66』通過橋70、71類似地耦合到與加熱器66』關聯的連接器引腳54。
除了將連接器引腳54耦合到光學部件60的電觸點之外，橋70、71還提供了將另外的電學部件及其與光學部件60電連接的物理安裝平臺。在圖2中，例如電阻器80安裝在橋70的表面74上，並耦合在上導體79和79』之間。可以類似地安裝其它電學部件，並通過較短的電導體和通孔導體耦合到橋70、71表面上的導體。因此，通過使用橋70和從橋的第一表面延伸到第二相對表面的通孔導體，允許較少的、相對短的導體將集成組件的外部引腳連接器耦合到光學開關。
可以理解，可以將多個部件安裝在相對大的橋70上表面74，橋70為這些部件提供了較大的安裝表面。在該實施例中，雖然使用較短的電導體，但是70、71使集成組件的尺寸最小化，而使電學部件的數量最大化，這些電學部件可以相對於光學部件接近地配置，通過提供電學和光學部件之間的短線連接，使得它們間很容易地互聯起來。
在圖4和5所示的另一實施例中，與圖2和3中所示的相同或類似的部分採用了相同的標號。在圖4和5所示的實施例中，通過採用導電粘合劑100、102印刷在橋70下表面72上的電學導體90、92的接合，使得用於連接在橋70上的電接觸直接向外延伸到引腳連接器54，以形成引腳連接器54和成對導體90、92之間的電接觸。粘合劑100、102可以是任何合適的導電膠，例如填充銀的環氧如EPO-Tek H20E。通過XY定位器上的膠劑分配注射器，或者通過絲網印刷術塗覆，將環氧覆蓋到橋70下表面72上的適當導體90、92。一旦覆蓋了環氧，將橋70(和橋71)對準地配置在集成組件52上，並且允許橋固化，以提供橋上電導體和連接引腳54之間的機械或電接觸，該橋具有預定圖形的導體90、92，該導體對應於並與如圖2和3中的實施例中所示電鍍通孔導體76通信。正如第一實施例，橋70的上表面74可以支撐多個電學部件80，這些電學部件可通過短線73、73』耦合到光學開關或其它光學部件60。通孔導體76通過上表面印刷導體79、79』向部件80提供外部連接器引腳54和導體90、92間的連接。應該理解到，對多極開關來說，只要用重複的方式來實現多個連接。在實施例通過將導體90、92直接粘結到連接器引腳54，去除了圖2和3實施例中的短線連接75。
在本發明的另一實施例中，採用了圖6和7所示的結構，完全去除了之前實施例中所用的相對短線導體。在該實施例中，使用單個橋70，它基本覆蓋了光學部件。導體90、92的圖形印刷在橋70的下表面上，並通過通孔導體76選擇性地與橋70的上表面或相反表面74上的電學部件80通信。採用如圖4和5實施例中的導電膠100、102，導體90、92的圖形直接耦合到集成組件50的外部連接引腳54。此外，這些導體通過104、106處的導電膠直接耦合到例如光學開關60上電阻元件66、66』的電接觸65。
因此，在橋70下表面72上的導體90、92上的導電膠圖形提供了光學部件與導體90、92的電連接，以及從導體90、92到外部連接引腳54的電連接，因此去除了所有分離的線連接。電鍍通孔導體76在橋70下表面72上的導體90、92之間延伸到上表面74上的導體79、79』，在上表面上安裝了電學部件，如電阻器80。橋70的下表面與光學部件60的間隔約為75到100μm，以確保粘合劑接觸導體90、92，並將導體90、92粘結到引腳54和光學部件60中電阻元件66、66』的觸點65。採用與第二實施例中所使用相同的粘合劑並使用注射器或絲網印刷的工藝來塗覆。
在每個實施例中，在光學部件上光學部件集成組件的外殼中對準地配置一個或多個橋，使橋上的電導體、光學部件上的接觸板和從集成組件延伸的連接器引腳之間的導線互聯最小化。通孔導體在橋的相對表面之間延伸，使得安裝在橋表面上的電導體和部件可能電耦合到光學部件。在本發明推符的實施例中，面對光學部件的橋表面具有導體，該導體使用導電膠可以直接耦合到光學部件的電觸點和外部接觸引腳，以去除各個光學和電學部件之間的導線連接。
對本領域熟練的技術人員顯而易見的是，不脫離以下權利要求書所定義本發明的精神和範圍，可以實現這裡所述本發明較佳實施例的各種變化。
權利要求
1.一種光學/電學器件，其特徵在於，它包括光學部件的外殼；光學部件，位於所述外殼中，並且其上具有至少一個電觸點；絕緣材料的平面構件，它安裝在所述外殼中，間隔地對準所述光學部件，所述構件包括面向所述電學部件的第一表面，和所述第一表面上的導體；以及導電粘結材料，它將所述導體直接耦合到所述光學部件的所述觸點。
2.如權利要求1所述的光學/電學器件，其特徵在於，還包括至少一個通孔連接器，它在所述第一表面和所述構件的相反表面之間延伸，用於將電導體與所述構件相反側上的部件相互耦合。
3.如權利要求2所述的光學/電學器件，其特徵在於，還包括電學部件，它安裝在所述構件的所述相反側上，並耦合到所述通孔連接器。
4.如權利要求3所述的光學/電學器件，其特徵在於，還包括連接器引腳，它從所述外殼延伸，用於耦合到所述電學部件和所述光學部件。
5.如權利要求4所述的光學/電學器件，其特徵在於，所述構件的所述第一表面上的所述導體向一個連接器引腳上延伸，並直接耦合到該引腳。
6.如權利要求5所述的光學/電學器件，其特徵在於，所述一個連接器引腳和所述導體通過導電粘結材料電耦合。
7.如權利要求6所述的光學/電學器件，其特徵在於，所述粘結材料是導電膠。
8.如權利要求1所述的光學/電學器件，其特徵在於，所述粘結材料是導電膠。
9.一種封裝光學/電學部件的方法，其特徵在於，包括以下步驟將具有電觸點的光學部件設置在外殼中；在絕緣材料橋上形成電導體；將所述絕緣材料橋間隔地對準光學部件；以及將所述橋上的所述電導體粘結到所述光學部件的所述電觸點。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，還包括將電學部件安裝與所述光學部件相反的所述橋表面上。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，還包括在橋的相反表面之間延伸至少一個通孔連接器。
全文摘要
電學/光學部件的集成組件包括光學部件(60)和間隔光學部件(60)安裝的一個或多個絕緣材料的橋(70,71)。將電學部件安裝在橋上與光學部件相反的一側上。通過穿過橋延伸的電鍍通孔連接,實現從電學部件到面向光學部件橋一側上導體的電連接。使用相對短的電連接器(73、73』、75、75』),使光學部件與橋上形成的導體互聯,並連接到從集成組件延伸的連接引腳(54)。
文檔編號G02B6/42GK1379863SQ00814537
公開日2002年11月13日 申請日期2000年9月15日 優先權日1999年10月19日
發明者D·希勒 申請人:康寧股份有限公司