CN110850534A - 一种光收发模块及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光收发模块及其封装方法，光收发模块包括印刷电路板，印刷电路板设有通槽，通槽下方固定设置有铁片，铁片上表面固定设有陶瓷基板，陶瓷基板表面贴装有垂直腔面发射激光器、面接收探测器、激光器驱动芯片、跨阻放大芯片以及光纤阵列，陶瓷基板及其表面安装的各个部件通过环氧树脂黑胶覆盖封装。本发明的光收发模块具有低成本，可靠性高，散热性能良好，并且结构紧凑，可扩展性强等诸多优点。

Description

一种光收发模块及其封装方法
技术领域
本发明涉及一种光收发模块及其封装方法，具体涉及一种集成光收发模块，属于光纤通信技术领域。
背景技术
光收发模块作为高速大容量互联传输的解决方案之一，在无线基站，以太网组网，数据中心，以及近年来新兴的5G传输构架等领域中均有着广泛的应用。其技术与成本相比于传统的利用铜走线进行信号的传输具有相当的优势。基于传统的铜走线构成的电缆有笨重，弯曲半径大，功耗高，传输距离短，速率低等缺点。而光收发模块利用光进行信号的传输相比之下有众多优势，比如在链路上传输功率更低，重量仅为直连铜缆的四分之一，体积约为铜缆的一半，弯曲半径可以做的更小，在机房布线更方便，具有空气流动散热性更佳，传输距离更远等优势。
光收发模块的核心部分之一就是光器件的封装。目前，市场上诸多光收发模块，采用的是TOSA和ROSA分立封装的形式，大量占用了模块内有限的设计空间，压缩了印刷电路板PCB设计的灵活性，散热设计复杂，并增加了整个模块组装的复杂度。
因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的光收发模块及其方法，以克服现有技术中的所述缺陷。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有低成本，高可靠性，散热性良好，并且结构紧凑，可扩展性强的光模块及其方法。
为达成上述目的，本发明提供一种技术方案：
一种光收发模块，包括至少一个光纤阵列、至少一个陶瓷基板、至少一个铁片、至少一片散热硅脂、至少一个垂直腔面发射激光器、至少一个面接收探测器、至少一个激光器驱动芯片、至少一个跨阻放大芯片、以及至少一块印刷电路板，其中所述印刷电路板设有通槽，所述铁片固定设置于印刷电路板的下表面，所述铁片位于通槽的下方，所述散热硅脂粘贴于铁片背面；
所述陶瓷基板固定设置于铁片上表面，所述垂直腔面发射激光器、面接收探测器、激光器驱动芯片以及跨阻放大芯片分别贴装于陶瓷基板表面，所述光纤阵列平行粘接于陶瓷基板表面，所述陶瓷基板及其表面安装的各个部件通过环氧树脂黑胶覆盖封装；
所述垂直腔面发射激光器和面接收光探测器通过折射率匹配胶与光纤阵列进行链接并实现信号传输，所述垂直腔面发射激光器与激光器驱动芯片电气连接，所述面接收探测器与跨阻放大芯片电气连接，所述激光器驱动芯片和跨阻放大芯片分别与印刷电路板电气连接。
进一步地，所述铁片通过紫外固化胶粘贴于印刷电路板通槽正下方。
进一步地，所述陶瓷基板上镀有金层和对准标记，所述激光器驱动芯片和跨阻放大芯片贴装于金层上，便于激光器驱动芯片和跨阻放大芯片的绑定打线；所述垂直腔面发射激光器和面接收探测器贴装于对准标记上，便于垂直腔面发射激光器和面接收探测器的精确定位。
进一步地，所述垂直腔面发射激光器、面接收探测器、激光器驱动芯片以及跨阻放大芯片分别通过银浆贴装在陶瓷基板表面。
进一步地，所述陶瓷基板通过银浆粘贴于铁片上，银浆可增强陶瓷基板与铁片之间的热传导。
进一步地，所述光纤阵列包括若干个平行设置的单模光纤，所述光纤用于耦合的端面呈45°角，且该端面上镀有金属膜以增强反射。
进一步地，所述印刷电路板上还设有微控制器芯片，所述微控制器芯片通过走线与印刷电路板上的焊盘形成电气连接。
进一步地，所述光收发模块还包括金属外壳，所述印刷电路板放置在金属外壳内，所述铁片背面粘贴的散热硅脂与金属外壳接触，加强模块整体散热。
本发明还提供一种技术方案：
上述光收发模块的封装方法，包括如下步骤：
(1)将所述铁片通过紫外固化胶粘贴于印刷电路板通槽正下方，并通过紫外曝光进行固定；
(2)将所述的垂直腔面发射激光器、面接收探测器、激光器驱动芯片以及跨阻放大芯片分别通过银浆贴装于陶瓷基板表面，并通过恒温箱烘烤固定；
(3)将完成贴片的所述陶瓷基板通过银浆粘贴于铁片上，并通过恒温箱烘烤固定；
(4)将所述光纤阵列平行粘接于陶瓷基板表面；
(5)用环氧树脂黑胶对陶瓷基板及其表面安装的各个部件进行封装；
(6)将散热硅脂粘贴于铁片背面，并使散热硅脂与用来放置印刷电路板的金属外壳形成直接接触。
进一步地，所述步骤(4)的具体步骤如下：在所述光纤阵列底部涂有低收缩率紫外固化胶，再将所述光纤阵列与垂直腔面发射激光器和面接收探测器进行耦合，耦合完成后用紫外光照射形成初步固定；然后在光纤阵列上的光纤和垂直腔面发射激光器、面接收探测器之间填充折射率匹配胶，再用紫外光照射进行固化。
本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：
1.本发明的光收发模块使得模块整体结构更紧凑，其解决了传统依靠分立器件封装的光收发模块的成本问题以及组装复杂度问题，具有高可靠性，可实现低损耗信号发射，且可扩展性强等优点。
2.本发明的光收发模块相比于传统的分立形式的光收组件，可有效降低成本，在大大缩小光学部分的体积的同时采用了陶瓷基板使得模块整体的热稳定性更好。
3.本发明的光收发模块及其封装方法具有耦合效率高，功耗低，组装方便，散热设计简单且散热性能良好等优点，因此可以大大提高光学设计部分的灵活性，如：方便集成波分复用功能等，并且大大减小光学部分封装体积。
附图说明
图1是本发明中光收发模块的整体效果图。
图2是本发明中光收发模块的立体结构示意图。
图3是本发明中印刷电路板和铁片的立体结构示意图。
图4是本发明中印刷电路板、铁片和陶瓷片的立体结构示意图。
图5是本发明中光收发模块的背面立体结构示意图。
图6是本发明中陶瓷基板镀金层后的示意图。
图7是本发明中垂直腔面发射激光器，面接收探测器，激光器驱动芯片以及跨阻放大芯片的贴片示意图。
图8是本发明中光收发模块的侧视图。
图9是本发明中光收发模块另一视角的侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。
实施例：一种光收发模块及其封装方法，如图1-9所示，光收发模块包括光纤阵列(Fiber Array，简称FA)1、陶瓷基板3、铁片4、散热硅脂12、垂直腔面发射激光器6、面接收探测器5、激光器驱动芯片8、跨阻放大芯片7以及印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)10，其中印刷电路板10表面设有通槽，印刷电路板10放置在金属外壳内。
其中，所述光纤阵列1支撑于陶瓷基板3上，两者通过低收缩率紫外固化胶14相粘接。所述陶瓷基板3支撑于铁片4上。所述铁片4位于印刷电路板10的通槽正下方，铁片4和印刷电路板10通过紫外固化胶相粘接。垂直腔面发射激光器6和面接收光探测器5分别贴装于陶瓷基板3上，陶瓷基板3上镀有金层3-1并镀有同样由金层形成的对准标记3-2。
具体的说，所述的光纤阵列1由12根单模光纤2平行放置组成，12根光纤2之间间隔固定为250μm，其用于耦合的端面被研磨成45°，并且该45°端面上镀有金属膜13，本实施例中采用的是电子束蒸镀法，金属膜13成分为金。
所述铁片4通过紫外固化胶贴至印刷电路板10上的通槽的正下方，并曝光于紫外灯下进行固化并固定。该实施例中铁片长宽均大于印刷电路板10长的通槽长宽3mm。
所述陶瓷基板3上对准标记3-2的相对位置由垂直腔面发射激光器6的光孔和面接受探测器5的光孔的相对位置决定，并且两组对准标记3-2要保持在同一直线上。本实施例中光纤阵列1中光纤2的间距为250μm，故采用的垂直腔面发射激光器6的光孔间距与面接受探测器5的光孔间距也均为250μm。
所述垂直腔面发射激光器6和面接受探测器5通过高精度贴片仪器贴装至对准标记3-2上，并通过粘接剂粘接在陶瓷基板3上；类似的，激光器驱动芯片8和跨阻放大芯片7也通过贴片仪器贴装至陶瓷基板3上镀有金层3-1的区域，通过粘结剂固定。本实施例中粘接剂采用的是银浆，在贴装完成后需放置恒温箱烘烤3到4小时。
所述陶瓷基板3在完成贴片(贴装垂直腔面发射激光器6、面接收探测器5、激光器驱动芯片8、跨阻放大芯片7)后，整体通过银浆粘贴于铁片4上(此时铁片4已经固定于印刷电路板10的通槽正下方)，并放入恒温箱将银浆烘烤至固定，使用银浆来连接陶瓷基板3和铁片4的目的是为了增强热传导。
所述陶瓷基板3贴片完成并固定后，将涂有低收缩率紫外固化胶14的光纤阵列1沿水平方向靠近陶瓷基板3，并通过不断调整光纤阵列1的位置直至耦合效率最高，此后不再调整光纤阵列1的位置，并利用紫外灯照射其涂有低收缩率固化胶14的区域，完成光纤阵列1的固定。
所述光纤阵列1完成固定后，再将适量的折射率匹配胶15填充至光纤阵列1中的光纤2和垂直腔面发射激光器6与面接收探测器5之间，以提高耦合效率，然后再利用紫外灯进行照射，从而完成二次固化。垂直腔面发射激光器6和面接收光探测器5与平光纤阵列1通过折射率匹配胶15链接并实现信号传输。
所述光纤阵列1在完成二次固化后，而后将环氧树脂黑胶11涂至整个陶瓷基板3上，将整个陶瓷基板3以及安装于陶瓷基板3上的光纤阵列1、垂直腔面发射激光器6、面接收探测器5、激光器驱动芯片8、跨阻放大芯片7封装起来，完成最后的气密性封装，以增强模块的可靠性和散热性能。
所述散热硅脂12在气密性封装完成后粘贴于铁片4的背面，以便与用来放置整个印刷电路板10的金属外壳形成直接接触，加强散热。
所述陶瓷基板3上的垂直腔面发射激光器6和面接收探测器5通过金线超声焊分别与激光器驱动芯片8和跨阻放大芯片7形成电气连接。
所述陶瓷基板3上的激光器驱动芯片8和跨阻放大芯片7通过金线超声焊与印刷电路板10通槽周围的焊盘形成电气连接。
所述印刷电路板10上的微控制器芯片9通过走线与通槽周围的焊盘形成电气连接，从而完成整个收发模块内的电气连接。
本发明形成的光收发模块工作原理如下：经调制的外部高速电信号经印刷电路板10进入到位于陶瓷基板3上的激光器驱动芯片8中，激光器驱动芯片8把由外部传来的电信号处理成适合于驱动垂直腔面发射激光器6的电信号，垂直腔面发射激光器6经激光器驱动芯片8驱动以后，将外部传来的电信号转换为光信号，并通过光纤阵列1发射出去，完成电到光的转换。类似的，由外部传入光纤阵列1的高速调制光信号，经由面接收探测器5接收，将光信号转变成微弱的电信号，再由跨阻放大芯片7对微弱的电信号进行限幅放大，增益控制，预加重等处理，从而形成适合与上位机(如交换机)进行通信的电信号，完成光到电的转换。
以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光收发模块，其特征在于，包括至少一个光纤阵列、至少一个陶瓷基板、至少一个铁片、至少一片散热硅脂、至少一个垂直腔面发射激光器、至少一个面接收探测器、至少一个激光器驱动芯片、至少一个跨阻放大芯片、以及至少一块印刷电路板，其中所述印刷电路板设有通槽，所述铁片固定设置于印刷电路板的下表面，所述铁片位于通槽的下方，所述散热硅脂粘贴于铁片背面；
所述陶瓷基板固定设置于铁片上表面，所述垂直腔面发射激光器、面接收探测器、激光器驱动芯片以及跨阻放大芯片分别贴装于陶瓷基板表面，所述光纤阵列平行粘接于陶瓷基板表面，所述陶瓷基板及其表面安装的各个部件通过环氧树脂黑胶覆盖封装；
所述垂直腔面发射激光器和面接收光探测器通过折射率匹配胶与光纤阵列进行链接并实现信号传输，所述垂直腔面发射激光器与激光器驱动芯片电气连接，所述面接收探测器与跨阻放大芯片电气连接，所述激光器驱动芯片和跨阻放大芯片分别与印刷电路板电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种光收发模块，其特征在于，所述铁片通过紫外固化胶粘贴于印刷电路板通槽正下方。
3.根据权利要求1所述的一种光收发模块，其特征在于，所述陶瓷基板上镀有金层和对准标记，所述激光器驱动芯片和跨阻放大芯片贴装于金层上，所述垂直腔面发射激光器和面接收探测器贴装于对准标记上。
4.根据权利要求3所述的一种光收发模块，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器、面接收探测器、激光器驱动芯片以及跨阻放大芯片分别通过银浆贴装在陶瓷基板表面。
5.根据权利要求1所述的一种光收发模块，其特征在于，所述陶瓷基板通过银浆粘贴于铁片上。
6.根据权利要求1所述的一种光收发模块，其特征在于，所述光纤阵列包括若干个平行设置的光纤，所述光纤用于耦合的端面呈45°角，且该端面上镀有金属膜以增强反射。
7.根据权利要求1所述的一种光收发模块，其特征在于，所述印刷电路板上还设有微控制器芯片，所述微控制器芯片通过走线与印刷电路板上的焊盘形成电气连接。
8.根据权利要求1所述的一种光收发模块，其特征在于，所述光收发模块还包括金属外壳，所述印刷电路板放置在金属外壳内，所述铁片背面粘贴的散热硅脂与金属外壳接触。
9.如权利要求1所述的光收发模块的封装方法，其特征在于，所述封装方法包括如下步骤：
(1)将所述铁片通过紫外固化胶粘贴于印刷电路板通槽正下方，并通过紫外曝光进行固定；
(2)将所述的垂直腔面发射激光器、面接收探测器、激光器驱动芯片以及跨阻放大芯片分别通过银浆贴装于陶瓷基板表面，并通过恒温箱烘烤固定；
(3)将完成贴片的所述陶瓷基板通过银浆粘贴于铁片上，并通过恒温箱烘烤固定；
(4)将所述光纤阵列平行粘接于陶瓷基板表面；
(5)用环氧树脂黑胶对陶瓷基板及其表面安装的各个部件进行封装；
(6)将散热硅脂粘贴于铁片背面，并使散热硅脂与用来放置印刷电路板的金属外壳形成直接接触。
10.根据权利要求所述的封装方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体步骤如下：在所述光纤阵列底部涂有低收缩率紫外固化胶，再将所述光纤阵列与垂直腔面发射激光器和面接收探测器进行耦合，耦合完成后用紫外光照射形成初步固定；然后在光纤阵列上的光纤和垂直腔面发射激光器、面接收探测器之间填充折射率匹配胶，再用紫外光照射进行固化。
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