CN114252965A

CN114252965A - 一种光模块

Info

Publication number: CN114252965A
Application number: CN202111572607.3A
Authority: CN
Inventors: 王久成; 李威; 李季; 许利伟; 左朋莎
Original assignee: China Aviation Optical Electrical Technology Co Ltd
Current assignee: China Aviation Optical Electrical Technology Co Ltd
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2022-03-29

Abstract

本发明涉及一种光模块，包括：外壳体，包括相连接的顶盖和底壳；高速印制板，位于外壳体内并安装在底壳上；电连接器，通过底壳的底面设置的开槽安装在高速印制板上；裸芯片，用于实现多通道高速电信号与光信号的相互转换，其贴装于散热板顶面，所述裸芯片通过金丝键合方式与高速印制板电性连接，散热板固定在底壳上；光纤阵列，一端与裸芯片耦合，另一端连接光接口。本发明通过优化散热路径，综合抗振设计和易于维护的优势，采用微组装工艺，设计了一款高带宽、宽温区、耐振动且易于维护的等优点的光模块，以满足下一代武器装备***的要求。

Description

一种光模块

技术领域

本发明属于数字光模块技术领域，特别涉及一种100G高可靠的特种数字光模块。

背景技术

现代高科技战争条件下，武器装备的可靠性越来越重要，随着近几年武器装备采用光链路***，光模块在***中大量应用，而商用光模块的高低温性能和耐振动性远不能满足现代化武器的要求。

目前武器装备中大数据的主流传输速率在单通道10.3125Gbps以下，通过12通道或者更多通道来实现大数据的传输，主要缺点有以下几方面：1)集成化低、体积和重量大：现有的光模块，采用不同的封装形式(SFF、SFP、LCC等)、接口互连、处理单元，使得整个***集成化极低，从而导致产品封装多样，体积和重量大；2)单通道速率低，采用多通道占***更多空间：现有的光模块，单通道速率最高10Gbps，整个***需要采用多个或多路光模块，占用印制板空间，也会采用大量光纤，不利于***小型化设计；3)电接口形式多样：现有的光模块，采用SFP或LCC封装居多，SFP维护方便，但耐振动性很差，LCC封装耐振动很好，但该结构散热性差、拆卸维护困难。

未来武器装备由于传输速率提高，光模块功耗变大，若用现有的光模块结构设计方案，无法满足***的高温性能要求，也无法满足耐振动及良好的维修性。

发明内容

本发明主要解决下一代武器装备***中高可靠性、高带宽和易维护的***光模块应用，通过优化散热路径，综合抗振设计和易于维护的优势，采用微组装工艺，设计了一款高带宽、宽温区、耐振动且易于维护的等优点的光模块，以满足下一代武器装备***的要求。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种光模块，包括：

外壳体，包括相连接的顶盖和底壳；

高速印制板，位于外壳体内并安装在底壳上；

电连接器，通过底壳的底面设置的开槽安装在高速印制板上；

裸芯片，用于实现多通道高速电信号与光信号的相互转换，其贴装于散热板顶面，所述裸芯片通过金丝键合方式与高速印制板电性连接，散热板固定在底壳上；

光纤阵列，一端与裸芯片耦合，另一端连接光接口。

进一步的，裸芯片贴装在散热板后，裸芯片的上表面与高速印制板的上表面齐平，散热板的平面尺寸与裸芯片的尺寸相当，以此来保证裸芯片与高速印制板间金丝键合时无明显的高度落差且水平距离不会太远。

进一步的，所述裸芯片包括激光驱动器芯片、限放芯片、VCSEL芯片阵列、PD芯片阵列，各芯片为现有技术中实现电信号与光信号相互转换的芯片，其连接关系不再赘述。

进一步的，为了保证裸芯片良好的散热性能以及能够保证裸芯片在宽温区下膨胀应力，同时保证散热板与外壳体之间的焊接可靠性，散热板采用WCu板。

进一步的，外壳体上设有固定孔，光模块安装使用时，通过安装螺钉与固定孔配合实现与主板的固定连接，从而便于拆卸、维护。

进一步的，电连接器的边缘涂胶实现与高速印制板的粘接固定。

进一步的，光模块实现收发共8个通道，即光模块实现4路电信号转光信号和4路光信号转电信号，每个通道传输速率为25.78125Gbps；因此光模块单方向可实现100Gbps以上传输速率。

进一步的，光纤阵列通过环氧胶固定在散热板顶面，光纤阵列穿出外壳体的部分与外壳体之间采用胶密封；一方面，光纤阵列与外壳体之间通过胶密封实现密封连接，另一方面，也为光纤阵列提供一定的抗拉能力。

进一步的，电连接器为LGA连接器，LGA连接器设有用于和主板弹性接触导通的弹片式接触件。

进一步的，光纤阵列为FA光纤组件，FA光纤组件用于与VCSEL芯片阵列、PD芯片阵列耦合。

借由上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明使用多通道裸芯片设计，采用微组装技术将激光驱动器芯片、限放芯片、VCSEL芯片阵列、PD芯片阵列等封装于一体，完成数字光传输链路的远距离传输，包含调制/解调、光传输和处理、电处理等部分，通过设计良好的散热路径来解决光模块的高温性能问题，又对结构进行优化，使光模块内部结构更加紧凑，整体结构更加小巧，同时采用LGA连接器进行电信号传输，螺钉固定的方式安装，增强了电接口的耐振动性，同时易于维修更换。本发明设计的特种光模块具有高带宽、宽温区、耐环境性能好的优势，同时具有武器装备***要求的高可靠性特点，是未来武器装备***升级换代的主力光模块，将广泛应用于军工各个领域的武器***中，尤其为防务领域的机载对抗、雷达通信***中光链路深入应用提供保障。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1至图3是本发明一种光模块的外形结构示意图。

图4是本发明光模块(不带顶盖)的散热路径原理图。

图5是图4中的A部分放大图。

图6是图4的俯视示意图。

图7是本发明光模块与主板连接固定后的剖面结构示意图。

图8是本发明光模块与主板连接固定后的俯视示意图。

附图标记说明：

1-外壳体；2-高速印制板；3-电连接器；4-裸芯片；5-散热板；6-光纤阵列；7-光接口；8-主板；9-安装螺钉；10-固定孔；11-顶盖；12-底壳；13-螺钉；121-开槽。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

请参阅图1至图8，一种光模块的实施例，包括外壳体1、高速印制板2、电连接器3、裸芯片4、散热板5、光纤阵列6以及光接口7，其中，外壳体1包括相互扣合以在内部形成容纳各元器件装配的顶盖11和底壳12，顶盖与底壳通过螺钉13固接为一体，顶盖上设有供埋设螺钉的沉槽，使得螺钉旋拧到位实现固定功能时不突出于外壳体表面。

本实施例中，光模块的外形尺寸设计为25mm(长)×25mm(宽)×6.2mm(高)，光接口7可以根据***要求设计，可以是MT连接器或MPO连接器，也可以通过分纤后实现FC、LC、ST等各种光接触件形式。

裸芯片4用于完成多通道高速电信号与光信号的相互转换，其包括激光驱动器芯片、限放芯片、VCSEL芯片阵列、PD芯片阵列，裸芯片4粘贴在散热板5顶面，散热板5焊接在底壳12上，位于外壳体内部；外壳体采用具备良好散热性能的材料制成。如图5，光模块的热源来自于裸芯片4的热耗，裸芯片4产生的热量通过散热板5传到底壳12上，进而通过大面积的外壳体进行散热；若芯片功耗很大，可进一步在外壳体上进行风冷、液冷等方式辅助散热，使得光模块产品具备宽温区性高速性能稳定的特点。为了保证裸芯片良好的散热性能以及能够保证裸芯片在宽温区下膨胀应力，同时保证散热板与外壳体之间的焊接可靠性，散热板5的材料应选取导热性好、热膨胀系数与裸芯片相接近的材料，WCu10材料的线膨胀系数和导热率满足上述需求，因此散热板采用WCu板作为封装壳体的散热结构。

高速印制板2固定装配在底壳12上，除裸芯片外的所有元器件焊接在该高速印制板的顶面。底壳12具有供电连接器3装入的开槽121，电连接器3通过开槽安装在高速印制板2的底面焊盘上，实现电连接器与高速印制板的电性连接；电连接器3安装后其板状连接器主体的底面与底壳的底面齐平，从而保护电连接器不会被过渡弹性挤压，对连接器触点进行保护。裸芯片4以金丝键合的方式与高速印制板2电性连接；光纤阵列6的一端连接光接口7，另一端进入外壳体内与裸芯片4进行光路耦合；本实施例中，光纤阵列6粘接定位在散热板5上方，光纤阵列6为FA光纤组件，FA光纤组件分别与VCSEL芯片阵列、PD芯片阵列耦合。电连接器3采用LGA连接器，连接光模块和主板8的供电、控制、高速信号通道；LGA连接器与主板接触导通的连接器触点为高密度布置的弹片式接触件，提高了振动环境下的接触导通稳定性，具备集成度高，传输带宽高，方便维护等优势。

光模块使用时，光模块通过安装螺钉9与主板8固定连接，光模块的外壳体上具有与安装螺钉9配合的固定孔10，该种连接方式使得主板8仅需要提供与电连接器连接的信号焊盘以及与安装螺钉配合的安装通孔即可，使主板设计更加简单，解决传统光模块耐振动性能差或不利于拆卸维护的技术问题；本实施例中，安装螺钉9配合垫圈和弹片等配件可提高光模块与主板固定连接状态下的稳定性和抗振性；根据振动环境也可以采用螺纹胶实现光模块与主板的固定。作为优选，底壳上还设有导销，主板上设置销孔，导销与销孔配合实现光模块的引导安装。

本实施例中，高速信号的传输主要通过FA光纤组件、VCSEL芯片阵列和PD芯片阵列、高速印制板、LGA连接器相互配合来实现；光信号转电信号传输路径为：来自光接口的光信号依次经光纤阵列→裸芯片中的PD芯片阵列和限放芯片→高速印制板→LGA连接器→主板；电信号转换光信号传输路径为：来自主板的高速电信号依次经LGA连接器→高速印制板→裸芯片中的激光驱动器芯片和VCSEL芯片阵列→光纤阵列→光接口后输出。从封装结构看，自上至下依次为FA光纤组件、裸芯片、高速印制板、LGA连接器、封装底壳，各部分通过叠层配合和焊接固定工艺，既保证了信号在层间的可靠传输，同时产品便于固定和拆卸。

本发明的具体实施流程如下：

步骤1：高速印制板设计

高速印制板2通过ADS计算和HFSS仿真，保证差分阻抗连续，差分线等长，参考面完整。过孔通过HFSS仿真调整焊环及反焊盘参数保证阻抗连续。为保证裸芯片4的工作环境，所有元器件均布在高速印制板顶面，高速印制板的底面与底壳12通过密封胶和结构胶粘接，保证光模块密封性和可靠性。高速印制板底面采用LGA弹片式连接器与主板相连，高速印制板上的焊盘采用镀硬金工艺，保证与LGA连接器接触部分的强度，通过原理样机测试，产品在25.78125Gbps速率下眼图模板余量可以达到45％以上，且各通道指标一致性极佳。

步骤2：裸芯片贴装

底壳上设置的WCu板作为裸芯片的安装台阶，保证裸芯片4贴装在WCu板后其上表面与高速印制板2的上表面基本平齐，同时安装台阶平面尺寸与裸芯片基本相当，以此来保证裸芯片4与高速印制板2间金丝键合时无明显的高度落差且水平距离不会太远。

步骤3：LGA连接器安装

将LGA连接器按正确的方向装入底壳的开槽内，使得LGA连接器与高速印制板的焊盘连接，在LGA连接器边缘底部涂少量硅橡胶，实现LGA连接器与高速印制板2的固定，以防LGA连接器掉落，并保证密封性。最终产品通过安装螺钉9与主板8固定；LGA连接器可多次使用且产品安装及拆卸方便。

步骤4：FA光纤组件耦合

裸芯片4贴片完成后，将FA光纤组件与各阵列芯片间进行光路耦合，耦合可借助多维调节架进行，通过监测发光功率和接收电压，使耦合效率达到最大，减少光的损失。耦合完成后内部FA光纤组件可通过环氧胶固定，尾纤伸出外壳体的部分采用胶密封。

本发明通过电磁仿真、实现小型化高速率的光模块设计，在小尺寸印制板上解决信号的串扰和干扰问题，实现收发共8个通道，即光模块实现4路电信号转光信号和4路光信号转电信号，每个通道速率可达25.78125Gbps，单方向可实现100Gbps以上速率，工作温度范围满足-45℃～85℃，并通过Icepak热学仿真，Ansys力学仿真，保证在宽温强振动环境下具备良好的高速性能。

本发明未详述之处，均为现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种光模块，其特征在于，包括：

外壳体，包括相连接的顶盖和底壳；

高速印制板，位于外壳体内并安装在底壳上；

光纤阵列，一端与裸芯片耦合，另一端连接光接口。

2.根据权利要求1所述的一种光模块，其特征在于：裸芯片贴装在散热板后，裸芯片的上表面与高速印制板的上表面齐平，散热板的平面尺寸与裸芯片的尺寸相当。

3.根据权利要求1所述的一种光模块，其特征在于：所述裸芯片包括激光驱动器芯片、限放芯片、VCSEL芯片阵列、PD芯片阵列。

4.根据权利要求1所述的一种光模块，其特征在于：散热板为WCu板。

5.根据权利要求1所述的一种光模块，其特征在于：外壳体上设有固定孔，光模块安装使用时，通过安装螺钉与固定孔配合实现与主板的固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种光模块，其特征在于：电连接器的边缘涂胶实现与高速印制板的粘接固定。

7.根据权利要求1所述的一种光模块，其特征在于：光模块实现收发共8个通道，即光模块实现4路电信号转光信号和4路光信号转电信号，每个通道传输速率为25.78125Gbps。

8.根据权利要求1所述的一种光模块，其特征在于：光纤阵列通过环氧胶固定在散热板顶面，光纤阵列穿出外壳体的部分与外壳体之间采用胶密封。

9.根据权利要求1所述的一种光模块，其特征在于：电连接器为LGA连接器，LGA连接器设有用于和主板弹性接触导通的弹片式接触件。

10.根据权利要求3所述的一种光模块，其特征在于：光纤阵列为FA光纤组件，FA光纤组件用于与VCSEL芯片阵列、PD芯片阵列耦合。