DE69604333T2

DE69604333T2 - Optisches Wellenleitermodul und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69604333T2
Application number: DE69604333T
Authority: DE
Inventors: David Galloway
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2016-05-29
Also published as: GR3032135T3; JPH08327843A; EP0745873A3; DE69604333D1; KR960042107A; EP0745873A2; US5539848A; EP0745873B1

Description

Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich grundsätzlich auf die Herstellung von optischen Einrichtungen und insbesondere auf die Verbindung bzw. Verdrahtung von optischen Einrichtungen und Wellenleitern miteinander.

Hintergrund der Erfindung

Diese Anmeldung steht im Bezug zu Patenten, die die Patent-Nrn. 5,265,184 und 5,249,245 haben, die die Titel "Molded Waveguide and Method of making same" und "Optoelectronic Mount including Flexible Substrate and Method for making same" tragen, am 23.11. und 28.09.1993 jeweils entsprechend eingereicht wurden und hierdurch durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung aufgenommen sind.
Heutzutage ist das Koppeln einer optischen Einrichtung, eines Wellenleiters und eines Verdrahtungssubstrats bzw. Verbindungssubstrat, wobei im folgenden einheitlich für beide Begriffe der Begriff Verdrahtungssubstrat gewählt wird, eine schwierige Aufgabe, die üblicherweise manuell oder halbautomatisch erreicht wird. Wie auch immer haben diese Verfahren verschiedene Nachteile, wie beispielsweise diejenigen, daß sie komplex sind, ineffizient sind und nicht für großvolumige Fertigungen geeignet sind. Da diese Nachteile die großvolumige Fertigung begrenzen, ist die Integrierung von optischen Einrichtungen mit Standard-Elektronikbauelementen eine schwierige Aufgabe, so daß es nicht ermöglicht wird, die Vorteile von optischen Einrichtungen in Standard-Elektronikbauelementen zu inkorporieren.
Als Beispiel soll angeführt werden, daß eine konventionelle Verdrahtung einer optischen Einrichtung und eines Wellenleiters typischerweise durch sorgfältiges Ausrichten der optischen Einrichtung zu dem Wellenleiter auf manuelle Art und Weise erreicht wird, was üblicherweise als aktive Ausrichtung bezeichnet wird. Sobald die optische Einrichtung zu dem Wellenleiter ausgerichtet ist, ist die optische Einrichtung an dem Wellenleiter befestigt bzw. angebracht. Es entstehen nun verschiedene Nachteile durch das manuelle Ausrichten der optischen Einrichtung und des Wellenleiters wie, daß es extrem arbeitsintensiv ist, kostenintensiv und ungenau ist. Außerdem führt das Härten eines Klebstoffs, der die optische Einrichtung mit dem Wellenleiter verbindet oder bindet, häufig zu einem Verschieben der Ausrichtung der optischen Einrichtung zu dem Wellenleiter, wodurch eine ineffiziente Übertragung von Licht von der optischen Einrichtung hervorgerufen wird. Mehr noch, sofern die Fehlausrichtung stark genug ist, wird ein nicht benutzbares Produkt hergestellt, wodurch die Kosten erhöht werden und die Leistungsfähigkeit der Fertigung verringert wird.
Sobald die optische Einrichtung und der Wellenleiter ausgerichtet worden sind und zusammen angebracht sind bzw. miteinander fixiert worden sind, werden die optische Einrichtung und der Wellenleiter auf ein Verdrahtungssubstrat montiert. Das Montieren der optischen Einrichtung und des Wellenleiters auf das Verdrahtungssubstrat hat nun auch mehrere Nachteile wie beispielsweise die Fragilität bzw. die Zerbrechlichkeit oder Brüchigkeit der fixierten optischen Einrichtung und des Wellenleiters, die Ausrichtungsfähigkeit der optischen Einrichtung und des Wellenleiters mit dem Verdrahtungssubstrat, die elektrische Kopplung der optischen Einrichtung und dergleichen, wodurch die Verdrahtung bzw. die Verbindung der optischen Einrichtung, des Wellenleiters und des Verdrahtungssubstrats ungeeignet für großvolumige Fertigung gemacht wird.
Nun kann schon festgestellt werden, daß übliche Verfahren zur Verbindung bzw. Verdrahtung einer optischen Einrichtung, eines Wellenleiters und eines Verdrahtungssubstrats starke Begrenzungen haben. Es ist auch deutlich, daß übliche Verfahren, die zur Fertigung von Verbindungen bzw. Verdrahtungen zwischen optischen Einrichtungen, Wellenleitern und Verdrahtungssubstraten benutzt werden, nicht nur komplex und teuer sind, sondern einer großvolumigen Fertigung abträglich sind. Somit ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen bzw. Verdrahtungen zwischen einer optischen Einrichtung, einem Wellenleiter und einem Verdrahtungssubstrat sehr wünschenswert. Im folgenden wird für den Begriff Verbindungen bzw. Verdrahtungen einheitlich Verdrahtungen gewählt. Mit diesem Begriff sind allerdings auch insbesondere Verbindungen gemeint.
Ein optisches Wellenleitermodul gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine stark vergrößerte und vereinfachte isometrische Darstellung eines Wellenleiters, wobei ein Teil davon entfernt ist;
Fig. 2 ist ein stark vergrößerter, vereinfachter teilweiser Grundriß bzw. eine Aufsicht eines Beispiels eines flexiblen Substrats;
Fig. 3 ist eine stark vergrößerte, vereinfachte Schnittdarstellung eines optischen Wellenleitermoduls;
Fig. 4 ist eine stark vergrößerte Schnittdarstellung eines optischen Wellenleitermoduls gemäß der Erfindung; und
Fig. 5 ist eine stark vergrößerte, vereinfachte Schnittdarstellung einer vergrößerten Darstellung eines optoelektronischen Moduls.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt eine vergrößerte, vereinfachte isometrische Darstellung eines Wellenleiters 10 mit einem Teil 14, der davon entfernt wurde, dar. Um die vorliegende Erfindung deutlich darzustellen, wurde die Bemessung (dimensional control) und die relativen Größen des Wellenleiters 10 entspannt betrachtet.
Der Wellenleiter 10 ist aus verschiedenen Elementen oder Merkmalen, beeinhaltend Beschichtungsbereiche 11, 12 und 13, Enden 23 und 24, eine Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32, und einer Ausrichtungsführung 26, hergestellt. Die Beschichtungsbereiche 11, 12 und 13 umfassen außerdem Oberflächen 21 und 22, 18 und 19, und 16 und 17, jeweils entsprechend. Wie in Fig. 1, bei der Teil 14 des Wellenleiters 10 entfernt ist, dargestellt ist, ist die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 mit größerer Deutlichkeit sichtbar. Zusätzlich sollte herausgestellt werden, daß die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 durch Beschichtungsbereiche 11 und 12 und 13 und 12 jeweils entsprechend umgeben sind. Grundsätzlich werden die Beschichtungsbereiche 11, 12, und 13 und die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 durch ein geeignetes Verfahren oder eine geeignete Technik wie beispielsweise Fräsen, Abformen, Formpressen, Laser-Ablation, Füllen, Einfüllen, Einbauen, Verfüllen oder ähnliche hergestellt. Wobei in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 durch eine geeignete Fülltechnik oder ein Füllverfahren hergestellt sind wie beispielsweise ein Preßfüllen, Kapillarfüllen, hydraulische Einspritzung (hydraulic injection) bzw. Einspeisung oder dergleichen.
Weiterhin sind die Beschichtungsbereiche 11, 12, und 13 und die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 aus einem geeigneten Polymermaterial oder einer Kombinationen von Materialien wie beispielsweise Kunststoff, Epoxide, Polyimide, Polyvinyl oder ähnlichem hergestellt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Beschichtungsbereiche 11, 12 und 13 und die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 aus einem Epoxy-Material bzw. Epoxidharz-Material hergestellt.
Üblicherweise reichen die Verarbeitungsbedingungen für diese Materialien von 220º - 400º Grad Celsius für die Formtemperaturen bzw. Formpreßtemperaturen und 200 - 2.000 englische Pfund pro Quadrat-Inch (lbs per inch²) für die Formpreßdrucke. Die Brechungsindizes für derartige Materialien reichen von 1.3 bis 1.8, mit einem bevorzugten Bereich zwischen 1.4 bis 1.7; die Mehrzahl von Kernregionen hat allerdings einen höheren Brechungsindex als die Beschichtungsbereiche 11, 12 und 13.
Die Beschichtungsbereiche 11, 12 und 13 sind so geformt, daß die Beschichtungsbereiche 11, 12 und 13 stapelbar sind, wobei die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32, die durch die Beschichtungsbereiche 11, 12 und 13 umgeben sind, gebildet werden. Weiterhin wird die Ausrichtungsführung 26 durch ein geeignetes Verfahren wie beispielsweise Formen, Formpressen, Fräsen oder Laser-Ablation oder ähnlichem hergestellt. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Ausrichtungsführung als ein Ringbeschlag oder eine Quetschhülse (ferule) dargestellt; es sollte allerdings klar sein, daß die Ausrichtungsführung 26 jede geeignete Form aufweisen kann wie beispielsweise Stifte, Naben, Schlüssel, Längskeile oder Querkeile (keys) oder Führungsbahnen oder ähnlichem.
Nach dem Formen der Beschichtungsbereiche 11, 12, und 13 werden die Beschichtungsbereiche 11 und 13 an den Beschichtungsbereich 12 mittels eines optischen Klebstoffes angebracht. Der optische Klebstoff wird grundsätzlich auf entweder die Oberfläche 18 oder die Oberfläche 17 angewendet: Die Beschichtungsbereiche 12 und 13 werden gedrückt, so daß die Oberfläche 17 und 18 sich verbinden, wobei der optische Klebstoff durch die Aussparung 32 gequetscht werden und die Beschichtungsbereiche 12 und 13 kleben, haften oder anhaften. Ein ähnliches Verfahren folgt zum Kleben, Haften bzw. Befestigen des Beschichtungsbereichs 11 mit dem Beschichtungsbereich 12. Also werden durch Formen, Füllen und Kleben oder Haften der Beschichtungsbereiche 11, 12 und 13 die Aussparungen 22 und 33 die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32, wobei die Beschichtungsbereiche 11, 12, und 13 die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 umgeben. Es sollte außerdem verstanden werden, daß die Aussparungen 33 und 34 auf den Beschichtungsbereichen 11 und 13 gebildet werden können und anschließend an dem Beschichtungsbereich 12 haften oder kleben können.
Im folgenden wird Bezug genommen auf Fig. 2, einem vereinfachten Beispiel eines Teillayouts für ein flexibles Substrat 51. Das flexible Substrat 51 ist aus verschiedenen Elementen oder Merkmalen wie beispielsweise eine Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 52, beeinhaltend die Anschlußflecke zum Bonden 53-58, eine Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen 61, beeinhaltend die elektrischen Leiterbahnen 62-67, optisch transparente Bereiche 70 und 71, elektrische Leiterbahnen 73 und 74, eine Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen 76, beeinhaltend elektrische Leiterbahnen 77-82, eine Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 84 und Ausrichtungsführungen 86 hergestellt.
Grundsätzlich stellen die elektrischen Leiterbahnen 61 und 76, die Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 52 und 84, und die elektrischen Leiterbahnen 73 und 74 Wege für elektrische Signale zum Bewegen bzw. zur Beförderung durch das flexible Substrat 51 dar. Es sollte außerdem verstanden werden, daß diese elektrischen Wege in einer geeigneten Konfiguration auf oder in dem flexiblen Substrat 51 strukturiert bzw. mit Mustern versehen sein können, wodurch es ermöglicht wird, daß elektrische Signale durch das flexible Substrat 51 geführt werden können. Üblicherweise werden elektrische Steuer- und/ oder Regelsignale durch die Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen 61 und 76 zur Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 52 und 84 geführt, während die elektrischen Leiterbahnen 73 und 74 eine Masse zur Verfügung stellen.
Das flexible Substrat 51 wird mittels eines geeigneten Verfahrens oder einer geeigneten Technik hergestellt. Beispielsweise kann das flexible Substrat 51 aus einem dünnen isolierenden Material wie beispielsweise eines, das für eine automatische Abgreifverbindung (tape automated bonding) (TAB)), für eine Verstärkungsschicht oder das Substrat geeignet sind.
Polyimid ist ein repräsentatives Material, aber es ist sicher nicht das einzige; Polyimid kann unter den Warenzeichen wie z. B. "UPLEX" oder "KAPTON" unter anderem gefunden werden. Andere geeignete Materialien beeinhalten, sind allerdings nicht notwendigerweise hierauf beschränkt, Polyestermaterialien (niedriger bezüglich der Kosten und dem Verhalten als Polyimid), Mylar-Materialien und Verbundstoffe, beispielsweise ein harzgefülltes Epoxid, ein faserverstärktes Material und ähnliches.
Die Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen 61 und 76, die Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 52 und 84, und die Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen 73 und 74 werden durch jegliches geeignetes Verfahren wie beispielsweise - allerdings nicht hierauf limitiert- Beschichten, elektrochemisches Beschichten, galvanisches Beschichten, Ätzen, Fotolithografie, Drucken (printing) usw. hergestellt. Üblicherweise sind die Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen 61 und 76, die Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 52 und 84, und die Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen 73 und 74 aus geeigneten elektrisch leitfähigen Materialien, wie beispielsweise ein Metall, z. B. Aluminium (Al), Titan (Ti), Kupfer (Cu), Wolfram (W), Silber (Ag), eine Metallegierung, z. B. Titan/Wolfram (Ti/W), Aluminium/Kupfer (Al/Cu), ein elektrisch leitfähiger Klebstoff, z. B. mit Silber gefülltes Epoxid, mit Gold gefülltes Epoxid, mit Kupfer gefülltes Epoxid, oder ähnlichem. Das Anhaften bzw. das Kleben der Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen 61 und 76, der Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 52 und 84 und der elektrischen Leiterbahnen 73 und 74 mit dem flexiblen Substrat 51 ist dergestalt, daß sie nicht von dem flexiblen Substrat 51 delaminieren oder sich trennen, wenn das flexible Substrat 51 gebogen wird oder in anschließenden Verfahrensschritten positioniert wird.
Außerdem sind die für die Fertigung des isolierenden flexiblen Substrats 51 ausgewählten Materialien temperaturbeständig. Beispielsweise wird das flexible Substrat 51 in den meisten Anwendungen einem Überformungsverfahrensschritt unterzogen. Die Temperaturen und Zeiten der Dauer des Überformverfahrens erreichen üblicherweise zwischen 200º - 300ºCelsius mit Zeitbereichen zwischen 10 und 15 Minuten. Aus diesem Grunde muß das für die Fertigung des flexiblen Substrats 51 ausgewählte Material diese Temperaturen und Zeiten tolerieren können. Wie auch immer sollte deutlich sein, daß Materialien, die diese Voraussetzungen oder Leistungsniveaus überschreiten bzw. übertreffen, auch benutzbar sind. Während verschiedene Hersteller die Möglichkeit haben, das flexible Substrat 51 zu liefern, ist der Einkauf des flexiblen Substrats 51 von Rogers Corporation, mit Sitz in Arizona, möglich.
Fenster 70 und 71 werden durch ein geeignetes Verfahren hergestellt wie Entfernen eines Teils, der den Fenstern 70 und 71 entspricht, von dem flexiblen Substrat 51, transparent machen eines Teils, der den Fenstern 70 und 71 entspricht, wodurch ein optisch transparenter Bereich im flexiblen Substrat 51 zur Verfügung gestellt wird.
Die Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 92 und 93 stellt eine Möglichkeit der elektrischen Verbindung, d. h. elektrischem Eingang und elektrischem Ausgang, zu dem flexiblen Substrat 51 zur Verfügung. Unter Bezugnahme auf die Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 52 wird die elektrische Verbindung durch jede geeignete Methode oder Technik erreicht, wie Drahtbonden, Stoßbonden (bump bonding, im folgenden Bumpbonden) oder ähnlichem erreicht. Unter Bezugnahme auf die Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 93 stellen die Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden 93 eine Position dar, in der das flexible Substrat elektrisch mit Standard-Elektronikbauelementen, wie integrierte Schaltkreise (ICs), Widerständen, Kondensatoren und ähnlichem verbunden werden.
Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Fig. 3 stellt eine stark vergrößerte, vereinfachte Schnittansicht eines optischen Wellenleitermoduls 101 dar. Es sollte klar verstanden sein, daß ähnliche Merkmale und Elemente, die im folgenden identifiziert werden, deren ursprüngliche Bezugsziffern beibehalten. Es sollte außerdem verstanden werden, daß Fig. 3 eine Schnittdarstellung ist, was soviel bedeutet, daß die Figur in und aus der Zeichnung reichen kann.
Das optische Wellenleitermodul 101 umfaßt einige Elemente oder Merkmale wie ein Verdrahtungssubstrat 129, das eine Oberfläche 130 aufweist, einen Wellenleiter 103, ein flexibles Substrat 51, ein photonisches Bauelement 111 und 112 mit Arbeitsteilen 113 und 114, eine Wärmeableitungseinrichtung 120, ein integrierter Schaltkreis 125, ein Verdrahtungssubstrat 129, das eine Oberfläche 130 aufweist. Das Verdrahtungssubstrat 129 umfaßt außerdem eine Ausrichtungseinrichtung 148, Anschlußflecken zum Bonden 149 und eine elektrische Leiterbahn 150. Der Wellenleiter 103 umfaßt außerdem Oberflächen 104 und 105, eine Endoberfläche 106, Beschichtungsbereiche 107 und Kernbereiche 108 und 109. Das flexible Substrat 51 umfaßt auch Anschlußflecken zum Bonden 132-138 und entsprechende leitfähige Bumps bzw. erhöhte Kontaktierungsflecken 139-144.
Das Verdrahtungssubstrat 129 ist aus jedem geeigneten Substrat hergestellt wie beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte, ein FR4-Board, eine keramische Verdrahtungsplatte bzw. ein keramisches Verdrahtungs-Board oder dergleichen. Es sollte verstanden werden, daß das Verdrahtungssubstrat 129 in eine große Vielzahl von Formen konfiguriert sein kann, die es ermöglichen, eine weitere Integration von optischen Einrichtungen mit Standard-Elektronikbauelementen oder -komponenten durchzuführen. Grundsätzlich ermöglicht das Verdrahtungssubstrat 129 eine zusätzliche Kopplung zwischen dem flexiblen Substrat 51 mit dem Verdrahtungssubstrat 129, wobei eine weitere Integration von photonischen Einrichtungen 111 und 112 mit Standard-Elektronikbauelementen ermöglicht wird. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Verdrahtungssubstrat 129 und dem flexiblen Substrat 51 wird durch jedes geeignete Verfahren oder jede geeignete Technik erreicht, wie Drahtbonden, Bumpbonden, automatische Abgreifverbindung (tape assisted bonding (TAB)) oder ähnlichem. Aus Einfachheitsgründen und nur zu illustrativen Zwecken ist das Verdrahtungssubstrat 129 mit dem flexiblen Substrat 51 durch ein Drahtbond 151 bzw. eine Drahtverbindung 151 verbunden, wodurch der Anschlußfleck zum Bonden 149 mit dem Anschlußfleck zum Bonden 138 elektrisch verbunden ist.
Die elektrische Leiterbahn 150 ist nur als eine einfache elektrische Leiterbahn dargestellt; wie auch immer sollte verstanden werden, daß die elektrische Leiterbahn 150 eine Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen sein kann, die sich durch das Verdrahtungssubstrat 129 bewegen bzw. hierdurch reichen kann, wodurch leitfähige Wege für elektrische Signale zur Verfügung gestellt werden, die durch das flexible Substrat 51 sich bewegen, wodurch eine elektrische Verbindung des Verdrahtungssubstrats 129 mit einer großen Vielzahl von elektronischen Standardkomponenten bzw. -bauelementen und -systemen ermöglicht wird.
Grundsätzlich wird der Wellenleiter 103, der in Fig. 3 dargestellt ist, in einer ähnlichen Art hergestellt wie Wellenleiter 10, der in Fig. 1 dargestellt ist, wobei die Kernbereiche 108 und 109 durch den Beschichtungsbereich 107 umgeben sind. Es sollte wie auch immer verstanden werden, daß der Wellenleiter 103 auch so hergestellt werden kann, daß dieser einen einzigen Kernbereich 108 umfaßt als auch eine Mehrzahl von Kernbereichen, die übereinander gestapelt sind. Außerdem zeigt Fig. 3 den Wellenleiter 103 in bezug auf andere verbundene bzw. zugeordnete Bauelemente des optischen Wellenleitermoduls 101 genauer. Die Endoberfläche 106 legt einen Teil des Kernbereichs 108, einen Teil des Kernbereichs 109 und einen Teil des Beschichtungsbereichs 107 frei, wodurch eine optische Oberfläche gebildet wird, die Licht, das durch die Pfeile 115 und 116 indiziert ist, in den Wellenleiter 103 eintreten kann oder diesen verlassen kann. Außerdem ist die Ausrichtungseinrichtung 107 auf der Endoberfläche 106 ausgebildet. Die Ausrichtungseinrichtung 117 wird durch eine geeignete Möglichkeit oder eine geeignete Technik, wie ein Streifen, eine Öse, ein Aufhänger (TAB), eine Ausrichtungsrahmenmarkenverbindung (alignment fiducial), eine Öffnung oder ähnliches ausgebildet sein. Grundsätzlich wird die Ausrichtungseinrichtung 117 benutzt, um das flexible Substrat 51 mit dem Wellenleiter 103 auszurichten, wobei die Fenster 70 und 71 mit den Kernbereichen 105 und 106 optisch gekoppelt werden.
Außerdem stellen die wärmeleitfähigen Bahnen 153, 154 und 155 eine Möglichkeit dar, um Wärme von der photonischen Einrichtung 111 zu entfernen. Thermisch leitfähige Bahnen 153 und 154 werden in der Nähe einer hohen Wärmekonzentration hergestellt, wodurch es ermöglicht wird, daß die thermisch leitfähigen Bahnen 153 und 154 die Wärme weg von den hohen Wärmekonzentrationen zu niedrigen Wärmekonzentrationen führen. Grundsätzlich sind die thermisch leitfähigen Bahnen 153 und 154 aus jedem geeigneten wärmeleitfähigen Material, das entweder elektrisch leitfähig oder elektrisch nicht leitfähig ist, hergestellt. Als Beispiel ist Indiumzinnoxid elektrisch nicht leitfähig, während Kupfer, Zinn/Blei, Palladium/Nickel sowohl elektrisch als auch wärmeleitfähig sind. Es sollte wie auch immer verstanden werden, daß die Benutzung einer dieser Materialien anwendungsspezifisch ist und es notwendig ist, sorge dafür zu tragen, daß keine elektrischen Probleme wie beispielsweise elektrische Kurzschlüsse hervorgerufen werden. Beispielsweise ist die Wärme, die durch die photonische Einrichtung 111 erzeugt wird, bei den thermisch leitfähigen Bahnen 153, die mit den Anschlußflecken zum Bonden 138 verbunden sind, durch thermisch leitfähige Bahnen 153 und 155 in das Verdrahtungssubstrat 129 weggeführt, wodurch die photonische Einrichtung 111 gekühlt wird und die Leistung der photonischen Einrichtung 111 verbessert wird.
Die photonischen Einrichtungen 111 und 112 können jede geeignete photonische Einrichtung oder Kombinationen von photonischen Einrichtungen sein. Üblicherweise sind die photonischen Einrichtungen 111 und 112 Phototransmitter, Photoempfänger, oder eine Kombination von diesen, die durch ein geeignetes Verfahren oder eine geeignete Technik hergestellt sind. Beispielsweise können bei einem Array bzw. einer Matrix von Phototransmittern als photonische Einrichtung 111 die Phototransmitter eine geeignete Einrichtung sein, wie ein vertikaler Hohlraumoberflächen imitierender Laser (VCSEL von vertical cavity surface emitting laser), eine lichtemitierende Diode (LED) oder ähnliches. Alternativ können mit einem Array oder einer Matrix von Photoempfängern als photonische Einrichtung 112, die Photoempfänger jede geeignete Photo lichtempfangende Einrichtung oder licht empfindliche Einrichtung wie eine Photodiode, beispielsweise eine P-I-N Photodiode, eine PN Photodiode oder ähnliches sein. Also können die photonischen Einrichtungen 111 und 112 einen großen Bereich von photoaktiven oder lichtaktiven Einrichtungen, denen die Transmission und der Empfang möglich ist, abdecken.
Zusätzlich sind die photonischen Einrichtungen 111 und 112 mit einer wärmeableitenden Einrichtung 120 repräsentiert. Die wärmeableitende Einrichtung kann jede geeignete Einrichtung wie Rippen, Wärmesenken, Wärmeabführer oder ähnliches sein, die Wärme weg von den photonischen Einrichtungen 111 und 112 führt. Die Wärmeableitungseinrichtung 120 ist üblicherweise aus jedem geeigneten wärmeleitfähigem Material hergestellt wie ein Metall, beispielsweise Aluminium, Kupfer, Gold, eine Legierung, beispielsweise Aluminium/Kupfer, Silizium/Aluminium, oder ähnliches, wobei eine Wärmeabführung von den photonischen Einrichtungen 111 und 112 ermöglicht wird. Durch Abführung von Wärme von den photonischen Einrichtungen 111 und 112 haben die photonischen Einrichtungen 111 und 112 eine verbesserte Leistung und eine Verläßlichkeit über einen langen Zeitraum.
Das elektrische Koppeln der photonischen Einrichtungen 111 und 112 und des integrierten Schaltkreises 125 mit dem flexiblen Substrat 51 wird durch jede geeignete Methode oder jedes geeignete Verfahren wie Drahtbonden, TAB-Bonden, Bumpbonden oder ähnlichem erreicht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Bumpbonden der photonischen Einrichtungen 111 und 112 und des integrierten Schaltkreises 125 durch Bump-Bälle 139 - 142 und 143-144 jeweils entsprechend erreicht. In einigen Anwendungen sollte wie auch immer klar sein, daß die Bond-Verfahren gemischt werden können, beispielsweise wird die photonische Einrichtung mit erhöhten Kontaktierungsflecken (bump) gebondet und der integrierte Schaltkreis wird drahtgebondet, wodurch die Bond-Verfahren gemäß den spezifischen Anwendungen variiert werden können.
Während der integrierte Schaltkreis 125 der Fig. 3 nur einen einfachen integrierten Schaltkreis zeigt, sollte klar sein, daß der integrierte Schaltkreis 125 eine große Vielzahl von Standard-Elektronikbauelementen bzw. -komponenten bzw. Bauelementen wie Kondensatoren, Widerstände, diskrete Bauelemente und Hybridbauelemente, die auf dem flexiblen Substrat 51 angeordnet sein können, darstellt, wobei es ermöglicht wird, daß die elektrischen Signale durch eine große Vielzahl von elektronischen Einrichtungen verarbeitet werden können.
Eine akkurate Plazierung bzw. Ausrichtung des flexiblen Substrats 51 zum Wellenleiter 103 und zum Verdrahtungssubstrat 129 wird durch jedes geeignete Verfahren oder jede geeignete Technik erreicht, wie eine mechanische, Maschinenvision (machine vision) oder ähnlichem, als auch jede Kombination hiervon. Jedes geeignete mechanische Ausrichtungsverfahren oder jede geeignete mechanische Ausrichtungstechnik, wie Schlösser und Schlüssel (locks and keys), Vorsprünge und Öffnungen oder ähnlichem kann benutzt werden. Wie in Fig. 3 dargestellt, greifen die Ausrichtungseinrichtungen 117 und 148, die durch Vorsprünge und Öffnungen repräsentiert sind, in Öffnungen und richten hierdurch das flexible Substrat 51 im Verhältnis zu sowohl dem Wellenleiter 103 und dem Verdrahtungssubstrat 129 aus. Wenn wie auch immer die mechanische Ausrichtungstechnik nicht robust genug ist, und zwar für die spezifische Anwendung, kann eine andere geeignete Ausrichtungstechnik wie ein robotergesteuertes System, das Maschinenvision (machine vision) benutzt oder ähnliches, benutzt werden. Die Maschinenvision kann durch das Plazieren von Ausrichtungsbezügen oder Ausrichtungsmerkmalen auf jeder notwendigen Oberfläche des Wellenleiters 103, des flexiblen Substrats 51 und des Verdrahtungssubstrats 129 weiter verbessert werden, wodurch eine Überlagerung von Referenzpunkten oder Ausrichtungsbezügen ermöglicht wird, so daß eine präzise spezifische Ausrichtung zur Verfügung gestellt wird. Die Benutzung von mehreren verschiedenen Ausrichtungsbezügen und -verfahren wie optische Ziele, Positionsorientierungen und Öffnungen und Vorsprünge, machen es möglich, eine akkurate Plazierung des flexiblen Substrats 51 zum Wellenleiter 103 zu erreichen.
Eine Fixierung oder ein Anbringen des flexiblen Substrats 51 an den Wellenleiter 103 und an das Verdrahtungssubstrat 129 wird durch jedes geeignete Verfahren und jede geeignete Technik ermöglicht, wie ein adhäsives Mittel bzw. ein Klebstoff, wie beispielsweise Epoxid, Polyimid oder ein mit Ultraviolettstrahlen härtbarer Klebstoff oder ähnliches. Üblicherweise wird das flexible Substrat 51 positioniert und an dem Wellenleiter 103 durch einen Roboterarm fixiert bzw. an diesem angebracht. Beispielsweise kann der Wellenleiter 103 entweder durch eine Vorrichtung (jig) auf einem Tisch oder durch einen Roboterarm (der nicht dargestellt ist) gehalten werden. Ein optisch transparentes Epoxid wird auf die Endoberfläche 106 angewendet. Anschließend wird das flexible Substrat 51 auf den Wellenleiter 103 mittels eines Roboterarms aufgebracht. Die Plazierung des flexiblen Substrats 51 wird mit dem Wellenleiter 103 durch eines von verschiedenen Ausrichtungsbezugssystemen, die vorstehend beschrieben wurden, ausgerichtet.
In noch einem anderen Beispiel ist die Ausrichtungseinrichtung 117 auf der Endoberfläche 106 des Wellenleiters 103 ausgebildet. Die Ausrichtungseinrichtung 117 wird dann durch ein Maschinenvisionssystem erkannt, das eine Öffnung in dem flexiblen Substrat 51 zu der Ausrichtungseinrichtung 117 orientiert und die Öffnung über der Ausrichtungseinrichtung 117 anordnet, wodurch das flexible Substrat 51 an dem Wellenleiter 103 angebracht wird.
Entsprechend wird das flexible Substrat 51 ausgerichtet und an das Verdrahtungssubstrat 129 angebracht, wodurch ein Teil des flexiblen Substrats 51 mit dem Verdrahtungssubstrat 129 fixiert wird bzw. angebracht oder angeheftet wird. Es sollte wie auch immer herausgestellt werden, daß eine elektrische Verdrahtung oder das betriebsfähige Verbinden des flexiblen Substrats 51 mit dem Verdrahtungssubstrat 129 durch jedes geeignete Verfahren wie Drahtbonden, Bumpbonden, TAB-Bonden oder ähnlichem erreicht werden kann. Wie auch immer ist wie in Fig. 3 dargestellt, das flexible Substrat 51 von dem Anschlußflecken zum Bonden 138 zu dem Anschlußflecken zum Bonden 149 über ein Drahtbond 151 drahtgebondet, so daß das Verdrahtungssubstrat 129 mit dem flexiblen Substrat 51 elektrisch verbunden ist, so daß die photonischen Einrichtungen 111 und 112 über das flexible Substrat 51 mit dem Verdrahtungssubstrat 129 betriebsfähig verbunden ist.
Im folgenden wird Bezug genommen auf Fig. 4. Fig. 4 ist eine weitere, stark vergrößerte, vereinfachte Schnittdarstellung eines optischen Wellenleitermoduls 160 gemäß der Erfindung. Es sollte klar sein, daß ähnliche Merkmale und Elemente, die im folgenden identifiziert werden, die ursprünglichen Bezugsziffern aufweisen. Um die vorliegende Erfindung genauer darzustellen, sollte verstanden werden, daß die Dimensionen und die relativen Größen, die in Fig. 4 dargestellt sind, entspannt zu betrachten sind. Außerdem sollte verstanden werden, daß Fig. 4 eine Schnittdarstellung ist, was soviel heißt, daß die Figur sowohl in die als auch aus der Zeichnung reichen kann.
Grundsätzlich wurde das optische Wellenleitermodul 160 vorstehend beschrieben; wie auch immer sind verschiedene zusätzliche Elemente in Fig. 4 beeinhaltet, wie eine Wärmeleitungsbahn 161 mit Paßflächen (mating surfaces) 162, Anschlußflecken zum Bonden 164 und 165 und einen Abstandskörper 170 mit einer gekrümmten Oberfläche 171. Aus Einfachheitsgründen wurde das optische Wellenleitermodul 160 vereinfacht.
Das Verdrahtungssubstrat 129 wurde oben beschrieben, und zwar unter Bezugnahme auf die Fig. 3, wodurch sich eine detaillierte Beschreibung hier erübrigt. Wie auch immer ist, wie in Fig. 4 dargestellt, die Wärmeleitungsbahn 161 mit der Wärmeabführungseinrichtung 120 über die Paßflächen 162 verbunden, wodurch ein Wärmeleitungspfad von der photonischen Einrichtung 111 in das Verdrahtungssubstrat 129 zur Verfügung gestellt wird, wodurch die Leistung und die Lebensdauer der photonischen Einrichtung 111 verbessert wird. Die Paßflächen 162 sind aus Teilen der Leitungsbahn 161 und der Wärmeabführungseinrichtung 120 in jeder geeigneten Konfiguration wie flache Oberflächen, Vorsprünge und Öffnungen oder ähnlichem hergestellt, wodurch ein guter mechanischer und wärmeleitender Kontakt oder eine gute mechanische und wärmeleitende Einheit zur Verfügung gestellt wird.
Der Abstandskörper 170 stellt einen sanften bzw. gleichmäßigen Übergang vom Wellenleiter 103 zum Verdrahtungssubstrat 129 für das flexible Substrat 51 zur Verfügung, wodurch Spannungen des flexiblen Substrats 51 entlang der gekrümmten Oberfläche 171 reduziert werden. Der Abstandskörper 170 ist aus jedem geeigneten Kunststoffmaterial wie Kunststoff, Epoxide, Polyimide, Polyvinyl oder ähnlichem hergestellt, wodurch ein glattes, hartes Kunststoffmaterial für das flexible Substrat 51 zum Übergang zum Verdrahtungssubstrat 129 erzeugt wird. Außerdem wird der Abstandskörper 170 durch jedes geeignete Verfahren wie Formen, Formpressen, Fräsen oder ähnlichem hergestellt. Wie auch immer ist der Abstandskörper 170 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch Formen eines Epoxidmaterials hergestellt. Grundsätzlich ist der Abstandskörper 170 entsprechend dem Wellenleiter 103 dimensioniert oder versiegelt (sized), wodurch es ermöglicht wird, den Wellenleiter 103 und den Abstandskörper 170 zu verbinden.
Grundsätzlich ist die wärmeleitende Einrichtung 120 aus jedem geeigneten Material herstellbar, z. B. Aluminium, Kupfer, Zinn oder ähnlichem, genauso wie jede geeignete Legierung, z. B. Aluminium/Kupfer, Stahl oder ähnlichem. Die wärmeleitende Einrichtung 120 ist derart ausgebildet, um Kontakt mit der photonischen Einrichtung 111 und der Wärmeleitungsbahn 161 herzustellen. Grundsätzlich ist die wärmeleitende Einrichtung 120 mit einer flachen Oberfläche, die mechanisch an der photonischen Einrichtung 111 und an der Leitungsbahn 160 angebracht, ausgebildet. Das Anbringen bzw. Fixieren der wärmeleitenden Einrichtung 120 wird durch jedes geeignete Verfahren oder jede geeignete Technik wie wärmeleitende Epoxide, Lötpaste, Preßpassung o. ä. erreicht. Also ein festes Stück von Metall aus jedem geeigneten Material geformt (Thus, formed solid piece of metal of any suitable material).
Fig. 5 ist eine vereinfachte, teilweise vergrößerte bildhafte Darstellung eines optoelektronischen Moduls 180. Es sollte verstanden werden, daß Elemente oder Merkmale, die vorstehend in den Fig. 1 bis 4 beschrieben wurden, deren ursprüngliche Bezugsziffern behalten. Das optoelektronische Modul 180 ist aus verschiedenen Elementen oder Merkmalen hergestellt, wie das Verdrahtungssubstrat 129, Wellenleiter 103, der eine Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 aufweist, Ausrichtungsbeschläge (alignment ferrules) 27, photonische Einrichtungen 11 und 112, ein flexibles Substrat 51, ein integrierter Schaltkreis 125, ein integrierter Schaltkreis 181 und Kunststoffteile 184. Zusätzlich ist ein optischer Verbinder 185, umfassend ein optisches Kabel 186, eine Körper 187 und eine Ausrichtungsführung 188 dargestellt.
Wie in Fig. 5 dargestellt, ist der Wellenleiter 103 betriebsfähig mit den photonischen Einrichtungen 111 und 112 über das flexible Substrat 51 verbunden. Die photonischen Einrichtungen 111 und 112 sind als ein Array bzw. eine Matrix dargestellt, die eine Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 überspannen. Üblicherweise kann das Array von jeder geeigneten Konfiguration sein. Beispielsweise kann das Array aus individuellen photonischen Einrichtungen ausgeführt sein, die zusammengebaut bzw. zusammengestellt sind oder das Array kann in einer gesamten Einheit ausgeführt sein. Einrichtungen, die in den Array inkorporiert sind, können Phototransmitter, Photoempfänger oder eine Kombination davon sein. Die photonischen Einrichtungen 111 und 112 sind auf das flexible Substrat 51 dergestalt montiert, daß die Arbeitsteile der photonischen Einrichtungen 111 und 112 zu individuellen Kernbereichen, der Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32, ausgerichtet sind, so daß eine maximale Lichttransmission durch den Wellenleiter 103 zur Verfügung gestellt wird. Grundsätzlich ist der Wellenleiter 103 an das Verdrahtungssubstrat 129 durch jedes geeignete Verfahren oder jede geeignete Technik, wie Ankleben bzw. Anhaften, Preßpassung, Formen bzw. Formpressen oder ähnlichem angebracht. Wie auch immer wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Epoxidklebstoff auf das Verdrahtungssubstrat 129 an einer geeigneten Stelle, bei der der Wellenleiter 103 und das Verdrahtungssubstrat 129 zu Bonden sind, angewendet. Der Wellenleiter 103 wird anschließend in den Klebstoff durch ein automatisches System wie ein Roboterarm (der nicht dargestellt ist) plaziert, wodurch ein akkurates Plazieren und Orientieren des Wellenleiters 103 zur Verfügung gestellt wird. Die elektrische Verbindung von elektronischen Standardkomponenten, die durch den integrierten Schaltkreis 125 dargestellt sind, mit dem flexiblen Substrat 51, wird durch jedes geeignete Verfahren oder jede geeignete Technik wie Drahtbonden, Bumpbonden, TAB oder ähnlichem erreicht. Es sollte verstanden werden, daß die spezifische Auswahl der elektrischen Verbindung anwendungsspezifisch ist.
Außerdem wird eine Kunststoffverkapselung des Verdrahtungssubstrats 129, des Wellenleiters 103 und des flexiblen Substrats 51 durch ein Überformverfahren (overmolding process) erreicht, was durch Kunststoffteile 184 repräsentiert ist. Die Kunststoffteile 184 verkapseln die oben genannten Elemente, während die Ausrichtungsbeschläge 27 (alignment ferrules) und die Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 offen und frei von Resten bzw. Abriebteilchen (debris) bleiben. Also können die optischen Oberflächen, die das optische Kabel 62 bilden, mit der Mehrzahl von Kernbereichen 31 und 32 im Wellenleiter 103 ineinandergreifen und ausgerichtet werden.
Nun sollte anerkannt werden, daß eine neue optoelektronische Montage und ein Verfahren zur Herstellung zur Verfügung gestellt wurde. Die optoelektronische Montage ermöglicht die Inkorporation von elektronischen Standardkomponenten bzw. -bauelementen und optischen Komponenten, so daß die Vorteile der optischen Komponenten angewendet werden können. Es sollte außerdem beachtet werden, daß das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung diese Integration in einer kosteneffektiven Art durch Zurverfügungstellung eines Weges der Verhinderung von kostenintensiven Schritten, die manuell ausgeführt werden, ermöglicht und eine Automation der verbleibenden Fertigungsschritte, wodurch das vollständige Verfahren in hohem Grade bzw. mit hohem Wirkungsgrad (automatisch) fertigbar ist.
Während wir spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben haben, erkennt der auf dem einschlägigen Gebiet tätige Durchschnittsfachmann weitere Modifikationen und Verbesserungen. Wir wünschen, daß verstanden wird, daß daher diese Erfindung nicht auf die bestimmte Form, die dargestellt ist, begrenzt ist, und wir beabsichtigen, daß in den beigefügten Ansprüchen sämtliche Modifikationen, die nicht von dem Umfang dieser Erfindung abweichen, umfaßt sind.

Claims

1. Optisches Wellenleitermodul umfassend:

ein Verdrahtungssubstrat (129) umfassend eine erste Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen und eine erste Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden, das

einen optischen Wellenleiter (103), der einen ersten Beschichtungsbereich (107) mit einem ersten Ende, einem zweiten gegenüberliegenden Ende, einer ersten Oberfläche und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche (19), wobei die erste Oberfläche einen ersten darin geformten Kernbereich aufweist, der von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende reicht,

einen zweiten Beschichtungsbereich (13) mit einem dritten Ende und einer dritten Oberfläche, wobei die dritte Oberfläche des zweiten Beschichtungsbereichs an der ersten Oberfläche des ersten Beschichtungsbereichs angebracht ist, wobei das erste Ende des ersten Beschichtungsbereichs und das dritte Ende des zweiten Beschichtungsbereichs ausgerichtet sind, wodurch der erste Kernbereich bedeckt ist, umfaßt und

ein flexibles Band (51), das ein optisch durchsichtigen Teil, eine zweite Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen, eine zweite Mehrzahl von elektrischen Anschlußflecken zum Bonden und eine dritte Mehrzahl von Anschlußflecken zum Bonden umfaßt, wobei der optisch durchsichtige Teil des flexiblen Bandes so angeordnet ist, daß es mit dem ersten Ende des Kernbereichs betriebsfähig koppelbar ist, trägt, gekennzeichnet durch

einen Formkörper (170) umfassend eine erste Oberfläche, eine zweite gegenüberliegende Oberfläche und eine gekrümmte Endoberfläche (171), die zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche sich erstreckt, wobei die erste Oberfläche des Formkörpers an der zweiten Oberfläche des Wellenleiters angebracht ist, wobei die gekrümmte Oberfläche mit dem ersten Ende des Wellenleiters ausgerichtet ist, wobei das flexible Band an das erste Ende, die gekrümmte Oberfläche und die zweite Oberfläche des Formkörpers angebracht ist und über diese sich erstreckt; und

eine photonische Einrichtung (111), die einen aktiven Arbeitsteil, das einen elektrooptisch aktiven Bereich aufweist und eine vierte Oberfläche umfaßt, wobei die photonische Einrichtung so angeordnet ist, daß der Arbeitsteil betriebsfähig mit einem der zweiten Mehrzahl der Anschlußflecken zum Bonden des flexiblen Bands koppelbar ist und der aktive Bereich mit dem Kernbereich des Wellenleiters über den optisch durchsichtigen Bereich ausgerichtet ist; und

eine Wärmeableitungseinrichtung (120), die an der vierten Oberfläche der photonischen Einrichtung angebracht ist.

2. Optisches Wellenleitermodul nach Anspruch 1, wobei außerdem ein Kunststoffteil umfaßt ist, wobei das Kunststoffteil wenigstens einen Teil des Wellenleiters verkapselt.