TWI447590B - Ｕｓｂ光學薄卡結構 - Google Patents

Description

USB光學薄卡結構

本發明係有關一種USB光學薄卡結構，尤指一種卡片結構，特別是有關於USB連接器中具備光傳輸規格之一薄型記憶卡片結構。

隨著多媒體影音設備的普及，例如數位相機、MP3播放機、USB隨身碟、數位錄影機、小筆電、平板電腦(Tablet PC)、智慧型手機及未來雲端運算(Cloud Computing)等，大容量記憶卡的需求逐年顯現，但也反應出現有記憶卡傳輸速度之不足，亟待改善。

對於內部設置有複數電子零件(未圖示)之USB規格薄型記憶卡而言(例如：美國專利案第7,440,287號)，由於板上式連接晶片(Chip On Board,COB)裝置已內建了相當多的電子零件、晶片及焊接點，因此當進行一板上式連接晶片裝置與一連接器之焊接作業時，其間所產生的熱量，將會造成板上式連接晶片裝置上已黏著之電子零件、晶片及焊接點的再次加熱，因而造成其中電子零件、晶片之移位或損壞。

市面上有許多的卡片型記憶裝置或產品，例如：microSD、薄型USB記憶卡等，多採用了半導體製程來製作，這些卡片型記憶裝置或產品所具有平面型金屬墊片是可採用一體成型方式來生產，但非平面型金屬片，例如：以衝壓製成之金屬簧片或彈片，則無法採用一體成型方式 來生產，使得生產步驟變得複雜。

近來英特爾開發者論壇(Intel Developer Forum)展示了矽光學連線(Silicon Photonics Link)技術，資料傳輸速度可從USB 3.0的4.8G bps提升到10G bps，甚至未來達到1TB bps，這正解決了前述大容量儲存裝置所面臨傳輸速度不足的問題。

且近幾年來也由於半導體雷射、光放大器及光濾波器等光元件技術日趨成熟，使得高密度分波多工(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)技術蓬勃發展，並可提供大容量以及多樣化之寬頻服務。在現有的光纖通訊架構下，可將傳輸頻寬提升至16、32、64倍，更甚至可到128倍。

Silicon Photonics Link(Siliconization DWDM)則是捨棄使用昂貴且製造難度高的材質，改用低成本且易製造的Si晶片所打造的光束，以實現持續開發讓光纖傳遞資訊的新技術願景。目前雖已有電信以及其他應用採用雷射傳送資訊，但目前的技術過於昂貴且體積龐大，不適合用在PC上。Intel混合矽晶雷射的50G bps矽光鏈路，就“矽化”光子(siliconizing photonics)的長遠願景而言，確實是一項重大的研究成果，替未來電腦、伺服器與家電的內部及對外連線，帶來高頻寬、低成本的光通訊技術。

因此如果矽光學連線技術能應用在薄卡(Thin Card)上，則將具有10G bps以上或更高的傳輸速度，本案除了提出一種具有上述高傳輸效能的USB薄卡外，對於避免造成移位、損壞及改善生產步驟上，亦有決定性的功效！

基於解決以上所述習知技術的缺失，本發明為一種USB光學薄卡結構，在於設計出一種具有光信號接收、傳送模組與連接器(Connector)和調整腳或洞(Alignment Pin/Hole)在同一塊電路上的USB光學薄卡結構，利用光學資料傳輸速度較快的特性，來達到超越USB 3.0傳輸速度，進而達到10G bps或更快的傳輸速度。

為達上述整合光電元件、電子元件、機構與電子封裝於一USB薄卡上，本發明為一種USB光學薄卡結構，結構為一Si-半導體製程技術，主要具有三部份：1.電子(Electronic Circuit)部份；2.光學模組部份；3.機構部份。

以下是三個部份的詳細介紹：

其中在電子電路部份：

一基板，該基板之封裝層內形成有一空間；一座體，設置於該基板上的一適當位置，並與該基板形成一有一開口；一微控制單元，用以處理及控制USB光學薄卡上所有光學傳輸模組和功能模組及電、光、電光信號之所有資料與指令。

故本發明電子電路包含的元件如下1.印刷電路板(Printed Circuit board)：PCB板與 驅動電路(Drive Circuit)；2.驅動積體電路(Driver IC)：控制所有電子信號傳、收、控制和光信號傳收信號之控制，電和光信號轉換之控制；3.功能單元(Function Block)：包含了I/O模組之功能模塊(Function Block，例如：wifi,bt,gps…)或儲存模塊(Storage Function Block，例如：NAND Flash)。

光學模組部份：

一雙向光學傳輸模組，裝設於該座體2與基板1所形成內部空間；並利用該座體2與該基板1有一個以上光學傳收之開口做為光學資料之傳輸路徑；故光學模組部份包含的元件如下：

1.光信號來源(Light Source)

多工超矽雷射(Multiple Hybrid Silicon Laser)利用矽(Si)-半導體製程的Hybrid Silicon Laser，將製造出多個不同波長的Hybrid Si雷射光束，其中利用光刻(lithography)的技術在Si-substrate對Waveguide蝕刻出不同的寬度與高度的波導(Waveguide)，則如此會產生不同的波長(段)的光束。

2. Basic Light Routing(光路徑元件)：

■波導格欄(Waveguide Grating)：它是一組等距平行波導，通常用於產生衍射譜或多波長(段)的 光束。

■耦合器(Couplers)：其被放置在一個輸入的光信號前端，並把輸入的光信號***成數個不同波長的光輸出信號。

■矽絕緣體波導(Silicon on insulator Waveguides，SOIWG)：主要是去引導光波與承載高頻率的光波，可用矽製造技術蝕刻不同寬高度的Waveguide，可做出不同波長的光波。

3.資料編碼器(Data Encoders)：SiliconModulator利用Si-半導體製程的製造的Modulator，它可以讓不同相位的光波轉換成不同振幅光波的調變。

4.多工器(Multiplexer)：

分波多工器Mux(Multiplexer)：透過波導(Waveguide)將多個不同波長之光訊號射入匯集後，變成光訊號，最後輸出至光纖(fiber)。

5.解多工器(De-Multiplexer)：

分波解多工器將光信號收進，並把不同波長最後經由解多工器(De-Multiplexer)，將不同波長的訊號解多工至不同的光纖上，並傳送到光偵測器(photdetector)。

6.光偵測器(Light Detector)：

利用Si-半導體製程的Photodetector或利用矽鍺SiGe-半導體製程的Photodector將產生較長的波長的光束，將可利於資料傳輸與偵測(例如CCD cameras)，並將光信號轉換成電子信號(to convert photons to electrons)。

矽光整合電路驅動模組(Si Photonic Intergraded with Electronics：Drive module)：包含Tx和Rx的矽光元件被整合在一起其負責光信號傳收信號之動作，及電與光信號轉換之工作，故整合Tx/Rx Si-光的模組包含以下元件(例如：圖五A、五B、五C所示)：

發送器晶片(Integrated Transmitter Chip)(TX module)：使用半導體矽化之製程，在一矽基板上，發送器晶片整合Hybrid矽製程化的雷射多光束(通常4條光束)，每個光束會進入一個光學調變器，將資料編碼成光訊號；多條(通常4條)光束透過Mux匯集後，輸出至一條光纖，整體傳輸速率最少可達到10G bps，未來可達到1000G bps。

接收器晶片(Integrated Receiver Chip)(RX module)：使用半導體矽化之製程，在一矽基板上，接收器晶片從光纖透過Coupler及DeMux將原始的光信號分出多條(通常4條)光束後，並傳送到光偵測器(Photo Detector)，再將光信號資料轉換成為電子訊號。

機構部份：

複數個第一接觸部件，設置於座體上，用以與應用主機連接而產生電性連接； 複數個第二接觸部件，用以與應用主機連接而產生電性連接。

故機構部份包含的元件如下：

1. Alignment Pin & Alignment Hole：被動對準孔(passive aligned hole)與被動對準針(passive aligned pin)：將可使發射與接收的光束固定在一定的位置，使光束傳收不致於會有受到外力干擾而導致光束有散射、干涉、折射問題的發生。

2. Connector Part：USB 2.0 contact pin及USB 3.0 Spring contact pin。

為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。

茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於 貴審查委員瞭解。

請參閱圖一A所示，係為本發明USB光學薄卡之基板結構示意圖，其中基板1上設置有一電光銲墊10、一第一銲墊11、一第二銲墊12及一封裝層13。電光銲墊10即為負責光信號傳收之光學模組的電性連接點，第一銲墊11即為USB 2.0的電性連接點，共有4個銲墊；第二銲墊12即為USB 3.0的電性連接點，共有5個銲墊。如圖示，電光銲墊、第一、二銲墊(10、11、12)分別設置於基板1前端或是一端的兩側，此電路佈局的用意在將一雙向光學傳 輸模組(42)設置於電光、第一、二銲墊(10、11、12)之間，以充份利用此設置空間以提供該雙向光學傳輸模組(42)充份的設置空間，且最後電光接觸部件421(圖一F所示)將會接上電光銲墊10(圖一A所示)，做一電性連接。圖一B所揭露一座體2，此座體2上設置有對應前述該第一銲墊11及第二銲墊12之第一接觸部件21及第二接觸部件22，該些第二接觸部件22係為一金屬銲墊或彈簧端子，且其頂面高於該第一接觸部件21，用以與應用主機連接而產生電性連接，此即為符合USB 3.0規格，該座體2可連接於圖一A中之未設置封裝層13之處，即第一、二銲墊11、12之上方處，並使第一銲墊11與第一接觸部件21產生電性連接，第二銲墊12與第二接觸部件22亦產生電性連接。而基板1與座體2連接結構如圖一C所示，座體2下方的開口23，其空間可供該雙向光學傳輸模組42設置，且該雙向光學傳輸模組42位於該第一銲墊與第二銲墊14之間，使該USB光學薄卡空間配置達到最佳程度。

請參閱圖一D、E所示，其中蓋體3用以蓋住基板1與座體2而成一體，該蓋體3上方及前端分別設置有窗31及孔32，可分別使第一接觸部件21、第二接觸部件22及開口23外露，以形成本案USB光學薄卡之基本結構。

請參閱圖一F所揭露有一雙向光學傳輸模組42，且設置有複數條光纖，該雙向光學傳輸模組42上設置有對應前述該14中的電光銲墊10之電光接觸部件421，用以與模組42連接而產生電性連接，而定位孔422與定位柱423可將二結構相互結合。而基板1與座體2連接結構如圖一C 所示，而座體2下方的開口23，其空間可供雙向光學傳輸模組42做一設置。

圖二A係為本發明於基板1上設置電子元件之剖面側視結構示意圖，於基板1上設置有一微控制單元(MCU)41、一雙向光學傳輸模組42及一功能單元43，該些元件上再以封裝層13來包覆，如圖二B所示。該功能單元43係可為一記憶體模組、無線通訊模組或其它I/O模組，而該雙向光學傳輸模組42係由使用矽光學(Si-Phontoic)製程，在一矽基板上，含有多波長之光波(Multi-Wavelength)、波導(Waveguide)、光學多工器(MUX)、光學解多工器(DeMux)、光學調變器(modulator)、光偵測器(Photodector)、光纖(Fiber)、光學鏡頭(LENS)及光源對準所需要的對準針/孔(AlignedPin/Hole)所構成，上述該多波長之光波係指多波長之雷射發光二極體發光源。

圖二C之座體2設置有第一接觸部件21及其連接線211，以及第二接觸部件22及其連接線221。將圖二C之座體2接合於圖二B的結構即如圖二D所示，其中連接線211及連接線221分別與第一銲墊11及第二銲墊12連結後，即具備了本案USB光學薄卡之USB 2.0/3.0之基本功能，其中電光接觸部件421與電光銲墊10連結後，即具備了本案USB光學薄卡之光信號傳收之功能。

圖三係為本發明座體未設置防呆裝置之結構示意圖，其中揭露一座體51未做任何防呆裝置的結構。

圖四A、B所示，係為本發明蓋體無防呆裝置或有設置防呆裝置之結構示意圖，若於座體加工防呆裝置較為費工 及費時的考量下，亦可於基板與座體外部所設置之蓋體上做一防呆裝置的加工。圖四A未做防呆裝置的加工之一蓋體、圖四B揭露一蓋體61具有段差611，612的結構，可使本發明USB光學薄卡插置於電腦USB埠中時，不會產生正、反面插錯的情況。

圖五A、五B和五C的功能塊圖，薄卡(Thin Card，TC)設備410是一個可切換三種介面(USB 2.0/USB 3.0/Light Signal,Photonic-Electronic interface)裝置。設備410能夠支持多種模式的操作，如那些兼容USB2.0/3.0應用，與至少有一個非USB(光信號)應用，其中光信號的應用指的是一個高速(可超過10G bps)，低功率傳輸的介面。

薄卡410為一Photonic-Electronic interface設備，其包括一個USB 2.0支持的數據傳輸速度最高在60MB/秒。另也包括一個USB 3.0支持的數據傳輸速度最高在600MB/秒。同時也包括一個光信號傳輸(速度超過10G bps)，因此，薄卡410提供高速應用，同時保持向後兼容，至少USB 2.0、USB 3.0和光信號(Light Signal)之應用。

圖五A係為本發明USB光學薄卡運作之三種信號USB 3.0功能方塊示意圖，於USB 3.0模式中做操作。參考圖五A，薄卡410包括一個介面(IF)模式偵測器413、USB 3.0物理層414、USB 2.0物理層415、光信號控制器416、USB 裝置控制器417、功能單元418及光電控制器419。該模式偵測器413檢測到的操作模式，以區分光信號(Light signal)模式、USB 3.0模式或USB 2.0模式。當薄卡410***一應用主機411，例如：一個筆記型電腦，一台個人計算機(PC)、手機、平板電腦、個人數位助理(PDA)或攝影機(DV)/數位相機(DSC)。在本實施例中，該模式偵測器413檢測應用主機411與相連接薄卡410是否符合USB規範。USB裝置控制器417利用USB匯流排412讓應用主機411與功能單元418透過USB 3.0物理層414來作資料傳收。而功能單元418根據不同的操作模式偵測，讓功能單元418做為存儲器(Nand storage)或輸入/輸出(I/O)介面(Interface)。最後使光電控制器419為整個光與電的SOC整合控制器(controller)。

圖五B係為本發明USB光學薄卡運作之三種信號USB 2.0功能方塊示意圖，於USB 2.0模式中做操作。在本實施例，模式偵測器413檢測應用主機411是否與相連薄卡410符合USB規範。USB裝置控制器417利用USB匯流排412讓應用主機411與功能單元418透過USB 2.0物理層415來作資料傳收。

圖五C係為本發明USB光學薄卡運作之三種信號Light Signal功能方塊示意圖，於光信號模式中做操作，其中模式偵測器413檢測應用主機411是否與相連薄卡主體410有光信號上的連接。光信號控制器416控制應用主機411和功能單元418之間的(電、光或電與光轉換)數據傳輸。

圖六係為本發明USB光學薄卡運作之流程圖，且同時參閱圖五A、B、C之揭露，當薄卡410透過USB匯流排412(USB 2.0/3.0/Cable with Fiber)與應用主機411溝 通時，對光電控制器419的偵測行為依序是：71.電源開啟(Power ON)(***應用主機411後)；72.光電控制器419是否收到光信號，若為是則進入光信號模式(light mode)73；若為否則進入步驟74；74.光電控制器419是否收到USB 3.0信號，若為是則進入USB 3.0模式75；若為否則進入步驟76；76光電控制器419是否收到USB 2.0信號，若為是則進入USB 2.0模式77；若為否則進入錯誤模式(error mode)78。

綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深賦實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1‧‧‧基板

10‧‧‧電光銲墊

11‧‧‧第一銲墊

12‧‧‧第二銲墊

13‧‧‧封裝層

14‧‧‧第一銲墊、第二銲墊與電光銲墊之統稱

2‧‧‧座體

21‧‧‧第一接觸部件

211‧‧‧連接線

22‧‧‧第二接觸部件

221‧‧‧連接線

23‧‧‧開口

3‧‧‧蓋體

31‧‧‧窗

32‧‧‧孔

41‧‧‧微控制單元

410‧‧‧光學薄卡

411‧‧‧應用主機

412‧‧‧USB匯流排

413‧‧‧模式偵測器

414‧‧‧USB 3.0物理層

415‧‧‧USB 2.0物理層

416‧‧‧光信號控制器

417‧‧‧USB裝置控制器

418‧‧‧功能單元

419‧‧‧光電控制器

42‧‧‧雙向光學傳輸模組

421‧‧‧電光接觸部件

422‧‧‧固定孔

423‧‧‧固定柱

43‧‧‧功能單元

51‧‧‧座體

61‧‧‧蓋體

611、612‧‧‧段差

71‧‧‧電源開啟

72‧‧‧光電控制器是否收到光信號

73‧‧‧光信號模式

74‧‧‧光電控制器是否收到USB3.0信號

75‧‧‧USB 3.0模式

76‧‧‧光電控制器是否收到USB2.0信號

77‧‧‧USB 2.0模式

78‧‧‧錯誤模式

圖一A係為本發明USB光學薄卡之基板結構示意圖；圖一B係為本發明USB光學薄卡之座體結構示意圖；圖一C係為本發明USB光學薄卡將基板與座體結合後之結構示意圖；圖一D係為圖一C結構外部加置一蓋體之分解結構示意圖；圖一E係為圖一D結合後之結構示意圖；圖一F係為本發明USB光學薄卡之雙向光學傳輸模組示意圖；圖二A係為本發明於基板上設置電子元件之剖面側視結構示意圖；圖二B係為圖二A結構上設置一封裝層之剖面側視結構示意圖；圖二C係為本發明USB光學薄卡之座體剖面側視結構示意圖；圖二D係為將圖二B、圖二C結合後之剖面側視結構示意圖；圖三係為本發明座體無防呆裝置之結構示意圖；圖四A、四B係為本發明蓋體設置防呆裝置之結構示意圖；圖五A、五B、五C係為本發明USB光學薄卡運作之三種信號(USB 3.0/2.0/Light Signal)功能方塊示意圖；圖六係為本發明USB光學薄卡運作之流程圖。

1‧‧‧基板

10‧‧‧電光銲墊

11‧‧‧第一銲墊

12‧‧‧第二銲墊

13‧‧‧封裝層

14‧‧‧第一銲墊、第二銲墊與電光銲墊之統稱

2‧‧‧座體

21‧‧‧第一接觸部件

211‧‧‧連接線

22‧‧‧第二接觸部件

221‧‧‧連接線

41‧‧‧微控制單元

42‧‧‧雙向光學傳輸模組

43‧‧‧功能單元

Claims (25)

1. 一種USB光學薄卡結構，其係包括有：一基板，具有一封裝層；一座體，設置於該基板上一適當位置，並與該基板形成至少一開口及一空間，該基板與該座體外部更設置一蓋體，再包括有；複數個第一接觸部件，設置於座體上一位置；及複數個第二接觸部件，設置於座體上另一位置；一雙向光學傳輸模組，具有複數條光纖，設置於該座體與該基板所形成之該空間，並利用該座體與該基板所形成之該開口作為光學資料之傳輸路徑；一微控制單元，用以處理及控制USB光學薄卡上所有信號與指令；以及一功能單元，用以提供儲存、通訊及輸出入之任一功能，其中該基板設置有一第一銲墊與一第二銲墊，分別與該座體第一接觸部件與第二接觸部件作電性連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之USB光學薄卡結構，其中該複數個第一接觸部件係為四個導電銲墊所構成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之USB光學薄卡結構，其中該複數個第二接觸部件係為五個導電彈簧片所構成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之USB光學薄卡結構，其中該蓋體具有一防呆機構。
5. 如申請專利範圍第1項所述之USB光學薄卡結構，其中該基板設置有一電光銲墊，以與該雙向光學傳輸模組作電性連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述之USB光學薄卡結構，其中該雙向光學傳輸模組係由使用矽光學製程，在一矽基板上，包含有多波長之光波、波導、光學多工器、光學解多工器、光學調變器、光偵測器、光纖、光學鏡頭及光源對準所用的定位柱與定位孔。
7. 如申請專利範圍第6項所述之USB光學薄卡結構，其中該多波長之光波係指多波長之雷射發光二極體發光源。
8. 如申請專利範圍第1項所述之USB光學薄卡結構，其中該雙向光學傳輸模組是透過該微控制單元連接到該功能單元。
9. 如申請專利範圍第1項所述之USB光學薄卡結構，其中該功能單元係可為一記憶體模組。
10. 如申請專利範圍第1項所述之USB光學薄卡結構，其中該功能單元係可為一無線通訊模組。
11. 如申請專利範圍第6項所述之USB光學薄卡結構，其中該功能單元係可為一輸出入模組。
12. 一種USB光學薄卡結構，其係包括有：一基板，具有一封裝層；一座體，設置於該基板上的一適當位置，並與該基板形成至少一開口及一空間；複數個第一接觸部件，設置於座體上一位置，用以與一應用主機連接而產生電性連接；複數個第二接觸部件，設置於座體上另一位置，該些第二接觸部件之頂面係高於該第一接觸部件，用以與該應用主機連接而產生電性連接； 一雙向光學傳輸模組，具有複數條光纖，設置於該座體與該基板所形成內部空間，並利用該座體與該基板之該開口做為光學資料之傳輸路徑；一微控制單元，用以處理及控制USB光學薄卡上所有電信號、光信號，以及電與光信號轉換，及控制、傳送接收命令或資料給該雙向光學傳輸模組；以及一功能單元，用以提供儲存、通訊及輸出入之任一功能。
13. 如申請專利範圍第12項所述之USB光學薄卡結構，其中該基板與座體外部更係可設置一蓋體。
14. 如申請專利範圍第13項所述之USB光學薄卡結構，其中該蓋體具有一防呆機構，此機構係指蓋體兩側具有段差。
15. 如申請專利範圍第12項所述之USB光學薄卡結構，其中該基板設置有一第一銲墊與一第二銲墊，分別與該座體第一接觸部件與第二接觸部件作電性連接。
16. 如申請專利範圍第12項所述之USB光學薄卡結構，其中該複數個第一接觸部件係為四個導電針腳所構成。
17. 如申請專利範圍第12項所述之USB光學薄卡結構，其中該複數個第二接觸部件係為五個導電彈片所構成。
18. 如申請專利範圍第12項所述之USB光學薄卡結構，其中該複數個第二接觸部件係為五個導電金屬球狀銲墊所構成。
19. 如申請專利範圍第12項所述之USB光學薄卡結構，其中該基板設置有一電光銲墊，以與該雙向光學傳輸模組作電性連接。
20. 如申請專利範圍第12項所述之USB光學薄卡結構，其 中該雙向光學傳輸模組係由使用矽光學製程，在一矽基板上，包含有多波長之光波、波導、光學多工器、光學解多工器、光學調變器、光偵測器、光纖、光學鏡頭及光源對準所要的定位柱與定位孔。
21. 如申請專利範圍第20項所述之USB光學薄卡結構，其中該多波長之光波係指多波長之雷射發光二極體發光源。
22. 如申請專利範圍第12項所述之USB光學薄卡結構，其中該雙向光學傳輸模組透過該微控制單元係連接到該功能單元。
23. 如申請專利範圍第22項所述之USB光學薄卡結構，其中該功能單元係可為一記憶體模組。
24. 如申請專利範圍第22項所述之USB光學薄卡結構，其中該功能單元係可為一無線通訊模組。
25. 如申請專利範圍第22項所述之USB光學薄卡結構，其中該功能單元係可為一輸出入模組。