WO1998050810A1 - Elektrooptisches modul - Google Patents

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WO1998050810A1
WO1998050810A1 PCT/DE1998/000107 DE9800107W WO9850810A1 WO 1998050810 A1 WO1998050810 A1 WO 1998050810A1 DE 9800107 W DE9800107 W DE 9800107W WO 9850810 A1 WO9850810 A1 WO 9850810A1
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converging lens
depression
module
broad side
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Heiner Hauer
Albrecht Kuke
Eberhard Moess
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L2924/191—Disposition
    • H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires

Definitions

  • the invention is based on a module according to the genus of the main claim.
  • Optoelectronic modules are required in optical communications technology for converting electrical to optical signals or optical to electrical signals.
  • Transmitter or receiver modules are customary in which the optoelectronic converter, usually a semiconductor laser diode or a photodiode, is mounted in a coaxially constructed and hermetically sealed housing, a so-called TO housing.
  • a fiber is then coupled to this TO housing via imaging optics, the entire arrangement being combined in a module housing.
  • the electrical connections of the electro-optical converter are led out of the base of the TO housing via lead-through wires. This limits the frequency bandwidth to ⁇ 1 Gbit / s. For higher bit rates, it is necessary to use housings with high-frequency feedthroughs, for example butterfly housings, but these are considerably more expensive.
  • SMD Surface Mounted Device
  • the module according to the invention with the features of the main claim has the following advantage.
  • the invention and its exemplary embodiments enable a cost-effective and automatable production of optoelectronic transmission and reception modules in SMD construction, which can be assembled together with electronic components on a printed circuit board in the same operation. If the modules according to the invention are manufactured as receptacles, no fiber end interferes with assembly on the printed circuit board. The attachment of the modules on the circuit board is so stable due to the features of the invention that all common connector systems can be used.
  • FIG. 1 the cross section through a transmitter module which is already mounted on a printed circuit board
  • Figure 2 a so-called lead frame for the assembly of a
  • FIG. 3 the same lead frame in a later processing state
  • FIG. 4 the module from the outside (view from the left to FIG. 1)
  • FIG. 5 a variant of FIG. 1,
  • FIG. 1 shows the cross section through a transmitter module already mounted on a circuit board.
  • a laser diode 1 is mounted as a converter 1 in a depression 2 on a broad side (“front side”) of a tabular silicon substrate 3.
  • the depression 2 was produced by anisotropic etching in the crystallographically (100) -oriented silicon substrate 3.
  • a further depression 4 was etched into the silicon substrate 3.
  • the light bundle 5 emerging from the end face of the laser diode strikes the end face 6 of the depression 2, which is covered with an anti-reflection layer, so that the light bundle can enter the silicon with low reflection losses.
  • the end faces and side faces of the anisotropically etched depressions have an angle of repose of
  • the light beam strikes the end face of the second depression 4, which has the same angle of repose in the opposite direction.
  • the angle of incidence there is so large that the light beam is totally reflected.
  • the light beam passes through the silicon substrate almost perpendicular to the broad side of the substrate.
  • the beam direction of the center beam of the totally reflected bundle depends on the medium between the laser end face and the end face 6 of the depression 2.
  • One fills this depression with a transparent medium with a refractive index of ro 1.5, then the center beam of the light beam reflected on the end face 7 runs at an angle of 1.4 ° with respect to the normal to the broad side of the silicon substrate 3.
  • the light bundle strikes a converging lens 8, which is preferably generated by reactive ion beam etching (RIE) directly on the rear side of the silicon substrate.
  • RIE reactive ion beam etching
  • the position of the laser diode 1 is defined by the side walls of the depression 2 serving as stops. As a result, the mutual position of the laser diode 1 to the converging lens 8 is pre-disturbed with high accuracy by lithographic processes.
  • the converging lens 8 focuses the light bundle in a pixel 9.
  • the end face of a fiber 11 is positioned at the location of the pixel 9.
  • the focal length of the Sairtnell lens 8 is chosen so that there is a magnification ratio for an optimal beam transformation of the laser beam into a beam accepted by the fiber 11 used, in order to achieve an optimal coupling efficiency. If a multimode fiber with a core diameter of approximately 45 ⁇ m is used as the fiber, an active adjustment can be dispensed with. With a single-mode fiber with a core diameter of approximately 10 ⁇ m, active adjustment is required.
  • the transmitter module is preferably produced as a so-called receptacle, in which the fiber 11 is not firmly connected to the module, but is part of a plug 15 which is guided in a receptacle (in particular socket) 12 in a detachable and non-rotatable manner.
  • the receptacle has a flange 14, the end face perpendicular to the fiber and Connector axis and runs parallel to the broad sides of the silicon substrate 3.
  • the axial position of the plug 15 is determined by a stop 10 on the end face of the receptacle 12.
  • the normal on the end face of the fiber is inclined by an angle ⁇ with respect to the fiber axis, as is customary in the prior art.
  • This angle can preferably be set by a defined displacement of the Saimellensmitte to the beam center (center beam), so that the receptacle (socket) 12 for the fiber 11 or for the connector 15 can run in the direction of the substrate normal, which is the manufacture and assembly of the flange 14 relieved.
  • the street guidance was calculated as an example for a silicon substrate 3 with the standard thickness of 525 ⁇ m and a silicon converging lens 8 etched on the back of the substrate.
  • the output variables and result values are listed below.
  • Waist radius of the laser beam w 0L 2, 0 ⁇ m
  • the center beam of the transformed laser beam bundle is deflected by a defined offset of the etched silicon S-irrigation lens of 2.7 ⁇ m relative to the center of the beam into the required directional angle of 3.69 °, which is for a fiber with a cutting angle of 8 ° is required.
  • the end face of the fiber must be 550 ⁇ m from the Sa ⁇ ml lens.
  • a so-called lead frame is used to hold the silicon substrate 3 and to make the electrical connections.
  • Lead frames of this type are used to contact electronic semiconductor chips and then to encase them with a sealing compound.
  • Leadframes have a central mounting surface for the chip and in the Periphery for this spider-like etched connecting fingers that extend from an outer frame to close to the central mounting surface, as well as webs that connect the central mounting surface to the outer frame.
  • the contact areas of the chip are connected to the connection fingers of the lead frame by means of bond connections.
  • the lead frames are used in the form of tapes that are automatically fed to the chip assembly and bonding stations. After assembling and potting the modules, the outer frames are cut off to remove the short circuits between the individual lines and the connecting fingers are bent as required.
  • the receptacle according to the invention is therefore designed so that the fiber 11 does not need to be inserted until after the SMD assembly.
  • FIG. 2 shows, as a first example, a leadframe for the mounting of a transmitter module according to FIG. 1.
  • a frame 20 (leadframe) there is a mounting surface 22 — connected by webs 21.
  • the silicon substrate is on a central, lowered part 23 of this mounting surface 3 mounted with the two wells 2 and 4.
  • This bonding area 25, which is conductively connected to the underside of the laser diode (of the laser chip) 1, is connected to a connecting finger 26 of the leadframe 20 via a bonding wire.
  • the for the contacting of the laser diode 1 and a possibly present monitor diode 30 necessary contact areas 31 and 32 connected to connecting fingers 27, 28 and 29 via bonding wires.
  • the space in the depression 2 between the end faces of the laser chip 1 and the end faces of the depression 2 is filled with a medium which is transparent to laser light.
  • the silicon substrate 3 is mounted in the lowered part 23 of the mounting surface.
  • the depression 23 is approximately as deep as the silicon substrate is thick.
  • the lowered part 23 of the mounting surface 22 has an opening 40 (FIG. 1) at the point opposite the converging lens 8, which opening has at least the size of the converging lens 8.
  • the mounting surface of the leadframe consists at least on the flat rear side 41 (FIG. 1) of the lowered part 23 from a laser-weldable material such as Kovar or stainless steel, which is not coated with gold there like the connecting fingers 26-29.
  • This rear side 41 serves as a bearing surface for the flange surface on the end face of the flange 14.
  • the receptacle 12 has at its front end the flange 14, the end surface of which serves as the second flange surface is slightly smaller than the rear side 41 serving as the first flange surface.
  • the flange 14 also consists of a laser-weldable material. During the active adjustment, the laser diode 1 is put into operation and the plug 15 is inserted into the receptacle 12. The flange 14 is moved with its flange surface parallel to the first flange surface 41 either slidingly or at a very close distance and the light output coupled into the fiber is measured in the process.
  • the movement of the flange 14 is expediently controlled by an automated search algorithm in order to quickly find the optimal lateral coupling position.
  • the axial coupling position is considerably less critical than the lateral one and can be preset due to the exact prepositioning of the etched Sarrtuell lens to the laser diode 1.
  • the axial coupling position is determined by the position of the stop 10 (for the connector 15) in the receptacle 12.
  • the flange 14 is welded to the rear side 41 by laser welding spots 43.
  • the plug 15 can then be removed from the receptacle 12 and the receptacle 12 can be provided with a protective cap for protection during the subsequent encapsulation process.
  • the laser diode 1 For active adjustment of the flange 14, the laser diode 1 must be contacted electrically. The following problem arises: If the connection pads of the laser diode are connected to the connection fingers 26 and 27 via bond wires, they are short-circuited until the frame 20 is separated. The frame 20 can only be separated if the module is encased, otherwise the connecting fingers will fall off. After the wrapping, however, the rear side 41 is no longer free or this surface would first have to be kept free and wrapped after the flange fixation, which would involve considerable additional expenditure.
  • the flange 14 is adjusted and fixed before the bonding process for the laser connections.
  • the apparatus for automatic flange adjustment and fixation contains a receiving device into which the leadframe with mounted silicon substrate 3 and laser chip 1 can be inserted so that the side with the laser chip is directed downwards and the other side up.
  • the receiving device has contact pins opposite the contact surfaces of the laser diode, via which the laser operating current is conducted during the adjustment. Since many lead frames are arranged next to each other as a band in series production, they can easily automatically guided into the adjustment and fixing station and contacted there via the contact pins. In the adjustment and fixing station, the flange 14 then only has to be fed to each module, expediently from a magazine.
  • the fiber 11 with plug 15 required for laser light detection can be the same for all modules to be adjusted and can be permanently connected to a light detector of the adjustment and fixing station, the plug being automatically inserted into the respective receptacle 12. In this way, not only the adjustment and fixing process can be automated, but also the feeding of the components.
  • the bond connections are made and then the covering material (covering) 50 is attached.
  • This casing can expediently consist, as usual, of an inner casing 70 and an outer casing 50 (FIG. 1).
  • the inner sheath 70 which covers the area of the bond wires, is made of a softer material to protect the bond wires.
  • the outer casing 50 which is later to provide mechanical protection, is made of a stronger material.
  • the frame 20 is then removed by severing the webs 21 at markings 21a and the connecting fingers 26 to 29 at markings 26a to 29a.
  • the connecting fingers 26 to 29 are bent at right angles on the underside of the casing 50, so that they can lie in recesses 51 (FIGS. 1 and 4).
  • FIG. 3 shows the module from the front after wrapping and after processing the connecting fingers and webs in a cross section in the plane of the lead frame.
  • FIG. 4 shows the module from the outside with the printed circuit board 60 shown in cross section.
  • a first leadframe 100 contains the mounting surface 122 for receiving the silicon substrate 3 with the depressions 2 and 4, the laser chip 1 (see FIG. 1) and possibly the monitor diode 30 (see FIG. 2).
  • the mounting surface 122 is connected to a frame 120 via webs 121.
  • a lowering of the inner area of the mounting surface, as in the first exemplary embodiment, can be dispensed with here.
  • a second lead frame 200 contains only the connecting fingers 26 to 29.
  • the frame 220 of the second Lead frames 200 are aligned with the frame 120 of the first lead frame 100 via latching structures 201 and 101.
  • the two lead frames are spaced apart from one another in the central region, which corresponds to the thickness of the silicon substrate.
  • the webs 121 are cranked according to this distance.
  • the use of two lead frames 100 and 200 has the advantage over the first exemplary embodiment that different materials and material thicknesses can be used for the two lead frames in accordance with their different tasks.
  • the leadframe 100 which carries the mounting surface and the webs 121, should have a greater material thickness for reasons of stability. It must also be made of a laser weldable material such as Kovar or stainless steel.
  • the leadframe 200, which carries the connection fingers, should be thinner since these have to be bent later. In addition, its surface must be gold-plated because it has to be bonded and soldered.
  • the first lead frame 100 is equipped and, as described for the first version, contacted via contact pins in the adjustment device and automatically actively adjusted. Then the tape with the second leadframes 200 is added and with the latching structures 201 on its frame 220 is latched into the latching structures 101 on the frame 120 of the first leadframe band, so that both are aligned with one another for the subsequent production of the bond connections of the connection spots on the silicon Substrate with the connecting fingers. The further processing, bonding, casting, trimming and bending of the connecting fingers is carried out as described for the first version.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Modul vorgeschlagen, das in der optischen Nachrichtentechnik zur Wandlung elektrischer in optische Signale beziehungsweise optischer in elektrische Signale dient. Das Modul umfaßt eine elektrische Schnittstelle; eine optische Schnittstelle, geeignet für eine optische Faser (11); ein tafelförmiges Substrat (3) aus Silizium, das auf einer seiner Breitseiten zwei anisotrop geätzte Vertiefungen (2, 4) in einer kristallographischen (100)-Ebene aufweist, wobei sich in der ersten Vertiefung (4) ein Wandler (1) befindet, der elektrisch kontaktiert ist. Dabei weist die zweite Vertiefung (4) eine totalreflektierende Stirnfläche (7) auf und es ist ein optischer Strahlverlauf vorgesehen, bei welchem die optischen Strahlen im Betrieb die Oberfläche derjenigen Breitseite des Substrates (3, 303) kreuzen, die der optischen Schnittstelle zugewandt ist. Der Mittenstrahl wird im Betrieb an einer Stirnfläche (6) der erstgenannten Vertiefung (2) gebrochen und an der totalreflektierenden Stirnfläche (7) reflektiert. Dort, wo der Mittenstrahl die Oberfläche der zweiten Breitseite durchdringt, befindet sich eine Sammellinse (8). Dieses Modul läßt sich in ein Bauteil integrieren, mit dem eine kostengünstige Montage auf einer Leiterplatte (60) in SMD-Technik erreicht werden kann.

Description

Elektrcoptisches Modul
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Modul nach der Gattung des Hauptar-spruchs.
Optoelektronische Module werden in der optischen Nachrichtentechnik zur Wandlung elektrischer in optische Signale bzw. optischer in elektrische Signale benötigt. Gebräuchlich sind Sende- bzw. Empfangsmodule, bei denen der optoelektronische Wandler, üblicherweise eine Halbleiterlaserdiode bzw. eine Photodiode, in einem koaxial aufgebauten und hermetisch dicht verschlossenen Gehäuse, einem sogenannten TO-Gehäuse, montiert ist. An dieses TO-Gehäuse wird dann über eine Abbildungsoptik eine Faser angekoppelt, wobei die ganze Anordnung in einem Modulgehäuse zusarrrnengefaßt ist. Die elektrischen Anschlüsse des elektrooptischen Wandlers werden aus dem Sockel des TO- Gehäuses über Durchführungsdrähte herausgeführt. Dadurch wird die Frecjuenzbandbreite auf < 1 Gbit/s beschränkt. Für höhere Bitraten ist es erforderlich, Gehäuse mit Hochfrequenz-Durchführungen, beispielsweise Butterfly-Gehäuse, zu verwenden, die aber wesentlich teurer sind. Um eine kostengünstige Montage auf Leiterplatten zu erreichen, werden elektrische Bauteile in SMD-Technik (Surface Mounted Device) montiert. Herkörr liche optoelektronische Module in TO- oder Butterfly-Technik sind für die SMD-Montage nicht geeignet und müssen daher separat von den elektrischen Bauteilen montiert werden, was mit erheblichen Mehrkosten verbunden ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Modul mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber folgenden Vorteil.
Die Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele ermöglichen eine kostengünstige und automatisierbare Herstellung von optoelektronischen Sende- und Qnpfangsmcxiulen in SMD-Bauweise, die zusammen mit elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte im selben Arbeitsgang montiert werden können. Wenn die erfindungsgernäßen Module als Receptacles hergestellt werden, stört bei der Montage auf der Leiterplatte kein Faserende. Die Befestigung der Module auf der Leiterplatte ist durch die erfindungsgemäßen Merkmale so stabil, daß alle gebräuchlichen Steckersysteme verwendet werden können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Moduls möglich.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1: den Querschnitt durch ein fertig auf eine Leiterplatte montiertes Sendemudul, Figur 2: ein sogenanntes Leadframe für die Montage eines
Sendemoduls nach Figur 1, Figur 3 : dasselbe Leadframe in einem späteren Bearbeitungszustand, Figur 4: das Modul von außen (Ansicht von links nach Figur 1) , Figur 5: eine Variante zu Figur 1,
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Zunächst wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel in Form eines Sendemoduls beschrieben. Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch ein fertig auf eine Leiterplatte montiertes Sendemudul. Als Wandler 1 ist eine Laserdiode 1 in einer Vertiefung 2 einer Breitseite ("Vorderseite") eines tafelförmigen Silizium-Substrats 3 montiert. Die Vertiefung 2 wurde durch anisotropes Ätzen in dem kristallographisch (100)- orientierten Silizium-Substrat 3 erzeugt. Neben der Vertiefung 2 wurde eine weitere Vertiefung 4 in das Silizium-Substrat 3 geätzt. Das aus der Stirnseite der Laserdiode austretende Lichtbündel 5 trifft auf die Stirnfläche 6 der Vertiefung 2, die mit einer Antireflexionsschicht belegt ist, so daß das Lichtbündel unter geringen Reflexionsverlusten in das Silizium eintreten kann. Aus kristallographischen Gründen haben die Stirnflächen und Seitenflächen der anisotrop geätzten Vertiefungen einen Böschungswinkel von
α arctan (^ ) = 54,7°.
Im Inneren des Siliziums trifft das Lichtbündel auf die Stirnfläche der zweiten Vertiefung 4, die den gleichen Böschungswinkel in entgegengesetzter Richtung aufweist. Dort ist der Auftreffwinkel so groß, daß das Lichtbündel totalreflektiert wird. Nach der Reflexion durchläuft das Lichtbündel das Silizium-Substrat nahezu senkrecht zur Breitseite des Substrats. Die Strahlrichtung des Mittenstrahls des totalreflektierten Bündels hängt vom Medium zwischen der Laserstirnfläche und der Stirnfläche 6 der Vertiefung 2 ab. Füllt man diese Vertiefung mit einem transparenten Medium mit dem Brechungsindex von r-o = 1,5, so verläuft der Mittenstrahl des an der Stirnfläche 7 reflektierten Lichtbündels unter einem Winkel von 1,4° gegenüber der Normalen zur Breitseite des Silizium-Substrates 3.
Auf der den Vertiefungen gegenüberliegenden Breitseite ("Rückseite") des Silizium-Substrates trifft das Lichtbündel auf eine Sammellinse 8, die vorzugsweise durch reaktives lonenstrahlatzen (RIE) direkt auf der Rückseite des SiliziumSubstrates erzeugt ist. Dadurch erhält man eine hochgenaue Ausrichtung der Sammellinse 8 zu den beiden straMumlenkenden Stirnflächen 6 und 7 auf der Vorderseite, die durch die Vorder-Rückseiten-Ausrichtung der Lithographie-Prozesse im Vielfachnutzen bei der Strukturierung des Siliziumwafers erreicht wird. Die Position der Laserdiode 1 wird durch die als Anschläge dienenden Seitenwände der Vertiefung 2 definiert. Dadurch wird die gegenseitige Position der Laserdiode 1 zur Sammellinse 8 durch lithographische Prozesse mit hoher Genauigkeit vorbestirrmt . Die Sammellinse 8 fokussiert das Lichtbündel in einem Bildpunkt 9. An dem Ort des Bildpunktes 9 wird die Stirnfläche einer Faser 11 positioniert. Die Brennweite der Sairtnellinse 8 wird so gewählt, daß sich ein Vergrößerungsverhältnis für eine optimale Strahltransformation des Laserstrahls in einen von der verwendeten Faser 11 akzeptierten Strahl ergibt, um einen optimalen Koppelwirkungsgrad zu erreichen. Wird als Faser eine Mehrmodenfaser mit einem Kerndurchmεsser von circa 45 μm verwendet, so kann auf eine aktive Justage verzichtet werden. Bei einer Einmodenfaser mit einem Kerndurchmesser von circa 10 μm ist eine aktive Justage erforderlich.
Bevorzugt wird das Sendemodul als sogenanntes Receptacle hergestellt, bei dem die Faser 11 nicht fest mit dem Modul verbunden ist, sondern Teil eines Steckers 15 ist, der lösbar und verdrehsicher in einer Aufnahme (insbesondere Buchse) 12 geführt ist. Die Aufnahme weist einen Flansch 14 auf, dessen Stirnfläche senkrecht zur Faser- und Steckerachse und parallel zu den Breitseiten des Silizium-Substrats 3 verläuft. Die axiale Position des Steckers 15 wird durch einen Anschlag 10 an der Stirnseite der Aufnahme 12 festgelegt. Zur Vermeidung von Rückreflexionen von der Faserstirnseite auf die Laserdiode 1 ist die Normale auf der Faserstirnseite gegenüber der Faserachse, wie nach dem Stand der Technik üblich, um einen Winkel δ geneigt. Üblicherweise wird für δ ein Winkel von 8° gewählt. Aufgrund des Brechungsgesetzes muß dann zwischen dem einfallenden Strahl und der Faserachse bei einem Brechungsindex des Faserkerns von nκ = 1,46 ein Winkel von
ε = aresin (nκ • sin δ ) - δ = 3,7° (1)
eingestellt werden. Dieser Winkel läßt sich bevorzugt durch eine definierte Verschiebung der Saimellinsenmitte zur Strahlmitte (Mittenstrahl) einstellen, so daß die Aufnahme (Buchse) 12 für die Faser 11 beziehungsweise für den Stecker 15 in der Richtung der Substratnormalen verlaufen kann, was die Herstellung und Montage des Flansches 14 erleichtert . Die StraMführung wurde beispielhaft für ein Silizium-Substrat 3 mit der Standarddicke von 525 μm und einer auf der Substratrückseite geätzten Silizium- Saπmellinse 8 berechnet . Im folgenden sind die Ausgangsgrößen und Ergebniswerte aufgeführt .
Berechnungsbeispiel für ein Sendemodul :
Wellenlänge in Luft : λ = 1 , 55 μm
Medium zwischen Laserdiode und Si - Substrat n0 = 1 , 5
Taillenradius des Laserstrahls w0L = 2 , 0 μm
Taillenradius für die Einmodenfaser w0F = 5 , 8 μm erforderliche Vergrößerung für Transformation M = 2 , 9
Sammellinsenradius RL = 120 μm
Krümmungsradius der Sammellinse Rk = 350 μm Brennweite der Sammellinse f = 141 μm
Stegbreite zwischen den Vertiefungen 2 und 4 a = 10 μm Tiefe der Laserdiode unter der Si-Oberf lache t = 62,5 μm optische Weglänge Laserdiode - Sammellinse bezogen auf Luft g = 189 μm optische Weglänge Sammellinse - Faser b = 550 μm erreichte Vergrößerung b/g = 2,91 Richtungswinkel des Mittenstrahls vor der
Sammellinse Yi = 1,37' D Versatz Sammellinsenmitte - Strahlmitte V = 2,7 μm Richtungswinkel des Mittenstrahls nach der
Sammellinse Yn _ 3,69' D Schnittwinkel der Faserstirnfläche δ = 8, 0° Richtungswinkel nach Brechung an
Faserstirnfläche γf = 0 °
In diesem berechneten Beispiel wird der Mittenstrahl des transformierten Laserstrahlbundels durch einen definierten Versatz der geätzten Silizium- S-irr-riellinse von 2, 7 μm gegenüber der Strahlmitte gerade in den erforderlichen Richtungswinkel von 3, 69° umgelenkt, der für eine Faser mit einem Schnittwinkel von 8° erforderlich ist . Die Faserstirnfläche muß dabei 550 μm von der Saπ-mllinse entfernt sein. Das Vergrößerungsverhältnis wird dann M = 2, 9 und ist für die Transformation eines Laserstrahls mit einem Taillenradius von 2, 0 μm in einen an die Faser angepaßten Strahl mit einem Taillenradius von 5 , 8 μm geeignet .
Zur Aufnahme des Silizium-Substrates 3 und zur Herstellung der elektrischen Verbindungen wird ein sogenannter Leadframe verwendet . Solche Leadframes sind gebräuchlich, um elekronische Halbleiterchips zu kontaktieren und anschließend mit einer Vergußmasse zu umhüllen. Leadframes haben eine zentrale Montagefläche für den Chip und in der Peripherie dazu spinnenartig geätzte Anschlußfinger, die von einem äußeren Rahmen bis nahe an die zentrale Montagefläche heranreichen, sowie Stege, welche die zentrale Montagefläche mit dem äußeren Rahmen verbinden. Die Kontaktflächen des Chips werden durch Bondverbindungen mit den Anschlußfingern des Leadframes verbunden. Zur serienmäßigen Fertigung von Modulen werden die Leadframes in Form von Bändern eingesetzt, die automatisch den Stationen zur Chip-Bestückung und Bondung zugeführt werden. Nach der Montage und dem Vergießen der Module werden die äußeren Rahmen abgetrennt, um die Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Leitungen zu entfernen, und die Anschlußfinger nach Bedarf gebogen. Bisher war die Montage optoelektronischer Module mit Leadframes nicht möglich, da die Lichtleitfaser bei der SMD- Montage hinderlich ist.
Das Receptacle nach der Erfindung ist daher so gestaltet, daß die Faser 11 erst nach der SMD-Montage eingesteckt zu werden braucht.
Ein weiteres Problem bei der Leadframe-Montage, insbesondere bei Sendemodulen, ist die Lichtkopplung. Dieses Problem wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.
Durch die Erfindung läßt sich das bekannte rationelle Montageverfahren mit Leadframes auch für optoelektronische Module verwenden. Figur 2 zeigt als erstes Beispiel ein Leadframe für die Montage eines Sendemoduls nach Figur 1. Innerhalb eines Rahmens 20 (Leadframe) befindet sich - über Stege 21 verbunden - eine Montagefläche 22. Auf einem mittleren, abgesenkten Teil 23 dieser Montagefläche ist das Silizium-Substrat 3 mit den beiden Vertiefungen 2 und 4 montiert. Von der Grundfläche der Vertiefung 2 ist eine Leiterbahn 24 herausgeführt, die in einem Bondfleck 25 auf der Oberfläche des Silizium-Substrates 3 endet. Diese Bondfläche 25, die mit der Unterseite der Laserdiode (des Laserchips) 1 leitend verbunden ist, ist über einen Bonddraht mit einem Anschlußfinger 26 des Leadframes 20 verbunden. Ebenso werden die für die Kontaktierung der Laserdiode 1 und einer eventuell vorhandenen Monitordiode 30 erforderlichen Kontaktflächen 31 und 32 mit Anschlußfingern 27, 28 und 29 über Bonddrähte verbunden. Der Raum in der Vertiefung 2 zwischen den Stirnflächen des Laserchips 1 und den Stirnflächen der Vertiefung 2 ist mit einem für Laserlicht transparentem Medium ausgefüllt. Um eine möglichst rationelle Bondung in einer Ebene zu erreichen, ist das Silizium-Substrat 3 im abgesenkten Teil 23 der Montagefläche montiert. Die Absenkung 23 ist dabei etwa gerade so tief, wie das Silizium-Substrat dick ist.
Für die Ankopplung von Einmodenfasem, die eine sehr enge laterale Koppeltoleranz < 3 μm erfordern, ist eine Justage- und Fi- -erungsmöglichkeit vorgesehen, die an die Leadframe-Montage angepaßt ist. Der abgesenkte Teil 23 der Montagefläche 22 hat an der der Sammellinse 8 gegenüberliegenden Stelle eine Öffnung 40 (Figur 1) , die mindestens die Größe der Sammellinse 8 aufweist. Die Montagefläche des Leadframes besteht mindestens auf der ebenen Rückseite 41 (Figur 1) des abgesenkten Teils 23 aus einem laserschweißbaren Material wie zum Beispiel Kovar oder Edelstahl, das dort nicht wie die Anschußfinger 26 - 29 mit Gold beschichtet ist. Diese Rückseite 41 dient als Auflagefläche für die Flänschflache an der Stirn des Flansches 14. Die Aufnahme 12 hat an ihrem vorderen Ende den Flansch 14, dessen Stirnfläche, die als zweite Flanschfläche dient, geringfügig kleiner ist, als die als erste Flanschfläche dienende Rückseite 41. Der Flansch 14 besteht ebenfalls aus einem laserschweißbaren Material. Bei der aktiven Justage wird die Laserdiode 1 in Betrieb genommen und der Stecker 15 in die Aufnahme 12 gesteckt. Der Flansch 14 wird mit seiner Flanschfläche parallel zur ersten Flanschfläche 41 entweder gleitend oder in sehr engem Abstand bewegt und dabei die in die Faser gekoppelte Lichtleistung gemessen.
Zweckmäßigerweise wird die Bewegung des Flansches 14 durch einen automatisierten Suchalgorithmus gesteuert zur schnellen Auffindung der optimalen lateralen Koppelposition. Die axiale Koppelposition ist wesentlich unkritischer als die laterale und kann wegen der exakten Vorpositionierung der geätzten Sarrtuellinse zur Laserdiode 1 voreingestellt werden. Die axiale Koppelposition wird durch die Lage des Anschlages 10 (für den Stecker 15) in der Aufnahme 12 bestimmt.
Nach Erreichen der optimalen Koppelposition wird der Flansch 14 durch Laserschweißpunkte 43 mit der Rückseite 41 verschweißt. Danach kann der Stecker 15 aus der Aufnahme 12 entnorrmen werden und die Aufnahme 12 zum Schutz beim nachfolgenden Umhüllungsprozeß mit einer Schutzkappe versehen werden.
Zur aktiven Justage des Flansches 14 muß die Laserdiode 1 elektrisch kontaktiert werden. Dabei tritt folgendes Problem auf: Werden die Anschlußflecken der Laserdiode mit den Anschlußfingern 26 und 27 über Bonddrähte verbunden, so sind sie bis zum Abtrennen des Rahmens 20 kurzgeschlossen. Der Rahmen 20 kann nur abgetrennt werden, wenn das Modul umhüllt ist, da sonst die Anschlußfinger abfallen. Nach der Umhüllung ist aber die Rückseite 41 nicht mehr frei oder diese Fläche müßte zunächst freigehalten und nach der Flanschfixierung umhüllt werden, was mit erheblichem Mehraufwand verbunden wäre.
Daher wird folgender Verfahrensablauf vorgeschlagen: Die Justierung und Fixierung des Flansches 14 erfolgt vor dem Bondvorgang für die Laseranschlüsse. Die Apparatur zur automatischen Flanschjustage und - fixierung (Justage- und Fixierstation) enthält eine Aufnahmevorrichtung, in die das Leadframe mit montiertem Silizium- Substrat 3 und Laserchip 1 so eingelegt werden kann, daß die Seite mit dem Laserchip nach unten gerichtet ist und die andere Seite nach oben. Die Aufnahmevorrichtung weist den Kontaktflächen der Laserdiode gegenüberliegende Kontaktstifte auf, über die während der Justage der Laserbetriebsstrom geführt wird. Da bei Serienproduktion viele Leadframes nebeneinander als Band angeordnet sind, können sie leicht automatisch in die Justage- und Fixierstation geführt und dort über die Kontaktstifte kontaktiert werden. In der Justage- und Fixierstation muß dann nur noch zu jedem Modul der Flansch 14 zugeführt werden, zweckmäßigerweise aus einem Magazin. Die für die Laserlichtdetektion erforderliche Faser 11 mit Stecker 15 kann für alle zu justierenden Module die gleiche sein und fest mit einem Lichtdedektor der Justage- und Fixierstation verbunden sein, wobei der Stecker automatisch in die jeweilige Aufnahme 12 eingeführt wird. Auf diese Weise ist nicht nur der Justage- und Fixierungsvorgang automatisierbar, sondern auch die Zuführung der Bauteile.
Nach Durchlaufen der Justage- und Fixierstation werden die Bondverbindungen hergestellt und anschließend das umhüllende Material (Umhüllung) 50 angebracht. Zweckmäßigerweise kann diese Umhüllung wie üblich aus einer inneren Umhüllung 70 und einer äußeren Umhüllung 50 bestehen (Figur 1) . Die innere Umhüllung 70, die den Bereich der Bondrähte abdeckt, besteht zum Schutz der Bonddrähte aus einem weicheren Material. Die äußere Umhüllung 50, die später den mechanischen Schutz bewirken soll, besteht aus einem festeren Material. Danach wird der Rahmen 20 entfernt, indem die Stege 21 an Markierungen 21a und die Anschlußfinger 26 bis 29 an Markierungen 26a bis 29a durchgetrennt werden. Die Anschlußfinger 26 bis 29 werden an der Unterseite der Umhüllung 50 rechtwinklig abgebogen, so daß sie in Aussparungen 51 (Figuren 1 und 4) zu liegen korr-nen. Diese Aussparungen 51 sind entsprechend der Dicke der Anschlußfinger gerade so tief, daß diese nicht über die Kontur der Umhüllung 50 hinausragen. An der Kante zur seitlichen Fläche 52 werden die Anschlußfinger rechtwinklig nach oben gebogen, so daß sie an der Fläche 52 anliegen und noch einige Millimeter nach oben ragen. Man erhält auf diese Weise einen quaderförmigen Klotz, der etwa in der Mitte senkrecht nach unten ragende Stifte aufweist, gebildet durch die Stege 21. Diese Stifte 21 werden in Bohrungen 61 einer Leiterplatte 60 hineingesteckt und auf der Unterseite der Leiterplatte mit Hilfe von Lot 62 mit einer Masseleiterbahn 64 verlötet. Die Auflagefläche 53 der Umhüllung 50 ist abgesehen von den Ausnehmungen 51, in denen die Anschlußfinger 26 - 29 verlaufen, eben, so daß das gezeigte Modul fast ganzflächig auf der Oberseite 63 der Leiterplatte 60 aufliegen kann.
Durch das ganzflächige Aufliegen des Moduls und die Durchsteckhalterung in der Mitte der Unterseite wird eine hohe mechanische Stabilität der Befestigung erreicht, die für die Steckvorgänge in der Aufnahme 12 erforderlich ist. Die elektrische Kontaktierung der Anschlußfinger 26 - 29 mit Leiterbahnen 76 bis 79 auf der Oberseite 63 der Leiterplatte 60 geschieht wie beim SMD- Verfahren gebräuchlich über Lötstellen 72. Die elektrischen Verbindungen der Anschlußfinger 26 - 29 sind auch bei starker mechanischer Belastung des Moduls bei Steckvorgängen von mechanischen Beanspruchungen weitgehend entkoppelt, da eine eventuelle Kippung des Moduls durch die Federwirkung der langen Anschlußfinger aufgefangen wird.
Die Fig. 3 zeigt das Modul von der Stirnseite nach dem Umhüllen und nach dem Bearbeiten der Anschlußfinger und Stege in einem Querschnitt in der Ebene des Leadframes. Figur 4 zeigt das Modul von außen mit der im Querschnitt dargestellten Leiterplatte 60.
In einer zweiten Version werden für die Montage zwei Leadframes verwendet, die sandwichformig angeordnet sind. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 5 dargestellt. Ein erster Leadframe 100 enthält dabei die Montagefläche 122 zur Aufnahme des Silizium-Substrates 3 mit den Vertiefungen 2 und 4, des Laserchips 1 (vergleiche Figur 1) und eventuell der Monitordiode 30 (vergleiche Figur 2) . Die Montagefläche 122 ist über Stege 121 mit einen Rahmen 120 verbunden. Hier kann auf eine Absenkung des inneren Bereiches der Montagefläche wie im ersten Ausführungsbeispiel verzichtet werden. Ein zweiter Leadframe 200 enthält nur die Anschlußfinger 26 bis 29. Der Rahmen 220 des zweiten Leadframes 200 wird dabei zu dem Rahmen 120 des ersten Leadframes 100 über Raststrukturen 201 und 101 ausgerichtet. Beide Leadframes haben im mittleren Bereich einen Abstand voneinander, der der Dicke des Silizium-Substrates entspricht. Die Stege 121 sind entprechend diesem Abstand gekröpft. Die Verwendung zweier Leadframes 100 und 200 hat gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel den Vorteil, daß für die beiden Leadframes entsprechend ihren unterschiedlichen Aufgaben verschiedene Materialien und Materialstärken verwendet werden können. Das Leadframe 100, das die Montagefläche und die Stege 121 trägt, sollte aus Stabilitätsgründen eine größere Materialstärke haben. Außerdem muß es aus einem laserschweißbaren Material wie Kovar oder Edelstahl bestehen. Das Leadframe 200, das die Anschlußfinger trägt, sollte dünner sein, da diese später umgebogen werden müssen. Außerdem muß seine Oberfläche vergoldet sein, da darauf gebondet und gelötet werden muß.
Zunächst wird der erste Leadframe 100 bestückt und wie für die erste Version beschrieben über Kontaktstifte in der Justagevorrichtung kontaktiert und automatisch aktiv justiert. Danach wird das Band mit den zweiten Leadframes 200 hinzugefügt und mit den Raststrukturen 201 auf dessen Rahmen 220 in den Raststrukturen 101 auf dem Rahmen 120 des ersten Leadframebandes eingerastet, so daß beide zueinander ausgerichtet sind für die anschließende Herstellung der Bondverbindungen der Anschußflecken auf dem Silizium-Substrat mit den Anschlußfingem. Die weitere Bearbeitung, Bonden, Vergießen, Stutzen und Umbiegen der Anschlußfinger erfolgt wie für die erste Version beschrieben.

Claims

Ansprüche
1. Elektrooptisches Modul mit
- einer elektrischen Schnittstelle in Gestalt elektrischer Anschlüsse (25),
- einer optischen Schnittstelle, geeignet für eine optische Faser
(11),
- einem tafelförmigen Substrat (3, 303, 403) aus Silizium, das auf einer seiner beiden Breitseiten zwei anisotrop geätzte Vertiefungen (2, 4) in einer kristallograqphischen (100) -Ebene aufweist
- mit einem Wandler (1, 301, 401) in der ersten Vertiefung (2) , der elektrisch kontaktiert ist, wobei die zweite Vertiefung (4) eine totalreflektierenden Stirnfläche (7) aufweist und ein optischer Strahlverlauf vorgesehen ist, bei welchem die optischen Strahlen im Betrieb die Oberfläche derjenigen Breitseite des Substrates (3, 303) kreuzen, die der optischen Schnittstelle zugewandt ist, und im Betrieb der Mittenstrahl an einer Stirnfläche (6) der erstgenannten Vertiefung (2) gebrochen und an der totalreflektierenden Stirnfläche (7) reflektiert wird und die Oberfläche der zweiten Breitseite durchdringt, dadurch gekennzeichnet, daß sich dort auf der zweiten Breitseite eine Sammellinse (8) befindet.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (8) direkt auf der zweiten Breitseite erzeugt ist.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der Sammellinse (8) quer zum Mittenstrahl so verschoben ist, daß die Richtung des Mittenstrahls innerhalb der Sammellinse stärker von der Richtung der Normalen auf der zweiten Breitseite abweicht als jenseits der konvexen Begrenzungsfläche, welche die Sarrmellinse (8) auf der Seite begrenzt, die der zweiten Breitseite abgewandt ist.
4. Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (1) eine kantenemittierende Laserdiode
(1) ist.
5. Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (401) in der Vertiefung (2) mit einer transparenten Abdeckung versehen ist.
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