光電板及其制造方法

專利名稱：光電板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種光電板以及在混合印刷電路板上安裝光電電路的方法。混合印刷電路板包括光波導和電線路。
背景技術：
在幾個應用中，例如高速伺服器和路由器中，需要在印刷布線板(PWB)上的1到3米的長度上通過幾個連接器傳輸低損耗和低失真的高頻信號。由于信號頻率現在在10GHz的范圍中，這對于電力完成變得日益困難，主要是因為在電路板中絕緣材料的介電損耗。即使可以應用更低損耗的介質材料，當頻率進一步增加時，PWB的銅布線的電阻最終將變成限制因素。
該問題的一個解決方案可以是在長距離上以光傳送更高的頻率信號而不是以電傳送。這可以通過在印刷布線板中集成光波導來完成。光波導在PWB的平面內傳輸光信號。通過光電轉換器將高頻電信號轉化成光信號、耦合到波導內、集成到布線板中、以低損耗和低失真傳送到它們的目的地(還可能通過幾個光連接器)、耦合到波導外面并然后通過另外的光電轉換器轉換回電信號。相對于波導來說，光電轉換器的發射器和檢測器的位置的所需機械容差是幾微米的級別，優選＜5μm。這導致了光電轉換器相對于波導的安裝問題，使得光可以高效地耦合到波導中或者從波導中耦合出來。
在專利申請WO 2005/031417A1中，描述了一種具有電線路和集成的光波導的印刷電路板。光電電路安裝在印刷電路板的表面上，并通過印刷電路板中的開口光耦合到光波導。光從光波導耦合出來，并在光波導的端面上通過將光旋轉90°引導到光電電路。因此，光波導的端面是傾斜的。
在公開R.T.Chen，L.Lin，C.Choi，Y.J.Liu，B.Bihari，L.Wu，S.Tang，R.Wickman，B.Picor，M.K.Hibbs-Brenner，J.Bristow，Y.S.Liu的“FullyEmbedded Board-Level Guided-Wave Optoelectronic Interconnects”(2000年6月，Proc.IEEE，88卷，第6期，780-793頁)中描述了一種具有嵌入的光波導和嵌入的光電元件的印刷電路板。光電元件安裝在光波導層的表面上。嵌入在波導中的反射鏡改變光的方向，以在光電元件和光波導之間獲得有效的光耦合。在波導層中實現反射鏡是增加光板的成本的專門工藝。
在公開G.K.Chang，D.Guidotti，Z.Huang，L.Wan，J.Yu，S.Hegde，H.F.Kuo，Y.J.Chang，F.Liu，F.Wang R.Tummala的“High-density，end-to-end optoelectronic integration and packaging for digital-opticalinterconnect systems”(Proc.SPIE Conf.on Enabling PhotonicsTechnologies for Defense，Security and Aerospace Applications，2005年3月28日-4月1日，Kissimmee，Florida，美國，Vol.5814，(Paper 24))中描述了怎樣將邊緣發射激光器和邊緣接收檢測器嵌入在波導層中的空腔中，以獲得將光界面耦合到波導平面的接合。這種方法避免了反射鏡的使用，但是需要邊緣發射激光器，它們通常比表面發射激光器更昂貴。而且，不能獲得標準部件的邊緣接收檢測器。
在專利申請WO 2005/096682 A2中，將光電元件嵌入在印刷電路板中，其中表面發射激光器和檢測器定向為垂直的方向。這種布置還克服了對于嵌入波導的反射鏡的需求，并能夠實現將光界面耦合到波導的端面的接合。通過印刷電路板中的微孔獲得和光電元件的電接觸。可選的是，通過柔性電板或者通過線焊接在印刷電路板和光電元件之間建立電連接。通過板中和光電元件上的機械對準特征獲得光電元件相對于波導的精確定位。

發明內容
根據本發明的第一個方案，提供了一種具有波導和光電電路的光電板，其中相對于波導對準光電電路，使得可以更有效地將光耦合到波導中或者耦合出波導。在本發明的幫助下，可以更機械地定位光電電路。
根據本發明的第一個方案，提供了電信號的發射器或者接收器和光電電路之間的電連接。通過本發明可以保持電連接更短，并可以降低損耗和失真。
根據本發明的光電板包括具有光波導、金屬區和孔的印刷布線板，其中光波導的接合面和金屬區的接合面形成孔的側面的部分。光電板還包括具有焊盤的光電電路，其中光電電路布置在孔中，并用它的焊盤焊接到金屬區的接合面。
本發明的進一步發展的優點產生于從屬權利要求顯示的特征。
優選，在光電板中，光電電路的焊盤具有和金屬區的接合面的高度基本上相同的高度。因此，可以進一步增加光電電路相對于波導對準的垂直精度。
而且，優選的是，在光電板中光電電路的焊盤具有和金屬區的接合面的寬度基本相同的寬度。因此，還可以進一步增加光電電路相對于波導對準的水平精度。
在光電板的實施例中，光電電路包括發光或者檢測元件，其中選擇發光或者檢測元件和焊盤之間的距離以及金屬區和光波導的芯之間的距離，由此提供發光或者檢測元件和光波導之間的光耦合。
在光電板的另一個實施例中，孔在印刷布線板的整個厚度上延伸。這使得更容易地制造孔。
在光電板的另一個實施例中，金屬區覆蓋光波導。因此，可以增強光電電路的對準精度，因為層的容差隨著每個另一層而增加。
在光電板的研制中，形成金屬區，使得它充當用于光電電路的電導體。因此，金屬區充當機械定位輔助和用于電信號的導體。
根據光電板的另一實施例，印刷布線板包括其它金屬區，以及光電電路包括其它焊盤，其中其它金屬區的接合面形成孔側面的其它部分并相對于光電電路的其它焊盤布置。因此，可以進一步增強光電電路的自對準，因為在焊接工藝的過程中每一個其它金屬區改善了光電電路的自對準。
有利地是，在光電板中，光電電路包括載體，其中發光或者檢測元件以及焊盤布置在載體上。
最后，在光電板中，金屬區可以包括第一金屬，并可以用不同的金屬，例如金或者鎳涂敷金屬區的接合面。涂敷金屬充當擴散阻擋。
根據本發明的另一個方案，提出了一種制造上述板的方法，其中該方法包括下述步驟。在定位步驟中將光電電路定位在孔中。然后，在焊接步驟中，將光電電路的焊盤焊接到金屬區的接合面。
為了緩和光電轉換器的發射器和檢測器的位置相對于波導的機械誤差，波導可以是多模的。


通過結合附圖參考根據本發明的優選但只是示例性的實施例的下面的具體描述，將更全面地理解本發明和它的實施例。
圖1以橫截面示出了具有設置有兩個芯片的印刷布線板的光電板，其具有頂發射VCSEL；圖2以縱截面示出了圖1的光電板；圖3以橫截面示出了具有設置有兩個芯片的印刷布線板的光電板，其具有底發射VCSEL。
具體實施例方式
圖1以截面示出了具有印刷布線板1的光電板1的第一個實施例。橫斷面沿圖2所示的橫截線A-A延伸。圖2以沿圖1所示的橫截線B-B的縱截面的形式示出光電板1的截圖。
印刷布線板1被配置有兩個芯片。兩個芯片的其中一個是安裝在印刷布線板1上面的驅動器/接收器芯片30。驅動器/接收器芯片30具有焊接到印刷布線板1的布線線路的焊盤。在圖1中，示出了用附圖標記31和32表示的兩個焊盤。第二個芯片是光電電路20，其安裝在印刷布線板1的孔19中。在下面使用詞光電電路、光電(O/E)轉換器芯片、電光(E/O)轉換器芯片或者簡單地使用轉換器芯片作為同義詞。還稱作印刷電路板的印刷布線板1包括具有還稱為條導體的銅布線線路4.1和4.2的銅層4以及其它的銅層8和12。通過玻璃加強塑料的絕緣層5、7和13隔離銅層4、8和12。銅層8和12具有一個或者多個金屬區，其中每一個金屬區具有形成印刷布線板1中的孔19的側面的部分的接合面。例如，層12包括金屬區12.1到12.4。可以用例如金或者鎳覆蓋金屬區12.1到12.4的接合表面和層8的金屬區的接合表面，以阻止氧化或者為良好的焊接提供改善的表面。附圖標記6和14表示另外的層，其可以包括其它銅和絕緣層。通過穿過中間絕緣層5和7的銅過孔15構成布線線路4.2和8之間的電互連。將包括上包層9、光波導芯層10和下包層11的光波導(OWG)放置在包括層4、5、6和7的上層UL和包括層13和14的下層LL之間。上包層9、光波導芯層10和下包層11組合成波導層WGL。
圖3以橫截面示出了具有設置有兩個芯片的印刷布線板1的光電板的第二個實施例。關于光電電路20的結構，第二個實施例不同于第一個。盡管在圖1中所示的光電電路是頂發射VCSEL，但是在圖3中所示的光電電路是底發射VCSEL。VCSEL(垂直空腔表面發射激光器)是光學發光器件。圖3的光電電路包括具有幾個焊盤21和22的載體27以及底發射VCSEL 26。VCSEL 26通過焊盤28和29電力和機械地連接到載體27。
在另一個實施例中，光電電路還可以是光檢測電路，例如光敏電阻器。
為了確保完成的印刷布線板1基本上是平的，層UL、WGL和LL的布置關于中心層對稱是有益的。為此，優選將光波導的層9、10和11放置在印刷布線板1的頂層或者上層UP和底層或者下層LL之間的中點處。
期望的是，以這樣的方式安裝光電轉換器芯片20，使得光可以耦合到層疊到印刷布線板1中的光波導中或者從中耦合出。因此，在印刷布線板1中切割孔以暴露層疊在印刷布線板1內的OWG的端面，其還稱為接合面，在圖1-3中示出了其中的一個所述孔。將OE檢測器芯片安裝到孔中，使得從這些OWG的端面發射的光耦合到檢測器。相反，在這個孔中安裝發光芯片，使得發光芯片的激光器或者LED發出的光耦合到OWG的端面中。因此，OE芯片直接接合到印刷布線板1中的孔的側壁上。通過將OE芯片接合到銅布線線路的端面，獲得了更高程度的對準。將這些布線線路嵌入板中并和OWG對準，作為印刷布線板的制造工藝的一部分。可以使用相同的布線線路傳送印刷布線板1上的OE芯片和其它器件例如驅動器30之間的電信號。
OE芯片20這樣形成，當它接合到OWG上面和/或下面的銅層時，精確地對準它的光發射或者接收表面，也就是，相對于其耦合的OWG的中心層10在a＜5微米的范圍內。平行于印刷布線板中的切割邊緣的平面的這種對準是關于印刷布線板中的芯片和銅線路的幾何形狀的。通過OE芯片上的接合焊盤21、22的接合厚度23、24和結構給出芯片的發光表面到OWG的距離。OE芯片是否接合到OWG的一側或者兩側上的銅層是可選的，并可以根據所考慮的器件的熱、機械、光或者電問題來決定。
借助于焊球可以將光電芯片焊接到金屬區的接合表面上。例如，在Karl Puttlitz，Paul A.Totta的“Area Array Interconnection Handbook”，Kluwer Academic Publishers(波士頓，多德雷赫特，倫敦)(2001，ISBN0-7923-7919-5)可以發現關于借助于焊球的芯片接合的其它信息。
在實施例中，光電電路20的焊盤22具有和金屬區12的接合表面的高度基本相同的高度。原則上，印刷布線板1的光電電路20的其它焊盤和金屬區例如層8的其它接合表面同樣具有相同的高度。因此，可以進一步增加光電電路20相對于波導的對準的垂直精度，也就是在y方向上的精度。
在另一實施例中，光電電路20的焊盤22具有和金屬區12的接合表面的寬度基本上相同的寬度w。原則上，印刷布線板1的光電電路20的其它焊盤和金屬區例如層8的其它接合表面同樣具有相同的寬度。因此，可以進一步增加光電電路20相對于波導的對準的水平精度，也就是在z方向上的精度。
將電光轉換器芯片20的發光或者檢測表面置于轉換器芯片20的面25上，其和波導芯層10的發光或者接收面10.1相對。面10.1是上述接合面的其中一個。在轉換器芯片20的相同面25上還放置導電焊盤21和22，它們相對于電光轉換器20的發光或者檢測表面具有基本上相同的高度。焊盤(附圖標記21和22表示它們中的兩個)形成到芯片20上的電光轉換器的電連接。通過適當的冶金，例如焊料23和24形成焊盤21和22，使得它們可以分別接合到印刷布線板的銅布線線路8和12。一些處理，例如，對銅線路8和12的露出表面的其它金屬比如金或者鎳等清洗、電鍍可能對于形成更好的接合有幫助。
在印刷布線板1的層的順序中，銅層8和12置于緊挨著光波導層9、10和11的上面和下面。銅層8和12在層堆疊體內以高精度設置波導9、10、11的位置。因此，優選銅層8和12設置波導層9、10、11的位置。其原因是由于制造過程，整個疊層即整個印刷布線板1的厚度比光波導層9、10和11以及銅層8和12的全部厚度更大地變化。因此由光波導層9、10和11以及銅層8和12構成的疊層的整體厚度比整個印刷布線板的厚度可更精確地預測。
在期望耦合到波導9、10、11的每個位置，在印刷布線板中切割孔，優選為至少一個具有平坦邊緣的孔，其從印刷布線板的一個表面至少通到限定波導9、10、11的相對側的銅層。例如，如圖1和3所示，可以完全穿過印刷布線板1切割孔。孔19通過印刷布線板露出橫截面。尤其是，孔19通過波導9、10、11露出垂直部分，光L可以耦合到波導中或者從波導中出來。其次，孔19露出波導9、10、11上面和下面的銅布線線路8和12，光電轉換器芯片20可以接合到所述波導上，并將它電連接到電路的剩余部分。可以知道的是，激光切割機可以在金屬層上停止，因此可以切割具有預定深度的孔。
在緊挨著波導9、10、11的上面和下面形成具有兩個功能的銅層8和12。首先，直接將電光轉換器芯片20上的焊盤21和22分別接合到銅層8和12。還相對于光波導9、10、11橫向地(以y和z方向)精確定位銅層8和12。如果使用焊料23、24作為接合材料(如在倒裝芯片接合中)，熔融的焊料的表面張力將提供電光轉換器芯片20上的焊盤21和22的與印刷布線板1的銅特征的一定程度的自對準。其次，布線線路8和12結合孔19執行布線功能，使得通過較短的路徑將電信號傳送給電光轉換器芯片20、和將來自電光轉換器芯片20的電信號傳送給相鄰的電驅動器和接收器芯片30。
這樣形成電光轉換器芯片20，使得當它接合到光波導9、10、11的上面和/或下面的銅層8和12時，它的光發射或者接收表面25相對于它耦合的光波導9、10、11的中心優選在小于5微米的范圍內對準。平行于印刷布線板中的切割邊緣平面的該對準是關于印刷布線板中的芯片和銅線路8和12的幾何形狀的。通過電光轉換器芯片20上的焊盤的接合厚度和結構給出發射表面離光波導9、10、11的距離。
這里描述為電光芯片20的還可以是無源微光部件，例如透鏡、光束偏轉器或者分束器等的組合。可以使用這種無源光元件將光耦合到波導9、10、11中/從波導9、10、11中耦合出，并將其引導到印刷布線板的表面。只要存在就可以將光引導到檢測器或者發射器或者光連接器中/引導來自檢測器或者發射器或者光連接器的光。然而，使用部件上的焊盤和通過切割穿過印刷布線板露出的銅表面定位和安裝的原理保持相同。
而且，這里描述為電光芯片20的可以是組合結構，例如包括光檢測器芯片和放大器芯片并還可能是用于應力緩和的柔性結構。然而，使用部件上的焊盤和通過切割穿過印刷布線板露出的銅表面定位和安裝的原理，和可能使用印刷布線板中的布線線路以完成和電光轉換器芯片的電連接的原理保持相同。
對于新穎方法和光電板已經示出和描述了優選實施例，但是應當注意的是，在不脫離本發明的精神或者附帶的權利要求的范圍內可以對所述方法和光電板作出變化和修改。可以部分地或者整體地組合實施例。
附圖標記1印刷布線板4銅層4.1條導體
4.2另一條導體5絕緣體6另一層7絕緣體8銅層9光波導上包層10光波導芯10.1光波導的光發射/接收面11光波導下包層12條導體13絕緣體14另一層15過孔19孔20光電轉換器芯片21焊盤22另一焊盤22.1-22.4另一焊盤23焊料24焊料24.1-24.4焊料25轉換器芯片的面26VCSEL27載體28焊盤29焊盤30驅動器/接收器芯片31焊盤
32另一焊盤L光UL上層WGL波導層LL下層
權利要求
1.光電板，包括印刷布線板(1)，其具有光波導(9，10，11)、金屬區(8；12)和孔(19)，其中所述光波導(9，10，11)的接合面(10.1)和金屬區(8；12)的接合面形成所述孔(19)的側面的部分，以及具有焊盤(21；22)的光電電路(20；26，27)，其中所述光電電路(20；26，27)被設置在所述孔(19)中、并利用焊盤(21；22)被焊接到所述金屬區(8；12)的接合面。
2.根據權利要求1的光電板，其中所述焊盤(21；22)具有和所述金屬區(8；12)的接合面的高度基本相同的高度(h)。
3.根據權利要求1或者2的光電板，其中所述焊盤(21；22)具有和所述金屬區(8；12)的接合面的寬度基本相同的寬度(w)。
4.根據權利要求1至3中任一項的光電板，其中所述光電電路(20；26，27)包括發光或者檢測元件(26)，以及其中所述發光或者檢測元件(26)與所述焊盤(21；22)之間的距離和所述金屬區(8；12)與所述光波導(10)的芯之間的距離被選擇，使得提供所述發光或者檢測元件(26)與所述光波導(10)之間的光耦合。
5.根據權利要求1至4中任一項的光電板，其中所述孔(19)在所述印刷布線板(1)的整個厚度上延伸。
6.根據權利要求1至5中任一項的光電板，其中所述金屬區(8；12)覆蓋所述光波導(9，10，11)的至少部分。
7.根據權利要求1至6中任一項的光電板，其中所述金屬區(8；12)被形成用于充當所述光電電路(20；26，27)的電導體。
8.根據權利要求1至7中任一項的光電板，其中所述印刷布線板(1)包括其它金屬區(12.1-12.4)，其中所述光電電路(20；26，27)包括其它焊盤(22.1-22.4)，以及其中所述其它金屬區(12.1-12.4)的接合面形成所述孔(19)的側面的其它部分、并與所述光電電路(20；26，27)的其它焊盤(22.1-22.4)相對地設置。
9.根據權利要求4或者權利要求4和權利要求5至8中任一項的光電板，其中所述光電電路(20；26，27)包括載體(27)，以及其中所述發光或者檢測元件(26)和焊盤(21，22.1-22.4)被置于所述載體(27)上。
10.根據權利要求1至9中任一項的光電板，其中所述金屬區(8，12.1-12.4)包括第一金屬，并且所述金屬區(8，12.1-12.4)的接合面涂敷有不同金屬。
11.根據權利要求1至10中任一項的光電板，其中微型光部件被提供以代替所述光電電路(20；26，27)。
12.一種制造根據前述權利要1到11中任一項的光電板的方法，包括下述步驟在孔(19)中定位光電電路(20；26，27)，將所述光電電路(20；26，27)的焊盤(21，22.1-22.4)焊接到金屬區(8，12.1-12.4)的接合面。
全文摘要
根據本發明的光電板包括具有光波導(9，10，11)、金屬區(8；12)和孔(19)的印刷布線板(1)，其中光波導(9，10，11)的接合面(10.1)和金屬區(8；12)的接合面形成孔(19)的側面的部分。光電板還包括具有焊盤(21；22)的光電電路(20；26，27)，其中光電電路(20；26，27)布置在孔(19)中，并用它的焊盤(21；22)焊接到金屬區(8；12)的接合面。
文檔編號H05K1/02GK1991428SQ20061016893
公開日2007年7月4日 申請日期2006年11月14日 優先權日2005年12月23日
發明者L·A·德爾曼, M·德蓬, B·J·奧弗雷因, D·J·韋布 申請人:國際商業機器公司