供在光学通信模块中使用的热耗散装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种在与光学通信模块的电子组合件ESA机械耦合的光学子组合件OSA中体现的热耗散系统及方法。当所述OSA与所述ESA耦合时，嵌入于所述OSA中的热耗散块通过小的气隙与所述ESA的组件间隔开。由这些组件中的一者或一者以上产生的热的至少一部分传递到所述热耗散块中，所述热耗散块延伸穿过所述OSA的顶部及底部表面。由于所述热耗散块从不与所述ESA或与所述ESA的组件进行物理接触，因此不存在所述块损坏所述ESA或不利地影响所述模块的电性能的风险。
【专利说明】供在光学通信模块中使用的热耗散装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学通信模块。更特定来说，本发明涉及一种供在例如并行光学发射器、接收器或收发器模块等光学通信模块中使用的热耗散装置及方法。
【背景技术】
[0002]存在用于在多个相应光学数据信道上同时发射及/或接收多个光学数据信号的多种并行光学通信模块。并行光学发射器具有用于在多个相应光学波导(例如，光纤)上同时发射多个相应光学数据信号的多个光学发射信道。并行光学接收器具有用于在多个相应光学波导上同时接收多个相应光学数据信号的多个光学接收信道。并行光学收发器具有用于在多个相应发射及接收光学波导上同时发射及接收多个相应光学发射及接收数据信号的多个光学发射及接收信道。
[0003]针对这些不同类型的并行光学通信模块中的每一者，存在多种设计及配置。用于并行光学通信模块的典型布局包含:电子组合件(ESA)，其包括具有球栅阵列(BGA)的电路板(例如印刷电路板(PCB))以及安装于电路板的上部表面上的各种电及光电组件；及光学子组合件(0SA)，其包括光学元件(例如，折射、反射或衍射透镜)，机械耦合到所述ESA。在并行光学发射器的情况中，激光二极管及一个或一个以上激光二极管驱动器集成电路(IC)安装于所述电路板上。所述电路板具有延续穿过其的电导体(即，电迹线及通孔)以及其上的电接触垫。激光二极管驱动器IC的电接触垫电连接到电路板的电导体。举例来说，一个或一个以上其它电组件(例如，控制器IC)通常也安装于电路板上且电连接到所述电路板。
[0004]类似配置用于并行光学接收器，只不过并行光学接收器的电路板在其上安装有多个光电二极管而非激光二极管且在其上安装有接收器IC而非激光二极管驱动器1C。并行光学收发器通常在其上安装有激光二极管、光电二极管、一个或一个以上激光二极管驱动器IC及接收器1C，但这些装置中的一者或一者以上可集成到相同IC中以减少部件计数并提供其它益处。
[0005]电路板通常具有安装于其上部表面上的一个或一个以上散热装置。所述散热装置可具有各种形状。电及光电组件通常通过导热材料附接到这些散热装置以使得由其产生的热能够向下传递到散热装置中，在所述散热装置中，所述热通过某一其它手段经由电路板的底部耗散或移除。散热装置均具有接收由相应组件产生的热且吸收及/或散布热以使其移动远离组件的相同的一般用途。由所述组件产生的热可不利地影响并行光学通信模块的性能及寿命。
[0006]在一些设计中，经由电路板的底部移除热为不可能或不实际的。举例来说，在BGA的情况下，所述BGA的底部上的导电球阵列与外部装置(例如主电路板)的电触点阵列接触。由于这些电连接，可能不存在用于经由BGA的底部向下的热耗散路径的空间。在此些情况中，已知通过将外部热耗散装置附接到模块的顶部而经由模块的顶部移除热。在一些情况中，经由电路板的底部及模块的顶部两者耗散热。[0007]在一些并行光学通信模块中，电路板的上部表面在机械上极易碎且为电敏感的。在此些情况中，将外部热耗散装置放置成与电路板的上部表面接触可能损坏电路板且/或不利地影响模块的电性能。举例来说，由热耗散装置施加的机械力可使电路板破裂或翘曲且/或损坏电路板的电迹线，而热耗散装置与电路板之间的接触可改变电迹线的电容，从而导致电性能问题。
[0008]因此，需要提供热耗散的改善且允许经由并行光学通信模块的顶部耗散热而不会潜在地损坏电路板或不利地影响模块的性能的方法及系统。
【发明内容】
[0009]本发明提供在光学通信模块中用于耗散热的方法及系统。所述光学通信模块包括ESA、与所述ESA机械耦合的OSA及安置于形成于所述OSA中的空隙中的热耗散块。所述ESA包括具有至少顶部表面及底部表面的第一电路板、安装于所述第一电路板的上部表面上的至少第一电组件及安装于所述第一电路板的所述上部表面上的至少第一光电组件。所述第一电组件及所述第一光电组件中的至少一者构成至少第一热源。所述OSA包括用于在所述光学通信模块的至少一个光纤的一端与第一光电装置之间光学耦合光学信号的多个光学元件。安置于所述OSA的所述空隙中的热耗散块包括高导热率材料且具有至少顶部表面及底部表面。所述热耗散块的顶部表面大体在实质上平行于所述OSA的顶部表面大体所处的平面的平面中。所述热耗散块的底部表面大体在实质上平行于所述OSA的底部表面的平面中。所述热耗散块的底部表面通过小的气隙与第一热源的顶部表面间隔开。由于热耗散块的底部表面与第一热源的顶部表面的紧密接近，由所述第一热源产生的热的至少一部分横跨所述气隙且传递到所述热耗散块中。
[0010]所述方法包括将光学通信模块的OSA与所述光学通信模块的ESA机械耦合，其中所述OSA具有形成于其中的空隙，所述空隙延伸穿过所述OSA的顶部及底部表面。所述空隙具有安置于其中且固定地紧固到所述OSA的热耗散块。所述ESA包括具有至少顶部表面及底部表面的第一电路板、安装于所述第一电路板的所述顶部表面上的至少第一电组件及安装于所述第一电路板的所述顶部表面上的至少第一光电组件，其中所述第一电组件及所述第一光电组件中的至少一者构成至少第一热源。所述热耗散块包括高导热率材料且具有至少顶部表面及底部表面。所述热耗散块的所述顶部表面大体在实质上平行于所述OSA的顶部表面大体所处的平面的平面中。所述热耗散块的所述底部表面大体在实质上平行于所述OSA的底部表面的平面中。所述热耗散块的所述底部表面通过小的气隙与所述第一热源的顶部表面间隔开，使得由所述第一热源产生的热的至少一部分横跨所述气隙且传递到所述热耗散块中。
[0011]依据以下描述、图式及权利要求书，本发明的这些及其它特征及优点将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1A及IB分别图解说明根据说明性实施例的OSA的俯视及仰视透视图，所述OSA具有其中嵌入有热耗散块的OSA主体。
[0013]图2图解说明经设计以与图1A及IB中所展示的OSA机械耦合的ESA的俯视透视图。
[0014]图3图解说明包括图1A及IB中所展示的OSA及图2中所展示的ESA的并行光学通信模块的俯视透视图，其中展示所述ESA与OSA机械耦合在一起。
[0015]图4图解说明图3中所展示的并行光学通信模块沿着线A-A’截取的横截面透视图。
[0016]图5图解说明图3中所展示的并行光学通信模块的透视图，其中OSA主体经隐藏，但其中展示热耗散块以图解说明所述热耗散块与ESA的组件之间的关系。
[0017]图6图解说明与外部热耗散装置机械耦合的图3中所展示的并行光学通信模块的俯视透视图，所述外部热耗散装置与图1A中所展示的热耗散块的顶部表面物理接触。
【具体实施方式】
[0018]根据本发明，提供一种允许经由并行光学通信模块的顶部耗散热而不可能损坏电路板或不利地影响模块的电性能的热耗散系统及方法。在与模块的ESA的电路板机械耦合的OSA中体现所述热耗散系统及方法。当所述OSA与所述ESA机械耦合时，嵌入于所述OSA中的热耗散块与安装于电路板的顶部表面上的一个或一个以上电及/或光电组件非常紧密接近但不与其进行物理接触。所述热耗散块的底部表面通过小的气隙与所述ESA的至少一个热源的顶部表面间隔开。由这些组件中的一者或一者以上产生的热的至少一部分沿着通过所述气隙且传递到热耗散块中的热路径移动。热耗散块的顶部表面经由形成于OSA的顶部表面中的开口暴露。外部热耗散装置可与所述模块机械耦合使得所述外部热耗散装置与所述热耗散块的顶部表面直接物理接触。以此方式，传递到所述热耗散块中的热接着传递到所述外部热耗散装置中，在所述外部热耗散装置中所述热被耗散。
[0019]由于热耗散块从不与所述ESA的电路板或与安装于所述电路板上的电及/或光电组件进行物理接触，因此经由并行光学通信模块的顶部耗散热而不会有损坏所述电路板或不利地影响所述模块的电性能的风险。现在将参考图1-6来描述热耗散系统及方法的说明性或示范性实施例，其中相似参考编号表示相似元件、特征或组件。
[0020]图1A及IB分别图解说明根据说明性实施例的OSAl的俯视及仰视透视图，OSAl具有其中嵌入有热耗散块10的OSA主体2。图2图解说明经设计以与图1A及IB中所展示的OSAl机械耦合的ESA100的俯视透视图。图3图解说明包括图1A及IB中所展示的OSAl及图2中所展示的ESA100的并行光学通信模块110的俯视透视图，其中展示ESA100与OSAl机械耦合在一起。图4图解说明图3中所展示的并行光学通信模块110沿着线A-A’截取的横截面透视图。图5图解说明图3中所展示的并行光学通信模块110的透视图，其中OSA主体2经隐藏以示范热耗散块10与ESA100的组件之间的关系。现在将参考图1A-6中所描绘的说明性实施例来描述热耗散系统及方法。
[0021]如图1A及IB中所展示，所述热耗散系统由具有热耗散块10的OSAl构成，热耗散块10嵌入于OSAl的主体2中。举例来说，热耗散块10由高导热率材料(例如铜)制成。热耗散块10并不限于由任何特定材料制成，只不过制成热耗散块10的材料将具有相对高的导热率。热耗散块10具有顶部表面IOa (图1A)及底部表面IOb (图1B)。顶部表面IOa在图1A中所展示的X、Y、Z笛卡尔坐标系统的正X方向上远离OSA主体2的顶部表面2a小的距离dl。热耗散块10的底部表面IOb在X、Y、Z笛卡尔坐标系统的负X方向上可远离OSA主体2的底部表面2b小的距离，但替代地可与OSA主体2的底部表面2b齐平。热耗散块10安置于形成于OSA主体2中的空隙或开口 2c中。OSA主体2的外围部分2d构成具有下部表面2d’的隆脊，下部表面2d’在X、Y、Z笛卡尔坐标系统的负X方向上远离OSA主体2的底部表面2b小的距离d2。
[0022]OSA主体2具有形成于其中的多个第一组折射光学元件11 (图1A)、第二组折射光学元件12 (图1B)及第一组反射光学元件13 (图1A)。所述OSA主体在其上具有第一及第二凸式配合特征14a及14b以用于分别与和OSA主体2配合的光学连接器模块(未展示)的第一及第二凹式配合特征(未展示)配合。当所述光学连接器模块(未展示)与OSA主体2配合时，使固持在光学连接器中的光纤(未展示)的端与相应折射光学元件11光学对准。相应折射光学兀件11及12以及相应反射光学兀件13共同工作以在相应光纤的端与ESA100 (图2)的垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)阵列102的相应VCSEL102a (图2)之间提供相应光学路径。根据此说明性实施例，反射光学元件13为将相应光学路径折叠90°的角度的45°镜。根据此说明性实施例，VCSEL阵列102具有十二个VCSEL，且因此并行光学通信模块110 (图3)为十二信道并行光学发射器模块。
[0023]参考图2，ESA100包含电路板101、VCSEL阵列102、第一 IC103、接合线104、接触垫105及环氧树脂流动区106。根据此说明性实施例，第一 IC103为模块控制器及激光二极管驱动器两者。接合线104中的一些接合线将IC103的接触垫107与电路板101的接触垫105电互连，而接合线104中的一些接合线将IC103的接触垫107与VCSEL阵列102的接触垫108电互连。VCSEL阵列102及IC103通过环氧树脂111附接到电路板101的顶部表面101a。
[0024]参考图2及3，当OSAl与电路板101的顶部表面IOla对准且安装于其上时，OSA主体2的隆脊2d(图1B)的底部表面2d’与安置于电路板101的顶部表面IOla上的环氧树脂流动区106 (图2)形成接触。环氧树脂流动区106在其上具有一旦固化便将OSA主体2固定地紧固到电路板101的环氧树脂111。
[0025]参考图4，根据此说明性实施例，电路板101为具有焊料球101b’阵列的BGA，焊料球101b’阵列安置于其下部表面IOlb上以用于将所述BGA与外部主电路板(出于清晰的目的而未展示)电互连。可看到，热耗散块10的底部表面IOb与IC103的顶部表面103a间隔开，使得热耗散块10的底部表面IOb与IC103的顶部表面103a之间存在小的气隙120。
[0026]在图4中还可看到，仅OSA主体2的与电路板101物理接触的部分为隆脊2d的底部表面2d’。隆脊2d的底部表面2d’通过环氧树脂111在环氧树脂流动区106中固定地紧固到电路板101的顶部表面101a。由于隆脊2d的底部表面2d’与OSA主体2的底部表面2b之间的距离d2(图1B), OSA主体2不与VCSEL阵列102、IC103、接合线104或电路板101的除环氧树脂流动区106以外的任何部分形成物理接触。因此，避免了损坏电路板101或不利地影响模块110的电性能的风险。气隙120的宽度W并不限于任何特定宽度。根据此说明性实施例，气隙120的宽度在从大约80微米到大约200微米的范围中且通常为大约150微米。气隙120足够小使得由IC103产生的热的显著部分将通过气隙120向上传导到热耗散块10中。如下文将参考图6更详细地描述，外部热耗散装置将通常与模块110机械耦合且与热耗散块10直接物理接触以用于耗散传递到块10中的热。
[0027]参考图5，可看到，根据此说明性实施例，热耗散块10具有形成于其相对侧中的狭槽IOc及10d。这些狭槽IOc及IOd促进将块10固定地紧固到OSA主体2，如现在将参考图5描述。热耗散块10通常通过塑料包覆模制工艺紧固到OSA主体2，在此工艺期间，将块10定位于具有为OSA主体2既定具有的形状的补体的形状的模具(未展示)内部。接着将塑料注射到模具中。当塑料被注射到模具中时，所述塑料包围块10的所有侧且填充狭槽IOc及10d。当塑料冷却并硬化时，狭槽IOc及IOd内的硬化的塑料将块10与经模制塑料OSA主体2联锁且防止块10相对于经模制塑料OSA主体2移动。
[0028]图6图解说明安装于外部电路板140上且与外部热耗散装置150机械耦合的图3中所展示的并行光学通信模块110的俯视透视图。安置于模块电路板101 (图4)的底部表面IOlb上的焊料球101b’与安置于外部电路板140的顶部表面上的相应电触点141接触。热耗散块10 (图1A)的顶部表面IOa (图1A)与外部热耗散装置150的底部表面直接接触。通过此直接接触，从IC3跨越气隙120 (图4)传递到热耗散块10中的热接着被传导到外部热耗散装置150中，在外部热耗散装置150中所述热被耗散。
[0029]应注意，已出于描述本发明的原理及概念的目的而关于说明性实施例描述了本发明。本发明并不限于这些实施例。举例来说，尽管已参考具有特定形状且定位于ESA100的构成热源的特定组件103上方的热耗散块10描述了本发明，但本发明关于块10的形状或关于ESA100的块10从其移除热的组件并不受限制。此外，尽管已参考本发明在并行光学发射器模块中的使用描述了本发明，但本发明可用于任何光学通信模块中。由于数目增加的信道及组件导致了更严格的热耗散要求的事实而已参考并行光学通信模块描述了本发明。如所属领域的技术人员鉴于本文中所提供的描述将理解，可对本文中所描述的实施例做出许多修改，同时仍实现本发明的目标，且所有此些修改均在本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种光学通信模块，其包括: 电子组合件ESA，其包括具有至少顶部表面及底部表面的第一电路板、安装于所述第一电路板的上部表面上的至少第一电组件及安装于所述第一电路板的所述上部表面上的至少第一光电组件，其中所述第一电组件及所述第一光电组件中的至少一者构成至少第一热源； 光学子组合件OSA，其与所述ESA机械耦合，所述OSA包括用于在所述光学通信模块的至少一个光纤的一端与第一光电装置之间光学耦合光学信号的多个光学元件，所述OSA具有至少顶部表面及底部表面且具有形成于其中的空隙，所述空隙延伸穿过所述OSA且穿过所述OSA的所述顶部及底部表面；及 热耗散块，其安置于所述OSA的所述空隙中，所述热耗散块包括高导热率材料且具有至少顶部表面及底部表面，所述热耗散块的所述顶部表面大体在实质上平行于所述OSA的所述顶部表面大体所处的平面的平面中，所述热耗散块的所述底部表面大体在实质上平行于所述OSA的所述底部表面的平面中，所述热耗散块的所述底部表面通过小的气隙与所述第一热源的顶部表面间隔开，且其中由所述第一热源产生的热的至少一部分横跨所述气隙且传递到所述热耗散块中。
2.根据权利要求1所述的光学通信模块，其中所述气隙具有对应于所述第一热源的所述顶部表面与所述热耗散块的所述底部表面之间的距离的宽度w，且其中所述宽度w介于从大约80微米到大约200微米的范围内。
3.根据权利要求2所述的光学通信模块，其中所述宽度为大约150微米。
4.根据权利要求1所述的光学通信模块，其中所述光学通信模块为并行光学通信模块，且其中所述第一电组件为第一集成电路IC装置且其中所述第一光电组件为光电元件阵列。
5.根据权利要求1所述的光学通信模块，其中所述热耗散块由铜制成。
6.根据权利要求1所述的光学通信模块，其中所述热耗散块的所述顶部表面大体所处的所述平面为X、Y、Z笛卡尔坐标系统的第一 Y-Z平面，且其中所述OSA的所述顶部表面大体所处的所述平面为所述X、Y、Z笛卡尔坐标系统的第二 Y-Z平面，所述第一及第二 Y-Z平面彼此平行。
7.根据权利要求1所述的光学通信模块，其进一步包括: 外部热耗散装置，其与所述模块机械耦合使得所述外部热耗散装置的底部表面与所述热耗散块的所述顶部表面直接接触，且其中所述热的流动到所述热耗散块中的至少一部分随后流动到所述外部热耗散装置中。
8.根据权利要求1所述的光学通信模块，其中所述OSA包括经模制塑料。
9.一种在光学通信模块中用于耗散热的方法，所述方法包括: 将光学通信模块的光学子组合件OSA与所述光学通信模块的电子组合件ESA机械耦合，所述OSA具有形成于其中的空隙，所述空隙延伸穿过所述OSA的顶部及底部表面，所述空隙具有安置于所述空隙中且固定地紧固到所述OSA的热耗散块，其中所述ESA包括具有至少顶部表面及底部表面的第一电路板、安装于所述第一电路板的所述顶部表面上的至少第一电组件及安装于所述第一电路板的所述顶部表面上的至少第一光电组件，其中所述第一电组件及所述第一光电组件中的至少一者构成至少第一热源，其中所述热耗散块包括高导热率材料且具有至少顶部表面及底部表面，所述热耗散块的所述顶部表面大体在实质上平行于所述OSA的所述顶部表面大体所处的平面的平面中，所述热耗散块的所述底部表面大体在实质上平行于所述OSA的所述底部表面的平面中，所述热耗散块的所述底部表面通过小的气隙与所述第一热源的顶部表面间隔开，且其中由所述第一热源产生的热的至少一部分横跨所述气隙且传递到所述热耗散块中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述气隙具有对应于所述第一热源的所述顶部表面与所述热耗散块的所述底部表面之间的距离的宽度W，且其中所述宽度w介于从大约80微米到大约200微米的范围内。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述宽度为大约150微米。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述光学通信模块为并行光学通信模块，且其中所述第一电组件为第一集成电路IC装置且其中所述第一光电组件为光电元件阵列。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述热耗散块由铜制成。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述热耗散块的所述顶部表面大体所处的所述平面为X、Y、Z笛卡尔坐标系统的第一 Y-Z平面，且其中所述OSA的所述顶部表面大体所处的所述平面为所述X、Y、Z笛卡尔坐标系统的第二 Y-Z平面，所述第一及第二 Y-Z平面彼此平行。
15.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括: 将外部热耗散装置与所述模块机械耦合使得所述外部热耗散装置的底部表面与所述热耗散块的所述顶部表面直接接触，且其中所述热的流动到所述热耗散块中的至少一部分随后流动到所述外部热耗散装置中。
16.根据权利要求9所述的方法，其中所述OSA包括经模制塑料。
【文档编号】G02B6/42GK104010473SQ201410054139
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2013年2月26日
【发明者】陈星权 申请人:安华高科技通用Ip(新加坡)公司