一种光模块封装的方法和装置与流程

【技术领域】

本发明涉及光模块气密技术领域，特别是涉及一种光模块封装的方法和装置。

背景技术：

大数据时代，刺激数据通信特别是数据中心的急速发展，极大地拉动数据通信用光模块(opticalmodule)的需求。然而，为了迅速普及光通讯网络，光模块的成本是一个重要因素。市场上需要大量且低成本的数据通信用光模块。

光模块的核心是光组件(opticalsubassembly，简写为：osa)，包括发送光组件(transmitteropticalsubassembly，简写为：tosa)、接收光组件(receiveropticalsubassembly，简写为：rosa)、双向光组件(bi-directionalopticalsubassembly，简写为：bosa)或者光学引擎(opticalengine)等。光组件占光模块成本的60％以上。一般来说，激光器，探测器之类光芯片在量产以后，成本改善的余地不大，所以改良光组件的封装技术是光模块进化的必须条件。

传统光组件封装一般是采用气密封装方式。这是因为以前诸如激光器，探测器等的光芯片都是不可以直接放在非控制环境(uncontrolledenvironment，简写为：unc)中的裸片。典型的光组件气密封装形式是to-can(transistoroutline，简写为：to)的同轴封装。其他还有诸如蝶形封装(butterfly)，minidill等的非to-can气密封装。气密封装的特点是使用完全能够防止液体或固体侵蚀的封装材料(金属、陶瓷和玻璃)及工艺。气密封装的问题是组装工艺较长，部件较多，成本较高等。另外，传统的气密封装使得光子集成(光混合集成或者硅光等)非常困难，不能满足当前数据通信市场的要求。

解决上述气密封装中存在问题的方法之一是开发数据通信用光组件的非气密封装技术。非气密封装的前提条件是光芯片必须满足非控制环境下的可靠性要求条件(这里主要指telcordiagr-486-core中规定的对于unc环境下应用必须满足的条件)。在ic产业中非气密封装技术一般分为：部分非气密法、注型法casting和滴灌法(chiponboard，简写为：cob)。其中，部分非气密法和注型法虽然能够通过金属外壳结构起到良好的电磁兼容性(electromagneticcompatibility，简写为：emc)/电磁干扰(electromagneticinterference，简写为：emi)性能，但是，却给封装接口处留下非气密的隐患；而滴灌法虽然能够改善接口气密的问题，但是，存在电磁兼容性的问题，并且对于光器件所需面对的严苛工作环境而言，仍然有待改进。根据ic产业的数据，在摄氏121度，202kpa压力的条件下，各方法可靠性(密封面间隙)的平均数据如下：部分非气密法：大于200h；注型法：200h左右；滴灌法：20h左右；因此，要在光器件中使用ic产业的非气密封装技术，还必须提高各种封装方法的可靠性。

技术实现要素：

本发明实施例要解决的技术问题之一是如何改进现有ic产业中所采用的非气密封装在可靠性，使ic产业中所采用的非气密封装能够满足光器件领域的气密性要求。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种光模块封装的方法，所述封装方法包括：

进行osa组件的组装和胶封，得到待镀膜光模块；

使用遮盖材料，遮盖待镀膜光模块的对外连接接口；

将遮盖完毕的待镀膜光模块放入镀膜室内，对所述待镀膜光模块进行镀膜；其中，镀膜材料为聚对二甲苯；

去除遮盖材料。

可选的，所述进行osa组件的组装，具体包括：

将osa组件安装在基板上，其中，所述安装包括：胶粘、对光、器件布局、键合和表面贴焊中的一项或者多项加工过程。

可选的，当osa组件的组装方式满足部分非气密法时，所述胶封具体包括：

在壳盖、管脚、基板与外壳之间的缝隙中填入树脂胶；

当osa组件的组装方式满足注型法，所述胶封具体包括：

在基板与树脂外壳之间的缝隙中填入树脂胶；

当osa组件的组装方式满足滴灌法时，所述胶封具体包括：

在osa组件的光路及其周围点上匹配胶,在基板上osa组件区域点树脂胶。

第二方面，本发明实施例提供了一种光模块封装的方法，所述封装方法包括：

进行osa组件的组装和胶封，得到待镀膜光模块；

将待镀膜光模块放入镀膜室内，采用电磁溅射或者气相沉积的方式，对所述待镀膜光模块进行纳米级等离子体镀膜。

可选的，所述进行osa组件的组装和胶封，具体包括：

将osa组件安装在基板上，其中，所述安装包括：胶粘、对光、器件布局、键合和表面贴焊中的一项或者多项加工过程；

可选的，当osa组件的组装方式满足部分非气密法时，所述胶封具体包括：

在壳盖、管脚、柔板与外壳之间的缝隙中填入树脂胶；

当osa组件的组装方式满足注型法，所述胶封具体包括：

在基板与树脂外壳之间的缝隙中填入树脂胶；

当osa组件的组装方式满足滴灌法时，所述胶封具体包括：

在osa组件的光路及其周围点上匹配胶,在基板上osa组件区域点树脂胶。

第三方面，本发明实施例提供了一种光模块封装的结构，所述结构包括osa组件、基板、外壳、树脂胶和聚对二甲苯镀膜：

所述osa组件固定在所述基板上，并位于所述外壳内；所述外壳上还设置有电接口和光接口；所述电接口和光接口处设置有树脂胶；所述聚对二甲苯镀膜覆盖于所述外壳以及树脂胶上。

可选的，所述聚对二甲苯镀膜的厚度为10-14um。

第四方面，本发明实施例提供了一种光模块封装的结构，其特征在于，所述结构包括osa组件、基板、光纤接口、树脂胶和聚对二甲苯镀膜：

所述osa组件固定在所述基板上，所述光纤固定在osa组件的光纤接口上；在所述基板上位于osa组件表面以及光纤接口覆盖有树脂胶；所述聚对二甲苯镀膜覆盖于所述树脂胶上。

可选的，所述聚对二甲苯镀膜的厚度为10-14um。

本发明实施例在光组件完成组装和胶封后，利用化学沉积的方法对光组件外部进行镀膜，使得组装后光组件的外部有一层致密、均匀的保护膜，从而极大地提高光组件可靠性的工艺构成方法。

【附图说明】

图1是本发明实施例提供的一种部分非气密法制得的光模块结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种注型法制得的光模块结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种滴灌法制得的光模块结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光模块封装的方法流程示意图；

图5是本发明实施例提供的一种光模块封装的方法流程示意图；

图6是本发明实施例提供的一种基于部分非气密法实现的光模块气密封装的方法流程示意图；

图7是本发明实施例提供的一种光模块气密封装的装置结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种基于注型法实现的光模块气密封装的方法流程示意图；

图9是本发明实施例提供的一种光模块气密封装的装置结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种基于滴灌法实现的光模块气密封装的方法流程示意图；

图11是本发明实施例提供的一种光模块气密封装的装置结构示意图；

图12是本发明实施例提供的现有光模块光功率测试的结果示意图；

图13是本发明实施例提供的光模块气密封装的装置的光功率测试的结果示意图；

图14是本发明实施例提供的现有的光模块和光模块气密封装的装置之间的光功率测试比较图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

非气密封装的前提条件是光芯片必须满足非控制环境下的可靠性要求条件(这里主要指telcordiagr-486-core中规定的对于unc环境下应用必须满足的条件)。在光器件领域中非气密封装技术一般分为：部分非气密法、注型法和滴灌法，然而，发明人发现上述三种方法均存在各自的不足。

部分非气密法：如图1所示，光芯片等光组件的载体是外壳，但外壳与管脚、柔板(flex)和盖板之间的间隙用树脂一类的材料，并经过加热固化后完成封装。

这种方法来源于气密封装到非气密封装的过渡，外壳是金属材料，其中，金属材料外壳具有良好的电磁兼容性/电磁干扰性能。但为了简化工艺和保证rf性能，其中，引线、软带等仅用树脂固定。显然，树脂的地方是非气密的。

注型法：如图2所示，根据光组件的大小设计出模具，做出由树脂而成的塑料外壳。对于光组件，一般osa是固定在有电气连接的基板上，然后将树脂外壳盖在osa之上，间隙处注入环氧树脂等液体树脂，经加热固化后完成封装。

注型法的材料可以是金属，也可以是树脂(塑料)，根据成本和性能要求取舍。如果是塑料，则必须考虑其他方法来解决emc/emi问题。在osa上根据需要可加入填充剂和硅树脂来保护osa，在外壳和底板的接口处使用环氧树脂类的胶来封装。

滴灌法：如图3所示，光芯片等光组件的载体直接贴在印刷电路板(printedcircuitboard，简写为：pcb)上，用注射器及布液器将粘度比较低的环氧树脂，硅树脂等液态树脂滴灌在光组件上，经过热固化完成封装。

滴灌法是ic的成熟工艺，已经证明可以帮助保护芯片。用在光器件封装时，由于有光接口，一般需要先点匹配胶之类保护光路的填充剂，然后再点硅树脂等树脂胶。传统的非气密封装方法在光模块的应用中，可靠性显得不足。因此，本发明实施例将针对传统的非气密封装方法，提出改进其气密性的实现方案。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种光模块封装的方法，所述方法适用于对部分非气密法、注型法和滴灌法加工完成的光模块进行后续的加工，使得各种方法加工得到的光模块的气密性进一步的能够满足光器件应用环境的需求，如图4所示，所述方法包括以下执行步骤：

在步骤201中，进行osa组件的组装和胶封，得到待镀膜光模块。

根据不同的产品需求和产线设定，所述步骤201中的组装和胶封包括但不局限于部分非气密法、注型法和滴灌法中的任意一种。其中，胶封过程中所采用的材料包括：环氧树脂、硅胶等等，不同胶水的固化方式有稍许不同，其中，加热固化是目前比较常用的方式之一。

在步骤202中，使用遮盖材料，遮盖待镀膜光模块的对外连接接口。

其中，遮盖材料可以是特定的胶纸或者液体。而所述对外连接接口通常指电接口，例如：金手指、金属管脚或者pcb焊接点等等；所述对外连接接口还可以光接口，例如千兆乙太网路介面转换器(gigabitinterfaceconverter，简写为：gic)和小型可插拔接口(smallformfactorplugable，简写为：sfp)的对外连接的光接口。

在步骤203中，将遮盖完毕的待镀膜光模块放入镀膜室内，对所述待镀膜光模块进行镀膜；其中，镀膜材料为聚对二甲苯的。

具体实现过程中，所述镀膜过程通常实现为：将聚对二甲苯材料放入腔室，在真空条件下高温升华成气态；然后升华气体进入裂解室，在裂解温度下，将气态原材料裂解成单体；最后气态单体进入沉积室(本实施例中也称为镀膜室)，分散在待镀膜光模块表面附近，在待镀膜光模块表面开始聚合结晶，形成固态(即聚对二甲苯膜)。

聚对二甲苯膜由于可以镀得比较厚，具有机械强度好，摩擦系数低，水汽透过率低，介电强度高，绝缘电阻高，介质损耗和介电常数也比较低，作为防护涂层它能覆盖从工频到10ghz以上频率段电路的使用。

在步骤204中，去除遮盖材料。

去除遮盖材料的方法，对于胶纸来说可以使用剥离的方法，对于液体来说可以使用洗涤液实现去除遮盖材料的目的。

本发明实施例在光组件完成组装和胶封后，利用化学沉积的方法对光组件外部进行镀膜，镀膜厚度比较灵活，可以从纳米到数十微米。使得组装后光组件的外部有一层致密、均匀的保护膜，从而极大地提高光组件可靠性的工艺构成方法。本发明实施例所述方法可以应用于平面光波导plc混合集成，或者硅光集成等的非气密封装光组件，应用到包括但不限于sfp，cfp，qsfp等的高速率光模块的构造。

在本发明实施例中，所述进行osa组件的组装，具体包括：将osa组件安装在基板上，其中，所述安装包括：胶粘、对光、器件布局、键合和表面贴焊中的一项或者多项加工过程。

当osa组件的组装方式满足部分非气密法时，如图1所示，所述胶封具体包括：

在壳盖、管脚、基板与外壳之间的缝隙中填入树脂胶。

当osa组件的组装方式满足注型法，如图2所示，所述胶封具体包括：

在基板与树脂外壳之间的缝隙中填入树脂胶。

当osa组件的组装方式满足滴灌法时，如图3所示，所述胶封具体包括：

在osa组件的光路及其周围点上匹配胶,在基板上osa组件区域点树脂胶。

其中，匹配胶能够保证光路接口部位的光信号的正常传递；能够防止树脂胶进入光路接口，以至于对光传播造成信号衰减。

本发明实施例所采用的镀膜工艺，低温低压的镀膜工艺，对工件没有什么影响；有很强的渗透性，能渗透到器件的各种微小部位，cob贴片工件的底部和工作表面疏松的毛细孔中；由于膜很薄，有助于电子器件的散热，不会产生由于热胀冷缩造成的膜的破坏；由于是在工作表面直接聚合成固态的涂层薄膜，没有固化过程引起的收缩力，也没有因表面张力而引起的不均匀。

实施例2：

本发明实施例还提供了一种光模块封装的方法，相对于实施例1来说两者的共同点就是均采用了已经组装完成，并且进行了现有技术中胶封的光模块(实施例中被成为待镀膜光模块)。然而，两者的区别点则体现为在镀膜室内完成镀膜的操作方式不同，实施例1中实现的是镀聚对二甲苯膜，而本发明实施例实现的则是等离子体膜，如图5所示，所述封装方法包括：

在步骤301中，进行osa组件的组装和胶封，得到待镀膜光模块。

在步骤302中，将待镀膜光模块放入镀膜室内，采用电磁溅射或者气相沉积的方式，对所述待镀膜光模块进行纳米级等离子体镀膜。

本发明实施例在光组件完成组装和胶封后，利用电磁溅射或者气相沉积的方式对光组件外部进行镀膜，使得组装后光组件的外部有一层致密、均匀的保护膜，从而极大地提高光组件可靠性的工艺构成方法。相比较实施例1，本实施例所采用的等离子体镀膜，由于等离子体膜的特点是膜很薄(纳米级)，所以即使在光模块pcb上诸如“金手指”类的电接口处，一般不需要遮盖，不影响焊接和电接触。相比较实施例1简化了加工工序，节约了加工时间。本发明实施例所述方法可以应用到包括但不限于sfp，cfp，qsfp等的高速率光模块的构造。

在本发明实施例中，所述进行osa组件的组装，具体包括：将osa组件安装在基板上，其中，所述安装包括：胶粘、对光、器件布局、键合和表面贴焊中的一项或者多项加工过程。

当osa组件的组装方式满足部分非气密法时，如图1所示，所述胶封具体包括：

在壳盖、管脚、基板与外壳之间的缝隙中填入树脂胶。

当osa组件的组装方式满足注型法，如图2所示，所述胶封具体包括：

在基板与树脂外壳之间的缝隙中填入树脂胶。

当osa组件的组装方式满足滴灌法时，如图3所示，所述胶封具体包括：

在osa组件的光路及其周围点上匹配胶,在基板上osa组件区域点树脂胶。

本发明实施例所采用的镀膜工艺，低温低压的镀膜工艺，对工件没有什么影响；有很强的渗透性，能渗透到器件的各种微小部位，cob贴片工件的底部和工作表面疏松的毛细孔中；由于膜很薄，有助于电子器件的散热，不会产生由于热胀冷缩造成的膜的破坏；由于是在工作表面直接聚合成固态的涂层薄膜，没有固化过程引起的收缩力，也没有因表面张力而引起的不均匀。

实施例3：

本发明实施例对于实施例1中所提出的一种光模块封装的方法，如何结合部分非气密法具体实现，给予了详细的步骤流程阐述。如图6所示，所述方法包括：

在步骤401中，osa组件的组装。在外壳内根据要求组装osa，包括使用满足所需光功能的各种工艺，包括：胶粘工艺(epoxybonding)，对光(alignment)，器件布局(placement)，键合(wirebonding)等。

在步骤402中，对组装完成的osa组件进行胶封。在壳盖、管脚、柔板与外壳之间的缝隙中填入树脂胶。

在步骤403中，热固化填入的树脂胶。在加热固化后，osa组装完成。此时组装完成的光组件在本发明各实施例中也被成为待镀膜光模块。

在步骤404中，遮盖不需要镀膜的地方，(电接口，光接口等)用特定的胶纸或者液体进行遮盖。

在步骤405中，进行光组件的镀膜。具体的，将光组件放至治具架上，然后将放置光组件的治具架放入气相沉积炉内，镀聚对二甲苯膜。可选的，所述聚对二甲苯膜厚度为：10-14um。

在步骤406中，从治具架上取下光组件，去除光组件的遮盖物。外部镀膜式非气密封装光组件完成，完成镀膜式非气密封装光组件的效果示意图如图7所示，图7中其它部件的说明可参考与图1相关内容，在此不一一赘述。

实施例4：

本发明实施例对于实施例1中所提出的一种光模块封装的方法，如何结合注型法具体实现，给予了详细的步骤流程阐述。如图8所示，所述方法包括：

在步骤501中，根据光组件的大小设计出模具，做出树脂外壳。

在步骤502中，在基板上组装osa，包括使用满足所需光功能的各种工艺，例如：胶粘工艺，对光，器件布局，键合等。其中，基板为pcb、柔板、陶瓷板等带有电连接的板块结构。

在步骤503中，将成型的树脂外壳盖在osa上。

在步骤504中，在基板与树脂外壳之间的缝隙中填入树脂胶，进行胶封。

所述树脂胶具体可以是环氧树脂等液体树脂。

在步骤505中，热固化。加热固化后，osa组装完成。此时组装完成的光组件在本发明各实施例中也被成为待镀膜光模块。

在步骤506中，遮盖不需要镀膜的地方，例如：电接口，光接口等。具体使用特定的胶纸或者液体进行遮盖。

在步骤507中，进行光组件的镀膜，光组件放至治具架上，然后将放置光组件的治具架放入气相沉积炉内镀聚对二甲苯膜。其中，聚对二甲苯膜厚：10-14um。

在步骤508中，从治具架上取下光组件，并去除遮盖，则外部镀膜式非气密封装光组件完成。完成镀膜式非气密封装光组件的效果示意图如图9所示，图9中其它部件的说明可参考与图2相关内容，在此不一一赘述。

实施例5：

本发明实施例对于实施例1中所提出的一种光模块封装的方法，如何结合滴灌法具体实现，给予了详细的步骤流程阐述。如图10所示，所述方法包括：

在步骤601中，进行osa组件的组装。具体的，在基板(pcb，柔板，陶瓷板等带有电连接甚至带有其他ic的基板)上组装osa，包括使用满足所需光功能的各种工艺，例如：胶粘工艺，对光，器件布局，键合等。

如果osa的尺寸合适，可以用表面贴装技术(surefacemounttechnology，简写为：smt)的工艺进行组装。

在步骤602中，在osa组件及其周围先点上匹配胶之类保护光路的填充剂，然后点硅树脂等树脂胶。

在步骤603中，加热固化后，osa组件的组装完成。

在步骤604中，遮盖不需要镀膜的地方(电接口，光接口等)，具体使用特定的胶纸或者液体进行遮盖

在步骤605中，光组件放至治具架上，然后将放置光组件的治具架放入气相沉积炉内，镀聚对二甲苯膜。其中，聚对二甲苯膜的膜厚为：10-14um。

在步骤606中，从治具架上取下光组件，并去除遮盖，则外部镀膜式非气密封装光组件完成。完成镀膜式非气密封装光组件的效果示意图如图11所示，图11中其它部件的说明可参考与图3相关内容，在此不一一赘述。

实施例6：

基于本发明实施例1所述的光模块气密封装的方法，在本发明实施例中提出了由该光模块气密封装的方法加工得到的光模块气密封装的结构，如图7或9所示，所述结构包括osa组件1、基板2、树脂胶4、聚对二甲苯镀膜5和、外壳6：

所述osa组件1固定在所述基板2上，并位于所述外壳6内；其中，所述外壳6固定在基板2上；所述外壳6上还设置有电接口和光接口3；所述外壳6和基板2的连接口，以及电接口和/或光接口3处设置有树脂胶4；所述聚对二甲苯镀膜5覆盖于所述外壳6以及树脂胶4上。

其中，外壳6可以是树脂类外壳，也可以是金属类外壳，两者均属于本发明实施例保护范围内。

在本发明实施例实现方式中，可选的，所述聚对二甲苯镀膜的厚度为10-14um。

实施例7：

基于本发明实施例1所述的光模块气密封装的方法，在本发明实施例中提出了由该光模块气密封装的方法加工得到的光模块气密封装的结构，如图11所示，所述结构包括osa组件1、基板2、光纤接口3、树脂胶4和聚对二甲苯镀膜5：

所述osa组件1固定在所述基板2上，所述光纤3固定在osa组件1的光纤接口3上；在所述基板2上位于osa组件1表面以及光纤接口3覆盖有树脂胶4；所述聚对二甲苯镀膜覆盖于所述树脂胶4上。

在本发明实施例实现方式中，可选的，所述聚对二甲苯镀膜的厚度为10-14um。

实施例8：

本发明实施例对于上述实施例3中采用的由本发明实施例所提出的光模块气密封装方法得到的光模块和现有的采用常规部分非气密法得到的光模块，进行实现对比得到如图12和图13所示的各自的实验结果图。该对比实验具体为：对样品进行非上电，双85(refergr-468，3.3.2.3，non-powereddampheat)的实验结果，其中，本发明方法的镀膜样品功率最终变化小于2.58db。未镀膜样品功率最终变化接近6db。并通过图14所示的平均功率变化比较图，可以看出镀膜样品在实验环境中平均功率的变化相比较未镀膜样品得到有效的改善，其中，镀膜样品的平均功率变化在0.69db以内，相对于第一次测量点(168小时)的绝对值差为0.23db；未镀膜样品的平均功率变化则在2.47db以内，相对于第一次测量点(168小时)的绝对值差为1.29db，因此，证明了本发明的实用性和有效性。具体的将图12和图13中各实验曲线求平均值后得到的镀膜样品和未镀膜样品的平均功率变化比较图。

除此以外，本发明实施例1-5所提出的光模块气密封装方法，不需要昂贵的气密封装外壳(金属，陶瓷，玻璃等)及工艺(激光焊接等)，外壳及工艺的成本相比较气密封装方法下降1/2以上。

与需要将管脚通过玻璃绝缘后引出来的气密封装相比，在非气密封装技术中，由于“外壳“简单，光器件可以直接地和相应的ic连线，极大地缓和了高速布线的阻抗匹配问题，使得光模块有更好的性能。

本发明实施例3-5中提出的三种光组件非气密封装方法，不但可以用于平面光波导(planarlightwavecircuit，简写为：plc)混合集成，硅光集成等高度集成的光组件，也可直接用于通过棱镜，滤波器等自由空间耦合方式的光组件。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。