一种低成本气密光电转换模块结构及封装方法

技术领域

本发明涉及军用、特种及民用光通讯技术领域，具体涉及一种低成本气密光电转换模块结构及封装方法。

背景技术

随着网络技术和信息技术的飞速发展，飞行器、无人系统等呈现了十分明显的网络化、智能化趋势。传感器、智能仪器的广泛应用极大的提升了武器系统的潜力，对武器装备的响应灵敏度、数据分析能力都有了大幅提升，这样的能力提升是与大数据量的通信紧密相连的，因而高带宽数据传输势在必行。

与电缆相比，光纤以其重量轻、损耗小、带宽宽、抗干扰能力强等优势在武器装备系统中已逐步取代电缆，而光电转换模块作为光纤通信网络的关键元器件，其可靠性及性能制约着整个光纤传输网络通信质量，特别是在武器装备、特种等复杂环境应用领域，光电转换模块的耐高低温、耐湿、耐盐雾性能就更为重要。气密是提高产品环境适应力最有效办法之一，虽然目前市面上已经有一些气密光电转换模块，但体积大、成本高、封装工艺复杂，不适合大规模应用。

现有气密光电转换模块存在以下缺点：

1、工艺复杂且难度较大。

市面上现有气密光电转换模块采用蝶形封装的陶瓷引线外壳，使用平行缝焊外焊接模块盖板，还需要采用电阻焊或者储能焊将金属化光纤与管壳光纤密封口进行焊接密封。另因金属化光纤在焊接前需要穿过光纤密封口与激光器和探测器阵列进行耦合，在耦合过程中为保证耦合光功率，每个光模块的金属化光纤很难都控制在管壳光纤密封口的物理中心，若按照耦合后自然位置进行焊接，则有可能出现金属化光纤焊接环左右两侧焊料不均匀，导致金属化光纤在焊接过程中两侧受力不均，焊接过程中可能会引起光纤与激光器和探测器的耦合位置发生偏移，最终导致模块光功率或接收灵敏度下降；若在耦合时用夹具，使用外力将金属化光纤焊接环控制在管壳光纤密封口的物理中心后再进行焊接，可能会导致焊接点与光纤FA之间的应力拉扯，引起光纤扭曲或断裂，最终导致模块光功率或接收灵敏度下降。

2、成本高不利于批量应用。

现有产品使用带金属焊接环的金属化光纤和定制化陶瓷引线外壳实现光电转换模块的气密性，因这两个物料均为定制化，物料单价极高，成本超过产品BOM总成本的70％，且生产周期较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本气密光电转换模块结构及封装方法，以克服现有气密光电转换模块制造工艺复杂，难度大，成本高的问题。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种低成本气密光电转换模块结构，包括陶瓷基板，所述陶瓷基板上安装有光纤阵列FA、方形框和光电模块，光电模块设置在方形框内，光纤阵列FA设置在方形框外，所述方形框包括U型金属框和玻璃矩形块，U型金属框与玻璃矩形块焊接，方形框上端焊接有顶盖板；

所述光电模块包括集成表面透镜的激光器芯片阵列和集成表面透镜的探测器芯片阵列，所述集成表面透镜的激光器芯片阵列的发光面和集成表面透镜的探测器芯片阵列的感光面正对玻璃矩形块。

进一步的，所述光纤阵列FA与集成表面透镜的激光器芯片阵列及集成表面透镜的探测器芯片阵列进行有源耦合。

进一步的，所述玻璃矩形块采用金属边框设计。

进一步的，所述U型金属框与玻璃矩形块的高度及厚度相同。

进一步的，所述陶瓷基板上还安装有金属上盖，金属上盖罩在光纤阵列FA上方。

进一步的，所述光纤阵列FA连接有MT端口。

进一步的，所述陶瓷基板采用金属化边框，方形框焊接在陶瓷基板上。

进一步的，所述陶瓷基板底面安装有散热焊盘和QFN焊盘。

进一步的，所述光电模块还包括MCU芯片、线性放大器芯片、驱动器芯片和氮化铝基板，所述集成表面透镜的激光器芯片阵列和集成表面透镜的探测器芯片阵列安装在氮化铝基板上。

一种低成本气密光电转换模块结构的封装方法，包括以下步骤：

将U型金属框与玻璃矩形块焊接形成方形框，在陶瓷基板上粘接光电模块；

将方形框焊接在陶瓷基板上，使集成表面透镜的激光器芯片阵列的发光面和集成表面透镜的探测器芯片阵列的感光面正对玻璃矩形块；

利用平行缝焊将顶盖板焊接在方形框上端；

将光纤阵列FA调整到与集成表面透镜的激光器芯片阵列及集成表面透镜的探测器芯片阵列最佳耦合点后，点胶进行固定，并进行烘烤固化，固化完成后粘接金属上盖，将光纤阵列FA罩住；

最后点环氧胶加固尾纤输出口，完成整个模块的封装。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种低成本气密光电转换模块结构，通过将玻璃矩形块与U型金属边框焊接在一起，形成一个一面为透明玻璃光窗的方形框，并保证设置在方形框中的集成表面透镜的激光器芯片阵列的发光面和集成表面透镜的探测器芯片阵列的感光面是正向面对光窗，再用平行缝焊将顶盖板焊接在一起，实现对光电转换模块有源芯片的气密封，与现有的气密光电转换模块使用带金属焊接环的金属化光纤和定制化陶瓷引线外壳实现光电转换模块的气密性相比，光纤不需要穿过方形框进行耦合，物料无需定制化，成本低，且不会导致气密光电转换模块光功率或接收灵敏度下降，可广泛应用在航空、航天、兵器、船舶及特种等系统光互联中，具有重要的战略意义和社会效益。

本发明提供一种低成本气密光电转换模块结构的封装方法，首先将两个侧面和两个底面金属化的玻璃矩形块与一个U型金属边框焊接在一起，形成一个一面为透明玻璃光窗的方形框架；然后选取集成表面透镜的vcsel集成表面透镜的激光器芯片阵列和集成表面透镜的探测器芯片阵列，粘接在一块有定位的氮化铝基板上，再将其侧面粘接在光电转换模块的陶瓷基板上，通过将集成表面透镜的激光器芯片阵列的发光面和集成表面透镜的探测器芯片阵列的感光面正对方形框的玻璃矩形块，再用平行缝焊将顶盖板和方形框架焊接在一起，实现对光电转换模块有源芯片的气密封，最后再用光纤阵列FA与集成表面透镜的激光器芯片阵列、集成表面透镜的探测器芯片阵列耦合，简化了气密封装工艺，降低了焊接和耦合难度，提高产品生产效率。

附图说明

图1为本发明玻璃矩形块外形图。

图2为本发明方形框外形图。

图3为本发明低成本气密光电转换模块陶瓷基板贴装图。

图4为本发明低成本气密光电转换模块陶瓷基板底面示意图。

图5为本发明低成本气密光电转换模块气密部分示意图。

图6为本发明光纤阵列FA与集成表面透镜的激光器芯片阵列、集成表面透镜的探测器芯片阵列耦合示意图。。

图7为本发明低成本气密光电转换模块气密部分外形图。

其中，1、陶瓷基板；2、U型金属框；3、玻璃矩形块；4、顶盖板；5、金属上盖；6、光纤阵列FA；7、MT端口；8、MCU芯片；9、线性放大器芯片；10、驱动器芯片；11、氮化铝基板；12、集成表面透镜的激光器芯片阵列；13、集成表面透镜的探测器芯片阵列；14、散热焊盘；15、QFN焊盘。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供一种低成本气密光电转换模块结构，如图1所示，包括陶瓷基板1，在陶瓷基板1上安装有方形框，方形框包括U型金属框2和玻璃矩形块3，U型金属框2和玻璃矩形块3通过焊接连接形成一个一面为透明光窗的方形框架，陶瓷基板1上的光电模块设置在方形框中，光电模块的集成表面透镜的激光器芯片阵列12的发光面和集成表面透镜的探测器芯片阵列13的感光面正对玻璃矩形块3，在方形框的上端焊接有顶盖板4，在方形框外部的陶瓷基板1上还设置有光纤阵列FA6。

具体的，玻璃矩形块3各条棱均采用金属化边框设计，玻璃矩形块3与U型金属框2高度及厚度相同；方形框焊接在陶瓷基板1上，对应的，陶瓷基板1对应方形框焊接位置同样设置有金属边框；

光电模块包括MCU芯片8、线性放大器芯片9、驱动器芯片10和氮化铝基板11、集成表面透镜的激光器芯片阵列12和集成表面透镜的探测器芯片阵列13，集成表面透镜的激光器芯片阵列12和集成表面透镜的探测器芯片阵列13粘接在氮化铝基板11上，光电模块的集成表面透镜的激光器芯片阵列12的发光面和集成表面透镜的探测器芯片阵列13的感光面正对玻璃矩形块3，保证集成表面透镜的激光器芯片阵列12和集成表面透镜的探测器芯片阵列13与光纤阵列FA6进行有源耦合；

光纤阵列FA6的外部罩有金属上盖5，光纤阵列FA6的一端连接有MT端口7；

陶瓷基板1的底面中心位置安装有散热焊盘14，底面外围安装有QFN焊盘15，两焊盘通过过孔与陶瓷基板1上的光电模块实现电气连接。

本发明还提供一种低成本气密光电转换模块结构的封装方法，具体包括以下步骤：

1)将U型金属框2玻璃矩形块3焊接形成方形框，在陶瓷基板1上粘接光电模块；

2)将方形框焊接在陶瓷基板1上，使集成表面透镜的激光器芯片阵列12的发光面和集成表面透镜的探测器芯片阵列13的感光面正对玻璃矩形块3；

3)利用平行缝焊将顶盖板4焊接在方形框上端；

4)将光纤阵列FA6调整到与集成表面透镜的激光器芯片阵列12及集成表面透镜的探测器芯片阵列13最佳耦合点后，点胶进行固定，并进行烘烤固化，固化完成后粘接金属上盖5，将光纤阵列FA6罩住；

5)点环氧胶加固尾纤输出口，完成整个模块的封装。

具体的，首先将一块两个侧面和两个底面金属化的玻璃矩形块3的金属化表面涂覆预置焊料然后将该玻璃矩形块与一个等高、等厚的U型金属边框2焊接在一起，形成一个一面为透明玻璃光窗的方形框架；

其次，选取集成表面透镜的激光器芯片阵列12和集成表面透镜的探测器芯片阵列13，粘接在一块有精准定位的氮化铝基板11上，再将其侧面粘接在光电转换模块的陶瓷基板1上，然后在陶瓷基板1上规定位置粘接驱动器芯片10、线性放大器芯片9、MCU芯片8并焊接相应的阻容器件。

另在设计陶瓷基板1时，在粘接元器件面的板边设计略大于透明玻璃光窗的方形框架厚度的方形金属边框，用于与透明玻璃光窗的方形框架焊接；在陶瓷基板1的底面为QFN焊盘15，中心为散热焊盘14，焊盘通过过孔与粘接元器件面实现电气连接。

然后是焊接透明玻璃光窗的方形框架，焊接前需确保集成表面透镜的激光器芯片阵列12的发光面和集成表面透镜的探测器芯片阵列13的感光面是正向面对玻璃矩形块3即光窗的，以保证集成表面透镜的激光器芯片阵列12发出的光和外部输入到集成表面透镜的探测器芯片阵列13的光需垂直穿过光窗；

完成与陶瓷基板1的焊接后，再利用平行缝焊将顶盖板4和方形框架焊接在一起，以实现对光电转换模块有源芯片的气密封；

再用光纤阵列FA6(fiber array)与集成表面透镜的激光器芯片阵列12、集成表面透镜的探测器芯片阵列13进行有源耦合，当调整到最佳耦合点后，点胶进行固定，并进行烘烤固化。固化完成后粘接金属上盖5，将光纤阵列FA6罩住，最后点环氧胶加固尾纤输出口，完成整个模块的封装

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。