DE4029559A1 - Optische sende- oder empfangseinheit und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sende- oder Empfangsein­ heit mit einem auf einem Substrat befestigten Linsenträger mit mindestens einer zu einer Sende- oder Empfangsdiode ausgerich­ teten und fixierten optischen Linse, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Bisher fallen beim Aufbau von Sende- oder Empfangseinheiten der optischen Nachrichtentechnik eine Vielzahl von manuell durchgeführten Arbeitsschritten an. Eine derartige Einheit, die im wesentlichen aus einer Grundplatte, einem Substrat, einer Sende- oder Empfangsdiode, einem Linsenträger mit .einer optischen Linse besteht, muß eine exakte gegenseitige Posi­ tionierung der einzelnen Teile aufweisen. Da zum Verbinden der Einzelteile, beispielsweise zum Verbinden eines Zwischenträ­ gers mit einem Substrat und dem Linsenträger mit der optischen Linse Lötverfahren angewendet werden, ist eine Abstimmung der einzelnen Arbeitsschritte nötig.

Bisher wurde die Montage einer optischen Linse, die posi­ tionsgenau in Bezug auf eine Sende- oder Empfangsdiode posi­ tioniert sein muß, mit einem Zwischenträger durchgeführt, der vorab durch einen Hartlotprozeß mit dem Substrat verbunden wurde. Das Anlöten des Linsenträgers mit eingeglaster Linse an den Zwischenträger erfolgt durch Weichlöten bei ca. 230°C. Dieser Lötvorgang ist jedoch mit der Verwendung eines Fluß­ mittels verbunden. Folglich muß danach eine Waschung oder Rei­ nigung der Bauteile von den Flußmittelrückständen erfolgen. Hierbei besteht der wesentliche Nachteil, daß zwischen der op­ tischen Linse und der Sende- oder Empfangsdiode ein schwer zugänglicher Kapillarspalt existiert. Somit können nicht sämt­ liche Rückstände, die vom Lötvorgang herrühren, beseitigt werden. Anzustreben ist deshalb ein flußmittelfreier Montage­ vorgang für eine optische Linse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Sen­ de- oder Empfangseinheit zu beschreiben, die exakt positio­ nierbar, mechanisch tragfähig und flußmittelfrei ist, sowie ein Verfahren zur automatisierten Herstellung einer derartigen Einheit.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wiedergegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß an der ferti­ gen und aus fast allen Einzelteilen zusammengesetzten Sende­ oder Empfangseinheit weder Löt- noch Waschvorgänge, sowie ma­ nuelle Handhabungen durchgeführt werden dürfen. Es wird ein bereits mit ein oder mehreren optischen Linsen bestückter Lin­ senträger direkt über Höcker mit dem Substrat verbunden, so daß der Zwischenträger entfallen kann. Das vorgestellte Ver­ fahren ist automatisierbar. Nach dem Aufbringen einer Sende­ oder Empfangsdiode auf das Substrat, das in der Regel nach dem Die-Bonden geschieht, wird das Substrat meist auf eine Grund­ platte aufgeklebt. Der Linsenträger wird in ähnlicher Weise, wie in der Flip-Chip-Technik direkt auf das Substrat über der Sende- oder Empfangsdiode plaziert und fixiert, wobei ein Thermokompressionsverfahren Anwendung findet. Mittels der hier­ bei aufgebrachten Kraft, die die beiden Verbindungspartner an­ einanderdrückt, werden zwischengelagerte Höcker derart defor­ miert, daß sie als Abstandshalter und zugleich als Verbindun­ gen zwischen Linsenträger und Substrat dienen. Die Ausrichtung des annähernd parallel zum Substrat positionierten Linsenträ­ gers bezüglich zweier Raumrichtungen, die senkrecht zu einer Flächennormalen auf dem Substrat liegen, ist vor dem Schweiß­ vorgang geschehen. Die Einstellung des Abstandes zwischen Lin­ senträger und Substrat bzw. zwischen optischer Linse und Sen­ de- oder Empfangsdiode wird während der Verschweißung zwischen Linsenträger, Höcker und Substrat durch plastische Verformung der Höcker bewirkt. Zweckmäßigerweise werden die Höcker auf eines der beiden Bauteile, Substrat oder Linsenträger, vorher aufgebracht. Die Verbindung zum anderen Bauteil entsteht wäh­ rend der Thermokompressionsschweißung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Ver­ wendung von Drahtabschnitten vor, die als Höcker auf das Sub­ strat aufgebracht werden. Diese Drahtabschnitte können bei­ spielsweise mit einem Thermosonic oder Ultraschallschweißver­ fahren gebondet werden. Bei der Verwendung eines Sonotroden­ stempels läßt sich durch dessen entsprechende Konstruktion je­ weils ein nach oben verjüngter senkrecht auf dem Substrat ste­ hender Drahtabschnitt ausformen.

Bevorzugte Materialien hierfür sind Gold oder Aluminium.

Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Aus­ führungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Sende- oder Empfangseinheit.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen verschiedene Varianten zur Ausgestaltung des Linsenträgers 2.

In der Fig. 1 ist ein Substrat 1 mit einer Sende- oder Emp­ fangsdiode 4 dargestellt, das über Höcker 5 mit einem Linsen­ träger 2 verbunden ist. Der Linsenträger 2 enthält eine opti­ sche Linse 3, die in der Regel durch Einglasen extern mit dem Linsenträger 2 verbunden wurde. Die optische Linse 3 wird als Mikrolinse bezeichnet, wobei in der Regel Kugellinsen mit einem Durchmesser von ca. 0,3 mm gemeint sind. Erfindungsgemäß wird auf das Substrat 1 oder auf den Linsenträger 2 eine An­ zahl von meist zwei oder drei Drahtabschnitten aus Gold oder Aluminium aufgeschweißt. Dies kann mit einem Ultraschall-Bon­ der oder mit einer Ultraschalldrahtschweißmaschine geschehen. ln Anschluß daran wird der bereits mit der optischen Linse 3 versehene Linsenträger 2 unter Anwendung eines Thermokompres­ sionsschweißverfahrens mit dem Substrat 1 unter Zwischenschal­ tung der Höcker 5 verbunden. Die genaue Positionierung der optischen Linse 3 über der Sende- oder Empfangsdiode 4 war vor­ geschaltet, wobei die Positionierung bezüglich des Abstandes zwischen optischer Linse 3 und Sende- oder Empfangsdiode 4 durch Stauchen der Höcker 5 während des Verbindungsvorganges geschieht.

Die Fig. 2 und 3 zeigen mögliche Ausgestaltungen eines Lin­ senträgers 2. In der Fig. 2 sind die Höcker 5 als längere Drahtabschnitte ausgebildet, die auf dem Substrat 1 oder auf dem Linsenträger 2 der Länge nach und annähernd symmetrisch zur optischen Linse 3 aufgeschweißt sind. Diese Ausführungs­ weise ist praktisch zu handhaben und sehr stabil. Die Fig. 3 zeigt eine dreieckige Ausgestaltung des Linsenträgers 2, wobei die Höcker 5 jeweils aus kurzen Drahtabschnitten, die senkrecht zu Substrat 1 oder Linsenträger 2 stehen, darge­ stellt sind.

Erfindungsgemäß ist die optische Linse 3 in den meist aus Si­ lizium bestehenden Linsenträger 2 bereits vor dem Prozeß ein­ geglast und eventuell gesäubert. Das Justieren zwischen opti­ scher Linse 3 und Sende- oder Empfangsdiode 4 erfolgt über das Messen der eingekoppelten Lichtintensität, wobei ein Maximum gesucht wird und die Einstellung des gegenseitigen Abstandes der beiden Bauteile erfolgt durch seitliche optische Kontrol­ le. Ein derartiges Varfahren zum Aufbau einer erfindungsge­ mäßen optischen Sende- oder Empfangseinheit ist weitgehend automatisierbar, wobei nach dem Aufkleben eines Substrates auf eine Grundplatte eine lagerichtige Fixierung erfolgen kann, so daß bei der anschließenden Montage der weiteren Bauteile die Position des Substrates ständig bekannt ist.

Das angewandte Thermokompressionsschweißverfahren beinhaltet die Einbringung von Wärme zur Erhöhung der Temperatur auf Schweißtemperatur und den gleichzeitigen Einsatz von mecha­ nischem Druck auf die zu verbindenden Teile. Eine bei einem Thermosonic-Schweißverfahren eingesetzte zusätzliche Ultra­ schallbeaufschlagung ist zwar vorteilhaft, aber nicht not­ wendig. Bei einem derartigen Verfahren könnte beispielsweise der Halbleitereffekt ausgenutzt werden, wie er beim Pinzet­ tenlöten mit einer geteilten Sonotrode auftritt.

Die Linsenträger 2 haben in der Regel eine maximale Abmessung von 1 mm×3 mm×0,2 mm. Dies ergibt ein Volumen von 0,6 mm³. Bei einer spezifischen Dichte des Siliziums von 2,3 mgr/mm³ erhält man eine Masse von 1,4 mgr. Daraus resultiert bei einer angesetzten maximalen Beschleunigung von 1500 g (lug ent­ spricht 10 mN/gr) eine Kraft von 21 mN. Im Vergleich dazu wird von einer Drahtbondverbindung eine Mindestfestigkeit von 50 mN erwartet. Dieser Wert wird demnach bei den hier verwendeten Abmessungen nicht erreicht. Es ist denkbar, daß ein Linsen­ träger mit darauf befindlichen Höckern als eigenständiges op­ tisches Bauteil gehandelt werden könnte.

Claims (4)

1. Optische Sende- oder Empfangseinheit mit einem auf einem Substrat (1) befestigten Linsenträger (2) mit mindestens einer zu einer Sende- oder Empfangsdiode (4) ausgerichteten und fi­ xierten optischen Linse (3), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Linsenträger (2) mit dem Substrat (1) über zwischengelagerte Höcker (5) verbunden ist.

2. Optische Sende- oder Empfangseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (5) aufgeschweißte Drahtabschnitte sind.

3. Optische Sende- oder Empfangseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (5) aus Gold oder aus Aluminium bestehen.

4. Verfahren zur Herstellung einer optischen Sende- oder Emp­ fangseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - das Substrat (1) oder der Linsenträger (2) zum gegenseitigen Verbinden mit Höckern (5) versehen ist,
• - das Substrat (1) und der Linsenträger (2) unter Zwischenla­ gerung der Höcker (5) annähernd parallel aneinandergefügt und gegeneinander bezüglich zweier zu einer Flächennormalen senkrecht stehenden Koordinatenrichtungen ausgerichtet werden und
• - das Substrat (1), die Höcker (5) und der Linsenträger (2) mittels eines Thermokompressionsschweißverfahrens ver­ schweißt werden, wobei unter Verformung der Höcker (5) ein vorgegebener Abstand zwischen dem Substrat (1) und dem Lin­ senträger (2) bzw. zwischen einer optischen Linse (3) und einer Sende- oder Empfangsdiode (4) eingestellt wird.