CN101028963A - 制造模压结构的方法以及用于模压一结构的模压系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种制造包括微透镜和金属销的模压结构的方法。该方法包括以下步骤：提供具有第一组腔和第二组腔的模压装置，在第一组腔内放置第一材料以形成一组金属销，以及在第二组腔内放置第二材料以形成一组微透镜。所形成的模压结构包括：基片、在所述基片上的一组模压微透镜、以及在同一基片上的一组模压金属销。金属销可被形成为定位销或电接插件。本发明首次使得微透镜和金属销通过模压在一个共同的基片上被制造。

Description

制造模压结构的方法以及用于模压一结构的模压系统
技术领域
本发明一般地涉及微透镜元件的制造。更特别地，本发明涉及在单个模压过程中制造微透镜元件和金属结构(比如定位销或电气接插件)的装置和方法。本发明使得光学微透镜和金属连接件首次在一个共同的基片上被制造。
背景技术
对于类似的光学申请，透镜部件被用来促进将光耦合进入检测器阵列。为了获得低成本，模压的塑料光学器件已经被用于光纤和检测器的耦合。两种基本类型(即热塑性材料和热固性材料)已经被应用在工业标准的多模光纤推进(MPO)连接器中以及用在形成这些连接器系统基础的多模光纤终结器(MT)套圈中。
用于类似光学互连的工业标准是基于MPO连接器的，如被美国电信工业(TIA)标准化的。该连接器通过使用一对高精密金属定位销与在光学插槽中制造的相应一组精密孔接合而获得光学对准，如图1，2和3所示。特别地，图1示出使用精密金属定位销16的具有MPO光纤阵列接口14的普通光电检测器阵列12的一个例子。图2示出用于具有MPO光学接口26的光电检测器阵列的普通透镜阵列22和定位销组件24的一个例子(示意性侧视图)，并且图3示出MPO光学连接器34内的普通的人工定位微透镜阵列32。
当前的设计以分离的过程制造MPO连接器接口和耦合透镜并且将它们人工组装成最终产品；这就需要主动对准(经常是一个昂贵的手动过程)并且不能充分利用设计在MPO接口内的精确对准。
发明内容
本发明的目的在于改进微透镜元件的制造。
本发明的另一个目的在于在单个的注射模压过程中制造微透镜和金属销。
本发明的再一个目的在于应用共同的注射模压系统在单个的过程中制造多模光纤光学连接器中的微透镜和精密定位销。
本发明的又一个目的在于直接在硅或其它半导体芯片基片上制造MPO兼容接口，从而可以将光电检测器或其它有源装置在芯片水平上与MPO接口结合。
本发明的一个目的在于在一个共同的基片上并使用单个的注射模压系统制造光学元件和金属连接器元件。
这些和其它目的通过使用制造包括微透镜和金属销的模压结构的方法来实现。该方法包括以下步骤：提供具有第一组腔和第二组腔的模压装置，将第一材料置于第一组腔中以形成一组金属销，以及将第二材料置于第二组腔中以形成一组微透镜。所形成的模压结构包括：基片、在所述基片上的一组模压微透镜、以及在同一基片上的一组模压金属销。在一个实施例中，金属销是当模压结构连接于另一个装置(如光学连接器)时用于将微透镜对准在合适位置的连接销。在第二实施例中，金属销是用于将模压结构电连接至另一装置(如计算机背板)的电气接插件。
以下将要详细描述的本发明的优选实施例提供了一种应用晶片级制造法制造的玻璃微透镜阵列，由于其卓越的热性能和低的制造成本；但是，塑料材料也可用作替换的实施例。为了进一步降低组装成本，可使用既包含MT阵列连接器接口又包含微光学器件接口的插槽。为了促进透镜阵列与光纤阵列插槽之间的被动对准，在要与插槽上的精密模压腔配合的透镜阵列的一侧上可制造机械结构。此外，可应用一个释放层以共形地涂敷其中形成微透镜的模压腔的侧壁，以帮助将那些成形的透镜从腔中释放。
通过考虑以下参考附图给出的详细描述，本发明的其它益处和优点将更为明显，其中附图确定并显示了本发明的优选实施例。
附图说明
图1示出使用精密金属定位销的具有MPO光纤阵列接口的普通光电检测器阵列的例子。
图2示出用于具有MPO光学接口的光电检测器阵列的普通透镜阵列和定位销组件的一个例子(示意性侧视图)。
图3示出MPO光学连接器内的普通的人工定位微透镜阵列。
图4示出使用具有包括不同腔形状的模板的注射模压装置，显示了使用非线性扫描以及可能使用用于中间腔的保护罩。
图5示出使用第二注射模压通道以填充在前次扫描期间避开的腔。
图6示出具有利用本发明可制造的电学和光学部件的混合连接器。
图7示出注射模压的电学和光学元件如何可被结合在一个计算机背板中。
图8示出本发明的一个可选实施例，其中第一过程步骤包括多腔模具的组装。
图9示出可选实施例的下一个步骤，其中第一扫描路径用金属填充某些腔并且随后移除模型插入件。
图10示出可选实施例的下一个步骤，其中模型插入件的剩余区域被光学材料填充以制造具有一体的金属定位销和光学微透镜元件的连接器。
具体实施方式
本发明涉及微透镜的制造，更特别地涉及适于用作光学连接器的微透镜。如上所述，为获得低成本，模压塑料光学器件已被用于光纤和检测器的耦合。两种基本类型(热塑性材料和热固性材料)已被用在工业标准的MPO连接器中以及用在形成这些连接器系统基础的MT套圈中。作为替换，优选玻璃材料，这是因为它们在较宽的温度范围内和湿度环境下比塑料更为稳定。此外，玻璃材料可提供更多的设计自由度，这是因为可获得具有不同类型的掺杂、熔点等的各种玻璃。
本发明的一个优选实施例提供了一种应用晶片级制造法制造的玻璃微透镜阵列，由于其卓越的热性能和低的制造成本；但是，塑料材料也可用作替换的实施例。为了进一步减少组装成本，可使用既包含MT光纤阵列连接器接口又包含微光学器件接口的插槽。为促进透镜阵列与光纤阵列插槽之间的被动对准，在要与插槽上的精密模压腔配合的透镜阵列的一侧上可制造机械结构。
参照图1，2和3，MPO连接器被设计为对准光纤阵列(从1×12线性光纤阵列直至9×12二维阵列)，并且精密金属定位销的使用使得可以在连接器设计的其它方面公差要求较松并且成本较低。对于与MPO连接器兼容性，设计规格是非常严格的；定位销和孔必须具有700.0微米的直径，公差小于或等于0.5微米，并且它们之间间隔必须为2.6000毫米，公差为0.45微米。这些数据应当仅被视为代表性的例子；该连接器将来的型号可以具有甚至更严格的公差限制。这些结构提供了光纤阵列连接器在透镜平面内的被动对准。
通过结合精密控制的光纤突起和抛光(典型地，1.0微米的光纤短线从连接器表面一致地突出不到0.2微米)以及与具有合适焦距的透镜阵列的主动对准，在普通的MPO设计中控制与阵列垂直的其余尺寸。控制光纤突起以减小接口处的气隙对于减小衰减以及控制由干涉测量噪音引起的问题来说是非常重要的；由于与此方法相关的许多困难，所以已经采用不需要对光纤突起进行高精度控制的微透镜设计。主动对准后常规的技术用环氧树脂将微透镜阵列与接口粘接以最大化耦合的光学功率；如果透镜经常不对中在检测器阵列上，就损耗光学功率。此外，与检测器阵列的角向对准是非常重要的；为了耦合至少90％的光学功率，透镜阵列的角倾斜必须最多小于1度，优选小于0.5度。
参照附图4和图5，本发明提供了一种使用注射模压系统制造微透镜和精密定位销的方法。这就提供了几个优点：首先，因为该过程与金属沉积及玻璃/聚合物沉积相兼容，所以销和透镜首次可以在一个共同的基片上被制造。这就避免了之前提到的线性未对准及角向未对准的担心，并且促进了与检测器阵列的被动对准。第二，该方法允许直接在硅或其它半导体芯片基片上制造MPO兼容接口，使得可以将光电检测器或其它有源装置在芯片水平上与MPO接口结合，而不是使用更繁杂、昂贵的技术将光导入与芯片间隔一段距离的光纤接口。此外，MPO设计需要精密金属销，但是最近的环境标准在所有芯片制造过程中都要求无铅金属材料；这对于MPO光学接口与半导体芯片的集成是一个固有的障碍。但是，注射模压法允许用无铅材料制造金属销，所述金属销仍然具有足够的公差以与MPO接口兼容。
图4和图5所示的方法为多腔法，其中无铅金属销通过注射模压法在腔42中被制造，腔42邻近包含微透镜材料的其它腔44。一些腔可以比其它腔具有更严格的公差，从而微透镜制造不是必须要满足如销制造同样的规范。优选先放置高熔点材料，接着放置低熔点材料；例如，金属销可能具有比低温玻璃或光学聚合物更高的熔点，因此它们要先被放置。第一路径扫描用无铅金属填充较深的精确尺寸的销孔42；透镜腔不被填充(这可通过控制填充机构46上的压力或用临时保护罩覆盖透镜腔44来实现，保护罩随后要除去以便制造透镜)。
第二扫描路径用较低温度的熔化玻璃或光学聚合物来仅仅填充透镜孔44。该扫描将避开所有已填充的金属孔42，或者已填充的金属孔在第二扫描路径经过它们上面时用临时罩保护。因为销和透镜是在同一个基片上被制造的，它们之间的相对对准可利用该方法被容易地控制，从而实际上消除了可导致应用中损失耦合光学功率的离轴光学对准。此外，根据材料选择，模腔44可首先被涂敷任选的释放层以促进在这些腔内形成的微透镜的脱模。可使用任何适宜的释放层；并且，可使用例如碳氟化合物涂料，如聚四氟乙烯(PTFE)(以及更特别地，Teflon涂料)。参照图6，可采用同样方法制造混合的光学和铜接口，它们用于计算机背板中。特别地，图6示出一种混合光学/电气接插件62，包括一系列电插销64和一系列光纤66。
由附图标记46表示的任何适宜的注射或填充机构可用于将材料置于腔42和44内，并且可采用任何适宜的控制装置或机构以操作或控制注射机构。例如，可控制填充机构46以便在注射模压期间沿可程序控制的非线性扫描路径移动，以促进用不同材料选择性地填充不同的腔。
最后一个步骤是微透镜和MPO组件的封装。图7示出一种适宜的封装过程，其中微透镜阵列70被插入载体72中。该载体被插入一个LGA组件74中，后者进而被插入随后连接于计算机背板的的板76中。
本发明的一个重要优点在于：混合集成组件可以直接连接到双芯片模块或多芯片模块中的芯片基片上，使得在芯片上的有源装置和光纤互连件之间直接光耦合。在图7中对于竖直腔表面发射激光器(VCSEL)和光电二极管组件示出了该特征。图7所示的设计显示了作为基片的低成本有机芯片载体；注意到优选的设计具有两个基本的要求，即一组旋转镜和波导以使光学信号偏转以及一组双透镜元件以将远离载体的光耦合进入或耦合到印刷电路板。考虑到被动对准，优选的微透镜还在基片平面中在每个方向上将对准公差增加至约0.5密耳；此外，还为基片中的温度导致的尺寸变化提供了余地。
图8和图9示出一个可选的模压方法，其使用包括第一和第二工件82和84的模压装置80。模压件82限定了凹槽86以接纳第二模压件84，并限定了一组腔88以形成微透镜。当模压装置80闭合时，如图8所示，模压件82和84结合以形成一组腔90用于形成金属销。在使用中，在腔90内放置或注射合适的材料以形成金属销，模压件84被移除，并且适宜的材料被放置或注入腔内以形成微透镜。参照图10，凹槽86接着可填充光学聚合物92，该聚合物92填充并包围销94以形成结构96。
对本领域的技术人员来说非常明显的是，本发明的各个特征可用于硬件、软件或硬件与软件的结合。任何类型的计算机/服务器系统-或其它适于实现这些特征的装置都是适宜的。硬件和软件的典型结合可以是具有计算机程序的通用计算机系统，当加载并执行该程序时实施所述的方法。可选地，也可使用包含特定硬件以执行本发明的一个或多个功能作业的特定用途的计算机。
本发明的特征也可以被包含在计算机程序产品中，所述计算机程序产品包括所有能使此处描述的不同特征或方法实施的相应特征，并且当装载在计算机系统中时，能够执行这些特征。计算机程序、软件程序、程序或软件在本文中指的是一组指令的用任何语言、编码或符号的任何表达，所述指令意图使具有信息处理能力的系统直接地或在(a)和/或(b)之后执行特定的功能，其中(a)是转换为另一语言、编码或符号，(b)是以不同材料形式复制。
虽然显然此处公开的本发明适于实现上述目标，但是要理解，本领域的普通技术人员可做出许多改进和实施例，并且所附的权利要求旨在覆盖所有那些落入本发明的真正精神和范围内的改进和实施例。

Claims (17)

1.一种制造包括微透镜和金属销的模压结构的方法，包括以下步骤：
提供具有第一组腔和第二组腔的模压装置；
在第一组腔内放置第一材料以形成一组金属销；以及
在第二组腔内放置第二材料以形成一组微透镜。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
所述第一和第二材料的其中一个具有比所述第一和第二材料的另一个更高的熔点；并且
所述具有更高熔点的其中一个材料先于所述另一个材料被置于模压装置中。
3.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在注射模压期间使用非线性扫描路径以促进用不同材料选择性地填充不同的腔。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述放置第一材料的步骤包括：
提供一填充机构以在模压装置中放置第一和第二材料；以及
将所述填充机构移动越过模压装置以将所述第一材料放置于所述第一组腔中。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述移动步骤包括以下步骤：在所述移动步骤期间控制所述填充机构的移动以防止所述填充机构在所述第二组腔上移动。
6.如权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：
在所述移动步骤期间用可移除的保护罩覆盖所述第二组腔以防止所述第一材料被置于所述第二组腔中；以及
在将第一材料放置于第一组腔中后，移除所述保护罩。
7.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：模压一光学聚合物以形成模压结构的基片，所述基片围绕金属销的各部分并且形成用于微透镜的支撑底座。
8.一种用于模压包括微透镜和金属销的结构的模压系统，该模压系统包括：
形成第一组腔和第二组腔的模压装置；
将材料置于所述腔中的填充机构；以及
操纵装置，用于操纵所述填充机构以将第一材料置于所述第一组腔内并且将第二材料置于所述第二组腔内；
其中所述第一和第二材料中的其中一个在模压装置中形成一组微透镜，所述第一和第二材料中的另一个在模压装置中形成一组金属销。
9.如权利要求8所述的模压系统，其中：
第一和第二材料的每一个具有各自的熔点；
所述第一材料的熔点高于所述第二材料的熔点；并且
在将第二材料置于第二组腔内之前，操纵装置将所述第一材料置于第一组腔内。
10.如权利要求9所述的模压系统，其中：
在第一阶段，所述操纵装置使填充机构扫描经过模压装置以将第一材料置于第一组腔内；并且
在所述第一阶段，所述操纵装置避免在第二组腔上方移动所述填充机构以避免用所述第一材料填充所述第二组腔。
11.如权利要求9所述的模压系统，还包括暂时性覆盖所述第二组腔以防止填充机构将第一材料置于所述第二组腔内的保护罩。
12.如权利要求8所述的模压系统，其中：
所述模压装置包括一个单个的模板；
所述第一组腔为形成于所述模板内的细长轴向开口以形成所述金属销；并且
所述第二组腔为形成于所述模板的一表面中的浅凹槽以形成所述微透镜。
13.如权利要求8所述的模压系统，其中：
所述模压装置包括第一和第二模压件；
第一模压件形成所述第二组腔以及用于接纳所述第二模压件的一凹槽；以及
模压装置具有闭合位置，其中第二模压件延伸进入第一模压件的凹槽，并且第一和第二模压件一同形成所述第一组腔。
14.一种模压结构，包括：
基片；
在所述基片上的一组模压微透镜；以及
在所述同一基片上的一组模压金属销。
15.如权利要求14所述的模压结构，与具有一组光纤的光学连接器一同使用，其中所述金属销为用于连接所述模压结构与所述光学连接器的定位销，所述一组微透镜与所述光纤对准。
16.如权利要求14所述的模压结构，与计算机一同使用，其中所述金属销为电气接插件以将所述模压结构电连接到所述计算机。
17.如权利要求14所述的模压结构，其中：
所述基片由光学聚合物形成；
所述基片围绕所述一组模压金属销的各部分；并且
所述一组模压微透镜被定位于所述基片的一表面上。
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