DE10146865A1 - Anordnung für ein System zur Datenübertragung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Anordnung für ein System zur Datenübertragung angegeben, in welchem die Daten über mindestens eine optische Faser übertragen werden. Sie besteht aus einem mit elektrischen Kontakten (5) ausgerüsteten Substrat (1) aus Halbleitermaterial, bei welchem die Kontakte (5) an seiner Oberfläche liegen und in dem die für das Senden und Empfangen von optischen Signalen erforderlichen Schaltelemente (2, 3, 4) zu einer Einheit zusammengefaßt sind. Es ist außerdem ein Träger mit Leiterbahnen vorhanden, an dem das Substrat (1) mit Anschluß seiner Kontakte an die Leiterbahnen befestigt ist. Zur Vereinfachung des Zusammenbaus ist die Lage der Kontakte (5) des Substrats (1) und von Kontaktflächen der Leiterbahnen des Trägers so aufeinander abgestimmt, daß die Kontakte (5) des Substrats (1) nach seiner Aufbringung auf den Träger direkt an korrespondierenden Kontaktflächen der Leiterbahnen anliegen.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für ein System zur Datenübertragung, in welchem die Daten über mindestens eine optische Faser übertragen werden, bestehend aus einem mit elektrischen Kontakten ausgerüsteten Substrat aus Halbleitermaterial, bei welchem die Kontakte an seiner Oberfläche liegen und in dem die für das Senden und Empfangen von optischen Signalen erforderlichen Schaltelemente zu einer Einheit zusammengefaßt sind, und aus einem Träger mit Leiterbahnen, an dem das Substrat mit Anschluß seiner Kontakte an die Leiterbahnen befestigt ist.
• Eine solche Anordnung wird beispielsweise bei der Datenübertragung über Glasfasern bzw. Lichtwellenleiter benötigt. Die Anordnung aus Halbleiterschaltungen kann dabei als Empfänger oder als Sender ausgeführt sein. Bei einem Empfänger werden beispielsweise eine Fotodiode und ein als Vorverstärker wirkender Transimpedanzverstärker eingesetzt. Bei einem Sender können als Halbleiterschaltungen eine Laserdiode und eine Treiberschaltung verwendet werden. Da die Problematik beim Aufbau entsprechender Anordnungen in allen Fällen etwa die gleiche ist, wird im folgenden - stellvertretend für alle anderen Anwendungsfälle - ein aus Halbleiterschaltungen bestehender Empfänger für optische Signale berücksichtigt.
• In heute üblicher Technik werden elektronische Halbleiterschaltungen auf sogenannten Wafern erzeugt. Das sind beispielsweise von einem Block abgetrennte Scheiben aus einem geeigneten Halbleitermaterial mit einer Dicke von beispielsweise 500 µm. Geeignete Halbleitermaterialien sind beispielsweise Silizium, Gallium-Arsenid und Indium-Phosphid. Auf solchen Wafern wird eine sehr große Anzahl von in der Regel identischen Halbleiterschaltungen in speziellen Prozessen erzeugt. Neben den dabei aufgebrachten aktiven Flächen (Halbleiterschaltungsflächen) werden auch elektrische Kontakte erzeugt, die mit den aktiven Flächen verbunden sind und beispielsweise zum elektrisch leitenden Verbinden zu korrespondierenden Halbleiterschaltungen, zu einem Leadframe, zu einem Trägersubstrat oder zu einer tragenden Leiterplatte dienen. Dazu werden in bekannter Technik Drähte aus elektrisch gut leitendem Material verwendet, beispielsweise aus Gold oder Aluminium, die durch Bonden beispielsweise elektrisch leitend mit den Kontakten von unterschiedlichen Halbleiterschaltungen (DE 43 10 170 A1) oder mit Leiterbahnen eines Trägersubstrats verbunden werden. Solche Drähte können sich bei einer schnellen Datenübertragung mit im GHz- Bereich liegenden Frequenzen störend auswirken und dabei zu einer Verformung der Daten bis hin zu unbrauchbaren, d. h. nicht auswertbaren Daten führen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Anordnung so zu gestalten, daß sie bei einfachem Aufbau auch bei höchsten Übertragungsgeschwindigkeiten eine störungsfreie Datenübertragung sicherstellt.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Lage der Kontakte des Substrats und von Kontaktflächen der Leiterbahnen des Trägers so aufeinander abgestimmt ist, daß die Kontakte des Substrats nach seiner Aufbringung auf den Träger direkt an korrespondierenden Kontaktflächen der Leiterbahnen anliegen.
• Diese Anordnung ist sehr einfach zu handhaben. Es müssen lediglich die Topographien von Substrat und Träger aufeinander abgestimmt werden. Das mit allen zum Senden und Empfangen von optischen Signalen - den Daten - ausgerüstete Substrat braucht nur noch mit seiner die Kontakte aufweisenden Seite positionsgerecht auf den Träger aufgebracht zu werden. Die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Kontakten des Substrats und den entsprechenden Kontaktflächen der Leiterbahnen des Trägers sind dann direkt hergestellt. Zusätzliche Arbeiten, wie das Bonden von unterschiedliche Kontaktflächen verbindenden Drähten, sind nicht mehr erforderlich. Die elektrisch leitenden Verbindungen sind bei dieser Anordnung so kurz (streckenmäßig nahezu Null), daß sie keine wesentlichen parasitären Induktivitäten oder Kapazitäten erzeugen können. Sie bewirken gegenüber bekannten Anordnungen auch deutlich geringere elektromagnetische Verkopplungen. Eine störende Wirkung der elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Halbleiterschaltungen und dem zugehörigen Träger auf die zu übertragenden Daten ist somit auch bei sehr hohen Frequenzen weitestgehend vermieden, insbesondere bei über 1 GHz liegenden Frequenzen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform sind die für die Datenübertragung erforderlichen optischen Fasern vor der Montage des Substrats bereits an demselben angebracht. Das Substrat hat dazu eine Erweiterung, welche mindestens eine optische Faser trägt.
• Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Substrat mit Halbleiterschaltungen.
• Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Träger mit Leiterbahnen.
• Fig. 3 eine Seitenansicht einer Anordnung nach der Erfindung.
• Fig. 4 eine gegenüber Fig. 1 ergänzte Ausführungsform des Substrats.
• Fig. 5 einen Schnitt durch eine gegenüber Fig. 3 andere Ausführungsform der Anordnung in vergrößerter Darstellung.
• Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Anordnung in nochmals vergrößerter Darstellung.
• In Fig. 1 ist ein aus Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, Gallium-Arsenid oder Indium-Phosphid, bestehendes Substrat 1 dargestellt, das im dargestellten Ausführungsbeispiel mit drei durch strichpunktiert umrahmte Kästchen angedeuteten Elementen ausgerüstet ist. Ein Substrat 1 wird in der Regel auf einem sogenannten Wafer aus dem angegebenen Halbleitermaterial erzeugt, wobei die einzelnen Elemente desselben in mehreren Schritten aufgebaut werden. Diese Elemente können zu einer Empfangsschaltung bei der Datenübertragung mittels optischer Signale gehören. Dabei kann es sich um eine Fotodiode 2 und einen Verstärker 3 handeln. Das Kästchen 4 ist symbolisch für eventuelle weitere für die Datenübertragung benötigte bzw. sinnvolle Schaltelemente eingezeichnet. Solche Schaltelemente sind beispielsweise ein R-C-Glied und ein Mikrocontroller. Die Elemente 2, 3 und 4 sind Halbleiterschaltungen. Sie können Teile des Substrats 1 und auf demselben erzeugt sein. Auf der Oberfläche des Substrats 1 befinden sich außerdem mehrere elektrisch leitende Kontakte 5, die mit den Halbleiterschaltungen verbunden sind. Sie sind in herkömmlicher Technik in einer gemeinsamen, ebenen Fläche des Substrats 1 angebracht. Die Kontakte 5 können bei entsprechender Gestaltung der Oberfläche des Substrats 1 aber auch in unterschiedlichen Ebenen liegen.
• Das Substrat 1 wird in an sich üblicher Technik mit den Halbleiterschaltungen versehen. Beim Aufbau der unterschiedlichen Halbleiterschaltungen auf dem Wafer mit individuellen aktiven Flächen und Kontakten, können die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen denselben gleichzeitig mit hergestellt werden. Abschließend wird das Substrat 1 metallisiert, wodurch die mit den zugehörigen Halbleiterschaltungen verbundenen Kontakte 5 und gegebenenfalls auch die Verbindungen zwischen den Halbleiterschaltungen 2, 3 und 4 erzeugt werden. Es müssen nicht alle Elemente in der geschilderten Weise im Substrat 1 integriert sein. So kann beispielsweise für die Fotodiode 2 ein anderes Material als für das Substrat 1 verwendet werden. Die Fotodiode 1 würde dann als separat gefertigtes Bauteil mit einer beispielsweise zwischen 100 µm und 200 µm liegenden Dicke auf dem Substrat 1 angebracht werden. Sie ragt bei dieser Ausführungsform über dessen Oberfläche hinaus. Eine solche Fotodiode 1 kann auf ihrer außen liegenden Oberfläche eine Kontaktfläche haben.
• Die Kontakte 5 dienen zur elektrisch leitenden Verbindung der Halbleiterschaltungen des Substrats 1 mit anderen Halbleiterschaltungen oder mit Kontakten bzw. Leiterbahnen eines Trägers, auf dem das Substrat 1 im Rahmen eines der Datenübertragung dienenden Systems angebracht wird. Als Träger können beispielsweise Leiterkarten verwendet werden, die beispielsweise aus Epoxidharz oder in Dickschicht- bzw. Dünnschichttechnik aus keramischem Material bestehen. Der Träger kann in neuerer Technik auch ein sogenanntes "Greentape" sein. Er kann auch aus Halbleitermaterial bestehen, beispielsweise aus dem gleichen Halbleitermaterial wie das Substrat 1.
• Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Träger 6 soll eine geeignete Leiterkarte sein. Auf der Leiterkarte sind beispielsweise in einer Ebene liegende Leiterbahnen 7 angebracht, die im Rahmen eines der Datenübertragung dienenden Systems zur Verbindung von Übertragungselementen und Übertragungswegen dienen können. Sie sind im vorliegenden Fall auch für die Aufnahme des Substrats 1 konzipiert, das in der fertigen, in Fig. 3 schematisch in einer Seitenansicht gezeigten Anordnung mit seinen Kontakten 5 auf Kontaktflächen 8 liegt, die in Leiterbahnen 7 der Leiterkarte im Wege der Vorfertigung zur Aufnahme eines speziellen Substrats 1 angebracht worden sind, und zwar positionsgenau. Die Positionen von Kontakten 5 und korrespondierenden Kontaktflächen 8 sind also genau aufeinander abgestimmt. Ein Bereich, in dem in diesem Sinne ein Substrat 1 auf die Leiterkarte aufgesetzt wird, ist in Fig. 2 gestrichelt umrandet. Die Leiterbahnen 7 sind in vereinfachter Darstellung nur bis an die gestrichelte Linie heran gezeichnet. Sie führen zu den entsprechenden Kontaktflächen 8.
• Zum Aufbau einer Anordnung nach der Erfindung sind die Kontakte 5 und die Kontaktflächen 8 der Leiterbahnen 7, die beispielsweise jeweils in einer ebenen Fläche auf gleicher Höhe liegen, in ihrer jeweiligen Lage, das heißt mit entsprechenden Abständen zueinander und mit angepaßter Größe, so aufeinander abgestimmt, daß das als Modul bzw. Komponente zu betrachtende Substrat 1 nur noch auf die Leiterkarte aufgesetzt werden muß. Das vorher mit allen für die Datenübertragung benötigten Halbleiterschaltungen fertiggestellte Substrat 1 braucht dazu nur mit dann nach unten weisenden Kontakten 5 auf die Leiterkarte aufgesetzt zu werden. Zur festen und elektrisch leitenden Verbindung kann vorher auf die jeweiligen Kontaktflächen 8 beispielsweise ein Lötmittel in Form von Lötkugeln aufgetragen werden. Es könnte auch ein leitfähiger Kleber verwendet werden.
• Die gleiche Vorgehensweise zum Aufbau der Anordnung gilt dann, wenn die Kontakte 5 und die Kontaktflächen 8 jeweils in unterschiedlichen Ebenen liegen. Das Profil der Leiterkarte muß dann mit entsprechenden Vertiefungen an das Profil des Substrats 1 angepaßt werden. Eine ähnliche Gestaltung der Leiterkarte, die beispielsweise 1 mm dick ist, gilt auch dann, wenn eines der Elemente des Substrats 1 (oder auch mehrere Elemente) über die Ebene der Kontakte 5 hinausragt, beispielsweise die oben erwähnte Fotodiode 2 mit einer Dicke von beispielsweise 200 µm. Vor der Montage des Substrats 1 wird dann mindestens eine korrespondierende Vertiefung in der Leiterkarte angebracht. In der Vertiefung kann auch eine Kontaktfläche 8 vorhanden sein, wenn die Fotodiode 2 auf ihrer außen liegenden Oberfläche eine eigene Kontaktfläche hat.
• Das Substrat 1 kann gemäß Fig. 4 vor seiner Montage auf der Leiterkarte bereits mit einer optischen Faser 9 bestückt sein. Es kann mindestens eine, beispielsweise als Glasfaser ausgeführte optische Faser 9 vorhanden sein. Die Faser 9 ist vorzugsweise auf bzw. in einer Erweiterung 10 des Substrats 1 angeordnet, die zum Substrat 1 durch eine strichpunktierte Linie abgegrenzt dargestellt ist. Auf der Leiterkarte muß dann ein den vergrößerten Abmessungen des Substrats 1 entsprechender Freiraum vorhanden sein.
• Die Erweiterung 10 des Substrats 1 ist eine zusätzliche Freifläche, die bereits auf dem Wafer als solche besteht. Die Oberfläche der Erweiterung 10 kann durch mikromechanische Bearbeitung bzw. Strukturierung, wie beispielsweise Ätzen, so behandelt und verändert werden, daß sie grundsätzlich zur Aufnahme von weiteren Schaltelementen und Komponenten geeignet ist, die für die Datenübertragung eingesetzt werden sollen. Die Erweiterung 10 kann insbesondere mindestens einen sogenannten, durch Ätzen erzeugten V-Graben mit einer Tiefe von beispielsweise 150 µm zur Aufnahme der positionsgenau an die Fotodiode 2 angekoppelten Faser 9 haben.
• Durch geeignete Strukturierung der Erweiterung 10 kann auch eine Unterlage für weitere Schaltelemente und Komponenten auf derselben geschaffen werden. "Strukturierung" kann dabei Entfernen von Material bedeuten, beispielsweise beim V-Graben, aber auch Aufbau von Materialien. Schaltelemente und Komponenten können beispielsweise Temperatursensoren, Kühlelemente, optische Gitter, Dämpfungselemente und Justierelemente sowie Mikrorelais, Linsen, Spiegelelemente, optische Filter, optische Isolatoren und optische Verstärker sein. Auf der Leiterkarte wären gegebenenfalls wieder korrespondierende Vertiefungen zur Aufnahme solcher Schaltelemente und Komponenten anzubringen.
• Die Anordnung nach der Erfindung kann auch so aufgebaut werden, daß das mit allen für die Datenübertragung benötigten Halbleiterschaltungen fertiggestellte Substrat 1 teilweise oder gemäß den Fig. 5 und 6 vollständig im Träger 6 versenkt wird. Die Oberflächen von Träger 6 und Substrat 1 können bei vollständiger Versenkung zumindest annähernd in einer Ebene liegen. Das Substrat 1 kann gemäß Fig. 6 aber auch tiefer abgesenkt sein. Strombahnen 7 und Kontaktflächen 8 sind bei diesem Aufbau angepaßt in einer zur Aufnahme des Substrats 1 vorgesehenen Vertiefung des Trägers 6 anzubringen.
• Beim Aufbau der Anordnung nach Fig. 6 kann zumindest über dem abgesenkten Substrat 1 eine Vergußmasse 12 angebracht sein. Die Vergußmasse 12 schützt und stabilisiert die Position des Substrats 1. Auf die gesamte Anordnung kann, nach entsprechender Abdeckung von leitenden Teilen, rundum eine Metallisierung 13 aufgebracht werden, beispielsweise durch Bedampfen. Geeignete Metalle sind beispielsweise Kupfer oder Gold. Eine so hergestellte Metallschicht dient der elektrischen Abschirmung der Anordnung. Sie ist aber auch eine Diffusionssperre für Feuchtigkeit, insbesondere für Wasserdampf.
• Zur Komplettierung der gesamten Anordnung können auf dem Träger 6 noch weitere, für die Datenübertragung sinnvolle bzw. benötigte funktionelle Elemente angebracht werden, wie beispielsweise Multiplexer.

Claims (13)

1. Anordnung für ein System zur Datenübertragung, in welchem die Daten über mindestens eine optische Faser übertragen werden, bestehend aus einem mit elektrischen Kontakten ausgerüsteten Substrat aus Halbleitermaterial, bei welchem die Kontakte an seiner Oberfläche liegen und in dem die für das Senden und Empfangen von optischen Signalen erforderlichen Schaltelemente zu einer Einheit zusammengefaßt sind, und aus einem Träger mit Leiterbahnen, an dem das Substrat mit Anschluß seiner Kontakte an die Leiterbahnen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Kontakte (5) des Substrats (1) und von Kontaktflächen (8) der Leiterbahnen (7) des Trägers (6) so aufeinander abgestimmt ist, daß die Kontakte (5) des Substrats (1) nach seiner Aufbringung auf den Träger (6) direkt an korrespondierenden Kontaktflächen (8) der Leiterbahnen (7) anliegen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kontakte (5) und Kontaktelemente (8) jeweils in einer gemeinsamen Ebene liegen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kontakte (5) und Kontaktelement (8) jeweils in unterschiedlichen Ebenen liegen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Substrat (1) mindestens eine optische Faser (9) angebracht ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Träger (6) Vertiefungen zur Aufnahme von über die Kontakte (5) hinausragenden Komponenten des Substrats (1) angebracht sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) eine Leiterkarte ist.

7. Anordnung nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) ein Greentape ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) aus keramischem Material besteht.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) aus Halbleitermaterial besteht.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) insgesamt, in einer dasselbe aufnehmenden Vertiefung, versenkt im Träger (6) angebracht ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) vollständig im Träger (6) versenkt ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) unterhalb der Oberfläche des Trägers (6) abgesenkt und durch eine Vergußmasse (12) abgedeckt ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf ihre äußere Oberfläche rundum eine Metallisierung (13) aufgebracht ist.