一种高速互联结构的制作方法

一种高速互联结构
【技术领域】
1.本发明涉及互联结构技术领域，特别是涉及一种高速互联结构。


背景技术：

2.随着网络需求的不断增长，光通讯网络对速率的要求也越来越高，100g/400g及更高速率的要求提上日程。
3.随着速率的提高，对于光组件来说，传统的电路连接方式已经不能满足现有速率的要求，急需要一种高可靠性的解决方案。
4.对于高速器件，跟pcb互联的方式目前有两种：一种是软带互联如图1、图2和图3所示三种典型软带结构，这种软带焊接方式因为受加工精度、安装精度、焊料厚度控制的影响，往往高频特性一致性不好，影响批量出货，同时因为软带结构的影响，传输距离一般比较长，信号损耗大，已经很难满足56g以上的信号传输需求。


技术实现要素：

5.本发明实施例要解决的技术问题是软带焊接方式因为受加工精度、安装精度、焊料厚度控制的影响，往往高频特性一致性不好，影响批量出货，同时因为软带结构的影响，传输距离一般比较长，信号损耗大。
6.本发明实施例采用如下技术方案：
7.本发明提供了一种高速互联结构，包括：
8.用于直流信号传输的部分设置有直流信号管脚，所述直流信号管脚由上层管脚和下层管脚构成，或者所述直流信号管脚由单独的上层管脚构成，或者所述直流信号管脚由单独的下层管脚构成；
9.用于高频传输的部分采用高频阻抗匹配的金属图案和金丝组合实现，所述金属图案与所述金丝组合构成补偿结构，所述补偿结构使得高速互联结构的高频阻抗能够连续的完成过渡。
10.优选的，所述高速互联结构用于气密的管壳陶瓷部分和/或单独的陶瓷部分，具体的：
11.所述管壳陶瓷部分上设置有所述直流信号管脚和金属图案；和/或；
12.所述单独的陶瓷部分上设置有所述直流信号管脚和金属图案；
13.其中，所述金属图案用于在进行所述管壳陶瓷部分和/或单独的陶瓷部分组装时，与相应金丝组合完成电气连通。
14.优选的，高速互联结构具体包括：
15.所述直流信号管脚直接与pcb板的金手指进行焊接固定，所述直流信号管脚不仅起到传输直流信号的作用，还将pcb板与所述管壳陶瓷部分或单独的陶瓷部分机械固定在一起。
16.优选的，高速互联结构具体包括：
17.用金丝将管壳陶瓷部分或单独的陶瓷部分中，多个金属图案与pcb板上相应功能的金属化层连接到一起；其中，pcb金属化层部分设计了带有补偿金丝寄生参数的金属图案。
18.优选的，对于一个金属图案，与之电气连接的金丝组合采用第一短线、长线和第二短线排列的键合线结构。
19.优选的，所述第一短线、长线和第二短线各自的金丝的经长相同；并且，所述第一短线和第二短线的线长相同。
20.优选的，在相应的接口阻抗体现为50欧姆时，所述金属图案所呈现的阻抗特性为频率在1ghz时，表现出50欧姆的阻值，所述金丝组合具体为：
21.所述第一短线和第二短线各自所展现的等效阻抗为0.04欧姆；
22.所述第一短线和第二短线各自所展现的等效电感为0.115nh；
23.所述长线所展现的等效阻抗为0.085欧姆，相应展现的等效电感为0.13nh；
24.所述金丝组合所呈现的与两侧金属图案之间的等效电容为0.02pf。
25.优选的，所述高速互联结构适用的高频频段为100g
‑
400g传输速率场景。
26.优选的，金丝的等效电路由等效电感，等效电阻，以及分别于所述等效电感和等效电阻并联的两个等效电容组成，其中，等效电感的计算方式为：
[0027][0028]
其中，l为金丝的长度，d为金丝的直径，μ0为真空中的磁导率，μ
r
为金丝的相对磁导率。
[0029]
优选的，对于一个金属图案，与之电气连接的金丝组合采用第一短线、和第二短线排列的键合线结构；或者，采用第一短线和长线排列的键合线结构。
[0030]
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
[0031]
本发明采用了管脚跟金丝键合相结合的互联方案，即克服软带传输信号质量不容易控制的缺点，又克服了金丝互联中易断的风险，该结构跟传统焊接软带的结构相比，具有信号线短、损耗低、反射小等优点，为100g及以上速率的互联互通提供了好的解决方案。
【附图说明】
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0033]
图1是本发明提供的现有技术中的一种光模块中软带耦合结构示意图；
[0034]
图2是本发明提供的现有技术中的另一种光模块中软带耦合结构示意图；
[0035]
图3是本发明提供的现有技术中的还一种光模块中软带耦合结构示意图；
[0036]
图4是本发明实施例提供的一种高速互联结构示意图；
[0037]
图5是本发明实施例提供的一种高速互联结构的主视图；
[0038]
图6是本发明实施例提供的一种高速互联结构中直流信号管脚结构示意图；
[0039]
图7是本发明实施例提供的一种金丝键合线耦合后的等效电路示意图；
[0040]
图8是本发明实施例提供的一种短线
‑
长线
‑
短线的键合线的结构轴视图；
[0041]
图9是本发明实施例提供的一种现有金丝键合线的等效电路示意图；
[0042]
图10是本发明实施例提供的一种短线
‑
长线
‑
短线的金丝键合线的等效电路示意图；
[0043]
图11是本发明实施例提供的一种短
‑
长
‑
短的金丝组合的信号电场特性图；
[0044]
图12是本发明实施例提供的三维电磁仿真软件中设计并仿真短线
‑
长线
‑
短线的键合线的rl仿真结果图；
[0045]
图13是本发明实施例提供的三维电磁仿真软件中设计并仿真短线
‑
长线
‑
短线的键合线的il仿真结果图；
[0046]
图14是本发明实施例提供的一种短线
‑
短线的金丝键合线的等效电路示意图；
[0047]
图15是本发明实施例提供的一种短
‑
长
‑
短的金丝组合和短
‑
长的金丝组合信号电场特性对比图；
[0048]
图16是本发明实施例提供的一种短线
‑
长线的金丝键合线的等效电路示意图；
[0049]
图17是本发明实施例提供的一种短
‑
短的金丝组合的信号电场特性图；
[0050]
图18是本发明实施例提供的三维电磁仿真软件中设计并仿真三种金丝组合的键合线的rl仿真结果图；
[0051]
图19是本发明实施例提供的三维电磁仿真软件中设计并仿真三种金丝组合的键合线的il仿真结果图；
[0052]
图20是本发明实施例提供的三维电磁仿真软件中设计并仿真三种金丝组合的键合线在信号传输中呈现的等效阻抗仿真结果图。
【具体实施方式】
[0053]
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。
[0054]
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。
[0055]
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。
[0056]
实施例1:
[0057]
本发明实施例1提供了一种高速互联结构，如图4所示，包括：
[0058]
用于直流信号传输的部分设置有直流信号管脚，所述直流信号管脚由上层管脚和下层管脚构成(参考图5所示)，或者由单独的上层管脚构成，或者由单独的下层管脚构成；
[0059]
其中，在具体的实现方式中，考虑到环境中存在的应力大小不同，以及相应的陶瓷部分是否有配套的有效固定结构存在的情况，所述直流信号管脚的布局方式可以采用上述三种中的一种，而其中由上层管脚和下层管脚构成的方式属于三种中稳定性最高的方式，适用于应力环境较为复杂的情况。
[0060]
在本发明中，之所以会提出上述的直流信号管脚结构，是考虑到相比较现有技术
中软带实现过程中，可以依托于软带自身和设置在软带上的金手指，实现整个软带配套组件的固定作用，在本发明实施例中无法依托相应的整体结构进行固定，而更多的是依赖除金丝以外的结构进行固定；例如上述的直流信号管脚。当然，在可选的实现方式中，也可以采用单独的固定连接件进行如图4所示的管壳陶瓷部分或单独的陶瓷部分与pcb板之间的固定耦合(例如，直接在相应pcb板所固定位置设置固定底座，并通过螺丝耦合进相应底座方式，完成相应pcb板有管壳的固定，而相应的管壳陶瓷部分或单独的陶瓷部分也可以采用类似的方式与管壳完成固定，甚至于采用直接由管壳上下部分盖合分别形成上下抵接面的方式固定，在此不再过多赘述)，此时，可以配套采用上述的“由单独的上层管脚构成，或者由单独的下层管脚构成”来控制组装复杂度和器件总数量。
[0061]
在本实施例，可以理解为后面的金属团和金丝组合默认的事设置在上层位置区域，即类似图5的上表面。
[0062]
用于高频传输的部分采用高频阻抗匹配的金属图案和金丝组合实现，所述金属图案与所述金丝组合构成补偿结构，所述补偿结构使得高速互联结构的高频阻抗能够连续的完成过渡。其中，本发明实施例中所描述的金丝组合实现形式可以表现为，第一短线、长线和第二短线的组合方式，也可以表现为第一短线和第二短线的组合方式，还可以表现为第一短线和长线的组合方式等等。
[0063]
本发明实施例采用了管脚跟金丝键合相结合的互联方案，即克服软带传输信号质量不容易控制的缺点，又克服了金丝互联中易断的风险，该结构跟传统焊接软带的结构相比，具有信号线短、损耗低、反射小等优点，为100g及以上速率的互联互通提供了好的解决方案。
[0064]
金属化图案采用共面波导或微带线的传输结构，通过调整金属化图案中信号线的宽度及距离地线的间距，可使其呈现阻抗为50欧姆特性(这里是默认认为接口的等效阻抗为50欧姆来描述的)，金属化图案需要金丝互联，金丝会带来寄生的串联电阻、电感及并联的寄生电容，该寄生参数会给互联结构引入容抗和感抗，计算公式如下：
[0065][0066]
x
l
＝2πf
×
l
[0067]
其中，c为容抗、l为感抗、f为频率。
[0068]
如图4所示，所述高速互联结构用于气密的管壳陶瓷部分和/或单独的陶瓷部分，所述管壳陶瓷部分和单独的陶瓷部分的区别更多的是在于，管壳陶瓷部分在完成组装后是与管壳完成固定耦合的，更多情况下其预先与管壳之间已经通过胶连的方式形成了可供气密条件使用的结构，而所述单独的陶瓷部分更多的是针对上述除管壳陶瓷部分实现以外的其它情况的笼统描述，具体的：
[0069]
所述管壳陶瓷部分上设置有所述直流信号管脚和金属图案；和/或；
[0070]
所述单独的陶瓷部分上设置有所述直流信号管脚和金属图案；
[0071]
其中，所述金属图案用于在进行所述管壳陶瓷部分和/或单独的陶瓷部分组装时，与相应金丝组合完成电气连通。
[0072]
就现有技术场景而言，管壳陶瓷结构的普及率越来越高，其特点是陶瓷部分与管壳通过胶水方式预先固定，其结构的稳定性更高；然而，考虑到实际场景中可能存在的多器件版本并行存在，而历史模具中的管壳陶瓷结构可能无法完全适应于功能的迭代，此时，出
现管壳陶瓷和单独的陶瓷部分的组合实现方案也是存在的。而对于本发明所提出的技术方案而言，上述两种结构中的任意一种，或者其组合均适用。
[0073]
承接上述实施例中描述的内容，在具体实现方式中，若所述管壳陶瓷部分和/或单独的陶瓷部分是直接与pcb板进行电气连接的话。则直流信号管脚直接与pcb板的金手指进行焊接固定，所述直流信号管脚不仅起到传输直流信号的作用，还将pcb板与所述管壳陶瓷部分或单独的陶瓷部分机械固定在一起。使得承受一定外力的作用时，pcb不易移动，从而保证高频传输部分的金丝不受外力，不易断裂。
[0074]
如图6所示(可以理解为图5结构图，从底部往上看的仰视图效果)，还提供了一种优选的实现方案，其中，将管壳陶瓷部分和/或单独的陶瓷部分的一面用于设置直流信号管脚，并形成如图6所示的直流信号关节阵列；而另一面，则主要用来承接高频阻抗匹配的金属图案和金丝组合结构。从而形成更为有效的、稳定的固定结构。
[0075]
配套的，若本发明的应用场景中包括上述的pcb板，则相应的pcb板上用于与所述金丝进行电气连接的部分也要设置补偿金丝寄生参数的金属图案，则高速互联结构具体包括：
[0076]
用金丝将管壳陶瓷部分或单独的陶瓷部分中，多个金属图案与pcb板上相应功能的金属化层连接到一起；其中，pcb金属化层部分设计了带有补偿金丝寄生参数的金属图案。使得该种结构的高频性能优异，可实现100/400g及以上的速率的传输。
[0077]
在本发明实施例中，如图7所示，金丝的等效电路由等效电感，等效电阻，以及分别于所述等效电感和等效电阻并联的两个等效电容组成，其中，等效电感的计算方式为：
[0078][0079]
其中，l为金丝的长度，d为金丝的直径，μ0为真空中的磁导率(μ0＝4π
×
10
‑7h/m)，μ
r
为金丝的相对磁导率(μ
r
＝1)。
[0080]
在阐述了上述的本发明所提出的高速互联结构，以及配套其完成电气连接的pcb板的应用实例后，基于本发明所提出的高速互联结构，还给予一独创性的改进技术方案。在相应改进技术方案中，如图8所示，对于一个金属图案，与之电气连接的金丝采用第一短线、长线和第二短线排列的键合线结构。所述第一短线、长线和第二短线各自的金丝的经长相同；并且，所述第一短线和第二短线的线长相同。例如，可以采用现有技术中最常规的直径为0.025mm金丝线，除此以外，也可以采用其它直径的金丝线作为本发明技术方案实现，并且，可以通过上述引入的等效电感计算公式进行金丝线长度的设计。
[0081]
实施例2：
[0082]
本发明实施例是基于实施例1基础上，配合具体的应用场景阐述的实现方案。陶瓷表面有金属化层，用于直流信号传输的金属化部分使用高温焊料焊接了直流信号管脚，所述直流信号管脚；由上层管脚和下层管脚构成，或者由单独的上层管脚构成，或者由单独的下层管脚构成；
[0083]
用于高频传输的部分不焊接管脚，直接采用高频阻抗匹配的金属图案和金丝组合实现，所述金属图案与所述金丝组合构成补偿结构，使得高速互联结构的高频阻抗比较连续，继而获得好的高频性能。
[0084]
该结构跟传统焊接软带的结构相比，具有信号线短、损耗低、反射小等优点，为
100g及以上速率的互联互通提供了好的解决方案。
[0085]
在使用时，用于直流特性传输的管脚直接焊接到pcb板的金属指上。该管脚不仅起到传输直流信号的作用，还将pcb板跟管壳陶瓷部分或单独的陶瓷部分固定到一起，使得承受一定外力的作用时，pcb不易移动，从而保证高频传输部分的金丝不受外力，不易断裂。
[0086]
实施例3：
[0087]
在本发明实施例，将针对上述实施例1中提出的对应一个金属图案设计短、长、短组合的金丝结构，相比较现有技术特征差异，通过具体的测试对象和实验数据进行论证。
[0088]
从金丝键合的等效电路来看，金丝键合模型中寄生电感效应的影响较为明显，为了提高光模块的传输性能，减少金丝键合线寄生电感的影响，本发明提出一种金丝键合线的键合线排布方式，使用短线
‑
长线
‑
短线(也被简称为短
‑
长
‑
短)的键合线排布，如下图8所示，能够在有限宽度的焊盘内，键合三根金丝，有效提高光模块的性能。
[0089]
传统金丝键合等效电路如图9所示，金丝的长度为0.3mm，直径为0.025mm，电阻为0.05ohm，电感为0.24nh,电容c1＝电容c2＝0.0138pf。
[0090]
本发明实施例中所提出的第一短线、长线和第二短线的金丝组合结构的等效电路如图10所示，其中，相应的接口阻抗体现为50欧姆(包括位于图10中左侧的第一接口等效电阻和位于图10中右侧的第二接口等效电阻，两者的阻值均为50欧姆，在具体电路结构中，所述第一接口等效电阻代表的是系统输入网络对光模块呈现的阻抗特性，而相应第二接口等效电阻代表是系统接收网络对光模块呈现的阻抗特性。)时，所述金属图案所呈现的阻抗特性为频率在1ghz时，表现出50欧姆的阻值，所述金丝组合(其直径沿用了最为常规的参数0.025mm)具体为：
[0091]
所述第一短线和第二短线各自所展现的等效阻抗为：第一短线等效电阻＝第二短线等效电阻＝0.04欧姆；
[0092]
所述第一短线和第二短线各自所展现的等效电感为：第一短线等效电感＝第二短线等效电感＝0.115nh；
[0093]
所述长线所展现的等效阻抗为：长线等效电阻＝0.085欧姆，相应展现的等效电感为：长线等效电感＝0.13nh；
[0094]
所述金丝组合所呈现的与两侧金属图案之间的等效电容为0.02pf，采用这种结构，寄生电感、电容(在本发明其他实施例中也被表述为等效电感和等效电容)等都有所下降。使得高频损耗及反射明显降低，获得更高的互联特性。相应的，电信号通过金丝组合的时候，相应的电场特性分析如图11所示，其中，相应数据信号传输过程中的电场分布图中，其中颜色所对应的数值越大，表明信号传输强度越大，通过图11的效果可知悉，相应的信号强度在短
‑
长
‑
短结构中表现的较为均衡，这种情况下第一短线的等效电感、第二短线的等效电感和长线的等效电感各自在金丝组合中等效电感计算所占的权重与原始各自的等效电感契合度更高，即最为直观的计算方式是将三者的权重值均取1，然后用三者等效电感以并列关系计算金丝组合的等效电感即可。
[0095]
在三维电磁仿真软件中设计并仿真短线
‑
长线
‑
短线的键合线，并与常规打线方式进行对比，如图12和图13所示，其中图中的横坐标为信号速率，单位为g；纵坐标单位为db；而相应的图12为反射信号的图，因此在图12中，相应的纵坐标绝对值越大，性能越好；而相应的图13为发射信号的图，因此在图13中，相应的中坐标绝对值越小，性能越好。从仿真结
果来看，短线
‑
长线
‑
短线打线方式的回波损耗提升10db左右，插入损耗提升0.2db以上，有效改善了光模块的传输特性。
[0096]
在具体实现过程中，相应的接口阻抗还可以是其他值，此时，相关的金属图案的等效阻抗和金丝组合的等效阻抗都将做相应的调整；因此，其他采用类似本发明各个实施例方案实现，而仅仅是简单调整等效阻抗参数值的，仍然落入本发明的保护范围内。
[0097]
实施例4：
[0098]
在本发明实施例1中已经引出了金丝组合中，除了包含了实施例3中优选的第一短线、长线和第二短线的三明治结构以外，还可以采用类似第一短线和第二短线组合，或者第一短线和长线的组合方式。此处需要说明的是，在上述两种可选组合方式中，相应第一短线和第二短线的参数特性是一致的，仅仅是为了沿用相应的表述方便，并且便于区分对象而做的一种表述。
[0099]
如图14所示，在保持相应第一短线等效电阻、第二短线等效电阻、第一短线等效电感和第二短线等效电感与实施例3中图10中一致以外，在图14中呈现的金丝组合第一等效电容’和第二等效电容’的参数值变更为0.028pf；而相应的与本发明实施例1中优选方案中的短
‑
长
‑
短结构的电场特性对比分析如图15所示，其中，相应数据信号传输过程中的电场分布图中，其中颜色所对应的数值越大，表明信号传输强度越大，通过图15的对比效果可知悉，相应的信号强度在短
‑
长
‑
短结构中表现的较为均衡，这种情况下第一短线的等效电感、第二短线的等效电感和长线的等效电感各自在金丝组合中等效电感计算所占的权重与原始各自的等效电感契合度更高，即最为直观的计算方式是将三者的权重值均取1，然后用三者等效电感以并列关系计算金丝组合的等效电感即可。而在短
‑
长结构中表现的就出现了较大的偏重，这样会对理论计算金丝组合的等效电感和实际应用中呈现的金丝组合的等效电感之间产生较大的偏差，从而使得理论上的设计在实际的应用中无法呈现出应有的效果。
[0100]
如图16所示，在保持相应第一短线等效电阻、第二短线等效电阻、第一短线等效电感和第二短线等效电感与实施例3中图10中一致以外，在图14中呈现的金丝组合第一等效电容”和第二等效电容”的参数值变更为0.035pf；而相应的电场特性分析如图17所示，其中，相应数据信号传输过程中的电场分布图中，其中颜色所对应的数值越大，表明信号传输强度越大，通过图17的效果可知悉，相应的信号强度在短
‑
短结构中表现的也较为均衡，这种情况下第一短线的等效电感、第二短线的等效电感和长线的等效电感各自在金丝组合中等效电感计算所占的权重与原始各自的等效电感契合度更高，即最为直观的计算方式是将三者的权重值均取1，然后用三者等效电感以并列关系计算金丝组合的等效电感即可。
[0101]
而在本发明实施例中，之所以仍然提出短
‑
长
‑
短作为优选实现方案，是因为，相比较短
‑
短(等同的还有长
‑
长方案)而言，短
‑
长
‑
短能够进一步拉低等效电感，从而达到更优的阻抗匹配效果，并且，在金丝焊线的技术实现中，申请人通过实践论证，相应短
‑
长
‑
短金丝组合结构和短
‑
短金丝组合结构所需要的金属图案的宽度可以是相同的，因为，长线的焊接点相比较两个短线的焊接点正好能够错开，而作为金丝线而言，除端点外是处于绝缘状态的，因此，并不影响长线直接在类似短
‑
短结构基础上，通过新增长线的方式形成短
‑
长
‑
短金丝组合结构。
[0102]
如图18和图19所示，是本发明所提出的三种可选实现方式中，短
‑
短金丝组合结
构，短
‑
长金丝组合结构和短
‑
长
‑
短金丝组合结构的速率与衰减之间的对应关系。从图中可以看到短
‑
长
‑
短金丝组合结构相比较另外两种结构在反射和发送特性上都表现出最优的效果。
[0103]
围绕实施例1给予的阻抗匹配特性，如图20所示，纵坐标是阻抗，横坐标是时间，所述补偿结构中，单根金丝互联结构在链路中呈现出来的阻抗约为66欧姆，短短互联结构呈现出来的阻抗约为60欧姆，短长短互联结构呈现出来的阻抗约为53欧姆左右。
[0104]
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。