USB光学薄卡结构

摘要

本发明公开一种USB光学薄卡结构，包括有：一基板，具有一封装层；一座体，设置于该基板上，并与该基板形成一开口及一空间，再包括有：多个第一接触部件，设置于座体上一位置，用以与外部装置连接而产生电性连接；多个第二接触部件，设置于座体上另一位置，用以与该外部装置连接而产生电性连接；一光学传输模块，设置于该座体与基板所形成的内部空间；一微控制单元，用以处理控制USB光学薄卡的数据与指令及一功能单元，至少包括用以提供储存、通讯及输出入的任一功能。

权利要求

1.一种USB光学薄卡结构，此结构包括有：

一基板，具有一封装层，该基板设置有一第一焊垫与一第二焊垫； 一座体，设置于该基板上，并与该基板形成至少一开口及一空间，再包括有；多个第一接触部件，设置于座体上一位置；及多个第二接触部件，设置于座体上另一位置，该第一接触部件与第二接触部件分别与该第一焊垫与该第二焊垫作电性连接； 一光学传输模块，设置于该座体与该基板所形成的该空间，并利用该座体与该基板所形成的该开口作为光学数据的传输路径； 一微控制单元，用以处理及控制USB光学薄卡上所有信号数据与指令；以及 一功能单元，至少包括用以提供储存、通讯及输出入的任一功能； 其中，该基板与座体外部还设置一盖体。

2.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该多个第一接触部件为四个导电焊垫所构成。

3.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该多个第二接触部件为五个导电弹簧片所构成。

4.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该盖体具有一防呆机构。

5.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该基板设置有至少一电光焊垫，以与该光学传输模块作电性连接。

6.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该光学传输模块由使用硅光学工艺，在一硅基板上，包含有多波长的光波、波导、光学多任务器、光学解多任务器、光学调变器、光检测器、光纤、光学镜头及光源对准所用的定位柱与定位孔。

7.根据权利要求6所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该多波长的光波是指多波长的激光发光二极管发光源。

8.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该光学传输模块是通过该微控制单元连接到该功能单元。

9.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该功能单元为一记忆体模块。

10.所根据权利要求1述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该功能单元为一无线通讯模块。

11.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该功能单元为一输出入模块。

12.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该多个第二接触部件为五个导电金属球状焊垫所构成。

13.根据权利要求1所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该微控制单元，用以处理及控制USB光学薄卡上所有电信号、光信号，以及电与光信号转换，控制与传送接收命令或数据给功能模块或光学传输模块。

14.根据权利要求4所述的USB光学薄卡结构，此结构还包括，该防呆机构是指盖体两侧具有段差。

说明书

USB光学薄卡结构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种USB光学薄卡结构，尤其涉及一种卡片结构。

背景技术

[0002] 随着多媒体影音设备的普及，例如数码相机、MP3播放机、USB随身碟、数码录像机、小笔电、平板计算机(Tablet PC)、智能型手机及未来云端运算(Cloud Computing)等，大容量记忆卡的需求逐年显现，但也反应出现有记忆卡传输速度的不足，亟待改善。

[0003] 对于内部设置有多电子零件(未图标)的USB规格薄型记忆卡而言(例如：美国专利案第7,440,287号)，由于板上式连接芯片(Chip On Board，COB)装置已内建了相当多的电子零件、芯片及焊接点，因此当进行一板上式连接芯片装置与一连接器的焊接作业时，其间所产生的热量，将会造成板上式连接芯片装置上已黏着的电子零件、芯片及焊接点的再次加热，可能因而造成其中电子零件、芯片的移位或损坏。

[0004] 市面上有许多的卡片型记忆装置或产品，例如：microSD、薄型USB记忆卡等，多采用了半导体工艺来制作，这些卡片型记忆装置或产品所具有平面型金属垫片是可采用一体成型方式来生产，但非平面型金属片，例如：以冲压制成的金属簧片或弹片，则无法采用一体成型方式来生产，使得生产步骤变得复杂。

[0005] 近来英特尔开发者论坛(Intel Developer Forum)展示了硅光学联机(Silicon Photonics Link)技术，数据传输速度可从USB 3.0的4.8G bps提升到10G bps，甚至未来达到1TB bps，这正解决了前述大容量储存装置所面临传输速度不足的问题。

[0006] 且近几年来也由于半导体激光、光放大器及光滤波器等光元件技术日趋成熟，使得高密度分波多任务(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)技术蓬勃发展，并可提供大容量以及多样化的宽带服务。在现有的光纤通讯架构下，可将传输频宽提升至16、32、64倍，更甚至可到128倍。

[0007] Silicon Photonics Link(Siliconization DWDM)则是舍弃使用昂贵且制造难度高的材质，改用低成本且易制造的Si芯片所打造的光束，以实现持续开发让光纤传递信息的新技术愿景。目前虽已有电信以及其它应用采用激光传送信息，但目前的技术过于昂贵且体积庞大，不适合用在PC上。Intel混合硅晶激光的50G bps硅光链路，就“硅化”光子(siliconizing photonics)的长远愿景而言，确实是一项重大的研究成果，替未来计算机、服务器与家电的内部及对外联机，带来高频宽、低成本的光通讯技术。

[0008] 因此如果硅光学联机技术能应用在薄卡(Thin Card)上，则将具有10G bps以上或更高的传输速度。

发明内容

[0009] 本发明是一种USB光学薄卡的结构，是一种具有光信号接收、传送模块与连接器(Connector)和调整脚或洞(Alignment Pin/Hole)在同一块电路上的USB光学薄卡，利用光学数据传输速度较快的特性，来达到超越USB 3.0传输速度，进而达到10G bps或更快的传输速度。

[0010] 因此将光传输技术使用在薄卡上，将可减少传收数据的时间与电力的消耗，甚至具有每秒10G bps的传输速度，故本发明是一款具有光信号传送与接收规格的薄卡，以克服USB 3.0/2.0薄卡在传输上的潛在限制，本发明对此提出的一个解决方案。

[0011] 为了实现上述目的，本发明提供一种USB光学薄卡结构，其包括有：

[0012] 一基板，具有一封装层；一座体，设置于该基板上，并与该基板形成至少一开口及一空间，再包括有；多个第一接触部件，设置于座体上一位置；及多个第二接触部件，设置于座体上另一位置；一光学传输模块，设置于该座体与该基板所形成的该空间，并利用该座体与该基板所形成的该开口作为光学数据的传输路径；一微控制单元，用以处理及控制USB光学薄卡上所有信号数据与指令；以及一功能单元，至少包括用以提供储存、通讯及输出入的任一功能。

[0013] 本发明的功效主要在于基于USB 3.0/2.0薄卡之架构上，增加了光学传输模块，不仅不增加其体积，从而却能提升其传输速度，符合当今数据传输的需求。

[0014] 以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

[0015] 图1A为本发明USB光学薄卡的基板结构一实施例示意图；

[0016] 图1B为本发明USB光学薄卡的座体结构一实施例示意图；

[0017] 图1C为本发明USB光学薄卡将基板与座体结合后的结构一实施例示意图；

[0018] 图1D为图1C结构外部加置一盖体一实施例的分解结构示意图；

[0019] 图1E为图1D结合后的结构一实施例示意图；

[0020] 图1F为本发明USB光学薄卡的光学传输模块一实施例示意图；

[0021] 图2A为本发明于基板上设置电子元件一实施例的剖视侧视结构示意图；

[0022] 图2B为图2A结构上设置一封装层一实施例的剖视侧视结构示意图；

[0023] 图2C为本发明USB光学薄卡的座体一实施例剖视侧视结构示意图；

[0024] 图2D为将图2B、图2C结合后的剖视侧视结构示意图；

[0025] 图3为本发明座体无防呆装置一实施例的结构示意图；

[0026] 图4A、图4B分别为本发明盖体无防呆装置、有设置设置防呆装置一实施例的结构示意图；

[0027] 图5A、图5B、图5C为本发明USB光学薄卡一实施例运作的三种信号(USB3.0/2.0/Light Signal)功能方框示意图；

[0028] 图6为本发明USB光学薄卡一实施例运作的流程图。

[0029] 其中，附图标记

[0030] 1～基板

[0031] 10～电光焊垫

[0032] 11～第一焊垫

[0033] 12～第二焊垫

[0034] 13～封装层

[0035] 14～第一焊垫、第二焊垫与电光焊垫的统称

[0036] 2～座体

[0037] 21～第一接触部件

[0038] 211～连接线

[0039] 22～第二接触部件

[0040] 221～连接线

[0041] 23～开口

[0042] 3～盖体

[0043] 31～窗

[0044] 32～孔

[0045] 41～微控制单元

[0046] 410～光学薄卡

[0047] 411～应用主机

[0048] 412～USB总线

[0049] 413～模式检测器

[0050] 414～USB 3.0物理层

[0051] 415～USB 2.0物理层

[0052] 416～光信号控制器

[0053] 417～USB装置控制器

[0054] 418～功能单元

[0055] 419～光电控制器

[0056] 42～光学传输模块

[0057] 421～电光接触部件

[0058] 422～固定孔

[0059] 423～固定柱

[0060] 43～功能单元

[0061] 51～座体

[0062] 61～盖体

[0063] 611、612～段差

[0064] 71～电源开启

[0065] 72～光电控制器是否收到光信号

[0066] 73～光信号模式

[0067] 74～光电控制器是否收到USB3.0信号

[0068] 75～USB 3.0模式

[0069] 76～光电控制器是否收到USB2.0信号

[0070] 77～USB 2.0模式

[0071] 78～错误模式

具体实施方式

[0072] 兹配合下列的附图说明本发明的详细结构可实施例，及其可连结关系。

[0073] 请参阅图1A所示，为依据本发明一实施例USB光学薄卡的基板结构示意图，其中基板1上设置有一电光焊垫10、一第一焊垫11、一第二焊垫12及一封装层13。电光焊垫10即为负责光信号传收的光学模块的电性连接点，第一焊垫11即为USB 2.0的电性连接点，共有4个焊垫；第二焊垫12即为USB 3.0的电性连接点，共有5个焊垫。如图示实施例，电光焊垫、第一、二焊垫10、11、12分别设置于基板1前端或是一端的两侧，此电路布局的用意在将一光学传输模块42设置于电光、第一、二焊垫10、11、12之间，以充分利用此设置空间以提供该光学传输模块42充分的设置空间，且最后电光接触部件421(图1F所示)将接上电光焊垫10(图1A所示)，做一电性连接。图1B所揭露一座体2实施例，此座体2上设置有对应前述该第一焊垫11及第二焊垫12的第一接触部件21及第二接触部件22，该些第二接触部件22是为一金属焊垫或弹簧端子，且其顶面高于该第一接触部件21，用以与应用主机连接而产生电性连接，此即为符合USB 3.0规格，该座体2可连接于图1A中的未设置封装层13之处，即第一、二焊垫11、12的上方处，并使第一焊垫11与第一接触部件21产生电性连接，第二焊垫12与第二接触部件22也产生电性连接。而基板1与座体2连接结构如图1C所示，座体2下方的开口23，其空间可供光学传输模块设置，且该光学传输模块位于该第一焊垫与第二焊垫14(14为第一焊垫、第二焊垫与电光焊垫的统称)之间，使该USB光学薄卡空间配置达到最佳程度。

[0074] 请参阅图1D、图1E一实施例所示，其中盖体3用以盖住基板1与座体2而成一体，该盖体3上方及前端分别设置有窗31及孔32，可分别使第一接触部件21、第二接触部件22及开口23外露，以形成本发明USB光学薄卡的基本结构。

[0075] 请参阅图1F一实施例所揭露有一光学传输模块42，该光学传输模块42上设置有对应前述该14中的电光焊垫10的电光接触部件421，用以与模块42连接而产生电性连接，而定位孔422与定位柱423可将二结构相互结合。而基板1与座体2连接结构如图1C所示，而座体2下方的开口23，其空间可供光学传输模块42做一设置。

[0076] 图2A为本发明于基板1上设置电子元件一实施例的剖视侧视结构示意图，于基板1上设置有一微控制单元(MCU)41、一光学传输模块42及一功能单元43，该些元件上再以封装层13来包覆，如图2B一实施例所示。该功能单元43系可为一记忆体模块、无线通讯模块或其它I/O模块，而该光学传输模块42系由使用硅光学(Si-Phontoic)工艺，在一硅基板上，含有多波长的光波(Multi-Wavelength)、波导(Waveguide)、光学多任务器(MUX)、光学解多任务器(DeMux)、光学调变器(modulator)、光检测器(Photodector)、光纤(Fiber)、光学镜头(LENS)及光源对准所需要的对准针/孔(Aligned Pin/Hole)所构成，上述该多波长的光波系指多波长的激光发光二极管发光源。

[0077] 图2C的座体2一实施例设置有第一接触部件21及其连接线211，以及第二接触部件22及其连接线221。将图2C的座体2接合于图2B的结构即如图2D所示，其中连接线211及连接线221分别与第一焊垫11及第二焊垫12连结后，即具备了本案USB光学薄卡的USB 2.0/3.0的基本功能，其中电光接触部件421与电光焊垫10连结后，即具备了本案USB光学薄卡的光信号传收的功能。

[0078] 图3为本发明座体未设置防呆装置的结构一实施例示意图，其中揭露一座体51未做任何防呆装置的结构。

[0079] 图4A、图4B所示，为本发明盖体分别为无防呆装置、有设置防呆装置的结构一实施例示意图，若于座体加工防呆装置较为费工及费时的考虑下，也可于基板与座体外部所设置的盖体上做一防呆装置的加工。图4A未做防呆装置的加工的一盖体、图4B揭露一盖体61具有段差611，612的结构，可使本发明USB光学薄卡插置于计算机USB端口中时，不会产生正、反面插错的情况。

[0080] 基于解决以上所述现有技术的缺失，本发明为一种USB光学薄卡结构，在于设计出一种具有光信号接收、传送模块与连接器(Connector)和调整脚或洞(Alignment Pin/Hole)在同一块电路上的USB光学薄卡结构，利用光学数据传输速度较快的特性，来达到超越USB 3.0传输速度，进而达到10G bps或更快的传输速度。

[0081] 为达上述整合光电元件、电子元件、机构与电子封装于一USB薄卡上，依据本发明实施例的一种USB光学薄卡结构，结构为一Si-半导体工艺技术，主要具有三部分：

[0082] 1.电子(Electronic Circuit)部分；2.光学模块部分；3.机构部分。

[0083] 以下是三个部分的详细介绍：

[0084] 其中在电子电路部分：

[0085] 一基板，该基板的封装层内形成有一空间；一座体，设置于该基板上的一适当位置，并与该基板形成一有一开口；一微控制单元，用以处理及控制USB光学薄卡上所有光学传输模块和功能模块及电、光、电光信号的所有数据与指令，以及电与光信号转换，控制与传送接收命令或数据给功能模块或光学传输模块。

[0086] 故本发明电子电路包含的元件至少如下-印刷电路板(Printed Circuit board)：PCB板与驱动电路(Drive Circuit)；驱动集成电路(Driver IC)：控制所有电子信号传、收、控制和光信号传收信号的控制，电和光信号转换的控制；功能单元(Function Block)：
包含了I/O模块的功能模块(Function Block，例如：wifi，bt，gps...)或储存模块(Storage Function Block，例如：NAND Flash)。

[0087] 在光学模块部分：

[0088] 一光学传输模块，装设于该座体2与基板1所形成内部空间；并利用该座体2与该基板1有一个以上光学传收的开口做为光学数据的传输路径；

[0089] 故光学模块部分包含的元件如下：

[0090] 1、光信号来源(Light Source)

[0091] 多任务超硅激光(Multiple Hybrid Silicon Laser)

[0092] 利用硅(Si)-半导体工艺的Hybrid Silicon Laser，将制造出多个不同波长的Hybrid Si激光束，其中利用光刻(lithography)的技术在Si-substrate对Waveguide蚀刻出不同的宽度与高度的波导(Waveguide)，则如此会产生不同的波长(段)的光束。

[0093] 2、Basic Light Routing(光路径元件)：

[0094] 波导格栏(Waveguide Graing)：它是一组等距平行波导，通常用于产生衍射谱或多波长(段)的光束。

[0095] 耦合器(Couplers)：其被放置在一个输入的光信号前端，并把输入的光信号分裂成多个不同波长的光输出信号。

[0096] 硅绝缘体波导(Silicon on insulator Waveguides，SOIWG)：主要是去引导光波与承载高频率的光波，可用硅制造技术蚀刻不同宽高度的Waveguide，可做出不同波长的光波。

[0097] 3、数据编码器(Data Encoders)：Silicon Modulator

[0098] 利用Si-半导体工艺的制造的Modulator，它可以让不同相位的光波转换成不同振幅光波的调变。

[0099] 4、多任务器(Multiplexer)：

[0100] 分波多任务器Mux(Multiplexer)：通过波导(Waveguide)将多个不同波长的光信号射入汇集后，变成光信号，最后输出至光纤(fiber)。

[0101] 5、解多任务器(De-Multiplexer)：

[0102] 分波解多任务器将光信号收进，并把不同波长最后经由解多任务器(De-Multiplexer)，将不同波长的信号解多任务至不同的光纤上，并传送到光检测器(photdetector)。

[0103] 6、光检测器(Light Detector)：

[0104] 利用Si-半导体工艺的Photodetector或利用硅锗SiGe-半导体工艺的Photodector将产生较长的波长的光束，将可利于数据传输与检测(例如CCDcameras)，并将光信号转换成电子信号(to convert photons to electrons)。

[0105] 7、硅光整合电路驱动模块(Si Photonic Intergraded with Electronics：Drive module)：包含Tx和Rx的硅光元件被整合在一起其负责光信号传收信号的动作，及电与光信号转换的工作，故整合Tx/Rx Si-光的模块包含以下元件(例如：图5A、图5B、图5C实施例所示)：

[0106] 发送器芯片(Integrated Transmitter Chip)(TX module)：使用半导体硅化的工艺，在一硅基板上，发送器芯片整合Hybrid硅工艺化的激光多光束(通常4条光束)，每个光束会进入一个光学调变器，将数据编码成光信号；多条(通常4条)光束通过Mux汇集后，输出至一条光纤，整体传输速率最少可达到10Gbps，未来可达到1000G bps。

[0107] 接收器芯片(Integrated Receiver Chip)(RX module)：使用半导体硅化的工艺，在一硅基板上，接收器芯片从光纤通过Coupler及DeMux将原始的光信号分出多条(通常4条)光束后，并传送到光检测器(Photo Detector)，再将光信号数据转换成为电子信号。

[0108] 在机构部分：

[0109] 多个第一接触部件，设置于座体上，用以与应用主机连接而产生电性连接；

[0110] 多个第二接触部件，用以与应用主机连接而产生电性连接。

[0111] 故机构部分包含的元件如下：

[0112] 1、Alignment Pin&Alignment Hole：被动对准孔(passive aligned hole)与被动对准针(passive aligned pin)：将可使发射与接收的光束固定在一定的位置，使光束传收不致于会有受到外力干扰而导致光束有散射、干涉、折射问题的发生。

[0113] Connector Part：USB 2.0 contact pin及USB 3.0 Spring contact pin。

[0114] 图5A、图5B和图5C的功能块图，薄卡(Thin Card，TC)设备410是一个可切换三种接口(USB 2.0/USB 3.0/Light Signal，Photonic-Electronic interface)装置。设备410能够支持多种模式的操作，如那些兼容USB2.0/3.0应用，与至少有一个非USB(光信号)应用，其中光信号的应用指的是一个高速(可超过10G bps)，低功率传输的接口。

[0115] 薄卡410为一Photonic-Electronic interface设备，其包括一个USB 2.0支持的数据传输速度最高在60MB/秒。另也包括一个USB 3.0支持的数据传输速度最高在600MB/秒。同时也包括一个光信号传输(速度超过10G bps)，因此，薄卡410提供高速应用，同时保持向后兼容，至少USB 2.0、USB 3.0和光信号(Light Signal)之应用。

[0116] 图5A为本发明USB光学薄卡一实施例运作的三种信号USB 3.0功能方框示意图，于USB 3.0模式中做操作。参考图5A，薄卡410包括一个接口(IF)模式检测器413、USB3.0物理层414、USB 2.0物理层415、光信号控制器416、USB装置控制器417、功能单元418及光电控制器419。该模式检测器413检测到的操作模式，以区分光信号(Light signal)模式、USB 3.0模式或USB 2.0模式。当薄卡410插入一应用主机411，例如：一个笔记型计算机，一台个人计算器(PC)、手机、平板计算机、个人数码助理(PDA)或摄影机(DV)/数码相机(DSC)。在本实施例中，该模式检测器413检测应用主机411与相连接薄卡410是否符合USB规范。USB装置控制器417利用USB总线412让应用主机411与功能单元418通过USB 3.0物理层414来作数据传收。而功能单元418根据不同的操作模式检测，让功能单元
418做为存储器(Nand storage)或输入/输出(I/O)接口(Interface)。最后使光电控制器419为整个光与电的SOC整合控制器(controller)。

[0117] 图5B为本发明USB光学薄卡一实施例运作的三种信号USB 2.0功能方框示意图，于USB 2.0模式中做操作。在本实施例，模式检测器413检测应用主机411是否与相连薄卡410符合USB规范。USB装置控制器417利用USB总线412让应用主机411与功能单元418通过USB 2.0物理层415来作数据传收。

[0118] 图5C为本发明USB光学薄卡一实施例运作的三种信号Light Signal功能方框示意图，于光信号模式中做操作，其中模式检测器413检测应用主机411是否与相连薄卡主体410有光信号上的连接。光信号控制器416控制应用主机411和功能单元418之间的(电、光或电与光转换)数据传输。

[0119] 图6为本发明USB光学薄卡一实施例运作的流程图，且同时参阅图5A、图5B、图5C的揭露，当薄卡410通过USB总线412(USB 2.0/3.0/Cable with Fiber)与应用主机411沟通时，对光电控制器419的检测行为一实施例依序是：

[0120] 71.电源开启(Power ON)(插入应用主机411后)；

[0121] 72.光电控制器419是否收到光信号，若为是则进入光信号模式(light mode)73；若为否则进入步骤74；

[0122] 74.光电控制器419是否收到USB 3.0信号，若为是则进入USB 3.0模式75；若为否则进入步骤76；

[0123] 76.光电控制器419是否收到USB 2.0信号，若为是则进入USB 2.0模式77；若为否则进入错误模式(error mode)78。

[0124] 当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。