藉助於通孔的光學晶片封裝的製作方法

2023-12-03 08:09:16

專利名稱：藉助於通孔的光學晶片封裝的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學晶片，尤其是涉及光學晶片封裝。
相關申請的交叉引用本申請依據USC119(e)(1)要求2001年6月29日申請的美國臨時專利申請序號NO.60/312,578的優先權。
本申請也是2001年6月29日申請的共同轉讓的美國專利申請序號NO.09/896,189，09/897,160，09/896,983，09/897,158和09/896,665的部分的繼續。
背景技術：
如本文闡明，在圖中的項被指定為格式#1-#2，其中#1是指圖而#2是指圖中的項。比如說，9-213表示圖9中的213項。
光電晶片能夠提供龐大的光學帶寬。然而，以光學方式發送或接收的數據需要以電氣方式進出晶片。這樣，電子I/O的容量必須足夠大才能不產生數據流的不應有的瓶頸。給出一個單條電氣線路傳輸速度的上限，對大容量I/O的需求通常是轉變為晶片上的大量I/O鍵合區。然而，每個晶片放置許多電氣I/O連接區的能力被儘可能緊密地放置I/O連接區的需要所抵消。
通常，光學模塊(包括一個或多個光學電子晶片)的用戶或裝有這些模塊的組件的設計者喜歡這樣配置模塊，使得模塊安裝到電路板上而電氣的I/O連接區垂直於光學的連接區。這樣，使電氣信號轉過一個90°的彎頭是可取的。
而且，就光學或光學電子晶片連接到柔性電路的範圍來說，按照典型的做法它們是採用引線鍵合技術來連接的。這種技術引入了不希望的寄生電容，其對於高頻工作特別有害。
既然這些模塊的目標是使數據儘可能快地進出，最重要的就是確保每個電氣連接區到晶片的速度能夠支持可能的最高帶寬(就是數據率)。
使用了柔性電路來產生90°電氣轉彎使得電氣進入通道垂直於光學接近進路本身，例如已在D.Pommerrenig，D.Enders，T.E.Meinhardt，所著的「Hybrid Silicon FocalPlane Developmentan Update」SPIE Vol 267，Staring Infrared Focal PlaneTechnology，(1981)at p.23一文所披露。這個參考文獻說明一個把電纜焊接到光學晶片的背面做90°轉彎的方法。圖1所示為使用先有技術的方法產生的晶片。圖中顯示了一個檢波器1-2，一個柔性晶片1-4，一個模塊基板1-6和一個MUX晶片1-10。
然而，這個方法也受上述同樣問題的困擾，如圖1中看出，就是提供光學接近進路阻止了冷卻裝置的進入通道。
最近的試驗按照同樣的基本思路，但是用引線鍵合技術把電子晶片電氣連接到柔性電路，如Agilent Technologies PONI-1 POSA封裝，或用其他邊緣連接金屬化連接區，比如，梁式引線。
然而所有上述方法都用了一個單邊進入通道柔性電路。
此外，因為先有技術中採用了引線鍵合，採用引線鍵合限制了電子晶片和柔性電路之間可能的電氣連接區的數目(因為引線鍵合需要的電氣附著面積大於使用倒裝片連接技術時相應數目連接區的面積)。引線鍵合或其他從晶片引伸的金屬連接區也具有大電容和電感，它們限制了晶片外連接的速度，也增加了相鄰電氣通道之間的電氣串話和噪聲。
圖2顯示了一個光學器件可以放置在電子晶片頂部的柔性電路布置的例子。但是該配置仍然受到電子晶片外接引線的限制，仍然阻止到達無源面進行冷卻的進入通道。在圖2中顯示一個任選的輔助晶片2-12，一個連到晶片的柔性連接2-14，一個電子晶片2-16和一個光學器件2-20。
目前，沒有辦法封裝一個光學晶片或帶電子晶片的光學晶片(就是產生一個光學電子晶片)可以使得這兩者之間密切連接，減少寄生電容和電感，在允許連接散熱片到晶片進行冷卻的同時提供暢通的光學接近進路。

發明內容
本發明包括一個把電氣連接區和光學晶片或光學電子晶片集成到一起的方法。
本方法不需要晶片外的電子接線或電氣導線定向連接的方法。請注意，圖2的先有技術的柔性電路出現在電子晶片的右側。因此，有效附著一塊幫助電子晶片冷卻的散熱片如果可能，但也很困難，因為它不可能放置在晶片的正面而不阻擋光學接近進路，而它又不可能放置在電子晶片的背面(在圖2的晶片的右側)因為柔性電路在阻擋著。
根據本發明可獲得的一個優勢在於這個方法允許向密集的光電子晶片建立高密度，高速度的電氣連接區，同時允許通向這些晶片的光學接近。
其他可以得到的優勢是提供上述高速連接的同時仍然考慮到邊緣安裝光學組件的方便的光學接近進路。
有利的是，因為光學組件業界正趨向於用(或已經使用)柔性電路來把光學模塊連接到電路插件板，我們的技術不「逆潮流」而動而是隨著潮流以便為廣大用戶所接受。
此外，本技術提供了多層排的形式把電子I/O鍵合區集成到光學電子晶片上的能力。還有，本技術允許多層排鍵合區甚至離開光學晶片或光學電子晶片的邊緣。
還有，本技術把電路到晶片的柔性連接上的寄生電容和電感降低到最小。
此外，在柔性電路背面放置光學晶片或光學電子晶片的技術考慮到散熱片的方便的進入通道而不阻擋或幹擾光學路徑，不管晶片是否包括頂面有源器件還是背面(也稱底面)有源器件(也稱底面有源器件)。
本文所說的優勢和特點只是可從代表性的實施例中得到的許多優勢和特點中的少許一部分，而且僅用來幫助理解本發明的。應該理解它們不能被認為是對由權利要求界定的本發明的限定範圍，或對權利要求的等效物的限定範圍。舉例來說，這些優勢中的某些是互相矛盾的，因此它們不能同時出現在單個實施例中。相似地，某些優勢適用於本發明的一個實施例，而不適用於其他實施例。這樣，本特點和優勢的摘要不應被認為在確定等效性方面是否定性的。本發明的另外的特點和優勢將在下面的說明，從附圖和權利要求中變得更加明顯。


圖1顯示根據先有技術方法的一個晶片和柔性電路；圖2顯示先有技術的柔性電路布置的一個例子；圖3顯示根據本發明的雙面柔性電路例子的透視圖；圖4顯示根據本發明原理的另一個實施例；圖5A顯示根據本發明中所用的帶有通孔的雙面柔性電路例子的一個頂視圖；圖5B顯示圖5A柔性電路的側視圖；圖5C顯示圖5A柔性電路的一個替代變型的側視圖；圖6用來說明先有技術使用的附著多個底面發射器件來形成一個集成光電晶片的方法；圖7用來說明先有技術使用的附著多個底面發射器件來形成一個集成光電晶片的方法；圖8用來顯示一個帶有放置在其廠家規定的位置的接觸點鍵合區的單個光學器件和帶有放置在其廠家規定的位置的接觸點鍵合區的電子晶片的一部分；圖9用來顯示一個帶有放置在其廠家規定的位置的接觸點鍵合區的單個光學器件和帶有放置在其廠家規定的位置的但每一個都未對準的接觸點鍵合區的電子晶片的一部分；圖10用簡化的高層俯視方式來說明根據本發明的原理的方法的一個例子；圖11和圖12用來說明幾個不同的接近進路的變型例子；圖13用來說明光纖由襯襯底支撐的光學陣列；圖14用來說明容納了一個微透鏡陣列的光學陣列；圖15用來說明根據上述技術來產生光電晶片變型的工藝的一個例子；圖16用來說明根據上述技術來產生光電晶片變型的工藝的一個例子；圖17用來說明根據上述技術來產生光電晶片變型的工藝的一個例子；圖18用來說明根據上述技術來產生光電晶片變型的工藝的一個例子；圖19用來說明以相似於圖15-17的方式來產生的另一個光學電子器件；圖20用來說明可用於底面有源器件的工藝；圖21A用來說明可用於頂面有源器件的工藝；圖21B用來說明接觸點孔被塗覆，但是沒有填充，而能夠幫助對準的工藝；圖21C顯示一個其接觸點由於襯底上形成電跡線的圖形而重定路線來匹配其他晶片上的接觸點的光學晶片；圖21D顯示光學晶片上一個由於襯底上形成電跡線的圖形而重定路線來匹配其他晶片上的接觸點的接觸點；圖22用來說明除了不用一個載體之外相似於圖31A所示的工藝；圖23用來說明用於連接不同器件的連接器晶片或適配器晶片；圖24用來說明可適用於頂面有源器件的連接器晶片或適配器晶片的又一個變型的另一個替代實施例；圖25A用來說明使用根據本發明的一個技術的兩個或多個器件的堆疊；圖25B用來說明使用根據本發明的一個技術的堆疊在一個雷射器頂部的調製器；圖26用來說明使用根據本發明的一個技術產生的例如100個雷射器的陣列；圖27用來說明使用根據本發明的一個技術來產生一個DWDM應用的陣列的步驟；
圖28用來從一個頂視圖說明圖27的工藝；圖29是一個根據本發明的工藝的流程圖；圖30顯示根據圖29的工藝的被焊接在一起的不同的組件；圖31是一個根據本發明的另一個工藝的流程圖；圖32A-32D顯示根據本文說明的原理的根據本發明構造的裝配件例子。
具體實施例方式
總起來說，通過讓柔性電路有一個在其中的通孔，和比如說使用倒裝片鍵合技術把光學晶片或光學電子晶片鍵合到柔性電路的背面，就產生了一個可以有在背面連接到光學晶片或光學電子晶片的接觸點和在正面連接到印刷電路板(PCB)的接觸點的雙面柔性電路。根據本發明的這樣一個雙面柔性電路3-30的一個例子以透視方式顯示在圖3中。通孔允許光線接近光學晶片或光學電子晶片，而把那個晶片放置在柔性電路的背面，考慮到與晶片的良好熱接觸便於冷卻。而且，這种放置方式在達到上述效果的同時準備好大量通過柔性電路連接到光學晶片或光學電子晶片的連接區。
有利的是，本技術不管光學器件是頂面有源還是背面(底面)有源，只要光線的發射方向(或者在光檢測器的場合是接收方向)是離開光學器件所混合的電子晶片的，都能工作。此外，本技術也可以用在有某個元件處於光學器件和開口之間的場合，設置成這個元件對有源器件所工作的光波長是光學透明的。
本發明解決問題的方法是例如利用於2001年6月29日申請的標題為「光電子器件的集成」的共同轉讓的美國專利申請序號No.09/896,189，09/897,160，09/896,983和09/897,158中說明的一個技術，通過混合工藝把光學器件放置在電子晶片的頂端，(其詳細說明記載在下面同一標題的章節中)和把電子晶片直接鍵合到在其中包含一個切口以允許光學器件的光學接近的電路插件板，同時提供進入電子晶片的冷卻通道。根據具體情況，這裡所說的鍵合可以用傳統方法或根據2001年6月29日申請的標題為「多器件工藝和產品的相繼集成」的美國專利申請序號No.09/897,665中說明的技術來進行(其詳細說明記載在下面同一標題的章節中)。
結果，信號能夠從晶片通過一個雙面接近電路插件板被引出到可用於將模塊附著到印刷電路板的一組傳統的電氣I/O鍵合區。由於直接集成，和引線或採用其他電氣附著機制有關的性能和成本方面的限制就會減少或全部消除。
圖4顯示根據本發明原理的另一個實施例。如圖4所示，工藝隨著產生或獲得一個如本文所述的附著有光學器件的電子晶片開始。圖4所示是一個光學器件4-32，一個球形網格陣列(BGA)連接器4-33，一個光學接近進路4-34，一個柔性電路的開口4-36，一個電子晶片4-38，一個任選的輔助晶片4-39和一個電氣接近通道4-40。
換一種方式，或另外，光學和電子器件之間的電氣連接區可以這樣來做諸如採用在1978年2月出版的IEEE Transactions on Electron Devices，Vol ED-25 No 2，由J.Longo，D.Cheung，A.Andrews，C.Wang和J.Tracy所作的「本徵半導體中的紅外焦面」中記載的薄梁式引線，或正面或背面發射器件的壓縮或再流焊接方法。光學器件放置在電子晶片上，使得器件的光學接近進路(就是光線的進出)通過光學器件和電子晶片相對的側面而得到。
所用的有電跡線的柔性電路是多層的，和/或包括嵌入式引線來把電信號從電子晶片沿著柔性片取出到一個可以通過工業標準技術被附著到傳統電路板的連接區，比如說一個球形網格陣列(BGA)上。一個柔性電路5-42被沿著橫跨柔性電路5-40的線5-42或5-44刻槽或壓縮，諸如圖5A的頂視圖和圖5B所示或在圖5C中另一個變型(都是側視圖)中所示。刻槽和壓縮的目的是確保彎頭落在從柔性電路到柔性電路的一致位置，所用的具體刻槽和壓縮方法與本發明無關，只要不損壞連接區和通過它的引線的目的達到就行。
柔性電路沿著刻槽和壓縮被彎曲，使得在釋放時，或連接到其他組件時，它包括一個直角彎頭(就是柔性電路的一部分和柔性電路的其他部分成90°相交)如圖3和4所示。
一般地，電子晶片到柔性電路的倒裝片連接阻止了到光學器件的光學接近進路，而通過和有源面相對的側面的安裝造成了晶片的冷卻問題。
有利的是，由於在柔性電路設計中包含了一個開口5-46，光學接近進路和冷卻問題可以不和其他方面發生幹擾地得到解決。
此外，從本文敘述的技術得到的還有一個優勢是柔性電路容易構成，使得額外的輔助晶片也可以附著到柔性電路的背面，如圖4所示。換句話說，這個布置創建了一個雙面可達的柔性電路，使得在雙面上都可以設置連接區。這使得各個零部件之間的距離保持得儘可能短，因此可以達到最高速度。
在另一個變型中，可以省去90°彎頭和/或柔性電路被彎曲的能力。作為替代，可以採用任何傳統的以90°角度連接兩個電路板的技術，用一個單個垂直載體或支持器比如說具有合適連接器和通孔的印刷電路插件板，並且把它構造成「插入」或附著到分離的水平插件板來造成90°轉彎。
在又一個變型中，可以用一個垂直插件板和一個柔性電路的組合，其中一個水平，另一個垂直。
在又一個變型中，可以用兩個分離的插件板加一個第三組件，比如說一個通用連接塊，來建立兩個之間的直角關係。
使用兩個(或多個)零部件的方法的潛在缺點是每個分離的連接區增加寄生電容和電感，在某種場合寄生電容和電感達到不能接受的程度。
在又一個變型中，柔性電路被例如一個在一面或兩面具有導電電跡線和接觸點的絕緣器，一個印刷電路板，一個多重引線電路板或一個多層電路板所代替。
如將敘述清楚的那樣，本技術不受先有技術中問題的困擾，因為通孔允許保持光學接近進路，同時提供到晶片的無源面的方便的進入通道以便散熱。
在摘要縱覽中，我們使用了其中設置有通孔的柔性電路，並用倒裝片技術把光學晶片或光學電子晶片鍵合到柔性電路的背面。結果是成為一塊在背面具有通向光學晶片或光學電子晶片的接觸點和在正面具有把柔性電路附著到其他元件如印刷電路板的接觸點的雙面柔性電路。穿透柔性板的孔允許光學接近，同時將光學晶片或光學電子晶片放置在柔性電路的背面允許與光學晶片或光學電子晶片有良好的熱接觸以便冷卻，兩者都使得IC和柔性電路之間有大量的連接區。
這樣，本方法提供了多於使用先有技術在同樣面積內能獲得的電子I/O鍵合區數目的接近通道。它提供了把電子I/O鍵合區集成到多層排的光學晶片或光學電子晶片上甚至離開晶片邊緣的能力。它將電子晶片到柔性電路連接的寄生電容和電感減小到最小程度。最後，把電子晶片放置在柔性電路的背面可以獲得方便的散熱通道。
光學電子器件集成圖6和7說明了用在先有技術中附著多底層發射(或檢測)(也稱作「背面發射(或檢測)」)器件來形成一個集成光電晶片的方法。
根據圖6的方法，像多重檢測器(這裡可交換地稱為光檢測器)形成在它們自己的或與雷射器共用的晶片襯底上一樣，多重雷射器是以傳統方式形成在晶片襯底6-102上的。典型的做法是，最接近光學器件6-106，6-108和襯底6-102之間的連接的襯底6-102的部分6-104是由對光學器件所工作的波長光學透明的材料組成的。於是，採用諸如溼或幹蝕刻的傳統技術對器件6-106，6-108進行加工以形成器件6-106，6-108之間的溝槽6-112來把它們分割成一系列分離的單個雷射器6-106或檢測器6-108器件。取決於所用的具體技術，蝕刻的溝槽可以在到達襯底6-102之前停止，或部分延伸到襯底6-102之內。蝕刻以後，襯底6-102和與它們結合在一起的器件被翻轉過來，對齊到矽(Si)電子晶片6-114上的正確位置，並用傳統的倒裝片鍵合技術鍵合到矽電子晶片6-114上。鍵合以後，整個襯底6-102用傳統的機械拋光法，傳統的蝕刻技術或它們的組合減得非常薄，達到大約5μm或更小的數量級，造成到該器件的緊密的光學接近，並產生一個集成電光晶片6-116。
作為一種選擇，集成光電晶片6-116用傳統技術形成圖案來保護各個雷射器，而各個檢測器用防反射(AR)塗層6-118加以塗覆。
圖7所示為和圖6技術相關的另一種方法。在這個方法中，雷射器和檢測器按照上述方法形成。然而，在使用圖7的技術時，溝槽7-112是蝕刻到襯底7-102中去的。然後襯底7-102和與它們結合在一起的器件被翻轉過來，對齊到矽(Si)電子晶片7-114上的正確位置，並用傳統的倒裝片鍵合技術鍵合到矽電子晶片7-114上。鍵合以後，然後襯底7-102用傳統的機械拋光法，傳統的蝕刻技術或它們的組合整個地除去，造成到該器件的緊密的光學接近，並產生了一個集成電光晶片7-116。
作為一種選擇，然後集成電光晶片7-116被形成圖案來保護各個雷射器，而各個檢測器用防反射(AR)塗層6-118加以塗覆。
圖6和圖7中的技術可以使光纖或光學透鏡足夠接近該器件來捕獲合適的光而不允許光進出鄰近器件以影響任何那些鄰近器件，發生稱為串話的問題。通常，這需要器件和光纖或光學微透鏡之間的間隔距離小於100μm。
另外，兩個技術都能夠保證器件的有源區域上沒有阻止光線逃逸的明顯的吸收層，因為圖6的減薄技術將整個襯底6-102的厚度減少到大約5μm或以下，而圖7中的方法完全去除了襯底7-102，留下了多重完全獨立的光學器件。
然而，這兩個技術製備的光學電子晶片都有使用中的散熱問題，使得各個器件對製造過程中產生的熱和機械應力更加敏感，因此減少了各個器件的使用壽命，從而減少了產量和整個晶片的壽命。
而且，對於圖6(其中襯底非常薄)和圖7(其中襯底完全去除)的方法，器件所受的應力主要轉移到器件的結構上最弱部分的非常薄的光學器件層。
這樣，有必要創造一種對於生產過程和/或使用過程中產生的熱和/或結構應力不太敏感的集成光電子晶片。
此外，光電子器件廠家有兩個來源獲得光學和電子晶片—他們可以自己製造任何一種或兩種，或者他們可以從第三方獲得一種或兩種。由於同時製造光學器件(為了簡單起見可交換地稱之為「光學晶片」)和電子晶片(為了簡單起見可交換地稱之為「電子晶片」)，廠家可以採取措施，當光學晶片處於電子晶片的上面時，確保每個晶片上的鍵合區正確放置而使其互相對齊。然而，即使它們在同一個組織內設計和製造，通常電子晶片和光學晶片也不是同時設計的。這樣，即使在同一個廠家內，除非組織內有關光學晶片和電子晶片的設計是密切協調的，否則很容易發生每個晶片上鍵合區之間不對應的現象，尤其是其中一個或兩個在設計時就計劃是要銷售給第三方或用來自其他廠商來源的器件集成的情況就更是如此。而且，任何設計中的後續的改進或改變都必須更改觸點鍵合區的位置，從而在先前不存在不對準的地方也會引入鍵合區的不對準。
更有甚者，如果電子晶片設計來和各種不同的光學晶片一起使用，但是光學晶片是來自第三方的商品庫存(例如，晶片包括大量生產來分配給眾多不相關的用戶的頂面發射垂直腔雷射器，底面發射垂直腔雷射器，分布式反饋(DFB)或分布式布拉格反射器(DBR)雷射器(它們每個都有適合於長距離應用的較好的線性調頻脈衝和譜線寬度特性)，頂面接收檢測器或底面接收檢測器)，頂面接收探測器或底面探測接收器，即使它們在其他方面兼容於電子晶片，光學器件上的鍵合區也不大可能全部位於相同的位置。
舉例來說，如圖8所示，一個單個光學器件9-300的接觸點鍵合區9-302，9-304放置在其廠商規定的位置上。電子晶片9-306的一部分的一個光學器件能夠連接到其上的接觸點鍵合區9-308，9-310也放置在其廠商規定的位置上。如果光學器件翻轉過來以倒裝片鍵合的方式和電子晶片鍵合，每個晶片的接觸點鍵合區9-302，9-304，9-308，9-310都會不對齊，如圖9所示。
這就在其中產生了一個問題，就是它限制了「混合和匹配」器件的能力。而且，如果設計時考慮到與一個具體的其他晶片相連接，而後續事件有需要使用帶有不同的接觸點位置的不同的器件，那麼為原來器件所做的所有計劃和協調都將不能用於新器件。
這樣，對生產工藝又有進一步的需要來增進對任何晶片的設計者之間尚沒有任何協調的器件的混合和匹配能力，或易於使用標準或通用的接觸點放置方案。
此外，在某些情況下，用防反射塗層塗覆某些器件，特別是檢測器有時是合乎需要的。
防反射塗層防止光線射到檢測器器件的頂部而由於折射率不同在檢測器和空氣的界面被反射。這對於檢測器是重要的，因為反射光是不能進入檢測器本身的光，因此不能被轉換到電信號(就是說從系統的觀點看來，它是「丟失的光」)。這樣，防反射塗層優化了檢測器的收集效率，因為它防止了光在那個界面的反射。
然而雷射器需要一個反射率非常高的頂部鏡子進行工作。雷射器上的防反射塗層改變了頂部鏡子的反射率。結果，如果不是使它全部喪失發射雷射作用的話，至少也會對雷射器的發射雷射作用產生有害影響。
如果在晶片的陣列中既有雷射器又有檢測器，為了只對檢測器進行防反射塗覆，在進行防反射塗覆澱積階段時就需要傳統智慧來進行晶片的特殊圖形設計以保護雷射器，確保這些雷射器不被反射塗層覆蓋。
對晶片上各種不同的器件的保護和完全不同的處理需要額外的工藝步驟，這些步驟既費時又因此而增加了工藝成本，也引進了損壞受保護器件的可能性，最後，迫使電接觸點鍵合區不得不也被保護起來。
此外，在工藝過程必須對在相同區域內具有電氣接觸點鍵合區的晶片上進行時，器件的各不相同的處理也會產生其他的工藝問題。舉例來說，如果一個晶片具有靠近器件的電氣觸點，而電鍍，化學鍍，熱蒸發，電子束蒸發或濺射技術被用來將焊料放置在接觸點鍵合區上，所造成的焊料堆高度使形成保護雷射器不受防反射塗覆區域的圖形變得困難了，因為焊料堆遠高於光學器件。
當使整個晶片(就是雷射器和檢測器)被防反射塗覆時，先有技術無法消除在雷射器上形成一個保護層圖形的需要。
這樣，就又需要一個方法在一個電子晶片上集成多種類型的器件，使得諸如防反射塗覆等的任何附加工藝步驟可以一次在整個晶片上完成而無需集成之後的特殊的圖形形成步驟。
我們創建的光學電子晶片中的某些變型提供了以下優勢中的一個或多個允許使用較低的工作電流，由此減少了功耗和熱量的產生；提供較好的所產生熱量的散發，允許雷射器運行在較低溫狀態因此增加了它們的使用壽命和/或提供了較好的波長控制；和/或具有較高的結構完整性從而導致較少的缺陷和延長器件的壽命。
我們還設計出一種方法集成光學晶片和電子晶片來產生一個集成的光電子器件，不用考慮其組成器件是否是在協調方式下製造或具有一致匹配的電氣接觸點。
我們還設計出一種方法來產生一種集成光學電子器件，允許具有各不相同的器件的整個晶片被防反射塗覆而無需特殊工藝來保護雷射器或使其發射雷射能力不受影響。
在光學器件密切地和電子晶片集成時，四個性質對建立可靠的集成光學器件是合乎需要的。
第一，必須是能夠使得光纖或光學透鏡足夠接近以捕獲光而不產生串話。第二，器件的有源部分上面必須沒有會阻止光線進出這個特定器件的吸收層。第三，應該有足夠大的散熱區附著到器件上來進行有效的散熱。第四，在工藝過程中應該保持器件的結構完整性，使得器件經受的應力和張力不影響器件的性能。
如上所述，圖6和圖7的方法能夠滿足最先的兩個性質，然而，它們都不能滿足第三和第四性質，因為沒有一個方法能夠導致附著到器件的大散熱區(就是器件的襯底)或減少器件的應力。
雖然發明的申請者沒有意識到存在於先有技術中的任何這樣的情況，或者已經意識到了，圖6的方法有可能由於在器件上留一層較厚的襯底而滿足第四性質。然而這僅僅在這個具體器件的工作波長是非常透明於器件先前工作的波長時才有可能實現。而且，對於許多場合，如果不是破壞，這也將會減少滿足第一性質的能力，並且很有可能也損害雷射器件的工作，除非雷射被重新設計成發射到比如說半導體材料而不是設計成發射到空氣中。此外，如果留下了較厚的襯底，就必須對結構進行防反射塗覆來防止光線反饋到雷射器中。此外，這樣一個方法也很可能排除了使用市面上出售的預製半導體光學器件，諸如大多數第三方提供的垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)，分布式反饋(DFB)雷射器或分布式布拉格反射器(DBR)雷射器。
總之，我們已經策劃出一種方法把光學器件和電子晶片緊密地集成在一起來產生一個能夠滿足全部4個性質的光學電子晶片。而且如果有必要時我們能夠使用從第三方獲得的器件來做到這一點。還有，我們在生產低成本，高產量和長使用壽命方面比先有技術有優勢。
圖10用簡化的高層俯視形式顯示一個根據本發明的學說的示範方法。這個方法克服了先有技術的缺點，允許有緊密的光學接近進路，去除了吸收區域，提供了較高的結構完整性，和具有較好的散熱特性。
在圖10的方法中，用傳統技術製備或從合格的第三方購買得到一個雷射器晶片10-502(由雷射器和襯底10-102集成而得)和一個檢測器晶片10-504(由檢測器和襯底10-102集成而得)。或者，可以製備或購買一個雷射器和檢測器兩者例如以某種替代圖形或其他分組形式和公共襯底集成在一起的混合晶片。
溝槽10-506被蝕刻出來使得晶片加工成分離器件(蝕刻到襯底內)，或者，在某些情況下，比如說，如標題為冗餘器件陣列的與本發明一起申請的共同轉讓申請(該申請通過引用而結合在本文中)中所示的，在一些地方蝕刻到襯底內而在其他地方在蝕刻到襯底之前就停止蝕刻，因此而加工適合的器件組。
或者，因為本發明不是產生光學晶片本身(就是說，產生晶片，生長器件，或蝕刻出分立器件)，如果光學器件是購買而不是製備而得，上述內容可以完全跳過。
光學器件晶片於是被翻轉和對齊到電子晶片508上面，並用傳統的倒裝片鍵合技術或能夠以適當和可靠的方式完成將光學晶片鍵合到電子晶片上去的其他適當的專用技術鍵合到電子晶片10-508上。
或者，並且在某些情況下是有利的，如下面馬上要說明的，對襯底10-102的進一步處理既可以在將光學晶片鍵合到電子晶片之前，也可以在鍵合之後進行，只要它在將器件放在超過由如果以後會發生的器件工作導致的工作溫度的極限的條件下循環之前做好就可以。這樣的處理對於上述圖6和7中的先有技術是不適用的，因為如果使用了這樣的方法，就會由於襯底完全去除而需要個別鍵合每個分離的器件導致器件的生產成本大大增加，或由於襯底非常薄時出現應力和/或張力問題導致產量大大下降。
取決於所用的具體晶片和光學器件，可以有不同的工藝變型。
在第一個變型中，襯底減薄到超過50μm的厚度，通常是在緊密光學接近進路需要的約50μm到約100μm之間的厚度。
在第二個變型中，襯底減薄到處於約100μm和約為對應於晶片的光學器件部分的厚度之間的厚度。
在第三個變型中，襯底減薄到處於約20μm和約50μm之間的厚度。
在第四個變型中，因為其中襯底的厚度大約等於晶片的光學器件部分的厚度，因此不需要減薄。
在第五個變型中，襯底減薄到大約等於晶片的光學器件部分的厚度。
從下面的敘述可清楚地看到，根據本發明，例如在構造光學接近進路時使光纖或微透鏡以和器件隔離的間隙處在緊密光學接近範圍內的方式插入光學接近進路，整個襯底的厚度也可以保持在比這樣的緊密光學接近進路所必須的厚度更厚。然而，這不能認為是典型的做法。
光學接近進路10-510以溝槽或孔的形式例如用傳統的蝕刻和鑽孔技術被蝕刻或鑽在光被發射和檢測的光學器件部分上面的襯底上，最好同時留下一些完整的襯底。取決於具體的襯底和器件，可以使用不同的技術包括雷射鑽孔，蝕刻或其某些組合。此外，取決於所用的具體技術，光學接近進路可以有直側壁，斜側壁或其某種組合。
舉例來說，為了產生一個最初在襯底外表面附近具有直側壁而在襯底會合器件的地方具有斜側壁的光學接近進路，在一個具有混合到一個ASIC(集體地稱為「樣本」)中的砷化鋁鎵阻擋層的砷化鎵襯底中(支撐諸如VCSEL和/或光檢測器(這裡也可交換地稱為檢測器)的光學器件)，可以使用下列方法首先，在襯底上形成光學接近進路10-510的光致抗蝕劑圖形。
於是，樣本被置入到一個13.56MHz平行板離子蝕刻機(RIE)，並在引入進動氣體之前抽真空到低於大約3×10-5Torr的壓力來減少或消除殘留的水。一旦達到這個基礎壓力，蝕刻的第一部分就以如表1所示的工藝條件開始。
表1

這產生了一個從襯底表面延伸到襯底內部向著器件的方向一個距離的直側壁。
這個工藝條件被優化到產生光學接近進路10-510具有斜側壁的部分，砷化鎵到鋁砷化鎵有幾乎無限的選擇性而損傷器件程度最小。優化所產生的工藝條件如表2所示。
表2

於是這個工藝條件被優化到從鋁砷化鎵阻擋層吸收殘留的氯。這是為了防止樣本從處理室卸載後再生成氯化氫(就是進行溼蝕刻)。這部分工藝的工藝條件列出在表3中。
表3

在最簡單的情況下，光學接近進路做得儘可能小，使得在器件上留下最大數量的襯底。剩下的襯底提供了一個剛性的框架來防止分離的器件比如說在附著到電子晶片上時遭受應力。然而，取決於具體的器件和所用的襯底，比如說在建立光學接近進路時，或者比如說在附著到電子晶片後通過在襯底的某個地方形成蝕刻圖形，還可以進一步進行額外的除去襯底。
然而應當指出，如果額外的除去襯底不是正確地計劃好，隨著更多的襯底被除去，散熱優勢要減少或甚至消失。而且，取決於額外的除去襯底的數量和地方，抵抗應力和張力的能力也可能被削弱。然而，可以理解的是，在某種場合，通過選擇性地除去襯底，因為襯底的總表面面積增加而沒有過多犧牲，如果有犧牲的話，結構優勢，散熱性能還可以改善。這樣，應當理解到除去襯底的重要方面是把足夠的襯底留在器件上來確保達到合乎需要的的散熱和結構特性。
而且，取決於所用的具體技術，進行設置光學接近進路的有利時機在某些場合可以在鍵合進行之前或之後，比如說，在蝕刻分離各個器件的溝槽的工序之前，之後或之中。
作為一種選擇，如有需要，防反射塗層可以塗覆到檢測器上。
取決於緊前述3種變型中的哪一種被使用，可以發生不同的處理過程。圖11和12顯示幾個不同的光學接近進路徑變型。舉例來說，如果使用第一個變型，光學接近進路可以完全穿透襯底(如圖11a，11b，12a，12c，12e所示)。或者，它們可以從襯底的外表面延伸到一個深度，使得直接留在光被發射或檢測的光學器件部分上面的襯底減少但不完全除去，例如，如圖11c，11d，12b，12d，12f所示。一般來講，直接留在光線被發射或檢測的光學器件部分上面的襯底將減少到大約100μm或以下的厚度來確保到器件的緊密光學接近。在其他場合，厚度可以減少到50μm或以下，在某些場合，厚度可以減少到20μm或以下，雖然通常厚度是在約20μm到50μm的範圍。
此外，取決於所建立的具體光學接近進路，光學接近進路可以進一步有利地被用來容納一個如圖11a，11c，12b所示的光纖，或如圖11b，11d，12a，12c所示的微透鏡。
這樣，由於使用了上述方法中的一個方法，可以建立起其中光纖的端部由襯底支撐的光學陣列，可以建立起容納一個或多個由襯底支撐的個別放置的微透鏡的光學陣列(如圖11b，11d，12a，12c，12e所示)，或可以建立起容納一個微透鏡陣列的光學陣列。
如上所述，襯底也可以通過形成圖形來粗糙化其表面和增加其暴露表面積以便更好地散熱。
值得稱道的是，由於使用了這裡說明的技術，就是留下被附著的襯底，應力首先不會傳播到光學器件，而反過來是被連接介質或電子晶片吸收，這兩者都是能夠較好地承受這樣的應力的。
圖15-18每個都是產生根據上述技術的電子光學晶片變型的工藝的示範圖例。
圖15a是一個雷射器件陣列一部分的單底部表面發射雷射器件15-1002的簡化視圖，(陣列的其餘部分沒有顯示)。
器件15-1002被隔離溝15-1004從它的鄰近器件隔離開並且被支撐在合適材料，比如說，矽，矽-鍺，砷化鎵，或磷酸銦製成的襯底15-1006上。雖然用作襯底的具體材料很可能取決於與本發明無關的因素，值得指出的是，熱因素造成的應力可以由把光學器件襯底的膨脹係數和電子晶片的膨脹係數儘可能匹配得接近而減少。理想情況是，這兩者應該是同一種材料，使得兩者的膨脹係數相同。
用於雷射器激勵和控制的電氣接觸點15-1008，15-1010每個都安裝在一個支撐用的基座15-1012，15-1014上。每個電氣接觸點的一端15-1016，15-1018用作雷射器件的一個電極而其另一端是一個其上澱積諸如焊料一類的導電材料15-1024的鍵合區15-1020，15-1022，用於將器件15-1002鍵合到一個電子晶片上去。
圖15b顯示了雷射器陣列已經翻轉和定位到一個電子晶片15-1030的對應的鍵合區15-1026，15-1028上面以後的圖15a的雷射器件15-1002。
圖15c顯示了已經通過各自的鍵合區15-1020，15-1022，15-1026，15-1028之間的焊料鍵15-1032附著到電子晶片15-1030上去的雷射器件15-1002。
圖15d顯示了襯底15-1006已經被減薄到大約20μm到50μm之間的厚度的雷射器件。
圖15e顯示了光學接近進路15-1034已經在本情況下通過蝕刻而不是鑽孔被建立在襯底15-1006上以後的器件。注意在這個例子中，光學接近進路從襯底15-1036的表面延伸到器件的覆蓋層15-1038。
圖15f顯示了一個選項的諸如固化以後具有良好導熱性的低黏度(所以它流動性好便於覆蓋)的熱環氧樹脂之類的導熱材料已經施加到器件上以後的圖15e的器件。
雖然上述圖示內容涉及一個雷射器件，對於檢測器類型的器件其工藝也是相同的，除了檢測器器件也可以進行防反射塗覆這一點以外。
圖16a-16f顯示了採用除了這個雷射器用器件的半導體材料作為基座16-1102，16-1104以外與圖15a-15f中所示的方式相似的方式建立的另一個光學電子器件。
圖17a-17f顯示了一個用相似於前面的器件的方式建立的另一個光學電子器件。如圖所示，這個器件屬於一種該器件的半導體材料不用於做基座的類型。另外，這個光學電子器件的雷射器被分組，使得它們可以在冗餘模式下使用。建立具有冗餘雷射器的陣列在標題為冗餘光學器件陣列的共同轉讓的美國專利申請中敘述。具體來講，圖18顯示了在陣列中的兩個相鄰的雷射器，其中除了建立光學接近進路18-1034之外，分組溝18-1302，18-1304用已知的蝕刻技術蝕刻在剩餘的襯底18-1006上，達到把分組溝18-1302，18-1304與一些隔離溝18-1004相連接的深度。正像標題為冗餘光學器件陣列的共同轉讓的美國專利申請中說明的那樣，在這種方式下，兩個或更多的雷射器可以布置成共享一個公共光纖而其中一個或多個作為備份雷射器。
以這種方式分組雷射器的一個優勢是單個晶片的產量提高了，因為比如說對於一對成組的雷射器，如果一個雷射器損壞了，另一個可以代替它工作。這樣做的另一個可能的優勢是光學電子器件的使用壽命的增加。舉例來說，當一對中的一個雷射器最終壽命終止時，如果雷射器是由外部獨立可選擇的，可以選擇第二個雷射器來代替壞的在線工作。
還有一個可得到的優勢是減低了達到緊前面敘述的一個或兩個優勢的成本。因為增加一片晶片上雷射器數量的成本增量是微不足道的，提高產量和/或可靠性/延長壽命實際上是免費的。
圖18也顯示了使用圖8a-8f的技術產生的示範陣列18-1306的功能演示圖。陣列18-1306是從器件的頂端表示的，使得每個雷射器上的光學接近進路18-1034和剩餘襯底18-1006清晰可見。如圖18所示，雷射器4個成為一組，一個組18-1308被分組溝18-1302，18-1304所界定，後者確保在雷射器組18-1308中相鄰的雷射器之間沒有通過導電襯底18-1006的電流路徑。為了圖示的目的，顯示了某些隔離溝18-1004，雖然實際上從這個觀察角度是看不到任何隔離溝的。
圖19a-19f顯示了用相似於圖15到17的方式建立的另一個光學電子器件。如圖所示，這個器件屬於一種該器件的半導體材料是用於做基座19-1402，19-1404的類型。另外，這個光學電子器件的雷射器除了成對以外也是以圖17和18的方式分組的(其中一個沒有顯示)，這可以從分組溝明顯地看出。
如上面指出的那樣，上述類型的光學電子器件的廠家有兩個渠道獲得光學器件——他們可以自己製備，或者他們可以從第三方購得。由於製備光學器件(下文簡稱為「光學晶片」)和電子晶片(下文簡稱為「電子晶片」)，廠家可以採取措施確保每個晶片上的鍵合區正確放置，使其當光學晶片定位在電子晶片上時互相對齊。然而，通常電子晶片和光學晶片並不同時設計，即使它們是在同一組織內設計和製造。這樣，即使在一個廠家，除非在組織內有關光學晶片和電子晶片的設計方面存在密切的協調，每個晶片上接觸點鍵合區之間的缺乏對應性的情況很容易發生-特別是一個或兩個晶片在設計時就考慮到要銷售給第三方，或計劃中要和其他廠家來源的器件一起集成的場合更容易發生。而且，即使在同一個組織內，任何一個的設計中的後續改進或改變都可以必須變動接觸點鍵合區的位置，由此在先前不存在不對準的地方也引入了鍵合區的不對準。
更有甚者，如果電子晶片設計來和各種不同的光學晶片一起使用，但是光學晶片是大量生產來分配給眾多不相關的用戶的來自第三方的商品庫存(例如，晶片包括頂面發射垂直腔雷射器，底面發射垂直腔雷射器，分布式反饋(DFB)或分布式布拉格反射器(DBR)雷射器，頂面接收檢測器或底面接收檢測器)，即使它們在其他方面兼容於電子晶片，光學器件上的鍵合區也不大可能全部位於相同的位置。
舉例來說，如圖8所示，一個單個光學器件有放置在其廠商規定的位置上的接觸點鍵合區。一個電子晶片也有放置在廠商規定的位置上的光學器件能夠連接在其上的接觸點鍵合區。當光學器件為以倒裝片方式和電子晶片鍵合而翻轉時，每個晶片的接觸點鍵合區都會不對準。雖然如此，由於改變了上述技術，本發明可以和迄今為止在例子中提到的底面發射雷射器以外的雷射器一起應用，以及和具有不同接觸點鍵合區排列的底面發射雷射器，頂面或底面接收檢測器一起應用。
有利的是，這樣可以選擇和使用具有對於應用有最佳單個性能的「優種」晶片，而且避免了僅僅因為不能或不大可能滿足電氣接觸點放置要求或標準就排除這些廠家的進貨。
一般來講，取決於光學器件是底面發射/接收還是頂面發射/接收，使用兩種不同的工藝。
為了便於說明，術語「底面有源」用來指底面發射器件(雷射器)和底面接收器件(檢測器)。相似地，「頂部有源」或「頂面有源」用來指頂面發射器雷射器和頂面接收檢測器。
底面有源器件的工藝現在參考圖20來說明用於底面發射/接收器件(就是底面有源器件)的工藝。為了便於說明，應該假定光學晶片20-1502如上所述被加工成一個光學晶片20-1504。或者，光學晶片20-1504可以從某個第三方購得。
首先，用已知的技術添加一個絕緣層20-1506到光學晶片20-1504的表面。
接著，在絕緣層20-1506中建立開口或通路20-1508使得可以到達光學晶片的接觸點鍵合區。這又是以下面要在標題為「多零件光纖的光學組件和製造技術」一節中講到的用以在晶片中建立通孔的方式進行雷射鑽孔或蝕刻來完成的。
或者，例如，如果事先知道接觸點鍵合區的位置，可以在附著之前把開口或通路20-1508預先形成在絕緣層中。
於是，通過把導電材料20-1510施加到開口或通路的側壁(這個上面事先也可以任選地已經塗了一層絕緣物)或用材料20-1510填充開口或通路來使得開口或通路20-1508具有導電性。
有利的是，如果開口或通路沒有全部填滿，它們可以用來幫助對齊。這可以這樣做，如果開口或通路足夠寬，可使其他晶片上的焊堆「嵌入」孔中，由此提供了兩者之間的初始對齊。而且，在某些場合，當焊料熔化時毛細管作用使得焊料部分地被吸入開口或通路，導致更好的連接和更有助於對齊。
作為一種選擇，和換一種方式，如果開口或通路在附著之前預先形成，開口或通路的塗覆和填充(根據需要)也可以在絕緣層附著到光學晶片之前完成。
其次，電跡線20-1512的圖形形成在絕緣體的暴露面上來建立一個從(現在已經塗覆或填充了的)開口或通路到絕緣體表面上將要和電子晶片上的接觸點鍵合區對齊的位置的導電路徑。作為一種選擇，如果可能有幾種不同的對齊方式，取決於光學晶片要與之匹配的具體電子晶片，如果要與之匹配的觸點互相稍微偏離一點，但仍然在可以控制的一定範圍之內，一個單個電跡線可以建立兩個或更多的交替的連接點或建立一個連接區。
在上述的一個變型中，如果光學晶片將要連接到其上的晶片是一個電子晶片(而不是諸如調製器那樣的另一個光學晶片，或光學晶片對它是光學透明的另一個雷射器)電跡線圖形可以形成在電子晶片上，因為一般來講大多數電子晶片已經帶有可用於接觸點重定路線的絕緣層。
一旦這個完成，工藝就如上所述地進行，先是連接兩個晶片20-1514(在本例中，使用倒裝片技術)，隨後是在具體情況下，減薄襯底，完全除去襯底，或使襯底保持原有的厚度。此後，建立光學接近進路20-1516，形成晶片襯底的圖形，敷設熱導體，或可按照需要完成塗覆防反射塗層。
頂面有源器件工藝現在參考圖21來說明用於頂面發射/接收器件(就是頂面有源器件)的工藝。為了便於說明，應該假定光學晶片是從某個第三方購得，建立光學晶片的工藝本身與本發明無關。
此外，兩個任選步驟中的任何一個或兩個可以在工藝過程開始之前完成。第一個，附著一個載體到光學晶片的頂部表面。這個載體可以用任何材料組成，它僅僅用作加固和在工藝過程的其餘部分保持住光學晶片。第二，減薄光學晶片襯底。這減少了為了到達存在於光學晶片的正面上的接觸點而必須被蝕刻和鑽透的材料的量。
在這一時刻，工藝過程如圖20的工藝相似的方式來進行如下。
孔或通路被蝕刻或鑽透光學晶片的襯底到光學晶片的正面上的接觸點。
孔或通路於是用導電材料塗覆或填充(導電材料可以在底下有一層絕緣塗層)使得接觸點向外出現在光學晶片的背面。
或者，比如說如果接觸點的定位使得直接從晶片背面通過襯底的通道會損壞晶片或出現其他問題，孔或通路可以蝕刻或鑽在合適的位置，在正面再添加一個導電體將接觸點鍵合區和塗覆或填充孔或通路的導電材料連接起來。
有利的是，如果開口或通路沒有全部填滿，它們可以用來幫助對齊。這可以這樣做，如果開口或通路足夠寬可使其他晶片上的焊堆「嵌入」孔中(圖21B)，由此提供了兩者之間的初始對齊。而且，在某些場合，當焊料熔化時毛細管作用使得焊料部分地被吸入開口或通路，導致更好的連接和更有助於對齊。
或者，如果孔或通路的位置重合於對齊匹配電子晶片的正確位置，那麼在這樣完成的同時，還可以用傳統技術把孔或通路連接到正面上的接觸點鍵合區。
對於背面發射/接收器件集成工藝，如果孔或通路不重合於電子晶片的接觸點鍵合區，電跡線圖形就形成在光學晶片的襯底(圖21C)或其他晶片(在這種場合是電子晶片(圖21D))上來提供一個孔或通路和其他晶片上的接觸點位置之間的連接。
在這一時刻，晶片可以放到一起按照如上所述的方式連接起來。
如果進行加入載體的任選步驟，這個載體現在可以除去了。如果載體很厚，使其造成光學接近進路問題或有對雷射通過載體傳輸起有害影響的不兼容的複雜折射率，它應當被除去。在另一個變型中，即使它會造成光學接近進路問題或有不兼容的複雜折射率，通過最好是在附著到光學晶片之前在載體上形成光學接近進路或通孔的圖形，載體可以留下來。
此外，如有需要，在載體的頂部可以放置一個或多個諸如微透鏡或波導之類的附加光學元件。
圖22顯示一個除了不用載體之外相似於圖21所示的工藝。
連接器或適配器晶片替代在一種可用的替代變型中，比如說當光學晶片和其他晶片都購自第三方，或兩個或多個不同的晶片被考慮應用而它們具有不同的接觸點鍵合區布置，但是每個晶片的接觸點鍵合區布置是已知的，應用本文的原理就可以直接製造出「適配器」或連接器晶片，由此使得設計和/或製造能繼續進行。
現在參考顯示一個用來連接不同器件的連接晶片或適配晶片的圖23，一個公共晶片23-1800的頂面23-1802和底面23-1804被形成電跡線的圖形，使在每個面上從每個晶片的規定的接觸點鍵合區位置23-1812，23-1814，23-1816，23-1818到每個晶片的某個公共點建立起電跡線23-1806，23-1808，23-1810。
然後建立通孔並被裝入或填充導電材料而連接相應的對子，例如要將相應對子的兩者連在一起時，連接頂面的一個接觸點和底面的一個和其相應的接觸點。
圖24顯示另一種實施例，它是可用於頂面有源器件的適配器或連接器變型的又一個變型。如圖所示，適配器或連接器晶片24-1902隻在一個面上具有電氣接觸點來通過連接鍵合區24-1908直接連接到光學晶片24-1906和通過比如說支座24-1912，跳接線，導線，導線帶或其他已知的附著器件連接到電子晶片24-1910。在這種布局下，因為器件是頂面發射/接收而適配器是定位在頂面的，而且「光學通路」24-1914也設置在適配器中，就能達到光學接近。
接著，光學晶片可以放置在電子晶片的頂部而連接晶片可以放置在這兩個晶片的頂部來提供光學晶片和電子晶片之間的連接。
作為一個註解，雖然本文敘述有關光學晶片匹配電子晶片，但同樣的基本工藝(就是用連接晶片或合適的形成絕緣層或襯底的圖形來補償鍵合區的失配)可以以直接的方式補償任何光學，電氣，電子，或機電晶片的組合之間的鍵合區的不對齊。
其他的變型也是如上面指出的，在某些情況下往往需要用防反射塗層來塗覆某些器件特別是檢測器。然而，上述光學電子晶片是由兩種(或可能更多)不相似類型的光學器件組成的。而防反射塗層損害雷射器的現象是不希望出現的。
有利的是，在上述工藝的又一個任選的變型中，需要防反射塗覆的器件不需要從一般不塗防反射塗層的器件中區別出來。
這個工藝大部分依照上述圖10有關的工藝流程進行，就是建立雷射器晶片和檢測器晶片，通過倒裝片鍵合技術翻轉和附著到電子晶片。
襯底被減薄，但是就雷射器襯底而言，僅僅減到相對於雷射器內腔厚度襯底仍然可被認為是厚的程度。雖然不同類型雷射器需要不同的具體厚度，襯底的厚度在DFB和DBR的場合至少應當幾倍於雷射器內腔的厚度，在VCSEL的場合應當幾倍於鏡面之間的距離。因為精確的距離隨著器件的不同而變化，根據經驗是採用雷射器內腔厚度的10倍這樣一個因子。然而，如果厚度可以精確地控制，它可以小於10倍的因子，具體的最小厚度可以憑經驗確定為防反射塗層不影響雷射器的發射雷射能力的最小厚度。一種模擬方法可以用於頂面有源雷射器。在頂面有源雷射器的場合，一個襯底(它可以是上面指出過的載體，或者如果接觸點重定路線不需要進行或在其他晶片上進行，它可以是在載除去後貼上去的一個分立的襯底而不是載體)被附著到雷射器的頂面。襯底在貼加後減薄到上面指出的厚度，或者在貼加前減薄到該厚度。
一旦這個完成，雷射器和檢測器可以同時進行防反射塗覆。這樣，在防反射塗覆過程中不需要形成特殊的圖形或在雷射器和檢測器之間進行區別。
這樣，應當理解到，上述工藝可以應用到不同的器件。舉例來說，用本發明的原理，可以把調製器以一種陣列兼容的格式堆疊在雷射器的頂端。事實上，調製器在雷射器的上面或下面都可以這樣做。而且，不管兩個(或多個)器件是否在單個外延步驟中建立的都可以這樣做。相似的，如圖25A所示，可以將頂面有源器件堆疊到頂面有源器件或背面有源器件的頂部和將背面有源器件堆疊到頂面有源器件或背面有源器件的頂部一樣，和如圖25B更詳盡地所示的將調製器安裝在一個背面發射雷射器的上面。
有網格失配的器件可以相似地進行堆疊而不管各個器件執行的功能如何。
在又一個應用中，來自不同外延晶片的器件可以在晶片級的水平上一起集成在一個公共晶片上。這樣，不同波長的雷射器可以交錯混合用於雙波長分路多路復用(DWDM)或多波長分路多路復用(MWDM)的應用中，如圖26所示。
圖26顯示在晶片級的水平上一起集成在一個公共晶片上的100個不同波長雷射器陣列。在這個基礎上，再使得每個雷射器可以被選擇，就可以選擇一個特定的波長或波長的組合。由此就可以不再需要依賴於實體零部件的模擬動作或顯示出熱變化和熱效應，速度被限制到微秒級以及精度受到限制的可調諧的雷射器了。
此外，波長能夠以數據發送的同樣速率切換，由此構築可以用該比特率多路傳送不同波長的各種數據流的系統的結構。這樣，切換速度可以達到大約100ps(數10個gigabit/s)。
而且，不同類型的不同器件(就是不同類型的雷射器和雷射器檢測器組合)可以交錯混合，諸如圖27的側剖視圖所示。
如圖27所示，建立了兩個不同波長雷射器帶27-2202，27-2206，以及兩個互補波長的光檢測器帶27-2204，27-2208。第一個器件帶(圖示雷射器27-2202(λ1))用本文說明的工藝附著。下一個器件帶(圖示檢測器27-2204(Δλ1))用相似方式附著。第三個器件帶(圖示雷射器27-2206(λ2))以相似的方式附著。最後，最後一個器件帶(圖示雷射器27-2208(Δλ2))也以相似的方式附著。
取決於具體情況，襯底或載體可以立刻從所有器件上除去或減薄，如果例如它們不幹擾下一個器件的集成，它們也可以在每一組器件附著以後被除去或減薄。
圖28從頂視圖顯示圖27的器件的集成。如圖所示，所有第一波長雷射器都被附著。然後，所有第一波長光檢測器都被附著。然後所有第二波長雷射器都被附著，接著，所有第二波長光檢測器都被附著，使得最終結果是完全集成的雙波長收發器晶片，它的一部分以放大的形式顯示在圖28的右側。
當然，雖然緊前面敘述的例子使用了兩個雷射器和兩個檢測器，但是不管不同器件的數目，也不管它們是頂面或底面器件，成組的，還是所有的雷射器，所有的檢測器等等，工藝實際上都是基本相同的，因為本工藝的優勢在於混合和匹配的能力-特別是在晶片級的水平上。
在這些情況下，很容易在個別器件(或器件類型)的基礎上進行集成，或在帶(如圖所示)上，或成組的基礎上進行，根據帶28-2202，28-2204，28-2206，28-2208或器件組的限定來保留襯底。
還有，通過一個波長的冗餘雷射器組和其他波長的冗餘雷射器組的集成，可以生產出低成本的極端可靠的DWDM和MWDM模件。
這樣，因為DWDM的單器件，集成發射器陣列在先有技術中是沒有的，由於集成大量雷射器在單塊晶片上，封裝尺寸可以減小。由於把兩種或更多不同波長的10個或以上的雷射器陣列集成到一個單個晶片上並且用一個例如以光纖為基礎的組合器/反向分離器，一個全息透鏡陣列，或標題為多零件光纖的光學組件和製造技術的參考申請中包含的技術把它們中的一組耦合到一個單個光纖中，多波長的多路傳送可以在輸出光纖中實現，而且在一些場合中不需要光機或光電元件來進行切換(光學交錯連接)。
在還有一個技術應用中，可以構建成一個能夠兼做泵激雷射器和通信雷射器的，既可以不同時刻也可以同時進行的大陣列。
多器件工藝和產品的相繼集成當電氣連接在構成一個光學電子模件的晶片，封裝和電路板之間完成時，通常使用由焊接到一個或多個晶片，封裝和電路板的短引線組成的引線鍵合。引線鍵合由於它們較長的長度因此有較大的電容和電感而限制了它們的頻率響應。
因此，用引線鍵合來做高速光學電子模塊是不符合要求的。
在其他情況下，即使不用引線鍵合，模塊的建立是基於一個「內部到外部」集成工藝，其中最內部的組件(和那些可以平行完成的外部組件)被組合起來，再把組合的組件互相集成，或集成到一個或多個電路板等等直到整個模塊完成。這樣一個工藝往往是根據模塊中組件的位置而通常不考慮整個模塊建立的過程或集成一個組件對於其他組件(減少壽命)或它的連接(增加電容和/或電感)會有的影響。這樣，本發明可能產生一個不太可靠和低性能的產品，因為一個組件的集成可能對早先集成的組件會削弱連接，增加連接的電容和/或電阻，或增加對連接的熱的和/或物理應力的敏感度。
這樣，即使不用引線鍵合連接，所用的具體工藝仍可能對最終生產的整個產品的可靠性和/或性能產生不符合要求的和有害的影響。
我們已經開發出一種可以建立一個由一定數量組件組成的不使用引線鍵合來連接組件的模塊的工藝。我們還開發出一種使得後期組件的集成不損害前期集成的組件的工藝。結果，我們的工藝生產的產品比按照先有技術生產的同等產品更為可靠。
具體來講，由於使用了一個分等級的附著工藝，我們已經創建了一個封裝技術，使得光學器件附著到電子晶片，電子晶片附著到封裝，封裝附著到印刷電路板，統統不需要引線鍵合。總體上這允許有可能達到的最高頻率響應的連接(就是說速度僅僅受組件能力而不是組件之間的引線的限制)。此外，終端產品的可靠性更高。
綜觀起來，我們已經確認了由於使用具有不同熔點和附著溫度的不同的焊接材料，和採用了與所用附著材料而不是被附著的組件有關的具體附著順序，這個工藝不會產生先有技術中存在的問題。而且，我們的工藝良好地適合建立非光學電子模塊，和尤其適合建立特別重視減少電容，電感和電阻的高性能光學電子模塊。
根據本發明，我們使用一個序列工藝，其中至少1.一種具有第一熔點和第一附著溫度的焊接材料被用來將第一組組件附著到一起，比如說將光學器件附著到電子晶片；2.一種具有第二熔點和第二附著溫度的第二焊接材料被用來將早先連接好的組件附接到另一個組件，比如說將一個或多個電子晶片附接到一個封裝；和3.一種具有第三熔點和第三附著溫度的第三焊接材料被用來將在步驟2中建立的一個或多個組件附接到另一個組件比如說將封裝附接到印刷電路板。
該工藝可以通過直接選擇材料和以與上述相同方式的延伸過程延伸到四級或更多附著等級。
用於三個或更多的不同附著工藝的材料是專門選擇的，因為它們要求熱兼容。換句話說，用例子來說明，晶片到封裝連接的集成條件設計得不影響晶片到封裝附著之前完成的光學組件到晶片的連接。
具體來講，用於某個附著的焊料的熔點一般選得高於工藝中後續步驟中所用的焊料的熔點。
換句話說，用於第一附著步驟的焊料具有最高熔點。用於第二附著步驟的焊料的熔點低於第一步驟中所用的焊料的熔點。用於第三附著步驟的焊料的熔點低於前面兩個步驟中所用的焊料的熔點。取決於具體的實施條件，可以推算出第四或更多步驟。
如果任何步驟涉及焊料以外的熱敏黏結劑，同樣的程序也適用。就是它的熔化溫度必須是這樣，使得加熱黏結劑到它的熔點不會導致溫度超過在前面連接點測得的用於所有前面連接的材料的熔點。
對於互相之間的附著溫度雖然不見得總是，但通常都是同樣的，就是說某一步驟的附著溫度要高於後續步驟中所用的材料的附著溫度。
在某些變型中，可以在所有步驟中使用相同的材料，因此有相同的熔點和附著溫度，只要在前面連接點測得的溫度不超過熔點溫度。
值得注意的是，在某些場合，在一個步驟中的附著溫度可能高於前面步驟中的熔點。然而這不構成問題，因為通過使用密封劑或由於有關具體組件的間隔，在接觸的點上，前期焊接的組件不會達到足以產生有害作用的高溫。
一般性地描述了我們的工藝以後，要通過兩個例子來說明該工藝。在第一個例子中，建立了一個光學電子收發器模塊產品。這個產品由幾個與一個電子晶片集成的雷射器(一相A

部分B

部分C

實施例10含有維生素E的調理劑含有維生素E的調理劑包含以下成分。
A相

例2在這個例子中，使用相似的工藝來建立一個相似的收發器，所不同的是兩個光學晶片(就是雷射晶片和光檢測器晶片)共享一個公共電子晶片以及將用來將光纖對準光學器件的附加組件藉助於一個不導電的熔點溫度為230℃和凝固溫度為230℃的熱活性黏結劑的方法附著到電子晶片。結果，工藝有所改變，使得需要黏結劑的組件附著在模塊附著到印刷電路板之前進行。工藝中的步驟和所用的材料顯示在表5。
表5

工藝按照如上所述的方式進行。首先兩個光學IC連接到電子IC。其次光學電子IC用高於240℃低於280℃的溫度熔化焊料附著到封裝。然後對齊零件用230℃到240℃之間的溫度鍵合到封裝。最後封裝用180℃到230℃之間的溫度附著到印刷電路板。
眾所周知，存在著許許多多的不同的焊料，從純金到諸如銀，鉛，錫，銻，鉍，或其他金屬的合金和金屬低共熔體。表6顯示目前市售的許多焊料中的一小部分，按它們各自的熔點排列。
表6



相似的，也存在不導電的熱活性黏結劑，它們可以和根據本文講到的技術中指出的焊料一起使用。
而且，應當進一步理解到，用在某一具體步驟的材料的熔點可以高於前面步驟中所用的材料，只要前面連接點的溫度低於它的連接材料的熔點。比如說，參考上述例1，如果光學電子IC塗覆了一層在一定程度上使光學電子IC隔熱的密封劑，就有可能把溫度升高到高於把光學IC鍵合到電子IC的材料的熔點溫度，因為連接點的溫度由於密封劑的緣故不會超過熔點溫度。此外，或換一種方式，如果，要焊接的組件被間隔或隔熱屏或散熱片充分地隔開，只要前面連接點的熔點溫度沒有被超過，那個溫度可以在新連接點被超過。這樣，在例2中，如果一個隔熱屏放置在早先鍵合的組件和對齊零件之間或對齊的零件隔離開早先連接點充分遠，對齊零件連接點的局部溫度可以超過240℃，只要早先連接點的溫度不超過240℃即可。
即使限制表6的焊料的組合，大家知道各種特定的可能組合多得不勝枚舉。應當理解到，根據本文說明的技術使用不同的組合材料(比如說諸如從表6中所列的各項中選出的合適的焊料和/或這裡認定的)會直接導致根據本發明的為數不少的變型。重要的方面不是具體的材料而是用在工藝中的每一個相繼步驟的材料的熔點之間的關係。換句話說，只要焊接材料適合於具體目的和不同組件在相繼步驟中焊接，其中每個相繼連接的焊料能夠在不超過早先連接點熔點溫度的情況下被熔化，這個工藝就行得通。
最後，應當認識到上述工藝不必用於一個具體裝配件的所有組件。比如說，根據例1，光學電子收發器可以是一個裝配件的一部分，該裝配件又包括一個外殼，一個或多個風扇，連接器，電纜等等。相似的，一個具體裝配件可以由多個模快製造而成，其中的幾個是用本文所述的比如說例2中的工藝建立的，而其他模塊是用先有技術的工藝製造的，或者一個模塊是根據本工藝的一個變型(就是三個特定的材料)建立的而其他模塊是根據本工藝的另一個變型(就是至少一個材料不同於第一模塊中所用的特定的材料)建立的。
根據本發明的原理構造的光學電子模塊的兩個演示例在共同轉讓的美國設計專利申請序號No.29/144,363和29/144,365中顯示。
因此應當理解到上述說明僅是對實施例的描述。為了方便讀者，上述說明集中在所有可能實施例的能夠說明本發明的原理的代表樣本上。這個說明沒有窮舉所有可能變型的意思。一種替代實施例沒有為本發明的一個具體部分提出來，或為某個部分可能還有沒有說明的另一種替代實施例，這種情況不能被認為是對那些替代實施例的棄權。一個普通的熟練人士應該理解，許多沒有說明的實施例包含著本發明的同樣原理，而其他的實施例也是如此。
權利要求
1.一種光學晶片的封裝方法，該光學晶片和一個電子晶片混合來形成一個光學電子晶片，該方法包括提供一個一種類型的柔性電路，該柔性電路具有一個第一表面和一個和第一表面相對的第二表面，具有界定一個通過柔性電路從第一表面到第二表面的開口的壁，該開口位於平行於第一表面的平面；將一個光學電子晶片的正面鍵合到第二表面使得電子晶片定位到第一表面的第二表面一側，和所有通向或來自光學電子晶片的光信號是通過第一表面經過開口發生，因此開口允許建立到達光學電子晶片的光學接近進路，光學電子晶片的背面用以冷卻。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括將一個散熱片連接到所述光學電子晶片的背面以供冷卻。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包括在連接散熱片到晶片以供冷卻以後保持到達光學電子晶片的無阻攔的光學接近進路。
4.如權利1所述的方法，其特徵在於，所述柔性電路進一步包括一個雙面柔性電路，該雙面柔性電路在第二表面上具有用於光學電子晶片的接觸點，在第一表面上具有用於將所述柔性電路附著到另一個器件的接觸點。
6.如權利要求5所述的方法，進一步包括將用於電子晶片到柔性電路連接的寄生電容和電感減到最小。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述柔性電路包括一個摺痕，所述方法進一步包括沿該摺痕彎曲所述柔性電路。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述彎曲包括把所述柔性電路彎成一個直角彎頭。
9.一種封裝方法，包括提供一個具有一個第一側面和一個第二側面的電路板，一個在第一側面和第二側面之間延伸的開口；通過將位於光學電子晶片表面上的接觸點和位於柔性電路上的接觸點接合到一起，而不採用引線鍵合，使一個混合有光學器件的光學電子晶片安裝到電路板的第二側面，光學電子晶片是這樣安裝的，光學器件和開口對齊，使用於在一個光學器件和另一個器件之間進行光信號流通的光學器件的光學接近進路通過一個由第一側面界定的平面，而一個冷卻器件可以耦合到一個和光學器件界定的一個側面相對的光學電子晶片的一個側面上的光學電子晶片的一個表面上。
10.一種光學設備，包括一個具有一個第一側面和一個第二側面和在第一和第二側面上的電氣觸點的載體，該載體具有一個從第一側面延伸到第二側面的開口；一個包括一個混合到至少兩個有源光學器件上的電子晶片的光電子晶片，該電子晶片具有由至少兩個有源光學器件和電子晶片之間的連接點界定的第一側面和與第一側面相對的第二側面，該電子晶片還具有第一側面上的附加電氣連接區，光學電子晶片通過附加電氣連接區和載體的第二側面上的至少一些電氣接觸點之間的鍵合連接到載體，光學電子晶片還進一步被定位，以便至少兩個有源光學器件相對於開口定位，使得至少兩個光學器件中的一個和另一個光學元件之間的光耦合將通過該開口。
11.如權利要求10所述的設備，進一步包括一個耦合到電子晶片的第二側面上的散熱片。
12.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述載體是一個柔性電路。
13.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述載體是一個印刷電路板。
14.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述載體是一個具有位於第一側面和第二側面上的導電路徑的絕緣體。
15.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述載體包括一個柔性電路，並且其中柔性電路包括一個凹口，以便柔性電路彎曲成為直角形狀。
全文摘要
一種光學晶片(32)或光學晶片(32)與電子晶片(38)的封裝方法，其可用於兩個晶片之間的緊密接合。該方法減小了寄生電容和電感，同時，當把一個冷卻用的散熱片連接到電子晶片上時，仍能提供暢通無阻的光學通路。
文檔編號G02B6/36GK1639837SQ02813189
公開日2005年7月13日 申請日期2002年6月28日 優先權日2001年6月29日
發明者理察·斯泰克 申請人:美莎諾普有限公司