具有偏轉反射鏡和對準柱的光學器件封裝件的製作方法
2023-06-02 23:48:41 3
專利名稱：具有偏轉反射鏡和對準柱的光學器件封裝件的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子器件封裝技術，更具體地，涉及具有偏轉反射鏡和對準柱的光電子器件封裝技術。
背景技術：
諸如用於光收發器的雷射二極體之類的半導體光電子器件可以使用晶片加工技術有效地被製造。通常，晶片加工技術在晶片上同時形成大量的(例如幾千個)器件。然後，晶片被切割以分開單獨的晶片。同時製造大量晶片使得每個晶片的成本低廉，但是通常每個晶片必須被封裝和/或裝配到一個系統中，該系統保護晶片，並提供電接口和光接口兩者，以便晶片上的器件的使用。
因為需要將多個光學部件與半導體器件對準，所以含有光電子器件的封裝件或系統的裝配經常是高成本的。舉例來說，光收發器晶片的發送側可以包括從晶片邊緣發射光信號的法布裡泊羅雷射器。然而，光信號的所希望的路徑可能要求光從另一個方向射出，例如封裝件的正面。偏轉反射鏡可以將光信號從其原來的方向偏轉到所希望的方向。另外，可能需要透鏡或者其他的光學元件來聚焦或者改變光信號，以及改善光信號到外部光纖中的耦合。偏轉反射鏡向晶片邊緣、透鏡向偏轉反射鏡以及光纖向透鏡的對準會是耗費時間/代價高的處理。
晶片級的封裝是一種用於減小光電子器件封裝尺寸和成本的有前途的技術。利用晶片級封裝，傳統上被分別形成和固定的部件被改為製造在對應於多個封裝件的一個晶片上。得到的結構可以單獨地或者同時地被固定，並且以後可以被切割以分開單獨的封裝件。
人們在尋求能夠減小光電子組件的尺寸和/或成本的封裝技術和結構。
發明內容
按照本發明的一個方面，反射器和邊緣發射雷射器被固定到底座上。底座包括電連接到雷射器的無源或有源電部件。底座還可以包括光學元件，並且反射器被定位以將來自雷射器的光信號反射穿過底座。然後可以在底座上光信號射出的地方安裝對準柱。在套筒的一端中插入該對準柱並在套筒的相對的一端中插入容納了光纖的套管將使兩者對準，從而獲得光信號向光纖中的有效耦合。
雷射器可以受被沉積在底座上以包裹雷射器的透明密封材料所保護。或者，可以向底座固定一個頂罩以形成封閉雷射器的腔，並且可以在頂罩之中構建反射器，作為腔壁的反射部分。
本發明的一個具體實施例是一種包括底座、邊緣發射雷射器和反射器的器件。底座包括導電跡線，並且邊緣發射雷射器被電耦合到導電跡線。反射器被定位以將來自邊緣發射雷射器的光信號反射穿過底座。對準柱可以在光信號射出的地方被固定到底座上。另外，例如衍射透鏡的光學元件可以被固定在光信號的路徑中，或者沿著光信號的路徑被集成到底座中。
在本實施例的一種變化中，反射器是頂罩內壁的一個反射部分，該頂罩固定到底座上，以密閉地將雷射器密封在腔內。或者，可以對底座應用例如矽樹脂的透明密封材料，以包裹和保護雷射器。
圖1示出按照本發明實施例，在半導體光學器件的晶片級封裝處理過程中所形成的結構的一部分的橫截面，其中使用引線接合來進行電連接。
圖2示出按照本發明實施例，在半導體光學器件的晶片級封裝處理過程中所形成的結構的一部分的橫截面，其中使用倒裝晶片結構來進行電連接。
圖3A示出按照本發明實施例的用於光電子器件的底座的橫截面。
圖3B示出按照本發明實施例的在底座中包含有源電路的底座的平面圖。
圖4A和圖4B示出按照本發明另一實施例的半導體光學器件封裝件的頂罩的立體圖。
圖5示出按照本發明實施例的包含有頂罩和光學對準柱的光學器件封裝件。
圖6示出按照本發明實施例的使用密封材料和光學對準柱的光學器件封裝件。
圖7示出當與套筒和光纖連接器裝配時的圖5的光學器件封裝件。
圖8示出本發明的一個實施例，其中光學組件通過柔性電路板連接到剛性電路板。
在不同的圖形中使用相同的標號表示類似或相同的項目。
具體實施例方式
按照本發明的一個方面，邊緣發射雷射器的封裝件包括底座和反射器，該反射器將來自雷射器的光信號導向穿過底座。底座可以是半導體襯底，其包括固定到管芯上的有源或無源電路元件。對準柱可以在光信號從反射器被反射之後射出的地方被固定到底座上。反射器可以是分立的元件，或者可以是頂罩的一部分，所述頂罩固定到底座上，密閉地將雷射器密封在腔內。當反射器是分立元件的時候，可以對雷射器和底座應用透明的密封材料以保護雷射器。
用於這些封裝件的晶片級製造工藝將多個雷射器固定到底座晶片上。反射器在適當位置被固定到底座晶片上，以反射來自各自雷射器的光信號。反射器可以是分立的元件，或者可以是頂罩晶片中的腔的反射部分。對管芯(dice)的環境保護可以通過被應用以包裹雷射器的密封材料來提供，或者可以由通過向底座晶片固定頂罩晶片而形成的密閉密封腔來提供。底座晶片被切割以分開單獨的封裝件。可以在分開單獨的封裝件之前或者之後將對準柱固定到底座上，以簡化在光學子組件(OSA)中的封裝件的對準。
圖1示出按照本發明的一個實施例，在晶片級封裝工藝過程中所產生的結構100。結構100包括多個邊緣發射雷射器110。雷射器110可以採用傳統的設計，並使用本領域中所公知的技術來製造。在一個具體的實施例中，各雷射器100是在光收發器的傳送部分中使用的法布裡泊羅雷射器。
每個雷射器110都位於底座晶片120和頂罩晶片130之間所形成的腔140之一內。在圖1的實施例中，雷射器110被固定並電連接到底座晶片120上。雷射器110可以使用傳統的管芯粘接(die attach)設備被膠合或者以其他方式被固定在希望的位置。在結構100中，引線接合將雷射器110上的接合焊盤115連接到晶片120上的內部接合焊盤122上。
晶片120大部分是由矽和/或其他對來自雷射器110的光信號波長(例如，1100nm或者更長)透明的材料製成。晶片120還包括諸如將雷射器110連接到外部端子124的接合焊盤122和電跡線或過孔(沒有示出)之類電路元件。在所示的實施例中，外部端子124在底座晶片120的頂面上，但是外部端子或者也可以設置在底面上。另外，可以在晶片120中結合諸如電晶體、放大器或監測器/傳感器之類的有源器件(沒有示出)。
頂罩晶片130被製造成包括在對應於底座晶片120上的雷射器110的區域中的凹入部分或者腔140，以及在外部端子124之上的區域中的鋸槽144。晶片130可以由矽或者適於形成預期形狀的腔140的任何方便的材料製成。腔140可以以多種方式被形成，包括但不限於成形、鑄造、超聲波加工和(各向同性、各向異性或等離子體)刻蝕。
包括腔140的頂罩晶片130表面的全部或者部分是反射性的，或者塗覆以反射材料，以便在所需的位置將反射器150集成到頂罩晶片130中，以將來自雷射器110的光信號反射到希望的方向。在示例實施例中，通過沉積反射金屬形成了反射器150，但是金屬可能被限制在選定的區域中，以避免當焊料將晶片120和130接合在一起的時候的吸焊(wicking)。反射器150可以是平面的，僅將光信號反射或偏轉到希望的方向，但是如果需要，也可以是非平面的，以提供光束成形。
在示例性的實施例中，頂罩晶片130是矽的，並且對矽的各向異性刻蝕形成了在矽晶體結構的111面上具有非常光滑的平面刻面的腔140。反射器150是用諸如鈦/鉑/金的金屬疊層之類的反射材料塗覆的刻面。反射器150的優選角度是相對於晶片130的表面45°，以便反射器150將雷射器110平行於晶片120的表面所發射的光信號反射到與底座晶片120的表面垂直的方向。偏軸9.74°切割的矽晶片可以被用來獲得各反射器150的45°的角度。不過，對同軸或者以不同角度偏軸切割的矽進行刻蝕可以產生不同角度的反射器150，可以適合於許多應用。
可選地，諸如透鏡或稜鏡之類的光學元件160可以沿著來自雷射器110的光信號的路徑被固定到或者被集成到底座晶片120中。在圖1中，光學元件160是被集成到晶片120中的透鏡，用來聚焦光信號，以便更好地耦合到光纖或者在圖1中沒有示出的其他光學器件之中。題為「具有放寬的對準公差的光纖耦合器(Optical Fiber Coupler Having a RelaxedAlignment Tolerance)」美國專利申請No.10/210,598公開了當希望將光信號耦合到光纖中的時候適合於光學元件160的雙焦點衍射透鏡。
底座晶片120和頂罩晶片130被對準並接合在一起。可以使用多種晶片接合技術來固定晶片120和130，這些技術包括但不限於焊接、熱壓接合或者用粘合劑接合。在本發明的示例性實施例中，使用金/錫共晶焊料將晶片120和130彼此焊接，並密閉地密封腔140。對腔140的密閉密封保護了被封閉的雷射器110不受環境的損害。
晶片120和130被接合之後，結構100可以被切割以產生單獨的封裝件，每個封裝件包括一個被密閉地密封在腔140中的雷射器110。具體地說，鋸槽144允許頂罩晶片130沿著線136鋸開，而不損壞諸如外部端子124之類的下面的結構。在鋸開頂罩晶片130之後，可以沿著線126切割底座晶片120，以分開單獨的封裝件。
圖2示出了按照本發明另一個實施例的結構200，其使用倒裝晶片結構來將雷射器210固定到底座晶片220上。對於倒裝晶片封裝，雷射器210上的接合焊盤212被定位以接觸底座晶片220上的導電柱或凸起222。凸起222一般含有可以被回流以在物理和電氣上將雷射器210固定到晶片220上的焊料。底層填料(沒有示出)也可以被用來提高雷射器210和底座晶片220之間的機械完整性。除了用於將雷射器固定和電連接到晶片220上的方法之外，結構200基本上與上面所描述的結構100相同。
雖然圖1和圖2示出了在晶片級封裝工藝過程中所形成的結構，但是類似的技術也可以被用於單個的邊緣發射雷射器，其中，反射器將來自雷射器的光信號重定向而穿過底座。
圖3A示出了按照本發明的示例性實施例的用於光學器件封裝件的底座300的橫截面。對於晶片級封裝工藝，底座300將是底座晶片的一部分，並且僅在如上面所描述的接合底座晶片之後與其他類似的底座分開。或者，對於單個封裝件的製造，可以在光學器件晶片被固定到底座300上之前，將底座300與其他類似的底座分開。
底座300可以使用晶片處理技術來製造，例如在共同提交的題為「集成光學器件和電子學器件(Integrated Optics And Electronics)」、代理卷號為10030566-1的美國專利申請中所描述的那些技術。在所示的實施例中，底座300包括矽襯底310，其對於使用長波光的光信號是透明的。
在矽襯底310上，通過例如構建交替的多晶矽和氧化物層來獲得衍射或折射透鏡的希望的形狀或特性，以形成透鏡320。共同提交的題為「製造衍射光學元件的方法(Methods to Make Diffractive OpticalElements)」、代理卷號為10030769-1的美國專利申請描述了適於製造透鏡320的一些步驟。
在矽襯底310上形成有經平坦化的絕緣層330，以保護透鏡320，並提供在其上可以對敷金屬進行圖案化的平坦表面。在本發明的示例性實施例中，層330是大約10,000埃厚的TEOS(四乙基原矽酸鹽)層。
可以從例如10,000埃厚的TiW/AlCu/TiW疊層的金屬層圖案化得到導電跡線340。在示例性的實施例中，一種形成跡線340的處理包括將金屬蒸鍍到層330上，以及用於去除多餘金屬的剝落(lift-off)處理。可以沉積絕緣層332(例如，另一大約10,000埃厚的TEOS層)，以填埋和絕緣跡線340。絕緣層可以包括開口338，其可選擇地用金(沒有示出)覆蓋，以提供使用引線接合進行電連接的能力。以這種方式可以構建任何數量的掩埋跡線層。可以在其他絕緣層之上形成相對較硬並且抗化學腐蝕的材料的鈍化層334，例如大約4500埃厚的一層氮化矽，以保護在下面的結構。為了接合/焊接到頂罩上，在鈍化層334上形成金屬層360(例如，大約5,000埃厚的鈦/鉑/金疊層)。
上面所描述的封裝件中的底座可以結合無源或者有源線路。圖3B示出了包括襯底310的底座350的布線圖，在該襯底中和該襯底上製造有有源電路370。有源電路370可以被用於處理來自將要被固定到底座350上的一個或者多個晶片的輸入或輸出信號。襯底310是半導體襯底，在其上可以使用標準的IC工藝技術製造集成有源電路370。一旦鋪設了電路370，用於連接到光電子器件管芯和外部接合焊盤的內部焊盤或端子342，或者用於與外界連接的端子344，被形成並互相連接和/或連接到有源電路370。在圖3B所示出的實施例中，外部焊盤344提供電源、地和數據信號之類的I/O信號。
光學元件320位於襯底310的沒有電子跡線或部件的區域中，以提供光信號的反射路徑。
用於固定頂罩的焊環360形成在有源電路370和外部接合焊盤344之間。其尺寸允許使用外部接合焊盤344的獨立頂罩可以被固定到焊環360。或者，在一個頂罩晶片中製造多個頂罩的晶片級封裝工藝中，頂罩晶片可以在頂罩晶片被固定到底座晶片之前部分地被刻蝕，以容納外部焊盤344。
圖4A示出適合於固定到圖3A的底座300上的頂罩400的立體圖。頂罩400可以使用標準晶片處理技術來製造。在本發明的示例性實施例中，對矽襯底410的各向異性刻蝕形成了腔420，其在矽晶體結構的111面上具有非常光滑的刻面430。至少腔420的目標刻面430是反射性的，或者用反射材料(例如，鈦/鉑/金的金屬疊層)塗覆。這使得頂罩400的刻面430可以用作反射器。
圖4B示出按照本發明另一實施例的頂罩450的立體圖。頂罩450包括結構460，該結構由兩層構成，包括支架環(standoff ring)462和背襯板464。頂罩450的一個優點是兩個層462和464可以被不同地處理，並且/或者由不同的材料構成。具體地說，支架環462可以由矽構成，其完全被刻穿以形成具有希望角度的平面反射鏡面430的環，而背襯板464可以由例如玻璃的對較短光波長透明的材料構成。
為了使用底座300和頂罩400或450裝配光學器件封裝件，使用傳統的管芯粘接和引線接合處理，或者可替換地使用倒裝晶片封裝處理，將雷射器安裝在底座300上。與底座300上跡線340的電連接可以向雷射器提供電源，並向晶片傳輸數據信號或者傳輸來自晶片的數據信號。在雷射器被固定之後，頂罩400或450固定到底座300上。這可以在單個封裝件的級別或者如上面所描述的在晶片級別進行。密閉密封可以通過以下方法來實現在底座300或頂罩400上圖案化AuSn(或其他焊料)，使得在將晶片放到一起時，焊料回流過程形成保護所封雷射器的密閉密封。
圖5示出了按照本發明實施例的光學子組件或封裝件500。封裝件500包括邊緣發射雷射器510。雷射器510被安裝並電連接到底座520上，並被密封在腔540中，該腔當頂罩530被接合到底座520上的時候被密閉地密封。腔540示出了一種結構，其中頂罩530由矽構成，該矽具有與底部和頂部主面呈9.74°角的100面。頂罩530可以被溼法刻蝕，以便用於反射器550的表面沿著矽襯底的111面形成，並從而與頂罩530和底座520的主面呈45°角。
按照本發明的一個方面，監測器晶片515也被安裝並電連接到底座520上。監測器晶片515包含測量來自雷射器510的光信號強度的光電二極體。這使得能夠監控雷射器510中的雷射，以保證一致的輸出。
柱560向雷射器510發射的經反射器550反射之後的光信號對準。具體來說，柱560可以用環氧樹脂粘合在底座520上，使其位於光束出射的位置。柱560可以採用許多形式，包括但不限於空心圓柱體或者光學透明材料的例如圓柱體或球體的實心結構。柱560起到對準功能元件的作用，用於將連接器中的光纖對準從封裝件500中的雷射器所發出的光。
圖6示出按照本發明另一實施例的光學子組件或封裝件600。封裝件600包括如上面所描述地被連接到底座520上的晶片510和515。代替具有有著被集成的反射器的頂罩，封裝件600具有將來自雷射器510的光信號反射穿過底座520的反射器630。反射器630可以由玻璃、矽或者可以被成型並被塗覆以提供具有希望的定向的反射刻面的任何適合的材料構成。柱560在光信號從底座520射出的地方被固定到底座520上。
例如矽樹脂或者對光信號透明的其他適合的材料的密封材料640包圍並保護管芯510和515。圖6示出了密封材料640包裹晶片510和515以及反射器，但是，密封材料640的大小和形狀可以不同。通常，密封材料640應當足夠多以覆蓋晶片510和515和填充雷射器510與反射器630之間的空間，以最小化對光信號的破壞。例如除氣的傳統的技術以及密封材料640的謹慎應用可以被用於避免在傳送穿過密封材料640期間對光信號的破壞。
圖7示出含有圖5的子組件500的光學組件700。含有子組件600的光學組件可以與該結構類似。組件700包括套筒720，該套筒容納了封裝件500的柱560以及套管740中的光纖730。套管740可以是傳統的光纖連接器(沒有示出)的一部分。套筒720基本上是具有膛的中空圓柱體，該膛接納柱560和套管740兩者。因此，套筒720一端的內徑尺寸可以被製造為一定大小以接納標準光纖套管，套管可以是任何尺寸，但是直徑一般為1.25mm或者2.5mm。對於圖7的套筒720中所示的均勻的膛，柱560具有與套管740的直徑相匹配的直徑。或者，套筒720中的膛的直徑可以在每一端不同，以分別容納柱560和套管740。在另一個可替換的實施例中，套筒720和套管740的功能可以被結合在單個結構中，該結構含有與容納了柱560(例如，具有約1mm或者更大的直徑)的開口相對準的光纖(例如，具有約125μm的典型裸徑)。
柱560的頂面用作光纖限位器，控制套管740的「z」向位置，從而控制光纖730相對於雷射器510的「z」向位置。據此選擇柱560的長度來有效地將來自封裝件500的光信號耦合到抵靠著柱560的光纖中。具體地說，柱560的長度取決於可能在底座520中或者其上形成的所有聚焦元件。
柱560和套管740在套筒720中的配合限定了柱560和光纖730在「x-y」平面中的位置。通過這種方法，光纖730在x-y平面中相對於柱560被對中，從而將從雷射器510發射的光對中到光纖730上。因此，在製造封裝件500過程中對具有希望長度的柱560的正確的定位簡化了光纖730的對準，用於有效地耦合光信號。
外部端子封裝件500或600通常被連接到含有光發送器或者光收發器的其他部件的電路板上。圖8示出本發明的一個實施例，其中，在封裝件頂面上的端子連接到柔性電路810。柔性電路810通常是含有可以被焊接到封裝件500或600的外部端子的導電跡線的柔性帶或者襯底。可以形成穿過柔性電路810的孔以容納突出結構，例如封裝件500或600的頂罩530或者密封材料640。剛性電路板820通過柔性電路810和封裝件中的底座電連接到封裝件500或600中的光電子器件，在該剛性電路板上安裝了光發送器或收發器的其他部件830。在本發明的另一實施例中，如果得到的套筒720的定向對於光纖連接器來說是方便的，則封裝件500或600的外部端子可以被直接連接到剛性電路板。
本發明涉及以下共同提交的美國專利申請序列號未知，題為「Alignment Post for Optical Subassemblies Made With Cylindrical Rods，Tubes，Spheres，or Similar Features」，代理人案卷No.10030442-1；序列號未知，題為「Wafer-Level Packaging of Optoelectronic Devices」，代理人案卷No.10030489-1；序列號未知，題為「Integrated Optics andElectronics」，代理人案卷No.10030566-1；序列號未知，題為「Methodsto Make Diffractive Optical Elements」，代理人案卷No.10030769-1；序列號未知，題為「Optoelectronic Device Packaging With Hermetically SealedCavity and Integrated Optical Element」，代理人案卷No.10030386-1；序列號未知，題為「Surface Emitting Laser Package Having Integrated OpticalElement and Alignment Post」，代理人案卷No.10030807-1；序列號未知，題為「Optical Receiver Package」，代理人案卷No.10030808-1。以上專利申請通過全文引用被結合於此。
雖然已經參考特定的實施例描述了本發明，但是這些描述僅是本發明的應用的示例，並且不應被視作限定。所公開的實施例的特徵的各種改變和組合都落入如權利要求所定義的本發明的範圍之內。
權利要求
1.一種器件，包括含有導電跡線的底座；電耦合到所述導電跡線的邊緣發射雷射器；和被定位以將來自所述邊緣發射雷射器的光信號反射穿過所述底座的反射器。
2.根據權利要求1所述的器件，還包括在所述光信號從所述底座射出的位置被固定到所述底座上的對準柱。
3.根據權利要求1所述的器件，還包括在所述光信號路徑中的透鏡。
4.根據權利要求3所述的器件，其中，所述透鏡沿著所述光信號路徑被集成在所述底座中。
5.根據權利要求3所述的器件，其中，所述透鏡包括衍射光學元件。
6.根據權利要求1所述的器件，其中，所述反射器包括覆蓋於管芯上的頂罩中的腔的內壁的一部分。
7.根據權利要求6所述的器件，其中，所述頂罩固定到所述底座上，以將所述管芯密閉地密封在所述腔中。
8.根據權利要求1所述的器件，還包括被固定到底座上並包裹所述管芯的透明密封材料。
9.根據權利要求8所述的器件，其中，所述密封材料包括矽樹脂。
10.一種工藝，包括將雷射器電連接到底座上；以及在一個位置將反射器固定到所述底座上，使得來自所述雷射器的光信號能夠被反射穿過所述底座。
11.根據權利要求10所述的工藝，還包括在所述光信號射出的位置將對準柱固定到所述底座上。
12.根據權利要求10所述的工藝，還包括將所述雷射器密封在保護所述雷射器的透明材料中。
13.根據權利要求12所述的工藝，其中，所述透明材料包括矽樹脂。
14.根據權利要求10所述的工藝，其中，所述雷射器是邊緣發射雷射器。
15.根據權利要求10所述的工藝，其中，所述雷射器的電連接包括將多個雷射器連接到包括底座的底座晶片上。
16.根據權利要求15所述的工藝，還包括切割所述底座晶片以將所述底座與類似的底座分開。
全文摘要
本發明公開了一種光電子封裝件或子組件，所述光電子封裝件或子組件包括邊緣發射雷射器以及將來自雷射器的光束定向穿過底座的反射器。底座含有被電連接到雷射器的無源或有源電路元件。使用在其中集成有反射器的頂罩或者使用包裹雷射器的密封材料，雷射器可以被保護不受環境影響。其尺寸適於與套筒配合的對準柱被安裝在光信號從底座射出的位置。將對準柱插入套筒的一端，並且將光纖插入套筒的另一端使得光纖抵靠著柱，從而對準光纖以接收光信號。
文檔編號H01S5/00GK1599157SQ200410034790
公開日2005年3月23日 申請日期2004年5月17日 優先權日2003年9月19日
發明者肯德拉·蓋洛普, 布倫頓·A·鮑, 羅伯特·E·威爾遜, 詹姆斯·A·馬修斯, 克里斯多福·L·科爾曼, 丹耶·J·斯奈德, 詹姆斯·H·威廉斯 申請人:安捷倫科技有限公司