借助于通孔的光学芯片封装的制作方法

专利名称：借助于通孔的光学芯片封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学芯片，尤其是涉及光学芯片封装。
相关申请的交叉引用本申请依据USC119(e)(1)要求2001年6月29日申请的美国临时专利申请序号NO.60/312,578的优先权。
本申请也是2001年6月29日申请的共同转让的美国专利申请序号NO.09/896,189，09/897,160，09/896,983，09/897,158和09/896,665的部分的继续。
背景技术：
如本文阐明，在图中的项被指定为格式#1-#2，其中#1是指图而#2是指图中的项。比如说，9-213表示图9中的213项。
光电芯片能够提供庞大的光学带宽。然而，以光学方式发送或接收的数据需要以电气方式进出芯片。这样，电子I/O的容量必须足够大才能不产生数据流的不应有的瓶颈。给出一个单条电气线路传输速度的上限，对大容量I/O的需求通常是转变为芯片上的大量I/O键合区。然而，每个芯片放置许多电气I/O连接区的能力被尽可能紧密地放置I/O连接区的需要所抵消。
通常，光学模块(包括一个或多个光学电子芯片)的用户或装有这些模块的组件的设计者喜欢这样配置模块，使得模块安装到电路板上而电气的I/O连接区垂直于光学的连接区。这样，使电气信号转过一个90°的弯头是可取的。
而且，就光学或光学电子芯片连接到柔性电路的范围来说，按照典型的做法它们是采用引线键合技术来连接的。这种技术引入了不希望的寄生电容，其对于高频工作特别有害。
既然这些模块的目标是使数据尽可能快地进出，最重要的就是确保每个电气连接区到芯片的速度能够支持可能的最高带宽(就是数据率)。
使用了柔性电路来产生90°电气转弯使得电气进入通道垂直于光学接近进路本身，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。这个参考文献说明一个把电缆焊接到光学芯片的背面做90°转弯的方法。图1所示为使用先有技术的方法产生的芯片。图中显示了一个检波器1-2，一个柔性芯片1-4，一个模块基板1-6和一个MUX芯片1-10。
然而，这个方法也受上述同样问题的困扰，如图1中看出，就是提供光学接近进路阻止了冷却装置的进入通道。
最近的试验按照同样的基本思路，但是用引线键合技术把电子芯片电气连接到柔性电路，如Agilent Technologies PONI-1 POSA封装，或用其他边缘连接金属化连接区，比如，梁式引线。
然而所有上述方法都用了一个单边进入通道柔性电路。
此外，因为先有技术中采用了引线键合，采用引线键合限制了电子芯片和柔性电路之间可能的电气连接区的数目(因为引线键合需要的电气附着面积大于使用倒装片连接技术时相应数目连接区的面积)。引线键合或其他从芯片引伸的金属连接区也具有大电容和电感，它们限制了芯片外连接的速度，也增加了相邻电气通道之间的电气串话和噪声。
图2显示了一个光学器件可以放置在电子芯片顶部的柔性电路布置的例子。但是该配置仍然受到电子芯片外接引线的限制，仍然阻止到达无源面进行冷却的进入通道。在图2中显示一个任选的辅助芯片2-12，一个连到芯片的柔性连接2-14，一个电子芯片2-16和一个光学器件2-20。
目前，没有办法封装一个光学芯片或带电子芯片的光学芯片(就是产生一个光学电子芯片)可以使得这两者之间密切连接，减少寄生电容和电感，在允许连接散热片到芯片进行冷却的同时提供畅通的光学接近进路。

发明内容
本发明包括一个把电气连接区和光学芯片或光学电子芯片集成到一起的方法。
本方法不需要芯片外的电子接线或电气导线定向连接的方法。请注意，图2的先有技术的柔性电路出现在电子芯片的右侧。因此，有效附着一块帮助电子芯片冷却的散热片如果可能，但也很困难，因为它不可能放置在芯片的正面而不阻挡光学接近进路，而它又不可能放置在电子芯片的背面(在图2的芯片的右侧)因为柔性电路在阻挡着。
根据本发明可获得的一个优势在于这个方法允许向密集的光电子芯片建立高密度，高速度的电气连接区，同时允许通向这些芯片的光学接近。
其他可以得到的优势是提供上述高速连接的同时仍然考虑到边缘安装光学组件的方便的光学接近进路。
有利的是，因为光学组件业界正趋向于用(或已经使用)柔性电路来把光学模块连接到电路插件板，我们的技术不“逆潮流”而动而是随着潮流以便为广大用户所接受。
此外，本技术提供了多层排的形式把电子I/O键合区集成到光学电子芯片上的能力。还有，本技术允许多层排键合区甚至离开光学芯片或光学电子芯片的边缘。
还有，本技术把电路到芯片的柔性连接上的寄生电容和电感降低到最小。
此外，在柔性电路背面放置光学芯片或光学电子芯片的技术考虑到散热片的方便的进入通道而不阻挡或干扰光学路径，不管芯片是否包括顶面有源器件还是背面(也称底面)有源器件(也称底面有源器件)。
本文所说的优势和特点只是可从代表性的实施例中得到的许多优势和特点中的少许一部分，而且仅用来帮助理解本发明的。应该理解它们不能被认为是对由权利要求界定的本发明的限定范围，或对权利要求的等效物的限定范围。举例来说，这些优势中的某些是互相矛盾的，因此它们不能同时出现在单个实施例中。相似地，某些优势适用于本发明的一个实施例，而不适用于其他实施例。这样，本特点和优势的摘要不应被认为在确定等效性方面是否定性的。本发明的另外的特点和优势将在下面的说明，从附图和权利要求中变得更加明显。


图1显示根据先有技术方法的一个芯片和柔性电路；图2显示先有技术的柔性电路布置的一个例子；图3显示根据本发明的双面柔性电路例子的透视图；图4显示根据本发明原理的另一个实施例；图5A显示根据本发明中所用的带有通孔的双面柔性电路例子的一个顶视图；图5B显示图5A柔性电路的侧视图；图5C显示图5A柔性电路的一个替代变型的侧视图；图6用来说明先有技术使用的附着多个底面发射器件来形成一个集成光电芯片的方法；图7用来说明先有技术使用的附着多个底面发射器件来形成一个集成光电芯片的方法；图8用来显示一个带有放置在其厂家规定的位置的接触点键合区的单个光学器件和带有放置在其厂家规定的位置的接触点键合区的电子晶片的一部分；图9用来显示一个带有放置在其厂家规定的位置的接触点键合区的单个光学器件和带有放置在其厂家规定的位置的但每一个都未对准的接触点键合区的电子晶片的一部分；图10用简化的高层俯视方式来说明根据本发明的原理的方法的一个例子；图11和图12用来说明几个不同的接近进路的变型例子；图13用来说明光纤由衬衬底支撑的光学阵列；图14用来说明容纳了一个微透镜阵列的光学阵列；图15用来说明根据上述技术来产生光电芯片变型的工艺的一个例子；图16用来说明根据上述技术来产生光电芯片变型的工艺的一个例子；图17用来说明根据上述技术来产生光电芯片变型的工艺的一个例子；图18用来说明根据上述技术来产生光电芯片变型的工艺的一个例子；图19用来说明以相似于图15-17的方式来产生的另一个光学电子器件；图20用来说明可用于底面有源器件的工艺；图21A用来说明可用于顶面有源器件的工艺；图21B用来说明接触点孔被涂覆，但是没有填充，而能够帮助对准的工艺；图21C显示一个其接触点由于衬底上形成电迹线的图形而重定路线来匹配其他芯片上的接触点的光学芯片；图21D显示光学芯片上一个由于衬底上形成电迹线的图形而重定路线来匹配其他芯片上的接触点的接触点；图22用来说明除了不用一个载体之外相似于图31A所示的工艺；图23用来说明用于连接不同器件的连接器芯片或适配器芯片；图24用来说明可适用于顶面有源器件的连接器芯片或适配器芯片的又一个变型的另一个替代实施例；图25A用来说明使用根据本发明的一个技术的两个或多个器件的堆叠；图25B用来说明使用根据本发明的一个技术的堆叠在一个激光器顶部的调制器；图26用来说明使用根据本发明的一个技术产生的例如100个激光器的阵列；图27用来说明使用根据本发明的一个技术来产生一个DWDM应用的阵列的步骤；
图28用来从一个顶视图说明图27的工艺；图29是一个根据本发明的工艺的流程图；图30显示根据图29的工艺的被焊接在一起的不同的组件；图31是一个根据本发明的另一个工艺的流程图；图32A-32D显示根据本文说明的原理的根据本发明构造的装配件例子。
具体实施例方式
总起来说，通过让柔性电路有一个在其中的通孔，和比如说使用倒装片键合技术把光学芯片或光学电子芯片键合到柔性电路的背面，就产生了一个可以有在背面连接到光学芯片或光学电子芯片的接触点和在正面连接到印刷电路板(PCB)的接触点的双面柔性电路。根据本发明的这样一个双面柔性电路3-30的一个例子以透视方式显示在图3中。通孔允许光线接近光学芯片或光学电子芯片，而把那个芯片放置在柔性电路的背面，考虑到与芯片的良好热接触便于冷却。而且，这种放置方式在达到上述效果的同时准备好大量通过柔性电路连接到光学芯片或光学电子芯片的连接区。
有利的是，本技术不管光学器件是顶面有源还是背面(底面)有源，只要光线的发射方向(或者在光检测器的场合是接收方向)是离开光学器件所混合的电子芯片的，都能工作。此外，本技术也可以用在有某个元件处于光学器件和开口之间的场合，设置成这个元件对有源器件所工作的光波长是光学透明的。
本发明解决问题的方法是例如利用于2001年6月29日申请的标题为“光电子器件的集成”的共同转让的美国专利申请序号No.09/896,189，09/897,160，09/896,983和09/897,158中说明的一个技术，通过混合工艺把光学器件放置在电子芯片的顶端，(其详细说明记载在下面同一标题的章节中)和把电子芯片直接键合到在其中包含一个切口以允许光学器件的光学接近的电路插件板，同时提供进入电子芯片的冷却通道。根据具体情况，这里所说的键合可以用传统方法或根据2001年6月29日申请的标题为“多器件工艺和产品的相继集成”的美国专利申请序号No.09/897,665中说明的技术来进行(其详细说明记载在下面同一标题的章节中)。
结果，信号能够从芯片通过一个双面接近电路插件板被引出到可用于将模块附着到印刷电路板的一组传统的电气I/O键合区。由于直接集成，和引线或采用其他电气附着机制有关的性能和成本方面的限制就会减少或全部消除。
图4显示根据本发明原理的另一个实施例。如图4所示，工艺随着产生或获得一个如本文所述的附着有光学器件的电子芯片开始。图4所示是一个光学器件4-32，一个球形网格阵列(BGA)连接器4-33，一个光学接近进路4-34，一个柔性电路的开口4-36，一个电子芯片4-38，一个任选的辅助芯片4-39和一个电气接近通道4-40。
换一种方式，或另外，光学和电子器件之间的电气连接区可以这样来做诸如采用在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“本征半导体中的红外焦面”中记载的薄梁式引线，或正面或背面发射器件的压缩或再流焊接方法。光学器件放置在电子芯片上，使得器件的光学接近进路(就是光线的进出)通过光学器件和电子芯片相对的侧面而得到。
所用的有电迹线的柔性电路是多层的，和/或包括嵌入式引线来把电信号从电子芯片沿着柔性片取出到一个可以通过工业标准技术被附着到传统电路板的连接区，比如说一个球形网格阵列(BGA)上。一个柔性电路5-42被沿着横跨柔性电路5-40的线5-42或5-44刻槽或压缩，诸如图5A的顶视图和图5B所示或在图5C中另一个变型(都是侧视图)中所示。刻槽和压缩的目的是确保弯头落在从柔性电路到柔性电路的一致位置，所用的具体刻槽和压缩方法与本发明无关，只要不损坏连接区和通过它的引线的目的达到就行。
柔性电路沿着刻槽和压缩被弯曲，使得在释放时，或连接到其他组件时，它包括一个直角弯头(就是柔性电路的一部分和柔性电路的其他部分成90°相交)如图3和4所示。
一般地，电子芯片到柔性电路的倒装片连接阻止了到光学器件的光学接近进路，而通过和有源面相对的侧面的安装造成了芯片的冷却问题。
有利的是，由于在柔性电路设计中包含了一个开口5-46，光学接近进路和冷却问题可以不和其他方面发生干扰地得到解决。
此外，从本文叙述的技术得到的还有一个优势是柔性电路容易构成，使得额外的辅助芯片也可以附着到柔性电路的背面，如图4所示。换句话说，这个布置创建了一个双面可达的柔性电路，使得在双面上都可以设置连接区。这使得各个零部件之间的距离保持得尽可能短，因此可以达到最高速度。
在另一个变型中，可以省去90°弯头和/或柔性电路被弯曲的能力。作为替代，可以采用任何传统的以90°角度连接两个电路板的技术，用一个单个垂直载体或支持器比如说具有合适连接器和通孔的印刷电路插件板，并且把它构造成“插入”或附着到分离的水平插件板来造成90°转弯。
在又一个变型中，可以用一个垂直插件板和一个柔性电路的组合，其中一个水平，另一个垂直。
在又一个变型中，可以用两个分离的插件板加一个第三组件，比如说一个通用连接块，来建立两个之间的直角关系。
使用两个(或多个)零部件的方法的潜在缺点是每个分离的连接区增加寄生电容和电感，在某种场合寄生电容和电感达到不能接受的程度。
在又一个变型中，柔性电路被例如一个在一面或两面具有导电电迹线和接触点的绝缘器，一个印刷电路板，一个多重引线电路板或一个多层电路板所代替。
如将叙述清楚的那样，本技术不受先有技术中问题的困扰，因为通孔允许保持光学接近进路，同时提供到芯片的无源面的方便的进入通道以便散热。
在摘要纵览中，我们使用了其中设置有通孔的柔性电路，并用倒装片技术把光学芯片或光学电子芯片键合到柔性电路的背面。结果是成为一块在背面具有通向光学芯片或光学电子芯片的接触点和在正面具有把柔性电路附着到其他元件如印刷电路板的接触点的双面柔性电路。穿透柔性板的孔允许光学接近，同时将光学芯片或光学电子芯片放置在柔性电路的背面允许与光学芯片或光学电子芯片有良好的热接触以便冷却，两者都使得IC和柔性电路之间有大量的连接区。
这样，本方法提供了多于使用先有技术在同样面积内能获得的电子I/O键合区数目的接近通道。它提供了把电子I/O键合区集成到多层排的光学芯片或光学电子芯片上甚至离开芯片边缘的能力。它将电子芯片到柔性电路连接的寄生电容和电感减小到最小程度。最后，把电子芯片放置在柔性电路的背面可以获得方便的散热通道。
光学电子器件集成图6和7说明了用在先有技术中附着多底层发射(或检测)(也称作“背面发射(或检测)”)器件来形成一个集成光电芯片的方法。
根据图6的方法，像多重检测器(这里可交换地称为光检测器)形成在它们自己的或与激光器共用的晶片衬底上一样，多重激光器是以传统方式形成在晶片衬底6-102上的。典型的做法是，最接近光学器件6-106，6-108和衬底6-102之间的连接的衬底6-102的部分6-104是由对光学器件所工作的波长光学透明的材料组成的。于是，采用诸如湿或干蚀刻的传统技术对器件6-106，6-108进行加工以形成器件6-106，6-108之间的沟槽6-112来把它们分割成一系列分离的单个激光器6-106或检测器6-108器件。取决于所用的具体技术，蚀刻的沟槽可以在到达衬底6-102之前停止，或部分延伸到衬底6-102之内。蚀刻以后，衬底6-102和与它们结合在一起的器件被翻转过来，对齐到硅(Si)电子晶片6-114上的正确位置，并用传统的倒装片键合技术键合到硅电子晶片6-114上。键合以后，整个衬底6-102用传统的机械抛光法，传统的蚀刻技术或它们的组合减得非常薄，达到大约5μm或更小的数量级，造成到该器件的紧密的光学接近，并产生一个集成电光晶片6-116。
作为一种选择，集成光电晶片6-116用传统技术形成图案来保护各个激光器，而各个检测器用防反射(AR)涂层6-118加以涂覆。
图7所示为和图6技术相关的另一种方法。在这个方法中，激光器和检测器按照上述方法形成。然而，在使用图7的技术时，沟槽7-112是蚀刻到衬底7-102中去的。然后衬底7-102和与它们结合在一起的器件被翻转过来，对齐到硅(Si)电子晶片7-114上的正确位置，并用传统的倒装片键合技术键合到硅电子晶片7-114上。键合以后，然后衬底7-102用传统的机械抛光法，传统的蚀刻技术或它们的组合整个地除去，造成到该器件的紧密的光学接近，并产生了一个集成电光晶片7-116。
作为一种选择，然后集成电光晶片7-116被形成图案来保护各个激光器，而各个检测器用防反射(AR)涂层6-118加以涂覆。
图6和图7中的技术可以使光纤或光学透镜足够接近该器件来捕获合适的光而不允许光进出邻近器件以影响任何那些邻近器件，发生称为串话的问题。通常，这需要器件和光纤或光学微透镜之间的间隔距离小于100μm。
另外，两个技术都能够保证器件的有源区域上没有阻止光线逃逸的明显的吸收层，因为图6的减薄技术将整个衬底6-102的厚度减少到大约5μm或以下，而图7中的方法完全去除了衬底7-102，留下了多重完全独立的光学器件。
然而，这两个技术制备的光学电子芯片都有使用中的散热问题，使得各个器件对制造过程中产生的热和机械应力更加敏感，因此减少了各个器件的使用寿命，从而减少了产量和整个芯片的寿命。
而且，对于图6(其中衬底非常薄)和图7(其中衬底完全去除)的方法，器件所受的应力主要转移到器件的结构上最弱部分的非常薄的光学器件层。
这样，有必要创造一种对于生产过程和/或使用过程中产生的热和/或结构应力不太敏感的集成光电子芯片。
此外，光电子器件厂家有两个来源获得光学和电子晶片—他们可以自己制造任何一种或两种，或者他们可以从第三方获得一种或两种。由于同时制造光学器件(为了简单起见可交换地称之为“光学芯片”)和电子晶片(为了简单起见可交换地称之为“电子芯片”)，厂家可以采取措施，当光学芯片处于电子芯片的上面时，确保每个晶片上的键合区正确放置而使其互相对齐。然而，即使它们在同一个组织内设计和制造，通常电子芯片和光学芯片也不是同时设计的。这样，即使在同一个厂家内，除非组织内有关光学芯片和电子芯片的设计是密切协调的，否则很容易发生每个芯片上键合区之间不对应的现象，尤其是其中一个或两个在设计时就计划是要销售给第三方或用来自其他厂商来源的器件集成的情况就更是如此。而且，任何设计中的后续的改进或改变都必须更改触点键合区的位置，从而在先前不存在不对准的地方也会引入键合区的不对准。
更有甚者，如果电子芯片设计来和各种不同的光学芯片一起使用，但是光学芯片是来自第三方的商品库存(例如，芯片包括大量生产来分配给众多不相关的用户的顶面发射垂直腔激光器，底面发射垂直腔激光器，分布式反馈(DFB)或分布式布拉格反射器(DBR)激光器(它们每个都有适合于长距离应用的较好的线性调频脉冲和谱线宽度特性)，顶面接收检测器或底面接收检测器)，顶面接收探测器或底面探测接收器，即使它们在其他方面兼容于电子芯片，光学器件上的键合区也不大可能全部位于相同的位置。
举例来说，如图8所示，一个单个光学器件9-300的接触点键合区9-302，9-304放置在其厂商规定的位置上。电子晶片9-306的一部分的一个光学器件能够连接到其上的接触点键合区9-308，9-310也放置在其厂商规定的位置上。如果光学器件翻转过来以倒装片键合的方式和电子晶片键合，每个晶片的接触点键合区9-302，9-304，9-308，9-310都会不对齐，如图9所示。
这就在其中产生了一个问题，就是它限制了“混合和匹配”器件的能力。而且，如果设计时考虑到与一个具体的其他芯片相连接，而后续事件有需要使用带有不同的接触点位置的不同的器件，那么为原来器件所做的所有计划和协调都将不能用于新器件。
这样，对生产工艺又有进一步的需要来增进对任何芯片的设计者之间尚没有任何协调的器件的混合和匹配能力，或易于使用标准或通用的接触点放置方案。
此外，在某些情况下，用防反射涂层涂覆某些器件，特别是检测器有时是合乎需要的。
防反射涂层防止光线射到检测器器件的顶部而由于折射率不同在检测器和空气的界面被反射。这对于检测器是重要的，因为反射光是不能进入检测器本身的光，因此不能被转换到电信号(就是说从系统的观点看来，它是“丢失的光”)。这样，防反射涂层优化了检测器的收集效率，因为它防止了光在那个界面的反射。
然而激光器需要一个反射率非常高的顶部镜子进行工作。激光器上的防反射涂层改变了顶部镜子的反射率。结果，如果不是使它全部丧失发射激光作用的话，至少也会对激光器的发射激光作用产生有害影响。
如果在晶片的阵列中既有激光器又有检测器，为了只对检测器进行防反射涂覆，在进行防反射涂覆淀积阶段时就需要传统智慧来进行晶片的特殊图形设计以保护激光器，确保这些激光器不被反射涂层覆盖。
对晶片上各种不同的器件的保护和完全不同的处理需要额外的工艺步骤，这些步骤既费时又因此而增加了工艺成本，也引进了损坏受保护器件的可能性，最后，迫使电接触点键合区不得不也被保护起来。
此外，在工艺过程必须对在相同区域内具有电气接触点键合区的芯片上进行时，器件的各不相同的处理也会产生其他的工艺问题。举例来说，如果一个芯片具有靠近器件的电气触点，而电镀，化学镀，热蒸发，电子束蒸发或溅射技术被用来将焊料放置在接触点键合区上，所造成的焊料堆高度使形成保护激光器不受防反射涂覆区域的图形变得困难了，因为焊料堆远高于光学器件。
当使整个晶片(就是激光器和检测器)被防反射涂覆时，先有技术无法消除在激光器上形成一个保护层图形的需要。
这样，就又需要一个方法在一个电子芯片上集成多种类型的器件，使得诸如防反射涂覆等的任何附加工艺步骤可以一次在整个晶片上完成而无需集成之后的特殊的图形形成步骤。
我们创建的光学电子芯片中的某些变型提供了以下优势中的一个或多个允许使用较低的工作电流，由此减少了功耗和热量的产生；提供较好的所产生热量的散发，允许激光器运行在较低温状态因此增加了它们的使用寿命和/或提供了较好的波长控制；和/或具有较高的结构完整性从而导致较少的缺陷和延长器件的寿命。
我们还设计出一种方法集成光学芯片和电子芯片来产生一个集成的光电子器件，不用考虑其组成器件是否是在协调方式下制造或具有一致匹配的电气接触点。
我们还设计出一种方法来产生一种集成光学电子器件，允许具有各不相同的器件的整个晶片被防反射涂覆而无需特殊工艺来保护激光器或使其发射激光能力不受影响。
在光学器件密切地和电子芯片集成时，四个性质对建立可靠的集成光学器件是合乎需要的。
第一，必须是能够使得光纤或光学透镜足够接近以捕获光而不产生串话。第二，器件的有源部分上面必须没有会阻止光线进出这个特定器件的吸收层。第三，应该有足够大的散热区附着到器件上来进行有效的散热。第四，在工艺过程中应该保持器件的结构完整性，使得器件经受的应力和张力不影响器件的性能。
如上所述，图6和图7的方法能够满足最先的两个性质，然而，它们都不能满足第三和第四性质，因为没有一个方法能够导致附着到器件的大散热区(就是器件的衬底)或减少器件的应力。
虽然发明的申请者没有意识到存在于先有技术中的任何这样的情况，或者已经意识到了，图6的方法有可能由于在器件上留一层较厚的衬底而满足第四性质。然而这仅仅在这个具体器件的工作波长是非常透明于器件先前工作的波长时才有可能实现。而且，对于许多场合，如果不是破坏，这也将会减少满足第一性质的能力，并且很有可能也损害激光器件的工作，除非激光被重新设计成发射到比如说半导体材料而不是设计成发射到空气中。此外，如果留下了较厚的衬底，就必须对结构进行防反射涂覆来防止光线反馈到激光器中。此外，这样一个方法也很可能排除了使用市面上出售的预制半导体光学器件，诸如大多数第三方提供的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，分布式反馈(DFB)激光器或分布式布拉格反射器(DBR)激光器。
总之，我们已经策划出一种方法把光学器件和电子芯片紧密地集成在一起来产生一个能够满足全部4个性质的光学电子芯片。而且如果有必要时我们能够使用从第三方获得的器件来做到这一点。还有，我们在生产低成本，高产量和长使用寿命方面比先有技术有优势。
图10用简化的高层俯视形式显示一个根据本发明的学说的示范方法。这个方法克服了先有技术的缺点，允许有紧密的光学接近进路，去除了吸收区域，提供了较高的结构完整性，和具有较好的散热特性。
在图10的方法中，用传统技术制备或从合格的第三方购买得到一个激光器晶片10-502(由激光器和衬底10-102集成而得)和一个检测器晶片10-504(由检测器和衬底10-102集成而得)。或者，可以制备或购买一个激光器和检测器两者例如以某种替代图形或其他分组形式和公共衬底集成在一起的混合晶片。
沟槽10-506被蚀刻出来使得晶片加工成分离器件(蚀刻到衬底内)，或者，在某些情况下，比如说，如标题为冗余器件阵列的与本发明一起申请的共同转让申请(该申请通过引用而结合在本文中)中所示的，在一些地方蚀刻到衬底内而在其他地方在蚀刻到衬底之前就停止蚀刻，因此而加工适合的器件组。
或者，因为本发明不是产生光学芯片本身(就是说，产生晶片，生长器件，或蚀刻出分立器件)，如果光学器件是购买而不是制备而得，上述内容可以完全跳过。
光学器件晶片于是被翻转和对齐到电子晶片508上面，并用传统的倒装片键合技术或能够以适当和可靠的方式完成将光学晶片键合到电子晶片上去的其他适当的专用技术键合到电子芯片10-508上。
或者，并且在某些情况下是有利的，如下面马上要说明的，对衬底10-102的进一步处理既可以在将光学晶片键合到电子晶片之前，也可以在键合之后进行，只要它在将器件放在超过由如果以后会发生的器件工作导致的工作温度的极限的条件下循环之前做好就可以。这样的处理对于上述图6和7中的先有技术是不适用的，因为如果使用了这样的方法，就会由于衬底完全去除而需要个别键合每个分离的器件导致器件的生产成本大大增加，或由于衬底非常薄时出现应力和/或张力问题导致产量大大下降。
取决于所用的具体晶片和光学器件，可以有不同的工艺变型。
在第一个变型中，衬底减薄到超过50μm的厚度，通常是在紧密光学接近进路需要的约50μm到约100μm之间的厚度。
在第二个变型中，衬底减薄到处于约100μm和约为对应于晶片的光学器件部分的厚度之间的厚度。
在第三个变型中，衬底减薄到处于约20μm和约50μm之间的厚度。
在第四个变型中，因为其中衬底的厚度大约等于晶片的光学器件部分的厚度，因此不需要减薄。
在第五个变型中，衬底减薄到大约等于晶片的光学器件部分的厚度。
从下面的叙述可清楚地看到，根据本发明，例如在构造光学接近进路时使光纤或微透镜以和器件隔离的间隙处在紧密光学接近范围内的方式插入光学接近进路，整个衬底的厚度也可以保持在比这样的紧密光学接近进路所必须的厚度更厚。然而，这不能认为是典型的做法。
光学接近进路10-510以沟槽或孔的形式例如用传统的蚀刻和钻孔技术被蚀刻或钻在光被发射和检测的光学器件部分上面的衬底上，最好同时留下一些完整的衬底。取决于具体的衬底和器件，可以使用不同的技术包括激光钻孔，蚀刻或其某些组合。此外，取决于所用的具体技术，光学接近进路可以有直侧壁，斜侧壁或其某种组合。
举例来说，为了产生一个最初在衬底外表面附近具有直侧壁而在衬底会合器件的地方具有斜侧壁的光学接近进路，在一个具有混合到一个ASIC(集体地称为“样本”)中的砷化铝镓阻挡层的砷化镓衬底中(支撑诸如VCSEL和/或光检测器(这里也可交换地称为检测器)的光学器件)，可以使用下列方法首先，在衬底上形成光学接近进路10-510的光致抗蚀剂图形。
于是，样本被置入到一个13.56MHz平行板离子蚀刻机(RIE)，并在引入进动气体之前抽真空到低于大约3×10-5Torr的压力来减少或消除残留的水。一旦达到这个基础压力，蚀刻的第一部分就以如表1所示的工艺条件开始。
表1

这产生了一个从衬底表面延伸到衬底内部向着器件的方向一个距离的直侧壁。
这个工艺条件被优化到产生光学接近进路10-510具有斜侧壁的部分，砷化镓到铝砷化镓有几乎无限的选择性而损伤器件程度最小。优化所产生的工艺条件如表2所示。
表2

于是这个工艺条件被优化到从铝砷化镓阻挡层吸收残留的氯。这是为了防止样本从处理室卸载后再生成氯化氢(就是进行湿蚀刻)。这部分工艺的工艺条件列出在表3中。
表3

在最简单的情况下，光学接近进路做得尽可能小，使得在器件上留下最大数量的衬底。剩下的衬底提供了一个刚性的框架来防止分离的器件比如说在附着到电子晶片上时遭受应力。然而，取决于具体的器件和所用的衬底，比如说在建立光学接近进路时，或者比如说在附着到电子晶片后通过在衬底的某个地方形成蚀刻图形，还可以进一步进行额外的除去衬底。
然而应当指出，如果额外的除去衬底不是正确地计划好，随着更多的衬底被除去，散热优势要减少或甚至消失。而且，取决于额外的除去衬底的数量和地方，抵抗应力和张力的能力也可能被削弱。然而，可以理解的是，在某种场合，通过选择性地除去衬底，因为衬底的总表面面积增加而没有过多牺牲，如果有牺牲的话，结构优势，散热性能还可以改善。这样，应当理解到除去衬底的重要方面是把足够的衬底留在器件上来确保达到合乎需要的的散热和结构特性。
而且，取决于所用的具体技术，进行设置光学接近进路的有利时机在某些场合可以在键合进行之前或之后，比如说，在蚀刻分离各个器件的沟槽的工序之前，之后或之中。
作为一种选择，如有需要，防反射涂层可以涂覆到检测器上。
取决于紧前述3种变型中的哪一种被使用，可以发生不同的处理过程。图11和12显示几个不同的光学接近进路径变型。举例来说，如果使用第一个变型，光学接近进路可以完全穿透衬底(如图11a，11b，12a，12c，12e所示)。或者，它们可以从衬底的外表面延伸到一个深度，使得直接留在光被发射或检测的光学器件部分上面的衬底减少但不完全除去，例如，如图11c，11d，12b，12d，12f所示。一般来讲，直接留在光线被发射或检测的光学器件部分上面的衬底将减少到大约100μm或以下的厚度来确保到器件的紧密光学接近。在其他场合，厚度可以减少到50μm或以下，在某些场合，厚度可以减少到20μm或以下，虽然通常厚度是在约20μm到50μm的范围。
此外，取决于所建立的具体光学接近进路，光学接近进路可以进一步有利地被用来容纳一个如图11a，11c，12b所示的光纤，或如图11b，11d，12a，12c所示的微透镜。
这样，由于使用了上述方法中的一个方法，可以建立起其中光纤的端部由衬底支撑的光学阵列，可以建立起容纳一个或多个由衬底支撑的个别放置的微透镜的光学阵列(如图11b，11d，12a，12c，12e所示)，或可以建立起容纳一个微透镜阵列的光学阵列。
如上所述，衬底也可以通过形成图形来粗糙化其表面和增加其暴露表面积以便更好地散热。
值得称道的是，由于使用了这里说明的技术，就是留下被附着的衬底，应力首先不会传播到光学器件，而反过来是被连接介质或电子芯片吸收，这两者都是能够较好地承受这样的应力的。
图15-18每个都是产生根据上述技术的电子光学芯片变型的工艺的示范图例。
图15a是一个激光器件阵列一部分的单底部表面发射激光器件15-1002的简化视图，(阵列的其余部分没有显示)。
器件15-1002被隔离沟15-1004从它的邻近器件隔离开并且被支撑在合适材料，比如说，硅，硅-锗，砷化镓，或磷酸铟制成的衬底15-1006上。虽然用作衬底的具体材料很可能取决于与本发明无关的因素，值得指出的是，热因素造成的应力可以由把光学器件衬底的膨胀系数和电子晶片的膨胀系数尽可能匹配得接近而减少。理想情况是，这两者应该是同一种材料，使得两者的膨胀系数相同。
用于激光器激励和控制的电气接触点15-1008，15-1010每个都安装在一个支撑用的基座15-1012，15-1014上。每个电气接触点的一端15-1016，15-1018用作激光器件的一个电极而其另一端是一个其上淀积诸如焊料一类的导电材料15-1024的键合区15-1020，15-1022，用于将器件15-1002键合到一个电子晶片上去。
图15b显示了激光器阵列已经翻转和定位到一个电子晶片15-1030的对应的键合区15-1026，15-1028上面以后的图15a的激光器件15-1002。
图15c显示了已经通过各自的键合区15-1020，15-1022，15-1026，15-1028之间的焊料键15-1032附着到电子晶片15-1030上去的激光器件15-1002。
图15d显示了衬底15-1006已经被减薄到大约20μm到50μm之间的厚度的激光器件。
图15e显示了光学接近进路15-1034已经在本情况下通过蚀刻而不是钻孔被建立在衬底15-1006上以后的器件。注意在这个例子中，光学接近进路从衬底15-1036的表面延伸到器件的覆盖层15-1038。
图15f显示了一个选项的诸如固化以后具有良好导热性的低黏度(所以它流动性好便于覆盖)的热环氧树脂之类的导热材料已经施加到器件上以后的图15e的器件。
虽然上述图示内容涉及一个激光器件，对于检测器类型的器件其工艺也是相同的，除了检测器器件也可以进行防反射涂覆这一点以外。
图16a-16f显示了采用除了这个激光器用器件的半导体材料作为基座16-1102，16-1104以外与图15a-15f中所示的方式相似的方式建立的另一个光学电子器件。
图17a-17f显示了一个用相似于前面的器件的方式建立的另一个光学电子器件。如图所示，这个器件属于一种该器件的半导体材料不用于做基座的类型。另外，这个光学电子器件的激光器被分组，使得它们可以在冗余模式下使用。建立具有冗余激光器的阵列在标题为冗余光学器件阵列的共同转让的美国专利申请中叙述。具体来讲，图18显示了在阵列中的两个相邻的激光器，其中除了建立光学接近进路18-1034之外，分组沟18-1302，18-1304用已知的蚀刻技术蚀刻在剩余的衬底18-1006上，达到把分组沟18-1302，18-1304与一些隔离沟18-1004相连接的深度。正像标题为冗余光学器件阵列的共同转让的美国专利申请中说明的那样，在这种方式下，两个或更多的激光器可以布置成共享一个公共光纤而其中一个或多个作为备份激光器。
以这种方式分组激光器的一个优势是单个晶片的产量提高了，因为比如说对于一对成组的激光器，如果一个激光器损坏了，另一个可以代替它工作。这样做的另一个可能的优势是光学电子器件的使用寿命的增加。举例来说，当一对中的一个激光器最终寿命终止时，如果激光器是由外部独立可选择的，可以选择第二个激光器来代替坏的在线工作。
还有一个可得到的优势是减低了达到紧前面叙述的一个或两个优势的成本。因为增加一片晶片上激光器数量的成本增量是微不足道的，提高产量和/或可靠性/延长寿命实际上是免费的。
图18也显示了使用图8a-8f的技术产生的示范阵列18-1306的功能演示图。阵列18-1306是从器件的顶端表示的，使得每个激光器上的光学接近进路18-1034和剩余衬底18-1006清晰可见。如图18所示，激光器4个成为一组，一个组18-1308被分组沟18-1302，18-1304所界定，后者确保在激光器组18-1308中相邻的激光器之间没有通过导电衬底18-1006的电流路径。为了图示的目的，显示了某些隔离沟18-1004，虽然实际上从这个观察角度是看不到任何隔离沟的。
图19a-19f显示了用相似于图15到17的方式建立的另一个光学电子器件。如图所示，这个器件属于一种该器件的半导体材料是用于做基座19-1402，19-1404的类型。另外，这个光学电子器件的激光器除了成对以外也是以图17和18的方式分组的(其中一个没有显示)，这可以从分组沟明显地看出。
如上面指出的那样，上述类型的光学电子器件的厂家有两个渠道获得光学器件——他们可以自己制备，或者他们可以从第三方购得。由于制备光学器件(下文简称为“光学芯片”)和电子晶片(下文简称为“电子芯片”)，厂家可以采取措施确保每个芯片上的键合区正确放置，使其当光学芯片定位在电子芯片上时互相对齐。然而，通常电子芯片和光学芯片并不同时设计，即使它们是在同一组织内设计和制造。这样，即使在一个厂家，除非在组织内有关光学芯片和电子芯片的设计方面存在密切的协调，每个芯片上接触点键合区之间的缺乏对应性的情况很容易发生-特别是一个或两个芯片在设计时就考虑到要销售给第三方，或计划中要和其他厂家来源的器件一起集成的场合更容易发生。而且，即使在同一个组织内，任何一个的设计中的后续改进或改变都可以必须变动接触点键合区的位置，由此在先前不存在不对准的地方也引入了键合区的不对准。
更有甚者，如果电子芯片设计来和各种不同的光学芯片一起使用，但是光学芯片是大量生产来分配给众多不相关的用户的来自第三方的商品库存(例如，芯片包括顶面发射垂直腔激光器，底面发射垂直腔激光器，分布式反馈(DFB)或分布式布拉格反射器(DBR)激光器，顶面接收检测器或底面接收检测器)，即使它们在其他方面兼容于电子芯片，光学器件上的键合区也不大可能全部位于相同的位置。
举例来说，如图8所示，一个单个光学器件有放置在其厂商规定的位置上的接触点键合区。一个电子晶片也有放置在厂商规定的位置上的光学器件能够连接在其上的接触点键合区。当光学器件为以倒装片方式和电子晶片键合而翻转时，每个晶片的接触点键合区都会不对准。虽然如此，由于改变了上述技术，本发明可以和迄今为止在例子中提到的底面发射激光器以外的激光器一起应用，以及和具有不同接触点键合区排列的底面发射激光器，顶面或底面接收检测器一起应用。
有利的是，这样可以选择和使用具有对于应用有最佳单个性能的“优种”芯片，而且避免了仅仅因为不能或不大可能满足电气接触点放置要求或标准就排除这些厂家的进货。
一般来讲，取决于光学器件是底面发射/接收还是顶面发射/接收，使用两种不同的工艺。
为了便于说明，术语“底面有源”用来指底面发射器件(激光器)和底面接收器件(检测器)。相似地，“顶部有源”或“顶面有源”用来指顶面发射器激光器和顶面接收检测器。
底面有源器件的工艺现在参考图20来说明用于底面发射/接收器件(就是底面有源器件)的工艺。为了便于说明，应该假定光学晶片20-1502如上所述被加工成一个光学芯片20-1504。或者，光学芯片20-1504可以从某个第三方购得。
首先，用已知的技术添加一个绝缘层20-1506到光学芯片20-1504的表面。
接着，在绝缘层20-1506中建立开口或通路20-1508使得可以到达光学芯片的接触点键合区。这又是以下面要在标题为“多零件光纤的光学组件和制造技术”一节中讲到的用以在晶片中建立通孔的方式进行激光钻孔或蚀刻来完成的。
或者，例如，如果事先知道接触点键合区的位置，可以在附着之前把开口或通路20-1508预先形成在绝缘层中。
于是，通过把导电材料20-1510施加到开口或通路的侧壁(这个上面事先也可以任选地已经涂了一层绝缘物)或用材料20-1510填充开口或通路来使得开口或通路20-1508具有导电性。
有利的是，如果开口或通路没有全部填满，它们可以用来帮助对齐。这可以这样做，如果开口或通路足够宽，可使其他芯片上的焊堆“嵌入”孔中，由此提供了两者之间的初始对齐。而且，在某些场合，当焊料熔化时毛细管作用使得焊料部分地被吸入开口或通路，导致更好的连接和更有助于对齐。
作为一种选择，和换一种方式，如果开口或通路在附着之前预先形成，开口或通路的涂覆和填充(根据需要)也可以在绝缘层附着到光学芯片之前完成。
其次，电迹线20-1512的图形形成在绝缘体的暴露面上来建立一个从(现在已经涂覆或填充了的)开口或通路到绝缘体表面上将要和电子晶片上的接触点键合区对齐的位置的导电路径。作为一种选择，如果可能有几种不同的对齐方式，取决于光学芯片要与之匹配的具体电子芯片，如果要与之匹配的触点互相稍微偏离一点，但仍然在可以控制的一定范围之内，一个单个电迹线可以建立两个或更多的交替的连接点或建立一个连接区。
在上述的一个变型中，如果光学芯片将要连接到其上的芯片是一个电子芯片(而不是诸如调制器那样的另一个光学芯片，或光学芯片对它是光学透明的另一个激光器)电迹线图形可以形成在电子芯片上，因为一般来讲大多数电子芯片已经带有可用于接触点重定路线的绝缘层。
一旦这个完成，工艺就如上所述地进行，先是连接两个芯片20-1514(在本例中，使用倒装片技术)，随后是在具体情况下，减薄衬底，完全除去衬底，或使衬底保持原有的厚度。此后，建立光学接近进路20-1516，形成芯片衬底的图形，敷设热导体，或可按照需要完成涂覆防反射涂层。
顶面有源器件工艺现在参考图21来说明用于顶面发射/接收器件(就是顶面有源器件)的工艺。为了便于说明，应该假定光学晶片是从某个第三方购得，建立光学芯片的工艺本身与本发明无关。
此外，两个任选步骤中的任何一个或两个可以在工艺过程开始之前完成。第一个，附着一个载体到光学芯片的顶部表面。这个载体可以用任何材料组成，它仅仅用作加固和在工艺过程的其余部分保持住光学芯片。第二，减薄光学芯片衬底。这减少了为了到达存在于光学芯片的正面上的接触点而必须被蚀刻和钻透的材料的量。
在这一时刻，工艺过程如图20的工艺相似的方式来进行如下。
孔或通路被蚀刻或钻透光学芯片的衬底到光学芯片的正面上的接触点。
孔或通路于是用导电材料涂覆或填充(导电材料可以在底下有一层绝缘涂层)使得接触点向外出现在光学芯片的背面。
或者，比如说如果接触点的定位使得直接从芯片背面通过衬底的通道会损坏芯片或出现其他问题，孔或通路可以蚀刻或钻在合适的位置，在正面再添加一个导电体将接触点键合区和涂覆或填充孔或通路的导电材料连接起来。
有利的是，如果开口或通路没有全部填满，它们可以用来帮助对齐。这可以这样做，如果开口或通路足够宽可使其他芯片上的焊堆“嵌入”孔中(图21B)，由此提供了两者之间的初始对齐。而且，在某些场合，当焊料熔化时毛细管作用使得焊料部分地被吸入开口或通路，导致更好的连接和更有助于对齐。
或者，如果孔或通路的位置重合于对齐匹配电子芯片的正确位置，那么在这样完成的同时，还可以用传统技术把孔或通路连接到正面上的接触点键合区。
对于背面发射/接收器件集成工艺，如果孔或通路不重合于电子芯片的接触点键合区，电迹线图形就形成在光学晶片的衬底(图21C)或其他芯片(在这种场合是电子芯片(图21D))上来提供一个孔或通路和其他芯片上的接触点位置之间的连接。
在这一时刻，芯片可以放到一起按照如上所述的方式连接起来。
如果进行加入载体的任选步骤，这个载体现在可以除去了。如果载体很厚，使其造成光学接近进路问题或有对激光通过载体传输起有害影响的不兼容的复杂折射率，它应当被除去。在另一个变型中，即使它会造成光学接近进路问题或有不兼容的复杂折射率，通过最好是在附着到光学芯片之前在载体上形成光学接近进路或通孔的图形，载体可以留下来。
此外，如有需要，在载体的顶部可以放置一个或多个诸如微透镜或波导之类的附加光学元件。
图22显示一个除了不用载体之外相似于图21所示的工艺。
连接器或适配器芯片替代在一种可用的替代变型中，比如说当光学芯片和其他芯片都购自第三方，或两个或多个不同的芯片被考虑应用而它们具有不同的接触点键合区布置，但是每个芯片的接触点键合区布置是已知的，应用本文的原理就可以直接制造出“适配器”或连接器芯片，由此使得设计和/或制造能继续进行。
现在参考显示一个用来连接不同器件的连接芯片或适配芯片的图23，一个公共晶片23-1800的顶面23-1802和底面23-1804被形成电迹线的图形，使在每个面上从每个芯片的规定的接触点键合区位置23-1812，23-1814，23-1816，23-1818到每个芯片的某个公共点建立起电迹线23-1806，23-1808，23-1810。
然后建立通孔并被装入或填充导电材料而连接相应的对子，例如要将相应对子的两者连在一起时，连接顶面的一个接触点和底面的一个和其相应的接触点。
图24显示另一种实施例，它是可用于顶面有源器件的适配器或连接器变型的又一个变型。如图所示，适配器或连接器芯片24-1902只在一个面上具有电气接触点来通过连接键合区24-1908直接连接到光学芯片24-1906和通过比如说支座24-1912，跳接线，导线，导线带或其他已知的附着器件连接到电子芯片24-1910。在这种布局下，因为器件是顶面发射/接收而适配器是定位在顶面的，而且“光学通路”24-1914也设置在适配器中，就能达到光学接近。
接着，光学芯片可以放置在电子芯片的顶部而连接芯片可以放置在这两个芯片的顶部来提供光学芯片和电子芯片之间的连接。
作为一个注解，虽然本文叙述有关光学芯片匹配电子芯片，但同样的基本工艺(就是用连接芯片或合适的形成绝缘层或衬底的图形来补偿键合区的失配)可以以直接的方式补偿任何光学，电气，电子，或机电晶片的组合之间的键合区的不对齐。
其他的变型也是如上面指出的，在某些情况下往往需要用防反射涂层来涂覆某些器件特别是检测器。然而，上述光学电子芯片是由两种(或可能更多)不相似类型的光学器件组成的。而防反射涂层损害激光器的现象是不希望出现的。
有利的是，在上述工艺的又一个任选的变型中，需要防反射涂覆的器件不需要从一般不涂防反射涂层的器件中区别出来。
这个工艺大部分依照上述图10有关的工艺流程进行，就是建立激光器晶片和检测器晶片，通过倒装片键合技术翻转和附着到电子芯片。
衬底被减薄，但是就激光器衬底而言，仅仅减到相对于激光器内腔厚度衬底仍然可被认为是厚的程度。虽然不同类型激光器需要不同的具体厚度，衬底的厚度在DFB和DBR的场合至少应当几倍于激光器内腔的厚度，在VCSEL的场合应当几倍于镜面之间的距离。因为精确的距离随着器件的不同而变化，根据经验是采用激光器内腔厚度的10倍这样一个因子。然而，如果厚度可以精确地控制，它可以小于10倍的因子，具体的最小厚度可以凭经验确定为防反射涂层不影响激光器的发射激光能力的最小厚度。一种模拟方法可以用于顶面有源激光器。在顶面有源激光器的场合，一个衬底(它可以是上面指出过的载体，或者如果接触点重定路线不需要进行或在其他芯片上进行，它可以是在载除去后贴上去的一个分立的衬底而不是载体)被附着到激光器的顶面。衬底在贴加后减薄到上面指出的厚度，或者在贴加前减薄到该厚度。
一旦这个完成，激光器和检测器可以同时进行防反射涂覆。这样，在防反射涂覆过程中不需要形成特殊的图形或在激光器和检测器之间进行区别。
这样，应当理解到，上述工艺可以应用到不同的器件。举例来说，用本发明的原理，可以把调制器以一种阵列兼容的格式堆叠在激光器的顶端。事实上，调制器在激光器的上面或下面都可以这样做。而且，不管两个(或多个)器件是否在单个外延步骤中建立的都可以这样做。相似的，如图25A所示，可以将顶面有源器件堆叠到顶面有源器件或背面有源器件的顶部和将背面有源器件堆叠到顶面有源器件或背面有源器件的顶部一样，和如图25B更详尽地所示的将调制器安装在一个背面发射激光器的上面。
有网格失配的器件可以相似地进行堆叠而不管各个器件执行的功能如何。
在又一个应用中，来自不同外延晶片的器件可以在晶片级的水平上一起集成在一个公共芯片上。这样，不同波长的激光器可以交错混合用于双波长分路多路复用(DWDM)或多波长分路多路复用(MWDM)的应用中，如图26所示。
图26显示在晶片级的水平上一起集成在一个公共芯片上的100个不同波长激光器阵列。在这个基础上，再使得每个激光器可以被选择，就可以选择一个特定的波长或波长的组合。由此就可以不再需要依赖于实体零部件的模拟动作或显示出热变化和热效应，速度被限制到微秒级以及精度受到限制的可调谐的激光器了。
此外，波长能够以数据发送的同样速率切换，由此构筑可以用该比特率多路传送不同波长的各种数据流的系统的结构。这样，切换速度可以达到大约100ps(数10个gigabit/s)。
而且，不同类型的不同器件(就是不同类型的激光器和激光器检测器组合)可以交错混合，诸如图27的侧剖视图所示。
如图27所示，建立了两个不同波长激光器带27-2202，27-2206，以及两个互补波长的光检测器带27-2204，27-2208。第一个器件带(图示激光器27-2202(λ1))用本文说明的工艺附着。下一个器件带(图示检测器27-2204(Δλ1))用相似方式附着。第三个器件带(图示激光器27-2206(λ2))以相似的方式附着。最后，最后一个器件带(图示激光器27-2208(Δλ2))也以相似的方式附着。
取决于具体情况，衬底或载体可以立刻从所有器件上除去或减薄，如果例如它们不干扰下一个器件的集成，它们也可以在每一组器件附着以后被除去或减薄。
图28从顶视图显示图27的器件的集成。如图所示，所有第一波长激光器都被附着。然后，所有第一波长光检测器都被附着。然后所有第二波长激光器都被附着，接着，所有第二波长光检测器都被附着，使得最终结果是完全集成的双波长收发器芯片，它的一部分以放大的形式显示在图28的右侧。
当然，虽然紧前面叙述的例子使用了两个激光器和两个检测器，但是不管不同器件的数目，也不管它们是顶面或底面器件，成组的，还是所有的激光器，所有的检测器等等，工艺实际上都是基本相同的，因为本工艺的优势在于混合和匹配的能力-特别是在晶片级的水平上。
在这些情况下，很容易在个别器件(或器件类型)的基础上进行集成，或在带(如图所示)上，或成组的基础上进行，根据带28-2202，28-2204，28-2206，28-2208或器件组的限定来保留衬底。
还有，通过一个波长的冗余激光器组和其他波长的冗余激光器组的集成，可以生产出低成本的极端可靠的DWDM和MWDM模件。
这样，因为DWDM的单器件，集成发射器阵列在先有技术中是没有的，由于集成大量激光器在单块芯片上，封装尺寸可以减小。由于把两种或更多不同波长的10个或以上的激光器阵列集成到一个单个芯片上并且用一个例如以光纤为基础的组合器/反向分离器，一个全息透镜阵列，或标题为多零件光纤的光学组件和制造技术的参考申请中包含的技术把它们中的一组耦合到一个单个光纤中，多波长的多路传送可以在输出光纤中实现，而且在一些场合中不需要光机或光电元件来进行切换(光学交错连接)。
在还有一个技术应用中，可以构建成一个能够兼做泵激激光器和通信激光器的，既可以不同时刻也可以同时进行的大阵列。
多器件工艺和产品的相继集成当电气连接在构成一个光学电子模件的芯片，封装和电路板之间完成时，通常使用由焊接到一个或多个芯片，封装和电路板的短引线组成的引线键合。引线键合由于它们较长的长度因此有较大的电容和电感而限制了它们的频率响应。
因此，用引线键合来做高速光学电子模块是不符合要求的。
在其他情况下，即使不用引线键合，模块的建立是基于一个“内部到外部”集成工艺，其中最内部的组件(和那些可以平行完成的外部组件)被组合起来，再把组合的组件互相集成，或集成到一个或多个电路板等等直到整个模块完成。这样一个工艺往往是根据模块中组件的位置而通常不考虑整个模块建立的过程或集成一个组件对于其他组件(减少寿命)或它的连接(增加电容和/或电感)会有的影响。这样，本发明可能产生一个不太可靠和低性能的产品，因为一个组件的集成可能对早先集成的组件会削弱连接，增加连接的电容和/或电阻，或增加对连接的热的和/或物理应力的敏感度。
这样，即使不用引线键合连接，所用的具体工艺仍可能对最终生产的整个产品的可靠性和/或性能产生不符合要求的和有害的影响。
我们已经开发出一种可以建立一个由一定数量组件组成的不使用引线键合来连接组件的模块的工艺。我们还开发出一种使得后期组件的集成不损害前期集成的组件的工艺。结果，我们的工艺生产的产品比按照先有技术生产的同等产品更为可靠。
具体来讲，由于使用了一个分等级的附着工艺，我们已经创建了一个封装技术，使得光学器件附着到电子芯片，电子芯片附着到封装，封装附着到印刷电路板，统统不需要引线键合。总体上这允许有可能达到的最高频率响应的连接(就是说速度仅仅受组件能力而不是组件之间的引线的限制)。此外，终端产品的可靠性更高。
综观起来，我们已经确认了由于使用具有不同熔点和附着温度的不同的焊接材料，和采用了与所用附着材料而不是被附着的组件有关的具体附着顺序，这个工艺不会产生先有技术中存在的问题。而且，我们的工艺良好地适合建立非光学电子模块，和尤其适合建立特别重视减少电容，电感和电阻的高性能光学电子模块。
根据本发明，我们使用一个序列工艺，其中至少1.一种具有第一熔点和第一附着温度的焊接材料被用来将第一组组件附着到一起，比如说将光学器件附着到电子芯片；2.一种具有第二熔点和第二附着温度的第二焊接材料被用来将早先连接好的组件附接到另一个组件，比如说将一个或多个电子芯片附接到一个封装；和3.一种具有第三熔点和第三附着温度的第三焊接材料被用来将在步骤2中建立的一个或多个组件附接到另一个组件比如说将封装附接到印刷电路板。
该工艺可以通过直接选择材料和以与上述相同方式的延伸过程延伸到四级或更多附着等级。
用于三个或更多的不同附着工艺的材料是专门选择的，因为它们要求热兼容。换句话说，用例子来说明，芯片到封装连接的集成条件设计得不影响芯片到封装附着之前完成的光学组件到芯片的连接。
具体来讲，用于某个附着的焊料的熔点一般选得高于工艺中后续步骤中所用的焊料的熔点。
换句话说，用于第一附着步骤的焊料具有最高熔点。用于第二附着步骤的焊料的熔点低于第一步骤中所用的焊料的熔点。用于第三附着步骤的焊料的熔点低于前面两个步骤中所用的焊料的熔点。取决于具体的实施条件，可以推算出第四或更多步骤。
如果任何步骤涉及焊料以外的热敏黏结剂，同样的程序也适用。就是它的熔化温度必须是这样，使得加热黏结剂到它的熔点不会导致温度超过在前面连接点测得的用于所有前面连接的材料的熔点。
对于互相之间的附着温度虽然不见得总是，但通常都是同样的，就是说某一步骤的附着温度要高于后续步骤中所用的材料的附着温度。
在某些变型中，可以在所有步骤中使用相同的材料，因此有相同的熔点和附着温度，只要在前面连接点测得的温度不超过熔点温度。
值得注意的是，在某些场合，在一个步骤中的附着温度可能高于前面步骤中的熔点。然而这不构成问题，因为通过使用密封剂或由于有关具体组件的间隔，在接触的点上，前期焊接的组件不会达到足以产生有害作用的高温。
一般性地描述了我们的工艺以后，要通过两个例子来说明该工艺。在第一个例子中，建立了一个光学电子收发器模块产品。这个产品由几个与一个电子芯片集成的激光器(一<p>相A

部分B

部分C

实施例10含有维生素E的调理剂含有维生素E的调理剂包含以下成分。
A相

例2在这个例子中，使用相似的工艺来建立一个相似的收发器，所不同的是两个光学芯片(就是激光芯片和光检测器芯片)共享一个公共电子芯片以及将用来将光纤对准光学器件的附加组件借助于一个不导电的熔点温度为230℃和凝固温度为230℃的热活性黏结剂的方法附着到电子芯片。结果，工艺有所改变，使得需要黏结剂的组件附着在模块附着到印刷电路板之前进行。工艺中的步骤和所用的材料显示在表5。
表5

工艺按照如上所述的方式进行。首先两个光学IC连接到电子IC。其次光学电子IC用高于240℃低于280℃的温度熔化焊料附着到封装。然后对齐零件用230℃到240℃之间的温度键合到封装。最后封装用180℃到230℃之间的温度附着到印刷电路板。
众所周知，存在着许许多多的不同的焊料，从纯金到诸如银，铅，锡，锑，铋，或其他金属的合金和金属低共熔体。表6显示目前市售的许多焊料中的一小部分，按它们各自的熔点排列。
表6



相似的，也存在不导电的热活性黏结剂，它们可以和根据本文讲到的技术中指出的焊料一起使用。
而且，应当进一步理解到，用在某一具体步骤的材料的熔点可以高于前面步骤中所用的材料，只要前面连接点的温度低于它的连接材料的熔点。比如说，参考上述例1，如果光学电子IC涂覆了一层在一定程度上使光学电子IC隔热的密封剂，就有可能把温度升高到高于把光学IC键合到电子IC的材料的熔点温度，因为连接点的温度由于密封剂的缘故不会超过熔点温度。此外，或换一种方式，如果，要焊接的组件被间隔或隔热屏或散热片充分地隔开，只要前面连接点的熔点温度没有被超过，那个温度可以在新连接点被超过。这样，在例2中，如果一个隔热屏放置在早先键合的组件和对齐零件之间或对齐的零件隔离开早先连接点充分远，对齐零件连接点的局部温度可以超过240℃，只要早先连接点的温度不超过240℃即可。
即使限制表6的焊料的组合，大家知道各种特定的可能组合多得不胜枚举。应当理解到，根据本文说明的技术使用不同的组合材料(比如说诸如从表6中所列的各项中选出的合适的焊料和/或这里认定的)会直接导致根据本发明的为数不少的变型。重要的方面不是具体的材料而是用在工艺中的每一个相继步骤的材料的熔点之间的关系。换句话说，只要焊接材料适合于具体目的和不同组件在相继步骤中焊接，其中每个相继连接的焊料能够在不超过早先连接点熔点温度的情况下被熔化，这个工艺就行得通。
最后，应当认识到上述工艺不必用于一个具体装配件的所有组件。比如说，根据例1，光学电子收发器可以是一个装配件的一部分，该装配件又包括一个外壳，一个或多个风扇，连接器，电缆等等。相似的，一个具体装配件可以由多个模快制造而成，其中的几个是用本文所述的比如说例2中的工艺建立的，而其他模块是用先有技术的工艺制造的，或者一个模块是根据本工艺的一个变型(就是三个特定的材料)建立的而其他模块是根据本工艺的另一个变型(就是至少一个材料不同于第一模块中所用的特定的材料)建立的。
根据本发明的原理构造的光学电子模块的两个演示例在共同转让的美国设计专利申请序号No.29/144,363和29/144,365中显示。
因此应当理解到上述说明仅是对实施例的描述。为了方便读者，上述说明集中在所有可能实施例的能够说明本发明的原理的代表样本上。这个说明没有穷举所有可能变型的意思。一种替代实施例没有为本发明的一个具体部分提出来，或为某个部分可能还有没有说明的另一种替代实施例，这种情况不能被认为是对那些替代实施例的弃权。一个普通的熟练人士应该理解，许多没有说明的实施例包含着本发明的同样原理，而其他的实施例也是如此。
权利要求
1.一种光学芯片的封装方法，该光学芯片和一个电子芯片混合来形成一个光学电子芯片，该方法包括提供一个一种类型的柔性电路，该柔性电路具有一个第一表面和一个和第一表面相对的第二表面，具有界定一个通过柔性电路从第一表面到第二表面的开口的壁，该开口位于平行于第一表面的平面；将一个光学电子芯片的正面键合到第二表面使得电子芯片定位到第一表面的第二表面一侧，和所有通向或来自光学电子芯片的光信号是通过第一表面经过开口发生，因此开口允许建立到达光学电子芯片的光学接近进路，光学电子芯片的背面用以冷却。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将一个散热片连接到所述光学电子芯片的背面以供冷却。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括在连接散热片到芯片以供冷却以后保持到达光学电子芯片的无阻拦的光学接近进路。
4.如权利1所述的方法，其特征在于，所述柔性电路进一步包括一个双面柔性电路，该双面柔性电路在第二表面上具有用于光学电子芯片的接触点，在第一表面上具有用于将所述柔性电路附着到另一个器件的接触点。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括将用于电子芯片到柔性电路连接的寄生电容和电感减到最小。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性电路包括一个折痕，所述方法进一步包括沿该折痕弯曲所述柔性电路。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述弯曲包括把所述柔性电路弯成一个直角弯头。
9.一种封装方法，包括提供一个具有一个第一侧面和一个第二侧面的电路板，一个在第一侧面和第二侧面之间延伸的开口；通过将位于光学电子芯片表面上的接触点和位于柔性电路上的接触点接合到一起，而不采用引线键合，使一个混合有光学器件的光学电子芯片安装到电路板的第二侧面，光学电子芯片是这样安装的，光学器件和开口对齐，使用于在一个光学器件和另一个器件之间进行光信号流通的光学器件的光学接近进路通过一个由第一侧面界定的平面，而一个冷却器件可以耦合到一个和光学器件界定的一个侧面相对的光学电子芯片的一个侧面上的光学电子芯片的一个表面上。
10.一种光学设备，包括一个具有一个第一侧面和一个第二侧面和在第一和第二侧面上的电气触点的载体，该载体具有一个从第一侧面延伸到第二侧面的开口；一个包括一个混合到至少两个有源光学器件上的电子芯片的光电子芯片，该电子芯片具有由至少两个有源光学器件和电子芯片之间的连接点界定的第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面，该电子芯片还具有第一侧面上的附加电气连接区，光学电子芯片通过附加电气连接区和载体的第二侧面上的至少一些电气接触点之间的键合连接到载体，光学电子芯片还进一步被定位，以便至少两个有源光学器件相对于开口定位，使得至少两个光学器件中的一个和另一个光学元件之间的光耦合将通过该开口。
11.如权利要求10所述的设备，进一步包括一个耦合到电子芯片的第二侧面上的散热片。
12.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述载体是一个柔性电路。
13.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述载体是一个印刷电路板。
14.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述载体是一个具有位于第一侧面和第二侧面上的导电路径的绝缘体。
15.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述载体包括一个柔性电路，并且其中柔性电路包括一个凹口，以便柔性电路弯曲成为直角形状。
全文摘要
一种光学芯片(32)或光学芯片(32)与电子芯片(38)的封装方法，其可用于两个芯片之间的紧密接合。该方法减小了寄生电容和电感，同时，当把一个冷却用的散热片连接到电子芯片上时，仍能提供畅通无阻的光学通路。
文档编号G02B6/36GK1639837SQ02813189
公开日2005年7月13日 申请日期2002年6月28日 优先权日2001年6月29日
发明者理查德·斯泰克 申请人:美莎诺普有限公司