专利名称：有源器件的组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如开关、移相器、调制器、衰减器等光电器件的封装。
具体而言，本发明涉及有源器件。
针对本发明的目标，有源器件是具有用电信号改变在其上所形成波导中传播的光信号之特性(如强度、相位、方向)的特征的器件。所述用于有源器件的电信号常在微波范围中，从几百MHz到若干GHz，是典型的通信范围。
所述有源器件是电信器件，包含诸如铌酸锂、钽酸锂等晶态材料制成的芯片，并通过例如钛扩散在晶态材料的表面形成光波导。然后，最好在芯片的相同表面上形成电极，提供电信号，以执行切换或调制功能。
该器件封装中，采用成本高的密封或半密封金属壳体，通过围绕金属引脚(用于开关)或同轴连接器(用于调制器)的陶瓷引线或玻璃金属密封件形成贯通壳壁的电连接，将电信号带给电极。
通过直接丝焊到接触引脚，丝焊(对于高频工作带)和/或通过陶瓷带线，形成从壳体上的该引脚或连接器到芯片上的电极的电连接。
光纤通过壳壁中的引线后，一般借助纤维垫块和UV可固化粘合剂固定到芯片，以对芯片上的光波导插入或分出光信号。密封壳体必须在壳壁与光纤之间进行密封。
该器件的封装还包含以正面朝上法将芯片直接固定到壳体基座或装于该基座的子座上，即芯片固定在无光电波导的芯片表面上。
壳体中或子座上的芯片安装区一般具有足够的顺应性，或者构成子座的材料具有与铌酸锂相同的热膨胀系数。于是，热失配小，以免除芯片损坏的风险，尤其在器件寿命的非工作阶段，诸如运输中。
为了确何器件在所述非工作阶段性能良好，该器件接受严格测试，即“热循环”，其中包括使器件受到温度变化，从最小的-40℃与-20℃之间开始，到达最大的+70℃与+85℃之间，这些温度是电信器件的典型环境范围。
在O’Donnell著“有源集成光部件的封装和可靠性”(欧洲集成光学会议，1995年论文Th C4，585～590页)和Nagata等著“不锈钢壳体中气密封装LiNbO3光调制器的机械可靠性(光纤技术，1996年Vol.2，216～224页)中，能找到此封装技术。
Tektronix的5123065号美国专利阐述另一种在有源器件的壳体中装铌酸锂芯片、同时将信号带给电极的方法。组件具有陶瓷衬底，该衬底的平表面上以正面朝下(倒装芯片)的方式固定光电换能器，即载有波导和电极的表面朝向该衬底平表面。所述陶瓷衬底是Al2O3的。衬底上形成金属化区，提供将外部RF或微波功率接到器件电极结构的电通路。焊柱从衬底的金属化区伸到光电换能器组件的接触区，将该换能器固紧在衬底上。焊柱中所含由非导电材料构成的隔离件使芯片与衬底分开放置。其他焊柱则连接金属化导体与光电换能器上的电极。光纤也借助焊剂预成型固紧到芯片上，申请人做过有源器件直接接触衬底的实验，并在实验上发现芯片会断裂。这些实验中，衬底材料的热膨胀系数小于芯片的热膨胀系数。申请人判断芯片的断裂可能与低温状况下芯片和衬底热膨胀系数不同加上芯片材料抗张性差有关。
无源器件封装技术中，不涉及电连接，采用一种低成本的方法，用硅胶封装无源器件后，装入塑料壳体内。由于不存在电连接，没有外部环境因素会使电特性下降的风险。例如，Sumitmono的5696860号美国专利阐述一种光器件模块，其中包含光器件、使光纤保持分别直接连到光器件的第1和第2端的第1和第2光纤连接器以及用第1树脂一体化模制成型的壳体以封装整个模块体。壳体与模块体之间插入凝胶状的第2树脂，诸如硅树脂氨基甲酸酯树脂。
申请人着手解决改进芯片与衬底之间机电连接的问题，以方便芯片的工作条件。
申请人发现如果衬底与芯片直接接触，就改善电连接。此状况下，如果衬底的热膨胀系数大于或等于芯片的热膨胀系数，芯片与衬底的接触不会使芯片损坏或断裂。
根据本发明的一方面，所述发明涉及一种有源器件的组件，其中包含衬底，具有上面形成多个电接触焊点的至少一个平表面；芯片，具有上面形成至少一个光波导和多个电极的表面；所述芯片的表面正面朝向衬底的平面表面，所述电接触焊点与所述电极电接触，其特征在于所述接触焊点和所述电极在所述芯片和所述基片之间提供了机械连接，并且所述衬底的热膨胀系数在长度方向大于或等于芯片的热膨胀系数。
具体而言，所述芯片可以是铌酸锂芯片。
最好所述接触焊点通过导电胶接触所述电极。
具体而言，所述导电胶可以是环氧树脂。
最好所述芯片是光电调制器。
或者，所述芯片是开关。
本发明的又一方面涉及一种包封并组装光平面有源器件的方法，该器件包含上面形成至少一个光波导和多个电极的表面的芯片，所述方法包含以下步骤提供具有上面形成多个接触焊点的至少一个平表面的衬底；以正面朝向衬底平表面的相互关系放置所述芯片；将所述接触焊点连接到所述电极，以提供电连接和机械连接；所述提供衬底的步骤包括选择长度方向热膨胀系数大于或等于芯片热膨胀系数的衬底。
图1示出根据本发明的封装有源器件，如光电调制器；图2示出铌酸锂芯片上波导和电极图案的一个例子；图3a示出本发明中要用的衬底顶表面的一个例子，其电图案与图2的电极图案相符合；图3b示出图3a中衬底的底表面；图4示出封装步骤中根据本发明的封装光电开关。
参考图1，其中示出封装的光电器件1。具体而言，所述器件是包含x切向铌酸锂芯片2的调制器。该芯片2按照长度55mm、宽度2mm和厚度1mm加以切割。调制器芯片的典型尺寸是长45～60mm、宽1～5mm、厚0.5～1.5mm。
如上所定义，本发明同样可用于其他有源器件。
铌酸锂是各向异性材料，根据不同的晶轴呈现不同的热膨胀系数。
对x切向芯片而言(参照图2)，在X和Y方向上热膨胀系数等于15.4×10- 6m/℃，在Z方向则等于7×10-6m/℃。在本发明中将Y方向称为“长度方向”。相同的定义也可应用在Z切向芯片的情况。图2中将X方向视为黑点，代表从纸面指出的箭头尖部。
还参考图2，在铌酸锂芯片2的一个表面上用诸如钛扩散等常规方法形成光波导21，为了方便，本发明中将该表面称为芯片2的“顶”表面。然后，随着淀积共面电极结构22、23、24后，敷设几微米厚的介电材料层，诸如SiO2层。可根据要实现的具体调制器，按本领域技术人员所知任何方便地方式构造光波导21、缓冲层和电极结构22、23、24。图2画出的例子中，示出光波导21用的Mach-Zehnder结构，具有共面行波电极结构，其中包含具有2个端焊点22a和22b的RF电极22、具有一个端焊点23a的直流或偏置电极23和接地电极24。回到图1，封装的调制器1还包含衬底3，由适应高频应用的绝缘材料构成，该材料例如为TMMETM陶瓷热固性复合材料，这是ROGERS的产品，热膨胀系数为16×10-6。本例中，衬底3具有以下尺寸长46.7mm，宽9.2mm，厚1.6mm。图3a和3b中详细示出衬底3。
衬底3的两个表面都由通过电淀积厚度为17±1μm的铜加以覆盖。然后，在衬底3的一个表面上，对电淀积铜进行光刻，以产生与芯片顶表面电极配置相符合的接触图案和适于载送电信号或接到基准电位(如接地)的适当电通路，该表面为了方便，本发明中称为衬底3的“顶”表面。图3a中示出一例接触图案，其中包含蚀刻后覆盖Ni和Au薄层的金属焊点31、32、33和接地金属区35。可选择Ni和Au层的厚度，以决定芯片与衬底的间隙。金属焊点31、32、33的宽度为1.4mm；各金属焊点31、32、33最好具有宽度为0.4mm的锥状末端。有利的是可在衬底3的顶表面中割入无金属化的沟道34，所述沟道34为1mm宽，深约0.6mm。通过用铅/焊剂合金的预焊操作在衬底3上焊接50欧姆的芯片电阻36，使金属焊点33连接邻近的接地金属区35。图3b中所示衬底3的另一表面，为了方便，本发明中称为衬底3的“底”表面。该表面上，在与金属焊点32、33对应的区域可留下2个区37、38不金属化。所述区37、38具有3.4×2mm的尺寸。
衬底3顶表面的沟道34、芯片电阻36和衬底3底表面的区37、38，其功能从下文的详细说明会明白。
回到图1，将常规同轴连接器4、5(例如SMA连接器)固定到衬底3上。有利的是连接器4、5具有要焊接到衬底3的固定引脚4a、4b、4c、5a、5b、5c。具体而言，连接器4和5的引脚4a、4c、5a、5c都焊接到金属化接地区35(图3a)；连接器4的引脚4b焊接到金属焊点31；连接器5的引脚5b焊接到金属焊点32。从连接器4、5伸出的其他引脚(未示出)有利的是可焊接到衬底3的底表面，以便达到同轴连接器4、5完全固定。
关于将连接器4、5安装到衬底3上，有利的是衬底3的宽度大于芯片2的宽度，以便具有适用于这种安装的表面。
有利的是接着在金属焊点31、32、33和金属接地区35上涂敷导电环氧树脂胶，诸如Epoxy Tecnologies生产的EpotekTM417。具体而言，导电胶最好涂敷在金属焊点31、32、33的锥状区31’、32’、33’和金属接地区35上靠近中央沟道34的区域上。
然后，以芯片2中电极配置的端焊点22a、22b、23a分别与衬底3的金属焊点32、33、31匹配的方式将芯片2的顶表面用倒装方式压焊在衬底3的顶表面。此外，含光波导21、RF电极的大部分22和偏置电极的大部分23的芯片2的中央区与衬底3上的中央切割沟道34(若存在时)匹配。芯片2的接地电极24与衬底3的金属接地区35匹配。这样，组装的芯片与衬底，其电连接与固定机构同样有利。或者，除导电环氧树脂胶外，还可选用例如铅/焊剂合金的焊剂用于固定。导电胶的厚度小于50nm，具体是25nm，从而芯片非常靠近衬底。
在取决于所选导电胶的环境温度下进行衬底3上固定芯片2的步骤，导电胶为EpotekTM417时，此温度为60℃。
有利的是切割中央沟道34使安装固定步骤期间可缓解光波道机械性损坏的危险，因为衬底3的金属化厚度加上导电胶的厚度不足以使芯片2充分离开衬底3的情况下，该步骤中芯片与衬底之间无隔离件。有利的是可用底层填料填充在芯片与衬底间的空隙。此底层填料有效改善芯片与衬底之间的粘着并防止潮气浸入。所述底层填料必须具有足以填入芯片与衬底间的空隙的流动度。此外，所述底层填料是电绝缘体。
然后，用任何方便的方式(例如借助常规纤维垫块8。9(纤尾)，将光纤6、7接到芯片2。或者，在将同样的芯片2压焊到衬底3的步骤前，将光纤6、7接到该芯片2。
关于纤尾的连接，衬底3的长度最好短于芯片2的长度，以免与装纤尾步骤中所涉及胶体发生冲突。
然后，包含芯片2、衬底3、连接器4和5、光纤6和7以及尾纤垫块8主9的组件最好用硅型树脂10包封。
适应本发明目的的硅型树脂是Silatec公司生产的名为145RTV的热塑性树脂。
此树脂对器件提供实际保护，同时还产生柔性光纤引线，不需花费时间在光纤上穿引适当引线。
然后，有利的是将包封的组件装入塑料壳11，该壳由上半部和下半部两件组成，对芯片2、衬底3和纤尾提供末级刚体保护。壳11最好用塑料制成，但也可选用金属材料，如铝等。适合的塑料是Valox公司的产品VALOX420。
连接器4、5匀称地装在塑料壳11的2个半部之间，以提供需要的电输出。
至于包封步骤，最好将包含芯片2、衬底3、光纤6和7以有尾纤块8和9的组件放入塑料壳11的下半部。然后，将这样形成的整个组件放入模中，随后填充可固化的液态硅树脂10。
从该模取出后，加盖塑料壳11的上半部，以封闭并保护整个器件。最好以具有紧靠一起的闭锁接件的方式设计塑料壳11的两个半部，不用螺丝或其他固定手段。
下面说明调制器1的操作。
参考图1、图2和图3，将RF信号发生器(未示出)连到连接器5，以对调制器1提供调制信号。由金属化焊点32载送RF信号，借助所述金属焊点32中锥形区32’上涂敷的导电胶将该信号传到芯片2上的电极焊点22a。RF信号沿RF电极22穿行，通过电极焊点22b后，借助所述金属焊点33中锥形区33’上涂敷的导电胶传到金属焊点33。从该处，RF信号通过电阻36传到接地金属化区35。
类似这样，将DC信号发生器(未示出)接到连接器4，以便将调制器1偏置到其响应曲线的正确工作点。由金属焊点31载送DC信号，并借助所述金属焊点31中锥形区31’上涂敷的导电胶将该信号通过芯片23上的焊点23a传到偏置电极23。带有硅树脂10的器件包封适当保护放在塑料壳11中的器件1免受意外冲击。借助上述芯片2在衬底3上倒装的方法，即电极22、23和接触焊接31、32、33靠此压焊法不直接与硅树脂接触，因而得到屏蔽和保护，使形成包封11的介电材料与有源器件1内所含的电场之间无交互作用的风险。衬底3底表面上的非金属区37、38(图3b)基本上具有使电场可通过空中传播的功能。
参考图4，该图进一步示出芯片倒装法技术的应用。此图涉及含以倒装方式压焊到衬底3’的芯片2’的开关1’。在芯片2’的顶表面形成波导(未示出)，并淀积电极20’。
在衬底3’的顶表面，用类似于对调制器阐述的方法形成电通路和焊点30’。图案必须符合芯片2’顶表面的电极结构。
不象调制器那样包含同轴连接器，可对应于金属化通路30’，将一系列常规接触引脚4’焊到衬底3’。
然后，可通过在衬底3的金属焊点淀积导电胶并使芯片2’的顶表面朝向衬底3’的顶表面，进行在衬底3’上压焊芯片2’的步骤。
图4示出放入塑料壳11’下半部分的芯片与衬底组件。准备将光纤(未示出)尾接在芯片2’的各端部，但类似于图1的光纤6和7，该接尾纤的步骤也可在衬底3’压焊芯片2’的步骤前进行。
然后，如已对调制器所述那样，用塑料壳11’的上半部包装和闭合该壳体。
作为所述处理的另一形式，最好将芯片2、2’顶表面钝化，以缓解塑料壳11、11’非气密性造成的问题。例如由于外部污染(如潮湿)发生问题。
可在衬底3、3’压焊芯片2、2’前进行钝化步骤，用厚度至少4μm的光敏材料层覆盖芯片的顶表面，并留下将芯片2、2’固定到衬底3、3’和电极所需的区域不钝化。适合的光敏材料为BCB(benzaciclobutan)。
有利的是用诸如在包封材料和纤尾的区域中塑料壳11、11’的壁之间留有一些空间的方式，进行模制成型步骤。
申请人注意到进行热循环时该区域产生应力。具有因芯片2、2’与尾纤垫块间的结合区中热膨胀造成尾料损坏的风险。通过包封材料10与塑料壳11、11’的壁之间留些空间，能免除该膨胀，不导致应力上升。
通过在模下半部的壁中适当形成的通孔内插入交叉滑动单元，对应于尾纤垫块形成所述空间。
有利的是以固化步骤期间硅树脂填充一些孔的方式，在塑料壳11、11’的下半部的壁中制作这些孔。因此，包封中对该壳进行一些挤压。在固化后出模时，以在塑料壳下半部固定包封器件的方式有效实施该挤压。据此，进一步减小尾纤结合部损坏的风险。
至于形成衬底3、3’的材料，必须是绝缘材料，以便承载金属化图案，如上文所述。而且，还必须很适合微波应用。
如上所述，对x切向铌酸锂芯片而言，Y方向的热膨胀系数为15.4×10-6m/℃。
理论上，形成衬底的材料应具有在长度方向等于铌酸锂热膨胀系数的热膨胀系数，以减小芯片与衬底组件冷却期间的热膨胀增量造成的应力问题。
本发明前，申请者进行实验，与寻找费用低的子座或包装材料。这些实验中，对压焊在软钢衬底上的一系列铌酸锂芯片施加从-40℃到+85℃的热循环。结果10％的铌酸锂芯片断裂。软钢相对于目前用于有源器件封装技术的不锈钢是费用低的材料(见例如Nagata等著“不锈钢壳体中气密封装LiNbO3光调制器的机械可靠性”，登于1996年Optical Fiber Technology)，但具有接近13×10-6m/℃的热膨胀系数，低于铌酸锂的热膨胀系数。注意，不锈钢具有接近17×10-6m/℃的热膨胀系数，相对于铌酸锂，其绝对值不与软钢类似。
然而，申请人完成的试验惊奇地示出，当铌酸锂芯片固定在由具有长度方向上热膨胀系数大于铌酸锂的材料制成的衬底上时，该铌酸锂芯片工作良好。
申请人观察到这些结果可由以下假设解释铌酸锂冷却期间受到张力或收缩力时工作性能表现不同，具体而言，相对于抗张性，铌酸铌芯片似乎具有较佳的抗收缩性。
因此，低温时，由热膨胀系数大于铌酸锂的材料构成的衬底，相对于热膨胀系数低于铌酸锂的材料较佳。具体而言，衬底的较佳热膨胀系数在15×10-6m/℃与20×10-6m/℃之间。
具体而言，认为不锈钢热性能与铌酸锂匹配。
适合的衬底材料当然是电绝缘体，以便适用于芯片倒装压焊。所述材料的一个例子是陶瓷热固性聚合物复合材料。另一例子是使用材料与芯片相同的衬底。这种情况下，衬底在全部方向符合芯片的热膨胀系数。有利的是衬底可用具体相对于诸如透明度光特性质量梯度较低的材料。
本发明达到若干优点。
由于电信号直接在衬底3、3’上由电通路载送后，借助导电胶或焊剂传到芯片2、2’，因此，几乎完全不用丝焊和/或条带压焊，所以，有源器件1、1’的芯片倒置组装有利。由于一旦用从电子设备导出的方法和设备设计芯片的电极结构，就能在衬底上独立制备电通路和进行金属化，而且用抓放压接机就能准确固定导电胶和芯片本身，所以改进生产过程。
此外，根据诸如芯片电阻、电容和驱动器等具体要求，有源器件1、1’的芯片倒装使附加电子部件可方便地集成。这些部件可装在衬底3、3’上，在同一总壳体内提供附加功能。较复杂的芯片，具体如1×16开关，要求较多电连接时，可形成所述连接而不需要芯片边缘上的电极，使芯片复杂度降低。
塑料壳制作很简单且成本低，因而有利。在组装开关且衬底3’焊接触点引脚的情况下，塑料壳的进一步好处在于不像金属壳那样所述插脚需要相互电屏蔽，因为塑料壳提供绝缘。有利的是这些接触插脚使光电开关可用与常规电子元件相同的方法固定在常规电子主板上。
此外，封装整个器件的组件的可固化树脂对器件提供实际保护，尤其是对器件内载送光信号的光纤提供该保护。该树脂使壳体可以不需要输入/输出光纤用的光引线。
塑料壳的两个半部还能有利地用锁接件紧靠在一起，不必用螺丝或其他固定手段。
然而，要注意，塑料壳不是有源器件1、1’倒装法唯一可行的实施例。其他类型的壳体，诸如适当修改成适合连接器或引脚引线和屏蔽的常规金属壳等，也都可用于以芯片倒装法制作有源器件，并且在金属壳的情况下，该壳比塑料壳抗意外冲击性高，且不需要硅封包。
权利要求
1.一种有源器件的组件，其中包含衬底，具有上面形成多个电接触焊点的至少一个平表面；芯片，具有上面形成至少一个光波导和多个电极的表面；其中所述芯片的表面正面朝向衬底的平面表面，并与其机械连接；所述电接触焊点与所述电极电接触，所述有源器件的组件，其特征在于，所述衬底的热膨胀系数在长度方向大于或等于芯片的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的有源器件的组件，其特征在于，所述接触焊点和所述电极提供所述芯片与所述衬底之间的机械连接。
3.如权利要求1所述的有源器件的组件，其特征在于，所述芯片是铌酸锂芯片。
4.如权利要求1所述的有源器件的组件，其特征在于，所述衬底是铌酸锂衬底。
5.如权利要求1所述的有源器件的组件，其特征在于，所述衬底为陶瓷热固性聚合物复合材料。
6.如权利要求1所述的有源器件的组件，其特征在于，所述芯片与所述衬底之间还包括底层填料。
7.如权利要求3所述的有源器件的组件，其特征在于，所述衬底的热膨胀系数在15×10-6m/℃与20×10-6m/℃之间。
8.如权利要求1所述的有源器件的组件，其特征在于，所述接触焊点通过导电胶与所述电极接触。
9.如权利要求8所述的有源器件的组件，其特征在于，所述导电胶是环氧树脂胶。
10.如权利要求1所述的有源器件的组件，其特征在于，所述芯片包含光电调制器。
11.如权利要求1所述的有源器件的组件，其特征在于，所述芯片包含开关。
12.一种包封并组装光平面有源器件的方法，该器件包含上面形成至少一个光波导和多个电极的表面的芯片，所述方法包含以下步骤提供具有上面形成多个接触焊点的至少一个平表面的衬底，以正面朝向衬底平表面的相互关系放置所述芯片；将所述接触焊点连接到所述电极，以提供电连接；所述方法，其特征在于，所述提供衬底的步骤包括选择长度方向热膨胀系数大于或等于芯片热膨胀系数的衬底。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述接触焊点连接到所述电极的所述阶段包含提供所述芯片与所述衬底之间机械连接的阶段。
全文摘要
有源器件的组件包含具有上面形成多个电接触焊点的至少一个平表面的衬底和具有上面形成至少一个光波导和多个电极的表面的芯片。所述芯片表面与衬底的平面表面具有正面朝向该平表面的关系，所述电接触焊点与所述电极电接触。所述接触焊点和所述电极提供所述芯片与所述衬底之间的机械连接，并且衬底的热膨胀系数在长度方向大于或等于芯片的热膨胀系数。
文档编号G02F1/225GK1433527SQ00817668
公开日2003年7月30日 申请日期2000年12月14日 优先权日1999年12月24日
发明者M·A·肖, M·马拉济, D·夏恩卡勒波尔 申请人:康宁Oti股份公司