专利名称：具有在基底板的上层中容纳的光波导的光电倒装片封装的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及半导体光学装置的封装，且具体但不唯一地，涉及光耦合到波导的光学管芯的封装。
背景技术：
光学倒装片封装通常包括基底、安装在基底上的波导以及光耦合到波导的倒装片管芯。为了取得光学倒装片管芯和光波导之间可接受的光耦合，则需要控制倒装片管芯和基底之间的距离。如果倒装片管芯和基底之间的距离太大，则光波导和光学倒装片管芯之间的光耦合可能由于光束发散而并不最佳。反之，如果倒装片管芯和基底之间的距离太小，则光波导和/或光学倒装片管芯可能会在将芯片结合到基底期间受损。
维持或增加光学倒装片管芯和基底之间的间隔距离的方法包括使用比常规大的焊料球以将光学倒装片管芯附加到基底。当光学倒装片封装逐渐表现出更细的间距(即，当部件变得更小且更紧密地封装在一起时)和更高的输入/输出密度时，就开始产生了桥焊。“桥焊”是指在焊接期间当焊料熔化且意外地连接邻近或附近的电触点所产生的电短路。增加倒装片和基底之间的焊料的量就会增加焊料桥接的可能性。因此，在结合过程中使用大的焊料球以取得光学倒装片管芯和基底之间期望的间隔会增加焊料桥接的可能性。
参考附图，对本发明的非限定及非穷尽的实施例进行了描述，其中贯穿各种不同视图的相同的附图标记表示相同的零件，另外指定的除外。
图1A是倒装结合到基底和光耦合到波导的管芯的一个实施例的平面图。
图1B是倒装结合到基底和光耦合到波导的管芯的一个实施例的侧视图，基本沿着图1A中的剖面线B-B取得。
图1C是倒装结合到基底和光耦合到波导的管芯的一个实施例的分解前视图，基本沿着图1A中的剖面线C-C取得。
图1D是示出图1C的实施例处于完成状态时的侧视图。
图1E是图1B的虚线中所示区域放大的侧视图。
图2A是另一实施例的平面图，包括倒装结合到基底和光耦合到波导的多个管芯。
图2B是如图2A中所示的倒装结合到基底和光耦合到波导的多个管芯的另一实施例的侧视图。
图3是根据本发明的系统的一个实施例的平面图，其在使用波导光耦合的相同或不同的基底上具有多个管芯。
具体实施例方式
这里描述了容纳至少一个光波导的倒装片封装的设备、工艺和系统的实施例。在下面的说明书中，描述了许多具体的细节以提供本发明的实施例的完全理解。但是，相关领域的技术人员可以认识到，本发明可以在没有一个或多个具体细节的情况下实施，或者使用其他的方法、部件、材料等实施。在其他的例子中，众所周知的结构、材料或操作并没有示出或者详细描述，但是仍然包含在本发明的范围内。
贯穿本说明书中的“一个实施例”或“某个实施例”的含义意味着特定的结合实施例描述的特定特征、结构或特性都包括在本发明的至少一个实施例之中。因此，本说明书中出现的短语“在一个实施例中”或“在某个实施例中”并不一定是指所有的都是同一个实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
图1A-1D共同例示了本发明的包含光学装置100的一个实施例。如从图1A平面图中可以看出，光学装置100包含使用多个焊料球结点103倒装结合到基底104的光学管芯102。光学互联器，其在这个实施例中是波导106，至少部分地定位在光学管芯102和基底104之间，且因此占据光学管芯102和基底104之间的至少部分的空间。波导106光耦合到管芯102的光学区域110。除了有—部分在管芯102下面以外，波导还从管芯102下面突出且延伸至诸如另一管芯的另—部件，以形成例如在图3中所示以及结合其所描述的部件之间的光学互连。尽管在例示的实施例中只使用了一个波导，但是在其他的实施例中，可以使用多个波导。例如，多个波导能用来从管芯的光学区域110来回地传送不同方向的信号，或多个波导能用来从管芯中的多个光学区域来回地传送多个信号。
图1B例示了装置100的实施例的细节。基底104包括基部基底114，在其上分层有导电层116和阻焊层118。基部基底114可以包含单一材料，例如半导体(例如，硅)、有机材料(例如，双马来酰亚胺三唪)或者陶瓷材料(例如，高温或者低温的共烧陶瓷)，或可以包括多个不同层的不同材料。例如，在一个实施例中，基部基底114可以包括在心部的另一边上分层的电介质和导体的交替层的心部层。导电层116沉积在基部基底上；在一个实施例中，导电层由铜(Cu)制成，但是在另外的实施例中，它可以包括其他导电材料，例如金(Au)、银(Ag)或铝(Al)还有其他金属及金属组合物或合金。导电的非金属也能用作导电层116。阻焊层118沉积在导电层116上以抵制焊料倒装结合或其他方式连接到基底的作用。换句话说，阻焊层防止焊料和导电层116之间不期望的接触。
光学管芯102使用多个焊料球结点103附加到基底104。焊料球结点将光学管芯102附加到基底104，在基底上方悬有光学管芯，且在管芯和基底104上或其内的一个或多个导电层之间提供电连接。光学管芯102包括表面108上的至少一个光学区域110。能在管芯102上使用的光有源部件的例子包括诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的电磁辐射源或诸如光电检测器的辐射检测器、光电二极管等等。能在管芯102上使用的光无源部件的例子包括耦合装置，例如镜子、衍射光栅、瞬逝波耦合器、锥形波导等等。当然，其他的实施例可以包括除了那些已示或列出的以外的更多、更少或不同的光学区域。同样地，其他的实施例可以包括定位在除了表面108之外的光学管芯102的其他表面上的不同或另外的光学区域，例如在不对着基底的表面上。
波导106厚度为T并被定位成使得至少部分的波导位于基底104和光学管芯下表面108之间的空间中。波导的剩余部分从光学管芯102的边缘112下突出且能延伸至诸如另一光学部件或管芯，以在光学管芯之间形成光学互联(参见，例如图3所示)。波导的宽度是使其适合安装在焊料球结点103之间。
在一些情况下，波导106的厚度T比管芯的下表面108和阻焊层118的表面126之间的距离大。为了在管芯的表面108和基底之间产生足够的间隙使得波导能够插入，波导定位在沟槽120中，该沟槽与波导自身相似且至少部分在管芯下面且远离管芯突出至另一光学部件。波导106定位在沟槽120中，使得它的角形端107被定位成以接收来自光学区域110的辐射且将其反射进入波导(例如，其中光学区域包括辐射源)，或者接收来自波导的辐射且将其反射进入光学区域110(例如，其中光学区域110包括辐射检测器)。在一个实施例中，波导106包括由包层包围的光学透明部分，尽管在其他的实施例中，不同的波导结构也是可能的。
图1C和1D是例示了沟槽120结构的一个实施例的光学装置100的前视图；图1C是分解视图而图1D示出部件的最终位置。沟槽120有底部122和一对侧壁124，以及深度Δ和宽度W。在示出的实施例中，波导106的宽度基本上等于沟槽的宽度W。这种布置是有优势的，因为沟槽接着能用做对准波导的机械手段。但是，在其他的实施例中，沟槽和波导的宽度不必大体上相等。换句话说，波导的宽度可以取小于或等于沟槽宽度W的任意值。
如上所述，在一些情况下，波导106的厚度T比管芯的下表面108和阻焊层118的表面126之间的距离大。为了产生使得波导能够插入的足够的空间，选择沟槽的深度Δ，使得它可以容纳带有波导和光学区域110之间的额外的边距d的波导的厚度T。在示出的实施例中，沟槽120在阻焊层118和导电层116中被图案化和蚀刻以扩大管芯的底部表面108和沟槽底部之间的间隙。但是，蚀刻只是形成这种沟槽的一种方法。在其他的实施例中，可以选择性地印刷焊料掩膜，消除沟槽区域或通过显微机械加工或激光烧蚀来去除材料。虽然产生了沟槽，但是由此产生的间隙应当足够大以容纳管芯的底部表面108和基底之间的厚度T的波导。
在示出的实施例中，阻焊层118和导电层116不存在于沟槽中，使得沟槽的深度Δ基本等于这二个层的厚度之和。但是，在其他的实施例中，可以通过仅仅省去全部或者部分阻焊层，或通过省去全部阻焊层和部分导电层而形成沟槽。仍在其他的实施例中，可以通过在心部基底中植入附加层，导电的或不导电的，而制得甚至更深的沟槽。对于特定数值的厚度T，管芯的底部表面108和波导的顶部之间的边距d能通过根据波导将会如何光耦合到光学区域110来改变沟槽的深度进行调整。边距d的范围从基本为零到可导致可接受的光耦合的任一数值。
图1E更进一步例示了将波导106耦合到管芯102的光学区域110的细节。如前所述，管芯102使用焊料球103倒装片安装在基底104上。在准备将管芯倒装结合到基底的过程中，小垫片128沉积在导电层116上或成为导电层116的—部分，以在焊料球103和导电层116之间提供一个接触区。以这种方法形成阻焊层以产生焊料球103将会插入的井或者凹部130。井130有助于在倒装结合期间对准管芯102，且有助于在结合期间容纳液体焊料，使得液体焊料不会进入基底的其他区域而产生焊料桥接问题。
波导106可以适当地放在倒装结合管芯102之前或之后。在其中任一情况下，波导106放在沟槽120内使得至少部分的波导定位在管芯的下表面108和基底之间。为了准确的光耦合，波导应当定位成使得有角端107基本与管芯的光学区域110对准。为了有助于正确定位波导106，可以考虑波导106的厚度T和有角端107的角度而形成沟槽120，使得阻焊层的拐角132对波导提供机械止挡。沟槽120本身接着可以提供波导的自动横向对准，而拐角132提供波导的自动纵向对准。虽然附图中示出为插入沟槽的分离件，但是波导106还可以在沟槽中就地形成。
由于有角端107基本与光学区域110对准，所以从光学区域110发出的光学信号134进入波导106且从有角端107反射进入波导内以由波导往别处发射。在光学区域110被设计成用于接收辐射而不是发射的情况下，光学信号134在波导中传送，且从有角端107反射进入光有源区域。有角端107还可以由另一致偏元件替换，例如衍射体积光栅，或由耦合装置的一只臂端替换，而另一只臂位于管芯102上的光学区域110中。
图2A和2B共同例示了本发明的包含光学装置200的另一实施例。与光学装置100相比，光学装置200包括基底上的多个倒装片管芯而不是只有一个管芯。光学装置200由此包含第一管芯202和第二管芯206倒装片结合的基底204。第一管芯202包括光学区域210且光耦合到第一光学互联器，其在示出的实施例中是波导214。第二管芯206还包括光耦合到第二光学互联器的光学区域216，其在这个实施例中也是波导220。
如在光学装置100中—样，基底204包含分层有导电层226和阻焊层228的基部基底。基部基底可以包括单一材料，例如半导体(例如，硅)、有机材料(例如，双马来酰亚胺三嗪)或者陶瓷材料(例如，高温或者低温的共烧陶瓷)，或者可以包含多个不同层的不同材料。波导214和波导220定位在基底204上，基本如光学装置100所示(参见图1A-1E)。换句话说，波导214定位于在阻焊层228和导电层226中形成的沟槽224内。同样地，波导220定位于在阻焊层228和导电层226中形成的沟槽222内。如在光学装置100中一样，沟槽222和224在它们各自的管芯和基底之间产生足够的空间使得波导能插入在管芯和基底之间。还如前所述，沟槽222和224能起到机械对准导向装置的作用，以保证使光波导准确与他们各自的管芯的光学区域对准。
图3例示了本发明的包含光学系统300的另一其他实施例。系统300包含倒装片安装到基底302的倒装片处理器304。在一个实施例中，基底302具有与结合装置100所描述的基底104的结构类似。处理器304包含包括一对光学区域的倒装片管芯，例如如结合光学装置100的管芯102所示。光学区域可以包括光源、光学检测器、耦合元件等等。
处理器304耦合到存储装置306，在不同的实施例中可以是非易失性存储器，例如动态随机存取存储器(DRAM)、同步动态随机存取存储器(SDRAM)、闪速随机存取存储器(RAM)等等。处理器304还耦合到输入/输出装置308，其允许处理器从系统外的装置来回发送和接收指令和数据。处理器还能耦合到易失性存储器，例如动态随机存取存储器(DRAM)或同步动态随机存取存储器(SDRAM)。虽然在这个实施例示为电耦合到处理器304，但是在其他实施例中，存储单元306和输入/输出单元308可以光耦合到处理器。
处理器304通过波导312耦合到另—倒装片管芯310。倒装片管芯310在与处理器304相同的基底302上。处理器304还经由波导316耦合到独立的基底320上的另—倒装片管芯314。波导被定位且安装在它们各自的基底302和320上，基本如光学装置100所示，即定位于在基底的表面上的阻焊层和导电层中形成的沟槽内。
在装置300运行的一种模式中，处理器从存储单元306读取指令或者数据，或者从输入/输出单元308接收指令或数据。处理器对数据或者指令执行一些操作，且将数据或指令经由波导312和316光学发射到管芯310和314中的一个或两个。光学管芯310和314接着可以进一步对数据或指令执行操作，包括在管芯314的情况下，将数据或指令经由波导318发射到其他管芯。在操作的第二模式中，处理器304分别经由波导316和312从一个或多个管芯310和314光学地接收数据。处理器接着在存储装置306中存储该信息或将它发送到输入/输出装置308。
本发明的例示的实施例的上述描述，包括在摘要中描述的内容，意图并不在于穷尽或限制本发明为公开的具体形式。尽管其中描述的本发明的具体实施例和例子只是为了例示的目的，但是如本领域技术人员可以理解的是，不同的等价的修改可能也在本发明的范围内。可以根据上述详细的描述对本发明进行这些修改。
在下列的权利要求中用的术语不应当解释为将本发明限制为说明书和权利要求中公开的具体的实施例。而是，本发明的范围完全由下列权利要求所决定，这可以根据所建立的权利要求解释的原理来解释。
权利要求
1.一种设备，包含基底，包括基部基底、在所述基部基底上的导电层以及在所述导电层上的阻焊层；管芯，包括光学区域，所述管芯倒装结合到所述基底；以及光学互联器，其光耦合到所述光学区域且至少部分地定位在所述管芯和基部基底之间，所述光学互联器定位于在所述阻焊层和导电层中形成的沟槽中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述基底包含导电层和介质层中的至少一个或多个。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学区域在所述管芯对着所述基底的表面上。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学区域含有检测器或源。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述光学区域含有垂直腔表面发射激光器或光检测器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述沟槽的横截面基本与光学互联器的横截面形状相似。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学互联器是波导。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述波导包括相对于波导的轴成一角度定位的端面，其中所述端面将所述波导光耦合到所述管芯的光学区域。
9.根据权利要求1所述的设备，其中在所述阻焊层和导电层中的沟槽通过图案化和蚀刻而形成。
10.一种系统，包含基底，包含基部基底、在所述基部基底上的导电层以及在所述导电层上的阻焊层；随机读取存储器，其安装在所述基底上；第一管芯，包括光学区域，所述第一管芯倒装结合到所述基底且耦合到所述存储器；第二管芯，包括光学区域，所述第二管芯倒装结合到所述基底；以及光学互联器，其光耦合到所述第一管芯和第二管芯的光学区域，所述光学互联器定位于在所述基底的导电层和阻焊层中形成的沟槽中。
11.根据权利要求10所述的系统，进一步包括安装在所述基底上的输入/输出装置，所述输入/输出装置耦合到所述第一管芯。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一管芯是微处理器。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述光学互联器是波导。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述波导包括相对于所述波导的轴成一角度定位的端面，其中所述端面将所述波导光耦合到所述管芯的光学区域。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述光学区域含有检测器或源。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述光学区域含有垂直腔表面发射激光器或光检测器。
17.根据权利要求10所述的系统，其中所述沟槽通过图案化和蚀刻而形成。
18.根据权利要求10所述的系统，其中所述沟槽的横截面基本与所述光学互联器的横截面的形状相似。
19.一种工艺，包含在基底的导电层和阻焊层中形成沟槽，所述基底包括基部基底、在所述基部基底上的导电层以及在所述导电层上的阻焊层；将所述波导定位在所述沟槽中；以及将管芯倒装结合到所述基底，所述管芯包括光学区域，使得所述光学区域光耦合到所述波导。
20.根据权利要求19所述的工艺，其中至少部分所述沟槽在所述管芯和基部基底之间，且所述沟槽远离所述管芯延伸。
21.根据权利要求19所述的工艺，其中在所述导电层和所述阻焊层中形成沟槽包含图案化和蚀刻所述导电层和所述阻焊层。
22.根据权利要求19所述的工艺，其中将所述波导定位在所述沟槽中包含使用所述沟槽来对准所述波导。
23.根据权利要求19所述的工艺，其中所述管芯的光学区域在所述管芯对着所述基底的表面上。
24.一种工艺，包含接收倒装结合到基底的管芯的信号，所述管芯包括光学区域，而所述基底包括基部基底、在所述基部基底上的导电层以及在所述导电层上的阻焊层；以及将所述信号从光学区域光学发射进入波导，所述波导耦合到所述光学区域且定位于在所述导电层和阻焊层中形成的沟槽中。
25.根据权利要求24所述的工艺，其中接收所述管芯的信号包含接收电信号。
26.根据权利要求24所述的工艺，其中接收所述管芯处的信号包含接收光学信号。
27.一种工艺，包含将光学信号射入波导，其中所述波导定位在基底中的沟槽中，所述基底包括基部基底、在所述基部基底上的导电层以及在所述导电层上的阻焊层，且其中所述沟槽在所述导电层和阻焊层中形成；以及光学地接收倒装结合到所述基底的管芯的光学区域处的信号，所述光学区域耦合到所述波导。
28.根据权利要求27所述的工艺，其中至少部分所述沟槽在所述管芯和所述基部基底之间，且其中所述沟槽远离所述管芯延伸。
29.根据权利要求27所述的工艺，其中所述导电层和所述阻焊层中的所述沟槽通过图案化和蚀刻所述导电层和所述阻焊层而形成。
全文摘要
一种设备，其包含基底，所述基底包含基部基底、在基部基底上的导电层以及在所述导电层上的阻焊层；管芯，所述管芯包括光学区域，所述管芯倒装结合到所述基底；以及光学互联器，其光耦合到光学区域，且至少部分地定位在所述基部基底和所述管芯之间，光学互联器定位于在阻焊层和导电层中形成的沟槽中。一种工艺，包含提供基底，所述基底包含基部基底、在基部基底上的导电层以及在导电层上的阻焊层；在所述导电层和阻焊层中形成沟槽；将所述波导定位在所述沟槽中；以及将管芯倒装结合到所述基底，所述管芯包括光学区域，使得所述光学区域光耦合到所述波导。
文档编号G02B6/36GK1977200SQ200580021408
公开日2007年6月6日 申请日期2005年6月21日 优先权日2004年6月30日
发明者S·托尔 申请人:英特尔公司