专利名称：光电多芯片模块的制作方法
技术领域：
本发明是有关光电多芯片模块以及采用基本的聚合物材料进行制造的方法。
利用光在不同的波导中传输的远程通讯系统越来越广泛使用。在将光网络扩展应用到个人家庭和商业办公室上具有极大的兴趣，即所谓的本地存取网，也称为“通往(在/来自)家庭的光纤”，“通往(在/来自)客户(商业)的光纤”等。而且在扩大光纤网络在LAN上应用也有很大的兴趣，LAN，即本地网，用于商业内部的计算机的互联，进一步用于计算机设备内部的通信和计算机和诸如打印机等的外设的通信。为了实现这种扩展，当然必须尽可能地降低光纤网络的元件的成本。很大部分成本与制造包括激光器、LED等光发射器和接收器模块以及其它的有源或无学光器件有关。
当商业化地制造光电和电光模块时，只是在为数不多的情况下尝试显著地降低成本。比如Motorola公司在市场上提出称为“OPTOBUS”的概念。其中的一些细节在授予Knapp等的美国专利5,659,648中有描述。在基于由聚酰亚胺构成的基质的多层结构中，光信号层被用做导电金属层间的电绝缘层。在
图1和2中的结构包括由聚合物材料构成的波导芯17、18…和45、46，在它们侧面在中心层中有金属条，金属条形成光导包层的一部分。位于中心层下面和上面的层由聚酰亚胺构成，并形成上包层和下包层。在图3所示的结构中整个金属层52、60被另外放置在中心层和聚合物包层之间。没有给出有关定位电信号导体的细节。
本发明的一个目的是提供允许电光连接的多层结构。
本发明的再一个目的是提供允许低损耗电互相连接和光连接的多层结构。
本发明的再一个目的是提供一种制造具有电光连接的多层结构的方法，该方法可以采用最少处理步骤简单地实现。
采用薄膜方法合适的基质上顺序地建造一个多层结构。在多层结构中至少一个合适的聚合物薄膜层既用作电隔离层隔离信号传导金属层，也用作光导层。薄膜结构材料的选择成对某些适当的选择光波长是光透明的，而且对这个波长具有适当的折射率。一般地，信号传导金属层位于上面或下面的形成光波导三个薄膜层之间和/或上面和/或下面，但是位于波导芯处的金属被蚀刻掉以便获得在芯和包层材料之间具有折射率差的光波导类型，也就是说，包层是由透明光学材料构成的，而且由薄膜结构的底层和顶层部分形成。因此，电和光的互联得以用最少数目的聚合物层集成在一个多层结构上，而且光波导可以制成不用金属层限制它们或者在波导芯的附近没有金属层。各种元件都可以安装在多层结构上，诸如激光器、光电二极管，光学器件的电子驱动电路，电逻辑和存储电路。元件可以例如倒装芯片安装或线连接。例如，可以形成带型的混合电缆，来容纳导电体和光波导。
将参考附图以非限定性实施例的方式详细描述本发明，这里图1是被一个多层结构覆盖的基质的一部分的平面图，该多层结构形成电信号通路和光波导，该部分详细地示出具有连接器的发送模块和接收模块；图2是详细示出光波导和激光芯片的安装的大比例平面视图；图3是垂直于光波导剖开的截面图，用于示出其中的结构；图4是示出面发射激光器芯片的安装以及它与电信号通路和光波导的连接的截面图。
图5是示出连接器件安装在基质上的透视图；图6是示出面发射激光器芯片的安装以及它与电信号通路和光波导的连接的截面图；以及图7是类似于图1的示出发射器和接收器模块的连接器的另一个所要描述的多芯片模块的制造通常基于诸如如下论文中描述的材料M.Robertsson,A.Dabek,G.Gustafsson,O.-J.Hagel,M.Popall等人所著的“New Patternable Dielectric and OpticalMaterials for MCM-L/D-and o/e-MCM-packaging(MCM-L/D和o/e-MCM封装用的新的可构图介电和光学材料)”，First IEEE Int.Symp.On Polymeric Electronics packaging,Oct.26-30,1997,Norrkoping,Sweden。这里公开了可光学成型的聚合物材料ORMOCERTM，此材料适用于光电多芯片模块，以便制成光波导。特别地，这些材料的折射率可以改变以便制造光波导结构的芯和包层。而且，这种材料可以在120-180°的相对低的温度条件下处理。而且，材料具有好的蚀刻特性。低处理温度导致也可以使用不适合高温处理的低成本基质，使得可以使用诸如用于电路板的标准材料的基质，如FR4-环氧树脂、BT-层压板、硅片、陶瓷、玻璃、金属、聚合物薄膜以及其它材料。
在图1中，示出了敷以不同层的基质的一部分的平面视图，光学和电子元件安装在上面。在制造完基质并将元件安装在上面以后，基质将被分割成方形模块1，分割线表示在3处，切割基质的标记表示在5处。在7处示出面发射激光器芯片，包括5个独立的激光器单元。激光器单元发射光到相应的5个光波导9，它们互相平行地延伸并与分割线3垂直，而且在该分割线之外延伸到相邻的模块1内。上面安装有激光器芯片7的模块上还设置有电子驱动器电路芯片11，而且电接触片13设置在所述的模块1的边沿区域，用于片状电容器的线连接(未示出)。在相邻的模块上，光波导9延伸到内部，设置光探测器芯片15，用来接收来自5个平行光波导9的光。三个电子驱动器芯片17也设置在该芯片上，而且还有电接触片。光和电芯片7、15、11、17可通过比如说球格阵列方法电连接到基质，如同虚线所画的接触片18所示一样。
在图4的部分正视图中，示出了形成波导9而且正好位于基质19的上方的不同层，还示出了电导层和不同层之间的相互连接。使用标准多层类型的基质19，具有分别位于它的下和上表面金属层21、23和两个内金属层25、27。这些金属层都可以成型以便在不同部分之间形成合适的电导体。而且，可以采用传统的方法在适当的位置通过互连基质的金属层21-27形成通道。在基质19上部金属层23的顶部是第一成型的薄金属层29，用于形成通道30，接触基质19中的上部的内部厚金属层27。在薄金属层29的顶部形成第一聚合物层31，在该层上面依次设置有用于信号传输的第二薄电导金属层33、第二聚合物层35、和用来信号传输的第三电导薄金属层37、第三聚合物层39、用于信号传输的第四导电薄金属层41。这里驱动电路11，作为替换表示为通过线42连接到第三金属层37的接触区。
聚合物层31、35、39是由如同前面引用的文章中描述的聚合物ORMOCER构成的。聚合物层31、35、39具有适当的折射率以便于能够形成如同下面将描述的光波导的下包层、波导芯和上包层。对于第一或底层和第三或顶层的聚合物层31、39的典型厚度是5-20μm，例如10μm，对于第二或中间聚合物层35的典型厚度是5-70μm，例如20μm。这些聚合物层都可以成型，但是它们只是包含一小部分孔或切口总面积，主要是通过孔允许不同层的电气互连。另外第二聚合物层37成型以便于允许包层部分形成在波导芯的侧面部位，所属波导芯形成在该层内，如同后面将详细描述的一样。顶部聚合物层35、37可以成型以便包括长的平行槽43，用于允许对准将连接到一个或两个模块1的光连接器44，参看图1。而且，顶部聚合物层39可以有切口，以允许与来自结构顶部的第三电信号层37和在该金属层上设置的接触片13电接触。
电信号层29、33、37、41相对于基质金属层21、23、25、27的厚度而言都是很薄的，它们的典型厚度是3μm，而基质金属层的厚度可以是200μm的数量级。在顶层的多层结构中的三个内层29、33、37可以用铝通过溅射的方式制成。顶层41是由一系列层构成的，包括最底层的溅射铝层，其上的很薄的钛层和一个很薄的铜层以及顶部的较厚的镍层，上面敷以薄金属层。它们都成型以便形成导体通路以及可以电接触的片，并填充下面聚合物层中的通孔，用于接触紧位于其下面的电接触层。在每个电信号层都可能剩有相当少的金属材料，特别地，在形成光导芯的区域第三聚合物层39的底和上表面没有金属材料以便于不干扰波导中光的传播而且允许波导芯直线延伸并具有均匀的截面。
在图2的放大视图中，示出了顶部金属层和顶部聚合物层并特别地示出了在激光器芯片7下方以及其上的区域。这里可以看到波导9k包括由第二聚合物层35带形成的波导芯51。在该层上在芯51的侧面形成槽53，然后用来自下面聚合物层即第三或顶部聚合物层39的材料填充这些槽，还参见图3中的截面图。槽53可以具有和上包层和下包层的厚度相对应的宽度，也就是说具例如有10μm的宽度。槽53以及波导9在激光器芯片7的下面延伸，而且其中在每个波导中通过深而且倾斜的凹槽形成反射镜55，所述凹槽通过从层装置的顶部激光剥蚀的方法形成，还参见图4。在层装置的表面上反射镜凹槽55的至少一个边被顶部金属层41的金属带57限制，这些金属带57的适当边限定各个反射镜凹槽55的位置。用于电接触激光器芯片7以及在焊接激光器芯片时利用表面张力对准它的接触片59也由顶部的金属层41形成。这样接触和对准片59以及反射镜限定带57就由同一金属层并利用相同的成型该金属层的掩模步骤形成。
在图1的下面部分以及特别地在图5中，可以看到连接器44。它将形成如同在瑞士专利申请9504549-8中描述的连接器类型。连接器结构44具有细长的长方形薄片形状，肋61从它的长边向下伸出。肋对称地位于长方形连接器本体的长边并在距其短边的某一距离处终止。肋61将通过将它们放在切口槽63的方式近似定位连接器结构，切口槽63穿过所有的聚合物层和基质19。比如说在制成各金属和聚合物层后但在安装元件之前加工槽。为了精确定位或对准连接器结构44，它还具有不可见的低对准肋，位于连接器结构下部处于高肋61之间的薄片部分上。在上面描述的结构里，低对准肋和顶部聚合物层上的槽43结合。
连接器结构44将相邻的两个模块1连接在一起。它位于波导9的上面并在模块之间延伸，其目的是形成波导的对准连接器。连接器结构44在其它元件安装在包层基质19上的同时安装，而且比如说可以通过胶片67固定在基质的表面上，见图1。在图1和图5所示的实施例中，连接器结构的薄片形状本体的端部在激光器芯片7以及光探测器芯片15上方延伸，以便形成他们的保护部分。在安装完所有的元件和连接器结构之后，基质19被沿着如同掩膜5限定的线3分成各个模块1，比如说通过锯的方法锯开。在锯完后，波导9也被切开并在模块边缘形成端部。然后波导的端部将被放置在与连接器结构44的切口端相同的正交或垂直面上，连接器结构44在分割操作中被分成两个连接器，每个模块1上一个。
在把基质分割成模块之前固定连接器结构44能够降低制造成本，这是通过在一个操作中固定基本上两个连接器以及通过使得各个连接器的端面和波导的端面处于相同的切口面上实现的，这样简化了端面的研磨，为了形成低衰减的高度对准波导连接端面研磨是必要。
在能够形成波导的表面结构中，当然也可以使用边缘发射激光器。这在图6的截面图中示出了。这里边缘发射激光器单元7’被安装在凹槽71中，凹槽1制成在两个顶部的聚合物层35和39中。激光器单元包括多个单独的激光器，它们发射光到各自的波导11中。激光器单元7’能够通过一个额外聚合物层73保护。该层73也可以贯穿在激光器单元71的表面和波导11的相对端面之间。然后最好使得它具有适当的折射率，以便与激光器单元和波导的折射率匹配，目的是降低从激光器单元耦合到波导11的光的衰减和减少进入激光器单元的反射光。
作为连接器结构的另外一个实施例示于图7中。这里示出的连接器结构44’用于覆盖两个相邻的多层模块的主要部分，从而覆盖每个模块的所有元件。切口槽63’位于每个模块的两个相对边上，而且平行低肋43’延伸到邻近槽。低肋可以设计成平行于每个模块的三个边的连续肋，以便除了它们的主要功能外，用于在这三个边上密封每个模块，所述它们的主要功能是精确定位连接器结构44’，从而在分割基质时精确定位形成的单个连接器。
权利要求
1．用于传导电和光信号的多层结构，包括形成下包层的第一聚合物层，位于第一聚合物层上面并包括至少一个波导芯的第二聚合物层，以及位于第二聚合物层上并形成上包层的第三聚合物层，其特征在于位于聚合物层之一的相对表面上并形成电信号导体的两个成型金属层，该聚合物层是电隔离的，两个金属层被成型以便于在所述至少一个波导芯上金属材料在至少一个位于并平行于所述至少一个波导芯的带处被去掉，所述至少一个波导芯在位于第二聚合物层的两个金属层之一内，所述至少一个波导芯从而只被聚合物层中的材料束缚或包围。
2．根据权利要求1所述的多层结构，其特征在于第二聚合物层被成型以便在波导芯的侧面形成带状凹槽，来自于第三聚合物层的材料处于所述带状凹槽中并形成侧面包层。
3．根据权利要求2所述的多层结构，其特征在于位于波导芯侧面的带状凹槽的宽度以及第一和第三聚合物层的厚度基本上是彼此相等的。
4．根据权利要求1-3中任何一项所述的多层结构，其特征在于在基质中具有电信号通路的基质、设置在基质表面上的聚合物层以及进一步包括多个单独的多层模块的多层结构，其中多层结构将被分割，至少一个波导芯在两个相邻的多层模块之间延伸以便于形成光波导，光波导也相应地两个相邻多层模块之间延伸，以便当分割模块中的多层结构时，光波导被分成两个部分，每个部分位于一个分离模块上。
5．根据权利要求4所述的多层结构，其特征在于安装在所述光波导上的聚合物层的自由表面上的连接器结构将被分割成两部分，而且位于两个相邻的多层模块上，当分割模块内的多层结构时，连接器结构被分成两个部分，其中作为各自光波导部分的连接器的每一部分而后再被分割成两个部分。
6．根据权利要求5所述的多层结构，其特征在于安装连接器结构以便覆盖两个相邻多层模块的主要部分，以便于当分割模块内的多层结构时，所产生的模块将使连接器结构的它们相应的连接器部分形成模块和可能形成在模块的上的元件的封装。
7．根据权利要求1-6中任何一项所述的多层结构，其特征在于在聚合物层中的凹槽，该凹槽设置成使得光波导的端面在凹槽的一个侧壁上，以及安装在凹槽里的光学元件，用于把来自光学元件的光信号耦合到光波导，或把来自于光波导的光信号耦合到光学元件。
8．用于传导电和光信号的多层结构，其特征在于包括下列层的一系列层第一成型金属层，形成下包层的电绝缘的第一聚合物层，第二成型金属层，电隔离第二聚合物层，包括波导芯并位于波导芯带的侧面形成侧面包层，折射率比电导芯的折射率低，第三成型金属层，以及形成下包层的电隔离第三聚合物层。
9．用于传导电和光信号的多层结构，其特征在于包括下列层的一系列层形成下包层的电隔离的第一聚合物层，电隔离的第二聚合物层，包括波导芯并位于波导芯窄带的侧面，在此形成侧面包层，而且第二聚合物层的折射率比电导芯的折射率低，以及形成下包层的电隔离第三聚合物层，窄带的宽度以及下包层和上包层的厚度基本上彼此相同。
10．根据权利要求1-9中任何一项所述的多层结构，其特征在于第一和第三聚合物层基本上都是延伸覆盖整个多层结构的整个层，仅有通孔用于不同层之间的电和光连接并延伸到外部。
11．根据权利要求1-10中任何一项所述的多层结构，其特征在于光和/或电子元件安装在多层结构的表面，一个附加的聚合物层覆盖至少多层结构的表面以及元件的一部分。
12．根据权利要求11所述的多层结构，其特征在于附加的聚合物层具有适当的折射率，选择成提高元件及波导之间的光耦合，而且穿入元件表面与光波导的端面之间的至少一个空间或槽处，在所述表面元件设置成发射或接收光信号。
13．根据权利要求1-12中任何一项所述的多层结构，其特征在于在聚合物层的至少两个序列上，一个序列形成于另一个序列的上面，而且光波导位于每个序列中。
14．用于传导电和光信号的多层结构，包括形成下包层的第一聚合物层，位于第一聚合物层之上的第二聚合物层，并包括至少一个波导芯，以及位于第二聚合物层之上的第三聚合物层，并形成上包层，以便于在聚合物层里至少形成一个光波导，其特征在于在基质中具有电信号通路的基质，所述聚合物层设置在基质表面上以及所述多层结构包括多个单独的多层模块，其中多层结构将被分割，至少一个波导芯在两个相邻的多层模块之间延伸以便于形成光波导，光波导也相应地两个相邻多层模块之间延伸，以便当分割模块中的多层结构时，光波导被分成两个部分，每个部分位于一个分离模块上。
15．根据权利要求14所述的多层结构，其特征在于安装在所述光波导上的聚合物层的表面上的连接器结构将被分割成两部分，而且位于两个相邻的多层模块上，从而当分割模块内的多层结构时，连接器结构被分成两个部分，其中作为各自光波导部分的连接器的每一部分而后再被分割成两个部分。
16．用来传导电和光信号的多层结构，该多层结构包括形成下包层的第一聚合物层，处于第一聚合物层之上的第二聚合物层，并包括至少一个波导芯，以及位于第二聚合物层之上的第三聚合物层，并形成上包层，以便于在聚合物层中至少形成一个光波导，特征在于聚合物层中的凹槽，该凹槽设置成使得光波导的端面在凹槽的侧壁面上，以及安装在凹槽内的光学元件，用于把来自光学元件的光信号耦合到光波导，或把来自光波导的光信号耦合到光学元件。
17．用于制造传导电和光信号的多层结构的方法，包括如下步骤提供一个基质，在基质上设置第一聚合物层以便形成下包层，在第一聚合物层上设置第二聚合物层，以便形成至少一个波导芯，以及在第二聚合物层上设置第三集合物层，形成上包层，其特征在于设置两个金属层，金属层之一位于电绝缘的聚合物层之一的一个表面，而另一个金属层位于所述聚合物层之一的另一个表面上，并成型所述两个金属层以便形成电信号导体，成型如下进行，即使得在所述至少一个波导芯并平行于所述至少一个波导芯的带区中金属层中的金属被去掉，所述至少一个波导芯在位于第二聚合物层中的两个金属层之一内，从而所述至少一个波导芯仅被第一、第二和第三聚合物层中的材料束缚或包围。
18．根据权利要求17所述的方法，其特征在于在设置第三聚合物层之前，通过附加的成型第二聚合物层的步骤，以便在所述至少一个波导芯的侧面形成带状，从而当设置第三聚合物层时，来自第三聚合物层的材料贯穿所述带以便形成所述至少一个波导芯的侧面包层。
19．根据权利要求18所述的方法，其特征在于在成型第二聚合物层的步骤中，使得带的宽度基本上和第一及第三聚合物层的厚度相同。
20．根据权利要求17-19中任何一项所述的方法，其特征在于将基质分割成多个的单独的多层模块的附加步骤，所述分割以如下方式进行，即使得将所述至少一个光波导分割成两部分，每个部分位于单独的多层模块上。
21．根据权利要求20所述的方法，其特征在于在分割基质的步骤之前的把元件安装在至少一个层上以及基质表面上的附加步骤。
22．根据权利要求21所述的方法，其特征在于在分割基质的步骤之前将连接器结构安装在位于所述的至少一个光波导的基质表面的附加步骤，所述至少一个波导在在分割基质的步骤中被分割为两个部分，安装连接器结构的步骤以如下方式完成，即使得连接器结构在分割基质的步骤中被分成两部分，每部分是所述的至少一个光波导的各个部分的连接器，所述至少一个光波导在分割基质的步骤中被分割。
23．根据权利要求17-22中任何一项所述的方法，其特征在于包括如下附加步骤，即在聚合物层中制作凹槽并定位凹槽使得光波导的端面位于凹槽的侧壁面上，以及另一个将光学元件安装在凹槽中的附加步骤，用于把来自光学元件的光信号耦合到光波导，或把来自光波导的光信号耦合到光学元件。
24．制造传导电及光信号的多层模块的方法，其特征在于包括如下系列的步骤提供一个基质，在基质表面上设置第一成型金属层，在其上设置电隔离的第一聚合物层以形成下包层，在其上设置第二成型金属层，在其上设置电隔离的第二聚合物层，包括波导芯而且在波导芯的侧面有带状凹槽，在其上设置第三成型金属层，以及在其上设置电隔离的第三聚合物层以形成一个上包层，那么来自第三聚合物层的材料贯穿并进入到带状凹槽以形成侧面包层。
25．制造导通传导电和光信号的多层模块的方法，其特征在于包括如下系列步骤，提供一个基质，在其上设置电隔离的第一聚合物层以形成下包层，在其上设置电隔离的包括波导芯的第二聚合物层，而且在波导芯的侧面设置窄带状的凹槽，以及在其上设置电隔离的第三聚合物层以便形成上包层，那么来自第三聚合物层的材料贯穿并进入到窄带状凹槽以形成侧面包层，窄带的宽度基本上与第一和第三聚合物层的厚度相同。
26．根据权利要求17-25中任何一项所述的方法，其特征在于在设置第一和第三聚合物层的步骤中，所述第一和第三聚合物层被设置成基本上都是延伸覆盖整个多层结构的整个层，仅有通孔用于不同层之间的电和光连接并延伸到外部。
27．根据权利要求17-26中任何一项所述的方法，其特征在于将光和/或电子元件安装到基质表面的附加步骤，以及设置附加聚合物层以覆盖至少部分多层结构表面和元件的另一个附加步骤。
28．根据权利要求27所述的方法，其特征在于在设置附加聚合物层的步骤中，附加聚合物层设置成具有选择折射率以便提高元件和波导之间的光耦合特性，使得附加聚合物层贯穿元件表面和光波导端面之间的至少一个空间或槽，在所述元件表面上元件被设置成发射或接收光信号。
29．根据权利要求17-28中任何一项所述的方法，其特征在于设置第一、第二和第三聚合物层后在结构上面形成至少一个类似于第一、第二和第三聚合物层序列的序列的附加步骤，以便在每个序列上形成光波导。
30．用于制造传导电和光信号的多层模块的方法，其特征在于包括如下步骤提供在基质内具有电信号通路的基质，在基质表面上设置层以形成传导光信号的光波导，将基质分割成多个的单独的多层模块，进行分割以便将至少一个光波导分割成位于单独模块上的两个部分。
31．根据权利要求30所述的方法，其特征在于在分割基质之前的将元件安装在至少一层上和基质表面上的附加步骤。
32．根据权利要求30所述的方法，其特征在于在分割基质的步骤之前将连接器结构安装在基质表面的附加步骤，所述连接器结构安装成位于所述的至少一个光波导上面，所述至少一个光波导被以如下方式分割为两个部分，即使得连接器结构在分割基质的步骤中被分成两部分，每部分是部分所述的至少一个光波导的连接器，所述至少一个光波导在分割基质的步骤中被分割。
33．制造用于传导电和光信号的多层结构的方法，其特征在于包括如下步骤，提供内部具有电信号通路的基质，在基质表面上设置层以形成传导光信号的光波导，在其上某一位置处蚀刻一个凹槽穿透各个层使得光波导的端面在凹槽的侧壁面上，以及在凹槽内安装光学元件，用来耦合来自元件的光信号到光波导，或者相反。
全文摘要
位于基质(19)上部的薄膜多层结构有三个具有适当折射率的聚合物层(31,35,39),在三个聚合物层中形成光波导(9)。信号传导金属层(33,37,41)位于这三个薄膜层上。在金属芯处的金属被蚀刻掉以便获得通道型的普通光波导,并在芯和包层材料之间具有折射率差。在聚合物层上蚀刻有孔以便形成电通路。在另一个类似的三个聚合物层结构设置在所示层上面的情况,可以通过激光剥蚀形成反射镜(55)以便提供光波导与某一元件(7)的连接,以及提供光通路。因此,可以采用最少数目的聚合物层将电和光的互连集成在多层结构中,而且光波导可以制造成具有低损耗。
文档编号G02B6/122GK1299471SQ99805780
公开日2001年6月13日 申请日期1999年3月8日 优先权日1998年3月6日
发明者M·罗伯逊, G·古斯塔夫松, O·J·哈格尔 申请人:艾利森电话股份有限公司