一种用于航天器和军用计算机上的光互连基板及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体混合集成电路技术领域，具体涉及一种用于航天器和军用计算 机上的光互连基板及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 随着数字化的进程，数据的处理、存储和传输得到了飞速的发展。弹舰星船性能的 提升，对数据传输能力的要求也越来越高，迫切要求对来自各方面的复杂信息进行实时、高 速采集，数据处理和自动控制。如对高速运动或瞬息短暂过程的观察、记录、显示和储存；对 复杂的二维和三维物体的形状和尺寸的识别、精确测量；对宏观或超微细图形的分析和判 读。实现有效载荷数据处理系统高速化、通用化和配置更加灵活，需要高速、高可靠、低功耗 的高速互连方法。高带宽的需求使得短距互连成了系统发展的瓶颈。受损耗和串扰等因素 影响，基于铜线的电互连在高带宽情况下的传输距离受到限制，成本也随之上升。与电互连 相比，光互连具有高带宽、低损耗、无串扰和匹配及电磁兼容等优点，开始广泛应用于机柜 间、框架间和板间的高速互连。
[0003] 光电子技术可实现高输入/输出端数（I/O)和适于并行处理的三维光电互连，数 据交换能力是传统集成电路无法比拟的。光电子技术的应用可大幅提升航天器和军用计算 机的数据交换能力，对传统意义上的电路概念是一次极大的挑战。
[0004] 国内外光互连基板基本都以PCB板为主，还未见基于LTCC基板制造的光互连技 术。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足和存在的问题，本发明的目的是提供一种用于航天器和军用 计算机上的光互连基板及其制造方法，其具有体积小、重量轻、集成度高等优点，适用于航 天器和军用计算机上所用混合电路内部光电信号转换和高速信号传输。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0007] -种用于航天器和军用计算机上的光互连基板，包括第一反射镜、第二反射镜、第 一微透镜阵列、第二微透镜阵列、发射组件、接收组件、单面抛光的硅片以及一侧开设有空 腔的LTCC基板；其中，发射组件集成了 VCSEL器件、VCSEL接口电路板和驱动电路芯片；接 收组件集成了 ro器件、ro接口电路板、驱动电路芯片；所述LTCC基板的空腔内设置有单面 抛光的硅片，单面抛光的硅片的抛光面上设置有复合波导；复合波导的一端设置第一反射 镜，另一端设置第二反射镜；
[0008] 发射组件、接收组件组装在LTCC基板的另一侧，且LTCC基板的另一侧开设有孔， VCSEL器件和ro器件组装在LTCC基板的另一侧开孔处，VCSEL器件和第一反射镜之间设置 第一微透镜阵列，ro器件和第二反射镜之间设置有第二微透镜阵列；VCSEL器件垂直激发 的光束透过孔后穿过第一微透镜阵列、经第一反射镜水平反射入复合波导，光束经复合波 导全反射传输后水平传输给第二反射镜，由第二反射镜垂直反射入第二微透镜阵列，最后 光束经第二微透镜阵列、穿过孔进入ro器件中，实现光互连。
[0009] 所述单面抛光的硅片抛光面的表面粗糙度小于30A。
[0010] 所述复合波导包括上包覆层、下包覆层以及设置在上包覆层、下包覆层之间的波 导芯层。
[0011] 所述波导芯层材质为SU-8,上包覆层、下包覆层材质均为PDMS。
[0012] 所述第一反射镜、第二反射镜的反射面上沉积有Al或Au。
[0013] 所述第一反射镜和第二反射镜均通过粘接剂粘接在单面抛光的硅片上；VCSEL器 件和ro器件通过粘接剂粘接在LTCC基板上。
[0014] 一种用于航天器和军用计算机上的光互连基板的制造方法，包括以下步骤：
[0015] 1)制造复合波导：
[0016] 首先在单片抛光的硅片上制作复合波导，复合波导包括上包覆层、下包覆层以及 设置在上包覆层、下包覆层之间的波导芯层，其中，波导芯层的宽为?ομπι，高为?ομπι，长 为20mm，上包覆层和下包覆层的厚度均为60 ym ;
[0017] 2)制造反射镜：
[0018] 将第一反射镜和第二反射镜组装在硅片上，且第一反射镜和第二反射镜分别位于 复合波导的两端；
[0019] 3) LTCC基板开腔、打孔：
[0020] 在LTCC基板一侧开设台阶状空腔，并在LTCC基板另一侧进行打孔；
[0021] 4)将带有复合波导的硅片通过粘接剂粘接到LTCC基板的空腔内；将发射组件和 接收组件组装到LTCC基板的另一侧，其中，发射组件集成了 VCSEL器件、VCSEL接口电路板 和驱动电路芯片；接收组件集成了 ro器件、ro接口电路板、驱动电路芯片；在VCSEL器件和 第一反射镜之间设置第一微透镜阵列，在ro器件和第二反射镜之间设置第二微透镜阵列； VCSEL器件发射的光束通过孔垂直射入第一微透镜阵列中，由第一微透镜阵列射向第一反 射镜，第一反射镜将光束水平射入复合波导中，经复合波导的光束水平射向第二反射镜，由 第二反射镜射入第二微透镜阵列，第二微透镜阵列将光束射入ro器件中。所述第一反射镜 和第二反射镜的具体制备方法如下：在〈1〇〇>晶向并且厚度为500 μ m的双面抛光硅片的正 反两面通过LPCVD沉积厚度为丨OOOA的Si3N4，作为腐蚀时的掩膜，再采用负胶光刻在硅片 上制作待刻蚀图形，然后通过等离子刻蚀技术刻蚀Si 3N4，湿法腐蚀制作出反射面，再采用磷 酸去除硅片正反两面的Si3N 4，得到第一反射镜和第二反射镜；第一反射镜与第二反射镜的 反射面上沉积有Al或Au ;所述步骤3)中波导芯层材质为SU-8,上包覆层、下包覆层材质均 为 TOMS。
[0022] 所述波导芯层通过以下方法制得：首先，将衬底材料硅片清洗后先于500rpm转速 下匀胶l〇s，再于3000rpm转速下匀胶30s，然后于70°C下进行前烘5min，再于270W、光强为 2. 7mW/cm2下曝光380s后于70°C下烘烤，然后显影30s，最后98°C烘烤固化5min，得到波导 芯层SU-8。
[0023] 所述步骤2)中刻蚀采用的反应气体CFjP 0 2，且CF4、O2的流量分别为65sccm、 38 SCCm，刻蚀功率为100W，采用的腐蚀液为K0H、DI水、异丙醇的混合溶液，且KOH :DI水：异 丙醇=200g :400mL :40mL。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
[0025] 本发明通过在LTCC基板一侧开设空腔，并在硅片的抛光面上设置复合波导；并在 复合波导的一端设置第一反射镜，另一端设置第二反射镜；LTCC基板的另一侧的开孔处组 装VCSEL器件和ro器件，并且在VCSEL器件和第一反射镜之间设置第一微透镜阵列，在ro 器件和第二反射镜之间设置第二微透镜阵列，使得VCSEL器件垂直激发的光束透过孔后穿 过第一微透镜阵列、经第一反射镜水平反射入复合波导，光束经复合波导全反射传输后水 平传输给第二反射镜，由第二反射镜垂直反射入第二微透镜阵列，最后光束经第二微透镜 阵列、穿过孔进入ro器件中，实现光互连。与传统电互连相比，光互连具有传输速率快、高 带宽、无信号串扰和电磁兼容等优点；与PCB光互连基板相比，本发明的LTCC光互连基板具 有体积小、重量轻、集成密度更高的特点，非常适合制造用于航天器和军用计算机，且更容 易实现与光电组件的组装工艺。
[0026] 进一步的，单面抛光的硅片抛光面的表面粗糙度小于30A，便于小尺寸复合波导 的制造。
[0027] 进一步的，波导芯层材质为SU-8,上包覆层、下包覆层材质均为PDMS，这样的材质 便于光在复合波导中的全反射传输。
[0028] 进一步的，由于第一反射镜、第二反射镜的反射面上沉积有Al或Au，所以可以降 低光波吸收和散射损耗，进而增强反射。
[0029] 本发明通过在单面抛光的硅片上制作上包覆层、下包覆层和波导芯层形成复合波 导，然后在单面抛光的硅片上设置第一反射镜和第二反射镜，使得第一反射镜和第二反射 镜分别位于复合波导的两端；在LTCC基板一侧开设台阶状腔体，在LTCC基板另一侧打孔， 然后将带有复合波导的硅片通过粘接剂粘接到LTCC基板的空腔内，在LTCC基板另一侧组 装发射组件和接收组件，得到光互连基板，实现了 LTCC基板上的光互连，本发明的制备方 法简单，容易实现；同时本发明制造的光互连基板能够实现芯片到芯片的互连，大幅提高了 传输带宽和传输速率，满足现代国防和军事武器对高速数据传输的需求，具有重要的国防 和军事意义。
[0030] 进一步的，制造反射镜时腐蚀液中加入异丙醇是为了控制腐蚀速率和改善被腐蚀 表面形貌，提高表面光洁度。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明的LTCC基板光互