高速光电组件及其芯片倒装结构的制作方法

专利名称：高速光电组件及其芯片倒装结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光通信用光电子器件结构的改进，特别涉及的是一种 应用于高速光通信领域中的新型芯片倒装结构以及对应的高速光电组件。
背景技术：
在现代生活中，随着通信业务量的持续增长，作为干路信息传输与处理的 主要载体光纤通信系统，其解决扩容增速的办法，除了可增设新的光缆线路外， 一个经济的办法是使原有光纤线路的信息传输和处理速度得到提高。在通信信 道数目不变的情况下，这种速度的提高要求光纤通信系统内涉及的相关设备使 用可于更高速率下工作的光电子器件，包括光发射的器件和光接收的器件。决 定这些光电子器件能否工作于高速的因素，其中一个因素在于其是否使用了具 有相应高速性能的光电转换芯片和关联的电子的芯片。光电转换芯片用于实现 高速电信号到高速光信号、以及由高速光信号到高速电信号之间的信号能量转 换，关联的电子芯片则用于提供高速电信号源或者对转换得到的高速电信号进 行处理。
除此之外另 一重要因素，为包括这些芯片元件在内的器件各组成部分的组 装，称为器件的封装。随着速率向着更高程度的发展，封装的因素在器件高速 性能中所起的作用已经越来越突出。首先需要解决的就是高速光电转换芯片与 高速电子芯片之间、以及它们到电路的其它各组成部分之间高速电信号的有效 传递问题，即高速光电子器件的电学封装，这是非常重要的。其次一个伴随的 问题，就是如何实现针对高速光电转换芯片的有效和稳定的光信号连接，即高 速光电子器件的光学封装，或称光耦合封装。这两个方面构成了高速光电子器 件封装的核心内容。其中，光学封装方面的变化更多地体现在光接收器件方面， 因为随着速率的增加，光接收芯片用于光耦合的工作区面积会逐渐减小，使光
纤耦合的难度和要求发生变化。比如对速率为10G(1G=109)比特每秒的数字 光信号，常用面型光接收芯片的光耦合工作区直径为30微米左右，即0.03毫米，而速率达到下一代升级系统所要求的40G时，光耦合工作区的直径就下降至12
微米左右，已经与所用单模光纤内传输的9 10微米的光束直径相当，因此器件
对光纤耦合的对准和稳定程度要求大大增加。
请参阅图l所示，其为现有技术中高速光电子器件蝶形封装的立体示意图； 其基于的是一种称为蝶型管壳100的封装管体结构，称为蝶形封装。其中关键 部件包括光电转换芯片110、电子芯片120、高速传输电路130、耦合光纤140 以及芯片安装基板150、高速传输电路基板160、管壳光纤固定通孔170。请参 阅图2所示，其为图1中关键部件在现有技术中光电组件封装的侧视示意图。 这里所指的光电转换芯片110,是指安装后其发射或接收光信号的方向为垂直于 芯片安装基板150表面的情形，包括通常的面型光电转换芯片的安装，和波导 型光电转换芯片在经芯片结构或安装结构的处理后，转变成垂直于芯片安装基 板150表面发射或接收光信号的安装。高速传输电路130是可在高速传输电路 基板160上实现的以有效传输高速信号的专门电路，称为微波传输线。由于高 速传输电路130连同基板160的安装会占用相当的空间体积，因此高速光电子 器件需要用到图1所示的这种蝶形管壳100封装的结构，以提供安装空间，并 且可在管壳上提供专门的用于高速电信号的连接端口 ，为业界普遍使用的一种 管壳封装形式。
在现有技术下，光电转换芯片110、电子芯片120和高速传输电路130之间 电信号的连接采用的是引线键合连接的方式，包括高速传输电路130到管壳高 速电信号端口间的连接。所用的键合连接引线180 —般为极细的金丝，标准直 径如25.4微米、31.8微米，键合连接由专门的引线键合机完成。这种连接方式 简单灵活， 一般应用于连接点较少的电路，并且对于高速应用可实现达到10G 比特每秒的连接工艺要求，因此是目前光电子器件行业中普遍使用的一种电连 接的方式。除此之外，电路元件通过导电胶粘接和金属合金焊料焊接的方式将 元件自身固定安装于基板上，并且实现底部电极与基板电路的直接连接。
通过引线键合机完成的引线键合工艺，有一个技术特点，就是要求所需键 合连接的两个电极表面之间同为朝上的水平表面。换言之，引线键合连接不能 够在相互成垂直或夹角的表面间进行，也不能够在同一个物件的上下或正反两 个表面间进行。这种工艺技术的特点决定了使用引线键合连接的器件封装结构 内部各连接元件之间的基本摆放形式。
因此在上述图l和图2采用的蝶形管壳IOO的封装平台中，由于光电芯片110以及电子芯片120需平放于芯片安装基板150上，以实现引线键合， 因此通过管壳光纤固定通孔170的光纤140,与光电转换芯片110之间就不能采 取直接的轴向耦合的形式，而需采用图中所示的使用斜端面光纤侧向耦合的形 式。在特定的斜端面角度的设计下，光纤140斜端面上将可以发生纤芯内光束 的全反射，因此不会有能量的透射损失。对光通信所用的石英材料光纤而言， 在石英纤芯与外界空气媒质所形成的界面条件下，光纤斜端面发生这种全内反 射的临界角正好位于45度角附近，使光束发生一个接近垂直的偏转。除此之外， 由于现有技术下耦合光纤140的定位和固定需依赖封装管体100，即需通过封装 管体100上的光纤固定通孔170进行，因此为实施观察和对准，耦合光纤140 需置于光电转换芯片110的上方，与此相对应的，光电转换芯片110的光耦合 面需同时为朝上放置。
对于芯片的正面，即芯片基底材料形成芯片结构的一侧，与芯片的背面即 底面都可以制作有电极。用于信号连接的电极通常位于芯片的正面，连同接地 和偏置电极一起通常呈多电极的图形化分布结构。背面如制作有电极，则通常 情况下为接地或简单直流偏置的整面电极结构，通过导电胶或合金焊料工艺与 芯片基座或安装基板上的电路连接。光电转换芯片110根据光耦合面与芯片正 面之间的位置关系，有两种类型， 一种是光耦合面与芯片正面处于同一面的情 形，称为正面进出光类型；另一种是光耦合面位于底面的情形，称为背面进出 光类型。在现有技术下，对于正面进出光类型，光电转换芯片110的安装为直 接的正向安装，芯片正面的信号电极与电子芯片120正面的信号电极间以引线 键合直接连接，如图1、图2中所示。这是光电子器件目前最主要的一种实施情 形。在现有技术下，对于背面进出光类型，由于位于芯片底面的光耦合面需朝 上放置以与光纤140耦合，因此其正面的信号电极需朝下，因此要实现这种情 形的光电转换芯片110与电子芯片120间的引线键合连接，就需要引入一过渡 基座元件101。请参阅图3所示，其为针对背面进出光类型光电转换芯片的现有 技术的光电组件封装的侧视示意图；其用到的过渡基座101 —般为绝缘体，表 面制作有转接电极102,背面进出光光电转换芯片IIO正面电极朝下进行安装， 通过导电胶或合金焊料使正面电极与过渡基座101上的转接电极102连接在一 起，然后再通过转接电极102实现与电子芯片120的引线键合连接。这相当于 用一个过渡基座101将背面进出光的光电转换芯片转化成图2所示的正面进出 光的类型。然而在电学封装方面，随着信号频率的增加，引线连接对高频信号的阻挡 和寄生效应将越来越突出。阻挡体现在使信号的强度发生衰减，包括引线电抗 随着频率上升的增加，以及引线的天线效应使高频的信号成份以电磁波的能量 辐射出去的损失。寄生效应主要体现在电路谐振效应的出现及恶化，使信号在 某些频率成份上发生明显的变化而失真，寄生效应由包括引线产生的寄生电感 和电路回路中存在的寄生电容引起。这些不利的影响随着频率的上升将会恶化。 虽然理论上通过减小引线的长度可以适应这种频率升高的要求，但受限于实际
的引线键合工艺，引线长度不可能无限缩短。而当信号速率达到40G比特每秒 时，所要求的金丝键合引线长度已接近100微米，这种情形下使用现有的引线 键合技术已十分困难。
目前一种有效的解决途径是采用芯片的倒装连接技术，取代引线连接。所 谓倒装，就是使通常引出电极所在的芯片正面倒置朝下安装，引出电极与倒装 基板上对应制作的连接焊盘以某种工艺方式直接键合连接在一起。这种连接方 式将可以实现最短的连接，因而可以较好的满足高频工作的需要。此外，采用 芯片倒装后，元件之间高速信号的传递将同样可以以绝缘基板上可实现的高速 传输电路方式实现，这是简单的引线连接所不能做到的。上述的芯片倒装技术 是微电子领域发展出来的并且已达到相当成熟的技术， 一般应用于接点数众多 的集成电路芯片的安装，可一次完成芯片上所有接点的连接，可针对高速、高 密连接、小尺寸封装、散热等多方面的要求，并且已经具备较高的自动化水平。
术需求本身以及成本方面的因素外， 一个很重要的原因在于光电芯片的倒装与 光电芯片的光耦合之间存在着兼容性的问题。因为光电芯片的安装除了电的方 面的因素外，还有光耦合方面的考虑，情况比电子芯片的复杂。若正面进出光 的光电转换芯片采取正面朝下倒装安装，则芯片的光耦合面为朝下，这与现有 技术的光耦合要求不符。而背面进出光光电转换芯片虽可实现倒装和现有光耦 合封装的兼容，如图3中所示意，但由于该类芯片的制作比正面进出光类型的 复杂，以及需添加额外的过渡基座元件101,因此对于已有的应用，更加趋向于 使用正面进出光类型的芯片及其正向的安装结构。同时需指出的是，图3所示 的这种背面进出光光电转换芯片110的倒装安装结构，只能针对部分高速连接 的考虑，在其它信号连接部位仍然采用引线键合连接的情况下，整个组件的高 速性能仍受到相同的限制；图3所示的这种原有的倒装方案并非完全意义上的倒装结构。但在现有的技术下，釆用背面进出光光电转换芯片的方案，与正面 进出光类型相比，将有助于提供高频性能改善的优势和可能。
除电学封装外，原有技术中影响高速性能进一步获得的另一重要因素即为 光耦合封装本身。这种因素主要体现在光接收器件方面。如前所述，随着信号 速率的上升，光接收芯片用于光耦合的工作区面积会逐渐减小。从目前应用的
10G比特每秒，到下一升级阶段所要求的40G，面型光接收芯片耦合工作区的 直径将由30微米降至12微米，已经与所用单模光纤内传输的9 10微米的光束 直径相当。这就意味着，当速率达到一定程度时，光接收芯片的光耦合将对光 纤位置的变化十分敏感，光纤端面位置的一点点细微的变化，都可能造成光能 量超出光接收面范围而使耦合效率降低甚至失效。因此，能否实现针对高速应 用情形下的非常稳定、可靠的光耦合封装，就成为器件能否实现高速工作的又 一决定因素。
综合上述图1-图3的现有技术，可以看到其中光纤140的定位和固定需完 全依赖于封装管体IOO,即需通过管体100上的光纤固定通孔170来完成。封装 管体100通常为金属材质。这里的光纤140靠近耦合端的一部分为去除了外保 护层材料，露出内部石英光导纤维的棵光纤，在其某节部位上紧覆有一层金属 套管145。通过这个金属套管145,光纤140以合金焊料焊接固定于光纤固定通 孔170中，实现一种密闭和稳固的封装。由于金属材质易受温度变化作用的热 胀冷缩效应，尤其是光纤固定通孔170与光纤金属套管145间分布不均匀的合 金焊料，存在着不均匀分布应力等因素，使固定于光纤固定通孔170中的光纤 140在环境变化时不易保持稳定，尤其当光纤140发生轴向的微小偏转时，光纤 端面将可产生较大距离的移动。对于光耦合工作区面积较大的低速接收器件而 言，这种移动的影响并不显著，而对于速率达到一定程度的高速器件而言，这 种移动就是决定性的。在当前IOG速率器件的应用中，原有技术的这种光耦合 不稳定性的影响已经开始存在，它造成产品可靠性指标不易达到，产品一次成 品率低，生产耗时过长，以及高的成本。显然，当速率进一步提高后，这种影 响将会加剧。
以上内容说明随着对通信用光电子器件速率要求的进一步提高，原有的一 些器件电学封装和光耦合封装技术已开始难以适应更高速率的要求，或者说在 现有技术下，要实现对更高速光、电信号的有效连接已经越来越困难，为此本 发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
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发明内容
本发明的目的在于，提供一种高速光电组件及其芯片倒装结构，用以解决 高速光电子器件的制造中所面临的电学与光学封装方面的瓶颈问题，同时实现 光耦合封装与电学封装之间良好的兼容。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，首先提供一种芯片倒装结 构，其包括
一绝缘基板；
一光电转换芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连接；
至少一关联的电子芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连 接，并与所述光电转换芯片之间设有高速传输电路；
所述关联的电子芯片与封装器件高速电信号端口之间设有高速传输电路， 所述光电转换芯片及关联的电子芯片与封装器件其它部分之间设有芯片的外围 电路，其中，所述的焊盘、高速传输电路和芯片的外围电路形成所述绝缘基板 上的金属薄膜电路。
其中，所述的焊盘为图形化分布，其与所述光电转换芯片以及关联的电子 芯片的倒装面上的各个连接电极对应。
较佳的，在所述的焊盘上可制作形成金锡薄膜合金焊料层，以该焊料的熔 坪方式将所述的光电转换芯片焊接于所述的焊盘上。较佳的，在所述的光电转 换芯片及关联的电子芯片上可制作金凸点，以超声热压焊方式将所述的光电转 换芯片及关联的电子芯片焊接于所述的焊盘上。
当所述的高速电信号端口采用具有相应频率范围的标准同轴型接口时，所 述高速传输电路可采用直接的接触连接。
其次，提供一种高速光电组件，其包括上述的芯片倒装结构以及一种侧向 耦合光纤构件结构，其中，所述的芯片倒装结构包括
一绝缘基板；
一光电转换芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连接，其
至少一关联的电子芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连 接，并与所述光电转换芯片之间设有高速传输电路；
所述关联的电子芯片与封装器件高速电信号端口之间设有高速传输电路， 所述光电转换芯片及关联的电子芯片与封装器件其它部分之间设有芯片的外围电路，其中，所述的焊盘、高速传输电路和芯片的外围电路形成所述绝缘基板
上的金属薄膜电路；
所述的侧向耦合光纤构件结构包括 一第一基板，其一表面上设置有至少一凹形槽； 光纤，其设置于所述的凹形槽内；
一第二基板，其设置于所述的第一基板上并压盖住所述的光纤，并且所述 的绝缘基板位于所述第二基板的上部；
其中，所述的光纤位于所述的第一基板和第二基板之间的一端设置有斜面， 所述的斜面用以将所述光纤中传导的光束实现全反射，且全反射光束的投射区 域与所述的光电转换芯片的感光区域相 一致。
其中，所述的第一基板与所述的第二基板相固定，确保所述的光纤在其间 没有自由度，且所述的第一基板以及第二基板的一端面与所述的光纤的斜面位 于同一平面上。
较佳的，还包括 一辅助垫片通过粘接方式设置于所述的绝缘基板和所述 第二基板之间，其中在所述的辅助垫片开有缺口或缺槽，且所述的缺口或缺槽 与所述的绝缘基板上的通光孔相对应。
较佳的，所述的第二基板为一光学扩展基座，在其上设置有至少一光学元 件，所述的光学元件位于所述的缺口或缺槽中。
其中，在所述的第二基板上设置的光学元件可以为一透镜，所述的透镜的 透射区域与所述的全反射光束的投射区域相一致。
较佳的，所述的第二基板采用与所述的光纤中光导材料相同或相近似的材 料制得，用以减少反射损失。
与现有技术比较本发明的有益效果在于，首先，通过合适的芯片倒装工艺 实现光电转换芯片及关联的电子芯片的完全倒装连接，实现光电组件对高速电 信号的有效传递，解决现有技术下引线键合技术在高速光电子器件电学封装上 面临的瓶颈问题；
其次采用的光纤耦合方案可实现与芯片倒装的良好兼容，并可解决现有技 术下高速光电子器件光耦合封装上面临的稳定性方面的关键问题；
最后本发明提出的高速光电组件，将有助于实现光电子器件于更高速率下 的工作，并增强高速器件的可靠性，其相关基础工艺技术成熟，产品具有良好 的可生产性，将有助于降低高速器件的开发研制难度和产品的生产成本。
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图1为现有技术中高速光电子器件蝶形封装的立体示意图2为图1中关键部件在现有技术中光电組件封装的侧视示意图； 图3为针对背面进出光光电转换芯片的现有技术的光电组件封装的侧视示 意图4 A为本发明芯片倒装结构的平面基本结构示意图； 图4B为本发明芯片倒装结构的侧面基本结构示意图； 图5A为本发明高速光电组件中侧向耦合光纤构件结构的立体示意图； 图5B为本发明高速光电组件中侧向耦合光纤构件结构的侧视示意图； 图6为本发明高速光电组件实施方案一的侧面基本结构示意图； 图7A为本发明高速光电组件实施方案二的侧面基本结构示意图； 图7B为本发明高速光电组件实施方案三的侧面基本结构示意图； 图8A为本发明高速光电组件实施方案二和方案四中垫片实施例一的平面 基本结构示意图8B为本发明高速光电組件实施方案三和方案五中垫片实施例二的平面 基本结构示意图9A为本发明高速光电组件实施方案四的侧面基本结构示意图； 图9B为本发明高速光电组件实施方案五的侧面基本结构示意图； 图10A为本发明高速光电组件实施方案二和方案三另一侧-见方向有关安装
结构的侧面基本结构示意图10B为本发明高速光电组件实施方案四和方案五另一侧视方向有关安装
结构的侧面基本结构示意图11为本发明高速光电组件实施方案六的侧面基本结构示意图。
具体实施例方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。 请参阅图4A和图4B所示，其分别为本发明芯片倒装结构的平面基本结构
示意图和侧面基本结构示意图，所述的芯片倒装结构200包括 一绝缘基板210;
一光电转换芯片220,其倒装面通过至少一焊盘240a与所述的绝缘基板210相
连接；至少一关联的电子芯片230，其倒装面通过至少一焊盘240b与所述的绝缘基板210相连接，并与所述光电转换芯片220之间设有高速传输电路240c; 所述关联的电子芯片230与封装器件高速电信号端口之间设有高速传输电路 240d;所述光电转换芯片220及关联的电子芯片230与封装器件其它部分之间 设有芯片的外围电路240e。图4B中标注的A-A表示沿图4A中相应标示位置的 绝缘基才反210与电路240a-e相应部分的剖面结构。其中，所示的电路样式仅为 代表示例，不同芯片、不同功能和不同设计样式会有不同，但与本发明所述的 基本功能组成一致。所述的焊盘240a、 240b、高速传输电路240c、 240d和芯片 的外围电路240e采用金属薄膜电路工艺实现于所述的绝缘基板210上，所述的 金属薄膜的主要成份通常为金。
所述的光电转换芯片220与焊盘240a间的倒装键合可以采用合金焊料熔焊 工艺，最佳的为金锡合金焊料，其中金锡合金焊料层可以在金属薄膜电路的制 作过程中同时形成，并形成所需的细微图形，其与光电转换芯片220的倒装面 上的各个连接电极对应。在存在多电极、细微倒装连接的情况下，采用导电胶 粘接的方式将因为难以实现精细的连接一般不再适用。此外，也可以使用倒装 技术中的基于芯片硬质金属凸点的倒装工艺，最佳的为金凸点，可在光电转换 芯片220各连接电极上制作出微小的金凸点，然后使用相应的键合工艺来完成 倒装键合连接。若釆用在绝缘基板210上形成图形分布的合金焊料层，也可以 认为是在绝缘基板上形成的键合凸点，这里统一表示为倒装键合凸点250。对于 关联的电子芯片230,尤其对于超高速应用的电子芯片，其采用的基底材料通常 为化合物半导体，与常规的硅半导体芯片不同，其耐受高温、机械压力的性能 较差，且高速电子芯片230的电极间距会更小，因此在釆取倒装方案时需考虑 与通常电子芯片倒装上的区别，其中采用合金焊料高温熔焊的方式不完全能适 用，包括热冲击的影响和可实现精细连接的程度等。在这种情况下， 一种比较 合适的关联电子芯片230倒装的方案为同样使用金凸点的，以及基于金凸点下 可于较低温度下实施的超声热压焊倒装键合方案。
所述的高速电信号端口可以釆用具有相应频率使用范围的标准同轴型接 口，高速传输电路240d到高速同轴接口的导体的连接可为直接的接触连接，同 样不再需要使用引线键合。
请参阅图5A和图5B所示，其分别为本发明高速光电组件中侧向耦合光纤 构件结构的立体示意图和侧视示意图；所述的侧向耦合光纤构件300,其包括 一带有至少一个凹形槽的第一基板310, —位于凹形槽内的光纤320，和一置于凹形槽基板310之上并压盖住凹槽内光纤320的平面第二基板330;所述的凹形 槽的形状需使放入其内的光纤320与凹槽的两个侧壁同时相切，同时光纤的一 部分可以露出凹形槽的表面，与所述第二基板330实现接触。在凹槽侧壁与所 述第二基板330的共同限制下，光纤320被完全限制于凹形槽内。 一般情形下， 此处的光纤320为去除了外涂覆层材料、塑料套层等保护层，露出内部光导纤 维的棵光纤。对于标准单模光纤而言，其内部光导纤维材料为石英，纤维直径 为125樣么米。
所述的第二基板330与第 一基板310之间可用胶粘的方式固定在一起。比 如可采用简单的紫外胶305粘接，上好胶后，在紫外光照射下使胶固化，将各 部分紧密连接在一起。在粘接固定形成紧密连接的情况下，光纤320于凹槽内 的自由度完全丧失，这包括光纤320沿凹槽轴向的平移以及沿自身轴的转动， 因此光纤端面的位置、状态将由所述侧向耦合光纤构件完全决定。
所述侧向耦合光纤构件的一个重要特征为光纤320的端面为加工成满足 全反射角条件的斜端面，使沿光纤320轴向行进的光在所述端面转变成側向行 进的光，并且斜面的方位使所述侧向行进的光位于第二基板330 —侧。在原理 中，所述第二基板330可以制作出一个通光孔或缺口以使光束不经过所述第二 基板直接通过，甚至所述第二基板可以留出光纤端面位置的一部分，但由于仍 存在难以避免的粘胶溢出"污染，，光纤端面的问题，因此一个简单可行的方式是 所述的第二基板330可采用与光导纤维320相同或相近的材料，粘胶305亦采 用与光导纤维320及第二基板330折射率匹配，同时光吸收小的种类，这些材 料及产品在实际中均可获得，然后以第二基板330完全压盖住光纤320。由于各 部分材料折射率相近，光束相当于在同一种材料内传播，因此不会产生内部过 多的反射损失和影响。光束经由第二基板330上表面行进的情形则与通常光纤 320沿轴向端面输入、输出时的情形一样，可以计入这个界面的反射影响，也可 以选择在这个界面镀制光学增透膜，以减小反射的发生。
所述斜端面的角度依据光导纤维材料与所处媒质环境形成的界面的全反射 临界角来决定，当光纤320内传输光束在所述端面的入射角大于这个临界角时， 光束在所述端面将发生完全的内反射，而不会有透射输出。因此这个斜面角度 的取值并不是唯一的，可根据对光束出射方向、界面反射影响等方面的具体要 求选定。对于石英与空气所形成的界面，这里的斜面角度可设置成42度。对于本发明而言，所述的第二基板330为一光学扩展基座，在其上可设置 有至少一光学元件如一透镜402。
请参阅图6所示，其为本发明高速光电组件实施方案一的侧面基本结构示 意图；所述的高速光电组件包括上述的芯片倒装结构200和侧向耦合光纤构件 结构300,其所适用为正面进出光类型的倒装光电转换芯片220a;所述的绝缘 基板210和所述的第二基板330直接固定，这里可以釆用紫外固化胶进行粘接 固定；通过设计第二基板330以及整个侧向耦合光纤构件结构的大小，和控制 第二基板330上表面的点胶区域和点胶量，可以使粘胶不污染光束在第二基板 330上表面光进出的区域。绝缘基板210正对倒装光电转换芯片220a的光耦合 工作区的位置可设置一通光孔401,所述通光孔401的直径小于光电转换芯片 220a的尺寸，不影响芯片的直接安装，同时满足光束传播的需要。如绝缘基板 210的典型厚度为250微米，光电转换芯片220a的典型尺寸为500x500微米见 方，通过激光加工可制作的通孔直径为200微米。
请参阅图7A和图8A所示，其分别为本发明高速光电组件实施方案二的侧 面基本结构示意图以及其中对应垫片的平面基本结构示意图；其与方案一的差 别在于，在绝缘基板210较薄易发生受损时，或便于基板自身安装的情况下， 可在图6所示结构中添加一辅助垫片500,其中在塾片500相应位置开有一比如 为矩形的缺槽510a，用于作为光束通过的窗口。所述垫片500的上下表面分别 与绝缘基板210的下表面和侧向耦合光纤构件结构第二基板330的上表面粘接 固定。垫片500可以釆用金属材料以便于加工。其中，图7A中标注的B-B表示 沿图8A中相应标示位置的垫片500的剖面结构。
请参阅图7B和图8B所示，其分别为本发明高速光电组件实施方案三的侧 面基本结构示意图以及其中对应塾片的平面基本结构示意图；其与方案二的差 别在于，在垫片500相应位置开有一比如为矩形的缺口 510b,用于作为光束通 过的窗口。其中，图7B中标注的B'-B'表示沿图8B中相应标示位置的垫片500 的剖面结构。
请参阅图9A和图8A所示，其分别为本发明高速光电组件实施方案四的侧 面基本结构示意图以及其中对应垫片的平面基本结构示意图；其与方案二的差 别在于，在侧向耦合光纤构件结构第二基板330的上表面添加有一透镜402,以 增加对传播光束的控制，需要注意的是垫片500所设缺槽510a的尺寸需适合透 镜402的大小，以使透镜402可置于由缺槽510a形成的空间中。在添加有透镜
14402的情形下，垫片500的厚度将成为可控制光束传播特性的重要参数。
请参阅图9B和图8B所示，其分别为本发明高速光电组件实施方案五的侧 面基本结构示意图以及其中对应垫片的平面基本结构示意图；其与方案三的差 别在于，在侧向耦合光纤构件结构第二基板330的上表面添加有一透镜402,以 增加对传播光束的控制，需要注意的是塾片500所设缺口 510b的尺寸需适合透 镜402的大小，以使透镜402可置于缺口 510b形成的空间中。垫片500的厚度 同样将成为可控制光束传播特性的重要参数。
请参阅图IOA和图IOB所示，其分别为上述实施方案二、三和四、五/人另 一侧视方向示意的有关其组成部件安装结构的侧面基本结构示意图；其中垫块 403表示的是当所述芯片倒装结构200与所述侧向耦合光纤构件结构300所组成 的本发明高速光电组件放置于比如器件管壳100内安装时的实施例情形。图10A 或图10B中标注的C-C或C'-C'分别表示沿图8A或图8B中相应标示位置的垫 片500的剖面结构。
上述高速光电组件实施方案一至方案五均解决了原有技术下光耦合封装与 芯片倒装之间存在的不兼容性问题，同时光纤端面位置的限制被大大增强，外 界影响可造成的耦合端面的自由度基本被消除。上述各实施方案中，光耦合的 定位与固定实际已脱离了封装管体100。侧向耦合光纤构件结构300与芯片倒装 结构200间的耦合与固定，可在单独的安装平台上实施，并且在操作过程中， 可以使芯片倒装结构200翻转过来，以便于侧向耦合光纤构件结构300的对准 与安装；当完成固定后，两者再一同放入如封装管体100中。这样，耦合及耦 合的固定就不再依赖封装管体100的光纤固定通孔170进行。在这种情况下， 光纤于光纤固定通孔170中通过合金焊料的固定将只针对气密性的封装和光纤 的抗拉保护进行，不再与光耦合发生联系，因此原有技术的通孔焊接固定对光 耦合的影响被消除
请参阅图ll所示，其为本发明高速光电组件实施方案六的侧面基本结构示 意图。对于背面进出光类型的倒装光电转换芯片220b,其光耦合面为朝上。理 论上虽然可以类似前述的实施方案，将本发明所使用的耦合侧向耦合光纤构件 结构300置于芯片所在绝缘基板210的上部，并以类似方式将侧向耦合光纤构 件结构300与芯片倒装结构200固定在一起，但在现实情况中，由于绝缘基板 210上表面已存在各种芯片、金属薄膜电路以及其它所需的各种电子元件，因此 侧向耦合光纤构件结构300置于绝缘基板210上部并与绝缘基板210固定在一起的方案，易与绝缘基板210上的电路结构冲突，不易实施。因此本发明对于
背面进出光类型的光电转换芯片220b,不采用芯片倒装结构200与侧向耦合光 纤构件结构300组合的方案。作为对该情形下的最佳实施方案，可采用原有技 术的光耦合方案与本发明所使用的芯片倒装结构200结合，原有的光耦合封装 技术与背面进出光类型光电转换芯片220b的倒装安装，在本质上可以兼容，而 作为对光耦合稳定性方面的要求，该实施方案的关键点在于，背面进出光光电 转换芯片220b必须为背面集成有透镜结构的集成式芯片(该集成式芯片本身所 具有的透镜结构图中未示)，这样才可以减小使用原有的光耦合技术对光纤140 端面位置易引起变化而造成的对耦合稳定性的影响，使该方案可以同时满足使 器件实现高速工作的电学和光学封装方面的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非 限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可 对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1、一种高速光电组件的芯片倒装结构，其特征在于，其包括一绝缘基板；一光电转换芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连接；至少一关联的电子芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连接，并与所述光电转换芯片之间设有高速传输电路；所述关联的电子芯片与封装器件高速电信号端口之间设有高速传输电路，所述光电转换芯片及关联的电子芯片与封装器件其它部分之间设有芯片的外围电路，其中，所述的焊盘、高速传输电路和芯片的外围电路形成所述绝缘基板上的金属薄膜电路。
2、 根据权利要求1所述的高速光电组件的芯片倒装结构，其特征在于，所 述的焊盘的分布与所述光电转换芯片以及关联的电子芯片的倒装面上的各个连 4妄电极对应。
3、 根据权利要求2所述的高速光电组件的芯片倒装结构，其特征在于，还 包括薄膜合金焊料层或金属凸点设置于所述的焊盘和所述的光电转换芯片之 间，以及所述的焊盘和关联的电子芯片之间。
4、 根据权利要求2所述的高速光电组件的芯片倒装结构，其特征在于，当 所述的高速电信号端口采用具有相应频率范围的标准同轴型接口时，所述高速 传输电路可采用直接的接触连接。
5、 一种高速光电组件，其包括芯片倒装结构和侧向耦合光纤构件结构，其 特征在于，所述的芯片倒装结构包括一绝缘基板；一光电转换芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连接，其至少一关联的电子芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连 接，并与所述光电转换芯片之间设有高速传输电路；所述关联的电子芯片与封装器件高速电信号端口之间设有高速传输电路， 所述光电转换芯片及关联的电子芯片与封装器件其它部分之间设有芯片的外围 电路，其中，所述的焊盘、高速传输电路和芯片的外围电路形成所述绝缘基板上的金属薄膜电路；所述的侧向耦合光纤构件结构包括一第一基板，其一表面上设置有至少一凹形槽； 光纤，其设置于所述的凹形槽内；一第二基板，其设置于所述的第一基板上并压盖住所述的光纤，并且所述 的绝缘基板位于所述第二基板的上部；其中，所述的光纤位于所述的第一基板和第二基板之间的一端设置有斜面， 所述的斜面用以将所述光纤中传导的光束实现全反射，且全反射光束的投射区 域与所述的光电转换芯片的感光区域相一致。
6、 根据权利要求5所述的高速光电组件，其特征在于，所述的第一基板与 所述的第二基板相固定，确保所述的光纤在其间没有自由度，且所述的第一基 板以及第二基板的一端面与所述的光纤的斜面位于同一平面上。
7、 根据权利要求5或6所述的高速光电组件，其特征在于，还包括 一辅 助垫片通过粘接方式设置于所述的绝缘基板和所述第二基板之间，其中在所述 的辅助垫片开有缺口或缺槽，且所述的缺口或缺槽都与所述的绝缘基板上的通 光孔相对应。
8、 根据权利要求7所述的高速光电组件，其特征在于，所述的第二基板为 一光学扩展基座，在其上设置有至少一光学元件，所述的光学元件对应安置于 所述的缺口或缺槽中。
9、 根据权利要求8所述的高速光电组件，其特征在于，在所述的第二基板 上设置的光学元件可以为一透镜，所述的透镜的透射区域与所述的全反射光束 的冲殳射区域相一致。
10、 根据权利要求5或6所述的高速光电组件，其特征在于，所述的第二 基板采用与所述的光纤中光导材料相同或相近似的材料制得，用以减少反射损 失。
全文摘要
本发明为一种高速光电组件及其芯片倒装结构，其中，所述的芯片倒装结构包括一绝缘基板；一光电转换芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连接；至少一关联的电子芯片，其倒装面通过至少一焊盘与所述的绝缘基板相连接，并与所述光电转换芯片之间设有高速传输电路；所述关联的电子芯片与封装器件高速电信号端口之间设有高速传输电路，所述光电转换芯片及关联的电子芯片与封装器件其它部分之间设有芯片的外围电路，其中，所述的焊盘、高速传输电路和芯片的外围电路形成所述绝缘基板上的金属薄膜电路。
文档编号H01L23/48GK101521194SQ20091013175
公开日2009年9月2日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者丹 周 申请人:武汉电信器件有限公司