基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构的制作方法

本发明属于光电子/微电子器件领域，更具体地说是一种基于低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)的光电集成封装结构。

背景技术：

对于高速激光器芯片，其正常工作需要同时加载直流信号和高频信号。同时，为了便于调整，往往需要将直流路径和高频路径分开。

在阵列集成中，传统的陶瓷薄膜电路由于只能进行单层设计，所以当设计卡槽结构或过孔时，只能贯穿整个板子，无法进行非穿透式的异形结构设计；对于双层结构，只能在层与层之间用垫块进行支撑，很明显，这种方式的可靠性是比较低，体积增加，无法进行异形设计，限制了集成度的提升。如果是多于两层的结构，传统方式无法胜任，只能利用LTCC工艺进行化成型制备。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于LTCC的光电集成封装结构，可以有效的提高激光器的可靠性以及集成度。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构，包括：

一多功能低温共烧陶瓷基板3，包括：

一高频功能层32，为共面波导结构，用于传输高频信号；以及

一直流功能层31，为微带线结构，用于传输直流信号，形成于所述高频功能层32之上，设有完全贯穿所述直流功能层31的N个卡槽结构3161～316N，其中N为自然数；

一背光探测器芯片阵列2，包括N个背光探测器芯片，所述N个背光探测器芯片固定于所述N个卡槽结构3161～316N中；以及

一激光器芯片阵列1，包括N个激光器芯片，所述N个激光器芯片固定于所述N个卡槽结构3161～316N中，与所述背光探测器芯片并排设置，且所述背光探测器芯片与所述激光器芯片间距不大于0.5mm；相对于出光方向<0>，同一卡槽结构中的所述背光探测器芯片与所述激光器芯片的波导处于同一中心线。

可选地，所述封装结构还包括3N个输入端口：

N个第一直流信号输入端口PA1～PAN，用于将N个第一直流信号SA1～SAN分别输入至所述N个背光探测器芯片的正极，作为所述N个背光探测器芯片的直流输入信号；

N个第二直流信号输入端口PB1～PBN，用于将N个第二直流信号SB1～SBN分别输入至所述N个激光器芯片的正极，作为所述N个激光器芯片的直流输入信号；以及

N个高频信号输入端口PC1～PCN，用于将N个高频信号SC1～SCN输入至所述N个激光器芯片的正极，作为所述N个激光器芯片的调制信号。

可选地，所述N个第一直流信号输入端口PA1～PAN与所述N个背光探测器芯片的正极之间，设有N条背光探测器芯片正极引线3111～311N，位于所述直流功能层31上，用于将所述N个第一直流信号输入端口PA1～PAN的所述N个第一直流信号SA1～SAN传输至N个背光探测器芯片的正极。

可选地，所述N个第二直流信号输入端口PB1～PBN与所述N个激光器芯片的正极之间，设有N条激光器芯片正极引线3121～312N，位于所述直流功能层31上，用于将所述N个第二直流信号输入端口PB1～PBN的所述N个第二直流信号SB1～SBN传输至N个激光器芯片的正极。

可选地，所述N个高频信号输入端口PC1～PCN与所述N个激光器芯片之间，设有N个第一高频信号线3131～313N，位于所述直流功能层31上，用于将所述N个高频信号输入端口PC1～PCN的所述N个高频信号SC1～SCN传输至N个第一高频过孔3141～314N；所述N个第一高频过孔3141～314N位于所述直流功能层31上，且贯穿所述直流功能层31与N个第二高频信号线321电性连接，用于将所述N个高频信号SCl～SCN传输至N个第二高频信号线321；所述N个第二高频信号线321位于所述高频功能层32上，用于将由所述N个第二高频信号线321传输的所述N个高频信号SCl～SCN传输至N个第二高频过孔3171～317N中；所述N个第二高频过孔3171～317N位于所述直流功能层31上，且贯穿所述直流功能层31与N个第二高频信号线321电性连接，用于将由所述N个第二高频信号线321传输的所述N个高频信号SCl～SCN传输至N个第三高频信号3181～318N中；所述N个第三高频信号3181～318N位于所述直流功能层31上，用于将由所述N个第二高频过孔3171～317N传输的所述N个高频信号SCl～SCN传输至所述N个激光器芯片中。

可选地，所述N条激光器芯片正极引线3121～312N与所述N个第三高频信号3181～318N由N个高频隔直电感3151～315N连接；所述N个高频隔直电感3151～315N用于隔离所述N个高频信号SCl～SCN与所述第二直流信号SBl～SBN之间的影响，位于所述直流功能层31上。

可选地，所述高频功能层32还包括一共地电极322结构，分布于所述第二高频信号线321四周，用于为高频信号提供参考地平面。

可选地，所述卡槽结构3161～316N完全包裹所述N个背光激光器芯片和所述N个背光探测器芯片；所述卡槽结构3161～316N与所述N个激光器芯片或所述N个背光探测器芯片之间的缝隙间距小于0.1mm。

可选地，所述N个背光探测器芯片与所述N个激光器芯片的下表面与所述高频多功能层32的上表面接触，实现所述N个背光探测器芯片和所述N个激光器芯片与所述高频功能层32之间的电性连接；且所述N个背光探测器芯片与所述N个激光器芯片的上表面与所述直流功能层31平行。

可选地，所述N条背光探测器芯片正极引线3111～311N和N条激光器芯片正极引线3121～312N采用的材料为金属，通过蒸镀工艺或溅射工艺制作在所述多功能低温共烧陶瓷基板3上。

可选地，所述多功能低温共烧陶瓷基板3通过低温共烧陶瓷工艺叠压烧结制成。

(三)有益效果

从上述技术方案中可以看出，本发明提供的一种基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构具有如下有益效果：

(1)本发明提供的一种基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中，采用通过LTCC技术将多个功能层叠压成一体制成的多功能LTCC基板，实现了光电子芯片的多维度一体化封装，提高了集成度和可靠性，简化了封装工艺步骤，有助于规模化生产。

(2)本发明提出的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构，采用过孔的方式，连接多功能LTCC基板内部的直流功能层和高频功能层，形成三维电路图，实现信号的传输，具有可靠性高、集成度高、体积小等特点，适用于大规模高密度阵列芯片的集成封装。

附图说明

图1示出本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构的立体示意图。

图2示出了本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中多功能LTCC基板的立体示意图。

图3示出了图2所示立体示意图的俯视图，即该实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中直流功能层结构示意图。

图4示出了本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中高频功能层结构示意图。

图5示出了本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中直流功能层与高频功能层信号连接示意图。

图6示出了本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中背光探测器芯片与激光器芯片之间电气连接示意图。

【附图标记说明】

1：激光器芯片阵列 2：背光探测器芯片阵列

3：多功能LTCC基板 31：直流功能层

32：高频功能层 3111～311N：背光探测器芯片引线正

3121～312N：激光器芯片引线正 3131～313N：第一高频信号线

3141～314N：第一高频过孔 3151～315N：高频隔直电感

3161～316N：卡槽结构 3171～317N：第二高频过孔

3181～318N：第三高频信号线 321：第二高频信号线

322：共地电极 41：金丝

SA1～SAN：第一直流信号 SB1～SBN：第二直流信号

SC1～SCN：高频信号 PA1～PAN：第一直流信号输入端口

PB1～PBN：第二直流信号输入端口 PC1～PCN：高频信号输入端口

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、“第三”……等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用于限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。

为解决由于层与层之间通过垫块连接而导致的可靠性较低、体积较大、集成度有限等技术问题，本发明提出了一种基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构，该封装结构包括：

本发明提供了一种基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构，包括：

一多功能低温共烧陶瓷基板3，包括：

一高频功能层32，为共面波导结构，用于传输高频信号；以及

一直流功能层31，为微带线结构，用于传输直流信号，形成于高频功能层32之上，设有完全贯穿直流功能层31的N个卡槽结构3161～316N，其中N为自然数；

一背光探测器芯片阵列2，包括N个背光探测器芯片，N个背光探测器芯片固定于N个卡槽结构3161～316N中；以及

一激光器芯片阵列1，包括N个激光器芯片，所述N个激光器芯片固定于所述N个卡槽结构3161～316N中，与所述背光探测器芯片并排设置，且所述背光探测器芯片与所述激光器芯片间距不大于0.5mm；相对于出光方向<0>，同一卡槽结构中的所述背光探测器芯片与所述激光器芯片的波导处于同一中心线。

可选地，封装结构还包括3N个输入端口：

N个第一直流信号输入端口PA1～PAN，用于将N个第一直流信号SA1～SAN分别输入至N个背光探测器芯片的正极，作为N个背光探测器芯片的直流输入信号；

N个第二直流信号输入端口PB1～PBN，用于将N个第二直流信号SB1～SBN分别输入至N个激光器芯片的正极，作为N个激光器芯片的直流输入信号；以及

N个高频信号输入端口PCl～PCN，用于将N个高频信号SCl～SCN输入至N个激光器芯片的正极，作为N个激光器芯片的调制信号。

可选地，N个第一直流信号输入端口PA1～PAN与N个背光探测器芯片的正极之间，设有N条背光探测器芯片正极引线3111～311N，位于直流功能层31上，用于将N个第一直流信号输入端口PA1～PAN的N个第一直流信号SA1～SAN传输至N个背光探测器芯片的正极。

可选地，N个第二直流信号输入端口PB1～PBN与N个激光器芯片的正极之间，设有N条激光器芯片正极引线3121～312N，位于直流功能层31上，用于将N个第二直流信号输入端口PB1～PBN的N个第二直流信号SB1～SBN传输至N个激光器芯片的正极。

可选地，N个高频信号输入端口PC1～PCN与N个激光器芯片之间，设有N个第一高频信号线3131～313N，位于直流功能层31上，用于将N个高频信号输入端口PC1～PCN的N个高频信号SC1～SCN传输至N个第一高频过孔3141～314N；N个第一高频过孔3141～314N位于直流功能层31上，且贯穿直流功能层31与N个第二高频信号线321电性连接，用于将N个高频信号SC1～SCN传输至N个第二高频信号线321；N个第二高频信号线321位于高频功能层32上，用于将由N个第二高频信号线321传输的N个高频信号SC1～SCN传输至N个第二高频过孔3171～317N中；N个第二高频过孔3171～317N位于直流功能层31上，且贯穿直流功能层31与N个第二高频信号线321电性连接，用于将由N个第二高频信号线321传输的N个高频信号SC1～SCN传输至N个第三高频信号3181～318N中；N个第三高频信号3181～318N位于直流功能层31上，用于将由N个第二高频过孔3171～317N传输的N个高频信号SC1～SCN传输至N个激光器芯片中。

可选地，N条激光器芯片正极引线3121～312N与N个第三高频信号3181～318N由N个高频隔直电感3151～315N连接；N个高频隔直电感3151～315N用于隔离N个高频信号SC1～SCN与第二直流信号SB1～SBN之间的影响，位于直流功能层31上。

可选地，高频功能层32还包括一共地电极322结构，分布于第二高频信号线321四周，用于为高频信号提供参考地平面。可选地，卡槽结构3161～316N完全包裹N个背光激光器芯片和N个背光探测器芯片；卡槽结构3161～316N与N个激光器芯片或N个背光探测器芯片之间的缝隙间距小于0.1mm。

可选地，N个背光探测器芯片与N个激光器芯片的下表面与高频多功能层32的上表面接触，实现N个背光探测器芯片和N个激光器芯片与高频功能层32之间的电性连接；且N个背光探测器芯片与N个激光器芯片的上表面与直流功能层31平行。

可选地，N条背光探测器芯片正极引线3111～311N和N条激光器芯片正极引线3121～312N采用的材料为金属，通过蒸镀工艺或溅射工艺制作在多功能低温共烧陶瓷基板3上。

可选地，多功能低温共烧陶瓷基板3通过低温共烧陶瓷工艺叠压烧结制成。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，本实施例提供当N＝4时的一种封装结构，并提供附图图1至图6。需要说明的是，以下所描述的具体实施例仅用于解释本案，并不用来限定本案，当由于N变化所产生具有均等功效的结构，皆为本发明内容所涵盖的范围。

图1示出本发明一实施例，该基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构的立体结构示意图。参照图1，本发明的一实施例提供的一种基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构主要包括：激光器芯片阵列1，背光探测器芯片阵列2以及多功能LTCC基板3。

图2示出了本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中多功能LTCC基板的立体结构示意图。参照图2，该LTCC基板主要包括：一直流功能层31和一高频功能层32，高频功能层32位于直流功能层之下。其中，直流功能层31为微带线结构，高频功能层32为共面波导结构。本发明采用的LTCC基板是通过LTCC工艺进行叠压烧结而成的，且直流功能层31与高频功能层32属于贴合接触。此外该基板的层数可以为多层，不受本实施例中两层限制。由于LTCC基板通过LTCC技术将多个功能层叠压成一体，并在内部形成三维电路图，实现信号的传输。该结构避免了传统方案中采用分立双层陶瓷电路结构导致的可靠性低、体积大和无法进行异形设计等缺点，具有集成度高、体积小等特点，适用于大规模高密度阵列芯片的集成封装。同时，由图2可知，在直流功能层31上设有4个卡槽结构3161～3164，该4个卡槽结构为矩形，位于直流功能层31的一侧，且完全贯穿直流功能层31。特别地，卡槽的结构和大小仅与背光探测器芯片和激光器芯片的形状大小有关，此处矩形卡槽结构仅为说明本实施例，并非用于限制本发明。

图3示出图2所示立体结构示意图的俯视图，即为本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中直流功能层示意图。由图3可知，该封装结构共有12个输入端口，其中4个为高频信号输入端口PC1～PC4，用于接收高频信号SC1～SC4；4个为第一直流信号输入端口PA1～PA4，用于接收第一直流信号SA1～SA4；以及4个第二直流信号输入端口，PB1～PB4用于接收第二直流信号SB1～SB4。参照图3，该直流功能层包括：

背光探测器芯片引线正3111～3114和激光器芯片引线正3121～3124，分别用于传输第一直流信号SA1～SA4和第二直流信号SB1～SB4；

第一高频信号线3131～3134和第三高频信号线3181～3184，用于传输高频信号SC1～SC4；

第一高频过孔3141～3144和第二高频过孔3171～3174，用于电性连接直流功能层31和高频功能层32；

卡槽结构3161～3164，用于固定背光探测器芯片和激光器芯片；以及

高频隔直电感3151～3154，用于隔绝高频信号SC1～SC4与第二直流信号之间SB1～SB4的影响。

图4示出了本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中高频功能层示意图。参照图4可知，该高频功能层包括：

第二高频信号线321，用于传输高频信号；以及

共地电极322，用于为高频信号提供参考地平面。

图5示出了本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中直流功能层与高频功能层信号连接示意图。参照图1至图5，直流功能层与高频功能层之间的电性连接主要包括直流信号的传输与高频信号的传输。此处需要说明的是，该封装结构需要于外部装置连接，由外部装置提供三组输入信号，分别为第一直流信号、第二直流信号和高频输入信号。

首先关于直流信号的传输：由外部装置提供第一直流信号SA1～SA4和第二直流信号SB1～SB4，分别通过背光探测器芯片引线正3111～3114和激光器芯片引线正3121～3124进入该封装结构。其中，背光探测器芯片引线正3111～3114中的第一直流信号SA1～SA4作为背光探测器芯片的输入信号；激光器芯片引线正3121～3124中的第二直流信号SB1～SB4作为激光器芯片的输入信号。

其次为高频信号传输：由外部装置提供的高频信号SC1～SC4通过第一高频信号线3131～3134进入该封装结构，通过第一高频过孔3141～3144传输至高频功能层中的第二高频信号线321中。第二高频信号线321中的高频信号，通过第二高频过孔3171～3174传输至直流功能层上的第三高频信号线3181～318N中，作为激光器芯片的调制信号。为防止激光器芯片的直流输入信号与其高频调制信号相互影响，在激光器芯片引线正3121～3124与第三高频信号线3181～318N之间连接高频隔直电感3151～3154，起到隔绝的作用。

图6示出了本发明一实施例提供的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构中背光探测器芯片与激光器芯片之间电气连接示意图。参照图6可知，背光探测器芯片引线正3111～3114通过金丝结构41与背光探测器芯片进行电性连接，实现直流信号的传输，该直流信号直接作为背光探测器芯片的输入信号；同理，第三高频信号线3181～3184通过金丝结构41与激光器芯片进行电性连接，实现高频信号的传输，该高频信号作为激光器芯片的调制信号。

由于该封装结构需要接收外部装置提供的直流信号和高频信号，为防止两种信号在同一功能层而发生交互的情况，因此将两组信号通过两个功能层进行传输，即直流功能层和高频功能层。基于图1至图6所示的基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构，首先，将设计有电路的直流功能层31和高频功能层32通过LTCC工艺进行叠压烧结成型，其中直流功能层31上的第一高频信号线3131～3134通过第一高频过孔3141～3144与高频功能层32上的第二高频信号线321连接。然后，分别将背光探测器芯片阵列2和激光器芯片阵列1放入卡槽结构3161～3164中。其中，激光器芯片波导与背光探测器芯片波导处于同一中心线。最后，通过键合工艺，将背光探测器正极与背光探测器芯片引线正3111～3114通过金丝41相连，激光器芯片正极与激光器芯片引线正3121～3124通过金丝41相连，完成该封装结构。

特别地，本发明提供的基于低温共烧陶瓷的光电封装结构需要与外部装置连接，进行信号的传递。本发明提供的基于低温共烧陶瓷的光电封装结构用来发出激光信号，经过外部装置的处理后，接收由外部装置输出的直流信号和高频信号。这里所说的外部装置，可针对不同用途进行不同的设计，这部分不作为本发明的限制。

本发明提供的一种基于低温共烧陶瓷的光电集成封装结构，是基于电极结构为异面结构(正负电极位于芯片的两个相对的表面上)的激光器芯片和探测器芯片设计的。其中探测器芯片的输入信号为直流信号，激光器芯片的输入信号为高频信号。

需要说明的是，上述实施例仅用来说明本发明的内容，但不作为本发明的限制。该实施例为N＝4时的一种形态，当由于N变化所产生具有均等功效的结构，皆为本发明内容所涵盖的范围。该实施例中的多功能LTCC基板包括直流功能层和高频功能层，在不脱离本发明的精神和范围内，该多功能LTCC基板可包括更多的功能层。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。