CN102073114A - 元件安装装置和用于制造元件安装装置的方法 - Google Patents
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Abstract
一种元件安装装置,包括:基板,所述基板具有位于表面上的支座和高度低于所述支座的凸部;和第一元件,被安装在所述支座上并通过第一AuSn焊料固定至所述基板。且,所述第一元件的与所述凸部相对的区域和所述凸部之间的部分用比所述第一AuSn焊料更富含Au的第二AuSn焊料填充。
Description
本申请基于并要求于2009年11月13日递交的日本专利申请No.2009-259436的优先权权益,通过引用将其公开内容全部结合于此。
技术领域
本发明涉及元件安装装置,尤其涉及在高度方向和水平方向上被高精度地对准的元件安装装置。
背景技术
以两个元件光学耦合的方式装配有光波导(或光纤)和光子元件的光学模块,是经由光波导(或光纤)将从光子元件发射的光学信号传输至外部且通过光子元件从外部接收光学信号的装置。光学信号的传输通过将电流注入至激光器二极管(以下称为″LD″)并使LD发光而进行的。光学信号的接收是通过在光电二极管(以下称为″PD″)处接收光学信号并产生光电流而进行的。为了改善光耦合效率,在光波导(或光纤)和光子元件之间可以设置透镜,或设置用于去除额外光的滤波器或光隔离器。依据预期的光学通信的路线采用各种安装结构。例如,用于连接大城市的干线的光学通信的模块被安装诸如透镜和光隔离器的光学部件以及光学元件和光纤。但是用于用户线路的光学模块可能不使用这种光学元件,以降低成本。
当安装光学元件时,光学元件可以通过焊料固定至装配有光波导的基板。或者光纤可以在通过焊料将光学元件固定在基板上之后被固定在基板上。在这里,对于光波导(或光纤)和光学装置的光耦合,光学元件的位置、高度和水平度的精度是重要的。特别是在光学通信的用户线路中,以低的成本组装光学模块是绝对必要的。并且为了在不用透镜的情况下将光学元件和光波导直接耦合在一起,要求高精度的对准。
用户线路的光学模块采用基板,在所述基板中波导形成在硅基板上,金属化电极形成在光学元件安装部件上且在所述波导的边缘处,另外厚度为几毫米的薄膜AuSn焊料通过蒸发形成在金属化电极上。随后,采用提前形成在光学元件和基板上的标记(对准标识)进行对准。在此之后,光学元件通过压制在AuSn焊料薄膜上而被临时固定。在多个光学元件被临时固定之后,基板被加热至高于AuSn焊料的熔点。因此,多个光学元件与电极连接在一起。这种在没有光轴调节的情况下通过对准标识对准的安装方法称为被动对准安装(passive alignment mounting)。
在被动对准安装中,通过用红外线识别对准标识的图像来确定关于波导芯片的水平方向的位置精度。通过支座块的高度确保垂直方向的精度。因为可以非常精确地控制支座块的高度,所以仅通过将诸如LD和PD的光学元件(部件)安装在支座上,能够非常精确地将这些元件(部件)的光轴高度与光波导的高度对准。
例如,在日本专利公开No.2823044中,公开了一种光学装置,其具有安装在PLC(平面光波回路:Planar Lightwave Circuit)芯片上的LD元件,该PLC芯片的光波导回路通过半导体制造工艺的微加工技术制造。波导芯体和支座的高度仅通过采用薄膜沉积系统形成的薄膜的厚度的精度来进行控制。并且因为通过将LD元件安装在支座上,可以非常精确地使这两个高度对准,所以在不调整光轴的情况下实现了LD和波导芯体的精确的光耦合。在这种结构中,如果需要数量的支座和对准标识形成在每个所要求的位置处,则可以通过被动对准安装将多个光学元件安装在PLC上。
LD、PD、SOA(半导体光学放大器)、调制器芯片和其它各种光学元件被安装至光波导装置。预期的是安装在这样的光波导装置上的这些光学元件(半导体芯片)的有源层的深度彼此不同。在这种情况中,为了对准光轴,可以考虑制造具有对应于每个元件的不同高度的支座。
在这种情况中,假定了下述问题。即,当光学元件(半导体芯片)通过倒装芯片安装而被安装在光波导芯片上时,AuSn共晶焊料用于固定。这是因为与其它焊料材料相比,AuSn焊料的熔点高,因此在早期组装阶段进行所述安装是可行的。而且,这是因为AuSn焊料是硬质且稳定的材料所以可以获得高的可靠性。另一方面,因为需要对准光轴,与电学部件至印刷线路板的回流安装工艺不同,这种光学元件未同时固定在光波导芯片上,且每个元件通过被动对准按顺序地安装。然而,因为上述多个光学元件通过相同的AuSn焊料固定,用于提前固定光学元件的AuSn焊料可能在另外的光学元件随后的加热固定时熔化,且随后可能引起已固定的光学元件的位置移位。
作为用于改善用于固定元件的AuSn焊料的耐热性的技术,例如日本专利特许公开No.2003-200289描述了一种技术,其中通过在将要安装的元件的表面上形成Au层而使Au从粘合界面热扩散到AuSn焊料中。因此,具有高熔化温度的Au富含层形成在与所述元件的粘合界面附近,并且能够改善所述元件和AuSn焊料之间的粘结强度的耐热性。然而,对AuSn焊料的附近表面形成Au富含层存在限制。因此,在光学元件需要与厚的AuSn焊料固定在一起的情况中,当大多数AuSn焊料通过加热熔化时,即使保持光学元件和AuSn焊料之间的粘合界面附近的强度,也难以防止光学元件的位置移位。
作为用于解决这种问题的技术,例如,日本专利特许公开No.2002-111113(以下称为“专利文献1”)公开了一种技术,其用于在将元件与由Au、Ag、Cu、Ni、Pt、Pb和Al或它们的合金构成的凸块(bump)临时固定的状态中采用焊料固定元件。
发明内容
本发明的示例性目的是提供一种元件安装装置和用于制造元件安装装置的方法,其在安装了元件时可以精确地调整高度方向和水平方向的位置。
根据本发明示例性方面的元件安装装置包括:基板,所述基板具有位于表面上的支座和高度低于所述支座的凸部;和第一元件,被安装在所述支座上并通过第一AuSn焊料固定至所述基板;其中所述第一元件的与所述凸部相对的区域和所述凸部之间的部分用比所述第一AuSn焊料更富含Au的第二AuSn焊料填充。
根据本发明示例性方面的一种用于具有安装在基板上的第一元件的元件安装装置的制造方法,包括下述步骤:在所述基板上构造支座;在所述基板上构造高度低于所述支座的凸部;在所述凸部上设置Au层;在所述基板上设置AuSn焊料使得AuSn焊料覆盖所述凸部;在所述基板上配置第一元件;以及加热所述基板使得:当配置在所述基板上的所述第一元件通过设置在所述基板上的AuSn焊料固定至所述基板时,来自设置在所述凸层上的Au层的Au扩散到所述AuSn焊料中,并且在所述凸部和所述第一元件之间构造在AuSn焊料的熔化温度下不熔化的Au富含部分。
附图说明
在结合附图时,将从下述详细描述明白本发明的示例性特征和优点,在附图中:
图1为示出本发明第一实施例的元件安装装置的构成的横截面视图;
图2为示出本发明第二实施例的光波导装置的主要部分的轮廓的横截面视图。
具体实施方式
接下来,以下将参照图1描述本发明的第一实施例。
图1为示出第一实施例的元件安装装置的构成的横截面视图。元件安装装置包括基板2和第一元件1,所述基板2具有在所述表面上的支座3和高度比支座3低的凸部5,第一元件1安装在支座3上并由第一AuSn焊料4固定至基板2。另外,所述第一元件1的与凸部5相对的区域与凸部5之间的部分用第二AuSn焊料6填充,第二AuSn焊料6比第一AuSn焊料4更富含Au。
在如上所述的配置中,因为在第二AuSn焊料6中有大量Au成分,所以熔化温度变高,并且它在第一AuSn焊料4熔化的温度不会熔化。因此,即使通过加热处理以熔化第一AuSn焊料,也能够在安装了元件时非常精确地调整高度方向和水平方向的位置,这是因为第一元件1被确定地固定在凸部5上。
接下来,将描述本实施方式的第二实施例。
图2为具有例如作为通过被动对准而安装在同一光波导芯片上的光学元件的LD和SOA的光波导装置的主要部分的示意性横截面视图。形成在Si基板7上的光波导8由光波导芯体8a、上光波导包层8b和下光波导8c构成。
由SiO2制成的支座9和10、对准标识11以及固定器(anchor)12通过应用公众已知的半导体制造工艺的微加工技术同时形成。支座9和10的高度以及对准标识11的高度设定为与LD 16的有源层16a、SOA 18的有源层18a和光波导芯体8a的高度相同。
在其结构中的显著特征是使固定器12的高度低于支座9。例如,能够使支座9的高度比固定器12高0.1μm至2μm。在本实施例中,支座9的高度设定为比固定器12高1μm。
在处于预定位置的基板7的上表面上,并且在固定器12的上表面上,设置通过蒸发方式制成的Au焊垫13。Au焊垫13的厚度例如为0.3至1μm。在本实施例中,Au焊垫13的厚度被制成为0.3μm。同样地,在LD16和SOA 18的下表面上,分别设置Au焊垫17和19。Au焊垫17和19的厚度例如为0.3至1μm。在本实施例中,Au焊垫17和19的厚度分别制成为0.3μm。
虽然可以例如通过诸如蒸发方式或溅射方式的干法镀覆方式设置AuSn共晶焊料14和5,但在本实施例中带状焊料通过采用冲压机(punch)进行冲压(punching)而被安装在基板7上。另外,在本实施例中使用的AuSn共晶焊料为Au∶Sn=80∶20(质量比)。此外,在固定器12和随后提及的LD 16之间的部分处,Au通过加热从Au焊垫13或Au焊垫17热扩散到AuSn共晶焊料中,AuSn共晶焊料变成富含Au。即,因为在固定器12和LD 16之间的部分中的AuSn共晶焊料的厚度薄,所以通过由热扩散从固定器12上的Au焊垫13或随后提及的Au焊垫17移动的Au,该部分的AuSn共晶焊料的整个部分变成富含Au的。另一方面,对于其它部分,由于AuSn共晶焊料厚,Au从基板7表面上的Au焊垫13的扩散不能到达AuSn共晶焊料的深度。这一点表明本实施例的固定器6起到非常重要的作用。为AuSn共晶焊料的富含Au区域的富含Au部分14a在图2中被显示为阴影区。富含Au部分14a由其中消除了共晶状态(eutectic state)的ζ层构成,并且在通常的AuSn焊料的熔化温度不熔化。
接下来,描述具有前述结构的光波导装置的制造工艺(被动对准安装工艺)。在这里,将描述在安装SOA 18之前安装LD 16的情形。
首先,支座9和10、对准标识11以及固定器12通过适用于公众已知的半导体制造工艺的微加工技术构造在Si基板7上。此外,如前所述分别设置支座9和10、对准标识11以及固定器12的高度。
接下来,通过在对应于LD 16和SOA 18的安装位置的位置处在基板7的表面上蒸镀Au而构造Au焊垫13。
随后,将AuSn的凸块放置在Au焊垫13上。此时,固定器12嵌入到AuSn的凸块中。
接下来,类似于通常的被动对准安装工艺,位置被确定以便为了对准匹配两个标识、通过用来自基板背面的红外光来检查上述两者,所述两个标识通过Au镀覆形成在光波导芯片和LD芯片上。
在确定所述位置之后,LD 16接触AuSn凸块,预定的载荷被加到LD16上。随后,在确认未出现未对准之后,加热至高于280℃(大于AuSn凸块的熔化温度)。随后,自然冷却至室温。因此,LD 16采用熔化和固着的AuSn固定至基板7。
随后,类似于前述工艺,将被动对准安装SOA 18。对于SOA 18的安装,Au焊垫13、19的Au通过热扩散将AuSn共晶焊料充溢(invade)固定器12和LD 16之间的其的部分。即,构造了富含Au部分14a。富含Au部分14a为未被AuSn焊料的熔化温度熔化的ζ层。因此,通过即使安装了SOA 18时的加热也不熔化的富含Au部分14a,确定地固定了LD16,并且不出现LD 16的位置偏移。
在本实施例中,当安装将通过AuSn焊料被分别固定的多个元件时,可以高精度地进行每个元件的高度方向和水平方向的位置调整。
虽然在前述专利文献1中披露了一种技术,其在安装了元件时有效地防止水平方向的未对准,但存在沿高度方向的未对准的精度受限的问题。即,因为用于元件的临时固定的凸块的直径的尺寸约60μm,所以难以安装光学元件,以将光轴与形成在基板上约10~15μm高度上的光波导芯体对准。另外,即使凸块的高度被匹配,将多个凸块安装至某个高度是极其困难的。因此,采用专利文献1中披露的技术难以高精度地安装多个光学元件。
相比,即使在安装多个元件时,本发明也能够高精度地使每个元件的高度方向和水平方向对准。
虽然已经参照其示例性的实施例具体示出并描述了本发明,但本发明不限于这些实施例。本领域普通技术人员将会理解,在不偏离本发明的由权利要求限定的精神和范围的情况下,可以在其中进行了形式和细节上的各种改变。
Claims (6)
1.一种元件安装装置,包括:
基板,所述基板具有位于表面上的支座和高度低于所述支座的凸部;和
第一元件,被安装在所述支座上并通过第一AuSn焊料固定至所述基板;
其中所述第一元件的与所述凸部相对的区域和所述凸部之间的部分用比所述第一AuSn焊料更富含Au的第二AuSn焊料填充。
2.根据权利要求1所述的元件安装装置,其中所述第二AuSn焊料由其共晶态被消除了的ζ层构建,该ζ层甚至在AuSn共晶焊料的熔点也不熔化。
3.根据权利要求1所述的元件安装装置,其中所述凸部被构造成使得所述第二AuSn焊料部分的厚度L为0<L≤2μm。
4.根据权利要求1所述的元件安装装置,其中:
所述第一元件为第一光学元件;并且
所述元件安装装置还包括分别光耦合至所述第一光学元件的第二光学元件和光波导。
5.一种用于具有安装在基板上的第一元件的元件安装装置的制造方法,包括下述步骤:
在所述基板上构造支座;
在所述基板上构造高度低于所述支座的凸部;
在所述凸部上设置Au层;
在所述基板上设置AuSn焊料使得所述AuSn焊料覆盖所述凸部;
在所述基板上配置第一元件;以及
加热所述基板使得:
当配置在所述基板上的所述第一元件通过设置在所述基板上的AuSn焊料固定至所述基板时,来自设置在所述凸层上的Au层的Au扩散到所述AuSn焊料中,并且在所述凸部和所述第一元件之间构造在AuSn焊料的熔化温度下不熔化的Au富含部分。
6.根据权利要求5所述的用于元件安装装置的制造方法,其中:
还包括在所述基板上构造基板侧对准标识的步骤;并且
在所述配置第一元件的步骤中,通过检查所述基板侧对准标识和提前设置至所述第一元件的元件侧对准标识之间的位置关系,确定所述第一元件的固定位置。
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