CN102200612A - 嵌入光纤的玻璃板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入光纤的玻璃板及其制造方法。该玻璃板包括一个具有上下两个表面的玻璃板；至少一根光纤垂直于玻璃板表面嵌入到玻璃板内，所述光纤的至少一端在玻璃板的上表面或下表面暴露出来。这种玻璃板可以实现芯片间高速光信号的垂直传输。该玻璃板的制作工艺简单、成本低廉，解决了玻璃基板打孔困难，填孔工艺复杂的问题。

Description

嵌入光纤的玻璃板及其制造方法

技术领域

本发明涉及微电子封装技术领域，特别涉及一种嵌入光纤的玻璃板，以及制造嵌入光纤的玻璃板的方法，从而实现三维封装或者多层堆叠封装中的高速光互连结构。

背景技术

随着数据通信业务和Internet的飞速发展，带宽需求呈爆炸性增长，人们对电子产品的运算速度和通信速度的要求都大大增加。同时，人们要求电子产品更加小型化、多功能、运行更快速，这要求电子系统尺寸越来越小，集成度越来越高，功能越做越多，芯片之间通信更快速，对电子封装技术的要求也越来越高。传统的二维封装方式已经接近极限，三维封装技术是目前主流的研究方向。三维封装是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。同时，而随着带宽需求的增加，芯片间通信速度也越来越快，频率越来越高，传统的铜线互连在高频高速应用上受到种种限制，频率达到10GHz及以上则会出现串扰、辐射、损耗大等种种问题，大大限制了芯片间的通信速率。相比之下，光纤互连则可以克服电子瓶颈，具有带宽高、损耗小、基本不存在串扰、匹配和电磁兼容等优点。将光纤互连和三维封装技术结合是未来的发展趋势。

目前硅基片的TSV(Through Silicon Via)技术是实现三维封装中的关键技术。TSV技术相对于传统的互连方式，可实现全硅封装，与半导体CMOS工艺相兼容，且可等比例增大元器件密度，减小互连延时问题，实现高速互连。然而硅基片也有不足：(1)硅是半导体，在TSV互连中，需要在侧壁上做绝缘层，阻挡层等多层结构，工艺复杂，制备时间长和制作成本高。(2)硅的介电常数和介电损耗较大，严重影响高频传输性能。(3)硅不透明，与光纤、光器件等折射率差别大，模式不易匹配，耦合效率低。

近年来，玻璃基板的TGV(Through Glass Via)技术逐步发展起来。最有代表性的是德国IZM采用玻璃转接板来集成光电收发模块(参见Michael 

et al.，“3-D Thin Film Interposer Based on TGV(Through Glass Vias)：An Alternative to Si-Interposer”，ECTC，2010，pp66-73)，以及英国拉夫堡大学欧胜机械与制造工程学院(Wolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering)，采用多层玻璃基板实现了高密度电互连结构(参见Xiaoyun Cui，“Glass as a Substrate for High Density Electrical Interconnect”，2008，10th，EPTC，pp12-17)。

玻璃基板的热膨胀系数与硅、三五族半导体接近，玻璃基板具有高杨氏模量，在工艺中可以防止翘曲，并且具有良好的尺寸稳定性和表面平整性好等优点，因此适于做基板材料。除此之外，相对于硅，玻璃还具有下述优点：(1)玻璃是绝缘体，且化学稳定性好，TGV工艺中不需要绝缘层、阻挡层的沉积；(2)玻璃相对硅具有更低的介电常数和介电损耗角，适于高频传输；(3)玻璃透明且与光纤材料相近，模式易匹配，光耦合效率高。基于上述优点，玻璃基板非常适于高频高速以及集成光互连的器件封装。

目前的芯片之间的光互连主要是采用横向互连的方式，美国公开专利申请US2010027577A1公开了一种将VCSEL发出的光采用透镜耦合进PCB上的波导，横向传输耦合到探测器的结构。德国IZM也采用透镜或微镜将光耦合入玻璃板上的水平方向波导或光纤结构(参见Brusberg，L.etal.，“Thin Glass Based Packaging Technologies for Optoelectronic Modules”，ECTC，2009，pp217-212)。但是，上述两种结构没有在垂直方向设置波导或者光纤，因而存在光损耗大、模式容易变化的缺陷。另一方面，在玻璃基板的垂直方向设置波导或者光纤存在一定的技术困难。例如，当前的打孔填空工艺很难实现在不影响波导性能的情况下将波导垂直填入玻璃基板，因而无法满足三维封装中芯片间大量的垂直互连通信的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入光纤的玻璃板以及制造嵌入光纤的玻璃板的方法，用以实现三维封装中不同芯片之间的垂直光互连。

根据本发明的一个方面，提供了一种嵌入光纤的玻璃板，该玻璃板包括：一个具有上下两个表面的玻璃板；至少一根光纤垂直于玻璃板表面嵌入到玻璃板内，所述光纤的至少一端在玻璃板的上表面或下表面暴露出来。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造嵌入光纤的玻璃板的方法，该方法包括以下步骤：加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；把光纤插入到软化的微区中一定深度；冷却固化所述软化的微区；重复前述步骤，直到插入所要求数量的光纤；减薄并整平玻璃板，使光纤的至少一端在玻璃板的表面暴露出来。

其中，所述减薄并整平玻璃板的步骤包括：整平玻璃板插入光纤的一面；减薄并整平玻璃板未插入光纤的另一面，使玻璃板减薄到要求的厚度。

其中，所述减薄是通过机械研磨进行的，所述整平是通过机械抛光或化学机械抛光进行的。

其中，光纤的材料是石英或石英玻璃。可选的，还可以在光纤表面包覆一层金属或金属氧化物材料。

可选的，可以在玻璃板上形成至少一个金属通孔，以实现器件之间的电互连或散热。

所述玻璃板通过嵌入的光纤与外部器件集成，以实现玻璃板与外部器件的光互连。

如上所述，本发明通过在玻璃板中嵌入光纤的方法实现了芯片之间垂直光互连，与传统的金属互连和打孔插入光纤相比具有显著的优势。首先，本发明采用光纤互连方式，提高了信号传输的频率和速度，克服了金属互连的种种限制。第二，玻璃板相比硅等其他基板具有透明、高频电性能好、尺寸稳定性好、化学稳定性好，与光器件耦合损耗小等优点，但不易打孔填孔。本发明采用的嵌入光纤的玻璃板结构，克服了打孔困难的问题，可以方便快速准确地将光纤插入玻璃板中。第三，本发明的整个工艺采用的方法成本低，易于控制，便于大规模量产。

附图说明

图1显示了本发明的嵌入光纤的玻璃板的结构示意图；

图2显示了本发明的制造嵌入光纤的玻璃板的装置；

图3显示了本发明的制造嵌入光纤的玻璃板的方法流程图；

图4a至图4h显示了实施例1的玻璃板的制作方法流程，其中图4h是实施例1的玻璃板结构示意图。

图5显示了实施例2的玻璃板结构示意图。

图6a至图6c显示了实施例3的玻璃板的制作方法流程，其中图6c是实施例3的玻璃板结构示意图。

上述附图中的附图标记说明如下：

101-玻璃板

201-光纤插入装置

202-玻璃板局部加热熔化的微区

203-微区加热装置

301-准备插入玻璃板中的光纤

302-插入玻璃板中的光纤

303-插入玻璃板中的光纤

401-玻璃板上表面

402-玻璃板下表面

403-在玻璃板下表面制作的波导结构

501-金属电极层

502-光纤窗口

503-芯片

504-电镀的金属玻璃通孔(TGV，Through Glass Via)

505-再布线层(RDL，redistribution layer)

601-PCB基板

602-凸点

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。

图1显示了本发明的嵌入光纤的玻璃板的结构示意图。

如图1所示，嵌入光纤的玻璃板具有上下两个表面，其中至少一根光纤垂直于玻璃板表面嵌入到玻璃板内。并且，光纤的至少一端在玻璃板的上表面或下表面暴露出来。

玻璃板可以采用任意软化温度低于所用光纤熔点的玻璃，例如可以采用Corning Pyrex 7740玻璃或Borofloat 33玻璃，但不限制于此。所述光纤的材料优选的是石英或石英玻璃，但不限制于此。实际上，可以采用任何熔点和/或折射率高于所用玻璃板的熔点和折射率的材料。例如，如果进行微区加热的玻璃达到工艺要求的温度是1000摄氏度，相应的应选择熔点高于1000度的光纤材料，而不能选择熔点低的光纤材料来操作。因为，光纤的熔点相对低的话，会造成其熔化，使得插入过程难以实现。

可选的，也可以选择折射率低于玻璃板的折射率的光纤。此时，需要在光纤表面包覆一层金属或金属氧化物材料。当然，所述金属或金属氧化物材料的熔点应高于玻璃板，例如采用镍、钨及其氧化物。

另外，根据本领域所采用的玻璃转接板的特点，本发明所插入的光纤的直径通常在18～150微米范围内，优选为125微米，但不限制于此。

根据实际工业需要，需要先将玻璃板加工成规定尺寸的大小，玻璃板尺寸加工方法不属于本发明的讨论范围。本实施例中，可以选用任意大小、形状和厚度的玻璃基板。例如，在下面的实施例中，为了兼容微加工技术和设备，采用的玻璃板为4英寸圆片，厚度为400-500微米，但不限制于此。

另外，玻璃板中还可以设置至少一个金属通孔，以实现器件之间的电互连或散热。

本发明的玻璃板可以用作微电子封装技术领域中的玻璃转接板，通过后续加工使玻璃板通过其中的光纤与外部的光纤、波导或芯片等外部器件集成，实现玻璃转接板与其他器件之间的光互连通信。

图2显示了本发明的制造嵌入光纤的玻璃板的装置。

如图2所示，本发明中用于制造嵌入光纤的玻璃板的装置包括下述部件：加热装置1，其用于加热玻璃板3的某一微区，使该微区的玻璃软化；插入装置2，其用于把光纤4垂直于玻璃板表面插入到软化的微区中一定深度，由此制成嵌入光纤的玻璃板。

本发明中，所述加热装置优选的采用具有瞬时加热功能的装置，例如激光器或等离子体炬等。这样，可以瞬时加热玻璃板的某个微区并使其快速软化，提高装置的工作效率。加热装置所提供的温度优选的大于玻璃板的软化温度而小于光纤材料的熔点。这样，在加热玻璃板使其达到软化温度时，保证光纤材料不会熔化，以便能正常插入到软化的玻璃中。另外，虽然图中未示出，但是所述加热装置与光纤材料可以放置在玻璃板的一侧，也可以分别放置于玻璃板的两侧。

在本发明后面的实施例中，优选的采用激光器作为加热装置。由于微电子封装用的玻璃通常软化温度很高，加工温度超过1000度。采用激光等加热装置，可以在瞬间发出巨大热量，使得聚焦加热的微区达到上千度的温度，同时可以保证非加热区处于一个较低温度下，从而不会破坏整个玻璃的或非加热区的状态、形貌以及性质。此外，根据待嵌入或插入玻璃的光纤的尺寸，可以通过调整激光功率、焦距来调节加热微区的尺寸和温度，从而保证光纤的嵌入。

如图4a所示，当采用激光器时，所述激光器发射用于加热所述玻璃板的激光束，并在激光器的光路方向设置一透镜，其将所接收的激光束汇聚到所述玻璃板的某一微区。可选的，还可以设置一反射镜，其通过反射所述激光器发射的激光束以改变其光路，此时所述透镜是接收该反射镜反射的激光束。通过设置反射镜，可以使得本发明的加热装置的结构更加灵活紧凑，便于简化装置结构。

本发明的实施例中，所述插入装置优选的是具有拿持和输送功能的机械装置，由此可以保证光纤插入玻璃的位置，施加力的大小以及插入深度。所述机械装置优选的可以三轴移动。

图3显示了一种制造嵌入光纤的玻璃板的方法流程图。

如图3所示，本发明的制造嵌入光纤的玻璃板的方法包括以下步骤：

步骤S01，加热玻璃板的某一微区。即用加热装置瞬间加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化。本步骤中，优选的采用激光器作为加热装置。

步骤S02，把光纤插入到软化的微区中。即用插入装置把光纤垂直于玻璃板表面插入到软化的微区中一定深度。

本发明中，光纤的插入深度没有严格限制，只要保证插入深度比最终形成的玻璃转接板的厚度厚一些，留出减薄操作的余量即可。

另外，通常利用一光学系统使加热装置和插入装置同时对准玻璃板的某一微区，以便在激光器加热玻璃微区的同时插入光纤。但是，用于对准操作的光学系统不属于本发明的讨论范围。

步骤S03，冷却固化所述软化的微区。

本步骤中，可以通过使加热装置停止加热实现玻璃软化区域快速的自然冷却固化，插入装置截断光纤，从而得到嵌入玻璃板的光纤。可选的，加热装置不用停止加热，而是转移到下一个要加热的玻璃微区，这样，已插入光纤的玻璃软化区域也会快速的自然冷却固化。

步骤S04，重复前述步骤，直到插入所要求数量的光纤。

步骤S05，减薄并整平玻璃板。

本步骤是首先对玻璃板的一个表面进行抛光整平操作，然后对其另一个表面进行减薄和整平操作，使玻璃板减薄到要求的厚度和表面平整度，同时使光纤的至少一端在玻璃板的表面暴露出来。

为了使玻璃板减薄到需要的厚度，并且使得插入的光纤的至少一端暴露出玻璃板的表面，需要对玻璃板进行减薄操作。另外，由于光纤的嵌入，玻璃表面会变得粗糙不平，因此需要对玻璃板的上下表面进行抛光整平操作。

本步骤中，可以采用机械研磨来减薄玻璃板，使整个玻璃板的厚度减薄到要求的厚度。然后，通过机械抛光或化学机械抛光等方法来整平玻璃板的上下表面。如图4e、4f所示，通常先整平玻璃板插入光纤的一面，然后在玻璃板未插入光纤的另一面进行减薄和整平操作，使玻璃板减薄到要求的厚度，并使其上下表面达到所要求的平整度。

经过该步骤的处理，使得玻璃板具有要求的厚度和表面平整度，并使得所有插入的光纤的至少一端在玻璃板的表面暴露出来。

通过上述步骤制成嵌入光纤的玻璃板后，还可以通过后续加工把玻璃板与外部的光纤、波导或芯片等外部器件集成，实现玻璃板与外部器件之间的光互连通信。

下面介绍本发明的制造嵌入光纤的玻璃板的方法一些具体实施例。

<实施例1>

图4a至图4h显示了实施例1的玻璃板结构的制作方法流程。其中图4h是实施例1的玻璃板结构示意图。

本发明实施例1的玻璃板结构的制作方法包括下述步骤：

步骤S101，如图4a所示，选择Corning Pyrex 7740玻璃板101，大小为4英寸圆片，厚度为400-500微米，选择石英光纤作为嵌入光纤材料301，选择激光器为微区加热装置203，一具有拿持和输送功能可以三轴移动的机械装置作为光纤的插入装置201。

步骤S102，通过光学系统，使激光器203和光纤插入装置201对准玻璃基板101的某一微区位置202。

步骤S103，如图4b所示，激光器203瞬间加热上述微区位置202，使玻璃板101在该位置处软化，然后立即用插入装置201将光纤301插入玻璃板软化区域202至特定深度，如250-350微米，优选的为300微米。

步骤S104，激光器203停止加热，软化区域202冷却固化，光纤插入装置201截断光纤301，从而得到镶嵌入玻璃板中的垂直互连光纤302。如图4c所示。

步骤S105，重复步骤S102、S103、S104，直到完成所要求数目和位置的光纤嵌入。如图4d所示形貌。

步骤S106，如图4e所示，通过机械抛光或化学机械抛光整平玻璃板插入光纤一面401，使玻璃板和光纤断面达到所要求的平整度。

步骤S107，将玻璃板背面402进行机械研磨，使玻璃板减薄到要求的厚度，然后通过机械抛光或化学机械抛光对该表面进行整平处理，使需要两端暴露的光纤302另一端暴露出来，并使玻璃板和光纤断面达到所要求的平整度，形成如图4f所示的玻璃板。

步骤S108，在玻璃板上下表面沉积或电镀金属，作为电极层501，并光刻出器件与光纤进行光耦合的光纤窗口502，如图4g所示。

步骤S109，如图4h所示，将光收发芯片503与光纤耦合好，并以引线键合的方式与电极层501互连。

步骤S110，进行器件三维集成，完成如图4h所示的三维结构堆叠的光电互连器件集成。

<实施例2>

图5显示了实施例2的玻璃板结构示意图。

实施例2的玻璃板的制作方法与实施例1大部分类似，不同的是在玻璃板制作完成之后，制作不同的与外部器件或光纤连接的连接机构，因此对相同的步骤采用简略方式描述。

本发明实施例2的玻璃板结构的制作方法包括下述步骤：

步骤S201，选择具有金属填充玻璃通孔的玻璃板，如SCHOTT HermeS^TM玻璃基板。大小为4英寸圆片，厚度为400-500微米，选择石英光纤作为嵌入光纤材料301，选择激光器为微区加热装置203，一具有拿持和输送功能可以三轴移动的机械装置作为金属丝的插入装置201。

步骤S202，重复实施例1中步骤S102、S103、S104、S105、S106和S107，得到上下表面平整，光纤两端断面暴露出来的嵌入光纤的玻璃基板。

步骤S203，在上述玻璃基板两侧采用标准工艺制作再分布层505，再将光收发芯片和控制芯片以倒装焊的方式集成在玻璃板上。

步骤S204，进行器件三维集成，完成如图5所示的三维结构堆叠的光电互连器件集成。

<实施例3>

图6a至图6c显示了实施例3的玻璃板结构的制作方法流程。其中图6c是实施例3的玻璃板结构示意图。

本发明实施例3的玻璃板结构的制作方法包括下述步骤：

步骤S301，如图4a所示，选择Corning Pyrex 7740玻璃板101，大小为4英寸圆片，厚度为400-500微米，选择石英光纤作为嵌入光纤材料301，选择激光器为微区加热装置203，一具有拿持和输送功能可以三轴移动的机械装置作为金属丝的插入装置201。

步骤S302，通过光学系统，使激光器203和光纤插入装置201对准玻璃板101上需要嵌入光纤且需光纤两端暴露的某一微区位置202。

步骤S303，如图4b所示，激光器203瞬间加热上述微区位置202，使玻璃板101在该位置处软化，然后立即用插入装置201将光纤301插入玻璃板软化区域202至特定深度，如300微米。

步骤S304，激光器203停止加热，软化区域202冷却固化，光纤插入装置201截断光纤301，从而得到镶嵌入玻璃板中的垂直互连光纤302。如图4c所示。

步骤S305，重复步骤S302、S303、S304，完成所有需要光纤两端暴露位置的光纤嵌入。

步骤S306，通过光学系统，使激光器203和光纤插入装置201对准玻璃板101上需要嵌入光纤且只需光纤一端暴露的某一微区位置。

步骤S307，使玻璃板101在该位置处软化，然后立即用插入装置201将光纤301插入玻璃板软化区域至特定的较浅深度，如150-250微米，优选的为200微米。

步骤S308，激光器203停止加热，软化区域冷却固化，光纤插入装置201截断光纤301，从而得到嵌入玻璃板中的垂直互连光纤303。

步骤S309，重复步骤S306、S307、S308，完成所有仅需要光纤一端暴露的位置的光纤嵌入，如图6a所示。

步骤S310，通过化学机械抛光整平玻璃板插入光纤一面401，使玻璃板和光纤断面达到所要求的平整度。

步骤S311，将玻璃板未插入光纤的一面402进行机械研磨，使玻璃板减薄到要求的厚度，然后通过化学机械抛光对该表面进行整平处理，使需两端暴露的光纤302另一端暴露出来，并使玻璃板和光纤断面达到所要求的平整度。

步骤S312，在玻璃板背面402上用离子互换或刻蚀抛光等方法形成波导结构403，与光纤303未暴露出玻璃表面的端部互连，得到如图6b所示结构。这里，波导结构403用于实现玻璃板内部光纤在水平方向的光通信。

步骤S313，在上述玻璃基板两侧采用标准工艺制作再分布层505，再将光收发芯片和控制芯片以倒装焊的方式集成在玻璃板上。

步骤S314，进行器件三维集成，完成如图6c所示的三维结构堆叠的光电互连器件集成。

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。

Claims (10)

1.一种嵌入光纤的玻璃板，该玻璃板包括：

一个具有上下两个表面的玻璃板；

至少一根光纤垂直于玻璃板表面嵌入到玻璃板内，所述光纤的至少一端在玻璃板的上表面或下表面暴露出来。

2.根据权利要求1所述的玻璃板，所述光纤的材料是石英或石英玻璃。

3.根据权利要求1所述的玻璃板，所述光纤表面包覆一层金属或金属氧化物材料。

4.根据权利要求1所述的玻璃板，所述玻璃板通过嵌入的光纤与外部器件集成，以实现玻璃板与外部器件的光互连。

5.根据权利要求1所述的玻璃板，所述玻璃板还具有至少一个金属通孔，以实现器件之间的电互连或散热。

6.一种制造嵌入光纤的玻璃板的方法，该方法包括以下步骤：

加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；

把光纤插入到软化的微区中一定深度；

冷却固化所述软化的微区；

重复前述步骤，直到插入所要求数量的光纤；

减薄并整平玻璃板，使光纤的至少一端在玻璃板的表面暴露出来。

7.根据权利要求6所述的方法，所述减薄并整平玻璃板的步骤包括：

整平玻璃板插入光纤的一面；

减薄并整平玻璃板未插入光纤的另一面，使玻璃板减薄到要求的厚度。

8.根据权利要求6或7所述的方法，所述减薄是通过机械研磨进行的，所述整平是通过机械抛光或化学机械抛光进行的。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括在玻璃板上形成至少一个金属通孔的步骤，该金属通孔用于实现器件之间的电互连或散热。

10.根据权利要求6所述的方法，还包括使嵌入的光纤与外部器件集成的步骤，以实现玻璃板与外部器件的光互连。

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