CN102884459A - 用于同轴式光纤装置的具有带引脚的馈通线的气密性封装及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于同轴式光纤装置（例如光纤分接头（106，108，110））的气密性密封的引脚式封装（100）。所述封装较佳地采用电馈通件，且所述电馈通件与微机加工硅晶圆（402）的批处理工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光纤装置的气密性封装，具体而言，涉及一种用于同轴式光纤装置的引脚式封装，且所述封装提供电馈通件，而所述电馈通件与使用微机加工硅晶圆（micromachined silicon wafer）的批处理工艺兼容。
背景技术
除在标准的电子封装中所遇到的挑战之外，光纤装置还使封装设计师面临特殊挑战。光纤设计师尤其关心的是用于在封装内的光学元件与封装外的元件之间提供光学通信的光学馈通件。此种光学馈通件常常使用一或多条光纤，所述一或多条光纤必须被可靠地紧固至封装并同时被气密性地密封，以防止可对内部光学元件的长期可靠性产生不利影响的大气水分进入。
此外，光纤装置常常要求使用电馈通件，以使电信号能够往来于封装内的电子元件进行传送。此种电馈通件遵循与光学馈通件相同的可靠性及气密性要求。然而，由于材料及处理温度不同，电馈通件在制造中常常具有许多与光学馈通件不同的处理要求。因此，除要实现更小且成本更低的封装的挑战之外，对于光纤封装设计师而言，在一制造环境中同时容纳光学馈通件及电馈通件也是一种挑战。
本文所使用的术语“气密性（hermetic）”表示封闭结构具有防止空气进入的不可渗透性。然而，所有的封闭结构均具有某种程度的渗透性。因此，为清楚起见，下文中所使用的术语“气密性”是表示由所测量的进入封闭结构的氦气流率小于5′10-8 atm-cc/sec（其为常用于光电子装置的限值）所表达的可渗透性。
在同轴式光纤装置中，光通过单一且连续的光纤进入及离开封装，这又带来了进一步的挑战。同轴式装置的实例是美国专利第6,535,671号（于2003年3月18日颁发给Craig D. Poole）以及第7,116,870号（于2006年10月3日颁发给Craig D. Poole）中所述的光纤分接头（tap），其中一结构直接形成于光纤的中间部分，从而使光被射出（“分接出（tapped）”）光纤外。在此种装置中，通过将光纤端部插入套箍中而围绕光纤形成密封来气密性地密封玻璃纤维的众所周知的方法（如在例如美国专利第5,692,086号中所述者）是不适用的，因其缺少终端光纤端部。
Poole的第6,535,671号专利阐述了一种通过以下方式而将同轴式光纤分接头气密性地密封在容纳有光电二极管的壳体内的方法：将光纤穿过狭窄的管，随后使用放置于光纤与管壁之间的密封玻璃将该狭窄的管密封。由于必须保持较小的管直径以使作用于光纤的应力最小化，当此种光纤长度可能超过2米时，此种方法需要将一段长的光纤穿过狭窄的管，因此导致此种方法对于低成本制造而言变得不切实际。
为了气密性地密封同轴式光纤装置，人们想到了其中将两个部件结合于一起以通过使用某种类型的密封材料而围绕光纤形成密封的“夹层（sandwich）”几何结构。美国专利6,074,104（于2001年6月13日颁发给Kimikazu Higashikawa）中阐述了此种方法的实例。其中，通过使用低温玻璃焊料及树脂作为密封介质而将光纤夹置于金属壳与金属密封罩之间，从而将单一的光纤端部密封于气密性腔内。
除提供光学馈通件之外， Poole的第6,535,671号专利及Higashikawa的第6,074,104号专利均阐述了包括电馈通件的封装，所述电馈通件连接至引线，所述引线用于将完工的封装直接安装至电子印刷电路板。然而，这两种方法均使用传统的TO罐、DIP或表面安装电子封装，而所述传统的TO罐、DIP或表面安装电子封装无法轻易地用于批处理方法并在密封光纤之前需要进行大量的处理步骤来形成引脚式封装。这些方法难以实现低成本制造。
因此，目前在本技术领域中需要一种用于同时包用括光学馈通件及电馈通件的同轴式光纤装置的气密性封装，所述气密性封装应与使用微机加工硅晶圆的批处理技术兼容并较佳地补救本技术领域中的上述缺陷。
发明内容
本发明通过使用单一金属引线结构(single metal lead structure)来满足前述需要，所述单一金属引线结构被气密性地安装至硅基板，并与密封腔内的电子元件之间的电连通，所述腔是由硅基板及单独的硅密封覆盖层而形成，孔（through hole）蚀刻所述硅基板。所述金属引线结构具有通过垂直孔而延伸至密封腔中的圆柱形突起，所述垂直孔是通过使用深反应性离子蚀刻（deep reactive ion etching；DRIE）方法在硅基板中蚀刻而成。使用低温密封玻璃来密封以此种方式形成的电馈通件。
较佳地，所述硅基板及密封覆盖层中形成有免费的槽，以用于气密性地密封玻璃纤维，所述玻璃纤维用于与密封腔内的元件进行光学通信。
以此种方式形成的密封结构被进一步封闭于两件式金属护罩（two-piece metal shroud）中，为所述密封结构提供结构支撑并屏蔽电气噪声。结果得到可被直接安装于印刷电路板上的引脚式封装。
在本发明的优选实施例中，所述封装形成同轴式功率监视器（in-line power monitor），在所述同轴式功率监视器中，密封腔容纳有光电二极管，所述光电二极管电性连接至与光纤进行光学通信的电引线，从而使引线所载送的电流与由光纤载送的光功率成比例。
优选实施例还包括被添加至玻璃基质以密封电馈通件的间隔珠（spacer bead），用以控制硅基板与引线结构之间的间距，从而控制封装的电容。
此外，本发明的教示内容还扩展至用于使用微机加工硅晶圆来制造引脚式封装的批处理工艺。所述批处理工艺利用丝网印刷(screen printing)技术在晶圆上涂覆玻璃焊膏，随后进行热处理来烧尽残余的有机物并涂覆密封玻璃。在将晶圆切成各个单独部件之前，对电引线进行附连，以在硅晶圆中形成气密性的电馈通件。如此一来，可一起处理许多部件，从而大大地提高生产量并降低成本。
附图说明
通过结合附图来考虑以下详细说明，可轻易地理解本发明的教示内容，在附图中：
图1显示引脚式封装100的立体分解图；
图2显示图1所示引脚式封装100的传统实施例的剖视图，该剖面是沿图1中的虚线框所示的平面截取的；
图3显示根据本发明的图1所示引脚式封装100的实施例的剖视图，该剖面是以与图2相同的方式截取的；
图4显示根据本发明的具有蚀刻图案的硅晶圆的底面；
图5显示根据本发明的引线安装装置的立体图；以及
图6是根据本发明的具有蚀刻图案且附连有电引线的硅晶圆的顶面的立体图。
为便于读者理解，使用相同的参考编号来表示各附图中共有的相同或相似的元件。应理解，各附图未按比例绘制。
具体实施方式
在阐述交互式气密性封装之前，为了增进读者的理解，将参照图1及图2来解释用于同轴式光纤分接头的传统封装。
参见附图，图1显示引脚式封装100的立体图，引脚式封装100具有硅基板102、硅密封覆盖层104、光纤106、光纤分接头108、及光电二极管110。光电二极管110安装于井112的底部，井112是通过使用各向异性湿法蚀刻而形成于硅基板102中。
分别位于硅基板102及密封覆盖层104中的玻璃焊料114及116、以及槽118及120形成气密性密封的腔，当在适宜温度及压力下将覆盖层104与基板102结合于一起而使玻璃焊料114及116流动并形成连续密封时，所述密封的腔会封闭光纤分接头108、光电二极管110及井112。
在密封之前，将光纤分接头108置于光电二极管110上方，使得射出分接头108的光能够有效地照亮光电二极管110。
光电二极管110所产生的光电流由分别连接至光电二极管110的阴极及阳极的引线122及124使用形成于引线122及124顶部的突起126及128载送。具有突起126的引线122及具有突起128的引线124均可由单片金属（例如“Kovar”材料，其为卡彭特技术公司（Carpenter Technology Corporation）的注册商标）通过冲压操作形成。突起126及128通过穿透井112的底部而蚀刻出的孔向上延伸，并使用低温密封玻璃130而被紧固至基板102的底部。以下将提供对电馈通件的更详细说明。
在密封之后，使用环氧树脂136将包括硅基板102、硅密封覆盖层104、及附连引线122及124的结构紧固至底部金属护罩132(metal shroud)，接着通过添加金属护罩盖134(metal shroud cover)来封闭所述结构。除为拿放提供机械支撑及保护(mechanical support and protection)之外，金属护罩盖134及底部金属护罩132还为被封闭的元件提供电屏蔽。
图2显示图1所示引脚式封装100的传统实施例的剖面，其中金属护罩盖134及底部金属护罩132已被移除。如上所述，该剖面（与图3的情形一样）是沿图1中的虚线框所示的平面截取的。在此实施例中，在使用Poole的第7,116,870号专利中所述的方法进行组装之前，在光纤106中形成光纤分接头108。光电二极管110与引线122及124之间的电连通是由通过蚀刻孔202及204而向上延伸的突起126及128提供。中心井112以及蚀刻孔202及204是通过使用各向异性湿法蚀刻以两步过程形成的：其中,首先蚀刻中心井112，随后再第二蚀刻步骤中蚀刻蚀刻孔202及204。中心井112以及蚀刻孔202及204的形状实质上为正方形，且由于在单晶硅中所优选的各向异性湿法蚀刻处理而形成角度为54.7度的倾斜侧壁。突起126及128具有锥形形状，该锥形形状的侧角角度与蚀刻孔202及204的倾斜壁的角度互补，以在突起126及128与孔202及204的壁表面之间提供均匀的间隙。为形成气密性密封，使用低温的密封玻璃130填充此间隙。优选地，将选择熔融温度高于玻璃焊料114及116的密封玻璃130，以在硅覆盖层104与基板102之间形成密封时保持结构完整性。
使用导电的环氧树脂206及丝焊线208将光电二极管110连接至突起126及128。此外，可使用共晶软焊料复合物（例如，80/20的金/锡焊料）来取代导电的环氧树脂206。为避免突起126及128以及光电二极管110对硅基板102形成电短路，在组装之前使用氧化物（SiO2）绝缘层（图中未示出，但其众所周知）涂覆硅基板102的表面。
图2所示的传统电馈通件具有如下几个问题：
（1） 由于硅的结晶结构，各向异性湿法蚀刻工艺必定形成正方形的通孔。此种孔具有会集中应力的尖锐的角，从而使密封的可靠性降低。
（2） 蚀刻孔202及204的角度为54.7度的倾斜壁以及中心井112使得在蚀刻孔202及204进入中心井112处形成刃状物210。此种刃状物及其他类似形成的部分是脆弱的并具有断裂的趋势，从而导致保护性氧化物涂层与基板102分离，由此使金属引线122及124对基板102的主体硅形成短路。
（3） 由于在将引线122及124附连至基板102时在金属引线结构与硅基板之间形成的玻璃密封间距d具有可变性，因此不能良好地控制封装的电容。
图3详细绘示根据本发明的改良电馈通件来显示引脚式封装100的剖面。光电二极管110与引线122及124之间的电连通是由穿过蚀刻孔306及308而向上延伸的突起302及304提供。使用各向异性湿法蚀刻来形成中心井112，其中由于在单晶硅中进行各向异性蚀刻工艺，因此中心井112还是具有角度为54.7度的倾斜侧壁。在第二蚀刻步骤中，使用深反应性离子蚀刻（DRIE）在硅基板102中形成蚀刻孔306及308。蚀刻孔306及308的形状为圆柱形，并具有小于2度的侧壁坡度。引线122及124具有圆柱形突起302及304，该圆柱形具有垂直侧壁（侧壁坡度小于2度）且突起基部处的曲率半径最大为0.002″（约为.0051 cm），且引线122及124可由单片金属（例如Kovar材料）通过冲压操作形成。突起302及304的直径能够在突起与孔306及308的壁表面之间提供均匀的间隙。优选地，圆柱形突起的直径标称为0.012″（约为.0305 cm）。为形成气密性密封，使用低温密封玻璃310填充突起302与304之间的间隙以及引线结构312及314与硅基板102之间的间隙。此种长的玻璃密封路径长度将提供气密性密封并使引线122及124以机械方式牢固地附连至硅基板102。密封玻璃310在其玻璃基质中包含间隔珠（spacer bead），以控制硅102与引线结构312及314之间的玻璃密封间距d，从而控制封装的电容。优选地，间隔珠由标称珠直径为0.002″（约为.0051 cm）的硼硅酸盐玻璃组成。间隔珠以小于0.4 wt%的浓度而被添加至玻璃焊膏中。此外，密封玻璃310被选择成熔融温度高于玻璃焊料114及116，以在硅覆盖层104与基板102之间形成密封时保持结构完整性。
使用导电的环氧树脂206及丝焊线208将光电二极管110连接至突起302及304。此外，可使用共晶软焊料复合物（例如，80/20的金/锡焊料）来取代导电的环氧树脂206。为避免突起302及304以及光电二极管110对硅基板102形成电短路，在组装之前使用氧化物（SiO2）绝缘层涂覆硅基板102的表面。
图4显示由硅基板102的阵列构成的100 mm（约为4″）的微机加工硅晶圆402，在其背面上，在孔302及304周围具有低温密封玻璃310。以如下方式实现硅晶圆402的批处理：对晶圆的正面进行各向异性湿法蚀刻，随后对背面进行DRIE处理以形成孔302及304。将低温密封玻璃310在晶圆的背面孔302及304周围涂覆，以实现电引线的附连。优选地，使用丝网印刷工艺将玻璃焊膏涂覆至晶圆，随后进行热处理来烧尽残余的有机物并涂覆密封玻璃310以准备进行电引线附连，其中所述丝网印刷工艺能够在孔302及304周围将玻璃焊膏精确地放置成数字8的图案。较佳地使用玻璃焊膏的双层丝网印刷工艺，以提供对玻璃焊膏的厚度及其在孔302及304周围的放置位置的精确控制。
在优选实施例中虽然使用100 mm的硅晶圆，但将硅晶圆的尺寸增大至150 mm（约为6″）或200 mm（约为8″）则会显著地增加可由单一晶圆制成的部件数目。
图5显示固定装置，所述固定装置被开发成通过在孔302及304周围的低温密封玻璃310将电引线122及124附连至晶圆402。在放置引线之前，将晶圆402装载于真空固定装置502上。真空固定装置502支撑晶圆402及移动载体504，同时对两者进行吸持，以在放置引线期间使稳定性最大化。梳状固定装置506由分开的支撑臂508支撑，支撑臂508使梳状固定装置506相对于晶圆402移动。梳状固定装置506具有以规则的间距机加工而成的狭槽510，所述间距与晶圆402中的馈通孔间距相匹配。当开启真空时，真空固定装置502将通过晶圆402中的孔302及304来提供吸持，使得当电引线122及124与孔306及308中的圆柱形突起302及304一起放置于定位上时，所述吸持足以使电引线保持于定位上。可在由真空将一整列电引线保持于定位上的同时将该整列电引线恰当地定位，随后，借助支撑臂508来推进梳状固定装置506。当推进梳状固定装置506时，已被放置的引线进入狭槽510中，在狭槽510中所述引线被封闭且被保护而不发生变位。真空固定装置502、移动载体504、梳状固定装置506及支撑臂508被设计成具有适宜特性，以使狭槽510、引线122及124、以及晶圆402之间能够精确地平行对齐。在推进梳状固定装置506之后，可应用下一列电引线并重复所述过程，以此类推。在所有引线均被置于其对应的孔上方之后，由支撑臂508使梳状固定装置506下降，直至梳状固定装置506的整个重量向下压在电引线结构312及314上为止。随后关闭真空，且位于孔306及308中的引线突起302及304通过由梳状固定装置506所提供并经梳状齿512施加于引线结构312及314上的力而保持于定位上。
随后，使用支撑臂508将移动载体504、晶圆402、梳状固定装置506及电引线122及124传送至热源（例如，加热板）上，在热源处将整个总成加热至密封玻璃310的密封温度。优选地，此温度使密封玻璃310围绕电引线上的突起302及304流动，以填充突起与孔壁302及304之间的空隙以及引线结构312及314与硅102之间的空隙，从而在电馈通件与硅基板之间形成气密性密封。存在于密封玻璃310中的间隔珠以及由梳状固定装置506施加的力在晶圆中控制引线结构312与314之间的密封厚度d，从而控制封装的电容。
由于在将引线122及124附连至晶圆402时涉及高温处理，因此，梳状固定装置506应由耐高温且隔热的材料制成，以在密封期间使自硅晶圆402以及引线122及124产生的热传导最小化。此种材料的实例是由柯宁玻璃公司（Corning Glass Works Corporation）生产的“Macor”可机加工陶瓷（“Macor”是柯宁玻璃公司的注册商标）。另一方面，移动载体504应由导热材料（例如氮化铝）制成，以有效地将热递送至整个总成，从而进行密封。
在将引线122及124附连至晶圆402的背面之后，将低温密封玻璃114在蚀刻井112周围涂覆至晶圆402的正面，如图6所示。在将引线附连至晶圆402的背面之后，将晶圆放置于新的移动载体上，该移动载体被设计成在玻璃焊膏被丝网印刷至晶圆的正面时容纳引线。以跑道图案涂覆此种玻璃焊膏以围绕井112（参见图1及图3），使得槽118也填充有此种焊膏，随后进行热处理以烧尽残余的有机物并涂覆密封玻璃114以准备将硅覆盖层104气密性地密封至基板102。沉积于槽118中的玻璃焊膏的量是通过改变在印刷中所使用的丝网的设计而调整，以及通过使用双层丝网印刷工艺来调整。在优选实施例中，丝网的跑道图案在槽118的位置处略微地变细，以改变所沉积的玻璃焊膏的量。槽118中的密封玻璃的量应足以在硅覆盖层104被密封至基板102时围绕光纤106而形成连续的气密性密封，但不会过量而影响装置的光学性能，优选地，密封玻璃114被选择成熔融温度低于密封玻璃310，以在硅覆盖层104与基板102之间形成密封时保持结构完整性。
最后，通过切割将完工的部件与晶圆分离。在切割过程中，通常使用水作为切割润滑剂/冷却剂。然而，在使用金刚石锯进行晶圆切割过程中，低温密封玻璃（例如，此处所使用者）容易与水反应。具体而言，密封玻璃114在切割过程中的劣化可导致硅覆盖层104与硅基板102的不良密封，从而降低封装的光学性能及气密性。除供水以外再添加用于切割的切割润滑剂（例如，由位于北卡罗来纳州罗利市（Raleigh, NC）的UDM系统公司（UDM Systems）提供的L300）会使水与密封玻璃的反应性低于原本应有的反应性。
较佳地，本发明提供一种用于同轴式光纤装置的非常可靠的气密性封装，所述封装可使用微机加工硅的晶圆级处理以及批处理技术而以高的成本效益制成。
显然，所属领域的技术人员可轻易地修改本发明的教示内容。就此而言，替代实施例可使用UV激光切割技术在硅基板中形成垂直壁孔。作为另一选择，可通过利用机器人分配材料而在晶圆级上涂覆玻璃焊膏，然而，分配技术将会延长晶圆处理时间，并难以在晶圆中保持焊膏在馈通孔周围的精确放置位置。此外，可通过使用更大的硅晶圆（例如，150 mm或200 mm（分别约为6″及8″cm）直径）来增大晶圆级处理的规模，从而显著地增加每个晶圆上单个部件的数目。此外，通过使用替代方法（例如，在切割之前在密封玻璃上涂覆保护涂层，并在切割之后移除该涂层）而非使用切割润滑剂，替代实施例可在对单个部件进行切割操作期间保护密封玻璃。
虽然本文已详细地显示并阐述了包含本发明教示内容的各种实施例，但所属领域的技术人员可轻易地设想出许多仍利用这些教示内容的其他实施例。
Claims (2)
1.一种用于封闭及气密性地密封同轴式光纤装置（106，108，110）的封装（100），其特征在于，所述封装包括：
第一输入光纤（106）；
第二输出光纤（106）；
硅基板（112），具有至少一个锥形的V形槽（118），以用于容纳及紧固所述输入光纤或所述输出光纤；
中心井（112），被蚀刻至所述基板中并容纳至少一个光电二极管；
硅覆盖层（104）及所述硅基板；以及
至少一个气密性电馈通件，其包含孔（306，308）及电引线，所述孔（306，308）具有实质上垂直的侧壁，所述电引线具有突出结构（302， 304），所述突出结构（302，304）延伸入所述孔中，且其中所述突出结构与所述孔的所述侧壁之间的空间中填充有玻璃焊料（310）。
2.一种用于将电引线（122，124）附连至硅晶圆（402）的固定装置，包括具有狭槽（510）的顶部梳状固定装置（506），所述狭槽（510）以规则的间距被机加工至所述固定装置中，其特征在于，所述固定装置是由隔热陶瓷材料制成。
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