CN103531572A - 晶片级封装的光学组件以及具有该光学组件的收发模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及晶片级封装的光学组件以及具有该光学组件的收发模块。晶片级封装的光学组件，包括：基板元件，所述基板元件包括顶层、以及与顶层接合的基层；顶窗盖，与所述基板元件的顶层接合；以及多个有源光电子元件，设置在所述基板元件内。所述顶层和基层在所述基板元件内形成至少一个主腔，所述主腔被配置得用于容纳所述有源光电子元件。围绕所述至少一个主腔形成多个外围腔，所述外围腔作为外部光机零件的对准特征。

Description

晶片级封装的光学组件以及具有该光学组件的收发模块
技术领域
本专利申请总的涉及光电子学技术，更具体地说，涉及一种晶片级封装的光学组件、制造该光学组件的方法、以及具有该光学组件的收发模块。
背景技术
用于光学收发器模块的光电子构件的封装通常主要遵循两种方法。一种方法使用具有透明窗口的金属罐（metal-can）封装来真空密封有源光电子元件。这种系统具有以下缺点：昂贵的金属罐封装，封装过程一次只能处理一个模块，真空密封要求使用很慢的激光焊接过程，以及要求使用很慢的手工有源对准过程来固定外部镜头盖以实现最佳耦合。另一种方法直接将有源光学构件和驱动IC接合在印刷电路板（PCB）上。但是它具有以下缺点：需要采用专业的高精度透镜接合设备来将聚合体透镜接合到PCB上；聚合体透镜构件不提供真空密封；封装过程一次仅处理一个模块；以及筛选出薄弱激光构件的老化（burnin）过程只能在模块级执行。
发明内容
本专利申请涉及一种晶片级封装的光学组件。在一个方面，晶片级封装的光学组件包括：基板元件，所述基板元件包括顶层、以及与顶层接合的基层；顶窗盖，与所述基板元件的顶层接合；以及多个有源光电子元件，设置在所述基板元件内。所述顶层和基层在所述基板元件内形成至少一个主腔，所述主腔被配置得用于容纳有源光电子元件。围绕所述至少一个主腔形成多个外围腔，所述外围腔作为外部光机零件的对准特征。
有源光电子元件可包括单件形式的或者阵列形式的激光二极管或者光电探测器。晶片级封装光学组件可进一步包括多个上部导电衬垫。所述上部导电衬垫可以布置在主腔的底面，并配置用于接合到有源光电元件上。晶片级封装光学组件可进一步包括多个下部导电衬垫。所述下部导电衬垫设置在光学组件的下部外周面上。导孔可以形成于基层上，填充有金属且分别与所述下部导电衬垫连接。下部导电衬垫可以与焊球连接，所述焊球被配置成允许所述光学组件被连接到电路板上。
多个光学元件可以形成于所述顶窗盖上。所述光学元件可以与所述有源光电元件对准，并配置成便于耦合所述有源光电元件和外部光纤之间的光学信号。
多个开口可形成于所述顶窗盖上，每个所述开口可以与一个外围腔对准。每个开口的尺寸可以大于与所述开口对准的外围腔的尺寸。
所述主腔在所述顶窗盖上的投影可以是方形，所述外围腔在所述顶窗盖上的投影可以是圆形。
所述主腔在所述顶窗盖上的投影可以是方形，所述外围腔在所述顶窗盖上的投影可以是方形。所述主腔和外围腔的侧壁可不垂直于所述顶窗盖的表面平面。
所述晶片级封装光学组件可进一步包括接口IC和多个焊料凸块（solderbump）。所述接口IC可以是接合到所述基层的后侧的倒装晶片，而所述焊料凸块布置在所述基层的后侧且与所述接口IC电连接。
在另一方面，本专利申请提供了一种制造光学组件的方法。所述方法包括：制造顶层硅片，所述顶层硅片包括顶层的多个单独单元；制造基层硅片，所述基层硅片包括基层的多个单独单元；将所述顶层硅片与基层硅片对准并接合，从而形成第一晶片组件；将多个有源光电元件组装到所述第一晶片组件上；制造玻璃晶片；将所述玻璃晶片与所述第一晶片组件对准并结合，从而形成第二晶片组件；以及将所述第二晶片组件切割成单个的光学组件。制造所述顶层晶片的步骤包括蚀刻顶层的每个单独单元的主腔和多个外围腔。所述有源光电元件被组装在所述第一晶片组件的主腔内。
制造顶层硅片的步骤可进一步包括晶片薄化、以及沉积氧化层以用于晶片接合。制造基层硅片的步骤可进一步包括晶片薄化、以及蚀刻贯穿的导孔，沉积氧化层以用于绝缘、沉积金属以填充导孔、在基层硅片的顶面和底面上沉积金属图案、以及表面抛光以促使构件接合。所述方法还包括将焊接凸起连接到所述第二晶片组件的后侧。
在另一方面，本专利申请提供了一种收发模块，包括：至少电路基板、至少一个光电接口IC、光学组件、以及被配置用于将所述光学组件与光纤交接以进行光学信号传输的光纤插座，所述光学组件包括：基板元件，所述基板元件包括顶层、以及与顶层接合的基层；顶窗盖，与所述基板元件的顶层接合；以及多个有源光电子元件，设置在所述基板元件内。所述顶层和基层在所述基板元件内形成至少一个主腔，所述主腔被配置得用于容纳有源光电子元件。围绕所述至少一个主腔形成多个外围腔，所述外围腔作为外部光机零件的对准特征。所述光学组件和接口IC安装在所述电路基板上。所述光电子接口IC通过高速导电迹线电连接到光学组件模块。
光纤插座可包括对准块和光纤阵列。对准块可包括光纤安装部分和组件安装部分，可以采用粘合剂将光纤阵列固定在对准块上。光纤安装部分可以与光学组件的配合方向同轴。
组件安装部分可以包括斜面。所述斜面被配置成将来自有源光电子元件的光束导向光纤阵列。
附图说明
图1是根据本专利申请的实施例、完全组装的光学组件的透视图。
图2是图1所示的完全组装的光学组件的横截面图和局部放大图。
图3是图1所示的安装组件的光学元件的顶部的顶视图和横截面图。
图4是根据本专利申请的另一个实施例的光学组件的基板元件的顶部的顶视图和横截面图。
图5是根据本专利申请的另一个实施例的光学组件的基板元件的顶部的顶视图和横截面图。
图6是图1所示的光学组件的基板元件的底部的顶视图和横截面图。
图7是根据本专利申请的另一个实施例、制造光学组件的方法的流程图。
图8示出了图7所示的方法的硅片制造和组装过程。
图9示出了图7所示的方法的玻璃晶片制造和组装过程。
图10是根据本专利申请的另一个实施例、使用光学组件的收发模块的透视图。
图11是图10所示的收发模块的爆炸图。
图12是图10所示的收发模块沿着光纤安装部分的截面图。
图13是图10所示的收发模块沿着组件安装部分的截面图。
图14是根据本专利申请的另一个实施例、使用光学组件的收发模块的透视图。
图15是是图14所示的收发模块的截面图。
图16是根据本专利申请的另一个实施例、光学组件的透视图。
图17是图16所示的光学组件的仰视图。
图18是图16所示的光学组件的侧视图和局部放大视图。
具体实施方式
现在将参照详细的优选实施例描述本专利申请公开的晶片级封装的光学组件以及具有该光学组件的收发模块，也在以下的描述中提供了本专利申请的例子。在本专利申请中公开的该晶片级封装的光学组件以及具有该光学组件的收发模块的示范实施例也被详细描述，但是对相关技术领域的普通技术人员来说，为了简洁起见，对于理解该晶片级封装的光学组件以及具有该光学组件的收发模块来说不是特别的某些特征没有被示出。
此外，应该理解，本专利申请公开的晶片级封装的光学组件以及具有该光学组件的收发模块并不限于以下描述的精确实施例，本技术领域的人员可以对其做出各种改变和修改，而不脱离保护的精神或范围。例如，不同示例性实施例的元件和/或特征可以在公开的范围内彼此合并和/或彼此替换。
图1是根据本专利申请的实施例、完全组装的晶片级封装的光学组件的透视图。图2是图1所示的完全组装的光学组件的横截面图和局部放大图。参照图1和图2，光学组件10包括顶窗盖101、基板元件100和多个有源光电元件106。有源光电元件106可包括单件形式的或者阵列形式的激光二极管或者光电探测器。基板元件100使用硅基晶片材料制造。在这个实施例中，基板元件100进一步包括顶层102和基层103。这两部分堆栈并使用密封晶片接合过程接合在一起，以形成基板元件100。基板元件100具有至少一个主腔102a，该主腔102a由顶层102和基层103形成，并配置用于容纳有源光电元件106。多个外围腔102b形成且围绕主腔102a，作为外部光机零件的对准特征。主腔102a和外围腔102b均使用照相平版和硅微机电系统（MEMS）蚀刻过程来实现，因此这些特征的相对位置和尺寸可以保持在较高的精度。上部导电衬垫103c布置在主腔102a的底面，并配置用于接合到有源光电元件106上。当组装有源光电元件106时，所述构件和腔102b的相对位置被精确地控制。来自有源光电元件106的电连接通过导电导孔103b被引至光学组件10的下部外周面的下部导电衬垫103d，导电导孔103b可以形成并制造在基板元件100的基层103上。导孔103b被设计以允许高速模拟电信号通过，而没有过度的衰减。焊球103a连接到下部导电衬垫103a，以允许光学组件10使用标准的表面安装构件连接过程、连接到应用电路板上。
图3是图1所示的光学组件的基板元件的顶部的顶视图和横截面图。参照图1-3，光学组件10的顶部是光传输顶窗盖101，它允许光学信号通过。顶窗盖101可以使用玻璃晶片制造，且使用密封接合过程（例如，阳极键合）直接接合到硅基板元件100的顶面上。顶窗盖101将主腔102a和有源光电元件106密封在主腔102a内。一些光电元件101a可以形成于顶窗盖101上。这些光学元件101a与有源光电子元件106对准，且被配置用于促使有源光电元件106和外部光纤之间的光学信号的耦合。顶窗盖还具有形成于其上的开口101b，每个开口101b与外围腔102b对准。每个开口101b的尺寸都大于与开口101b对准的外围腔102b的尺寸。图6是图1所示的光学组件的基板元件的底部的顶视图和横截面图。注意到如图3所示，主腔102a在顶窗盖上的投影是方形，外围腔102b在所述顶窗盖上的投影是圆形。
图4是根据本专利申请的另一个实施例的光学组件的基板元件的顶部的顶视图和横截面图。参照图4，主腔102a’在顶窗盖上的投影是方形，外围腔102b’在所述顶窗盖上的投影是方形。此外，主腔102a’和外围腔102b’的侧壁不垂直于顶窗盖的表面平面。
图5是根据本专利申请的另一个实施例的光学组件的基板元件的顶部的顶视图和横截面图。参照图5，主腔102a”在顶窗盖上的投影是方形，外围腔102b”在所述顶窗盖上的投影是方形。此外，主腔102a”和外围腔102b”的侧壁不垂直于顶窗盖的表面平面。
图7是根据本专利申请的另一个实施例、制造光学组件的方法的流程图。在这个实施例中，待制造的光学组件10是图1所示的光学组件10。该过程从制造顶层硅片51和基层硅片52开始。这两个硅片分别包括光学组件10的顶层102和基层103的多个单独单元。制造顶层硅片51包括以下步骤：晶片薄化、沉积氧化层以用于晶片接合、以及蚀刻顶层的每个单独单元的主腔102a和多个外围腔102b。制造基层硅片52包括以下步骤：晶片薄化、蚀刻贯穿的导孔，沉积氧化层以用于绝缘、沉积金属以填充导孔、在基层硅片的顶面和底面上沉积金属图案、以及表面抛光以促使构件接合。接下来完成的晶片被对准和接合在一起，以形成晶片组件50，该晶片组件50包括基板元件100的单个晶片单元，如图8所示。这两个晶片对准的方式使得导电衬垫103c位于主腔102a的限制内。有源光学构件（也就是，有源光电子元件）106被组装到晶片组件50的主腔102a的导电衬垫103c上。组装过程可以包括精确的芯片粘着、引线接合或者倒装芯片接合等。
参照图9，顶盖晶片53被制造，它是光传输玻璃晶片。生产该晶片的制造过程包括形成光学元件101a、开口101b、以及便于后续的晶片接合过程的任何对准标记。接下来顶盖晶片53被对准并接合到包括有源构件的晶片组件50的顶部，以形成最终的晶片组件54。焊料凸起随后被连接到这个组件的后侧的金属衬垫（金属图案的一部分）上。在晶片切割的最后步骤之前，最终的晶片组件54通过晶片级测试（光源光学功率和斜坡效率、光学探测器暗电流和电容等）和老化过程以筛选出有缺陷和不耐用的单元，在晶片切割的最后步骤中，最终的晶片组件被切割成单个光学组件。
图10是根据本专利申请的另一个实施例、使用光学组件的收发模块的透视图。图11是图10所示的收发模块的爆炸图。在这个实施例中，光学组件是如图1所示的光学组件10。参照图10和图11，除了光学组件10，收发模块还包括至少电路基板40、至少一个光电接口IC 30、以及光纤插座20。光学组件10和接口IC 30安装在电路基板40上的它们各自的接合衬垫402和401上。光电接口IC 30通过高速导电迹线403电连接到光学组件模块10。电路基板40还提供与外部系统交接的高速电子接口（未图示）。通过接口IC 30，来自外部系统的电信号被转换为模拟驱动信号，并被传输到光学组件10中的激光光源，光学组件10反过来将电信号转换为光学信号以通过光纤进一步传输。另一方面，光电检测器接收的光学信号被转换成模拟电信号，并通过电连接路径传回接口IC 30。接口IC 30还将模拟信号转换为高速数字信号，以提供给外部系统。
参照图10和图11，在光学组件10的顶部，光纤插座20被配置用于将光学组件10与光纤交接，以进行光信号传输。光纤插座20包括对准块201和光纤阵列202。对准块201是使用光传输材料（例如聚合体或者玻璃）制造的高精度零件。它包括光纤安装部分205和组件安装部分206。光纤安装部分205包括精确定位结构，以定位和阻挡光纤阵列202中的单个光纤。一旦被定位，就是用粘合剂或者等同的手段将光纤阵列202固定到对准块201上。组件安装部分206相对于光纤安装部分205以一角度定位。图12是图10所示的收发模块沿着光纤安装部分205的截面图。参照图11和12，组件安装部分206包括精确对准销203和光传输区域207。光传输区域207具有光学级别的表面（optical-grade surface），促使以最小的损失进行光束传输。图13是图10所示的收发模块沿着组件安装部分206的截面图。参照图13，在光传输区域207上方，设有斜面204（包括在组件安装部分206中）被配置用于将进入的光束从传输区域207（源自有源光电子元件106）导向光纤阵列202，反之亦然。通过将对准销203插入通过开口101b并进入腔102b，使光纤插座20与光纤组件10配合。对准销203的精确尺寸控制允许它们配合到腔102b中，而不会有过多的运动间隙。
图3中的腔102b、图4中的腔102b’、以及图5中的腔102b”形状不同。当完全配合时，固定在光纤安装部分205的每个光纤与光学组件10内的有源光电元件106光学对准。光学组件10内的激光光源生成的光学信号通过光传输区域207进入对准块201。光线被反射表面（也就是斜面）204反射，并导向光纤安装部分205上的光纤。光学元件101a被配置用于将光线聚焦在光纤入口处，以优化耦合效率。另外的光纤可以出现在光传输区域207和反射表面204，以进一步优化耦合到光纤的光线。光纤出射的光线沿着相反的路径并聚焦在光学组件10内的光电检测器上。
图14是根据本专利申请的另一个实施例、使用光学组件的收发模块的透视图。图15是是图14所示的收发模块的截面图。在这个实施例中，参照图14和图15，插座20’的光纤安装部分205’与光传输方向、以及光学组件10的配合方向同轴。光学信号在光学组件10和光纤阵列202之间传输，而不通过任何反射斜面。
图16是根据本专利申请的另一个实施例、光学组件的透视图。图17是图16所示的光学组件的底视图。图18是图16所示的光学组件的侧视图和局部放大视图。参照图16-18，光学组件10包括集成的光学接口IC 70。接口IC 70是结合到基层103的后侧的倒装芯片。接口IC 70的I/O衬垫通过微焊料凸起103f连接到基层103的后侧金属触点。基层103后侧的导电金属迹线通过多个贯穿的硅导孔、将接口IC70的一些触点与光学组件10内的有源光电子装置连接起来。接口IC 70的其它触点与设置在基层103的相同侧的其它焊料凸起103e相连。焊料凸起（或者焊球）103e被配置得与工作通信系统中的外部电路系统相连。
本专利申请的以上实施例提供了以下优点：与传统的方法相比，简化的光学组件封装过程、节约成本和高产量且很少人工过程的组件制造过程、以及可以执行有效的晶片级测试和老化过程，这使得收发模块生产级别中的测试和老化要求都更轻松。
此外，这些实施例提供了一些优点，例如光电子构件的晶片规模封装、相同晶片内的多个封装单元的同步封装过程、低成本、高产量、封装材料基于建立的硅晶片、低的总体成本、照相平版所保证的制造精度、可提供封装内的构件的真空密封、晶片级封装内的集成光路和对准特征、改进的模块产量、以及与标准的SMT构件焊接过程兼容的最终模块组件。
本申请要求申请号为61/668,018、2012年7月4日递交的美国临时专利申请的优先权，该美国专利申请的内容通过引用合并在此。
虽然特别参照了几个实施例示出和描述了本专利申请，但是应注意到可以做出各种其他改变或修改，而不脱离本发明的范围。

Claims (20)

1.一种晶片级封装的光学组件，其特征在于，包括：
基板元件，所述基板元件包括顶层、以及与顶层接合的基层；
顶窗盖，与所述基板元件的顶层接合；以及
多个有源光电子元件，设置在所述基板元件内；其中：
所述顶层和基层在所述基板元件内形成至少一个主腔，所述主腔被配置得用于容纳所述有源光电子元件；且
围绕所述至少一个主腔形成多个外围腔，所述外围腔作为外部光机零件的对准特征。
2.根据权利要求1所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，所述有源光电子元件可包括单件形式的或者阵列形式的激光二极管或者光电探测器。
3.根据权利要求1所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，进一步包括多个上部导电衬垫，其中所述上部导电衬垫布置在所述主腔的底面，并配置用于接合到所述有源光电元件上。
4.根据权利要求3所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，进一步包括多个下部导电衬垫，其中所述下部导电衬垫设置在光学组件的下部外周面上。
5.根据权利要求4所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，所述导孔形成于基层上，填充有金属且分别与所述下部导电衬垫连接，所述下部导电衬垫与焊球连接，所述焊球被配置成允许所述光学组件被连接到电路板上。
6.根据权利要求1所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，多个光学元件形成于所述顶窗盖上，所述光学元件与所述有源光电元件对准，并配置成便于耦合所述有源光电元件和外部光纤之间的光学信号。
7.根据权利要求1所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，多个开口形成于所述顶窗盖上，每个所述开口与一个外围腔对准。
8.根据权利要求7所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，每个开口的尺寸大于与所述开口对准的外围腔的尺寸。
9.根据权利要求1所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，所述主腔在所述顶窗盖上的投影是方形，所述外围腔在所述顶窗盖上的投影是圆形。
10.根据权利要求1所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，所述主腔在所述顶窗盖上的投影是方形，所述外围腔在所述顶窗盖上的投影是方形。
11.根据权利要求10所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，所述主腔和外围腔的侧壁不垂直于所述顶窗盖的表面平面。
12.根据权利要求1所述的晶片级封装的光学组件，其特征在于，进一步包括接口IC和多个焊料凸块，所述接口IC是接合到所述基层的后侧的倒装晶片，所述焊料凸块布置在所述基层的后侧且与所述接口IC电连接。
13.一种制造光学组件的方法，其特征在于，所述方法包括：
制造顶层硅片，所述顶层硅片包括顶层的多个单独单元；
制造基层硅片，所述基层硅片包括基层的多个单独单元；
将所述顶层硅片与基层硅片对准并接合，从而形成第一晶片组件；
将多个有源光电元件组装到所述第一晶片组件上；
制造玻璃晶片；
将所述玻璃晶片与所述第一晶片组件对准并结合，从而形成第二晶片组件；以及
将所述第二晶片组件切割成单个的光学组件；其中：
制造所述顶层晶片的步骤包括蚀刻顶层的每个单独单元的主腔和多个外围腔；且
所述有源光电元件被组装在所述第一晶片组件的主腔内。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，制造顶层硅片的步骤进一步包括晶片薄化、以及沉积氧化层以用于晶片接合。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，制造基层硅片的步骤包括晶片薄化、蚀刻贯穿的导孔、沉积氧化层以用于绝缘、沉积金属以填充导孔、在基层硅片的顶面和底面上沉积金属图案、以及表面抛光以促使构件接合。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括将焊接凸起连接到所述第二晶片组件的后侧。
17.一种收发模块，其特征在于，包括：
至少一个电路基板；
至少一个光电接口IC；
光学组件，所述光学组件包括：
基板元件，所述基板元件包括顶层、以及与顶层接合的基层；
顶窗盖，与所述基板元件的顶层接合；以及
多个有源光电子元件，设置在所述基板元件内；以及
被配置用于将所述光学组件与光纤交接以进行光学信号传输的光纤插座；其中：
所述顶层和基层在所述基板元件内形成至少一个主腔，所述主腔被配置得用于容纳所述有源光电子元件；
围绕所述至少一个主腔形成多个外围腔，所述外围腔作为外部光机零件的对准特征；
所述光学组件和接口IC安装在所述电路基板上；且
所述光电子接口IC通过高速导电迹线电连接到所述光学组件模块。
18.根据权利要求17所述的收发模块，其特征在于，所述光纤插座包括对准块和光纤阵列，所述对准块包括光纤安装部分和组件安装部分，采用粘合剂将所述光纤阵列固定在所述对准块上。
19.根据权利要求18所述的收发模块，其特征在于，所述光纤安装部分与所述光学组件的配合方向同轴。
20.根据权利要求18所述的收发模块，其特征在于，所述组件安装部分包括斜面，所述斜面被配置成将来自所述有源光电子元件的光束导向所述光纤阵列。
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