CN104321676B - 具有反射镜的tsv基板及其在高速光电封装中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明的一项实施例提供了一种封装光电模块。所述模块包括具有顶面的光芯片和包括多个孔和反射面的第一基板。所述光芯片芯片倒装贴装到所述第一基板，其中所述顶面朝向所述第一基板。所述孔有助于所述顶面的电连接，所述反射面与所述顶面形成一个角度，从而实现所述顶面和与所述顶面大体平行的方向上放置的光纤之间的光耦合。

Description

具有反射镜的TSV基板及其在高速光电封装中的应用
相关申请案交叉申请
本发明要求2013年6月12日递交的发明名称为“具有反射镜的TSV基板及其在高速光电封装中的应用”的第13/494692号美国专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中，如全文再现一般。
技术领域
本发明大体涉及光电封装。具体而言，本发明涉及一种用于在高速光电封装中使用具有镜面的TSV基板的装置和方法。
背景技术
对光通信中更高带宽的需求增长驱动着光电模块中光设备和电设备集成的日趋加深。这些新模块需要高速的电互连和有效的光路导向。当信号速率达到10Gbps或更高时，传统的打线技术不再适用，其中使用金属线将集成电路(IC)芯片和光芯片(例如，激光二极管或光检测器)连接到印刷电路板(PCB)。
发明内容
本发明的一项实施例提供了一种封装光电模块。所述模块包括具有顶面的光芯片和包括多个孔和反射面的第一基板。所述光芯片芯片倒装贴装到所述第一基板，其中所述顶面朝向所述第一基板。所述孔有助于到所述顶面的电连接，所述反射面与所述顶面形成一个角度，从而实现所述顶面和与所述顶面大体平行的方向上放置的光纤之间的光耦合。
在本实施例的一种可行的实施例中，所述第一基板为硅穿孔(TSV)基板。
在本实施例的一种可行的实施例中，所述光芯片包括至少以下之一：垂直腔面发射激光器(VCSEL)和光电检测器。
在本实施例的一种可行的实施例中，所述封装光电模块进一步包括在所述第一基板下方布置的第二基板。所述第一基板贴装到所述第二基板。
在又一可行的实施例中，所述封装光电模块进一步包括通过所述第二基板上的金属迹线电耦合到所述光芯片的电子芯片。
在又一可行的实施例中，所述电子芯片芯片倒装贴装到所述第二基板。
在又一可行的实施例中，所述电子芯片芯片倒装贴装到所述第一基板。
在又一可行的实施例中，所述第二基板包括以下之一：陶瓷基板和有机基板。
在本实施例的一种可行的实施例中，所述封装光电模块进一步包括所述反射面和所述光纤之间布置的焦透镜。
在本实施例的一种可行的实施例中，所述反射面和所述光芯片的所述顶面之间的所述角度大约为45°。
附图说明
图1所示为根据本发明的实施例的图示了示例性封装配置的图，其中光芯片芯片倒装贴装到硅穿孔(TSV)基板。
图2所示为根据本发明的实施例的图示了示例性封装光电设备的图，所述光电设备包括电芯片裸片和光芯片裸片。
图3所示为根据本发明的实施例的图示了示例性封装光电设备的图，所述光电设备包括电芯片裸片和光芯片裸片。
图4所示为根据本发明的实施例的耦合到光纤阵列的示例性光电模块。
具体实施方式
以下陈述能使任何在此领域的技术人员可以制造并使用此实施例，并且是在特定应用和需求的环境中提供的。所属领域的技术人员将容易明白对公开的实施例进行的各种修改，而且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文所述的一般原理可适用于其他实施例和应用。因此，本发明并不意图限于本文所示的实施例，而是被赋予根据本文所公开的原理和特征的最大范围。
概述
本发明的实施例提供了一种用于高速光电封装的装置和方法。一种芯片倒装贴装方法用于将光芯片裸片和电芯片裸片贴装到公共基板。另外，具有镜面的硅穿孔(TSV)基板用于引导光并实现光芯片裸片和电芯片裸片之间的电互连。
在本发明中，术语“芯片”和“芯片裸片”可以互换使用以形容切割的半导体晶圆上的集成光或电子电路。封装光电设备或模块可包括封闭在单个外壳内的多个芯片或芯片裸片。
高速封装模块
芯片倒装贴装技术在高速IC芯片的封装中广泛使用。在封装期间，翻转芯片让其顶面朝下，芯片顶面的芯片垫与基板上的匹配连接器对齐。先前放置的焊块/凸点将芯片贴装到PCB基板，传输线路提供了低寄生、高速电互连。与传统打线技术相比，芯片倒装贴装技术提供了较小的封装尺寸、更好的导热以及更快的信号速度。这些优点还使得芯片倒装贴装对于光芯片的封装具有吸引力。但是，将芯片倒装贴装应用到光芯片的封装存在挑战。具体而言，对于顶部发光或受光的光芯片而言，使其顶面朝下让导光变为一项挑战。例如，顶部发射垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片的发光面经常位于电极的同一侧，并且芯片倒装封装将导致发光面面向基板。类似地，光电二极管的覆晶封装通常导致受光面面向基板。
因为光芯片的封装经常涉及将光耦合到光纤(或光纤带)或耦合来自光纤(或光纤带)的光，发/受光面的向下配置提出了一种挑战。例如，基板阻塞了光芯片发射的光。为了解决该问题，本发明的实施例实施了具有镜面的TSV基板。图1所示为根据本发明的实施例的图示了示例性封装配置的图，其中光芯片芯片倒装贴装到硅穿孔(TSV)基板。
在图1中，光芯片102通过先前放置的焊块，例如焊块106芯片倒装贴装到TSV基板104。TSV基板104包括多个孔，例如孔108，和反射镜面110。TSV基板104通过其孔和对应的焊块/球，例如焊块118，进一步贴装到基板120，例如PCB。
光芯片102可以是发光设备(例如VCSEL)、受光设备(例如，光电检测器)或其他与光交互的设备。反射镜面110与光芯片102的发/受光面112形成一个角度，从而改变从光芯片102发射的光的方向。在一项实施例中，该角度大约为45°。因此，发射镜面110可以将从光芯片102发射的光的方向改变90°。具体而言，从发/受光面112发射的向下引导的光在被反射镜面110反射后变为水平方向。反射镜面110可以是劈裂镜面或蚀刻镜面。水平方向的光可以通过焦透镜116耦合到光纤114(其可以是单模或多模光纤)的核心。类似地，如果光芯片102是光检测器，来自光纤114的光可以通过焦透镜116和反射镜面110耦合到发/受光面112。
注意TSV基板104和焦透镜上的成角度的反射镜面110实现芯片倒装贴装的光芯片和光纤之间的光耦合。除了到光纤的光耦合，还有必要提供到光芯片的电连接(或用于供电或用于提取信号)。在本发明的实施例中，通过TSV基板104内的孔(例如，孔108)建立从基板120到光芯片102的电连接。具体而言，光芯片102顶部的电子信号垫可以通过TSV104内各自的孔中填充的金属(例如，铜)柱连接到基板120上对应的金属迹线。
当今的高速光电模块经常需要电子组件和光组件封装在一起，共享一个公共基板。例如，在典型的高速激光器的封装中，可以找到激光器芯片和其驱动器(为激光器芯片提供驱动和控制)，这两者都贴装到公共基板，公共基板上布置的金属迹线提供高速互连。类似地，封装的高速光检测器经常包括检测器芯片和前置放大器，二者都贴装到公共基板。为了降低寄生效应，在本发明的实施例中，电芯片芯片倒装贴装到公共基板。
图2所示为根据本发明的实施例的图示了示例性封装光电设备的图，所述光电设备包括电芯片裸片和光芯片裸片。在图2中，封装光电设备200包括光芯片202和电子芯片204。电子芯片204芯片倒装贴装到公共基板206，该公共基板可以是由有机或陶瓷材料制成的基板。在一项实施例中，公共基板206包括PCB。光芯片202芯片倒装贴装到TSV基板208，其还可挂载在公共基板206的表面。在一项实施例中，焊块用于将TSV基板208贴装到公共基板206。公共基板206和TSV基板208内的孔(例如，孔214)中填充的金属柱上的金属迹线(例如，金属迹线210和212)提供电连接，包括光芯片202和电子芯片204之间的连接以及到任意外部电路的连接。
TSV基板208包括有角度的镜面，这引起从光芯片202发射的光改变其方向。在一项实施例中，向下引导的光被有角度的镜面反射后变为水平引导。水平引导的光随后通过焦透镜216耦合到光纤尾纤尾纤218。
类似地，来自光纤218的光可以通过焦透镜216和TSV基板208的有角度的镜面耦合到光芯片202。
注意，与传统打线技术相比，公共基板上的光芯片裸片和电芯片裸片的芯片倒装贴装不仅降低了由电线引起的寄生效应，这提高了设备的高速性能，还提高了设备的散热。
在替代性实施例中，电子芯片，类似于光芯片，也芯片倒装贴装到TSV基板，并且通过TSV基板的孔中填充的金属柱电耦合到下层基板(例如，PCB)。图3所示为根据本发明的实施例的图示了示例性封装光电设备的图，所述光电设备包括电芯片裸片和光芯片裸片。
在图3中，光芯片302和电子芯片304芯片倒装贴装到TSV基板306，其包括多个孔，例如，孔308。TSV基板306通过孔和多个对应的焊锡球(例如，焊锡球312)贴装到支撑基板310。支撑基板310和TSV基板306的孔中填充的金属柱上的金属迹线(例如，金属迹线314和316)提供了电连接，包括光芯片302和电子芯片304之间的连接以及到任意外部电路的连接。
TSV基板306包括有角度的镜面。从光芯片302的顶面发射的光被有角度的镜面反射并改变了方向。在一项实施例，来自光芯片302的向下引导的光变为水平引导。水平引导的光随后通过焦透镜318耦合到光纤尾纤尾纤320。类似地，来自光纤320的光可以通过焦透镜318和TSV基板306的有角度的镜面耦合到光芯片302。
在图2和3中，光芯片包括单个发光或受光设备，其光耦合到单根光纤，但是，在一些实施例中，光芯片可包括耦合到光纤阵列的设备阵列，例如，VCSEL阵列或光检测器阵列。图4所示为根据本发明的实施例的耦合到光纤阵列的示例性光电模块。
在图4中，包括发光或受光设备阵列的光芯片裸片402芯片倒装贴装到TSV基板404，其包括有角度的光反射面和多个孔。TSV基板404和电芯片裸片406都芯片倒装贴装到公共基板408。光芯片裸片402和电芯片裸片406之间的电连接以及到外部电路的电连接由TSV基板404的孔中的金属柱(未在图4中示出)和公共基板408顶部的金属迹线(未在图4中示出)提供。光芯片裸片402上的发光阵列产成的光被TSV基板404的有角度的镜面反射，将其原本向下的方向改变为水平方向，并通过焦透镜410耦合到光纤阵列412。注意，为了聚焦来自发光阵列的光，焦透镜410可能是柱透镜。光纤阵列412可以是1-D光纤带或2-D光纤阵列。类似地，来自光纤阵列412的光可以通过焦透镜410和TSV基板的有角度的镜面耦合到光芯片裸片402上对应的受光设备。
本发明的实施例提供了一种用于集成光电设备的新颖的封装解决方案。光和电子部件的芯片倒装贴装消除了传统打线技术中使用的大量接合线，从而大幅提高了封装设备的高速性能。其他优点包括尺寸减小(从而足迹减小)以及散热更好，从而使得该封装解决方案适合高速(10GHz及以上)并行光引擎(POE)。注意这种高速POE提供了数据通信和电信领域中的解决方案，例如机架到机架、单板到单板、芯片到芯片的光互连。
注意图1-4中示出的示例仅用于说明性目的并且应当不限制本发明的范围。一般来说，本发明的实施例提供了用于光电设备的封装解决方案，其中芯片倒装贴装用于将光和电芯片裸片贴装到基板。具体而言，光芯片裸片芯片倒装贴装到具有有角度的反射面和多个通孔(孔)的基板。通孔实现到光芯片的电连接。有角度的反射面改变了光的方向，从而实现芯片倒装贴装的光芯片的顶面和与光芯片的顶面大体平行的方向上放置的光纤之间的光耦合。具有通孔和有角度的镜面的基板可以是任意类型的基板。在一项实施例中，该基板是硅基板。
各实施例的上述描述仅仅是出于说明和描述的目的。它们并非要详尽或将本发明限制为本文中的形式。相应地，许多修改和变化对所述领域的技术人员而言是显而易见的。另外，上文并非限制本发明。

Claims (15)

1.一种封装光电模块，其特征在于，包括：
具有顶面的光芯片；以及
包括多个垂直互连访问孔和反射面的第一基板，所述光芯片芯片倒装贴装到所述第一基板，其中所述顶面朝向所述第一基板，所述孔有助于到所述顶面的电连接，所述反射面与所述顶面形成一个角度，从而实现所述顶面和与所述顶面平行的方向上放置的光纤之间的光耦合；
所述第一基板为硅穿孔(TSV)基板；
进一步包括所述反射面和所述光纤之间布置的焦透镜。
2.根据权利要求1所述的封装光电模块，其特征在于，所述光芯片包括至少以下之一：
垂直腔面发射激光器(VCSEL)，以及
光电检测器。
3.根据权利要求1所述的封装光电模块，其特征在于，进一步包括在所述第一基板下方布置的第二基板，其中所述第一基板贴装到所述第二基板。
4.根据权利要求3所述的封装光电模块，其特征在于，进一步包括电子芯片，所述电子芯片通过所述第二基板上的金属迹线电耦合到所述光芯片。
5.根据权利要求4所述的封装光电模块，其特征在于，所述电子芯片芯片倒装贴装到所述第二基板。
6.根据权利要求4所述的封装光电模块，其特征在于，所述电子芯片芯片倒装贴装到所述第一基板。
7.根据权利要求3所述的封装光电模块，其特征在于，所述第二基板包括以下之一：
陶瓷基板，以及
有机基板。
8.根据权利要求1所述的封装光电模块，其特征在于，所述反射面和所述光芯片的所述顶面之间的所述角度为45°。
9.一种用于封装包括光芯片的光电模块的方法，其特征在于，所述方法包括：
将所述光芯片芯片倒装贴装到第一基板；
所述第一基板包括多个孔和反射面，所述孔有助于到所述光芯片顶面的电连接，所述反射面与所述顶面形成一个角度，从而实现所述顶面和与所述顶面平行的方向上放置的光纤之间的光耦合；其中，所述第一基板为硅穿孔(TSV)基板；
进一步包括在所述反射面和所述光纤之间布置焦透镜。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光芯片包括至少以下之一：
垂直腔面发射激光器(VCSEL)，以及
光电检测器。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述第一基板贴装到第二基板。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括将电子芯片芯片倒装贴装到所述第二基板，其中所述电子芯片通过所述第二基板上的金属迹线电耦合到所述光芯片。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括将电子芯片芯片倒装贴装到所述第一基板，其中所述电子芯片通过所述第二基板上的金属迹线电耦合到所述光芯片。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二基板包括以下之一：
陶瓷基板，以及
有机基板。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述反射面和所述光芯片的所述顶面之间的所述角度为45°。
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