CN104465855B - 晶圆级光互连模块及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶圆级光互连模块及制作方法，该模块包括基板、倒装与基板上的控制芯片与光电转换芯片，该基板上形成有便于光纤嵌入并固定的凹槽，凹槽的斜坡状第一端面上形成有反光层，并与光纤端面相对；光电转换芯片的功能区位于反光层的上方，且功能区的表面与基板的表面呈设定角度，由于光纤嵌入定位于凹槽内，反光层与基板表面之间的夹角固定，因此，仅需调节光电转换芯片的功能区的表面与基板表面之间的夹角，即可使实现光电转换芯片与光纤的耦合对准。本发明能够在保证封装体积小型化的同时，能够降低对准操作的难度，有效降低人力成本，提高生产效率，增加产能。该制作方法采用晶圆级先整体封装再切割的工艺，整体成本大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种光互连模块及制作方法，具体是涉及一种晶圆级光互连模块及制作方法。
背景技术
光通信技术由于其传输损耗低、带宽极大、抗电磁干扰、传输质量好、保密性好等特点而广受人们青睐。而要实现电信号与光信号的相互转换，需要用到光互连模块，通过包括光电转换芯片、带有驱动控制芯片和布线电路的电路板(基板)和用于传输光信号的光纤，光电转换芯片连接到该电路板时，通常其功能面与电路板平行，而用于光信号传输的光纤与光电转换芯片的功能面垂直才能保证耦合效率较高。但是，目前实现光电转换芯片与光纤较好耦合的方法主要有两种，一种是弯曲光纤，使光纤头垂直于光电转换芯片的功能面，一种是在两者间引入一45°反射板，使光路偏转90°，连通光纤和光电转换芯片功能面。前一种方法受光纤柔韧度的限制，要求封装的垂直方向尺寸较大；后一种方法需要光线同时对准光电转换芯片功能区、反射板及光纤安装位置，才能确保光路的顺利的连通，人力损耗大，生产效率低，影响产能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种晶圆级光互连模块及制作方法，能够实现晶圆级的光互连模块封装，且在保证封装体积小型化的同时，能够降低对准操作的难度，有效降低人力成本，提高生产效率，增加产能。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种晶圆级光互连模块，包括基板、控制芯片、至少一光纤和对应所述光纤的光电转换芯片，所述基板的一表面形成有用于电路互连的金属布线层，且所述基板的该表面上形成有对应所述光纤的条形凹槽，所述光纤嵌入定位于所述基板上对应的凹槽内；所述凹槽具有与所述光纤的端面相对的斜坡状第一端面，所述第一端面上形成有一层反光层；所述控制芯片和所述光电转换芯片焊接于所述基板上，其中至少所述光电转换芯片是以倒装的形式焊接于所述基板上，且所述控制芯片与所述光电转换芯片通过所述金属布线层电连接；所述光电转换芯片的功能区位于所述反光层的上方，且所述光电转换芯片的功能区的表面与所述基板的表面呈设定角度，使光束路线依次经过所述光电转换芯片的功能区、所述凹槽的第一端面上的反光层和所述凹槽内的光纤。
作为本发明的进一步改进，所述光电转换芯片为光电二极管芯片或激光二极管芯片。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽垂直长度方向的截面为V形或方形或倒等腰梯形或上方形下V形的组合或上倒等腰梯形下V形的组合。
作为本发明的进一步改进，所述基板为各向异性的单晶硅基板，所述凹槽垂直长度方向的截面为V形，所述凹槽的两侧壁和第一端面均与单晶硅基板的表面形成固定夹角。
作为本发明的进一步改进，所述反光层为至少一层的反光金属膜。
作为本发明的进一步改进，所述光电转换芯片具有第一焊料凸点，所述控制芯片具有第二焊料凸点，所述金属布线层上具有对应所述第一焊料凸点和所述第二焊料凸点的第一连接盘和第二连接盘，所述第一、第二焊料凸点焊接于对应的第一、第二连接盘上。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽的第一端面与所述光纤的端面之间或/和所述反光层与所述光电转换芯片的功能面之间设有聚焦透镜。
作为本发明的进一步改进，所述基板上还形成有用于与外电路电连接的若干个导电金属块，该导电金属块通过所述金属布线层与所述控制芯片电连接。
一种晶圆级光互连模块的制作方法，包括以下步骤：
a、提供一具有若干个模块单元的双面抛光的各向异性的单晶硅基板，对应每个所述模块单元，提供一具有第二焊料凸点的控制芯片、至少一光纤和对应每根所述光纤的具有第一焊料凸点的光电转换芯片，在每个所述模块单元上预设对应每个所述光纤的光纤嵌入位置；
b、在单晶硅基板的100面上做掩膜板，并定义该100面为所述模块单元的主表面，在所述掩膜板上形成对应所述光纤嵌入位置的矩形开口，并暴露出每个所述模块单元的主表面；
c、将步骤b形成的单晶硅基板浸泡在刻蚀液中，从每个所述模块单元的每个所述开口处沿110面方向刻蚀，去除要刻蚀的硅原子，暴露出单晶硅基板的倾角为54.74°的111面，形成垂直长度方向截面为V形的条形凹槽，且所述凹槽的第一端面与所述模块单元的主表面之间的夹角也为54.74°；
d、去除所述掩膜板，并在单晶硅基板的主表面上形成绝缘层；
e、在所述凹槽的第一端面覆盖一层反光金属膜，形成反光层；
f、在每个所述模块单元的绝缘层上形成用于电路互连的金属布线层和用于与外电路电连接的若干个导电金属块，所述金属布线层上具有对应所述第一、第二焊料凸点的第一、第二连接盘；
g、通过所述第二焊料凸点与所述第二连接盘焊接的方式，将所述控制芯片倒扣安装在所述金属布线层上；
h、通过所述第一焊料凸点与所述第一焊料凸点焊接的方式，将所述光电转换芯片倒扣安装在所述金属布线层上，并使所述光电转换芯片位于所述凹槽的第一端面的上方，使所述光电转换芯片的功能面与所述模块单元的主表面形成19.48°的夹角，使所述光电转换芯片的功能面朝向所述凹槽的第一端面上的反光层；
i、切割单晶硅基板，形成单个模块单元，将每个模块单元的每个所述光纤装入对应的凹槽中，并固定，形成若干个晶圆级光互连模块。
作为本发明的进一步改进，包括在所述凹槽的第一端面与所述光纤的端面之间或/和在所述反光层与所述光电转换芯片的功能面之间定位设有聚焦透镜的步骤。
本发明的有益效果是：本发明提供一种晶圆级光互连模块及制作方法，该晶圆级光互连模块，将控制芯片与光电转换芯片通过倒装焊芯片(Flip-Chip)技术倒装于基板上，且在该基板上形成对应光纤且便于光纤嵌入其中并固定的凹槽，在凹槽与光纤端面相对的斜坡状第一端面上形成一层反光层；并使光电转换芯片的功能区位于反光层的上方，使光电转换芯片的功能区的表面与基板的表面呈设定角度，这样，通过调节该设定角度，即可使光束路线依次经过光电转换芯片的功能区、凹槽的第一端面上的反光层和凹槽内的光纤。上述设计能够使该晶圆级光互连模块在封装前后尺寸接近1:1；较佳的，基板为单晶硅基板，由于单晶硅从100面沿110面湿法刻蚀，将形成特定倾角的V形凹槽及其第一端面，即可确定反光层与单晶硅基板表面的夹角，此时，仅需调节光电转换芯片功能面与硅基板表面(或反光层面)之间的夹角，便可确定光传播的路线，连通光路，因此，本发明能够实现晶圆级的光互连模块封装，且在保证封装体积小型化的同时，能够降低对准操作的难度，有效降低人力成本，提高生产效率，增加产能。该制作方法采用晶圆级先整体封装再切割的工艺，相对于目前的传统封装工艺，整体成本大大降低。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1中M-M方向的剖面视图；
图3为图2中光路连通部分的放大视图；
图4为图1中N-N方向的剖面视图；
图5为本发明中光电转换芯片结构示意图；
图6为本发明中凹槽的一种实施结构示意图；
图7为本发明中凹槽的另一种实施结构的示意图。
结合附图，作以下说明：
1——基板 2——控制芯片
21——第二焊料凸点 3——光纤
31——纤芯 32——包层
4——光电转换芯片 41——第一焊料凸点
42——光发射区 43——有效出光区
5——金属布线层 6——凹槽
61——第一端面 62——第二端面
7——反光层 8——聚焦透镜
9——导电金属块 10——光束
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示，一种晶圆级光互连模块，包括基板1、控制芯片2、至少一光纤3和对应所述光纤的光电转换芯片4，所述基板的一表面形成有用于电路互连的金属布线层5，且所述基板的该表面上形成有对应所述光纤的条形凹槽6，所述光纤嵌入定位于所述基板上对应的凹槽内；所述凹槽具有与所述光纤的端面相对的斜坡状第一端面61，所述第一端面上形成有一层反光层7；所述控制芯片和所述光电转换芯片均以倒装的形式焊接于所述基板上，且所述控制芯片与所述光电转换芯片通过所述金属布线层电连接；所述光电转换芯片的功能区位于所述反光层的上方，且所述光电转换芯片的功能区的表面与所述基板的表面呈设定角度，使光束路线依次经过所述光电转换芯片的功能区、所述凹槽的第一端面上的反光层和所述凹槽内的光纤。上述结构中，由于斜坡状第一端面上的反光层与基板表面之间的夹角固定，通过调节光电转换芯片的功能区的表面与基板的表面之间的夹角，即可使光束路线依次经过光电转换芯片的功能区、凹槽的第一端面上的反光层和凹槽内的光纤，实现光电转换芯片与光纤耦合对准的功能，相比传统耦合对准方法调整多个耦合对准点，本发明只需调节一个耦合对准点，能够在保证封装体积小型化的同时，有效降低对准操作的难度，降低人力成本，提高生产效率，增加产能。优选的，所述光电转换芯片为光电二极管芯片或激光二极管芯片。光电转换芯片为光电二极管(Photon Diode,PD)芯片时，用于接收光纤的光信号并转换为电信号，此时，晶圆级光互连模块作为信号接收端；光电转换芯片为激光二极管(Laser diode,LD)芯片时，用于将电信号转换为光信号并发射给光纤传送，此时，晶圆级光互连模块作为信号发射端；当然，晶圆级光互连模块同时具有一个作为接收端的光电转换芯片和一个作为发射端的光电转换芯片，形成具有收发功能的光互连模块。
优选的，所述凹槽垂直长度方向的截面为V形或方形或倒等腰梯形或上方形下V形的组合或上倒等腰梯形下V形的组合。这样，凹槽的槽底可以为线也可以为面，凹槽的槽底与基板的表面可以平行也可以不平行，凹槽的形状可根据光纤相对基板表面高低的需求设定，达到调整定位于凹槽内的光纤的高度的目的，比如采用上方形下V形的组合时，可以使光纤低于基板的表面的同时，不形成较大的开口，凹槽深度具体可通过光刻工艺开口大小实施。
优选的，所述基板为各向异性的单晶硅基板，所述凹槽垂直长度方向的截面为V形，所述凹槽的两侧壁和第一端面均与单晶硅基板的表面形成固定夹角。参见图4，利用单晶硅111方向稳定，100晶面、110晶面相比有极其低的刻蚀速率的特点，从单晶硅100面沿110面湿法刻蚀，将形成特定倾角的V形凹槽及其第一端面，V形凹槽可完全刻蚀出111面，呈标准的“V”形，也可不刻蚀完全，使凹槽槽底为一平面。这样，能够准确确定反光层与硅基板表面的夹角，进而可确定光传播的路线，此时，仅通过调节光电转换芯片功能面与硅基板表面(或反光层面)之间的夹角，便可连通光路，对准操作方便且精度高，有效降低了人力成本，提高了生产效率，增加了产能。
优选的，所述反光层为至少一层的反光金属膜，用以反射光线，改变光路方向。
优选的，所述光电转换芯片具有第一焊料凸点41，所述控制芯片具有第二焊料凸点21，所述金属布线层上具有对应所述第一焊料凸点和所述第二焊料凸点的第一连接盘和第二连接盘，所述第一、第二焊料凸点焊接于对应的第一、第二连接盘上。这样，控制芯片和光电转换芯片通过倒装焊芯片(Flip-Chip)技术可倒装于金属布线层上对应的第一、第二连接盘上，实现两种芯片的电性连接。
优选的，所述凹槽的第一端面与所述光纤的端面之间或/和所述反光层与所述光电转换芯片的功能面之间设有聚焦透镜8。通过聚焦透镜的聚焦作用，可使光线平行进入嵌在凹槽内的光纤中。
优选的，所述基板上还形成有用于与外电路电连接的若干个导电金属块9，该导电金属块通过所述金属布线层与所述控制芯片电连接。这样，导电金属块一方面通过基板表面用于电路互连的布线层与控制芯片连接，另一方面通过引线键合等方式实现与外电路的电连接。
优选的，所述控制芯片以倒装的形式或键合引线的形式焊接于所述基板上，与所述金属布线层电性相连。
一种晶圆级光互连模块的制作方法，包括以下步骤：
a、提供一具有若干个模块单元的双面抛光的各向异性的单晶硅基板，对应每个所述模块单元，提供一具有第二焊料凸点的控制芯片、至少一光纤和对应每根所述光纤的具有第一焊料凸点的光电转换芯片，在每个所述模块单元上预设对应每个所述光纤的光纤嵌入位置；
b、在单晶硅基板的100面上做掩膜板，并定义该100面为所述模块单元的主表面，在所述掩膜板上形成对应所述光纤嵌入位置的矩形开口，并暴露出每个所述模块单元的主表面；
c、将步骤b形成的单晶硅基板浸泡在刻蚀液中，从每个所述模块单元的每个所述开口处沿110面方向刻蚀，去除要刻蚀的硅原子，暴露出单晶硅基板的倾角为54.74°的111面，形成垂直长度方向截面为V形的条形凹槽，且所述凹槽的第一端面与所述模块单元的主表面之间的夹角也为54.74°；
d、去除所述掩膜板，并在单晶硅基板的主表面上形成绝缘层；针对各向异性刻蚀单晶硅基板，掩膜板的材料一般可用金属层，也可采用氧化硅层与金属层的组合或氮化硅层与金属层的组合，如果采用金属层做掩膜板，该步骤中，需要去除整个掩膜板，再覆盖绝缘层；如果采用氧化硅层、氮化硅层与金属层的组合做掩膜，仅需去除上层金属层，下层的氧化硅层或氮化硅层可不去除，作为绝缘层使用；
e、在所述凹槽的第一端面覆盖一层反光金属膜，形成反光层；
f、在每个所述模块单元的绝缘层上形成用于电路互连的金属布线层和用于与外电路电连接的若干个导电金属块，所述金属布线层上具有对应所述第一、第二焊料凸点的第一、第二连接盘，并在金属布线层上形成保护层，防止金属布线层被氧化，并在保护层上金属布线层的连接盘位置处设开口；
g、通过所述第二焊料凸点与所述第二连接盘焊接的方式，将所述控制芯片倒扣安装在所述金属布线层上；
h、通过所述第一焊料凸点与所述第一连接盘焊接的方式，将所述光电转换芯片倒扣安装在所述金属布线层上，并使所述光电转换芯片位于所述凹槽的第一端面的上方，使所述光电转换芯片的功能面与所述模块单元的主表面形成19.48°的夹角，使所述光电转换芯片的功能面朝向所述凹槽的第一端面上的反光层；
i、切割单晶硅基板，形成单个模块单元，将每个模块单元的每个所述光纤装入对应的凹槽中，并固定，形成若干个晶圆级光互连模块。
优选的，上述步骤还包括在所述凹槽的第一端面与所述光纤的端面之间或/和在所述反光层与所述光电转换芯片的功能面之间定位设有聚焦透镜的步骤。
以下以光电转换芯片为激光二极管(LD)芯片为例，对本发明的实施进行进一步的说明：
参见图1和图2所示，一种晶圆级光互连模块，包括一单晶硅基板1、若干导电金属块9、一控制芯片(IC芯片)2和四个光电转换芯片1，在此为LD芯片，LD芯片的结构如图5所示，LD芯片的功能面具有光发射区42、有效出光区43和用于电性连接的两个第一焊料凸点41，其中，有效出光区43位于光发射区42的中心，两个第一焊料凸点位于光发射区的一侧。该晶圆级光互连模块还包括四条V形的凹槽6、四根光纤3和四个聚焦透镜8。在此实施例中，V形凹槽的两侧壁和两端面具有相同的倾斜角54.74°，V形凹槽的槽底可以为线或一平面，参见图6和图7；在此实施例中，光纤包括纤芯31和包层32。基板上IC芯片与导电金属块、IC芯片与LD芯片的电性连接均通过基板表面的金属布线层5实现的(图1未标出)，其中，LD芯片通过第一焊料凸点倒扣焊接于金属布线层的第一连接盘上；IC芯片通过第二焊料凸点倒扣焊接于金属布线层的第二连接盘上；四根光纤3分别嵌入对应的四个V形凹槽6中，光纤3与凹槽的接触位置对应图4中光纤的包层32与凹槽6的切点位置，光纤的端面与凹槽的第一端面相对，并相距设定距离。四个聚焦透镜8定位于对应的四个V形凹槽的第一端面61与光纤的端面之间，光纤的端面距离聚焦透镜8的距离约为透镜的焦距。在LD芯片的第一焊料凸点41倒扣于金属布线层5的第一连接盘的过程中，设定LD芯片的功能面与基板表面夹角为19.48°，使LD芯片的光发射区42面对基板上V形凹槽的第一端面61上的反光层7，其有效出光区43发射出的光经过反光层7的反射及聚焦透镜8聚焦，可平行进入嵌在V形凹槽6的光纤3中，光束10传输如图3所示。
该晶圆级光互连模块的制作主要包括：
首先，在单晶硅基板上刻蚀V形凹槽6，利用单晶硅111方向稳定，100、110晶面相比有极其低的刻蚀速率的特点，在单晶硅基板的100面上做掩膜板，并形成四个平行的矩形开口，露出单晶硅基板的100表面，刻蚀液沿着110方向刻蚀，暴露出倾角为54.74°的111面，从而形成V形凹槽，且V形凹槽的两端面也为倾斜的111面，V形凹槽可完全刻蚀出111面，呈标准的V形，也可不刻蚀完全，使槽底为一平面，参见图6和图7。
然后，在V形凹槽的第一端面61覆盖反光金属膜，形成反光层7，用以反射光线，改变光路方向。
再然后，在单晶硅基板的100面上形成金属布线层5及导电金属块9，导电金属块9也可以为焊料凸点，通过引线键合方式连接外电路。
之后，将IC芯片倒扣安装在单晶硅基板上的金属布线层5上；将LD芯片倒装在V形凹槽的第一端面61位置附近的金属布线层5的连接盘上，与IC芯片2电性连接；LD芯片的功能面与单晶硅基板的100表面形成19.48°的夹角，且光发射区42面对着V形凹槽的第一端面61的反光层7。
可选的，在V形凹槽内的第一端面10附近安装一聚焦透镜8，会聚光束，提高光传输质量。
再之后，切割单晶硅基板，形成若干个模块单元，单个模块的V形凹槽的第二端面62与相对应的第一端面61分离，即切割位置截面为“V”形。
最后，将光纤或光纤组通过按压方式嵌入对应V形凹槽中，并固定，形成若干个晶圆级光互连模块，其中，V形凹槽内的光纤端面与透镜距离约为透镜焦距。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种晶圆级光互连模块，包括基板(1)、控制芯片(2)、至少一光纤(3)和对应所述光纤的光电转换芯片(4)，其特征在于：所述基板的一表面形成有用于电路互连的金属布线层(5)，且所述基板的该表面上形成有对应所述光纤的条形凹槽(6)，所述光纤嵌入定位于所述基板上对应的凹槽内；所述凹槽具有与所述光纤的端面相对的斜坡状第一端面(61)，所述第一端面上形成有一层反光层(7)；所述控制芯片和所述光电转换芯片均倒装焊接于所述基板该表面上，且所述控制芯片与所述光电转换芯片通过所述金属布线层电连接；所述光电转换芯片的功能区位于所述反光层的上方，且所述光电转换芯片的功能区的表面与所述基板的表面呈设定角度，使光束路线能经过所述光电转换芯片的功能区、所述凹槽的第一端面上的反光层和所述凹槽内的光纤。
2.根据权利要求1所述晶圆级光互连模块，其特征在于：所述光电转换芯片为光电二极管芯片或激光二极管芯片。
3.根据权利要求1所述的晶圆级光互连模块，其特征在于：所述凹槽垂直长度方向的截面为V形或方形或倒等腰梯形或上方形下V形的组合或上倒等腰梯形下V形的组合。
4.根据权利要求1所述的晶圆级光互连模块，其特征在于：所述基板为各向异性的单晶硅基板，所述凹槽垂直长度方向的截面为V形，所述凹槽的两侧壁和第一端面均与单晶硅基板的表面形成固定夹角。
5.根据权利要求1所述晶圆级光互连模块，其特征在于：所述反光层为至少一层的反光金属膜。
6.根据权利要求1所述晶圆级光互连模块，其特征在于：所述光电转换芯片具有第一焊料凸点(41)，所述控制芯片具有第二焊料凸点(21)，所述金属布线层上具有对应所述第一焊料凸点和所述第二焊料凸点的第一连接盘和第二连接盘，所述第一、第二焊料凸点焊接于对应的第一、第二连接盘上。
7.根据权利要求1所述晶圆级光互连模块，其特征在于：所述凹槽的第一端面与所述光纤的端面之间或/和所述反光层与所述光电转换芯片的功能面之间设有聚焦透镜(8)。
8.根据权利要求1所述晶圆级光互连模块，其特征在于，所述基板上还形成有用于与外电路电连接的若干个导电金属块(9)，该导电金属块通过所述金属布线层与所述控制芯片电连接。
9.一种晶圆级光互连模块的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、提供一具有若干个模块单元的双面抛光的各向异性的单晶硅基板，对应每个所述模块单元，提供一具有第二焊料凸点的控制芯片、至少一光纤和对应每根所述光纤的具有第一焊料凸点的光电转换芯片，在每个所述模块单元上预设对应每个所述光纤的光纤嵌入位置；
b、在单晶硅基板的100面上做掩膜板，并定义该100面为所述模块单元的主表面，在所述掩膜板上形成对应所述光纤嵌入位置的矩形开口，并暴露出每个所述模块单元的主表面；
c、将步骤b形成的单晶硅基板浸泡在刻蚀液中，从每个所述模块单元的每个所述开口处沿110面方向刻蚀，去除要刻蚀的硅原子，暴露出单晶硅基板的倾角为54.74°的111面，形成垂直长度方向截面为V形的条形凹槽，且所述凹槽的第一端面与所述模块单元的主表面之间的夹角也为54.74°；
d、去除所述掩膜板，并在单晶硅基板的主表面上形成绝缘层；
e、在所述凹槽的第一端面覆盖一层反光金属膜，形成反光层；
f、在每个所述模块单元的绝缘层上形成用于电路互连的金属布线层和用于与外电路电连接的若干个导电金属块，所述金属布线层上具有对应所述第一、第二焊料凸点的第一、第二连接盘；
g、通过所述第二焊料凸点与所述第二连接盘焊接的方式，将所述控制芯片倒扣安装在所述金属布线层上；
h、通过所述第一焊料凸点与所述第一连接盘焊接的方式，将所述光电转换芯片倒扣安装在所述金属布线层上，并使所述光电转换芯片位于所述凹槽的第一端面的上方，使所述光电转换芯片的功能面与所述模块单元的主表面形成19.48°的夹角，使所述光电转换芯片的功能面朝向所述凹槽的第一端面上的反光层；
i、切割单晶硅基板，形成单个模块单元，将每个模块单元的每个所述光纤装入对应的凹槽中，并固定，形成若干个晶圆级光互连模块。
10.根据权利要求9所述晶圆级光互连模块的制作方法，其特征在于：包括在所述凹槽的第一端面与所述光纤的端面之间或/和在所述反光层与所述光电转换芯片的功能面之间定位设置聚焦透镜的步骤。
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