CN109994461A - 光学组件、光模块及其封装方法 - Google Patents

光学组件、光模块及其封装方法 Download PDF

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CN109994461A CN201711488592.6A CN201711488592A CN109994461A CN 109994461 A CN109994461 A CN 109994461A CN 201711488592 A CN201711488592 A CN 201711488592A CN 109994461 A CN109994461 A CN 109994461A
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Abstract

本申请揭示了一种光学组件、光模块及其封装方法,光学组件封装方法包括以下步骤:提供一第一基板和第二基板,第一基板和第二基板分别具有第一标记和第二标记,第一基板和第二基板上均设有光学器件,第一基板和第二基板中至少一个为透光基板;调整第一基板和第二基板的相对位置以使第一基板和第二基板相贴合,及使透过透光基板观察到的第一标记及第二标记相互对准;待第一基板和第二基板调整到位实现第一基板和第二基板上的光学器件相互耦合之后,将第一基板及第二基板固定在一起。本申请的技术方案通过在第一基板及第二基板分别设置第一标记及第二标记,并结合透光基板的透光性能,实现单个镜头下的两个基板的光学器件实时对准。

Description

光学组件、光模块及其封装方法
技术领域
本申请涉及光通信元件制造技术领域,尤其涉及一种光学组件、光模块及其封装方法。
背景技术
硅光技术由于其集成度高、功耗低、与现有CMOS工艺兼容等优点,成为光通信行业研究热点,各种硅光子器件技术日趋成熟并逐步走向高度集成化。
由于硅材料属于间接带隙半导体,本身很难制成激光器元件,因此需要采用III-IV族元素激光器与硅光芯片耦合集成。
目前,主要集成方式有外延生长和混合集成两种方式。
外延生长由于其工艺难度极少采用。
通过无源贴装和有源耦合两种混合集成方式成为主流,其中,有源耦合能保证贴装精度,但贴装效率低,因此,高精度无源贴装成为首要选择。
目前,无源贴装主要有芯片拍照与衬底镜头对准、芯片与衬底双镜头实时对准两种方式。前者如Datacon、Ficontech、Finetech等,贴装方式为标记零点定位,坐标找位置,精度约±10um;后者如Amecra,贴装方式为芯片背面镜头和衬底正面镜头对准,贴装前两芯片距离很大,定位后由机械臂定位,精度±1um。
由于波导模斑极小,激光芯片波导与硅光芯片波导耦合要求贴装精度在1um内,因此,以上两种方法都不能满足要求。
发明内容
本申请一实施例提供一种光学组件封装方法,其利用透光基板的透光性能,实现单个镜头下的两个基板的光学器件实时对准,光学组件封装方法包括以下步骤:
提供一第一基板和第二基板,所述第一基板和所述第二基板分别具有第一标记和第二标记,所述第一基板和所述第二基板上均设有光学器件,所述第一基板和所述第二基板中至少一个为透光基板;
调整所述第一基板和所述第二基板的相对位置以使所述第一基板和所述第二基板相贴合,及使透过所述透光基板观察到的所述第一标记及所述第二标记相互对准;
待所述第一基板和所述第二基板调整到位实现所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互耦合之后,将所述第一基板及所述第二基板固定在一起。
一实施例中,所述步骤“待所述第一基板和所述第二基板调整到位实现所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互耦合之后,将所述第一基板及所述第二基板固定在一起”之前还包括:
调整所述第一基板和所述第二基板的相对位置以使观察到的所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互对准。
一实施例中,所述步骤“待所述第一基板和所述第二基板调整到位实现所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互耦合之后,将所述第一基板及所述第二基板固定在一起”之后还包括:
将所述第一基板和所述第二基板中其中之一上的光学器件与另一个基板上至少部分区域实现电性连接。
本申请一实施例提供一种光模块封装方法,包括步骤:
提供一壳体;
提供一光学组件;
将所述光学组件组装于所述壳体。
本申请一实施例提供一种光学组件,包括第一基板及第二基板,所述第一基板和所述第二基板分别具有第一标记和第二标记,所述第一基板和所述第二基板上均设有光学器件,所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互耦合,其中,所述第一基板和所述第二基板中至少一个为透光基板,所述透光基板用于当所述第一基板和所述第二基板相贴合时观察所述第一标记及所述第二标记是否相互对准。
一实施例中,所述第一标记和所述第二标记为所述第一基板和所述第二基板上的光学器件。
一实施例中,所述光学器件包括位于所述第一基板上的第一光波导及位于所述第二基板上的第二光波导,所述第一光波导及所述第二光波导之间具有模斑转换器。
一实施例中,所述第一基板具有一台阶部,所述第二基板上的光学器件设于所述台阶部处并与所述第一基板的至少部分区域相电性连接。
一实施例中,所述光学组件还包括设置于所述台阶部上的支撑部,所述光学器件固定于所述支撑部上,所述支撑部为热沉或相互分隔的若干支撑柱。
一实施例中,所述光学器件具有第二电极,所述第二基板靠近所述第二电极的第一表面具有第一端子,所述第二基板相对所述第一表面的第二表面具有第二端子,所述第一端子及所述第二端子之间相电性连接。
本申请一实施例提供一种光模块,包括壳体及光学组件,所述光学组件设置于所述壳体内。
与现有技术相比,本申请的技术方案通过在第一基板及第二基板分别设置第一标记及第二标记,并结合透光基板的透光性能,实现单个镜头下的两个基板的光学器件实时对准。
附图说明
图1是本申请一实施方式的光学组件封装方法步骤图;
图2是本申请一实施方式的光学组件侧视图;
图3是本申请一实施方式的光学组件透视图;
图4是本申请一实施方式的光学器件示意图;
图5是本申请一实施方式的模斑转换器示意图;
图6是本申请一实施方式的光学组件剖视图;
图7是本申请第一实施例的光学组件示意图;
图8是本申请第一实施方式的光学组件爆炸图;
图9是本申请第一实施例的透光基板示意图;
图10是本申请第二实施例的光学组件示意图;
图11是本申请第二实施例的光学组件爆炸图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
在本申请的各个图示中,为了便于图示,结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大,因此,仅用于图示本申请的主题的基本结构。
另外,本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如,如果将图中的设备翻转,则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此,示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向),并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
参图1至图3,本申请一实施方式提供一种光学组件100封装方法,包括以下步骤:
提供一第一基板10和第二基板20,第一基板10和第二基板20分别具有第一标记S1和第二标记S2,第一基板10和第二基板20上均设有光学器件,第一基板10和第二基板20中至少一个为透光基板;
调整第一基板10和第二基板20的相对位置以使第一基板10和第二基板20相贴合,及使透过透光基板观察到的第一标记S1及第二标记S2相互对准;
待第一基板10和第二基板20调整到位实现第一基板10和第二基板20上的光学器件相互耦合之后,将第一基板10及第二基板20固定在一起。
这里,在第一基板10设置第一标记S1,第二基板20上设置第二标记S2,且第一基板10及第二基板20的至少其中之一为透光基板,通过透光基板识别并匹配第一标记S1及第二标记S2,从而实现单个镜头下的两个基板的光学器件实时对准。
需要说明的是,本实施方式的光学器件可以是光波导、波分复用器、光电芯片、透镜等等。
另外,第一标记S1和第二标记S2可为第一基板10和第二基板20上的光学器件。
具体的,参图3,以第一基板10为硅衬底基板、第二基板20为透光基板为例。
第一基板10的上表面处形成有第一光波导B1,第一标记S1位于第一基板10的上表面。此处第一光波导B1即为第一基板10上的光学器件。当然,第一基板10上可以不止这一个光学器件。
第一基板10的上表面还形成一层氧化硅层,其覆盖并保护第一光波导B1,且氧化硅层可补偿组装时第一基板10与第二基板20上的光学器件的高度差。
第二基板20上的光学器件22包括激光器芯片,光学器件22还包括与第一光波导B1匹配的第二光波导B2,光学器件22及第二标记S2均位于第二基板20的下表面。激光器芯片与第二光波导B2相互光耦合在一起,并封装在了一起。
第一基板10和第二基板20具有与外部元件相电性连接的接触点,这些接触到与第一基板10和第二基板20上的需要进行电性连接的光学器件相电性连接。
光学器件22通过倒装焊技术贴装到第二基板20的下表面,结合图4,光学器件22靠近第一光波导B1的一侧具有出光孔O,第二光波导B2位于出光孔O内。
第一基板10包括两个第一标记S1,第一标记S1为四个呈阵列分布的方块。四个阵列分布的方块之间的空隙形成“十”字。
第二基板20包括两个第二标记S2,第二标记S2呈“十”字。
当第二基板20上的“十”字恰好位于四个呈阵列分布的方块的正中间时(也就是第二基板20上的“十”字与第一基板10上四个阵列分布的方块之间的空隙形成的“十”字相互重合时),第一标记S1与第二标记S2相互匹配。
当然,标记的数量、形态、位置等可以根据实际情况而定,例如,两个第一标记S1交错分布于第一光波导B1的两侧,或者,两个第一标记S1的中心连线平行于第一光波导B1等等。
需要说明的是,第一标记S1和第二标记S2是根据第一基板10上的第一光波导B1位置和第二基板20上的光学器件22的位置而设计的,当第一标记S1、第二标记S2相互对准后,就实现了光学器件22和第一光波导B1的耦合,具体为第一光波导B1与第二光波导B2的耦合。
这里,可以先将第一基板10及第二基板20初步组装,再利用位于第二基板20(透光基板)上侧的单镜头(例如为CCD)同时聚焦第一标记S1及第二标记S2,实时根据第一标记S1及第二标记S2调整第一基板10及第二基板20的相对位置,当第一标记S1与第二标记S2完全匹配时,表明第一基板10及第二基板20已经组装到位,固定第一基板10及第二基板20便可实现光学组件100的封装。
此时,第一光波导B1与第二光波导B2也相互耦合。
在本实施方式中,封装方法还包括步骤:
调整第一基板10和第二基板20的相对位置以使观察到的第一基板10和第二基板20上的光学器件相互对准。
这里,第一基板10及第二基板20上的光学器件以第一光波导B1及第二光波导B2为例,但不以此为限。
第一光波导B1及第二光波导B2的对准过程具体包括:
通过第二基板20识别第一光波导B1及第二光波导B2;
匹配第一光波导B1及第二光波导B2而实现第一光波导B1及第二光波导B2的耦合。
也就是说,当第一标记S1与第二标记S2完全匹配之后,再通过单镜头识别并匹配第一光波导B1及第二光波导B2,当第一光波导B1及第二光波导B2完全匹配之后,再固定第一基板10及第二基板20以实现光学组件100的封装。
通过两次匹配过程,有效提高第一光波导B1及第二光波导B2的耦合精度,从而提高光波导的传输性能。
可以理解的,第一光波导B1及第二光波导B2的对位过程还可消除第一基板10及第二基板20(即第一标记S1及第二标记S2)对位过程中可能存在的对位误差。
需要说明的是,第一标记S1与第二标记S2的对位精度为微米级别,第一光波导B1及第二光波导B2的对位精度为纳米级别,当进行第一光波导B1及第二光波导B2的对位时,移动过程对第一标记S1及第二标记S2产生的影响可以忽略不计。
可以理解的,也可不识别匹配第一标记S1及第二标记S2而直接进行第一光波导B1及第二光波导B2的识别匹配。
另外,由于本实施方式是利用位于第二基板20上方的单镜头便可实现第一标记S1与第二标记S2(或第一光波导B1及第二光波导B2)的识别,当吸嘴吸取第二基板20靠近第一基板10实现初步组装时,第二基板20及第一基板10之间的间隙可以仅有几十微米,而后再进行对位过程,如此,可以有效降低吸嘴下落过程中造成的位置偏移,因此,本实施方式的封装方法可以达到±0.5um的封装精度,满足激光芯片波导与硅光芯片波导(即第一光波导B1及第二光波导B2)耦合的要求。
在本实施方式中,参见图5及图6,第一光波导B1及第二光波导B2之间具有模斑转换器30。
模斑转换器30包括靠近第一光波导B1的第一波导面31及靠近第二光波导B2的第二波导面32,第一波导面31的尺寸小于第二波导面32的尺寸。
第二波导面32与光学器件22的出光孔O对准。
如此,一方面,便于第二光波导B2发出的发散光斑通过第二波导面32耦合进模斑转换器30,另一方面,也便于经过模斑转换器30的光斑耦合进第一波导面31,从而提高第一光波导B1及第二光波导B2的耦合效率。
在本实施方式中,结合图7,第一基板10具有一台阶部11,光学组件100封装方法还包括:
于台阶部11处形成一支撑部40;
组装第一基板10及第二基板20,且光学器件22位于支撑部40上。
这里,可以通过蚀刻技术在第一基板10靠近第一光波导B1的一侧形成一台阶部11,以补偿光学器件22(第二光波导B2)与第一光波导B1的高度差。
也就是说,通过控制台阶部11的蚀刻深度大致等于支撑部40的高度及光学器件22的高度之和,便可有效控制第一光波导B1及第二光波导B2的高度差。
第一基板10和所述第二基板20中其中之一上的光学器件与另一个基板上至少部分区域实现电性连接。
具体的,在第一实施例中,结合图8,支撑部40为热沉40a,以消除光学器件22散热对波导的影响。
热沉40a可为氮化铝热沉。
台阶部11a具有第一电接触部111a,光学器件22a具有第一电极221a,当第一基板10a与第二基板20a相互组装时,第一电接触部111a与第一电极221a相互导通。
这里,第一电极221a为光学器件22a的背电极,且第一电极221a导通光学器件22a下表面的金层,第一电接触部111a为台阶部11a上表面的金层。
具体的,热沉40a的上表面也具有金层,当热沉40a组装至台阶部11a后,利用金线键合热沉40a上表面及台阶部11a的上表面(即第一电接触部111a),当第一基板10a与第二基板20a对位完成之后,通过焊料连接光学器件22a的下表面(即第一电极221a)及热沉40a上表面,如此,便可实现第二基板20a及第一基板10a的导通及固定。
这里,焊料为低温焊料,避免焊料使用过程中影响第二基板20a与光学器件22a结合的稳定性。
另外,结合图9,光学器件22a具有第二电极222a,第二基板20a靠近第二电极222a的第一表面具有第一端子211a,第二基板20a相对第一表面的第二表面具有第二端子212a,第一端子211a及第二端子212a之间通过过孔213a导通。
当第一基板10a与第二基板20a封装完成之后,可以通过第二端子212a实现整个光学组件100a与其他器件的电连。
在第二实施例中,参图10及图11,支撑部40为若干支撑柱40b。
支撑柱40b可通过蚀刻或镀膜工艺成型,每一支撑柱40b的高度精确可控,从而有效控制第一光波导B1及第二光波导B2的高度差。
相邻支撑柱40b之间形成间隔P。
台阶部11b具有第一电接触部111b,光学器件22b具有第一电极221b,当第一基板10b与第二基板20b相互组装时,第一电接触部111b与第一电极221b相互导通。
这里,第一电极221b为光学器件22b的背电极,且第一电极221b导通光学器件22b下表面的金层,第一电接触部111b为台阶部11b上表面的金层。
具体的,当若干支撑柱40b组装至台阶部11b后,于间隔P内注入焊料,并将光学器件22b组装至若干支撑柱40b处,此时,光学器件22b的下表面(即第一电极221b)与台阶部11b的上表面(即第一电接触部111b)相互导通,如此,便可实现第一基板10b及第二基板20b的导通及固定。
本实施例的第一基板10b、第二基板20b的其他说明可以参考上述第一实施例,在此不再赘述。
本发明一实施方式还提供一种光模块(未图示)封装方法,结合前述光学组件100封装方法,光模块封装方法包括步骤:
提供一壳体;
提供一光学组件100;
将光学组件100组装于壳体。
这里,光模块还可包含波分复用器、透镜等等。
本发明一实施方式还提供一种光学组件100,结合前述光学组件100封装方法的说明,光学组件100包括第一基板10及第二基板20。
第一基板10和第二基板20分别具有第一标记S1和第二标记S2,第一基板10和第二基板20上均设有光学器件,第一基板10和第二基板20上的光学器件相互耦合,其中,第一基板10和第二基板20中至少一个为透光基板,透光基板用于当第一基板10和第二基板20相贴合时观察第一标记S1及第二标记S2是否相互对准。
这里,在第一基板10设置第一标记S1,第二基板20上设置第二标记S2,且第一基板10及第二基板20的至少其中之一为透光基板,通过透光基板识别并匹配第一标记S1及第二标记S2,从而实现单个镜头下的两个基板的光学器件实时对准。
需要说明的是,本实施方式的光学器件可以是光波导、波分复用器、光电芯片、透镜等等。
透光基板还用于当第一基板10和第二基板20相贴合时观察第一基板10和第二基板20上的光学器件是否相互对准。
这里,第一基板10及第二基板20上的光学器件以第一光波导B1及第二光波导B2为例,但不以此为限。
第一基板10包括第一光波导B1,光学器件22包括与第一光波导B1匹配的第二光波导B2,当通过第二基板20识别并匹配第一光波导B1及第二光波导B2时,第一光波导B1与第二光波导B2相互耦合。
也就是说,当第一标记S1与第二标记S2完全匹配之后,再通过单镜头识别并匹配第一光波导B1及第二光波导B2,当第一光波导B1及第二光波导B2完全匹配之后,再固定第一基板10及第二基板20以实现光学组件100的封装。
通过两次匹配过程,有效提高第一光波导B1及第二光波导B2的耦合精度,从而提高光波导的传输性能。
本实施方式的光学组件100的其他说明可以参考上述光学组件100封装方法的说明,在此不再赘述。
另外,本发明一实施方式还提供一种光模块(未图示),包括壳体及光学组件100,光学组件100装载于壳体。
这里,光模块还可包含波分复用器、透镜等等。
应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施方式中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明,它们并非用以限制本申请的保护范围,凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学组件封装方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供一第一基板和第二基板,所述第一基板和所述第二基板分别具有第一标记和第二标记,所述第一基板和所述第二基板上均设有光学器件,所述第一基板和所述第二基板中至少一个为透光基板;
调整所述第一基板和所述第二基板的相对位置以使所述第一基板和所述第二基板相贴合,及使透过所述透光基板观察到的所述第一标记及所述第二标记相互对准;
待所述第一基板和所述第二基板调整到位实现所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互耦合之后,将所述第一基板及所述第二基板固定在一起。
2.根据权利要求1所述的光学组件封装方法,其特征在于,所述步骤“待所述第一基板和所述第二基板调整到位实现所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互耦合之后,将所述第一基板及所述第二基板固定在一起”之前还包括:
调整所述第一基板和所述第二基板的相对位置以使观察到的所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互对准。
3.根据权利要求1所述的光学组件封装方法,其特征在于,所述步骤“待所述第一基板和所述第二基板调整到位实现所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互耦合之后,将所述第一基板及所述第二基板固定在一起”之后还包括:
将所述第一基板和所述第二基板中其中之一上的光学器件与另一个基板上至少部分区域实现电性连接。
4.一种光学组件,其特征在于,包括第一基板及第二基板,所述第一基板和所述第二基板分别具有第一标记和第二标记,所述第一基板和所述第二基板上均设有光学器件,所述第一基板和所述第二基板上的光学器件相互耦合,其中,所述第一基板和所述第二基板中至少一个为透光基板,所述透光基板用于当所述第一基板和所述第二基板相贴合时观察所述第一标记及所述第二标记是否相互对准。
5.根据权利要求4所述的光学组件,其特征在于,所述第一标记和所述第二标记为所述第一基板和所述第二基板上的光学器件。
6.根据权利要求4所述的光学组件,其特征在于,所述光学器件包括位于所述第一基板上的第一光波导及位于所述第二基板上的第二光波导,所述第一光波导及所述第二光波导之间具有模斑转换器。
7.根据权利要求4所述的光学组件,其特征在于,所述第一基板具有一台阶部,所述第二基板上的光学器件设于所述台阶部处并与所述第一基板的至少部分区域相电性连接。
8.根据权利要求7所述的光学组件,其特征在于,所述光学组件还包括设置于所述台阶部上的支撑部,所述光学器件固定于所述支撑部上,所述支撑部为热沉或相互分隔的若干支撑柱。
9.根据权利要求4所述的光学组件,其特征在于,所述光学器件具有第二电极,所述第二基板靠近所述第二电极的第一表面具有第一端子,所述第二基板相对所述第一表面的第二表面具有第二端子,所述第一端子及所述第二端子之间相电性连接。
10.一种光模块,其特征在于包括壳体及如权利要求4-9中任意一项所述的光学组件,所述光学组件设置于所述壳体内。
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