CN111370564A - 一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有恒温控制功能的光电模块组件及其制造方法，包括：陶瓷或玻璃基片，光发射组件，光接收组件，集成电路芯片，片式元器件，NTC薄膜电阻，光电模块组件顶层金属电极，集成TEC热电致冷器。以所述陶瓷或玻璃基片为载体，在所述陶瓷或玻璃基片的正面将所述光发射组件、所述光接收组件、所述集成电路芯片、所述片式元器件、所述NTC薄膜电阻等集成为一体；在所述陶瓷或玻璃基片的背面将所述集成TEC热电致冷器有机地集成在一体，达到温度精确控制，以解决光电模块组件光电性能参数的精准控制。广泛应用于环境气氛探测、通讯、航天、航空、船舶、精密仪器、地质勘探、石油勘探、其他野外作业、工业控制等领域，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉光电模块组件，具体来说，涉及具有精密恒温控制功能的光电模块组件及其制造方法。
背景技术
原有具有恒温控制功能的光电模块组件是将分离的光发射组件(简称LD组件)，光接收组件(简称PD组件)，相关集成电路芯片，相关电子元器件，负温度系数的热敏电阻(简称NTC薄膜电阻)，分离式半导体热电致冷器(简称TEC 热电致冷器)等采用装贴、键合等传统组装技术，在洁净环境中密封在外壳中，如图1所示。原有技术由于采用分立式组装技术，体积大、组装程序复杂、成品率低、工艺质量一致性很难保证，另一方面，由于采用分立式组装技术，热量传导路径相应过长，造成热信号反馈速度的大大延长，从而影响温度控制的精度范围，进一步影响半导体激光器在高精度、高稳定性使用的场合，或者增大应用系统的设计难度、复杂程度和使用成本。
为此，本发明拟采用一体化集成技术，在原有分离器件组装的基础上，将光发射组件(简称LD组件)、光接收组件(简称PD组件)、相关集成电路芯片、相关电子元器件、负温度系数的热敏电阻(简称NTC薄膜电阻)、半导体热电致冷器(简称TEC热电致冷器)有机地集成在一体，解决上述问题。
经检索，在中国专利数据库中涉及温控半导体激光器的专利有《半导体激光器温控装置、温控系统及其控制方法》公开(公告)号为CN 110707525 A，《一种半导体激光器的温控方法、结构以及固体激光器》公开(公告)号为CN 110600989A，《一种半导体激光器及其制备方法》公开(公告)号为CN110890691A，《一种带有自动温控的恒流源式半导体激光器驱动电路》公开(公告)号为CN 110086084 A，《一种宽温度工作DFB半导体激光器的制备方法》公开(公告) 号为CN 110752508 A。然而迄今为止，尚无采用本实用所述的技术方案的相关申请件。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件及其制造方法，将光发射组件(简称LD组件)、光接收组件(简称PD组件)、相关集成电路芯片、相关电子元器件、负温度系数的热敏电阻(简称NTC薄膜电阻)、半导体热电致冷器(简称TEC热电致冷器)有机地集成在一体，以外解决采用分立式组装技术造成的体积大、工艺质量一致性差、温度控制不灵敏，以致半导体激光器光电性能参数不能精准控制方面的问题。
采取的技术方案是：以陶瓷或玻璃基片1为载体，在陶瓷或玻璃基片1的正面将光发射组件(简称LD组件)、光接收组件(简称PD组件)、相关集成电路芯片、相关电子元器件、负温度系数的热敏电阻(简称NTC薄膜电阻)等集成为一体；在陶瓷或玻璃基片1的背面将半导体热电致冷器(简称TEC热电致冷器)有机地集成在一体，采用无引脚方式进行电极引出，实现表贴式微型化高可靠组装应用。一体化集成结构示意图如图2所示，具体结构描述如下：
本发明所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，包括：陶瓷或玻璃基片1，光发射组件2，光接收组件3，集成电路芯片4，片式元器件5，NTC 薄膜电阻6，光电模块组件顶层金属电极7，NTC薄膜电阻金属电极8，多层布线绝缘介质层9，集成TEC热电致冷器200。
所述集成TEC热电致冷器200包括：集成TEC p型半导体201，集成TEC n 半导体202，集成TEC顶层金属电极203，集成TEC底层金属电极204，集成TEC 平面型负电极205，集成TEC平面型正电极206，集成TEC第一层绝缘介质隔离层207，集成TEC第二层绝缘介质隔离层208，集成TEC二氧化硅缓冲层209。
所述陶瓷或玻璃基片1上层为所述NTC薄膜电阻6、多层布线绝缘介质层9；
所述NTC薄膜电阻6的两端上层为NTC薄膜电阻金属电极8，所述NTC薄膜电阻6的两端之外的中部上层为多层布线绝缘介质层9；所述NTC薄膜电阻金属电极8的上层为多层布线绝缘介质层9；所述NTC薄膜电阻6位于所述光发射组件2的正下方。
所述多层布线绝缘介质层9上层为所述光电模块组件顶层金属电极7，所述光电模块组件顶层金属电极7的上层组装有所述光发射组件2、所述光接收组件 3、所述集成电路芯片4、片式元器件5。
所述陶瓷或玻璃基片1下层为所述集成TEC二氧化硅缓冲层209，所述集成 TEC二氧化硅缓冲层209的下层为所述集成TEC顶层金属电极203、所述集成TEC 第一层绝缘介质隔离层207，所述集成TEC顶层金属电极203的下层为所述集成 TEC p型半导体201、所述集成TEC n型半导体202、集成TEC第一层绝缘介质隔离层207，所述集成TEC p型半导体201与所述集成TEC n型半导体202之间被所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层207隔离，所述集成TEC底层金属电极 204上层为所述TEC p型半导体201、所述TEC n型半导体202、所述集成TEC 第一层绝缘介质隔离层207。
所述集成TEC底层金属电极204的两端的下层为所述集成TEC平面型负电极205、所述集成TEC平面型正电极206。
所述集成TEC底层金属电极204的除两之外的中部下层为所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层208。
本发明所述的一种具有恒温控制功能的光电模块组件的制造方法，所述制造方法是以所述陶瓷或玻璃基片1为载体，在所述陶瓷或玻璃基片1的正面将所述光发射组件2、所述光接收组件3、所述集成电路芯片4、所述片式元器件 5、所述NTC薄膜电阻6等集成为一体；在所述陶瓷或玻璃基片1的背面将所述集成TEC热电致冷器200有机地集成在一体，采用所述集成TEC平面型负电极 205、所述集成TEC平面型正电极206进行电极引出，工艺流程如图22所示。
具体做法是：
S1,准备所述陶瓷或玻璃基片1。如图3所示。
S2,溅射所述集成TEC二氧化硅缓冲层209、所述集成TEC顶层金属电极 203。如图4所示。
S3,光刻所述集成TEC顶层金属电极203。如图5所示。
S4,溅射所述集成TEC p型半导体201。如图6所示。
S5,刻蚀所述集成TEC p型半导体201。如图7所示。
S6,溅射所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层207，并进行CMP抛光(化学机械抛光，简称CMP,下同)。如图8所示。
S7,刻蚀所述第一层绝缘介质隔离层207。如图9所示。
S8,溅射所述集成TEC n半导体202，并进行CMP抛光。如图10所示。
S9,溅射所述集成TEC底层金属电极204。如图11所示。
S10,刻蚀所述集成TEC底层金属电极204。如图12所示。
S11,溅射所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层208。如图13所示。
S12,刻蚀所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层208。如图14所示。
S13,溅射所述NTC薄膜电阻6，刻蚀所述NTC薄膜电阻6。如图15所示。
S14，溅射所述NTC薄膜电阻金属电极8，刻蚀所述NTC薄膜电阻金属电极 8。如图16所示。
S15，溅射所述多层布线绝缘介质层9。如图17所示。
S16，溅射所述光电模块组件顶层金属电极7。如图18所示。
S17，刻蚀所述光电模块组件顶层金属电极7。如图19所示。
S18，溅射、光刻所述集成TEC引脚金属层，并进行高温回流形成所述集成 TEC球型负电极204、所述集成TEC球型正电极205。如图20所示。
S19，装贴所述光发射组件2、所述光接收组件3、所述集成电路芯片4、所述片式元器件5。如图21所示。
本发明由于采用了一体化集成技术，光发射组件(简称LD组件)、光接收组件(简称PD组件)、相关集成电路芯片、相关电子元器件、负温度系数的热敏电阻(简称NTC薄膜电阻)、半导体热电致冷器(简称TEC热电致冷器)之间实现无间隙接触，且属原子间接触，可最大程度、最快地将光发射组件(简称 LD组件)的热量传导给NTC薄膜电阻，经信号处理后，迅速将信号传送到半导体热电制冷器(TEC)，以控制半导体热电致冷单元的电流方向，控制升温或降温频率，从而达到温度精确控制，以解决半导体激光器光电性能参数的精准控制。
本发明的优点是：①采用光发射组件(简称LD组件)、光接收组件(简称 PD组件)、相关集成电路芯片、相关电子元器件、负温度系数的热敏电阻(简称 NTC薄膜电阻)、半导体热电致冷器(简称TEC热电致冷器)一体化集成方法，实现了NTC薄膜电阻与光发射组件(简称LD组件)的无间隙接触，且属原子间接触，可最大程度、最快地将光发射组件(简称LD组件)的热量传导给NTC薄膜电阻，以快速控制半导体热电制冷器(TEC)，达到高灵敏温度控制的目的；②当温控器件外界工作环境温度发生变化时，其内部芯片工作环境温度的变化范围可控制在设定温度的±1.5℃以内，从而降低光发射组件(简称LD组件) 相关性能参数指标的温度漂移范围；③实现了原子间的直接接触，大大减小热传导阻抗，加快散热速度，因而，能提升器件的长期可靠性；④节省外贴光发射组件(简称LD组件)、光接收组件(简称PD组件)、相关集成电路芯片、相关电子元器件、负温度系数的热敏电阻(简称NTC薄膜电阻)、半导体热电致冷器(简称TEC热电致冷器)的组装空间，大比缩小器件封装体积，由插件式封装缩小为表贴式封装，大大提高封装的可靠性；⑤半导体热电制冷器(TEC)、负温度系数的热敏电阻(NTC)的形状及大小可随光电模块组件的形状及大小自行设定，大大提升客户化定制能力；(6)集成TEC热电制冷器的p型半导体与所述n型半导体之间完全由散热优良的绝缘介质无缝填充隔离，散热速度远远高于分离TEC热电制冷器，进一步提高产品的可靠性。
采用本发明生产的器件广泛应用于环境气氛探测、通讯、航天、航空、船舶、精密仪器、地质勘探、石油勘探、其他野外作业、工业控制等要求在外界环境温度变化时，装备必需具有高精度、高稳定性使用的场合，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为现有光电模块组件组装结构示意图。
图1中：1为陶瓷或玻璃基片，2为光发射组件，3为光接收组件，4为集成电路芯片，5为片式元器件，6为NTC薄膜电阻，7为光电模块组件顶层金属电极，100为分立TEC热电致冷器,101为分立TEC p型半导体，102为分立TEC n型半导体，103为分立TEC p型半导体与n型半导体顶面互连导体，104为分立TEC p型半导体与n型半导体底面互连导体，105为分立TEC负电极引线，106 为分立TEC正电极引线，107为分立TEC顶面陶瓷基片，108为分立TEC底面陶瓷基片，109为分立TEC顶面金属粘焊层，110为分立TEC底面金属粘焊层。
图2为本发明所述一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件结构示意图。
图2中：1为陶瓷或玻璃基片，2为光发射组件，3为光接收组件，4为集成电路芯片，5为片式元器件，6为NTC薄膜电阻，7为光电模块组件顶层金属电极，8为NTC薄膜电阻金属电极，9为多层布线绝缘介质层，200为集成TEC 热电致冷器,201为集成TEC p型半导体，202为集成TEC n半导体，203为集成 TEC顶层金属电极，204为集成TEC底层金属电极，205为集成TEC平面型负电极，206为集成TEC平面型正电极，207为集成TEC第一层绝缘介质隔离层，208为集成TEC第二层绝缘介质隔离层，209为集成TEC二氧化硅缓冲层。
图3为陶瓷或玻璃基片1示意图。
图4为集成TEC二氧化硅缓冲层209、集成TEC顶层金属电极203溅射示意图。
图5为集成TEC顶层金属电极203光刻示意图。
图6为集成TEC p型半导体201溅射示意图。
图7为集成TEC p型半导体201刻蚀示意图。
图8为集成TEC第一层绝缘介质隔离层207溅射并进行CMP抛光示意图。
图9为第一层绝缘介质隔离层207刻蚀示意图。
图10为集成TEC n半导体202溅射并进行CMP抛光示意图。
图11为集成TEC底层金属电极204溅射示意图。
图12为集成TEC底层金属电极204刻蚀示意图。
图13为集成TEC第二层绝缘介质隔离层208溅射示意图。
图14为集成TEC第二层绝缘介质隔离层208刻蚀示意图。
图15为NTC薄膜电阻6溅射并刻蚀示意图。
图16为NTC薄膜电阻金属电极8溅射与刻蚀示意图。
图17为多层布线绝缘介质层9溅射示意图。
图18为光电模块组件顶层金属电极7溅射示意图。
图19为光电模块组件顶层金属电极7刻蚀示意图。
图20为集成TEC引脚金属层溅射、光刻，并进行高温回流形成集成TEC球型负电极204、集成TEC球型正电极205示意图。
图21为光发射组件2、光接收组件3、集成电路芯片4、片式元器件5装贴示意图。
图22为工艺流程图。
图22中：S1至S19为主要工艺步骤。
具体实施方式
实施例：
1、一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，所述集成TEC p型半导体(201)采用p型碲化铋半导体材料，所述p型碲化铋半导体材料为Bi2Te3-Sb2Te3，所述集成TEC p型半导体(201)厚度为0.2mm-0.6mm。
所述集成TEC n型半导体(202)采用n型碲化铋半导体材料，所述n型碲化铋半导体材料为Bi2Te3-Bi2Se3，所述集成TEC n型半导体(202)的厚度为0.2mm -0.6mm。
2、一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，所述集成TEC顶层金属电极(203)、集成TEC底层金属电极(204)的材料为镍铬-铜-镍铬-金复合导体。
3、一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，所述陶瓷或玻璃基片(1)的材料为三氧化二铝、氧化铍或微晶玻璃。
4、一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层(207)、所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层(208)、所述多层布线绝缘介质层(9)的材料为二氧化硅或三氧化二铝。
采用上述方案一体化集成的具有精密恒温控制功能的光电模块组件，冷端与热端的温差ΔT在常温下能达到70℃以上，在-65℃～125℃的工作环境中，温度控制精度及稳定度明显优于分离TEC器件的温度控制效果。
以上所述的仅是本发明的具体实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的发明构思之内，所做的任何显而易见的修改、等同替换、改进等，均属于在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，包括：陶瓷或玻璃基片(1)，光发射组件(2)，光接收组件(3)，集成电路芯片(4)，片式元器件(5)，NTC薄膜电阻(6)，光电模块组件顶层金属电极(7)，NTC薄膜电阻金属电极(8)，多层布线绝缘介质层(9)，集成TEC热电致冷器(200)；
所述集成TEC热电致冷器(200)包括：集成TEC p型半导体(201)，集成TEC n半导体(202)，集成TEC顶层金属电极(203)，集成TEC底层金属电极(204)，集成TEC平面型负电极(205)，集成TEC平面型正电极(206)，集成TEC第一层绝缘介质隔离层(207)，集成TEC第二层绝缘介质隔离层(208)，集成TEC二氧化硅缓冲层(209)；
所述陶瓷或玻璃基片(1)的上层为所述NTC薄膜电阻(6)、多层布线绝缘介质层(9)；
所述NTC薄膜电阻(6)的两端上层为NTC薄膜电阻金属电极(8)，所述NTC薄膜电阻(6)的两端之外的中部上层为多层布线绝缘介质层(9)；所述NTC薄膜电阻金属电极(8)的上层为多层布线绝缘介质层(9)；所述NTC薄膜电阻(6)位于所述光发射组件(2)的正下方；
所述多层布线绝缘介质层(9)上层为所述光电模块组件顶层金属电极(7)，所述光电模块组件顶层金属电极(7)的上层组装有所述光发射组件(2)、所述光接收组件(3)、所述集成电路芯片(4)、片式元器件(5)；
所述陶瓷或玻璃基片(1)下层为所述集成TEC二氧化硅缓冲层(209)，所述集成TEC二氧化硅缓冲层(209)的下层为所述集成TEC顶层金属电极(203)、所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层(207)，所述集成TEC顶层金属电极(203)的下层为所述集成TEC p型半导体(201)、所述集成TEC n型半导体(202)、集成TEC第一层绝缘介质隔离层(207)，所述集成TEC p型半导体(201)与所述集成TEC n型半导体(202)之间被所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层(207)隔离，所述集成TEC底层金属电极(204)上层为所述TEC p型半导体(201)、所述TEC n型半导体(202)、所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层(207)；
所述集成TEC底层金属电极(204)的两端的下层为所述集成TEC平面型负电极(205)、所述集成TEC平面型正电极(206)；
所述集成TEC底层金属电极(204)的除两之外的中部下层为所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层(208)。
2.如权利要求1所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，其特征在于：所述集成TEC p型半导体(201)采用p型碲化铋半导体材料。
3.如权利要求2所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，其特征在于：所述p型碲化铋半导体材料为Bi2Te3-Sb2Te3。
4.如权利要求1或2所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，其特征在于：所述集成TEC p型半导体(201)厚度为0.2mm-0.6mm。
5.如权利要求1所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，其特征在于：所述集成TEC n型半导体(202)采用n型碲化铋半导体材料。
6.如权利要求5所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，其特征在于：所述n型碲化铋半导体材料为Bi2Te3-Bi2Se3。
7.如权利要求1或5所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，其特征在于：所述集成TEC n型半导体(202)的厚度为0.2mm-0.6mm。
8.如权利要求1所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，其特征在于：所述集成TEC顶层金属电极(203)、集成TEC底层金属电极(204)的材料为镍铬-铜-镍铬-金复合导体。
9.如权利要求1所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件，其特征在于：所述陶瓷或玻璃基片(1)的材料为三氧化二铝、氧化铍或微晶玻璃；所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层(207)、所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层(208)、所述多层布线绝缘介质层(9)的材料为二氧化硅或三氧化二铝。
10.如权利要求1所述的一种具有精密恒温控制功能的光电模块组件的制造方法，其特征在于：所述制造方法是以所述陶瓷或玻璃基片(1)为载体，在所述陶瓷或玻璃基片(1)的正面将所述光发射组件(2)、所述光接收组件(3)、所述集成电路芯片(4)、所述片式元器件(5)、所述NTC薄膜电阻(6)等集成为一体；在所述陶瓷或玻璃基片(1)的背面将所述集成TEC热电致冷器(200)有机地集成在一体，采用所述集成TEC平面型负电极(205)、所述集成TEC平面型正电极(206)进行电极引出，具体做法是：
S1,准备所述陶瓷或玻璃基片(1)；
S2,溅射所述集成TEC二氧化硅缓冲层(209)、所述集成TEC顶层金属电极(203)；
S3,光刻所述集成TEC顶层金属电极(203)；
S4,溅射所述集成TEC p型半导体(201)；
S5,刻蚀所述集成TEC p型半导体(201)；
S6,溅射所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层(207)，并进行CMP抛光；
S7,刻蚀所述第一层绝缘介质隔离层(207)；
S8,溅射所述集成TEC n半导体(202)，并进行CMP抛光；
S9,溅射所述集成TEC底层金属电极(204)；
S10,刻蚀所述集成TEC底层金属电极(204)；
S11,溅射所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层(208)；
S12,刻蚀所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层(208)；
S13,溅射所述NTC薄膜电阻(6)，刻蚀所述NTC薄膜电阻(6)；
S14，溅射所述NTC薄膜电阻金属电极(8)，所述NTC薄膜电阻金属电极(8)；
S15，溅射所述多层布线绝缘介质层(9)；
S16，溅射所述光电模块组件顶层金属电极(7)；
S17，刻蚀所述光电模块组件顶层金属电极(7)；
S18，溅射、光刻所述集成TEC引脚金属层，并进行高温回流形成所述集成TEC球型负电极(204)、所述集成TEC球型正电极(205)；
S19，装贴光所述发射组件(2)、所述光接收组件(3)、所述集成电路芯片(4)、所述片式元器件(5)。
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