CN111868589B - 激光器、激光器阵列的封装结构及封装组件 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种激光器、激光器阵列的封装结构以及封装组件。该激光器的封装结构包括：第一基板，传输线和激光器芯片，所述传输线与所述激光器芯片均设置在所述第一基板上，且所述传输线与所述激光器芯片的电极通过第一引线相连。本申请提供的技术方案中，激光器芯片与信号线位于同一水平面上，这样所需的第一引线的长度较短，较短的引线产生的感性寄生参数也较小。这样能够减小寄生电感对高频信号的阻碍作用，有利于提升激光器芯片的传输带宽。

Description

激光器、激光器阵列的封装结构及封装组件

技术领域

本申请涉及半导体领域，更具体地，涉及一种激光器、激光器阵列的封装结构，以及封装组件。

背景技术

高速光收发器件因为具有高调制带宽、低插损、低驱压等优势，被广泛地应用在长距离的光纤传输系统中。通常情况下，需要对高速光收发器件进行封装，以保护芯片的电路。

以电吸收调制激光器(electrical absorption modulated laser，EML)为例，传统的封装方式采用引线键合(wire-bonding)，使用金属引线实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。但是，这种封装方式由于两层基板之间有较高的高度差，金属引线之间产生的寄生电感会阻碍高频信号的传输，导致传输带宽下降。

发明内容

本申请提供一种激光器、激光器阵列的封装结构以及封装组件，能够提高信号的传输带宽。

第一方面，提供了一种激光器的封装结构。该封装结构包括：第一基板、传输线和激光器芯片，其中，所述传输线与所述激光器芯片均设置在所述第一基板上，且所述传输线与所述激光器芯片的电极通过第一引线相连。

本申请提供的技术方案中，激光器芯片与信号线位于同一水平面上，这样所需的第一引线的长度较短，较短的引线产生的感性寄生参数也较小。这样能够减小寄生电感对高频信号的阻碍作用，有利于提升激光器芯片的传输带宽。

在一种可能的实现方式中，所述传输线包括信号线和接地线，所述激光器的封装结构还包括：第二基板和匹配负载，所述第二基板与所述第一基板平行设置，所述匹配负载设置在所述第二基板上，所述匹配负载的一端通过第一硅通孔TSV与所述信号线相连，所述匹配负载的另一端通过第二TSV与所述接地线相连。需要说明的是，所述平行设置可以是上下的平行放置，或者是在同一平面的平行放置。

本申请采用TSV技术实现匹配负载与激光器芯片的并联，能够降低工艺的复杂度。

在一种可能的实现方式中，所述激光器的封装结构还包括电容，所述电容设置在所述第二基板上，且与所述匹配负载串联。电容能够对传输信号进行过滤，有利于高频信号的传输。

在一种可能的实现方式中，所述第二基板还包括两个接线端子，所述两个接线端子分别设置在所述匹配负载的两端，所述两个接线端子用于加载偏置电压。

在一种可能的实现方式中，所述第一基板上设置有凹槽，且所述凹槽的上表面上设置有第一金属层，所述第一金属层接地，所述第一金属层与所述激光器芯片相连。

在一种可能的实现方式中，所述第一基板的边缘设置有半孔，所述半孔表面设置有第二金属层，所述第二金属层的一端与所述第一金属层相连，所述第二金属层的另一端与所述第一基板的下表面相连，所述第一基板的下表面为接地平面。

本申请实施例提供的技术方案中，直接对激光器芯片进行接地处理，从而不需要分别对激光器芯片中的各部分元件分别进行接地处理，从而能够简化工艺流程，降低工艺的复杂度。

在一种可能的实现方式中，所述激光器芯片为电吸收调制激光器EML芯片。

在一种可能的实现方式中，所述传输线为共面波导传输线或接地共面波导传输线。

第二方面，提供了一种激光器阵列的封装结构。该结构包括至少两个如第一方面或第一方面的任一种激光器的封装结构。

在一种可能的实现方式中，所述至少两个激光器的封装结构呈直线排列。

第三方面，提供了一种封装组件。该组件包括金属管壳和如第一方面或第一方面的任一种实现方式所述的激光器的封装结构，所述激光器的封装结构封装在所述金属管壳的内部。

第四方面，提供了一种封装组件。该组件包括金属管壳、驱动芯片和如第一方面或第一方面的任一种实现方式所述的激光器的封装结构，所述激光器的封装结构和所述驱动芯片均封装在所述金属管壳的内部。

第五方面，提供了一种封装组件。该组件包括PCB和如第一方面或第一方面的任一种实现方式所述的激光器的封装结构，所述激光器的封装结构通过引线键合的方式与所述PCB上的控制电路相连。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种激光器的封装结构的示意性结构图；

图2是本申请实施例提供的接地共面波导的示意性结构图；

图3是本申请实施例提供的一种硅通孔结构的示意性结构图；

图4是本申请实施例提供的另一种激光器的封装结构的示意性结构图；

图5是本申请实施例提供的一种激光器阵列的封装结构的示意性结构图。

具体实施方式

本申请实施例涉及的激光器芯片可以为EML芯片，也可以为在EML芯片上集成半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)的芯片，或者也可以为在EML芯片上集成调相器和/或偏振旋转器的芯片。

下面以激光器芯片为EML芯片为例，对激光器芯片的工作原理进行简单描述。

EML芯片为电吸收调制器(electrical absorption modulator，EAM)与分布反馈(distributed feedback，DFB)激光器的集成器件。DFB激光器受到直流电流的激励后，会发出激光。DFB输出的激光经过EAM时，会受到EAM上的外加信号的调制作用。其中，该外加信号也称为射频(radio frequency，RF)信号。该RF信号可以为任意类型的调制信号。例如，该RF信号可以为正弦信号，也可以为方波信号等，本申请实施例对此不做具体限定。此外，可以在EAM上加上适当的反向直流偏置电压，该偏置电压可以控制EAM工作在合适的偏置电压点，从而保证EAM的调制性能。EAM将调制之后的激光通过光学链路发出。

但是，在EAM加上反向偏置电压后，EAM上的PN结会引入十分大的电阻，从而导致传输线上的RF信号无法传输到EAM上。如果传输线上的阻抗与EAM内部的阻抗不一致(即出现阻抗不匹配的现象)，会使信号产生反射。也就是说，信号会在传输阻抗不一致的界面发生反射。信号的反射会导致信号的传输功率降低。因此，一般需要对信号的传输链路进行阻抗匹配的设计，从而提升信号的传输效率。

因此，需要给EAM并联一个合适的电阻，使得传输线上的RF信号能够尽可能多的传输到EAM上。通常，传输线的阻抗为50欧姆，为了保证EAM的阻抗与传输线上的阻抗匹配，即传输线上的RF信号能够尽可能多的传输到EAM上，需要在EAM上并联一个50欧姆的匹配电阻。其中，匹配电阻也可以称为匹配负载。此时，传输线上的阻抗与EAM内部的阻抗基本相等，传输线上的RF信号传输到EAM时，基本不会发生反射，所有能量基本都能够被EAM吸收，达到最大的传输功率。

通常，激光器芯片不能够直接使用，需要对其进行封装来进行信号的传递。芯片封装可以对芯片起到固定引脚和增强散热的作用。通过芯片封装，可以将外部引脚与内部引脚连接起来。

芯片的封装技术多种多样，随着人们对器件尺寸的要求越来越严格，3D封装已经成为发展趋势。3D封装改善了芯片的许多性能。例如，3D封装能够缩小器件的尺寸，减轻器件的重量。

传统的3D封装采用引线键合的方式进行封装。这种封装方式是将RF信号线设置在上层基板，激光器芯片设置在下层基板上。通过引线将RF信号线与激光器芯片相连。由于上下基板之间存在高度差，导致引线的长度会比较长。相邻引线之间会产生较大的寄生电感，该寄生电感的存在会阻碍高频信号的传输，从而影响传输带宽。

本申请实施例提供一种封装结构，能够提高信号的传输带宽。

图1是本申请实施例提供的一种激光器的封装结构，该激光器的封装结构也称为单通道的激光器封装结构。该封装结构包括第一基板101，传输线102和激光器芯片104。其中，传输线102和激光器芯片104均设置在第一基板101上，且传输线102通过第一引线103与激光器芯片104的信号电极相连。这样，传输线102上的RF信号能够通过第一引线103加载到激光器芯片上。

根据本申请实施例提供的封装结构，激光器芯片与信号线位于同一水平面上，这样所需的第一引线的长度较短，较短的引线产生的感性寄生参数也较小。这样能够减小寄生电感对高频信号的阻碍作用，有利于提升激光器芯片的传输带宽。

传输线包括信号线和接地线，信号线用于传输RF信号。本申请实施例对传输线的类型不做具体限定。例如，该传输线可以为微带线。又如，该传输线也可以为共面波导线或者接地共面波导线。

共面波导结构是在基板的一个表面上制作出信号线，并在紧邻信号线的两侧制作出接地线。接地线对相邻信号线具有较好的隔离度，从而能够降低信号在高密度电路中的串扰。由于信号线和接地线位于同一平面上。因此，共面波导结构容易实现器件在电路中的串联与并联，并能够提高电路密度。

接地共面波导结构是共面波导结构的一种改进电路。图2是本申请实施例提供的接地共面波导传输线的结构示意图。该共面波导结构包括基板201，在基板201的下表面上设置有接地平面206。在基板201的上表面设置有接地线202、接地线204和信号线203。信号线203处于接地线202和接地线204之间，且相互间隔。接地线202和204通过金属化过孔205与基板201下表面的接地平面206相连，使得基板上表面和下表面实现一致的接地性能，有利于提高电路的机械稳定性。

一般来说，激光器芯片的EAM工作在反向偏压状态，反向偏压使得PN结产生十分大的电阻，导致RF信号无法加载到激光器芯片上。因此，需要给激光器芯片并联一个匹配负载，使得RF信号能够加载到激光器芯片上。

本申请实施例对匹配负载的设置方式不做具体限定。作为一个示例，匹配负载可以设置在第一基板上。也就是说，匹配负载、激光器芯片和传输线同层放置。该匹配负载可以通过引线键合的方式与激光器芯片并联。作为另一个示例，匹配负载可以设置在第二基板上，该第二基板与第一基板上下平行设置。也就是说，匹配负载与传输线分层放置，匹配负载与激光器芯片分层放置。

匹配负载设置在第二基板上，且第一基板与第二基板上下平行设置时，能够减小第一基板的封装尺寸，从而能够节省空间。

随着技术的发展，出现了一种新的硅通孔(through silicon via，TSV)技术。该技术在实现多层基板之间的三维堆叠的同时，能够减小互联长度，减小信号延迟，降低电感或电容。下面结合图3，对TSV的结构进行详细描述。

图3以共面波导传输线为例，描述了通过TSV技术实现上层基板与下层基板之间的接地-信号-接地(ground-signal-ground，GSG)信号的互联。如图3所示，该TSV的结构包括两层基板，上层基板301和下层基板302。下层基板302上分布着GSG传输线，上层基板301上设置有分别与GSG信号线相对应的3个通孔303。上层基板301中的TSV 303中填充有导电性能较好的填充材料，并与下层基板302上的GSG三个信号线相连通，从而实现上层基板301与下层基板302之间的电气连接。上层基板301的上下表面、以及TSV 303的周边都设置有绝缘层304。下表面的绝缘层304将上层基板301与下层基板302隔离开。

TSV的填充材料可以为导电性能较好的材料。例如，该填充材料可以为铜、钨、多晶硅等导电物质，也可以为其他焊料材料。绝缘层的材料可以为二氧化硅、有机物等不导电的材料。

本申请实施例可以利用上述硅通孔技术，实现上层基板上的匹配电阻与下层基板上的激光器芯片的并联。

具体地，匹配电阻设置在第二基板上，该第二基板也可以称为上层基板。激光器芯片设置在第一基板上，该第一基板也可以称为下层基板。匹配电阻的一端通过第一TSV与下层基板的信号线相连，另一端通过第二TSV与下层基板的接地线相连，从而实现匹配电阻与EAM的并联。其中，匹配电阻的阻值与传输线上的阻值相匹配。一般来说，传输线上的阻抗大约为50欧姆，此时可以选择匹配电阻的阻值为50欧姆。

本申请实施例采用TSV技术实现匹配电阻与激光器芯片的并联，能够降低工艺的复杂度。

可选地，作为一个实施例，可以在下层基板中的第一表面涂抹金属层，从而形成金属电极。其中，第一表面是指在下层基板中用于放置激光器芯片的表面。该第一表面的大小与激光器芯片的大小相近，且该第一表面为接地面。

本申请实施例提供的技术方案中，直接对激光器芯片进行接地处理，从而不需要分别对激光器芯片中的各部分元件分别进行接地处理，从而能够简化工艺流程，降低工艺的复杂度。

可选地，在一些实施例中，可以在下层基板上设置金属化半孔或金属化通孔。该金属化半孔或通孔的一端与下层基板下表面相连，下层基板的下表面为接地平面。该金属化半孔或通孔的另一端与下层基板上表面的第一表面相连。也就是说，下层基板的接地平面通过金属化半孔或通孔，再经过第一表面为激光器芯片提供对地供电。

可选地，在一些实施例中，可以在下层基板的上表面上设置一个凹槽，该凹槽的上表面上涂有金属层，从而形成金属电极。该凹槽的大小与激光器芯片的大小相近，设置在凹槽中的激光器芯片可以与金属层实现电气互连。在凹槽的边缘设置有金属化半孔，该金属化半孔与下层基板的下表面的接地平面相连。也就是说，该接地平面通过金属化半孔，再经过金属层为激光器芯片提供对地供电。

上层基板上还设置有直流信号线，该直流信号线用于为下层基板的激光器芯片提供直流电流。具体地，直流信号线通过第二引线与下层基板上的激光器的电极相连，从而能够将上层基板上的直流信号加载到激光器芯片上，为激光器芯片提供直流输入电流。

此外，可以在上层基板中为匹配电阻串联一个电容C，用于对RF信号进行过滤。该过滤作用主要是为了阻碍直流信号或者低频信号的传输，而使高频信号较容易地通过。

本申请实施例对EAM施加反向偏压的方式不做具体限定。作为一个示例，可以在下层基板的信号线上传输偏压信号。也就是说，偏压直流信号和交流RF信号均在信号线上传输。

作为另一个实施例，可以在上层基板中的匹配电阻的两端传输偏压信号。具体地，在匹配负载的两端设置接线端子，该接线端子用于加载偏置电压。偏置电压通过接线端子为匹配负载的输入直流电压信号，从而将该直流输入电压信号加载到EAM的两端。这种方式可直接在封装器件内部实现偏压信号的输入，实现内置偏压功能。偏压信号与RF信号分开传输，从而能够节约成本，简化信号的传输过程。

需要说明的是，在上层基板的匹配负载的两端加载偏置电压，同时意味着在电容C的两端也加载了偏置电压。此时，电容C与匹配负载为并联的连接关系。

可选地，可以在下层基板上设置热敏电阻，用于实现器件的温度反馈。

本申请实施例对上层基板和下层基板的材料类型不做具体限定。例如，上层基板的材料可以为硅、二氧化硅、有机合成物(polymer)等易加工的材料，下层基板的材料可以为三氧化二铝、氮化铝等不导电、散热性能较好的材料。

下面结合图4，以激光器芯片为EML芯片为例，对本申请实施例进行具体描述。EML芯片具有高调制带宽、低插损、低驱压等特点，被广泛地应用在城域长距离的光纤传输系统中。

图4为本申请实施例提供的另一种激光器芯片的封装结构的示意图。该封装结构包括上层基板402和下层基板412。下层基板412上设置有EML芯片409和共面波导传输线405。其中，共面波导传输线405包括信号线和接地线，EML芯片409包括EAM芯片和DFB芯片。信号线通过第一引线406与EAM芯片的信号电极相连，接地线通过第一引线406与EAM芯片的接地电极相连。信号线上传输有RF信号，为EAM提供正弦驱动电压，该正弦驱动电压用于对激光进行调制。

上层基板402上设置有匹配电阻403，以及三个TSV 404。其中，该匹配电阻403的大小可以为50欧姆。匹配电阻403上串联有电容C，该电容C可以为100皮法。该电容C用于对RF信号进行过滤。匹配电阻403的一端通过第一TSV与下层基板的信号线相连，另一端通过电容C、第二TSV与下层基板的接地线相连。本申请实施例通过TSV技术，实现匹配电阻与EAM芯片的并联作用。

上层基板402上设置有直流信号线411，用于对DFB芯片提供直流电流。上层基板402的直流信号线411通过第二引线410与下层基板412上的DFB芯片的正电极相连。DFB受到直流电流的激励后，会激发出激光。该激光传输到EAM上后，会受到RF信号的调制作用，经过调制后的激光通过光学链路导出。

此外，可以对EAM芯片施加直流偏置电压。该直流偏置电压可以控制EAM工作在合适的偏置电压点，从而保证EAM的调制性能。本申请实施例中，上层基板402上还设置有接线端子401，该接线端子401设置在匹配负载的两端。该接线端子用于加载偏置电压，从而为EAM提供直流偏置电压。

需要说明的是，在上层基板的匹配负载的两端加载偏置电压，同时意味着在电容C的两端也加载了偏置电压。此时，电容C与匹配负载为并联的连接关系。

在下层基板412的前表面上设置有凹槽408，凹槽408的上表面上设置有金属层(也称金属电极)，EML芯片与该金属层相连。在凹槽408的边缘设置有金属化半孔407，该金属化半孔407的一端与下层基板412下表面的接地平面相连，另一端与凹槽408表面的金属层相连。通过金属化半孔，可以实现对EML芯片提供对地供电。

在下层基板412的边缘设置有热敏电阻413，用来实现EML芯片的温度反馈。

需要说明的是，上文是以EML芯片为例对激光器的封装结构进行描述，本申请实施例并不限于此。例如，该激光器芯片也可以是由DFB芯片、EAM芯片和SOA芯片集成的激光器芯片。

具体地，该激光器的工作流程可以是由DFB生成的激光先经过SOA放大后，再通过EAM进行调制后输出。或者，该激光器的工作流程可以是由DFB生成的激光先经过EAM调制后，再通过SOA放大后输出。

随着技术的发展，4K视频、虚拟现实、云服务、智慧交通等未来科技体验逐渐进入到人们的日常生活中，随之而来的光传输容量也迅速翻倍。目前，城域场景从100GE上升到400GE，未来有可能上升到800GE，因此，高波特率的激光器成为研究的热点。多通道的激光器由于具有高波特率的特性，具有更高的传输速率，成为未来的发展趋势。

本申请实施例提供的激光器的封装结构同样适用于多通道的激光器芯片。图5是本申请实施例提供的多通道的激光器封装结构。该多通道的激光器封装结构也称为激光器阵列的封装结构，该结构包括至少两个单通道的激光器封装结构。如图5所示，该至少两个单通道的激光器封装结构呈直线排列形成该多通道的激光器封装结构。可选地，该至少两个单通道的激光器封装结构可以排列称其他形状形成该多通道的激光器封装结构。

根据本申请实施例提供的多通道的激光器封装结构，不同通道的引线之间不会产生干扰，且不会由于多通道增加引线之间的寄生电感，从而影响传输带宽。

图5仅是以四通道为例进行说明，但本申请实施例并不限于此。例如，本申请实施例提供的技术方案同样适用于八通道的激光器封装结构。

本申请实施例提及的激光器封装结构也可以称为载体上的芯片封装(chip oncarrier，COC)，该COC也可以称为瓷质基板上芯片贴装。

可选地，作为一个实施例，该COC结构可以封装在金属管壳内部，金属管壳通过柔性电路板(flexible printed circuit，FPC)或引脚(PINs)与印制电路板(printedcircuit board，PCB)板相连，实现器件的上电和控制。

可选地，作为另一个实施例，也可以将COC结构和驱动芯片作为一个整体，封装在金属管壳内部，金属管壳通过FPC或PINs与PCB板相连，实现器件的上电和控制。

可选地，作为另一个实施例，可以将COC结构固定在PCB板上，通过引线键合(wirebonding)与PCB控制电路相连接。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种激光器的封装结构，其特征在于，包括第一基板，传输线和激光器芯片，所述传输线包括信号线和接地线，所述信号线用于传输射频信号，所述传输线与所述激光器芯片均设置在所述第一基板上，且所述传输线与所述激光器芯片的电极通过第一引线相连，所述激光器芯片为电吸收调制激光器EML芯片；

所述激光器的封装结构还包括：

第二基板，匹配负载，所述第二基板与所述第一基板上下平行设置，所述匹配负载设置在所述第二基板上，所述匹配负载的一端通过第一硅通孔TSV与所述信号线相连，所述匹配负载的另一端通过第二TSV与所述接地线相连。

2.如权利要求1所述的激光器的封装结构，其特征在于，所述激光器的封装结构还包括电容，所述电容设置在所述第二基板上，且与所述匹配负载串联。

3.如权利要求1或2所述的激光器的封装结构，其特征在于，所述第二基板还包括两个接线端子，所述两个接线端子分别设置在所述匹配负载的两端，所述两个接线端子用于加载偏置电压。

4.如权利要求1或2所述的激光器的封装结构，其特征在于，所述第一基板上设置有凹槽，且所述凹槽的上表面上设置有第一金属层，所述第一金属层接地，所述第一金属层与所述激光器芯片相连。

5.根据权利要求4所述的激光器的封装结构，其特征在于，所述第一基板的边缘设置有半孔，所述半孔表面设置有第二金属层，所述第二金属层的一端与所述第一金属层相连，所述第二金属层的另一端与所述第一基板的下表面相连，所述第一基板的下表面为接地平面。

6.如权利要求1或2所述的激光器的封装结构，其特征在于，所述电吸收调制激光器EML芯片上集成有光导体放大器SOA、调相器和/或偏振旋转器。

7.如权利要求1或2所述的激光器的封装结构，其特征在于，所述传输线为共面波导传输线或接地共面波导传输线。

8.一种激光器阵列的封装结构，其特征在于，所述封装结构包括至少两个如权利要求1-7中任一项所述的激光器的封装结构。

9.根据权利要求8所述的激光器阵列的封装结构，其特征在于，所述至少两个激光器的封装结构呈直线排列。

10.一种封装组件，其特征在于，所述封装组件包括金属管壳和如权利要求1-7中任一项所述的激光器的封装结构，所述激光器的封装结构封装在所述金属管壳的内部。

11.一种封装组件，其特征在于，所述封装组件包括金属管壳、驱动芯片和如权利要求1-7中任一项所述的激光器的封装结构，所述激光器的封装结构和所述驱动芯片均封装在所述金属管壳的内部。

12.一种封装组件，其特征在于，所述封装组件包括印制电路板PCB和如权利要求1-7中任一项所述的激光器的封装结构，所述激光器的封装结构通过引线键合的方式与所述PCB上的控制电路相连。

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