CN114222939A - 中介层 - Google Patents

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Abstract

一种硅中介层(100)。所述硅中介层(100)包括：硅层(101)，所述硅层包括各自可连接到光纤(103)的一个或多个光波导(102)；光学有源部件(104)，所述光学有源部件被配置成将从所述光纤(103)接收到的光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号并且将所述光信号提供到所述光纤(103)；以及一个或多个电互连件(105)，所述一个或多个电互连件连接到所述光学有源部件(104)并且可连接到印制电路板、单独的管芯、单独的衬底或晶片级封装件。

Description

中介层
技术领域
本发明涉及一种中介层，并且特别涉及一种可与光子集成电路一起使用的硅中介层。
背景技术
越来越多的技术应用需要光子电路和电子电路的紧密集成和共同封装。举例来说，交换机专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、网络接口控制器(NIC)、图形处理单元(GPU)和片上系统(SOC)。
对共同封装的需求，即在单个外壳或壳体内包括光子部件和电子部件两者，由对增加的带宽、更低的功率要求、更高的密度、更低的延迟以及更低的成本的需求驱动。回流兼容、可表面贴装的光子芯片是这种架构的基本构建块。举例来说，Rockley PhotonicsLightDriver系统展示一种潜在的集成方案。
在另一个实例中，光子管芯具备硅通孔以与常规模拟芯片进行电连接。
任何共同封装或集成方案中的一个关键部件是中介层。中介层提供一个插座或管芯连接与另一个插座或管芯连接之间的电接口。传统的中介层可以由硅形成，并且包括一个或多个迹线以及焊接点以允许位于不同管芯上的电路在共同封装时进行通信。在电子封装行业中使用的常规中介层提供管芯到管芯或管芯到衬底/封装件或管芯到印制电路板之间的电连接。
发明内容
因此，在第一方面，本发明的实施方案提供一种硅中介层，所述硅中介层包括：
硅层，所述硅层包括各自可连接到光纤的一个或多个光波导；
光学有源部件，所述光学有源部件被配置成将从所述光纤接收到的光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号并且将所述光信号提供到所述光纤；以及
一个或多个电互连件，所述一个或多个电互连件连接到所述光学有源部件并且可连接到印制电路板、单独的管芯、单独的衬底或晶片级封装件。
有利地，这种硅中介层可表面贴装在相对高密度的多芯片衬底上。此外，在常规的倒装芯片球栅阵列(fCBGA)架构中，这种硅中介层可以大量回流到衬底(例如有机或玻璃)。此外，在2.5D/3D封装架构中，插入的硅能够倒装芯片粘结到管芯或另外的硅中介层。
硅中介层可以具有以下任选特征中的任何一种，或者在任选特征兼容的程度上具有以下任选特征的任何组合。
在术语光学有源部件中，光学有源可以意味着所述部件主动地(即非被动地)与穿过其的光相互作用。光学有源部件和光电部件可以被认为是同义词。光学有源部件可以是基于III-V族半导体的光学有源部件。光学有源部件可以包括光电二极管，所述光电二极管被配置成将从光纤接收到的光信号转换成电信号，电信号被提供到一个或多个电互连件。光学有源部件可以包括光源和调制器，并且可以被配置成将从电互连件接收到的电信号转换为可提供到光纤的光信号。基于III-V族半导体可以意味着光学有源部件包括III-V族半导体，例如一个或多个III-V族半导体层或区域。
一个或多个电互连件可以包括一个或多个焊料凸块。焊料凸块可以由一个或多个凸块下金属化区域支撑。一个或多个电互连件可以包括引脚网格阵列中的一个或多个引脚。举例来说，引脚可以是铜柱。
中介层可以包括金属重分布层，所述金属重分布层形成光学有源部件与一个或多个电互连件之间的电连接的一部分。
中介层可以包括一个或多个钝化层，所述一个或多个钝化层位于(多个)光波导与(多个)电互连件之间。
光纤可以附接到所述光波导或每个光波导。附接可以使用回流兼容接头来实现。回流兼容可以意味着接头能够经受用于将中介层连接到印制电路板的回流工艺。举例来说，回流兼容接头可以是焊接头或高温环氧树脂(即在回流温度下不受损害的环氧树脂)。回流温度可以为至少250℃并且不超过260℃。作为实例，环氧树脂可以是从Addison ClearWave Coatings Inc.获得的A539-DM环氧树脂、从Gelest Inc.获得的P065硅凝胶或从NovaChem Ltd.获得的Optimax(RTM)8046-LV UV可固化环氧树脂。光纤可以使用盖帽固定到所述光波导或每个光波导，盖帽优选由玻璃制成。
中介层可以作为绝缘体上双硅DSOI晶片提供，所述光波导或每个光波导可以形成于DSOI晶片的硅层中。光学有源部件可以与所述光波导或每个光波导设置在DSOI晶片的同一硅层上。有利地，DSOI晶片提供大的波导，这使能够提供模式转换器和V形槽接口能够与波导集成的容易性增大。这能够允许单模光纤连接。
光学有源部件可以设置在DSOI的硅层的腔中。这能够允许包括光学有源部件和波导的所得光子集成电路(PIC)具有平坦表面。这种平坦表面适合于进一步的后端凸块(即，晶片级的呈凸块或球形式的焊料的进一步限定)和帮助限定电互连器的封装步骤。
中介层可以包括模式转换器，所述模式转换器位于每根光纤与相应的光波导之间。
在第二方面，本发明的实施方案提供一种制造硅中介层的方法，所述方法包括以下步骤：
提供绝缘体上双硅晶片DSOI，一个或多个光波导被制造于所述绝缘体上双硅晶片中；
在所述光波导或每个光波导处形成适合于连接到光纤的接口；
提供光学有源部件，所述光学有源部件被配置成将从所述光纤接收到的光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号并且将所述光信号提供到所述光纤；以及
提供一个或多个电互连件，所述一个或多个电互连件连接到所述光学有源部件并且可连接到印制电路板、单独的管芯或单独的衬底。
所述方法可以具有以下任选特征中的任何一种，或者在任选特征兼容的程度上具有以下任选特征的任何组合。
形成所述接口可以包括形成一个或多个V形槽接口以连接到所述光纤。
提供所述光学有源部件可以包括提供包括所述光学有源部件的晶片，并且将所述光学有源部件粘结或转移印刷到所述DSOI晶片上。这个步骤可以为后续的后端处理和凸块产生平坦表面。
所述方法可以包括在提供所述光学有源部件与提供所述一个或多个电互连件之间的提供钝化层的步骤。
所述方法可以包括在提供所述光学有源部件与提供所述一个或多个电互连件之间的提供金属重分布层的步骤，所述金属重分布层形成所述光学有源部件与所述一个或多个电互连件之间的电连接的一部分。所述方法可以包括在提供所述金属重分布层之后的提供第二钝化层的步骤。
所述方法可以包括在提供所述光学有源部件之后的限定适合与所述一个或多个电互连件一起使用的一个或多个凸块下金属化区域的步骤。
可以通过焊球滴落工艺或铜柱凸块工艺或通过焊料印刷来提供所述一个或多个电互连件。提供一个或多个电互连件的步骤可以在限定一个或多个凸块下金属化区域的步骤之后执行。
可以通过将引脚网格阵列的一个或多个引脚附接到所述硅中介层来提供所述一个或多个电互连件。
所述方法可以包括将光纤附接到所述接口并且将所述光纤固定就位的步骤。可以通过在盖帽与所述光纤之间提供回流兼容接头来固定所述光纤。
附图说明
现在将参考附图以举例方式来描述本发明的实施方案，在附图中：
图1是硅中介层的横截面示意图；
图2示出图1的硅中介层的自顶向下示意图；
图3示出图1和图2的硅中介层的制造方案；
图4a示出安装到高密度多芯片衬底的硅中介层表面；
图4b示出以3D堆叠方式与印制电路板一起使用的硅中介层；并且
图4c示出与印制电路板单片集成的硅中介层。
具体实施方式和其他任选特征
现在将参考附图来论述本发明的方面和实施方案。其他方面和实施方案对于本领域技术人员来说将是显而易见的。文本中提及的所有文件均以引用的方式并入本文中。
图1示出硅中介层100的横截面示意图。中介层由硅层101形成，在这个实例中，硅层被设置在绝缘体上双硅晶片中。硅层含有光波导102，光波导能够将光传送到光纤103和传送来自光纤103的光，光纤耦合到光波导。波导还可以将光模式从光纤103的光模式转换为耦合到波导的光学有源部件104的光模式。在这个实例中，通过在硅层中蚀刻的V形槽接口来实现耦合。在光波导102的一端是光学有源部件104，在这个实例中是基于III-V族半导体的光电二极管。因此，在图1所示的实例中，光从光纤103接收并且被光电二极管104转换成电信号。
在替代实例中，光学有源部件包括电吸收调制器并且还可以包括光源。因此，在这个实例中，电信号可以由光学有源部件接收，电信号被转换成调制光信号并且被提供到光纤以进行传输。
在中介层的暴露面上，设置有一个或多个电互连件105，在这个实例中为焊料凸块，暴露面通常是最靠近中介层所连接到的任何单独的管芯/衬底/印制电路板的面。这能够允许连接到印制电路板或集成电路或衬底上的电触点。焊料凸块位于凸块下金属化层的上部106a上，所述凸块下金属化层又在凸块下金属化层的下部106b上方。上层能够帮助确保焊料凸块到硅中介层的良好粘附，而下层能够帮助确保上层的焊料或部件不会进一步扩散到中介层中。在替代实例中，电互连件是作为提供引脚网格阵列的一个或多个铜柱而提供。
结107通常是用于铜通孔或铜柱的捕获垫，所述捕获垫有助于从光学有源部件104到每个电互连件105的电连接。在每个结之上是第一钝化层108，并且在第一钝化层108之上是第二钝化层109。这些钝化层：(i)允许提供金属重分布层(RLD)110以完成从光学有源部件到电互连件的电连接；并且(ii)使结、RDL和光学有源部件钝化。
光纤103通过使用玻璃盖帽111固定到中介层100，所述玻璃盖帽通过回流兼容接头112附接到中介层。回流兼容接头可以是例如熔化温度高于焊料凸块的焊接头，或者熔化温度也高于焊料凸块的环氧树脂。
图2示出图1的硅中介层的自顶向下示意图。图1与图2之间的共同特征由相同的附图标记指示。如在此图像中能够看到的，中介层含有电互连件105(在这个实例中为焊料凸块)的阵列、两个各自具有相应的光波导102的光学有源部件104，以及四根连接到中介层100的光纤103。在这个实例中，从光纤103中的两根光纤接收到的光信号被组合或复用并且沿着单个光波导102向下传输。
或者，在未示出的实例中，每根光纤103可以有一个光学有源部件104。通常，每个光学有源部件有至少两个电互连件105。然而，可能存在比在插入器要连接到的印制电路板/衬底/管芯与光学有源部件之间建立电连接所严格必需的更多的电互连件105。这是因为电互连件105还能够充当将中介层粘附到印制电路板的装置。因此，通过增加电互连件的数目，中介层粘附的稳定性提高。
图3示出图1和图2的硅中介层的制造方案。在第一步骤301中，在绝缘体上双硅(DSOI)平台上提供波导和模式转换功能性。举例来说，可以在DSOI内制造一个或多个光波导。模式转换可以例如通过提供例如在WO 2018/011587(其全部内容以引用方式并入本文中)中公开的模式转换器或通过本领域本身已知的其他方法来实现。
在第二步骤302中，形成V形槽接口，所述接口连接到在步骤301中形成的波导。V形槽接口可用于将光纤连接到每个波导。在第三步骤303中，将光学有源部件转移到含有波导的DSOI。在这个实例中，光学有源部件在与DSOI分开的晶片上制造，然后被粘结或转移印刷到DSOI上。
在已经在中介层的DSOI中提供光学有源部件之后，执行第四步骤304，其中旋涂聚酰亚胺(PI)或光可限定的聚苯并噁唑(PBO)以限定第一钝化层。在提供第一钝化层之后，在步骤305中提供金属重分布层110。能够例如通过适当金属(例如Al、Cu、Ti)的溅射来提供金属重分布层。溅射可以用于提供种子层，然后可以通过电镀来提供重分布层。在电镀之后，可以去除种子层(例如，通过湿蚀刻)。
在提供金属重分布层110之后，在步骤306中旋涂第二钝化层。和第一钝化层一样，第二层钝化层能够由聚酰亚胺(PI)或可光限定的聚苯并噁唑(PBO)形成。第二钝化层可以由与第一钝化层相同的材料形成，或者可以由与用于形成第一钝化层的材料不同的材料形成。
接着，在步骤307中，定义并且提供上部和下部凸块下金属化层106a和106b。在电互连将被作为铜柱提供的实例中，这个步骤可以在提供铜柱之后执行(使得在焊料盖帽电镀工艺之前，UBM被电镀在铜柱的顶部上)。在步骤308中，提供电互连件。这个步骤能够例如通过焊球滴落工艺或提供铜柱来实现，然后在凸块下金属化(执行时)之后在现有Al/Cu焊盘上进行焊料盖帽电镀和回流工艺。焊料盖帽将被放置在铜柱的顶部，铜柱在镀焊料之前可以镀上Ni或Au层。所得结构可以具有以下组成：第2金属重分布层；25μm铜柱；2μm Ni层、0.3μmAu层以及25μm SAC305焊料镀层。
在已经提供电互连件之后，在步骤309中附接光纤并且可以执行应变消除过程。光纤可以通过附接玻璃盖帽和通过使用例如焊接头或高温环氧树脂的回流兼容接头来固定。
步骤301到309定义如图1和图2所示的硅中介层的制造。为了将硅中介层连接到印制电路板，将焊料凸块或铜柱与衬底/印制电路板上的对应捕获焊盘对准。然后执行回流工艺，以熔化中介层上的焊料凸块或熔化铜柱上的对应焊料触点，并且连接到其他衬底/印制电路板。冷却中介层导致焊球或焊料触点固化，从而在中介层与衬底/管芯/印制电路板之间建立电气和机械连接。
然后可以用在本领域中本身已知的方式将中介层和/或衬底/管芯包封在封装件中。
举例来说，如图4a所示，中介层100能够表面贴装到高密度多芯片衬底或印制电路板401(例如有机/玻璃中介层或倒装芯片球栅阵列fcBGA)。这能够允许中介层与例如专用集成电路的另外电子部件402通信。
图4b中示出又一个实例，其中具有光纤103的中介层100与模拟/数字集成电路/片上系统(SOC)/图形处理单元(GPU)403进行3D堆叠。
图4c中示出又一个实例，其中中介层100是用硅通孔与含有硅中介层405的单元单片集成，所有这些都连接到GPU/SOC 404。这允许在扇出晶片级封装(FOWLP)平台上共同封装硅中介层。这能够直接3D堆叠在GPU/SOC 404上以实现显著的性能(单片类型)优势。
虽然本发明已经结合上面描述的示例性实施方案进行描述，但是当给出本公开时，许多等效修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，上面阐述的本发明的示例性实施方案被认为是说明性而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对所描述的实施方案作出各种改变。
以上提及的所有参考文献均以引用方式并入本文。
特征列表
100 中介层
101 硅层
102 光波导
103 光纤
104 光学有源部件
105 焊料凸块
106a,b 凸块下金属化
107 掺杂触点
108 第1钝化层
109 第二钝化层
110 金属重分布层
111 玻璃盖帽
112 焊接头/高温环氧树脂

Claims (24)

1.一种硅中介层，所述硅中介层包括：
硅层，所述硅层包括各自可连接到光纤的一个或多个光波导；
光学有源部件，所述光学有源部件被配置成将从所述光纤接收到的光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号并且将所述光信号提供到所述光纤；以及
一个或多个电互连件，所述一个或多个电互连件连接到所述光学有源部件并且可连接到印制电路板、单独的管芯、单独的衬底或晶片级封装件。
2.如权利要求1所述的硅中介层，其中所述光学有源部件是基于III-V族半导体的光学有源部件。
3.如权利要求1或权利要求2所述的硅中介层，其中所述光学有源部件包括光电二极管，所述光电二极管被配置成将从所述光纤接收到的光信号转换成电信号，所述电信号被提供到所述一个或多个电互连件。
4.如任一前述权利要求所述的硅中介层，其中所述光学有源部件包括光源和调制器，所述调制器被配置成将从所述电互连件接收到的电信号转换为可提供到所述光纤的光信号。
5.如任一前述权利要求所述的硅中介层，其中所述一个或多个电互连件包括具有焊料盖帽的一个或多个焊料凸块或铜柱。
6.如任一前述权利要求所述的硅中介层，其中所述一个或多个电互连件包括引脚网格阵列中的一个或多个引脚。
7.如任一前述权利要求所述的硅中介层，其中所述中介层包括金属重分布层，所述金属重分布层形成所述光学有源部件与所述一个或多个电互连件之间的电连接的一部分。
8.如任一前述权利要求所述的硅中介层，其中所述中介层包括一个或多个钝化层，所述一个或多个钝化层位于所述(多个)光波导与所述(多个)电互连件之间。
9.如任一前述权利要求所述的硅中介层，其中光纤是使用回流兼容接头附接到所述光波导或每个光波导。
10.如任一前述权利要求所述的硅中介层，其中所述光纤是使用盖帽固定到所述光波导或每个光波导。
11.如任一前述权利要求所述的硅中介层，其中所述中介层是作为绝缘体上双硅(DSOI)晶片而提供，所述光波导或每个光波导形成于所述DSOI晶片的硅层中。
12.如权利要求11所述的硅中介层，其中所述光学有源部件和所述光波导或每个光波导被设置在所述DSOI晶片的同一硅层上。
13.如任一前述权利要求所述的硅中介层，其中所述中介层包括模式转换器，所述模式转换器位于每根光纤与相应的光波导之间。
14.一种制造硅中介层的方法，所述方法包括以下步骤：
提供绝缘体上双硅晶片DSOI，一个或多个光波导被制造在所述绝缘体上双硅晶片中；
在所述光波导或每个光波导处形成适合于连接到光纤的接口；
提供光学有源部件，所述光学有源部件被配置成将从所述光纤接收到的光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号并且将所述光信号提供到所述光纤；以及
提供一个或多个电互连件，所述一个或多个电互连件连接到所述光学有源部件并且可连接到印制电路板、单独的管芯、单独的衬底或晶片级封装件。
15.如权利要求14所述的方法，其中形成所述接口包括形成一个或多个V形槽接口以连接到所述光纤。
16.如权利要求14或权利要求15所述的方法，其中提供所述光学有源部件包括提供包括所述光学有源部件的晶片，并且将所述光学有源部件粘结或转移印刷到所述DSOI晶片上。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，所述方法包括在提供所述光学有源部件与提供所述一个或多个电互连件之间的提供钝化层的步骤。
18.如权利要求14至17中任一项所述的方法，所述方法包括在提供所述光学有源部件与提供所述一个或多个电互连件之间的提供金属重分布层的步骤，所述金属重分布层形成所述光学有源部件与所述一个或多个电互连件之间的电连接的一部分。
19.如权利要求18所述的方法，所述方法包括在提供所述金属重分布层之后的提供第二钝化层的步骤。
20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，所述方法包括在提供所述光学有源部件之后的限定适合于与所述一个或多个电互连件一起使用的一个或多个凸块下金属化区域的步骤。
21.如权利要求14至20中任一项所述的方法，其中通过焊球滴落工艺、铜柱凸块工艺或通过焊料印刷来提供所述一个或多个电互连件。
22.如权利要求14至21中任一项所述的方法，其中通过将引脚网格阵列的一个或多个引脚附接到所述硅中介层来提供所述一个或多个电互连件。
23.如权利要求14至22中任一项所述的方法，所述方法包括将光纤附接到所述接口并且将所述光纤固定就位的步骤。
24.如权利要求23所述的方法，其中通过在盖帽与所述光纤之间提供回流兼容接头来执行固定所述光纤。
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