CN114578497A - 一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构及封装方法，在球栅阵列电路基板的表面开设凹腔，并将硅基光电子集成芯片及电芯片贴装在凹腔内，在凹腔的腔底的外侧边缘处开设下沉让位台，在下沉让位台内实现光纤阵列与硅基光电子集成芯片的边缘耦合器的耦合对准。整体结构设计简单，封装方式简洁，在保证小尺寸的前提下还具有光路稳定的优点，更加高效；耐高温，性能更加稳定，插入损耗更小，而且抗弯曲，保证光波导与光纤阵列之间耦合的稳固性；无需对高速管脚的数量进行限制，从而易于应用在高密度、小型化的光组件与光模块中。
Description
技术领域
本发明属于光芯片封装技术领域，尤其涉及一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构及封装方法。
背景技术
由于硅基光电子芯片具有把光耦合器、调制器、模斑转换器等分立式器件高密度集成的能力，已经在光通信、激光雷达、无人驾驶领域获得了广泛的应用，但是光路的稳定性限制了硅基光电子芯片的应用，且封装形式小型化，对电路基板的开发带来较大难度。
截至目前，在硅基光电子芯片上应用了两种耦合器结构，一种是光栅耦合器，另一种是边缘耦合器。光栅耦合器可实现片上立式光耦合，但它在1dB变化内的典型光带宽小于20nm，且立式光耦合结构不易设计封装于QSFP-DD等小尺寸光模块壳体内，而这已经是在数据中心互联应用中的主流封装形体尺寸。边缘耦合器通常带有被二氧化硅悬臂结构环绕的锥形硅波导，独特的结构使其具有模斑转换功能，可以为单模光纤阵列提供小于2dB的插入损耗，且边缘耦合器是平面结构，可以与QSFP-DD等小尺寸光模块完美兼容。但是由于厚度较薄，通常为0.3mm，过高的温度会导致硅基光电子芯片产生微弯曲形变，导致光波导与光纤阵列之间的耦合点移位，二氧化硅悬臂结构也会使耦合区域力学结构复杂化。
用于硅基光电子芯片封装的电路基板的高速输入输出口有两种，一种是薄膜电路，另一种是球栅阵列电路。薄膜电路材质柔软，被广泛应用于高速端口，但其金手指尺寸限制了高速管脚的数量，不易于高密度、小型化的光组件与光模块的应用。球栅阵列电路虽然满足多管脚和小尺寸的设计需求，但其回流焊接温度高达260℃，这为边缘耦合器与光纤耦合封装的稳定性带来极大的困难，一方面来自于高温对折射率匹配液的影响，另一方面来自于高温导致的基板微弯曲，都会造成插入损耗的增大，进而产生链路预算缺陷。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构及封装方法。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，包括：球栅阵列电路基板、硅基光电子集成芯片、电芯片以及光纤阵列；所述球栅阵列电路基板的表面开设凹腔，所述硅基光电子集成芯片及所述电芯片贴装于所述凹腔内；所述凹腔的腔底的外侧边缘处开设用于为所述光纤阵列与所述硅基光电子集成芯片的耦合提供对准空间的下沉让位台。
进一步的，所述光纤阵列位于所述下沉让位台内并与所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器对准，且所述光纤阵列与所述硅基光电子集成芯片之间留有间隙，所述间隙内填充有固化的折射率匹配液。
进一步的，所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，还包括：盖板；所述盖板设置于所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器的上表面，且所述盖板的端面与所述光纤阵列相连接。
进一步的，在所述球栅阵列电路基板的表面还分布设置有围绕于所述凹腔的金属电极，且所述金属电极通过垂直过孔方式与所述球栅阵列电路基板背面的球栅阵列相连；所述硅基光电子集成芯片及所述电芯片的电极与所述金属电极通过金丝键合连接。
进一步的，所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，还包括：散热片及金属罩盖；所述散热片粘接在所述电芯片上，所述金属罩盖贴装于所述球栅阵列电路基板的端面并与所述散热片相连。
进一步的，所述球栅阵列电路基板为有机基板或者陶瓷基板；所述盖板的材质为石英、玻璃、硅片、氮化铝中的一种或几种。
在一些可选的实施例中，本发明还提供一种基于硅基光电子集成芯片的封装方法，包括：在球栅阵列电路基板的表面开设凹腔，并将硅基光电子集成芯片与电芯片贴装在所述凹腔内；在所述凹腔的腔底的外侧边缘处开设下沉让位台，将光纤阵列布置于所述下沉让位台内并与所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器进行耦合对准。
进一步的，所述光纤阵列与所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器进行耦合对准的过程包括：在所述下沉让位台内布置所述光纤阵列时，使所述光纤阵列与所述硅基光电子集成芯片之间留有间隙；将折射率匹配液填充至所述间隙内；将盖板布置于所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器的上表面，使所述盖板利用自身重力将所述折射率匹配液填充至边缘耦合器的悬臂梁槽孔内；利用紫外光线固化所述折射率匹配液。
进一步的，所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装方法，还包括：将所述硅基光电子集成芯片及所述电芯片的电极与所述球栅阵列电路基板表面的金属电极通过金丝键合连接。
进一步的，所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装方法，还包括：将散热片通过导热硅脂或环氧树脂胶粘接在所述电芯片上；将金属罩盖贴装于所述球栅阵列电路基板的端面并与所述散热片相连。
本发明所带来的有益效果：
1.整体结构设计简单，封装方式简洁，在保证小尺寸的前提下还具有光路稳定的优点，更加高效；
2.耐高温，性能更加稳定，插入损耗更小，而且抗弯曲，保证光波导与光纤阵列之间耦合的稳固性；
3.无需对高速管脚的数量进行限制，从而易于应用在高密度、小型化的光组件与光模块中。
附图说明
图1是本发明封装结构的示意图；
图2是本发明球栅阵列电路基板的结构示意图；
图3是本发明球栅阵列电路基板的背面结构示意图；
图4是本发明硅基光电子集成芯片、电芯片以及光纤阵列的位置分布示意图；
图5是本发明硅基光电子集成芯片与光纤阵列的耦合对准示意图；
图6是本发明封装结构的侧面结构示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
如图1-6所示，在一些说明性的实施例中，本发明提供一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，包括：球栅阵列电路基板1、硅基光电子集成芯片2、电芯片3、光纤阵列4、盖板12、散热片13及金属罩盖14。
硅基光电子集成芯片2包括至少一个输入和至少一个输出边缘耦合器。
球栅阵列电路基板1的表面开设凹腔6，硅基光电子集成芯片2及电芯片3贴装于凹腔6内，具体是利用紫外固化的环氧树脂或者导电银胶粘接在球栅阵列电路基板1上。其中，球栅阵列电路基板1是多层电路板压合而成，且每层均设计有电路图形，层与层之间通过垂直过孔、盲孔等形式互连。
凹腔6的腔底的外侧边缘处开设下沉让位台7，其中，凹腔6的外侧边缘是指与光纤阵列连接的一侧，下沉让位台7的开设是用于为光纤阵列4与硅基光电子集成芯片2之间的耦合提供对准空间。
在球栅阵列电路基板1的表面还分布设置有金属电极8，具体是球栅阵列电路基板1表面未开设凹腔的部分设置金属电极8，金属电极8围绕于凹腔6进行布置。金属电极8通过垂直过孔方式与球栅阵列电路基板1背面的球栅阵列9相连，垂直过孔方式是指在球栅阵列电路基板1上开设若干垂直于表面的贯穿孔，金属电极8的一部分穿过开设的通孔后与球栅阵列9相连。
硅基光电子集成芯片2及电芯片3的电极与金属电极8之间以及硅基光电子集成芯片2与电芯片3之间通过金丝键合连接。球栅阵列电路基板1提供了模拟和数字的电口，又提供了力学支撑，上述封装结构设计使得在外部环境剧烈变化时有效的降低了整体结构的弯曲形变程度，同时也可保护硅基光电子集成芯片2的边缘耦合器5的悬臂梁结构。
光纤阵列4位于下沉让位台7内并与硅基光电子集成芯片2的边缘耦合器5对准，且光纤阵列4与硅基光电子集成芯片2之间留有间隙10，间隙10内填充有固化的折射率匹配液11。盖板12设置于硅基光电子集成芯片2的边缘耦合器5的上表面，且盖板12的端面与光纤阵列4相连接，此时折射率匹配液11通过盖板12的重力将充分填充于边缘耦合器5的悬臂梁槽孔里(图中未示出)。折射率匹配液11能够被紫外光线固化，固化后将形成具有韧性的整体，可以抵抗高温以及高温导致的微弯曲形变，保护了边缘耦合器5的悬臂梁结构的同时，增强了抗光损伤的能力，即提高了光损伤阈值。在经过5次260℃回流焊接工艺后，光插入损耗变化量为±0.5dB。
散热片13用高导热系数的环氧树脂胶粘接在电芯片3上，散热片13可以有效耗散掉电芯片3的热量。也可以使用温度补偿装置代替散热片13，但温度补偿装置具体实现方式较为复杂，且需要控制电路。还可以在球栅阵列电路基板1内嵌AlN或者高导热系数的金属，也可以起到散热作用。金属罩盖14贴装于球栅阵列电路基板1的端面并通过导热硅脂或者其它高散热胶与散热片13相连。
球栅阵列电路基板1为有机基板或者陶瓷基板，盖板12的材质为石英、玻璃、硅片、氮化铝中的一种或几种，结构稳定，不易变形。散热片13的材料为AlN、Al2O3或其他高导热系数的金属，或者AlN、Al2O3与其他高导热系数的金属的组合。
在一些说明性的实施例中，如图1-6所示，本发明还提供一种基于硅基光电子集成芯片的封装方法，包括如下步骤：
在球栅阵列电路基板1的表面开设凹腔6，并将硅基光电子集成芯片2及电芯片3贴装在凹腔6内，具体是利用紫外固化的环氧树脂或者导电银胶将硅基光电子集成芯片2与电芯片3粘接在球栅阵列电路基板1上；
在凹腔6的腔底的外侧边缘处开设下沉让位台7，将光纤阵列4布置于下沉让位台7内，在下沉让位台7内实现光纤阵列4与硅基光电子集成芯片2的边缘耦合器5的耦合对准，具体操作时，是利用紫外固化的环氧树脂或者导电银胶将光纤阵列4粘接在球栅阵列电路基板1上。
其中，凹腔6的外侧边缘是指与光纤阵列4连接的一侧。
其中，球栅阵列电路基板1是多层电路板压合而成，且每层均设计有电路图形，层与层之间通过垂直过孔、盲孔等形式互连。
下沉让位台7的开设是用于为光纤阵列4与硅基光电子集成芯片2之间的耦合提供对准空间。其中，耦合对准的过程包括：
在下沉让位台7内布置光纤阵列4时，使光纤阵列4与硅基光电子集成芯片2之间留有间隙10；
将折射率匹配液11填充至间隙10内；
将盖板12布置于硅基光电子集成芯片2的边缘耦合器5的上表面，使盖板12利用自身重力将折射率匹配液11填充至边缘耦合器5的悬臂梁槽孔内，此时折射率匹配液11通过盖板12的重力将充分填充于边缘耦合器5的悬臂梁槽孔里；
利用紫外光线固化折射率匹配液11。
折射率匹配液11能够被紫外光线固化，固化后将形成具有韧性的整体，可以抵抗高温以及高温导致的微弯曲形变，保护了边缘耦合器5的悬臂梁结构的同时，增强了抗光损伤的能力，即提高了光损伤阈值。在经过5次260℃回流焊接工艺后，光插入损耗变化量为±0.5dB。
本发明的封装方法还包括：将硅基光电子集成芯片2及电芯片3的电极与球栅阵列电路基板1表面的金属电极8通过金丝键合连接，也可以将硅基光电子集成芯片2及电芯片3倒装焊接在金属电极8上。在球栅阵列电路基板1的表面分布设置有金属电极8，具体是球栅阵列电路基板1表面未开设凹腔的部分设置金属电极8，金属电极8围绕于凹腔6进行布置。金属电极8通过垂直过孔方式与球栅阵列电路基板1背面的球栅阵列9相连，垂直过孔方式是指在球栅阵列电路基板1上开设若干垂直于表面的贯穿孔或者盲孔，金属电极8的一部分穿过开设的通孔后与球栅阵列9相连。
球栅阵列电路基板1提供了模拟和数字的电口，又提供了力学支撑，使得在外部环境剧烈变化时有效的降低了整体结构的弯曲形变程度，同时也可保护硅基光电子集成芯片2的边缘耦合器5的悬臂梁结构。
光纤阵列4可以被替换成光学透镜阵列与硅基光电子集成芯片2耦合对准，通过激光焊焊接工艺，焊接在下沉让位台7上的金属层，并与金属罩盖14侧壁嵌入的光学透镜阵列(图中未示出)对准完成光的输入和输出。
本发明的封装方法还包括：将散热片13通过导热硅脂或环氧树脂胶粘接在电芯片3上，散热片13可以有效耗散掉电芯片3的热量；将金属罩盖14贴装于球栅阵列电路基板1的端面，金属罩盖14通过导热硅脂或者其它高散热胶与散热片13相连，保护整体结构，提高封装结构的强度。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，其特征在于，包括：球栅阵列电路基板、硅基光电子集成芯片、电芯片以及光纤阵列；
所述球栅阵列电路基板的表面开设凹腔，所述硅基光电子集成芯片及所述电芯片贴装于所述凹腔内；
所述凹腔的腔底的外侧边缘处开设用于为所述光纤阵列与所述硅基光电子集成芯片的耦合提供对准空间的下沉让位台。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，其特征在于，所述光纤阵列位于所述下沉让位台内并与所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器对准，且所述光纤阵列与所述硅基光电子集成芯片之间留有间隙，所述间隙内填充有固化的折射率匹配液。
3.根据权利要求2所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，其特征在于，还包括：盖板；所述盖板设置于所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器的上表面，且所述盖板的端面与所述光纤阵列相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，其特征在于，在所述球栅阵列电路基板的表面还分布设置有围绕于所述凹腔的金属电极，且所述金属电极通过垂直过孔方式与所述球栅阵列电路基板背面的球栅阵列相连；所述硅基光电子集成芯片及所述电芯片的电极与所述金属电极通过金丝键合连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，其特征在于，还包括：散热片及金属罩盖；所述散热片粘接在所述电芯片上，所述金属罩盖贴装于所述球栅阵列电路基板的端面并与所述散热片相连。
6.根据权利要求5所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装结构，其特征在于，所述球栅阵列电路基板为有机基板或者陶瓷基板；所述盖板的材质为石英、玻璃、硅片、氮化铝中的一种或几种。
7.一种基于硅基光电子集成芯片的封装方法，其特征在于，包括：
在球栅阵列电路基板的表面开设凹腔，并将硅基光电子集成芯片与电芯片贴装在所述凹腔内；
在所述凹腔的腔底的外侧边缘处开设下沉让位台，将光纤阵列布置于所述下沉让位台内并与所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器进行耦合对准。
8.根据权利要求7所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装方法，其特征在于，所述光纤阵列与所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器进行耦合对准的过程包括：
在所述下沉让位台内布置所述光纤阵列时，使所述光纤阵列与所述硅基光电子集成芯片之间留有间隙；
将折射率匹配液填充至所述间隙内；
将盖板布置于所述硅基光电子集成芯片的边缘耦合器的上表面，使所述盖板利用自身重力将所述折射率匹配液填充至边缘耦合器的悬臂梁槽孔内；
利用紫外光线固化所述折射率匹配液。
9.根据权利要求8所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装方法，其特征在于，还包括：将所述硅基光电子集成芯片及所述电芯片的电极与所述球栅阵列电路基板表面的金属电极通过金丝键合连接。
10.根据权利要求9所述的一种基于硅基光电子集成芯片的封装方法，其特征在于，还包括：将散热片通过导热硅脂或环氧树脂胶粘接在所述电芯片上；将金属罩盖贴装于所述球栅阵列电路基板的端面并与所述散热片相连。
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