CN115938963B - 一种基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，包括步骤：S1：利用导电银胶将硅光芯片上固化的微型焊料凸点与扇出结构基板的引脚对准粘接；S2：对导电银胶进行高温固化加热，以实现硅光芯片与扇出结构基板的电学连接与固定，实现电学封装。第一个实施例中，本发明通过采用导电银胶来实现电连接，然后通过高温使导电银胶固化，完成硅光芯片和扇出结构基板的电连接，同时因为需要进行升温再降温，所以可以在加速导电银胶固化的同时实现硅光芯片和扇出结构基板的退火，释放内部应力，避免因热失衡导致焊料凸块或者焊球出现裂缝。

Description

一种基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法。

背景技术

台积电在申请号为201210076845.X的专利中对于半导体的封装工艺进行了改进，通过填充平坦化的凸块来解决因热应力作用导致的焊料凸块或焊球内形成裂缝问题，其中对于芯片而言，额外设置金属连接件虽然能够为相对侧提供电信号路径，但是在使用时因为多段连接会存在信号衰减、系统功耗增高等问题，虽然在上述问题对于电芯片而言处于可以接受的范围内，但是对于交换 ASIC 芯片和硅光引擎（光学器件） 在同一高速主板上协同封装，即光电共封装（CPO）而言，交换芯片与光电引擎共同封装在同一基板上，使引擎尽量靠近 ASIC，以最大程度地减少 SerDes 功耗、 高速电通道损耗和阻抗不连续性，从而获得高速率、大密度和低功耗是光电共封装的初衷，因此对于光电共封装而言，设置金属连接件则较为多余，因此如何在不额外设置金属连接件的情况下既能保证焊料凸块或焊球内不会出现裂缝，又能实现电连接是本发明要解决的技术问题。因此，有必要提出一种基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，包括步骤：

S1：利用导电银胶将硅光芯片上固化的微型焊料凸点与扇出结构基板的引脚对准粘接；

S2：对导电银胶进行高温固化加热，以实现硅光芯片与扇出结构基板的电学连接与固定，实现电学封装。

优选的是，步骤S1中包括：

S101：通过焊接调整装置在对硅光芯片进行凸点焊接的同时进行表面修整；

S102：在扇出结构基板的引脚上进行点胶，使胶点大小不大于硅光芯片上焊点的直径；

S103：将硅光芯片和扇出结构基板进行粘贴，并保证硅光芯片上修整后的凸点与扇出结构基板上导电银胶的胶点相对；

S104：向下移动使胶点与凸点接触，形成电连接。

优选的是，步骤S2包括：

S201：将贴合好的硅光芯片和扇出结构基板放在退火盘上，

S202：将退火盘送入退火柜；

S203：退火柜升温加速导电银胶固化，退火柜内的温度小于凸点的熔点；

S204：导电银胶固化后，退火柜停止加热，退火盘缓慢降温释放应力，避免凸点和扇出结构基板出现裂缝。

优选的是，所述焊接调整装置包括激光焊接装置和平面修整装置；所述平面修整装置通过固定杆套设在所述激光焊接装置的底部，所述激光焊接装置的激光穿过所述平面修整装置对硅光芯片进行凸点焊接。

优选的是，所述平面修整装置包括固定部、分气部和射流头；所述固定部的顶部通过所述固定杆与所述激光焊接装置连接，所述分气部设置在所述固定部的底部，所述射流头设置在所述分气部的底部，所述分气部分别与吸气装置和送气装置连接，所述固定部、所述分气部和所述射流头沿中心轴线贯通，激光焊接装置的激光依次贯穿所述固定部、所述分气部和所述射流头，所述送气装置用于将气体送进分气部并经由所述射流头喷出，所述吸气装置用于将焊接的烟尘吸入所述分气部。

优选的是，所述固定部包括固定板和插接管；所述插接管设置在所述固定板的底部，所述固定板通过所述固定杆与所述激光焊接装置连接，所述激光焊接装置的激光发射端贯穿所述固定板并插入至所述插接管的内部，所述插接管的底部与所述分气部的顶部通过螺纹环密封连接。

优选的是，所述分气部包括气管、分流管和滤网；所述气管的顶部通过所述螺纹环与所述插接管的底部密封连接，所述气管的侧壁沿轴向设置有进气接头和排气接头，所述进气接头位于所述排气接头的上方，所述滤网设置在所述气管的底部，所述分流管设置在所述气管的内部，所述气管的顶部位于所述进气接头和所述排气接头之间，所述气管的底部贯穿所述滤网，所述射流头与所述分流管连接，所述进气接头与所述送气装置连通，所述排气接头通过过滤装置与所述吸气装置连通。

优选的是，所述退火柜包括外箱和内箱；所述内箱设置在所述外箱的内部，所述内箱的内壁设置有电加热器，所述退火盘通过货架层叠式放入所述内箱内。

优选的是，所述外箱的内底部设置有支撑台，所述支撑台的顶部贯穿至所述内箱的内部，货架放置在所述支撑台上。

优选的是，所述外箱的顶部设置有抽气管道，所述抽气管道的一端延伸至所述内箱的内部，所述抽气管道的另一端与气体控制装置连接。：

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

第一个实施例中，本发明通过采用导电银胶来实现电连接，然后通过高温使导电银胶固化，完成硅光芯片和扇出结构基板的电连接，同时因为需要进行升温再降温，所以可以在加速导电银胶固化的同时实现硅光芯片和扇出结构基板的退火，释放内部应力，避免因热失衡导致焊料凸块或者焊球出现裂缝。

本发明所述的基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为第一实施例的光电共封装方法的示意图。

图2为第二实施例的光电共封装方法的示意图。

图3为本发明中焊接调整装置的结构示意图。

图4为图3中平面修整装置的结构示意图。

图5为图4的爆炸图。

图6为图4的剖视图。

图7为凸点平面修整的示意图。

图8为本发明中退火柜的外部示意图。

图9为本发明中退火柜的结构示意图。

图10为图9的主视图。

图中：1导电银胶、2硅光芯片、21凸点、3扇出结构基板、31引脚、4退火盘、5退火柜、51外箱、52内箱、53电加热器、54支撑台、55抽气管道、6激光焊接装置、7平面修整装置、71固定部、711固定板、712插接管、72分气部、721气管、722分流管、723滤网、73射流头、74螺纹环、75进气接头、76排气接头、8固定杆。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-图10所示，本发明提供了一种基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，包括步骤：

S1：利用导电银胶1将硅光芯片2上固化的微型焊料凸点21与扇出结构基板3的引脚31对准粘接；

S2：对导电银胶1进行高温固化加热，以实现硅光芯片2与扇出结构基板3的电学连接与固定，实现电学封装。

上述技术方案的工作原理及有益效果：在第一个实施例中，本发明通过采用导电银胶1来实现电连接，然后通过高温使导电银胶1固化，完成硅光芯片2和扇出结构基板3的电连接，同时因为需要进行升温再降温，所以可以在加速导电银胶1固化的同时实现硅光芯片2和扇出结构基板3的退火，释放内部应力，避免因热失衡导致焊料凸块或者焊球出现裂缝。

在一个实施例中，步骤S1中包括：

S101：通过焊接调整装置在对硅光芯片2进行凸点21焊接的同时进行表面修整；

S102：在扇出结构基板3的引脚31上进行点胶，使胶点大小不大于硅光芯片2上焊点的直径；

S103：将硅光芯片2和扇出结构基板3进行粘贴，并保证硅光芯片2上修整后的凸点21与扇出结构基板3上导电银胶1的胶点相对；

S104：向下移动使胶点与凸点21接触，形成电连接。

步骤S2包括：

S201：将贴合好的硅光芯片2和扇出结构基板3放在退火盘4上，

S202：将退火盘4送入退火柜5；

S203：退火柜5升温加速导电银胶1固化，退火柜5内的温度小于凸点21的熔点；

S204：导电银胶1固化后，退火柜5停止加热，退火盘4缓慢降温释放应力，避免凸点21和扇出结构基板3出现裂缝。

上述技术方案的工作原理及有益效果：相比较于申请号201210076845.X的专利中额外焊接平坦的凸块，本发明提供第二个实施例，以实现在无额外连接件的情况下对焊接凸点21进行平面修整，从而减少硅光芯片2和扇出结构基板3之间的距离，增加导电银胶1粘接的牢固性。

在本实施例中，首先在硅光芯片2在焊接形成凸点21的时候，通过焊接调整装置对凸点21的表面进行修整，从而使得焊接后形成的凸点21不是传统的球状，而是顶面趋近于平面的半球，如图2中所示，进而使得凸点21与导电银胶1的胶点接触的时候可以减少硅光芯片2与扇出结构基板3之间的距离，即使得H2＜H1，如图1、2所示，以使得可以进一步压缩封装体积，同时因为凸点21存在平面，使得导电银胶1与凸点21接触后，在张力作用下，胶点的截面的直径增大，即D2＞D1，随着高度H的降低，截面直径D的增大，使得导电银胶1对凸点21的作用力增加，进而使得连接后的牢固性增加，降低了封装后硅光芯片2和扇出结构基板3之间线路烧断的风险。

在对凸点21进行修整的同时，将贴好的硅光芯片2和扇出结构基板3放在退火盘4上，并送入退火柜5内，以加快导电银胶1的固化，因为温度低于凸点21的熔点，所以可以保证硅光芯片2与扇出结构基板3之间连接的稳定性，随着升温后的缓慢降温，实现退火的效果，从而将硅光芯片2和扇出结构基板3所存在的内应力释放出来，减少凸块21出现裂缝的几率。

在一个实施例中，所述焊接调整装置包括激光焊接装置6和平面修整装置7；所述平面修整装置7通过固定杆8套设在所述激光焊接装置6的底部，所述激光焊接装置6的激光穿过所述平面修整装置7对硅光芯片2进行凸点21焊接。所述平面修整装置7包括固定部71、分气部72和射流头73；所述固定部71的顶部通过所述固定杆8与所述激光焊接装置6连接，所述分气部72设置在所述固定部71的底部，所述射流头73设置在所述分气部72的底部，所述分气部72分别与吸气装置和送气装置连接，所述固定部71、所述分气部72和所述射流头73沿中心轴线贯通，激光焊接装置6的激光依次贯穿所述固定部71、所述分气部72和所述射流头73，所述送气装置用于将气体送进分气部72并经由所述射流头73喷出，所述吸气装置用于将焊接的烟尘吸入所述分气部72。所述固定部71包括固定板711和插接管712；所述插接管712设置在所述固定板711的底部，所述固定板711通过所述固定杆8与所述激光焊接装置6连接，所述激光焊接装置6的激光发射端贯穿所述固定板711并插入至所述插接管712的内部，所述插接管712的底部与所述分气部72的顶部通过螺纹环74密封连接。所述分气部72包括气管721、分流管722和滤网723；所述气管721的顶部通过所述螺纹环74与所述插接管712的底部密封连接，所述气管721的侧壁沿轴向设置有进气接头75和排气接头76，所述进气接头75位于所述排气接头76的上方，所述滤网723设置在所述气管721的底部，所述分流管722设置在所述气管721的内部，所述气管721的顶部位于所述进气接头75和所述排气接头76之间，所述气管721的底部贯穿所述滤网723，所述射流头73与所述分流管722连接，所述进气接头75与所述送气装置连通，所述排气接头76通过过滤装置与所述吸气装置连通。

上述技术方案的工作原理及有益效果：激光焊接装置6为现有激光焊接技术，具体型号不再赘述，平面修整装置7固定在激光焊接装置6的底部，激光焊接装置6的激光束可以不受干扰的依次通过插接管712、气管721和射流头73。在焊接的同时送气装置通过进气接头75向气管721内输送高压保护性气体，保护性气体进入气管721后会从分流管722的顶部进入，并从射流头73向焊接后的凸点21喷射，如图7中，射流头73内竖直向下的箭头所示，其中激光束从射流头73射出并未示出。在凸点21处于熔融未冷却的状态时，随着保护性气体的冲击，使得凸点21的顶部被吹平，并加速凸点21的冷却，从而获得顶部为平面的凸点21，随着保护性气体的吹入，除了可以修整平面、加速冷却之外，还可以将焊接时焊料产生的烟尘吹向凸点21的外侧，如图7中，烟尘被吹的向外部扩散，同时随着吸气装置的吸气，烟尘以及杂质气体都经由滤网723进入气管721，然后被吸入排气接头76，由此实现烟尘的回收、过滤，避免焊接时产生的烟尘引起线路短接，提高硅光芯片2的良品率。

另外插接管712的底部外侧壁和气管721的顶部外侧壁均设置有螺纹，二者通过螺纹环74进行连接，可以通过螺纹环74调整气管721和插接管712之间的相对距离，进而调整射流头73与硅光芯片2之间的距离，由此实现在不改变送气装置输送气体的气压的情况下，减少冲击至凸点21的保护性气体的压力流失，以及增加焊接时产生的烟尘的吸入效率。

通过上述结构的设计，可以在硅光芯片2的焊接阶段直接制作出带有平面的凸点21，以方便后续与扇出结构基板3的粘接，通过保护性气体的吹入，即可以防止焊接时烟尘对硅光芯片2的影响，又可以无接触制作平面。

在一个实施例中，所述退火柜5包括外箱51和内箱52；所述内箱52设置在所述外箱51的内部，所述内箱52的内壁设置有电加热器53，所述退火盘4通过货架层叠式放入所述内箱52内。所述外箱51的内底部设置有支撑台54，所述支撑台54的顶部贯穿至所述内箱52的内部，货架放置在所述支撑台54上。所述外箱51的顶部设置有抽气管道55，所述抽气管道55的一端延伸至所述内箱52的内部，所述抽气管道55的另一端与气体控制装置连接。

上述技术方案的工作原理及有益效果：为进一步避免凸点21出现裂缝、加快封装效率，本发明额外设置有退火柜5用于加速导电银胶1的固化速度，并为固化后的硅光芯片2与扇出结构基板3进行退火，释放内部应力。

退火柜5采用侧开门的形式设置，内箱门设置在外箱门上，以实现一门两开，内箱52悬空设置在外箱51内，外箱51的内壁设置有隔热保温棉，电加热器53设置在内箱52的内侧壁上，内箱门上也设置有电加热器53，从而在关上外箱门之后，内箱52可以四周环绕加热，从而维持升温时热量的均匀一致性。退火盘4层叠式通过货架放置在内箱52的内部，然后气体控制装置通过抽气管道55将内箱52抽真空，边升温边进行抽真空以避免硅光芯片2、扇出结构基板3、凸点21和导电银胶1在升温的过程中发生氧化反应影响芯片使用寿命，通过升温来加快导电银胶1的固化速率，同时使凸点21和硅光芯片2等内部应力得以通过退火进行释放，在退火降温的时候气体控制装置通过抽气管道55向内箱52内输送保护性气体，以恢复内箱52的内部压力，并对内箱52进行小幅降温，内箱52升温时产生的热量会扩散至外箱51内，因为外箱51内设置有隔热保温棉，所以可以减小内箱52和外箱51内部的温差，在给外箱门打开一条缝加速降温的时候，内箱52的热量会和外箱51的热量会一起从打开的缝隙中散出，此时温度会由内箱52、外箱51和外界温度依次降低、过渡，从而避免温度骤降导致凸点21裂开影响硅光芯片2的使用寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，其特征在于，包括步骤：

S1：利用导电银胶（1）将硅光芯片（2）上固化的微型焊料凸点（21）与扇出结构基板（3）的引脚（31）对准粘接；

S2：对导电银胶（1）进行高温固化加热，以实现硅光芯片（2）与扇出结构基板（3）的电学连接与固定，实现电学封装；

步骤S1中包括：

S101：通过焊接调整装置在对硅光芯片（2）进行凸点（21）焊接的同时进行表面修整，使得凸点顶面趋近于平面的半球；

S102：在扇出结构基板（3）的引脚（31）上进行点胶，使胶点大小不大于硅光芯片（2）上焊点的直径；

S103：将硅光芯片（2）和扇出结构基板（3）进行粘贴，并保证硅光芯片（2）上修整后的凸点（21）与扇出结构基板（3）上导电银胶（1）的胶点相对；

S104：向下移动使胶点与凸点（21）接触，形成电连接；

步骤S2包括：

S201：将贴合好的硅光芯片（2）和扇出结构基板（3）放在退火盘（4）上，

S202：将退火盘（4）送入退火柜（5）；

S203：退火柜（5）升温加速导电银胶（1）固化，退火柜（5）内的温度小于凸点（21）的熔点；

S204：导电银胶（1）固化后，退火柜（5）停止加热，退火盘（4）缓慢降温释放应力，避免凸点（21）和扇出结构基板（3）出现裂缝。

2.根据权利要求1所述的基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，其特征在于，所述焊接调整装置包括激光焊接装置（6）和平面修整装置（7）；所述平面修整装置（7）通过固定杆（8）套设在所述激光焊接装置（6）的底部，所述激光焊接装置（6）的激光穿过所述平面修整装置（7）对硅光芯片（2）进行凸点（21）焊接。

3.根据权利要求2所述的基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，其特征在于，所述平面修整装置（7）包括固定部（71）、分气部（72）和射流头（73）；所述固定部（71）的顶部通过所述固定杆（8）与所述激光焊接装置（6）连接，所述分气部（72）设置在所述固定部（71）的底部，所述射流头（73）设置在所述分气部（72）的底部，所述分气部（72）分别与吸气装置和送气装置连接，所述固定部（71）、所述分气部（72）和所述射流头（73）沿中心轴线贯通，激光焊接装置（6）的激光依次贯穿所述固定部（71）、所述分气部（72）和所述射流头（73），所述送气装置用于将气体送进分气部（72）并经由所述射流头（73）喷出，所述吸气装置用于将焊接的烟尘吸入所述分气部（72）。

4.根据权利要求3所述的基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，其特征在于，所述固定部（71）包括固定板（711）和插接管（712）；所述插接管（712）设置在所述固定板（711）的底部，所述固定板（711）通过所述固定杆（8）与所述激光焊接装置（6）连接，所述激光焊接装置（6）的激光发射端贯穿所述固定板（711）并插入至所述插接管（712）的内部，所述插接管（712）的底部与所述分气部（72）的顶部通过螺纹环（74）密封连接。

5.根据权利要求4所述的基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，其特征在于，所述分气部（72）包括气管（721）、分流管（722）和滤网（723）；所述气管（721）的顶部通过所述螺纹环（74）与所述插接管（712）的底部密封连接，所述气管（721）的侧壁沿轴向设置有进气接头（75）和排气接头（76），所述进气接头（75）位于所述排气接头（76）的上方，所述滤网（723）设置在所述气管（721）的底部，所述分流管（722）设置在所述气管（721）的内部，所述气管（721）的顶部位于所述进气接头（75）和所述排气接头（76）之间，所述气管（721）的底部贯穿所述滤网（723），所述射流头（73）与所述分流管（722）连接，所述进气接头（75）与所述送气装置连通，所述排气接头（76）通过过滤装置与所述吸气装置连通。

6.根据权利要求1所述的基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，其特征在于，所述退火柜（5）包括外箱（51）和内箱（52）；所述内箱（52）设置在所述外箱（51）的内部，所述内箱（52）的内壁设置有电加热器（53），所述退火盘（4）通过货架层叠式放入所述内箱（52）内。

7.根据权利要求6所述的基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，其特征在于，所述外箱（51）的内底部设置有支撑台（54），所述支撑台（54）的顶部贯穿至所述内箱（52）的内部，货架放置在所述支撑台（54）上。

8.根据权利要求6所述的基于硅基光电子集成芯片的光电共封装方法，其特征在于，所述外箱（51）的顶部设置有抽气管道（55），所述抽气管道（55）的一端延伸至所述内箱（52）的内部，所述抽气管道（55）的另一端与气体控制装置连接。

Images