CN116184566A - 半导体封装结构、信息传输方法、制造方法及光互联设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种半导体封装结构、信息传输方法、制造方法及光互联设备。其中，半导体封装结构，包括：光互连基板；光互连基板包括：第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；第一转换单元和第二转换单元分别耦合至光波导单元；第一导电布线单元与第一转换单元电连接；第二导电布线单元与第二转换单元电连接；安装在光互连基板上的第一芯片和第二芯片；第一芯片与第一导电布线单元电连接，第二芯片与第二导电布线单元电连接，通过光互连基板实现第一芯片和第二芯片之间的通信。该技术方案可降低能量损耗，减少延迟、降低串扰程度，有助于提高芯片之间的互连性能。

Description

半导体封装结构、信息传输方法、制造方法及光互联设备

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体封装结构、信息传输方法、制造方法及光互联设备。

背景技术

随着超大规模集成电路技术的发展，人们对芯片不仅提出了高速、低功耗、高可靠性的性能要求，还提出了小型化以及集成化的封装要求。现有的半导体封装中，通常采用电导线，例如：铜介质，进行不同芯片之间的互连，以实现不同芯片之间的信号传输。在一些场景中，例如对小芯片(Chiplet)的互连，这种电互连方式存在能耗、延迟、串扰等问题，难以满足小芯片之间的高速通信需求。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本申请以提供一种解决上述问题或至少部分地解决上述问题的半导体封装结构、信息传输方法、制造方法及光互联设备。

于是，在本申请的一个实施例中，提供了一种半导体封装结构。该封装结构包括：光互连基板；所述光互连基板包括：第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；

安装在所述光互连基板上的第一芯片和第二芯片；

其中，所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接，通过所述光互连基板实现所述第一芯片和所述第二芯片之间的通信。

在本申请的又一实施例中，提供了一种半导体封装结构的信息传输方法，其中，所述半导体封装结构包括：光互连基板以及安装在所述光互连基板上的第一芯片和第二芯片；所述光互连基板包括：第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接；所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接；

所述方法，包括：

所述第一芯片将携带信息的第一电信号传输给所述第一导电布线单元；

所述第一转换单元将所述第一电信号转换成第一光信号；

所述第二转换单元将由所述光波导单元传输来的所述第一光信号转换成第二电信号；

所述第二芯片接收由所述第二导电布线单元传输来的所述第二电信号。

在本申请的又一实施例中，提供了一种半导体制造方法，其中，包括：

提供晶圆；

在所述晶圆上形成多个光子集成电路，所述多个光子集成电路中的每一个包括第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；

在所述多个光子集成电路中的每一个上安装第一芯片和第二芯片，以使所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接；

对所述晶圆进行分割，得到多个独立的半导体封装结构；每一个所述半导体封装结构中包括所述光子集成电路以及安装在所述光子集成电路上的所述第一芯片和所述第二芯片；

其中，所述第一芯片、所述第二芯片能够通过所述第一导电布线单元、所述第一转换单元、所述光波导单元、所述第二转换单元以及所述第二导电布线单元进行通信。

在本申请的又一实施例中，提供了一种半导体制造方法，其中，包括：

提供晶圆；

在所述晶圆上形成多个光子集成电路，所述多个光子集成电路中的每一个包括第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；

对所述晶圆进行分割，得到多个独立的光子集成电路芯片；每一个所述光子集成电路芯片中包括所述光子集成电路；

在所述多个光子集成电路芯片中的每一个上安装第一芯片和第二芯片，以使所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接；

其中，所述第一芯片、所述第二芯片能够通过所述第一导电布线单元、所述第一转换单元、所述光波导单元、所述第二转换单元以及所述第二导电布线单元进行通信。

在本申请的又一实施例中，提供了一种半导体封装结构，其中，包括：

光互连中介层，所述光互连中介层具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述光互连中介层包括：第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；

安装在所述光互连中介层的第一表面上的第一芯片和第二芯片；

所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接，以使光互连中介层用于实现所述第一芯片和所述第二芯片之间的通信；以及

承载基板，所述光互连中介层设置于所述承载基板上，并且所述光互连中介层的第二表面面向承载基板。

在本申请的又一实施例中，提供了一种光互连设备，其中，包括：上述任一项所述的半导体封装结构。

本申请实施例提供的技术方案中，第一芯片和第二芯片封装在光互连基板上，两者之间可基于光互连基板的第一转换单元、第二转换单元以及波导单元，利用光进行信号传输。相比于通过电导线进行电信号的传输，通过波导进行光信号的传输，可降低能量损耗，减少延迟、降低串扰程度，有助于提高芯片之间的互连性能，从而有利于芯片封装的小型化以及集成化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的半导体封装结构的剖面示意图；

图2为本申请一实施例中的第一转换单元、第二转换单元的连接示意图；

图3为本申请一实施例中的第一转换单元、第二转换单元的连接示意图；

图4为本申请一实施例中的第一转换单元、第二转换单元连接的连接示意图；

图5为本申请一实施例提供的信息传输方法的流程示意图；

图6为本申请一实施例提供的制造方法的流程示意图；

图7为本申请一实施例制造光子集成电路时相关结构的剖面示意图；

图8为本申请一实施例制造光子集成电路时相关结构的剖面示意图；

图9为本申请一实施例制造光子集成电路时相关结构的剖面示意图；

图10为本申请又一实施例提供的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

目前，超大规模集成电路技术已经成为支撑信息化社会发展演进的支柱。在信息系统中广泛应用的各类芯片，通常依赖于电芯片工艺制程的升级以实现其性能提升和功耗优化。然而随着芯片工艺逐步逼近物理极限，摩尔定律前进的步伐正在放缓，进一步发展需要新的思路。此前，一种芯片结构是将多个功能集成到单一芯片中来满足需求。近年来，这种结构的单一芯片的面积越来越大，集成复杂度变高，生产良率降低，成本越来越高，让这种方式面临挑战。

为了解决上述问题，有人提出小芯片(Chiplet)技术，也即通过多个小芯片(Chiplet)替代一个多功能的单一大芯片，可以突破芯片面积的物理瓶颈，是实现更高性能芯片的一个重要途径。由于每个裸片(小芯片)的面积变小，在制造时，单片晶圆上可设置的裸片数目增加，从而可以提高良率和降低成本。同时，在提高系统性能时，采用小芯片技术可以灵活地只升级部分模块,因此可以加快系统升级的迭代周期。然而，小芯片的可行性常常受到片间电互连的性能、可用性以及功耗问题的限制。另一方面，随着人工智能领域的发展，深度学习算法应用往往要求在计算芯片中的计算单元和存储单元之间进行大量数据的高速传输，这使得传统电互连的功耗、带宽密度以及延迟成为更为严重的问题，从而限制了更高性能人工智能芯片的开发。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将根据本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此外，在本申请的说明书、权利要求书及上述附图中描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行。操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

在一些实施例中，提供一种光子集成电路(PIC，Photonic Integrated Circuit)，所述光子集成电路可用于光互连。光子集成电路包括第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接。光子集成电路可对具有电信号输入/输出的多个芯片进行光互连，在光子集成电路中，外部待通信的芯片的电信号被转换为光信号进行传输，从而实现多个芯片之间的通信。可采用常规的半导体工艺制造上述光子集成电路，以形成光子集成电路芯片，或者光子集成电路中介层(Interposer)。在一些实施例中，上述光子集成电路芯片或者光子集成电路中介层可以作为光互连基板。这种光互连尤其适用于诸如小芯片(Chiplet)之间的互连封装。

图1示出了本申请一实施例提供的半导体封装结构的示意图。如图1所示，半导体封装结构100，其中，包括：光互连基板10；所述光互连基板10包括：第一导电布线单元101、第二导电布线单元102、光波导单元103以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元104和第二转换单元105；所述第一转换单元104和所述第二转换单元105分别耦合至所述光波导单元103；所述第一导电布线单元101与所述第一转换单元104电连接；所述第二导电布线单元102与所述第二转换单元105电连接；安装在所述光互连基板10上的第一芯片20和第二芯片30；其中，所述第一芯片20与所述第一导电布线单元101电连接，所述第二芯片30与所述第二导电布线单元102电连接，通过所述光互连基板10实现所述第一芯片20和所述第二芯片30之间的信号传输。所述光互连基板10包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，示例性的，第一芯片20、第二芯片30设置于所述光互连基板10的第一表面。上述第一转换单元104可用于实现电信号与光信号之间的相互转换，即：第一转换单元104不仅可用于将电信号转换成光信号，还可用于将光信号转换成电信号。第二转换单元105可用于实现电信号与光信号之间的相互转换，即：第二转换单元105不仅可用于将电信号转换成光信号，还可用于将光信号转换成电信号。

在一些实施例中，第一转换单元104、第二转换单元105各自可包括不同类型的器件，例如光电转换器、电光转换器。相关器件的数量并不作特别限定，第一导电布线单元101、第二导电布线单元102中电连接线路数量与电连接需求相对应，例如，其取决于器件的数量以及器件的电连接端口数量，器件可以具有一个或多个电连接端口。示例性的，第一导电布线单元可具有例如4个电连接线路，以将第一转换单元104的4个器件分别与第一芯片20的4个端口对应电连接。

示例性的，第一转换单元104和第二转换单元105均可实现电信号与光信号之间的相互转换，上述第一芯片20和第二芯片30可以相互通信。示例性的，当第一芯片20需向第二芯片30传输信息时，第一芯片20可将携带信息的第一电信号传输给第一导电布线单元101；第一转换单元104将第一导电布线单元101接收到的所述第一电信号转换成第一光信号，第一光信号通过光波导单元103传输至第二转换单元105；第二转换单元105将第一光信号转换成第二电信号，并通过第二导电布线单元102传输至第二芯片30，从而完成第一芯片20向第二芯片30的信息传输。当第二芯片30需向第一芯片20传输数据时，第二芯片30可将携带信息的第三电信号传输给第二导电布线单元102；第二转换单元105将第二导电布线单元102接收到的第三电信号转换成第二光信号，第二光信号通过光波导单元103传输至第一转换单元104；第一转换单元104将第二光信号转换成第四电信号，并通过第一导电布线单元101传输至第一芯片20，从而完成第二芯片30向第一芯片20的信息传输。其中，第一电信号可以包括一个或一组信号，例如，其表示来源于第一芯片20的一个或多个端口的信号(或一个或多个信道的信号)，例如，当第一芯片有4个端口经由光互连基板通信时，第一电信号包括经由这4个端口传输的电信号。第二至第四电信号也是来自或输出给相应第一芯片/第二芯片也作类似理解；第一光信号、第二光信号也作类似理解，它们包括一个或一组信号，可以是一个或多个端口/波导/信道传输的信号。

在一些实施例中，除了第一芯片20、第二芯片30，还可以第三芯片或者更多芯片与光互连基板进行连接，对芯片的类型并不作特别限定，芯片满足可以输入和/或输出合适的电信号即可，它们与光互连基板进行电信号通信，电信号被转换为光信号在光互连基板中进行传输。

在一些实施例中，某些芯片可以与第一芯片20进行电连接，以向第一芯片20发送电信号，和/或接收来自第一芯片20的电信号。本申请实施例提供的技术方案中，第一芯片和第二芯片封装在光互连基板上，两者之间可基于光互连基板的第一转换单元、第二转换单元以及波导，利用光进行信号传输。相比于通过电导线进行电信号的传输，通过波导进行光信号的传输，可降低能量损耗、延迟、串扰等问题，有助于提高芯片之间的互连性能，尤其为小芯片(chiplet)的互连提供了一种方案。另外，上述光互连基板包括光子集成电路，集成化高，可直接适用于电信号输入/输出的芯片之间的互连，且从而有利于芯片封装的小型化以及集成化。

在一实例中，上述光互联基板10还包括：介电层106；所述光波导单元103、所述第一转换单元104和所述第二转换单元105位于所述介电层106中；所述第一导电布线单元101包括第一电连接结构101a，所述第一电连接结构101a穿过至少部分所述介电层106；所述第二导电布线单元102包括第二电连接结构102a,所述第二电连接结构102a穿过至少部分所述介电层106；所述第一芯片20和所述第二芯片30安装在所述介电层106的安装面上。

在一种可实现的方案中，上述介电层106的材料可包括氧化硅和/或氮化硅。其中，氧化硅的化学式为Si_XO_Y，其中，x，y>0，它们的比例并不作特别限定，其中可以掺杂其它元素。在一实例中，上述氧化硅具体可包括二氧化硅。

上述第一电连接结构101a可暴露于所述介电层106的安装面。上述第二电连接结构102a可暴露于所述介电层106的安装面。在一具体实例中，上述第一芯片20可与第一电连接结构101a的暴露于所述介电层106的安装面的部分进行电连接，上述第二芯片30可与第二电连接结构102a的暴露于所述介电层106的安装面的部分进行电连接。在另一具体实例中，如图9所示，上述第一导电布线单元101还可包括形成于所述安装面上且与第一电连接结构101a的电连接的第一接合结构101b。上述第二导电布线单元102还可包括形成于所述安装面上且与第二电连接结构102a电连接的第二接合结构102b，其中第一接合结构101b、第二接合结构102b并不是必需的，其可以根据接合需求而设定。

所述光波导单元103、所述第一转换单元104和所述第二转换单元105位于所述介电层106内部，也即所述光波导单元103、所述第一转换单元104和所述第二转换单元105包裹在所述介电层106内部。

所述光波导单元103、所述第一转换单元104和所述第二转换单元105是通过对半导体层进行图形化、掺杂形成的；所述光波导单元103、所述第一转换单元104和所述第二转换单元105形成后，沉积介电层106，以覆盖所述光波导单元103、所述第一转换单元104和所述第二转换单元105；通过刻蚀，在介电层106中形成第一开孔以及第二开孔。在所述第一开孔中形成第一电连接结构101a以及在所述第二开孔中形成第二电连接结构102a。

在一实例中，上述光互联基板可以包括光子集成电路(PIC，Photonic IntegratedCircuit),光子集成电路可包括第一导电布线单元101、第二电连接件第二导电布线单元102、光波导单元103以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元104和第二转换单元105。光子集成电路可采用常规半导体工艺制造，例如包括常见的CMOS工艺。光子集成电路可对具有电信号输入/输出的多个芯片进行光互连，在光子集成电路中，外部待通信的芯片的电信号被转换为光信号进行传输，从而实现多个芯片之间的通信。由于上述光子集成电路能够收发并转换电信号，因此，可实现对电信号输入/输出的芯片进行互连。在一些实施例中，上述光互连基板还可包括半导体衬底以及设置在半导体衬底上的绝缘层。光波导单元、第一转换单元以及第二转换单元形成于该绝缘层上，所述介电层设置在所述绝缘层上，且覆盖光波导单元、第一转换单元以及第二转换单元。示例性的，上述光互联基板可以是基于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)基板/晶圆形成的，上述半导体衬底具体为SOI基板/晶圆中的背衬底，上述绝缘层具体为SOI基板/晶圆中的顶层硅与背衬底之间引入的埋氧化层，光波导单元、第一转换单元以及第二转换单元基于SOI基板/晶圆中的顶层硅形成。

在另一实例中，上述光互联基板可以为光互联中介层(Interposer)，例如：光子集成电路中介层。如图1所示，上述半导体封装结构100还可包括：承载基板40；所述光互联基板10安装在所述承载基板40上。光互联中介层可通过对上述实施例中的光子集成电路的半导体衬底进行减薄得到。其中，承载基板可以是例如电路板，例如PCB板，或者其它基板。所述光互连中介层具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，示例性的，第一芯片、第二芯片设置于所述光互连中介层的第一表面上，所述光互连中介层的第二表面面向承载基板。

在一些实施例中，半导体封装结构100包括承载基板，所述光互连基板具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，示例性的，第一芯片、第二芯片安装在所述光互连基板的第一表面上，所述光互连基板的第一表面面向承载基板，此时，第一芯片、第二芯片位于光互连基板及承载基板之间。

可选的，如图2所示，所述第一转换单元104包括第一电光转换器104a；所述第二转换单元105包括第一光电转换器105a；所述第一电光转换器104a被配置为实现电信号到光信号的转换；所述第一光电转换器105a被配置为实现光信号到电信号的转换；所述第一电光转换器104a与所述第一导电布线单元101电连接且耦合至所述光波导单元103；所述第一电光转换器104a通过所述第一导电布线单元101接收所述第一芯片20的第一电信号，并编码产生第一光信号，所述第一光信号在所述光波导单元103中传输；所述第一光电转换器与所述第二导电布线单元102电连接且耦合至所述光波导单元103；所述第一光电转换器105a将所述第一光信号转换为第二电信号；第二芯片30通过第二导电布线单元102接收所述第二电信号。

上述第一电光转换器104a可根据接收到的第一电信号，编码产生第一光信号。

在一具体结构中，上述第一电光转换器104a可包括第一电光调制器。其中，第一电光调制器可以为相位调制器、偏振调制器以及振幅调制器中的一种。第一光调制器可根据第一电信号，对初始光信号进行调制，得到所述第一光信号。在一具体实例中，上述第一光调制器具体可以为基于电容结构的调制器、环形谐振器调制器、MZI调制器等。

在另一具体结构中，上述第一光电转换器105a可包括第一光探测器。其中，第一光探测器可根据第一光信号，产生第二电信号。

可选的，如图2所示，所述第一转换单元104可包括第二光电转换器104b；所述第二转换单元105可包括第二电光转换器105b；所述第二光电转换器104b被配置为实现光信号到电信号的转换；所述第二电光转换器105b被配置为实现电信号到光信号的转换；所述第二电光转换器105b与所述第二导电布线单元102电连接且耦合至所述光波导单元103；所述第二电光转换器105b通过所述第二导电布线单元102接收所述第二芯片30的第三电信号，并编码产生第二光信号，所述第二光信号在所述光波导单元103中传输；所述第二光电转换器104b与所述第一导电布线单元101电连接且耦合至所述光波导单元103；所述第二光电转换器104b将所述第二光信号转换为第四电信号；所述第一芯片通过第一导电布线单元101接收第四电信号。

上述第二电光转换器105b可根据接收到的第三电信号，编码产生第二光信号。

在一具体结构中，上述第二电光转换器105b可包括第二光调制器。其中，第二光调制器可根据第一电信号，对初始光信号进行调制，得到所述第二光信号。在一具体实例中，上述第二光调制器可以是基于电容结构的调制器、环形谐振器调制器、MZI调制器等。

在另一具体结构中，上述第二光电转换器104b可包括第二光探测器。其中，第二光探测器可根据第二光信号，产生第四电信号。

可选的，所述第一转换单元104可包括上述第一电光转换器104a和上述第二光电转换器104b；所述第二转换单元105包括上述第一光电转换器105a和上述第二电光转换器105b。所述第一电光转换器104a被配置为实现电信号到光信号的转换；所述第一光电转换器105a被配置为实现光信号到电信号的转换；所述第一电光转换器104a与所述第一导电布线单元101电连接且耦合至所述光波导单元103；所述第一电光转换器104a通过所述第一导电布线单元101接收所述第一芯片20的第一电信号，并编码产生第一光信号，所述第一光信号在所述光波导单元103中传输；所述第一光电转换器105a与所述第二导电布线单元102电连接且耦合至所述光波导单元103；所述第一光电转换器105a将所述第一光信号转换为第二电信号。所述第二光电转换器104b被配置为实现光信号到电信号的转换；所述第二电光转换器105b被配置为实现电信号到光信号的转换；所述第二电光转换器105b与所述第二导电布线单元102电连接且耦合至所述光波导单元103；所述第二电光转换器105b通过所述第二导电布线单元102接收所述第二芯片30的第三电信号，并编码产生第二光信号，所述第二光信号在所述光波导单元103中传输；所述第二光电转换器104b与所述第一导电布线单元101电连接且耦合至所述光波导单元103；所述第二光电转换器104b将所述第二光信号转换为第四电信号。

在一实例中，如图2所示，其示出了所述光波导单元103中的两个光波导，分别为第一光波导103a和第二光波导103b，第一电光转换器104a和第一光电转换器105a可耦合在第一光波导103a上；第二光电转换器104b和第二电光转换器105b可耦合在第二光波导103b上。在另一实例中，如图3所示，所述光波导单元103包括一个光波导，第一电光转换器104a、第二光电转换器104b、第一光电转换器105a和第二电光转换器105b可耦合在同一所述光波导上。在又一实例中，如图4所示，光波导单元103具有多个光波导分支107，第一电光转换器104a、第二光电转换器104b、第一光电转换器105a和第二电光转换器105b分别耦合到第一至第四光波导分支。

实际应用时，上述第一导电布线单元101可以为一个或两个，当第一导电布线单元101为一个时，第一电光转换器104a和第二光电转换器104b均与所述第一导电布线单元101电连接；当所述第一导电布线单元101为两个时，第一电光转换器104a与其中一个第一导电布线单元101电连接，第二光电转换器104b与另一个第一导电布线单元101电连接。上述第二导电布线单元102可以为一个或两个，当所述第二导电布线单元102为一个时，第二电光转换器105b和第一光电转换器105a均与第二导电布线单元102电连接；当所述第二导电布线单元102为两个时，第二电光转换器105b与其中一个第二导电布线单元102电连接，第一光电转换器105a与另一个第二导电布线单元102电连接。

本申请实施例提供的技术方案可应用于多个小芯片(Chiplet)的封装。也即，上述第一芯片可包括第一小芯片；所述第二芯片可包括第二小芯片。

下面将介绍一种上述半导体封装结构的信息传输方法。如图1所示，其中，半导体封装结构100，其中，包括：光互连基板10；所述光互连基板10包括：第一导电布线单元101、第二导电布线单元102、光波导单元103以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元104和第二转换单元105；所述第一转换单元104和所述第二转换单元105分别耦合至所述光波导单元103；所述第一导电布线单元101与所述第一转换单元104电连接；所述第二导电布线单元102与所述第二转换单元105电连接；安装在所述光互连基板10上的第一芯片20和第二芯片30；其中，所述第一芯片20与所述第一导电布线单元101电连接，所述第二芯片30与所述第二导电布线单元102电连接。如图5所示，该方法，包括：

S501、所述第一芯片将携带信息的第一电信号传输给所述第一导电布线单元。

S502、所述第一转换单元将所述第一电信号转换成第一光信号。

S503、所述第二转换单元将由所述光波导单元传输来的所述第一光信号转换成第二电信号。

S504、所述第二芯片接收由所述第二导电布线单元传输来的所述第二电信号。

上述S502中，上述第一转换单元104可根据第一电信号直接产生第一光信号，或者根据第一电信号对初始光信号进行调制，得到第一光信号。

在一实例中，上述第一转换单元104可包括第一电光转换器，例如：第一光调制器。

上述S504中，第二芯片30接收到由第二导电布线单元102传输来的第二电信号后，可根据第二电信号解析出第二电信号上携带的信息或者将第二电信号传输给其他芯片进行解析。

可选的，上述方法，还可包括：

S505、所述第二芯片将携带信息的第三电信号传输给所述第二导电布线单元。

S506、所述第二转换单元将所述第三电信号转换成第二光信号。

S507、所述第一转换单元将由所述光波导单元传输来的所述第二光信号转换成第四电信号。

S508、所述第一芯片接收由所述第一导电布线单元传输来的所述第四电信号。

上述S506中，上述第二转换单元105可根据第三电信号直接产生第二光信号，或者根据第三电信号对初始光信号进行调制，得到第二光信号。

在一实例中，上述第二转换单元105可包括第二电光转换器，例如：第二光调制器。

上述S508中，第一芯片20接收到由第一导电布线单元101传输来的第四电信号后，可根据第四电信号解析出第四电信号上携带的信息或者将第四电信号传输给其他芯片进行解析。

下面将介绍一种上述半导体封装结构的制造方法。如图6所示，该方法，包括：

S601、提供晶圆。

S602、在所述晶圆上形成多个光子集成电路。

其中，所述多个光子集成电路中的每一个包括第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接。

S603、在所述多个光子集成电路中的每一个上安装第一芯片和第二芯片，以使所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接。

S604、对所述晶圆进行分割，得到多个独立的半导体封装结构。

其中，每一个所述半导体封装结构中包括所述光子集成电路以及安装在所述光子集成电路上的所述第一芯片和所述第二芯片。其中，所述第一芯片、所述第二芯片能够通过所述第一导电布线单元、所述第一转换单元、所述光波导单元、所述第二转换单元以及所述第二导电布线单元进行通信。每一个所述半导体封装结构中具体包括一个所述光子集成电路。

上述S601中，晶圆包括半导体层。在一实例中，上述晶圆可以是绝缘体上半导体晶圆，例如：SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上硅)晶圆。如图7所示，绝缘体上半导体晶圆可包括：绝缘层702、形成在绝缘层702上的半导体层703以及位于所述绝缘层702下方的背衬底层701。

上述S602中，可通过在半导体层703上进行图形化、沉积、掺杂等工艺形成光子集成电路。

上述S603中，在一实例中，可通过键合或焊接等电连接方式将第一芯片电连接到第一导电布线单元上，将第二芯片电连接到第二导电布线单元上。

在一具体实例中，上述步骤S602中“在所述晶圆上形成多个光子集成电路”，具体可采用如下步骤来实现：

S21、在所述晶圆上形成所述波导单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元。

S22、在形成有所述波导单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元的晶圆上沉积介电层，以覆盖所述波导单元、所述第一转换单元、所述第二转换单元以及所述晶圆。

S23、在所述介电层中形成第一开孔和第二开孔。

S24、在所述第一开孔中形成第一电连接结构以及在所述第二开孔中形成第二电连接结构。

其中，所述第一导电布线单元包括所述第一电连接结构；所述第二导电布线单元包括所述第二电连接结构。

上述S21，如图7和图8所示，可对晶圆的半导体层703进行图形化得到所述光波导单元103、所述第一转换单元104和所述第二转换单元105对应区域。具体地，采用光刻和蚀刻技术，去除并不需要的材料，以进行图形化。在一些实施例中，上述绝缘层可以作为刻蚀停止层。

上述S22中，如图9所示，在形成有所述波导单元103、所述第一转换单元104和所述第二转换单元105的晶圆上沉积介电层106，以覆盖所述光波导单元103、所述第一转换单元104、所述第二转换单元105以及所述晶圆。具体地，通过沉积，在光波导单元103、第一转换单元104、第二转换单元105、绝缘层702上以及限定光波导单元103、第一转换单元104、第二转换单元105的半导体层703的开口中形成介电层106。上述介电层的材料与绝缘层的材料可相同。

上述S23中，如图9所示，在所述介电层106中形成第一开孔和第二开孔向。可采用刻蚀技术形成上述第一开孔和第二开孔，根据连接需要，第一开孔、第二开孔的个数可以为一个或多个。

在一些实施例中，介电层106是多层结构，通过多个子介电层形成，在介电层中可包括多层导电层，导电层之间通过开孔中的导电材料连接。例如先沉积形成第一子介电层，再形成第一导电层，然后再沉积形成第二子介电层，再形成第二导电层然后形成第三子介电层，再形成第三导电层，然后形成第四子介电层。其中，第一至第三导电层中，不同的导电层通过开孔中的导电材料进行互连，各导电层可以为图案化的金属材料层。

上述S24中，如图9所示，可通过沉积导电材料，在所述第一开孔中形成第一导电布线单元101的第一电连接结构101a以及在所述第二开孔中形成第二导电布线单元102的第二电连接结构102a。

沉积导电材料后，可通过化学机械抛光或机械研磨的平坦化工艺以沿着介电层的安装面去除过量的导电材料，从而使得第一电连接结构和第二电连接结构与介电层的安装面齐平。或者，沉积导电材料后，可通过图形化的方式，在介电层106的安装面上形成与第一电连接结构101a电连接的第一接合结构101b以及与第二电连接结构102a电连接的第二接合结构102b。第一接合结构101b和第二接合结构102b凸出安装面设置。其中，所述第一导电布线单元还包括第一接合结构101b；所述第二导电布线单元还包括第二接合结构102b。进一步的，还可在安装面形成覆盖第一接合结构101b和第二接合结构102b的钝化膜，再刻蚀钝化膜形成开口以暴露第一接合结构和第二接合结构的中心部分。

后续，在晶圆上的每一个光子集成电路上安装第一芯片和第二芯片，具体地，在介面层的安装面上对应于每一个光子集成电路的区域内安装第一芯片和第二芯片，也即在介面层的安装面上对应于每一个光子集成电路的区域，将第一芯片和第二芯片与该区域内的第一电连接结构和第二电连接结构进行电连接。

后续，还可在介面层上形成密封剂，以掩埋或覆盖第一芯片和第二芯片。之后，可固化并且可以平坦化密封剂。

在一些实施方式中，可包括对背衬底层701减薄的工序。

在一些实施例中，S604可在S603之后执行，亦即，在对光子集成电路晶圆进行分割前批量安装第一芯片、第二芯片，该种方式可以在晶圆级制程中对第一芯片、第二芯片进行批量封装，此时，仅需制造光子集成电路晶圆，无需将光子集成电路形成单个的芯片。

另外，可选的，可先进行晶圆分割的工序，以形成独立的光子集成电路，然后进行进一步封装，以形成多个独立的光子集成电路芯片，光子集成电路芯片作为光互连的芯片，再进行第一芯片和第二芯片的安装工序，即将所述第一芯片、第二芯片安装在所述独立的光子集成电路芯片上。具体地，如图10所示，该方法，包括：

S1001、提供晶圆。

S1002、在所述晶圆上形成多个光子集成电路。

其中，所述多个光子集成电路中的每一个包括第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接。

S1003、对所述晶圆进行分割，得到多个独立的光子集成电路芯片。

其中，每一个所述光子集成电路芯片中包括所述光子集成电路。

S1004、在所述多个独立的光子集成电路芯片中的每一个上安装第一芯片和第二芯片，以使所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接。

其中，所述第一芯片、所述第二芯片能够通过所述第一导电布线单元、所述第一转换单元、所述光波导单元、所述第二转换单元以及所述第二导电布线单元进行通信。

上述步骤S1002的具体实现可参见上述各实施例中相应内容，在此不在赘述。

这里需要说明的是：本申请实施例提供的所述方法中各步骤未尽详述的内容可参见上述实施例中的相应内容，此处不再赘述。此外，本申请实施例提供的所述方法中除了上述各步骤以外，还可包括上述各实施例中其他部分或全部步骤，具体可参见上述各实施例相应内容，在此不再赘述。

本申请实施例还提供了一种计算设备。该计算设备可包括上述实施例中所涉及的半导体封装结构。

以上各个实施例中的技术方案、技术特征在与本相冲突的情况下均可以单独，或者进行组合，只要未超出本领域技术人员的认知范围，均属于本申请保护范围内的等同实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (23)

1.一种半导体封装结构，其中，包括：

光互连基板；所述光互连基板包括：第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；

安装在所述光互连基板上的第一芯片和第二芯片；

其中，所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接，以使光互连基板用于实现所述第一芯片和所述第二芯片之间的通信。

2.根据权利要求1所述的半导体封装结构，其中，所述光互联基板还包括：介电层；

所述光波导单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元被所述介电层所覆盖；

所述第一导电布线单元包括第一电连接结构，所述第一电连接结构穿过至少部分所述介电层；

所述第二导电布线单元包括第二电连接结构，所述第一电连接结构穿过至少部分所述介电层；

所述第一芯片和所述第二芯片安装在所述介电层的安装面上。

3.根据权利要求2所述的半导体封装结构，其中，所述介电层包括：氧化硅层和/或氮化硅层。

4.根据权利要求1所述的半导体封装结构，其中，所述光波导单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元均基于SOI基板上的顶层硅形成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体封装结构，其中，所述第一转换单元包括第一电光转换器；所述第二转换单元包括第一光电转换器；所述第一电光转换器被配置为实现电信号到光信号的转换；所述第一光电转换器被配置为实现光信号到电信号的转换；

所述第一电光转换器与所述第一导电布线单元电连接且耦合至所述光波导单元；所述第一电光转换器通过所述第一导电布线单元接收所述第一芯片的第一电信号，并编码产生第一光信号，所述第一光信号在所述光波导单元中传输；

所述第一光电转换器与所述第二导电布线单元电连接且耦合至所述光波导单元；所述第一光电转换器将所述第一光信号转换为第二电信号；所述第二芯片通过所述第二导电布线单元接收所述第二电信号。

6.根据权利要求5所述的半导体封装结构，其中，所述第一电光转换器包括光调制器。

7.根据权利要求5所述的半导体封装结构，其中，所述第一光电转换器包括光探测器。

8.根据权利要求5所述的半导体封装结构，其中，所述第一转换单元包括第二光电转换器；所述第二转换单元包括第二电光转换器；所述第二光电转换器被配置为实现光信号到电信号的转换；所述第二电光转换器被配置为实现电信号到光信号的转换；

所述第二电光转换器与所述第二导电布线单元电连接且耦合至所述光波导单元；所述第二电光转换器通过所述第二导电布线单元接收所述第二芯片的第三电信号，并编码产生第二光信号，所述第二光信号在所述光波导单元中传输；

所述第二光电转换器与所述第一导电布线单元电连接且耦合至所述光波导单元；所述第二光电转换器将所述第二光信号转换为第四电信号；所述第一芯片通过所述第一导电布线单元接收所述第四电信号。

9.根据权利要求5所述的半导体封装结构，其中，所述第一芯片包括第一小芯片；

所述第二芯片包括第二小芯片。

10.根据权利要求1至4中任意一项所述的半导体封装结构，其中，所述第一芯片、所述第二芯片能够通过所述第一导电布线单元、所述第一转换单元、所述光波导单元、所述第二转换单元以及所述第二导电布线单元进行通信。

11.根据权利要求1至4、8-9中任一项所述的半导体封装结构，其中，在晶圆级封装过程中安装所述第一芯片、所述第二芯片。

12.一种半导体封装结构的信息传输方法，其中，所述半导体封装结构包括：光互连基板以及安装在所述光互连基板上的第一芯片和第二芯片；所述光互连基板包括：第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接；所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接；

所述方法，包括：

所述第一芯片将携带信息的第一电信号传输给所述第一导电布线单元；

所述第一转换单元将所述第一电信号转换成第一光信号；

所述第二转换单元将由所述光波导单元传输来的所述第一光信号转换成第二电信号；

所述第二芯片接收由所述第二导电布线单元传输来的所述第二电信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一转换单元将所述第一电信号转换成第一光信号，包括：

所述第一转换单元根据所述第一电信号对初始光信号进行调制，得到所述第一光信号。

14.根据权利要求12所述的信息传输方法，其中，所述光互联基板还包括：介电层；

所述光波导单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元被所述介电层所覆盖；

所述第一导电布线单元包括第一电连接结构，所述第一电连接结构穿过至少部分所述介电层；

所述第二导电布线单元包括第二电连接结构，所述第一电连接结构穿过至少部分所述介电层；

所述第一芯片和所述第二芯片安装在所述介电层的安装面上。

15.一种半导体制造方法，其中，包括：

提供晶圆；

在所述晶圆上形成多个光子集成电路，所述多个光子集成电路中的每一个包括第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；

在所述多个光子集成电路中的每一个上安装第一芯片和第二芯片，以使所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接；

对所述晶圆进行分割，得到多个独立的半导体封装结构；每一个所述半导体封装结构中包括所述光子集成电路以及安装在所述光子集成电路上的所述第一芯片和所述第二芯片；

其中，所述第一芯片、所述第二芯片能够通过所述第一导电布线单元、所述第一转换单元、所述光波导单元、所述第二转换单元以及所述第二导电布线单元进行通信。

16.根据权利要求15所述的制造方法，其中，基于所述晶圆形成多个光子集成电路，包括：

在所述晶圆上形成所述波导单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元；

在形成有所述波导单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元的晶圆上沉积介电层，以覆盖所述波导单元、所述第一转换单元、所述第二转换单元以及所述晶圆；

在所述介电层中，形成第一开孔及第二开孔；

在所述第一开孔中形成第一电连接结构以及在所述第二开孔中形成第二电连接结构；

所述第一导电布线单元包括所述第一电连接结构；所述第二导电布线单元包括所述第二电连接结构；

其中，所述第一芯片和所述第二芯片安装在所述介电层的安装面上。

17.一种半导体制造方法，其中，包括：

提供晶圆；

在所述晶圆上形成多个光子集成电路，所述多个光子集成电路中的每一个包括第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；

对所述晶圆进行分割，得到多个独立的光子集成电路芯片；每一个所述光子集成电路芯片中包括所述光子集成电路；

在所述多个独立的光子集成电路芯片中的每一个上安装第一芯片和第二芯片，以使所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接；

其中，所述第一芯片、所述第二芯片能够通过所述第一导电布线单元、所述第一转换单元、所述光波导单元、所述第二转换单元以及所述第二导电布线单元进行通信。

18.一种半导体封装结构，其中，包括：

光互连中介层，所述光互连中介层具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述光互连中介层包括：第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及用于实现光信号与电信号之间的转换的第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元和所述第二转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第二转换单元电连接；

安装在所述光互连中介层的第一表面上的第一芯片和第二芯片；

所述第一芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二芯片与所述第二导电布线单元电连接，以使光互连中介层用于实现所述第一芯片和所述第二芯片之间的通信；以及

承载基板，所述光互连中介层设置于所述承载基板上，并且所述光互连中介层的第二表面面向所述承载基板。

19.根据权利要求18所述的半导体封装结构，其中，所述光互连中介层还包括：介电层；

所述光波导单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元被所述介电层所覆盖；

所述第一导电布线单元包括第一电连接结构，所述第一电连接结构穿过至少部分所述介电层；

所述第二导电布线单元包括第二电连接结构，所述第一电连接结构穿过至少部分所述介电层；

所述第一芯片和所述第二芯片安装在所述介电层的安装面上。

20.根据权利要求19所述的半导体封装结构，其中，所述介电层包括：氧化硅层和/或氮化硅层。

21.根据权利要求18中任一项所述的半导体封装结构，其中，所述光波导单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元均基于SOI基板上的顶层硅形成。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的半导体封装结构，其中，所述第一转换单元包括第一电光转换器；所述第二转换单元包括第一光电转换器；所述第一电光转换器被配置为实现电信号到光信号的转换；所述第一光电转换器被配置为实现光信号到电信号的转换；

所述第一电光转换器与所述第一导电布线单元电连接且耦合至所述光波导单元；所述第一电光转换器通过所述第一导电布线单元接收所述第一芯片的第一电信号，并编码产生第一光信号，所述第一光信号在所述光波导单元中传输；

所述第一光电转换器与所述第二导电布线单元电连接且耦合至所述光波导单元；所述第一光电转换器将所述第一光信号转换为第二电信号；所述第二芯片通过所述第二导电布线单元接收所述第二电信号。

23.一种光互连设备，其中，包括：上述权利要求1至8、18至22中任一项所述的半导体封装结构。

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