CN118276225A - 芯片封装及其制造方法 - Google Patents

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穆晓玲
徐叶龙
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Abstract

本发明涉及半导体领域，其提供了一种芯片封装及其制造方法，芯片封装包括：中介体；多个半导体芯片，光学连接至所述中介体，其中，所述多个半导体芯片的数量为至少4个；光子互连芯片，光学连接至所述中介体；其中，所述多个半导体芯片中的每一个被配置为经由所述中介体分别光学连接至所述光子互连芯片，以使得所述多个半导体芯片中的任意两个实现光学信号通信。

Description

芯片封装及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，更为具体而言，涉及一种芯片封装及其制造方法。
背景技术
光互连是集成光子学应用的关键方向，例如，它可以为芯片提供先进的短距离互连解决方案。
发明内容
本发明提供了芯片封装及其制造方法。
在一个示例性的实施方式中，提出一种芯片封装，包括：中介体；多个半导体芯片，光学连接至所述中介体，其中，所述多个半导体芯片的数量为至少4个；光子互连芯片，光学连接至所述中介体；其中，所述多个半导体芯片中的每一个被配置为经由所述中介体分别光学连接至所述光子互连芯片，以使得所述多个半导体芯片中的任意两个实现光学信号通信。
在一个示例性的实施方式中，提出一种芯片封装，包括：中介体；多个半导体芯片，光学连接至所述中介体，其中，所述多个半导体芯片包括第一半导体芯片、第二半导体芯片；光子互连芯片，光学连接至所述中介体；其中，所述第一半导体芯片、所述第二半导体芯片被配置为经由所述中介体分别光学连接至所述光子互连芯片，以使得所述第一半导体芯片、所述第二半导体芯片实现光学信号通信。
在一些实施方式中，所述中介体被配置为承载所述多个半导体芯片以及所述光子互连芯片。
在一些实施方式中，所述中介体包括第一波导；所述半导体芯片包括第二波导，所述第二波导光学连接至所述第一波导；以及所述光子互连芯片包括第三波导，所述第三波导光学连接至所述第一波导。
在一些实施方式中，所述第二波导光学连接至所述第一波导，包括采用以下至少一种方式进行光学连接：倏逝波耦合、光栅耦合器耦合；以及所述第三波导光学连接至所述第一波导，包括采用以下至少一种方式进行光学连接：倏逝波耦合、光栅耦合器耦合。
在一些实施方式中，所述多个半导体芯片光学连接至所述中介体，包括采用以下至少一种方式进行光学连接：倏逝波耦合、光栅耦合器耦合。
在一些实施方式中，所述光子互连芯片光学连接至所述中介体，包括采用以下至少一种方式进行光学连接：倏逝波耦合、光栅耦合器耦合。
在一些实施方式中，所述中介体包括半导体衬底、玻璃衬底或者陶瓷衬底中的至少一种。
在一些实施方式中，所述中介体的所述第一波导包括聚合物波导、玻璃波导、硅波导、氮化硅波导中的至少一种。
在一些实施方式中，所述光子互连芯片包括多个所述第三波导，多个所述第三波导分为至少两层布置。
在一些实施方式中，所述至少两层包括第一层、第二层；所述多个半导体芯片包括第一半导体芯片、第二半导体芯片、第三半导体芯片、第四半导体芯片；所述第一半导体芯片经由所述第一层中的所述第三波导光学连接至所述中介体，从而通过所述中介体连接至所述第二半导体芯片；以及所述第三半导体芯片经由所述第二层中的所述第三波导光学连接至所述中介体，从而通过所述中介体连接至所述第四半导体芯片。
在一个示例性的实施方式中，提出一种芯片封装的制造方法，包括：提供中介体；将多个半导体芯片安装于所述中介体，使得所述多个半导体芯片光学连接至所述中介体；将光子互连芯片安装于所述中介体，使得所述光子互连芯片光学连接至所述中介体。
根据本发明各个实施方式，半导体芯片经由中介体、光子互连芯片实现光学连接，为光互连提供了合适的封装方案，可以适用于多个半导体芯片之间的复杂光互连情景并具有诸多有点，例如，中介体可以具有更大的面积，适用于布置更多半导体芯片，而光子互连芯片的设置则可增加光互连的复杂性及灵活性。另外，二者可以独立制造并进行封装。
本发明实施方式的各个方面、特征、优点等将在下文结合附图进行具体描述。根据以下结合附图的具体描述，本发明的上述方面、特征、优点等将会变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明一个实施例中芯片封装的剖面图。
图2是本发明一个实施例中芯片封装的俯视图。
图3是本发明一个实施例中光子互连芯片的剖面图。
图4是本发明一个实施例中半导体芯片的剖面图。
具体实施方式
为了便于理解本发明技术方案的各个方面、特征以及优点，下面结合附图对本发明进行具体描述。应当理解，下述的各种实施方式只用于举例说明，而非用于限制本发明的保护范围。
在下文中，将参考附图更详细地描述示例性实施方式。然而，本发明可以以各种不同形式体现，并且不应被解释为仅限于本文所示的实施方式。相反，这些实施方式作为示例来提供以便本公开将是透彻而全面的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的各方面和特征。因此，可能不会描述本领域普通技术人员充分理解本发明的各方面和特征所不必要的过程、元件和技术。除非另有说明，否则在整个附图和文字描述中，类似的附图标记表示类似的元件，因此，可能不会重复其描述。此外，每个示例性实施方式内的特征或方面通常应被视为可用于其他示例性实施方式中的其他类似特征或方面。
应当理解，当元件或特征被称为“在另一元件或层上”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，其可直接在另一元件或特征上、连接到或联接到另一元件或特征，或可存在一个或多个中间元件或特征。另外，还应当理解，当元件或特征被称为在两个元件或特征“之间”时，其可为这两个元件或特征之间的唯一元件或特征，或也可存在一个或多个中间元件或特征。除非上下文明确指出，否则术语“第一”、“第二”以及其他此类指代结构的数字术语并不意味着次序或顺序。
如图1，在一个示例性的实施例中，提出一种芯片封装100，包括：中介体(Interposer)110；多个半导体芯片120，光学连接至所述中介体110，其中，所述多个半导体芯片包括第一半导体芯片120a、第二半导体芯片120b；光子互连芯片130，光学连接至所述中介体110；其中，所述第一半导体芯片120a、所述第二半导体芯片120b经由所述中介体110分别光学连接至所述光子互连芯片130，以使得所述第一半导体芯片120a、所述第二半导体芯片120b实现光学信号通信。
所述第一半导体芯片120a、所述第二半导体芯片120b之间的光学连接，使得它们能进行光学信号通信，避免了电信号通信的延迟、能量损耗等。在光子互连芯片130、中介体110中提供了光学通道，用以传播光学信号。可以设计光子互连芯片130具有更为复杂的波导布置，而中介体110中则具有相对简单的波导布置，可以根据制造成本及工艺需要等选择合适的制造方式，二者分别制造。中介体110可以具有比光子互连芯片130更大的面积，从而承载光子互连芯片130、半导体芯片120。
如此，中介体110、光子互连芯片130分别起到光学连接的作用，可以实现第一半导体芯片120a、所述第二半导体芯片120b实现通信。另外，半导体芯片120光学连接至所述中介体110，避免了电学接合及电线路传输的损耗。
在图1中，其中，所述中介体110被配置为承载所述多个半导体芯片120以及所述光子互连芯片130。中介体110具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面，在一些实施方式中，如图1，多个半导体芯片120以及所述光子互连芯片130都位于所述中介体110的同一表面，例如第一表面。在其它一些实施方式中，所述光子互连芯片130位于所述中介体110的第一表面，所述多个半导体芯片120位于所述中介体110的第二表面。
在一些实施方式中，半导体芯片120、光子互连芯片130可以通过接合材料安装于所述中介体110，接合材料可以是有机材料、金属材料、焊料等。
示例性地，所述中介体110包括第一波导111；所述半导体芯片120包括第二波导121，所述第二波导121光学连接至所述第一波导111；所述光子互连芯片130包括第三波导131，所述第三波导131光学连接至所述第一波导111。在图1中，第一半导体芯片120a、所述第二半导体芯片120b各自通过中介体110连接至光子互连芯片130，光子互连芯片130起到互连作用，实现了第一半导体芯片120a、所述第二半导体芯片120b之间的光学连接。
具体地，如图1，第一半导体芯片120a通过它的第二波导121(121a)光学连接至所述中介体110中一对应的第一波导111(111a)，该第一波导111(111a)光学连接至光子互连芯片130的一第三波导131。第二半导体芯片120b通过它的第二波导121(121b)光学连接至所述中介体110中对应的一第一波导111(111b)，该第一波导111(111b)光学连接至光子互连芯片130的一所述第三波导131。由此，第一半导体芯片120a、第二半导体芯片120b具有光学连接的路径。
在一些实施方式中，光子互连芯片130通过半导体工艺制造，而中介体110则可以基于玻璃衬底或者其它手段制造，可以根据合适工艺分别完成，降低了成本。
在一些实施方式中，半导体芯片120光学连接至所述中介体110，可以采用倏逝波耦合、光栅耦合器耦合中的至少一种方式进行光学连接。示例性地，中介体110中的第一波导111通过倏逝波耦合光学连接至半导体芯片120中的第二波导121。又如，第一波导111的波导末端可以配置有光栅耦合器，第二波导121的波导末端可以配置光栅耦合器，第一波导111、第二波导121可以通过各自的光栅耦合器对准以实现耦合。
在一些实施方式中，所述光子互连芯片130光学连接至所述中介体110，包括采用以下至少一种方式进行光学连接：倏逝波耦合、光栅耦合器耦合。例如光子互连芯片130中的第三波导131通过倏逝波耦合、光栅耦合器耦合的方式光学连接至中介体110中的第一波导111。
图2示意性地画出了图1芯片封装100的俯视图，半导体芯片120通过中介体110中的第一波导111连接至光子互连芯片130，每个半导体芯片120与光子互连芯片130可以通过合适数量的第一波导111相连，图2仅示意性的画出了其中某些第一波导111。在一些实施方式中，图2中的任意两个半导体芯片120被配置为实现光学通信，具体地，两个半导体芯片120各自连接至光子互连芯片130，通过光子互连芯片130中对应的第三波导(图2未示出)实现光学连接。结合图1以及图2，可以通过配置足够数量的第三波导131，从而实现任意两个半导体芯片120之间的光学连接(光学通信)。
参见图3，在一些实施方式中，光子互连芯片130中的多个第三波导131分为至少两层布置。示例性地，不同层中的第三波导在光子互连芯片130的表面的投影可以相交。光子互连芯片130具有比中介体110小的面积，在光子互连芯片130中分层布置波导，可以使其在单位面积内容纳更多的波导。此外，中介体110本身可以具有较大面积，可以适用于布置更多的半导体芯片120。
在一些实施方式中，光子互连芯片130中的多个第三波导分为至少两层布置，所述至少两层包括第一层、第二层；所述多个半导体芯片120包括第一半导体芯片、第二半导体芯片、第三半导体芯片、第四半导体芯片；所述第一半导体芯片经由所述第一层中的所述第三波导光学连接至所述中介体，从而通过所述中介体连接至所述第二半导体芯片；以及所述第三半导体芯片经由所述第二层中的所述第三波导光学连接至所述中介体，从而通过所述中介体连接至所述第四半导体芯片。
中介体110包括半导体衬底或者玻璃衬底、有机材质衬底。半导体芯片120、光子互连芯片130可以通过合适的方式固定/安装至中介体110，例如使用凸块、焊接材料、有机粘结剂等。
【半导体芯片】
半导体芯片120可以包括光子器件，例如光调制器、光探测器、微环谐振器、光分束器等，半导体芯片120还可以包括光电转换单元、电光转换单元、光子计算单元等，可根据需要配置各种光子器件、或者各种单元的数量，可以是一个或者多个。
示例性地，电光转换单元可以包括调制器，以将电信号转换为光信号。示例性地，半导体芯片120可以与激光或者光纤进行光耦合，从而向半导体芯片120输入光信号，或者从半导体芯片120输出光信号。示例性地，波导可以用于传播光信号，用作信息传播的信道。示例性地，光电转换单元可以可包括光探测器，用于将光信号转换为电信号，光探测器可以包括例如光电二极管。示例性的，半导体芯片120包括光源，光源产生的光可以耦合至波导，还可以被电信号调制，光源可以是集成于半导体芯片120的激光器、发光二极管。
在一些实施方式中，半导体芯片120可以包括两个芯片或裸片(die)封装形成。例如，参见图4，半导体芯片120可以由第一芯片140、第二芯片150键合而成，所述第一芯片140包括导电通道1215，所述导电通道1215从第一芯片140的第一表面延伸至与所述第一表面相对的第二表面，其中第二芯片150设置于第一芯片140的第一表面，所述第一芯片140的第二表面朝向中介体110(中介体110可参考图1)。第一芯片140可以包括至少一个光耦合结构1213，光耦合结构1213可以与光纤进行光耦合，从而向第一芯片140输入光信号，或者从第一芯片140输出光信号。
【光子互连芯片】
光子互连芯片130可以包括光耦合结构、波导、光电转换单元、电光转换单元、光源等光子器件，可根据需要配置各种光子器件的数量，可以是一个或者多个。示例性地，电光转换单元可以包括调制器，以将电信号转换为光信号。示例性地，光耦合结构可用于与激光或者光纤进行光耦合，也可用于与，从而向光子互连芯片130输入光信号，或者从光子互连芯片130输出光信号，例如，使用光纤进行光信号的输入、输出；光耦合结构可以包括光栅耦合器、端面耦合器等。示例性地，波导可以用于传播光信号，用作信息传播的信道。示例性地，光电转换单元可以可包括光探测器，用于将光信号转换为电信号，光探测器可以包括例如光电二极管。示例性地，光子互连芯片130包括光源，光源产生的光可以耦合至波导，还可以被电信号调制。
在一些实施方式中，所述光子互连芯片包括多个所述第三波导，多个所述第三波导分为至少两层布置。从而，虽然光子互连芯片110具有较小的面积(相对于中介体110)，它还是可以提供足够数量的波导。
【中介体】
中介体110中的波导可以是聚合物波导、玻璃波导、硅波导、氮化硅波导等。中介体110可以基于不同类型的衬底制造而成，例如半导体衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底等，其中，半导体衬底可以是绝缘体上硅(SOI，Silicon-On-Insulator)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)等，此外，也可以提供其它衬底，用于制造光子集成结构，衬底材料可以是：硅、锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓，可以是化合物半导体，也可以是合金半导体等，也可以是上述材料的组合。衬底可以是晶圆，例如SOI晶圆。以绝缘体上硅(SOI，Silicon-On-Insulator)衬底为例，包括提供SOI衬底，所述SOI衬底包括背衬底、绝缘层以及顶层硅。
在一些实施方式中，中介体110中的波导可以是聚合物波导，可以通过对聚合物材料层进行刻蚀，以形成聚合物波导。
在一些实施方式中，中介体110中的波导可以是玻璃波导，玻璃波导可以基于玻璃衬底形成，例如可以通过激光写入的方法，改变玻璃衬底中局部区域的折射率，从而形成波导。
在一些实施方式中，中介体110中的波导可以是硅波导、氮化硅波导。示例性地，以绝缘体上硅(SOI，Silicon-On-Insulator)衬底形成波导为例，可以包括提供SOI衬底，所述SOI衬底包括背衬底、绝缘层以及顶层硅，基于对顶层硅的刻蚀而形成波导。示例性地，可以通过沉积氮化硅层，并通过刻蚀氮化硅层而形成波导。
在一些实施方式中，中介体110包括导电布线层，可以用于电信号的传输，也可以用于为各种类型的芯片提供电力。示例性地，根据功能的需要，半导体芯片120可以电连接至中介体110。
在一个示例性的实施方式中，提出一种芯片封装的制造方法，包括：提供中介体110；将多个半导体芯片120安装于所述中介体110，使得所述多个半导体芯片120光学连接至所述中介体110；将光子互连芯片130安装于所述中介体110，使得所述光子互连芯片130光学连接至所述中介体110。本发明实施例中的芯片封装100可由以上芯片封装方法制造。
本领技术人员应当理解，以上所公开的仅为本发明的实施方式而已，当然不能以此来限定本发明请求专利保护的权利范围，依本发明实施方式所作的等同变化，仍属本发明之权利要求所涵盖的范围。

Claims (12)

1.一种芯片封装，包括：
中介体；
多个半导体芯片，光学连接至所述中介体，其中，所述多个半导体芯片的数量为至少4个；
光子互连芯片，光学连接至所述中介体；
其中，所述多个半导体芯片中的每一个被配置为经由所述中介体分别光学连接至所述光子互连芯片，以使得所述多个半导体芯片中的任意两个实现光学信号通信。
2.一种芯片封装，包括：
中介体；
多个半导体芯片，光学连接至所述中介体，其中，所述多个半导体芯片包括第一半导体芯片、第二半导体芯片；
光子互连芯片，光学连接至所述中介体；
其中，所述第一半导体芯片、所述第二半导体芯片被配置为经由所述中介体分别光学连接至所述光子互连芯片，以使得所述第一半导体芯片、所述第二半导体芯片实现光学信号通信。
3.如权利要求1或2中任意一项所述的芯片封装，其中，所述中介体被配置为承载所述多个半导体芯片以及所述光子互连芯片。
4.如权利要求3所述的芯片封装，所述中介体包括第一波导；所述半导体芯片包括第二波导，所述第二波导光学连接至所述第一波导；以及所述光子互连芯片包括第三波导，所述第三波导光学连接至所述第一波导。
5.如权利要求4所述的芯片封装，所述第二波导光学连接至所述第一波导，包括采用以下至少一种方式进行光学连接：倏逝波耦合、光栅耦合器耦合；以及
所述第三波导光学连接至所述第一波导，包括采用以下至少一种方式进行光学连接：倏逝波耦合、光栅耦合器耦合。
6.如权利要求3所述的芯片封装，其中，所述多个半导体芯片光学连接至所述中介体，包括采用以下至少一种方式进行光学连接：倏逝波耦合、光栅耦合器耦合。
7.如权利要求3所述的芯片封装，其中，所述光子互连芯片光学连接至所述中介体，包括采用以下至少一种方式进行光学连接：倏逝波耦合、光栅耦合器耦合。
8.如权利要求3所述的芯片封装，其中，所述中介体包括半导体衬底、玻璃衬底或者陶瓷衬底中的至少一种。
9.如权利要求4所述的芯片封装，其中，所述中介体的所述第一波导包括聚合物波导、玻璃波导、硅波导、氮化硅波导中的至少一种。
10.如权利要求4-5中任意一项所述的芯片封装，其中，所述光子互连芯片包括多个所述第三波导，多个所述第三波导分为至少两层布置。
11.如权利要求10所述的芯片封装，其中，
所述至少两层包括第一层、第二层；
所述多个半导体芯片包括第一半导体芯片、第二半导体芯片、第三半导体芯片、第四半导体芯片；
所述第一半导体芯片经由所述第一层中的所述第三波导光学连接至所述中介体，从而通过所述中介体连接至所述第二半导体芯片；以及
所述第三半导体芯片经由所述第二层中的所述第三波导光学连接至所述中介体，从而通过所述中介体连接至所述第四半导体芯片。
12.一种芯片封装的制造方法，包括：
提供中介体；
将多个半导体芯片安装于所述中介体，使得所述多个半导体芯片光学连接至所述中介体；
将光子互连芯片安装于所述中介体，使得所述光子互连芯片光学连接至所述中介体。
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