CN1508884A - 平面形无源光学和光电子装置的光电子封装件结构和工艺 - Google Patents

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Abstract

一种电子装置的光电子封装件形成对电子装置的电气连接，和对电子装置的光学纤维连接。该封装件包括导热性好的一个基座，基座具有支承该电子装置，并与该电子装置有传热连接的一个垫台。在基座上形成一个密封带，并且壳体与密封带粘接。该壳体具有从该电子装置引出的电气连接线的侧面馈线；并且该壳体还具有从该电子装置引出的光学纤维接头的顶部馈线或槽。盖与壳体顶部气密性密封。该盖有可缩进的装置，用于在光学纤维上形成弯曲部分，当盖放在壳体上时，可以释放应变。当盖密封壳体后，在光学纤维上形成弯曲部分用的可缩进装置缩进去。

Description

平面形无源光学和光电子装置 的光电子封装件结构和工艺
技术领域
本发明涉及光电子封装件结构，更具体地说，涉及可以有效地将光学纤维放置在所希望位置的结构。
背景技术
光电子封装件必需执行许多功能。许多平面形光电子装置必需精确地与包括光纤在内的其他光学或光电子零件对准。该封装件必需提供机械支承，以便永久地或至少在设计寿命结束期内保持所要求的对准。该装置发散出一定量的热，必需有效地消除。光学纤维必需从封装件中进出。必需进行相互电气连接，并且在大多数情况下，必需密封该封装件，使它不漏气。这样，封装件设计是使这种装置具有良好性能的关键问题。良好的封装件设计可以有效地达到上述的功能，还可以保证处理层次的成功，使处理步骤顺序进行。
Verdiell提出的题为“光电子组件的制造方法”的美国专利6277724号说明一种光电子(OE)组件，其称为“挠曲件”的挠性元件与光学纤维粘接，并用于使纤维芯与透镜和从光(例如激光)发射装置发出的激光束对准。在用单独的盖将OE组件密封之前，要进行对准。还说明将纤维固定在挠曲件中的方法和对准用的工具。在对准后，利用锡焊，铜焊或焊接，将纤维永久地固定在挠曲件上。挠曲件利用激光点焊固定在基片上，或利用可用紫外线固化的粘接剂与基片框架和基片基座固定。由于挠曲件固定在基片上，因此可减小光学纤维的挠性。概括地说，在用盖进行气密性密封以前，利用挠曲件使纤维对准，并将纤维保持在规定位置上。
Tafoh提出的美国专利6220765号，和题为“气密性地密封的光学半导体容器和光学半导体组件”的方案申请的美国专利申请公开US2001/0001622 A1号说明了只为了防止翘曲而层叠在光学封装件底部的一个夹住的基座板的制造。翘曲会造成通过气密的组件的光学窗口传递的光学信号发生畸变。每一块都由带有特殊的柏氏模量的材料制成的二块板层叠在一起，形成在组件工作温度下不会翘曲的结构。虽然，这可能与发送光学子组件(TUSAs)和接收光学子组件(ROSAs)有关，但与本发明的波导封装件结构(WGPs)关系较少。在该WGPs中的一块板的材料的导电性非常高，可使局部热点在装置中散开。
Mizue等人提出的题为“光学组件”的美国专利US 6315465 B1号公布了一种引线框架基座结构。该结构可以有选择地腐蚀或冲压，并用于层叠另外的线路层，以容纳封装件电路。通过使用导电和不导电的环氧树脂，可使层之间有选择地互相连接。这种形式的电路的唯一目的是尽量少用导线粘接作为互相连接的方法，使密封更紧/更浅，以减少电感和阻抗问题，使电气性能更好。将两根支承引线弯曲，可以支承液晶显示器(LED)和将LED安装在密封体的外面。当工作过程中温度升高时，这会造成信号畸变问题。Mizue等人认为这与光学发射器/接收器封装件有关，但与本发明的波导管关系较小。
Iwase等人提出的、题为“光学组件”的美国专利6270263 B1号说明了一个带有与光学装置(激光和光电二极管)安装在一起的硅(Si)基片和基片上带有线路图形的光学组件。基片组件上安装着用粘接剂密封的二个合成树脂件(顶部和底部)。合成树脂件的特点是有各种孔，可使光学纤维通入装配的组件中，和在激光二极管旁边用粘接剂密封。用粘接剂密封的合成树脂件的材料可认为是非气密性的。
Lee等人提出的、题为“光学纤维应变释放装置”的美国专利5355429号说明了在带有应变释放硬件的褐铁矿结构中，用于减小光学纤维应变的装置。该硬件由带有卷曲圆环的锚和各种结构的接头转换器组成。在纤维弯曲成一个角度的实施例中，重点在于保护光学纤维不受该锚和保护电缆吸收的外力作用，但光学纤维不松弛去适应由于热膨胀系数(CTE)不匹配造成的应变。另外，在光电子组件中没有考虑应变释放问题。
Yeandle提出的、题为“光学纤维与光学装置的连接装置”的美国专利6075914号说明一种不用粘接剂或焊锡固定纤维，而将光学纤维固定在装置中的一个“V”形槽中的方法。纤维用粘接剂固定在离开装置的一个倾斜垫上，该垫可使纤维弹性变形，并将纤维推入“V”形槽中，但没有考虑封装问题。
Sefoguchi提出的、题为“互相连接的光学组件”的美国专利申请刊物2001/0017964 A1号说明了用CTE大的材料(以及氧化铝)制造的基座。该基座包括一些冶金方法制成的内部结构，纤维对准用的槽，多根纤维对准装置，纤维和激光之间的匹配指示粘接剂；但没有提到纤维应变释放的方法，也没有提到在热膨胀过程中，由于基片的CTE不同，造成的纤维应变。
Kato等人提出的、题为“半导体发光组件”的美国专利6273620 B1号涉及一种纤维光栅激光组件，其中光栅作在纤维内，其振荡长度可与半导体光学放大器(SOA)独立地调节。专利中所引入的图没有表示与光学纤维应变释放结构有关的特点。
Jin等人提出的、题为“尺寸稳定性改善的光学组件”的美国专利6205264 B1号说明了一种在各种焊锡成份中引入细的分散胶体颗粒的方法，和可以改善焊锡蠕变性质的结构。利用这些“改进的”焊锡，可使光学组件的尺寸更稳定。但没有提到光学纤维应变释放的问题。
发明内容
本发明的目的是要使与光电子封装件连接的光学纤维应变释放。
根据本发明，在光学纤维上形成一个S-弯曲部分，用以释放应变。在纤维中装设释放应变的S-弯曲部分，用以减小在装置工作过程中和各种环境条件下，封装件受热变化时光学纤维上的应力。
另外，根据本发明，该封装件包括固定在封装件盖上的可缩进的结构。当将盖放在关闭封装件的位置时，该可缩进的元件与现有的固定的纤维组对准。该纤维组具有足够的松弛部分，可以偏转形成S-弯曲部分而不损坏。在盖密封封装件的过程中，该可缩进的结构将光学纤维向下推入封装件中，形成应变释放的S-弯曲部分。可缩进的结构固定在封装件盖上。该可缩进的结构由使用后，借助收缩可以缩进去的材料构成。例如，该可缩进的结构可由用粉末冶金方法制成的多孔玻璃或多孔金属制成。该多孔玻璃或多孔金属在用激光束或在该盖上面的局部热导线等加热时，可以收缩。另一种方案是，该可缩进结构可由低熔点材料制成，例如金-锡合金，该合金在大约280℃时熔化，并聚结成与光学纤维隔开一定距离的小球。
根据本发明的另一个方面，一种光电子封装件包括：从由电子装置和光电子装置组成的组中选择的至少一个有源装置；从该有源装置引出的电气连接线；从该有源装置引出的光学纤维接头。该封装件由导热性好的基座，一个壳体和一个盖构成，这些零件密封在一起，不漏气。一个导热性好的基座；该基座具有支承该有源装置，并与该有源装置有传热连接的垫台；包括与基座粘接的侧壁的壳体；该封装件具有从该有源装置引出的电气连接线通路；该封装件具有从该有源装置引出的光学纤维接头通路；气密性地密封壳体顶部的盖；该盖具有可缩进的装置，可在光学纤维上形成弯曲部分，当将该盖放在壳体上时，可使应变释放，在该盖密封了壳体后，在光学纤维上形成弯曲部分的可缩进装置缩进去。
最好，该垫台和基座具有内部电气连接，和在垫台与基座表面上的，用于与有源装置连接或粘接导线的接触垫。该可缩进的装置由多孔材料制成。
最好，该可缩进装置由受聚焦的辐射源加热时，可缩回至缩进位置的可缩进材料制成。该可缩进的材料从由多孔材料和受热作用会聚结成小球的低熔点合金组成的组中选择。
最好，该封装件包括从其侧壁伸出的，带有作出槽的凹部的纤维支承。
最好，通向有源装置的相互连接线穿过壳体。通向有源装置的相互连接线穿过基座。
最好，基座由导热性好的陶瓷材料制成，并且通往有源装置的相互连接线穿过基座。基座为导电性好的结构，在垫台的顶面上有内部线路和垫。
根据本发明的再一个方面，光电子封装件包括：一个电子装置；它由从半导体芯片或基片组成的组中选择的辅助元件构成；从该辅助元件引出的电气连接线；从该辅助元件引出的光学纤维的接头；导热性好的基座；该基座具有支承该辅助元件，并与该辅助元件形成传热连接的垫台；粘接在基座上的密封带。一个壳体可利用锡焊或铜焊与密封带连接，形成气密性密封；该壳体具有从辅助元件引出的电气连接线的侧面馈线，和该封装件具有从辅助元件引出的光学纤维接头的顶部馈线或槽；气密性地密封壳体顶部的盖；该盖具有可缩进装置，用于在光学纤维上形成弯曲部分，当将盖放在壳体上时，可使应变释放；在盖密封壳体后，利用热或机械装置，可使在光学纤维上形成弯曲部分的可缩进装置缩进去。
为了使一组纤维与安装在升高的平台(波导管或VCSELs(垂直腔表面发射激光))上的有源或无源光学装置对准；不使用挠性件。
使用带有内部台阶结构的盖，可以在气密性密封工作过程中，控制纤维的弯曲。在第二次加热时，工作过程中纤维作自由“应力释放”运动。使该台阶结构缩进去。
本发明提供了将装置(放在其他零件上的波导管)安装在由焊锡气密性地密封和带有一个盖(金属)的导热基片(氮化铝AlN，碳化硅(SiC)或其他材料)上的方法。
附图说明
本发明的上述和其他方面及优点可参照附图来说明，其中：
图1表示根据本发明设计的，用于安放光电子半导体芯片或装置的光电子封装件的零件的分解透视图；
图2A～2C为沿着与图1中的X和Z轴平行的平面所取的、表示密封过程的三个阶段的图1所示的封装件的简化形式的垂直截面的示意图；
图3表示实现基座和垫的另外的结构的封装件的一部分；
图4为表示沿着与图1中的Y轴和Z轴平行的平面所取的，图1的封装件的简化形式的垂直横截面的示意图，其中对安放在位于基座上的垫台上的电子装置的连接导线粘接作了改进；
图5为4所示视图的改进，其中，基座和垫台已被导热性很好的陶瓷体代替，在陶瓷体中埋入导体，该导体可以封装件的外面达到与电子装置连接的导线粘接处。
具体实施方式
本发明的封装件设计可保证光学上对准的零件的机械整体性；对热的控制非常好；还提供了使多根纤维进出该封装件，不影响其气密性的方法；提供了在装配过程中，在纤维上形成S-弯曲部分，以减少纤维应变的装置；和电气上互相连接，以适应子系统封装件设计的多种方法。
图1表示根据本发明设计的，用于安放光电子半导体芯片或装置的光电子封装件10的零件的分解透视图。矩形块形式的基座BS的导热性好。矩形块形式的、导热性也好的垫台PD位于基座BS的顶面的中心。垫台PD比基座BS短和窄，在基座BS周边周围留有余量。通常的密封带SB(也称为密封环)在基座BS的顶面周边周围形成，它围绕着垫台PD形成一个矩形环。
图2A～2C为沿着与图1中的X轴和Z轴平行的平面所取的，图1所示封装件的简化形式的垂直截面的示意图，它表示密封过程的三个阶段。图2A表示在封装件10的盖L1关闭以前的光学纤维OF，盖上的可缩进结构RS与通过槽凹部GR对准的光学纤维UF接触。光学纤维OF与半导体芯片或装置DV连接。
图2B表示在盖L1关闭后，带有S-弯曲部分的光学纤维OF，盖L1放在密封带SB上。
图2C表示在可缩进的结构RS缩回，形成缩进的结构RS′后的图2B所示的封装件。缩进结构RS′在光学纤维OF的上面，与OF隔开一段距离，以消除由于与可缩进结构RS连续接触引起的应力。
在图1中，带有四个侧壁和末端上的纤维支承FS的壳体CS位于基座BS和盖L1之间。壳体CS通过装配和熔合，与基座BS粘接(利用铜焊或锡焊)；密封带SB则与壳体CS粘接在一起，形成壳体CS和基座BS的气密性密封。
基座BS最好由导热性高的氮化铝(AlN)或碳化硅(SiC)构成。熔合在壳体CS和基座BS上的密封带SB，通过铜焊一种CTE匹配的合金形成密封。有几种合金适合作为壳体CS的材料，例如：Ni∶Co∶Fe/29％∶17％∶54％的合金(诸如Ed Fagan公司，Franklin Lakes，N.J.销售的KOVARTM(Carpenter公司生产)合金)，或Ni∶Fe/42％∶58％的“42合金”。
从图1中可以看出，在壳体CS的长的侧面上作出许多电气互相连接线EI的与侧壁电气绝缘的通路。本领域技术人员知道，这可使通过导电结构的电气互相连接线气密性地密封。从图2A和2B可看出，在壳体CS的窄的侧面上作有通道，使光学纤维OF可横跨纤维支承FS从该道通伸出。当盖L1和壳体CS的缝密封时，光学纤维OF也被气密性地密封。
如上所述，用于密封封装件10的盖L1上也有一组可缩进的结构RS。当将盖L1装在壳体CS上时，这些可缩进结构可在光学纤维OF上形成一个S-弯曲部分。在缝密封完成后，利用热收缩(图2C)或机械偏转装置，可使可缩进结构RS缩进去，这样，如果壳体CS的封装件壁等和中心垫台PD、由于热的梯度而作相对运动，则光学纤维OF可以自由改变其弧的形状。因此，光学纤维OF的S-弯曲部分，可在封装件10内部释放应变。
图3表示实现基座BS和垫台PD的另外的结构的封装件20的一部分，其中，基座BS由AlN或同样的导热性好的材料制成。基座上包括内部线路，它可从芯片延伸至在基座BS上的垫台上，或者可利用倒装工艺，使芯片与线路连接；另外还可使与基座BS的电气连接线EI在外面，作为在侧面的引线框架或导线粘接垫；或者作为在底部的一组插头。这种设计的灵活性使封装件的设计适合于子系统(第二级)封装件的不同要求。
图4为沿着与图1中的Y轴和Z轴平行的平面所取的，图1所示的封装件的简化形式的垂直截面的示意图，其中导线接头WB(飞线)与放置在位于基座BS上的垫台PD上的电子装置DV(例如，光电子芯片)的连接作了改进。穿过基座BS的外部连接插头EP，可与导线接头WB电气上连接。如同在图1和2A～2C中一样，壳体CS与基座BS密封。
图5为图4的图的改进，其中，基座和垫台被导热性好的陶瓷体HC代替，导体BC埋入陶瓷体中，从封装件外面达到与电子装置DV连接的导线接头WB。封装件的侧壁示意性地用图画框架PF表示。PF与壳体CS相当。图画框架有4个侧壁，象壳体CS一样；并且如图1和图2A～2C那样，顶部密封。
概括来说，可缩进结构RS形式的挠性件与已经固定的一组光学纤维或一根光学纤维OF对准，并用以在带有可缩进结构RS的盖L1与封装件10上的框架密封过程中，形成S-弯曲部分。可缩进结构RS由可收缩的材料构成。例如，可缩进的结构RS可由利用粉末冶金制成的多孔玻璃或多孔金属制成，该玻璃或金属在用激光束或盖上面的局部热导线等加热时可以收缩。
另一种方案是，可缩进结构可由低熔点材料(例如金-锡合金)制成，该材料在大约280℃时熔化，并聚结成与光学纤维隔开一定距离的小球。
如上所述，光电子封装件可执行许多功能。许多平面形的光电子装置必需精确地与包括光学纤维OF在内的其他光学或光电子元件对准。封装件10/20形成一种机械支承、可永久地或在设计寿命结束前的时间内保持所需要的对准。该装置放出一定量必需有效除去的热量。光学纤维从封装件10中进出。设有电气互相连接线EI，在大多数情况下，封装件10密封不漏气。
可缩进结构的组成
可缩进装置由受聚焦的辐射源加热时，可缩回至缩进位置的可缩进材料制成。该可缩进的材料从由多孔材料和受热作用会聚结成小球的低熔点合金组成的组中选择。
虽然，已用上述实施例说明了本发明，但本领域技术人员知道，在所附权利要求书的精神和范围内，可作各种改进，即：在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可对本发明的形式和细节作一些改变。因此，所有这些改变都在本发明的范围内，本发明包含了权利要求书的内容。

Claims (20)

1.一种光电子封装件，它包括：
从由电子装置和光电子装置组成的组中选择的至少一个有源装置；
从该有源装置引出的电气连接线；
从该有源装置引出的光学纤维接头；
一个导热性好的基座；该基座具有支承该有源装置，并与该有源装置有传热连接的垫台；
包括与基座粘接的侧壁的壳体；
该封装件具有从该有源装置引出的电气连接线通路；
该封装件具有从该有源装置引出的光学纤维接头通路；
气密性地密封壳体顶部的盖；该盖具有可缩进的装置，可在光学纤维上形成弯曲部分，当将该盖放在壳体上时，可使应变释放，在该盖密封了壳体后，用于在光学纤维上形成弯曲部分的可缩进装置缩进去。
2.如权利要求1所述的光电子封装件，其特征为，该垫台和基座具有内部电气连接，和在垫台与基座表面上的，用于与有源装置连接或粘接导线的接触垫。
3.如权利要求1所述的光电子封装件，其特征为，该可缩进的装置由多孔材料制成。
4.如权利要求1所述的光电子封装件，其特征为，该可缩进装置由受聚焦的辐射源加热时，可缩回至缩进位置的可缩进材料制成。该可缩进的材料从由多孔材料和受热作用会聚结成小球的低熔点合金组成的组中选择。
5.如权利要求1所述的光电子封装件，其特征为，该封装件包括从其侧壁伸出的纤维支承。
6.如权利要求1所述的光电子封装件，其特征为，该封装件包括从其侧壁伸出的，带有作出槽的凹部的纤维支承。
7.如权利要求1所述的光电子封装件，其特征为，通向有源装置的相互连接线穿过壳体。
8.如权利要求1所述的光电子封装件，其特征为，通向有源装置的相互连接线穿过基座。
9.如权利要求1所述的光电子封装件，其特征为，该基座由导热性好的陶瓷材料制成，并且通往有源装置的相互连接线穿过基座。
10.如权利要求1所述的光电子封装件，其特征为，基座为导电性好的结构，在垫台的顶面上有内部线路和垫。
11.一种光电子封装件，它包括：
一个电子装置；它由从半导体芯片或基片组成的组中选择的辅助元件构成；
从该辅助元件引出的电气连接线；
从该辅助元件引出的光学纤维的接头；
导热性好的基座；该基座具有支承该辅助元件，并与该辅助元件形成传热连接的垫台；
粘接在基座上的密封带；
一个壳体，它可利用锡焊或铜焊与密封带连接，形成气密性密封；
该壳体具有从辅助元件引出的电气连接线的侧面馈线，和该封装件具有从辅助元件引出的光学纤维接头的顶部馈线或槽；
气密性地密封壳体顶部的盖；该盖具有可缩进装置，用于在光学纤维上形成弯曲部分，当将盖放在壳体上时，可使应变释放；在盖密封壳体后，利用热或机械装置，可使在光学纤维上形成弯曲部分的该可缩进装置缩进去。
12.如权利要求11所述的光电子封装件，其特征为，该垫台和基座具有内部电气连接，和在垫台与基座表面上的，用于与有源装置连接或粘接导线的接触垫。
13.如权利要求11所述的光电子封装件，其特征为，该可缩进装置由多孔材料制成。
14.如权利要求11所述的光电子封装件，其特征为，该可缩进装置由受聚焦的辐射源加热时，可缩回至缩进位置的可缩进材料制成；该可缩进的材料从由多孔材料和受热作用会聚结成小球的低熔点合金组成的组中选择。
15.如权利要求11所述的光电子封装件，其特征为，该封装件包括从其侧壁伸出的纤维支承。
16.如权利要求11所述的光电子封装件，其特征为，该封装件包括从其侧壁伸出的，带有作出槽的凹部的纤维支承。
17.如权利要求11所述的光电子封装件，其特征为，通向有源装置的相互连接线穿过壳体。
18.如权利要求11所述的光电子封装件，其特征为，通向有源装置的相互连接线穿过基座。
19.如权利要求11所述的光电子封装件，其特征为，基座由导热性好的陶瓷材料制成，并且通往有源装置的相互连接线穿过基座。
20.如权利要求11所述的光电子封装件，其特征为，基座为导电性好的结构，在垫台的顶面上有内部线路和垫。
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