CN1599157A - 具有偏转反射镜和对准柱的光学器件封装件 - Google Patents

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布伦顿·A·鲍
罗伯特·E·威尔逊
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克里斯托弗·L·科尔曼
丹耶·J·斯奈德
詹姆斯·H·威廉斯
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Abstract

本发明公开了一种光电子封装件或子组件，所述光电子封装件或子组件包括边缘发射激光器以及将来自激光器的光束定向穿过底座的反射器。底座含有被电连接到激光器的无源或有源电路元件。使用在其中集成有反射器的顶罩或者使用包裹激光器的密封材料，激光器可以被保护不受环境影响。其尺寸适于与套筒配合的对准柱被安装在光信号从底座射出的位置。将对准柱插入套筒的一端，并且将光纤插入套筒的另一端使得光纤抵靠着柱，从而对准光纤以接收光信号。

Description

具有偏转反射镜和对准柱的光学器件封装件
技术领域
本发明涉及光电子器件封装技术，更具体地，涉及具有偏转反射镜和对准柱的光电子器件封装技术。
背景技术
诸如用于光收发器的激光二极管之类的半导体光电子器件可以使用晶片加工技术有效地被制造。通常，晶片加工技术在晶片上同时形成大量的(例如几千个)器件。然后，晶片被切割以分开单独的芯片。同时制造大量芯片使得每个芯片的成本低廉，但是通常每个芯片必须被封装和/或装配到一个系统中，该系统保护芯片，并提供电接口和光接口两者，以便芯片上的器件的使用。
因为需要将多个光学部件与半导体器件对准，所以含有光电子器件的封装件或系统的装配经常是高成本的。举例来说，光收发器芯片的发送侧可以包括从芯片边缘发射光信号的法布里泊罗激光器。然而，光信号的所希望的路径可能要求光从另一个方向射出，例如封装件的正面。偏转反射镜可以将光信号从其原来的方向偏转到所希望的方向。另外，可能需要透镜或者其他的光学元件来聚焦或者改变光信号，以及改善光信号到外部光纤中的耦合。偏转反射镜向芯片边缘、透镜向偏转反射镜以及光纤向透镜的对准会是耗费时间/代价高的处理。
晶片级的封装是一种用于减小光电子器件封装尺寸和成本的有前途的技术。利用晶片级封装，传统上被分别形成和固定的部件被改为制造在对应于多个封装件的一个晶片上。得到的结构可以单独地或者同时地被固定，并且以后可以被切割以分开单独的封装件。
人们在寻求能够减小光电子组件的尺寸和/或成本的封装技术和结构。
发明内容
按照本发明的一个方面，反射器和边缘发射激光器被固定到底座上。底座包括电连接到激光器的无源或有源电部件。底座还可以包括光学元件，并且反射器被定位以将来自激光器的光信号反射穿过底座。然后可以在底座上光信号射出的地方安装对准柱。在套筒的一端中插入该对准柱并在套筒的相对的一端中插入容纳了光纤的套管将使两者对准，从而获得光信号向光纤中的有效耦合。
激光器可以受被沉积在底座上以包裹激光器的透明密封材料所保护。或者，可以向底座固定一个顶罩以形成封闭激光器的腔，并且可以在顶罩之中构建反射器，作为腔壁的反射部分。
本发明的一个具体实施例是一种包括底座、边缘发射激光器和反射器的器件。底座包括导电迹线，并且边缘发射激光器被电耦合到导电迹线。反射器被定位以将来自边缘发射激光器的光信号反射穿过底座。对准柱可以在光信号射出的地方被固定到底座上。另外，例如衍射透镜的光学元件可以被固定在光信号的路径中，或者沿着光信号的路径被集成到底座中。
在本实施例的一种变化中，反射器是顶罩内壁的一个反射部分，该顶罩固定到底座上，以密闭地将激光器密封在腔内。或者，可以对底座应用例如硅树脂的透明密封材料，以包裹和保护激光器。
附图说明
图1示出按照本发明实施例，在半导体光学器件的晶片级封装处理过程中所形成的结构的一部分的横截面，其中使用引线接合来进行电连接。
图2示出按照本发明实施例，在半导体光学器件的晶片级封装处理过程中所形成的结构的一部分的横截面，其中使用倒装芯片结构来进行电连接。
图3A示出按照本发明实施例的用于光电子器件的底座的横截面。
图3B示出按照本发明实施例的在底座中包含有源电路的底座的平面图。
图4A和图4B示出按照本发明另一实施例的半导体光学器件封装件的顶罩的立体图。
图5示出按照本发明实施例的包含有顶罩和光学对准柱的光学器件封装件。
图6示出按照本发明实施例的使用密封材料和光学对准柱的光学器件封装件。
图7示出当与套筒和光纤连接器装配时的图5的光学器件封装件。
图8示出本发明的一个实施例，其中光学组件通过柔性电路板连接到刚性电路板。
在不同的图形中使用相同的标号表示类似或相同的项目。
具体实施方式
按照本发明的一个方面，边缘发射激光器的封装件包括底座和反射器，该反射器将来自激光器的光信号导向穿过底座。底座可以是半导体衬底，其包括固定到管芯上的有源或无源电路元件。对准柱可以在光信号从反射器被反射之后射出的地方被固定到底座上。反射器可以是分立的元件，或者可以是顶罩的一部分，所述顶罩固定到底座上，密闭地将激光器密封在腔内。当反射器是分立元件的时候，可以对激光器和底座应用透明的密封材料以保护激光器。
用于这些封装件的晶片级制造工艺将多个激光器固定到底座晶片上。反射器在适当位置被固定到底座晶片上，以反射来自各自激光器的光信号。反射器可以是分立的元件，或者可以是顶罩晶片中的腔的反射部分。对管芯(dice)的环境保护可以通过被应用以包裹激光器的密封材料来提供，或者可以由通过向底座晶片固定顶罩晶片而形成的密闭密封腔来提供。底座晶片被切割以分开单独的封装件。可以在分开单独的封装件之前或者之后将对准柱固定到底座上，以简化在光学子组件(OSA)中的封装件的对准。
图1示出按照本发明的一个实施例，在晶片级封装工艺过程中所产生的结构100。结构100包括多个边缘发射激光器110。激光器110可以采用传统的设计，并使用本领域中所公知的技术来制造。在一个具体的实施例中，各激光器100是在光收发器的传送部分中使用的法布里泊罗激光器。
每个激光器110都位于底座晶片120和顶罩晶片130之间所形成的腔140之一内。在图1的实施例中，激光器110被固定并电连接到底座晶片120上。激光器110可以使用传统的管芯粘接(die attach)设备被胶合或者以其他方式被固定在希望的位置。在结构100中，引线接合将激光器110上的接合焊盘115连接到晶片120上的内部接合焊盘122上。
晶片120大部分是由硅和/或其他对来自激光器110的光信号波长(例如，1100nm或者更长)透明的材料制成。晶片120还包括诸如将激光器110连接到外部端子124的接合焊盘122和电迹线或过孔(没有示出)之类电路元件。在所示的实施例中，外部端子124在底座晶片120的顶面上，但是外部端子或者也可以设置在底面上。另外，可以在晶片120中结合诸如晶体管、放大器或监测器/传感器之类的有源器件(没有示出)。
顶罩晶片130被制造成包括在对应于底座晶片120上的激光器110的区域中的凹入部分或者腔140，以及在外部端子124之上的区域中的锯槽144。晶片130可以由硅或者适于形成预期形状的腔140的任何方便的材料制成。腔140可以以多种方式被形成，包括但不限于成形、铸造、超声波加工和(各向同性、各向异性或等离子体)刻蚀。
包括腔140的顶罩晶片130表面的全部或者部分是反射性的，或者涂覆以反射材料，以便在所需的位置将反射器150集成到顶罩晶片130中，以将来自激光器110的光信号反射到希望的方向。在示例实施例中，通过沉积反射金属形成了反射器150，但是金属可能被限制在选定的区域中，以避免当焊料将晶片120和130接合在一起的时候的吸焊(wicking)。反射器150可以是平面的，仅将光信号反射或偏转到希望的方向，但是如果需要，也可以是非平面的，以提供光束成形。
在示例性的实施例中，顶罩晶片130是硅的，并且对硅的各向异性刻蚀形成了在硅晶体结构的<111>面上具有非常光滑的平面刻面的腔140。反射器150是用诸如钛/铂/金的金属叠层之类的反射材料涂覆的刻面。反射器150的优选角度是相对于晶片130的表面45°，以便反射器150将激光器110平行于晶片120的表面所发射的光信号反射到与底座晶片120的表面垂直的方向。偏轴9.74°切割的硅晶片可以被用来获得各反射器150的45°的角度。不过，对同轴或者以不同角度偏轴切割的硅进行刻蚀可以产生不同角度的反射器150，可以适合于许多应用。
可选地，诸如透镜或棱镜之类的光学元件160可以沿着来自激光器110的光信号的路径被固定到或者被集成到底座晶片120中。在图1中，光学元件160是被集成到晶片120中的透镜，用来聚焦光信号，以便更好地耦合到光纤或者在图1中没有示出的其他光学器件之中。题为“具有放宽的对准公差的光纤耦合器(Optical Fiber Coupler Having a RelaxedAlignment Tolerance)”美国专利申请No.10/210,598公开了当希望将光信号耦合到光纤中的时候适合于光学元件160的双焦点衍射透镜。
底座晶片120和顶罩晶片130被对准并接合在一起。可以使用多种晶片接合技术来固定晶片120和130，这些技术包括但不限于焊接、热压接合或者用粘合剂接合。在本发明的示例性实施例中，使用金/锡共晶焊料将晶片120和130彼此焊接，并密闭地密封腔140。对腔140的密闭密封保护了被封闭的激光器110不受环境的损害。
晶片120和130被接合之后，结构100可以被切割以产生单独的封装件，每个封装件包括一个被密闭地密封在腔140中的激光器110。具体地说，锯槽144允许顶罩晶片130沿着线136锯开，而不损坏诸如外部端子124之类的下面的结构。在锯开顶罩晶片130之后，可以沿着线126切割底座晶片120，以分开单独的封装件。
图2示出了按照本发明另一个实施例的结构200，其使用倒装芯片结构来将激光器210固定到底座晶片220上。对于倒装芯片封装，激光器210上的接合焊盘212被定位以接触底座晶片220上的导电柱或凸起222。凸起222一般含有可以被回流以在物理和电气上将激光器210固定到晶片220上的焊料。底层填料(没有示出)也可以被用来提高激光器210和底座晶片220之间的机械完整性。除了用于将激光器固定和电连接到晶片220上的方法之外，结构200基本上与上面所描述的结构100相同。
虽然图1和图2示出了在晶片级封装工艺过程中所形成的结构，但是类似的技术也可以被用于单个的边缘发射激光器，其中，反射器将来自激光器的光信号重定向而穿过底座。
图3A示出了按照本发明的示例性实施例的用于光学器件封装件的底座300的横截面。对于晶片级封装工艺，底座300将是底座晶片的一部分，并且仅在如上面所描述的接合底座晶片之后与其他类似的底座分开。或者，对于单个封装件的制造，可以在光学器件芯片被固定到底座300上之前，将底座300与其他类似的底座分开。
底座300可以使用晶片处理技术来制造，例如在共同提交的题为“集成光学器件和电子学器件(Integrated Optics And Electronics)”、代理卷号为10030566-1的美国专利申请中所描述的那些技术。在所示的实施例中，底座300包括硅衬底310，其对于使用长波光的光信号是透明的。
在硅衬底310上，通过例如构建交替的多晶硅和氧化物层来获得衍射或折射透镜的希望的形状或特性，以形成透镜320。共同提交的题为“制造衍射光学元件的方法(Methods to Make Diffractive OpticalElements)”、代理卷号为10030769-1的美国专利申请描述了适于制造透镜320的一些步骤。
在硅衬底310上形成有经平坦化的绝缘层330，以保护透镜320，并提供在其上可以对敷金属进行图案化的平坦表面。在本发明的示例性实施例中，层330是大约10,000埃厚的TEOS(四乙基原硅酸盐)层。
可以从例如10,000埃厚的TiW/AlCu/TiW叠层的金属层图案化得到导电迹线340。在示例性的实施例中，一种形成迹线340的处理包括将金属蒸镀到层330上，以及用于去除多余金属的剥落(lift-off)处理。可以沉积绝缘层332(例如，另一大约10,000埃厚的TEOS层)，以填埋和绝缘迹线340。绝缘层可以包括开口338，其可选择地用金(没有示出)覆盖，以提供使用引线接合进行电连接的能力。以这种方式可以构建任何数量的掩埋迹线层。可以在其他绝缘层之上形成相对较硬并且抗化学腐蚀的材料的钝化层334，例如大约4500埃厚的一层氮化硅，以保护在下面的结构。为了接合/焊接到顶罩上，在钝化层334上形成金属层360(例如，大约5,000埃厚的钛/铂/金叠层)。
上面所描述的封装件中的底座可以结合无源或者有源线路。图3B示出了包括衬底310的底座350的布线图，在该衬底中和该衬底上制造有有源电路370。有源电路370可以被用于处理来自将要被固定到底座350上的一个或者多个芯片的输入或输出信号。衬底310是半导体衬底，在其上可以使用标准的IC工艺技术制造集成有源电路370。一旦铺设了电路370，用于连接到光电子器件管芯和外部接合焊盘的内部焊盘或端子342，或者用于与外界连接的端子344，被形成并互相连接和/或连接到有源电路370。在图3B所示出的实施例中，外部焊盘344提供电源、地和数据信号之类的I/O信号。
光学元件320位于衬底310的没有电子迹线或部件的区域中，以提供光信号的反射路径。
用于固定顶罩的焊环360形成在有源电路370和外部接合焊盘344之间。其尺寸允许使用外部接合焊盘344的独立顶罩可以被固定到焊环360。或者，在一个顶罩晶片中制造多个顶罩的晶片级封装工艺中，顶罩晶片可以在顶罩晶片被固定到底座晶片之前部分地被刻蚀，以容纳外部焊盘344。
图4A示出适合于固定到图3A的底座300上的顶罩400的立体图。顶罩400可以使用标准晶片处理技术来制造。在本发明的示例性实施例中，对硅衬底410的各向异性刻蚀形成了腔420，其在硅晶体结构的<111>面上具有非常光滑的刻面430。至少腔420的目标刻面430是反射性的，或者用反射材料(例如，钛/铂/金的金属叠层)涂覆。这使得顶罩400的刻面430可以用作反射器。
图4B示出按照本发明另一实施例的顶罩450的立体图。顶罩450包括结构460，该结构由两层构成，包括支架环(standoff ring)462和背衬板464。顶罩450的一个优点是两个层462和464可以被不同地处理，并且/或者由不同的材料构成。具体地说，支架环462可以由硅构成，其完全被刻穿以形成具有希望角度的平面反射镜面430的环，而背衬板464可以由例如玻璃的对较短光波长透明的材料构成。
为了使用底座300和顶罩400或450装配光学器件封装件，使用传统的管芯粘接和引线接合处理，或者可替换地使用倒装芯片封装处理，将激光器安装在底座300上。与底座300上迹线340的电连接可以向激光器提供电源，并向芯片传输数据信号或者传输来自芯片的数据信号。在激光器被固定之后，顶罩400或450固定到底座300上。这可以在单个封装件的级别或者如上面所描述的在晶片级别进行。密闭密封可以通过以下方法来实现：在底座300或顶罩400上图案化AuSn(或其他焊料)，使得在将晶片放到一起时，焊料回流过程形成保护所封激光器的密闭密封。
图5示出了按照本发明实施例的光学子组件或封装件500。封装件500包括边缘发射激光器510。激光器510被安装并电连接到底座520上，并被密封在腔540中，该腔当顶罩530被接合到底座520上的时候被密闭地密封。腔540示出了一种结构，其中顶罩530由硅构成，该硅具有与底部和顶部主面呈9.74°角的<100>面。顶罩530可以被湿法刻蚀，以便用于反射器550的表面沿着硅衬底的<111>面形成，并从而与顶罩530和底座520的主面呈45°角。
按照本发明的一个方面，监测器芯片515也被安装并电连接到底座520上。监测器芯片515包含测量来自激光器510的光信号强度的光电二极管。这使得能够监控激光器510中的激光，以保证一致的输出。
柱560向激光器510发射的经反射器550反射之后的光信号对准。具体来说，柱560可以用环氧树脂粘合在底座520上，使其位于光束出射的位置。柱560可以采用许多形式，包括但不限于空心圆柱体或者光学透明材料的例如圆柱体或球体的实心结构。柱560起到对准功能元件的作用，用于将连接器中的光纤对准从封装件500中的激光器所发出的光。
图6示出按照本发明另一实施例的光学子组件或封装件600。封装件600包括如上面所描述地被连接到底座520上的芯片510和515。代替具有有着被集成的反射器的顶罩，封装件600具有将来自激光器510的光信号反射穿过底座520的反射器630。反射器630可以由玻璃、硅或者可以被成型并被涂覆以提供具有希望的定向的反射刻面的任何适合的材料构成。柱560在光信号从底座520射出的地方被固定到底座520上。
例如硅树脂或者对光信号透明的其他适合的材料的密封材料640包围并保护管芯510和515。图6示出了密封材料640包裹芯片510和515以及反射器，但是，密封材料640的大小和形状可以不同。通常，密封材料640应当足够多以覆盖芯片510和515和填充激光器510与反射器630之间的空间，以最小化对光信号的破坏。例如除气的传统的技术以及密封材料640的谨慎应用可以被用于避免在传送穿过密封材料640期间对光信号的破坏。
图7示出含有图5的子组件500的光学组件700。含有子组件600的光学组件可以与该结构类似。组件700包括套筒720，该套筒容纳了封装件500的柱560以及套管740中的光纤730。套管740可以是传统的光纤连接器(没有示出)的一部分。套筒720基本上是具有膛的中空圆柱体，该膛接纳柱560和套管740两者。因此，套筒720一端的内径尺寸可以被制造为一定大小以接纳标准光纤套管，套管可以是任何尺寸，但是直径一般为1.25mm或者2.5mm。对于图7的套筒720中所示的均匀的膛，柱560具有与套管740的直径相匹配的直径。或者，套筒720中的膛的直径可以在每一端不同，以分别容纳柱560和套管740。在另一个可替换的实施例中，套筒720和套管740的功能可以被结合在单个结构中，该结构含有与容纳了柱560(例如，具有约1mm或者更大的直径)的开口相对准的光纤(例如，具有约125μm的典型裸径)。
柱560的顶面用作光纤限位器，控制套管740的“z”向位置，从而控制光纤730相对于激光器510的“z”向位置。据此选择柱560的长度来有效地将来自封装件500的光信号耦合到抵靠着柱560的光纤中。具体地说，柱560的长度取决于可能在底座520中或者其上形成的所有聚焦元件。
柱560和套管740在套筒720中的配合限定了柱560和光纤730在“x-y”平面中的位置。通过这种方法，光纤730在x-y平面中相对于柱560被对中，从而将从激光器510发射的光对中到光纤730上。因此，在制造封装件500过程中对具有希望长度的柱560的正确的定位简化了光纤730的对准，用于有效地耦合光信号。
外部端子封装件500或600通常被连接到含有光发送器或者光收发器的其他部件的电路板上。图8示出本发明的一个实施例，其中，在封装件顶面上的端子连接到柔性电路810。柔性电路810通常是含有可以被焊接到封装件500或600的外部端子的导电迹线的柔性带或者衬底。可以形成穿过柔性电路810的孔以容纳突出结构，例如封装件500或600的顶罩530或者密封材料640。刚性电路板820通过柔性电路810和封装件中的底座电连接到封装件500或600中的光电子器件，在该刚性电路板上安装了光发送器或收发器的其他部件830。在本发明的另一实施例中，如果得到的套筒720的定向对于光纤连接器来说是方便的，则封装件500或600的外部端子可以被直接连接到刚性电路板。
本发明涉及以下共同提交的美国专利申请：序列号未知，题为“Alignment Post for Optical Subassemblies Made With Cylindrical Rods，Tubes，Spheres，or Similar Features”，代理人案卷No.10030442-1；序列号未知，题为“Wafer-Level Packaging of Optoelectronic Devices”，代理人案卷No.10030489-1；序列号未知，题为“Integrated Optics andElectronics”，代理人案卷No.10030566-1；序列号未知，题为“Methodsto Make Diffractive Optical Elements”，代理人案卷No.10030769-1；序列号未知，题为“Optoelectronic Device Packaging With Hermetically SealedCavity and Integrated Optical Element”，代理人案卷No.10030386-1；序列号未知，题为“Surface Emitting Laser Package Having Integrated OpticalElement and Alignment Post”，代理人案卷No.10030807-1；序列号未知，题为“Optical Receiver Package”，代理人案卷No.10030808-1。以上专利申请通过全文引用被结合于此。
虽然已经参考特定的实施例描述了本发明，但是这些描述仅是本发明的应用的示例，并且不应被视作限定。所公开的实施例的特征的各种改变和组合都落入如权利要求所定义的本发明的范围之内。

Claims (16)

1.一种器件，包括：
含有导电迹线的底座；
电耦合到所述导电迹线的边缘发射激光器；和
被定位以将来自所述边缘发射激光器的光信号反射穿过所述底座的反射器。
2.根据权利要求1所述的器件，还包括在所述光信号从所述底座射出的位置被固定到所述底座上的对准柱。
3.根据权利要求1所述的器件，还包括在所述光信号路径中的透镜。
4.根据权利要求3所述的器件，其中，所述透镜沿着所述光信号路径被集成在所述底座中。
5.根据权利要求3所述的器件，其中，所述透镜包括衍射光学元件。
6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述反射器包括覆盖于管芯上的顶罩中的腔的内壁的一部分。
7.根据权利要求6所述的器件，其中，所述顶罩固定到所述底座上，以将所述管芯密闭地密封在所述腔中。
8.根据权利要求1所述的器件，还包括被固定到底座上并包裹所述管芯的透明密封材料。
9.根据权利要求8所述的器件，其中，所述密封材料包括硅树脂。
10.一种工艺，包括：
将激光器电连接到底座上；以及
在一个位置将反射器固定到所述底座上，使得来自所述激光器的光信号能够被反射穿过所述底座。
11.根据权利要求10所述的工艺，还包括在所述光信号射出的位置将对准柱固定到所述底座上。
12.根据权利要求10所述的工艺，还包括将所述激光器密封在保护所述激光器的透明材料中。
13.根据权利要求12所述的工艺，其中，所述透明材料包括硅树脂。
14.根据权利要求10所述的工艺，其中，所述激光器是边缘发射激光器。
15.根据权利要求10所述的工艺，其中，所述激光器的电连接包括将多个激光器连接到包括底座的底座晶片上。
16.根据权利要求15所述的工艺，还包括切割所述底座晶片以将所述底座与类似的底座分开。
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