CN1607682A - 光电子器件的晶片级封装 - Google Patents

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弗兰克·S·格费
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卡丽·安·格思里
丹耶·杰格里斯·斯奈德
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Abstract

本发明公开了一种晶片级封装和形成晶片级封装的方法。该晶片级封装包括：第一晶片，所述第一晶片包括焊盘；所述第一晶片上的光电子器件；和包括衬垫的第二晶片。所述第二晶片通过所述衬垫和所述焊盘之间的焊接连接到所述第一晶片。

Description

光电子器件的晶片级封装
技术领域
本发明涉及光电子器件的晶片级封装。
背景技术
光电子(OE)器件一般作为单个的管芯(die)被封装。这样的组装方法常常很慢并且费力，导致更高的产品成本。因此，人们需要的是一种改善OE器件的封装的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种晶片级封装，包括：第一晶片，所述第一晶片包括焊盘；所述第一晶片上的光电子器件；和包括衬垫的第二晶片。所述第二晶片通过所述衬垫和所述焊盘之间的焊接(bond)连接到所述第一晶片。
根据本发明的另一个方面，提供了一种形成晶片级封装的方法，包括：在第一晶片上形成焊盘；将光电子器件定位于所述第一晶片上；在第二晶片上形成衬垫；以及利用所述衬垫和所述焊盘之间的焊接将所述第二晶片连接到所述第一晶片上。
附图说明
图1、2和3是在本发明一个实施例中光电子器件的晶片级封装的横截面。
图4、5和6是在本发明另一个实施例中光电子器件的晶片级封装的横截面。
在不同附图中，使用相同的标号表示类似或者相同的项目。横截面图没有按比例绘制，并且仅仅为了说明的目的。
具体实施方式
图1、2和3是用于本发明一个实施例中的光电子器件102的晶片级封装100(图3)的横截面。参考图1，封装100包括覆盖晶片104，覆盖晶片104具有衬垫106、108、过孔110和腔112。
覆盖晶片104可以是硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其他类似的材料。
衬垫106形成环绕封装100的周界，而衬垫108形成环绕过孔110的周界。取决于应用，衬垫106可以包括花纹面(tread)114。在一个实施例中，通过掩蔽并刻蚀覆盖晶片104来形成衬垫106和108。或者，衬垫106和108可以被沉积到覆盖晶片104上然后通过掩蔽并刻蚀或去除(liftoff)来进行图案化。
衬垫106和108的表面覆盖有焊接层116。在一个实施例中，焊接层116是被沉积并图案化的金(Au)，其中沉积通过溅射、蒸发或者镀覆进行，而图案化通过掩蔽并刻蚀或去除进行。可以在焊接层116与衬垫106和108之间形成阻挡金属层(没有示出)，以作为扩散阻挡层并提高焊接层材料和覆盖晶片材料之间的粘合力。
腔112包括倾斜表面118。在一个实施例中，通过掩蔽并刻蚀覆盖晶片104来形成腔112。表面118被反射层120覆盖以形成反射镜121。在一个实施例中，反射层120是被沉积并图案化的金(Au)，其中沉积通过溅射、蒸发或者镀覆进行，而图案化通过掩蔽并刻蚀或去除进行。类似于焊接层116，在反射层120和表面118之间可以沉积阻挡金属层，以作为扩散阻挡层并提高粘合力。如果结合材料116和反射材料120是相同的材料，则它们可以在同一时间被沉积。
封装100还包括基底晶片118，基底晶片118具有集成透镜113、焊盘120和接触盘122。基底晶片118可以是Si、GaAs、InP或者其他类似的材料。
在一个实施例中，集成透镜113是被形成为基底晶片118的一部分的衍射光学元件(DOE)。DOE 113可以由被刻蚀停止层所分隔的相移层的叠层图案化至所期望的透镜形状。相移层可以是非晶硅(α-Si)，刻蚀停止层可以是二氧化硅(SiO2)。或者，相移层可以是氮化硅(Si3N4)而不是非晶硅。
为了形成叠层，首先在衬底118上形成非晶硅层。非晶硅层可以通过低压化学气相沉积(LPCVD)或者等离子体增强化学气相沉积(PECVD)进行沉积。接着二氧化硅(SiO2)层被形成在非晶硅层上。二氧化硅层可以是在蒸气中550℃下热生长在非晶硅层上，或者通过PECVD进行沉积。重复进行形成非晶硅层和二氧化硅层的过程，以得到所期望的相移层层数。一旦叠层被形成，非晶硅层就被掩蔽，并被向下刻蚀至作为刻蚀停止层的下一个二氧化硅层。对于其余的相移层重复进行掩蔽和刻蚀的过程，以形成DOE 113。
焊盘120形成对应于衬垫106的围绕封装100的周界。接触盘122提供到光电子器件102的电连接。在一个实施例中，焊盘120和接触盘122是被沉积并图案化的金(Au)，其中沉积通过溅射、蒸发或者镀覆进行，而图案化通过掩蔽并刻蚀或去除进行。可以在基底晶片118和盘120和122之间形成阻挡金属层(没有示出)，以起到扩散阻挡层以及改善盘材料与基底晶片材料之间的粘合的作用。
光电子器件102位于基底晶片118上。光电子器件102通过引线焊接、焊料凸点焊接、倒装芯片技术或者其他的连接技术被电连接到接触盘122。取决于实施例，光电子器件102可以是边缘发射激光器(例如，Fabry-Perot或者分布式反馈(DFB)激光器)，或者垂直腔面发射激光器(VCSEL)。如果光电子器件102是边缘发射激光器，则其通常是被排列对齐并焊接到基底晶片118上的单独的管芯。如果光电子器件102是VCSEL，则其可以被直接生长在基底晶片118上。
基底晶片118可以包括附加的元件，诸如功率监控器(例如，光电二极管)、用于电连接的引线(例如，埋入式迹线)以及其他的有源和无源电路。
参考图2，覆盖晶片104被对齐并焊接到基底晶片118。取决于实施例，覆盖晶片104和基底晶片118之间的密封可以是也可以不是气密性的。
在一个实施例中，在衬垫106和焊盘120之间形成Au/Au热压焊接。通过同时施加预定时间的温度和压力(例如，在30到120兆帕之间，从320℃到400℃，持续2分钟到1小时)，来形成该热压焊接。在此实施例中，用于在衬垫106和焊盘120上的Au的阻挡金属层可以是(1)钛钨(TiW)/氧氮化钛钨(TiWNO)/TiW的三层、(2)钛/铂的双层、(3)铬/铂的双层、(4)氮化硅钨、(5)氮化硅钛、(6)二氧化硅/钛的双层、(7)二氧化硅/铬的双层或者(8)二氧化硅/钛钨的双层。阻挡金属层可以通过溅射或者蒸发进行沉积并通过掩蔽和刻蚀或去除进行图案化。阻挡金属层应提供良好的扩散阻挡性能并起到Au和Si之间的良好粘合层的作用，这样会得到没有缺陷的Au/Au焊接。
在另一个实施例中，在衬垫106和焊盘120之间形成Au/Si反应焊接。通过同时施加预定时间的温度和压力(例如，在60到120兆帕之间，从300℃到365℃，持续5分钟到30分钟)，来形成该反应焊接。在此实施例中，阻挡金属层由诸如Ti之类的粘合层替代，于是覆盖晶片104和基底晶片118上的Au和Si可以相互扩散并反应以形成由金-硅混合物构成的焊接。
在另一个实施例中，在衬垫106和焊盘120之间形成Au/Sn焊料焊接。
焊接材料的选择和覆盖晶片104与基底晶片118之间的焊接类型取决于许多因素，包括附着力要求、气密性要求以及光电子器件102和其他的集成电子器件容受焊接条件的能力。例如，如果光电子器件102是通过焊料焊接连接到基底晶片118上的边缘反射激光器，则在高温下的热压焊接可能引起焊料回流，所述焊料回流会导致激光器的不对准(misalign)。因此，用于覆盖晶片104的焊料焊接可能是更合适的。
参考图3，形成过孔接触(或插塞)142和过孔接触盘144，以提供到光电子器件102的电连接。在一个实施例中，覆盖晶片104的顶侧被研磨，以暴露出过孔110(图1和2)。然后通过各向同性刻蚀加宽过孔110。然后在过孔110中和围绕过孔110形成金属，以形成过孔接触142和接触盘144，所述过孔接触142和接触盘144被电连接到接触盘122。在一个实施例中，金属阻挡/粘合层通过溅射或者蒸发被沉积在覆盖晶片104上和过孔110的侧壁上，并随后通过掩蔽和刻蚀或去除被图案化。接着通过在金属阻挡/粘合层上方电镀Au来形成过孔接触142和接触盘144。或者，过孔接触142是通过溅射或者蒸发所沉积的Au。接触盘144然后可以通过掩蔽和刻蚀或去除被图案化，以形成所期望的形状。
在一个实施例中，边缘发射激光器102发出光146，所述光146被反射镜118向下反射。光146然后穿过基底晶片118，离开封装100。如果基底晶片118是硅，则封装100可应用于在1300nm范围(regime)内工作的单模发射器，其中在1300nm范围内硅基底晶片118是透明的。
图4、5和6是在本发明一个实施例中的用于光电子器件202的晶片级封装200(图6)的横截面。
参考图4，封装200包括覆盖晶片204，覆盖晶片204具有衬垫106和108、过孔110、腔212和集成透镜213。
覆盖晶片204可以是Si、GaAs、InP或者其他类似的材料。衬垫106和108以及过孔110按照如上所述的方法形成。腔212通过掩蔽和刻蚀覆盖晶片204而形成。
在一个实施例中，集成透镜213是按照上面针对集成透镜113所述的方法被形成为覆盖晶片204一部分的衍射光学元件(DOE)。
参考图4，封装200还包括基底晶片218，所述基底晶片218具有焊盘120和接触盘122。焊盘120和接触盘122按照上面描述的方法形成。
光电子器件202位于基底晶片218上。取决于实施例，光电子器件202可以是边缘发射激光器(例如，Fabry-Perot或者DFB)，或者VCSEL。如果光电子器件202是边缘发射激光器，则其通常被排列对齐并焊接到基底晶片218上。如果光电子器件202是VCSEL，则其可以被直接生长在基底晶片218上。
基底晶片218可以包括附加的元件，诸如功率监控器(例如，光电二极管)、用于电连接的引线(例如，埋入式迹线)以及其他的有源和无源电路。
参考图5，覆盖晶片204被对齐并焊接到基底晶片218上。衬垫106可以通过如上所述的热压、反应焊接或者焊料焊接被焊接到焊盘120上。
参考图6，形成过孔接触142和过孔接触盘144，以提供到光电子器件202的电连接。按如上所述的方法形成过孔接触142和接触盘144。
如图6所述，VCSEL 202发射光246穿过覆盖晶片204中的DOE213。如果覆盖晶片204是硅，则封装200可应用于在1300nm范围内工作的单模发射器，其中在1300nm范围内硅是透明的。
相对于现有的封装技术，上述的发明具有许多优点。这些优点包括但不限于，减小的劳动成本及随之而来的产品成本的明显下降、潜在地更快的循环周期和容易扩大到大量生产的能力。
被公开的实施例的特征的各种其他改编和组合落入本发明的范围。所附的权利要求覆盖许多的实施例。

Claims (38)

1.一种晶片级封装，包括：
第一晶片，所述第一晶片包括焊盘；
在所述第一晶片上的光电子器件；和
包括衬垫的第二晶片，所述第二晶片通过所述衬垫和所述焊盘之间的焊接被连接到所述第一晶片。
2.如权利要求1所述的封装，其中所述第二晶片包括反射镜，所述反射镜反射来自所述光电子器件的光穿过所述第一晶片。
3.如权利要求1所述的封装，其中所述第一晶片还包括接触盘，所述封装还包括过孔接触，所述过孔接触穿过所述第二晶片连接到所述接触盘。
4.如权利要求1所述的封装，其中所述第二晶片限定出用于容纳所述光电子器件的腔。
5.如权利要求1所述的封装，还包括所述衬垫上方的焊接层。
6.如权利要求5所述的封装，其中所述焊接层和所述焊盘包括金。
7.如权利要求6所述的封装，其中所述衬垫和所述焊盘之间的所述焊接是热压焊接。
8.如权利要求7所述的封装，还包括金属阻挡层，所述金属阻挡层位于(1)所述焊接层和所述衬垫之间和(2)所述焊接层和所述第一晶片之间的其中至少一处。
9.如权利要求8所述的封装，其中所述金属阻挡层选自由(a)钛钨/氧氮化钛钨/钛钨、(b)钛/铂、(c)铬/铂、(d)氮化硅钨、(e)氮化硅钛、(f)二氧化硅/钛、(g)二氧化硅/铬和(h)二氧化硅/钛钨组成的组。
10.如权利要求1所述的封装，其中所述衬垫和所述焊盘之间的所述焊接选自由反应焊接和焊料焊接组成的组。
11.如权利要求1所述的封装，其中所述衬垫包括带花纹表面。
12.如权利要求1所述的封装，其中所述光电子器件选自由边缘发射激光器和垂直腔面发射激光器组成的组。
13.如权利要求1所述的封装，其中所述第一晶片还包括有源电路和无源电路中的至少一个。
14.如权利要求1所述的封装，其中所述第一晶片还包括集成透镜。
15.如权利要求14所述的封装，其中所述集成透镜包括衍射光学元件。
16.如权利要求1所述的封装，其中所述第二晶片包括集成透镜，且所述光电子器件发射光穿过所述集成透镜。
17.如权利要求16所述的封装，其中所述集成透镜包括衍射光学元件。
18.一种用于形成晶片级封装的方法，包括：
在第一晶片上形成焊盘；
将光电子器件定位于所述第一晶片上；
在第二晶片上形成衬垫；以及
利用所述衬垫和所述焊盘之间的焊接将所述第二晶片连接到所述第一晶片上。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述将光电子器件定位的操作包括将所述光电子器件连接在所述第一晶片上。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述将光电子器件定位的操作包括在所述第一晶片上形成所述光电子器件。
21.如权利要求18所述的方法，还包括在所述第二晶片中形成反射镜，所述反射镜用于反射来自所述光电子器件的光穿过所述第一晶片。
22.如权利要求18所述的方法，还包括：
在所述第一晶片上形成接触盘；
形成过孔接触，所述过孔接触穿过所述第二晶片并耦合到所述接触盘。
23.如权利要求18所述的方法，还包括在所述第二晶片中形成腔，用于容纳所述光电子器件。
24.如权利要求18所述的方法，还包括在所述衬垫上形成焊接层。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述焊接层和所述接触盘包括金。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述焊接包括热压焊接。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述热压焊接包括利用30到120兆帕的压力在320到400℃下将所述第一晶片和所述第二晶片压在一起2分钟到1小时。
28.如权利要求26所述的方法，还包括在(1)所述焊接层和所述衬垫之间以及(2)所述焊接层和所述第一晶片之间两者至少一处形成阻挡金属层。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述阻挡金属层选自由(a)钛钨/氧氮化钛钨/钛钨、(b)钛/铂、(c)铬/铂、(d)氮化硅钨、(e)氮化硅钛、(f)二氧化硅/钛、(g)二氧化硅/铬和(h)二氧化硅/钛钨组成的组。
30.如权利要求18所述的方法，其中所述焊接选自由反应焊接和焊料焊接组成的组。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述反应焊接包括利用60到120兆帕的压力在300到365℃下将所述第一晶片和所述第二晶片压在一起5分钟到30分钟。
32.如权利要求18所述的方法，还包括在所述衬垫上形成花纹表面。
33.如权利要求18所述的方法，其中所述光电子器件选自由边缘发射激光器和垂直腔面发射激光器组成的组。
34.如权利要求18所述的方法，还包括在所述第一晶片中形成有源电路和无源电路中的至少一个。
35.如权利要求18所述的方法，还包括形成作为所述第一晶片一部分的集成透镜。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述集成透镜包括衍射光学元件。
37.如权利要求18所述的方法，还包括形成作为所述第二晶片一部分的集成透镜。
38.如权利要求37所述的方法，其中所述集成透镜包括衍射光学元件。
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