CN1835308A - 微波光子晶体共面波导在高速光电子器件封装中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电子器件制造工艺技术领域，是具有微波光子晶体结构的共面波导在高速光电子器件中的使用。使用一种热沉在其上面制作共面微波微带电路、背光探测电路和温度探测电路，并在热沉背面覆镀导体地平面。在热沉上使用背面接地的共面波导，共面波导中心导体的终端设计成圆形，中心导体两侧布置的地平面在终端延伸并包围圆形中心导体，形成了一个整体的共面地平面。本发明的共面波导具有导热性好、机械强度高和制造成本低的特点。

Description

微波光子晶体共面波导在高速光电子 器件封装中的应用
技术领域
本发明涉及光电子器件制造工艺技术领域，更具体说是具有微波光子晶体结构的共面波导在高速光电子器件中的使用。
背景技术
随着光电器件和集成技术的日益发展，在光传输系统中越来越多地使用了高性能、低成本、小外形尺寸和低功耗的光电器件。一个光电子器件要投入到系统当中应用，其耦合封装的结构设计对于该器件的高频特性、可靠性和使用寿命等多方面的性能有着决定性的影响。
把经过组装和电互连的光电器件芯片与相关的功能器件和电路等，封入一特制的管壳内，并通过管壳内的光学系统与外部实现光连接，这一工艺称为光电器件封装工艺。光电子器件的后道封装是非常重要的工序，它不仅关系到器件的稳定性和可靠性，而且不同的管壳结构和封装形式还会影响器件的性能参数。
随着技术的发展，封装结构正趋向于小型化和多功能模块化。蝶形封装由于内部空间较大，通常安装有半导体制冷器和热敏电阻，并且能够放置一些微波微带电路。通过半导体制冷器和热敏电阻，结合外部控制电路，能够保证半导体芯片(如激光器、探测器、调制器等)工作在一个恒定的工作温度。而微波微带电路对于减少封装对半导体光电器件高频响应特性的影响起到很明显的作用。在进行高速光电子器件结构设计时，微带线是常用的高速信号传输线。然而，微带线的损耗是影响器件最终高频性能的一个重要因素。过大的损耗会使高频信号的幅度下降，最终影响器件的高频响应特性。同时，损耗对频率的依赖关系会导致在微带中传输的信号发生变形。
在较高频率下引起微带线的损耗可能的原因有两方面，一是导体材料和电介质本身在频率较高时性能变差，损耗角正切随频率的升高而增大；二是辐射损耗和表面波传输。当频率超过10GHz时，这两种损耗变的十分显著，对于Al2O3、AlN等这种相对电容率较大的材料尤为如此。另外，辐射和表面波会引起微带线和其他电路之间的寄生耦合使电磁兼容(EMC)性能下降。通常，有两种方法可以抑制电磁辐射。1)可以选用高介电常数的材料，尽量使电磁场束缚于介质中。但这种设计引起的介电损耗也很大。2)在微带线两侧设置地平面，则可大大减小电磁波的辐射，这种结构就是共面波导(CPW)，通常这种波导的介质基底覆设导体形成背面接地的共面波导(CB-CPW)。相对于传统的CPW，背面接地具有低的特征阻抗和热沉特性并可以提高衬底的机械强度。然而，这种微带线会在顶部和底部的地平面之间产生平行板泄漏模，并且它在整个频率范围内都存在。这种结构会在传输参数S21的特定频率点形成共振吸收峰。随频率的增加，这种现象会越来越严重，同时还增强了表面波的产生。它使沿微带中心导体传输的能量部分地泄漏到地当中去。
由于目前的光电子器件应用的频率越来越高，例如，半导体激光器的带宽最高已超过20GHz，光电探测器和半导体调制器的带宽已超过40GHz等。为了提高光电子器件的整体性能和降低成本，今天的高速光电子器件封装迫切需要区别于传统的设计方法和新的制造工艺和技术。
发明内容
为了解决背面接地的共面波导由于平行板模的存在产生的能量泄漏的问题，本发明目的在于提供一种新的传输线结构，即背面接地的共面波导，把具有紧凑的周期性光子晶体结构刻蚀在顶部接地板上，利用光子晶体在某个频率范围内具有阻带效应可以有效地抑制平行板模的产生，阻止了能量向地平面的泄漏，从而降低信号在某个频段率范围上的传输损耗。这种周期结构的电磁特性可以用集总的电路单元(电容或电感)来表达，通过周期布置的电感和电容的耦合效应，会产生一个阻带，其中心频率由光子晶体的周期决定，阻带的宽度和深度由周期单元的结构尺寸决定，且截止频率处的带边很陡峭。当阻带的宽度设计的较大时，这种二维周期光子晶体的行为具有低通滤波器的功能。当高频信号从共面微带上传输时，由于光子晶体的阻带效应，地平面间的平行板模被抑制，从而传输的能量不会通过平行板模泄漏到地平面上。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在高速光电子器件封装(如本发明例举的蝶形封装)中，使用背面接地的共面波导传输高频信号。这种波导的特征在于：1)背面接地的共面波导制作在整块热沉上；2)共面波导和热沉的电介质材料为AlN，在其背面铺设导体地平面；3)在电介质的上面，波导中心导体的终端设计成圆形，中心导体两侧布置的地平面在终端延伸并包围圆形中心导体，形成了一个整体的共面地平面；4)波导顶部接地层上刻蚀有周期性微波光子晶体单元结构。
技术方案
微波光子晶体共面波导在高速光电子器件封装，使用一种热沉在其上面制作共面微波微带电路、背光探测电路和温度探测电路，并在热沉背面覆镀导体地平面。
在热沉上使用背面接地的共面波导，共面波导中心导体的终端设计成圆形，中心导体两侧布置的地平面在终端延伸并包围圆形中心导体，形成了一个整体的共面地平面。
半导体芯片与微波微带电路的连接，半导体芯片的正极通过一个矩形导体块与圆形中心导体接触，其负极通过金丝焊在中心导体两侧的地平面上。
背面接地的共面微带线上使用光子晶体结构，在背面接地的共面波导的顶部接地层上刻蚀周期性微波光子晶体结构单元组成二维周期性金属微波光子晶体地平面。
本发明的有益效果是：1)使用背面接地的共面波导可以有效地减少高频信号向外的电磁辐射；2)半导体芯片通过一个矩形导体块放置在共面波导的圆形中心导体上，芯片的另一极通过金丝与共面地平面连接。这种设计可以减少金丝的使用数量，因而减弱了金丝电感对器件频响的影响。3)由于中心导体和其上的芯片包围于刻蚀了微波光子晶体的地平面，这种设计能抑制在背面接地的共面传输线上产生的平行板泄漏模。同时，通过对泄漏模的抑制可以降低传输损耗和保证信号的完整性。4)这种共面波导具有导热性好、机械强度高和制造成本低的特点，通过合理的尺寸设计容易达到50Ω特征阻抗。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1是其中一种二维光子晶体结构单元的细节图
图2是一种地平面刻蚀二维周期光子晶体结构的共面波导顶视图。
图3是蝶形封装器件中热沉的主视图和沿A-A方向的横截面剖面图。
图4是蝶形封装的高速光电子器件内部结构图。
具体实施方式
具有光子晶体结构的背面接地共面波导，其制作工序完全与传统的背面接地的共面波导相同。请参阅附图。
在图1、图2、图3、图4的实施例中，选择热沉11的材料为AlN。使用化学电镀技术，在热沉顶面镀上材料为Cu的温度探测电路1和背光探测电路3，以及共面微波微带电路4的中心导体9和地平面8；在热沉的背面电镀出整块导体地平面5。然后，根据需要截止的电磁场模式选择光子晶体单元，就如图1所给的其中一种结构形状。通过曝光显影和刻蚀工艺，在共面波导的顶部地平面上刻蚀出周期性光子晶体结构8。把这种具有共面传输线结构4的热沉11应用到蝶形封装的光电子器件当中，所有微带电路都通过金丝14与蝶形管壳16的管脚13相连。半导体芯片2通过一个矩形导体块放置在共面波导圆形的中心导体上，并通过金丝14与地平面8接通。同时，在共面微带电路4上设匹配电阻7与输入阻抗匹配，而直流通路放置电感12起隔交的作用。整个热沉放置在半导体制冷器15上以保持器件内部恒温。

Claims (4)

1.微波光子晶体共面波导在高速光电子器件封装，其特征在于，使用一种热沉在其上面制作共面微波微带电路、背光探测电路和温度探测电路，并在热沉背面覆镀导体地平面。
2.根据权利要求1的微波光子晶体共面波导在高速光电子器件封装，其特征在于，在热沉上使用背面接地的共面波导，共面波导中心导体的终端设计成圆形，中心导体两侧布置的地平面在终端延伸并包围圆形中心导体，形成了一个整体的共面地平面。
3.根据权利要求1的微波光子晶体共面波导在高速光电子器件封装，其特征在于，半导体芯片与微波微带电路的连接，半导体芯片的正极通过一个矩形导体块与圆形中心导体接触，其负极通过金丝焊在中心导体两侧的地平面上。
4.根据权利要求1的微波光子晶体共面波导在高速光电子器件封装，其特征在于，背面接地的共面微带线上使用光子晶体结构，在背面接地的共面波导的顶部接地层上刻蚀周期性微波光子晶体结构单元组成二维周期性金属微波光子晶体地平面。
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