CN213026141U - 光电子芯片气密性封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光电子芯片气密性封装结构。所述光电子芯片气密性封装结构包括相配合的管座与管帽，以及封装设置于所述管座与管帽之间的光电子芯片，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述透镜与光电子芯片对应设置，所述管座上设置有贯穿所述管座的第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件，所述光电子芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述第一表面与第二表面相背对设置。基由本实用新型提供的光电子芯片气密性封装结构的器件体积可以大大减小，焊接时可以无需进行耦合，可以有效降低成本，提高效率；集成的微型透镜精度高、性能好、对准精确，可以有效提高系统性能。

Description

光电子芯片气密性封装结构

技术领域

本实用新型特别涉及一种光电子芯片气密性封装结构，属于半导体制造技术领域。

背景技术

目前在光通信、光传感等工业领域大量使用的接收/探测器件，一般使用金属管壳封装，如TO-46，TO-5等。这种封装一般由金属管座，金属管帽以及烧结在管帽上的透镜/窗口三部分组成。接收/探测芯片首先被贴装在管座上，然后通过金属引线的方式将正负极引出。之后再将金属管帽与管座进行储能焊进行焊接，形成气密性封装。这种封装方式，受到机械加工条件限制，造成体积较大，精度不高。在焊接之前，需要将两者进行对准耦合，封装效率较低。此外，由于玻璃透镜使用烧结的方式固定到管帽上，因此精度不高，耦合效率较差。此外，玻璃透镜的焦距较大，使得封装后的体积也无法进一步缩小。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的主要目的在于提供一种光电子芯片气密性封装结构，通过在绝缘衬底上通孔将芯片管脚引出，使用半导体工艺制作的、集成了内凹腔和微型透镜的管帽，将两者通过直接键合、焊料焊接等手段连接以后形成气密性封装结构。

为实现前述目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种光电子芯片气密性封装结构，包括相配合的管座与管帽，以及封装设置于所述管座与管帽之间的光电子芯片，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述透镜与光电子芯片对应设置，所述管座上设置有贯穿所述管座的第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充(设置有)与所述通孔形状匹配的导电金属件，所述光电子芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述第一表面与第二表面相背对设置。

在一些较为具体的实施方案中，所述光电子芯片的电极通过引线与所述通孔内的导电金属件电连接。

在一些较为具体的实施方案中，所述管座包括绝缘衬底。

在一些较为具体的实施方案中，所述绝缘衬底选自硅片、陶瓷片或石英玻璃片，且不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述绝缘衬底设置有导电图形，所述光电子芯片的电极通过引线与所述导电图形电连接，所述导电图形通过引线所述通孔内的导电金属件实现电连接。

进一步的，所述导电图形的材质选自Cr、Ni、Ti、Al、Au中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述管帽本体的第一表面上一体成型设置有所述透镜，所述管帽本体的第二表面上一体形成有内凹腔，所述内凹腔至少用于容置一光电子芯片。

在一些较为具体的实施方案中，所述光电子芯片包括探测器芯片、激光器芯片、放大器芯片或驱动芯片，且不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述管帽选自硅管帽或玻璃管帽。

在一些较为具体的实施方案中，所述管帽与管座通过焊接固定连接。

进一步的，所述焊接固定使用的焊料选自Cr、Ni、Ti、Al、Au、Sn中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

进一步的，所述焊接固定使用的焊料可以是低温焊料金属的组合。

本实用新型实施例还提供了一种光电子芯片气密性封装结构，其包括由一体设置的两个以上管座组成的管座晶圆、由一体设置的两个以上管帽组成的管帽晶圆，所述管帽晶圆与管座晶圆焊接固定，其中每一管座与相配合的一个管帽以及封装设置于该管座和管帽之间的至少一光电子芯片形成一封装单元，所述封装单元能够被分割形成彼此独立的器件。

与现有技术相比，基由本实用新型实施例提供的光电子芯片气密性封装结构，封装结构的器件体积可以大大减小，焊接时可以无需进行耦合，可以有效降低成本，提高效率；集成的微型透镜精度高、性能好、对准精确，可以有效提高系统性能。

附图说明

图1是本实用新型光电子芯片气密性封装结构的结构示意图；

图2是本实用新型制作形成管座的流程结构示意图；

图3是本实用新型制作形成管帽的流程结构示意图；

图4是本实用新型一典型光电子芯片气密性封装结构的结构示意图；

附图标记说明：1-管座，2-管帽，3-光电子芯片，4-引线，11-绝缘衬底，12-导电图形，13-导电金属件，21-透镜，22-内凹腔，131-引出电极区域，132-引出电极区域，100-管座晶元，200-管帽晶元。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本实用新型实施例提供了一种光电子芯片气密性封装结构，包括相配合的管座与管帽，以及封装设置于所述管座与管帽之间的光电子芯片，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述透镜与光电子芯片对应设置，所述管座上设置有贯穿所述管座的第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件，所述光电子芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述第一表面与第二表面相背对设置。

在一些较为具体的实施方案中，所述光电子芯片的电极通过引线与所述通孔内的导电金属件电连接。

在一些较为具体的实施方案中，所述管座包括绝缘衬底。

在一些较为具体的实施方案中，所述绝缘衬底选自硅片、陶瓷片或石英玻璃片，且不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述绝缘衬底设置有导电图形，所述光电子芯片的电极通过引线与所述导电图形电连接，所述导电图形通过引线所述通孔内的导电金属件实现电连接。

进一步的，所述导电图形的材质选自Cr、Ni、Ti、Al、Au中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述管帽本体的第一表面上一体成型设置有所述透镜，所述管帽本体的第二表面上一体形成有内凹腔，所述内凹腔至少用于容置一光电子芯片，所述第一表面与第二表面相背对设置。

在一些较为具体的实施方案中，所述光电子芯片包括探测器芯片、激光器芯片、放大器芯片或驱动芯片，且不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述管帽材质选自硅质管帽或玻璃管帽。

在一些较为具体的实施方案中，所述管帽与所述管座通过焊接固定连接。

进一步的，所述焊接固定使用的焊料选自Cr、Ni、Ti、Al、Au、Sn中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

进一步的，所述焊接固定使用的焊料可以是低温焊料金属的组合。

本实用新型实施例还提供了一种光电子芯片气密性封装结构，其包括由一体设置的两个以上管座组成的管座晶圆、由一体设置的两个以上管帽组成的管帽晶圆，所述管帽晶圆与管座晶圆焊接固定，其中每一管座与相配合的一个管帽以及封装设置于该管座和管帽之间的至少一光电子芯片形成一封装单元，所述封装单元能够被分割形成彼此独立的器件。

如下将结合附图以及具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

请参阅图1，一种光电子芯片气密性封装结构，包括相配合的管座1与管帽2，以及封装设置于所述管座与管帽之间的光电子芯片3，帽本体具有相背对设置的第一表面与第二表面，管帽本体的第一表面上一体成型有透镜21，管帽本体的第二表面上一体形成有内凹腔22，内凹腔22至少用于容置一光电子芯片3，透镜21与光电子芯片3对应设置；管座1包括绝缘衬底11、绝缘衬底11上设置的导电图形12以及贯穿所述管座1的第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件13，所述光电子芯片3的电极通过引线4与所述导电图形12连接，所述导电金属件13的引出电极区域131与导电图形12连接或者直接与所述引线4连接，所述导电金属件13的引出电极区域132设置于管帽2的外侧，管帽2与相应的管座1的绝缘衬底11接触面/线之间焊接密封。

在一些较为具体的实施方案中，也可以在管座1上设置用于容置光电子芯片3的内凹腔或类似构造，管帽的第二表面可以是平面。

请参阅图2，管座加工的具体步骤包括：

1)制作绝缘衬底11的步骤，选用如硅片、陶瓷片等作为管座基片(即绝缘衬底，下同)材料，若该材料绝缘特性不够好，可在其上沉积一层绝缘衬底；

2)在绝缘衬底11上形成导电图形12，一般可采用半导体光刻的方法在管座基片上形成光刻胶图案，并采用电子束蒸发、热蒸发等加工方法在管座基片上沉积金属层，最后剥离光刻胶形成图形化的金属层，即导电图形12；金属层的材质可以是Cr、Ni、Ti、Al、Au中的任意一种或两种以上的金属组成；同时还可以在管座上加工用于对准的对准标记；

3)使用光刻(干法刻蚀或湿法刻蚀)在管座上刻蚀通孔，并使用金属沉积方法填充通孔，实现将电极引出至管座另外一侧，形成导电金属件13以及导电金属件13两端的引出电极区域(可理解为pad区域)131、132；

4)使用光刻/金属层沉积/剥离或者金属层沉积/光刻/刻蚀的方法，沉积焊料层；焊料层的材质包括Cr、Ni、Ti、Al、Au、Au、Sn中的任意一种或两种以上的组合，或者采用常用的低温焊料金属的组合作为焊料层，或者不需要形成焊料层；

请参阅图3，管帽加工的具体步骤包括：

5)选用折射率和透光率好的材料(如硅片、熔融石英片等)作为管帽材料，采用光刻-回流-刻蚀的方法在管帽材料的其中一面(例如第一表面)上制作出微型透镜(即透镜)21，微型透镜可以是球透镜或者非球透镜；

6)采用双面对准光刻、刻蚀工艺，在管帽材料的另外一面(例如第二表面)制作出内凹腔22；

7)采用光刻/金属层沉积/剥离或者金属层沉积/光刻/刻蚀的方法沉积焊料层，焊料层的材质可以是Cr、Ni、Ti、Al、Au、Au、Sn中的任意一种或两种以上的组合；或者，焊料层的材质还可以采用常用的低温焊料金属的组合，或者不需要焊料；以上的微型透镜、焊料层、内凹腔的设计与管座上的芯片存在对准关系；同时还可以在管座上加工用于对准的对准标记；

贴片和引线的具体步骤包括：

8)使用贴片机，将探测器芯片(即所述光电子芯片3)固定在管座的绝缘衬底11上，并采用引线机提供引线4将引线一端与芯片(即光电子芯片3)电连接，另一端与导电图形12的电连接；并使用引线机引出引线至内pad(pad焊盘)上；

焊接的具体步骤包括：

9)使用键合设备，将管帽和管座对准以后，使管帽和管座固定连接进而将芯片(封装于管座与管帽的内凹腔形成的封装腔体内，如图1所示。

需要说明的是，可以采用直接键合或焊接的方式将使管帽和管座固定连接；焊接可以使用焊料预制片、玻璃焊料等进行焊接；焊接可以在真空或者充保护气体氛围内进行；焊接可以使用器件-器件、器件-晶圆、晶圆-晶圆的方式进行焊接。

请参阅图1和图4，一种光电子芯片封装结构包括由一体设置的两个以上管座1组成的管座晶圆100、由一体设置的两个以上管帽2组成的管帽晶圆200，管帽晶圆200与管座晶圆100焊接固定，其中每一管座1与相配合的一个管帽2以及封装设置于该管座1和管帽2之间的至少一光电子芯片3形成一封装单元，所述封装单元能够被分割形成彼此独立的器件。

管帽2包括管帽本体，帽本体具有相背对设置的第一表面与第二表面，管帽本体的第一表面上一体成型有透镜21，管帽本体的第二表面上一体形成有内凹腔22，内凹腔22至少用于容置一光电子芯片3，透镜21与光电子芯片对应设置；管座1包括括绝缘衬底11、绝缘衬底上设置的导电图形12以及贯穿所述管座1的第一表面和管座的第二表面的通孔，并且所述通孔内填充(设置有)与所述通孔形状匹配的导电金属件13，所述光电子芯片3的电极通过引线4与所述导电图形12连接，所述导电金属件13的引出电极区域131与导电图形12连接或者直接与所述引线4连接，所述导电金属件13的引出电极区域132设置于管帽2的外侧，管帽2与相应的管座1的绝缘衬底11接触面/线之间焊接密封。

在一些较为具体的实施方案中，也可以在管座1上设置用于容置光电子芯片3的内凹腔或类似构造，管帽的第二表面可以是平面。

需要说明的是若焊接的方式是器件-器件方式，则不需要切割；若焊接的方式是器件-晶圆方式，则需要将管座晶圆切开，形成单个器件。

基由本实用新型实施例提供的光电子芯片的集成透镜和气密封装方法封装后的器件体积可以大大减小，焊接时可以无需进行耦合，可以有效降低成本，提高效率；集成的微型透镜精度高、性能好、对准精确，可以有效提高系统性能。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电子芯片气密性封装结构，其特征在于包括相配合的管座与管帽，以及封装设置于所述管座与管帽之间的光电子芯片，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述透镜与光电子芯片对应设置，所述管座上设置有贯穿所述管座的第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件，所述光电子芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述第一表面与第二表面相背对设置。

2.根据权利要求1所述的光电子芯片气密性封装结构，其特征在于：所述光电子芯片的电极通过引线与所述通孔内的导电金属件电连接。

3.根据权利要求1所述的光电子芯片气密性封装结构，其特征在于：所述管座包括绝缘衬底。

4.根据权利要求3所述的光电子芯片气密性封装结构，其特征在于：所述绝缘衬底选自硅片、陶瓷片或石英玻璃片。

5.根据权利要求3所述的光电子芯片气密性封装结构，其特征在于：所述绝缘衬底上设置有导电图形，所述光电子芯片的电极通过引线与所述导电图形电连接，所述导电图形通过引线所述通孔内的导电金属件实现电连接。

6.根据权利要求1所述的光电子芯片气密性封装结构，其特征在于：所述管帽本体的第一表面上一体成型设置有所述透镜，所述管帽本体的第二表面上一体形成有内凹腔，所述内凹腔至少用于容置一光电子芯片。

7.根据权利要求1所述的光电子芯片气密性封装结构，其特征在于：所述光电子芯片包括探测器芯片、激光器芯片、放大器芯片或驱动芯片。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光电子芯片气密性封装结构，其特征在于包括由一体设置的两个以上管座组成的管座晶圆、由一体设置的两个以上管帽组成的管帽晶圆，所述管帽晶圆与管座晶圆焊接固定，其中每一管座与相配合的一个管帽以及封装设置于该管座和管帽之间的至少一光电子芯片形成一封装单元，所述封装单元能够被分割形成彼此独立的器件。

9.根据权利要求1所述的光电子芯片气密性封装结构，其特征在于：所述管帽选自硅质管帽和/或玻璃管帽。

10.根据权利要求1所述的光电子芯片气密性封装结构，其特征在于：所述管帽与管座通过焊接固定连接。

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