DE3021228A1

DE3021228A1 - Verfahren zur anbringung einer optischen faser an einer halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE3021228A1
Application number: DE19803021228
Authority: DE
Inventors: Howard Martin Berg; Gary Lee Lewis
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1979-06-06
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1980-12-11
Also published as: JPS55164804A; GB2053563B; US4329190A; GB2053563A; CA1143547A

Description

3021228 Dipl.-Phys. O. E. Weber 3 D-8000 München 71

Patentanwalt Hofbrunnstraße 47

zugelassener Vertreter beim Europäischen Patentamt

Representative before the European Patent Office

M 1283

Telefon:	(089)7915050
Telegramm:	monopolweber
	munchen
Telex:	05-212877

Motorola, Inc. 1303 E.Algonquin Road Schaumburg,Illinois 60196 V.St. A.

Verfahren zur Anbringung einer optischen Faser an einer Halbleiteranordnung

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Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Halbleitereinrichtungen und bezieht sich insbesondere auf die Herstellung einer lichtemittierenden und lichtempfindlichen Halbleiteranordnung, die zumindest einen Teil einer optischen Faser aufweist.

Der Begriff "optische Faser" bezieht sich auf einen oder mehrere Stränge mit einem Durchmesser von bis zu 2 mm eines lichtleitenden Materials, beispielsweise eines Glases oder eines lichtdurchlässigen oder zumindest für Licht durchscheinenden Polymers. Der Ausdruck "Licht" umfaßt sowohl eine elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, soweit er für das menschliche Auge sichtbar ist, als auch solche Wellenlängen für die Halbleitermaterialien empfindlich sind oder zumindest sensibilisiert werden können.

In der US-Patentanmeldung Nr. 952 189, die von der Anmelderin am 16. Oktober 1978 hinterlegt wurde, ist ein Anpaß-Anschlußstück eines aktiven optischen Faserelementes beschrieben, bei welchem eine Anschlußhülse über eine Halbleitereinrichtung angeordnet ist, um einen Abschnitt der optischen Faser über der Halbleiteranordnung in einer entsprechenden Position zu halten und um als Anschlußstück für passive Teile eines optischen Kommunikationssystems zu dienen. Während dadurch bereits eine wesentliche Verbesserung gegenüber anderen Systemen erreicht wurde, sind zur Ausrichtung des Endes der Faser in Bezug auf den lichtemittierenden Teil der Halbleiteranordnung besonders sorgfältige Fertigungsmethoden erforderlich.

Der erforderliche Aufwand bei der Fertigung resultiert aus zwei allgemeinen und teilweise einander überlappenden Betrachtungen, nämlich aus der Mechanik der Fertigung und der Verwendung der Einrichtung und ihrer optischen Leistung.

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Die optische Faser muß entlang zueinander senkrechten Achsen exakt ausgerichtet sein, und zwar in Bezug auf den aktiven Bereich des Halbleiters, um eine gute optische Kopplung zu erreichen- Zuverlässigkeitsbetrachtungen fordern jedoch, daß die Faser die Halbleiteranordnung nicht berühren darf. Während der Herstellung und im Gebrauch sind die Halbleiteranordnung und die gesamte Packung stark veränderlichen Temperaturen und Temperaturgradienten ausgesetzt. Da die Faser und die Plastikpackungsinaterialien stark verschiedene Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, muß die Faser etwas oberhalb der Halbleiteranordnung angeordnet werden, so daß keine Berührung erfolgt, und zwar selbst dann nicht, wenn die Halbleiteranordnung warm ist oder wenn ein starkes Temperaturgefälle in der Packung vorhanden ist, weil durch eine solche Berührung die Oberfläche der Halbleiteranordnung bes-chädigt würde und die optische Leistung beeinträchtigt wäre. Hingegen ist ein zu großer Abstand zwischen dem Ende der Faser und der Halbleiteranordnung ebenfalls für die optische Leistung schädlich.

Eine bekannte Maßnahme zur Vermeidung des obigen Nachteils besteht darin, die F=*ser zunächst mit der Halbleiteranordnung in Berührung zu bringen und dann leicht zurückzuziehen, und zwar mit oder ohne Verwendung eines nichtausgehärteten Klebstoffs. Dadurch kann jedoch die Halbleiteranordnung beschädigt werden. In einem alternativen Versuch wird bisher die Faser ohne Kontakt mit der Halbleiteranordnung positioniert, und es wird dann ein Klebstoff aufgebracht, was dazu führt, daß die Faser in seitlicher Richtung durch den Klebstoff bewegt werden kann. Da eine optische Kopplung zwischen der Halbleiteranordnung und der Faser gegen einen seitlichen Versatz wesentlich empfindlicher ist als eine axiale Verlagerung der Faser, ist ein solches Verfahren sehr nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver-

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fahren zur Anbringung einer optischen Faser an einer Halbleiteranordnung der eingangs näher genannten Art zu schaffen, durch welches eine besonders exakte Ausrichtung der optischen Faser in Bezug auf den aktiven Bereich der Halbleiteranordnung mit verhältnismäßig geringem Fertigungsaufwand ermöglicht wird.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll sichergestellt sein, daß die optische Faser nicht mit der Halbleiteranordnung in Berührung kommt, so daß Beschädigungen der Halbleiteranordnung mit einem hohen Maß an Sicherheit vermieden sind.

Weiterhin soll gemäß der Erfindung eine besonders effektive Kopplung von einem lichtemittierenden oder lichtabtastenden Halbleiter mit einem Abschnitt einer optischen Faser erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll auch bei Halbleitern anwendbar sein, die eine Anschlußhülse verwenden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsforai ist vorgesehen, daß eine Halbleiteranordnung mit einem nichtausgehärteten Polymer beschichtet und das Polymer teilweise zur Aushärtung gebracht wird, daß ein Tröpfchen eines nichtausgehärteten Polymers auf das Ende der optischen Faser aufgebracht wird, die mit der Halbleiteranordnung zu verbinden ist, daß die Beschichtung und das Tröpfchen derart miteinander in Berührung gebracht werden, daß sich das Tröpfchen über die Beschichtung ausbreitet, daß das Tröpfchen teilweise ausgehärtet wird und daß anschließend das Tröpfchen und die Beschichtung vollständig ausgehärtet werden.

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Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß die Anbringung einer optischen Faser an eine Halbleiteranordnung mit besonders hoher Fertigungsgeschwindigkeit durchgeführt werden kann.

Gemäß der Erfindung gelingt auch eine elastische Anbringung einer Faser an einer Halbleiteranordnung.

Nach dem Grundgedenken der Erfindung wird ein erstes Tröpfchen eines nicht, ausgehärteten Polymers auf eine Halbleiteranordnung aufgebracht und bildet dort eine Beschichtung ,einer vorgegebenen Dicke auf der Halbleiteranordnung, es wird dann eine teilweise Aushärtung oder eine Gelbildung bei der Beschichtung der Anordnung herbeigeführt, es wird weiterhin ein zweites Tröpfchen eines nichtausgehärteten Polymers auf die polierte Oberfläche oder das gespaltene Ende der optischen Faser aufgebracht, welche mit der Halbleiteranordnung verbunden werden soll, es wird dann die Faser in seitlicher Richtung ausgerichtet, es werden die zwei Tröpfchen miteinander in Kontakt gebracht, und es wird schließlich das Polymer zur Aushärtung gebracht. Die Faseroptik-Halbleiteranordnung wird dann vervollständigt, indem eine Vergußmasse sowohl auf die Halbleiteranordnung als auch auf eine Anschlußhülse aufgebracht wird, die Faser und die Halbleiteranordnung in die Anschlußhülse eingesetzt werden, um diese beiden Teile miteinander zu vereinigen, wonach die Vergußmasse ausgehärtet wird und das Faserende mit der Anschlußhülse poliert werden, um eine einzige, ebene Oberfläche zu bilden.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:

Figur 1 eine gemäß der Erfindung beschichtete oder

allgemein ausgestattete Halbleiteranordnung,

Figur 2 die Anbringung der Faser an die Halbleiteranordnung,

Figur 5 ein Kopfstück, welches in einer Halterung angeordnet ist, und

Figur 4- ein fertiggestelltes Faseroptik-Halbleiterbauteil.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht die Figur 1 ein Kopfstück nach dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Kopfstück 10 weist eine Kappe 11 auf, an welcher Elektroden 12 und 13 angebracht sind und die elektrisch mit einer Halbleiteranordnung 14 verbunden ist. Die Halbleiteranordnung ist durch Lötung, Schweißung, Klebung oder mit Hilfe eines anderen geeigneten Verfahrens an der Oberseite der Kappe 11 angebracht. Ein definierter Tropfen eines farblosen Polymers 16 ist auf die Halbleiteranordnung 14 aufgebracht worden, wonach der Tropfen sich über die Halbleiteranordnung ausgebreitet hat und über die Halbleiteranordnung eine Schicht mit einer Dicke von etwa 25 M bildet.

Die Beschichtung der Halbleiteranordnung kann aus einem beliebigen Polymer bestehen, welches die folgenden Eigenschaften aufweist: Da das Polymer in engem Kontakt mit der Halbleiteranordnung steht, ist es wünschenswert, daß das Polymer einen hohen Reinheitsgrad und eine geringe Vasserabsorption aufweist, um eine entsprechende Zuverlässigkeit der Halbleitereinrich-

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tung zu gewährleisten. Das Polymer sollte auch farblos oder durchscheinend sein, um bei der Lichtkopplung einen maximalen Wirkungsgrad zu gewährleisten. Wenn es ausgehärtet ist, sollte das Polymer eine hohe Eiastizität oder Fiexibiiität aufweisen, um die Faser in die Lage zu versetzen, daß sie leicht in Bezug auf das Chip während der nachfolgenden Kerstellunpsschritte und bei Temperaturveränderungen im Betrieb der Einrichtung bewegbar ist. Das Polymer sollte auch zumindest eine brauchbare Haftung an Gold, Silicium und Glas zeigen, um eine Klebeverbindung mit den entsprechenden Oberflächen herstellen zu können. Zusätzlich sollte das Polymer blasenfrei sein, um bei der Befestigung eine entsprechende Zuverlässigkeit zu erreichen. Weiterhin sollte das Polymer rasch aushärten, und zwar bei erhöhten Temperaturen, so daß die Fertigung schnell abgewickelt werden kann.

Unter den Polymeren, welche zur Verwendung gemäß der Erfindung geeignet sind, sind Silikon-Materialien wie GE-261, welches von der Firma General Electric hergestellt und vertrieben wird, weiterhin D.C.6101 und D.C.6103, die von der Firma Dow-Corning hergestellt und vertrieben werden. Unter diesen genannten Materialien ist das Material GE-261 zu bevorzugen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine teilweise Aushärtung erreicht, indem der erste Tropfen auf eine erwärmte Halbleiteranordnung aufgebracht wird, beispielsweise auf eine Halbleiteranordnung, die auf eine Temperatur von etwa 135 °C erhitzt ist. Wenn das Silikonmaterial· GE-261 verwendet wird, findet in etwa 4- Sekunden eine Gelbildung statt. An diesem Punkt ist die Beschichtung auf der Halbleiteranordnung noch nicht vollständig ausgehärtet, kann jedoch einer punktweisen Belastung durch die optische Faser standhalten. Wenn ein mit Hilfe einer UV-Strahlung härtbares Polymer verwendet wird, mu3 eine derartige Anordnung

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verhältnismäßig lange dem ultravioletten Licht ausgesetzt werden, um eine ausreichende Gelbildung hervorzurufen, wobei jedoch die entsprechende Zeit zu kurz ist, um das Polymer vollständig auszuhärten.

Die Figur 2 veranschaulicht den nächsten Schritt bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem ein Tröpfchen 22 auf das Ende der optischen Faser 21 bei Umgebungstemperatur aufgebracht wird, indem beispielsweise das Ende bis zu einer vorgegebenen Tiefe in ein Polymer eingetaucht wird. Die Faser 21 wird dann in seitlicher Richtung über dem Kopfstück 10 ausgerichtet, welches auf einer Temperatur von 135 C gehalten wird, wonach die Temperatur leicht in der Weise vermindert wird, daß das Tröpfchen 22 die Beschichtung 16 berührt, so daß eine Ausbreitung des Tröpfchens darüber stattfindet. Die Faser 21 wird so lange in ihrer entsprechenden Position gehalten, bis die Ausbreitung des Tropfen-Gels in drei bis fünf Sekunden stattgefunden hat und die in der Figur 2 als Schicht 23 dargestellte endgültige Form angenommen hat. An diesem Punkt ist die optische Faser 21 genau in seitlicher und axialer Richtung ausgerichtet, und zwar mit Hilfe der reproduzierbaren Dicke der Beschichtung 16, so daß eine permanente Befestigung an dem Kopfstück 10 gewährleistet ist. Dies bedeutet, daß nach der Gelbildung die beschichtete Halbleiteranordnung ausreichend fabt ist, um den Faserabschnitt zu halten. Die Faser 21 wird dann gelöst, und dxe Beschichtung sowie der Tropfen werden voll zur Aushärtung gebracht, indem beispielsweise in einem entsprechenden Ofen eine Temperatur von etwa 150 C erzeugt wird und die Anordnung dort über eine Zeit von 30 Minuten entsprechend aufgeheizt wird. Die bestimmte Kombination aus Zeit und Temperatur kann in weiten Bereichen verändert werden, obwohl bei geringeren Temperaturen in Kauf zu nehmen ist, daß zur vollen Ausnärtung wesentlich höhere Zeiten notwendig sind.

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Zusätzlich zur Ausbildung eines Spaltes von etwa 25 /U zwischen dem Ende der optischen Faser und der Chip-Oberfläche dient die Beschichtung 16 auch dazu, den Fluß des zweiten Tropfens von Polymer-Material über die Oberfläche der Halbleiteranordnung zu steuern und außerdem den Tropfen dazu zu bringen, daß er nach unten fließt, obwohl die Auswirkung der Oberflächenspannung ihn entlang der Faser zur Ausbreitung bringen möchte. Diese verschiedenen Funktionen erleichtern den Zusammenbau der Faser mit dem Kopfstück erheblich.

Es ist nicht erforderlich, daß die Ausrichtung mit dem Tropfen 22 am Ende der Faser 21 erfolgt. Es kann vielmehr vorab ein Tröpfchen an das Ende der Faser 21 angebracht werden. Unter extrem schwierigen Bedingungen kann eine derartige Vorgehensweise vorteilhaft sein. Dabei muß allerdings in Kauf genommen werden, daß es sehr schwierig sein kann, ein Tröpfchen an das Ende der Faser 21 zu bringen, nachdem die Faser in seitlicher Sichtung ausgerichtet ist. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß eine zweite Faser dazu verwendet wird, um das Tröpfchen an dem Ende der ausgerichteten Faser anzubringen. Das weitere Verfahren entspricht dann dem oben beschriebenen Verfahren.

DieFigur 3 veranschaulicht die fertiggestellte Gesamtanordnung des Kopfstückes in einer entsprechenden Halterung. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine invertierte Halterung, die auch als Anschlußhülse bezeichnet werden könnte, mit einer Vergußmasse gefüllt, beispielsweise mit einem unter der Bezeichnung OS-1600 von der Firma Hysol hergestellten und vertriebenen Material. Weiterhin ist es vorteilhaft, einen Tropfen der Vergußmasse auf die Oberfläche des Kopfstückes 10 über der Halbleiterbeschichtung aufzubringen, um Blasen in der Gesamtenordnung auf ein Minimum zu beschränken. Das Kopfstück

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10 und die Faser 21 werden dann vorsichtig in die Anschlußhülse eingeführt, und die Vergußmasse wird dann ausgehärtet. Die Faser 21 ist ausreichend lang, so daß das andere Ende der Faser 21 durch die Oberseite der Anschlußhülse 31 hindurchragt.

Die Figur 4 veranschaulicht eine fertiggestellte Anordnung, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde und bei welcher das Ende 32 und die Oberseite der Anschlußhülse 31 flachpoliert wurden, um eine Bezugsfläche für eine Anpassung an ein geeignetes Verbindungsstück zu erzeugen.

Gemäß der Erfindung wird somit ein besonders vorteilhaftes Verfahren geschaffen, welches dazu dient, optische Fasern mit Halbleiteranordnungen zu verbinden, und es ergibt sich gemäß der Erfindung eine gegenüber herkömmlichen Anordnungen wesentlich verbesserte Einrichtung. Die seitliche Ausrichtung der Faser läßt sich leicht durchführen, und zwar selbst dann, wenn ein Tröpfchen 21 bereits an Ort und Stelle vorhanden ist, so daß Toleranzen von weniger als - 25 /U eingehalten werden können. Ein verschiedenes Ausdehnungsmaß der verschiedenen Komponenten der Anordnung in Reaktion auf Temperaturveränderungen beeinflußt die Ausrichtung nicht nennenswert, da eine Trennung zwischen dem Ende der Faser 21 und der Halbleiteranordnung 13 vorhanden ist. Dieser Abstand, diese Trennung oder dieser Zwischenraum läßt sich leicht und gleichförmig durch die Verwendung der Beschichtung der Halbleiteranordnung herbeiführen.

In einer Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungsform kann im Rahmen der Erfindung auch ein unter der Bezeichnung TO-18 verwendetes Kopfstück verwendet werden, und es liegt auch im Rahmen der Erfindung, anders ausgebildete Kopfstücke zu verwenden. Gemäß den obigen Erläuterungen kann auch die Folge, in welcher die einzelnen Schritte ausgeführt

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werden, in der Weise variiert werden, daß eine Anpassung an die geforderte Genauigkeit erreicht wird, mit der die Ausrichtung herbeigeführt werden muß. Es können auch die genannten Temperaturen und Zeiten im Rahmen der Erfindung variiert werden. Ein Polymer, welches teilweise in 10 Sekunden oder einer kürzeren Zeit aushärtet, ist im Hinblick auf eine wirtschaftliche Fertigung zweckmäßig. Andere Parameter der Aushärtung lassen sich leicht empirisch bestimmen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Anbringung einer optischen Faser an einer Halbleitereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiteranordnung (14) mit einem nichtausgehärteten Polymer (16) beschichtet und das Polymer teilweise zur Aushärtung gebracht wird, daß ein Tröpfchen (22) eines nichtausgehärteten Polymers auf das Ende der optischen Faser (21) aufgebracht wird, die mit der Halbleiteranordnung zu verbinden ist, daß die Beschichtung und das Tröpfchen derart miteinander in Berührung gebracht werden, daß sich das Tröpfchen über die Beschichtung ausbreitet, daß das Tröpfchen teilweise ausgehärtet wird und daß anschließend das Tröpfchen und die Beschichtung vollständig ausgehärtet werden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ·- zeichnet, daß die Beschichtung "Caiiv.^r3ise äur.vh Erwärmung dar Halbleitsranorclnnag ausgehärtet wird*

Verfahren nach, laspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß "/or der Beschichtung die Halbleiteranordnung aufgeheizt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tröpfchen teilweise durch Erhitzung der Halbleiteranordnung ausgehärtet wird.

5- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung über alle Schritte vor der teilweisen Aushärtung des Tröpfchens auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird.

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ORIGINAL INSPECTED

6. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine seitliche Ausrichtung der optischen Faser mit einem entsprechenden Teil der Halbleiteranordnung herbeigeführt wird.

7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser durch eine axiale Bewegung mit der teilweise ausgehärteten Beschichtung in Berührung gebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ausrichtung die optische Faser in axialer Richtung bewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 3₉ dadurch g e k e η η - zeichnet, daß eine Anschlußhülse mit einer organischen Vergußmasse gefüllt wird, daß die Faser v.nä die Halbleiteranordnung in dia imscnlußhülse eingeführt werden und daß die Vergußmasse ausgehärtet

•10» Verfahren nacli lasprucji 9₃ dadurch ,3 3 k a 2 a =■ sei ο haet, αε3 7or des Eiaführsn eis Tropfes einer organischen Vergußmasse auf die Halbleiteran ordnung aufgebracht wird.

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