DE60304839T2

DE60304839T2 - Hermetisches Gehäuse für ein optisches oder optoelektronisches Modul

Info

Publication number: DE60304839T2
Application number: DE60304839T
Authority: DE
Inventors: Delpiano c/o Agilent Technologies I Franco; Carlo c/o Agilent Technologies Itali Bruschi
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2023-05-24
Also published as: EP1480301A1; DE60304839D1; US20040245425A1; EP1480301B1

Description

Die Erfindung betrifft das Vorsehen einer lokalen hermetischen Abdichtung für Komponenten, beispielsweise optische und optoelektronische Einrichtungen, die in komplexeren optischen und elektronischen integrierten Hybrid-Anordnungen befestigt sind.
Die Erfindung richtet sich insbesondere an das Erfordernis, hermetische (flüssigkeitsfeste und gasfeste) Befestigungsanordnungen mit elektrischer und optischer Signaldurchleitung für elektro-optische Untereinheiten vorzusehen, die in hybriden integrierten optischen und elektronischen Vorrichtungen vorgesehen sind.
Ein hermetisch abgedichtetes Behältnis für eine lichtemittierende Halbleiterdiode ist beispielsweise in EP-A-0 655 813 offenbart. Beispielsweise in der Druckschrift GB-A-2 095 604 wird das Vorsehen einer Dichtungsmasse zwischen zwei Komponenten beschrieben.
Die primäre Aufgabe der Erfindung ist es, das bzw. die hermetisch abzudichtende Volumen/Ausdehnung zu beschränken, beispielsweise um Kosten zu reduzieren und/oder um eine gegenseitige Kontamination von Komponenten und Materialien, die in der gleichen Verpackung vorgesehen sind, beispielsweise aufgrund von Materialien, die organische Verbindungen und Dampf abgeben, zu vermeiden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Befestigungsanordnung, die die Merkmale der beigefügten Ansprüche aufweist.
Die Erfindung erlaubt die lokale hermetische Abdichtung von optischen oder optoelektronischen Chips, wie Laserquellen, Photodetektoren, LEDs, die auf einer Plattform, beispielsweise Glas oder mikrobearbeitetes Silizium, montiert sind, die eingerichtet ist, hybride integrierte Schaltungen für elektrische und optische Signale zu realisieren.
Der Gegenstand der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Eine insbesondere bevorzugte Ausführung der Erfindung ist eine Befestigungsanordnung, umfassend:

– ein im wesentlichen ebenes Substrat in einem Abschnitt, der eine Befestigungsstelle für mindestens eine optoelektronische Komponente definiert,
– eine Komponente, beispielsweise eine elektro-optische Komponente (sowie die zugehörigen Elemente, die möglicherweise dieser zugeordnet sind), die auf dem Substrat an der Befestigungsstelle befestigt ist,
– eine Wellenleiterstruktur mit ebenem Lichtwellenleiterschaltkreis (planar lightwave circuit, PLC), die auf dem Substrat ausgebildet ist, typischerweise mittels üblicher Aufbringungs- und Lithographieprozesse und der sich bis zu der Befestigungsstelle erstreckt, um eine für die Komponente vorgesehene hermetische Durchleitungsstruktur für optische Signale zu definieren,
– zumindest eine Elektrodenstruktur, die auf dem Substrat ausgebildet ist, wiederum typischerweise mittels eines üblichen Aufbringungs- und Lithographieprozesses, die der Wellenleiterstruktur mit ebenem Lichtwellenleiterschaltkreis zugeordnet ist, und die sich bis zu der Befestigungsstelle erstreckt, um eine für die Komponente vorgesehene hermetische Durchleitungsstruktur für elektrische Signale zu definieren,
– eine ringähnliche Struktur, die auf den optischen und elektrischen Durchleitungsstrukturen aufgebracht ist und die die Befestigungsstelle durchgängig umschließt, wobei die ringähnliche Struktur das ebene Substrat hermetisch abschließt, und
– ein durchgehendes Abdeckelement, das angeordnet ist, um die Befestigungsstelle zu überdecken, und das einen äußeren Randabschnitt aufweist, der sich koextensiv zu der ringähnlichen Struktur ausdehnt, und
– eine hermetische Dichtungsmasse, die sich durchgehend zwischen dem Randabschnitt des Abdeckelements und der ringähnlichen Struktur erstreckt, wodurch die Komponente an der Befestigungsstelle hermetisch abgedichtet ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Beispielen bezugnehmend auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei die Figuren im einzelnen darstellen:
1 ist eine Querschnittsansicht einer Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung, und
2 ist eine Schnittansicht, die sich im wesentlichen in der Ebene II-II der 1 erstreckt.
In der 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein im allgemeinen ebenes Siliziumdioxid- oder Siliziumsubstrat mit einem Abschnitt, der einen Befestigungsbereich 12 für eine Vorrichtung ("Komponente") 14 definiert, beispielsweise eines optischen oder elektro-optischen Chips, beispielsweise eine Laserdiode, einen Photodetektor, eine LED usw.
Der Befestigungsbereich 12 für die Komponente 12 kann koplanar zu der oberen Oberfläche des Substrats 10 sein oder kann einen als Profil ausgebildeten Abschnitt umfassen, d.h. einen Abschnitt, der in dem Substrat 10 vertieft ist oder einen erhöhten (d.h. angehobenen) Abschnitt des Substrats 10. Eine solche Profilierung kann durch übliche Mittel, beispielsweise Mikro-Materialbearbeitung, erzeugt werden.
Das Substrat 10 ist eingerichtet, um gemäß üblicher Herstellungsprozesse für ebene Lichtwellenschaltungen (planar lightwave circuit, PLC) eine optische Wellenleiterstruktur auf dieser zu erzeugen, die sich innerhalb der Befestigungsstelle (d.h. eine optische Durchleitung) an beiden Seiten (falls erforderlich) des Befestigungsbereichs 12 erstreckt.
Insbesondere umfaßt in der dargestellten Anordnung die betreffende Wellenleiterstruktur einen PLC-Wellenleiter 16, der eingerichtet ist, mit der Vorrichtung/Komponente 14 optisch verbunden zu werden. Wenn beispielsweise die Komponente 14 eine Laserdiode ist, kann der PLC-Wellenleiter 16 derart verbunden werden, daß die Strahlung R, die von der Laserquelle 14 emittiert wird, in den Wellenleiter 16 eintritt und sich entlang dieses Wellenleiters ausbreitet.
Ein weiterer PLC-Wellenleiter kann sich im wesentlichen in Ausrichtung mit dem Wellenleiter 16 ausgehend von der anderen Seite des Befestigungsbereichs 12 erstrecken, beispielsweise, um die Rückemissionen der Laserquelle 14 für externe Überwachungszwecke zu sammeln.
Auf die PLC-Wellenleiterstruktur kann ein Elektrodenmuster 20 aufgebracht werden. Eine oder mehrere dieser Elektroden erstrecken sich (wie bei 20a dargestellt) in den Befestigungsbereich 12 hinein (über jede mögliche Seite), um elektrische Kontakte (d.h. eine elektrische Durchleitung) zu der Komponente 14 und zu jedem zugehörigen elektrischen oder elektrooptischen Zusatzvorrichtungen auszubilden, die in dem Befestigungsbereich vorgesehen sind.
Insbesondere kann die Komponente 14 über ihre untere Oberfläche mit der Elektrodenverlängerung 20a mittels einer Lötmasse 22 oder über äquivalente elektrische Verbindungsmittel befestigt und verbunden werden.
Weitere elektrische Verbindungen, die zur Gewährleistung des Betriebs der Komponente(n) dienen, können in diesem Bereich mittels üblicher Techniken (beispielsweise Drahtbonding, wie mit Bezugszeichen 20b dargestellt ist) erzeugt werden, um beispielsweise den oberen Abschluß der Komponente 14 mit dem oberen Abschluß der Komponente 14 zu verbinden, die sich in den Bereich 12 hinein erstreckt.
Auf der PCL-Wellenleiterstruktur und der Elektrodenstruktur 20 ist eine dielektrische Isolierschicht 24 ausgebildet, um eine im wesentlichen ebene und isolierende Schicht zu erzeugen, die die Befestigungsstelle 12 umgibt. Eine typische Wahl für das Material, welches die dielektrische Isolierschicht 24 umfaßt, ist beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, das vorzugsweise mittels Techniken zur chemischen Dampfabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) aufgetragen wird.
So kann eine ringähnliche Formation 26, die beispielsweise aus einem üblichen im Vakuum abgeschiedenen Ti-Pt-Au-Metallstapel gebildet wird, vorgesehen werden, und sich durchgehend um die für die Komponente 14 vorgesehene Befestigungsstelle 12 herum erstrecken.
In der hier dargestellten beispielhaften Ausführung hat die ringähnliche Formation 26 eine im wesentlichen rechteckige Form. Für den Fachmann ist leicht ersichtlich, daß eine bestimmte beliebige Form nicht zwingend ist. Tatsächlich ist die Formation 26 im wesentlichen als eine Basiseinheit vorgesehen, die über der Schicht vorgesehen ist und diese Schicht und den Bereich 12 durchgehend und hermetisch (d.h. ohne Unterbrechungen oder Löcher) umgibt. Dadurch wird hinsichtlich des hermetischen Abschließens des Befestigungsbereichs 12, indem darauf ein Verschluß oder eine Kappe 28 aufgebracht wird, durch das Ausbilden eines Abdeckelements, das eingerichtet ist, durchgehend und hermetisch (beispielsweise mittels einer Lötmasse 30) mit der Ringformation 26 verbunden zu sein, eine hermetische Struktur erzeugt, die die Komponente 14 einkapselt.
Zusammengefaßt umgibt die Ringformation 26 die Befestigungsstelle 12 der Komponente 14 kontinuierlich und ist hermetisch gegenüber dem ebenen Substrat 10 (durch die hermetischen Schichten 24, 20, 16, 18) abgeschlossen. Tatsächlich bestehen keine Öffnungen, Unterbrechungen oder liquid- bzw. gasdurchlässige Merkmale in der Ringformation 26, die es Liquiden und/oder Gasen ermöglichen würden, durch diese in einer wesentlichen Menge herauszulecken.
Vorzugsweise weist das Abdeckelement 28 eine im allgemeinen kuppenförmige Konfiguration mit einem flachen Flansch 32 auf, der sich von ihrem Mundabschnitt erstreckt und diese umgibt.
Wie es aus der 1 am besten ersichtlich ist, ist der letztere Abschnitt nach unten gerichtet, wenn das Abdeckelement 28 über den Befestigungsbereich 12 und um diesen herum aufgebracht wird. Sobald das Abdeckelement 28 aufgebracht ist, um die Komponente 14 zu überdecken, wobei der Flansch 32 abdichtend (beispielsweise bei Bezugszeichen 30 angelötet) mit der Ringformation 26 verbunden ist, ist die auf dem Substrat 10 befestigte Komponente 14 abdichtend (d.h. hermetisch) gegenüber der äußeren Umgebung isoliert und gegenüber möglichen gegenseitigen Kontaminationen durch Materialien geschützt, aus denen organische Verbindungen oder Dampf austritt, beispielsweise aufgrund von Komponenten/Materialien, die von der gleichen Verpackung umgeben werden.
Die Komponente 14 (insbesondere deren optische Oberflächen, die sehr empfindlich sein können) ist durch die Kappe oder Abdeckung 28 gegenüber der äußeren Umgebung geschützt. Dies wird vorzugsweise mittels einer Metall- oder Keramikkappe umgesetzt, die mittels Lot mit dem Metallring 26 verbunden ist. Dieses Ergebnis wird erreicht, indem das Volumen/die Ausdehnung beschränkt wird, die hermetisch abzudichten ist, wobei sich beträchtliche Vorteile hinsichtlich der Kosten ergeben.
Diese Anordnung kann leicht ausgeführt werden, indem übliche Lithographieprozesse verwendet werden, um die abdichtende Metallringstruktur 26 zu definieren, während Metallkappen 28 mit flachen Flanschen 32 leicht mit niedrigen Kosten hergestellt werden können.
Die dargestellte Anordnung vermeidet ferner die Verwendung von Einfassungen, die ein optisches Fenster umfassen, welches eine Unterbrechung des optischen Wellenleiters bedeutet. Tatsächlich ist die Komponente 14 optisch über den PLC-Wellenleiter 16 mit dem äußeren verbunden, der eine vollständig hermetische optische Signaldurchleitung umfaßt.
Die Elektroden 20 gewährleisten die elektrische Signaldurchleitung. Diese sind eingerichtet, um mit einem hohen Grad an Genauigkeit hergestellt zu werden, indem auf einen üblichen Metallisierungsprozeß zurückgegriffen wird, wobei dieser die hermetische Natur der Abdichtungsanordnung nachteilig beeinflußt, die um die Komponente 14 herum vorgesehen ist.
Es ist für den Fachmann leicht ersichtlich, daß das Vorsehen eines vertieften Bereichs, beispielsweise Bereich 12 im Substrat 10, oder ein in ähnlicher Weise erhöhter Bereich (durch übliche Mikro-Materialbearbeitung) bevorzugt wird, obwohl dies kein notwendiges Merkmal der dargestellten Anordnung ist, um so die optische Höhe zwischen der Komponente 40 und den optischen Wellenleitern 16, 18 zum Zwecke der Optimierung der zwischen diesen bestehende Verbindung anzupassen.
In gleicher Weise kann, zumindest in dem Fall sehr "flacher" Komponenten, beispielsweise Komponenten mit einer verringerten Höhe hinsichtlich der allgemeinen Ebene des Substrats 10, die Kappe oder die Abdeckung 28 in der Form eines flachen oder nahezu flachen Abdeckungsverschlusses ausgestalte werden, der vorgesehen ist, mit der Ringstruktur 26 entlang seines äußeren Randes angelötet oder auf andere Weise verbunden zu werden.
Natürlich können ohne Vorwegnahme der grundlegenden Prinzipien der Erfindung die Ausführungen und Details hinsichtlich dem oben Beschriebenen und Dargestellten in beispielhafter Weise variieren und auch signifikant variieren, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
Insbesondere ist ersichtlich, daß jedes oben beschriebene Merkmal in Verbindung mit einer bestimmten Ausführung unabhängig an jede andere Ausführung der Erfindung angepaßt werden kann. Ferner werden Begriffe wie "optisch", "Licht", lichtempfindlich und ähnliche hier mit einer Bedeutung verwendet, die momentan mit diesen Begriffen auf dem Gebiet der Faseroptik und der integrierten Optik verknüpft ist, wobei diese eingerichtet ist, für Strahlung verwendet zu werden, die neben sichtbarem Licht beispielsweise auch infrarote oder ultraviolette Strahlung umfaßt.

Claims

Befestigungsanordnung, umfassend: – ein im wesentlichen ebenes Substrat (10) mit einem Abschnitt (12), der eine Befestigungsstelle für mindestens eine optoelektronische Komponente (14) definiert, – eine optoelektronische Komponente (14), die auf dem Substrat an der Befestigungsstelle (12) befestigt ist, – mindestens eine Wellenleiterstruktur (16, 18) mit ebenem Lichtwellenleiterschaltkreis (PLC), die auf dem Substrat (10) ausgebildet ist, und sich bis zu der Befestigungsstelle (12) erstreckt, um eine für die Komponente (14) vorgesehene Durchleitungsstruktur für optische Signale zu definieren, – mindestens eine Elektrode (20), die über der Wellenleiterstruktur (16, 18) für ebene Lichtwellenschaltkreise angeordnet ist, wobei sich die mindestens eine Elektrode (20) bis zu der Befestigungsstelle (12) erstreckt, um eine für die Komponente (14) vorgesehene Durchleitungsstruktur für elektrische Signale zu definieren, – eine ringähnliche Struktur (26), die die Befestigungsstelle (12) durchgängig umschließt, wobei die ringähnliche Struktur (26) das ebene Substrat (12) hermetisch abschließt, und – ein durchgehendes Abdeckelement (28), das angeordnet ist, um die Befestigungsstelle (12) zu überdecken, und das einen äußeren Randabschnitt (32) aufweist, der sich koextensiv zu der ringähnlichen Struktur (26) ausdehnt, und – eine hermetische Dichtungsmasse (30), die sich durchgehend zwischen dem Randabschnitt (32) des Abdeckelementes (26) und der ringähnlichen Struktur (26) erstreckt, wodurch die Komponente (14) an der Befestigungsstelle (12) hermetisch abgedichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Substrat (10) eine Plattform ausgebildet aus Glas, Silizium oder Keramik umfaßt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das ebene Substrat (10) einen Profilabschnitt (12) aufweist, der die Befestigungsstelle (12) für die Komponente (14) definiert.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei diese eine dielektrische Schicht (24) umfaßt, die das Substrat (10) zumindest am Rand überdeckt, und wobei die ringähnliche Struktur (26) über der dielektrischen Schicht vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ringähnliche Struktur (26) ein Metallmaterial umfaßt.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Abdeckelement (28) ein becherähnliches Element ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 6, wobei das Abdeckelement (28) einen flachen Randflansch (32) aufweist, der den äußeren Randabschnitt definiert.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die hermetische Dichtungsmasse (30) eine Lötmasse zwischen dem äußeren Randabschnitt (32) des Abdeckelements (28) und der ringförmigen-Struktur (26) ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Komponente (14) eine zugeordnete Lötmasse (22) aufweist, die elektrischen Kontakt mit der mindestens einen Elektrode (20) vorsieht.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 9, wobei die mindestens eine Komponente (14) mindestens ein zugeordnetes Drahtverbindungselement (20b) aufweist, welches eine elektrische Verbindung mit der mindestens einen Elektrode (20) vorsieht.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Abdeckelement (28) aus einem Metallmaterial besteht.