TW202350024A

TW202350024A - 封裝結構及光訊號發射器

Info

Publication number: TW202350024A
Application number: TW111121411A
Authority: TW
Inventors: 劉漢誠; 曾子章
Original assignee: 欣興電子股份有限公司
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2023-12-16
Also published as: TWI818578B

Abstract

一種封裝結構，包括一電路板、一封裝基板、一重配置線路結構層、一電子組件、一散熱組件以及一光纖組件。封裝基板配置於電路板上且與電路板電性連接。重配置線路結構層配置於封裝基板上且與封裝基板電性連接。電子組件包括一專用積體電路組件、一電子積體電路組件以及一光子積體電路組件，分別配置於重配置線路結構層上，且透過重配置線路結構層與封裝基板電性連接。散熱組件配置於電子組件上。光纖組件配置於封裝基板上，且電性連接封裝基板以及光連接光子積體電路組件。

Description

封裝結構及光訊號發射器

本發明是有關於一種半導體結構，且特別是有關於一種封裝結構及光訊號發射器。

近年來，高性能計算（high-performance computing；HPC）變得更加流行，且廣泛用於先進網路和伺服器應用，特別是用於需要高資料速率、逐漸增加的頻寬以及逐漸降低的時延的人工智慧（artificial intelligence；AI）相關的產品。人們對於包含高性能計算（HPC）的封裝結構所採用的高密度（high density，HD）封裝載板的期待及要求也越來越多，例如是對金屬層的線寬和線距的要求越來越細，以及對重配置線路層的介電層厚度的要求越來越薄。然而，以目前的增層封裝基板（build-up package substrate）是無法滿足上述的要求。因此，為了滿足上述的要求，目前有業界提出以矽穿孔中介基板（through-silicon via (TSV)-interposer）來取代增層封裝基板，但是矽穿孔中介基板的價錢缺非常昂貴。

本發明提供一種封裝結構，其可解決前先技術的問題，且具有較低的成本。

本發明還提供一種光訊號發射器，其具有較佳的光學效率。

本發明的封裝結構，其包括一電路板、一封裝基板、一重配置線路結構層、一電子組件、一散熱組件以及一光纖組件。封裝基板配置於電路板上且與電路板電性連接。重配置線路結構層配置於封裝基板上且與封裝基板電性連接。電子組件包括一專用積體電路組件、一電子積體電路組件以及一光子積體電路組件，分別配置於重配置線路結構層上，且透過重配置線路結構層與封裝基板電性連接。光子積體電路組件包括一光訊號發射器，且光訊號發射器包括一基底、多個垂直腔表面發射雷射光源以及多個焊料凸塊。基底包括多個接墊。垂直腔表面發射雷射光源陣列排列於基底上。焊料凸塊配置於基底與垂直腔表面發射雷射光源之間，其中垂直腔表面發射雷射光源透過焊料凸塊電性連接至基底的接墊上。散熱組件配置於電子組件上。光纖組件配置於封裝基板上，且電性連接封裝基板以及光連接光子積體電路組件。

在本發明的一實施例中，上述的封裝結構還包括多個第一焊球、多個第二焊球以及多個第三焊球。第一焊球配置於封裝基板與電路板之間，其中封裝基板透過第一焊球與電路板電性連接。第二焊球配置於重配置線路結構層與封裝基板之間，其中重配置線路結構層透過第二焊球與封裝基板電性連接。第三焊球配置於電子組件與重配置線路結構層之間，其中電子組件透過第三焊球與重配置線路結構層電性連接。每一第三焊球的尺寸小於每一第二焊球的尺寸，且每一第二焊球的尺寸小於每一第一焊球的尺寸。

在本發明的一實施例中，上述的封裝結構還包括一底膠，配置於電子組件與重配置線路結構層之間，且包覆第三焊球。

在本發明的一實施例中，上述的散熱組件包括一第一散熱器、一第二散熱器以及一熱電致冷片。第一散熱器配置於專用積體電路組件上。第二散熱器配置於電子積體電路組件上。熱電致冷片配置於第一散熱器與第二散熱器上。第一散熱器位於熱電致冷片與專用積體電路組件之間，而第二散熱器位於熱電致冷片與電子積體電路組件之間。

在本發明的一實施例中，上述的散熱組件包括多個熱電致冷片以及多個散熱器。熱電致冷片分別配置於專用積體電路組件上、電子積體電路組件上以及光子積體電路組件上。散熱器分別配置於熱電致冷片上，其中熱電致冷片分別位於散熱器與專用積體電路組件、電子積體電路組件以及光子積體電路組件之間。

在本發明的一實施例中，上述的散熱組件還包括多個第一熱介面材料以及多個第二熱介面材料。第一熱介面材料分別配置於熱電致冷片與專用積體電路組件、電子積體電路組件及光子積體電路組件之間。第二熱介面材料分別配置於散熱器與熱電致冷片之間。

在本發明的一實施例中，上述的光子積體電路組件還包括一光電二極體。電子積體電路組件包括一轉阻抗放大器（transimpedance amplifier）以及一驅動晶片。

在本發明的一實施例中，上述的光纖組件包括一光纖連接器、一第一光耦合器、一第二光耦合器、一第一光纖纜線以及一第二光纖纜線。光纖連接器配置於封裝基板上且與封裝基板電性連接。第一光纖纜線穿過光纖連接器且透過第一光耦合器電性連接至光電二極體。第二光纖纜線穿過光纖連接器且透過第二光耦合器電性連接至光訊號發射器。

在本發明的一實施例中，一光訊號從第一光纖纜線進入至光電二極體，而光電二極體將光訊號轉換成一電訊號，並經由轉阻抗放大器將電訊號放大後傳遞至專用積體電路組件。專用積體電路組件再透過驅動晶片將電訊號傳遞至光訊號發射器，以將電訊號轉換為一另一光訊號，並向外發射光訊號至第二光纖纜線而傳遞至一外部電路上。

本發明的光訊號發射器，其包括一基底、多個垂直腔表面發射雷射光源以及多個焊料凸塊。基底包括多個接墊。垂直腔表面發射雷射光源陣列排列於基底上。焊料凸塊配置於基底與垂直腔表面發射雷射光源之間，其中垂直腔表面發射雷射光源透過焊料凸塊電性連接至基底的接墊上。

基於上述，在本發明的封裝結構的設計中，電子組件的專用積體電路組件、電子積體電路組件以及光子積體電路組件，分別配置於重配置線路結構層上，且透過重配置線路結構層與封裝基板電性連接。相較於現有技術中以增層封裝基板或矽穿孔中介基板而言，本發明的封裝結構除了可滿足人們對於高密度封裝結構的期待及要求之外，亦具有較低的成本。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A是依照本發明的一實施例的一種封裝結構的剖面示意圖。圖1B是圖1A的封裝結構的俯視示意圖。圖1C是圖1A封裝結構中的光訊號發射器的立體示意圖。圖1D是圖1C光訊號發射器的局部側視示意圖。為了方便說明起見，圖1B省略繪示部分構件，如散熱組件500。

請先參考圖1A與圖1B，在本實施例中，封裝結構10a包括一電路板100、一封裝基板200、一重配置線路結構層300、一電子組件400、一散熱組件500a以及一光纖組件600。封裝基板200配置於電路板100上且與電路板100電性連接。重配置線路結構層300配置於封裝基板200上且與封裝基板200電性連接，其中封裝基板200位於重配置線路結構層300與電路板100之間。電子組件400包括一專用積體電路組件410、一電子積體電路組件420以及一光子積體電路組件430，其中重配置線路結構層300位於電子組件400與封裝基板200之間。專用積體電路組件410、電子積體電路組件420以及光子積體電路組件430分別配置於重配置線路結構層300上，且透過重配置線路結構層300與封裝基板200電性連接。散熱組件500a配置於電子組件400上，以對電子組件400進行散熱。光纖組件600配置於封裝基板200上，且電性連接封裝基板200以及光連接光子積體電路組件430。

也就是說，本實施例的專用積體電路組件410、電子積體電路組件420以及光子積體電路組件430分別配置於重配置線路結構層300上，且透過重配置線路結構層300與封裝基板200電性連接。相較於現有技術中以增層封裝基板或矽穿孔中介基板而言，本實施例的封裝結構10a除了可滿足人們對於高密度封裝結構的期待及要求之外，重配置線路結構層300的成本低於現有技術中的矽穿孔中介基板，亦可具有較低的成本。

請再參考圖1A，在本實施例中，重配置線路結構層300包括多層圖案化線路層310、多層介電層320、多個第一接墊330、多個第二接墊340、多個導電盲孔350以及一防焊層360。圖案化線路層310與介電層320交替堆疊，其中圖案化線路層310的線寬與線距皆例如是2微米、5微米及10微米，意即圖案化線路層310為細線路層。較佳地，重配置線路結構層300的佈線密度大於封裝基板200的佈線密度，而封裝基板200的佈線密度大於電路板100的佈線密度。介電層320的材質可例如是有機材料、玻璃或陶瓷，但不以此為限。第一接墊330的表面露出且與最鄰近電子組件400的介電層320的表面切齊。第二接墊340直接與圖案化線路層310電性連接，其中第二接墊340的表面露出且與防焊層360的表面切齊。導電盲孔350穿過介電層320且電性連接於圖案化線路層310之間以及圖案化線路層310與第一接墊330之間以及圖案化線路層310。

再者，請再參考圖1A，本實施例的散熱組件500a包括多個熱電致冷片512、514、516以及多個散熱器522、524、526。熱電致冷片512配置於專用積體電路組件410上，而熱電致冷片514配置於電子積體電路組件420上，且熱電致冷片516配置於光子積體電路組件430上。散熱器522配置於熱電致冷片512上，其中熱電致冷片512位於散熱器522與專用積體電路組件410。散熱器524配置於熱電致冷片514上，其中熱電致冷片514位於散熱器524與電子積體電路組件420之間。散熱器526配置於熱電致冷片516上，其中熱電致冷片516位於散熱器526與光子積體電路組件430之間。此處，熱電致冷片512、514、516的厚度可以相同，也可以不同，可依據需求而更改熱電致冷片512、514、516的厚度，於此不加以限制。

更進一步來說，本實施例的散熱組件500a還包括多個第一熱介面材料532、534、536以及多個第二熱介面材料542、544、546，藉此來將熱電致冷片512、514、516以及散熱器522、524、526固定於電子組件400上。詳細來說，第一熱介面材料532配置於熱電致冷片512與專用積體電路組件410之間，而第二熱介面材料542配置於散熱器522與熱電致冷片512之間。第一熱介面材料534配置於熱電致冷片514與電子積體電路組件420之間，而第二熱介面材料544配置於散熱器524與熱電致冷片514之間。第一熱介面材料536配置於熱電致冷片516與光子積體電路組件430之間，而第二熱介面材料546配置於散熱器526與熱電致冷片516之間。

再者，請再參考圖1A，本實施例的封裝結構10a還包括多個第一焊球710、多個第二焊球720以及多個第三焊球730。第一焊球710配置於封裝基板200與電路板100之間，其中封裝基板200透過第一焊球710與電路板100電性連接。第二焊球720配置於重配置線路結構層300與封裝基板200之間，其中重配置線路結構層300透過第二焊球720與封裝基板200電性連接。第三焊球730配置於電子組件400與重配置線路結構層300之間，其中電子組件400透過第三焊球730與重配置線路結構層300電性連接。此處，每一第三焊球730的尺寸小於每一第二焊球的尺寸，且每一第二焊球720的尺寸小於每一第一焊球710的尺寸。也就是說，第一焊球710的尺寸最大，而第三焊球730的尺寸最小，其中第三焊球730的尺寸例如是微米等級。此外，本實施例的封裝結構10a還包括一底膠800，配置於電子組件400與重配置線路結構層300之間，且包覆第三焊球730，藉此包覆第三焊球730。

請再同時參考圖1A與圖1B，在本實施例中，電子積體電路組件420包括一驅動晶片422以及一轉阻抗放大器424。光子積體電路組件430除了包括光訊號發射器432，還包括一光電二極體434。光纖組件600包括一光纖連接器610、一第一光耦合器620、一第二光耦合器630、一第一光纖纜線640以及一第二光纖纜線650。光纖連接器610配置於封裝基板200上，且與封裝基板200電性連接。第一光纖纜線640穿過光纖連接器610且透過第一光耦合器620電性連接至光電二極體434。第二光纖纜線650穿過光纖連接器610且透過第二光耦合器630電性連接至光訊號發射器432。也就是說，本實施例的封裝結構10a是同時將光及電的組件（即光子積體電路組件430與電子積體電路組件420）異質整合至封裝基板200上，且透過光纖組件600及重配置線路結構層300來進行訊號的傳遞。

詳細來說，如圖1B所示，一光訊號L1從第一光纖纜線640進入至光電二極體434，而光電二極體434將光訊號L1轉換成一電訊號E，並經由重配置線路結構層300傳遞至轉阻抗放大器424而將電訊號放大。放大後的電訊號再透過重配置線路結構層300傳遞至專用積體電路組件410。專用積體電路組件410再透過透過重配置線路結構層300及驅動晶片422將電訊號E傳遞至光訊號發射器432，讓光訊號發射器432將電訊號E轉換為一另一光訊號L2，並以雷射的型態向外發射光訊號L2至第二光纖纜線650而傳遞至一外部電路（如互聯器interconnector）上。

更具體來說，請同時參考圖1C以及圖1D，本實施例的光訊號發射器432包括一基底433、多個垂直腔表面發射雷射光源435以及多個焊料凸塊437。基底433包括多個接墊P。垂直腔表面發射雷射光源435呈陣列排列於基底433上。焊料凸塊437配置於基底433與垂直腔表面發射雷射光源435之間，其中垂直腔表面發射雷射光源435透過焊料凸塊437電性連接至基底433的接墊P上。此處，光訊號發射器432具體化為垂直腔表面發射雷射器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）。

請再參考圖1A，在封裝結構10a的製程上，先提供重配置線路結構層300。接著，將電子組件400透過第三焊球730而接合至重配置線路結構層300上，並將底膠800填充於電子組件400與重配置線路結構層300之間以包覆第三焊球730。接著，在重配置線路結構層300相對遠離電子組件400的一側形成第二焊球720。之後，將上述的結構進行單體化製程，以切割成單一結構後，再透過第二焊球720接合至封裝基板200，並透過封裝基板200上所形成的第一焊球710組裝至電路板100上。最後，在形成散熱模組500a於電子組件400上，而完成封裝結構10a的製作。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖2是依照本發明的另一實施例的一種封裝結構的剖面示意圖。請同時參考圖1A與圖2，本實施例的封裝結構10b與圖1A的封裝結構10a相似，兩者的差異在於：本實施例的封裝結構10b的散熱組件500b不同於上述圖1A的封裝結構10a的散熱組件500a。詳細來說，在本實施例中，散熱組件500b包括一第一散熱器510b、一第二散熱器520b以及一熱電致冷片530b。第一散熱器510b配置於專用積體電路組件410上。第二散熱器420b配置於電子積體電路組件420上。熱電致冷片530b配置於第一散熱器510b與第二散熱器520b上，其中第一散熱器510b位於熱電致冷片530b與專用積體電路組件410之間，而第二散熱器520b位於熱電致冷片530b與電子積體電路組件420之間。

於其他未繪示的實施例中，散熱組件亦可設置在重配置線路結構層相對遠離電子組件的一側上，且至少對應專用積體電路組件以及電子積體電路組件，藉此來對專用積體電路組件以及電子積體電路組件散熱，而使封裝結構具有較佳的散熱性能。此外，散熱組件亦可只有散熱器或熱電致冷片，可依據需求而擇一設置，此仍屬於本發明所欲保護的範圍。

綜上所述，在本發明的封裝結構的設計中，電子組件的專用積體電路組件、電子積體電路組件以及光子積體電路組件，分別配置於重配置線路結構層上，且透過重配置線路結構層與封裝基板電性連接。相較於現有技術中以增層封裝基板或矽穿孔中介基板而言，本發明的封裝結構除了可滿足人們對於高密度封裝結構的期待及要求之外，亦具有較低的成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10a、10b:封裝結構 100:電路板 200:封裝基板 300:重配置線路結構層 310:圖案化線路層 320:介電層 330:第一接墊 340:第二接墊 350:導電盲孔 360:防焊層 400:電子組件 410:專用積體電路組件 420:電子積體電路組件 422:驅動晶片 424:轉阻抗放大器 430:光子積體電路組件 432:光訊號發射器 433:基底 434:光電二極體 435:垂直腔表面發射雷射光源 437:焊料凸塊 500a、500b:散熱組件 510b:第一散熱器 512、514、516:熱電致冷片 520b:第二散熱器 522、524、526:散熱器 530b:熱電致冷片 532、534、536:第一熱介面材料 542、544、546:第二熱介面材料 600:光纖組件 610:光纖連接器 620:第一光耦合器 630:第二光耦合器 640:第一光纖纜線 650:第二光纖纜線 710:第一焊球 720:第二焊球 730:第三焊球 800:底膠 E:電訊號 L1:光訊號 L2:另一光訊號 P:接墊

圖1A是依照本發明的一實施例的一種封裝結構的剖面示意圖。圖1B是圖1A的封裝結構的俯視示意圖。圖1C是圖1A封裝結構中的光訊號發射器的立體示意圖。圖1D是圖1C光訊號發射器的局部側視示意圖。圖2是依照本發明的另一實施例的一種封裝結構的剖面示意圖。

10a:封裝結構

100:電路板

200:封裝基板

300:重配置線路結構層

310:圖案化線路層

320:介電層

330:第一接墊

340:第二接墊

350:導電盲孔

360:防焊層

400:電子組件

410:專用積體電路組件

420:電子積體電路組件

424:轉阻抗放大器

430:光子積體電路組件

434:光電二極體

500a:散熱組件

512、514、516:熱電致冷片

522、524、526:散熱器

532、534、536:第一熱介面材料

542、544、546:第二熱介面材料

600:光纖組件

610:光纖連接器

620:第一光耦合器

640:第一光纖纜線

710:第一焊球

720:第二焊球

730:第三焊球

800:底膠

Claims

一種封裝結構，包括：一電路板；一封裝基板，配置於該電路板上，且與該電路板電性連接；一重配置線路結構層，配置於該封裝基板上，且與該封裝基板電性連接；一電子組件，包括一專用積體電路組件、一電子積體電路組件以及一光子積體電路組件，分別配置於該重配置線路結構層上，且透過該重配置線路結構層與該封裝基板電性連接，其中該光子積體電路組件包括一光訊號發射器，且該光訊號發射器包括：一基底，包括多個接墊；多個垂直腔表面發射雷射光源，陣列排列於該基底上；以及多個焊料凸塊，配置於該基底與該些垂直腔表面發射雷射光源之間，其中該些垂直腔表面發射雷射光源透過該些焊料凸塊電性連接至該基底的該些接墊上；一散熱組件，配置於該電子組件上；以及一光纖組件，配置於該封裝基板上，且電性連接該封裝基板以及光連接該光子積體電路組件。
如請求項1所述的封裝結構，更包括：多個第一焊球，配置於該封裝基板與該電路板之間，其中該封裝基板透過該些第一焊球與該電路板電性連接；多個第二焊球，配置於該重配置線路結構層與該封裝基板之間，其中該重配置線路結構層透過該些第二焊球與該封裝基板電性連接；以及多個第三焊球，配置於該電子組件與該重配置線路結構層之間，其中該電子組件透過該些第三焊球與該重配置線路結構層電性連接，而各該第三焊球的尺寸小於各該第二焊球的尺寸，且各該第二焊球的尺寸小於各該第一焊球的尺寸。
如請求項2所述的封裝結構，更包括：一底膠，配置於該電子組件與該重配置線路結構層之間，且包覆該些第三焊球。
如請求項1所述的封裝結構，其中該散熱組件包括：一第一散熱器，配置於該專用積體電路組件上；一第二散熱器，配置於該電子積體電路組件上；以及一熱電致冷片，配置於該第一散熱器與該第二散熱器上，其中該第一散熱器位於該熱電致冷片與該專用積體電路組件之間，而該第二散熱器位於該熱電致冷片與該電子積體電路組件之間。
如請求項1所述的封裝結構，其中該散熱組件包括：多個熱電致冷片，分別配置於該專用積體電路組件上、該電子積體電路組件上以及該光子積體電路組件上；以及多個散熱器，分別配置於該些熱電致冷片上，其中該些熱電致冷片分別位於該些散熱器與該專用積體電路組件、該電子積體電路組件以及該光子積體電路組件之間。
如請求項5所述的封裝結構，其中該散熱組件更包括：多個第一熱介面材料，分別配置於該些熱電致冷片與該專用積體電路組件、該電子積體電路組件及該光子積體電路組件之間；以及多個第二熱介面材料，分別配置於該些散熱器與該些熱電致冷片之間。
如請求項1所述的封裝結構，其中該光子積體電路組件還包括一光電二極體，而該電子積體電路組件包括一轉阻抗放大器以及一驅動晶片。
如請求項7所述的封裝結構，其中該光纖組件包括一光纖連接器、一第一光耦合器、一第二光耦合器、一第一光纖纜線以及一第二光纖纜線，該光纖連接器配置於該封裝基板上且與該封裝基板電性連接，該第一光纖纜線穿過該光纖連接器且透過該第一光耦合器電性連接至該光電二極體，且該第二光纖纜線穿過該光纖連接器且透過該第二光耦合器電性連接至該光訊號發射器。
如請求項8所述的封裝結構，其中一光訊號從該第一光纖纜線進入至該光電二極體，而該光電二極體將該光訊號轉換成一電訊號，並經由該轉阻抗放大器將該電訊號放大後傳遞至該專用積體電路組件，而該專用積體電路組件再透過該驅動晶片將該電訊號傳遞至該光訊號發射器，以將該電訊號轉換為一另一光訊號，並向外發射該光訊號至該第二光纖纜線而傳遞至一外部電路上。
一種光訊號發射器，包括：一基底，包括多個接墊；多個垂直腔表面發射雷射光源，陣列排列於該基底上；以及多個焊料凸塊，配置於該基底與該些垂直腔表面發射雷射光源之間，其中該些垂直腔表面發射雷射光源透過該些焊料凸塊電性連接至該基底的該些接墊上。