CN101210982A - 元件组件及其制造方法 - Google Patents

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CN101210982A CNA2007103017574A CN200710301757A CN101210982A CN 101210982 A CN101210982 A CN 101210982A CN A2007103017574 A CNA2007103017574 A CN A2007103017574A CN 200710301757 A CN200710301757 A CN 200710301757A CN 101210982 A CN101210982 A CN 101210982A
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Abstract

本发明涉及一种元件组件并且涉及一种制造该元件组件的方法。元件组件包括基底、底座和元件，其中，所述底座被连接到基底，通过利用来自光源的光熔化焊料，利用焊料将所述元件连接到底座。底座由具有有利于利用光源焊接的属性的陶瓷材料构成。作为第一属性，陶瓷材料可吸收光以使得底座能够通过来自光源的光加热。作为第二属性，陶瓷材料在元件的工作温度处具有第一热导率和在焊料的熔化点处具有第二热导率，第二热导率比第一热导率低至少25％。

Description

元件组件及其制造方法
相关申请的交叉参考
[1]本发明要求于2006年12月27日递交的No.60/882,012的美国临时专利申请的优先权，在此通过参考将其合并入本发明中。
技术领域
[2]本发明涉及连接到基底的元件，更特别地，涉及通过由陶瓷材料构成的底座连接到基底的元件。
背景技术
[3]为了实现光学***中信号的有效传输，必须对例如光纤、激光器、反射镜、透镜、微机电(MEMS)装置、隔离器、调制器和检测器的元件进行准确且可靠的定位。例如，在光纤耦合的激光器模块中，激光器和光纤必须互相对准定位以得到高的耦合效率。然而，实现这些元件的准确定位很难并且也难以将这种定位保持。
[4]为了有助于它们的定位，通常将这些元件通过底座连接到基底。将底座连接到基底，然后将元件连接到底座，而形成元件组件。在这种元件组件的制造中，一般通过利用加热手段熔化焊料来将元件焊接到底座。
[5]底座可以由多种材料制造，但是陶瓷材料由于它们有利的热和机械特性而特别适合。例如由下述材料构成的底座可以用于通过焊接将光纤连接到基底：Sakaguchi等人的美国专利号US 4,523,802中公开的二氧化硅(SiO2)，Gilman等人的美国专利号US6,679,636中公开的氧化铝(Al2O3)，或Powers的美国专利号US 6,883,978和7,284,913中公开的碳化硅(SiC)。此外，Ziari等人的美国专利号US 6,758,610中公开了使用由二氧化硅、氧化锆(ZrO2)、玻璃陶瓷或M120构成的底座通过焊接将光纤连接到基底，这篇专利由本发明的受让人拥有并在此通过参考将其合并入本发明中。
[6]对于另一例子，由氧化铍(BeO)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、或碳化硅构成的底座可以用于将激光器连接到基底，如Ziari等人的美国专利号US 6,758,610中所公开的。Miyokawa等人的美国专利号US 6,720,582和Moriya等人的美国专利号US6,961,357中也公开了通过焊接使用由氮化铝构成的底座将激光器连接到基底。
[7]此外，为了实现各种功能，可以对底座的表面进行金属化处理。例如，为了促进焊料与底座的粘附，可以通过焊料将底座镀有可湿性金属层或金属图案，例如金，如Pearson等人的美国专利号US 6,292,499，Miyokawa等人的美国专利号US 6,720,582和Ziari等人的美国专利号US 6,758,610中所公开的。为了给焊料提供阻挡层，还可以将底座镀有不可用焊料湿润的金属层，例如钛，如Ziari等人的美国专利号US 6,758,610中所公开的。当光源例如激光器用作加热手段来熔化焊料时，由光学非吸收性陶瓷材料构成的底座可以被镀有光学吸收性金属层，例如钛，以使得底座能够通过来自光源的光加热，如Ziari等人的美国专利号US 6,758,610所公开的。不利地，当来自激光器的光对其进行加热时，这样的光吸收金属层很容易被烧毁，这将它们的应用限制在由非常低的热传导率材料构成的底座。
发明内容
[8]本发明的目的是通过提供一种包括利用光源进行优化焊接的底座的元件组件，以及一种制造这种元件组件的方法，来克服现有技术的缺点。更重要地，底座由具有有利于利用光源焊接的属性的陶瓷材料构成。陶瓷材料可吸收光以使得底座能够在焊接期间通过来自光源的光加热，有助于熔化用于将元件连接到底座的焊料。陶瓷材料的光吸收性也防止光源将其烧毁，使得陶瓷材料具有较大范围的热导率可用于底座。此外，陶瓷材料的热导率在焊料的熔化点处显著低于元件的工作温度处。因此，底座在焊接期间保持热量，有助于焊料的熔化以发生连接，但是在操作期间散热，阻碍焊料的不希望的软化，从而提高连接的可靠性。
[9]因此，本发明涉及一种元件组件，其包括：基底；连接到基底的底座；和利用焊料连接到底座的元件，其中底座由陶瓷材料构成，其中陶瓷材料可吸收光以使得底座能够通过来自光源的光加热，以及其中陶瓷材料在元件的工作温度处具有第一热导率和在焊料的熔化点处具有第二热导率，其中第二热导率比第一热导率至少低25％。
[10]本发明的另一方面涉及一种制造元件组件的方法，包括以下步骤：a)提供元件；b)提供基底；c)提供由陶瓷材料构成的底座，其中陶瓷材料可吸收光以使得底座能够通过来自光源的光加热，以及其中陶瓷材料在元件的工作温度处具有第一热导率和在焊料的熔化点处具有第二热导率，其中第二热导率比第一热导率至少低25％；d)将底座连接到基底；和e)通过利用来自光源的光熔化焊料，利用焊料将元件连接到底座。
附图说明
[11]将参考表示优选、示例性实施例的所附附图对本发明进行更详细的描述，其中：
[12]图1是包括光纤作为元件的元件组件的侧视图的示意说明；
[13]图2是来自多次研究的氧化铝的热导率比温度的曲线图；
[14]图3A是底座的顶视图的示意说明；
[15]图3B是底座的侧视图的示意说明；和
[16]图4是镀有多个金属层的底座的侧视图的示意说明。
具体实施方式
[17]参考图1，本发明提供一种元件组件100，以及一种制造这种元件组件100的方法。元件组件100包括元件110、基底120和底座130。底座130上的基底粘结区域131连接到基底120上的粘结区域121。光纤110上的粘结区域111利用焊料140连接到底座130上的元件粘结区域132。
[18]本发明将在包括光纤110作为元件的元件组件100的范围内描述。这种元件组件100可以被包括作为例如一部分光纤耦合激光器模块。可替换地，元件110可以例如是激光器、反射镜、透镜、MEMS装置、隔离器、调制器或检测器。优选地，元件110是光学元件；然而，本领域技术人员能理解本发明并不限于光学元件。
[19]本发明的重要特征在于底座130由具有有利于利用光源焊接的属性的陶瓷材料构成。作为第一属性，陶瓷材料可吸收光；即陶瓷材料吸收波长在200nm和1400nm之间的可见或近可见光。该属性使得底座130能够通过来自光源的光加热。反过来(inturn)，底座130加热焊料140，有助于熔化焊料140。从而，使用由光吸收陶瓷材料构成的底座130大大提高了利用光源进行焊接的效率。
[20]尽管实际上任何光源都可以作为一种加热手段来熔化焊料140，但是优选的光源是激光器。更具体的，光源优选是半导体二极管激光器，其优选地在1W和10W之间的输出功率处发射波长在700nm和1100nm之间的光。适当光源的例子是铟镓砷化物(InxGa1-xAs)二极管激光器，其发射波长在900nm和985nm之间的光。
[21]优选地，底座130在来自光源的光(即从光源入射到底座130上的光)的波长处具有至少30％的光学吸收率，底座130在特定波长处吸收至少30％。更优选地，底座130在来自光源的光的波长处具有至少50％的光学吸收率，或甚至更优选地，至少75％的光学吸收率。更优选地，底座130在来自光源的光的波长处具有至少90％的光学吸收率。相反，当使用铟镓砷化物激光二极管作为光源时，由光学非吸收陶瓷材料(例如氧化锆)构成并镀有光学吸收金属层(例如钛)的常规底座在900nm和985nm之间的波长处一般具有小于30％的光学吸收率。
[22]作为第二属性，陶瓷材料底座130在光纤110的工作温度处具有第一热导率和在焊料140的熔化点处具有第二热导率，第二热导率显著低于第一热导率。该属性确保底座130在焊接期间易于保持热量，但是在操作期间易于散热。因此，需要提供以来自光源的光的形式的更小能量来熔化焊料140，有助于光纤110的连接。此外，在光纤110的操作期间，例如，作为一部分光纤耦合的激光器模块，底座130例如通过弱导光或包层模式的光最小化焊料140的加热，从而提高连接的可靠性。
[23]在光纤110的工作温度处的陶瓷材料的第一热导率比在焊料140的熔化点处的第二热导率低至少25％，其中光纤110的工作温度一般在20℃和85℃之间，焊料140的熔化点一般在200℃和500℃之间。优选地，第二热导率比第一热导率低至少50％。在一些情况下，可能希望第一热导率大于50Wm-1K-1，或第二热导率小于50Wm-1K-1。
[24]许多氧化物具有对于底座130的陶瓷材料所需的第二属性，在于它们在光纤110的一般工作温度处具有第一热导率和在焊料140的一般熔化点处具有第二热导率，第二热导率显著低于第一热导率。例如，氧化铍(BeO)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)和85％氧化铝(Al2O3)/15％二氧化硅(SiO2)混合物在25℃、100℃、400℃和500℃温度处的热导率近似值见下表1。表1中的陶瓷材料列表决不是穷举的，所提供的值仅作为引导，因为陶瓷材料的热导率取决于许多因素，包括陶瓷材料的纯度、相位和微结构，以及温度。
表1
 陶瓷材料     热导率(Wm-1K-1)
    在25℃     在100℃     在400℃     在500℃
 BeOMgOCaOTiO2Al2O385％Al2O3/15％SiO2     3005016123315     21036-730-     9018-413-     70159-127
[25]表1中所列的所有陶瓷材料，包括氧化物和氧化物混合物，在400℃或500℃处都具有第二热导率，其比在25℃处的第一热导率至少低50％。此外，比较所提供的有关氧化铝的值和所提供的有关85％氧化铝15％二氧化硅混合物的值，可以理解：除了第一氧化物以外，陶瓷材料可以包含第二氧化物，以改变陶瓷材料的第一热导率或第二热导率。
[26]根据多次研究得到的氧化铝的热导率与温度的曲线图，如图2所示。根据所示曲线图，氧化铝在300℃处的第二热导率在12.5Wm-1K-1和22.5Wm-1K-1之间，和在25℃处的第一热导率在25Wm-1K-1和37.5Wm-1K-1之间，第二热导率比第一热导率低30％到50％之间。
[27]然而，按表1中列出的单纯的氧化物和氧化物混合物构成的陶瓷材料底座130不具有所需的第一属性，在于它们不是光学吸收的。为了使陶瓷材料具有光学吸收性，除了第一氧化物或氧化物混合物之外，陶瓷材料中可以包含着色剂(例如过渡金属氧化物)。除了其它氧化物(例如二氧化硅和二氧化钛)之外，适当的陶瓷材料的例子是褐色的氧化铝，其一般包括至少90％的氧化铝和至多1％的作为着色剂的三氧化二铁(Fe2O3)。
[28]参考图3A和3B，可以将底座130塑造为单块矩形平板。可替换地，可以将底座130塑造为更复杂的形状。底座130应当足够大以实现焊料140的有效熔化以及光纤110的牢固连接。对于所示实施例的示例性尺寸是大约2mm×0.9mm×0.8mm。在元件组件100中，底座130上的基底粘结区域131被连接到基底120，底座130上的元件粘结区域132利用焊料140被连接到光纤110。优选地，基底粘结区域131和元件粘结区域132被设置在底座130的相对表面上，如所示实施例。
[29]在一些情况下，底座130由具有不可用焊料140湿润的第三有利属性的陶瓷材料构成。该属性使得陶瓷材料能够为焊料140提供阻挡层。在这些情况下，底座130上的基底粘结区域131和元件粘结区域132每个镀有焊料140可湿性金属层(例如金)。因此，陶瓷材料充当焊料屏障，将已熔化的焊料140限制到金属化基底粘结区域131和金属化元件粘结区域132。
[30]此外，为了实现多个功能，底座130上的基底粘结区域131和元件粘结区域132可以被镀有多个金属层。参考图4，在优选实施例中，基底粘结区域131包括金层433、铂层434和钛层435。元件粘结区域132包括金层436、铂层437、镍层438和钛层439。焊料140可湿性金层433和436促进焊料140与底座130的粘附。铂层434和437防止材料从底座130或基底120扩散到焊料140中，反之亦然。同样地，镍层438也提供扩散阻挡层。钛层435和439是光学吸收性的并且焊料140不可将其润湿，它们吸收来自光源的光，并为焊料140提供阻挡层。金属层433至439可以通过物理汽相沉积(PVD)、电镀或任何其它适当的方法沉积至0.1μm至1μm之间的厚度。
[31]再次参考图1，底座130上的基底粘结区域131优选地利用焊料(未示出)连接到基底120上的粘结区域121。优选地，用于连接底座130和基底120的焊料和用于连接光纤110和底座130的焊料属于相同类型。基底120可以是例如平台或外壳。优选地，基底120由陶瓷材料(例如氧化铝)构成，粘结区域121被镀有焊料可湿性金属层(例如金)。在一些情况下，为了实现多个功能，基底120上的粘结区域121可以被镀有多个金属层，如前所述。
[32]在优选实施例中，光纤110上的粘结区域111类似地被金属化以促进焊料140的粘附。优选地，粘结区域111被镀有焊料140可湿性材料层(例如镍/金合金)。可替换地，粘结区域111可以未被镀，焊料140可以完全环绕粘结区域111流动以将光纤110连接到底座130上的元件粘结区域132。
[33]焊料140优选地具有相对高的在200℃和500℃之间的熔点，如前所述。在一些情况下，优选合金作为焊料140。在这种情况下，焊料140优选是硬焊料，例如金/锡合金或金/锗合金。更优选地，焊料140是共晶合金，例如80％金/20％锡合金，其具有约280℃的熔点。
[34]在其它情况下，可以优选玻璃焊料作为焊料140。在这种情况下，焊料140优选是具有近350℃熔点的玻璃焊料。关于玻璃焊料，在此所用的术语“熔点”涉及玻璃化转变温度。有利地，当玻璃焊料用作焊料140时，光纤110上的粘结区域111和底座130上的元件粘结区域132的金属化是不必要的。
[35]这种元件组件100的制造包括提供元件，例如光纤110、基底120和底座130，如前所描述。特别是，所提供的底座130必须与将用于焊接的光源和焊料140相兼容。例如，在优选实施例中，所提供的由黑色氧化铝构成的底座130，其与作为光源的铟镓砷化物二极管激光器和作为焊料140的80％金/20％锡合金一起使用，该激光器发射波长在900nm和985nm之间的光。
[36]所提供的底座130上的基底粘结区域131被连接到基底120上的粘结区域121。优选地，该连接步骤包括将底座130焊接到基底120。更优选地，该连接步骤包括通过利用来自光源的光熔化焊料，利用焊料将底座130连接到基底120。
[37]然后利用光源将光纤110焊接到底座130。光纤110上的粘结区域111被定位在底座130上的元件粘结区域132之上，焊料140定位在粘结区域111和元件粘结区域132之间和/或与其相邻。将来自光源的光向焊料140和底座130引导以熔化焊料140。一旦焊料140被熔化，就将光源关闭或将光源远离焊料140和底座130。然后焊料140冷却和固化，从而将光纤110的位置固定。
[38]当然，许多其它实施例可以预计，只要不偏离本发明的精神和范围。

Claims (25)

1.一种元件组件，其包括：
基底；
连接到所述基底的底座；和
利用焊料连接到所述底座的元件，
其中所述底座由陶瓷材料构成，
其中所述陶瓷材料可吸收光，以使得所述底座能够通过来自光源的光加热，以及
其中所述陶瓷材料在所述元件的工作温度处具有第一热导率和在所述焊料的熔点处具有第二热导率，
其中所述第二热导率比所述第一热导率至少低25％。
2.根据权利要求1所述的元件组件，其中所述元件是光纤。
3.根据权利要求1所述的元件组件，其中所述底座在700nm和1100nm之间的波长处具有至少30％的光学吸收率。
4.根据权利要求1所述的元件组件，其中所述元件的所述工作温度在20℃和85℃之间。
5.根据权利要求1所述的元件组件，其中所述焊料的所述熔点在200℃和500℃之间。
6.根据权利要求1所述的元件组件，其中所述第二热导率比所述第一热导率至少低50％。
7.根据权利要求1所述的元件组件，其中所述陶瓷材料包含第一氧化物。
8.根据权利要求7所述的元件组件，其中所述第一氧化物选自由氧化铍、氧化镁、氧化钙、二氧化钛和氧化铝所组成的组。
9.根据权利要求7所述的元件组件，其中所述陶瓷材料进一步包括第二氧化物以改变所述第一热导率或所述第二热导率。
10.根据权利要求7所述的元件组件，其中所述陶瓷材料进一步包括着色剂以使得所述陶瓷材料可吸收光。
11.根据权利要求10所述的元件组件，其中所述着色剂是过渡金属氧化物。
12.根据权利要求1所述的元件组件，其中所述陶瓷材料不可用所述焊料湿润以为所述焊料提供阻挡层。
13.根据权利要求1所述的元件组件，其中所述焊料选自由金/锡合金、金/锗合金、和玻璃焊料组成的组。
14.一种制造元件组件的方法，包括以下步骤：
a)提供元件；
b)提供基底；
c)提供由陶瓷材料构成的底座，
其中所述陶瓷材料可吸收光以使得所述底座能够通过来自光源的光加热，以及
其中所述陶瓷材料在所述元件的工作温度处具有第一热导率和在焊料的熔点处具有第二热导率，
其中所述第二热导率比所述第一热导率至少低25％；
d)将所述底座连接到所述基底；和
e)通过利用来自所述光源的所述光熔化所述焊料，利用所述焊料将所述元件连接到所述底座。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述元件是光纤。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述光源是半导体二极管激光器。
17.根据权利要求14所述的方法，其中来自所述光源的所述光具有700nm和1100nm之间的波长。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述底座在来自所述光源的所述光的波长处具有至少30％的光学吸收率。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述元件的所述工作温度在20℃和85℃之间。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述焊料的所述熔点在200℃和500℃之间。
21.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二热导率比所述第一热导率至少低50％。
22.根据权利要求14所述的方法，其中所述陶瓷材料包含第一氧化物。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述陶瓷材料进一步包括着色剂以使得所述陶瓷材料可吸收光。
24.根据权利要求14所述的方法，其中所述陶瓷材料不可用所述焊料湿润以为所述焊料提供阻挡层。
25.根据权利要求14所述的方法，其中步骤d)包括将所述底座焊接到所述基底。
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