CN104465613A - 一种芯片互联结构及其互联工艺 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种芯片互联结构及其互联工艺，结合热压键合技术并且充分利用了铜的金属特性来实现对两个芯片或者多个芯片的互联，金属结构的设置使得两个芯片不仅可以实现光学连接，亦可以实现电学连接。芯片之间的键合比较牢固，强度高；并且整个互联工艺相对简单，比较适合大规模的生产应用。而且除了覆盖在光栅及波导之上的保护结构以外，芯片与芯片之间可以没有间隔。这样光栅与光栅之间的自由光传输空间只有2微米到4微米，由于光扩散导致的光学损耗就得到了一定程度的减小。所述的两个光栅优选为对焦型光栅结构，不仅可以较好的降低光传输过程中的光学损耗，同时也可以获得较好的纵向和横向误差容忍度。

Description

一种芯片互联结构及其互联工艺

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体地说是涉及一种芯片互联结构及其互联工艺。

背景技术

随着科技的进步，越来越多具有不同功能的芯片涌入到人们的生活中，芯片与芯片之间的互联方式也越来越多样，其中翻转芯片光联通技术可以说是在芯片与芯片之间进行互联的所有技术手段当中最为常见的一项技术。

如图1所示，两个芯片（1,2）联通之后，两个芯片中的光栅4之间会实现光的联通。现有技术中通常采用铟凸块回流焊接的方式实现两个芯片之间的联通。如专利文献申请公布号为CN102064120A的一种基于铟凸点的无助焊剂回流工艺方法，其公开了基板金属化、钝化层开口、凸点下金属化层增厚、电镀铟凸点、电镀银层包覆铟凸点、凸点回流等互联工艺步骤。按照此种互联工艺制作出的芯片互联结构具有一种较好的自我对准的能力，而且往往也能得到较好的对准误差，并且获得较佳的传输效率，比较适合快速大规模生产。

由于铟凸块本身的熔点低，在互联加热过程中会产生凸起，形成较高的高度（一般在30微米到50微米之间），如图2所示便为其中的一个芯片的铟凸块经过加热产生的具有一定高度的铟球3。这样将两个芯片互联时，两个芯片之间不能做到严密的结合，如图1所示，会由于凸起的存在导致两个芯片之间存在一些具有一定高度的铟球3。根据图1与图2进行比较可知，这样就会导致两个光栅之间的距离增大，实现光联通时，光程加大，加大了光学损耗。以这种方式进行的互联工艺会在实际传输中有6-7dB的光学损耗。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的芯片互联结构在传输过程中会产生较大的光学损耗，从而提出一种可以降低传输过程中的光学损耗的一种芯片互联结构及其互联工艺。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种芯片互联结构，包括：

第一芯片和第二芯片，以及将所述第一芯片和所述第二芯片联通的金属结构；

其中所述第一芯片和所述第二芯片均包括光学芯片部与电子连接部，所述光学芯片部包括光栅与波导，光信号在两个光栅之间传输；所述电子连接部包括通过所述金属结构进行连接的电子器件。

进一步地所述金属结构为金属铜。

进一步地两个光栅均为一维光栅结构。

进一步地两个光栅均为对焦型光栅结构。

进一步地所述第一芯片和所述第二芯片均还包括覆盖在光栅与波导上的保护结构。

进一步地两个光栅之间的距离为2-4um。

进一步地所述金属结构与波导之间的距离大于3-4um。

一种芯片互联工艺，包括如下步骤：

S1：在第一芯片和第二芯片的上表面涂覆一层金属结构；

S2：所述第一芯片和所述第二芯片的上表面相对，保证两个芯片的金属结构相贴合；

S3：将经所述步骤S2中的两个芯片进行热压键合，完成两个芯片的互联。

进一步地所述金属结构为金属铜。

进一步地所述热压键合在洁净度不低于1000的无尘室中进行。

进一步地所述热压键合的温度为300℃-500℃。

进一步地所述热压键合的温度为400℃。

进一步地所述热压键合的压力为2000-5000mbar。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的一种芯片互联结构及其互联工艺，结合了热压键合技术，并且充分利用了铜的金属特性来实现对两个芯片或者多个芯片的互联，金属结构的设置使得两个芯片不仅可以实现光学连接，亦可以实现电学连接。芯片之间的键合比较牢固，强度高；并且整个互联工艺相对简单，无需对边缘进行处理，比较适合大规模的生产应用。

（2）本发明所述的一种芯片互联结构及其互联工艺，除了覆盖在光栅及波导之上的保护结构以外，芯片与芯片之间可以没有间隔。这样光栅与光栅之间的光传输距离只有2微米到4微米，由于光扩散导致的光学损耗就得到了一定程度的减小。

（3）本发明所述的一种芯片互联结构及其互联工艺，所述的两个光栅优选为对焦型光栅结构，不仅可以较好的降低光传输过程中的光学损耗，同时也可以获得较好的纵向和横向误差容忍度。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是现有技术中的芯片互联结构示意图；

图2是现有技术中的芯片互联结构中的铟球放大示意图；

图3是一种实施例所述的芯片互联结构示意图；

图4是一维光栅结构中的光信号传播示意图；

图5是对焦型光栅结构中的光信号传播示意图；

图6一种实施例所述的芯片互联工艺流程图。

图中附图标记表示为：1-第一芯片，2-第二芯片，3-铟球，4-光栅，

5-波导，6-电子器件。

具体实施方式

实施例1

本实施例所述的一种芯片互联结构，如图3所示，包括：

第一芯片1和第二芯片2，以及将所述第一芯片1和所述第二芯片2联通的金属结构。

其中所述第一芯片1和所述第二芯片2均包括光学芯片部与电子连接部，所述光学芯片部包括光栅4与波导5，光信号在两个光栅4之间传输；所述电子连接部包括通过所述金属结构进行连接的电子器件6。

所述金属结构优选为金属铜。本领域技术人员应当知晓，所述金属结构材质的选择包括但不限于金属铜，其他的金属亦可以选用，因为金属铜是目前主要的电学连接媒介，并且使用金属铜作为键合媒介，可以简化加工步骤。通过金属结构的设置使得两个芯片不仅可以实现光学连接，亦可以实现电学连接。故此处优选使用金属铜，但是其他显而易见的金属替换亦在本实施例的保护范围之内。

本实施例所述的一种芯片互联结构，通过在每一所述芯片的上表面铺设一层金属铜，继而通过热压键合技术完成两个芯片的互联。所述金属铜的铺设需要保证整个芯片的上表面的平整，具体参数需要结合具体芯片的实际尺寸来设定，但是实现的最终目的在于保证两个芯片的无缝对接互联。并且本实施例不仅可以完成两个芯片的互联，也可以完成多个芯片的互联，即只要所述第一芯片1本身的晶体衬底足够宽，所述第一芯片1上所铺设的金属铜足够宽便可以在所述第一芯片1上互联多个芯片。本领域技术人员应当知晓，所述芯片互联的数量并非用于限制本实施例，根据实际需要而进行多个芯片的互联亦在本实施例的保护范围之内。

两个光栅均为一维光栅结构。此时光信号在传输过程中一般要在细小的波导结构一端通过一种很长的渐变波导将光学模式逐渐变宽，然后由光栅将光学模式近似垂直扩散出去，其光信号传播过程如图4所示。其中所述光学模式是光信号在传输过程中满足相应相位条件时所对应的光信号的各种参数。这种渐变波导往往很长，例如在硅光***中往往需要300微米以上，而在其他低折射率对比度的集成光学***中，这种渐变波导部分则需要更长，本领域技术人员应当知晓，此处不在赘述。在硅光通信中通过采用一维光栅结构的芯片互联结构，3dB误差范围在正负8微米左右，具有较好的纵向误差容忍度。

所述第一芯片和所述第二芯片均还包括覆盖在光栅与波导上的二氧化硅保护结构。优选地两个光栅之间的距离为2-4um。同时为了保证光信号传输过程中较少的受到干扰，优选地所述金属结构与波导之间的距离均为3-4um。本领域技术人员应当知晓，由于芯片表面的保护结构的厚度不同会导致以上数据的变化，任何显而易见的数据变化均在本实施例的保护范围之内。

本实施例所述的一种芯片互联结构，除了覆盖在光栅及波导之上的保护结构以外，芯片与芯片之间可以没有间隔。这样光栅与光栅之间的光传输距离只有2微米到4微米，由于光扩散导致的光学损耗就得到了一定程度的减小。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行的改进，其与实施例1的区别在于用对焦型光栅结构替换实施例1的一维光栅结构，即两个光栅均为对焦型光栅结构，其光信号的传播过程如图5所示。

所述的芯片互联结构中的光栅无论是一维光栅结构还是对焦型光栅结构，在纵向误差的表现上都很出色，3dB误差范围在正负8微米左右。但是一维光栅结构如果宽度不高的话，其横向误差容忍度往往很低。然而如果一维光栅结构宽度较高的话，横向误差容忍度会相应提高，但是这种结构需要很长的渐变波导以实现低损耗率的传输，这样的话又会大大的增加光学器件的占用面积。

而对焦型光栅结构较之一维光栅结构比较简短，即使是较长的对焦型光栅结构其长度也都在30微米以内，也就不需要渐变波导将光学模式增大。也因此对焦型光栅结构可以在横向误差容忍度上有很好的表现，3dB误差范围在正负5-10微米左右。即对焦型的芯片互联结构不仅可以较好的降低光传输过程中的光学损耗，同时也可以获得较好的纵向和横向误差容忍度。对焦型光栅的设计尺寸相对于一维光栅而言也是大为减小，有利于芯片设计的尺寸节约。

实施例3

一种芯片互联工艺，如图6所示，包括如下步骤：

S1：在第一芯片和第二芯片的上表面涂覆一层金属结构；

S2：所述第一芯片和所述第二芯片的上表面相对，保证两个芯片的金属结构相贴合；

S3：将经所述步骤S2中的两个芯片进行热压键合，完成两个芯片的互联。

所述金属结构优选为金属铜。本领域技术人员应当知晓，所述金属结构材质的选择包括但不限于金属铜，其他的金属亦可以选用，因为金属铜是目前主要的电学连接媒介，并且使用金属铜作为键合媒介，可以简化加工步骤。通过金属结构的设置使得两个芯片不仅可以实现光学连接，亦可以实现电学连接。故此处优选使用金属铜，但是其他显而易见的金属替换亦在本实施例的保护范围之内。

热压键合技术通常应用在电子封装领域，主要是通过高温加热使键合媒介发生形变，通过对时间、温度、压力的调控进行的键合方式。由于该技术已经相对成熟，故此处不对热压键合技术进行具体阐述，本领域技术人员应当知晓。但是应用热压键合技术在芯片互联领域尚未有所应用，尤其是采用金属铜作为热压键合媒介。本实施例所述的一种芯片互联工艺，结合了热压键合技术，并且充分利用了铜的金属特性来实现对两个芯片或者多个芯片的互联。金属结构的设置使得两个芯片不仅可以实现光学连接，亦可以实现电学连接。芯片之间的键合比较牢固，整体强度高；并且整个互联工艺相对简单，比较适合大规模的生产应用。

所述热压键合在洁净度不低于1000的无尘室中进行。为了保证芯片之间的无缝对接，需要尽量避免芯片之间夹杂的一些微尘和杂质，选择洁净度越高的环境其热压键合的效果越好。

所述热压键合的温度优选为300℃-500℃。更为优选地所述热压键合的温度为400℃。所述热压键合的压力为2000-5000mbar。因为加热是在400度左右，而金属铜的熔点在1084℃，所述热压键合的温度不会使金属铜的形貌发生改变，也就不会产生凸起，可以保证两个芯片的无缝对接互联。如此便可以通过金属结构的设置使得两个芯片不仅可以实现光学连接，亦可以实现电学连接。并且本实施例不仅可以完成两个芯片的互联，也可以完成多个芯片的互联，即只要所述第一芯片本身的晶体衬底足够宽，所述第一芯片上所铺设的金属铜足够宽便可以在所述第一芯片上互联多个芯片。本领域技术人员应当知晓，所述芯片互联的数量并非用于限制本实施例，根据实际需要而进行多个芯片的互联亦在本实施例的保护范围之内。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种芯片互联结构，其特征在于，包括：

第一芯片和第二芯片，以及将所述第一芯片和所述第二芯片联通的金属结构；

其中所述第一芯片和所述第二芯片均包括光学芯片部与电子连接部，所述光学芯片部包括光栅与波导，光信号在两个光栅之间传输；所述电子连接部包括通过所述金属结构进行连接的电子器件。

2.根据权利要求1所述的芯片互联结构，其特征在于：

所述金属结构为金属铜。

3.根据权利要求1或2所述的芯片互联结构，其特征在于：

两个光栅均为一维光栅结构。

4.根据权利要求1或2所述的芯片互联结构，其特征在于：

两个光栅均为对焦型光栅结构。

5.根据权利要求1-4任一所述的芯片互联结构，其特征在于：

所述第一芯片和所述第二芯片均还包括覆盖在光栅与波导上的保护结构。

6.根据权利要求1-5任一所述的芯片互联结构，其特征在于：

两个光栅之间的距离为2-4um。

7.根据权利要求1-6任一所述的芯片互联结构：其特征在于：

所述金属结构与波导之间的距离大于3-4um。

8.一种芯片互联工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在第一芯片和第二芯片的上表面涂覆一层金属结构；

S2：所述第一芯片和所述第二芯片的上表面相对，保证两个芯片的金属结构相贴合；

S3：将经所述步骤S2中的两个芯片进行热压键合，完成两个芯片的互联。

9.根据权利要求8所述的芯片互联工艺，其特征在于：

所述金属结构为金属铜。

10.根据权利要求8或9所述的芯片互联工艺，其特征在于：

所述热压键合在洁净度不低于1000的无尘室中进行。

11.根据权利要求8-10任一所述的芯片互联工艺，其特征在于：

所述热压键合的温度为300℃-500℃。

12.根据权利要求8-11任一所述的芯片互联工艺，其特征在于：

所述热压键合的温度为400℃。

13.根据权利要求8-12任一所述的芯片互联工艺，其特征在于：

所述热压键合的压力为2000-5000mbar。