CN109841600A - 硅光子光模块的封装结构及其封装方法 - Google Patents

硅光子光模块的封装结构及其封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅光子光模块的封装结构及其封装方法。本发明一种硅光子光模块的封装结构，包括：PCBA电路板、CuW底座、CuW盖子、硅光子芯片发射单元和硅光子芯片接收单元、驱动芯片、跨阻放大器芯片和半导体致冷器(TEC)；所述PCBA电路板上设有开窗区域；所述开窗区域下表面边沿为第四配合面；所述PCBA电路板上表面靠近开窗区域设有第五配合面和第六配合面；所述CuW底座的上表面边沿为第一配合面；所述CuW底座上还设有第二配合面和第三配合面；所述第一配合面与所述第四配合面通过UV固化胶水贴合。本发明的有益效果：利用CuW结构件以及带高度控制功能的吸嘴来消除硅光子芯片与IC芯片之间贴片的高度差异，从而缩减不同芯片焊盘之间的金丝键合长度。

Description

硅光子光模块的封装结构及其封装方法
技术领域
本发明涉及半导体封装领域，具体涉及一种硅光子光模块的封装结构及其封装方法。
背景技术
硅光子技术目前已被光通信行业普遍认同为是下一代光通信器件及模块***的核心技术，是解决数据中心互连速率限制、成本、及功耗问题最有希望的解决方案之一。硅光子技术与CMOS工艺兼容，将光源、调制器、探测器、合波/分波器件、波导等一系列光学元件集成在单个硅基衬底上，大大降低光子芯片的原材料生产成本以及光模块的封装测试成本。硅光子技术在大幅度提升器件集成度，降低功耗的同时，也能够提升信号传输的带宽，特别是在多通道的光学***中比传统的方案更具优势。
目前，行业内现有的硅光子光模块内部结构设计主要有两种：参阅图1，第一种是采用chip on board(COB)封装形式，直接将硅光子芯片和IC电芯片贴片到PCBA电路板上，然后在用金丝键合连接硅光子芯片、IC电芯片及PCBA电路板。图1是一个典型的硅光子模块COB封装形式，包含一个PCBA电路板、一个硅光子芯片发射单元(含激光器、调制器、合波器、波导、扩束器等光器件)、一个硅光子芯片接收单元(含探测器、分波器、波导、扩束器等光器件)、一个驱动(Driver)芯片、一个跨阻放大(TIA)芯片。其封装原理是通过手动装置或者自动化设备(例如：贴片机)将硅光子芯片和IC电芯片依次贴入PCBA电路板的对应位置内。首先，将COB贴装所需的物料放入设备或装置的上料区域，然后借助视觉检测***对芯片及PCBA电路板贴片位置进行检测并计算芯片相对于PCBA贴装位置的相对距离，之后用点胶针在PCBA贴片位置点导电银胶，最后使用真空吸嘴吸取硅光子芯片和IC电芯片贴入PCBA电路板。贴片完成后，可以使用打线设备对硅光子芯片焊盘、IC电芯片焊盘和PCBA电路板上焊盘进行金丝键合。这种方式的优点是结构简单，可靠性高，封装成本低。
参阅图2，第二种是采用发射接收子装配体(TROSA)封装形式，将IC芯片和硅光子芯片分别贴到柔性电路板(FPC)和半导体制冷器(TEC)上面，并用金丝键合连接硅光子芯片、IC芯片及FPC电路板，配合钨铜(CuW)结构件封装成一个发射接收子装配体。图2是一个典型的硅光子模块TROSA封装形式，包含一个PCBA电路板、一个FPC电路板、一个TEC、一个CuW结构件、一个硅光子芯片发射单元、一个硅光子芯片接收单元、一个Driver芯片、一个TIA芯片。其封装原理是通过手动装置或者自动化设备将FPC电路板贴入CuW结构件中，再将TEC贴入CuW结构件中，然后依次将IC芯片和硅光子芯片贴入FPC电路板以及TEC的对应位置内。其中，硅光子芯片发射单元贴在TEC上面，目的是通过TEC对激光器和调制器进行温度控制，提升器件的信号发生质量。其他三颗芯片均贴装在FPC对应位置上。TROSA封装形式的芯片贴片过程与COB封装形式类似，这里不再赘述。贴片完成后，可以使用打线设备对硅光子芯片焊盘、IC电芯片焊盘和PCBA电路板上焊盘进行金丝键合。然后利用CuW结构件封装成一个TROSA子装配体，最后通过热压焊接的方式将FPC焊盘与PCBA焊盘连接。种方式的优点是通过在FPC电路板下面增加CuW结构件和TEC来实现硅光子芯片上激光器和调制器的温度控制，从而消除温度改变对激光器和调制器的影响。
传统技术存在以下技术问题：
第一种是采用COB封装形式，其技术缺陷主要有两点。第一点：高速信号线通过金丝键合方式将硅光子芯片发射单元和接收单元分别与Dr iver芯片和TIA芯片连接，同样的方式将Driver芯片和TIA芯片与PCBA电路板连接；在高速光模块电路中，尤其是在25Gbps速率以上，金丝键合长度越短对于高频信号传输的完整性越好；然而，金丝键合的长度取决于硅光子芯片、IC电芯片、PCBA焊盘的之间距离，包括水平方向和垂直方向；COB封装形式无法控制不同芯片焊盘在垂直方向上的高度差，对于金丝键合的长度控制不利，进而造成打线长度过大，影响高频信号完整性。第二点：直接将硅光子芯片发射单元贴装到PCBA电路板上对激光器的散热控制不佳，从而导致激光器和调制器的温度特性漂移，影响硅光子模块的光信号发生质量。
第二种是采用TROSA封装形式，其技术缺陷主要有两点。第一点：与COB封装形式一样，即无法控制不同芯片焊盘在垂直方向上的高度差，对金丝键合长度控制不利，影响信号完整性。第二点：这种封装形式需要通过热压焊接方式将FPC焊盘与PCBA焊盘连接，工艺可靠性不佳，造成生产良率低下；另一方面，这种封装形式工艺复杂，增加生产和封装成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种硅光子光模块的封装结构及其封装方法，在COB封装工艺的基础上对硅光子光模块内部结构设计进行了改进和优化。基本思路是在PCBA电路板上面进行开窗处理，在PCBA电路板开窗位置贴装CuW结构件，在CuW结构件内部贴装TEC，再将硅光子芯片发射单元贴在TEC上面，硅光子芯片接收单元贴在CuW结构件上，Driver芯片和TIA芯片分别贴在PCBA对应贴片区域内。此外，通过TEC吸头的特殊化设计，实现TEC贴装高度可调节能力，精确控制不同芯片焊盘的高度差，尽可能缩短金丝键合的长度，进而保证高速信号传输的完整性。另一方面，将硅光子芯片发射单元贴在TEC上面，有利于激光器和调制器的热管理，提升硅光子模块的光信号发生质量。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硅光子光模块的封装结构，包括：PCBA电路板、CuW底座、CuW盖子、硅光子芯片发射单元和硅光子芯片接收单元、驱动芯片、跨阻放大器芯片和TEC；
所述PCBA电路板上设有开窗区域；所述开窗区域下表面边沿为第四配合面；所述PCBA电路板上第五配合面和第六配合面；
所述CuW底座的上表面边沿为第一配合面；所述CuW底座上还设有第二配合面和第三配合面；
所述第一配合面与所述第四配合面通过UV固化胶水贴合；
所述半导体致冷器的下表面和所述第二配合面通过导电银胶贴合；
所述硅光子芯片发射单元的下表面和TEC的上表面通过导电银胶贴合；
所述硅光子芯片接收单元的下表面和所述第三配合面通过导电银胶贴合；
所述驱动芯片的下表面和所述第五配合面通过导电银胶贴合；
所述跨阻放大器芯片的下表面和所述第六配合面通过导电银胶贴合。
在其中一个实施例中，所述开窗区域位于所述PCBA电路板的中部位置。
在其中一个实施例中，所述开窗区域为300mmx250mm。
一种任一项所述硅光子光模块的封装结构的封装方法，包括：
将PCBA电路板放入治具中，在所述第四配合面上面均匀的画上UV固化胶，将CuW底座的所述第一配合面贴合在所述第四配合面上，并用UV光照射从而固化UV胶水；
将子装配体翻转并固定在治具中，在所述第五配合面和所述第六配合面上画上导电银胶，用真空吸嘴依次吸取驱动芯片和跨阻放大器芯片并贴合在所述第五配合面和所述第六配合面上；
在所述第二配合面上均匀沾上导电银胶，用带高度控制的真空吸嘴吸取半导体致冷器并贴合在所述第二配合面上；
在半导体致冷器上表面和所述第三配合面上画导电银胶，用真空吸嘴依次吸取硅光子芯片发射和接收单元并贴合在半导体致冷器上表面和所述第三配合面上；
在硅光子芯片发射单元靠近激光器的位置焊上热敏电阻；
在所述第四配合面的背面画上UV固化胶，将CuW盖子与所述第四配合面的背面贴合；
将整个装配体放入高温炉内，并加热固化胶水。
在其中一个实施例中，包括：“将PCBA电路板放入治具中，在所述第四配合面上面均匀的画上UV固化胶，将CuW底座的所述第一配合面贴合在所述第四配合面上，并用UV光照射从而固化UV胶水；”中，UV光照射的时间是1分钟，UV光照强度是200mW/cm2。
本发明的有益效果：
利用CuW结构件以及带高度控制功能的吸嘴来消除硅光子芯片与IC芯片之间贴片的高度差异，从而缩减不同芯片焊盘之间的金丝键合长度，保证高频信号传输的完整性；利用CuW热沉、热敏电阻、TEC，实现对于硅光子芯片发射单元中激光器和调制器的热管理，从而提升硅光子模块的光信号发生质量；CuW底座和盖子还能起到电磁干扰(EMI)屏蔽功能，增强硅光子模块的抗电磁干扰能力。
附图说明
图1是本发明传统技术中的硅光子模块COB封装形式示意图。
图2是本发明传统技术中的硅光子模块TROSA封装形式示意图。
图3是本发明硅光子光模块的封装结构中CuW底座及PCBA电路板结构示意图。
图4是本发明硅光子光模块的封装结构中硅光子模块COB封装结构优化示意图。
图5是本发明硅光子光模块的封装方法的流程示意图。
图6是本发明硅光子光模块的封装结构中吸头结构示意图。
图7是本发明硅光子光模块的封装结构中硅光子芯片贴装高度控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种硅光子光模块的封装结构，包括：PCBA电路板、CuW底座、CuW盖子、硅光子芯片发射单元和硅光子芯片接收单元、驱动芯片、跨阻放大器芯片和TEC；
所述PCBA电路板上设有开窗区域；所述开窗区域下表面边沿为第四配合面；所述PCBA电路板上第五配合面和第六配合面；
所述CuW底座的上表面边沿为第一配合面；所述CuW底座上还设有第二配合面和第三配合面；
所述第一配合面与所述第四配合面通过UV固化胶水贴合；
所述半导体致冷器的下表面和所述第二配合面通过导电银胶贴合；
所述硅光子芯片发射单元的下表面和TEC的上表面通过导电银胶贴合；
所述硅光子芯片接收单元的下表面和所述第三配合面通过导电银胶贴合；
所述驱动芯片的下表面和所述第五配合面通过导电银胶贴合；
所述跨阻放大器芯片的下表面和所述第六配合面通过导电银胶贴合。
在其中一个实施例中，所述开窗区域位于所述PCBA电路板的中部位置。
在其中一个实施例中，所述开窗区域为300mmx250mm。
一种任一项所述硅光子光模块的封装结构的封装方法，包括：
将PCBA电路板放入治具中，在所述第四配合面上面均匀的画上UV固化胶，将CuW底座的所述第一配合面贴合在所述第四配合面上，并用UV光照射从而固化UV胶水；
将子装配体翻转并固定在治具中，在所述第五配合面和所述第六配合面上画上导电银胶，用真空吸嘴依次吸取驱动芯片和跨阻放大器芯片并贴合在所述第五配合面和所述第六配合面上；
在所述第二配合面上均匀沾上导电银胶，用带高度控制的真空吸嘴吸取TEC并贴合在所述第二配合面上，利用胶水的厚度来吸收TEC和芯片加工的高度公差，多余的胶水可流入CuW底座的导胶槽内；
在TEC上表面和所述第三配合面上画导电银胶，用真空吸嘴依次吸取硅光子芯片发射和接收单元并贴合在TEC上表面和所述第三配合面上；
在硅光子芯片发射单元靠近激光器的位置焊上热敏电阻；
在所述第四配合面的背面画上UV固化胶，将CuW盖子与所述第四配合面的背面贴合；
将整个装配体放入高温炉内，并加热固化胶水。
在其中一个实施例中，包括：“将PCBA电路板放入治具中，在所述第四配合面上面均匀的画上UV固化胶，将CuW底座的所述第一配合面贴合在所述第四配合面上，并用UV光照射从而固化UV胶水；”中，UV光照射的时间是1分钟，UV光照强度是200mW/cm2。
本发明的有益效果：
利用CuW结构件以及带高度控制功能的吸嘴来消除硅光子芯片与IC芯片之间贴片的高度差异，从而缩减不同芯片焊盘之间的金丝键合长度，保证高频信号传输的完整性；利用CuW热沉、热敏电阻、TEC，实现对于硅光子芯片发射单元中激光器和调制器的热管理，从而提升硅光子模块的光信号发生质量；CuW底座和盖子还能起到电磁干扰(EMI)屏蔽功能，增强硅光子模块的抗电磁干扰能力。
本发明属于基于COB封装工艺的硅光子光模块内部结构设计的优化方案，提供一种结构巧妙、工艺简单、可靠性高的硅光子模块内部结构设计思路，能够有效控制不同芯片焊盘之间的高度差异，并且实现激光器和调制器的热管理。
下面介绍一个本发明的一个具体应用场景：
如图3所示，本发明中使用的CuW底座具备良好的热传导性能以及较小的热膨胀系数，用来贴装TEC及硅光子芯片。其中，配合面1用来与PCBA电路板贴合固定，配合面2用来贴装TEC，配合面3用来贴装硅光子芯片接收单元。PCBA电路板经过开窗处理，在其中部位置切开一个300mmX250mm的开窗区域，其中PCBA电路板下表面开窗区域(配合面4)与CuW底座上表面边沿(配合面1)贴合，配合面5用来贴装Driver芯片，配合面6用来贴装TIA芯片。
如图4所示，本发明包括的部件有：PCBA电路板、CuW底座、CuW盖子、硅光子芯片发射单元和接收单元，Driver芯片、TIA芯片、TEC。其中，CuW底座上表面边沿(配合面1)与PCBA电路板开窗区域下表面边沿(配合面4)通过UV固化胶水贴合，TEC下表面与CuW底座上表面(配合面2)通过导电银胶贴合，硅光子芯片发射单元下表面与TEC上表面通过导电银胶贴合，硅光子芯片接收单元下表面与CuW底座上表面(配合面3)通过导电银胶贴合，Driver芯片下表面与PCBA电路板上表面对应贴片区域(配合面5)通过导电银胶贴合，TIA芯片下表面与PCBA电路板上表面对应贴片区域(配合面6)通过导电银胶贴合。
如图5所示，本发明的贴装工艺包括：1、将PCBA电路板放入治具中，在PCBA电路板的配合面4上面均匀的画上UV固化胶，将CuW底座的配合面1贴合在PCBA电路板的配合面4上，并用UV光照射1分钟固化UV胶水；2、将子装配体翻转并固定在治具中，在PCBA配合面5和配合面6上画上导电银胶，用真空吸嘴依次吸取Driver芯片和TIA芯片并贴合在配合面5和配合面6上；3、在CuW底座配合面2上均匀沾上导电银胶，用带高度控制的真空吸嘴吸取TEC并贴合在配合面2上；4、在TEC上表面和CuW底座配合面3上画导电银胶，用真空吸嘴依次吸取硅光子芯片发射和接收单元并贴合在TEC上表面和配合面3上；5、在硅光子芯片发射单元靠近激光器的位置焊上热敏电阻；6、在PCBA配合面4的背面画上UV固化胶，将CuW盖子与PCBA配合面4的背面贴合；7、将整个装配体放入高温炉内，并加热固化胶水。
本发明的关键点包括：1、利用CuW结构件以及带高度控制功能的吸嘴配合导电银胶来消除硅光子芯片与IC芯片之间贴片的高度差异，从而缩减不同芯片焊盘之间的金丝键合长度，保证高频信号传输的完整性，2、利用CuW热沉、热敏电阻、TEC，实现对于硅光子芯片发射单元中激光器和调制器的热管理，从而提升硅光子模块的光信号发生质量，3、CuW底座和盖子还能起到电磁干扰(EMI)屏蔽功能，增强硅光子模块的抗电磁干扰能力。
如图6所示，本发明中使用的带高度控制功能的吸嘴结构，包括：可升降吸嘴、吸头压块、真空气管、力学传感器、直线步进电机1、直线步进电机2、导轨1、导轨2。可升降吸嘴位于吸头压块内部，通过真空气管可将芯片或TEC吸附在吸嘴处，此外通过直线步进电机2带动导轨2可实现上下方向上移动真空吸嘴的位置，从而调节真空吸嘴与吸头压块下边沿的高度差ΔH，通过调节ΔH可实现贴片高度的控制。吸头压块通过导轨1与直线步进马达1连接，可实现上下方向上的升降操作。另外，在导轨1上面安装有力学传感器，一旦吸头压块的下边沿接触到PCBA电路板，力学传感器就能探测到压力，从而停止直线步进马达1继续向下移动吸头压块。可升降吸头的厚度加工公差为±10um，直线步进马达的运动精度为±1um，因此该吸嘴设计可以保证芯片和TEC在高度方向上的贴装精度控制在±11um以内。
如图7所示，本发明针对芯片及TEC的贴装高度控制示意图。贴装步骤包括：1、将贴好CuW底座的子装配体放入治具中，通过真空吸附的方式固定子装配体；2、用点胶针在CuW底座配合面2上面均匀点入导电银胶，3、通过硅光子芯片和IC芯片的厚度测算出TEC上表面距离PCBA上表面的高度差ΔH，调节微调架马达2改变真空吸嘴与吸头压块下边沿的对应高度差。4、用真空吸嘴吸附TEC，调节微调架马达1将TEC放入CuW底座内并与配合面2贴合，通过压力传感器控制TEC贴片高度，利用胶水的厚度来吸收TEC和芯片加工的高度公差，多余的胶水可流入CuW底座的导胶槽内。同样的方法用来贴装硅光子芯片和IC芯片，从而保证硅光子芯片焊盘与IC芯片焊盘高度一致，缩减金丝键合长度。
此外，硅光子芯片发射单元贴在TEC上面，通过激光器附近的热敏电阻实时监控激光器的温度，并反馈给微控制器芯片(MCU)，利用MCU实时调节TEC制冷效率对激光器和调制器进行温度控制。利用CuW底座和盖子罩住Driver芯片、TIA芯片、硅光子芯片，增强硅光子模块EMI屏蔽能力。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种硅光子光模块的封装结构，其特征在于，包括：PCBA电路板、CuW底座、CuW盖子、硅光子芯片发射单元和硅光子芯片接收单元、驱动芯片、跨阻放大器芯片和半导体致冷器；
所述PCBA电路板上设有开窗区域；所述开窗区域下表面边沿为第四配合面；所述PCBA电路板上表面靠近开窗区域设有第五配合面和第六配合面；
所述CuW底座的上表面边沿为第一配合面；所述CuW底座上还设有第二配合面和第三配合面；
所述第一配合面与所述第四配合面通过UV固化胶水贴合；
所述半导体致冷器的下表面和所述第二配合面通过导电银胶贴合；
所述硅光子芯片发射单元的下表面和TEC的上表面通过导电银胶贴合；
所述硅光子芯片接收单元的下表面和所述第三配合面通过导电银胶贴合；
所述驱动芯片的下表面和所述第五配合面通过导电银胶贴合；
所述跨阻放大器芯片的下表面和所述第六配合面通过导电银胶贴合。
2.如权利要求1所述的硅光子光模块的封装结构，其特征在于，所述开窗区域位于所述PCBA电路板的中部位置。
3.如权利要求1所述的硅光子光模块的封装结构，其特征在于，所述开窗区域为300mmx250mm。
4.一种权利要求1到3任一项所述硅光子光模块的封装结构的封装方法，其特征在于，包括：
将PCBA电路板放入治具中，在所述第四配合面上面均匀的画上UV固化胶，将CuW底座的所述第一配合面贴合在所述第四配合面上，并用UV光照射从而固化UV胶水；
将子装配体翻转并固定在治具中，在所述第五配合面和所述第六配合面上画上导电银胶，用真空吸嘴依次吸取驱动芯片和跨阻放大器芯片并贴合在所述第五配合面和所述第六配合面上；
在所述第二配合面上均匀沾上导电银胶，用带高度控制的真空吸嘴吸取半导体致冷器并贴合在所述第二配合面上；
在半导体致冷器上表面和所述第三配合面上画导电银胶，用真空吸嘴依次吸取硅光子芯片发射和接收单元并贴合在半导体致冷器上表面和所述第三配合面上；
在硅光子芯片发射单元靠近激光器的位置焊上热敏电阻；
在所述第四配合面的背面画上UV固化胶，将CuW盖子与所述第四配合面的背面贴合；
将整个装配体放入高温炉内，并加热固化胶水。
5.如权利要求4所述硅光子光模块的封装结构的封装方法，其特征在于，包括：“将PCBA电路板放入治具中，在所述第四配合面上面均匀的画上UV固化胶，将CuW底座的所述第一配合面贴合在所述第四配合面上，并用UV光照射从而固化UV胶水；”中，UV光照射的时间是1分钟，UV光照强度是200mW/cm2。
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