CN110235241A - 硅光子可回流焊接组件 - Google Patents

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Abstract

在一些示例中，硅光子(SiPh)可回流焊接组件可以包括：结合到有机衬底的硅中介层，所述硅中介层具有设置在所述中介层上以耦合光信号的光栅；透镜阵列芯片，所述透镜阵列包括晶片上的一个或多个透镜，所述透镜阵列芯片通过结合剂被倒装芯片回流结合到所述硅中介层，并且所述一个或多个透镜具有使离开所述光栅的光信号束扩展、准直和倾斜的预定形状。晶片具有与硅匹配的热膨胀系数(CTE)，并且所述一个或多个透镜和光栅以使光信号以期望的角度进入光栅的方式对准。

Description

硅光子可回流焊接组件
背景技术
硅光子学(SiPh)是将硅用作光学介质的光子***的研究和应用。硅通常以实现所期望的功能的方式被精确地图形化为微光子部件。中介层(interposer)用作衬底，在衬底上多个部件和器件互连并与外部衬底接合。倒装芯片回流焊接(flip chip solderreflow)是一种用于将半导体器件、集成电路、电气封装件等结合到外部电路***的技术。
附图说明
图1示出了示例性硅光子(SiPh)可回流焊接组件。
图2示出了另一示例性硅光子可回流焊接组件。
图3示出了具有相关联部件的示例性硅光子可回流焊接组件。
图4示出了具有相关联部件的另一示例性硅光子可回流焊接组件。
图5示出了用于制造硅光子(SiPh)可回流焊接组件的流程图的示例。
具体实施方式
本公开涉及具有扩束透镜阵列和扩束单模光纤连接器的硅光子(SiPh)可回流焊接组件以及制造所述组件的方法。单模光纤(SMF)可以用尾纤连接(即永久地附接)到硅光子器件，其中组件可以包括用于激励硅光子器件的可拆卸的电连接器，以便主动对准单模光纤。主动对准是指在单模光纤对准硅光子的同时，电激励和/或光激励硅光子器件直到期望的光信号和/或电信号被最大化。在本解决方案中，硅光子组件免于主动对准，而利用了晶片级制造和测试技术，实现了可拆卸的光学连接，并且可以被回流焊接到外部电路***。
微透镜可以制造在可以在晶片级(at the wafer scale)回流结合(reflow)到硅光子中介层的玻璃、玻璃陶瓷或Si晶片上。与塑料透镜相比，玻璃透镜可以更坚固且更易于清洁。晶片是例如单晶硅和玻璃的材料薄片。所提出的组件利用了晶片级封装、测试和倒装芯片回流焊接的优势。
可以在单个晶片上制造大量分离的管芯(die)。管芯可以通过晶片上的切割线来分离，并且在制造微透镜、硅光子器件或集成电路之后，晶片可以沿着切割线被锯切以形成各个管芯。在将管芯分离后，可以对管芯进行单独测试。替代性地，可以在沿着切割线锯切晶片之前测试晶片上的各个管芯。
由于组件设置有适用于扩束单模光纤连接器的扩束透镜阵列，可以使用成本较低和生产量较高的晶片级电/光测试器。倒装芯片回流焊接确保组件内的结合元件之间的精确自对准。在本解决方案中，透镜芯片与硅光子中介层的焊接自对准以及光学插座与透镜芯片的目视对准能够实现可拆卸扩束单模光学连接器与硅光子中介层的被动对准，并且因此避免在组装期间激励硅光子器件。
可以使用一个或多个光栅耦合器(例如，光栅耦合器阵列)将进入或离开硅光子中介层的光信号耦合到硅光子中介层上的光波导。进入或离开光栅耦合器的光信号可以使用透镜芯片耦合到光纤连接器。透镜光轴相对于光栅耦合器偏移，以使进入和离开透镜的光信号倾斜。透镜分别用于使离开和进入光栅耦合器的光信号准直和倾斜、聚焦和倾斜，以及将信号耦合到扩束光纤连接器。通过利用(比如但不限于硅)工厂、微机电***(MEMS)和微光学器件工厂中可达到的精密制造和对准能力，可以制造硅光子中介层组件，从而以高精度和有利的对准容差将来自相关联器件的光信号耦合到光纤连接器。
图1示出了根据本公开的示例的示例性硅光子可回流焊接组件100，所述组件包括通过结合剂(bonding agent)190(例如，焊料)结合到硅光子中介层120的有机衬底110，硅光子中介层120具有设置在硅光子中介层120上以耦合光信号150的光栅170。比如但不限于波导、调制器和光电探测器的无源和有源光学元件可以制造在硅光子中介层上，以分别传送、调制和检测光信号。
组件100包括透镜阵列芯片130(例如，玻璃透镜芯片)，所述透镜阵列芯片包括晶片上呈阵列分布的一个或多个玻璃微透镜140。透镜阵列芯片130可以在晶片级通过结合剂180(例如，焊料)被回流结合到硅光子中介层120，并且微透镜140的阵列可以具有使离开光栅170的光信号束151扩展和准直的预定形状。透镜阵列芯片130的晶片可以由具有与硅匹配的热膨胀系数(CTE)的基本上透明的玻璃材料制成，以便例如在结合过程中使用热量时，有助于芯片130上的微透镜140与硅光子中介层120上的光栅170的精确对准。在另一个示例中，透镜阵列芯片130的晶片可以包含硅，以确保硅光子中介层与硅微透镜芯片之间的完全CTE匹配。晶片可以包括硅晶片背侧上的面向硅光子中介层的抗反射涂层。微透镜140的阵列和光栅170可以以光信号以期望的角度进入光栅的方式对准。一个或多个透镜可以由硅或玻璃制成。微透镜可以用于使离开和进入光栅耦合器的光信号准直和聚焦，并将信号耦合到扩束光纤连接器，以增大微透镜阵列与光纤连接器之间的x-y-z对准容差。微透镜可以形成在晶片上，使得当被倒装芯片回流焊接到硅光子中介层时，穿过微透镜的光信号可以以优化信号捕获的预定角度被光栅传输和/或接收。
图2示出了根据本公开的示例的示例性硅光子可回流焊接组件200，所述组件包括光学透明底部填充物205，光学透明底部填充物205具有在范围1.3-2.6内的与透镜阵列芯片230的晶片匹配的折射率。与透镜阵列芯片230的玻璃衬底或晶片匹配的光学透明底部填充物折射率可以消除玻璃衬底与空气界面处的光反射。光栅170上可以涂覆或不涂覆光学透明材料，所述材料是比如但不限于二氧化硅、氮氧化硅或氮化硅。在一些实施例中，所涂覆的材料的折射率在1.3-2.6范围内与光学底部填充物205匹配，以防止所涂覆的材料界面处的不利反射。透镜240可以包括用于防止信号损失的抗反射涂层。
另外，组件200包括专用集成电路(ASIC)215。专用集成电路可以是为特定目的定制的集成电路(IC)芯片类型，其相对于通用芯片降低了复杂性和成本。ASIC可以回流焊接225和底部填充285到硅光子中介层220。硅光子中介层220可以包括有源硅层221，以与图2中所示的透镜阵列芯片230的表面接合。硅光子中介层220可以是分层的衬底，其中有源硅层221通过绝缘层222与硅层223分离，从而形成绝缘体上硅(SOI)衬底。
透镜阵列芯片230可以通过结合剂280在晶片级回流结合到硅光子中介层220，如图2所示。结合剂280可以是但不限于焊料凸点或具有焊料盖的铜柱。在另一示例中，结合剂280可以包括机械对准特征、聚合物，或者其可以是光学透明的粘合剂。可回流焊接技术可以用于结合部件，以提供如所提出的硅光子中介层组件，从而与可拆卸的对准容忍光学连接器接合。倒装芯片回流焊接是如下工艺：其中使用焊料将部件附接到晶片、衬底或电路板上的触点，之后整个组件受到热源的作用。施加热用于熔化焊料以使各部件自对准，并在冷却时用于永久结合各部件。与单独地对部件进行焊接相比，通过晶片级回流焊接来结合部件成本更低、且生产量更高。回流工艺可以在熔化焊料和加热邻接表面而不会过度加热和损坏相关联部件的温度下实现。通过结合剂290回流结合到有机衬底210的硅光子中介层220也可以包括焊料的使用。硅光子中介层组件可以被倒装芯片回流焊接到更大的PCB上。
现在转到图3，本图示出了示例性硅光子可回流焊接组件，所述组件包括散热器365，所述散热器可以分别附接到具有热界面材料375的集成电路315、透镜阵列芯片330、或硅光子中介层、或前述物体的组合。集成电路315可以有底部填充物385。散热器365可以与硅中介层320、集成电路315和透镜阵列芯片330中的至少一个处于热连通。结合过程可以包括但不限于熔融结合、阳极结合、粘合剂结合、金属结合等。另外，蚀刻到芯片330中或沉积到芯片330上的多个目视对准基准点349(例如，金属)确保了光学插座和透镜阵列芯片330之间的精确x-y-z对准和角度对准。多个目视对准基准点349可以被蚀刻、沉积或图形化在透镜阵列芯片330的晶片上，例如，在与微透镜相同的表面上。
如图4所示，示例性硅光子可回流焊接组件包括设置在透镜阵列芯片431的暴露表面上的四个微透镜440的透镜阵列以及四个目视对准基准点449。微透镜440中的每一个可以相对于形成在硅光子衬底420上的光栅对准。另外，图4示出了基于四个目视对准基准点449建立在有机衬底410上的光学插座409，所述光学插座相对于透镜阵列芯片430具有偏移。因此，微透镜光轴相对于光栅偏移。四个目视对准基准点449可以提供参考位置，所述参考位置指示光学插座应该建立在有机衬底410上的位置，以实现光学连接器与硅光子中介层组件之间的高效耦接。光学插座409进一步包括大的通孔430，一旦光学插座409建立在有机衬底410上，所述通孔就允许透镜阵列芯片431上的微透镜440与光学连接器412之间的视线通过。在一些示例中，通孔430可以被对光信号透明的材料(比如玻璃、塑料或硅)覆盖和密封。在其他示例中，光学插座409可以使用能够经受住回流焊接工艺并且对光信号透明或半透明的材料注射成型。
插座与透镜阵列芯片之间进行的偏移允许在离开光纤的光(即，输入透镜阵列芯片430的光信号)的光轴与微透镜440的光轴之间产生偏移。因此，该偏移可以使离开透镜并且落到硅光子中介层420上的光自然地倾斜。光必须被倾斜以便高效地耦合进入光栅的信号，所述光栅耦接到硅光子中介层420上的光波导(图4中未示出)。
此外，每个微透镜440可以通过将光纤连接器412与光学插座409配合而与光纤对准。在图4所示的示例中，光学连接器412包括耦接到四根光纤411的四个透镜414。光学连接器的每根光纤411对应于光学连接器412的相应透镜414，并因此对应于透镜阵列芯片430的相应微透镜440。光学连接器412可以以这样的方式与光学插座409配合，即，使得光纤连接器412可以不与硅光子中介层420或透镜阵列芯片430接触。光学连接器420可以是例如现成光学连接器或定制光学连接器。
本文所述的在光学插座409与光纤连接器412之间进行的配合可以基于例如互补的机械对准特征来进行。特别地，光学插座409包括两个偏移的光学连接器导向孔(guidehole)406。光学插座409中的孔406可以与建立在光纤连接器412上的插针(pin)413配合，所述插针可以与孔406互补并且可以允许机械对准。替代性地，插座409上的互补机械对准特征可以是孔和插针，在这种情况下，孔和插针将分别与光学连接器412上的插针和孔配合。
光学插座409和光学连接器412的区域上的平坦共面表面可能是具有挑战性的。在这方面，光学插座409和光学连接器412可以实现为具有平坦的平行互补表面408，以用于光学插座409与光学连接器412之间的物理接触。平坦的平行互补表面408可以允许塑料光学插座409和光纤连接器412的区域上的平坦共面表面。因此，可以不需要为了与光学连接器共面而将光学插座409的整个表面与光学连接器配合。
因此，基于机械对准特征406和平坦的平行互补表面408，可以在所有六个轴线上确保光学插座409与光纤连接器之间的对准，并且光学连接器内部的一个或多个光纤可以与硅光子中介层410上的透镜阵列芯片430上的微透镜440对准。
图5示出了用于制造硅光子(SiPh)可回流焊接组件的流程图500的示例：
图500包括用于形成硅中介层的步骤510。硅中介层可以包括在硅衬底的给定表面上的绝缘体、在绝缘体的与硅衬底相反的另一表面上的硅有源层以及在硅有源层的与绝缘体相反的给定表面上的光栅。光栅可以包括光栅耦合器阵列。
图500包括用于形成透镜阵列芯片的步骤520，透镜阵列芯片包括蚀刻在晶片的表面上的一个或多个微透镜。晶片可以包括硅或其他材料。一个或多个微透镜可以由玻璃或硅制成。一个或多个微透镜可以精确地与光栅对准，并且适于使离开光栅的光信号束扩展、准直和倾斜，以便增大x-y-z平面中的对准容差。晶片的热膨胀系数与硅中介层匹配以在过温时保持对准。晶片的微透镜用于使离开和进入光栅耦合器阵列的光信号准直和聚焦并将信号耦合到扩束光纤连接器。
图500包括用于通过结合剂在晶片级将透镜阵列芯片回流结合到硅中介层的步骤530。结合剂可以用于将透镜阵列芯片结合到硅光子中介层。结合剂可以是例如焊料。在另一示例中，结合剂可以包括机械对准特征、光学透明粘合剂、聚合物、环氧树脂、底部填充物、玻璃料或金属。在一些示例中，结合剂在透镜阵列芯片的面向硅光子中介层的整个表面区域上形成结合线。在其他示例中，结合剂被限制在透镜阵列芯片的周边区域上或者透镜芯片面向硅光子中介层的表面区域的子集上。透镜阵列芯片的晶片可以是具有与硅光子中介层匹配的CTE的玻璃，当例如在结合过程中使用热量时其有助于精确结合。在其他示例中，晶片可以包括硅，以确保中介层与硅微透镜之间的完全CTE匹配。在一些示例中，将透镜阵列芯片结合到硅光子中介层可以包括在晶片级将透镜阵列芯片倒装芯片回流焊接到硅光子中介层上。在一些示例中，将透镜阵列芯片结合到硅光子中介层可以利用机械对准特征来执行，所述机械对准特征由包括聚合物、电镀金属、玻璃和硅之一的材料制成。
图500包括用于将一个或多个透镜与光栅对准以引导光信号以期望的角度进入光栅的步骤540。一个或多个微透镜可以形成在晶片上，使得当结合到硅中介层时，穿过微透镜的光信号可以以优化信号捕获的预定角度被光栅传输和/或接收。一个或多个透镜与光栅的对准可以包括一个或多个透镜光轴相对于光栅的偏移。
图500包括用于形成有机衬底以将硅光子中介层倒装芯片结合到该有机衬底上的步骤550。倒装芯片结合应用已经沉积到芯片焊盘上的焊料凸点。在最后的加工步骤期间，焊料凸点沉积在有机衬底的顶侧上的芯片焊盘上。为了将硅光子中介层结合到有机衬底上，硅光子中介层被对准，使得其焊料焊盘与有机衬底上的匹配焊盘对准，然后焊料被回流以完成互连，如图1至图3所示。
图500进一步包括步骤560，其用于在有机衬底上建立与传输光信号的光纤的光学连接器机械对准的塑料光学插座，该塑料光学插座能够经受住多次回流焊接。目视对准基准点可以确保光学插座与透镜阵列芯片之间的精确的x-y-z对准和角度对准。目视对准基准点可以蚀刻在透镜阵列芯片的晶片上，例如晶片的正面(微透镜侧)或背面(焊料凸点侧)。塑料光学插座和光学连接器可以实现为具有平坦的平行互补表面，其中，平坦的平行互补表面允许塑料光学插座与光纤连接器之间的对准。另外，塑料光学插座和光学连接器可以包括机械对准特征。在一个示例中，塑料光学插座可以至少包括例如一个或多个孔，并且光学连接器可以包括例如一个或多个互补插针。基于目视对准基准点，在步骤560中建立在有机衬底上的光学插座可以相对于在步骤520中形成的透镜阵列芯片具有偏移。因此，微透镜光轴可以相对于光学连接器偏移。目视对准基准点可以提供参考位置，所述参考位置指示光学插座应该建立在有机衬底410上的位置以实现偏移。在另一示例中，塑料光学插座可以直接附接到硅光子中介层，以便提高塑料光学插座与透镜阵列芯片之间的平面度。
插座与透镜阵列芯片之间实现的偏移允许在离开光纤的光(即，输入透镜阵列芯片的光信号)的光轴与透镜光轴之间产生偏移。因此，偏移可以使离开透镜并落到硅光子中介层上的光自然地倾斜。光必须被倾斜以便有效地耦合进入光栅的信号，所述光栅耦接到光学硅光子中介层中的光波导。
在另一示例中，步骤520可以包括在晶片级倒装芯片结合、将折射率匹配的光学透明底部填充物施加到透镜阵列芯片并进行测试，以便消除光反射。底部填充物还可以用作气密密封剂，从而保护组件免受不利的刺激性化学物质、碎片等的影响。
在另一示例，图500进一步包括用于在硅光子中介层上设置集成电路(IC)、以及设置与硅光子中介层、集成电路和透镜阵列芯片中的至少一个处于热连通的一个或多个散热器的步骤，其中，设置集成电路(IC)进一步包括在晶片级倒装芯片结合、进行底部填充和测试硅光子中介层上的集成电路。
在另一示例中，图500进一步包括将抗反射涂层施加到一个或多个透镜以防止信号损失的步骤。抗反射涂层也可以被施加到透镜，在透镜处晶片与气隙接合，从而减少光信号反射。在另一示例中，图500可以包括当晶片包括硅或其他相对高折射率的材料时，在面向中介层的晶片侧(即，透镜阵列芯片的非透镜侧)上施加抗反射涂层。
另外，用于描述本文示出的图的结构特征的相关术语绝不限于可想到的实施方式。当然，不可能描述部件或方法的每个可想到的组合，但是本领域普通技术人员将认识到许多进一步的组合和排列是可能的。因此，本发明旨在涵盖落入包括所附权利要求在内的本申请范围内的所有这样的变更、修改和变化。此外，在本公开或权利要求叙述“一”、“一个”、“第一”或“另一”元件或其等同物的情况下，应当解释为包括一个或多于一个这样的元件，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。

Claims (15)

1.一种硅光子(SiPh)可回流焊接组件，包括：
硅中介层，所述硅中介层具有设置在所述中介层上以耦合光信号的光栅；
有机衬底，所述有机衬底结合到所述硅中介层；
透镜阵列芯片，所述透镜阵列芯片包括晶片上的一个或多个透镜，所述透镜阵列芯片通过结合剂回流结合到所述硅中介层，并且所述一个或多个透镜具有使离开所述光栅的光信号束扩展、准直和倾斜的预定形状；
其中，所述晶片具有与硅匹配的热膨胀系数(CTE)，以及
其中，所述一个或多个透镜和所述光栅以使所述光信号以期望的角度进入所述光栅的方式对准。
2.如权利要求1所述的硅光子(SiPh)可回流焊接组件，进一步包括在所述透镜阵列芯片与所述硅中介层之间的折射率匹配的光学透明底部填充物。
3.如权利要求1所述的硅光子(SiPh)可回流焊接组件，其中，所述晶片和所述一个或多个透镜包括硅，并且
所述晶片在面向所述中介层的晶片侧上包括抗反射涂层。
4.如权利要求1所述的硅光子(SiPh)可回流焊接组件，进一步包括光学插座，所述光学插座包括机械对准特征，所述机械对准特征被设计成与光学连接器的互补机械对准特征配合，所述光学连接器包括与一个或多个光纤对准的一个或多个透镜，所述光学连接器的每个透镜对应于所述透镜阵列芯片的相应透镜。
5.如权利要求4所述的硅光子(SiPh)可回流焊接组件，其中，所述塑料的光学插座的机械对准特征至少包括孔，并且所述光学连接器的互补机械对准特征至少包括用于机械对准的插针。
6.如权利要求4所述的硅光子(SiPh)可回流焊接组件，其中，所述光学插座和所述光学连接器实现为具有平坦的平行互补表面，其中，所述平坦的平行互补表面允许所述塑料光学插座与所述光纤连接器之间的对准。
7.如权利要求1所述的硅光子(SiPh)可回流焊接组件，进一步包括设置在所述硅中介层上的集成芯片(IC)、以及与所述硅中介层、所述集成芯片和所述透镜阵列芯片中的至少一个处于热连通的一个或多个散热器。
8.一种用于制造硅光子(SiPh)可回流焊接组件的方法，所述方法包括：
形成硅中介层，所述硅中介层包括：
在衬底的给定表面上的绝缘体；
在所述绝缘体的与所述衬底相反的另一表面上的有源层；以及
在所述有源层的与所述绝缘体相反的给定表面上的光栅；
形成透镜阵列芯片，所述透镜阵列芯片包括蚀刻在晶片的表面上的一个或多个透镜，
其中，所述一个或多个透镜适于使离开所述光栅的光信号束扩展、准直和倾斜，
其中，所述晶片的热膨胀系数与所述硅中介层匹配；
通过结合剂在晶片级将所述透镜阵列芯片回流结合到所述硅中介层；
将所述一个或多个透镜与所述光栅对准，以引导光信号以所期望的角度进入所述光栅；
形成有机衬底以将所述硅中介层倒装芯片结合到所述有机衬底上；
在所述有机衬底上建立光学插座，所述光学插座与传输所述光信号的光纤的光学连接器机械对准。
9.如权利要求8所述的方法，其中，形成所述透镜阵列芯片进一步包括在晶片级进行倒装芯片回流焊接、将折射率匹配的光学透明底部填充物施加到所述透镜阵列芯片并进行测试。
10.如权利要求8所述的方法，进一步包括在所述硅中介层上设置集成电路(IC)、以及设置与所述硅中介层、所述集成电路和所述透镜阵列芯片中的至少一个处于热连通的一个或多个散热器，其中，设置所述集成电路(IC)进一步包括在晶片级进行倒装芯片回流焊接、底部填充和测试所述硅中介层上的集成电路。
11.如权利要求8所述的方法，其中，将所述透镜阵列芯片结合到所述硅中介层包括使用一个或多个对准特征，所述对准特征由包括聚合物、电介质、金属、玻璃和硅之一的材料制成。
12.如权利要求8所述的方法，进一步包括将所述光学插座和所述光学连接器实现为具有平坦的平行互补表面，所述平坦的平行互补表面允许所述光学插座与所述光纤连接器之间的对准。
13.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
在所述光学插座上实现机械对准特征，所述机械对准特征至少包括孔；以及
在所述光学连接器上实现互补的机械对准特征，所述互补的机械对准特征至少包括插针。
14.如权利要求8所述的方法，其中，进行所述一个或多个透镜的对准包括将所述一个或多个透镜的光轴相对于所述光栅进行偏移。
15.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
向所述一个或多个透镜施加抗反射涂层以防止信号损失；以及
当所述晶片包括硅时，在面向所述中介层的晶片侧施加抗反射涂层。
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