DE19836541A1 - Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer elektrooptischer Baugruppen - Google Patents

Abstract

Auf ein gemeinsames Ausgangssubstrat (40) werden Zuleitungen (43) und Kontaktflecken (45) für mehrere elektrooptische Wandlerbaugruppen (50) aufgebracht. In dem Ausgangssubstrat werden Ausnehmungen (56) vorgesehen, wobei zumindest eine Ausnehmungskante (56a) so in Bezug auf die spätere Anordnung der Wandlerbaugruppen verläuft, daß die jeweilige Wandlerbaugruppe (50) die Ausnehmungskante (56a) überragt und ihre optisch aktive Zone (60) im Bereich der Ausnehmung (56) liegt. Anschlußflecken (63) der Wandlerbaugruppe werden mit den Kontaktflecken (45) des Ausgangssubstrats verbunden. Anschließend wird das Ausgangssubstrat unter Bildung individueller elektrooptischer Baugruppen (35) zerlegt.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Herstellung optischer Datenübertragungseinrichtungen, insbesondere zur parallelen, mehrkanaligen Datenübertragung mittels Lasersender. Zur Lei­ stungsregelung optischer Sender und insbesondere bei Laser­ sendern zur Gewährleistung einer ausreichenden Lasersicher­ heit werden auch als Monitoreinheiten bezeichnete elektroop­ tische Unterbaugruppen verwendet. Eine Monitoreinheit weist üblicherweise eine Wandlerbaugruppe mit einer optisch aktiven Zone auf, die zumindest einen Teil der emittierten Strahlung erfaßt und ein von der Strahlungsintensität abhängiges Aus­ gangssignal generiert.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer Wandler­ baugruppe eine Baugruppe zu verstehen, die bei entsprechender elektrischer Ansteuerung ein optisches Signal (Strahlung) ab­ gibt (Sender) bzw. bei Beaufschlagung mit einem optischen Si­ gnal ein entsprechendes elektrisches Signal generiert (Empfänger). Die eigentliche elektro-optische bzw. opto-elek­ trische Signalumwandlung erfolgt in einem strahlungsemittie­ renden Bereich bzw. einem strahlungssensitiven Bereich. Diese Bereiche oder Flächen werden nachfolgend allgemein auch als optisch aktive Zonen bezeichnet.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 97/25638 ist eine mehrkanalige, optische Sendeeinrichtung bekannt, deren Sender aus Laserdioden in Form eines sogenannten Laserarrays beste­ hen. Die optisch aktiven Zonen der einzelnen Laser sind der­ art ausgebildet, daß ihre Nutzstrahlung vertikal zur Deckflä­ che austritt (VCSEL). Die emittierte Strahlung des ersten Halbleiterlasers des Arrays wird jedoch nicht zur Datenüber­ tragung (Nutzstrahlung) verwendet, sondern dient zur Regelung des Ansteuerstroms aller Laser. Dieser erste Laser fungiert damit als Überwachungslaser. Seine Strahlung gelangt durch eine Vertiefung an der dem Laserarray zugewandten Seite eines Trägers durch mehrfache Reflexion auf die optisch aktive (strahlungssensitive) Zone einer neben den Laserarray ange­ ordneten elektrooptischen Baugruppe. Die mehrfache Umlenkung der Strahlung des Überwachungslasers und die Montage sind bei der bekannten Sendereinrichtung vergleichsweise aufwendig.

In diesem Zusammenhang wird in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 197 54 770.2 eine Sendeeinrichtung mit einem Laserarray be­ schrieben, bei der eine elektrooptische Baugruppe eine Wand­ lerbaugruppe (Monitorempfänger) aufweist. Die Wandlerbau­ gruppe ist auf einem separaten Einzelträger in Flip-Chip-Mon­ tagetechnik kontaktiert und fixiert. Dabei wirken korrespon­ dierende Anschlußflecken auf der Unterseite der Wandlerbau­ gruppe mit Kontaktflecken auf der Oberseite des Einzelträgers mittels zwischenliegenden Lotkugeln (Lot-Bumps) zur Zentrie­ rung zusammen. Die Anschlußflecken sind auf derselben Unter­ seite ausgebildet wie die optisch aktive Zone der Wandlerbau­ gruppe. Die auf dem Einzelträger montierte Wandlerbaugruppe überragt dabei den Überwachungslaser kragträgerartig und kann unabhängig von dem Sendearray montiert und individuell ge­ prüft werden. Zur Montage wird die Wandlerbaugruppe visuell in Bezug auf den Einzelträger ausgerichtet und dann die Lot­ kugeln erhitzt. Durch die Wiederverflüssigung des Lotes un­ terliegen die Anschlußflecken und die Kontaktflecken einer relativen Selbstjustage. Der Einzelträger ist auf einem Hauptträger befestigt, der auch das Sendearray trägt.

Da die Wandlerbaugruppe den Einzelträger zumindest an einer Kante derart überragen muß, daß die optisch aktive Zone krag­ trägerartig frei zugänglich ist, ist die Herstellung und Handhabung vergleichsweise aufwendig und kostenintensiv.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens, mit dem in fertigungstechnisch einfacher und ko­ stengünstiger Weise mehrere elektrooptische Baugruppen der vorbeschriebenen Art gleichzeitig hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer elektrooptischer Bau­ gruppen, die jeweils eine auf einem Einzelträger montierte Wandlerbaugruppe mit zumindest einer optisch aktiven Zone um­ fassen, bei dem auf ein gemeinsames Ausgangssubstrat Zulei­ tungen und Kontaktflecken für mehrere elektrooptische Wand­ lerbaugruppen aufgebracht werden, in dem Ausgangssubstrat eine Ausnehmung vorgesehen wird, wobei zumindest eine Ausneh­ mungskante so in Bezug auf die durch die Kontaktflecken be­ stimmte spätere Anordnung der Wandlerbaugruppen ausgebildet wird, daß die jeweilige Wandlerbaugruppe die Ausnehmungskante überragt und ihre optisch aktive Zone im Bereich der Ausneh­ mung liegt, Anschlußflecken der Wandlerbaugruppen mit den Kontaktflecken des Ausgangssubstrats verbunden werden und das Ausgangssubstrat nach Montage der Wandlerbaugruppen unter Bildung der Einzelträger zerlegt wird.

Ein wesentlicher vorteilhafter Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Einzelträger zunächst im Verbund des ursprünglichen gemeinsamen Ausgangssubstrats ver­ bleiben und lediglich die Ausnehmungen in den Bereichen vor­ gesehen werden müssen, in denen später die jeweilige optisch aktive Zone der jeweiligen Wandlerbaugruppe kragträgerartig überstehen soll. Damit ergibt sich der fertigungstechnische Vorteil, daß für die weitere Montage ein mechanisch stabiles und weiterhin im Gesamtnutzen verarbeitbares Ausgangssubstrat erhalten bleibt. Die Zuleitungen und Kontaktflecken für die Wandlerbaugruppen können vor oder nach dem Gestalten der Aus­ nehmungen auf das Ausgangssubstrat aufgebracht werden.

Anschließend werden die Wandlerbaugruppen in Flip-Chip-Monta­ getechnik derart positioniert, daß die Anschlußflecken der Wandlerbaugruppen den korrespondierenden Kontaktflecken auf dem Ausgangssubstrat gegenüberliegen. Bevorzugt sind die Kon­ taktflecken mit Lot beschichtet, das bei Wiedererwärmung in Kontakt mit den Anschlußflecken gelangt und diese und damit die Wandlerbaugruppen in Bezug auf die ausgangssubstratseiti­ gen Kontaktflecken zentriert. Ein Vorteil des erfindungsge­ mäßen Verfahrens ergibt sich daraus, daß die Erwärmung des Ausgangssubstrates zur Wiederverflüssigung des Lotes für die Montage vieler Wandlerbaugruppen gleichzeitig erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Wandlerbau­ gruppen mit dem Ausgangssubstrat solange eine gemeinsam zur handhabende Einheit bilden, bis zum Abschluß des Verfahrens das Ausgangssubstrat in die Einzelträger zerlegt wird.

Die Ausnehmungen können bevorzugt fensterartige Durchgangs­ öffnungen im Ausgangssubstrat sein. Vorteilhafterweise kann eine Ausnehmung bzw. deren Ausnehmungskante mehreren Wandler­ baugruppen zugeordnet sein.

Für Fertigungsfälle, bei denen beispielsweise von der Rück­ seite her die Ausgangssubstratdicke in einem späteren Ferti­ gungsschritt weiter vermindert wird (sog. Waferdünnen) können die von der Montageoberseite des Ausgangssubstrats ausgehen­ den Ausnehmungen nur eine Teiltiefe der Substratdicke betra­ gen.

Eine gleichzeitige Montage mehrerer Wandlerbaugruppen wird nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erleichtert, daß mehrere Wandlerbaugruppen vor ihrer Montage auf dem Ausgangssubstrat in eine Anordnung gebracht werden, die ihrer späteren Anordnung auf dem Aus­ gangssubstrat entspricht. Besonders bevorzugt werden dabei Wandlerbaugruppen verwendet, die zunächst Bestandteil eines Verbandes (Arrays) sind und die beim Zerlegen des Ausgangs­ substrats mit vereinzelt werden.

Die mechanische Stabilität der gesamten Anordnung von Aus­ gangssubstrat und Wandlerbaugruppen kann vorteilhafterweise sowohl für den weiteren Fertigungsprozeß als auch im Hinblick auf spätere betriebsbedingte mechanische Belastungen dadurch verbessert werden, daß vor dem Zerlegen des Ausgangssubstrats ein zwischen der jeweiligen Wandlerbaugruppe und dem Aus­ gangssubstrat bestehender Fügespalt mit einem Klebstoff ver­ füllt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Sendeeinrichtung mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellten Wandlerbaugruppe und

Fig. 2A bis 2D unterschiedliche Stadien bei der Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Sendeeinrichtung, beispielsweise für ein mehrkanaliges Sendemodul, an das mehrere parallele, nicht dargestellte Lichtwellenleiter optisch angekoppelt werden können. Im einzelnen zeigt Fig. 1 mehrere (z. B. 5) auf einer Grundplatte 1 angeordnete Lasersender 2, die bei entsprechen­ der elektrischer Ansteuerung andeutungsweise dargestellte Nutzstrahlung 3 zur Informationsübertragung emittieren (Nutzlaser). Die Laser 2 sind in Form eines Laserarrays 5 in einem gemeinsamen Substrat 6 ausgebildet. Ein weiterer Laser 8 (Monitor oder Überwachungslaser) ist ebenfalls Bestandteil des Laserarrays 5.

Um die Strahlung 9 bzw. Ausgangsleistung des Überwachungsla­ sers 8 zu erfassen und daraus beispielsweise Regelgrößen für die Leistungsregelung auch der Nutzlaser 2 gewinnen zu können und/oder eine Überwachung hinsichtlich der maximal zulässigen Ausgangsleistung im Hinblick auf die Lasersicherheit zu er­ möglichen, ist der optisch aktiven Zone (Emissionsbereich) 10 des Lasers 8 gegenüberliegend die optisch aktive Zone 12 (fotosensitive Fläche) einer Monitordiode 14 angeordnet. Die Monitordiode 14 ist Bestandteil einer Wandlerbaugruppe 16, die ein Substrat 17 und darauf ausgebildete Anschlußflecken (sog. Pads) 18, 19 umfaßt. Auf der dem Laserarray 5 zugewand­ ten Unterseite 21 des Substrats 17 sind nicht näher darge­ stellte elektrische Verbindungsleitungen von den Anschluß­ flecken 18, 19 zur Monitordiode 14 ausgebildet, über die von der Monitordiode in Abhängigkeit von der Intensivität der Strahlung 9 des Überwachungslasers 8 generierte elektrische Signale abgegriffen werden können. Die Anschlußflecken 18, 19 sind zur mechanischen Montage des Substrats 17 und zur Wei­ tergabe der elektrischen Ausgangssignale der Monitordiode 14 mit Kontaktflecken 24, 25 über wiederaufgeschmolzene Lotku­ geln 30, 31 elektrisch und mechanisch verbunden. Die Kontakt­ flecken 24, 25 sind auf der Oberseite 33 eines Einzelträgers 34 ausgebildet und mit weiteren, nicht dargestellten, elektri­ schen Anschlußleitungen verbunden, die beispielsweise zu ei­ ner Regeleinheit für das Laserdiodenarray 5 führen.

Der zwischen Unterseite 21 des Substrates 17 und Oberseite 33 des Einzelträgers 34 verbleibende Spalt kann zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und zur Verbesserung der thermischen Belastbarkeit der Sendeeinrichtung mit einer Vergußmasse (sog. "underfilling") 32 ausgefüllt sein.

Die Herstellung der im wesentlichen aus dem Einzelträger 34 und dem Substrat 17 mit der Fotodiode 14 gebildete elektroop­ tische Baugruppe 35 erfolgt nach dem in den Fig. 2A bis 2D illustrierten Verfahren folgendermaßen:

Ein gemeinsames keramisches Ausgangssubstrat 40 (Fig. 2A) wird durch geeignete Metallabscheidung und Strukturierung mit Außenanschlüssen 41 versehen, die über Zuleitungen 42, 43 zu Kontaktflecken 45, 46 führen. Im Ausführungsbeispiel dienen jeweils zwei Kontaktflecken 45, 46 zur Kontaktierung eines Monitordioden ICs 50. Die in diesem Verfahrensstadium noch virtuelle Aufteilung der entsprechenden Oberflächenbereiche 52 des Ausgangssubstrats 40 sind in der Figur durch gestri­ chelte Trennlinien 53 angedeutet.

In dem Ausgangssubstrat 40 sind zwei Ausnehmungen 56, 57 in Form von z. B. durch Lasertrennen erzeugte Durchgangsöffnungen vorgesehen, deren Kanten 56a bzw. 57a in ihrer Position auf die Positionen der Kontaktflecken 45, 46 abgestimmt sind. Die Ausnehmungen 56, 57 sind als Durchgangsfenster ausgebildet, wobei ihre Kanten 56a, 57a sich im wesentlichen über die ge­ samte Linie der mehreren Bereiche 52 erstrecken.

Die Anordnung der Fenster 56, 57 und der Kontaktflecken 45, 46 ist auch in der Querschnittsdarstellung des Ausgangs­ substrats 40 in der Mitte der Fig. 2A verdeutlicht.

Die Wandlerbaugruppen 50 sind als Monitordioden mit jeweils einer optisch aktiven Zone (fotosensitive Fläche) 60 und je zwei Anschlußflecken 62, 63 versehen. Jeweils fünf Wandler­ baugruppen 50 sind Bestandteil eines zusammenhängenden Ver­ bandes (Arrays) 70.

Die Anschlußflecken 62, 63 jeder Wandlerbaugruppe 50 und die Anordnung der Arrays 70 auf einem Halter 72 sind derart ge­ wählt, daß sie mit der vorgegebenen Anordnung der Kontakt­ flecken 45, 46 auf dem Ausgangssubstrat 40 korrespondieren.

Zur Montage wird die sichtbare Unterseite 74 der Arrays 70 auf die Oberseite 40a des Ausgangssubstrats 40 visuell (passiv) derart ausgerichtet, daß sich die Kontaktflecken 45, 46 und die Anschlußflecken 62, 63 gegenüberliegen. Dabei überragt jeweils ein Teil der Wandlerbaugruppe 50 die Kante 56a bzw. 57a derart, daß sich die optisch aktive Zone 60 wie an einem Kragträger gehalten im Bereich der Fenster 56 bzw. 57 befindet. Vorzugsweise sind die Kontaktflecken 45, 46 vor­ belotet.

Die jeweils vorab aufgebrachte Lotmenge wird in dem in Fig. 2B gezeigten Verfahrensstadium durch z. B. rückwärtiges Erwär­ men des gesamten Ausgangssubstrats 40 durch eine Heizeinrich­ tung 80 wieder verflüssigt und bildet somit eine Lotverbin­ dung der jeweiligen Kontaktflecken 45, 46 mit den jeweils korrespondierenden Anschlußflecken 62, 63. Das Trägersubstrat kann zur Handhabung bevorzugt mit einer beheizbaren Saugdüse als Heizeinrichtung 80 angesaugt, gehandhabt und erwärmt wer­ den. Der Träger 72 kann als sogenannter Flip-Chip-Bonder aus­ gebildet sein und nach optischer Ausrichtung die Arrays 70 in der vorbeschriebenen Weise gegenüber dem Ausgangssubstrat 40 positionieren und halten. Das ausgeschmolzene Lot bewirkt eine Feinjustage der Arrays 70 in Bezug auf die Kontaktflec­ ken 45, 46.

Nach erneutem Erstarren des Lotes ist damit eine elektrische und mechanisch feste Verbindung zwischen den Arrays 70 und dem Ausgangssubstrat 40 realisiert. In diesem in Fig. 2c ge­ zeigten Verfahrensstadium überragen also die noch im Verbund 70 befindlichen Wandlerbaugruppen 50 die jeweilige Fenster­ kante 56a bzw. 57a wie ein Kragträger 82, wobei die jeweilige optisch aktive Zone 60 jeweils im Bereich der Ausnehmung 56 bzw. 57 übersteht. In diesem Verfahrensstadium kann ein dünn­ flüssiger Klebstoff 83 in einen Kapillarspalt 85 appliziert werden, der zwischen der Unterseite der Wandlerbaugruppen bzw. der Oberseite des Ausgangssubstrats 40 aufgrund der Flip-Chip-Bondhöhe entsteht. Nach bevorzugt thermischer Aus­ härtung des Klebstoffs 83 ist die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen den Wandlerbaugruppen 50 und dem Aus­ gangssubstrat 40 weiter erhöht.

In dem in Fig. 2D dargestellten Verfahrensstadium ist das Ausgangssubstrat mit den darauf befindlichen Bauelementen be­ reits gereinigt und anschließend in an sich bekannter Trenn­ technik z. B. mit einer üblichen Wafersäge entlang der Trenn­ linien 53 (Fig. 2A und 2C) unter Bildung der Einzelträger 16 vereinzelt worden. Dabei werden auch die Wandlerbaugruppen 50 aus ihren jeweiligen Arrays 70 vereinzelt. Damit sind ein­ zelne Baugruppen 35 gemäß Fig. 1 in einem gemeinsamen und fertigungstechnisch erheblich vereinfachten Verfahren ge­ schaffen worden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können elektrooptische Baugruppen, die jeweils eine auf einem Einzelträger montierte Wandlerbaugruppe mit zumindest einer optisch aktiven Zone um­ fassen, nunmehr im sog. Nutzen montiert, bedarfsweise geprüft und gehandhabt werden. Damit ist insgesamt eine erhebliche Kostenreduzierung und Vereinfachung bei der Herstellung der­ artiger Baugruppen erzielbar.

Claims (6)

1. Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer elektro­ optischer Baugruppen (35), die jeweils eine auf einem Ein­ zelträger (34) montierte Wandlerbaugruppe (50) mit zumin­ dest einer optisch aktiven Zone (60) umfassen, bei dem:

• a) auf ein gemeinsames Ausgangssubstrat (40) Zuleitungen (42, 43) und Kontaktflecken (45, 46) für mehrere elektroopti­ sche Wandlerbaugruppen (50) aufgebracht werden,
• b) in dem Ausgangssubstrat (40) eine Ausnehmung (56) vorgese­ hen wird, wobei zumindest eine Ausnehmungskante (56a) so in Bezug auf die durch die Kontaktflecken (45, 46) be­ stimmte spätere Anordnung der Wandlerbaugruppen (50) aus­ gebildet wird, daß die jeweilige Wandlerbaugruppe (50) die Ausnehmungskante (56a) überragt und ihre optisch aktive Zone (60) im Bereich der Ausnehmung (56) liegt,
• c) Anschlußflecken (62, 63) der Wandlerbaugruppen (50) mit den Kontaktflecken (45, 46) des Ausgangssubstrats (40) verbunden werden und
• d) das Ausgangssubstrat (40) nach Montage der Wandlerbaugrup­ pen (50) unter Bildung der Einzelträger (34) zerlegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei

• - in das Ausgangssubstrat (40) fensterartige, das Substrat durchdringende Ausnehmungen (56, 57) eingebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei

• - eine Ausnehmung (56) mehreren Wandlerbaugruppen (50) zuge­ ordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei

• - mehrere Wandlerbaugruppen (50) vor ihrer Montage auf dem Ausgangssubstrat (40) in eine Anordnung gebracht werden, die ihrer späteren Anordnung auf dem Ausgangssubstrat (40) entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei - die Wandlerbaugruppen (50) zunächst Bestandteil eines Ar­ rays (70) sind und beim Zerlegen des Ausgangssubstrats (40) mit vereinzelt werden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei

• - vor dem Zerlegen des Ausgangssubstrats (40) ein zwischen der jeweiligen Wandlerbaugruppe (50) und dem Ausgangs­ substrat (40) bestehender Fügespalt (85) mit einem Kleb­ stoff (83) verfüllt wird.