CN1187633C - 具有芯片级精确对位的光学器件 - Google Patents

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Abstract

光学组件及其制造方法，其中有源光学器件能够相对于基片和耦合器定位。该结构包括带有电触点垫片和对位垫片的基片，其对位垫片有精确对位的通孔用于至少一根光纤。这些光纤由一外套(12)或耦合器支承，该外套或耦合器有相对于基片(30)中的通孔(34、36)及光纤(24)精确定位的对位针(14，16)。一个模片或有源光学器件(32)具有一个或多个有源光学元件(35)在其模片第一表面上，以及电触点(37)在其模片第二表面(31)上，该模片或有源光学器件(32)与基片的电垫片及有源光学元件对位。该方法包括的步骤有一次完成研磨进入金属垫片的对位针和研磨光纤，然后使用导体粘合液的表面张力使有源光学器件和光纤对位。然后这些光纤被结合。

Description

具有芯片级精确对位的光学器件
技术领域
本发明涉及有源光学器件。
背景技术
具有有源光学元件(如激光发生器、发光二极管、受光二级管和光敏晶体管)的有源光学器件(如VCSELS、边缘发射芯片、接收器芯片、发射器芯片等)通常被安装和连接在基片的单一侧面上。它们通常以二维取向安装。一般只存在一个小的垂直分量，使用的若干种连接方法包括：柔性电路、导线连接和所谓的C4技术。
传统的芯片与光学器件的连接技术往往是要花费大量劳动而且不容易准确。这大部分是由于这些部件以及它们的接口尺寸极小，以及由于这些部件互连所需要的大量制造和装配步骤。
在关于“光电子器件的精确对位”的美国专利5,857,049号(1999年1月5日授予Beranek等)中显示了一个光电子模块，它与光纤精确地对位。该模块通过焊料连接到支承在基座上的光纤上，并使用熔融焊料的表面张力使各部件的连接自对位。
在关于“通过边缘金属化使芯片层叠”的美国专利5,818,107号(1998年10月6日授予Pierson等)中，展示了一个集成电路组件，其中通过把集成电路芯片形成于芯片叠层中并焊接在一个基片上，实现了增强的机械可靠性和电可靠性。金属化特征和焊接材料的厚度提供了芯片之间的一个远距离，它允许改善热扩散。
在关于“集成光学电路组件和方法”的美国专利5,790,730号(1998年8月4日授予Kravitz等)中，显示了用于封装具有多个微透镜的集成光学电路的结构和方法。表面光栅形成光学电路和微透镜之间的通道。利用多个焊料凸起接头中熔融焊料的表面张力实现配准图案的对位。
在关于“集成光电子耦合和连接器”的美国专利5,687,267号(1997年11月11日授予Uchida)中，光电子模块在具有V形对位槽的公共基片上与光纤实现光学对位。
在关于“焊球连接和组装过程”的美国专利5,675,889号(1997年10月14日授予Acocella等)中，使用熔融焊料的表面张力使两个基片对位和连接。
在关于“具有用矩形垫片上的凸起自对位的光学元件和光波导的光学模块及其组装方法“的美国专利5,661,831号(1997年8月26日授予Sasaki等)中，显示了一个光学模块，它与波导和激光二极管一起安装在一个硅基片上。熔融焊料的表面张力用于使激光二极管阵列与硅基片上的构图垫片自对位。
在关于“并行光学互连”的美国专利5,631,988号(1997年5月20日授予Swirhun等)中，光纤与光学器件阵列互连，并由结合两个元件的熔融焊料的表面张力对位。对位孔是由激光钻入基片中的。通过平板印刷术相对于孔形成垫片。然后使用倒装芯片技术使芯片与垫片横向对位。
在关于“单个共线光学组件”的美国专利5,337,398号(1994年8月9日授予Benzoni等)中，显示了一种光学组件结构。使用焊料凸起对位来对准有源器件、透镜和透镜支撑物。一个纤维箍以适量精度放在被组装的部件上。
在关于“集成光电子耦合和连接器”的美国专利5,535,296号(1996年7月9日授予Uchida)中，展示了一个集成安装组件，其中光纤被支承在有槽基片和夹持基片之间。这些光纤与一器件耦合。通过熔融焊料的表面张力实现对位。
在关于“使用倒装芯片焊接技术无源对位和封装光电子部件与光波导”的美国专利5,499,312号(1996年3月12日授予Hahn等)中，显示了一种方法和器件用于光波导与光子器件的自动对位。利用可湿的垫片，而表面张力有助于使元件对位。
在关于“并行光学互连”的美国专利5,420,954号(1995年5月30日授予Swirhun等)中，光纤与光学器件阵列互连，并由结合两个元件的熔融焊料的表面张力对位。
在关于“光纤对位”的美国专利5,247,597号(1993年9月21日授予Blacha等)中，使用焊料结合部分的表面张力，使光纤与发射或接收表面对位。
在关于“包括光纤连接的光学组件”的美国专利5,197,609(1993年1月12日授予Blonder等)中，使用液化材料的表面张力使放置在槽中的光纤与光学器件正面对位。
发明内容
根据本发明的各方面，提供了一种光学组件结构以及产生这种结构的方法。
根据第一方面的光学组件包含：带有基片对位垫片的基片、有正面和背面的有源光学器件、至少一个有源光学元件以及在其中有至少一个被对位光纤的耦合器，所述基片、所述有源光学器件以及所述耦合器被光学对位和结合在一起以形成所述光学组件，所述有源光学器件在其背面与所述基片对位垫片对位并与其结合，以使至少一个有源光学元件与所述基片对位垫片以及所述耦合器的至少一个光纤光学对位，并且该有源光学器件在其正面对位和结合到所述耦合器，所述对位部分地由放置在所述耦合器、有源光学器件以及基片之间的液体粘合剂的表面张力来实现。
根据一个最佳实施例的结构包含一个具有电接触垫片和对位垫片的基片，带有精确对位的通孔供至少一条光纤通过。光纤由外套或耦合器支承，它有对位针相对于基片中的通孔及光纤精确放置。一个模片(die)有至少一个有源光学元件在模片第一表面上并有电触点在模片第二表面上，该模片与基片的电垫片以及有源光学元件对位。电触点垫片与模片第二表面上的电触点导电结合。对位针与基片中的精确对位通孔结合。
根据第二方面的方法包含一种制造光学组件的方法，该光学组件包含基片、有源光学元件以及光学耦合器，该方法包含步骤：提供一个光学耦合器，它包含至少两个对位针和多个沿预定方向从光学耦合器中延伸出去的光纤，所述至少两个对位针用于使所述光学耦合器相对于一基片对位；使所述光学耦合器与所述基片对位；使集成的有源光学器件结合到所述基片上；以及，一次完成对所述至少两个对位针和所述多个光纤的研磨，以产生所述光学耦合器的平齐针表面和在其上的平齐构造垫片。
根据第三方面的方法包含一种制造光学组件的方法，该光学组件包含基片、有源光学元件以及光学耦合器，该方法包含步骤：提供一个光学耦合器，它包含至少两个对位针和多个沿预定方向从光学耦合器中延伸出去的光纤，所述至少两个对位针用于使所述光学耦合器相对于一基片对位；使所述光学耦合器与所述基片对位；使集成的有源光学器件连接到所述基片；以及，一次完成对所述至少两个对位针和所述多个光纤的研磨，以在其上产生凸出的构造垫片。
根据一个最佳实施例的方法包括步骤：一次完成对针和光纤的研磨，然后利用焊料或其他导电粘合液的表面张力使有源光学器件和光纤对位。该基片包含铜电路触点和面包圈形对位垫片，这些垫片用作蚀刻掩模允许去掉对位垫片中心区域中的基片材料(形成孔)。这一精确对位的孔与基片的电触点对位，用于以插针使光纤在外套中对位。焊球使模片连到基片和粘合剂；或者在面包圈垫片上的焊料把光纤固定于该基片。
本发明优选地提供一种光学芯片器件，它能在其背面和边缘被连接，以提供新的不寻常的、高精度的芯片级互连结构。
本发明优选地反映新的光学芯片互连结构，其中使用标准半导体光学平板印刷术和金属化过程以及新的简化的组装技术，使该芯片的全部六个表面能用于互连接光学芯片的背面和各边缘。
本发明优选地提供一个光学芯片组件用于把纤维光缆耦合于一个发射模片。
附图说明
现在将参考附图仅以举例更详细地描述本发明的最佳实施例，其中：
图1显示本发明的光学组件结构第一实施例的示意性、透视、部件分解图；
图2描绘图1所示光学组件结构第二实施例的示意性、透视、部件分解图；
图3显示图1和图2中所示光学组件结构第三实施例的示意性、侧面、部件分解图；
图4a-4d显示四种技术的示意性截面图，这些技术用于使一个光学耦合器对位和连接到一基片上和一集成电路芯片上，所有这些技术都是根据本发明的方法；
图5a描绘图3的耦合器的示意性侧视图，带有一个定位针插入其中；
图5b描绘图5a的耦合器的示意性侧视图，其中的定位针被切掉和磨光；
图5c显示图5b所绘耦合器的示意性透视图，带有平齐针位于V形槽孔中；
图6a描绘图1所示光学组件结构的透视、顺序组装图；
图6b显示图2所示光学组件结构的透视、顺序组装图；以及
图6c描述图2所示光学组件结构第三实施例的透视、顺序组装图。
为了清楚和简炼，在各图中相似的元件和组成部分将带有相同的标号和命名。
具体实施方式
一般地说，本发明以光学组件及其制造方法为特色，其中当把一光学芯片固定到一基片上时该光芯片可以位于其背侧面和边缘，以产生新的三维互连结构。这种三维性是使用标准的半导体光学平板印刷术和金属化过程实现的。
现在参考图1，图中显示本发明的第一光学组件10的部件分解图。这一光学组件10的组装显示在图6a中所描绘的顺序制造步骤中。图中显示的耦合器或外套12带有各对位和定位针14和16。根据光学组件的预期应用，针14和16可以是任何材料，如金属或化合物，以增强或阻止热和/或电传导。
如图6a中所示，耦合器12包含两个半部分12a和12b。这两个半部分12a和12b结合在一起以把对位针14和16限定在精确V形槽22′中，并把光纤22限定在V形槽22中。对位针14和16使耦合器12与基片30对位。
光纤24是被磨光的，从而使它们与外套12的底缘21基本平齐。位于基片31顶表面上的面包圈垫片26和28包含对位孔34和36，它们各自接受对位针14和16。面包圈垫片26和28的孔34和36被精确蚀刻到基片30中。面包圈垫片26和28作为把耦合器针14和16结合到基片30上的焊料或其他粘合剂46的定位表面。应该理解，孔34和36不仅可由蚀刻形成，还可由钻孔、激光烧蚀或本领域已知的任何其他技术形成。当焊料被熔化时，它的表面张力使有源光学器件32与基片30自对位。
有源光学器件(如集成有发光或受光元件的光电子电路芯片)32有上表面33，有源光学元件35位于它的上面。这些有源光学元件35与光纤24和放在基片30的表面31上的电路线37对位。有源光学元件35用电接触垫片39与电路线37连接，这些电接触垫片39是用粘合剂44结合在基片30的表面31上的。
现在参考图2，图中显示图1的光学组件10的第二实施例10a。图6中描绘光学组件10a的顺序制造过程。没有使用图1和图6a中所示对位针14和16实现耦合器12与基片30的对位。代替针14和16，使用构造垫片14′和16′使耦合器与基片对位垫片42以及有源光学器件32对位。可以用各种手段形成构造垫片14′和16′，例如把针14和16磨成与耦合器表面21平齐。形成构造垫片的另一种手段是把针14和16插入耦合器12，从而使其末端从耦合器底面21稍稍突出。可使用一个固定物精确设置适当的针凸出以造成构造垫片。另一种作法是，可以使用两步研磨过程做成从底面21表面凸出的构造垫片。首先，全部光纤有选择地与耦合器底面磨平，然后，针14和16有选择地被研磨到所希望的构造垫片凸出高度。还可以把一个针(未画出)插入耦合器12从而使针的末端与耦合器底面21平齐，由此做成构造垫片14′和16′。最好是同时研磨耦合器光纤和构造垫片，以保证平面性以及构造垫片和光纤之间的位置关系。基片垫片42分别通过粘合剂38固定在构造垫片14′和16′上。粘合剂38可以是熔融焊料或液体粘合剂。还可能提供其后可被溶解和去除的其他液体。和以前一样，熔融焊料的表面张力使各部件自对位。
应该看到，是通过有源光学器件32上的粘合剂38、耦合器构造垫片14′和16′以及对位垫片42之间造成的表面张力，使有源光学元件35与耦合器光纤24对位。
现在参考图3，图中显示图1所示光学组件的第三实施例10b。光学组件10b包含耦合器12，它通过对位针14和16与有源光学器件32和柔性电路基片30二者对位。柔性电路基片30包含精确定位器孔50用于与针14和16对位。通过制造面包圈垫片52，使定位器孔50精确放置以接受针14和16，面包圈垫片52允许精确蚀刻定位器孔和放置粘合剂51。
熔融焊球53通过表面张力与垫片55对位，使有源光学器件32、耦合器12以及基片30彼此对位。针14和16相对于V形槽22(图1)中的光纤24精确定位。这允许玻璃纤维24与放在有源光学器件32上的有源光学元件35对位。
现在参考图4a-4d，图中显示相对于基片30和有源光学器件32放置的光学耦合器外套12的四个截面图。如下文的描述，顺序参考这些附图能最好地理解本发明的各种方法和结构。
制造光学组件10的方法包括提供一个光学耦合器外套12的步骤，光学耦合器外套12包含至少两个对位针14和16以及多个沿预定方向从其中延伸出去的光纤。对位针14和16用于使光学耦合器外套12在水平方向相对于基片30对位。对位针14和16以及多个光纤24是一次完成研磨的，以产生光学耦合器外套12的平齐针表面和电垫片。光学耦合器外套12与基片30对位。集成的光电子电路32固定在基片30上。最后，集成的光电子电路32直接固定在光学耦合器外套12的电垫片上。
针对图4a，光学耦合器12包含光纤24和对位针14和16，在光平板印刷过程(它不构成本发明的一部分)中它们相对于彼此精确地定位。用于对位针14和16的基片30中的定位器孔50以及电接触垫片39的位置，也由光学平板印刷术相对于彼此精确地定位。这样，利用对位针14和16使光学耦合器12固定在基片30上。利用C4接头38把有源光学器件32固定在基片30上。请注意，在这一实施例中有源光学器件32本身不与光学耦合器外套12连接，而是利用它和基片30的连接与其对位。在光学组件10中，正是光学耦合器12与基片30配对以及基片30与器件32配对，使光纤24与有源光学器件32对位。在与对位针14和15的连接中，间距62建立有源光学器件32顶部和耦合器表面12之间的预先确定的间隔距离。
针对图4b，光学耦合器12再次包含光纤24和构造垫片14′和16′，它们通过光平板印刷过程相对彼此精确定位。利用构造垫片14′和16′，光学耦合器12固定在基片30上，在这种情况中构造垫片14′和16′不是插入基片30，而是利用C4焊球接头38固定在基片30上。有源光学器件32也通过C4接头38结合到基片30上。利用耦合器/基片子组装和芯片/基片子组装的焊球回流，使有源光学器件32本身与光学耦合器12中的光纤24对位。
针对图4c和4d，光学耦合器12包含与光纤24交错放置的构造垫片18和20。利用光平板印刷手段，使光纤24和精确构造的垫片18和20相对彼此精确地定位。光学耦合器12的末端与光纤24及构造垫片18和20同时被磨光。在这种情况中，对位针14和16(图4c)是可选的，在图4d中未画出，因为构造垫片18和20也能提供结构性支持，以及定位和对位功能。
在光学耦合器12的电垫片和有源光学器件32的上表面33之间引入粘合剂38，例如回流的C4焊球结点。通过在构造垫片18和20的端面放置C4接头，进行有源光学器件32和光学耦合器12之间的对位。如图所示，有源光学器件32与基片30上的电触点垫片39的连接也是使用C4接头38，它建立有源光学器件32和基片30之间电连接的最终结构。
参考图5a，图中显示耦合器12，带有用于对光纤24定位的精确的V形槽22′(典型的)和定位针14和16。
参考图5b，图中显示已经与耦合器外套12的底面21同时磨平之后的构造垫片18和20。对定位针14′和16′也有同样情况。
参考图5c，图中显示耦合器12，带有已经磨平的针14′和16′。在对针磨平之后，这些针便能焊接到基片30上的一个垫片(在该图中未画出)。
参考图6c，图中显示光学组件的另一实施例10c。在光学组件10c中，有源光学器件32与耦合器外套12的顶面60和底面21二者对位并与之结合。
由于为适应特定操作要求和环境的其他修改和变化对本领域技术人员是显然的，所以不能认为本发明局限于为公开内容而选择的举例。

Claims (17)

1.一种光学组件，包含：带有基片对位垫片的基片、有正面和背面的有源光学器件、至少一个有源光学元件以及在其中有至少一个被对位光纤的光学耦合器，所述基片、所述有源光学器件以及所述耦合器被光学对位和结合在一起以形成所述光学组件，所述有源光学器件在其背面上与所述基片对位垫片对位并与其结合，以使至少一个有源光学元件与所述基片对位垫片以及所述耦合器的至少一个光纤光学对位，并且该有源光学器件在其正面对位和结合到所述耦合器，所述对位部分地由放置在所述耦合器、有源光学器件以及基片之间的液体粘合剂的表面张力来实现。
2.根据权利要求1的光学组件，其中所述基片对位垫片包含以环形垫片包围的通孔。
3.根据权利要求1或权利要求2的光学组件，其中所述耦合器有一底表面，构造垫片放在其上，所述构造垫片被结合到所述基片对位垫片上。
4.根据权利要求3的光学组件，其中所述构造垫片与所述耦合器底表面平齐放置。
5.一种制造光学组件的方法，该光学组件包含基片、有源光学元件以及光学耦合器，该方法包含步骤：
提供一个光学耦合器，它包含至少两个对位针和多个沿预定方向从光学耦合器中延伸出去的光纤，所述至少两个对位针用于使所述光学耦合器相对于一基片对位；
使所述光学耦合器与所述基片对位；
使集成的有源光学器件连接到所述基片；以及
一次完成对所述至少两个对位针和所述多个光纤的研磨，以产生所述光学耦合器的平齐针表面和在其上的平齐构造垫片。
6.根据权利要求5的制造光学组件的方法，其中光学耦合器具有用于连接所述集成的有源光学器件的对位垫片，以及，其步骤进一步包含把所述集成的有源光学器件直接连接到所述光学耦合器的所述对位垫片上。
7.根据权利要求6的制造光学组件的方法，其中所述光学耦合器和所述基片同时地连接到所述集成的有源光学器件上。
8.根据权利要求6或权利要求7的制造光学组件的方法，其中所述光学耦合器与所述基片对位的步骤是在所述至少两个定位针的协助下实现的。
9.根据权利要求6的制造光学组件的方法，其步骤进一步包含相对于所述基片推压所述至少两个对位针，以造成相对于所述有源光学器件的离开所述光学耦合器的一个垂直距离。
10.根据权利要求6的制造光学组件的方法，其步骤进一步包含在所述光学耦合器、所述集成的有源光学器件以及所述垫片之间引入液体粘合剂，所述液体粘合剂的表面张力有助于所述基片、所述集成的有源光学器件以及所述光学耦合器之间的对位。
11.根据权利要求10的制造光学组件的方法，其中所述液体粘合剂包含处于熔融状态的焊料。
12.根据权利要求10的制造光学组件的方法，其中所述光学耦合器有一个与所述集成的有源光学器件相对放置的末端，其中所述步骤进一步包含把第二集成的有源光学器件连接到所述光学耦合器的所述末端。
13.根据权利要求5的制造光学组件的方法，其中所述至少两个对位针包含导电材料。
14.根据权利要求5的制造光学组件的方法，其中所述至少两个对位针包含非导电材料。
15.根据权利要求5的制造光学组件的方法，其中所述至少两个对位针包含导热材料。
16.根据权利要求5的制造光学组件的方法，其中所述至少两个对位针包含非导热材料。
17.一种制造光学组件的方法，该光学组件包含基片、有源光学元件以及光学耦合器，该方法包含步骤：
提供一个光学耦合器，它包含至少两个对位针和多个沿预定方向从光学耦合器中延伸出去的光纤，所述至少两个对位针用于使所述光学耦合器相对于一基片对位；
使所述光学耦合器与所述基片对位；
使集成的有源光学器件连接到所述基片；以及
一次完成对所述至少两个对位针和所述多个光纤的研磨，以在其上产生凸出的构造垫片。
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