基于光電混合集成的光電模塊封裝結構的制作方法

本發(fā)明涉及光電子學技術領域，尤其涉及一種基于光電混合集成的光電模塊封裝結構。

背景技術：

隨著科技進步，傳統(tǒng)的電學互連在物理性能上的局限性逐漸凸顯，下一代互連的傳輸速率及電學帶寬要求逐漸提高，電學互連受到極大限制。在高密度、低功耗的方向上，光學互連應用前景廣闊。由于ic特征尺寸越來越小，導致互連引線橫截面和線間距的減小，電阻、電容、電感引起的寄生效應越來越影響電路的性能，互連rc延遲成為限制整體信號傳播速率的重要原因?？朔妼W互連帶來的損耗以及反射，縮小光子器件和電子器件封裝的互連線長度已經成為光電封裝的重要問題。

在現(xiàn)有技術中，硅基技術基本趨于成熟，基于cmos集成調制器、激光器、光波導以及光電探測器的芯片間通信技術正被商業(yè)化。在單晶硅上用vlsi技術集成調制器、光波導、探測器、光開關等光模塊已經可行。通常在板的邊緣集成光模塊，這種光模塊由于物理位置原因，距離芯片的距離較長，損耗較大，互連密度較低。并且，在片外光模塊中，通常使用硅光器件以及eam等器件，雖然其端面耦合對偏振不敏感，能夠支持高帶寬的光發(fā)射器件，但是耦合冗余度大。另外，在現(xiàn)有技術中，通常封裝材料使用樹脂或陶瓷等，其損耗較高，難以形成對光電模塊通道和波長的增益。

板載光模塊通常采用基于鏡片或者有源方式耦合各類電子及光子器件，并使用可插拔光接口與pcb連接，能夠減少pcb基板面占用空間、減少信號損失、保證通道高傳輸能力、快速靈活組裝和拆卸、方便使用和更換。近年來，為滿足對vlsi集成電路用的低功率、輕型及小型封裝的生產技術要求，產生了3d封裝技術，在光電混合集成電路小型化方面取得了極大的改進，同時,由于3d封裝技術總互連長度更短，系統(tǒng)功耗可降低約30％。板載光模塊以及3d封裝目前已經成為光電集成電路未來的發(fā)展方向。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的基于光電混合集成的光電模塊封裝結構，能夠進行高帶寬、低損耗的光互連信號傳播。

第一方面，本發(fā)明提供一種基于光電混合集成的光電模塊封裝結構，包括基板；鍵合在所述基板上的平面光子回路載板；連接到所述平面光子回路載板的光纖連接器；位于所述平面光子回路載板內并與所述基板表面平行的第一光波導；位于所述基板內的垂直互連結構及其焊盤；集成在所述基板上的透鏡、光子器件和電子器件；以及位于所述光子器件上方的散熱裝置；其中所述光子器件與所述第一光波導耦合。

可選地，上述透鏡位于所述光子器件和所述第一光波導之間，所述光子器件通過透鏡與所述第一光波導耦合。

可選地，上述光電模塊封裝結構還包括所述散熱裝置和所述平面光子回路載板之間、所述散熱裝置和所述基板之間的密封裝置，用于對所述光子器件和所述透鏡進行密封。

可選地，上述光子器件還包括位于所述光子器件內部并與所述基板表面平行的第二光波導，所述光子器件通過消逝波與所述第一光波導耦合。

可選地，上述光電模塊封裝結構僅對所述光子器件進行封裝，并靈活集成所述電子器件。

可選地，上述光電模塊封裝結構對所述光子器件和所述電子器件進行三維封裝。

可選地，上述光子器件和所述電子器件通過玻璃通孔技術或者硅通孔技術在所述基板的垂直方向上堆疊。

可選地，上述光電模塊封裝結構以晶體管外殼罐式封裝形式集成在撓性印刷電路板上。

可選地，上述光電模塊封裝結構結合所述基板以及母板封裝，形成板上光收發(fā)模塊。

可選地，上述平面光子回路載板通過膠水鍵合在所述基板上。

可選地，上述基板材料為玻璃。

可選地，上述光纖連接器為fc型光纖連接器、sc型光纖連接器、st型光纖連接器、lc型光纖連接器或者mt-rj型連接器。

可選地，上述散熱裝置為金屬或硅制導熱板或散熱片，或熱電制冷裝置。

可選地，上述光子器件為電吸收調制器、mzm調制器、直接調制激光器或者光發(fā)射接收器件。

可選地，上述電子器件為所述光子器件的驅動或放大電路。

可選地，上述光子器件和所述電子器件通過倒裝焊芯片工藝鍵合到所述基板上，并通過所述平面光子回路載板表面的互連線互連。

本發(fā)明實施例提供的基于光電混合集成的光電模塊封裝結構，適合于板載光模塊以及光收發(fā)組件，該封裝結構支持光學密封封裝，采用低損耗材料作為封裝材料，支持高頻信號傳輸。同時該封裝結構將電子芯片和光子芯片靠近組裝，減小了互連損耗。該封裝結構集成平面光波導材料，比如玻璃，能夠實現(xiàn)波分復用(wdm)功能，拓展光電混合集成模塊的通道數(shù)以及波長。

附圖說明

圖1示出了光電混合集成結構的示意圖；

圖2示出了僅對光子芯片進行封裝的光電混合集成結構的示意圖；

圖3示出了對光子器件和電子器件進行三維封裝的光電混合集成結構示意圖；

圖4示出了應用于晶體管外形罐式封裝的光電混合集成結構的示意圖；

圖5示出了形成板上光收發(fā)模塊的光電混合集成結構的示意圖；

圖6示出了具有光子器件波導的光電混合集成結構的示意圖；

圖7示出了對光子器件和電子器件進行三維封裝的具有光子器件波導的光電混合集成結構的示意圖；

圖8示出了應用于晶體管外形罐式封裝的具有光子器件波導的光電混合集成結構的示意圖；

圖9示出了形成板上光收發(fā)模塊的具有光子器件波導的光電混合集成結構的示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1示出了光電混合集成結構的示意圖。其中，1為光纖耦合接頭，或者光纖連接器，即接入光模塊的光纖接頭，可選使用fc型光纖連接器、sc型光纖連接器、st型光纖連接器、lc型光纖連接器或者mt-rj型連接器。2為密封材料，用于保護模塊中較為敏感的光子器件，可以根據(jù)光子器件的使用情況選擇使用。該密封材料具有較好的對上部和下部材料良好的粘合性、優(yōu)良的柔性和優(yōu)良的耐久性，可以使用紫外線固化或者熱固化乙酸乙烯酯含量較高的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，或者由熱固性環(huán)氧樹脂、玻璃漿料等材料而形成。302為平面光子回路(plc)載板，301為平面光子回路載板內的光波導，諸如基于硅、砷化鎵、玻璃等基片制成的平面介質光波導、薄膜或帶狀波導、波導陣列、陣列波導光柵(awg)或稀疏波分復用器(cwdm)等波導器件。4為散熱裝置，例如通過增加銅箔層或是散熱通孔來增強效果的金屬或硅制導熱板或散熱片，或熱電制冷(tec)裝置等。5為透鏡，特別是利用半導體器件本身形成的集成透鏡，用于鏡片準直、聚焦和模場匹配，從而在光電模塊和光纖之間獲得最大耦合。6為光子器件，例如電吸收調制器(eam)、mzm調制器、直接調制激光器(dml)或者光發(fā)射接收器件。在光電混合集成結構中，光子器件6的波導端面經過透鏡5和plc光波導器件耦合，尺寸和光纖模場匹配的plc光波導器件可以集成光波分復用/解復用的功能，也可以是平行的波導陣列，與外界通過耦合接頭與光纖進行耦合。7為電子器件，如光子器件的驅動或者接收的放大電路。光子器件6和電子器件7可以通過倒裝焊芯片工藝鍵合到玻璃基板上，而且可以通過玻璃基板上表面的互連線互連。8為玻璃基板，平面光子回路(plc)載板302和玻璃基板8通過鍵合的層801鍵合，801可以為膠水，9為垂直互連結構以及相連接的焊盤。

進一步地，如圖2所示，光電混合集成結構可以僅對光子芯片進行封裝，用于和電子器件靈活集成。2為密封材料，302為平面光子回路(plc)載板，301為平面光子回路載板內的光波導，4為散熱裝置，5為透鏡，6為光子器件，8為玻璃基板，平面光子回路(plc)載板302和玻璃基板8通過膠水層801鍵合，9為垂直互連結構以及相連接的焊盤。

進一步地，如圖3所示，光電混合集成結構可以對光子器件和電子器件進行3d封裝，3d封裝能夠使得該光電混合集成電路小型化。302為平面光子回路(plc)載板，301為平面光子回路載板內的光波導，4為散熱裝置，5為透鏡，6為光子器件，7為電子器件，8為玻璃基板，平面光子回路(plc)載板302和玻璃基板8通過膠水層801鍵合，9為垂直互連的結構以及相連接的焊盤。優(yōu)選的，電子器件7和光子器件6封裝于玻璃基板的z軸方向，且在z軸方向電子器件封裝于光子器件上方。另外，可以根據(jù)集成結構的功能需求決定是否需要進行光子器件6和電子器件7進行密封操作。優(yōu)選的，可以通過玻璃通孔技術(tgv)或者硅通孔技術(tsv)實現(xiàn)光子器件和電子器件在垂直方向上的堆疊。

進一步地，如圖4所示，302為平面光子回路(plc)載板，301為平面光子回路載板內的光波導，4為散熱裝置，5為透鏡，6為光子器件，7為電子器件，8為玻璃基板，平面光子回路(plc)載板302和玻璃基板8通過膠水層801鍵合，9為垂直互連的結構以及相連接的焊盤。該光電混合集成結構可以應用在to-can封裝中，需要和撓性印刷電路板(fpcb)10集成。fpcb可以是s/sfpcb、d/sfpcb、mlfpcb、rigid-fpc等。

進一步地，如圖5所示，2為密封材料，302為平面光子回路(plc)載板，301為平面光子回路載板內的光波導，4為散熱裝置，5為透鏡，6為光子器件，7為電子器件，8為玻璃基板，平面光子回路(plc)載板302和玻璃基板8通過膠水層801鍵合，9為垂直互連的結構以及相連接的焊盤。該光電混合集成模塊中的電子器件7和光子器件6可集成接收與發(fā)送功能，該光電混合集成模塊可以結合基板的柵格陣列(lga)封裝以及母板11的socket封裝，形成板上光收發(fā)模塊。

圖6所示，1為光纖耦合接頭，或者光纖連接器，即接入光模塊的光纖接頭，可選使用fc型光纖連接器、sc型光纖連接器、st型光纖連接器、lc型光纖連接器或者mt-rj型連接器。20為光子器件波導；302為平面光子回路(plc)載板，301為平面光子回路載板內的光波導，諸如基于硅、砷化鎵、玻璃等基片制成的平面介質光波導、薄膜或帶狀波導、波導陣列、陣列波導光柵(awg)或稀疏波分復用器(cwdm)等波導器件。4為散熱裝置，例如通過增加銅箔層或是散熱通孔來增強效果的金屬或硅制導熱板或散熱片，或熱電制冷(tec)裝置等。5為透鏡，特別是利用半導體器件本身形成的集成透鏡，用于模場匹配，從而在光電模塊和光纖之間獲得最大耦合。6為光子器件，例如電吸收調制器(eam)、mzm調制器、直接調制激光器(dml)或者光發(fā)射接收器件。在光電混合集成結構中，光子器件6的波導端面經過消逝波耦合到平面光子回路(plc)載板302內的光波導301。plc光波導301可以集成光波分復用/解復用的功能，也可以是平行的波導陣列，與外界通過耦合接頭與光纖進行耦合。根據(jù)光子器件6的特性，或者后續(xù)使用需求，可以選擇對光子器件6進行密封或者非密封，密封材料應具有較好的對上部和下部材料良好的粘合性、優(yōu)良的柔性和優(yōu)良的耐久性，可以使用紫外線固化或者熱固化乙酸乙烯酯含量較高的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，或者由熱固性環(huán)氧樹脂、玻璃漿料等材料而形成。7為電子器件，如光子器件的驅動或者接收的放大電路。光子器件6和電子器件7可以通過倒裝焊芯片工藝鍵合到玻璃基板上，而且可以通過玻璃基板上表面的互連線互連。8為玻璃基板，平面光子回路(plc)載板302和玻璃基板8通過鍵合的層801鍵合，801可以為膠水，9為垂直互連的結構以及相連接的焊盤。

進一步地，如圖7所示，可以對光子器件和電子器件進行3d封裝，3d封裝能夠使得該光電混合集成電路小型化。20為光子器件波導，302為平面光子回路(plc)載板，301為平面光子回路載板內的光波導，4為散熱裝置，5為透鏡，6為光子器件，7為電子器件，8為玻璃基板，平面光子回路(plc)載板302和玻璃基板8通過鍵合的層801鍵合，801可以為膠水，9為垂直互連的結構以及相連接的焊盤。優(yōu)選的，電子器件7和光子器件6封裝于玻璃基板的z軸方向，且在z軸方向電子器件7封裝于光子器件6下方。另外，可以根據(jù)集成結構的功能需求決定是否需要進行光子器件6和電子器件7進行密封操作。優(yōu)選的，可以通過玻璃通孔技術(tgv)或者硅通孔技術(tsv)實現(xiàn)光子器件和電子器件在垂直方向上的堆疊。

進一步地，如圖8所示，20為光子器件波導，302為平面光子回路(plc)載板，301為平面光子回路載板內的光波導，4為散熱裝置，5為透鏡，6為光子器件，7為電子器件，8為玻璃基板，平面光子回路(plc)載板302和玻璃基板8通過鍵合的層801鍵合，801可以為膠水，9為垂直互連的結構以及相連接的焊盤。該光電混合集成結構可以應用在to-can封裝中，需要和撓性印刷電路板(fpcb)10集成。fpcb可以是s/sfpcb、d/sfpcb、mlfpcb、rigid-fpc等。

進一步地，如圖9所示，20為光子器件波導，302為平面光子回路(plc)載板，301為平面光子回路載板內的光波導，4為散熱裝置，5為透鏡，6為光子器件，7為電子器件，8為玻璃基板，平面光子回路(plc)載板302和玻璃基板8通過鍵合的層801鍵合，801可以為膠水，9為垂直互連的結構以及相連接的焊盤。該光電混合集成模塊中的電子器件7和光子器件6可集成接收與發(fā)送功能，該光電混合集成模塊可以結合基板的柵格陣列(lga)封裝以及母板11的socket封裝，形成板上光收發(fā)模塊。

本發(fā)明的實施例所提供的基于光電混合集成的光電模塊封裝結構，適合于板載光模塊以及光收發(fā)組件，該封裝結構支持光學密封封裝，采用低損耗材料作為封裝材料，支持高頻信號傳輸。同時該封裝結構將電子芯片和光子芯片靠近組裝，減小了互連損耗。該封裝結構集成平面光波導材料，比如玻璃，能夠實現(xiàn)波分復用(wdm)功能，拓展光電混合集成模塊的通道數(shù)以及波長。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。