專利名稱：不導電基底的金屬化方法和由此形成的金屬化的不導電基底的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及不導電基底的金屬化方法。本發(fā)明同時涉及具有金屬化表面的不導電基底?？梢栽诠怆娮赢a業(yè)中的金屬化光纖和包含金屬化的光纖的密封光電子器件封裝的形成中得到具體的應用。
背景技術：
使用光脈沖序列的信號傳輸在高速通訊中變得原來越重要。光纖已經成為光通訊所需的架構中的基礎。典型將光纖連接至器件封裝中的光電子元件例如激光二極管，發(fā)光二極管(LED)，光電探測器，調制器等等。所得到的光纖與封裝之間的玻璃-金屬的連接形成了密封(hermetically sealed)結構。密封封裝為典型對環(huán)境條件敏感的封閉器件提供了容納和保護。在這點上，大氣污染物例如濕氣，灰塵，化學氣體，和自由離子會在光學和光電子元件的操作中引起裂化。封裝中元件的光學輸入/輸出表面對污染物尤為敏感，然而封裝的金屬表面容易受到腐蝕的影響。這些影響均會引起可靠性問題。因此需要封裝的密封來阻止與外界空氣的接觸。
為了容許將光纖連接至光電子器件封裝并形成密封，在光纖的不導電，二氧化硅表面上形成金屬結構。幾種金屬化光纖的方法在本領域中是熟知的。例如，已提出的濺射和蒸發(fā)的物理氣相沉積(PVD)技術。通過PVD形成的典型金屬結構包括鈦或鉻的附著層，鉑或鎳的擴散阻擋層，和金的焊料層。該濺射工藝據(jù)認為由于在沉積期間離子和電子沖撞光纖表面會削弱玻璃纖維，從而在以后導致產品壽命的潛在的可靠性問題。另外，濺射設備復雜，昂貴并且會產生相對不均勻的覆層。通過蒸發(fā)形成的金屬化結構典型與玻璃具有不良的附著，這會導致金屬從纖維上剝落。此外，類似于濺射設備，蒸發(fā)設備復雜并且昂貴。
針對一個或多個與PVD技術聯(lián)系的問題，提出了使用非電鍍和電鍍的工藝。例如美國專利No.6,251,252公開了一種方法，該方法包括使用氟化亞錫溶液對光纖的二氧化硅表面進行敏化，使用含有氯化亞錫和鹽酸的催化溶液對敏化的二氧化硅表面進行催化，和使用合有氯化鈀的活化劑溶液對催化的二氧化硅表面進行活化。通過浸入非電鍍鎳溶液在該活化的二氧化硅表面上沉積第一個鎳層。通過浸入pH為3.5至4.5的鎳電鍍液沉積第二個鎳層，據(jù)稱是為了進一步的附著和耐腐蝕性。通過浸入金電鍍液在鎳層上沉積金層。
除附著至玻璃纖維上以外，還希望該金屬化結構具有良好的延展性。在這一點上，需要附著可以防止一個或多個金屬層的剝落，這會引起密封性的喪失和/或將纖維連接至封裝的焊料接頭的破裂。金屬結構的延展性有利于防止金屬化結構的開裂和當纖維彎曲時二氧化硅表面的暴露。在處理該光纖和將它們組裝入封裝時，較大的延展性可容許該金屬化纖維具有提高的可加工性。
因此本領域中對形成金屬化纖維的改良方法存在持續(xù)的需求，該方法可以克服或顯著改善與本領域的情形相聯(lián)系的前述問題中的一個或多個。

發(fā)明內容
根據(jù)第一個方面，本發(fā)明提供了金屬化不導電基底的方法。該方法包括(a)提供不導電基底，該基底具有暴露的不導電表面；(b)通過非電鍍在該暴露的不導電表面上形成第一個鎳層；和(c)使用pH為2至2.5的溶液通過電鍍在第一個鎳層上形成第二個鎳層。該不導電基底可以是例如光纖。
根據(jù)另外的方面，本發(fā)明提供了通過本發(fā)明方法制備的金屬化的不導電基底和金屬化的光纖。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了包含通過本發(fā)明方法制備的金屬化的光纖的光電子封裝。
參照下列描述，權利要求，和相關的附圖，本領域中的技術人員將清楚的認識到本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。


將參照下列附圖對本發(fā)明進行討論，其中相同的參照數(shù)字代表相同的部件，且其中圖1說明了依照本發(fā)明的一個方面形成的示例性金屬化的光纖；和圖2說明了依照本發(fā)明的另一個方面的光電子封裝。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了例如光纖，透鏡，其它光學元件的不導電基底金屬化的方法，以及更上位的不導電的基底的金屬化方法。雖然將參照光纖的金屬化對本發(fā)明的方法進行描述，應當清楚該原理更廣泛地適用于上位的不導電基底的金屬化。典型的不導電基底材料包括，例如熱固性或熱塑性樹脂，二氧化硅，摻雜二氧化硅，玻璃和摻雜玻璃。此外，雖然根據(jù)將光纖浸入化學鍍液討論了多種工藝，然而也展望了使纖維與化學物質接觸的其它技術，例如通過將化學物質以液體或霧化形式進行噴涂。此外，如這里所使用的，術語“一個”是指一個或多個。本發(fā)明的方法包括提供具有不導電表面的不導電基底，通過非電鍍在該不導電表面上形成第一個鎳層，和使用pH2至2.5的溶液通過電鍍在第一個鎳層上形成第二個鎳層。該方法允許對光纖進行金屬化，這使得它們可以焊接至其它組件和器件封裝如密封封裝。由該方法可以產生具有良好附著和延展性能的金屬化結構例如光纖。
參照圖1，該圖說明了依照本發(fā)明的一個方面形成的示例性金屬化的光纖2，待進行金屬化的光纖包括被包層所圍繞的纖芯(core)，這兩者均典型由玻璃例如二氧化硅形成。通常，聚合物夾套(jacket)4例如丙烯酸酯圍繞著該包層。在金屬化的準備工作中，從待進行金屬化的纖維部分剝離期望長度L的聚合物夾套，以便露出包層的玻璃表面。待進行金屬化的纖維部分典型為末端部分，但也可以是其它部分，例如該纖維的中央部分。在某些情形下，例如連續(xù)卷帶型(reel-to-reel type)工藝，可能希望將夾套從纖維的整個長度上剝離(在這種情形下可以選擇使用無夾套纖維)?？梢允褂脵C械和/或化學剝離技術?；瘜W剝離可能更有利因為它能減小或消除玻璃的切口(nicking)，該切口會導致微裂紋的形成和產品使用壽命期間的可靠性問題。用于剝離的具體化學物質將取決于夾套的材料。對于丙烯酸酯夾套，例如可以與150至190℃下的濃(即約95wt％)硫酸溶液接觸，并持續(xù)一段能有效全部去除該夾套的時間。剝離時間將取決于例如具體的夾套材料，厚度，和酸溶液的溫度和濃度。典型的剝離時間為10秒鐘至90秒鐘。然后在去離子水中沖洗該纖維的剝離部分，并持續(xù)一段能夠將殘留的酸從纖維上有效除去的時間，例如45秒鐘至2分鐘，然后典型對纖維進行干燥以便使丙烯酸酯退溶脹。可以在環(huán)境條件下進行干燥并典型持續(xù)約60秒鐘。
然后，通過非電鍍工藝在該纖維的暴露玻璃表面上施加第一個鎳層。典型地，同時在與暴露玻璃表面相鄰的夾套4’的一部分或幾部分上沉積第一個鎳層和隨后沉積的金屬層，以便密封包層與夾套之間的界面。典型以一系列步驟進行該非電鍍工藝，其中包括，例如敏化，活化和鍍覆，然而也可以將其中的一個或多個組合在一起。該工藝可選包括通過浸入室溫下的酸例如10wt％的氫氟酸對纖維的暴露二氧化硅部分首先進行微刻蝕然后用去離子水沖洗的步驟。這樣的微刻蝕處理可用來提高在隨后敏化步驟期間形成的籽晶層與玻璃表面的附著?？蛇x地，在敏化步驟期間，例如使用下述氟化亞錫的敏化過程期間進行該微刻蝕步驟。
然后，將光纖的暴露部分浸入典型為環(huán)境溫度的水性敏化溶液中，該溶液包含鹵化亞錫例如氯化亞錫或氟化亞錫，隨后用去離子水沖洗以便除去未吸附的鹵化亞錫。由此在該纖維上形成了敏化劑涂層。用于本發(fā)明的氯化亞錫和氟化亞錫敏化溶液和技術在本領域內是熟知的而且在例如美國專利No.6,355,301和No5,380,559中分別對其進行了描述，這里引用該專利的內容作為參考。該氯化亞錫溶液可以是例如在酸化去離子水中包含5g/L至20g/L氯化亞錫，每一升該酸化去離子水含有例如40mL的35wt％鹽酸。該氟化亞錫可以例如是在水中具有約1g/L的氟化亞錫濃度。雖然敏化液中的浸漬時間將取決于例如特定鍍液的化學成分，但典型時間為3至10分鐘。當使用氟化亞錫敏化工藝時，可以在惰性氣氛如氮氣氣氛中進行該敏化和隨后的活化步驟以便延長該鍍液的使用壽命。
然后，將該纖維的敏化部分浸入典型為室溫的水性活化溶液中，隨后用去離子水沖洗并對纖維包括夾套進行干燥。在這個浸漬過程中，該鹵化亞錫敏化劑涂層與活化溶液發(fā)生反應，引起鈀和其它貴金屬從溶液中沉積到該敏化涂層上。前面提到的美國專利No.6,355,301和No.5,380,559對適合的活化液進行了描述。該活化液典型為包含氯化鈀(或其它貴金屬)和稀鹽酸的水溶液，例如在稀鹽酸水溶液中包含0.1至10g/L氯化鈀的水溶液。酸的強度典型為0.01M至0.1M的鹽酸，例如0.03M的鹽酸。浸漬時間將取決于鍍液的化學成分，但典型為1至6分鐘。適合的活化化學成分和組分可以從市場上購得，例如美國ShipleyCompany，L.L.C.，Marlborough，MA生產的Ronamerse SMTTM催化劑。
可選地，可以對纖維部分6進行掩蔽以防止隨后的處理期間在其上形成金屬層。例如，通常希望防止在該纖維的末端形成金屬膜。掩蔽技術在本領域內是熟知的并且在例如前述的美國專利No.6,355,301和No.5,380,559中對其進行了描述?？梢酝ㄟ^使用例如用于敏化的鹵化亞錫的酸化水溶液對纖維的先前活化的部分進行選擇性去活化(deactivation)來以化學方法實現(xiàn)該掩蔽?；蛘撸梢杂每蓜內サ木酆衔锿扛怖w維上待掩蔽的活化部分以便提供機械式的光纖維去活化。例如，可以由購自3M Corporation的KEL-F 800樹脂在醋酸戊酯中組成的溶液形成這樣的涂層。在流動空氣中在75℃下將該涂層干燥一段約5至約10分鐘的時間。此外，存在可從市場上購得的鍍覆掩蔽混合物。
然后，通過將活化部分浸入非電鍍鎳溶液，在纖維的活化部分上沉積第一個鎳層。適合的組分和化學成分在本領域中是熟知的，并在例如前述的美國專利No.5,380,559和No.6,355,301中對其進行了描述?？梢詮氖袌錾腺彽梅请婂兊幕瘜W成分，例如Shipley Company，L.L.C.的EveronTMBP非電鍍工藝，Uyemura International Corporation的NIMUDEN SX，和美國Fidelity Chemical Products Corporation，Newark，New Jersey的4865型。這些市售的非電鍍鎳化學成分典型為包含硫酸鎳和連二磷酸鈉的雙組分組合物。另一個適合的非電鍍化學成分包含30至35g/L的硫酸鎳，15至20g/L的次磷酸鈉，80至90g/L的檸檬酸鈉，和45至55g/L的氯化銨，溫度為80至90℃。美國專利No.6,251,252中描述了另一個非電鍍鎳化學成分，該成分包含1份氟化鈉，80份丁二酸鈉，100份硫酸鎳，和169份次磷酸鈉以及500份去離子水，溫度為約130°F(54℃)。第一個鎳層對于待形成的第二個電解鎳層起籽晶層的作用。第一個鎳層的厚度典型為0.25至2μm以便不會顯著影響該金屬結構的總體延展性。達到預定的膜厚之后，將纖維從鍍液中移開并用去離子水沖洗。
然后，通過將金屬化的纖維部分浸入電鍍液并對該纖維進行電鍍以便在第一個鎳層上形成第二個鎳層。將該電鍍液的pH維持在2至2.5的范圍內。該鍍液包含鎳的配合物和鎳鹽，例如75g/L至400g/L鎳配合物形式的鎳例如NiSO4·6H2O或Ni(NH2SO3)2和3g/L至15g/L鎳的氯化物鹽例如NiCl2·6H2O。該鍍液可以包含30g/L至45g/L的緩沖劑例如硼酸作為緩沖鹽，和0.25至2wt％例如0.5至2wt％的市售潤濕劑，例如全氟季胺潤濕劑例如全氟代十二烷基三甲基氟化銨。該鍍液可包含5ml/l至20ml/l基于該包含10ppm全氟季胺的水溶液的潤濕劑。此外，該鍍液可以包含30ppm或更少的特定金屬雜質，例如鐵，銅，錫，鋅，和鉛。第二個鎳層的厚度典型為1至6μm，例如2至4μm或約3μm。該鍍液的溫度典型為50至65℃。如果需要將pH降低到需要的值，可以使用20wt％的氨基磺酸稀溶液。據(jù)認為將pH降低到2至2.5的值產生的鎳層比在較高值下得到的鎳層延展性更好。
可以使用已知技術在第二個鎳層上鍍覆一個或多個附加的金屬層以便賦予該金屬結構所需的性質。例如可以使用一個或多個選自金，鈀，銀，和它們的合金的金屬，用以防止該結構的氧化。例如，可以使用浸鍍和/或電鍍在第二個鎳層上形成該附加層?？赡苄枰M一步沉積錫或錫合金的層來提高該金屬化結構的可焊性。可以通過已知技術例如電鍍來形成這樣的層。該附加金屬層的厚度將取決于例如具體的材料和涂層技術。通過前述的技術，可以在不導電基底上形成金屬化結構8。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了光電子封裝。該光電子封裝可以是例如蝶形封裝，硅光具座等等。將參照圖2對本發(fā)明的這個方面進行描述，該解說明了示例性蝶形封裝10。該封裝包含一個或多個如上所述的金屬化的光纖2和一個或多個光電子器件12，14。光纖2和光電子器件12，14彼此保持光連接，且該封裝典型為密封的。該光電子器件可以是，例如激光二極管，LED，光電探測器，調制器，或它們的組合。在該示例封裝中，該光電子器件是激光二極管12和光電探測器14。將該光電子器件連接至可能為例如陶瓷或硅的基座16。而將基座16連接至封裝殼的底面18。該封裝殼20典型由金屬如KOVAR，CuW，陶瓷如低溫冷燒陶瓷(LTCC)，或半導體例如硅或砷化鎵形成。穿過封裝殼的側壁提供引腳22以便在該封裝和外部元件之間提供電連接。該封裝可以包含其它元件例如波長鎖定器，背光(backfacet)監(jiān)視器，電氣器件，電子器件，透鏡，鏡面等等，將這些元件也連接至基座。可以將該基底連接到溫度調節(jié)器件(未示出)例如熱電冷卻器(TEC)以便控制該封裝的溫度。通過焊接技術將封裝蓋(未示出)和金屬化的纖維20焊接到適當?shù)奈恢靡员忝芊庠摲庋b。在焊接到位之前和/或之后，將金屬化的光纖主動或被動地與光電子器件對準。
下面的預示(prophetic)實施例的意圖是進一步對本發(fā)明進行說明，而并非在任何方面對本發(fā)明的范圍進行限制。
實施例提供兩米長的SMF28單模光纖，該光纖購自Corning Inc.，Corning，NY且具有丙烯酸酯的夾套。通過將纖維末端浸入180℃的95wt％硫酸溶液并保持1分鐘，從該光纖的一端除去5cm長的丙烯酸酯夾套。將暴露出的纖維末端引入去離子水中水浴90秒以便從纖維上除去殘留的酸然后將該纖維和夾套干燥。
然后將該纖維末端浸入室溫下的水性氯化亞錫敏化液并保持8分鐘，該溶液是通過將10g氯化亞錫添加到去離子水中的40mL 35wt％的鹽酸中，然后用去離子水稀釋到1L形成。然后將該纖維末端在去離子水水浴中沖洗3分鐘。
然后將敏化纖維的末端浸入室溫下的水性氯化鈀活化液并保持3分鐘，該溶液是通過將0.25g氯化鈀添加到100mL 0.3M的鹽酸中，然后用去離子水稀釋到1L形成。然后將活化的纖維末端在去離子水水浴中沖洗5分鐘并對該纖維包括夾套進行干燥。
將干燥的纖維末端浸入可剝去的聚合物以便提供防止纖維末端被金屬化的涂層，然后在75℃下在流動空氣中干燥8分鐘。
接下來通過非電鍍在活化的光纖表面沉積鎳層。在由1份氟化鈉，80份丁二酸鈉，100份硫酸鎳，和169份次磷酸鈉以及500份去離子水形成的非電鍍鎳溶液中在約54℃的溫度下對纖維的活化部分處理一段時間以便形成0.75μm的鎳涂層。在去離子水中對纖維進行沖洗。
通過電鍍在第一個鍍層上形成厚度為3μm的第二個鎳層。該電鍍液是通過混合120g鎳配合物Ni(NH2SO3)2形式的鎳，5g鎳鹽(NiCl2·6H2O)，和30g緩沖劑H3BO3，并用去離子水將該混合物稀釋到1升的體積形成。向該混合物中加入20mL/L包含10ppm全氟十二烷基三甲基氟化銨的水溶液。將該鍍液的溫度維持在60℃且在電鍍期間鍍液的pH為2。以25cm/sec的速度對鍍液進行攪拌。
接下來，將鍍鎳的纖維在70℃下浸入帶有攪拌的非電鍍金溶液并保持10分鐘，然后在離子水中進行沖洗。在75℃下用空氣對丙烯酸酯夾套的末端吹干10分鐘。
得到的金屬化結構有望具有優(yōu)異的附著和延展性能的組合。
雖然根據(jù)具體的實施方案對本發(fā)明進行了詳細的描述，本領域的技術人員將明白，使用等同條件可以做出多種改變和修改而不背離權利要求的范圍。
權利要求
1.金屬化不導電基底的方法，該方法包括(a)提供不導電基底，該基底具有暴露的不導電表面；(b)通過非電鍍在該不導電表面上形成第一個鎳層；和(c)使用pH為2至2.5的溶液通過電鍍在第一個鎳層上形成第二個鎳層。
2.權利要求1的方法，其中該暴露的不導電表面是玻璃表面。
3.權利要求2的方法，其中該不導電基底是光纖。
4.權利要求2或3的方法，其中(b)包括(b1)使用通過混合鹵化亞錫和水制成的敏化溶液對該玻璃表面進行敏化；(b2)使用通過混合氯化鈀和水制成的活化的溶液對該敏化的玻璃表面進行活化；(b3)通過非電鍍在該活化的玻璃表面上沉積第一個鎳層。
5.權利要求1-4任何一個的方法，其中將第一個鎳層沉積至0.5至2μm的厚度。
6.權利要求1-5任何一個的方法，其中將第二個鎳層沉積至2至4μm的厚度。
7.權利要求1-6任何一個的方法，該方法此外包括在第二個鎳層上形成金屬層，其中該金屬層由選自金，鈀，銀和它們的合金的材料形成。
8.權利要求7的方法，其中該金屬層是金層。
9.金屬化的光纖，該光纖通過權利要求3-8任何一個的方法形成。
10.光電子封裝，該封裝包括權利要求9的金屬化的光纖和光電子器件。
全文摘要
公開了金屬化不導電基底的方法。該方法包括(a)提供不導電基底，該基底具有暴露的不導電表面；(b)通過非電鍍在該暴露的不導電表面上形成第一個鎳層；和(c)使用pH為2至2.5的溶液通過電鍍在第一個鎳層上形成第二個鎳層。該不導電基底可以是例如光纖。此外公開了通過本發(fā)明的方法制備的金屬化的不導電基底和金屬化的光纖，以及包含這種金屬化的光纖的光電子封裝?？梢栽诠怆娮赢a業(yè)中在光纖的金屬化和形成密封光電子器件封裝中得到具體的應用。
文檔編號C03C25/48GK1637166SQ20041008171
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權日2003年12月31日
發(fā)明者T·J·佩雷特 申請人:羅姆和哈斯電子材料有限責任公司