專利名稱：具有芯片級精確對位的光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有源光學(xué)器件。
傳統(tǒng)的芯片與光學(xué)器件的連接技術(shù)往往是要花費大量勞動而且不容易準確。這大部分是由于這些部件以及它們的接口尺寸極小，以及由于這些部件互連所需要的大量制造和裝配步驟。
在關(guān)于“光電子器件的精確對位”的美國專利5,857,049號(1999年1月5日授予Beranek等)中顯示了一個光電子模塊，它與光纖精確地對位。該模塊通過焊料連接到支承在基座上的光纖上，并使用熔融焊料的表面張力使各部件的連接自對位。
在關(guān)于“通過邊緣金屬化使芯片層疊”的美國專利5,818,107號(1998年10月6日授予Pierson等)中，展示了一個集成電路組件，其中通過把集成電路芯片形成于芯片疊層中并焊接在一個基片上，實現(xiàn)了增強的機械可靠性和電可靠性。金屬化特征和焊接材料的厚度提供了芯片之間的一個遠距離，它允許改善熱擴散。
在關(guān)于“集成光學(xué)電路組件和方法”的美國專利5,790,730號(1998年8月4日授予Kravitz等)中，顯示了用于封裝具有多個微透鏡的集成光學(xué)電路的結(jié)構(gòu)和方法。表面光柵形成光學(xué)電路和微透鏡之間的通道。利用多個焊料凸起接頭中熔融焊料的表面張力實現(xiàn)配準圖案的對位。
在關(guān)于“集成光電子耦合和連接器”的美國專利5,687,267號(1997年11月11日授予Uchida)中，光電子模塊在具有V形對位槽的公共基片上與光纖實現(xiàn)光學(xué)對位。
在關(guān)于“焊球連接和組裝過程”的美國專利5,675,889號(1997年10月14日授予Acocella等)中，使用熔融焊料的表面張力使兩個基片對位和連接。
在關(guān)于“具有用矩形墊片上的凸起自對位的光學(xué)元件和光波導(dǎo)的光學(xué)模塊及其組裝方法“的美國專利5,661,831號(1997年8月26日授予Sasaki等)中，顯示了一個光學(xué)模塊，它與波導(dǎo)和激光二極管一起安裝在一個硅基片上。熔融焊料的表面張力用于使激光二極管陣列與硅基片上的構(gòu)圖墊片自對位。
在關(guān)于“并行光學(xué)互連”的美國專利5,631,988號(1997年5月20日授予Swirhun等)中，光纖與光學(xué)器件陣列互連，并由結(jié)合兩個元件的熔融焊料的表面張力對位。對位孔是由激光鉆入基片中的。通過平板印刷術(shù)相對于孔形成墊片。然后使用倒裝芯片技術(shù)使芯片與墊片橫向?qū)ξ弧?br> 在關(guān)于“單個共線光學(xué)組件”的美國專利5,337,398號(1994年8月9日授予Benzoni等)中，顯示了一種光學(xué)組件結(jié)構(gòu)。使用焊料凸起對位來對準有源器件、透鏡和透鏡支撐物。一個纖維箍以適量精度放在被組裝的部件上。
在關(guān)于“集成光電子耦合和連接器”的美國專利5,535,296號(1996年7月9日授予Uchida)中，展示了一個集成安裝組件，其中光纖被支承在有槽基片和夾持基片之間。這些光纖與一器件耦合。通過熔融焊料的表面張力實現(xiàn)對位。
在關(guān)于“使用倒裝芯片焊接技術(shù)無源對位和封裝光電子部件與光波導(dǎo)”的美國專利5,499,312號(1996年3月12日授予Hahn等)中，顯示了一種方法和器件用于光波導(dǎo)與光子器件的自動對位。利用可濕的墊片，而表面張力有助于使元件對位。
在關(guān)于“并行光學(xué)互連”的美國專利5,420,954號(1995年5月30日授予Swirhun等)中，光纖與光學(xué)器件陣列互連，并由結(jié)合兩個元件的熔融焊料的表面張力對位。
在關(guān)于“光纖對位”的美國專利5,247,597號(1993年9月21日授予Blacha等)中，使用焊料結(jié)合部分的表面張力，使光纖與發(fā)射或接收表面對位。
在關(guān)于“包括光纖連接的光學(xué)組件”的美國專利5,197,609(1993年1月12日授予Blonder等)中，使用液化材料的表面張力使放置在槽中的光纖與光學(xué)器件正面對位。
根據(jù)第一方面的光學(xué)組件包含帶有基片對位墊片的基片、有正面和背面的有源光學(xué)器件、至少一個有源光學(xué)元件以及在其中有至少一個被對位光纖的耦合器，所述基片、所述有源光學(xué)器件以及所述耦合器被光學(xué)對位和結(jié)合在一起以形成所述光學(xué)組件，所述有源光學(xué)器件在其背面與所述基片對位墊片對位并與其結(jié)合，以使至少一個有源光學(xué)元件與所述基片對位墊片以及所述耦合器的至少一個光纖光學(xué)對位，并且該有源光學(xué)器件在其正面對位和結(jié)合到所述耦合器，所述對位部分地由放置在所述耦合器、有源光學(xué)器件以及基片之間的液體粘合劑的表面張力來實現(xiàn)。
根據(jù)一個最佳實施例的結(jié)構(gòu)包含一個具有電接觸墊片和對位墊片的基片，帶有精確對位的通孔供至少一條光纖通過。光纖由外套或耦合器支承，它有對位針相對于基片中的通孔及光纖精確放置。一個模片(die)有至少一個有源光學(xué)元件在模片第一表面上并有電觸點在模片第二表面上，該模片與基片的電墊片以及有源光學(xué)元件對位。電觸點墊片與模片第二表面上的電觸點導(dǎo)電結(jié)合。對位針與基片中的精確對位通孔結(jié)合。
根據(jù)第二方面的方法包含制造光學(xué)組件的方法，該光學(xué)組件包含基片、有源光學(xué)元件以及光學(xué)耦合器，該方法包含步驟提供一個光學(xué)耦合器外套，它包含至少兩個對位針和多個沿預(yù)定方向從光學(xué)耦合器中延伸出去的光纖，所述至少兩個對位針用于使所述光學(xué)耦合器外套相對于一基片對位；使所述光學(xué)耦合器外套與所述基片對位；以及使集成的有源光學(xué)器件結(jié)合到所述基片上。
根據(jù)一個最佳實施例的方法包括步驟一次完成對針和光纖的研磨，然后利用焊料或其他導(dǎo)電粘合液的表面張力使有源光學(xué)器件和光纖對位。該基片包含銅電路觸點和面包圈形對位墊片，這些墊片用作蝕刻掩模允許去掉對位墊片中心區(qū)域中的基片材料(形成孔)。這一精確對位的孔與基片的電觸點對位，用于以插針使光纖在外套中對位。焊球使模片連到基片和粘合劑；或者在面包圈墊片上的焊料把光纖固定于該基片。
本發(fā)明優(yōu)選地提供一種光學(xué)芯片器件，它能在其背面和邊緣被連接，以提供新的不尋常的、高精度的芯片級互連結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明優(yōu)選地反映新的光學(xué)芯片互連結(jié)構(gòu)，其中使用標準半導(dǎo)體光學(xué)平板印刷術(shù)和金屬化過程以及新的簡化的組裝技術(shù)，使該芯片的全部六個表面能用于互連接光學(xué)芯片的背面和各邊緣。
本發(fā)明優(yōu)選地提供一個光學(xué)芯片組件用于把纖維光纜耦合于一個發(fā)射模片。
為了清楚和簡煉，在各圖中相似的元件和組成部分將帶有相同的標號和命名。
最佳實施例描述一般地說，本發(fā)明以光學(xué)組件及其制造方法為特色，其中當把一光學(xué)芯片固定到一基片上時該光芯片可以位于其背側(cè)面和邊緣，以產(chǎn)生新的三維互連結(jié)構(gòu)。這種三維性是使用標準的半導(dǎo)體光學(xué)平板印刷術(shù)和金屬化過程實現(xiàn)的。
現(xiàn)在參考

圖1，圖中顯示本發(fā)明的第一光學(xué)組件10的部件分解圖。這一光學(xué)組件10的組裝顯示在圖6a中所描繪的順序制造步驟中。圖中顯示的耦合器或外套12帶有各對位和定位針14和16。根據(jù)光學(xué)組件的預(yù)期應(yīng)用，針14和16可以是任何材料，如金屬或化合物，以增強或阻止熱和/或電傳導(dǎo)。
如圖6a中所示，耦合器12包含兩個半部分12a和12b。這兩個半部分12a和12b結(jié)合在一起以把對位針14和16限定在精確V形槽22′中，并把光纖22限定在V形槽22中。對位針14和16使耦合器12與基片30對位。
光纖24是被磨光的，從而使它們與外套12的底緣21基本平齊。位于基片31頂表面上的面包圈墊片26和28包含對位孔34和36，它們各自接受對位針14和16。面包圈墊片26和28的孔34和36被精確蝕刻到基片30中。面包圈墊片26和28作為把耦合器針14和16結(jié)合到基片30上的焊料或其他粘合劑46的定位表面。應(yīng)該理解，孔34和36不僅可由蝕刻形成，還可由鉆孔、激光燒蝕或本領(lǐng)域已知的任何其他技術(shù)形成。當焊料被熔化時，它的表面張力使有源光學(xué)器件32與基片30自對位。
有源光學(xué)器件(如集成有發(fā)光或受光元件的光電子電路芯片)32有上表面33，有源光學(xué)元件35位于它的上面。這些有源光學(xué)元件35與光纖24和放在基片30的表面31上的電路線37對位。有源光學(xué)元件35用電接觸墊片39與電路線37連接，這些電接觸墊片39是用粘合劑44結(jié)合在基片30的表面31上的。
現(xiàn)在參考圖2，圖中顯示圖1的光學(xué)組件10的第二實施例10a。圖6中描繪光學(xué)組件10a的順序制造過程。沒有使用圖1和圖6a中所示對位針14和16實現(xiàn)耦合器12與基片30的對位。代替針14和16，使用構(gòu)造墊片14′和16′使耦合器與基片對位墊片42以及有源光學(xué)器件32對位?？梢杂酶鞣N手段形成構(gòu)造墊片14′和16′，例如把針14和16磨成與耦合器表面21平齊。形成構(gòu)造墊片的另一種手段是把針14和16插入耦合器12，從而使其末端從耦合器底面21稍稍突出?？墒褂靡粋€固定物精確設(shè)置適當?shù)尼樛钩鲆栽斐蓸?gòu)造墊片。另一種作法是，可以使用兩步研磨過程做成從底面21表面凸出的構(gòu)造墊片。首先，全部光纖有選擇地與耦合器底面磨平，然后，針14和16有選擇地被研磨到所希望的構(gòu)造墊片凸出高度。還可以把一個針(未畫出)插入耦合器12從而使針的末端與耦合器底面21平齊，由此做成構(gòu)造墊片14′和16′。最好是同時研磨耦合器光纖和構(gòu)造墊片，以保證平面性以及構(gòu)造墊片和光纖之間的位置關(guān)系?；瑝|片42分別通過粘合劑38固定在構(gòu)造墊片14′和16′上。粘合劑38可以是熔融焊料或液體粘合劑。還可能提供其后可被溶解和去除的其他液體。和以前一樣，熔融焊料的表面張力使各部件自對位。
應(yīng)該看到，是通過有源光學(xué)器件32上的粘合劑38、耦合器構(gòu)造墊片14′和16′以及對位墊片42之間造成的表面張力，使有源光學(xué)元件35與耦合器光纖24對位。
現(xiàn)在參考圖3，圖中顯示圖1所示光學(xué)組件的第三實施例10b。光學(xué)組件10b包含耦合器12，它通過對位針14和16與有源光學(xué)器件32和柔性電路基片30二者對位。柔性電路基片30包含精確定位器孔50用于與針14和16對位。通過制造面包圈墊片52，使定位器孔50精確放置以接受針14和16，面包圈墊片52允許精確蝕刻定位器孔和放置粘合劑51。
熔融焊球53通過表面張力與墊片55對位，使有源光學(xué)器件32、耦合器12以及基片30彼此對位。針14和16相對于V形槽22(圖1)中的光纖24精確定位。這允許玻璃纖維24與放在有源光學(xué)器件32上的有源光學(xué)元件35對位。
現(xiàn)在參考圖4a-4d，圖中顯示相對于基片30和有源光學(xué)器件32放置的光學(xué)耦合器外套12的四個截面圖。如下文的描述，順序參考這些附圖能最好地理解本發(fā)明的各種方法和結(jié)構(gòu)。
制造光學(xué)組件10的方法包括提供一個光學(xué)耦合器外套12的步驟，光學(xué)耦合器外套12包含至少兩個對位針14和16以及多個沿預(yù)定方向從其中延伸出去的光纖。對位針14和16用于使光學(xué)耦合器外套12在水平方向相對于基片30對位。對位針14和16以及多個光纖24是一次完成研磨的，以產(chǎn)生光學(xué)耦合器外套12的平齊針表面和電墊片。光學(xué)耦合器外套12與基片30對位。集成的光電子電路32固定在基片30上。最后，集成的光電子電路32直接固定在光學(xué)耦合器外套12的電墊片上。
針對圖4a，光學(xué)耦合器12包含光纖24和對位針14和16，在光平板印刷過程(它不構(gòu)成本發(fā)明的一部分)中它們相對于彼此精確地定位。用于對位針14和16的基片30中的定位器孔50以及電接觸墊片39的位置，也由光學(xué)平板印刷術(shù)相對于彼此精確地定位。這樣，利用對位針14和16使光學(xué)耦合器12固定在基片30上。利用C4接頭38把有源光學(xué)器件32固定在基片30上。請注意，在這一實施例中有源光學(xué)器件32本身不與光學(xué)耦合器外套12連接，而是利用它和基片30的連接與其對位。在光學(xué)組件10中，正是光學(xué)耦合器12與基片30配對以及基片30與器件32配對，使光纖24與有源光學(xué)器件32對位。在與對位針14和15的連接中，間距62建立有源光學(xué)器件32頂部和耦合器表面12之間的預(yù)先確定的間隔距離。
針對圖4b，光學(xué)耦合器12再次包含光纖24和構(gòu)造墊片14′和16′，它們通過光平板印刷過程相對彼此精確定位。利用構(gòu)造墊片14′和16′，光學(xué)耦合器12固定在基片30上，在這種情況中構(gòu)造墊片14′和16′不是插入基片30，而是利用C4焊球接頭38固定在基片30上。有源光學(xué)器件32也通過C4接頭38結(jié)合到基片30上。利用耦合器/基片子組裝和芯片/基片子組裝的焊球回流，使有源光學(xué)器件32本身與光學(xué)耦合器12中的光纖24對位。
針對圖4c和4d，光學(xué)耦合器12包含與光纖24交錯放置的構(gòu)造墊片18和20。利用光平板印刷手段，使光纖24和精確構(gòu)造的墊片18和20相對彼此精確地定位。光學(xué)耦合器12的末端與光纖24及構(gòu)造墊片18和20同時被磨光。在這種情況中，對位針14和16(圖4c)是可選的，在圖4d中未畫出，因為構(gòu)造墊片18和26也能提供結(jié)構(gòu)性支持，以及定位和對位功能。
在光學(xué)耦合器12的電墊片和有源光學(xué)器件32的上表面33之間引入粘合劑38，例如回流的C4焊球結(jié)點。通過在構(gòu)造墊片18和20的端面放置C4接頭，進行有源光學(xué)器件32和光學(xué)耦合器12之間的對位。如圖所示，有源光學(xué)器件32與基片30上的電觸點墊片39的連接也是使用C4接頭38，它建立有源光學(xué)器件32和基片30之間電連接的最終結(jié)構(gòu)。
參考圖5a，圖中顯示耦合器12，帶有用于對光纖24定位的精確的V形槽22′(典型的)和定位針14和16。
參考圖5b，圖中顯示已經(jīng)與耦合器外套12的底面21同時磨平之后的構(gòu)造墊片18和20。對定位針14′和16′也有同樣情況。
參考圖5c，圖中顯示耦合器12，帶有已經(jīng)磨平的針14′和16′。在對針磨平之后，這些針便能焊接到基片30上的一個墊片(在該圖中未畫出)。
參考圖6c，圖中顯示光學(xué)組件的另一實施例10c。在光學(xué)組件10c中，有源光學(xué)器件32與耦合器外套12的頂面60和底面21二者對位并與之結(jié)合。
由于為適應(yīng)特定操作要求和環(huán)境的其他修改和變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯然的，所以不能認為本發(fā)明局限于為公開內(nèi)容而選擇的舉例。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)組件，包含帶有基片對位墊片的基片、有正面和背面的有源光學(xué)器件、至少一個有源光學(xué)元件以及在其中有至少一個被對位光纖的光學(xué)耦合器，所述基片、所述有源光學(xué)器件以及所述耦合器被光學(xué)對位和結(jié)合在一起以形成所述光學(xué)組件，所述有源光學(xué)器件在其背面上與所述基片對位墊片對位并與其結(jié)合，以使至少一個有源光學(xué)元件與所述基片對位墊片以及所述耦合器的至少一個光纖光學(xué)對位，并且該有源光學(xué)器件在其正面對位和結(jié)合到所述耦合器，所述對位部分地由放置在所述耦合器、有源光學(xué)器件以及基片之間的液體粘合劑的表面張力來實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)組件，其中所述基片對位墊片包含以環(huán)形墊片包圍的通孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的光學(xué)組件，其中所述耦合器有一底表面，構(gòu)造墊片放在其上，所述構(gòu)造墊片被結(jié)合到所述基片對位墊片上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)組件，其中所述構(gòu)造墊片與所述耦合器底表面平齊放置。
5.一種光學(xué)組件，包含基片、帶有上面和下面的有源光學(xué)器件、至少一個有源光學(xué)元件以及在其中有至少一個被對位光纖的光學(xué)耦合器，所述有源光學(xué)元件的所述上面和所述光學(xué)耦合器光學(xué)對位并直接連接在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)組件，其中所述有源光學(xué)元件的所述下面和所述基片連接在一起。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6的光學(xué)組件，進一步包含放在所述光學(xué)耦合器和所述有源光學(xué)元件之間的液體粘合劑，其中，在組裝過程中，所述液體粘合劑的表面張力有助于所述有源光學(xué)元件和所述光學(xué)耦合器之間的對位。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的光學(xué)組件，其中所述液體粘合劑包含處于熔融狀態(tài)的焊料。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任何一個的光學(xué)組件，其中所述光學(xué)耦合器有一個與所述有源光學(xué)元件相對放置的末端，其中所述光學(xué)組件進一步包含第二有源光學(xué)元件，在操作上與所述光學(xué)耦合器的所述末端相連。
10.一種制造光學(xué)組件的方法，該光學(xué)組件包含基片、有源光學(xué)元件以及光學(xué)耦合器，該方法包含步驟提供一個光學(xué)耦合器外套，它包含至少兩個對位針和多個沿預(yù)定方向從光學(xué)耦合器中延伸出去的光纖，所述至少兩個對位針用于使所述光學(xué)耦合器外套相對于一基片對位；使所述光學(xué)耦合器外套與所述基片對位；以及使集成的有源光學(xué)器件連接到所述基片。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的制造光學(xué)組件的方法，其步驟進一步包含把所述集成的有源光學(xué)器件直接連接到所述光學(xué)耦合器外套的所述對位墊片上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的制造光學(xué)組件的方法，其中所述光學(xué)耦合器外套和所述基片基本上同時地連接到所述集成的有源光學(xué)器件上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12的制造光學(xué)組件的方法，其中所述光學(xué)耦合器外套與所述基片對位的步驟是在所述至少兩個定位針的協(xié)助下實現(xiàn)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任何一個的制造光學(xué)組件的方法，其步驟進一步包含相對于所述基片推壓所述至少兩個對位針，以造成相對于所述有源光學(xué)器件的離開所述光學(xué)耦合器外套的一個垂直距離。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任何一個的制造光學(xué)組件的方法，其步驟進一步包含在所述光學(xué)耦合器外套、所述集成的有源光學(xué)器件以及所述墊片之間引入液體粘合劑，所述液體粘合劑的表面張力有助于所述基片、所述集成的有源光學(xué)器件以及所述光學(xué)耦合器外套之間的對位。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的制造光學(xué)組件的方法，其中所述液體粘合劑包含處于熔融狀態(tài)的焊料。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的制造光學(xué)組件的方法，其中所述光學(xué)耦合器外套有一個與所述集成的有源光學(xué)器件相對放置的末端，其中所述步驟進一步包含把第二集成的有源光學(xué)器件連接到所述光學(xué)耦合器外套的所述末端。
18.根據(jù)權(quán)利要求10至17中任何一個的制造光學(xué)組件的方法，其中所述至少兩個對位針包含導(dǎo)電材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求10至17中任何一個的制造光學(xué)組件的方法，其中所述至少兩個對位針包含非導(dǎo)電材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求10至17中任何一個的制造光學(xué)組件的方法，其中所述至少兩個對位針包含導(dǎo)熱材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求10至17中任何一個的制造光學(xué)組件的方法，其中所述至少兩個對位針包含非導(dǎo)熱材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求10至21中任何一個的制造光學(xué)組件的方法，其步驟進一步包含一次完成對所述至少兩個對位針和所述多個光纖的研磨，以產(chǎn)生所述光耦合外套的平齊針表面和在其上的平齊構(gòu)造墊片。
23.根據(jù)權(quán)利要求10至21中任何一個的制造光學(xué)組件的方法，其步驟進一步包含一次完成對所述至少兩個對位針和所述多個光纖的研磨，以在其上產(chǎn)生凸出的構(gòu)造墊片。
全文摘要
光學(xué)組件及其制造方法，其中有源光學(xué)器件能夠相對于基片和耦合器定位。該結(jié)構(gòu)包括帶有電觸點墊片和對位墊片的基片，其對位墊片有精確對位的通孔用于至少一根光纖。這些光纖由一外套(12)或耦合器支承，該外套或耦合器有相對于基片(30)中的通孔(34、36)及光纖(24)精確定位的對位針(14，16)。一個模片或有源光學(xué)器件(32)具有一個或多個有源光學(xué)元件(35)在其模片第一表面上，以及電觸點(37)在其模片第二表面(31)上，該模片或有源光學(xué)器件(32)與基片的電墊片及有源光學(xué)元件對位。該方法包括的步驟有一次完成研磨進入金屬墊片的對位針和研磨光纖，然后使用導(dǎo)體粘合液的表面張力使有源光學(xué)器件和光纖對位。然后這些光纖被結(jié)合。
文檔編號G02B6/42GK1430732SQ0180992
公開日2003年7月16日 申請日期2001年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月23日
發(fā)明者B·占, R·霍爾, H·T·林, J·舍曼 申請人:國際商業(yè)機器公司