專利名稱：：元件組件及其制造方法元件組件及其制造方法相關(guān)申請的交叉參考[1]本發(fā)明要求于2006年12月27日遞交的No.60/882,012的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，在此通過參考將其合并入本發(fā)明中。
技術(shù)領(lǐng)域：
[2]本發(fā)明涉及連接到基底的元件，更特別地，涉及通過由陶瓷材料構(gòu)成的底座連接到基底的元件。
背景技術(shù)：
：[3]為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)中信號的有效傳輸，必須對例如光纖、激光器、反射鏡、透鏡、微機(jī)電(MEMS)裝置、隔離器、調(diào)制器和檢測器的元件進(jìn)行準(zhǔn)確且可靠的定位。例如，在光纖耦合的激光器模塊中，激光器和光纖必須互相對準(zhǔn)定位以得到高的耦合效率。然而，實(shí)現(xiàn)這些元件的準(zhǔn)確定位很難并且也難以將這種定位保持。[4]為了有助于它們的定位，通常將這些元件通過底座連接到基底。將底座連接到基底，然后將元件連接到底座，而形成元件組件。在這種元件組件的制造中，一般通過利用加熱手段熔化焊料來將元件焊接到底座。[5]底座可以由多種材料制造，但是陶瓷材料由于它們有利的熱和機(jī)械特性而特別適合。例如由下述材料構(gòu)成的底座可以用于通過焊接將光纖連接到基底Sakaguchi等人的美國專利號US4,523,802中公開的二氧化硅(Si02),Gilman等人的美國專利號US6,679,636中公開的氧化鋁(A1203)，或Powers的美國專利號US6,883,978和7,284,913中公開的碳化硅(SiC)。此外，Ziari等人的美國專利號US6,758,610中公開了使用由二氧化硅、氧化鋯(Zr02)、玻璃陶瓷或M120構(gòu)成的底座通過焊接將光纖連接到基底，這篇專利由本發(fā)明的受讓人擁有并在此通過參考將其合并入本發(fā)明中。[6]對于另一例子，由氧化鈹(BeO)、氮化硼(BN)、氮化鋁(A1N)、或碳化硅構(gòu)成的底座可以用于將激光器連接到基底，如Ziari等人的美國專利號US6,758,610中所公開的。Miyokawa等人的美國專利號US6,720,582和Moriya等人的美國專利號US6,961,357中也公開了通過焊接使用由氮化鋁構(gòu)成的底座將激光器連接到基底。此外，為了實(shí)現(xiàn)各種功能，可以對底座的表面進(jìn)行金屬化處理。例如，為了促進(jìn)焊料與底座的粘附，可以通過焊料將底座鍍有可濕性金屬層或金屬圖案，例如金，如Pearson等人的美國專利號US6,292,499,Miyokawa等人的美國專利號US6,720,582和Ziari等人的美國專利號US6，758，610中所公開的。為了給焊料提供阻擋層，還可以將底座鍍有不可用焊料濕潤的金屬層，例如鈦，如Ziari等人的美國專利號US6,758,610中所公開的。當(dāng)光源例如激光器用作加熱手段來熔化焊料時，由光學(xué)非吸收性陶資材料構(gòu)成的底座可以被鍍有光學(xué)吸收性金屬層，例如鈦，以使得底座能夠通過來自光源的光加熱，如Ziari等人的美國專利號US6,758,610所公開的。不利地，當(dāng)來自激光器的光對其進(jìn)行加熱時，這樣的光吸收金屬層很容易被燒毀，這將它們的應(yīng)用限制在由非常低的熱傳導(dǎo)率材料構(gòu)成的底座。
發(fā)明內(nèi)容[8]本發(fā)明的目的是通過提供一種包括利用光源進(jìn)行優(yōu)化焊接的底座的元件組件，以及一種制造這種元件組件的方法，來克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。更重要地，底座由具有有利于利用光源焊接的屬性的陶瓷材料構(gòu)成。陶瓷材料可吸收光以使得底座能夠在焊接期間通過來自光源的光加熱，有助于熔化用于將元件連接到底座的焊料。陶資材料的光吸收性也防止光源將其燒毀，使得陶瓷材料具有較大范圍的熱導(dǎo)率可用于底座。此外，陶瓷材料的熱導(dǎo)率在焊料的熔化點(diǎn)處顯著低于元件的工作溫度處。因此，底座在焊接期間保持熱量，有助于焊料的熔化以發(fā)生連接，但是在操作期間散熱，阻礙焊料的不希望的軟化，從而提高連接的可靠性。[9]因此，本發(fā)明涉及一種元件組件，其包括基底；連接到基底的底座；和利用焊料連接到底座的元件，其中底座由陶瓷材料構(gòu)成，其中陶瓷材料可吸收光以使得底座能夠通過來自光源的光加熱，以及其中陶資材料在元件的工作溫度處具有第一熱導(dǎo)率和在焊料的熔化點(diǎn)處具有第二熱導(dǎo)率，其中第二熱導(dǎo)率比第一熱導(dǎo)率至少低25%。[10]本發(fā)明的另一方面涉及一種制造元件組件的方法，包括以下步驟a)提供元件；b)提供基底；c)提供由陶瓷材料構(gòu)成的底座，其中陶瓷材料可吸收光以使得底座能夠通過來自光源的光加熱，以及其中陶瓷材料在元件的工作溫度處具有第一熱導(dǎo)率和在焊料的熔化點(diǎn)處具有第二熱導(dǎo)率，其中第二熱導(dǎo)率比第一熱導(dǎo)率至少低25%;d)將底座連接到基底；和e)通過利用來自光源的光熔化焊料，利用焊料將元件連接到底座。[11]將參考表示優(yōu)選、示例性實(shí)施例的所附附圖對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中[12]圖1是包括光纖作為元件的元件組件的側(cè)視圖的示意說明；[13]圖2是來自多次研究的氧化鋁的熱導(dǎo)率比溫度的曲線圖；[14]圖3A是底座的頂視圖的示意說明；[15]圖3B是底座的側(cè)視圖的示意說明；和[16]圖4是鍍有多個金屬層的底座的側(cè)視圖的示意說明。具體實(shí)施方式[17]參考圖1,本發(fā)明提供一種元件組件100,以及一種制造這種元件組件100的方法。元件組件100包括元件110、基底120和底座130。底座130上的基底粘結(jié)區(qū)域131連接到基底120上的粘結(jié)區(qū)域121。光纖110上的粘結(jié)區(qū)域111利用焊料140連接到底座130上的元件粘結(jié)區(qū)域132。[18]本發(fā)明將在包括光纖110作為元件的元件組件100的范圍內(nèi)描述。這種元件組件100可以被包括作為例如一部分光纖耦合激光器模塊?？商鎿Q地，元件110可以例如是激光器、反射鏡、透鏡、MEMS裝置、隔離器、調(diào)制器或檢測器。優(yōu)選地，元件110是光學(xué)元件；然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解本發(fā)明并不限于光學(xué)元件。[19]本發(fā)明的重要特征在于底座130由具有有利于利用光源焊接的屬性的陶瓷材料構(gòu)成。作為第一屬性，陶瓷材料可吸收光；即陶瓷材料吸收波長在200nm和1400nm之間的可見或近可見光。該屬性使得底座130能夠通過來自光源的光加熱。反過來(inturn),底座130加熱焊料140,有助于熔化焊料140。從而，使用由光吸收陶瓷材料構(gòu)成的底座130大大提高了利用光源進(jìn)行焊接的效率。[20]盡管實(shí)際上任何光源都可以作為一種加熱手段來熔化焊料140，但是優(yōu)選的光源是激光器。更具體的，光源優(yōu)選是半導(dǎo)體二極管激光器，其優(yōu)選地在1W和10W之間的輸出功率處發(fā)射波長在700nm和1100nm之間的光。適當(dāng)光源的例子是銦鎵砷化物(InxGai-;cAs)二極管激光器，其發(fā)射波長在900nm和985nm之間的光。[21]優(yōu)選地，底座130在來自光源的光(即從光源入射到底座130上的光)的波長處具有至少30%的光學(xué)吸收率，底座130在特定波長處吸收至少30%。更優(yōu)選地，底座130在來自光源的光的波長處具有至少50%的光學(xué)吸收率，或甚至更優(yōu)選地，至少75%的光學(xué)吸收率。更優(yōu)選地，底座130在來自光源的光的波長處具有至少90%的光學(xué)吸收率。相反，當(dāng)使用銦鎵砷化物激光二極管作為光源時，由光學(xué)非吸收陶瓷材料(例如氧化鋯)構(gòu)成并鍍有光學(xué)吸收金屬層(例如鈥)的常規(guī)底座在900nm和985nm之間的波長處一般具有小于30%的光學(xué)吸收率。[22]作為第二屬性，陶瓷材料底座130在光纖110的工作溫度處具有第一熱導(dǎo)率和在焊料140的熔化點(diǎn)處具有第二熱導(dǎo)率，第二熱導(dǎo)率顯著低于第一熱導(dǎo)率。該屬性確保底座130在焊接期間易于保持熱量，但是在操作期間易于散熱。因此，需要提供以來自光源的光的形式的更小能量來熔化焊料140,有助于光纖110的連接。此外，在光纖IIO的操作期間，例如，作為一部分光纖耦合的激光器模塊，底座130例如通過弱導(dǎo)光或包層模式的光最小化焊料140的加熱，從而提高連接的可靠性。[23]在光纖110的工作溫度處的陶瓷材料的第一熱導(dǎo)率比在焊料140的熔化點(diǎn)處的第二熱導(dǎo)率低至少25%,其中光纖110的工作溫度一般在2(TC和85。C之間，焊料140的熔化點(diǎn)一般在200。C和500。C之間。優(yōu)選地，第二熱導(dǎo)率比第一熱導(dǎo)率低至少50%。在一些情況下，可能希望第一熱導(dǎo)率大于50Wm"K",或第二熱導(dǎo)率小于SOWn^K-1.[24]許多氧化物具有對于底座130的陶瓷材料所需的第二屬性，在于它們在光纖110的一般工作溫度處具有第一熱導(dǎo)率和在焊料140的一般熔化點(diǎn)處具有第二熱導(dǎo)率，第二熱導(dǎo)率顯著低于第一熱導(dǎo)率。例如，氧化鈹(BeO)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、二氧化鈦(Ti02)、氧化鋁(A1203)和85%氧化鋁(A1203)/15%二氧化硅(Si02)混合物在25。C、100°C、400。C和500。C溫度處的熱導(dǎo)率近似值見下表1。表l中的陶瓷材料列表決不是窮舉的，所提供的值僅作為引導(dǎo)，因?yàn)樘沾刹牧系臒釋?dǎo)率取決于許多因素，包括陶資材料的純度、相位和微結(jié)構(gòu)，以及溫度。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>[25]表l中所列的所有陶瓷材料，包括氧化物和氧化物混合物，在400。C或50(TC處都具有第二熱導(dǎo)率，其比在25。C處的第一熱導(dǎo)率至少低50%。此外，比較所提供的有關(guān)氧化鋁的值和所提供的有關(guān)85%氧化鋁15%二氧化硅混合物的值，可以理解除了第一氧化物以外，陶資材料可以包含第二氧化物，以改變陶瓷材料的第一熱導(dǎo)率或第二熱導(dǎo)率。[26]根據(jù)多次研究得到的氧化鋁的熱導(dǎo)率與溫度的曲線圖，如圖2所示。根據(jù)所示曲線圖，氧化鋁在300。C處的第二熱導(dǎo)率在12.5Wm"K"和22.5Wm"K"之間，和在25。C處的第一熱導(dǎo)率在25Wm"K—"和37.5Wm"K"之間，第二熱導(dǎo)率比第一熱導(dǎo)率低30%到50%之間。[27]然而，按表1中列出的單純的氧化物和氧化物混合物構(gòu)成的陶瓷材料底座130不具有所需的第一屬性，在于它們不是光學(xué)吸收的。為了使陶瓷材料具有光學(xué)吸收性，除了第一氧化物或氧化物混合物之外，陶瓷材料中可以包含著色劑(例如過渡金屬氧化物)。除了其它氧化物(例如二氧化硅和二氧化鈦)之外，適當(dāng)?shù)奶沾刹牧系睦邮呛稚难趸X，其一般包括至少90%的氧化鋁和至多1%的作為著色劑的三氧化二鐵(Fe203)。[28]參考圖3A和3B，可以將底座130塑造為單塊矩形平板。可替換地，可以將底座130塑造為更復(fù)雜的形狀。底座D0應(yīng)當(dāng)足夠大以實(shí)現(xiàn)焊料140的有效熔化以及光纖110的牢固連接。對于所示實(shí)施例的示例性尺寸是大約2mmx0.9mmx0.8mm。在元件組件100中，底座130上的基底粘結(jié)區(qū)域131被連接到基底120，底座130上的元件粘結(jié)區(qū)域132利用焊料140被連接到光纖110。優(yōu)選地，基底粘結(jié)區(qū)域131和元件粘結(jié)區(qū)域132被設(shè)置在底座130的相對表面上，如所示實(shí)施例。[29]在一些情況下，底座130由具有不可用焊料140濕潤的第三有利屬性的陶瓷材料構(gòu)成。該屬性使得陶瓷材料能夠?yàn)楹噶?40提供阻擋層。在這些情況下，底座130上的基底粘結(jié)區(qū)域131和元件粘結(jié)區(qū)域132每個鍍有焊料140可濕性金屬層(例如金)。因此，陶瓷材料充當(dāng)焊料屏障，將已熔化的焊料140限制到金屬化基底粘結(jié)區(qū)域131和金屬化元件粘結(jié)區(qū)域132。[30]此外，為了實(shí)現(xiàn)多個功能，底座130上的基底粘結(jié)區(qū)域131和元件粘結(jié)區(qū)域132可以被鍍有多個金屬層。參考圖4，在優(yōu)選實(shí)施例中，基底粘結(jié)區(qū)域131包括金層433、鉑層434和鈦層435。元件粘結(jié)區(qū)域132包括金層436、鉑層437、鎳層438和鈦層439。焊料140可濕性金層433和436促進(jìn)焊料140與底座130的粘附。鉑層434和437防止材料從底座130或基底120擴(kuò)散到焊料140中，反之亦然。同樣地，鎳層438也提供擴(kuò)散阻擋層。鈦層435和439是光學(xué)吸收性的并且焊料140不可將其潤濕，它們吸收來自光源的光，并為焊料140提供阻擋層。金屬層433至439可以通過物理汽相沉積(PVD)、電鍍或任何其它適當(dāng)?shù)姆椒ǔ练e至0.1pm至lpm之間的厚度。[31]再次參考圖1,底座130上的基底粘結(jié)區(qū)域131優(yōu)選地利用焊料(未示出)連接到基底120上的粘結(jié)區(qū)域121。優(yōu)選地，用于連接底座130和基底120的焊料和用于連接光纖110和底座130的焊料屬于相同類型。基底120可以是例如平臺或外殼。優(yōu)選地，基底120由陶瓷材料(例如氧化鋁)構(gòu)成，粘結(jié)區(qū)域121被鍍有焊料可濕性金屬層(例如金)。在一些情況下，為了實(shí)現(xiàn)多個功能，基底120上的粘結(jié)區(qū)域121可以被鍍有多個金屬層，如前所述。[32]在優(yōu)選實(shí)施例中，光纖IIO上的粘結(jié)區(qū)域111類似地被金屬化以促進(jìn)焊料140的粘附。優(yōu)選地，粘結(jié)區(qū)域111被鍍有焊料140可濕性材料層(例如鎳/金合金)?？商鎿Q地，粘結(jié)區(qū)域111可以未被鍍，焊料140可以完全環(huán)繞粘結(jié)區(qū)域111流動以將光纖110連接到底座130上的元件粘結(jié)區(qū)域132。[33]焊料140優(yōu)選地具有相對高的在20(rC和500'C之間的熔點(diǎn)，如前所述。在一些情況下，優(yōu)選合金作為焊料140。在這種情況下，焊料140優(yōu)選是硬焊料，例如金/錫合金或金/鍺合金。更優(yōu)選地，焊料140是共晶合金，例如80%金/20%錫合金，其具有約280。C的熔點(diǎn)。[34]在其它情況下，可以優(yōu)選玻璃焊料作為焊料140。在這種情況下，焊料140優(yōu)選是具有近350。C熔點(diǎn)的玻璃焊料。關(guān)于玻璃焊料，在此所用的術(shù)語"熔點(diǎn)"涉及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。有利地，當(dāng)玻璃焊料用作焊料140時，光纖110上的粘結(jié)區(qū)域111和底座130上的元件粘結(jié)區(qū)域132的金屬化是不必要的。[35]這種元件組件100的制造包括提供元件，例如光纖110、基底120和底座130,如前所描述。特別是，所提供的底座130必須與將用于焊接的光源和焊料140相兼容。例如，在優(yōu)選實(shí)施例中，所提供的由黑色氧化鋁構(gòu)成的底座130，其與作為光源的銦鎵砷化物二極管激光器和作為焊料140的80%金/20%錫合金一起使用，該激光器發(fā)射波長在900nm和985nm之間的光。[36]所提供的底座130上的基底粘結(jié)區(qū)域131被連接到基底120上的粘結(jié)區(qū)域121。優(yōu)選地，該連接步驟包括將底座130焊接到基底120。更優(yōu)選地，該連接步驟包括通過利用來自光源的光熔化焊料，利用焊料將底座130連接到基底120。[37]然后利用光源將光纖110焊接到底座130。光纖110上的粘結(jié)區(qū)域111被定位在底座130上的元件粘結(jié)區(qū)域132之上，焊料140定位在粘結(jié)區(qū)域111和元件粘結(jié)區(qū)域132之間和/或與其相鄰。將來自光源的光向焊料140和底座130引導(dǎo)以熔化焊料140。一旦焊料140被熔化，就將光源關(guān)閉或?qū)⒐庠催h(yuǎn)離焊料140和底座130。然后焊料140冷卻和固化，從而將光纖110的位置固定。[38]當(dāng)然，許多其它實(shí)施例可以預(yù)計，只要不偏離本發(fā)明的精神和范圍。權(quán)利要求1.一種元件組件，其包括基底；連接到所述基底的底座；和利用焊料連接到所述底座的元件，其中所述底座由陶瓷材料構(gòu)成，其中所述陶瓷材料可吸收光，以使得所述底座能夠通過來自光源的光加熱，以及其中所述陶瓷材料在所述元件的工作溫度處具有第一熱導(dǎo)率和在所述焊料的熔點(diǎn)處具有第二熱導(dǎo)率，其中所述第二熱導(dǎo)率比所述第一熱導(dǎo)率至少低25％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件組件，其中所述元件是光纖。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件組件，其中所述底座在700nm和1100nm之間的波長處具有至少30%的光學(xué)吸收率。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件組件，其中所述元件的所述工作溫度在2(TC和85。C之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件組件，其中所述焊料的所述熔點(diǎn)在20(TC和500°C之間。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件組件，其中所述第二熱導(dǎo)率比所述第一熱導(dǎo)率至少低50%。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件組件，其中所述陶瓷材料包含第一氧化物。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的元件組件，其中所述第一氧化物選自由氧化鈹、氧化鎂、氧化輛、二氧化鈦和氧化鋁所組成的組。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的元件組件，其中所述陶瓷材料進(jìn)一步包括第二氧化物以改變所述第一熱導(dǎo)率或所述第二熱導(dǎo)率。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的元件組件，其中所述陶瓷材料進(jìn)一步包括著色劑以使得所述陶資材料可吸收光。11.根據(jù)權(quán)利要求IO所述的元件組件，其中所述著色劑是過渡金屬氧化物。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件組件，其中所述陶瓷材料不可用所述焊料濕潤以為所述焊料提供阻擋層。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件組件，其中所述焊料選自由金/錫合金、金/鍺合金、和玻璃焊料組成的組。14.一種制造元件組件的方法，包括以下步驟a)提供元件；b)提供基底；c)提供由陶瓷材料構(gòu)成的底座，其中所述陶資材料可吸收光以使得所述底座能夠通過來自光源的光加熱，以及其中所述陶乾材料在所述元件的工作溫度處具有第一熱導(dǎo)率和在焊料的熔點(diǎn)處具有第二熱導(dǎo)率，其中所述第二熱導(dǎo)率比所述第一熱導(dǎo)率至少低25%;d)將所述底座連接到所述基底；和e)通過利用來自所述光源的所述光熔化所述焊料，利用所述焊料將所述元件連接到所述底座。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所迷元件是光纖。16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述光源是半導(dǎo)體二極管激光器。17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中來自所述光源的所述光具有700nm和1100nm之間的波長。18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述底座在來自所述光源的所述光的波長處具有至少30%的光學(xué)吸收率。19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述元件的所述工作溫度在20。C和85。C之間。20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述焊料的所述熔點(diǎn)在20(TC和500。C之間。21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第二熱導(dǎo)率比所述第一熱導(dǎo)率至少低50%。22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述陶瓷材料包含第一氧化物。23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述陶瓷材料進(jìn)一步包括著色劑以使得所述陶瓷材料可吸收光。24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述陶瓷材料不可用所述焊料濕潤以為所述焊料提供阻擋層。25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中步驟d)包括將所述底座焊接到所述基底。全文摘要本發(fā)明涉及一種元件組件并且涉及一種制造該元件組件的方法。元件組件包括基底、底座和元件，其中，所述底座被連接到基底，通過利用來自光源的光熔化焊料，利用焊料將所述元件連接到底座。底座由具有有利于利用光源焊接的屬性的陶瓷材料構(gòu)成。作為第一屬性，陶瓷材料可吸收光以使得底座能夠通過來自光源的光加熱。作為第二屬性，陶瓷材料在元件的工作溫度處具有第一熱導(dǎo)率和在焊料的熔化點(diǎn)處具有第二熱導(dǎo)率，第二熱導(dǎo)率比第一熱導(dǎo)率低至少25％。文檔編號G02B6/42GK101210982SQ20071030175公開日2008年7月2日申請日期2007年12月26日優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日發(fā)明者杰伊·斯基德摩爾,理查德·杜斯特博格申請人:Jds尤尼弗思公司