本公開涉及一種光子收發(fā)器設(shè)計和制造，更具體地，涉及一種基于使用沒有引線鍵合的三維混合多芯片堆疊的硅光子學(xué)的緊湊型光收發(fā)器及其制造方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的快速更新，計算機的處理速度和容量相應(yīng)增加。希望尋求用于制造緊湊的高速光收發(fā)器的電子器件和光子學(xué)的完美集成的需求受到限制。制造工藝的復(fù)雜性、低產(chǎn)量、低效的晶片面積使用以及擴展到高級電子設(shè)備非常昂貴，使其作為現(xiàn)場產(chǎn)品不切實際。因此，存在使用多芯片集成(通過部分解耦光子學(xué)、電子學(xué)以及TSV/TGV插入器工藝) 的替代解決方案的需求，同時通過高產(chǎn)量、有效晶片面積使用以及靈活的擴展選擇，來在驅(qū)動器/TIA和Si光子器件之間依然實現(xiàn)實質(zhì)上低的寄生電容。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種通過混合多芯片集成的光收發(fā)器，包括：Si光子芯片，其附著在PCB上；第一TSV插入器和第二TSV 插入器，其分別附著在PCB上的所述Si光子芯片附近；驅(qū)動器芯片，其通過第一組凸塊部分地倒裝鍵合在所述Si光子芯片上并通過第二組凸塊部分地倒裝鍵合在第一TSV插入器上；以及跨阻抗放大器模塊芯片，其通過第三組凸塊部分地倒裝鍵合在所述Si光子芯片上并通過第四組凸塊部分地倒裝鍵合在第二TSV插入器上。

在一個實施方式中，所述Si光子芯片包括嵌入在SOI晶片內(nèi)部并分別耦接至形成在所述SOI晶片的頂部表面上的多個第一導(dǎo)電焊盤和多個第二導(dǎo)電焊盤的調(diào)制器和光電二極管。

其中，所述第一組凸塊包括沿著標(biāo)稱方向以交錯的方式與一個或多個第一接地凸塊交替地布置的一個或多個第一信號凸塊，每個第一信號凸塊被焊接到連接至在所述Si光子芯片上的第一傳輸線的一個第一傳輸導(dǎo)電焊盤，并且每個第一接地凸塊被焊接到連接至在所述Si光子芯片上的第一GND平面的相鄰的一個第一導(dǎo)電焊盤，所述第一傳輸線具有基本上小于第一GND平面的寬度的第一寬度。

其中，所述第一傳輸線包括直接連接至所述第一導(dǎo)電焊盤中的相應(yīng)一個第一導(dǎo)電焊盤的第一跡線部分，所述第一跡線部分具有所述第一寬度的至少一半的減小的寬度，導(dǎo)致減小的寄生電容和增強的電感，所述減小的寄生電容和所述增強的電感與在頂部的所述驅(qū)動器芯片和在底部的連接至嵌入其內(nèi)的調(diào)制器的所述Si光子芯片之間的所述第一信號凸塊連接相關(guān)聯(lián)。

其中，所述第一GND平面包括圍繞所述第一導(dǎo)電焊盤中的相應(yīng)一個第一導(dǎo)電焊盤的切口部分，使得在所述Si光子芯片上的所述第一GND平面基本上不與在所述驅(qū)動器芯片上的另一GND平面重疊，導(dǎo)致減小的寄生電容和增強的電感，所述減小的寄生電容和所述增強的電感與在頂部的所述驅(qū)動器芯片和在底部的連接至嵌入其內(nèi)的調(diào)制器的所述Si光子芯片之間的第一接地凸塊連接相關(guān)聯(lián)。

其中，所述第一和第二組凸塊中的每個具有沿著所述標(biāo)稱方向相對于相鄰?fù)箟K的第一節(jié)距距離和沿著垂直方向相對于相同的相鄰?fù)箟K的第二節(jié)距距離，所述第一節(jié)距距離基本上等于所述第二節(jié)距距離。

其中，所述第二組凸塊包括：一個第二信號凸塊，其焊接到在PCB 中的第一TSV插入器的一個連接至一個或多個用于信號傳輸?shù)幕ミB線的鍵合焊盤；以及一個第二接地凸塊，其焊接到所述第一TSV插入器的另一個連接至接地線的鍵合焊盤。

其中，所述第三組凸塊包括一個或多個第三信號凸塊，其沿著標(biāo)稱方向以交錯的方式與一個或多個第三接地凸塊交替地布置，每個第三信號凸塊被焊接到連接至在所述Si光子芯片上的第二傳輸線的一個第二傳輸導(dǎo)電焊盤，并且每個第三接地凸塊被焊接到連接至在所述Si光子芯片上的第二GND平面的相鄰的一個第二導(dǎo)電焊盤，所述第二傳輸線具有基本上小于第二GND平面的寬度的第二寬度。

其中，所述第二傳輸線包括直接連接至所述第二導(dǎo)電焊盤中的相應(yīng)一個第二導(dǎo)電焊盤的第二跡線部分，所述第二跡線部分具有所述第二寬度的至少一半的減小的寬度，導(dǎo)致減小的寄生電容和增強的電感，所述減小的寄生電容和所述增強的電感與在頂部的所述跨阻抗放大器模塊芯片和在底部的連接至嵌入其內(nèi)的光電二極管的所述Si光子芯片之間的第三信號凸塊連接相關(guān)聯(lián)。

其中，所述第二GND平面包括圍繞所述第二導(dǎo)電焊盤中的相應(yīng)一個第二導(dǎo)電焊盤的切口部分，使得在所述Si光子芯片上的所述第二GND平面基本上不與在所述跨阻抗放大器模塊芯片上的另一GND平面重疊，導(dǎo)致減小的寄生電容和增強的電感，所述減小的寄生電容和所述增強的電感與在頂部的所述跨阻抗放大器模塊芯片和在底部的連接至嵌入其內(nèi)的光電二極管的所述Si光子芯片之間的第三接地凸塊連接相關(guān)聯(lián)。

其中，所述第三和第四組凸塊中的每個具有沿著所述標(biāo)稱方向相對于相鄰?fù)箟K的第三節(jié)距距離和沿著垂直方向相對于相同的相鄰?fù)箟K的第四節(jié)距距離，所述第三節(jié)距距離基本上等于所述第四節(jié)距距離。

其中，所述Si光子芯片還包括形成在所述頂部表面上的多個第三導(dǎo)電焊盤，所述多個第三導(dǎo)電焊盤被配置為附著一個或多個激光二極管并且分別與所述PCB引線鍵合以接收DC電流注入。

其中，所述Si光子芯片還包括多個懸置耦合器，所述多個懸置耦合器中的一些懸置耦合器被配置為與一個或多個激光二極管的輸出耦接，并且所述多個懸置耦合器中的其他懸置耦合器被配置為與一個或多個光纖耦接。

其中，所述光收發(fā)器還包括PAM4編碼器、PAM4解碼器和多個AC 耦合電容器，其分別鍵合在所述PCB上而沒有任何引線鍵合。

其中，使用高電阻硅襯底或玻璃襯底，制造完全獨立于所述Si光子芯片的所述第一TSV插入器和所述第二TSV插入器中的每個。

附圖說明

圖1是根據(jù)本實用新型實施例的封裝在PCB上的光收發(fā)器的俯視圖；

圖2是示出根據(jù)本實用新型實施例的圖1的光收發(fā)器組件的橫截面 XX'剖視圖的示圖；

圖3是示出根據(jù)本實用新型實施例的圖1的光收發(fā)器組件的橫截面 YY'剖視圖的示圖；

圖4A-4D是示出根據(jù)本實用新型實施例的用于在PCB上制造緊湊型光收發(fā)器的一系列過程的示圖；

圖5A是示出根據(jù)本實用新型實施例的交錯凸塊布置的示圖；

圖5B是根據(jù)本實用新型實施例的具有優(yōu)化節(jié)距P的交錯凸塊的側(cè)視圖；

圖6A是根據(jù)本實用新型的某些實施例的針對幾個凸塊設(shè)計的頻率的傳輸插入損耗的繪圖；以及

圖6B是根據(jù)本實用新型的某些實施例的針對幾個凸塊設(shè)計的建立時間(settling time)的TDR阻抗的繪圖。

具體實施方式

本公開涉及一種光子收發(fā)器制造工藝，更具體地，涉及一種基于高產(chǎn)出硅光子學(xué)的混合多芯片集成而形成的高速緊湊型光收發(fā)器，其具有通過單獨制造的無源TSV插入器(interposer)耦合的堆疊驅(qū)動器。在某些實施例中，本實用新型應(yīng)用于高速光通信，雖然其他應(yīng)用也是可能的。

在現(xiàn)代電氣互連系統(tǒng)中，高速串行鏈路代替并行數(shù)據(jù)總線，并且由于 CMOS技術(shù)的演進(jìn)，串行鏈路速度正在快速增加。根據(jù)摩爾定律，互聯(lián)網(wǎng)帶寬幾乎每兩年就翻倍。但是摩爾定律在今后十年即將結(jié)束。標(biāo)準(zhǔn)CMOS 硅晶體管在大約5nm時停止增大。并且，由于工藝規(guī)模而增大的互聯(lián)網(wǎng)帶寬將進(jìn)入穩(wěn)定時期。但是互聯(lián)網(wǎng)和移動應(yīng)用繼續(xù)需要大量帶寬來傳輸照片、視頻、音樂以及其他多媒體文件。本公開描述了越過摩爾定律提高通信帶寬的技術(shù)和方法。

串行鏈路性能受到通道電氣帶寬和電子部件的限制。為了解決由帶寬限制引起的符號間干擾(ISI)問題，我們需要使所有電氣部件盡可能靠近，以減小它們之間的距離或通道長度。光子學(xué)和電子學(xué)的單片集成(例如，參見美國專利No.8,895,413)承諾一次性提高其能力。Luxtera的專利公開了使用嵌入在電子部件中的Si通孔(TSV)來集成Si光子和高速電子器件的兩種單片方法，即，并排集成和3D集成。實際上，這兩種方法在電子學(xué)和光子學(xué)之間引入了比引線鍵合方法提供的寄生低得多的寄生。然而，由于制造過程極端復(fù)雜，該工藝非常昂貴并且產(chǎn)量低。從系統(tǒng)的角度來看，存在另一個缺點，即，在電子電路和PCB或封裝襯底之間仍然需要引線鍵合。因此，從PCB或封裝襯底到電子電路的電信號傳輸沒有改善，反之亦然。實現(xiàn)具有高產(chǎn)出的高級集成的替代方法是使用多芯片集成技術(shù)。在本申請中，我們將公開通過單獨制造的TSV/TGV插入器使用電/ 光管芯堆疊集成的具有優(yōu)化的節(jié)距尺寸的交錯凸塊設(shè)置的高速緊湊型光收發(fā)器。

在具體實施例中，本實用新型提供了一種通過混合多芯片集成形成的緊湊型光收發(fā)器。所述光收發(fā)器包括附著在PCB上的Si光子芯片。所述光收發(fā)器進(jìn)一步包括分別附著在PCB上的Si光子芯片附近的第一TSV插入器和第二TSV插入器。此外，所述光收發(fā)器包括通過第一組凸塊部分地在Si光子芯片上、并通過第二組凸塊部分地在第一TSV插入器上倒裝鍵合的驅(qū)動器芯片。進(jìn)一步地，所述光收發(fā)器包括通過第三組凸塊部分地在Si光子芯片上、并通過第四組凸塊部分地在第二TSV插入器上倒裝鍵合的跨阻抗放大器模塊芯片。

根據(jù)本實用新型的改進(jìn)提供了許多益處。在某些實施例中，本實用新型提供了一種混合多芯片堆疊集成，以組裝具有互連的基本相似的低寄生電容的緊湊型光收發(fā)器，但與使用單片集成的收發(fā)器相比，具有低得多的成本。通過用于光子學(xué)、電子學(xué)和插入器的解耦過程，可以為每個部件實現(xiàn)更高的產(chǎn)量，并且整體上為收發(fā)器實現(xiàn)更高的可靠性。另外，在本實用新型中提出的組裝工藝導(dǎo)致高級電子節(jié)點的晶片面積的更有效的使用，使其成為用于電子器件(即，驅(qū)動器和TIA模塊)的工藝節(jié)點的更靈活的選擇以及與來自不同供應(yīng)商的光子和電子IP更靈活地整合。本實用新型在寬帶通信技術(shù)的背景下實現(xiàn)這些益處和其他益處。然而，通過參考說明書的后面部分和附圖，可以實現(xiàn)本實用新型的性質(zhì)和優(yōu)點的進(jìn)一步理解。

圖1是根據(jù)本實用新型實施例的封裝在PCB上的光收發(fā)器的俯視圖。該圖僅是示例，其不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到許多變型、替換以及修改。如圖所示，在PCB或有機襯底 101上形成基于為>56G波特操作設(shè)計的架構(gòu)的緊湊型光收發(fā)器100。光收發(fā)器100的主要部件是安裝在PCB 101的中心區(qū)域內(nèi)的Si光子管芯或芯片110，其包括所有光無源部件、調(diào)制器、光電二極管。光收發(fā)器100的其他部件包括分別設(shè)置在PCB 101的兩個端部區(qū)域附近的PAM4編碼器 133和PAM4解碼器134。在PAM4編碼器133和PAM4解碼器134旁邊，設(shè)置一對AC耦合電容器131和132。根據(jù)具體實施例，調(diào)制器驅(qū)動器123 和跨阻抗放大器(TIA)124分別通過兩個硅通孔(TSV)插入器125和 126(其分別設(shè)置在PCB 101上的Si光子管芯110的兩個相對邊緣之外) 部分地堆疊在Si光子管芯110上?；蛘撸?dāng)使用玻璃襯底時，玻璃通孔 (TGV)插入器可以用作具有相同的互連功能。一個或多個激光二極管 120耦合到Si光子管芯110，以使激光被引導(dǎo)通過在Si光子管芯110中的 Si波導(dǎo)(未示出)，并且耦合到由預(yù)制的V形槽115支撐的光纖。為了簡化描述，包括微控制器、電源管理IC和其他無源光學(xué)部件的其他部件未在圖1的示意圖中示出?？梢栽谙旅媸境龅臋M截面剖視圖中找到緊湊型光收發(fā)器100的組裝結(jié)構(gòu)的額外特征。

圖2是示出根據(jù)本實用新型實施例的圖1的光收發(fā)器組件的橫截面 XX'剖視圖的示圖。該圖僅是示例，其不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到許多變型、替換以及修改。如該XX'剖視圖所示，對于安裝在PCB 101上的所有部件，基本上消除了引線鍵合電連接。相反，通過TSV 155和156以及在PCB 101的表面上的焊料凸塊151來實現(xiàn)在PCB 101和驅(qū)動器123的輸入或TIA124的輸出和PCB 101之間的電連接。通過微凸塊來實現(xiàn)在驅(qū)動器123和調(diào)制器117之間以及在光電二極管118和TIA 124之間的電連接。只有安裝在Si光子管芯110上的激光二極管(LD)120是使用引線鍵合用于DC電流注入。無引線鍵合的組裝方案使得該架構(gòu)能夠傳送>56G波特符號率，因此，能夠以PAM4信號調(diào)制格式傳送112Gbps。

在可替換的實施例中，光收發(fā)器100包括緊湊的組裝方案，其中，驅(qū)動器123和TIA 124堆疊在Si光子管芯110的頂部上，以節(jié)省PCB 101 的封裝面積。特別地，驅(qū)動器模塊123和TIA模塊124的芯片部分地堆疊在Si光子管芯110和PCB 101上。驅(qū)動器模塊123或TIA模塊124的芯片的一部分通過經(jīng)由在Si光子管芯110上的焊料凸塊152或153的倒裝鍵合來耦合，而沒有使用跨硅通孔(TSV)連接。在具體實施例中，在驅(qū)動器模塊123或TIA模塊124與Si光子管芯110之間的倒裝鍵合包括凸塊152或153的設(shè)計優(yōu)化。優(yōu)化包括凸塊尺寸、交錯設(shè)置以及在二維方向上的優(yōu)化的節(jié)距。在可替換的具體實施例中，單獨在硅襯底中而不是直接通過Si光子管芯制造的TSV插入器125或126用于將驅(qū)動器模塊123或 TIA模塊124連接至PCB 101。雖然在Si光子管芯中使用的TSV確實可以增強光收發(fā)器的性能，但是制造復(fù)雜性和可靠性問題使其成本過高并且在大規(guī)模生產(chǎn)中按比例增加的吸引力更低。

使用SOI晶片制成Si光子管芯110。在SOI晶片中難以制造TSV，因為蝕刻厚的Si氧化物(6-10μm)和100-200μm的Si以形成待用Cu 填充的筆直輪廓的通孔是非常難以實現(xiàn)的。此外，如果Si光子晶片具有懸置式光耦合器結(jié)構(gòu)，則當(dāng)執(zhí)行TSV背面工藝和后背面(post-backside) 工藝時，它是非常脆弱的，導(dǎo)致非常低的產(chǎn)量或高成本制造。為了在單個芯片中一起制造TSV和光子裝置，TSV引起的應(yīng)力會對光裝置性能(例如，MUX和DeMUX中心波長)產(chǎn)生影響。到目前為止，TSV放置的安全區(qū)域是未知的。此外，到目前為止，工業(yè)對于通過厚SOI晶片的TSV 沒有或只有非常少的設(shè)計規(guī)則研究，TSV工藝可能在高溫組裝工藝中引起 Si破裂，例如，在凸塊鍵合工藝期間，260℃-300℃的范圍。這造成了光收發(fā)器產(chǎn)品的嚴(yán)重的可靠性問題。如圖2所示，通過將TSV制造與Si光子管芯110分離，Si光子管芯110和TSV插入器125(或126)的制造困難已經(jīng)被分離，使得可以實現(xiàn)Si光子管芯110和無源TSV或TGV插入器 125(126)的高產(chǎn)量。

參考圖2，使用單獨的硅或玻璃襯底制造TSV或TGV插入器125 (126)，其中，可以使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)容易地形成具有適當(dāng)深度的筆直輪廓通孔，而沒有與SOI晶片或特別是Si光子管芯(包括一個或多個嵌入式的脆弱的無源光學(xué)部件)相關(guān)的任何制造問題或難題。硅襯底應(yīng)采用高電阻Si晶片，或者可以使用玻璃襯底。在每個筆直輪廓通孔中，可以進(jìn)行Cu填充，并且可以增加鍵合焊盤，以覆蓋填充的Cu或其他導(dǎo)電材料的每個端部。然后，可以從經(jīng)處理的Si或玻璃襯底中切出具有填充的Cu 155和鍵合焊盤(不可見)的適當(dāng)配置的TSV(TGV)插入器125 或126，并將其轉(zhuǎn)移到PCB 101的表面，其中，TSV(TGV)插入器125 或126具有待焊接到較大焊料凸塊的底部鍵合焊盤，用于與PCB互連連接，而待與在驅(qū)動器模塊123或TIA模塊124的前表面上預(yù)先制造的較小凸塊耦合的頂部鍵合焊盤被上下倒裝用于形成管芯與插入器的電連接。

再次參考圖2，由驅(qū)動器模塊123驅(qū)動的用于調(diào)制由LD 120產(chǎn)生的激光的調(diào)制器117形成在Si光子管芯110內(nèi)部。用于將光信號轉(zhuǎn)換為用于 TIA模塊124的模擬電信號的一個或多個光電二極管118也形成在Si光子管芯110內(nèi)部?；蛘?，在驅(qū)動器模塊123或TIA模塊124與調(diào)制器117或光電二極管118之間的連接可以使用表面倒裝鍵合來形成，該表面倒裝鍵合使用優(yōu)化的凸塊下設(shè)計(under bump design)，以實現(xiàn)能夠傳送>56G波特符號率的實質(zhì)上高性能，而無需使用通過Si光子晶片的昂貴的TSV。

圖3是示出根據(jù)本實用新型實施例的圖1的光收發(fā)器組件的橫截面 YY'剖視圖的示圖。該圖僅是示例，其不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到許多變型、替換以及修改。如圖所示，沿著 YY'線的剖視圖特別示出了安裝在Si光子管芯110的表面上的激光二極管 120。激光二極管120仍然使用引線鍵合121來提供外部DC電流注入以驅(qū)動激光源。該引線鍵合121將不影響高頻傳輸，而是僅提供DC功率。但是，除了用于安裝激光二極管120的那些引線鍵合之外、在其表面之外沒有其他引線鍵合的Si-光子管芯110包括其他無源光學(xué)部件，例如，完全嵌入在SOI芯片中的懸置耦合器116、調(diào)制器117或光電二極管118。通過將預(yù)制在頂部管芯(即，驅(qū)動器模塊123或TIA模塊124)的前表面上的凸塊152或153倒裝耦合到形成在底部管芯(即，Si光子管芯110) 的頂部表面上的導(dǎo)電焊盤的凸塊下金屬化點，將電氣部件(例如，驅(qū)動器模塊123或TIA模塊124)僅僅部分堆疊在Si光子管芯110之上。還示出，激光應(yīng)通過懸置的耦合器114從LD 120耦合到硅波導(dǎo)(未示出)。同樣，由在Si光子管芯110的另一端的V形槽(未示出)支撐的光纖150經(jīng)由不同的懸置的耦合器116將激光耦合到波導(dǎo)內(nèi)/從波導(dǎo)中耦合出，以傳送輸入/輸出的光信號。

在可替換的實施例中，本實用新型還提供了一種用于組裝緊湊型光收發(fā)器的方法以解釋基于具有單獨制造的TSV或TGV插入器和優(yōu)化的凸塊下設(shè)計的多芯片堆疊方案的幾個關(guān)鍵工藝。圖4A-4D是示出根據(jù)本實用新型實施例的用于在具有嵌入互連的PCB的一側(cè)上制造緊湊型光收發(fā)器的一系列過程的示圖。這些圖僅是示例，其不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到許多變型、替換以及修改?？梢酝ㄟ^示出整個組裝過程的僅四個快照，來跳過一個或多個過程?？梢砸远嘤趩蝹€連續(xù)順序插入一個現(xiàn)有或額外過程。在不影響組裝過程的主要順序的同時，可以在部件的微小變化時包括其他過程。

參考圖4A的橫截面圖，提供了Si光子管芯110，其包括預(yù)制的懸置耦合器114和116、調(diào)制器117、光電二極管118和用于安裝激光二極管的在頂部表面上的電連接焊盤111。也可以包括其他無源光學(xué)部件，但是為了簡化描述，在此未明確示出。在提供Si光子管芯110時，一個或多個激光二極管120可以在Si光子管芯110的表面上形成的導(dǎo)電焊盤上通過表面安裝或倒裝鍵合來安裝在Si光子管芯110上。激光二極管120輸出端口經(jīng)由懸置耦合器114耦合到芯片內(nèi)部的Si波導(dǎo)(未明確示出)。懸置耦合器116被設(shè)計用于耦合光纖。調(diào)制器117被配置為通過在Si光子管芯110的頂部表面上(部分地)堆疊驅(qū)動器來耦合驅(qū)動器，并且因此被配置為使光電二極管118與TIA模塊124耦合。在投影組裝過程中，在Si 光子管芯110的頂部表面的相應(yīng)位置上，預(yù)制用于分別耦合驅(qū)動器模塊和 TIA模塊的頂部管芯的某些鍵合的UBM(凸塊下金屬化)部位。

參考圖4B的橫截面圖，Si光子管芯110加上安裝的激光二極管120 設(shè)置在PCB 101上。在一個實施例中，Si光子管芯110設(shè)置在PCB 101 的基本中心區(qū)域中。此外，包括PAM4編碼器/解碼器、多個電容器(CAP) 以及至少一對TSV插入器125和126(以及未示出的其他IC)的其他部件鍵合在PCB 101上預(yù)制的相應(yīng)接觸點處。通過使用較大尺寸的凸塊151 (連接至在PCB有機襯底內(nèi)部的互連線105)來焊接而進(jìn)行在PCB 101 上的這些部件的鍵合。

通過蝕刻通過整個襯底厚度的具有筆直輪廓的一個或多個通孔并隨后在每個通孔內(nèi)填充Cu(通孔的兩端分別由兩個鍵合焊盤覆蓋)，在單獨的Si襯底(或者如果使用玻璃襯底，則稱為TGV插入器)中制造TSV插入器125或126。頂端上的鍵合焊盤(未明確示出)用作凸塊下金屬化點，準(zhǔn)備用于在后續(xù)工藝中耦合頂部管芯(例如，驅(qū)動器模塊123和TIA模塊 124)的倒裝凸塊。在用于TSV插入器125或126的實施例中，每個通孔被配置為具有直徑小至20μm和長度小至100μm的尺寸。與基于現(xiàn)有技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)能力的至少400μm的引線鍵合長度相比，這大大減小了尺寸，從而通過引線鍵合提供了從大約70GHz延伸超過100GHz的更寬的帶寬。為了實現(xiàn)TSV插入器的最佳性能，優(yōu)選高電阻率Si襯底。

在圖4B的相同橫截面圖之后，參考圖4C，作為單獨管芯的驅(qū)動器模塊123被倒裝，以部分地與Si光子管芯110鍵合，并且部分地與TSV插入器125鍵合。通過將在頂部的驅(qū)動器模塊123上預(yù)制的較小凸塊152和在底部的Si光子管芯110的UBM進(jìn)行焊接，來實現(xiàn)管芯與管芯鍵合。通過焊接單獨的凸塊152(預(yù)制在倒裝以使凸塊152面向下的驅(qū)動器模塊123 的前表面上)以直接連接至在TSV插入器125內(nèi)填充的Cu上覆蓋的鍵合焊盤，來形成管芯與插入器鍵合。同樣，TIA模塊124用作頂部管芯，并且倒裝，其在向下的前表面上預(yù)制的多個凸塊153中的一些凸塊與在Si 光子管芯110的頂部表面上的導(dǎo)電焊盤鍵合，并且在向下的前表面上形成的多個凸塊153中的一些其他凸塊與TSV插入器126的相應(yīng)鍵合焊盤鍵合。通過將附著在TIA模塊124(頂部管芯)上的凸塊153焊接到Si光子管芯110(底部管芯)的UBM，來實現(xiàn)管芯與管芯鍵合。同樣，通過將在 TIA模塊124上的其他凸塊153直接焊接到連接至在TSV插入器126中填充的Cu的相應(yīng)鍵合焊盤，來實現(xiàn)管芯與插入器鍵合。盡管如在一些報告的應(yīng)用中，TSV插入器125不直接通過Si光子管芯110形成，而是作為單獨部件放在Si光子管芯110附近的外部，用于在PCB互連和驅(qū)動器模塊123之間提供電連接，以控制在Si光子管芯110內(nèi)部形成的調(diào)制器。另一個TSV或TGV插入器126同樣在PCB 101和TIA模塊124之間提供電連接，以支持部分地倒裝鍵合到Si光子管芯110的TIA模塊124的模數(shù)轉(zhuǎn)換和其他數(shù)據(jù)處理功能。

參考圖4D的可替換的橫截面圖，在將各個頂部管芯驅(qū)動器123和TIA 模塊124部分地堆疊在Si光子管芯110上并部分地堆疊在由單獨Si或玻璃襯底制造的相應(yīng)的TSV插入器125和126上(獨立于Si光子管芯110 的形成)之后，用于安裝激光二極管120的Si光子管芯110上的每個可替換的導(dǎo)電焊盤通過引線鍵合121連接，以接收DC電流注入，用于產(chǎn)生激光。激光二極管120的一個或多個輸出端口可以耦合到在Si光子管芯 110中預(yù)制的懸置耦合器114。用于形成緊湊型光收發(fā)器的額外組裝過程包括將一個或多個光纖150連接到形成在Si光子管芯110的邊緣附近的幾個V形槽。一個或多個光纖150中的每個光纖耦合到在Si光子管芯110 中預(yù)制的對應(yīng)的懸置耦合器116。

在一個具體實施例中，本實用新型提供了一種用于減小凸塊和相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)電焊盤的電容的優(yōu)化凸塊設(shè)計，所述凸塊和導(dǎo)電焊盤鍵合用于驅(qū)動器或TIA模塊的頂部管芯和用于Si光子芯片的底部管芯。較小的凸塊尺寸自然導(dǎo)致較小的電容以提供(光收發(fā)器的)互連的較大帶寬。例如，在研發(fā)實驗室中已經(jīng)看到，20μm的凸塊直徑是可行的。但是為了批量生產(chǎn)，為了實現(xiàn)合理的產(chǎn)量，凸塊尺寸優(yōu)選大于例如50μm。本實用新型的凸塊設(shè)計包括幾個特征，這些特征在優(yōu)化設(shè)置中使用大至50μm的凸塊直徑實現(xiàn)較小凸塊的更高性能。

圖5A是示出根據(jù)本實用新型實施例的交錯凸塊設(shè)置的示圖。該圖僅是示例，其不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到許多變型、替換以及修改。如圖所示，在透視圖中，頂部管芯520經(jīng)由幾個凸塊(包括以交替順序設(shè)置的第一類型凸塊501和第二類型凸塊502) 鍵合到底部管芯510。第一類型凸塊501用于將頂部管芯520的傳輸線521 連接至底部管芯510的傳輸線511。第一類型凸塊501夾在兩個小的導(dǎo)電焊盤之間，即，頂部焊盤523和底部焊盤513，具有基本上類似于凸塊直徑的直徑的橫向尺寸。較小的焊盤尺寸有助于減小互連電容。進(jìn)一步，導(dǎo)電焊盤523或513被配置為經(jīng)由較窄跡線部分521A或511A連接對應(yīng)的頂部或底部傳輸線521或511，所述較窄跡線部分提供較低電容和較大電感，從而補償由于使用稍微較大的凸塊尺寸而造成的過量電容。在具體實施例中，較窄跡線部分521A或511A的寬度收縮到傳輸線521或511的正常寬度的一半。

第二類型凸塊502用于連接頂部管芯520的GND平面524和底部管芯510的GND平面514。如圖5A所示，GND平面514具有切口部分，以將擴展焊盤514A的寬度減小到大約恰好凸塊502的直徑。這種結(jié)構(gòu)有助于減小凸塊互連的電容。

在具體實施例中，再次參考圖5A，第一和第二類型凸塊的系列以交錯設(shè)置形成。如圖所示，第一類型凸塊501中的每個沿著標(biāo)稱線(例如，X方向)與第二類型凸塊502中的每個一來一往地偏置。每個第一類型凸塊501交替地跟隨有第二類型凸塊502，以便以交錯形式形成12121構(gòu)造。在一個示例中，任何兩個最近的凸塊在X和Y方向上具有P～125μm的節(jié)距尺寸。這種交錯的凸塊設(shè)置進(jìn)一步降低了凸塊互連的電容。

圖6A是根據(jù)本實用新型某些實施例的針對幾個凸塊設(shè)計的頻率的傳輸插入損耗的繪圖。該圖僅是示例，其不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到許多變型、替換以及修改。如圖所示，就針對信號頻率對傳輸插入損耗的影響方面，比較幾個凸塊設(shè)計。對于具有50μm 尺寸的凸塊的傳統(tǒng)凸塊設(shè)計，對于40GHz以上的信號頻率，插入損耗變得明顯大于0.5dB。將凸塊尺寸從50μs簡單減小到20μs，有助于在40GHz 以上的信號頻率下將插入損耗減少約0.2dB，有效地增加帶寬?；蛘撸褂么笾?0μm但通過以交錯方式設(shè)置這系列凸塊并且在凸塊下方切除 GND平面而優(yōu)化的凸塊尺寸，實現(xiàn)了對于大于50GHz的信號頻率的基本相似的性能或甚至更低的插入損耗。增加另一特征：收縮連接至相應(yīng)信號凸塊的傳輸線的跡線寬度，進(jìn)一步增強了光收發(fā)器的寬帶傳輸性能。

圖6B是根據(jù)本實用新型某些實施例的針對幾個凸塊設(shè)計的建立時間的TDR阻抗的繪圖。該圖僅是示例，其不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到許多變型、替換以及修改。如圖所示，就時間對傳輸信號的TDR(時域反射計)阻抗的影響方面，進(jìn)一步比較如上所述的幾個凸塊設(shè)計。對于高于50GHz的頻率，在具有布置優(yōu)化的本實用新型中的大至50μm的凸塊尺寸設(shè)計顯示出比具有20μm凸塊尺寸但沒有布置優(yōu)化的傳統(tǒng)設(shè)計更好的傳輸性能。這證明，在本實用新型中提出的具有額外的交錯設(shè)置和優(yōu)化的節(jié)距距離的大至50μm的凸塊不僅易于制造，而且在高頻下提供更好的性能，這有利于高速光收發(fā)器(>100Gb/s) 產(chǎn)品開發(fā)。