專利名稱：微波光子晶體共面波導(dǎo)在高速光電子器件封裝中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子器件制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，更具體說是具有微波光子晶體結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)在高速光電子器件中的使用。
背景技術(shù)：
隨著光電器件和集成技術(shù)的日益發(fā)展，在光傳輸系統(tǒng)中越來越多地使用了高性能、低成本、小外形尺寸和低功耗的光電器件。一個光電子器件要投入到系統(tǒng)當中應(yīng)用，其耦合封裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于該器件的高頻特性、可靠性和使用壽命等多方面的性能有著決定性的影響。
把經(jīng)過組裝和電互連的光電器件芯片與相關(guān)的功能器件和電路等，封入一特制的管殼內(nèi)，并通過管殼內(nèi)的光學系統(tǒng)與外部實現(xiàn)光連接，這一工藝稱為光電器件封裝工藝。光電子器件的后道封裝是非常重要的工序，它不僅關(guān)系到器件的穩(wěn)定性和可靠性，而且不同的管殼結(jié)構(gòu)和封裝形式還會影響器件的性能參數(shù)。
隨著技術(shù)的發(fā)展，封裝結(jié)構(gòu)正趨向于小型化和多功能模塊化。蝶形封裝由于內(nèi)部空間較大，通常安裝有半導(dǎo)體制冷器和熱敏電阻，并且能夠放置一些微波微帶電路。通過半導(dǎo)體制冷器和熱敏電阻，結(jié)合外部控制電路，能夠保證半導(dǎo)體芯片(如激光器、探測器、調(diào)制器等)工作在一個恒定的工作溫度。而微波微帶電路對于減少封裝對半導(dǎo)體光電器件高頻響應(yīng)特性的影響起到很明顯的作用。在進行高速光電子器件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，微帶線是常用的高速信號傳輸線。然而，微帶線的損耗是影響器件最終高頻性能的一個重要因素。過大的損耗會使高頻信號的幅度下降，最終影響器件的高頻響應(yīng)特性。同時，損耗對頻率的依賴關(guān)系會導(dǎo)致在微帶中傳輸?shù)男盘柊l(fā)生變形。
在較高頻率下引起微帶線的損耗可能的原因有兩方面，一是導(dǎo)體材料和電介質(zhì)本身在頻率較高時性能變差，損耗角正切隨頻率的升高而增大；二是輻射損耗和表面波傳輸。當頻率超過10GHz時，這兩種損耗變的十分顯著，對于Al2O3、AlN等這種相對電容率較大的材料尤為如此。另外，輻射和表面波會引起微帶線和其他電路之間的寄生耦合使電磁兼容(EMC)性能下降。通常，有兩種方法可以抑制電磁輻射。1)可以選用高介電常數(shù)的材料，盡量使電磁場束縛于介質(zhì)中。但這種設(shè)計引起的介電損耗也很大。2)在微帶線兩側(cè)設(shè)置地平面，則可大大減小電磁波的輻射，這種結(jié)構(gòu)就是共面波導(dǎo)(CPW)，通常這種波導(dǎo)的介質(zhì)基底覆設(shè)導(dǎo)體形成背面接地的共面波導(dǎo)(CB-CPW)。相對于傳統(tǒng)的CPW，背面接地具有低的特征阻抗和熱沉特性并可以提高襯底的機械強度。然而，這種微帶線會在頂部和底部的地平面之間產(chǎn)生平行板泄漏模，并且它在整個頻率范圍內(nèi)都存在。這種結(jié)構(gòu)會在傳輸參數(shù)S21的特定頻率點形成共振吸收峰。隨頻率的增加，這種現(xiàn)象會越來越嚴重，同時還增強了表面波的產(chǎn)生。它使沿微帶中心導(dǎo)體傳輸?shù)哪芰坎糠值匦孤┑降禺斨腥ァ?br> 由于目前的光電子器件應(yīng)用的頻率越來越高，例如，半導(dǎo)體激光器的帶寬最高已超過20GHz，光電探測器和半導(dǎo)體調(diào)制器的帶寬已超過40GHz等。為了提高光電子器件的整體性能和降低成本，今天的高速光電子器件封裝迫切需要區(qū)別于傳統(tǒng)的設(shè)計方法和新的制造工藝和技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背面接地的共面波導(dǎo)由于平行板模的存在產(chǎn)生的能量泄漏的問題，本發(fā)明目的在于提供一種新的傳輸線結(jié)構(gòu)，即背面接地的共面波導(dǎo)，把具有緊湊的周期性光子晶體結(jié)構(gòu)刻蝕在頂部接地板上，利用光子晶體在某個頻率范圍內(nèi)具有阻帶效應(yīng)可以有效地抑制平行板模的產(chǎn)生，阻止了能量向地平面的泄漏，從而降低信號在某個頻段率范圍上的傳輸損耗。這種周期結(jié)構(gòu)的電磁特性可以用集總的電路單元(電容或電感)來表達，通過周期布置的電感和電容的耦合效應(yīng)，會產(chǎn)生一個阻帶，其中心頻率由光子晶體的周期決定，阻帶的寬度和深度由周期單元的結(jié)構(gòu)尺寸決定，且截止頻率處的帶邊很陡峭。當阻帶的寬度設(shè)計的較大時，這種二維周期光子晶體的行為具有低通濾波器的功能。當高頻信號從共面微帶上傳輸時，由于光子晶體的阻帶效應(yīng)，地平面間的平行板模被抑制，從而傳輸?shù)哪芰坎粫ㄟ^平行板模泄漏到地平面上。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在高速光電子器件封裝(如本發(fā)明例舉的蝶形封裝)中，使用背面接地的共面波導(dǎo)傳輸高頻信號。這種波導(dǎo)的特征在于1)背面接地的共面波導(dǎo)制作在整塊熱沉上；2)共面波導(dǎo)和熱沉的電介質(zhì)材料為AlN，在其背面鋪設(shè)導(dǎo)體地平面；3)在電介質(zhì)的上面，波導(dǎo)中心導(dǎo)體的終端設(shè)計成圓形，中心導(dǎo)體兩側(cè)布置的地平面在終端延伸并包圍圓形中心導(dǎo)體，形成了一個整體的共面地平面；4)波導(dǎo)頂部接地層上刻蝕有周期性微波光子晶體單元結(jié)構(gòu)。
技術(shù)方案微波光子晶體共面波導(dǎo)在高速光電子器件封裝，使用一種熱沉在其上面制作共面微波微帶電路、背光探測電路和溫度探測電路，并在熱沉背面覆鍍導(dǎo)體地平面。
在熱沉上使用背面接地的共面波導(dǎo)，共面波導(dǎo)中心導(dǎo)體的終端設(shè)計成圓形，中心導(dǎo)體兩側(cè)布置的地平面在終端延伸并包圍圓形中心導(dǎo)體，形成了一個整體的共面地平面。
半導(dǎo)體芯片與微波微帶電路的連接，半導(dǎo)體芯片的正極通過一個矩形導(dǎo)體塊與圓形中心導(dǎo)體接觸，其負極通過金絲焊在中心導(dǎo)體兩側(cè)的地平面上。
背面接地的共面微帶線上使用光子晶體結(jié)構(gòu)，在背面接地的共面波導(dǎo)的頂部接地層上刻蝕周期性微波光子晶體結(jié)構(gòu)單元組成二維周期性金屬微波光子晶體地平面。
本發(fā)明的有益效果是1)使用背面接地的共面波導(dǎo)可以有效地減少高頻信號向外的電磁輻射；2)半導(dǎo)體芯片通過一個矩形導(dǎo)體塊放置在共面波導(dǎo)的圓形中心導(dǎo)體上，芯片的另一極通過金絲與共面地平面連接。這種設(shè)計可以減少金絲的使用數(shù)量，因而減弱了金絲電感對器件頻響的影響。3)由于中心導(dǎo)體和其上的芯片包圍于刻蝕了微波光子晶體的地平面，這種設(shè)計能抑制在背面接地的共面?zhèn)鬏斁€上產(chǎn)生的平行板泄漏模。同時，通過對泄漏模的抑制可以降低傳輸損耗和保證信號的完整性。4)這種共面波導(dǎo)具有導(dǎo)熱性好、機械強度高和制造成本低的特點，通過合理的尺寸設(shè)計容易達到50Ω特征阻抗。


為進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，其中圖1是其中一種二維光子晶體結(jié)構(gòu)單元的細節(jié)2是一種地平面刻蝕二維周期光子晶體結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)頂視圖。
圖3是蝶形封裝器件中熱沉的主視圖和沿A-A方向的橫截面剖面圖。
圖4是蝶形封裝的高速光電子器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
具有光子晶體結(jié)構(gòu)的背面接地共面波導(dǎo)，其制作工序完全與傳統(tǒng)的背面接地的共面波導(dǎo)相同。請參閱附圖。
在圖1、圖2、圖3、圖4的實施例中，選擇熱沉11的材料為AlN。使用化學電鍍技術(shù)，在熱沉頂面鍍上材料為Cu的溫度探測電路1和背光探測電路3，以及共面微波微帶電路4的中心導(dǎo)體9和地平面8；在熱沉的背面電鍍出整塊導(dǎo)體地平面5。然后，根據(jù)需要截止的電磁場模式選擇光子晶體單元，就如圖1所給的其中一種結(jié)構(gòu)形狀。通過曝光顯影和刻蝕工藝，在共面波導(dǎo)的頂部地平面上刻蝕出周期性光子晶體結(jié)構(gòu)8。把這種具有共面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)4的熱沉11應(yīng)用到蝶形封裝的光電子器件當中，所有微帶電路都通過金絲14與蝶形管殼16的管腳13相連。半導(dǎo)體芯片2通過一個矩形導(dǎo)體塊放置在共面波導(dǎo)圓形的中心導(dǎo)體上，并通過金絲14與地平面8接通。同時，在共面微帶電路4上設(shè)匹配電阻7與輸入阻抗匹配，而直流通路放置電感12起隔交的作用。整個熱沉放置在半導(dǎo)體制冷器15上以保持器件內(nèi)部恒溫。
權(quán)利要求
1.微波光子晶體共面波導(dǎo)在高速光電子器件封裝，其特征在于，使用一種熱沉在其上面制作共面微波微帶電路、背光探測電路和溫度探測電路，并在熱沉背面覆鍍導(dǎo)體地平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的微波光子晶體共面波導(dǎo)在高速光電子器件封裝，其特征在于，在熱沉上使用背面接地的共面波導(dǎo)，共面波導(dǎo)中心導(dǎo)體的終端設(shè)計成圓形，中心導(dǎo)體兩側(cè)布置的地平面在終端延伸并包圍圓形中心導(dǎo)體，形成了一個整體的共面地平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的微波光子晶體共面波導(dǎo)在高速光電子器件封裝，其特征在于，半導(dǎo)體芯片與微波微帶電路的連接，半導(dǎo)體芯片的正極通過一個矩形導(dǎo)體塊與圓形中心導(dǎo)體接觸，其負極通過金絲焊在中心導(dǎo)體兩側(cè)的地平面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的微波光子晶體共面波導(dǎo)在高速光電子器件封裝，其特征在于，背面接地的共面微帶線上使用光子晶體結(jié)構(gòu)，在背面接地的共面波導(dǎo)的頂部接地層上刻蝕周期性微波光子晶體結(jié)構(gòu)單元組成二維周期性金屬微波光子晶體地平面。
全文摘要
本發(fā)明涉及光電子器件制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，是具有微波光子晶體結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)在高速光電子器件中的使用。使用一種熱沉在其上面制作共面微波微帶電路、背光探測電路和溫度探測電路，并在熱沉背面覆鍍導(dǎo)體地平面。在熱沉上使用背面接地的共面波導(dǎo)，共面波導(dǎo)中心導(dǎo)體的終端設(shè)計成圓形，中心導(dǎo)體兩側(cè)布置的地平面在終端延伸并包圍圓形中心導(dǎo)體，形成了一個整體的共面地平面。本發(fā)明的共面波導(dǎo)具有導(dǎo)熱性好、機械強度高和制造成本低的特點。
文檔編號H01L31/0203GK1835308SQ200510055278
公開日2006年9月20日 申請日期2005年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月17日
發(fā)明者傘海生, 黃亨沛, 劉宇, 祝寧華 申請人:中國科學院半導(dǎo)體研究所