用于收發(fā)器的晶片級(jí)封裝平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】光電收發(fā)器組裝過程的晶片級(jí)實(shí)現(xiàn)采用硅晶片作為在其上同時(shí)為多個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器模塊組裝所有必要的光組件和電組件的光參考平面和平臺(tái)。具體而言，硅晶片被用作“平臺(tái)”(中間件)，多個(gè)收發(fā)器模塊的所有組件在該平臺(tái)上被安裝和集成，硅中間件的上表面用作用于定義多個(gè)獨(dú)立的光組件之間的光信號(hào)路徑的參考平面。實(shí)際上，通過將單個(gè)硅晶片用作大量獨(dú)立的收發(fā)器模塊的平臺(tái)，人們能夠?qū)崿F(xiàn)晶片級(jí)組裝過程以及這些模塊的光對(duì)準(zhǔn)和測(cè)試。
【專利說明】用于收發(fā)器的晶片級(jí)封裝平臺(tái)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求以下美國臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益:于2011年5月5日提交的、序列號(hào)為61/482，705的美國臨時(shí)申請(qǐng)；于2011年7月19日提交的、序列號(hào)為61/509，290的美國臨時(shí)申請(qǐng)；于2011年8月24日提交的、序列號(hào)為61/526，821的美國臨時(shí)申請(qǐng)；于2011年10月4日提交的、序列號(hào)為61/543，240的美國臨時(shí)申請(qǐng)；以及于2011年11月16日提交的、序列號(hào)為61/560，378的美國臨時(shí)申請(qǐng)，通過引用將所有這些申請(qǐng)合并于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及光電收發(fā)器的晶片級(jí)實(shí)現(xiàn)，更具體地，涉及在晶片級(jí)過程中，將硅晶片用作為大量收發(fā)器組裝所有必要的光組件和電組件的光參考平面和平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0004]在光通信網(wǎng)絡(luò)中，收發(fā)器用于在光纖或者其他類型的光波導(dǎo)上發(fā)射和接收光信號(hào)。在收發(fā)器的發(fā)射側(cè)，使用激光二極管和相關(guān)聯(lián)的電路來生成最終被耦合到輸出信號(hào)路徑(光纖、波導(dǎo)等等)中的(代表數(shù)據(jù)的)調(diào)制光信號(hào)。在收發(fā)器的接收側(cè)，在光電二極管或相似設(shè)備內(nèi)將一個(gè)或多個(gè)輸入的光信號(hào)從光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。鑒于該電信號(hào)十分微弱，在嘗試從所接收的信號(hào)中恢復(fù)數(shù)據(jù)信息之前，通常使用放大設(shè)備(例如，跨阻放大器)來增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。
[0005]因而，光收發(fā)器模塊包括要求相對(duì)彼此精確放置的多個(gè)獨(dú)立組件。由于這些組件被組裝，需要主動(dòng)式光對(duì)準(zhǔn)來確保維護(hù)光信號(hào)路徑的完整性(integrity)。在多數(shù)情形中，這些收發(fā)器模塊被建立為多個(gè)個(gè)體單元，因此基于逐個(gè)單元來執(zhí)行主動(dòng)式光對(duì)準(zhǔn)的需求變得昂貴和耗時(shí)。
[0006]由于對(duì)光收發(fā)器模塊的需求持續(xù)增加，因而個(gè)體單元組裝方法成為了問題，從而對(duì)于光收發(fā)器組裝的不同方法的需求依然存在，該不同方法能夠在維持模塊的完整性(包括所要求的元件之間的精確光對(duì)準(zhǔn))的同時(shí)，提升構(gòu)造過程的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明解決了技術(shù)中存在的需求，其涉及光電收發(fā)器組裝過程的晶片級(jí)實(shí)現(xiàn)，并且更具體地涉及將硅晶片用作在其上同時(shí)為多個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器模塊組裝所有必要的光組件和電組件的光參考平面和平臺(tái)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，硅晶片被用作“平臺(tái)”(在下文也被稱為中間件(interposer))，大量收發(fā)器模塊的所有組件在該平臺(tái)上被安裝和集成，硅中間件的上表面用作用于定義多個(gè)獨(dú)立的光組件之間的光信號(hào)路徑的參考平面。實(shí)際上，將單個(gè)硅晶片用作大量獨(dú)立的收發(fā)器模塊的平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)晶片級(jí)組裝過程以及這些模塊的光對(duì)準(zhǔn)和測(cè)試，解決了上面提到的現(xiàn)有技術(shù)的問題。
[0009]進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，硅中間件的采用使得各種硅通孔能夠被形成并且用于提供放置在中間件上與電組件下方的組件之間的電連接。使用在中間件上形成的光刻輔助部件，將諸如激光驅(qū)動(dòng)器、微控制器和跨阻放大器之類的電子集成電路精準(zhǔn)地放置在硅中間件上。晶片級(jí)引線鍵合技術(shù)被用于創(chuàng)建多個(gè)個(gè)體元件之間的必要電連接。諸如激光器、隔離器、透鏡(個(gè)體和陣列)、光電二極管等等的光組件被放置在中間件上的光刻定義的開口內(nèi)，其中使用傳統(tǒng)的CMOS制造技術(shù)精確地限定開口的位置和大小的能力使得能夠在適合的時(shí)候使用被動(dòng)光對(duì)準(zhǔn)處理。
[0010]本發(fā)明的一個(gè)方面是:多個(gè)收發(fā)器模塊的晶片級(jí)組裝允許在必要時(shí)使用晶片級(jí)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，該對(duì)準(zhǔn)基于包括精確放置的檢測(cè)器和/或光源的電光探針、轉(zhuǎn)向鏡和其他光學(xué)元件，以及電子探針。借助收發(fā)器模塊的晶片級(jí)組裝，能夠以傳統(tǒng)的“布進(jìn)重復(fù)”的方式來執(zhí)行組件的放置和后續(xù)的對(duì)準(zhǔn)。
[0011]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第二晶片被用作所組裝的模塊的“蓋”，該蓋晶片首先被蝕刻和處理來定義獨(dú)立的空腔(cavity)，獨(dú)立的收發(fā)器模塊將位于空腔內(nèi)。蓋可以由玻璃、硅或者任何其他合適的材料來形成。布置的晶片到晶片的鍵合使得創(chuàng)建了最終的晶片級(jí)收發(fā)器組裝部件(assembly)，該組裝部件接著能夠被切片以創(chuàng)建獨(dú)立的個(gè)體收發(fā)器模塊。
[0012]在另一實(shí)施例中，可以將金屬蓋用于相對(duì)EMI防護(hù)具有更嚴(yán)格的要求的情況(例如，高帶寬、高頻率)中。
[0013]本發(fā)明的特定實(shí)施例包括光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，該布置包括用作用于組裝多個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器模塊的平臺(tái)的硅中間件晶片，所述硅中間件晶片被限定為包括:限定光參考平面的平坦上表面，穿過所述硅中間件晶片形成來提供到其他組件的電連接的多個(gè)導(dǎo)電通孔，以及沿其表面形成的光波導(dǎo)區(qū)域；以及在所述硅中間件晶片的平坦上表面上形成的電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層用于支撐與多個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器模塊相關(guān)聯(lián)的集成電路組件的放置和互連，所述電介質(zhì)層被配置為包括穿過所述電介質(zhì)層形成的多個(gè)開口，從而在每個(gè)開口中暴露所述硅中間件晶片的平坦上表面，所述多個(gè)開口具有預(yù)定大小并且被部署在預(yù)定位置中來正確地定位和對(duì)準(zhǔn)每個(gè)收發(fā)器模塊的光組件，所述電介質(zhì)層還包括導(dǎo)電路徑，該導(dǎo)電路徑用于提供所支撐的集成電路組件與下層硅晶片的導(dǎo)電通孔中的所選導(dǎo)電通孔之間的電連接。
[0014]在以下論述的過程中并且通過參考附圖，將明白本發(fā)明的其他和另外的方面和優(yōu)勢(shì)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]現(xiàn)在參考圖示，其中幾幅圖中的相似的標(biāo)號(hào)表示相似的元件:
[0016]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的可以用于形成用于多個(gè)收發(fā)器模塊的晶片級(jí)組裝的硅中間件(silicon interposer)的示例性娃晶片；
[0017]圖2示出了收發(fā)器模塊填充的硅中間件晶片與“蓋”晶片的組合的示例性布置，其中該蓋最后被鍵合到中間件晶片來形成多個(gè)收發(fā)器模塊的封裝；
[0018]圖3是根據(jù)本發(fā)明的包括所形成的多個(gè)組件的示例性中間件管芯(die)的橫截面視圖；
[0019]圖4是根據(jù)本發(fā)明的所形成的另一中間件管芯結(jié)構(gòu)的橫截面視圖，該結(jié)構(gòu)包括對(duì)硅中間件表面的開口以形成光參考平面；
[0020]圖5是示例性中間件管芯的等距視圖，示出了用于支持形成本發(fā)明的收發(fā)器布置的各種光組件的多個(gè)開口；
[0021]圖6是圖5的布置的視圖，在此情形中光組件和電組件被部署在中間件管芯的表面上；
[0022]圖7是可以用于捕獲輸入的光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電圖像的示例性透鏡和光電二極管組件的具體等級(jí)示出；
[0023]圖8是圖7的布置的剖面?zhèn)纫晥D；
[0024]圖9示出了圖6中所示的中間件管芯，以及可被鍵合到完全填充的中間件晶片的示例性蓋組件；
[0025]圖10是圖9的布置的另一視圖，在此情形中示出了蓋組件的底側(cè)；
[0026]圖11示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，在此情形中，四個(gè)獨(dú)立激光二極管被設(shè)置在基座上，之后基座被設(shè)置在形成于中間件中的開口中；
[0027]圖12示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，在此情形中采用了簡(jiǎn)化的、單個(gè)透鏡陣列為模塊的發(fā)射部分和接收部分這兩者提供聚焦；
[0028]圖13是圖12的布置的俯視圖；
[0029]圖14是本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中集成電路被堆疊以形成“三維”配置；
[0030]圖15是本發(fā)明的堆疊配置的俯視圖；
[0031]圖16是本發(fā)明的另一實(shí)施例的等距視圖，在此情形中采用金屬蓋來提供附加的EMI防護(hù)；
[0032]圖17是使用金屬蓋的示例性實(shí)施例的側(cè)面圖，在此情形中該蓋被形成為包括內(nèi)部屏障來隔離來自光發(fā)射器的組件；以及
[0033]圖18是本發(fā)明另一實(shí)施例的使用沒有內(nèi)部屏障的金屬蓋的側(cè)面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]在以下描述中，為了解釋而非限制的目的，給出了具體的細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，除這些具體的細(xì)節(jié)之外，本發(fā)明可以在其他實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。在其他實(shí)例中，將省略對(duì)于公知設(shè)備和方法的詳細(xì)描述，從而使得本發(fā)明的描述不被不必要的細(xì)節(jié)所模糊。
[0035]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在不犧牲各種個(gè)體元件之間必要的精確光對(duì)準(zhǔn)完整性的情況下，通過利用晶片級(jí)組裝技術(shù)以及采用硅晶片作為載體基底(在下文中也被稱為中間件)，提供了制造效率的顯著提升，其中在該載體基底上對(duì)個(gè)體組件(包括電子集成電路、有源光設(shè)備和無源光設(shè)備)進(jìn)行安裝、對(duì)準(zhǔn)、鍵合等等。由于典型的硅晶片(例如，8”晶片)能夠支持多個(gè)收發(fā)器模塊(例如，晶片表面上的數(shù)十個(gè)管芯)的創(chuàng)建，因此本發(fā)明的晶片級(jí)制造和組裝技術(shù)能夠提升收發(fā)器模塊組裝和封裝過程的效率。
[0036]在描述與使用硅晶片作為中間件或平臺(tái)相關(guān)聯(lián)的細(xì)節(jié)之前，以下(參考圖1和圖2)論述將提供在第一實(shí)例中使用晶片級(jí)處理來組裝收發(fā)器的益處的總體理解。
[0037]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的可以用作中間件晶片的硅晶片10。如圖所示，大量數(shù)目的個(gè)體中間件管芯12被設(shè)置在晶片10上作為組裝個(gè)體收發(fā)器模塊的位置。一旦晶片10被多個(gè)收發(fā)器模塊完全填充，就以使得每個(gè)個(gè)體收發(fā)器模塊被封裝的方式將圖2中所示的獨(dú)立蓋晶片(lid wafer) 14鍵合到中間件晶片10。具體而目，蓋晶片14被形成為包括獨(dú)立的腔體16，該腔體16將形成用于(如下文詳細(xì)描述的)獨(dú)立收發(fā)器模塊的殼。一旦加入晶片，就切割已鍵合的結(jié)構(gòu)來形成最終的個(gè)體收發(fā)器模塊。優(yōu)選地的是激光切割處理，但應(yīng)理解的是，也可以使用用于將已鍵合的晶片分離成獨(dú)立收發(fā)器模塊的任何其他合適的過程。
[0038]有了這個(gè)基于晶片的用于創(chuàng)建收發(fā)器模塊的方法的總體理解，以下將重點(diǎn)討論與在組裝示例性收發(fā)器實(shí)施例中采用硅中間件平臺(tái)相關(guān)聯(lián)的方面。應(yīng)當(dāng)理解，在圖中只示出了單個(gè)收發(fā)器布置，實(shí)際的組裝過程創(chuàng)建了遍及中間件晶片表面的、位于每個(gè)獨(dú)立管芯位置處(或者如需要，基于需求、晶片質(zhì)量等等，至少在管芯位置的子集處)的多個(gè)收發(fā)器模塊，如圖1所示。
[0039]圖3是部分中間件晶片10的剖面?zhèn)纫晥D，如所處理的那樣被形成示例性收發(fā)器模塊的多個(gè)組件所填充。在此情形中，埋氧化物(buried oxide，B0X)層18形成于中間件晶片10的上表面11上,相對(duì)厚的夾層電介質(zhì)(interlevel dielectric, ILD)層20形成于BOX層18之上。相對(duì)薄的硅層22被創(chuàng)建于BOX層18與ILD層20之間的交界面處，其中硅層22被用作光波導(dǎo)層。實(shí)際上，可以看出:中間件晶片10、B0X層18和硅層22組合形成了公知的絕緣體上娃(silicon-on-1nsulator, SOI)光結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在近年被廣泛用于無源和有源光組件的創(chuàng)建。
[0040]如下文所述，光波導(dǎo)層22被具體設(shè)置并且沿此交界面延伸以在形成收發(fā)器模塊的各種組件之間提供期望的(一條或多條)光通信路徑。根據(jù)本發(fā)明，中間件晶片10的上表面11的平面度(planarity)被精確控制以使得表面11能夠作為收發(fā)器模塊的光參考平面。因此，如下面所詳細(xì)描述的，光參考平面的創(chuàng)建使得無源技術(shù)能夠被使用以在各種光組件處理傳播的光信號(hào)時(shí)提供各種光組件之間的對(duì)準(zhǔn)。在另一實(shí)施例中，如下面結(jié)合圖11所討論的，一個(gè)或多個(gè)光組件首先在獨(dú)立基座(submount)元件上被組裝和精確對(duì)準(zhǔn),接著該基座被精確地放置在中間件10的表面11上，避免了執(zhí)行多次晶片級(jí)主動(dòng)式對(duì)準(zhǔn)的需求。圖3的視圖中還示出了平板印刷限定部件24，該部件24可以用于提供到中間件晶片10的光1/0連接。
[0041]在收發(fā)器模塊的制造中采用中間件晶片10的另一優(yōu)點(diǎn)是:形成收發(fā)器模塊的電子集成電路組件(例如，激光驅(qū)動(dòng)器、跨阻放大器等等)和下層的功率源、信號(hào)源等等之間的必要連接能夠通過使用傳統(tǒng)的、穿過中間件10厚度所形成的多個(gè)孔26來創(chuàng)建，如圖3中所示。能夠使用金屬或者摻雜的硅材料來“填滿(fill) ”孔26，之后形成收發(fā)器模塊與功率和信號(hào)觸點(diǎn)(contact)之間的導(dǎo)電路徑。在圖3中示出的具體實(shí)施例中，多個(gè)焊接凸點(diǎn)(solder bump) 28形成于孔26的終點(diǎn)并且用于連接到印刷電路板上的鍵合焊盤的相關(guān)聯(lián)布置、或者其他功率源和數(shù)據(jù)信號(hào)源(未示出)。
[0042]圖4是中間件晶片10和所包括的形成光收發(fā)器模塊的組件的另一實(shí)施例的側(cè)面視圖。該特定實(shí)施例沒有具體示出BOX層18，但應(yīng)當(dāng)理解該層仍然可以包括在該收發(fā)器布置中。該視圖中具體示出了對(duì)ILD層20的處理以形成多個(gè)開口(opening)30。如上所述，創(chuàng)建這些開口 30是為了使硅中間件晶片10的上表面11暴露，使得表面11能夠充當(dāng)嚴(yán)格限定的光參考平面。有利地，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻圖案化和蝕刻技術(shù)來形成具有精確幾何結(jié)構(gòu)并且在相對(duì)于形成收發(fā)器的其他組件的精確位置中的多個(gè)開口 30，從而(在可能的情況下，在各種組件之間)提供被動(dòng)式光對(duì)準(zhǔn)。實(shí)際上，由于ILD層20的預(yù)定區(qū)域被移除，因而選擇性蝕刻劑(例如HF之類)將自然停止在硅中間件10的表面11處。因此，在蝕刻過程期間無需擔(dān)心過蝕刻或蝕刻不足以及表面11的平面度的惡化。
[0043]圖5是示例性中間件管芯12的等距俯視圖，具體示出了憑借使用中間件10的暴露表面11作為參考平面的多個(gè)開口 30的創(chuàng)建，該開口 30用于支持預(yù)定義的精確位置中的各種光組件。盡管圖5只示出了單個(gè)中間件管芯，但應(yīng)當(dāng)理解:形成這些開口的過程(隨后是各種組件的放置)是作為晶片級(jí)處理而被執(zhí)行的，同時(shí)向晶片10的每個(gè)中間件管芯12填充個(gè)體光組件和電子組件。在圖5的具體實(shí)施例中，多個(gè)開口 30被形成以允許若干關(guān)鍵光組件的精確放置。如上所述，創(chuàng)建開口 30以暴露硅中間件10的上表面11，其中表面11被精確地限定和控制以創(chuàng)建和維護(hù)平坦的光參考平面。例如，第一開口 30-1用作激光二極管的位置，第二開口 30-2用于支持透鏡元件。
[0044]通過(可能使用傳統(tǒng)的光刻圖案化和蝕刻技術(shù))對(duì)開口 30-1和30-2位置的精確控制，一旦將激光二極管和透鏡插入它們各自的開口中，當(dāng)每個(gè)組件留在光參考平面上表面11上之后，它們就會(huì)被對(duì)準(zhǔn)。相似地，第三開口 30-3用于支持光隔離器，該光隔離器接著也將位于光信號(hào)路徑中并且與激光二極管和透鏡對(duì)準(zhǔn)。在一些情形中，需要進(jìn)行主動(dòng)式對(duì)準(zhǔn)來正確地對(duì)準(zhǔn)激光二極管和與其相關(guān)聯(lián)的透鏡。在此情況下，例如基于包括精確放置的檢測(cè)器和/或光源的電光探針、轉(zhuǎn)向鏡和其他光學(xué)元件(也許和電子探針)，使用晶片級(jí)主動(dòng)式對(duì)準(zhǔn)方案以傳統(tǒng)的“步進(jìn)重復(fù)(st印and repeat)”方式在晶片表面上提供組件的對(duì)準(zhǔn)和測(cè)試。相似地，使用電子探針卡以相同的步進(jìn)重復(fù)過程來實(shí)現(xiàn)各種組件(例如，激光二極管之類)的晶片級(jí)電子燒入(burn-1n)。
[0045]繼續(xù)圖5的描述，穿過ILD層20來創(chuàng)建開口 30_4以支持透鏡元件，較大的開口30-5被定位于開口 30-4的后方。較大的開口 30-5用于支持被用來執(zhí)行各種類型的信號(hào)處理(例如，用電數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制CW激光信號(hào)來創(chuàng)建數(shù)據(jù)調(diào)制的光輸出信號(hào))的產(chǎn)品專用CMOS光子集成電路。光子集成電路的具體操作與本發(fā)明的主題無密切關(guān)系。開口 30-6用于支持與輸出光信號(hào)相關(guān)聯(lián)的耦合元件，開口 30-7用于支持相關(guān)聯(lián)的光I/O連接(例如參見圖3中所示的部件24)。圖5中還示出了多個(gè)孔26，其中在此具體實(shí)施例中在整個(gè)硅中間件晶片10的表面以規(guī)則網(wǎng)格圖案來部署這些孔，從而使得可以在不同的收發(fā)器配置中按需使用它們。
[0046]圖6是圖5的布置視圖，在此情形中各種光組件被部署在它們相關(guān)聯(lián)的開口內(nèi)。如圖所示，激光二極管32被定位在開口 30-1內(nèi)，微型透鏡34被部署在開口 30-2內(nèi)。隔離器36被定位于開口 30-3內(nèi)，位于起始于激光二極管32的光輸出信號(hào)路徑中。然后，來自隔離器36的輸出經(jīng)過部署于開口 30-4內(nèi)的微型透鏡陣列38，其中透鏡陣列用于將傳播的光信號(hào)耦合到CMOS光子集成電路40中?？梢允褂酶鞣N公知的方法來將光組件固定在它們各自的開口的合適位置中。具體而言，可以使用環(huán)氧樹脂、共晶鍵合或者其它布置來將光組件永久地附接在它們各自的開口中。應(yīng)當(dāng)理解，首先需要建立合適的溫度等級(jí)，從而在其他潛在高溫后處理操作期間確保接合處(ioint)的穩(wěn)定性。
[0047]在圖6示出的具體實(shí)施例中，光纖陣列連接器42被部署于開口 30-7內(nèi)，其中形成陣列的個(gè)體光纖44用于將光信號(hào)引入收發(fā)器模塊并從收發(fā)器模塊輸出光信號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意:在一些情形中，開口 30-7包括以上面所述的方式光刻形成的部件24。在此實(shí)施例中，透鏡陣列46被包括在多個(gè)個(gè)體光纖44的終端處的光纖陣列連接器42內(nèi)。在操作中，例如進(jìn)入的光信號(hào)將沿著光纖44-1和44-2經(jīng)過透鏡陣列46，然后射向(impinge)部署于開口 30_6內(nèi)的透鏡48和光電二極管50,倉Li建相關(guān)聯(lián)的電信號(hào)圖像(representation)。如圖6所示，透鏡元件48和光電二極管50被部署于與開口 30-7對(duì)準(zhǔn)(并且，更具體地，與陣列內(nèi)的光纖44-1和44-2的位置對(duì)準(zhǔn))的開口 30-6中。諸如跨阻放大器33和激光驅(qū)動(dòng)器35之類的各種電組件也被定位在中間件管芯12上的預(yù)定位置處。這里，電組件被部署在ILD層20的表面上(參見圖4)，使用穿過中間件管芯12形成的多個(gè)孔26來進(jìn)行必要的電連接。
[0048]透鏡元件48和光電二極管50的示例性組合在圖7和8中示出，其中圖7是等距視圖，而圖8是剖面?zhèn)纫晥D。在此具體實(shí)施例中，透鏡元件48采用透鏡陣列的形式并且包括用于聚焦多個(gè)進(jìn)入的光信號(hào)的多個(gè)曲面52，如圖8的最佳所示。棱鏡(prism)組件54用作將多個(gè)聚焦的光信號(hào)從水平面轉(zhuǎn)向垂直面的90度轉(zhuǎn)向鏡，而光電二極管50 (在此情形中是光電二極管陣列)被部署為接收進(jìn)入的光信號(hào)。應(yīng)當(dāng)理解，這僅僅是用于接收進(jìn)入的光信號(hào)并且將它們轉(zhuǎn)換為電圖像的一個(gè)示例性配置。根據(jù)本發(fā)明，可以在收發(fā)器模塊的基于晶片的布置中采用各種其他的布置。
[0049]再次參考圖6，密封層(sealing layer) 56被示為形成在中間件管芯12的外圍(再次應(yīng)當(dāng)理解，此層形成于形成中間件晶片10的每個(gè)管芯12的外圍)。該密封層(可以包括玻璃粉材料(glass frit material)、AuSn焊料、或任何其他合適的材料)用于將獨(dú)立的蓋組件鍵合到所填充的中間件管芯。根據(jù)本發(fā)明，如下面的圖9中所示，蓋組件58被形成以匹配中間件管芯12的“印記(footprint) ”并被部署在管芯12之上，并且通過密封層56密封管芯12?；仡欔P(guān)于圖2的論述，應(yīng)當(dāng)理解，在制造期間，多個(gè)獨(dú)立蓋組件58形成于獨(dú)立晶片中，并且整個(gè)晶片(經(jīng)由多個(gè)密封層56)被鍵合到中間件晶片10。
[0050]參考圖9，顯然地，蓋組件58被特定形成為:沿著作為密封層56模型導(dǎo)向的中間件管芯12的外圍。蓋組件58的底面60涂有特定的材料(例如，諸如金之類的金屬)來形成蓋組件58到中間件管芯12的密封。如圖9所示，密封層56和蓋組件58被特別設(shè)計(jì)成創(chuàng)建開口 62，該開口 62允許光輸入和輸出信號(hào)接入收發(fā)器模塊(例如，如該具體實(shí)施例所示的，開口 62可以用于允許光連接器42的插入)。圖10是圖9的布置的另一等距視圖，具體示出了蓋組件58的底表面60并且示出了它是如何沿著與中間件管芯12的密封層56的相同路徑的。
[0051]如上所述，在晶片級(jí)的基礎(chǔ)上采用硅晶片中間件來對(duì)收發(fā)器模塊進(jìn)行組裝、對(duì)準(zhǔn)和測(cè)試的有利特點(diǎn)是:硅中間件可以被輕易地制造來容納形成收發(fā)器不同組件的各種布置。實(shí)際上，一些布置可以使用多個(gè)激光輸入、外部激光輸入、或者其他各種實(shí)施例。圖11示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，在此情形中，收發(fā)器內(nèi)包括一組四個(gè)獨(dú)立的激光二極管32-1、32-2、32-3、32-4。如圖11所示，每個(gè)激光二極管以及相關(guān)聯(lián)的透鏡34_i和隔離器36_i被定位在基座元件64上。使用多個(gè)基座64可使光發(fā)射組件包括的激光器、隔離器和透鏡被分別安裝和對(duì)準(zhǔn)。此后，這組基座64被部署于在中間件管芯12 (在圖11中未示出)中形成的適當(dāng)大小的開口中，其中針對(duì)這些基座的開口的正確放置使得能夠創(chuàng)建期望的與相關(guān)聯(lián)的光纖陣列66的光對(duì)準(zhǔn)。在不例性實(shí)施例中，基座可以包括熱電冷卻器(thermo-electriccooler, TEC)組件。圖11還示出了示例性蓋組件68，其中應(yīng)當(dāng)理解:蓋組件68被形成為具有足夠容納激光二極管的升起位置的深度。[0052]圖12和圖13示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，此時(shí)中間件管芯12被處理以形成用于定位透鏡陣列72的單個(gè)開口 70，(與圖5中分別用于支持獨(dú)立的透鏡元件38和48的開口30-4和30-6相比)，該透鏡陣列72結(jié)合發(fā)射光信號(hào)和接收光信號(hào)二者一起使用。此外，采用硅晶片中間件作為用于組裝光收發(fā)器模塊的“平臺(tái)”的特定優(yōu)勢(shì)是:僅通過改變ILD層20的圖案化來在與具體的收發(fā)器模塊布置相關(guān)聯(lián)的位置中提供期望的(適當(dāng)尺寸的)開口，同時(shí)一直維護(hù)由中間件晶片10的上表面11定義的光參考平面，就能夠修改組件的具體布置和放置。圖12是管芯12的等距視圖，示出了開口 70和透鏡陣列72相對(duì)于激光二極管32和光纖連接器42的位置。來自激光二極管32的輸入光信號(hào)I被不為:傳過透鏡陣列72并進(jìn)入集成收發(fā)器電路布置74。在該示例中，一組四個(gè)輸出信號(hào)O被示為:輸出集成收發(fā)器電路布置74并傳過透鏡陣列72，從而被聚焦到光纖連接器42內(nèi)的一組光纖44中。在圖13的視圖中可以最清楚地看到輸入和輸出光信號(hào)的位置。
[0053]圖14示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其能夠被視為“三維”收發(fā)器模塊，其中第一集成電路是垂直地堆疊在第二集成電路上。如圖所示，第一集成電路76被定義為光電集成電路76,并且響應(yīng)于進(jìn)入的光信號(hào)創(chuàng)建經(jīng)修改的光輸出信號(hào)。第二集成電路78被定義為電子集成電路并且為光電集成電路76提供電源和電數(shù)據(jù)信號(hào)。電子集成電路78自身被電耦合至中間件管芯12。如上文結(jié)合圖3所述的，中間件管芯12包括多個(gè)硅通孔26，該些硅通孔26能夠傳遞來自通常部署于中間件10下方的相關(guān)聯(lián)的印刷電路板(未示出)和收發(fā)器模塊的具體組件的電信號(hào)。此外，通過ILD層18形成的開口的具體位置由用于形成收發(fā)器模塊的各種組件來指定。
[0054]使用具有圖14的堆疊布置的硅中間件的特定優(yōu)勢(shì)是:能夠使用(如圖3中所示的)ILD層20內(nèi)的多層金屬(metallization)來在中間件管芯自身上的最小空間(即高密度”布置)內(nèi)提供到不同電路的大量互連。圖15是另一三維的、堆疊的收發(fā)器實(shí)施例的俯視圖，其中在中間件10的硅波導(dǎo)層22內(nèi)形成了至少一些相關(guān)聯(lián)的光組件(在此情形中是多個(gè)光調(diào)制器80)。波導(dǎo)層22內(nèi)還可能單片地(或混合地)包括光電二極管82。實(shí)際上，能夠?qū)⒐馐瞻l(fā)器的各種基于硅的組件直接集成到波導(dǎo)層中是采用根據(jù)本發(fā)明在晶片級(jí)層處理的硅中間件層的另一優(yōu)勢(shì)。在此視圖中還示出了光刻限定的部件86，該部件提供光信號(hào)到波導(dǎo)層22中的“端射(end fire)”耦合。在優(yōu)選實(shí)施例中，波導(dǎo)層的末端被形成為納米錐(nanotaper)以提升I禹合效率。
[0055]在采用以上述方式形成的收發(fā)器的系統(tǒng)的一些應(yīng)用中，高速高頻信號(hào)的性能受到電磁干擾(EMI)的不利影響。在上述布置中，需要在中間件管芯12上形成附加的地焊盤(或環(huán))并且接著被連接到地面。
[0056]圖16示出了根據(jù)本發(fā)明形成的可替換的解決方案，其中采用了金屬蓋組件90來取代上述的硅蓋。參考圖16，密封層56被形成為金屬，這將有助于形成與金屬蓋組件90的地連接。在此特定實(shí)施例中，形成附加的接地路徑57來環(huán)繞對(duì)于EMI最敏感的光發(fā)射組件32、34和36。在此實(shí)施例中，通過采用中間件管芯12內(nèi)的特定通孔92來提供“接地(grounding) ”，該通孔92被定位為連接金屬蓋90的一部分并且提供到位于中間件管芯12下方的地面(未示出)的電連接。圖17是該布置的簡(jiǎn)化側(cè)面視圖，示出了金屬蓋90與地面94通過中間件管芯12的通孔92的互連。圖18中示出了使用金屬蓋90的另一實(shí)施例的側(cè)面視圖，其中該實(shí)施例不包括光發(fā)射組件周圍的獨(dú)立防護(hù)配置。[0057]應(yīng)當(dāng)理解，上面所述的本發(fā)明的實(shí)施例意圖僅為示例性的。因此本發(fā)明的范圍只意圖由權(quán)利要求的范圍來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，包括: 用作用于組裝多個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器模塊的平臺(tái)的硅中間件晶片，所述硅中間件晶片被限定為包括:限定光參考平面的平坦上表面，穿過所述硅中間件晶片形成來提供到其他組件的電連接的多個(gè)導(dǎo)電通孔，以及沿其表面形成的光波導(dǎo)區(qū)域；以及 在所述硅中間件晶片的平坦上表面上形成的電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層用于支撐與多個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器模塊相關(guān)聯(lián)的集成電路組件的放置和互連，所述電介質(zhì)層被配置為包括穿過所述電介質(zhì)層形成的多個(gè)開口，從而在每個(gè)開口中暴露所述硅中間件晶片的平坦上表面，所述多個(gè)開口具有預(yù)定大小并且被部署在預(yù)定位置中來正確地定位和對(duì)準(zhǔn)每個(gè)收發(fā)器模塊的光組件，所述電介質(zhì)層還包括導(dǎo)電路徑，該導(dǎo)電路徑用于提供所支撐的集成電路組件與下層硅晶片的導(dǎo)電通孔中的所選導(dǎo)電通孔之間的電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中穿過所述電介質(zhì)層形成的所述多個(gè)開口是通過在預(yù)定區(qū)域中圖案化并蝕刻所述電介質(zhì)層來創(chuàng)建的，所述預(yù)定區(qū)域與在所述晶片級(jí)布置中形成的多個(gè)收發(fā)器模塊中的每個(gè)收發(fā)器模塊的光組件的放置相關(guān)聯(lián)。
3.如權(quán)利要求2所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中擇優(yōu)蝕刻劑被用來創(chuàng)建所述多個(gè)開口，從而使得蝕刻過程在下層硅中間件晶片暴露時(shí)停止。
4.如權(quán)利要求1所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所述布置還包括: 部署在所述硅中間件晶片和電介質(zhì)層的組合之上并且附接到該組合的蓋組件，所述蓋組件被配置為包括與所述 多個(gè)收發(fā)器模塊相關(guān)聯(lián)的獨(dú)立的腔體，從而使得每個(gè)收發(fā)器模塊被獨(dú)立地封裝。
5.如權(quán)利要求4所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所述蓋組件被鍵合到所述硅中間件晶片和所述電介質(zhì)層的組合。
6.如權(quán)利要求4所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所形成的每個(gè)收發(fā)器模塊包括限定其輪廓的密封層，所述密封層用于附接所述蓋組件的相關(guān)聯(lián)的部分。
7.如權(quán)利要求6所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所述蓋組件的底表面覆蓋有一種材料，該材料在所述蓋組件被固定到所述硅中間件晶片和電介質(zhì)層的所述組合時(shí)創(chuàng)建到所述密封層的永久附接。
8.如權(quán)利要求4所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所述蓋組件包括硅晶片。
9.如權(quán)利要求4所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所述蓋組件包括玻璃晶片。
10.如權(quán)利要求4所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所述蓋組件包括金屬組件。
11.如權(quán)利要求10所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所述布置還包括:穿過所述電介質(zhì)層和所述硅中間件晶片形成的、用于將金屬蓋組件耦合到相關(guān)聯(lián)的地平面的接地孔。
12.如權(quán)利要求11所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所述金屬蓋組件被配置為在每個(gè)腔體內(nèi)包括內(nèi)部隔間，所述內(nèi)部隔間用于獨(dú)立地封裝每個(gè)收發(fā)器模塊的光學(xué)部分以提供針對(duì)電磁干擾的保護(hù)。
13.如權(quán)利要求1所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中穿過所述電介質(zhì)層形成的一組開口與到每個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器模塊的光輸入/輸出連接的創(chuàng)建相關(guān)聯(lián)。
14.如權(quán)利要求13所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中所述一組開口被部署在每個(gè)收發(fā)器位置的末端區(qū)域處，從而使得光連接器能夠接入光組件并且與所述硅中間件晶片的所述光參考平面的表面相對(duì)準(zhǔn)。
15.如權(quán)利要求1所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中每個(gè)收發(fā)器模塊包括光發(fā)射組件，所述光發(fā)射組件包括激光二極管、透鏡元件和光隔離器，并且所述電介質(zhì)層被形成為包括在與獨(dú)立的收發(fā)器模塊相關(guān)聯(lián)的每個(gè)區(qū)域中用于所述激光二極管、透鏡元件和光隔離器的開口，其中在每個(gè)區(qū)域中用于激光二極管、透鏡元件和光隔離器的一組開口被形成以提供它們之間的光對(duì)準(zhǔn)，其中所述激光二極管被部署在所述電介質(zhì)層的第一開口中，所述透鏡元件被部署在第二開口中、并且所述光隔離器被部署在第三開口中。
16.如權(quán)利要求15所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中單個(gè)透鏡元件被用來發(fā)射和接收光信號(hào)，所述單個(gè)透鏡元件包括透鏡陣列并且被部署在所述電介質(zhì)層中位置與光發(fā)射組件和光接收組件二者對(duì)準(zhǔn)的開口中。
17.如權(quán)利要求1所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中每個(gè)收發(fā)器模塊包括光發(fā)射組件，所述光發(fā)射組件包括激光二極管、透鏡元件、光隔離器和基座組件，所述激光二極管、透鏡元件和光隔離器以對(duì)準(zhǔn)配置附接到所述基座組件的上表面，所述基座組件被部署在穿過所述電介質(zhì)層的預(yù)定區(qū)域形成的開口內(nèi)。
18.如權(quán)利要求1所述的光收發(fā)器模塊的晶片級(jí)布置，其中每個(gè)收發(fā)器模塊包括光接收組件，所述光接收組件包括透鏡元件和光電二極管，并且所述電介質(zhì)層被形成為包括在與獨(dú)立的收發(fā)器模塊相關(guān)聯(lián)的每個(gè)區(qū)域中用于所述透鏡元件和所述光電二極管的開口，所述開口被配置為提供進(jìn)入光信號(hào)、所述光電二極管和所述透鏡元件之間的光對(duì)準(zhǔn)。
【文檔編號(hào)】H01L25/16GK103650140SQ201280033527
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月5日
【發(fā)明者】卡爾潘都·夏斯特里, 威普庫馬·帕特爾, 馬克·韋伯斯特, 普拉卡什·約托斯卡, 拉文德·卡齊魯, 索哈姆·帕塔克, 耀·V·葉拉瑪提, 托馬斯·多爾蒂, 拜平·達(dá)瑪, 考?？恕づ撂? 基紹·德塞 申請(qǐng)人:思科技術(shù)公司