兼容pcb工藝的多功能基板及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種兼容PCB工藝的多功能基板及其制作方法，包括多層互連基板、玻璃基板以及光波導(dǎo)層，玻璃基板的上表面刻蝕有上層圖形，光波導(dǎo)層中設(shè)置有倒三角形反射鏡，光波導(dǎo)層的下表面刻蝕有下層圖形，上層圖形、下層圖形通過(guò)垂直嵌裝在玻璃基板、多層互連基板以及光波導(dǎo)層上的通孔與多層互連基板的傳輸通道連通；制作方法包括壓合玻璃基板和光波導(dǎo)層、切割反射鏡、制作通孔、鍍孔銅和面銅、刻蝕圖形和焊盤以及安裝器件的步驟。本發(fā)明能夠解決高頻傳輸損耗小的問(wèn)題，使得光互連傳輸容量大，互連密度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，適用于毫米波互連，制作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，而且也適用于有密封要求的應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】兼容PCB工藝的多功能基板及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種混合集成的封裝器件及其制作方法。【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的集成電路多為二維集成電路，二位集成電路是指將集成電路的各種元器件一個(gè)挨一個(gè)的分布在一個(gè)平面上。隨著集成度不斷提高，每片上的器件單元數(shù)量急劇增加，芯片面積增大，單元間連線的增長(zhǎng)既影響電路工作速度又占用很多面積，嚴(yán)重影響集成電路進(jìn)一步提高集成度和工作速度。于是產(chǎn)生三維集成的新技術(shù)思路。三維集成電路多層器件重疊結(jié)構(gòu)可成倍提高芯片集成度，重疊結(jié)構(gòu)使單元連線縮短，并使并行信號(hào)處理成為可能，從而實(shí)現(xiàn)電路的高速操作，具有諸多優(yōu)點(diǎn)；然而由于多層電路的設(shè)計(jì)，存在較復(fù)雜的電互連傳導(dǎo)，必然會(huì)在帶寬限制、電磁干擾、延遲、能耗方面出現(xiàn)難以克服的技術(shù)難題，使得信息輸入輸出的增長(zhǎng)速度無(wú)法匹配信息的處理速度。光互連技術(shù)具有極大的帶寬資源和可以輕易實(shí)現(xiàn)信息交叉及復(fù)用優(yōu)勢(shì)，可使單個(gè)傳輸通道實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的傳輸，并且不同信道光信號(hào)之間彼此獨(dú)立，不會(huì)出現(xiàn)交叉和串?dāng)_現(xiàn)象，因此是替代電互連的理想技術(shù)。
[0003]在制作光互連集成器件的過(guò)程中，需要采用基板進(jìn)行封裝，目前用于封裝的材料主要包括有機(jī)基板、硅基板和陶瓷基板，其中有機(jī)基板支持的速率約在30GHz，支持更高頻的有機(jī)基板則基本被禁運(yùn)；陶瓷基板的高頻特性較好，還能夠滿足密閉的要求，但是成本較高；硅基板由于半導(dǎo)體寄生效應(yīng)，后續(xù)封裝損耗較大，并且使用高阻硅作為基板成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠進(jìn)行高頻傳輸、損耗較小且成本低廉的光互連封裝結(jié)構(gòu)。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。
[0006]兼容PCB工藝的多功能基板，包括多層互連基板、設(shè)置在多層互連基板上表面的玻璃基板以及設(shè)置在多層互連基板下表面的光波導(dǎo)層；所述玻璃基板的上表面刻蝕有用于焊接電子器件的上層圖形；所述光波導(dǎo)層包括上包層、光波導(dǎo)芯層以及下包層；光波導(dǎo)層中設(shè)置有倒三角形反射鏡，光波導(dǎo)層的下表面刻蝕有用于焊接電子器件和光子器件的下層圖形；所述上層圖形和下層圖形通過(guò)垂直嵌裝在玻璃基板、多層互連基板以及光波導(dǎo)層上的通孔與多層互連基板的傳輸通道連通。
[0007]兼容PCB工藝的多功能基板的制作方法，主要包括以下步驟:
第一步，采用光波導(dǎo)薄膜材料和與制備塑料光纖相兼容的制備工藝制備光波導(dǎo)層；第二步，在光波導(dǎo)層單面上采用激光切割形成斜面，作為反射鏡，然后化學(xué)鍍，電鍍?cè)鰪?qiáng)反射；
第三步，在多層互連基板的上端面壓合玻璃基板，在多層互連基板的下端面上壓合光波導(dǎo)層單面布線板；
第四步，采用通孔工藝在玻璃基板、多層互連基板以及光波導(dǎo)層上鉆垂直于各層的通孔；
第五步，在玻璃基板和光波導(dǎo)層上分別進(jìn)行化學(xué)鍍、電鍍形成孔銅和面銅；
第六步，在玻璃基板的上表面和光波導(dǎo)層的下表面分別進(jìn)行圖形和焊盤的刻蝕，并進(jìn)行表面處理；
第七步，分別在玻璃基板上表面和光波導(dǎo)層下表面安裝器件。
[0008]本發(fā)明第一步所述光波導(dǎo)層的具體結(jié)構(gòu)為:光波導(dǎo)層包括上包層、光波導(dǎo)芯層以及下包層，所述上包層連接在多層互連基板下端面上，光波導(dǎo)芯層位于上包層和下包層之間；所述反射鏡位于上包層和芯層上。
[0009]本發(fā)明第一步所述光波導(dǎo)層的具體結(jié)構(gòu)為:所述光波導(dǎo)芯層是采用薄膜材料制成，薄膜材料為塑料或者PI材料。
[0010]本發(fā)明第二步所述反射鏡的具體結(jié)構(gòu)為:反射鏡為倒三角形結(jié)構(gòu)，光反射界面與光波導(dǎo)芯層的夾角為40°飛0°。
[0011]本發(fā)明第七步的改進(jìn)在于:第七步安裝在玻璃基板上表面的器件采用密封罩密封，密封罩釬焊在玻璃基板上表面。
[0012]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明所取得技術(shù)進(jìn)步如下。
[0013]本發(fā)明能夠解決高頻傳輸損耗小的問(wèn)題，使得光互連傳輸容量大，互連密度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，適用于毫米波互連，制作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。采用玻璃基板及密閉罩結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)密閉封裝的要求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明所述光電同傳器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明制作光電同傳器件的工藝流程圖。
[0016]其中:1.多層互連基板,2.玻璃基板,3.光波導(dǎo)層,31.上包層,32.光波導(dǎo)芯層，33.下包層,34.反射鏡,4.圖形,5.電子器件,6.光子器件,7.通孔。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0018]一種兼容PCB工藝的多功能基板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括多層互連基板1、玻璃基板2以及光波導(dǎo)層3。
[0019]其中玻璃基板2壓合在多層互連基板I的上端面，玻璃基板2的上表面刻蝕有上層圖形。玻璃基板上表面的上層圖形上焊接有電子器件5，電子器件采用玻璃罩封閉。
[0020]所述光波導(dǎo)層3壓合在多層互連基板I的下端面，光波導(dǎo)層3包括上包層31、光波導(dǎo)芯層32以及下包層33 ;光波導(dǎo)層3中設(shè)置有倒三角形反射鏡34，光波導(dǎo)層3的下表面刻蝕有下層圖形。光波導(dǎo)芯層下表面的下層圖形上安裝有光子器件6和電子器件5，光子器件的數(shù)量與反射鏡的以及光波導(dǎo)通道的數(shù)量相應(yīng)。
[0021]所述玻璃基板、多層互連基板以及光波導(dǎo)層上垂直嵌裝有貫穿上下表面的通孔7，上層圖形和下層圖形通過(guò)通孔與多層互連基板的傳輸通道連通。
[0022]上述兼容PCB工藝的多功能基板制作的工藝流程圖如圖2所示，具體包括以下步驟: 第一步，采用光波導(dǎo)薄膜材料和與制備塑料光纖相兼容的制備工藝制備光波導(dǎo)層3。光波導(dǎo)層包括上包層、光波導(dǎo)芯層以及下包層，所述上包層連接在多層互連基板下端面上，光波導(dǎo)芯層位于上包層和下包層之間。
[0023]如果是多模波導(dǎo)，光波導(dǎo)層的芯層厚度可設(shè)置為幾十個(gè)微米到幾百個(gè)微米；上包層和下包層的厚度相對(duì)薄一些，大概幾十個(gè)微米；上包層與光波導(dǎo)芯層之間以及光波導(dǎo)芯層與下包層之間均采用熔融壓合方式制造成薄片形狀。
[0024]光波導(dǎo)芯層是采用薄膜材料制作而成的板材，薄膜材料可以是塑料，也可以是PI材料。當(dāng)然，光波導(dǎo)芯層板材不限于塑料光纖材料，也可以是其他有機(jī)材料制成的片狀或卷狀的光波導(dǎo)板材，其制備工藝可以包括層壓加光刻的工藝步驟，也可以包括硬模壓印的工藝步驟。由于制備方法的限制，采用與制備塑料光纖相兼容的制備工藝制備的光波導(dǎo)板材所包含的光波導(dǎo)只能是直的，而采用層壓加光刻或硬模壓印的工藝步驟制備的光波導(dǎo)板材所包含的光波導(dǎo)可以是任意圖形的。該光波導(dǎo)芯層板材含有多路成一定間距分布的光波導(dǎo)，光波導(dǎo)的間距分布可以是均勻的、也可以是周期性的，但不限于此。
[0025]光波導(dǎo)層可以包括兩種或兩種以上不同折射率材料組成芯層和包層，也可以只包括一種折射率的材料；光波導(dǎo)芯層可以是折射率突變型，也可以是折射率漸變型。光波導(dǎo)芯層橫截面的折射率分布可以是圓形、方形、梯形，但不限于此。
[0026]第二步，在光波導(dǎo)層單面上采用激光切割形成斜面，作為反射鏡34，然后化學(xué)鍍，電鍍?cè)鰪?qiáng)反射。如果光波導(dǎo)層很薄很軟不方便上述工藝操作采用膠體粘接的方式將光波導(dǎo)層固定臨時(shí)鍵合在玻璃載板上，在上述工藝完成后再拆鍵合。
[0027]反射鏡的結(jié)構(gòu)為倒三角形結(jié)構(gòu)，光反射界面與光波導(dǎo)芯層的夾角為40度到50度，優(yōu)選值為45度。反射鏡的光反射界面是通過(guò)激光燒蝕工藝制備的，所使用的激光燒蝕設(shè)備可以是基板激光打孔設(shè)備。光反射界面的作用是將在多層互連基板內(nèi)傳輸?shù)墓獠詈铣龉獠▽?dǎo)層的上表面，以及將入射到光波導(dǎo)層的上表面的光波I禹合到多層互連基板內(nèi)并在多層互連基板內(nèi)傳輸。為提高光耦合效率，需要光反射界面鏡面光滑。
[0028]化學(xué)鍍的厚度很薄，大概在幾百個(gè)nm左右，增強(qiáng)金屬和基板的粘附力。電鍍后，化學(xué)鍍銅層被電鍍金屬增厚，概幾個(gè)um到幾十個(gè)um。金屬電鍍層可以是純銅、銅合金、也可以是幾種不同金屬電鍍層的組合。在化學(xué)鍍電鍍的金屬層上涂覆干膜作為光刻膠，干膜光亥IJ(紫外曝光)顯影后，采用腐蝕液刻蝕圖形形成布線，去除多余金屬，留下單層線路；再進(jìn)行干膜剝離、清洗、烘干。光波導(dǎo)層形成單面布線板。
[0029]第三步，在多層互連基板的上端面壓合玻璃基板，在多層互連基板的下端面上壓合光波導(dǎo)層單面布線板；
本發(fā)明中使用的多層互連基板，是指已經(jīng)采用PCB工藝或者substrate(載板)工藝加工制造的載板，可以是多層板也可以是雙層板。載板的材料可以是高頻材料(rogers、me tron6等)、普通的板材(FR4等)、BT板材或者是混壓板。多層互連基板制造是從雙面板工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合一些特有的金屬化孔、內(nèi)層互連、鉆孔、定位系統(tǒng)、層壓，以及專用材料發(fā)展而來(lái)的，是比較成熟的技術(shù)。
[0030]玻璃基板表面平整度高，并且具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。本發(fā)明玻璃基板的玻璃采用是石英玻璃，比如康寧公司的XT系列的玻璃等。玻璃的尺寸有4寸、6寸、8寸、12寸以及更大的panel，優(yōu)選大小和PCB基板的尺寸兼容的玻璃。玻璃的厚度有100 μ m、200 μ m、500 μ m、700 μ m 幾種選擇。
[0031]第四步，采用通孔工藝在玻璃基板、多層互連基板以及光波導(dǎo)層上鉆垂直于各層的通孔7。
[0032]在玻璃基板上鉆孔的方式可以采用機(jī)械、激光或者干法刻蝕的方法形成通孔。在光波導(dǎo)層上鉆孔的方式可以采用機(jī)械的方法，優(yōu)選激光鉆孔的方式，支持的互連密度高。
[0033]通孔孔徑的大小和玻璃的厚度以及玻璃的厚度有關(guān)，一般的厚度和深度比為10:1,或者5:1,或者更??；以100 μ m厚的玻璃interposer,孔徑深寬比1:1為例,通孔的孔徑大小為100 μ m。
[0034]第五步，在玻璃基板和光波導(dǎo)層上分別進(jìn)行化學(xué)鍍、電鍍形成孔銅和面銅。
[0035]化學(xué)鍍和電鍍?cè)赑CB工藝線上可以實(shí)現(xiàn)，先進(jìn)行化學(xué)鍍，然后再進(jìn)行電鍍。其中，化學(xué)鍍的厚度很薄，大概在幾百個(gè)nm左右，增強(qiáng)金屬和基板的粘附力。經(jīng)過(guò)電鍍后，化學(xué)鍍銅層被電鍍金屬增厚，大概幾個(gè)um到幾十個(gè)um。
[0036]玻璃的孔銅為了滿足密封的要求，可以采用將通孔鍍銅填滿。
[0037]第六步，在玻璃基板的上表面和光波導(dǎo)層的下表面分別進(jìn)行圖形4和焊盤的刻蝕，并進(jìn)行表面處理。
[0038]為了滿足芯片焊接的要求，基板形成的表面需要后處理。比如為了引線接合的需求，需要表面局部或者全部做成鎳鈀金的處理；比如為了實(shí)現(xiàn)光子器件和光反射鏡的對(duì)準(zhǔn)，制作一些對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的圖形等。
[0039]表面金屬化處理的目的是在銅上形成一層抗腐蝕、抗氧化的金屬保護(hù)層，起到保護(hù)作用。通常金屬保護(hù)層是鎳金復(fù)合層或鎳鈀金復(fù)合層。
[0040]該工藝步驟后在光波導(dǎo)芯層上下表面形成了金屬布線、芯片和元器件組裝的焊盤。多層互連基板的最外層是阻焊層，就是我們常說(shuō)的“綠油”，目的是保護(hù)線路和防止后續(xù)的SMT焊接產(chǎn)生的短路。
[0041]第七步，分別在玻璃基板上表面和光波導(dǎo)層下表面安裝器件。由多層基板(或者PCB板)、玻璃基板、光波導(dǎo)形成的多功能基板結(jié)構(gòu)和外界信號(hào)的連接可以采用多種形式，比如金手指，BGA，PGA等。
[0042]安裝在光波導(dǎo)層上的器件為光子器件6和電子器件5。光子器件比如激光器、探測(cè)器等，可以是單個(gè)VCSEL激光器或單個(gè)光探測(cè)器，也可以是多個(gè)VCSEL激光器組成的VCSEL激光器陣列或者多個(gè)光探測(cè)器組成的光探測(cè)器陣列；所述VCSEL激光器陣列或光探測(cè)器陣列可以是IXN (N大于等于I)陣列，也可以是MXN (M、N大于等于I)陣列。光子器件應(yīng)與光波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)，采用光子器件都是面發(fā)射和面接收的器件。光波導(dǎo)的通道數(shù)以及反射鏡個(gè)數(shù)與光子器件的通道數(shù)對(duì)應(yīng)，以保證每一個(gè)獨(dú)立的VCSEL激光器或光探測(cè)器與一根光波導(dǎo)進(jìn)行光耦合。
[0043]電子器件比如激光器的驅(qū)動(dòng)電路，探測(cè)器的放大電路以及ASIC芯片等。激光器驅(qū)動(dòng)電路和探測(cè)器放大電路的通道數(shù)應(yīng)與光子器件數(shù)目對(duì)應(yīng)。光子器件的高速放大和接收電路可以采用wirebonding或者flip-chip的形式,普通的IC采用SMT工藝即可。
[0044]光子器件及電子器件安裝后，需要用膠保護(hù)，膠的選用應(yīng)滿足對(duì)傳輸波長(zhǎng)透明、折射率處于芯片波導(dǎo)和空氣之間、粘結(jié)度好、導(dǎo)熱性好、硬度適中等要求。
[0045]安裝在玻璃基板上表面的器件如果需要密封，可采用釬焊方式，將器件用玻璃罩罩起來(lái)進(jìn)行密封，以滿足特殊環(huán)境和密閉的要求。
【權(quán)利要求】
1.兼容PCB工藝的多功能基板，其特征在于:包括多層互連基板(I)、設(shè)置在多層互連基板(I)上表面的玻璃基板(2 )以及設(shè)置在多層互連基板(I)下表面的光波導(dǎo)層(3 ); 所述玻璃基板(2)的上表面刻蝕有用于焊接電子器件的上層圖形； 所述光波導(dǎo)層(3)包括上包層(31)、光波導(dǎo)芯層(32)以及下包層(33);光波導(dǎo)層(3)中設(shè)置有倒三角形反射鏡(34)，光波導(dǎo)層(3)的下表面刻蝕有用于焊接電子器件和光子器件的下層圖形； 所述上層圖形和下層圖形通過(guò)垂直嵌裝在玻璃基板、多層互連基板以及光波導(dǎo)層上的通孔(7)與多層互連基板的傳輸通道連通。
2.兼容PCB工藝的多功能基板的制作方法，其特征在于主要包括以下步驟: 第一步，采用光波導(dǎo)薄膜材料和與制備塑料光纖相兼容的制備工藝制備光波導(dǎo)層(3); 第二步，在光波導(dǎo)層單面上采用激光切割形成斜面，作為反射鏡，然后化學(xué)鍍，電鍍?cè)鰪?qiáng)反射； 第三步，在多層互連基板的上端面壓合玻璃基板，在多層互連基板的下端面上壓合光波導(dǎo)層單面布線板； 第四步，采用通孔工藝在玻璃基板、多層互連基板以及光波導(dǎo)層上鉆垂直于各層的通孔； 第五步，在玻璃基板和光波導(dǎo)層上分別進(jìn)行化學(xué)鍍、電鍍形成孔銅和面銅； 第六步，在玻璃基板的上表面和光波導(dǎo)層的下表面分別進(jìn)行圖形和焊盤的刻蝕，并進(jìn)行表面處理； 第七步，分別在玻璃基板上表面和光波導(dǎo)層下表面安裝器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兼容PCB工藝的多功能基板的制作方法，其特征在于:第一步所述的光波導(dǎo)層包括上包層、光波導(dǎo)芯層以及下包層，所述上包層連接在多層互連基板下端面上，光波導(dǎo)芯層位于上包層和下包層之間；所述反射鏡位于上包層和芯層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兼容PCB工藝的多功能基板的制作方法，其特征在于:所述光波導(dǎo)芯層是采用薄膜材料制成，薄膜材料為塑料或者PI材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的玻璃基板與光波導(dǎo)混合集成的封裝器件制作方法，其特征在于:第二步所述的反射鏡結(jié)構(gòu)為倒三角形結(jié)構(gòu)，光反射界面與光波導(dǎo)芯層的夾角為40。?50。。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的玻璃基板與光波導(dǎo)混合集成的封裝器件制作方法，其特征在于:第七步安裝在玻璃基板上表面的器件采用密封罩密封，密封罩釬焊在玻璃基板上表面。
【文檔編號(hào)】H01L23/538GK103762205SQ201410042141
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】劉豐滿, 李寶霞, 何曉峰, 曹立強(qiáng) 申請(qǐng)人:華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司