相關(guān)申請(qǐng)的引證

本申請(qǐng)引用并要求于2015年10月21日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)62/285,173的權(quán)益。其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于本文中。

本公開的某些實(shí)施方式涉及半導(dǎo)體加工。更具體地，本公開的某些實(shí)施方式涉及襯底上置晶圓上置芯片的組件的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)改變以滿足不斷提高的帶寬要求，銅數(shù)據(jù)信道的缺點(diǎn)變得明顯。由于輻射的電磁能量引起的信號(hào)衰減和串?dāng)_是這樣的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者遇到的主要障礙。利用均衡、編碼、以及屏蔽，這種情況在一定程度上能夠緩和，但這些技術(shù)需要相當(dāng)大的功率、復(fù)雜度、以及電纜龐大的不利后果，同時(shí)僅提供能達(dá)到的適度提高和非常有限的可擴(kuò)展性。光通信沒(méi)有這樣的信道限制，已被認(rèn)為是銅鏈路的繼任者。

通過(guò)比較這些系統(tǒng)與如參考附圖而在本申請(qǐng)的剩余部分中闡述的本公開內(nèi)容，常規(guī)和傳統(tǒng)方法的進(jìn)一步的限制和缺點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將變的顯而易見。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種用于襯底上置晶圓上置芯片的組件的系統(tǒng)和/或方法，基本在附圖中示出和/或結(jié)合附圖中的至少一個(gè)描述，并在權(quán)利要求書中給出更完整的介紹。

通過(guò)下列描述和附圖，將能更充分地理解本公開內(nèi)容的各個(gè)優(yōu)點(diǎn)、方面與新的特征及其所示出實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本公開的實(shí)施方式的cmos收發(fā)器的框圖。

圖2a示意性示出了根據(jù)本公開的實(shí)施方式包括光子插入件的示例性光收發(fā)器。

圖2b是根據(jù)本公開的實(shí)施方式的光子收發(fā)器的立體圖。

圖2c是根據(jù)本公開實(shí)施方式的具有兩個(gè)耦合的電子晶片的光子插入件的立體圖。

圖3示意性示出了根據(jù)本公開的實(shí)施方式的光子芯片中的光柵耦合器。

圖4a示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的光電子收發(fā)器模塑包裝。

圖4b示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的具有背側(cè)耦合的光纖的光電子收發(fā)器模塑包裝。

圖5示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的用于背側(cè)耦合至襯底的光纖的光柵耦合器。

圖6a示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的具有背側(cè)耦合的光纖和光源的光電子收發(fā)器模塑包裝。

圖6b和圖6c示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的光電子收發(fā)器模塑包裝的俯視圖和仰視圖。

圖7a示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的具有背側(cè)耦合的光纖和光源的光電子收發(fā)器模塑包裝的另一實(shí)例。

圖7b和圖7c示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的圖7a的光電子收發(fā)器模塑包裝的俯視圖和仰視圖。

具體實(shí)施方式

如本申請(qǐng)中使用的，術(shù)語(yǔ)“電路”或者“線路”指物理電子元件(即硬件)以及可配置硬件、由硬件執(zhí)行的任何軟件和/固件(“代碼”)，和或與硬件相關(guān)聯(lián)的其他方面。如本文中使用的，例如，特定處理器和存儲(chǔ)器在執(zhí)行第一線路或更多線路的代碼時(shí)可包括第一“電路”并且在執(zhí)行第二線路或更多線路的代碼時(shí)可以包括第二“電路”。如本文所使用的，“和/或”指由“和/或”連接的列表中的項(xiàng)目的任意“一個(gè)或多個(gè)”。舉例來(lái)說(shuō)，“x和/或y”是指三元素組{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。作為另一個(gè)實(shí)例，“x、y、和/或z”是指七元素組{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中任何元素。如本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“示例性”指用作非限制性實(shí)施例、實(shí)例或者例證。如本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“例如(e.g.)”和“例如(forexample)”闡述了一種或者多種非限制性實(shí)施例、實(shí)例、或者例證的列表。如本文中所使用的，每當(dāng)電路包括必要的硬件和代碼(如果有的話，是需要的)以執(zhí)行功能時(shí)，無(wú)論通過(guò)一些用戶可配置的設(shè)置功能的性能是否停用，或者不能啟用，電路“能操作”以執(zhí)行功能。

在用于襯底上置晶圓上置芯片的組件的方法和系統(tǒng)中可發(fā)現(xiàn)本公開的某些方面。本公開的示例性方面可包括集成光通信系統(tǒng)，集成光通信系統(tǒng)包括：電子晶片，粘結(jié)至光子插入件的第一表面；以及襯底，耦合至光子插入件的與第一表面相對(duì)的第二表面。光纖和光源組件在形成于襯底中的一個(gè)或多個(gè)空腔中耦合至插入件的第二表面。集成光通信系統(tǒng)可操作以從光源組件在光子插入件中接收連續(xù)波(cw)光信號(hào)，并將調(diào)制的光信號(hào)從所述光子插入件傳送至光纖。模塑復(fù)合物可以在插入件的第一表面上并與電子晶片接觸。所接收的cw光信號(hào)可以使用光柵耦合器耦合至光子插入件中的光波導(dǎo)。電介質(zhì)/金屬后端可以在插入件的第一表面上。金屬反射件可以在電介質(zhì)/金屬后端中并且可以將光反射會(huì)到光柵耦合器中。一個(gè)或多個(gè)防反射涂層可以在光纖與光柵耦合器之間。光子插入件可以包括將電子晶片電耦合至襯底的硅通孔(tsv)。襯底可以是印刷電路板。阻隔件可以與光子插入件的第二表面上的光纖和光源組件相鄰?？梢岳霉庾硬迦爰械恼{(diào)制器和所接收的cw光信號(hào)生成調(diào)制光信號(hào)。

圖1是根據(jù)本公開的實(shí)施方式的利用光子插入件的cmos收發(fā)器的框圖。參考圖1，示出了收發(fā)器100中的光電子裝置，包括：高速光調(diào)制器105a-105d、高速光電二極管111a-111d、監(jiān)測(cè)光電二極管113a-113h、以及包括接頭103a-103k、光端子115a-115d和光柵耦合器117a-117h的光學(xué)裝置。還示出了電器件和包括轉(zhuǎn)移阻抗和限幅放大器(tia/la)107a-107d、模擬和數(shù)字控制電路109、以及控制部112a-112d的電路。光信號(hào)經(jīng)由在cmos插入件芯片中制造的光波導(dǎo)在光學(xué)裝置與光電子裝置之間傳送，且在圖1中通過(guò)虛線的橢圓表示光波導(dǎo)。光學(xué)裝置和光電子裝置集成到硅光子插入件中而電子裝置集成至耦合至硅光子插入件的一個(gè)或多個(gè)cmos電子芯片中。

例如，高速光調(diào)制器105a-105d包括馬赫-增德爾(mach-zehnder)或環(huán)形調(diào)制器，且能夠?qū)w激光輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。高速光調(diào)制器105a-105d由控制部112a-112d控制，并且調(diào)制器的輸出經(jīng)由波導(dǎo)光學(xué)耦合至光柵耦合器117e-117h。接頭103d-103k包括四端口光學(xué)耦合器，例如，并且用于對(duì)由高速光調(diào)制器105a-105d產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行取樣，其中通過(guò)監(jiān)測(cè)光電二極管113a-113h來(lái)測(cè)量經(jīng)取樣的信號(hào)。接頭103d-103k的未使用分支由光端子115a-115d終止，以避免不需要的信號(hào)的回反射。

光柵耦合器117a-117h包括使得能夠?qū)⒐怦詈线M(jìn)和耦合出硅光子插入件的光柵?？衫霉鈻篷詈掀?17a-117d將從光纖接收到的光耦合至硅光子插入件，并可包括偏振無(wú)關(guān)光柵耦合器。可以利用光柵耦合器117e-117h將來(lái)自硅光子插入件的光耦合至光纖中。例如，光纖可環(huán)氧到cmos芯片，且可與硅光子插入件的表面的法線成一角度對(duì)準(zhǔn)，以優(yōu)化耦合效率。

高速光電二極管111a-111d將從光柵耦合器117a-117d接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述電信號(hào)被傳送到tia/la107a-107d以供處理。模擬和數(shù)字控制電路109可控制tia/la107a-107d的操作中的增益水平或其他參數(shù)。tia/la107a-107d、模擬和數(shù)字控制電路109、以及控制部112a-112d可以集成到一個(gè)或多個(gè)電子cmos芯片上，所述一個(gè)或多個(gè)電子cmos芯片可以經(jīng)由銅柱粘結(jié)至硅光子插入件。以這種方式，可以在不同的cmos節(jié)點(diǎn)上單獨(dú)優(yōu)化電子和光子性能。tia/la107a-107d然后可以將電信號(hào)傳送至電子芯片上的其他電路。

tia/la107a-107d可包括窄帶、非線性光電子接收器電路。因此，窄帶接收器前端后面可以跟著復(fù)位器電路，諸如，不歸零(nrz)電平復(fù)位器電路。復(fù)位器電路限制光學(xué)接收器的帶寬，以便減少積分噪聲，進(jìn)而增加信噪比。nrz電平復(fù)位器可用于將所得的數(shù)據(jù)脈沖轉(zhuǎn)換回nrz數(shù)據(jù)。

控制部112a-112d包括使得能夠?qū)慕宇^103a-103c接收到的cw激光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的電子電路。高速光調(diào)制器105a-105d需要高速電信號(hào)來(lái)調(diào)制馬赫-增德爾干涉儀(mzi)的相應(yīng)分支中的折射率。

在本公開的實(shí)施方式中，收發(fā)器需要的所有光學(xué)裝置和光電子裝置到單個(gè)硅光子插入件中的集成，以及所有所需要的電子裝置到一個(gè)或多個(gè)cmos電子芯片上的集成，使得能夠優(yōu)化得到的單個(gè)混合封裝的性能。以這種方式，可以獨(dú)立于硅光子插入件中的光子裝置的優(yōu)化，對(duì)電子裝置性能進(jìn)行優(yōu)化。例如，電子cmos芯片可以在32nm的cmos工藝中優(yōu)化，而硅光子插入件可以在130nm的cmos節(jié)點(diǎn)上優(yōu)化。電子裝置可以布置在電子芯片上使得在粘結(jié)至硅光子插入件時(shí)，它們直接定位在它們相關(guān)聯(lián)的光子裝置上。例如，控制部112a-112d可以位于電子cmos芯片上使得他們直接位于高速光調(diào)制器105a-105b并且可以通過(guò)低寄生銅柱耦合。

在示例性實(shí)施方式中，混合收發(fā)器100包括具有一個(gè)光源的四個(gè)光電子收發(fā)器，并且使得能夠?qū)⒐庑盘?hào)垂直地傳送至硅光子插入件的表面，并從硅光子插入件的表面?zhèn)魉停瑥亩沟媚軌蚴褂胏mos工藝和結(jié)構(gòu)，包括cmos保護(hù)環(huán)。硅光子插入件可包括有源器件(諸如，光電檢測(cè)器和調(diào)制器)和無(wú)源器件(諸如，波導(dǎo)、分束器、組合器、以及光柵耦合器)兩者，從而使得光子電力能夠集成到cmos芯片上。如進(jìn)一步相對(duì)于圖2a圖7c描述的，插入件可以耦合至襯底。

圖2a示意性示出了根據(jù)本公開的實(shí)施方式包括光子插入件的示例性光收發(fā)器。參考圖2a，示出了光子收發(fā)器200，包括：印刷電路板(pcb)/襯底201、硅光子插入件203、電子cmos晶片205、硅通孔(tsv)206、接觸件207、光源模塊209、光輸入/輸出(光i/o)211、絲焊213、光學(xué)環(huán)氧樹脂215、以及光纖217。

pcb/襯底201可包括光子收發(fā)器200的支撐結(jié)構(gòu)，并可包括絕緣和導(dǎo)電材料兩者，用于隔離器件以及經(jīng)由硅光子插入件203為硅光子插入件203上的有源器件以及電子晶片205上的器件提供電接觸。此外，pcb/襯底可以提供帶走裝置產(chǎn)生的熱的熱傳導(dǎo)路徑以及電子晶片205和光源模塊209中的電路。

例如，硅光子插入件203可包括具有有源和無(wú)源光學(xué)裝置的cmos芯片，諸如，波導(dǎo)、調(diào)制器、光電檢測(cè)器、光柵耦合器、接頭、以及組合器。硅光子插入件203支持的功能可包括光電檢測(cè)、光學(xué)調(diào)制、光學(xué)路由、以及光界面高速i/o和光學(xué)功率輸送。

硅光子插入件203還可以包括用于將電子晶片205耦合至硅光子插入件203中的接觸件207，以及用于經(jīng)由光學(xué)i/o211將光從光源模塊209耦合到晶片中并耦合出晶片的光柵耦合器。例如，接觸件207可以包括微凸塊或銅柱。此外，硅光子插入件203可包括諸如在pcb/襯底201與電子晶片205之間通過(guò)晶片電互聯(lián)的tsv206。光學(xué)環(huán)氧樹脂215也可以制造光學(xué)截面，從而提供光透明性和機(jī)械固定。

電子晶片205可以包括提供光子收發(fā)器200所需的電子功能的一個(gè)或多個(gè)電子cmos芯片。電子晶片205可包括經(jīng)由接觸件207耦合至硅光子插入件203的單個(gè)芯片或多個(gè)晶片。電子晶片205可包括tia、lna、以及用于處理光子芯片203中的光信號(hào)的控制電路。例如，電子晶片205可包括用于控制硅光子插入件203中的光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)器電路和用于放大從硅光子插入件203中的光電檢測(cè)器接收的電信號(hào)的可變?cè)鲆娣糯笃?。通過(guò)將光子裝置并入硅光子插入件203中并將電子裝置并入電子晶片205中，針對(duì)所并入的裝置的類型，每個(gè)芯片的cmos工藝可以優(yōu)化。

tsv206可包括垂直地延伸通過(guò)硅光子插入件203并在電子晶片205與pcb/襯底201之間提供電連接的導(dǎo)電路徑?？梢杂么舜娼z焊(諸如，絲焊213)或與絲焊結(jié)合使用。

接觸件207可包括微凸塊或金屬柱的線性或2d陣列以在硅光子插入件203與電子晶片205之間提供電接觸。例如，接觸件207可以在硅光子插入件203中的光電檢測(cè)器與電子晶片205中相關(guān)聯(lián)的接收器電路之間提供電接觸。此外，接觸件207可以提供電子和光子晶片的機(jī)械耦合，并且可以用底層填料封裝以保護(hù)金屬和其他表明。

光源模塊209可以包括具有光源的組件(例如半導(dǎo)體激光器)和相關(guān)的光學(xué)和電元件，來(lái)將一個(gè)或多個(gè)光信號(hào)指引進(jìn)入硅光子插入件203。在提交于2009年7月9日的美國(guó)專利申請(qǐng)12/500,465中描述了光源模塊的示例，據(jù)此在本文中通過(guò)引用包括其全部?jī)?nèi)容。在另一個(gè)示例的情況中，來(lái)自光源組件209的光信號(hào)或信號(hào)可以通過(guò)附著在硅光子插入件203中的光柵耦合器上面的光纖耦合到硅光子插入件203。

光學(xué)i/o211可以包括將光纖217耦合到硅光子插入件203的組件。因此，光學(xué)i/o211可以包括用于一個(gè)或多個(gè)光纖的機(jī)械支撐和要諸如通過(guò)光學(xué)環(huán)氧樹脂215耦合到硅光子插入件203的光學(xué)表面。

在操作中，連續(xù)波(cw)光信號(hào)可以從光源模塊209通過(guò)硅光子插入件203中的一個(gè)或多個(gè)光柵耦合器傳輸?shù)焦韫庾硬迦爰?03中。硅光子插入件203中的光子器件可以隨后處理接收的光信號(hào)。例如，一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器可以基于從電子晶片205接收的電信號(hào)來(lái)調(diào)制cw信號(hào)。電信號(hào)可以從電子晶片205通過(guò)接觸件207接收。在示例情況中，接觸件207可以包括銅柱，例如，為高速性能提供低電阻接觸件。通過(guò)直接在電子晶片205中的電信號(hào)源的下方在硅光子插入件203中集成調(diào)制器，信號(hào)路徑長(zhǎng)度可以最小化，導(dǎo)致非常高速的性能。例如，利用具有＜20ff電容的～20微米銅柱，可以達(dá)到50ghz和更高的速度。

然后，調(diào)制的光信號(hào)可以通過(guò)位于光學(xué)i/o211下面的光柵耦合器從硅光子插入件203傳輸出來(lái)。以這種方式，在電子晶片205中產(chǎn)生的高速電信號(hào)可以用于調(diào)節(jié)cw光信號(hào)，并隨后通過(guò)光學(xué)纖217從硅光子插入件203傳輸出來(lái)。

類似的，調(diào)制的光信號(hào)可以通過(guò)光纖217和光學(xué)i/o211在硅光子插入件203中接收。接收的光信號(hào)可以通過(guò)光波導(dǎo)在硅光子插入件203中傳輸?shù)郊稍诠韫庾硬迦爰?03中的一個(gè)或多個(gè)光電探測(cè)器。當(dāng)通過(guò)低寄生電容接觸件207焊接并電耦合時(shí)，光電探測(cè)器可以集成在硅光子插入件203中，這樣它們直接位于電子晶片205中的相關(guān)的接收器電子電路下面。

cmos電子晶片通過(guò)銅柱混合集成在硅光子插入件上，使采用cmos工藝的非常高速的光收發(fā)器成為可能。此外，集成分開的光子和電子晶片，使在各自的cmos工藝中工作的電子和光子的性能的獨(dú)立最優(yōu)化成為可能。通過(guò)面對(duì)面焊接安裝在硅光子插入件上的電子晶片可以包括“驅(qū)動(dòng)”插入件上的光子電路的電路。這些電路取代了傳統(tǒng)的電互連解決方案中的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。

此外，通過(guò)硅光子插入件203，使多個(gè)電子晶片之間的光互連(即芯片到芯片互連)成為可能，收發(fā)器功能由聯(lián)合的電子晶片和插入件以及硅光子插入件203上的相關(guān)的光學(xué)路由支持。本公開不限于圖2a所示的布置。因此，各種堆疊的布置都是可能的。例如，光子插入件可以?shī)A在電子芯片和插入件/電子芯片的堆疊之間，可以配置為得到三維結(jié)構(gòu)。

光子插入件203包括硅通孔(tsv)206，其使電信號(hào)能夠被連接到安裝在插入件203頂部的電子晶片205。制作過(guò)程可能需要背磨光子插入件203，以減少硅襯底的厚度，并使tsv工藝可以進(jìn)行。由于在背磨后襯底厚度近似只有100m，模塑材料分散在芯片組件頂部，為了機(jī)械地穩(wěn)定。芯片集組件使用如圖4所示的錘擊依次安裝在另一個(gè)襯底上。

圖2b是依照本公開的實(shí)施方式的混合集成光子收發(fā)器的透視圖。參考圖2b，示出了pcb/襯底201、硅光子插入件203、電子晶片205、接觸件207、光源組件209、光學(xué)i/o211、絲焊213、光纖217和接觸墊219。

在通過(guò)接觸件207焊接到硅光子插入件203的表面之前，如每個(gè)晶片下面的虛線箭頭所示地顯示電子晶片205。而2個(gè)電子晶片205在圖2b中示出，應(yīng)該注意，本公開沒(méi)有這樣的限制。因此，任何數(shù)量的電子晶片可以耦合到硅光子插入件203，例如，取決于收發(fā)器的數(shù)量、使用的特別的cmos節(jié)點(diǎn)、熱傳導(dǎo)和空間限制。

例如，在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，光源組件209可以遠(yuǎn)程布置，并且一個(gè)或多個(gè)光纖可以用于通過(guò)光柵耦合器將光源信號(hào)耦合到硅光子插入件203中。

在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，使用獨(dú)立cmos工藝，在硅光子插入件203焊接到襯底201的條件下，電子功能可以集成到電子晶片205，并且光子電路可以集成到硅光子插入件203。電子晶片205可以包括與硅光子插入件203中的光子器件相關(guān)的電子器件，從而在仍然允許電子和光子器件的獨(dú)立性能最優(yōu)化的同時(shí)最小化電路徑長(zhǎng)度。例如，導(dǎo)致最高電子性能(例如最快開關(guān)速度)的cmos工藝可能對(duì)于cmos光子性能不是最佳的。類似的，不同的技術(shù)可能會(huì)包含在不同的晶片中。例如，鍺硅cmos工藝可以用于光子器件(例如光電探測(cè)器)，而32nmcmos工藝可以用于電子晶片205上的電子器件。

硅光子插入件203可以包括光子電路，光信號(hào)可以通過(guò)該光子電路接收、處理和發(fā)送出硅光子插入件203。在硅光子插入件203中的光子電路處理cw信號(hào)的條件下，光源組件209可以向硅光子插入件203提供cw光信號(hào)。例如，cw信號(hào)可以通過(guò)光柵耦合器耦合到硅光子插入件203，通過(guò)光波導(dǎo)與晶片上不同位置傳輸，由mach-zehnder干涉儀(mzi)調(diào)制器調(diào)制，并從硅光子插入件203傳輸出到光纖。以這種方式，在cmos工藝中使多個(gè)高性能光收發(fā)器的混合集成成為可能。

在另一個(gè)示例的情況下，硅光子插入件203可以在電子晶片之間提供光路由。例如，電子晶片205可以包括多個(gè)處理器和存儲(chǔ)器芯片。來(lái)自電子晶片205的電信號(hào)可以通過(guò)銅柱傳輸給硅光子插入件203上的調(diào)制器，例如，并且轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，以在利用光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換回電信號(hào)之前通過(guò)光波導(dǎo)路由到另一個(gè)電子晶片。以這種方式，例如，使多個(gè)電子晶片能夠非常高速的耦合，降低處理器芯片上的存儲(chǔ)器要求。

圖2c是按照本公開的實(shí)施方式的具有2個(gè)耦合的電子晶片的光子插入件的透視圖。參考圖2c，示出了pcb/襯底201、硅光子插入件203、電子晶片205、光源組件209、光學(xué)i/o211、絲焊213和光纖217。

例如，電子晶片205顯示出通過(guò)銅柱焊接到硅光子插入件203的表面。2個(gè)電子晶片205在圖2c中示出，應(yīng)該再次注意，本公開不必收到限制。因此，任何數(shù)量的電子晶片可以耦合到硅光子插入件203，例如，取決于收發(fā)器的數(shù)量、使用的特定的cmos節(jié)點(diǎn)、熱傳導(dǎo)和空間限制。

在示例性實(shí)施方式中，使用獨(dú)立的cmos工藝，電子功能可以集成到電子晶片205上，并且光子電路可以集成到硅光子插入件203上。電子晶片205可以包括硅光子插入件203中的與光子器件相關(guān)的電子器件，從而在仍然允許電子和光子器件的獨(dú)立性能最優(yōu)化的同時(shí)，最小化電路徑長(zhǎng)度。不同的技術(shù)可以包括在不同的晶片上。例如，鍺硅cmos工藝可以用于硅光子插入件203中的光子器件(例如光電探測(cè)器、調(diào)制器)，并且32nmcmos工藝可以用于電子晶片205上的電子器件。

在另一個(gè)示例性情況下，一個(gè)電子晶片205可以包括傳統(tǒng)的專用集成電路(asic)，并且第二電子晶片205可以包括具有用于驅(qū)動(dòng)硅光子插入件203中的光子器件的電路的驅(qū)動(dòng)晶片。因此，驅(qū)動(dòng)晶片可以通過(guò)硅光子插入件203從asic接收電信號(hào)，并使用接收的信號(hào)來(lái)隨后驅(qū)動(dòng)硅光子插入件203中的光子器件。以這種方式，第二晶片提供作為與asic中的集成驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)的驅(qū)動(dòng)電路。這可以允許現(xiàn)有的asic設(shè)計(jì)與硅光子插入件203集成，而不對(duì)asici/o電路進(jìn)行任何調(diào)制。

硅光子插入件203可以包括光子電路，光信號(hào)可以通過(guò)該光子電路接收、處理和發(fā)送出硅光子插入件203。光源組件209向硅光子插入件203提供cw光信號(hào)，并通過(guò)由絲焊213耦合到光源組件209電壓偏置。然后，硅光子插入件203中的光子電路可以處理cw信號(hào)。例如，cw信號(hào)可以通過(guò)光柵耦合器耦合到硅光子插入件203，通過(guò)光波導(dǎo)傳輸?shù)骄喜煌恢?，通過(guò)mzi調(diào)制器調(diào)制，并通過(guò)光學(xué)i/o211從硅光子插入件203傳輸出到光纖217。

熱量可以通過(guò)pcb/襯底201從晶片上傳導(dǎo)出去。以這種方式，硅光子插入件和電子晶片205可以使使用獨(dú)立優(yōu)化cmos工藝的多個(gè)高性能光收發(fā)器成為可能。類似的，硅光子插入件203可以使電子晶片205中的電路之間的高速互連成為可能，例如處理器核心和存儲(chǔ)器之間，例如。

在集成光學(xué)電路中，表面發(fā)射光耦合器相對(duì)于邊緣耦合解決方案是優(yōu)選的。從光纖到平面波導(dǎo)電路的邊緣耦合光通常需要：復(fù)雜的三維集成模式轉(zhuǎn)換器；拋光的芯片端面；相對(duì)于模式轉(zhuǎn)換器的端部的拋光面的準(zhǔn)確定位；特殊的透鏡光纖；和對(duì)芯片的亞微米對(duì)準(zhǔn)。表面發(fā)射耦合器允許芯片表面上的任何位置的光學(xué)界面的位置的靈活性，不僅在芯片邊緣附近。此外，已經(jīng)證實(shí)，這些耦合器可以在接近正常的方向上非常有效地將光耦合到光纖，如圖3所示的光纖耦合所示。

圖3是示出根據(jù)本公開的實(shí)施方式的光子芯片中的光柵耦合器的示意圖。參考圖3，示出了通過(guò)光纖309與光信號(hào)垂直耦合的芯片301。光柵結(jié)構(gòu)307嵌入波導(dǎo)層305并在埋入氧化物303之上，其中埋入氧化物303可以包括絕緣體上置硅(soi)的晶片中的氧化物層。

圖3示出光柵耦合器的操作。光柵耦合器通常出于幾個(gè)原因?qū)⒐獬蛐酒捻敹笋詈稀９鈱W(xué)芯片通常安裝在襯底上，并且因此芯片的底側(cè)對(duì)于光耦合是不可及的。此外，技術(shù)人員必須考慮高效光柵耦合器僅在近場(chǎng)中(即在距光柵小于約50μm的光學(xué)距離(空氣中)處)將光有效地耦合至光纖。由于芯片襯底厚度通常在700μm的量級(jí)上，通過(guò)芯片的硅襯底將光耦合至諸如光纖的光學(xué)元件是不切實(shí)際的。

圖4a示出根據(jù)本公開的示例實(shí)施方式的光電收發(fā)器模塑包裝。參考圖4a，示出了包括電子晶片401、模塑復(fù)合物403、光子插入件405、下填充件413以及襯底407的模塑包裝400。光子插入件405可以包括光子層417、硅層415以及通過(guò)硅層415的tsv411。例如，光子層417可以包括如圖1中描述的光學(xué)器件和光電器件，諸如光柵耦合器、波導(dǎo)、光電探測(cè)器、定向耦合器以及調(diào)制器。

可以在tsv411上形成諸如c4微凸塊的微凸塊421，用于將光子插入件405耦合至襯底407。例如，下填充件413可以包括非導(dǎo)電膠，非導(dǎo)電膠可以填充光子插入件405與襯底407之間的除了微凸塊421占據(jù)的容積以外的容積。

由于模塑復(fù)合物403不是對(duì)光透明的，其防止光信號(hào)從頂端耦合至光子芯片。一個(gè)解決方案是使用間隔件晶片(例如硅假晶片(silicondummydie))以使光柵耦合器上方的區(qū)域避開模塑材料。然而，由于間隔件晶片的厚度類似于電子ic的厚度，從光柵耦合器至光纖的近場(chǎng)耦合是不可能的。出于這些原因，對(duì)于襯底上的芯片組件，高效的光耦合是有挑戰(zhàn)性的。

圖4b示出根據(jù)本公開的示例實(shí)施方式的具有背面耦合光纖的光電收發(fā)器模塑包裝。參考圖4b，示出了包括電子晶片401、模塑復(fù)合物403、光子插入件405、下填充件413、襯底407以及光纖409的模塑包裝450。與圖4a中的結(jié)構(gòu)一樣，光子插入件405可以包括光子層417、硅層415以及通過(guò)硅層415的tsv411。例如，光子層417可以包括如圖1中描述的光學(xué)器件和光電器件，諸如光柵耦合器、波導(dǎo)、光電探測(cè)器、定向耦合器以及調(diào)制器。

在圖4b的結(jié)構(gòu)中，襯底407可以包括通過(guò)其厚度直至光子插入件405的后表面的開口，以允許光纖409直接接觸光子插入件405。此外，可以在光纖409周圍形成阻隔件419以防止下填充件413到達(dá)光纖409。

光子插入件中的光柵耦合器可以設(shè)計(jì)為將光朝向光子插入件的硅襯底耦合。如果在芯片組件坐落的襯底中打開小空腔，光纖可以附接至插入件的底部，如圖4b所示?？梢蕴砑幼韪艏?19以包圍光源和光纖的區(qū)域以防止c4凸塊下填充件413進(jìn)入那些區(qū)域。例如，該阻隔件可以使用用于tsv凸塊421的焊料而制備。

由于硅的高介電常量，插入件襯底的厚度可以是約100μm，該厚度對(duì)應(yīng)于空氣中低于30μm的光學(xué)路徑長(zhǎng)度。因此，該配置使能夠進(jìn)行從光纖至光子層417中的光柵耦合器的近場(chǎng)耦合，并且反之亦然。

圖5示出根據(jù)本公開的示例實(shí)施方式的用于將光纖背側(cè)耦合至襯底的光柵耦合器。參考圖5，示出了包括介電/金屬后端501、金屬反射件503、光波導(dǎo)505、埋入氧化物507、光纖509、光柵耦合器511、抗反射涂層513、硅襯底515以及第二抗反射涂層517的插入件500。

為了獲得朝向襯底的高效光耦合，在光子插入件上的光柵耦合器的設(shè)計(jì)中可以采用幾個(gè)技術(shù)。可以優(yōu)化以下參數(shù)以獲得朝向襯底的光信號(hào)的高方向性：光柵511中的蝕刻特征的大小、光柵511的間距或周期性、薄膜層的厚度、光柵蝕刻進(jìn)入的波導(dǎo)層505，限定光柵的蝕刻的深度、在薄膜活性硅層505與硅處理襯底515之間的埋入氧化物507的厚度。

可以選擇硅襯底515的該厚度使得從氧化物處理界面反射的光與從光柵直接散射的光異相，由此部分地消除定向?yàn)檫h(yuǎn)離襯底的光信號(hào)。此外，可以在光子插入件500中的光柵耦合器511上方添加金屬層503，金屬層503用作反射鏡將光向下引導(dǎo)。

抗反射涂層513可以包括在埋入氧化物507與硅襯底515之間，以減小反射。另外，可以將抗反射涂層517應(yīng)用至插入件500的硅襯底515的底側(cè)，以緩和從該界面的反射。另外，可以在該表面上添加對(duì)齊標(biāo)記使能夠?qū)⒐饫w509與光柵耦合器511對(duì)齊。這里描述的不同的改進(jìn)可以分開使用或者一起使用。應(yīng)當(dāng)注意，雖然圖中通過(guò)光波導(dǎo)硅層505的部分蝕刻來(lái)限定光柵耦合器511，蝕刻可以是通過(guò)薄膜的整個(gè)厚度的全面蝕刻。

圖6a示出根據(jù)本公開的示例實(shí)施方式的具有背面耦合光纖和光源的光電收發(fā)器模塑包裝。參考圖6a，示出了包括電子晶片601、模塑復(fù)合物603、光子插入件605、下填充件613、襯底607、光纖609以及光源組件621的模塑包裝600。光子插入件605可以包括光子層617、硅層615以及通過(guò)硅層615的tsv611。例如，光子層617可以包括如圖1中描述的光學(xué)器件和光電器件，諸如光柵耦合器、波導(dǎo)、光電探測(cè)器、定向耦合器以及調(diào)制器。例如，光源組件621可以類似于圖1中的光源組件101或圖2a至圖2c中的光源組件209，并且光源組件621可以包括將cw光信號(hào)提供至光子層617中的光學(xué)器件和光電器件的一個(gè)或多個(gè)激光二極管。

如圖6a所示，可以在襯底607中形成空腔使能夠?qū)⒐庠唇M件621耦合至光子插入件605。在示例情形下，可以形成兩個(gè)單獨(dú)的空腔用于光源組件621和光纖609，或者可以形成單個(gè)更大的空腔用于兩者。此外，可以在光子插入件605的后表面上形成阻隔件619，以阻擋下填充件材料接觸光纖609或光源組件621。

圖6b和圖6c示出根據(jù)本公開的示例實(shí)施方式的光電收發(fā)器模塑包裝的頂視圖和底視圖。參考圖6b，示出了模塑包裝600的頂視圖，其中晶片601的頂表面由模塑復(fù)合物603可見地包圍，模塑復(fù)合物603和晶片601都在襯底607上。晶片601、模塑復(fù)合物603以及襯底607的相對(duì)大小僅是實(shí)例，并且包裝的模塑部反而可以是與襯底607相同的區(qū)域。此外，暴露晶片601的頂表面使能夠散熱到頂表面以外，但是如果期望對(duì)于晶片601的進(jìn)一步機(jī)械防護(hù)，反而可以由模塑復(fù)合物覆蓋。

圖6c示出包裝600的底視圖，其中耦合至襯底607的底表面的光纖609和光源組件621可見。此外，阻隔件619也在該視圖中可見，阻隔件619相對(duì)下填充件材料保護(hù)光纖609和光源組件621。

圖7a示出根據(jù)本公開的示例實(shí)施方式的具有背面耦合光纖和光源的另一示例光電收發(fā)器模塑包裝。參考圖7a，示出了包括電子晶片701、模塑復(fù)合物703、光子插入件705、下填充件713、襯底707、光纖709以及光源組件721的模塑包裝700。光子插入件705可以包括光子層717、硅層715以及通過(guò)硅層715的tsv711。例如，光子層717可以包括如圖1中描述的光學(xué)器件和光電器件，諸如光柵耦合器、波導(dǎo)、光電探測(cè)器、定向耦合器以及調(diào)制器。例如，光源組件721可以類似于圖1中的光源組件101或圖2a至圖2c中的光源組件209，并且光源組件721可以包括將cw光信號(hào)提供至光子層717中的光學(xué)器件和光電器件的一個(gè)或多個(gè)激光二極管。

如圖7a所示，可以在襯底707中形成空腔使能夠?qū)⒐庠唇M件721和光纖709耦合至光子插入件705。在示例情形下，可以形成兩個(gè)單獨(dú)的空腔用于光源組件721和光纖709，或者可以形成單個(gè)更大的空腔用于兩者。此外，可以在光子插入件705的后表面上形成阻隔件719以阻擋下填充件材料接觸光纖709或光源組件721。在該實(shí)例中，電子晶片701占據(jù)襯底707的頂表面的面積的大部分，因此在晶片701周圍僅有模塑復(fù)合物703的薄帶。放置光纖709和光源組件721還允許將它們與電子晶片701相對(duì)地直接集成，這與圖6a至圖6c的并排對(duì)齊相比可以減小光子插入件705的大小。

圖7b和圖7c示出根據(jù)本公開的示例實(shí)施方式的圖7a中的光電收發(fā)器模塑包裝的頂視圖和底視圖。參考圖7b，示出了模塑包裝700的頂視圖，其中占據(jù)襯底707的面積的大部分的晶片701的頂表面可見，晶片701由模塑復(fù)合物703包圍，這兩者都在襯底707上。晶片701、模塑復(fù)合物703以及襯底707的相對(duì)大小僅是實(shí)例，并且包裝的模塑部反而可以是與襯底707相同的區(qū)域。此外，暴露晶片701的頂表面使能夠散熱到頂表面以外，但是如果期望對(duì)于晶片701的進(jìn)一步機(jī)械防護(hù)，反而可以由模塑復(fù)合物覆蓋。

圖7c示出包裝700的底視圖，其中耦合至襯底707的底表面的光纖709和光源組件721可見。此外阻隔件719也在該視圖中可見，阻隔件719保護(hù)光纖709和光源組件721免于下填充件材料。

雖然已參考某些實(shí)施方式描述了本公開，但是，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解，在不偏離本公開的范圍的情況下可以做出各種改變并且可以進(jìn)行等同物替代。此外，可以做出許多修改以將具體情況或具體材料適配至本公開的教導(dǎo)而不偏離其范圍。因此，本公開不旨在限制于所公開的具體實(shí)施方式，而是本公開將包括落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施方式。