一种异质芯片连接组装装置的制作方法

本发明涉及异质光子芯片互连，具体为一种异质芯片连接组装装置。

背景技术：

1、当前硅光集成电路普遍采用“芯片-光纤-芯片”互连架构，光纤会带来较大传输损耗、增大封装体积，同时难以精准管控光信号偏振与相位，制约光计算性能，为满足光神经网络、超算中心对低延迟、大带宽的需求，行业提出异质芯片边缘直接高密度互连方案，但光芯片厚度薄、输出模斑尺寸仅2.5~3μm，中间耦合组件装配对准难度极高；现有被动对准工艺多依靠六轴位移台手动点胶固定，抗环境扰动能力差，工业场景下振动、芯片发热形变会快速劣化耦合效率；

2、芯片端面直接贴合耦合风险高，芯片端面直接对接易发生硬性碰撞，引发波导崩边、端面划伤，严重时直接造成芯片报废，大幅降低封装良率，透镜经胶水粘接后刚性锁死，长期工作稳定性不足，芯片、载板与透镜热膨胀系数不匹配，器件工作发热产生的热应力会造成光路不可逆偏移，且粘接胶长期服役易出现蠕变、收缩，温漂、材料老化引发的耦合偏差无法后期补偿其次，高密度长列模斑端口阵列，现有结构不具备通道一致性调控能力，受晶圆抛光不均匀、热形变、装配角度偏差影响，整体耦合结构易产生跷跷板效应，各通道耦合损耗差异显著，缺少局部微调机构以均衡光路性能，不仅破坏相干光计算的相位匹配精度、劣化光开关消光比，还严重限制大规模异质光子芯片集成系统的整体性能，针对上述问题，发明人提出一种异质芯片连接组装装置用于解决上述问题。

技术实现思路

1、为了解决现有异质芯片直接耦合结构存在芯片端面易碰撞损坏、对准公差狭小、缺少简易粗定位机构、封装后无法动态补偿温漂形变、长阵列通道损耗均匀性差的问题；本发明的目的在于提供一种异质芯片连接组装装置。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种异质芯片连接组装装置，包括第一芯片、第二芯片、公共载板、模斑转换器和透镜阵列，所述公共载板为基准承载件，表面设置对位槽，第一芯片、第二芯片水平对向安装于所述对位槽内，第一芯片与第二芯片的输出边缘相对布置；

3、第一芯片与第二芯片的输出端设置一列等间距排布的模斑转换器，所述透镜阵列竖直设于第一芯片与第二芯片之间，透镜平面垂直于公共载板，透镜阵列内各透镜单元与两侧模斑转换器一一对应；

4、透镜阵列可以替换成两列透镜阵列组，用于增加耦合距离。

5、优选地，还包括主动可调驱动组件，所述公共载板中部开设空腔，空腔内设置主动驱动框架，透镜阵列通过基座固定于主动驱动框架上，主动可调驱动组件包括mems折叠梁、x向mems梳齿驱动器和y向mems梳齿驱动器，x向mems梳齿驱动器、y向mems梳齿驱动器分别连接基座与主动驱动框架，用于驱动基座带动透镜阵列实现x、y平面二维位移，所述mems折叠梁集成pzt压电薄膜，四组mems折叠梁对称布置于主动驱动框架四角，两端分别连接主动驱动框架与空腔侧壁，通过电压驱动形变调节透镜阵列俯仰角度。

6、优选地，还包括闭环反馈控制系统，闭环反馈控制系统包含mcu微控制器、光功率检测模块、压电驱动电源、静电梳齿驱动电源，mcu微控制器内置控制算法模块，光功率检测模块采集所述第二芯片输出光功率，mcu根据功率信号输出驱动电压，控制mems折叠梁、x向mems梳齿驱动器和y向mems梳齿驱动器自动搜寻并锁定最优耦合点位，实时补偿温漂、形变、材料老化带来的耦合偏移。

7、优选地，还包括自准直限位组件，自准直限位组件包括定位孔与匹配的机械凸起，所述定位孔通过drie深反应离子刻蚀成型于芯片边缘或透镜基座，所述机械凸起设于透镜阵列承载架，机械凸起与定位孔卡合配合实现微米级粗对准，自准限位组件为燕尾槽结构或圆柱销结构，drie刻蚀加工公差控制±1μm，装配后实现±2μm初始定位精度。

8、优选地，所述透镜阵列采用双透镜阵列组时，两组透镜阵列平行布置，两组透镜之间形成准直平行光光路，芯片间距提升至1~2mm，光路中间可集成光隔离器、分束器无源光学器件，透镜阵列采用高折射率光学硅或熔融石英制备。

9、优选地，所述公共载板材质为氮化铝，第一芯片、第二芯片选自soi硅光芯片、薄膜铌酸锂lnoi、氮化硅sin、磷化铟inp。

10、优选地，所述主动驱动框架、x向mems梳齿驱动器和y向mems梳齿驱动器基底采用单晶硅，x向mems梳齿驱动器、y向mems梳齿驱动器为静电驱动，驱动电压范围0~40v，x/y双向位移调节行程±10μm，mems折叠梁压电层为pzt薄膜，电极采用pt/ti或au金属层，mems折叠梁为压电驱动，驱动电压范围0~60v，透镜阵列俯仰角调节范围±1.5°。

11、优选地，所述mcu微控制器内置控制算法执行步骤包括：

12、s1、初始化所有mems执行器至零偏置电压；

13、s2、控制x向mems梳齿驱动器或y向mems梳齿驱动器进行螺旋线扫描，采集输出光功率，记录全局最大功率坐标；

14、s3、在最大功率坐标附近对mems折叠梁施加差分电压，梯度上升算法搜寻最优俯仰角；

15、s4、设备运行中实时监测输出功率，当功率低于预设损耗阈值时自动重启扫描补偿流程。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

17、1、本发明以公共载板为装配基准，两片异质芯片输出边缘相对布置，在芯片之间设置独立悬浮立式微透镜阵列作为光路传输桥梁，实现芯片间非接触耦合；既能够避免高密度端口装配、工作过程中芯片端面发生机械碰撞、崩边划伤，同时透镜阵列与芯片之间预留可调间隙，为封装后光路动态补偿提供物理空间；

18、2、本发明在装配阶段借助芯片边缘drie刻蚀成型燕尾槽/圆柱销精密槽位与透镜承载架机械凸起物理卡合干涉，快速完成微米级粗定位，降低封装装配难度；设备工作阶段依靠集成于驱动框架的mems、压电执行器，实时完成亚微米级光路中心偏移、倾角偏差补偿，适配温度、应力带来的长期形变；

19、3、本发明通过设置四自由度主动反馈调节结构独立校正透镜位置与倾角，统一全部通道耦合效率，大幅提升多通道损耗一致性，保障大规模光计算、光开关阵列整体工作性能均匀。

1.一种异质芯片连接组装装置，包括第一芯片（101）、第二芯片（102）、公共载板（103）、模斑转换器（104）和透镜阵列（201），其特征在于：所述公共载板（103）为基准承载件，表面设置对位槽（105），第一芯片（101）、第二芯片（102）水平对向安装于所述对位槽（105）内，第一芯片（101）与第二芯片（102）的输出边缘相对布置；

2.如权利要求1所述的一种异质芯片连接组装装置，其特征在于，还包括主动可调驱动组件，所述公共载板（103）中部开设空腔（106），空腔（106）内设置主动驱动框架（202），透镜阵列（201）通过基座（203）固定于主动驱动框架（202）上；

3.如权利要求2所述的一种异质芯片连接组装装置，其特征在于，所述mems折叠梁（204）集成pzt压电薄膜，四组mems折叠梁（204）对称布置于主动驱动框架（202）四角，两端分别连接主动驱动框架（202）与空腔（106）侧壁，通过电压驱动形变调节透镜阵列（201）俯仰角度。

4.如权利要求1所述的一种异质芯片连接组装装置，其特征在于，还包括闭环反馈控制系统，闭环反馈控制系统包含mcu微控制器、光功率检测模块、压电驱动电源、静电梳齿驱动电源，mcu微控制器内置控制算法模块，光功率检测模块采集所述第二芯片（102）输出光功率，mcu根据功率信号输出驱动电压，控制mems折叠梁（204）、x向mems梳齿驱动器（205）和y向mems梳齿驱动器（206）自动搜寻并锁定最优耦合点位，实时补偿温漂、形变、材料老化带来的耦合偏移。

5.如权利要求1所述的一种异质芯片连接组装装置，其特征在于，还包括自准直限位组件，自准直限位组件包括定位孔（107）与匹配的机械凸起（207），所述定位孔（107）通过drie深反应离子刻蚀成型于芯片边缘或透镜基座（203），所述机械凸起（207）设于透镜阵列（201）承载架，机械凸起（207）与定位孔（107）卡合配合实现微米级粗对准；

6.如权利要求1所述的一种异质芯片连接组装装置，其特征在于，所述透镜阵列（201）采用双透镜阵列组时，两组透镜阵列（201）平行布置，两组透镜之间形成准直平行光光路，芯片间距提升至1~2mm，光路中间可集成光隔离器、分束器无源光学器件。

7.如权利要求1所述的一种异质芯片连接组装装置，其特征在于，所述公共载板（103）材质为氮化铝，第一芯片（101）、第二芯片（102）选自soi硅光芯片、薄膜铌酸锂lnoi、氮化硅sin、磷化铟inp。

8.如权利要求1所述的一种异质芯片连接组装装置，其特征在于，所述透镜阵列（201）采用高折射率光学硅或熔融石英制备。

9.如权利要求2所述的一种异质芯片连接组装装置，其特征在于，所述主动驱动框架（202）、x向mems梳齿驱动器（205）和y向mems梳齿驱动器（206）基底采用单晶硅，x向mems梳齿驱动器（205）、y向mems梳齿驱动器（206）为静电驱动，驱动电压范围0~40v，x/y双向位移调节行程±10μm；

10.如权利要求4所述的一种异质芯片连接组装装置，其特征在于，所述mcu微控制器内置控制算法执行步骤包括：