硅光CPO多通道光隔离与共晶焊异质整合架构及制备工艺的制作方法

本发明涉及半导体结构，尤其涉及硅光cpo多通道光隔离与共晶焊异质整合架构及制备工艺。

背景技术：

1、共封装光学（cpo）技术是将光子引擎与交换专用集成电路芯片通过中介层或基板等载体进行高速协同集成的先进封装方案，其通过大幅度缩短光子引擎与电芯片之间的物理间距来降低链路损耗及功耗。

2、硅光子集成技术利用硅基材料的光波导结构实现光信号的调制、传输与接收，凭借其与互补金属氧化物半导体工艺的高兼容性及高集成密度优势，已成为高算力数据中心、大容量光互联场景下超高速光通信系统的核心物理层实现方案。

3、随着传输速率与通道数量的持续提升，cpo硅光子模组需要在高度紧凑的封装空间内完成多通道光信号的稳定耦合与传输。

4、然而，现有cpo硅光子封装技术仍存在多项亟待解决的工艺与结构缺陷：

5、在微米级通道间距的高密度集成结构中，相邻光路波导间极易发生倏逝波横向泄漏，引发严重的光学串扰效应，从而显著降低系统的信噪比并导致数据误码率恶化；在异质材料集成方面，硅光子晶片与陶瓷承载基板之间存在显著的热膨胀系数差异，传统的恒温恒压共晶焊接工艺在降温阶段会在焊接界面堆积大量残留剪切热应力，该应力会引发晶片微翘曲并导致波导与外部接口产生亚微米级轴向偏移，致使耦合损耗急剧攀升；

6、同时，受工艺窗口限制，上述焊接界面易产生微观空洞与局部虚焊，在高功率工作状态下空洞区的热阻持续升高，进而加剧光路漂移，严重影响高低温循环工况下的长期可靠性；

7、此外，多通道高密度结构在高速信号传输时易产生电磁辐射串扰，而现有封装往往缺乏专用电磁屏蔽结构，且接地层采用分离式焊接导致接地阻抗偏高，配合有限的散热能力，在高负载下热积累极易诱发信号劣化；其光电接口处通常仅以普通塑封覆盖，不具备专用的防潮防尘气密结构，因此难以适应车载高湿、粉尘及宽温度波动等复杂恶劣工况下的长期稳定运行要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，提出硅光cpo多通道光隔离与共晶焊异质整合架构及制备工艺，消除多通道间光学串扰与异质热应力，同时具备高效散热与电磁屏蔽效能，经密封处理可适配数据中心及车载宽温域高可靠光互连场景。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：硅光cpo多通道光隔离与共晶焊异质整合架构及制备工艺，包括氧化铝陶瓷基底，所述氧化铝陶瓷基底上设有电互连线路，所述电互连线路连接有电互联引脚，所述电互连线路通过接地线路连接有接地引脚，所述接地线路固定在氧化铝陶瓷基底上，所述电互连线路对应的氧化铝陶瓷基底区域固定有硅光子芯片，所述硅光子芯片与氧化铝陶瓷基底之间通过共晶焊接缓冲层连接，所述硅光子芯片连接有光路通道，所述硅光子芯片边缘对应的电互连线路上开设有光墙卡槽，所述光墙卡槽内设有二氧化硅光学墙，所述电互连线路、硅光子芯片、光路通道和二氧化硅光学墙封装在电磁屏蔽层内。

3、进一步的，所述光路通道的端头处连接有光通接口，所述光通接口与电磁屏蔽层之间的光路通道上设有密封胶。

4、进一步的，所述电互联引脚的端头处连接有bga电接口。

5、进一步的，所述氧化铝陶瓷基底、接地线路和电磁屏蔽层均封装在环氧塑封层内，所述接地引脚、光通接口和bga电接口伸出环氧塑封层表面设置。

6、硅光cpo多通道光隔离与共晶焊异质整合架构的制备工艺，包括以下步骤：

7、步骤s1：制备表面设有电互连线路、接地线路、电互联引脚和接地引脚的氧化铝陶瓷基底，并在对应相邻光路通道之间的氧化铝陶瓷基底位置开设光墙卡槽；

8、步骤s2：采用高精度视觉对位，将独立的二氧化硅光学墙逐一嵌入所述光墙卡槽中，并通过临时固化胶将硅光子芯片预定位在所述电互连线路对应的氧化铝陶瓷基底区域；

9、步骤s3：采用梯度温压共晶工艺，使硅光子芯片与氧化铝陶瓷基底通过预置的ausi焊料进行共晶焊接，形成共晶焊接缓冲层，同时使所述临时固化胶在真空高温阶段受热气化分解并排出真空腔体；

10、步骤s4：采用电镀工艺，在所述硅光子芯片、二氧化硅光学墙及裸露的电互连线路外制备铜镍合金电磁屏蔽层，并使所述电磁屏蔽层与接地线路形成低阻电连接；

11、步骤s5：在光路通道端头装配光通接口、在电互联引脚端头装配bga电接口并进行回流焊接，涂布耐高温密封胶进行固化，最后将上述组件整体采用低损耗环氧塑封料一体注塑成型，形成仅外露接口的环氧塑封层。

12、进一步的，所述步骤s2中，所述二氧化硅光学墙与相邻光路通道的横向间隙控制为0.1-0.2μm；所述临时固化胶为无残留临时固化胶，所述临时固化胶在140-160℃温度区间内完全气化分解，分解产物为二氧化碳和水蒸气。

13、进一步的，所述步骤s3中，梯度温压共晶工艺的参数包括：焊接腔体真空度≤1×10-3pa；梯度焊接温度为200-220℃；焊接压力为0.5-1mpa；保压时间为30-60min；共晶焊接完成后的降温速率≤1.5℃/min。

14、进一步的，所述步骤s4中，所述铜镍合金电磁屏蔽层的合金成分为cu80wt%和ni20wt%，电镀厚度为5-10μm，电镀层均匀性偏差≤±0.5μm，电镀液温度为45℃；所述电磁屏蔽层与接地线路的连接电阻≤0.05ω。

15、进一步的，所述步骤s5中，所述耐高温密封胶的固化温度为80-100℃，固化时间为30-45min，固化后的光通接口达到ip67防水防尘防护等级；所述环氧塑封层的注塑温度为170℃、注塑压力为7mpa、保压时间为120s，且所述环氧塑封层的光损耗≤0.1db/cm，注塑厚度为0.8-1.2mm，绝缘电阻≥1014ω·cm。

16、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

17、本发明通过二氧化硅光学墙阻断倏逝波串扰保障信号纯净；并利用梯度温压共晶缓冲层的塑性蠕变释放异质热应力，抑制光路偏移并维持低耦合损耗；配合一体化低阻接地、高导热陶瓷及全包裹铜镍合金屏蔽层，实现高效散热与宽频电磁防护；从而消除多通道间光学串扰与异质热应力，同时具备高效散热与电磁屏蔽效能，经密封处理可适配数据中心及车载宽温域高可靠光互连场景；

18、本发明中，通过嵌入相邻通道间的二氧化硅光学墙实现光路隔离，利用介质折射率差对泄漏传输的倏逝波实现反射阻断，以此提升多通道光路隔离度并消除高密度通道间光学串扰，从而降低高速传输数据误码率并保障光信号的纯净传输；并且通过梯度温压共晶工艺成型的共晶焊接缓冲层，可以调节焊接真空度、温度及压力并配合缓慢降温路径使焊接界面微观空洞率保持于低水平，利用共晶焊接缓冲层内部金属晶粒的塑性蠕变特性，释放硅光子晶片与氧化铝陶瓷基底因热膨胀系数失配所产生的剪切热应力，以此避免晶片翘曲并杜绝光路发生亚微米级轴向偏移，使光纤耦合插入损耗稳定于极低值且在温度循环工况下无衰减；而且接地层与接地引脚的一体化烧结成型结构使整体接地电阻降至低值，配合高导热陶瓷基底将晶片工作热量，可以快速导出以抑制热致光路漂移，同时铜镍合金电磁屏蔽层对内部有源及无源结构形成全包裹等电位屏蔽面，在较宽频段范围内提供良好屏蔽效能以隔绝外部电磁辐射与通道间高频电磁串扰。