超小型光发送模块及应用半导体封装方式的其制造方法与流程

1.本发明涉及光发送模块，更具体地，涉及如下的超小型光发送模块及其制造方法，即，可使得朝向芯片的边缘(edge)方向发射光的边缘型发光器件、光学部件及光纤之间的所有x方向、y方向、z方向上的光学对准自动化，从而降低组装难度。


背景技术：

2.在光通信领域中，作为增加数据传输容量的方法可以扩展通信带宽或可用通道或应用高阶调制，但从根本上而言，提高负责光收发功能的光收发器的速度，尤其是提高光器件及光部件速度的技术很重要。
3.随着社会化网络服务(sns)、视频等大容量移动服务的需求爆发式增长而引起的流量增加提高了对网络增强的需求，因此，数据中心的光链路已从现有的10gbps快速应用最近的100gbps超高速光网络技术，以2019年为基准，100gbps光通信部件占用整个数据中心的约50％以上。
4.最近，由于第四产业，数据流量正在迅速增加。并且，随着5g的全面普及，需要构建网络以便应对。
5.多路复用(multiplexing)作为有效利用限定通信资源的方式，是一种将多个低速通道高速传输到一个传输通道，而无需在两个通信点之间分出单独的通道传输低速数据的方式。
6.由于这种多路复用技术具备减少传输设备投资成本、最大限度地提高通信链接效率、简化通信线路设备等诸多优点，因此，可积极应用于5g网络构建。
7.这种多路复用光通信网络需要如下设备：多路复用器(mux，multiplexer)，用于在网络的两端部将多种传输流结合成单流；以及多路输出选择器(demux，demultiplexer)，将结合的单流分离成各个要素并向相应接收装置传输。
8.多路复用包括时分多路复用(tdm)、频分多路复用(fdm)、码分多路复用(cdm)、波分多路复用(wdm，wavelength division multiplexing)等多种方式。其中，波分多路复用利用光信号的频率特性，通过光纤的宽频率范围同时传输多个频带的信号。
9.即，波分多路复用是指同时传输多个光波长的光传输方式，通过在一个光纤复用多个波长并再次解复用来传输信息。
10.波分多路复用基于波长间隔和频带被分为粗波分复用(cwdm)、密集波分复用(dwdm)、短波波分复用(swdm)等。
11.当规定区间的线路达到饱和状态时，现有的光通信方法需安装新光缆，但是，若应用波分多路复用传输方式，则无需安装新光缆，而只需一个光纤即可传输多个通道的光信号，因此，可降低成本。由于单模(single mode)光纤本身具有无限带宽，因此，非常容易增加网络容量。
12.光收发器作为用于收发数据的装置，在连接光通信网络的光缆与负责传输数据的传输设备之间起到将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号的作用。
13.数据中心的光链路主要使用100g cwdm4 qsfp 规格的光收发器，其传输距离为2km，传输速率为100千兆/秒。
14.阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)作为实现波分多路复用技术的核心部件，用于数据中心及5g用阵列波导光栅。而且，随着数据中心内收发光模块的高集成化和小型化的趋势，阵列波导光栅用于使得100g级收发光收发器内部的光发送模块(tosa，transmitter optical sub-assembly)部件、光接收模块(rosa,receiver optical sub-assembly)部件能够执行多路复用功能和多路输出选择功能。
15.多路复用器作为用于结合或分离光信号的设备，以能够通过单线路传输并接收3g、lte、5g等多种服务。因此，若应用多路复用设备，则可通过插入方式构建5g网络，而无需单独设置光缆，并且，由于可在不改变现有光缆网络结构的情况下使用，因此，不仅可迅速构建网络，而且，可在设置有光缆的任何地方构建5g。
16.通常，光发送模块(tosa)用于高速传输数据。光发送模块(tosa)包括将电信号转换为光信号并用于调制/合成光信号的硬件。光发送模块必备：光源(发光器件)，用于产生光；以及光学部件，用于调制/合成光。
17.通常，光发送模块为了实现发光器件、光学部件及光纤紧固部件之间的光传递而需要精密的光学对准，因此，存在额外使用光学系统(透镜、反射面等)的情况，以便通过简单组装来克服精密度的限制。
18.光发送模块(tosa)作为光通信系统的必要核心部件，用于将电信号转换为光信号。光通信系统通常用于在电通信系统及数据通信系统等多种系统中传输数据。电通信系统通常用于在从几英里到几千英里的范围距离内发送数据。数据通信通常用于向数据中心发送数据。这种系统用于从几米到几百米的范围距离内发送数据。
19.通常，在300m以内的短距离光通信的情况下，可通过作为发光器件使用多模型垂直腔面发射激光器(vcsel；vertical-cavity surface-emitting laser)来实现，但是，垂直腔面发射激光器无法实现远距离传输。
20.需要进行将大量数据传输300米以上到数十公里的远距离传输的光网络的主干或数据中心内采用的100g级光收发器的光发送模块(tosa)，其需要执行聚集不同波长(频率)的4个通道的信号来通过一个光纤传输的波长多路复用器(wdm mux)功能。
21.这种波长多路复用器(wdm mux)需对可远距离传输的四个单模边缘型发光器件与具有用于波分多路复用传输的单模波导的阵列波导光栅进行对准。
22.韩国公开专利公报第10-2020-0006655号(专利文献1)公开的光发送模块包括：多个光源，用于输出光信号；光学多路复用器，对从上述多个光源输出的光信号进行多路复用；准直(collimating)透镜，用于将从光学多路复用器输出的光信号转换为平行波束形式；封装件，在内侧安装有上述多个光源、光学多路复用器及准直透镜；以及光频隔离器(optical isolator)，配置在上述封装件的内侧一面，用于阻隔从上述光发送模块的外部反射回来的光信号，从上述多个光源输出的光信号通过配置在上述封装件内部的光学多路复用器多路复用成一个光信号并经过准直透镜后，通过配置在上述封装件外部的光耦合透镜与插座(receptacle)内的光纤插芯(fiber stub)光耦合并向外部输出。
23.在专利文献1中，由于光源、光学多路复用器、透镜等分散组装在盒体形态的封装件内部，因此，具有体积过大的缺点。


技术实现要素：

24.技术问题
25.为了制造光发送模块，上述光发送模块的结构部件之间的光信号传输需要精密的光学对准。在此过程中，组装成本增加，尤其，发光器件与光部件之间的对准具有最高组装难度，这导致组装成本增加。
26.尤其，阵列波导光栅包括沿着可远距离传输的芯片的边缘(edge)方向发射光的边缘型发光器件和单模波导(single mode waveguide)，为了实现上述阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)的对准，次微米(sub-micron)单位的对准需要均沿着x方向、y方向、z方向进行。然而，在x方向、y方向上，边缘发光器件与阵列波导光栅之间的次微米单位的对准可通过精密的拾取放置设备(pick and place)进行，但是，在z方向上，因各个器件的高度本身存在微米以上的公差而导致边缘发光器件的发光点(spot)高度与阵列波导光栅的芯部的高度不同，因此，仅靠芯片的精密放置(place)并不能解决光学对准问题。
27.不仅如此，无论是否包括控制集成电路(ic)，上述光发送模块都应有效地将电信号连接到外部。在此情况下，现有技术通常使用引线键合，但为了高速信号传输，引线键合可能导致信号完整性(signal integrity)的损失。
28.并且，上述光发送模块需要小型化和集成化。这是因为为了基板上的通信、半导体芯片封装件上的通信等，焊垫(foot print)和高度本身应减小，而且，小型化对于实现tv、vr等用户设备之间的光通信至关重要。因此，光发送模块本身的尺寸需实现小型化且通过集成需要的集成电路等来实现集成化。
29.本发明为了解决如上所述的问题而导出，本发明的目的在于，提供如下的超小型光发送模块及其制造方法，即，通过扇出型晶圆级封装(fowlp，fan out wafer level packaging)方式进行封装，以使朝向芯片的边缘(edge)方向发射光的边缘型发光器件、光学部件及光纤之间的所有x方向、y方向、z方向上的光学对准自动化，从而降低组装难度，由此可完全解决器件之间因配线引起的高度公差。
30.本发明的再一目的在于，提供如下的超小型光发送模块及其制造方法，即，具有简单结构，使得光发送模块、光纤及光学部件的组装体可通过最少数量的结构部件和组装工序结合。
31.本发明的另一目的在于，提供如下的超小型光发送模块及应用半导体封装方式的其制造方法，即，可在光发送模块集成系统级封装(sip，system in packag)形式的光器件及多种电子器件，并且可以使光发送模块的尺寸小型化。
32.解决问题的方案
33.本发明一实施例的光发送模块的特征在于，包括：模具本体，具有相向的第一面及第二面；多个边缘型发光器件，分别以与第一面匹配的方式模塑于上述模具本体内，朝向芯片的边缘(edge)方向产生光信号；以及光学部件，用于对从上述多个边缘型发光器件入射到一侧的多个光信号进行光学多路复用(multiplexing)来输出。
34.在此情况下，上述发光器件的表面与光学部件的光轴设有相同的高度，上述芯片的边缘(edge)方向可以与上述模具本体的第一面平行。
35.上述光学部件可以由阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)构成，上述阵列波导光栅在一侧具有与上述多个边缘型发光器件相对应的多个输入波导，用于对通
过多个输入波导入射的多个光信号进行光学多路复用(multiplexing)来向输出波导输出，可将上述发光器件的光轴高度设置为与输入波导的芯部的高度相同。
36.并且，上述阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)可包括：光学多路复用部，用于执行光学多路复用(multiplexing)功能；多个输入波导，与上述光学多路复用部的前端部相连接，用于接收从多个发光器件入射的多个光信号；以及单模输出波导，与上述光学多路复用部的后端部相连接，用于输出多个光信号被多路复用后输出的一个光信号。
37.而且，上述阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)的多个输入波导以没有顶包层的状态模塑于模具本体的第一面的内部，还可包括配线层，由绝缘物质形成在包括上述多个输入波导的芯部上部在内的模具本体的第一面，起到多个输入波导的顶包层的作用。
38.优选地，形成在上述输入波导的顶包层部分的配线层使用折射率低于上述输入波导的芯部折射率的材料。
39.本发明一实施例的光发送模块还可包括：配线层，由绝缘物质形成在上述模具本体的第一面；配线金属，形成在上述配线层的内部及外部，用于将密封在模具本体内部的发光器件连接到外部；以及外部连接端子，暴露在上述配线层的表面，与密封在上述配线金属或模具本体的内部的器件相连接。
40.上述外部连接端子可以为使用引线键合(wire-bonding)衬垫或锡球(solder ball)的球栅阵列(ball grid arra)形式。
41.本发明一实施例的光发送模块还可包括多个监控光电二极管，分别埋置在上述多个发光器件的后端，对上述发光器件工作时产生的光量进行监控来产生用于判断光发送模块是否发生故障的检测信号。
42.上述光学部件可执行用于聚集不同波长的多个通道的信号来通过一个光纤传输的波长多路复用功能(wdm mux)。
43.本发明再一实施例的光发送模块的特征在于，包括：模具本体，形成有相向的第一面及第二面；多个边缘型发光器件，分别模塑于上述模具本体的第一面的内部，朝向芯片的边缘(edge)方向产生光信号；阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)，模塑于上述模具本体的第一面的内部，在一侧具有与上述多个边缘型发光器件相对应的多个输入波导，用于对通过多个输入波导入射的多个光信号进行光学多路复用(multiplexing)来向输出波导输出；以及配线层，由绝缘物质形成在上述模具本体的第一面，上述阵列波导光栅以未在输入波导形成顶包层的状态模塑于模具本体的第一面的内部，上述配线层由绝缘物质形成在包括多个输入波导的芯部上部在内的模具本体的第一面，起到输入波导的顶包层的作用。
44.上述多个边缘型发光器件为分布式反馈激光器(dfb，distributed feedback laser)，上述分布式反馈激光器(dfb，distributed feedback laser)的光轴高度设置为与输入波导的芯部的高度相同，上述分布式反馈激光器芯片的边缘(edge)方向可以与上述模具本体的第一面平行。
45.本发明实施例的光发送模块还可包括光纤组装引导部，以与输出波导相对应的方式形成在上述模具本体的第一面，用于放置光纤。
46.并且，本发明实施例的光发送模块还包括：外部连接端子，形成在上述模具本体的
第二面，与外部电连接；以及垂直导电路径，贯通上述模具本体，与上述外部连接端子电连接，上述垂直导电路径可通过配线层与发光器件相连接。
47.本发明实施例的光发送模块还包括光纤块，以与上述输出波导相对应的方式与光发送模块的一端部相结合，用于收容光纤，上述光纤块可通过配线层对准，以使得光纤与输出波导相对应。
48.本发明实施例的光发送模块可通过扇出型晶圆级封装(fowp，fan out wafer level packaging)方式进行封装，从而消除因器件之间的配线引起的高度公差。
49.本发明的光发送模块的制造方法的特征在于，包括如下步骤：在涂有粘结剂的载体(carrier)上的预设位置附着发光器件、未在输入波导形成顶包层(top cladding)以使光轴高度与上述发光器件匹配的阵列波导光栅；使用环氧树脂模塑料(emc)在载体的上部形成模塑层并经过固化后，对表面进行平坦化；对上述固化的模具的上部面进行化学机械抛光(cmp，chemical mechanical polishing)处理后，分离固化的模具和载体来获得具有相向的第一面及第二面的模具本体；通过翻转上述模具本体来暴露第一面，上述发光器件的端子衬垫和上述阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)的输入波导的芯部位于上述第一面；以及利用绝缘物质在上述模具本体的第一面形成配线层，形成在上述输入波导的芯部上部的配线层使用折射率低于上述输入波导的芯部折射率的材料，以起到输入波导的顶包层的作用。
50.可将上述发光器件的发光点(spot)的高度设置为与上述输入波导的芯部的高度相同。
51.本发明的光发送模块的制造方法还可包括形成外部连接端子的步骤，上述外部连接端子通过上述配线层与上述发光器件相连接，形成在上述模具本体的第一面或第二面，与外部电连接。
52.本发明的光发送模块的制造方法还可包括如下步骤：对上述阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)的输出波导的前端部进行蚀刻来形成光纤收容空间；以及对光发送模块晶片的光纤收容空间的下端进行晶片切割(wafer sawing)来分离成单独的封装件，从而在光发送模块封装件的一侧面形成能够插入光纤的光纤组装引导部。
53.发明的效果
54.通常，可实现数十千兆至一百千兆以上的高速传输的光收发器需要小型且以1mm厚度超薄化的光接口连接器，并且，需要满足合理的制造成本。
55.尤其，作为用于制造100g级光发送模块(tosa)的光器件，将朝向芯片的边缘(edge)方向发射光的边缘型发光器件(例如，分布式反馈激光器)作为光学部件，例如，随着在用于将4个通道的光多路复用为一个的阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)及光纤(optical fiber)之间使用被动对准(passive alignment)，不应发生失准(mis-alignment)。
56.为了边缘型发光器件与阵列波导光栅的对准，次微米(sub-micron)单位的对准需要均沿着x方向、y方向、z方向进行，因此，本发明可通过扇出型晶圆级封装(fowlp，fan out wafer level packaging)方式进行封装来完全解决器件之间因配线引起的高度公差，以使得发光器件、光学部件及光纤之间的所有x方向、y方向、z方向上的光学对准自动化，从而降低组装难度。
57.并且，本发明具有简单结构，使得光发送模块、光纤及光学部件的组装体可通过最少数量的结构部件和组装工序结合。
58.而且，本发明可在光发送模块集成系统级封装(sip，system in packag)形式的光器件及多种电子器件，并且可以使光发送模块的尺寸小型化。
59.在不使用基板的情况下，本发明可利用半导体制造工序的扇出型晶圆级封装(fowlp，fan out wafer level package)方式对光器件和驱动芯片进行封装来实现超小型化，使得光发送模块变成现有模块的1/16。
60.并且，本发明使得开放(open)结构的光纤组装通道作为一体形成在系统级封装(sip，system in package)形式的光发送模块，由此，可将光引擎封装为一个芯片或单个器件。
61.本发明可具有通过拾取放置型(pick&place type)来在封装件的光纤组装通道中自动组装光纤的结构。
62.并且，本发明可提供能够超高速收发大容量数据的小型且以1mm厚度超薄化的有源光缆(aoc)组装体(光接口连接器)。
63.本发明以能够物理装拆的方式结合在终端的配合端口，同时，可通过设置在配合端口的接口来进行i/o电接合或光接合。
64.并且，本发明具有由锡球构成的外部连接端子，因此，可执行板(pcb)与板(pcb)之间、芯片(chip)与芯片(chip)之间、板(pcb)与芯片(chip)之间、板(pcb)与周围设备之间的超高速大容量数据传输。
65.本发明的连接器插头作为兼具电光转换功能和光电转换功能的光转发器(transponder)芯片，可通过系统级封装(sip)、片上系统级封装(soc，system on chip)、板上系统级封装(sob，system on board)、层叠封装(pop，package on package)中的一种方式实现封装。
66.并且，本发明的有源光缆(aoc)可实现符合迷你显示端口、标准显示端口、迷你通用串行总线(usb，universal serial bus)、标准通用串行总线、高速串行计算机扩展总线标准(pcie)、ieee 1394火线接口(firewire)、雷电接口(thunderbolt)、闪电接口(lightning)、高清多媒体接口(hdmi)、qsfp、sfp、cfp等数据传输标准规格的外部连接端子。
附图说明
67.图1a为本发明的无驱动(driver-less)光发送模块的纵向剖视图，图1b为图1a所示的光发送模块的器件配置图。
68.图2为用于说明本发明第一实施例的无驱动光发送模块的必要结构要素的剖视图。
69.图3为发光器件和光部件的光轴高度不同的本发明第二实施例的无驱动光发送模块的剖视图。
70.图4为本发明第三实施例的驱动器内置型光发送模块的剖视图。
71.图5为在光发送模块形成有用于收容光纤的光纤组装引导部的无驱动光发送模块的剖视图。
72.图6为使用有利于光纤对准的光纤对准部件的无驱动光发送模块的剖视图。
73.图7为在光发送模块直接结合用于收容光纤的光纤快的无驱动光发送模块的剖视图。
74.图8为用于说明本发明的无驱动光发送模块的制造方法的工序剖视图。
75.图9为示出通过本发明制造的光发送模块的立体图。
具体实施方式
76.以下，参照附图，详细说明本发明的实施例。在此过程中，为了说明的明确性及便利性，附图所示的结构要素的尺寸或形状等可被放大示出。
77.由于用于将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号的器件成本较高，因而光通信系统通常在网络中用作主干。但是，光通信系统可向计算机通信提供多种优点。计算机通信是指从几厘米到几百厘米的通信。
78.本发明公开了适用于远距离的终端与终端之间的光通信的光通信系统，以及可适用于计算机通信的系统。
79.光通信系统可使用将光纤连接到光发送模块(tosa，transmitter optical sub-assembly)或光接收模块(rosa，receiver optical sub-assembly)的半导体封装件。作为发光器件的一例有分布式反馈激光器(dfb，distributed feedback laser)，作为光接收器件的一例有光电二极管(pd，photodiode)。
80.用于使光发送模块执行多路复用功能的光学部件可使用具有单模波导(single mode waveguide)的阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)。
81.驱动电路(即，驱动芯片或光集成电路)通过光器件进行工作。例如，光电二极管与用于放大因光电二极管上的光子碰撞产生的电信号的跨阻放大器一同进行工作。并且，在发光器件的情况下，驱动电路用于驱动发光器件。
82.在本发明中，将发光器件、监控光电二极管、执行光学多路复用(multiplexing)功能的光学部件等与驱动电路(驱动芯片)一同通过倒装芯片(flip chip)封装技术集成器件，而无需通过引线键合集成并使用基板，通过向外侧拉出输入输出(i/o)端子并利用扩展端子的扇出型晶圆级封装(fowlp，fan out wafer level package)方式进行封装来完全解决器件之间因配线引起高度公差，从而可实现超薄的光发送模块。
83.并且，光发送模块利用半导体工序以晶片单位执行制造流程后，使得用于放置光纤的光纤组装引导部作为一体形成在光发送模块的一面，从而通过半导体封装方式获得能够通过单独分离的切割工序固定光纤的光发送模块。
84.而且，在本发明中，将发光器件、监控光电二极管、执行光学多路复用(multiplexing)功能的光学部件等与驱动电路(驱动芯片)一同通过倒装芯片(flip chip)封装技术形成超薄的光发送模块，同时，作为光学部件一并封装阵列波导光栅，由此，可使得发光器件与阵列波导光栅之间的所有x方向、y方向、z方向上的光学对准自动化，从而降低组装难度。
85.并且，随着发光器件和光学部件一体形成在光发送模块晶片，并且将用于光纤组装的光纤组装引导部形成为一体来使得发光器件与光学部件之间的三维光学对准自动进行，即使光学部件与光纤之间的对准不利用主动对准技术，而是利用简单的被动对准
cladding)与顶包层(top cladding)之间插入有芯部(core)的结构。此时，在阵列波导光栅的输入波导303a、303b、303c、303d中，底包层和顶包层可使用折射率低于芯部折射率的材料来实现。
100.在阵列波导光栅的输入波导303a、303b、303c、303d中，若使用氮氧化硅(sion)或二氧化硅(sio2)形成顶包层，则顶包层的高度应为15μm～20μm以上。然而，相对于普通的边缘型发光器件，例如，分布式反馈激光器(dfb，distributed feedback laser)的光轴(即，发光点)高度为4μm～5μm水平，因此，将导致边缘型发光器件200a、200b、200c、200d的光轴与阵列波导光栅的输入波导的光轴(即，芯部)之间的高度具有较大差异。
101.通常，当分布式反馈激光器(dfb，distributed feedback laser)通过焊接方式安装在印制电路板(pcb)时，考虑到存在于印制电路板与分布式反馈激光器之间的焊接层至少为10μm，因此，难以通过被动对准来实现边缘型发光器件的光轴与阵列波导光栅的输入波导的光轴之间的对准。
102.分布式反馈激光器(dfb，distributed feedback laser)具有通过使光波导形成为周期性结构来具备波长选择性的谐振器，虽然发光原理与普通半导体激光相同，但是，为了使光的波长变得相同，在发光部设置凹凸部，使得光纤内传输的光速度也相同，从而防止信号波形塌陷。
103.在本发明中，边缘型发光器件200a、200b、200c、200d与阵列波导光栅的输入波导303a、303b、303c、303d之间以次微米(sub-micron)单位进行所有x方向、y方向、z方向上的光学对准。
104.首先，在x方向、y方向的情况下，在4个(4个通道)或10个(10个通道)的边缘型发光器件200a、200b、200c、200d与阵列波导光栅的输入波导303a、303b、303c、303d之间，通过如图9所示的精密的拾取放置(pick and place)设备在二维平面上执行次微米单位的对准。
105.随后，在z方向(高度方向)的情况下，由于边缘型发光器件200a、200b、200c、200d与阵列波导光栅的输入波导303a、303b、303c、303d之间的高度本身存在微米以上的公差，并且，边缘型发光器件的发光点(spot)的高度本身也不同于输入波导303a、303b、303c、303d的芯部高度，因此，仅通过芯片的精密放置(place)难以解决z方向上的光学对准问题。
106.为了解决上述问题，本发明提供如下方法，即，如图1a及图8a至图8g中详细示出，优先对去除输入波导(waveguide)的顶包层(top cladding)的阵列波导光栅进行封装后，使用折射率比芯部320低的材料形成配线层400来使得配线层400起到顶包层(top cladding)的作用，从而克服两个器件之间的高度差异。
107.本发明可提供如下的光发送模块100，即，如图8a至图8g所示，当对发光器件200和各种驱动电路(驱动芯片)进行倒装芯片(flip chip)封装时，可通过一并封装阵列波导光栅来使得发光器件200与光学部件300(即，阵列波导光栅)之间的x方向、y方向及z方向的光学对准自动化，从而降低组装难度。
108.其结果，本发明的阵列波导光栅通过对从内置在光发送模块100的多个发光器件200产生的光信号，例如，对4个通道的光信号执行波分复用(wdm，wavelength division multiplexing)功能来向光纤610传输。由此，光发送模块100可对每个通道实现25gbps
×
4个通道＝100gbps的波长多路复用。并且，光发送模块100也可对每个通道实现10gbps
×
10个通道＝100gbps的波长多路复用。
109.在图1a及图1b中，在发光器件200的后端埋置有多个监控光电二极管210、210a、210b、210c、210d。上述监控光电二极管210对发光器件200工作时产生的光量进行监控来产生用于判断光发送模块100是否发生故障的检测信号并通过外部连接端子411向系统控制部传输。
110.本发明的光发送模块100可包括用于连接光发送模块100和光纤610的光连接部件600，在光发送模块100的上部面或下部面的表面附着有散热部件800，当发光器件200或驱动集成电路220等产生热量时，可使得光发送模块100具有散热功能。
111.其中，作为光连接部件600的一例，可使用qsfp的硬件连接器，作为散热部件可使用热电冷却器(tec，thermo-electric cooler)或金属块等。
112.在此情况下，埋置在配线层400的配线金属410及垂直导电路径412可使得从内部器件中产生的热量有效传递到设置于表面的散热部件(热电冷却器、散热块等)800。
113.如上所述，当本发明以不使用基板的倒装芯片(flip chip)封装方式对发光器件200和阵列波导光栅进行封装时，在将去除输入波导(waveguide)的顶包层(top cladding)的阵列波导光栅以与发光器件200相同等级定位的状态下形成模具本体110，作为配线层400的材料使用折射率比芯部320低的物质，使得配线层400起到顶包层(top cladding)和绝缘层的作用，由此，可在执行光学多路复用的光学部件300之间实现所有x方向、y方向、z方向上的光学对准自动化，从而降低组装难度。
114.在上述实施例的说明过程中，虽然将上述光学部件300以对多个通道的光信号执行波分复用(wdm，wavelength division multiplexing)功能来向光纤传输的阵列波导光栅为例进行了说明，但是，本发明不限于此。
115.上述光学部件300具有输入波导，可起到处理光或传递光的作用。因此，除包括输入波导的光学多路复用器(multiplexer)外，上述光学部件300可以为包括输入波导的调制器(modulator)，即，马赫曾德尔干涉仪(mzi，mach
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zehnder interferometer)或环式调制器(ring modulator)。在此情况下，上述光学部件300通过光学器件调制信号，而并非调节激光的光量来调制信号。
116.并且，上述光学部件300可以为在一个器件中同时实现调制功能和多路复用功能的器件。
117.作为另一例，上述光学部件可作为用于光束形成(optical beam forming)的器件而用作汽车激光雷达等的部件，上述光学器件也可以为用于分离(split)相同波长的光的分离器(splitter)。
118.图2为用于说明第一实施例的无驱动光发送模块的必要结构要素的剖视图。
119.在第一实施例的无驱动光发送模块100中，发光器件200和光学部件300配置在配线层400下端部的同一平面上。即，发光器件200的发光点与光学部件300的输入波导的芯部配置在配线层400下端部的同一平面上，因此，发光器件200与光学部件300的光轴实现自动对准。
120.发光器件200与光学部件300相邻配置，内置在模具本体110内部，上述模具本体110由可传输光信号的模塑材料密封而成。
121.在此情况下，模具本体110可包括两种以上的层，可在传输光信号的发光器件200与光学部件300之间的区域使用对于相应波长具备高透射率的物质，对于剩余部分使用不
透明物质。
122.上述配线层400由绝缘物质制成，可使用聚酰亚胺(polyimide)等聚合物、氧化物(oxide)等。配线层400包括配线金属410，用于封装内部的芯片与芯片之间的连接、芯片与光学部件之间的连接、芯片与外部电器件之间的连接。
123.外部连接端子411与内部配线金属410相连接，用于与芯片外部的连接。外部连接端子411可以为实现引线键合(wire-bonding)衬垫或球栅阵列(bga)形式。
124.并且，如图2所示，不包括控制集成电路(驱动)的光发送模块(driver-less tosa)100接收控制集成电路提供的电信号并将其转换为光信号。在此情况下，以能够直接生成光信号的方式提供电信号。但是，如图4所示，包括控制集成电路的光发送模块向内部的控制集成电路输入部提供适合的电信号。在以上两种情况下，光发送模块的输出信号均以光信号形式输出。
125.图3示出发光器件和光部件的光轴高度不同的本发明第二实施例的无驱动光发送模块。
126.本发明第二实施例的无驱动光发送模块100通过去除作为光学部件300的阵列波导光栅的输入波导的顶包层(top cladding)或减少高度来匹配阵列波导光栅的芯部320与发光器件200的光轴高度。
127.光学部件300使用具有多个输入波导(waveguide)的阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)，输入波导可具有在硅基板330上依次形成有底包层(under cladding)310和芯部(core)320的结构。在此情况下，可在阵列波导光栅的输入波导使用折射率比芯部低的材料形成底包层。
128.在此情况下，阵列波导光栅的芯部320和发光器件200的光轴高度可以不完全相同，并且，可考虑光扩散路径来变更。顶包层(top cladding)的不足作用可通过层叠在光学部件300的表面的配线层400实现。
129.图4示出第三实施例的无驱动光发送模块。
130.第三实施例的无驱动光发送模块100作为封装在模具本体110内部的器件，包括：驱动集成电路220，用于驱动并控制发光器件200；光电二极管(mpd，monitor photodiode)210，用于监控发光器件200的光量；以及配线层，用于连接驱动集成电路220和光电二极管210。
131.如图4所示，在本发明的光发送模块100中，除驱动集成电路220外，在模具本体110的内部还可包括各种驱动电路(驱动芯片)。
132.在本发明中，可使用系统级封装(sip，system in package)方式制造一并集成发光器件200和光学部件300的单个半导体封装件，也可制造无限制地一并集成多种器件的单个半导体封装件。
133.作为一例，这种器件可以为串行解串器(serdes，serrialization/de-serialization)、激光控制集成电路、微控制器(mcu，micro controller unit)、中央处理器(central processing unit)、纠错(error correction)器件等。这些器件可通过封装内部的配线层相连接，而无需引线键合。
134.为了与外部进行连接，第三实施例的光发送模块100可包括位于配线层400上方的外部连接端子411和位于配线层400对面的另一外部连接端子413。
135.在此情况下，为了连接配线层400与对面而使用垂直方向的垂直导电路径412。垂直导电路径412可直接贯通模具本体110，可包括在其他结构物内部来连接。外部连接端子413可以为由锡球形成的球栅阵列形式。
136.接着，对光发送模块与光纤之间的连接方法及装置进行说明。在此情况下，光发送模块包括所有以上说明的示例。
137.作为一例，在图5中，通过蚀刻光发送模块100的一部分来形成用于收容光纤610的光纤组装引导部601。当光学部件300的基板(substrate)由硅(si)制成时，因能够实现各向异性刻蚀而具有可精密制造所期望形状的优点。
138.作为再一例，在图6中，可使用有助于光纤对准的光纤对准部件620。在光纤对准部件620形成有引导销622，以便轻松与收容光纤的光纤块相结合，而无需直接插入光纤。并且，可在配线层400或配线层上部形成结构物来使得光纤对准部件620与光发送模块100对准。在光纤对准部件620还可额外设置帮助光对准的透镜621。上述透镜621可以为用于集束入射光的准直透镜。
139.作为另一例，在图7中，将收容光纤610的光纤块600直接结合在光发送模块100。在此情况下，使用光发送模块100的配线层400或配线层上部的结构物进行对准，或者两个结构物接触之后，可通过主动光学对准(active optical alignment)方式进行对准。
140.以下，参照图8a至图8g，对本发明的应用半导体封装方式的光发送模块的制造方法进行说明。
141.本发明一实施例的光发送模块100的半导体封装首先从将光学器件，即发光器件200的表面与作为光学部件300的阵列波导光栅芯片的光轴之间的高度恒定部分放置在平坦的表面上。由此，可在发光器件200与光学部件300之间执行z轴方向的高度对准。
142.以往这种方法难以实现的原因在于，需要在高度恒定部分额外设置用于电连接的电连接部(端子衬垫)，可因电连接部(端子衬垫)的焊接部分而产生高度的公差。
143.在本发明中，使用如下的扇出型晶圆级封装(fowlp，fan out wafer level packaging)方式：将器件之间的电连接部重建(reconstruction)为晶片形态，并且使用半导体配线工序在其上方进行配线。从而可以完全解决因器件之间配线引起的高度公差。
144.本发明的使用半导体封装方式的光发送模块的制造工序如下：首先，如图8a所示，使用拾取放置(pick and place)设备在涂有粘结剂的载体(carrier)500上方的所需位置设置所要封装的芯片，例如，图1b所示，将发光器件200、监控光电二极管210、执行光学多路复用(multiplexing)功能的光学部件300设置在所需位置。作为发光器件200使用分布式反馈激光器(dfb，distributed feedback laser)，作为光学部件300可使用阵列波导光栅(awg，arrayed waveguide grating)。
145.上述阵列波导光栅仅将形成输入波导的要素中的底包层310和芯部320形成于硅基板300上以匹配分布式反馈激光器的光轴高度，使用未形成有顶包层(top cladding)的芯片。
146.如图8e所示，在下述工序中，当形成用于收容光纤的光纤组装引导部601时，可在上述阵列波导光栅的硅基板330一侧填充临时填充物质340，使得在各向异性刻蚀过程中的蚀刻变得简单。
147.利用上述载体(carrier)500并通过倒装芯片(flip chip)工序向预设位置附着要
积累在光发送模块100的各种芯片形式的部件，如图8g所示，载体(carrier)500能够呈晶片形态，以便能够以晶片级执行制造流程。
148.除发光器件200、监控光电二极管210、光学部件300外，所要集成在光发送模块100的各种部件为形成驱动集成电路220、垂直导电路径412所需的过孔印制电路板、串行解串器(serdes，serrialization/de-serialization)、激光控制集成电路、微控制器(mcu，micro controller unit)、中央处理器(central processing unit)、纠错(error correction)器件等，通过拾取放置(pick and place)方式安装。确定安装部件的安装方向，使得芯片的连接衬垫与载体(carrier)500相接触。
149.过孔印制电路板可利用激光贯通印制电路板或通过图案及蚀刻工序形成贯通孔(through hole)并将导电金属埋入至贯通孔来形成垂直导电路径412。例如，上述导电金属可以由金(gold)、银(silver)、铜(copper)等金属形成，但不限于此，只要是导电的金属即可。并且，除填充导电金属粉末的方法外，作为在贯通孔形成垂直导电路径412的方法有可通过溅射(sputter)、蒸镀(evaporation)或电镀(plating)向贯通孔埋入导电金属并对表面进行平坦化来形成垂直导电路径412。
150.随后，如图8b所示，将作为模塑物质的环氧树脂模塑料(emc，epoxy mold compound)涂敷于载体(carrier)500的上部来形成模塑层120并经过固化后，对表面进行平坦化。接着，以使得垂直导电路径412(在图8b未图示)的上端暴露的方式对固化的模具的上部面进行化学机械抛光处理后，若分离固化的模具和载体(carrier)500，则获得如图8c所示的超薄的模具本体110。图8b的工序能够以晶片单位进行。
151.模具本体110由可使从发光器件200产生的光信号传输到监控光电二极管210和光学部件300的透明的模塑材料，例如，优选使用环氧树脂模塑料(emc)来形成。
152.然后，如图8c所示，将获得的晶片形态的模塑物翻转，并涂敷用于保护暴露的发光器件200与监控光电二极管210的连接衬垫的绝缘物质来形成图8d所示的配线层400。
153.在此情况下，作为用于形成配线层400的绝缘物质，例如可以由聚酰亚胺(polyimide)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma，poly(methylmethacrylate))、苯并环丁烯(bcb，benzocyclobutene)、硅氧化物(sio2)、丙烯酸或基于其他聚合物的绝缘材料形成。
154.在此情况下，当使用聚酰亚胺(polyimide)形成配线层400时，上述配线层400可具有代替上述阵列波导光栅的输入波导中省略的顶包层(top cladding)的作用。由于输入波导的顶包层使用折射率低于芯部折射率的材料，因此，需要考虑这一点而选择配线层400所使用的材料。然而，也可仅对输入波导的顶包层部分使用折射率比芯部低的材料，而对于剩余部分使用其他绝缘物质。
155.接着，如图8d所示，在配线层400形成配线金属410来确保器件或芯片之间的电连接，首先，涂敷用于保护暴露的发光器件200与监控光电二极管210的连接衬垫的绝缘物质来优先形成配线层400，随后，形成连接衬垫的接触口。
156.然后，形成导电金属层并对其进行图案化来形成使得各个器件的端子衬垫相连接的导电性配线金属410。配线金属410可利用金(gold)、银(silver)、铜(copper)、铝(aluminium)等导电金属并通过溅射(sputter)或蒸镀(evaporation)等方法形成导电金属层来制造。
157.随后，形成用于覆盖导电性配线金属410的绝缘物质，以图1b的方式开放多个接触
口来形成外部连接端子411。外部连接端子411可根据数据传输标准规格发生多种变化，可以为使用引线键合(wire-bonding)衬垫或锡球(solder ball)的球栅阵列(ball grid array)形式。
158.接着，如图8e所示，通过各向异性刻蚀来形成光纤收容空间130，以对配线层、输出波导的前端部及填充有临时填充物质340的部分进行蚀刻。上述光纤收容空间130用于在后续工序中形成用于收容光纤610的光纤组装引导部601。
159.接着，如图8f及图8g所示，在光发送模块晶片150中，对光纤收容空间130的下端进行晶片切割(wafer sawing)来分离出单独的封装件。
160.如上所述，在分离成单独的封装件的光发送模块100中，在封装件的一侧面形成有如图9所示的用于插入单个光纤610的光纤组装引导部601。
161.如上所述，本发明的光发送模块100可通过应用半导体制造工序的扇出型晶圆级封装(fowlp，fan out wafer level packaging)方式对发光器件200、监控光电二极管210、执行光学多路复用(multiplexing)功能的光学部件300等进行封装来实现超薄形态的封装，而无需使用基板。
162.并且，通过扇出型晶圆级封装(fowlp，fan out wafer level packaging)方式将发光器件200和光学部件300一体形成在光发送模块晶片150，而且，将用于光纤组装的光纤组装引导部601形成为一体，从而使发光器件200与光学部件300之间的三维光学对准自动进行，由此，即使发光器件200与光学部件300之间的对准不利用主动对准技术，而是利用简单的被动对准(passive alignment)技术，也可在没有失准的情况下对准。
163.以上，虽然参照附图并例示出特定的优选实施例说明了本发明，但是，本发明并不限于以上实施例，本发明所属技术领域的普通技术人员可在不脱离本发明的思想范围内进行多种变更和修改。
164.产业上的可利用性
165.本发明可利用使得发光器件与光学部件之间的被动对准(passive alignment)变得简单的方式构成光发送模块，并且可通过数百giga至数十tera以上的超高传输速度收发大容量数据，因此可适用于在刀片式服务器(hyper blade server)的板与板之间、uhdtv级的电视与周围设备之间用于传输数据的有源光缆(aoc)。