一种基于光电芯片双面工艺的三维封装结构及封装方法与流程

1.本发明涉及光电芯片封装技术领域，特别是一种基于光电芯片双面工艺的三维封装结构及封装方法。


背景技术：

2.近年来，光电子芯片作为半导体行业的重要方向，已广泛应用于通信、工业、消费、照明等众多领域，如光电芯片中的调制器芯片和探测器芯片是光模块光收发的核心，光开关芯片是网络路由的核心。由于不同材料的性能差异，不同功能的光电芯片会使用不同的衬底，比如光开关器件可以在硅基芯片上制作，而激光器芯片常用gaas或inp衬底等发光性能较好的半导体材料。对于不同芯片之间的光耦合，一般会采用分别封装再相互耦合的方式，或两个芯片侧面进行端面耦合，或在一个芯片表面制作深刻蚀槽结构再将另一小芯片倒装嵌入。这些方式都各有缺点，分别封装集成度低、体积大，两个芯片平铺进行端面耦合占用面积相对较大，小芯片倒装嵌入大芯片对芯片的相对尺寸和表面器件分布有较高要求导致可扩展性差。
3.电子芯片发展比光电芯片早，多芯片的封装方式相对更为成熟。当前电子芯片朝着高密度、小体积的方向发展，利用纵向导电互连的方式实现2.5d或3d封装。而对于光电芯片的三维封装，均仅能够实现芯片上电学接口的三维互连，而无法实现芯片间光学端口的纵向互连。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于光电芯片双面工艺的三维封装结构及封装方法，使得光电芯片在三维堆叠封装时，能够实现光学端口的纵向互联。
5.为实现上述目的，本发明首先提供一种基于光电芯片双面工艺的三维封装结构，所述三维封装结构包括两个及以上层叠设置的光电芯片，相邻的两个所述光电芯片之间彼此间隔；每个所述光电芯片均设置有用于电连接至相邻光电芯片的导电结构；用于连接封装基板的底层光电芯片上设置有至少一个耦合器，所述底层光电芯片以上的其他所述光电芯片上均设置有至少两个通过光波导连接的耦合器，相邻所述光电芯片上的所述耦合器上下对应设置；至少所述底层光电芯片以上的其他所述光电芯片的下表面均设置有微型透镜，所述微型透镜对应于上下两层光电芯片上的耦合器设置，并用于在位于相邻两层光电芯片上的所述耦合器之间做光束耦合。
6.上述三维封装结构中，光电芯片之间在通过导电结构实现电连接的同时，还能够通过微型透镜实现光学端口的纵向互联，这种封装结构不限制光电芯片的片数，且形成的三维封装结构不仅结构紧凑，且相比于将两个或多个芯片分别封装集成，以及将两个或多个芯片平铺进行端面耦合，封装后的结构体积更加小巧。尤其是，本发明提供的三维封装结
构允许至少部分光电芯片的衬底材质不同，适用面更加广泛。
7.在其中一个实施例中，所述光电芯片包括层叠设置的第一光电芯片和第二光电芯片，且所述第一光电芯片作为所述底层光电芯片；所述第一光电芯片上设置有第一耦合器，所述第二光电芯片上设置有第二耦合器、第三耦合器及连接于所述第二耦合器与第三耦合器之间的光波导；所述微型透镜设置于所述第二光电芯片的下表面，所述第一耦合器与所述第二耦合器通过所述微型透镜进行光束耦合。
8.在其中一个实施例中，所述光电芯片还包括间隔地层叠设置于所述第二光电芯片上侧的第三光电芯片，所述第三光电芯片上设置有与所述第三耦合器上下对应的第四耦合器，以及与所述第四耦合器通过光波导连接的第五耦合器；所述第三光电芯片的下表面也设置有所述微型透镜，用于耦合所述第三耦合器与所述第四耦合器的光束。
9.在其中一个实施例中，所述导电结构包括：沿多个所述光电芯片层叠方向贯穿所述光电芯片的导电通孔，以及设置于所述导电通孔两端孔口处的焊盘，相邻两层光电芯片通过上层光电芯片的下侧焊盘与下层光电芯片的上侧焊盘实现电连接。
10.在其中一个实施例中，顶层的所述光电芯片上相对远离所述微型透镜的耦合器设置为光栅、模斑转换器或光隔离器中的一者。
11.本发明第二方面还提供一种基于光电芯片双面工艺的三维封装方法，所述三维封装方法包括如下步骤：s1 提供第一光电芯片及第二光电芯片；s2 在所述第二光电芯片的下表面制作微型透镜；s3 将所述微型透镜对正所述第一光电芯片上表面的第一耦合器，并在所述第一光电芯片和所述第二光电芯片之间制作电连接。
12.在其中一个实施例中，步骤s2包括：s20在所述第二光电芯片的正面涂覆光刻胶，并对所述第二光电芯片的背面做抛光处理；s21 在所述第二光电芯片的背面涂覆光刻胶；s22 以所述第二光电芯片正面的第二耦合器为参照，在所述第二光电芯片背面的光刻胶上制作图案；s23 对步骤s22中的所述图案进行回流和烘烤，形成透镜形状的胶块；s24 对所述第二光电芯片背面进行反应离子刻蚀，以使得所述胶块形成所述微型透镜，然后清除所述第二光电芯片正面的光刻胶。
13.在其中一个实施例中，步骤s1包括：在所述第一光电芯片和所述第二光电芯片上分别制作第一导电通孔和第二导电通孔；步骤s2之后增加如下步骤：在所述第一导电通孔和所述第二导电通孔的上下孔口均制作焊盘，以使得步骤s3中所述第一光电芯片和所述第二光电芯片之间能够通过所述焊盘形成电连接。
14.在其中一个实施例中，还包括如下步骤：在所述第一光电芯片和所述第二光电芯片上用于彼此连接的两个焊盘之一上制
作金属凸点，并通过所述金属凸点在所述第一光电芯片和所述第二光电芯片之间形成电连接。
15.在其中一个实施例中，在步骤s3之后，所述三维封装方法还包括如下步骤：s4将所述第一光电芯片通过引线键合或植球焊接的方式连接至外部封装基板。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应理解附图中示出的各实施例对应附图是定性的对结构进行表达，而并非必然按照实际比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明一种实施方式的基于光电芯片双面工艺的三维封装结构的剖视图；图2为本发明另一实施方式的基于光电芯片双面工艺的三维封装结构的剖视图；图3a为步骤s1中提供的第二光电芯片的剖视图；图3b为步骤s1中提供的第一光电芯片的剖视图；图3c为经过步骤s2后图3a中的第二光电芯片的剖视图；图3d为在图3c所示第二光电芯片上制作上下侧的焊盘及金属凸点后的第二光电芯片的剖视图；图3e为图3b中所示第一光电芯片上制作上下侧的焊盘后的第一光电芯片的剖视图；图3f为将图3d中单独第二光电芯片与图3e中的第一光电芯片上下对正后实施固态连接前的状态图；图4a为在图3a所示第二光电芯片的正面及背面涂覆光刻胶后的结构图；图4b为图4a中所示结构在经过步骤s22后的结构图；图4c为图4b中所示结构在经过步骤s23后的结构图；图4d为图4c中所示结构在经过步骤s24后的结构图。
18.附图标记：100、第一光电芯片；200、第二光电芯片；300、微型透镜；400、固态连接部；500、焊球；600、外置光纤；700、第三光电芯片；11、第一耦合器；12、第一导电结构；121、第一上侧焊盘；122、第一下侧焊盘；123、第一导电通孔；21、第二耦合器；22、第二导电结构；221、第二上侧焊盘；222、第二下侧焊盘；223、第二导电通孔；23、第三耦合器；24、光波导；71、第四耦合器；72、第五耦合器。
具体实施方式
19.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
20.需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本技术的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
21.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
22.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”、“下”可以是第一特征直接和第二特征接触，或第一特征和第二特征间接地通过中间媒介接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
23.除非另有定义，本技术的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。本技术的说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
24.对多个光电芯片进行三维封装，不仅需要考虑芯片与芯片之间的电学接口的纵向互联，还需要考虑光学接口之间的纵向互联，即，需要考虑如何实现层叠的光电芯片之间的光束耦合。
25.在相关现有技术中，不同芯片之间的光耦合通常需要分别将两个芯片封装后再进行，或者在两个芯片的侧面进行端面耦合，或者通过倒装嵌入的方式实现光耦合。分别对每个光电芯片分别封装再进行光耦合的方式，虽然可以实现光学接口的纵向互联，但是，三维封装结构整体体积较大；而在光电芯片端面进行光耦合的方式不仅会使得封装后结构平铺面积较大，且这种方式不适合于芯片层叠设置的三维封装；倒装嵌入的方式虽然能够减小封装后芯片的体积，但是，这种封装方式本身，要求相互嵌装的芯片具有合适的相对尺寸，且光电芯片上的表面器件分布要适合于嵌装其他芯片，这些要求导致可拓展性差。
26.为了实现芯片的三维封装，同时尽可能的减小封装结构的整体体积，本发明首先提供一种基于光电芯片双面工艺的三维封装结构，该三维封装结构包括两个及以上层叠设置的光电芯片，相邻的两个光电芯片之间彼此间隔；每个所述光电芯片均设置有用于电连接至相邻光电芯片的导电结构。用于连接封装基板的底层光电芯片上设置有至少一个耦合器，该底层光电芯片以上的其他光电芯片上均设置有至少两个通过光波导连接的耦合器，上下相邻的光电芯片上的耦合器上下对应设置；至少该底层光电芯片以上的其他光电芯片的下表面均设置有微型透镜，且该微型透镜对应于上下两层光电芯片上的耦合器设置，并用于在位于相邻两层光电芯片上的两个所述耦合器之间做光束耦合。
27.可以理解，微型透镜用于在两个耦合器之间做光束耦合，而底层光电芯片仅存在着与上层光电芯片上耦合器进行光束耦合的需要，所以，底层光电芯片的下表面可以选择不设置微型透镜。
28.此外，底层光电芯片依据向上传输信号的需要，也可以设置有两个耦合器，该两个耦合器之间也可以用光波导连接。在这种情形下，临近底层光电芯片的光电芯片下表面需要对应设置两个微型透镜，分别对应底层光电芯片上的两个耦合器。
29.上述的封装方式中，微型透镜能够汇聚其中一个光电芯片上出射的光束，并将其会聚至另一个光电芯片上的耦合器中，从而实现了层叠设置的多个光电芯片之间光学互连。
30.图1中示出了两个光电芯片的三维封装结构，如图1所示，三维封装结构中包括第一光电芯片100和第二光电芯片200两个光电芯片。参考三维封装结构的使用状态，在图1所示的实施方式中，第一光电芯片100为连接封装基板的底层光电芯片，第二光电芯片200层叠设置于第一光电芯片100上侧。
31.第一光电芯片100均具有用于设置耦合器的正面及与该正面相对的背面。本实施例中，第一光电芯片100和第二光电芯片200的上表面为正面，即，第二光电芯片200的背面靠近第一光电芯片100的正面设置。
32.第一光电芯片100的正面设置有第一耦合器11，第二光电芯片200的正面上设置有第二耦合器21、第三耦合器23以及连接于两者之间的光波导24。在竖直方向上，第一耦合器11对应第二耦合器21设置，第三耦合器23位于光波导24的另一端。
33.第二光电芯片200的背面（下表面）设置有第一微型透镜300，该第一微型透镜300对应设置于第一耦合器11与第二耦合器21之间，这样，第一光电芯片100上的第一耦合器11出射的光束能够被该第一微型透镜300会聚并耦合至第二耦合器21，或者，将第二耦合器21出射的光束会聚并耦合至第一耦合器11中。光波导24则用于在第二耦合器21与第三耦合器23之间传输光束。
34.图2中示出了三个光电芯片的三维封装结构。如图2所示， 除了图1中所示的第一光电芯片100和第二光电芯片200外，还包括第三光电芯片700，该第三光电芯片700上设置有第四耦合器71和第五耦合器72，两者之间通过光波导传输光束。
35.第四耦合器71对应设置于第三耦合器23的上侧。第三光电芯片700的背面（下表面）上也设置有微型透镜300，该微型透镜300对应于第二光电芯片200正面（上表面）的第三耦合器23设置，以使得该第三耦合器23出射的光束能够被该微型透镜300会聚至第四耦合器71中，或者，第四耦合器71出射的光束被该微型透镜300会聚至第三耦合器23中。
36.可以理解，本发明中，光束在上下相邻的两个光电芯片之间的传递，是通过微型透镜300进行的，而光束在同一光电芯片内的两个耦合器之间的传递，则是通过连接于两个耦合器之间的光波导进行的。可以理解，虽然图中未能示出，但是，本发明中所称的光波导并不局限于单纯用于传输光束的波导，还可以包括一些用于实现光电芯片特定功能的光器件。
37.顶层的光电芯片，其上相对远离微型透镜300的耦合器可以依据需要选择为光栅、模斑转换器或者光隔离器中的一者。例如图1中第二光电芯片200上的第三耦合器23，或者图2中的第三光电芯片700上的第五耦合器72。当需要顶层光电芯片自上表面向外输出时，该耦合器选择光栅，此时，顶层的光电芯片上表面可以设置用于将三维封装结构与外部装置光学互连的外置光纤600；当需要将该耦合器中的光束从端面向外输出时，该耦合器选择模斑转换器；而当光束需要在此处停止时，该耦合器选择为光隔离器。
38.此外应当说明的是，外置光纤600的数量可以依据需要设计为多个并形成将三维封装结构光束输出的光纤阵列。
39.可以理解，为了实现光束自光电芯片内的光波导转为自光电芯片的正面出射，或者自光电芯片背面射入的光束转入光波导中，对应位置的耦合器可以选择为光栅。
40.此外，全部的光电芯片可以为相同的衬底材质，也可以有部分光电芯片衬底材质不同于其他光电芯片。以往，不同衬底材质的光电芯片在光耦合时，往往存在较多困难，在适用于三维封装结构时，往往会考虑采用倒装嵌入的方式，但是，这种封装方式中，上侧的小芯片会占据下侧大芯片一定的面积，整个封装形式不够灵活，且难以拓展为多层封装结构，而本发明中利用微型透镜300将光束会聚并在上下两层光电芯片的耦合器之间传递，可以在实现不同衬底材质的光电芯片三维封装的同时，保证封装后的结构体积较小，并且，由于不同层的光电芯片之间不存在干涉，理论上可以实现多层封装。
41.如前所述，每个光电芯片上均设置有用于电连接至相邻光电芯片的导电结构，图1中给出了一种具体的导电结构。其中：第一光电芯片100上设置有第一导电结构12。该第一导电结构12包括设置于第一光电芯片100正面（上表面）的第一上侧焊盘121、设置于第一光电芯片100背面（下表面）的第一下侧焊盘122，以及贯通第一光电芯片100正面至背面的第一导电通孔123。
42.类似地，第二光电芯片200上设置有第二导电结构22。该第二导电结构22包括设置于第二光电芯片200正面的第二上侧焊盘221、设置于第二光电芯片200背面的第二下侧焊盘222，以及贯通第二光电芯片200正面至背面的第二导电通孔223。
43.在第一光电芯片100与第二光电芯片200之间制作电连接结构时，可以通过对应位置的两个焊盘实现。以图1中所示为例，第一上侧焊盘121与第二下侧焊盘222之间设置有固态连接部400，这样，第一下侧焊盘122通过第一导电通孔123与第一上侧焊盘121电导通，然后通过固态连接部400与第二下侧焊盘222电连接，第二下侧焊盘222进而通过第二导电通孔223与第二上侧焊盘221电导通，如此实现两个光电芯片之间的电连接。可以理解，上述电导通的方式不存在方向的限定，即，并不局限于由第一下侧焊盘122电传导至第二上侧焊盘221。
44.在具有大于两个光电芯片的三维封装结构中，上下相邻的光电芯片之间的电连接均可以采用类似于第一导电结构12和第二导电结构22电连接的方式实现。当然，本领域还可以采取其他导电结构实现，只要能够实现层叠设置的光电芯片之间的电连接即可。
45.本发明第二方面还提供一种基于光电芯片双面工艺的三维封装方法，参考图3a该三维封装方法包括如下步骤：s1 提供第一光电芯片及第二光电芯片，如图3a和3b中所示；s2 在所述第二光电芯片的下表面制作微型透镜，形成的结构如图3c中所示；s3 将所述微型透镜对正所述第一光电芯片上表面的第一耦合器，并在所述第一光电芯片和所述第二光电芯片之间制作电连接。
46.可以理解，图3a和3b所示的第一光电芯片和第二光电芯片，可以为外部定制直接形成图示结构，也可以是在普通的光电芯片上加工导电通孔后形成的结构。
47.参考图4a至4d所示，为形成图3c中所示第二光电芯片的结构，步骤s2可以包括如下步骤：
s20在所述第二光电芯片的正面涂覆光刻胶，并对所述第二光电芯片的背面做抛光处理；s21 在所述第二光电芯片的背面涂覆光刻胶；s22 以所述第二光电芯片正面的第二耦合器为参照，在所述第二光电芯片背面的光刻胶上制作图案；s23 对步骤s22中的所述图案进行回流和烘烤，形成透镜形状的胶块；s24对所述第二光电芯片背面进行反应离子刻蚀，以使得所述胶块形成所述微型透镜，然后清除所述第二光电芯片正面的光刻胶。
48.在第二光电芯片的正面及背面均涂覆光刻胶，形成图4a所示的剖视结构，可以保护第二光电芯片的正面，以避免在对第二光电芯片背面进行处理时损伤正面。在此基础上，以第二耦合器为参照，在所述第二光电芯片背面的光刻胶上制作图案，可以形成图4b所示结构。进一步地，对图4b中的第二光电芯片背面进行回流和烘烤后，胶块能够形成图4c所示结构，在该图4c中，光刻胶所形成的胶块已经具备微型透镜的基本轮廓。此后，对第二光电芯片的背面进行反应离子刻蚀，图4c所示的胶块即可形成最终的微型透镜，形成图4d所示的结构。可以理解，在图4d之后，即步骤s24后，第二光电芯片正面的光刻胶可以清除。
49.应当理解，微型透镜的数量是依据光学端口连接需要而设置的。如前述对于三维封装结构的描述，当底层光电芯片（第一光电芯片）上由于存在向上传输信号的需要，设置有两个采用光波导连接的耦合器时，临近底层光电芯片的光电芯片（第二光电芯片）下表面需要对应设置两个微型透镜，以分别对应底层光电芯片（第一光电芯片）上的两个耦合器，此时，步骤s2中就需要依需制作两个微型透镜。
50.为了形成第一光电芯片和第二光电芯片之间电连接，如前所述，步骤s1中可以包括在普通的光电芯片上加工第一导电通孔和第二导电通孔的步骤。应当理解，这里所称的第一导电通孔和第二导电通孔的数量，依据实际光电芯片之间电连接的需要可以设置为多个，此处的“第一”、“第二”仅是为了区分不同光电芯片上的导电通孔，这并不意味这导电通孔的数量仅为一个，当然也并不意味着第一导电通孔与第二导电通孔的结构不同。
51.进一步地，参见图3d和3e所示，在步骤s2之后，可以进行如下步骤：在所述第一导电通孔和所述第二导电通孔的上下孔口均制作焊盘，以使得步骤s3中所述第一光电芯片和所述第二光电芯片之间能够通过所述焊盘形成电连接。
52.进一步地，为了实现焊盘与焊盘之间的固态连接，可以在所述第一光电芯片和所述第二光电芯片上用于彼此连接的两个焊盘之一上制作金属凸点，并通过所述金属凸点在所述第一光电芯片和所述第二光电芯片之间形成电连接。如图3d所示，图中是在第二光电芯片背面的下侧焊盘上制作金属凸点，这样，参见图3f所示，第一光电芯片与第二光电芯片一般是在图示的上下相对方向上进行固态连接，因此，将金属凸点制作在图示的位置，在焊接时，金属凸点融化会在重力的作用下具有朝向第一光电芯片正面的上侧焊盘下降的趋势，此时，可以配合施加于第二光电芯片上向下的压力，从而使得第二光电芯片与第一光电芯片通过该金属凸点形成固态连接。
53.在其他实施方式中，金属凸点显然也可以设置在第一光电芯片正面的上侧焊盘上。当然，实现第一光电芯片与第二光电芯片支架固态连接的方式可以为热压焊接、超声焊接或者导电胶粘接，只要能够实现两个光电芯片之间的相对固定及电连接即可。
54.此外，在步骤s3之后，还可以包括如下步骤：s4将所述第一光电芯片通过引线键合或植球焊接的方式连接至外部封装基板。此外，考虑到第一光电芯片的正面需要与第二光电芯片实施焊接，需要选择合适的两种连接方式，例如，金属凸点和焊球500分别选择两种不同的材料。
55.此外，当需要继续向第二光电芯片以上层叠设置一个至多个光电芯片时，封装的方法与前述的类似，即，提供一个至多个类似于图3a所示的第二光电芯片结构，然后进行前述记载的步骤s2，在执行步骤s3时，将第二光电芯片以上的光电芯片背面的微型透镜与下层光电芯片上对应的耦合器对正，然后在这个状态下在两层光电芯片之间制作电连接。例如，当第二光电芯片上层叠设置有第三光电芯片时，该第三光电芯片背面的微型透镜对正第二光电芯片上的第三耦合器。
56.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
57.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的专利保护范围应以所附权利要求为准。