光电混合封装结构的制作方法和保护结构件与流程

1.本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种光电混合封装结构的制作方法和保护结构件。


背景技术：

2.光电芯片的混合封装已经逐渐成为未来发展的主流，光电封装的主要作用为进行光信号和电信号的互相转化，或者使用光芯片进行运算。与传统的电芯片封装相比，最大的差异在于，光芯片存在一个供光导入的光口，该光口的质量直接影响了光耦合的质量，对于光电转换的效率或光运算的速度、精度都起着举足轻重的作用。然而也因为光芯片中光口的存在，传统封装经常采用的sip封装(system in package，系统级封装)形式也难以实施，因为sip封装采用的注塑制程会直接将光口连同光芯片一起包覆其中，无法进行有效的光耦合/光传输。而光电封装一旦无法采用sip封装，势必会在封装产品可靠性、通用性与迭代性上处于劣势，影响光电封装在未来的发展。
3.常用技术中，通常会在注塑之前提供一光口保护结构，将其贴装于光芯片上表面，并与光芯片上表面形成一密闭腔体，即将光口保护于该密闭腔体内，然后进行注塑工艺。但是，在晶圆级注塑制程中，需要将环境压力降低到最低值(百帕斯卡数量级)，如果光口保护结构内(即密闭空腔)的压力为常压(万帕斯卡数量级)时，较大的气压差异容易导致注塑以及后续高温制程中产生裂性失效等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种光电混合封装结构的制作方法和保护结构件，以满足注塑工艺以及后续制程作业性以及可靠性要求。
5.为实现上述发明目的，本发明提供一种光电混合封装结构的制作方法，包括步骤：
6.提供一载板和一光芯片，所述光芯片一侧面设置有至少一光接口，将所述光芯片具有所述光接口的一侧面背离所述载板设置于所述载板上表面；
7.提供至少一电芯片，将所述电芯片设置于所述光芯片上表面，并与所述光芯片实现电性连接；
8.提供至少一保护结构件，所述保护结构件为盖状结构，所述盖状结构内部形成有一腔体，所述保护结构件的表面还形成有至少一通孔，所述通孔连通所述保护结构件内外表面，将所述保护结构件对应所述光接口贴装于所述光芯片上表面，使得所述光接口完全位于所述腔体内；
9.提供具有流动性的胶体，于所述通孔处填充所述胶体，并对所述腔体外环境进行降压处理，当所述腔体外压降低，所述腔体内的气体沿未凝固的所述胶体和所述通孔之间的缝隙排出，直至所述腔体内的气压处于低压环境后，将所述胶体固化，使得所述胶体完全堵住所述通孔；
10.提供塑封料，将所述塑封料覆盖所述保护结构件外侧面、所述电芯片表面以及所
述光芯片未被遮蔽的上表面，形成塑封体。
11.进一步的，所述提供至少一保护结构件，所述保护结构件为盖状结构，所述盖状结构内部形成有一腔体，所述保护结构件的表面还形成有至少一通孔，所述通孔连通所述保护结构件内外表面，具体包括：
12.所述保护结构件的顶壁上表面还形成有一凹槽，所述凹槽的形成深度为所述保护结构件的顶壁厚度的一半；
13.所述通孔连通所述保护结构件的内表面和所述凹槽的底面。
14.进一步的，所述提供具有流动性的胶体，于所述通孔处填充所述胶体，具体包括：
15.配合所述通孔的尺寸，控制所述胶体用量，以避免所述未凝固的胶体沿所述通孔流至所述腔体内；
16.所述胶体为具有流动性的底部填充胶，在低压环境下，空气可从所述未凝固的胶体中穿过。
17.进一步的，所述对所述腔体外环境进行降压处理，在降压的过程中，所述腔体内的气体沿未凝固的所述胶体和所述通孔之间的缝隙排出，直至所述腔体内的气压处于低压环境后，将所述胶体固化，使得所述胶体完全堵住所述通孔，具体包括：
18.提供一真空烘烤设备，将封装好的所述载板、光芯片、电芯片以及保护结构件放置于所述真空烘烤设备内；
19.对所述腔体外环境进行降压处理，直至所述腔体内外压处于平衡状态，所述未凝固的胶体通过回填将所述通孔堵住；
20.升温，将所述未凝固的胶体固化，使得固化后的所述胶体完全堵住所述通孔，并使得所述固化后的胶体完全位于所述凹槽内部。
21.进一步的，所述提供至少一电芯片，将所述电芯片设置于所述光芯片上表面，并与所述光芯片实现电性连接，具体包括：
22.所述光芯片内形成有多个硅通孔，将所述电芯片的功能面朝向所述光芯片上表面设置，通过所述硅通孔实现所述电芯片与光芯片之间的电性连接。
23.进一步的，所述方法还包括步骤：
24.将所述光芯片与所述载板解键合；
25.于所述光芯片未贴装所述电芯片的一侧面形成重布线层，并通过所述硅通孔实现所述光芯片与所述重布线层之间的电性连接。
26.进一步的，所述方法还包括步骤：
27.减薄所述塑封体，直至暴露出所述结构保护件的顶壁；
28.减薄所述结构保护件的顶壁，直至完全暴露出所述光接口。
29.本发明还提供一种保护结构件，所述保护结构件用于如上任意一项实施方式所述的光电混合封装结构的制作方法中，所述保护结构件为一盖状结构，所述盖状结构内部设置一腔体，所述保护结构件的表面还设置至少一通孔，所述通孔连通所述保护结构件内外表面；当所述保护结构件对应所述光接口贴装于所述光芯片上表面时，所述光接口完全位于所述腔体内。
30.进一步的，所述保护结构件的顶壁上表面还设置一凹槽，所述通孔连通所述凹槽底面和所述保护结构件内表面。
31.进一步的，所述凹槽设置为圆柱形结构，其深度设置为所述保护结构件的顶壁厚度的一半。
32.本发明的有益效果在于：通过在光接口处设置一保护结构件，且保护结构件上设置一通孔，用于填充具有流动性的胶体，方便在后续工艺制程中，将光接口所处的腔体内气压降低较低值后，升温将通孔处胶体固化使得该腔体形成一密闭的低压空间，防止形成的腔体内气压过高导致注塑及后续高温制程中产生裂性失效等问题，以满足注塑工艺及后续制程作业中的可靠性要求。
附图说明
33.图1为本发明一实施方式中的光电混合封装结构的制作方法流程示意图。
34.图2～图9为本发明一实施方式中的对应光电混合封装结构制作方法的工艺步骤图。
35.图10为本发明一实施方式中的保护结构件的侧视结构示意图。
36.图11为本发明一实施方式中的保护结构件的俯视结构示意图。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
38.下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
39.为方便说明，本文使用表示空间相对位置的术语来进行描述，例如“上”、“下”、“后”、“前”等，用来描述附图中所示的一个单元或者特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的装置翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“上方”的单元将位于其他单元或特征“下方”或“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括下方和上方这两种空间方位。
40.如图1所示，本发明提供一种光电混合封装结构的制作方法，包括步骤：
41.s1：提供一载板和一光芯片，光芯片一侧面设置有至少一光接口，将光芯片具有光接口的一侧面背离载板设置于载板上表面。
42.s2：提供至少一电芯片，将电芯片设置于光芯片上表面，并与光芯片实现电性连接。
43.s3：提供至少一保护结构件，保护结构件为盖状结构，盖状结构内部形成有一腔体，保护结构件的表面还形成有至少一通孔，通孔连通保护结构件内外表面，将保护结构件对应光接口贴装于光芯片上表面，使得光接口完全位于腔体内。
44.s4：提供具有流动性的胶体，于通孔处填充胶体，并对腔体外环境进行降压处理，当腔体外压降低，腔体内的气体沿未凝固的胶体和通孔之间的缝隙排出，直至腔体内的气
压处于低压环境后，将胶体固化，使得胶体完全堵住通孔。
45.s5：提供塑封料，将塑封料覆盖保护结构件外侧面、电芯片表面以及光芯片未被遮蔽的上表面，形成塑封体。
46.对应于步骤s1，如图2所示，提供一载板1和一光芯片2。载板1可以为基板、或玻璃板、或其他具有一定支撑力且表面平滑的平板。示例性的，光芯片2一侧面设置有一个供光导入的光接口21，于光芯片2内部形成有多个硅通孔22，该硅通孔22连接光芯片2的上下表面，硅通孔22内填充有导电材料。
47.具体的，可先在载板1上表面侧涂覆一层键合胶，然后再将光芯片2具有光接口21的一侧面背离载板1固定于载板1上表面。本发明对键合胶的选取不作限制，可选用临时键合胶，方便后续的解键合工艺即可。
48.在步骤s2，提供至少一电芯片3，将电芯片3设置于光芯片2上表面，并与光芯片2实现电性连接，具体包括：
49.如图3所示，示例性的，提供一块电芯片3，该电芯片3包括具有电焊盘的功能面以及与该功能面相对的非功能面，将电芯片3的功能面朝向光芯片2上表面设置，具体的，电芯片3功能面上的电焊盘与硅通孔22相对设置，即通过硅通孔22实现电芯片3与光芯片2之间的电性连接。
50.当然，在本发明其他实施方式中，可提供两块或多块电芯片3，以实现对应于产品的不同要求，本发明对此不作限制，可根据实际设计需求调整。
51.进一步的，在步骤s3之前，本实施方式中的制作方法还包括步骤：在光芯片2上表面贴装至少一被动元件4。
52.继续参见图3，示例性的，于光芯片2上表面贴装一个被动元件4。该被动元件4可以为电阻、电容或电感，本发明对贴装于光芯片2上表面的被动元件类型及数量不作限制，可根据实际需要进行调整。
53.在步骤s3中，提供至少一保护结构件5，保护结构件5为盖状结构，盖状结构内部形成有一腔体51，保护结构件5的表面还形成有至少一通孔52，通孔52连通保护结构件5内外表面，具体包括：
54.参见图10和图11，为本实施方式中保护结构件5的侧视结构示意图和俯视结构示意图，具体的，该盖状结构为五面体结构，保护结构件5的下表面向内凹陷形成腔体51，即保护结构件5具有一顶壁面以及垂直连接于顶壁面周侧的四面侧表面。
55.当然，在本发明其他实施方式中，该盖状结构也可以为多面体结构或是一弧面结构，即保护结构件5表面为一圆弧面，只需保证该保护结构件5内部形成腔体51，且腔体51的表面能够完全覆盖光接口21且保护结构件5的侧壁面不接触到光接口21即可。
56.本发明对于腔体51的形成深度也不作限制，可以根据实际需求(即后续减薄工艺中需要减薄的目标厚度)来设计腔体51的形成深度。
57.进一步的，于保护结构件5的顶壁上表面还形成有一凹槽53，凹槽53用于容纳填充在通孔52处多余的胶体材料，防止胶体材料溢出至保护结构件5顶壁上表面，影响后续注塑模具压合。
58.具体的，凹槽53的形成深度为保护结构件5的顶壁厚度的一半，且凹槽53内部区域具体为一圆柱形结构，能够使得胶体材料填充完整。
59.当然，凹槽53的形成深度以及其内部区域的具体结构和尺寸，可根据实际需求及工艺设备进行调整。
60.更具体的，通孔52连通保护结构件5的内表面和所述凹槽53的底面，以保证填充至通孔52内的多余胶体材料能够流至凹槽53内。
61.当然，在其他实施方式中，保护结构件5顶壁可设置多个通孔52，每个通孔52都连通保护结构件5的内表面和所述凹槽53的底面，本发明对通孔52的设置数量不作限制，根据实际需求进行设计调整。
62.通孔52的直径可按照提供的胶体的种类及后续工艺制程中真空需求确定。
63.保护结构件5的制作材料可以为硅、玻璃、环氧树脂材料或是其他耐高温的材料，本发明对此不作限制。
64.参见图4，提供上述的保护结构件5，将保护结构件5具有腔体51的一侧朝向光接口21，对应光接口21固定贴装于光芯片2上表面，使得光接口21完全位于腔体51内。
65.在步骤s4中，提供具有流动性的胶体6，于通孔52处填充胶体6，具体包括：
66.参见图5，配合通孔52的尺寸，控制胶体6用量，于通孔52处填充胶体6，以避免未凝固的胶体6沿通孔52流至腔体51内。同时控制胶体6的使用量，能够使得后续工艺中胶体6能够回填完全堵住通孔52的同时，胶体6在固化工艺后也不会超过凹槽53的上表面。
67.具体的，胶体6为具有流动性的底部填充胶，在低压下，空气可以从胶体6中穿过。
68.当然，在本发明其他实施方式中，胶体6也可选为其他粘度适中、具有流动性、且固化温度较低的胶体材料。
69.此时，图5中的腔体51内部气压为大气压，且空气可在未凝固的胶体6与通孔52的缝隙中、以及胶体6中流通。
70.在步骤s4中，对腔体51外环境进行降压处理，在降压的过程中，腔体51内的气体沿未凝固的胶体6和通孔52之间的缝隙排出，直至腔体51内的气压处于低压环境后，将胶体6固化，使得胶体6完全堵住通孔52，具体包括：
71.提供一真空烘烤设备，将封装好的载板1、光芯片2、电芯片3以及保护结构件5放置于真空烘烤设备内，即将图5中的封装结构放置于真空烘烤设备内。
72.开启真空烘烤设备，设置一目标真空度，对腔体51外环境进行降压处理，直至腔体51内外压处于平衡状态，即腔体51内外气压均降至该目标真空度，未凝固的胶体6通过回填将通孔52堵住。具体的，随着腔体51外环境的气压降低，腔体51内部的气体可沿未凝固的胶体6和通孔52之间的缝隙、以及通过未凝固的胶体6中向外排出；腔体51的内外压同时降低；对腔体51外环境继续进行降压处理，直至腔体51内外压处于平衡状态，即将腔体51内的气压降至目标真空度，比如百帕斯卡数量级，此时未凝固的胶体6通过回填可将通孔52堵住。
73.进一步的，将真空烘烤设备内温度升高，将未凝固的胶体6固化，使得固化后的胶体6完全堵住通孔52，使得腔体51为一密闭空间，并使得固化后的胶体6完全位于凹槽53内部。
74.进一步的，将胶体6固化后的封装结构从真空烘烤设备内取出，腔体51外压回升至大气压，而腔体51内部形成低压空间。具体参见图6，此时的腔体51为一密闭低压空间。
75.本发明对腔体51形成的低压空间具体气压值不作限制，可根据实际制作工艺调整其工艺参数，保证腔体51内空间压力保持在较低水平，不影响后续形成塑封体可靠性即可。
76.参见图7，提供塑封料，将塑封料覆盖保护结构件5外侧面、电芯片3表面以及光芯片2未被遮蔽的上表面，形成塑封体7。塑封体7以环氧树脂为基体，添加有固化剂、偶联剂等添加剂，对封装结构起到机械支持和密封保护的作用。
77.进一步的，本实施方式中制作方法还包括步骤：
78.s6：将光芯片2与载板1解键合。
79.s7：于光芯片2未贴装电芯片3的一侧面形成重布线层8，并通过硅通孔22实现光芯片2与重布线层8之间的电性连接。
80.具体参见图8，在光芯片2与载板1解键合后，于光芯片2未贴装电芯片3的一侧面形成重布线层8，通过硅通孔22实现光芯片2与重布线层8之间的电性连接。
81.进一步的，在重布线层8底面导电焊盘处还形成有金属焊球9，用于与外接电路板进行焊接。
82.光芯片2与载板1解键合、重布线层8以及金属焊球9的制作工艺为现有技术，本发明在此不作过多赘述。
83.s8：减薄塑封体7，直至暴露出结构保护件5的顶壁。
84.s9：减薄结构保护件5的顶壁，直至完全暴露出光接口21。
85.参见图9，可利用研磨工艺或是激光工艺对塑封体7进行减薄，暴露出结构保护件5的顶壁后，于所在平面上继续减薄工艺，直至完全暴露出光接口21，不会影响到光接口21处光口耦合的质量。
86.本发明还提供一种保护结构件5，保护结构件5用于上述任意一种实施方式种的光电混合封装结构的制作方法中。
87.参见图10和图11，保护结构件5为一盖状结构，盖状结构内部设置一腔体51，保护结构件5的表面还设置至少一通孔52，通孔52连通保护结构件5内外表面，当保护结构件5对应光接口21贴装于光芯片2上表面时，光接口21完全位于腔体51内。
88.具体的，该盖状结构为五面体结构，保护结构件5的下表面向内凹陷形成腔体51，即保护结构件5具有一顶壁面以及垂直连接于顶壁面周侧的四面侧表面。
89.当然，在本发明其他实施方式中，该盖状结构也可以为多面体结构或是一弧面结构，即保护结构件5表面为一圆弧面，只需保证该保护结构件5内部形成腔体51，且腔体51的表面能够完全覆盖光接口21且保护结构件5的侧壁面不接触到光接口21即可。
90.本发明对于腔体51的设置深度至少高于电芯片3、被动元件4的厚度，具体可以根据实际需求(即后续减薄工艺中需要减薄的目标厚度)来设计腔体51的形成深度。
91.进一步的，保护结构件5的顶壁上表面还设置一凹槽53，凹槽53用于容纳填充在通孔52处多余的胶体材料，防止胶体材料溢出至保护结构件5顶壁上表面，影响后续注塑模具压合。
92.具体的，凹槽53的设置深度为保护结构件5的顶壁厚度的一半，且凹槽53内部区域具体设置为一圆柱形结构，能够使得胶体材料填充完整。
93.当然，凹槽53的设置深度以及其内部区域的具体结构和尺寸，可根据实际需求及工艺设备进行调整。
94.更具体的，通孔52连通保护结构件5的内表面和所述凹槽53的底面，以保证填充至通孔52内的多余胶体材料能够流至凹槽53内。
95.当然，在其他实施方式中，保护结构件5顶壁可设置多个通孔52，每个通孔52都连通保护结构件5的内表面和所述凹槽53的底面，本发明对通孔52的设置数量不作限制，根据实际需求进行设计调整。
96.通孔52的直径可按照提供的胶体的种类及后续工艺制程中真空需求确定。
97.保护结构件5的制作材料可以为硅、玻璃、环氧树脂材料或是其他耐高温的材料，本发明对此不作限制。
98.综上所述，本发明通过在光接口处设置一保护结构件，且保护结构件上设置一通孔，用于填充具有流动性的胶体，方便在后续工艺制程中，将光接口所处的腔体内气压降低较低值后，升温将通孔处胶体固化使得该腔体形成一密闭的低压空间，防止形成的腔体内气压过高导致注塑及后续高温制程中产生裂性失效等问题，以满足注塑工艺及后续制程作业中的可靠性要求。
99.应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
100.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。