專利名稱：一種提高光電元件耦合容忍度的封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高光電元件耦合容忍度的封裝方法，尤其是涉及到一種可整合微球透鏡的光電元件，以利于后續(xù)封裝時采用被動封裝方法，在無特性監(jiān)測、不倚賴光學(xué)對準的狀況下，達到高效率的光學(xué)耦合目的之封裝方法。
背景技術(shù)：
隨著信息流量的大幅增長，通訊用的光電模塊其需求頻寬因此提高，致使光電元件主動區(qū)尺寸日益縮減，光學(xué)耦合的精度要求隨之趨于嚴格。尤其在單模光纖應(yīng)用的環(huán)境下，更加凸顯光學(xué)耦合所面臨的困難。以光纖通訊用的面耦合型檢光器為例，2.5Gb/s的位速率下，檢光器的光耦合孔直徑約可有100微米，對應(yīng)單模光纖，可有數(shù)十微米的耦合容忍度。然而當位傳輸速率提升至10Gb/s時，光耦合孔直徑將小至40微米以下，大大縮減了耦合容忍度。傳統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測對準封裝為獲得良好耦合的必要方式。然利用動態(tài)監(jiān)測對準封裝，高耦合效率需要高精度的設(shè)備與較長的調(diào)整時間，反應(yīng)在成本時效上，限制了高速光電模塊的產(chǎn)能與價格。
U.S.Pat.No.5,963,694和U.S.Pat.No.6,053,641中揭露的引線式(Pigtail type)封裝，其程序皆是先完成光電元件晶粒的金屬座(TO-header)與金屬外罩(Cap)封裝(此金屬外罩上具有一球型透鏡)，再將已插在不銹鋼光纖套筒的光纖引線與光電元件進行光軸對準，輔以同軸激光焊接搭配自動對準追跡程序完成動態(tài)光軸對準與焊接固定等動作。U.S.Pat.No.6,340,831則另揭露一接頭式(Receptacle-type)封裝，其也是利用動態(tài)光軸對準與焊接固定完成封裝。上述”主動”封裝技術(shù)從光電元件晶粒以至于模塊封裝完成皆需經(jīng)歷至少2到3次的動態(tài)監(jiān)測光軸對準，因此必然限制生產(chǎn)時效。
相對于主動型式封裝，被動型式的封裝意謂毋須動態(tài)監(jiān)測光軸，通過適當導(dǎo)引機制即可獲得適當?shù)鸟詈闲?，因此可加速封裝的進行。U.S.Pat.No.4,339,689中揭露一適合被動封裝的發(fā)光二極管(LED)晶粒結(jié)構(gòu)，該晶粒具有利用半導(dǎo)體微影、蝕刻、與沉積等制作工藝形成的半圓透鏡與對準于該透鏡的光纖插孔(Throughhole)，此光纖插孔是利用晶圓背面的深蝕刻制作工藝所形成，制作過程較為繁復(fù)。U.S.Pat.No.4,355,321和U.S.Pat.No.4,727,649亦利用光纖插孔做為導(dǎo)引光纖對準的機制，唯其差異在于光纖插孔并非直接形成在光電元件上，而是先形成在另一載具上，再利用對準錫焊鍵合方式與光電元件結(jié)合，供后續(xù)封裝光纖導(dǎo)引之用。U.S.Pat.No.5,175,783中則利用壓模成型將光纖插孔與光電元件基座一并封裝，并直接形成一光纖插孔以利光纖導(dǎo)引，提升封裝效率。上述前案當應(yīng)用于高速光電元件的被動封裝時，所采用的技術(shù)皆將面臨精度上的考驗。此外，U.S.Pat.No.5,500,540提出通過半導(dǎo)體制作工藝將封裝時所需的光學(xué)元件直接整批形成在晶圓上，除加速后續(xù)封裝速度外，亦降低封裝成本；但通過半導(dǎo)體制作工藝形成的光學(xué)元件，如微透鏡，尺寸上則受到限制，數(shù)百微米尺寸的微透鏡或焦距對制作工藝而言是一大考驗，也因此有效光學(xué)孔徑不能大幅提升。
由此可見，上述現(xiàn)有技術(shù)仍有諸多缺失和不足，有待進一步改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭露一種提高耦合容忍度的封裝方法，其通過光電元件晶粒(如面射型激光晶粒、面耦合型檢光器晶粒)上一定位及固定用的微球透鏡嵌座(Micro ball-lens socket)，將聚焦用的微球透鏡置于該嵌座上達到提升耦合誤差容忍度的目的。此微球透鏡嵌座是晶粒制作過程中通過半導(dǎo)體制作工藝所形成，其中心對應(yīng)于光電元件晶粒的光耦合或輸出中心，嵌座大小和高度則依微球透鏡的光學(xué)參數(shù)，如透鏡直徑、透鏡折射率等設(shè)計以達到適當?shù)鸟詈闲?。通過重力牽引，微球透鏡可放置在嵌座上后自動鑲?cè)肭蹲校_成光軸的自我對準。另為提高光學(xué)耦合效率并提高整合穩(wěn)定度，可通過微球透鏡嵌座側(cè)壁保留的間隙，提供固定透鏡和折射率匹配的光學(xué)膠循此間隙填入微球透鏡與光電元件的耦合接口，或提供一逸氣管道避免氣泡陷存在嵌座中。此整合一微球透鏡的光電元件晶粒利于后續(xù)封裝時有較大的耦合偏差容忍度或甚至可采用采用被動封裝方法，即在無特性監(jiān)測、不倚賴光學(xué)對準的狀況下，達到高效率的光學(xué)耦合；另封裝時亦可采用具球透鏡的封蓋外罩在晶粒上，形成雙球透鏡系統(tǒng)，進一步提高后續(xù)封裝時的偏差容忍度。簡而言之，通過本發(fā)明，傳統(tǒng)晶粒級主動封裝時所需的精密耦合可通過半導(dǎo)體制作工藝在晶圓上形成整批已完成光軸對準的微球透鏡嵌座，簡化成快速的晶圓級被動封裝，提高生產(chǎn)時效。再者，因半導(dǎo)體制作工藝整批處理的特性，本發(fā)明亦可形成具有陣列微球透鏡嵌座的陣列晶粒，簡化陣列晶粒的對準與封裝。
本發(fā)明的具有可靠性以及完整性的一種提高光電元件耦合容忍度的封裝方法，與其它現(xiàn)有技術(shù)和前案相互比較時，更具備下列優(yōu)點1.本發(fā)明可整合微球透鏡的光電元件以利于后續(xù)封裝時采用被動封裝方法，在無特性監(jiān)測、不倚賴光學(xué)對準的狀況下，達到高效率的光學(xué)耦合。
2.通過本發(fā)明，可將傳統(tǒng)晶粒級主動封裝時所需的精密耦合，通過半導(dǎo)體制作工藝在晶圓上形成整批可嵌入微球透鏡的嵌座，將后續(xù)元件封裝簡化成低精度形式或被動形式，提高生產(chǎn)時效。
3.本發(fā)明可通過施加光學(xué)膠在嵌座內(nèi)，達到固定微球透鏡及折射率匹配的目的，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度并提高耦合效率。
4.本發(fā)明可通過在微球透鏡嵌座側(cè)壁保留的間隙，可避免氣泡陷存在嵌座內(nèi)或允許光學(xué)膠循此間隙填入微球透鏡與光電元件的耦合接口。
5.本發(fā)明可因半導(dǎo)體制作工藝整批處理的特性，將其應(yīng)用在陣列晶粒上，通過微球透鏡嵌座陣列，整合微球透鏡陣列，簡化陣列晶粒的對準與封裝。


圖1A是具微球透鏡嵌座的光電元件晶粒示意圖，微球透鏡尚未嵌入。
圖1B是微球透鏡已嵌入微球透鏡嵌座中的光電元件晶粒示意圖。
圖1B’是微球透鏡嵌入微球透鏡嵌座時的光電元件晶粒示意圖。
圖1C是光學(xué)膠固定微球透鏡與微球透鏡嵌座的光電元件晶粒示意圖。
圖1D是光纖與已含微球透鏡的光電元件晶粒的耦合偏差容忍示意圖。
圖2是已含微球透鏡的光電元件1×4陣列晶粒示意圖。
圖3A至圖3E是本發(fā)明第一實施例檢光器晶粒的封裝工藝示意圖。
圖4是本發(fā)明第二實施例檢光器陣列晶粒的封裝示意圖。
圖5A至圖5C是本發(fā)明第三實施例表面黏著型檢光器的封裝工藝示意圖。
具體實施方法本發(fā)明揭露一種提高耦合容忍度的封裝方法，如圖1A所示，在光電元件晶粒10上利用半導(dǎo)體制作工藝形成一中心對準于光輸出或光耦合孔13的微球透鏡嵌座14。光電元件晶粒10上形成有電極11、12。該嵌座14的功能在于后續(xù)晶粒封裝過程中，可嵌入一適當大小的微球透鏡15在嵌座14中，如圖1B所示。此微球透鏡的固定可利用光學(xué)膠16填入微球透鏡嵌座14內(nèi)，再以紫外光進行曝照使光學(xué)膠固化，如圖1C所示。此整合一微球透鏡的晶粒與光纖17的耦合可具有一較大的偏差容忍范圍18，以面耦合型檢光器晶粒為例，此范圍呈一圓錐柱狀體積，如圖1D所示，纖核端點19位于此體積內(nèi)皆可獲致符合需求的耦合效率。另外，本發(fā)明的實施亦可擴及微球透鏡嵌座陣列的陣列晶粒。如圖2所舉1×4陣列晶粒20為例，每一晶粒上的微球透鏡嵌座24皆對應(yīng)個別晶粒的光耦合或輸出孔23，后續(xù)封裝只需將微球透鏡25嵌入各對應(yīng)嵌座中，并以光學(xué)膠26填入嵌座中加以接附固定，經(jīng)紫外光曝照后使光學(xué)膠固化，即可使晶粒陣列的封裝因耦合容忍度增加而簡化。必須強調(diào)的是，圖1或圖2中微球透鏡的嵌入過程是通過重力的牽引使微球透鏡自動移入嵌座中，而非通過精準的對位擺置，亦即微球透鏡與晶粒的光軸對準事實上是一準自動對準過程，如圖1B’所示，因此對擺放的精度要求并不嚴苛。
以下分別利用三個實施例說明本發(fā)明，以下實施例中所采用的具微球透鏡嵌座的光電元件晶粒，其嵌座高度、嵌座內(nèi)徑和外徑可視光學(xué)耦合的需要通過以下半導(dǎo)體制作方法形成(1)利用感光高分子材料，如光阻，涂布及曝光顯影方式搭配微影制作工藝形成微球透鏡嵌座；(2)利用厚膜光阻及曝光顯影技術(shù)在元件上形成一微球透鏡嵌座的光阻模，利用蒸鍍或電鍍制作工藝在模內(nèi)沉積金屬，移除光阻模后即得一金屬微球透鏡嵌座；(3)利用介電質(zhì)涂布或沈積形成數(shù)十微米至數(shù)百微米的厚度，輔以深蝕刻制作工藝在元件上形成微球透鏡嵌座。
以下實施例皆以面耦合型檢光器為例，但本發(fā)明同樣可實施在其它光電元件如面射型激光、面耦合型調(diào)變器等。另外以下實施例皆采用直徑300微米的紅寶石微球透鏡，但依實際光學(xué)耦合的需求可選用其它材質(zhì)，如BK-7、Sapphire、LaSF-N9等，和適當直徑的微球透鏡。必須強調(diào)的是，本發(fā)明的中心思想應(yīng)廣義認定為利用元件晶粒上形成的微球透鏡嵌座，而嵌座外觀上的變異，亦涵蓋在本發(fā)明中，在實施例中所呈現(xiàn)的圖標即是以“C”型微球透鏡嵌座為例。
第一實施例如圖3A所示，本實施例中檢光器元件晶粒30先裝定在晶粒載臺310上，晶粒載臺材質(zhì)可是半導(dǎo)體基板，如硅晶圓；或陶瓷基板，如氮化鋁、氧化鋁；或塑料基板，如鐵弗龍。晶粒載臺310上包含一晶粒裝定區(qū)311、第一電極312以及與裝定區(qū)相連接的第二電極313，導(dǎo)線37連接晶粒之上電極31與晶粒載臺的第一電極312，晶粒之下電極則與第二電極313相接。一外徑300微米的紅寶石微球透鏡35嵌入微球透鏡嵌座34中，再通過紫外光固化預(yù)先施加在嵌座上的光學(xué)膠36使微球透鏡固定在嵌座34上，此光學(xué)膠同時具有折射率匹配的功能，而嵌座側(cè)壁保留的間隙38可避免氣泡陷存在嵌座中導(dǎo)致反射損耗或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。光學(xué)膠36亦可在微球透鏡嵌入后再施加，但必須注意此時必須使用黏稠度較低的光學(xué)膠，如NTT-AT所生產(chǎn)的C2505系列。本實施例中，檢光器元件晶粒的光耦合孔33直徑為30微米，采用直徑300微米的紅寶石微球透鏡，其折射率為1.77，對應(yīng)晶粒上的嵌座高度為130微米，嵌座內(nèi)徑為130微米，透鏡與晶粒整合后光軸偏差容忍度可擴大3倍以上。此晶粒裝定完成且整合一微球透鏡的元件320有利于后續(xù)封裝時的光學(xué)耦合。
圖3B所示，將上述元件320，使用銀膠或焊錫裝定在TO-46的基座321(TO-Header)上，以導(dǎo)線322連接元件320與基座321的電極，最后進行封蓋完成封裝。圖3B的封蓋323是平面透窗型。亦可如圖3C采用具有球透鏡的封蓋324，利用雙球透鏡系統(tǒng)進一步提高耦合偏差容忍度，實現(xiàn)被動且高效率的光學(xué)耦合。后續(xù)的封裝可以是接頭式或引線式，如圖3D和3E所示。將上述完成封蓋的TO元件，如圖3C的330，接合一接頭式套筒331，即可完成圖3D的接頭式封裝，此套筒的接合固定方式可以是膠合、激光焊接或機構(gòu)緊迫法等方式。
如圖3E所示，亦可將完成封蓋的TO元件，如圖3C的330，接合一光纖套筒332，接合固定方式可以是膠合、激光焊接或機構(gòu)緊迫法等方式，再將光纖引線333封入光纖套筒332中，光纖端點與球透鏡334間的距離可通過光纖套筒中的阻擋機制335控制，最后利用光學(xué)膠或熱固膠336填入光纖套筒332末端，并以紫外光曝照或加熱等方式完成固定，即完成引線式封裝。
除本實施例中所述的TO封裝基座，亦可采用如SMA高頻基座的其它型式封裝基座。
第二實施例此實施例中以1×8檢光器陣列晶粒40為例，晶粒上具有對應(yīng)檢光器陣列的微球透鏡嵌座陣列44。圖4所示是檢光器陣列晶粒封裝示意圖，1×8檢光器陣列晶粒40裝定在晶粒載臺410上，晶粒載臺材質(zhì)可以是半導(dǎo)體基板，如硅晶圓；或陶瓷基板，如氮化鋁、氧化鋁；或塑料基板，如鐵弗龍。此晶粒載臺上包含陣列晶粒裝定區(qū)411、第一電極陣列412以及與裝定區(qū)相連接的第二電極413，導(dǎo)線47連接陣列晶粒的上電極41與晶粒載臺上對應(yīng)的第一電極412，晶粒陣列的下電極42則與晶粒載臺的第二電極413相接。通過自動注膠設(shè)備等間距在微球透鏡嵌座內(nèi)注入光學(xué)膠后，將8顆外徑為300微米的紅寶石微球透鏡45通過自動取放系統(tǒng)依序嵌入微球透鏡嵌座44中，再通過紫外光固化預(yù)先施加在嵌座上的光學(xué)膠46使微球透鏡固定在嵌座44上，此光學(xué)膠同時具有折射率匹配的功能，而每一嵌座側(cè)壁皆保留間隙可避免氣泡陷存在嵌座中導(dǎo)致反射損耗或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。光學(xué)膠46亦可在微球透鏡嵌入后再施加，但必須注意此時必須使用黏稠度較低的光學(xué)膠，如NTT-AT所生產(chǎn)的C2505系列。本實施例中，檢光器陣列晶粒的光耦合孔徑為30微米，采用直徑300微米的紅寶石微球透鏡，其折射率為1.77，對應(yīng)晶粒上的嵌座高度為130微米，嵌座內(nèi)徑為130微米，微球透鏡與陣列晶粒整合后光學(xué)耦合容忍度可擴大3倍以上，此時所謂耦合容忍度較的第一實施例增加陣列光纖48與陣列晶粒40相對位置的旋轉(zhuǎn)、傾斜等維度。
第三實施例在此實施例中檢光器晶粒封裝成表面黏著元件，可供電路板或復(fù)晶模塊(Multi-Chip Module，MCM)運用。如圖5A所示，檢光器晶粒50上形成有電極51、52，將具微球透鏡嵌座的檢光器晶粒50依序裝定在晶粒載臺510上，方式如第一和第二實施例中所述，晶粒載臺材質(zhì)可以是半導(dǎo)體基板，如硅晶圓；或陶瓷基板，如氮化鋁、氧化鋁；或塑料基板，如鐵弗龍。通過自動注膠設(shè)備等間距在微球透鏡嵌座內(nèi)依序注入光學(xué)膠后，將外徑300微米的紅寶石微球透鏡55通過自動取放系統(tǒng)依序嵌入微球透鏡嵌座54中，再通過線型或面型紫外光源固化嵌座上的光學(xué)膠56使微球透鏡固定在嵌座54上，此光學(xué)膠同時具有折射率匹配的功能，通過嵌座側(cè)壁保留的間隙可避免氣泡陷存在嵌座中導(dǎo)致反射損耗或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。光學(xué)膠56亦可在微球透鏡嵌入后再施加，但必須注意此時必須使用黏稠度較低的光學(xué)膠，如NTT-AT所生產(chǎn)的C2505系列。本實施例中，檢光器元件晶粒的光耦合孔53的孔徑為30微米，采用直徑300微米的紅寶石微球透鏡，其折射率為1.77，對應(yīng)晶粒上的嵌座高度為130微米，嵌座內(nèi)徑為130微米，透鏡與晶粒整合后光軸偏差容忍度可擴大3倍以上。
此時晶粒載臺上已完成晶粒裝定和微球透鏡嵌入，導(dǎo)線57連接晶粒之上電極51與晶粒載臺510的第一電極512，接著即進行塑料外殼的成形。將此晶粒載臺置入塑料成型模具中，注入適當塑料521后加熱成型。所謂適當塑料指不吸收檢光器接收波段光源的塑料或濾除特定波段的塑料。另外塑料外殼模具設(shè)計上必須避免塑料與微球透鏡接觸，以免影響微球透鏡的功能。經(jīng)塑料外殼封裝后，利用切割機由分割道將晶粒載臺切割成表面黏著型檢光器顆粒，如圖5B所示，521’即為表面黏著型檢光器顆粒的平面型塑料外罩，電極514和515通過貫孔分別與晶粒載臺的第一電極512和第二電極513相接。另外，如圖5C所示，亦可通過模具的設(shè)計形成透鏡型塑料外罩522以進一步提高耦合容忍度。
上述說明僅僅是本發(fā)明具體實施例的具體說明，然本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可理解，任何非實質(zhì)性更改或變換皆包含在本發(fā)明范圍內(nèi)，該實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍。
權(quán)利要求
1.一種提高光電元件耦合容忍度的封裝方法，其特征在于，其包括以下步驟(a)將具有一微球透鏡嵌座的光電元件晶粒裝定在一晶粒載臺上；(b)完成(a)所述的光電元件晶粒與晶粒載臺的電極連接；(c)注入光學(xué)膠在(a)所述的微球透鏡嵌座中；(d)放置一微球透鏡在(c)所述的已注膠的微球透鏡嵌座上，借助重力牽引使微球透鏡自動落入嵌座中，達成微球透鏡與光電元件的光軸對準；(e)通過紫外光曝照或加熱方式使(c)所述的光學(xué)膠固化，固定d)所述嵌入的微球透鏡；(f)將已完成晶粒裝定及微球透鏡嵌入固定的晶粒載臺元件進行后續(xù)封裝。
2.如權(quán)利要求1所述的提高光電元件耦合容忍度的封裝方法，其特征在于，該光電元件晶粒，其包含面耦合型和面射型光電元件晶粒。
3.如權(quán)利要求1所述的提高光電元件耦合容忍度的封裝方法，其特征在于，該晶粒載臺是半導(dǎo)體基板、陶瓷基板、塑料基板、電路板或TO基座等可形成電極在其上的載臺。
4.如權(quán)利要求1所述的提高光電元件耦合容忍度的封裝方法，其特征在于，該晶粒載臺后續(xù)封裝，其包含晶粒載臺氣密封裝在具封蓋的TO基座內(nèi)或氣密封裝在加熱成形的塑料外罩內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的提高光電元件耦合容忍度的封裝方法，其特征在于，該金屬封蓋或塑料外罩是平面透窗型或具球型透鏡的封罩。
6.一種提高光電元件陣列光學(xué)耦合容忍度的封裝方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(a)將具有一微球透鏡嵌座陣列的光電元件陣列晶粒裝定在一陣列晶粒載臺上；(b)完成步驟(a)中的光電元件陣列晶粒與陣列晶粒載臺的電極連接；(c)依序注入光學(xué)膠于步驟(a)的微球透鏡嵌座陣列中；(d)依序放置微球透鏡在步驟(c)的已注膠的微球透鏡嵌座陣列上，藉重力牽引使微球透鏡自動落入嵌座中，達成微球透鏡與光電元件的光軸對準；(e)通過紫外光曝照或加熱方式使步驟(c)中的光學(xué)膠固化，固定步驟(d)中的嵌入的微球透鏡；(f)將已完成陣列晶粒裝定和微球透鏡嵌入固定的陣列晶粒載臺元件進行后續(xù)封裝。
7.如權(quán)利要求6所述的提高光電元件陣列光學(xué)耦合容忍度的封裝方法，其特征在于，該光電元件陣列晶粒包括面耦合型和面射型光電元件陣列晶粒。
8.如權(quán)利要求6所述的提高光電元件陣列光學(xué)耦合容忍度的封裝方法，其特征在于，該陣列晶粒載臺是半導(dǎo)體基板、陶瓷基板、塑料基板、電路板或TO基座等可形成電極于其上的載臺。
全文摘要
一種提高光電元件耦合容忍度的封裝方法，其通過光電元件晶粒上定位和固定用的微球透鏡嵌座(Micro ball－lens socket)，將聚焦用的微球透鏡置于該嵌座上達到提升耦合誤差容忍度的目的；該微球透鏡嵌座是晶粒制作過程中所形成，其中心對應(yīng)于光電元件晶粒的光耦合或輸出中心，通過重力的牽引，微球透鏡可放置于嵌座上后自動鑲?cè)肭蹲校_成光軸的自我對準，另通過此微球透鏡嵌座側(cè)壁保留的間隙，可提供固定及折射率匹配的光學(xué)膠循此間隙填入微球透鏡與光電元件的耦合接口，提高光學(xué)耦合效率并提高整合穩(wěn)定度，此整合一微球透鏡的光電元件利于后續(xù)封裝時采用被動封裝方法，在無特性監(jiān)測、不倚賴光學(xué)對準的狀況下，達到高效率的光學(xué)耦合。
文檔編號H01L33/00GK1832209SQ20051009580
公開日2006年9月13日 申請日期2005年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月15日
發(fā)明者林恭政, 何充隆, 劉一鳴, 黃雍勛, 楊智超, 林佳儒, 何文章, 廖枝旺 申請人:中華電信股份有限公司