專利名稱：用于光互連模塊的硅載體的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及光學互連，特別涉及用于光互連模塊的硅載體。
背景技術：
光學互連用于多種應用，將光學部件耦合到電子部件。通常公認解決該問題的優選措施包括將光學部件集成到多芯片模塊(MCMs)或單芯片模塊(SCMs)。一個現有技術包括將激光器陣列直接安裝到硅鍺(SiGe)激光器驅動器芯片上。然而，該措施增加了額外的成本并產生難以解決的熱挑戰。熱挑戰有兩層含義首先，熱敏激光器與產生熱的SiGe驅動器電路密切接觸，影響了激光器的性能和可靠性。其次，由于散熱器不能接觸激光器區域中的芯片和驅動器線接合焊盤，從而與驅動器的接觸面積很小，因此驅動器電路上的散熱器不是很有效。
成本增加來源于SiGe芯片，為執行封裝功能并且含有需要的驅動器電路，因此芯片尺寸過大。采用該設計沒有很有效地布設電路，并估計小于15％的芯片面積。由此，很明確需要一種新型的激光器陣列封裝。
發明內容
本發明的一個實施例是一種光互連模塊，包括硅載體；安裝在硅載體上的通信集成電路和安裝在硅載體上的光集成電路倒裝芯片。光集成電路通過硅載體中的電路徑與通信集成電路電通信。硅載體中的光路徑提供了光集成電路和光線路之間的光耦合。
參考示例性的附圖，其中各附圖中類似的元件采用類似的標號圖1為本發明的一個實施例中光學互連組件的透視圖；圖2為本發明的一個實施例中光學互連模塊的透視圖；圖3-10示出了用于光學互連模塊的各實施例的多種光學和電學互連。
具體實施例方式
圖1為本發明的一個實施例中光學互連組件100的透視圖。光學互連組件100包括基板102。基板102可以是多層陶瓷片、印制電路板等。互連104定位在基板102的底部上。雖然在圖1中示出了球柵陣列(BGA)，但是互連104可以是任何已知類型的電學和/或光學互連。
基板102的頂面包括多個集成電路106。集成電路(ICs)106為通常的電子部件，并通過基板102內的電過孔被耦合到互連104和/或光互連模塊200。ICs106可以為光互連模塊200提供支持功能并且為低速(例如，5-10Gb/s)CMOS器件。
圖2為本發明的一個實施例中光互連模塊200的透視圖。光互連模塊200包括具有電學和光學過孔的作為硅平臺(platform)的載體202、嵌入的無源器件(例如，電阻、電容)以及光學對準元件。在一個實施例中，硅載體202為20mm×20mm。互連204定位在硅載體202的底部上。雖然在圖2中示出了球柵陣列(BGA)，但是互連204可以是包括倒裝芯片互連的電學或光學部件，與基板102頂面上對應的互連匹配。
在硅載體202上還安裝有集成電路(ICs)206，提供了如信號編碼和信號調節等的信號處理功能。在一個實施例中，ICs206為低速(5-10Gb/s)CMOS器件。ICs206通過硅載體202中的電路徑連接到互連204和其它IC。
通信ICs208安裝在硅載體202上。通信ICs208可以是以20-40Gb/s的較高速度工作的硅-鍺(SiGe)器件。通信ICs208與在硅載體中形成的電路徑上的光發送器IC 210和光接收器IC 212連接。通信ICs208可以包括用于驅動光發送器IC 210的驅動器IC和用于放大由光接收器IC 212接收的信號的放大器IC。通信ICs208為包括光發送器IC 210和光接收器IC212的光集成電路提供了如混合/去混合(mux/demux)、產生時鐘、驅動和放大等功能。
光發送器IC 210和光接收器IC 212與光線路214連接以向和從光互連模塊200發送和接收光信號。在一個實施例中，光發送器IC 210為III-V化合物VCSEL陣列，并且光接收器IC 212為光電二極管陣列，兩者都在20-40Gb/s的較高速度下工作。光發送器IC 210和光接收器IC 212為安裝到硅載體202的倒裝芯片。應該理解不需要單獨的發送器和接收器IC，并且可以使用一個收發器IC。
光發送器IC 210和光接收器IC 212通過嵌在硅載體202內的光路徑(光纖陣列、波導等)耦合到光線路214。在再生或接收之前，沿2m到100m的距離，光線路214發送和接收具有能透過硅載體202的波長(例如，大于約1000nm)的光信號。光傳送介質(例如，光纖)被耦合到光線路214以提供傳送路徑。
在公共載體上安裝CMOS ICs 206、SiGe ICs 208、光發送器IC 210和光接收器IC 212使功能、功耗和成本最佳。通過放置在載體202上的部件也解決了如VCSEL陣列210鄰近SiGe驅動器ICs 208等的熱管理問題。由于可以獲得整個表面，因此可以將散熱器安裝到通信ICs 208的整個頂面。通過相對高速SiGe通信ICs 208放置VCSEL陣列210，同樣使噪聲最小。
多個不同的光學和電學元件可以結合到用于安裝和/或互連電學和光學部件的硅載體202中。圖3為本發明的一個實施例中光互連模塊200的剖面圖。硅載體202包括用于對準光學部件的V形槽。例如，提供V形槽302用于定位鏡子，提供V形槽304用于定位光纖或透鏡306。電通孔308延伸穿過硅載體202到互連204。可以使用反應離子蝕刻(RIE)以限定用金屬填充的小尺寸(例如，50微米直徑)孔，來形成通孔308。電路徑和光路徑310可以形成在硅載體202中以連接通孔308和光學部件。
圖4為本發明的一個實施例中光學互連組件100的剖面圖。基板102包括嵌在基板102中或在基板102表面上的光路徑402(例如，波導)。光互連模塊200包括光過孔404(這里將更詳細地介紹)，將光互連模塊200上的光元件(例如，光發射器或接收器)耦合到光路徑402。這使得基板102表面上的光互連模塊200建立了光通信。
圖5為本發明的一個實施例中具有光互連模塊200的光學互連組件100的剖面圖。硅載體202包括多層布線502(例如，氧化鈹)，以提供ICs206、208以及210之間的電連接。ICs206、208以及210通過電互連503(例如微球柵陣列)與硅載體202上的電路徑電接觸。框架506包圍了ICs并氣密密封了光互連模塊200。散熱器508安裝在框架506上并熱接觸ICs206、208以及210。這使高速IC208的整個表面熱接觸散熱器。光過孔504形成在硅載體202中，并包括適合硅微透鏡505的通道。如果使用玻璃或聚合物透鏡，那么光發送器210和光接收器212可以在約850nm的波長下工作。
基板102包括光路徑層510，光路徑層510包含與光過孔504光通信的波導509(例如，整個內反射鏡)。波導509提供了基板102上光信號的路徑。可以使用類似的光過孔互連光接收器212。對準特征507使光過孔504與波導509對準。對準特征507為進行硅載體202與基板102對準的機械對準特征。可以在形成光過孔504的同時在硅載體202中蝕刻出對準特征。
圖6為本發明的一個實施例中具有光互連模塊200的光學互連組件100的剖面圖。光互連模塊200類似于圖5中的模塊，但包括玻璃層602，提供了光發送器210和波導508之間的光互連。透鏡604的陣列形成在玻璃層602中以將光發送器210光耦合到波導509。可以使用類似的光過孔互連光接收器212。可以使用附加的透鏡使光發送器和光接收器在850nm下工作。
圖7為本發明的一個實施例中具有光互連模塊200的光學互連組件100的剖面圖。光互連模塊200類似于圖5中的模塊，但包括硅載體202底部上的折射率匹配層702。光發送器210發出能透過硅載體的波長的光(例如，大于約1000nm)。在本實施例中，硅載體202為涂覆有1/4波長的氮化物的抗反射層。由光發射器210發出的光穿過載體202、穿過折射率匹配層702到達波導509。在折射率匹配層702中提供開口704以使導電過孔308接觸基板102頂部的電互連706(BGA，C4)。透鏡可以結合在硅載體202中以將光指向和來自波導509、光發射器208和光接收器210。
圖8為本發明的一個實施例中具有光互連模塊200的光學互連組件100的剖面圖。光互連模塊200類似于圖7中的模塊，但包括折射率匹配底充物806，而不是層702。而且，通過載體202中的一個或多個開口802以及光通路層510中對應數量的柱804獲得光互連模塊200和基板102的對準。可選地，可以使用已知的互連對準技術(例如，C4自對準)相對于基板102定位光互連模塊200。
圖9為本發明的一個實施例中具有光互連模塊200的光學互連組件100的剖面圖。在本實施例中，光集成電路(例如，光發射器和/或光接收器)安裝在硅載體202的相對面，作為ICs206和208。圖9示出了安裝硅載體202的底部上并定位在折射率匹配層702內的光發射器210。電過孔902將ICs208和/或206連接到光發射器210。光發射器210將光發射到波導509。
圖10為本發明的一個實施例中具有光互連模塊200的光學互連組件100的剖面圖。圖10的實施例類似于圖9的實施例，但光集成電路為邊緣發射的微諧振器1002。微諧振器嵌在折射率匹配層702內。微諧振器1002利用對接耦合以與光路徑層510光連接。
本發明的各實施例從電路問題中消除了封裝問題并使用更低成本的Si載體202用于封裝。估計Si載體202的成本比6HP SiGe的便宜5到10倍。用于光互連模塊200的Si載體202可以設計為直接附加到柔性引線、到具有通孔和C4s的基板102、或者直接附加到具有BGA的PCB。使用滑動的玻璃蓋和標準的光陣列連接器，光發射器210、光接收器212以及通信ICs208可以與Si載體202一起組裝在氣密或近似氣密的封裝內，進而可以集成到MCM封裝內。緊密集成光發射器210、光接收器212以及通信ICs208可以使電噪聲最小并且易于激光器的高數據速率調制。
雖然參考示例性實施例介紹了本發明，但是應該理解對于本領域中的技術人員可以進行多種修改并進行元件的等效替代，只要不脫離本發明的范圍。此外，可以根據本發明的教導采用特定的形式或材料來進行多種修改，只要不脫離本發明的范圍。因此，本發明不限于作為實施本發明的最佳或唯一方式公開的特定實施例，相反，本發明包括落入附帶的權利要求書范圍內的所有實施例。而且，使用的術語“第一”、“第二”等不代表任何順序或重要性，相反術語“第一”、“第二”等用于相互區分。而且，使用術語“一個”等不代表對數量的限制，而是表示存在至少一個參考項。
權利要求
1.一種光互連模塊，包括硅載體；安裝在所述硅載體上的通信集成電路；安裝在所述硅載體上的光集成電路倒裝芯片，所述光集成電路通過所述硅載體中的電路徑與通信集成電路電通信；所述硅載體中的光路徑，所述光集成電路通過所述硅載體中的所述光路徑與光線路光通信。
2.根據權利要求1的光互連模塊，還包括安裝到所述硅載體的信號處理集成電路，所述信號處理電路在比所述通信集成電路低的速度下工作。
3.根據權利要求2的光互連模塊，其中所述信號處理集成電路是CMOS集成電路。
4.根據權利要求1的光互連模塊，其中所述通信集成電路包括驅動器集成電路和放大器集成電路。
5.根據權利要求4的光互連模塊，其中所述光集成電路包括與所述驅動器集成電路和所述放大器集成電路電通信的光收發器。
6 .根據權利要求4的光互連模塊，其中所述光集成電路包括與所述驅動器集成電路電通信的光發送器和與所述放大器集成電路電通信的光接收器。
7.根據權利要求6的光互連模塊，其中所述光發送器為VCSEL陣列。
8.根據權利要求6的光互連模塊，其中所述光接收器為光電二極管陣列。
9.根據權利要求1的光互連模塊，其中所述通信集成電路為硅鍺集成電路。
10.根據權利要求1的光互連模塊，其中所述硅載體包括用于將光學部件與所述硅載體對準的V形槽。
11.根據權利要求1的光互連模塊，其中所述硅載體包括穿過所述硅載體的光過孔。
12.根據權利要求11的光互連模塊，其中所述光路徑包括適合于硅透鏡的通道。
13.根據權利要求11的光互連模塊，其中所述光路徑包括適合于玻璃透鏡的通道。
14.根據權利要求11的光互連模塊，其中所述光路徑包括適合于聚合物透鏡的通道。
15.根據權利要求11的光互連模塊，其中所述光路徑包括通道；以及在所述路徑的一端具有透鏡陣列的玻璃層。
16.根據權利要求11的光互連模塊，其中所述光路徑包括穿過所述硅載體的光傳送路徑；以及所述硅載體表面上的折射率匹配層。
17.根據權利要求1的光互連模塊，其中所述光集成電路定位在所述硅載體的相對面上作為所述通信集成電路。
18.根據權利要求17的光互連模塊，其中所述光集成電路為微諧振器。
19.根據權利要求1的光互連模塊，還包括所述硅載體上的對準特征，用于將所述光路徑與基板對準。
全文摘要
本發明的一個實施例為一種光互連模塊，包括硅載體；安裝在硅載體上的通信集成電路和安裝在硅載體上的光集成電路倒裝芯片。光集成電路通過硅載體中的電路徑與通信集成電路電通信。硅載體中的光路徑提供了光集成電路和光線路之間的光耦合。
文檔編號H04B10/02GK1629671SQ20041009094
公開日2005年6月22日 申請日期2004年11月10日 優先權日2003年12月17日
發明者J·D·克羅, C·M·德卡塞提斯, J·A·卡沙, J·M·特雷惠拉 申請人:國際商業機器公司