TWI451147B - 光電模組 - Google Patents

Description

光電模組

本發明係關於光電模組，特別係一種整合覆晶封裝結構與矽穿孔結構之光電模組。

電子裝置中通常會配設一連接器藉此與一其他元件電性連接，以使電子裝置與他裝置溝通或傳輸訊號。然而，隨著科技的進步，電子裝置朝向輕薄化之趨勢發展，以傳統模具所製作之連接器塑膠本體以及應用沖壓技術所製作之導電端子即不易裝設於輕薄化之電子裝置中。

以光電耦合元件作為光電轉換與電信號傳輸上的基本設計，在目前的各種電路構造、電子裝置或相關系統中係已得到了廣泛的應用。在光電耦合元件的相關單元的尺寸設計均較小的條件之下，將光纖組裝或植入至耦光裝置內以將光信號導出或導入耦光裝置以進行傳輸，便具有相當的難度與不便，甚至會產生誤差，進而使光信號無法準確傳遞至光纖中而影響傳輸。再者，光纖係需在耦光裝置內作固定式之組裝或植入，使得除了無法提供反覆的插拔與組裝外，所外露的光纖後端亦會形成線狀之延伸而造成使用上的不便。

另外，一種矽基微光學平台(silicon optical bench)之光學連結技術係可以作為板對板或USB 3.0之光學連結技術的一個應用平台。在架構上，此矽基微光學平台之光學連結收發模組包含有：單石積體化之45°微反射面、置放光纖陣列之V型凹槽、具2.5GHz之高頻傳輸線與錫金焊料等，並可經由適當之光學對位而將面射型雷射與光偵測器封裝至該微光學平台上。

此外，目前已發展將晶片與光雷射整合於矽基微光學平台之上；惟其晶片與光電元件(面射型雷射與光偵測器等)之間通常係透過焊接線(wire bonding)而作電性連接。由於焊接線之本質為與晶片或光電元件阻抗不匹配的介質，一般為減少高頻電訊號在傳遞上的能量損耗或訊號失真，會盡可能縮短焊接線線長。然而，在更高速的訊號傳遞系統中，仍將面臨因電桿效應隨頻率增加而迫使阻抗值過大，或者通道與通道間的串音(cross-talk)雜訊，都會引響元件之間的傳輸速度。

再者，利用矽穿孔(through silicon via,TSV)於中介層中來傳遞電訊號，雖可以避免焊接線的阻抗問題，但其結構的可靠度問題(reliability issue)仍待驗證。此外，針對25Gbps或以上之高頻傳輸的光電模組，其光電元件(如光偵測器)的主動收光區將大為縮小，故若光電元件之光束耦合效率差，則無法滿足光利用預算(optical power budget)的需求。

基於上面所述之缺點得知上述光電連接器之效能尚有待進一步提升之處。因此，本發明提供一種板上光電模組。

鑒於上述之缺點，本發明之一目的在於提供一光電模組，包含穿孔結構以利於電訊號得以透過其中傳輸以及光訊號經由其中傳遞。

本發明之另一目的在於提供一光電模組，包含矽中介層(silicon interposer)結構，由於矽中介層之穿孔結構中無需傳遞電信號，因此可以避免由於矽穿孔側壁粗糙所造成的漏電流問題。換言之，矽中介層結構不會產生可靠度問題。

本發明之再一目的在於提供一光電模組，由於此光電模組結構中無需焊接線，可以降低阻抗產生的問題，而提昇高頻效能。

本發明之又一目的在於提供一光電模組，以利於連接一光纖連接器(fiber connector)，亦即成為一可插拔模組化之光電模組。

本發明提供之光電模組，利用表面黏著(surface mountable)製程，因此無需高速電插座(electrical socket)與外罩(cage)。

本發明之一實施例提供一種光電模組，包含一中介層，具有一第一上表面、一第一下表面及一第一穿孔結構，其中第一上表面與第一下表面相對，第一穿孔結構由第一上表面穿過中介層至第一下表面；一光電元件，設置於中介層之第一下表面之上側，其中光電元件適於經由第一穿孔結構提供或接收一光訊號；以及一調光部件，設置於中介層之第一上表面之上側，並位於光訊號之傳遞路徑上，用以調整光訊號之光形。

本發明之一實施例之光電模組更包括一第一凹槽結構形成於中介層之第一上表面，其中調光部件設置於第一凹槽結構中，且第一穿孔結構由第一凹槽結構之底面穿過中介層至第一下表面；一基板，具有一第二上表面、一第二下表面、一第二穿孔結構及一導電材料，其中光電元件位於中介層與基板之間，第二上表面面向中介層之第一下表面，第二穿孔結構由第二上表面穿過基板至第二下表面，且導電材料填入第二穿孔結構中；更包括一第二凹槽結構形成於基板或中介層，其中光電元件設置於第二凹槽結構之中，以及至少一控制單元，設置於基板之第二上表面上，且電性連接導電材料及光電元件，以控制光電元件；更包括一第一導電圖案，形成於基板之第二上表面之上，一第二導電圖案，形成於中介層之第一下表面之上；更包括一上蓋與一定位結構，上蓋覆蓋中介層與光電元件，定位結構形成於上蓋之內表面與中介層之第一上表面；更包括一填充材料設置於調光部件與光電元件之間並填入於第一穿孔結構中。

綜合上述，本發明之實施例提出一種新的光電模組結構，將中介層與調光部件及穿孔結構進行整合，使得控制單元與光電元件整合至單一基板上。

在另一實施例中，由於穿孔結構及其中之導電材料，因此對於控制單元與光電元件無須打線製程便可完成模組的構裝，在高頻特性、高速傳輸、元件組裝速度上獲得提升。

本發明將配合實施例與隨附之圖式詳述於下。應可理解者為本發明中所有之實施例僅為例示之用，並非用以限制。因此除文中之實施例外，本發明亦可廣泛地應用在其他實施例中。且本發明並不受限於任何實施例，應以隨附之申請專利範圍及其同等領域而定。

第一圖顯示為根據本發明之一實施例之具覆晶封裝結構之光電模組之示意圖。在本實施例中，光電模組10可以作為微型化被動式光連結發射端或接收端，或者整合發射與接收端成為一光收發模組(transceiver module)，光電模組10包含基板100、導電凸塊(solder bumps)102與102a、導電圖案(condcutive pattern)103與104、光電元件105、中介層(interposer)106、控制晶片107與108、上蓋(cover)109與一調光部件110。舉例而言，基板100包含但不限定為陶瓷基板(ceramic laminate)、矽基板或印刷電路板；中介層106包含但不限定為半導體層。

中介層106具有一上表面106a、一下表面106b、一穿孔結構106c及一凹槽結構106d，其中上表面106a與下表面106b相對，凹槽結構106d設置於上表面106a以利於調光部件110配置於其中，而穿孔結構106c由凹槽結構106d之底面穿過中介層106至下表面106b。上表面106a與下表面106b係指中介層的整體結構之上表面與下表面。光電元件105設置於中介層106之下表面106b之下側，且光電元件105適於經由穿孔結構106c提供或接收一光訊號。調光部件110，設置於中介層106之上表面106a之上側，並位於光訊號之傳遞路徑上。具體而言，光電元件105可配置以對(應)準於穿孔結構106c以及調光部件110，以利於光電元件105所發出之光得以通過調光部件110而傳遞至光電模組10之外部。在本實施例中，調光部件110例如為微透鏡陣列(micro lens array)。

基板100具有一凹槽結構100a、一上表面100b、一下表面100c、一穿孔結構101及一導電材料101a，其中上表面100b與下表面100c相對且基板100之上表面100b面向中介層106之下表面106b，凹槽結構100a設置於基板100之上表面100b以利於光電元件105配置於其中，即光電元件105位於中介層106與基板100之間。穿孔結構101由上表面100b穿過基板100至下表面100c，穿孔結構101中例如填滿導電材料101a以形成矽穿孔。控制晶片107與108設置於基板100之上表面100b上，且電性連接矽穿孔之導電材料101a及光電元件105。具體而言，導電圖案103係形成於基板100之上表面100b上，導電圖案104係形成於中介層106之下表面106b上。而導電凸塊102係形成於控制晶片107,108與基板100之間，亦即導電凸塊102係形成於基板100之上表面100b以及控制晶片107與108之下表面；導電凸塊102a係形成於中介層106與基板100之間，亦即導電凸塊102a係形成於基板100之上表面100b以及中介層106之下表面106b。在本實施例中，位於控制晶片107與108之下表面的導電凸塊102可分別直接電性連接控制晶片107與108。位於中介層106之下表面106b的導電凸塊102a係分別透過導電圖案103與導電凸塊102而電性連接控制晶片108，以及透過導電圖案104電性連接光電元件105之焊接墊105a。換言之，控制晶片107與108係透過導電凸塊102、導電圖案103、導電凸塊102a與導電圖案104而電性連接光電元件105，且控制晶片107與108係透過導電凸塊102而電性連接其下的基板100之矽穿孔中的導電材料101a。因此，在本實施例中，光電元件105與控制晶片107、108之間無需焊接線。另外，導電凸塊102、102a之間距設定會依據基板100的精度要求而定。

上述之導電圖案103之形成或配置係從中介層106之下往外延伸至控制晶片107與108之下，可以使得光電元件105之電訊號往中介層106之二側之外傳遞與接收，下表面接腳(例如導電凸塊102a)被擴散式散出至中介層106所覆蓋面積之外，以提供其他裝置與之有較好之連接，並可以減低接腳間之電磁干擾。控制晶片107與108配置於中介層106之外側，且控制晶片107與108直接配置於基板100之上，因此得以減低中介層106之面積大小。

中介層106包含但不限定為一矽中介層，其它矽之外的材料亦可以作為中介層的材料。對於矽中介層而言，透過微影與蝕刻製程所完成的結構具有極佳的精準度，因此可以精準的完成光電元件105、調光部件110與上蓋109之封裝。上蓋109係用以覆蓋中介層106與光電元件105且與基板100接合。

舉一實施例而言，光電模組10更包括一定位結構形成於中介層106之上表面106a與上蓋109之內表面，以組合中介層106與上蓋109。舉例而言，定位結構包含一凹槽結構106e與一凸起結構109a，凹槽結構106e形成於中介層106之上表面106a，凸起結構109a形成於上蓋109之面向中介層106之上表面106a之內表面，利用凹槽結構106e搭配對應之凸起結構109a以結合上蓋109與中介層106。然而，在其他實施例中，定位結構之凹槽結構106e與凸起結構109a之設置位置可互相調換，亦可組合中介層106與上蓋109。

在本實施例中，中介層106設置有凹槽結構106d的部分構成一矽基微光學平台，以作為各式光電元件(例如微透鏡陣列110)中所需的承載部分，而此光學平台之下的穿孔結構106c的空間可以讓光電元件105之發光通過其中。上述穿孔結構106c、凹槽結構106d及凹槽結構106e之位置可以視實際的應用情況而調整。舉例而言，中介層106之上表面106a之凹槽結構106e可以透過一蝕刻製程而形成，蝕刻後之凹槽角度(inclined angle)包含但不限定於45度、54.74度。凹槽結構106d亦可以透過一蝕刻製程而形成。穿孔結構106c可以藉由微機電系統(MEMS)來形成。舉例而言，穿孔結構106c之深度(光路徑)約為100~500微米，口徑(via aperture)約為50~400微米。尤其是，穿孔結構106c之口徑不宜超過光電元件105之陣列間距(例如為250微米)。微透鏡陣列110之微透鏡之數目端視實際的應用而設計。

此外，控制晶片107或108例如為一驅動電路晶片或轉阻放大器(trans-impedance amplifier,TIA)晶片，其中驅動電路晶片可以用以驅動光電元件105使其發光。光電元件105可為光發射或接收元件，例如為雷射、垂直共振腔表面放射雷射(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)、光檢測器(photo-detector)或發光二極體。以光發射元件舉例而言，光電元件105主要之功能係根據控制晶片107或108所傳遞之電信號來產生或發射出對應轉換後的光束或光信號以進行傳輸。基板100例如為平面閘格陣列(land grid array,LGA)、球格陣列(BGA)的陶瓷基板封裝結構，其可以透過矽穿孔結構電性連接至一印刷電路板。另外，基板100除了可以作為控制晶片107與108或光電元件105的次封裝平台(sub-mount)之外，還可整合其他邏輯元件(logic device)、記憶體(memory)或整合被動元件(integrated passive devices,IPD)等元件於其上。換言之，垂直共振腔表面放射雷射/光檢測器可以整合於同一矽中介層106之上，因此，本發明實施例之光電模組10可以作為光收發器(transceiver)。舉例而言，垂直共振腔表面放射雷射以及光檢測器可互相隔離約500微米。

再者，上蓋109覆蓋並保護整體光電模組以免受外在環境汙染。舉例而言，上蓋109僅覆蓋基板100上的光電元件105、控制晶片107、108與中介層106，而裸露調光部件110以利於光電元件105所發出之光得以通過調光部件110而傳遞至光電模組之外部。如第一圖所示，上蓋109具有一通孔109b，面向調光部件110並位於調光部件110之上，約略對準調光部件110與光電元件105，使得光訊號得以通過通孔109b而傳遞出去。另外，上蓋109與中介層106亦可以透過注入黏著材料而互相接合。在本實施例中，上蓋109之材料包含但不限定於金屬上蓋，矽中介層與金屬上蓋之結合具有良好的散熱效果。此外，上蓋109之外表面可利用特定之製造方法形成其他定位結構，例如凸起結構(圖未示)，以利於組合其他外部構件，例如一光纖連接器，藉此使光電模組10成為一可插拔模組化之光電模組10，具體而言，上蓋109之外表面的凸起結構可利用表面黏著製程，組合外部構件，因此無需高速電插座與外罩。

請參考第二圖，其顯示根據本發明之一實施例之光電模組之立體示意圖。在本實施例中，光電模組10更包括一填充材料140設置於調光部件110與光電元件105之間並填入於穿孔結構106c中。舉例而言，填充材料140可為一膠體。此外，上蓋109可以包含數個開口109c以利於結構體的散熱。此外，在另一實施例中，亦可以在穿孔結構106c填入一物質，例如介電材料，以進一步調整光電元件105發射之雷射光束射出穿孔結構106c的出光角度。

請參考第三圖，矽中介層106的厚度或孔徑大小的設計與光電元件105所發出之雷射光束的張角122有關。依 據選用的光電元件，可以適當的去設計或製作該中介層106。

舉一實施例而言，經由光電元件105出光之雷射光束可以經由調光部件110以進一步進行光形的調整，然後加以耦合至外部光纖或另一導光結構。舉一實施例而言，調光部件110之結構誤差容忍度(tolerance)為±10微米，調光部件110之對準誤差容忍度為±20微米。調光部件110可為光學透鏡或準直透鏡(collimation lens)。光學透鏡例如為塑膠光學透鏡。

第四圖顯示為根據本發明之另一實施例之光電模組之示意圖。在本實施例中，光電模組10’與第一圖中的光電模組10相似，差別在於光電模組10’直接於中介層106之下表面106b形成容納光電元件105之凹槽結構106f，而取代光電模組10於基板100之上表面100b形成凹槽結構100a之例子。而穿孔結構106c係由凹槽結構106d之底面穿過中介層106至凹槽結構106f之頂部(上)表面。導電圖案104a形成於凹槽結構106f之部分上表面、下表面及側壁(斜面)上以電性連接光電元件105之焊接墊105a與導電凸塊102a。凹槽結構106f之製作可以彈性地選擇濕式蝕刻、乾式蝕刻或者是濕式及乾式蝕刻。利用高頻的導電圖案(trace)104a形成於凹槽結構106f之部分上表面、下表面及側面上以傳遞電訊號。在本實施例中，光電元件105與控制晶片107、108之間仍無需焊接線。

綜合上述，由於本發明之實施例之光電元件透過中介層中之穿孔結構提供或接收光訊號，因此可以避免因穿孔結構之側壁粗糙所造成的漏電流問題。換言之，具有穿孔結構之中介層不會產生可靠度問題。

此外，本發明之實施例之光電模組將中介層、調光部件及光電元件進行整合，並透過覆晶封裝結構與矽穿孔結構，使得控制單元與光電元件可整合至單一基板上

本發明實施例之光電模組由於矽穿孔結構對於控制晶片與光電元件無須打線製程便可完成模組的構裝，在高頻特性、高速傳輸、元件組裝速度上獲得提升。

對熟悉此領域技藝者，本發明雖以實例闡明如上，然其並非用以限定本發明之精神。在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改與類似的配置，均應包含在下述之申請專利範圍內，此範圍應覆蓋所有類似修改與類似結構，且應做最寬廣的詮釋。

10．．．光電模組

100、120．．．基板

100a、106d、106e、106f．．．凹槽結構

100b、106a．．．上表面

100c、106b．．．下表面

101、106c．．．穿孔結構

101a．．．導電材料

102、102a．．．導電凸塊

103、104、104a．．．導電圖案

105．．．光電元件

105a．．．焊接墊

106．．．中介層

107、108．．．控制晶片

109．．．上蓋

109a．．．凸起部

109b．．．通孔

109c．．．開口

110．．．調光部件

122．．．角度

140．．．填充材料

第一圖顯示根據本發明之一實施例之光電模組之示意圖。

第二圖顯示根據本發明之一實施例之光電模組之立體示意圖。

第三圖顯示根據本發明之光電元件之光束發散角度之示意圖。

第四圖顯示根據本發明之另一實施例之光電模組之示意圖。

10．．．光電模組

100．．．基板

100a、106d、106e．．．凹槽結構

100b、106a．．．上表面

100c、106b．．．下表面

101、106c．．．穿孔結構

101a．．．第一導電材料

102、102a．．．導電凸塊

103、104．．．導電圖案

105．．．光電元件

105a．．．焊接墊

106．．．中介層

107、108．．．控制晶片

109．．．上蓋

109a．．．凸起部

109b．．．通孔

110．．．調光部件

Claims (12)

1. 一種光電模組，包含：一中介層，具有一第一上表面、一第一下表面及一第一穿孔結構，其中該第一上表面與該第一下表面相對，該第一穿孔結構由該第一上表面穿過該中介層至該第一下表面；一光電元件，設置於該中介層之該第一下表面之下側，其中該光電元件適於經由該第一穿孔結構提供或接收一光訊號；一調光部件，設置於該中介層之該第一上表面之上側，並位於該光訊號之傳遞路徑上，其中該調光部件用以調整該光訊號之光形；以及一基板，該基板具有一第二上表面、一第二下表面、一第二穿孔結構及一導電材料，其中該光電元件位於該中介層與該基板之間，該第二上表面面向該中介層之該第一下表面，該第二穿孔結構由該第二上表面穿過該基板至該第二下表面，且該導電材料填入該第二穿孔結構中。
2. 如請求項1所述之光電模組，更包括一第一凹槽結構，該第一凹槽結構形成於該中介層之該第一上表面，其中該調光部件設置於該第一凹槽結構中，且該第一穿孔結構由該第一凹槽結構之底面穿過該中介層至該第一下表面。
3. 如請求項1所述之光電模組，更包括一第二凹槽結構，該第二凹槽結構形成於該基板之該第二上表面或該中介層之該第一下表面，其中該光電元件設置於該第二凹槽結構之中。
4. 如請求項1所述之光電模組，更包括至少一控制單元，該控制單元設置於該基板之該第二上表面上，其中該控制單元電性連接該導電材料及該光電元件，以控制該光電元件。
5. 如請求項1所述之光電模組，其中該調光部件為一微透鏡陣列。
6. 如請求項1所述之光電模組，其中該中介層為一半導體層。
7. 如請求項6所述之光電模組，更包括一上蓋與一定位結構，其中該上蓋覆蓋該中介層與該光電元件，該定位結構形成於該上蓋之內表面及該中介層之該第一上表面。
8. 一種光電模組，包括：一中介層，具有一第一上表面、一第一下表面及一第一穿孔結構，其中該第一上表面與該第一下表面相對，該 第一穿孔結構由該第一上表面穿過該中介層至該第一下表面；一光電元件，設置於該中介層之該第一下表面之下側，其中該光電元件適於經由該第一穿孔結構提供或接收一光訊號；一調光部件，設置於該中介層之該第一上表面之上側，並位於該光訊號之傳遞路徑上，其中該調光部件用以調整該光訊號之光形；以及一基板及一凹槽結構，該基板具有一第二上表面及一第二下表面，其中該凹槽結構形成於該基板之該第二上表面或該中介層之該第一下表面，該光電元件位於該中介層與該基板之間，且設置於該凹槽結構之中。
9. 如請求項8所述之光電模組，更包括一上蓋，該上蓋具有一通孔，該通孔面向該調光部件，其中該上蓋覆蓋該中介層與該光電元件且與該基板接合。
10. 如請求項9所述之光電模組，其中該上蓋之材料包含金屬。
11. 如請求項8所述之光電模組，更包括至少一控制單元、一第一導電圖案與一第二導電圖案，其中該第一導電圖案與該第二導電圖案分別形成於該基板之該第二上表面上及該中介層之該第一下表面上，該控制單元置於該 基板之該第二上表面上且透過該第一導電圖案與該第二導電圖電性連接該光電元件。
12. 如請求項1所述之光電模組，更包括一填充材料，該填充材料設置於該調光部件與該光電元件之間並填入於該第一穿孔結構中。