光纤与光电器件被动无源对准光互连.pdf

印制电路信息2 0 1 0N o 1光一电印制板G 忉f D P 膪c 加玎f c 删胛 耐B D 甜d暑!皇!詈!鼍!曼皇詈暑!詈!皇!皇詈!詈!皇暑詈!暑罩!皇!詈竺詈毫!皇!詈竺!苎詈詈!罩!曼詈!皇詈暑!暑!詈!曼三!暑詈!皇!詈亨：基于单芯片技术和垂直腔面发射激光器的光纤与光电器件被动无源对准光互连贾燕孙锁良编译(江南计算技术研究所，江苏无锡2 1 4 0 8 3)摘要在平行光互接应用的光收发器中，光纤对准占据了光电封装成本的一大部分。文章研究的光发送器和接收器由工作波长9 5 0n m 的垂直腔面发射激光器(V c s E L s)和谐振腔增强型(R c E)光检测器组成，并键合到单个双极型互补金属氧化物半导体(B i c M O s)芯片上。考虑到性能与生产成本，对不同的组装结构进行了研究。最终选择了利用倒装技术将光芯片键合到集成电路(I C)的方法。为实现光纤的被动无源对准，提出了在一片倒装焊了光芯片的I C 上方叠放的硅片上蚀刻孔的设想。目前这样一种测试装置已由法国L E T I 开发出来，并通过它证明了采用这种方法能够获得高精度(u m)的光纤对准。关键词光互接；被动无源对准；倒装焊中图分类号：T N 4 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 9 一0 0 9 6(2 0 1 0)1-0 0 4 9 一0 3P a s s i V eF i b r eA l i g n m e n to no p t o e l e c t r o n i cC o m p o n e n t sf o rE l e c t r 0 o p t i c a lL i n k SB a s e do nS i n g l e Ch i pT e c h n o l o g ya n dV CS E L s脚砌S 洲跏一f f 口愕A b s t 怕c tI no p t i c a l 锄s c e i v e r sf o rp 啪1 1 e 1o p t i c a l l i r l l(a p p l i c a t i o n s，曲e ra l i 即m e n tr e p r e s e n t saI a I 苫ep a r to ft h eo p 妣l e c 仃0 1 1 i cp a c k a g j n gc o s t I nt h i s 咖d yt h eo p t i c a lt 啪s 血姗砌dr e c e i V e rc o n s i s to fV C S E L 锄dR C Ep h o t o d e t e c t o r so p e r a t 崦a t9 5 0 衄羽1 db o n d e dt oas i n g l eB i C M O sc h i p D i 仃e 咖t 豁s 锄b l yc o 曲g u m t i o mw e r ei n v e s t i g a t e d 戗舾n gp e 晌m a l l c e 锄dm 锄u 觚嘶n gc o s ti n t oa c c o u n t F i n a l l y，aF l i p-C h i pt e c h n o l o g)rw 舔c h o s 钮t ob o n dt l l e0 p t i c a lc h i p so nI n t e 乒a t e dC i r c u i“I C)T oa c h i e V ep 硒s i v e 舫r ca l i 孕l I r I e I l t ac o n c 印tu s i n gh 0 1 e se t c h e dt t 哟u 曲as h e e to fs i l i c o nm o u n t e do nI Cb yF l 妒C h i p b o n d i n gw 嬲i n v e s t i g a t e d At 茚tV e l l i c l eh 嬲b e d e V e l 叩e da tL E l Ia n di th 弱b e e np r 0 啪dt h a th i g h 蠡b r ea l i 孕1 m e n tp r e c i s i o 脚)c 3 nb e K e V e du s i n gt h i sc o n c e p t K e yw O r d s0 p t I c a II i n k：p a s s i V ea g n m e n t；F p C h i p在电信、数据通信和数据行业领域，传输设备要接受越来越高速的信号传输和信号完整性需求增加的挑战。现有设备的每通道速率为1 2 5G b s。正在开发设计的产品是2 5G b s，未来的平台速率将达到1 0G b s。有源元件的性能提升、基板技术和4 9 一长距离(千兆以太网)的光互连是有可能实现的。目前局域网(L A N)中的收发器成本已高于光纤的成本，实验室研究工作的重点集中在了收发器封装上，它被认为是能否取得成功的关键。考虑到加入连接器性能和制造成本，对不同的组装结构进行了万方数据光一电印制板a p f D e k c 肋”f cP r 加抛d B o 口耐印制电路信息2 0 1 0N o 1研究，其中光纤被动无源对准可能是封装最重要的方面之一。L E T I 是P j d e a 欧洲项目有源平行光互连项目成员，项目的最终目标是开发和提交一种每通道信号速率可达2 5G b s 的平行光互连，但终端又转换成电连接。接口为双向，有4 个输入和4 个输出数据通道，连接最大长度3 m。项置主要的目标是在革个B i C M O S 芯片上集成光器件，在相同的波长和电压下应用基于V C S E L 砷化镓技术的发送器和接收器。器件和光纤的安装方法兼容于低成本大规模生产。L E T I 在项目中的成果是：(1)通过类似V C S E L 的外延生长，开发了R C E光检测器；(2)硅芯片的特殊驱动和放大电路设计；(3)硅与砷化镓的焊接互连工艺开发；(4)折衷考虑性能、制造公差和生产成本的组装与封装概念的开发。本文重点关注封装方面，尤其是光纤的被动无源对准。并提出了在一片倒装焊了光芯片的I C 上方叠放的硅片上蚀刻孔的概念。1封装策略在一个连接器封装策略中必须考虑光纤对准的构造。光纤被动无源对准的解决方法主要有以下几项技术选择：发射器和接收器技术，电互连模式，光纤的波长和类型。对几种已经公布的光互连川【2】【3】进行研究后，L E T I 提出了如图l 所示的P O L A 概念。图1 高吞吐率光互连封装概念为获得高数据吞吐率，光器件直接集成到了I C电路上，电互连的形式选择了倒装焊。与传统的弓l线键合相比，倒装焊具有最小的电容量和电阻值H l。L E T I 从1 9 8 4 年就参与到这项技术中，开始主要是为军用的红外线设备，近期则专注于如回流焊的芯片自对准光子学【副的新型微技术。对准是通过倒装焊凸点在回流焊过程的表面张力获得】。v C S E L 或R C E 光5 0 一检测器设计的底面发射工作频率是9 5 0n m。同标准的8 5 0 咖相比，这一波长的优点是背基板不必移动。在这一波长下砷化镓是透明的。此外，考虑到眼睛的安全性，与8 5 0n m 相比，光纤中9 5 0n m 光能量可以是它的两倍。为达到光纤对准和光器件与I c 焊接的自对准优势，L E T I 提出了在一片倒装焊了光芯片的I C 上方叠放的硅片上蚀刻孔的方法。以硅片上的蚀刻孔作光纤的导向。对应用而言(局域网)，可选用6 2 5 m 1 2 5“m 的多模光纤。值得注意的是，这一封装方法对于新一代的基板透明1 3 0 0 n m v C S E L 是有吸引力的。2 测试装置为了验证光纤被动无源对准的概念，L E T I 开发了一种测试装置(图2)。它由叠放在硅基板上倒装的硅平面构成。通过深反应离子刻蚀(D R j E)方法在硅平面上蚀刻1 2 个通孔。由于焊球限制了冶金沉积的进行，因此采用溅射方法同时在两个硅片上沉积金属瞄准标记。用C S 0 测量设备(图3)测量自对准。当测试设备垂直或水平移动时，C S O 将聚焦红外激光束通过硅平面，同时测量反射的红外放射线。当硅平面和基板上的金属刻度线分离达到3 5u m 对准成功。瞄准标记沉积在硅板的每个角和X、y 两个方向(图2)。图2 光纤被动无源对准的评估测试装置图3C S 0 装置聚焦原理这一测试装置利用常规的微电子设备由硅晶园制作而成。在晶圆的一面必须进行二步平版印刷万方数据印制电路信息2 0 1 0N o 1光一电印制板a p 舡P 店c 肋疗配蹦耐耐肋口耐法。焊球限制了冶金沉积，因此采用溅射方法，通孔蚀刻采用S T S 多路感应耦合等离子体(I C P)装置。为检查安装到孔中的光纤的适合度，需对抗蚀剂掩膜达到1 3 0”m 孔径的孔进行测试。L E T I 开发了专用工具用于球的初始定位，对5 0 0u m、3 0 0“m和2 0 0“m 铟球的初始直径进行测试。用苏斯公司(S u s S)的抓取和放置设备进行倒装焊。3 结果蚀刻通孔的尺寸可以很好的控制在2“m。然而，在平版印刷法掩膜设计中要考虑到侧蚀。图4 给出了D R J E 蚀刻孔的截面视图。D I u E 蚀刻的孔稍微有点锥形，这样更适宜将光纤植入孔中。图4 蚀刻孔S E M 截面图对不同倒装焊结构进行测试，结果如下表l 所示。装配件如图5 所示。应注意到焊接高度主要取决于初始焊球直径和冶金尺寸的限制。袭1硅基板尺寸凹1焊球个数焊接高度耻m3 6 0 0 7 5 0 02 63 9 93|5 0 0 7 5 0 02 1 22 3 83 6 0 0 7 5 0 02 2 41 7 03 6 0 0 7 5 0 02 43 7 03 6 0 0 7 5 0 02 62 3 63 6 0 0 7 5 0 02 1 61 6 7图5 测试工具视图用C S O 测试对准精度为1p m。图6 给出反射红外放射线测试的例子。首次研究显示适合光纤插入的孔直径至少为1 2 8 蛐。5 l，图6 从硅基板和硅板的瞄准标记扫描的水平反射红外放射线4 结论这项研究验证表明，采用在一片倒装焊了光芯片的I C 上方叠放的硅片上蚀刻孔的方法可以获得高精度的光纤被动无源对准。光器件(v C s E L 和R C E P)倒装焊在一个内互连网络芯片的光特性需要更进一步的开展研究。L E T l 继续进行的下一步开发将引入带状光纤和M T 连接器。应当注意，这一概念对于单模光纤的对准也是有希望的。团参考文献【l】H K a 鹪t e n s e ne ta 1 P a r a U e lo p t i c a lL i n k(n 恸L I)f o rM u l t i c h a n n e lG i g a b i tR a t eI n t e r c o n n e c t i o n s，l9 9 8E l e c t r o n i cC o m p o n e n t sa n dT e c h n o l o g yC o n f e r e I l c e，p p 7 4 7 7 5 4【2】P R o e n b e r ge ta 1 T h eP O N I lP a r a l l e l 0 p t i c a lL i n k，19 9 9I E E EP r o c e e d i n g so f4 9 t hE l e c t r o n C o m p o n&T e c h n 0 1 C o n f，J u n e1 4，1 9 9 9，p p 7 6 3 7 6 9【3】J H o l m 武a 1 T h f o u g h e t c h e ds i l i c o nc a r r i e r sf o rp a s s i v ea l i g 脚锄to fo p t i c a lf i b e r st 0 吼旺f h c c-瓤嫩v eo p t o e l e c t r o n i cc O m p o n 域S 锄s o f sa n dA c t l l j l t o f s8 2，2 0 0 0，p p 2 4 5 2 4 8 4】A V：K r i s h n a m o o r t h ye ta 1 o p t o e l e c 缸口n i c V L S I：p h d t o n i c si n t e g r a c c dw i mV L S IC i r c u i t s I E E EJ o fl e c t e dt o p i c si nQ l 姗1 臼】mE l e c 仃o n i c s，V b l 4，N o6，N o V D e c1 9 9 8，p p 8 9 9-9 1 2【5】C M a s s i te ta 1 N e wT e c h n o l o g i c a lA p p r o a c hF o rS u b m i c r o n i cO p t o e l e c t r o n i cC h i pA s s e m b l i e s，A d V 锄c e si nE l e c 仃0 n i cP a c k a g 咄V 0 1 2 6 l，19 9 9p p 5 3 3 5 3 7【6】H K o s a k ae ta 1 M u l t i d i m e n s i o n a lV C S E L-A r r a yP u s h P u l lM o d u l eF a b r i c a t e dU s i n gt h eS e l f-i 即【m e mM o u n t i I l gm h l l i q u e，I E E ET r 姐s a c t i o 璐o nC o m p o n e n tP a c k a g i n ga n da n u f a c t u r i n gI e c h n o l o g y P a nB V b l 2l，N o4，N o V 19 9 8，p p4 7 l _ 4 7 8 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