CN220568968U - 封装结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种封装结构，该封装结构用于在第一光路径上传递第一光信号，并且封装结构包括：第一光学元件；光电元件，包括位于第一光路径上且具有电路径的有源面，第一光路径在光电元件的侧面旁延伸经过侧面；第二光学元件，与光电元件离散地配置在第一光学元件与光电元件之间；第三光学元件，用于将第一光信号自第二光学元件导向光电元件的有源面。上述技术方案至少能够：避免光纤对位成本高、设计复杂且元件配置方式受限等问题，可以提升耦合效率，降低制程成本与破片风险。

Description

封装结构

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种封装结构。

背景技术

硅光子(Silicon-Photonics)因有着高速传输、低功耗等优点，其应用前景相当具有潜力，可应用在光通讯相关领域，例如服务器、激光雷达等。其中，可采用边缘耦合(Edgecoupling)来进行光耦合。参考图1A所示，所谓边缘耦合是指光信号从波导12水平进出，因此需要从水平方向进行光耦合。为了要使光纤顺利与波导耦合，通常会用FAU(fiber arrayunit，光纤阵列单元)20做为组装组合件。通常需要从晶圆切成单个芯片10并露出波导12，才有可能从侧边与光纤进行耦合并进行光学量测，但无法做晶圆级(wafer-level)的光学量测。

芯片10上的波导12将光信号输出至光纤时，通常根据芯片10(例如PIC(PhotonicIntegrated Circuit，光子集成电路))设计的方式来选择光纤封装的方式。例如在一种方式中，如图1B所示，在波导上方设计V形沟槽22，并用光纤块或光纤带的方式在波导上做光纤24的被动对位固定组装，通常上方还需放置一盖体(lid)26。然而，V形沟槽24的制作成本较高；通常难以同时夹取盖体26和光纤24，使得组装制具上设计困难；光纤24与波导的尺寸差异很大，会存在耦合效率的问题；对位的要求也较严苛。在另一种方式中，波导并无V形槽设计，而是通过制程使波导暴露出来，并借由主动对位直接进行对接。但是，这要求要有主动对位的机构设计，设计复杂。并且，上述两种方式都需要设计FAU以及与FAU对应的组装方式，且需要空间配置体积较大的FAU，进而限制元件的配置方式及光电信号路径。

实用新型内容

针对以上问题，本申请提出一种封装结构，至少能够避免光纤对位成本高、设计复杂且元件配置方式受限等问题。

本申请的技术方案是这样实现的：

根据本申请的一个方面，提供了一种封装结构，封装结构用于在第一光路径上传递第一光信号，并且封装结构包括：第一光学元件；光电元件，包括位于第一光路径上且具有电路径的有源面，第一光路径延伸跨过光电元件的侧面；第二光学元件，与光电元件离散地配置并位于第一光学元件与光电元件之间；第三光学元件，用于将第一光信号自第二光学元件导向光电元件的有源面。

在一些实施例中，第三光学元件为设置在有源面处的第一光栅。

在一些实施例中，封装结构还包括发光元件，发光元件与有源面共同定义第二光路径。

在一些实施例中，第一光路径与第二光路径的方向相反。

在一些实施例中，封装结构还包括设置在发光元件与有源面之间的第二光栅。

在一些实施例中，第三光学元件为棱镜。

在一些实施例中，第二光学元件为第一透镜。

在一些实施例中，封装结构还包括第二透镜，第一透镜设置在第一光学元件与第三光学元件之间，第二透镜设置在第三光学元件与光电元件之间。

在一些实施例中，封装结构还包括设置在光电元件的有源面的阻光层。

在一些实施例中，光电元件为整合于一体的光子集成电路和电子集成电路。

上述技术方案的有益效果包括：通过将第一光学元件与光电元件的有源面分开设置，第一光学元件可设置在光电元件的有源面以外的位置(例如被动面上、或光电元件侧面的外侧)，再利用第二光学元件和第三光学元件将第一光信号传递至光电元件，因此无需形成V形槽，避免了现有边缘耦合方式中存在的光纤对位成本高、设计复杂且元件配置方式受限等问题，提升了耦合效率。可降低制程成本与破片风险。降低了对元件配置方式及光电信号路径的限制。通过在第三光学元件下方设置阻光层，可以反射光信号而减少信号损失。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A是现有一种封装结构的截面示意图。

图1B是现行采用V形槽来耦合光纤的结构的示意图。

图2A是根据本申请的一个实施例的封装结构的截面示意图。

图2B是图2A中的封装结构的俯视示意图。

图3A是根据本申请的一个实施例的封装结构的截面示意图。

图3B是图3A中的封装结构的俯视示意图。

图4A至图4D是根据本申请的一个实施例的形成封装结构的多个阶段的截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下列公开提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本实用新型。当然这些仅仅是实例并不旨在限定本实用新型。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括在第一部件和第二部件之间形成额外的部件使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。而且，本实用新型在各个实例中可重复参考数字和/或字母。这种重复仅是为了简明和清楚，其自身并不表示所论述的各个实施例和/或配置之间的关系。

另外，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图2A是根据本申请的一个实施例的封装结构100的截面示意图。参考图2A所示，封装结构100包括光电元件110，光电元件110包括有源面110f(也可称为主动面)。在一些实施例中，光电元件110为整合于一体的PIC(Photonic Integrated Circuit，光子集成电路)和EIC(Electronic Integrated Circuit，电子集成电路)，从而有源面110f也整合了PIC和EIC的有源面。

封装结构100可用于在第一光路径P1上传递第一光信号S1。第一光路径P1延伸跨过光电元件110的一侧面110s。在本实施例中，第一光路径P1在光电元件110的内部延伸经过侧面110s，即，第一光路径P1穿过光电元件110。光电元件110的有源面110f位于第一光路径P1上，并且有源面110f还可以具有电路径。

封装结构100还包括第一光学元件132、第二光学元件134和第三光学元件136。第二光学元件134与光电元件110离散地配置，且第二光学元件134位于第一光学元件132与光电元件110之间。第一光学元件132、第二光学元件134和第三光学元件136彼此独立。

在本实施例中，第二光学元件134设置在光电元件110的与有源面110f相对的无源面110b(也可称为被动面)上。第一光学元件132设置在第二光学元件134的背向无源面110b的一侧(即图2A中的上方)。第二光学元件134位于无源面110b与第一光学元件132之间。第三光学元件136可以在垂直方向上与第一光学元件132和第二光学元件134相对。第三光学元件136可以用于将第一光信号S1自第二光学元件134导向光电元件110的有源面110f。

在上述封装结构100中，将EIC与PIC整合为同一光电元件110，使光信号与电信号均走在同一有源面110f上，并将第一光学元件132与光电元件110的有源面110f分开设置，第一光学元件132可设置在光电元件110的有源面110f以外的位置(例如无源面110b上)，再利用第二光学元件134和第三光学元件136将第一光信号S1导向光电元件110的有源面110f。因此，无需形成V形槽来进行光耦合，避免了现有边缘耦合方式中存在的光纤对位成本高、设计复杂且元件配置方式受限等问题，提升了耦合效率，降低了制程成本与破片风险。并且，由于第一光学元件132可设置在光电元件110的有源面110f以外的位置，降低了对元件配置方式及光电信号路径的限制。

继续参考图2A所示，在一些实施例中，无源面110b上的第一光学元件132可以是FAU(fiber array unit，光纤阵列单元)。第一光路径P1可以是供第一光信号S1进入光电元件110的路径。第一光信号S1可以是来自于第一光学元件132。在一些实施例中，第二光学元件134可以是透镜，并且可用于聚集来自第一光学元件132的第一光信号S1，使第一光信号S1能够集中传递至第三光学元件136。第一光信号S1从无源面110b穿过光电元件110(光信号能够穿透光电元件110的材料，例如硅)抵达有源面110f处的第三光学元件136。

在一些实施例中，第三光学元件136是设置在有源面110f处的第一光栅。第一光栅可以采用本领域习知的结构，例如是由折射率不同的材料构成的周期排列结构。通过配置第三光学元件136为第一光栅，允许与大批量制造及封装工艺相兼容；允许在晶圆级接入光学电路的任何部分，因此可实现晶圆级光学量测；还可以提供较大的对位容限。在一些实施例中，配置为第一光栅的第三光学元件136可以与波导140沿着横向方向同轴布置，这可以减少光信号损失。在一些其他实施例中，配置为第一光栅的第三光学元件136也可以与波导140在横向方向上不同轴(即具有高低差)。

第一光信号S1抵达第三光学元件136之后，第一光信号S1的传递方向由第三光学元件136改变一定角度，例如改变了90度，然后抵达有源面110f处对应的波导140，波导140将第一光信号S1传递至光电元件110中进行信号处理。如以上所描述的，进入光电元件110的第一光路径P1是：自第一光学元件132、到第二光学元件134、穿透光电元件110、到第三光学元件136、到对应的波导140、然后进入光电元件110进行信号处理。

在一些实施例中，封装结构100还包括设置在光电元件110的有源面110f的阻光层152。阻光层152可以设置在第三光学元件136(如第一光栅)下方。在一些实施例中，阻光层152可以是金属层。通过在第三光学元件136下方设置阻光层152，阻光层152可用于反射光信号而减少信号损失。

此外，封装结构100还可以包括发光元件180。在一些实施例中，发光元件180可以是激光二极管(LD，Laser Diode)。图2B是图2A中的封装结构100的俯视示意图。图2B省略了图2A的散热盖188。结合图2A和图2B所示，发光元件180设置于无源面110b上。发光元件180可以与第一光学元件132相邻。

再参考图2A所示，发光元件180可以与有源面110f共同定义第二光路径P2。第一光路径P1与第二光路径P2的方向相反。第二光路径P2可以是从光电元件110到第一光学元件132的第二光信号S2的光路径。发光元件180可以由光电元件110输出的电信号控制，使得光电元件110发出的光成为有意义的光信号，即第二光信号S2。

封装结构100还包括设置在发光元件180与有源面110f之间的第二光栅138。第二光栅138可以将来自发光元件180的第二光信号S2导向有源面110f处对应的波导140。在其他实施例中，可以不设置第二光栅138，而是在光电元件110中设置TSV(Through-Silicon-Via，硅穿孔)来将第二光信号S2导向有源面110f处对应的波导140。波导140可用于继续将第二光信号S2传递至第一光学元件132。如上描述的，第二光路径P2是：自发光元件180(由光电元件110的电信号控制而发出第二光信号S2)、穿透光电元件110、到第二光栅138、到对应的波导140、进而抵达第一光学元件132。其中，发光元件180对应的第二光栅138与第一光学元件132对应的第一光学元件132(如第一光栅)分别位于不同的第二光路径P2和第一光路径P1上。

封装结构100还可以包括用于承载光电元件110的基板190(见图2A和图2B)，其中，光电元件110的有源面110f面向基板190。光电元件110的无源面110b上还可以设置有散热盖188，以对光电元件110进行散热。散热盖188还可以沿着光电元件110的侧面延伸至基板190上。

封装结构100还可以包括设置在光电元件110的有源面110f处的重布线层170。重布线层170可以包括一个或多个介电层172以及设置在介电层172中的导电线路174。重布线层170可用于提供有源面110f处的电路径。

由于光电元件110中集成有EIC，所以可以将光电元件110的有源面110f的外围区域的电路配置为发送(TX)电路和接收(RX)电路，并将有源面110f的中间区域的电路配置为供其他元件使用。例如，有源面110f的中间区域的电路可以透过重布线层170、及重布线层170与基板190之间的焊球198电连接至基板190，以用于自基板190提供电源。

图3A是根据本申请的一个实施例的封装结构200的截面示意图。

参考图3A所示，封装结构200可用于在第一光路径P1上传递第一光信号S1。第一光路径P1延伸跨过光电元件110的侧面110s。在本实施例中，第一光路径P1在光电元件110的外部延伸跨过侧面110s。光电元件110的有源面110f位于第一光路径P1上，并且有源面110f还可以具有电路径。在一些实施例中，光电元件110为整合于一体的PIC和EIC。

封装结构200还包括第二光学元件234和第三光学元件236。第二光学元件234与光电元件110离散地配置，并且第二光学元件234位于第一光学元件132与光电元件110之间。第一光学元件132、第二光学元件234、第三光学元件236均位于光电元件110的侧面110s外侧。第三光学元件236可用于将第一光信号S1自第二光学元件234经由转向导向光电元件110的有源面110f。

在上述封装结构200中，将EIC与PIC整合为同一光电元件110，使光信号与电信号均走在同一有源面110f上，并将第一光学元件与光电元件110的有源面110f分开设置，第一光学元件132可设置在光电元件110的有源面110f以外的位置(例如光电元件110外部)，再利用第二光学元件234和第三光学元件236将第一光信号S1传递至光电元件110。因此，无需形成V形槽来进行光耦合，避免了现有边缘耦合方式中存在的光纤对位成本高、设计复杂且元件配置方式受限等问题，提升了耦合效率，降低了制程成本与破片风险。并且，由于第一光学元件132可设置在光电元件110的有源面110f以外的位置，降低了对元件配置方式及光电信号路径的限制。

继续参考图3A所示，第一光学元件132可以是FAU。在本实施例中，第二光学元件234可以是第一透镜。第三光学元件236可以是棱镜。第二光学元件132和第三光学元件236可以是固定于(例如嵌入)框架210上。第一光学元件132可以配置在框架210上方。在一个实施例中，第一光学元件132是可插拔地配置在框架210上方。来自第一光学元件132的第一光信号S1可先由第二光学元件234(如第一透镜)聚集，转成平行光，再经由第三光学元件236(如第一棱镜)将第一光信号S1的传递方向改变，例如传递方向转向90度，而导向光电元件110的有源面110f。第二光学元件234可以具有面向光电元件110的倾斜表面236s，倾斜表面236s可以反射第一光信号S1，以将第一光信号S1的传递方向改变例如90度。

第二光学元件234(第一透镜)可以设置在第一光学元件132与第三光学元件236的倾斜表面236s之间，并且可以邻近倾斜表面236s的上端设置，以来聚集自第一光学元件132的第一光信号S1。封装结构200还可以包括第二透镜240。第二透镜240可以固定于(例如嵌入)框架210上。第二透镜240可以设置在第三光学元件236的倾斜表面236s与光电元件110之间，并且可以邻近第三光学元件236的倾斜表面236s的下端设置。第二透镜240可以进一步将传递方向改变的第一光信号S1进行再聚光，以达到扩束效果。然后，第一光信号S1经由光电元件110的边缘进入有源面110f处的波导140，这可以被称为边缘耦合。波导140将第一光信号S1传递至光电元件110中进行信号处理。如上所描述的，进入光电元件110的第一光路径P1是：自第一光学元件132、到第二光学元件234(如第一透镜)和第三光学元件236(如棱镜)、到第二透镜240、到波导140、然后进入光电元件110进行信号处理。

此外，封装结构200还可以包括发光元件180。发光元件180可以位于光电元件110的无源面110b上。发光元件180可以与有源面110f共同定义与第一光路径P1相反的第二光路径(未示出)。在一些实施例中，可以在光电元件110中设置TSV，以将发光元件180发出的第二光信号(未示出)与有源面110f处的对应波导140光耦合，波导140可用于将第二光信号进一步传递至第一光学元件132。在一些其他实施例中，发光元件180与对应波导140之间也可以通过光栅来进行光耦合。

图3B是图3A中的封装结构200的俯视示意图。结合图3A和图3B所示，封装结构200包括多个光电元件110，图3B中示出两个光电元件110作为示例。多个光电元件110光耦合于同一第一光学元件132。第一光学元件132下方可以设置有多组第二光学元件234、第三光学元件236(见图3A)和第二透镜240(可选的，见图3A)。多个光电元件110可以分别经由第一光学元件132下方对应的至少一组第二光学元件234、第三光学元件236和第二透镜240，而光耦合于第一光学元件132。

再参考图3A所示，光电元件110的有源面110f处设置有重布线层170。重布线层170可用于提供有源面110f处的电路径。在一些实施例中，可以将光电元件110的有源面110f的外围区域的电路配置为发送电路和接收电路，并将有源面110f的中间区域的电路配置为供其他元件使用。

图3A和图3B所示的封装结构200的其他方面可以与以上参考图2A和图2B所示的封装结构100类似，此处不再赘述。

本申请的实施例还提供了形成封装结构的方法。图4A至图4D是根据本申请的一个实施例的形成封装结构(如图2A和图2B所示的封装结构200)的多个阶段的截面示意图。

首先参考图4A所示，提供光电元件110。在一些实施例中，光电元件110是对集成有EIC功能和PIC功能的晶圆进行切割而获得的。其中，光电元件110的有源面110f处已配置有上述的第三光学元件136(如第一光栅)、第二光栅138和波导140。

参考图4B所示，可以对光电元件110进行研磨制程，以减薄光电元件110的厚度。然后，在有源面110f上形成重布线层170，在重布线层170的表面上形成凸块下金属(Underbum，UBM)177，并分别在第三光学元件136(如第一光栅)和第二光栅138上形成阻光层152。

参考图4C所示，在UBM 177上接合焊球198，并通过焊球198将光电元件110接合于基板190上。并且，在光电元件110的无源面110b上设置第二光学元件134(如透镜)。第二光学元件134可以与第三光学元件136在垂直方向上相对。

参考图4D所示，将第一光学元件132(如FAU)设置在无源面110b上的第二光学元件134上，并在无源面110b上设置发光元件180。此外，还形成散热盖188。

综上所述，本申请提供的封装结构将EIC与PIC整合为同一光电元件，使光信号与电信号均走在同一有源面上，并将第一光学元件与光电元件的有源面分开设置，第一光学元件可设置在光电元件的有源面以外的位置(例如被动面上、或光电元件侧面的外侧)，再利用第二光学元件和第三光学元件将第一光信号传递至光电元件。因此，无需形成V形槽，避免了现有边缘耦合方式中存在的光纤对位成本高、设计复杂且元件配置方式受限等问题，提升了耦合效率。可降低制程成本与破片风险。降低了对元件配置方式及光电信号路径的限制。通过在第三光学元件下方设置阻光层，可以反射光信号而减少信号损失。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种封装结构，其特征在于，所述封装结构用于在第一光路径上传递第一光信号，并且所述封装结构包括：

第一光学元件；

光电元件，包括位于所述第一光路径上且具有电路径的有源面，所述第一光路径延伸跨过所述光电元件的侧面；

第二光学元件，与所述光电元件离散地配置并位于所述第一光学元件与所述光电元件之间；

第三光学元件，用于将第一光信号自所述第二光学元件导向所述光电元件的所述有源面。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述第三光学元件为设置在所述有源面处的第一光栅。

3.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，还包括发光元件，所述发光元件与所述有源面共同定义第二光路径。

4.根据权利要求3所述的封装结构，其特征在于，所述第一光路径与所述第二光路径的方向相反。

5.根据权利要求3所述的封装结构，其特征在于，还包括设置在所述发光元件与所述有源面之间的第二光栅。

6.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述第三光学元件为棱镜。

7.根据权利要求6所述的封装结构，其特征在于，所述第二光学元件为第一透镜。

8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，还包括第二透镜，所述第一透镜设置在所述第一光学元件与所述第三光学元件之间，所述第二透镜设置在所述第三光学元件与所述光电元件之间。

9.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，还包括设置在所述光电元件的所述有源面的阻光层。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的封装结构，其特征在于，所述光电元件为整合于一体的光子集成电路和电子集成电路。