DE102004025735B4

DE102004025735B4 - Optischer-Empfänger-Gehäuse und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102004025735B4
Application number: DE102004025735A
Authority: DE
Inventors: Kendra Marina Del Rey Gallup; Brenton A. Palo Alto Baugh; Robert E. Palo Alto Wilson; James A. Milpitas Matthews; James H. Walnut Creek Williams
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Broadcom International Pte Ltd
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: US6900509B2; US20050062117A1; CN1599059A; US6955934B2; JP2005094009A; CN100479197C; DE102004025735A1; DE102004064081B4; US20050062119A1; JP5086521B2; DE102004064081B9

Abstract

Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist
eine Montagebasis (120);
einen Chip (110), der einen Sensor umfasst, der mit der Montagebasis (120) elektrisch verbunden ist;
eine Abdeckung (130), die an der Montagebasis (120) befestigt ist, um einen Hohlraum (140) zu bilden, der den Chip (110) einschließt;
einen Ausrichtungspfosten (160), der an der Abdeckung (130) derart befestigt ist, dass sich ein optischer Pfad zu dem Sensor durch den Ausrichtungspfosten (160) und die Abdeckung (130) erstreckt, und
eine flexible Schaltung (340), die ein Loch aufweist, in dem die Abdeckung (130) und der Ausrichtungspfosten (160) aufgenommen sind;
wobei bei der Vorrichtung die Montagebasis (400) folgende Merkmale aufweist:
interne Anschlüsse, die in dem Hohlraum (140) liegen und mit dem Chip (110) elektrisch verbunden sind; und
externe Anschlüsse (124, 224), die außerhalb des Hohlraums (140) zugänglich sind und mit den internen Anschlüssen elektrisch verbunden sind,
wobei die internen...

Description

Optoelektronische Halbleiterbauelemente bzw. Halbleitervorrichtungen wie z. B. Laserdioden für optische Sender und Photosensoren für optische Empfänger können unter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken auf effiziente Weise hergestellt werden. Allgemein bilden Waferverarbeitungstechniken gleichzeitig eine große Anzahl (z. B. Tausende) von Bauelementen auf einem Wafer. Der Wafer wird dann geschnitten, um einzelne Chips zu trennen. Eine gleichzeitige Herstellung einer großen Anzahl von Chips hält die Kosten pro Chip niedrig, jedoch muß jeder einzelne Chip in ein System eingehäust bzw. eingebaut werden, das den Chip schützt und das sowohl elektrische als auch optische Schnittstellen zur Verwendung der Bauelemente auf dem Chip liefert.
Der Zusammenbau eines Gehäuses oder einer optischen Unterbaugruppe (OSA – optical subassambly), das bzw. die ein optoelektronisches Halbleiterbauelement enthält, ist aufgrund des Erfordernisses, mehrere optische Elemente mit dem Halbleiterbauelement auszurichten, oft kostspielig. Beispielsweise kann die Empfängerseite eines Optischer-Empfänger-Chips einen Sensor umfassen, der ein optisches Signal von einer optischen Faser empfängt und das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Zwischen der optischen Faser und dem Sensor können zusätzliche optische Elemente erforderlich sein, um das optische Signal auf den lichtempfindlichen Abschnitt des Sensors zu fokussieren. Eine Ausrichtung des Sensors, der optischen Faser und der dazwischenliegenden Optik kann ein zeitaufwendiger und kostspieliger Vorgang sein. Ferner müssen die Ausrichtungs- und Zusammenbauvorgänge allgemein für jedes Gehäuse separat durchgeführt werden.
Das Hänsen auf Waferebene ist eine vielversprechende Technologie zum Verringern der Größe und der Kosten des Häusens für integrierte Schaltungen. Bei der Häusung auf Waferebene werden Komponenten, die herkömmlicherweise separat an getrennten Gehäusen gebildet oder befestigt wurden, statt dessen auf einem Wafer, der mehreren Gehäusen entspricht, hergestellt oder auf einen solchen aufgebracht. Die sich ergebende Struktur kann zerschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu trennen. Häusungstechniken und Strukturen, die die Größe und/oder Kosten von gehäusten optoelektronischen Bauelementen verringern können, werden gesucht.
Die US 5 981,945 A beschreibt einen optoelektronischen Wandler aus einer Grundplatte, einem Halbleiterbauelement auf der Grundplatte, einem optischen Linsensystem und einem Abstandshalter, der das Linsensystem oberhalb des Halbleiters hält. Ferner ist ein Gehäuse beschrieben, welches die Grundplatte aufnimmt und zusätzlich eine Abdeckung umfasst. Der Wandler wird relativ zu einem Fenster innerhalb der Abdeckung angeordnet, wobei an die Abdeckung ferner ein Kopplungselement vorgesehen ist, mittels dem eine an das Fenster angrenzende Faser an dem Gehäuse befestigt werden kann.
US 6,243,508 B1 offenbart eine elektrooptomechanische Anordnung mit einem Wafer mit einer Ober- und einer Unterseite, einem an der Oberseite des Wafers angeordneten optischen Element, einem elektrooptischen Transducer an der Unterseite des Wafers in optischer Kommunikation mit dem optischen Element und mit einem Wellenleiter.
US 5,552,918 A offenbart ein Sende- und Empfangsmodul für eine bidirektionale optische Nachrichten- und Signalübertragung mit einem eine erste Linsenkoppeloptik aufweisenden Lichtsender, einem Lichtempfänger, einem eine zweite Linsenkoppeloptik aufweisenden Faseranschluss für eine gemeinsame Lichtleitfaser und einem im freien Strahlengang zwischengeordneten Strahlteiler, die von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind, wobei Lichtsender, Strahlteiler und Faseranschluss sowie hierzu orthogonal der Lichtempfänger axialsymmetrisch angeordnet sind, wobei die optische Achse der ersten Linsenkoppeloptik gegenüber der optischen Achse des Lichtsenders und die optische Achse der zweiten Linsenkoppeloptik gegenüber der optischen Achse des Faseranschlusses axial so versetzt sind, die Stirnfläche des Faseranschlusses zu dessen optischer Achse bei optimaler Lichteinkopplung einen solchen Neigungswinkel aufweist und der Strahlteiler zu der Symmetrieachse der Anordnung so geneigt ist, dass die rückreflektierte Strahlung weder auf den strahlungsaktiven Teil des Lichtsenders noch auf den strahlungsempfindlichen Teil des Lichtempfängers trifft.
US 6,234,687 B1 offenbart ein Selbstausrichtverfahren und eine Interlocking-Anordnung zum Befestigen eines optoelektronischen Geräts an einem Koppler.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, wobei die Vorrichtung eine vereinfachte und zuverlässige Ausrichtung eines Endes einer optischen Faser bzgl. eines Sensorelements in der Vorrichtung ermöglicht, so dass sich eine gute Kopplung zwischen der Faser und dem Sensorelement einstellt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umschließt ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement einen Sensor in einem Hohlraum, der zwischen einer Montagebasis und einer Abdeckung gebildet ist. Die Montagebasis kann passive oder aktive elektrische Komponenten umfassen, die mit dem Sensor verbunden sind. Insbesondere kann die Montagebasis Leiterbahnen umfassen, die für ein aus dem Sensor ausgegebenes elektrisches Datensignal Leistung an den Sensor und eine Verstärkerschaltung liefern. Die Abdeckung umfaßt eine Vertiefung, die den Hohlraum bildet, der den Chip umschließt, und der Hohlraum kann hermetisch abgedichtet sein, um den Chip vor der Umgebung zu schützen. Das Gehäuse umfaßt ferner einen Pfosten, der sich auf der Abdeckung über dem lichtempfindlichen Bereich des Sensors befindet, und der Pfosten fungiert als Ausrichtungsmerkmal.
Der Pfosten kann so bemessen sein, daß er in eine Hülse paßt, die ebenfalls einen Optikfaserverbinder beherbergt. Ein Einführen des Pfostens in ein Ende der Hülse und des Optikfaserverbinders in das andere Ende der Hülse liefert eine ausgerichtete optische Verbindung. Da nun die optische Faser an den Pfosten anstößt, steuert die Länge des Pfostens eine Trennung der optischen Faser und des Sensors, und eine enge Passung des Pfostens und des Verbinders in der Hülse steuert die Ausrichtung. Dementsprechend erfordert ein Montieren einer optischen Empfängerunterbaugruppe (ROSA – receiver optical subassembly) keinen komplexen Ausrichtungsvorgang.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Linse, die Licht auf den lichtempfindlichen Bereich des Sensors fokussiert, auf dem Chip, der den Sensor enthält, integriert sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel befestigt ein Flip-Chip-Verbindungsprozeß den Chip so an der Montagebasis, daß eine Rückseite des Chips auf die Quelle des optischen Signals gerichtet ist. Die Linse kann anschließend auf der Rückseite des Chips gebildet werden, um das optische Eingangssignal auf den lichtempfindlichen Bereich des Sensors zu fokussieren.
Ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Bauelement, das eine Montagebasis, einen Chip (Die), eine Abdeckung und einen Ausrichtungspfosten umfaßt. Der Chip umfaßt einen Photosensor, der elektrisch mit der Montagebasis verbunden ist. Die Abdeckung ist an der Montagebasis befestigt, um einen Hohlraum, vorzugsweise einen hermetisch abgedichteten Hohlraum, zu bilden, der den Chip umschließt, und der Ausrichtungspfosten ist an der Abdeckung befestigt und liegt über einem Sensorbereich des Photosensors. Eine Hülse, die eine Bohrung aufweist, die bemessen ist, um den Ausrichtungspfosten an einem Ende der Bohrung eng passend aufzunehmen, kann auch einen Optikfaserverbinder an dem anderen Ende der Bohrung aufnehmen, um dadurch den Photosensor mit der optischen Faser, die ein empfangenes optisches Signal liefert, auszurichten.
Der Chip kann an Verbindungsanschlußflächen auf der Montagebasis so befestigt sein, daß eine Vorderfläche des Chips benachbart zu der Montagebasis ist. Eine auf einer Rückseite des Chips gebildete Linse fokussiert anschließend ein empfangenes Signal durch den Chip auf einen lichtempfindlichen Bereich des Photosensors. Alternativ kann eine Linse in die Abdeckung zwischen dem Ausrichtungspfosten und dem lichtempfindlichen Bereich des Photosensors integriert sein.
Die Montagebasis kann unter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken hergestellt werden und umfaßt üblicherweise interne Anschlüsse, die sich in dem Hohlraum befinden und elektrisch mit dem Chip verbunden sind, und externe Anschlüsse, die außerhalb des Hohlraums zugänglich sind und mit den internen Anschlüssen elektrisch verbunden sind. Die externen Anschlüsse der Montagebasis können direkt mit einer flexiblen oder starren Schaltungsplatine verbunden sein. Die Montagebasis kann ferner eine aktive Schaltung umfassen, die mit einem elektrischen Ausgangssignal des Photosensors arbeitet. Insbesondere kann die aktive Schaltung in der Montagebasis einen Verstärker umfassen.
Ein weiteres spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Bauelement, das eine Montagebasis, eine Abdeckung und einen Chip umfaßt. Eine Vorderfläche des Chips weist einen lichtempfindlichen Bereich für einen Photosensor auf, und auf einer Rückseite des Chips ist eine Linse gebildet. Die Linse kann ein lichtbrechendes optisches Element sein, das Licht durch den Chip auf den empfindlichen Bereich fokussiert. Der Chip ist elektrisch an der Montagebasis befestigt, so daß die Vorderfläche und der empfindliche Bereich des Chips benachbart zu der Montagebasis sind. Die Abdeckung ist an der Montagebasis befestigt, um einen Hohlraum zu bilden, der den Chip umschließt, jedoch sendet die Abdeckung ein optisches Signal an die Linse in dem Hohlraum. Optional kann entlang eines optischen Pfads zu dem Photosensor ein Pfosten an der Abdeckung befestigt sein.
Ein weiteres spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Bauelement, das eine Halbleitermontagebasis und einen Chip, der einen Photosensor umfaßt, umfaßt. Die Halbleitermontagebasis umfaßt eine aktive Schaltung wie z. B. einen Verstärker, die bzw. der unter Verwendung einer Integrierte-Schaltung-Verarbeitung in die Halbleitermontagebasis integriert werden kann. Der Photosensor auf dem Chip ist mit der aktiven Schaltung elektrisch verbunden, was es der aktiven Schaltung ermöglicht, ein Ausgangssignal von dem Photosensor zu verstärken oder auf andere Weise zu behandeln. Ein Befestigen einer Abdeckung an der Montagebasis umschließt den Chip in einem Hohlraum.
Ein weiteres spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses, das einen Photosensor enthält. Das Verfahren umfaßt ein Herstellen eines ersten Wafers, der mehrere Montagebasisbereiche umfaßt, und ein elektrisches Verbinden von Chips mit den jeweiligen Montagebasisbereichen. Abdeckungen werden mit dem ersten Wafer verbunden, um die Chips in jeweiligen Hohlräumen zwischen dem ersten Wafer und den jeweiligen Abdeckungen einzuschließen. Jeder Chip enthält einen Photosensor, der positioniert ist, um ein durch die Abdeckung empfangenes optisches Signal zu empfangen. Die sich ergebende Struktur wird geteilt, um Gehäuse, die die Chips enthalten, zu trennen.
Der erste Wafer kann so hergestellt sein, daß er eine aktive Schaltung wie z. B. einen Verstärker in jedem der Montagebasisbereiche umfaßt. Die Chips können gebildet werden, indem ein Substrat verarbeitet wird, um an einer Vorderseite des Substrats Sensoren mit lichtempfindlichen Bereichen zu bilden und auf einer Rückseite des Substrats Linsen zu bilden. Die Linsen fokussieren jeweils Licht auf die lichtempfindlichen Bereiche. Die Abdeckungen können als Bereiche eines zweiten Wafers gebildet sein, so daß ein Verbinden der Abdeckungen mit dem ersten Wafer ein Verbinden des zweiten Wafers mit dem ersten Wafer umfaßt. Nach dem Teilen der Struktur, um separate Gehäuse zu bilden, können entlang Pfaden von optischen Signalen zu den Chips in den Gehäusen Ausrichtungspfosten an den Gehäusen befestigt sein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Querschnittsdiagramm einer optischen Empfängerunterbaugruppe (ROSA) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die elektrische Flip-Chip-Verbindungen mit einem Sensor verwendet;
2 ein Querschnittsdiagramm einer ROSA gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die drahtgebondete elektrische Verbindungen mit einem Sensor verwendet;
3A eine optische Baugruppe, die die ROSA der 1 umfaßt;
3B die optische Baugruppe der 3A mit Verbindungen mit einer starren Schaltungsplatine über eine flexible Schaltung;
4 ein Layout einer Montagebasis gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine integrierte aktive Schaltungsanordnung in der Montagebasis umfaßt;
5A, 5B und 5C ein Verfahren zum Herstellen einer Abdeckung für ein Gehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
6 einen Querschnitt eines Abschnitts einer Struktur, die während eines Häusungsprozesses auf Waferebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der Flip-Chip-Strukturen für elektrische Verbindungen verwendet, gebildet wird.
Die Verwendung derselben Referenzsymbole in verschiedenen Figuren weist auf ähnliche oder identische Posten hin.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Empfängerabschnitt eines optischen Sende-/Empfangsgeräts ein Gehäuse, in dem ein Sensor in einem Hohlraum eingeschlossen ist. Der Hohlraum kann zwischen einer Abdeckung und einer Montagebasis gebildet sein, wobei die Abdeckung einen Abschnitt umfaßt, der für die Lichtfrequenz, die bei einem empfangenen optischen Signal verwendet wird, transparent ist. Flip-Chip-Techniken können den Sensor an dem Substrat befestigen, wobei sich ein lichtempfindlicher Bereich des Sensors in der Nähe der Montagebasis befindet und wobei sich eine Linse auf einer Rückseite des Sensors befindet. Ein Ausrichtungspfosten kann an der Abdeckung über dem lichtempfindlichen Bereich befestigt sein, so daß eine mit dem Pfosten ausgerichtete optische Faser ein empfangenes Signal an den Sensor übermittelt.
Das Gehäuse kann unter Verwendung eines Häusungsprozesses auf Waferebene gebildet werden, bei dem in einem Montagebasiswafer Montagebasen gebildet werden und in einem Abdeckungswafer Abdeckungen gebildet werden. Bevor der Abdeckungswafer mit dem Montagebasiswafer verbunden wird, werden mehrere Chips an dem Montagebasiswafer befestigt. Die verbundene bzw. gebondete Struktur kann anschließend geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu trennen.
1 zeigt eine optische Unterbaugruppe bzw. ein Gehäuse 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gehäuse 100 umfaßt einen Sensor 110, der elektrisch mit einer Montagebasis 120 verbunden ist. Der Sensor 110 ist ein optoelektronischer Sensor, der in der Lage ist, ein optisches Signal zu empfangen und das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Optoelektronische Sensoren dieses Typs sind in der Technik hinreichend bekannt und werden üblicherweise bei optischen Sende-/Empfangsgeräten eingesetzt.
In dem Gehäuse 100 ist der Sensor 110 unter Verwendung von Flip-Chip-Häusungstechniken an der Montagebasis 120 befestigt. Insbesondere umfaßt die Montagebasis 120 leitfähige Säulen oder Kontakthügel 122, die in derselben Struktur wie Verbindungsanschlußflächen 112 auf dem Sensor 110 vorliegen. Die Kontakthügel 122 und Verbindungsanschlußflächen 112 berühren einander und können unter Verwendung eines Lötmittelaufschmelzprozesses befestigt werden. Ein (nicht gezeigtes) Unterlaufharz kann aufgebracht werden, um die mechanische Integrität der Befestigung des Sensors 110 an der Montagebasis 120 zu verbessern. Bei den Flip-Chip-Techniken ist eine Vorderseite des Sensors 110 benachbart zu der oberen Oberfläche der Montagebasis 120.
Die Montagebasis 120 ist vorzugsweise ein Substrat, das unter Verwendung herkömmlicher Integrierte-Schaltung-Herstellungsprozesse hergestellt werden kann. Die Montagebasis 120 umfaßt insbesondere leitfähige Säulen 122 zum Flip-Chip-Verbinden mit dem Sensor 110, externe Anschlüsse 124 für externe elektrische Verbindungen und (nicht gezeigte) Leiterbahnen. Wie nachstehend näher offenbart wird, kann die Montagebasis 120 ferner aktive Schaltungselemente umfassen, beispielsweise einen Verstärker, der bei dem Betrieb des Sensors 110 nützlich ist.
Eine an der Montagebasis 120 befestigte Abdeckung 130 bildet einen Hohlraum 140, der den Sensor 110 enthält. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung verbindet eine Schicht eines Lötmittels zwischen der Abdeckung 130 und der Montagebasis 120 die Abdeckung 130 und die Montagebasis 120, um den Hohlraum 140 hermetisch abzudichten und dadurch den Sensor 110 vor der äußeren Umgebung zu schützen. Alternativ dazu können die Abdeckung 130 und die Montagebasis 120 unter Verwendung eines Haftmittels, eines Thermokompressionsbondens oder einer beliebigen anderen Technik, die dem Hohlraum 140 die gewünschte Abdichtung verleiht, gebondet bzw. verbunden werden.
Die Abdeckung 130 liefert einen optischen Pfad für ein empfangenes optisches Datensignal, das der Sensor 110 in ein elektrisches Datensignal umwandelt. Dementsprechend ist zumindest ein Abschnitt der Abdeckung 130 für die Wellenlänge von Licht, das bei dem optischen Signal verwendet wird, transparent. Die Abdeckung 130 kann für eine relativ lange Wellenlänge (z. B. etwa 1100 nm oder länger) aus Silizium hergestellt sein, da Silizium für ein Licht einer längeren Wellenlänge transparent ist. Wenn Silizium verwendet wird, können herkömmliche Halbleiterbauelement-Herstellungsprozesse gleichzeitig eine größere Anzahl von Abdeckungen 130 bilden, indem ein Siliziumwafer geätzt wird, um Vertiefungen, die dem Hohlraum 140 entsprechen, zu bilden.
Das Gehäuse 100 umfaßt ferner eine Linse 150, die ein empfangenes optisches Signal auf einen lichtempfindlichen Bereich des Sensor 110 fokussiert. Für die Konfiguration des Gehäuses 100 ist die vordere Oberfläche des Sensors 110, auf der die Verbindungsanschlußflächen 112 und der (nicht gezeigte) lichtempfindliche Bereich gebildet sind, benachbart zu der Montagebasis 120, und die Linse 150 befindet sich auf der rückwärtigen Oberfläche des Sensors 110. Somit fokussiert die Linse 150 das optische Signal durch den Chip, der den Sensor 110 enthält, auf den lichtempfindlichen Bereich, und die Brennweite der Linse 150 wird gemäß der Dicke des Chips ausgewählt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Linse 150 auf der rückwärtigen Oberfläche eines Wafers, aus dem der Sensor 110 geschnitten ist, hergestellt sein. Die Linse 150 wird vorzugsweise unter Verwendung von Halbleiterbauelement-Herstellungsprozessen hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beginnt ein Prozeß zum Bilden der Linse 150 durch ein Bilden einer Photoresistregion in dem Bereich der Linse 150. Ein Erwärmen kann dann bewirken, daß die Photoresistregion schmilzt und einen Wulst bildet, der die gewünschte Gestalt einer Linse aufweist. Der Photoresist kann anschließend gehärtet werden, um die Linse 150 aus Photoresist zu bilden. Alternativ dazu kann ein reaktives Ionenätzen (RIE – reactive ion etching) oder ein anderer anisotroper Ätzvorgang, der den Photoresist bei ungefähr derselben Geschwindigkeit beseitigt wie das Material des darunterliegenden Wafers, die Photoresistregion beseitigen und die Linsengestalt der Photoresistregion auf die Oberfläche des Wafers übertragen. Ein Vorteil des Übertragens der Linsengestalt auf den darunterliegenden Wafer besteht darin, daß die sich ergebende Linse 150 aus dem Wafermaterial (z. B. Silizium) hergestellt ist, das eventuell einen viel höheren Brechungsindex aufweist als der Photoresist.
Ein Pfosten 160 ist an der Abdeckung 130, die über der Linse 150 liegt, befestigt (z. B. epoxidiert oder geklebt). Ein Positionierungs- und Befestigungsprozeß für den Pfosten 160 kann allgemein visuelle Hinweise verwenden, um den Pfosten 160 mit ausreichender Genauigkeit über der Linse 150 zu positionieren. Jedoch sendet ein alternativer Prozeß ein optisches Signal während des Testens des Gehäuses 100 durch den Pfosten 160 und bewegt den Pfosten 160 nach Bedarf, um ein geeignetes elektrisches Signal auszugeben.
Der Pfosten 160 agiert als Ausrichtungsmerkmal, das eine Herstellung einer optischen Baugruppe, die das Gehäuse 100 umfaßt, vereinfacht. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Pfosten 160 ein hohler Zylinder, dessen Innendurchmesser größer ist als das für das empfangene optische Signal erwartete Strahlprofil. Der Pfosten 160 kann somit aus einem beliebigen, geeigneterweise haltbaren Material wie z. B. einem Metall oder Silizium hergestellt sein. Alternativ dazu kann der Pfosten 160 eine massive Struktur wie beispielsweise ein Zylinder oder eine Sphäre eines optisch transparenten Materials sein, das einen Lichtpfad liefert.
2 zeigt ein Gehäuse 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein Drahtbonden für eine elektri sche Verbindung eines Sensors 210 mit einer Montagebasis 220 verwendet. Wie schon der Sensor 110 ist auch der Sensor 210 ein optoelektronisches Bauelement, das in der Lage ist, ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, jedoch befindet sich der Sensor 210 auf einem Chip, der Verbindungsanschlußflächen 212 aufweist, die für ein Drahtbonden entworfen sind. Verbindungsdrähte 215 verbinden somit die Verbindungsanschlußflächen 212 auf dem Sensor 210 mit Verbindungsanschlußflächen 222 auf der Montagebasis 220. Leiterbahnen und/oder aktive Schaltungselemente verbinden die Verbindungsanschlußflächen 222 mit externen Anschlüssen 224.
Beim Drahtbonden ist die rückwärtige Oberfläche des Sensors 210 benachbart zur Montagebasis 220, und eine Linse 250 kann in eine Abdeckung 230 integriert sein, um das empfangene optische Signal auf den lichtempfindlichen Bereich zu fokussieren. Diese Konfiguration vermeidet ein Senden des optischen Signals durch den Sensor 210, was für kürzere Wellenlängen von Licht vorzuziehen ist. Insbesondere ist Silizium für kürzere Wellenlängen opak. Um kürzere Wellenlängen zu transmittieren, umfaßt die Abdeckung 230 eine Platte 234 aus einem Glas oder einem anderen Material, das für die Wellenlänge des optischen Signals transparent ist. Ein Abstandshalterring 232, der unter Verwendung von standardmäßigen Waferverarbeitungstechniken aus Silizium gebildet sein kann, definiert den Hohlraum 240.
Ein separates Verarbeiten des Abstandshalterrings 232 und der Platte 234 ist auch vorteilhaft, wenn das optische Signal Wellenlängen verwendet, für die Silizium transparent ist. Insbesondere für lange Wellenlängen kann die Platte 234 ein Siliziumsubstrat sein, das unter Verwendung von herkömmlichen Waferverarbeitungstechniken verarbeitet wird, um ein optisches Element 250 wie z. B. eine Beugungslinse zu bilden. Der Abstandshalterring 232 kann dann aus einem Metall, aus Silizium oder einem beliebigen anderen Material hergestellt sein, das chemisch und mechanisch geeignet ist.
Wie schon das Gehäuse 100 umfaßt auch das Gehäuse 200 einen Pfosten 160 für eine Ausrichtung des Gehäuses in einer optischen Baugruppe. 3A zeigt einen Abschnitt einer optischen Baugruppe 300, die das Gehäuse 100 enthält. Die optische Baugruppe 300 umfaßt einen Optikfaserverbinder, der eine optische Faser 320 in einer Ferrule 310 umfaßt. Der Optikfaserverbinder kann ein herkömmlicher Verbinder sein, der von einer Vielzahl von Quellen im Handel erhältlich ist. Dementsprechend weist die Ferrule 310 üblicherweise einen Durchmesser von etwa 1,25 oder 2,5 mm auf. Eine Hülse 330, die im Grunde ein aus einem Metall, Kunststoff oder einem anderen, geeigneterweise haltbaren Material hergestellter hohler Zylinder ist, nimmt sowohl den Pfosten 160 des Gehäuses 100 als auch die optische Faser 320 auf.
Die obere Oberfläche des Pfostens 160 agiert als Faserstopp und steuert die „z"-Positionen der optischen Faser 320 relativ zu dem lichtempfindlichen Bereich auf dem Sensor 110. Der Außendurchmesser des Pfostens 160 und der Ferrule 310, die mit einem guten Sitz in die Hülse 330 passen, gibt die Position in einer x-y-Ebene des Pfostens 160 und der optischen Faser 320 vor. Auf diese Weise ist die optische Faser 320 mittig an dem Pfosten 160 angeordnet, wodurch das empfangene Lichtsignal von der optischen Faser 320 auf der Linse 150 zentriert wird. Dementsprechend vereinfacht ein ordnungsgemäßes Positionieren eines Pfostens 160, der die gewünschte Länge aufweist, während der Herstellung des Gehäuses 100 die Ausrichtung der optischen Faser 320 zum Zweck eines effizienten Koppelns des optischen Signals von der optischen Faser 320 zu dem Sensor 110.
Externe Anschlüsse 124 der Baugruppe 300 sind allgemein mit einer Schaltungsplatine verbunden, die andere Komponenten eines optischen Empfängers oder eines optischen Sende-/Empfangsgeräts enthält. 3B zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Anschlüsse 124 mit einer flexiblen Schaltung 340 verbunden sind. Die flexible Schaltung 340 ist allgemein ein flexibles Band oder Substrat, das Leiterbahnen enthält, die auf herkömmliche Weise an die externen Anschlüsse 124 angelötet sein können. Durch die flexible Schaltung 340 kann ein Loch gebildet sein, um die Abdeckung 130 und/oder den Pfosten 160 aufzunehmen. Eine starre Schaltungsplatine 350, auf der andere Komponenten 352 des optischen Empfängers oder Sende-/Empfangsgeräts angebracht sind, ist durch die flexible Schaltung 340 und die Montagebasis 120 elektrisch mit dem Sensor verbunden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die externen Anschlüsse 124 der OSA 300 direkt mit einer starren Schaltungsplatine verbunden sein, vorausgesetzt, daß die sich ergebende Orientierung der Hülse 330 für eine Verbindung eines Optikfaserverbinders zweckmäßig ist.
Die Montagebasen in den oben beschriebenen Gehäusen können eine passive oder eine aktive Schaltungsanordnung beinhalten. 4 veranschaulicht den Entwurf einer Montagebasis 400, die ein Substrat 410 umfaßt, auf dem eine Vorverstärkerschaltung 420 hergestellt wurde. Die Vorverstärkerschaltung 420 kann mit Ausgangsdatensignalen von dem Sensor auf einem Chip, der an der Montagebasis 400 befestigt ist, arbeiten. Das Substrat 410 ist ein Halbleitersubstrat, auf dem standardmäßige IC-Verarbeitungstechniken die Vorverstärkerschaltung 420 herstellen können. Wenn die Vorverstärkerschaltung 420 festgelegt ist, werden Verbindungsanschlußflächen 430 zum Verbinden mit der Außenwelt und Flip-Chip-Anschlußflächen 440 zum Befestigen des Optoelektronik-Bauelement-Chips gebildet und mit der Vorverstärkerschaltung 420 verbunden.
Bei dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel nehmen externe Anschlußflächen 430 I-/O-Signale wie z. B. ein Leistungsversorgungssignal Vcc, eine negative bzw. Massenspannung Vee, eine regulierte Spannung Vpin für eine PIN-Photodiode, die mit internen Anschlußflächen 440 verbunden werden soll, und komplementäre Ausgangsdatensignale DATA and DATA auf. Der Vorverstärker 420 kann arbeiten, um einen analogen Ausgang von der PIN-Photodiode in komplementäre digitale Datensignale DATA und DATA umzuwandeln, die die normalen CMOS-Pegel aufweisen oder unter denselben liegen können.
Ein Lötring 450 zum Befestigen einer Abdeckung ist zwischen der Vorverstärkerschaltung 420 und den externen Verbindungsanschlußflächen 430 gebildet. Eine einzelne Abdeckung, die so bemessen ist, daß sie einen Zugriff auf die externen Verbindungsanschlußflächen 430 ermöglicht, kann an dem Lötring 450 befestigt sein. Alternativ dazu ist ein Abdeckungswafer bei einem Häusungsprozeß auf Waferebene, bei dem mehrere Abdeckungen in dem Abdeckungswafer hergestellt sind, an einem Montagebasiswafer befestigt. Ein teilweises Ätzen des Abdeckungswafers bildet Sägekanäle auf der Seite des Abdeckungswafers, die mit dem Montagebasiswafer verbunden ist, und ermöglicht ein Sägen des Abdeckungswafers von der gegenüberliegenden Seite, ohne darunterliegende Strukturen zu beschädigen. Die Abdeckungen 130 und 230 der 1 und 2 können desgleichen unter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken hergestellt werden. Insbesondere für längere Lichtwellenlängen kann ein Ätzen eines Siliziumwafers, um die Hohlräume und die Sägekanäle zu bilden, einen Abdeckungswafer bilden.
5A, 5B und 5C veranschaulichen einen Prozeß zum Bilden einer Abdeckung 500, die einen Abstandshalterring 510 und eine Trägerplatte 520 umfaßt. Wie oben erwähnt wurde, besteht ein Vorteil einer mehrschichtigen Abdeckung wie z. B. der Abdeckung 500 darin, daß die Schichten 510 und 520 auf unterschiedliche Weise verarbeitet werden können und/oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können. Insbesondere kann der Abstandshalterring 510 unter Verwendung einer standardmäßigen Siliziumwaferverarbeitung hergestellt werden, und die Platte 520 kann aus einem Material wie z. B. Glas hergestellt werden, das für eine gewünschte Lichtwellenlänge transparent ist. Dies ist wichtig, da derzeitige VCSELs in der Regel Licht erzeugen, das eine Wellenlänge (z. B. 850 nm) aufweist, die von Silizium absorbiert wird, und da Wafer, die aus Materialien wie z. B. Glas (das z. B. Natrium enthält) hergestellt sind, für viele Siliziumwafer-Herstellungseinrichtungen eventuell ungeeignet sind.
5A veranschaulicht eine Struktur, die während der Herstellung des Abstandshalterrings 510 erzeugt wird. Der Herstellungsprozeß beginnt mit einem dünnen Siliziumsubstrat 512 (z. B. einem 275 μm dicken Siliziumwafer). Eine Schicht 514 aus Siliziumdioxid (SiO2) oder aus einem anderen Material, das in der Lage ist, als Ätzstopp für Silizium zu wirken, ist bis zu einer Dicke von etwa 0,5 μm auf dem Substrat 512 gebildet.
Anschließend wird auf die Ätzstoppschicht 514 eine dünne Polysiliziumschicht 516 (z. B. etwa 1 μm oder weniger) aufgebracht. Die Polysiliziumschicht 516 fungiert als Basis für eine Bildung eines optischen Elements 530, ist jedoch dünn genug, um für die Lichtwellenlänge, die bei dem empfangenen optischen Signal verwendet wird, transparent zu sein. Bei dem veranschaulichten Beispiel wird beispielsweise eine Linse 530 auf der Schicht 516 gebildet, indem abwechselnde Schichten aus Polysilizium und Oxid abgelagert werden, um die gewünschte Gestalt oder die gewünschten Charakteristika einer Beugungs- oder Brechungslinse zu erzielen.
Eine planarisierte transparente Schicht 518 aus einem Material wie z. B. TEOS wird über der Linse 530 aufgebracht, um eine flache Oberfläche zum Verbinden mit der Trägerplatte 520 zu liefern. Die Trägerplatte 520 ist aus Glas oder einem anderen transparenten Material hergestellt und wird beispielsweise durch ein anodisches Verbinden, wenn die Trägerplatte 520 aus einem Natriumglas hergestellt ist, mit der Schicht 518 verbunden. Schließlich wird ein Abschnitt der Rückseite des Substrats 512 bis hinunter zu der Ätzstoppschicht 512 geätzt, um einen Hohlraum 540 zu bilden, wie in 5C veranschaulicht ist. Die Dicke des Siliziums, das oberhalb des Hohlraums 540 verbleibt, ist dünn und ermöglicht, daß Licht der gewünschten Wellenlänge durch das optische Element 530 gelangt.
Ein Verbinden der Platte 520 und ein Ätzen der Substrate 510 und 520 wird allgemein auf der Waferebene abgeschlossen, wo eine große Anzahl von Abdeckungen 500 gleichzeitig gebildet wird. Vor oder nach dem Verbinden mit einer Montagebasis können dann separate Abdeckungen 500 aus den verbundenen bzw. gebondeten Wafern ausgeschnitten werden.
6 zeigt eine Struktur 600, die während eines Häusungsprozesses auf Waferebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt wird. Die Struktur 600 umfaßt mehrere Sensoren 110 für optische Signale. Jeder Sensor 110 befindet sich in einem der Hohlräume 140, die zwischen einem Montagebasiswafer 620 und einem Abdeckungswafer 630 gebildet sind. Die Sensoren 110 werden unter Verwendung einer herkömmlichen Flip-Chip-Häusungsausrüstung in den gewünschten Positionen des Montagebasiswafers 620 befestigt und verbunden. Optische Elemente 150 wie z. B. Linsen oder Prismen können an der rückwärtigen Oberfläche jedes Sensors 110 befestigt oder in dieselbe integriert sein.
Der Montagebasiswafer 620 umfaßt Schaltungselemente für mehrere Montagebasen. Für jede Montagebasis verbinden die Verbindungsanschlußflächen 122 und elektrische Leiterbahnen oder Durchkontaktierungen (nicht gezeigt) den zugeordneten Sensor 110 mit entsprechenden externen Anschlüssen 124. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich die ex ternen Anschlüsse 124 auf der oberen Oberfläche des Montagebasiswafers 120 befinden, alternativ dazu könnten externe Anschlüsse jedoch auch auf einer unteren Oberfläche des Montagebasiswafers vorgesehen sein. Zusätzlich dazu können in den Montagebasiswafer 620 aktive Bauelemente (nicht gezeigt) wie z. B. ein in bezug auf 4 beschriebener Verstärker integriert sein.
Der Abdeckungswafer 630 wird so hergestellt, daß er in Bereichen, die den Sensoren 110 auf dem Montagebasiswafer 620 entsprechen, Vertiefungen oder Hohlräume 140 umfaßt. Der Abdeckungswafer 630 umfaßt Silizium, Quarz, Glas oder ein beliebiges Material, das für das optische Signal transparent ist und für eine Bildung von Hohlräumen 140 geeignet ist. Die Hohlräume 140 können auf verschiedene Weisen gebildet werden, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, eines Formens, Prägens, Ultraschallbearbeitens und (isotropen, anisotropen oder Plasma-)Ätzens. Alternativ dazu kann der Abdeckungswafer 630 eine Mehrschichtstruktur sein, wie sie beispielsweise unter Bezugnahme auf 5A, 5B und 5C beschrieben wurde, und der Abdeckungswafer 630 kann ferner integrierte optische Elemente wie z. B. eine Linse (nicht gezeigt) umfassen.
Der Montagebasiswafer 620 und der Abdeckungswafer 630 sind ausgerichtet und miteinander verbunden. Zum Befestigen der Wafer 620 und 630 sind eine Vielzahl von Waferbondingtechniken bekannt und könnten dafür eingesetzt werden, einschließlich eines Thermobondens, Lötens und Klebens. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung befestigt ein Löten unter Verwendung eines eutektischen Gold/Zinn-Lötmittels die Wafer 620 und 630 aneinander und dichtet die Hohlräume 140 hermetisch ab. Die hermetischen Abdichtungen an den Hohlräumen 140 schützen die eingeschlossenen Chips 110 vor Umweltschäden.
Nachdem die Wafer 620 und 630 verbunden wurden, kann die Struktur 100 geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu er zeugen, die jeweils einen Sensor 110 umfassen, der in einem Hohlraum 140 hermetisch abgedichtet ist. Wie in 6 veranschaulicht ist, können in dem Abdeckungswafer 630 Sägekanäle 640 gebildet werden, um ein Sägen des Wafers 630 über die externen Anschlüsse 124 zu ermöglichen, ohne die externen Anschlüsse 124 zu beschädigen. Linien 632 geben die Positionen von Schnitten in dem Abdeckungswafer 630 an. Anschließend kann der Montagebasiswafer 620 an Linien 622 geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu trennen.

Claims

Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist eine Montagebasis (120); einen Chip (110), der einen Sensor umfasst, der mit der Montagebasis (120) elektrisch verbunden ist; eine Abdeckung (130), die an der Montagebasis (120) befestigt ist, um einen Hohlraum (140) zu bilden, der den Chip (110) einschließt; einen Ausrichtungspfosten (160), der an der Abdeckung (130) derart befestigt ist, dass sich ein optischer Pfad zu dem Sensor durch den Ausrichtungspfosten (160) und die Abdeckung (130) erstreckt, und eine flexible Schaltung (340), die ein Loch aufweist, in dem die Abdeckung (130) und der Ausrichtungspfosten (160) aufgenommen sind; wobei bei der Vorrichtung die Montagebasis (400) folgende Merkmale aufweist: interne Anschlüsse, die in dem Hohlraum (140) liegen und mit dem Chip (110) elektrisch verbunden sind; und externe Anschlüsse (124, 224), die außerhalb des Hohlraums (140) zugänglich sind und mit den internen Anschlüssen elektrisch verbunden sind, wobei die internen Anschlüsse und die externen Anschlüsse (124, 224) an derselben Seite der Montagebasis (400) angebracht sind, an welcher Seite der Chip (110) angebracht ist; wobei die flexible Schaltung (340) mit den externen Anschlüssen (124, 224) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Hülse (330) mit einer Bohrung aufweist, die bemessen ist, um den Ausrichtungspfosten (160) an einem ersten Ende der Bohrung und einen Optikfaserverbinder (310) an einem zweiten Ende der Bohrung aufzunehmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Chip (110) derart an der Montagebasis (120) befestigt ist, daß eine Vorderseite des Chips (110) der Montagebasis (120) gegenüberliegt, wobei die Vorderseite des Chips (110) einen lichtempfindlichen Bereich des Sensors umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, die ferner eine auf einer Rückseite des Chips (110) gebildete Linse (150) aufweist, wobei die Linse (150) auf den lichtempfindlichen Bereich des Sensors fokussiert.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Linse (250) aufweist, die in die Abdeckung (130) zwischen dem Ausrichtungspfosten (160) und dem Sensor integriert ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Montagebasis (400) eine aktive Schaltung (420) beinhaltet, die mit einem elektrischen Ausgangssignal des Sensors (110) arbeitet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die aktive Schaltung (420) einen Verstärker umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Hohlraum (140), der den Chip (110) einschließt, hermetisch abgedichtet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses (100), das einen Photosensor enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Herstellen eines ersten Wafers (620), der eine Mehrzahl von Montagebasisbereichen umfasst; Befestigen und elektrisches Verbinden einer Mehrzahl von Chips (110) mit den jeweiligen Montagebasisbereichen, wobei jeder der Chips (110) einen Photosensor enthält; Verbinden von Abdeckungen (130) mit dem ersten Wafer (620), wobei die Chips (110) in jeweilige Hohlräume (140) zwischen dem ersten Wafer (620) und den jeweiligen Abdeckungen (130) eingeschlossen werden und wobei für jeden der Chips (110) der Photosensor auf dem Chip (110) positioniert ist, um ein optisches Signal zu empfangen; Teilen der sich ergebenden Struktur, um eine Mehrzahl von Gehäusen (100), die die Chips (110) enthalten, zu trennen, wobei das Verfahren ferner ein Befestigen von Pfosten (160) an den Gehäusen (100) umfasst, derart, dass sich ein optischer Pfad zu dem Sensor durch den Pfosten (160) und die Abdeckung (130) erstreckt, wobei bei dem Verfahren die Montagebasis (400) mit folgenden Merkmalen gebildet wird: interne Anschlüsse, die in dem Hohlraum (140) liegen und mit dem Chip (110) elektrisch verbunden sind; und externe Anschlüsse (124, 224), die außerhalb des Hohlraums (140) zugänglich sind und mit den internen Anschlüssen elektrisch verbunden sind, wobei die internen Anschlüsse und die externen Anschlüsse (124, 224) an derselben Seite der Montagebasis (400) angebracht werden, an welcher Seite der Chip (110) angebracht wird, wobei das Verfahren ferner ein elektrisches Verbinden einer flexiblen Schaltung (340) mit den externen Anschlüssen (124, 224) aufweist, so dass die Abdeckung (130) und der Pfosten (160) in einem Loch der flexiblen Schaltung (340) aufgenommen sind.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das Herstellen des ersten Wafers (620) ein Bilden einer aktiven Schaltung (420) in jedem der Montagebasisbereiche umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die aktive Schaltung (420) ein Verstärker für ein Ausgangssignal des mit dem Montagebasisbereich verbundenen Photosensors ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, das ferner folgende Schritte umfasst: Verarbeiten eines Substrats, um den Photosensor zu bilden, der an einer Vorderseite des Substrats einen lichtempfindlichen Bereich umfasst; und Bilden einer Linse (150) auf einer Rückseite des Substrats, um Licht auf den lichtempfindlichen Bereich zu fokussieren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Abdeckungen (130) jeweilige Bereiche eines zweiten Wafers (630) umfassen und bei dem das Verbinden der Abdeckungen (130) mit dem ersten Wafer (620) ein Verbinden des zweiten Wafers (630) mit dem ersten Wafer (620) umfasst.