利用光学系统级封装的光模块及光收发器的制作方法

本发明涉及一种利用光学系统级封装的光模块，更具体地，涉及利用将光子集成电路及电子集成电路等包括在封装内的光学系统级封装(o-sip)的光模块及光收发器。

背景技术：

1、半导体芯片可制作成执行逻辑或驱动集成电路(ic)的作用且能够对光做出反应的受光器件或发射光的发光器件。这种光器件用于多种领域，作为一例，可用于承担服务器之间的光连接的光收发器，或可用于在电视(tv)与机顶盒之间或虚拟现实(vr，virtualreality)玻璃与图形处理单元(gpu)之间传递影像数据的模块。

2、并且，光器件的其他应用例有将发光器件包括在内的访问传感器、飞行时间(tof，time of flight)传感器、机载激光雷达(lidar，light detection and ranging)等。

3、光器件应与对其进行驱动或形成接口的电子器件一同使用，以此将光信号变换成电子信号的形态。作为一例，在传输光数据的领域中，可为了将光信号变换成数字信号的模块而一同使用光器件和电子器件。作为其他例，在光传感器领域中，将所接收的光的特性变换成影像数据或深度(depth)数据的器件可与光器件一同使用。

4、以上的应用以往大部分都会使用制作有配线图案的印刷电路板(pcb)安装多个芯片并通过引线键合(wire-bonding)进行连接。这是普通板上芯片(cob，chip-on-board)方式的封装。

5、并且，代替使用印刷电路板(pcb)的封装，可通过使用基于扇出晶圆级封装(fowlp，fan out wafer level package)方式的半导体封装方式来将光/电器件封装成晶圆级，这是可制作超薄型封装并使用高精密重布线层(rdl)提高性能的技术。

6、在使用半导体封装执行光/电封装的情况下，大部分光学路径相对于发光器件芯片呈垂直的情况会很多，因而将在封装的一面设置光学路径，将在封装的相反面形成用于与外部电连接的端子板。并且，这种光/电封装使得用于连接成型在内部的多个芯片的重布线层设置在有光学路径的光/电封装的一面。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明的目的在于，当使用半导体封装执行光/电封装时，通过在封装的相反面设置扇出(fan-out)端子板，解决为了使封装的第一面与在作为相反面的第二面所设置的扇出端子板相连接而需贯通封装来形成导电性通孔(via)的问题。

3、为了将导电性通孔包括在封装，因而将在半导体封装步骤使用另外的工序或对形成有导电性通孔的印刷电路板或导电性通孔结构物一同封装的方式。这种导电性通孔的生成具有材料费用或工艺费用增加的缺点。

4、不仅如此，由于使用导电性通孔的封装使得连接成型在封装内部的多个芯片的重布线层(rdl：redistribution layer)和端子板互相位于相反面，因而若不在封装内部将配线层制作在两面，则端子板仅可实现扇出形态的设置方式，将无法实现扇入(fan-in)形态的设置方式。若排除将芯片所在的面积包括在内的扇入(fan-in)形态的端子板设置方式而仅以扇出形态设置端子板，则将因封装的面积增加而失去集成化的优点。

5、因此，为了解决无法实现扇入形态的端子板设置方式的问题，可通过在封装的两面形成重布线层来制作扇入形态和扇出形态的板，但这会引起工艺费用的增加。尤其，需要努力精密对齐配置在封装的两面的重布线层图案，这将使得费用比增加单纯设置在一面的重布线层的费用更加增加。不仅如此，若在封装的两面形成重布线层，则会在因在封装下部增加的重布线层而使得所成型的芯片的散热通过封装下部形成的情况下，阻碍热传递路径。

6、并且，在使用光学芯片的情况下，散热结构的设计非常重要，这是因为在光学芯片产生很多热量，而且光学芯片的发光条件或受光条件等对温度很敏感，因此散热设计是非常重要的部分。若作为现有封装方式的cob或使用半导体封装的方式都在发光的封装面设置散热结构(与散热器(heat sink)或金属外罩(metal housing)相连接的结构物)，则光学路径将被遮蔽，因而通常会设置在相反面。

7、因此，大部分散热路径由封装的端子板所处的面构成，这种情况使得形成有封装的端子板的面与光收发器的主印刷电路板(印刷电路板)相连接，封装的散热通过主印刷电路板的热通孔(thermal via)产生的情况占多数。因此，现有方式存在散热结构与芯片之间的散热路径受到印刷电路板阻碍的问题。

8、本发明提供利用将光子集成电路及电子集成电路等包括在封装内的光学系统级封装的光模块及光收发器，以解决上述问题。

9、技术方案

10、为了实现上述目的，本发明一实施例的光模块的特征在于，包括：光学系统级封装，在下部及上部形成有平坦的第一面及第二面的成型本体(mold body)的内部成型有光子集成电路和用于驱动上述光子集成电路或形成接口的电子集成电路，用于发送光信号或接收光信号；以及垂直方向耦合器，安装在上述光学系统级封装的上部，在本体内部设置有与上述光子集成电路的光出入部相对应的贯通孔，上述贯通孔与光纤相结合。

11、上述光学系统级封装可包括采用发光器件作为上述光子集成电路的光发送子组件(tosa)，和采用受光器件作为光子集成电路的光接收子组件(rosa)。

12、并且，上述光子集成电路可包括发光器件和受光器件。

13、本发明一实施例的光模块还可包括：散热用第一金属结构物以及第二金属结构物，上部面分别与上述光子集成电路和电子集成电路的下部接合，下部面被露出；通孔用第三金属结构物，在上述光子集成电路与电子集成电路之间贯通插入于上述成型本体，上端部与重布线层相连接，下端部被露出；以及金属连接层，使上述第一金属结构物至第三金属结构物的下部面相连接，以使上述重布线层与上述光子集成电路和电子集成电路的下部相连接，下部面被露出。

14、上述光学系统级封装可包括：成型本体，在下部及上部形成平坦的第一面及第二面；光子集成电路，以在上述第一面露出焊盘的方式成型在上述成型本体的内部；电子集成电路，以在上述第一面露出焊盘的方式在上述成型本体的内部与上述光子集成电路隔开间隔成型而成；以及重布线层，形成在上述成型本体的第二面，设置有多个扇出端子板，用于使上述光子集成电路和电子集成电路相连接并与外部电连接。

15、在此情况下，设置于上述光子集成电路的光出入部上部的上述重布线层可具备开口部。

16、并且，本发明一实施例的光模块的特征在于，可包括：光学系统级封装，在下部及上部形成有平坦的第一面及第二面的成型本体的内部成型有光子集成电路和用于驱动上述光子集成电路或形成接口的电子集成电路，用于发送光信号或接收光信号；光纤托，以在内部支撑至少一个光纤的方式与上述光纤的后端部相结合，具备一对结合凹槽；以及垂直方向耦合器，底面安装在上述光学系统级封装的上部，在上端部具备用于收容上述光纤托的收容空间，在两侧突出有与上述一对结合凹槽相结合的一对结合突起。

17、在此情况下，当上述光纤托与垂直方向耦合器的收容空间相结合时，多个上述光纤可与上述光学系统级封装的发光器件或受光器件的光出入部形成光学对齐。

18、尤其，本发明一实施例的光模块的特征在于，光学系统级封装，在下部及上部形成有平坦的第一面及第二面的成型本体的内部成型有光子集成电路和用于驱动上述光子集成电路或形成接口的电子集成电路，用于发送光信号或接收光信号；第一印刷电路板，在下部面安装上述光学系统级封装，在与上述光子集成电路的光出入部相对应的部分设置有贯通孔，以在从上述光子集成电路沿着垂直方向发送光信号或接收光信号时形成光路径；以及光纤托，以在内部支撑多个光纤的方式与上述多个光纤的后端部相结合，前端部通过上述贯通孔来使上述光学系统级封装被安装。

19、在此情况下，上述第一印刷电路板可以为柔性印刷电路板，上述光模块还可包括第二印刷电路板，安装用于对上述光学系统级封装执行收发控制的多个电子部件，与上述第一印刷电路板的一端部相连接。

20、并且，本发明一实施例的光收发器的特征在于，包括：光学系统级封装，在下部及上部形成有平坦的第一面及第二面的成型本体的内部成型有光子集成电路和用于驱动上述光子集成电路或形成接口的电子集成电路，用于发送光信号或接收光信号；印刷电路板，在下部面安装上述光学系统级封装，在与上述光子集成电路的光出入部相对应的部分设置有贯通孔，以在从上述光子集成电路沿着垂直方向发送光信号或接收光信号时形成光路径；以及lc插座，后端部与上述印刷电路板相结合，前端部与光纤相结合。

21、在此情况下，本发明一实施例的光模块还可包括热电制冷器(tec，thermoelectric cooler)，安装在上述光学系统级封装的背面，用于冷却上述光学系统级封装。

22、尤其，本发明一实施例的光收发器的特征在于，包括：光学系统级封装，在下部及上部形成有平坦的第一面及第二面的成型本体的内部成型有光子集成电路和用于驱动上述光子集成电路或形成接口的电子集成电路，用于发送光信号或接收光信号；印刷电路板，在下部面安装上述光学系统级封装，在与上述光子集成电路的光出入部相对应的部分设置有贯通孔，以在从上述光子集成电路沿着垂直方向发送光信号或接收光信号时形成光路径；以及lc插座，在后端部的收容空间收纳安装有上述光学系统级封装的印刷电路板，前端部与光纤相结合。

23、在此情况下，上述lc插座的后端部收容空间在后面填充密封剂，以对安装有上述光学系统级封装的印刷电路板进行密封。

24、本发明的光收发器的特征在于，包括：光模块；以及外罩，在内部收容上述光模块。

25、在本发明中，为了解决在扇出晶圆级封装中使用导电性通孔来制作的光封装所存在的问题，提出使用并不用导电性通孔的光学扇出晶圆级封装来将光子集成电路(photonic ic)和电子集成电路(electronic ic)包括在封装内的光学系统级封装(o-sip：optical system in package)以及利用其的光模块及光收发器。上述光学系统级封装可构成光引擎模块。

26、上述光子集成电路和电子集成电路成型在封装内，有端子板和光出入部的集成电路集成电路的露出面以朝向重布线层的方式成型。重布线层将位于成型物上方，外部连接用端子板可位于上述重布线层。在上述重布线层的上方，可通过追加性的微机电系统或压印工序将微透镜、光学类、超颖表面或具备多种图案的层制作成晶圆级(wafer level)。

27、以往，通过折射光来使图像变得明显，或将玻璃用作实现扩大的透镜。但是，起到超透镜的作用的超颖表面由纳米大小的柱子或销等结构构成，能够以使图像不被扭曲的方式使光聚集。

28、在以如上所述的扇出晶圆级封装形态进行封装的情况下，例如在内置于光收发器的主印刷电路板上对封装进行表面安装(smt：surface mount technology)，将出现光出入部被上述主印刷电路板堵住的情况。为了解决这种情况，在本发明中，可通过在主印刷电路板形成贯通孔(through hole)或通过使用透明材料制作光出入口来解决这种问题。之后，可将所需的透镜及光纤等的光学部件组装在主印刷电路板上。

29、尤其，在本发明中，可为了对上述光子集成电路和电子集成电路进行散热而在所成型的光子集成电路和电子集成电路的下部配置散热用金属(metal)结构物。上述金属(metal)结构物面以使得在与扇出晶圆级封装的重布线层相向的封装的相反面露出金属(metal)结构物的方式被开放(open)，所露出的上述金属结构物面与散热器或热界面材料(tim，thermal interface material)等的散热结构物相连接，来形成散热路径(path)。

30、并且，为了电连接上述光子集成电路和电子集成电路的下部，可使上述金属结构物与位于扇出晶圆级封装的上部面的重布线层相连接。在此情况下，在按晶圆级在整个扇出晶圆级封装的下部面形成(deposition)金属来形成金属连接层后，通过导电性通孔连接金属结构物和扇出晶圆级封装的重布线层，或可通过上述金属连接层电连接金属结构物之间。

31、尤其，在本发明的光学系统级封装中，上述光子集成电路(photonic ic)为进行光学处理的集成电路(integrated circuit)，可起到将光信号变换成电信号或将电信号变换成光信号的作用。作为一例，上述光子集成电路130可以是垂直腔面发射激光器(vcsel；vertical-cavity surface-emitting laser)、激光二极管(ld；laser diode)等的发光器件，或光电二极管(pd；photodiode)、雪崩光电二极管(apd；avalanche photodiode)、光电二极管(pd)以阵列(array)形态排列有多个cmos图像传感器(cmos image sensor；cis)、ccd图像传感器、飞行时间(tof，time of flight)传感器及追加包括向它们提供附加功能或负责信号处理的电路的芯片。

32、上述雪崩光电二极管(apd)为内部具备光电流的放大装置的光电二极管(pd)，可在光传送领域中广泛用作光检波器。

33、并且，上述电子集成电路(electronic ic)以根据上述光子集成电路(photonicic)工作的方式来使用。例如，在上述光子集成电路为光电二极管的情况下，上述电子集成电路可与用于对基于光电二极管上的光子的碰撞的电信号进行扩大的传输阻抗扩大器一同工作。在上述光子集成电路为发光器件的情况下，上述电子集成电路可使用对发光装置进行驱动的驱动电路。

34、尤其，本发明的光学系统级封装可采用光电二极管、雪崩光电二极管、cmos图像传感器、ccd图像传感器、飞行时间传感器及追加包括向它们提供附加功能或负责信号处理的电路或作为集成电路的信号处理装置的芯片，以代替上述电子集成电路。

35、并且，在本发明的光学系统级封装中，作为上述光子集成电路可包括垂直腔面发射激光器、激光二极管等的发光器件、光电二极管、雪崩光电二极管、光电二极管以阵列形态排列有多个的cmos图像传感器、ccd图像传感器、飞行时间传感器等的受光器件以及用于驱动上述光子集成电路的电子集成电路。

36、本发明公开如下的光学系统级封装，即，使得多个光子集成电路和电子集成电路在不使用单独的基板的情况下位于以系统级封装(sip)形态而成的封装的内部，形成上述光子集成电路与系统级封装外部之间的光路径。本发明的光学系统级封装可通过不使用基板来实现更小、更便宜的光收发器。

37、在本发明中，利用倒装芯片(flip chip)封装技术来以不进行引线键合的方式对根据上述光子集成电路工作的电子集成电路(芯片)和光子集成电路进行集成，采用在不使用基板的情况下对多个器件进行集成且向外部引出输入输出(i/o)端子并拉伸输入输出端子的扇出技术，也就是通过扇出晶圆级封装(fan out wafer level package)方式对上述光子集成电路和电子集成电路进行封装，从而可实现超薄型的光学系统级封装。

38、上述光学系统级封装为系统级封装(sip，system in package)技术的一种，将不使用印刷电路板等的基板，为了固定芯片(裸片)而使用环氧树脂模塑料(emc；epoxy moldcompound)等封装物质来进行封装，从而可实现达到现有封装的1/16程度水平的小型化及超薄化，可谋求减少费用。

39、将本发明的光学系统级封装结合在主板或模块板而得到的光模块不仅整体上形成超薄结构，还可通过贴在光学系统级封装的背面而不是主板的散热用金属结构物，来可通过散热器或由金属构成的本体外罩实现散热，从而可阻止性能下降。

40、发明的效果

41、如上所述，在本发明中，可解决现有的使用导电性通孔的扇出晶圆级封装的缺点，即，因使用导电性通孔而产生的费用上升、设置端子板而产生的非效率性、散热性能下降。

42、并且，本发明可同时使用扇入端子板设置形态和扇出端子板设置形态，因而可有效实现端子板的设置，最终可使端子板更加集成化，这样一来可使封装大小变小，从而可实现产品的小型化和工艺费用的减少。

43、尤其，可制作比起现有的板上芯片方式及基于使用导电性通孔的扇出晶圆级封装的光学封装产品呈现出更优秀的散热性能的封装。

44、不仅如此，在使用本发明的光学系统级封装结构的情况下，可像在以下实施例中记述的那样，可根据各种应用方式来制作厚度最小的光模块。

45、将本发明的光学系统级封装结合在主板或模块板而得到的光模块不仅整体上形成超薄结构，还可通过贴在光学系统级封装的背面而不是主板的散热用金属结构物，来可通过散热器或由金属构成的本体外罩实现散热，从而可阻止性能下降。