用于硅光子互连的激光组件封装制造技术

本文描述的过程和装置减少了用于结合到计算系统中的光子互连的每个激光器的制造时间、零部件成本、以及组装成本。激光组件的输出侧与硅中介层(SiP)的输入侧抵靠放置，使得定位在激光组件输出侧上的多个焊盘中的每个焊盘与对应的焊料凸点相接触，该对应的焊料凸点还与定位在SiP输入侧上的相应焊盘相接触。激光组件被配置用于将激光从输出侧发射到SiP的输入光栅中。将焊料凸点加热到液相。当焊料凸点处于液相时，焊料凸点的毛细力将激光组件与SiP重新对准。然后使焊料凸点冷却。

Laser package for silicon photon interconnection

【技术实现步骤摘要】
用于硅光子互连的激光组件封装相关申请的交叉引用本申请涉及由AshkanSeyedi(阿什肯赛义迪)、MarcoFiorentino(马尔科菲奥伦蒂诺)、GezaKurczveil(格察库兹韦尔)和RaymondG.Beausoleil(雷蒙德G.博索莱伊)于2018年4月16日提交的名称为“CombLaserArraysforDWDMInterconnects(用于DWDM互连的梳状激光器阵列)”的美国申请15/953,765。美国申请15/953,765的公开内容通过引用结合在此。
技术介绍
术语“激光”是通过辐射受激发射的光放大的首字母缩写词。当某些材料(例如，晶体、气体或玻璃)中的原子中的电子吸收来自能量源(例如，电流或另一激光器)的能量时，可以产生激光。由于这种能量吸收，电子从基态移动到激发态。当电子返回到基态时，电子发射具有相对离散波长的光子。在光纤中，激光可以用作信号传输的介质。光纤电缆提供高带宽、低功率损耗、抗电磁干扰、以及可用于各种应用的其他特性。附图说明本专利技术的各种特征和优点将通过参考附图仅通过示例的方式给出的本专利技术的示例的以下描述而变得显而易见，在附图中：图1是用于激光二极管的示例封装方案的截面视图。图2是用于激光组件的第一示例封装方案的截面视图。图3是用于激光组件的第二示例封装方案的截面视图。图4是根据一个示例的用于激光组件和SiP的金属焊盘的示例安排的自顶向下视图。图5是根据一个示例的用于激光组件、SiP和透镜组件的金属焊盘的示例安排的自顶向下视图。图6图示了用于将激光组件附接至硅中介层(SiP)的示例过程。图7图示了用于使用本文描述的装置的示例过程。具体实施方式在高性能计算(HPC)系统中，各种组件(例如，处理器、高速缓存、存储器、数据存储装置)彼此进行通信以完成计算任务。通常，HPC系统应用于由于计算复杂性、大数据集(例如，“大数据”)、硬件限制、时间约束及其他因素而对标准消费性计算机(例如，台式计算机和膝上型计算机)而言不切实际的问题。使用激光来传输信号(例如，通过光纤电缆)的光子互连具有增加带宽、降低功耗并减少HPC系统中组件之间通信的等待时间的潜力。然而，当前用于将光子互连结合到HPC系统中的方案面临若干挑战。例如，用于光子互连的当前激光器封装方案较昂贵。例如，当前封装方案中每个激光器的零部件和组装成本约为30美元。每个激光器的这一价格对于HPC系统(其可能需要数十万个激光器)而言可能过分昂贵。光子互连的高成本是由若干因素造成的。首先，当前的封装方案通常包括诸如准直器、反射镜、桶状隔离器、球形透镜和抗反射(AR)涂覆小平面等部件，以用于将激光引导到光纤中。这些部件的成本显著地增加了每个激光器的总成本。此外，AR小平面(facets)通常是光子互连的初始故障点，因为AR小平面上使用的介电材料在暴露于激光器的高光功率水平(例如，大于50毫瓦)下时趋于在分子水平上降解。其次，激光器封装方案中的部件通常必须彼此非常精确地对准以确保适当的功能。机器人拾放工具(如果在没有附加装备的情况下使用)可能无法以足够的精度将这些部件可靠地对准。存在如下的视觉对准技术：可以使用印在部件上的数字图像和基准标记以帮助工具将这些部件更精确地对准，但是这类技术涉及附加硬件(例如，数码相机)和附加处理时间(例如，用于图像分析)。因此，可能需要两分钟或更长时间来封装每个单独激光器。对于包括数十万个激光器的HPC系统而言，每个激光器两分钟可能总计达到相当大的延迟。而且，在现有的激光器封装方案中，一次对准一个激光器。例如，单个机械臂和单个数码相机通常不能同时对准多个激光器。为了同时对准多个激光器，制造商通常将必须为每个要并行对准的附加激光器配备一个附加的机械臂和一个附加的数码相机。本公开描述了显著降低将光子互连结合到HPC系统中的成本的过程和装置。本文描述的过程提供了用于在不使用基准或图像处理技术的情况下以相对较低的成本、较高的亚微米精度对硅光子装置中的激光器进行对准的技术。另外，本文描述的过程提供了使多个激光器同时对准而无需用于每个激光器的单独制造硬件的方式。通过这些过程组装的硅光子装置用作全功能硅光子互连，但不需要现有互连中使用的某些部件。例如，本文描述的装置不需要准直器、反射镜、桶状隔离器、球形透镜或抗反射(AR)涂覆小平面。因此，本文描述的过程和装置显著减少了每个激光器的制造时间、零部件成本、以及组装成本。图1是用于激光二极管102的示例封装方案100的截面视图。激光二极管102充当封装方案100的载体上芯片(CoC)。虚线107表示从激光二极管102发射的激光的路径。封装方案100包括非球面准直器103、桶状隔离器104和球形透镜105(例如，直径为2.5毫米的N-BK7球形透镜)，用于将激光引导到平面切割光纤电缆106中。一旦如所示的那样组装，封装方案100就可以将提供给激光二极管102的电信号转换成光信号，并将光信号(其由激光表示)引导到平面切割光纤电缆106中以进行传输。虽然封装方案100可以有效地将电信号转换成光纤电缆上的光信号，但是封装方案100存在以上关于现有封装方案所讨论的缺点。具体地，非球面准直器103、桶状隔离器104和球形透镜105增加了封装方案100的各零部件的总成本。而且，用于对封装方案100的部件进行对准和耦接的方法可能相对低效(例如，如果使用图像处理技术的话)。图2是用于激光组件201的第一示例封装方案200的截面视图。激光组件201包括用于产生激光的激光二极管。具体地，激光组件201可以包括梳状激光器(例如，作为光学频率梳状发生器运作的基于量子点的二极管激光器，该光学频率梳状发生器产生近似等距光谱线的低噪声多光谱输出)。在一些实施例中，激光组件201可以包括多个激光二极管，该多个激光二极管被配置用于产生具有不同光谱带宽的激光。激光组件201被配置用于在由箭头204a指示的方向(输出方向)上输出激光。激光组件201的发射激光的一侧被称为输出侧。在一个示例中，输出方向与输出侧的表面法向量(例如，在激光离开激光组件201的点处与输出侧的切平面正交的向量)的方向相差二十度或更小。在一个示例中，激光组件201包括在输出方向上发射激光的光栅耦合表面发射激光器(GCSEL)或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。具体地，如果使用GCSEL，则可以包括光栅206a(即，激光组件201的输出光栅)以将激光从初始方向重定向到输出方向。如所示出的，金属焊盘210a至210e定位在激光组件201的输出侧。金属焊盘210a至210e分别与焊料凸点220a至220e相接触。如所示出的，焊料凸点220a至220e也分别与定位在硅中介层(SiP)207上的金属焊盘230a至230e相接触。出于本公开的目的，与相同焊料凸点相接触的两个焊盘被称为“相应”焊盘。例如，焊盘230a是焊盘210a的相应焊盘，焊盘230b是焊盘210b的相应焊盘，依此类推。虽然示出了五对相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：/n将激光组件的输出侧与硅中介层(SiP)的输入侧抵靠放置，使得定位在所述激光组件的所述输出侧上的多个焊盘中的每个焊盘与对应的焊料凸点相接触，所述对应的焊料凸点还与定位在所述SiP的所述输入侧上的相应焊盘相接触，其中，所述激光组件包括激光二极管并且被配置用于从所述输出侧发射激光，并且其中，所述SiP包括被配置用于将所述激光重定向通过所述SiP的硅层的输入光栅；/n将所述焊料凸点加热到至少第一温度，在所述第一温度下，所述焊料凸点从固相变为液相；/n当所述焊料凸点处于液相时，使所述焊料凸点的毛细力将所述激光组件与所述SiP重新对准；以及/n将所述焊料凸点冷却到低于所述第一温度的第二温度，使得所述焊料凸点从液相变为固相，其中，在冷却完成时所述焊料凸点将所述激光组件耦接至所述SiP。/n

【技术特征摘要】
20180629 US 16/023,5961.一种方法，包括：
将激光组件的输出侧与硅中介层(SiP)的输入侧抵靠放置，使得定位在所述激光组件的所述输出侧上的多个焊盘中的每个焊盘与对应的焊料凸点相接触，所述对应的焊料凸点还与定位在所述SiP的所述输入侧上的相应焊盘相接触，其中，所述激光组件包括激光二极管并且被配置用于从所述输出侧发射激光，并且其中，所述SiP包括被配置用于将所述激光重定向通过所述SiP的硅层的输入光栅；
将所述焊料凸点加热到至少第一温度，在所述第一温度下，所述焊料凸点从固相变为液相；
当所述焊料凸点处于液相时，使所述焊料凸点的毛细力将所述激光组件与所述SiP重新对准；以及
将所述焊料凸点冷却到低于所述第一温度的第二温度，使得所述焊料凸点从液相变为固相，其中，在冷却完成时所述焊料凸点将所述激光组件耦接至所述SiP。


2.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光组件被配置用于沿输出方向从所述输出侧发射所述激光，所述输出方向与所述输出侧的表面法向量的方向相差二十度或更小。


3.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光组件的所述输出侧包括输出光栅，所述激光组件被配置用于通过所述输出光栅来输出所述激光，并且其中，当冷却完成时，所述激光组件的所述输出光栅与所述SiP的所述输入光栅之间的距离小于100微米。


4.如权利要求1所述的方法，其中，定位在所述激光组件的所述输出侧上的所述焊盘与所述输出光栅的周边的至少三条边缘相邻。


5.如权利要求1所述的方法，其中，
定位在所述激光组件的所述输出侧上的所述焊盘之一被配置用于充当第一电极以向所述激光组件供应电流；
与被配置用于充当所述第一电极的所述焊盘相接触的焊料凸点还与定位在所述SiP的所述输入侧上的相应焊盘相接触；并且
所述相应焊盘与穿过所述SiP的硅通孔(TSV)相接触。


6.如权利要求5所述的方法，其中，定位在所述激光组件的所述输出侧上的所述焊盘之一被配置用于充当阳极，并且定位在所述激光组件的所述输出侧上的所述焊盘之一被配置用于充当阴极，以便向所述激光组件供应所述电流。


7.如权利要求1所述的方法，其中，
定位在所述激光组件的所述输出侧上的所述焊盘之一被配置用于充当第一电极以向所述激光组件供应电流；
所述激光组件进一步包括定位在所述激光组件的第二侧上的端子；并且
所述端子被配置用于充当第二电极以向所述激光组件供应所述电流。


8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：
将导线的第一端焊接到定位在所述SiP的所述输入侧上的附加焊盘，其中，所述附加焊盘与穿过所述SiP的硅通孔(TSV)相接触；以及
将所述导线的第二端焊接到定位在所述激光组件的所述第二侧上的所述端子。


9.如权利要求1所述的方法，其中，所述SiP包括被配置用于测量与所述激光相关联的量的至少一个传感器。


10.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光二极管被配置用于产生具有第一光谱带宽的激光，并且其中，所述激光组件包括第二激光二极管，所述第二激光二极管被配置用于产生具有第二光谱带宽的激光。

【专利技术属性】
技术研发人员：阿什肯·赛义迪，马尔科·菲奥伦蒂诺，格察·库兹韦尔，雷蒙德·G·博索莱伊，
申请(专利权)人：慧与发展有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国;US