嵌入光纤的玻璃板及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种嵌入光纤的玻璃板及其制造方法。该玻璃板包括一个具有上下两个表面的玻璃板；至少一根光纤垂直于玻璃板表面嵌入到玻璃板内，所述光纤的至少一端在玻璃板的上表面或下表面暴露出来。这种玻璃板可以实现芯片间高速光信号的垂直传输。该玻璃板的制作工艺简单、成本低廉，解决了玻璃基板打孔困难，填孔工艺复杂的问题。

【技术实现步骤摘要】

本 专利技术涉及微电子封装
，特别涉及一种嵌入光纤的玻璃板，以及制造嵌入光纤的玻璃板的方法，从而实现三维封装或者多层堆叠封装中的高速光互连结构。
技术介绍
随着数据通信业务和Internet的飞速发展，带宽需求呈爆炸性增长，人们对电子产品的运算速度和通信速度的要求都大大增加。同时，人们要求电子产品更加小型化、多功能、运行更快速，这要求电子系统尺寸越来越小，集成度越来越高，功能越做越多，芯片之间通信更快速，对电子封装技术的要求也越来越高。传统的二维封装方式已经接近极限，三维封装技术是目前主流的研究方向。三维封装是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。同时，而随着带宽需求的增加，芯片间通信速度也越来越快，频率越来越高，传统的铜线互连在高频高速应用上受到种种限制，频率达到IOGHz及以上则会出现串扰、辐射、损耗大等种种问题，大大限制了芯片间的通信速率。相比之下，光纤互连则可以克服电子瓶颈，具有带宽高、损耗小、基本不存在串扰、匹配和电磁兼容等优点。将光纤互连和三维封装技术结合是未来的发展趋势。目前硅基片的TSV(Thr0ugh Silicon Via)技术是实现三维封装中的关键技术。 TSV技术相对于传统的互连方式，可实现全硅封装，与半导体CMOS工艺相兼容，且可等比例增大元器件密度，减小互连延时问题，实现高速互连。然而硅基片也有不足(1)硅是半导体，在TSV互连中，需要在侧壁上做绝缘层，阻挡层等多层结构，工艺复杂，制备时间长和制作成本高。(2)硅的介电常数和介电损耗较大，严重影响高频传输性能。(3)硅不透明，与光纤、光器件等折射率差别大，模式不易匹配，耦合效率低。近年来，玻璃基板的TGV(Thr0ugh Glass Via)技术逐步发展起来。最有代表性的是德国IZM采用玻璃转接板来集成光电收发模块(参见Michael T5pper, et al., 3-D Thin Film Interposer Based on TGV(Through Glass Vias) :An Alternative to Si-Interposer, ECTC，2010，pp66_73)，以及英国拉夫堡大学欧胜机械与制造工程学院 (ffolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering), MFS^-M^i^M^Jz 实现了高密度电互连结构(参见Xiaoyun Cui,Glass as a Substrate for High Density Electrical Interconnect”，2008，10th, EPTC,ppl2_17)。玻璃基板的热膨胀系数与硅、三五族半导体接近，玻璃基板具有高杨氏模量，在工艺中可以防止翘曲，并且具有良好的尺寸稳定性和表面平整性好等优点，因此适于做基板材料。除此之外，相对于硅，玻璃还具有下述优点(1)玻璃是绝缘体，且化学稳定性好，TGV 工艺中不需要绝缘层、阻挡层的沉积；(2)玻璃相对硅具有更低的介电常数和介电损耗角， 适于高频传输；(3)玻璃透明且与光纤材料相近，模式易匹配，光耦合效率高。基于上述优点，玻璃基板非常适于高频高速以及集成光互连的器件封装。目前的芯片之间的光互连主要是采用横向互连的方式，美国公开专利申请 US2010027577A1公开了一种将VCSEL发出的光采用透镜耦合进PCB上的波导，横向传输耦合到探测器的结构。德国IZM也采 用透镜或微镜将光耦合入玻璃板上的水平方向波导或光纤结构(参见 Brusberg, L. etal. , Thin Glass Based Packaging Technologies for Optoelectronic Modules”，ECTC，2009，pp217_212)。但是，上述两种结构没有在垂直方向设置波导或者光纤，因而存在光损耗大、模式容易变化的缺陷。另一方面，在玻璃基板的垂直方向设置波导或者光纤存在一定的技术困难。例如，当前的打孔填空工艺很难实现在不影响波导性能的情况下将波导垂直填入玻璃基板，因而无法满足三维封装中芯片间大量的垂直互连通信的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种嵌入光纤的玻璃板以及制造嵌入光纤的玻璃板的方法，用以实现三维封装中不同芯片之间的垂直光互连。根据本专利技术的一个方面，提供了一种嵌入光纤的玻璃板，该玻璃板包括一个具有上下两个表面的玻璃板；至少一根光纤垂直于玻璃板表面嵌入到玻璃板内，所述光纤的至少一端在玻璃板的上表面或下表面暴露出来。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种制造嵌入光纤的玻璃板的方法，该方法包括以下步骤加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；把光纤插入到软化的微区中一定深度；冷却固化所述软化的微区；重复前述步骤，直到插入所要求数量的光纤；减薄并整平玻璃板，使光纤的至少一端在玻璃板的表面暴露出来。其中，所述减薄并整平玻璃板的步骤包括整平玻璃板插入光纤的一面；减薄并整平玻璃板未插入光纤的另一面，使玻璃板减薄到要求的厚度。其中，所述减薄是通过机械研磨进行的，所述整平是通过机械抛光或化学机械抛光进行的。其中，光纤的材料是石英或石英玻璃。可选的，还可以在光纤表面包覆一层金属或金属氧化物材料。可选的，可以在玻璃板上形成至少一个金属通孔，以实现器件之间的电互连或散热。所述玻璃板通过嵌入的光纤与外部器件集成，以实现玻璃板与外部器件的光互连。如上所述，本专利技术通过在玻璃板中嵌入光纤的方法实现了芯片之间垂直光互连， 与传统的金属互连和打孔插入光纤相比具有显著的优势。首先，本专利技术采用光纤互连方式， 提高了信号传输的频率和速度，克服了金属互连的种种限制。第二，玻璃板相比硅等其他基板具有透明、高频电性能好、尺寸稳定性好、化学稳定性好，与光器件耦合损耗小等优点，但不易打孔填孔。本专利技术采用的嵌入光纤的玻璃板结构，克服了打孔困难的问题，可以方便快速准确地将光纤插入玻璃板中。第三，本专利技术的整个工艺采用的方法成本低，易于控制，便于大规模量产。附图说明图1显示了本专利技术的嵌入光纤的玻璃板的结构示意图；图2显示了本专利技术的制造嵌入光纤的玻璃板的装置；图3显示了本专利技术的制造嵌入光纤的玻璃板的方法流程图；图如至图4h显示了实施例1的玻璃板的制作方法流程，其中图4h是实施例1的玻璃板结构示意图。图5显示了实施例2的玻璃板结构示意图。图6a至图6c显示了实施例3的玻璃板的制作方法流程，其中图6c是实施例3的玻璃板结构示意图。上述附图中的附图标记说明如下101-玻璃板201-光纤插入装置202-玻璃板局部加热熔化的微区203-微区加热装置301-准备插入玻璃板中的光纤302-插入玻璃板中的光纤303-插入玻璃板中的光纤401-玻璃板上表面402-玻璃板下表面403-在玻璃板下表面制作的波导结构501-金属电极层502-光纤窗口503-芯片504-电镀的金属玻璃通孔(TGV，Through Glass Via)505-再布线层(RDL, redistribution layer)601-PCB 基板602-凸点具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种嵌入光纤的玻璃板，该玻璃板包括：一个具有上下两个表面的玻璃板；至少一根光纤垂直于玻璃板表面嵌入到玻璃板内，所述光纤的至少一端在玻璃板的上表面或下表面暴露出来。

【技术特征摘要】
1.一种嵌入光纤的玻璃板，该玻璃板包括一个具有上下两个表面的玻璃板；至少一根光纤垂直于玻璃板表面嵌入到玻璃板内，所述光纤的至少一端在玻璃板的上表面或下表面暴露出来。2.根据权利要求1所述的玻璃板，所述光纤的材料是石英或石英玻璃。3.根据权利要求1所述的玻璃板，所述光纤表面包覆一层金属或金属氧化物材料。4.根据权利要求1所述的玻璃板，所述玻璃板通过嵌入的光纤与外部器件集成，以实现玻璃板与外部器件的光互连。5.根据权利要求1所述的玻璃板，所述玻璃板还具有至少一个金属通孔，以实现器件之间的电互连或散热。6.一种制造嵌入光纤的玻璃板的方法，该方法包括以下步骤加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；把光纤插入到软化...

【专利技术属性】
技术研发人员：于大全，孙瑜，戴风伟，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11