用于一部分与另一部分紧凑连接的组合式电和光边缘接触元件、 其应用以及制造这种互连结构的方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于电和光连接的边缘连接器结构，尤其是一种用于传输电和光信号的边缘接触元件，并且还涉及制造这种接触元件的方法。
背景技术
为了连接趋于变得越来越小型化的复杂的电子和光学系统，需要密集组装的连接装置，连接装置还要维持信号的质量，即，连接装置具有良好的屏蔽并且不存在任何反射。这种连接装置目前主要是采用常规的精密机械方法制造的。
不过，美国专利5180311公开了一种电互连器，它包括位于一个弹性部件上的电导体路径，用于多层印刷电路板的互连。
美国专利4891014描述了一种采用在金属接触区上形成的接触凸起获得电边缘接触元件的方法。
美国专利5092782描述了一种整体的弹性卡片边缘电连接器，用于使通过接触元件的较短地信号路径具有低的干扰。卡片边缘连接器还被设计成能够在多层电路卡片的不同层之间实现高密度的互连，而不需将信号路径引到卡表面。
当电连接两个各自具有密集组装的电导体路径结构的系统时，缺乏足够小并且具有高密度触点的结构已经成为了一个问题。另外，单个电接触元件的尺寸是重要的。因此，通常，接触元件的部分电导线不能阻抗匹配。不过，如果导线的阻抗不匹配的这部分的长度小于与通过接触元件所传输信号之最高频率相应的波长的约1/20，由阻抗不匹配部分产生的差错通常不能检测到或者将不会影响信号以致于信息内容不能提取。因此，对于将承载具有10GHz频率的信号并且工作在普通的介电常数下的传输线进行互连的电接触元件，接触元件的阻抗不匹配的部分绝不能超过约0.5mm的距离。
对于光接触元件，在光信号从一个波导延续至另一波导时，在一个波导的端表面上和另一波导的面对的端表面上，可能产生不希望的反射和衰减。为了将这些效应减小至最低程度，波导应当使其相面对的各端表面精确对准并且尽可能地靠近。另外，在各端表面之间设置折射率接近于波导的均质的透光材料将能够减小衰减。
概述
本发明的一个目的是要提供一种互连结构，它能够适应目前的多片模块或MCM和类似器件的小的尺寸，并且可以提供电接触元件，这些电接触元件在接触区域中且因此通过互连结构时，可以维持多片模块的电导体路径的尺寸和间距。
本发明的另一目的是要提供一种互连结构，它可以按照阻抗匹配的方式互连用于电信号的传输线。
本发明的再一目的是要提供一种互连结构，它包括一个接触元件，用于同时互连电导体路径和光波导。
这些和其它目的是通过一种结构实现的，所述结构包括组合的电和光接触元件，它也可以是纯电性的或纯光学的接触元件。该结构解决了与已有技术相关的问题。
因此，一种组合的连接器结构包括两个不同光波导的两个相面对的端部。在两个端部的表面上设置有合适的透光材料的弹性层，所述材料例如为硅氧烷。波导的两个端部被彼此紧压。在该紧压动作状态中还建立了电性互连。所获得的电连接是利用相同弹性材料层的滑动接触。
总体上讲，一种组合的电和光边缘接触元件被设置用于一个部分与另一部分的紧凑连接。这些部分例如为衬底并且包括电导体和光波导。该边缘接触元件包括一个弹性的透光材料层，此层敷设在一个部分的第一表面例如一个端表面上，为了互连它要被置于另一部分的一个对应的第一表面上。这个层是这样敷设的，即，它覆盖了一个光波导的一个端表面，该光波导终止于此表面。它还承载了一个暴露的导电区域，此区域连接至相关层所在的部分上的电导体。一个连接器单元被采用，它具有互连的导电区域并且被如此设置在接触元件上，即，此导电区域与接触元件的暴露的导电区域电接触。为了将连接器单元精确地定位于预期的位置中而与暴露的导电区域接触，可以设置定位装置。这种定位装置可以包括位于衬底上的凸起、凸头或隆起，它们与连接器单元的边缘或角部配合。另外，在此部分和连接器单元之一上的一个或多个凸头可以被用于与此部分和连接器单元中的另一个之上的一个或多个导引槽配合。还可以设置同时与位于此部分和连接器单元中的槽配合的导引销。
弹性层还优选覆盖第二表面，例如位于此部分的端表面上的一个顶表面边缘区域，它垂直于第一表面，于是，此层上的导电区域位于这个第二表面上方并且基本上与之平行。当此部分和连接器单元达到一个相互靠近的位置时，此层承载导电区域的部分提供了与连接器单元的弹性滑动电接触。另外，此层可以在这些表面之间形成的一个边缘上不间断地从第一表面延续至第二表面。可以在此部分上设置几对电导体和光波导，以连接至另一部分上的导体和光波导，并且对于每对这样的导体和光波导有益地设置了一个分立的或单独的弹性层。
为了制造接触元件，一种弹性材料敷设在两个不同部分的边缘上的待实现互连的区域，于是弹性材料覆盖了两个部分的光波导的互连端部。弹性材料可以通过模塑方法敷设，即，衬底被包在一个合适的模子中，随后合适的聚合物材料被注入此模子中并固化。然后，电导体可以通过淀积设置在弹性材料层的顶部，以便与衬底表面上暴露的其它导电区域接触。
附图简述
下面将参照附图通过非限制性实施例对本发明进行详细描述，附图中：
图1是一个三维多片模块与一个相似的相邻三维多片模块的互连区域的截面示意图，它显示出衬底边缘互连元件，这是从垂直于组件为实现连接而移动的方向看到的；
图2是与图1相似的截面示意图，但以较大的比例尺度显示出图1的互连区域的一小部分；
图3是沿图2的线III-III截取的互连区域的一部分的截面示意图，此截面平行于互连的三维多片模块的连接侧面；
图4是与图3相似的截面示意图，但以较大的比例尺度特别显示出互连连接器的对准装置；和
图5是两个互连的三维多片模块的俯视示意图。
详细描述
图1是侧剖视图，其中示出了两个三维的或多层的多片模块的互连，这两个模块并列放置。每个三维多片模块包括多个衬底1、1’，这些衬底呈薄板形，它们承载集成电路芯片(未示出)，这些集成电路芯片由衬底中和衬底上的电导体路径(未示出)连接.三维多片模块的衬底1、1’全部重叠设置，从而使横向的侧表面或边缘表面3处于基本上相同的平面中，此平面垂直于衬底的大表面。衬底1、1’在其顶表面和底表面上具有边缘部分，没有元件在此处连接，而在此在衬底中传播的信号从一个衬底耦合至一个相邻的衬底，这个相邻的衬底位于相邻的三维多片模块中。尤其是，两个衬底-左侧的三维多片模块的左衬底1和右侧的三维多片模块的右衬底1’如此设置：它们的窄的横向侧表面或边缘表面3相互靠近并且相互面对，从而能够被电连接以及光连接。特别是，衬底1、1’的顶表面位于大致相同的平面中。每个衬底1、1’均在其顶部大表面上或此大表面中具有电导体路径或传输线5和具有芯7的光波导。至少在靠近端表面3的区域中，导体路径5和光波导芯可以大致垂直于衬底1、1’的端表面延伸。为了例如传输信号，端部相互对置的每个衬底1、1’的电导体路径5由此被电连接。按照相同的方式，在每对相邻的衬底1、1’中设有光波导，其端表面相对于三维多片模块1、1’之间的界面9相互对置。由此，波导芯7的端表面相互面对，并且这些波导被相互光连接，以便能够将光波沿这些波导从一个衬底经过界面9传输到另一衬底。通常，正如后面将要描述的，至少在靠近衬底边缘的区域中，电传输线5被设置在具有芯7的波导的正上方并与之平行，两个这样的信号线共用共同的耦合装置。
正如从象图1这样的横截面图中所看到的，在上边缘，即在衬底1、1’的边缘表面3的上部区域和待形成连接的边缘的顶表面区域(后者即电导体5所处的表面)设置弹性的和电绝缘的涂层11，涂层11是由聚合物材料优选硅氧烷形成的。这样一个涂层11由此在边缘表面3上形成低的凸起或隆起形的弹性薄层13并且在衬底1、1’的顶表面上形成弹性的凸起或隆起15，这些凸起13、15由硅氧烷材料连接，此硅氧烷材料还覆盖了衬底1、1’的90°陡峭边缘。
由波导芯7表示的相对的光传输线通过对应的相对边缘凸起13连接，该凸起彼此紧压，因此紧压在一起的这两个凸起13或弹性层从光学特性讲如同单一体。这里，硅氧烷凸起13具有两种用途。第一，硅氧烷的弹性将有助于去除两个衬底1、1’的边缘表面之间存在的空气，因此在光波的传播路径中不会形成空气间隙或空气泡。第二，如果多个光波导相互平行地设置，并且端止于待连接至相对应光波导的相同边缘表面，那么边缘表面可能不完全平整或者相互间不完全平行，这样从一个波导的端部至相对波导的端部之间的距离就是不等的。然后，当为了形成互连而将两个三维多片模块相互放置时，硅氧烷的弹性层或弹性的硅氧烷凸起13相互间将挤压至不同的程度，并且从光学特性讲它们仍然如同单一体。这意味着，从一端表面至相对端表面，它们将以小的衰减耦合传播的光波。这尤其真实地表现在以下情况中：所使用的弹性的硅氧烷材料的折射率被选择为接近光波导层的折射率，衬底端表面之间的距离较小，并且两个光波导精确对位。因此，一般情况下，光波导的端部不需要被抛光到表面光制的程度，这简化了衬底1、1’的制造。
电导体路径17在顶部凸起15的内侧表面上延伸达到凸起的顶部，并且在衬底顶表面通过通路19连接至常规的电导体5。为实现良好的电接触特性，这些导体路径17优选由金形成。在凸起15的顶部，电导体17电接触一个连接器衬底21上的导电区域20。这种连接器衬底21大体呈细长的长方体形状或者呈带条状，还可参见图5的平面图，图5示出了两个互连的三维多片模块。就其几何形状和其电特性而言，连接器衬底相对于两个三维多片模块之间的界面9或连接器衬底21的纵轴线而言是总体上对称的，这个纵轴线则位于界面9中。连接器衬底21的高度与每个三维多片模块中的衬底1、1’之间的间距相适应，以便其顶表面与不同三维多片模块的两个相邻衬底的底表面接触，而其底表面还与不同三维多片模块的两个相邻衬底1、1’的顶表面接触，尤其是与顶部凸起15接触。另外，连接器衬底21借助于凸起或隆起22维持相对于界面9的合适的对称位置，该凸起或隆起22安装在衬底1、1’的顶表面上并且与连接器衬底21的纵向下角配合。定位凸起或隆起22可以具有大致三角形的截面形状。
连接器带状衬底21在其下表面敷设有电导体23，电导体23埋置于介电性的和电绝缘的材料25中，这种材料例如为苯并环丁烯BCB，电导体23大致垂直于界面9和连接器衬底21的纵轴线延伸穿过界面9并且在其两侧延伸相同距离。这种电导体23连接至位于界面9每一侧的导电通路27。这些通路27连接至连接器衬底21底表面上的导电表面区域20。由此，两个这种相对的导电表面区域20相互电连接。另外，通过顶部凸起15上的电导体17和连接器衬底21底表面上的导电区域20之间的接触，在到达两个衬底1、1’的相关边缘区域的各电导体5之间建立了一个导电路径。这种电接触是通过涂层11的弹性和顶部凸起15的弹性以及使连接器衬底21具有适当的高度获得的，于是，当连接器衬底21被安装在两叠置的衬底1、1’之间合适的位置时，顶部凸起15至少是轻微压缩的。
图2中详细地示出了弹性层结构和电性的以及光学的连接，其中以较大的比例尺度显示出图1中的弹性材料的接触区域。衬底1、1’可以被假设由单晶硅制成，并且在其顶表面上具有形成光波导的结构，这种结构是借助于芯7和围绕芯7的下包层29以及上包层31形成的。这些不同的部分可以由合适的无机或有机材料制成，这些材料诸如二氧化硅或聚合物，为形成预期的波导，它们具有适当选择的折射率。在波导的顶部设有一个导电层33，它是第一接地层，并且当采用互连的衬底1、1’时，它要被连接至信号地线。第一接地层33是高频传输线的一部分，在传输线的芯部具有电导体5。因此，电介质层35、37位于第一接地层33的顶部并且围绕电导体5。为构成传输线，位于上电介质层37顶部的一个导电层39形成了第二接地层。通过选择电介质层35、37的厚度和介电常数，传输线可以实现阻抗匹配。最后，由一个电绝缘的聚合物涂层41形成衬底1、1’的上侧外表面，在此涂层41的顶部设置了弹性涂层11的顶部凸起15。绝缘的和/或电介质层35、37、41的材料可以是例如聚合物苯并环丁烯BCB。
此图中示出了通路19，它将传输线的信号导体5连接至电导体17，电导体17向上延伸至顶部凸起15的顶表面，此通路19是由一个孔43的壁和底部上的导电涂层形成的，孔43从衬底1、1’的顶表面向下延伸至信号导体5。上部的或第二接地层41并未延伸至孔43，而是在这个区域中具有足够大的孔，这样就不会有通路导电涂层19与这个接地层41电接触的危险。
连接器衬底21首先在其底表面上承接一个电绝缘的薄层45。随后，再由电导体23形成一根高频传输线，它用作信号线，将每个衬底1、1’之上的区域互连。由此，一个上导电层47被设置在绝缘层45的底表面上，它形成第一接地层，并且在此层47的底表面上设置一个电介质层25，在此电介质层中埋置信号导体23。最后，在电介质层23的底表面上设有另一导电层49，它形成第二接地层。通过按合适的方式选择电介质层25的厚度和介电常数，信号导体23可以实现阻抗匹配。第二接地层49被构图，从而在形成通路27和接触区域20的位置处形成一个岛51，此岛与此层的其余部分电隔离。导电岛51具有一个孔，在此处形成通路27。从这个孔延伸形成一个连续的孔，它向上延伸至电介质层25并且终止于信号导体23。此孔的壁由导电材料涂覆而形成通路27。在岛51的另一部分上设有导电接触凸起、接触凸头或平台53，它们的表面可以镀金。接触凸起51的下表面形成接触区域20，此区域20与电导体17进行机械的和电的接触，电导体17延伸至顶部凸起15的顶部。
通过图1和2所示连接结构不能实现阻抗匹配的电信号路径部分是通路19、顶部凸起15的侧面和顶部的电导体17、接触凸起53、岛51和通路27。对于一般为30-50μm的顶部弹性凸起15的高度，其上的电导体17可以具有100-150μm的长度。其它部分具有与衬底上的各电介质层和导电层的厚度对应的尺寸，它们通常在2-10μm的范围内。因此，整个阻抗不匹配部分的长度可以远小于将不正常地影响在线传输的信号质量的200μm长度。
为了将两个互连的多层多片模块的全部对置的衬底互连或者为了仅仅将这些衬底中的一个或部分衬底互连，可以安装上述的连接器带状衬底21。
图3和4是沿与衬底端表面3平行的一个平面截取的局部剖视图，它们分别示出了连接器衬底21的侧部和中心部分。
由此，在图3和4中，互连区域的总线结构是可以看到的，其中多个平行的电信号导体5延伸至此边缘区域，每个电信号导体5下面设置有一根光波导。导体5以相等的或均匀的间隔或节距设置在衬底边缘区域的中心部分上。另外，对于每对电信号线-光波导，设有一个单独的顶部凸起15。当然，替代顶部凸起15，还可以采用弹性材料的单个脊或棱结构作为邻接层的一部分或者单个的弹性涂覆区域，但这种实施方式可能会使各凸起呈现在一定程度上单独降低的弹性，从而导致不良的接触特性。平行的各导体之间的最小可允许间距将仅仅由所需要的导线的电传输特性决定。这种连接器结构将允许各平行的连接器以大致直线的方式连续地通过两个衬底之间的边界，即，整个路径均是沿着垂直于界面和衬底大表面的平面。
图4显示出用于将连接器衬底21沿衬底1的边缘设置于正确位置处的对准装置。此对准装置包括一个安装在两个V形槽之间的导引销55、一个位于衬底1的顶表面中的V形槽57以及一个位于衬底21的底表面中的V形槽59。这些V形槽是在垂直于互连区域的方向上延伸的，即，垂直于衬底1的端表面3或者平行于连接器带状衬底21的端表面，参见图1和5。导引销和V形槽的尺寸是精确的，以便当连接器带状衬底21被置于衬底1的边缘表面上时，导引销紧贴插入由这些槽形成的孔中。只要这些V形槽具有相同的形状和尺寸，此孔就将具有菱形的断面。正如瑞典专利申请9604678-4“用于弹性定位的凹槽中的凸起”(“Bumps in grooves for elasticpositioning”)中所公开的，对准装置还可以设计成一个或多个与V形槽配合的凸起(未示出)。
由此，一种组合的电和光连接器已经被描述，它允许非常密集封装的电导体和光波导大致直线地延续通过衬底之间的边界。由此，它允许在多片模块上的两传输线或两波导之间具有短的间隔或距离，从而降低模块的空间需求。它还能够维持信号质量。
这里描述的这种组合的光和电连接器结构尤其适合于小型的半导体结构，在小型的半导体结构中不同的子模块或子结构之间需要互连。这是通过布置可以很密集封装的上述连接器的接触元件实现的。例如，这里描述的连接器可以有益地用于对瑞典专利申请9604690-9“用于集成电路的封装结构”(“A packaging structure for integrated circuits”)中所描述类型的多片模块进行互连。