电子装置、用于制造电子装置的方法以及电子设备.pdf

公开了一种电子装置，包括：包括第一主表面的回路元件；设置在第一主表面中的第一电极；包括第二主表面并且构造成发送或接收光信号的光学元件；设置在第二主表面中的第二电极；设置在第二主表面中并且有光信号穿过的窗；设置在第一主表面和第二主表面上的布线层，该布线层电连接第一电极和第二电极；以及设置在第二主表面上并且光学连接至所述窗的光学波导，光信号穿过该光学波导。

1.  一种电子装置，包括：
回路元件，所述回路元件包括第一主表面；
第一电极，所述第一电极设置在所述第一主表面中；
光学元件，所述光学元件包括第二主表面并且构造成发送或接收光信号；
第二电极，所述第二电极设置在所述第二主表面中；
窗，所述窗设置在所述第二主表面中并且所述光信号穿过所述窗；
布线层，所述布线层设置在所述第一主表面和所述第二主表面上，所述布线层电连接所述第一电极和所述第二电极；以及
光学波导，所述光学波导设置在所述第二主表面上并且光学连接至所述窗，所述光信号穿过所述光学波导。

2.  根据权利要求1所述的电子装置，还包括：
密封体，所述密封体设置在所述回路元件和所述光学元件周围。

3.  根据权利要求1和2中任一项所述的电子装置，其中，
所述光学波导设置成与所述窗接触。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的电子装置，还包括：
绝缘层，所述绝缘层设置在所述第一主表面和所述第二主表面上并且具有分别在所述第一电极和所述第二电极的上方的开口，
其中，所述布线层设置在所述开口中和所述绝缘层的上表面上。

5.  根据权利要求1至4中任一项所述的电子装置，其中，
所述光学波导沿着所述第二主表面的面内方向延伸，以及
所述光学波导的位于所述窗上方的部分设置有镜面，所述镜面构造成将所述光信号的光路从所述第二主表面的法线方向转向所述第二主表面的所述面内方向。

6.  一种电子设备，包括：
电子装置；
其中，所述电子装置包括：
回路元件，所述回路元件包括第一主表面；
第一电极，所述第一电极设置在所述第一主表面中；
光学元件，所述光学元件包括第二主表面并且构造成发送或接收光信号；
第二电极，所述第二电极设置在所述第二主表面中；
窗，所述窗设置在所述第二主表面中并且所述光信号穿过所述窗；
布线层，所述布线层设置在所述第一主表面和所述第二主表面上，所述布线层电连接所述第一电极和所述第二电极；以及
光学波导，所述光学波导设置在所述第二主表面上并且光学连接至所述窗，所述光信号穿过所述光学波导。

7.  根据权利要求6所述的电子设备，还包括：
光学连接至所述光学波导的光纤。

8.  根据权利要求6和7中任一项所述的电子设备，还包括：
布线基板，所述电子装置安装在所述布线基板上。

9.  一种制造电子装置的方法，所述方法包括：
在回路元件的第一主表面和光学元件的第二主表面上形成布线层以利用所述布线层电连接在所述第一主表面中设置的第一电极和在所述第二主表面中设置的第二电极；以及
在所述第二主表面上形成被光信号穿过的光学波导，以光学连接所述光学波导和在所述第二主表面中设置的被光信号穿过的窗。

10.  根据权利要求9中所述的制造电子装置的方法，还包括：
将所述第一主表面和所述第二主表面结合至支承件；
在所述结合之后，利用密封体将所述回路元件和所述光学元件密封；以及
在所述密封之后，将所述支承件从所述第一主表面和所述第二主表面剥离。

电子装置、用于制造电子装置的方法以及电子设备
技术领域
本文所讨论的本实施方式涉及电子装置、用于制造电子装置的方法以及电子设备。
背景技术
在电子设备如服务器的领域，焦点集中在光传输技术上，其中，使用光纤将多个服务器机柜（server rack）彼此连接以提高电子设备中的信号传输速度。
在光传输技术中，使用构造成发送以及接收光信号的光学元件和构造成驱动光学元件的回路元件例如驱动IC，并且光学元件光学连接至光纤。
使用金属线材将光学元件和回路元件彼此连接。金属线材优选为尽可能短以减少布线延迟从而使得能够实现更快的信号传输。
此外，光学传输技术针对减少光信号损耗也有改进的空间。
本发明的目的是减少电子装置、用于制造电子装置的方法以及电子设备中的布线延迟和光信号损耗。
发明内容
根据本文所讨论的一个方面，提供了一种电子装置，包括：包括第一主表面的电子元件；设置在第一主表面中的第一电极；包括第二主表面并且构造成发送或接收光信号的光学元件；设置在第二主表面中的第二电极；设置在第二主表面中并且有光信号穿过的窗；设置在第一主表面和第二主表面上的布线层，该布线层电连接第一电极和第二电极；以 及设置在第二主表面上并且光学连接至窗的光学波导，光信号穿过该光学波导。
根据下面的公开内容，使用能够形成高度上比端子例如焊料凸块低的布线层，将半导体元件和光学元件彼此连接。因此，能够抑制由于布线的高度导致的布线延迟。
此外，光学波导设置在光学元件的第二主表面上。因此，为了共同安装光学元件和光学波导，无需使用难以实现高精度对准的技术如倒装芯片安装。这使得光学波导与窗之间能够精确对准，其使得能够抑制光学波导与窗之间的光信号损耗。
附图说明
图1是电子设备中的光学元件和回路元件的截面图；
图2是示出了回路元件和光学元件被倒装芯片安装在布线基板上的情况的截面图；
图3是根据本实施方式的电子装置的放大截面图；
图4是示出了根据本实施方式的光学元件的第二主表面的示例的平面图；
图5是示出了如何使用根据本实施方式的电子装置的截面图；
图6是示出了包括根据本实施方式的电子装置的电子设备的示例的示意图。
图7是示出了包括根据本实施方式的电子装置的电子设备的另一示例的示意图；以及
图8A至图8N是示出了根据本实施方式在制造电子装置的过程中的电子装置的截面图。
具体实施方式
在描述本实施方式之前，给出对发明者所执行的研究的结果的描 述。
可以有效地使用光传输技术以加快电子设备中的信号传输。在光传输技术中，组合使用光学元件和回路元件，光学元件例如为垂直腔表面发射激光器（VCSEL）或光电二极管（PD），回路元件例如为跨阻抗放大器（TIA）或用于驱动光学元件的驱动器。
图1是电子设备中的光学元件和回路元件的截面图。
在图1所示的示例中，回路元件2和光学元件4固定在布线基板1上，并且回路元件2的电极3和光学元件4的电极6使用接合线7如金线彼此电连接。
光学元件4是例如垂直腔表面发射激光器。光学元件4在其上表面设置有光学透明的窗5并且沿着布线基板1的法线方向穿过窗5发射光信号L。该光信号L经由设置在窗5上方的光纤11输出至外侧。
在这样的结构中，必须正确地执行光纤11与光学元件4之间的对准以减少它们之间的光信号损耗。
此外，在该示例中，根据接合线7的长度，会发生布线延迟，这使得难以在回路元件2与光学元件4之间以较高的速度发送信号。
图2是示出了回路元件2和光学元件4被倒装芯片安装在布线基板1上以减少这样的布线延迟的情况的截面图；
在该示例中，作为连接端子8的焊料凸块连结到每个电极3、电极6上。然后，经由这些连接端子8，布线基板1的布线层10和回路元件2彼此连接。此外，经由连接端子8，连接布线层10和光学元件4。
连接端子8的高度H大约为100μm，低于图1中接合线7的高度（大约1mm至2mm）。因此，由于连接端子8的高度H导致的布线延迟少于图1所示的示例中引起的布线延迟。
在该结构中，光学元件4的窗5通常设置在设置电极6的相同侧。在这种情况下，穿过窗5朝着布线基板1发射光信号L。出于该原因，在该示例中，在布线基板1中设置光学波导9以将光信号L输出至外侧，以及将布线基板1与光学元件4对准使得窗5位于光学波导9的上方。
为了防止损耗光信号L，窗5与光学波导9之间的未对准量必须在沿基板的横向方向的10μm内。然而，难以以这样的高精度对准窗5和光学波导9。特别地，在倒装芯片安装中，当在回流焊期间熔化连接端子8时光学元件4由其自身的重量而轻微地移动。这使得更加难以将光学元件4与布线基板1对准。
下面给出对能够减少布线延迟和光信号损耗的本实施方式的描述。
（实施方式）
图3是根据本实施方式的电子装置的放大截面图。
在光学传输技术中，电子装置20构造成发送以及接收光信号，并且具有回路元件21和光学元件22。
回路元件21具有第一主表面21a，在第一主表面21a处设置有由铜制成的第一电极23。
并不特别地限制回路元件21。构造成驱动光学元件22、跨阻放大器、CPU（中央处理单元）、GPU（图形处理单元）、电阻元件、电容器和电感器的任何一种驱动器均可用作回路元件21。
光学元件22也具有第二主表面22a，在第二主表面22a处设置有由铜制成的第二电极24和由光学透明的氧化硅等制成的窗25。
光学元件22是构造成穿过窗25发送或接收光信号L的发光元件或光接收元件，并且由半导体材料如硅或砷化镓制成。其中，对于发光元件，可利用垂直腔表面发射激光器和LED（发光器件），而对于光接收元件，可利用光电二极管（PD）。此外，光学传感器可以用作光学元件22。
在任何这些光学元件中，穿过窗25的光信号L的方向指向第二主表面22a的法线方向n。在下文中，给出对垂直腔表面发射激光器元件用作光学元件22的情况的描述。
图4是示出了光学元件22的第二主表面22a的示例的平面图。
如图4所示，在第二主表面22a中设置有两个第二电极24。一个第二电极24用作正电极，而另一个第二电极24用作负电极。
再次参照图3。
在第二主表面22a上，设置有光学连接至窗25的光学波导38。光学波导38通过按照顺序叠置下覆层35、芯层36和上覆层37而形成，并且沿着第二主表面22a的面内方向D延伸。
芯层36是沿着其传播光信号L的光路C的一部分，并且在芯层36端部处具有镜面36a。镜面36a位于窗25的上方并且构造成反射光信号L。镜面36a通过将光路C从第二主表面22a的法线方向n转向第二主表面22a的面内方向D使得光信号L能够在光学元件22与光学波导38之间进行相互交换。
注意，为了提高镜面36a的对于光信号L的反射率，如虚线圆所示，可以在镜面36a上形成反射膜39例如金膜。
在第一主表面21a和第二主表面22a上设置有作为第一绝缘层40的厚度大约为8μm的树脂层。此外，在第一绝缘层40上形成了由铜制成的布线层45。
通过再布线技术形成布线层45，并且在完成回路元件21和光学元件22之后按照不同于结合这些元件21和22形成布线（未示出）的步骤形成布线层45。
第一绝缘层40具有在每个电极23、电极24上方的直径大约为30μm的开口40a，并且在这些开口40a中还形成布线层45。因此，在开口40a中布线层45连接至第一电极23和第二电极24，从而这些电极23、电极24彼此电连接。
在第一绝缘层40和布线层45上，形成有作为第二绝缘层47的树脂层用以保护布线层45免受外部大气影响。
此外，在回路元件21和光学元件22周围设置有密封体31。密封体31被形成用于保护回路元件21和光学元件22免受外部大气的影响，并且由成型树脂形成。
根据电子装置20，通过由上述再布线技术形成的布线层45将回路元件21和光学元件22彼此电连接。
在再布线技术中，第一绝缘层40和布线层45通过有利于形成薄膜的涂覆法或电镀形成。因此，从每个电极23、电极24的表面起测量到的布线层45的高度h可以低至大约5μm。这个值比图2中的连接端子8（若干100μm）的高度H要低得多，因此有利于充分地降低由于布线层45的高度h导致的布线延迟。
此外，在该电子装置20中，在光学元件22的第二主表面22a上设置有光学波导38。因此，无需使用用于共同安装光学元件22和光学波导38的技术例如倒装芯片安装，使用该技术难以实现高精度对准。这使得能够实现光学波导38与窗25之间的精确对准，使得能够抑制光学波导38与窗25之间的光信号L的损耗。
此外，光学波导38与窗25接触，并且在光学波导38与窗25之间没有其他介质例如空气介入。因此，在光学波导38与窗25之间可以有效地发送或接收光信号L，其使得能够进一步抑制光信号L的损耗。
接下来，给出对如何使用电子装置20的描述。
图5是示出了如何使用根据本实施方式的电子装置的截面图。注意，图5中的与图3和图4中描述的元件相同的元件在这些图中使用相同的附图标记表示，并且在下文中省略对它们的描述。
如图5所示，在实际使用中，电子装置20通过粘合剂（未示出）安装在布线基板55上，并且光纤50光学连接至光学波导38。注意，为了将光学波导38和光纤50光学连接在一起，使用光学粘合剂来结合光学波导38与光纤50的端面。
光纤50具有覆层材料51和芯部52，并且电子装置20经由芯部52将光信号L发送至外部电子设备或者从外部电子设备接收光信号L。
图6是示出了包括电子装置20的电子设备的示例的示意图。
注意，图6中的与图3至图5中描述的那些元件相同的元件由图3至图5所使用的相同附图标记表示，并且在下文中省略对它们的描述。
该电子设备60是使用图5中的光纤50光学连接两个电子装置20的AOC（有源光缆）。
用于AOC的电子装置20也被称为光收发器。当在AOC中使用电子装置20时，通过使用作为电子装置20中的一个的光学元件22的发光元件和作为其他电子装置20（见图5）的光学元件22的光接收元件，在光学元件22之间发送以及接收光信号。
图7是示出了包括电子装置20的电子设备的另一示例的示意图。
注意，图7中的与图3至图6中描述的那些元件相同的元件由图3至图6所使用的相同附图标记表示，并且在下文中省略对它们的描述。
该电子设备70是服务器并且具有切换刀片机（switch blade）74和多个布线基板55。每个布线基板55用作服务器刀片机（server blade），并且电子装置20安装在布线基板55上。
连接至电子装置20的光纤50经由第一光学连接器71被拉至背板78，然后经由第二光学连接器79连接至开关叶片74的发送和接收回路73。
发送和接收回路73具有执行切换多个光纤50中的光信号的功能。因此，布线基板55的电子装置20彼此光学连接。
根据电子设备70，布线基板55经由光纤50连接在一起。因此，可以在布线基板55中以较高的速度发送以及接收，并且因此实现服务器的高功能和高性能。
此外，由于在上面所描述的电子装置20中减少了布线延迟和光信号损耗，所以可以在足够强的光信号的情况下使布线基板55彼此光学连接，同时实现高速信号传输。
接下来，描述根据本实施方式制造电子装置的方法。
图8A至图8N是示出了根据本实施方式制造电子装置的过程中的电子装置的截面图。
首先，如图8A所示，准备上面所描述的回路元件21和光学元件22。然后，还准备其表面设置有粘合剂层29的支承件28。
并不特别地限制用于支承件28的材料。硅基板，玻璃基板，铝基基板，不锈钢基板，铜基板，聚酰亚胺膜，和印刷布线板中的任何一者 都可以用作支承件28。
支承件28的平面形状可以是四边形或晶片状圆形。当支承件28为四边形时，则可以使用用于印刷布线板的制造工具来制造电子装置。当支承件28为圆形时，则可以使用半导体制造装置来制造电子装置。
此外，并不特别地限制粘合剂层29的层结构。在此，粘合剂层29通过按照该顺序叠置厚度大约为50μm的第一粘合剂层29a和厚度大约为50μm的第二粘合剂层29b来形成。第一粘合剂层29a主要由硅酮树脂制成，而第二粘合剂层29b通过将硅酮基粘合剂施加至聚酰亚胺膜来形成。
在第一粘合剂层29a的表面中，使用纳米印刷技术预先形成火山口状的突起，每个火山口状的突起具有大约2μm的直径和大约0.3μm的高度，使得第二粘合剂层29b可以附接至第一粘合剂层29a的表面。
作为用于粘合剂层29的材料，除上面所提到的硅酮树脂外，还可利用环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯树脂、和氟树脂。此外，代替这样的两层结构，可以由单个粘合剂层形成粘合剂层29。
然后，通过使用未示出的倒装芯片结合器将回路元件21和光学元件22朝着粘合剂层29降低。
因此，如图8B所示，形成了这样的结构，其中，回路元件21的第一主表面21a和光学元件22的第二主表面22结合至支承件28上。
注意，回路元件21的高度为大约400μm，以及光学元件22的高度为大约200μm。在此，从粘合剂层29的表面起测量高度。
接下来，如图8C所示，在将回路元件21和光学元件22放入未示出的模具之后，用于成型的树脂被提供到模具的内部，然后进行热固化。因此，在回路元件21和光学元件22周围形成了密封体31使得通过密封体31来密封回路元件21和光学元件22。
在本实施方式中，使用支承件28不仅有利于处理回路元件21和光学元件22，而且防止了电极23、电极24和窗25被密封体31密封。
注意，可以将无机填料添加至树脂中用于形成密封体31以防止树脂在热固化期间收缩。作为用于这样的无机填料的材料，可利用例如氧化铝、二氧化硅、氢氧化铝和氮化铝。
接下来，如图8D所示，支承件28从第一主表面21a和第二主表面22a剥离。因此，获得这样的结构，其中，第一主表面21a、第二主表面22a和密封体31的上表面31a位于同一平面P。
此后，在加热温度为150℃并且加热时间为一小时的条件下，密封体31被完全地热固化。
接下来，如图8E所示，第一主面21a、第二主表面22a和密封体31的上表面31a被作为下覆层35的折射率为1.5的光学透明并且UV（紫外线）可固化的环氧树脂旋转涂覆。
尽管没有特别地限制下覆层35的厚度，但是在该示例中形成厚度约为5μm至10μm的下覆层35。
然后，在烘烤下覆层35之后，通过光刻法对下覆层35进行曝光和显影以去除下覆层35中不必要的部分。
因此，所显影的下覆层35与光学元件22的窗25和上表面31a直接接触而形成，并且沿着第二主面22a的面内方向D延伸。
接下来，如图8F所示，下覆层35、第一主表面21a和第二主表面22a被作为芯层36的厚度约为5μm至10μm的光学透明并且正向UV可固化的环氧树脂旋转涂覆。
芯层36的折射率为1.55，其高于下覆层35的折射率（1.5）。
然后，在烘烤芯层36之后，芯层36暴露于穿过未示出的灰度掩模的曝光光L。
如虚线圆所示，灰度掩模用来以逐步的方式改变下覆层35的端部处的曝光光L的强度。未利用曝光光L对保持在下覆层35上的芯层36的部分进行照射，并且曝光光L被施加至芯层36的其他部分。
接下来，如图8G所示，因此所暴露的芯层36被显影，使得利用曝光光L进行了照射的芯层36的部分被去除，并且芯层36留在下覆层35上。
在此，在以逐步的方式改变了曝光光L的强度的芯层36的部分中，其侧面是倾斜的。因此，形成了相对于第二主面22a的法线方向n的45度角倾斜的镜面36a。
接下来，对用于获取图8H中所示的截面结构的步骤进行描述。
首先，作为反射膜39，通过溅射法在芯层36的整个表面上按照顺序形成厚度大约为30nm的钛膜和厚度大约为100nm的金膜。然后，通过蚀刻法去除除镜面36a以外的部分处形成的反射膜39。
然后，使用作为上覆层37的折射率为1.5的光学透明并且UV可固化的环氧树脂对芯层36、第一主表面21a和第二主表面22a进行旋转涂覆。然后，烘烤上覆层37。上覆层37的厚度为例如大约5μm至10μm。
此后，通过光刻法对上覆层37进行曝光并且显影，使得上覆层37仅留在芯层36和反射膜39上。
通过这些步骤，完成了通过按照该顺序叠置下覆层35、芯层36和上覆层37形成的光学波导38。
通过这种方式，通过光刻法形成了光学波导38。光刻法的型式精确度是由第二主表面22a与曝光掩模例如上述的灰度掩模之间对准的精度来确定。该对准的精度比在倒装芯片安装中的元件与布线基板之间的对准的精确度要好得多。出于该原因，在本实施例中，可以减小镜面36a和窗25之间的未对准，从而抑制光学波导38与窗35之间的光信号损耗。
注意，代替以这种方式通过光刻法形成光学波导38，可以预先准备片形光学波导38并且使用粘合剂将该片形光学波导38附接至第二主表面22a和上表面31a。
接下来，如图8I所示，使用厚度大约为8μm的感光环氧树脂清漆将光学波导38、第一主面21a、第二主表面22a和密封体31的上表面31a旋转涂覆为第一绝缘层40。然后，在烘烤第一绝缘层40后，对第一绝缘层40进行曝光并且显影，使得分别在第一电极23和第二电极24上方形成开口40a。
此后，对第一绝缘层40进行加热并且固化，并且进一步进行了氧等离子体处理，使得去除在开口40a中残留的第一绝缘层40。
接下来，如图8J所示，通过在光学波导38和第一绝缘层40上以及在开口40a中利用溅射法将钛层和铜层按照该顺序形成为籽晶层 42。
没有特别地限制籽晶层42的厚度。在该示例中，形成了厚度约为0.1μm的钛层，及形成了厚度大约为0.3μm的铜层。钛层用作改善籽晶层42与其基体之间粘附性的粘合层。作为作用类似于此的粘合层，除钛层以外可利用铬层。
接下来，如图8K所示，光致抗蚀剂涂覆在籽晶层42上，并且进行曝光和显影以形成具有开口44a的抗蚀剂层44。
然后，使用籽晶层42作为电源层通过电镀在开口44a中暴露的籽晶层42上将大约5μm至10μm的铜层生长为布线层45。代替铜层，可以形成由铜-镍合金等制成的铜合金层。
不特别地限制布线层45的线宽度。在本实施方式中，布线层45的线宽度大约为20μm，并且以彼此间隔20μm的距离形成多个布线层45。
尽管在该示例中借助于电镀通过形成铜层形成了布线层45，但是代替地可以通过如下方式形成布线层45：通过溅射形成铝层和通过光刻法使铝层形成图型。
按照不同于结合这些元件21、22形成布线（未示出）的步骤的步骤在回路元件21和光学元件22上形成布线层45的技术称为再布线技术。
此后，如图8L所示，去除了抗蚀剂层44。
接下来，如图8M所示，通过湿蚀刻法和干蚀刻法去除了未由布线层45覆盖的籽晶层42的部分。没有特别地限制湿蚀刻法可使用的腐蚀剂。硫酸和过氧化氢的混合溶液可以用作籽晶层42的铜层的蚀刻剂，以及氟化氢的溶液可以用作籽晶层42的钛层蚀刻剂。此外，没有特别地限制用于干蚀刻法的蚀刻气体，并且四氟化碳气体可被用作籽晶层42的钛层的蚀刻气体。
接下来，如图8N所示，光学波导38、布线层45和第一绝缘层40被作为第二绝缘层47的感光环氧清漆旋转涂覆。在这之后，烘烤第二绝缘层47。然后，对第二绝缘层47进行曝光和显影，使得第二绝缘层47从光学波导38的上方去除，并且仅留在布线层45和第一绝缘层 40上。
通过这些步骤，完成了根据本实施方式的电子装置20的基本结构。
根据电子装置20的制造方法，在完成电子装置20时就已经形成了光学波导38。因此，在使用电子装置20时没有必要对准光学波导38和光学元件22的窗25。这抑制了由光学波导38与窗25之间的未对准导致的光信号损失。
尽管在上面对本实施方式进行了详细地描述，但是本实施方式并不限于上面的内容。例如，尽管在上面的内容中仅形成了单个布线层45，但是，可以通过交替地叠置绝缘层和布线层45形成多层布线结构。