[0001] 本发明涉及封装领域，尤其涉及用于集成光电子器件的封装结构。

[0002] 随着光通讯，光传输的普及，传统的微光学器件正由集成光学，集成光电器件所代替。在通信网络产业中光互联的趋势是建立在距离和数据率之间平衡的基础上。随着数据率的增长，在长距离信息传输中，光纤已经取代了铜线，因为更高速的信号几乎不会衰减。就是这一趋势启发了“光纤到芯片”的概念，微芯片和外界之间的超高速电信号被光信号取代。微芯片仍然作为全电处理单元，并且光纤作为向微芯片发送或从其接收数据的高速数据的最终通道。

[0003] 然而，未经保护的光纤、光波导、光栅等光芯片在实际应用时易受到包括碰撞、振动、温度冲击和湿气侵蚀等带来的损伤，影响其稳定性、灵敏性等性能。因此，在实际应用中，采用各种封装方法将光芯片封装起来，既能保证光芯片的性能，也能保证光芯片的使用寿命。然而，现有的光纤、光波导、光栅等光芯片在封装时会引入应力。与普通芯片不同的是，很多光芯片对材料内应力极其敏感。例如，一般的光芯片由衬底、芯、包层等数层结构组成的，它们各自的掺杂材料不一样，热膨胀系数也不一样，在横面上即使有很小的应力不对称，也会导致光芯片芯材料的各向异性，从而通过光弹性效应产生应力双折射。也就是说，光芯片材料内部的应力将造成光芯片沿不同的方向有不同的有效折射率，即导致光器件的双折射。因此，对于这类光芯片而言，传统的封装结构对其性能具有不利影响。

[0004] 因此，需要一种低成本的应力可调节的封装结构和相关工艺来至少部分的解决上述问题。

[0031] 在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

[0032] 在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

[0033] 需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

[0034] 图1示出光芯片封装结构100的简化示意图。如图1所示，封装结构100包括芯片110、底座120、封装管壳130、输入输出光纤140以及橡胶套管150。芯片110是器件功能主体，可以是各类光器件或光电器件芯片，例如，光波导、光调制器、耦合器、光传感器、光发射器、光接收器等。底座和封装管壳，支撑保护芯片。在本发明的具体实施例中，芯片100的主体材料可以是硅、硅锗或类似材料。底座120和封装管壳130连接，并且可使用相同材料制成。芯片110固定安装在底座120上，底座120和封装管壳130用于支撑保护芯片110。然而由于底座
120和封装管壳130的材料和硅的热膨胀系数不同，在环境温度改变的情况下，底座120和芯片110之间会产生作用力。这种作用力可能会增加芯片内应力，影响芯片性能。因此，在本发明的一个实施例中，可通过粘合层160将芯片110固定到底座120。粘合层160可以是红胶或银胶，将芯片110固定到底座120的同时，也在芯片110和底座120之间起到软连接作用，减小热应力。输入输出光纤140可以是单根光纤，也可以是光纤阵列。橡胶套管150固定在封装管壳上，用于将输入输出光纤140接出封装管壳。

[0035] 在本发明的具体实施例中，底座120和封装管壳130的材料可以是铝或可伐合金。铝材料具有加工简单、价格较低的优点，但是铝材料热膨胀系数较大。可伐合金价格较贵但热膨胀系数更接近硅晶体。然而，目前使用的材料，无论是铝或可伐合金，热膨胀系数均大于硅的热膨胀系数。

[0036] 因此，在本发明的一个实施例中，为了进一步降低由于封装管壳和芯片之间的热膨胀系数不同造成的芯片内额外热应力，提供一种芯片和管壳底座的连接方式。

[0037] 图2示出根据本发明的一个实施例的芯片和管壳底座连接部分的横截面示意图。如图2所示，该封装结构包括芯片210、管壳底座220以及设置在芯片210和管壳底座220之间的应力调节结构230。管壳底座220、应力调节结构230和芯片210两两之间不直接接触，只通过粘合层240连接。

[0038] 在芯片210、应力调节结构230、管壳底座220及粘合层240组成的多层结构中，在实际工作过程中，由于工作温度变化，各层由于热膨胀系数不同产生的热应力对最终施加到芯片210材料上的应力起到补偿的作用。因此，可通过调整应力调节结构230、管壳底座220及粘合层240的厚度和形状等参数，调节最终施加到芯片210上的应力，最终实现对芯片210基本无应力或对芯片210施加所需的特定应力。

[0039] 在管壳底座220选用铝或可伐合金的情况下，由于这两种封装材料的热膨胀系数均大于硅的热膨胀系数，因此应力调节结构材料的热膨胀系数需要介于硅和底座材料之间甚至是小于硅的热膨胀系数，以便减小底座材料和芯片材料热膨胀之差。例如，在本发明的具体实施例中，应力调节结构230可选用的材料可以是SiO2。

[0040] 在实际的封装结构中，芯片210和应力调节结构230之间可能会残留部分气体，当工作温度变化时，气体热胀冷缩效应带来额外压强，这可通过在应力调节结构230中间开小孔来消除，该小孔可将残留气体与封装管壳内其它空间连通，从而实现芯片210各部分所受气压一致。在本发明的具体实施例中，本领域的技术人员可根据实际需要，按照一定规则在应力调节结构230中开一个或多个小孔。

[0041] 在本发明的一些实施例中，还可通过在管壳底座刻槽，来调整底座和应力调节结构的平均热膨胀系数。这样在管壳底座和芯片的外径尺寸和材料一定的情况下，平均热膨胀系数的可调范围进一步增加。平均热膨胀系数越接近硅热膨胀系数，对硅施加的热应力越小。

[0042] 图3示出根据本发明的另一个实施例的芯片和管壳底座连接部分的横截面示意图。如图3所示，该封装结构包括芯片310和管壳底座320。管壳底座320的顶面上具有槽，应力调节结构330设置在管壳底座320的槽内。管壳底座320、应力调节结构330和芯片310两两之间不直接接触，只通过粘合层340连接。粘合层340的弹性模量越小，各部分之间更接近软连接，热应力越小，粘合层340的热膨胀系数越大，粘合层340造成的热应力越大。

[0043] 在本发明的一个具体实施例中，应力调节结构330可以通过粘合层340与芯片310相连接，从而应力调节结构330对芯片310进行支撑和保护。而在本发明的其它实施例中，为了避免应力调节结构330对芯片310施加热应力，应力调节结构330与芯片310之间具有间隙，芯片310仅在边缘处由管壳底座320进行支撑。在这种情况下，可适当增加管壳底座320与芯片310重叠的面积，以便增强支撑和保护作用。

[0044] 通过调节刻槽的宽度和深度、应力调节结构330的热膨胀系数和弹性模量、粘合层热膨胀系数和弹性模量，能够调节由于封装管壳和芯片间热膨胀系数不同在温度变化下对芯片内造成的热应力。

[0045] 根据复合材料的热膨胀系数公式：

[0046] Alpha＝(alpha1*E1*v1+alpha2*E2*v2)/(E1*v1+E2*v2)   [1]

[0047] 公式[1]中，Alpha为底座和应力调节结构构成的组合结构的平均热膨胀系数。Alpha1，E1，v1分别为底座的热膨胀系数，弹性模量和体积百分比；Alpha2，E2，v2为应力调节结构的热膨胀系数，弹性模量和体积百分比。当平均热膨胀系数Alpha越接近硅热膨胀系数，硅内的热应力越小。

[0048] 根据公式[1]推导的平均热膨胀系数与应力调节结构的热膨胀系数，弹性模量和体积比例的关系见图4、图5和图6。

[0049] 图4示出平均热膨胀系数(纵轴，单位为K-1)与应力调节结构的热膨胀系数(横轴，单位为K-1)之间的关系。随着应力调节结构热膨胀系数增加，平均热膨胀系数线性增加。

[0050] 图5示出平均热膨胀系数(纵轴，单位为K-1)与应力调节结构的弹性模量(横轴，单位为GPa)之间的关系。应力调节结构弹性模量增加，平均热膨胀系数更趋近应力调节结构的热膨胀系数。

[0051] 图6示出等效热膨胀系数(纵轴，单位为K-1)与应力调节结构的厚度(横轴，单位为mm)之间的关系。应力调节结构厚度增加，平均热膨胀系数更趋近应力调节结构的热膨胀系数。

[0052] 在本发明的其它实施例中，还可通过在图3所示的应力调节结构下方进一步镂空管壳底座来调整平均热膨胀系数。图7示出根据本发明的又一个实施例的芯片和管壳底座连接部分的横截面示意图。如图7所示，该封装结构包括芯片710和管壳底座720。管壳底座720中具有槽，应力调节结构730设置在管壳底座720的槽内。管壳底座720、应力调节结构
730和芯片710两两之间不直接接触，只通过粘合层740连接。管壳底座720还包括镂空槽
750，镂空槽750可位于应力调节结构730下方。

[0053] 图8示出图7所示的封装结构的俯视图。从图8可以看出，镂空槽750的面积小于应力调节结构730的面积，从而应力调节结构730至少部分地由管壳底座720支撑。

[0054] 可将管壳底座720与应力调节结构730的组合结构作为复合管壳底座。管壳底座720与应力调节结构730的复合热膨胀系数为复合管壳底座的热膨胀系数。通过调整复合结构的整体热膨胀系数，使其接近芯片的热膨胀系数，来实现对芯片施加的热应力最小。

[0055] 在设计芯片与复合管壳底座的连接位置和连接面积时，主要考虑两个因素：1.芯片与复合管壳底座相连接的面积应尽可能小，以免复合管壳底座与芯片相连处的特定材料对芯片施加局部热应力；2.为增强管壳底座对芯片的支撑和保护，芯片与复合管壳底座连接的面积不宜过小。因此，可综合考虑上述两种因素，根据实际的性能要求确定芯片与复合管壳底座的连接位置和面积。

[0056] 在图7所示的实施例中，芯片710和应力调节结构730之间具有间隙，芯片710仅在边缘处由底座720支撑，然而本发明的范围不限于此，芯片710也可通过粘合层740与应力调节结构730相连。

[0057] 另外，芯片710和应力调节结构730之间的间隙中存在气体，当工作温度变化时，气体热胀冷缩效应带来额外压强，这可通过在应力调节结构730中间开小孔(未示出)来消除，该小孔可将间隙与封装管壳内其余空间连通，从而使间隙内外压力基本相同。在本发明的具体实施例中，本领域的技术人员可根据实际需要，按照一定规则在应力调节结构730中开一个或多个小孔。

[0058] 图9示出根据本发明的第一示例实施例的芯片和复合管壳底座连接部分的横截面示意图。为简化描述，省略与图7所示结构类似部分的描述。与图7所示的管壳底座不同之处在于，复合管壳底座920具有多个槽，每个槽内设置应力调节结构930。芯片910与应力调节结构930之间存在间隙。芯片910通过粘合层940固定在复合管壳底座920的顶面上。由于复合管壳底座920具有多个槽，因此芯片910不仅在边缘处与复合管壳底座920相连，还在芯片的内部区域与复合管壳底座920相连，即，在两个相邻槽的侧壁顶部与复合管壳底座920相连。这种结构的优势在于，增加对芯片的支撑和保护作用。另外，复合管壳底座920还可包括多个镂空槽950，每个镂空槽950可位于应力调节结构930下方。在应力调节结构930中可具有小孔，以释放芯片910与应力调节结构930之间的间隙中的气体压力。

[0059] 图10示出根据本发明的第二示例实施例的芯片和复合管壳底座连接部分的横截面示意图。为简化描述，省略与图9所示结构类似部分的描述。与图9所示的管壳底座不同之处在于，应力调节结构1030的厚度大于复合管壳底座1020内槽的深度，芯片1010通过粘合层1040固定在应力调节结构1030的顶面上。

[0060] 图11示出根据本发明的第三示例实施例的复合管壳底座连接部分的示意俯视图。为简化描述，省略与图7所示结构类似部分的描述。与图7所示的管壳底座不同之处在于，在芯片与复合管壳底座1120相对的连接面1120a上，具有多个分立的连接点1121，芯片只在连接点1121处通过粘合层与复合管壳底座1120相连。

[0061] 尽管上文描述了本发明的多个实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对各个实施例做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。