[0002] 本申请要求于2014年9月26日提交的题为“Microfabricated atomic clocks(MFAC)&magnetometers(MFAM):high volume manufactural(HVM)magnetic characterization(微加工
原子钟(MFAC)和磁
力计(MFAM)：大体积制造(HVM)磁特征)”的美国临时
专利申请序列号62/055,827的利益，其通过引用全部并入本文。
技术领域
[0003] 所公开的
实施例涉及层叠光
电子封装件，其实现光泵浦传感器或基准件，诸如MFAC和MFAM。
背景技术
[0004] 多种
光电子设备为封装设备，其包括光电探测器(PD)以及在
真空下操作的至少一个
光源。传统MFAC和MFAM封装件包括在封装材料内部垂直层叠的结构，其包括作为具有电迹线的
支撑件的底模以及安装于其上的至少一个光源(例如，
激光器模(die)诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL))、在光源上方提供腔体的在底模上的第一腔模以及在第一腔模上的光学器件模。
[0005] 底模上的电迹线连接驱动光源的外部
驱动器，并且包括被配置用作
电阻式加热器元件的迹线，诸如用以提供热量以将光源模加热到大约60℃到80℃的
温度。第二腔模位于光学器件模上，一个或多个其他光学设备(例如，偏光器)位于第二腔模上，并且光电探测器(PD)模位于其他光学设备上方的介电
基板上。该封装为真空密封的封装。
发明内容
[0006] 本发明内容被提供用于以简化形式介绍下面在包括所提供的
附图的具体实施方式中进一步描述的所公开的概念的简要选择。本发明内容不旨在限制要求保护的主题的范围。
[0007] 所公开的实施例包括光电子封装设备，其包括在封装件内的多个层叠部件，所述封装件包括提供
侧壁和底壁的封装基板。层叠部件包括在底模下面的封装件的底壁上作为热障特征件的
梳状结构，所述梳状结构由具有
热阻抗的材料形成，所述热阻抗高于底模的基板材料的热阻抗，所述梳状结构提供由间隙(例如，空气间隙)分隔的多个间隔开的齿。底模/底部管芯(bottom die)具有顶表面，所述顶表面在其上包括至少一个电迹线以及耦合到电迹线的用于发射光的光源模。第一腔模位于底模的顶表面上或者位于封装件的腿部上，所述腿部在底壁上方延伸。光学器件模位于第一腔模上，密封模位于第一腔模上，第二腔模位于密封模上，并且光电探测器(PD)模/管芯(die)被光学地耦合以接收源自光源模的光。
附图说明
[0008] 现在将参考附图，这些附图不必按比例绘制，其中：
[0009] 图1为根据示例实施例示出用于形成光电子封装设备的示例方法的步骤的
流程图，所述光电子封装设备具有至少一个TBF，用以减少从底模上的加热器元件迹线和第二安装基板上的加热器元件迹线传导出封装件的热量，以减少由设备消耗的功率。
[0010] 图2A为根据示例实施例的示例层叠光电子封装设备的横截面图，所述光电子封装设备具有TBF，用以通过第二腔模上的次腔区域减少从底模上的加热器元件迹线和第二安装基板上的加热器元件迹线传导出封装件的热量，该底模包括在底模下方的梳状结构以及底模的减小的模面积。
[0011] 图2B为根据示例实施例的另一个示例光电子封装设备的横截面图，所述光电子封装设备具有TBF，用以通过第二腔模上的次腔区域减少从底模上的加热器元件迹线以及从第二安装基板上的加热器元件迹线传导出封装件的热量，其中该底模包括在底模下方的梳状结构以及在梳状结构外部的牺牲结构，所述梳状结构包括第一材料且所述牺牲结构包括在形成层叠之后但在关闭
盖子之前移除的第二材料。
[0012] 图3为根据示例实施例的另一个示例光电子封装设备的横截面图，所述光电子封装设备包括TBF，用以通过具有次腔区域的第二腔模减少从包括梳状结构的底模上的加热器元件迹线以及从第二安装基板上的加热器元件迹线传导出封装件的热量。
具体实施方式
[0013] 参考附图描述示例实施例，其中相同的符图标记用于指示类似或等效的元件。由于一些动作或事件可以以不同的顺序发生以及/或者与其他动作或事件同时发生，因此所示出的动作或事件的顺序不应被理解为是限制性的。此外，实施根据本公开的方法可能不需要一些示出的动作或事件。
[0014] 所公开的实施例认识到在层叠光电子封装设备(例如，微加工原子钟(MFAC)和磁力计(MFAM))的操作期间从封装基板逸出到诸如其下方的PCB的热量，这导致用于维持光电子封装设备的操作的设计温度所需要的功率消耗增加。所公开的实施例包括光电子封装设备，其具有一个或多个TBF，该一个或多个TBF通过减少由加热器元件生成的从封装基板逸出的热量来减小由光电子封装设备消耗的功率。
[0015] 图1为根据示例实施例示出用于形成光电子封装设备的示例方法120的步骤的流程图，所述光电子封装设备具有至少一个TBF，其减少由设备消耗的功率。步骤121包括提供封装件，该封装件包括提供侧壁和底壁的封装基板。在一些实施例中，封装基板材料可以包括塑料材料或陶瓷材料。
[0016] 步骤122包括将具有带有梳状结构的底表面的底模/底部管芯(bottom die)
定位在封装件的底壁上，该梳状结构包括在其上由材料形成的多个间隔开的齿，该材料与底模的基板材料(例如，
硅)相比具有更高的热阻抗。在一个实施例中，梳状材料包括热绝缘材料。如本文所定义，热绝缘材料具有小于5W/m·K的25℃体热导率(bulk thermal conductivity)。在底模的底表面上形成梳状结构的一种示例方法是用
光刻胶
覆盖底模的底表面，然后光刻胶被
图案化以形成包括间隔开的齿的梳状结构，然后使用
烘烤步骤来硬化梳状物的齿。
[0017] 底模具有顶表面，该顶表面在其上包括至少一个电迹线(通常为多个电迹线)以及用于发射光的光源模/管芯(die)。标准拾取和放置可以用于该定位以及本文所描述的其他模定位。光源模可包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)模。电迹线通常包括用于耦合外部驱动器以驱动光源的电迹线以及被配置为实现电阻式加热器的迹线。
[0018] 步骤123包括将第一腔模定位在底模的顶表面上(参见下面描述的图2B)或者定位在封装件的腿部上(参见下面描述的图2A)，所述腿部在底壁上方延伸。第一腔模可以在其顶侧表面及其底侧表面上具有图案化凹槽，以提供另一个TBF(参见下面描述的图2A)。喷沙、干法
刻蚀或定时湿法刻蚀可以用于形成图案化凹槽。
[0019] 步骤124包括在第一腔模上定位光学器件模。密封模上的第二腔模可以被定位在光学器件模上方。第二腔模可以包括内主腔以及在内主腔外部的次腔区域，并可以提供又一个TBF(参见下面描述的图2A)。次腔区域可以通过湿法刻蚀或
干法刻蚀形成。
[0020] 步骤125包括将PD模定位在一个
位置处(诸如在源自光源的光的视线中)，以便被耦合以接收源自光源模的光。例如，PD模可以安装在封装件内部的内封装件的基底部分中，其中内封装件具有与面向封装件的底壁的基底部分相反的开放顶部(参见下面描述的图3)。该方法可以进一步包括在第二腔模的主腔区域外部形成次腔区域。
[0021] 步骤126包括在封装件内创建真空。步骤127包括密封封装件的侧壁的顶部上的盖子，以便在真空下密封该封装件。
[0022] 图2A为根据示例实施例的示例光电子封装设备(封装设备)200的横截面图，所述光电子封装设备200具有TBF，以便通过第二腔模328上的次腔区域328b减少从底模251上的加热器元件迹线(加热器迹线)356和358以及从第二安装基板351上的加热器迹线378和379传导出封装件的热量，其
中底模251包括在具有减小的模面积的底模251下方的梳状结构231。封装设备200包括在封装件内的多个层叠部件，所述封装件包括为封装件提供侧壁和底壁的封装基板171以及用于密封封装件的顶部的盖子174。
[0023] 与在封装件的底壁上的底模251的基板相比，梳状结构231具有高热阻抗。如上所述，梳状结构231的齿231a可以包括
聚合物，其可以是平板印刷可图案化/可
固化的材料。齿231a之间存在间隔(或间隙)231b。在一个实施例中，聚合物包括SU-8，其为高
粘度环
氧基负型光刻胶，该光刻胶可以在从低于1μm一直到高于300μm的厚度范围内
旋涂或扩展并仍通过标准光刻法来处理。
[0024] 除了加热器迹线356和358之外，底模251的顶表面包括被显示为驱动器迹线359和361的多个底部电迹线，以及分别通过键合线181和182耦合到驱动器迹线359和361的用于发射光的光源模180，其中键合线181和182提供电
偏压到光源模180的
电极的耦合。键合线165和166被示出用于将来自外部源的偏压分别提供给加热器迹线356和358。尽管未示出，通常也存在用于将驱动器迹线359和361耦合到封装设备的引脚以便偏置光源模180的键合线，以及用于偏置加热器迹线378和379的键合线。
[0025] 由于底模251的相对小的模面积(在本文中被定义为小于封装设备的面积的50％)，因此底模251被显示为提供与封装基板的减小的交叠，这提供另一种TBF。底模251的模尺寸可以被减小到基本最小的尺度以适合其各个部件，这些部件包括光源模180以及加热器迹线356和358以及驱动器迹线359和361，并占封装设备200的面积的大约10％到20％。
[0026] 具有顶侧表面和底侧表面的第一腔模252位于封装基板171的腿部171a上。第一腔模252被显示为在其顶侧表面及其底侧表面上具有蚀刻的图案化凹槽252a，这提供另一种TBF。光学器件模321a位于第一腔模252的顶侧表面上，并且光学透明
密封件或模片材(密封模，用于腔密封)321b位于光学器件模321a上。第二腔模328位于密封模321b上。第二腔模328被显示为包括内主腔328a以及在内主腔328a外部的次腔区域328b，这提供又一种TBF。当第二腔模328包括导热材料诸如硅时，蚀刻部分形成主腔328b，其形成减小与下方的模片材321b的交叠并因此减小
接触面积的桥结构，这减少了传导出封装设备200的热量。第二腔模328可以包括玻璃。针对第二腔模328的基板将常规的硅替换为更高的热阻抗材料将增强热阻抗。
[0027] 第二安装基板351位于具有顶表面的第二腔模328上，所述顶表面包括多个顶部电迹线，所述多个顶部电迹线被显示为如上所述每个实施电阻式加热元件的加热器迹线378和379。PD模110被光学地耦合以便接收源自光源模180的光，其在图2A中被显示为处于视线位置。
[0028] 在一个实施例中，封装设备200中的模/管芯(die)和基板全部由热绝缘材料诸如玻璃形成。例如，底模251、第一腔模252、光学器件模321a和第二腔模328可以全部包括玻璃，其可以具有大约0.8W/m·K的25℃体热导率，这可以与具有大约149W/m·K的25℃体热导率的硅相比较。
[0029] 图2B为根据示例实施例的另一个示例光电子封装设备(封装设备)250的横截面图，该光电子封装设备具有TBF，其包括用于减少从底模251下方的加热器元件迹线356和358传导出封装件的热量的梳状结构231，以及用于减少从第二安装基板351上的加热器迹线378和379传导出封装件的热量的在第二腔模328上的次腔区域328b。在底模251的底侧与封装基板的底壁之间存在两种不同的材料结构。更靠近底模251的中心的材料可以是第一材料，其相对于被显示为如上所述具有齿的梳状结构231的底模251的基板材料具有高热阻抗，并且中心外部的结构可以是第二材料，其可以包括被显示为232的牺牲材料，该牺牲材料不同于在光学层叠的装配工艺期间提供机械支撑的第一材料，该牺牲材料在闭合盖子174之前通过干法蚀刻或灰化工艺移除。第一材料的示例材料包括聚合物诸如SU-8或玻璃，并且第二材料的示例材料包括可使用干法蚀刻诸如XeF2(或其他硅蚀刻气体)干法蚀刻来移除的硅。
[0030] 关于形成牺牲层的示例方法，在诸如通过环氧
树脂将底模251固定到封装基板的底壁之后，层叠中的后续部件/模可以被放置在底模251的顶部上。在完全装配该层叠之后且闭合最终盖子174之前，可以通过干法蚀刻或灰化工艺移除牺牲层，该工艺选择性地移除牺牲层但不移除梳状结构231的齿。牺牲层的移除减少了整个层叠与下方的封装基板之间的交叠，这减少了传导出封装件的热量(例如，传导到封装设备250下方的PCB)。图3为根据示例实施例的另一个示例光电子封装设备(封装设备)300的横截面图，该光电子封装设备300包括TBF，用于减少从包括梳状结构231的底模251上的驱动器迹线359和
361(以及未示出的加热器迹线)以及从第二安装基板351上的加热器迹线378和379以及具有次腔区域328b的第二腔模328传导出封装基板171的热量。
[0031] 封装设备300包括在底模251上的第一腔模252。导电驱动器迹线359与键合焊盘155和159相关联，并且导电驱动器迹线361在其顶表面上具有关联的键合焊盘156和158。第二安装基板351包括由被显示为357的金属迹线耦合在一起的键合焊盘352和353，以及由所示出的金属363耦合在一起的键合焊盘354和355。封装设备300被显示为包括在外封装件(OP)170内部的内封装件350。内封装件350具有与面向封装件的底壁的其基底部分相反的开放顶部。
[0032] PD模110包括第一接触件，该第一接触件包括通过包括内部键合线115的布线连接到第一外部键合焊盘(FEBP)111的前接触件110a。PD模110还包括第二接触件，该第二接触件包括通过包括后侧金属层102的布线连接到第二外部键合焊盘(SEBP)112的后接触件110b。
[0033] 所示出的内封装件350包括多层第一介电基板，其包括第一介电层级101以及在第一介电层级101上方的第二介电层级106。如本领域所知，多层第一介电基板可以是整体的(单片式)基板，使得在不需要任何
粘合剂的情况下配置第一介电层级101和第二介电层级106以及任何介于中间的金属层。例如，陶瓷封装件具有内建层，其允许整合的金属连接件侧向地和垂直地到达封装件的外表面。
[0034] 第一介电层级101包括顶侧，该顶侧包括在其上具有后侧金属层102的第一模附连区，所述后侧金属层102延伸到内封装件350的第一外部边缘，并且FEBP 111和SEBP112在第一介电层级101的底侧的一部分上方延伸。第二介电层级106在第一介电层级101上方划定(framing)包括线键合区的模附连区，所述线键合区具有延伸到内封装件350的第二外部边缘的第二金属层119。
[0035] 前接触件110a可以包括连接到n+区域的键合焊盘金属，并且后接触件110b可以包括连接到p+区域的键合焊盘金属。后接触件110b可以是PD模110的整个底侧。内部键合线115将前接触件110a连接到第二金属层119。
[0036] PD模110可以包括任何合适的前侧照明PD，其包括光电
二极管、光电晶体管或电荷耦合设备(CCD)，其全都可以是现成的(off-the-shelf)PD模。在一个实施例中，PD模110包括具有第一
导电性(例如，n+)的第一有源层、具有与第一导电性相反的第二导电性(例如，p+)的第二有源层以及分离第一和第二有源层(以形成PIN二极管)的本征层。
[0037] 内封装件350位于第二安装基板351上。键合线161a将FEBP 111连接到键合焊盘353，并且键合线161b将键合焊盘352连接到上部线键合区177a。键合线162a将SEBP112连接到键合焊盘354，而键合线162b将键合焊盘355连接到上部线键合区177b。
[0038] 被显示为键合线161a和键合线161b的第一键合线一起将FEBP 111连接到与OP170的第一
端子191连接的线键合区177a，第二键合线162a和162b一起将SEBP 112连接到与OP 170的第二端子192连接的线键合区177b。第三键合线165将金属迹线359的末端处的键合焊盘155连接到外键合焊盘176a，其通过金属迹线359和第一键合线181将光源模180的第一电极187连接到OP 170的第三端子193，并且第四键合线166从键合焊盘
158连接到外键合焊盘176b，其通过来自金属迹线357的末端处的键合焊盘156的键合线
182将光源模180的第二电极182连接到OP 170的第四端子194。盖子174气密地密封OP
170。
[0039] 在一个特定实施例中，光源模180可以包括VCSEL。光学器件模321a上的光学透明密封件或模片材(密封模)321b被显示为在第一腔模252和第二腔模328之间。密封模321b可以包括密封由第二腔模328限定的上部腔体的下端的光学玻璃，所述第二腔模328由第二安装基板351在上端上密封。光学器件模321a可以包括滤光器或偏光器。第二安装基板351可以包括光学玻璃，诸如
硼硅酸盐玻璃，例如BOROFLOAT 33。
[0040] 经晶片/管芯级处理的所公开实施例提供低成本、高产量制造，并且凭借所公开的TBF减少从光电子封装设备中的加热器迹线传导出封装件的热量。所公开的实施例的应用通常包括具有光源诸如
激光二极管以及内置的监测器光电探测器的所有应用。一个具体示例是磁力计物理封装。其他示例包括原子钟和运动传感器设备。
[0041] 所公开的实施例可以被整合成多个装配流，以形成多种不同的光电子设备和相关产品。本公开所涉及的领域的技术人员将理解在所要求保护的发明的范围内，许多其他实施例和实施例的变型是可能的，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下对所描述的实施例作出替换和
修改。
