SE513183C2 - Förfarande för framställning av en optokomponent samt kapslad optokomponent - Google Patents

Description

25 30 35 40 i i 513 183 2 och/eller monteras på en bärare av exempelvis lcisel med därpå noggrant upptagna styr- spår. Optokomponenten och gränssnittet mellan denna och vågledaren eller till och med hela enheten övergjutes sedan, för att säkerställa optisk kontakt och hindra plastinträng- ning, med ett för den aktuella våglängden transparent, elastiskt material. Därefter sker själva sprutpressningen av plastkapseln.

Vid tillverkning av en kapslad optokomponent framställs först en platta av ett lämp- ligt oorganiskt material, företrädesvis monokristallin kiselplatta men även keramiska plattor och andra plattor av denna typ är tänkbara, vilka generellt är tämligen spröda och inte tål att utsättas för större mekaniska påfrestningar. I fortsättningen behandlas i första hand ett substrat i form av en kiselplatta. Sedan åstadkoms olika anordningar i och på plattans yta med hjälp av processtekniska metoder av det slag, som används vid tillverk- ning av elektroniska integrerade kretsar, såsom genom deponering, diffusion, oxidering, påläggande av masker av fotoresistmaterial, litograñsk mönstring, etsning, annan kemisk behandling och likvärdiga metoder. Uttrycket "processtekniska metoder" betecknar i fortsättningen metoder av det nämnda slaget. Med hjälp av dessa metoder erhålls skikt och anordningar, som är direkt utförda i plattan och bildar ett stycke med denna. Sålunda kan undre mantelområden och ovanpå dessa kärnområden åstadkommas för vågledare och eventuellt också till sist övre mantelornråden. En optoelektronisk komponent kan monte- ras på samma yta av substratplattan för optisk koppling med vågledarna och denna kom- ponent kopplas också elektriskt till motsvarande elektriska anslutningar, såsom ledande områden också åstadkomma i och på ytan av plattan. De övre av mantelornrådena kan framställas genom att minst en del av ytan av substratplattan innefattande minst en del av den fria ytan hos de undre mantelområdena och minst en del av den fria ytan hos käm- områdena övertäcks, tex övergjuts, med ett mjukt, elastiskt plastmaterial såsom ett elas- tomerrnaterial.

Vid åstadkommandet av vågledarna kan sålunda först en undre del av en mantel eller mantlama framställs, genom att ett skikt eller flera olika skikt in- eller påförs över ett lämpligt område på en yta av plattan, vilket kan innefatta ett eller flera långsträckta och remsformiga områden, och därefter kärnområdena framställs, genom att ytterligare ett skikt med långsträckt form in- eller påförs över eller i ytan av skiktet resp skikten, som bildar den undre delen av manteln eller mantlarna. Framställningen av skikten görs med processtekniska metoder vanliga inom området för framställning av elektroniska integrerade kretsar. Efter detta bekläds eller övertäcks åtminstone kopplingsområdet mellan en optoelektrisk komponent och helst alla vågledama med ett plastmaterial.

Plastrnaterialet är med fördel ett transparent material med brytningsindex anpassat att öka den optiska kopplingen mellan den optoelektriska komponenten och vågledarna. Över åtrninstone substratplattans hela yta med den nämnda anordningarna inklusive de fria ytorna hos manteln resp mantlama och särskilt de fria ytorna hos det elastiska plastrnaterialet påföras, såsom sprutpressas eller formsprutas, ett ytterligare mekaniskt hållfast, hårt, ogenornskinligt plastskikt för skydda anordningen mekaniskt och optiskt. 20 25 30 35 40 ås1z_1es 3 ~ljntiil|f| I plattan kan noggrant inriktade styrspår framställas genom etsning, t ex anisotrop . etsning när plattan är av monokristallin typ, för att positionera inriktningsanordningar och/eller optiska fibrer, som tjänar som vågledare. Klackar eller liknande upphöjningar kan framställas med metoder enligt ovan, tex deponering, för positionering av anord- ningar såsom på plattans yta anordnade diskreta anordningar, tex den optoelektriska komponenten.

Inriktningsanordningarna krävs, när optokomponenten innefattar ett optiskt kontakt- don för att optokomponenten skall kunna anslutas till en anordning med ett motsvarande optiskt kontaktdon. Inriktningsanordningarna kan vara cylindriska styrstift och sådana stift eller anordningar med åtminstone delvis samma form som dessa placeras då med fördel i motsvarande styrspår på substratplattans yta före sprutpressningen eller formsprutningen av det skyddande plastskiktet.

Substratplattan kan ha i huvudsak rektangulär forrn med i vart fall en rak frontyta.

För en optokomponent innefattande optisk kontaktmöjlighet till en på liknande sätt utfor- mad komponent finns då två parallella styrspår för styrstift, vilka löper på den övre ytan av plattan vinkelrätt mot frontytan, och när kiselplattan har rektangulär form, i närheten av och parallellt med två motstående kanter av denna, vilka då är vinkelräta mot front- ytan.

FIGURBESKRIVNING Uppflnningen skall nu beskrivas närmare i anslutning till ej begränsande utförings- exempel i samband med de bifogade ritningarna, i vilka: - Fig. I schematiskt i en perspektivvy visar en optoelektronisk kapsel med ett optiskt kontaktdon, - Fig. 2a visar en perspektivvy av ett avsnitt av ett substrat med en inre kapsling av en därpå anordnad komponent och på substratets yta direkt framställda vågledare, - Fig. 2b visar en perspektivvy av ett avsnitt av ett substrat med en inre kapsling av en därpå anordnad komponent och vågledare i form av diskreta optiska ñbrer, - Fig. 3 visar en perspektivvy av ett avsnitt av ett substrat liknande det i fig. 2a, där den inre kapslingen samtidigt bildar en manteldel för vågledarna, - Fig. 4 i perspektiv men sett snett bakifrån visar ett substrat för användning i en opto- elektronisk kapsel.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I ñg. 1 visas en kapslad optoelektronisk enhet eller optokapsel l, vars bärande del är ett substrat 3. Substratet 3 utgörs i det föredragna fallet av en monokristallin kiselplatta med däri och därpå på olika sätt åstadkomna anordningar, utformade i ett stycke med plattan, för ledning av ljus och för positionering av olika anordningar. Dessa olika anord- ningar är utförda med hjälp av metoder vanliga inom processtekniken för framställning av integrerad mikroelektronik och mikromekanik. Kiselsubstratet 3 har allmänt formen av en rektangulär platta med styrspår 5 utmed två motstående kanter och vinkelrätt mot en främre kant eller kantyta 6. Styrspåren 5 har ett tvärsnitt, som i det visade utförandet är 10 20 25 30 35 40 'lamm lä i 513~~1é83 4 symmetriskt vinkelforrnat och vars sidor bildar en vinkel av omkring 45 - 65° med kisel- substratets 3 övre yta. Styrspåren 5 tjänar som styrningar för två cylindriska styrstift 7, vilka kan vara uttag- och instickbara som i konventionella MT-don.

På kiselplattan 3 finns vidare vågledare 9, som ligger mitt emellan de med varandra parallella Styrspåren 5 och också är parallella med dessa. Vågledarna 9 sträcker sig ända fram till en kant 6 hos kiselplattan 3 för att vid denna kant kunna leda ljus till och från en annan optokapsel eller optokomponent (ej visad), som vid sin framsida är utformad på komplementärt eller motsvarande sätt och som är avsedd att placeras intill optokomponen- ten 1 och styras i korrekt läge av styrstiften 7.

Vågledarnas 9 andra ände ansluter till en optoelektronisk aktiv eller passiv kompo- nent 11, t ex också den en med hjälp av metoder använda inom processtekniken för fram- ställning av elektroniska integrerade kretsar, i ett stycke framställd platta, som är fastsatt på kiselbäraren 3. Från den optoelektroniska komponenten ll gär elektriska ledare 13 till drivelektronik i form av en enhet 15, som också är fastsatt på den övre ytan av kiselbä- raren 3. Drivelektronikenheten 15 är elektriskt ansluten till ledníngsbanor 16 med lämpli- ga kontaktytor l6', på vilka ledningstrådar 18 är lödda för anslutning till kontaktstift 16" hos yttre elektriska kablar 18".

Vid framställning av den kapslade optokomponenten 1 framställs först en kiselbärare enligt fig. 1 med styrspår 5 och vågledare 9. Styrspåren 5 kan åstadkommas med hjälp av en tillfälligt pålagd mask av typ fotoresist och någon etsningsmetod, t ex anisotrop ets- ning. Vågledarna 9 kan innefatta organiskt polymermaterial eller företrädesvis oorganiskt material. De kan åtminstone delvis framställas med hjälp av metoder vanliga inom pro- cesstekniken för behandling av kiselsubstrat för åstadkommande av integrerade elektronis- ka kretsar och mikromekanikelement, såsom oxidering, deponering, diffusion, mönstring, etsning, etc. Drivelektronikenheten 15 och den optoelektriska komponenten 11 sätts på plats och förbinds med varandra med hjälp av de elektriska ledningarna 13. Drivelektro- nikenheten 15 ansluts till ledningsbanoma 16.

För att åstadkomma en god koppling mellan Vågledarna 9 och den optoelektroniska komponenten ll övergjuts anslutningsområdet mellan dessa och företrädesvis också om- fattande hela den optoelektroniska komponenten 11 med ett skikt av ett lämpligt trans- parent konstrnaterial 17 såsom en plast, särskilt en elastomer, med lämpligt brytningsin- dex.

I styrspåren 5 på kiselbäraren 3 placeras styrstiften 7 eller möjligen andra anord- ningar, som har samma form som styrstiften i det område, där dessa ligger inuti opto- komponenten 1. Ledningstrådarna 18" ansluts till kontaktytorna 16". Till sist omgjuts hela det sålunda bildade aggregatet med ett lämpligt, företrädesvis mörkfärgat eller ogenom- skinligt, mekaniskt hållfast material 19 på samma sätt som vid kapsling av vanliga inte- grerade elektroniska kretsar, tex med en härdplast och genom sprutpressning av denna (såsom formsprutning av typ "Reaction Injection Moulding"), formsprutning vid lågt tryck, t ex av en lämplig termoplast, etc. Vid denna ingjutning täcks åtminstone hela det Ål 10 20 25 30 35 40 5.13 183 5 'lïllifl ll område av den övre ytan av kiselbäraren 3, där styrspåren, vågledarna, optokomponenten och företrädesvis också drivelektronikenheten 15 och dess elektriska anslutningar finns.

Med fördel ingjuts hela kiselsubstratet 3 med sina olika anordningar förutom den främre yta 6, där styrspåren 5 för styrstiften mynnar och där anslutning till en optisk enhet med komplementär utformning skall göras för koppling av optiska signaler.

Det transparenta plastrnaterialet 17 fungerar också som ett spänningsutjärnnande material och kan ta upp terrniskt alstrade mekaniska spänningar mellan plastkapseln 19 och den optoelektroniska komponenten 11, både vid ingjutningen i kapseln 19 och senare vid den egentliga användningen eller driften av den kapslade komponenten 1. Plastmateri- al 17 skall därför vara mjukt och elastiskt och kan med fördel vara ett lärnpligt valt elast- material.

I tig. 2a visas en perspektivvy av den främre delen av kiselsubstratet 3 i en utfö- ringsform, där vågledama bildas av vågledarkärnor 9' med rektangulärt tvärsnitt och en kärnorna omgivande mantel bildad av ett skikt 10 direkt anordnat på kiselsubstratets yta och ett vid sidorna av och ovanpå kärnorna 9' liggande övre skikt 10'. Vågledarkärnorna 9' och de undre och övre manteldelarna 10 och 10' kan vara framställda med hjälp av olika processtekniska metoder enligt ovan, såsom genom deponering e dyl av lämpliga material på, oxidering av ytan av kiselsubstratet 3, dopning, mönstring eller maskning, etsning, etc, för att ge skikt med lämpliga brytningsindex. Det transparenta plastmateria- let 17 är anbragt över den optoelektriska komponenten ll och över anslutningsornrådet mellan den optoelektriska komponenten 11 och vågledarna i form av kärnorna 9' och manteldelama 10 och 10'. En kapsling utförs till sist såsom ovan med en ingjutning i ett skyddande mekaniskt hållfast material.

Vågledardelarria 9', 10 och 10' kan också i speciella fall vara av ett lämpligt poly- mermaterial, tex en polyimid, och åstadkoms då genom att polymerskikt spinns pâ plat- tans 3 yta och genom att skikten sedan mönstras.

Vågledarna 9 kan vara av diskret natur och en sådan utformning âskådliggörs av perspektivvyn av den främre delen av kiselsubstratet 3 i fig. 2b. I denna utföringsform finns styrspår 20 åstadkomna i ytan av kiselbäraren 3 och dessa ligger mitt emellan och parallellt med styrspåren 5 för styrstiften och alltså vinkelrätt mot den främre kanten 6.

Styrspåren 20 sträcker sig fram till den främre ytan eller anslagsytan hos kiselbäraren 3.

Styrspåren 20 för vågledarna kan ha samma allmänna tvärsnitt som styrspåren 5 för styrstiften men med i allmänhet mycket mindre dimensioner och de kan också vara åstad- komna genom maskning och etsning. Vågledarna utgörs här av avsnitt 9" av optiska fibrer, tex kvartsfibrer, men plastfibrer kan också användas med gott resultat, beroende på den korta längden hos fiberstyckena 9". Själva den optiska komponenten 11 och dess anslutningsorriråde till de inre, inuti den färdiga kapslade komponenten belägna ändarna av de optiska fibrerna 9" är såsom ovan övergjutna med ett transparent material 17 och mekaniskt kapslade med ett hållfast polymert material 19.

Vågledama kan också helt övergjutas med det transparenta materialet, när vågledar- 10 15 20 25 lllvl lf' 51.3 18.3 6 na saknar en del av sin mantel, som då får bildas av detta övergjutna transparenta materi- al, se utföringsforrnen i fig. 3. Här visas liksom i fig. 2a och 2b den främre delen av kiselbäraren 3 sett i perspektivvy snett framifrån och detta utförande överensstämmer med utförandet i fig. 2a med undantag dels av att den övre manteldelen 10' saknas, dels att denna är ersatt av en del av det transparenta materialet 17". Detta materialskikt sträcker sig här inte bara över själva den optiska komponenten ll och dess anslutningsornråde till vågledarkärnorna 9' och deras manteldel 10 utan över hela den fria ytan av kärnorna 9" och den undre manteldelen 10. Ett lärnpligt brytningsindex väljs för materialet 17", så att detta kan fungera som mantel till kärnorna 9' för bildning av kompletta vågledare. Hela bäraren 3 med sina därpå liggande anordningar av olika slag är såsom ovan ingiuten i ett mekaniskt hållfast plastmaterial.

I fig. 4 visas en alternativ utformning i en perspektivvy sett snett bakifrån. Kiselsub- stratet 3 framställs här liksom ovan med fördel samtidigt med flera likadana substrat av en större kiselplatta sågad från ett monokristallirit ämne. Med hjälp av anisotrop etsning åstadkoms styrspåren 5 för styrstiften. Ett område 10 av kvarts, SiOz, med anpassat brytningsindex påförs med hjälp av konventionella metoder för åstadkommande av skikt i eller på ytan av kiselskivor, såsom med hjälp PECVD-förfarandet ("Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition"), och bildar den undre manteldelen för vågledarna liksom i fig. 2a. Remsformiga områden 9' med t ex rektangulärt tvärsnitt anbringas sedan ovanpå detta skikt av kvartsmaterial och ges ett något högre brytningsindex för att bilda vågledar- kärnor. Härvid kan också stoppklackar eller positioneringsklackar 25 åstadkommas för en noggrann placering av en optoelektronisk komponent 1l', vilken i detta utförande antas vara komplett med sin drivelektronik och direkt ansluten till elektriska ledningsbanor 16.

Dessa är åstadkomma på kiselplattans 3 yta på lämpligt sätt, tex genom påförande av skikt av metall såsom Au, Al med hjälp konventionella processer, och de är förbundna med ej i denna figur visade yttre elektriska ledare på samma sätt som ovan. Kiselbäraren 3 med sina olika anordningar är lokalt övergjuten med ett transparent material, t ex så- som i fig. 3, och det hela är ingjutet i ett mekaniskt hållfast polymerrnaterial.

Claims (4)

15 20 25 30 35 1513 183 7 PATENTKRAV

1. Förfarande för framställning av en optokomponent, innefattande - att en platta av ett oorganiskt material, särskilt en kiselplatta eller kerarnplatta, fram- ställs, - att åtminstone delar av vågledare åstadkoms i och/eller på ytan av plattan, - att en optoelektronisk komponent monteras på en yta av plattan för optisk koppling med vågledarna och för koppling till elektriska anslutningar, kännetecknat av - att därefter minst en del av ytan av plattan innefattande minst en del av den fria ytan hos vågledardelarna och den fria ytan hos den optoelektroniska komponenten övertäcks, särskilt övergjuts, med ett första plastmaterial, särskilt ett elastomerrnaterial, och - att över åtminstone plattans hela nämnda yta ett skikt av ett andra plastmaterial påförs, särskilt sprutpressas eller formsprutas, varvid - det andra plastmaterialet har hög mekanisk hållfasthet för att bilda ett skydd för den optoelektroniska komponenten och vågledama och - det första plastmaterialet har hög elasticitet för att utjämna mekaniska spänningar, som kan uppstå vid temperaturförändringar, särskilt vid påförande av det andra plastrnaterialet och vid drift av optokomponenten.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n ne t e c kn at av - att det första plastmaterialet också påförs över ett område vid de ena ändarna av vågle- darna, där den optiska kopplingen till den optoelektroniska komponenten äger rum, och - att det första plastrnaterialet är ett transparent material med brytningsindex för att öka den optiska kopplingen mellan komponenten och vågledaren eller vågledarna.

3. Förfarandeenligt ett av krav 1 -2,kännetecknat av - att det första plastrnaterialet påförs över vågledardelar och - att det första plastrnaterialet är ett transparent material med anpassat brytningsindex för att härigenom bilda en övre manteldel hos vågledarna.

4. Kapslad optokomponent, innefattande ~ ett substrat av ett oorganiskt material, särskilt en kiselplatta eller kerarnplatta, - en optoelektronisk komponent monterad på en yta av substratet för optisk koppling med vågledama och för koppling till elektriska anslutningar, kännetecknad av - vågledare åtminstone delvis åstadkomma i och/eller på ytan av substratet, - ett första plastskikt, särskilt av ett elastomerrnaterial, övertäckande minst en del av ytan av substratet innefattande minst en del av den fria ytan hos vågledardelarna och den fria ytan hos den optoelektroniska komponenten och - ett andra plastskikt övertäckande åtminstone substratets hela nämnda yta, varvid 'hl 'i"'|"\.'| :i 513 1183 iš - materialet i det andra plastskiktet har hög mekanisk hållfasthet för att bilda ett skydd för den optoelektroniska komponenten och vågledarna och - materialet i det första plastskiktet är mjukt och har hög elasticitet för att utjämna meka- niska spänningar, som kan uppstå vid temperaturfórändríngar, särskilt vid påförande av s det andra plastmaterialet och vid drift av optokomponenten.