新型陶瓷／金属化合物基板——直接敷铜板

摘要： 直接敷铜(dbc)板是用于电子学封装的一种陶瓷／金属化合物基板。这种dbc板适用于光电子学封装的采集排列制作，并可提供无源对准、好的热导率、cte匹配及良好的可靠性。本文介绍了采用dbc板的光电子学封概念布线、制作和应用。

关键词：直接敷铜(dbc)板；封装；光电子学

中图分类号： tn305．94 文献标识码： a 文章编号： 1681-1070(2005)02-18-4

1 引言在光电子学制造中，封装是最为关键技术之一。一般对光电子封装的基本要求是：在光电子元器件之间有nm级的光对准；高速电子连接与工作；极好的散热性能；高可靠性。

为了满足这四个要求，光电子封装通常采用稀有材料的化合物，用于激光器子座有诸如a1n、beo一类膨胀匹配的陶瓷，用于管壳壁的有诸如cuw、kovar一类低膨张金属，用于高速和光纤气密封装的有诸如玻璃或烧结陶瓷等种种气密连接技术。但采用以上材料和技术可导致光电子封装体积比电子封装体积至少大一个数量级，并提高了封装成本。在通信用的高性能单模光纤耦合器件中，这些缺点将更为突出。因为这种器件通常要求采用固体热电元件对有源区进行制冷，要求几gb／s工作、并要通过贝尔通信研究公司严格的可靠性要求。目前，新一代高功能光电器件在降低成本的前提下，则需要更多的光通道和更高的工作速率。但仅仅凭借在材料、自动化和简化封装工艺方面所获的重大进展实现这样的光电子封装目标将十分困难。为解决这一问题，业界已提出采用硅衬底封装的方法，还开发了一种新型的陶瓷／金属化合物基板，这种称之为直接敷铜板的基板可满足以上光电子封装要求，不仅提高了封装性能，还适合于低成本、自动组装的要求。

2 新型陶瓷／金属化合物基板——接敷铜板

具有高可靠性要求的半导体激光器封装是采用与激光二极管芯片材料的热扩散系数(cte)匹配的基板材料。激光二极管衬底材料常采用gaas或i叩，cte为6．5×10-6。表1列出一些封装材料的cte和热导率。从表1可看到，与激光二极管衬底材料cte特性匹配与不匹配材料的热导率有较大的差异(如金刚石、铜和银)。在理论上，十分需要将金属(如铜)的热导率优点与陶瓷(如氧化铝、beo或a1n)的机械强度、低介电损耗和cte匹配的优点相结合的基板材料。直接敷铜板(dbc)就是这样一种采用金属／介电混合物材料的光电子封装基板。直接焊接的铜箔层的优点是：即具有铜熟率，又有与gaas匹配的热导率，可用作微波元件的低损耗介电基板。

3 dbc光电子封装布线

图1示出采用dbc基板的光电子封装布线。封装的两个端口光器件(如半导体光放大器)由—个输入和一个输出光纤端口构成。在一个铜柱上安装半导体光放大器芯片，该铜柱即可作为控制光束高度的垫片和散热器，也可作为底部高速微波馈线。可直接在陶瓷基板上安装微透镜，通过铜箔层的台阶高度可控制微透镜与牛导体光放大器之间的垂直光无源对准。安装在铜基座上的高速驱动器ic紧挨着光电芯片。

为了易于与pcb表面安装，特将电子导线引出。在基板上作铜箔层的连接图形，比如形成可发射微波信号到激光器或高速微波集成驱动器的传输线。其他的微型光元件(如滤波器、反射镜、分束器、棱镜或小型光隔离器)均可直接安装在基板—亡。采用金属化图形边缘作为保证微型光元件的物理对准(终止导波或进行导波)，则可获得光元部件的无源对准，即金属化图形可作为实现光无源对准(水平与垂直方向)的一种方案。dbc的这种特性很适合进行低成本自动组装。

4 dbc基板的制作

图2为用于光电子封装dbc基板的制作程序。首先在陶瓷基板上制作一层beo或氧化铝，形成合金界面，再对底表面进行氧化，并压制一层铜箔。将该基板加热到1100℃，陶瓷氧化物与铜氧化物键合后形成一层非常坚固而易溶的铜箔层。然后，采用光刻和化学腐蚀技术在该铜泊层上制作图形。在金属区作出图形，可形成接触垫片、共平面微波导线和侧面发射激光二极管垫片的平台。然后用激光将该陶瓷基板切割成单个的元器件或保持晶片级选择与排列制作。最后，采用铜焊将导线底座及侧壁与铜箔层区焊接在一起。

制作dbc光电子封装基板的关键是铜箔厚度的选择。该层厚度比传统蒸发的薄膜层要厚得多。厚度选择适当，即可获得好的表面热导率作为散热器，又可获得足够高的平台，以便提高陶瓷基板平面上激光二极管位置，避免切断由激光二极管发射的光束。一般该层厚度必须在50μm以上。然而，为获得最大接触平面，又要求陶瓷基板铜箔层极薄，一般不能超过1000μm的厚度。综合考虑的结果般选择250μm的厚度。

5 dbc的典型应用

作为采用陶瓷／金属复合基板进行光电子封装的一种方法，dbc很适合用于激光二极管的封装。已将该技术应用于1．5w的带透镜激光二极管封装，并获得无源对准、好的热导率、cte匹配和极好的可靠性。将dbc应用于激光二极管芯片键合，其测试表明，可获得质量好的表面与边缘。此时，铜箔层的厚度约为200μm，在府蚀过程中可产生少许掏蚀，在图3的电子显微照片中，示出了铜焊盘的边缘情况。其壁角处约有5μm镀镍厚度的滑坡。这种边缘适合于p面向下激光器芯片的焊接。采用dbc还有一个额外的优点是完全消除了毛刺，即解决了传统机械子座中常见的毛刺问题。

在图4中示出了放置激光二极管之后所获得的衬底。该激光二极管定位精度为1μm，根据该照片可评估所腐蚀铜箔侧面的垂直性和洁净度。

dbc是一种高可靠性、高电流容量的共用基板，在自动化、电源和pehier制冷器应用中dbc可作为印刷电路板(pcb)的替代者。这种采用化合物基板材料的dbc用于光电子封装，满足了在光元件之间必须具有nm级的对准、高速电子连接、极好的散热特性和高可靠性的要求，即简化了封装工艺，又改善了材料特性、热特性及高可靠性，很适合于激光二极管等光电子封装应用。