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装配光电器件的一种新兴模式
 
慧聪网   2006年2月21日11时20分   信息来源:光纤新闻网    

  光器件肩负着将信息从光网络传送至客户端或从客户端至光网络的重任,确保光网络能够处理大量的数据流量。我们知道,通常激光光源将无处不在的高频电信号转换成为光脉冲,然后沿着光纤传输,而泵浦激光器 (pump laser)则负责放大这些光信号,从而延长信号在长途光网络和城域光网络中的传输距离。 

  在过去20年里,半导体激光器已经演变成一个的强大、可靠的器件家族,个别器件的转换效率甚至超过50%,连续输出功率达到几个KW,调制速率也达到几十个GHz,而发射波长则从450nm延伸到2000nm之外。

  专属方法、专利技术障碍以及行业秘密在光器件的制造和封装领域极为盛行。这些方法包括用户自定义的晶圆工艺、薄膜工艺、器件与组件的封装(包括易熔/共晶的或环氧树脂组件的粘合,以及焊线(wire bonding))技术、光纤处理及定位校准,以及最后阶段的调整、校正与测试。由于缺少封装及材料处理标准,繁琐的制造技术与工艺是很常见的。

  尽管光器件产业是一个高科技产业,但是目前光器件的装配生产仍大量依赖手工操作,可以说仍处于“半手工半自动化”阶段,该行业仍缺乏广泛应用到其他制造行业的通用工业工程方法。

  我们所常见的光模块通常由半导体器件、表面贴装无源组件、衬底、校准器、外壳、粘合剂、焊料、以及热管理元件,联合一个或多个光元件整合组成的,图1显示了一种光模块的封装示意图。

图1 封装示意图

图1 封装示意图

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  这些光元件包括对准好的光纤、透镜、反射镜、隔离器、波长锁定晶体、折射率匹配粘合剂等,采用的许多装配技术都跟IC产业的装配技术类似,人们需要一种高产量、低成本的封装技术来降低光器件的制造成本。

  例如,光发射与光接收组件(TOSA及ROSA)是光收发器中最昂贵且精密的组成部份。拥有材料管理供应链及精密制造能力的CEMs光器件制造商们,可以实现对这些复杂零器件的大批量、低成本的制造。这些CEMs带给模块/设备公司的这项专门技术,将使得光纤到户(FTTH)或其它光纤到某地方(FTT-X)的服务成为消费者所负担得起的选择。

  器件功能与封装模式

  通常器件功能支配着封装模式。高性能的器件,例如激光光源、泵浦激光器及调制器,一般会组装在蝶式封装中(butterfly packages)。低性能、较短距离与对成本相当敏感的器件则采用低成本的封装模式,如圆柱式(Transistor-Outline, TO)封装TO-46及TO-56(图2)。而表1则列出了不同器件所采用的不同封装模式。

图2:To封装

图2:To封装

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  光学的原始设备生产商(OEMs)渐渐地将他们的终端——有源光器件的制造业务外包给合同制造商(CEMs)。结果这些合同制造商已变成主要的光收发器制造商,其中包含光收发器中最昂贵的光发射组件与光接收组件的物料来源及制造。

  因为光电封装是一个含有电与光信号的混合集成处理过程,器件制造需要专门的材料,这些材料包括硅、石英、掺杂二氧化硅、铌酸锂(LiNBO3)、砷化镓(GaAs)及磷化铟(InP)。这一点与常见的微电子制造存在很大的不同,而且还需要先进的工艺及专门的制造技术。

  光传输系统需要一个低噪声与超窄频谱的激光光源,而分布反馈式激光器(distributed feedback, DFB)则很好地满足了这个需求,到目前为止,DFB激光器的最大应用市场仍是光传输系统,其第一个商用器件采用的是1300nm波长,而今天的绝大多数电信用激光器光源的输出波长为1550nm,以方便与石英光纤的最小衰减窗口和EDFA的增益放大窗口相匹配。DFB激光器使用反馈机制来稳定输出频率,在驱动电流或操作温度中的调制及变动之下,差不多保持单一频率,这使得它们在密集波分复用器(DWDM)上的应用更加广泛。

表一 光子封装的类型

表一 光子封装的类型

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  激光二极管模块制造流程

  芯片制造:在晶圆层级中,制造激光器时结晶方向为(001)的基底是不可缺少的,因为必须沿着垂直于(001)结晶面的(110)晶面将晶圆裂片以制作平行镜面。利用光刻技术在晶圆中制造出50 微米深,宽度约为200至300 微米的沟槽以提供芯片分离用的刻线。晶圆一般从背面研磨,最终留下约100微米的厚度。

  切开刻面(Cleaving Facets):然后,沿着垂直于晶圆中沟槽的方向把晶圆裂开。需要特别注意以预防缺陷产生,例如来自于裂片过程中芯片表面损坏所产生的从芯片边缘至内部晶体的断层/位错。在此期间,每个二极管都需要在脉冲操作下,接受测试并选出良好的器件。

  刻面镀膜:在把晶圆裂片成二极管阵列或带状后,必须利用如SiO2、Al2O3及Si3N4之类的介电膜去保护波导管上的镜面。这些绝缘膜通常利用射频溅镀或化学气相沉积法(CVD)沉积形成。保护镜面表面免于曝露在大气环境之下,以抑制造成镜面长期劣化的氧化作用。它也减少了表面合成速率——一个造成灾难性失效的重要参数。

  装配组装:针对较低数据传输速率及较短传输距离的应用而言,激光二极管及发光二极管通常封装在TO-盒中。激光二极管或发光二极管首先会粘着在子载具之上,再粘着在TO-盒底座上。在较低数据传输速率(例如100Mbps)时芯片粘着材料一般为银胶。在较高数据传输速率(例如1Gbps)时,则使用AuSn焊料以得到理想的散热处理。

  依不同的应用而定(传输距离及数据传输速率),激光二极管接合工艺需要介于5至20 微米之间的配置精度。发光二极管芯片接合精度需求约为20 微米。在低于2.5Gbps的应用时,TO-盒是激光二极管与发光二极管封装现今最常用的型式,而且将持续成为最大量的封装结构。同样地TO-盒常常用于低到中端的电信激光二极管上,加上带着透镜与镜面的硅微平台。

  精密的共晶组元粘接包含:
●Si, GaAs or InP 芯片的取放装置(Pick-and-place) 
●使用可编程的x-, y- or z-轴扰动,实现In-situ回焊(reflow)或预先锡化(pre-tinned)器件。
●可编程的脉冲加热或恒温(见图3)。

图3: 可编程脉冲加热曲线

图3: 可编程脉冲加热曲线

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  在器件制造时,外在应力可能会加载于二极管之上。在晶圆裂片成二极管列阵的过程中,会从晶体的破裂边缘引发器件机械性损害。位错有时会产生在这样的区域。在裸芯粘接(die attach)或焊线时,热应力或机械应力也会加载于二极管芯片上,可能会在二极管累积弹性应变或在晶体产生机械性损害或擦伤。为了将这种应力最小化,这种装配工艺应该是自动化操作的,并且最终可实现优异的可重复性和一致性。

  这种工艺控制的价值我们可以从激光二极管应用于激光光源或泵浦激光器当中得到体现,这是一个在组装过程中需要小心谨慎的工艺控制,对温度极端敏感的器件,在in-situ共晶裸芯粘接过程中,回焊工艺被工程化以提供一致的熔解且无孔洞的粘接接口,这将产生一致的热传导性,对激光器操作过程中保持温度稳定性有着显著的贡献。

  光纤对准与接合

  装配的最后程序是将激光二极管与光纤对准与接合。为了达到最佳化耦合效率,最终对准需控制在真实尖峰(actual peak)0.1 微米内,由于二极管芯片、二极管器件及光纤纤芯制造上的差异,光纤必须在6个轴上都被有源对准。

  光纤永久接合所使用的方法包含激光器焊接、焊锡或树脂,最重要的参数为最后接合的光功率,接合工艺可能会引起需要注意的应力或机械偏移,即使是次微米等级的偏移,也足以使器件失效,所以接合工艺的控制相当重要。另外,为了将器件输出功率最大化,可能还需要进行后续的接合纠正工序。

  器件测试

  验证芯片接合一致性的通用方法为LIV(光、电流、电压)测试,分析LIV测试数据可以确定

  激光器的特性,包括产生激光的临界电流、量子效率和输出的非线性特性等,此方法是将通过激光器的驱动电流从0提升到激光器的最大操作电流,然后记录激光器的输出功率及跨越二极管接面的正向电压。

  除了LIV测试外,连续波(cw)与脉冲电流LIV曲线之比较,也可反映出芯片接合的一致性,如果流经芯片接面的热量很高,那么这两个曲线将很相似。而如果接合中出现瑕疵,这样将会降低热流,激光器芯片在连续波电流操作中会被加热,而此两曲线将有相当差异。

  在上述的方法当中,最终的结论都是通过或失效。芯片接合工艺要么很好,要么就是测试呈现失效的结果。接合面温度是芯片接合效率的一种更定量的测试,因为输出功率、正向电压,发光波长以及临界电流值跟接合面温度息息相关。最直接的方法测量激光器波长,并计算热阻(Rth),此方法是评估芯片接合品质的直接测量标准。

  一个典型LIV测试系统的功能需求包含:
●可以高精度驱动激光二极管的电源
●能够以fA(1 fA = 0.001A)等级的分辨率测量次pA(1 pA=10-12A,微微安培)等级电流的能力
●可规律调制模块操作温度的热电冷却器。为了确保从模块输出波长的一致性,以及保护器件免受过热损害,温度控制能力需要在±0.01C以内。

  自动化光电器件装配工艺

  自动化工艺将使工艺规律化。在人工协助的工艺中可被容忍的材料与工艺变异,在工艺被自动化时会产生困难,例如,试想自动化芯片接合工艺相对手工芯片接合的例子,机械检视取代操作者的“生物影像处理器”,高速精密机构取代人体触觉感应,以及精细马达技术及可编程机械逻辑取代熟练操作员的合理人力。

  精密自动化芯片接合机是非常有用的,可提升产能的工具,其需要设备供货商了解他们的工艺,这在复杂工艺自动化中确实如此,例如自动化复杂的填充及芯片接合工艺、高脚数焊线接合以及有源光学对准。

  除了价格及上市时间的考虑,物理的、热的、电性的、机械的以及制造上的考虑,在考验着封装的设计者们,这些问题使得设备设计者必须面对,不只是需要满足现有的需求,更需预测在未来5年内设备平台所需具备的能力。大面积的空气轴承、精确的线性马达及编码器、声音线圈器件、功能强大的机械软件,以及丰富的图形接口,已可达到机械结构与功能的进步。现在已经有能力处理p侧朝下(p-side-down)的激光二极管设备,量产时误差可达3 sigma,精度为1.5 微米,且其设备面积不到一平方公尺。

  光电器件制造工业最近3年已经处于大幅降低成本压力的情况下,大多数制造商已经认识到装配方法必须要有示范的改变,才能使他们降低器件成本,并加速生产速度。该种改变的兴起,代表手工装配工艺在数十年间,已逐渐将该工业往高精度、高优良率之自动化制造与测试的方向转变。

  全部装配在一起

  光器件封装工艺所面临的挑战是如何降低产品成本。由于光器件的用途主要是处理光波,因此其封装的设计难度远远高于半导体产业的设计难度,同时也更加复杂。

  在半导体产业,晶圆加工的进步驱动着技术的飞跃发展,使封装变得自动化。而光器件产业,我们已看到前端工序是非常重要的,但是同等重要的是,后续的封装设计、可控的装配工艺、精确的对准和定位技术也都是不可或缺的。

  在同一公司中,有关产品准时上市、符合预算且具备最高品质的设计、工艺、制造工程师,供应链经理,文件提供者,运送以及所有单位,要使他们容易沟通是令人头痛的挑战。当这些必须在OEM与电子器件制造商(EMS)之间,或可能是设备制造商之间做到时,挑战就更大。增加零件与工艺的复杂度,挑战更困难。此外,随着通讯产业的快速发展,新的设备、工艺、劳力,以及模型已经显现用于制造复杂的零件与封装了。

  自动化最终将会为光器件的装配产业提供完整的解决方案,然而,现在自动化仍面临很大的挑战,极端精确与工艺的需求、特殊外型因素的显著变异、特殊材料,以及固有的困难等组合,皆因导光之需求而显现,并且使现有大多数设备无法应用到光器件的封装上。

  然而,有少数系统能够具备弹性,可支持这些困难的误差与工艺需求,特别是,在混合集成半导体与高频无线工业中所发展出的芯片接合与焊线接合技术,现在已经整合到光器件制造工业中。量产等级的精密光纤对准解决方案已经使得传统需要人工的工艺变成自动化。

  这一类设备的先期成果是振奋人心的,在实际案例的历史上,藉由以单一自动化芯片接合机,替代四个人工接合工作站,许多公司已经经历了提升优良率达到50%,且节省了洁净室地板面积达67%的经验,也得到了3个月资金投资的回报。

  对于光纤接合,性能与优良率的提升甚至更大,将人工光纤对准工艺,升级至精确自动化工艺,已经可以在数周或数月之内完成ROI,且通常会产生较好的产品性能,此外,自动化焊线接合机已经有往高频器件发展的趋势,因为相比人工工艺,他们具有优异的线长与回路轮廓的控制。自动化光纤对准工具,由于具有准确地在向量空间中定位单一光纤或光纤阵列的能力,可具备往较小光信道发展的趋势。

  EMS具有这种设备与优异的技术、工艺及工具,将能够使得OEM外包复杂器件、器件及封装的制造。相对地,EMS将会需要持续磨练其供应链技术,以达到进一步缩减成本的目的,这些供货商今日所发展的设备及工艺专业技术,将不仅促成光器件的高效率制造,也能够使器件设计者们能持续推动通讯技术进入可预见的未来。
 
作者:Bruce W. Hueners 
 
 
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