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天博体育光模块封装工艺简介

作者:小编 点击: 发布时间:2024-02-14 17:41:40

  天博体育光模块封装工艺简介光模块按照部件可以分为芯片、光器件、光模块三个层级;按照应用领域大概可分为电信应用、数通应用两个领域;按照内部器件的封装工艺可分为TO、Box天博体育、COB三大类。 但是,无论是哪种类型的光模块,其生产工艺基本上可以分为封装、测试两大块。

  光模块按照部件可以分为芯片、光器件、光模块三个层级;按照应用领域大概可分为电信应用、数通应用两个领域;按照内部器件的封装工艺可分为TO、Box、COB三大类。但是,无论是哪种类型的光模块,其生产工艺基本上可以分为封装、测试两大块。

  那什么叫做器件封装呢?我的理解器件封装就是利用胶水、焊料、机械、热量等手段把器件按照一定的先后次序结合形成一个整体的过程,就好像早上吃的煎饼,把面粉、鸡蛋、脆饼、烤肠、葱花等这些“器件”,按照一定的顺序,通过食用油、甜面酱、加热、卷起来等手段结合到一起,形成了美味的煎饼。在煎饼制作之前,蛋就是蛋,面就是面,但是在煎饼完成制作后,蛋和面形成了一个整体,不能再区分。

  那什么叫器件测试呢?其实就是评估封装好的器件性能,尝一口煎饼,看看是太咸了,还是太甜了。当然实际的器件测试远比这个要复杂,不过好在本文只谈工艺,不谈测试。

  下面的图片给出了光模块生产工艺的几个关键工序,其中贴片、打线个工序在半导体芯片后段制程中也有,网上能找到非常多的资料,后面4个则是由光学特性带来的,资料相对来说少些。

天博体育光模块封装工艺简介(图1)

  贴片,顾名思义,就是将片状的器件贴到某个地方。片状器件有光电芯片,比如激光器、光电二极管(PD/APD)、激光器驱动电芯片之类的。它们从大类上都属于半导体裸片器件,裸片的英文名叫做die,因此贴片在行业内也被称作dieattach或diebonding。器件被贴到的地方叫做载体,英文名叫carrier,光器件贴片的载体比较多,比如PCBA的裸铜、可伐合金、AlN氮化铝陶瓷基板、钨铜等。数通领域大名鼎鼎的COB(chiponbroad)封装就是使用PCBA的裸铜作为载体。

  贴片可以分为手动和自动两种,手动贴片是上世纪的工艺,目前行业内的贴片都已经全部实现自动化了。一般贴电芯片的精度低些,贴光芯片的精度高些。

  如果我们凑近去看贴片机的内部,能看得到的有上料盒、吸嘴、点胶装置、摄像头、照明灯,另外就是一大堆的传动马达机械装置了。

天博体育光模块封装工艺简介(图2)

  贴片的过程充满了科技感,有种看CCTV新闻联播的感觉在,整体过程分为上料、转运、贴装、下料4个步骤。

  上料盒一般有Bluetape蓝膜盒(上面一般粘LD、PD以及微小载体)、Waffle-PACK(有一个个凹陷的方格子,一般是TIA、Driver电芯片的来料包装)和GEL-PACK自吸盒(上面一般粘LD、PD以及微小载体)3种。由于贴片设备上料槽位规格的限制,有时候需要将物料从来料包装转移到上料盒中,在大批量生产时应该采用专用自动化设备来完成转移,但不少厂家还是会手动用镊子夹取,镊子容易划伤、夹崩芯片,质量风险很大。至于增加外观目检、规范镊子夹持的手法,这些虽然可以降低风险,但终究是治标不治本,尤其是规范镊子夹持手法,反正我是不相信有效的。

天博体育光模块封装工艺简介(图3)

  吸嘴要根据芯片尺寸来定制,负责从上料盒中吸取芯片后搬运到指定位置,点胶头在载体上挤出一坨胶水,然后吸嘴扶着芯片对准位置,啪的往下一怼,就完成了。有的工艺路线中,会先把芯片转移到中转平台上,提前预热芯片或者是调整芯片的位置,然后再进行贴装。

  传统的工艺是用点胶机通过空气压力挤出胶水,胶量大小精度比较难控制,载体上面寸土寸金,胶量多了就会影响到别的器件。为了克服这个问题,产生了另一种工艺路线,不用点胶机,将胶棒或者芯片底部放到胶池里蘸一下,再贴到载体上,但是这个工艺也存在一个问题,就是胶棒或者芯片从胶池移动到载体的过程中,如果移动速度过快,容易将胶水甩到别的地方,造成污染甚至短路。

  摄像头和照明灯的作用是为了让给芯片找到贴片位置,高精度的贴片都是采用机器视觉结合载体上的mark点进行定位的。

  所以,贴片的工艺要求是很高的,胶量要控制住,速度要控制住,位置更要控制住天博体育,真的挺难的。核心竞争力是惊人的控制力,该快的时候快,该慢的时候慢,该对准的时候对准,该出胶的时候出胶,胶的位置还得控制准确,不能甩到别的地方。

  导电银浆也被叫做银胶,工艺简单、成本低、使用范围最大,比如低速模块里的光芯片、面积比较大的TIA/Driver电芯片基本上都是用的银胶粘接。银胶工艺的一个特点就是快,TO同轴封装的自动贴片机速度尤其快,半秒贴一个。贴完片后需要加热使银胶固化,温度在100℃左右,固化时间几个小时,批量放进温箱固化,效率非常高。

  共晶焊要提前将焊料弄到载体上,所以贴片过程中是看不到点胶动作的。

  常用的是金锡焊料Au80Sn20(重量比80:20),厚度在3-5um,怎么把焊料弄到载体上呢?一般采用蒸发或溅射工艺,光听这个名字,应该就能猜到共晶焊的最大特点是“贵”!

  另外共晶焊过程中需要对焊料进行加热,冷却过程中金和锡两种金属在同一个温度(278℃)结晶,这就是共晶焊的由来,具体的知识可以自行搜索“金锡二元相图”,我在这边就不详细展开了。共晶焊要加热要降温,整个过程大概要十几秒,非常耗时间。

  共晶焊有这么多缺点,那为什么还要用它呢?我们知道,随着传输速率提高,器件对散热和高频信号衰减的要求也越来越高,导电银浆电阻大,会对高频信号产生衰减,而金锡共晶焊是纯金属材料,电阻很小;共晶焊的导热性也优于导电银浆,剪切力可靠性也更好些。这些优点使共晶焊有了用武之地,目前行业内25G速率及以上的DFB激光器都是使用共晶焊工艺贴装的,其实看下来也能就在贴装激光器上用一用吧,毕竟效率太低了。

天博体育光模块封装工艺简介(图4)

  从外观上,一般会在显微镜下观察溢胶情况,比如要求至少有三边溢胶。暴力的评价手段是用专用设备上的劈刀直接在芯片侧面施加推力,测量将芯片推下来需要的最小用力,同时观察载体上的芯片残留情况,叫做剪切力测试,标准方面行业内一般参考美军标MIL-STD-883Method2019(DIESHEARSTRENGTH)。剪切力的测量设备我知道的就只有NordsonDAGE这款,似乎已经形成垄断了,下图是剪切力测试的示意图和NordsonDAGE设备的靓照。

天博体育光模块封装工艺简介(图5)

  如果贴片没贴好,会发生什么问题呢?我想大概率是芯片直接掉下来吧。因为贴装的芯片基本都是发热大户,像是激光器芯片的电光转换率只有30%左右,绝大部分的能量都变成了热量,所以如果贴片有问题,大概率上芯片因为散热不良直接给烫死了。

  [b]3.打线;引线键合,俗称打线,英文名wirebonding,是金属线在热、压力、超声等能量结合下的一种电子内互联技术。引线键合是一种固态焊接工艺,键合过程中两种金属材料(金属线及焊盘)形成紧密接触,两种金属原子发生电子共享或原子相互扩散,从而使两种金属间实现原子量级上的键合。

  打线按照键合能量可以分为热压键合、超声键合、热超声键合三种,按照键合线的材料分为金丝、铝丝、铜丝三种。光通信行业一般只用金丝热超声键合这一种,这是因为光电芯片的表面普遍都会镀金,金的高频性能好,而热超声键合的温度比较低而且速度很快,可靠性更好。

  引线键合既要加热又要给,所以肯定是要用键合设备的。除了显示器、显微镜和一堆电动马达装置外,最核心的部件就是一种叫做劈刀的东西,它负责对金线进行放电整形,牵引并形成焊接点。

天博体育光模块封装工艺简介(图6)

  引线键合的步骤可以大概分为几个步骤,第一步设备对焊盘区域预加热,第二步劈刀通过离子化空气间隙打火(ElectronicFlame-off,EFO)将金线末端融化形成一个金球,第三步劈刀下压到焊盘上形成第一焊点(通常在芯片表面),第四步劈刀牵引金线形成线弧,第五步劈刀再次下压到焊盘形成第二焊点(通常在引线框架或者基板上),并折断金线。更多视频可以点击B站视频

天博体育光模块封装工艺简介(图7)

  根据劈刀和焊点形状的不同,又可以分为球焊和楔焊两种。球焊用的是毛细管劈刀,顾名思义,焊点是一个球状,焊盘接触面积大,可靠性好,而且打线速度非常快,使用场景最多;楔焊用的是楔形劈刀,焊点是方形的,焊盘接触面积小,可靠性差,打线速度慢,一般只用于高频信号焊盘之间的打线等离子体清洗

天博体育光模块封装工艺简介(图8)

  正如前文所说,打线利用的原子和原子之间的结合,原子之间如果存在其他物质,就会严重影响结合质量。有过补轮胎经验的朋友应该知道,在刷胶水之前,师傅一般会用锉刀把轮胎漏气部分的塑料表面给磨掉,目的是去除掉比较脏的表面部分,确保胶水的粘接力。类似的,在打线前,会对器件进行等离子体清洗,确保焊盘优秀的可焊性。等离子体是由正离子、负离子和自由电子等带电粒子和不带电的中性粒子如激发态分子以及自由基组成的部分电离的气体,由于其正负电荷总是相等的,所以称为等离子体,是物质常见的固体、液体、气态以外的第四态。气体被激发成等离子态有多种方式,如激光、微波、电晕放电、热电离和弧光放电等。在电子清洗中,主要是低压气体辉光等离子体。一些非聚合性无机气体(Ar2、N2、H2和02等)在高频低压下被激发,产生含有离子、激发态分子和自由基等多种活性粒子。一般在等离子清洗中,可把活化气体分为两类:一类为惰性气体的等离子体(如Ar2和N2等);另一类为反应性气体的等离子体(如02和H2等)。光通信行业基本用惰性气体(如果我没记错的线;等离子体清洗机的模样见下图,观察窗的颜色很有科技感,这是用来屏蔽工作时会产生紫外线。等离子体清洗的大概原理就是用这些活性粒子(图中蓝色球)和焊盘表面的碳氢有机物质(图中黑色球)反应,以水汽和CO2的形式脱离表面。水汽和CO2无毒无害,不需要做废气处理,这也是等离子体清洗的优势之一。

天博体育光模块封装工艺简介(图9)

  如何评价等离子体清洗的效果呢?一般在焊盘表面滴水,然后测量水滴和焊盘之间的夹角,水滴角越小(

  40度),说明焊盘活性好,可焊性越好,这和smt焊接里的焊点润湿角类似。需要注意的是,等离子体清洗结束到打线之间的时间窗口是有限制的,有研究表明最好是小于4小时,否则焊盘表面的活性就会下降,相当于等离子体清洗白洗了。

  3.4打线;如何来评估打线;破坏性测试参考美军标MIL-STD-883Method2011Destructivebondpulltest和EIAJESD22-B116-1998WireBondShearTestMethod。标准内容很长,具体的参数在本文中写不下来,bondpulltest的意思就是要用钩子把金线拉断,ballsheartest的意思就是用劈刀把金球从焊盘上给推下来。光模块厂家在产线开班前或者首件制造完成后,会对产品进行这2个测试,以确保当天的打线设备处于正常状态。

  外观目检上,可以参考参考美军标MIL-STD-883Method2010INTERNALVISUAL,一般会关注金线是否有异常弯曲、金球和焊盘的重合面积。这些都是比较容易直观发现的问题,好比去医院做个B超啥的,大毛病一眼就看出来了。

天博体育光模块封装工艺简介(图10)

  但打线不同于贴片,有些潜在性的问题潜伏期比较长往往要等到产品运行一段时间后才会完全暴露出来,这是很要命的事情。比如键合区域的脏污会导致焊盘脱落,脏污的来源很多,空气中飘过来的,返工时带入的,等离子清洗设备或者胶水烘烤设备内引入的等等。

  对于这类脏污问题,提高目检显微镜倍率是一个常用闭环改善手段,MIL-STD-883里对显微镜倍率也有定义,光通信行业内芯片焊盘的直径一般都在70um,使用1mil(25um)的金线,但如果考虑到脏污的特征尺寸,最好还是选择100倍以上的显微镜进行目检。只是这样的显微镜比较贵而且检测效率比较低,也有行业内很多厂家使用是50倍以下的显微镜(显微镜的模样有很大区别)来检查金线外观。

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天博体育光模块封装工艺简介(图11)

  对于TIA、Driver这种多个焊盘的电芯片,打线的先后次序也有要求,一般要先打GND,再打VCC,最后打其他的信号脚。为什么是这个次序?主要是为了保证电芯片在打线过程中的静电释放,ESD这种东西最麻烦。

  最后,电芯片的焊盘表面一般是铝Al,由于Au和Al两种不同原子扩散速率不同,在金属间化合物IMC界面附近会形成柯肯达尔(Kirkendall)空穴,导致焊点分离失效。温度越高原子扩散速度越快,因此产品完成打线后要及时下料,不能长时间在打线机台上持续加热。

天博体育光模块封装工艺简介(图12)

  贴片的目的是将芯片贴到载体上,打线则是让芯片和外部形成电气连接,具备这2个条件后,接下来就是芯片老化了。

  老化,也可以称为老炼,英文名叫burnin,按照MIL-STD-883的定义,其目的是为了筛选或者剔除那些勉强合格的器件。这些器件或是本身具有固有缺陷,或其制造工艺控制不当产生缺陷,这些缺陷会造成与时间和应力相关的失效。如果不进行老化筛选,这些有缺陷的器件在使用条件下会出现初期致命失效或早期寿命失效。因此,筛选时用最大额度工作条件或在最大额度工作条件之上对器件施加应力,或施加能以相等的或更高的灵敏度揭示出随时间和应力变化的失效模式的等效筛选条件。*

  老化是一种筛选测试,用于剔除那些有早期失效缺陷的器件,表现在著名的失效率浴盆曲线上,如下图,阴影部分就是老化的收益,老化后的产品整体的早期失效率降低,更早地进入随机失效阶段。

  光模块内部的激光器由于结构和制程工艺复杂,需要进行老化,其他光电器件除APD外,不需要进行老化。

天博体育光模块封装工艺简介(图13)

  在目前大部分光模块厂家的生产工序中,一般有两道针对激光器的burnin筛选测试。

  第一道是激光器的管芯级,是在激光器完成必要的生产步骤,如外延生长、刻蚀、外观检查后,装载到专用的老化夹具上进行,有比较成熟的商业化设备,国外厂家有ILXLightwave、Chroma,国内厂家上海菲莱(Feedlight)、苏州联讯(Stelight)。根据不同测试方案,可以区分为在线测试老化和分立测试老化。在线测试老化可以持续记录BI过程中的激光器数据,但是测试成本高,一般用于设计阶段的少量样品验证测试。分立测试老化是在老化开始和结束时分别记录激光器数据,测试成本低,一般用于批量化生产。

  第二道是光模块级,是在激光器组装到光模块内后,通过测试夹具进行的,目前尚没有商业化设备,多数光模块厂商使用自研设备进行测试。在测试方案上,在线测试和分立测试都有,一般根据模块的DDM进行激光器参数记录,因此从成本上并无太大差异。

  从生产和成本管控角度上看,第一道管芯级激光器burnin筛选测试应力大,目的是尽可能地筛选出早期失效产品,第二道模块级burnin测试更多地只是对第一道测试的补充。

  下面我们着重介绍管芯级激光器的burnin测试。对于不同类型的激光器,老化筛选的典型条件如下表,电流和温度条件满足“最大额度工作条件或在最大额度工作条件之上”原则,例如DFB激光器的正常工作电流一般是60mA,老化的电流是120mA。至于具体的温度、电流、时间条件,一般是由激光器芯片厂家经过大量试验后确定下来的。

天博体育光模块封装工艺简介(图14)

  激光器老化设备基本相似,设备外壳加后面的背板,激光器被安装到抽屉式或插卡式老化板上,然后再插入到背板供电。TO封装和CoC封装激光器有专用的老化板,TO直接将管脚插入到基座上就行了,CoC比较麻烦,大部分厂家需要人工用镊子夹取安装,个别光模块厂家可以用贴片机自动安装。COB结构中的VCSEL老化则是直接用模块PCBA上的金手指进行供电,Driver芯片本身也专用的burnin模式。

  如何评估芯片老化的可靠性?回答这个问题,就是回答“如何评估芯片老化的有效性?”。

  芯片老化的目的就是为了充分筛选出批次内产品的早期失效,那如何确定该批次内的早期失效已经筛选干净了呢?大概的方法有下面几种。

  第一种是将筛选后的该批次产品发到市场端,然后监控记录市场失效数量和返回时间,如果失效数量在开始的一个时间段内存在一个峰值,说明老化条件的有效性较差,导致部分早期失效产品未被充分筛选流入市场;如果失效数量经过一段时间后稳定,则说明老化条件有效性较好。具体参考下面的曲线,原理上应该不难理解。

天博体育光模块封装工艺简介(图15)

  第二种是将老化筛选后的该批次产品进行加速寿命测试,例如高温工作运行(HTOL),重点关注寿命测试前期是否有新的产品失效,它的基本思想和第一种方法是一样的,只是这种方法不会给客户带来麻烦。

  第三种是将老化筛选后的该批次产品再进行一段时间的老化筛选测试,重点关注新增的老化筛选测试种是否有新的产品失效,老化条件对应的寿命加速因子比较大,因此相比于第二种方法,这个方法的时间效率高。

天博体育光模块封装工艺简介(图16)

  以上三种方法本质上都是将筛选后的产品再运行一段时间,“让飞一会儿”,来评估老化条件有效性。行业内专业人士用Weibull分布方法来评估有效性,但学术色彩很浓重,个人觉得都没有上面这三种方法来的简单粗暴。

  众所周知,筛选测试是只花钱但不产生利润的,有些工艺成熟的半导体芯片已经不做芯片老化了,但是激光器芯片的老化目前是必须要做的。如何降低激光器芯片老化测试的成本呢?除了定期优化老化条件外,我觉得最好的办法是建立有效的良率监控预警体系。目前光通信行业里的激光器已经很少存在明显的寿命类可靠性问题了,往往是由于芯片制程中的波动带来激光器批次质量风险,我们可以通过良率监控预警体系将这些波动识别出来,再对波动批次芯片单独定制老化筛选。

  光模块中,激光器是核心器件;光模块外,光纤则是核心。光纤的纤芯直径很小,单模光纤只有几个um,多模几十um。透镜耦合就是将激光器发出的光耦合到光纤纤芯中。

  光模块中应用到的透镜按材料区分,一般有玻璃、硅、PEI塑料三种,优缺点对比如下表。玻璃透镜是传统工艺中经常用的材料,常用于高端模块;硅透镜价格便宜,这两年发展势头很猛烈,中低端COB、Box封装模块中已经大量应用了;PEI塑料透镜在多模短距模块中应用,最大的特点就是够便宜。

天博体育光模块封装工艺简介(图17)

  从光路结构(透镜个数)上,发射端一般要用到准直、聚焦两个透镜,接收端一般只需要用准直一个透镜。部分厂家会在加入光路调整块,或者在接收端增加聚焦透镜,提升产品性能。TOCan封装使用的是球透镜,一个透镜实现准直和聚焦两个功能。

  上面讲了只是些透镜的基础知识,透镜的设计是门很深的学问,涉及到像差、球差啥的,细节我一点都不懂,优秀的透镜设计可以为耦合工序带来很大的方便。

  透镜耦合由于行业规模(主要原因)和精度要求限制,目前还没有实现完全的自动化。透镜耦合大概分为上料、预耦合、点胶、胶水固化、下料共5个步骤。

  上料就是将透镜安装到耦合设备透镜holder上,透镜holder有吸嘴式和两侧夹持式两种。预耦合时,透镜holder带动透镜找到最佳耦合位置。如何快速寻找到最佳位置呢?每个厂家有各自的算法,基本上都是按照xyz三个自由度移动,有的是看最大光功率点,有的是看光斑形状,速度上有快有慢,基本几分钟内都能够找到这个位置。如果透镜设计比较优秀,在这一步可以节约很多时间。

  点胶前,透镜holder会先将透镜移开,让出点胶位置,一般基底上点UV胶,然后将透镜再放置到最佳耦合位置上。耦合工序对胶量控制要求比较严格,主要是因为接下来的胶水固化过程中,透镜的位置可能会发生移动。有些厂家的产品方案是通过胶水的厚度,来调节透镜高度方向的大小,这类方案对胶水固化中的位移尤为敏感。

  胶水固化,就是对准胶水照紫外UV光,有些厂家是会分多次不同强度照射,称为预固化、完全固化,目的还是为了尽量减小胶水固化中的透镜跑位。至于能不能提前预计出透镜跑位量,在耦合时直接补偿进去呢?这个我不知道,纯属瞎猜的。由于UV胶粘接力有限,对于体型硕大的透镜,在UV胶固化后,会再补些黑胶增强粘接力。

天博体育光模块封装工艺简介(图18)

  这两个耦合方式的区别其实很明显,耦合过程中对激光器或者PD加电的,叫做有源耦合,反之就时无源耦合。

天博体育光模块封装工艺简介(图19)

  有源耦合是光通信行业的主流,优势是有反馈,无论是光功率还是PD的响应电流,在耦合过程中,都能实时地告诉你产品的感受,位置对不对,尺寸合不合适,让你不懵逼。

  无源耦合的优势是耦合设备简单,成本低,难点是在只凭借尺寸信息和标记点来找准位置,要不然直接怼下去,容易把透镜弄坏了。

  从外观上,主要是关注透镜四周的溢胶情况,透镜底部胶水不能有空洞。

  透镜耦合可以认为是一种特殊的贴片,那就能进行剪切力测试。其他方面,我觉得也没有特别的要求了,毕竟透镜这种无源器件的可靠性是远远高于光模块要求的。如果透镜没粘牢固,在光模块使用过程中掉下来了,那我建议可以先给负责该产品的胶水工程师来个N+1。

  对于部分光器件,在完成器件内部组装后,需要对其进行封盖,实现气密性封装。封盖的操作区域其实就是盖板和底座之间的那条缝,所以英文名叫seamsealing。

  气密性封装的材料是无机物,塑料、胶水这些材料是不能做气密性封装的。外观上,常见的气密性封装器件有Box和TOCan两种天博体育,外壳的主要材料是可伐合金(Kovar)和玻璃,玻璃是用来透光的,可伐合金和热膨胀系数和玻璃接近,两者通过焊接实现气密。

  对于Box封装,采用平行封焊设备实现气密封装。目前,平行封焊设备大部分是半自动化的,设备整体上是一个密封的大箱子,里面充有干燥氮气,需要监控内部气体的凝露温度。两侧各有一个小箱子,用于产品物料的出箱入箱,人员通过塑料手套进行盖板上下料,焊接过程是自动完成的。

  平行缝焊是一种电阻焊,利用两个圆锥形滚轮电极压住待封装的金属盖板和管壳上的金属框形成闭合回路,整个回路的高阻点在电极与盖板接触处。电极沿着边缘一边滚动,一边施加脉冲电流,高阻点处产生大量的热,由于热量非常集中,能使盖板与管座焊环的接触处呈熔融状态,凝固后形成一连串的焊点,而焊点能相互交叠,这样就形成了气密性焊缝,达到密封的目的。对Box矩形管座,先焊接好盖板的两条对边后,再将外壳相对电极旋转90°后,在垂直方向上再焊两条对边,这样就形成了外壳的整个封装。

  对于Box封装,采用平行封焊设备实现气密封装。目前,平行封焊设备大部分是半自动化的,设备整体上是一个密封的大箱子,里面充有干燥氮气,需要监控内部气体的凝露温度。两侧各有一个小箱子,用于产品物料的出箱入箱,人员通过塑料手套进行盖板上下料,焊接过程是自动完成的。

  平行缝焊是一种电阻焊,利用两个圆锥形滚轮电极压住待封装的金属盖板和管壳上的金属框形成闭合回路,整个回路的高阻点在电极与盖板接触处。电极沿着边缘一边滚动,一边施加脉冲电流,高阻点处产生大量的热,由于热量非常集中,能使盖板与管座焊环的接触处呈熔融状态,凝固后形成一连串的焊点,而焊点能相互交叠,这样就形成了气密性焊缝,达到密封的目的。对Box矩形管座,先焊接好盖板的两条对边后,再将外壳相对电极旋转90°后,在垂直方向上再焊两条对边,这样就形成了外壳的整个封装。

  储能焊的用于TOcan的气密封装,原理上和平行缝焊类似,也是通过脉冲电流融化缝隙实现气密性焊封。两者区别在于储能焊是一次成型,电极不需要滚动位移,因此储能焊效率高,成本低。

天博体育光模块封装工艺简介(图20)

  除了日常对于设备里干燥空气温度的监控外,最重要的就是封盖后的压氦检漏测试。基本原理和步骤如下:

  首先将产品放在压氦检漏设备的密封罐头里,再充入氦气使内部气压远高于标准大气压。由于氦气是除氢气外,分子量最小最苗条的气体了,如果产品外壳上存在缝隙,氦气分子就很容易从缝隙会进入产品内部。

  然后将产品取出来,放入质谱仪的密封罐头里,抽真空。此时如果产品内部有氦气,就会再次通过外壳缝隙泄漏出来,被质谱仪检测到,给出定量的氦气含量数据。至于质谱仪的原理,我在这边就不展开说了。

  值得注意的是,行业内一般是一组产品一起去做压氦测试,再一起用质谱仪会测量出氦气的含量,行业内一般采用5E-9Pam3/s漏率标准。如果某组产品漏率超标,则说明该组里肯定有不合格品,这种做法类似于新冠核酸检测排查中的混合采样,目的都是为了省钱和提升效率。

天博体育光模块封装工艺简介(图21)

  对于单模类光模块,LC跳线头和OSA之间通过Receptacle进行机械连接。Receptacle可以分为Z环和光纤适配器两个部件。Receptacle和box或者TOcan之间是通过激光调整焊接起来的。光纤适配器内有陶瓷插芯,在焊接前需要将光耦合到纤芯中(接受端类似),“调整”的意思就在于此了。激光调整焊接的英文名叫laserwelding。

  激光调整焊接自动化程度很高,除了上下料需要人工操作,其他步骤基本都能由设备完成。激光调整焊设备从外观上分为2个部分,如下图,左边小的箱子是YAG固体激光器,中间的大箱子核心是一个三枪焊接头,主要由摄像头、透镜、调整台、伺服电机、Receptacle吸嘴夹头构成。YAG激光从三个焊接枪里经过透镜同时聚焦到Receptacle的Z环上,三个焊接枪呈120°对称分布。

  人工上料后,器件上电,一般会氮气喷嘴在器件附近,这样激光高温烫出来的焊点会比较光亮好看,不会氧化发黑,当然为了节约成本也可以不吹氮气,据说不影响焊接可靠性。

  首先设备夹持Receptacle在XY自由度上寻找最佳位置,Z环贴紧器件外壳,三枪各打一个焊点,然后电机带动器件左右各旋转一定角度,再打一个点,这样一圈一共是9个焊点,这些焊点一部分位于Z环上,一部分位于器件壳体上,叫做搭接焊,这样Z环就和模块外壳固定好了。

  接下来,设备夹持光纤适配器在Z自由度上寻找最佳位置,三枪各打一个焊点,然后电机带动器件沿Z轴前后移动一定位置,再打一个点,这样一圈也是9个焊点,这些焊点从Z环表面穿透进入光纤适配器金属部分,因此叫做穿透焊,至此三个自由度都被固定下来。

天博体育光模块封装工艺简介(图22)

  从外观上,可以测量焊点的相关参数,比如焊点直径0.4-0.7mm,焊点熔深0.25-0.5mm。破坏性测试上,一般会测量剪切力,行业内通常的要求是大于30Kg。有些厂家会测量拔脱力,要求大于50Kg。

  激光焊接完成后,产品会做一次温度循环,目的是释放焊接应力。有些厂家还会对比文循前后的光功率变化量,筛选掉变化量较大的产品,这点很重要。

  Box封装的OSA基本上采用软板FPC和PCBA形成电气互联。软板和Box、PCBA之间的焊接有三种方式,原始的手动焊接、经典的热压焊接、新潮的激光焊接。

  光模块内软板的pin比较多,因此原始的手动焊接对操作员的技术要求非常高,即使采用传说中的拖焊技术也很难确保良品率和一致性,避免虚焊、冷焊,所以除非是特殊情况(比如设计方案比较老),行业内基本上已经不用手动焊接了。

  热压焊接,英文名叫Hotbar,顾名思义就是将软板压到Box或者PCBA上,然后加热焊接起来。热压焊是一项古老而经典的技术,效率高,良率也不错,目前行业内主要都是用热压焊来完成软板焊接。

  用什么将软板压到PCBA上呢?答案是一种叫由钼、钛等高电阻合金材料构成的热压头。它的长度比焊垫长一些,这样能确保所有焊点都能够吃到锡,宽度要比焊垫窄一些,这样能留出溢锡空间。

  怎样实现加热呢?其实就是在热压头两端施加脉冲电流,然后高阻材料将电流转化为热量,就这么简单。在热压头上贴有热电偶,用来监控温度,闭环控制脉冲电流大小。

  热压焊设备的图片如下,热压头是核心器件,软板和PCBA夹具构成了上料区域。手动上料后,先在PCBA上刷一层助焊剂或者焊锡膏,然后观察显微镜的图像,拧动底部的调整架来对齐软板和PCBA上的Pin,接下来的事情就交给设备了,热压头的温度是分阶段的,有预热、回焊、冷却三个阶段,完成后还会吹压缩空气加速冷却。一台设备一般有2个上料区,一个上料的同时,另外一个进行焊接,双工作业,差不多10秒就能完成,效率相当高。我最近还看到使用机器视觉的Pin脚对准方案,计算好位移量后,电机调整一步到位。

  激光焊接是最近几年新发展出来的一种技术,目前的行业接受度不高,最大的特点是焊接时不接触焊盘,对高密度pin软板焊接有优势,当然也有缺点,比如激光照射均匀性比较难保证,效率低,成本高。

天博体育光模块封装工艺简介(图23)

  从外观上,可以在显微镜下观察焊点情况,但是虚焊、冷焊往往发生在那些看不到的焊点内部,如果有条件的话,可以做下X光检查,关注下内测的焊接情况。有追求的厂家还会进行Pin与Pin之间的遍历性电阻测试,对发现、定位问题非常有效,当然这个测试比较费钱费时间,一般都是被市场失效逼得没办法才做的。

  热压焊设备在开机后会做热敏纸测试,具体判定标准我不太清楚,大概的目的是要确保热压头的温度一致性。

  破坏性测试上,可以将软板从PCBA上撕下来,在显微镜下观察撕裂面。良好的焊接应当是PCBA的每一个焊垫上都能看到软板残留,就是说软板是被撕破或者撕裂了。如果PCBA焊垫上没有软板残留,就要观察确认焊垫上的焊锡表面应当是不规则的粗糙面,同时软板侧的焊垫上应该有焊锡残留。如果发现软板和PCBA中任何一个的焊锡表面是光滑的亮面,就要判定焊接不合格。撕软板的测试实行起来很简单,建议首件检查时做下。至于焊点切片分析,比较高端,多数都在研发阶段做。

天博体育光模块封装工艺简介(图24)

  最后,软板焊接的失效很多时候都是长期的,也就是产品在市场经过温湿度变化环境后才会逐步暴露出来。虚焊、冷焊引发的产品失效往往还是间歇性的,一时好,一时坏,会引起网络的闪断却很难定位,是一种很让人心烦的失效模式,所以极其不建议使用手动焊接。

天博体育光模块封装工艺简介(图25)

  Box封装就是个矩形金属外壳,历史悠久,Box表面一般会镀金,可分为底座和盖板两部分,芯片、透镜贴在底座里。Box封装目前常见于电信级光模块。

  COB是chiponboard的缩写,是指将TIA、LDD这些裸die芯片直接贴装到PCB的铜箔上,然后金线键合进行电气连接,最后在芯片顶部加盖板或者点胶保护。COB封装是一种新兴技术,大量应用于以太网数据中心光模块。

  TOcan有时候也直接称TO,它来源于半导体行业,全名TransistorOutline,是一种晶体管封装。按照底座的直径尺寸来划分,常见的有TO56、TO42、TO52、TO38几种,更多的是厂家定制的尺寸规格,TO封装常见于SFP小封装光模块中。

  气密封装,顾名思义,就是气体也无法穿透的一种封装,它的目的是为了防止外部的水汽和其他有害气体进入封装内部。气密封装和非气密封装器件在外观上有很明显的区别。

  首先,目前来说,只有陶瓷、玻璃、金属这三类材料能够做气密封装,其他的材料,比如塑料、PCB都只能做非气密封装。

  其次,即使用了上述三种材料,还需要看封装的盖板和底座之间的结合方式,只有采用了平行封焊或者储能焊这两种结合方式的,才是气密封装。如果使用的是其他结合方式,比如点胶,那就还是非气密封装。

  如何判断是否采用了平行封焊或者储能焊呢?可以观察盖板和底座结合处是否覆盖一条亮色的金属(焊接痕迹),如下图。

天博体育光模块封装工艺简介(图26)

  银胶主要有银粉和一些其他填充剂组成,具有较好的导电性和导热性,主要用于贴片工序,采用热固化,固化时间在几个小时。

  黑胶是一种结构胶,主要用于不同材料之间的粘接,比如短距模块中塑料透镜和PCBA之间的粘接,玻璃光学器件和金属底座之间的粘接,使用量比较大,采用热固化,固化时间也是几小时。

  UV胶的最大特点就是使用紫外光照射固化,固化时间很短,只有几分钟,缺点是粘接力弱,一般用于耦合工序中的透镜固定,如果透镜的体积较大,需要使用黑胶补强。


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