光模塊生產(chǎn)工藝的核心環(huán)節(jié)介紹與光模塊清洗

合明科技發(fā)布時(shí)間：2023-11-21 ?? 4079 Tags：光模塊光模塊清洗光電器件

5G通信、人工智能、元宇宙等新技術(shù)的涌現(xiàn)使得光通信行業(yè)快速發(fā)展。光模塊作為光通信設(shè)備中完成光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件，與服務(wù)器暴增的算力和數(shù)據(jù)交互直接配套。因此，能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸、海量數(shù)據(jù)處理等要求的高性能光模塊產(chǎn)品成為數(shù)字化發(fā)展關(guān)鍵基礎(chǔ)。

光模塊中的核心器件是實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的光收發(fā)器件，主要包括光發(fā)射器件 TOSA、光接收器件 ROSA 和通過同軸耦合將 TOSA 和 ROSA 等組件集成的光發(fā)射接收器件 BOSA。當(dāng)前光模塊的技術(shù)壁壘主要就在于光收發(fā)器件的光芯片和封裝技術(shù)這兩個(gè)方面。

光模塊生產(chǎn)工藝的核心環(huán)節(jié)主要包括貼片、引線鍵合、光學(xué)耦合、封裝、焊接、老化測試等

圖光模塊生產(chǎn)工藝主要環(huán)節(jié)

1. 貼片

貼片（Die attach or Die bonding）是指將半導(dǎo)體裸片（die）器件貼在載體（carrier）上。光模塊中的半導(dǎo)體裸片器件主要是光電芯片，其原材料包括GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）、Si（硅基）等；貼片的載體主要包括PCB、可伐合金、陶瓷基板（AlN氮化鋁等）、鎢銅等。

貼片可分為手動(dòng)和自動(dòng)，目前光模塊貼片已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。傳統(tǒng)的貼片工藝是人工涂膠或使用點(diǎn)膠機(jī)通過空氣擠壓出的膠水將芯片固定在 PCB 板上，但光芯片的貼片要求比電芯片的貼片要求精度更高，傳統(tǒng)貼片無法達(dá)到精準(zhǔn)控制膠量大小、上膠速度和位置等嚴(yán)格要求，因此高精度貼片機(jī)就顯得尤為重要，而且隨著 400G、800G 等高速光模塊的快速發(fā)展，高精度貼片機(jī)的需求也愈加旺盛。當(dāng)前高精度貼片機(jī)市場主要依賴進(jìn)口，國產(chǎn)替代空間廣闊。

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另外，貼片主要通過共晶焊和導(dǎo)電膠完成固定。共晶焊料一般使用金錫焊料，雖然導(dǎo)電性和可靠性更好，但價(jià)格昂貴、效率較低，多用于激光器芯片貼裝；導(dǎo)電膠一般用銀膠，電阻大，但成本低、工藝簡單、適用范圍更廣。此外，還有紫外UV固化膠可用于一些電芯片的貼裝。

2. 引線鍵合

引線鍵合（Wire-Bonding）是指芯片貼裝完成后，用金屬引線將芯片的壓焊位連接在印制電路板的焊盤上，形成可靠的電氣鍵合，俗稱打線。引線鍵合按照鍵合能量可分為熱壓鍵合、超聲鍵合、以及二者結(jié)合的熱超聲鍵合；按照鍵合線的材料分為金絲、鋁絲、銅絲。光通信行業(yè)一般采用金絲熱超聲鍵合，因?yàn)楣怆娦酒谋砻嫫毡闀?huì)鍍金，金的高頻性能好，而熱超聲鍵合的溫度較低、速度快，可靠性更好。

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在引線鍵合的過程中，根據(jù)劈刀和焊點(diǎn)形狀可分為球焊和楔焊。球焊使用毛細(xì)管劈刀，可形成球狀焊點(diǎn)，與焊盤接觸面積大，可靠性好，速度快，使用場景最廣；楔焊使用楔形劈刀，可形成方形焊點(diǎn)，與焊盤接觸面積小，可靠性較差，速度較慢，一般只用于高頻信號(hào)焊盤之間的引線鍵合。

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3. 光學(xué)耦合

耦合是光模塊封裝中工時(shí)最長、最容易產(chǎn)生不良品的步驟。光模塊實(shí)現(xiàn)光電和電光轉(zhuǎn)換，因此一端是電口，連接網(wǎng)線/交換機(jī)，另一端是光口，連接光纖。光纖導(dǎo)光的物理基礎(chǔ)是入射光在光纖內(nèi)部發(fā)生全反射，光學(xué)耦合的目的就是將光高效、高質(zhì)地耦合進(jìn)入光纖。

根據(jù)光纖的不同，可以把光模塊分為單模和多模，這兩種光模塊內(nèi)部的光學(xué)耦合差別較大。多模光纖（MMF）的纖芯直徑通常為 50/125μm 或 62.5/125μm，普遍采用面發(fā)射激光器 VCSEL，經(jīng)反射鏡耦合進(jìn)入多模光纖中，光路簡單、容差大、工藝相對簡單。而單模光纖（SMF）單模光纖纖芯直徑比多模光纖小，通常為 9μm，耦合較為復(fù)雜，需要透鏡進(jìn)行聚焦耦合。透鏡耦合大概分為上料、預(yù)耦合、點(diǎn)膠、膠水固化、下料5個(gè)步驟。

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光模塊中用到的透鏡按形狀可分為球面和非球面，按材質(zhì)主要有玻璃、硅、塑料等，優(yōu)缺點(diǎn)對比如下表。玻璃透鏡是傳統(tǒng)工藝中經(jīng)常用的材料，價(jià)格較貴，常用于高端模塊；硅透鏡價(jià)格便宜，目前已大量應(yīng)用于中低端COB、Box封裝模塊中；光學(xué)塑料透鏡常用PEI塑料，價(jià)格便宜，可應(yīng)用于多模短距模塊中。

4. 外殼封裝

完成光路耦合后，光模塊已形成雛形，下一步的外殼封裝將使之完整。封裝通常分氣密性封裝和非氣密性封裝。氣密性封裝目的是為了防止外部的水汽和其他有害氣體進(jìn)入密封光器件內(nèi)部，影響光芯片和相關(guān)零組件的性能。為了實(shí)現(xiàn)封裝的可靠密封，封裝外殼上電通路所使用的電介質(zhì)一般為非有機(jī)材料，如玻璃或者陶瓷。

氣密性封裝的方式主要有To-can、BOX （盒式）、蝶形封裝，主要應(yīng)用在工作環(huán)境復(fù)雜，對可靠性要求高的電信市場或者DCI市場（數(shù)據(jù)中心長距離傳輸）。非氣密性封裝主要是COB（板上芯片封裝）封裝技術(shù)，多用于數(shù)據(jù)中心光模塊。

To-Can同軸封裝成本低廉、生產(chǎn)制造簡單，但體積較小導(dǎo)致散熱不佳使其不適用于長距離傳輸，主要應(yīng)用于基站、PON等單通道的傳輸距離和傳輸速率要求低一點(diǎn)的市場，如2.5Gbit/s和10Gbits/s等短距離傳輸。儲(chǔ)能焊設(shè)備可用于To-Can氣密性封裝。

BOX/蝶形通常為長方體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有可實(shí)現(xiàn)多種功能、散熱好等優(yōu)點(diǎn)，適用于長距離多種速率傳輸，主要應(yīng)用于傳輸網(wǎng)、多通道居多，傳輸速率高，傳輸距離長，對可靠性要求高，包括40G/100G/200G/400G及相應(yīng)速率的相干光模塊；BOX封裝為蝶形封裝的多通道升級(jí)版，適用于40G及以上速率的高速光模塊，隨著400G、800G時(shí)代的到來，將對并行光學(xué)設(shè)計(jì)提出更高的要求。采用平行封焊設(shè)備可實(shí)現(xiàn)Box氣密封裝。

COB封裝也是板上芯片封裝、有線印制板封裝，是直接在印制電路板上安裝裸芯片，用金線或銅線將芯片引腳與印制電路板的接觸點(diǎn)連接起來的封裝工藝。COB封裝可以將芯片封裝在極小的體積內(nèi)，不需要外殼或支架等附加配件，具有尺寸小、重量輕、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于微型電子設(shè)備和便攜式電子產(chǎn)品中。

5. 焊接

光模塊中焊接工藝包括激光焊接、熱壓焊接（hot bar）、烙鐵焊接、熱風(fēng)焊接、回流焊接、波峰焊接、電子壓焊等。氣密密封焊接需要在填充惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行，通常采用的惰性氣體是純氮?dú)饣驓鍤狻?nbsp;

單模類的光模塊一般使用激光調(diào)整焊接（laser welding）將Receptacle和Box或TO-can焊接起來，這種焊接工藝自動(dòng)化程度較高，除了上下料需要人工操作外其他步驟基本可以由激光調(diào)整焊設(shè)備完成。

多模光模塊集成度高，大量使用FPC軟板，焊接需使FPC軟板和PCBA板形成電氣互聯(lián)。目前行業(yè)內(nèi)主要用熱壓焊來完成軟板焊接，有相應(yīng)的熱壓焊設(shè)備，效率和良率都較高；激光焊接是近幾年的新技術(shù)，目前的行業(yè)接受度不高，最大的特點(diǎn)是焊接時(shí)不接觸焊盤，對高密度pin軟板焊接有優(yōu)勢，但也有難保證激光照射均勻性，效率低，成本高等缺點(diǎn)。

圖光模塊軟板焊接

6. 老化測試

老化（burn in），也可以稱為老煉，是一種篩選測試，按照MIL-STD-883的定義，其目的是為了篩選或者剔除本身具有固有缺陷，或其制造工藝控制不當(dāng)產(chǎn)生缺陷的器件。這些缺陷會(huì)造成與時(shí)間和應(yīng)力相關(guān)的失效，如果不進(jìn)行老化篩選，有缺陷的器件在使用條件下會(huì)出現(xiàn)初期致命失效或早期壽命失效。

光模塊內(nèi)部的激光器由于結(jié)構(gòu)和制程工藝復(fù)雜，需要進(jìn)行老化，其他光電器件除APD外，不需要進(jìn)行老化。在目前大部分光模塊廠家的生產(chǎn)工序中，一般有兩道針對激光器的burn in篩選測試。

第一道是激光器的管芯級(jí)，是在激光器完成必要的生產(chǎn)步驟，如外延生長、刻蝕、外觀檢查后，裝載到專用的老化夾具上進(jìn)行，有比較成熟的商業(yè)化設(shè)備，國外廠家有ILX Lightwave、Chroma，國內(nèi)廠家有蘇州聯(lián)訊（Stelight）、上海菲萊（Feedlight）。根據(jù)不同測試方案，可以區(qū)分為在線測試?yán)匣头至y試?yán)匣?。在線測試?yán)匣梢猿掷m(xù)記錄BI過程中的激光器數(shù)據(jù)，但是測試成本高，一般用于設(shè)計(jì)階段的少量樣品驗(yàn)證測試。分立測試?yán)匣窃诶匣_始和結(jié)束時(shí)分別記錄激光器數(shù)據(jù)，測試成本低，一般用于批量化生產(chǎn)。

第二道是光模塊級(jí)，是在激光器組裝到光模塊內(nèi)后，通過測試夾具進(jìn)行的，目前尚沒有商業(yè)化設(shè)備，多數(shù)光模塊廠商使用自研設(shè)備進(jìn)行測試。在測試方案上，在線測試和分立測試都有，一般根據(jù)模塊的DDM進(jìn)行激光器參數(shù)記錄，因此從成本上并無太大差異。

從生產(chǎn)和成本管控角度上看，第一道管芯級(jí)激光器burn in篩選測試應(yīng)力大，目的是盡可能地篩選出早期失效產(chǎn)品，第二道模塊級(jí)burn in測試更多地只是對第一道測試的補(bǔ)充。

光模塊清洗

為應(yīng)對能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化等問題，世界各國均在大力發(fā)展新能源汽車、高壓直流輸電等新興應(yīng)用，促進(jìn)了大功率電力電子變流裝置的廣泛應(yīng)用。大功率變流裝置的可靠性對這些應(yīng)用而言十分重要。裝置的可靠性與其核心器件IGBT密切相關(guān)。

目前，大量的IGBT仍在采用傳統(tǒng)的正溴丙烷等溶劑清洗清洗，隨著對環(huán)保的管控和對產(chǎn)品可靠性的要求不斷提高，原有的傳統(tǒng)溶劑清洗已不能滿足IGBT清洗。對此，合明提出新型的IGBT清洗方案。

合明科技半水基清洗工藝解決方案，采用合明科技專利配方，可在清洗IGBT凹槽內(nèi)存在大量的錫膏殘留的同時(shí)去除金屬界面高溫氧化膜，更含有保護(hù)芯片獨(dú)特的材料；配方材料親水性強(qiáng)，清洗后易于用水漂洗干凈。

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