用于光电器件的新型组装和封装技术从现有的电子生产工艺受益匪浅，有望研制出低成本、高精度的单模光学元件。
    作者: Al Benzoni Teresa Engelhard 译者：吴健

    用光电器件表面贴装工艺生产的光学器件看起来更像是半导体产品，而不像是光学产品。这一点并不意外。Xponent公司最近发展的光学组装和封装工艺，它完全是针对可制造性进行设计这个目标，因而可以用低成本的工艺来组装尖端的光学元件，就像组装电子设备似的。在生产过程中，表面贴装光电元件（SMP）需要三个步骤进行生产和组装，每一个步骤都利用了最先由半导体工业发展起来的、已经得到证明的工艺流程。这些生产步骤包括芯片生产，光学组装，以及封装。

    芯片生产

    在生产的第一个步骤中，把标准设备 ── 例如边沿辐射激光器（如法布里 ── 伯罗和分布反馈设备），p-i-n探测器，薄膜滤波器 ── 加以修改，并使用晶圆级生产工艺（例如光刻、高精度蚀刻，以及沉积等）来生产SMP芯片。在SMP芯片的生产过程中，用亚微米半导体晶圆工艺生产，一下子进行几次精确的定位，把几千个耦合元件用到晶圆上，这样在以后的组装过程中，就可以用简单但低精度的组装方法。例如表面贴装光电激光器的表面是在蚀刻晶圆上，并在晶圆上覆盖一层材料。接着，仍然在晶圆上，我们将一个表面贴装耦合器（SMC）覆盖在激光表面的前面。SMC能够有效地将激光器发出来的光耦合进一个位于平面光路（PLC）中匹配的单模波导中，其损耗小于0.3dB，并且将定位的容差放松了10倍左右，即从原来的±0.2μm放宽到±2μm。

图1 图中一个三次复用集成器件──用于
双向无源光网络──刚刚用一台低熔点压
焊机组装而成。所有的6个芯片—— 一个
激光器，一个监控光电二极管，一个接收
视频的光电二极管，一个接收数据的光电
二极管，以及两根光纤 ── 都通过连接
波导和电气焊盘焊接到一个PLC基片上。
在贴装过程中，所有机械和光学粘贴，校
准，电气连接以及散热元件都用一个低成
本的工艺完成。

    所有的有源SMP器件，如激光器和探测器，都是功能完整的元件，可以在晶圆上直接进行测试，不需要进行芯片级的测试，也不需要进行中间封装。好的 SMP裸片是用电子的方法移到晶圆上，接着进行检查，然后把它们切开。已知是好的裸片放在凝胶容器中，准备放到压焊机上进行倒装芯片组装。

光学集成器件

    在做好芯片之后，把SMP芯片贴到PLC基片上，基片上有一个用于进行连接的波导，从而形成一个光学集成器件。从压焊机的角度来看，所有的SMP 芯片都是一样的。对SMP芯片（例如激光器、滤波器、探测器等等）来说，有利于生产的设计的标准之一是贴到PLC上的临界定位窗口是±2μm，这样不需要通电就可以进行光学定位。和大多数典型的单模光学器件不一样，这些器件不需要通电，不必在通电的情况下进行监测以保证精确地定位。

    此外，和标准的自由空间光学集成器件不一样，SMP光学链完全包含在芯片组内而不通过任何自由空间。因此，这样的光学集成器件不需要放在密封封装内，这可以明显地降低成本。器件是设计成对周围的环境的变化不敏感，只需要涂敷一层密封剂就可以保护集成器件。

    用于表面贴装光电技术的激光器上面有p和n接点，它们在同一面，接点通过压焊的方法焊到PLC上的焊盘上。散热片下面将会详细讨论棗也是在压焊这一步中装上的。这样，仅仅这一低成本的压焊工艺就完成了包括光学和机械粘贴定位、电气连接，以及散热在内的所有工序。

    最后的封装

    在最后一步中，我们将SMP集成器件封装起来，封装外壳上有一个光纤接口（引出线或者插座）和电极。正如前面所提到的，SMP集成器件不需要密封封装。因此，只需要用一个低成本的注模塑料封装。高精度的塑料封装在设计方面可以做到让光纤和引线框架对准，从而简化了装配工作。PLC上的波导端子与光纤芯子是同一种模式的，它接到一个V形槽，光纤就装在这个V形槽中。在最后的封装过程中，光纤头放在V形槽中，在20μm 的范围内对准。我们在光纤头和波导边沿之间用一个型号匹配的环氧环进行连接，以完成光学链（见图2）。

图2 图中是使用插座的SMP光学
封装的横截面。在最后的封装过
程中，PLC波导由一个无源的V型
槽和光纤对准。精确的塑料外壳
设计便于组装。

    连接线的压焊、芯片的倒装压焊、、以及环氧树脂点滴和固化都是在封装这一步进行的工艺。所有这些步骤是用低精度的标准电子组装设备来完成，不需要任何专门用于光学器件的传统组装设备和封装设备。

    传统的组装和和封装技术

    我们在这里介绍的SMP的组装和封装工艺流程比通常用于单模激光器的工艺流程简单的多。一个典型的边沿辐射激光器的表面由许多从晶圆分割而成的小条子组成。表面镀膜和测试通常在小条上进行。在多数情况下，芯片需要经过一个临时性的中间封装过程，在最后的封装之前将它们放在支架上进行测试和老化。

    一旦传统的单模激光器芯片放在支架上，定位好的容差必须在一个微米以内，以保证激光能通过不同的类型的透镜元件进入光纤。要达到这样小的定位差，就需要使用一个有源的激光焊接机，首先让激光器接上电源，然后测量耦合的信号，进行调节、对正、优化耦合效率，最后才进行焊接。许多集成器件需要退火，以便在焊接之后对偏移进行校正。
由于信号要在自由空间中传播，而且激光器表面是暴露在周围的环境中，所以需要一个密封封装盒以保护光学信号链。密封封装在组装时需要抽真空、烘焙、充入探漏惰性气体、焊接及封口，对整个器件进行精密的渗漏探测等等。除这些工艺外，密封封装本身往往就很昂贵。它们一般是膨胀得到控制的合金，在表面镀了一层金，而引线则从玻璃中穿过去。

    温度性能

    表面贴装光电元件的结构设计和光学设计在热性能方面也有一些优点。激光器产生的热量必须有一个有效的散热途径把热量送到封装盒的外部。对于SMP激光器来说，激光器的有源部份是直接压焊在硅片上（图3）。

图3 散热效率很高的SMP有源器件
的封装设计。

    硅的热导是168 W/mK，硅本身就是一个散热器，它把热量从有源部分传出来。然后，热量通过一个运载基片传出去。塑料封装盒上开一个口子，基片通过这个开口暴露在外面，提供一个直接散热的途径。另一个可以提高SMP集成器件温度性能的地方是通过蚀刻技术形成的表面。表面蚀刻能够实现激光腔尺寸的优化。一个特别的优点是能获得比通常通过劈裂过程形成的更小的腔，这因而在速度、温度和功率性能优化方面具有更大的灵活性（见图4）。

图4 一个1310nm的LC插座型TOSA封装
内的SMP法布里-伯罗激光器在2.5Gbit/s
速率时的温度性能。结果表明在在壳温为
110℃时眼睛有15%的覆盖边缘，而在95℃
时的阈值电流为15mA。

    可靠性

    最后，人们关心和努力去做的方面是可靠性。任何新的组装和封装工艺在被工业生产接受之前都必须通过这一关。SMP工艺的许多方面对于可靠性是有利的。首先是定位容差的全面增加以及耦合长度的减少。在一个组装技术中，±2μm的定位精度结合减小了的光机械杠杆效应，使其从根本上比要求亚微定位精度的组装技术更可以让人接受。越是要求精确定位的组装技术越是容易受到机械冲击、机械振动、老化以及温度周期变化等外界环境的不利影响。

    第二，芯片级的SMP激光器工艺对于可靠性也是有利的。表面贴装耦合器的沉积间接地有利于钝化和表面的保护。露出来的面在与周围环境的强场相互作用的过程中，它的性能会下降，会导致电化腐蚀和电迁移。在SMP激光器芯片的表面覆盖着一层相当于保护膜的电介质。光学链不会暴露在周围环境中，对于整个SMP集成器来说，这是非常有利的，特别是对于激光器。

    第三，非密封封装除了可以减少了生产成本外，同时还对器件的可靠性有间接的益处。因为不需要采取措施防止泄漏，也就不存在那些由于漏气而变成不合格的模块。在一个碟形封装中，在引出端和外壳之间有十多个连接点，这些都会因为泄漏而成为不合格的产品。表面贴装光电技术早期的可靠性测试可以证明它的确有这些优点。在几千小时的测试过程中，SMP法布里-伯罗激光器和p-i-n二极管都显示出非常好的稳定性。到目前为止，激光器已经实际运行了 380,000小时，在大多数器件工作在最大额定电流、在温度达到100℃的情况下，并没有发现任何不合格的激光器。表面贴装光电二极管已经完成了包括在 175℃ 条件下、5000小时的加速老化在内的所有Telcordia GR468测试，证明是合格的。

    在整个产业界，传统的光学组装和封装技术的成本是很高的。由于这个原因，和时间消耗性的连续流程以及昂贵的全光设备有关的企业费用已经从多个角度被考虑，其最终的目的是尽可能多地不用全光工艺。近乎所有的光学设备的最终产品都接近半导体产品，所以，光学组装和封装技术与现有的低成本的电子组装与封装技术的结合起来，会减少光学器件的成本，同时带动整个供应链节省成本。

    作者简介
    Al Benzoni和Teresa Engelhard分别是Xponent光电技术公司工程部和市场部副总裁 (蒙罗维亚，加利福尼亚) ；
    电邮地址：tengelhard@xponentinc.com.

    参考文献
1. D. Vernooy et al, IEEE Photon. Tech. Lett. 16 (1) (January 2004).
2. See laser welding process and cycletime deScription AMS4200 Laser Welding Workstation, Newport, www.newport.com.

最新供应

最新求购