8/13/2021，光纖在線訊，1.引言

       光模塊按照部件可以分為芯片、光器件、光模塊三個(gè)層級(jí);按照應(yīng)用領(lǐng)域大概可分為電信應(yīng)用、數(shù)通應(yīng)用兩個(gè)領(lǐng)域;按照內(nèi)部器件的封裝工藝可分為TO、Box、COB三大類。 但是，無論是哪種類型的光模塊，其生產(chǎn)工藝基本上可以分為封裝、測試兩大塊。

  那什么叫做器件封裝呢?我的理解器件封裝就是利用膠水、焊料、機(jī)械、熱量等手段把器件按照一定的先后次序結(jié)合形成一個(gè)整體的過程，就好像早上吃的煎餅，把面粉、雞蛋、脆餅、烤腸、蔥花等這些“器件”，按照一定的順序，通過食用油、甜面醬、加熱、卷起來等手段結(jié)合到一起，形成了美味的煎餅。在煎餅制作之前，蛋就是蛋，面就是面，但是在煎餅完成制作后，蛋和面形成了一個(gè)整體，不能再區(qū)分。

  那什么叫器件測試呢?其實(shí)就是評(píng)估封裝好的器件性能，嘗一口煎餅，看看是太咸了，還是太甜了。當(dāng)然實(shí)際的器件測試遠(yuǎn)比這個(gè)要復(fù)雜，不過好在本文只談工藝，不談測試。

  下面的圖片給出了光模塊生產(chǎn)工藝的幾個(gè)關(guān)鍵工序，其中貼片、打線、芯片老化這3個(gè)工序在半導(dǎo)體芯片后段制程中也有，網(wǎng)上能找到非常多的資料，后面4個(gè)則是由光學(xué)特性帶來的，資料相對(duì)來說少些。

圖1 光模塊生產(chǎn)工藝的幾個(gè)關(guān)鍵工序

2.1貼片簡介
  貼片，顧名思義，就是將片狀的器件貼到某個(gè)地方。片狀器件有光電芯片，比如激光器、光電二極管(PD/APD)、激光器驅(qū)動(dòng)電芯片之類的。它們從大類上都屬于半導(dǎo)體裸片器件，裸片的英文名叫做die，因此貼片在行業(yè)內(nèi)也被稱作die attach或die bonding。器件被貼到的地方叫做載體，英文名叫carrier，光器件貼片的載體比較多，比如PCBA的裸銅、可伐合金、AlN氮化鋁陶瓷基板、鎢銅等。數(shù)通領(lǐng)域大名鼎鼎的COB(chip on broad)封裝就是使用PCBA的裸銅作為載體。

  貼片可以分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，手動(dòng)貼片是上世紀(jì)的工藝，目前行業(yè)內(nèi)的貼片都已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化了。一般貼電芯片的精度低些，貼光芯片的精度高些。
      如果我們湊近去看貼片機(jī)的內(nèi)部，能看得到的有上料盒、吸嘴、點(diǎn)膠裝置、攝像頭、照明燈，另外就是一大堆的傳動(dòng)馬達(dá)機(jī)械裝置了。


      貼片的過程充滿了科技感，有種看CCTV新聞聯(lián)播的感覺在，整體過程分為上料、轉(zhuǎn)運(yùn)、貼裝、下料4個(gè)步驟。

  上料盒一般有Blue tape藍(lán)膜盒(上面一般粘LD、PD以及微小載體)、Waffle-PACK(有一個(gè)個(gè)凹陷的方格子，一般是TIA、Driver電芯片的來料包裝)和GEL-PACK自吸盒(上面一般粘LD、PD以及微小載體)3種。由于貼片設(shè)備上料槽位規(guī)格的限制，有時(shí)候需要將物料從來料包裝轉(zhuǎn)移到上料盒中，在大批量生產(chǎn)時(shí)應(yīng)該采用專用自動(dòng)化設(shè)備來完成轉(zhuǎn)移，但不少廠家還是會(huì)手動(dòng)用鑷子夾取，鑷子容易劃傷、夾崩芯片， 質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)很大。至于增加外觀目檢、規(guī)范鑷子夾持的手法，這些雖然可以降低風(fēng)險(xiǎn)，但終究是治標(biāo)不治本，尤其是規(guī)范鑷子夾持手法，反正我是不相信有效的。


吸嘴要根據(jù)芯片尺寸來定制，負(fù)責(zé)從上料盒中吸取芯片后搬運(yùn)到指定位置，點(diǎn)膠頭在載體上擠出一坨膠水，然后吸嘴扶著芯片對(duì)準(zhǔn)位置，啪的往下一懟，就完成了。有的工藝路線中，會(huì)先把芯片轉(zhuǎn)移到中轉(zhuǎn)平臺(tái)上，提前預(yù)熱芯片或者是調(diào)整芯片的位置，然后再進(jìn)行貼裝。

  傳統(tǒng)的工藝是用點(diǎn)膠機(jī)通過空氣壓力擠出膠水，膠量大小精度比較難控制，載體上面寸土寸金，膠量多了就會(huì)影響到別的器件。為了克服這個(gè)問題，產(chǎn)生了另一種工藝路線，不用點(diǎn)膠機(jī)，將膠棒或者芯片底部放到膠池里蘸一下，再貼到載體上，但是這個(gè)工藝也存在一個(gè)問題，就是膠棒或者芯片從膠池移動(dòng)到載體的過程中，如果移動(dòng)速度過快，容易將膠水甩到別的地方，造成污染甚至短路。

  攝像頭和照明燈的作用是為了讓給芯片找到貼片位置，高精度的貼片都是采用機(jī)器視覺結(jié)合載體上的mark點(diǎn)進(jìn)行定位的。

  所以，貼片的工藝要求是很高的，膠量要控制住，速度要控制住，位置更要控制住，真的挺難的。核心競爭力是驚人的控制力，該快的時(shí)候快，該慢的時(shí)候慢，該對(duì)準(zhǔn)的時(shí)候?qū)��?zhǔn)，該出膠的時(shí)候出膠，膠的位置還得控制準(zhǔn)確，不能甩到別的地方。

2.2導(dǎo)電銀漿和共晶焊
  在光通信行業(yè)，最常見的貼片粘接方式有共晶焊、導(dǎo)電銀漿兩種。

  導(dǎo)電銀漿也被叫做銀膠，工藝簡單、成本低、使用范圍最大，比如低速模塊里的光芯片、面積比較大的TIA/Driver電芯片基本上都是用的銀膠粘接。銀膠工藝的一個(gè)特點(diǎn)就是快，TO同軸封裝的自動(dòng)貼片機(jī)速度尤其快，半秒貼一個(gè)。貼完片后需要加熱使銀膠固化，溫度在100℃左右，固化時(shí)間幾個(gè)小時(shí)，批量放進(jìn)溫箱固化，效率非常高。

  共晶焊要提前將焊料弄到載體上，所以貼片過程中是看不到點(diǎn)膠動(dòng)作的。

  常用的是金錫焊料Au80Sn20(重量比80:20)，厚度在3-5um，怎么把焊料弄到載體上呢?一般采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，光聽這個(gè)名字，應(yīng)該就能猜到共晶焊的最大特點(diǎn)是“貴”!

  另外共晶焊過程中需要對(duì)焊料進(jìn)行加熱，冷卻過程中金和錫兩種金屬在同一個(gè)溫度(278℃)結(jié)晶，這就是共晶焊的由來，具體的知識(shí)可以自行搜索“金錫二元相圖”，我在這邊就不詳細(xì)展開了。共晶焊要加熱要降溫，整個(gè)過程大概要十幾秒，非常耗時(shí)間。

  共晶焊有這么多缺點(diǎn)，那為什么還要用它呢?我們知道，隨著傳輸速率提高，器件對(duì)散熱和高頻信號(hào)衰減的要求也越來越高，導(dǎo)電銀漿電阻大，會(huì)對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生衰減，而金錫共晶焊是純金屬材料，電阻很小;共晶焊的導(dǎo)熱性也優(yōu)于導(dǎo)電銀漿，剪切力可靠性也更好些。這些優(yōu)點(diǎn)使共晶焊有了用武之地，目前行業(yè)內(nèi)25G速率及以上的DFB激光器都是使用共晶焊工藝貼裝的，其實(shí)看下來也能就在貼裝激光器上用一用吧，畢竟效率太低了。

  兩者的具體區(qū)別我放到下表中了，供大家參考


2.3貼片的可靠性[b]

  如何來評(píng)估貼片的可靠性?

  從外觀上，一般會(huì)在顯微鏡下觀察溢膠情況，比如要求至少有三邊溢膠。暴力的評(píng)價(jià)手段是用專用設(shè)備上的劈刀直接在芯片側(cè)面施加推力，測量將芯片推下來需要的最小用力，同時(shí)觀察載體上的芯片殘留情況，叫做剪切力測試，標(biāo)準(zhǔn)方面行業(yè)內(nèi)一般參考美軍標(biāo)MIL-STD-883 Method 2019 (DIE SHEAR STRENGTH)。剪切力的測量設(shè)備我知道的就只有Nordson DAGE這款，似乎已經(jīng)形成壟斷了，下圖是剪切力測試的示意圖和Nordson DAGE設(shè)備的靚照。


如果貼片沒貼好，會(huì)發(fā)生什么問題呢?我想大概率是芯片直接掉下來吧。因?yàn)橘N裝的芯片基本都是發(fā)熱大戶，像是激光器芯片的電光轉(zhuǎn)換率只有30%左右，絕大部分的能量都變成了熱量，所以如果貼片有問題，大概率上芯片因?yàn)樯�熱不良直接給燙死了。

[b]3.打線

 3.1打線簡介

  引線鍵合，俗稱打線，英文名wire bonding，是金屬線在熱、壓力、超聲等能量結(jié)合下的一種電子內(nèi)互聯(lián)技術(shù)。引線鍵合是一種固態(tài)焊接工藝，鍵合過程中兩種金屬材料(金屬線及焊盤)形成緊密接觸，兩種金屬原子發(fā)生電子共享或原子相互擴(kuò)散，從而使兩種金屬間實(shí)現(xiàn)原子量級(jí)上的鍵合。


      打線按照鍵合能量可以分為熱壓鍵合、超聲鍵合、熱超聲鍵合三種，按照鍵合線的材料分為金絲、鋁絲、銅絲三種。光通信行業(yè)一般只用金絲熱超聲鍵合這一種，這是因?yàn)楣怆娦酒�的表面普遍都�?huì)鍍金，金的高頻性能好，而熱超聲鍵合的溫度比較低而且速度很快，可靠性更好。


      引線鍵合既要加熱又要給超聲波，所以肯定是要用鍵合設(shè)備的。除了顯示器、顯微鏡和一堆電動(dòng)馬達(dá)裝置外，最核心的部件就是一種叫做劈刀的東西，它負(fù)責(zé)對(duì)金線進(jìn)行放電整形，牽引并形成焊接點(diǎn)。

  引線鍵合的步驟可以大概分為幾個(gè)步驟，第一步設(shè)備對(duì)焊盤區(qū)域預(yù)加熱，第二步劈刀通過離子化空氣間隙打火 (Electronic Flame-off，EFO)將金線末端融化形成一個(gè)金球，第三步劈刀下壓到焊盤上形成第一焊點(diǎn)(通常在芯片表面)，第四步劈刀牽引金線形成線弧，第五步劈刀再次下壓到焊盤形成第二焊點(diǎn)(通常在引線框架或者基板上)，并折斷金線。更多視頻可以點(diǎn)擊B站視頻https://www.bilibili.com/video/av71868856/


3.2球焊和楔焊

  根據(jù)劈刀和焊點(diǎn)形狀的不同，又可以分為球焊和楔焊兩種。球焊用的是毛細(xì)管劈刀，顧名思義，焊點(diǎn)是一個(gè)球狀，焊盤接觸面積大，可靠性好，而且打線速度非常快，使用場景最多;楔焊用的是楔形劈刀，焊點(diǎn)是方形的，焊盤接觸面積小，可靠性差，打線速度慢，一般只用于高頻信號(hào)焊盤之間的打線。


 3.3等離子體清洗

  正如前文所說，打線利用的原子和原子之間的結(jié)合，原子之間如果存在其他物質(zhì)，就會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)合質(zhì)量。有過補(bǔ)輪胎經(jīng)驗(yàn)的朋友應(yīng)該知道，在刷膠水之前，師傅一般會(huì)用銼刀把輪胎漏氣部分的塑料表面給磨掉，目的是去除掉比較臟的表面部分，確保膠水的粘接力。類似的，在打線前，會(huì)對(duì)器件進(jìn)行等離子體清洗，確保焊盤優(yōu)秀的可焊性。

  等離子體是由正離子、負(fù)離子和自由電子等帶電粒子和不帶電的中性粒子如激發(fā)態(tài)分子以及自由基組成的部分電離的氣體，由于其正負(fù)電荷總是相等的，所以稱為等離子體，是物質(zhì)常見的固體、液體、氣態(tài)以外的第四態(tài)。氣體被激發(fā)成等離子態(tài)有多種方式，如激光、微波、電暈放電、熱電離和弧光放電等。在電子清洗中，主要是低壓氣體輝光等離子體。一些非聚合性無機(jī)氣體(Ar2、N2、H2和02等)在高頻低壓下被激發(fā)，產(chǎn)生含有離子、激發(fā)態(tài)分子和自由基等多種活性粒子。一般在等離子清洗中，可把活化氣體分為兩類：一類為惰性氣體的等離子體(如Ar2和N2等);另一類為反應(yīng)性氣體的等離子體(如02和H2等)。光通信行業(yè)基本用惰性氣體(如果我沒記錯(cuò)的話)。

  等離子體清洗機(jī)的模樣見下圖，觀察窗的顏色很有科技感，這是用來屏蔽工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生紫外線。等離子體清洗的大概原理就是用這些活性粒子(圖中藍(lán)色球)和焊盤表面的碳?xì)溆袡C(jī)物質(zhì)(圖中黑色球)反應(yīng)，以水汽和CO2的形式脫離表面。水汽和CO2無毒無害，不需要做廢氣處理，這也是等離子體清洗的優(yōu)勢之一。


 如何評(píng)價(jià)等離子體清洗的效果呢?一般在焊盤表面滴水，然后測量水滴和焊盤之間的夾角，水滴角越小(<40度)，說明焊盤活性好，可焊性越好，這和SMT焊接里的焊點(diǎn)潤濕角類似。需要注意的是，等離子體清洗結(jié)束到打線之間的時(shí)間窗口是有限制的，有研究表明最好是小于4小時(shí)，否則焊盤表面的活性就會(huì)下降，相當(dāng)于等離子體清洗白洗了。


 3.4 打線的可靠性

  如何來評(píng)估打線的可靠性?

  破壞性測試參考美軍標(biāo)MIL-STD-883 Method 2011 Destructive bond pull test和EIA JESD22-B116-1998 Wire Bond Shear Test Method。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容很長，具體的參數(shù)在本文中寫不下來，bond pull test的意思就是要用鉤子把金線拉斷，ball shear test的意思就是用劈刀把金球從焊盤上給推下來。光模塊廠家在產(chǎn)線開班前或者首件制造完成后，會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行這2個(gè)測試，以確保當(dāng)天的打線設(shè)備處于正常狀態(tài)。


      外觀目檢上，可以參考參考美軍標(biāo)MIL-STD-883 Method 2010 INTERNAL VISUAL，一般會(huì)關(guān)注金線是否有異常彎曲、金球和焊盤的重合面積。這些都是比較容易直觀發(fā)現(xiàn)的問題，好比去醫(yī)院做個(gè)B超啥的，大毛病一眼就看出來了。

  但打線不同于貼片，有些潛在性的問題潛伏期比較長往往要等到產(chǎn)品運(yùn)行一段時(shí)間后才會(huì)完全暴露出來，這是很要命的事情。比如鍵合區(qū)域的臟污會(huì)導(dǎo)致焊盤脫落，臟污的來源很多，空氣中飄過來的，返工時(shí)帶入的，等離子清洗設(shè)備或者膠水烘烤設(shè)備內(nèi)引入的等等。

  對(duì)于這類臟污問題，提高目檢顯微鏡倍率是一個(gè)常用閉環(huán)改善手段，MIL-STD-883里對(duì)顯微鏡倍率也有定義，光通信行業(yè)內(nèi)芯片焊盤的直徑一般都在70um，使用1mil(25um)的金線，但如果考慮到臟污的特征尺寸，最好還是選擇100倍以上的顯微鏡進(jìn)行目檢。只是這樣的顯微鏡比較貴而且檢測效率比較低，也有行業(yè)內(nèi)很多廠家使用是50倍以下的顯微鏡(顯微鏡的模樣有很大區(qū)別)來檢查金線外觀。


對(duì)于TIA、Driver這種多個(gè)焊盤的電芯片，打線的先后次序也有要求，一般要先打GND，再打VCC，最后打其他的信號(hào)腳。為什么是這個(gè)次序?主要是為了保證電芯片在打線過程中的靜電釋放，ESD這種東西最麻煩。

  最后，電芯片的焊盤表面一般是鋁Al，由于Au和Al兩種不同原子擴(kuò)散速率不同，在金屬間化合物IMC界面附近會(huì)形成柯肯達(dá)爾(Kirkendall)空穴，導(dǎo)致焊點(diǎn)分離失效。溫度越高原子擴(kuò)散速度越快，因此產(chǎn)品完成打線后要及時(shí)下料，不能長時(shí)間在打線機(jī)臺(tái)上持續(xù)加熱。

  4.芯片老化

       4.1老化簡介

  貼片的目的是將芯片貼到載體上，打線則是讓芯片和外部形成電氣連接，具備這2個(gè)條件后，接下來就是芯片老化了。

  老化，也可以稱為老煉，英文名叫burn in，按照MIL-STD-883的定義，其目的是為了篩選或者剔除那些勉強(qiáng)合格的器件。這些器件或是本身具有固有缺陷，或其制造工藝控制不當(dāng)產(chǎn)生缺陷，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，這些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。因此，篩選時(shí)用最大額度工作條件或在最大額度工作條件之上對(duì)器件施加應(yīng)力，或施加能以相等的或更高的靈敏度揭示出隨時(shí)間和應(yīng)力變化的失效模式的等效篩選條件。*

  老化是一種篩選測試，用于剔除那些有早期失效缺陷的器件，表現(xiàn)在著名的失效率浴盆曲線上，如下圖，陰影部分就是老化的收益，老化后的產(chǎn)品整體的早期失效率降低，更早地進(jìn)入隨機(jī)失效階段。

  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。


4.2老化條件和老化設(shè)備

  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(duì)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)廠家上海菲萊(Feedlight)、蘇州聯(lián)訊(Stelight)。根據(jù)不同測試方案，可以區(qū)分為在線測試?yán)匣�和分立測試?yán)匣�。在線測試?yán)匣�可以持續(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�是在老化開始和結(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(duì)第一道測試的補(bǔ)充。

  下面我們著重介紹管芯級(jí)激光器的burn in測試。對(duì)于不同類型的激光器，老化篩選的典型條件如下表，電流和溫度條件滿足“最大額度工作條件或在最大額度工作條件之上”原則，例如DFB激光器的正常工作電流一般是60mA，老化的電流是120mA。至于具體的溫度、電流、時(shí)間條件，一般是由激光器芯片廠家經(jīng)過大量試驗(yàn)后確定下來的。



激光器老化設(shè)備基本相似，設(shè)備外殼加后面的背板，激光器被安裝到抽屜式或插卡式老化板上，然后再插入到背板供電。TO封裝和CoC封裝激光器有專用的老化板，TO直接將管腳插入到基座上就行了，CoC比較麻煩，大部分廠家需要人工用鑷子夾取安裝，個(gè)別光模塊廠家可以用貼片機(jī)自動(dòng)安裝。COB結(jié)構(gòu)中的VCSEL老化則是直接用模塊PCBA上的金手指進(jìn)行供電，Driver芯片本身也專用的burn in模式。


4.3芯片老化的可靠性

  如何評(píng)估芯片老化的可靠性?回答這個(gè)問題，就是回答“如何評(píng)估芯片老化的有效性?”。

  芯片老化的目的就是為了充分篩選出批次內(nèi)產(chǎn)品的早期失效，那如何確定該批次內(nèi)的早期失效已經(jīng)篩選干凈了呢?大概的方法有下面幾種。

  第一種是將篩選后的該批次產(chǎn)品發(fā)到市場端，然后監(jiān)控記錄市場失效數(shù)量和返回時(shí)間，如果失效數(shù)量在開始的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)存在一個(gè)峰值，說明老化條件的有效性較差，導(dǎo)致部分早期失效產(chǎn)品未被充分篩選流入市場;如果失效數(shù)量經(jīng)過一段時(shí)間后穩(wěn)定，則說明老化條件有效性較好。具體參考下面的曲線，原理上應(yīng)該不難理解。



 第二種是將老化篩選后的該批次產(chǎn)品進(jìn)行加速壽命測試，例如高溫工作運(yùn)行(HTOL)，重點(diǎn)關(guān)注壽命測試前期是否有新的產(chǎn)品失效，它的基本思想和第一種方法是一樣的，只是這種方法不會(huì)給客戶帶來麻煩。

  第三種是將老化篩選后的該批次產(chǎn)品再進(jìn)行一段時(shí)間的老化篩選測試，重點(diǎn)關(guān)注新增的老化篩選測試種是否有新的產(chǎn)品失效，老化條件對(duì)應(yīng)的壽命加速因子比較大，因此相比于第二種方法，這個(gè)方法的時(shí)間效率高。

  以上三種方法本質(zhì)上都是將篩選后的產(chǎn)品再運(yùn)行一段時(shí)間，“讓子彈飛一會(huì)兒”，來評(píng)估老化條件有效性。行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士用Weibull分布方法來評(píng)估有效性，但學(xué)術(shù)色彩很濃重，個(gè)人覺得都沒有上面這三種方法來的簡單粗暴。

  眾所周知，篩選測試是只花錢但不產(chǎn)生利潤的，有些工藝成熟的半導(dǎo)體芯片已經(jīng)不做芯片老化了，但是激光器芯片的老化目前是必須要做的。如何降低激光器芯片老化測試的成本呢?除了定期優(yōu)化老化條件外，我覺得最好的辦法是建立有效的良率監(jiān)控預(yù)警體系。目前光通信行業(yè)里的激光器已經(jīng)很少存在明顯的壽命類可靠性問題了，往往是由于芯片制程中的波動(dòng)帶來激光器批次質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，我們可以通過良率監(jiān)控預(yù)警體系將這些波動(dòng)識(shí)別出來，再對(duì)波動(dòng)批次芯片單獨(dú)定制老化篩選。

5. 透鏡耦合
5.1透鏡耦合簡介

  光模塊中，激光器是核心器件;光模塊外，光纖則是核心。光纖的纖芯直徑很小，單模光纖只有幾個(gè)um，多模幾十um。透鏡耦合就是將激光器發(fā)出的光耦合到光纖纖芯中。

  光模塊中應(yīng)用到的透鏡按材料區(qū)分，一般有玻璃、硅、PEI塑料三種，優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下表。玻璃透鏡是傳統(tǒng)工藝中經(jīng)常用的材料，常用于高端模塊;硅透鏡價(jià)格便宜，這兩年發(fā)展勢頭很猛烈，中低端COB、Box封裝模塊中已經(jīng)大量應(yīng)用了;PEI塑料透鏡在多模短距模塊中應(yīng)用，最大的特點(diǎn)就是夠便宜。


      從光路結(jié)構(gòu)(透鏡個(gè)數(shù))上，發(fā)射端一般要用到準(zhǔn)直、聚焦兩個(gè)透鏡，接收端一般只需要用準(zhǔn)直一個(gè)透鏡。部分廠家會(huì)在加入光路調(diào)整塊，或者在接收端增加聚焦透鏡，提升產(chǎn)品性能。TO Can封裝使用的是球透鏡，一個(gè)透鏡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直和聚焦兩個(gè)功能。


      上面講了只是些透鏡的基礎(chǔ)知識(shí)，透鏡的設(shè)計(jì)是門很深的學(xué)問，涉及到像差、球差啥的，細(xì)節(jié)我一點(diǎn)都不懂，優(yōu)秀的透鏡設(shè)計(jì)可以為耦合工序帶來很大的方便。

  透鏡耦合由于行業(yè)規(guī)模(主要原因)和精度要求限制，目前還沒有實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化。透鏡耦合大概分為上料、預(yù)耦合、點(diǎn)膠、膠水固化、下料共5個(gè)步驟。

  上料就是將透鏡安裝到耦合設(shè)備透鏡holder上，透鏡holder有吸嘴式和兩側(cè)夾持式兩種。

  預(yù)耦合時(shí)，透鏡holder帶動(dòng)透鏡找到最佳耦合位置。如何快速尋找到最佳位置呢?每個(gè)廠家有各自的算法，基本上都是按照xyz三個(gè)自由度移動(dòng)，有的是看最大光功率點(diǎn)，有的是看光斑形狀，速度上有快有慢，基本幾分鐘內(nèi)都能夠找到這個(gè)位置。如果透鏡設(shè)計(jì)比較優(yōu)秀，在這一步可以節(jié)約很多時(shí)間。

  點(diǎn)膠前，透鏡holder會(huì)先將透鏡移開，讓出點(diǎn)膠位置，一般基底上點(diǎn)UV膠，然后將透鏡再放置到最佳耦合位置上。耦合工序?qū)δz量控制要求比較嚴(yán)格，主要是因?yàn)榻酉聛淼哪z水固化過程中，透鏡的位置可能會(huì)發(fā)生移動(dòng)。有些廠家的產(chǎn)品方案是通過膠水的厚度，來調(diào)節(jié)透鏡高度方向的大小，這類方案對(duì)膠水固化中的位移尤為敏感。

  膠水固化，就是對(duì)準(zhǔn)膠水照紫外UV光，有些廠家是會(huì)分多次不同強(qiáng)度照射，稱為預(yù)固化、完全固化，目的還是為了盡量減小膠水固化中的透鏡跑位。至于能不能提前預(yù)計(jì)出透鏡跑位量，在耦合時(shí)直接補(bǔ)償進(jìn)去呢?這個(gè)我不知道，純屬瞎猜的。由于UV膠粘接力有限，對(duì)于體型碩大的透鏡，在UV膠固化后，會(huì)再補(bǔ)些黑膠增強(qiáng)粘接力。

  5.2 有源耦合和無源耦合

  這兩個(gè)耦合方式的區(qū)別其實(shí)很明顯，耦合過程中對(duì)激光器或者PD加電的，叫做有源耦合，反之就時(shí)無源耦合。

  有源耦合是光通信行業(yè)的主流，優(yōu)勢是有反饋，無論是光功率還是PD的響應(yīng)電流，在耦合過程中，都能實(shí)時(shí)地告訴你產(chǎn)品的感受，位置對(duì)不對(duì)，尺寸合不合適，讓你不懵逼。

  無源耦合的優(yōu)勢是耦合設(shè)備簡單，成本低，難點(diǎn)是在只憑借尺寸信息和標(biāo)記點(diǎn)來找準(zhǔn)位置，要不然直接懟下去，容易把透鏡弄壞了。

  5.3 透鏡耦合的可靠性

  如何評(píng)價(jià)透鏡耦合的可靠性?

  從外觀上，主要是關(guān)注透鏡四周的溢膠情況，透鏡底部膠水不能有空洞。

  透鏡耦合可以認(rèn)為是一種特殊的貼片，那就能進(jìn)行剪切力測試。其他方面，我覺得也沒有特別的要求了，畢竟透鏡這種無源器件的可靠性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光模塊要求的。如果透鏡沒粘牢固，在光模塊使用過程中掉下來了，那我建議可以先給負(fù)責(zé)該產(chǎn)品的膠水工程師來個(gè)N+1。

  6. 封蓋(氣密性封裝產(chǎn)品)

  6.1 封蓋簡介

  對(duì)于部分光器件，在完成器件內(nèi)部組裝后，需要對(duì)其進(jìn)行封蓋，實(shí)現(xiàn)氣密性封裝。封蓋的操作區(qū)域其實(shí)就是蓋板和底座之間的那條縫，所以英文名叫seam sealing。

  氣密性封裝的材料是無機(jī)物，塑料、膠水這些材料是不能做氣密性封裝的。外觀上，常見的氣密性封裝器件有Box和TO Can兩種，外殼的主要材料是可伐合金(Kovar)和玻璃，玻璃是用來透光的，可伐合金和熱膨脹系數(shù)和玻璃接近，兩者通過焊接實(shí)現(xiàn)氣密。


 6.2平行封焊和儲(chǔ)能焊

  對(duì)于Box封裝，采用平行封焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)氣密封裝。目前，平行封焊設(shè)備大部分是半自動(dòng)化的，設(shè)備整體上是一個(gè)密封的大箱子，里面充有干燥氮?dú)�，需要監(jiān)控內(nèi)部氣體的凝露溫度。兩側(cè)各有一個(gè)小箱子，用于產(chǎn)品物料的出箱入箱，人員通過塑料手套進(jìn)行蓋板上下料，焊接過程是自動(dòng)完成的。

  平行縫焊是一種電阻焊，利用兩個(gè)圓錐形滾輪電極壓住待封裝的金屬蓋板和管殼上的金屬框形成閉合回路，整個(gè)回路的高阻點(diǎn)在電極與蓋板接觸處。電極沿著邊緣一邊滾動(dòng)，一邊施加脈沖電流，高阻點(diǎn)處產(chǎn)生大量的熱，由于熱量非常集中，能使蓋板與管座焊環(huán)的接觸處呈熔融狀態(tài)，凝固后形成一連串的焊點(diǎn)，而焊點(diǎn)能相互交疊，這樣就形成了氣密性焊縫，達(dá)到密封的目的。對(duì)Box矩形管座，先焊接好蓋板的兩條對(duì)邊后，再將外殼相對(duì)電極旋轉(zhuǎn)90°后，在垂直方向上再焊兩條對(duì)邊，這樣就形成了外殼的整個(gè)封裝。

  對(duì)于Box封裝，采用平行封焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)氣密封裝。目前，平行封焊設(shè)備大部分是半自動(dòng)化的，設(shè)備整體上是一個(gè)密封的大箱子，里面充有干燥氮?dú)�，需要監(jiān)控內(nèi)部氣體的凝露溫度。兩側(cè)各有一個(gè)小箱子，用于產(chǎn)品物料的出箱入箱，人員通過塑料手套進(jìn)行蓋板上下料，焊接過程是自動(dòng)完成的。

  平行縫焊是一種電阻焊，利用兩個(gè)圓錐形滾輪電極壓住待封裝的金屬蓋板和管殼上的金屬框形成閉合回路，整個(gè)回路的高阻點(diǎn)在電極與蓋板接觸處。電極沿著邊緣一邊滾動(dòng)，一邊施加脈沖電流，高阻點(diǎn)處產(chǎn)生大量的熱，由于熱量非常集中，能使蓋板與管座焊環(huán)的接觸處呈熔融狀態(tài)，凝固后形成一連串的焊點(diǎn)，而焊點(diǎn)能相互交疊，這樣就形成了氣密性焊縫，達(dá)到密封的目的。對(duì)Box矩形管座，先焊接好蓋板的兩條對(duì)邊后，再將外殼相對(duì)電極旋轉(zhuǎn)90°后，在垂直方向上再焊兩條對(duì)邊，這樣就形成了外殼的整個(gè)封裝。


 儲(chǔ)能焊的用于TO can的氣密封裝，原理上和平行縫焊類似，也是通過脈沖電流融化縫隙實(shí)現(xiàn)氣密性焊封。兩者區(qū)別在于儲(chǔ)能焊是一次成型，電極不需要滾動(dòng)位移，因此儲(chǔ)能焊效率高，成本低。

 6.3 封蓋的可靠性

  如何評(píng)估芯片封蓋的可靠性?

  除了日常對(duì)于設(shè)備里干燥空氣露點(diǎn)溫度的監(jiān)控外，最重要的就是封蓋后的壓氦檢漏測試�；�本原理和步驟如下：

  首先將產(chǎn)品放在壓氦檢漏設(shè)備的密封罐頭里，再充入氦氣使內(nèi)部氣壓遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。由于氦氣是除氫氣外，分子量最小最苗條的氣體了，如果產(chǎn)品外殼上存在縫隙，氦氣分子就很容易從縫隙會(huì)進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部。

  然后將產(chǎn)品取出來，放入質(zhì)譜儀的密封罐頭里，抽真空。此時(shí)如果產(chǎn)品內(nèi)部有氦氣，就會(huì)再次通過外殼縫隙泄漏出來，被質(zhì)譜儀檢測到，給出定量的氦氣含量數(shù)據(jù)。至于質(zhì)譜儀的原理，我在這邊就不展開說了。

  值得注意的是，行業(yè)內(nèi)一般是一組產(chǎn)品一起去做壓氦測試，再一起用質(zhì)譜儀會(huì)測量出氦氣的含量，行業(yè)內(nèi)一般采用5E-9Pam3/s漏率標(biāo)準(zhǔn)。如果某組產(chǎn)品漏率超標(biāo)，則說明該組里肯定有不合格品，這種做法類似于新冠核酸檢測排查中的混合采樣，目的都是為了省錢和提升效率。


 7. 激光調(diào)整焊接(單模類產(chǎn)品)

  7.1 激光調(diào)整焊接簡介

  對(duì)于單模類光模塊，LC跳線頭和OSA之間通過Receptacle進(jìn)行機(jī)械連接。Receptacle可以分為Z環(huán)和光纖適配器兩個(gè)部件。Receptacle和box或者TO can之間是通過激光調(diào)整焊接起來的。光纖適配器內(nèi)有陶瓷插芯，在焊接前需要將光耦合到纖芯中(接受端類似)，“調(diào)整”的意思就在于此了。激光調(diào)整焊接的英文名叫l(wèi)aser welding。

  激光調(diào)整焊接自動(dòng)化程度很高，除了上下料需要人工操作，其他步驟基本都能由設(shè)備完成。激光調(diào)整焊設(shè)備從外觀上分為2個(gè)部分，如下圖，左邊小的箱子是YAG固體激光器，中間的大箱子核心是一個(gè)三槍焊接頭，主要由攝像頭、透鏡、調(diào)整臺(tái)、伺服電機(jī)、Receptacle吸嘴夾頭構(gòu)成。YAG激光從三個(gè)焊接槍里經(jīng)過透鏡同時(shí)聚焦到Receptacle的Z環(huán)上，三個(gè)焊接槍呈120°對(duì)稱分布。

人工上料后，器件上電，一般會(huì)氮?dú)鈬娮煸谄骷�附近，這樣激光高溫燙出來的焊點(diǎn)會(huì)比較光亮好看，不會(huì)氧化發(fā)黑，當(dāng)然為了節(jié)約成本也可以不吹氮?dú)�，�?jù)說不影響焊接可靠性。

  首先設(shè)備夾持Receptacle在XY自由度上尋找最佳位置，Z環(huán)貼緊器件外殼，三槍各打一個(gè)焊點(diǎn)，然后電機(jī)帶動(dòng)器件左右各旋轉(zhuǎn)一定角度，再打一個(gè)點(diǎn)，這樣一圈一共是9個(gè)焊點(diǎn)，這些焊點(diǎn)一部分位于Z環(huán)上，一部分位于器件殼體上，叫做搭接焊，這樣Z環(huán)就和模塊外殼固定好了。

  接下來，設(shè)備夾持光纖適配器在Z自由度上尋找最佳位置，三槍各打一個(gè)焊點(diǎn)，然后電機(jī)帶動(dòng)器件沿Z軸前后移動(dòng)一定位置，再打一個(gè)點(diǎn)，這樣一圈也是9個(gè)焊點(diǎn)，這些焊點(diǎn)從Z環(huán)表面穿透進(jìn)入光纖適配器金屬部分，因此叫做穿透焊，至此三個(gè)自由度都被固定下來。

  7.2 激光調(diào)整焊接的可靠性

  如何評(píng)價(jià)激光調(diào)整焊接的可靠性?

  從外觀上，可以測量焊點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，比如焊點(diǎn)直徑0.4-0.7mm，焊點(diǎn)熔深0.25-0.5mm。破壞性測試上，一般會(huì)測量剪切力，行業(yè)內(nèi)通常的要求是大于30Kg。有些廠家會(huì)測量拔脫力，要求大于50Kg。

  激光焊接完成后，產(chǎn)品會(huì)做一次溫度循環(huán)，目的是釋放焊接應(yīng)力。有些廠家還會(huì)對(duì)比文循前后的光功率變化量，篩選掉變化量較大的產(chǎn)品，這點(diǎn)很重要。

  8. 軟板焊接(帶軟板產(chǎn)品)

  8.1 軟板焊接簡介

  Box封裝的OSA基本上采用軟板FPC和PCBA形成電氣互聯(lián)。軟板和Box、PCBA之間的焊接有三種方式，原始的手動(dòng)焊接、經(jīng)典的熱壓焊接、新潮的激光焊接。


光模塊內(nèi)軟板的pin比較多，因此原始的手動(dòng)焊接對(duì)操作員的技術(shù)要求非常高，即使采用傳說中的拖焊技術(shù)也很難確保良品率和一致性，避免虛焊、冷焊，所以除非是特殊情況(比如設(shè)計(jì)方案比較老)，行業(yè)內(nèi)基本上已經(jīng)不用手動(dòng)焊接了。

  熱壓焊接，英文名叫Hotbar，顧名思義就是將軟板壓到Box或者PCBA上，然后加熱焊接起來。熱壓焊是一項(xiàng)古老而經(jīng)典的技術(shù)，效率高，良率也不錯(cuò)，目前行業(yè)內(nèi)主要都是用熱壓焊來完成軟板焊接。

  用什么將軟板壓到PCBA上呢?答案是一種叫由鉬、鈦等高電阻合金材料構(gòu)成的熱壓頭。它的長度比焊墊長一些，這樣能確保所有焊點(diǎn)都能夠吃到錫，寬度要比焊墊窄一些，這樣能留出溢錫空間。

  怎樣實(shí)現(xiàn)加熱呢?其實(shí)就是在熱壓頭兩端施加脈沖電流，然后高阻材料將電流轉(zhuǎn)化為熱量，就這么簡單。在熱壓頭上貼有熱電偶，用來監(jiān)控溫度，閉環(huán)控制脈沖電流大小。



熱壓焊設(shè)備的圖片如下，熱壓頭是核心器件，軟板和PCBA夾具構(gòu)成了上料區(qū)域。手動(dòng)上料后，先在PCBA上刷一層助焊劑或者焊錫膏，然后觀察顯微鏡的圖像，擰動(dòng)底部的調(diào)整架來對(duì)齊軟板和PCBA上的Pin，接下來的事情就交給設(shè)備了，熱壓頭的溫度是分階段的，有預(yù)熱、回焊、冷卻三個(gè)階段，完成后還會(huì)吹壓縮空氣加速冷卻。一臺(tái)設(shè)備一般有2個(gè)上料區(qū)，一個(gè)上料的同時(shí)，另外一個(gè)進(jìn)行焊接，雙工作業(yè)，差不多10秒就能完成，效率相當(dāng)高。我最近還看到使用機(jī)器視覺的Pin腳對(duì)準(zhǔn)方案，計(jì)算好位移量后，電機(jī)調(diào)整一步到位。


 激光焊接是最近幾年新發(fā)展出來的一種技術(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(duì)高密度pin軟板焊接有優(yōu)勢，當(dāng)然也有缺點(diǎn)，比如激光照射均勻性比較難保證，效率低，成本高。

  8.2 軟板焊接的可靠性

  如何評(píng)估軟板焊接的可靠性?

  從外觀上，可以在顯微鏡下觀察焊點(diǎn)情況，但是虛焊、冷焊往往發(fā)生在那些看不到的焊點(diǎn)內(nèi)部，如果有條件的話，可以做下X光檢查，關(guān)注下內(nèi)測的焊接情況。有追求的廠家還會(huì)進(jìn)行Pin與Pin之間的遍歷性電阻測試，對(duì)發(fā)現(xiàn)、定位問題非常有效，當(dāng)然這個(gè)測試比較費(fèi)錢費(fèi)時(shí)間，一般都是被市場失效逼得沒辦法才做的。

  熱壓焊設(shè)備在開機(jī)后會(huì)做熱敏紙測試，具體判定標(biāo)準(zhǔn)我不太清楚，大概的目的是要確保熱壓頭的溫度一致性。

  破壞性測試上，可以將軟板從PCBA上撕下來，在顯微鏡下觀察撕裂面。良好的焊接應(yīng)當(dāng)是PCBA的每一個(gè)焊墊上都能看到軟板殘留，就是說軟板是被撕破或者撕裂了。如果PCBA焊墊上沒有軟板殘留，就要觀察確認(rèn)焊墊上的焊錫表面應(yīng)當(dāng)是不規(guī)則的粗糙面，同時(shí)軟板側(cè)的焊墊上應(yīng)該有焊錫殘留。如果發(fā)現(xiàn)軟板和PCBA中任何一個(gè)的焊錫表面是光滑的亮面，就要判定焊接不合格。撕軟板的測試實(shí)行起來很簡單，建議首件檢查時(shí)做下。至于焊點(diǎn)切片分析，比較高端，多數(shù)都在研發(fā)階段做。

  最后，軟板焊接的失效很多時(shí)候都是長期的，也就是產(chǎn)品在市場經(jīng)過溫濕度變化環(huán)境后才會(huì)逐步暴露出來。虛焊、冷焊引發(fā)的產(chǎn)品失效往往還是間歇性的，一時(shí)好，一時(shí)壞，會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)的閃斷卻很難定位，是一種很讓人心煩的失效模式，所以極其不建議使用手動(dòng)焊接。

  附錄：名詞解釋

       1. Box、COB、TO can

  這3個(gè)是目前光器件常見的封裝形式。

  Box封裝就是個(gè)矩形金屬外殼，歷史悠久，Box表面一般會(huì)鍍金，可分為底座和蓋板兩部分，芯片、透鏡貼在底座里。Box封裝目前常見于電信級(jí)光模塊。

  COB是chip on board的縮寫，是指將TIA、LDD這些裸die芯片直接貼裝到PCB的銅箔上，然后金線鍵合進(jìn)行電氣連接，最后在芯片頂部加蓋板或者點(diǎn)膠保護(hù)。COB封裝是一種新興技術(shù)，大量應(yīng)用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中心光模塊。

  TO can有時(shí)候也直接稱TO，它來源于半導(dǎo)體行業(yè)，全名Transistor Outline，是一種晶體管封裝。按照底座的直徑尺寸來劃分，常見的有TO56、TO42、TO52、TO38幾種，更多的是廠家定制的尺寸規(guī)格，TO封裝常見于SFP小封裝光模塊中。


2. 密封裝和非氣密封裝

  氣密封裝，顧名思義，就是氣體也無法穿透的一種封裝，它的目的是為了防止外部的水汽和其他有害氣體進(jìn)入封裝內(nèi)部。氣密封裝和非氣密封裝器件在外觀上有很明顯的區(qū)別。

  首先，目前來說，只有陶瓷、玻璃、金屬這三類材料能夠做氣密封裝，其他的材料，比如塑料、PCB都只能做非氣密封裝。

  其次，即使用了上述三種材料，還需要看封裝的蓋板和底座之間的結(jié)合方式，只有采用了平行封焊或者儲(chǔ)能焊這兩種結(jié)合方式的，才是氣密封裝。如果使用的是其他結(jié)合方式，比如點(diǎn)膠，那就還是非氣密封裝。

  如何判斷是否采用了平行封焊或者儲(chǔ)能焊呢?可以觀察蓋板和底座結(jié)合處是否覆蓋一條亮色的金屬(焊接痕跡)，如下圖。


3. 銀膠、黑膠、UV膠

  銀膠主要有銀粉和一些其他填充劑組成，具有較好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，主要用于貼片工序，采用熱固化，固化時(shí)間在幾個(gè)小時(shí)。

  黑膠是一種結(jié)構(gòu)膠，主要用于不同材料之間的粘接，比如短距模塊中塑料透鏡和PCBA之間的粘接，玻璃光學(xué)器件和金屬底座之間的粘接，使用量比較大，采用熱固化，固化時(shí)間也是幾小時(shí)。

  UV膠的最大特點(diǎn)就是使用紫外光照射固化，固化時(shí)間很短，只有幾分鐘，缺點(diǎn)是粘接力弱，一般用于耦合工序中的透鏡固定，如果透鏡的體積較大，需要使用黑膠補(bǔ)強(qiáng)。

來源：光通信小黃人