制造/封装
光电子器件系统封装
光电子器件系统封装是把光电子器件、电子元器件及功能应用原材料进行封装的一个系统集成过程。光电子器件封装在光通讯系统、数据中心、工业激光、民用光显示等领域应用广泛。主要可以分为如下几个级别的封装:芯片IC级封装、器件封装、模块封装、系统板级封装、子系统组装和系统集成。
1 光电子器件封装形式
光电子器件与一般的半导体器件不同,它除了含有电学部分外,还有光学准直机构,因此器其封装结构比较复杂,并且通常由一些不同得子部件构成。其子部件一般有两种结构,一种是激光二极管、光电探测器等部分都安装在密闭型得封装里面。根据其应用可以分为商业标准封装和客户要求的专有封装。其中商业标准封装可以分为同轴TO 封装,蝶形封装。
1.1 TO封装
同轴封装是指管体内的光学元件(激光器芯片、背光探测器)、透镜和外部连接的 光纤的光路在一同心轴线上。同轴封装器件内部的激光器芯片和背光探测器贴装在氮化铝热沉上,通过金线引线与外部电路实现导通,由于同轴封装仅存在一个透镜,相较于蝶形封装提高了耦合效率。
TO管壳所用材料主要为不锈钢或可伐合金。整个结构由底座、透镜、外部散热块等部位组成,结构上下同轴。通常,TO封装激光器的内部有激光器芯片(LD)、背光探测器芯片(PD)、L型支架等,若带内部温控系统如TEC则内部还需要热敏电阻和控制芯片等部位。图1.1为带透镜的TO激光器示意图
图1.1 带透镜的TO激光器
1.2 蝶形封装
由于外形像蝴蝶一样,所以这种封装形式被称为蝶形封装,如图 1.2 所示为蝶形封 装光器件的外形图。蝶形封装在高速率、长距离传输的光纤通信系统中技术应用的较为广泛。具有一些特点,如蝶形封装体内的空间大,易于半导体热电制冷器的贴装,实现对应的温控功能;相关的激光器芯片、透镜等元件易于在体内进行布局;管腿分布两侧,易于实现电路的连接;且结构方便进行测试与包装。壳体通常为长方体,结构及实现功能通常比较复杂,可以内置制冷器、热沉、陶瓷基块、芯片、热敏电阻、背光监控,并且可以支持所有以上部件的键合引线。壳体面积大,散热好。
图 1.2蝶形封装激光器
2光电子器件封装工艺
对半导体激光器芯片的封装对可靠性的要求可参考 MIL-STD-883,在封装过程中必须关注过度块、热沉、焊料、胶水等材料的热传导特性、热膨胀系数、材料的扩散以及响应的工艺特性。
热沉多选用铜、钨铜、硅、陶瓷、可伐或各种其他合成材料等。通常情况下,裸芯片通过焊接或者银胶粘结在陶瓷过度块上,过度块起到横向散热作用,避免发射器件局部温度升高。此外过度块的热膨胀系数介于芯片材料热沉之间,可以达到有效的热变形匹配。从而有效减小安装工艺过程中温度变化或者固化过程中产生的应力。陶瓷AlN具有良好的线膨胀匹配能力且导热良好,因此在实际生产中被广泛的应用。
器件的封装也可以分为封装设计和封装工艺。封装设计阶段需要根据使用的目标选择封装的结构,完成封装机械结构的设计,尽量选择现有的通用管壳。同时进行封装的设计仿真包括热仿真,应力仿真,射频仿真。再说合计阶段同时兼顾工艺的优化设计。如图表2.1
表2.1 光电芯片封装设计
封装设计 | ||
封装结构 | 封装机械结构设计 | 设计结构形式与管壳选型 |
封装热仿真 | 根据芯片功耗设计热结构 | 进行ansys热仿真 |
封装应力分析 | 根据芯片热变化设计应力结构 | 进行热应力分析,选择胶水,封装工艺 |
封装工艺优化设计 | 根据封装工艺设计结构 | 设计封装工艺流程优化设计 |
完成了封装的设计进行封装的工艺验证与封装的实施。工艺流程如下表4.2
表2.2 光电子器件基本工艺
封装工艺 | ||
工艺 | 使用设备 | 内容 |
检验 | 金相显微镜 |
目检芯片缺陷、管壳缺陷,封装物料缺陷 和保存图片 |
立式显微镜 | ||
贴片共晶 | 贴片机 | 胶粘结与金锡共晶 |
烘烤 | 氮气烤箱 | 固化胶水,老化烘烤 |
清洗 | 超声清洗or等离子清洗 | 清洗焊接好的物料用于打线 |
绑线 | 绑线机 | 金丝球焊 |
光学耦合 | 光学耦合台 | 耦合透镜或者光纤 |
检验 | 立式显微镜 | 封盖前目检,保存图片 |
封盖 | 封盖机+手套箱 | 平行封焊,管壳内充氮气 |
精密捡漏 | 捡漏机 | 氦泵+捡漏机 |
粗捡漏 | 粗捡漏箱 | F4油捡漏 |
测试 | 高低温测试箱 | 提供高低温测试 |
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