光模塊封裝工藝簡介（一）

  既然是簡介，所以內(nèi)容寫得很基礎(chǔ)，屬于入門級的，文中的圖片全部都是從網(wǎng)上找的。

  1.引言

       光模塊按照部件可以分為芯片、光器件、光模塊三個層級;按照應用領(lǐng)域大概可分為電信應用、數(shù)通應用兩個領(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，蛋和面形成了一個整體，不能再區(qū)分。

  那什么叫器件測試呢?其實就是評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。當然實際的器件測試遠比這個要復雜，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)工藝的幾個關(guān)鍵工序，其中貼片、打線、芯片老化這3個工序在半導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個則是由光學特性帶來的，資料相對來說少些。

圖1 光模塊生產(chǎn)工藝的幾個關(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)動電芯片之類的。它們從大類上都屬于半導體裸片器件，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。

  貼片可以分為手動和自動兩種，手動貼片是上世紀的工藝，目前行業(yè)內(nèi)的貼片都已經(jīng)全部實現(xiàn)自動化了。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的內(nèi)部，能看得到的有上料盒、吸嘴、點膠裝置、攝像頭、照明燈，另外就是一大堆的傳動馬達機械裝置了。

  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、貼裝、下料4個步驟。

  上料盒一般有Blue tape藍膜盒(上面一般粘LD、PD以及微小載體)、Waffle-PACK(有一個個凹陷的方格子，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。由于貼片設備上料槽位規(guī)格的限制，有時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)時應該采用專用自動化設備來完成轉(zhuǎn)移，但不少廠家還是會手動用鑷子夾取，鑷子容易劃傷、夾崩芯片， 質(zhì)量風險很大。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險，但終究是治標不治本，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，負責從上料盒中吸取芯片后搬運到指定位置，點膠頭在載體上擠出一坨膠水，然后吸嘴扶著芯片對準位置，啪的往下一懟，就完成了。有的工藝路線中，會先把芯片轉(zhuǎn)移到中轉(zhuǎn)平臺上，提前預熱芯片或者是調(diào)整芯片的位置，然后再進行貼裝。

  傳統(tǒng)的工藝是用點膠機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，膠量多了就會影響到別的器件。為了克服這個問題，產(chǎn)生了另一種工藝路線，不用點膠機，將膠棒或者芯片底部放到膠池里蘸一下，再貼到載體上，但是這個工藝也存在一個問題，就是膠棒或者芯片從膠池移動到載體的過程中，如果移動速度過快，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器視覺結(jié)合載體上的mark點進行定位的。

  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，該快的時候快，該慢的時候慢，該對準的時候?qū)?，該出膠的時候出膠，膠的位置還得控制準確，不能甩到別的地方。

  2.2導電銀漿和共晶焊

  在光通信行業(yè)，最常見的貼片粘接方式有共晶焊、導電銀漿兩種。

  導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。銀膠工藝的一個特點就是快，TO同軸封裝的自動貼片機速度尤其快，半秒貼一個。貼完片后需要加熱使銀膠固化，溫度在100℃左右，固化時間幾個小時，批量放進溫箱固化，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膠動作的。

  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)或濺射工藝，光聽這個名字，應該就能猜到共晶焊的最大特點是“貴”!

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

  共晶焊有這么多缺點，那為什么還要用它呢?我們知道，隨著傳輸速率提高，器件對散熱和高頻信號衰減的要求也越來越高，導電銀漿電阻大，會對高頻信號產(chǎn)生衰減，而金錫共晶焊是純金屬材料，電阻很小;共晶焊的導熱性也優(yōu)于導電銀漿，剪切力可靠性也更好些。這些優(yōu)點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

  如何來評估貼片的可靠性?

  從外觀上，一般會在顯微鏡下觀察溢膠情況，比如要求至少有三邊溢膠。暴力的評價手段是用專用設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，同時觀察載體上的芯片殘留情況，叫做剪切力測試，標準方面行業(yè)內(nèi)一般參考美軍標MIL-STD-883 Method 2019 (DIE SHEAR STRENGTH)。剪切力的測量設備我知道的就只有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設備的靚照。

  如果貼片沒貼好，會發(fā)生什么問題呢?我想大概率是芯片直接掉下來吧。因為貼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，大概率上芯片因為散熱不良直接給燙死了。

  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散，從而使兩種金屬間實現(xiàn)原子量級上的鍵合。

  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，這是因為光電芯片的表面普遍都會鍍金，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備的。除了顯示器、顯微鏡和一堆電動馬達裝置外，最核心的部件就是一種叫做劈刀的東西，它負責對金線進行放電整形，牽引并形成焊接點。

  引線鍵合的步驟可以大概分為幾個步驟，第一步設備對焊盤區(qū)域預加熱，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金球，第三步劈刀下壓到焊盤上形成第一焊點(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(通常在引線框架或者基板上)，并折斷金線。更多視頻可以點擊B站視頻https://www.bilibili.com/video/av71868856/

  3.2球焊和楔焊

  根據(jù)劈刀和焊點形狀的不同，又可以分為球焊和楔焊兩種。球焊用的是毛細管劈刀，顧名思義，焊點是一個球狀，焊盤接觸面積大，可靠性好，而且打線速度非?？欤褂脠鼍白疃?楔焊用的是楔形劈刀，焊點是方形的，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)，就會嚴重影響結(jié)合質(zhì)量。有過補輪胎經(jīng)驗的朋友應該知道，在刷膠水之前，師傅一般會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，會對器件進行等離子體清洗，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(如果我沒記錯的話)。

  等離子體清洗機的模樣見下圖，觀察窗的顏色很有科技感，這是用來屏蔽工作時會產(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(圖中藍色球)和焊盤表面的碳氫有機物質(zhì)(圖中黑色球)反應，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。

  如何評價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)束到打線之間的時間窗口是有限制的，有研究表明最好是小于4小時，否則焊盤表面的活性就會下降，相當于等離子體清洗白洗了。

  3.4 打線的可靠性

  如何來評估打線的可靠性?

  破壞性測試參考美軍標MIL-STD-883 Method 2011 Destructive bond pull test和EIA JESD22-B116-1998 Wire Bond Shear Test Method。標準內(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，會對產(chǎn)品進行這2個測試，以確保當天的打線設備處于正常狀態(tài)。

  外觀目檢上，可以參考參考美軍標MIL-STD-883 Method 2010 INTERNAL VISUAL，一般會關(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)品運行一段時間后才會完全暴露出來，這是很要命的事情。比如鍵合區(qū)域的臟污會導致焊盤脫落，臟污的來源很多，空氣中飄過來的，返工時帶入的，等離子清洗設備或者膠水烘烤設備內(nèi)引入的等等。

  對于這類臟污問題，提高目檢顯微鏡倍率是一個常用閉環(huán)改善手段，MIL-STD-883里對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。

  對于TIA、Driver這種多個焊盤的電芯片，打線的先后次序也有要求，一般要先打GND，再打VCC，最后打其他的信號腳。為什么是這個次序?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兩種不同原子擴散速率不同，在金屬間化合物IMC界面附近會形成柯肯達爾(Kirkendall)空穴，導致焊點分離失效。溫度越高原子擴散速度越快，因此產(chǎn)品完成打線后要及時下料，不能長時間在打線機臺上持續(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產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會造成與時間和應力相關(guān)的失效。如果不進行老化篩選，這些有缺陷的器件在使用條件下會出現(xiàn)初期致命失效或早期壽命失效。因此，篩選時用最大額度工作條件或在最大額度工作條件之上對器件施加應力，或施加能以相等的或更高的靈敏度揭示出隨時間和應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，更早地進入隨機失效階段。

  光模塊內(nèi)部的激光器由于結(jié)構(gòu)和制程工藝復雜，需要進行老化，其他光電器件除APD外，不需要進行老化。

  4.2老化條件和老化設備

  在目前大部分光模塊廠家的生產(chǎn)工序中，一般有兩道針對激光器的burn in篩選測試。

  第一道是激光器的管芯級，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行，有比較成熟的商業(yè)化設備，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)分為在線測試老化和分立測試老化。在線測試老化可以持續(xù)記錄BI過程中的激光器數(shù)據(jù)，但是測試成本高，一般用于設計階段的少量樣品驗證測試。分立測試老化是在老化開始和結(jié)束時分別記錄激光器數(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，是在激光器組裝到光模塊內(nèi)后，通過測試夾具進行的，目前尚沒有商業(yè)化設備，多數(shù)光模塊廠商使用自研設備進行測試。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，第一道管芯級激光器burn in篩選測試應力大，目的是盡可能地篩選出早期失效產(chǎn)品，第二道模塊級burn in測試更多地只是對第一道測試的補充。

  下面我們著重介紹管芯級激光器的burn in測試。對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、時間條件，一般是由激光器芯片廠家經(jīng)過大量試驗后確定下來的。

  激光器老化設備基本相似，設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，個別光模塊廠家可以用貼片機自動安裝。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

  如何評估芯片老化的可靠性?回答這個問題，就是回答“如何評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)量和返回時間，如果失效數(shù)量在開始的一個時間段內(nèi)存在一個峰值，說明老化條件的有效性較差，導致部分早期失效產(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，原理上應該不難理解。

  第二種是將老化篩選后的該批次產(chǎn)品進行加速壽命測試，例如高溫工作運行(HTOL)，重點關(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)品再進行一段時間的老化篩選測試，重點關(guān)注新增的老化篩選測試種是否有新的產(chǎn)品失效，老化條件對應的壽命加速因子比較大，因此相比于第二種方法，這個方法的時間效率高。

  以上三種方法本質(zhì)上都是將篩選后的產(chǎn)品再運行一段時間，“讓子彈飛一會兒”，來評估老化條件有效性。行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士用Weibull分布方法來評估有效性，但學術(shù)色彩很濃重，個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帶來激光器批次質(zhì)量風險，我們可以通過良率監(jiān)控預警體系將這些波動識別出來，再對波動批次芯片單獨定制老化篩選。