光模塊封裝工藝簡介(二)

  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。基本原理和步驟如下：

  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浇?，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)猓瑩?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)。