為5G無線網(wǎng)絡(luò)中基于新型TO-can的光子器件提供具有最佳精確度的 創(chuàng)新裝配自動(dòng)化解決方案

  作者：周利民 博士，MRSI SYSTEMS, Mycronic Group 

       戰(zhàn)略營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān) limin.zhou@mycronic.com

  [摘要] 5G網(wǎng)絡(luò)是新一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)在全球啟動(dòng)部署。它有望推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)，提供傳輸海量數(shù)據(jù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施，通過強(qiáng)大的通信基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)更智能、更互聯(lián)的世界。5G對(duì)高性能先進(jìn)光學(xué)器件的需求大幅增長(zhǎng)，但成本壓力也非常大。為了滿足5G基礎(chǔ)設(shè)施的成本目標(biāo)，許多新型的TO-CAN器件正在被開發(fā)用于5G高速網(wǎng)絡(luò)中低成本可插拔收發(fā)器等高性能光學(xué)模組。TO-CAN封裝可以降低封裝材料的成本，然而，需要高效自動(dòng)化設(shè)備來支持這些復(fù)雜的高性能TO-CAN的低成本批量生產(chǎn)。這些復(fù)雜的新型TO-CAN器件是通過不同的封裝工藝將多種芯片高精度地貼合在一個(gè)小小的TO-CAN封裝中。這篇文章將討論新型的TO-CAN器件封裝自動(dòng)化所面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)，也為新一代的TO-CAN封裝自動(dòng)化提供一個(gè)創(chuàng)新的解決方案。

  引言

  5G網(wǎng)絡(luò)是下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)連接，現(xiàn)場(chǎng)部署已經(jīng)在全球啟動(dòng)。5G有望推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為傳輸大量數(shù)據(jù)提供強(qiáng)大的通信基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)更智能、更互聯(lián)的世界。然而，向5G世界的過渡要比前幾代無線技術(shù)的過渡復(fù)雜得多。升級(jí)新的5G基礎(chǔ)設(shè)施將需要巨大的投資。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商必須為5G制定戰(zhàn)略，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)成本的預(yù)期增長(zhǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)部署增加了對(duì)高速、低功耗光器件的需求;然而5G光器件面臨著巨大的成本壓力。制造和銷售的光器件的數(shù)量以每年25%的速度增長(zhǎng)，但是器件的價(jià)格卻以每年15%-20%的速度下降。針對(duì)5G高性能光器件的低成本解決方案正成為光器件供應(yīng)商的優(yōu)先考慮。

  新型TO封裝

  封裝材料是光子器件的主要材料成本因素之一。近年來，針對(duì)高性能光學(xué)器件的各種低成本封裝設(shè)計(jì)有了一些進(jìn)展。這些創(chuàng)新的設(shè)計(jì)活動(dòng)推動(dòng)了成本的持續(xù)降低。TO-CAN封裝是光學(xué)器件中常用的封裝方式之一，已經(jīng)使用了幾十年。它是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了導(dǎo)電微電子封裝和外殼的設(shè)計(jì)和尺寸。TO 封裝通常由TO 底座和TO 封帽兩部分組成，TO 底座保證了封裝組件的功率，封帽保證了光信號(hào)的平穩(wěn)傳輸。近年來，有許多新的TO-CAN封裝形式為不同的光學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。我們下面總結(jié)一下基于新型TO-CAN封裝重要的突破性工作。

  2013年，韓國(guó)電子與電信研究所發(fā)表了一篇文章，提出了一種新的低成本雙向光組件(BOSA)，它使用單窗口的傳統(tǒng)TO-CAN封裝用于無源光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。圖1所示。是一個(gè)用于BOSA的新型TO底座的組裝圖。在這個(gè)BOSA中，光學(xué)傳輸和接收功能分別被整合到硅基平臺(tái)和TO-CAN封裝中。它可以是10 G-EPON的低成本BOSA，也可以是XG-PON的應(yīng)用。[1]

  圖1 一個(gè)新的TO底座組裝的BOSA

  2015年，Lightip在OFC推出了一款基于TO-CAN的可調(diào)諧激光器TOSA，該激光器基于8針TO-CAN封裝，可降低成本。這款小巧、低成本的可調(diào)諧激光器在100 GHz間距下最多有16個(gè)信道，在50GHz間距下最多有32個(gè)信道，特別適合于NGPON2和WDM-PON。

  在2018年的OFC會(huì)議上，AIT奧地利理工學(xué)院的Bernhard Schrenk和華為杜塞爾多夫公司的Fotini Karinou發(fā)布了世界上第一個(gè)基于TO-CAN的相干收發(fā)器。他們?cè)谝粋€(gè)單光纖/射頻端口的TO-CAN封裝中實(shí)現(xiàn)了相干零拍接收器和發(fā)射器。[2] 在同一年，Sae-Kyoung Kang和他們的團(tuán)隊(duì)通過使用TO-CAN封裝而不是昂貴的盒式封裝，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了成本效益高、緊湊型的100 Gb/s(2×50 Gb/s) PAM-4接收器光學(xué)子組件(ROSA)。它由一個(gè)光解多路器、兩個(gè)PIN-PDs和一個(gè)2通道線性跨阻抗放大器組成。該組件是利用標(biāo)刻在每個(gè)零件上的標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)無源耦合對(duì)準(zhǔn)和組裝的。[3]

  今天，新的TO-CAN封裝有了更多的功能，超出了傳統(tǒng)光學(xué)收發(fā)器中低成本的簡(jiǎn)單發(fā)射器和接收器。TO-CAN封裝可實(shí)現(xiàn)不同的高性能或復(fù)雜功能，如致冷/非致冷50G DML/EML發(fā)射器、可調(diào)激光器、BOSA、980泵浦激光器、100G PAM4接收器等。在過去，那些高性能或復(fù)雜的功能器件被封裝在復(fù)雜昂貴的管盒封裝中。這些具有新技術(shù)和高性能的新型To - can光子器件的重點(diǎn)是可以降低成本和封裝尺寸。將有源發(fā)射和接收元件與無源波導(dǎo)、光濾波器和其他元件部分或同時(shí)集成在一個(gè)極小的TO底座內(nèi)是相當(dāng)困難的。

  此外，低成本的新型TO-CAN光子器件均被部署在大批量應(yīng)用場(chǎng)景中。在2018年OFC期間，全球領(lǐng)先的 TO-CAN封裝材料供應(yīng)商Schott推出了50G TO-CAN封裝材料，這標(biāo)志著超高速技術(shù)發(fā)展新篇章的開始，該技術(shù)將進(jìn)一步滿足日益增長(zhǎng)的部署最強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)的需求。這些器件將支持高達(dá)400G的DCI QSFP收發(fā)器，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線基站的速度更快，幫助電信行業(yè)向部署5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)邁出了一大步。

  為了支持5G無線部署，波分多路復(fù)用(WDM)激光器和電吸收調(diào)制激光器(EMLs)也被封裝成低成本的TO-CAN封裝。由于需要貼裝更多芯片，這些WDM/EML-TOs比傳統(tǒng)的TO -can封裝要復(fù)雜得多，傳統(tǒng)的TO -CAN封裝只需要處理1-2個(gè)芯片。DCI和5G應(yīng)用都有很高的量產(chǎn)要求，對(duì)成本非常敏感，對(duì)可制造性也有嚴(yán)格的要求。如果新的TO-CAN光子器件沒有成本效益高的全面自動(dòng)化制造解決方案，新型的TO-CAN光子器件可能無法滿足成本目標(biāo)，這對(duì)商業(yè)應(yīng)用推廣至關(guān)重要。

  封裝自動(dòng)化的挑戰(zhàn)

  新的光子器件選擇了不同尺寸的TO-CAN封裝，以實(shí)現(xiàn)多種功能，如TOSA、ROSA、可調(diào)激光器和收發(fā)器。

  TO-46和TO-56是最受歡迎的尺寸被選擇作為新的TO-CAN封裝。芯片材料可以是III-V化合半導(dǎo)體發(fā)射和接收芯片，連同其他的芯片，如TEC，玻璃鏡片，濾光片，隔離器，TIA和其他光學(xué)或電子元件。所有這些組件將被貼附在一個(gè)小的TO底座上。工藝可能包括有共晶、環(huán)氧樹脂和UV固化。這些芯片可以設(shè)計(jì)成水平或垂直，甚至一些特殊角度貼附在定制的新型TO底座上。在復(fù)雜的新型封裝設(shè)計(jì)中，裝配解決方案的趨勢(shì)是采用低成本的被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，利用刻在每個(gè)零件上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記來代替成本高、周期長(zhǎng)的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)工藝?；谶@一趨勢(shì)，需要多工序高精度的全自動(dòng)化工具來支持不同類型的新型TO-CAN器件的批量生產(chǎn)。這給封裝自動(dòng)化設(shè)備公司帶來了一些新挑戰(zhàn)。

  第一個(gè)挑戰(zhàn)是機(jī)器的精度。新的TO底座提供了一個(gè)機(jī)械的基礎(chǔ)平臺(tái)，為安裝光學(xué)和電子元件，如TEC，激光或接收二極管，透鏡和電容器，簡(jiǎn)單的電子電路等，同時(shí)通過引腳幫助提供電源或射頻信號(hào)給封裝組件。在新的TO-CAN封裝中的光學(xué)元件，如光電二極管、激光二極管和透鏡，容易受到小的裝配公差的影響，特別是對(duì)于單模設(shè)計(jì)。對(duì)于光學(xué)器件的被動(dòng)定位，光學(xué)芯片必須有較高的定位精度。在新的封裝設(shè)計(jì)中，芯片的位置公差可能需要小于+/-3~5微米，并要求機(jī)器具有更高的精度+/-1~2微米。機(jī)器精度越高，零件的公差就可以越大，從而一定程度上降低大批量生產(chǎn)中材料的一致性成本，提高裝配的成品率。

  第二個(gè)挑戰(zhàn)是靈活地快速處理不同類型的新TO底座。新的TO底座有不同的方向?qū)?zhǔn)標(biāo)志，以確保多個(gè)組件可以正確安裝在TO底座上。一個(gè)解決方案是需要處理帶有多個(gè)引腳的新的TO底座，引腳的長(zhǎng)度達(dá)14-18mm。TO底座可能需要預(yù)先定位，以將TO底座旋轉(zhuǎn)到正確的位置。在一般情況下，TO底座上設(shè)計(jì)有小的方向標(biāo)記，刻槽或者TO底座上的特殊結(jié)構(gòu)標(biāo)記等來確定TO底座的位置方向?？滩酆吞厥饨Y(jié)構(gòu)的方向標(biāo)記在5G新TO底座中更常見。新的To 底座預(yù)定位后，粘片的工位還需要特殊設(shè)計(jì)以適應(yīng)TO-CAN的封裝，因?yàn)閷?duì)TO-CAN封裝必須設(shè)計(jì)適應(yīng)TO底座的共晶加熱臺(tái)。而且應(yīng)該易于編程或可重新配置，以適應(yīng)不同的大小的TO封裝。

  刻槽的                                               特殊結(jié)構(gòu)的

  圖2 TO底座上的方向?qū)?zhǔn)標(biāo)記

  第三個(gè)挑戰(zhàn)是新的TO-CAN有多個(gè)芯片在一個(gè)小的TO底座上。通常，在一個(gè)新的TO 底座中至少有兩到六個(gè)不同的光學(xué)和電子元件，在某些情況下會(huì)超過六個(gè)。芯片可能使用不同的材料，有不同的尺寸，以及使用不同的貼片工藝，如共晶或環(huán)氧樹脂。芯片的貼片機(jī)需要有能力快速更換吸頭工具，以處理這些不同的材料。芯片材料可能需要有不同的輸入模式，如晶圓、華夫盒或Gel-Pak®。機(jī)器需要支持在一臺(tái)機(jī)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有這些粘片工藝，以避免在粘片機(jī)之間產(chǎn)生額外的校準(zhǔn)誤差，以獲得更高的貼片精確度。

  第四個(gè)挑戰(zhàn)是新的TO-CAN光器件是為低成本、大批量生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的。完全自動(dòng)化的解決方案需要非常高的效率，和工藝周期時(shí)間盡可能短。機(jī)器需要被設(shè)計(jì)為高速和并行的工藝過程，以滿足客戶更高的產(chǎn)出量，并具有靈活性，以適應(yīng)所有不同種類的低成本新型TO-CAN器件的封裝。機(jī)器應(yīng)該有能力容易地更換夾具，和很容易的編程從一個(gè)產(chǎn)品切換到另一個(gè)產(chǎn)品。在柔性制造系統(tǒng)中，TO貼片機(jī)可以看作是一個(gè)對(duì)TO-CAN器件的一個(gè)柔性裝配單元。

  創(chuàng)新的解決方案和結(jié)果

  MRSI-H-TO提供了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案，以應(yīng)對(duì)新型TO-CAN封裝的挑戰(zhàn)，完全自動(dòng)化組裝批量化生產(chǎn)。MRSI-H-TO是建立在新一代和行業(yè)首個(gè)1.5微米高精度，高靈活和高速的貼片機(jī)平臺(tái)[5] 以實(shí)現(xiàn)多芯片和多工藝，目標(biāo)是針對(duì)用于高速數(shù)據(jù)中心和5G無線網(wǎng)絡(luò)的新型封裝TO-CAN光器件的批量制造而推出的。

  MRSI-H-TO采用50nm分辨率的直線電機(jī)和一個(gè)空氣軸承龍門的XYZ方向

  精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，機(jī)器邦頭旋轉(zhuǎn)?360?運(yùn)行具有0.0045?分辨率。機(jī)器放置精度可在不旋轉(zhuǎn)的情況下滿足±1.5微米。在MRSI-H-TO上測(cè)試玻璃芯片貼片精度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，包括200個(gè)玻璃芯片貼片數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，這個(gè)機(jī)器X的精度為0.662微米 & Y的精度為0.642微米，均為在3西格瑪條件下。

  圖3 玻璃芯片在MRSI-H-TO貼片結(jié)果

  MRSI-H-TO有一個(gè)正在申請(qǐng)專利的先進(jìn)的TO并行處理模塊，它有一個(gè)TO底座的吸頭，可以從托盤拾起一個(gè)新的TO底座，封裝完成后再放回到托盤。TO處理模塊也有一個(gè)TO預(yù)定位工作臺(tái)，可通過識(shí)別TO底座的方向指示標(biāo)記將TO底座旋轉(zhuǎn)到正確的位置(對(duì)于一些具有明確的方向特征的TO可能不需要)。該TO處理模塊具有兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)的超快升溫共晶臺(tái)，可以提供TO底座的加載/卸載，以及共晶貼片的并行處理。TO處理模塊可以處理多種尺寸的TO，例如38/46/56/65/72。其結(jié)果是在保持吸頭工具切換靈活性的同時(shí)，使產(chǎn)出最大化。圖4是正在申請(qǐng)專利的先進(jìn)的TO處理模塊。

  圖4.MRSI-H-TO貼片機(jī)內(nèi)部的新TO處理模塊

  MRSI-H-TO是一種創(chuàng)新的系統(tǒng)，它可以配置超快升溫共晶臺(tái)、并行材料處理和雙貼片臺(tái)。該產(chǎn)品提供了一種獨(dú)特的能力，可在一臺(tái)機(jī)器內(nèi)處理和粘合多種不同大小和幾何形狀的芯片，而無需機(jī)器切換。具有一個(gè)從10-300克的力可編程的實(shí)時(shí)力控制的貼片頭。它可以處理最小140微米的芯片尺寸。MRSI-H-TO龍門貼片頭可“在運(yùn)動(dòng)中”進(jìn)行吸頭工具切換，具有+/-1.5微米的芯片放置精度，以完成共晶和環(huán)氧貼片。材料輸入選項(xiàng)有wafer, waffle pack和Gel-Pak®。圖5是MRSI-H-TO貼片頭拾取來自晶圓的芯片。

  在過去，處理這些挑戰(zhàn)的傳統(tǒng)方法是投資兩臺(tái)不同的機(jī)器。 這首先是昂貴的，其次是低效的，導(dǎo)致整個(gè)流程時(shí)間更長(zhǎng)，從而降低產(chǎn)出。也許更糟糕的是，最終裝配后的精度是低的，因?yàn)椴渴饍膳_(tái)機(jī)器會(huì)有復(fù)合校準(zhǔn)誤差。在某些情況下，這會(huì)導(dǎo)致第1臺(tái)機(jī)器完成一些芯片貼片覆蓋后，基于TO的中心在第2臺(tái)機(jī)器上無法識(shí)別。MRSI針對(duì)多芯片和多工藝的創(chuàng)新解決方案使客戶獲得一流的產(chǎn)能和擴(kuò)產(chǎn)速度加快，超高精度可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的高密度產(chǎn)品封裝、以及在一臺(tái)機(jī)器上生產(chǎn)任何類型的TO-CAN光器件的無與倫比的靈活性，從而改變了新型TO-CAN貼片工藝的經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性。

  圖5.MRSI-H-TO 貼片頭從晶圓片拾取芯片

  我們?cè)诳蛻衄F(xiàn)場(chǎng)完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，為5G TOSA生產(chǎn)25G DML TO 56。TO底座的組裝需90?倒裝共晶貼片工藝。共生產(chǎn)了29個(gè)25G DML TO56樣品。實(shí)驗(yàn)選用25G DML TO56 TOSA (樣品數(shù)量為29 個(gè))，需要90?倒裝共晶工藝。X和Y偏移結(jié)果如下。如圖6所示，結(jié)果完全符合產(chǎn)品規(guī)格，在+/- 5微米@3西格瑪范圍內(nèi)，X精度和Y精度均是粘片后精度。據(jù)我們所知，這些都是行業(yè)中最好的結(jié)果。該機(jī)器還展示了在處理多芯片多工藝的復(fù)雜TO產(chǎn)品中表現(xiàn)的行業(yè)領(lǐng)先的速度和產(chǎn)出量。

  圖6 25G DML TO56 貼片后的結(jié)果

  總結(jié)

  低成本的TO-CAN封裝開始用于高性能光子器件，這是由DCI和5G大量部署驅(qū)動(dòng)的。與傳統(tǒng)的TO-CAN封裝相比，新的TO-CAN封裝具有更大的挑戰(zhàn)性，需要在一臺(tái)機(jī)器內(nèi)使用多個(gè)芯片和多個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)更高的精度，以實(shí)現(xiàn)高性能光器件的高混合和大容量制造。MRSI-H-TO 圖7 所示，提供了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案，以解決新型光器件自動(dòng)化封裝的挑戰(zhàn)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明了在批量環(huán)境下對(duì)多芯片和多工藝的光器件可實(shí)現(xiàn)業(yè)界最佳粘片后精度。這是世界上第一個(gè)全自動(dòng)機(jī)器以滿足新型TO-CAN高精度，高速度和高靈活性的要求。

  圖7 MRSI-H-TO設(shè)備外觀

  參考文獻(xiàn)

  [1] Young Soon Heo, etc. “1∕10 Gb∕s single transistor-outline-CAN bidirectional optical subassembly for a passive optical network” © 2013 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). January 2013/Vol. 52(1)

  [2] B. Schrenk and F. Karinou, "World’s First TO-can Coherent Transceiver," in Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2018), paper Th1A.4.

  [3] Sae-Kyoung Kang, etc. “Low-cost and miniaturized 100-Gb/s (2 × 50 Gb/s) PAM-4 TO-packaged ROSA for data center networks” March 2018 Optics Express 26(5):6172

  [4] Y. Qian, “Manufacturing Photonics: Challenges for photonics manufacturing in the new data center era,” Laser Focus World, 54, 8, 24–29 (Aug. 2018).

  [5] Limin Zhou, “Flexible die bonding solution targets modern photonics manufacturing” Laser Focus World, (July, 2020)

  注: 原文《An innovative Assembly Automation Solution with the best Accuracy for New TO-CAN based photonic Devices in 5G wireless Network》發(fā)表于 Laser Focus World, Aug 2020.

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