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    光电子世界的芯片绑定

    2006-03-21 SMTinline

    本文介绍,在光电子中投资的PCB装配制造商将遇到新的基板与封装设计,它需要不寻常的绑定设备能力。
      一些工业专家预想在不远的将来,印刷电路板(PCB)的“不动产”将普遍被那些既有电子又有光子四处奔跑的芯片所占有。尽管如此,直到这一天到来之前,原设备制造商(OEM)和电子制造服务(EMS)供应商将还不得不以今天现有的技术来参与竞争。他们现在所面临的是一个劳动力密集、低产量和高成本的现实,很少光子元件是使用自动化设备来封装和装配的,因为不存在标准的工艺和封装。
      这个“另类世界”由古怪的基板和封装设计组成,在其内面有细小的、精致的光子元件。通常为了稳定性,光子元件装在气密密封的封装里面,例如,在晶体管外形(TO)头中的激光二极管。光电子元件连接以形成电路的安装结构可以是柔性电路、FR-4板或几种其它的连接材料。一个例子是在FR-4板上的电信阵列放大器,然后板又浇铸成模块。另一个例子是在PCB上的光电发射器(图一)。

           
     


      由于今天光电子市场的特性,以PCB定位的OEM和EMS供应商必须熟悉广泛的基板类型以及有源与无源的元件,如发射器、接收器、棱镜、单个的激光二极管、光缆、微电子机械系统(MEMS, microelectronic-mechanical system)的反射器矩阵、甚至微光电子机械系统(MOEMS)的射流开关。在每个级别都将涉及这些元件,从芯片到封装到发射/接收光纤(图二)。

               


     现在和将来,光子电路的心脏是激光二极管。例如,边缘发射激光二极管和垂直空腔表面发射激光二极管(VCSEL, vertical cavity surface-emitting laser diode)。这些元件要求一台绑定机,具有大多数传统PCB装配制造商不习惯使用的能力和设计特性。
    绑定材料(Bonding Materials)
      现在,在电信应用中,金/锡合金是用于安装VCSEL和边缘发射器到子装配的最常指定的绑定材料。该合金的应用或者通过电镀到子装配上或者通过放置金/锡预成型,然后加热回流,形成焊接。
      可是,一些封装者使用环氧树脂,特别是对于计算机通信应用,因为它简化和加速了焊接工艺,成本较低。例如,一个激光二极管可以用树脂附着到每一个TO头上,这些头坐落在绑定机的贴装站的托盘里,然后所有的环氧树脂可以同时固化。
      一旦实施光电子装配的标准工艺和封装,树脂绑定应该得到甚至更大的好处,因为它有助于自动化工艺,这个自动化工艺是新设计的开发与起始低产量生产阶段随之而来的。广告词句:选择一台可以运行合金和树脂两种安装工艺的绑定机,这样可以最充分地利用这台绑定机。
    激光二极管的绑定(Laser Diode Bonding)
      一个激光二极管的细致如盐的颗粒大小和精密的特性为OEM和EMS供应商产生了不寻常的挑战。绑定负载与温度曲线的精密计算机控制对于保护这些元件在绑定工艺中不被压碎和过热是绝对必要的。绑定机的Z运动必须施加一个可重复的、非常低的绑定载荷给元件,以避免压碎或者甚至给它应力。
      另一个可能影响绑定机选择的考虑是其堆叠元件的能力。例如,该应用可能要求首先沉积树脂在TO头上,然后一个陶瓷隔离片放在树脂上,在将树脂放在陶瓷顶面,最后VCSEL放进里面。
      如果要使用树脂,树脂点的大小必须比具有正向位移阀的标准针嘴滴胶系统可达到的更小。这类系统滴出的胶点就象俗话说的“黑人的蜜吻”,对于VCSEL应用简直太大了。由于胶点太大,当放置元件时材料流出边缘周围,流到激光元件的发射区域,阻碍发射的光束(图三)。

        


           今天,许多光电子装配制造商尝试使用一个针嘴滴胶系统来进行树脂安装工艺。可是,这些装配制造商都通常缺乏深入的半导体封装经验。为了取得成功,装配制造商必须有一台装备有树脂转移工具技术的绑定机,这种设备在20-25年前即普遍用于半导体工业。该技术允许绑定机操作员准确地将极其小量的胶滴在子装配上。
      为了完成激光二极管树脂安装,在绑定机上某些特性是有用的。例如,绑定机的吸取工具可能装备一个双头,一个从其载体上吸取激光二极管,另一个用于树脂转移工具。
      视觉能力需要用来达到准确安装微小的激光元件所要求的对准和贴装精度。应该为视觉系统考虑几个设计特性。首先,一个光束分路器是有用的,在对准步骤中,它以高放大倍数同时叠加传送工具头的图像和着陆座的图像。其次,一个用光纤照明的立体放大显微镜允许操作员检查安装工艺和实时地检查对准。
      如果放置VCSEL,可能发生这些片子的不对准。例如,当绑定机的吸取工具下去从载体上吸取VCSEL时,由于工具头的真空关闭,VCSEL的发光点可能变得不对准。可是,如果真空开着,可能造成VCSEL跳起来,产生不对准。还有,当吸取工具将在凝冻体包装上的VCSEL从载体的粘床上拿走时,零件可能变得不对准。
      尽管如此,不对准这个情况可以通过选择一个具有精密工作站的绑定机来完全避免。精密工作站允许用非加热的工具不损坏凝胶,将VCSEL取下。接着,在贴装到子装配之前,可以用预热工具处理VCSEL。精密工作站还用真空将VCSEL牢固地固定在位置上,用这个绑定系统的重叠图像的对准,其发光点不会偏离中心。
    VCSEL的视觉挑战
      为了适当地处理所有形式的激光二极管的绑定,绑定机上另一种视觉特征是有帮助的。某些应用要求比只使用光束分路器和显微镜可达到的更好的对准/贴装能力。例如,将树脂或金/锡放置到一个圆形的TO头上,然后安装VCSEL。在该类型的应用中将要遇到的问题实际上是不可逾越的,如果在半自动的绑定机上不使用特殊的视觉特性,或者在更昂贵的全自动绑定机上不使用自动模式的识别能力。
      特别是,在VCSEL从其载体吸出之后,由于抓住芯片的吸取头阻挡了视线,操作员看不见VCSEL的发射点。为了将发射点对准到子装配上的某个特征点上,操作员必须知道激光二极管的发射点在哪里。通常,二极管的发射点对准TO头的中心。在这种情况中,必须提供一个参考标记,可以叠加到头的肩部,这样可以同时看到肩部和VCSEL上的发射点的位置。
      可是,由于在激光芯片上需要空间给着陆/绑定的焊盘,有时发射点不在激光二极管的中心。更复杂的情况是,当晶圆上的激光芯片切割时,在切割片的形状上可能有10-15微米的变化。
      除此之外,激光器位于之上的TO头是一个机器压印的金属片,因此其误差可能在TO头的肩部周围变化。如果TO头的肩部超出圆一定数量,那么发射点的贴装精度将受到负面影响。即使TO头是个完美的圆,其直径也可能实际上有变化。
      一个解决办法是有这样一台绑定机,它“记住”在VCSEL从载体吸取之前发射点在哪里,并且补偿非圆的肩部/直径的变化。昂贵的自动绑定机具有观察载体内芯片的图形识别系统,记忆发射点的位置和将它定位到子装配的焊盘座上。许多投资到光电子的PCB装配制造商不想知道这个使用自动化机器的新领域的诀窍,只是将这种能力增加到半自动绑定机上可能不是一个可行的办法。
      为了解决这些问题,可以将一个相对不昂贵的视觉图像标识器加入到激光绑定机上。这个视觉图形标识器由一个键盘、控制箱和调节系统的放大电子图像的x-y旋钮组成。视觉图像标识器产生一个固定的十字线图形重叠,用于对中VCSEL的发射点。不同的图像然后可以叠加在VCSEL将要安装的子装配上。例如,TO头的顶部的外圆的叠加图像。

       


       在操作中,激光二极管从其载体的托盘上吸取,放在绑定机的精密工作站上。图形标识器的十字线对准二极管的发射点,二极管被吸起,准备贴装在TO头上。标识器的圆形覆盖图对准该头(图四)。现在发射点和头两者都适当对准,操作员可以准确地将激光二极管放在头上。
    平台/拱架的考虑(Platform/Gantry Consideration)
      激光二极管的绑定要求一个稳定的绑定平台/拱架和精密的滑行导轨。Z运动控制应该允许低负载的、精确的、可重复的芯片绑接。对于涉及边缘发射激光器和VCSEL的金/锡绑定工艺,绑定机必须能够在绑定和冷却循环期间以一个特定的、持续的负载固定芯片,这样芯片不会压碎或存在应力。在树脂接合中,需要一个特定的、持续的载荷来保证两个表面之间的树脂厚度尽可能均匀。
      如果使用金/锡合金,一种擦洗能力是有帮助的。擦洗消除可能在相互连接表面之间出现的空洞。需要擦洗次数决定于二极管的大小,最小的二极管通常不需要任何擦洗。绑定机应该装配一个头,将擦洗动作准确地回到开始位置,以维持原点的对准。是芯片的尺寸而定,擦洗的幅度和频率可能需要改变。当使用边缘发射器时,必须极其注意擦洗时不要将绑定材料堆积在二极管的前后晶体小平面上,否则会被污染。
      绑定机的软件程序应该多用途,足以适应共晶和树脂应用。所有操作功能应该用实时的软件系统控制,通过闭环的反馈提供对工艺的验证。
    结论
      为了接受这个挑战和收获由于开拓光电子市场所提供的回报,以PCB定位的OEM和EMS供应商需要对传统的装配工艺进行思考。今天的光电装配中的基板和封装设计要求不寻常的绑定设备能力。使用合适的绑定机,OEM和EMS供应商可以获得经验,在这个新的令人兴奋的工业参与竞争。
    Bibliography
    IPC. (2001). Proceedings of IPC National Conference on Optoelectronics.  Toronto, Ontario, Canada, May 3-4.
    Weiss, S. (June 2001). Photonics and volume manufacturing:The automation  crisis. Photonics Spectra, pp. 97-110.


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