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    光電子世界的芯片綁定

    2006-03-21 SMTinline

    本文介紹,在光電子中投資的PCB裝配制造商將遇到新的基板與封裝設計,它需要不尋常的綁定設備能力。
      一些工業專家預想在不遠的將來,印刷電路板(PCB)的“不動產”將普遍被那些既有電子又有光子四處奔跑的芯片所占有。盡管如此,直到這一天到來之前,原設備制造商(OEM)和電子制造服務(EMS)供應商將還不得不以今天現有的技術來參與競爭。他們現在所面臨的是一個勞動力密集、低產量和高成本的現實,很少光子元件是使用自動化設備來封裝和裝配的,因為不存在標準的工藝和封裝。
      這個“另類世界”由古怪的基板和封裝設計組成,在其內面有細小的、精致的光子元件。通常為了穩定性,光子元件裝在氣密密封的封裝里面,例如,在晶體管外形(TO)頭中的激光二極管。光電子元件連接以形成電路的安裝結構可以是柔性電路、FR-4板或幾種其它的連接材料。一個例子是在FR-4板上的電信陣列放大器,然后板又澆鑄成模塊。另一個例子是在PCB上的光電發射器(圖一)。

           
     


      由于今天光電子市場的特性,以PCB定位的OEM和EMS供應商必須熟悉廣泛的基板類型以及有源與無源的元件,如發射器、接收器、棱鏡、單個的激光二極管、光纜、微電子機械系統(MEMS, microelectronic-mechanical system)的反射器矩陣、甚至微光電子機械系統(MOEMS)的射流開關。在每個級別都將涉及這些元件,從芯片到封裝到發射/接收光纖(圖二)。

               


     現在和將來,光子電路的心臟是激光二極管。例如,邊緣發射激光二極管和垂直空腔表面發射激光二極管(VCSEL, vertical cavity surface-emitting laser diode)。這些元件要求一臺綁定機,具有大多數傳統PCB裝配制造商不習慣使用的能力和設計特性。
    綁定材料(Bonding Materials)
      現在,在電信應用中,金/錫合金是用于安裝VCSEL和邊緣發射器到子裝配的最常指定的綁定材料。該合金的應用或者通過電鍍到子裝配上或者通過放置金/錫預成型,然后加熱回流,形成焊接。
      可是,一些封裝者使用環氧樹脂,特別是對于計算機通信應用,因為它簡化和加速了焊接工藝,成本較低。例如,一個激光二極管可以用樹脂附著到每一個TO頭上,這些頭坐落在綁定機的貼裝站的托盤里,然后所有的環氧樹脂可以同時固化。
      一旦實施光電子裝配的標準工藝和封裝,樹脂綁定應該得到甚至更大的好處,因為它有助于自動化工藝,這個自動化工藝是新設計的開發與起始低產量生產階段隨之而來的。廣告詞句:選擇一臺可以運行合金和樹脂兩種安裝工藝的綁定機,這樣可以最充分地利用這臺綁定機。
    激光二極管的綁定(Laser Diode Bonding)
      一個激光二極管的細致如鹽的顆粒大小和精密的特性為OEM和EMS供應商產生了不尋常的挑戰。綁定負載與溫度曲線的精密計算機控制對于保護這些元件在綁定工藝中不被壓碎和過熱是絕對必要的。綁定機的Z運動必須施加一個可重復的、非常低的綁定載荷給元件,以避免壓碎或者甚至給它應力。
      另一個可能影響綁定機選擇的考慮是其堆疊元件的能力。例如,該應用可能要求首先沉積樹脂在TO頭上,然后一個陶瓷隔離片放在樹脂上,在將樹脂放在陶瓷頂面,最后VCSEL放進里面。
      如果要使用樹脂,樹脂點的大小必須比具有正向位移閥的標準針嘴滴膠系統可達到的更小。這類系統滴出的膠點就象俗話說的“黑人的蜜吻”,對于VCSEL應用簡直太大了。由于膠點太大,當放置元件時材料流出邊緣周圍,流到激光元件的發射區域,阻礙發射的光束(圖三)。

        


           今天,許多光電子裝配制造商嘗試使用一個針嘴滴膠系統來進行樹脂安裝工藝。可是,這些裝配制造商都通常缺乏深入的半導體封裝經驗。為了取得成功,裝配制造商必須有一臺裝備有樹脂轉移工具技術的綁定機,這種設備在20-25年前即普遍用于半導體工業。該技術允許綁定機操作員準確地將極其小量的膠滴在子裝配上。
      為了完成激光二極管樹脂安裝,在綁定機上某些特性是有用的。例如,綁定機的吸取工具可能裝備一個雙頭,一個從其載體上吸取激光二極管,另一個用于樹脂轉移工具。
      視覺能力需要用來達到準確安裝微小的激光元件所要求的對準和貼裝精度。應該為視覺系統考慮幾個設計特性。首先,一個光束分路器是有用的,在對準步驟中,它以高放大倍數同時疊加傳送工具頭的圖像和著陸座的圖像。其次,一個用光纖照明的立體放大顯微鏡允許操作員檢查安裝工藝和實時地檢查對準。
      如果放置VCSEL,可能發生這些片子的不對準。例如,當綁定機的吸取工具下去從載體上吸取VCSEL時,由于工具頭的真空關閉,VCSEL的發光點可能變得不對準。可是,如果真空開著,可能造成VCSEL跳起來,產生不對準。還有,當吸取工具將在凝凍體包裝上的VCSEL從載體的粘床上拿走時,零件可能變得不對準。
      盡管如此,不對準這個情況可以通過選擇一個具有精密工作站的綁定機來完全避免。精密工作站允許用非加熱的工具不損壞凝膠,將VCSEL取下。接著,在貼裝到子裝配之前,可以用預熱工具處理VCSEL。精密工作站還用真空將VCSEL牢固地固定在位置上,用這個綁定系統的重疊圖像的對準,其發光點不會偏離中心。
    VCSEL的視覺挑戰
      為了適當地處理所有形式的激光二極管的綁定,綁定機上另一種視覺特征是有幫助的。某些應用要求比只使用光束分路器和顯微鏡可達到的更好的對準/貼裝能力。例如,將樹脂或金/錫放置到一個圓形的TO頭上,然后安裝VCSEL。在該類型的應用中將要遇到的問題實際上是不可逾越的,如果在半自動的綁定機上不使用特殊的視覺特性,或者在更昂貴的全自動綁定機上不使用自動模式的識別能力。
      特別是,在VCSEL從其載體吸出之后,由于抓住芯片的吸取頭阻擋了視線,操作員看不見VCSEL的發射點。為了將發射點對準到子裝配上的某個特征點上,操作員必須知道激光二極管的發射點在哪里。通常,二極管的發射點對準TO頭的中心。在這種情況中,必須提供一個參考標記,可以疊加到頭的肩部,這樣可以同時看到肩部和VCSEL上的發射點的位置。
      可是,由于在激光芯片上需要空間給著陸/綁定的焊盤,有時發射點不在激光二極管的中心。更復雜的情況是,當晶圓上的激光芯片切割時,在切割片的形狀上可能有10-15微米的變化。
      除此之外,激光器位于之上的TO頭是一個機器壓印的金屬片,因此其誤差可能在TO頭的肩部周圍變化。如果TO頭的肩部超出圓一定數量,那么發射點的貼裝精度將受到負面影響。即使TO頭是個完美的圓,其直徑也可能實際上有變化。
      一個解決辦法是有這樣一臺綁定機,它“記住”在VCSEL從載體吸取之前發射點在哪里,并且補償非圓的肩部/直徑的變化。昂貴的自動綁定機具有觀察載體內芯片的圖形識別系統,記憶發射點的位置和將它定位到子裝配的焊盤座上。許多投資到光電子的PCB裝配制造商不想知道這個使用自動化機器的新領域的訣竅,只是將這種能力增加到半自動綁定機上可能不是一個可行的辦法。
      為了解決這些問題,可以將一個相對不昂貴的視覺圖像標識器加入到激光綁定機上。這個視覺圖形標識器由一個鍵盤、控制箱和調節系統的放大電子圖像的x-y旋鈕組成。視覺圖像標識器產生一個固定的十字線圖形重疊,用于對中VCSEL的發射點。不同的圖像然后可以疊加在VCSEL將要安裝的子裝配上。例如,TO頭的頂部的外圓的疊加圖像。

       


       在操作中,激光二極管從其載體的托盤上吸取,放在綁定機的精密工作站上。圖形標識器的十字線對準二極管的發射點,二極管被吸起,準備貼裝在TO頭上。標識器的圓形覆蓋圖對準該頭(圖四)。現在發射點和頭兩者都適當對準,操作員可以準確地將激光二極管放在頭上。
    平臺/拱架的考慮(Platform/Gantry Consideration)
      激光二極管的綁定要求一個穩定的綁定平臺/拱架和精密的滑行導軌。Z運動控制應該允許低負載的、精確的、可重復的芯片綁接。對于涉及邊緣發射激光器和VCSEL的金/錫綁定工藝,綁定機必須能夠在綁定和冷卻循環期間以一個特定的、持續的負載固定芯片,這樣芯片不會壓碎或存在應力。在樹脂接合中,需要一個特定的、持續的載荷來保證兩個表面之間的樹脂厚度盡可能均勻。
      如果使用金/錫合金,一種擦洗能力是有幫助的。擦洗消除可能在相互連接表面之間出現的空洞。需要擦洗次數決定于二極管的大小,最小的二極管通常不需要任何擦洗。綁定機應該裝配一個頭,將擦洗動作準確地回到開始位置,以維持原點的對準。是芯片的尺寸而定,擦洗的幅度和頻率可能需要改變。當使用邊緣發射器時,必須極其注意擦洗時不要將綁定材料堆積在二極管的前后晶體小平面上,否則會被污染。
      綁定機的軟件程序應該多用途,足以適應共晶和樹脂應用。所有操作功能應該用實時的軟件系統控制,通過閉環的反饋提供對工藝的驗證。
    結論
      為了接受這個挑戰和收獲由于開拓光電子市場所提供的回報,以PCB定位的OEM和EMS供應商需要對傳統的裝配工藝進行思考。今天的光電裝配中的基板和封裝設計要求不尋常的綁定設備能力。使用合適的綁定機,OEM和EMS供應商可以獲得經驗,在這個新的令人興奮的工業參與競爭。
    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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