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Palomar Technologies公司行銷與企業(yè)發(fā)展部副總裁 Bruce W. Hueners
光器件肩負著將信息從光網絡傳送至客戶端或從客戶端至光網絡的重任，確保光網絡能夠處理大量的數據流量。我們知道，通常激光光源將無處不在的高頻電信號轉換成為光脈沖，然后沿著光纖傳輸，而泵浦激光器 (pump laser)則負責放大這些光信號，從而延長信號在長途光網絡和城域光網絡中的傳輸距離。
在過去20年里，半導體激光器已經演變成一個的強大、可靠的器件家族，個別器件的轉換效率甚至超過50%，連續(xù)輸出功率達到幾個KW，調制速率也達到幾十個GHz，而發(fā)射波長則從450nm延伸到2000nm之外。
專屬方法、專利技術障礙以及行業(yè)秘密在光器件的制造和封裝領域極為盛行。這些方法包括用戶自定義的晶圓工藝、薄膜工藝、器件與組件的封裝（包括易熔/共晶的或環(huán)氧樹脂組件的粘合，以及焊線（wire bonding））技術、光纖處理及定位校準，以及最后階段的調整、校正與測試。由于缺少封裝及材料處理標準，繁瑣的制造技術與工藝是很常見的。
盡管光器件產業(yè)是一個高科技產業(yè)，但是目前光器件的裝配生產仍大量依賴手工操作，可以說仍處于“半手工半自動化”階段，該行業(yè)仍缺乏廣泛應用到其他制造行業(yè)的通用工業(yè)工程方法。
我們所常見的光模塊通常由半導體器件、表面貼裝無源組件、襯底、校準器、外殼、粘合劑、焊料、以及熱管理元件，聯合一個或多個光元件整合組成的，圖1顯示了一種光模塊的封裝示意圖。
圖1 封裝示意圖
這些光元件包括對準好的光纖、透鏡、反射鏡、隔離器、波長鎖定晶體、折射率匹配粘合劑等，采用的許多裝配技術都跟IC產業(yè)的裝配技術類似，人們需要一種高產量、低成本的封裝技術來降低光器件的制造成本。
例如，光發(fā)射與光接收組件(TOSA及ROSA)是光收發(fā)器中最昂貴且精密的組成部份。擁有材料管理供應鏈及精密制造能力的CEMs光器件制造商們，可以實現對這些復雜零器件的大批量、低成本的制造。這些CEMs帶給模塊/設備公司的這項專門技術，將使得光纖到戶(FTTH)或其它光纖到某地方(FTT-X)的服務成為消費者所負擔得起的選擇。
器件功能與封裝模式
通常器件功能支配著封裝模式。高性能的器件，例如激光光源、泵浦激光器及調制器，一般會組裝在蝶式封裝中(butterfly packages)。低性能、較短距離與對成本相當敏感的器件則采用低成本的封裝模式，如圓柱式(Transistor-Outline, TO)封裝TO-46及TO-56(圖2)。而表1則列出了不同器件所采用的不同封裝模式。
圖2：To封裝
光學的原始設備生產商(OEMs)漸漸地將他們的終端——有源光器件的制造業(yè)務外包給合同制造商(CEMs)。結果這些合同制造商已變成主要的光收發(fā)器制造商，其中包含光收發(fā)器中最昂貴的光發(fā)射組件與光接收組件的物料來源及制造。
因為光電封裝是一個含有電與光信號的混合集成處理過程，器件制造需要專門的材料，這些材料包括硅、石英、摻雜二氧化硅、鈮酸鋰(LiNBO3)、砷化鎵(GaAs)及磷化銦(InP)。這一點與常見的微電子制造存在很大的不同，而且還需要先進的工藝及專門的制造技術。
光傳輸系統需要一個低噪聲與超窄頻譜的激光光源，而分布反饋式激光器(distributed feedback, DFB)則很好地滿足了這個需求，到目前為止，DFB激光器的最大應用市場仍是光傳輸系統，其第一個商用器件采用的是1300nm波長，而今天的絕大多數電信用激光器光源的輸出波長為1550nm，以方便與石英光纖的最小衰減窗口和EDFA的增益放大窗口相匹配。DFB激光器使用反饋機制來穩(wěn)定輸出頻率，在驅動電流或操作溫度中的調制及變動之下，差不多保持單一頻率，這使得它們在密集波分復用器(DWDM)上的應用更加廣泛。
表一 光子封裝的類型
激光二極管模塊制造流程
芯片制造：在晶圓層級中，制造激光器時結晶方向為(001)的基底是不可缺少的，因為必須沿著垂直于(001)結晶面的(110)晶面將晶圓裂片以制作平行鏡面。利用光刻技術在晶圓中制造出50 微米深，寬度約為200至300 微米的溝槽以提供芯片分離用的刻線。晶圓一般從背面研磨，最終留下約100微米的厚度。
切開刻面（Cleaving Facets）：然后，沿著垂直于晶圓中溝槽的方向把晶圓裂開。需要特別注意以預防缺陷產生，例如來自于裂片過程中芯片表面損壞所產生的從芯片邊緣至內部晶體的斷層/位錯。在此期間，每個二極管都需要在脈沖操作下，接受測試并選出良好的器件。
刻面鍍膜：在把晶圓裂片成二極管陣列或帶狀后，必須利用如SiO2、Al2O3及Si3N4之類的介電膜去保護波導管上的鏡面。這些絕緣膜通常利用射頻濺鍍或化學氣相沉積法(CVD)沉積形成。保護鏡面表面免于曝露在大氣環(huán)境之下，以抑制造成鏡面長期劣化的氧化作用。它也減少了表面合成速率——一個造成災難性失效的重要參數。
裝配組裝：針對較低數據傳輸速率及較短傳輸距離的應用而言，激光二極管及發(fā)光二極管通常封裝在TO-盒中。激光二極管或發(fā)光二極管首先會粘著在子載具之上，再粘著在TO-盒底座上。在較低數據傳輸速率(例如100Mbps)時芯片粘著材料一般為銀膠。在較高數據傳輸速率(例如1Gbps)時，則使用AuSn焊料以得到理想的散熱處理。
依不同的應用而定(傳輸距離及數據傳輸速率)，激光二極管接合工藝需要介于5至20 微米之間的配置精度。發(fā)光二極管芯片接合精度需求約為20 微米。在低于2.5Gbps的應用時，TO-盒是激光二極管與發(fā)光二極管封裝現今最常用的型式，而且將持續(xù)成為最大量的封裝結構。同樣地TO-盒常常用于低到中端的電信激光二極管上，加上帶著透鏡與鏡面的硅微平臺。
精密的共晶組元粘接包含：
●Si, GaAs or InP 芯片的取放裝置(Pick-and-place)
●使用可編程的x-, y- or z-軸擾動，實現In-situ回焊(reflow)或預先錫化(pre-tinned)器件。
●可編程的脈沖加熱或恒溫（見圖3）。
圖3： 可編程脈沖加熱曲線
在器件制造時，外在應力可能會加載于二極管之上。在晶圓裂片成二極管列陣的過程中，會從晶體的破裂邊緣引發(fā)器件機械性損害。位錯有時會產生在這樣的區(qū)域。在裸芯粘接（die attach）或焊線時，熱應力或機械應力也會加載于二極管芯片上，可能會在二極管累積彈性應變或在晶體產生機械性損害或擦傷。為了將這種應力最小化，這種裝配工藝應該是自動化操作的，并且最終可實現優(yōu)異的可重復性和一致性。
這種工藝控制的價值我們可以從激光二極管應用于激光光源或泵浦激光器當中得到體現，這是一個在組裝過程中需要小心謹慎的工藝控制，對溫度極端敏感的器件，在in-situ共晶裸芯粘接過程中，回焊工藝被工程化以提供一致的熔解且無孔洞的粘接接口，這將產生一致的熱傳導性，對激光器操作過程中保持溫度穩(wěn)定性有著顯著的貢獻。
光纖對準與接合
裝配的最后程序是將激光二極管與光纖對準與接合。為了達到最佳化耦合效率，最終對準需控制在真實尖峰（actual peak）0.1 微米內，由于二極管芯片、二極管器件及光纖纖芯制造上的差異，光纖必須在6個軸上都被有源對準。
光纖永久接合所使用的方法包含激光器焊接、焊錫或樹脂，最重要的參數為最后接合的光功率，接合工藝可能會引起需要注意的應力或機械偏移，即使是次微米等級的偏移，也足以使器件失效，所以接合工藝的控制相當重要。另外，為了將器件輸出功率最大化，可能還需要進行后續(xù)的接合糾正工序。
器件測試
驗證芯片接合一致性的通用方法為LIV(光、電流、電壓)測試，分析LIV測試數據可以確定
激光器的特性，包括產生激光的臨界電流、量子效率和輸出的非線性特性等，此方法是將通過激光器的驅動電流從0提升到激光器的最大操作電流，然后記錄激光器的輸出功率及跨越二極管接面的正向電壓。
除了LIV測試外，連續(xù)波(cw)與脈沖電流LIV曲線之比較，也可反映出芯片接合的一致性，如果流經芯片接面的熱量很高，那么這兩個曲線將很相似。而如果接合中出現瑕疵，這樣將會降低熱流，激光器芯片在連續(xù)波電流操作中會被加熱，而此兩曲線將有相當差異。
在上述的方法當中，最終的結論都是通過或失效。芯片接合工藝要么很好，要么就是測試呈現失效的結果。接合面溫度是芯片接合效率的一種更定量的測試，因為輸出功率、正向電壓，發(fā)光波長以及臨界電流值跟接合面溫度息息相關。最直接的方法測量激光器波長，并計算熱阻(Rth)，此方法是評估芯片接合品質的直接測量標準。
一個典型LIV測試系統的功能需求包含：
●可以高精度驅動激光二極管的電源
●能夠以fA(1 fA = 0.001A)等級的分辨率測量次pA(1 pA=10-12A，微微安培)等級電流的能力
●可規(guī)律調制模塊操作溫度的熱電冷卻器。為了確保從模塊輸出波長的一致性，以及保護器件免受過熱損害，溫度控制能力需要在±0.01C以內。
自動化光電器件裝配工藝
自動化工藝將使工藝規(guī)律化。在人工協助的工藝中可被容忍的材料與工藝變異，在工藝被自動化時會產生困難，例如，試想自動化芯片接合工藝相對手工芯片接合的例子，機械檢視取代操作者的“生物影像處理器”，高速精密機構取代人體觸覺感應，以及精細馬達技術及可編程機械邏輯取代熟練操作員的合理人力。
精密自動化芯片接合機是非常有用的，可提升產能的工具，其需要設備供貨商了解他們的工藝，這在復雜工藝自動化中確實如此，例如自動化復雜的填充及芯片接合工藝、高腳數焊線接合以及有源光學對準。
除了價格及上市時間的考慮，物理的、熱的、電性的、機械的以及制造上的考慮，在考驗著封裝的設計者們，這些問題使得設備設計者必須面對，不只是需要滿足現有的需求，更需預測在未來5年內設備平臺所需具備的能力。大面積的空氣軸承、精確的線性馬達及編碼器、聲音線圈器件、功能強大的機械軟件，以及豐富的圖形接口，已可達到機械結構與功能的進步。現在已經有能力處理p側朝下(p-side-down)的激光二極管設備，量產時誤差可達3 sigma，精度為1.5 微米，且其設備面積不到一平方公尺。
光電器件制造工業(yè)最近3年已經處于大幅降低成本壓力的情況下，大多數制造商已經認識到裝配方法必須要有示范的改變，才能使他們降低器件成本，并加速生產速度。該種改變的興起，代表手工裝配工藝在數十年間，已逐漸將該工業(yè)往高精度、高優(yōu)良率之自動化制造與測試的方向轉變。
全部裝配在一起
光器件封裝工藝所面臨的挑戰(zhàn)是如何降低產品成本。由于光器件的用途主要是處理光波，因此其封裝的設計難度遠遠高于半導體產業(yè)的設計難度，同時也更加復雜。
在半導體產業(yè)，晶圓加工的進步驅動著技術的飛躍發(fā)展，使封裝變得自動化。而光器件產業(yè)，我們已看到前端工序是非常重要的，但是同等重要的是，后續(xù)的封裝設計、可控的裝配工藝、精確的對準和定位技術也都是不可或缺的。
在同一公司中，有關產品準時上市、符合預算且具備最高品質的設計、工藝、制造工程師，供應鏈經理，文件提供者，運送以及所有單位，要使他們容易溝通是令人頭痛的挑戰(zhàn)。當這些必須在OEM與電子器件制造商(EMS)之間，或可能是設備制造商之間做到時，挑戰(zhàn)就更大。增加零件與工藝的復雜度，挑戰(zhàn)更困難。此外，隨著通訊產業(yè)的快速發(fā)展，新的設備、工藝、勞力，以及模型已經顯現用于制造復雜的零件與封裝了。
自動化最終將會為光器件的裝配產業(yè)提供完整的解決方案，然而，現在自動化仍面臨很大的挑戰(zhàn)，極端精確與工藝的需求、特殊外型因素的顯著變異、特殊材料，以及固有的困難等組合，皆因導光之需求而顯現，并且使現有大多數設備無法應用到光器件的封裝上。
然而，有少數系統能夠具備彈性，可支持這些困難的誤差與工藝需求，特別是，在混合集成半導體與高頻無線工業(yè)中所發(fā)展出的芯片接合與焊線接合技術，現在已經整合到光器件制造工業(yè)中。量產等級的精密光纖對準解決方案已經使得傳統需要人工的工藝變成自動化。
這一類設備的先期成果是振奮人心的，在實際案例的歷史上，藉由以單一自動化芯片接合機，替代四個人工接合工作站，許多公司已經經歷了提升優(yōu)良率達到50%，且節(jié)省了潔凈室地板面積達67%的經驗，也得到了3個月資金投資的回報。
對于光纖接合，性能與優(yōu)良率的提升甚至更大，將人工光纖對準工藝，升級至精確自動化工藝，已經可以在數周或數月之內完成ROI，且通常會產生較好的產品性能，此外，自動化焊線接合機已經有往高頻器件發(fā)展的趨勢，因為相比人工工藝，他們具有優(yōu)異的線長與回路輪廓的控制。自動化光纖對準工具，由于具有準確地在向量空間中定位單一光纖或光纖陣列的能力，可具備往較小光信道發(fā)展的趨勢。
EMS具有這種設備與優(yōu)異的技術、工藝及工具，將能夠使得OEM外包復雜器件、器件及封裝的制造。相對地，EMS將會需要持續(xù)磨練其供應鏈技術，以達到進一步縮減成本的目的，這些供貨商今日所發(fā)展的設備及工藝專業(yè)技術，將不僅促成光器件的高效率制造，也能夠使器件設計者們能持續(xù)推動通訊技術進入可預見的未來。
作者
Bruce W. Hueners 為Palomar Technologies公司行銷與企業(yè)發(fā)展部副總裁。聯絡地址：2230 Oak Ridge Way, Vista, CA 92083；(760)931-3600。
